JP7478413B2

JP7478413B2 - 構造体、液滴の微粒化システム、排ガス浄化システム

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Publication number: JP7478413B2
Application number: JP2020032478A
Authority: JP
Inventors: 成行落合; 直輝杉山; 飛鳥菊池; 友輔戸谷; 徹雄野原
Original assignee: Tokai University Educational Systems
Current assignee: Tokai University Educational Systems
Priority date: 2020-02-27
Filing date: 2020-02-27
Publication date: 2024-05-07
Anticipated expiration: 2040-02-27
Also published as: JP2021133321A

Description

特許法第３０条第２項適用〔１〕令和元年６月２０日にＣｏｎｔａｃｔａｎｄＳｔｒｕｃｔｕｒｅＭｅｃｈａｎｉｃｓＬａｂｏｒａｔｏｒｙ４６ｔｈＬｅｅｄｓＬｙｏｎＳｙｍｐｏｓｉｕｍｏｎＴｒｉｂｏｌｏｇｙのウェブサイトで公開された刊行物「ＢｏｏｋｏｆＡｂｓｔｒａｃｔｓ」及び「Ｂｏｏｋｌｅｔ（Ｐｒｏｇｒａｍ）」に掲載〔２〕令和元年９月２７日に公益財団法人自動車技術会２０１９秋季大会のウェブサイトに公開された刊行物「大会ファイナルプログラム」に掲載〔３〕令和元年１１月１７日に公益財団法人自動車技術会Ｔｈｅ２５ｔｈＳｍａｌｌＥｎｇｉｎｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅのウェブサイトに公開された刊行物、及び公益財団法人自動車技術会から発行された刊行物「ＦｉｎａｌＰｒｏｇｒａｍ」に掲載〔４〕令和２年１月２４日にＪ－ＳＴＡＧＥのウェブサイトに公開された論文集「自動車技術会論文集５１巻１号」に掲載

本発明は、構造体と、それを備えた液滴の微粒化システム、排ガス浄化システムに関する。

乗用車の電動化が進む一方で、ディーゼルエンジンを用いたトラック・産業機械は、未だ世界的な需要がある。特に、アジア地域や中東、南米、アフリカ等の経済発展が著しい新興国では、様々なインフラや農業拡大に合わせたトラック・建設機械・農耕機・工事現場用発電機等が急増している。それに伴い、有害な窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）を含む排ガスも急増しており、世界中の大気汚染が深刻になっている。これに対し、先進国では、ＮＯ_Ｘは、排ガス後処理装置の尿素ＳＣＲシステムを用いて浄化されている。

しかしながら、この浄化システムでは、蒸発した気体による断熱現象（ライデンフロスト現象）により、噴霧された尿素水の微粒化・気化が促進されず、尿素が析出・堆積する問題が多発している（非特許文献１）。この問題を解決するために、噴霧システムの高圧・高性能化、ミキサーの複雑機構化、ＮＯ_Ｘ還元触媒の高性能・大型化、排気管の断熱化等が行われており、トータルコストが高くなっている。そのため、現状の排ガス浄化システムに対しては、技術とコストの両面の問題を解決する手段が求められている。

これまで、液滴微粒化技術として噴霧装置のインジェクタの形状、噴霧圧、気流、遠心力、振動、音波、静電気、そして熱を利用した技術が発表されている。しかしながら、それらの技術は、噴射側の技術であり、大掛かりなシステム構成や微粒化に要する特別なエネルギーが必要になる。また、それらのエネルギー供給に要する電力やコストも問題になる。

Sugimoto. K. "Prediction for SCR Systems Performance using 3D CFD Simulation: Aiming at SCR Development for Various Layouts", YANMAR Technical Review, 5, Oct., 2017

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、大掛かりなシステム構成を利用せず、消費エネルギーを低く抑えた液滴の微粒化を可能とする構造体と、それを備えた液滴の微粒化システム、排ガス浄化システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は以下の手段を採用している。

（１）本発明の一態様に係る構造体は、ライデンフロスト現象が発生する温度状態で、液滴を衝突させる構造体であって、表面のうち前記液滴が衝突する位置に、前記表面から内側に窪む凹部からなる凹構造、前記表面から外側に突出する凸部からなる凸構造のいずれか一方、もしくは、前記凹部と前記凸部からなる凹凸構造が、設けられており、前記凹部の開口部、および隣接する前記凸部の先端同士の間は、衝突する前記液滴によって塞がれる大きさを有している。

（２）前記（１）に記載の構造体において、前記凹構造は、前記構造体の表面のうち前記液滴が衝突する位置に、２つ以上の前記凹部が形成されてなるものであってもよい。

（３）前記（１）に記載の構造体において、前記凸構造は、前記構造体の表面のうち前記液滴が衝突する位置に、２つ以上の前記凸部が形成されてなり、前記凸部は、錐体、錐台、柱体、多面体の何れかであってもよい。

（４）前記（１）に記載の構造体において、前記凹凸構造は、前記構造体の表面のうち前記液滴が衝突する位置に、２つ以上の前記凹部と前記凸部が第一方向において交互に形成され、前記第一方向と交差する第二方向において、前記凸部が連続した壁として形成されてなるものであってもよい。

（５）前記（４）に記載の構造体において、前記壁は、前記第二方向において屈曲部を有していてもよい。

（６）前記（１）～（５）のいずれか一つに記載の構造体において、前記凹部の孔径が、前記液滴の粒径の５０～２００％の範囲であることが好ましい。

（７）前記（１）～（６）のいずれか一つに記載の構造体において、前記凹部の孔径が、３０μｍ以上１２０μｍ以下であることが好ましい。

（８）前記（１）～（７）のいずれか一つに記載の構造体において、前記凹凸構造を構成する凹部の容積が、１１７８μｍ^３以上５６５４９μｍ^３以下であることが好ましい。

（９）本発明の一態様に係る液滴の微粒化システムは、前記（１）～（８）のいずれか一つに記載の構造体を備えている。

（１０）前記（９）に記載の液滴の微粒化システムにおいて、排ガス浄化システム、塗装面への微細加工システム、冷却用液滴噴霧システムのいずれか１つであって、前記冷却用液滴噴霧システムは、半導体装置、金属材料、ダイキャスト、軸受、シール面、リアクタの冷却に用いられてもよい。

（１１）本発明の一態様に係る排ガス浄化システムは、前記（１）～（８）のいずれか一つに記載の構造体を備えた排ガス浄化システムであって、前記構造体を、内壁の少なくとも一部に備えた排気管と、前記排気管の内部を流れる排ガス内の有害物質を還元する還元材料の液滴を、前記排気管の内部に注入するインジェクタと、前記排気管の内部において、前記液滴が注入される位置よりも、前記排ガスの下流側に配置された触媒収容部と、を備え、前記内壁のうち、注入される前記液滴が衝突する位置に、前記凹凸構造が設けられている。

（１２）本発明の他の一態様に係る排ガス浄化システムは、前記（１）～（８）のいずれか一つに記載の構造体を備えた排ガス浄化システムであって、前記構造体を、内壁の少なくとも一部に備えた排気管と、前記排気管の内部を流れる排ガス内の有害物質を還元する還元材料の液滴を、前記排気管の内部に注入するインジェクタと、前記排気管の内部において、前記液滴が注入される位置よりも、前記排ガスの下流側に配置され、前記排ガスの流れを均一化するミキサと、前記排気管の内部において、前記ミキサが配置される位置よりも、前記排ガスの下流側に配置された触媒収容部と、を備え、前記ミキサのうち、注入される前記液滴が衝突する位置に、前記凹凸構造が設けられている。

本発明の構造体は、表面に凹凸構造を有する。そのため、液滴が衝突した際に、凹部の開口部が液滴によって塞がり、かつ衝突した液滴と凹部の内壁との間に、空隙が設けられた状態が得られる。この状態において、凹部内の蒸気膜が圧縮され、さらに、ライデンフロスト現象温度の構造体によって加熱されることにより、暴発して液滴を噴き飛ばす。噴き飛ばされた液滴は、その衝撃によって、薄膜状態を経て微粒化されることになる。本発明の構造体を備えた液滴の微粒化システム、排ガス浄化システムでは、液滴の注入部分の複雑な構成を変えることなく、液滴の受け手側の構成のみを改良するものであるため、大掛かりなシステム構成を利用せず、消費エネルギーを低く抑えた液滴の微粒化を実現することができる。

（ａ）、（ｂ）本発明の一実施形態に係る構造体の斜視図、断面図である。（ａ）～（ｃ）構造体を用いた液体の微粒化メカニズムについて説明する図である。（ａ）、（ｂ）構造体の変形例１の斜視図、断面図である。（ａ）、（ｂ）構造体の変形例２の斜視図、断面図である。（ａ）、（ｂ）構造体の変形例３の斜視図、断面図である。構造体を備えた排ガス浄化システムの断面図である。（ａ）、（ｂ）比較例１、実施例１の構造体に対し、液滴が衝突する過程を示す画像である。（ａ）～（ｃ）比較例１、実施例２、３の構造体に対する液滴の衝突速度と、衝突後の液滴の粒径との関係を示すグラフである。（ａ）～（ｃ）構造体との衝突前後における、液滴の時間変化を示す画像である。

以下、本発明を適用した実施形態に係る構造体、液滴の微粒化システム、排ガス浄化システムについて、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。また、以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。

（構造体）
図１（ａ）は、本発明の一実施形態に係る構造体１００の斜視図である。図１（ｂ）は、Ａ－Ａ線を含む面で、構造体１００を厚み方向に切断した場合の断面図である。構造体１００は、液滴Ｄを衝突させ、微粒化する構造体である。構造体の表面１００ａのうち、液滴Ｄが衝突する位置に、凹部からなる凹構造、凸部からなる凸構造のいずれか一方、もしくは、凹部１０２と凸部１０３からなる凹凸構造１０１が設けられている。

構造体１００は、各種用途に適した材料で構成されるものとする。後述するように配管の側壁の一部を構成する構造体１００に対しては、SUH409L、SUS430、SUS430J1L、SUS429、SUS444、SUSXM15J1、SUS304、SUSX15J1、SUS436J1L、SUH409L-Al、SUS436等のフェライト系又はオーステナイト系ステンレス鋼の材料を用いることができる。また、ミキサの一部を構成する構造体１００に対しては、SUH409L、SUS430、SUS430J1L、SUS429、SUS444、SUSXM15J1、SUS304、SUSX15J1、SUS436J1L、SUH409L-Al、SUS436等のフェライト系又はオーステナイト系ステンレス鋼やアルミニウム、銅、セラミックス、プラスティックの複合材等の材料を用いることができる。

構造体１００は、様々な使用条件で使用されることを想定しているが、特にその表面に蒸気の膜が形成される断熱現象（ライデンフロスト現象）が発生する、高温（ライデンフロスト現象温度）状態で用いられる。そのため、構造体１００は、ライデンフロスト現象温度に対する耐熱性を有する。例えば、構造体１００を配管の側壁の一部として用いる場合には、排ガスの温度が２００℃以上になると考えられるため、この場合のライデンフロスト現象温度は、２００～３００℃程度となる。

凹凸構造１０１は、その表面（最表面）に対して相対的に、内側に窪んだ凹部（凹構造）１０２と、外側に突出した凸部（凸構造）１０３とを有する。ここでは、凹凸構造１０１が、Ｘ方向において凹部１０２と凸部１０３が交互に形成され、かつＸ方向と直交するＹ方向において、凹部１０２と凸部１０３が交互に形成された、ディンプル型である場合について例示している。ディンプル型の凹構造は、構造体１００の表面のうち液滴が衝突する位置に、２つ以上の凹部１０２が形成されてなる。

凹部１０２の形状について限定されることはないが、凹部の開口部（開口面）１０２ａが、微粒化しようとする液滴の粒径より若干大きく、凹部１０２の容積が液滴Ｄの体積より小さく設けられ、構造体の一面１００ａに衝突した液滴Ｄが、凹部１０２の奥（底部）まで入り込めないようになっている。したがって、液滴Ｄが衝突した際に、凹部の開口部１０２ａが液滴Ｄによって塞がり、かつ衝突した液滴Ｄと凹部の内壁（側壁、底壁）１０２ｂとの間に空隙が設けられるものとする。

液滴Ｄの粒径は、構造体１００の厚み方向Ｔの断面視（例えば図２）において、最大径と最小径の平均値で定義されるものとする。衝突した液滴Ｄと凹部の内壁１０２ｂとの間に空隙を設ける観点から、凹部１０２の孔径（幅）は、液滴Ｄの粒径の５０～２００％の範囲であることが好ましい。なお、実際に衝突させる液滴Ｄの大きさを考慮すると、凹部１０２の孔径は、３０μｍ以上１２０μｍ以下であることが好ましい。また、凹凸構造を構成する凹部の容積は、１１７８μｍ^３以上５６５４９μｍ^３以下であることが好ましい。

図２（ａ）～（ｄ）は、構造体１００を用いた液体Ｄの微粒化メカニズムについて説明する図である。微粒化メカニズムとしては、主に蒸気膜の暴発に起因したものが考えられる。

図２（ａ）に示すように、液滴Ｄが、構造体の一面１０１ａに設けられた凹部１０２に衝突する。構造体１００はライデンフロスト現象温度を有しており、構造体１００の表面に蒸気膜１０４が形成されている。凹部１０２内の蒸気膜１０４Ａは、凸部１０４を覆う蒸気膜１０４Ｂに比べて薄く形成されている。そのため、ライデンフロスト現象の影響が小さく抑えられ、液滴Ｄが構造体１００の熱を吸収し、微粒化（気化）しやすい状態になる。

液滴Ｄは、凹部１０２の内壁と近接する部分の面積（あるいは接触面積）が大きいほど、構造体１００の熱を多く吸収することができる。そのため、液滴Ｄが凹部の開口部１０２ａを塞げられる範囲で、凹部１０２の孔径（内径）は大きいほど好ましい。

微粒化率を高める上で最適な孔径について、ウェーバー数Ｗｅを用いて判断することができる。ウェーバー数Ｗｅは、慣性力と表面張力の比からなる無次元数であり、液滴Ｄの粒径Ｌ、速度Ｖ、密度ρ、および表面張力σを用いて下記（１）式で表される。後述の実験例２において、このウェーバー数Ｗｅを用いた凹部１０２の孔径の評価を行っている。

液滴Ｄの衝突に伴い、液滴Ｄの一部が凹部１０２内に侵入することにより、凹部の内壁１０２ｂに形成されていた蒸気膜１０４Ａが圧縮される。図２（ｂ）に示すように、圧縮された蒸気膜１０４Ａは、熱エネルギーが所定の大きさに達すると蒸気暴発を起こす。蒸気暴発のエネルギーが液滴Ｄに伝わり、液滴Ｄは、薄い液膜Ｄ１となって構造体１００から噴き上がる（浮き上がる）。

エネルギー的に不安定な液膜Ｄ１には、図２（ｃ）に示すように、くびれ部Ｄ２が形成される。くびれ部Ｄ２において表面張力が作用して、球形に復元しようと働く力によって、くびれ部Ｄ２より端部側（外側）の部分が分離することにより、微粒化が実現する。

（変形例１）
図３（ａ）は、変形例１に係る構造体１１０の斜視図である。図３（ｂ）は、Ａ－Ａ線を含む面で、構造体１１０を厚み方向Ｔに切断した場合の断面図である。構造体１１０の表面１１０ａでは、凸構造が、構造体の表面のうち液滴が衝突する位置に、２つ以上の凸部１０３が形成されてなる。ここでは、凸部１０３が、突出方向Ｐにおいて先端側が尖っており、後端側に近づくにつれて、突出方向Ｐに垂直な断面の面積が大きくなる錐体（円錐、角錐等）である場合について例示しているが、凸部は、錐台、柱体、多面体の何れかであってもよい。その他の構成は、図１の構造体１００と同様であり、対応する箇所については、形状の違いによらず、同じ符号で示している。

この構成では、凸部１０３が尖っているため、蒸気膜１０４に対して局所的に強い圧力を加えて壊すことができる。したがって、蒸気膜１０４の壊れた部分から露出する構造体の表面１１０ａに、液滴Ｄを接触させることができ、熱エネルギーを利用した液滴Ｄの微粒化（気化）を促すことができる。また、凸部１０３が尖っているため、これに衝突した液滴Ｄを直接壊すことにより、微粒化を促す効果も得られる。

（変形例２）
図４（ａ）は、変形例２に係る構造体１２０の斜視図である。図４（ｂ）は、Ａ－Ａ線を含む面で、構造体１２０を厚み方向Ｔに切断した場合の断面図である。構造体１２０の表面１２０ａでは、凹凸構造１０１が、第一方向（ここではＸ方向）において凹部１０２と凸部１０３が交互に形成され、第一方向と交差する第二方向（真っ直ぐに限定されないが、ここではＹ方向）において、凹部１０２同士、凸部１０３同士が、それぞれ連続して形成されてなる。第二方向においては、凸部１０３が連続した壁として形成され、凹部１０２と凸部１０３が交互に形成されていないリブレット型であるところが、構造体１００と異なる。リブレット型の凸構造は、構造体１００の表面のうち液滴が衝突する位置に、２つ以上の凸部１０３が形成されてなる。その他の構成は、図１の構造体１００と同様であり、対応する箇所については、形状の違いによらず、同じ符号で示している。

この構成では、蒸気膜１０４が、凹部が延在するＹ方向には自由に広がれるが、Ｘ方向には束縛されており、蒸気膜１０４に対する密閉効果を有しているため、上述した蒸気暴発を起こすことができる。

（変形例３）
図５（ａ）は、変形例３に係る構造体１３０の斜視図である。図５（ｂ）は、Ａ－Ａ線を含む面で、構造体１３０を厚み方向Ｔに切断した場合の断面図である。構造体１３０の表面１３０ａでは、凹凸構造１０１が、第一方向（ここではＸ方向）において凹部１０２と凸部１０３が交互に形成され、第一方向Ｘと交差する第二方向（真っ直ぐに限定されない）において、凸部１０３が連続した壁として形成されており、壁はＸＹ面内（構造体の表面１３０ａと略平行な面）で屈曲する屈曲部を有している。ＸＹ面内において、凹部１０２と凸部１０３が交互にＶ字状のパターンを形成してなるヘリングボーン型であるところが、構造体１００と異なる。その他の構成は、図１の構造体１００と同様であり、対応する箇所については、形状の違いによらず、同じ符号で示している。なお、交互に並んだＶ字状のパターンの壁は、図５（ａ）のように、１つ１つが分かれて形成されていてもよいし、Ｖ字状のパターンが繋がった１つの壁として形成されてもよい。

この構成では、蒸気膜１０４が、凹部が延在するＸ方向およびＹ方向にある程度は広がれるがＶ字型による物理的な移動の束縛がなされており、蒸気膜１０４に対する密閉効果が得られるため、上述した蒸気暴発を起こしやすくすることができる。

以上のように、本実施形態に係る構造体１００、１１０、１２０、１３０（以下では、これらを総称して、構造体１０と呼ぶ）は、表面に凹凸構造１０１を有しており、凹部の開口部１０２ａが、微粒化しようとする液滴Ｄの粒径より若干大きく、凹部１０２の容積が液滴Ｄの体積より小さく設けられている。そのため、液滴Ｄが衝突した際に、凹部の開口部１０２ａが液滴Ｄによって塞がり、かつ衝突した液滴と凹部の内壁（側壁、底壁）１０２ｂとの間に、空隙が設けられた状態が得られる。この状態において、凹部１０２内の蒸気膜１０４は圧縮され、さらに、高温の構造体１０によって加熱されることにより、暴発して液滴Ｄを噴き飛ばす。噴き飛ばされた液滴Ｄは、その衝撃によって、薄膜状態を経て微粒化されることになる。本実施形態の構造体１０は、液滴Ｄの注入部分の複雑な構成を変えることなく、液滴の受け手側の構成のみを改良するものであるため、大掛かりなシステム構成を利用せず、消費エネルギーを低く抑えた液滴の微粒化を実現することができる。

（液滴の微粒化システム、排ガス浄化システム）
本実施形態の構造体１０による液滴の微粒化システムは、（１）排ガス浄化システム、（２）塗装面への微細加工システム、（３）冷却用液滴噴霧システムとして、活用することができる。塗装面への微細加工システムは、特に、潤滑剤を保持したり、高温壁面へ微細液滴を衝突させて冷却させるために材料表面に微細加工を施す業界（半導体装置、ダイキャスト（アルミ合金やマグネシウム合金等、ダイキャスト可能な金属であれば、特に限定されない。）、軸受やシール等を扱う業界）で活用することができる。また、塗装面への微細加工システムは、自動車ボディ塗装にも活用することができる。冷却用液滴噴霧システムは、原子力発電所用冷却装置（リアクタ冷却用液滴噴霧システム）等の液滴の微粒化システムに適用することができる。

ここでは、参考として、液滴の微粒化システムを、排ガス浄化システムに適用した例を説明する。図６は、上述した構造体１０を備えた、排ガス浄化システム２００の断面図である。排ガス浄化システム２００は、主に、排気管２０１と、インジェクタ２０２と、触媒収容部２０３と、を備えている。

インジェクタ２０２は、排気管２０１の側壁に設けられた開口部２０１ａから、液滴Ｄを、排気管２０１の内部に注入する。この液滴Ｄは、排気管２０１の内部を流れる排ガスＧ１内の有害物質を還元する還元材料からなる。

排気管２０１は、内壁の少なくとも一部に構造体１０を備えている。構造体１０は、注入する液滴Ｄが衝突する位置（インジェクタの液滴噴出部２０２ａと対向する位置）において、少なくとも凹凸構造１０１を有する側が、排気管２０１の内部空間と接するように、排気管２０１の内壁に備わっている。構造体１０は、排気管２０１の内壁と一体であってもよいし、別体であってもよい。構造体１０は、複数備わっていてもよく、それらが互いに近接していてもよいし、離間していてもよい。上述したメカニズムによって、構造体１０の凹凸構造１０１に衝突した液滴Ｄは、微粒化されて、排ガスＧ１とともに触媒収容部２０３に向かって流れてゆく。

触媒収容部２０３は、排気管２０１の内部において、液滴Ｄが注入される位置よりも、排ガスＧ１の下流側に配置され、排ガスＧ１内の有害物質と、微粒化された液滴Ｄ３より発生するＮＨ_３との反応を促進する触媒を収容している。排ガスＧ１内の有害物質と微粒化された液滴Ｄ３より発生するＮＨ_３は、この触媒を介して反応し、無害な物質に変換（浄化）される。

排気管２０１内において、構造体１００と触媒収容部２０３との間に、排ガスＧ１、液滴Ｄ３の流れを均一化するミキサ２０４が備わっていてもよい。構造体１０は、ミキサ２０４に備わっていてもよく、その場合のミキサ２０４は、注入する液滴Ｄが衝突する位置（インジェクタの液滴噴出部と対向する位置）の枝部等に、凹凸構造１０１を有するものとする。

上述した排ガス浄化システム２００によれば、例えば、排気管２０１内を流れる排ガスＧ１内の有害物質がＮＯ_ｘである場合に、排気管２０１内に尿素水の液滴Ｄを注入することにより、微粒化された液滴Ｄ３より発生するＮＨ_３が、触媒を介してＮＯ_ｘと反応し、ＮＯ_ｘを無害な物質であるＮ_２とＨ_２Ｏに変換することができる。

以下、実施例により本発明の効果をより明らかなものとする。なお、本発明は、以下の実施例に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することができる。

（実験例１）
比較例１として、表面に凹凸構造を有していない未加工の部材を準備し、これに液滴を衝突させた。図７（ａ）は、液滴が衝突する過程を高速度カメラで撮影し、その画像を、左側から矢印の方向に、時間経過の順に並べたものである。

実施例１として、微細加工を行い、表面に凹凸構造が設けられた構造体を準備し、これに液滴を衝突させた。図７（ｂ）は、液滴が衝突する過程を高速度カメラで撮影し、その画像を、左側から矢印の方向に、時間経過の順に並べたものである。

図７（ａ）から、比較例１の未加工の部材に対して液滴を衝突させても、液滴は微粒化されずに跳ね返っていることが分かる。これに対し、図７（ｂ）から、凹凸構造を有する実施例１の構造体に対して液滴を衝突させると、液滴は微粒化され、複数方向に分散しながら跳ね返っていることが分かる。

（実験例２）
比較例１の未加工の部材、実施例２、３の微細加工されたディンプル形状の構造体のそれぞれについて、衝突前の液滴の画像から液滴の速度と粒径を解析し、それらの関係を調べた。実施例２では、凹部の孔径（内径）を３０μｍとし、実施例３では、凹部の孔径を６０μｍとした。図８（ａ）～（ｃ）は、比較例１、実施例２、３の構造体に対し、液滴Ｄを微粒化させる条件を示すグラフである。グラフの横軸が衝突前の液滴の速度［ｍ／ｓ］を示し、グラフの縦軸が衝突前の液滴の粒径［μｍ］を示している。

衝突後に微粒化しなかった液滴のウェーバ数が最大値となるプロットを、臨界ウェーバー数とし、微細加工による微粒化促進効果の指標として評価した。図８（ａ）のグラフから、比較例１の未加工部材では、臨界ウェーバー数は９１．８と高いことが分かる。これに対し、図８（ｂ）、（ｃ）から、凹部の穴径が３０μｍの構造体では、臨界ウェーバ数が７．７５まで低下しても微粒化が可能であり、凹部の穴径が６０μｍの構造体では、臨界ウェーバー数がさらに１．８８まで低下しても微粒化が可能であることが分かる。

図８（ａ）のグラフから、比較例１の未加工部材では、速度が９ｍ／ｓより小さいと微粒化せず、速度が９ｍ／ｓより大きいと微粒化している。つまり、比較例１の未加工部材を用いる場合、衝突速度を９ｍ／ｓより大きくしないと微粒化しないことが分かる。

これに対し、図８（ｂ）のグラフから、実施例２の構造体における微粒化の可否の傾向は、速度３．５ｍ／ｓを境にして変化する。つまり、実施例２の構造体を用いる場合には、衝突速度を３．５ｍ／ｓより大きくすれば微粒化することが分かる。

さらに、図８（ｃ）のグラフから、実施例３の構造体における微粒化の可否の傾向は、速度１．５ｍ／ｓを境にして変化する。つまり、実施例３の構造体を用いる場合には、衝突速度を１．５ｍ／ｓより大きくすれば微粒化することが分かる。

比較例１の未加工部材、実施例２、３の構造体に対し、速度３．５μｍで衝突する粒径５８μｍの液滴を撮影した。図９（ａ）は、比較例１の未加工の部材との衝突前後における、液滴の時間変化を示す画像である。図９（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ、実施例２、３の構造体との衝突前後における、液滴の時間変化を示す画像である。

図９（ａ）から、比較例１の未加工材では、蒸気膜形成による断熱効果（ライデンフロスト現象）の影響により、衝突した液滴が、１４μｓ後に微粒化せずに跳ね上がっていることが分かる。これに対し、図９（ｂ）から、実施例２の構造体では、衝突の１４μｓ後に、衝突した液滴から細かな粒子が千切れている様子を、確認することができる。さらに、図９（ｃ）から、実施例３の構造体では、衝突の７μｓ後に蒸気が激しく噴き上がり、液滴は膜状に変形して浮き上がるとともに、端部が千切れて微粒化している様子を確認することができる。

ここまで、排ガス浄化システムの説明を行ってきたが、排ガス浄化システムに限定されず、本実施形態の構造体１０は、液滴の微粒化を適用したシステムに適用可能である。例えば、本実施形態の構造体１０による液滴の微粒化は、潤滑剤を保持したり、高温壁面へ微細液滴を衝突させ、冷却させるために材料表面に微細加工を施す業界（半導体装置、ダイキャスト（アルミ合金やマグネシウム合金等、ダイキャスト可能な金属であれば、特に限定されない。）、軸受やシール、等）、自動車ボディ塗装（塗装面への微細加工）原子力発電所用冷却装置（リアクタ冷却用液滴噴霧システム）等の液滴の微粒化システムに適用することができる。

１０、１００、１１０、１２０、１３０・・・構造体
１００ａ、１１０ａ、１２０ａ、１３０ａ・・・構造体の一面
１０１・・・凹凸構造
１０２・・・凹部
１０２ａ・・・凹部の開口部
１０２ｂ・・・凹部の内壁
１０３・・・凸部
１０４、１０４Ａ、１０４Ｂ・・・蒸気膜
２００・・・排ガス浄化システム
２０１・・・排気管
２０２・・・インジェクタ
２０２ａ・・・液滴噴出部
２０３・・・触媒収容部
２０４・・・ミキサ
Ｄ・・・液滴
Ｄ１・・・液膜
Ｄ２・・・くびれ部
Ｄ３・・・液滴
Ｇ１・・・排ガス
Ｐ・・・突出方向
Ｔ・・・厚み方向

Claims

ライデンフロスト現象が発生する温度状態で、液滴を衝突させる構造体であって、
表面のうち前記液滴が衝突する位置に、前記表面から内側に窪む凹部からなる凹構造、前記表面から外側に突出する凸部からなる凸構造のいずれか一方、もしくは、前記凹部と前記凸部からなる凹凸構造が、設けられており、
前記凹部の開口部、および隣接する前記凸部の先端同士の間は、衝突する前記液滴によって塞がれる大きさを有していることを特徴とする構造体。
前記凹構造は、前記構造体の表面のうち前記液滴が衝突する位置に、２つ以上の前記凹部が形成されてなることを特徴とする請求項１に記載の構造体。
前記凸構造は、前記構造体の表面のうち前記液滴が衝突する位置に、２つ以上の前記凸部が形成されてなり、
前記凸部は、錐体、錐台、柱体、多面体の何れかであることを特徴とする請求項１に記載の構造体。
前記凹凸構造は、前記構造体の表面のうち前記液滴が衝突する位置に、２つ以上の前記凹部と前記凸部が第一方向において交互に形成され、
前記第一方向と交差する第二方向において、前記凸部が連続した壁として形成されてなることを特徴とする請求項１に記載の構造体。
前記壁は、前記第二方向において屈曲部を有していることを特徴とする請求項４に記載の構造体。
請求項１～５のいずれか一項に記載の構造体を備えていることを特徴とする液滴の微粒化システム。
排ガス浄化システム、塗装面への微細加工システム、冷却用液滴噴霧システムのいずれか１つであって、
前記冷却用液滴噴霧システムは、半導体装置、金属材料、ダイキャスト、軸受、シール面、リアクタの冷却に用いられることを特徴とする請求項６に記載の液滴の微粒化システム。
請求項１～５のいずれか一項に記載の構造体を備えた排ガス浄化システムであって、
前記構造体を、内壁の少なくとも一部に備えた排気管と、
前記排気管の内部を流れる排ガス内の有害物質を還元する還元材料の液滴を、前記排気管の内部に注入するインジェクタと、
前記排気管の内部において、前記液滴が注入される位置よりも、前記排ガスの下流側に配置された触媒収容部と、を備え、
前記内壁のうち、注入される前記液滴が衝突する位置に、前記凹凸構造が設けられていることを特徴とする排ガス浄化システム。
請求項１～５のいずれか一項に記載の構造体を備えた排ガス浄化システムであって、
前記構造体を、内壁の少なくとも一部に備えた排気管と、
前記排気管の内部を流れる排ガス内の有害物質を還元する還元材料の液滴を、前記排気管の内部に注入するインジェクタと、
前記排気管の内部において、前記液滴が注入される位置よりも、前記排ガスの下流側に配置され、前記排ガスの流れを均一化するミキサと、
前記排気管の内部において、前記ミキサが配置される位置よりも、前記排ガスの下流側に配置された触媒収容部と、を備え、
前記ミキサのうち、注入される前記液滴が衝突する位置に、前記凹凸構造が設けられていることを特徴とする排ガス浄化システム。