DE112017007992T5

DE112017007992T5 - Element zum erfassen von teilchen und teilchendetektor

Info

Publication number: DE112017007992T5
Application number: DE112017007992.6T
Authority: DE
Inventors: Keiichi Kanno; Hidemasa Okumura; Kazuyuki Mizuno
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2017-09-06
Filing date: 2017-09-06
Publication date: 2020-06-10
Also published as: WO2019049236A1; US20200200667A1; CN111065910A; JP6420525B1; JPWO2019049236A1

Abstract

Ein Element zum Erfassen von Teilchen umfasst ein Gehäuse mit einem Gasströmungsdurchgang, durch den das Gas hindurchtritt; eine Einheit zum Erzeugen von elektrischer Ladung, die elektrische Ladungen, die aufgrund einer Entladung erzeugt worden sind, den Teilchen in dem Gas zuführt, das in das Gehäuse eingeführt worden ist, wodurch die Teilchen in geladene Teilchen umgewandelt werden; und eine Sammelelektrode, die in dem Gehäuse an einer Stelle stromabwärts von der Einheit zum Erzeugen von elektrischer Ladung entlang eines Stroms des Gases angeordnet ist, wobei die Sammelelektrode die geladenen Teilchen sammelt. Der Gasströmungsdurchgang ist ein rechteckiger, quaderförmiger Raum, der sich kontinuierlich von einem Gaseinlass mit einer rechteckigen Form zu einem Gasauslass mit derselben Form wie die Form des Gaseinlasses erstreckt, und wenn das Element zum Erfassen von Teilchen derart in dem Strom des Gases angeordnet ist, dass es durch den Gasströmungsdurchgang hindurchtritt, ein Bereich mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit, in dem das Gas mit einer Strömungsgeschwindigkeit strömt, die niedriger ist als eine Strömungsgeschwindigkeit, mit der das Gas durch den Gasströmungsdurchgang hindurchtritt, in einem Bereich stromabwärts von dem Gasauslass erzeugt wird.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Element zum Erfassen von Teilchen und einen Teilchendetektor.
Stand der Technik
Ein Beispiel für einen bekannten Teilchendetektor erzeugt Ionen aufgrund einer Koronaentladung mit einem Element zum Erzeugen von elektrischer Ladung, so dass Teilchen in einem Messzielgas aufgrund der Ionen geladen werden und in geladene Teilchen umgewandelt werden. Die geladenen Teilchen werden durch eine Sammelelektrode gesammelt und die Anzahl von Teilchen wird auf der Basis der Menge von elektrischen Ladungen auf den geladenen Teilchen bestimmt, die gesammelt werden (vgl. z.B. PTL 1).
Dokumentenliste
Patentdokument
PTL 1: Internationale Veröffentlichung Nr. 2015/146456
Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
Gemäß PTL 1 können jedoch nicht alle geladenen Teilchen durch die Sammelelektrode gesammelt werden, und einige der geladenen Teilchen werden aus dem Teilchendetektor ausgetragen. Demgemäß wird die Sammelrate, mit der die Sammelelektrode die geladenen Teilchen sammelt, vorzugsweise erhöht.
Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um das vorstehend beschriebene Problem zu lösen, und die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Erhöhung der Sammelrate, mit der die Sammelelektrode die geladenen Teilchen sammelt.
Lösung des Problems
Zum Lösen der vorstehend beschriebenen Hauptaufgabe nutzt die vorliegende Erfindung die folgenden Konfigurationen.
Ein Element zum Erfassen von Teilchen gemäß der vorliegenden Erfindung wird zum Erfassen von Teilchen in einem Gas verwendet und umfasst ein Gehäuse mit einem Gasströmungsdurchgang, durch den das Gas hindurchtritt; eine Einheit zum Erzeugen von elektrischer Ladung, die elektrische Ladungen, die aufgrund einer Entladung erzeugt worden sind, den Teilchen in dem Gas zuführt, das in das Gehäuse eingeführt worden ist, wodurch die Teilchen in geladene Teilchen umgewandelt werden; und eine Sammelelektrode, die in dem Gehäuse an einer Stelle stromabwärts von der Einheit zum Erzeugen von elektrischer Ladung entlang eines Stroms des Gases angeordnet ist, wobei die Sammelelektrode die geladenen Teilchen sammelt. Der Gasströmungsdurchgang ist ein rechteckiger, quaderförmiger Raum, der sich kontinuierlich von einem Gaseinlass mit einer rechteckigen Form zu einem Gasauslass mit derselben Form wie die Form des Gaseinlasses erstreckt. Wenn das Element zum Erfassen von Teilchen derart in dem Strom des Gases angeordnet ist, dass das Gas durch den Gasströmungsdurchgang hindurchtritt, wird ein Bereich mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit, in dem das Gas mit einer Strömungsgeschwindigkeit strömt, die niedriger ist als eine Strömungsgeschwindigkeit, mit der das Gas durch den Gasströmungsdurchgang hindurchtritt, in einem Bereich stromabwärts von dem Gasauslass erzeugt.
Gemäß diesem Element zum Erfassen von Teilchen erzeugt die Einheit zum Erzeugen von elektrischer Ladung elektrische Ladungen derart, dass die Teilchen in dem Gas in geladene Teilchen umgewandelt werden, und die Sammelelektrode sammelt die geladenen Teilchen. Die Sammelelektrode bewirkt eine Veränderung einer physikalischen Größe abhängig von der Anzahl von geladenen Teilchen, die durch die Sammelelektrode gesammelt werden. Daher kann die Anzahl von Teilchen in dem Gas unter Verwendung des Elements zum Erfassen von Teilchen bestimmt werden. Der Gasströmungsdurchgang ist der rechteckige, quaderförmige Raum, der sich kontinuierlich von dem Gaseinlass mit einer rechteckigen Form zu dem Gasauslass mit derselben Form wie die Form des Gaseinlasses erstreckt. Wenn das Element zum Erfassen von Teilchen derart in dem Strom des Gases angeordnet ist, dass das Gas durch den Gasströmungsdurchgang hindurchtritt, wird der Bereich mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit, in dem das Gas mit der Strömungsgeschwindigkeit strömt, die niedriger als die Strömungsgeschwindigkeit ist, mit der das Gas durch den Gasströmungsdurchgang hindurchtritt, in dem Bereich stromabwärts von dem Gasauslass erzeugt. Die geladenen Teilchen, die nicht durch die Sammelelektrode gesammelt worden sind, strömen aus dem Gasauslass und erreichen den Bereich mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit. Die geladenen Teilchen, die den Bereich mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit erreicht haben, dienen zum Zurückdrücken der nachfolgenden geladenen Teilchen in die Richtung des Gasströmungsdurchgangs durch eine elektrische Abstoßungskraft, wenn die nachfolgenden geladenen Teilchen nicht durch die Sammelelektrode gesammelt werden und aus dem Gasauslass ausströmen. Als Ergebnis wird die Sammelrate, mit der die Sammelelektrode die geladenen Teilchen sammelt, erhöht.
In dieser Beschreibung bezieht sich der Ausdruck „Element zum Erfassen von Teilchen“ auf ein Element, das die Menge von Teilchen (z.B. die Anzahl, die Masse, die Oberfläche, usw., von Teilchen) bestimmt.
In dem Element zum Erfassen von Teilchen gemäß der vorliegenden Erfindung kann (Strömungsgeschwindigkeit des Gases in dem Bereich mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit)/(maximale Strömungsgeschwindigkeit des Gases, das durch den Gasströmungsdurchgang hindurchtritt) ≤ 0,57 erfüllt sein. In einem solchen Fall kann der Effekt der vorliegenden Erfindung verbessert werden.
In dem Element zum Erfassen von Teilchen gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Bereich mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit so ausgebildet, dass er den Gasauslass bedeckt. In einem solchen Fall kann der Effekt der vorliegenden Erfindung verstärkt werden.
In dem Element zum Erfassen von Teilchen gemäß der vorliegenden Erfindung kann das Gehäuse ein Paar von Strömungsdurchgangswänden umfassen, die den Gasströmungsdurchgang festlegen, und wenn ein Abstand zwischen dem Paar von Strömungsdurchgangswänden als Strömungsdurchgangsbreite des Gasströmungsdurchgangs festgelegt ist, kann (Wanddicke der Strömungsdurchgangswände)/(Strömungsdurchgangsbreite) ≤ 0,65 erfüllt sein. In einem solchen Fall wird der Bereich mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit zuverlässig so ausgebildet, dass er den Gasauslass bedeckt, und (Strömungsgeschwindigkeit des Gases in dem Bereich mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit)/(maximale Strömungsgeschwindigkeit des Gases, das durch den Gasströmungsdurchgang hindurchtritt) ≤ 0,31 ist erfüllt. Demgemäß kann der Effekt der vorliegenden Erfindung verstärkt werden.
In dem Element zum Erfassen von Teilchen gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine Ecke, einschließlich eine Seite des Gehäuses, die um den Gaseinlass angeordnet ist, einen Krümmungsradius von 1,0 mm oder weniger (insbesondere 0,3 mm oder weniger) aufweisen. In diesem Fall kommt das Gas, das nicht durch den Gaseinlass in den Gasströmungsdurchgang eingetreten ist, mit der Ecke in Kontakt, und strömt dann mit einer niedrigen Geschwindigkeit in einem Bereich näher an dem Gehäuse als eine Trennoberfläche, die sich schräg nach hinten von einer äußeren Oberfläche des Gehäuses erstreckt, und mit einer hohen Geschwindigkeit in einem Bereich weiter entfernt von dem Gehäuse als die Trennoberfläche. Es ist allgemein bekannt, dass die Effizienz des Wärmeaustauschs zwischen dem Gas mit niedriger Geschwindigkeit und einem Feststoff niedriger ist als die Effizienz des Wärmeaustauschs zwischen einem Gas mit hoher Geschwindigkeit und einem Feststoff. Daher ist der Wärmeaustausch zwischen dem Gehäuse und dem Gas vermindert und eine Temperaturänderung in dem Gehäuse ist entsprechend vermindert. Die vorstehend beschriebene Struktur ist signifikant vorteilhaft, wenn (Wanddicke der Strömungsdurchgangswände)/(Strömungsdurchgangsbreite) ≤ 0,65 erfüllt ist. Dies ist darauf zurückzuführen, dass in diesem Fall die Strömungsdurchgangswände eine geringe Wärmekapazität aufweisen und daher leicht durch den Wärmeaustausch mit dem Gas beeinflusst werden.
In dem Element zum Erfassen von Teilchen gemäß der vorliegenden Erfindung kann das Gehäuse ein länglicher Körper sein, der sich in einer Längsrichtung erstreckt, die eine axiale Richtung des Gasströmungsdurchgangs kreuzt, wobei ein Ende des länglichen Körpers in der Längsrichtung den Gasströmungsdurchgang aufweist und in einer Leitung angeordnet ist, durch die das Gas strömt, und das andere Ende des länglichen Körpers in der Längsrichtung mindestens einen Anschluss der Einheit zum Erzeugen von elektrischer Ladung und einen Anschluss der Sammelelektrode aufweist und außerhalb der Leitung angeordnet ist. In diesem Fall werden der Anschluss der Einheit zum Erzeugen von elektrischer Ladung und der Anschluss der Sammelelektrode nicht leicht durch das Gas mit hoher Temperatur beeinflusst, das durch die Leitung strömt, und können mit Drähten mit einem Verbindungsmaterial mit einem relativ geringen Wärmewiderstand verbunden werden, wie z.B. einem Lötmittel bzw. Lot.
Ein Teilchendetektor gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst das Element zum Erfassen von Teilchen von jedweder der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen und eine Erfassungseinheit, welche die Teilchen auf der Basis einer physikalischen Größe erfasst, die abhängig von den geladenen Teilchen variiert, die durch die Sammelelektrode gesammelt werden. Daher hat der Teilchendetektor einen Effekt ähnlich dem Effekt des vorstehend beschriebenen Elements zum Erfassen von Teilchen gemäß der vorliegenden Erfindung. Beispielsweise wird die Sammelrate, mit der die Sammelelektrode die geladenen Teilchen sammelt, erhöht.
In dieser Beschreibung umfasst der Ausdruck „elektrische Ladungen“ positive und negative elektrische Ladungen und umfasst auch Ionen. Der Ausdruck „erfasst Teilchen“ umfasst nicht nur einen Fall, bei dem die Menge von Teilchen (z.B. die Anzahl, die Masse und die Oberfläche der Teilchen) bestimmt wird, sondern auch einen Fall, bei dem bestimmt wird, ob die Menge von Teilchen innerhalb eines vorgegebenen Zahlenbereichs liegt oder nicht (beispielsweise ob die Menge von Teilchen größer als eine vorgegebene Schwelle ist oder nicht). Der Ausdruck „physikalische Größe“ bezieht sich auf jedweden Parameter, der abhängig von der Anzahl von geladenen Teilchen (Menge von elektrischen Ladungen) variiert und kann z.B. ein Strom sein.
Figurenliste

1 zeigt einen Teilchendetektor 10.
2 ist eine perspektivische Ansicht eines Elements zum Erfassen von Teilchen 20.
3 ist eine teilweise vergrößerte Ansicht von 2.
4 ist eine Schnittansicht von 2 entlang der Linie A-A.
5 ist eine Schnittansicht von 2 entlang der Linie B-B.
6 ist eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht des Elements zum Erfassen von Teilchen 20.
7 zeigt eine Strömungsgeschwindigkeitsverteilung eines Gases, das innerhalb und außerhalb des Elements zum Erfassen von Teilchen 20 strömt.
8 zeigt eine Strömungsgeschwindigkeitsverteilung eines Gases, das innerhalb und außerhalb des Elements zum Erfassen von Teilchen 20 strömt.

Beschreibung von Ausführungsformen
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf Zeichnungen beschrieben. Die 1 zeigt einen Teilchendetektor 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die 2 ist eine perspektivische Ansicht eines Elements zum Erfassen von Teilchen 20. Die 3 ist eine teilweise vergrößerte Ansicht von 2. Die 4 ist eine Schnittansicht von 2 entlang der Linie A-A. Die 5 ist eine Schnittansicht von 2 entlang der Linie B-B. Die 6 ist eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht des Elements zum Erfassen von Teilchen 20. In der vorliegenden Ausführungsform sind die Oben-unten-Richtung, die Links-rechts-Richtung und die Vorne-hinten-Richtung derart, wie es in den 1 und 2 gezeigt ist.
Unter Bezugnahme auf die 1 bestimmt der Teilchendetektor 10 die Anzahl von Teilchen 26 (vgl. die 5), die in dem Abgas enthalten sind, das durch eine Abgasleitung 12 eines Motors strömt. Dieser Teilchendetektor 10 umfasst das Element zum Erfassen von Teilchen 20 und eine Zusatzeinheit 80, die verschiedene Stromversorgungen 36, 46 und 56 und eine Anzahlerfassungseinheit 60 umfasst.
Wie es in der 1 gezeigt ist, ist das Element zum Erfassen von Teilchen 20 in einen zylindrischen Trägerkörper 14 eingesetzt und an einer ringförmigen Basis 16 angebracht, die an der Abgasleitung 12 fixiert ist. Das Element zum Erfassen von Teilchen 20 ist durch eine Schutzabdeckung 18 geschützt. Die Schutzabdeckung 18 weist ein Loch (nicht gezeigt) auf und ein Abgas, das durch die Abgasleitung 12 strömt, tritt durch dieses Loch und durch einen Gasströmungsdurchgang 24 hindurch, der an einem unteren Ende des Elements zum Erfassen von Teilchen 20 bereitgestellt ist. Wie es in der 5 gezeigt ist, umfasst das Element zum Erfassen von Teilchen 20 eine Einheit zum Erzeugen von elektrischer Ladung 30, eine Einheit zum Entfernen von überschüssiger elektrischer Ladung 40, eine Sammeleinheit 50 und eine Heizeinrichtungselektrode 72, die in einem Gehäuse 22 angeordnet sind.
Wie es in der 1 gezeigt ist, weist das Gehäuse 22 einen länglichen rechteckigen, quaderförmigen Körper auf, der sich in einer Richtung erstreckt, die eine axiale Richtung der Abgasleitung 12 kreuzt (in diesem Beispiel in einer Richtung im Wesentlichen orthogonal zu der axialen Richtung der Abgasleitung 12). Das Gehäuse 22 ist ein Isolator und ist z.B. aus einer Keramik, wie z.B. Aluminiumoxid, hergestellt. Das Gehäuse 22 weist ein unteres Ende 22a, das in der Abgasleitung 12 angeordnet ist, und ein oberes Ende 22b auf, das außerhalb der Abgasleitung 12 angeordnet ist. Das Gehäuse 22 ist mit dem Gasströmungsdurchgang 24 am unteren Ende 22a davon versehen. Das Gehäuse 22 ist mit verschiedenen Anschlüssen am oberen Ende 22b davon versehen.
Die axiale Richtung des Gasströmungsdurchgangs 24 ist mit der axialen Richtung der Abgasleitung 12 identisch. Wie es in der 2 gezeigt ist, ist der Gasströmungsdurchgang 24 ein rechteckiger, quaderförmiger Raum, der sich kontinuierlich von einem rechteckigen Gaseinlass 24a, der in einer vorderen Oberfläche des Gehäuses 22 bereitgestellt ist, zu einem rechteckigen Gasauslass 24b erstreckt, der in einer hinteren Oberfläche des Gehäuses 22 bereitgestellt ist. Das Gehäuse 22 umfasst ein Paar aus einer linken und rechten Strömungsdurchgangswand 22c und 22d, die den Gasströmungsdurchgang 24 festlegen (vgl. die 2 und 3). In der vorliegenden Ausführungsform wird, wie es in der 3 gezeigt ist, der Abstand zwischen dem Paar aus der linken und der rechten Strömungsdurchgangswand 22c und 22d als Strömungsdurchgangsbreite W des Gasströmungsdurchgangs 24 bezeichnet. Die Strömungsdurchgangswände 22c und 22d können eine Wanddicke t aufweisen, die entweder größer oder kleiner als die Strömungsdurchgangsbreite W ist, jedoch ist sie vorzugsweise kleiner als die Strömungsdurchgangsbreite W und t/W ≤ 0,65 ist vorzugsweise erfüllt. Darüber hinaus ist vorzugsweise 0,17 ≤ t/W erfüllt. Beispielsweise wird die Strömungsdurchgangsbreite W bevorzugt auf einen bestimmten Wert im Bereich von 1 bis 5 mm eingestellt und die Wanddicke t wird so eingestellt, dass die vorstehend genannten Ungleichungen erfüllt sind. Wenn z.B. die Strömungsdurchgangsbreite W 3 mm beträgt, wird die Wanddicke t vorzugsweise auf einen Wert im Bereich von 0,5 bis 1,95 mm eingestellt. Ecken, einschließlich einige der Seiten des Gehäuses 22, die um den Gaseinlass 24a angeordnet sind (Seiten 22e, 22f und 22g, die jeweils gegenüber der linken, rechten und unteren Seite des Gaseinlasses 24a in den 2 und 3 vorliegen), weisen einen Krümmungsradius auf, der vorzugsweise 1,0 mm oder weniger, mehr bevorzugt 0,1 mm oder weniger beträgt.
Eine Einheit zum Erzeugen von elektrischer Ladung 30 ist an jeder des Paars der linken und der rechten Strömungsdurchgangswand 22c und 22d bereitgestellt, so dass elektrische Ladungen in der Nähe des Gaseinlasses 24a in dem Gasströmungsdurchgang 24 erzeugt werden. Obwohl die Einheit zum Erzeugen von elektrischer Ladung 30, die an der Strömungsdurchgangswand 22c bereitgestellt ist, für eine bequeme Beschreibung beschrieben wird, ist die Einheit zum Erzeugen von elektrischer Ladung 30, die an der Strömungsdurchgangswand 22d bereitgestellt ist, der Einheit zum Erzeugen von elektrischer Ladung 30, die an der Strömungsdurchgangswand 22c bereitgestellt ist, ähnlich. Die Einheit zum Erzeugen von elektrischer Ladung 30 umfasst eine Entladungselektrode 32 und zwei Induktionselektroden 34 und 34. Die Entladungselektrode 32 ist so bereitgestellt, dass sie sich entlang einer inneren Oberfläche der Strömungsdurchgangswand 22c erstreckt, und weist eine rechteckige Form mit kleinen Vorwölbungen entlang deren Umfang auf, wie es in der 4 gezeigt ist. Die zwei Induktionselektroden 34 und 34 sind rechteckige Elektroden und sind derart in der Strömungsdurchgangswand 22c eingebettet, dass die Induktionselektroden 34 und 34 voneinander getrennt und parallel zu der Entladungselektrode 32 sind. Die Einheit zum Erzeugen von elektrischer Ladung 30 ist so ausgebildet, dass aufgrund einer Potenzialdifferenz zwischen der Entladungselektrode 32 und den zwei Induktionselektroden 34 und 34 eine Gasentladung auftritt, wenn eine Hochfrequenz-Hochspannung (z.B. eine Pulsspannung) von einer Entladungsstromversorgung 36 (Komponente der Zusatzeinheit 80) über die Entladungselektrode 32 und die zwei Induktionselektroden 34 und 34 angelegt wird. Ein Abschnitt des Gehäuses 22, der zwischen der Entladungselektrode 32 und den Induktionselektroden 34 und 34 angeordnet ist, hat die Funktion einer Dielektrikumschicht. Wenn die Gasentladung auftritt, wird Gas um die Entladungselektrode 32 ionisiert und positive elektrische Ladungen 28 werden erzeugt. Die Induktionselektroden 34 und 34 sind in diesem Beispiel geerdet.
Wenn die Teilchen 26, die in dem Gas enthalten sind, durch den Gaseinlass 24a in den Gasströmungsdurchgang 24 eintreten und an der Einheit zum Erzeugen von elektrischer Ladung 30 vorbeiströmen, haften die elektrischen Ladungen 28, die aufgrund der Gasentladung erzeugt werden, die durch die Einheit zum Erzeugen von elektrischer Ladung 30 verursacht wird, an den Teilchen 26, so dass die Teilchen 26 in geladene Teilchen P umgewandelt werden. Dann bewegen sich die geladenen Teilchen P rückwärts. Von den erzeugten elektrischen Ladungen 28 bewegen sich die elektrischen Ladungen 28, die nicht an den Teilchen 26 haften, einfach rückwärts.
Die Einheit zum Entfernen von überschüssiger elektrischer Ladung 40 ist stromabwärts von der Einheit zum Erzeugen von elektrischer Ladung 30 und stromaufwärts von der Sammeleinheit 50 angeordnet. Die Einheit zum Entfernen von überschüssiger elektrischer Ladung 40 umfasst eine Anlegeelektrode 42 und eine Entfernungselektrode 44. Die Anlegeelektrode 42 ist so bereitgestellt, dass sie sich entlang einer Innenoberfläche der Oberfläche der rechten Strömungsdurchgangswand 22d erstreckt, und liegt zum Inneren des Gasströmungsdurchgangs 24 frei. Die Entfernungselektrode 44 ist so bereitgestellt, dass sie sich entlang einer Innenoberfläche der linken Strömungsdurchgangswand 22c erstreckt und liegt zum Inneren des Gasströmungsdurchgangs 24 frei. Die Anlegeelektrode 42 und die Entfernungselektrode 44 sind so angeordnet, dass sie einander gegenüberliegen. Die Anlegeelektrode 42 ist eine Elektrode, die eine Spannung V2 (positives Potenzial), die um eine Größenordnung niedriger ist als eine Spannung V1, die nachstehend beschrieben ist, von einer Entfernungsstromversorgung 46 (Komponente der Zusatzeinheit 80) erhält. Die Entfernungselektrode 44 ist eine geerdete Elektrode. Demgemäß wird zwischen der Anlegeelektrode 42 und der Entfernungselektrode 44 der Einheit zum Entfernen von überschüssiger elektrischer Ladung 40 ein schwaches elektrisches Feld erzeugt. Daher werden von den elektrischen Ladungen 28, die durch die Einheit zum Erzeugen von elektrischer Ladung 30 erzeugt werden, die überschüssigen elektrischen Ladungen 28, die nicht an den Teilchen 26 haften, aufgrund des schwachen elektrischen Felds an die Entfernungselektrode 44 angezogen und durch diese gesammelt, und werden zur Erdung entladen. Folglich verhindert die Einheit zum Entfernen von überschüssiger elektrischer Ladung 40, dass die überschüssigen elektrischen Ladungen 28 durch eine Sammelelektrode 54 der Sammeleinheit 50 gesammelt und zum Zählen der Teilchen 26 verwendet werden.
Die Sammeleinheit 50 ist stromabwärts von der Einheit zum Erzeugen von elektrischer Ladung 30 und der Einheit zum Entfernen von überschüssiger elektrischer Ladung 40 entlang des Gasströmungsdurchgangs 24 angeordnet. Die Sammeleinheit 50, welche die geladenen Teilchen P sammelt, umfasst eine Elektrode zum Erzeugen eines elektrischen Felds 52 und die Sammelelektrode 54. Die Elektrode zum Erzeugen eines elektrischen Felds 52 ist so bereitgestellt, dass sie sich entlang der inneren Oberfläche der rechten Strömungsdurchgangswand 22d erstreckt und liegt zum Inneren des Gasströmungsdurchgangs 24 frei. Die Sammelelektrode 54 ist so bereitgestellt, dass sie sich entlang der Innenoberfläche der linken Strömungsdurchgangswand 22c erstreckt und zum Inneren des Gasströmungsdurchgangs 24 freiliegt. Die Elektrode zum Erzeugen eines elektrischen Felds 52 und die Sammelelektrode 54 sind so angeordnet, dass sie aufeinander zu gerichtet sind. Die Elektrode zum Erzeugen eines elektrischen Felds 52 ist eine Elektrode, welche die Spannung V1 (positives Potenzial), die höher ist als die Spannung V2, die an die Anlegeelektrode 42 angelegt wird, von einer Sammelstromversorgung 56 (Komponente der Zusatzeinheit 80) erhält. Die Sammelelektrode 54 ist eine Elektrode, die durch ein Amperemeter 62 geerdet ist. Demgemäß wird zwischen der Elektrode zum Erzeugen eines elektrischen Felds 52 und der Sammelelektrode 54 der Sammeleinheit 50 ein relativ starkes elektrisches Feld erzeugt. Daher werden die geladenen Teilchen P, die durch den Gasströmungsdurchgang 24 strömen, aufgrund des relativ starken elektrischen Felds an die Sammelelektrode 54 angezogen und durch diese gesammelt.
Die Größen der Elektroden 42 und 44 der Einheit zum Entfernen von überschüssiger elektrischer Ladung 40, die Intensität des elektrischen Felds, das zwischen den Elektroden 42 und 44 erzeugt wird, die Größen der Elektroden 52 und 54 der Sammeleinheit 50 und die Intensität des elektrischen Felds, das zwischen den Elektroden 52 und 54 erzeugt wird, werden so eingestellt, dass die geladenen Teilchen P nicht durch die Entfernungselektrode 44 gesammelt werden, sondern durch die Sammelelektrode 54 gesammelt werden, und dass die elektrischen Ladungen 28, die nicht an den Teilchen 26 haften, durch die Entfernungselektrode 44 entfernt werden. Diese Einstellungen sind einfach möglich, da im Allgemeinen die elektrische Mobilität der elektrischen Ladungen 28 zehnmal oder mehr größer ist als die elektrische Mobilität der geladenen Teilchen P, und die elektrischen Ladungen 28 können durch ein elektrisches Feld mit einer Intensität gesammelt werden, die um eine oder mehrere Größenordnung(en) niedriger ist als diejenige eines elektrischen Felds zum Sammeln der geladenen Teilchen P. Eine Mehrzahl von Paaren von Elektroden, wobei jedes Paar die Elektrode zum Erzeugen eines elektrischen Felds 52 und die Sammelelektrode 54 umfasst, kann bereitgestellt werden.
Die Anzahlerfassungseinheit 60 ist eine Komponente der Zusatzeinheit 80 und umfasst das Amperemeter 62 und eine Anzahlmessvorrichtung 64. Das Amperemeter 62 weist einen Anschluss, der mit der Sammelelektrode 54 verbunden ist, und einen weiteren Anschluss auf, der mit der Erdung verbunden ist. Das Amperemeter 62 misst einen Strom auf der Basis der elektrischen Ladungen 28 an den geladenen Teilchen P, die durch die Sammelelektrode 54 gesammelt werden. Die Anzahlmessvorrichtung 64 berechnet die Anzahl von Teilchen 26 auf der Basis des Stroms, der durch das Amperemeter 62 gemessen wird.
Die Heizeinrichtungselektrode 72 ist in das Gehäuse 22 eingebettet. Die Heizeinrichtungselektrode 72 ist ein streifenförmiges Heizelement, das in einem Zickzackmuster ausgebildet ist (vgl. die 6). Die Heizeinrichtungselektrode 72 ist mit einer Stromzuführungsvorrichtung (nicht gezeigt) verbunden und erzeugt Wärme, wenn dieser von der Stromzuführungsvorrichtung Elektrizität zugeführt wird. Die Heizeinrichtungselektrode 72 erwärmt das Gehäuse 22 und die Elektroden, einschließlich die Entfernungselektrode 44 und die Sammelelektrode 54.
Die Struktur des Elements zum Erfassen von Teilchen 20 wird unter Bezugnahme auf die auseinandergezogene perspektivische Ansicht von 6 weiter beschrieben. Das Element zum Erfassen von Teilchen 20 umfasst sieben Lagen S1 bis S7. Die Lagen S1 bis S7 sind jeweils aus dem gleichen Material wie das Gehäuse 22 hergestellt. Für eine bequeme Beschreibung werden die Lagen S1 bis S7 von links nach rechts als die erste Lage S1, die zweite Lage S2, usw., bezeichnet, und die rechte und die linke Oberfläche von jeder der Lagen S1 bis S7 werden jeweils als vordere bzw. hintere Oberfläche bezeichnet. Die Dicken der Lagen S1 bis S7 können in einer geeigneten Weise eingestellt werden. Beispielsweise können die Lagen S1 bis S7 entweder die gleiche Dicke oder verschiedene Dicken aufweisen.
Die erste Lage S1 weist die Heizeinrichtungselektrode 72 auf der vorderen Oberfläche davon auf. Das eine und das andere Ende der Heizeinrichtungselektrode 72 sind an einem oberen Abschnitt der vorderen Oberfläche der ersten Lage S1 angeordnet und sind mittels Durchgangslöchern in der ersten Lage S1 mit den Heizeinrichtungselektrodenanschlüssen 75 und 75 verbunden, die auf einem oberen Abschnitt der hinteren Oberfläche der ersten Lage S1 bereitgestellt sind.
Die zweite Lage S2 weist die Induktionselektroden 34 und 34 auf der vorderen Oberfläche davon auf. Die Induktionselektroden 34 und 34 sind mit einer einzelnen Verdrahtungsleitung verbunden. Ein Endabschnitt der Verdrahtungsleitung ist auf einem oberen Abschnitt der vorderen Oberfläche der zweiten Lage S2 angeordnet und ist mit einem Induktionselektrodenanschluss 35 verbunden, der auf dem oberen Abschnitt der hinteren Oberfläche der ersten Lage S1 durch Durchgangslöcher in der zweiten Lage S2 und der ersten Lage S1 bereitgestellt ist. Eine Verdrahtungsleitung 44a für die Entfernungselektrode 44 und eine Verdrahtungsleitung 54a für die Sammelelektrode 54 sind so bereitgestellt, dass sie sich in der Oben-unten-Richtung auf der vorderen Oberfläche der zweiten Lage S2 erstrecken. Die Verdrahtungsleitungen 44a und 54a sind jeweils an den oberen Enden davon mit einem Entfernungselektrodenanschluss 45 und einem Sammelelektrodenanschluss 55, die auf dem oberen Abschnitt der hinteren Oberfläche der ersten Lage S1 bereitgestellt sind, mittels Durchgangslöchern in der zweiten Lage S2 und der ersten Lage S1 verbunden.
Die dritte Lage S3 weist die Entladungselektrode 32, die Entfernungselektrode 44 und die Sammelelektrode 54 auf der vorderen Oberfläche davon auf. Die Entfernungselektrode 44 ist mit der Verdrahtungsleitung 44a auf der zweiten Lage S2 durch ein Durchgangsloch in der dritten Lage S3 verbunden und ist mit dem Entfernungselektrodenanschluss 45 durch die Verdrahtungsleitung 44a verbunden. Die Sammelelektrode 54 ist mit der Verdrahtungsleitung 54a auf der zweiten Lage S2 durch ein Durchgangsloch in der dritten Lage S3 verbunden und ist mit dem Sammelelektrodenanschluss 55 durch die Verdrahtungsleitung 54a verbunden.
Die vierte Lage S4 weist den Gasströmungsdurchgang 24, d.h., einen rechteckigen, quaderförmigen Raum, in der Nähe des unteren Endes davon auf.
Die fünfte Lage S5 weist die Entladungselektrode 32, die Anlegeelektrode 42 und die Elektrode zum Erzeugen eines elektrischen Felds 52 auf der hinteren Oberfläche davon auf.
Die sechste Lage S6 weist die Induktionselektroden 34 und 34 auf der hinteren Oberfläche davon auf. Die Induktionselektroden 34 und 34 sind mit einer einzelnen Verdrahtungsleitung verbunden. Ein Endabschnitt der Verdrahtungsleitung ist auf einem oberen Abschnitt der hinteren Oberfläche der sechsten Lage S6 angeordnet, und ist mit der Verdrahtungsleitung für die Induktionselektroden 34 auf der zweite Lage S2 mittels Durchgangslöchern in der dritten bis sechsten Lage S3 bis S6 verbunden. Demgemäß sind die Induktionselektroden 34 und 34, die auf der sechsten Lage S6 bereitgestellt sind, auch mit dem Induktionselektrodenanschluss 35 verbunden, der auf dem oberen Abschnitt der hinteren Oberfläche der ersten Lage S1 bereitgestellt ist.
Die siebte Lage S7 weist eine Verdrahtungsleitung 32a für die Entladungselektroden 32, eine Verdrahtungsleitung 42a für die Anlegeelektrode 42 und eine Verdrahtungsleitung 52a für die Elektrode zum Erzeugen eines elektrischen Felds 52 auf, die sich in der Oben-unten-Richtung auf der hinteren Oberfläche davon erstrecken. Das untere Ende der Verdrahtungsleitung 32a ist mit den Entladungselektroden 32, die auf der dritten und fünften Lage S3 und S5 bereitgestellt sind, mittels Durchgangslöchern in der vierten bis sechsten Lage S4 bis S6 verbunden. Das untere Ende der Verdrahtungsleitung 42a ist mit der Anlegeelektrode 42, die auf der hinteren Oberfläche der fünften Lage S5 bereitgestellt ist, mittels Durchgangslöchern in der fünften und sechsten Lage S5 und S6 verbunden. Das untere Ende der Verdrahtungsleitung 52a ist mit der Elektrode zum Erzeugen eines elektrischen Felds 52, die auf der hinteren Oberfläche der fünften Lage S5 bereitgestellt ist, mittels Durchgangslöchern in der fünften und sechsten Lage S5 und S6 verbunden. Die Verdrahtungsleitungen 32a, 42a und 52a sind jeweils an den oberen Enden davon mit einem Entladungselektrodenanschluss 33, einem Anlegeelektrodenanschluss 43 und einem Anschluss einer Elektrode zum Erzeugen eines elektrischen Felds 53, der auf einem oberen Abschnitt der vorderen Oberfläche der siebten Lage S7 mittels Durchgangslöchern in der siebten Lage S7 bereitgestellt ist, verbunden.
Nachstehend wird ein Beispiel für ein Verfahren zur Herstellung des Teilchendetektors 10 beschrieben. Das Element zum Erfassen von Teilchen 20 kann unter Verwendung einer Mehrzahl von Keramikgrünlagen hergestellt werden. Insbesondere wird jede der Keramikgrünlagen zur Bildung von Ausschnitten, Durchgangslöchern und Rillen darin und gegebenenfalls zur Bildung von Elektroden und Verdrahtungsmustern mittels Siebdruck verarbeitet. Danach werden die Keramikgrünlagen gestapelt und gebrannt. Die Ausschnitte, Durchgangslöcher und Rillen können mit einem Material (z.B. einem organischen Material), das in dem Brennvorgang verbrannt werden kann, gefüllt werden. Auf diese Weise wird das Element zum Erfassen von Teilchen 20 erhalten. Als nächstes werden jeweils der Entladungselektrodenanschluss 33, der Anlegeelektrodenanschluss 43 und der Anschluss der Elektrode zum Erzeugen eines elektrischen Felds 53 des Elements zum Erfassen von Teilchen 20 jeweils mit der Entladungsstromversorgung 36, der Entfernungsstromversorgung 46 und der Sammelstromversorgung 56 der Zusatzeinheit 80 verbunden. Darüber hinaus werden der Induktionselektrodenanschluss 35 und der Entfernungselektrodenanschluss 45 an dem Element zum Erfassen von Teilchen 20 geerdet und der Sammelelektrodenanschluss 55 wird mittels des Amperemeters 62 mit der Anzahlmessvorrichtung 64 verbunden. Darüber hinaus werden die Heizeinrichtungselektrodenanschlüsse 75 und 75 mit der Stromzuführungsvorrichtung (nicht gezeigt) verbunden. Auf diese Weise kann der Teilchendetektor 10 hergestellt werden.
Nachstehend wird ein Beispiel beschrieben, wie der Teilchendetektor 10 verwendet wird. Wenn die Teilchen 26, die in einem Abgas eines Kraftfahrzeugs enthalten sind, erfasst werden sollen, wird das Element zum Erfassen von Teilchen 20 an der Abgasleitung 12 des Motors angebracht, wie es vorstehend beschrieben ist (vgl. die 1).
Wie es in der 5 gezeigt ist, werden die Teilchen 26, die in dem Abgas enthalten sind, das durch den Gaseinlass 24a in das Gehäuse 22 eingeführt worden ist, in die geladenen Teilchen P umgewandelt, wenn die elektrischen Ladungen 28 (in diesem Beispiel positive elektrische Ladungen), die aufgrund einer Entladung erzeugt werden, die durch die Einheit zum Erzeugen von elektrischer Ladung 30 verursacht wird, an den Teilchen 26 haften. Die geladenen Teilchen P treten durch die Einheit zum Entfernen von überschüssiger elektrischer Ladung 40, die ein schwaches elektrisches Feld erzeugt und die Entfernungselektrode 44 umfasst, die kürzer ist als die Sammelelektrode 54, hindurch und erreichen die Sammeleinheit 50. Die elektrischen Ladungen 28, die nicht an den Teilchen 26 haften, werden an die Entfernungselektrode 44 der Einheit zum Entfernen von überschüssiger elektrischer Ladung 40 selbst in dem schwachen elektrischen Feld angezogen und durch die Entfernungselektrode 44 zu GND entladen. Demgemäß erreicht der größte Teil der unnötigen elektrischen Ladungen 28, die nicht an den Teilchen 26 haften, nicht die Sammeleinheit 50.
Die geladenen Teilchen P, welche die Sammeleinheit 50 erreicht haben, werden durch die Sammelelektrode 54 aufgrund des sammelnden elektrischen Felds, das durch die Elektrode zum Erzeugen eines elektrischen Felds 52 erzeugt wird, gesammelt. Der Strom auf der Basis der elektrischen Ladungen 28 an den geladenen Teilchen P, die durch die Sammelelektrode 54 gesammelt werden, wird durch das Amperemeter 62 gemessen und die Anzahlmessvorrichtung 64 berechnet die Anzahl von Teilchen 26 auf der Basis des Stroms. Die Beziehung zwischen dem Strom I und der Menge an elektrischen Ladungen q ist I = dq/(dt), q = Jldt. Die Anzahlmessvorrichtung 64 integriert (akkumuliert) den Stromwert für einen vorgegebenen Zeitraum zum Bestimmen eines Integralwerts (der Menge an akkumulierten elektrischen Ladungen), dividiert die Menge der akkumulierten elektrischen Ladungen durch die Elementarladung zum Bestimmen der Gesamtzahl von elektrischen Ladungen (Anzahl der gesammelten elektrischen Ladungen) und dividiert die Anzahl der gesammelten elektrischen Ladungen durch die durchschnittliche Anzahl von elektrischen Ladungen, die an einem einzelnen Teilchen 26 haften (durchschnittliche Anzahl von elektrischen Ladungen), um die Anzahl Nt von Teilchen 26 zu bestimmen, die durch die Sammelelektrode 54 gesammelt werden (vgl. die nachstehend angegebene Gleichung (1)). Die Anzahlmessvorrichtung 64 bestimmt diese Anzahl Nt als die Anzahl von Teilchen 26 in dem Abgas. $\begin{array}{l} Nt = (Anzahl von akkumulierten eletrischen Ladungen) / {(Elementarladung) \times \\ (durchschnittliche Anzahl von elektrischen Ladungen)} \end{array}$
Wenn das Element zum Erfassen von Teilchen 20 verwendet wird, können sich im Laufe der Zeit eine große Anzahl von Teilchen 26 und anderen Substanzen auf der Sammelelektrode 54 ansammeln. In einem solchen Fall kann die Sammelelektrode 54 zusätzliche geladene Teilchen P gegebenenfalls nicht sammeln. Daher wird die Sammelelektrode 54 durch die Heizeinrichtungselektrode 72 periodisch oder wenn die Menge an akkumulierten Substanzen eine vorgegebene Menge erreicht, erwärmt. Demgemäß werden die Substanzen, die sich auf der Sammelelektrode 54 angesammelt haben, verbrannt und die Elektrodenoberfläche der Sammelelektrode 54 wird aufgefrischt. Darüber hinaus können die Teilchen 26, die an der Innenumfangsoberfläche des Gehäuses 22 haften, auch unter Verwendung der Heizeinrichtungselektrode 72 verbrannt werden.
Der Gasströmungsdurchgang 24 ist ein rechteckiger, quaderförmiger Raum, der sich kontinuierlich von dem Gaseinlass 24a mit einer rechteckigen Form zu dem Gasauslass 24b mit derselben Form wie der Gaseinlass 24a erstreckt. Wenn bewirkt wird, dass das Abgas durch den Gasströmungsdurchgang 24 hindurchtritt, wird die Strömungsgeschwindigkeitsverteilung erhalten, die in der 7 gezeigt ist. Die 7 zeigt die Strömungsgeschwindigkeitsverteilung auf einer Schnittansicht des Elements zum Erfassen von Teilchen 20 (entsprechend einer Schnittansicht von 2 entlang der Linie B-B), wenn das Element zum Erfassen von Teilchen 20 in einem Strom des Abgases angeordnet ist. Die 7 basiert auf einem Farbdiagramm, das die Strömungsgeschwindigkeitsverteilung so zeigt, dass die Strömungsgeschwindigkeit in der Reihenfolge von roten, orangen, gelben, grünen, blauen, indigofarbenen und violetten Bereichen abnimmt. Die 7 ist ein Grauskalendiagramm, in welches das Farbdiagramm umgewandelt worden ist. Wie es in der 7 gezeigt ist, wird ein Bereich mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit LA, in dem das Abgas mit einer Strömungsgeschwindigkeit strömt, die niedriger ist als die Strömungsgeschwindigkeit, mit der das Abgas durch den Gasströmungsdurchgang 24 hindurchtritt, in einem Bereich stromabwärts von dem Gasauslass 24b erzeugt. Die geladenen Teilchen P, die nicht durch die Sammelelektrode 54 gesammelt worden sind, strömen aus dem Gasauslass 24b aus und erreichen den Bereich mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit LA. Die geladenen Teilchen P, die den Bereich mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit LA erreicht haben, dienen zum Zurückdrücken der nachfolgenden geladenen Teilchen P in die Richtung des Gasströmungsdurchgangs 24 durch eine elektrische Abstoßungskraft, wenn die nachfolgenden geladenen Teilchen P nicht durch die Sammelelektrode 54 gesammelt werden und von dem Gasauslass 24b ausströmen. Als Ergebnis wird die Sammelrate, mit der die Sammelelektrode 54 die geladenen Teilchen P sammelt, erhöht.
Der Bereich mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit LA, der in der 7 gezeigt ist, erfüllt R ≤ 0,57, wenn R ein Strömungsgeschwindigkeitsverhältnis ist, das als (Strömungsgeschwindigkeit des Abgases in dem Bereich mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit LA)/(maximale Strömungsgeschwindigkeit des Abgases, das durch den Gasströmungsdurchgang 24 hindurchtritt) festgelegt ist. Ob der Bereich mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit LA, der R ≤ 0,57 erfüllt, vorliegt oder nicht, kann durch eine Bezugnahme auf das Farbdiagramm, das die Strömungsgeschwindigkeitsverteilung zeigt, auf der die 7 basiert, leicht bestimmt werden. Die 7 zeigt, dass der Bereich mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit LA so ausgebildet ist, dass er den Gasauslass 24b bedeckt. Demgemäß werden die geladenen Teilchen P, die den Bereich mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit LA erreicht haben, die nachfolgenden geladenen Teilchen P leicht in die Richtung des Gasströmungsdurchgangs 24 zurückdrücken, wenn die nachfolgenden geladenen Teilchen P aus dem Gasauslass 24b ausströmen, wie es vorstehend beschrieben ist, und die Sammelrate der geladenen Teilchen P wird weiter erhöht.
Die Wanddicke t der Strömungsdurchgangswände 22c und 22d, die in der 7 gezeigt ist, erfüllt (Wanddicke t der Strömungsdurchgangswände)/(Strömungsdurchgangsbreite W) ≤ 0,65. Insbesondere sind in der 7 t = 1 mm und W = 3 mm. In diesem Fall wird der Bereich mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit LA zuverlässig so ausgebildet, dass er den Gasauslass 24b bedeckt, und die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases in dem Bereich mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit LA ist ausreichend niedrig, so dass (Strömungsgeschwindigkeitsverhältnis R) ≤ 0,31 erfüllt ist. Demgemäß drücken die geladenen Teilchen P, die den Bereich mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit LA erreicht haben, die nachfolgenden geladenen Teilchen P leichter in die Richtung des Gasströmungsdurchgangs 24, wenn die nachfolgenden geladenen Teilchen P aus dem Gasauslass 24b ausströmen, wie es vorstehend beschrieben worden ist, und die Sammelrate der geladenen Teilchen P wird weiter erhöht. Ein solcher Effekt kann erhalten werden, wenn t/W ≤ 0,65 erfüllt ist. Selbst wenn die Wanddicke t der Strömungsdurchgangswände 22c und 22d t/W ≤ 0,65 nicht erfüllt, kann der Effekt des Erhöhens der Sammelrate der geladenen Teilchen P erhalten werden. Beispielsweise selbst wenn die Wanddicke t gleich der Strömungsdurchgangsbreite W ist, wie es in der 8 gezeigt ist (t = W = 3 mm in der 8), wird der Bereich mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit LA in einem Bereich stromabwärts von dem Gasauslass 24b erzeugt, und wird so ausgebildet, dass er den Gasauslass 24b bedeckt, obwohl nicht so deutlich wie in der 7. Demgemäß kann der Effekt des Erhöhens der Sammelrate der geladenen Teilchen P erhalten werden. Obwohl der Bereich mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit LA in der 8 (Strömungsgeschwindigkeitsverhältnis R) ≤ 0,57 erfüllt, ist (Strömungsgeschwindigkeitsverhältnis R) ≤ 0,31 nicht erfüllt. Daher ist der Effekt des Erhöhens der Sammelrate der geladenen Teilchen P in der 7 größer als in der 8. Die Wanddicke t und die Strömungsdurchgangsbreite W umfassen nicht die Dicke der Elektroden 32, 42, 44, 52 und 54 (im Allgemeinen mehrere zehn Mikrometer).
Der Krümmungsradius der Ecken, einschließlich die Seiten 22e bis 22g des Gehäuses 22, die um den Gaseinlass 24a angeordnet sind (vgl. die 3), beträgt vorzugsweise 1,0 mm oder weniger (insbesondere 0,3 mm oder weniger). In diesem Fall kommt, wie es in der 7 gezeigt ist, das Abgas, das nicht durch den Gaseinlass 24a in den Gasströmungsdurchgang 24 eingetreten ist, mit den Ecken in Kontakt, und strömt dann mit einer niedrigen Geschwindigkeit in Bereichen, die näher an dem Gehäuse 22 liegen als die Trennoberflächen BF, die sich von den äußeren Oberflächen des Gehäuses 22 schräg rückwärts erstrecken, und mit einer hohen Geschwindigkeit in Bereichen, die weiter von dem Gehäuse 22 entfernt sind als die Trennoberflächen BF. Es ist allgemein bekannt, dass die Effizienz des Wärmetauschs zwischen einem Gas mit einer niedrigen Geschwindigkeit und einem Feststoff niedriger ist als die Effizienz des Wärmetauschs zwischen einem Gas mit hoher Geschwindigkeit und einem Feststoff. Daher ist der Wärmetausch zwischen dem Gehäuse 22 und dem Abgas vermindert und eine Temperaturänderung in dem Gehäuse 22 wird entsprechend vermindert. Als Ergebnis wird die Genauigkeit der Messung der Anzahl Nt von Teilchen erhöht. Insbesondere ist die Anzahl Nt von Teilchen 26 eine Funktion der durchschnittlichen Anzahl von elektrischen Ladungen, wie es vorstehend beschrieben worden ist, und es ist bekannt, dass die durchschnittliche Anzahl von elektrischen Ladungen eine Funktion der Temperatur ist. Daher wird, wenn die Temperaturänderung in dem Gehäuse 22 vermindert wird und die durchschnittliche Anzahl von elektrischen Ladungen stabilisiert wird, die Genauigkeit der Messung der Anzahl von Nt erhöht. Wenn der Krümmungsradius der Ecken, einschließlich der Seiten 22e bis 22g, größer als 1,0 mm ist, werden die Trennoberflächen BF nicht ausgebildet und das Gas strömt entlang der äußeren Oberflächen des Gehäuses 22 mit einer hohen Geschwindigkeit. Demgemäß wird die Temperaturänderung in dem Gehäuse 22 nicht vermindert. Der Effekt der Struktur, in welcher der Krümmungsradius der Ecken, einschließlich die Seiten 22e bis 22g, 1,0 mm oder weniger beträgt, kann ungeachtet der Beziehung zwischen der Wanddicke t und der Strömungsdurchgangsbreite W erhalten werden. Beispielsweise kann dieser Effekt auch in dem Fall von 8 erhalten werden. Die vorstehende Struktur ist jedoch signifikant vorteilhaft, wenn (Wanddicke t der Strömungsdurchgangswände)/(Strömungsdurchgangsbreite W) ≤ 0,65 erfüllt ist. Dies ist darauf zurückzuführen, dass in diesem Fall die Strömungsdurchgangswände 22c und 22d eine geringe Wärmekapazität aufweisen und daher leicht durch den Wärmeaustausch mit dem Abgas beeinflusst werden. Die Trennoberflächen BF werden auch ausgebildet, wenn der Krümmungsradius 0 mm beträgt. Wenn jedoch die Ecken zu scharf sind, splittern die vorragenden Ecken leicht ab und deren Form kann aufgrund der abgesplitterten Oberflächen leicht uneinheitlich werden. Die Ecken mit einer solchen uneinheitlichen Form können die Strömung stören, wobei in diesem Fall stabile Trennoberflächen nicht leicht gebildet werden können. Um dies zu verhindern, ist der Krümmungsradius vorzugsweise größer als oder gleich 0,01 mm.
Gemäß dem vorstehend beschriebenen Teilchendetektor 10 strömen die geladenen Teilchen P, die nicht durch die Sammelelektrode 54 gesammelt worden sind, aus dem Gasauslass 24b heraus und erreichen den Bereich mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit LA. Die geladenen Teilchen P, die den Bereich mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit LA erreicht haben, dienen zum Zurückdrücken der nachfolgenden geladenen Teilchen P in die Richtung des Gasströmungsdurchgangs 24 durch die elektrische Abstoßungskraft, wenn die nachfolgenden geladenen Teilchen P nicht durch die Sammelelektrode 54 gesammelt werden und aus dem Gasauslass 24b ausströmen. Als Ergebnis wird die Sammelrate, mit der die Sammelelektrode 54 die geladenen Teilchen P sammelt, erhöht. Wenn die Spannung V1 erhöht wird, so dass das Sammelleistungsvermögen des Teilchendetektors 10 erhöht wird, bestehen Risiken eines dielektrischen Durchschlags in dem Gasströmungsdurchgang 24 und eines Kurzschlusses zwischen den Verdrahtungsleitungen. Daher ist es sehr effektiv, die Sammelrate ohne Ändern der Spannung V1 zu erhöhen.
Der Teilchendetektor 10 ist vorzugsweise so ausgebildet, dass (Strömungsgeschwindigkeitsverhältnis R) ≤ 0,57 erfüllt ist, und dass der Bereich mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit LA so ausgebildet ist, dass er den Gasauslass 24b bedeckt. In diesem Fall wird die Sammelrate, mit der die Sammelelektrode 54 die geladenen Teilchen P sammelt, weiter erhöht.
Darüber hinaus ist vorzugsweise t/W ≤ 0,65 erfüllt. In diesem Fall wird der Bereich mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit LA zuverlässig so ausgebildet, dass er den Gasauslass 24b bedeckt, und die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases in dem Bereich mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit LA ist ausreichend niedrig, so dass (Strömungsgeschwindigkeitsverhältnis R) ≤ 0,31 erfüllt ist. Daher wird die Sammelrate, bei der die Sammelelektrode 54 die geladenen Teilchen P sammelt, weiter erhöht. Zum Sicherstellen einer ausreichenden Festigkeit der Strömungsdurchgangswände 22c und 22d ist vorzugsweise 0,17 < t/W erfüllt.
Darüber hinaus beträgt der Krümmungsradius der Ecken, einschließlich der Seiten 22e bis 22g des Gehäuses 22, die um den Gaseinlass 24a angeordnet sind, vorzugsweise 1,0 mm oder weniger. In diesem Fall wird der Wärmeaustausch zwischen den äußeren Oberflächen des Gehäuses 22 und dem Abgas vermindert, und die Temperaturänderung in dem Gehäuse 22 wird entsprechend vermindert. Als Ergebnis wird die Genauigkeit der Messung der Anzahl Nt von Teilchen erhöht.
Darüber hinaus weist das Gehäuse 22, das ein länglicher Körper ist, den Gasströmungsdurchgang 24 am unteren Ende davon auf, das in der Abgasleitung 12 angeordnet ist, und weist die Elektrodenanschlüsse 33, 35, 43, 45, 53, 55 und 75 am oberen Ende davon auf, das außerhalb der Abgasleitung 12 angeordnet ist. Daher werden die Elektrodenanschlüsse 33, 35, 43, 45, 53, 55 und 75 nicht leicht durch das Hochtemperaturabgas beeinflusst, das durch die Abgasleitung 12 strömt, und können mit einem Verbindungsmaterial mit einer relativ niedrigen Wärmebeständigkeit, wie z.B. einem Lötmittel oder Lot, mit externen Drähten verbunden werden.
Die Sammelelektrode 54 sammelt die geladenen Teilchen P mittels eines elektrischen Felds. Daher können die geladenen Teilchen P effizient auf der Sammelelektrode 54 gesammelt werden.
Darüber hinaus kann, da die Heizeinrichtungselektrode 72 in dem Gehäuse 22 eingebettet ist, die Temperatur des Gehäuses 22 unter Verwendung der Heizeinrichtungselektrode 72 gesteuert werden. Darüber hinaus können die Teilchen 26, die an der Sammelelektrode 54 haften, und andere Komponenten, wenn das Element zum Erfassen von Teilchen 20 verwendet wird, durch die Heizeinrichtungselektrode 72 erwärmt und verbrannt werden, so dass die Sammelelektrode 54 und andere Komponenten aufgefrischt werden.
Darüber hinaus umfasst das Element zum Erfassen von Teilchen 20 die Entfernungselektrode 44, die stromaufwärts von der Sammelelektrode 54 in der Richtung des Gasstroms in dem Gehäuse 22 angeordnet ist. Daher werden die elektrischen Ladungen 28, die nicht an den Teilchen 26 haften (überschüssige elektrische Ladungen) durch die Entfernungselektrode 44 entfernt, bevor sie durch die Sammelelektrode 54 gesammelt werden. Folglich kann verhindert werden, dass die Anzahl der Teilchen durch die überschüssigen elektrischen Ladungen beeinflusst wird.
Es ist selbstverständlich, dass die vorliegende Erfindung keinesfalls auf die vorstehend beschriebene Ausführungsform beschränkt ist und in verschiedenen Modi ausgeführt werden kann, solange die Modi zu dem technischen Umfang der vorliegenden Erfindung gehören.
Beispielsweise weisen in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform die Strömungsdurchgangswände 22c und 22d des Gasströmungsdurchgangs 24 die Wanddicke t auf. Die Strömungsdurchgangswand 22c kann jedoch die Wanddicke t1 aufweisen und die Strömungsdurchgangswand 22d kann eine Wanddicke t2 (≠ t1) aufweisen. In diesem Fall sind vorzugsweise (Wanddicke t1 der Strömungsdurchgangswand)/(Strömungsdurchgangsbreite W) ≤ 0,65 und (Wanddicke t2 der Strömungsdurchgangswand)/(Strömungsdurchgangsbreite W) ≤ 0,65 beide erfüllt.
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform können zwei oder mehr Gasströmungsdurchgänge 24 nebeneinander in dem Gehäuse 22 bereitgestellt sein. In einem solchen Fall kann beispielsweise die Intensität des elektrischen Felds, das durch die Sammelelektrode 54 erzeugt wird, für jeden Gasströmungsdurchgang 24 so geändert werden, dass die Teilchendurchmesserverteilung der gesammelten Teilchen 26 für jeden Gasströmungsdurchgang 24 geändert werden kann.
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform kann das Element zum Erfassen von Teilchen 20 so ausgebildet sein, dass der Bereich mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit LA nicht erzeugt wird und dass der Krümmungsradius der Ecken, einschließlich die Seiten 22e bis 22g des Gehäuses 22, die um den Gaseinlass 24a angeordnet sind, 1,0 mm oder weniger (insbesondere 0,3 mm oder weniger) beträgt. In einem solchen Fall wird der Effekt des Bereichs mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit LA nicht erhalten, jedoch kann der Effekt der Ecken erhalten werden. Insbesondere wird der Wärmeaustausch zwischen den äußeren Oberflächen des Gehäuses 22 und dem Abgas vermindert, so dass die Temperaturänderung in dem Gehäuse 22 vermindert wird und die Genauigkeit der Messung der Anzahl Nt von Teilchen erhöht wird.
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform umfasst jede Einheit zum Erzeugen von elektrischer Ladung 30 die Entladungselektrode 32, die sich entlang der inneren Oberfläche des Gasströmungsdurchgangs 24 erstreckt, und zwei Induktionselektroden 34 und 34, die in dem Gehäuse 22 eingebettet sind. Jede Einheit zum Erzeugen von elektrischer Ladung 30 kann jedoch jedwede Struktur aufweisen, solange elektrische Ladungen aufgrund einer Gasentladung erzeugt werden können. Beispielsweise können die Induktionselektroden 34 und 34 so bereitgestellt werden, dass sie sich entlang der inneren Oberfläche des Gasströmungsdurchgangs 24 erstrecken, anstatt dass sie in den Wänden um den Gasströmungsdurchgang 24 eingebettet sind. Alternativ kann, wie es in PTL 1 beschrieben ist, jede Einheit zum Erzeugen von elektrischer Ladung eine Nadelelektrode und eine Gegenelektrode umfassen.
Obwohl in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform die Elektrode zum Erzeugen eines elektrischen Felds 52 in dem Gasströmungsdurchgang 24 freiliegt, kann die Elektrode zum Erzeugen eines elektrischen Felds 52 stattdessen in dem Gehäuse 22 eingebettet sein. Darüber hinaus kann die Elektrode zum Erzeugen eines elektrischen Felds 52 durch ein Paar von Elektroden zum Erzeugen eines elektrischen Felds ersetzt werden, das derart in dem Gehäuse 22 bereitgestellt ist, dass die Sammelelektrode 54 in der Oben-unten-Richtung dazwischen angeordnet ist, und die geladenen Teilchen P können in einem elektrischen Feld, das durch Anlegen einer Spannung zwischen dem Paar von Elektroden zum Erzeugen eines elektrischen Felds erzeugt wird, in die Richtung der Sammelelektrode 54 bewegt werden. Dies gilt auch für die Anlegeelektrode 42.
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform wird die Spannung V1 an die Elektrode zum Erzeugen eines elektrischen Felds 52 angelegt. Selbst wenn keine Spannung angelegt wird und kein elektrisches Feld durch die Elektrode zum Erzeugen eines elektrischen Felds 52 erzeugt wird, erreichen, wenn die Strömungsdurchgangsbreite W auf einen kleinen Wert eingestellt wird (z.B. 0,01 mm oder größer und kleiner als 0,2 mm), die geladenen Teilchen P mit relativ kleinen Teilchendurchmessern und die einer schnellen Brown'schen Bewegung unterliegen, die Sammelelektrode 54. Demgemäß können die geladenen Teilchen P durch die Sammelelektrode 54 gesammelt werden. In diesem Fall ist es nicht erforderlich, dass das Element zum Erfassen von Teilchen 20 die Elektrode zum Erzeugen eines elektrischen Felds 52 umfasst.
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist der Teilchendetektor 10 an der Abgasleitung 12 eines Motors angebracht. Ein Gegenstand, an dem der Teilchendetektor 10 angebracht ist, ist jedoch nicht speziell auf die Abgasleitung 12 eines Motors beschränkt, und es kann sich stattdessen um jedwede Leitung handeln, solange ein Gas, das Teilchen enthält, durch diese hindurchtritt.
Obwohl in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform das Element zum Erfassen von Teilchen 20 die Anzahl von Teilchen bestimmt, kann das Element zum Erfassen von Teilchen 20 stattdessen die Masse oder die Oberfläche der Teilchen bestimmen. Die Masse der Teilchen kann durch Multiplizieren der Anzahl von Teilchen durch die durchschnittliche Masse der Teilchen bestimmt werden. Alternativ kann im Vorhinein ein Kennfeld, das die Beziehung zwischen der Menge von akkumulierten elektrischen Ladungen und der Masse der gesammelten Teilchen zeigt, in einer Speichervorrichtung gespeichert werden und die Masse der Teilchen kann auf der Basis der Menge von akkumulierten elektrischen Ladungen durch Bezugnahme auf dieses Kennfeld bestimmt werden. Die Oberfläche der Teilchen kann durch ein Verfahren bestimmt werden, das dem Verfahren zur Bestimmung der Masse der Teilchen ähnlich ist.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Die vorliegende Erfindung ist auf einen Teilchendetektor anwendbar, der die Anzahl von Teilchen in einem Abgas einer kraftbetriebenen Maschine, wie z.B. eines Kraftfahrzeugs, bestimmt.
Bezugszeichenliste
10 Teilchendetektor, 12 Abgasleitung, 14 Trägerkörper, 16 Basis, 18 Schutzabdeckung, 20 Element zum Erfassen von Teilchen, 22 Gehäuse, 22a Unteres Ende, 22b Oberes Ende, 22c Strömungsdurchgangswand, 22d Strömungsdurchgangswand, 22e bis g Seiten, 24 Gasströmungsdurchgang, 24a Gaseinlass, 24b Gasauslass, 26 Teilchen, 28 Elektrische Ladung, 30 Einheit zum Erzeugen von elektrischer Ladung, 32 Entladungselektrode, 32a Verdrahtungsleitung, 33 Entladungselektrodenanschluss, 34 Induktionselektrode, 35 Induktionselektrodenanschluss, 36 Entladungsstromversorgung, 40 Einheit zum Entfernen von überschüssiger elektrischer Ladung, 42 Anlegeelektrode, 42a Verdrahtungsleitung, 43 Anlegeelektrodenanschluss, 44 Entfernungselektrode, 44a Verdrahtungsleitung, 45 Entfernungselektrodenanschluss, 46 Entfernungsstromversorgung, 50 Sammeleinheit, 52 Elektrode zum Erzeugen eines elektrischen Felds, 52a Verdrahtungsleitung, 53 Anschluss der Elektrode zum Erzeugen eines elektrischen Felds, 54 Sammelelektrode, 54a Verdrahtungsleitung, 55 Sammelelektrodenanschluss, 56 Sammelstromversorgung, 60 Anzahlerfassungseinheit, 62 Amperemeter, 64 Anzahlmessvorrichtung, 72 Heizeinrichtungselektrode, 75 Heizeinrichtungselektrodenanschluss, 80 Zusatzeinheit, BF Trennoberfläche, LA Bereich mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit, S1 bis S7 Erste bis siebte Lage, P Geladenes Teilchen, t Wanddicke der Strömungsdurchgangswand, W Strömungsdurchgangsbreite

Claims

Element zum Erfassen von Teilchen, das zum Erfassen von Teilchen in einem Gas verwendet wird, wobei das Element zum Erfassen von Teilchen umfasst: ein Gehäuse mit einem Gasströmungsdurchgang, durch den das Gas hindurchtritt; eine Einheit zum Erzeugen von elektrischer Ladung, die elektrische Ladungen, die aufgrund einer Entladung erzeugt worden sind, den Teilchen in dem Gas zuführt, das in das Gehäuse eingeführt worden ist, wodurch die Teilchen in geladene Teilchen umgewandelt werden; und eine Sammelelektrode, die in dem Gehäuse an einer Stelle stromabwärts von der Einheit zum Erzeugen von elektrischer Ladung entlang eines Stroms des Gases angeordnet ist, wobei die Sammelelektrode die geladenen Teilchen sammelt, wobei der Gasströmungsdurchgang ein rechteckiger, quaderförmiger Raum ist, der sich kontinuierlich von einem Gaseinlass mit einer rechteckigen Form zu einem Gasauslass mit derselben Form wie die Form des Gaseinlasses erstreckt, und wenn das Element zum Erfassen von Teilchen derart in dem Strom des Gases angeordnet ist, dass das Gas durch den Gasströmungsdurchgang hindurchtritt, ein Bereich mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit, in dem das Gas mit einer Strömungsgeschwindigkeit strömt, die niedriger ist als eine Strömungsgeschwindigkeit, mit der das Gas durch den Gasströmungsdurchgang hindurchtritt, in einem Bereich stromabwärts von dem Gasauslass erzeugt wird.
Element zum Erfassen von Teilchen nach Anspruch 1, bei dem (Strömungsgeschwindigkeit des Gases im Bereich mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit)/(maximale Strömungsgeschwindigkeit des Gases, das durch den Gasströmungsdurchgang hindurchtritt) ≤ 0,57 erfüllt ist.
Element zum Erfassen von Teilchen nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Bereich mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit so ausgebildet ist, dass er den Gasauslass bedeckt.
Element zum Erfassen von Teilchen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das Gehäuse ein Paar von Strömungsdurchgangswänden umfasst, die den Gasströmungsdurchgang festlegen, und wenn ein Abstand zwischen dem Paar von Strömungsdurchgangswänden als Strömungsdurchgangsbreite des Gasströmungsdurchgangs festgelegt ist, (Wanddicke der Strömungsdurchgangswände)/(Strömungsdurchgangsbreite) ≤ 0,65 erfüllt ist.
Element zum Erfassen von Teilchen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem eine Ecke, einschließlich eine Seite des Gehäuses, die um den Gaseinlass angeordnet ist, einen Krümmungsradius von 1,0 mm oder weniger aufweist.
Element zum Erfassen von Teilchen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das Gehäuse ein länglicher Körper ist, der sich in einer Längsrichtung erstreckt, die eine axiale Richtung des Gasströmungsdurchgangs kreuzt, ein Ende des länglichen Körpers in der Längsrichtung den Gasströmungsdurchgang aufweist und in einer Leitung angeordnet ist, durch die das Gas strömt, und das andere Ende des länglichen Körpers in der Längsrichtung mindestens einen Anschluss der Einheit zum Erzeugen von elektrischer Ladung und einen Anschluss der Sammelelektrode aufweist und außerhalb der Leitung angeordnet ist.
Teilchendetektor, umfassend: das Element zum Erfassen von Teilchen nach einem der Ansprüche 1 bis 6; und eine Erfassungseinheit, die Teilchen auf der Basis einer physikalischen Größe erfasst, die abhängig von den geladenen Teilchen, die durch die Sammelelektrode gesammelt werden, variiert.