DE112018002030T5

DE112018002030T5 - Partikelzähler

Info

Publication number: DE112018002030T5
Application number: DE112018002030.4T
Authority: DE
Inventors: Keiichi Kanno; Hidemasa Okumura; Kazuyuki Mizuno
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2017-05-15
Filing date: 2018-05-15
Publication date: 2020-01-16
Also published as: JPWO2018212156A1; CN110612442A; WO2018212156A1; US20200072792A1

Abstract

Ein Partikelzähler 10 umfasst ein elektrisches Ladungserzeugungselement, eine Sammelvorrichtung und eine Anzahlmessvorrichtung. Das Ladungserzeugungselement bringt elektrische Ladungen, die durch Entladung erzeugt werden, auf Partikel in einem Gas auf, das in eine Gasströmungsleitung 12 eingebracht wird, um geladene Partikel zu bilden. Die Sammelvorrichtung sammelt die geladenen Partikel auf einer Sammelelektrode 48 unter Verwendung eines elektrischen Feldes, das durch einen Feldgenerator 42 erzeugt wird. Die Anzahlmessvorrichtung detektiert die Anzahl an geladenen Partikeln auf der Grundlage einer physikalischen Größe an der Sammelelektrode 48, wobei die physikalische Größe abhängig von der Anzahl der von der Sammelelektrode 48 gesammelten geladenen Partikel variiert. Die Gasströmungsleitung 12 weist einen skelettbildenden Abschnitt 13 (13a bis 13d) auf, der aus einem keramischen Material gebildet ist und dicht ist, und einen spannungsentlastenden Abschnitt 14 (14a bis 14d), der in Kontakt mit dem skelettbildenden Abschnitt 13 steht, aus einem Material gebildet ist, das ein geringeres Elastizitätsmodul aufweist als das keramische Material, und der dicht ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Partikelzähler.
Stand der Technik
In einem bekannten Partikelzähler werden Partikel in einem Gas, das in eine keramische Gasströmungsleitung eingebracht wird, mit Ionen geladen, die durch Koronaentladung unter Verwendung eines elektrischen Ladungserzeugungselements erzeugt werden, die geladenen Partikel werden von einer Sammelelektrode gesammelt und die Anzahl an Partikeln wird basierend auf der Menge der elektrischen Ladungen auf den gesammelten Partikeln von einem Anzahlzähler gemessen (siehe z. B. PTL 1).
Literaturliste
Patentliteratur
PTL1: WO 2015/146456
Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
Wird die Anzahl an Partikeln in einem Hochtemperaturgas unter Verwendung eines solchen Partikelzählers gemessen, kann jedoch aufgrund von Thermoschock ein Riss auftreten, wenn Wasser an einer keramischen Gasströmungsleitung haftet. Ein Riss kann nicht nur dann zu einer verringerten Messgenauigkeit führen, wenn er die Wand der Gasströmungsleitung durchdringt, sondern auch, wenn er die Wand der Gasströmungsleitung nicht durchdringt. Kommt es zu einem Riss, der die Wand der Gasströmungsleitung nicht durchdringt, wird die Wand der Gasströmungsleitung insbesondere durch die von dem Riss freigesetzten Spannungen verformt und ein an der Wand befestigtes Ladungserzeugungselement wird verschoben. In einem zur Erzeugung einer Koronaentladung erforderlichen nicht gleichmäßigen elektrischen Feld ist die Verteilung von elektrischen Kraftlinien an einem Endabschnitt konzentriert, weshalb jegliche Verformung eine große Änderung in der Verteilung des elektrischen Feldes bewirken kann. Dies geht einher mit einer Änderung in der räumlichen Verteilung der Ionendichte, infolgedessen die Menge an Ionen, die an einem Partikel haften, von dem Entwurfswertebereich abweicht, was zu einer verringerten Messgenauigkeit führt.
Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um diese Probleme zu lösen und eine ihrer Hauptaufgaben ist es, die Verschiebung eines Ladungserzeugungselements zu verhindern.
Lösung des Problems
Ein Partikelzähler gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst ein elektrisches Ladungserzeugungselement, das elektrische Ladungen, die durch Entladung erzeugt werden, auf Partikel in einem Gas aufbringt, das in eine Gasströmungsleitung eingebracht wird, um geladene Partikel zu bilden; eine Sammeleinheit zum Sammeln geladener Partikel, die stromabwärts des Ladungserzeugungselements in einer Richtung einer Strömung des Gases angeordnet ist und die geladenen Partikel sammelt; und eine Anzahldetektionseinheit, die die Anzahl der geladenen Partikel auf der Grundlage einer physikalischen Größe an der Sammeleinheit zum Sammeln geladener Partikel detektiert, wobei die physikalische Größe abhängig von der Anzahl der von der Sammeleinheit zum Sammeln geladener Partikel gesammelten geladenen Partikel variiert,
wobei die Gasströmungsleitung einen skelettbildenden Abschnitt aufweist, der aus einem keramischen Material gebildet und dicht ist, und einen spannungsentlastenden Abschnitt, der in Kontakt mit dem skelettbildenden Abschnitt steht, aus einem Material gebildet ist, das ein geringeres Elastizitätsmodul aufweist als das keramische Material, und der dicht ist. Alternativ umfasst ein Partikelzähler gemäß der vorliegenden Erfindung ein elektrisches Ladungserzeugungselement, das elektrische Ladungen, die durch Entladung erzeugt werden, auf Partikel in einem Gas aufbringt, das in eine Gasströmungsleitung eingebracht wird, um geladene Partikel zu bilden; eine Überschussladungssammeleinheit, die stromabwärts des Ladungserzeugungselements in einer Richtung einer Strömung des Gases angeordnet ist und überschüssige elektrische Ladungen sammelt, die die Partikel nicht geladen haben; und eine Anzahldetektionseinheit, die die Anzahl der geladenen Partikel auf der Grundlage einer physikalischen Größe an der Überschussladungssammeleinheit detektiert, wobei die physikalische Größe abhängig von der Anzahl der von der Überschussladungssammeleinheit gesammelten überschüssigen elektrischen Ladungen variiert, wobei die Gasströmungsleitung einen skelettbildenden Abschnitt aufweist, der aus einem keramischen Material gebildet und dicht ist, und einen spannungsentlastenden Abschnitt, der in Kontakt mit dem skelettbildenden Abschnitt steht, aus einem Material gebildet ist, das ein geringeres Elastizitätsmodul aufweist als das keramische Material, und der dicht ist.
In diesem Partikelzähler bringt das elektrische Ladungserzeugungselement elektrische Ladungen, die durch Entladung erzeugt werden, auf Partikel in einem Gas auf, das in eine Gasströmungsleitung eingebracht wird, um geladene Partikel zu bilden. Die Sammeleinheit zum Sammeln geladener Partikel sammelt die geladenen Partikel und die Anzahldetektionseinheit detektiert die Anzahl der Partikel im Gas auf der Grundlage einer physikalischen Größe an der Sammeleinheit zum Sammeln geladener Partikel, wobei die physikalische Größe abhängig von der Anzahl der von der Sammeleinheit zum Sammeln geladener Partikel gesammelten geladenen Partikel variiert. Alternativ sammelt die Überschussladungssammeleinheit überschüssige elektrische Ladungen und die Anzahldetektionseinheit detektiert die Anzahl an geladenen Partikeln auf der Grundlage einer physikalischen Größe an der Überschussladungssammeleinheit, wobei die physikalische Größe abhängig von der Anzahl der von der Überschussladungssammeleinheit gesammelten überschüssigen elektrischen Ladungen variiert. Die Gasströmungsleitung weist einen skelettbildenden Abschnitt auf, der aus einem keramischen Material gebildet und dicht ist, und einen spannungsentlastenden Abschnitt, der in Kontakt mit dem skelettbildenden Abschnitt steht, aus einem Material gebildet ist, das ein geringeres Elastizitätsmodul aufweist als das den skelettbildenden Abschnitt bildende keramische Material, und der dicht ist. Mit dieser Ausführung ist die gesamte Gasströmungsleitung dicht und somit kann das die Partikel enthaltende Gas nicht durch die Wand der Gasströmungsleitung strömen. Wird die Anzahl an Partikeln in einem Hochtemperaturgas gemessen, wird, wenn Wasser an der Gasströmungsleitung haftet, der Teil, wo Wasser haftet, schnell abgekühlt und durch den Thermoschock wird Energie erzeugt. Der spannungsentlastende Abschnitt der Gasströmungsleitung reduziert jedoch die Energiedichte, weshalb die Spannungskonzentration reduziert werden kann, um das Auftreten von Rissen in der Gasströmungsleitung zu unterdrücken. Dies kann die Verschiebung des Ladungserzeugungselements aufgrund von Rissbildung verhindern und die Messgenauigkeit kann somit hoch gehalten werden.
Der Ausdruck „elektrische Ladungen“ soll hier neben positiven Ladungen und negativen Ladungen auch Ionen umfassen. Der Ausdruck „Detektieren der Anzahl an Partikeln“ soll nicht nur bedeuten, dass die Anzahl der Partikel gemessen wird, sondern auch, dass bestimmt wird, ob sich die Anzahl der Partikel in einem vorbestimmten Zahlenbereich befindet (z. B. ob die Anzahl einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet). Die „physikalische Größe“ kann jeder Parameter sein, der in Abhängigkeit von der Anzahl an geladenen Partikeln (Menge der elektrischen Ladungen) variiert und ein Beispiel für solche Parameter ist Strom. Der Ausdruck „dicht sein“ bezieht sich auf eine offene Porosität von 5 % oder weniger (bevorzugt 3 % oder weniger, bevorzugter 1 % oder weniger).
In dem Partikelzähler der vorliegenden Erfindung kann sich der skelettbildende Abschnitt aus geteilten Elementen zusammensetzen, die durch Teilen der Gasströmungsleitung in eine Vielzahl von Teilen gebildet werden, und der spannungsentlastende Abschnitt kann sich aus Verbindungsschichten zusammensetzen, die die Vielzahl von geteilten Elementen miteinander verbinden. In dieser Ausführung wird die Gasströmungsleitung durch Verbinden der Vielzahl von geteilten Elementen mittels der Verbindungsschichten verbunden, wodurch die Gasströmungsleitung leicht hergestellt wird. Die Gasströmungsleitung kann ein viereckiger Zylinder sein und die geteilten Elemente können durch Teilen der Gasströmungsleitung in vier Teile auf vier Seiten gebildet werden. In dieser Ausführung sind die geteilten Elemente planare Elemente und dürfen sich in der planaren Richtung durch die Verbindungsschichten, die den spannungsentlastenden Abschnitt darstellen, ausdehnen und zusammenziehen, wodurch das Auftreten von Rissbildung in der Gasströmungsleitung wirksamer unterdrückt werden kann.
In dem Partikelzähler der vorliegenden Erfindung kann der skelettbildende Abschnitt ein röhrenförmiger Körper sein, dessen Form der Gasströmungsleitung entspricht, und der spannungsentlastende Abschnitt kann als eine Schicht an mindestens entweder einer Außenfläche, einer Innenfläche, oder einem Innenteil des röhrenförmigen Körpers angeordnet sein. Wird die Anzahl an Partikeln in einem Hochtemperaturgas gemessen, wird, wenn Wasser an der Gasströmungsleitung haftet, Thermoschockenergie erzeugt, wobei die Energiedichte zumindest teilweise durch den spannungsentlastenden Abschnitt reduziert wird. Wird der spannungsentlastende Abschnitt als eine Schicht an einer Außenfläche des röhrenförmigen Körpers angeordnet, dient der spannungsentlastende Abschnitt auch zum Schutz der Gasströmungsleitung. Ist der spannungsentlastende Abschnitt als eine Schicht einem inneren Teil des röhrenförmigen Körpers angeordnet, ist es besonders unwahrscheinlich, dass sich der spannungsentlastende Abschnitt von dem röhrenförmigen Körper abschält.
In dem Partikelzähler der vorliegenden Erfindung beträgt das Elastizitätsmodul des spannungsentlastenden Abschnitts bevorzugt nicht mehr als das 0,7-Fache des Elastizitätsmoduls des keramischen Materials, das den skelettbildenden Abschnitt bildet. Dies kann thermische Spannungen, die erzeugt werden können, wenn Wasser an der Gasströmungsleitung haftet, ausreichend reduzieren.
In dem Partikelzähler der vorliegenden Erfindung ist der skelettbildende Abschnitt bevorzugt aus mindestens einem keramischen Material gebildet, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Aluminiumoxid, Siliziumnitrid, Mullit, Cordierit und Magnesiumoxid. Der spannungsentlastende Abschnitt ist bevorzugt aus kristallisiertem Glas gebildet. Der Partikelzähler der vorliegenden Erfindung ist in der Regel an einem Auspuffrohr angebracht, das aus einem metallischen Material gebildet ist, wodurch thermische Spannungen reduziert werden können, wenn der skelettbildende Abschnitt aus einem Material gebildet ist, dessen Ausdehnungskoeffizient nahe dem (10 ppm/°C oder mehr) des metallischen Materials liegt. In dieser Hinsicht ist Magnesiumoxid als Material für den skelettbildenden Abschnitt geeignet. Im Partikelzähler der vorliegenden Erfindung sind das Ladungserzeugungselement und die Sammeleinheit zum Sammeln geladener Partikel (oder die Überschussladungssammeleinheit) mit leitfähigen Elektroden versehen. Das Material für die Elektroden kann beispielsweise ein elektrisch leitfähiges Material sein, das Pt enthält. Innerhalb metallischer Materialien hat Pt einen relativ niedrigen Ausdehnungskoeffizienten von 10,5 ppm/°C. Wird ein elektrisch leitendes Material, das Pt enthält, als ein Material für die Elektroden verwendet, kann daher Aluminiumoxid als ein Material für den skelettbildenden Abschnitt verwendet werden.
In dem Partikelzähler der vorliegenden Erfindung kann die Sammeleinheit zum Sammeln geladener Partikel zwischen einem Paar von Sammelfelderzeugungselektroden derart angeordnet sein, dass geladene Partikel gesammelt werden, wenn eine Sammelspannung zwischen dem Paar von Sammelfelderzeugungselektroden angelegt wird. Der Partikelzähler der vorliegenden Erfindung kann zwischen dem Ladungserzeugungselement und der Sammeleinheit zum Sammeln geladener Partikel eine Überschussladungsentfernungseinheit umfassen, die überschüssige elektrische Ladungen entfernt. Die Überschussladungsentfernungseinheit kann zwischen einem Paar von Entfernungsfelderzeugungselektroden angeordnet sein, sodass überschüssige elektrische Ladungen, die nicht auf Partikel aufgebracht wurden, gesammelt werden, wenn eine Entfernungsspannung zwischen dem Paar von Entfernungsfelderzeugungselektroden angelegt wird, die geringer ist als die Sammelspannung.
Der Partikelzähler der vorliegenden Erfindung wird beispielsweise bei Luftgütemessungen, Raumklimamessungen, Schadstoffmessungen, Messungen von Verbrennungspartikeln aus Fahrzeugen und dergleichen, bei der Überwachung von Partikelerzeugungsumgebungen und der Überwachung von Partikelsyntheseumgebungen verwendet.
Figurenliste

1 ist eine Schnittansicht, die eine schematische Ausführung eines Partikelzählers 10 zeigt.
2 ist eine Schnittansicht entlang Linie A-A in 1.
3 ist eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen dem Elastizitätsmodulverhältnis und dem Sicherheitsfaktorverhältnis zeigt.
4 ist eine Schnittansicht einer Gasströmungsleitung 112.
5 ist eine Schnittansicht einer Gasströmungsleitung 212.
6 ist eine Schnittansicht einer Modifikation einer Gasströmungsleitung 12.
7 ist eine perspektivische Ansicht eines elektrischen Ladungserzeugungselements 120.
8 ist eine Schnittansicht, die eine schematische Ausführung eines Partikelzählers 310 zeigt.

Beschreibung von Ausführungsformen
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachstehend mit Bezug auf die Figuren beschrieben. 1 ist eine Schnittansicht, die eine schematische Ausführung eines Partikelzählers 10 zeigt, und 2 ist eine Schnittansicht entlang Linie A-A in 1.
Der Partikelzähler 10 misst die Anzahl an in einem Gas (z. B. Autoabgasen) enthaltenen Partikeln. Der Partikelzähler 10 umfasst eine Gasströmungsleitung 12 aus Keramik; und ein Ladungserzeugungselement 20, eine Sammelvorrichtung 40, eine Überschussladungsentfernungsvorrichtung 50, eine Anzahlmessvorrichtung 60 und eine Heizvorrichtung 70, die in der Gasströmungsleitung 12 angeordnet sind.
Die Gasströmungsleitung 12 weist einen Gaseinlass 12a auf, durch den ein Gas in die Gasströmungsleitung 12 eingeleitet wird, einen Gasauslass 12b, durch den das Gas, das durch die Gasströmungsleitung 12 geströmt ist, ausgestoßen wird, und einen hohlen Abschnitt 12c, d. h. einen Raum zwischen dem Gaseinlass 12a und dem Gasauslass 12b. Die Gasströmungsleitung 12 ist ein viereckiger Zylinder, d. h. ein Rohr mit viereckigem Querschnitt, wie in 2 dargestellt. Die Gasströmungsleitung 12 weist einen skelettbildenden Abschnitt 13 auf, der aus einem keramischen Material gebildet und dicht ist, und einen spannungsentlastenden Abschnitt 14, der in Kontakt mit dem skelettbildenden Abschnitt 13 steht, aus einem Material gebildet ist, das ein geringeres Elastizitätsmodul aufweist als das den skelettbildenden Abschnitt 13 bildende keramische Material, und der dicht ist. Der skelettbildende Abschnitt 13 umfasst Elemente, die durch Teilen der Gasströmungsleitung 12 in vier Teile an vier Seiten gebildet werden. Der skelettbildende Abschnitt 13 umfasst insbesondere ein oberes Element 13a, ein unteres Element 13b und zwei Seitenwandelemente 13c und 13d. Beispiele für keramische Materialien, die die vier Elemente 13a bis 13d bilden, umfassen, ohne darauf beschränkt zu sein: Aluminiumoxid (Elastizitätsmodul: 280 GPa, Ausdehnungskoeffizient: 8,0 ppm/°C), Siliziumnitrid (Elastizitätsmodul: 270 GPa, Ausdehnungskoeffizient: 3,5 ppm/°C), Mullit (Elastizitätsmodul: 210 GPa, Ausdehnungskoeffizient: 5,8 ppm/°C), Cordierit (Elastizitätsmodul: 145 GPa, Ausdehnungskoeffizient: 0,1 ppm/°C oder weniger), und Magnesiumoxid (Elastizitätsmodul: 245 GPa, Ausdehnungskoeffizient 12,9 ppm/°C). Ausdehnungskoeffizient bezieht sich auf den Koeffizienten der thermischen Ausdehnung (40°C bis 850°C) (im Folgenden synonym verwendet). Diese vier Elemente 13a bis 13d sind dicht und ihre offene Porosität beträgt 5 % oder weniger, bevorzugt 3 % oder weniger und bevorzugter 1 % oder weniger. Der spannungsentlastende Abschnitt 14 ist aus vier Verbindungsschichten 14a bis 14d gebildet, die die vier Elemente 13a bis 13d miteinander verbinden. Der spannungsentlastende Abschnitt 14 umfasst insbesondere die Verbindungsschicht 14a, die das obere Element 13a mit dem Seitenwandelement 13c verbindet, die Verbindungsschicht 14b, die das obere Element 13a mit dem Seitenwandelement 13d verbindet, die Verbindungsschicht 14c, die das untere Element 13b mit dem Seitenwandelement 13c verbindet, und die Verbindungsschicht 14d, die das untere Element 13b mit dem Seitenwandelement 13d verbindet. Beispiele für Materialien, die die vier Verbindungsschichten 14a bis 14d bilden, umfassen Metalle und gängiges Glas, in dem keine Kristallphasen ausgefällt sind. Kristallisiertes Gas wird bevorzugt, da es bei Erweichung Gleichförmigkeit aufweist, was zum Versiegeln von Vorteil ist, und da es nach dem Kristallisieren nicht erweicht. Beispiele für kristallisiertes Glas sind, ohne darauf beschränkt zu sein, Neoceram (Elastizitätsmodul: 100 GPa, Ausdehnungskoeffizient: 0,1 ppm/°C) und kristallisiertes Glas für Festoxidbrennstoffzellen (Elastizitätsmodul: 50 bis 150 GPa, Ausdehnungskoeffizient: 9,5 bis 13,0 ppm/°C). Kristallisiertes Glas wird auch als Glaskeramik bezeichnet. Die vier Verbindungsschichten 14a bis 14d sind dicht und ihre offene Porosität beträgt 5 % oder weniger, bevorzugt 3 % oder weniger und bevorzugter 1 % oder weniger. Der Unterschied im Koeffizienten der thermischen Ausdehnung zwischen dem skelettbildenden Abschnitt 13 und dem spannungsentlastenden Abschnitt 14 liegt bevorzugt innerhalb von ±1 ppm/°C, bevorzugter innerhalb von ±0.5 ppm/°C.
Im Folgenden wird ein Verfahren zur Herstellung der Gasströmungsleitung 12 beschrieben. Zuerst werden die Elemente 13a bis 13d hergestellt. Insbesondere wird ein Rohpulver zu einem Pressling mit einer vorgegebenen Form geformt und der Pressling wird gesintert, um die Elemente 13a bis 13d zu erhalten, die aus dem dichten keramischen Material gebildet sind. Elektroden und andere Teile werden vor der Bildung eingebettet. Als nächstes wird eine Glaspulverpaste (eine Mischung aus Glaspulver, einem Bindemittel und einem Lösungsmittel) auf Verbindungen aufgetragen und die Elemente 13a bis 13d werden miteinander verbunden. Die verbundenen Elemente werden bis zu einem Glaserweichungspunkt (z. B 500 °C) und bis zu einer thermischen Zersetzungstemperatur von Kohlenstoff (z. B. 600 °C) erhitzt und dann auf einer höheren Temperatur (z. B. 800 °C) gehalten, damit eine Kristallphase wächst, wodurch sich die Verbindungsschichten 14a bis 14d, die aus kristallisierten Glas bestehen, bilden. Die Glaspulverpaste kann durch eine Grünschicht aus Glaspulver oder eine Glasplatte (erhalten durch Packen von Glaspulver in eine Form und Fixieren des Glaspulvers durch Pressen und optionales Erhitzen) ersetzt werden. Diese sind fest und sind somit von Vorteil, da sie leichter zu handhaben sind als Paste. Die Glasplatte enthält keinen Kohlenstoff und ist daher von Vorteil, da es unwahrscheinlich ist, dass nach dem Erhitzen Poren und dergleichen entstehen.
Ein 1/4-Modell (der in 2 von einer gepunktet-gestrichelten Linie umgebene Teil) der Gasströmungsleitung 12 wurde zur Berechnung der thermischen Spannungen verwendet. Bei einer Umgebungstemperatur von 600 °C wurde, als die Temperatur eines Bereichs mit Grenzen zwischen dem skelettbildenden Abschnitt 13 (in diesem Fall Aluminiumoxid) und dem spannungsentlastenden Abschnitt 14 100 °C erreichte, nachdem Wasser an dem Bereich haften blieb, der Sicherheitsfaktor bei Elastizitätsmodulverhältnissen von 0,9, 0,7 und 0,3 bestimmt. Die Ergebnisse sind in 3 dargestellt. Elastizitätsmodulverhältnis = Elastizitätsmodul des spannungsentlastenden Abschnitts/Elastizitätsmodul von Aluminiumoxid. Sicherheitsfaktor = erlaubte Spannungen von Aluminiumoxid/maximale Spannungen. Erlaubte Spannungen von Aluminiumoxid = 2160 MPa. Die maximalen Spannungen bei Elastizitätsmodulverhältnissen von 0,9, 0,7 und 0,3 waren 700 MPa, 500 MPa bzw. 300 MPa. 3 zeigt, dass der Sicherheitsfaktor vorteilhafterweise 5 oder mehr beträgt, wenn das Elastizitätsmodulverhältnis 0,7 oder weniger beträgt.
Das Ladungserzeugungselement 20 ist in der Gasströmungsleitung 12 auf der dem Gaseinlass 12a näher gelegenen Seite angeordnet. Das Ladungserzeugungselement 20 umfasst eine Nadelelektrode 22 und eine Gegenelektrode 24, die so angeordnet ist, dass sie der Nadelelektrode 22 zugewandt ist.
Die Nadelelektrode 22 und die Gegenelektrode 24 sind mit einer
Entladungsenergiequelle 26 verbunden, die eine Spannung Vp (z. B. eine Impulsspannung) anlegt. Die Gegenelektrode 24 ist eine Masseelektrode. Wird eine Spannung Vp zwischen der Nadelelektrode 22 und der Gegenelektrode 24 angelegt, kommt es aufgrund einer Potentialdifferenz zwischen den Elektroden zu einer Gasentladung. Durchläuft ein Gas die Gasentladung, werden elektrische Ladungen 18 auf Partikel 16 im Gas aufgebracht, um geladene Partikel P zu bilden.
Die Sammelvorrichtung 40, die eine Vorrichtung zum Sammeln der geladenen Partikel P ist, ist am hohlen Abschnitt 12c (stromabwärts des Ladungserzeugungselements 20 in der Richtung der Strömung der Abgase) in der Gasströmungsleitung 12 angeordnet. Die Sammelvorrichtung 40 umfasst einen Feldgenerator 42 und eine Sammelelektrode 48. Der Feldgenerator 42 umfasst eine negative Elektrode 44, die in eine Wand des hohlen Abschnitts 12c eingebettet ist, und eine positive Elektrode 46, die in eine Wand eingebettet ist, die der negativen Elektrode 44 zugewandt ist. Die Sammelelektrode 48 ist auf der Wand des hohlen Abschnitts 12c freigelegt, in den die positive Elektrode 46 eingebettet ist. Ein negatives Potential -V1 wird an die negative Elektrode 44 des Feldgenerators 42 angelegt und ein Massepotential Vss wird an die positive Elektrode 46 angelegt. Das Niveau des negativen Potentials -V1 liegt in einem Bereich einer Größenordnung von -mV bis minus einigen Zehn Volt. Folglich wird im hohlen Abschnitt 12c ein elektrisches Feld erzeugt, das von der positiven Elektrode 46 zur negativen Elektrode 44 gerichtet ist. Dementsprechend werden die geladenen Partikel P, die in den hohlen Abschnitt 12c gelangt sind, unter der Wirkung des erzeugten elektrischen Feldes zur positiven Elektrode 46 gezogen und von der Sammelelektrode 48 gesammelt, die auf dem Weg zur positiven Elektrode 46 angeordnet ist.
Die Überschussladungsentfernungsvorrichtung 50, die eine Vorrichtung zum Entfernen elektrischer Ladungen 18 ist, die nicht auf die Partikel 16 aufgebracht wurden, ist stromaufwärts der Sammelvorrichtung 40 in Richtung der Strömung der Abgase (zwischen dem Ladungserzeugungselement 20 und der Sammelvorrichtung 40) in dem hohlen Abschnitt 12c angeordnet. Die Überschussladungsentfernungsvorrichtung 50 beinhaltet einen Feldgenerator 52 und eine Entfernungselektrode 58. Der Feldgenerator 52 umfasst eine negative Elektrode 54, die in eine Wand des hohlen Abschnitts 12c eingebettet ist, und eine positive Elektrode 56, die in eine Wand eingebettet ist, die der negativen Elektrode 54 zugewandt ist. Die Entfernungselektrode 58 ist auf der Wand des hohlen Abschnitts 12c freigelegt, in den die positive Elektrode 56 eingebettet ist. Ein negatives Potential -V2 wird an die negative Elektrode 54 des Feldgenerators 52 angelegt und ein Massepotential Vss wird an die positive Elektrode 56 angelegt. Das Niveau des negativen Potentials -V2 liegt in einem Bereich einer Größenordnung von -mV bis minus einigen Zehn Volt. Der Absolutwert des negativen Potentials -V2 ist um mindestens eine Größenordnung kleiner als der Absolutwert des negativen Potentials -V1, das an die negative Elektrode 44 der Sammelvorrichtung 40 angelegt ist. Folglich wird ein schwaches elektrisches Feld erzeugt, das von der positiven Elektrode 56 zur negativen Elektrode 54 gerichtet ist. Folglich werden von den durch Gasentladung an dem Ladungserzeugungselement 20 erzeugten elektrischen Ladungen 18 elektrische Ladungen 18, die nicht auf die Partikel 16 aufgebracht wurden, unter der Wirkung des schwachen elektrischen Feldes zur positiven Elektrode 56 gezogen und über die Entfernungselektrode 58, die sich auf dem Weg zur positiven Elektrode 56 befindet, an den GND abgegeben.
Die Anzahlmessvorrichtung 60, die eine Vorrichtung zum Messen der Anzahl der Partikel 16 auf der Grundlage der Menge der elektrischen Ladungen 18 der geladenen Partikel P ist, die von der Sammelelektrode 48 gesammelt werden, beinhaltet eine Strommesseinheit 62 und eine Anzahlberechnungseinheit 64. Zwischen der Strommesseinheit 62 und der Sammelelektrode 48 sind ein Kondensator 66, ein Widerstand 67 und ein Schalter 68 von der Seite der Sammelelektrode 48 in Reihe geschaltet. Der Schalter 68 ist bevorzugt ein Halbleiterschalter. Wird der Schalter 68 eingeschaltet und werden die Sammelelektrode 48 und die Strommesseinheit 62 elektrisch miteinander verbunden, wird ein Strom, der auf den elektrischen Ladungen 18 basiert, die auf die an der Sammelelektrode 48 haftenden geladenen Partikel P aufgetragen sind, durch eine Serienschaltung, die sich aus dem Kondensator 66 und dem Widerstand 67 zusammensetzt, als Transiente an die Strommesseinheit 62 übertragen. Die Strommesseinheit 63 kann ein herkömmliches Amperemeter sein. Die Anzahlberechnungseinheit 64 berechnet die Anzahl der Partikel 16 auf der Grundlage eines Stromwerts von der Strommesseinheit 62.
Die Heizvorrichtung 70 umfasst eine Heizvorrichtungselektrode 72 und eine Heizvorrichtungsenergiequelle 74. Die Heizvorrichtungselektrode 72 ist in die Wand eingebettet, an der die Sammelelektrode 48 angeordnet ist. Die Heizvorrichtungsenergiequelle 74 legt eine Spannung zwischen Anschlüssen an gegenüberliegenden Enden der Heizvorrichtungselektrode 72 an, um die Heizvorrichtungselektrode 72 mit Strom zu versorgen, wodurch die Heizvorrichtungselektrode 72 erwärmt wird. Die Heizvorrichtung 70 wird auch verwendet, wenn die Anzahl an Partikeln in einem Zustand gemessen wird, der nicht dem Einfluss von makromolekularen Kohlenwasserstoffen - genannt SOF (Soluble Organic Fraction) - unterliegt.
Als nächstes wird ein Einsatzbeispiel des Partikelzählers 10 beschrieben. Wird die Anzahl an in Autoabgasen enthaltenen Partikeln gemessen, wird der Partikelzähler 10 in einem Auspuffrohr eines Motors so montiert, dass die Abgase durch den Gaseinlass 12a des Partikelzählers 10 in die Gasströmungsleitung 12 eingeführt und durch den Gasauslass 12b ausgestoßen werden.
Durchströmen die Partikel 16, die in den durch den Gaseinlass 12a in die Gasströmungsleitung 12 eingebrachten Abgasen enthalten sind, das Ladungserzeugungselement 20, werden elektrische Ladungen 18 (Elektronen) darauf aufgebracht, um geladene Partikel P zu erzeugen, die dann in den hohlen Abschnitt 12c gelangen. Die geladenen Partikel P strömen durch die Überschussladungsentfernungsvorrichtung 50, in der das elektrische Feld schwach und die Entfernungselektrode 58 nur 1/20 bis 1/10 so lang wie der hohle Abschnitt 12c ist, ohne jegliche Änderung und erreichen die Sammelvorrichtung 40. Elektrische Ladungen 18, die nicht auf die Partikel 16 aufgebracht wurden, gelangen ebenfalls in den hohlen Abschnitt 12c. Trotz des schwachen elektrischen Felds, werden jene elektrischen Ladungen 18, die nicht aufgebracht wurden, zur positiven Elektrode 56 der Überschussladungsentfernungsvorrichtung 50 gezogen und über die Entfernungselektrode 58, die sich auf dem Weg zur positiven Elektrode 56 befindet, an den GND abgegeben. Somit können die unnötigen Ladungen 18, die nicht auf die Partikel 16 aufgebracht wurden, die Sammelvorrichtung 40 kaum erreichen.
Die geladenen Partikel P, die die Sammelvorrichtung 40 erreicht haben, werden zur positiven Elektrode 46 gezogen und von der Sammelelektrode 48 gesammelt, die auf dem Weg zur positiven Elektrode 46 angeordnet ist. Ein Strom, der auf den elektrischen Ladungen 18 der geladenen Partikel P basiert, die an der Sammelelektrode 48 haften, wird durch die Serienschaltung, die sich aus dem Kondensator 66 und dem Widerstand 67 zusammensetzt, als Transiente an die Strommesseinheit 62 der Anzahlmessvorrichtung 60 übermittelt.
Die Beziehung zwischen dem Strom I und der Menge q von elektrischen Ladungen ist I = dq/(dt), oder q = ∫l dt. Daher integriert (akkumuliert) die Anzahlberechnungseinheit 64 Stromwerte von der Strommesseinheit 62 über einen Zeitraum, während dem der Schalter 68 eingeschaltet ist (ein Schalter-ein-Zeitraum), um den integrierten Stromwert (die kumulierte Menge elektrischer Ladungen) zu bestimmen. Nach dem Schalter-ein-Zeitraum wird die akkumulierte Menge elektrischer Ladungen durch die Elementarladung dividiert, um die Gesamtanzahl elektrischer Ladungen (die Anzahl gesammelter elektrischer Ladungen) zu bestimmen und anschließend wird die Anzahl der gesammelten elektrischen Ladungen durch die Durchschnittsanzahl der elektrischen Ladungen dividiert, die auf ein Partikel 16 aufgebracht sind, wodurch die Anzahl an Partikeln 16, die über einen gegebenen Zeitraum (z. B. 5 bis 15 Sekunden) an der Sammelelektrode 48 haften geblieben sind, bestimmt werden kann. Die Anzahlberechnungseinheit 64 führt dann die Berechnung der Anzahl an Partikeln 16 innerhalb des vorgegebenen Zeitraums über einen vorgegebenen Zeitraum (z. B. 1 bis 5 Minuten) wiederholt durch und integriert die Ergebnisse, wodurch die Anzahl der Partikel 16, die in dem vorgegebenen Zeitraum an der Sammelelektrode 48 haften geblieben sind, berechnet werden kann. Indem die Transiente des Kondensators 66 und des Widerstands 67 verwendet wird, kann ein Schwachstrom gemessen werden und die Anzahl an Partikeln 16 kann mit hoher Genauigkeit detektiert werden. Ein sehr kleiner Strom einer Größenordnung von pA (Picoampere) oder nA (Nanoampere) kann gemessen werden, indem z. B. die Zeitkonstante unter Verwendung eines Widerstands 67 mit großem Widerstandswert vergrößert wird.
Wird die Anzahl der Partikel 16 gemessen, nimmt die Messgenauigkeit ab, wenn das die Partikel 16 enthaltende Abgas die Wand der Gasströmungsleitung 12 durchströmt und sich in die und aus der Gasströmungsleitung 12 bewegt. Gemäß dieser Ausführungsform ist die gesamte Gasströmungsleitung 12 dicht, sodass das die Partikel 16 enthaltende Abgas nicht durch die Wand der Gasströmungsleitung 12 strömen kann, wodurch die Messgenauigkeit hoch gehalten werden kann. Wird die Anzahl an Partikeln in einem Hochtemperaturabgas gemessen, wird, wenn Wasser an der Gasströmungsleitung 12 haftet, an dem Teil, wo Wasser haftet, durch Thermoschock Energie erzeugt. Der spannungsentlastende Abschnitt 14 (die Verbindungsschichten 14a bis 14d) der Gasströmungsleitung 12 reduziert jedoch zumindest teilweise die Energiedichte, weshalb das Auftreten von Rissen in der Gasströmungsleitung 12 unterdrückt werden kann. Dies kann die Verschiebung des Ladungserzeugungselements 20 (insbesondere die Verschiebung der Spitze der Nadelelektrode 22) aufgrund von Rissen verhindern, weshalb die Messgenauigkeit hoch gehalten werden kann. Wird die Spitze der Nadelelektrode 22 verschoben, ändert sich die räumliche Verteilung der Ionendichte, woraufhin die durchschnittliche Anzahl an elektrischen Ladungen, die auf ein Partikel 16 aufgebracht sind (ein Parameter, der zur Berechnung der Anzahl an Partikeln 16 verwendet wird), von dem Entwurfswertebereich abweichen kann, was zu einer verringerten Messgenauigkeit führt.
Nachdem die Anzahl der Partikel gemessen wurde, können die Partikel und dergleichen auf die Sammelelektrode 48 abgeschieden werden. In diesem Fall wird die Heizvorrichtungsenergiequelle 74 so gesteuert, dass eine vorgegebene Regenerationsspannung zwischen dem Paar von Anschlüssen der Heizvorrichtungselektrode 72 angelegt wird. Die Heizvorrichtungselektrode 72, an die eine vorgegebene Regenerationsspannung angelegt wurde, wird auf eine Temperatur erhitzt, die die von der Sammelelektrode 48 gesammelten geladenen Partikel P verbrennen kann. Dadurch kann die Sammelelektrode 48 regeneriert werden.
Die Übereinstimmungsrelation zwischen Komponenten des Partikelzählers 10 gemäß dieser Ausführungsform und Komponenten des Partikelzählers der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden erläutert. Die Gasströmungsleitung 12 in dieser Ausführungsform entspricht der Gasströmungsleitung der vorliegenden Erfindung. Das Ladungserzeugungselement 20 entspricht dem Ladungserzeugungselement. Die Sammelvorrichtung 40 entspricht der Sammeleinheit zum Sammeln geladener Partikel. Die Anzahlmessvorrichtung 60 entspricht der Anzahldetektionseinheit.
In dem vorstehend detailliert beschriebenen Partikelzähler 10 ist die gesamte Gasströmungsleitung 12 dicht, sodass ein Partikel enthaltendes Abgas nicht durch die Wand der Gasströmungsleitung 12 strömen kann. Haftet Wasser an der Gasströmungsleitung 12, unterdrückt der spannungsentlastende Abschnitt 14 der Gasströmungsleitung 12 außerdem das Auftreten von Rissbildung und damit kann die Verschiebung des Ladungserzeugungselements 20 aufgrund von Rissbildung verhindert werden. Der Partikelzähler 10 kann daher eine hohe Messgenauigkeit bereitstellen.
Da die Gasströmungsleitung 12 durch Verbinden der Vielzahl von Elementen 13a bis 13d mittels der Verbindungsschichten 14a bis 14d hergestellt wird, ist die Gasströmungsleitung 12 außerdem leicht herzustellen.
Die Elemente der Vielzahl von Elementen 13a bis 13d sind außerdem planar und können sich in planarer Richtung durch die Verbindungsschichten 14a bis 14d ausdehnen und zusammenziehen, wodurch das Auftreten von Rissbildung in der Gasströmungsleitung 12 wirksamer unterdrückt werden kann.
Es versteht sich, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die vorstehend beschriebene Ausführungsform beschränkt ist und in verschiedenen Aspekten praktiziert werden kann, ohne von der technischen Idee der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Während die Gasströmungsleitung 12 mit dem skelettbildenden Abschnitt 13 und dem spannungsentlastenden Abschnitt 14 in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform verwendet wurde, kann alternativ eine in 4 oder 5 dargestellte Gasströmungsleitung 112 oder 212 verwendet werden. 4 ist eine Schnittansicht der Gasströmungsleitung 112 und 5 ist eine Schnittansicht der Gasströmungsleitung 212. Diese Figuren entsprechen Schnittansichten entlang Linie A-A in 1. Die Bezugszeichen 42, 44, 46, 48 und 72 kennzeichnen dieselben Komponenten wie in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform, weshalb auf Beschreibungen dieser verzichtet wird.
Die in 4 dargestellte Gasströmungsleitung 112 weist einen skelettbildenden Abschnitt 113 auf, der ein röhrenförmiger Körper ist, dessen Form der Gasströmungsleitung 112 entspricht, und einen spannungsentlastenden Abschnitt 114, der eine Außenfläche des skelettbildenden Abschnitts 113 abdeckt und die Form einer Schicht aufweist. Der skelettbildende Abschnitt 113 ist aus keramischem Material gefertigt. Spezifische Beispiele für keramische Materialien entsprechen den in der vorstehenden Ausführungsform genannten. Der spannungsentlastende Abschnitt 114 ist aus einem Material gefertigt (z. B. kristallisiertes Glas), dessen Elastizitätsmodul niedriger ist als das des keramischen Materials, das den skelettbildenden Abschnitt 113 bildet. Wird die Anzahl an Partikeln in einem Hochtemperaturgas gemessen, wird, wenn Wasser an der Gasströmungsleitung 112 haftet, Thermoschockenergie erzeugt, wobei die Energiedichte zumindest teilweise durch den spannungsentlastenden Abschnitt 114 reduziert wird. Das Auftreten von Rissen in der Gasströmungsleitung 112 kann somit unterdrückt werden. Der spannungsentlastende Abschnitt 114 dient auch zum Schutz der Gasströmungsleitung 112. Alternativ oder zusätzlich zu dem spannungsentlastenden Abschnitt 114 kann ein spannungsentlastender Abschnitt, der eine Innenfläche des skelettbildenden Abschnitts 113 abdeckt (mit Ausnahme der Elektroden 22, 24, 48 und 58) und der die Form einer Schicht aufweist, angeordnet sein. Auch betreffend die Gasströmungsleitung 112 wurde wie in der oben beschriebenen Ausführungsform die Beziehung zwischen dem Elastizitätsmodulverhältnis und dem Sicherheitsfaktor untersucht, was zeigte, dass der Sicherheitsfaktor 5 oder mehr betrug, wenn das Elastizitätsmodulverhältnis 0,7 oder weniger betrug.
Die in 5 dargestellte Gasströmungsleitung 212 weist einen skelettbildenden Abschnitt 213 auf, der ein röhrenförmiger Körper ist, dessen Form der Gasströmungsleitung 212 entspricht, und einen spannungsentlastenden Abschnitt 214, der in den skelettbildenden Abschnitt 213 eingebettet ist und der die Form einer Schicht (ein dünner Zylinder) aufweist. Der skelettbildende Abschnitt 213 ist aus keramischem Material gefertigt. Spezifische Beispiele für keramische Materialien entsprechen den in der vorstehenden Ausführungsform genannten. Der spannungsentlastende Abschnitt 214 ist aus einem Material gefertigt (z. B. kristallisiertes Glas), dessen Elastizitätsmodul niedriger ist als das des keramischen Materials, das den skelettbildenden Abschnitt 213 bildet. Wird die Anzahl an Partikeln in einem Hochtemperaturgas gemessen, wird, wenn Wasser an der Gasströmungsleitung 212 haftet, Thermoschockenergie erzeugt, wobei die Energiedichte zumindest teilweise durch den spannungsentlastenden Abschnitt 214 reduziert wird. Das Auftreten von Rissen in der Gasströmungsleitung 212 kann somit unterdrückt werden. Es ist unwahrscheinlich, dass sich der spannungsentlastende Abschnitt 214 von dem skelettbildenden Abschnitt 213 ablöst. Zusätzlich zu dem spannungsentlastenden Abschnitt 214 kann der in 4 gezeigte spannungsentlastende Abschnitt 114 angeordnet sein, oder ein spannungsentlastender Abschnitt, der eine Innenfläche des skelettbildenden Abschnitts 213 abdeckt (mit Ausnahme der Elektroden 22, 24, 48 und 58) und der die Form einer Schicht aufweist.
Obwohl die Verbindungsschichten 14a bis 14d der Gasströmungsleitung 12 in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform den spannungsentlastenden Abschnitt 14 darstellen, kann ein spannungsentlastender Abschnitt in Form einer Schicht zusätzlich an mindestens entweder einer Außenfläche, einer Innenfläche, oder einem Innenteil der Gasströmungsleitung 12 angeordnet sein.
Während die Gasströmungsleitung 12 in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform in vier Teile geteilt ist, können die geteilten Elemente 13e und 13f (ein skelettbildender Abschnitt 13), die durch Teilen der Gasströmungsleitung 12 in zwei obere und untere Teile geformt werden, mittels Verbindungsschichten 14e und 14f (ein spannungsentlastender Abschnitt 14) wie in 6 gezeigt miteinander verbunden werden. Die Bezugszeichen 42, 44, 46, 48 und 72 in 6 kennzeichnen dieselben Komponenten wie in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform, weshalb auf Beschreibungen dieser verzichtet wird.
Während die Gasströmungsleitung 12 in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ein viereckiger Zylinder ist, ist die Gasströmungsleitung 12 nicht besonders auf den viereckigen Zylinder beschränkt, sondern kann ein runder Zylinder oder ein Zylinder mit polygonalem Querschnitt sein. Die Form der Querschnittskontur der Gasströmungsleitung 12 kann kreisförmig sein und der hohle Abschnitt 12c im Querschnitt der Gasströmungsleitung 12 kann viereckig sein. Gleiches gilt für 4 und 6.
Obwohl in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform das Ladungserzeugungselement 20 mit der Nadelelektrode 22 und der Gegenelektrode 24 verwendet wird, kann alternativ ein Ladungserzeugungselement 120, das in 7 dargestellt ist, verwendet werden. In dem Ladungserzeugungselement 120 sind eine Entladungselektrode 122 und eine Induktionselektrode 124 auf gegenüberliegenden Flächen einer dielektrischen Schicht 126 angeordnet. Die Entladungselektrode 122 ist eine dünne rechteckige Metallplatte, die an ihren gegenüberliegenden Längsseiten über eine Vielzahl von kleinen Vorsprüngen 122a mit rechteckiger Form verfügt. Die Induktionselektrode 124 ist eine rechteckige Elektrode und zwei Induktionselektroden 124 sind parallel zur Längsrichtung der Entladungselektrode 122 angeordnet. Wird eine Hochspannung mit einer Hochfrequenz zwischen den Elektroden des Ladungserzeugungselements 120 angelegt, kommt es zu einer Entladung, um Ionen (elektrische Ladungen) zu erzeugen.
Obwohl in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform die Anzahl der Partikel gemessen wird, kann auch auf andere Weise bestimmt werden, ob die Anzahl der Partikel in einem vorgegebenen nummerischen Bereich liegt (z. B. ob die ob die Anzahl einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet).
Obwohl in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform Strom als der Parameter verwendet wird, der abhängig von der Anzahl an geladenen Partikeln (die Menge der elektrischen Ladungen) variiert, ist der Parameter nicht besonders auf Strom beschränkt; es kann jeder Parameter verwendet werden, der abhängig von der Anzahl der geladenen Partikel (die Menge der elektrischen Ladungen) variiert.
Obwohl die Überschussladungsentfernungsvorrichtung 50 in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform vorgesehen ist, kann die Überschussladungsentfernungsvorrichtung 50 weggelassen werden.
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform wird die Anzahl der geladenen Partikel P auf der Grundlage eines Stroms, der durch die Sammelelektrode 48 der Sammelvorrichtung 40 fließt, bestimmt. Alternativ kann, wie in dem in 8 dargestellten Partikelzähler 310, die Sammelvorrichtung 40 (der Feldgenerator 42 und die Sammelelektrode 48) weggelassen werden und eine Anzahlmessvorrichtung 360 kann die Anzahl der geladenen Partikel P so bestimmen, dass die Anzahl der überschüssigen elektrischen Ladungen basierend auf einem Strom bestimmt wird, der durch eine Entfernungselektrode 58 einer Überschussladungsentfernungsvorrichtung 50 fließt, und die Anzahl der überschüssigen elektrischen Ladungen wird von der Gesamtanzahl der elektrischen Ladungen abgezogen, die durch ein Ladungserzeugungselement 20 erzeugt werden. Auch in diesem Fall ist eine Gasströmungsleitung 12 dazu eingerichtet, einen skelettbildenden Abschnitt 13 (13a bis 13d) aufzuweisen, der aus einem keramischen Material gebildet und dicht ist, und einen spannungsentlastenden Abschnitt 14 (14a bis 14d), der in Kontakt mit dem skelettbildenden Abschnitt 13 steht, aus einem Material gebildet ist, das ein geringeres Elastizitätsmodul aufweist als das keramische Material, und der dicht ist, wie in 2 gezeigt. In dem Partikelzähler 310 mit dieser Ausführung ist die gesamte Gasströmungsleitung 12 dicht, sodass ein Partikel enthaltendes Abgas nicht durch die Wand der Gasströmungsleitung 12 strömen kann. Haftet Wasser an der Gasströmungsleitung 12, unterdrückt der spannungsentlastende Abschnitt 14 der Gasströmungsleitung 12 außerdem das Auftreten von Rissbildung und damit kann die Verschiebung des Ladungserzeugungselements 20 aufgrund von Rissbildung verhindert werden. Die Messgenauigkeit kann dadurch hoch gehalten werden. Als Alternativen zur Gasströmungsleitung 12 in 2 können die Gasströmungsleitung 112 in 4, die Gasströmungsleitung 212 in 5 und die Gasströmungsleitung 12 in 6 verwendet werden.
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität auf Basis der Japanischen Patentanmeldung Nr. 2017-096234 , die am 15. Mai 2017 eingereicht wurde und deren gesamter Inhalt hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist.
Industrielle Anwendbarkeit
Die vorliegende Erfindung kann verwendet werden, um die Anzahl an Partikeln in einem Gas zu detektieren.
Bezugszeichenliste
10 Partikelzähler, 12a Gaseinlass, 12b Gasauslass, 12c hohler Abschnitt, 13 skelettbildender Abschnitt, 13a oberes Element, 13b unteres Element, 13c, 13d Seitenwandelement, 13e, 13f geteiltes Element, 14 spannungsentlastender Abschnitt, 14a bis 14f Verbindungsschicht, 16 Partikel, 18 elektrische Ladung, 20 Ladungserzeugungselement, 22 Nadelelektrode, 24 Gegenelektrode, 26 Entladungsenergiequelle, 40 Sammelvorrichtung, 42 Feldgenerator, 44 negative Elektrode, 46 positive Elektrode, 48 Sammelelektrode, 50 Überschussladungsentfernungsvorrichtung, 52 Feldgenerator, 54 negative Elektrode, 56 positive Elektrode, 58 Entfernungselektrode, 60 Anzahlmessvorrichtung, 62 Strommesseinheit, 64 Anzahlberechnungseinheit, 66 Kondensator, 67 Widerstand, 68 Schalter, 70 Heizvorrichtung, 72 Heizvorrichtungselektrode, 74 Heizvorrichtungsenergiequelle, 112 Gasströmungsleitung, 113 skelettbildender Abschnitt, 114 spannungsentlastender Abschnitt, 120 Ladungserzeugungselement, 122 Entladungselektrode, 122a kleiner Vorsprung, 124 Induktionselektrode, 126 dielektrische Schicht, 212 Gasströmungsleitung, 213 skelettbildender Abschnitt, 214 spannungsentlastender Abschnitt, 310 Partikelzähler, 360 Anzahlmessvorrichtung.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2015/146456 [0003]
JP 2017096234 [0048]

Claims

Partikelzähler, umfassend: ein Ladungserzeugungselement, das elektrische Ladungen, die durch Entladung erzeugt werden, auf Partikel in einem Gas aufbringt, das in eine Gasströmungsleitung eingebracht wird, um geladene Partikel zu bilden; eine Sammeleinheit zum Sammeln geladener Partikel, die stromabwärts des Ladungserzeugungselements in einer Gasströmungsrichtung angeordnet ist und die geladenen Partikel sammelt; und eine Anzahldetektionseinheit, die die Anzahl der geladenen Partikel auf der Grundlage einer physikalischen Größe an der Sammeleinheit zum Sammeln geladener Partikel detektiert, wobei die physikalische Größe abhängig von der Anzahl der von der Sammeleinheit zum Sammeln geladener Partikel gesammelten geladenen Partikel variiert, wobei die Gasströmungsleitung einen skelettbildenden Abschnitt aufweist, der aus einem keramischen Material gebildet und dicht ist, und einen spannungsentlastenden Abschnitt, der in Kontakt mit dem skelettbildenden Abschnitt steht, aus einem Material gebildet ist, das ein geringeres Elastizitätsmodul aufweist als das keramische Material, und der dicht ist.
Partikelzähler, umfassend: ein Ladungserzeugungselement, das elektrische Ladungen, die durch Entladung erzeugt werden, auf Partikel in einem Gas aufbringt, das in eine Gasströmungsleitung eingebracht wird, um geladene Partikel zu bilden; eine Überschussladungssammeleinheit, die stromabwärts des Ladungserzeugungselements in einer Gasströmungsrichtung angeordnet ist und die überschüssige elektrische Ladungen sammelt, die die Partikel nicht geladen haben; und eine Anzahldetektionseinheit, die die Anzahl der geladenen Partikel auf der Grundlage einer physikalischen Größe an der Überschussladungssammeleinheit detektiert, wobei die physikalische Größe abhängig von der Anzahl der von der Überschussladungssammeleinheit gesammelten überschüssigen elektrischen Ladungen variiert, wobei die Gasströmungsleitung einen skelettbildenden Abschnitt aufweist, der aus einem keramischen Material gebildet und dicht ist, und einen spannungsentlastenden Abschnitt, der in Kontakt mit dem skelettbildenden Abschnitt steht, aus einem Material gebildet ist, das ein geringeres Elastizitätsmodul aufweist als das keramische Material, und der dicht ist.
Partikelzähler nach Anspruch 1 oder 2, wobei sich der skelettbildende Abschnitt aus geteilten Elementen zusammensetzt, die durch Teilen der Gasströmungsleitung in eine Vielzahl von Teilen gebildet werden, und der spannungsentlastende Abschnitt eine Verbindungsschicht ist, die die Vielzahl von geteilten Elementen miteinander verbindet.
Partikelzähler nach Anspruch 3, wobei die Gasströmungsleitung ein viereckiger Zylinder ist und die geteilten Elemente durch Teilen der Gasströmungsleitung in vier Teile auf vier Seiten gebildet werden.
Partikelzähler nach Anspruch 1 oder 2, wobei der skelettbildende Abschnitt ein röhrenförmiger Körper ist, der der Form der Gasströmungsleitung entspricht, und der spannungsentlastende Abschnitt als eine Schicht an mindestens entweder einer Außenfläche, einer Innenfläche, oder einem Innenteil des röhrenförmigen Körpers angeordnet ist.
Partikelzähler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Elastizitätsmodul des spannungsentlastenden Abschnitts nicht mehr als das 0,7-Fache des Elastizitätsmoduls des keramischen Materials beträgt, das den skelettbildenden Abschnitt bildet.
Partikelzähler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der skelettbildende Abschnitt aus mindestens einem keramischen Material gebildet ist, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Aluminiumoxid, Siliziumnitrid, Mullit, Cordierit und Magnesiumoxid.
Partikelzähler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der spannungsentlastende Abschnitt aus kristallisiertem Glas gebildet ist.