JP2005181229A - 気体分析前処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 応答性に優れた気体分析前処理装置を提供する。
【解決手段】 通気室７６の断面中央部における試料気体の流れを抑制するための偏流要素である偏流プレート６４を通気室７６内において濾過要素である濾紙６８の上流側に備えていることから、その通気室７６内における試料気体の澱みを解消でき、前記濾紙６８により試料気体に含まれる混合物が効率的に除去される。すなわち、応答性に優れた気体分析前処理装置１６を提供することができる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、気体の分析に先立ってその気体中の混合物の除去等の前処理を行う気体分析前処理装置に関し、特に、その応答性を高めるための改良に関する。

気体分子が特定の波長の赤外線を吸収することを利用して気体（ガス）の検出や定量を行う気体分析装置が知られている。斯かる気体分析装置は、各種排気ガスや大気中に含まれる気体の成分を測定するために好適に用いられるものであり、通常、分析に先立って前記気体中の混合物の除去等の前処理を行うことが要求される。このため、目的に応じて様々な構成の気体分析前処理装置が提案されている。例えば、特許文献１に記載された耐久性向上を目的とする構成、特許文献２に記載されたＮＯ_Ｘ成分を分析するためのＮＨ_３や有機性化合物の除去を目的とする構成、特許文献３に記載された試料気体中の水分除去を目的とする構成等であり、それらの気体分析前処理装置によって分析に関与しない混合物が予め除去される。

しかし、試料気体に含まれる混合物を極力除去し、且つ長期間の使用に耐え得る構成を備えた気体分析前処理装置では、相応に大きな容積（通気室）が必要とされ、応答性が悪化することが問題とされていた。特に、特許文献４に記載された赤外線ガス分析装置のように、試料気体を数ｍｓオーダの応答性で検出するものに前記従来の気体分析前処理装置が適用される場合、その応答性が少なくとも１０００倍以上に悪化するという不具合があった。すなわち、斯かる高応答性の気体分析装置にも適用できる応答性に優れた気体分析前処理装置の開発が望まれていた。

特開平１０−３８７６８号公報 特許第３０６４１７５号公報 特開２０００−１０５１７５号公報 特開２００２−２６７５９６号公報

本発明は、以上の事情を背景として為されたものであり、その目的とするところは、応答性に優れた気体分析前処理装置を提供することにある。

斯かる目的を達成するために、本発明の要旨とするところは、入口から出口に向かう気体が通過させられる通気室が形成されたハウジングと、そのハウジング内に配設された濾過要素とを備え、前記気体の分析に先立ってその濾過要素によりその気体に含まれる混合物を除去する気体分析前処理装置であって、前記通気室の断面中央部における前記気体の流れを抑制するための偏流要素を前記濾過要素の上流側に備えていることを特徴とするものである。

このようにすれば、前記通気室の断面中央部における前記気体の流れを抑制するための偏流要素を前記濾過要素の上流側に備えていることから、前記通気室内における前記気体の澱みを解消でき、前記濾過要素により前記気体に含まれる混合物が効率的に除去される。すなわち、応答性に優れた気体分析前処理装置を提供することができる。

ここで、好適には、前記偏流要素は、前記通気室の断面周縁部に前記気体の流れを導くための開口部を有するものである。このようにすれば、前記通気室内における前記気体の澱みを更に効果的に解消できるという利点がある。

また、好適には、前記偏流要素は、下流側から上流側へ向けて円錐状に広がるテーパ面を有するものである。このようにすれば、前記テーパ面に沿って前記気体が流れることで前記通気室内におけるその気体の澱みを更に効果的に解消できることに加え、前記濾過要素における前記気体の当たり面積を大きくでき、その気体に含まれる混合物の除去効率を高められるという利点がある。

また、好適には、前記偏流要素の開口部の面積は、前記入口の断面積よりも大きいものである。このようにすれば、前記通気室内の流路抵抗を増加させることなく、高い応答性を確保できるという利点がある。

また、好適には、前記通気室は、前記入口から前記偏流要素の開口部へ向けて頂角が鈍角である円錐状に広がる上流側空間を有するものである。このようにすれば、前記通気室内における前記気体の澱みを更に効果的に解消できるという利点がある。

また、好適には、前記頂角は、前記上流側空間における前記気体の流路断面積を前記入口の断面積よりも大きくするものである。このようにすれば、前記上流側空間における流路抵抗を増加させることなく、高い応答性を確保できるという利点がある。

また、好適には、前記頂角は、前記上流側空間における前記気体の流路断面積を前記入口の断面積よりも大きくする最大の角度である。このようにすれば、前記上流側空間における流路抵抗を増加させることなく、高い応答性を確保できることに加え、その上流側空間の容積延いては前記通気室の容積を可及的に小さくできるという利点がある。

また、好適には、前記通気室は、前記濾過要素と偏流要素との間に下流側空間を有するものである。このようにすれば、前記濾過要素における前記気体の当たり面積を大きくでき、その気体に含まれる混合物の除去効率を高められるという利点がある。

また、好適には、前記濾過要素は、０．３μｍ以上の粒子を捕集するものである。このようにすれば、比較的薄手の濾過要素を適用することで前記通気室の容積を可及的に小さくできるという利点がある。

以下、本発明の好適な実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施例である気体分析前処理装置１６が好適に適用される気体分析装置１０の構成を説明する図である。この気体分析装置１０は、例えば、ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等の内燃機関１２の圧縮燃焼行程における排気ガスを試料とする気体の濃度の検出等に好適に用いられるものであり、測定部位である内燃機関１２の燃焼室１４から排出された試料気体は、その試料気体に含まれる混合物を除去するための気体分析前処理装置１６を通過させられた後、分析セル１８に導入されるようになっている。

上記分析セル１８は、試料気体が充填される分析部２０と、その分析部２０と気体分析前処理装置１６の出口７４とを導通させて試料気体を導入する導入口２２と、上記分析部２０に充填された試料気体を排出する排出口２４とを備えている。上記分析部２０は、セル本体２６及びそのセル本体２６の両端に気密に当接させられた１対のガラス２８により囲まれた空間であり、その１対のガラス２８は、分析成分の吸収波長帯域における減衰が比較的小さく、赤外線を好適に通過させる材料から成るものである。

前記分析セル１８の一方の側（入射側）には、赤外線を発生させる光源３０と、その光源３０により発生させられた赤外線を集光して上記分析部２０へ入射させる第１レンズ３２とが配設されている。また、前記分析セル１８のもう一方の側（射出側）には、特定波長の光量を検出する光量検出装置３４と、前記分析部２０から射出された赤外線を集光してその光量検出装置３４へ入射させる第２レンズ３６とが配設されている。この光量検出装置３４は、所定の波長帯域の赤外線を透過させる光学フィルタ３８と、その光学フィルタ３８により透過させられた赤外線を受光して光量を検出する赤外線センサ４０とから成る。また、前記分析セル１８と第１レンズ３２との間には、所定のスリットを有する円板４４及びその円板４４を軸心まわりに回転させるためのモータ４６から成り、上記第１レンズ３２により集光された赤外線の透過・遮断を所定の時間周期で切り換えて上記分析部２０に断続して赤外線を入射させるためのチョッパ４２が配設されている。

前記分析セル１８及びその分析セル１８に試料気体を導入するための配管５０の周囲には、温調装置であるヒータ５２が配設されている。また、前記分析セル１８には、前記セル本体２６の温度を検出するための熱電対５４が設けられている。温調回路５６は、上記熱電対５４から供給される前記セル本体２６の温度を示す信号に応じてそのセル本体２６延いては分析部２０内の温度を一定に保つように上記ヒータ５２のオン・オフを制御する。

以上のように構成された気体分析装置１０では、次のようにして前記分析部３０内に充填された試料気体の濃度が測定される。前記内燃機関１２の圧縮・燃焼行程において高圧とされることで前記燃焼室１４から排出された試料気体は、配管４８を介して気体分析前処理装置１６へ導入され、その気体分析前処理装置１６において混合物が除去された後、配管５０を介して分析セル１８の分析部２０に充填される。前記光源３０により発生させられた赤外線は、前記第１レンズ３２により集光され、前記チョッパ４２を介して前記分析セル１８の分析部２０に入射させられる。そして、その分析部２０を通過させられた後、前記分析セル１８から放出され、前記第２レンズ３６により集光されて前記光量検出装置３４に入射させられる。試料気体の濃度検出は、前記光源３０により発生させられる赤外線の光量と、前記光量検出装置３４により検出される赤外線の光量とを比較することにより行われる。すなわち、２原子以上で構成される気体分子には特定の波長帯域の赤外線を吸収する性質があるため、前記光源３０により発生させられた赤外線に関して、前記分析部２０を通過させられることによる特定の波長帯域の赤外線光量の減衰を検出することで、その分析部２０に充填された試料気体の濃度を測定することができる。尚、前記分析部２０に充填された試料気体は、前記排出口２４から大気へ排出される。

図２は、前記気体分析前処理装置１６の構成を説明する断面図であり、図中の一点鎖線矢印は、試料気体の流れを示している。この気体分析前処理装置１６は、ハウジングを構成する上流側ハウジング部材５８及び下流側ハウジング部材６０の間に上流側からパッキン６２、偏流プレート６４、パッキン６６、濾紙６８、及びメッシュプレート７０が挟入されて構成されている。上記上流側ハウジング部材５８に形成された入口７２は、前記内燃機関１２の燃焼室１４から排出される試料気体を導入するための配管４８に、上記下流側ハウジング部材６０に形成された出口７４は、処理後の試料気体を前記分析セル１８へ供給するための配管５０にそれぞれ接続されている。好適には、前記配管４８及び５０の内径は等しく、上記入口７２及び出口７４は、何れもその内径と同径とされる。すなわち、上記入口７２及び出口７４は、相互に等しい断面積Ｓ１を有するものである。

前記気体分析前処理装置１６の内部には、上記上流側ハウジング部材５８の下流側の面、下流側ハウジング部材６０の内周面、パッキン６２及び６６の内周面、及び偏流プレート６４により通気室（通気空間）７６が形成されており、上記入口７２から出口７４へ向かう試料気体は、この通気室７６を通過させられるようになっている。上記上流側ハウジング部材５８の下流側の面は、好適には、上記入口７２からパッキン６２の内周面へ向けて頂角θ１が鈍角である円錐状に広がるテーパ面とされており、そのテーパ面、パッキン６２の内周面、及び偏流プレート６４の上流側の面により上流側から下流側へ向けて頂角θ１が鈍角である円錐状に広がる第１空間７８が前記通気室７６の最上流側に形成されている。また、上記偏流プレート６４の下流側であってその偏流プレート６４と濾紙６８との間には、その偏流プレート６４下流側の面、パッキン６６の内周面、及び濾紙６８に囲まれた第２空間８０が形成されている。これら第１空間７８及び第２空間８０は、上記通気室７６を構成する上流側空間及び下流側空間にそれぞれ対応する。また、上記下流側ハウジング部材６０には、好適には、上記出口７４からメッシュプレート７０へ向けて頂角θ２が鈍角である円錐状に広がるテーパ面が設けられており、そのテーパ面により下流側から上流側へ向けて頂角θ２が鈍角である円錐状に広がる第３空間８２が形成されている。この頂角θ２は、好適には、上記第１空間７８の頂角θ１と等角度乃至はそれよりも小さい角度とされる。

図３は、前記偏流プレート６４を説明する図であり、（ａ）は軸心方向から視た平面図、（ｂ）は（ａ）のIII‐III断面図である。図３（ａ）において斜線で示すように、前記偏流プレート６４には、断続する環状の開口部（スリット）８４が厚み方向に貫通して設けられている。この開口部８４の面積Ｓ２は、好適には、前記入口７２の断面積Ｓ１よりも大きいものであり、斯かる構成によれば、前記通気室７６内における流路抵抗が小さくなる。また、図３（ｂ）に示すように、下流側から上流側へ向けて円錐状に広がるテーパ面８６が下流側に形成されている。前記パッキン６２及び６６は、前記上流側ハウジング部材５８及び下流側ハウジング部材６０の間を密閉すると共に、上記第１空間７８及び第２空間８０を形成するための環状部材であり、図３の偏流プレート６４がそれらパッキン６２及び６６を介して前記上流側ハウジング部材５８及び下流側ハウジング部材６０の間に挟入されることで、図２の一点鎖線矢印で示すように、上記開口部８４により試料気体の流れを前記通気室７６の断面周縁部へ導く流路が形成される。すなわち、前記偏流プレート６４は、前記通気室７６の断面中央部における試料気体の流れを抑制するための偏流要素に対応する。

前記濾紙６８は、前記通気室７６内を通過させられる試料気体に含まれる混合物を捕集・除去するするための濾過要素に対応し、好適には、その試料気体に含まれる０．３μｍ以上の粒子を捕集するものである。また、前記メッシュプレート７０は、前記パッキン６６との間に濾紙６８を保持すると共に、排出される試料気体を整流するためにその濾紙６８の下流側に設けられる網目状部材である。

以上のように構成された気体分析前処理装置１６において、前記配管４８から入口７２へ供給された試料気体は、図２の一点鎖線矢印に示すような流路を経て前記通気室７６内を通過させられ、前記出口７４から配管５０へ速やかに排出される。この過程において、試料気体に含まれる前記気体分析装置１０による分析に関与しない混合物が前記濾紙６８により除去される。

図４は、前記通気室７６を構成する第１空間７８及び第２空間８０を詳しく説明する図であり、図５は、前記第１空間７８における試料気体の流路断面積Ｓ３を説明する模式図である。この図５に示す前記第１空間７８における試料気体の流路断面積（気体の流れに対して略垂直を成す面の面積）Ｓ３は、図４に示すテーパ面の直径Ｄに対応するものであり、好適には、その直径Ｄに係わらず常に前記入口７２の断面積Ｓ１よりも大きいものである。すなわち、図４に示す前記頂角θ１は、前記第１空間７８における試料気体の流路断面積Ｓ３を前記入口７２の断面積Ｓ１よりも大きくするものであり、斯かる構成によれば、前記通気室７６内における流路抵抗が可及的に小さくなる。

前記第１空間７８における試料気体の流路面積Ｓ３は、前記頂角θ１が小さくなるにつれて増加するが、その第１空間７８の容積もまた同様にその頂角θ１が小さくなるにつれて増加する。前記気体分析前処理装置１６の応答性を高めるためには前記通気室７６の容積を可及的に小さくすべきであり、前記頂角θ１は、好適には、前記第１空間７８における試料気体の流路断面積Ｓ３を前記入口７２の断面積Ｓ１よりも大きくする最大の角度とされる。

図６は、前記入口７２の直径が１ｍｍ、通気室７６の内径（最大径）が１０ｍｍ、パッキン６２の厚み寸法が０．０５ｍｍである場合において、前記直径Ｄに対応する第１空間７８における試料気体の流路面積Ｓ３と前記入口７２の断面積Ｓ１との差を示すグラフである。前記第１空間７８における試料気体の流路断面積Ｓ３を前記入口７２の断面積Ｓ１よりも大きくすることを前記頂角θ１の必要条件とすると、その頂角θ１が１７８°及び１７６°である場合には、前記入口７２の近傍において前記第１空間７８における試料気体の流路断面積Ｓ３が前記入口７２の断面積Ｓ１よりも小さくなり必要条件を満たさない。一方、前記頂角θ１が１７４°及び１７２°である場合には、前記直径Ｄに係わらず常に前記第１空間７８における試料気体の流路断面積Ｓ３が前記入口７２の断面積Ｓ１よりも大きくなり必要条件を満たす。また、前記第１空間７８の容積を可及的に小さくするためには、必要条件を満たす頂角θ１のうち最大の角度が採用されるべきであり、図６に示す４つの角度の中では１７４°が最適となる。そのようにして更に細かい角度について前記第１空間７８における試料気体の流路断面積Ｓ３を前記入口７２の断面積Ｓ１よりも大きくする最大角度を算出することで、前記第１空間７８における試料気体の流通を最適化する頂角θ１を設定できる。

このように、本実施例によれば、前記通気室７６の断面中央部における試料気体の流れを抑制するための偏流要素として機能する偏流プレート６４を濾過要素として機能する濾紙６８の上流側に備えていることから、前記通気室７６内における試料気体の澱みを解消でき、前記濾紙６８により試料気体に含まれる混合物が効率的に除去される。すなわち、応答性に優れた気体分析前処理装置１６を提供することができる。

また、前記偏流プレート６４は、前記通気室７６の断面周縁部に試料気体の流れを導くための開口部８４を有するものであるため、その通気室７６内における試料気体の澱みを更に効果的に解消できるという利点がある。

また、前記偏流プレート６４は、下流側から上流側へ向けて円錐状に広がるテーパ面８６を有するものであるため、そのテーパ面８６に沿って試料気体が流れることで前記通気室７６内におけるその試料気体の澱みを更に効果的に解消できることに加え、前記濾紙６８における試料気体の当たり面積を大きくでき、その試料気体に含まれる混合物の除去効率を高められるという利点がある。

また、前記偏流プレート６４の開口部８４の面積Ｓ２は、前記入口７２の断面積Ｓ１よりも大きいものであるため、前記通気室７６内の流路抵抗を増加させることなく、高い応答性を確保できるという利点がある。

また、前記通気室７６は、前記入口７２から前記偏流プレート６４の開口部８４へ向けて頂角θ１が鈍角である円錐状に広がる上流側空間である第１空間７８を有するものであるため、前記通気室７６内における試料気体の澱みを更に効果的に解消できるという利点がある。

また、前記頂角θ１は、前記第１空間７８における試料気体の流路断面積Ｓ３を前記入口７２の断面積Ｓ１よりも大きくするものであるため、前記第１空間７８における流路抵抗を増加させることなく、高い応答性を確保できるという利点がある。

また、前記頂角θ１は、前記第１空間７８における試料気体の流路断面積Ｓ３を前記入口７２の断面積Ｓ１よりも大きくする最大の角度であるため、前記第１空間７８における流路抵抗を増加させることなく、高い応答性を確保できることに加え、その第１空間７８の容積延いては前記通気室７６の容積を可及的に小さくできるという利点がある。

また、前記通気室７６は、前記濾紙６８と偏流プレート６４との間に下流側空間である第２空間８０を有するものであるため、前記濾紙６８における試料気体の当たり面積を大きくでき、その試料気体に含まれる混合物の除去効率を高められるという利点がある。

また、前記濾紙６８は、０．３μｍ以上の粒子を捕集するものであるため、比較的薄手の濾紙６８を適用することで前記通気室７６の容積を可及的に小さくできるという利点がある。

以上、本発明の好適な実施例を図面に基づいて詳細に説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、更に別の態様においても実施される。

図７は、前述の実施例とは異なる態様の偏流プレート９２を備えた気体分析前処理装置９０を例示する断面図である。この図７に示すように、気体分析前処理装置９０に備えられる偏流プレート９２は、下流側から上流側へ向けて円錐状に広がる前記テーパ面８６に加えて、上流側から下流側へ向けて円錐状に広がる第２テーパ面９４をそのテーパ面８６の上流側に有するものであってもよい。このようにすれば、前記第２テーパ面９４に沿って試料気体が流れることで前記通気室７６内におけるその試料気体の澱みを更に効果的に解消できると共に、その通気室７６内の容積を小さくすることができ、応答性を更に高めることができるいう利点がある。

また、前述の実施例において、前記気体分析前処理装置１６は、試料気体に含まれる混合物を除去するための濾過要素として前記濾紙６８を備えたものであったが、濾布やアスベスト等の他の濾材を濾過要素として備えたものであっても構わない。

また、前述の実施例の説明に用いた図６のグラフは、あくまで一例を示すものに過ぎず、異なる構成を有する気体分析前処理装置それぞれに関して各パラメータに基づいて頂角θ１の最適値が個別に算出・設定されることは言うまでもない。

また、前述の実施例において、前記気体分析装置１０は、前記内燃機関１２の圧縮燃焼行程における排気ガスを試料気体とするものであり、測定部位の気体を圧送するためのポンプは特に設けられていなかったが、例えば、大気中に含まれる気体の成分を測定するための気体分析装置には、測定部位の気体を前記気体分析前処理装置１６延いては分析セル１８に送り込むためのポンプが設けられる。

その他、一々例示はしないが、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更が加えられて実施されるものである。

本発明の一実施例である気体分析前処理装置が好適に適用される気体分析装置の構成を説明する図である。 図１の気体分析前処理装置の構成を説明する断面図である。 図２の気体分析前処理装置に備えられた偏流プレートを説明する図であり、（ａ）は軸心方向から視た平面図、（ｂ）は（ａ）のIII‐III断面図である。 図２の気体分析前処理装置における通気室を構成する上流側空間及び下流側空間を詳しく説明する図である。 図４の上流側空間における試料気体の流路断面積を説明する模式図である。 図２の気体分析前処理装置における上流側空間における試料気体の流路面積と入口の断面積との差を示すグラフである。 図２の気体分析前処理装置とは異なる態様の偏流プレートを備えた気体分析前処理装置を例示する断面図である。

符号の説明

１６、９０：気体分析前処理装置
５８：上流側ハウジング部材（ハウジング）
６０：下流側ハウジング部材（ハウジング）
６４、９２：偏流プレート（偏流要素）
６８：濾紙（濾過要素）
７２：入口
７４：出口
７６：通気室
７８：第１空間（上流側空間）
８０：第２空間（下流側空間）
８４：開口部
８６：テーパ面
Ｓ１：入口断面積
Ｓ２：開口部面積
Ｓ３：流路断面積
θ１：頂角

Claims (8)

1. 入口から出口に向かう気体が通過させられる通気室が形成されたハウジングと、該ハウジング内に配設された濾過要素とを備え、前記気体の分析に先立って該濾過要素により該気体に含まれる混合物を除去する気体分析前処理装置であって、
   前記通気室の断面中央部における前記気体の流れを抑制するための偏流要素を前記濾過要素の上流側に備えていることを特徴とする気体分析前処理装置。
2. 前記偏流要素は、前記通気室の断面周縁部に前記気体の流れを導くための開口部を有するものである請求項１の気体分析前処理装置。
3. 前記偏流要素は、下流側から上流側へ向けて円錐状に広がるテーパ面を有するものである請求項１又は２の気体分析前処理装置。
4. 前記偏流要素の開口部の面積は、前記入口の断面積よりも大きいものである請求項２又は３の気体分析前処理装置。
5. 前記通気室は、前記入口から前記偏流要素の開口部へ向けて頂角が鈍角である円錐状に広がる上流側空間を有するものである請求項２から４の何れかの気体分析前処理装置。
6. 前記頂角は、前記上流側空間における前記気体の流路断面積を前記入口の断面積よりも大きくするものである請求項５の気体分析前処理装置。
7. 前記頂角は、前記上流側空間における前記気体の流路断面積を前記入口の断面積よりも大きくする最大の角度である請求項５又は６の気体分析前処理装置。
8. 前記通気室は、前記濾過要素と偏流要素との間に下流側空間を有するものである請求項１から７の何れかの気体分析前処理装置。

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