JP2008505836A - 煤生成装置 - Google Patents

Abstract

粒径分布が再現可能及び変更可能な煤粒子を生成するための装置は、燃料と酸化ガスを供給することが可能であるとともに、燃料と酸化ガスを供給されて煤粒子を発生する炎を中で生成することが可能である燃焼室（１）と、例えば、この燃焼室からの合流口を有する形で、この燃焼室と繋がった、消滅ガス用の合流口を更に有する煤分離部分（３）とを備えている。燃焼室と煤分離部分は、大気圧とは異なる圧力を加えることが可能な形で周囲環境から隔離することができる内部空間の一部である。即ち、この内部空間は、ガスの供給と分離を制御することが可能な閉じた系である。圧力の制御により、粒子の粒径分布を変化させることができる。

Description

この発明は、特性が再現可能な煤を生成するための装置に関する。

再現可能な特性を持つ煤を作り出す煤生成装置は、煤粒子測定器を校正又は調整するために必要である。そのような煤粒子測定器は、例えば、燃焼エンジン、特に、ディーゼルエンジンの排気特性を測定するために用いられる。

特許文献１には、そのような煤生成装置が記載されており、燃焼室内で、燃料と酸化ガスを用いて、煤粒子を発生する拡散炎を生成している。燃焼室は、煤粒子を分離するための煤分離パイプに合流している。この煤分離パイプは、煤分離パイプ内の燃焼プロセスを消火するための消滅ガスを供給することができる別の合流口を有する。それにより、別の合流口の下流における煤分離パイプ内のフロー状況の変化が、発生する煤粒子の特性に大した影響を及ぼさないようにする構成が実現されている。

この煤生成装置の改善構成は、保護権の優先日後に公開された特許文献２に開示されている。煤分離パイプの燃焼室との合流口の周辺を、ベンチュリ管の形式で狭くすることによって、この煤生成装置内に周囲環境の空気を吸入している。消滅ガスによって、空気の吸入を引き起こす負圧を生み出している。その空気により、周囲環境から燃焼用酸素を吸入して、強いて吸い込む必要がないようにすることによって、特にコンパクトな構造が可能となっている。

特許文献３は、別の煤生成装置を提示しており、その場合燃料は、空気と混合されて、事前反応器内で部分的に燃焼され、次に反応室に到達して、煤を発生している。

これらの公開された三つの煤生成装置の全てにおいて、様々な外部条件下で、例えば、異なる高度で、同じ粒径分布を生じさせるという意味において、煤粒子の特性が場所と無関係ではないという問題が有る。それは、煤生成プロセスが、特に、ガス分子の平均自由行路に依存するためである。（特許文献３のように）工業的な目的で煤を生産する場合、この欠点は非常に重大なことではないが、煤粒子測定器の校正に関する場合には重要である。様々な外部条件下で、例えば、異なる海抜又は異なる気象条件で、同じ粒径分布を生じさせることが望ましい。また、多くの用途に関して、生成された煤が、再現可能なだけでなく、例えば、粒径分布に関して、調整可能な特性を持つことも必要である。確かに、例えば、燃焼ガスの組成、その不活性ガスによる希薄化又はその流量を変化させるか、或いは細かく霧状にした液体の燃料により燃焼ガスを生成することによって、煤粒子の異なる粒径分布を実現することができる。しかし、更に変化させることが可能であることが望まれている。

特許文献２では、大気圧の変動を補償するために、狭窄部の状態を変化させ、それにより負圧を変更することを提案している。しかし、この措置では、主要な条件に関する限られた制御しか可能ではない。しかし、更に制御を進めることが望まれている。

煤粒子測定器の校正とは異なる用途にも適した煤生成装置が入手可能であることも望まれている。
欧州特許公開第１０５５８７７号明細書 国際特許公開第２００４／０６５４９４号明細書 米国特許第４，２６７，１６０号明細書 Ch. Hueglin, L. Scherrer und H. Burtscher, J. Aersol Sci. 28, p.1049 (1997)

以上のことから、この発明の課題は、前述した装置及び方法の欠点を克服した、特に、調整可能な特性を持つ煤を生成することが可能であるか、煤粒子測定器の校正を超越した用途に適しているか、或いはその両方が適用される、再現可能な特性を持つ煤粒子を生成するための装置及び方法を提供することである。そのためには、この装置は、浮遊粒子として、所定の特性を持つ煤粒子を所定の量又は濃度で含むガスを生成することが可能でなければならない。

この課題は、請求項に規定された通りの発明によって解決される。

この装置は、煤粒子を中で作り出すための内部空間を有する。この内部空間は、ガス（及びそのためガス内に漂う浮遊粒子）の供給と排出を完全に制御することが可能であるという意味において、周囲環境から隔離されている。従って、内部空間には、大気圧と異なる圧力を加えることも可能である。所定のガス量を内部空間から外に、例えば、測定構成又は測定構成により画定された外部空間に運び出すことができる。それにより、周知の従来技術と異なり、煤の生成時と排出時の両方における動作パラメータを自由に再現可能な形で、並びに互いに独立して決定することが可能となる。そのことは、煤分離パイプ内のフローが、反応室（例えば、燃焼室）内の圧力状態に対して直接的な影響を持つとともに、分離された煤を含むガスの量が、煤を生成する場所の圧力状態に対して影響を与える可能性が有る従来技術とは異なるものである。

即ち、内部空間は、ガスの供給と分離を制御することが可能である閉じた系である。

この措置は、特に、煤粒子の基本的な特性が、燃焼室内で支配的な圧力に大きく依存するという得られた知識にもとづく。例えば、１００ミリバールの規模の圧力変化により、平均的な粒径を１．５〜２倍に素早く変更することができる。即ち、必要により粒径分布と場合によっては粒径の標準偏差などのその他の粒子特性を体系的に変更するために、内部空間の圧力を利用することができる。

第一の有利な実施構成では、内部空間は、周知の手法で煤を発生する炎、例えば、拡散炎を中で直立に維持することができる燃焼室を有する。燃焼室内には、燃料と酸化ガスを供給することが可能であり、それにより、炎を発生させるとともに、局所的な酸素欠乏のために、煤も生成される。更に、この実施構成では、内部空間は、例えば、燃焼室からの合流口を備える形で、燃焼室と繋がった煤分離部分を有し、その場合この煤分離部分は、消滅ガス用の合流口を更に有する。

第二の有利な実施構成では、内部空間内で、熱分解により煤を作り出す。内部空間には、燃料とキャリヤガスの混合気が供給され（内部空間内で、混合を自然に起こすことができる）、その場合内部空間は、好適な手法で、例えば、内部空間の壁面を電気的に熱することにより加熱される。キャリヤガスは、有利には、酸素分子を含まないか、或いは酸素が希薄である。キャリヤガスは、例えば、基本的に熱分解温度に応じてアルゴン、その他の希ガス、窒素分子又はこれらのガスの混合気から構成される。燃料としては、室温でガス状又は液状である炭化水素、例えば、トルエンが考えられる。燃料が室温で液状である場合、内部空間内又は内部空間への投入前の内部空間外で、燃料を霧状にするか、或いは気化させる。熱分解の進行により、炭素が、塊となって主要粒子となり、次に凝析により更に成長する。煤粒子の大きさは、既に前述した圧力、燃料の濃度及び組成のパラメータ以外に、当然のことながら、内部空間内の温度と、その温度に炭素原子を曝す時間間隔にも依存する。後者を制御するために、周知の手法では、一定の時間後（貫流構成では、一定の区間後）に、消滅ガスを供給し、それにより、特にガスの温度を急速に低下させることができる。

内部空間内での煤の生成は、内部空間の第一の室内において、ガスを部分的に燃焼させることにより加熱し、次に（残りの燃料を含んだまま）酸素が中に無く、熱分解プロセスが進行する第二の室に供給する形で、熱分解と燃焼を組み合わせることによって実現することもできる。

最後に、煤粉末の拡散によって、或いは別の周知又は更に改善された方法によって、内部空間内で煤粒子を生成することもできる。

有利な実施構成では、如何なる形で煤を生成する場合でも、内部空間内の圧力を一定の範囲内で任意に調整、制御することができる。この場合、その他のパラメータを一定に保持した場合、例えば、炎を一定に保持した場合に得られる圧力と粒径分布間の関係を利用することができる。それは、例えば、この関係を活用した、量を示すテーブル又は特性関数（或いはそれらと同等のもの）である。即ち、所定の希望する粒径分布に調整することができる。この種の煤粒子特性の制御では、一般的に炎の特性の変更により変化させるのが有利である。

この系は、例えば、（大気圧と比べて）２００ミリバールの負圧から５００ミリバールの正圧までの範囲内で圧力を選定することが可能なように構成することができる。しかし、より大きな圧力差も可能である。

また、圧力の制御に代わって、内部空間内の圧力を単純に測定して、テーブル又は特性関数にもとづき計算し、得られる粒子分布に対する影響を、その後の測定（校正、フィルターテストなど）に合わせて補正することもできる。

この発明による煤分離部分の出口が開いていない形のアプローチにより、煤生成装置を新しい用途に利用することも可能となる。例えば、フィルター又はフィルター部材の試験又は検査時において、フィルター又はフィルター部材を貫流させるために、試験ガスに圧力を加えなければならず、更に、フローを一定に保持するとともに、時間の推移と共に汚れが堆積することを考慮すると、フィルター抵抗が増大した場合、この圧力は、場合によっては試験サイクルの間一定とはならない。このため、従来の煤生成装置は、フィルターの試験及び品質検査に関して殆ど問題にされていなかった。それに代わって、煤生成装置として、燃焼エンジンを用いなければならず、そのことは、様々な理由から不利であった。この発明によるアプローチにより、炎による煤生成装置を使用することが可能となり、その場合燃焼室内では、必ずしも大気圧とは一致しない一定の圧力が支配的である。

多くの用途に関して、煤を含むガスを内部空間から外に運び出す場合に、煤粒子の粒径分布とその他の特性が損なわれないということが重要である。従来のバルブを介した搬出では、例えば、大きな煤粒子は衝突により、小さな煤粒子は拡散により失われる可能性が有り、その場合更に、バルブが急速に汚れて、信頼性が無くなってしまうこととなる。従って、この装置は、煤を含む所定の量のガスを内部空間から外に運び出すための機器を備える。有利な実施構成では、その機器は、次の原理にもとづき、内部空間の容積と比べて少ない量のガスを内部空間から分離して、閉じた空間内で外に運び出し、そこで、例えば、分離パイプに、それを放出する。次に、このプロセスを任意の回数繰り返す。この実施構成では、それにより、内部空間と周囲環境との間の完全な圧力平衡が決して起こり得ないこと、即ち、その量のガスは、それが外部空間と接触する前に内部空間から分離されることが重要である。

それを可能とする機器は、既に周知である。既に実現された技術にもとづく、そのような機器の実施構成は、所謂回転式ダイリュータ（又はロータリーディスク式ダイリュータ）である。そのようなダイリュータでは、空洞を備えたディスクが、少量の素材ガスを外に運び出している（ＭＤ１９−２Ｅ型回転式ダイリュータは、出願人のマッターエンジニアリング社から入手可能であり、それに関する情報は、非特許文献１又はメーカーから直接得られる）。これに代わるものとして、ピストンを前後に動かす回転式シリンダーやその他の前述した原理にもとづく機器、例えば、回転運動の代わりに直線的にスライドさせて、容積を分離する機器も使用することができる。

煤を含むガスを内部空間から外に運び出すための前記の機器の選定は、煤生成装置の種類と関係しない。代替えの実施構成では、この機器は、臨界ノズル（即ち、音速領域でのフローによるノズル）、ニードル弁又はアイリス絞り形式の大きさが調整可能な狭い開口部を有する。ノズル又はニードル弁は、フロー内で実質的にガス粒子のように振る舞い、そのためほどんど衝突する傾向が生じないサブミクロン領域の煤粒子に適している。そのようなノズル又は弁内では速度が大きいために、吸収壁面上の拡散による著しい粒子の損失もほとんど観測されない。

有利な追加的な特徴として、炎を用いて煤を生成する場合、炎を点火するための点火器を内部空間内に配備することができる。そのような点火器を燃焼室の外の煤分離部分又は燃焼ガス／酸化ガス供給部分に配置することができることが分かっている。点火前において、自然に起こる拡散が、この場合でも、炎を点火するのに十分に高い濃度の燃料と酸化ガスが点火器の周囲に存在することに寄与している。それどころか、出来れば燃焼室内のフロー状態に影響を与えないで、その周囲で荒れ狂う、煤生成の再現可能性を脅かす可能性が有るフローを生じさせないようにするべきなので、点火器を燃焼室外に配置することが、特に有利である。

以下において、この発明の実施例を図面にもとづき詳しく述べる。

図１に図示した装置は、燃焼室１を備えた燃焼器を有し、その燃焼器は、燃焼室ハウジング２に対してほぼ垂直に延びる煤分離パイプ３に合流している。燃焼室には、ほぼ垂直に延びる燃料（有利には燃焼ガス）供給パイプ５と酸化ガス供給パイプ６が一本づつ合流しており、燃料供給パイプと酸化ガス供給パイプは、例えば、同軸に配置されている。このような炎の発生場所に燃料と酸化ガスを混合せずに供給する構成は、燃料と酸化ガスが拡散により炎内で初めて混じり合う拡散炎を利用したものである。この発明は、別の形式の炎、例えば、既に混合された燃料／酸化ガス混合気が供給される予混合火炎にも同じく良く適している。

煤分離パイプ３には、消滅ガス供給パイプ７も合流している。消滅ガスとしては、例えば、窒素や希ガスなどの化学的に不活性なガスが使用される。炭素化合物の大きな活性化エネルギーによる燃焼又は遷移プロセスが、専ら消滅ガスの冷却作用のために既に停止されているので、空気を使用することも可能である。煤分離パイプ３は、開いたパイプ終端を有し、それを取り囲むジャケットパイプ８と同軸に延びており、そのジャケットパイプには、希釈ガス供給パイプ９が合流している。この実施構成では、燃焼器は、全体として特許文献１、特に、第５欄２７行〜第９欄４４行に記載された燃焼器と同様のものである。ここで、燃焼器の構造と動作原理、使用可能な燃料、酸化ガス、消滅ガス及びそれらを混合したガス並びに希釈ガスに関して、明確には特許文献１を参照されたく、ここで述べる装置では、燃焼器の排出用開口部は、以下で述べる別の機器と置き換えられている。

フロー方向に対して煤分離パイプ３の開いた終端の下には、ジャケットパイプ８の延長部（この間隔は、図では縮尺通りに図示されていない）により形成される空間に沿って、或いはその空間に繋がって、図に非常に模式的にしか図示されていない回転式ダイリュータ１１が配置されている。それにより、分離パイプ内に有る煤を含む少量のガスを、そこから、測定パイプ１２内に運び出している。それにより、運び出された容積は、圧力に関して分離パイプから隔離されることとなる。任意選択として、測定パイプには、運ばれて来た煤を含むガスに追加して、希釈された測定用キャリヤガスが供給され、それに対応するガスフローは、矢印１５で表示して図示されている。この装置の測定パイプ１２又は出口１７に繋げて、以下において更に説明する通り、測定又は試験構成が配置される。

回転式ダイリュータにより運び出されなったガスは、分離パイプ連結部を経由して、スロットル部材１３を介して排出される。スロットル部材１３が、急速に煤けないようにするために、スロットル部材には、フィルター部材１４が前置されている。当然のことながら、分離部分の別の実施形態が考えられ、仕様によっては有利であり、例えば、分離パイプを回転式ダイリュータの前で分岐することができ、それにより、煤を含むガスの（少量の）一方の部分だけを、例えば、フィルターを前置した小さいフィードポンプにより運ぶ形で、一方の分離パイプ連結部を通して回転式ダイリュータにまで送る一方、ガスの他方の部分を他方の分離パイプ連結部を通してフィルター１４とスロットル部材１３を介して排出するものである。

燃焼室、煤分離パイプ、それを取り囲むジャケットパイプ、（回転式ダイリュータ又はスロットル部材までの）分離パイプ及び供給パイプは、一緒になって、外部に対して閉じた内部空間を形成する。その動作のために、例えば、供給される燃焼ガス、酸化ガス、消滅ガス及び希釈ガスの流量を調整して、生成される煤の量とフローの層流性に関して最適な煤の発生が起こるようにする。次に、それ以前の時点で検出されたデータにもとづき、所望の粒径分布に関して最適な動作圧力を選定する。所望の動作圧力が生じるように、スロットル部材１３を介して排出されるガスの量を制御手段により制御する。内部空間内の（図示されていない）圧力プローブは、そのために必要な圧力に関するデータを提供する。煤の量の制御は、一方では、場合によっては希釈率により、他方では、回転式ダイリュータ１１を用いて運び出されるガスの量により行う。最適な圧力の実現とその制御は、手動で、例えば、テーブル又は特性曲線を用いて行うことができる。しかし、圧力の検出及び／又は制御を電子式に、例えば、ユーザーインタフェースを備えたコンピュータを用いて実行することも可能である。

燃料としての炭化水素ガス（例えば、プロパン）と、酸化ガスとしての乾燥、濾過した周囲の空気とにより、平均粒径が３０ｎｍ〜２５０ｎｍの粒径分布を実現することができ、燃焼室内の圧力を高くする程、粒子が大きくなることが分かっている。平均粒径を５０ｎｍから７５ｎｍに増大することが可能であるためには、確かに１００ミリバールの比較的穏やかな圧力の上昇で済ますことができる。装置の出口側で達成される粒子濃度は、例えば、１０⁷ ｃｍ^-3〜１０⁹ ｃｍ^-3である。

回転式ダイリュータに代わって、ガスを内部空間から内部空間から隔離された（測定）パイプに運び出すための別の機器も存在し得る。可能な原理の非常に模式的な図面が、図２に示されている。そこに図示された希釈機器２０は、内部空間（圧力ｐ_i ）と外部空間（圧力ｐ_a ）の間に、回転するシリンダーを有し、シリンダー内では、ピストン２２がストッパーの間をスライドすることが可能となっている。シリンダーが１８０°回転する毎に、ピストンは、シリンダーに沿って一方のストッパーから他方のストッパーにスライドし、その際シリンダー内に有る容積分がシリンダーの一方の側で吐き出されると同時に、他方の側で再び煤を含むガスが充填される。ｐ_i ＞ｐ_a の場合、ピストンのスライドは、圧力差のために自動的に行われ、そうでない場合、ピストン用の駆動機構を配備しなければならない。運び出される量の制御は、シリンダーの回転速度により行われる。当業者は、一方の容器からそれから隔離された他方の容器へのガス量の運び出しを可能とする多くの別の機構を知っているか、或いは考案することが可能である。

更に別の実施構成では、粒子を含むガスを速い速度で外に運び出すための（図示されていない）臨界ノズル又はニードル弁を使用するものと規定する。粒子を含む一定量のガスを流出させるための小さい開口部、例えば、アイリス絞りの開口部を使用することも可能である。

ほぼ閉じた系内では、場合によっては、炎を点火することが問題となる。確かに、ガスの炎を自動的に、例えば、電気的な動作により点火するためのシステム自体は、既に昔から知られている。しかし、その場合炎内、その近傍及び更に燃焼・凝析プロセス又は煤粒子の特性に影響を与えるその他のプロセスが起こる全ての所でのガスフローの層流性を保証しなければならないという更なる問題が生じる。従って、一般的に従来の点火プラグを炎の所に配置することは不可能であり、そのため従来技術によるシステムは、電気的な制御により炎を点火するための機器を問題としていない。

この発明の実施構成では、装置は、閉じた内部空間内で炎を点火するための点火器を有する。この点火器は、有利には、燃焼室の外に配置される。可能な配置に関する四つの例が図３に記入されている。一般的に実際には、図３に記入されている通り四つの点火器が全て存在するのではなく、有利には、その中のちょうど一つが存在する。

点火器２１．１の可能な第一の配置は、燃料又は酸化ガス供給パイプ内である。煤分離パイプ３の出口に、即ち、そこで消滅ガスと混合された煤を含む燃焼生成物が希釈ガスと混ぜ合わされる所に、点火器２１．２を配置することもできる。別の可能な点火器２１．３の配置は、燃焼室１の合流口の上流の消滅ガス供給パイプ内である。点火器は、（機器２１．２と２１．３に対応する）二つの場合で示されている通り、相応に配備された開口部を介して外側から内部空間内に突き出て、点火プラグの原理にもとづき電気的に作動することが可能である。それに代わって、点火器は、触媒原理をベースとすることができ、例えば、触媒作用を持つ大きなプラチナ面を備えることができる。図示した全ての場合において、点火器は、煤粒子が発生して、化学的又は物理的に変化（凝析）することが可能な領域で層流が妨害されないように、燃焼室から離れて配置される。それにも関わらず、燃焼前に起こる拡散プロセスにより点火が可能であることが分かっている。

前述した配置に代わって、機械的にスライド可能な点火器を配備することもできる。それに対応する例は、図示された第四の点火器２１．４である。この点火器２１．４は、燃焼室１の開口部を介して燃焼室内に突き出ている。点火のために、ほぼ図示した位置に対応する場所に、それをスライドさせる。次に、燃焼室１内のフローが再び層流となるような程度だけ、動作を妨げないように、それを引き戻す。

図４は、フィルター製造産業での品質制御用に使用することができるようなフィルター試験又は制御構成を図示している。前述した種類の装置の出口１７は、フィルター３１を備えた測定区間と繋がっている。フロー方向に対してフィルター３１の後には、測定構成３２、ここでは測定プローブ３４を備えた測定器３３が取り付けられている。フィルターにより生じる圧力低下のために、測定パイプ３５の出口が開いている場合、圧力は、大気圧よりも高く、体積流量又はフィルター特性が変化した場合一定とはならない。それにも関わらず、この発明による措置により、この構成内に、既知の再現可能な特性（粒子の大きさ及び／又は組成）を持つ煤を既知の大抵は少ない再現可能な量で注入することが可能となる。そして、この測定構成により検出される粒子量と粒子特性は、フィルターの特性を特徴付けるものである。移動度の測定又は光学式、光電式、重量式、或いはその他の原理にもとづく粒子量と粒子特性を求めるための測定構成は、周知であり、ここでは詳細に説明しないので、広範囲の専門文献を参照されたい。

図５による構成は、例えば、フィルター又はフィルター部材を開発する場合に使用されるように、フィルターを検査するために用いられる。試験フィルター４１は、十分な検査を受け、その場合フィルターは、多いが、常に再現可能な量の煤に曝される。粒子特性用の測定構成３２に追加して、試験フィルター４１による（体積流量と場合によってはそれまでに濾し採られた煤量の関数である）圧力低下を検出する圧力測定器４２も記入されている。試験フィルターを通る体積流量は、検査プロセスの全体的な推移の中で変化する、例えば、１．５ｍ³ ／分以上の比較的大きな値となる可能性が有る。希釈機器（この実施例では、有利には、臨界ノズル、ニードル弁又はアイリス絞り）により、そこに混合される煤を含むガスの体積流量は、例えば、０〜３０リットル／分の間で変化させることが可能である。即ち、（測定パイプ１２内のキャリヤガス量の制御により制御可能な）体積流量全体と煤量は、互いに独立して調整することができ、同様に、両方の体積流量に関係無く、煤粒子の粒径分布を制御することができる。そのことは、全てこの発明による煤生成装置の内部空間を圧力的に隔離することにより可能となる。

この発明による装置は、大きな寸法と大きな性能までの規模に応じて、（個々の測定器と異なり）設備全体、例えば、所謂「定容量サンプラー（ＣＶＳ）」の校正のために使用することもできる。ＣＶＳ設備は、負荷に依存した燃焼エンジンの排気特性を検査する際に使用される。即ち、それを用いて、エンジン出力、例えば、走行キロメートル数又は消費キロワット時に依存した粒子の排出を計測している。ＣＶＳでは、粒子を含む変化する排気ガスフローに希釈ガスを混ぜて、その結果得られる体積流量が一定となるようにしている。そして、体積流量内の粒子濃度が、粒子排出量全体に関する尺度となる。

この発明の特徴として、燃焼室を備えるとともに、その中に煤を発生する炎が有る、この発明による煤を生成するための装置は、燃焼エンジン又は燃焼エンジンを備えた車両の代わりに、そのような設備の入口と接続される。この発明によるアプローチにより、炎が一定に燃焼する場合、この発明による種類の（寸法が相応に大きい）装置５１が、粒子量と場合によっては粒子濃度が変化するガスフローを生成することが可能となり、その場合粒径分布は、その量に依存しない。燃焼エンジンの排出をシミュレーションしたい場合、場合によっては、負荷が加えられた燃焼エンジンによっても行われる通り、煤を含むガスフローに圧力を加えて設備内に注入する必要が有る。そのことも、単に、この発明により装置の内部空間と周囲環境を隔離することによって可能となる。

排出測定に関する大規模設備を校正又は試験するために、炎による煤生成装置を使用することは、この発明により更に追加される新たな特徴である。

この発明の前述した実施構成は、単なる例であり、多くの点において変更することができる。即ち、例えば、燃焼器の形状は、決して図示された形状に限定されない。確かに、垂直な燃焼室と水平な煤分離部分のＴ字形状の配置は、多くの点において有利であるが、決して必須なことではない。燃焼室が、同じく水平に延びる煤分離部分に直接統合された完全に垂直な配置も考えられる。更に、別の煤生成形式、例えば、熱分解を用いることもできる。また、既に言及した通り、希釈機器又は一般的に煤を含む制御量のガスを外に運び出すための手段に関して、多くの異なる解決策が考えられる。燃焼室又は煤生成空間を周囲環境から隔離することだけが重要である。

更に、所望の粒径分布に調整するための圧力又は圧力に代わる追加的な制御パラメータ以外に、例えば、燃焼ガス混合気又はそれを希ガスで薄めること、燃焼ガス／酸化ガスの比率などを用いることができる。圧力の調整は、必ずしもスロットル部材１３（だけ）で行う必要はなく、その他のこと、例えば、供給する消滅ガスの量などによっても同様に実行することができる。

図７に図示された装置は、熱分解により煤を含むガスを生成して、所定の量を外部空間に運び出すために配備されている。この装置は、耐熱材料（例えば、モリブデン、タンタル、タングステン又はセラミック材料）から製作された熱分解パイプ６１を備えている。当然のことながら、パイプに代わって、別の容器形状も考えられ、そして全く一般的には、熱分解パイプに代わって、熱分解室が有る。更に、この装置は、例えば、パイプ壁面の一部領域を熱する電熱器６２により、熱分解パイプ（又は熱分解室）の少なくとも部分領域を加熱する手段を有する。熱分解パイプには、燃料供給パイプ６５とキャリヤガス供給パイプ６６が一本ずつ合流しており、燃料供給パイプとキャリヤガス供給パイプは、図示された実施構成では、同軸に配置されている。燃料としては、例えば、炭化水素が、キャリヤガスとしては、有利には、希ガス、特に、アルゴンが用いられるが、その他の不活性ガス、例えば、窒素を用いることも可能である。燃料とキャリヤガスは、共通の供給パイプ内で混合されて、熱分解パイプに到達することもできる。そのことは、特に、室温で液体の燃料（例えば、トルエン）の場合に有利である。前記の場合、例えば、熱分解パイプ内に到達する前に、キャリヤガスに燃料を貫流させる。

加熱された領域では、燃料とキャリヤガスの混合気が熱せられる。この混合気の温度は、パイプ壁面（と場合によっては存在し得る表面を拡大した構造、例えば、リブ構造）の加熱された領域の大きさ、その温度及び貫流フロー速度によって決まる。熱分解パイプ（熱分解室）の内部には、例えば、（図示されていない）温度プローブが有る。この装置は、例えば、燃料とキャリヤガスの混合気の温度が、１０００°Ｃ〜１４００°Ｃ、特に有利には、１１００°Ｃ〜１３００°Ｃに達するように動作させることができる。ＣＨ化合物は、これらの温度に耐えられず、炭素の集塊を形成して、煤粒子に凝析することができる。

熱分解パイプ６１には、消滅ガス供給パイプ６７も合流している。消滅ガスとしては、例えば、窒素や同じく希ガス（例えば、キャリヤガスと同じもの）などの化学的に不活性なガスが用いられる。炭素化合物の大きな活性化エネルギーによる燃焼又は遷移プロセスが、専ら消滅ガスの冷却作用のために既に停止されているので、空気を使用することも可能である。この構成は、燃料とキャリヤガスの混合気が、消滅ガス供給パイプの合流口に到達する前に、先ずは熱分解パイプ６１の加熱された領域を貫流するようにするのが有利である。

ここに記載した実施構成の変化形態では、消滅ガス供給パイプ６７を省くこともできる。それに代わって、例えば、熱分解パイプ又はそれに繋がる内部空間の部分を能動的に冷却することも可能である。

この装置は、フロー方向に対して消滅ガス供給パイプの合流口の下に、内部空間から外部空間に所定のガス量を運び出すための機器を備えている。図示した実施例では、この装置は、開口部を制御することが可能であるアイリス絞り６８を有し、それを用いて、例えば、（図示されていない）制御手段により断続的に作動して、煤ガスの煙を外に排出することが可能である。図示した例では、所定の量が、測定パイプ１２内に運び出される。任意選択として、測定パイプには、運び出されて来た煤を含むガスに加えて、希釈した測定用キャリヤガス（このガスを空気とすることができる）を供給することができ、それに対応するガスフローは、矢印１５で表示して図示されている。測定パイプ１２又は装置の出口１７に繋がって、前記の例の通り、測定又は試験構成を配置することができる。

運び出されなかったガスは、フィルター部材を前置したスロットル部材１３を介して排出される。この実施例においても、分離部分の別の実施形態が考えられる。

スロットル部材に向かっての分離用連結部６９と供給パイプ６５，６６，６７を含む熱分解パイプは、一緒になって外部に対して閉じた内部空間を構成する。この閉じた内部空間には、所望の圧力を加えることができるとともに、ガス量を運び出すための機器（ここではアイリス絞り６８）を介して、煤を含む所定の量のガスを内部空間から所望の外部空間（ここでは測定パイプ１２）に運び出すことができる。

この実施例においても、その動作のために、例えば、供給された燃焼ガス・キャリヤガス・消滅ガス・希釈ガスの流量を調整して、発生する煤の量とフローの層流性に関して最適な煤の生成が起こるようにする。そして、それ以前の時点で検出されたデータにもとづき、所望の粒径分布に関して最適な動作圧力を選定する。熱分解にもとづき煤を生成する、図７に図示した実施構成に関しても、生成される粒子の粒径分布は、内部空間内の圧力に依存し、それは、そこで進行するプロセス（特に、凝析）が、ガス内での平均自由行路により影響を受けるからである。

そのため、スロットル部材１３を介して運び出されるガス量は、制御手段によって、所望の動作圧力が生じるように制御される。内部空間内の（図示されていない）圧力プローブは、それに必要な圧力に関するデータを提供する。煤量の制御は、一方で、場合によっては希釈率により、他方で、外部に運び出されるガス量により行われる。最適な圧力の算出とその制御は、手動で、例えば、テーブル又は特性曲線を用いて行うことができる。しかし、圧力の算出及び／又は制御を電子的に、例えば、ユーザーインタフェースを備えたコンピュータを用いて実行することも可能である。

全ての実施例に関して、内部の圧力を制御して一定に保持するのではなく、単に測定する動作も考えられる。その場合、例えば、同じく特性曲線又はテーブルを用いて、或いは暗黙又は明確に知られた関数を用いて、粒径分布の圧力に対する依存性を計算により補正することができる。この実施構成は、圧力が一定の場合の動作の利点を持たず、従って、評価用の高い計算能力を必要とし、場合によっては更なる不確実性が避けられないにも関わらず、それでもなお内部空間から圧力的に隔離された測定構成に、所定の特性を持つガスを所定の量だけ運び出すことが可能であるという利点も有する。

ここに記載した実施例と異なり、この発明によるアプローチは、例えば、場合によっては場所的に異なる室に分離された形での前記の（化学量論的な）燃焼と熱分解の組み合わせのような、内部空間内で煤を生成する別の方法に拡張することもできる。煤の粉末の拡散又はその他の物理的及び／又は化学的プロセスも考えられる。

この発明の実施例の側方から見た模式的な断面図 点火器の可能な配置を記入した図１の詳細図 回転式ダイリュータに代わる、煤を含むガスを内側から外に運び出すための機器の非常に模式的な図 フィルター制御機器の模式図 フィルター検査機器の模式図 定容量サンプラー（ＣＶＳ）を校正するための構成 この発明の代替えの実施例の模式図

Claims (22)

1. 燃料から煤粒子を生成して、その煤粒子を含むガスを生成する手段を備えた内部空間を有する、測定又は校正を目的として、所定の特性を持つ煤を生成するための装置において、
   この内部空間が、周囲環境から隔離されており、その結果この内部空間には、大気圧とは異なる圧力を加えることが可能であることと、
   所定のガス量を内部空間から測定構成に運び出す手段が存在することと、
   を特徴とする装置。
2. 当該の内部空間が、燃料と酸化ガスを供給することが可能である燃焼室（１）を有し、その燃焼室内で、燃料と酸化ガスを供給して、煤粒子を発生する炎を生成することが可能であることと、
   当該の内部空間が、燃焼室と繋がった煤分離部分（３）を有し、この煤分離部分に消滅ガスを供給することが可能であることと、
   を特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 当該の内部空間内で炎を点火するための点火器（２１．１，２１．２，２１．３）を特徴とする請求項２に記載の装置。
4. 当該の点火器が、燃焼室外の煤分離部分、消滅ガス供給部分或いは燃焼ガス及び／又は酸化ガス供給部分内に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の装置。
5. 当該の内部空間が、内部空間壁面によって画定されていることと、
   当該の内部空間内で熱分解により煤粒子を発生することが可能なように、この内部空間壁面を少なくとも部分的に加熱する手段が存在することと、
   を特徴とする請求項１に記載の装置。
6. 当該の内部空間が、酸素供給部分を持っていないことを特徴とする請求項５に記載の装置。
7. 当該の内部空間が、煤の粉末を拡散する手段を有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
8. 所定のガス量を運び出す手段が、希釈機器（１１，２０）を有することを特徴とする請求項１から７までのいずれか一つに記載の装置。
9. 当該の希釈機器が、ロータリーディスク式ダイリュータ（１１）であることを特徴とする請求項８に記載の装置。
10. 所定のガス量を運び出す手段が、臨界ノズル、ニードル弁又はアイリス絞りを有することを特徴とする請求項１から９までのいずれか一つに記載の装置。
11. 制御対象の内部圧力を調整する制御手段を特徴とする請求項１から１０までのいずれか一つに記載の装置。
12. 内部空間に燃料とキャリヤガスを供給して、内部空間内で、燃料からガス内で浮遊する煤粒子を生成する、測定又は校正を目的として、浮遊粒子として所定の特性を持つ煤粒子を所定の量又は濃度だけ含むガスを生成するための方法において、
    この内部空間が、周囲環境から隔離されており、その結果この内部空間には、大気圧とは異なる圧力を加えることが可能であることと、
    所定のガス量を内部空間から測定構成に運び出して、所定の特性を持つ煤粒子を所定の量又は濃度だけ含むガスを生成することと、
    を特徴とする方法。
13. 当該の内部空間内で、燃料を部分的に炎として燃焼させることにより、煤粒子を生成し、その場合炎が、有利には、拡散炎であることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
14. 生成された煤粒子が、燃焼室から燃焼室と繋がった煤分離部分（３）に運ばれるように、当該の炎が、燃焼室内で直立して保持されており、その場合この煤分離部分に消滅ガスが供給されることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
15. 煤粒子を生成するために、燃料とキャリヤガスを混合して加熱し、燃料を熱分解させることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
16. 当該の内部空間を画定する壁面を少なくとも部分的に熱することによって、キャリヤガスを加熱することを特徴とする請求項１５に記載の方法。
17. ガス内に浮遊する煤粒子を生成するために、当該の内部空間内に煤の粉末を拡散させることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
18. 当該の内部空間に、大気圧とは異なる圧力を加えることと、
    その圧力を制御することと、
    を特徴とする請求項１２から１７までのいずれか一つに記載の方法。
19. 請求項１２から１８までのいずれか一つに記載の方法により、煤粒子を含むガスを生成し、場合によっては、少なくとも一つの別のガスを混合させて、試験対象のフィルター又は試験対象のフィルター部材を通して送り出す、フィルター又はフィルター部材を試験する方法。
20. フロー方向に対してフィルター又はフィルター部材の後で、ガス内の煤濃度を測定することを特徴とする請求項１９に記載の方法。
21. ガスフロー内でフィルター又はフィルター部材により生じる圧力低下を測定することを特徴とする請求項１９又は２０に記載の方法。
22. 測定又は校正を目的として、所定の特性を持つ煤粒子が所定の量又は濃度で中に浮遊するガスを生成するための装置であって、燃料と酸化ガスを供給することが可能であるとともに、燃料と酸化ガスを供給されて煤粒子を発生する炎を中で生成することが可能である、周囲環境から隔離された燃焼室（１）と、この燃焼室と繋がった、消滅ガスを供給することが可能な煤分離部分（３）とを備えた装置を、フィルター部材（３１，４１）を試験するための、或いは定体積流量式測定器を校正するための使用。

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