JP2010210536A - 粒子状物質検出装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】一方の端部に貫通孔2が形成された一方向に長い検出装置本体1と、貫通孔2を形成する壁の内部に埋設された高電圧電極11及び低電圧電極12と、検出装置本体1の表面に配置された高電圧取り出し端子11aと、少なくとも高電圧取り出し端子11aが配置された部位を覆うように配置された筒状の高電圧取り出し端子絶縁部材20と、高電圧取り出し端子絶縁部材20の更に外側を覆うように配置された金属材料からなる検出装置外筒30と、備え、貫通孔2内に流入する流体に含有される粒子状物質を、貫通孔2の壁面に電気的に吸着させることが可能であり、貫通孔2を形成する壁の電気的な特性の変化を測定することにより貫通孔2の壁面に吸着された粒子状物質を検出することが可能な粒子状物質検出装置100。
【選択図】図1C
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図1A〜図1C、及び図2A〜図2Cに示すように、本発明の一の実施形態の粒子状物質検出装置100は、一方の端部に少なくとも一の貫通孔2が形成された一方向に長い検出装置本体1、貫通孔2を形成する壁の内部に配設(埋設)された少なくとも一対の電極11,12、及びこの電極11,12に電気的に接続された取り出し端子11a,12b等によって構成される、粒子状物質を検出するためのセンサーとなる部位(以下、これらからなる部位を「センサー部40」ということがある)と、この検出装置本体1の一部を覆うように配置された筒状の高電圧取り出し端子絶縁部材20と、高電圧取り出し端子絶縁部材20の更に外側を覆うように配置された金属材料からなる検出装置外筒30と、備えた粒子状物質検出装置100である。
次に、本実施形態の粒子状物質検出装置を構成する各構成要素について更に具体的に説明する。
検出装置本体は、一方の端部に少なくとも一の貫通孔が形成された一方向に長く構成された、粒子状物質検出装置の基体となる部位である。検出装置本体は誘電体から構成されており、この貫通孔を形成する対向するそれぞれの壁の内部には少なくとも一対の電極が配置されており、一対の電極に電圧を印加することにより貫通孔内に放電を生じさせることができる。なお、検出装置本体の一方の端部における貫通孔が形成された部位は、排ガスが流通する配管内に挿入して、排ガス中の粒子状物質の測定を行うため、高電圧取り出し端子絶縁部材及び検出装置外筒によって覆われておらず、外部に露出するように構成されている。
本実施形態の粒子状物質検出装置は、図2A〜図2Cに示すように、貫通孔2を形成する壁の内部に埋設された一対の電極(高電圧電極11及び低電圧電極12)を備えている。この一対の電極11,12は、貫通孔2を挟むようにして誘電体で覆われており、この一対の電極11,12間に所定の電圧を印加することにより、貫通孔2内に放電を起こすことが可能に構成されている。
一対の電極を構成する高電圧電極11及び低電圧電極12は、それぞれの電極11,12から検出装置本体1の他方の端部1b側に向かって配線11b,12bが延出され、それぞれの取り出し端子(高電圧取り出し端子11a,低電圧取り出し端子12a)と電気的に接続されている。この取り出し端子は、一対の電極に電圧を印加するための電源等からの配線(例えば、配線19)を接続する部分である。
図2C、図3、及び図7に示すように、本実施形態の粒子状物質検出装置は、貫通孔2の壁面(検出装置本体1の側面に並行する壁面)に沿うようにして検出装置本体1の内部に配設(埋設)された加熱部13を更に備えることが好ましい。加熱部13により、貫通孔2を形成する壁に吸着された粒子状物質を加熱酸化させることができ、また、粒子状物質の質量測定時等において、貫通孔2の内部空間を所望の温度に調節し、貫通孔2を形成する壁の電気的な特性の変化を安定的に測定するための温調を行うことができる。
更に、本実施形態の粒子状物質検出装置は、図2C、及び図5に示すように、一対の電極11,12のそれぞれから検出装置本体1の他方の端部1bに向かって延びる配線11b,12bの間に挟まれる位置に、帯状の接地電極14が配設されていてもよい。接地電極14とは、接地されている電極である。
図1A〜図1Cに示すように、本実施形態の粒子状物質検出装置100は、電気絶縁性を有するセラミックスからなり、その一方の端面20aから他方の端面20bに貫通する貫通部22が形成され、貫通部22の内部を検出装置本体1が貫通して、少なくとも検出装置本体1の高電圧取り出し端子11aが配設された部位を覆うように配置された、筒状の高電圧取り出し端子絶縁部材20を備えている。なお、この高電圧取り出し端子絶縁部材20は、粒子状物質検出装置100の外筒となる検出装置外筒30に更に挿嵌された状態で保持されている。
検出装置外筒30は、金属材料からなり、高電圧取り出し端子絶縁部材20を少なくとも覆い、且つ、この高電圧取り出し端子絶縁部材20を貫通するように配置(挿嵌)された検出装置本体1の一方の端部1aにおける貫通孔2が形成された部位を外部に露出させるように配置された、筒状の外筒である。
次に、本実施形態の粒子状物質検出装置を製造する方法について、図1A〜図1Cに示す本実施形態の粒子状物質検出装置100を製造する場合の例を説明する。
まず、検出装置本体1を含むセンサー部40を、複数のテープ状セラミック(セラミックシート)を用いて作製する。具体的には、アルミナ、コージェライト化原料、ムライト、ガラス、ジルコニア、マグネシア、及びチタニアからなる群より選択される少なくとも一種のセラミック原料(誘電体原料)と、成形原料として使用する他の成分とを混合し、スラリー状の成形原料を調製する。セラミック原料(誘電体原料)としては、上記原料が好ましいが、これに限定されるものではない。他の原料としては、バインダー、可塑剤、分散剤、分散媒等を使用することが好ましい。
次に、上記方法により得られたスラリー状の成形原料をテープ状に成形加工して、一方向に長いグリーンシートを作製する。成形加工方法は、成形原料をシート状に成形してグリーンシートを形成することができれば特に限定されず、ドクターブレード法、プレス成形法、圧延法、カレンダーロール法等の公知の方法を使用することができる。このとき、グリーンシートを積層したときに貫通孔が形成されるように、貫通孔形成用のグリーンシートを作製する。作製するグリーンシートの厚さは、50〜800μmであることが好ましい。
次に、得られたグリーンシートの表面に各電極(高電圧電極、低電圧電極、接地電極)、配線、加熱部、及び取り出し端子を配設する。例えば、まず、配設する各電極、配線、加熱部、及び取り出し端子を形成するための導体ペーストを調製し、得られた導体ペーストを、図3〜図7に示すように、各グリーンシートの対応する位置に印刷して、各電極(高電圧電極11、低電圧電極12、接地電極14)、配線(配線11b,12b,13b,14b)、加熱部13、及び取り出し端子(取り出し端子11a,12a,13a,14a)を形成する。
次に、得られたグリーンシート積層体を乾燥、焼成して、検出装置本体を含むセンサー部を得る。具体的には、得られた、グリーンシート積層体を60〜150℃で乾燥し、1200〜1600℃で焼成してセンサー部を作製する。なお、グリーンシートが有機バインダーを含有する場合には、焼成の前に、400〜800℃で脱脂することが好ましい。
また、上記センサー部とは別に、高電圧取り出し端子絶縁部材、及び検出装置外筒を作製する。高電圧取り出し端子絶縁部材は、所定の粉末を円柱形の金型に封入し、加圧成型後、高温で焼成することで絶縁性セラミックスを作製し、得られた絶縁性セラミックスを所定の形状に切り出し加工することで作製する。
まず、上述したグリーンシートによって製造した検出装置本体(センサー部)の各取り出し端子に、電源及び測定部に電気的に接続するための配線を接続する。なお、高電圧取り出し端子に配線を接続する際には、高電圧取り出し端子と接続された配線とを、電気絶縁性を有する接着剤によって被覆することが好ましい。
(成形原料の調製)
アルミナを誘電体原料として使用し、バインダーとしてポリビニルブチラール、可塑剤としてフタル酸ジ−2−エチルヘキシル、分散剤としてソルビタントリオレエートを使用し、分散媒として有機溶剤(キシレン:ブタノール=6:4(質量比))を使用し、これらをアルミナ製ポットに入れて混合し、グリーンシート製作用のスラリー状の成形原料を作製した。各原料の使用量は、アルミナ100質量部に対して、バインダー7質量部、可塑剤3.5質量部、分散剤1.5質量部、有機溶剤100質量部とした。
次に、上記方法により得られたスラリー状の成形原料をドクターブレード法を用いてシート状に成形加工した。この際、グリーンシートを積層したときに貫通孔が形成されるように、切断部形成グリーンシートも作製した。グリーンシートの厚さは、250μmとした。
得られた、グリーンシート積層体(センサー部の未焼成体)を120℃で乾燥し、1500℃で焼成して粒子状物質検出装置のセンサー部を作製した。得られたセンサー部は、0.7cm×0.2cm×12cmの直方体において、他方の端部が、図1Bに示すように細くなった形状であった。細くなった他方の端部は、幅4.25cm、長さ1.2cmであった。貫通孔は、排ガスの流通方向に垂直な断面形状が10cm×0.5cmの長方形であった。
高電圧取り出し端子絶縁部材は、アルミナ粉末を円柱形の金型に封入し、加圧成型後、高温で焼成することでアルミナセラミックスを作製し、得られたアルミナセラミックスを所定の形状に切り出し加工することで作製した。
また、検出装置外筒は、円筒形のステンレス管を外径14mm(内径13mm)×70mmの円筒状に切り出し加工することで作製した。
検出装置本体(センサー部)の各取り出し端子に、電源及び測定部に電気的に接続するための配線を接続し、高電圧取り出し端子絶縁部材の貫通部に、他方の端面側(第二貫通部側)から検出装置本体を挿入し、高電圧取り出し端子絶縁部材の一方の端部側から、検出装置本体の一方の端部が51mm出現する状態とした。なお、高電圧取り出し端子に配線を接続する際には、高電圧取り出し端子及び接続された配線とを、電気絶縁性を有する接着剤(アルミナを主成分とし、溶媒としてアルコール系溶剤を用いた接着剤)によって被覆した。
放電用の電源としては、パルス電源とDC電源を用い、電極の取り出し端子に接続した。
電極間のインピーダンスを測定するための測定部としては、アジレントテクノロジー社製のインピーダンスアナライザを用い、電極の取り出し端子に接続した。また、接地電極の取り出し端子は接地させた。
得られた粒子状物質検出装置を、ディーゼルエンジンの排気管に設置した。ディーゼルエンジンとしては、排気量2000ccの直噴−ディーゼルエンジンを使用し、回転数1500rpm、トルク24N・m、EGR(exhaust gas recirculation)開度50%、排ガス温度200℃、吸入空気1.3m3(室温換算)/分の運転条件下で排ガスを発生させた。
粒子状物質検出装置の検出装置外筒の外側に、加熱用のヒーター線を捲回し、粒子状物質検出装置を外側から加熱する。その後、下記の温度条件において、高電圧取り出し端子と検出装置外筒との間に、交流5kVを1分間印加し、高電圧取り出し端子−検出装置外筒間における、絶縁抵抗値値(MΩ)を計測した。測定結果を表1に示す。
測定機器:HIOKI社製、商品名「3158 AC WITHSTANDING VOLTAGE Hi TESTER」、
印加電圧:AC5kV、
測定雰囲気:大気中、
温度条件(測定温度):室温、200℃、300℃、及び400℃の4点。
高電圧取り出し端子絶縁部材の大きさを、外径12.8mm、長さ14mmの円柱状とし、且つ、高電圧取り出し端子絶縁部材の第二貫通部内における検出装置本体との隙間に、電気絶縁性を有する接着剤を充填したこと以外は、実施例1と同様の方法によって粒子状物質検出装置を製造し、上述した耐高電圧試験を行った。結果を表1に示す。なお、第二貫通部内に充填した接着剤としては、検出装置本体の高電圧取り出し端子と配線とを被覆した接着剤と同様の接着剤を用いた。
高電圧取り出し端子絶縁部材を用いずに、検出装置本体の高電圧取り出し端子と配線とを電気絶縁性を有する接着剤によって被覆した後、検出装置本体を検出装置外筒に挿入し、検出装置外筒と検出装置本体との隙間にタルク粉末を充填して押し固め、検出装置外筒の両端に蓋栓部材を配置した以外は、実施例1と同様の方法によって粒子状物質検出装置を製造した。この比較例1の粒子状物質検出装置においても、上述した耐高電圧試験を行った。結果を表1に示す。
表1より、実施例1の粒子状物質検出装置は、粒子状物質測定試験における、初期測定時と集塵後の静電容量(インピーダンス)の差が明確に示された。これより、1分間のインピーダンス測定でも、排ガス中の粒子状物質量の増加を検出することが可能であることがわかる。なお、実施例2の粒子状物質検出装置においても、センサー部の構成が同様であるため、実施例1と同様の粒子状物質測定試験において、静電容量(インピーダンス)の差が明確に示され、粒子状物質の測定を良好に行うことができる。しかし、比較例1の粒子状物質検出装置においては、荷電集塵するための印加電圧を印加した際、高電圧取り出し端子周辺で絶縁破壊が生じたため、排ガス中の粒子状物質を集塵することができず、1分間でのインピーダンス測定で静電容量(インピーダンス)の値が変化しなかった。
Claims (6)
- 一方の端部に少なくとも一の貫通孔が形成された一方向に長い検出装置本体と、
前記貫通孔を形成する壁の内部に埋設され、誘電体で覆われた低電圧電極及び高電圧電極を有する少なくとも一対の電極と、
前記低電圧電極に電気的に接続され、前記検出装置本体の他方の端部に配設された低電圧取り出し端子と、
前記高電圧電極に電気的に接続され、前記検出装置本体の表面における、前記一方の端部と前記他方の端部との間の位置に配置された高電圧取り出し端子と、
電気絶縁性を有するセラミックスからなり、その一方の端面から他方の端面に貫通する貫通部が形成され、前記貫通部の内部を前記検出装置本体が貫通して、少なくとも前記検出装置本体の前記高電圧取り出し端子が配設された部位を覆うように配置された、筒状の高電圧取り出し端子絶縁部材と、
金属材料からなり、前記高電圧取り出し端子絶縁部材を少なくとも覆い、且つ、前記検出装置本体の前記一方の端部における前記貫通孔が形成された部位を外部に露出させるように配置された、筒状の検出装置外筒と、を備え、
前記検出装置本体の前記一方の端部に形成された前記貫通孔内に流入する流体に含有される荷電された粒子状物質、又は、前記一対の電極に電圧を印加することにより前記貫通孔内に生じる放電により荷電された、前記貫通孔内に流入する流体に含有される粒子状物質を、前記貫通孔の壁面に電気的に吸着させることが可能であり、貫通孔を形成する壁の電気的な特性の変化を測定することにより前記貫通孔の壁面に吸着された粒子状物質を検出することが可能な粒子状物質検出装置。 - 前記高電圧取り出し端子絶縁部材に形成された前記貫通部は、前記高電圧取り出し端子絶縁部材の前記一方の端面から所定の長さの範囲における貫通方向に垂直な断面の大きさが、前記検出装置本体の長手方向に垂直な断面の大きさと略同一に形成された第一貫通部と、
前記第一貫通部から前記高電圧取り出し端子絶縁部材の前記他方の端面まで貫通し、その貫通方向に垂直な断面の大きさが、前記検出装置本体の前記高電圧取り出し端子が配置された側において、前記第一貫通部よりも大きくなるように形成された第二貫通部と、から構成されている請求項1に記載の粒子状物質検出装置。 - 前記貫通部の前記第二貫通部における、前記検出装置本体と前記高電圧取り出し端子絶縁部材との隙間に、電気絶縁性を有する無機粉末が充填されている請求項2に記載の粒子状物質検出装置。
- 前記検出装置外筒の内部に、前記高電圧取り出し端子絶縁部材の前記一方の端面に接するよう配置された第一蓋栓部材と、
前記検出装置外筒の内部に、前記高電圧取り出し端子絶縁部材の前記他方の端面に接するよう配置された第二蓋栓部材と、を更に備えた請求項2又は3に記載の粒子状物質検出装置。 - 前記高電圧取り出し端子絶縁部材が、アルミナ、コージェライト、ムライト、ガラス、ジルコニア、マグネシア、チタニア及びシリコンからなる群より選択される少なくとも一種のセラミックスからなる請求項1〜4のいずれか一項に記載の粒子状物質検出装置。
- 前記検出装置本体の前記高電圧取り出し端子に配線が電気的に接続され、前記高電圧取り出し端子と前記配線とが、電気絶縁性を有する接着剤によって被覆されている請求項1〜5のいずれか一項に記載の粒子状物質検出装置。
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