JP2010515016A - 固体粒子計数システムに用いられるフロースプリッタ - Google Patents

Abstract

エンジン又は車両の排気からの固体粒子数濃度をリアルタイムで計測するための固体粒子計数システムは、入口、サンプル出口及びバイパス出口を有し、前記入口に流入したメイン流が方向転換して流出するように配置され、前記メイン流からのサンプル流が前記サンプル出口から流出する。フロースプリッタはさらに案内要素を有し、前記メイン流における方向転換よりも上流のサンプリング位置における粒子を前記サンプル出口に案内するように配置されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、エンジン又は車両の排気から固体粒子数濃度をリアルタイムで計測することに関する。

エンジン排気粒子は、主として固体粒子と揮発性粒子とからなる。ディーゼルエンジン排気からの粒子が多くの健康問題を引き起こすことを多くの研究が示している。粒子がどのように人の健康に影響するかを理解するために、エンジン及び車両からの粒子の特性を調査すべきである。したがって、現代のディーゼル車両及びガソリン車両により排出される粒子を正確に計測することが必要である。

欧州ＰＭＰ（粒子計測プログラム）は、軽量ディーゼル車両からの固体粒子数の排出を計測する手法を推奨している。そのシステムが図１に示されており、分級器１０、加熱希釈器（ＰＮＤ１）１２、蒸発管１４、冷却希釈器（ＰＮＤ２）１６、及び凝縮粒子カウンタ（ＣＰＣ）１８からなる。分級器１０は、粒子のカットオフ寸法を２．５〜１０μｍに保つのに使用される。加熱希釈器１２を高希釈空気温度にて作動させ、蒸発管１４が試料を３００〜４００℃の範囲内で加熱することにより、揮発性物質とサルフェートとにより形成されている粒子が蒸発して気相になる。そして、冷却希釈器１６を用いた冷却希釈を次に続けることにより、揮発性物質とサルフェートとにより形成されている粒子が全て除去される。結果として、固体粒子のみが流れと共にＣＰＣ１８に流れ込む。ＣＰＣ１８内で固体粒子の濃度が計測される。

多くの要因、例えば加熱希釈器（ＰＮＤ１）１２及び冷却希釈器（ＰＮＤ２）１６における希釈率、機器全体での固体粒子の通過率、揮発性粒子の除去効率等が、機器の精度に強く影響する。計測に関して良好な精度を得るために、加熱希釈器（ＰＮＤ１）１２及び冷却希釈器（ＰＮＤ２）１６における正確な希釈率、固体粒子の高い通過率、揮発性粒子の高い除去効率が計測システム上で達成されるべきである。

凝縮粒子カウンタ（ＣＰＣ）は、粒子個数濃度を計測するために広く使用されてきた。ＣＰＣは、応答時間が速く、リアルタイムセンサである。しかしながら、燃焼機関又は車両の排気エアロゾルを計測するＣＰＣを使用するための実験設備、操作手順及び校正はかなり複雑である。計測結果の精度は、人的要因、例えば操作者の燃焼機関及びエアロゾル技術の知識等によって強く影響される。エンジン又は車両の排気エアロゾル計測にとってＣＰＣをより信頼できるものにするために、実験設備及び操作手順を簡素化することが非常に重要である。

特許文献１に背景情報を見出すことができる。この刊行物は広範囲連続希釈器の概念を説明している。非特許文献１及び非特許文献２には、さらなる背景情報を見出すことができる。

米国特許第２００６／０１７９９６０号

Real-time measuring system for engine exhaust solid particle numberemission - Performance and Vehicle tests（エンジン排気固体粒子数排出用リアルタイム計測システム‐性能及び車両試験）、ＳＡＥ技術論文、第２００６‐０１‐０８６５号 Real-time measuring system for engine exhaust solid particle numberemission - Design and Performance（エンジン排気固体粒子数排出用リアルタイム計測システム‐設計及び性能）、ＳＡＥ技術論文、第２００６‐０１‐０８６４号

エンジン又は車両の排気から固体粒子の排出を計測するため、検定、研究及び開発に用いるために、信頼性及び再現性があり操作が簡単な機器を提供することが本発明の目的である。

本発明は、一実施形態においてマスフローコントローラ、フローオリフィス、圧力センサ、熱電対、ボールバルブ、サイクロン、蒸発管等を含む固体粒子計数システム（ＳＰＣＳ）を包含する。広範囲連続希釈器の概念は、加熱希釈器（ＰＮＤ１）及び冷却希釈器（ＰＮＤ２）に用いられる。これらの希釈器が正確かつ広範囲の希釈率を与える一方で、高い固体粒子通過率が達成される。加熱希釈器（ＰＮＤ１）及び冷却希釈器（ＰＮＤ２）からリアルタイムの希釈率が利用可能であるため、機器は、粒子をリアルタイムでより正確に計測する。

より詳細なレベルでは、好ましい実施形態において、ＳＰＣＳ上でバルブを手動又は自動でオン／オフすることにより、機器は、異なるモード、例えばサンプルモード，アイドルモード，日常校正モード、ＣＰＣのためのゼロチェック及びフローチェック、システムゼロチェック、及びパージで作動することができる。

本発明の一態様によれば、エンジン又は車両の排気からの固体粒子数濃度をリアルタイムで計測するための固体粒子計数システムは、メイン流とメイン流からのサンプル流とを含む。サンプル流は粒子カウンタに向けられている。システムはさらに、入口とサンプル出口とバイパス出口とを有するフロースプリッタを有し、それらは、メイン流がその入口に流入し方向変換してバイパス出口から流出するように配置されている。メイン流からのサンプル流はサンプル出口から流出する。さらにフロースプリッタは、案内要素を有し、この案内要素は、メイン流の方向変換の上流のサンプリング位置にある粒子がサンプル出口に案内されるように配置されている。

案内要素は様々な形状をとることができる。１つの実施の態様において、案内要素はさらに、サンプル出口からフロースプリッタ内へ延びる管を有する。この管は、バイパス出口の上流の所定位置まで延びている。別の実施の態様において、案内要素はさらに、フロースプリッタ内でバイパス出口の上流の所定位置に設けられたプレートを有する。このプレートは、粒子をサンプリング位置からサンプル出口へと案内する。

欧州ＰＭＰにより推奨される手法による固体粒子計数システム（ＳＰＣＳ）のブロック図である。 本発明の好ましい実施形態による固体粒子計数システム（ＳＰＣＳ）の概略フロー図である。 固体粒子計数システム（ＳＰＣＳ）内のフロースプリッタの断面図である。 固体粒子計数システム（ＳＰＣＳ）内の加熱希釈器（ＰＮＤ１）の概略図である。 固体粒子計数システム（ＳＰＣＳ）内の蒸発ユニットの概略図である。 固体粒子計数システム（ＳＰＣＳ）内の冷却希釈器（ＰＮＤ２）の概略図である。 固体粒子計数システム（ＳＰＣＳ）内のフロースプリッタのその他の実施形態の概略図である。

図２〜図６は、本発明に基づいてなされた固体粒子計数システム（ＳＰＣＳ）の好ましい実施形態を示す。当業者であればシステムの種々の態様を他のやり方で実施できること、及び、以下の説明は例示的なものであり限定を意図するものではないということが認識されるべきである。具体的には、以下の説明は図２〜図６に示す好ましい実施形態に関連しているが、本発明の他の実施形態を他のやり方で実施してもよい。

好ましい実施形態の以下の説明において、機器の作動原理を３つの態様、つまり概略的説明、詳細な部品、及び機能において解説する。ＳＰＣＳがどのように作動するかを理解するためには３つのセクションを合わせて検討すべきである。

概略的説明
図２を参照すると、好ましい実施形態における固体粒子計数システム（ＳＰＣＳ）が全体として３０で示されている。ＳＰＣＳのサンプル入口は３２で示されている。ＳＰＣＳ３０は、以下で概略的に説明されている種々の部品を含む。

ボールバルブＶ１、Ｖ２、Ｖ４、Ｖ６、及びＶ７は、常閉型バルブである。これらのバルブは、手動又は自動で操作することができ、例えば空気により又は電気的に動作させることができる。ボールバルブＶ３及びＶ５は、常開型バルブである。これらのバルブは、他のボールバルブと同じように、手動又は自動で操作することができる。ボールバルブが開放されている間、流れ制限はない。したがって、粒子がボールバルブを通過する間、ボールバルブによる粒子損失は生じない。電磁弁ＳＶは、常開型バルブである。ソレノイドが励磁されると電磁弁ＳＶは閉塞される。これらのバルブを開放又は閉塞することにより、ＳＰＣＳ３０は異なる機能で操作される。

第１オリフィス流量計４０は、熱電対ＴＣ１及びＴＣ２、ボールバルブＶ１及びＶ２、オリフィスＯ１及びＯ２、絶対圧力計Ｐ１、ならびに差圧計ΔＰ１からなる。熱電対ＴＣ１及びＴＣ２はそれぞれ、ボールバルブＶ１及びＶ２の上流の流れの温度を計測する。絶対圧力計Ｐ１は、流れにおける絶対圧力を計測する。差圧計ΔＰ１は、オリフィスＯ１又はＯ２にわたる圧力差を計測する。例えば、ΔＰ１は、ボールバルブＶ１が開いておりボールバルブＶ２が閉じている際の、オリフィスＯ１にわたる圧力差を計測し、また、ボールバルブＶ２が開いておりボールバルブＶ１が閉じている際の、オリフィスＯ２にわたる圧力差を計測する。Ｖ１及びＶ２の状態は、機器の状態により決定される。オリフィス流量計４０は、正確な流量計により校正される。Ｏ１又はＯ２を通る体積流量は、Ｏ１及びＯ２にわたる圧力差の関数である。質量流量は、流れの温度及び絶対圧力から計算することができる。Ｏ１及びＯ２について、多項式である２つの校正曲線がそれぞれ規定される。Ｏ１が選択された場合、流れを計算するのにＯ１の校正曲線が使用される。反対に、Ｏ２が選択された場合、流れを計算するにはＯ２の校正曲線が使用される。

第２オリフィス流量計４２は、熱電対ＴＣ３、絶対圧力計Ｐ２、差圧計ΔＰ２、及びオリフィスＯ３からなる。オリフィス流量計４２の校正手順は上記と同じである。流量計４２と周囲との間の熱伝達を最小にするために、流量計は断熱される。結果として、熱泳動に起因する粒子損失が最小になる。

サイクロン（ＣＬ）、ボールバルブＶ１及びＶ２、オリフィスＯ１及びＯ２、熱電対ＴＣ１及びＴＣ２、ならびにバイパス４４の一部が熱筐体４６内に設置される。熱筐体４６はヒータにより加熱され、温度は温度コントローラにより一定温度４７℃に制御される。Ｖ１及びＶ２の状態（開いているか、又は閉じているか）は、機器の状態により決定される。熱筐体４６が一定温度に制御されることから、オリフィスＯ１又はオリフィスＯ２を通る流れも同じく一定温度に維持される。結果として、温度のばらつきに起因するオリフィス流量計４０を通る流れの変動は最小になる。

熱電対ＴＣ５はサンプル温度（サンプル入口３２付近）を計測し、熱電対ＴＣ４は、ＣＰＣ４８に入り込む流れの温度を計測する。試験中、両方の温度は注意深く計測される。

圧縮空気チャンバ５０は、機器に圧縮空気を供給する源である。圧縮空気チャンバ５０は、マスフローコントローラ５２、５４、５６、５８、及びボールバルブＶ７に、粒子を含まない圧縮空気を供給する。チャンバ５０の上流にレギュレータ６０が設けられ、このレギュレータは、圧縮空気圧を所定値に制御する。高効率粒子空気フィルタ（ＨＥＰＡ）６２が、圧縮空気から粒子を除去する。結果として、チャンバ５０内の圧縮空気は粒子を含まない。

真空チャンバ７０は真空源であり、真空ポンプ７２に接続されている。チャンバ７０は、臨界オリフィスＣＯ１、ＣＯ２、及びＣＯ３から流れを引く。それらの臨界オリフィスは、各流路を通る流量を一定に制御する。別法として、臨界オリフィスはマスフローコントローラに置き換えることができる。流量制御にとっての臨界オリフィスの利点は、臨界オリフィスの費用がマスフローコントローラの費用よりもはるかに少ないということである。一方で、臨界オリフィスにははるかに強力な真空ポンプが必要であり、体積流量は固定される。マスフローコントローラでは広い流量範囲が提供されるので、はるかに小さい真空ポンプをマスフローコントローラと共に使用して臨界オリフィスと同じレベルの流量を維持することができる。

エアロゾル流に接触する全ての管及び付属品は、ステンレス鋼により作製される。ステンレス鋼は、良好な電気伝導度及び耐化学性を有するので、静電気による粒子損失を最小にすることができる。図２において、流路、つまりサンプル入口３２→サンプルプローブＳＰ→移送ラインＴＬ→サイクロンＣＬ→ボールバルブＶ２（Ｖ１）→オリフィスＯ２（Ｏ１）→混合器８０→オリフィスＯ３→蒸発ユニット８２→混合器８４→ボールバルブＶ４→ＣＰＣ４８、及び校正ポート７６→ボールバルブＶ６→ＣＰＣ４８の管及び付属品はステンレス鋼である。

オリフィスＯ２（Ｏ１）→混合器８０→オリフィスＯ３→蒸発ユニット８２→混合器８４には高温のエアロゾルが入り込むことから、管及び付属品は、熱伝達が最小になるように良好に断熱される。結果として、粒子損失も同じく最小になる。

フロースプリッタＦＳ１、ＦＳ２、及びＦＳ３は、メイン流の方向転換に起因して大型粒子が過剰にサンプリングされるのを最小にするように設計されている。図３は、好ましい実施形態における設計の概略図を示す。フロースプリッタは、１／２”ステンレス鋼製のＴ形管継手１１０と、１／２”〜１／４”貫通レジューサ１１２と、フロー入口１１４と、フロー出口１１６と、バイパス１１８とからなる。フロー入口１１４及びバイパス１１８は１／２”ステンレス鋼管である。フロー出口１１６は１／４”ステンレス鋼管である。１／４”ステンレス鋼管は、貫通レジューサ１１２を通ってＴ形管継手１１０内に延びる。１／４”ステンレス鋼管がＴ形管継手１１０の左側壁を越える（１２０）長さは０．１９６９”又は５ｍｍである。エアロゾル流は、フロー入口１１４からスプリッタに入り込む。流れの大部分はこのスプリッタをバイパス１１８から出る。流れのうちの一部は、フロー出口１１６を通過して他の素子に入り込む。フロー出口１１６はサンプルをバイパス１１８の上流の位置から採取することから、バイパス１１８にてメイン流の方向転換に起因して大型粒子が過剰にサンプリングされることが回避される。

図７は、その他の実施形態におけるフロースプリッタＦＳ１、ＦＳ２、及びＦＳ３の概略図を示す。フロースプリッタ２００は、フロー入口２０２、フロー出口２０４、及びバイパス２０６を含む。フロースプリッタ２００内においてバイパス２０６の上流の所定位置にプレート２０８が設けられている。プレート２０８は、粒子をサンプリング位置からサンプル出口２０４へ案内する案内要素を構成する。管２１０が、フロースプリッタ２００内においてプレート２０８へ向かって延びている。

より詳細には、フロースプリッタＦＳ１、ＦＳ２、及びＦＳ３は、粒子をサンプリング位置からサンプル出口へ案内する案内要素を含む。サンプリング位置はバイパスの上流に配置されている。バイパスの上流でサンプリングすることにより、正確な代表的試料が採取され、大型粒子を過剰にサンプリングすることは回避される。つまり、案内要素が省略されたならば、バイパスでメイン流が方向変換することで、サンプル流中の大型粒子の割合が過剰に多くなる。というのも、慣性力がより大きいこのような粒子は、より小さい粒子ほどメイン流の方向変換に敏感ではないからである。

図３の実施形態では、案内要素は、フロー出口配管１１６をバイパス１１８の上流にあるサンプリング位置まで延設することによって構成され、これによって、メイン流の方向変換の前に流れがサンプリングされる。図７の実施形態では、バイパス出口２０６の上流にプレート２０８が設けられ、粒子がサンプリング位置からサンプル出口２０４へ案内される。つまり、プレート２０８により、大きな粒子が過剰にサンプリングされないことが保証される

詳細な部品
図１は、欧州ＰＭＰにより推奨される手法によるＳＰＣＳをブロック図の形態で示すものであり、このＳＰＣＳは、サンプル入口、分級器１０、加熱希釈器（ＰＮＤ１）１２、蒸発ユニット（ＥＵ）１４、冷却希釈器（ＰＮＤ２）１６、及びＣＰＣ１８からなる、以下で詳細に説明するように、これらの部品は、図２のＳＰＣＳ３０において、本発明の好ましい実施形態により実施されている。

ａ．サンプル入口
サンプル入口は、サンプルプローブＳＰ、移送ラインＴＬ、及び熱電対ＴＣ５からなる。サンプルプローブは、一定容量サンプラ（ＣＶＳ）又は部分流希釈器から、希釈されたディーゼルエアロゾルを受ける。エアロゾルは、移送ラインに入り分級器に進む。ＴＣ５はエアロゾルの温度を計測する。

ｂ．分級器
分級器は、ステンレス鋼製のサイクロンＣＬ、フロースプリッタＦＳ１、バイパス４４、及び臨界オリフィスＣＯ１（又はマスフローコントローラ）からなる。サイクロンは２．５〜１０μｍの間の粒子カットオフ寸法を与えるが、この粒子カットオフ寸法はバイパス４４の流量によって決まる。異なる寸法の臨界オリフィスＣＯ１を使用するか、又はマスフローコントローラ上で異なる流れを設定することにより、粒子の異なるカットオフ寸法を得ることができる。

上述のフロースプリッタＦＳ１は、サイクロンＣＬに接続されている。フロースプリッタ上には２つの出口がある。一方はバイパス４４に接続されており、他方はオリフィス流量計４０の入口に接続されている。流れの大部分はバイパス４４を通過して排出され、エアロゾルのうちの一部は、オリフィス流量計４０に流れ込む。バイパス流（バイパス流４４）が大きいことに起因して、移送ラインＴＬ及びサンプルプローブＳＰ内のエアロゾルの滞留時間は最小になる。結果として、移送ラインＴＬ及びサンプルプローブＳＰ内の拡散による粒子損失が最小になる。オリフィス流量計４０に入るエアロゾルがバイパス４４の上流で採取されることから、流れ方向が９０度旋回していることに起因する大型粒子の過剰サンプリングの可能性を最小にすることができる。

ＣＯ１（又はマスフローコントローラ（ＭＦＣ））を除く分級器は、熱筐体４６内に設けられている。熱筐体４６の温度は一定、例えば４７℃に維持される。分級器内の流れは一定温度に維持される。結果として、一定温度であるエアロゾルがオリフィス流量計４０に供給される。この設計により、試験ごとの温度のばらつきに起因する試験結果の変動が回避される。

ｃ．加熱希釈器（ＰＮＤ１）
図２及び図４を参照すると、加熱希釈器（ＰＮＤ１）は、オリフィス流量計４０、マスフローコントローラＭＦＣ５２及びＭＦＣ５４、加熱管８６、混合器８０、バイパス８８、臨界オリフィスＣＯ２（又はマスフローコントローラ）、フロースプリッタＦＳ２、温度コントローラ１３０及び１３２、ならびにＰＩＤループ（加算器１３４、ＰＩＤ１３６）からなる。

オリフィス流量計４０は、エアロゾル質量流量をリアルタイムで計測する。マスフローコントローラ（ＭＦＣ）５２は希釈空気流量を制御する。ＭＦＣ５２は、圧縮空気チャンバ５０から粒子を含まない希釈空気を受ける。加熱管８６は、希釈空気温度を１５０〜１９０℃の範囲内に加熱する。希釈空気の温度は、温度コントローラ１３０により制御される。混合器８０には加熱テープが巻かれており、温度が温度コントローラ１３２により制御される。混合器内のエアロゾル温度は、希釈空気の温度と同じように制御される。エアロゾル流及び希釈空気流は、混合器８０内で均等に混合される。式１はＰＮＤ１における希釈率の計算を示す。希釈空気流量又はサンプル流量を調整するか、又はその両方を調整するかのいずれかで、式１に基づいてＰＮＤ１における希釈率を調整することができる。希釈空気流量は、ＭＦＣ５２での流量設定を手動又は自動で調整することにより変化させることができる。サンプル流量は、ＭＦＣ５４での流量（補償空気）を変化させることにより調整することができる。例えば、ＭＦＣ５４での流量を増加させることによりサンプル流の流量を減少させることができ、ＭＦＣ５４での流量を減少させることによりサンプル流の流量を増加させることができる。ＭＦＣ５４での空気流は圧縮空気チャンバにより供給される。式１によれば、

ここで、ＤＲ_ＰＮＤ１はＰＮＤ１における希釈率、Ｑ_ａｉｒ１は標準状態又は基準状態での希釈空気の流量、Ｑ_ｓ１は標準状態又は基準状態でのエアロゾル流量である。Ｑ_ｓ１はオリフィス流量計４０により計測される。

フロースプリッタＦＳ２の入口は、混合器８０の出口に接続されている。希釈空気とエアロゾル流との混合気は、スプリッタＦＳ２を通過する。混合気の大部分が、バイパス８８及び臨界オリフィスＣＯ２又はマスフローコントローラを通過して真空チャンバに流れ込む。流れのうちの一部は、フロースプリッタの他方の出口を通過してオリフィス流量計４２に流れ込む。フロースプリッタの独自の設計により、バイパス８８の入口での流れの方向変換に起因する大型粒子の過剰サンプリングの可能性を最小にすることができる。

オリフィス流量計４０には、２つの流れオリフィスＯ１及びＯ２が設けられている。粒子拡散により引き起こされる粒子損失を最小にするために、管長さを短縮して的確な内径のステンレス鋼管を使用することにより、流量計でのエアロゾルの滞留時間が低減される。各オリフィスは、エアロゾルサンプル流の流量範囲をカバーしている。例えば、所定の希釈率に基づいて、希釈空気流量を所定値に設定しつつ、式１からサンプル流量を計算することができる。Ｏ１によりカバーされる流量範囲にサンプル流量が含まれる場合、Ｏ１の校正曲線が使用される。したがって、ボールバルブＶ１は開いており、ボールバルブＶ２は手動又は自動で閉塞される。他の事例において、Ｏ２が選択され、ボールバルブＶ２は開いており、ボールバルブＶ１は手動又は自動で閉塞される。オリフィス流量計４０内に、多数のオリフィス（２つ以上とすることができる。）が設けられていることから、ＰＮＤ１は、広い希釈率範囲を提供する。

熱筐体４６内にオリフィス流量計４０が配置されている。上述したように、熱筐体４６は一定温度に制御される。したがって、オリフィス流量計内のエアロゾル温度も同じく一定である。結果として、このことにより、温度により引き起こされる流れのばらつきが最小になり、温度による粒子濃度のばらつきも同じく取り除かれる。この設計は、機器の再現性に関する利点を与える。

エンジン又は車両の試験中にＰＮＤ１から正確な希釈率が確実に得られるようにするためにＰＩＤループ（加算器１３４、ＰＩＤ１３６）がシステムに結合されており、ＭＦＣ５４の流量を調整することにより、エアロゾル流量が一定に保たれる。例えば、サンプル流量が設定値よりも高いとき、ＰＩＤループはＭＦＣ５４を駆動して流量を増加させる。サンプル流量が設定値よりも低いとき、ＰＩＤループはＭＦＣ５４を駆動して流量を減少させる。結果として、ＰＮＤ１による希釈率は一定に保たれる。したがって、流れ条件、例えば温度及び圧力はサンプル入口において変動するが、機器から正確な結果を得ることができる。図４は、この制御の概略図を示す。

オリフィス流量計４０は、エアロゾル流量を正確に計測し、粒子損失を生じない。従って、ＰＮＤ１は、リアルタイムの正確な希釈率を提供し、粒子に高い通過率を与える。

ｄ．蒸発ユニット（ＥＵ）
図５は、蒸発ユニット８２の概略図を示す。蒸発ユニット８２は、断熱及び加熱テープ１４０、ステンレス鋼管１４２、及び温度コントローラ１４４を含む。

ステンレス鋼管１４２上に加熱テープが巻かれており、長さ部分にわたる壁温度が均一となる。温度コントローラ１４４は、壁温度を３００〜４００℃の範囲内で制御する。熱電対１４６が、壁温度を計測して温度コントローラ１４４に信号を送る。ＥＵ８２は、ＥＵ８２と外気との間の熱伝達が最小になるように良好に断熱される。

エアロゾルがＥＵ８２を通過する一方で、揮発性粒子は蒸発して気相になる。エアロゾル内の固体粒子は、粒子損失なしにＥＵ８２を流通する。その後、冷却希釈器（ＰＮＤ２）からの冷却希釈に続いて、エアロゾル温度が３５℃以下に減少し、エアロゾルから揮発性粒子が除去される。

ｆ．冷却希釈器（ＰＮＤ２）
冷却希釈器は、オリフィス流量計４２、マスフローコントローラＭＦＣ５６及びＭＦＣ５８、混合器８４、フロースプリッタＦＳ３、バイパス１５０、ならびに臨界オリフィスＣＯ３（又はマスフローコントローラ）からなる。

オリフィス流量計４２は断熱されており、蒸発ユニット８２の上流に設けられている。オリフィス流量計４２は、ＰＮＤ２及び蒸発ユニット８２に入るエアロゾル流量を計測する。ＥＵ８２の上流の温度がＥＵ８２の下流の温度よりもはるかに低いことから、オリフィス流量計４２を蒸発ユニット８２の上流に設けることにより、高温のエアロゾルにより引き起こされる流量計測誤差が最小になる。高温のエアロゾルにより引き起こされる流量計測誤差は、ステンレス鋼オリフィスの形状及び寸法が、高温下に変化することに起因する流量のばらつきを含むことがある。したがって、オリフィス流量計４２をＥＵ８２の上流に設けることにより、より正確で矛盾のない流量計測ができる。

冷却希釈器における希釈空気の温度は、外気の温度と同じである。希釈空気の流量は、マスフローコントローラＭＦＣ５６により制御される。ＰＮＤ２の希釈率は、ＰＮＤ１と同じように、ＭＦＣ５６からの希釈空気流量、又はＭＦＣ５８からの補償空気流量のいずれかを調整することにより制御される。例えば、希釈空気流量を一定にするには、オリフィス流量計４２を通るエアロゾル流量を増加させる一方でＭＦＣ５８からの補償空気流量を減少させる。換言すれば、オリフィス流量計４２を通るエアロゾル流量を減少させる一方でＭＦＣ５８からの補償空気流量を増加させる。結果として、ＰＮＤ２の希釈率が調整される。式２はＰＮＤ２の希釈率を示し、式３は機器の総希釈率の計算を表す。

ここで、ＤＲ_ＰＮＤ２は冷却希釈器（ＰＮＤ２）の希釈率、Ｑ_ａｉｒ２は標準状態又は基準状態でのＰＮＤ２の希釈空気流量、Ｑ_ｓ２はオリフィス流量メータ４２を通過するエアロゾル流量、ＤＲはＳＰＣＳの総希釈率である。

フロースプリッタＦＳ３は、一方の側が混合器８４に接続されている。混合器８４は、混合器と外気との間の熱伝達が最小になるように良好に断熱される。ＭＦＣ５６により制御される希釈空気流量と、オリフィス流量計４２により計測されるエアロゾル流量とが、混合器８４内で均等に混合される。フロースプリッタＦＳ３の一方の出口が、バイパス１５０に接続されている。混合気の大部分はこのバイパスを通過する。バイパス１５０を通る流量は、臨界オリフィスＣＯ３により制御される。ＣＯ３はマスフローコントローラに置き換えることができる。フロースプリッタＦＳ３の他方の出口は、ボールバルブＶ４を通ってＣＰＣ４８の入口に接続されている。エアロゾルのうちの一部はボールバルブＶ４を流通する。バイパス１５０の上流で試料が採取されることから、エアロゾル流のメイン流の方向変換に起因する大型粒子の過剰サンプリングの可能性を最小にすることができる。

ＰＮＤ２から一定の希釈率を得るために、希釈率が所望の設定値にて確実に起動するように、図６に示すように、ＰＩＤループ（加算器１７０、ＰＩＤ１７２）がＰＮＤ２に統合される。

ｇ．凝縮粒子カウンタ（ＣＰＣ）
凝縮粒子カウンタ（ＣＰＣ）４８は、粒子個数濃度を計測する粒子センサである。ＣＰＣ４８はリアルタイム機器である。多くの会社が適切なＣＰＣを製造している。

ＣＰＣには内部真空ポンプのないものもある。機器にサンプルを引き込むためには外部ポンプが必要である。内部ポンプのないＣＰＣには、図２の真空ポンプ１８０（真空ポンプＩ）が用意される。内部ポンプのあるＣＰＣについては、真空ポンプ１８０は不要である。

熱電対ＴＣ４は、ＣＰＣ４８に入るエアロゾル温度を計測する。この温度は試験中に計測される。ＣＰＣ４８は、特定の（例えば一定の）機器流量を有する。

機能
ＳＰＣＳ３０の主電源をオンにするとき、ＳＰＣＳ３０を約１５分間加温する必要がある。その加温中、ＣＰＣ４８が加温され、全ての加熱部が設定値に制御される。ＣＰＣ４８が内部真空ポンプを有する場合には、真空ポンプ１８０をシステムから省略することができる。ＣＰＣ４８が内部真空ポンプを持たない場合、真空ポンプ１８０が使用されてＣＰＣ４８からエアロゾルが吸引される。この状況では、加温中、真空ポンプ１８０も同じく起動される。

ａ．アイドルモード
ＣＰＣ４８の主電源がオンになり約１５分間加温された後、ＳＰＣＳ３０はアイドルモードに入る。

アイドルモードでは、ボールバルブに電圧は印加されず、又は手動でオン／オフされない。これらのボールバルブは元の状態のままである。流れは、ＨＥＰＡ１８２→流量計（ＦＭ）１８４→ボールバルブＶ５→ＣＰＣ４８と進む。

ＨＥＰＡ１８２は高効率粒子フィルタである。ＨＥＰＡ１８２は、フロー入口を備え、その入口流から粒子を除去する。そうすると、粒子を含まない流れが流量計（ＦＭ）１８４に入り込む。その後、流れはボールバルブＶ５を通過する。Ｖ５は、常開型のボールバルブである。最終的に、流れはＣＰＣ４８に流れ込む。ＨＥＰＡ１８２は、アイドルモードにおいてＣＰＣ４８を汚染から保護する。表１は、アイドルモードでのバルブ及び真空ポンプの状態を示す。

ｂ．ＣＰＣゼロチェック及びフローチェック
ＣＰＣゼロチェックは、粒子を含まないガスがＣＰＣ４８に送り込まれる間の、ＣＰＣ４８による計測済み粒子濃度の検証である。ＣＰＣ４８に漏出がない場合、示度はゼロであるべきである。フローチェックは、ＣＰＣ４８のエアロゾル流量の検証である。

欧州ＰＭＰは、各日常試験の前にＣＰＣ４８にゼロチェックを行うべきであることを推奨している。同じく、ＣＰＣ４８に入るエアロゾル流量（ＣＰＣフローチェック）が検証されるべきである。流量は、製造者のフロー仕様から数パーセント下回ってもよい。

ＳＰＣＳ３０上では、それらの２つの機能が１つの機能として組み合わされている。流路は、アイドルモードの流路と同じである。したがって、流れ方向は、ＨＥＰＡ１８２→ＦＭ１８４→ボールバルブＶ５→ＣＰＣ４８である。ボールバルブは電圧が印加されず、又は手動でオン／オフされない。ＣＰＣゼロとＣＰＣ流れチェックとを組み合わせているこの機能は、ＣＰＣゼロ及び流れチェックをより効果的にする。

アイドルモードとＣＰＣゼロ及び流れチェックとの間には、流路に関する差異はない。２つのモード間の主な差異は、ＳＰＣＳ３０がデータ取得システムを有する場合のデータ取得である。ＳＰＣＳ３０がＣＰＣゼロ及び流れチェックで起動すると、ＣＰＣ４８により計測される濃度、及び流量計（ＦＭ）１８４により計測されるＣＰＣ入口流量がデータ取得システムにより記録される。ＳＰＣＳ３０にデータ取得システムがない場合、濃度及び流れは手動で記録してもよい。アイドルモードでは上記の動作は必要ない。表２は、このモードでのバルブ及び真空ポンプの状態を示す。

ｃ．システムゼロチェック
システムゼロチェックは、粒子を含まないガスがＳＰＣＳ３０の入口から入る間に計測される粒子濃度の検証である。ＳＰＣＳ３０内に漏洩がない場合、ＣＰＣ４８の示度はゼロであるべきである。ＣＰＣ４８の示度がゼロでなく臨界値よりも大きい場合、システム内に希薄な漏出があり得る。したがって、機器は漏出を除去するように役立てるべきである。ＰＭＰの推奨に基づけば、この臨界値は粒子１０個／ｃｃである。

このモードが起動しているとき、真空チャンバ７０に接続されている真空ポンプ７２がオンにされる。真空ポンプ７２がオンにされると、大きな圧力パルスが発生する。結果として、ＣＰＣ４８の入口での圧力は、ＣＰＣ製造者により指定されている圧力よりも低くなることがある。これが生じた場合、ＣＰＣ４８内の作動流体がＣＰＣ入口から吸い出され、ＳＰＣＳ３０内の部品、例えばボールバルブＶ４、フロースプリッタＦＳ３、混合器８４等に入ることがある。この問題を回避するために、電磁弁（ＳＶ）及びボールバルブＶ３が設けられている。

このモードの始動前に、加熱希釈器（ＰＮＤ１）及び冷却希釈器（ＰＮＤ２）上の希釈空気流及び希釈率を所定値に設定すべきである。このモードがいったん起動すると、２つのＰＩＤループ、一方はＰＮＤ１用、他方はＰＮＤ２用はそれぞれ、ＰＮＤ１及びＰＮＤ２上の希釈率を所定値にするために、ＭＦＣ５４及びＭＦＣ５６を駆動する。

このモードの始動時に、真空ポンプ７２がオンにされる。ＣＰＣ４８で終わる２つの主要な流路がある。一方は、電磁弁ＳＶ→ボールバルブＶ３→ボールバルブＶ４→ＣＰＣ４８であり、他方は、圧縮空気チャンバ５０→ボールバルブＶ７→サイクロンＣＬ→ボールバルブＶ２（Ｖ１）→オリフィスＯ２（Ｏ１）→混合器８０→オリフィスＯ３→蒸発ユニット（ＥＵ）８２→混合器８４→ボールバルブＶ４→ＣＰＣ４８である。

電磁弁ＳＶ及びボールバルブＶ３は、常開型バルブである。この流路に起因して、真空ポンプ７２を始動することにより引き起こされるＣＰＣ４８に対する圧力パルスが最小になる。ＳＶは５〜３０秒間開いたままであるが、開放時間は、操作者により決定してもよく、制御ソフトウェアに統合してもよい。真空ポンプ７２が安定した後、ＳＶは励磁され閉塞される。したがって、流路、つまり電磁弁ＳＶ→ボールバルブＶ３→ボールバルブＶ４→ＣＰＣ４８はオフにされる。ボールバルブＶ３はオフにしてもよく、オンのままでもよい。電磁弁ＳＶの下流にボールバルブＶ３を設ける目的は、いったん電磁弁ＳＶが故障すれば、又は電磁弁ＳＶ上で漏洩が検出されればこの流路を遮断するということである。この設計（流路ＳＶ→Ｖ３→Ｖ４→ＣＰＣ）により、ＣＰＣ作動流体がＣＰＣ４８の入口から出て行く問題が解決される。

流路ＳＶ→Ｖ３→Ｖ４→ＣＰＣがオフにされた後は、ＣＰＣ４８への流路は１つしかない。その流路とは、圧縮空気チャンバ５０→ボールバルブＶ７→サイクロンＣＬ→ボールバルブＶ２（Ｖ１）→オリフィスＯ２（Ｏ１）→混合器８０→オリフィスＯ３→蒸発ユニット（ＥＵ）８２→混合器８４→ボールバルブＶ４→ＣＰＣ４８である。上述したように、圧縮空気チャンバ５０内の圧縮空気には粒子がない。このモードが起動しているとき、粒子のない圧縮空気が、ボールバルブＶ７を通過してサイクロン（ＣＬ）に入り込む。粒子のない圧縮空気のみがオリフィス流量計４０に入るのを確実にするために、式４を満たすべきである。そうしないと、サンプルプローブ（ＳＰ）からシステムに、粒子を含んだエアロゾルが入り込むことがある。式４は、レギュレータ６０からの圧縮空気圧を調整することにより容易に満たすことができる。

ここで、Ｑ_Ｖ７は、Ｖ７を通る粒子を含まない圧縮空気の流量、Ｑ_{ｂｙｐａｓｓＩ}は、臨界オリフィスＣＯ１（又はマスフローコントローラ）を通る流量、Ｑ_ｓ１は、オリフィス流量計４０に入るサンプル流量である。

ＣＰＣ４８によって粒子が検出されない場合、これはシステム内に漏出がないことを意味する。ＣＰＣ４８上の個数濃度がＣＰＣのノイズレベルよりも高い場合には、システム内に漏出がある。漏出は、自動車又はエンジン試験を行う前に除去すべきである。

表３は、ボールバルブ及び真空ポンプの状態を簡潔に表す。空欄の場合、バルブは元の状態のままである。

ｄ．ＣＰＣの日常校正
ＣＰＣ４８の日常校正は、ＣＰＣ直線性の検証である。欧州ＰＭＰは、日常校正を日常試験の前に行うべきであると推奨している。

このモードが起動される前に、最大濃度の０〜１００％である一定の粒子濃度を提供することのできる外部ユニットが、校正ポート７６に接続される。

このモードが起動されるときの流路は、校正ポート７６→ボールバルブＶ６→ＣＰＣ４８である。表４は、バルブの状態の概要を示す。

ｅ．サンプルモード
サンプルモードは、ＳＰＣＳ３０がサンプル入口３２から試料を採取するものである。エアロゾルがサンプルプローブＳＰからシステムに流れ込む。全ての温度、個数濃度、流量等が、手動で、又はデータ取得システムにより記録される。

「システムゼロチェック」と呼ばれるモードと同じように、このモードが起動しているとき、真空チャンバ７０に接続されている真空ポンプ７２はオンにされる。真空ポンプ７２がオンにされると、大きな圧力パルスが発生する。結果として、ＣＰＣ４８の入口での圧力は、ＣＰＣ製造者により指定されている圧力よりも低くなることがある。これが生じた場合、ＣＰＣ４８内の作動流体がＣＰＣ入口から吸い出されて、ＳＰＣＳ３０内の部品、例えばボールバルブＶ４、フロースプリッタＦＳ３、混合器８４等に入ることがある。この問題を解決するために、電磁弁ＳＶ及びボールバルブＶ３が活用される。

このモードの始動前に、システムは加温されるべきである。蒸発ユニット８２、混合器８０、ＰＮＤ１の希釈空気、及び熱筐体４６上の温度が設定値を満たすべきである。加熱希釈器（ＰＮＤ１）及び冷却希釈器（ＰＮＤ２）の希釈空気流量及び希釈率を所定値に設定すべきである。このモードが起動すると、２つのＰＩＤループ、一方はＰＮＤ１用、他方はＰＮＤ２用でありそれぞれ、ＰＮＤ１及びＰＮＤ２の希釈率を所定値にするためにＭＦＣ５４及びＭＦＣ５６を駆動する。

このモードの始動時に、真空ポンプ７２がオンにされる。ＳＰＣＳ３０内には、ＣＰＣ４８への２つの流路がある。一方は、電磁弁ＳＶ→ボールバルブＶ３→ボールバルブＶ４→ＣＰＣ４８であり、他方は、サンプル入口３２→サンプルプローブＳＰ→移送ラインＴＬ→サイクロンＣＬ→ボールバルブＶ２（Ｖ１）→オリフィスＯ２（Ｏ１）→混合器８０→オリフィスＯ３→蒸発ユニット８２→混合器８４→ボールバルブＶ４→ＣＰＣ４８である。所定の希釈率に基づいて、オリフィスＯ１又はＯ２が決定される。オリフィスＯ１が選択されるとき、ボールバルブＶ１は開いており、ボールバルブＶ２は閉じている。反対に、オリフィスＯ２が選択されるとき、ボールバルブＶ２は開いており、ボールバルブＶ１は閉じている。

電磁弁ＳＶ及びボールバルブＶ３は、常開型バルブである。この流路に起因して、真空ポンプ７２を始動することにより引き起こされるＣＰＣ４８に対する圧力パルスが最小になる。電磁弁ＳＶは５〜３０秒間開いたままであるが、開放時間は、操作者により決定してもよく、制御ソフトウェアに統合してもよい。真空ポンプ７２が安定した後、電磁弁ＳＶは励磁され閉塞される。したがって、流路、電磁弁ＳＶ→ボールバルブＶ３→ボールバルブＶ４→ＣＰＣ４８はオフにされる。ボールバルブＶ３はオフにしてもよく、オンのままでもよい。電磁弁ＳＶの上流にボールバルブＶ３を設ける目的は、いったん電磁弁ＳＶが故障すれば、又は電磁弁ＳＶ上で漏洩が検出されればこの流路を遮断するということである。この設計（流路ＳＶ→Ｖ３→Ｖ４→ＣＰＣ）により、ＣＰＣ作動流体がＣＰＣの入口から吸い出されるという問題が解決される。

流路ＳＶ→Ｖ３→Ｖ４→ＣＰＣ４８がオフにされた後は、ＣＰＣ４８への流路は１つしかない。その流路とは、サンプル入口３２→サンプルプローブＳＰ→移送ラインＴＬ→サイクロンＣＬ→ボールバルブＶ２（Ｖ１）→オリフィスＯ２（Ｏ１）→混合器８０→オリフィスＯ３→蒸発ユニット８２→混合器８４→ボールバルブＶ４→ＣＰＣ４８である。サンプルモードでは、システム上の希釈率は、ＰＮＤ１及びＰＮＤ２の希釈空気流量を変化させ、ＭＦＣ５４及びＭＦＣ５８の補償空気流量を変化させることにより調整することができる。表５は、バルブ及びポンプの状態の概要を示す。

ｆ．パージモード
パージは、オーバフローによりＳＰＣＳ３０を清浄する手段である。パージは、システム全体に、特にオリフィス流量計４０及び４２にとって粒子汚染がないようにするための単純かつ効果的な方法である。このモードは、定期的に起動することが推奨されている。

このモードを起動する前に、マスフローコントローラＭＦＣ５２、ＭＦＣ５４、ＭＦＣ５６、及びＭＦＣ５８の流量は所定値に設定される。オリフィス流量計４０及び４２において逆流させるために、式５及び式６を満たすべきである。圧力計（Ｐ１、Ｐ２、ΔＰ１、及びΔＰ２）が逆流により損傷するのを回避するために、式５及び式６の左辺は、右辺よりも僅かに大きくすべきである。

ここで、Ｑ_ａｉｒ１は、ＭＦＣ５２上の希釈空気流量、Ｑ_{ｍａｋｅｕｐ１}は、ＭＦＣ５４の補償空気流量、Ｑ_{ｂｙｐａｓｓＩＩ}は、バイパス８８のバイパス流量、Ｑ_ｓ２は、オリフィス流量計４２に入るエアロゾル流量、Ｑ_ａｉｒ２は、ＭＦＣ５６の流量、Ｑ_{ｍａｋｅｕｐ２}は、ＭＦＣ５８の補償空気流量、及び、Ｑ_{ｂｙｐａｓｓＩＩＩ}は、バイパス１５０のバイパス流量である。

このモードが起動しているとき、ボールバルブＶ４は元の状態に保たれる。したがって、ボールバルブＶ４は閉じており、流れはＣＰＣ４８を通過しない。従って、真空ポンプ７２を始動することにより引き起こされる圧力パルスは、ＣＰＣ４８に影響しない。結果として、電磁弁ＳＶが遅延動作を有する必要はない。オリフィス流量計４０を完全に洗浄するために、このモードでは両方のボールバルブＶ１及びＶ２が選択される。表６は、バルブ及び真空ポンプの状態を示す。

ボールバルブＶ４の上流にある流路を除けば、ＳＰＣＳ３０内にはもう１つの流路がある。それは、ＨＥＰＡ１８２→ＦＭ１８４→ボールバルブＶ５→ＣＰＣ４８である。この流れループはＣＰＣ４８を正常に起動させ続ける。

本発明の実施形態が示され説明されたが、これらの実施形態は、本発明の可能な形態を全て示し説明していると意図されるものではない。むしろ、本明細書において使用されている語は、限定ではなく説明の語であり、当然ながら、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく種々の変更を行うことができる。

Claims (16)

1. エンジン又は車両の排気から固体粒子数濃度をリアルタイムで計測する固体粒子計数システム内で用いられる機器であって、
   入口、サンプル出口及びバイパス出口を有するフロースプリッタを備え、
   前記バイパス出口が、前記入口に流入したメイン流が方向転換して流出するように配置され、前記メイン流からのサンプル流が前記サンプル出口から流出するものであり、
   前記フロースプリッタがさらに案内要素を有し、当該案内要素が、前記メイン流における方向転換よりも上流のサンプリング位置における粒子を前記サンプル出口に案内するように配置されている機器。
2. 請求項１記載の機器であって、
   前記案内要素が、前記サンプル出口から前記フロースプリッタ内へ延びる管を有し、当該管が前記バイパス出口の上流の所定位置まで延びている機器。
3. 請求項１記載の機器であって、
   前記案内要素が、前記フロースプリッタにおける前記バイパス出口の上流の所定位置に設けられたプレートを有し、当該プレートが粒子を前記サンプリング位置から前記サンプル出口に案内する機器。
4. 請求項１記載の機器であって、
   前記フロースプリッタが
   Ｔ形管継手を有し、
   前記入口が、前記Ｔ形管継手内へ延びる第１管を有し、
   前記サンプル出口が、前記Ｔ形管継手内へ延びる第２管を有し、
   前記バイパス出口が、前記Ｔ形管継手内へ延びる第３管を有する機器。
5. 請求項４記載の機器であって、
   前記第２管が、前記Ｔ形管継手内における前記バイパス出口の上流の所定位置まで延び、前記案内要素を形成する機器。
6. 請求項４記載の機器であって、
   前記案内要素が、前記フロースプリッタ内における前記バイパス出口の上流の所定場所に設けられるプレートを有し、当該プレートが、粒子を前記サンプリング位置からサンプル出口へ案内する機器。
7. 請求項４記載の機器であって、
   前記フロースプリッタが、
   前記サンプル出口において前記Ｔ形管継手に接続される貫通レジューサを有し、
   前記第２管が、前記貫通レジューサを通って前記Ｔ形管継手内における前記バイパス出口の上流の所定位置まで延びて案内要素を形成する機器。
8. 請求項１記載の機器であって、前記案内要素がステンレス鋼製である機器。
9. エンジン又は車両の排気からの固体粒子数濃度をリアルタイムで計測するための固体粒子計数システムであって、
   メイン流と当該メイン流からのサンプル流とを有し、当該サンプル流が粒子カウンタに向けられており、
   入口、サンプル出口及びバイパス出口を有するフロースプリッタを備え、
   前記バイパス出口が、前記入口に流入した前記メイン流が方向転換して流出するように配置され、前記メイン流からのサンプル流が前記サンプル出口から流出するものであり、
   前記フロースプリッタがさらに案内要素を有し、当該案内要素が、前記メイン流における方向転換よりも上流のサンプリング位置における粒子を前記サンプル出口に案内するように配置されているシステム。
10. 請求項９記載のシステムであって、
    前記案内要素が、前記サンプル出口から前記フロースプリッタ内へ延びる管を有し、当該管が前記バイパス出口の上流の所定位置まで延びている機器。
11. 請求項９に記載のシステムであって、
    前記案内要素が、前記フロースプリッタにおける前記バイパス出口の上流の所定位置に設けられたプレートを有し、当該プレートが粒子を前記サンプリング位置から前記サンプル出口に案内するシステム。
12. 請求項９記載のシステムであって、
    前記フロースプリッタが
    Ｔ形管継手を有し、
    前記入口が、前記Ｔ形管継手内へ延びる第１管を有し、
    前記サンプル出口が、前記Ｔ形管継手内へ延びる第２管を有し、
    前記バイパス出口が、前記Ｔ形管継手内へ延びる第３管を有するシステム。
13. 請求項１２記載のシステムであって、
    前記第２管が、前記Ｔ形管継手内における前記バイパス出口の上流の所定位置まで延び、前記案内要素を形成するシステム。
14. 請求項１２記載のシステムであって、
    前記案内要素が、前記フロースプリッタ内における前記バイパス出口の上流の所定場所に設けられるプレートを有し、当該プレートが、粒子を前記サンプリング位置からサンプル出口へ案内するシステム。
15. 請求項１２記載のシステムであって、フロースプリッタが、
    前記フロースプリッタが、
    前記サンプル出口において前記Ｔ形管継手に接続される貫通レジューサを有し、
    前記第２管が、前記貫通レジューサを通って前記Ｔ形管継手内における前記バイパス出口の上流の所定位置まで延びて案内要素を形成するシステム。
16. 請求項９記載のシステムであって、前記案内要素がステンレス鋼製であるシステム。