JP2010515018A - 蒸発ユニットの上流に流量計を有する固体粒子計数システム - Google Patents
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Abstract
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ための固体粒子計数システムであり、蒸発ユニットと、希釈装置と、粒子カウンタとを有する。希釈装置は、希釈ガスと蒸発ユニットからのガスとを所定の希釈率で混合し、希釈装置は、蒸発ユニットの上流に設けられ、前記蒸発ユニットに流入して再び前記希釈装置に流入するガスの流量を計測する流量計を有する。
【選択図】図2
【選択図】図2
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放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等の知識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。
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放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放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放出を計測するため、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、固体粒子計数システムは、蒸発ユニットの上流に流量計を有する。本発明のこの態様によれば、固体粒子計数システムは、蒸発ユニットと、希釈装置と、粒子カウンタとを有する。蒸発ユニットは、揮発性粒子及び固体粒子を含む流動ガスを受け取り、その流動ガスを加熱して、揮発性粒子を蒸発させる一方で固体粒子を粒子損失なしに通過させる。
希釈装置は、蒸発ユニットからガスを受け取る。さらに希釈装置は、希釈ガスを受け取り、希釈ガスと蒸発ユニットからのガスとを混合する。希釈装置は出力流を供給する。出力流の一部が粒子カウンタにより受け取られる。粒子カウンタは、受け取った出力流の一部における固体粒子数濃度を計測する。本発明のこの態様によれば、希釈装置は、希釈ガスと蒸発ユニットからのガスとを所定の希釈率で混合する。希釈装置は、蒸発ユニットの上流に設けられ、蒸発ユニットに流入し再び希釈装置に流入するガスの流量を計測する流量計を有する
蒸発ユニットの上流の温度が蒸発ユニットの下流の温度よりもはるかに低いことから、この流量計を蒸発ユニットの上流に設けることによって、高温のエアロゾルにより引き起こされる流量計測誤差を低減することができる。低減された高温によって生じる流量計測誤差は、高温下での流量計内のステンレス鋼オリフィスの形状及び寸法に起因する流量のばらつきを含むことがある。
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。
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、流量を計算するのにO1の校正曲線が使用される。反対に、O2が選択された場合、流量を計算するには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保たれる。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。
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取る。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。
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取る。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量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。
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量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℃に保たれる。分級器内の流れは一定温度に保たれる。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。
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取る。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。エアロゾル流量及び希釈空気流量は、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(メイクアップ空気(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、DRPND1はPND1における希釈率、Qair1は標準状態又は基準状態での希釈空気の流量、Qs1は標準状態又は基準状態でのエアロゾル流量である。Qs1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流は、スプリッタFS2を通過する。混合流の大部分が、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。
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。
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、DRPND2は冷却希釈器(PND2)の希釈率、Qair2は標準状態又は基準状態でのPND2の希釈空気流量、Qs2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。混合流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を回避することができる。
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。
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。
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。
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。
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ゼロ及びフローチェックをより効果的にする。
アイドルモードとCPCゼロ及びフロー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。
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が始動にされる。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、QV7は、V7を通る粒子を含まない圧縮空気の流量、QbypassI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、Qs1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。
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。
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。
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、Qair1は、MFC52上の希釈空気流量、Qmakeup1は、MFC54の補償空気流量、QbypassIIは、バイパス88のバイパス流量、Qs2は、オリフィス流量計42に入るエアロゾル流量、Qair2は、MFC56の流量、Qmakeup2は、MFC58の補償空気流量、及び、QbypassIII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 (21)
- 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、
揮発性粒子及び固体粒子を含む流動ガスを受け取り、その流動ガスを加熱して、揮発性粒子を蒸発させる一方で固体粒子を粒子損失なしに通過させる蒸発ユニットと、
前記蒸発ユニットからガスを受け取るとともに希釈ガスを受け取り、当該希釈ガスと前記蒸発ユニットからのガスとを混合して出力流を供給する希釈装置と、
前記出力流の一部を受け取り、その受け取った出力流の一部における固体粒子数濃度を計測する粒子カウンタと、を有し、
前記希釈装置が、前記希釈ガスと前記蒸発ユニットからのガスとを所定の希釈率で混合し、さらに前記希釈装置が、前記蒸発ユニットの上流に設けられ、前記蒸発ユニットに流入し再び前記希釈装置に流入するガスの流量を計測する流量計を有するシステム。 - 請求項1記載のシステムであって、
前記希釈装置に供給される希釈ガスが、制御された流量で供給されるシステム。 - 請求項2記載のシステムであって、
前記出力流を受け取り、当該出力流の一部を前記粒子カウンタに供給し、バイパス流を供給するフロースプリッタをさらに備えるシステム。 - 請求項3記載のシステムであって、
前記バイパス流が補償ガス流を受け取り、前記バイパス流及び前記補償ガス流の混合流が制御された流量であり、前記補償ガス流が制御された流量で供給されるシステム。 - 請求項4記載のシステムであって、
前記粒子カウンタが、受け取る出力流の一部として特定の流量が供給されるように配置されているシステム。 - 請求項5記載のシステムの操作方法であって、
前記補償ガスの流量を変化することによって、前記蒸発ユニットに流入し再び前記希釈装置に流入するガスの流量を変化させ、これによって希釈率を調整する方法。 - 請求項5記載のシステムの操作方法であって、
前記希釈装置に流入する希釈ガスの流量を変化させることによって、前記蒸発ユニットに流入して再び前記希釈装置に流入するガスの流量を変化させ、これによって希釈率を調整する方法。 - 請求項5記載のシステムであって、
前記バイパス流及び前記補償ガス流の混合流量が、臨界フローオリフィスにより制御されるシステム。 - 請求項5記載のシステムであって、
前記バイパス流及び前記補償ガス流の混合流量が、マスフローコントローラにより制御されるシステム。 - 請求項5記載のシステムであって、
前記希釈装置に流入する希釈ガス流量が、マスフローコントローラにより制御されるシステム。 - 請求項5記載のシステムであって、
前記補償ガス流量を変化させることによって、前記希釈率が所定値となるように制御するためのフィードバック制御ループをさらに有するシステム。 - 請求項11記載のシステムであって、
前記フィードバック制御ループが、一定の希釈率となるように構成されているシステム。 - 請求項11記載のシステムであって、
前記粒子カウンタに入る流量が、一定の機器流量であるシステム。 - 請求項1記載のシステムであって、
前記流量計が、オリフィス流量計からなるシステム。 - 請求項1記載のシステムであって、
前記流量計が断熱されているシステム。 - 請求項1記載のシステムであって、
揮発性粒子及び固体粒子を含むサンプルガスを受け取るとともに希釈ガスを受け取り、当該希釈ガスとサンプルガスとを混合して前記蒸発ユニットにより受け取られる流動ガスを含む出力流を供給する加熱希釈装置をさらに有するシステム。 - 請求項16記載のシステムであって、
前記加熱希釈装置が、当該加熱希釈装置に流入するサンプルガスの流量を計測するサンプルガス流量計を有するシステム。 - 請求項17記載のシステムであって、
前記サンプルガス流量計が、寸法の異なる複数のオリフィス流量計を有し、用いられるオリフィス流量計が、前記サンプルガス流量の大きさに基づいて定められるシステム。 - 請求項18記載のシステムであって、
用いられるオリフィス流量計が前記希釈率に基づいて定められるシステム。 - 請求項17記載のシステムであって、
前記サンプルガス流量計が内部に設けられ、一定温度に保たれている熱筐体をさらに有するシステム。 - 請求項16記載のシステムであって、
前記加熱希釈装置からの出力流を受け取り、当該出力流の一部を前記蒸発ユニットに供給するとともにバイパス流を供給するフロースプリッタをさらに有し、
前記蒸発ユニットと前記フロースプリッタとの間に前記流量計が設けられているシステム。
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