JP2018072032A - 化学発光式窒素酸化物濃度計 - Google Patents

Abstract

【課題】オゾン発生器において効率よくオゾンを発生させながら、試料ガス中の窒素酸化物の濃度を精度よく測定できる化学発光式窒素酸化物濃度計を提供する。【解決手段】化学発光式窒素酸化物濃度計１において、オゾン発生器７には、吸着装置３で水分が吸着された後の空気、及び、吸着装置３を介さずに第５流路２５を通過した空気の混合ガスが流入する。そのため、オゾン発生器７において、適切な湿度の空気を用いてオゾンを発生させることができる。その結果、オゾン発生器７において、金属コンタミネーションの発生を抑制しつつ、効率よくオゾンを発生させることができる。そして、反応部８では、そのオゾンを用いて試料ガス中の窒素酸化物が良好に化学発光させられ、検出器９では、反応部８で生じる光の強度が検出される。さらに、制御部１０では、検出器９で検出される光の強度に基づいて、試料ガス中の窒素酸化物の濃度が測定される。【選択図】 図１

Description

本発明は、オゾンを発生させるオゾン発生器を備える化学発光式窒素酸化物濃度計に関するものである。

従来から、試料ガスに含まれる窒素酸化物の濃度を測定するための装置として化学発光式窒素酸化物濃度計が利用されている。
化学発光式窒素酸化物濃度計は、オゾン発生器、反応槽及び検出器などを備えている。化学発光式窒素酸化物濃度計では、試料ガスが反応槽に供給されるとともに、オゾン発生器で発生したオゾンが反応槽に供給される。そして、反応槽において、試料ガスとオゾンとが化学反応させられて光が生じる。このとき、検出器は、反応槽で生じた光の強度を検出する。そして、検出器の検出結果に基づいて、試料ガス中の窒素酸化物の濃度が測定される（例えば、下記特許文献１参照）。

このような化学発光式窒素酸化物濃度計で用いられるオゾン発生器は、例えば、電極と、電極を覆うように設けられる誘電体と、導電体などを備えている。そして、電極に電圧が印加されることで、誘電体と導電体との間で無声放電が発生し、大気中の酸素の一部がオゾンとなる。このようにして発生させられたオゾンが、反応槽に供給される。

特開２００２−１４８１９２号公報

従来の化学発光式窒素酸化物濃度計では、窒素酸化物の濃度の測定精度が低下するという不具合が生じることがあった。具体的には、オゾン発生器は、流入される空気の湿度が低ければ低いほど、多量のオゾンを発生させることができる。そのため、従来の化学発光式窒素酸化物濃度計は、例えば、空気の移動方向においてオゾン発生器の上流側に、空気を除湿する装置を設けるなどして、湿度の低い空気をオゾン発生器に流入させている。

しかし、オゾン発生器に流入する空気の湿度が低くなりすぎると、オゾン発生装置において無声放電させる際に、導電体の表面から金属コンタミネーション（不純物）が発生してしまう。そして、金属コンタミネーションが発生すると、反応槽で生じる光の検出器への透過が阻害され、検出器による検出精度が低下してしまう。その結果、窒素酸化物の濃度の測定精度が低下しまう。

なお、オゾン発生器において、空気の湿度が高い場合には、金属コンタミネーションの発生が抑えられ、空気の湿度が低い場合には、金属コンタミネーションが多量に発生することは、空気中の水分によって導電体の表面が保護されることに起因していると推測される。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、オゾン発生器において効率よくオゾンを発生させながら、試料ガス中の窒素酸化物の濃度を精度よく測定できる化学発光式窒素酸化物濃度計を提供することを目的とする。

（１）本発明に係る化学発光式窒素酸化物濃度計は、除湿器と、吸着装置と、導入流路と、導出流路と、バイパス流路と、オゾン発生器と、反応部と、検出器と、測定部とを備える。前記除湿器は、空気を冷却することにより除湿する。前記吸着装置は、前記除湿器により除湿された後の空気中の水分を吸着する。前記導入流路は、前記除湿器により除湿された後の空気を当該除湿器から前記吸着装置に導入させる。前記導出流路は、前記吸着装置により水分が吸着された後の空気を当該吸着装置から導出させる。前記バイパス流路は、前記吸着装置を介さずに前記導入流路及び前記導出流路を接続する。前記オゾン発生器は、前記吸着装置を通過した空気、及び、前記吸着装置を介さずに前記バイパス流路を通過した空気の混合ガスを用いてオゾンを発生させる。前記反応部は、前記オゾン発生器で発生したオゾンを用いて試料ガス中の窒素酸化物を化学発光させる。前記検出器は、前記反応部における化学発光により生じる光の強度を検出する。前記測定部は、前記検出器により検出される光の強度に基づいて、試料ガス中の窒素酸化物の濃度を測定する。

このような構成によれば、オゾン発生器には、除湿器により除湿された後の空気であって、吸着装置で水分が吸着された後の空気、及び、除湿器により除湿された後の空気であって、吸着装置を介さずにバイパス流路を通過した空気が混合された混合ガスが流入する。すなわち、オゾン発生器には、湿度の異なる２種類の空気の混合ガスが流入される。そして、オゾン発生器では、この湿度の異なる２種類の空気が混合された混合ガスを用いてオゾンが発生させられる。
そのため、オゾン発生器において、適切な湿度の空気を用いてオゾンを発生させることができる。
その結果、オゾン発生器において、金属コンタミネーションの発生を抑制しつつ、効率よくオゾンを発生させることができる。

そして、反応部では、そのオゾンを用いて試料ガス中の窒素酸化物が良好に化学発光させられ、検出器では、反応部で生じる光の強度が検出される。さらに、測定部では、検出器で検出される光の強度に基づいて、試料ガス中の窒素酸化物の濃度が測定される。
そのため、検出器において、反応部で生じる光を精度よく検出でき、測定部において、試料ガス中の窒素酸化物の濃度を精度よく測定できる。
このように、本発明に係る化学発光式窒素酸化物濃度計によれば、オゾン発生器において効率よくオゾンを発生させながら、試料ガス中の窒素酸化物の濃度を精度よく測定できる。

（２）また、前記混合ガス中における水分濃度が、１００〜１０００ｐｐｍであってもよい。

このような構成によれば、適切な水分濃度の空気をオゾン発生器に供給できる。そして、オゾン発生器において、その空気を用いてオゾンを効率よく発生させることができる。

（３）また、前記導入流路及び前記バイパス流路の流路抵抗が異なることにより、前記吸着装置を通過する空気の流量と、前記吸着装置を介さずに前記バイパス流路を通過する空気の流量とが異なってもよい。

このような構成によれば、簡易な構成で、適切な水分濃度の空気をオゾン発生器に供給できる。

（４）また、前記吸着装置を通過する空気の流量と、前記吸着装置を介さずに前記バイパス流路を通過する空気の流量との流量比が、１０：１〜１００：１であってもよい。

このような構成によれば、吸着装置を通過する空気の流量と、吸着装置を介さずにバイパス流路を通過する空気の流量との流量比を適切に保つことにより、適切な水分濃度の空気をオゾン発生器に供給できる。

本発明によれば、オゾン発生器には、除湿器により除湿された後の空気であって、吸着装置で水分が吸着された後の空気、及び、除湿器により除湿された後の空気であって、吸着装置を介さずにバイパス流路を通過した空気の混合ガスが流入する。そのため、オゾン発生器において、適切な湿度の空気を用いてオゾンを発生させることができる。その結果、オゾン発生器において、金属コンタミネーションの発生を抑制しつつ、効率よくオゾンを発生させることができる。そして、反応部では、そのオゾンを用いて試料ガス中の窒素酸化物が良好に化学発光させられ、検出器では、反応部で生じる光の強度が検出される。さらに、測定部では、検出器で検出される光の強度に基づいて、試料ガス中の窒素酸化物の濃度が測定される。そのため、検出器において、反応部で生じる光を精度よく検出でき、測定部において、試料ガス中の窒素酸化物の濃度を精度よく測定できる。

本発明の一実施形態に係る化学発光式窒素酸化物濃度計の構成を示した概略図である。 図１のオゾン発生器を示した断面図である。

１．化学発光式窒素酸化物濃度計の全体構成
図１は、本発明の一実施形態に係る化学発光式窒素酸化物濃度計１の構成を示した概略図である。
化学発光式窒素酸化物濃度計１は、試料ガスに含まれる窒素酸化物の濃度を測定するための装置である。化学発光式窒素酸化物濃度計１は、電子クーラ２と、吸着装置３と、第１ポンプ４と、バルブ５と、流量計６と、オゾン発生器７と、反応部８と、検出器９と、制御部１０と、第２ポンプ１１と、オゾン分解器１２とを備えている。また、化学発光式窒素酸化物濃度計１には、第１流路２１と、第２流路２２と、第３流路２３と、第４流路２４と、第５流路２５が形成されている。

第１流路２１は、空気を取り込み、その空気にオゾン（Ｏ_３）を混入して反応部８に流入させるための流路である。第１流路２１には、電子クーラ２、吸着装置３、第１ポンプ４、バルブ５、流量計６及びオゾン発生器７が、この順序で介在されており、空気の移動方向下流側の端部は、反応部８に接続されている。

電子クーラ２は、第１流路２１に流入される空気に対して、その温度及び湿度のそれぞれが一定となるように調整を行うためのものである。具体的には、電子クーラ２は、第１流路２１に流入される空気を冷却することにより除湿する。電子クーラ２は、除湿器の一例である。電子クーラ２には、第２流路２２の一端部が接続されている。第２流路２２には、第２ポンプ１１が介在されている。第２ポンプ１１が動作することにより、電子クーラ２において空気中から除去された水分が、第２流路２２を介して排出される。

吸着装置３は、電子クーラ２によって除湿された後の空気中に含まれる水分を吸着する装置である。具体的には、吸着装置３は、内部に吸着剤を収容しており、この吸着剤によって空気に含まれる水分を吸着して除去することにより、除湿を行う。吸着剤は、例えば、シリカゲルであって、複数の粒子からなる。但し、吸着剤は、モレキュラシーブなどの他の材料からなる粒子であってもよい。
第１ポンプ４は、空気を第１流路２１内に吸引し、吸引した空気を第１流路２１内を通過させて反応部８に送り込むためのものである。
バルブ５は、第１流路２１を移動する空気の流量を一定に調整するためのものである。バルブ５は、例えば、ニードルバルブである。
流量計６は、第１流路２１を移動する空気の流量を測定するためのものである。

オゾン発生器７は、第１流路２１を移動する空気を用いてオゾンを発生させるための装置である。具体的には、オゾン発生器７は、無性放電などにより、オゾンを発生させる。

反応部８には、第３流路２３の一端部が接続されている。反応部８には、第１流路２１を介してオゾンを含む空気が流入されるとともに、第３流路２３を介して試料ガスが供給される。反応部８は、空気に含まれるオゾンを用いて、試料ガス中に含まれる窒素酸化物を化学発光させる。

検出器９は、反応部８に隣接している。検出器９は、例えば、ガラス窓などを備えており、反応部８における化学発光により生じた光を内部に取り込めるように構成されている。検出器９は、反応部８で発生した光の強度を検出するように構成されている。

制御部１０は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）を含む構成である。制御部１０は、検出器９と電気的に接続されている。制御部１０は、検出器９の動作を制御するとともに、検出器９で検出される光の強度に基づいて、試料ガス中の窒素酸化物の濃度を測定する。なお、制御部１０は、測定部の一例である。
第４流路２４は、その一端部が反応部８に接続されている。第４流路２４には、オゾン分解器１２が介在されている。
オゾン分解器１２は、空気に含まれる未反応のオゾンを加熱分解などにより分解する。

また、詳しくは後述するが、第１流路２１には、第５流路２５が接続されている。空気の移動方向において、第５流路２５の一端部は、第１流路２１における吸着装置３よりも上流側の部分に接続されており、第５流路２５の他端部は、第１流路２１における吸着装置３よりも下流側の部分に接続されている。第５流路２５は、バイパス流路の一例である。

化学発光式窒素酸化物濃度計１では、第１ポンプ４及び第２ポンプ１１が動作されるとともに、流量計６が検出する流量が一定となるように、バルブ５の開度が調整される。そして、一定量の空気が、第１流路２１内に吸引されて、第１流路２１内を移動する。

このとき、第１流路２１を移動する空気は、電子クーラ２によって、冷却されて除湿される。電子クーラ２において空気中から除去された水分は、第２流路２２から排出される。

電子クーラ２で除湿された後の空気は、そのまま第１流路２１を移動する空気と、第１流路２１から第５流路２５に流入する空気とに分かれる。すなわち、電子クーラ２で除湿された後の空気は、そのまま第１流路２１を移動して吸着装置３に導入するとともに、その一部が第５流路２５に流入して吸着装置３を介さずに第１流路２１に合流する。これらが混合した空気は、オゾン発生器７に流入する。そして、オゾン発生器７において、この混合ガスを用いてオゾンが発生させられる。オゾン発生器７で発生したオゾンは、空気とともに、反応部８に流入する。さらに、反応部８には、第３流路２３を介して試料ガスが供給される。

そして、反応部８では、試料ガスとオゾンとが化学反応させられて光が生じる。このとき、検出器９は、反応部８で生じた光の強度を検出する。制御部１０は、検出器９の検出結果に基づいて、試料ガス中の窒素酸化物の濃度を測定する。また、反応部８を通過した空気は、第４流路２４を移動する過程で、オゾン分解器１２によって未反応のオゾンが分解され、その後排気される。

２．流路の詳細構成
上記したように、化学発光式窒素酸化物濃度計１では、電子クーラ２で除湿された後の空気は、その大部分が第１流路２１をそのまま移動するとともに、その一部が第５流路２５を移動することで迂回して、その後、第１流路２１に合流する。

第１流路２１において、電子クーラ２と吸着装置３との間の部分が、導入流路２１１として形成されており、吸着装置３と第１ポンプ４との間の部分が、導出流路２１２として形成されている。導入流路２１１は、電子クーラ２により除湿された後の空気を、電子クーラ２から吸着装置３に導入させるための流路である。導出流路２１２は、吸着装置３により水分が吸着された後の空気を、吸着装置３から導出させるための流路である。
第５流路２５は、その一端部が導入流路２１１に接続されており、その他端部が導出流路２１２に接続されている。

導入流路２１１及び第５流路２５のそれぞれは、その内径及び長さ（寸法）に対応する流路抵抗を有している。導入流路２１１及び第５流路２５は、その流路抵抗が互いに異なるように形成されている。具体的には、導入流路２１１の流路抵抗は、第５流路２５の流路抵抗よりも小さい。

３．オゾン発生器の詳細構成
図２は、オゾン発生器７を示した断面図である。
オゾン発生器７は、導電体７１と、誘電体７２と、電極７３と、第１オーリング７４と、第２オーリング７５と、流入管７６と、流出管７７とを備えている。
導電体７１は、長尺な円筒状に形成されている。導電体７１は、例えば、チタン又はステンレスなどの金属材料からなる。

誘電体７２は、導電体７１の内部空間に配置されている。誘電体７２は、長尺状に形成されており、導電体７１の軸線方向に沿って延びている。誘電体７２は、例えば、ガラス材料からなる。誘電体７２は、外筒７２１と、内筒７２２とを備えている。
外筒７２１は、長尺な円筒状に形成されている。
内筒７２２は、外筒７２１内に配置されている。外筒７２１及び内筒７２２は、軸線方向に延びており、軸線方向と直交する直交方向において間隔を隔てて配置されている。なお、内筒７２２の端縁と外筒７２１の端縁とは、板状の部材によって覆われている。

電極７３は、外筒７２１と内筒７２２との間の空間に配置されている。電極７３は、長尺な円筒状に形成されており、軸線方向に沿って延びている。電極７３は、例えば、アルミなどからなる。
第１オーリング７４は、導電体７１の一端部と、誘電体７２の一端部との間に配置されており、これらを密閉している。
第２オーリング７５は、導電体７１の他端部と、誘電体７２の他端部との間に配置されており、これらを密閉している。

流入管７６は、直交方向に延びる円筒状に形成されている。流入管７６は、導電体７１の一端部の周面を直交方向に貫通するように、導電体７１に取り付けられている。流入管７６の内部空間は、導電体７１の内部空間に連続している。流入管７６には、第１流路２１の途中部の一端部が接続されている（図１参照）。

流出管７７は、直交方向に延びる円筒状に形成されている。流出管７７は、導電体７１の他端部の周面を直交方向に貫通するように、導電体７１に取り付けられている。流出管７７の内部空間は、導電体７１の内部空間に連続している。流出管７７には、第１流路２１の途中部の他端部が接続されている（図１参照）。

４．化学発光式窒素酸化物濃度計における空気の流れ
化学発光式窒素酸化物濃度計１では、上記したように、図１に示す第１ポンプ４が動作されることにより、一定量の空気が第１流路２１内に吸引される。この空気は、電子クーラ２によって、冷却されることにより除湿される。具体的には、第１流路２１内に吸引される空気は、電子クーラ２によって、その水分濃度が約７０００ｐｐｍとなる２℃飽和の空気になる。

また、上記したように、導入流路２１１の流路抵抗は、第５流路２５の流路抵抗よりも小さい。これにより、電子クーラ２を通過した後、導入流路２１１をそのまま移動して吸着装置３を通過する空気の流量と、電子クーラ２を通過した後、吸着装置３を介さずに第５流路２５を通過する空気の流量とが異なるように空気が流れる。具体的には、吸着装置３を通過する空気の流量は、吸着装置３を介さずに第５流路２５を通過する空気の流量よりも大きい。より具体的には、吸着装置３を通過する空気の流量と、吸着装置３を介さずに第５流路２５を通過する空気の流量との流量比は、１０：１〜１００：１となる。

吸着装置３を通過した直後の空気の水分濃度は、約１０ｐｐｍとなる。そして、この水分濃度の空気が、導出流路２１２を移動する。また、導出流路２１２には、第５流路２５が接続されており、上記した水分濃度（約７０００ｐｐｍ）の空気が流入する。これにより、吸着装置３を通過した空気、及び、吸着装置３を介さずに第５流路２５を通過した空気の混合ガス中における水分濃度は、１００〜１０００ｐｐｍとなる。そして、この混合ガスがオゾン発生器７に供給され、オゾン発生器７でオゾンが発生させられる。

具体的には、オゾン発生器７では、流入管７６を介して導電体７１と誘電体７２との間の領域に混合ガスが流入されるとともに、電極７３に電圧が印加される。これにより、導電体７１と誘電体７２との間で無声放電が発生し、混合ガス中の酸素の一部がオゾンとなる。そして、オゾンは、混合ガスとともに流出管７７を介してオゾン発生器７から排出され、第１流路２１を介して反応部８に供給される。

５．作用効果
（１）本実施形態では、図１に示すように、化学発光式窒素酸化物濃度計１において、オゾン発生器７には、電子クーラ２により除湿された後の空気であって、吸着装置３で水分が吸着された後の空気、及び、電子クーラ２により除湿された後の空気であって、吸着装置３を介さずに第５流路２５を通過した空気の混合ガスが流入する。すなわち、オゾン発生器７には、湿度の異なる２種類の空気の混合ガスが流入される。そして、オゾン発生器７では、この湿度の異なる２種類の空気が混合された混合ガスを用いてオゾンが発生させられる。
そのため、オゾン発生器７において、適切な湿度の空気を用いてオゾンを発生させることができる。
その結果、オゾン発生器７において、金属コンタミネーションの発生を抑制しつつ、効率よくオゾンを発生させることができる。

そして、反応部８では、そのオゾンを用いて試料ガス中の窒素酸化物が良好に化学発光させられ、検出器９では、反応部８で生じる光の強度が検出される。さらに、制御部１０では、検出器９で検出される光の強度に基づいて、試料ガス中の窒素酸化物の濃度が測定される。
そのため、検出器９において、反応部８で生じる光を精度よく検出でき、制御部１０において、試料ガス中の窒素酸化物の濃度を精度よく測定できる。

（２）また、本実施形態では、化学発光式窒素酸化物濃度計１において、吸着装置３を通過した空気、及び、吸着装置３を介さずに第５流路２５を通過した空気の混合ガス中における水分濃度は、１００〜１０００ｐｐｍとなる。

そのため、適切な水分濃度の空気をオゾン発生器７に供給できる。そして、オゾン発生器７において、その空気を用いてオゾンを効率よく発生させることができる。

（３）また、本実施形態では、化学発光式窒素酸化物濃度計１において、導入流路２１１の流路抵抗が、第５流路２５の流路抵抗よりも小さく形成される。これにより、電子クーラ２を通過した後、導入流路２１１をそのまま移動して吸着装置３を通過する空気の流量と、電子クーラ２を通過した後、吸着装置３を介さずに第５流路２５を通過する空気の流量とが異なるように空気が流れる。具体的には、吸着装置３を通過する空気の流量は、吸着装置３を介さずに第５流路２５を通過する空気の流量よりも大きい。

そのため、簡易な構成で、適切な水分濃度の空気をオゾン発生器７に供給できる。

（４）また、本実施形態では、化学発光式窒素酸化物濃度計１において、吸着装置３を通過する空気の流量と、吸着装置３を介さずに第５流路２５を通過する空気の流量との流量比は、１０：１〜１００：１となる。

そのため、吸着装置３を通過する空気の流量と、吸着装置３を介さずに第５流路２５を通過する空気の流量との流量比を適切に保つことにより、適切な水分濃度の空気をオゾン発生器７に供給できる。
６．変形例

上記した実施形態では、導入流路２１１の流路抵抗と、第５流路２５の流路抵抗とが異なるように形成されることにより、吸着装置３を通過する空気の流量と、吸着装置３を介さずに第５流路２５を通過する空気の流量とが一定の割合で混合されるとして説明した。しかし、導入流路２１１及び第５流路２５の流路抵抗が同じように形成され、導入流路２１１と第５流路２５との分岐部分に流路を切り替える切替部を設け、さらに、導出流路２１２と第５流路２５との合流部分以降に水分量を検出する水分センサを設けてもよい。そして、水分センサの検出結果に基づいて、切替部を適宜切り替えることにより、吸着装置３を通過する空気の流量と、吸着装置３を介さずに第５流路２５を通過する空気の流量とが一定の割合で混合されてもよい。

１ 化学発光式窒素酸化物濃度計
２ 電子クーラ
３ 吸着装置
７ オゾン発生器
８ 反応部
９ 検出器
１０ 制御部
２１ 第１流路
２５ 第５流路
２１１ 導入流路
２１２ 導出流路

Claims (4)

1. 空気を冷却することにより除湿する除湿器と、
   前記除湿器により除湿された後の空気中の水分を吸着する吸着装置と、
   前記除湿器により除湿された後の空気を当該除湿器から前記吸着装置に導入させる導入流路と、
   前記吸着装置により水分が吸着された後の空気を当該吸着装置から導出させる導出流路と、
   前記吸着装置を介さずに前記導入流路及び前記導出流路を接続するバイパス流路と、
   前記吸着装置を通過した空気、及び、前記吸着装置を介さずに前記バイパス流路を通過した空気の混合ガスを用いてオゾンを発生させるオゾン発生器と、
   前記オゾン発生器で発生したオゾンを用いて試料ガス中の窒素酸化物を化学発光させる反応部と、
   前記反応部における化学発光により生じる光の強度を検出する検出器と、
   前記検出器により検出される光の強度に基づいて、試料ガス中の窒素酸化物の濃度を測定する測定部とを備えることを特徴とする化学発光式窒素酸化物濃度計。
2. 前記混合ガス中における水分濃度が、１００〜１０００ｐｐｍであることを特徴とする請求項１に記載の化学発光式窒素酸化物濃度計。
3. 前記導入流路及び前記バイパス流路の流路抵抗が異なることにより、前記吸着装置を通過する空気の流量と、前記吸着装置を介さずに前記バイパス流路を通過する空気の流量とが異なることを特徴とする請求項１又は２に記載の化学発光式窒素酸化物濃度計。
4. 前記吸着装置を通過する空気の流量と、前記吸着装置を介さずに前記バイパス流路を通過する空気の流量との流量比が、１０：１〜１００：１であることを特徴とする請求項３に記載の化学発光式窒素酸化物濃度計。

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