JP2020112428A - ガス分析装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高い温度のガスを測定可能とする。【解決手段】管材２の中を流れる測定対象ガスＧに測定光を照射し、測定対象ガスＧを透過した前記測定光の吸収スペクトルに基づいて、測定対象ガスＧに含まれる成分分析を行うガス分析装置１であって、前記測定光の光路を覆うように設けられ、少なくとも一部が前記管材２の中に配置される筒状部材２１と、前記筒状部材２１の中空部分を塞ぐと共に前記管材２の中を流れる測定対象ガスに晒されるように設けられ、前記測定光を透過可能な透過部材２２とを備えて成る。【選択図】図１

Description

本発明は、ガス分析装置に関する。

ガス分析装置は、測定対象ガスにレーザ光を照射し、測定対象ガスを透過したレーザ光の吸収スペクトルに基づいて、測定対象ガスに含まれる成分およびその濃度等を測定する装置である。このレーザガス分析装置は、測定対象ガスに照射するレーザ光を発光する発光部と、測定対象ガスを透過したレーザ光を受光する受光部とを備える（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−１８５６９４号公報

近年では、様々な技術分野でガス分析装置が用いられており、測定対象ガスの温度領域も拡大されてきている。従来のガス分析装置では、測定対象ガスの温度範囲が６００℃程度であったが、近年では、６００℃よりも高い温度のガスを測定対象とすることがあり、６００℃よりも高い温度（例えば、１０００℃以上）のガスの成分およびその濃度等を測定可能なガス分析装置が求められている。

本発明は、高い温度のガスを測定可能とすることを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係るガス分析装置は、管材の中を流れる測定対象ガスに測定光を照射し、測定対象ガスを透過した前記測定光の吸収スペクトルに基づいて、測定対象ガスに含まれる成分分析を行うガス分析装置であって、前記測定光の光路を覆うように設けられ、少なくとも一部が前記管材の中に配置される筒状部材と、前記筒状部材の中空部分を塞ぐと共に前記管材の中を流れる測定対象ガスに晒されるように設けられ、前記測定光を透過可能な透過部材とを備えることを特徴とする。

本発明に係るガス分析装置によれば、高い温度のガスを測定可能とすることができる。

本発明の実施例１に係るガス分析装置の構造を示す概略図である。 本発明の実施例２に係るガス分析装置の構造を示す概略図である。

（実施例１）
本発明の実施例１に係るガス分析装置は、本発明に係るガス分析装置をプローブ型のガス分析装置に適用したものである。ここで、プローブ型とは、例えば、光源、反射構造、および光検出器を一体的に内蔵し、被測定ガスが流れる管材に片側から差し込まれる構造を有するガス分析装置の種類を意味する。

実施例１に係るガス分析装置の構造について、図１を参照して説明する。

図１に示すように、ガス分析装置１は、測定対象ガス（被測定ガス）Ｇが流れるガス管（管材）２に取り付けられており、このガス管２を流れる被測定ガスＧに含まれる成分の分析（成分およびその濃度等の測定）を行う。被測定ガスＧは、例えば、ＣＯ、ＣＯ₂、Ｈ₂Ｏ、Ｃ_mＨ_n（ｍ、ｎは任意の整数）、ＮＨ₃、及びＯ₂等のガス（プロセスガス）を含む。

ガス分析装置１は、ガス管２に取り付けられてその大部分がガス管２内に延在するプローブ（筒状部材）１１と、このプローブ１１に接続されてガス管２外に配置される冷却ユニット１２と、この冷却ユニット１２に接続されてガス管２の外に配置される分析ユニット１３とから概略構成されている。

ここで、分析ユニット１３は、測定光を発光および受光して被測定ガスＧの吸収スペクトルを分析するものであり、プローブ１１は、測定光を反射する反射構造を有すると共に測定光を被測定ガスＧに透過させるための測定領域Ｓ_1aを形成するものであり、冷却ユニット１２は、プローブ１１から分析ユニット１１への伝熱を抑制する冷却機構（伝熱抑制機構）を有するものである。つまり、ガス分析装置１において、分析ユニット１３は、冷却機構を有する冷却ユニット１２を介して、プローブ１１に接続されている。

プローブ１１には、ガス管２と接続されるプローブ本体２１が備えられている。プローブ本体２１は、測定光が通過可能なように光路に沿った筒状（例えば、略円筒状）に形成された中空部材であり、その基端部にフランジ２１ａが形成されて成る。つまり、プローブ本体２１は、測定光の光路を覆う筒状部材である。フランジ２１ａは、ガス管２に設けられた取り付け部材２ａに機械的に接続されており、プローブ本体２１の大部分は、ガス管２内に延在している。プローブ本体２１は、例えば、ガス管２内において被測定ガスＧの流動方向と略直行する方向（光軸方向）に延在し、その延在方向における外形長さｄ₁₁は、例えば、５００〜２０００ｍｍ程度である。

プローブ本体２１は、ガス管２を流れる被測定ガスＧの温度よりも高い温度帯における耐熱性を有する耐熱部材から成り、例えば、アルミナ等のセラミックにより形成されている。プローブ本体２１の耐熱温度は、例えば、６００℃以上であり、好ましくは１０００℃以上、より好ましくは１２００℃以上である。

プローブ１１（プローブ本体２１）の先端部（ガス管２内に位置する端部）近傍には、測定光の少なくとも一部を反射可能な反射部（反射部材）２２が設けられている。反射部２２は、コーナーキューブプリズムおよびレトロリフレクタ等の測定光に対する任意の反射構造を含む。反射部２２は、例えば、サファイアから成り、プローブ本体２１の内面にメタライズ接合等によって一体的に組み付けられている。

また、プローブ１１（プローブ本体２１）の略中央部には、測定光を透過可能なウィンドウ（透過部材）２３が設けられている。ウィンドウ２３は、例えば、サファイアから成り、プローブ本体２１の内面にメタライズ接合等によって一体的に組み付けられている。ここで、ウィンドウ２３は、反射部２２から所定距離Ｄ_S1aだけ離間してプローブ本体２１内を閉塞するように固定されており、反射部２２と共に測定領域Ｓ_1aを画成している。つまり、ウィンドウ２３は、プローブ本体２１内において、当該ウィンドウ２３よりも先端側の空間（測定領域）Ｓ_1aと、当該ウィンドウ２３よりも基端側の空間（測定外領域）Ｓ₁₁とを区分け（隔離）しており、プローブ本体２１の中空部分を塞ぐと共にガス管２の中を流れる被測定ガスＧに晒されるように設けられている。

プローブ１１（プローブ本体２１）には、測定領域Ｓ_1aに臨む開口部２１ｂ，２１ｃが形成されている。開口部２１ｂ，２１ｃは、被測定ガスＧの流れ方向上流側に位置して被測定ガスＧを測定領域Ｓ_1a内に導く上流側開口部２１ｂと、被測定ガスＧの流れ方向下流側に位置して被測定ガスＧを測定領域Ｓ_1a内から排出する下流側開口部２１ｃとを含む。上流側開口部２１ｂおよび下流側開口部２１ｃは、測定領域Ｓ_1a全体に亘って、プローブ本体２１の延在方向（測定光の光軸方向）に並んで複数（図１においては、三つ）設けられている。もちろん、プローブ本体２１の強度等を十分に確保できる場合には、測定領域Ｓ_1a全体に亘ってプローブ本体２１の延設方向に連続した（長く形成された）上流側開口部２１ｂおよび下流側開口部２１ｃをそれぞれ一つ設けてもよい。

冷却ユニット１２には、その一端部がプローブ１１の基端部（先端部と反対側の端部）に取り付けられる冷却ユニット本体３１が備えられている。冷却ユニット本体３１は、測定光が通過可能なように光軸に沿った筒状（例えば、略円筒状）に形成された中空部材であり、その内部空間Ｓ₁₂は、プローブ１１の測定外領域Ｓ₁₁と連通している。冷却ユニット本体３１は、例えば、ガス管２の外側においてプローブ１１（プローブ本体２１）の延在方向と同じ方向に延在し、その延在方向における外形長さｄ₁₂は、例えば、５００ｍｍ程度である。

冷却ユニット本体３１は、ガス管２を流れる被測定ガスＧの温度よりも高い温度帯における耐熱性を有する耐熱部材から成り、例えば、アルミナ等のセラミックにより形成されている。冷却ユニット本体３１の耐熱温度は、例えば、６００℃以上であり、好ましくは１０００℃以上、より好ましくは１２００℃以上である。冷却ユニット本体３１の材質は、プローブ本体２１の材質と異にしてもよい。また、冷却ユニット本体３１の耐熱温度は、プローブ本体２１の耐熱温度と異にしてもよく、プローブ本体２１の耐熱温度よりも高い温度またはプローブ本体２１の耐熱温度よりも低い温度であってもよい。冷却ユニット本体３１の耐熱温度は、好ましくはプローブ本体２１の耐熱温度と同じ温度、または、それ未満の温度である。

冷却ユニット１２（冷却ユニット本体３１）の他端部近傍には、測定光を透過可能なウィンドウ（透過部材）３２が設けられている。ウィンドウ３２は、例えば、サファイアから成り、冷却ユニット本体３１の内面にメタライズ接合等によって一体的に組み付けられている。ここで、ウィンドウ３２は、冷却ユニット本体３１内を閉塞するように固定されており、測定外領域Ｓ₁₁と内部空間Ｓ₁₂（プローブ本体２１およびウィンドウ２３と冷却ユニット本体３１およびウィンドウ３２）とにより、後述する冷媒で満たされる伝熱抑制空間Ｓ_1bが画成されている。つまり、ウィンドウ３２は、冷却ユニット本体３１の中空部分を塞ぐように設けられている。

冷却ユニット１２（冷却ユニット本体３１）には、伝熱抑制空間Ｓ_1bに冷媒を供給するための冷媒供給口３１ａと、伝熱抑制空間Ｓ_1bに供給された冷媒を排出するための冷媒排出口３１ｂとが設けられている。冷媒供給口３１ａおよび冷媒排出口３１ｂは、それぞれ内部空間Ｓ₁₂に臨んで形成されている。ここで、内部空間Ｓ_1bは測定外領域Ｓ₂₁と連通しているため、内部空間Ｓ₁₂および測定外領域Ｓ₁₁の両方の空間（伝熱抑制空間）Ｓ_1b内は、冷媒供給口３１ａから供給される冷媒で満たされるようになっている。冷媒は、測定光のスペクトルに影響を与えない流体（気体または液体）であり、例えば、Ｎ₂等のガスである。つまり、冷却ユニット１２は、冷媒をウィンドウ３２によってガス管２の中の空間（測定領域）Ｓ_1aと隔離されたプローブ１内の空間（測定外領域）Ｓ₁₁に流通させる冷却機構を有する。

冷媒供給口３１ａおよび冷媒排出口３１ｂは、内部空間Ｓ₁₂および測定外領域Ｓ₁₁の両方の空間（伝熱抑制空間）Ｓ_1b内における冷媒の流通を考慮して設けられることが好ましい。例えば、冷媒供給口３１ａと冷媒排出口３１ｂとを対向させずに光軸方向にずらして設けるとよい。また、冷媒供給口３１ａを冷媒排出口３１ｂよりもプローブ１１側に位置して設けるとよい。また、冷媒供給口３１ａをプローブ１１側に向けて斜めに開口するように設けるとよい。また、冷媒排出口３１ｂをプローブ１１側に向けて斜めに開口するように設けるとよい。

分析ユニット１１には、冷却ユニット１２の他端部に取り付けられる分析ユニット本体（筐体）４１が備えられている。分析ユニット１１には、測定光を発光する発光部４２と、測定光を受光する受光部４３と、測定光の吸収スペクトルを測定および分析する演算部４４とが備えられている。発光部４２、受光部４３、および演算部４４は、複数の電子基板（不図示）を介して電気的に接続されている。分析ユニット本体４１は、例えば、これら各構成部を格納する耐圧防爆容器である。分析ユニット本体４１は、これらの各構成部を一体的に格納するモジュール構造を有する。発光部４２と受光部４３とは、分析ユニット本体４１内において互いに近接して配置されている。

発光部４２は、被測定ガスＧに対してＴＤＬＡＳ（Ｔｕｎａｂｌｅ Ｄｉｏｄｅ Ｌａｓｅｒ Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｃｓｏｐｙ：波長可変ダイオードレーザ吸収分光）による測定が可能な任意の光源を有する。発光部４２は、例えば、半導体レーザを有する。受光部４３は、被測定ガスＧに対してＴＤＬＡＳによる測定が可能な任意の光検出器を有する。受光部４３は、例えば、フォトダイオードを有する。演算部４４は、一つ以上のプロセッサを有する。演算部４４は、発光部４２および受光部４３を含むガス分析装置１全体の動作を制御する。

実施例１に係るガス分析装置の動作について、図１を参照して説明する。

発光部４２は、プローブ１１の反射部２２に向けて測定光を照射する。図１において、測定光のうち反射部２２で反射する前の光は、出射光Ｌ_1aとして示されている。発光部４２は、被測定ガスＧを含む測定領域Ｓ_1aに出射光Ｌ_1aを照射する。出射光Ｌ_1aは、その光軸に沿ってウィンドウ３２を透過した後、測定領域Ｓ_1aと重畳するように延在するプローブ１１（プローブ本体２１）内をウィンドウ２３を介して伝搬し、反射部２２に入射する。

反射部２２は、測定領域Ｓ_1aを通過した出射光Ｌ_1aの少なくとも一部を反射させる。図１において、測定光のうち反射部２２で反射した後の光は、反射光Ｌ_1bとして示されている。反射光Ｌ_1bは、測定領域Ｓ_1aを含むプローブ１１（プローブ本体２１）内をウィンドウ２３を介して再度通過し、ウィンドウ３２を透過した後、受光部４３に入射する。つまり、受光部４３は、反射部２２で反射し、測定領域Ｓ_1aを通過した反射光Ｌ_1bを受光する。

演算部４４は、受光部４３で受光した反射光Ｌ_1bのスペクトルから、被測定ガスＧの吸収スペクトルを求め、被測定ガスＧに含まれる成分およびその濃度を求める。

ここで、ガス分析装置１は、被測定ガスＧに晒されるプローブ本体２１と反射部２２とウィンドウ２３とがそれぞれ耐熱性能の高い材質から構成されているため、高温（例えば、１０００℃以上）の被測定ガスＧの成分およびその濃度を測定することができる。

また、ガス分析装置１は、冷却ユニット１２の機能、すなわち、測定外領域Ｓ₁₁と内部空間Ｓ₁₂とで構成される伝熱抑制空間Ｓ_1bに冷媒を流通させることにより、被測定ガスＧに晒されるプローブ本体２１と反射部２２とウィンドウ２３とからの伝熱を効果的に抑制し、分析ユニット１３（発光部４２、受光部４３、および演算部４４）に対する伝熱の影響を十分に低減することができる。

以上のように、ガス分析装置１により、ガス管２を流れる被測定ガスＧに含まれる成分の分析（成分およびその濃度等の測定）が行われる。

ガス分析装置１は、ガス管（管材）２の中を流れる被測定ガス（測定対象ガス）Ｇに測定光を照射し、被測定ガスＧを透過した測定光の吸収スペクトルに基づいて、被測定ガスＧに含まれる成分の分析を行うものであって、測定光の光路を覆うように設けられ、少なくとも一部が前記ガス管２の中に配置されるプローブ本体（筒状部材）２１と、プローブ本体２１の中空部分を塞ぐと共にガス管２の中を流れる被測定ガスＧに晒されるように設けられ、測定光を透過可能なウィンドウ（透過部材）２３とを備える。

ガス分析装置１は、上記構成を有することにより、ガス管２内の（被測定ガスＧが流れる）空間と、ガス管２外の（分析ユニット１３が配置される）空間とが、ウィンドウ２３によって隔離されている。よって、たとえ被測定ガスＧが高温（例えば、１０００℃以上）であっても、被測定ガスＧがプローブ１１を介して分析ユニット１３に流出することはなく、被測定ガスＧによるプローブ１１から分析ユニット１３への伝熱を抑制することができる。つまり、ガス分析装置１によって高い温度の被測定ガスＧを測定することができる。

また、ガス分析装置１は、冷媒をウィンドウ２３によってガス管２の中の空間と隔離されたプローブ本体２１内の空間に流通させる冷却ユニット（冷却機構）１２すなわち冷媒供給口（冷却機構）１２aおよび冷媒排出口（冷却機構）１２ｂを備える。この構成を有することにより、ガス分析装置１は、被測定ガスＧによるプローブ１１から分析ユニット１３への伝熱をより抑制することができる。

さらに、ガス分析装置１は、プローブ本体２１がアルミナ等のセラミックから成る。この構成を有することにより、ガス分析装置１は、被測定ガスＧによるプローブ１１から分析ユニット１３への伝熱をより抑制することができる。

またさらに、ガス分析装置１は、ウィンドウ２３と所定距離Ｄ_S1a離間して設けられ、測定光の少なくとも一部を反射可能な反射部（反射部材）２２を備え、ウィンドウ２３と反射部２２との間に被測定ガスＧが流通する測定領域Ｓ_1aを画成する。この構成を有することにより、ガス分析装置１は、被測定ガスＧが測定外領域Ｓ₁₁へ流入することがないので、例えば、パージガスを流通させる機構等を必要としない。よって、ガス分析装置１によって高い温度の被測定ガスＧを測定することができると共に、当該ガス分析装置１の構成を簡易なものとすることができる。

本発明に係るガス分析装置は、上述した実施例１に係るプローブ型のガス分析装置１の構成に限定されず、種々の変更が可能である。本発明に係るガス分析装置は、例えば、実施例１のように、冷却ユニット１２をプローブ１１および分析ユニット１３と独立して設ける構成に限定されない。例えば、冷却ユニットをプローブまたは分析ユニットと一体的に構成してもよい。ここで、冷却ユニットをプローブと一体的に構成した場合には、冷却ユニットの少なくとも一部をガス管内に位置させてもよい。

また、本発明に係るガス分析装置は、実施例１のように、伝熱抑制空間Ｓ_1bにおいて冷媒を流通させる構成に限定されない。例えば、伝熱抑制空間に冷媒を密封し、冷却ユニットを外部から冷却してもよい。また、伝熱抑制空間を真空とし、断熱効果を向上させてもよい。つまり、ガス分析装置は、ウィンドウによってガス管の中の空間と隔離されたプローブ本体内の空間を真空状態とする断熱機構を備えてもよい。このとき、冷却ユニットは、ウィンドウによってガス管の中の空間（測定領域）と隔離されたプローブ内の空間（測定外領域）を真空状態とする断熱機構を有する。このように伝熱抑制空間を真空とした場合であっても、当該冷却ユニットを外部から冷却することにより、冷却効果を付加することも可能である。

さらに、本発明に係るガス分析装置は、実施例１のように、一つの伝熱抑制空間Ｓ_1bに冷媒を流通させる構成に限定されない。例えば、複数（三つ以上）のウィンドウ（透過部材）を設けて伝熱抑制空間を区分け（隔離）することにより、複数（二つ以上）の伝熱抑制空間を画成し、被測定ガスからの伝熱を段階的に抑制する構成としてもよい。例えば、三つのウィンドウ（透過部材）を設け、区分け（隔離）された二つの伝熱抑制空間を画成し、プローブ側の伝熱抑制空間を真空として断熱効果を保持すると共に、分析ユニット側の伝熱抑制空間に冷媒を流通させて冷却効果を付加する構成としてもよい。このとき、冷却ユニットは、冷却機構および断熱機構の両方を有する。

またさらに、本発明に係るガス分析装置は、実施例１のように、上流側開口部２１ｂおよび下流側開口部２１ｃを介して測定領域Ｓ_1aに被測定ガスＧを流通させる構成に限定されない。例えば、プローブの測定領域に面する部分を、被測定ガスを透過可能な多孔質材で構成することにより、開口部を設けることなく測定領域に被測定ガスを流通させることができる。つまり、ガス分析装置は、プローブ本体における少なくとも測定領域に面する部分が測定対象ガスを透過可能な多孔質材で構成されてもよい。このとき、例えば、開口部を多孔質材で覆う（塞ぐ）ことによってプローブを形成してもよく、また、測定領域と測定外領域とを区分け（隔離）するウィンドウを境界として、非多孔質材から成る第一の筒状部材（プローブの基端側）と多孔質材から成る第二の筒状部材（プローブの先端側）とを接続することによってプローブを形成してもよい。

（実施例２）
本発明の実施例２に係るガス分析装置は、本発明に係るガス分析装置をクロスダクト型のガス分析装置に適用したものである。ここで、クロスダクト型とは、例えば、光源と光検出器とを独立して備え、被測定ガスが流れる管材を挟むように対向して設置される構造を有するガス分析装置の種類を意味する。

実施例２に係るガス分析装置の構造について、図２を参照して説明する。

図２に示すように、ガス分析装置１０１は、測定対象ガス（被測定ガス）Ｇが流れるガス管（管材）１０２に取り付けられており、このガス管１０２を流れる被測定ガスＧに含まれる成分の分析（成分およびその濃度等の測定）を行う。被測定ガスＧは、例えば、ＣＯ、ＣＯ₂、Ｈ₂Ｏ、Ｃ_mＨ_n（ｍ、ｎは任意の整数）、ＮＨ₃、及びＯ₂等のガス（プロセスガス）を含む。

ガス分析装置１０１は、ガス管２に取り付けられてその一部が当該ガス管１０２内に延在するインサーションチューブ（筒状部材）１１１，１１２と、このインサーションチューブ１１１，１１２に接続されてガス管１０２の外側に配置される冷却ユニット１１３，１１４と、この冷却ユニット１１３，１１４に接続されてガス管１０２の外側に配置される光軸調整ユニット１１５，１１６と、この光軸調整ユニット１１５，１１６に接続されてガス管１０２の外側に配置される発光ユニット１１７および受光ユニット１１８とから概略構成されている。インサーションチューブ１１１、冷却ユニット１１３、および発光ユニット１１７と、インサーションチューブ１１２、冷却ユニット１１４、および受光ユニット１１８とが、ガス管１０２を挟むように対向して設けられている。

ここで、発光ユニット１１７は、測定光を発光して被測定ガスＧに照射するものであり、受光ユニット１１８は、測定光を受光すると共に被測定ガスＧの吸収スペクトルを分析するものであり、インサーションチューブ１１１，１１２は、測定光を被測定ガスＧに透過させるための測定領域Ｓ_101aを形成するものであり、光軸調整ユニット１１５，１１６は、測定光の光軸を調整するものであり、冷却ユニット１１３，１１４は、インサーションチューブ１１１，１１２から発光ユニット１１７または受光ユニット１１８への伝熱を抑制する冷却機構を有するものである。つまり、ガス分析装置１０１において、発光ユニット１１７および受光ユニット１１８は、冷却機構を有する冷却ユニット１１３，１１４を介して、インサーションチューブ１１１，１１２に接続されている。

インサーションチューブ１１１，１１２には、ガス管１０２と接続されるチューブ本体１２１，１２２が備えられている。チューブ本体１２１，１２２は、測定光が通過可能なように筒状（例えば、略円筒状）に形成された中空部材であり、その基端部にフランジ１２１ａ，１２２ａが形成されて成る。つまり、チューブ本体１２１，１２２は、測定光の光路を覆う筒状部材である。フランジ１２１ａ，１２２ａは、ガス管１０２に設けられた取り付け部材１０２ａに機械的に接続されており、チューブ本体１２１，１２２の一部は、ガス管１０２の内部に延在している。チューブ本体１２１，１２２は、例えば、ガス管１０２の内部において被測定ガスＧの流動方向と略直行する方向（光軸方向）に延在し、その延在方向における外形長さｄ₁₁₁，ｄ₁₁₂は、例えば、１００〜５００ｍｍ程度である。

チューブ本体１２１，１２２は、ガス管１０２を流れる被測定ガスＧの温度よりも高い温度帯における耐熱性を有する耐熱部材から成り、例えば、アルミナ等のセラミックにより形成されている。チューブ本体１２１，１２２の耐熱温度は、例えば、６００℃以上であり、好ましくは１０００℃以上、より好ましくは１２００℃以上である。

また、インサーションチューブ１１１，１１２（チューブ本体１２１，１２２）の先端部（ガス管１０２内に位置する端部）近傍には、測定光を透過可能なウィンドウ（透過部材）１２３，１２４が設けられている。ウィンドウ１２３，１２４は、例えば、サファイアから成り、チューブ本体１２１，１２２の内面にメタライズ接合等によって一体的に組み付けられている。ここで、対向配置されるウィンドウ１２３，１２４は、所定距離Ｄ_S101aだけ離間してチューブ本体１２１，１２２内をそれぞれ閉塞するように固定されており、測定領域Ｓ_101aを画成している。つまり、ウィンドウ１２３，１２４は、測定領域Ｓ_101aと、チューブ本体１２１，１２２内の空間（測定外領域）Ｓ₁₁₁，Ｓ₁₁₂とを区分け（隔離）しており、チューブ本体１２１，１２２の中空部分を塞ぐと共にガス管１０２の中を流れる被測定ガスＧに晒されるように設けられている。

冷却ユニット１１３，１１４には、その一端部がインサーションチューブ１１１，１１２の基端部（先端部と反対側の端部）に取り付けられる冷却ユニット本体１３１，１３２が備えられている。冷却ユニット本体１３１，１３２は、測定光が通過可能なように光軸に沿った筒状（例えば、略円筒状）に形成された中空部材であり、その内部空間Ｓ₁₁₃，Ｓ₁₁₄は、インサーションチューブ１１１，１１２の測定外領域Ｓ₁₁₁，Ｓ₁₁₂と連通している。冷却ユニット本体１３１，１３２は、例えば、ガス管１０２の外側においてインサーションチューブ１１１，１１２（チューブ本体１２１，１２２）の延在方向と同じ方向に延在し、その延在方向における外形長さｄ₁₁₃，ｄ₁₁₄は、例えば、５００ｍｍ程度である。

冷却ユニット本体１３１，１３２は、ガス管１０２を流れる被測定ガスＧの温度よりも高い温度帯における耐熱性を有する耐熱部材から成り、例えば、アルミナ等のセラミックにより形成されている。冷却ユニット本体１３１，１３２の耐熱温度は、例えば、６００℃以上であり、好ましくは１０００℃以上、より好ましくは１２００℃以上である冷却ユニット本体１３１，１３２の材質は、チューブ本体１２１，１２２の材質と異にしてもよい。また、冷却ユニット本体１３１，１３２の耐熱温度は、チューブ本体１２１，１２２の耐熱温度と異にしてもよく、チューブ本体１２１，１２２の耐熱温度よりも高い温度またはチューブ本体１２１，１２２の耐熱温度よりも低い温度であってもよい。冷却ユニット本体１３１，１３２の耐熱温度は、好ましくはチューブ本体１２１，１２２の耐熱温度と同じ温度、または、それ未満の温度である。

冷却ユニット１１３，１１４（冷却ユニット本体１３１，１３２）の他端部近傍には、測定光を透過可能なウィンドウ（透過部材）１３３，１３４が設けられている。ウィンドウ１３３，１３４は、例えば、サファイアから成り、冷却ユニット本体１３１，１３２の内面にメタライズ接合等によって一体的に組み付けられている。ここで、ウィンドウ１３３，１３４は、冷却ユニット本体１３１，１３２内を閉塞するように固定されており、測定外領域Ｓ₁₁₁，Ｓ₁₁₂と内部空間Ｓ₁₁₃，Ｓ₁₁₄（チューブ本体１２１，１２２およびウィンドウ１２３，１２４と冷却ユニット本体１３１，１３２およびウィンドウ１３３，１３４）とにより、後述する冷媒で満たされる伝熱抑制空間Ｓ_101b，Ｓ_101cが画成されている。つまり、ウィンドウ１３３，１３４は、冷却ユニット本体１３１，１３２の中空部分を塞ぐように設けられている。

冷却ユニット１１３，１１４（冷却ユニット本体１３１，１３２）には、伝熱抑制空間Ｓ_101b，Ｓ_101cに冷媒を供給するための冷媒供給口１３１ａ，１３２ａと、伝熱抑制空間Ｓ_101b，Ｓ_101cに供給された冷媒を排出するための冷媒排出口１３１ｂ，１３２ｂとが設けられている。冷媒供給口１３１ａ，１３２ａおよび冷媒排出口１３１ｂ，１３２ｂは、それぞれ内部空間Ｓ₁₁₃，Ｓ₁₁₄に臨んで形成されている。ここで、内部空間Ｓ₁₁₃，Ｓ₁₁₄は測定外領域Ｓ₁₁₁，Ｓ₁₁₂と連通しているため、内部空間Ｓ₁₁₃，Ｓ₁₁₄および測定外領域Ｓ₁₁₁，Ｓ₁₁₂の両方の空間（伝熱抑制空間）Ｓ_101b，Ｓ_101c内は、冷媒供給口１３１ａ，１３２ａから供給された冷媒で満たされるようになっている。冷媒は、測定光のスペクトルに影響を与えない流体（気体または液体）であり、例えば、Ｎ₂等のガスである。つまり、冷却ユニット１１３，１１４は、冷媒をウィンドウ１２３，１２４によってガス管１０２の中の空間（測定領域）Ｓ_101aと隔離されたインサーションチューブ１１１，１１２内の空間（測定外領域）Ｓ₁₁₁，Ｓ₁₁₂に流通させる冷却機構を有する。

光軸調整ユニット１１５，１１６には、冷却ユニット１１３，１１４の他端部に取り付けられる取り付けフランジ１４１，１４２が備えられている。光軸調整ユニット１１５，１１６には、測定光が通過可能かつ光軸方向に可撓性を有するベローズ１４３，１４４と、取り付けフランジ１４１，１４２と共にベローズ１４３，１４４を挟持する固定フランジ１４５，１４６と、取り付けフランジ１４１，１４２と固定フランジ１４５，１４６とを連結してベローズ１４３，１４４を調整する調整ねじ１４７，１４８とが備えられている。

発光ユニット１１７には、光軸調整ユニット１１５の固定フランジ１４５に取り付けられる発光ユニット本体（筐体）１５１が備えられている。発光ユニット１１７には、測定光を発光する発光部１５２と、測定光の強度等を調整可能な制御部１５３とが備えられている。発光部１５２および制御部１５３は、複数の電子基板（不図示）を介して電気的に接続されている。発光ユニット本体１５１は、例えば、これら各構成部を格納する耐圧防爆容器である。発光ユニット本体１５１は、これらの各構成部を一体的に格納するモジュール構造を有する。

発光部１５２は、被測定ガスＧに対してＴＤＬＡＳ（Ｔｕｎａｂｌｅ Ｄｉｏｄｅ Ｌａｓｅｒ Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｃｓｏｐｙ：波長可変ダイオードレーザ吸収分光）による測定が可能な任意の光源を有する。発光部１５２は、例えば、半導体レーザを有する。制御部１５３は、一つ以上のプロセッサを有する。制御部１５３は、発光ユニット１１７および受光ユニット１１８を含むガス分析装置１０１全体の動作を制御可能なものであってもよい。

受光ユニット１１８には、光軸調整ユニット１１６の固定フランジ１４６に取り付けられる受光ユニット本体（筐体）１６１が備えられている。受光ユニット１１８には、測定光を受光する受光部１６２と、測定光の吸収スペクトルを測定および分析する演算部１６３とが備えられている。受光部１６２および演算部１６３は、複数の電子基板（不図示）を介して電気的に接続されている。受光ユニット本体１６１は、例えば、これら各構成部を格納する耐圧防爆容器である。受光ユニット本体１６１は、これらの各構成部を一体的に格納するモジュール構造を有する。

受光部１６２は、被測定ガスＧに対してＴＤＬＡＳによる測定が可能な任意の光検出器を有する。受光部１６２は、例えば、フォトダイオードを有する。演算部１６３は、一つ以上のプロセッサを有する。演算部１６３は、発光ユニット１１７および受光ユニット１１８を含むガス分析装置１０１全体の動作を制御可能なものであってもよい。

実施例２に係るガス分析装置の動作について、図２を参照して説明する。

発光部１５２は、ガス管１０２に対向配置された受光ユニット１１８の受光部１６２に向けて測定光を照射する。図２において、測定光は、測定光Ｌ₁₀₁として示されている。発光部１５２は、被測定ガスＧを含む測定領域Ｓ_101aに測定光Ｌ₁₀₁を照射する。測定光Ｌ₁₀₁は、その光軸に沿ってウィンドウ１３３およびウィンドウ１２３を透過し、ガス管１０２内に形成された測定領域Ｓ_101aを伝搬した後、ウィンドウ１２４およびウィンドウ１３４を透過して受光部１６２に入射する。つまり、受光部１６２は、測定領域Ｓ_101aを通過した測定光Ｌ₁₀₁を受光する。

演算部１６３は、受光部１６２で受光した測定光Ｌ₁₀₁のスペクトルから、被測定ガスＧの吸収スペクトルを求め、被測定ガスＧに含まれる成分およびその濃度を求める。

ここで、ガス分析装置１０１は、被測定ガスＧに晒されるチューブ本体１２１，１２２とウィンドウ１２３，１２４とがそれぞれ耐熱性能の高い材質から構成されているため、高温（例えば、１０００℃以上）の被測定ガスＧの成分およびその濃度を測定することができる。

また、ガス分析装置１０１は、冷却ユニット１１３，１１４の機能、すなわち、測定外領域Ｓ₁₁₁，Ｓ₁₁₂と内部空間Ｓ₁₁₃，Ｓ₁₁₄とで構成される伝熱抑制空間Ｓ_101b，Ｓ_101cに冷媒を流通させることにより、被測定ガスＧに晒されるチューブ本体１２１，１２２とウィンドウ１２３，１２４とからの伝熱を効果的に抑制し、発光ユニット１１７（発光部１５２および制御部１５３等）ならびに受光ユニット１１８（受光部１６２および演算部１６３等）に対する伝熱の影響を十分に低減することができる。

以上のように、ガス分析装置１０１により、ガス管１０２を流れる被測定ガスＧに含まれる成分の分析（成分およびその濃度等の測定）が行われる。

ガス分析装置１０１は、ガス管（管材）１０２の中を流れる被測定ガス（測定対象ガス）Ｇに測定光を照射し、被測定ガスＧを透過した測定光の吸収スペクトルに基づいて、被測定ガスＧに含まれる成分の分析を行うものであって、測定光の光路を覆うように設けられ、少なくとも一部が前記ガス管１０２の中に配置されるチューブ本体（筒状部材）１２１，１２２と、チューブ本体１２１，１２２の中空部分を塞ぐと共にガス管１０２の中を流れる被測定ガスＧに晒されるように設けられ、測定光を透過可能なウィンドウ（透過部材）１２３，１２４とを備える。

ガス分析装置１０１は、上記構成を有することにより、ガス管１０２内の（被測定ガスＧが流れる）空間と、ガス管１０２外の（発光ユニット１１７および受光ユニット１１８が配置される）空間とが、ウィンドウ１２３，１２４によって隔離されている。よって、たとえ被測定ガスＧが高温（例えば、１０００℃以上）であっても、被測定ガスＧがインサーションチューブ１１１，１１２を介して発光ユニット１１７および受光ユニット１１８に流出することはなく、被測定ガスＧによるインサーションチューブ１１１，１１２から発光ユニット１１７および受光ユニット１１８への伝熱を抑制することができる。つまり、ガス分析装置１０１によって高い温度の被測定ガスＧを測定することができる。

また、ガス分析装置１０１は、冷媒をウィンドウ１２３，１２４によってガス管１０２の中の空間と隔離されたチューブ本体１２１，１２２内の空間に流通させる冷却ユニット（冷却機構）１１３，１１４すなわち冷媒供給口（冷却機構）１１３ａ，１１４ａおよび冷媒排出口（冷却機構）１１３ｂ，１１４ｂを備える。この構成を有することにより、ガス分析装置１０１は、被測定ガスＧによるインサーションチューブ１１１，１１２から発光ユニット１１７および受光ユニット１１８への伝熱をより抑制することができる。

さらに、ガス分析装置１０１は、チューブ本体１２１，１２２がアルミナ等のセラミックから成る。この構成を有することにより、ガス分析装置１０１は、被測定ガスＧによるインサーションチューブ１１１，１１２から発光ユニット１１７および受光ユニット１１８への伝熱をより抑制することができる。

またさらに、ガス分析装置１０１は、チューブ本体１２１，１２２およびウィンドウ１２３，１２４が、それぞれ対向してガス管１０２に設けられるものであり、対向配置されるウィンドウ１２３，１２４の間に被測定ガスＧが流通する測定領域Ｓ_101aを画成する。この構成を有することにより、ガス分析装置１０１は、被測定ガスＧが測定外領域Ｓ₁₁₁，Ｓ₁₁₂へ流入することがないので、例えば、パージガスを流通させる機構等を必要としない。よって、ガス分析装置１０１によって高い温度の被測定ガスＧを測定することができると共に、当該ガス分析装置１０１の構成を簡易なものとすることができる。

本発明に係るガス分析装置は、上述した実施例２に係るクロスダクト型のガス分析装置１０１の構成に限定されず、種々の変更が可能である。本発明に係るガス分析装置は、例えば、実施例２のように、冷却ユニット１１３，１１４をインサーションチューブ１１１，１１２、光軸調整ユニット１１５，１１６、発光ユニット１１７および受光ユニット１１８と独立して設ける構成に限定されない。例えば、冷却ユニットをインサーションチューブ、光軸調整ユニット、または発光ユニットおよび受光ユニットと一体的に構成してもよい。ここで、冷却ユニットをインサーションチューブと一体的に構成した場合には、冷却ユニットの少なくとも一部をガス管内に位置させてもよい。

また、本発明に係るガス分析装置は、実施例２のように、伝熱抑制空間Ｓ_101b，Ｓ_101cにおいて冷媒を流通させる構成に限定されない。例えば、伝熱抑制空間に冷媒を密封し、冷却ユニットを外部から冷却してもよい。また、伝熱抑制空間を真空とし、断熱効果を向上させてもよい。このとき、冷却ユニットは、ウィンドウによってガス管の中の空間（測定領域）と隔離されたインサーションチューブ内の空間（測定外領域）を真空状態とする断熱機構を有する。このように伝熱抑制空間を真空とした場合であっても、当該冷却ユニットを外部から冷却することにより、冷却効果を付加することも可能である。

さらに、本発明に係るガス分析装置は、実施例２のように、一つの伝熱抑制空間Ｓ_101b，Ｓ_101cに冷媒を流通させる構成としなくてもよい。例えば、複数（三つ以上）のウィンドウ（透過部材）を設けて伝熱抑制空間を区分け（隔離）することにより、複数（二つ以上）の伝熱抑制空間を画成し、被測定ガスからの伝熱を段階的に抑制する構成としてもよい。例えば、三つのウィンドウ（透過部材）を設け、区分け（隔離）された二つの伝熱抑制空間を画成し、インサーションチューブ側の伝熱抑制空間を真空として断熱効果を保持すると共に、発光ユニット側および受光ユニット側の伝熱抑制空間に冷媒を流通させて冷却効果を付加する構成としてもよい。このとき、冷却ユニットは、冷却機構および断熱機構の両方を有する。

１ ガス分析装置
２ ガス管（管材）
２ａ 取り付け部材
１１ プローブ（筒状部材）
１２ 冷却ユニット（冷却機構、断熱機構）
１３ 分析ユニット
２１ プローブ本体（筒状部材）
２１ａ フランジ
２１ｂ 上流側開口部
２１ｃ 下流側開口部
２２ 反射部（反射部材）
２３ ウィンドウ（透過部材）
３１ 冷却ユニット本体（筒状部材）
３１ａ 冷媒供給口（冷却機構、断熱機構）
３１ｂ 冷媒排出口（冷却機構、断熱機構）
３２ ウィンドウ（透過部材）
４１ 分析ユニット本体
４２ 発光部
４３ 受光部
４４ 演算部
Ｇ 被測定ガス（測定対象ガス）
Ｄ_S1a 所定距離
Ｓ_1a 測定領域
Ｓ_1b 伝熱抑制空間（冷却空間）
Ｓ₁₁ 測定外領域
Ｓ₁₂ 内部空間
１０１ ガス分析装置
１０２ ガス管（管材）
１０２ａ 取り付け部材
１１１，１１２ インサーションチューブ（筒状部材）
１１１ａ，１１２ａ フランジ
１１３，１１４ 冷却ユニット（冷却機構、断熱機構）
１１３ａ，１１４ａ 冷媒供給口（冷却機構、断熱機構）
１１３ｂ，１１４ｂ 冷媒排出口（冷却機構、断熱機構）
１１５，１１６ 光軸調整ユニット
１１７ 発光ユニット
１１８ 受光ユニット
１２１，１２２ チューブ本体（筒状部材）
１２３，１２４ ウィンドウ（透過部材）
１３１，１３２ 冷却ユニット本体（筒状部材）
１３３，１３４ ウィンドウ（透過部材）
１４１，１４２ 取り付けフランジ
１４３，１４４ ベローズ
１４５，１４６ 固定フランジ
１４７，１４８ 調整ねじ
１５１ 発光ユニット本体
１５２ 発光部
１５３ 制御部
１６１ 受光ユニット本体
１６２ 受光部
１６３ 演算部
Ｇ 被測定ガス（測定対象ガス）
Ｄ_S101a 所定距離
Ｓ_101a 測定領域
Ｓ_101b，Ｓ_101c 伝熱抑制空間（冷却空間）
Ｓ₁₁₁，Ｓ₁₁₂ 測定外領域
Ｓ₁₁₃，Ｓ₁₁₄ 内部空間

Claims (7)

1. 管材の中を流れる測定対象ガスに測定光を照射し、測定対象ガスを透過した前記測定光の吸収スペクトルに基づいて、測定対象ガスに含まれる成分の分析を行うガス分析装置であって、
   前記測定光の光路を覆うように設けられ、少なくとも一部が前記管材の中に配置される筒状部材と、
   前記筒状部材の中空部分を塞ぐと共に前記管材の中を流れる測定対象ガスに晒されるように設けられ、前記測定光を透過可能な透過部材と
   を備えることを特徴とするガス分析装置。
2. 冷媒を前記透過部材によって前記管材の中の空間と隔離された前記筒状部材内の空間に流通させる冷却機構を備える
   ことを特徴とする請求項１に記載のガス分析装置。
3. 前記透過部材によって前記管材の中の空間と隔離された前記筒状部材内の空間を真空状態とする断熱機構を備える
   ことを特徴とする請求項１に記載のガス分析装置。
4. 前記筒状部材が、セラミックから成る
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のガス分析装置。
5. 前記透過部材と所定距離離間して設けられ、前記測定光の少なくとも一部を反射可能な反射部材を備え、
   前記透過部材と前記反射部材との間に測定対象ガスが流通する測定領域を画成する
   ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のガス分析装置。
6. 前記筒状部材における少なくとも前記測定領域に面する部分が測定対象ガスを透過可能な多孔質材で構成される
   ことを特徴とする請求項５に記載のガス分析装置。
7. 前記筒状部材および前記透過部材が、それぞれ対向して前記管材に設けられるものであり、
   対向配置される前記透過部材の間に測定対象ガスが流通する測定領域を画成する
   ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のガス分析装置。

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