JP5087142B2 - 揮発性粒子除去装置のための較正ユニット - Google Patents

Description

１．発明の分野
本発明は、エンジンまたは車両の排気からの固体粒子の個数濃度のリアルタイムでの測定に関し、固体粒子カウントシステム（ＳＰＣＳ）の揮発性粒子除去装置（ＶＰＲ）のための通過／除去率較正ユニットに関する。

２．背景技術
欧州粒子測定プログラム（Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｐｒｏｇｒａｍ）（ＰＭＰ）が、軽量ディーゼル車両からの排気中の固定粒子個数排出量の測定に関する規定の草案を提案している。図１に示されるように、測定システムは、プレ分類器１０、高温粒子希釈器（ＰＮＤ１）１２、蒸発ユニット（ＥＵ）１４、低温粒子希釈器（ＰＮＤ２）１６、および凝縮粒子カウンタ（ＣＰＣ）１８で構成されている。高温粒子希釈器（ＰＮＤ１）１２、蒸発ユニット（ＥＵ）１４、および低温粒子希釈器（ＰＮＤ２）１６が、揮発性粒子除去装置（ＶＰＲ）２０と称される。図１は、測定システムの簡単な概略を示している。

ＶＰＲ２０は、ＰＮＤ１ １２およびＰＮＤ２ １６においてディーゼルエアロゾルを希釈する。ＶＰＲ２０のＥＵ１４が、揮発性粒子を気相へと気化させるべく高温（３００〜４００℃など）で運転される。続くＰＮＤ２ １６における室温の希釈空気による希釈によって、エアロゾルが冷却され、揮発性物質の濃度が、揮発性粒子が形成されるのを防げる水準に下げられる。このようにして、揮発性粒子が除去され、固体粒子だけがＣＰＣ１８へと移動する。固体粒子の濃度が、ＣＰＣ１８において測定される。

固体粒子の濃度を正確に測定するために、ＰＭＰは、ＶＰＲ２０における固体粒子の通過率は、３０、５０、および１００ｎｍの単分散の固体粒子によって検証されるべきであると推奨している。ＶＰＲ２０の揮発性粒子の除去率は、３０ｎｍの直径を有する単分散のＣ４０粒子によって試験されなければならない。ＶＰＲ２０における単分散の固体粒子の通過率および単分散のＣ４０粒子の除去率を測定するために、希釈後の濃度の測定においては、ＣＰＣを備えるＶＰＲへと単分散の粒子を送り込み、生の濃度の測定おいてはＣＰＣへと単分散の粒子を送り込む必要がある。式１および２が、通過率および除去率についての計算を示しており、
ここで、Ｐが、通過率であり、Ｅ_{Ｒｅｍｏｖａｌ}が、Ｃ４０粒子についての除去率であり、Ｃ_{Ｄｉｌｕｔｅｄ}が、単分散粒子（固体粒子またはＣ４０粒子）の希釈後の濃度であり、Ｃ_{Ｕｐｓｔｒｅａｍ}が、単分散粒子の生の（上流の）濃度であり、ＤＲ１が、ＰＮＤ１における希釈率であり、ＤＲ２が、ＰＮＤ２における希釈率である。単一サイズのエアロゾルを図１の地点Ａへと接続して、Ｃ_{Ｄｉｌｕｔｅｄ}が測定される。単一サイズのエアロゾルを図１の地点Ｂへと接続して、Ｃ_{Ｕｐｓｔｒｅａｍ}が測定される。

微分型電気移動度分析装置（ＤＭＡ）が、単一サイズの粒子を選択するために広く使用されている。選択された単一サイズの粒子の濃度は、ＤＭＡへの流入流量およびＤＭＡからからの流出流量に強く影響される。これらの流量のわずかな変化において、希釈前の粒子の濃度に大きな変動が検出されうる。希釈前の濃度Ｃ_{Ｕｐｓｔｒｅａｍ}には変化がなく、かつ、単分散のエアロゾルがＶＰＲへと送られている場合に、測定されるであろう希釈前の濃度と同じであると仮定されていることが、式１から見て取ることができる。単分散の粒子の希釈前の濃度が変動すると、通過率および除去率に誤差が引き起こされる。したがって、単分散の粒子の濃度は、安定していなければならず、かつ不変に保たれなければならない。

多くの状況において、ＶＰＲへの流入流量とＣＰＣへの流入流量とは異なっている。ＤＭＡからの流出流量を不変に保つために、システムをわずかに調節する必要がある。単分散の粒子の濃度が安定かつ一定であることを保証するために、この流量を注意深く監視する必要がある。したがって、単分散粒子における固体粒子の通過率および除去率の較正試験および実験の設定には時間を要し、作業者が、エアロゾルの科学および粒子を扱うための器具についての十分な心得および知識を有することを必要とする。このことは、自動車業界においては、エアロゾルの科学および関連の技術について心得を有する作業者が少ないため、非現実的である。

本発明の目的は、固体粒子カウントシステム（ＳＰＣＳ）の揮発性粒子除去装置（ＶＰＲ）のための通過／除去率較正ユニットを提供することにある。

本発明の好ましい実施の形態においては、ＶＰＲまたはＣＰＣへの流入流量に変化があったとしても、ＤＭＡにおける流量が一定に制御される。したがって、単分散の粒子に関して安定な濃度の粒子を得ることができる。

本発明によれば、単一サイズの固体粒子の通過率および単一サイズの揮発性粒子の除去率についてＳＰＣＳのＶＰＲを較正するための正確かつより効率的な手法が提供される。

ある特定の実施例においては、単一サイズの粒子が、微分型電気移動度分析装置（ＤＭＡ）によって選別される。オリフィス流量計が、ＤＭＡの下流に設置される。オリフィス流量計における粒子の損失は、無視することができる。ＤＭＡからの流出流量が、オリフィス流量計によってリアルタイムで測定される。

さらなる詳細において、エアロゾルの流れは、オリフィス流量計の下流で、ミニサイクロンにおいて粒子を含まない希釈空気と混合される。ミニサイクロンは、高速かつ粒子を損失することなく、エアロゾルを希釈空気の流れと混合する。一方で、サイクロンは、２．５μｍよりも大きい粒子を追い出す。その結果、サイクロンはシステムを汚染から保護する。

この実施例において、ＰＩＤループを備えるマスフローコントローラまたは比例弁が、バイパス流量を制御する。バイパス流量を自動的に調節することによって、ＳＰＣＳのＶＰＲへの流入流量とＣＰＣへの流入流量とが異なる場合においてもＤＭＡからの流出流量が、一定に保たれる。結果として、ＤＭＡからの濃度が、試験の間、一定に保たれる。このことにより、単一サイズの粒子の安定な濃度が保証され、より正確な結果を得ることができる。

本発明の一態様においては、固体粒子カウントシステムの揮発性粒子除去装置のための通過／除去率較正ユニットが提供される。較正ユニットは、エアロゾル導入部、エアロゾル導入部の下流の流量計、およびミキサを備えている。流量計は、エアロゾル導入部からエアロゾルの流れが流入し、出力流が流出するものである。ミキサは、流量計からの出力流が流入するとともに、希釈ガス導入部を有しており、ミキサ出力流が流出するものである。第１の流量コントローラが、希釈ガス導入口への流れを制御する。較正ユニットは、バイパス導入口をさらに備えており、第２の流量コントローラが、バイパス導入口への流量を制御する。制御ループが、エアロゾルの流量が基準値を追従するようにバイパス流を制御する。

より詳しいレベルにおいて、本発明は、さらなる特徴を包含する。例えば、基準値は、一定の流量であってよい。ミキサは、ミニサイクロンの形態をとることができる。制御ループを、ＰＩＤ制御ループとして実現することができる。第１の流量コントローラは、マスフローコントローラを備えることができる。第２の流量コントローラは、マスフローコントローラまたは比例弁を備えることができる。

既存の測定システムの簡単な概略図を示している。 本発明の好ましい実施の形態における較正ユニットの概略図を示している。 較正ユニットとＶＰＲまたはＣＰＣの導入口との間の接続を示している。 較正ユニットの動作の手順を示している。

図２〜４が、本発明の好ましい実施の形態を示している。

図２に最もよく示されているように、較正ユニットが、エアロゾル導入部４０、サイクロン４２、差圧トランスデューサ４４、２つのマスフローコントローラ４６、４８（あるいは、マスフローコントローラ４６および比例弁４８）、オリフィス５０、ＰＩＤ制御ループ６０、ボール弁６２、およびニードル弁６４、６６、などで構成されている。図２は、較正ユニットの概略を示している。

システムを動作させる前に、システムを設定する必要がある。「ＤＭＡへ」のポート１２４が、微分型電気移動度分析装置（ＤＭＡ）の導入口に接続され、「ＤＭＡから」のポート１２２が、ＤＭＡの排出口へと接続される。ＤＭＡは、システムには含まれていない。粒子の損失を最小限にするために、ＤＭＡの導入口および排出口を接続する配管は、可能な限り短くなければならない。

図３が、較正ユニットとＶＰＲ２０またはＣＰＣ１８の導入口との間の接続を示している。３つの可撓配管（地点７０から地点７４まで、地点７４から地点７２まで、ならびに地点７４からＶＰＲ２０またはＣＰＣ１８の導入口まで）およびティー（地点７４に位置する）が図３に示されている。ティーには、１つの導入口および２つの排出口が存在する。図２の「ＶＰＲまたはＣＰＣへ」のポート７６が、図３の地点７０に接続される。図３の地点７２は、図２の「バイパス流への導入口」ポート８０に接続される。これら３つの配管の長さは、最小限にされなければならない。エアロゾルの流れが、地点７０、７４ならびにＶＰＲ２０またはＣＰＣ１８の導入口を通って、ＶＰＲ２０またはＣＰＣ１８へと移動する。余分な流れが、ティーの残りのポートを通って較正ユニットへと通される。

生および希釈された粒子の濃度が測定されるとき、７０から７４までの配管のエアロゾルの流量は、一定に保たれる。７４から７２までの配管のバイパス流を変化させることによって、正しい流量の流れが、ＶＰＲ２０またはＣＰＣ１８へと移動する。その一方で、ＤＭＡにおける流入流量および流出流量は、不変のままに保たれる。ティーの排出口からＶＰＲ２０またはＣＰＣ１８の導入口までの配管の長さは、可能な限り短くなくてはならない。大部分の状況において、７０から７４までの長さよりもはるかに短い。したがって、ＶＰＲ２０およびＣＰＣ１８の導入口における流量が異なっているとしても、粒子濃度の相違を無視することができる。

多分散の固体粒子またはＣ４０粒子が、エアロゾル導入口のポート４０から較正ユニットへともたらされる。ニードル弁ＮＶ１ ６４およびＮＶ２ ６６を調節することによって、余分なエアロゾルの流れが、ＮＶ１ ６４およびＮＶ１ ６４の下流のＨＥＰＡ８２を通って大気へと排出される。一部の状況下では、エアロゾル生成装置またはＣ４０生成装置が、ＤＭＡに充分な流れをもたらすことができない。付加空気（メイクアップ空気）が必要とされ、ＨＥＰＡ８２およびＮＶ１ ６４を通ってＤＭＡへと移動する。単一サイズの粒子の濃度を安定かつ一定にするために、エアロゾル生成装置またはＣ４０生成装置からのサイズ分布および濃度が、試験の間、一定でなければならない。市販の粒子生成装置の多くは、この要件を満足することができる。

すでに述べたように、単一サイズの粒子が、ＤＭＡによって選択される。ＤＭＡへのエアロゾルの流量が、粒子の濃度および選択されるサイズに大きく影響する。ＤＭＡへのエアロゾルの流れおよびＤＭＡからのエアロゾルの流れが変動すると、濃度およびサイズが安定しない。ＤＭＡの動作条件の大部分において、エアロゾルの流入流量は、ＤＭＡにおけるエアロゾルの流出流量と同じである。ＤＭＡへの流入流量が測定されるが、ＤＭＡについての出力信号は存在しなくてもよい。差圧トランスデューサ４４およびフローオリフィスで構成されるオリフィス流量計９０が、ＤＭＡの下流に設置される。オリフィス流量計９０における流量は、正確な流量計によって校正されており、その流量はオリフィス５０を間の圧力差の関数である。このオリフィス流量計９０が、ＤＭＡからの流出流量を測定するために使用される。ＤＭＡの下流のエアロゾルの濃度は、ＤＭＡの上流のエアロゾルの濃度よりもはるかに低いため、オリフィス流量計９０が粒子によって詰まる可能性は、ＤＭＡの下流への設置によって低くすることができる。別の配置構成においては、流量計をＤＭＡの上流に設置してもよい。

粒子を含まない圧縮空気が、マスフローコントローラ１（ＭＦＣ１）４６およびボール弁（ＢＶ、手動の弁または空気動作の弁であってよい）６２を通って較正ユニットへと移動し、オリフィス流量計９０の下流のミニサイクロン４２においてＤＭＡからのエアロゾルと混ざり合う。希釈空気の流量は、ＭＦＣ１ ４６によって制御される。ＭＦＣ１ ４６における流量は、ＶＰＲ２０またはＣＰＣ１８への流入流量ならびに単一サイズの粒子の濃度にもとづいて設定される。式３および４は、較正ユニットがＶＰＲ２０の導入口およびＣＰＣ１８の導入口にそれぞれ接続されているときのシステムにおける流量の釣り合いを示しており、
ここで、Ｑ_ＤＭＡは、ＤＭＡからの流出流量であり、Ｑ_ＭＦＣ１は、ＭＦＣ１ ４６によって制御される粒子を含まない空気の流量であり、Ｑ_{ｔｏｔａｌ}は、Ｑ_ＤＭＡおよびＱ_ＭＦＣ１の混合物の流量であり、Ｑ_ＶＰＲは、ＶＰＲ２０への流入流量であり、Ｑ_ＣＰＣは、ＣＰＣ１８への流入流量であり、Ｑｂｙ−ｐａｓｓは、ＭＦＣ２または比例弁４８によって制御されるバイパス流量である。試験の全体において、Ｑ_{ｔｏｔａｌ}が一定に保たれる一方で、Ｑ_ＶＰＲおよびＱ_ＣＰＣが変更される。したがって、Ｑ_{ｂｙ−ｐａｓｓ}を変更することによって、総流量が不変のままである。

ＭＦＣ１ ４６における流量は、ＤＭＡからの流出流量、ＶＰＲ２０およびＣＰＣ１８への流入流量、ならびに単分散の粒子の濃度にもとづいて制御される。ＤＭＡにおける流出流量が、ＶＰＲ２０およびＣＰＣ１８における流入流量よりも多く、希釈前のＤＭＡからの粒子の濃度（生）が、ＣＰＣ１８の上限よりも低い場合、ＭＦＣ１ ４６における流量をゼロに設定することができる。その結果、希釈の気流がＭＦＣ１ ４６を通ってシステムへと流入することがない。ＭＦＣ１ ４６における漏れが粒子の濃度を変化させることがないよう、ボール弁６２（ＢＶ）を、手動または自動で閉じることができる。ＤＭＡからの濃度がＣＰＣ１８の上限よりも高く、あるいはより低い濃度が所望される場合、ＭＦＣ１ ４６からの希釈の空気の流れを加えることによってエアロゾルを所望の濃度へと希釈することができる。

ＶＰＲ２０の導入口およびＣＰＣ１８の導入口への流量の一方または両方が、ＤＭＡからの流出流量よりも多いとき、ＭＦＣ１ ４６における流量を、Ｑ_ＤＭＡおよびＱ_ＭＣＦ１の合計（Ｑ_{ｔｏｔａｌ}）がＶＰＲ２０の導入口およびＣＰＣ１８の導入口の間の大きい方の流量よりも大きい値へと設定することができる。一方で、生のエアロゾルの濃度は、所望の濃度であり、ＣＰＣ１８における上限よりも低い。ひとたび流れがＭＦＣ１ ４６において設定され、所望の濃度が得られると、流れは試験のあいだ一定に保たれる。このようにして、Ｑ_{ｔｏｔａｌ}は、試験の全体において一定である。

「ＶＰＲまたはＣＰＣへ」のポート７６からの流出が、図３の地点７０および７４を通ってＶＰＲ２０またはＣＰＣ１８へと、ＶＰＲ２０またはＣＰＣ１８の導入口に流れる。ＤＭＡからの流出が、試験のあいだ一定であるように保証するために、地点７４から７２への較正ユニットへのバイパス流が、マスフローコントローラ２（ＭＦＣ２）または比例弁４８によって制御される。真空源９０が、バイパス流をＭＦＣ２または比例弁４８へと引き込む。バイパス流は、ＭＦＣ２または比例弁４８へと移動する前に、ＨＥＰＡフィルタ９２を通って移動する。ＨＥＰＡ９２は、ＭＦＣ２または比例弁４８を粒子による汚染から保護する。

ＰＩＤループ（ＰＩＤ）６０が、ＭＦＣ２または比例弁４８を制御するために使用される。ＤＭＡからの流出についての所望の流量である基準流量９４は一定値である。オリフィス流量計９０によって測定される流れが、ＰＩＤループ６０への入力である。ＰＩＤループ６０において基準値９４および測定値９６の差を比較することによって、ＭＦＣ２または比例弁４８が、ＤＭＡの流出流量を一定に保つように調節される。結果として、ＤＭＡにおける流量を、試験全体の間、一定に保つことができる。

エアロゾルがＣＰＣ１８へと接続されている間、生の（上流の）濃度が測定される。バイパス流を自動的に調節することによって、ＤＭＡからの流量が一定に保たれる。単一サイズの粒子の濃度の変化が、最小限にされる。濃度が安定になった後、データを手動または自動で記録することができる。ＳＰＣＳのＶＰＲ２０の下流における希釈された濃度は、エアロゾルをＳＰＣＳのＶＰＲ２０へと送ることによって測定される。バイパス流をＭＦＣ２または比例弁４８で自動的に調節することによって、ＤＭＡにおける流出流量は、ＣＰＣ１８への流量と同じである。結果として、単一サイズの粒子の濃度は、エアロゾルがＶＰＲ２０またはＣＰＣ１８へといずれに流れる際にも変化しない。

図４が、較正ユニットの動作手順を要約している。ブロック１００において、微分型電気移動度分析装置（ＤＭＡ）、粒子カウンタ（ＣＰＣ）、およびエアロゾル発生装置が、較正ユニットへと接続される。ブロック１０２において、システムが暖機される。ブロック１０４において、ＭＦＣ１（図２の４６）における粒子を含まない圧縮空気の流量が設定され、基準の流量（図２の９４）が設定される。ブロック１０６において、ニードル弁（図２の６４、６６）が、ＤＭＡに必要とされる流量を供給するように調節される。ブロック１０８において、ＤＭＡからの粒子の単一のサイズが選択される。ブロック１１０において、ＣＰＣへともたらされる粒子の濃度がＣＰＣの上限よりも高い場合、ＭＦＣ１における流れは、ブロック１１２に示されるとおりに調節される。フローはブロック１１４へと進み、システムが安定した後に、濃度がＣＰＣにおいて測定される。ブロック１１６において、単一サイズのエアロゾルがＶＰＲへと供給され、ブロック１１８において、データは、システムが安定した後に記録される。最後に、ブロック１２０において、通過率および／または除去率が計算される。

本発明の実施の形態を図示および説明したが、これらの実施の形態は、本発明について可能なすべての形態を図示および説明するものではない。むしろ、本明細書において使用される言葉は、限定というよりはむしろ説明の言葉であり、本発明の技術的思想および技術的範囲から離れることなくさまざまな変更が可能であることを、理解すべきである。

Claims (20)

1. 固体粒子カウントシステムの揮発性粒子除去装置のための通過／除去率較正ユニットであって、
   微分型電気移動度分析装置からの流量を測定し、出力流が流出する流量計、
   前記流量計からの出力流が流入し、粒子を含んでいない希釈ガスの流れが流入し、一部分が前記揮発性粒子除去装置へと供給されるミキサ出力流が流出するミキサ、
   前記ミキサへ流入する粒子を含んでいない希釈ガスの流量を制御するための第１の流量コントローラ、
   ミキサ出力流のうちの前記揮発性粒子除去装置をバイパスする残りの部分であるバイパス流が流入するバイパス導入口、
   バイパス流の流量を制御するための第２の流量コントローラ、および
   揮発性粒子除去装置への流入流量が変化するときに、前記微分型電気移動度分析装置からのエアロゾルの流量が基準値を追従ようにバイパス流を制御する制御ループ
   を備えている較正ユニット。
2. 前記基準値が、一定の流量である請求項１に記載の較正ユニット。
3. 前記ミキサが、ミニサイクロンを備えている請求項１に記載の較正ユニット。
4. 前記制御ループが、ＰＩＤ制御ループを備えている請求項１に記載の較正ユニット。
5. 前記第１の流量コントローラが、マスフローコントローラを備えている請求項１に記載の較正ユニット。
6. 前記第２の流量コントローラが、マスフローコントローラを備えている請求項１に記載の較正ユニット。
7. 前記第２の流量コントローラが、比例弁を備えている請求項１に記載の較正ユニット。
8. 固体粒子カウントシステムの揮発性粒子除去装置を較正するための方法であって、
   単一サイズの粒子を含んでいるエアロゾルの流れを供給すること、
   前記エアロゾルの流量を測定すること、
   前記エアロゾルの流れを、粒子を含まない希釈ガスで希釈すること、
   前記希釈したエアロゾルの流れの一部分を揮発性粒子除去装置へと供給すること、
   前記希釈したエアロゾルの流れのうちの揮発性粒子除去装置をバイパスする残りの部分であるバイパス流を設けること、および
   揮発性粒子除去装置への流量が変化するときに前記測定されるエアロゾルの流量が基準値に追従するように前記バイパス流を制御すること
   を含んでいる方法。
9. 前記基準値が、一定の流量である請求項８に記載の方法。
10. 固体粒子カウントシステムの揮発性粒子除去装置のための通過／除去率較正ユニットであって、
    エアロゾル導入部、
    前記エアロゾル導入部の下流に位置し、前記エアロゾル導入部からエアロゾルの流れが流入し、出力流が流出する流量計、
    前記流量計からの出力流が流入するとともに、希釈ガス導入部を有しており、ミキサ出力流が流出するミキサ、
    前記希釈ガス導入部への流量を制御するための第１の流量コントローラ、
    バイパス導入部、
    前記バイパス導入部への流量を制御するための第２の流量コントローラ、および
    エアロゾルの流量が基準値に追従するようにバイパス流を制御する制御ループ
    を備えている較正ユニット。
11. 前記基準値が、一定の流量である請求項１０に記載の較正ユニット。
12. 前記ミキサが、ミニサイクロンを備えている請求項１０に記載の較正ユニット。
13. 前記制御ループが、ＰＩＤ制御ループを備えている請求項１０に記載の較正ユニット。
14. 前記第１の流量コントローラが、マスフローコントローラを備えている請求項１０に記載の較正ユニット。
15. 前記第２の流量コントローラが、マスフローコントローラを備えている請求項１０に記載の較正ユニット。
16. 前記第２の流量コントローラが、比例弁を備えている請求項１０に記載の較正ユニット。
17. 請求項１０に記載の較正ユニットを動作させる方法であって、
    エアロゾル生成装置および微分型電気移動度分析装置を前記エアロゾル導入部へと接続し、単一サイズの粒子を既知の濃度で含んでいるエアロゾルの流れをもたらすこと、
    粒子カウンタを、ミキサ出力流の一部分を受け取るように前記ミキサに接続すること、および
    前記粒子カウンタをバイパスする残りのミキサ出力流を、前記バイパス導入部へと案内すること
    を含んでいる方法。
18. 前記希釈ガス導入部からの希釈ガスの流れが、前記粒子カウンタがミキサ出力流を受け取るために充分であるように、充分な希釈ガスをもたらすように前記第１の流量コントローラを設定すること、および
    前記制御ループの前記基準値を設定すること
    をさらに含んでいる請求項１７に記載の方法。
19. 前記粒子カウンタで粒子濃度を測定すること
    をさらに含んでいる請求項１８に記載の方法。
20. 前記揮発性粒子除去装置を、ミキサ出力流の一部分を受け取るように前記ミキサへと接続すること、および
    前記粒子カウンタで粒子濃度を測定すること
    をさらに含んでいる請求項１９に記載の方法。