JP5621061B1 - ガス分析装置 - Google Patents

Abstract

【課題】サンプルガスが微量な場合であっても、正確な分析ができるガス分析装置を提供する。【解決手段】内部をサンプルガスが流れるガス導入管１と、ガス導入管の下流端に接続された分析計２と、ガス導入管の途中に分岐接続された排気管３と、ガス導入管における排気管との接続部の下流側に設けられた圧力抵抗器５と、排気管の途中に設けられた圧力制御弁６と、排気管における圧力制御弁の上流側に分岐接続され、排気管に補充ガスを供給する補充ガス供給管７と、補充ガス供給管に接続された補充ガス供給源８とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、ガス分析装置、特に、微量なサンプルガスの分析に適したガス分析装置に関するものである。

一般に、ガスの成分分析のために使用される分析計は、当該分析計に導入されるサンプルガスの流量の変化に伴ってその検出精度、検出感度および応答速度が変化する。したがって、ガスの分析を高精度で行うためには、分析計に対するサンプルガスの流入量を一定に維持することが重要である。

そこで、従来のガス分析装置としては、例えば、内部をサンプルガスが流れるガス導入管の途中に排気管を分岐接続し、ガス導入管における排気管との接続部の上流側にサンプルガスの吸引のためのポンプを配置し、ガス導入管の下流端にガス分析計を接続し、ガス導入管における排気管との接続部の下流側に流量抵抗管を設け、排気管の途中に圧力制御弁を配置したもの（例えば、特許文献１参照）や、この構成において、さらに、ガス導入管におけるポンプの下流側の圧力を測定する圧力センサを配置し、圧力センサによる検出値が所定値となるように圧力制御弁を制御するもの（例えば、特許文献２参照）が知られている。

これらの装置においては、流量抵抗管を流れるガスの流量が、その入口圧と出口圧との差、および流量抵抗管の寸法等によって定まる流れの抵抗に依存する点に鑑み、ポンプの脈動等によってポンプの出口圧が変動しても、排気管の圧力制御弁によって流量抵抗管の入口圧が一定になるように制御することで、分析計に導入されるサンプルガスの流量が常に一定に維持されるようになっている。

ところで、圧力制御弁は、通常、圧力制御弁を通過するガス流量が一定量以上あるときは高精度の圧力制御機能を発揮する（ガス流量が大きく変化しても設定圧力値の変動は小さい）が、圧力制御弁を通過するガス流量が少なくなると、その制御の精度は低下し（ガス流量が僅かに変化しても設定圧力値が大きく変動し）、圧力制御弁を通過するガス流量が一定量以下になると、もはやその本来の圧力制御機能を発揮し得ないこと、言い換えれば、圧力制御弁には、その制御機能を発揮するための通過ガス流量の最適範囲が存在することは、当業者によく知られている。

一方、近年、より小型の排ガス触媒評価装置の開発が盛んになされ、また、電動のこぎりや芝刈り機等の小排気量のエンジンの排ガスの分析、およびリチウムイオン二次電池の内部発生ガスの分析が広くなされており、このような場合に使用されるガス分析装置については、微量のサンプルガスを用いて高精度の分析が行えることが必要とされる。

しかし、上述のガス分析装置においては、ガス導入管に導入されるサンプルガスの量が減少すると、必然的に排気管に流入するサンプルガスの量が減少し、圧力制御弁を通過するサンプルガスの流量も減少する。
そして、サンプルガスが微量となって、圧力制御弁を通過するガス流量が一定量以下になると、もはや圧力制御弁によって流量抵抗管の入口圧を一定に維持することができず、その結果、ガス分析計に対するガス流入量が変化して分析精度が落ちるという問題があった。

特開２００３−２０２３２４号公報 特開２００７−１０１２８１号公報

したがって、本発明の課題は、サンプルガスが微量な場合に、正確な分析ができるガス分析装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明によれば、内部をサンプルガスが流れるガス導入管と、前記ガス導入管の下流端に接続された分析計と、前記ガス導入管の途中に分岐接続された排気管と、前記ガス導入管における前記排気管との接続部の下流側に設けられた圧力抵抗器と、前記排気管の途中に設けられた圧力制御弁と、前記排気管における前記圧力制御弁の上流側に分岐接続され、前記排気管に補充ガスを供給する補充ガス供給管と、前記補充ガス供給管に接続された補充ガス供給源と、を備え、前記ガス導入管に、前記圧力制御弁がその制御機能を発揮し得ない程度に微量のサンプルガスが導入される一方、前記補充ガス供給源から前記排気管に補充ガスが供給されて常に前記圧力制御弁に対し前記制御機能を発揮するためのガス通過流量が供給され、前記圧力制御弁によって前記圧力抵抗器の入力側の圧力が一定になるように制御がなされるものであることを特徴とするガス分析装置が提供される。

この場合、圧力抵抗器としては、入力側の圧力と出力側の圧力を一定に保つことにより、通過流量を一定に制御することができるものであれば任意のものが使用可能であるが、好ましくは、圧力抵抗器は、キャピラリ、または流量調節バルブ、またはオリフィス、またはノズル、またはリリーフ弁、または逆止弁、またはマスフローコントローラ、または面積式流量計、またはスピコン（スピードコントローラ）、または均圧弁、または減圧弁、または背圧弁、またはベンチュリー管からなっている。

本発明の好ましい実施例によれば、前記ガス導入管における前記排気管との接続部から前記圧力抵抗器の入口までの部分の内径が、前記ガス導入管における前記排気管との接続部の上流側の部分の内径よりも小さくなっている。
本発明の別の好ましい実施例によれば、前記排気管の内径が、前記ガス導入管における前記排気管との接続部の上流側の部分の内径よりも大きくなっている。

本発明のさらに別の好ましい実施例によれば、前記補充ガス供給管の途中に別の圧力制御弁または別の圧力抵抗器が設けられている。
本発明のさらに別の好ましい実施例によれば、複数種類の前記分析計を備え、前記ガス導入管における前記排気管との接続部の下流側の部分が複数の管部分に並列分岐し、前記複数の管部分のそれぞれの下流端に前記複数種類の分析計のそれぞれが接続されるとともに、前記複数の管部分のそれぞれの途中に圧力抵抗器が設けられている。
本発明のさらに別の好ましい実施例によれば、前記ガス導入管における前記排気管との接続部の上流側に、別の分析計が設けられている。

本発明によれば、ガス導入管に排気管を分岐接続し、ガス導入管を流れるサンプルガスの一部を排気管を通じて排気するとともに、排気管に設けた圧力制御弁によって圧力抵抗器の入力側の圧力が一定になるように制御し、さらに、排気管に補充ガス供給管を分岐接続し、補充ガス供給管を通じて補充ガスを供給するようにしている。

それによって、ガス導入管に導入されるサンプルガスが微量であって、排気管側に分流されるサンプルガス流量が、圧力制御弁がその制御機能を発揮し得ない程度に微量な場合に、排気管に補充ガスを供給することによって、常に、圧力制御弁に対し、その制御機能を発揮するためのガス通過流量を供給することができる。その結果、圧力制御弁による制御の精度が低下することがなく、よって、分析計に導入されるガス流量を一定に維持することができ、高精度のガス分析を達成できる。

また、本発明によれば、微量のサンプルガスを用いて高精度の分析ができるので、ガス分析装置をコンパクト化し、その製造コストの低減が図れる。さらには、分析計の校正時に使用する校正ガスの量も低減できる。

本発明の１実施例によるガス分析装置の構成を示す平面図である。 実験で使用した装置の構成を示す平面図であり、（Ａ）は実施例を示し、（Ｂ）は比較例を示す。 図２の装置を用いて測定した、サンプリングガスの流量変化に伴うキャピラリ入力側圧力の変化を示すグラフである。 図２（Ａ）の装置を用いて測定した、サンプリングガスの流量変化に伴うキャピラリ入力側圧力の変化を示すグラフである。 本発明の別の実施例によるガス分析装置の構成を示す平面図である。

以下、添付図面を参照して本発明の好ましい実施例を説明する。図１は、本発明の１実施例によるガス分析装置の構成を示す平面図である。
図１に示すように、本発明によれば、内部をサンプルガスが流れるガス導入管１が備えられ、ガス導入管１の下流端に分析計２が接続される。
分析計２としては、分析の目的に応じた適当な公知の分析計、例えば、ＦＴＩＲ（フーリエ変換赤外分光光度計）、質量分析計、ＦＩＤ分析計、ＧＣ（ガスクロマトグラフ）、ＴＨＣ（全炭化水素）分析計、水素計、磁気式酸素計、ＣＬＤ（化学発光検出器）、ＮＤＩＲ（非分散赤外線検出器）、ＦＰＤ（炎光光度検出器）およびＴＣ（熱伝導検出器）等を使用することができる。

ガス導入管１の途中には排気管３が分岐接続され、ガス導入管１における排気管３との接続部（以下、「分岐点４」という。）の下流側には、圧力抵抗器５が設けられる。
圧力抵抗器５としては、入力側の圧力と出力側の圧力を一定に保つことにより、通過流量を一定に制御することができるものであれば任意のものが使用可能であるが、好ましくは、圧力抵抗器５は、キャピラリ、または流量調節バルブ、またはオリフィス、またはノズル、またはリリーフ弁、または逆止弁、またはマスフローコントローラ、または面積式流量計、またはスピコン（スピードコントローラ）、または均圧弁、または減圧弁、または背圧弁、またはベンチュリー管からなっている。

また、ガス導入管１における分岐点４から圧力抵抗器５の入口までの部分の内径が、ガス導入管１における分岐点４の上流側の部分の内径よりも小さくなっていることが好ましい。それによって、ガス導入管１における分岐点４から分析計２までのサンプルガスの通過速度を上げ、分析計の応答時間を短縮することができる。

さらには、排気管３の内径が、ガス導入管１における分岐点４の上流側の部分の内径よりも大きくなっていることが好ましい。それによって、排気管３の圧力抵抗が減少し、よって、サンプルガス流量が変動した時の圧力抵抗器の入力側圧力の制御精度を上げることができる。

本発明によれば、また、排気管３の途中には圧力制御弁（背圧弁）６が設けられ、排気管３における圧力制御弁６の上流側に補充ガス供給管７が分岐接続されて、排気管３に補充ガスを供給するようになっている。補充ガス供給管７には補充ガス供給源８が接続される。また、補充ガス供給管７の途中には、別の圧力制御弁９（または別の圧力抵抗器）が設けられている。この圧力制御弁９（または別の圧力抵抗器）は、必要に応じて設けられる。

補充ガスとしては、例えば、屋内や屋外の大気、および不活性ガス等の任意のガスを用いることができる。
補充ガスは、ガス導入管１における圧力抵抗器５の入力側の圧力以上の圧力に加圧された状態で補充ガス供給管７から排気管３内に供給される。
そのため、補充ガス供給源８としては、例えば、不活性ガスのガスボンベが使用され、あるいは、屋内外の大気を補充ガスとする場合には、補充ガス供給源８は、大気を吸引してガス導入管１に供給するためのポンプを含んでいる。

こうして、本発明のガス分析装置によれば、ガス導入管１に導入されるサンプルガスが微量であって、排気管３側に分流されるサンプルガスの流量が、圧力制御弁６がその機能を発揮し得ない程度に微量であっても、補充ガス供給管７から排気管３に補充ガスを供給することによって、常に、圧力制御弁６に対し、その制御機能を発揮するためのガス通過流量を供給することができる。
それによって、圧力制御弁６による制御の精度が低下することがなく、よって、圧力抵抗器５の入力側の圧力を一定にし、分析計２に導入されるガス流量を一定に維持することができ、その結果、高精度のガス分析を達成できる。

次に、本発明のガス分析装置の作用効果を確認するために実証実験を行った。
[実施例]
図２Ａを参照して、図１に示したガス分析装置から分析計２を除去したものを実施例として使用した。なお、この実施例では、圧力抵抗器５としてキャピラリを用い、また、補充ガス供給源８として、ポンプを使用して屋内大気を供給するようにした。さらに、キャピラリ５の入力側に圧力センサ１０を配置した。
[比較例]
図２Ｂを参照して、比較例として、図２Ａの実施例から補充ガスを供給するための構成（補充ガス供給管７、補充ガス供給源８、圧力制御弁９）を除去したものを使用した。

（実験１）
実施例において、圧力制御弁６の設定圧力を２５ｋＰａとして、キャピラリ５の入力側の圧力が２５ｋＰａに維持されるように設定するとともに、補充ガス供給管７から排気管３に常時補充ガスを２Ｌ／ｍｉｎ供給した状態で、ガス導入管１に導入するサンプルガスの流量を０〜３００ｍＬ／ｍｉｎの範囲内で変化させ、その間のキャピラリ５の入力側の圧力の変化を圧力センサ１０によって測定した。比較例においても、実施例と同様の測定を行った。

これらの測定結果を図３Ａのグラフに示す。図３Ａのグラフ中、実線で描かれた直線Ｘは実施例の測定結果を示し、点線で描かれた曲線Ｙは比較例の測定結果を示している。なお、曲線Ｙにおいて、サンプリングガスの流量が２５ｍＬ／ｍｉｎ以下の測定値が欠落しているのは、圧力測定不能となったからである。

（実験２）
実施例において、圧力制御弁６の設定圧力を１５ｋＰａとして、キャピラリ５の入力側の圧力が１５ｋＰａに維持されるように設定するとともに、補充ガス供給管７から排気管３に常時補充ガスを２Ｌ／ｍｉｎ供給した状態で、ガス導入管１に導入するサンプルガスの流量を１０〜２００ｍＬ／ｍｉｎの範囲内で変化させ、その間のキャピラリ５の入力側の圧力の変化を圧力センサ１０によって測定した。比較例においても、補充ガスの供給は除いて、実施例と同様の測定を行った。

これらの測定結果を図３Ｂのグラフに示す。図３Ｂのグラフ中、実線で描かれた直線Ｘは実施例の測定結果を示し、点線で描かれた曲線Ｙは比較例の測定結果を示している。なお、曲線Ｙにおいて、サンプリングガスの流量が４０ｍＬ／ｍｉｎ以下の測定値が欠落しているのは、圧力測定不能となったからである。

（実験１、２の結果の検討）
図３のグラフから、比較例では、ガス導入管１に導入されるサンプルガスの流量が減少すると、キャピラリ５の入力側の圧力が、設定圧力から大きく変動してしまうのに対し、実施例では、ガス導入管１に導入されるサンプルガスの流量が減少しても、キャピラリ５の入力側の圧力は一定（設定圧力）に維持されることがわかった。

（実験３）
実施例において、圧力制御弁６の設定圧力を、３５ｋＰａ、２５ｋＰａおよび１５ｋＰａの３段階で変化させ、それぞれの場合において、常時排気管３に補充ガスを２Ｌ／ｍｉｎ供給した状態で、ガス導入管１に導入されるサンプルガスの流量を０〜９０ｍＬ／ｍｉｎの範囲内で変化させ、その間のキャピラリ５の入力側の圧力の変化を圧力センサ１０によって測定した。

測定結果を、図４のグラフに示す。図４のグラフ中、実線で描かれた直線Ｘ１は、設定圧力を３５ｋＰａとしたときの測定結果を示し、破線で描かれた直線Ｘ２は、設定圧力を２５ｋＰａとしたときの測定結果を示し、点線で描かれた直線Ｘ３は、設定圧力を１５ｋＰａとしたときの測定結果を示している。

（実験３の結果の検討）
図４のグラフから、実施例では、圧力制御弁６の設定圧力とは無関係に、ガス導入管１に導入されるサンプルガスの流量が減少しても、キャピラリ５の入力側の圧力は一定（設定圧力）に維持されることがわかった。

図５は、本発明の別の実施例によるガス分析装置の構成を示す平面図である。
この実施例は、ガス導入管１における分岐点４の下流側の構成、およびガス導入管１における分岐点４の上流側に別の分析計を設けた点が、図１に示した実施例と異なる。よって、図５中、図１に示した構成要素と同じ構成要素には同一番号を付して、以下、それらの詳細な説明を省略する。

図５を参照して、この実施例では、ガス導入管１における分岐点４の下流側の部分が複数の管部分１ａ〜１ｃに並列分岐している。そして、これらの管部分１ａ〜１ｃのそれぞれに各１つの異なる種類の分析計（ＴＨＣ分析計１１ａ、水素計１１ｂ、磁気式酸素計１１ｃ）が接続されている。
さらに、この実施例では、ガス導入管１における分岐点４の上流側に、ＦＴＩＲ１２が設けられている。

この実施例においても、図１に示した実施例と同様、ガス導入管１に導入されるサンプルガスが微量であっても、補充ガスを排気管３に供給することにより、常に、排気管３の圧力制御弁６において、当該圧力制御弁６がその制御機能を発揮するためのガス通過流量を確保することができ、よって、各分析計１１ａ〜１１ｃに導入されるサンプルガス流量を一定に維持できる。

そして、この実施例によれば、微量のサンプリングガスを、まずＦＴＩＲ１２によって分析した後、ＦＴＩＲ１２では測定できなかった成分（全炭化水素、水素、酸素等）を、さらに、後段の各分析計１１ａ〜１１ｃによって測定することができ、いわゆる多成分分析が可能となる。

こうして、従来例では、このようにガス導入管の下流端部を複数の管部分に並列分岐し、各管部分に分析計を接続する構成とすると、排気管の圧力制御弁において、当該圧力制御弁がその制御機能を発揮するためのガス通過流量を確保すべく、相当量のサンプルガスをガス導入管に導入する必要があったのに対し、本発明では、微量のサンプルガスをガス導入管に導入するだけで、高精度の分析を行うことができる。

１ ガス導入管
１ａ〜１ｃ 管部分
２ 分析計
３ 排気管
４ 分岐点
５ 圧力抵抗器
６ 圧力制御弁（背圧弁）
７ 補充ガス供給管
８ 補充ガス供給源
９ 別の圧力制御弁
１０ 圧力センサ
１１ａ ＴＨＣ分析計
１１ｂ 水素計
１１ｃ 磁気式酸素計
１２ ＦＴＩＲ

Claims (7)

1. 内部をサンプルガスが流れるガス導入管と、
   前記ガス導入管の下流端に接続された分析計と、
   前記ガス導入管の途中に分岐接続された排気管と、
   前記ガス導入管における前記排気管との接続部の下流側に設けられた圧力抵抗器と、
   前記排気管の途中に設けられた圧力制御弁と、
   前記排気管における前記圧力制御弁の上流側に分岐接続され、前記排気管に補充ガスを供給する補充ガス供給管と、
   前記補充ガス供給管に接続された補充ガス供給源と、を備え、
   前記ガス導入管に、前記圧力制御弁がその制御機能を発揮し得ない程度に微量のサンプルガスが導入される一方、前記補充ガス供給源から前記排気管に補充ガスが供給されて常に前記圧力制御弁に対し前記制御機能を発揮するためのガス通過流量が供給され、前記圧力制御弁によって前記圧力抵抗器の入力側の圧力が一定になるように制御がなされるものであることを特徴とするガス分析装置。
2. 前記ガス導入管における前記排気管との接続部から前記圧力抵抗器の入口までの部分の内径が、前記ガス導入管における前記排気管との接続部の上流側の部分の内径よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載のガス分析装置。
3. 前記排気管の内径が、前記ガス導入管における前記排気管との接続部の上流側の部分の内径よりも大きいことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のガス分析装置。
4. 前記圧力抵抗器は、キャピラリ、または流量調節バルブ、またはオリフィス、またはノズル、またはリリーフ弁、または逆止弁、またはマスフローコントローラ、または面積式流量計、またはスピードコントローラ、または均圧弁、または減圧弁、または背圧弁、またはベンチュリー管からなっていることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載のガス分析装置。
5. 前記補充ガス供給管の途中に別の圧力制御弁または別の圧力抵抗器が設けられていることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載のガス分析装置。
6. 複数種類の前記分析計を備え、前記ガス導入管における前記排気管との接続部の下流側の部分が複数の管部分に並列分岐し、前記複数の管部分のそれぞれの下流端に前記複数種類の分析計のそれぞれが接続されるとともに、前記複数の管部分のそれぞれの途中に圧力抵抗器が設けられていることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載のガス分析装置。
7. 前記ガス導入管における前記排気管との接続部の上流側に、別の分析計が設けられていることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれかに記載のガス分析装置。

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