JP6116323B2 - 排ガス混合器及び定容量サンプリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、排ガスを希釈用ガスにより希釈してなる希釈排ガスなどの排ガスを含む混合対象ガスを混合する排ガス混合器及び当該排ガス混合器を用いた定容量サンプリング装置に関するものである。

従来、採取した排ガスを大気等の希釈用ガスで希釈し、当該希釈された排ガス中に含まれる成分の濃度を測定する希釈サンプリング方式として、定容量希釈サンプリング装置（ＣＶＳ）が広く用いられている。

このＣＶＳでは、特許文献１に示すように、臨界流量ベンチュリ及び吸引ポンプからなる流量制御部の上流側に、排ガス及び希釈用ガスを均一に攪拌・混合するための排ガス混合器が設けられている。

そして、従来の排ガス混合器は、サイクロン方式のものであり、内部に所定の軸線方向に延びる中空部を有する混合器本体と、混合器本体の側壁に接続されて、前記中空部に排ガス及び希釈用ガスを導入するガス導入管と、前記混合器本体に挿入されて、前記中空部の中心軸線と同軸上に中心軸線が設けられた混合ガス導出管とを備えている。

しかしながら、上記構成の排ガス混合器では、混合ガス導出管の中心軸線と中空部の中心軸線とが同軸上に設けられているので、混合器本体及び混合ガス導出管の間の空間が旋回方向に沿って等断面積となり、排ガス導入管から導入されたガスの旋回流速が速くなり過ぎてしまい、騒音又は振動の原因となってしまう。なお、一般的に騒音は、流速の６乗〜８乗に比例すると言われている。また、ガスの旋回流速が速くなることで、排ガス混合器において共振が発生して、騒音又は振動がより一層大きくなってしまうという問題がある。

なお、排ガス混合器に流入する混合ガスの流速を小さくすることが考えられるが、ＣＶＳに用いられる排ガス混合器では、臨界流量ベンチュリにより一定流量となるように流量制御されているので、ガス導入部からの混合ガスの流速を小さくすることができない。

特開平６−３４１９５０号公報

そこで本発明は、排ガス混合器において排ガスを含む混合対象ガスが流れることにより生じる振動又は騒音を低減することをその主たる課題とするものである。

すなわち本発明に係る排ガス混合器は、排ガスを含む混合対象ガスを混合する排ガス混合器であって、内部に所定の軸線方向に延びる中空部を有する混合器本体と、前記中空部に前記軸線方向に沿って設けられた内管部と、前記混合器本体に設けられ、前記混合器本体及び前記内管部の間の空間に前記混合対象ガスを導入するガス導入部と、前記内管部に設けられ、前記空間を旋回した混合対象ガスを導出するガス導出部とを備え、前記内管部の中心軸線と前記中空部の中心軸線とが互いに異なる位置に設けられていることを特徴とする。

このようなものであれば、内管部の中心軸線と中空部の中心軸線とが互いに異なる位置に設けられているので、混合器本体及び内管部の間の空間に拡大部分と狭小部分とが形成され、ガス導入部から導入された混合対象ガスが前記空間を旋回する途中で、速い流速と遅い流速とを繰り返すことになる。これにより、混合対象ガスが旋回する途中の旋回速度成分を乱すことができ、混合対象ガスの旋回流速を全体として遅くすることができ、騒音又は振動を低減することができる。また、混合対象ガスの旋回流速を全体として遅くすることにより、排ガス混合器において共振を生じ難くすることができ、これによっても騒音又は振動を低減することができる。

前記ガス導入部が、前記混合器本体の側周壁に設けられており、前記内管部の中心軸線が、前記中空部の中心軸方向から見て、前記混合器本体と前記ガス導入部との接続部の内側端部における前記混合器本体の接線に沿った方向において、前記内側端部よりも、前記接続部の外側端部とは反対側にずれて設けられていることが望ましい。
これならば、ガス導入部から導入された排ガスを導入直後に旋回させ易くしつつ、旋回する途中の旋回速度成分を乱すことができる。
なお、内管部の中心軸線が、前記内側端部における前記混合器本体の接線に沿った方向において、前記内側端部よりも前記外側端部側にずれている場合には、ガス導入部から導入された排ガスが内管部の外側周面に当たって旋回し難くなり、混合対象ガスの混合の均一性が低下してしまう。

前記ガス導入部が、前記混合器本体の内側周面の接線に沿うように設けられており、前記混合対象ガスを前記内側周面に沿って前記空間に導入することが望ましい。
これならば、ガス導入部から導入された混合対象ガスが、導入直後から混合器本体の内側周面に沿って流れることになり、混合対象ガスをより一層旋回させ易くすることができる。

前記ガス導入部に、前記ガス導入部から導入される排ガスを前記混合器本体の内側周面に向かうように案内する案内板が設けられていることが望ましい。
これならば、ガス導入部から導入された混合対象ガスが案内板に当たって混合器本体の内側周面に向かうので、混合対象ガスを旋回させ易くすることができる。

ガス導入部から導入された混合対象ガスが内管部の外側周面に当たると、旋回方向に流れるだけでなく、当該旋回方向とは異なる方向に流れる混合対象ガスが発生する。そうすると、旋回成分を打ち消してしまい、混合対象ガスの混合の均一性を損なう要因となる。
このため、前記ガス導入部から前方を見たときに前記案内板によって前記内管部が隠れるように前記案内板が設けられていることが望ましい。
これならば、ガス導入部から導入された混合対象ガスが、内管部の外側周面に直接当たらないので、確実且つ容易に旋回させることができる。

このように構成した本発明によれば、内管部の中心軸線と中空部の中心軸線とが互いに異なる位置に設けられているので、排ガス混合器において排ガスを含む混合対象ガスが流れることにより生じる振動又は騒音を低減することができる。

本実施形態の排ガスサンプリング装置の構成を示す図。 同実施形態の排ガス混合器の構成を示す斜視図。 同実施形態の排ガス混合器の構成を示す側面図。 同実施形態の排ガス混合器の構成を示す横断面図。 同実施形態の排ガス混合器の構成を示すＡ−Ａ線断面図。 内管部の中心軸線が設けられる領域を示す模式図。 変形実施形態の排ガス混合器の構成を示す横断面図。 変形実施形態の排ガス混合器のＡ−Ａ線断面図。 変形実施形態の吸音構造を示す模式図。

以下に、本発明に係る排ガス混合器を用いた排ガスサンプリング装置について、図面を参照して説明する。

本実施形態の排ガスサンプリング装置１００は、例えばエンジン等から排出される排ガス中に含まれる成分分析を行うためのガス分析システムに用いられるものであり、排ガスを大気（希釈用空気）等の希釈用ガスで数倍（例えば１０倍〜２０倍）に希釈し、濃度計測を行う希釈サンプリング方式のものである。

具体的にこの排ガスサンプリング装置１００は、定容量サンプリング部を備えており、図１に示すように、排ガスを導入するための排ガス導入ポートＰＴ１に一端が接続されたメイン流路ＭＬと、希釈用ガスを導入するための希釈用ガス導入ポートＰＴ２に一端が接続され、他端が前記メイン流路ＭＬに接続された希釈用ガス流路ＤＬとを備えている。

メイン流路ＭＬは、一端に排ガス導入ポートＰＴ１が設けられた排ガスを導入する排ガス導入配管２と、当該排ガス導入配管２に接続された混合部３と、当該混合部３の下流に接続された希釈排ガス（混合ガス）を均一に攪拌・混合するための排ガス混合器４と、当該排ガス混合器４に接続され、後述するように一定流量に制御された混合ガスをサンプリングするためのサンプリング配管５と、当該サンプリング配管５に接続された一定流量制御機器６とにより構成されている。また、希釈用ガス流路ＤＬは、一端に希釈用ガス導入ポートＰＴ２が設けられた希釈用ガス導入配管７により構成されている。なお、希釈用ガス導入ポートＰＴ２には、大気中の夾雑物を除去するためのフィルタ（不図示）が設けられている。

ここで、混合部３は、前記希釈用ガス流路ＤＬを構成する希釈用ガス導入配管７と前記排ガス導入配管２とが接続されるものであり、例えばミキシングティーと呼ばれるものである。また、混合ガスを定容量サンプリングするためのサンプリング配管５には、ガス採取バッグ、ＰＭ捕集フィルタ又は排ガス分析装置等の分析機器２００に、希釈排ガスを採取して導入するためのサンプリング流路ＳＬが接続されている。

一定流量制御機器６は、前記排ガス導入配管２から導入される排ガスと希釈用ガス導入配管７から導入される希釈用ガスとの総流量が一定となるように流量制御するものであり、前記サンプリング配管５の下流に接続された臨界流量ベンチュリ（ＣＦＶ）からなるメインベンチュリ６１と、このメインベンチュリ６１の下流に接続された例えばブロワ等の吸引ポンプ６２により構成される。この吸引ポンプ６２によりメインベンチュリ６１の上流側及び下流側の差圧が所定値以上にすることで前記総流量が一定となる。なお、吸引ポンプ６２により吸引された希釈排ガスは外部に放出される。

しかして、本実施形態の排ガス混合器４は、図２〜図５に示すように、内部に所定の軸線方向Ｌに延びる中空部４１１を有する混合器本体４１と、中空部４１１に軸線方向Ｌに沿って設けられた内管部４２と、混合器本体４１に設けられ、前記混合器本体４１及び前記内管部４２の間の空間Ｓに混合対象ガスである排ガス及び希釈用ガスを導入して旋回させるガス導入部４３と、内管部４２に設けられ、前記空間Ｓを旋回した混合対象ガスを導出するガス導出部４４とを備えている。なお、本実施形態の混合対象ガスは、前記混合部３により生成された希釈排ガス（希釈用ガスにより希釈された排ガス）である。

混合器本体４１は、特に図３及び図４に示すように、内部に軸線方向Ｌに延びる概略円柱状の中空部４１１を有している。本実施形態の混合器本体４１は、前記中空部４１１を有する円筒形状をなすものであり、軸線方向Ｌの両端部は閉塞されている。

内管部４２は、特に図３及び図５に示すように、前記混合器本体４１の軸線方向Ｌに沿った一端壁４１ａに貫通して設けられており、その先端部が、前記混合器本体４１の中空部４１１内に位置するように設けられている。この内管部４２は、円管状をなすものであり、少なくとも中空部４１１内においては、直管状をなすものである。

ガス導入部４３は、特に図４に示すように、混合器本体４１の側周壁４１ｂにおいて一端壁４１ａ側に設けられている。また、ガス導入部４３は、混合器本体４１の内側周面４１ｓの接線に沿うように設けられており、混合対象ガスを内側周面４１ｓに沿って旋回空間Ｓに導入するものである。具体的には、混合器本体４１の側周壁４１ｂにおいて、前記軸線方向Ｌに直交する方向に延びたガス導入管４３Ｈにより形成されている。このようにガス導入部４３は、ガス導入口４３ｘ及びガス導入管４３Ｈを有する。これにより、ガス導入管４３Ｈをガス導出部４４を向くように傾斜して設けた場合に比べて、旋回空間Ｓに導入された混合対象ガスがガス導出部４４に到達するまでの時間及び経路を長くすることができ、混合対象ガスのより一層混合させることができる。なお、ガス導入管は、前記混合部３に接続されている。このガス導入部４３のガス導入口４３ｘは、前記軸線方向Ｌから偏心した位置に開口している。

ガス導出部４４は、特に図３及び図５に示すように、前記内管部４２の挿入側先端部に形成されており、具体的には、内管部４２の先端開口部により形成されている。つまり、ガス導出部４４は、混合器本体４１の軸線方向Ｌに沿った他端壁４１ｃ側を向いて開口している。また、ガス導出部４４は、前記ガス導入部４３よりも他端壁４１ｃ側に位置している。このガス導出部４４に流入した混合対象ガスは、内管部４２の内部を通って、当該内管部４２に接続されたサンプリング配管５に流れる。なお、内管部４２の内部には、例えば内管部４２内部の流路を４分割するように流路方向に沿って整流板４２１が設けられており、内管部４２からサンプリング配管５に流れる希釈排ガスの旋回流を解消するように構成している。

そして、本実施形態の排ガス混合器４は、特に図４及び図５に示すように、内管部４２の中心軸線４２Ｌと中空部４１１の中心軸線４１１Ｌとが互いに異なる位置に設けられている。つまり、内管部４２の中心軸線４２Ｌが、中空部４１１の中心軸線４１１Ｌに対して偏心している。具体的には、内管部４２の中心軸線４２Ｌと中空部４１１の中心軸線４１１Ｌとが互いに異なる位置に設けられるとともに、それら軸線４２Ｌ、４１１Ｌが互いに平行となるように設けられている。

詳細には、図６に示すように、内管部４２の中心軸線４２Ｌが、中空部４１１の中心軸方向から見て、混合器本体４１とガス導入部４３との接続部の内側端部Ｘ１における混合器本体４１の接線Ｚ１に沿った方向において、前記内側端部Ｘ１よりも、前記接続部の外側端部Ｘ２とは反対側にずれて設けられている。つまり、図６の斜線部分に内管部４２Ｌの中心軸線４２Ｌが含まれるようにずれて設けられている。なお、内側端部Ｘ１は、ガス導入部４３により導入されるガス導入方向において後方側端部であり、外側端部Ｘ１は、前記ガス導入方向において前方側端部である。また、別の言い方をすれば、内管部４２の中心軸線４２Ｌが、前記内側端部Ｘ１と中空部４１１の中心（中心軸線４１１Ｌ）とを結ぶ仮想直線Ｚ２に対して、前記外側端部Ｘ１とは反対側にずれて設けられている。

本実施形態では、図４及び図６に示すように、混合器本体４１の下側部分の右側に排ガス導入部４３が設けられているので、内管部４２の中心軸線４２Ｌは、中空部４１１の中心軸線４１１Ｌに対して、上側にずれて偏心して設けられている。本実施形態では、内管部４２の中心軸線４２Ｌは、中空部４１１の中心軸線４１１Ｌに対して、ガス導入部４３から遠ざかる方向にずれて設けられている。

この排ガス混合器４においては、内管部４２の中心軸線４２Ｌと中空部４１１の中心軸線４１１Ｌとが互いに異なる位置に設けられているので、図４に示すように、混合器本体４１及び内管部４２の間の空間Ｓに拡大部分Ｓ１と狭小部分Ｓ２とが形成される。なお、拡大部分Ｓ１は、混合器本体４１の内側周面４１ｓと内管部４２の外側周面４２ｓとの距離が大きい部分であり、狭小部分Ｓ２は、混合器本体４１の内側周面４１ｓと内管部４２の外側周面４２ｓとの距離が小さい部分である。そして、この空間Ｓにおける広い部分Ｓ１に臨むように前記ガス導入部４３のガス導入口４３ｘが設けられている。つまり、ガス導入部４３によるガス導入直後の領域において、混合器本体４１の内側周面４１ｓと内管部４２の外側周面４２ｓとの距離が、混合器本体４１及び内管部４２を同心円状に配置した場合に比べて長くなっている。そして、ガス導入部４３から空間Ｓ内に導入された混合対象ガスは、空間Ｓの広い部分Ｓ１を通り、狭い部分Ｓ２に向かって流れる旋回流となる。そして、そして狭い部分Ｓ２を通った混合対象ガスは、再び広い部分Ｓ１に向かって流れる。これを繰り返しながら、混合対象ガスは、内管部４２の先端部に向かって旋回しながら流れていき、内管部４２の先端部のガス導出部４４から内管部４２の内部を通って排ガス混合器４の外部に導出される。

このように構成した本実施形態に係る排ガスサンプリング装置１００によれば、内管部４２の中心軸線４２Ｌと中空部４１１の中心軸線４１１Ｌとが互いに異なる位置に設けられているので、混合器本体４１及び内管部４２の間の空間Ｓに拡大部分Ｓ１と狭小部分Ｓ２とが形成され（図４参照）、ガス導入部４３から導入された混合対象ガスが前記空間Ｓを旋回する途中で、速い流速と遅い流速とを繰り返すことになる。これにより、混合対象ガスが旋回する途中の旋回速度成分を乱すことができ、混合対象ガスの旋回流速を全体として遅くすることができ、騒音又は振動を低減することができる。また、混合対象ガスの旋回流速を全体として遅くすることにより、排ガス混合器４において共振を生じ難くすることができ、これによっても騒音又は振動を低減することができる。

なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。
例えば、中空部４１１の中心軸線４１１Ｌに対する内管部４２の中心軸線４２Ｌのずれ方向は、前記実施形態に限られず、周方向において如何なる方向にずれていても良い。また、中空部４１１の中心軸線４１１Ｌと内管部４２の中心軸線４２Ｌとが互いに平行となるように構成されているが、内管部４２の中心軸線４２Ｌが、中空部４１１の中心軸線４１１Ｌに対して傾斜して設けられたものでも良い。

前記実施形態では、内管部４２の中心軸線４２Ｌが、接線Ｚ１に沿った方向において、内側端部Ｘ１よりも外側端部Ｘ２とは反対側にずれた場合を示しているが、前記接線Ｚ１に沿った方向において、内側端部Ｘ１よりも外側端部Ｘ２側にずれていても良い。なお、この場合には、ガス導入部４３から導入された混合対象ガスが旋回し難くなるものの、旋回速度が遅くなるという効果を奏することができる。

また、前記実施形態では、ガス導入部４３によるガス導入直後の領域において、混合器本体４１の内側周面４１ｓと内管部４２の外側周面４２ｓとの距離が、ガス導入管４３Ｈの配管径よりも大きく構成されていても良い。これならば、ガス導入部４３から導入された排ガスを導入直後に旋回させ易くしつつ、旋回する途中の旋回速度成分を乱すことができる。

また、前記実施形態の排ガス混合器４の構成に加えて、図７及び図８に示すように、ガス導入部４３の前方に、ガス導入部４３から導入された排ガスを混合器本体４１の内側周面４１ｓに向かうように案内する案内板４５を設けても良い。この案内板４５は、ガス導入部４３により導入される混合対象ガスの流れ方向に対して、混合器本体４１の内側周面４１ｓ側に傾斜して設けられている。これにより、ガス導入部４３から導入された混合対象ガスが案内板４５に当たって混合器本体４１の内側周面４１ｓに向かうので、混合対象ガスを旋回させ易くすることができる。

さらに、案内板４５を設ける場合には、図８に示すように、ガス導入部４３から前方を見たときに案内板４５によって内管部４２が隠れるようにしても良い。これにより、ガス導入部４３から導入された混合対象ガスが、内管部４２の外側周面４２ｓに直接当たらないため、旋回方向とは異なる方向に流れる混合対象ガスの発生を抑制することができる。したがって、ガス導入部４３から導入された混合対象ガスの確実且つ容易に旋回させることができる。

その上、図８に示すように、案内板４５の下流側端部４５１が、例えば三角状の複数の突起が設けることによって平面視においてギザギザ形状等の凹凸形状を有するものとしても良い。これにより、案内板４５を通過する混合対象ガスが渦となり、様々な成分が発生して、それらが打ち消し合うことで、混合対象ガスの旋回流速が遅くなり、騒音を低減することができる。

加えて、排ガスサンプリング装置としての騒音低減性能を向上させるためには、図９に示すように、希釈用ガス導入ポートＰＴ２の開口に対向するとともに、当該排ガス導入ポートＰＴ２の開口の全体を覆うように吸音部材８を設けることが考えられる。ここで、吸音部材８は、希釈用ガス導入ポートＰＴ２への大気が導入されるように、希釈用ガス導入ポートＰＴ２の開口から上方に離間して設けられている。なお、吸音部材８は、希釈用ガス流路ＤＬを構成する希釈用ガス導入配管７及び混合部３が収容された筐体１０に、固定部材９により固定されている。

さらに加えて、前記実施形態の排ガスサンプリング装置は排ガスを全量希釈するものであったが、部分希釈するものであっても良い。つまり、前記排ガス導入ポートＰＴ１が排ガスの一部を採取してメイン流路ＭＬに導入するものであっても良い。

さらにその上、前記実施形態の一定流量制御機器６は臨界流量ベンチュリを用いたものであったが、臨界流量ベンチュリの他に、臨界流量オリフィス（ＣＦＯ）を用いたものであっても良い。また、臨界流量ベンチュリを用いない定容量ポンプ方式のものであっても良い。

その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

１００ ・・・排ガスサンプリング装置（定容量サンプリング装置）
４ ・・・排ガス混合器
４１ ・・・混合器本体
４１ｓ ・・・混合器本体の内側周面
Ｌ ・・・所定の軸線方向
４１１ ・・・中空部
４１１Ｌ・・・中空部の中心軸線
４２ ・・・内管部
４２Ｌ ・・・内管部の中心軸線
Ｓ ・・・混合器本体及び内管部の間の空間
４３ ・・・ガス導入部
４４ ・・・ガス導出部
４５ ・・・案内板

Claims (6)

1. 排ガスを含む混合対象ガスを混合する排ガス混合器であって、
   内部に所定の軸線方向に延びる中空部を有する混合器本体と、
   前記中空部に前記軸線方向に沿って設けられた直管状の内管部と、
   前記混合器本体に設けられ、前記混合器本体及び前記内管部の間の空間に前記混合対象ガスを導入するガス導入部と、
   前記内管部に設けられ、前記空間を旋回した混合対象ガスを導出するガス導出部とを備え、
   前記内管部の中心軸線と前記中空部の中心軸線とが互いに異なる位置に設けられて
   いる排ガス混合器。
2. 前記ガス導入部が、前記混合器本体の側周壁に設けられており、
   前記内管部の中心軸線が、前記中空部の中心軸方向から見て、前記混合器本体と前記ガス導入部との接続部の内側端部における前記混合器本体の接線に沿った方向において、前記内側端部よりも、前記接続部の外側端部とは反対側にずれて設けられている請求項１記載の排ガス混合器。
3. 前記ガス導入部が、前記混合器本体の内側周面の接線に沿うように設けられており、前記混合対象ガスを前記内側周面に沿って前記空間に導入する請求項１又は２記載の排ガス混合器。
4. 前記ガス導入部に、前記ガス導入部から導入される排ガスを前記混合器本体の内側周面に向かうように案内する案内板が設けられている請求項１乃至３の何れかに記載の排ガス混合器。
5. 前記ガス導入部から前方を見たときに前記案内板によって前記内管部が隠れるように前記案内板が設けられている請求項４記載の排ガス混合器。
6. 一定流量に制御された混合ガスをサンプリングする定容量サンプリング部を備え、
   前記定容量サンプリング部が、
   排ガスが流れるメイン流路と、
   前記メイン流路に接続され、希釈用ガスが流れる希釈用ガス流路と、
   前記メイン流路に設けられ、前記排ガス及び前記希釈用ガスを混合する排ガス混合器と、
   前記メイン流路における前記排ガス混合器の下流側に設けられ、前記排ガス混合器により混合された混合ガスを一定流量に制御する一定流量制御機器と、
   前記メイン流路における前記排ガス混合器及び前記一定流量制御機器の間に接続されて、前記一定流量に制御された混合ガスをサンプリングするサンプリング流路とを備え、
   前記排ガス混合器が、
   内部に所定の軸線方向に延びる中空部を有する混合器本体と、
   前記中空部に前記軸線方向に沿って設けられた直管状の内管部と、
   前記混合器本体に設けられ、前記混合器本体及び前記内管部の間の空間に前記排ガス及び前記希釈用ガスを導入するガス導入部と、
   前記内管部に設けられ、前記空間を旋回した混合ガスを導出するガス導出部とを備え、
   前記内管部の中心軸線と前記中空部の中心軸線とが互いに異なる位置に設けられていることを特徴とする定容量サンプリング装置。