JP6369075B2 - 排気ガスサンプリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、排気ガスサンプリング装置に関するものである。

様々な燃焼器から排出される排気ガス（排気煙）には、すす粒子が含まれ、このようなすすは環境汚染の一因となっている。従って、燃焼器において、すす粒子の発生を低減できる好適な運転状態を実現するためにも排気ガスに含まれるすす粒子を計測する必要がある。

排気ガスのすす粒子の濃度を計測する方法としては、計測用フィルタ(ろ紙)に対し、所定の口径の孔を介して設定された積算流量の排気ガスを通過させ、これよって、排気ガスに含まれるすす粒子を計測用フィルタにより捕捉する。その後、計測用フィルタに捕捉されたすす粒子の色の濃淡をスモークスケールを用いて等級で判定することによりすす粒子の濃度を計測する方法がある。大気圧での排気ガスにおけるすす粒子の濃度を計測する手法としては、バッハラッハ法（Bacharach）が知られている。

バッハラッハ法では、計測用フィルタが装着された手動ポンプを、燃焼器の下流のガス取出管に接続し、手動ポンプのノブを設定された速度で内蔵されたシリンダのストローク分だけ引くことにより、１回分の規定量の排気ガスを吸い込んで計測用フィルタに通過させ、続いてノブを押すことにより吸い込んだ排気ガスを弁を介して排出した後、再びノブを引くという操作を設定された回数(例えば１０回)繰り返すことにより、設定された積算流量の排気ガスを計測用フィルタに通過させる。

尚、内燃機関の排気中の炭素状微粒子(すす粒子)の直径と濃度を計測する装置を示す先行技術文献としては、特許文献１がある。

特開２００２−０４８７０１号公報

しかし、前記バッハラッハ法のように手動ポンプを用いる方法は、大気圧での排気ガスの計測に用いられており、従って、例えばジェットエンジンの燃焼器のように大気圧よりも高い圧力を有する燃焼器からの排気ガスをそのままの高圧を保持してサンプリングを行い、すす粒子の濃度を計測することはできない。

即ち、高圧の排気ガスを手動ポンプを用いてサンプリングする際には、ノブを引いて規定量の排気ガスを計測用フィルタに通過させた後、ノブを押して吸い込んだ排気ガスを排出するときに、計測用フィルタよりも上流の高圧の排気ガスが計測用フィルタを通り抜けて排出されてしまうために、計測用フィルタを通過する排気ガスの流量を規定量に保持することはできない。従って、設定された積算流量の排気ガスを計測用フィルタに通過させことはできない。又、引いたノブを押し戻す際に、ノブには高圧の排気ガスの圧力が作用しているために、ノブを押すこと自体ができない場合もある。

従って、高圧の排気ガスをサンプリングする方法としては、燃焼器の下流に接続されるガス取出管に減圧弁或いはオリフィス等の減圧手段を設け、この減圧手段によって減圧した排気ガスを用いて手動ポンプによりサンプリングすることが考えられる。

しかし、上記したように、減圧手段で減圧した排気ガスを手動ポンプでサンプリングする方法では、ガス取出管の内面や減圧手段にすす粒子が付着するために、手動ポンプに導かれる排気ガスのすす粒子が実際ものと異なってしまい、排気ガスに含まれるすす粒子を正しく計測用フィルタで捕集することができない。更に、減圧手段で高圧の排気ガスを減圧して手動ポンプに導くようにした場合には、圧力の低下及び温度の低下によって、排気ガス中に含まれる水分が凝縮して凝縮水を生じる問題があり、凝縮水はガス取出管の内面及び減圧弁の内部に付着し、この凝縮水に排気ガスのすす粒子が捕集されてしまうために、排気ガスに含まれるすす粒子を正しく計測用フィルタで捕集することができない。

又、計測用フィルタは水分に弱いために、凝縮水が計測用フィルタに作用した場合には計測用フィルタの強度が著しく低下するという問題がある。

本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、燃焼器からの排気ガスが大気圧よりも高い圧力を有している場合にも、燃焼器からの排気ガスの圧力を保持した状態で、排気ガスに含まれるすす粒子を安定してサンプリングできる排気ガスサンプリング装置を提供することを目的とする。

本発明は、仕切弁を備えた第１のガス流路と、
減圧弁を備えた第２のガス流路と、
燃焼器の排気ガスを取り出すガス取出管からの排気ガスを、第１のガス流路と第２のガス流路に切り換えて導く切換弁と、
切換弁の下流で且つ仕切弁より上流の第１のガス流路と、切換弁の下流で且つ減圧弁より上流の第２のガス流路とを連通し、第１のガス流路から第２のガス流路に向かう順に計測用フィルタと開閉弁を配置したサンプリング流路と、
サンプリング流路の連通箇所より下流で且つ仕切弁より上流の第１のガス流路と、サンプリング流路の連通箇所より下流で且つ減圧弁より上流の第２のガス流路とを連通し、第２のガス流路の排気ガスを第１のガス流路の方向へのみ流すことにより第１のガス流路のガス圧力を第２のガス流路のガス圧力に一致させる逆止弁を配置した圧力調整流路と、
第２のガス流路におけるサンプリング流路の連通箇所と圧力調整流路の連通箇所との間に設けられた粒子除去装置と、
減圧弁の下流に備えられ、サンプリング流路を流れるガス流量が設定流量になるように減圧弁から導かれる排気ガスの流量を調整する流量制御装置と
を備えたことを特徴とする排気ガスサンプリング装置、に係るものである。

上記排気ガスサンプリング装置において、開閉弁に代えて、サンプリング流路の排気ガスを第２のガス流路の方向へのみ流す逆止弁を設けることができる。

又、上記排気ガスサンプリング装置において、少なくとも計測用フィルタよりも上流のサンプリング流路、第１のガス流路及びガス取出管を加熱するヒータを備えることが好ましい。

又、上記排気ガスサンプリング装置において、第１のガス流路と第２のガス流路との間に、サンプリング流路を複数個並列に備えることができる。

又、上記排気ガスサンプリング装置において、減圧弁の下流に、別の切換弁を介してガス分析計を接続することができる。

本発明の排気ガスサンプリング装置によれば、燃焼器からの排気ガスが大気圧よりも高い圧力を有している場合にも、燃焼器からの排気ガスの圧力を保持した状態で、排気ガスに含まれるすす粒子を安定してサンプリングできるという優れた効果を奏し得る。

(ａ)は本発明の排気ガスサンプリング装置の実施例を示すブロック図、(ｂ)は(ａ)の実施例の変形例を示すブロック図である。 図１の排気ガスサンプリング装置において、サンプリング時と非サンプリング時の切り換えを自動で行う実施例を示すブロック図である。 本発明の他の実施例を示すブロック図である。

以下、本発明の実施の形態を図示例と共に説明する。

図１(ａ)は本発明の排気ガスサンプリング装置１００の実施例を示すブロック図であり、排気ガスサンプリング装置１００は、燃焼器１の燃焼により生じる排気ガスを取り出して、排気ガス中に含まれるすす粒子の濃度等を計測する際に用いられる。

燃焼器１には、該燃焼器１の排気ガスを取り出すガス取出管２が設けてあり、該ガス取出管２で取り出した排気ガスは、切換弁３を介して、仕切弁４を備えたサンプリング流路としての第１のガス流路５と、減圧弁６を備えた非サンプリング流路としての第２のガス流路７とに切り換えて導くようにしている。前記切換弁３には三方弁３ａを用いることができるが、切換弁３は燃焼器１からの排気ガスを第１のガス流路５と第２のガス流路７とに切り換えて導くことができればよく、従って、第１のガス流路５と第２のガス流路７の夫々に設けた開閉弁によって切り換えを行うようにしてもよい。

前記切換弁３の下流において、第１のガス流路５と第２のガス流路７に連通し、第１のガス流路５から第２のガス流路７に向かう順に計測用フィルタ８と開閉弁９を配置したサンプリング流路１０を設ける。

前記計測用フィルタ８は、一例としてバッハラッハ法で使用されるろ紙と同一のものであり、この計測用フィルタ８は計測器１１に保持されている。計測器１１は、バッハラッハ法と同一の有効径の通気口を備えて排気ガスを計測用フィルタ８に流通させる構成を有する。前記開閉弁９は、計測用フィルタ８に排気ガスを流すサンプリング時のみに開作動させるものである。この開閉弁９は手動弁であってもよく、又、電動弁であってもよい。

前記サンプリング流路１０の下流には、第１のガス流路５と第２のガス流路７とに連通する圧力調整流路１２を設けている。この圧力調整流路１２には、第２のガス流路７の排気ガスを第１のガス流路５の方向へのみ流す逆止弁１３が設けてあり、この逆止弁１３によって、第１のガス流路５のガス圧力が常に第２のガス流路のガス圧力に一致されるようにしている。

前記減圧弁６の下流には、該減圧弁６によって減圧された排気ガスを導入して流量を調整する流量制御装置１４を設けている。前記計測用フィルタ８には基準の圧力、温度の排気ガスを流すときの設定流量(及びそれによる積算流量)が決められているので、流量制御装置１４は、この設定流量になるように、減圧弁６からの排気ガスの流量を調整して大気に排出するものである。図１では一例としてマスフローコントローラ１４ａを用いた場合を示している。このとき、流量制御装置１４は、減圧弁６で減圧された排気ガスと大気圧とが所定の差圧(例えば０．３ＭＰａ)のときに高い精度で流量調整が行われる。

流量制御装置１４には、流量調整弁と、流量検出器と、圧力計及び温度計と、検出した流量と圧力と温度に基づいて流量調整弁を制御する制御機能とを内蔵したマスフローコントローラ１４ａ等を用いることができる。又、流量制御装置１４は、減圧弁６の下流に体積流量計又は差圧流量計を設けると共に、温度検出器及び圧力検出器を設け、体積流量計又は差圧流量計で測定した流量を、温度検出器による温度と圧力検出器による圧力により補正して流量調整弁を調整するようにしたものであってもよい。

尚、前記第１のガス流路５に設けた仕切弁４は、常時は閉じられており、サンプリング流路１０の計測用フィルタ８に排気ガスを流して排気ガスをサンプリングする作業が終了した後に、開作動させて第１のガス流路５を大気に開放させるものである。

前記第２のガス流路７におけるサンプリング流路１０と圧力調整流路１２との間には、粒子除去装置１５を設けている。この粒子除去装置１５は、高い精度が要求される減圧弁６及び流量制御装置１４に固体粒子が導かれることによって作動の不具合等が生じることを防止するために設けられる。

又、少なくとも計測用フィルタ８よりも上流のサンプリング流路１０、第１のガス流路５及びガス取出管２には、排気ガス中の水分が凝縮する温度以上の温度で加熱するようにしたヒータ１６を設けている。又、上記に加えて、第２のガス流路７にヒータ１６を設けてもよい。

次に、上記実施例の作動を説明する。

図１の排気ガスサンプリング装置１００によるサンプリングが行われない非サンプリング時には、切換弁３は排気ガスを第２のガス流路７に導くように切り換えられており、開閉弁９及び仕切弁４は閉じられている。

燃焼器１の燃焼が開始してガス取出管２から取り出された排気ガスは、切換弁３を介して第２のガス流路７に導かれ、第２のガス流路７に導かれた排気ガスは、粒子除去装置１５により固体粒子が除去された後、減圧弁６により減圧されて流量制御装置１４に導かれる。前記流量制御装置１４の性能が例えば０．３ＭＰａで作動するように決められている場合には、減圧弁６は流量制御装置１４に導く排気ガスと大気との差圧が０．３ＭＰａになるように調整され、その後はこの差圧が維持される。

前記圧力調整流路１２に備えた逆止弁１３は、第２のガス流路７の排気ガスを第１のガス流路５に流す方向にのみ流すので、圧力調整流路１２、第１のガス流路５及びサンプリング流路１０の計測用フィルタ８には、常に第２のガス流路７の排気ガスの圧力と同一の圧力が作用する。

サンプリングを手動で行う場合には、以下のようにして行う。

サンプリング時は、ガス取出管２からの排気ガスを第１のガス流路５に導くように切換弁３を切り換えると同時に、開閉弁９を開作動させて、サンプリングを開始する。このとき、圧力調整流路１２に備えた逆止弁１３は、第２のガス流路７の排気ガスを第１のガス流路５に流して、第１のガス流路５のガス圧力を第２のガス流路７のガス圧力と一致させて均圧しているため、切換弁３により第２のガス流路７から第１のガス流路５に切り換えても、計測用フィルタ８が圧力の変動を受けることはない。仮に前記逆止弁１３を有する圧力調整流路１２を備えていない場合には、切換弁３により第１のガス流路５に排気ガスを導くように切り換えた際に、計測用フィルタ８に燃焼器１からの排気ガスの圧力が急激に作用する問題を生じることになる。

第１のガス流路５に導かれた排気ガスは、流量制御装置１４によって設定された設定流量がサンプリング流路１０に流れることになり、排気ガスに含まれるすす粒子は計測用フィルタ８によって捕捉され、すす粒子が除去された排気ガスは第２のガス流路に流れる。

前記切換弁３を第１のガス流路５に切り換えると同時に開閉弁９を開作動してサンプリングを開始した瞬間から、流量制御装置１４を通過した設定流量(単位流量)と経過時間の積を積算することにより、計測用フィルタ８に流れた排気ガスの積算流量を求める。流量制御装置１４によって設定流量になるように制御している流量は変動することが考えられるので、このように流量が変動する場合には流量の瞬時値を積算することで積算流量を求めることができる。このとき、バッハラッハ法では、例えば１６００ｃｍ^３の排気ガスを計測用フィルタ８に通過させることを規定しているので、この規定の場合には、積算流量が１６００ｃｍ^３に達した時をサンプリングの終了とし、直ちに切換弁３を第２のガス流路７に切り換えると同時に開閉弁９を閉作動させる。これにより、計測用フィルタ８には排気ガスが流れなくなり、サンプリングの作業は終了する。

サンプリングの作業の終了後、仕切弁４を開作動し、第１のガス流路５を大気に開放することにより計測用フィルタ８の上流の圧力を下げる。続いて、計測器１１から計測用フィルタ８を取り出す。そして、計測用フィルタ８に捕捉されたすす粒子の濃度を、スモークスケールに表示された等級と比較することにより判定することで計測する。

図１(ｂ)は、図１(ａ)の実施例の変形例を示したものであり、図１(ａ)のサンプリング流路１０に設けた開閉弁９に代えて、サンプリング流路１０の排気ガスを第２のガス流路７の方向へのみ流す逆止弁２３を設けている。

図１(ｂ)に示すように、サンプリング流路１０の排気ガスを第２のガス流路７の方向へのみ流す逆止弁２３を設けた場合には、切換弁３を第１のガス流路５に切り換えるのみでサンプリングを開始し、切換弁３を第２のガス流路７に切り換えるのみでサンプリングを終了することができるので、切換弁３を切り換えるのみの簡単な操作によりサンプリング時と非サンプリング時を切り換えることができる。

上記操作では、排気ガスサンプリング装置１００によるサンプリング時と非サンプリング時の切り換えを手動で行う場合について説明した。

一方、図２は、サンプリング時と非サンプリング時の切り換えを自動で行う場合の実施例を示したものであり、この実施例では、前記排気ガスサンプリング装置１００に、切り換えを自動で行うための指令制御器１７を設けている。

指令制御器１７には、前記流量制御装置１４で調整される設定流量１８が入力されている。指令制御器１７は、計測用フィルタ８による計測を行わない非サンプリング時には、第２のガス流路７に排気ガスを流すように、電動弁である切換弁３に指令１９ａを発して第２のガス流路７の側に切り換えると共に、電動弁である開閉弁９に指令２０ａを発して開閉弁９を閉作動する。従って、第２のガス流路７に導かれた排気ガスは、粒子除去装置１５、減圧弁６及び流量制御装置１４を通って大気に排出される。指令制御器１７には、計測用フィルタ８に決められた積算流量の設定値Ｔが入力されている。

サンプリング時は、指令制御器１７は、第１のガス流路５に排気ガスを流すように、切換弁３に指令１９ｂを発して第１のガス流路５の側に切り換えると共に、開閉弁９に指令２０ｂを発して開閉弁９を開作動する。これにより、計測用フィルタ８に排気ガスが流れてサンプリングが開始される。そして、指令制御器１７は流量制御装置１４を通過する流量を積算した積算値と設定値Ｔとを比較し、積算流量が設定値Ｔに達すると、指令制御器１７は、再び第２のガス流路７に排気ガスを流すように、切換弁３に指令１９ａを発して第２のガス流路７の側に切り換えると共に、開閉弁９に指令２０ａを発して開閉弁９を閉作動する。これにより、サンプリング流路１０には排気ガスが流れなくなり、サンプリングは終了する。図２のように、指令制御器１７を備えてサンプリング時と非サンプリング時の切り換えを自動で行うようにすると、高圧のために作業員が近づけないような燃焼器１においても排気ガスのサンプリングを安全に行うことができる。

図２に示すように、指令制御器１７を備えてサンプリング時と非サンプリング時の切り換えを自動で行う場合においても、図１(ｂ)に示したように、開閉弁９に代えて、サンプリング流路１０の排気ガスを第２のガス流路７の方向へのみ流す逆止弁２３を設けることができる。すると、切換弁３を第１のガス流路５に切り換えることでサンプリングが開始され、切換弁３を第２のガス流路７に切り換えることでサンプリングが終了されるので、切換弁３に指令するのみで、サンプリング時と非サンプリング時の切り換えを容易に行うことができる。

図３は、本発明の更に他の実施例を示すもので、図３では、第１のガス流路５と第２のガス流路７との間に、図１に示した計測用フィルタ８と開閉弁９を配置したサンプリング流路１０を複数個並列に備えた場合を示している。尚、図１では２つのサンプリング流路１０を並列に備えた場合を示しているが、３つ以上のサンプリング流路１０を並列に備えてもよい。

又、図３では、減圧弁６の下流に、別の切換弁２１を介してガス分析計２２を接続した場合を示している。ガス分析計２２としては、ＮＯ_Ｘ、ＳＯ_Ｘ等の種々の成分を分析できるものを設けることができる。前記ガス分析計２２を設ける構成は、図１に示した実施例にも適用することができる。

上記した本発明の排気ガスサンプリング装置１００では、燃焼器１の排気ガスを取り出すガス取出管２からの排気ガスを、切換弁３を介して第１のガス流路５と第２のガス流路７に切り換えて導くようにし、切換弁３の下流で第１のガス流路５と第２のガス流路７に連通され、第１のガス流路５から第２のガス流路７に向かう順に計測用フィルタ８と開閉弁９を配置したサンプリング流路１０を設けている。更に、サンプリング流路１０の下流で第１のガス流路５と第２のガス流路７に連通され、第２のガス流路７の排気ガスを第１のガス流路５の方向へのみ流して第１のガス流路５のガス圧力が常に第２のガス流路のガス圧力に一致されるようにした逆止弁１３を配置した圧力調整流路１２を設けている。更に、減圧弁６の下流に備えられ、サンプリング流路１０を流れるガス流量が設定流量になるように減圧弁６からの排気ガスの流量を調整して排出する流量制御装置１４を設けている。従って、計測用フィルタ８には常に燃焼器１からの排気ガスの圧力が作用するので、燃焼器１からの排気ガスが大気圧よりも高い圧力を有している場合でも、燃焼器１からの排気ガスの圧力を保持した状態で、計測用フィルタ８により排気ガスを安定してサンプリングすることができる。

従って、従来、減圧弁により減圧した排気ガスを計測用フィルタに導いてサンプリングする場合に生じていた凝縮水によって正しいすす粒子の濃度が計測できないという問題を防止でき、更に、凝縮水によって計測用フィルタ８の強度が著しく低下するという問題を防止できるので、サンプリングを行った計測用フィルタ８を用いて行うすす粒子の濃度の計測を安定して正確に行えるようになる。

開閉弁９に代えて、サンプリング流路１０の排気ガスを第２のガス流路７の方向へのみ流す逆止弁２３を設けると、サンプリング時と非サンプリング時との切り換えを、切換弁３の切り換え操作のみにて行えるので、サンプリング操作が容易になる。

第２のガス流路７におけるサンプリング流路１０と圧力調整流路１２との間に、粒子除去装置１５を備えると、高い精度が要求される減圧弁６及び流量制御装置１４に固体粒子が導かれる問題を防止することができる。

少なくとも計測用フィルタ８よりも上流のサンプリング流路１０、第１のガス流路５及びガス取出管２と、第２のガス流路７とを加熱するヒータ１６を備えると、排気ガスサンプリング装置１００の内部に凝縮水が生じる問題を未然に防止することができる。

第１のガス流路５と第２のガス流路７との間に、サンプリング流路１０を複数個並列に備えると、燃焼器１の燃料量等の燃焼条件を変更した際に、排気ガスを流すサンプリング流路１０を順次切り換えることにより、複数の燃焼条件でのサンプリングを容易に行うことができる。

減圧弁６の下流に、別の切換弁２１を介してガス分析計２２を接続すると、計測用フィルタ８によるすす粒子の濃度計測のためのサンプリングと同時に、ガス分析計２２によるＮＯ_Ｘ、ＳＯ_Ｘ等の種々の成分の分析を行うことができる。

尚、本発明の排気ガスサンプリング装置は、上述の実施例にのみ限定されるものではなく、ジェットエンジン以外の大気圧よりも高い圧力の排気ガスを排出する種々の燃焼器からの排気ガスのサンプリングにも適用できること、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

１ 燃焼器
２ ガス取出管
３ 切換弁
４ 仕切弁
５ 第１のガス流路
６ 減圧弁
７ 第２のガス流路
８ 計測用フィルタ
９ 開閉弁
１０ サンプリング流路
１２ 圧力調整流路
１３ 逆止弁
１４ 流量制御装置
１５ 粒子除去装置
１６ ヒータ
１８ 設定流量
２１ 別の切換弁
２２ ガス分析計
２３ 逆止弁
Ｔ 積算流量の設定値

Claims (5)

1. 仕切弁を備えた第１のガス流路と、
   減圧弁を備えた第２のガス流路と、
   燃焼器の排気ガスを取り出すガス取出管からの排気ガスを、第１のガス流路と第２のガス流路に切り換えて導く切換弁と、
   切換弁の下流で且つ仕切弁より上流の第１のガス流路と、切換弁の下流で且つ減圧弁より上流の第２のガス流路とを連通し、第１のガス流路から第２のガス流路に向かう順に計測用フィルタと開閉弁を配置したサンプリング流路と、
   サンプリング流路の連通箇所より下流で且つ仕切弁より上流の第１のガス流路と、サンプリング流路の連通箇所より下流で且つ減圧弁より上流の第２のガス流路とを連通し、第２のガス流路の排気ガスを第１のガス流路の方向へのみ流すことにより第１のガス流路のガス圧力を第２のガス流路のガス圧力に一致させる逆止弁を配置した圧力調整流路と、
   第２のガス流路におけるサンプリング流路の連通箇所と圧力調整流路の連通箇所との間に設けられた粒子除去装置と、
   減圧弁の下流に備えられ、サンプリング流路を流れるガス流量が設定流量になるように減圧弁から導かれる排気ガスの流量を調整する流量制御装置と
   を備えたことを特徴とする排気ガスサンプリング装置。
2. 開閉弁に代えて、サンプリング流路の排気ガスを第２のガス流路の方向へのみ流す逆止弁を設けたことを特徴とする請求項１に記載の排気ガスサンプリング装置。
3. 少なくとも計測用フィルタよりも上流のサンプリング流路、第１のガス流路及びガス取出管を加熱するヒータを備えたこと特徴とする請求項１又は２に記載の排気ガスサンプリング装置。
4. 第１のガス流路と第２のガス流路との間に、サンプリング流路を複数個並列に備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の排気ガスサンプリング装置。
5. 減圧弁の下流に、別の切換弁を介してガス分析計を接続したことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の排気ガスサンプリング装置。

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