JP7216192B2 - ガスアナライザを線形化または校正するためのガス混合装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガスアナライザを線形化または校正するためのガス混合装置であって、第１のガス用の第１のガス流入管路と、第２のガス用の第２のガス流入管路と、流れ方向に見て相前後して配置された少なくとも２つの流入開口を備えた混合通路と、少なくとも１つの入口および１つの出口を備えた少なくとも２つの弁と、を有し、これらの弁を介して、ガス流入管路のうちの少なくとも１つのガス流入管路と混合通路との間の、流入開口を介した流体接続が開放可能または遮断可能である、ガス混合装置に関する。

ガスディバイダとも呼ばれるこの種のガス混合装置は、高精度の機器であり、この機器によって、正確に規定された希釈度の校正用ガスを生成することができ、次いで、この校正用ガスを、校正、検査または線形化のために、分析機器に提供することができる。

この機器は、特に自動車の排ガス分析技術の分野から知られている。この分野では、正確に規定された希釈ガスの供給が不可欠である。さもないと、一部では極めて低い濃度に基づき、測定の際に高い百分率誤差が生じてしまうからである。

この種のガス混合装置は、例えば西独国特許出願公開第３０００９４９号明細書から公知である。同明細書には、校正用ガス混合物を生成するための装置が記載され、２つのガス流入通路を有する混合ブロックが開示されており、両ガス流入通路は、円筒形の混合通路の両側に配置されている。第１の通路を校正ガスが通流し、他方の通路をゼロガスもしくはキャリアガスが通流する。流入通路のうちのそれぞれ一方の流入通路と混合通路との間の接続箇所は、弁によって遮断することができるかまたは開放することができるようになっている。排ガス成分の測定にとって不可欠である十分に正確な混合物は、この装置では得られない。

この正確な混合物を実現するためには、個々の混合段階において臨界ノズルが使用されることが多く、規定の入口圧に達すると、常に一定の体積流量がこの臨界ノズルを通流する。この体積流量は、臨界ノズルの最小の開口横断面および温度にのみ依存する。

相応して、欧州特許第０６９０９８５号明細書では、４つの３ポート２位置弁が互いに並列接続されたガス混合装置が提案される。３ポート２位置弁はそれぞれ、２つの入口と１つの出口とを有しており、この出口に臨界ノズルが配置されている。ノズルの最小の自由横断面は、それぞれ次のノズルに対して２：１の比になるように構成されている。したがって、校正用ガスとゼロガスとの１６通りの異なる混合比を高い精度で生ぜしめることができる。

しかし、公知のガス混合装置で問題となるのは、規定された希釈度の校正用ガスを用いて測定を実施した後のフラッシング時間が極めて長いことである。なぜなら、混合通路の横断面は、生じ得る最大の体積流量に合わせて設定されなければならないからである。さもないと、相応する体積流量が生じた際に、混合通路内の圧力降下が過度に大きくなってしまう。混合通路横断面を部分流量に適応させることがすでに、許容できないほど大きな圧力損失を招く。

しかし、これによって、まだ完全な体積流量ではなく部分流量のみが存在している混合通路の始端部において、低い流速しか生じないことになり、これによって、特に上流側の領域の完全なフラッシングに長い時間がかかってしまう。確かに、部分流量に混合通路横断面を相応に適応させれば、フラッシング時間は減じられるかもしれないが、しかし、下流側の領域における許容できないほど大きな圧力損失が生じてしまう。

したがって、小さな圧力損失を維持したままフラッシング時間を大幅に短縮することができ、これによって、全校正時間を低減することができる、ガスアナライザを線形化または校正するためのガス混合装置を提供するという課題が設定される。

この課題は、請求項１記載の特徴を有する、ガスアナライザを線形化または校正するためのガス混合装置によって解決される。

上流側の第１の流入開口のところの混合通路の流れ横断面が、下流側の第２の流入開口のところよりも小さいことによって、横断面が、その箇所に存在する体積流量に適合させられる。したがって、体積流量も小さい上流側の領域における相対的に小さな横断面によって、混合通路内でより高い速度が得られ、この高い速度によって、浄時間が大幅に低減される。

有利な実施形態では、混合通路の流れ横断面は、流れ方向に見て、流入開口の間でなだらかに拡張される。これによって、急激な横断面変化による圧力損失が確実に回避される。

好ましくは、混合通路を画定する壁が、なだらかに延在するように形成されており、これによって、通流される長さ全体にわたって圧力損失が低減され、混合通路の均一な通流が達成される。

本発明の有利な構成では、混合通路の相前後する２つの流入開口の間の圧力損失は、下流側で相前後する２つの流入開口の間の圧力損失に等しい。これは、混合通路全体にわたっていずれの区間でも一定の圧力損失が生じ、これによって、不変の測定条件が存在していて、混合通路の全長にわたって均一な混合通路のフラッシングが行われることを意味する。

別の好ましい実施形態では、混合通路の流れ横断面は、混合通路に設けられた複数の流入開口のうちの１つの流入開口のすぐ下流側の流速が、流れ方向に見て次の流入開口のすぐ下流側の流速に等しくなるように、拡張される。すなわち、混合通路の横断面は、例えば流入開口のすぐ上流側または下流側で一定の流速が生じるように設計される。体積流量が増大するにつれて、相応して等しい比率で混合通路の横断面も拡大される。

好ましくは、ガス混合装置は、並列接続された複数の３ポート２位置弁を有し、これらの３ポート２位置弁は、流れ方向に見て相前後して配置されている。複数の３ポート２位置弁の各々が、２つの入口と１つの出口とを有し、３ポート２位置弁の第１の切換位置では、第１のガス流入管路と混合通路との間に流体接続が形成されており、３ポート２位置弁の第２の切換位置では、第２のガス流入管路と混合通路との間に流体接続が形成されている。したがって、両方のガス流出管路が同一の弁によって制御されることによって、常に２種のガスのうちの一方のガスが流入開口を介して混合通路に流入する。これらのガスは一般に、ゼロガスもしくはキャリアガスおよび既知の濃度の校正用ガスである。流入開口のいずれも同様にこの種の弁によって制御される。弁は、好ましくは連続通電式の弁として作製されており、これによって、要求される横断面構成による一定の圧力状況のほか、熱平衡を生ぜしめることもできる。

さらに、各々の弁の出口と混合通路への流入開口との間の接続通路内に臨界ノズル（kritisch betrieben. Duese）が配置されていると有利である。これによって、高い精度をもって一定の体積流量を調整することができる。なぜならば、規定の入口圧以降、常に等しい体積流量がノズルを通って混合通路内に流入し、この体積流量は、常にノズルの最小の横断面および温度にのみ依存するからである。

相応して発展的な構成では、臨界ノズルは、弁の下流側に、それぞれ異なる最小の横断面を有して形成されており、上流側の各々のノズルの最小の横断面に基づき最大限達成可能な体積流量は、下流側の次のノズルの最小の横断面に基づき最大限達成可能な体積流量の２倍に相当する。これによって、それぞれ上流側に位置するノズルの最小の横断面は、下流側に位置する次のノズルの横断面の２倍に相当する。この構成によって、それぞれ異なる明確に規定された多数の混合比を作り出すことができ、これによって、線形化または校正のための多数のサンプリング点が提供される。これによって、後のガスアナライザの運転において、極めて正確な測定結果が得られる。付加的には、これによって、混合通路内に一定の流速を生じさせるための横断面の設計も容易となる。

好ましくは、ガス混合装置は流れブロックを有し、この流れブロック内に両ガス流入管路と混合通路とが形成されており、流れブロックの両側で、複数の弁が、該弁に接続されたノズルとともに流れブロックに取り付けられている。ブロック状の構造と、両側に配置された弁とによって、ブロックの熱安定性が高まり、多数回の組付け工程が不要になる。両方の終端位置で通電される３ポート２位置電磁弁を使用すれば、昇温時間後、ブロック全体に不変の温度ひいては熱的に安定した状態を得ることさえ可能となる。

有利には、ガス流入管路は、流れブロック内で混合通路の両側に互いに平行に配置されており、ノズルを有する接続通路は、流れブロック内で互いに平行に配置されている。これによって、極めてコンパクトで容易に組付け可能かつ容易に作製可能なユニットが得られる。

好ましくは、相前後する流入開口は、混合通路の中心軸線に関して半径方向で反対側に位置するように混合通路に配置されている。これによって、２種のガスのより良好かつ迅速な混合が混合通路内で行われる。付加的には、これによって、弁を互いにより短い軸線方向間隔で配置することができ、このことも、必要な構成スペースの低減および混合通路の短縮をもたらす。

したがって、フラッシング時間ひいては全校正時間も短縮することができる、ガスアナライザを線形化または校正するためのガス混合装置が提供される。さらに、ガス混合装置は簡単に組み付けることができるとともに作製することができ、必要となる構成スペースはわずかである。さらに、一定の圧力状況が生ぜしめられ、これによって、線形化または校正の際の測定結果が改善される。

本発明に係るガス混合装置の非制限的な実施例を図面に示し、以下に、図面に基づき説明する。

ガスアナライザを線形化または校正するための本発明に係るガス混合装置のフローチャートである。 本発明に係る代替的なガス混合装置を示す三次元の斜視図である。 図２に示した本発明に係るガス混合装置の一部分を示す三次元の斜視図である。 ガス混合装置の３ポート２位置弁の通流される部分の断面図を備えた、図２に示した本発明に係るガス混合装置の一部分を示す三次元の斜視図である。 図２および図３に示した本発明に係るガス混合装置の流れブロックの縦断面図である。

図１に示すガス混合装置は、校正用ガス供給管路として用いられる第１のガス流入管路１０と、ゼロガス供給管路として用いられる第２のガス流入管路１２とから成る。ガス流入管路１０，１２内には、それぞれ１つの調整弁１４，１６が配置されていて、ガス流入管路１０，１２内の規定されたガス流を調整する。このためには、調整弁１４，１６のそれぞれ下流側で、ガス流入管路１０，１２内に圧力センサ１８，２０が配置されている。この圧力センサ１８，２０を介してガス流入管路１０，１２内の圧力が測定されて制御ユニットに提供され、この制御ユニットを介して調整弁１４，１６へのフィードバックが行われることによって、ガス流入管路１０，１２内の圧力を、規定された値に調整することができる。

ガス流入管路１０およびガス流入管路１２から、それぞれ４つのガス供給管路２２，２４が分岐しており、ガス供給管路２２，２４はそれぞれ、３ポート２位置弁として形成されている弁２６に通じている。４つの３ポート２位置弁２６の各々が２つの入口２８，３０を有し、そのうちのそれぞれ第１の入口２８はガス供給管路２２のうちの１つのガス供給管路２２を介して第１のガス流入管路１０に流体接続しており、それぞれ第２の入口３０はガス供給管路２４のうちの１つのガス供給管路２４を介して第２のガス流入管路１２に流体接続している。これらの３ポート２位置弁２６の各々は１つの出口３２を有する。各３ポート２位置弁２６に設けられたシールダイヤフラム３４の位置に応じて、ゼロガス流または校正用ガス流が、各々の入口２８，３０から出口３２を通り、臨界ノズル３６，３８，４０，４２を介して接続通路４４に流入する。

臨界ノズル３６，３８，４０，４２は、それぞれ１つの接続通路４４内に配置され、それぞれ異なる最小の横断面を有しており、これらの最小の横断面は、それぞれ約１：２の比で、すなわち、ここで設けられている４つのノズルの場合、約１：２：４：８の比で段階付けられている。一段階大きいノズル３６；３８；４０は、それぞれ、より小さい後続のノズル３８；４０；４２の上流側に位置している。圧力センサ１８，２０とともに調整弁１４，１６によって確定されるようになっている規定の入口圧に達すると、これらのノズル３６，３８，４０，４２を常に同じ体積流量が通流し、この体積流量は、各々の臨界ノズル３６，３８，４０，４２の最小の開口横断面および現存する温度にのみ依存するので、こうして、キャリアガスの明確に規定された体積流量と、校正用ガスの明確に規定された体積流量とが、正確に１：２の比で、ノズル３６，３８，４０，４２の下流側の異なる接続通路４４において生ぜしめられる。こうして相応に、３ポート２位置弁の位置を適宜変更することによって、２つの混合前の純ガス流の間の１４通りの規定された異なる混合比を生ぜしめることが可能となる。

このために、４つの接続通路４４は相前後して１つの混合通路４６に開口しており、一方、混合通路４６は、この４つの開口部の下流側で、ガス流出管路４８に開口している。このガス流出管路４８内にも同様に圧力センサ５０および調整弁５２が配置されている。ガス流出管路４８は、調整弁５２を介してガスアナライザ５４に流体接続可能である。こうして、ガスアナライザ５４に、線形化または校正のためのそれぞれ異なる混合比を提供することができ、これらの混合比の評価結果は、ガスアナライザ５４による後の排ガス分析のためのサンプリング点として用いられる。

図２～図４に、このガス混合コンセプトを実現するための好ましい実施形態を示す。この実施形態では、第１のガス流入管路１０と、少なくとも部分的に第２のガス流入管路１２と、ガス供給管路２２，２４と、接続通路４４と、混合通路４６とが、１つの流れブロック５６内に形成されている。流れブロック５６の両側に、ねじ５８によって３ポート２位置弁２６が取り付けられている。３ポート２位置弁２６は、混合通路４６の軸線方向に見て、流れブロック５６の両側に互い違いに取り付けられている。

図４および図５に、流れブロック５６内で、混合通路４６が、両ガス流入管路１０，１２の間にかつこれらに平行に方向づけられて配置されていることが認められる。ガス供給管路２２，２４ならびに接続通路４４は、９０°の角度でガス流入管路１０，１２および混合通路４６から分岐し、同様に互いに平行に方向づけられている。ガス供給管路２２，２４ならびに接続通路４４は、平形シール部材６４内で延長されており、平形シール部材６４は、肉薄のプレート６５に接触している。この肉薄のプレート６５に臨界ノズル３６，３８，４０，４２が形成されており、一方で、肉薄のプレート６５の反対側の面は、弁座体６６に隣接している。弁座体６６は２つの弁座６９，７０を有し、これら２つの弁座６９，７０は、ガス供給管路２２，２４を弁座の領域で取り囲んでいる。２つの弁座６９，７０上に、シーソー構造のシールダイヤフラム３４が当接できるようになっており、シールダイヤフラム３４はその位置によって、第１の弁座６９に当て付けられるかまたは第２の弁座７０に当て付けられるようになっている。したがって、シールダイヤフラム３４は、３ポート２位置弁２６において校正用ガス流を遮断するか、またはキャリアガス流もしくはゼロガス流を遮断する、つまり、その都度、他方のガスを接続通路４４へと開放する。弁座体６６には、シールダイヤフラム３４を操作するための電磁アクチュエータ６８が取り付けられている。弁座体６６は、平形シール部材６４に加えて、ガス供給管路２２，２４を取り囲む３つのＯリング７１を介して外部に対して密封されており、３つのＯリング７１はウェブを介して互いに接続されている。取り付けのためのねじ５８は相応に、平形シール部材６４と、弁座体６６と、電磁アクチュエータ６８のフランジ区分とを貫通して、流れブロック５６に締結されている。

図５に、両ガス流入管路１０，１２の１つおきのガス供給管路２２，２４と、中央の混合通路４６への流入開口７２，７４，７６，７８，８０とが認められる。流入開口７２，７４，７６，７８，８０を介して、接続通路４４が混合通路４６に開口している。混合通路４６の流れ横断面もしくは直径は、本発明によれば、混合通路４６の第１のノズル３６もしくは最大の第１の流入開口７２から、下流側の第２の流入開口７４に向かって増大する。流れ方向に見た流れ横断面の拡張は、すべての流入開口７２，７４，７６，７８，８０の間で行われている。

この拡張はなだらかに行われているので、混合通路４６を画定する壁８２もなだらかに延在するように形成されている。混合通路４６のこの拡張の設計は、相前後する各２つの流入開口の間の圧力損失を均一に保つことを目指している。このことは、混合通路４６内の流速が、流入開口７２，７４，７６，７８，８０のそれぞれすぐ下流またはすぐ上流で等しくなるように、すなわち、横断面が、ノズル３６，３８，４０，４２を介してそれぞれ流れる体積流量に適合させられるように、混合通路４６の流れ横断面が拡張されることによって達成される。相応して、混合通路４６の横断面の増大する割合は、流れ方向に見て徐々に減じられる。なぜならば、混合通路４６の流れ方向に見て減じられていくノズル横断面に相応して、それぞれ供給される体積流量が半減していくからである。ただし、横断面のなだらかな増大が選択される。これは、増大させられた圧力損失を招いてしまう急激な横断面変化およびそれに伴う渦流発生を回避するためである。

さらに、指摘しておくと、図５に示す断面図には、１つおきの流入開口７２，７４，７６，７８，８０しか認めることができないが、選択された流速を得るためには、視認可能な個々の流入開口７２，７４，７６，７８，８０から、その次の図５には認められない流入開口、すなわち、混合通路４６の中心軸線に関して半径方向で反対側に位置する流入開口に向けて、混合通路４６の拡張が相応に実施されなければならない。

混合通路のこの構成により、校正測定間のフラッシング時間を大幅に低減することができる。なぜならば、混合通路の始端部における流速が、低減された横断面積によって、公知の構成に比べて大幅に高められ、したがって、事前に混合通路内に存在している校正用ガスが、公知の構成の場合よりも迅速にガス流出管路に到達するからである。公知の構成では、混合通路の横断面は、運転中に過度に大きな圧力損失を回避するために、混合通路の終端部における体積流量に合わせて設計されていた。フラッシング時間の低減により、線形化中または校正中の校正用ガスの滞留時間ひいては測定時間も、またその結果、全校正時間も短縮される。さらに、線形化または校正の際に、ほぼ一定の圧力状況が生じ、この一定の圧力状況によって、線形化または校正における測定結果が改善される。さらに、本発明に係るガス混合装置は、極めてコンパクトで頑丈であり、容易に組み付けられる。

本願の主請求項の保護範囲が、記載した実施例に限定されないことは明らかであろう。特に、実施構成によっては、混合通路の均等な拡張を選択せず、その代わりに流入開口の領域における、なだらかではあるがより急速に増大する通路拡張を想定することができる。別の弁を使用することも、または流れブロックの代わりに複数の個別の通路を組み付けることもできる。保護範囲内でのこのほかの変更が同様に可能である。

Claims (9)

1. ガスアナライザを線形化または校正するためのガス混合装置であって、
   第１のガス用の第１のガス流入管路（１０）と、
   第２のガス用の第２のガス流入管路（１２）と、
   流れ方向に見て相前後して配置された少なくとも２つの流入開口（７２，７４，７６，７８，８０）を備えた混合通路（４６）と、
   少なくとも１つの入口（２８；３０）および１つの出口（３２）を備えた少なくとも２つの弁（２６）と、
   を有し、
   前記弁（２６）を介して、前記ガス流入管路（１０，１２）のうちの少なくとも１つのガス流入管路と前記混合通路（４６）との間の、前記流入開口（７２，７４，７６，７８，８０）を介した流体接続が開放可能または遮断可能である、ガス混合装置において、
   上流側の第１の流入開口（７２；７４；７６；７８）のところの前記混合通路（４６）の流れ横断面が、下流側の第２の流入開口（７４；７６；７８；８０）のところよりも小さく、相前後する２つの前記流入開口（７２，７４，７６，７８，８０）の間の圧力損失は、下流側で相前後する２つの前記流入開口（７２，７４，７６，７８，８０）の間の圧力損失に等しく、
   前記流れ横断面は、複数の前記流入開口を介して流れる体積流量に適合され、これにより、前記混合通路（４６）の前記流れ横断面は、前記混合通路に設けられた複数の前記流入開口（７２，７４，７６，７８）のうちの１つの流入開口のすぐ下流側の流速が、流れ方向に見て次の前記流入開口（７４，７６，７８，８０）のすぐ下流側の流速に等しくなるように、拡張される
   ことを特徴とする、ガスアナライザを線形化または校正するためのガス混合装置。
2. 前記混合通路（４６）の前記流れ横断面は、流れ方向に見て、前記流入開口（７２，７４，７６，７８，８０）の間でなだらかに拡張されることを特徴とする、請求項１記載の、ガスアナライザを線形化または校正するためのガス混合装置。
3. 前記混合通路（４６）を画定する壁（８２）が、なだらかに延在するように形成されていることを特徴とする、請求項１記載の、ガスアナライザを線形化または校正するためのガス混合装置。
4. 前記ガス混合装置は、３ポート２位置弁として形成されて並列接続された複数の弁（２６）を有し、該弁（２６）は、流れ方向に見て相前後して配置されており、前記弁（２６）の各々が、２つの入口（２８，３０）と１つの出口（３２）とを有し、前記弁（２６）の第１の切換位置では、前記第１のガス流入管路（１０）と前記混合通路（４６）との間に流体接続が形成されており、前記弁（２６）の第２の切換位置では、前記第２のガス流入管路（１２）と前記混合通路（４６）との間に流体接続が形成されていることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項記載の、ガスアナライザを線形化または校正するためのガス混合装置。
5. 各々の前記弁（２６）の前記出口（３２）と前記混合通路（４６）への前記流入開口（７２，７４，７６，７８，８０）との間の接続通路（４４）内に臨界ノズル（３６，３８，４０，４２）が配置されていることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項記載の、ガスアナライザを線形化または校正するためのガス混合装置。
6. 前記臨界ノズル（３６，３８，４０，４２）は、前記弁（２６）の下流側に、それぞれ異なる最小の横断面を有して形成されており、上流側の各々の前記ノズル（３６，３８，４０）の前記最小の横断面に基づき最大限達成可能な体積流量は、下流側の次の前記ノズル（３８，４０，４２）の前記最小の横断面に基づき最大限達成可能な体積流量の２倍に相当することを特徴とする、請求項５記載の、ガスアナライザを線形化または校正するためのガス混合装置。
7. 前記ガス流入管路（１０，１２）は、前記流れブロック（５６）内で前記混合通路（４６）の両側に互いに平行に配置されており、前記ノズル（３６，３８，４０，４２）を有する前記接続通路（４４）は、前記流れブロック（５６）内で互いに平行に配置されていることを特徴とする、請求項５または６記載の、ガスアナライザを線形化または校正するためのガス混合装置。
8. 前記ガス混合装置は流れブロック（５６）を有し、該流れブロック（５６）内に両前記ガス流入管路（１０，１２）と前記混合通路（４６）とが形成されており、前記流れブロック（５６）の両側で、複数の前記弁（２６）が、該弁に接続された前記ノズル（３６，３８，４０，４２）とともに前記流れブロック（５６）に取り付けられていることを特徴とする、請求項４から７までのいずれか１項記載の、ガスアナライザを線形化または校正するためのガス混合装置。
9. 相前後する前記流入開口（７２，７４，７６，７８，８０）は、前記混合通路（４６）の中心軸線に対して反対側に位置するように前記混合通路（４６）に配置されていることを特徴とする、請求項１から８までのいずれか１項記載の、ガスアナライザを線形化または校正するためのガス混合装置。

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