JPH0949788A - ガス濃度計測用プローブ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】高温ガスなどの分析対象ガスの流路内における
化学反応を抑制し、分析計の計測精度を高めることがで
きるガス濃度計測用プローブを提供する。 【解決手段】プローブは、ガスを分析計へ導く流路１を
有するサンプリング管２と、このサンプリング管２の半
径方向外側を間隙部を介して覆い、その間隙部に水など
の冷却液（冷却媒体）を通流可能に封入するプローブ外
管３と、これら両管２、３の間隙部に冷却液通流用の冷
却水路（入）４及び（出）５を隔てる管状の冷却媒体分
流壁６とを備える。サンプリング管２の内壁面に、ガス
の凝縮液を浸透可能なウィック７を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、ガス濃度計測用
プローブに係り、特に燃焼器の燃焼ガス等の高温ガスを
計測対象としたガス濃度計測用プローブに関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、燃焼により生成する汚染物質の
排出量を求めたり、燃焼機構を調べたりするためには、
排出ガスや燃焼ガス中に含まれる化学種のガス濃度測定
が必要とされている。

【０００３】このようなガス濃度測定法としては、ガス
をサンプリング（採取）してから濃度を分析する方法
と、直接分光学的に濃度測定する方法とが知られている
が、後者の方法では測定装置の構造が複雑で比較的高価
なものとなって、しかも熟練操作を要することから、通
常、前者の方法が採用されている。特に、高温ガス中の
組成測定に関しては、測定対象の高温ガス中に管状のガ
ス濃度計測用プローブ（「サンプリングプローブ」）
（以下、単に「プローブ」と呼ぶ）の先端部を挿入し、
その挿入状態でポンプを作動させて吸引しながらガスを
サンプリングし、これを分析計でガス濃度を計測する方
法が用いられている。このように高温ガスなどのガスを
サンプリングするためのプローブの一例を図７に示す。

【０００４】図７に示すプローブは、サンプリングした
ガスを分析計（図示しない）へ導く流路１００を有する
サンプリング管１０１と、このサンプリング管１０１の
先端部を高温域（高温ガス中）に挿入しても焼損しない
ように水などの冷却液（冷却媒体）をサンプリング管１
０１の外壁に沿って流通可能に封入するプローブ外管１
０２と、このプローブ外管１０２及びサンプリング管１
０１間に配設される冷却媒体分流壁１０３とを備える。
冷却媒体分流壁１０３は、冷却液の流入側（内壁側）及
び流出側（外壁側）の冷却水路１０４、１０５を隔てる
ものである。

【０００５】ここで、冷却液は、流入側の冷却水路１０
４に沿ってサンプリング管１０１の外壁側を冷却しなが
らプローブ先端部に向けて流れ込み、その先端部で冷却
媒体分流壁１０３の内側から外側に向けて反転し、流出
側の冷却水路１０５に沿ってプローブ外管１０２の内壁
側を冷却しながら外部に排出される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来のプローブにあっては、高温中のサンプリング過
程に起因してサンプリング管内でガス反応が進行しやす
いだけでなく、サンプリング管壁の触媒作用によりガス
中の化学種が消失し又は別の化学種が新たに生成したり
することがあった。従って、分析計によるガス濃度計測
値がサンプリング地点における本来のガス濃度とは異な
ってしまい、このような精度誤差により上述した燃焼ガ
ス中の汚染物質の排出量や燃焼機構などを正確に評価で
きないといった問題があった。

【０００７】例えば、図８は、ＣＯ／空気撹拌燃焼器で
調整したガスを当量比０．４６、圧力０．０６７ＭＰａ
の条件で濃度計測したときのプローブ内における各成分
の濃度変化を解析した結果を説明するものである。この
解析結果から、図８に示すように、各成分の中で特に環
境汚染物質であるＣＯ、ＮＯの濃度変化が大きいことが
確認された。

【０００８】また、サンプリング管のプローブ壁の種類
によっては、高温中で触媒作用をもたらすものがあるた
め、使用材料としては触媒作用の小さい石英が望ましい
とされているが、この石英では機械的強度が弱いといっ
た問題があった。

【０００９】この発明は、このような従来の問題を改善
するもので、高温ガスなどの分析対象ガスの流路内にお
ける化学反応を抑制し、分析計の計測精度を高めること
ができるガス濃度計測用プローブを提供することを、目
的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記目的を
達成するために鋭意研究を重ねる中で、比較的簡単な構
造でサンプリングガスを冷却し、これにより生ずる凝縮
液をサンプリング管の内壁面に均一に付着させてガスと
管壁との接触を避けることにより、プローブ内のガス濃
度変化を抑制できることを見出した。即ち、この発明
は、ガスと管壁との接触防止用としてウィックをサンプ
リング管の内壁を均一に覆う点と、ガス反応の進行抑制
用としてサンプリング管内の先端部にフィン、海綿状金
属などの冷却促進体を設ける点とを要旨とする。

【００１１】請求項１記載の発明に係るガス濃度計測用
プローブは、分析計の濃度測定対象のガスが通流可能な
管状の流路壁と、この流路壁の外壁側に冷却媒体とを備
え、その冷却媒体により上記流路壁を冷却するように形
成した構成とし、上記流路壁の内壁側に上記ガスの凝縮
液が浸透可能なウィック体を設けている。

【００１２】請求項２記載の発明では、前記流路壁に前
記冷却媒体が通流可能な穴を穿孔している。

【００１３】請求項３記載の発明では、分析計の濃度測
定対象のガスが通流可能な管状の流路壁と、この流路壁
の外壁側に冷却媒体とを備え、その冷却媒体により上記
流路壁を冷却するように形成した構成とし、上記流路壁
の内壁側に上記ガスの冷却を促進可能な冷却促進体を設
けている。

【００１４】請求項４記載の発明では、分析計の濃度測
定対象のガスが通流可能な管状の流路壁と、この流路壁
の外壁側に冷却媒体とを備え、その冷却媒体により上記
流路壁を冷却するように形成した構成とし、上記ガスの
凝縮液が浸透可能なウィック体と、上記ガスの冷却を促
進可能な冷却促進体とを上記流路壁の内壁側に設けてい
る。

【００１５】請求項５記載の発明では、前記流路壁に前
記冷却媒体が通流可能な穴を穿孔している。

【００１６】

【発明の実施の形態】

（第１実施形態）以下、この発明の第１実施形態を図１
に基づき説明する。

【００１７】図１（ａ）及び（ｂ）に示すプローブは、
ガスを分析計（図示しない）へ導く流路１を有するサン
プリング管２と、このサンプリング管２よりも大きい半
径を有し、その半径方向外側を間隙部を介して覆うと共
に、その間隙部に水などの冷却液（冷却媒体）を通流可
能に封入するプローブ外管３と、これら両管２、３の間
隙部に冷却液通流用の冷却水路（入）４及び（出）５を
隔てる管状の冷却媒体分流壁６とを備える。ここで、冷
却液は、サンプリング管７の外壁と冷却媒体分流壁６の
内壁との間の冷却水路（入）４に沿ってプローブ先端側
に流れ込み、ここで冷却媒体分流壁６の外壁とプローブ
外管の内壁との間の冷却水路（出）５に向けて反転し、
その冷却水路（出）５に沿ってプローブ基端側に排出さ
れる。

【００１８】サンプリング管２は、その内壁面がほぼ均
一の肉厚を有するウィック７で覆われている。このウィ
ック７は、その内部にサンプリングガスの冷却で生成す
る凝縮液などの液体を浸透させるもので、サンプリング
ガスの性質及びその温度などの測定対象ガスの特性に基
づいて予め適宜な材質に選定されている。

【００１９】従って、この実施形態では、ガス採取時に
サンプリング管２内を通流するサンプリングガスの冷却
による凝縮液がウィック７内に均一に浸透し、このよう
に浸透した凝縮液がサンプリング管２の内壁面を殆ど一
様に覆うことで、その凝縮液を挟んでサンプリングガス
とサンプリング管２の内壁とが接触する事態が殆ど抑制
される。これにより、サンプリング管２の触媒作用によ
るガスとの表面反応を抑えることができ、サンプリング
地点のガス濃度を殆どそのまま反映したガスをサンプリ
ング管２に沿って分析計に導くことができる。即ち、分
析計のガス濃度計測精度を大幅に高めることができる。

【００２０】なお、ウィック内を浸透する凝縮液の取出
方法については、例えば、サンプリング管２の下流側な
どの適宜位置にガスの流路出口とは別の出口に至る凝縮
液取出し用の液留部を設け、ウィック内を流れる凝縮液
をガスとは分離して液留部に溜めて取り出してもよい。

【００２１】（第２実施形態）次に、この発明の第２実
施形態を図２に基づき説明する。この実施形態はサンプ
リングガスの冷却に伴う凝縮液が殆どないか又は微小な
場合に適用するものである。ここで、上述の実施形態と
実質的に同じ構成要素については、同一又は同等の符号
を付してその説明を簡略又は省略する。

【００２２】図２（ａ）及び（ｂ）に示すプローブに
は、上述の構成に加え、サンプリング管２の外壁から内
壁まで貫通する冷却液供給用の複数の穴８…８が穿孔さ
れている。この穴８…８の設置位置は、高温条件でのサ
ンプリング管壁とガスとの接触を避けることから、プロ
ーブ先端側が好ましい。また、このプローブには、ガス
の流路１の出口とは別に、ウィック７内を浸透する冷却
液（凝縮液がある場合にはこれを含む）の取出口９が設
けられている。ここで、冷却水路（入）４から穴８…８
を介してウィック７内に浸透していく冷却液は、取出口
９から排出されるようになっている。

【００２３】従って、この実施形態では、サンプリング
ガスの冷却に伴う凝縮液が殆どないか又は微小な条件に
あっても、サンプリング管２の周囲を流れる冷却液の一
部が複数の穴８…８を介して内壁側のウィック７内に浸
透し、サンプリング管２の内壁面を殆ど一様に覆うこと
で、その冷却液を挟んでサンプリングガスとサンプリン
グ管２の内壁とが接触する事態が殆ど抑制され、これに
より、上述と同様の効果を発揮させることができる。

【００２４】（第３実施形態）次に、この発明の第３実
施形態を図３に基づき説明する。この実施形態は、サン
プリングガスの冷却効果を高めるものである。ここで、
上述の実施形態と実質的に同じ構成要素については、同
一又は同等の符号を付してその説明を簡略又は省略す
る。

【００２５】図３（ａ）及び（ｂ）に示すプローブは、
サンプリング管２の流路１の入口部に熱交換を高めるた
めの複数のフィン（冷却促進体）１０…１０が設置され
ている。このフィン１０…１０は、サンプリングガスを
急冷するためにサンプリング管２の先端部に設けること
が望ましい。

【００２６】従って、この実施形態では、サンプリング
管２に吸収されたガスがフィン１０…１０を介して急冷
されるため、そのサンプリング管２内におけるガス反応
の進行を抑制でき、従来の冷却と比べ、ガスの濃度変化
をより一層抑えることができる。これにより、サンプリ
ング地点のガス濃度を殆どそのまま反映したガスをサン
プリング管２に沿って分析計に導くことができる。即
ち、分析計のガス濃度計測精度を大幅に高めることがで
きる。

【００２７】なお、この実施形態では冷却促進体にフィ
ンを採用したが、この発明はこれに限定されるものでは
なく、例えば海綿状金属であってもよい。

【００２８】（第４実施形態）次に、この発明の第４実
施形態を図４に基づき説明する。この実施形態は、ここ
で、上述の実施形態と実質的に同じ構成要素について
は、同一又は同等の符号を付してその説明を簡略又は省
略する。

【００２９】図４（ａ）及び（ｂ）に示すプローブは、
第１実施形態と同等のウィック７のほか、サンプリング
管２の入口部に熱交換を高めるための多孔質状の海綿状
金属（冷却促進体）１１が設けられている。この海綿状
金属１１は、例えば海綿鉄から成るもので、サンプリン
グガスを急冷するためにサンプリング管２の先端部に設
けることが望ましい。

【００３０】従って、この実施形態では、サンプリング
管２に吸収されたガスが海綿状金属１１の隙間部を通っ
て熱交換作用により急冷されると共に、そのガスの凝縮
液がウィック７内に浸透してガスとサンプリング管２の
内壁との接触が抑制されるため、サンプリング管２内に
おけるガス反応の進行を抑制できると共に、サンプリン
グ管２の触媒作用によるガスとの表面反応を抑えること
ができ、サンプリング地点のガス濃度を殆どそのまま維
持したガスをサンプリング管２に沿って分析計に導くこ
とができる。

【００３１】なお、この実施形態では冷却促進体に海綿
状金属を採用したが、この発明はこれに限定されるもの
ではない。

【００３２】（第５実施形態）次に、この発明の第５実
施形態を図５に基づき説明する。この実施形態は、ここ
で、上述の実施形態と実質的に同じ構成要素について
は、同一又は同等の符号を付してその説明を簡略又は省
略する。

【００３３】図５（ａ）及び（ｂ）に示すプローブは、
第４実施形態と同等のウィック７及び海綿状金属１１の
ほか、第２実施形態と同等の複数の穴８…８が設けられ
ている。穴８…８の設置位置は、高温条件でのサンプリ
ング管２の内壁とガスとの接触を避けることから、プロ
ーブ先端側が好ましい。ウィック７内の液は下流へと流
れ、ガスと分離して液取出口（図示しない）から排出さ
れる。

【００３４】従って、この実施形態では、サンプリング
ガスの冷却に伴う凝縮液が殆どないか又は微小な条件に
あっても、サンプリング管２の周囲を流れる冷却液の一
部が穴からウィック７内に流入することにより、その冷
却液を挟んでガスとサンプリング管２の内壁との接触を
避けることができる。また、サンプリング管２内に吸収
されたガスが海綿状金属１１の隙間部を通って熱交換作
用により急冷されるため、そのサンプリング管２内にお
けるガス反応の進行を抑制でき、従来の冷却と比べ、ガ
スの濃度変化をより一層抑えることができる。これによ
り、サンプリング地点のガス濃度を殆どそのまま反映し
たガスをサンプリング管２に沿って分析計に導くことが
できる。

【００３５】なお、この実施形態では冷却促進体に海綿
状金属を採用したが、この発明はこれに限定されるもの
ではない。

【００３６】ここで、上述の第１〜第５実施形態に係る
プローブの検証実験を試みた。

【００３７】この検証実験では、図６に示す試作した試
験装置を用いて、３種類の水冷式のプローブ、即ち第１
実施形態で述べたウィックを設けたもの（以下、「プロ
ーブ１」）と、第３実施形態で述べたフィンを設けたも
の（「プローブ２」）と、第４実施形態で述べた海綿状
金属（空隙率７０％）及びウィックを設けたもの（「プ
ローブ３」）とを採用してガス中のＣＯ濃度を測定し
た。また、比較のため、従来型のプローブも図６に示す
試験装置でＣＯ濃度を測定した。

【００３８】図６に示す試作した試験装置においては、
まず、バーナ３１に水素燃料３２と空気３３とを供給
し、その両者を点火器３４で着火して燃焼ガスを生成
し、その燃焼ガスの温度計３５によるガス温度をバーナ
３１内で１５００℃の条件に調整し、そのバーナ３１内
の燃焼ガス中にプローブ３６を挿入する。そこで、プロ
ーブ３６の吸込口にＣＯ供給ライン３７を介して流量計
３８でプローブ入口部におけるＣＯ濃度が５００（ｐｐ
ｍ）に調整された常温のＣＯを流入し、そのＣＯと燃焼
ガスとの混合ガスをプローブ３６内に導き、そこから排
出したガスのＣＯ濃度を分析計で計測した。なお、燃焼
ガス量に対しＣＯ供給量は小さいため、供給したＣＯに
よる燃焼ガスの冷却は殆ど無視した。

【００３９】この実験の測定結果を表１に示す。

【００４０】

【表１】

【００４１】この測定結果から、プローブ１〜３で採取
したガスのＣＯ計測値は、従来型のもので採取したもの
よりも計測精度が高くなっていることが確認された。

【００４２】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１記載の発
明に係るガス濃度計測用プローブにあっては、流路壁の
内壁側にウィック体を設けたため、そのウィック体に浸
透する凝縮液によりサンプリング管の内壁とガスとの接
触が殆ど避けられ、内壁の触媒作用によるガス組成の濃
度変化を抑制でき、これにより、分析計のガス濃度計測
精度を大幅に高めることができる。この効果は、特に高
温ガスの濃度計測時に最大限に発揮させることができ
る。

【００４３】請求項２記載の発明では、冷却媒体が穴を
介してウィック体内に浸透するため、上述の同等の効果
に加え、その効果をガスの凝縮液が殆どないか又は微小
な場合に最大限に発揮させることができる。

【００４４】請求項３記載の発明では、流路壁の内壁側
に冷却促進体を設けたため、冷却媒体による冷却効果を
より一層高めてガス反応の進行によるガス組成の濃度変
化を大幅に抑制でき、これにより、分析計のガス濃度計
測精度を大幅に高めることができる。

【００４５】請求項４及び５記載の発明では、流路壁の
内壁側にウィック体および冷却促進体を設けたため、ウ
ィック体に浸透する凝縮液（または冷却媒体）によりサ
ンプリング管の内壁とガスとの接触が殆ど避けられ、内
壁の触媒作用によるガス組成の濃度変化を抑制できると
共に、冷却促進体により冷却効果をより一層高めてガス
反応の進行によるガス組成の濃度変化を大幅に抑制で
き、これにより、分析計のガス濃度計測精度を大幅に高
めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施形態に係るプローブの要部構造を示す
図で、（ａ）はプローブ先端側の概略縦断面図、（ｂ）
は同図（ａ）中のＡーＡ線に沿う概略横断面図。

【図２】第２実施形態に係るプローブの要部構造を示す
図で、（ａ）はプローブ先端側の概略縦断面図、（ｂ）
は同図（ａ）中のＢーＢ線に沿う概略横断面図。

【図３】第３実施形態に係るプローブの要部構造を示す
図で、（ａ）はプローブ先端側の概略縦断面図、（ｂ）
は同図（ａ）中のＣーＣ線に沿う概略横断面図。

【図４】第４実施形態に係るプローブの要部構造を示す
図で、（ａ）はプローブ先端側の概略縦断面図、（ｂ）
は同図（ａ）中のＤーＤ線に沿う概略横断面図。

【図５】第５実施形態に係るプローブの要部構造を示す
図で、（ａ）はプローブ先端側の概略縦断面図、（ｂ）
は同図（ａ）中のＥーＥ線に沿う概略横断面図。

【図６】検証実験に用いた試験装置の概要図。

【図７】従来のプローブの要部構造を示す図で、（ａ）
はプローブ先端側の概略縦断面図、（ｂ）は同図（ａ）
中のＦーＦ線に沿う概略横断面図。

【図８】従来のプローブ内の組成変化の解析結果を示す
グラフ。

【符号の説明】

１ 流路 ２ サンプリング管 ３ プローブ外管 ４ 冷却水路（入） ５ 冷却水路（出） ６ 冷却媒体分流壁 ７ ウィック ８…８ 穴 ９ 取出口 １０…１０ フィン １１ 海綿状金属

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 分析計の濃度測定対象のガスが通流可能
   な管状の流路壁と、この流路壁の外壁側に冷却媒体とを
   備え、その冷却媒体により上記流路壁を冷却するように
   形成したガス濃度計測用プローブにおいて、上記流路壁
   の内壁側に上記ガスの凝縮液が浸透可能なウィック体を
   設けたことを特徴とするガス濃度計測用プローブ。
2. 【請求項２】 前記流路壁に前記冷却媒体が通流可能な
   穴を穿孔した請求項１記載のガス濃度計測用プローブ。
3. 【請求項３】 分析計の濃度測定対象のガスが通流可能
   な管状の流路壁と、この流路壁の外壁側に冷却媒体とを
   備え、その冷却媒体により上記流路壁を冷却するように
   形成したガス濃度計測用プローブにおいて、上記流路壁
   の内壁側に上記ガスの冷却を促進可能な冷却促進体を設
   けたことを特徴とするガス濃度計測用プローブ。
4. 【請求項４】 分析計の濃度測定対象のガスが通流可能
   な管状の流路壁と、この流路壁の外壁側に冷却媒体とを
   備え、その冷却媒体により上記流路壁を冷却するように
   形成したガス濃度計測用プローブにおいて、上記ガスの
   凝縮液が浸透可能なウィック体と、上記ガスの冷却を促
   進可能な冷却促進体とを上記流路壁の内壁側に設けたこ
   とを特徴とするガス濃度計測用プローブ。
5. 【請求項５】 前記流路壁に前記冷却媒体が通流可能な
   穴を穿孔した請求項４記載のガス濃度計測用プローブ。