説明

揮発性粒子除去装置のための較正ユニット

固体粒子カウントシステムの揮発性粒子除去装置のための通過/除去率較正ユニットが、較正のための正確かつ効率的な手法を提供する。較正ユニットは、エアロゾル導入部、エアロゾル導入部の下流の流量計、およびミキサを備えている。流量計は、エアロゾル導入部からエアロゾルの流れが流入し、ミキサへと出力流を供給する。ミキサが、流量計からの出力流が流入するとともに、希釈ガス導入部をさらに有している。ミキサは、揮発性粒子除去装置または粒子カウンタに流入するミキサ出力流を供給する。第1の流量コントローラが、希釈ガス導入口への流量を制御する。較正ユニットは、さらにバイパス導入口を備えている。第2の流量コントローラが、バイパス導入口への流量を制御し、制御ループが、エアロゾルの流量が基準値に追従するようにバイパス流を制御する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
1.発明の分野
本発明は、エンジンまたは車両の排気からの固体粒子の個数濃度のリアルタイムでの測定に関し、固体粒子カウントシステム(SPCS)の揮発性粒子除去装置(VPR)のための通過/除去率較正ユニットに関する。
【背景技術】
【0002】
2.背景技術
欧州粒子測定プログラム(European Particle Measurement Program)(PMP)が、軽量ディーゼル車両からの排気中の固定粒子個数排出量の測定に関する規定の草案を提案している。図1に示されるように、測定システムは、プレ分類器10、高温粒子希釈器(PND1)12、蒸発ユニット(EU)14、低温粒子希釈器(PND2)16、および凝縮粒子カウンタ(CPC)18で構成されている。高温粒子希釈器(PND1)12、蒸発ユニット(EU)14、および低温粒子希釈器(PND2)16が、揮発性粒子除去装置(VPR)20と称される。図1は、測定システムの簡単な概略を示している。
【0003】
VPR20は、PND1 12およびPND2 16においてディーゼルエアロゾルを希釈する。VPR20のEU14が、揮発性粒子を気相へと気化させるべく高温(300〜400℃など)で運転される。続くPND2 16における室温の希釈空気による希釈によって、エアロゾルが冷却され、揮発性物質の濃度が、揮発性粒子が形成されるのを防げる水準に下げられる。このようにして、揮発性粒子が除去され、固体粒子だけがCPC18へと移動する。固体粒子の濃度が、CPC18において測定される。
【0004】
固体粒子の濃度を正確に測定するために、PMPは、VPR20における固体粒子の通過率は、30、50、および100nmの単分散の固体粒子によって検証されるべきであると推奨している。VPR20の揮発性粒子の除去率は、30nmの直径を有する単分散のC40粒子によって試験されなければならない。VPR20における単分散の固体粒子の通過率および単分散のC40粒子の除去率を測定するために、希釈後の濃度の測定においては、CPCを備えるVPRへと単分散の粒子を送り込み、生の濃度の測定おいてはCPCへと単分散の粒子を送り込む必要がある。式1および2が、通過率および除去率についての計算を示しており、
【数1】

ここで、Pが、通過率であり、ERemovalが、C40粒子についての除去率であり、CDilutedが、単分散粒子(固体粒子またはC40粒子)の希釈後の濃度であり、CUpstreamが、単分散粒子の生の(上流の)濃度であり、DR1が、PND1における希釈率であり、DR2が、PND2における希釈率である。単一サイズのエアロゾルを図1の地点Aへと接続して、CDilutedが測定される。単一サイズのエアロゾルを図1の地点Bへと接続して、CUpstreamが測定される。
【0005】
微分型電気移動度分析装置(DMA)が、単一サイズの粒子を選択するために広く使用されている。選択された単一サイズの粒子の濃度は、DMAへの流入流量およびDMAからからの流出流量に強く影響される。これらの流量のわずかな変化において、希釈前の粒子の濃度に大きな変動が検出されうる。希釈前の濃度CUpstreamには変化がなく、かつ、単分散のエアロゾルがVPRへと送られている場合に、測定されるであろう希釈前の濃度と同じであると仮定されていることが、式1から見て取ることができる。単分散の粒子の希釈前の濃度が変動すると、通過率および除去率に誤差が引き起こされる。したがって、単分散の粒子の濃度は、安定していなければならず、かつ不変に保たれなければならない。
【0006】
多くの状況において、VPRへの流入流量とCPCへの流入流量とは異なっている。DMAからの流出流量を不変に保つために、システムをわずかに調節する必要がある。単分散の粒子の濃度が安定かつ一定であることを保証するために、この流量を注意深く監視する必要がある。したがって、単分散粒子における固体粒子の通過率および除去率の較正試験および実験の設定には時間を要し、作業者が、エアロゾルの科学および粒子を扱うための器具についての十分な心得および知識を有することを必要とする。このことは、自動車業界においては、エアロゾルの科学および関連の技術について心得を有する作業者が少ないため、非現実的である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
本発明の目的は、固体粒子カウントシステム(SPCS)の揮発性粒子除去装置(VPR)のための通過/除去率較正ユニットを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明の好ましい実施の形態においては、VPRまたはCPCへの流入流量に変化があったとしても、DMAにおける流量が一定に制御される。したがって、単分散の粒子に関して安定な濃度の粒子を得ることができる。
【0009】
本発明によれば、単一サイズの固体粒子の通過率および単一サイズの揮発性粒子の除去率についてSPCSのVPRを較正するための正確かつより効率的な手法が提供される。
【0010】
ある特定の実施例においては、単一サイズの粒子が、微分型電気移動度分析装置(DMA)によって選別される。オリフィス流量計が、DMAの下流に設置される。オリフィス流量計における粒子の損失は、無視することができる。DMAからの流出流量が、オリフィス流量計によってリアルタイムで測定される。
【0011】
さらなる詳細において、エアロゾルの流れは、オリフィス流量計の下流で、ミニサイクロンにおいて粒子を含まない希釈空気と混合される。ミニサイクロンは、高速かつ粒子を損失することなく、エアロゾルを希釈空気の流れと混合する。一方で、サイクロンは、2.5μmよりも大きい粒子を追い出す。その結果、サイクロンはシステムを汚染から保護する。
【0012】
この実施例において、PIDループを備えるマスフローコントローラまたは比例弁が、バイパス流量を制御する。バイパス流量を自動的に調節することによって、SPCSのVPRへの流入流量とCPCへの流入流量とが異なる場合においてもDMAからの流出流量が、一定に保たれる。結果として、DMAからの濃度が、試験の間、一定に保たれる。このことにより、単一サイズの粒子の安定な濃度が保証され、より正確な結果を得ることができる。
【0013】
本発明の一態様においては、固体粒子カウントシステムの揮発性粒子除去装置のための通過/除去率較正ユニットが提供される。較正ユニットは、エアロゾル導入部、エアロゾル導入部の下流の流量計、およびミキサを備えている。流量計は、エアロゾル導入部からエアロゾルの流れが流入し、出力流が流出するものである。ミキサは、流量計からの出力流が流入するとともに、希釈ガス導入部を有しており、ミキサ出力流が流出するものである。第1の流量コントローラが、希釈ガス導入口への流れを制御する。較正ユニットは、バイパス導入口をさらに備えており、第2の流量コントローラが、バイパス導入口への流量を制御する。制御ループが、エアロゾルの流量が基準値を追従するようにバイパス流を制御する。
【0014】
より詳しいレベルにおいて、本発明は、さらなる特徴を包含する。例えば、基準値は、一定の流量であってよい。ミキサは、ミニサイクロンの形態をとることができる。制御ループを、PID制御ループとして実現することができる。第1の流量コントローラは、マスフローコントローラを備えることができる。第2の流量コントローラは、マスフローコントローラまたは比例弁を備えることができる。
【図面の簡単な説明】
【0015】
【図1】既存の測定システムの簡単な概略図を示している。
【図2】本発明の好ましい実施の形態における較正ユニットの概略図を示している。
【図3】較正ユニットとVPRまたはCPCの導入口との間の接続を示している。
【図4】較正ユニットの動作の手順を示している。
【発明を実施するための形態】
【0016】
図2〜4が、本発明の好ましい実施の形態を示している。
【0017】
図2に最もよく示されているように、較正ユニットが、エアロゾル導入部40、サイクロン42、差圧トランスデューサ44、2つのマスフローコントローラ46、48(あるいは、マスフローコントローラ46および比例弁48)、オリフィス50、PID制御ループ60、ボール弁62、およびニードル弁64、66、などで構成されている。図2は、較正ユニットの概略を示している。
【0018】
システムを動作させる前に、システムを設定する必要がある。「DMAへ」のポート124が、微分型電気移動度分析装置(DMA)の導入口に接続され、「DMAから」のポート122が、DMAの排出口へと接続される。DMAは、システムには含まれていない。粒子の損失を最小限にするために、DMAの導入口および排出口を接続する配管は、可能な限り短くなければならない。
【0019】
図3が、較正ユニットとVPR20またはCPC18の導入口との間の接続を示している。3つの可撓配管(地点70から地点74まで、地点74から地点72まで、ならびに地点74からVPR20またはCPC18の導入口まで)およびティー(地点74に位置する)が図3に示されている。ティーには、1つの導入口および2つの排出口が存在する。図2の「VPRまたはCPCへ」のポート76が、図3の地点70に接続される。図3の地点72は、図2の「バイパス流への導入口」ポート80に接続される。これら3つの配管の長さは、最小限にされなければならない。エアロゾルの流れが、地点70、74ならびにVPR20またはCPC18の導入口を通って、VPR20またはCPC18へと移動する。余分な流れが、ティーの残りのポートを通って較正ユニットへと通される。
【0020】
生および希釈された粒子の濃度が測定されるとき、70から74までの配管のエアロゾルの流量は、一定に保たれる。74から72までの配管のバイパス流を変化させることによって、正しい流量の流れが、VPR20またはCPC18へと移動する。その一方で、DMAにおける流入流量および流出流量は、不変のままに保たれる。ティーの排出口からVPR20またはCPC18の導入口までの配管の長さは、可能な限り短くなくてはならない。大部分の状況において、70から74までの長さよりもはるかに短い。したがって、VPR20およびCPC18の導入口における流量が異なっているとしても、粒子濃度の相違を無視することができる。
【0021】
多分散の固体粒子またはC40粒子が、エアロゾル導入口のポート40から較正ユニットへともたらされる。ニードル弁NV1 64およびNV2 66を調節することによって、余分なエアロゾルの流れが、NV1 64およびNV1 64の下流のHEPA82を通って大気へと排出される。一部の状況下では、エアロゾル生成装置またはC40生成装置が、DMAに充分な流れをもたらすことができない。付加空気(メイクアップ空気)が必要とされ、HEPA82およびNV1 64を通ってDMAへと移動する。単一サイズの粒子の濃度を安定かつ一定にするために、エアロゾル生成装置またはC40生成装置からのサイズ分布および濃度が、試験の間、一定でなければならない。市販の粒子生成装置の多くは、この要件を満足することができる。
【0022】
すでに述べたように、単一サイズの粒子が、DMAによって選択される。DMAへのエアロゾルの流量が、粒子の濃度および選択されるサイズに大きく影響する。DMAへのエアロゾルの流れおよびDMAからのエアロゾルの流れが変動すると、濃度およびサイズが安定しない。DMAの動作条件の大部分において、エアロゾルの流入流量は、DMAにおけるエアロゾルの流出流量と同じである。DMAへの流入流量が測定されるが、DMAについての出力信号は存在しなくてもよい。差圧トランスデューサ44およびフローオリフィスで構成されるオリフィス流量計90が、DMAの下流に設置される。オリフィス流量計90における流量は、正確な流量計によって校正されており、その流量はオリフィス50を間の圧力差の関数である。このオリフィス流量計90が、DMAからの流出流量を測定するために使用される。DMAの下流のエアロゾルの濃度は、DMAの上流のエアロゾルの濃度よりもはるかに低いため、オリフィス流量計90が粒子によって詰まる可能性は、DMAの下流への設置によって低くすることができる。別の配置構成においては、流量計をDMAの上流に設置してもよい。
【0023】
粒子を含まない圧縮空気が、マスフローコントローラ1(MFC1)46およびボール弁(BV、手動の弁または空気動作の弁であってよい)62を通って較正ユニットへと移動し、オリフィス流量計90の下流のミニサイクロン42においてDMAからのエアロゾルと混ざり合う。希釈空気の流量は、MFC1 46によって制御される。MFC1 46における流量は、VPR20またはCPC18への流入流量ならびに単一サイズの粒子の濃度にもとづいて設定される。式3および4は、較正ユニットがVPR20の導入口およびCPC18の導入口にそれぞれ接続されているときのシステムにおける流量の釣り合いを示しており、
【数2】

ここで、QDMAは、DMAからの流出流量であり、QMFC1は、MFC1 46によって制御される粒子を含まない空気の流量であり、Qtotalは、QDMAおよびQMFC1の混合物の流量であり、QVPRは、VPR20への流入流量であり、QCPCは、CPC18への流入流量であり、Qby−passは、MFC2または比例弁48によって制御されるバイパス流量である。試験の全体において、Qtotalが一定に保たれる一方で、QVPRおよびQCPCが変更される。したがって、Qby−passを変更することによって、総流量が不変のままである。
【0024】
MFC1 46における流量は、DMAからの流出流量、VPR20およびCPC18への流入流量、ならびに単分散の粒子の濃度にもとづいて制御される。DMAにおける流出流量が、VPR20およびCPC18における流入流量よりも多く、希釈前のDMAからの粒子の濃度(生)が、CPC18の上限よりも低い場合、MFC1 46における流量をゼロに設定することができる。その結果、希釈の気流がMFC1 46を通ってシステムへと流入することがない。MFC1 46における漏れが粒子の濃度を変化させることがないよう、ボール弁62(BV)を、手動または自動で閉じることができる。DMAからの濃度がCPC18の上限よりも高く、あるいはより低い濃度が所望される場合、MFC1 46からの希釈の空気の流れを加えることによってエアロゾルを所望の濃度へと希釈することができる。
【0025】
VPR20の導入口およびCPC18の導入口への流量の一方または両方が、DMAからの流出流量よりも多いとき、MFC1 46における流量を、QDMAおよびQMCF1の合計(Qtotal)がVPR20の導入口およびCPC18の導入口の間の大きい方の流量よりも大きい値へと設定することができる。一方で、生のエアロゾルの濃度は、所望の濃度であり、CPC18における上限よりも低い。ひとたび流れがMFC1 46において設定され、所望の濃度が得られると、流れは試験のあいだ一定に保たれる。このようにして、Qtotalは、試験の全体において一定である。
【0026】
「VPRまたはCPCへ」のポート76からの流出が、図3の地点70および74を通ってVPR20またはCPC18へと、VPR20またはCPC18の導入口に流れる。DMAからの流出が、試験のあいだ一定であるように保証するために、地点74から72への較正ユニットへのバイパス流が、マスフローコントローラ2(MFC2)または比例弁48によって制御される。真空源90が、バイパス流をMFC2または比例弁48へと引き込む。バイパス流は、MFC2または比例弁48へと移動する前に、HEPAフィルタ92を通って移動する。HEPA92は、MFC2または比例弁48を粒子による汚染から保護する。
【0027】
PIDループ(PID)60が、MFC2または比例弁48を制御するために使用される。DMAからの流出についての所望の流量である基準流量94は一定値である。オリフィス流量計90によって測定される流れが、PIDループ60への入力である。PIDループ60において基準値94および測定値96の差を比較することによって、MFC2または比例弁48が、DMAの流出流量を一定に保つように調節される。結果として、DMAにおける流量を、試験全体の間、一定に保つことができる。
【0028】
エアロゾルがCPC18へと接続されている間、生の(上流の)濃度が測定される。バイパス流を自動的に調節することによって、DMAからの流量が一定に保たれる。単一サイズの粒子の濃度の変化が、最小限にされる。濃度が安定になった後、データを手動または自動で記録することができる。SPCSのVPR20の下流における希釈された濃度は、エアロゾルをSPCSのVPR20へと送ることによって測定される。バイパス流をMFC2または比例弁48で自動的に調節することによって、DMAにおける流出流量は、CPC18への流量と同じである。結果として、単一サイズの粒子の濃度は、エアロゾルがVPR20またはCPC18へといずれに流れる際にも変化しない。
【0029】
図4が、較正ユニットの動作手順を要約している。ブロック100において、微分型電気移動度分析装置(DMA)、粒子カウンタ(CPC)、およびエアロゾル発生装置が、較正ユニットへと接続される。ブロック102において、システムが暖機される。ブロック104において、MFC1(図2の46)における粒子を含まない圧縮空気の流量が設定され、基準の流量(図2の94)が設定される。ブロック106において、ニードル弁(図2の64、66)が、DMAに必要とされる流量を供給するように調節される。ブロック108において、DMAからの粒子の単一のサイズが選択される。ブロック110において、CPCへともたらされる粒子の濃度がCPCの上限よりも高い場合、MFC1における流れは、ブロック112に示されるとおりに調節される。フローはブロック114へと進み、システムが安定した後に、濃度がCPCにおいて測定される。ブロック116において、単一サイズのエアロゾルがVPRへと供給され、ブロック118において、データは、システムが安定した後に記録される。最後に、ブロック120において、通過率および/または除去率が計算される。
【0030】
本発明の実施の形態を図示および説明したが、これらの実施の形態は、本発明について可能なすべての形態を図示および説明するものではない。むしろ、本明細書において使用される言葉は、限定というよりはむしろ説明の言葉であり、本発明の技術的思想および技術的範囲から離れることなくさまざまな変更が可能であることを、理解すべきである。


【特許請求の範囲】
【請求項1】
固体粒子カウントシステムの揮発性粒子除去装置のための通過/除去率較正ユニットであって、
微分型電気移動度分析装置からの流量を測定し、出力流が流出する流量計、
前記流量計からの出力流が流入し、粒子を含んでいない希釈ガスの流れが流入し、一部分が前記揮発性粒子除去装置へと供給されるミキサ出力流が流出するミキサ、
前記ミキサへ流入する粒子を含んでいない希釈ガスの流量を制御するための第1の流量コントローラ、
ミキサ出力流のうちの前記揮発性粒子除去装置をバイパスする残りの部分であるバイパス流が流入するバイパス導入口、
バイパス流の流量を制御するための第2の流量コントローラ、および
揮発性粒子除去装置への流入流量が変化するときに、前記微分型電気移動度分析装置からのエアロゾルの流量が基準値を追従ようにバイパス流を制御する制御ループ
を備えている較正ユニット。
【請求項2】
前記基準値が、一定の流量である請求項1に記載の較正ユニット。
【請求項3】
前記ミキサが、ミニサイクロンを備えている請求項1に記載の較正ユニット。
【請求項4】
前記制御ループが、PID制御ループを備えている請求項1に記載の較正ユニット。
【請求項5】
前記第1の流量コントローラが、マスフローコントローラを備えている請求項1に記載の較正ユニット。
【請求項6】
前記第2の流量コントローラが、マスフローコントローラを備えている請求項1に記載の較正ユニット。
【請求項7】
前記第2の流量コントローラが、比例弁を備えている請求項1に記載の較正ユニット。
【請求項8】
固体粒子カウントシステムの揮発性粒子除去装置を較正するための方法であって、
単一サイズの粒子を含んでいるエアロゾルの流れを供給すること、
前記エアロゾルの流量を測定すること、
前記エアロゾルの流れを、粒子を含まない希釈ガスで希釈すること、
前記希釈したエアロゾルの流れの一部分を揮発性粒子除去装置へと供給すること、
前記希釈したエアロゾルの流れのうちの揮発性粒子除去装置をバイパスする残りの部分であるバイパス流を設けること、および
揮発性粒子除去装置への流量が変化するときに前記測定されるエアロゾルの流量が基準値に追従するように前記バイパス流を制御すること
を含んでいる方法。
【請求項9】
前記基準値が、一定の流量である請求項8に記載の方法。
【請求項10】
固体粒子カウントシステムの揮発性粒子除去装置のための通過/除去率較正ユニットであって、
エアロゾル導入部、
前記エアロゾル導入部の下流に位置し、前記エアロゾル導入部からエアロゾルの流れが流入し、出力流が流出する流量計、
前記流量計からの出力流が流入するとともに、希釈ガス導入部を有しており、ミキサ出力流が流出するミキサ、
前記希釈ガス導入部への流量を制御するための第1の流量コントローラ、
バイパス導入部、
前記バイパス導入部への流量を制御するための第2の流量コントローラ、および
エアロゾルの流量が基準値に追従するようにバイパス流を制御する制御ループ
を備えている較正ユニット。
【請求項11】
前記基準値が、一定の流量である請求項10に記載の較正ユニット。
【請求項12】
前記ミキサが、ミニサイクロンを備えている請求項10に記載の較正ユニット。
【請求項13】
前記制御ループが、PID制御ループを備えている請求項10に記載の較正ユニット。
【請求項14】
前記第1の流量コントローラが、マスフローコントローラを備えている請求項10に記載の較正ユニット。
【請求項15】
前記第2の流量コントローラが、マスフローコントローラを備えている請求項10に記載の較正ユニット。
【請求項16】
前記第2の流量コントローラが、比例弁を備えている請求項10に記載の較正ユニット。
【請求項17】
請求項10に記載の較正ユニットを動作させる方法であって、
エアロゾル生成装置および微分型電気移動度分析装置を前記エアロゾル導入部へと接続し、単一サイズの粒子を既知の濃度で含んでいるエアロゾルの流れをもたらすこと、
粒子カウンタを、ミキサ出力流の一部分を受け取るように前記ミキサに接続すること、および
前記粒子カウンタをバイパスする残りのミキサ出力流を、前記バイパス導入部へと案内すること
を含んでいる方法。
【請求項18】
前記希釈ガス導入部からの希釈ガスの流れが、前記粒子カウンタがミキサ出力流を受け取るために充分であるように、充分な希釈ガスをもたらすように前記第1の流量コントローラを設定すること、および
前記制御ループの前記基準値を設定すること
をさらに含んでいる請求項17に記載の方法。
【請求項19】
前記粒子カウンタで粒子濃度を測定すること
をさらに含んでいる請求項18に記載の方法。
【請求項20】
前記揮発性粒子除去装置を、ミキサ出力流の一部分を受け取るように前記ミキサへと接続すること、および
前記粒子カウンタで粒子濃度を測定すること
をさらに含んでいる請求項19に記載の方法。


【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【公表番号】特表2011−501157(P2011−501157A)
【公表日】平成23年1月6日(2011.1.6)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−530107(P2010−530107)
【出願日】平成20年10月16日(2008.10.16)
【国際出願番号】PCT/US2008/080135
【国際公開番号】WO2009/052267
【国際公開日】平成21年4月23日(2009.4.23)
【出願人】(000155023)株式会社堀場製作所 (638)
【Fターム(参考)】