JP2018518687A - 大気汚染測定分析のための前処理装置及び方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、大気汚染測定分析のための前処理装置及び方法に関し、サイクロン本体、サイクロン本体の外周縁部のアルミニウムや銅などのブロック、及びブロックを包み込んでいる冷却手段を含んでおり、サイクロン本体に流入された汚染ガスを、所定の範囲で冷却することで、燃焼ガスに含有された水分は、結晶化を通じて除去することができ、また、サイクロン原理によって燃、焼ガスから粒子状物質を分離することができる前処理装置及び方法家提供される。

Description

本発明は、大気汚染分析のための前処理装置及び方法に関し、より詳細には、燃焼ガスの温度を所定の範囲に調節した後、冷却させて、燃焼ガスに含まれた水分結晶化を誘導することにより、測定しようとする燃焼ガス内に含有された水分と粒子状物質を効率よく除去可能な大気汚染測定分析のための前処理装置及び方法に関する。

都市化と人口増加、無分別な自然毀損などによって、自然環境は、ますます荒れている。特に、急激な産業発達と共に生じた環境汚染は、一部国の問題ではなく、全体国が深刻に悩んで対応しなければならない状況に直面している。

このような環境汚染問題の対処方案としては、汚染物質の排出を抑制するか、必然的に排出される汚染物質を除去する技術開発に大別される。

このうち、汚染物質の排出抑制のためには、各排出別の排出許容基準を決めて管理・規制しており、一般には、汚染物質の排出量や排出濃度を確認するためのモニタリングを施しており、このような排出モニタリングは、環境汚染防止分野で非常に重要な部分を占めている。

特に、環境汚染のうち、化石燃料の燃焼や各種の製造工程などから由来する大気汚染物質をモニタリングする装置は、通常、光学機器を基盤とする測定方式を用いている。しかし、これらのモニタリング装置は、測定しようとする気相物質に含まれた水分や粒子状物質によって、燃焼ガスに含まれた大気汚染物質の正確な物質名や濃度を把握し難い場合が多い。

そこで、汚染物質とその濃度を正確に把握するために、測定や分析を困難にする水分や粒子状物質を前もって除去した後、測定装置に導入しなければならず、このような前処理方法として、フィルターを用いる場合もある。しかし、フィルターは、水分や粒子状物質だけでなく、フィルターで除去された水分や粒子状物質が他のろ過体を形成することでよって除去されてはいけない、すなわち、測定しようとする気相汚染物質も除去されて、汚染物質の正確な把握が困難であるという問題点がある。

このような問題点を解決するための従来技術である韓国公開特許公報第2006-0039465号には、水分除去のための前処理装置が開示されている。このような前処理装置内には、内周縁に水分を冷却凝着させるためのガラスチューブが設けられ、また、ガラスチューブ内には、１次的な水分除去のための綿糸層がさらに形成される。そして、前処理装置の下方には、冷却凝縮及び熱脱着を行うペルチェトラップが設けられ、サンプル捕集部のサンプル捕集が完了した後、水分除去のために加熱駆動される大気汚染分析のための水分前処理手段が設けられた前処理装置について開示されている。

しかし、従来技術では、ペルチェトラップを用いることで、ガスに含有されている水分を除去することはできるが、粒子状物質は、依然として除去し難く、これによる分析結果の誤差が発生する。

また、従来技術では、ペルチェトラップが前処理装置の一側面にのみ設けられており、温度の制御が困難であるだけでなく、迅速な冷却が困難であり、別のガラスチューブが必要であるので、装置が複雑となるという問題点がある。

本発明は、前記問題点を解決するためになされたものであって、燃焼ガスなどに含まれた水分と粒子状物質を全て除去して、大気汚染物質のモニタリング装置に対する信頼性を確保し、さらに、構成の簡素化により、装置のメインテナンスが容易な大気汚染測定分析のための前処理装置及び方法を提供することにその目的がある。

上記問題点を解決するための本発明の第１の実施例として、大気汚染測定分析のための前処理装置は、測定しようとする大気汚染物質が含まれた燃焼ガスが流入される円筒部の一側面に設けられた燃焼ガス流入管(2)と、前記燃焼ガスに含まれた水分と粒子が除去された後に排出される前記円筒部の中央上部に設けられる前処理された燃焼ガス排出管(3)と、除去された水分と粒子状物質を排出する前記円筒部の下方の円錐部(4)に設けられる排出口(8)とを含むサイクロン本体(100)からなり、前記サイクロン本体(100)には、前記大気汚染物質が含まれた燃焼ガスを冷却する冷却手段と、前記燃焼ガスを加温する加温手段とが更に設けられることを特徴とする。

前記冷却手段は、冷却ペルチェであり、前記加温手段は、暖房用ペルチェ(31)である。

前記流入管(2)の一側面には、第１の冷却ペルチェ(21)が設けられ、他側面には、暖房用ペルチェ(31)が設けられ、前記円筒部(1)と前記円錐部(4)には、第２の冷却ペルチェ(22)が設けられる。

前記円筒部(1)と前記円錐部(4)の外周縁部には、アルミニウム又は銅材質のブロック(40)が設けられ、前記ブロック(40)の外周縁部には、一対の第２の冷却ペルチェ(22)が設けられる。

前記大気汚染物質が含まれた燃焼ガスの温度を測定するために、前記流入管(2)に設けられた流入ガス温度センサー(5)と、前記円錐部(4)の温度を測定するための円錐部温度センサー(6)とを、更に備える。

前記大気汚染物質が含まれた燃焼ガスの湿度を測定するために、前記流入管(2)に湿度センサー(7)を、更に備える。

前記サイクロン本体を収容する保護箱(60)と、断熱のために前記保護箱(60)と前記サイクロン本体(100)の間を充填するガラス・ファイバー層(50)とを、更に含む。

また、本発明の第１実施例による大気汚染測定分析のための前処理方法は、測定しようとする大気汚染物質が含まれた燃焼ガスを、サイクロン本体(100)に流入させるステップ(Ｓ１００)と、
前記サイクロン本体の外周縁部に設けられた冷却手段により冷却させることで、前記燃焼ガスに含有した水分を結晶化させると共に、一部の粒子状物質が前記結晶化された水分粒子に付着されるステップ(Ｓ１２０)と、前記結晶化された水分粒子と、該当水分粒子に付着した粒子状物質が、前記サイクロン本体の内周縁壁面部に付着又は沈降し、前記水分粒子と粒子状物質が除去された燃焼ガスは、前記サイクロン本体の上部に排出されるステップ(Ｓ１４０)と、
加温されたガスを前記サイクロン本体(100)に流入させ、前記サイクロン本体(100)の内周縁壁面部に付着した結晶化された水分粒子を溶解させるステップ(Ｓ１６０)と、前記溶解された水分と粒子状物質を、前記サイクロン本体の外部に排出させるステップ(Ｓ１８０)とを含む。

前記結晶化された水分粒子に付着しない燃焼ガスに含有した粒子状物質は、サイクロン原理によって沈降する。

前記サイクロン本体の外周縁部に設けられた冷却手段は、第２の冷却ペルチェ(22)であり、前記冷却温度は、-２０±１０℃に冷却させる。

前記燃焼ガスをサイクロン本体に流入させるステップにおいて、前記燃焼ガスの温度を７０±１０℃に維持させ、前記温度範囲は、前記流入管(2)の一側面の第１の冷却ペルチェ(21)と他側面の暖房用ペルチェ(31)により調節される。

前記問題点を解決するための本発明の第２の実施例として、上面の第１の開口部(110)と、下面の多数の第２の開口部(120)とが形成され、内部は、空いている空間部を有する燃焼ガス分配部(115)と、多数の穿孔した円筒部が形成された冷温ブロック(200)と、前記冷温ブロック(200)の円筒部に対応する円筒部が形成され、前記冷温ブロック(200)の底部に位置する冷ブロック(300)と、前記冷温ブロック(200)と前記冷ブロック(300)の円筒部に挿入され、上側及び下側末端部のそれぞれが、前記冷温ブロック(200)と前記冷ブロック(300)の外部に突出する長さに形成され、上側末端部は、前記冷温ブロック(200)を貫通した後、前記燃焼ガス分配部(115)の第２の開口部(120)に挿入され、前記燃焼ガス分配部(115)の空間部に位置するパイプ束(400)と、
前記冷ブロック(300)の外部に突出する前記パイプ束(400)の下側末端部を収容するソケット部(500)と、前記ソケット部(500)と結合するフード(600)とを含むことを特徴とする。

前記冷温ブロック(200)の一側面には、第３の冷却ペルチェ(210)が設けられ、他側面には、第２の暖房用ペルチェ(220)が設けられ、前記冷ブロック(300)には、第４の冷却ペルチェ(310)が設けられる。

前記フード(600)の底部には、分枝管(610)と、３方弁(620)とが更に設けられる。

前記燃焼ガス分配部(115)の第１の開口部(110)に挿入される燃焼ガス流入管(700)を更に備え、前記燃焼ガス流入管(700)の一側面には、流入ガスの温度を測定するための流入ガス温度センサー(710)が更に装着される。

前記冷温ブロック(200)の温度を測定するための冷温ブロック温度センサー(230)と、前記冷ブロック(300)の温度を測定するための冷ブロック温度センサー(320)とが、更に装着される。

前記燃焼ガス流入管(700)に流入されるガスの湿度を測定するための第２の湿度センサー(130)が、前記燃焼ガス分配部(115)内に装着される。

前記燃焼ガス分配部(115)、前記冷温ブロック(200)、前記冷ブロック(300)、及びフード(600)を収容する第２の保護箱(800)と、前記第２の保護箱(800)と前記燃焼ガス分配部(115)、前記冷温ブロック(200)、前記冷ブロック(300)、及び前記フード(600)との間に充填される第２のガラス・ファイバー層(900)とを、更に含む。

本発明の第２実施例により、大気汚染測定分析のための前処理方法は、測定しようとする大気汚染物質が含まれた燃焼ガスを、燃焼ガス流入管(700)に流入させる第１のステップ(Ｓ２００)と、前記燃焼ガス流入管(700)に流入させた燃焼ガスを、パイプ束(400)に分配させる第２のステップ(Ｓ２１０)と、前記パイプ束(400)から分配されたガスを冷却して、前記燃焼ガスに含有された水分を結晶化させる第３のステップ(Ｓ２２０)と、前記結晶化された水分粒子が、前記パイプ束(400)の内部壁面に付着する第４のステップ(Ｓ２３０)とを含むことを特徴とする。

前記水分を結晶化させる第３のステップ(Ｓ２２０)において、前記燃焼ガスに含まれた粒子状物質は、水分が結晶化するときに付着するか、又は既に結晶化された水分に付着する。

前記第４のステップ(Ｓ２３０)以後に加温されたガスを流入させて、前記パイプ束(400)の内部壁面に付着した結晶化された水分粒子を溶解させる第５のステップ(Ｓ２４０)と、前記溶解された水分を外部に排出させる第６のステップ(Ｓ２５０)とを、更に含む。

前記パイプ束(400)に分配される燃焼ガスの温度を、７０±１０℃に調節する第２-１のステップ(Ｓ２１５)を、更に含む。

前記第３のステップ(Ｓ２２０)における冷却温度は、-２０±１０℃の範囲である。

本発明の第１の実施例による大気汚染測定分析のための前処理装置及び方法は、冷却手段を用いて燃焼ガスを冷却し、サイクロン遠心力を使うので、燃焼ガスに含有した水分だけでなく、粒子状物質を共に除去することができ、大気汚染測定結果の信頼性を確保することができる。また、サイクロン本体の外周縁部に、冷却手段と加温手段を設けることで、燃焼ガスの温度を容易に調節することができる。

そして、本発明の第２の実施例によると、簡単な温度差を用いて、燃焼ガスに含まれた水分を除去することができ、装置の簡素化と信頼性を図ることができる。また、本発明では、ペルチェ効果を用いて、燃焼ガスの温度を調節するので、燃焼ガスの温度調節が容易であるだけでなく、経済的である。

詳細な説明と共に本発明の技術思想を更に理解させ、本発明は、このような図面に記載の事項にのみ限られて解析されてはいけない。
図１は、本発明の第１実施例による大気汚染測定分析のための前処理装置の正面図を示す図面である。 図２は、図１のＡ-Ａを基準に、上から見た平断面図である。 図３は、本発明の第１の実施例による大気汚染測定分析のための前処理装置の分解図である。 図４は、本発明の第１の実施例による大気汚染測定分析のための前処理装置の側面図である。 図５は、本発明の第１の実施例による大気汚染測定分析のための前処理方法を説明するためのフローチャートである。 図６は、本発明の第２の実施例による前処理装置の前断面図である。 図７は、図６のＢ−Ｂ方向の断面図である。 図８は、図６のＣ−Ｃ方向の断面図である。 図９は、図６の３方弁６２０の側面図である。 図１０は、本発明の第２の実施例による前処理装置の分解斜視図である。 図１１は、図１０における分解斜視図の組立図である。 図１２は、本発明の第２の実施例による前処理装置のソケット部とフード部の拡大図である。 図１３は、本発明の第２の実施例による大気汚染測定分析のための前処理方法を説明するためのフローチャートである。

以下、添付の図面を参照して、本発明の構成をより詳細に説明する。本発明は、様々な変更を加えることができ、様々な形態を有するところ、特定の実施例を図面に例示し、本文に詳細に説明する。

この出願において、“含む”又は“有する”などの用語は、明細書上に記載された特徴、数字、ステップ、動作、構成要素、パーツ、又は、これらを組み合わせたことが存在することを指定することであり、１又はその以上の他の特徴や数字、ステップ、動作、構成要素、パーツ、又は、これらを組み合わせたものの存在又は付加可能性を予め排除しないことと理解されるべきである。

また、別に定義しない限り、技術的や科学的な用語を含み、ここで使用される全ての用語は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者によって、一般的に理解されることと同一の意味を持っている。一般的に使われる辞典に定義されているような用語は、関連技術の文脈上有する意味と一致する意味を有することと解釈されるべきであり、この出願で明白に定義しない限り、理想的や過度に形式的な意味として解釈されない。

以下、添付の図面を参照して、本発明の大気汚染測定分析のための前処理装置及び方法について、詳細に説明する。

第１の実施例の構成
図１は、本発明の第１の実施例による大気汚染測定分析のための前処理装置の正面図であり、図２は、図１のＡ-Ａを基準に上からみた平面図である。図１及び図２に示しているように、本発明の前処理装置は、サイクロン本体１００と、冷却手段と、加温手段と、アルミニウムや銅など熱伝導性物質からなるブロック４０と、保護箱６０とを含む。

上記各構成をみると、まず、サイクロン本体１００は、内部に空間部を有し、垂直に配置される円筒部１と、円筒部１に連通され、上部は、円筒部１に連結されるように同一径を有し、下部に行くほど逐次直径が減少する上広下狭構造の円錐部４と、円筒部１の一側面に設けられ、測定しようとする大気汚染物質が含まれた燃焼ガスが流入される燃焼ガス流入管２と、円筒部１の中央上部に位置し、前処理された燃焼ガスを後端の汚染物質分析装置に誘導する燃焼ガス排出管３が設けられている。

また、上広下狭構造である円錐部４の下端には、排出口８が設けられており、後述する燃焼ガスに含有していた水分と粒子を排出する。

上記のようなサイクロン本体１００の構成は、通常、広く知られた構成に該当するので、より具体的な説明は、省略することにする。

本発明の前処理装置では、サイクロン本体１００に流入される燃焼ガスに含有した水分と粒子を除去するために、燃焼ガス流入管２には、冷却手段と加温手段が設けられ、円筒部１と円錐部４には、冷却手段が設けられることは、本発明の主要特徴部の１つである。

冷却手段と加温手段について具体的に説明すると、添付の図３〜図４から分かるように、燃焼ガス流入管２の一側面には、第１の冷却ペルチェ２１が設けられ、また、他側面には、暖房用ペルチェ３１が形成されている。

ここで、燃焼ガス流入管２に、第１の冷却ペルチェ２１と暖房用ペルチェ３１を共に形成させる理由は、流入管２に流入される燃焼ガスの温度を、一定の範囲に維持させるためである。すなわち、燃焼ガスの温度が低く過ぎると、水分が凝縮され、燃焼ガスの温度が高く過ぎると、ムペンバ効果を十分に期待し難いからである。

ムペンバ(Mpemba)効果とは、同じ冷却条件において、高い温度の水が低い温度の水よりも早く凍る現象をいい、水分子が近く付くと、分子同士水素結合(hydrogen bond)によって互いに引っ張り、この時、水素と酸素原子間の共有結合(covalent bond)が長くなり、エネルギーを蓄積することになる。このような水を沸くと、水素結合(Hydrogen bond)が長くながら、水の密度が減ることになり、この時、共有結合(covalent bond)が更に減り、蓄積したエネルギーを放出する。すなわち、多くのエネルギーを蓄積したお湯の冷却時、より早くエネルギーを放出するため、早く凍ることである。

また、円筒部１と円錐部４の外周縁部には、第２の冷却ペルチェ２２を形成することで、流入された燃焼ガスの温度を、-２０±１０℃に冷却させる。そこで、冷却で流入された燃焼ガスに含有していた水分は結晶化され、また、水分結晶体は、燃焼ガスに含まれた一部の粒子を捕獲する役割を果たすことになる。

ここで、冷却手段と加温手段は、同一の機能及び作用効果を達成する冷却(例えば、クーラー)、又は、加温手段(例えば、電熱ヒーター)であれば特に制限しないが、ペルチェ効果を用いる第１、２の冷却ペルチェ２１、２２、暖房用ペルチェ３１であるのが望ましい。

ペルチェ効果を用いた第１、２の冷却ペルチェ２１、２２と、暖房用ペルチェ３１は、特定の局所部位を冷却するか、ヒートするための装置であって、２つの互いに異なる金属線の両端を接合した後、回路に直流電気を流すと、一方の接合部で吸熱、他の接合部では発熱が起き、電流の方向を反対にすると、吸熱と発熱が反対に起きる現象で、一種のヒートポンピン現象であって、電子冷却の原理である。そこで、このような原理を用いた第１、２の冷却ペルチェ２１、２２及び、暖房用ペルチェ３１は、特定位置の温度を、所望する温度に正確に維持させるというメリットがある。

一方、円筒部１と円錐部４の外周縁部には、熱伝導率に優れ、比重の低いアルミニウムや銅などのブロック４０が配置され、また、アルミニウムや銅などのブロック４０は、第２の冷却ペルチェ２２が包み込む構造に設計される。ここで、アルミニウムや銅などのブロック４０は、内側面は、円筒部１と円錐部４に対応する形状であり、外側面は、直方体形状である。

上記のような構成により、第２の冷却ペルチェ２２による迅速な熱放出のみならず、直方体形状であるアルミニウムや銅などのブロック４０の外側面に、第２の冷却ペルチェ２２が設けられるので、第２の冷却ペルチェ２２の着脱及び保守が容易であるというメリットがある。

また、本発明の前処理装置は、サイクロン本体１００、冷却手段、及び加温手段を受容する保護箱６０を更に含む。保護箱６０は、外部衝撃から、サイクロン本体１００、冷却手段、及び加温手段を保護し、合わせて、保護箱６０とサイクロン本体１００間の空間部には、断熱効果に優れたガラス・ファイバー層５０が充填されている。そこで、第２の冷却ペルチェ２２による円錐部４の温度を、-２０±１０℃に維持することができるだけでなく、外部との熱交換を遮断することができるので、効率的なエネルギー管理が可能である。

ここで、大気汚染物質が含まれた燃焼ガスの温度を測定するために、流入管２の一側部には、流入ガス温度センサー５が設けられ、円錐部４の温度を測定するための円錐部温度センサー６が更に設けられる。このような流入ガス温度センサー５と円錐部温度センサー６は、流入されるガスと円錐部４内のガス温度を所望する範囲に維持し、燃焼ガスに含有された水分と粒子の除去効果を極大化させる。

たとえ、添付の図面には、温度センサーを２個として図示しているが、必要によって、温度センサーの設置個数や設置場所は、様々に変形実施可能であることは、この技術分野の当業者にとって自明である。

また、本発明では、大気汚染物質が含まれた燃焼ガスに含まれた湿度を把握するために、流入管２の一側部に、湿度センサー７を設ける。

すなわち、湿度センサー７は、流入燃焼ガスの湿度が一定の基準値以上の場合は、燃焼ガス流量を減少させ、また、一定の基準値以下の場合には、燃焼ガス流量を増加させるなど、流入燃焼ガスの湿度によって、燃焼ガス流量を加減させ、結果としては、サイクロン本体の内部壁面に、水分結晶体がムラなく形成されるようにすることができる。

また、温度センサー５、６、湿度センサー７、冷却手段、加温手段などを制御し調節するコントローラ９を更に含む。このようなコントローラ９は、マイコンやＣＰＵなどが可能である。

第１の実施例の動作
以下では、添付の図５を参考して、本発明の第１の実施例による大気汚染測定分析のための前処理方法について説明する。

本発明の第１の実施例による前処理方法は、前処理が必要な燃焼ガスを、サイクロン本体１００に流入させるステップ(Ｓ１００)と、冷却手段により冷却させることで、燃焼ガスに含有した水分を結晶化させ、一部の粒子状物質を結晶化された水分粒子に付着するステップ(Ｓ１２０)と、結晶化された水分粒子と粒子状物質がサイクロン本体１００に付着又は沈降し、水分などが除去された燃焼ガスが排出されるステップ(Ｓ１４０)と、加温されたガスをサイクロン本体１００に流入させ、結晶化された水分粒子を溶解させるステップ(Ｓ１６０)と、溶解された水分と粒子状物質を外部に排出させるステップ(Ｓ１８０)とを含む。

前処理方法の構成を詳しく説明すると、大気汚染測定分析に際して、妨害物質として働く燃焼ガスに含有した水分と粒子を除去するために、サイクロン本体１００を形成する円筒部１の一側面に設けられた燃焼ガス流入管２に、燃焼ガスを流入させる。

ここで、流入される燃焼ガスの温度を、７０±１０℃に維持するのが望ましい。すなわち、燃焼ガスの温度が低く過ぎる場合、水分が凝縮され、燃焼ガスの温度が高く過ぎる場合、ムペンバ効果を十分に期待し難い。

また、燃焼ガスの温度調節は、流入管２の一側面の第１の冷却ペルチェ２１と、他側面の暖房用ペルチェ３１により具現することができる。

上記のように、燃焼ガスの温度を、７０±１０℃の範囲に調節した後、円筒部１と、円筒部１の下方の円錐部４の外周縁部に設けられた冷却手段を用いて、流入された燃焼ガスを冷却させる。ここで、冷却部材２０による冷却温度は、-２０±１０℃に維持するのが望ましく、このような温度範囲により、蒸気状態の水分は結晶化され、サイクロン内での気体流れに沿って流動されながら、円筒部１や円錐部４の内側壁面に付着することになる。また、結晶化された水分粒子は、粒子状物質と相互衝突しながら、一部の粒子状物質は、水分結晶体に付着することになる。

もちろん、水分結晶体や粒子状物質が、円筒部１や円錐部４の内側壁面に付着されなくても、流体を旋回流れとし、流体中に含有される粒子に遠心力を作用させて、液体から分離捕集するサイクロン装置の特徴により、未付着の結晶体や粒子状物質は、円錐部４の下方に設けられた排出口８を介して除去可能である。

一方、円筒部１又は円錐部４の内側表面に付着した水分結晶体を除去するために、燃焼ガス流入管２により、暖かいガスを逆方向に供給することができる。

ここで、冷却手段と加温手段は、同一の機能及び作用効果を達成することができる冷却又は加温手段であれば、特に制限しないが、ペルチェ効果を用いる第１、２の冷却ペルチェ２１、２２、暖房用ペルチェ３１であるのが望ましい。

以上で説明したように、本発明は、サイクロン本体に流入される燃焼ガスを冷却させることで、燃焼ガス内に含有した水分だけでなく、粒子状物質を共に除去可能な大気汚染測定分析のための前処理装置及び方法を提供することができる。

第２の実施例の構成
図６は、本発明の第２の実施例による前処理装置の前断面図、図７は、図６のＢ−Ｂ方向の断面図、図８は、図６のＣ−Ｃ方向の断面図、図９は、図６における３方弁６２０の側面図、図１０は、本発明の第２の実施例による前処理装置の分解斜視図、図１１は、図１０における分解斜視図の組立図、図１２は、本発明の第２の実施例による前処理装置のソケット部とフード部の拡大図である。

図６〜図１２に示しているように、本発明の第２の実施例による前処理装置を説明すると、本発明の前処理装置は、燃焼ガス分配部１１５と、冷温ブロック２００と、冷ブロック３００と、パイプ束４００と、ソケット部５００と、フード６００と、燃焼ガス流入管７００とを含む。

上記各構成を詳しくみると、まず、燃焼ガス分配部１１５は、内部が空いている円筒状であって、上部には、後述する燃焼ガス流入管７００が挿入装着される第１の開口部１１０が形成され、下面には、後述するパイプ束４００が挿入装着されるように、パイプ束４００のパイプ数とサイズに対応する多数の第２の開口部１２０が設けられている。

そこで、燃焼ガス流入管７００に移送された燃焼ガスは、燃焼ガス分配部１１５に供給された後、燃焼ガス分配部１１５内に挿入されたパイプ束４００のパイプにムラなくに分配され、後述する冷温ブロック２００と冷ブロック３００に移動することになる。

冷温ブロック２００は、燃焼ガス分配部１１５の底部に位置し、内部には、多数の長い円筒状の空間が形成され、外側には、加温又は冷却可能な加温部材と冷却部材が付加されている。また、冷温ブロック２００に接するパイプ束４００内の燃焼ガス温度を測定するための冷温ブロック温度センサー２３０が、パイプ束４００の内側に設けられている。

すなわち、図１０に詳しく示しているように、冷温ブロック２００の外側の対向する両側面には、冷却部材である第３の冷却ペルチェ２１０が設けられ、第３の冷却ペルチェ２１０が付着していない残りの両側面には、加温部材である第２の暖房用ペルチェ２２０が形成されている。このように、第３の冷却ペルチェ２１０と第２の暖房用ペルチェ２２０を共に具備させる理由は、冷温ブロック２００に接するパイプ束４００内の燃焼ガスが、所定の温度よりも低い場合は、第２の暖房用ペルチェ２２０を稼動して加温し、反対に所定の温度よりも高い場合は、第３の冷却ペルチェ２１０を稼動して、燃焼ガスの温度を低くするためであって、結果として、燃焼ガスの温度を、所定の範囲に調節するのが可能となる。

第２の実施例として、流入される燃焼ガスの温度が８０℃以上であれば、冷却機能が作動され、流入ガス温度が６０℃以下の場合、加熱機能が作動される。ここでは、冷却部材と加温部材がペルチェ効果を用いる冷却ペルチェ、暖房用ペルチェである場合を例示しているが、同一の機能及び作用効果を達成可能な冷却又は加温手段であれば、特に制限されない。

冷ブロック３００は、冷温ブロック２００と同一の形状と構造を有しているが、冷温ブロック２００との相違点は、冷ブロック３００の外周面には、冷却部材である第４の冷却ペルチェ３１０だけが形成されていることである。

すなわち、冷ブロック３００に接するパイプ束４００内の燃焼ガスは、所定の温度範囲に冷却する機能だけを行い、燃焼ガスの温度を測定する冷ブロック温度センサー３２０は、冷ブロック３００に接するパイプ束４００の内側に設けられている。

ここで、冷温ブロック２００と冷ブロック３１０を別に具備させる理由は、ムペンバ効果を用いて、燃焼ガス内に含まれている水分を速い速度で結晶化させるためである。

このようなムペンバ効果に着眼した本発明では、冷温ブロック２００では、高い温度の条件を維持させて、燃焼ガスを加温し、冷ブロック３００では、燃焼ガスに含有された水分を結晶化させる程度に冷却させて、燃焼ガスに含まれた水分を除去できるようにするためである。

一方、冷温ブロック２００と冷ブロック３００の材質と形状は、特に限定しないが、冷温ブロック２００に接している加温部材と冷却部材、冷ブロック３００に接している冷却部材から、効率よく熱を伝達され、放出するためには、熱伝導率に優れ且つ比重の低いアルミニウムや銅などの材質であるのが望ましく、また、加温部材と冷却部材の着脱及び保守の容易性の観点で、直方体状であるのが望ましい。

一方、パイプ束４００は、燃焼ガス分配部１１５から分配された燃焼ガスが移動され、ムペンバ効果によって、燃焼ガス内の水分が結晶化され、結晶化された粒子を除去する機能を行う。

より具体的に説明すると、パイプ束４００は、多数のパイプ集合体であり、冷温ブロック２００と冷ブロック３００の円筒部２４０、３３０に挿入される。また、パイプの上側末端部は、燃焼ガス分配部１１５の第２の開口部１２０に挿入して、燃焼ガスが流入され、下側末端部は、後述するソケット部５００と結合するように構成される。

一方、パイプ束４００のパイプ数は、制限せず、流入される燃焼ガスの流量、パイプの直径、パイプの長さなどを考えて決められ、パイプの材質は、熱伝導率に優れたアルミニウムや銅だけでなく、測定ガスとの反応性が少ないクオーツ(quartz)などで製作するのが望ましい。

次に、図１２を参照して、ソケット部５００とフード６００の構成を説明すると、ソケット部５００は、冷ブロック３００の外部に突出するパイプ束４００の下側末端部を収容し、ソケット部５００は、フード６００と結合する密閉構造からなる。

すなわち、燃焼ガスに含有した汚染物質を測定するためには、パイプ束４００内を経由する燃焼ガスの全量が、測定装置に移送できるように密閉構造が求められ、ソケット部５００は、フード６００とパイプ束４００を相互連結して密閉機能を行うことになる。

一方、ソケット部５００に連結されるフード６００には、ガスの流れを変更するための‘┤’字形の分枝管６１０と３方弁６２０が設けられている。

すなわち、水分が除去された燃焼ガスを測定装置に流入させる場合は、燃焼ガスと気体排出口６３０が連通され、パイプ束４００内に付着した水分結晶体を除去させる場合は、液体排出口６４０に連通されるように、３方弁６２０の開閉方向を調節する。ここで、パイプ束４００内に付着した水分結晶体を除去する方法としては、高温の気体をパイプ束４００内に注入するか、冷温ブロック２００で加熱して、所定の温度に加温した気体を使うことができる。

また、本発明では、燃焼ガス分配部１１５に流入される燃焼ガスに含まれた湿度を把握するために、燃焼ガス分配部１１５の内部空間部に、第２の湿度センサー１３０を更に備える。すなわち、第２の湿度センサー１３０は、流入燃焼ガスの湿度が一定の基準値以上の場合は、燃焼ガス流量を減少させ、一定の基準値以下の場合は、燃焼ガス流量を増加させるなど、流入燃焼ガスの湿度によって燃焼ガス流量を加減させ、結果としては、パイプ束の内部壁面に水分結晶体がムラなく形成するようにすることができる。

本発明の第２の実施例は、ムペンバ効果を用いた前処理装置として、パイプ束４００内に沿って移動する燃焼ガスを、所定の範囲に制御するのが極めて重要であり、また、燃焼ガスの漏れを防止するためには、外部衝撃から保護しなければならない。そこで、燃焼ガス分配部１１５、冷温ブロック２００、冷ブロック３００、及びフード６００などを、外部衝撃から保護するための第２の保護箱８００と、外部との熱伝達を最大限抑制するために、断熱効果に優れた第２のガラス・ファイバー層９００が、第２の保護箱８００内に設置される。

第２の実施例の動作
以下では、添付の図１３を参考して、本発明の第２の実施例による大気汚染測定分析のための前処理方法について説明する。

本発明の第２の実施例による前処理方法は、燃焼ガス流入管７００に燃焼ガスを流入させる第１のステップ(Ｓ２００)と、流入された燃焼ガスをパイプ束４００に分配させる第２のステップＳ２１０と、分配されたガスを冷却して、燃焼ガスに含有された水分を結晶化させる第３のステップ(Ｓ２２０)と、結晶化された水分粒子がパイプ束４００の内部壁面に付着される第４のステップ(Ｓ２３０)と、加温されたガスを流入させて、パイプ束４００の内部壁面に付着した結晶化された水分粒子を溶解させる第５のステップＳ２４０と、溶解された水分を外部に排出させる第６のステップ(Ｓ２５０)とを含む。

前処理方法の構成を詳しく説明すると、大気汚染測定分析において、妨害物質として作用する燃焼ガスに含有した水分を除去するために、燃焼ガス流入管７００に、測定しようとする燃焼ガスを流入させる。

すると、燃焼ガスは、冷温ブロック２００と冷ブロック３００の円筒部に挿入装着され、燃焼ガス分配部１１５に連通した多数のパイプが集合されているパイプ束４００にムラなく分配され、移動することになる。この時、冷温ブロック２００の外側面に設けられた冷却部材と加温部材を駆動させて、燃焼ガスの温度が所定の範囲に該当するように調節した後、冷ブロック３００の外側の冷却部材を稼動して、燃焼ガスを冷却する。ここで、冷温ブロック２００は、流入される燃焼ガスの温度を７０±１０℃に維持するように、冷却部材と加温部材が可変的に作動し、冷ブロック３００では、燃焼ガスの温度を、-２０±１０℃に調節することになる。

すると、前述したように、ムペンバ効果によって、冷温ブロック２００で加温された水分が冷ブロック３００を通過しながら、水分結晶体を形成し、このような水分結晶体は、パイプ束４００の内部壁面に付着して、燃焼ガスの水分が除去されることになる。

また、冷ブロック３００を通過しながら形成される水分結晶体は、燃焼ガスに含まれた一部の粒子を捕獲しながら結晶体を形成することができ、また、壁面に付着した水分結晶体に粒子が捕獲されて、燃焼ガスに含まれた一部粒子の除去も期待することができる。

冷温ブロック２００における燃焼ガス温度が６０℃未満の場合は、水分が凝縮されるか、冷ブロック３００との温度差が少なくて、十分なムペンバ効果を期待し難く、燃焼ガス温度が８０℃超の場合は、不要なエネルギーが消耗されるだけでなく、冷ブロック３００との温度差が少なくて、十分なムペンバ効果を期待し難い。

一方、冷ブロック３００における燃焼ガス温度が-１０℃超の場合は、ペルチェ内部で生成された氷結晶体面積が減り、-３０℃未満の場合は、目的とするガス成分の消失が発生するだけでなく、エネルギーが多くかかって非効率的であるので、範囲内に調節するのが望ましい。

上記のような過程で生成された水分結晶体が、パイプ束４００の内部壁面に持続的に付着することになると、パイプ束４００の直径が減少することになり、燃焼ガス流入管７００に供給される圧力が増加するか、冷ブロック３００の冷却効率が低下する。そこで、パイプ束４００内に付着した水分結晶体を除去する必要がある。水分結晶体を除去するためには、３方弁６２０を切り換えた後、パイプ束４００内に高温の気体を注入するか、冷温ブロック２００で所定の温度に加熱した気体を注入することで達成される。

以上で説明したように、本発明は、冷温ブロック２００と冷ブロック３００の外側に、冷却部材や冷温部材を付加して、燃焼ガスの温度を急激に冷却させることで、燃焼ガス内に含有された水分を除去することができる大気汚染測定分析のための前処理装置及び方法を提供する。

たとえ、本発明が上記で言及した好適な実施例に関して説明されたが、本発明の要旨と範囲から逸脱せず、他の様々な修正及び変形ができることは、当業者であれば、容易に認識することができ、このような変更及び修正が添付の特許請求の範囲に属することは、自明である。

１ 円筒部
２ 流入管
３ 排出管
４ 円錐部
５ 流入ガス温度センサー
６ 円錐部温度センサー
７ 湿度センサー
８ 排出口
９ コントローラ
２１ 第１の冷却ペルチェ
２２ 第２の冷却ペルチェ
３１ 暖房用ペルチェ
４０ ブロック
５０ ガラス・ファイバー層
６０ 保護箱
１００ サイクロン本体
１１０ 第１の開口部
１１５ 燃焼ガス分配部
１２０ 第２の開口部
１３０ 第２の湿度センサー
２００ 冷温ブロック
２１０ 第３の冷却ペルチェ
２２０ 第２の暖房用ペルチェ
２３０ 冷温ブロック温度センサー
２４０ 円筒部
３００ 冷ブロック
３１０ 第４の冷却ペルチェ
３２０ 冷ブロック温度センサー
３３０ 円筒部
４００ パイプ束
５００ ソケット部
６００ フード
６１０ 分枝管
６２０ ３方弁
６３０ 気体排出口
６４０ 液体排出口
７００ 燃焼ガス流入管
７１０ 流入ガス温度センサー
８００ 第２の保護箱
９００ 第２のガラス・ファイバー層

Claims (23)

1. 大気汚染測定分析のための前処理装置であって、
   前記前処理装置は、測定しようとする大気汚染物質が含まれた燃焼ガスが流入される円筒部の一側面に設けられた燃焼ガス流入管(2)と、前記燃焼ガスに含まれた水分と粒子が除去された後に排出される前記円筒部の中央上部に設けられる前処理された燃焼ガス排出管(3)と、除去された水分と粒子状物質を排出する前記円筒部の下方の円錐部(4)に設けられる排出口(8)とを含むサイクロン本体(100)からなり、
   前記サイクロン本体(100)には、前記大気汚染物質が含まれた燃焼ガスを冷却する冷却手段と、前記燃焼ガスを加温する加温手段とが更に設けられることを特徴とする大気汚染測定分析のための前処理装置。
2. 前記冷却手段は、冷却ペルチェであり、前記加温手段は、暖房用ペルチェ(31)であることを特徴とする請求項１に記載の大気汚染測定分析のための前処理装置。
3. 前記流入管(2)の一側面には、第１の冷却ペルチェ(21)が設けられ、他側面には、暖房用ペルチェ(31)が設けられ、前記円筒部(1)と前記円錐部(4)には、第２の冷却ペルチェ(22)が設けられることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の大気汚染測定分析のための前処理装置。
4. 前記円筒部(1)と前記円錐部(4)の外周縁部には、アルミニウム又は銅材質のブロック(40)が設けられ、前記ブロック(40)の外周縁部には、一対の第２の冷却ペルチェ(22)が設けられることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の大気汚染測定分析のための前処理装置。
5. 前記大気汚染物質が含まれた燃焼ガスの温度を測定するために、前記流入管(2)に設けられた流入ガス温度センサー(5)と、前記円錐部(4)の温度を測定するための円錐部温度センサー(6)とを、更に備えることを特徴とする請求項４に記載の大気汚染測定分析のための前処理装置。
6. 前記大気汚染物質が含まれた燃焼ガスの湿度を測定するために、前記流入管(2)に湿度センサー(7)を、更に備えることを特徴とする請求項４に記載の大気汚染測定分析のための前処理装置。
7. 前記サイクロン本体を収容する保護箱(60)と、断熱のために前記保護箱(60)と前記サイクロン本体(100)の間を充填するガラス・ファイバー層(50)とを、更に含むことを特徴とする請求項１に記載の大気汚染測定分析のための前処理装置。
8. 大気汚染測定分析のための前処理方法であって、
   測定しようとする大気汚染物質が含まれた燃焼ガスを、サイクロン本体(100)に流入させるステップ(Ｓ１００)と、
   前記サイクロン本体の外周縁部に設けられた冷却手段により冷却させることで、前記燃焼ガスに含有した水分を結晶化させると共に、一部の粒子状物質が前記結晶化された水分粒子に付着されるステップ(Ｓ１２０)と、
   前記結晶化された水分粒子と、該当水分粒子に付着した粒子状物質が、前記サイクロン本体の内周縁壁面部に付着又は沈降し、前記水分粒子と粒子状物質が除去された燃焼ガスは、前記サイクロン本体の上部に排出されるステップ(Ｓ１４０)と、
   加温されたガスを前記サイクロン本体(100)に流入させ、前記サイクロン本体(100)の内周縁壁面部に付着した結晶化された水分粒子を溶解させるステップ(Ｓ１６０)と、
   前記溶解された水分と粒子状物質を、前記サイクロン本体の外部に排出させるステップ(Ｓ１８０)とを含むことを特徴とする大気汚染測定分析のための前処理方法。
9. 前記結晶化された水分粒子に付着しない燃焼ガスに含有した粒子状物質は、サイクロン原理によって沈降することを特徴とする請求項８に記載の大気汚染測定分析のための前処理方法。
10. 前記サイクロン本体の外周縁部に設けられた冷却手段は、第２の冷却ペルチェ(22)であり、前記冷却温度は、-２０±１０℃に冷却させることを特徴とする請求項８又は請求項９に記載の大気汚染測定分析のための前処理方法。
11. 前記燃焼ガスをサイクロン本体に流入させるステップにおいて、前記燃焼ガスの温度を７０±１０℃に維持させ、前記温度範囲は、前記流入管(2)の一側面の第１の冷却ペルチェ(21)と他側面の暖房用ペルチェ(31)により調節されることを特徴とする請求項８又は請求項９に記載の大気汚染測定分析のための前処理方法。
12. 上面の第１の開口部(110)と、下面の多数の第２の開口部(120)とが形成され、内部は、空いている空間部を有する燃焼ガス分配部(115)と、
    多数の穿孔した円筒部が形成された冷温ブロック(200)と、
    前記冷温ブロック(200)の円筒部に対応する円筒部が形成され、前記冷温ブロック(200)の底部に位置する冷ブロック(300)と、
    前記冷温ブロック(200)と前記冷ブロック(300)の円筒部に挿入され、上側及び下側末端部のそれぞれが、前記冷温ブロック(200)と前記冷ブロック(300)の外部に突出する長さに形成され、上側末端部は、前記冷温ブロック(200)を貫通した後、前記燃焼ガス分配部(115)の第２の開口部(120)に挿入され、前記燃焼ガス分配部(115)の空間部に位置するパイプ束(400)と、
    前記冷ブロック(300)の外部に突出する前記パイプ束(400)の下側末端部を収容するソケット部(500)と、
    前記ソケット部(500)と結合するフード(600)とを含むことを特徴とする大気汚染測定分析のための前処理装置。
13. 前記冷温ブロック(200)の一側面には、第３の冷却ペルチェ(210)が設けられ、他側面には、第２の暖房用ペルチェ(220)が設けられ、前記冷ブロック(300)には、第４の冷却ペルチェ(310)が設けられることを特徴とする請求項１２に記載の大気汚染測定分析のための前処理装置。
14. 前記フード(600)の底部には、分枝管(610)と、３方弁(620)とが更に設けられることを特徴とする請求項１２に記載の大気汚染測定分析のための前処理装置。
15. 前記燃焼ガス分配部(115)の第１の開口部(110)に挿入される燃焼ガス流入管(700)を更に備え、前記燃焼ガス流入管(700)の一側面には、流入ガスの温度を測定するための流入ガス温度センサー(710)が更に装着されることを特徴とする請求項１２に記載の大気汚染測定分析のための前処理装置。
16. 前記冷温ブロック(200)の温度を測定するための冷温ブロック温度センサー(230)と、前記冷ブロック(300)の温度を測定するための冷ブロック温度センサー(320)とが、更に装着されることを特徴とする請求項１２に記載の大気汚染測定分析のための前処理装置。
17. 前記燃焼ガス流入管(700)に流入されるガスの湿度を測定するための第２の湿度センサー(130)が、前記燃焼ガス分配部(115)内に装着されることを特徴とする請求項１２に記載の大気汚染測定分析のための前処理装置。
18. 前記燃焼ガス分配部(115)、前記冷温ブロック(200)、前記冷ブロック(300)、及びフード(600)を収容する第２の保護箱(800)と、前記第２の保護箱(800)と前記燃焼ガス分配部(115)、前記冷温ブロック(200)、前記冷ブロック(300)、及び前記フード(600)との間に充填される第２のガラス・ファイバー層(900)とを、更に含むことを特徴とする請求項１２に記載の大気汚染測定分析のための前処理装置。
19. 測定しようとする大気汚染物質が含まれた燃焼ガスを、燃焼ガス流入管(700)に流入させる第１のステップ(Ｓ２００)と、
    前記燃焼ガス流入管(700)に流入させた燃焼ガスを、パイプ束(400)に分配させる第２のステップ(Ｓ２１０)と、
    前記パイプ束(400)から分配されたガスを冷却して、前記燃焼ガスに含有された水分を結晶化させる第３のステップ(Ｓ２２０)と、
    前記結晶化された水分粒子が、前記パイプ束(400)の内部壁面に付着する第４のステップ(Ｓ２３０)とを含むことを特徴とする大気汚染測定分析のための前処理方法。
20. 前記水分を結晶化させる第３のステップ(Ｓ２２０)において、前記燃焼ガスに含まれた粒子状物質は、水分が結晶化するときに付着するか、又は既に結晶化された水分に付着することを特徴とする請求項１９に記載の大気汚染測定分析のための前処理方法。
21. 前記第４のステップ(Ｓ２３０)以後に加温されたガスを流入させて、前記パイプ束(400)の内部壁面に付着した結晶化された水分粒子を溶解させる第５のステップ(Ｓ２４０)と、
    前記溶解された水分を外部に排出させる第６のステップ(Ｓ２５０)とを、更に含むことを特徴とする請求項１９に記載の大気汚染測定分析のための前処理方法。
22. 前記パイプ束(400)に分配される燃焼ガスの温度を、７０±１０℃に調節する第２-１のステップ(Ｓ２１５)を、更に含むことを特徴とする請求項１９乃至２１のいずれか一項に記載の大気汚染測定分析のための前処理方法。
23. 前記第３のステップ(Ｓ２２０)における冷却温度は、-２０±１０℃の範囲であることを特徴とする請求項２２に記載の大気汚染測定分析のための前処理方法。

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