(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定のガス組成の試験用ガスを供給するガス供給装置と、
該ガス供給装置から供給される該試験用ガスが導入される導入部と、該導入部に一端が開口し該導入部から均等に導入された該試験用ガスが調温されながら通過する細管と、該細管の外周面に熱媒体を供給して該細管を調温する調温部と、該細管の他端が開口し該試験用ガスと接触して該試験用ガスを改質させる供試材を保持する反応室とを持つ反応装置と、
少なくとも該供試材に接触する前の該試験用ガスの温度を計測する温度センサーと、
少なくとも該供試材で改質された改質ガスを分析する分析装置と、
該分析装置での分析結果および該温度センサーの計測結果を含むデータを記録すると共に、該データに基づいて該試験用ガスの流量および該反応装置の該調温部を含む試験条件を制御する記録制御装置と、
を有することを特徴とするガス分析試験装置。
【請求項２】
前記ガス供給装置は液状の炭化水素を気化させる気化ガス供給部を含み、該気化ガスを含む複数種類のガスを個別に所定の流量で前記導入部に供給する装置である請求項１記載のガス分析試験装置。
【請求項３】
前記温度センサーは前記供試材に接触した後の改質された試験用ガスの温度も計測し、前記分析装置は前記供試材に接触する前の前記試験用ガスを分析する請求項１又は２に記載のガス分析試験装置。
【請求項４】
前記細管は複数本で構成されている請求項１〜３のいずれか１項に記載のガス分析試験装置。
【請求項５】
複数本の前記細管の他端が開口する前記反応室の前記供試材が保持される上流側に各前記細管から排出される前記試験用ガスを混合均質化する均質化部材を持つ請求項４記載のガス分析試験装置。
【請求項６】
複数本の前記細管の一端が開口する前記導入部は前記試験用ガスが旋回する旋回室をもつ請求項４又は５記載のガス分析試験装置。
【請求項７】
前記細管は耐熱鋼製である請求項１〜６のいずれか１項に記載のガス分析試験装置。
【請求項８】
前記ガス供給装置から供給される前記試験用ガスを複数支流に分割する分割手段をもち、
該反応装置は該支流から該試験用ガスを受ける複数の細管及び反応室を持つ請求項１〜７のいずれか１項に記載のガス分析試験装置。
【請求項９】
試験用ガスが導入される導入部と、該導入部に一端が開口し該導入部から均等に導入された該試験用ガスが調温されながら通過する細管と、該細管の外周面に熱媒体を供給して該細管を調温する調温部と、該細管の他端が開口し該試験用ガスと接触して該試験用ガスを改質させる供試材を保持する反応室とを持つことを特徴とする反応装置。
【請求項１０】
前記細管は複数本で構成されている請求項９記載の反応装置。
【請求項１１】
複数本の前記細管の他端が開口する前記反応室の前記供試材が保持される上流側に各前記細管から排出される前記試験用ガスを混合均質化する均質化部材を持つ請求項１０記載の反応装置。
【請求項１２】
複数本の前記細管の一端が開口する前記導入部は前記試験用ガスが旋回する旋回室をもつ請求項１０又は１１に記載の反応装置。
【請求項１３】
前記細管は耐熱鋼製である請求項９〜１２のいずれか１項に記載の反応装置。
【請求項１４】
前記導入部は前記試験用ガスを複数支流に分割する分割手段をもち、該支流から該試験用ガスを受ける複数の前記細管及び前記反応室を持つ請求項９〜１３のいずれか１項に記載の反応装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種ガスを触媒ないし吸着剤等に接触させて組成の変化を調べるための技術分野に属し、排ガスの浄化用触媒、ガス改質用触媒等の試験に用いて好適なガス分析試験装置及びこれに使用する反応装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
炭化水素をガス化し空気等で希釈して調製した試験用ガスを吸着剤などの反応手段に送って、反応の前後でのガスを採取して分析する装置には、例えば、特開昭６１−１６００５０号公報、特開平１０−３１９００６号公報等に開示されている。
【０００３】
一般的に排ガス浄化用の触媒等の評価装置では、実際の排ガスを模擬したモデルガスを発生させる機能と、反応の前後のガス成分を正確に評価する機能とが必要とされる。しかし、実際の排ガスは種々の成分から構成されているガスであり、その組成・温度・流量は時間的にも変動するので、それを模擬したモデルガスを所望の試験条件で供給することは簡単ではない。
【０００４】
排ガスの中でもディーゼルエンジンの排ガスとかガソリンエンジンの場合にもコールドスタート時の排ガスを模擬するガス分析試験は、同排ガスが高沸点の炭化水素を含んでいるので、試験条件を整えることはなかなか難しかった。具体的には、高沸点の炭化水素を気化させて安定に供給することが難しいうえに、高沸点の炭化水素は熱分解を起こしやすく触媒などの供試材に到達するまでに成分が変化してしまいやすかった。
【０００５】
また、排ガスの中には硫酸塩（サルフェート）や炭化水素（ＨＣ）ガスなどの微量ガス成分とその他の微量ガス成分とが含まれているが、このような排ガスのモデルガスで微量ガス成分が互いに化学反応してしまい組成が変化する場合がある。
【０００６】
そこで、特開平１０−３１９００６号公報では試験用ガスを多量のキャリアーガスと微量の成分ガスとに分け、キャリアーガスを所定温度に調温し、触媒と接触させる直前でキャリアーガスと成分ガスとを混合し、所定温度の試験用ガスとして触媒と接触させる方法を提案している。
【０００７】
しかしながら、キャリアーガスの温調に時間がかかるために、高速の温度変化に伴う触媒性能を調べるための十分な試験ができないといった問題がある。具体的には、従来の温調には、透明石英管が用いられている。例えば、１０〜５０Ｌ／ｍｉｎのガスを流通させて試験する場合、内径１５ｍｍ以上、肉厚２ｍｍ以上の１本の透明石英管内に直径約５ｍｍ長さ５〜１０ｍｍの石英製の短管や、直径５ｍｍ程度のＳｉＣ製の粒子を充填材として装填し、その外部から加熱することにより熱交換していた。
【０００８】
一本の石英管を用いるものでは、流通ガス量が１Ｌ／ｍｉｎを越えると反応管の壁面からの熱交換が不十分となり試験用ガスを目的とする温度まで十分に暖めることができない。そのため外周部と内部で、試験片の温度が均一とならない問題がある。また、流量が少ないと流速が遅くガスが通過する間にガス拡散が起こるために高速の変動ガスを流通させることができない、という問題がある。
【０００９】
また、充填材を用いる場合には、ガスが充填材内で乱流を起こすため、１０〜数１０ｃｍ程度の短い反応管内で１０〜５０Ｌ／ｍｉｎ程度の大流量の試験用ガスを数１００℃までの目的とする温度まで加熱することができるという利点がある。しかし、充填材内で乱流が起きるため、変動周期数秒以下の高速の変動雰囲気ガスを試験片に流通させようとしても、ガスのミキシングのため変動ガス成分が均一化し、希望する高速の変動ガスを流通させることができない。その上、高速の昇降温を行おうとしても、反応管外部から加えた熱が反応管の内部の充填材まで伝わりにくく、また冷却時には内部の熱が冷えにくいため高速の昇降温試験ができない、という問題がある。
【００１０】
なお、反応管の材質として石英を用いた場合には、石英は熱伝導度が低いため、高速の昇降温試験ができない、という問題がある。また、石英は衝撃に弱いため人為的なミスにより破損する危険性が高い。また接合部に摺り合わせを用いるため試験後焼き付きを起こし、破損の危険性が大きい。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明は短時間に所定温度に試験用ガスを調温できるガス分析試験装置及びそれに使用する反応装置を提供することを解決すべき課題とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、細管を用い、通過ガス量に対する調温用壁面の割合を大きくすることにより短時間に調温することが可能であることに思い至り本発明を完成したものである。
【００１３】
すなわち、本発明のガス分析試験装置は、所定のガス組成の試験用ガスを供給するガス供給装置と、該ガス供給装置から供給される該試験用ガスが導入される導入部と、該導入部に一端が開口し該導入部から均等に導入された該試験用ガスが調温されながら通過する細管と、該細管の外周面に熱媒体を供給して該細管を調温する調温部と、該細管の他端が開口し該試験用ガスと接触して該試験用ガスを改質させる供試材を保持する反応室とを持つ反応装置と、少なくとも該供試材に接触する前の該試験用ガスの温度を計測する温度センサーと、  少なくとも該供試材で改質された改質ガスを分析する分析装置と、該分析装置での分析結果および該温度センサーの計測結果を含むデータを記録すると共に、該データに基づいて該試験用ガスの流量および該反応装置の該調温部を含む試験条件を制御する記録制御装置と、を有することを特徴とする。
【００１４】
また、本発明の反応装置は、試験用ガスが導入される導入部と、該導入部に一端が開口し該導入部から均等に導入された該試験用ガスが調温されながら通過する細管と、該細管の外周面に熱媒体を供給して該細管を調温する調温部と、該細管の他端が開口し該試験用ガスと接触して該試験用ガスを改質させる供試材を保持する反応室とを持つことを特徴とする。
【００１５】
本発明のガス分析試験装置及び反応装置は、細管を採用し、この細管を調温部で所定温度に調温し、試験用ガスは調温された細管の中を通過する際にその内周面に衝突し、極短時間に所定温度に調温される。細管を通過する時間は極めて短いために、試験用ガスの上流側と下流側との拡散も起こりにくく、試験用ガスのガス成分割合の変動も抑えられる。さらに、極めて短時間に加熱されるために試験用ガスを構成する成分間での反応も抑えられる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明のガス分析試験装置は、ガス供給装置と反応装置と温度センサーと分析装置と記録制御装置とを有する。
【００１７】
ガス供給装置は、試験に供される試験用ガスを供給するものでる。試験用ガスは、個々の成分ガスから混合して調製することができる。成分ガスとしては、液状の炭化水素を気化させる気化ガス供給部を設けるのが好ましい。具体的には、気化ガスを含む複数種類のガスを個別に所定の流量で供給するガス供給部（ＭＦＣ）を設けるのが好ましい。試験用ガスは、ガス供給部から供給されたガスが混合されたものとなる。なお、液体を供給する場合には、ＭＦＣに替えて、多ヘッド型多プランジャー方式の送液ポンプと脱気部とを使用できる。脱気部は液体を加熱する際に発生するガスを除去するもので、加熱により発生するガスを除いた後、送液ポンプで液送するのが好ましい。この加熱により発生するガスを除くことにより多ヘッド型多プランジャー方式の送液ポンプにより１μＬ／ｍｉｎ±１％の変動の少ない微量送液が可能となる。
【００１８】
触媒用の試験用ガスを供給するガス供給部としては、キャリアガスを供給するキャリアガス供給部と、酸素、二酸化炭素、一酸化炭素、水素、水蒸気、アンモニア、硫黄酸化物および窒素酸化物のうち少なくとも一つの微量ガスを供給する微量ガス供給部とを設けるのが好ましい。そして、窒素ガスなどのキャリアガスに各種微量ガス成分が混合された混合ガスが反応装置に供給される。
【００１９】
微量ガス成分には、常温では液状の炭化水素類だけではなく、酸素、二酸化炭素、一酸化炭素、水素、水蒸気、アンモニア、硫黄酸化物および窒素酸化物などが含まれうるので、混合ガスの成分は実際の内燃機関から排出される排ガスの成分により近いものとすることができる。したがってこのガス供給装置を用いることにより、実際の排ガスの成分により近い混合ガスを供給することができ、より正確に模擬された排ガスに関する試験が行えるようになるという効果がある。
【００２０】
なお、時間経過に伴い、試験用ガスのそれぞれの組成割合を連続的に変えたものとして供給することもできる。また、実際のエンジンの排気を試験用ガスの一部として用いてもよい。
【００２１】
反応装置は、試験用ガスが導入される導入部と、この導入部に一端が開口し導入部に供給された試験用ガスが調温される細管と、この細管を調温する調温部と、細管の他端が開口しこの細管の他端からでる試験用ガスと接触し試験用ガスを改質させる供試材を保持する反応室とを持つ。
【００２２】
導入部はガス供給装置と細管とを結ぶもので、細管が１本の場合には１本の連通管で構成できる。複数の細管を採用する場合には、ガス導入空間を設けるのが好ましい。そしてこのガス導入空間にそれぞれの細管の一端が開口する。それぞれの細管に試験用ガスを均等に導入するために、ガス導入空間に旋回流を与えることも好ましい。旋回流は、ガス導入空間をシリンダ状とし、ガス供給装置から送られる試験用ガスをこのガス導入空間に接線方向に導入することにより得られる。また、ガス導入空間に整流手段を設けることもそれぞれの細管に試験用ガスを均等に導入するのに好ましい。
【００２３】
細管は試験用ガスを極短時間に所定温度に調温するためのものである。この細管は、高温または低温の調温用のガス等の調温用雰囲気中に保持され、触媒、センサ、吸着剤、高温材料等の材料や、触媒ハニカム、吸着筒、センサ等の部品に対する試験用ガスが細管の通孔内を流れ、通孔を区画する内周面で調温される。
【００２４】
この細管としては、▲１▼試験用ガスの拡散が生じにくい、▲２▼熱交換速度が速く高速の昇降温試験が可能、▲３▼．機械的強度が高く、高温または低温の使用条件下で使用可能、等の性能を持つものが好ましい。
【００２５】
具体的に細管は内径が１ｃｍ以下であり、肉厚が２ｍｍ以下であるのが好ましい。より好ましくは内径が０．８ｃｍ以下で、肉厚が１．０ｍｍ以下、さらに好ましくは内径が０．５ｃｍ以下で、肉厚が０．５ｍｍ程度がよい。細管の長さは細管を試験用ガスが通過する間に必要な調温ができるに十分な長さを必要とする。細管を通過する試験用ガスの流速が速いほど長い細管を必要とするし、細管の口径が大きいほど長い細管を必要とする。実用的には口径５ｍｍ程度の細管で３０ｃｍ程度の長さを必要とする。
【００２６】
細管の材質は、調温温度、試験用ガスの種類当に応じて適宜選択することができる。例えば、液体窒素から５００℃程度の調温範囲ではアルミニウムあるいはアルミニウム合金製の細管が使用できる。５００℃以上の調温範囲では耐熱合金とかステンレススチールが使用される。金属製の細管によって試験用ガスの反応が促進される場合には、試験用ガスの反応を促進しない材質の細管を選択するか内面を被覆する必用がある。このような場合には、石英製の細管が選択される場合がある。
【００２７】
試験用ガスの量が多い場合、細管を複数本使用することも好ましい。なお、各細管はいずれも同じもので調温も同じようにも調温される必要がある。このためには各細管は互いに所定距離隔てた状態で互いに平行関係にあるように配置するのが好ましい。
【００２８】
口径６ｍｍ、長さ５０ｃｍの耐熱鋼製の細管で、入りガス流量が５０Ｌで昇温速度３００℃／ｍｉｎ、入りガス流量１０Ｌで１０００℃／ｍｉｎの調温が可能である。
【００２９】
調温部は細管の外周面に冷熱あるいは高熱の熱媒体を供給して細管を試験温度に調温する装置である。即ち、調温部は、冷熱あるいは高熱を供給する冷高熱源、及び、この冷高熱源で所定温度に調温された熱媒体を保持するとともに細管が配置される調温室で構成される。冷高熱源としては、冷凍装置、電気炉、恒温装置、燃焼炉等を採用できる。
【００３０】
調温室は、送られてくるあるいは循環している熱媒体に対して耐久性がありかつ断熱性を有する材質で作られているのが好ましい。細管と同じ材質のもので調温室を作り、適当な断熱材で断熱したものとしたり、ヒーターにより直接加熱する構造であっても良い。
【００３１】
反応室は、細管の他端から送り出される試験用ガスと接触し試験用ガスを改質させる供試材を保持する室である。反応室には細管の他端が開口している。そして供試材を保持するに十分な空間を持つ。供試材は色々変えて試験に供されるため、反応室は、供試材を交換するのに便利な開閉式のものとするのが好ましい。
【００３２】
反応室は細管と同じ材料で作ることができる。また、開閉自在とするため、摺り合わせの開閉部を持つ蓋部材を備えるものとするのが好ましい。摺り合わせ部には、高度の気密性を保つために、焼鈍処理した金線やアルミニウム線でシールするメタルシール構造を有するものとするのが好ましい。供試材を反応室の中央等の所定位置に位置づけるために、供試材を保持する試料台を反応室に設けたり、細管から送り出される試験用ガスが均一かつ均等に供試材に送られるように、細管の開口と供試材との間に拡散層を設けるのが好ましい。拡散層は、例えば目の粗いフィルター等のもので形成され、試験用ガスの流れを均一化し、反応室の中心部分の流れも周縁部分の流れも同じような早さの流れとする。
【００３３】
温度センサーは反応室の温度を検出する。より具体的には、供試材の上流側の試験用ガスの温度、供試材と接触して改質された後の試験用ガスの温度を測定するものとするのが好ましい。さらには、供試材の温度を検出するのも好ましい。
温度センサーとしては、熱電対、サーミスター等を用いることができる。
【００３４】
分析装置は試験用ガスが供試材に接触して改質された試験用ガスのガス組成を成分分析するものである。供試材による改質をさらに確実に測定するため、分析装置は供試材に接触する前の試験用ガスも共に分析するものが好ましい。
【００３５】
分析装置としては従来のものをそのまま使用できる。
【００３６】
記録制御装置は、本発明装置を制御すると共に必要なデータを記録する。具体的にはガス供給装置を制御し、予め登録された試験用ガスを所定時刻に調整し供給する。反応装置の調温部を制御し、調温部を駆動して細管を設定した温度に調温する。さらには反応室の温度を温度センサーで検出し、時系列的に温度を記録する。また、分析装置を駆動制御し、必要な分析を行うと共に、分析結果を記録する。このような記録制御装置も従来のものをそのまま使用することができる。
【００３７】
なお、温度センサーにより反応室内の温度を計測するため、例えば熱電対の計測部を反応室内に位置させる必要がある。また、反応室内の試験用ガスを分析するために、反応室内の所定部分のガスを抜き取るサンプリング管を反応室内に設ける必要がある。このようなセンサー及びサンプリング管の配置等も従来と同様に設けることができる。
【００３８】
本発明のガス分析試験装置及び反応装置は、試験用ガスを調温する細管を使用しているため、試験用ガスの乱流を防ぎ、高速の変動雰囲気ガスを試験片に供給できる。また、細管の熱交換速度が速いため高速の昇降温試験が可能となる。また、本発明のガス分析試験装置及び反応装置は機械的強度が高く取り扱いが容易、高温の使用条件下での使用が可能、具体的には１０００℃以上１１００℃程度までの試験が可能となる。また、反応装置に耐熱鋼とメタルシールを用いた場合、接合部の耐熱性が高く、昇降温後においても焼き付きが無く繰り返し使用できる。さらに、本発明のガス分析試験装置及び反応装置は、試験片に流入する直近のすなわち、熱履歴後の、試験用ガスと温度及び試験片を通過した後の試験用ガスと温度を分析または計測・制御できる。
【００３９】
以上主として１個の反応室を持つガス分析試験装置について説明したが、２個の反応室とこれら個々の反応室に試験用ガスを独立に導入する２本の細管を用いた場合には、従来のガス分析試験装置では試験できなかった次のような試験が可能となる。
【００４０】
例えば、１の反応室に供試材をいれ、他の反応室には供試材を入れないで、同時に個々の細管から同じ温度に調温された試験用ガスを入れ、反応室からでるガスをそれぞれ分析する。供試材の入っていない反応室をでるガスの分析により、供試材以外の、例えば調温のための細管等を通過する過程での試験用ガスの変化が調べることが可能となり、より正確に供試材の試験用ガスによる反応を解析できる。
【００４１】
また、エンジン始動直後の触媒の機能も２個の反応室を用いて調べることができる。この場合も１個の反応室に試験すべき供試材としての触媒を入れ、他の反応室は供試材を入れない状態としておく。最初に供試材の入っていない反応室に試験用ガスを流し試験用ガスが予定された組成のものかどうか及び試験温度になっているか否か調べる。この時には触媒の入っていない反応室及びこれに繋がっている細管には試験用ガスは供給されていない。試験用ガスが予定されたものであると確認された後で、試験用ガスを触媒の入っている細管及び反応室に切り換えて流す。これにより触媒の温度が室温に近い状態において所定温度及び所定組成の試験用ガスの変化を調べることができる。
【００４２】
【実施例】
本発明のガス分析試験装置の実施の形態については、当業者に実施可能な理解が得らえるよう、以下の実施例で明確かつ十分に説明する。
【００４３】
［実施例１］
（実施例１の構成）
本発明の実施例１としてのガス分析試験装置は、図１に全体のシステム構成を示すように、大きく分けてガス供給部１と試験部２と分析部７と記録制御部８とから構成されている。
【００４４】
ガス供給部１は、液状の炭化水素（ＨＣ）等を気化させて供給する液体供給部１１、微量ガスを供給する微量ガス供給部１２及び試験用ガス組成を大きく変動させるガス変動部１３とを持つ。
【００４５】
液体供給部１１にはキャリアガスとしての窒素ガスと水蒸気を供給する水供給部１１１をもつ。窒素ガス及び水はそれぞれマスフロー・コントローラ（ＭＦＣ）により質量流量がそれぞれ適正に調整される。なお、いずれのＭＦＣも、記録制御部８の演算装置および制御装置により、適正にフィードバック制御されている。
ＭＦＣを通った窒素ガス及び水は気化器でガス化され試験部２に送られる。
【００４６】
液体供給部１１はさらに液状の炭化水素を供給するガス化部１１２をもつ。このガス化部１１２は、直接液体のまま有機物をＭＦＣに送り、それらの質量流量を適正に調整された後、気化器でガス化し試験部２に送る。
【００４７】
微量ガス供給部１２は酸素、炭酸ガス、水素、二酸化硫黄、一酸化窒素、炭化水素をそれぞれＭＦＣによりそれらの質量流量を適正に調整した後、試験部２に送る。ガス変動部１３は窒素ガス、一酸化炭素と水素ガスとの混合ガス、酸素、その他のガスをそれぞれＭＦＣによりそれらの質量流量を適正に調整した後、タイマー等でプログラム制御による開閉可能な弁を通して試験部２に送る。
【００４８】
水、液状有機物及び各種のガスはそれぞれボンベ等に収納されている。そしてそれぞれＭＦＣにより質量流量を適正に調整し、液状のものはそれぞれ気化器でガス化され、合流器で合流して試験用ガスとなる。
【００４９】
このガス供給部１はトータルの流量で、毎分５リットルから４０００リットルまでの間で任意の流量を得ることができる。
【００５０】
窒素は主にキャリアガスないし希釈ガスとして比較的多量に使用される。水は加湿ガスとして使用される。水は水タンクから窒素ガスで加圧され所定流量で供給される。水は加熱気化させて水蒸気とし他のガスと混合されて加湿ガスとされる。
【００５１】
高沸点の炭化水素を含む軽油やガソリンなどの燃料は所定流量で供給され、３５０〜４５０℃の間の任意の温度に加熱されて気化する。具体的には、気化燃料ガスの温度は１７０〜５００℃の間で所定の温度に制御されており、気化燃料ガスの供給量は±２％以上の精度で流量制御されている。これに対応して、所定の濃度の混合ガスが得られるように、希釈ガスとしての窒素は±１％以上の精度で流量制御されている。
【００５２】
炭化水素は送液ポンプ又は液体ＭＦＣから所定の成分の炭化水素が所定流量で供給され、水と同様気化器によりガス化し供給できる。場合によっては希釈ガスによる、バブリング構造を取ることもできる。
【００５３】
ガス変動部１３は、還元性ガス（たとえば一酸化炭素）の濃度および酸化性ガス（たとえば酸素）の濃度を、記録制御部８に予め格納されたプログラムに従って高速で変動させながら、これらのガスを試験部２に供給する。
【００５４】
なお、ガス供給部１の要所要所には調圧器が配設されており、各種ガス成分を所望の割合で試験部２の反応管に安定供給することが可能になっている。
【００５５】
試験部２は、ガス供給装置から供給される試験用ガスを分割して複数の試験用ガス流とする分割器２１及び反応装置２２（図２）とからなる。本実施例では分割器２１を採用しているが、同時に複数の試験を実施しない場合には分割器は必要とされない。
【００５６】
反応装置２２は、図２に示すように、複数組の反応部２２１と、ヒータ装置２２２とからなる。反応部２２１は、その要部を図２及び斜視図である図３に示すように、分割器２１からそれぞれ分流して送られてくる試験用ガスが導入される導入部３と、この導入部３に一端が開口し試験用ガスが調温される６本の細管４と、これら細管４の他端が開口し試験用ガスと接触して改質させる供試材５０を保持する反応室５１をもつ反応管５と、導出部６とを持つ。
【００５７】
導入部３は、軸孔が旋回流室３１となる中空円盤状の上蓋３２と、この上蓋３２の旋回流室３１の内壁面に対して接線方向に繋がるガス通路３３と、このガス通路３３に連結され上蓋３２に固定された導入管３４とからなる。上蓋３２の上端側には、サンプルガスを抽出する第１サンプリング管７１を保持し旋回流室３１の上端を区画し上蓋３２に固定された径違いユニオン３５を持つ。第１サンプリング管７１には上流側温度センサー７２を構成する熱電対が配置されている。なお、熱電対は高速の昇降温に追従しやすくするため、線径０．５ｍｍのＲシース熱電対を用いた。
【００５８】
基部３６の下端には、第１サンプリング管７１を中心として互いに間隔を隔てて同心円状に等間隔に配置された６本の細管４の上端部を保持し、旋回流室３１の下端を区画し上蓋３２に固定された基部３６をもつ。
【００５９】
細管４及び第１サンプリング管７１はいずれも耐熱鋼製（インコネル６２５、大同スペシャルメタル製：商品名）で、直径８ｍｍ、内径６ｍｍであり、細管４の長さは４３ｃｍである。細管４及び第１サンプリング管７１の下端は固定部４１に固定保持されている。
【００６０】
細管４の上端に近い固定板７５から熱電対７３の上部に至る部分はヒータ装置２２２内に位置している。
【００６１】
反応管５も耐熱鋼製（インコネル６２５）で、固定部４１の下端に固定され、内部の反応室５１の上方にガスの拡散を促進するメッシュ５２を持つ。第１サンプリング管７１の下端は反応室の上端に開口している。また、上流側温度センサー７２は第１サンプリング管７１の下端からさらに延び、その下端はメッシュ５２の中央に設けられたガイド孔を通り、反応室５１内に設けられた供試材５０の上方に位置している。
【００６２】
導出部６は耐熱鋼製の管状本体６１とこの下端に固定された蓋部６２と蓋部６２に設けられた排出管６３とからなる。管状本体６１の上端は反応管５の下端部分と着脱自在で、メタルシールにより気密的に固定される構造となっている。
【００６３】
蓋部６２の中央には熱電対固定用石英管又はＳＵＳ管７３が固定され、この管７３内には下流側温度センサー７４を構成する熱伝対線が配置され、その上端は熱電対固定用管７３の上端より突出し供試材５０の直下に位置している。
【００６４】
なお、反応部２２１を構成する各部分の継ぎ手は説明したものを除き全てスウェージロックチューブ継ぎ手を用いた。
【００６５】
ヒータ装置２２２は電熱線で加熱空気を作り所定温度に保つもので、複数組の反応部２２１の各細管４及び第１サンプリング管７１が加熱空気に晒され、これら細管４及び第１サンプリング管７１を所定温度に調温する。細管４内を通る試験用ガスは細管４の内壁面で加熱され、所定温度に調温される。
【００６６】
分析部７は複数の分析器（具体的にはＣＯ計、ＣＯ2 計、ＴＨＣ計、ＮＯx 計、Ｏ2 計、ＳＯx 計、λ計およびＮＯ2 計）を有し、サンプリングされた各混合ガスの成分をオンライン計測によりそれぞれ分析する。この分析の結果得られたデータは、信号線を通じて記録制御部８に伝送される。
【００６７】
記録制御部８は、演算装置と制御装置と表示記録装置とからなる。表示記録部は、分析部７での分析結果および各温度センサの計測結果を含むデータを時系列で記録すると共に、モニター画面に映し出してリアルタイムで表示する。また記録制御部８は、これらのデータに基づいて前述の複数種類のガスの流量（ＭＦＣで調節）およびヒータ６１，６２の出力を含む試験条件をフィードバック制御する。
【００６８】
制御則は、通常はＰＩＤ制御則を用いるが、必要に応じてファジー制御則や他の制御則を用いても良く、演算装置内の制御ソフトウェアの変更でいかようにも対応することができる。
【００６９】
この実施例のガス分析試験装置及び反応装置の常用使用温度は１０５０℃である。この装置を供試材の高温耐久試験及び性能試験に用いた。
【００７０】
まず、１０台のマスフローコントローラを備えたガス供給部１により表１に示す組成のガソリン自動車の排ガスを模試した試験用ガスを細管１本当たり２０Ｌ／ｍｉｎの流量で発生させ、１００℃から１０００℃までの昇降温試験を実施した、その結果１０００℃／１５分以上の昇降温速度を実現できた。
【００７１】
ガス供給部１のガス変動部１３の変動周期を２秒とし、供試材５０の上流側の第１サンプリング管７１からサンプリングしたガスを分析した。その結果、細管４内で仕込みの変動が平均化されることなく供試材５０に供給できることが確認できた。
【００７２】
また、この反応装置２２を５００時間以上使用したが、若干酸化の進行は認められるものの、使用上問題なく。長時間の使用に耐えられることが確認できた。
実施例２
実施例１の細管４及び反応管５の材質を全てＳＵＳ３０４に置き換えた反応装置を作り５００℃で５００時間試験した。その結果、ＳＵＳ３０４に置き換えた反応装置は５００℃までの試験に十分耐えられることがわかった。
実施例３
更に実施例２の反応装置の細管４の外径を３．２ｍｍ、内径を２．４ｍｍ、本数２０本とし同様の反応装置を製作した。この反応装置では更に変動周期０．５秒の実験も可能となった。
実施例４
また、実施例３の反応装置において、細管の管径を外径３．２ｍｍ、内径を２．４ｍｍ、本数２０本のままとし、材質をアルミニウムとし熱伝導率を高めた細管を用いた反応装置を製作した。この反応装置では、昇降温速度を１０００℃／１分以内の実験が可能になった。ここではアルミニウムの融点を考え試験温度とし、〜３００℃以下の実験とした。
【００７３】
なおアルミニウムは液体窒素（−１９６℃）や液体酸素（−１８３℃）の極低温下でも脆性破壊がなく、靭性が大きいため、液体窒素に浸ける冷熱試験に用いることもできる。
【００７４】
次に、実施例１のガス分析試験装置を使用して以下に示す試験１〜４の試験を行った。
【００７５】
試験１
この試験では、高速の変動ガスによる１０°Ｃ／ｍｉｎ昇温時の、触媒による多成分ガスの浄化率、雰囲気調整能力、等の測定を行った。供試材には、酸化アルミニウム（Ａ１２０３）担体４ｇと、セリアとジルコニアを合わせて２．５ｇを含む助触媒との混合担体に対し白金（Ｐｔ）０．０５ｇとロジウム（Ｒｈ）０．０１ｇを担持した３５ｃｃのハニカム状の触媒を用いた。
【００７６】
また、試験用ガスとしては、表１に示すリッチ及びリーンの２種類の混合ガスを採用し、１秒間隔でリッチ及びリーンを切り替え周期が２秒の高速変動ガスとした。なお、供試材通過後のガスの空撚比（λ）が試験中常に０．９９８となるように酸素濃度と窒素濃度を微調して試験した。供試材の体積に対する体積流量率ＳＶ（スペ−スベロシティ−）は、毎時３．４万（２０Ｌ／ｍｉｎ）であり、そのうち試験分析のために採取された摂取量は、合計で０．５リットル／ｍｉｎとした。なお、この試験では反応管を１本のみ試用した。また、反応装置全体がヒータ装置内に保持され、供試材も試験用ガスの温度と同じ温度に加熱された状態で試験した。
【００７７】
【表１】
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【００７８】
反応室に入る試験用ガスの温度は熱電対で計測し、ガス温度で１０℃／ｍｉｎの昇温試験を行い、１００℃から５００℃まで昇温し、その間０．１秒間隔で連続的にオンライン測定した。
【００７９】
本装置を用いて測定された試験１の結果を図４に示す。図４から解るように、本装置により１００℃から５００℃まで試験用ガスの出ガスのλ平均値を常に０．９９８に調整することができ、実際の自動車の暖気後の触媒性能の挙動を適切に計測できることが確認された。そして本装置により、１回の測定でＴＨＣ、ＮＯｘ、ＣＯの浄化率（５０％浄化温度）、Ｏ２、ＣＯ２、ＮＨ３の濃度変化、３００℃と４００℃でのλの平均値と変動幅（変動幅が小さいほど触媒の雰囲気調整能力が高いことを示す）、入りガスと出ガスの温度差などを同時に計測・解析することができることが確認された。
【００８０】
実施例１の装置で計測された図４から明らかなように、ＴＨＣ、ＮＯｘ、ＣＯの浄化率を示す、縦軸を「浄化率」とし横軸を「温度」とするグラフが自動的に得られる。なお、ここでいう浄化率とは、ガス供給部から反応室に供給される試験用ガス中の微量ガス成分に対する、供試材を通過した後のガス中の微量ガス成分の減少量の百分率である。このグラフから、試験１での触媒の多成分ガスに対する浄化作用の温度特性は明らかである。
【００８１】
また本装置で設定できる雰囲気と温度条件は、実際の自動車排ガスの実測値から任意の条件が再現できる様、排気温度とλを変数とする、各成分濃度の近似式が各種エンジンごとの実施値から組み込まれており、任意に書き換えることもできる。そして本装置にはエンジン（近似式）の種類・温度・λ・雰囲気気動の大きさ・雰囲気変動周期・水分やＳＯｘ、ＨＣの種類と濃度の比・時間と共に変化させる前記要素を任意に選ぶことにより任意の試験が行えるプログラムが組み込まれている。
【００８２】
試験２
この試験では高速昇温時の触媒による高速多成分変動ガスの反応性の測定を行った。
【００８３】
この試験では、反応装置の反応室がヒータ装置の外に位置する状態とし、細管のみがヒータ装置により加熱される状態とした。供試材としては、実際に５万Ｋｍ走行していた市販車のハニカム触媒から切り出した長さ５ｃｍ直径３ｃｍの触媒（３５ｃｃ）を用いた。また、試験用ガスには、表１と同じ濃度の試験ガスを用いた。ガス流量としては２０Ｌ／ｍｉｎ、触媒の体積に対する体積流量率ＳＶ（スペ−スベロシティ−）は、毎時３．４万であり、そのうちサンプリングラインへの摂取量は、合計で０．５リットル／ｍｉｎ）とした。
【００８４】
供試材通過後の出ガス部における熱電対で計測される出ガス温度で、室温から３００℃まで１分以内で昇温し、０．０５秒間隔で連続的にオンライン計測した。
この試験では、同じヒータ装置に２組の細管及び反応管を用い、一本の反応管に供試材を入れ、他方の反応管は供試材を入れない状態とし、まず供試材の入っていない側の細管に試験用ガスを全て流し、その反応管の出ガスを分析することにより試験ガスの調整を行うと共に、出ガス温度を５００℃で一定になる条件とした。
【００８５】
その後試験用ガスの流れる方向を一気に切り換え、供試材の入っている反応管に繋がる細管に試験用ガスを流した。そして、供試材が室温にある状態で３００℃の試験用ガスを供試材に当て、供試材が室温から３００℃まで１分以内で昇温した場合の、微量成分の出ガス濃度を測定した。その時のガス流通開始から１分間の触媒出ガスのＴＨＣ、ＮＯｘ、ＣＯ濃度、λ、出ガスのＴＨＣ、ＮＯｘ、ＣＯ濃度、λ、出ガス温度のそれぞれについて２秒間ずつの平均値を図５に示した。
【００８６】
この試験を各種の触媒について行うことにより、自動車始動時の触媒の排ガス浄化挙動を的確に測定することができる。
【００８７】
図５に例示したように、ＴＨＣ、ＮＯｘ、ＣＯの浄化特性、排気成分の吸放出に伴うλの変化、触媒の暖気性を示す触媒の出ガス温度等を同時に評価し、触媒特性の把握を的確に行うことができる。
【００８８】
この試験により本発明の装置は、自動的にＴＨＣ、ＮＯｘ、ＣＯの５０％浄化時間、９０％浄化時間、２００℃、２５０℃、３００℃まで昇温時間が計測され、実エンジンの始動時の排ガス浄化挙動により近い試験が本実施例のガス分析試験装置で可能であることが明らかになった。また、本試験の結果からも、前述の試験１の結果と同様に本実施例のガス分析試験装置効果を実証することができた。
【００８９】
試験３
この試験では、ニッケル基合金製の耐熱鋼製の細管と反応管を用い、細管及び反応管を共に管状炉からなるヒータ装置内に配置して実験を行った。供試材としては、酸化アルミニウム製の担体４ｇを３５ｃｃのセル／ｉｎ２のモノリス基材に担持した担体に対しパラジウム（Ｐｄ）を０．０５〜０．２５ｇまで０．Ｏ５ｇずつ担持量を変えて担持させたハニカム状の触媒を用いた。同触媒に対する混合ガスの容積流量率ＳＶは毎時５万であった。
【００９０】
この試験では、５組の細管と反応管に均等に混合ガスを流通させ、それぞれの反応管に装填した触媒に高速の変動ガスを流通させ、一度５００℃で１０分間前処理を行った後２００℃、３００℃、４００℃の各温度で１０分間安定させた後、個々の反応管の入りガスと出ガスを順次分析することにより、各温度での各触媒の浄化率と雰囲気調整能力（酸素貯蔵能）を同時に評価した。
【００９１】
その後、変動周期を長くし、８００℃で１０ｈｒ耐久試験した後、４００℃、３００℃、２００℃の各温度で再び高速の変動ガス中で触媒性能、即ち、浄化率と雰囲気調整能力及びミリ秒レベルの時間変化の速い浄化能の変化・高速の雰囲気調整能力、酸素貯蔵能力、酸素貯蔵放出速度、高速の各種雰囲気変動ガス成分（０2、ＣＯ、ＣＯ2、ＮＯｘ、ＨＣ、ＳＯ2、Ｎ2Ｏ、ＮＨ3、Ｈ2Ｏ等）の吸着脱離速度などを同時に評価した。この後再び変動周期を長くし１１００℃で１０ｈｒ耐久試験した後、４００℃、３００℃、２００℃の各温度で再び高速の変動ガス中での触媒性能即ち、浄化率と雰囲気調整能力（酸素貯蔵能）を同時に評価した。
【００９２】
この様に、本装置では同時に５種類の試験片の試験が、前処理→性能試験→８００℃耐久試験→性能試験→１１００℃耐久試験→性能試験と言う連続した試験を効率良く行えた。この結果、５種類の触媒の各温度での浄化率、と雰囲気変動幅を順次効率よく計測することができ、本発明の装置と方法の有用性が確認された。
【００９３】
試験４
この試験ではλ（空燃比／理論空燃比）が時間と共に変化する場合の触媒出ガス中の窒素酸化物、炭化水素および−酸化炭素の濃度の転化率、雰囲気変動幅（雰囲気調整能力）が計測された。
【００９４】
この試験により、試験用ガスの組成を次々に変動させていく試験の場合にも、本実施例の試験装置によれば、予めプログラムされたとおりに自動的に混合ガスの組成を変化させていき、デ−タを自動的に記録することが可能であることが事証された。
【００９５】
これらの試験により、本実施例のガス分析試験装置では、試験条件の多くを自動的に設定し、多様なガス分析試験を自動的に行って自動的にデ−タを記録することができ、複雑なガス分析試験の省力化および効率化に多大な効果があることが明らかになった。
【００９６】
なお供試材としては、ハニカム状のモノリス触媒に限らず、ハニカム状の目皿の上に石英ウ−ルを置きその上にペレット状の試験片をならべて試験することもでき、また、試験片から信号線を介して起電力や抵抗変化を計測することによりセンサの試験にも用いることができる。従って、供試材の形状や用途には特に限定することなく本発明の装置を使用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  実施例１としてのガス分析試験装置の構成を示すブロック図
【図２】  実施例１の反応装置の構成を示す側断面図
【図３】  実施例１の反応装置の斜視図
【図４】  実施例１の反応装置を用いた試験１で得られた線図
【図５】  実施例１の反応装置を用いた試験２で得られた線図
【符号の説明】
１：ガス供給部    １１：液体供給部    １２：微量ガス供給部
１３：ガス変動部    ２：試験部    ２１：分割器    ２２：反応装置
３：導入部    ４：細管    ５：反応管    ６：導出部
７：分析部    ８：記録制御部
【図１】
0004600715.tif 000003
【図２】
0004600715.tif 000004
【図３】
0004600715.tif 000005
【図４】
0004600715.tif 000006
【図５】
0004600715.tif 000007