(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ほぼ大気圧であり、圧力が乱れることを避けるために受動的に取り込まれるガスを希釈するための混合システムであって、
ほぼ大気圧である希釈ガスを受け入れるための希釈流入口と、
流体的に該希釈流入口と連結されている第１端部と、外部の機器に接続するための第２端部を有するエルボウ・ダクトであって、該エルボウ・ダクトが、内側湾曲半径と外側湾曲半径を定めているものと、
ほぼ大気圧のガスを受動的に受け入れるためのガス流入口であって、該ガス流入口が、ガス流入口の所の圧力降下を押さえるために、該エルボウ・ダクトの曲がり部分の外側において、流体的に該エルボウ・ダクトに連結されているものと、
から成ることを特徴とする混合システム。
【請求項２】
流体的に該希釈流入口と連結されている流入口を有し、また流体的にエルボウ・ダクト第１端部に連結されている流出口を有する流量計を備えていることを特徴とする、請求項１に記載されている混合システム。
【請求項３】
流量計の流入口が、狭められている部分を画していることと、流量計の流出口が、出口円錐を画していることを特徴とする、請求項２に記載されている混合システム。
【請求項４】
該出口円錐が、約５度と約１５度との間の出口円錐角度を有していることを特徴とする、請求項３に記載されている混合システム。
【請求項５】
該エルボウ・ダクトが、対直径比が約０．５と約２．５の間の平均湾曲半径を有し、また約４５度と約１８０度の間の曲がりを有していることを特徴とする、請求項１に記載されている混合システム。
【請求項６】
希釈流入口に、希釈ガスを濾過するためのフィルターを備えていることを特徴とする、請求項１に記載されている混合システム。
【請求項７】
希釈流入口に、希釈ガスを加熱するためのヒーターを備えていることを特徴とする、請求項１に記載されている混合システム。
【請求項８】
ほぼ大気圧であり、圧力が乱れることを避けるために受動的に取り込まれるガスを希釈するための混合システムであって、
ほぼ大気圧である希釈ガスを受け入れるための希釈流入口と、
流体的に該希釈流入口と連結されている第１端部と、第２端部を有するエルボウ・ダクトであって、該エルボウ・ダクトが、内側湾曲半径と外側湾曲半径を定めているものと、  ほぼ大気圧のガスを受動的に受け入れるためのガス流入口であって、該ガス流入口が、ガス流入口の所の圧力降下をおさえるために、該エルボウ・ダクトの曲がり部分の外側において、流体的に該エルボウ・ダクトに連結されているものと、
該エルボウ・ダクト第２端部流出口に接続されているサンプリングシステムと、
から成ることを特徴とする混合システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（技術分野）
本発明は、ガス成分の分析のための計測と希釈技術に関する。
【０００２】
（背景技術）
ガス希釈・試験装置は、特に車両の排気を分析するのに使用される。該装置は、混合Ｔ管を使用して排気ガスを希釈し、ガスの中の湿度を充分に減らして、凝結によるエラーを最低下度に抑える。現行の混合Ｔ管は、希釈ガスを受け入れるための希釈流入口と、排気ガスを受け入れるためのガス流入口と、サンプリングシステムのような外部の機器に連結される流出口を有している。
【０００３】
車両の排気パイプへの機器の取付に当たっての、最大の関心事は、車両の排気パイプにおいて圧力あるいは真空度が過剰に高くなることを防ぐことである。現行の基準の範囲は、試験プログラムによって、Ｈ2０（水柱）で±１インチ（０．２５ｋＰａ）からＨ2０で±５インチ（１．２５ｋＰａ）である。
【０００４】
一部の試験プログラムでは混合Ｔ管の流出口の所の典型的な流量は、約３００〜３５０ｆｔ3 ／ｍｉｎ（８．５〜１０ｍ3 ／ｍｉｎ）である。しかし、低燃費車両とメタノール燃料車両に対して、正確に試験を行うためには、より高い希釈流量が必要である。従って、該諸車両に対しては、混合Ｔ管の流出口の所で、７００〜８００ｆｔ3 ／ｍｉｎ（２０〜２３ｍ3 ／ｍｉｎ）もの流量が必要となることがある。現行の混合Ｔ管では、混合Ｔ管の流出口における流量を増加させると、車両の排気パイプの所で真空度が高くなる。上記のように増加した流量、あるいはそれ以上に増加した流量では、特に、Ｈ2０で±１インチ（０．２５ｋＰａ）の仕様が要求される試験プログラムにおいて、仕様の範囲内で安定させることはより困難となる。
【０００５】
更に、多くの試験プログラムは、試験の間希釈流量をモニターすることを要求している。希釈流量と混合Ｔ管流出口の流量をモニターすることで、排気ガスの流量を計算することができる。流量を計測するための一つの方法として、亜音速ベンチュリーを用いるものがある。該ベンチュリーは、希釈流入口の所に置かれる。しかし該亜音速ベンチュリー（とまた他の流量計も同様に）の流体力学的な構造のために、該ベンチュリーの流入口と流出口間に圧力ロスが生ずる。該圧力損は、通常大気圧である希釈流入口と、車両の排気パイプとの間の全般的な圧力ロスに加えられる。ここでも、混合Ｔ管流出口における流量を大きくして試験するときに、ベンチュリーの所の追加の圧力ロスのために、車両の排気パイプの所の上昇した真空度が、問題となることがある。
【０００６】
一部の現行のシステムは、流入口ベンチュリーの後に、圧力ゲインのためのブロアを使用して、全体的な圧力降下を減らして、できれば排気パイプの圧力を仕様範囲内に抑えるようにしている。有効に制御されるブロアを有する混合Ｔ管の一例は、米国特許４，８２３，５９１の中で説明されており、該特許は、Ｌｅｗｉｓに対して発行され、本発明の譲受人に譲渡され、該特許の開示は、全般的に引用により本明細書の中に組み込まれている。
【０００７】
前記で説明されたシステムは、商業的に成功した多数のアプリケーションに使用されてきたが、該システムでは、より厳格な仕様とより多い流量に対する要求を満たすことが困難である。更に、ブロアを仕様に適するように有効に制御するシステムを使用することは高価となり、また該システムを調整することは複雑となることがある。
【０００８】
（発明の開示）
従って、本発明の目的は、ロスの少ない混合システムを提供することである。
【０００９】
前記の目的と、また本発明の他の目的と特徴を達成するために、ガス希釈のための混合システムが提供される。該混合システムは、希釈流入口と、エルボウ・ダクトと、ガス流入口から成る。該エルボウ・ダクトは、流体的に希釈流入口と連結されている第１端部を有している。該エルボウ・ダクトの第２端部流出口は、サンプリングシステムのような外部の機器に接続されている。該エルボウ・ダクトは、内側湾曲半径と外側湾曲半径を規定している。ガス流入口は、車両からの排気ガスでありうるガスを受け入れる。該ガス流入口は、該エルボウ・ダクトの曲がり部分の外側において、流体的に該エルボウ・ダクトに連結されている。
【００１０】
エルボウ・ダクトの流体力学的構造により、外側湾曲半径に沿って圧力ゲインが得られる。エルボウ・ダクトを横断する方向に生じる該圧力差は、エルボウ・ダクトの外側湾曲区域に沿ってガス流入口を接続することによって利用される。
【００１１】
できれば、流量計は、流体的に希釈流入口に連結されている流入口を有しており、また流体的にエルボウ・ダクトの第１端部に連結されている流出口を有していることが好ましい。更に、流量計の流入口は、できれば、狭められている部分を画していることが好ましく、また、流量計の流出口は、できれば、約５度と約１５度の間の出口円錐角度を有する出口円錐を画していることが好ましい。
【００１２】
好ましい実施例において、エルボウ・ダクトは、対直径比が約０．５と約２．５の間の平均湾曲半径を有している。更に、エルボウが、できれば約４５度と１８０度との間で湾曲していることが好ましい。更に、好ましい実施例において、フィルターとヒーターが、希釈流入口にあって、通常大気圧の空気である希釈ガスを濾過および加熱している。
【００１３】
更に、本発明を実施するのに当たって、混合システムは、希釈流入口と、エルボウ・ダクトと、エルボウ・ダクトの外側湾曲半径に沿って流体的にエルボウ・ダクトに連結されているガス流入口とから成る。該混合システムは、更に、エルボウ・ダクトの第２端部流出口に接続されているサンプリングシステムを含む。
【００１４】
また更に、本発明を実施するのに当たって、混合システムは、希釈流入口と、エルボウ・ダクトと、ガス流入口とから成る。該エルボウ・ダクトは、流体的に希釈流入口と連結されている第１端部と、外部の機器に連結するための第２端部を有している。該ガス流入口は、エルボウ・ダクトの外側の部分に沿った圧力ゲインを利用するために、エルボウ・ダクトの外側の部分に沿って流体的にエルボウ・ダクトに連結されている。
【００１５】
本発明の実施例に関連する利点は、多数ある。例えば、本発明の実施例により、増大する混合システムの流出口の流量のために、車両の排気パイプにおいて生成される真空を減らすことができる。更に、本発明の実施例は、車両の排気試験を含む多数のアプリケーションに適しており、アプリケーションによっては、有効なブロア制御のための必要条件を省くことができる。
【００１６】
本発明の前記の目的と他の目的と、特徴と、また利点は、別添の図面と関連させた本発明を実施するための最良の形態についての下記の詳しい説明から明らかとなる。
【００１７】
（本発明を実施するための最良の形態）
図１において、本発明の混合システムは、一般的に参照符号１０で示されている。混合システムは、ホイール１４の上で支えられているハウジング１２を有している。代案として、該システム１０を、天井から吊り下げたり、あるいは希望する方法で取り付けることができる。希釈流入口１６は、希釈ガスを受け入れる。この希釈ガスとしては、大気圧の空気が典型的であるが、異なる圧力の異なるガスとしてもよい。希釈流入口１６の所にあるフィルター１８は、塵を希釈ガスから濾過して取り除く。ヒーター２０を、希釈流入口１６の所に取り付けて、混合する前に希釈ガスを加熱することができる。希釈流入口１６は、ダクト２２に接続される。ダクト２２は、流入口２４を有する流量計に接続される。流量計は、流出口２６を有している。
【００１８】
該流量計は、該流量計を通過した希釈ガスの流量を示すように構成されている。流量計の流出口２６の端部２８は、エルボウ・ダクト３０に接続されている。該エルボウ・ダクト３０は、流量計と流体的に連結されている第１端部３２と、サンプリングシステムのような外部の機器に連結されている第２端部３４とを有している。
【００１９】
エルボウ・ダクト３０は、外側のダクト部分３６に沿って外側湾曲半径を定めており、また内側ダクト部分３８に沿って内側湾曲半径を定めている。さらに、エルボウ・ダクト３０は、約９０度に曲がっていることが望ましい。ガス流入口４０は、車両の排気ガスのようなガスを受け入れる。ガス流入口４０は、エルボウ・ダクトの外側湾曲半径に沿って流体的にエルボウ・ダクト３０と連結されている。流体力学的構造により、エルボウ・ダクト３０は、外側湾曲半径に沿って固有の圧力ゲインを有することになる。ガス流入口４０を、エルボウ・ダクトの外側湾曲半径に沿って接続することで、有利にガス流入口の減圧をおさえる、あるいは車両の排気ガスパイプにおける真空度を下げることができる。
【００２０】
図２において、混合システムは、一般的に参照符号６０で示されている。システム６０は、ハウジング６２と、ホイール６４を有している。希釈流入口６６は、できれば、フィルター６８とヒーター７０を有していることが好ましい。ダクト７２は、流入口６６を流入口７４を有する流量計７３に接続している。流入口７４の他に、流量計７３は、スロート７６と出口円錐７８を有している。言うまでもなく、ダクト７２と流入口７４を、組み合わせて単体のダクトとしてもよい。好ましい実施例において、流量計７３は、流入口ノズルと、約５度と約１５度との間の出口円錐角度を有している拡散円錐とを有している。
【００２１】
トランスデューサ８０は、流量計７３をモニターして、該流量計７３を経由する流量を示す出力を生成する。一つの実施例としては、トランスデューサ８０は、流入口７４の所の温度を計測するのに加えて、流入口７４の所とスロート７６の所の圧力を計測する。言うまでもなく、代案として、温度を、流量計７３の上流側または下流側でも計測してもよい。更に、本発明の実施例の中で、多数の計測技術を使用することができ、前記の実施例は、単に一例に過ぎない。
【００２２】
エルボウ・ダクト９０は、流量計７３と流体的に連結されている第１端部９２を有している。エルボウ・ダクト９０の第２端部流出口９４は、サンプリングシステムに接続されている。該サンプリングシステム１２０を、サンプラー１２２と、できれば内蔵されているマイクロコントローラであることが好ましいコントローラ１２４と、ブロア１２６とを含んだ種々の構成部品から成るものとすることができる。言うまでもなく、図２の中で説明されているシステムは、サンプリングシステムの一例に過ぎず、他のサンプリングシステムも想定することができる。例えば、ブロアの代わりに空気ポンプを応用することができる。
【００２３】
エルボウ・ダクト９０は、外側と内側のダクト部分９６と９８に沿って、それぞれ外側と内側湾曲半径を定めている。ガス流出口１００は、車両の排気ガス１１０のようなガスを受け入れる。本発明では、ガス流入口１００とエルボウ・ダクト９０は、エルボウ・ダクト９０の外側湾曲半径に沿った圧力ゲインが、ガス流入口減圧を押さえるように配設されている。即ち、本発明の実施例は、エルボウ・ダクト第２端部流出口９４の中の流量の増加の結果生ずる流入口１００の所の真空度の上昇を補正する。
【００２４】
引続き図２を参照しながら、混合システム６０の動作を説明する。希釈ガスは、典型的に大気圧で、矢印１５０の方向に流入口６６に流れる。希釈ガスの流れは、流量計７３を経由して継続される。希釈ガスが、エルボウ・ダクト第１端部９２に到達すると、希釈ガスは、システムの中のロスのために典型的に流入圧力以下である、第１圧力となる。希釈ガスが、エルボウ・ダクト９０を経由してエルボウ・ダクト第２端部９４に向けて流れるため、エルボウ・ダクト９０の直径方向に圧力差が形成される。エルボウ・ダクト外側湾曲半径に沿って圧力ゲインが起こる。ガス流入口１００をエルボウ・ダクトの外側の部分９６に接続することで、該圧力ゲインが利用される。即ち、ガス流入口１００における圧力は、第１圧力（エルボウ・ダクト第１端部９２の所の）より大きい第２圧力である。
【００２５】
図３において、本発明の実施例の例示としての略図が示されている。発明者がプロトタイプを試験することに先立って、図３の中で下記のとおり説明されてる圧力ロスが、物理的システムのパラメータの関数として計算された。
フィルターおよびヒーター  ロス：
ｐb ＝ｐ1 ＋Δｐfilter
ここでｐb は、希釈流入口の所の圧力（典型的に大気圧）、ｐ1 は、流量計流入口の所の圧力、またΔｐfilterは、フィルターとヒーターの圧力ロスの合計である。典型的なフィルター／ヒーターからのロスは、流れにより左右され、また流量１，０００ｆｔ3 ／ｍｉｎ（２８．３ｍ3 ／ｍｉｎ）の所で約０．５インチＨ2０（０．１３ｋＰａ）である。
【００２６】
先細り円錐では、流れの加速が生じ、そして平滑進入オリフィス（ＳＡＯ）入口円錐のロスは：
ｐ1 ＝ｐ2 ＋（1/2 ）ρ（Ｑ／Ａ2 ）2 ＋ＫLe（1/2 ）ρ（Ｑ／Ａ2 ）2 
ここでｐ2 は、流量計スロート圧力、ρは、流体の密度、Ｑは、流量、Ａ2 は、スロートの断面面積、またＫLeはロスの定数である。
典型的には、入口のロスファクターＫLeは、約０．０２、空気の密度は、１．２ｇ／ｌである。５００ｆｔ3 ／ｍｉｎ（１４．２ｍ3 ／ｍｉｎ）の流量と３．５４インチ（８８ｍｍ）のスロート直径に対応する面積Ａ2 に対して、ｐ2 は、大気圧以下約３．７インチＨ2０（０．９２ｋＰａ）である。
【００２７】
拡散円錐の圧力回復は、圧力回復系数Ｃp により説明される：
ｐ3 ＝ｐ2 ＋Ｃp （1/2 ）ρ（Ｑ／Ａ2 ）2 
ここでｐ3 は、出口円錐流出口の所の圧力、またＣp は、圧力回復係数である。Ｃp の数値は、Ａ3 ／Ａ2 の面積比により左右される。本明細書の中で推奨されている円錐角度が付いた６インチ（１５２ｍｍ）のパイプの延長に対して、Ｃp は、約０．８０である。
【００２８】
エルボウからのロスは、湾曲半径対直径比に左右される。内側と外側の差圧に関連する圧力回復に導くエルボウ流量計の影響もあり、やや流量と構造により左右されるが約０．５となるＣx 係数で説明される。
ｐ4 ＝ｐ3 −ＫLelbow（1/2 ）ρ（Ｑ／Ａ3 ）2 ＋Ｃx ・ρ・（d/r ）（Ｑ／Ａ3 ）2 
ここでｐ4 は、エルボウ・ダクトの流出口の所の圧力、ＫLelbowは、ロス定数、Ａ3 は、流出口断面面積、ｄ3 は、流出口直径、ｒは、エルボウの湾曲半径、またｄは、エルボウの直径である。ｒ／ｄが約２．５である緩やかに曲がったエルボウでは、ＫLelbowは、約０．１２である。該諸パラメータから、ｐ4 は、流量５００ｆｔ3 ／ｍｉｎ（１４ｍ3 ／ｍｉｎ）で、大気圧以下約０．９インチＨ2０（．２２ｋＰａ）である。
【００２９】
図４において、グラフは、発明者により製作された、フィルターまたはヒーター無しのプロトタイプの混合システムの圧力モデルを示している。流入口減圧度合いあるいは真空度は、縦座標上にインチＨ2Ｏで示されている。混合システム流出口の所の流量は、座標横軸上にｆｔ3 ／ｍｉｎで示されている。線１５０は、試験されるプロトタイプについての発明者により想定された理論的な関係である。プロトタイプに対する諸試験点は、１５２の所に示されている。
【００３０】
ロスの少ない本発明の混合システムでは、ブロア、運動部分あるいは複雑な制御システム無しで、自動車の排気サンプリングに要求される条件を満たすことができる。必要に応じて濾過手段と流量計測手段を含む欠くことのできないサンプリングのための構成要素の独特の並置で、試験車両のテールパイプへの吸引あるいは背圧を最少限度とすることが達成される。
【００３１】
流路の中の構成部品を適切な順序とすることが、好ましい本発明の実施例において望ましい。希釈空気を、排気ガスと混合される点に導き入れることは、該排気ガスを濾過して該ガスの流量で計測する必要があるので複雑である。該諸エレメントは、車両のテールパイプにおける吸引としてあらわされる圧力降下を作り出す。該諸エレメントを、希釈空気の通路に馴染む正しい順序に置くことで、該圧力降下を、最小限度に抑えることができる。流量計測装置の前に大きな濾過領域を設けることは、流れが混合領域に到達する前に、ロスを生成する流れの減速を持たせる必要がないことを意味する。
【００３２】
平滑進入オリフィス（ＳＡＯ）の出口の所の圧力を回復するための円錐は、綿密に計算されたものであることが、本発明の好ましい実施例において望ましい。希釈空気の流れを計測しようとすれば、希釈空気の通路の中に外乱が生じることになる。ＳＡＯは、該計測を行う正確な手段となる。流路に対する外乱と結果として生ずる圧力ロスは、注意深く選択されたゆるやかな漸次拡大角度を有する計測スロートからの通路中に圧力を回復するための円錐を使用することで最低限度に抑えられる。
【００３３】
大きな圧力ロスを伴うことなく空気の流れを曲げることができるより大きな半径をもつエルボウが、本発明の好ましい実施例において望ましい。実際の構成部品のレイアウトにおいて、空気の流れを曲げて、構成部品とダクトを、典型的な試験セルに適合させることが通常必要である。該構造は、曲げの内側の所の分離からの流れのロスを最小限度に抑えるために、大きな半径をもつエルボウで実施される。
【００３４】
戦略的に排気流入口をエルボウの曲がり個所に置くことが、本発明の好ましい実施例において望ましい。希釈空気の通路の中に流れる空気が、質量を有しているので、流れを曲げるための力を必要とする。通常、該力は、流れの方向を変えるエルボウの壁により提供される。該現象は、流れの内側と外側との間の圧力差を生む。特に、エルボウの曲がり部分の外側に、他の圧力ロスの多くを取り消すことのできる圧力が上昇する部分が形成される。排気流入口の場所は、該効果を最大限利用できるように選択される。主パイプと、流入口パイプと曲げ半径の相対サイズは、該諸効果を最適化し、試験車両の試験で観測された好ましくない圧力のばらつきを最小限度に抑えるために、流れの予測される動作範囲に従って選択される。
【００３５】
本発明の実施例に対する多数の設計パラメータが、混合システムアプリケーションに基づいて設計を最適化することができる関係を互いに有していることに留意しなければならない。当業者であれば、設計パラメータの変更を、本発明の範囲を逸脱することなく行うことができることが分かるはずである。例えば、より小さな直径のエルボウ・ダクトに対して、エルボウ・ダクトを横断する圧力差は、同じ流量でより大きい。更に、流量計を経由する圧力ロスが大きい場合に、より高い圧力差が必要なことがある。
【００３６】
更に、流量計をモニターするトランスデューサの選択次第で、該トランスデューサのための適切な入力を提供するために、流量計の所でより小さい断面が必要となることがある。本発明の実施例の一部の設計パラメータは、例示であり、絶対に完全に網羅された説明を意味するものではない。
【００３７】
更に、エルボウ・ダクトを、エルボウ・ダクトの外側部分に沿ったゲインが、混合システムの意図されているアプリケーションに充分である限り、如何なる角度でも曲げることができる。また更に、本発明の実施例に、流量計を必要としない在来の混合システムのアプリケーションを使用することができる。該アプリケーションの中では、ダクトに成型されたエルボウのゲインを、流量計無しで、高い流量でのガス流入口減圧を減らすために利用することができる。
【００３８】
更に、エルボウの消極的なゲインで、有効制御ブロア無しの低コストの混合システムが可能であることが本発明の一義的利点ではあるが、システムの中で圧力ゲインを提供するために、ブロアを、必要に応じて、使用することができる。例えば、将来、エルボウ状ダクトからの消極的ゲインが、希望する真空の削減量を提供しないような過酷な非常に野心的な試験手続を想定することができる。該アプリケーションの中では、追加の圧力ゲインを提供するためにブロアを使用しながら、エルボウ状ダクトを、ある程度の消極的ゲインを提供するのに使用できる。
【００３９】
本発明を実施するための最良の形態が、詳しく説明されたが、本発明に関連する当業者は、次の特許請求項の中で定義されている本発明を実現するための様々な他の設計と実施例が分かるはずである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に従った混合システムである。
【図２】  サンプリングシステムを備えた本発明に従った混合システムである。
【図３】  本発明の混合システムの中の異なる場所の圧力を示している略図である。
【図４】  本発明に従った混合システムのプロトタイプ実施例について、ガス流入口圧力降下（インチＨ2０）と流量（ｆｔ3 ／ｍｉｎ）の関係を示しているグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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