JPH1010040A - ガス分析装置用ガスセル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ガス分析装置において、ガスセルの構成に工
夫を凝らすことにより、ガスの流量と流速に検出感度が
影響を受けないガスセルを提供する。 【解決手段】 ガス分析装置のガスセルが、測定するガ
ス成分及び赤外光を導入し、ガス成分による赤外光の吸
収後、ガス成分及び赤外光を導出する流路１０を備え
る。この流路１０が、円錐状の壁部１３を有する外壁１
０ａと、これに対向して軸方向に配置された円錐状の壁
部１１を有する内壁１０ｂとを有する。赤外光が、両壁
部１１、１３の間でその軸周りに螺旋状に多重反射され
て進むように赤外光導入口１７から流路１０に導入され
る。ガスが両壁部１１、１３の間に沿いその軸方向に進
むようにガス導入口１５から流路１０に導入される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、フーリエ変換赤外
分光光度計（以下、ＦＴＩＲという）式ガス分析装置等
のガス中成分の分析を行うガス分析装置に係り、特に、
当該ガス分析装置に採用するに適したガスセルに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、大気汚染防止の観点から内燃機関
の排気ガス中における大気汚染物質低減の研究が盛んに
行われている。ここで、大気汚染物質は多種類のガス成
分として排出されていることから、これらガス成分は、
ＦＴＩＲ式ガス分析装置によって検出可能である。

【０００３】ＦＴＩＲ式ガス分析装置は、マイケルソン
干渉計等を用いて、干渉分光法によりガス成分の赤外吸
収スペクトルを測定し、成分濃度を分析する。ガス成分
の測定においては、ガスセルに分析用ガスを導入し、赤
外光を照射することにより得られる赤外吸収スペクトル
を検出器で検出する。赤外吸収スペクトルを検出するた
めの十分な感度を得るためには、ガスセル中で赤外光を
多重反射させる必要があり、通常は十分長い光路長を形
成している。これに対し、ガスセルに長い光路長を得る
ための手段としては、（１）大きな容積形状のガスセル
中に複数の鏡を置き、入射された赤外光を鏡で多重反射
させる構成、及び（２）パイプ形状のガスセルの内周面
に金をコーティングし、この金により赤外光を多重反射
させる構成がある（特開平４−１５５７号公報参照）。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前者の場合に
は、ガスセルの容量が大きいため、ガスセル内でのガス
の置換速度の低下を招き、ガス成分検出の応答時間が遅
延する。ここで、置換速度の遅いままで、ガス成分検出
の応答時間を速くするには、分析用ガスの流量を増大さ
せるか、或いは、ガスのサンプリング装置の吸引ポンプ
の容量を増大させる必要がある。このため、検出の感度
が流量と流速に影響され易くなるという不具合が生ず
る。

【０００５】一方、後者の場合には、検出感度を適正に
得るために、光路長を長くとる結果、ガスセルの流路が
長くなり過ぎて、パイプ中における測定ガスの圧力損失
を増大させるという不具合がある。以上述べたことに対
処するには、多重反射回数の増加により検出感度を向上
させること、ガスの流路を短くして圧損を低下させるこ
と、及び流路を低容量化させてガスの置換速度を向上さ
せることの三つの条件を達成することにより、流量と流
速に検出感度が影響を受けないガスセルを実現すること
が望まれる。

【０００６】そこで、本発明は、このような観点に基づ
き、ガス分析装置において、ガスセルの構成に工夫を凝
らすことにより、ガスの流量と流速に検出感度が影響を
受けないガスセルを提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１乃至４に記載の発明によれば、ガス分析装
置に設けたガスセルの流路が、円錐状の外壁部と、この
外壁部の内周面に沿いこれに間隔をおいて軸方向に配置
された円錐状の内壁部とを有する。また、流路に対し、
赤外光が外壁部と内壁部との間でその軸周りに螺旋状に
多重反射されて進むように導入されるようになってお
り、流路に対し、ガスが外壁部と内壁部の間に沿いその
軸方向に進むように導入されるようになっている。

【０００８】このため、流路の軸方向に進むガスが、互
いに対向する円錐状の外壁部及び内壁部の間にて螺旋状
に多重反射されて進む赤外光を吸収する。この場合、上
述のごとく、互い対向する内壁部及び外壁部が共に円錐
形状に形成されており、かつ、ガスの進行方向は、流路
の軸方向に沿い進行するので、ガスの流路長が著しく短
縮される。従って、ガスの流路における圧損を著しく低
減できる。

【０００９】また、上述のごとく、互い対向する内壁部
及び外壁部が、共に、円錐形状に形成されており、か
つ、赤外光を多重反射させながら螺旋状に進行させるの
で、内壁部及び外壁部の間の容積、即ち容量を低減しつ
つ、赤外光の光路長を長くできる。このため、容量の低
減によりガスの置換速度を高めることができるととも
に、赤外光の光路長を長くすることにより、ガスセルと
しての検出感度を高めることができる。このことは、ガ
スセルの小型化を確保しつつ、ガスセルの検出感度がガ
スの流量と流速に影響を受けないようにできることを意
味する。

【００１０】ここで、請求項３に記載の発明のように、
前記赤外光及びガスの前記流路に対する各導入位置が、
共に、前記外壁部の軸方向一端側に位置している場合、
或いは請求項４に記載の発明のように、前記赤外光の前
記流路に対する導入位置が前記外壁部の軸方向一端側に
位置し、前記ガスの前記流路に対する導入位置が前記外
壁部の軸方向他端側に位置している場合でも、請求項１
或いは２に記載の発明と同様の作用効果を達成できる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施の形態を図
面に基づいて説明する。図１は、本発明を適用したガス
分析装置の概略構成を示しており、このガス分析装置
は、本発明の要部を構成するガスセルＳを有している。
このガスセルＳは流路１０を備えており、この流路１０
は、内壁１０ａと、この内壁１０ａを収容してなる外壁
１０ｂとにより構成されている。内壁１０ａは、図１に
て示すごとく、円錐板状壁部１１と、円板状壁部１２と
により一体的に構成されている。一方、外壁１０ｂは、
円錐板状壁部１３と、断面コ字状壁部１４とにより、一
体的に構成されている。

【００１２】しかして、内壁１０ａは、円錐板状壁部１
１にて、外壁１０ｂの円錐板状壁部１３と同心的に位置
するように、円板状壁部１２にて、ロッド１２ａによ
り、外壁１０ｂの断面コ字状壁部１４の中央に支持され
ている。ここで、内壁１０ａと外壁１０ｂとの間には、
間隔が付与されており、これら両内壁１０ａと外壁１０
ｂのうち、円錐板状壁部１１及び円錐板状壁部１３の各
対向面には、各反射膜１１ａ、１３ａが、金の蒸着等に
より、それぞれコーティング形成されている。

【００１３】また、流路１０は、分析用ガスを導入する
ガス導入口１５及び当該ガスを導出するガス導出口１６
を有しており、ガス導入口１５は、図１にて示すごと
く、内壁１０ａの円錐板状壁部１１の先端部分を臨むよ
うに形成されている。一方、ガス導出口１６は、外壁１
０ｂの断面コ字状壁部１４の下部に形成されている。ま
た、流路１０は、光源Ｌから赤外光を導入する赤外光導
入口１７及び導入した赤外光を導出する赤外光導出窓１
８を有しており、赤外光導入口１７は、外壁１０ｂの円
錐板状壁部１３のガス導入口１５近傍に形成されてい
る。

【００１４】赤外光導入口１７は、その内部に形成した
導入窓１７ａを有しており、この赤外光導入口１７は、
導入窓１７ａを通して光源Ｌからの赤外光を流路１０内
に導入する。なお、光源Ｌからの赤外光は２乃至５０μ
ｍの範囲内の波長を有する。また、この赤外光は、干渉
計（図示しない）により周波数変調された上で、赤外光
導入口１７を通し流路１０内に導入される。また、導入
窓１７ａは、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ等の赤外光透過材料によ
り形成されている。

【００１５】一方、赤外光導出窓１８は、外壁１０ｂの
断面コ字状壁部１４の上部に形成されており、この赤外
光導出窓１８は、流路１０内に導入した赤外光を凹面鏡
２０に向けて導出する。なお、赤外光導出窓１８は導入
窓１７ａと同様の材料により形成されている。凹面鏡２
０は、流路１０からの導出赤外光を集光して検出器３０
に向けて反射する。この検出器３０は、半導体（例え
ば、ＨｇＣｄＴｅ）により形成だれており、この検出器
３０は、波長に応じた赤外光の強度を検出し、赤外吸収
スペクトルとして出力する。なお、この赤外吸収スペク
トルに基づき、ランバート・ベールの法則を利用して分
析用ガス中の特定の成分濃度をコンピュータ（図示しな
い）等により演算する。

【００１６】ところで、本実施の形態では、上述のよう
に構成したガスセルの形状寸法は、図２及び図３にて示
すように設定した。 内壁１０ａ（円錐板状壁部１１）の軸長 … １９．２ｃｍ 内壁１０ａの軸中央から円板状壁部１２までの距離 … ９．６ｃｍ 内壁１０ａの円板状壁部１２の半径 … ９．６ｃｍ 外壁１０ｂの軸長 … ２０ｃｍ 外壁１０ｂの円錐板状壁部１３の最大半径 … １０ｃｍ また、赤外光導入口１７の軸に対する赤外光の入射角
は、ガスセルＳの縦断面（図２参照）内では、内壁１０
ａに対する角度α（α＝７８°）に設定され、かつ、ガ
スセルＳの横断面（図３参照）内では、内壁１０ａの接
線方向（図３にて符号Ｈにより示す）に対する角度β
（β＝１０°）に設定されている。これにより、赤外光
は、両反射膜１１ａ、１３ａとの間で多重反射されなが
らこれらに沿い螺旋状に赤外光導出口１８側に向けて進
む。

【００１７】このようにガスセルの形状寸法を設定した
ことから、流路１０の内壁１０ａと外壁１０ｂとの間に
形成される容量は約２００ｃｃとなり、両反射膜１１ａ
と１３ａとの間で多重反射により螺旋状に進む赤外光の
光路長は、約２．２ｍとなった。なお、これに限らず、
上記赤外光の入射角は、必要に応じて変更して設定して
もよく、要するに、流路１０に赤外光導入口１７から導
入された赤外光が両反射膜１１ａと１３ａとの間で多重
反射されながらこれらに沿い螺旋状に赤外光導出口１８
側に向けて進むように設定すればよい。但し、０°＜α
＜９０°及び０°＜β＜９０°の各範囲内において、α
及びβが大きい程、螺旋状に進む赤外光の多重反射回数
は増大する。

【００１８】このように構成した本実施の形態では、分
析用ガスが、図１にて図示破線による矢印にて示すごと
く、ガス導入口１５から流路１０内に導入されるととも
に、光源Ｌの赤外光が、図１にて図示実線による矢印に
より示すごとく、赤外光導入口１７から流路１０内に導
入されるものとする。ここで、赤外光の赤外光導入口１
７に対する入射角が上述のように設定されているため、
赤外光は、ガス導入口１５近傍から両反射膜１１ａと１
３ａとの間で多重反射されながらこれらに沿い螺旋状に
赤外光導出口１８側に向けて進む。一方、ガスは、ガス
導入口１５から両反射膜１１ａと１３ａとの間を通り軸
方向に進む。

【００１９】従って、このように進むガスによって、多
重反射しながら螺旋状に進む赤外光は、ガス組成に応じ
て特定波長で吸収される。この場合、ガスの進行方向
は、上述のごとく、互い対向する内壁１０ａの壁部１１
及び外壁１０ｂの壁部１３が、共に、円錐形状に形成さ
れており、かつ、赤外光の螺旋状の進行とは異なり、流
路１０の軸方向に沿い進行するので、ガスの流路長が著
しく短縮される。従って、ガスの流路における圧損を著
しく低減できる。

【００２０】また、上述のごとく、互い対向する内壁１
０ａの壁部１１及び外壁１０ｂの壁部１３が共に円錐形
状に形成されており、かつ、赤外光を多重反射させなが
ら螺旋状に進行させるので、内壁１０ａの壁部１１及び
外壁１０ｂの壁部１３の間の容積、即ち容量を約２００
ｃｃと低減しつつ、赤外光の光路長を約２．２ｍと長く
できる。

【００２１】このため、容量の低減によりガスの置換速
度を高めることができるとともに、赤外光の光路長を長
くすることにより、ガスセルとしての検出感度を高める
ことができる。このことは、ガスセルの小型化を確保し
つつ、ガスセルの検出感度がガスの流量と流速に影響を
受けないようにできることを意味する。従って、ガスサ
ンプリング装置等の流量を増加させるための手段が不要
となるという利点もある。なお、本実施の形態のガスセ
ルによりガスの置換速度を計測したところ、この置換速
度は１．５秒程度と大幅に短縮された。また、圧損は殆
ど計測されなかった。

【００２２】なお、本発明の実施にあたっては、光源Ｌ
の赤外光の波長を２乃至５０μｍとしたが、これに限ら
ず、赤外光の波長領域を任意に設定してもよい。この場
合、、この波長領域に対応した検出器を上記検出器３０
として採用すればよい。また、不必要な波長領域をカッ
トするには、光学フィルタを採用すればよい。また、赤
外光に限らず、ガス組成に応じて吸収を受ける光であれ
ばよい。

【００２３】また、本発明の実施にあたっては、図３に
て示すごとく、流路１０の外壁１０ｂのガス導出口１６
近傍部（外壁１０ｂの大径側部に相当）に赤外光導入口
１７を形成し、ガス導入口１５に連通するガス導入路１
９の周壁開口部（ガス導入口１５に対向している）に赤
外光導出窓１８を形成するように変形して実施してもよ
い。

【００２４】ここで、分析用ガスが、図３にて図示破線
による矢印にて示すごとく、ガス導入路１９を通りガス
導入口１５から流路１０内に導入されるとともに、光源
Ｌの赤外光が、図３にて図示実線による矢印により示す
ごとく、赤外光導入口１７から流路１０内に導入される
ものとする。なお、上記赤外光の入射角は、流路１０に
赤外光導入口１７から導入された赤外光が両反射膜１１
ａと１３ａとの間で多重反射されながらこれらに沿い螺
旋状にガス導入口１５側に向けて進むように設定されて
いる。

【００２５】しかして、赤外光は、流路１０の大径側部
から両反射膜１１ａと１３ａとの間で多重反射されなが
らこれらに沿い螺旋状にガス導入口１５側に向けて進
む。一方、ガスは、ガス導入口１５から両反射膜１１ａ
と１３ａとの間を通り軸方向に進む。従って、このよう
に進むガスによって、多重反射しながら螺旋状に進む赤
外光は、特定波長で吸収を受け、ガスはガス導出口１６
から流出し、赤外光は、赤外光導出窓１８から出射す
る。これにより、上記実施の形態と同様の作用効果を達
成できる。

【００２６】また、本発明の実施にあたっては、両円錐
状壁部１１、１３は、共に末広がり状に形成されていれ
ば、その各中間部位が共に湾曲していても、上記実施の
形態と同様の作用効果を達成できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態を示す模式的断面図であ
る。

【図２】（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、図１のガスセ
ルの形状寸法を示す模式的縦断面図及び赤外光導入口を
通る拡大横断面図である。

【図３】上記実施の形態の変形例を示す模式的断面図で
ある。

【符号の説明】

Ｌ…光源、Ｓ…ガスセル、１０…流路、１０ａ…内壁、
１０ｂ…外壁、１１、１３…円錐状壁部、１１ａ、１３
ａ…反射膜、１５…ガス導入口、１６…ガス導出口、１
７…赤外光導入口、１８…赤外光導出口。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ガス分析装置に設けられて分析用ガス及
   び赤外光を導入しこれらガス及び赤外光を導出する流路
   （１０）を備えてなるガスセルにおいて、 前記流路が、円錐状の外壁部（１３）と、この外壁部の
   内周面に沿いこれに間隔をおいて軸方向に配置された円
   錐状の内壁部（１１）とを有し、 前記赤外光が前記外壁部と内壁部との間でその軸周りに
   螺旋状に多重反射されて進むように前記流路に導入され
   るようになっており、 また、前記ガスが、前記外壁部と内壁部の間に沿いその
   軸方向に進むように、前記流路に導入されるようになっ
   ていることを特徴とするガス分析装置用ガスセル。
2. 【請求項２】 前記外壁部及び内壁部の互いに対向する
   各対向面に反射膜（１３ａ、１１ａ）がそれぞれ形成さ
   れていることを特徴とする請求項１に記載のガス分析装
   置用ガスセル。
3. 【請求項３】 前記赤外光及びガスの前記流路に対する
   各導入位置が、共に、前記外壁部の軸方向一端側に位置
   していることを特徴とする請求項１又は２に記載のガス
   分析装置用ガスセル。
4. 【請求項４】 前記赤外光の前記流路に対する導入位置
   が前記外壁部の軸方向一端側に位置しており、 前記ガスの前記流路に対する導入位置が前記外壁部の軸
   方向他端側に位置していることを特徴とする請求項１又
   は２に記載のガス分析装置用ガスセル。