(57)【要約】【課題】分流領域からの漏れ電界による粒径分解能の低下を抑制することができる微粒子分級測定装置を提供する。【解決手段】微粒子分級測定装置は、入口および出口を有し、内部を流れる試料ガスが層流となり得る平行な流路１０と、流路１０の入口側に配置され、試料ガス中の微粒子を帯電させる帯電器と、流路１０の対向する一対の面の一方の面上に、帯電器よりも下流側に配置された捕集電極２４と、一対の面の他方の面上に、捕集電極２４と対向して配置され、捕集電極２４との間に流路１０を流れる試料ガス中の帯電微粒子を捕集電極２４側に引き付ける捕集電界を発生させる分級電極３０とを備える。捕集電極２４は、試料ガスの流れ方向における捕集電極２４の上流側の先端位置が分級電極３０の上流側の先端位置よりも上流側となるように配置される。【選択図】図７
2020060475.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入口および出口を有し、内部を流れる試料ガスが層流となり得る平行な流路と、
前記流路の前記入口から前記試料ガスを吸入するとともに、吸入された前記試料ガスが前記流路内を層流となって流れる条件で駆動される送風機構と、
前記流路の前記入口側に配置され、前記試料ガス中の微粒子を帯電させる帯電器と、
前記流路の対向する一対の面の一方の面上に、前記帯電器よりも下流側に配置された捕集電極と、
前記一対の面の他方の面上に、前記捕集電極と対向して配置され、前記捕集電極との間に前記流路を流れる前記試料ガス中の帯電微粒子を前記捕集電極側に引き付ける捕集電界を発生させる分級電極とを備え、
前記捕集電極は、前記試料ガスの流れ方向における前記捕集電極の上流側の先端位置が前記分級電極の上流側の先端位置よりも上流側となるように配置される、微粒子分級測定装置。
【請求項２】
前記捕集電極は、前記流路の前記入口から互いに異なる距離の位置に配置された複数の測定電極を含み、
前記複数の測定電極にそれぞれ接続され、対応する測定電極に到達した前記帯電微粒子がもつ電荷量を検出する複数の検流回路をさらに備える、請求項１に記載の微粒子分級測定装置。
【請求項３】
前記複数の測定電極のうち最も前記入口側に近い測定電極の上流側の先端位置は、前記複数の測定電極により測定される分級粒径範囲の最小粒径を有する前記帯電微粒子の前記流れ方向における粒子濃度分布に基づいて決定される、請求項２に記載の微粒子分級測定装置。
【請求項４】
前記複数の測定電極のうち最も前記入口側に近い測定電極の上流側の先端位置は、前記最小粒径を有する前記帯電微粒子の前記粒子濃度分布において、粒子濃度が０となる位置に基づいて決定される、請求項３に記載の微粒子分級測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、微粒子分級測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
国際公開第２０１３／１８３６５２号（特許文献１）には、ナノメートルオーダーの粒径の微粒子を、粒径に応じて分級して測定する微粒子分級測定装置が開示されている。この微粒子分級測定装置は、試料ガスが層流となり得る平行な流路の対向する一対の面に分級電極および捕集電極をそれぞれ配置し、分級電極に電圧を印加することによって、微粒子の流れ方向に対して垂直に捕集電界を発生させる。
【０００３】
上記構成において、流路の入口から導入された試料ガスは荷電された後、捕集電界が存在する分級領域まで試料ガスの流れ方向に沿って移動し、分級領域に到達すると、試料ガスの流れ方向に沿って移動しながら捕集電界によって捕集電極の方向に移動し始める。帯電微粒子が捕集電極の方向に移動する過程において粒径に依存した抵抗を流体から受けることで、粒径に応じて微粒子を分級することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２０１３／１８３６５２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記微粒子分級測定装置においては、分級領域の上流側の先端に位置する境界付近において、分級電極と流路の一対の面との間の電位差によって分級領域の外部に電界が漏れる場合がある。この場合、試料ガス中の帯電微粒子は、分級領域よりも上流側において、この分級領域から漏れ出た電界（以下、漏れ電界とも称する）によって一対の面に引き付けられるため、分級領域に到達することが妨げられてしまう。その結果、微粒子を粒径に応じて分級する粒径分解能が低下することが懸念される。
【０００６】
この発明はこのような問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、分流領域からの漏れ電界による粒径分解能の低下を抑制することができる微粒子分級測定装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明のある局面によれば、微粒子分級測定装置は、入口および出口を有し、内部を流れる試料ガスが層流となり得る平行な流路と、流路の入口から試料ガスを吸入するとともに、吸入された試料ガスが流路内を層流となって流れる条件で駆動される送風機構と、流路の入口側に配置され、試料ガス中の微粒子を帯電させる帯電器と、流路の対向する一対の面の一方の面上に、帯電器よりも下流側に配置された捕集電極と、一対の面の他方の面上に、捕集電極と対向して配置され、捕集電極との間に流路を流れる試料ガス中の帯電微粒子を捕集電極側に引き付ける捕集電界を発生させる分級電極とを備える。捕集電極は、試料ガスの流れ方向における捕集電極の上流側の先端位置が分級電極の上流側の先端位置よりも上流側となるように配置される。
【０００８】
上記微粒子分級測定装置によれば、捕集電極の上流側の先端位置が分級領域の上流側の境界よりも上流側となるように、捕集電極を配置することにより、分級領域よりも上流側に発生する漏れ電界を、分級電極と捕集電極との間の捕集電界として作用させることができる。これによると、流路を流れる試料ガス中の帯電微粒子を、漏れ電界に妨げられることなく、捕集電極で捕捉することができる。その結果、微粒子を粒径に応じて分級する分解能が低下することを抑制することができる。
【０００９】
好ましくは、捕集電極は、流路の前記入口から互いに異なる距離の位置に配置された複数の測定電極を含む。微粒子分級測定装置は、複数の測定電極にそれぞれ接続され、対応する測定電極に到達した帯電微粒子がもつ電荷量を検出する複数の検流回路をさらに備える。これによると、検流回路により検出された電荷量に基づいて、高い分解能で微粒子を分級することができる。
【００１０】
好ましくは、複数の測定電極のうち最も入口側に近い測定電極の上流側の先端位置は、複数の測定電極により測定される分級粒径範囲の最小粒径を有する帯電微粒子の流れ方向における粒子濃度分布に基づいて決定される。
【００１１】
これによると、漏れ電界に妨げられることなく、分級粒径範囲の微粒子を複数の測定電極によって捕捉することができるため、粒径分解能が低下することを抑制することができる。
【００１２】
好ましくは、複数の測定電極のうち最も入口側に近い測定電極の上流側の先端位置は、最小粒径を有する帯電微粒子の粒子濃度分布において、粒子濃度が０となる位置に基づいて決定される。
【００１３】
これによると、分級粒径範囲の微粒子を複数の測定電極によって捕捉することができるため、漏れ電界によって粒径分解能が低下することを抑制することができる。
【発明の効果】
【００１４】
この発明によれば、分流領域からの漏れ電界による粒径分解能の低下を抑制することができる微粒子分級測定装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】この発明の実施の形態に係る微粒子分級測定装置の構成を概略的に示す図である。
【図２】微粒子分級測定装置の流路に沿った断面図である。
【図３】微粒子の粒径と電気移動度との関係を示す図である。
【図４】分級領域における帯電微粒子の移動軌跡を概念的に示す図である。
【図５】漏れ電界を模式的に示す概略断面図である。
【図６】ある粒径の微粒子の濃度分布を模式的に示す図である。
【図７】本発明の実施の形態に係る微粒子分級測定装置における捕集電極の構成例を説明するための図である。
【図８】図７に示した捕集電極の構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、以下では同一または相当部分には同一符号を付してその説明は原則的に繰返さないものとする。
【００１７】
図１は、この発明の実施の形態に係る微粒子分級測定装置の構成を概略的に示す図である。
【００１８】
図１を参照して、本実施の形態に係る微粒子分級装置は流路１０を有する。流路１０は、入口１２および出口１４に開口が形成されており、流れ方向および流路幅方向ともに断面が直方形の扁平な形状になっている。その流路１０の寸法および形状は特に限定されるものではないが、例えば縦（高さ）が４ｍｍ、横（流路幅）が２５０ｍｍ、奥行き（流路長さ）が４５０ｍｍの扁平な直方体である。
【００１９】
流路１０の出口側には試料吸引用の送風機構（図示せず）が配置されている。送風機構は駆動回路により駆動される。送風機構の試料ガス吸入側には流量調整弁が設けられており、流量調整弁を調節することにより、試料ガス流量を変化させることができるように構成されている。
【００２０】
送風機構は流路１０の幅全体に亘って均一に吸引し、流路１０の入口１２から試料ガスを吸入する。送風機構は、吸入された試料ガスが流路１０内を層流となって流れる条件で駆動される。層流となる条件はレイノルズが概ね２０００以下となる条件である。
【００２１】
流路１０の入口１２付近には試料ガス中の微粒子を帯電させる帯電器が配置されている。図１の例では、帯電器は単極荷電の様式をとるように構成されている。帯電器は流路１０を挟んで一方の側に取り付けられたワイヤー状の放電電極２０と、それらの放電電極２０に対向して流路１０の他方側に配置された対向電極２２とから構成される。放電電極２０と対向電極２２との間で放電を起こさせるように、放電電極２０には荷電電源２１が接続されている。放電電極２０の形状はワイヤー状のものに限らず、対向電極２２に垂直に取り付けられた１または複数の針であってもよい。後述する図２の実施例で示されるような、流路１０のガスの流れに垂直に設けられた、中心に開口をもつ対向電極２２と、その対向電極２２の開口の中心に針の先端が対向するように配置された放電電極２０とから構成されるものであってもよい。帯電器は放電電極２０と対向電極２２との間で放電できるものであればその構造は限定されない。
【００２２】
流路１０の幅広の対向する一対の底面（図１の例では天井面４０および下底面４２）は互いに平行であり、かつ同じ広さをもっている。一対の底面の一方の底面である下底面４２上には、流れ方向に沿って入口１２から互いに異なる距離の位置に複数の捕集電極が配置されている。複数の捕集電極は、複数の測定電極２４＿１〜２４＿ｎ（ｎは２以上の整数）を含む。測定電極２４＿１〜２４＿ｎは包括的に測定電極２４と称されることもある。図１の例では、ｎ＝４としているが、ｎは２または３であってもよく５以上であってもよい。測定電極２４＿１〜２４＿ｎは流れ方向における幅が互いに等しいものとする。
【００２３】
測定電極２４＿１〜２４＿ｎには、測定電極２４に到達した微粒子がもつ電荷量を検出するために検流回路２８＿１〜２８＿ｎがそれぞれ接続されている。測定電極２４＿１〜２４＿ｎは互いに近接して配置することもできる。図１のように、隣接する測定電極２４間に隙間をもって配置することもできる。検流回路２８＿１〜２８＿ｎは包括的に検流回路２８と称されることもある。隣接する吸引電極２４間には絶縁部材または空気層を介して電極間が互いに電気的に分離されている。なお、絶縁部材は吸引電極２４間を電気的に分離すればよいので、厚くする必要はなく、例えば０．５ｍｍ程度でよい。絶縁部材の厚みは絶縁部材の体積抵抗率に依存する。
【００２４】
流路１０の幅広の対向する一対の底面の他方の底面である天井面４０には、捕集電極に対向して分級電極３０が配置されている。分級電極３０は捕集電極との間に流路１０を流れる試料ガス中の帯電微粒子を捕集電極側に引き付ける電界を発生させるものである。本願明細書では、この帯電微粒子を捕集電極側に引き付ける電界を「捕集電界」とも称する。
【００２５】
分級電極３０と捕集電極とは、分級電極３０の面積と捕集電極の合計面積とがほぼ等しくなり、かつ、分級電極３０と捕集電極とが空間的に正面同士で対向していることが好ましい。このようにすると、流路１０を流れる試料ガスの流れ方向に対して垂直またはほぼ垂直になるように、捕集電界を発生させることができる。そのため、複数の捕集電極は互いに電気的に分離されているが、隣接する捕集電極の隙間は少ない方が好ましい。
【００２６】
なお、捕集電極は、図１の例のように、到達した帯電微粒子の電荷量が測定される測定電極２４のみで構成してもよいが、帯電微粒子は到達するが測定電極としては使用されないトラップ電極（図示せず）を含んでいてもよい。トラップ電極を含んでいる場合には、流路１０を流れる試料ガスの流れ方向に対して垂直方向またはほぼ垂直方向の捕集電界を作用させるためには、トラップ電極にも測定電極２４と同じ電位が与えられる。トラップ電極および測定電極２４の電位は接地電位を含む。トラップ電極は、測定電極２４のうちの流路１０の入口１２に最も近い第１測定電極２４＿１よりも上流側に配置される。
【００２７】
分級電極３０および捕集電極に挟まれた空間は、試料ガス中の微粒子を粒径に応じて分級するための「分級領域」を構成する。第１測定電極２４＿１の上流側の先端位置と、分級電極３０の上流側の先端位置とは、流れ方向において同じ位置になるように位置決めされており、その位置が分級領域の基点となっている。以後の説明において、測定電極２４の位置および幅の特定は、分級領域の基点からの距離として表示される。流路１０の入口１２から分級領域の基点までの距離を「助走距離」と呼ぶ。助走距離では帯電微粒子は分級領域に達していないため、分級電界の影響を受けず、試料ガスの流れに乗って移動する。
【００２８】
図１の例において、測定電極２４＿１〜２４＿４は同電位とされ、分級電極３０との間に流路１０を流れる試料ガスの流れに対して垂直方向またはほぼ垂直方向の捕集電界が形成される。分級電極３０には分級電圧を印加するための分級電源３２が接続されている。分級電源３２からの電圧印加により、分級電極３０と捕集電極との間に試料ガス中の帯電微粒子が捕集電極側に吸引される方向の電界（捕集電界）が形成される。
【００２９】
例えば、フィルタを設けて粒子成分を除去した後のガスイオンにより動作確認する場合、ガスイオンとして正の電荷をもったものにより動作確認したいときには分級電極３０の電圧を正の電圧とし、捕集電極を接地電位とする。逆にガスイオンとして負の電荷をもったものにより動作確認したいときには分級電極３０の電圧が負の電圧となるように、分級電源３２から分級電極３０に電圧を印加する。流路１０の寸法にもよるが、測定時の分級電源３２への印加電圧値は数ｋＶ、例えば１〜４ｋＶ、一般には絶縁破壊が起きない範囲の電圧を印加することができる。
【００３０】
測定時は分級電源３２から分級電極３０に対して一定電圧が連続して供給される。例えば、対向電極２２を接地電位として放電電極２０を正側にして単極放電を行なうと、試料ガス中の微粒子は正の単極荷電をもつので、測定電極２４＿１〜２４＿４を接地電位として分級電極３０を正側にする。
【００３１】
図１の構成において、帯電器（放電電極２０および対向電極２２）を作動させ、かつ、捕集電界を作用させた状態で送風機構を作動させると、試料ガスが流路１０の入口１２から導入され、試料ガスは帯電器の放電によって荷電される。分級電極３０と捕集電極との間の分級領域には捕集電界が生じているため、荷電された試料ガスは流れに沿って捕集電界中に送られる。帯電器で荷電された試料ガスは、捕集電界が存在する分級領域まで試料ガスの流れ方向に沿って移動し、分級領域に到達すると、試料ガスの流れ方向に沿って移動しながら捕集電界によって捕集電極の方向に移動し始める。
【００３２】
荷電された微粒子は捕集電界中で、試料ガスの流れに沿って排気側に流されながら、捕集電極に向かって移動する。粒径の小さな微粒子は入口１２に近い捕集電極により多く捕集される。しかし、捕集電極に近い位置、すなわち、流路１０の下底面４２側の位置で吸込まれた粒径の大きな微粒子も入口１２に近い捕集電極に捕集される。測定電極２４＿１〜２４＿４に到達した微粒子の電荷が、測定電極２４＿１〜２４＿４にそれぞれ接続された検流回路２８＿１〜２８＿４によって検出される。
【００３３】
次に、図２を参照して、図１に示した微粒子分級測定装置の具体的な構成例を説明する。図２は、微粒子分級測定装置の流路１０に沿った断面図である。
【００３４】
図２を参照して、流路１０は扁平な直方体の形状を有しており、その入口および出口にはそれぞれ試料ガスの流れを平行流にするために整流抵抗１１ａ，１１ｂが配置されている。整流抵抗１１ａ，１１ｂは試料が流路幅方向に均一に分散するような流路抵抗になるように設定されている。流路１０につながる試料導入口１３ａと排出口１３ｂとは流れの断面積が流路１０よりも小さくなっているが、整流抵抗１１ａ，１１ｂによって流路１０での試料ガスの流れは流路幅に亘って均一な平行流となる。
【００３５】
流路１０の出口につながる排出口１３ｂには送風機構としてブロア４４が接続され、ブロア４４の上流に風量センサ４６が配置されている。流量調整弁１８は、風量センサ４６とブロア４４との間に配置されている。流量調整弁１８は、風量センサ４６による検出風量が試料ガスを層流にするように予め定められた一定量になるように調整される。流量調整弁１８は、手動で調整することもでき、風量センサ４６の信号に基づいてフィードバック制御するように構成することもできる。
【００３６】
試料導入口１３ａに試料ガスを導入するために試料吸込み口１２ａがある。試料吸込み口１２ａと試料導入口１３ａとの間にはインパクタ１３および帯電器が配置されている。インパクタ１３は、流路１０を遮る板の中央にノズルが開けられ、そのノズルの下流にノズルに対向して捕集板が配置された構造を有している。ノズルから噴出するエアロゾルの慣性衝突を利用してエアロゾル中の大きい側の微粒子を捕集板に採集して除去し、小さい側の微粒子を通過させる装置である。
【００３７】
帯電器は放電電極２０と対向電極２２とからなり、インパクタ１３と試料導入口１３ａとの間に配置されている。放電電極２０は針状の形状をもつ。対向電極２２は流路１０を遮る電極板からなり、その中央に開口が形成されている。放電電極２０の先端は対向電極２２の開口の中央に向けて配置されている。対向電極２２は接地されている。放電電極２０に荷電電源２１からの荷電用の電圧が印加される。放電電極２０に正電圧が印加されると、荷電部は試料ガス中の微粒子を正に帯電させる。一方、放電電極２０に負電圧が印加されると、荷電部は試料ガス中の微粒子を負に帯電させる。放電電極２０および対向電極２２の構造はこれに限定されるものではない。
【００３８】
所望のイオン濃度および荷電の極性などに応じて放電電極２０に印加する電圧を調整するため、荷電電源２１には荷電電圧調整器（図示せず）が接続されている。
【００３９】
流路１０の下底面４２上には、流れ方向に沿って入口から互いに異なる距離の位置に上流側から順に４個の測定電極２４＿１〜２４＿４が配置されている。測定電極２４＿１〜２４＿４は互いに近接して配置され、隣接する測定電極２４間に隙間をもって配置されている。測定電極２４＿１〜２４＿４は検流回路２８＿１〜２８＿４にそれぞれ接続されている。図２の例では、検流回路２８は全ての測定電極２４＿１〜２４＿４に設けられているが、電流値を検出しようとする測定電極２４のみに接続してもよい。下底面４２は接地されている。測定電極２４＿１〜２４＿４に対向して、流路１０の天井面４０には１つの分級電極３０が配置されている。第１測定電極２４＿１の上流側の先端位置と分級電極３０の上流側の先端位置とが一致しており、第４測定電極２４＿４の下流側の先端位置と分級電極３０の下流側の先端位置とが一致している。
【００４０】
検流回路２８＿１〜２８＿４は分級のための計算を行なうためのコンピュータ（図示せず）に接続されている。測定時において、検流回路２８＿１〜２８＿４の検出信号は、流路１０を流れる試料ガス中の帯電粒子が分級されて測定電極２４＿１〜２４＿４に吸引された結果を反映しているので、それらの検出信号に基づいて分級測定を行なうことができる。
【００４１】
ここで、帯電微粒子の粒径と捕集電界中での移動速度との関係を説明する。
図３に、微粒子の粒径と電界中での動き易さ（電気移動度）との関係を示す。図３のデータは、文献値を基にしたシミュレーションで補完した実測値である。拡散荷電を主とする帯電条件を設定した場合、微粒子の電荷量は概ねその粒径に比例する。電界中に荷電された微粒子を置いたとき、粒径が小さい微粒子は、電荷量が小さいが空気から受ける抵抗も小さいために素早く静電気力に吸引されて電界中を移動する。一方、粒径が大きくなると、空気からの抵抗がより支配的となるため、電界中の移動速度が低下する。しかし、粒径がさらに大きくなると、空気から受ける抵抗が増大するが、電荷量も大きくなることによる静電気力の効果が大きくなるため、ある粒径以上の微粒子の電界中での移動速度が変化しなくなる。
【００４２】
荷電された微粒子は分級領域の捕集電界中で、試料ガスの流れに沿って排気側に流されながら、捕集電極に向かって移動する。粒径の小さな微粒子は入口に近い捕集電極により多く捕捉される。しかし、捕集電極に近い位置、すなわち流路１０の下底面４２側の位置で吸込まれた、粒径の大きな微粒子も入口に近い捕集電極に捕捉される。捕集電極のうち、測定電極２４＿１〜２４＿４に到達した微粒子の電荷が測定電極２４＿１〜２４＿４にそれぞれ接続された検流回路２８＿１〜２８＿４によって検出される。ただし、測定電極２４に到達した帯電微粒子の検出は、検流回路２８＿１〜２８＿４による検出に限定されるものではなく、例えば水晶振動子による重量測定等、他の検出方法でもよい。
【００４３】
ここで、帯電微粒子の粒径ごとの測定電極２４に到達する割合（捕捉率）の計算方法を示す。その計算モデルは次の如くである。
【００４４】
流路１０での試料ガスは、分級電極３０と捕集電極との間の分級領域において層流となる条件で流す。このときの速度分布を式（１）により表わす。
2020060475.tif 000003
【００４５】
ここで、ｖは試料ガス流速、ｘは流路１０の下底面４２を基準にしたときの電極間方向の距離である。
【００４６】
流路１０に沿って分級領域が始まる点（すなわち、捕集電界が作用し始める点）を基点として流路１０の出口１４に向かう方向をｙ方向とすると、図４に示されるように、この層流の中になる微粒子はｙ方向に対して速度ｖで移動し、捕集電界により捕集電極側に速度ｖｘで移動する。速度ｖｘは電気移動度Ｚｐおよび捕集電界の電界強度Ｅの積として式（２）で表すことができる。
2020060475.tif 000004
【００４７】
電界強度Ｅは分級電極３０と捕集電極との間に印加される分級電圧Ｖと電極間距離ｄとにより、式（３）となる。
2020060475.tif 000005
【００４８】
ここで、分級領域の基点（ｙ＝０）においてｘ方向の任意の位置ｘ０にある電気移動度Ｚｐをもつ帯電微粒子が捕集電極に到達するまでの時間ｔｘ０は式（４）により表わされる。
2020060475.tif 000006
【００４９】
その帯電微粒子が捕集電極に到達したときのｙ方向の移動距離Ｌ０は式（５）のように表すことができる。
2020060475.tif 000007
【００５０】
ここで、電気移動度Ｚｐは
2020060475.tif 000008
【００５１】
Ｎは電荷数、ｅは電気素量、Ｃｃはカニンガム補正係数、πは円流率、μは粘性係数、Ｄｐは粒子径である。
【００５２】
式（６）に示すように、電気移動度Ｚｐは帯電微粒子の粒径Ｄｐの関数であるため、分級領域の基点（ｙ＝０）においてｘ方向の任意の位置ｘ０にあった種々の粒径の帯電微粒子が捕集電極に到達したときのｙ方向の移動距離Ｌ０を求めることができる。
【００５３】
ある粒径Ｄｐの粒子の分級領域入口での濃度分布は無視できるとして、捕集電極に最も近い位置であるｘ＝０から吸込まれた微粒子の移動距離Ｌは式（７）で与えられる。
2020060475.tif 000009
【００５４】
一方、捕集電極から最も遠い位置であるｘ＝ｄ（ｄは電極間距離）から吸込まれた微粒子の移動距離Ｌは式（８）で与えられる。
2020060475.tif 000010
【００５５】
ここで、試料ガス流量をＱとし、流路１０の入口１２の開口幅をＷとすると、式（９）の関係が成り立つことから、Ｌｍａｘは式（１０）で与えられる。
2020060475.tif 000011
【００５６】
2020060475.tif 000012
【００５７】
ＬｍｉｎからＬ０までの間の捕集電極に捉えられる単位時間および単位面積当たりの粒子濃度をｑ（個／ｍ２／ｓｅｃ）とすると、ｑは次式（１１）となる。
2020060475.tif 000013
【００５８】
これに式（５）および式（８）に基づいて整理すると、式（１２）となる。
2020060475.tif 000014
【００５９】
式（１２）から分かるように、微粒子は、電極間方向ｘの位置ｘ０に関係なく、０＜ｘ０＜ｄの間、すなわち微粒子の移動距離ＬｍｉｎからＬｍａｘの間で均等に分布する。ここで、Ｃは装置に吸込まれる電気移動度Ｚｐの粒子濃度（個／ｍ３）である。式（１２）が成立することにより、捕集電極の流れ方向の長さがＬ１のとき、計測される電流値は式（１３）となる。
2020060475.tif 000015
【００６０】
ＬｍｉｎからＬｍａｘの間に同じ長さの測定電極２４を置くと、粒径Ｄｐに関しては同じ量の測定信号を得ることができる、また、信号量は電極の長さに比例することから、その比をもって電極長さの不均一の影響も排除できる。
【００６１】
これによると、図２の構成において、第１測定電極２４＿１により捕捉される割合（捕捉率）と第２測定電極２４＿２により捕捉される捕捉率との差分信号をとることで、特定の粒径範囲の信号のみを取り出すことができる。差分により得られる粒径分布が持つ意味は次のとおりである。差分前は各電極には大粒径の粒子が際限なく入っているが、差分をとることで、ある決まった粒径範囲の粒子のみをカウントすることができる。さらに、差分をとることで、振動、温度、輻射等のノイズをキャンセルでき、結果的に高いＳ／Ｎ比の測定信号を得ることができる。
【００６２】
図２の構成例では、検流回路２８＿１〜２８＿４は図示しない差分回路を経て演算部に接続され、帯電微粒子の持つ電荷量から所定の演算処理がなされる。演算部は、微粒子分級測定装置の動作を制御するための専用のコンピュータ、または外部の汎用のコンピュータ（例えば、パーソナルコンピュータ）により実現することができる。演算部は、測定電極２４に到達した帯電微粒子の分級された微粒子の量として微粒子数、総表面積、総重量またはそれらの濃度値を算出する。演算部における演算処理の詳細は特許文献１に示されている。
【００６３】
（微粒子分級測定装置における課題）
以上説明したように、微粒子分級測定装置では、分級領域において、流路１０を流れる試料ガスの流れ方向に対して垂直またはほぼ垂直になるように捕集電界を発生させることにより、帯電微粒子は粒径ごとに移動距離ＬｉｍからＬｍａｘの間に均等に分布する。これにより、隣接する測定電極２４の捕捉率の差分をとることで、特定粒径範囲の信号を取り出すことができる。
【００６４】
しかしながら、実際の装置においては、分級領域の上流側の先端位置および下流側の先端位置である、分級領域の境界において、捕集電界が分級領域の外部に漏れる場合がある。以降の説明では、この分級領域から漏れ出た電界を「漏れ電界」とも称する。
【００６５】
図５は、漏れ電界を模式的に示す概略断面図である。図５において、第１測定電極２４＿１の上流側の先端位置は、分級領域の基点（ｙ＝０）であり、流路１０の入口から分級領域の基点までの距離は助走距離である。測定電極２４＿１〜２４＿ｎは流れ方向における幅Ｌが互いに等しいものとする。
【００６６】
この助走距離において、流路１０の天井面４０および下底面４２の各々には捕集電極と同じ電位（接地電位）が与えられている。そのため、分級電極３０と天井面４０との間、および分級電極３０と下底面４２との間にも、分級電極３０および捕集電極間と同等の電位差が生じている。その結果、図中に矢印で示すように、分級電極３０と天井面４０および下底面４２との間に漏れ電界が発生する。
【００６７】
漏れ電界が発生すると、流路１０を流れる試料ガス中の帯電微粒子は、助走距離において天井面４０または下底面４２に引き付けられてしまい、分級領域に到達することが妨げられることになる。図６を用いて、漏れ電界の影響を説明する。図６は、特定の粒径の微粒子の濃度分布を模式的に示す図である。図６の横軸は流路１０の出口に向かう方向（ｙ方向）における位置を示し、図６の縦軸は粒子濃度を示す。図中のｙ＝０は分級領域の基点に相当する。
【００６８】
図６において、波形ｋ１は漏れ電界が発生していないときの微粒子の濃度分布を示し、波形ｋ２は漏れ電界が発生しているときの微粒子の濃度分布を示す。漏れ電界が発生していない場合には、微粒子の移動距離ＬｍｉｎからＬｍａｘの間で粒子濃度は均等に分布する。図６の例では、測定電極２４＿１，２４＿２に亘って粒子濃度が均等に分布しており、波形ｋ１はほぼ矩形状となっている。
【００６９】
これに対して、図中に矢印で示すような漏れ電界が発生している場合には、分級領域の基点（ｙ＝０）よりも上流側に発生した漏れ電界によって、天井面４０および下底面４２に微粒子が捕捉されてしまう。そのため、濃度分布は、波形ｋ２に示すように、分級領域の上流側の境界付近における粒子濃度が低下するとともに、下流側の粒子濃度が低下する。特に、粒径の小さな微粒子は入口側の捕集電極により多く捕捉されるため、粒径の大きな微粒子に比べて、漏れ電界の影響を受けやすい傾向がある。
【００７０】
波形ｋ２における上流側の粒子濃度の低下は、下底面４２に捕捉された微粒子の影響によるものであり、下流側の粒子濃度の低下は、天井面４０に捕捉された微粒子の影響によるものである。その結果、波形ｋ２は、波形ｋ１の矩形状から台形状に変化している。
【００７１】
このように漏れ電界が発生すると、粒径ごとの粒子濃度の分布が不均等になってしまう。そのため、隣接する測定電極２４の捕捉率の差分をとっても、特定粒径範囲の信号を正確に取り出すことが困難となる。図６の例では、本来、第１測定電極２４＿１および第２測定電極２４＿２の捕捉率の差分をとることで、特定粒径範囲の信号を取り出すことができる。しかしながら、実際には、第１測定電極２４＿１において上流側の粒子濃度の低下の影響を受けるため、第２測定電極２４＿２との間で捕捉率の差分をとっても、正確な信号を取り出すことができない。その結果、微粒子を粒径に応じて分級する粒径分解能が低下することが懸念される。
【００７２】
そこで、本実施の形態に係る微粒子分級測定装置では、捕集電極の上流側の先端位置が分級電極３０の上流側の先端位置よりも上流側となるように、捕集電極を配置する構成とする。
【００７３】
図７は、本実施の形態に係る微粒子分級測定装置における捕集電極の構成例を説明するための図であり、図５と対比される図である。
【００７４】
図７の構成例では、流れ方向において測定電極２４のうち流路の入口に最も近い第１測定電極２４＿１の上流側の先端位置は、分級電極３０の上流側の先端位置よりも上流側に位置している。流れ方向における第１測定電極２４＿１の上流側の先端位置は、基準点（ｙ＝０）よりもｄＬだけ上流側に位置している。
【００７５】
なお、流れ方向における第１測定電極２４＿１の下流側の先端位置は、図５における第１測定電極２４＿１の下流側の先端位置と同じ位置とする。したがって、第１測定電極２４＿１の流れ方向における幅はＬ＋ｄＬとなり、第２測定電極２４＿２、第３測定電極２４＿３および第４測定電極２４＿４の流れ方向における幅ＬよりもｄＬだけ長くなっている。
【００７６】
図７に示す構成とすることにより、分級領域の上流側の境界からの漏れ電界は、第１測定電極２４＿１に集められることになる。これにより、漏れ電界を、実質的に分級電極３０と第１測定電極２４＿１との間に発生する捕集電界として作用させることができる。したがって、図５において流路１０の下底面４２に引き付けられていた帯電微粒子を、第１測定電極２４＿１で捕捉することができる。
【００７７】
図８に、図７の構成例における、ある粒径の微粒子の濃度分布を模式的に示す図であり、図６と対比される図である。図６と同様に、図８の横軸は流路１０の出口に向かう方向（ｙ方向）における位置を示し、図８の縦軸は粒子濃度を示す。図中のｙ＝０は分級領域の基点に相当する。波形ｋ１は漏れ電界が発生していないときの微粒子の濃度分布を示し、波形ｋ２は漏れ電界が発生しているときの微粒子の濃度分布を示す。
【００７８】
図８では、第１測定電極２４＿１の上流側の先端位置は、分級領域の基点（ｙ＝０）よりもｄＬだけ上流側に位置しており、この先端位置において粒子濃度が０となっている。換言すれば、流れ方向において粒子濃度が０となる位置に、第１測定電極２４＿１の上流側の先端位置が位置決めされている。
【００７９】
これによると、分流領域よりも上流側の下底面４２に捕捉されていた、ある粒径の微粒子を第１測定電極２４＿１で捕捉することができるため、この粒径に関しては、第１測定電極２４＿１により捕捉される割合（捕捉率）を漏れ電界が発生していないときの第１測定電極２４＿１の捕捉率とほぼ同等とすることができる。すなわち、この粒径に関しては、漏れ電界が発生していないときと同じ量の微粒子を捕捉することができる。
【００８０】
図７の構成例において、第１測定電極２４＿１の上流側の先端位置を流れ方向におけるどの位置とするか、すなわちｄＬをどれ位の幅とするかについては、分級したい微粒子の粒径範囲に基づいて決めることができる。上述したように、粒径の小さな微粒子は入口側の捕集電極により多く捕捉されるため、粒径の大きな微粒子に比べて漏れ電界の影響を受けやすい。そこで、本実施の形態では、測定電極２４により測定される分級粒径範囲の最小粒径の微粒子の流れ方向における粒子濃度分布に基づいて、第１測定電極２４＿１の上流側の先端位置を決定する。
【００８１】
具体的には、最小粒径の微粒子について、図８の波形ｋ２で示したような粒子濃度分布を実験またはシミュレーションによって求める。そして、求めた粒子濃度分布において、粒子濃度が０となる位置に基づいて、第１測定電極２４＿１の上流側の先端位置を決定する。これによると、分級粒径範囲の微粒子を測定電極２４によって捕捉することができるため、漏れ電界によって粒径分解能が低下することを抑制することができる。
【００８２】
このように本実施の形態に係る微粒子分級測定装置によれば、捕集電極の上流側の先端位置が分級領域の上流側の境界よりも上流側となるように、捕集電極を配置することにより、分級領域よりも上流側に発生する漏れ電界を、分級電極と捕集電極との間の捕集電界として作用させることができる。これによると、流路を流れる試料ガス中の帯電微粒子を、漏れ電界に妨げられることなく、捕集電極で捕捉することができる。その結果、微粒子を粒径に応じて分級する分解能が低下することを抑制することができる。
【００８３】
なお、上述した実施の形態では、流路を、流れ方向に対して垂直方向の断面形状が横方向に扁平な形状としたが、流路の断面形状を実施例のものから９０度回転させた縦方向に扁平な形状としてもよい。また、流路は、実施例に示したような断面が方形のものに限らず、円形のものや、分級電極と捕集電極とを二重円筒状に互いに対向するように配置した構造としてもよい。一対の電極間に分級電圧を印加し、それにより発生する捕集電界によって帯電微粒子を粒径に応じて分級する原理を利用した分級装置であれば、本発明を適用することができる。
【００８４】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００８５】
本発明は、自動車排ガス中のナノ微粒子濃度のモニタリング、ビル衛星管理および労働安全衛生などで使用するのに適する微粒子測定装置、特に、微粒子を粒径に応じて分級して測定する微粒子分級測定装置、粒子濃度分布が一様なサンプル作成装置、ナノ粒子膜成膜装置および触媒散布装置に好適に利用することができる。
【符号の説明】
【００８６】
１０  流路、１２  入口、１３  インパクタ、１３ａ  試料導入口、１３ｂ  排出口、１４  出口、１８  流量調整弁、２０  放電電極、２１  荷電電源、２２  対向電極、２４，２４＿１〜２４＿４  測定電極、２８，２８＿１〜２８＿４  検流回路、３０  分級電極、３２  分級電源、４０  天井面、４２  下底面、４４  ブロア、４６  風量センサ、４８  流量モニタ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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