(57)【要約】【課題】正確性を有する携帯式ナノ粒子サンプラを提供する。【解決手段】携帯式ナノ粒子サンプラは、接線流入式サイクロン１０と、接線流入式サイクロンの下方に位置するマイクロオリフィスインパクタ２０と、マイクロオリフィスインパクタの下方に位置するペーパーフィルタパック３０とを備える。接線流入式サイクロン１０は、サイクロン本体１１および流出管１２を有する。サイクロン本体１１は、第一チャンバ１１４を有し、第一チャンバ１１４に入り込んだ気体は、流出管１２の入口１２１および出口１２２を順に通って下に流れ、接線流入式サイクロンから流出する。マイクロオリフィスインパクタ２０は、インパクタ本体２１、ノズル基座２２および衝撃板を有する。ペーパーフィルタパック３０は、第三チャンバ３１を構成し、かつ導気通路３２、排気口３３およびペーパーフィルタ３４を有する。【選択図】  図１
2014025853.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
接線流入式サイクロンと、
前記接線流入式サイクロンの下方に位置するマイクロオリフィスインパクタと、
前記マイクロオリフィスインパクタの下方に位置するペーパーフィルタパックと、
を備え、
前記接線流入式サイクロンは、サイクロン本体および流出管を有し、
前記サイクロン本体は、環状部、頂板、底板、および、前記環状部と前記頂板と前記底板との間に形成された第一チャンバを有し、
前記頂板および前記底板は、それぞれ前記環状部の上下の両側に配置され、
前記環状部は、前記第一チャンバに繋がる吸気口を有し、
前記流出管は、前記底板を貫通し、入口および出口を有し、
前記入口は、前記第一チャンバ内に位置し、かつ前記吸気口より高く、
前記第一チャンバに入り込んだ気体は、前記流出管の前記入口および前記出口を順に通って下に流れ、前記接線流入式サイクロンから流出し、
前記マイクロオリフィスインパクタは、インパクタ本体、ノズル基座および衝撃板を有し、
前記インパクタ本体は、第二チャンバを構成し、
前記ノズル基座は、前記出口および前記第二チャンバにそれぞれ繋がる複数のノズルを有し、
前記衝撃板は、前記第二チャンバ内かつ前記ノズル基座の真下に設けられ、
前記ペーパーフィルタパックは、第三チャンバを構成し、かつ導気通路、排気口およびペーパーフィルタを有し、
前記ペーパーフィルタは、前記第三チャンバに配置され、かつ前記第三チャンバをろ過チャンバおよび出口チャンバに分割し、
前記導気通路は、前記第二チャンバおよび前記ろ過チャンバに繋がり、
前記排気口は、前記出口チャンバに繋がることを特徴とする携帯式ナノ粒子サンプラ。
【請求項２】
前記サイクロン本体の前記底板は、前記環状部の底部に分離可能に結合することを特徴とする請求項１に記載の携帯式ナノ粒子サンプラ。
【請求項３】
前記マイクロオリフィスインパクタは、さらに前記第二チャンバ内に位置する固定板およびモータを有し、
前記固定板は、前記第二チャンバを上チャンバおよび下チャンバに分割し、かつ軸孔と、前記上チャンバおよび前記下チャンバに繋がる少なくとも一つの導流孔とを有し、
前記モータは、回転軸を有し、
前記回転軸は、前記軸孔に差し込まれ、かつ前記衝撃板に連結されることで前記衝撃板を同期回転させ、
前記衝撃板は、前記上チャンバに位置し、
前記モータは、前記下チャンバに位置することを特徴とする請求項１に記載の携帯式ナノ粒子サンプラ。
【請求項４】
前記第二チャンバの底部は、大きさが漸減するように形成されることを特徴とする請求項１に記載の携帯式ナノ粒子サンプラ。
【請求項５】
前記マイクロオリフィスインパクタは、さらに前記衝撃板の頂面に被さるインパクト基質を有し、
前記インパクト基質は、上にシリコンオイルが塗布されることを特徴とする請求項１に記載の携帯式ナノ粒子サンプラ。
【請求項６】
前記インパクト基質は、テフロン（登録商標）ペーパーフィルタであることを特徴とする請求項５に記載の携帯式ナノ粒子サンプラ。
【請求項７】
前記インパクト基質と前記衝撃板との間には、アルミ箔が配置されることを特徴とする請求項５または請求項６に記載の携帯式ナノ粒子サンプラ。
【請求項８】
前記ノズルは、平滑な環状壁面から囲まれ、かつ上開口部および下開口部を有し、
前記下開口部は、口径が前記上開口部より小さいことを特徴とする請求項１に記載の携帯式ナノ粒子サンプラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粒子サンプラに関し、詳しくは携帯式ナノ粒子サンプラに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
多くの研究結果により、人体から吸入されたナノ粒子は人体の健康に影響を与えることが判明した。作業現場のナノ粒子が従業員に健康被害を与えるという事態を評価するには、粒径の異なるナノ粒子を採集し、成分を分析することが必要である。
【０００３】
従来、ナノ粒子を採集する際、市販の多くのナノ粒子に対し設計されたサンプラ、例えば電子式低圧インパクタ（ＥＬＰＩ，Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  Ｌｏｗ−Ｐｒｅｓｓｕｒｅ  Ｉｍｐａｃｔｏｒ）、低圧インパクタ（ＬＰＩ，Ｌｏｗ  Ｐｒｅｓｓｕｒｅ  Ｉｍｐａｃｔｏｒ）、マイクロオリフィス均一沈着インパクタ（ＭＯＵＤＩ，Ｍｉｃｒｏ−Ｏｒｉｆｉｃｅ  Ｕｎｉｆｏｒｍ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ  Ｉｍｐａｃｔｏｒ）、および、ナノマイクロオリフィス均一沈着インパクタ（Ｎａｎｏ−ＭＯＵＤＩ，Ｎａｎｏ  Ｍｉｃｒｏ−Ｏｒｉｆｉｃｅ  Ｕｎｉｆｏｒｍ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ  Ｉｍｐａｃｔｏｒ）から選んで使用していた。しかしながら、これらの機器は、体積および重量が大き過ぎるだけでなく、採集の際の気流量および圧力損失も大き過ぎるため、携帯式小型ポンプと組み合わせて使用することができない。従って、定位置で粒子を採集することしかできない。
【０００４】
一方、従業員の作業エリアでの粒子濃度をより正確に測定するために、特許文献１において、本出願人の提案による個人用ナノ粒子サンプラは、上から順によって配置された分級器（ｐｒｅ−ｃｌａｓｓｉｆｉｅｒ）２０と、加速ノズル（ｎｏｚｚｌｅ）３０と、分級ペーパーフィルタパック（ｐａｒｔｉｃｌｅ−ｓｉｚｉｎｇ  ｆｉｌｔｅｒ  ｐａｃｋ）４０と、末端ペーパーフィルタパック（ｆｉｎａｌ  ｆｉｌｔｅｒ  ｐａｃｋ）６０とを備える。導入された気流は、上の分級ペーパーフィルタ（ｐａｒｔｉｃｌｅ−ｓｉｚｉｎｇ  ｆｉｌｔｅｒ）５０および下の末端ペーパーフィルタ（ｆｉｎａｌ  ｆｉｌｔｅｒ）７０によってろ過される。特許文献１では、二段階収集によって粒径の異なる粒子を採集することができるだけでなく、小型ポンプに対応できる。しかしながら、分級ペーパーフィルタ５０のキャッチ直径は気流速度に関係があり、分級ペーパーフィルタ５０の穴の数は一致しないと気流速度に影響を与えるため、キャッチ直径と設計数値との間に偏差が生じる。
【０００５】
言い換えれば、特許文献１の個人用ナノ粒子サンプラは、携帯に適するが、キャッチ直径の偏差が起こりやすく、正確さに影響をあたえてしまうという問題を抱えている。それに対し、正確性を有する携帯式ナノ粒子サンプラの開発をより一歩進めることが本発明の課題となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許公開２００９／０２７２２０６号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、正確性を有する携帯式ナノ粒子サンプラを提供することを主な目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述の目的を達成するために、本発明による携帯式ナノ粒子サンプラは、接線流入式サイクロンと、接線流入式サイクロンの下方に位置するマイクロオリフィスインパクタと、マイクロオリフィスインパクタの下方に位置するペーパーフィルタパックとを備える。
【０００９】
接線流入式サイクロンは、サイクロン本体および流出管を有する。サイクロン本体は、環状部、頂板、底板、および、環状部と頂板と底板との間に形成された第一チャンバを有する。頂板および底板は、それぞれ環状部の上下の両側に配置される。環状部は、第一チャンバに繋がる吸気口を有する。流出管は底板を貫通し、入口および出口を有する。入口は、第一チャンバ内に位置し、かつ吸気口より高い。第一チャンバに入り込んだ気体は、流出管の入口および出口を順に通って下に流れ、接線流入式サイクロンから流出する。
【００１０】
マイクロオリフィスインパクタは、インパクタ本体、ノズル基座および衝撃板を有する。インパクタ本体は、第二チャンバを構成する。ノズル基座は、出口および第二チャンバにそれぞれ繋がる複数のマイクロノズルを有する。衝撃板は、第二チャンバ内かつノズル基座の真下に設けられる。
【００１１】
ペーパーフィルタパックは、第三チャンバを構成し、かつ導気通路、排気口およびペーパーフィルタを有する。ペーパーフィルタは、第三チャンバに配置され、かつ第三チャンバをろ過チャンバおよび出口チャンバに分割する。導気通路は、第二チャンバおよびろ過チャンバに繋がる。排気口は、出口チャンバに繋がる。
【００１２】
本発明による携帯式ナノ粒子サンプラは、接線流入式サイクロンの出口の気流を下向きにし、マイクロオリフィスインパクタを使用することによって気圧損失を小さくすることができるだけでなく、小型ポンプと組み合わせて使用することができる。また、第二段階においてマイクロオリフィスインパクタから収集した吸入性粒子（ＲＰＭ，  Ｒｅｓｐｉｒａｂｌｅ  Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ  Ｍａｓｓ）のキャッチ直径が所定値に正確に制御され、誤差が起こりにくいため、後続の分析比較をスムーズに進めることができる。従って、本発明による携帯式ナノ粒子サンプラは正確性および携帯性を兼ね備えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態による携帯性ナノ粒子サンプラを示す分解斜視図である。
【図２】本発明の一実施形態による携帯性ナノ粒子サンプラを示す断面図である。
【図３】本発明の一実施形態による携帯性ナノ粒子サンプラにおいてのノズル基座を示す平面図である。
【図４】本発明の一実施形態による携帯性ナノ粒子サンプラにおいてのノズル基座および衝撃板の一部分を示す拡大断面図である。
【図５】本発明の一実施形態による携帯性ナノ粒子サンプラの使用状態を説明する断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明による携帯式ナノ粒子サンプラを図面に基づいて説明する。
（一実施形態）
【００１５】
図１および図２に示すように、本発明の一実施形態による携帯式ナノ粒子サンプラは、接線流入式サイクロン（ｔａｎｇｅｎｔｉａｌ  ｆｌｏｗ  ｃｙｃｌｏｎｅ）１０と、接線流入式サイクロン１０の下方に位置するマイクロオリフィスインパクタ２０と、マイクロオリフィスインパクタ２０の下方に位置するペーパーフィルタパック３０とを備える。そこで、「頂部」、「底部」、「高い」、「上」および「下」とは、本発明による携帯式ナノ粒子サンプラが地面に垂直である際、重力方向における相対位置を指すものとする。
【００１６】
接線流入式サイクロン１０は、サイクロン本体１１および流出管１２を有する。サイクロン本体１１は、環状部１１１、頂板１１２、底板１１３、および、環状部１１１と頂板１１２と底板１１３との間に形成された第一チャンバ１１４を有する。頂板１１２および底板１１３は、それぞれ環状部１１１の上下の両側に配置される。環状部１１１は、第一チャンバ１１４に繋がる吸気口１１５を有する。吸気口１１５の方向は、環状部１１１の内壁の接線方向に平行する。流出管１２は、底板１１３を貫通し、入口１２１および出口１２２を有する。入口１２１は第一チャンバ１１４内に位置し、かつ吸気口１１５より高い。第一チャンバ１１４に入り込んだ気体は、流出管１２の入口１２１および出口１２２を順に通って下に流れ、接線流入式サイクロン１０から流出する。本実施形態において、吸気口１１５は、断面が正方形である。定流量２Ｌ／ｍｉｎの条件下で吸気口１１５の口径が２．１ｍｍ＊２．１ｍｍである際、接線流入式サイクロン１０のキャッチ直径は、４μｍである。
【００１７】
第一チャンバ１１４の洗浄の便をはかるために、底板１１３は、締付方式または別の適切な手段によって環状部１１の底部に結合し、かつ分離できるように設計されてもよい。流出管１２は、底板１１３に配置されるため、底板１１３と環状部１１１とを分離させると同時に流出管１２を取り外すことができる。
【００１８】
マイクロオリフィスインパクタ２０は、インパクタ本体２１、ノズル基座２２および衝撃板２３を有する。インパクタ本体２１は、内部に形成された第二チャンバ２４を有する。インパクタ本体２１は、上半部２１１と下半分２１２との結合によって構成される。ノズル基座２２は、インパクタ本体２１と流出管１２との間に配置される。図３に示すように、ノズル基座２２は、出口１２２および第二チャンバ２４にそれぞれ繋がる複数のノズル２２１を有する。衝撃板２３は、第二チャンバ２４内かつノズル基座２２の真下に位置付けられる。衝撃板２３の周りと第二チャンバ２４の壁面との間には隙間がある。
【００１９】
粒子がノズル２２１の壁面に詰まるような事態を抑制するために、図４に示すように、ノズル２２１は、平滑な環状壁面２２２から囲まれ、かつ上開口部２２３および下開口部２２４を有する。下開口部２２４の口径は、上開口部２２３より小さい。粒子が跳ね上がるような事態を避けるか抑制するために、マイクロオリフィスインパクタ２０は、さらに衝撃板２３の頂面に被さるインパクト基質２５を有する。インパクト基質２５は、上にシリコンオイル２５１が塗布される。なお、シリコンオイル２５１が高速気体に衝突して拡散することを避け、粒子が跳ね上がることを防止するために、インパクト基質２５は、孔径が１０μｍのテフロン（登録商標）ペーパーフィルタを採用することが好ましい。インパクト基質２５は、複数のろ過孔２５２を有し、ろ過孔２５２によってシリコンオイル拡散を防止し、粒子が跳ね上がることを抑制することができる。本実施形態において、インパクト基質２５は、必ずしも配置する必要があるとは限らない。一方、サンプルを取った後、重さを測量するステップの便をはかるために、本実施形態は、インパクト基質２５と衝撃板２３との間にアルミ箔２６または別の材料から構成された薄片を配置し、サンプルを取った後、アルミ箔２６、インパクト基質２５、シリコンオイル２５１および採集した粒子をまとめて重さを測量することができる。
【００２０】
本実施形態において、ノズル２２１の下開口部２２４の口径はＷであり、下開口部２２４から衝撃板２３の頂面までの距離はＳである。なお、インパクト基質２５が衝撃板２３の頂面から拡張されたものと見なされ、かつシリコンオイル２５１が高速気流に衝突し、拡散するとインパクト基質２５の表面に付着するため、Ｓはインパクト基質２５の頂面から下開口部２２４までの距離を表示する。ここで、ノズル２２１の数が１３７に設定され、Ｓ／Ｗ値が１３．８に設定される場合、マイクロオリフィスインパクタ２０はキャッチ直径が約１００ｎｍとなるため、粒径が１００ｎｍから４μｍの粒子がマイクロオリフィスインパクタ２０によって収集される。一方、Ｓ／Ｗ値の調整によってマイクロオリフィスインパクタ２０のキャッチ直径を正確に制御することができるため、キャッチ直径は１００ｎｍに限らない。
【００２１】
一方、粒子をより均質に分布させるために、マイクロオリフィスインパクタ２０は、さらに第二チャンバ２４内に位置する固定板２７およびモータ２８を有する。固定板２７は、第二チャンバ２４を上チャンバ２４１および下チャンバ２４２に分割し、かつ軸孔２７１と、上チャンバ２４１および下チャンバ２４２に繋がるＵ字型導流孔２７２とを有する。モータ２８は、回転軸２８１を有する。回転軸２８１は、軸孔２７１に差し込まれ、かつ衝撃板２３に連結されることで衝撃板２３を同期回転させる。衝撃板２３は上チャンバ２４１に位置し、モータ２８は下チャンバ２４２に位置し、モータ２８の回転軸２８１が回転する際、衝撃板２３はモータ２８によって駆動され、回転する。また、回転速度を１ｒｐｍに設定すれば粒子をインパクト基質２５に均質に分布させることができるだけでなく、粒子が一部分の特定位置に集中し、跳ね上がるような現象を効果的に減少させることができる。
【００２２】
ペーパーフィルタパック３０は、内部に形成された第三チャンバ３１を有し、かつ導気通路３２、排気口３３およびペーパーフィルタ３４を有する。ペーパーフィルタ３４は、第三チャンバ３１に配置され、かつ第三チャンバ３１をろ過チャンバ３１１および出口チャンバ３１２に分割する。ペーパーフィルタ３４は、残留した粒子（即ち粒径が１００ｎｍ以下の粒子）を収集する。導気通路３２は、第二チャンバ２４の下チャンバ２４２およびろ過チャンバ３１１に繋がる。排気口３３は、出口チャンバ３１２に繋がり、かつ排気ポンプに繋がるパイプに連結される。排気ポンプは、携帯式排気ポンプである。例えば、米国のＳＫＣ社の開発したスーパー電源サンプリングポンプ（ＸＲ５０００，ＳＫＣ  Ｉｎｃ．，  ＰＡ，  ＵＳＡ）は、サイズが８ｃｍ（奥行き）＊６ｃｍ（幅）＊１０ｃｍ（高さ）であり、バッテリを含む重量が１０５４ｇであるため、携帯に適する。一方、第二チャンバ２４から第三チャンバ３１に入り込む気流の速度を高めるために、第二チャンバ２４の底部は、大きさが漸減するように設計されてもよいが、これに限らない。
【００２３】
一方、本発明による携帯式ナノ粒子サンプラは、さらに若干の固定棒４０を備え、固定棒４０によって接線流入式サイクロン１０およびペーパーフィルタパック３０をマイクロオリフィスインパクタ２０の両側に並べて固定する。
【００２４】
図５に示すように、排気ポンプによって排気を進める際、気流は、接線流入式サイクロン１０の吸気口１１５から第一チャンバ１１４に入り込み、重力および慣性の法則に基づいて環状部１１１の内壁に沿ってらせん状に下に流動する。このとき比較的大きい粒子は慣性の法則に基づいて壁面まで飛ばされ、底板１１３上に落下する。続いて気流は、底板１１３を流れる際、流出管１２の外壁に沿ってらせん状に上に流動し、最後に流出管１２の入口１２１および出口１２２を順に通って接線流入式サイクロン１０から流出する。本実施形態において、接線流入式サイクロン１０はキャッチ直径が４μｍである。
【００２５】
続いて、気流は、ノズル２２１を流れ、衝撃板２３とインパクト基質２５との間の隙間に沿って流動すると同時に方向転換する。このとき比較的大きい粒子は慣性の法則に基づいて衝撃板２３に衝突し、インパクト基質２５上のシリコンオイル２５１によって収集される。本実施形態において、マイクロオリフィスインパクタ２０はキャッチ直径が１００ｎｍである。
【００２６】
続いて、気流が導気通路３２によって第三チャンバ３１に入り込むとペーパーフィルタ３４は、粒径が１００ｎｍ以下の粒子を収集する。そののち、清浄な気流は排気口３２によってペーパーフィルタパック３０から流出する。
【００２７】
続いて、一定時間が過ぎた後、サンプラ取り作業を停止し、インパクト基質２５、アルミ箔２６およびシリコンオイル２５１をまとめて取り出して計ることによって粒径が４μｍから１００ｎｍの粒子（吸入性粒子）の重さを算出する。続いて、ペーパーフィルタ３４を取り出して計ることによって粒径が１００ｎｍ以下の粒子（ナノ粒子）の重さを算出する。続いて、その結果に基づいて従業員の作業現場で被ばくした吸入性粒子およびナノ粒子の量を評価する。
【００２８】
上述した特殊設計により、本実施形態による携帯式ナノ粒子サンプラは、構造が軽く、小さくて携帯に便利であるだけでなく、接線流入式サイクロン、マイクロオリフィスインパクタおよびペーパーフィルタパックのキャッチ直径の精度が高い。
【００２９】
本実施形態により提示された接線流入式サイクロンと従来の接線流入式サイクロンとの違いは、気流の放出方向が異なることにある。粒子と気流とを効果的に分離させるために、テキストまたは実務により提示された従来の接線流入式サイクロンは気流を上に放出する方式（例えば特許文献１）を採用する。気流を上に放出する接線流入式サイクロンは、マイクロオリフィスインパクタに送り込む気流が下に向くべき認識の逆であり、かつ長期にわたって本技術領域の技術偏見であるとされる。このように互換性がない認識によって接線流入式サイクロンとマイクロオリフィスインパクタとを組み合わせて使用する粒子サンプラは、提案されたことがなかった。それに対し、適切に設計した上で接線流入式サイクロンの気流を放出する方向を変更すれば粒子分離効果を達成できるだけでなく、マイクロオリフィスインパクタと組み合わせて圧力損失の比較的小さい二段階粒子分離機構を構成することができることが、本発明者によって証明された。従って、本実施形態は、携帯性が重視された携帯式ナノ粒子サンプラの領域に適用し、かつサンプル取り作業を正確かつ簡単に実現させることができる。
【００３０】
上述した内容は本発明の一実施形態についての説明である。この技術を熟知するならば、構造上の変更または取り替えを簡単に行うことができる。例えば各段階の機構のキャッチ直径を変更するか、別の連結手段によって機構を連結するか、固定板のＵ字型導流孔を別の形またはより細かい導孔に形成し、上チャンバおよび下チャンバに繋げることができる。
以上、本発明は、上記実施形態になんら限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実施可能である。
【符号の説明】
【００３１】
１０・・・・接線流入式サイクロン
１１・・・・サイクロン本体
１１１・・・環状部
１１２・・・頂板
１１３・・・底板
１１４・・・第一チャンバ
１１５・・・吸気口
１２・・・・流出管
１２１・・・入口
１２２・・・出口
２０・・・・マイクロオリフィスインパクタ
２１・・・・インパクタ本体
２１１・・・上半部
２１２・・・下半部
２２・・・・ノズル基座
２２１・・・ノズル
２２２・・・環状壁面
２２３・・・上開口部
２２４・・・下開口部
２３・・・・衝撃板
２４・・・・第二チャンバ
２４１・・・上チャンバ
２４２・・・下チャンバ
２５・・・・インパクト基質
２５１・・・シリコンオイル
２５２・・・ろ過孔
２６・・・・アルミ箔
２７・・・・固定板
２７１・・・軸孔
２７２・・・導流孔
２８・・・・モータ
２８１・・・回転軸
３０・・・・ペーパーフィルタパック
３１・・・・第三チャンバ
３１１・・・ろ過チャンバ
３１２・・・出口チャンバ
３２・・・・導気通路
３３・・・・排気口
３４・・・・ペーパーフィルタ
４０・・・・固定棒
Ｗ・・・・・口径
Ｓ・・・・・距離
【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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