(57)【要約】粒子数測定器は測定領域に導入されるエアロゾルを中和状態、プラス帯電状態又はマイナス帯電状態のいずれかの電気的状態にする前処理部と、前記測定領域の内側にあって、導入されたエアロゾルを導入されたときとは異なる電気的状態のプラス帯電状態又はマイナス帯電状態のいずれかにする単極荷電部と、前記測定領域の内側にあって、エアロゾルの流れに関して単極帯電部の下流に配置され、エアロゾル中のガスイオンのみを吸引する電界を発生するイオントラップ電極を備えたイオントラップと、前記測定領域からエアロゾルを一定流量で排出する排気機構と、粒子数濃度に対応した測定値として、前記単極荷電部から供給される電流とイオントラップに流れ込む電流との差を検出する電流計とを備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定領域を流れるエアロゾルの粒子数濃度を測定する粒子数測定器であって、
前記測定領域に導入されるエアロゾルを中和状態、プラス帯電状態又はマイナス帯電状態のいずれかの電気的状態にするように構成された前処理部と、
前記測定領域の内側にあって、導入されたエアロゾルを測定領域に導入されたときとは異なる電気的状態のプラス帯電状態又はマイナス帯電状態のいずれかにするように構成された単極荷電部と、
前記測定領域の内側で、エアロゾルの流れに関して前記単極帯電部の下流に配置され、エアロゾル中のガスイオンのみを吸引する電界を発生するイオントラップ電極を備えたイオントラップと、
前記測定領域の外側にあって測定領域からエアロゾルを一定流量で排出するように構成された排気機構と、
前記粒子数濃度に対応した測定値として、前記単極荷電部から供給される電流と前記イオントラップに流れ込む電流との差を検出する電流計と、
を備えた粒子数測定器。
【請求項２】
前記前処理部は交流コロナ放電により前記エアロゾルを中和状態にする放電式中和器であり、
前記単極荷電部は直流高圧電源と電極を備えた単極コロナ放電による放電式荷電部である請求項１に記載の粒子数測定器。
【請求項３】
前記前処理部は直流コロナ放電により前記エアロゾルをプラス帯電状態又はマイナス帯電状態のいずれかの電気的状態にする放電式帯電器であり、
前記単極荷電部は直流高圧電源と電極を備えた単極コロナ放電による放電式荷電部である請求項１に記載の粒子数測定器。
【請求項４】
前記排気機構は排気流量を一定にするための流量調節部を備えている請求項１から３のいずれか一項に記載の粒子数測定器。
【請求項５】
前記流量調節部は限界オリフィスである請求項４に記載の粒子数測定器。
【請求項６】
前記イオントラップと前記測定領域の出口の間に配置され所定の粒径よりも小さい粒径の荷電粒子を除去する導電性メッシュからなる拡散フィルタをさらに備え、
前記電流計は前記単極荷電部から供給される電流と、前記イオントラップ及び前記拡散フィルタに流れ込む電流との差を測定することにより、前記所定の粒径以上の粒径をもつ粒子の粒子数濃度を測定するようにした請求項１から５のいずれか一項に記載の粒子数測定器。
【請求項７】
前記イオントラップと前記測定領域の出口の間に配置され、エアロゾルの流れに平行に配置された一対の対向電極と、
前記対向電極に所定の粒径よりも小さい粒径の荷電粒子を吸引する電界を発生させる分級電源と、をさらに備え、
前記電流計は前記単極荷電部から供給される電流と、前記イオントラップ及び前記対向電極に流れ込む電流との差を測定することにより、前記所定の粒径以上の粒径をもつ粒子の粒子数濃度を測定するようにした請求項１から５のいずれか一項に記載の粒子数測定器。
【請求項８】
前記イオントラップと前記測定領域の出口の間に配置され、エアロゾルの流れに平行に配置された一対の対向電極と、
前記対向電極に所定の粒径よりも小さい粒径の荷電粒子を吸引する電界を発生させる分級電源と、
前記対向電極に流れ込む電流を測定する分級電流計をさらに備え、
前記分級電流計の測定値に基づいて前記所定の粒径よりも小さい粒径をもつ粒子の粒子数濃度も測定するようにした請求項１から５のいずれか一項に記載の粒子数測定器。
【請求項９】
前記イオントラップのイオントラップ電極には、エアロゾル中のガスイオンのみでなく、前記所定の粒径よりも小さい粒径の荷電粒子も吸引する電界を発生するように電圧が印加されるようにし、
前記分級電流計の測定値に基づいて、前記イオントラップで捕捉される粒子径よりも大きく、前記所定の粒径よりも小さい粒径をもつ粒子の粒子数濃度も測定するようにした請求項８に記載の粒子数測定器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エアロゾル中の粒子数を測定する装置に関し、例えば主に１００ｎｍ程度より小さい粒子数を測定する装置に関する。エアロゾルとは分散媒体がガスで、分散質が液体または固体であるコロイドを示す。分散質が液体の場合には、エアロゾルは、霧、もや、雲等となり、分散質が固体の場合には、ちり、煙等となる。【０００２】
エアロゾル中の微粒子の構成成分の測定は、環境状態の評価や健康影響などの研究分野において重要な意味を持つ。エアロゾルの測定としては、例えば大気汚染測定がある。環境汚染や近年の大気汚染の原因となる車などの燃焼機関の排気ガスや工業プラントの排煙には、硫黄化合物（ＳＯx，Ｈ2Ｓ等）、窒素化合物（ＮＯx，ＮＨ3等）、炭化水素等が含まれ、これらは化学反応又は光化学反応によって硫酸塩又は硝酸塩となり、大気中の水蒸気を吸収して液体状のエアロゾルとなる。
【背景技術】
【０００３】
エアロゾル中の粒子数又は粒子量のおおよその数を測定する技術として、粒子を帯電させ、粒子がもつ電荷量を電流値として測定し、電流値と粒子数又は粒子表面積との相関係数に基づいて粒子の量を推定する方法が知られており、その方法を実施する装置も販売されている。この方式は、簡単な構造で直径１００ｎｍ以下の小さい粒子に対しては他の方法に比べて容易に高感度に測定できるという特徴がある。【０００４】
この方法には２つの方式がある。【０００５】
（ａ）第１の方式は、気相中の粒子（エアロゾル）をＤＣコロナ放電等でプラス又はマイナスに帯電させて電極に捕集し、その電荷量を電流値として測定する。そして、予め用意している電流と粒子数、又は電流と粒子表面積との関係式に基づいて、粒子数又は粒子表面積を推定するものである（特許文献１，２参照）。【０００６】
（ｂ）第２の方式は第１の方式の改良法として開発されたものである。第２の方式では、粒子を帯電させた後、捕集することなく、その帯電粒子がある空間領域から持ち去る電荷量を電流として測定する（特許文献３参照）。この方式は、帯電粒子を捕集する必要がないため、検出部のメンテナンスが容易であるという特徴がある。【０００７】
第２の方式は、典型的な方法として、高電圧直流放電により空気をイオン化し、作られた単極イオンをエアロゾル中の粒子と混ぜることで、拡散により粒子を帯電させる。そして、その帯電粒子を含む流れが、ある空間内を通過するときにその空間に所定の電界をかけることにより粒子より小さいガスイオンを捕集して除去する。一方その空間で捕集されなかった帯電粒子はその空間領域を出て行く。その際にその空間領域から持ち去られる電荷量を測定する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第７０６６０３７号公報
【特許文献２】米国特許出願公開第２００６／０１５６７９１号公報
【特許文献３】国際公開第２００９／１０９６８８号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、上記の第２の方式の改良に関するものである。第２の方式においては、測定器に流入する電荷量と流出する電荷量の差が測定されることとなるので、測定器に流入する前から帯電していた粒子の量は測定されない。そのため、流入する粒子がもつ帯電量が未知の場合には、正確な測定を行うことができない。【００１０】
本発明は測定対象のエアロゾルが測定器に流入する前から帯電していた粒子を含んでいても、さらにその帯電粒子がもつ帯電量が未知の場合であっても測定対象のエアロゾル中の粒子数を正確に測定できるようにすることを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、測定領域を流れるエアロゾルの粒子数濃度を測定する粒子数測定器であって、前記測定領域に導入されるエアロゾルを中和状態、プラス帯電状態又はマイナス帯電状態のいずれかの電気的状態にするように構成された前処理部と、前記測定領域の内側にあって、導入されたエアロゾルを測定領域に導入されたときとは異なる電気的状態のプラス帯電状態又はマイナス帯電状態のいずれかにするように構成された単極荷電部と、前記測定領域の内側で、エアロゾルの流れに関して前記単極帯電部の下流に配置され、エアロゾル中のガスイオンのみを吸引する電界を発生するイオントラップ電極を備えたイオントラップと、前記測定領域の外側にあって測定領域からエアロゾルを一定流量で排出するように構成された排気機構と、前記粒子数濃度に対応した測定値として、前記単極荷電部から供給される電流と前記イオントラップに流れ込む電流との差を検出する電流計とを備えている。そして、前記電流計による測定値に基づいて単位時間あたりに前記測定領域を流れるエアロゾルの粒子数濃度を測定するものである。【００１２】
本発明の第１の局面は、前記前処理部が中和器であって、前記入口から測定領域内に流入するエアロゾルの粒子の電荷量の総和が常に概略ゼロとなるようにすることにより、中和されて前記測定領域に導入され、プラス又はマイナスに帯電してその測定領域から流出する粒子数濃度を測定する。この場合のより具体的な例では、前記前処理部は交流コロナ放電によりエアロゾルを中和状態にする放電式中和器であり、前記単極荷電部は直流高圧電源と電極を備えた単極コロナ放電による放電式荷電部である【００１３】
本発明の第２の局面は、前記前処理部がプラスの直流放電を行うプラス帯電器であり、前記入口から前記測定領域内に流入するエアロゾルの粒子をプラスに帯電させ、その後、前記単極荷電部ではエアロゾルの粒子をマイナス帯電状態に帯電させる。この場合は、エアロゾルの粒子がプラスに帯電して前記測定領域に流入し、マイナスに帯電してその測定領域から流出するため、その差の電荷量から粒子数濃度を測定する。この場合のより具体的な例では、前記前処理部はプラス直流コロナ放電によりエアロゾルをプラス帯電状態にする放電式帯電器であり、前記単極荷電部はマイナス直流高圧電源と電極を備えたマイナス単極コロナ放電による放電式マイナス荷電部である【００１４】
本発明の第３の局面は第２の局面とは荷電状態を逆にするものである。すなわち、前記前処理部がマイナスの直流放電を行うマイナス帯電器であり、前記入口から前記測定領域内に流入するエアロゾルの粒子をマイナスに帯電させ、その後、前記単極荷電部ではエアロゾルの粒子をプラス帯電状態に帯電させる。この場合は、エアロゾルの粒子がマイナスに帯電して前記測定領域に流入し、プラスに帯電してその測定領域から流出するため、その差の電荷量から粒子数濃度を測定する。この場合のより具体的な例では、前記前処理部はマイナス直流コロナ放電によりエアロゾルをマイナス帯電状態にする放電式帯電器であり、前記単極荷電部はプラス直流高圧電源と電極を備えたプラス単極コロナ放電による放電式プラス荷電部である【００１５】
好ましい一実施形態では、前記排気機構は排気流量を一定にするための流量調節部を備えている。流量調節部は流量を一定にできるものであれば特に限定されず、臨界オリフィス、調整弁、流量計、マスフローコントローラなどとすることができる。臨界オリフィスの場合は構造が簡単になる。臨界オリフィスは気体が音速で通過するオリフィスであり、臨界オリフィスから噴出する質量流量は、オリフィスの大きさ、上流側の絶対圧及び絶対温度により決まる。【００１６】
エアロゾル中の粒子数濃度の監視において、例えば燃焼機関の排気ガスを測定対象とするときは、排気ダクト内の質量流量は一定ではなく、エンジンの回転速度に依存する。そのような場合でも排気機構が排気流量を一定にする流量調節部を備えている場合には、測定対象ガスは粒子数濃度を測定する測定領域を一定の質量流量で流れることになり、安定して粒子数濃度を測定することができるようになる。【００１７】
好ましい他の実施形態では、前記イオントラップと前記測定領域の出口の間に配置され所定の粒径よりも小さい粒径の荷電粒子を除去する導電性メッシュからなる拡散フィルタをさらに備えている。この場合、前記電流計は前記単極荷電部から供給される電流と前記イオントラップ及び前記拡散フィルタに流れ込む合計電流との差を測定することにより、前記所定の粒径以上の粒径をもつ粒子の粒子数濃度を測定することができる。【００１８】
好ましいさらに他の実施形態では、前記イオントラップと前記測定領域の出口の間に配置され、エアロゾルの流れに平行に配置された一対の対向電極と、前記対向電極に所定の粒径よりも小さい粒径の荷電粒子を吸引する電界を発生させる分級電源とをさらに備えている。この場合、前記電流計は前記単極荷電部から供給される電流と前記イオントラップ及び前記対向電極に流れ込む合計電流との差を測定することにより、前記所定の粒径以上の粒径をもつ粒子の粒子数濃度を測定することができる。【００１９】
好ましいさらに他の実施形態では、前記イオントラップと前記測定領域の出口の間に配置され、エアロゾルの流れに平行に配置された一対の対向電極と、前記対向電極に所定の粒径よりも小さい粒径の荷電粒子を吸引する電界を発生させる分級電源と、前記対向電極に流れ込む電流を測定する分級電流計をさらに備えている。この場合は、前記分級電流計の測定値に基づいて、ガスイオンよりは大きく、所定の粒径よりも小さい粒径をもつ粒子の粒子数濃度も測定することができる。【００２０】
この場合、イオントラップのイオントラップ電極には、エアロゾル中のガスイオンのみでなく、前記所定の粒径よりも小さい粒径の荷電粒子も吸引する電界を発生するように電圧が印加されるようにすれば、イオントラップ電極で捕捉される荷電粒子の粒径よりは大きく、前記所定の粒径よりは小さい特定範囲の粒径をもつ粒子の粒子数濃度を測定することができるようになる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明では、電流を測定する測定領域に導入されるエアロゾル中の粒子の帯電状態を前記前処理部により一定状態にすることで、エアロゾル中の粒子が元からもっている帯電状態に左右されることなく正しく粒子量を測定することができる。測定対象の粒子の組成や発生メカニズムにより対象粒子の帯電状況は変わるが、本発明により、初期の粒子の帯電状態に依存しない再現性のある測定を行うことができ、各種のエアロゾルに対して精度のよい測定を行うことができる。【００２２】
そして、本発明の粒子数測定器は、測定対象のエアロゾルが測定領域に流入する前から帯電していた粒子を含んでいるか否かを問題にすることなく測定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】一実施例を概略的に示すブロック図である。
【図２】同実施例を示す回路図である。
【図３】同実施例を具体的に示す図であり、流路を流通方向に沿った断面図として示し、回路図とともに示している。
【図４】他の実施例における分級部を示す概略的に示す図である。
【図５】さらに他の実施例における分級部を示す概略的に示す図である。
【図６】図５の分級部を具体的に示す図であり、流路を流通方向に沿った断面図として示し、回路図とともに示している。
【図７】さらに他の実施例を概略的に示すブロック図である。
【図８】さらに他の実施例を概略的に示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
図１は一実施例を概略的に示したブロック図である。測定対象のエアロゾル中の粒子数濃度を測定する空間領域を構成するためにシールド電極２が設けられており、その空間領域はシールド電極２で囲まれている。シールド電極２は導電性の材料で構成され、外部からの電磁波の影響を受けないように接地されている。シールド電極２で囲まれた空間領域は、帯電した粒子の流入と流出の差を測定する測定領域である。
【００２５】
測定領域を測定対象のエアロゾルが流通する流路３が貫通している。流路３内には測定領域の境界に位置する入口４から導入されたエアロゾルを荷電するための単極荷電部８が配置されている。単極荷電部８の電極には直流高圧電源１０が接続され、単極荷電部８の電極からコロナ放電を生じさせるように高圧電源１０からプラス電位又はマイナス電位が印加される。この実施例ではプラス電位が印加されるようにするために、高圧電源１０は単極荷電部８の電極にプラス２ＫＶ〜１０ＫＶ程度の電圧を印加する。単極荷電部８では電極からの放電によってエアロゾル中のガス分子（具体的には窒素分子と酸素分子）をイオン化してガスイオンを生成し、その生成したガスイオンがエアロゾル中の粒子と接触することにより粒子を帯電させる。この例では粒子はプラスに帯電する。
【００２６】
測定領域内では流路３のエアロゾルの流れ方向に沿って単極荷電部８の下流にイオントラップ１２が配置されている。イオントラップ１２の電極には直流電源１４が接続され、単極荷電部８とは逆極性の電界が印加されている。測定領域２内で流路３を流れる帯電粒子のうちガスイオンは電気移動度が大きく、小さい電界で容易にトラップされるのでイオントラップ１２で捕捉される。一方、例えば５ｎｍ程度以上の粒子は、ガスイオンに比べて電気移動度が小さいためにイオントラップ１２では殆ど捕捉されず、ガスの流れに沿って測定領域の境界にある流路出口６から流出する。イオントラップ１２での電界はガスイオンのみを捕捉し、ガスイオン以外の帯電粒子は捕捉されずに素通りするような大きさに設定されている。この実施例ではイオントラップ１２の電極にマイナス電位が印加されるようにするために、直流電源１４はイオントラップ１２の電極にマイナス１〜１００Ｖ程度の電圧を印加する。イオントラップ１２では、単極荷電部８で生成したガスイオンのうちエアロゾル中に残っているガスイオンがイオントラップ１２の電極に捕捉される。
【００２７】
単極荷電部８、直流高圧電源１０、イオントラップ１２及び直流電源１４は外乱の影響を避けるためにシールド電極２内に配置されている。
【００２８】
測定電極内にはシールド電極２への荷電粒子の出入を測定するためにガード電極１６が設けられており、ガード電極１６には荷電粒子の出入を測定するためにシールド電極２内に設けられた微小電流計１８が接続されている。後で示す図２及び図３の実施例のように、ガード電極１６としてシールド電極２内の流路部分３ａを併用してもよい。
【００２９】
直流高圧電源１０と直流電源１４へのエネルギー供給は高周波電源２０からの交流により供給し、直流電圧に対しては絶縁状態とする。これは帯電した粒子が運ぶ微小な電流値を精度よく測定するためである。詳しくは後で説明する図２の説明箇所で示す。
【００３０】
シールド電極２内に組み込まれた直流高圧電源１０と直流電源１４のＣＯＭラインはガード電極１６に接続され、微小電流計１８はガード電極１６とシールド電極２との間の電流を測定する。すなわち、微小電流計１８は、単極荷電部８で帯電させられて、シールド電極２で囲まれた測定領域から運び出される荷電粒子による電流値を測定することになる。
【００３１】
測定領域に導入されるエアロゾルが電荷をもっていないものとするために、エアロゾル供給口２２から測定領域に入るまでの間に前処理部としてエアロゾルを中和状態にするための放電式中和器２４が配置されている。中和器２４の電極には高電圧高周波電源２６が接続され、エアロゾル中の空気からプラスガスイオンとマイナスガスイオンを生成することにより、エアロゾル中に含まれている元から電荷をもっていた粒子も含めて、エアロゾル中の粒子の電荷を中和状態とする。高電圧高周波電源２６から中和器２４の電極には５０Ｈｚ〜１ＭＨｚで２〜１０ＫＶの電圧が印加される。
【００３２】
中和器２４からシールド電極２の領域に入るまでの間に中和後の残ったガスイオンを除去するためのイオントラップ２８が設けられている。イオントラップ２８は一対の電極を備え、直流電源３０から両電極間に電界が印加される。その電界により両電極にガスイオンが捕捉され、測定領域に供給されるエアロゾル中には残余のガスイオンがない状態になる。イオントラップ２８は中和器２４での中和動作が理想的に行われる場合は必要ではないが、現実にはガスイオンが残存する。残ったガスイオンが測定領域に入るとノイズ電流となるため、イオントラップ２８は設けるのが好ましい。直流電源３０からイオントラップ２８の一対の電極間には１〜１００Ｖの電圧が印加される。
【００３３】
測定領域の外側で流路３の下流には、エアロゾルを測定領域に吸引するために真空ポンプ３６が配置されている。測定領域の境界に位置する流路出口６と真空ポンプ３６の間には、出口６側から、エアロゾル中の粒子を除去するフィルタ３２と、粒子が除去されたガスを一定流量で流すための臨界オリフィス３４が配置されている。臨界オリフィス３４と真空ポンプ３６によって測定領域に導入されるエアロゾルの流量が一定になるように制御される。臨界オリフィス３４のオリフィスの径は例えば１００〜５００μｍであり、流量は例えば１〜１０Ｌ／分程度になるように設定されている。
【００３４】
この実施例によれば、中和器２４を設けることにより、測定領域に導入されるエアロゾルは中和状態となる。中和された粒子がガード電極１６内に流入すると、高圧電源１０により単極荷電部８での放電によりプラス電荷のガスイオンが生成される。このガスイオンが、流入した粒子に拡散により付着して粒子を帯電させる。その下流のイオントラップ１２では、適度な直流電界がかけられているので、中和後の残留ガスイオンは捕捉されて回収されるが、例えば５ｎｍ程度以上の粒径の粒子はほとんど捕捉されることなくさらに下流に流れていく。その結果、ガード電極１６を介して微小電流計１８に流入する電流は、キルヒホッフの原理により、帯電した粒子がガード電極１６から外部へ運び出す電流量に等しくなる。
【００３５】
ガス流量は、この実施例では臨海オリフィス３４と真空ポンプ３６により制御されて一定流量になっているので、微小電流計１８により測定される電流値と流量から単位体積あたりの粒子の帯電量が計算される。
【００３６】
帯電量から粒子の量への換算は、荷電装置の特性を含めた粒子の帯電特性に依存するが、その換算のための変換係数を実験的にあらかじめ決めておくことで、リアルタイムに粒子数推定値を求めることができる。
【００３７】
この実施例では、中和器２４も単極荷電部８もコロナ放電を用いているので、放射線帯電器を使用した場合のような放射線障害のリスクがない。
【００３８】
測定領域を流れる試料流量を一定にするために臨海オリフィス３４を用いているので、マスフローコントローラのような流量調整機構に比べて簡単な構成で流量を安定させることができる。
【００３９】
図２はこの実施例の構成をやや詳細に示したものである。
【００４０】
流路３は円筒状であり、導電性の材料で構成されている。流路３は測定領域内の部分３ａとその入口側で放電式中和器２４が配置されている前処理部の部分３ｂとからなる。両部分３ａと３ｂはリング状の絶縁部材３ｃにより電気的に分離されている。中和器２４では交流コロナ放電による中和を行うために、電極２４ａが交流高圧電源２６に接続されている。電極２４ａは絶縁部材２４ｂにより流路３ｂとは絶縁された状態で流路３ｂ内に取り付けられている。イオントラップ２８では電極２８ａが絶縁部材２８ｃにより流路３ｂとは絶縁された状態で流路３ｂ内に取り付けられている。電極２８ａと流路３ｂの間にイオントラップ電源を供給する直流電源３０が接続されていることにより、流路３ｂがイオントラップ２８の他方の電極となっている。電極２８ａと流路３ｂの間にイオントラップ用の電界が印加される。
【００４１】
単極荷電部８の電極８ａは絶縁部材８ｂにより流路３ａとは絶縁された状態で流路３ａ内に取り付けられている。イオントラップ１２の電極１３も絶縁部材１２ｂにより流路３ａとは絶縁された状態で流路３ａ内に取り付けられている。流路３ａは測定領域の下流側の境界部でリング状の絶縁部材３ｄにより測定領域の内外が電気的に分離されている。流路３ａはガード電極１６を兼ねている。
【００４２】
単極荷電部８の電極８ａには直流高圧電源１０の正電極側の端子が接続され、イオントラップ１２の電極１３にはイオントラップ電源１４の負電極側の端子が接続され、両電源１０，１４のＣＯＭラインがガード電極１６を構成する流路３ａに接続されている。
【００４３】
単極荷電部８の高圧電源１０はシールド電極２の外部に設けられた直流−高周波変換回路２０からトランス２１ａとＡＣ−ＤＣ変換器２１ｂを介して電源が供給される。イオントラップ用の直流電源１４にも同様にそのトランス２１ａとＡＣ−ＤＣ変換器２１ｂを介して電源が供給される。トランス２１ａは直流の漏れ電流が小さいことが重要であるので、直流−高周波変換回路２０はシールドケースに入れられ、そのシールドケースと直流−高周波変換回路２０の回路ＣＯＭが流路３ａに接続され、さらにトランス２１ａもシールドケースに入れられ、そのシールドケースも流路３ａに接続されている。トランス２１ａは、漏れ電流を小さく抑えるために、一次回路と二次回路の間の直流抵抗が１０００ＴΩ程度以上となるように材料を選定し、十分な沿面距離を保つことが好ましい。さらに、トランス２１ａは、湿度や汚れによるインピーダンス低下が起こるのを防ぐために、気密容器に収容してその容器内を乾燥状態に保っておくことが好ましい。
【００４４】
交流高圧電源２６と直流−高周波変換回路２０に電源を供給するためにＡＣ−ＤＣ変換器４４から直流電源が供給される。ＡＣ−ＤＣ変換器４４に替えてバッテリーを使用することもできる。バッテリーを使用すれば直流漏れ電流対策が容易になる。
【００４５】
電流−電圧変換回路を含む微小電流計１８はガード電極１６を兼ねる流路３ａとシールド電極２との間に接続されている。微小電流計１８の出力が取り出されて粒子数又は粒子表面積に換算される。
【００４６】
測定領域内で出口６の近傍の流路３内には、拡散フィルタ５０を設けることができる。拡散フィルタは流出する粒子径の範囲を例えば２０ｎｍ程度以上に限定するような役目を果たすものである。拡散フィルタ５０としては導電性メッシュを流路中に設けてガード電極１６に接続することにより実現することができる。
【００４７】
メッシュサイズとメッシュに捕捉される帯電粒子の粒径の関係については次のように述べることができる。
【００４８】
粒子径が数十ｎｍ以下の粒子ブラウン運動が大きくなり、したがって粒子径が小さいほど捕集されやすくなる。層流の流れの中に繊維状の捕集体を入れた場合の簡単なモデルとして、繊維の隙間を「微小円筒」と考える。その場合は、単一円筒による捕集率ηは次の式で表わされる。
【００４９】
η＝２.９ｋ(-1/3)×Ｐe(-2/3)＋０.６２Ｐe(-1)
ここで、
ｋ＝−０.５Ｌｎ（α）−（３／４）＋α−α2／４  （平行円筒群のとき）、
αは充填率（流路に対する微小円筒の割合）、
Ｐeはペクレ数で、Ｐe＝２ＵＲ／Ｄ、
（Ｕは流速、Ｒは微小円筒の半径、Ｄはブラウン拡散係数）
である。
【００５０】
図３にこの実施例の具体的な構成の一例を示す。流路３ａと３ｂは円筒状で導電性材料からなり、絶縁部材３ｃにより接合されているが、電気的には互いに分離されている。流路３ｂは接地されている。
【００５１】
流路３ｂは前処理部である。流路３ｂは一端部が閉じられ、その端部側に放電式中和器２４が配置され、流路３ａ側には中和器２４に隣接してイオントラップ２８が配置されている。中和器２４にはエアロゾルが供給されるエアロゾル供給口２２が設けられ、中和器２４内には交流コロナ放電による中和のための電極２４ａが配置されている。その電極２４ａは絶縁部材２４ｂにより流路３ｂとは絶縁されて交流高圧電源２６に接続されている。
【００５２】
中和器２４とイオントラップ２８は、中和器２４の電極２４ａに対向する位置に設けられた開口を通じてつながっており、イオントラップ２８内にはその開口に対向する位置にその開口より大きい面積のイオントラップ電極２８ａが配置されている。イオントラップ電極２８ａは絶縁部材２８ｃにより流路３ｂとは絶縁されて直流電源３０に接続されている。イオントラップ２８では接地された流路３ｂがイオントラップ２８の他方の電極となっている。電極２８ａと流路３ｂの間にイオントラップ用の電界が印加される。中和器２４で中和されたエアロゾルはその開口を経てイオントラップ２８内に導かれ、電極２８ａにあたるようになっている。
【００５３】
単極荷電部８及びイオントラップ１２が配置されている流路３ａは、導電性材料からなるシールド電極２内に配置され、流路３ａとシールド電極２の間は絶縁部材３ｃ、３ｄにより絶縁されている。シールド電極２は接地され、流路３ａを被う容器状に形成されている。シールド電極２と前処理部の流路３ｂはいずれも接地されているので、互いに導通するように接続されていてもよいが、この実施例では互いに絶縁されている。
【００５４】
流路３ａはこの実施例ではガード電極を兼ねている。単極荷電部８は流路３ａ内で前処理部側に配置され、単極荷電部８の中心部に、すなわち流路３ａの中心軸上に電極８ａが配置されている。電極８ａは絶縁部材８ｂにより流路３ａから絶縁され、流路３ａの外側に配置された直流高圧電源１０に接続されている。イオントラップ２８と単極荷電部８はシールド電極２及び絶縁部材３ｃを貫通して設けられた入口流路４によりつながっている。入口流路４はイオントラップ２８と単極荷電部８の境界の壁に複数個が設けられ、流路３ａの中心軸の周りの円周上に等間隔に配置されている。イオントラップ２８からのエアロゾルはその入口流路４を経て単極荷電部８に導かれる。
【００５５】
単極荷電部８とその下流のイオントラップ１２との境界には導電性材料からなる壁面８ｃが設けられ、その壁面の中心には開口が設けられている。壁面８ｃは流路３ａと導通しており、直流高圧電源１０により電極８ａと壁面８ｃの間に数ＫＶ程度の直流高電圧が印加され、単極荷電部８に導かれたエアロゾル中の粒子がプラス電位に帯電させられる。
【００５６】
イオントラップ１２は流路３ａ内で単極荷電部８に隣接して単極荷電部８の下流側に設けられている。イオントラップ１２には流路３ａの中心軸上に円柱状のイオントラップ電極１３が配置され、イオントラップ電極１３は絶縁部材によって流路３ａから絶縁されている。イオントラップ電極１３は流路３ａの外部に配置されたイオントラップ電源１４の負電極側の端子に接続されて−１００Ｖ程度の電圧が印加されている。イオントラップ電源１４の正電極側の端子は流路３ａに接続されている。
【００５７】
イオントラップ電極１３を流路３ａの上流側と下流側で支持している絶縁部材には複数個の貫通孔が形成され、それらの貫通孔は流路３ａの中心軸の周りの円周上に等間隔に配置されている。単極荷電部８からのエアロゾルはそれらの上流側の貫通孔を経てイオントラップ１２に導かれる。イオントラップ１２では、残留しているエアロゾル中のガスイオンがイオントラップ電極１３に吸引され、荷電粒子はイオントラップ電極１３に吸引されることなくそれらの下流側の貫通孔を経てイオントラップ１２から出ていく。イオントラップ１２の下流にはシールド電極２を貫通して出口６が設けられている。
【００５８】
流路３ａ、３ｂ、シールド電極２を構成する導電性材料は同一であっても異なっていてもよい。その材質も特に限定されるものではなく、例えば銅、アルミニウム、ステンレス等、適宜の材料を使用することができる。
【００５９】
直流高圧電源１０、ＡＣ−ＤＣ変換器２１ｂ、電流計１８及びイオントラップ電源１４は流路３ａとシールド電極２との間に配置されおり、それらと流路３ａ及びシールド電極２との接続は図２に関して説明した通りである。直流高圧電源１０、ＡＣ−ＤＣ変換器２１ｂ及びイオントラップ電源１４はシールド機能を含んでいる。
【００６０】
さらに好ましい実施例について説明する。
図２に示した拡散フィルタ５０の位置の流路３内に、流路３とは電気的に絶縁された状態で、拡散フィルタ５０に替えて図４に示されるような分級電極５２ａ，５２ｂを配置することができる。分級電極５２ａと５２ｂの間には分級電源５４によって所定の電気移動度をもつ粒径の帯電粒子を吸引するような電界を印加する。一方の電極５２ｂには吸引されて流れ込む電流を検出するために、電流−電圧変換回路を含む微小電流計５６が接続されている。このような分級電極を設けることにより、ある粒子径より小さい粒径をもつ帯電粒子を捕捉し、その電流値からその分級電極に捕捉された粒径の粒子数も測定することができる。
【００６１】
さらに好ましい他の実施例について説明する。図５の実施例は図２の実施例の流路３ａの出口６の下流で、所定粒径以下の粒径の荷電粒子を捕捉するようにしたものである。導電性材料からなるシールド電極２ａで囲まれた領域内に、流路３ａの出口６につながる流路３ｅが接続されている。流路３ｅも導電性材料からなり、ガード電極を兼ねている。シールド電極２ａはシールド電極２と導通していてもよいが、流路３ｅは流路３ａから電気的に絶縁されている。流路３ｅ内に一対の分級電極６０，６２が配置されており、分級電極６０，６２間には所定の電気移動度以上の電気移動度をもつ帯電粒子を吸引するように、所定の電界が分級電源５４から印加される。分級電極６０，６２に印加する電圧は吸引しようとする荷電粒子の粒径に応じて設定されるが、例えば１ＫＶである。
【００６２】
分級電極６０，６２によって捕捉された荷電粒子による電流を検出するために、流路３ｅとシールド電極２ａとの間に電流−電圧変換回路を含む微小電流計５６が接続されている。微小電流計５６は分級電源５４とともにシールド電極２ａで囲まれた空間内に配置されている。分級電源５４のケースは流路３ｅに接続されており、ガード電極の一部を構成している。
【００６３】
分級電源５４にはトランスにより電源が供給されるように概略的に示されているが、実際には、図２に示されている直流高圧電源１０への電源供給と同じトランス２１ａとＡＣ−ＤＣ変換器２１ｂを介して電源供給されるか、又は別の同様のトランスとＡＣ−ＤＣ変換器により電源供給されるようになっている。
【００６４】
微小電流計５６の電流−電圧変換回路にはゲインの高い演算増幅器が使用され、電流−電圧変換を行う抵抗で負のフィードバックがかかっている。流路３ｅとシールド電極２ａとは演算増幅器のイマジナリーショートによりほぼ等電位（電位差１ｍＶ程度以下）になっているため、流路３ｅとシールド電極２ａ間の静電容量に蓄積されている電荷は小さく、その電荷量の変動によるノイズは小さい。
【００６５】
図５の実施例の装置を設けることにより、図２又は図３の粒子数測定器を通過してきた荷電粒子のうち、分級電源５４により印加される分級電圧により規定される所定の粒径以下の粒径又はそれより大きい粒径をもつ粒子数を計数することができる。
【００６６】
図６は図５の装置の具体例である。シールド電極２ａで囲まれた領域内に円筒状の導電性材質からなる流路３ｅが配置され、流路３ｅは絶縁性部材によりシールド電極２ａから電気的に絶縁されている。流路３ｅ内には流路３ｅの中心軸に沿って円柱状の電極６０ａが配置されている。電極６０ａはその両端が絶縁性部材により支持され、流路３ｅとは電気的に絶縁されている。電極６０ａと流路３ｅが図５の装置での分級電極６０，６２に相当している。
【００６７】
流路３ｅの一端には入口７０が設けられ、他端には出口７２が設けられている。入口７０は図３の粒子数測定器の出口１６に接続されるようになっており、入口７０と出口１６が接続されることによりシールド電極２ａはシールド電極２と導通して接地される。
【００６８】
入口７０から入った荷電粒子を含むガスが電極６０ａに沿って流れるように、電極６０ａの両端を支持している絶縁部材には流路３ｅの中心軸の周りの円周に沿って配置された複数の穴があけられている。入口７０から入ったガスは電極６０ａを支持する上流側の穴を通って電極６０ａのある空間に入り、電極６０ａに沿って流れた後、電極６０ａを支持する下流側の穴を通って出口７２から出ていく。
【００６９】
電極６０ａには絶縁部材を介して分級電源５４の負電極端子に接続され、流路３ｅがその分級電源５４の正電極端子に接続されている。分級電源５４はシールド電極２ａで囲まれた領域内に配置され、分級電源５４には図３と同様にトランスの二次側５８ａからＡＣ−ＤＣ変換器５８ｂを介して電源が供給される。分級電源５４から電極６０ａと流路３ｅ間には、分級しようとする荷電粒子の粒径に応じて例えば１０Ｖから１ＫＶの範囲の電圧が印加される。分級電源５４とＡＣ−ＤＣ変換器５８ｂはシールド機能を含んでいる。
【００７０】
流路３ｅとシールド電極２ａの間には電流−電圧変換器を含む微小電流計５６が接続されている。微小電流計５６もシールド電極２ａで囲まれた領域内に配置されている。
【００７１】
微小電流計５６により、入口７０から流入した帯電粒子のうち、流路３eで捕捉された帯電粒子の持ち込んだ電荷量が電流値として検出される。
【００７２】
イオントラップ電源１４はイオントラップ１２がガスイオンのみでなく比較的小さい粒径の荷電粒子も吸引するようにイオントラップ電極１３への電圧印加を行うこともできる。その場合は、図５又は図６の実施例おいて、イオントラップ電極１３で捕捉される荷電粒子の粒径よりは大きく、図５又は図６の実施例での所定の粒径よりは小さい特定範囲の粒径をもつ粒子の粒子数濃度を測定することができるようになる。
【００７３】
図７は前処理部がプラスの直流放電を行うプラス帯電器である場合の実施例である。プラス帯電器２４ａは直流高圧電源２６ａからプラス２ＫＶ〜１０ＫＶの電源の供給を受けて、シールド電極２で囲まれた測定領域に流入するエアロゾルの粒子をプラスに帯電させるものである。プラス帯電器２４ａは、例えばブラス単極コロナ放電による放電式ブラス荷電器である。単極荷電部８ａでは直流高圧電源１０ａからマイナス２ＫＶ〜１０ＫＶの電源の供給を受けて、エアロゾルの粒子をマイナス帯電状態に帯電させる。単極荷電部８ａは、例えばマイナス単極コロナ放電による放電式マイナス荷電器である。イオントラップ１２ａは直流電源１４ａからプラス１Ｖ〜１００Ｖの電源の供給を受けて、エアロゾル中のガスイオンを捕捉する。
【００７４】
図７の実施例は、エアロゾルの粒子がプラスに帯電して測定領域に流入し、マイナスに帯電して測定領域から流出するため、その差の電荷量から粒子数濃度を測定するものであるが、他の構成及び動作は図１、図２の実施例と同様である。
【００７５】
図８は前処理部がマイナスの直流放電を行うプラス帯電器である場合の実施例である。マイナス帯電器２４ｂは直流高圧電源２６ｂからマイナス２ＫＶ〜１０ＫＶの電源の供給を受けて、測定領域に流入するエアロゾルの粒子をマイナスに帯電させる。マイナス帯電器２４ｂは、例えばマイナス単極コロナ放電による放電式マイナス荷電器である。単極荷電部８、直流高圧電源１０、イオントラップ１２、直流電源１４、及び他の構成及び動作は図１、図２の実施例と同様である。
【００７６】
図８の実施例は、エアロゾルの粒子がマイナスに帯電して測定領域に流入し、プラスに帯電して測定領域から流出するため、その差の電荷量から粒子数濃度を測定するものである。
【符号の説明】
【００７７】
２      シールド電極
８      単極荷電部
１２      イオントラップ
１４      直流電源
１６      ガード電極
１８      微小電流計
２４      前処理部の放電式中和器
２４ａ，２４ｂ      前処理部の放電式帯電器
３０      排気機構の真空ポンプ
３４      流量調節部の臨界オリフィス
５０      拡散フィルタ
５２ａ，５２ｂ      一対の対向電極
５４      分級電源
５６      分級電流計
【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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【国際調査報告】
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