(57)【要約】  流動気体に浮遊している非拘束の粒子を光学的に検出する粒子センサ（１０６）は、気体入口（１１５）および気体出口（１６２）を有する試料室（１３５）と、気体入口から試料室を通して気体出口へ気体を流す気体フローシステム（１２０）と、光源（１３４）と、試料室に光を導く光学システム（３１０，３０９）と、粒子によって気体中で散乱させられた光を集光するために設置されている光学集光システム（３３０）と、集光された光を検出するために設置されている検出システム（３４０）とを含む。気体フローシステムの両端の総圧力低下は３水柱インチ以下である。気体フローシステムは、高静圧ファンまたは逆回転ファンからなる軸流ファン（１２８）を含む。１．０ＣＦＭのシステムでは、気体入口ノズル（１３０）は２５平方ミリメートル以上の面積を有する。【選択図】図１
2009532670.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流動気体中に浮遊している非拘束の粒子を光学的に検出する光学粒子センサ（１０６）であって、
気体入口（１１５）および気体出口（１６２）を有する試料室（１３５）と、
前記気体入口から前記試料室を通して前記気体出口へ気体を流す気体フローシステム（１２０）と、
光源（１３４）と、
前記試料室に前記光を導く光学システム（３１０，３１９）と、
前記試料室を流れる前記気体中で粒子によって散乱する光を集めるために配置されている光学集光システム（３３０）と、
前記粒子の特性を示す電気信号を生成する光学検出器（１４２）を含み、前記光学集光システムによって集められた光を検出するために配置されている検出システム（３４０）と
を備える光学粒子センサ（１０６）において、
前記気体フローシステムの両端における総圧力低下が３水柱インチ以下であることを特徴とする、光学粒子センサ。
【請求項２】
前記総圧力低下が、２水柱インチ以下である、請求項１に記載の光学粒子センサ。
【請求項３】
前記総圧力低下が、１水柱インチ以下である、請求項１に記載の光学粒子センサ。
【請求項４】
前記気体フローシステムが、軸流ファン（１２８）を備えることを特徴とする、請求項１に記載の光学粒子センサ。
【請求項５】
前記軸流ファンが、高静圧ファンを備える、請求項４に記載の光学粒子センサ。
【請求項６】
前記軸流ファンが、逆回転ファンを備える、請求項４に記載の光学粒子センサ。
【請求項７】
前記気体フローシステムが、複数の前記軸流ファンを備える、請求項４に記載の光学粒子センサ。
【請求項８】
前記気体フローシステムが、実質的に０．１ＣＦＭの気体の流れを有し、４ｍｍ２以上の断面積を有する入口ジェットノズル（１３０）を含む、請求項１に記載の光学粒子センサ。
【請求項９】
前記気体フローシステムが、６．４ｍｍ以上の内径を有する入口チューブ（１１８）を備える、請求項８に記載の光学粒子センサ。
【請求項１０】
前記気体フローシステムが、実質的に１．０ＣＦＭの気体の流れを有し、２５ｍｍ２以上の断面積を有する入口ジェットノズルを含む、請求項１に記載の光学粒子センサ。
【請求項１１】
前記気体フローシステムが、９．５ｍｍ以上の内径を有する入口チューブ（１１８）を備える、請求項１０に記載の光学粒子センサ。
【請求項１２】
前記ガスフローシステムが、１２ｍｍ以上の内径を有する入口チューブを備える、請求項１０に記載の光学粒子センサ。
【請求項１３】
前記気体フローシステムが、実質的に１．０ＣＦＭの気体の流れを有し、３０ｍｍ２以上の断面積を有する入口ジェットノズル（１３０）を含む、請求項１に記載の光学粒子センサ。
【請求項１４】
前記光源が、５０ミリワット以上の出力を有するレーザー（１３４）を備える、請求項１に記載の光学粒子センサ。
【請求項１５】
前記光源が、１００ミリワット以上の出力を有するレーザーを備える、請求項１に記載の光学粒子センサ。
【請求項１６】
請求項１に記載の粒子センサを複数含む光学粒子カウンタシステム。
【請求項１７】
流動気体中に浮遊している非拘束の粒子を光学的に検出する光学粒子センサ（１０６）であって、
気体入口（１１５）および気体出口（１６２）を有する試料室（１３５）と、
前記気体入口から前記試料室を通して前記気体出口へ気体を流す気体フローシステム（１２０）と、
光源（１３４）と、
前記試料室に前記光を導く光学システム（３１０，３１９）と、
前記試料室を流れる前記気体中で粒子によって散乱する光を集めるために配置されている光学集光システム（３３０）と、
前記粒子の特性を示す電気信号を生成する光学検出器（１４２）を含み、前記光学集光システムによって集められた光を検出するために配置されている検出システム（３４０）と
を備える、光学粒子センサ（１０６）において、
前記気体フローシステムが、軸流ファン（１２８）を含むことを特徴とする、光学粒子センサ。
【請求項１８】
前記軸流ファンが、逆回転ファンを備える、請求項１７に記載の光学粒子センサ。
【請求項１９】
前記軸流ファンが、高静圧ファンを備える、請求項１７に記載の光学粒子センサ。
【請求項２０】
流動気体中に浮遊している非拘束の粒子を光学的に検出する光学粒子センサ（１０６）であって、
気体入口（１１５）および気体出口（１６２）を有する試料室（１３５）と、
前記気体入口から前記試料室を通して前記気体出口へ気体を流す気体フローシステムと、
光源（１３４）と、
前記試料室に光を導く光学システム（３１０，３１９）と、
前記試料室を流れる前記気体中で粒子によって散乱する光を集めるために配置されている光学集光システム（３３０）と、
前記粒子の特性を示す電気信号を生成する光学検出器（１４２）を含み、前記光学集光システムによって集められた光を検出するために配置されている検出システム（３４０）と
を備える、光学粒子センサ（１０６）において、
前記気体フローシステムが、軸流ファンを含み、実質的に０．１ＣＦＭの流速を有し、４ｍｍ２以上の断面積をもつ気体入口ジェットノズルを有していることを特徴とする、光学粒子センサ。
【請求項２１】
流動気体中に浮遊している非拘束の粒子を光学的に検出する光学粒子センサ（１０６）であって、
気体入口（１１５）および気体出口（１６２）を有する試料室（１３５）と、
前記気体入口から前記試料室を通して前記気体出口へ気体を流す気体フローシステム（１２０）と、
光源（１３４）と、
前記試料室に前記光を導く光学システム（３１０，３１９）と、
前記試料室を流れる前記気体中で粒子によって散乱する光を集めるために配置されている光学集光システム（３３０）と、
前記粒子の特性を示す電気信号を生成する光学検出器（１４２）を含み、前記光学集光システムによって集められた光を検出するために配置されている検出システム（３４０）と
を備える、光学粒子センサ（１０６）において、
前記気体フローシステムが、実質的に１．０ＣＦＭの流速を有し、２５ｍｍ２以上の断面積をもつ気体入口ジェットノズルを有していることを特徴とする、光学粒子センサ。
【請求項２２】
非拘束の粒子を含有している気体を流すステップと、
前記気体の流れにレーザービームを導くステップと、
前記気体中で粒子によって散乱する光を集めるステップと、
前記集められた光を検出し、前記粒子のパラメータの特性である信号を出力するステップと
を備える、流動気体中で非拘束の粒子を検出する方法において、
前記気体を流すステップが、軸流ファンを使用して、前記非拘束の粒子を含有している前記気体を流す工程を備えることを特徴とする、方法。
【請求項２３】
前記気体を流すステップが、逆回転ファンを使用する工程を備える、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記気体を流すステップが、高静圧ファンを使用する工程を備える、請求項２２に記載の方法。
【請求項２５】
気体入口から試料室を通して気体出口へ非拘束の粒子を含有している気体を流すステップと、
前記気体の流れにレーザービームを導くステップと、
前記気体中で粒子によって散乱する光を集めるステップと、
前記集められた光を検出し、前記粒子のパラメータの特性である信号を出力するステップと
を備える、流動気体中で非拘束の粒子を検出する方法において、
前記気体を流すステップが、３水柱インチ以下の総圧力低下で、前記気体入口から前記試料室を通して前記気体出口へ前記非拘束の粒子を含有している前記気体を流す工程を備えることを特徴とする、方法。
【請求項２６】
前記気体を流すステップが、２水柱インチ以下の総圧力低下で前記気体を流す工程を備える、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記気体を流すステップが、１水柱インチ以下の総圧力低下で前記気体を流す工程を備える、請求項２５に記載の方法。
【請求項２８】
前記レーザービームを導くステップが、２．５ｍｍ以上の実効ビーム高を有しているレーザービームを整形する工程を備える、請求項２５に記載の方法。
【請求項２９】
前記レーザービームを導くステップが、５０ミリワット以上の出力を有するレーザービームを整形する工程を備える、請求項２５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の分野】
【０００１】
[0001]本発明は、一般に、気体中の望ましくない単一粒子を検知するために光散乱原理を利用し、広く技術的に光学粒子カウンタと呼ばれるシステムに関係し、より詳しくは、このような粒子カウンタにおける気流システムに関係する。
【発明の背景】
【０００２】
[0002]先端技術エレクトロニクスおよび医薬製造のような産業において、小さな粒子による汚染を防止することが必要であることはよく知られている。この必要性は、流体が汚染粒子の存在を検出する光学センサの中を通る光学粒子カウンタの開発を生み出している。空気中またはその他の気体中の粒子を検出する粒子カウンタは、「エアロゾル粒子カウンタ」と呼ばれることがある。基準は、一般的に、エアロゾル粒子カウンタがセンサの中を流れる気体の総体積を監視することを要求する。センサの中を流れる気体の総体積を監視する粒子カウンタは、微小汚染物産業では、「ボリュメトリック」と呼ばれる。微小汚染物産業は、環境の連続的なボリュメトリックエアロゾル粒子監視のための２つの別個の方法を発展させている。１つの方法は、エアロゾルマニホールドシステムの使用を伴う。マニホールドシステムの使用は、単一の粒子カウンタが環境内の複数の試料位置を順次に監視することを可能にさせる。このことは、粒子カウンタ、マニホールド、および、システム真空ポンプのコストが複数の試料点の間で分担されることを可能にさせる。この方法の主要な欠点は、必要とされる長い試料チューブランへ向かう大きな粒子の輸送損失である。全試料点が単一の粒子カウンタへ経路制御されなければならないので、この輸送損失は不可避である。ある種の試料ラインは１００フィートを上回る長さに達することがある。この方法の別の主要な欠点は、試料点が１個ずつしか評価され得ないので、全試料位置のリアルタイム監視が可能ではないことである。
【０００３】
[0003]第２の一般的な方法は、要求された試料点の１個ずつで専用粒子カウンタを使用することを必要とする。この方法は、全試料位置の連続的なリアルタイム監視を行い、要求された各試料位置または各試料位置の近くに粒子センサを設置可能であり、よって、試料チューブ長を最小限に抑えるので、大きな粒子の輸送チューブ損失をさらに除去する。しかし、この方法は、非常に多数の粒子カウンタを必要とし、大型プラントでは、非常に費用がかかる可能性がある。この問題に対する対応は粒子センサの開発を生じさせた。粒子センサは、一般に、外部ディスプレイ、キーボード、内部気流ポンプ、または、可変流量制御装置を有さないであろう。このことは、センサのコストを最低限に抑えるが、エンドユーザが外部真空ポンピングシステムを設けることを必要とする。これらのセンサは、通常、流速が１．０ＣＦＭ（立方フィート毎分）または０．１ＣＦＭである。内部気流ポンプまたは可変流量制御および測定システムなしで、粒子センサは、一般的に、試料流速を制御するために臨界フロー開口部を利用する。ボリュメトリック流速を制御するために臨界フロー開口部を使用することは、Ｗｉｌｌｅｋｅ／Ｂａｒｏｎ，“Ａｅｒｏｓｏｌ  Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ”、および、Ｈｉｎｄｓ，“Ａｅｒｏｓｏｌ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ”に記載されているように、十分に確立されている。必要とされる所要臨界圧力低下は次の式：
Ｐｖ／Ｐａ＝［２／（ｋ＋１）］ｋ／ｋ−１
によって与えられ、式中、
Ｐｖ＝臨界フロー開口部の真空側の圧力
Ｐａ＝臨界フロー開口部の上流側の圧力
Ｋ＝気体比熱比＝２原子気体に対して７／５＝１．４
である。ｋの代わりに１．４を用いると、簡単化された式：
Ｐｖ／Ｐａ＝０．５３
が得られる。標準条件で、Ｐａ＝１４．７ｐｓｉである。したがって、標準条件での所要臨界圧力低下は７．７９１ｐｓｉ（１５．９インチＨｇ）である。水柱インチで測定すると、この所要臨界圧力低下は２１５．６インチである。
【０００４】
[0004]標準状態として、臨界フロー開口部は、下流真空レベルが１５．９インチＨｇより高いときに一定のボリュメトリック流を維持するであろう。これらの条件下で、開口部のスロート部内の速度は音速であり、下流真空レベルのさらなる増加はスロートの中の速度を増加させない。このことは、ユーザが粒子センサの指定流速で１５インチＨｇ〜１７インチＨｇの最低限の真空レベルを維持可能である真空ポンピングシステムを設けることを必要とする。
【０００５】
[0005]単一の１．０ＣＦＭ粒子センサの場合でさえ１５インチＨｇより高いレベルを維持する能力がある真空ポンプの要件は、利用可能なポンプの選択の範囲をカーボンベーン回転式設計のような容積移送型ポンプに制限する。これらのポンプは非常に大型であり、１００ワットを超える電力を消費する。ユーザは概して複数の粒子センサを設置するので、使用されている粒子センサの個数はポンピングシステム要件を増大させるであろう。ポンピングシステムの重量が数百ポンドであり、数千ワットの電力消費量が測定されることはかなりよくある。その上、真空ラインは中央真空ポンプからシステムに設置されているありとあらゆるセンサまで通るように設置されるべきである。最終的なフローシステム導入コストは、一般には、機器毎に５００ドル〜７００ドルである。
【０００６】
[0006]近年は、粒子カウンタ製造業者は、閉ループ流量測定および制御装置によって制御される内部ポンプまたはブロワーを含む粒子センサを提供し始めている。インテリジェント流量制御システムを追加すると、臨界フロー開口部が取り外されてもよい。インテリジェント流量制御システムは、システムにおける主要な圧力低下を除去し、所望の入口チューブに加えて、粒子センサ自体の圧力低下をそのままにしておく。現在の粒子センサ圧力低下は、およそ３水柱インチから５０水柱インチまで変動する。典型的な入口チューブ圧力低下は、入口チューブ長さが５フィートまでの場合に、２〜１０水柱インチである。総システム圧力低下は、この場合、典型的に、５水柱インチ〜６０水柱インチであり、センサ圧力低下と入口チューブ圧力低下とを含んでいる。
【０００７】
[0007]最大圧力低下は現在、２１５．６水柱インチの臨界フロー開口部設計から著しく低減されているので、容積移送型ポンプではなく、空中移動装置を利用することが可能である。ラジアルブロワーおよび再生式ブロワーは、最大２５水柱インチに達する圧力で空中を移動する能力がある。これらのブロワーはＤＣ電圧を用いて制御可能であり、これらのブロワーを閉ループ流量制御システムに一体化することが容易である。典型的に、これらのブロワーは、２５Ｗ〜７５Ｗの電力レンジで動作し、これらのブロワーを容積移送型ポンプより低い電力オプションにする。２０００年１２月２６日に発行された米国特許第６，１６７，１０７号を参照のこと。ラジアルブロワーおよび再生式ブロワーの主要な欠点はこれらのコストである。臨界フロー開口部を利用する粒子センサと同様に、最終的なシステム導入コストはセンサ１個当たり５００ドル〜７００ドルのままである。したがって、これらのシステムは、連続的な監視を行い、大規模な気流システムを必要としないが、依然として、多重粒子センサシステムにおいてこれらのタイプのブロワーを利用することにコスト面での有利性がない。
【０００８】
[0008]したがって、多重センサシステムの最終的な導入コストを実質的に削減し、それでもなお環境中のあらゆる臨界的な場所で連続的な監視を行う、エアロゾル粒子センサにおけるボリュメトリック流速を制御するシステムおよび方法が依然として必要である。
【発明の概要】
【０００９】
[0009]本発明は、システムを通じた総圧力低下が３水柱インチ以下である光学粒子センサを提供することにより、技術を進歩させ、前記の問題を解決するのに役立つ。別の態様では、本発明は、軸流ファンを含む光学粒子カウンタを提供することにより、技術を進歩させ、前記の問題を解決するのに役立つ。好ましくは、軸流ファンは、高静圧ファンまたは逆回転ファンを備える。好ましくは、小さい圧力低下が、０．１ＣＦＭシステムにおいて４ｍｍ２以上であり、代替的には、１．０ＣＦＭシステムにおいて２５ｍｍ２以上である入口ジェットノズルを利用することにより達成される。
【００１０】
[0010]本発明は、流動気体中に浮遊させられている非拘束の粒子を光学的に検出する光学粒子センサであって、気体入口および気体出口を有する試料室と、気体入口から試料室を通して気体出口へ気体を流す気体フローシステムと、光源と、試料室の中に光を導く光学システムと、試料室の中を流れる気体中で粒子によって散乱させられた光を集光するために設置されている光学集光システムと、粒子の特性を示す電気信号を生成する光学検出器を含み、光学集光システムによって集光された光を検出するために設置されている検出システムと、を備え、気体フローシステムの両端（入口から出口まで）の総圧力低下が３水柱インチ以下である、光学粒子センサを提供する。好ましくは、総圧力低下は２水柱インチ以下である。より好ましくは、総圧力低下は１水柱インチ以下である。好ましくは、気体フローシステムは軸流ファンを備える。好ましくは、軸流ファンは高静圧ファンまたは逆回転ファンを備える。好ましくは、気体フローシステムは、実質的に０．１ＣＦＭ（立方フィート毎分）の気体の流れを有し、４ｍｍ２（平方ミリメートル）以上の断面積を有する入口ジェットノズルを含む。好ましくは、０．１．０ＣＦＭの気体フローシステムは、６．４ｍｍ以上の内径を有する入口チューブを備える。代替的に、気体フローシステムは、実質的に１．０ＣＦＭ（立方フィート毎分）の気体の流れを有し、２５ｍｍ２（平方ミリメートル）以上の断面積を有する入口ジェットノズルを含む。好ましくは、１．０ＣＦＭのシステムは、９．５ｍｍ以上の内径を有する入口チューブを備える。好ましくは、１．０ＣＦＭは、１２ｍｍ以上の内径を有する入口チューブを備える。より好ましくは、１．０ＣＦＭの気体フローシステムは、実質的に１．０ＣＦＭ（立方フィート毎分）の気体の流れを有し、３０ｍｍ２（平方ミリメートル）以上の断面積を有する入口ジェットノズルを含む。好ましくは、光源は５０ミリワット以上の出力を有するレーザーを備える。より好ましくは、光源は１００ミリワット以上の出力を有するレーザーを備える。本発明はまた上述されているような粒子センサを複数含む光学粒子カウンタシステムも提供する。
【００１１】
[0011]本発明はまた、流動気体中に浮遊させられている非拘束の粒子を光学的に検出する光学粒子センサであって、気体入口および気体出口を有する試料室と、軸流ファンを含み、気体入口から試料室を通して気体出口へ気体を流す気体フローシステムと、光源と、試料室の中に光を導く光学システムと、試料室の中を流れる気体中で粒子によって散乱させられている光を集光するために設置されている光学集光システムと、粒子の特性を示す電気信号を生成する光学検出器を含み、光学集光システムによって集光された光を検出するために設置されている検出システムと、を備える光学粒子センサもまた提供する。好ましくは、軸流ファンは逆回転ファンを備える。代替的に、軸流ファンは高静圧ファンを備える。
【００１２】
[0012]別の態様では、本発明は、流動気体中に浮遊させられている非拘束の粒子を光学的に検出する光学粒子センサであって、気体入口および気体出口を有する試料室と、実質的に０．１ＣＦＭ（立方フィート毎分）の流速を有し、４ｍｍ２（平方ミリメートル）以上の断面積をもつ気体入口ジェットノズルを有している、気体入口から試料室を通して気体出口へ気体を流す気体フローシステムと、光源と、試料室の中に光を導く光学システムと、試料室の中を流れる気体中で粒子によって散乱させられている光を集光するために設置されている光学集光システムと、粒子の特性を示す電気信号を生成する光学検出器を含み、光学集光システムによって集光された光を検出するために設置されている検出システムとを備える光学粒子センサを提供する。
【００１３】
[0013]さらなる態様では、本発明は、流動気体中に浮遊させられている非拘束の粒子を光学的に検出する光学粒子センサであって、気体入口および気体出口を有する試料室と、実質的に１．０ＣＦＭ（立方フィート毎分）の流速を有し、２５ｍｍ２（平方ミリメートル）以上の断面積をもつ気体入口ジェットノズルを有している、気体入口から試料室を通して気体出口へ気体を流す気体フローシステムと、光源と、試料室の中に光を導く光学システムと、試料室の中を流れる気体中で粒子によって散乱させられている光を集光するために設置されている光学集光システムと、粒子の特性を示す電気信号を生成する光学検出器を含み、光学集光システムによって集光された光を検出するために設置されている検出システムとを備える光学粒子センサを提供する。
【００１４】
[0014]本発明はさらに、流動気体中で非拘束の粒子を検出する方法であって、軸流ファンを使用して、非拘束の粒子を含有している気体を流すステップと、気体の流れの中にレーザービームを導くステップと、気体中で粒子によって散乱させられている光を集光するステップと、集光された光を検出し、粒子のパラメータの特性である信号を出力するステップとを備える方法も提供する。好ましくは、気体を流すステップは、逆回転ファンまたは高静圧ファンを使用するステップを備える。
【００１５】
[0015]さらに別の態様では、本発明はさらに、流動気体中で非拘束の粒子を検出する方法であって、３水柱インチ以下の総圧力低下で、気体入口から試料室を通して気体出口へ非拘束の粒子を含有している気体を流すステップと、気体の流れの中にレーザービームを導くステップと、気体中で粒子によって散乱させられている光を集光するステップと、集光された光を検出し、粒子のパラメータの特性である信号を出力するステップとを備える方法も提供する。好ましくは、気体を流すステップは、２水柱インチ以下の総圧力低下によって気体を流すステップを備える。より好ましくは、気体を流すステップは、１水柱インチ以下の総圧力低下によって気体を流すステップを備える。好ましくは、レーザービームを導くステップは、２．５ｍｍ（ミリメートル）以上の実効ビーム高を有しているレーザービームを整形するステップを備える。好ましくは、レーザービームを導くステップは、５０ミリワット以上の出力を有するレーザービームを整形するステップを備える。
【００１６】
[0016]本発明は、光学粒子センサのコスト、サイズおよび消費電力を激減させる。その上、プラント粒子カウンタシステム全体が著しく簡易化される。本発明の前記の利点およびその他の利点は、図面と併せて本発明の好ましい典型的な実施形態の以下の説明を読むことにより容易により良く理解されるであろう。
【発明の詳細な説明】
【００１７】
[0021]本明細書において、用語「光」は可視放射に限定されることなく、赤外線、紫外線、超紫外線、および、Ｘ線を含むあらゆる電磁放射を意味する広義に使用されている。本書に開示されているような粒子センサおよび粒子カウンタは、気体自体の粒子を検出し分析する他のシステムから区別されるような流動気体中で非拘束の単一粒子、気体中に浮遊させられている粒子の大群、または、光ビームのそばを通る単一ライン内のフローに拘束されるように気体中で拘束されている粒子を検出することができるように設計されていることに注意を要する。当業者は、気体中で拘束されることなく流れる単一粒子、特に、１ミクロン未満のサイズの粒子を検出しサイズを測定することがより遙かに困難な課題であり、したがって、粒子計数の技術が他の粒子検出および分析システムとは異なるテクノロジーを必要とすることを認識している。
【００１８】
[0022]エアロゾル粒子カウンタまたはセンサ機器は、高静圧ファンまたは逆回転ファンモジュールを利用する。この機器は、主として、大きい断面積を有している入口ジェットを利用することにより、圧力低下を最小限に抑えるように設計されている。入口ジェットの圧力低下は所望の流速で１水柱インチ未満になるように設計されている。システム全体の圧力低下はできる限り小さくなるように設計されている。
【００１９】
[0023]ファンモジュールは、インテリジェント流量制御システムと併せて用いられることがある。動作電圧レンジが拡大された状態で、これらのファンモジュールは、閉ループ流量制御システムで用いるため理想的に適している。ＤＣ電圧は流速を制御するために変えられることがある。ファンモジュールは、ファン毎に別個のＤＣ電圧電源を保有することがあるので、ファンは機器のダイナミック制御レンジを拡大するために独立に制御されることがある。複数のファンモジュールが機器のダイナミックレンジまたは最大能力を拡大するために組み入れられてもよい。
【００２０】
[0024]図１は、粒子センサ１０６および粒子カウンタエレクトロニクス１０８を含む粒子カウンタ１００を示している。粒子カウンタエレクトロニクス１０８は、一般に、ディスプレイ１００、キーボードのような入力装置１１２、および、粒子サイズのレンジを含む様々なチャンネル内での粒子の個数のような検出された粒子のパラメータを表す出力を発生させる関連エレクトロニクスを含む。このエレクトロニクスは技術的に知られており、本書では詳細に検討されていない。
【００２１】
[0025]粒子センサ１０６は、フローセル１３２、気流システム１２０、および、粒子センシングエレクトロニクス１４４を含む。気流システム１２０は、入口チューブ１１５と、粒子センサ気流入口管１１８と、入口ジェットノズル１３０（図３）と、試料室１３５と、気流センサ１２１と、内部雰囲気センサ１２２と、ファン１２８と、ファン速度制御器１２６と、絶対圧センサ１２４と、排気フィルタ１６０と、試料室１３５を気流センサ１２１および１２２に接続する気流管１５０と、気流センサモジュール１２３をファン１２８に接続する気流管１５２と、ファン１２８をフィルタ１６０に接続する気流管１５６と、出口気流管１６２とを含む。気流は次の通りである。入口空気１１７はファン１２８によってチューブ１５１を介して粒子センサ１０６の中に取り入れられ、入口ノズル１３０（図３）の中を通って試料室１３５内に気流１３８を作成する。試料室１３５からの空気１５１は、その後に、気流センサモジュール１２３に入り、管１５２を通ってファン１２８に入る。ファン１２８は、その後に、管１５６を介して排気フィルタ１６０へ排気１５４を排出し、その後に、排気１６４は出口管１６２を介して粒子センサ１０６から出る。場合によっては、排気マニホールド１７０が、排気を設備から外に出すため付加的な案内力および原動力を供給するために出口管１６２に接続されていてもよい。技術的に知られているように、圧力センサ１２１および１２２と絶対圧センサ１２４とが電圧制御器１２６に電気的に接続され、電圧制御器１２６が、以下で詳述されるように、システムを通る正しいボリュメトリック流を保証するようにファン１２８の速度を制御するためにファン１２８に電気的に接続されている。技術的に知られているように、レーザー１３４は、フロー１３８中の粒子を表している散乱エネルギー１４０が検出器１４２によって検出されるように、フロー１３８を照明するレーザービーム１３６を発生させる。粒子センシングエレクトロニクス１４４は、検出器１４２からの信号を増幅し、粒子の個数のような検出された粒子のパラメータの特性である出力をライン１４７に供給する。信号１４７は、ユーザによって要求されたあらゆる従来型の形式で粒子カウントのような出力データを供給するために粒子カウンタエレクトロニクス１０８によって分析される。フローセル１３２の設計は図３との関連において以下に詳述されている。
【００２２】
[0026]図２を参照すると、気流センサ１２１は絞り１６０の両側で空気１５１の気流を測定し、内部雰囲気センサ１２２はセンサ１０６内の圧力を測定する。ファン１２８は、連結管１５２を通して空気１５１を引き込み、連結管１５６、高効率排気フィルタ１６０、および、出口管１６２を通して空気１５４を排出する。粒子センサ１０６からの排気の流出は、システム１００内の汚染を低減するために排出された空気１６４を清浄するフィルタ１６０の中だけを通る。雰囲気圧センサ１２４はシステム１００に入る周囲空気１１７の絶対圧を提供する。ファン速度電圧制御器１２６は信号ライン１８４を介してセンサ１２１、１２２、１２４から信号を受信し、粒子センサ１０６に入る空気１１７のボリュメトリック流速を制御するために信号ライン１３１を介してファン１２８のＤＣ電圧、よって、速度を調節する。
【００２３】
[0027]図２は、センサ１０６内の正確なボリュメトリック流速を獲得するためのセンサ１０６内の圧力センシングの原理を示している。試料管１５０内の空気の流速（分子／秒）が絞り開口部２６０の両側で気流センサ１２１によって測定される。圧力センサ１２２は試料管１５０の内部の空気の密度を測定する。所望のボリュメトリック流で粒子の個数を獲得するために、ボリュメトリック流が気流センサ１２１および圧力センサ１２２によってそれぞれ与えられるような流速および雰囲気圧によって決定される。圧力センサ１２２はシステム１００内の他の場所に設置されていてもよいが、より正確なボリュメトリック流速がセンサ１０６内で局所的に圧力センサ１２２を用いて決定され得る。より詳しくは、図１のように、可変速度ファン１２８がセンサ１０６内部で空気移動装置として使用されている。絞り開口部２６０と並行した差動気流圧センサ１２１は、開口部２６０の両端で、開口部２６０を通る気流によって生じさせられた差圧低下を測定する。圧力センサ１２２は絞り開口部２６０の直ぐ上流で絶対空気圧を測定する。絶対圧センサ１２４は周囲空気１１７の絶対空気圧を測定する。ファン制御器１２６は圧力センサ１２１、１２２、１２４によって与えられた情報を解釈し、ファン１２８の速度を制御する出力信号を信号ライン１３１に導出する。したがって、システム１００はファン１２８の閉ループフィードバック制御を行う。
【００２４】
[0028]好ましくは、気流システム１２０は、周囲環境（すなわち、空気１１７の供給源）からサンプリングされるような正確な０．１または１．０ＣＦＭボリュメトリック流速を提供する。システム１２０は、およそ海面から１００００フィートまで変動する海抜で使用されることが意図されている。センサ１２０によって発生させられる差圧信号ΔＰは粒子センサ１０６を通る流速に比例するが、ベルヌーイ方程式は、実際のボリュメトリック流速を導出するためにセンサ１２０における空気密度が既知であることを要求する。圧力センサ１２２はこの空気密度を測定するために使用される。
【００２５】
[0029]圧力センサ１２２の上流でのフローの圧力低下はその場所での空気密度が周囲環境の空気１１７の空気密度と僅かに相違する原因になる。したがって、（圧力センサ１２２からの圧力が圧力センサ１２４からの圧力で除算された）圧力比は、周囲環境から取り出された１．０ＣＦＭまたは０．１ＣＦＭボリュメトリック流速に対応している所要ボリュメトリック流速を気流センサ１２０で維持していると解釈される。よって、気流システム１２０は、場所の海抜に起因して変化する空気密度、および、環境条件に起因する局所的な空気圧変化に関して補償されているとして、現在の周囲環境条件で正確な０．１から１．０ＣＦＭボリュメトリック流速を生成する。
【００２６】
[0030]次の式は前記の説明においてボリュメトリック流速を決定する際に役立つ。
理想気体の法則：
ρ＝ＰＭ／ＲＴ
であり、ここで、
ρ＝密度（ｋｇ／ｍ３）
Ｐ＝圧力（ｋＰａ）
Ｍ＝空気のモル質量（２８．９７ｋｇ／ｋｍｏｌ）
Ｒ＝普遍気体定数（８．３１４ｋＪ／ｋｍｏｌ・Ｋ）
Ｔ＝絶対温度（Ｋ）
である。
ベルヌーイ方程式：
Ｑ＝ｋ・［（２・ΔＰ）／ρ］１／２
であり、ここで、
Ｑ＝ボリュメトリック流
ｋ＝実験的に決定された定数
ΔＰ＝差圧
ρ＝密度
である。
センサ１０６内のボリュメトリック流Ｑに関する簡略化された方程式：
Ｑ＝ｋ・［（ＰＡＰＳＯ・ＰＤＰＳ）１／２÷ＰＡＰＳＥ］
であり、ここで、
Ｑ＝周囲ボリュメトリック流
ｋ＝実験的に決定された定数
ＰＡＰＳＯ＝圧力センサ１２４の圧力
ＰＤＰＳ＝気流センサ１２０の差圧
ＰＡＰＳＥ＝圧力センサ１２２の圧力
である。
【００２７】
[0031]好ましくは、圧力センサ１２１は、Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ  Ｍｏｄｅｌ  ＤＣＸＬ０１ＤＶ差圧センサ、または、Ａｌｌｓｅｎｓｏｒ  ｍｉｎｉａｔｕｒｅ  ａｍｐｌｉｆｉｅｄ  ｌｏｗ  ｐｒｅｓｓｕｒｅ  ｓｅｎｓｏｒ  Ｍｏｄｅｌ  Ｉ  ｉｎｃｈ−Ｇ−Ｐ４Ｖ−Ｍｉｎｉである。流量制御のさらなる説明に関して、たとえば、２０００年１２月２６日にＴｈｏｍａｓ  Ｂａｔｅｓ他に発行された米国特許第６，１６７，１０７号を参照のこと。
【００２８】
[0032]図３を参照すると、発明の好ましい実施形態によるフローセル１３２が表されている。フローセル１３２は、フローセルハウジング３０８と、フローセルウィンドウ３１９と、レーザービーム入口アパーチャ３１０と、レーザービーム出口アパーチャ３１２と、ミラー３２６とを含む。ビーム１３６はレーザー１３４によって発生され、ウィンドウ３１９および入口アパーチャ３１０を通って試料室１３５に入り、出口アパーチャ３１２を通ってフローセル１３２から出る。図１に関連して示されているように、試料室１３５において、レーザービーム１３６は、入口ジェットノズル１３０から出る気体の流れ１３８を通り抜け、気体の流れ１３８内の粒子がレーザー光を散乱させる。図３において下方向に散乱する光はミラー３２６によって検出器１４２の方へ反射させられる。ミラー３２６および関連した集光オプティクスは散乱光集光システム３３０を構成する。レーザービーム１３６に残った光はビームダンプ１２２に吸収される。散乱光は検出器１４２によって検出され、検出器信号がエレクトロニクス１４４によって処理され、フロー１３８内の粒子のパラメータの特性を表す信号は１４７で出力される。検出器１４２およびエレクトロニクス１４４は散乱光検出システム３４０を構成する。以下で説明されるように、発明によるノズル１３０およびレーザービーム１３６は、従来技術による粒子カウンタおよび粒子センサで使用されるノズルおよびレーザービームよりかなり大きいので、従来技術の粒子センサおよび粒子カウンタで使用されるより遙かに小さい圧力低下と、異なるタイプのファン１２８とを可能にする。
【００２９】
[0033]図４は製造工場のような環境で利用されるような発明による粒子カウンタシステム４００を表している。システム４００は、Ｎが２以上の整数であるとき、複数の粒子センサ１０６Ａ、１０６Ｂ、および、１０６Ｃから１０６Ｎまでと、コンピュータ４１０とを含む。ある種の実施形態では、粒子センサ１０６Ａ、１０６Ｂ、および、１０６Ｃから１０６Ｎまでは、たとえば、１００のような粒子センサによって置き換えられることがある。粒子センサ１０６Ａ、１０６Ｂ、および、１０６Ｃから１０６Ｎまでは、電子コネクタ４０４Ａ、４０４Ｂ、および、４０４Ｃから４０４Ｎまでを介してコンピュータ４１０に接続され、電子コネクタの１つずつは、並列もしくは直列のいずれかのケーブル、ワイヤレス接続、インターネット、または、コンピュータに電子的につながるその他の方法でもよい。好ましくは、粒子センサ１０６Ａ、１０６Ｂ、および、１０６Ｃから１０６Ｃまでの１つずつは、図１に表されているような粒子センサ１０６である。コンピュータ４１０は、パーソナルコンピュータでも、ワークステーションでも、または、技術的に知られているような粒子計数ソフトウェアがインストールされているその他のコンピュータでもよい。
【００３０】
[0034]発明の特徴事項は、発明による粒子センサ１０６が非常に小さい圧力低下、好ましくは、５水柱インチ未満、より好ましくは、３水柱インチ未満、最も好ましくは、２水柱インチの圧力低下を有していることである。これは、空気移動装置としての軸流ファンの使用を可能にさせる。ファン技術において知られているように、軸流ファンは、ファンの回転軸と本質的に平行な方向に空気を移動させる。好ましい軸流ファンの実施例は、高静圧ファンおよび逆回転ファンである。これらの装置は低い圧力低下レンジで空気を移動させる際に非常に効率的である。技術的に知られているように、高静圧ファンは、空気の回転エネルギーの少なくとも一部分を軸方向に沿ったエネルギーに変化させるために案内羽根を利用する軸流ファンである。高静圧ファンの実施例は、Ｓｕｎｏｎ  Ｍｏｄｅｌ  ＰＭＤ１２０４ＰＱＢ１−Ａである。このファンは、約０〜１．２５水柱インチの差圧を発生させることが可能である。市販されている逆回転ファンモジュールの２つの例は、Ｓａｎｙｏ  Ｄｅｎｋｉ  Ｓｕｎ  Ａｃｅ  Ｍｏｄｅｌ  ９ＣＲ０４１２Ｓ５０１、および、Ｓｕｎｏｎ  Ｍｏｄｅｌ  ＰＭＤ１２０４ＰＰＢ１−Ａである。逆回転ファンは、一方のファンブレードが時計回り方向へ回転し、もう一方のファンブレードが反時計回り方向に回転する１対の回転ファンブレードを利用する。好ましくは、各ファンブレードは異なる速度でも回転する。たとえば、Ｓｕｎｏｎ  Ｍｏｄｅｌ  ＰＭＤ１２０４ＰＰＢ１−Ａは、１４５００ＲＰＭおよび９５００ＲＰＭの回転速度をそれぞれ備えたブレードを有している。このことは、逆回転ファンモジュールがファン設計において一般的に配慮されていない差圧を生成することを可能にさせる。好ましい逆回転ファンモジュールは、ほぼ２水柱インチの最大差圧を生成可能である。２つの逆回転ファンモジュールを直列に積み重ねることは、時計回り方向から反時計回り方向への回転進行と、その上に変化する回転速度とを継続し、４水柱インチに接近する差圧を生成しかねない。
【００３１】
[0035]従来技術の０．１ＣＦＭ粒子センサの入口ジェット断面積は、約０．５ｍｍ２から３ｍｍ２まで変化する。この断面積は粒子センサシステムにおける最小の物理的制限であるので、粒子センサシステムは、気流が粒子センサシステムを通って引き出されるときに、最大の圧力低下を生じる。発明の特徴事項は、入口ジェットノズル１３の断面積が、たとえば、４ｍｍ２以上まで拡大されることである。試験によって明らかになったことは、４ｍｍ２の入口ジェット面積が０．５水柱インチ未満の圧力低下を生じることである。
【００３２】
[0036]従来技術の０．１ＣＦＭ粒子センサの入口チューブサイズは、１／８インチ（３．２ｍｍ）と１／４インチ（６．４ｍｍ）内径（ＩＤ）である。従来技術の粒子センサの入口チューブ断面積は、典型的に、１／８インチＩＤチューブに対する７．９２ｍｍ２から、１／４インチＩＤチューブに対する３１．６７ｍｍ２まで変化する。粒子センサを入口チューブの０〜５フィートのどこかで作動させることがよくある。この入口チューブの方へ流れる試料空気によって作られる圧力低下は粒子センサシステムにおける２番目に大きい圧力低下である。発明の特徴事項は、入口チューブ圧力低下が軸流ファンを収容するように制御されることである。１／４インチ内径の入口チューブ径を利用すると、典型的な５足長に対し０．２水柱インチより十分に小さい０．１ＣＦＭ流速の圧力低下を生じる。気流システムには他のより小さい圧力低下が存在するが、従来型のチューブ長を使用すると、発明は、１．２５水柱インチ未満の総システム圧力低下を有している０．１ＣＦＭ流速の粒子センサを提供する。
【００３３】
[0037]従来技術の１．０ＣＦＭ粒子センサの入口ジェット断面積は約５ｍｍ２から２０ｍｍ２まで変化する。この断面積は粒子センサシステムにおける最小の物理的制限であるので、粒子センサシステムは、気流が粒子センサシステムを通って引き出されるときに、最大の圧力低下を生じる。発明によれば、１．０ＣＭＦ粒子センサに対する入口ジェット断面積は２５ｍｍ２以上である。試験によって明らかになったことは、２５ｍｍ２の入口ジェット面積が、１水柱インチ未満の圧力低下をもたらすことである。試験によって明らかになったことは、３０ｍｍ２の入口ジェット面積が０．５水柱インチの圧力低下に接近することである。したがって、発明による粒子センサは、逆回転ファンモジュールによって生成された利用可能な２インチの差圧に対して些細な入口ジェット圧力低下を有している。
【００３４】
[0038]最も一般的な従来技術の１．０ＣＦＭ流速粒子センサの入口チューブのサイズは、１／４インチ（６．４ｍｍ）および３／８インチ（９．５ｍｍ）内径（ＩＤ）である。これらの従来技術の粒子センサの入口チューブ断面積は、典型的に、１／４インチＩＤチューブに対する３１．６７ｍｍ２から３／８インチＩＤチューブに対する７１．２６ｍｍ２まで変化する。粒子センサを入口チューブの０〜５フィートのどこかで作動させることがよくある。この入口チューブの方へ流れる試料空気によって作られる圧力低下は粒子センサシステムにおける２番目に大きい圧力低下である。発明によれば、入口チューブ圧力低下は逆回転ファンモジュールを収容するためにさらに拡大される。当業者によって知られているように、大型粒子の輸送コストを最小限に抑えるため、入口チューブは３０００を超えるレイノルズ数を備えた乱気流を生じることが提言されている。この入口チューブは、所与の流速に対して最大入口チューブ径を確立する指針としても使用され得る。１．０ＣＦＭ流速で、入口チューブは１２ｍｍの内径を有することが可能であり、３０００を超えるレイノルズ数を依然として維持する。この従来の長さのチューブ径は、１水柱インチより十分に小さい１．０ＣＦＭ流速圧力低下を生じる。他のより小さい圧力低下が存在するが、発明による１．０ＣＦＭ流速粒子センサは２水柱インチ以下の総システム圧力低下を有している。
【００３５】
[0039]発明による粒子センサのノズル１３０はより大きいので、試料室１３５の全体に集中させられる気流１３８の高さもまたより大きいであろう。発明の特徴事項は、図３における垂直方向での気流ジェットの高さが２．５ミリメートル以上であることである。発明の関連した特徴事項は、図３における垂直方向でのレーザービーム１３６の実効高もまた実質的に２．５ミリメートル以上である。「実効高」という用語は技術的に使用されているように本書で使用されている。技術的に知られているように、レーザービーム高は、原則的に、無限に拡大するが、実効高はビームが粒子を検出する際に効果的である十分なエネルギーを有する高さである。この高さは、一般的に、レーザービームの半幅、すなわち、ビームのエネルギーがビームの中心から半分まで減少する幅といわれる。発明の別の特徴事項は、発明による粒子カウンタのレーザー１３４が好ましくは５０ｍｗ（ミリワット）〜１００ｍｗレーザーであることである。より好ましくは、レーザー１３４は、可視ビームにおいて５０ｍｗ（ミリワット）〜１００ｍｗの出力を、より好ましくは、実質的に６６０ナノメートルの波長で生成する。このようなレーザーは、２．５ミリメートル以上の高さのレーザービームに対して実効ビーム高の全体に亘って豊富な出力を供給する。
【００３６】
[0040]発明による粒子センサおよび粒子カウンタ設計の特徴事項は低減されたコストである。試料位置１つ当たりの従来の５００ドル〜７００ドルのコストは、好ましくは、発明によって１００ドル未満まで削減される。発明の別の特徴事項は低減されたサイズである。上述されたＳｕｎｏｎ高静圧ファンモジュールは、４０ｍｍ×４０ｍｍ×２８ｍｍだけを測定する。このサイズは従来技術の機器で使用される空気移動装置より遙かに小さい。上述されたＳｕｎｏｎ逆回転ファンモジュールは４０ｍｍ×４０ｍｍ×５６ｍｍだけを測定する。このサイズは従来技術の機器で使用される空気移動装置のサイズの１／４未満である。発明のさらに別の特徴事項は低減された重量である。Ｓｕｎｏｎファンモジュールの重量は８８．５グラム未満である。この重量は従来技術の粒子センサで使用される空気移動装置の重量の１／４未満である。発明のさらに別の特徴事項は低減された電力消費量である。１６．８Ｗの最大出力で作動するとき、発明によるテクノロジーは従来の空気移動装置より遙かに少ない電力を消費する。発明のさらなる特徴事項はファンモジュールの寿命の延長である。概して３００００時間のＭＴＴＦ（平均故障）時間があるので、発明によるファンモジュールは粒子計数機器で用いるのに理想的に適している。
【００３７】
[0041]気流システムを通して遙かに小さい総システム圧力低下を有する新しい粒子センサおよび粒子カウンタシステムが記載されている。図面に明らかにされ、本明細書に記載されている特有の実施形態は、例示の目的のためであり、請求項に記載されている発明を限定するものとして解釈されるべきでないことが理解されるべきである。たとえば、発明は空気粒子センサおよび粒子カウンタの観点から記載されているが、発明はどのような気体と共に用いられても構わない。すなわち、「気体」という語は、「空気」という語が現れる本明細書中のどのような箇所において代わりに用いられても構わない。同様に、「気体」という用語は、本書で使用されているように、粒子が浮遊させられている流体に適用されるとき、粒子センサまたは粒子カウンタが技術的に「エアロゾル粒子カウンタ」と称されることを包含するも意図されている。さらに、当業者がすぐに、発明の概念から逸脱することなく、記載されている特定の実施形態の様々な使用および変形を行えることは明らかである。たとえば、発明は０．１ＣＦＭおよび１．０ＣＦＭ粒子センサおよび粒子カウンタの観点で記載されているが、発明はどのような流速をもつ粒子センサおよび粒子カウンタに適用されても構わない。列挙されている方法は、多くの場合に、異なる順番で実行されてもよく、または、等価的な構造およびプロセスが記載されている種々の構造およびプロセスの代わりに用いられてもよいことがさらに明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】発明による光学粒子センサの好ましい実施形態のブロック図である。
【図２】図１のシステムで使用される圧力検知技術の好ましい実施形態を示す図である。
【図３】入口ジェットおよびレーザービームの配置を表している図１の光学粒子センサのフローセルおよび検出オプティクスを示す図である。
【図４】図１の複数の光学粒子センサを利用する光学粒子カウンタシステムの好ましい実施形態のブロック図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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