(57)【要約】【課題】  長時間に亘って連続して単一の標準粒子のエアロゾルを発生することが可能な装置およびその方法を提供する。【解決手段】  水よりも粘度の高い溶媒にその溶媒に非溶解の標準粒子を分散させた標準粒子分散液を貯蔵バイアル３２から管体１２内の気流中に連続的に液滴を吐出してエアロゾルを発生するインクジェットヘッド４２と、その下流に設けられエアロゾルを加熱して溶媒を蒸発させる第１加熱部５０と、その下流に設けられエアロゾル中の溶媒の蒸気を捕集する溶媒蒸気捕集部６０と、その下流に設けられエアロゾルを加熱して標準粒子のエアロゾルを発生する第２加熱部７０と、を備える単一の標準粒子のエアロゾルを発生する単一標準粒子エアロゾル発生器１００が提供される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
単一の標準粒子のエアロゾルを発生可能な装置であって、
水よりも粘度の高い溶媒に該溶媒に非溶解の前記標準粒子を分散させた溶液を管体内の気流中に連続的に液滴を吐出してエアロゾルを発生する液滴吐出部と、
前記液滴吐出部の下流に設けられ、前記エアロゾルを加熱して前記溶媒を蒸発させる第１の加熱部と、
前記第１の加熱部の下流に設けられ、前記エアロゾル中の前記溶媒の蒸気を捕集する溶媒蒸気捕集部と、
前記溶媒蒸気捕集部の下流に設けられ、前記エアロゾルを加熱して前記標準粒子のエアロゾルを発生する第２の加熱部と、
を備える、前記装置。
【請求項２】
前記溶媒蒸気捕集部は、前記エアロゾル中の溶媒の蒸気を冷却して管壁に凝縮させる、請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記溶媒蒸気捕集部は、前記エアロゾル中の溶媒の蒸気を吸着剤により捕集してなる、請求項１記載の装置。
【請求項４】
前記溶媒蒸気捕集部は、前記管体にガスを導入する供給口とその下流に排出口とを該ガスが管壁内面に沿って前記エアロゾルと同じ方向に流れるように設け、前記エアロゾル中の溶媒の蒸気を該ガス中に拡散させ該排出口より排気する、請求項１記載の装置。
【請求項５】
前記標準粒子の平均粒径が２μｍ〜２０μｍである、請求項１〜４のうちいずれか一項記載の装置。
【請求項６】
前記標準粒子は、ポリスチレンラテックス球、シリカ球およびガラスビーズの群のうち少なくとも一つの標準粒径標準粒子から選択される、請求項１〜５のうちいずれか一項記載の装置。
【請求項７】
前記溶媒は、エチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、フタル酸ジブチル、オレイン酸、リノール酸、フタル酸ジオクチル、ジプロピレングリコールおよびメチルジエタノールアミンからなる群から選択された少なくとも一つである、請求項１〜６のうちいずれか一項記載の装置。
【請求項８】
単一の標準粒子のエアロゾルを発生可能な方法であって、
水よりも粘度の高い溶媒に該溶媒に非溶解の前記標準粒子を分散させた溶液を液滴吐出部に供給して、該液滴吐出部が管体内の気流中に連続的に液滴を吐出してエアロゾルを発生するステップと、
前記発生されたエアロゾルを加熱して前記溶媒を蒸発させるステップと、
前記溶媒が蒸発されたエアロゾル中の前記溶媒の蒸気を捕集するステップと、
前記溶媒の蒸気が捕集された前記エアロゾルを加熱して前記単一の標準粒子のエアロゾルを発生するステップと、
を含む、前記方法。
【請求項９】
前記溶媒の蒸気を捕集するステップは、前記エアロゾル中の溶媒の蒸気を冷却して管壁に凝縮させる、請求項８記載の方法。
【請求項１０】
前記溶媒の蒸気を捕集するステップは、前記エアロゾル中の溶媒の蒸気を吸着剤により捕集してなる、請求項８記載の方法。
【請求項１１】
前記溶媒の蒸気を捕集するステップは、前記管体にガスを導入する供給口とその下流に排出口とを該ガスが管壁内面に沿って前記エアロゾルと同じ方向に流れるように設け、前記エアロゾル中の溶媒の蒸気を該ガス中に拡散させ該排出口より排気する、請求項８記載の方法。
【請求項１２】
前記標準粒子の平均粒径が２μｍ〜２０μｍである、請求項８〜１１のうちいずれか一項記載の方法。
【請求項１３】
前記標準粒子は、ポリスチレンラテックス球、シリカ球およびガラスビーズの群のうち少なくとも一つの標準粒径標準粒子から選択される、請求項８〜１２のうちいずれか一項記載の方法。
【請求項１４】
前記溶媒は、エチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、フタル酸ジブチル、オレイン酸、リノール酸、フタル酸ジオクチル、ジプロピレングリコールおよびメチルジエタノールアミンからなる群から選択された少なくとも一つである、請求項８〜１３のうちいずれか一項記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微粒子をエアロゾル化する装置および方法に関し、特に、粒径が既知である微粒子である標準粒子をエアロゾル化する装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、大気汚染の分野では、環境基準に定められた粒径１０μｍ以下のＰＭ１０浮遊粒子状物質や、粒径２.５μｍ以下のＰＭ２.５エアロゾル粒子の測定が行なわれている。大気中のエアロゾル粒子が関連する光散乱、輸送および沈着等の様々な現象において、粒径は最も影響力の強いパラメータの一つであり、粒径分布の測定が必須となっている。この測定機器としては、光散乱式気中パーティクルカウンタ(ＯＰＣ)、走査型電気移動度スペクトロメータ(ＳＥＭＳ)、空気力学径スペクトロメータ(ＡＰＳ)、カスケードインパクタ(以下、インパクタ)等の粒径分布測定装置が使用されている。
【０００３】
このような測定では、長期間に亘るトレンドを把握することが重要であり、上述の粒径分布測定装置を所定の性能で維持するための校正を行うことが必要となる。上述装置の応答の校正には、粒径標準粒子であるポリスチレンラテックス球等が使用されている。
【０００４】
一方、測定した粒径分布の縦軸となる粒子数濃度に対する校正はほとんど行われていない。この校正は実験室環境で行うため、校正の対象となる計測器を実験室に輸送する必要が生じる。これは観測データの連続性が維持できず、校正のモチベーションを低下させてしまう。
【０００５】
そこで、本発明者のグループは非特許文献１および２に記載のエアロゾル発生器を開発した。このエアロゾル発生器では、水、イソプロピルアルコールなどの溶媒を使用して、これらの溶媒に可溶な溶質を加えて溶液を作製し、その溶液をインクジェットヘッドより液滴として一定の頻度で連続吐出し、液滴を乾燥させた残渣である溶質成分による標準粒子を清浄気流に随伴させエアロゾルを発生する。このエアロゾル発生器は、容易に移動が可能であり、計測器が設置された観測現場に輸送しての計測器の校正が可能である。また、このエアロゾル発生器から粒径が既知である市販の試験用の標準粒子を水などに分散させた液をインクジェットで吐出することで、これらの標準粒子を含んだエアロゾルを発生することもできる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】飯田、外３名「エアロゾル研究」、日本エアロゾル学会、２０１２年、第２７巻、第４号、ｐ.３４１−３４９
【非特許文献２】Iida,K.et al., “Inkjet Aerosol Generator as Monodisperse Particle Number Standard”, Aerosol Science and Technology 2014,Vol.48,No.8,p.789-802
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、標準粒子の粒径が大きくなるほど粒子の質量が増し、分散液中での標準粒子の挙動に重力が影響し易くなり、溶液を供給する配管や吐出前の液溜り等の流路中で標準粒子が沈降あるいは浮上し易くなる。標準粒子が沈降あるいは浮上した場合、これらのエアロゾル化が難くなるため、評価の対象となるエアロゾル測定機器に長時間に亘り安定した濃度で標準粒子を輸送し続けることが困難になる。
【０００８】
そこで、本発明の目的の一つは、長時間に亘って連続して標準粒子をエアロゾル化する装置およびその方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一態様によれば、単一の標準粒子のエアロゾルを発生可能な装置であって、水よりも粘度の高い溶媒にその溶媒に非溶解の上記標準粒子を分散させた溶液を管体内の気流中に連続的に液滴を吐出してエアロゾルを発生する液滴吐出部と、上記液滴吐出部の下流に設けられ、上記エアロゾルを加熱して上記溶媒を蒸発させる第１の加熱部と、上記第１の加熱部の下流に設けられ、上記エアロゾル中の上記溶媒の蒸気を捕集する溶媒蒸気捕集部と、上記溶媒蒸気捕集部の下流に設けられ、上記エアロゾルを加熱して上記標準粒子のエアロゾルを発生する第２の加熱部と、を備える、上記装置が提供される。
【００１０】
上記態様によれば、上記溶液は、水よりも粘度の高い溶媒に標準粒子が分散されているので、その溶液が液滴吐出部に供給されて吐出されるまでの流路内において標準粒子が沈降あるいは浮上することを妨げることができ、単一の標準粒子(単粒子の標準粒子)を含む液滴を吐出することが可能となる。これとともに、第１の加熱部で蒸発した溶媒の蒸気が下流に設けられた溶媒蒸気捕集部において捕集されるので気流中の溶媒の蒸気の濃度が低下し、エアロゾル中の標準粒子にその溶媒の蒸気が核凝縮等により付着することを抑制することが可能となる。さらに、第２の加熱部においてエアロゾルを加熱することで、その標準粒子に付着した溶媒を蒸発させて除去して、単一の標準粒子のエアロゾルを発生することが可能となる。
【００１１】
本発明の他の態様によれば、単一の標準粒子のエアロゾルを発生可能な方法であって、水よりも粘度の高い溶媒にその溶媒に非溶解の上記標準粒子を分散させた溶液を液滴吐出部に供給して、該液滴吐出部が管体内の気流中に連続的に液滴を吐出してエアロゾルを発生するステップと、上記発生されたエアロゾルを加熱して上記溶媒を蒸発させるステップと、上記溶媒が蒸発されたエアロゾル中の上記溶媒の蒸気を捕集するステップと、上記溶媒の蒸気が捕集された上記エアロゾルを加熱して上記標準粒子のエアロゾルを発生するステップと、を含む、上記方法が提供される。
【００１２】
上記態様によれば、上記溶液は、水よりも粘度の高い溶媒に標準粒子が分散されているので、その溶液が液滴吐出部に供給されて吐出されるまでの流路内において標準粒子が沈降あるいは浮上等することを妨げることができ、単一の標準粒子(単粒子の標準粒子)を含む液滴を吐出することが可能となる。これとともに、発生されたエアロゾルを加熱して蒸発した溶媒の蒸気が捕集されるので気流中の溶媒の蒸気の濃度が低下し、エアロゾル中の標準粒子にその溶媒の蒸気が核凝縮等により付着することを抑制することが可能となる。さらに、エアロゾルを加熱することで、その標準粒子に付着した溶媒を蒸発させて除去して、標準粒子のエアロゾルを発生することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態に係る単一標準粒子エアロゾル発生器の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態の原理の説明図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る単一標準粒子エアロゾル発生器の構成を示す概略図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る単一標準粒子エアロゾル発生器の溶媒蒸気捕集部の例を示す図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る単一標準粒子エアロゾル発生器の溶媒蒸気捕集部の他の例を示す図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る単一標準粒子エアロゾル発生器の溶媒蒸気捕集部のその他の例を示す図である。
【図７】本発明の一実施形態に係る標準粒子のエアロゾルの発生方法を示すフローチャートである。
【図８】本発明に係る実施例および比較例のエアロゾル中のポリスチレンラテックス球の粒子生成頻度を示すグラフである。
【図９】本発明に係る実施例のエアロゾル中のポリスチレンラテックス球の粒径分布を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本明細書、特許請求の範囲および図面で開示される技術の一つは、ポリスチレンラテックス球(以下、「ＰＳＬ球」とも称する。)」などの粒径が既知である、主に試験用に使用される標準粒子を、気中に分散する手法に関するものである。説明を簡便に行うため、特に断らない限りＰＳＬ球を使用して説明するがそれに限定されるものではない。また、本明細書、特許請求の範囲および図面で使用される用語「エアロゾル」は、液体、あるいは、固体、あるいは液体と固体を含む複数の微粒子が気体に浮遊した状態における、気体および気体中に浮遊する微粒子あるいはその群を含む。
【００１５】
ＰＳＬ球をエアロゾル化する方法は、主に湿式と乾式とに分けられる。湿式によるエアロゾル化の代表例はネブライザーであり、試験用粒子を水に分散させ加圧噴霧する。ネブライザーが安定した濃度で発生できる粒径範囲の上限は約２μｍであり、マイクロメートル粒径域を対象としたエアロゾル計測器の測定粒径範囲の上限である約１０μｍから２０μｍであるのに対して不十分である。
【００１６】
また、分散液中のＰＳＬ球をネブライザーがエアロゾル化できる効率は通常数％と低く、この効率はＰＳＬ球の粒径が大きくなるほど悪化する。これは、エアロゾル化したＰＳＬ球が配管内で輸送される過程で、ＰＳＬ球が重力や慣性力により管壁に沈着しやすいこと、そして、分散液中でのＰＳＬ球の重力沈降に起因するものと考えられる。
【００１７】
一方、乾式によるエアロゾル化では、ブラシ、振動、気流などを利用してＰＳＬ球を気中に巻き上げる。この手法ではエアロゾル中のＰＳＬ球の発生濃度が時間に対して断続的になり易い。試験に用いるエアロゾル中の粒子数濃度が非定常であることはエアロゾル計測器の評価では望ましくない。
【００１８】
また、乾式で巻き上げたＰＳＬ球は、多数のＰＳＬ球が凝集し構成されているものが多い。そのため、乱流や音波を加えることで凝集体を単粒子のＰＳＬ球へと気中でかい離することが行われるが、このプロセスは確率的なため、全ての凝集体を気中で完全に単粒子のＰＳＬ球に分離することは困難である。
【００１９】
また、湿式および乾式に共通した実用面での観点として、費用対効果がある。ＰＳＬ球の分散液や乾燥粉末は、ＰＳＬ球成分の質量当たりの価格で販売されているため、ＰＳＬ球一個あたりの単価は粒径が大きくなるほど高くなる。したがって、粒径が約数マイクロメートルあるいはそれよりも大きくなるにつれて、エアロゾル計測器の評価に使用するＰＳＬ球のコストをより強く意識する必要が生じる。
【００２０】
本明細書および図面では、本発明に係る実施形態の一態様として、粒径約２μｍ以上で、高価な試験用の標準粒子を過度に消費することを回避し、また、エアロゾル計測器の評価に必要な時間に亘って、十分に安定した濃度を維持できる標準粒子の発生装置および発生方法を提供する。
【００２１】
以下、図面に基づいて本発明の一実施形態を説明する。
【００２２】
図１は、本発明の一実施形態に係る単一標準粒子エアロゾル発生器の構成を示すブロック図である。
【００２３】
図１を参照するに、本発明の一実施形態に係る単一標準粒子エアロゾル発生器１００は、装置本体１０と、装置本体内にガスを供給し気流を発生するガス供給部２０と、エアロゾル中の粒子成分となる、水よりも粘度の高い溶媒にその溶媒に非溶解の標準粒子を分散させた液(以下、「標準粒子分散液」とも称する。)を供給する溶液供給部３０と、供給された標準粒子分散液をガスの気流中に吐出してエアロゾルを発生する液滴吐出部４０と、そのエアロゾルを加熱して溶媒を気流中に蒸発させる第１加熱部５０と、加熱された、ガスを含むエアロゾル中の上記溶媒の蒸気を捕集する溶媒蒸気捕集部６０と、エアロゾルを加熱して標準粒子のエアロゾルを発生する第２加熱部７０と、標準粒子のエアロゾルを冷却あるいは自然冷却する冷却部８０と、制御部９０と、を有している。
【００２４】
図２は、本発明の一実施形態の原理の説明図である。
【００２５】
図２を図１とともに参照するに、(ａ)では、水よりも粘度の高い溶媒に、この溶媒に非溶解の標準粒子を分散させた標準粒子分散液を準備する。
【００２６】
(ｂ)では、標準粒子分散液を液滴吐出部４０のインクジェットヘッドのノズルに供給する。ノズルの開動作により標準粒子分散液がノズル先端付近に供給される。
【００２７】
(ｃ)では、ノズルの閉動作により、ノズルから標準粒子分散液の液滴を吐出し、粒子状物質がろ過された気流に随伴する。液滴は、図示するように標準粒子と溶媒とを含む場合と、図示されていないが溶媒のみの場合がある。
【００２８】
(ｄ)では、第１加熱部５０でエアロゾルを加熱して、液滴の溶媒を気流中に蒸発させる。これにより、液滴の溶媒が減少あるいは除去され、乾燥した状態の標準粒子を含んだエアロゾルが発生され、それとともに気流中の溶媒蒸気の濃度が増加する。
【００２９】
(ｅ)では、溶媒蒸気捕集部６０で、例えば管壁を冷却することで気流中の溶媒蒸気を管壁表面で凝縮させる。これにより気流中の溶媒蒸気の濃度が低下する。これとともに、溶媒蒸気が標準粒子を核として凝縮することが考えられる。
【００３０】
(ｆ)では、第２加熱部７０でエアロゾルを加熱することで、標準粒子に付着した溶媒が蒸発し、標準粒子が乾燥した状態にすることができる。
【００３１】
(ｇ)では、管壁の冷却あるいは自然冷却された標準粒子からなるエアロゾルが発生される。
【００３２】
なお、上述した原理で挙げたメカニズムは理解を容易にするためその一例を挙げており、これに限定されるわけではない。
【００３３】
図３は、本発明の一実施形態に係る単一標準粒子エアロゾル発生器の構成を示す概略図である。
【００３４】
図３を参照するに、本発明の一実施形態に係る単一標準粒子エアロゾル発生器１００は、装置本体１０と、ガス供給部２０と、溶液供給部３０と、制御部９０とを有する。装置本体１０は、管体１２と、管体内にガス(気体)を供給する供給口１２ａと、管体内に設けられたインクジェットヘッド４２と、インクジェットヘッド４２から吐出された液滴からなるエアロゾルを加熱して溶媒を気流中に蒸発させる第１加熱部５０と、蒸発した溶媒の蒸気を捕集する溶媒蒸気捕集部６０と、エアロゾルを加熱して標準粒子のエアロゾルを発生する第２加熱部７０と、加熱された標準粒子のエアロゾルを冷却あるいは自然冷却する冷却部８０を有し、発生した標準粒子のエアロゾルは管体出口１２ｂから取り出される。
【００３５】
ガス供給部２０は、本体に清浄なガスを供給するためのもので、ガスを貯蔵するガスボンベ２１と、ガス流量を制御する流量調整バルブ２２と、フィルタ２３と、流量計２６と、ガスを管体１２の供給口１２ａに流通させる配管を有している。ガス供給部２０は、さらに、ガス流路のバイパスとして、フィルタ２４およびＯＮ／ＯＦＦバルブを有する。ガスは、特に限定されないが、空気、窒素、Ａｒガス等の不活性ガスが選択される。ガスは除湿された例えば乾燥空気が好ましい。
【００３６】
ガスの流量は、管体１２の内部での流れが層流になるように流速が調整されることが好ましい。ガスの管体１２の内部での流速は例えば流量調整バルブ２２によって流量で調整可能であり、これにより、エアロゾルが安定して発生される。
【００３７】
溶液供給部３０は、エアロゾルの元となる標準粒子分散液を貯蔵する貯蔵バイアル３２と、標準粒子分散液を流通させる配管３４とを有する。標準粒子分散液は、水よりも粘度の高い溶媒と、この溶媒に非溶解の標準粒子とを含み、この溶媒に標準粒子を分散させたものである。
【００３８】
標準粒子は、後に説明する溶媒に非溶解であれば特に限定されない。光散乱式気中パーティクルカウンタ(ＯＰＣ)等のエアロゾル測定器の校正用としては、粒径が既知の標準粒子が用いられる。このような標準粒子としては、ポリスチレンラテックス球、シリカ球およびガラスビーズが挙げられる。
【００３９】
また、標準粒子は以下のものを用いることができる。
−生体を模擬するために異なる励起および発光の波長帯の組合せを有する蛍光標準粒子、
−異なる種類の抗生物質を表面に補足する能力を有する標準粒子、
−カルボシキ基やアミン基などの官能基で表面修飾された標準粒子。
【００４０】
標準粒子は、平均粒径が２０μｍ以下のものを用いることができ、特に、マイクロメートル粒径域を対象としたエアロゾル計測器の評価には、２μｍ〜２０μｍのものを用いることが好ましい。本実施形態に係る単一標準粒子エアロゾル発生器１００により、従来、実現困難であった平均粒径２μｍ〜２０μｍの標準粒子を単粒子としてエアロゾル化できる。
【００４１】
標準粒子分散液に用いられる溶媒は、水(０.８９)よりも粘度の高いものが選択される。これにより、標準粒子の標準粒子分散液での重力沈降を抑制でき、インクジェットヘッド４２から吐出されるまでの流路内において標準粒子が沈降あるいは浮上することを妨ぐことが可能である。このような溶媒として、例えば、水溶性の溶媒としては、エチレングリコール(１７.６)、ジエチレングリコール(３０.０)およびトリエチレングリコール(３７.８)が挙げられ、非水溶性の溶媒としては、フタル酸ジブチル(２０.９)、オレイン酸(２８.８)、リノール酸(３８.５)およびフタル酸ジオクチル(７１.８)が挙げられ、水に混和する溶媒としては、ジプロピレングリコール(６５.９)およびメチルジエタノールアミン(７６.５)が挙げられる。なお、本段落の括弧内は２５℃における粘度を表しており、単位は×１０-3Ｐａ・ｓである。なお、ここに挙げた溶媒に加えて、水よりも粘度の高く、選択した標準粒子を溶解しないものであれば選択可能である。
【００４２】
標準粒子分散液中の標準粒子の数密度が、５×１０4〜１.５×１０5個・ｍＬ-1であることが好ましい。これにより、インクジェットヘッド４２から吐出された一つの液滴に２個以上の標準粒子が含まれる確率を大幅に低下することができ、単一の粒子(単粒子)の標準粒子をエアロゾル化でき、かつ効率的に単粒子のエアロゾルが得られる。
【００４３】
次に、装置本体１０の説明を以下に行う。管体１２は、内部の断面形状が円形、三角形、四角形およびその他の多角形でもよい。管体１２は、例えば、金属、ガラスおよびその他の材料から形成することができ、第１加熱部５０および第２加熱部７０の熱による影響を受けない材料であれば、特に限定されない。
【００４４】
管体１２は、重力方向に沿って設けられること、つまり、直立して設けられることが好ましい。インクジェットヘッド４２から吐出された液滴およびそのエアロゾルが管体内面１２ｃに接触することを妨げることができる。
【００４５】
管体１２にはガスを供給する供給口１２ａが設けられる。供給口１２ａはインクジェットヘッド４２よりも高い位置に設けられ、供給口１２ａから導入されたガスの気流の下流にインクジェットヘッド４２が設けられる。このようにすることで、乱れのないガスの気流をインクジェットヘッド４２のノズル４２ａ付近に形成できる。
【００４６】
液滴吐出部４０は、インクジェットヘッド４２を用いることができ、連続型(振動オリフィスによる液滴が発生される。)やdrop-on-demand(ＤＯＤ)型(例えば、ピエゾ素子の１回の振動に対して１個の液滴が発生される。)でもよい。ＤＯＤ型インクジェットヘッドは、一個の液滴を単量体として吐出することができ、サテライト液滴が発生され難い点で好ましい。
【００４７】
インクジェットヘッド４２では、貯蔵バイアル３２から配管３４を通して供給された標準粒子分散液が、ノズルの開閉動作によりノズル４２ａに充填され吐出されて液滴が発生される。ノズル４２ａの先端の開口径(直径)は、使用する標準粒子の粒径に応じて適宜選択されるが、標準粒子の粒径が２μｍ〜２０μｍの場合、例えば７０μｍが選択される。発生される液滴には、標準粒子分散液中の標準粒子の数密度が１.５×１０５個・ｍＬ-1の場合は、１００個の液滴当たり、１個の標準粒子を含む液滴が平均的に３個から４個発生されることが分っている。インクジェットヘッド４２から連続的に吐出された液滴はエアロゾルとなって自重およびガスの気流により、管体１２の下方に流れる。なお、インクジェットヘッド４２は、液滴の発生頻度、つまり、吐出の時間当たりの回数は、制御部９０のパーソナルコンピュータ(ＰＣ)９２およびコントローラ９４により制御される。
【００４８】
第１加熱部５０および第２加熱部７０は、例えば管体外面１２ｄに管体１２を取り囲むようにヒータ５２、７２が設けられる。ヒータ５２、７２の発熱が管体１２を伝導し、管体内部のガスおよびエアロゾルを加熱する。これにより、液滴の溶媒あるいは標準粒子に付着した溶媒を蒸発させる。第２加熱部７０で再度加熱することで、乾燥した標準粒子を発生することができる。ヒータ５２、７２の温度設定は、ガスの流量および溶媒の種類によって適宜設定されるが、例えば、１３０℃〜１５０℃である。加熱温度の制御はヒータ５２、７２に設けられた温度制御装置で制御してもよく、ＰＣ９２と接続して制御してもよい。
【００４９】
溶媒蒸気捕集部６０は、ガスを含むエアロゾル中の溶媒蒸気を捕集するためのものである。溶媒蒸気捕集部６０の例を以下に説明する。
【００５０】
図４〜図６は、本発明の一実施形態に係る単一標準粒子エアロゾル発生器の溶媒蒸気捕集部の例を示す図である。図４〜図６の各図は、その上側が第１加熱部５０であり、下側が第２加熱部７０であるように示されている。なお、管体内部の液滴、標準粒子、溶媒蒸気、および凝縮した溶媒は、図２と同様に示されている。
【００５１】
図４を参照するに、溶媒蒸気捕集部１６０は、管体１２を水冷の冷却器１６２により冷却するもので、管体外面１２ｄに管体１２を取り囲むように冷却管１６４が設けられる。冷却管１６４に冷却水を連通することで管体１２を冷却し、管体内部のガスの気流に含まれる溶媒蒸気を管体内面に凝縮させる。これにより、気流中の溶媒蒸気の濃度を低減できる。
【００５２】
図５を参照するに、溶媒蒸気捕集部２６０は、管体内面１２ｃの周方向沿って吸着剤２６２が設けられる。吸着剤は、管体内部のガスに含まれる溶媒蒸気を吸着して、気流中の溶媒蒸気の濃度を低減できる。吸着剤は、例えば、活性炭を用いることができる。
【００５３】
図６を参照するに、溶媒蒸気捕集部３６０は、管体１２と、管体１２と同軸の管体３１２との間に、管体内部にガスを導入する供給口３１２ａとその下流に排出口３１２ｂとが設けられ、ガスが管体３１２の内面に沿って第１加熱部５０からのエアロゾルと同じ方向に流れるように構成されている。エアロゾル中の溶媒蒸気は、導入されたガス中に拡散し、排出口３１２ｂからガスと共に排気される。これにより、エアロゾルに含まれる溶媒蒸気が排出され、溶媒蒸気の濃度を低減できる。なお、供給口３１２ａに供給されるガスは、ガス供給部２０から供給してもよく、別途、ガス供給部を設けてもよい。
【００５４】
図３に戻り、冷却部８０は、自然冷却により第２加熱部７０からの標準粒子のエアロゾルを冷却してもよく、図４に示した水冷の冷却システムを用いてもよい。第２加熱部７０で加熱された標準粒子のエアロゾルを冷却できる。
【００５５】
なお、インクジェットヘッド４２のノズル４２ａの位置に、管体１２の外部に、ＣＣＤカメラ９５とストロボ９６を設け、窓材１８から液滴の吐出状態をモニターできるようにしてもよい。また、ノズル４２ａと第１加熱部５０との間に、両極イオン発生源４６を設けて、吐出された液滴を除電してもよい。
【００５６】
本実施形態によれば、標準粒子分散液は水よりも粘度の高い溶媒に標準粒子が分散されているので、インクジェットヘッド４２のノズル４２ａに供給されて吐出されるまでの流路内において標準粒子が沈降あるいは浮上等することを妨げることができ、単一の標準粒子(単粒子の標準粒子)を含む液滴を吐出することが可能となる。これとともに、第１加熱部５０で蒸発した気流中の溶媒の蒸気が溶媒蒸気捕集部６０において冷却による凝縮、吸着剤による吸着、あるいは導入したガスへ溶媒蒸気の拡散により捕集されるので溶媒の蒸気の濃度が低下し、エアロゾルの標準粒子にその溶媒の蒸気が核凝縮等で付着することを抑制することが可能となる。さらに、第２加熱部７０においてエアロゾルを加熱することで、標準粒子に付着した溶媒を蒸発させて除去して、標準粒子のエアロゾルを発生することが可能となる。
【００５７】
図７は、本発明の一実施形態に係る標準粒子のエアロゾルの発生方法を示すフローチャートである。以下、図７を参照しつつ本発明の一実施形態に係る単一標準粒子エアロゾルの発生方法を説明する。
【００５８】
最初に、標準粒子を水よりも粘度の高い溶媒に分散させて標準粒子分散液を作製し、液滴吐出部４０に供給する(Ｓ１０２)。標準粒子および溶媒は上述したものを用いる。標準粒子を溶媒中で分散させる手法としては、例えば、びん振とう機や超音波槽が挙げられる。上述したように、２個の標準粒子を含む液滴が発生されることを抑制して、１個の標準粒子を溶媒に含む液滴と、標準粒子を含まない溶媒のみの液滴とが発生されるように、標準粒子分散液の標準粒子の数密度を設定する。
【００５９】
次いで、インクジェットヘッド４２に供給した標準粒子分散液を、ＰＣ９２およびコントローラ９４の制御等により、インクジェットヘッド４２により気流中に吐出して液滴を発生し、液滴からなるエアロゾルを発生する(Ｓ１０４)。
【００６０】
次いで、発生されたエアロゾルを加熱する(Ｓ１０６)。この加熱により、エアロゾルの液滴の溶媒が蒸発し、溶媒蒸気が発生する。
【００６１】
次いで、エアロゾル中の溶媒の蒸気を捕集する(Ｓ１０８)。捕集する手法は、図４〜図６に示した冷却による凝縮、吸着剤による吸着、あるいは導入したガスへ溶媒蒸気の拡散および排気を用いる。これによりガス中の溶媒蒸気の濃度を低下させる。
【００６２】
次いで、ガス中の溶媒蒸気の濃度が低下されたエアロゾルを加熱する(Ｓ１１０)。これにより、標準粒子に付着した溶媒が蒸発し、微粒子を乾燥することができる。このステップにより、標準粒子のエアロゾルが発生可能である。
【００６３】
次いで、加熱された標準粒子のエアロゾルを冷却する(Ｓ１１２)。この冷却は自然冷却(放冷)でもよく、図４に示した水冷の冷却システムを用いてもよい。
【００６４】
本実施形態によれば、標準粒子を水よりも粘度の高い溶媒に分散させて標準粒子分散液が作製されており、標準粒子は溶媒に非溶解であるので、標準粒子分散液がインクジェットヘッド４２のノズル４２ａまでの流路内において標準粒子が沈降あるいは浮上等することを妨げることができ、ノズル４２ａは単一の標準粒子(単粒子の標準粒子)を含む液滴を吐出することが可能となる。このようにして発生されたエアロゾルを加熱して溶媒が蒸発し、この溶媒蒸気が捕集されるのでガス中の溶媒蒸気の濃度が低下し、エアロゾルの標準粒子にその溶媒の蒸気が核凝縮等で付着することを抑制することが可能となる。さらに、エアロゾルを加熱することで、その標準粒子に付着した溶媒を蒸発させて除去して、標準粒子のエアロゾルを発生することが可能となる。
【００６５】
［実施例］
実施例として、単一標準粒子エアロゾルの発生装置は図３に示す単一標準粒子エアロゾル発生器１００を用い、独国microdrop社製MD-K-130のインクジェットヘッドで、孔径７０μｍのノズルから吐出した。第１および第２加熱部は、それぞれ１３０℃、１５０℃に設定し、溶媒蒸気捕集部は図４に示す水冷による冷却器により２℃に設定した。標準粒子は粒径７、１０、１５および２０μｍのＪＳＲ社製のポリスチレンラテックス(ＰＳＬ)球、溶媒としてエチレングリコールを用い、ＰＳＬ球をエチレングリコールに分散させた。２５℃におけるエチレングリコールの粘度は１７.６×１０-3Ｐａ・ｓである。ＰＳＬ球の溶液中の溶液体積当たりの数密度は、５×１０4〜１.５×１０5個・ｍＬ-1に調製した。この発生装置により発生したエアロゾル中のＰＳＬ球の粒子発生頻度および粒径分布を空気力学スペクトロメータ(ＡＰＳ)(TSI社製モデル3321)により測定した。なお、粒子発生頻度は各粒径のＰＳＬ球が単位時間に検出された個数を１秒当たりの個数で表したものである。
【００６６】
［比較例］
比較例として、エアロゾル発生器は、図３に示す溶媒蒸気捕集部および第２加熱部を設けない単一標準粒子エアロゾル発生器を使用した。インクジェットヘッドおよびノズル径は実施例と同一である。第１加熱部は１３０℃に設定し、標準粒子は実施例と同一のものを使用し、溶媒として水(純水)を使用した。２５℃における水の粘度は０.８９×１０-3Ｐａ・ｓである。ＰＳＬ球の溶液中の溶液体積当たりの数密度は、実施例と同様の数密度に設定した。この単一標準粒子エアロゾル発生器により発生したエアロゾル中のＰＳＬ球の粒子発生頻度および粒径分布を実施例と同一のＡＰＳで測定した。
【００６７】
図８は、本発明に係る実施例および比較例のエアロゾル中のポリスチレンラテックス球の粒子発生頻度を示すグラフである。なお、グラフ中、黒三角形(▲)が実施例、白抜き四角形(□)が比較例を示す。
【００６８】
図８を参照するに、粒径７、１０、１５および２０μｍのいずれの場合も、実施例の方が比較例よりも長い時間に亘って連続してエアロゾルを発生することができることが分る。さらに、この現象はＰＳＬ球の粒径が大きいほど顕著であることが分る。なお、比較例の粒径２０μｍの場合はエアロゾル化されず適正に測定ができなかった。
【００６９】
図９は、本発明に係る実施例のエアロゾルのポリスチレンラテックス球の粒径分布を示すグラフである。図９は、グラフ中に数値で示した各粒径のＰＳＬ球の分散液を用いた場合に対して、実施例の発生装置によって発生されたエアロゾル中のＰＳＬ球の粒径分布を示すものである。
【００７０】
図９を参照するに、各粒径のＰＳＬ球は、実施例の単一標準粒子エアロゾル発生器により、一つの標準粒子、つまり、単粒子化されたＰＳＬ球がエアロゾル化されていることが分る。
【００７１】
以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲に記載された本発明の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【００７２】
また、上述した標準粒子エアロゾル発生器は、粒径が既知のＰＳＬ球等の試験用粒子を用いることで光散乱式気中パーティクルカウンタ(ＯＰＣ)や凝縮粒子カウンタ(ＣＰＣ)等のエアロゾル測定機器の校正が可能であり、上述した標準粒子エアロゾル発生器とエアロゾル測定機器と組み合わせたシステムを構成することも可能であることはいうまでもない。また、本明細書では、標準粒子をエアロゾル化する装置および方法について述べたが、この装置および方法は、標準粒子以外の、粒径が既知でない微粒子をエアロゾル化することも可能であることは言うまでもない。
【００７３】
なお、以上の説明に関してさらに以下の付記を開示する。
(付記１)  単一の標準粒子のエアロゾルを発生可能な装置であって、
水よりも粘度の高い溶媒に該溶媒に非溶解の前記標準粒子を分散させた溶液を管体内の気流中に連続的に液滴を吐出してエアロゾルを発生する液滴吐出部と、
前記液滴吐出部の下流に設けられ、前記エアロゾルを加熱して前記溶媒を蒸発させる第１の加熱部と、
前記第１の加熱部の下流に設けられ、前記エアロゾル中の前記溶媒の蒸気を捕集する溶媒蒸気捕集部と、
前記溶媒蒸気捕集部の下流に設けられ、前記エアロゾルを加熱して前記標準粒子のエアロゾルを発生する第２の加熱部と、
を備える、前記装置。
(付記２)  前記液滴吐出部は、前記溶液を吐出するノズルを有し、
前記ノズルに前記溶液を貯溜するとともに、該ノズルが該貯溜された溶液の一部を分離して液滴を繰り返し吐出する、付記１記載の装置。
(付記３)  前記溶媒蒸気捕集部は、前記エアロゾル中の溶媒の蒸気を冷却して管壁に凝縮させる、付記１または２記載の装置。
(付記４)  前記溶媒蒸気捕集部は、前記エアロゾル中の溶媒の蒸気を吸着剤により捕集してなる、付記１または２記載の装置。
(付記５)  前記溶媒蒸気捕集部は、前記管体にガスを導入する供給口とその下流に排出口とを該ガスが管壁内面に沿って前記エアロゾルと同じ方向に流れるように設け、前記エアロゾル中の溶媒の蒸気を該ガス中に拡散させ該排出口より排気する、付記１または２記載の装置。
(付記６)  前記溶液を収容可能な溶液貯蔵部をさらに備え、
前記溶液は、溶媒体積当たりの標準粒子の個数濃度が、５×１０4〜１.５×１０5個・ｍＬ-1に調製されてなる、付記１〜５のうちいずれか一項記載の装置。
(付記７)  前記標準粒子の平均粒径が２μｍ〜２０μｍである、付記１〜６のうちいずれか一項記載の装置。
(付記８)  前記標準粒子は、ポリスチレンラテックス球、シリカ球およびガラスビーズの群のうち少なくとも一つの標準粒径標準粒子から選択される、付記１〜７のうちいずれか一項記載の装置。
(付記９)  前記溶媒は、エチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、フタル酸ジブチル、オレイン酸、リノール酸、フタル酸ジオクチル、ジプロピレングリコールおよびメチルジエタノールアミンからなる群から選択された少なくとも一つである、付記１〜８のうちいずれか一項記載の装置。
(付記１０)  前記溶媒の２５℃における粘度が、１７〜８１×１０-3Ｐａ・ｓである、付記１〜８のうちいずれか一項記載の装置。
(付記１１)  前記管体は重力方向に沿って設けられ、該管体に、高い方から、前記液滴吐出部、前記第１の加熱部、前記溶媒蒸気捕集部および前記第２の加熱部がこの順で配置される、付記１〜１０のうちいずれか一項記載の装置。
(付記１２)  単一の標準粒子のエアロゾルを発生可能な方法であって、
水よりも粘度の高い溶媒に該溶媒に非溶解の前記標準粒子を分散させた溶液を液滴吐出部に供給して、該液滴吐出部が管体内の気流中に連続的に液滴を吐出してエアロゾルを発生するステップと、
前記発生されたエアロゾルを加熱して前記溶媒を蒸発させるステップと、
前記溶媒が蒸発されたエアロゾル中の前記溶媒の蒸気を捕集するステップと、
前記溶媒の蒸気が捕集された前記エアロゾルを加熱して前記単一の標準粒子のエアロゾルを発生するステップと、
を含む、前記方法。
(付記１３)  前記液滴を吐出するステップは、前記溶液をノズルに貯溜するとともに、該ノズルが該貯溜された溶液の一部を分離して液滴を繰り返し吐出する、付記１２記載の方法。
(付記１４)  前記溶媒の蒸気を捕集するステップは、前記エアロゾル中の溶媒の蒸気を冷却して管壁に凝縮させる、付記１２または１３記載の方法。
(付記１５)  前記溶媒の蒸気を捕集するステップは、前記エアロゾル中の溶媒の蒸気を吸着剤により捕集してなる、付記１２または１３記載の方法。
(付記１６)  前記溶媒の蒸気を捕集するステップは、前記管体にガスを導入する供給口とその下流に排出口とを該ガスが管壁内面に沿って前記エアロゾルと同じ方向に流れるように設け、前記エアロゾル中の溶媒の蒸気を該ガス中に拡散させ該排出口より排気する、付記１２または１３記載の方法。
(付記１７)  前記溶液を収容可能な溶液貯蔵部をさらに備え、
前記溶液は、溶媒体積当たりの標準粒子の個数濃度が、５×１０4〜１.５×１０5個・ｍＬ-1に調製されてなる、付記１２〜１６のうちいずれか一項記載の方法。
(付記１８)  前記標準粒子の平均粒径が２μｍ〜２０μｍである、付記１２〜１７のうちいずれか一項記載の方法。
(付記１９)  前記標準粒子は、ポリスチレンラテックス球、シリカ球およびガラスビーズの群のうち少なくとも一つの標準粒径標準粒子から選択される、付記１２〜１８のうちいずれか一項記載の方法。
(付記２０)  前記溶媒は、エチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、フタル酸ジブチル、オレイン酸、リノール酸、フタル酸ジオクチル、ジプロピレングリコールおよびメチルジエタノールアミンからなる群から選択された少なくとも一つである、付記１２〜１９のうちいずれか一項記載の方法。
(付記２１)  前記溶媒の２５℃における粘度が、１７〜８１×１０-3Ｐａ・ｓである、付記１２〜２０のうちいずれか一項記載の方法。
(付記２２)  微粒子のエアロゾルを発生する装置であって、
水よりも粘度の高い溶媒に該溶媒に非溶解の前記微粒子を分散させた溶液を管体内の気流中に連続的に液滴を吐出してエアロゾルを発生する液滴吐出部と、
前記液滴吐出部の下流に設けられ、前記エアロゾルを加熱して前記溶媒を蒸発させる第１の加熱部と、
前記第１の加熱部の下流に設けられ、前記エアロゾル中の前記溶媒の蒸気を捕集する溶媒蒸気捕集部と、
前記溶媒蒸気捕集部の下流に設けられ、前記エアロゾルを加熱して前記微粒子のエアロゾルを発生する第２の加熱部と、
を備える、前記装置。
(付記２３)  微粒子のエアロゾルを発生する方法であって、
水よりも粘度の高い溶媒に該溶媒に非溶解の前記微粒子を分散させた溶液を液滴吐出部に供給して、該液滴吐出部が管体内の気流中に連続的に液滴を吐出してエアロゾルを発生するステップと、
前記発生されたエアロゾルを加熱して前記溶媒を蒸発させるステップと、
前記溶媒が蒸発されたエアロゾル中の前記溶媒の蒸気を捕集するステップと、
前記溶媒の蒸気が捕集された前記エアロゾルを加熱して前記微粒子のエアロゾルを発生するステップと、
を含む、前記方法。
【符号の説明】
【００７４】
１０    装置本体
３０    溶液供給部
４０    液滴吐出部
４２    インクジェットヘッド
５０    第１加熱部
５２、７２    ヒータ
６０、１６０、２６０、３６０    溶媒蒸気捕集部
７０    第２加熱部
１００    単一標準粒子エアロゾル発生器
【図１】
2018124214.tif 000003
【図２】
2018124214.tif 000004
【図３】
2018124214.tif 000005
【図４】
2018124214.tif 000006
【図５】
2018124214.tif 000007
【図６】
2018124214.tif 000008
【図７】
2018124214.tif 000009
【図８】
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【図９】
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