(57)【要約】  本発明は、エアロゾル空間内でコロナ放電を使用することによって、ガス中の粒子を所定の電荷分布状態となるよう帯電させるための、すなわちガス中の粒子の電荷をそのように調整するための装置に関する。荷電装置および電極を適切に構成することに加えて、電圧波形および電圧制御は、効果に関して非常に重要なものである。本出願はさらに、この装置を作動させるための方法に関する。
2007512942.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
拡散ベース両極平衡状態においてエアロゾル粒子を帯電させるための方法であって、
イオン生成および粒子荷電あるいは電荷反転を、エアロゾル空間内での交流電圧放電によって行うことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記エアロゾル空間内で、一つ以上の活性電極から、一つ以上の受動電極へ向けて、交流放電を行うことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
交流電圧は前記受動電極に印加されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の方法。
【請求項４】
交流電圧は前記活性電極に印加されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の方法。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の方法を実施するための装置であって、
交流電圧が印加されない前記電極は接地されていることを特徴とする装置。
【請求項６】
請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の方法を実施するための装置であって、
交流電圧が印加されない前記電極は外部ＤＣ電圧源に接続されていることを特徴とする装置。
【請求項７】
請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の方法を実施するための装置であって、
交流電圧が印加されない前記電極は外部定電流源に接続されていることを特徴とする装置。
【請求項８】
請求項６または請求項７に記載の装置において実施される方法であって、
中性化装置を出たときの前記エアロゾルの帯電状態を測定し、
これによって得られた測定値を、前記外部定電流源またはＤＣ電圧源を制御するのに使用することを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の方法を実施するための装置であって、
交流電圧が印加されない前記電極は、接地されたコンデンサまたは類似のコンポーネントに接続されていることを特徴とする装置。
【請求項１０】
交流電圧が印加されない前記電極は、それ自体、コンデンサの一部であることを特徴とする請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
交流電圧が印加されない前記電極は、前記コンデンサを介して、固定ＤＣ電圧源(バイアス電圧)に接続されていることを特徴とする請求項９または請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載の装置において実施される方法であって、
前記活性電極に現れる電圧の平均値を、前記コンデンサのバイアス電圧の制御のために測定するようになっていることを特徴とする装置。
【請求項１３】
請求項８ないし請求項１１のいずれか１項に記載の装置において実施される方法であって、
前記エアロゾルの帯電状態を、前記コンデンサのバイアス電圧または電圧形態を制御するために測定することを特徴とする方法。
【請求項１４】
交流電圧は正弦波形態を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の方法。
【請求項１５】
交流電圧は交番符号パルスからなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の方法。
【請求項１６】
期間の一部の間、電圧はゼロであることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
交流放電を、高周電磁波によって誘起される場を用いて発生させることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の方法。
【請求項１８】
前記放電を、短波光を用いて前記活性電極を照射することによって促進することを特徴とする請求項１ないし請求項１７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１９】
前記電界は著しく不均一なものであり、かつ前記エアロゾルは、電界強度の低減を伴う複数サイクルの電界交番中に流動することを特徴とする請求項１ないし請求項１８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２０】
前記エアロゾルの荷電あるいは電荷反転を一つの段階において行うことを特徴とする請求項１ないし請求項１９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２１】
前記エアロゾルの荷電あるいは電荷反転を、複数の連続的に切り替わる段階において行うことを特徴とする請求項１ないし請求項１９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２２】
請求項１ないし請求項２１のいずれか１項に記載の装置の利用法であって、
前記装置を、それとは異なる状態から両極状態への荷電あるいは電荷反転のために使用し、かつ両極拡散荷電の規定帯電状態への電荷反転(Fuchs)のためには使用しないことを特徴とする利用法。
【請求項２３】
請求項１ないし請求項２２のいずれか１項に記載の装置の利用法であって、
高帯電エアロゾルの電荷低減のためであって、かつ両極拡散荷電の既定帯電状態への電荷反転のためではないことを特徴とする利用法。
【請求項２４】
請求項１ないし請求項２３のいずれか１項に記載の装置の利用法であって、
エアロゾルの単極荷電のためであって、かつ両極拡散荷電の既定帯電状態への電荷反転のためではないことを特徴とする利用法。
【請求項２５】
前記電極は１種類以上の素材からなることを特徴とする請求項１ないし請求項２４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２６】
前記電極は清浄化可能でありかつ交換可能であることを特徴とする請求項１ないし請求項２５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２７】
前記電極は連続的に清浄化可能でありかつ交換可能であることを特徴とする請求項１ないし請求項２６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２８】
余剰電荷を除去するための、荷電区域に下流側で接続された、接地された金属製電極によって特徴付けられる請求項１ないし請求項２７のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２９】
エアロゾルの電荷分布を調整するための装置であって、
それを通って流動するエアロゾルを案内する流路が形成されている本体部と、
この本体部に対して取り付けられ、かつ前記流路に沿って配置されたコロナ放電領域を有するコロナ放電コンポーネントと、
前記本体部に対して取り付けられた導電構造体であって、前記コロナ放電コンポーネントから電気的に隔離され、かつ前記コロナ放電コンポーネントに対して離間した関係で配置され、これによって、前記導電構造体と前記コロナ放電領域との間の電圧によって生じる電界が、エアロゾル空間を形成する前記流路内へと広がるようになっている導電構造体と、
前記コロナ放電領域と前記導電構造体との間で、第１および第２の期間の交互シーケンスで、第１の期間中は第１の電圧を、第２の期間中は第１の電圧とは極性が逆の第２の電圧を発生させるための回路と、を具備してなり、
少なくとも第１の電圧はコロナ放電閾値電圧を上回るものであり、これによって、第１の極性のイオンを前記エアロゾルとの結合のために前記エアロゾル空間内に進入させて、前記エアロゾルの電荷分布を変改し、
前記第１の期間のそれぞれは第１の既定時間よりも短いものであると共に前記第２の期間のそれぞれは第２の既定時間よりも短いものであり、前記第１および第２の時間のそれぞれは、関連付けられた第１および第２の電圧のそれぞれに対して、および前記コロナ放電領域と前記導電構造体との間の距離に対して、前記導電構造体へのイオンの実質的な損失を抑えるように選定されるようになっていることを特徴とする装置。
【請求項３０】
前記第２の電圧はコロナ放電閾値電圧を上回るものであり、これによって、第１の極性とは逆の第２の極性のイオンを、前記エアロゾルの電荷分布を変えるために前記エアロゾルと結合するよう前記エアロゾル空間内に進入させるようになっていることを特徴とする請求項２９に記載の装置。
【請求項３１】
等しい濃度での第１および第２の極性のイオンの生成を目的として、前記コロナ放電コンポーネントをバイアスするために前記コロナ放電コンポーネントに接続された電圧源をさらに具備してなることを特徴とする請求項３０に記載の装置。
【請求項３２】
前記電圧源は定電圧源または定電流源を具備してなることを特徴とする請求項３１に記載の装置。
【請求項３３】
前記電圧源は接地されたコンデンサを具備してなることを特徴とする請求項３１に記載の装置。
【請求項３４】
前記電圧源は、前記コロナ放電コンポーネントにおける平均電圧あるいは電荷分布変改後の前記エアロゾルの帯電状態のいずれかに応じて可変である電圧を発生させるための制御回路を具備してなることを特徴とする請求項３１に記載の装置。
【請求項３５】
前記制御回路は電界効果トランジスタを具備してなることを特徴とする請求項３４に記載の装置。
【請求項３６】
前記回路は、前記コロナ放電領域と前記導電構造体との間に交流電圧を発生させるよう構成されていることを特徴とする請求項３０に記載の装置。
【請求項３７】
交流電圧は少なくとも１００Ｈｚの周波数で発生させられることを特徴とする請求項３６に記載の装置。
【請求項３８】
前記コロナ放電コンポーネントは活性電極を具備してなり、かつ前記導電構造体は、前記活性電極に対して、それを取り囲む同心的関係で配置された環状受動電極を具備してなることを特徴とする請求項２９に記載の装置。
【請求項３９】
前記本体部に対して取り付けられ、かつ前記活性電極および前記受動電極に近接配置されると共にこれら活性電極および受動電極から電気的に絶縁された電界制御電極と、
前記第１の電極と前記第２の電極との間の電界に作用するよう前記電界制御電極をバイアスするための電圧源と、をさらに具備してなることを特徴とする請求項３８に記載の装置。
【請求項４０】
前記回路は、前記導電構造体に接続された交流電圧源を具備してなることを特徴とする請求項２９に記載の装置。
【請求項４１】
前記エアロゾルから余剰電荷を除去するための、前記本体に対して取り付けられかつ前記コロナ放電コンポーネントおよび前記導電構造体の下流側に配置された接地電極をさらに具備してなることを特徴とする請求項２９に記載の装置。
【請求項４２】
前記第２の電圧はコロナ放電電圧閾値を下回るものであり、これによって実質的に第１の極性のイオンのみが前記エアロゾル空間に進入するようになっていることを特徴とする請求項２９に記載の装置。
【請求項４３】
エアロゾルの電荷分布を変えるための方法であって、
流路に沿ってエアロゾルを移動させることと、
前記流路に沿ってコロナ放電コンポーネントを配置することと、
交互に連続する第１および第２の時間中に、第１の時間中は前記コロナ放電コンポーネントに第１の電圧を印加すると共に、第２の時間中は第１の電圧とは逆の極性の第２の電圧を印加することと、
少なくとも第１の振幅がコロナ放電閾値を上回るよう第１および第２の電圧の第１および第２の振幅をそれぞれ選び、前記コロナ放電コンポーネントにおいてコロナ放電を発生させ、これによって第１の極性のイオンを、エアロゾルの電荷分布を変えるためにエアロゾルと結合するよう前記流路内のエアロゾル空間に送り込むことと、を具備し、
上記シーケンスでの第１および第２の電圧の印加は、実質的なイオン析出損失を抑えるために、第１および第２の時間のそれぞれに関して、第１および第２の最長持続時間を予め定めることを伴うことを特徴とする方法。
【請求項４４】
やはりコロナ放電閾値を上回る第２の振幅を備えた第２の電圧を選択することをさらに具備し、前記エアロゾル空間内へ導入するための第１の極性のイオンおよびこの第１の極性とは逆の第２の極性のイオンを交互に生成するためにコロナ放電を発生させることを特徴とする請求項４３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エアロゾル空間内での放電を用いて、両極拡散荷電の既定の帯電状態へとエアロゾルを帯電させるか、あるいは電荷反転させるための装置および方法(たとえばFuchs, N.による対称的あるいは平衡電荷配分(非特許文献１参照))に関する。
【０００２】
あるいは本装置および方法は、エアロゾルの規定単極帯電状態を設定するのに好適である。
【背景技術】
【０００３】
産業および研究で使用される工業用エアロゾルは、しばしば、高い電荷に対して中間的性質を示す。中性化は、既定された電荷状態を生み出すことを可能にする。なかでも、示差移動度分析器(ＤＭＡ)のような機器を含む研究およびエアロゾル測定技術においては、中性化は絶対に必要な前提条件となり得る。さらに、中性化によって、放電あるいは粉塵爆発の可能性が低減し、しかも配管や設備部材へ粒子が堆積する傾向が抑えられる。
【０００４】
エアロゾルの中性化のための公知の方法では、放射性源またはコロナ放電源を使用する。
【０００５】
放射性崩壊に基づく放射線源は電離放射線を発生させ、これはエアロゾル空間内に等量の陰イオンおよび陽イオンを発生させる。ガスイオンは続いて、場合によっては電荷を帯電させるかあるいは反転させ、エアロゾルを両極拡散荷電の理論的に記述可能な帯電状態へと変改する(非特許文献１参照)。
【０００６】
放射線源の利用は、安全性の問題は別にして非常に容易である。適当な装置に関しては調整または再調整を実施する必要がない。もちろん放射性源の利用分野は、次の不都合な事情によって制限される。
・放射線源に関する安全性の要求は高い。
・平衡状態とするための中性化は(Fuchsで説明されているように)僅かなエアロゾル体積流れ(＜150 1/min)、低いエアロゾル濃度、そして低い初期電荷に関してのみ実用性を持つ。
・コストが極めて高く付く。
【０００７】
コロナ放電に基づく中性化は、原理的には、より大きなエアロゾル体積流、より高いエアロゾル濃度、そしてより大きなエアロゾルの初期電荷に対応することができる。
【０００８】
Romayその他は、コロナ放電による中性化について、以下の三つの問題を論じている(非特許文献２参照)。
・陽イオンおよび陰イオンの不均一な生成速度
・オゾンの発生
・スパッタリングあるいは化学反応による粒子生成
【０００９】
以前の装置は、エアロゾル空間それ自体の中でのコロナ放電の発生を避けていた。なぜなら、エアロゾル空間内でコロナを生成するのに要する電界はエアロゾルの一部を析出させ、しかもこの電界内での荷電は両極拡散荷電の所望の帯電状態をもたらさないからである。
【００１０】
上記問題は、一つ以上の別個の処理空間内で両方の極性の必要なイオンを生成することで解決できる。その場合、粒子を含んでいないキャリアガスを用いて、イオンが、電界の存在しないエアロゾル空間内に導入される(非特許文献２ないし４参照)。これはエアロゾルを希薄にする。その上、ガスイオンのほとんどは壁に堆積するか、あるいは再結合によって失われる。その結果生じる、ガスイオンを過剰生成する必要性はオゾン発生量を増大させる。
【００１１】
放電によってエアロゾル空間内で直接機能する装置は、Hinds, W.、Kennedy, N.、およびGutsch, A.によって開発された(非特許文献５および６参照)。
【００１２】
Gutschは、エアロゾル流を収容するチャネル内に互いに対向する二つの尖端を備えた装置を使用する。場合によっては、一定の正または負の高電圧が、この二つの尖端のそれぞれに一時的に印加される。両極コロナ放電が二つの尖端の間に発生させられる。場合によっては両方の尖端が活性電極として機能し、陽または陰ガスイオンを発生させる。
【００１３】
Hindsは、中央電極および９０°配置で流れの中に軸方向に配列した四つの尖端を含む、全部で五つの電極を備えた装置を開発した。この四つの尖端は同じ電位までバイアスされ、一方、軸方向電極には反対の極(この場合には陽極)が形成される。四つの電極の曲率半径が小さいので、正電荷よりも多い負電荷が生じる。正電荷量と負電荷量との正確な比率は、電極半径および電圧によって制御される。
【００１４】
だが、エアロゾル空間内で放電を用いる方法は、電荷の減少(Hinds)あるいは不明確な両極帯電状態への荷電(Gutsch)しか実現しない。いずれの装置も、エアロゾルを拡散ベース電荷平衡状態へと荷電あるいは電荷反転させることができない。その上、かなりの堆積が生じる。
【非特許文献１】Fuchs, N.、On the Stationary Charge Distribution on Aerosol Particles in a Bipolar Ionic Atmosphere、Geofis. Pura Appl.、1963年、第56巻、pp.185〜192
【非特許文献２】Romay, F.、Liu, B.、Pui, D.、A Sonic Jet Corona Ionizer for Electrostatic Discharge and Aerosol Neutralization、Aerosol Sci. Tech.、1994年、第20巻、pp.31〜41
【非特許文献３】Zamorani, E.、Ottobrini, G.、Aerosol Particle Neutralization to Boltzmann's Equilibrium by AC Corona Discharge、J. Aerosol Sci.、第9巻、pp.31〜39
【非特許文献４】Adachi, M.、Pui, D.、Liu, B.、Aerosol Charge Neutralization by a Corona Ionizer、Aerosol Sci. Tech.、1993年、第18巻、pp.48〜58
【非特許文献５】Hinds, W.、Kennedy, N.、An Ion Generator for Neutralizing Concentrated Aerosols、Aerosol Sci. Tech.、2000年、第22巻、pp.214〜220
【非特許文献６】Gutsch, A.、Agglomeration feinster gastragender Partikel unter dem Einfluss elektrischer Krafte(電気力の影響下でのガス輸送超微粒子のアグロメレーション)、1995年、学位論文、University Fridericiana Karlsruhe
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明の目的は、エアロゾルが拡散ベースの熱電荷平衡を、さらに詳しくは拡散制限、定常状態電荷分布を実現するよう、放電を用いて、ガスイオンがエアロゾル空間内に直接生成される方法を創出することである。この目的のための装置は、都合よく上記方法の利点を実現しなければならない。拡散分離あるいは電気力による分離は可能な限り回避すべきである。しかも、電界の存在に関わらず、拡散ベース平衡状態となるような荷電が生じるべきである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記目的は、請求項１の特徴部の組み合わせによって達成される。従属請求項から、好ましい実施形態が得られる。
【００１７】
本発明においては、コロナ放電および拡散ならびに電界荷電の作用の公知の原理が、新規なそして効果的な様式で具現化されている。
【００１８】
本発明によれば、上記目的は、好適な電圧操作、電極設計、そして電気式中性化装置の構造によって達成される。
【００１９】
活性電極と受動電極との間に交流電圧が形成され、これは一つ以上の活性電極においてコロナ放電を引き起こす。両極作動モードでは、交流電圧は、陽および陰のガスイオンを交互に生成する。これは続いて活性電極と受動電極との間の間隙に入り込み、そしてそれを横切る。この間隙は、それを通ってエアロゾルが流動するエアロゾル空間をなしている。
【００２０】
特に有益なのは、１００Ｈｚ以上の周波数領域の高周波交流電圧の利用である。事前に実施された試験では、１ないし６ｋＨｚの間の周波数において非常に良好な結果を示した。しかも、より高いかあるいはより低い周波数もまた、満足できる結果をもたらすことが示唆された。
【００２１】
周期が短いために、荷電エアロゾル粒子は、一周期の間に極めて短い距離しか移動できず、この結果、エアロゾルの堆積すなわち沈着は非常に低いレベルに維持される。
【００２２】
交流電圧放電の場合、各活性電極は陽イオンおよび陰イオンを交互に生成する。ゆえに、二つ以上の活性電極を有する電極構造に加えて、単一の電極を有する構造とすることも可能である。図１には、そうした構造が示されており、ここでは、尖端(ニードル)が活性電極として機能し、リングが受動電極として機能する。
【００２３】
エアロゾルの中性化に関して可能な限り放射線源の作用と対等となるよう、陽イオンおよび陰イオンは等しい濃度で生成されるべきである。これを確実なものとするために、正および負のコロナ放電の異なる電流‐電圧特性を考慮しなければならない。この目的のために本発明は複数の実施可能な事例を提供する。
・印加される交流電圧に重畳される、電極間にあるいは電極の一方に印加される静的(一定)バイアス電圧。
・非対称交流電圧。この場合、正および負の半波の振幅あるいは持続時間のいずれか(あるいは両方の値)が異なるよう設定される。
・活性電極を流れる電流の時間平均値Ｉの測定およびそのゼロ値への設定。一方、活性電極または受動電極の時間平均電位は相応に調整される。
・コンデンサを介した地気電位への活性電極の接続。コンデンサは時間平均では電流を流さないので、活性電極の電位は、短い運転開始時間の後、電流の平均値Ｉが０となるようそれ自身を調整する。この電位の典型的な値は(数ｋＶのレンジにある交流電圧と比較して)数百ボルトまでであり、その結果、実際には、無視できない電流がコンデンサを流れ得る。この電流損失は、本発明によれば、コンデンサを接地するのではなく、それを一定のまたは再調整されたバイアス電圧に接続することによって低減できる。
・二つの活性電極がコロナ放電の反対の極性で機能すると共に互いに直接接続され、この結果、いずれの場合でも、同じ量の正および負の電荷キャリアが形成される。
【００２４】
電気式中性化装置におけるエアロゾルの滞留時間は極めて短く(０.１ないし５秒の値)、拡散損失およびアグロメレーション作用は無視できる程度の僅かなものである。この結果、エアロゾルの粒子濃度およびサイズ分布は維持される。
【００２５】
中性化装置の、とりわけ電極の好適な構造によって、高電界強度の範囲を最小限に抑えることができる。図１に示すのは実施可能な電極構造であり、ここで強い電界が存在するのは尖端と外側の電極リングの間のみである。電界は、流動方向には急速に弱まる。
【００２６】
電界が急速に弱まることによって、電気式中性化装置を通るエアロゾル通過率が向上する。また、交流電圧の高周波数は、電界の連続的な方向変化によって、電気力による粒子の分離を低減させる。
【００２７】
コロナ放電区域の外部での電界強度の急速な低下によって、電界荷電作用は急速に効果を失い、そして拡散荷電作用が重要性を増す。電界およびイオンフィールドの変動頻度は、電極からの距離が増大しても一定のままであり、一方、電界強度およびイオン濃度は低下する。ゆえに、個々の粒子の荷電および電荷反転速度もまた低下する。
【００２８】
放電をエアロゾル空間内で実施することは、複雑な機構によってイオンをエアロゾルまで輸送する必要がないという利点を有する。とりわけ、イオン発生器からエアロゾル空間へ向かう流路での再結合および壁面堆積による、頻繁に観察されるイオンの甚大な損失が抑止される。この結果、生成されたイオンのさらに有効な利用が可能になる。電流の効率的利用は、低い電流強度による中性化された帯電状態の実現を可能とし、したがって放電強度を低下させかつオゾンの発生を抑えることを可能にする。
【００２９】
電圧波形の選択は、総荷電に対する電界荷電の割合に、根源的な役割を果たす。ゆえに、図２ｂに示す電圧波形は、短い電界荷電段階(各極性に関して利用可能な期間すなわち時間の約２０パーセント)および一層長い拡散荷電段階をもたらす。後者の段階中、さらに多くのイオンがエアロゾル空間内に存在するが、電界が作用していないので、それらは拡散的に移動するだけである。電界が存在しない段階中、新しいイオンは生成されず、この結果、イオン濃度が徐々に低下する。
【００３０】
ある状況下では、両極拡散荷電の既定された帯電状態への荷電は不要であり、むしろ両極荷電で十分である。この場合、より単純な電圧形態(たとえば図２ａに示すような正弦波電圧)を使用できる。
【００３１】
最大電圧の増大は、イオン濃度を直ちに増大させる結果をもたらす。電荷収率の柔軟な制御は、それゆえ、エアロゾル特性、たとえば初期帯電状態あるいは粒子濃度への適合を可能にする。
【００３２】
イオンは、放射線源によって可能であるよりも、著しく高い濃度で簡単に生成できる。これに関しては再結合が最も重要である。放射線源は両方の極性のイオンを同時に生成するが、電気式中性化装置においては、所定の時点において所定の活性電極によって単一の極性のみが生成される。ゆえに電気式中性化装置に関しては、再結合は極めて低いレベルである。
【００３３】
粒子の荷電はイオン符号が変わる頻度に比べて、かなり時間がかかるという事実に起因して、両極イオン雰囲気は、それにもかかわらず、粒子に関してシミュレーションされる。
【００３４】
試験によって、図１の電極構造を備えた本装置は、５０ないし５００ｎｍの粒子に関する拡散ベース平衡状態を再現できることが示された。
【００３５】
図１２は、ペンタエリトリトールエアロゾルの(走査移動度粒子選別器(ＳＭＰＳ)によって測定した)２種類の粒子サイズ分布を示している。ｎｍの粒子直径に対する粒子濃度が示されている。ＳＭＰＳの測定原理は、拡散ベース両極荷電に基づくものである。第１の例では、荷電は電気式中性化装置によってもたらされる。そして第２の曲線は、既存のクリプトン源(TSI Incorporatedから入手可能なModel 3077)を用いて測定された粒子サイズ分布を再現している。
【００３６】
得られた粒子サイズ分布はほぼ一致する。僅かなズレは、エアロゾル濃度およびエアロゾル粒子サイズ分布の変動によって説明される。
【００３７】
特に、単独で負に帯電した粒子と単独で正に帯電した粒子との比率ならびに中性化されたエアロゾルの帯電していない部分のさらなる研究は、いずれの場合にも、放射性源による結果と、新しい中性化装置によるそれとの極めて良好な一致を示した。
【００３８】
本発明によれば、上記結果は、以下のステップの組み合わせによって効果的に実現される。
１．使用される交流電圧は、その間にかなりの程度の電圧が印加される時間を最小限に抑えるよう選択された波形を有する(たとえば図２ｂ参照)。
２．電極は、強い電界領域が可能な限り小さくなるように配置される。放出電極の極めて小さな表面のみがイオンを発生させる。活性電極および受動電極の両方が流動方向に小さな寸法を有する。
３．中性化装置を通過するとき、エアロゾルは、電界強度およびイオン濃度の低下を伴う数サイクルの電界交番の間中、流動する。粒子はやはり数回電荷が反転させられるが、衝動が減少するので電荷反転速度は低下する。
４．陽イオンおよび陰イオンの生成は、活性電極に接続されたコンデンサによって等しいものとされる。それゆえ、コンデンサは制御された様式で機能すると共に、等しいイオン濃度を保証するための外部からの作用は不要である。コンデンサは付加的コンポーネントであってもよく、遮蔽ケーブルから構成されていてもよく、あるいは活性電極の一部であってもよい。
５．エアロゾルが電気式中性化装置内に進入するとき、それは、ほとんど電界が存在しない空間内において荷電または電荷反転用のイオンが存在する場所の近傍に置かれる。これは、エアロゾルが中性化装置に進入した直後に最大イオン密度の場所を通過することによって最も簡単に実現される(たとえば図４ないし図１１参照)。
６．中性化された粒子は極めて短い総滞在時間の後に中性化装置を離れ、この結果、拡散分離およびアグロメレーション作用が最大限可能な程度まで排除される。
【００３９】
本発明の他の態様はエアロゾルの電荷分布を調整するための装置である。この装置は本体部を具備してなり、この本体部はそこを通過するエアロゾルを案内するための流路を具備してなる。コロナ放電コンポーネントは、この本体部に対して設けられ、かつこの流路に沿って配置されたコロナ放電領域を有する。導電構造体が、コロナ放電コンポーネントから電気的に絶縁された状態で、かつコロナ放電コンポーネントに対して離間した関係で取り付けられている。導電構造体とコロナ放電領域との間の電圧によって生じる電界は、エアロゾル空間を形成する上記流路内まで達している。交互に連続する第１および第２の期間において、第１の期間中には第１の電圧を、第２の期間中には第１の電圧と反対の極性の第２の電圧を、導電構造体とコロナ放電領域との間に発生させるための回路が設けられる。少なくとも第１の電圧はコロナ放電閾値電圧を上回り、これによって、エアロゾルの電荷分布を変えるために、第１の極性のイオンが、エアロゾルと結合するようエアロゾル空間内に送り込まれる。第１の期間のそれぞれは既定の第１の時間よりも短く、しかも第２の期間のそれぞれは既定の第２の時間よりも短い。第１および第２の時間が、関連する第１および第２の電圧のそれぞれに関して、ならびにコロナ放電領域と導電構造体との間の距離に関して選択され、導電構造体に対するイオンまたは帯電粒子の実質的な損失を抑止するようになっている。
【００４０】
有利なことを言えば、本装置は、単極荷電モード(このモードでは第１の電圧のみがコロナ放電閾値を上回る)または両極荷電モード(このモードでは第１および第２の電圧の両方がコロナ放電閾値を上回る)のいずれかで作動できる。後者の例では、エアロゾルとの結合のために、第２の期間中、第１のものとは反対の第２の極性のイオンがエアロゾル空間に送り込まれる。
【００４１】
好ましいコロナ放電コンポーネントは、ステンレススチールまたは他の導電性素材からなる長尺なニードルである。このニードルは、ニードル尖端によってもたらされるコロナ放電領域を備えた活性電極として機能する。好ましい導電性構造体は、通常はこの活性電極を取り囲みかつそれと同軸のリング形態の受動電極である。あるいは、この受動電極はプレートとすることもできる。
【００４２】
好ましくは、第１および第２の電圧は、上記導電構造体、すなわち受動電極に接続されたＡＣ電圧源を用いて発生させられる。少なくとも１００Ｈｚの周波数でＡＣ電圧を発生させると、多くても０.０１秒のサイクル時間を生じる。したがって毎秒１００サイクルであり、個々のサイクルは、各極性に関する一つの期間すなわち時間と、活性電極と受動電極との間の電界の極性の２回の反転を含む。電界極性の急速な反転は、実質的に、受動電極への堆積によるイオンすなわち帯電粒子の損失を排除する。両極荷電の場合には、この急速な反転は、放射性源を用いた荷電に、より近似した結果をもたらす。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４３】
さらなる細部ならびに利点は、以下の詳細な説明および図面に示された構造的実施形態から理解されるであろう。
【００４４】
図１にエアロゾル電荷変改装置１０の典型的な構成を示す。この装置は、筒状体すなわちケーシング１１を具備してなり、このケーシング１１は、矢印によって示す方向に装置を通過するエアロゾルを案内するための流路を提供するチャネル１３を形成している。活性電極２０、好ましくはステンレススチールあるいは他の素材から形成されたニードルが、チャネル１３の中心において、上記ケーシングに対して支持されている。電極２０はエアロゾル流の方向に長尺なものである。尖った先端部１５が電極２０の下流側端部に形成されている。環状受動電極２２(これは好ましくは真ちゅうからなり、かつエアロゾル流方向に約０.２ｍｍの厚みを有する)が、活性電極２０を取り囲む同心関係でケーシング１１に対して配設されている。
【００４５】
電極２０および電極２２は互いに電気的に絶縁されている。この電極に接続された回路は、受動電極２２に接続された交流電圧源１２、および活性電極２０に接続された接地コンデンサ１４を具備してなる。
【００４６】
電極２２に対してＡＣ電圧を加えるとき、電圧源１２は電極２０と電極２２との間に電圧差を発生させる。この電圧差、そしてその結果生じる電極間の電界は、受動電極における電圧レベルによって振動する。ＡＣ電圧振動の周波数は好ましくは毎秒１００サイクル超であり、さらに好ましくは１ｋＨないし６ｋＨｚの範囲内のものである。周波数の増大は、規定極性のイオンが生成される各サイクル期間の長さを低減させる。この結果、装置１０は、放射線源を使用する荷電装置とさらに対等のものとなる。ＡＣ電圧周波数の上限は、コロナ放電を発生させるのに要する時間によって制限されるが、それはナノ秒の範囲である。したがってＡＣ電圧周波数は、必要とあれば数ＭＨｚとすることができる。
【００４７】
両極荷電モードでは、コンデンサ１４は、両方向の電流を等しくしようとする(つまり平均電流Ｉをゼロにしようとする)。これによって、陽イオンと陰イオンとが等しい濃度で生成されることが確実なものとなる。コンデンサ１４の代わりに、付加的な電圧あるいは電流源を電極２０に接続し、負および正の電荷濃度を互いに調整することもできる。
【００４８】
図２ａないし図２ｃは、交流電圧の生成に関する異なる形態を示すグラフである。図２ａにおいては電圧の形態はサイン波１７である。破線１９および２１はそれぞれ、コロナ放電領域すなわち先端１５においてコロナ放電を発生させるための正および負の閾値電圧Ｕ０を表している。ピーク領域２３に沿って、ＡＣ電圧は、上側閾値を上回る正の電圧あるいは下側閾値を下回る負の電圧によって、コロナ放電を発生させるのに十分な大きさを有する。同図に示すように、ＡＣ電圧の各サイクルは、第１の期間Ｐ１を有し、この期間Ｐ１中には正の電圧(電極２０に対する電極２２)が生じる。電圧がＵ０を超えるとき、それは放電領域を離れる陰イオンのコロナ放電を発生させる。各サイクルはさらに第２の期間Ｐ２を有し、この期間Ｐ２中は電圧は負である。負の電圧がＵ０を下回るとき(すなわち振幅がさらにマイナスであるか絶対値に関してより大きい場合)、陽イオンがコロナ放電領域を離れる。
【００４９】
図２ｂは、一続きの互い違いの正および負のパルス２４および２５として生成されたＡＣ電圧を示す。各サイクルはやはり正のパルスおよび負のパルスに関する第１の期間および第２の期間からなるが、各パルスが占有するのは、関係する期間の一部(たとえば５分の１)だけである。パルス２４および２５はこのようにして縮められ、拡散荷電効果に対する電界荷電効果を低減する。
【００５０】
図２ｃは単極モードでの荷電のためのパルス電圧を示している。各サイクルは、陽極コロナ放電閾値を上回る狭い正のパルス２７と、コロナ放電閾値を下回る振幅の、より幅広な部分２８とを含む。部分２８の間に生成される電界は、パルス２７の間にイオン放電を引き起こす電界よりも弱いものである。だが、電圧差および電極２０と電極２２との間の電界の反転は、両極荷電装置における場合と同様、受動電極へのイオンすなわち帯電粒子の損失を阻止する傾向がある。
【００５１】
図３は粒子特性付与システム５５を示しており、このシステム５５は、装置１０、この装置１０からの出力を受けるよう接続された示差移動度分析器(ＤＭＡ)５２、そして凝結粒子カウンター(ＣＮＣ)５４を具備してなる。このシステムにおける装置１０は、両極荷電のために構成されたものであり、しかも、やって来るエアロゾルを拡散ベース両極電荷分布状態へと帯電(および電荷反転)させる中性化装置として機能する。ＤＭＡ５２においては、所定の電界が、その異なる電気移動度に基づき、サイズによってエアロゾル粒子を分離させるのに使用される。ＣＮＣにおいては、分離された粒子は、サチュレータを通って移動し、そして各粒子を「成長」させるために蒸気凝縮が生じるよう冷却される。粒子は続いて集束レーザー光源を通過し、粒子濃度の粒子カウント指標を発生させる。
【００５２】
図４は電荷変改装置１０をより詳しく示している。ケーシング１１は絶縁性のものであり、好ましくはポリ塩化ビニル(ＰＶＣ)のようなプラスチックからなる。エアロゾルは導入口２９から装置に入り、環状間隙まで進む。スリーブ３１が活性電極２０を取り囲んでおり、エアロゾルが電極に沈着するのを阻止するようになっている。電極はステンレススチールあるいは他の素材からなるニードルであり、１〜３ｍｍの範囲の直径を有する。受動電極２２(好ましくは真ちゅうからなる)は、プラスチックケーシング内に埋め込まれている。コンデンサ１４は、電極２０に接続された要素３３、および接地されかつ要素３３から離間された要素３５を含む。誘電材料、好ましくはポリテトラフルオロエチレン(テフロン(登録商標))からなるディスク３６によって、この二つの要素間の空間が占有されている。コンデンサの静電容量は好ましくは約５０ｐＦである。もし望むのならば、プレート３３および３５は、外部電源による活性電極電圧の制御を容易なものとするために、テフロン(登録商標)製ディスクを使用せずに、ただ単に互いに離間した状態となる。
【００５３】
交流電圧の大きさがコロナ放電閾値を超えたとき、コロナ放電が生じ、そして(電圧に対応する極性の)イオン電流が電極２０と電極２２との間の空隙に流れ込む。最初、ゼロではないがコロナ放電閾値以下の電圧が、電極２０と電極２２との間に電界を発生させる。電極形状、具体的には、電極２０の尖鋭端およびエアロゾル流方向に関する電極２２の薄さ(０.２ｍｍ)によって、電界はまさに先端１５と電極２２との間の領域において強くなっており、この電極から離れる流れの方向に急速に強度が低下する。最大電界強度の領域は好都合なことにエアロゾル空間と見なされ、エアロゾルがチャネル１３に沿って流動するとき、エアロゾルはこのエアロゾル空間を横切る。電圧がコロナ放電閾値を上回ったときコロナ放電が生じ、対応する極性のイオンが先端から離れてエアロゾル空間に流れ込み、それがエアロゾル空間を通過して流動するとき、エアロゾルと結合すると共にその電荷分布を変える。
【００５４】
コロナ放電によってコンデンサ１４が充電される。ゆえに、コンデンサの電位はＡＣ電圧によって時間と共に変化する。コンデンサは活性電極電圧を、正味ゼロ電流が得られる方向に、すなわちコロナ放電によって生じる陽イオンおよび陰イオンの濃度が均等になるよう制御する。
【００５５】
ＡＣ電圧振幅の増大は、対応する極性のイオンを電極間間隙内へとさらに移動させる。十分に強い電界は、イオンの一部が完全に間隙を横切り、そして受動電極への堆積によって消滅することを引き起こし得る。陽イオンに比べて陰イオンの電気的移動度はより高いので、より多くの陰イオンが受動電極に対して失われ、コンデンサによって補償されない不均衡を生じる。したがって、イオン運動速度および位置を特定するパラメーターは、イオンのかなりの部分が受動電極に到達しないことが確実なものとなるよう留意した上で選択される。このパラメーターは、主として、電極２０および電極２２間の距離、電圧の関数である電極間の電界強度、そして正あるいは負の電極間電圧が維持される各周期の持続期間すなわち時間を含む。
【００５６】
ＡＣ電圧の振幅の低減は、受動電極へのイオンの沈着損失を低減する一つの解決策である。だが、陽イオンおよび陰イオンの生成に係る個々の期間を短縮するための周波数の増大は、イオン堆積を最小限に抑えるのに特に有効である。その間に規定極性のイオンが生成される期間を短縮することにより、このイオンを受動電極に向けて加速させる電界の早期の消滅がもたらされる。さらに電界のより早期の反転によって、イオンの早期減速がもたらされる。
【００５７】
電荷収率を調整するためのさらなる実施可能な方式が図５に示されている。コンデンサ１４による損失電流を最小限に抑えるために、このコンデンサはバイアス電圧によって機能させられる。バイアス電圧のレベルは活性電極２０の電位によって制御される。さらに詳しく言うと、別個の電圧源３７、および可変抵抗器３９に接続された調整器３８が、電極２０における平均電圧に基づいて、コンデンサ１４へのバイアス電圧を制御するのに使用される。
【００５８】
これに代えて、中性化されたエアロゾルの電荷を測定することもでき、その値を、コンデンサをバイアスする、さらなる制御電圧として使用できる。
【００５９】
図６、図７および図８には、複数の活性電極を有する電荷制御装置の代替実施形態が開示されている。図６は、その両端に尖端４１および４３を備えた活性電極１６を示しており、この活性電極１６は上流側および下流側コロナ放電領域を提供する。この尖端はそれぞれの環状受動電極２２と軸方向に整列しており、その両方が同一の交流電圧源１２に接続されている。
【００６０】
図７においては、三つの電極１６(それぞれ上流側および下流側コロナ放電尖端４１／４３を有する)が受動電極２２の隣接対間に配置されている。
【００６１】
図６および図７の構成は、図１の構成を僅かに変更したものに過ぎない。
【００６２】
図８の構成は、一列に配置された単一のコロナ放電尖端４１を備えた複数の活性電極１６を有する。電極１６は流動方向に対して９０°をなして配置されている。電極１６と受動電極２２との間の間隙を横切る電界は、図１の構成に係るものよりも一層均一である。個々の放電先端によって生成されるイオン電界は、全体として、流面内での僅かな放射状の膨脹のみを経る。
【００６３】
図７および図８における個々の活性電極の放電は、図示するように単一のコンデンサ１４を備えた単一の制御回路を用いて、あるいは各活性電極用の別個の制御要素を用いて、発生させることができる。
【００６４】
粒子堆積に関して、電極近傍の滞留時間が最小であるようエアロゾルを供給するのが有利である。これは、たとえば、図４および図１１に示す構成によって実現可能である。
【００６５】
図４においては、エアロゾルは環状間隙３０を経て供給される。図１１においては、エアロゾルはチューブ３２を経て供給される。
【００６６】
さらなる構造的変形例を図９に示す。一つ以上の活性電極１８,２０が中性化装置１０の壁３４内に埋め込まれており、しかもそれは環状受動電極１８および２０によって取り囲まれている。イオンの一部は電極１８および２０間のエアロゾル空間に流れ込み、そこでイオンは粒子荷電のために利用できる。電極１８および２０は流動経路に沿って配置されるが、経路内には突出していない。
【００６７】
この構成の利点は、エアロゾルが活性電極を直接通過して流動する必要がないということである。その上、エアロゾル空間内で支配的である電界は、図１による構造における電界よりも著しく小さなものである。なぜなら、電界強度は活性電極１８および２０の直近で最も高くなるからである。電流利用率は図１による構造におけるそれよりも低い。
【００６８】
ある状況では、受動電極２２をエアロゾル空間の外部に設けることが有利となり得る。これは、図１による構造に類似の例を示す図１０に見出される。図１０の実施形態においては、壁１１は、それが電気絶縁材料からなるならば、イオンがエアロゾル空間を横切って受動電極２２に達するのを阻止でき、より多くのイオンが中性化装置を離れる。同じ効果は、図１のものでも、受動電極２２と交流電圧源１２との間にコンデンサを介在させることで達成される。受動電極に到達する電荷が装置から離れるのが抑止されるであろう。これは、陽イオンおよび陰イオンの生成平衡度をさらに向上させ得る。
【００６９】
交流電圧の形態は単純なサイン波(図２ａ)とすることができるが、図２ｂに従った交流電圧形態の用法は、拡散荷電に対する電界荷電の作用を低下させるために、より良く適合させられる。
【００７０】
図２ｃによる電圧形態を使用する場合、粒子は単極様式で荷電される。示された例に関して、コロナ放電用の開始電圧は、陰極コロナ放電のためにのみ達せられるものである。通常(ただし必須ではない)、交流電圧が受動電極に印加される。
【００７１】
単極荷電に関する電圧の時間積分はゼロとなるべきであり、この結果、流れの方向と交差する平面内での粒子の正味の移動が最小限に抑えられる。
【００７２】
エアロゾル荷電に関して有利な代替的電荷調整構造が図１３に示されている。図１および図４ないし図１１に示す構造と比較すると、ケーシング１１はガイド４０を経たエアロゾルの全量を導くような形状となっており、エアロゾルがより高いイオン濃度領域を通って流れることを確実なものとしている。この領域に沿って、流れは半径方向外側に曲がり、最終的に逆方向に向う。
【００７３】
上記いくつかの変形例において、正電荷および負電荷収率の調整は、活性電極２０あるいは受動電極２２への変位電圧の重畳によって実現される。さらなる実施可能な事例を図１４に示す。ここでは、第３の電極４２がエアロゾル空間内に配置されている。電界は、電極４２へのＤＣ電圧の印加、および時間平均電流値がゼロとなるような活性電極２０の調整によって制御可能である。
【００７４】
さらなる構造的変形例を図１５に示す。エアロゾルは環状チャネル４５に供給される。この中をエアロゾルは何度も循環でき、しかも処理中は中性状態となるよう連続的に電荷を反転可能である。金属製リング電極４４がエアロゾル帯電状態を判定するのに用いられる。リング電極４４の電位は活性電極２０を制御するのに用いられる。その上、接地された電極４６がイオンの沈着によって過剰な電荷を除去するのに使用される。この変形例はとりわけ、単極の著しく過度の荷電状態のエアロゾルを中性化すべきときに有利である。
【００７５】
電荷収量の調整はまた、図１６の構造によって達成できる。金属製チューブ４８(これは周囲環境から絶縁されている)が、中性化装置１０の下流の中性化されたエアロゾルを受けるために配置されている。電界効果トランジスタ(ＦＥＴ)５０がチューブに接続されている。チューブ４８内のエアロゾル粒子の正味電荷は、金属製チューブ内でのイメージ電荷を形成し、これがＦＥＴのゲート電圧Ｇを変化させる。このゲート電圧Ｇは、ドレインＤからソースＳへと流れるドレイン電流Ｉｄによって特徴付けられ、しかも活性電極２０において変位電圧を制御するのに使用できる。この方法の利点は、金属製チューブの誘導電荷が消散しないという点にある。電荷測定には、粒子の堆積あるいは流れからのその抽出を要しない。
【００７６】
上記実施形態の代替例では、電気放電は高周波電磁放射を用いて発生させることができる。少なくとも一つの長尺な金属体(たとえばワイヤ)がチャネル１３内に吊り下げられ、そして、誘導電界によって、この金属体の端部で逆極性の高周波コロナ放電が生じるよう金属体に電磁波が照射される。他の方法では、一つ以上の活性電極２０に、さらに確実にコロナ放電が生じるよう短波光を照射することができる。
【００７７】
中性化装置における分離は非常に時間のかかるものであり、粒子が活性電極上へ分離し、したがって放電特性を変える場合でも正確に機能することを妨げない。同様に、空間荷電効果(これは高い粒子濃度で放電に影響を及ぼす)も補償できる。コンデンサは、こうした効果を補償するために、ベース電圧を速やかに再調整する。
【００７８】
電極の、あるいは電気式中性化装置全体のクリーニングが、それでもやはり必要になった場合、これは高電圧を断った後、安全に実施できる。
【００７９】
さらに、電極の連続クリーニングを実施することができ、また電極は任意に配置することができる。ゆえに、図１の構成に関して、リング電極２２ａの代わりに、可動ワイヤを受動電極として使用できる。
【００８０】
排出されるエアロゾルへのオゾン混入は、オゾンセンサーを用いてチェックできる。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】本発明によって構成されたエアロゾル中性化装置の概略図である。
【図２ａ】本装置の活性電極と受動電極との間に印加されるＡＣ電圧に関する波形を示す図である。
【図２ｂ】本装置の活性電極と受動電極との間に印加されるＡＣ電圧に関する波形を示す図である。
【図２ｃ】本装置の活性電極と受動電極との間に印加されるＡＣ電圧に関する波形を示す図である。
【図３】本装置を利用した粒子特性付与システムの概略図である。
【図４】本装置の拡大詳細図である。
【図５】活性電極に印加される制御された電圧を具現化する代替装置を示す図である。
【図６】複数の活性電極を含む代替実施形態を示す図である。
【図７】複数の活性電極を含む代替実施形態を示す図である。
【図８】複数の活性電極を含む代替実施形態を示す図である。
【図９】複数の活性電極を含む代替実施形態を示す図である。
【図１０】エアロゾル管の外側に配置された受動電極を備えた代替実施形態装置を示す図である。
【図１１】エアロゾルを導入するための、活性電極に近接した管を備えた代替実施形態を示す図である。
【図１２】コロナ放電源および放射性イオン源を用いた相対的粒子サイズ分布に係るグラフである。
【図１３】ガイドプレートを経てエアロゾルを導くような形状となったケーシングを備えた代替実施形態を示す図である。
【図１４】付加的電極を具備してなる代替実施形態を示す図である。
【図１５】エアロゾルを再循環させるための環状流路を備えた代替実施形態を示す図である。
【図１６】活性電極への電圧を制御するために粒子電荷を使用する代替構造の概略図である。
【符号の説明】
【００８２】
１０  電荷変改装置
１１  ケーシング
１２  交流電圧源
１３  チャネル
１４  コンデンサ
１５  先端部
１６  活性電極
１８,２０  活性電極
２２  受動電極
２９  導入口
３０  環状間隙
３１  スリーブ
３２  チューブ
３３,３５  プレート
３４  壁
３６  ディスク
３７  電圧源
３８  調整器
３９  可変抵抗器
４０  ガイド
４１,４３  尖端
４２  第３の電極
４４  リング電極
４５  環状チャネル
４６  電極
４８  チューブ
５０  電界効果トランジスタ(ＦＥＴ)
５２  示差移動度分析器(ＤＭＡ)
５４  凝結粒子カウンター(ＣＮＣ)
５５  粒子特性付与システム
【図１】
2007512942.tif 000003
【図２ａ】
2007512942.tif 000004
【図２ｂ】
2007512942.tif 000005
【図２ｃ】
2007512942.tif 000006
【図３】
2007512942.tif 000007
【図４】
2007512942.tif 000008
【図５】
2007512942.tif 000009
【図６】
2007512942.tif 000010
【図７】
2007512942.tif 000011
【図８】
2007512942.tif 000012
【図９】
2007512942.tif 000013
【図１０】
2007512942.tif 000014
【図１１】
2007512942.tif 000015
【図１２】
2007512942.tif 000016
【図１３】
2007512942.tif 000017
【図１４】
2007512942.tif 000018
【図１５】
2007512942.tif 000019
【図１６】
2007512942.tif 000020
【手続補正書】
【提出日】平成17年10月6日(2005.10.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エアロゾルの電荷分布を調整するための装置であって、
流路を形成する本体部であって、それを通って流動方向にエアロゾルの流れを案内する本体部と、
前記本体部に対して取り付けられ、かつ前記流路に沿って配置されたコロナ放電領域を有するコロナ放電コンポーネントと、
前記本体部に対して取り付けられた導電構造体であって、前記コロナ放電コンポーネントから電気的に絶縁されてなると共に前記コロナ放電コンポーネントに対して離間した関係で配置された導電構造体と、
前記コロナ放電領域と前記導電構造体との間に電圧を発生させるための回路要素であって、前記電圧は、選択周波数で反対極性間で変化する電界を前記コロナ放電コンポーネントと前記導電構造体との間に形成するために、前記選択周波数で変化する第１および第２の期間のそれぞれの間は反対の極性を有するものであるような回路要素と、を具備してなり、
前記電圧は、各第１の期間の所定部分の間、コロナ放電閾値電圧を上回り、これによって第１の極性のイオンが、エアロゾルの電荷分布を変えるためにエアロゾルと結合するよう流路に沿ってエアロゾル空間に送り込まれ、
前記導電構造体は、前記エアロゾル空間から離れる前記流動方向に電界強度が急激に低下する電界をもたらすような寸法となっており、
前記選択周波数および各第１の期間の前記所定部分は、前記電圧に関して、および前記コロナ放電領域と前記導電構造体との間の距離に関して選択され、拡散荷電効果に対する電界の電界荷電効果を低減させ、かつ前記導電構造体に対するイオンの実質的損失を抑えるようになっていることを特徴とする装置。
【請求項２】
前記電圧は、各第２の期間の所定部分の間、コロナ放電閾値電圧を上回り、これによって、エアロゾルの電荷分布を変えるためにエアロゾルと結合するよう前記エアロゾル空間に第１の極性とは反対の第２の極性のイオンを送り込み、かつ各第２の期間の所定部分は、拡散荷電効果に対する電界荷電効果を低減させると共に前記導電構造体へのイオンの実質的損失を抑止するために、前記電圧および前記距離に関して選択されるようになっていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
第１および第２の極性のイオンを等しい濃度で生成するために、前記コロナ放電コンポーネントをバイアスするよう前記コロナ放電コンポーネントに接続されたバイアス源をさらに具備してなることを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記バイアス源は、定電圧源、定電流源、接地されたコンデンサ、前記コロナ放電コンポーネントにおける平均電圧に応じて可変である電圧を発生させるよう構成された調整コンポーネント、および電荷分布の前記変化の後にエアロゾルの帯電状態に応じて可変である電圧を発生させるよう構成された調整コンポーネントからなる源群から選ばれた一つの源を具備してなることを特徴とする請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記源は、電界効果トランジスタを含む調整コンポーネントを具備してなることを特徴とする請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記選択周波数は少なくとも１００Ｈｚであることを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項７】
前記コロナ放電コンポーネントは活性電極を具備してなると共に、前記導電構造体は、前記活性電極に対して、それを取り囲むよう同心的な関係で配置された環状受動電極を具備してなることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項８】
電界制御電極と、この電界制御電極をバイアスするための電圧源と、をさらに具備してなり、
前記電界制御電極は、前記本体部に対して取り付けられてなると共に、前記活性電極および前記受動電極に近接配置されかつ前記活性電極および前記受動電極から電気的に絶縁されており、
前記電圧源は、前記活性電極と前記受動電極との間の電界に作用するようになっていることを特徴とする請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記回路要素は、前記導電構造体に接続された交流電圧源を含んでいることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
各第２の期間中の電圧は、コロナ放電電圧閾値よりも低く、これによって、実質的に前記第１の極性のイオンのみが前記エアロゾル空間に流入するようになっていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
エアロゾルを受け入れるよう前記エアロゾル空間の下流に配置された粒子特性付与システムをさらに具備してなることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
前記粒子特性付与システムは、電気移動度に基づき、サイズによってエアロゾル粒子を選別するよう構成されていることを特徴とする請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記エアロゾル空間の上流のエアロゾルは浮遊粒子を含むものであり、かつ前記回路要素は、エアロゾルの粒子濃度を実質的に一定に維持すると共に電荷分布を変えるよう構成されており、これによって、前記エアロゾル空間の下流におけるエアロゾルの所定部分の粒子濃度レベルが、前記エアロゾル空間の上流における前記部分の初期粒子濃度と実質的に等しいものとなることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
エアロゾルを選択的に荷電するための装置であって、
流路に沿ってエアロゾルを案内するための管であって、この管内に流入するエアロゾルは浮遊エアロゾル粒子を含むものであるような管と、
前記流路に沿って配置された活性電極と、
前記活性電極に近接配置されると共に前記活性電極から電気的に絶縁された受動電極と、
前記活性電極と前記受動電極との間に選択周波数で交流電圧を発生させ、前記選択周波数で反対の極性間で変化する電界を前記流路に沿って形成するようになっている回路要素と、を具備してなり、
前記交流電圧は前記活性電極においてコロナ放電を発生させるのに、したがってエアロゾルの電荷分布を選択的に変えながら粒子濃度を実質的に維持するためにエアロゾル粒子と結合するよう前記流路に流入するイオンを生成するのに十分な大きさであり、これによって前記活性および受動電極の下流のエアロゾルの所定部分の粒子濃度レベルは、前記管に流入する前記部分の初期粒子濃度レベルと実質的に等しいものとなることを特徴とする装置。
【請求項１５】
前記回路要素は、反対の極性の両方において、コロナ放電閾値を上回る大きさで交流電圧を発生させるよう構成されていることを特徴とする請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
前記回路要素は、前記活性電極および前記受動電極のうちの選択された一方に交流電圧を印加するよう構成されてなると共に、前記電極の他方は接地されていることを特徴とする請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
定電圧源および定電流源からなるバイアスコンポーネント群から選ばれた、他方の電極に接続されたバイアスコンポーネントをさらに具備してなることを特徴とする請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
前記活性および受動電極の下流でのエアロゾルの帯電状態の測定に応じて前記バイアスコンポーネントを調整するための調整コンポーネントをさらに具備してなることを特徴とする請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
前記回路要素は、正弦波として交流電圧を発生させるよう構成されてなることを特徴とする請求項１４に記載の装置。
【請求項２０】
前記回路要素は、反対極性の一連のパルスとして交流電圧を発生させるよう構成されてなることを特徴とする請求項１４に記載の装置。
【請求項２１】
前記回路要素は、エアロゾルの単極荷電のために選ばれた波形の交流電圧を発生させるよう構成されてなることを特徴とする請求項１４に記載の装置。
【請求項２２】
前記選択周波数は、交流電圧の値および前記活性電極と前記受動電極との間の距離に関連して決定され、前記電極および回路要素は、これによって前記エアロゾルの電荷分布を改変すると共に析出によるイオンの実質的損失を抑止するよう構成されてなることを特徴とする請求項１４に記載の装置。
【請求項２３】
前記交流電圧の値は、反対極性のそれぞれと関連付けられた各時間の所定部分の間だけ、前記活性電極においてコロナ放電を発生させるのに十分なものであることを特徴とする請求項２２に記載の装置。
【請求項２４】
エアロゾル粒子に特性を付与するためのシステムであって、
流路に沿ってエアロゾルを案内するための管であって、この管に流入するエアロゾルは浮遊エアロゾル粒子を含むものであるような管と、
前記流路に沿って配置された活性電極と、
前記活性電極に近接配置されてなると共に、前記活性電極から電気的に絶縁された受動電極と、
交流電圧を選択周波数で前記活性電極と前記受動電極との間に発生させ、前記選択周波数で反対の極性間で変化する電界を前記流路に沿って形成する回路要素と、
前記選択的に荷電されたエアロゾルを受け入れるよう配置され、かつ電気移動度に基づきサイズに従ってエアロゾル粒子を選別するよう構成された粒子特性付与機構と、を具備してなり、
前記交流電圧は前記活性電極においてコロナ放電を発生させるのに、したがってエアロゾルの電荷分布を選択的に変え、これによって選択的に荷電されたエアロゾルをもたらすためにエアロゾル粒子と結合するよう前記流路に流入するイオンを生成するのに十分な大きさを有することを特徴とするシステム。
【請求項２５】
前記活性電極および前記受動電極に近接配置されると共に前記活性電極および前記受動電極から電気的に絶縁された電界制御電極と、
前記活性電極と前記受動電極との間の電界に作用するよう前記電界制御電極をバイアスするための電圧源と、をさらに具備してなることを特徴とする請求項２４に記載のシステム。
【請求項２６】
前記選択周波数は少なくとも１,０００Ｈｚであることを特徴とする請求項２４に記載のシステム。
【請求項２７】
エアロゾルを選択的に荷電するための装置であって、
流路に沿ってエアロゾルを案内するための管であって、この管内に流入するエアロゾルは浮遊エアロゾル粒子を含むものであるような管と、
前記流路に沿って配置された活性電極と、
前記活性電極に近接配置されると共に前記活性電極から電気的に絶縁された受動電極と、
前記活性電極と前記受動電極との間に選択周波数で交流電圧を発生させ、前記選択周波数で反対の極性間で変化する電界を前記流路に沿って形成する回路要素であって、エアロゾルの電荷分布を変えるためにエアロゾル粒子と結合するよう前記流路内に流入する陽および陰イオンを前記活性電極において交互に生成するため、陽極および陰極コロナ放電閾値を上回る大きさで交流電圧を発生させるよう構成された回路要素と、
前記活性電極および受動電極のうちの選ばれた一方に変位電圧を印加するよう構成されてなると共に、さらに、生成された陽および陰イオンの濃度を互いに調整するために前記変位電圧を制御するよう構成された回路と、を具備してなることを特徴とする装置。
【請求項２８】
前記回路はバイアス源、調整器および可変抵抗を具備してなると共に、前記バイアス源は定電圧源および定電流源からなるバイアス源群から選ばれたものであることを特徴とする請求項２７に記載の装置。
【請求項２９】
前記回路は、前記活性電極に対して変位電圧を印加するよう構成されてなることを特徴とする請求項２７に記載の装置。
【請求項３０】
エアロゾルの電荷分布を変改するための方法であって、
流路に沿って流動方向にエアロゾルを流動させるステップと、
前記流路に沿ってコロナ放電コンポーネントを配置するステップと、
前記コロナ放電コンポーネントに対して近接離間した関係でかつ前記コンポーネントから電気的に絶縁された状態で導電構造体を配置するステップと、
選択周波数で反対の極性間で変化する電界を前記コロナ放電コンポーネントと前記導電構造体との間に形成するために、前記選択周波数で変化する第１および第２の時間のそれぞれの間に、反対の極性で、前記コロナ放電コンポーネントと前記導電構造体との間に電圧を発生させるステップと、
各第１の時間の所定部分の間、コロナ放電閾値を上回る大きさで電圧を発生させ、エアロゾルの電荷分布を変えるためにエアロゾルと結合するよう第１の極性のイオンを流路に沿ってエアロゾル空間に流入させるステップと、
電界が前記エアロゾル空間から離れる流動方向に急激に低下する電界強度を有するよう前記導電構造体のサイズを選択するステップと、を具備し、
前記電圧を発生させるステップは、拡散荷電効果に対する電界の電界荷電効果を低減しかつ実質的なイオン析出損失を抑えるために、前記コロナ放電コンポーネントと前記導電構造体との間の電圧値および距離に関連して各第１の時間の前記所定部分と前記選択周波数とを選択することを含むことを特徴とする方法。
【請求項３１】
前記電圧を発生させるステップはさらに、各第２の時間の所定部分の間、コロナ放電閾値を上回る振幅値で電圧を発生させ、前記第１の極性とは反対の第２の極性のイオンを前記エアロゾル空間に流入させること、ならびに、拡散荷電効果に対する電界荷電効果を低減すると共に実質的なイオン析出損失を抑えるために、前記振幅値および距離に関連して各第２の時間の前記所定部分を選定することを含むことを特徴とする請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
反対の極性のイオンを等しい濃度で生成するために前記コロナ放電コンポーネントをバイアスするよう前記コロナ放電コンポーネントに対して電圧を印加することをさらに具備することを特徴とする請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
前記コロナ放電コンポーネントをバイアスするよう電圧を印加するステップは、前記コロナ放電コンポーネントにおける平均電圧、または前記エアロゾル空間の下流のエアロゾルの帯電状態のいずれかを特定しかつ使用することを具備することを特徴とする請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
前記第１および第２の電圧を印加するステップは、コロナ放電閾値以下の前記第２の電圧を維持することを具備してなり、これによって実質的に第１の極性のイオンのみを発生させることを特徴とする請求項３０に記載の方法。
【請求項３５】
エアロゾル中で浮遊する粒子の粒子濃度レベルを実質的に一定であるよう維持すると共に電荷分布を変えることをさらに具備し、これによってエアロゾル空間の下流におけるエアロゾルの所定部分が、前記エアロゾル空間の上流における前記部分の初期粒子濃度と実質的に等しい粒子濃度で浮遊粒子を含むようにすることを特徴とする請求項３０に記載の方法。
【請求項３６】
エアロゾルを選択的に荷電する方法であって、
エアロゾルがエアロゾル空間を横切るよう流路に沿ってエアロゾルを案内するステップであって、前記エアロゾル空間の上流のエアロゾルは浮遊エアロゾル粒子を含むものであるようなステップと、
前記流路に沿って配置された活性電極と、この活性電極から離間すると共に電気的に絶縁された受動電極との間に選択周波数で交流電圧を発生させ、前記選択周波数で反対の極性間で変化する電界を前記エアロゾル空間に形成するステップと、
エアロゾルの電荷分布を選択的に変えながら粒子濃度を実質的に維持するためにエアロゾル粒子と結合するよう前記流路に流入するイオンを生成するため前記活性電極においてコロナ放電を発生させるのに十分な大きさで交流電圧を発生させ、これによって前記エアロゾル空間の下流のエアロゾルの所定部分の粒子濃度レベルを、前記エアロゾル空間の上流の前記部分の初期粒子濃度レベルと実質的に等しくするステップと、を具備することを特徴とする方法。
【請求項３７】
前記交流電圧を発生させるステップは、反対の極性の両方において、コロナ放電閾値を上回る大きさで交流電圧を発生させることを具備することを特徴とする請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】
前記交流電圧を発生させるステップは、前記活性電極および受動電極から選ばれた一方に対して交流電圧を印加することと、前記電極の他方をコンデンサを介して接地することと、を具備することを特徴とする請求項３７に記載の方法。
【請求項３９】
前記他方の電極を、定電圧源および定電流源からなるコンポーネント群から選ばれたバイアスコンポーネントに接続することをさらに具備することを特徴とする請求項３８に記載の方法。
【請求項４０】
前記エアロゾル空間の下流でエアロゾルの帯電状態を特定すること、および前記バイアスコンポーネントを調整するために前記帯電状態を利用することをさらに具備することを特徴とする請求項３９に記載の方法。
【請求項４１】
前記バイアスコンポーネントを調整するために前記他方の電極において平均電圧を利用することをさらに具備することを特徴とする請求項３９に記載の方法。
【請求項４２】
析出によるイオンの実質的損失を抑えるために、前記活性電極と前記受動電極との間の電圧および距離に関連して前記選択周波数を決定することをさらに具備することを特徴とする請求項３６に記載の方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
以前の装置は、エアロゾル空間それ自体の中でのコロナ放電の発生を避けていた。なぜなら、エアロゾル空間内でコロナを生成するのに要する電界はエアロゾルの一部を析出させ、しかもこの電界内での荷電は拡散ベース両極荷電の所望の帯電状態をもたらさないからである。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１４】
だが、エアロゾル空間内で放電を用いる方法は、電荷の減少(Hinds)あるいは不明確な両極帯電状態への荷電(Gutsch)しか実現しない。いずれの装置も、エアロゾルを拡散ベース両極電荷分布へと荷電あるいは電荷反転させることができない。その上、かなりの堆積が生じる。
【非特許文献１】Fuchs, N.、On the Stationary Charge Distribution on Aerosol Particles in a Bipolar Ionic Atmosphere、Geofis. Pura Appl.、1963年、第56巻、pp.185〜192
【非特許文献２】Romay, F.、Liu, B.、Pui, D.、A Sonic Jet Corona Ionizer for Electrostatic Discharge and Aerosol Neutralization、Aerosol Sci. Tech.、1994年、第20巻、pp.31〜41
【非特許文献３】Zamorani, E.、Ottobrini, G.、Aerosol Particle Neutralization to Boltzmann's Equilibrium by AC Corona Discharge、J. Aerosol Sci.、第9巻、pp.31〜39
【非特許文献４】Adachi, M.、Pui, D.、Liu, B.、Aerosol Charge Neutralization by a Corona Ionizer、Aerosol Sci. Tech.、1993年、第18巻、pp.48〜58
【非特許文献５】Hinds, W.、Kennedy, N.、An Ion Generator for Neutralizing Concentrated Aerosols、Aerosol Sci. Tech.、2000年、第22巻、pp.214〜220
【非特許文献６】Gutsch, A.、Agglomeration feinster gasgetragener Partikel unter dem Einfluss elektrischer Krafte(電気力の影響下でのガス担持超微粒子のアグロメレーション)、1995年、学位論文、University Fridericiana Karlsruhe
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
本発明の目的は、エアロゾルが拡散ベース両極電荷分布を、さらに詳しくは拡散制限、定常状態電荷分布を実現するよう、放電を用いて、ガスイオンがエアロゾル空間内に直接生成される方法を創出することである。この目的のための装置は、都合よく上記方法の利点を実現しなければならない。拡散分離あるいは電気力による分離は可能な限り回避すべきである。しかも、電界の存在に関わらず、拡散ベース平衡状態となるような荷電が生じるべきである。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２６】
電界が急速に弱まることによって、電気式中性化装置を通るエアロゾル通過率が向上する。また、交流電圧の高周波数は、電界の連続的な方向変化によって、電気力による粒子の沈着を低減させる。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４８】
図２ａないし図２ｃは、交流電圧の生成に関する異なる波形を示すグラフである。図２ａにおいては電圧の波形はサイン波１７である。破線１９および２１はそれぞれ、コロナ放電領域すなわち先端１５においてコロナ放電を発生させるための正および負の閾値電圧Ｕ０を表している。ピーク領域２３に沿って、ＡＣ電圧は、上側閾値を上回る正の電圧あるいは下側閾値を下回る負の電圧によって、コロナ放電を発生させるのに十分な大きさを有する。同図に示すように、ＡＣ電圧の各サイクルは、第１の期間Ｐ１を有し、この期間Ｐ１中には正の電圧(電極２０に対する電極２２)が生じる。電圧がＵ０を超えるとき、それは放電領域を離れる陰イオンのコロナ放電を発生させる。各サイクルはさらに第２の期間Ｐ２を有し、この期間Ｐ２中は電圧は負である。負の電圧がＵ０を下回るとき(すなわち振幅がさらにマイナスであるか絶対値に関してより大きい場合)、陽イオンがコロナ放電領域を離れる。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５２】
図４は電荷変改装置１０をより詳しく示している。ケーシング１１は絶縁性のものであり、好ましくはポリ塩化ビニル(ＰＶＣ)のようなプラスチックからなる。エアロゾルは導入口２９から装置に入り、環状間隙まで進む。スリーブ３１が活性電極２０を取り囲んでおり、エアロゾルが電極に沈着するのを阻止するようになっている。電極はステンレススチールあるいは他の素材からなるニードルであり、１〜３ｍｍの範囲の直径を有する。受動電極２２(好ましくは真ちゅうからなる)は、プラスチックケーシング内に埋め込まれている。コンデンサ１４は、電極２０に接続された要素３３、および接地されかつ要素３３から離間された要素３５を含む。誘電材料、好ましくはポリテトラフルオロエチレン(テフロン(登録商標))からなるディスク３６によって、この二つの要素間の空間が占有されている。コンデンサの静電容量は好ましくは約５０ｐＦである。もし望むのならば、プレート３３および３５は、外部電源による活性電極電圧の制御を容易なものとするために、テフロン(登録商標)製ディスクを使用せずに、ただ単に互いに離間させた状態となる。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６９】
交流電圧の波形は単純なサイン波(図２ａ)とすることができるが、図２ｂに従った交流電圧形態の用法は、拡散荷電に対する電界荷電の作用を低下させるために、より良く適合させられる。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７０】
図２ｃによる電圧波形を使用する場合、粒子は単極様式で荷電される。示された例に関して、コロナ放電用の開始電圧は、陰極コロナ放電のためにのみ達せられるものである。通常(ただし必須ではない)、交流電圧が受動電極に印加される。
【手続補正書】
【提出日】平成18年6月15日(2006.6.15)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2007512942.tif 000021
【図２ａ】
2007512942.tif 000022
【図２ｂ】
2007512942.tif 000023
【図２ｃ】
2007512942.tif 000024
【図３】
2007512942.tif 000025
【図４】
2007512942.tif 000026
【図５】
2007512942.tif 000027
【図６】
2007512942.tif 000028
【図７】
2007512942.tif 000029
【図８】
2007512942.tif 000030
【図９】
2007512942.tif 000031
【図１０】
2007512942.tif 000032
【図１１】
2007512942.tif 000033
【図１２】
2007512942.tif 000034
【図１３】
2007512942.tif 000035
【図１４】
2007512942.tif 000036
【図１５】
2007512942.tif 000037
【図１６】
2007512942.tif 000038
【国際調査報告】
2007512942.tif 000039
2007512942.tif 000040