(57)【要約】  凝縮粒子カウンタ（２０）のための、微小粒子のサイズを増大させるための方法および装置であって、この方法において、エアロゾルを含む粒子のフローは、サンプルフローおよびシースフローに分けられる。シースフローは、濾過され、蒸気で飽和され、飽和器（２１）において渦流に形成され、渦流は凝縮器（２２）において継続する。サンプルフローは、凝縮器（２２）において飽和したシースフローの渦流の中心に導入され、飽和したシースフロー中の蒸気をサンプルフロー中の粒子上に凝縮し、粒子のサイズを増大させる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
凝縮粒子カウンタ（２０）のための微小粒子のサイズを増大させるための方法であって、
ａ）エアロゾルを含む粒子のフローがサンプルフローおよびシースフローに分離される工程と、
ｂ）シースフローがシースフローに含まれる粒子を除去するために濾過される工程と、
ｃ）濾過したシースフローが蒸気で飽和される工程と、
ｄ）サンプルフローが飽和したシースフローに導入され、シースフロー中の蒸気をサンプルフロー中の粒子上に凝縮させて、粒子のサイズを増大させる工程とを含む方法において、
工程ｃ）において、シースフローは渦流に形成され、渦流は工程ｄ）において継続し、サンプルフローが飽和したシースフローの渦流の中心に導入されることを特徴とする方法。
【請求項２】
渦流は、飽和器（２１）および／または凝縮器（２２）の内表面に沿って上方に流れるスパイラルフローであることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
工程ｃ）におけるシースフローは、飽和器（２１）の下方部分に対して接線方向にシースフローを供給することによって渦流に形成されることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
工程ｃ）におけるシースフローは、シースフローを渦流に形成することによって飽和され、渦流は飽和器（２１）の湿った内部の裏層（２１ａ）に沿って流れることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
渦流は分流器（２５）の周りに循環するように形成されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
工程ｄ）における飽和したシースフローは、渦生成手段（３３，３５）によって渦流にもたらされることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項７】
渦生成手段は固定された、または回転するフローガイド（３５）を含むことを特徴とする請求項６記載の方法。
【請求項８】
渦流は内側に向けた動きを有しており、凝縮器（２２）の中心にサンプルフロー中の粒子を保持することを特徴とする請求項６記載の方法。
【請求項９】
渦流は互いの上に配置される飽和器（２１）および凝縮器（２２）において形成されることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】
渦流は、円筒型である、飽和器（２１）および凝縮器（２２）において形成されることを特徴とする請求項９記載の方法。
【請求項１１】
サンプルフローは、飽和器（２１）および凝縮器（２２）の中心に配置される分流器（２５）によって、飽和したシースフローの中心に導入されることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１２】
凝縮粒子カウンタ（２０）のための微小粒子のサイズを増大させるための装置であって、
ａ）エアロゾルフローをサンプルフローおよびシースフローに分離するための分流器（２５）と、
ｂ）シースフローを濾過するためのフィルタ（２６）と、
ｃ）濾過したシースフローを蒸気で飽和させるための飽和器（２１）と、
ｄ）凝縮器（２２）であって、サンプルフローが飽和したシースフローに導入され、シースフロー中の蒸気をサンプルフロー中の粒子上に凝縮させ、粒子のサイズを増大させる凝縮器（２２）とを含む装置において、
飽和器（２１）はシースフローを渦流に形成するための手段（３２）を有し、渦流は凝縮器（２２）において継続され、サンプルフローは飽和したシースフローの中心に導入されることを特徴とする装置。
【請求項１３】
渦流が、飽和器（２１）および／または凝縮器（２２）の内表面に沿って上方に流れるスパイラルフローであることを特徴とする請求項１２記載の装置。
【請求項１４】
飽和器（２１）において、シースフローを渦流に形成するための手段（３２）は、飽和器（２１）の下方部分に接線方向に配置されるパイプ（３２）を含むことを特徴とする請求項１２または１３に記載の装置。
【請求項１５】
飽和器（２１）の内部の裏層（２１ａ）は液体で湿っており、工程ｃ）におけるシースフローはシースフローを渦流に形成することによって飽和され、渦流は飽和器（２１）の湿った内部の裏層（２１ａ）に沿って流れることを特徴とする請求項１２〜１４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１６】
凝縮器（２２）は、工程ｄ）における飽和したシースフローの渦流を形成するための渦生成手段（３３，３５）を含むことを特徴とする請求項１２記載の方法。
【請求項１７】
渦生成手段は固定された、または回転するフローガイド（３５）を含むことを特徴とする請求項１６記載の装置。
【請求項１８】
飽和器（２１）および凝縮器（２２）は互いの上に配置されることを特徴とする請求項１２〜１７のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１９】
飽和器（２１）および凝縮器（２２）は円筒型であることを特徴とする請求項１８記載の装置。
【請求項２０】
分流器（２５）は飽和器（２１）および凝縮器（２２）の中心に配置され、分流器（２５）は飽和器（２１）の中を高さ方向に延び、凝縮器（２２）内部で途切れることを特徴とする請求項１２〜１９のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２１】
分流器（２５）は、サンプルフローをコンデンサ（２２）へ、飽和したシースフローの中心へ供給することを特徴とする請求項１２または２０に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
発明の分野
本発明は、添付の請求項１の前提部分に従う、凝縮粒子カウンタのための微小粒子の粒子サイズを増大させるための方法に関連する。本発明はまた、添付の請求項１２の前提部分に従う、上述の方法を実施するための装置に関連する。
【０００２】
発明の背景
エアロゾル、すなわち、空気またはガス中の微粒子の懸濁物は、今日、気候の変化、大気中の粒子によって引き起こされる損なわれた視界および無人の土地の富栄養化等の種々の環境問題において中心的役割を果たしていると認識されている。これらはまた呼吸器疾患に対する影響を有している。エアロゾルはまた、ガスの微量成分の不均一反応が起こる所でもある。有害な影響を調整し減少させるために、エアロゾルのそれぞれの主要な化学成分の発生源が知られなければならず、大気プロセスにおけるこれらの役割が解明されなければならない。微細なエアロゾル（Ｄｐ．＜２．５μｍ）の密集体の大部分は２次的であり、すなわち、直接放出されないが、大気中のガスの前駆体から形成される。確実なエアロゾルデータがないため、これらの２次的エアロゾルの形成の理解および化学輸送モデルにおけるこれらの扱いの評価が妨げられる。しかしながら、気候の変化を防止するための有効な削減戦略を展開するために、まもなく、全密集体に対する主要な個々のエアロゾル成分の発生源および寄与を考慮するための法律制定が必要とされるであろう。
【０００３】
凝縮粒子カウンタ（ＣＰＣ）は凝縮核カウンタ（ＣＮＣ）としてよく知られているが、凝縮粒子カウンタ（ＣＰＣ）を使用するエアロゾルの検出および分析は既知である。ＣＰＣはたとえば、屋外および屋内の大気質の調査、フィルタおよび空気清浄機の調査、粒子の形成および成長の研究、ならびに燃焼およびエンジン排気の研究のための、エアロゾル中の微小粒子を検出するために使用される。ＣＰＣはまた、たとえば可動のパーティクルサイザの走査において、粒子サイズ分布を得るための第１検出部として用いられる。ＣＰＣを用いると、直径３ｎｍほどの粒子を検出することが可能である。ＣＰＣは粒子上に蒸気を凝縮することによって粒子を検出し、たとえば、光学的に、または他の手段によって計測するのに充分なサイズまでこれらを成長させる。測定は通常以下の４つの工程を含む：１）充分な量の蒸気の生成、２）粒子を活性化するのに必要な過飽和状態の構築、３）検出可能なサイズに成長させるのに充分な期間、粒子を過飽和状態に維持すること、および４）成長した粒子の検出。ＣＰＣにおいて、エアロゾルは、まず蒸気で飽和され、続いて冷却され、過飽和状態を生じる。所定の飽和割当量に関して、粒子が充分大きい場合のみ、蒸気は粒子上に凝縮することが可能である。凝縮核としての役割を果たすことが可能な最小粒子サイズはケルビン径（Ｋｅｌｖｉｎ  ｄｉａｍｅｔｅｒ）と呼ばれる。過飽和度とケルビン径（ｄp）との間の関係は以下の関数［Ｔａｎｇ  １９７６，Ｆｒｉｅｄｌａｎｄｅｒ  １９７７］として表される。
【０００４】
【数１】
2007518087.tif 000003
【０００５】
式中、Ｐｄは粒子表面の飽和蒸気圧であり、
Ｐｓは平衡飽和蒸気圧であり、
δは活量係数であり、
ｍfは溶質のモル分率であり、
γは液体の表面張力であり、
νは液体のモル体積であり、
Ｒは気体定数であり、
Ｔは温度である。
【０００６】
等式は同じ物質の液滴、または作動流体に対して可溶性の表面性質を有する不溶性粒子上に凝縮された蒸気に関して導かれる。
【０００７】
図１は先行技術に従うＣＰＣを示し、いわゆる冷式ＣＰＣである。この例において、粒子の成長に必要とされる蒸気はエアロゾルガスそれ自体から、クリーニングおよび過飽和を経て生成される。これはここではシースフローと言われる。言い換えると、シースフローは濾過されたエアロゾルフローであり、すなわち、これは固体粒子を含まず、サンプルフローと同じガス混合物を含む。ＣＰＣの主要部分は分流器５、飽和器１、凝縮器２および検出器７である。分流器５はエアロゾルフローをシースフローとサンプルフローとに分離する。飽和器１は一体化している次の２つの部分を有している：液体が含浸したフェルトの裏層を有する加熱したチューブであり、シースフローが蒸気で飽和されている飽和部分１ａおよびフェルトの裏層のない加熱部分１ｂ。凝縮器２において、蒸気はサンプルフローに含まれる粒子上に凝縮し、光学検出器７で検出できるほど大きくなるように、これらを増大させる。凝縮器２は、飽和器１の温度より低い温度まで冷却される。
【０００８】
分流器５は、たとえばパイプ等の２つのチャネルである、内部チャネル５ａおよび外部チャネル５ｂを含み、互いの内部に配置されている。内部チャネル５ａはこの他端で、エアロゾルフローを取り込むためのチャネル４に取付けられ、この他端は飽和器の加熱部分１ｂの内部に延びる。外部チャネル５ｂは分流器５の外表面を形成し、先端部、すなわち飽和器の加熱部分１ｂの内部の端をカバー等で閉じられている。カバーの中心はサンプルフローキャピラリ３によって貫通されている。
【０００９】
取り入れられたエアロゾルフローは内部チャネル５ａにおいて上方へ流れ、内部チャネル５ａはカバーからある距離をおいて途切れ、内部チャネル５ａの壁の上端とカバーとの間にスリット８を形成する。内部チャネル５ａ内の一部のエアロゾルフローがスリットを経て、内部チャネル５ａおよび外部チャネル５ｂの間の空間に入り、シースフローを形成する。シースフローは分流器５から取り出され、フィルタ６でクリーニングするために前方へ導かれる。フィルタ６はシースフローから全ての粒子を除去し、クリーニングされたシースフローは飽和器１に導かれる。分流器は、飽和器の加熱部分１ｂ内に延びるサンプルフローキャピラリ３までで途切れる。
【００１０】
サンプルフローは分流器５に取付けられたサンプルフローキャピラリ３を用いてエアロゾルから分離されるが、サンプルフローは、飽和器の加熱部分１ｂ内の、クリーニングされ、蒸気が飽和したシースフローに入り、飽和したシースフローと混合し、凝縮器２へ流れる。凝縮器２において、蒸気はサンプルフローに含まれる粒子上に凝縮し、凝縮器２に続く光学検出器７によって検出されるのに充分な大きさになるようにこれらを増大させる。
【００１１】
しかしながら、図１に従うＣＰＣにはいくつかの問題がある。検出器の応答が遅く、フローの乱流混合が、飽和器および凝縮器の両方において過飽和の変動および断面の寸法の変動を引き起こす。もう１つの問題はフローの再循環が系において引き起こされるということである。したがって、成長粒子の中には直ちに凝縮器から出て行き、検出器に入るものもあるが、凝縮器内部を循環するだけで、遅れて不規則に出て行くものもあり、粒子が凝縮器に入る時間と検出される時間との間に遅延の指数関数的な減衰分布が生じる。したがって、高感度のサイズ分布を得ることは不可能である。粒子の成長のために必要とされる長い凝縮器のために、検出器に到達する前に、フロー中の超微小粒子は凝縮器の壁にぶつかる傾向にあり、誤った結果を引き起こす。さらなる問題は長い飽和器および飽和部分１ａ内のフェルトチューブの大きな径である。これは飽和部分１ａのフェルトチューブにおいて層流のシースフローを引き起こし、均一でない蒸気が形成される。
【００１２】
発明の簡単な説明
したがって、本発明の目的は微小粒子のサイズを増大させるための方法および装置を提供し、該方法および装置は上述の問題を回避し、エアロゾル中の微小粒子は検出器で検出されるのに充分大きく増大させることが可能であり、実質的に全ての粒子は運搬される間の損失なく、検出器に運搬される。
【００１３】
この目的を達成するために、本発明に従う方法は独立請求項１の特徴部分に示されていることに主に特徴付けられる。
【００１４】
本発明に従う装置は、また、独立請求項１２の特徴部分に示されていることに特徴付けられる。
他の従属請求項は本発明のいくつかの有利な実施形態を開示している。
【００１５】
本発明は、サンプルフローは蒸気が飽和したシースフローの中心に導入されるという考えに基づいている。サンプルフロー供給点の前に、シースフローは、飽和器から凝縮器まで延びる渦流を形成し、凝縮器の壁とサンプル粒子との間の遮蔽層を形成し、サンプル粒子が壁にぶつからないようにし、最も小さい粒子でさえ検出器に入ることを可能にする。したがって、凝縮器における損失がない。
【００１６】
本発明に従う装置において、飽和器および凝縮器は１つの構造に一体化され、装置の寸法、すなわち高さおよび幅の両方向において小型化され、したがってフローの遅延時間は有意に短縮される。凝縮器は、飽和器と同じ構造に形成される。すなわち、これは飽和器の上部に飽和器の延長として組み込まれる。エアロゾルのシースフローおよびサンプルフローへの分離は分流器において起こり、これは先行技術等から既知である。クリーニングされたシースフローは接線方向に、飽和器の下方部分にもたらされ、分流器のまわりに乱流の渦流を生み出す。渦流はシースフローの蒸気飽和を促進する。なぜなら、これは飽和器内部の裏層の、液体が含浸したフェルト要素と近接するからである。さらに飽和器および凝縮器によって形成される構造は小型で簡潔であるため、飽和したシースフローが飽和器および凝縮器内部の表面に沿って上方に流れるにつれて、飽和器において生み出される渦流効果は凝縮器に続く。これは同様に、凝縮器の壁に対して上方へ向かう、継続的に過飽和したシースフローが存在するということである。粒子含有サンプルフローは凝縮器に対して渦流の中心に導入される。サンプルフローは凝縮器の中心線近傍に制限されるため、高い過飽和レベルと、壁に対して形成された液滴のごく僅かな損失がもたらされる。凝縮器中の渦の形成を促進するために、サンプル供給点より前に凝縮器に渦生成手段を取付けることが可能である。
【００１７】
発明の詳細な記述
本発明は添付の図を参照して、以下にさらに詳細に記述されるであろう。
【００１８】
図１は、上述のように説明されたので、ここではさらに論じないであろう。
図２は、ＣＰＣ装置２０を示し、本発明に従う粒子を増大させるための装置を含む。エアロゾルフローはチャネル２４を経て装置に導かれる。エアロゾルフローは内部チャネル２５ａを経て分流器２５へ流れ、他端はチャネル２４内部に延びる。分流器２５およびその操作は、図１に関連して示された分流器５と実質的に同じであるため、ここではさらなる詳細は論じない。
【００１９】
分流器２５は飽和器２１内の中心に配置され、飽和器２１の底部の中心および分流器２５の横断面の中心を経て延びる縦軸が結合される。分流器２５は飽和器２１の中を高さ方向に延び、飽和器２１と連結して搭載される凝縮器２２内部で途切れる。分流器２５において分離されたシースフローは、フィルタ２６で濾過され、バルブ２８および入力チャネル３２を経て飽和器２１に導かれる。
【００２０】
飽和器２１は実質的に円筒型であり、円筒型凝縮器２１と連結して円筒型凝縮器２１の下に配置され、上述のシリンダーの底部の中心を経て延びるシリンダーの中心軸が結合される。したがって、分流器２５はまた、凝縮器の中心に配置される。有利なことに、飽和器２１および凝縮器２２の外表面の直径は等しい。底部を含む飽和器２１の内表面または内部の裏層２１ａは、液体と供給する蒸気とを吸収、運搬および保持可能な材料から形成される。すなわち、フェルト等の線維、岩等の多孔質材、または有孔膨張金属構造から形成される。内部の裏層２１ａに導入され吸収される液体は、たとえば水、アルコールまたはそれらの混合物等のいかなる液体でもよい。ブタノールはこの目的のためにＣＰＣにおいて一般的に使用される液体である。液体はタンク２９に貯蔵され、蠕動ポンプ３０およびパイプ３７を用いて飽和器へ、飽和器の内部の裏層２１ａに供給される。
【００２１】
飽和においてタンク２９から使用される液体のフローは蠕動ポンプ３０および液体表面制御器３１を用いて制御される。制御器３１はパイプ３７中の液体表面のレベルを測定し、ポンプ３０に（点線で印がつけられている）表面レベルに相当する制御信号を送信する。測定は任意の適切な測定方法によってなされることが可能であり、たとえば光学的測定がある。ＣＰＣ２０が作動していないとき、ポンプ３０は他の方向に作動し、飽和器に貯められた液体を除去する。
【００２２】
飽和器２１の外表面２１ｂ、特に内部の裏層２１ａに接触した表面は、飽和器２１、特に内部の裏層２１ａを加熱する（図示されていない）加熱手段を備えている。
【００２３】
シースフローは、供給パイプ３２を経て接線方向に、飽和器２１に対して、その下方部分に供給され、渦流が飽和器２１の内部に生み出される。図３は飽和器の線Ａ−Ａに沿った断面図を示し、渦形成を示している。供給パイプ３２は飽和器２１に関連して接線方向に配置され、飽和器に供給される粒子がクリーニングされたシースフローは飽和器の内部の裏層２１ａへ進み、渦流、すなわち飽和器２１内部を上昇するスパイラルフローを生み出す。シースフロー全体は飽和器２１の周辺方向に供給されるため、シースフローガスフロー全体は飽和器２１の湿った内部の裏層２１ａに接触し、シースフローの飽和は非常に有効である。生み出された渦流は分流器２５の周りに占められ、飽和器２１の全長を越えて延びる。すなわち、シースフローが飽和器２１に行き渡っている間ずっと、飽和器の湿った内部の裏層２１ａと接触している。結果として、先行技術から既知の飽和器より、飽和器２１におけるシースフローの遅延時間は長く、シースフローの飽和度は高い。
【００２４】
飽和器２１から、飽和したシースフローは飽和器２１の上に、その延長として配置される凝縮器２２へ上昇する。凝縮器２２は、たとえば外部にある冷凍媒体を用いて、凝縮器の外部からその壁を冷却することによって冷却されるか、または冷却は凝縮器内部で、たとえば凝縮器の内表面に沿って流れる冷却ガスを用いてなされる。
【００２５】
飽和器２１において生み出されたシースフローの渦流は凝縮器２２に続き、凝縮器２２の冷却した内壁へ進む。フローの角運動量を考慮すると、渦流の渦の速度は凝縮器２２の中心線近傍で増大し、凝縮器の中心部分における均一な過飽和領域を生み出す。粒子はサンプルフローキャピラリ２５ｃを通ってサンプルフローと共に凝縮器２２の中心に、および飽和したシースフローの渦流の中心に導入されるため、これらは上方に運搬されこの均一な過飽和によって容易に過飽和される。渦流の内側に向けた動きは粒子が凝縮器の壁にぶつからないようにし、損失を最小限にする。成長した粒子は凝縮器における渦流と共に、たとえば光学カウンタ等の粒子計数に適した任意の検出器である検出器２７に運搬される。
【００２６】
図２においてはまた、飽和したシースフローにおける渦形成を増大させるための、凝縮器２２中の渦生成手段が示されている。渦生成手段は、たとえば、凝縮器の内部の裏層を取り囲む外縁３３を有するフローガイド３５である。フローガイド３５および外縁３３は（図示されていない）ソケットと接続される。フローガイド３５は、図４に平面図で示されているが、円形でプレート状であり、場合により、凝縮器２２側の表面が羽根状の屈曲した突起を有する何らかの凸状のプレートである。フローガイド３５の縁は外縁３３の上に延びており、ギャップ３６が外縁およびフローガイドの間に形成され、ギャップを経て、飽和したシースフローは凝縮器２２に流れ込むことが可能である。渦生成手段は凝縮器２２の底部に配置され、すなわち飽和器２１のちょうど上に配置される。分流器２５は凝縮器の下方部分の内部に延び、凝縮器２２の手前の飽和器２１で狭まる。サンプルフローキャピラリ２５ｃを有する分流器２５はフローガイドの中心点においてフローガイド３５を貫通する。
【００２７】
渦生成手段はギャップ３６を経て凝縮器２２へ放出される飽和したシースフローの渦流を増大させ、凝縮器の壁での粒子の損失を最小限にし、粒子の過飽和を増大させる。フローガイド３５はフローベーンとしての役割を果たす、固定されたプレート状部材であってもよく、または軸周りに回転する、渦巻いたプレートであってもよい。または、飽和したシースフローの渦流を増大させることが可能な任意の他の手段であってもよい。
【００２８】
本発明は例を用いて述べた上述の実施形態に限定されず、本発明は以下に示される請求項によって定義される保護範囲内において広く解釈されることが可能であるということが意図されている。したがって、飽和器２１および凝縮器２２は適切な方法で互いに装着される別個の構造であってもよく、または、これらは同一の構造内に一体化されてもよい。凝縮器２２における渦生成手段は本発明の仕組みには必須ではないが、必要であれば使用されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】先行技術に従うＣＰＣ装置を概略的に示す。
【図２】本発明に従う粒子のサイズを増大させるための装置を概略的に示す。
【図３】図２に示される粒子のサイズを増大させるための装置の線Ａ−Ａを示す。
【図４】図２に示される渦生成手段の平面図を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
2007518087.tif 000006
【図４】
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【国際調査報告】
2007518087.tif 000008
2007518087.tif 000009