(57)【要約】【課題】ガスの流量を測定する機能を備えた微粒子数検出器を提供する。【解決手段】微粒子数検出器に備えられた制御部は、層流管部を利用してガスの流量を求め、帯電微粒子捕集電極に捕集された帯電微粒子の電荷量に応じて変化する物理量とガスの流量とに基づいてガス中の単位体積当たりの微粒子の数を求める。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１通気路を有する筐体と、
前記第１通気路内で気中放電により電荷を発生し、前記第１通気路内を通過するガス中の微粒子に前記電荷を付加して帯電微粒子にする電荷発生部と、
前記帯電微粒子を捕集する帯電微粒子捕集電極と、
前記筐体に設けられた層流管部と、
前記層流管部を利用して前記ガスの流量を求め、前記帯電微粒子捕集電極に捕集された前記帯電微粒子の電荷量に応じて変化する物理量と前記ガスの流量とに基づいて前記ガス中の単位体積当たりの前記微粒子の数を求める制御部と、
を備えた微粒子数検出器。
【請求項２】
前記筐体は、前記第１通気路とは別の第２通気路を有し、
前記物理量は、前記第１通気路を通過するガスを利用して求められ、
前記ガスの流量は、前記第２通路に設けられた前記層流管部の管路両端の圧力差を利用して求められる、
請求項１に記載の微粒子数検出器。
【請求項３】
前記筐体は、セラミック製である、
請求項１又は２に記載の微粒子数検出器。
【請求項４】
前記層流管部は、多数のセルを備えたセラミック製のハニカムフィルタである、
請求項１〜３のいずれか１項に記載の微粒子数検出器。
【請求項５】
前記筐体は、セラミック製であり、
前記層流管部は、多数のセルを備えたセラミック製のハニカムフィルタであり、前記筐体と一体に形成されている、
請求項１又は２に記載の微粒子数検出器。
【請求項６】
前記筐体は、前記帯電微粒子捕集電極及び前記層流管部に堆積した堆積物を焼失させる共通のヒータを有している、
請求項１〜５のいずれか１項に記載の微粒子数検出器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微粒子数検出器に関する。
【背景技術】
【０００２】
微粒子数検出器としては、電荷発生素子でコロナ放電によりイオンを発生させ、そのイオンにより被測定ガス中の微粒子を帯電し、帯電した微粒子を捕集し、捕集された微粒子の電荷の量に基づいて微粒子の個数を測定するものが知られている。また、こうした微粒子数検出器において、捕集された微粒子をヒータで加熱して焼却したり、ガスの流入孔や排出孔に溜まった微粒子をヒータで加熱して焼却したりすることが提案されている（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第２０１５／１４６４５６号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、被測定ガス中の単位体積当たりの微粒子の数を求めるには、被測定ガスの流量を用いる必要がある。しかしながら、特許文献１の微粒子数検出器は、被測定ガスの流量を測定する機能を備えていないため、被測定ガス中の単位体積当たりの微粒子の数を求めることができなかった。
【０００５】
本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、ガス中の単位体積当たりの微粒子の数を求めることを主目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の微粒子数検出器は、
第１通気路を有する筐体と、
前記第１通気路内で気中放電により電荷を発生し、前記第１通気路内を通過するガス中の微粒子に前記電荷を付加して帯電微粒子にする電荷発生部と、
前記帯電微粒子を捕集する帯電微粒子捕集電極と、
前記筐体に設けられた層流管部と、
前記層流管部を利用して前記ガスの流量を求め、前記帯電微粒子捕集電極に捕集された前記帯電微粒子の電荷量に応じて変化する物理量と前記ガスの流量とに基づいて前記ガス中の単位体積当たりの前記微粒子の数を求める制御部と、
を備えたものである。
【０００７】
この微粒子数検出器は、帯電微粒子捕集電極に捕集された帯電微粒子の電荷量に応じて変化する物理量と層流管部を利用して求めたガスの流量とに基づいて、ガス中の単位体積当たりの微粒子の数を求める。本発明の微粒子数検出器は、ガスの流量を測定する機能を備えているため、別途流量計を用意しなくても、ガス中の単位体積当たりの微粒子の数を求めることができる。
【０００８】
なお、本明細書において、「電荷」とは、正電荷や負電荷のほかイオンを含むものとする。「物理量」とは、電荷量に応じて変化するパラメータであればよく、例えば電流などが挙げられる。
【０００９】
本発明の微粒子数検出器において、前記筐体は、前記第１通気路とは別の第２通気路を有し、前記層流管部は、前記第２通気路に設けられ、前記物理量は、前記第１通気路を通過するガスを利用して求められ、前記ガスの流量は、前記第２通路に設けられた前記層流管部の管路両端の圧力差を利用して求められるようにしてもよい。こうすれば、帯電微粒子の電荷量に応じて変化する物理量とガスの流量とをそれぞれ別の通気路を用いて求めるため、その物理量とガスの流量とをより正確に求めることができる。
【００１０】
本発明の微粒子数検出器において、前記筐体は、セラミック製であってもよい。こうすれば、セラミックは耐熱性に優れるため、筐体の耐熱性が向上する。なお、セラミックとしては、例えばアルミナや窒化アルミニウムなどが挙げられる。
【００１１】
本発明の微粒子数検出器において、前記層流管部は、多数のセルを備えたセラミック製のハニカムフィルタであってもよい。こうすれば、セラミックは耐熱性に優れるため、層流管部の耐熱性が向上する。
【００１２】
本発明の微粒子数検出器において、前記筐体は、セラミック製であり、前記層流管部は、多数のセルを備えたセラミック製のハニカムフィルタであり、前記筐体と一体に形成されていてもよい。こうすれば、微粒子数検出器の耐熱性が向上するし、層流管部を容易に製造することができる。
【００１３】
本発明の微粒子数検出器において、前記筐体は、前記帯電微粒子捕集電極及び前記層流管部を加熱して堆積物を焼失させる共通のヒータを備えていてもよい。こうすれば、共通のヒータを用いて帯電微粒子捕集電極の堆積物と層流管部の堆積物の両方を一度に焼失させることができる。これにより、帯電微粒子捕集電極と層流管部とを一度にリフレッシュすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】微粒子数検出器１０の斜視図。
【図２】図１のＡ−Ａ断面図。
【図３】図１のＢ視図。
【図４】図１のＣ−Ｃ断面図。
【図５】ヒータ７０を備えた実施形態の側面図。
【図６】電界発生電極３４，３６，４４，４６を備えた実施形態の説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の好適な実施形態を図面を参照しながら以下に説明する。図１は微粒子数検出器１０の斜視図、図２は図１のＡ−Ａ断面図、図３は図１のＢ視図、図４は図１のＣ−Ｃ断面図である。以下の説明において、上下、左右、前後は図１に示す通りとする。なお、上下、左右、前後は、相対的な位置関係に過ぎない。
【００１６】
微粒子数検出器１０は、ガス（例えば自動車の排ガス）に含まれる微粒子の数を計測するものである。微粒子数検出器１０は、図２及び図３に示すように、筐体１２と、電荷発生部２０と、余剰電荷捕集電極３０と、帯電微粒子捕集電極４０と、層流管部５０とを備えている。微粒子数検出器１０は、図４に示すように、制御部６０も備えている。
【００１７】
筐体１２は、絶縁材料からなり、互いに平行な第１及び第２通気路１３，１４を有している。第１及び第２通気路１３，１４は、筐体１２に上下二段に設けられ、いずれも筐体１２を前後方向に貫通している。絶縁材料としては、例えばセラミック材料が挙げられる。セラミック材料の種類は、特に限定するものではないが、例えばアルミナや窒化アルミニウム、炭化珪素、ムライト、ジルコニア、チタニア、窒化珪素、マグネシア、ガラス、またはこれらの混合物などが挙げられる。第１通気路１３内には、ガスの流れの上流側から下流側に向かって（ここでは前方から後方に向かって）、電荷発生部２０、余剰電荷捕集電極３０及び帯電微粒子捕集電極４０がこの順に並ぶように設けられている。
【００１８】
電荷発生部２０は、第１通気路１３内に電荷を発生するように設けられている。電荷発生部２０は、放電電極２２と２つの誘導電極２４，２４とを有している。放電電極２２は、第１通気路１３の内面に沿って設けられ、図２に示すように、矩形の周囲に複数の微細突起を有している。２つの誘導電極２４，２４は、矩形電極であり、第１通気路１３の壁（筐体１２）に間隔をあけて放電電極２２と平行となるように埋設されている。電荷発生部２０では、放電電極２２と２つの誘導電極２４，２４との間に放電用電源２６（図４参照）の高周波高電圧（例えばパルス電圧等）が印加されることで、両電極間の電位差による気中放電が発生する。このとき、筐体１２のうち放電電極２２と誘導電極２４，２４との間の部分が誘電体層の役割を果たす。この気中放電によって、放電電極２２の周囲に存在するガスがイオン化されて正又は負の電荷１８が発生する。放電電極２２に用いられる材料としては、放電時の耐熱性の点から融点が１５００℃以上の金属が好ましい。こうした金属としては、チタン、クロム、鉄、コバルト、ニッケル、ニオブ、モリブデン、タンタル、タングステン、イリジウム、パラジウム、白金、金またはそれらの合金を挙げることができる。中でも、耐腐食性の点から、イオン化傾向が小さい白金と金が好ましい。放電電極２２は、無機材料ペースト（例えばガラスペースト）を介して第１通気路１３の内面に接合されていてもよいし、第１通気路１３の内面にスクリーン印刷した金属ペーストを焼成して燒結金属として形成されていてもよい。誘導電極２４，２４も、放電電極２２と同様の材料を用いることができる。
【００１９】
ガスに含まれる微粒子１６は、第１通気路１３の前方から第１通気路１３内に入り、電荷発生部２０を通過する際に電荷発生部２０の気中放電によって発生した電荷１８が付加されて帯電微粒子Ｐとなったあと後方に移動する。また、発生した電荷１８のうち微粒子１６に付加されなかったものは、電荷１８のまま後方に移動する。
【００２０】
余剰電荷捕集電極３０は、第１通気路１３の内面に沿って設けられている。余剰電荷捕集電極３０は、図４に示すように、微粒子１６に付加されなかった電荷１８を除去する。第１通気路１３のうち余剰電荷捕集電極３０と対向する位置には、余剰電荷捕集用の電界発生電極３２が設けられている。この電界発生電極３２も、第１通気路１３の内面に沿って設けられている。電界発生電極３２と余剰電荷捕集電極３０との間に図示しない電界発生用電源の電圧が印加されると、電界発生電極３２と余剰電荷捕集電極３０との間（余剰電荷捕集電極３０上）に電界が発生する。電荷発生部２０の気中放電によって発生した電荷１８のうち微粒子１６に付加されなかったものは、この電界によって余剰電荷捕集電極３０に引き寄せられて捕集され、ＧＮＤ（グランド）に捨てられる。
【００２１】
帯電微粒子捕集電極４０は、第１通気路１３の内面に沿って設けられている。帯電微粒子捕集電極４０は、図４に示すように、帯電微粒子Ｐを捕集する。第１通気路１３のうち帯電微粒子捕集電極４０と対向する位置には、帯電微粒子捕集用の電界発生電極４２が設けられている。この電界発生電極４２も、第１通気路１３の内面に沿って設けられている。電界発生電極４２と帯電微粒子捕集電極４０との間に図示しない電界発生用電源の電圧が印加されると、電界発生電極４２と帯電微粒子捕集電極４０との間（帯電微粒子捕集電極４０上）に電界が発生する。帯電微粒子Ｐは、この電界によって帯電微粒子捕集電極４０に引き寄せられて捕集される。帯電微粒子捕集電極４０には、電流計４８が接続されている。この電流計４８は、帯電微粒子捕集電極４０を流れる電流を検出して制御部６０に出力する。
【００２２】
各捕集電極３０，４０のサイズや各捕集電極３０，４０上の電界の強さは、帯電微粒子Ｐが余剰電荷捕集電極３０に捕集されることなく帯電微粒子捕集電極４０に捕集されるように、また、微粒子１６に付着しなかった電荷１８が余剰電荷捕集電極３０に捕集されるように、設定されている。
【００２３】
層流管部５０は、多数のセル５１を備えたセラミック製のハニカムフィルタであり、第２通気路１４内に設けられている。セル５１は、層流管部５０を前後方向に貫通している。セル５１の正方形状の開口部の一辺の長さは、特に限定するものではないが、例えば０．０１〜１ｍｍとしてもよい。なお、セル５１の開口部の形状は、正方形に限られるものではなく、例えば円形でもよいし、三角形や六角形などでもよい。また、層流管部５０の前面（四角形）の面積に占める全セル５１の開口面積の割合（開口率）は、特に限定するものではないが、例えば４０〜８０％としてもよい。図２に示すように、層流管部５０の長さは、第２通気路１４の長さよりも短い。そのため、第２通気路１４は、層流管部５０よりも前方及び後方にそれぞれ前方空間１４ａ及び後方空間１４ｂを有している。筐体１２には、第１孔５２と第２孔５４とが設けられている。第１孔５２は、第２通気路１４の壁面のうち前方空間１４ａに面する位置から筐体１２の上面まで貫通している。第２孔５４は、第２通気路１４の壁面のうち後方空間１４ｂに面する位置から筐体１２の上面まで貫通している。第１孔５２には、第１圧力センサ５３が接続され、第２孔５４には、第２圧力センサ５５が接続されている。第１孔５２及び第２孔５４の内壁は、表面粗さＲａが２０μｍ以下であることが好ましい。こうすれば、圧力損失が小さくなるからである。
【００２４】
制御部６０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどからなる周知のマイクロコンピュータによって構成されている。制御部６０は、図４に示すように、放電用電源２６の電圧を調整すると共に、第１及び第２圧力センサ５３，５５から圧力Ｐ１，Ｐ２をそれぞれ入力したり、電流計４８から帯電微粒子捕集電極４０を流れる電流を入力したりする。制御部６０は、第１通気路１３を通過するガス中の単位体積当たりの微粒子数を求め、ディスプレイ６２に表示する。
【００２５】
次に、微粒子数検出器１０の製造例について説明する。微粒子数検出器１０のうち、各種電極２２，２４，３０，３２，４０，４２及び層流管部５０を備えた筐体１２は、複数枚のセラミックグリーンシートを用いて作製することができる。具体的には、複数枚のセラミックグリーンシートの各々について、必要に応じて切欠や貫通孔や溝を設けたり電極や配線パターンをスクリーン印刷したりした後、それらを積層して焼成する。なお、切欠や貫通孔や溝については、焼成時に焼失するような材料（例えば有機材料）で充填しておいてもよい。こうして、各種電極２２，２４，３０，３２，４０，４２及び層流管部５０を備えた筐体１２を得る。続いて、放電用電源２６を放電電極２２と誘導電極２４，２４に接続し、電流計４８を帯電微粒子捕集電極４０に接続し、第１及び第２圧力センサ５３，５５をそれぞれ第１孔５２及び第２孔５４に接続する。また、制御部６０を放電用電源２６、電流計４８、第１及び第２圧力センサ５３，５５及びディスプレイ６２に接続する。こうすることにより、微粒子数検出器１０を作製することができる。
【００２６】
次に、微粒子数検出器１０の使用例について説明する。自動車の排ガスに含まれる微粒子１６の数を検出する場合、エンジンの排気管内に微粒子数検出器１０を取り付ける。このとき、排ガスが微粒子数検出器１０の第１及び第２通気路１３，１４の前方から後方へ排ガスが流れるように、微粒子数検出器１０を取り付ける。
【００２７】
制御部６０は、まず、層流管部５０を利用してガスの流量を求める。具体的には、制御部６０は、第１孔５２に掛かる圧力Ｐ１と第２孔５４に掛かる圧力Ｐ２との差ΔＰを用いて、周知のハーゲン・ポワズイユの法則（下記式（１）参照）により、ガスの流量Ｑ（体積流量、単位：ｍ3／ｓ）を求める。式（１）中、ｎは層流管部５０の細管数（単位：本）、ｄiは細管の直径（単位：ｍ）、Ｌは層流管の長さ（単位：ｍ）、Ｐinは層流管部５０の入口側の圧力（単位：Ｐａ）、Ｐoutは層流管部５０の出口側の圧力（単位：Ｐａ）、μはガスの粘性係数（単位：Ｐａ・ｓ）である。なお、Ｋは層流管部５０の形状とガスの温度によって決まる定数であり、層流管部５０の細管の直径のばらつきがないときは、式（１）から簡易的に求めることができる。細管径が個々で形状が異なるときや、開口面積にばらつきがあるときは、計算が複雑になることから、流量が既知であるガスを層流管部５０に流したときのＰinとＰoutから△Ｐ（＝Ｐin−Ｐout）を計算し、ガスの温度と流量を変化させたときのＱと△Ｐの関係からＫを求めることができる。
【００２８】
【数１】
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【００２９】
続いて、制御部６０は、帯電微粒子捕集電極４０に流れる電流とガスの流量Ｑとに基づいてガス中の単位体積当たりの微粒子の数を求める。まず、制御部６０は、電荷発生部２０の気中放電によって発生される電荷１８の数がガス中に含まれると予想される微粒子１６の数を上回るように、放電電極２２と誘導電極２４との間に印加される放電用電源２６の電圧を調整する。第１通気路１３内に流入したガス中の微粒子１６は、電荷発生部２０を通過する際に電荷１８を帯びて帯電微粒子Ｐになる。帯電微粒子Ｐは、余剰電荷捕集電極３０に捕集されることなくガスの流れに沿って移動し、その後、帯電微粒子捕集電極４０に捕集される。一方、電荷発生部２０で発生した電荷１８のうち微粒子１６に付加しなかったものは、余剰電荷捕集電極３０に捕集されてＧＮＤに捨てられる。
【００３０】
制御部６０は、帯電微粒子捕集電極４０に接続された電流計４８から入力した検出電流とガスの流量Ｑとに基づいて単位体積当たりの微粒子数を求め、その数をディスプレイ６２に表示する。ガス中の単位体積当たりの微粒子数（単位：個／ｃｃ）は、下記式（２）により算出される。式（２）中、検出電流（単位：Ａ（＝Ｃ／ｓ））は、電流計４８から入力した電流である。平均帯電数（単位：個）は、１つの微粒子１６に付着する電荷１８の平均値であり、予め微小電流計と粒子数カウンタの測定値から算出可能な値である。素電荷量（単位：Ｃ）は、電荷素量とも呼ばれる定数である。流量（単位：ｃｃ／ｓ）は、上述したように算出されるガスの流量Ｑである。
微粒子数＝（検出電流）／｛（平均帯電数）×（素電荷量）×（流量）｝…（２）
【００３１】
以上説明した微粒子数検出器１０では、帯電微粒子捕集電極４０に流れる電流と層流管部５０を利用して求めたガスの流量Ｑとに基づいて、ガス中の単位体積当たりの微粒子１６の数を求める。この微粒子数検出器１０は、ガスの流量を測定する機能を備えているため、別途流量計を用意しなくても、ガス中の単位体積当たりの微粒子１６の数を求めることができる。
【００３２】
また、帯電微粒子捕集電極４０に流れる電流は、第１通気路１３を通過するガスを利用して求められ、ガスの流量Ｑは、第２通気路１４に設けられた層流管部５０の管路両端の圧力差ΔＰを利用して求められる。このように、帯電微粒子Ｐに流れる電流とガスの流量Ｑとをそれぞれ別の通気路を用いて求めるため、帯電微粒子Ｐに流れる電流とガスの流量Ｑとをより正確に求めることができる。
【００３３】
更に、筐体１２はセラミック製であるため、耐熱性が向上する。
【００３４】
更にまた、層流管部５０は、多数のセル５１を備えたセラミック製のハニカムフィルタであるため、耐熱性が向上する。ハニカムフィルタは、セラミック製の筐体１２に一体に形成することができるため、層流管部５０を容易に製造することができる。
【００３５】
そしてまた、帯電微粒子捕集電極４０は電界を利用して帯電微粒子Ｐを捕集するため、帯電微粒子捕集電極４０に帯電微粒子Ｐを効率よく捕集することができる。
【００３６】
なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。
【００３７】
例えば、上述した実施形態において、図５に示すように、筐体１２にヒータ７０を埋設してもよい。図５には、上述した実施形態と同じ構成要素については同じ符号を付した。ヒータ７０は、第１及び第２通気路１３，１４の左壁に埋設されている。こうしたヒータ７０を加熱することにより、帯電微粒子捕集電極４０に堆積した微粒子１６や層流管部５０に堆積した微粒子１６を一度に焼却して帯電微粒子捕集電極４０や層流管部５０をリフレッシュすることができる。なお、ヒータ７０に代えて又は加えて、第１通気路１３及び第２通気路１４の右壁にヒータを埋設してもよい。
【００３８】
上述した実施形態では、電界発生電極３２，４２を第１通気路１３の内面に沿って設けたが、第１通気路１３の壁（筐体１２）に埋設してもよい。また、図６に示すように、電界発生電極３２の代わりに、余剰電荷捕集電極３０を挟むように一対の電界発生電極３４，３６を第１通気路１３の壁に埋設し、電界発生電極４２の代わりに、帯電微粒子捕集電極４０を挟むように一対の電界発生電極４４，４６を第１通気路１３の壁に埋設してもよい。この場合、一対の電界発生電極３４，３６に電圧を印加して余剰電荷捕集電極３０上に電界を発生させると、余剰電荷捕集電極３０に電荷１８が捕集される。また、一対の電界発生電極４４，４６に電圧を印加して帯電微粒子捕集電極４０上に電界を発生させると、帯電微粒子捕集電極４０に帯電微粒子Ｐが捕集される。
【００３９】
上述した実施形態では、電荷発生部２０として、通気路１３の内面に沿って設けられた放電電極２２と筐体１２に埋設された２つの誘導電極２４，２４とにより構成したが、気中放電により電荷を発生するものであれば特にどのような構成でも構わない。例えば、誘導電極２４，２４を通気路１３の壁に埋設する代わりに、通気路１３の内面に沿って設けてもよい。その場合、誘導電極２４は、ガラスペーストを介して通気路１３の内面に接合してもよいし、通気路１３の内面にスクリーン印刷した金属ペーストを焼成して燒結金属として形成してもよい。あるいは、国際公開第２０１５／１４６４５６号パンフレットに記載されているように、電荷発生部を針状電極と対向電極とで構成してもよい。
【００４０】
上述した実施形態では、層流管部５０としてセラミック製のハニカムフィルタを例示したが、特にこれに限定されるものではない。例えば、金属製やガラス製のものを用いてもよいし、多角形（例えば四角形）断面の毛細管を束ねた構造のものを用いてもよい。
【００４１】
上述した実施形態では、帯電微粒子捕集電極４０上に電界を発生させたが、電界を発生させない場合でも、通気路１３のうち帯電微粒子捕集電極４０が設けられている部分の間隔（流路厚）を微小な値（例えば０．０１ｍｍ以上０．２ｍｍ未満）に調整すれば、帯電微粒子捕集電極４０に帯電微粒子Ｐを捕集することは可能である。すなわち、帯電微粒子Ｐはブラウン運動が激しいため、流路厚を微小な値にすることで帯電微粒子Ｐを帯電微粒子捕集電極４０に衝突させて捕集することができる。この場合、電界発生電極４２を備えなくてもよい。
【符号の説明】
【００４２】
１０  微粒子数検出器、１２  筐体、１３  第１通気路、１４  第２通気路、１４ａ  前方空間、１４ｂ  後方空間、１６  微粒子、１８  電荷、２０  電荷発生部、２２  放電電極、２４  誘導電極、２６  放電用電源、３０  余剰電荷捕集電極、３２，３４，３６  電界発生電極、４０  帯電微粒子捕集電極、４２，４４，４６  電界発生電極、４８  電流計、５０  層流管部、５１  セル、５２  第１孔、５３  第１圧力センサ、５４  第２孔、５５  第２圧力センサ、６０  制御部、６２  ディスプレイ、７０  ヒータ、Ｐ  帯電微粒子。
【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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