(57)【要約】【課題】粒子捕集部に帯電している帯電粒子の電荷を受けることのないファラデーカップ電流計を提供する。【解決手段】粒子捕集部１１の周囲は導電性部材１３により覆われ、複数の導電ピン１５によって固定されている。粒子捕集部１１と導電性部材１３は、絶縁材１７により電気的に絶縁され、絶縁材１７の周囲には導電性ケージ１９が備えられている。導電性ケージ１９とアース２１の間には、粒子捕集部１１が回収した電荷を検出するための電流計２３が備えられている。リード線２５の途中には接続のオン／オフを切り換えるスイッチ（電荷放出機構）２７が設けられている。電流計２３によって粒子捕集部１１に帯電した積算電流値を算出する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス流中の帯電粒子を捕集する粒子捕集部と、
前記粒子捕集部と電気的に絶縁され、その全周を覆う導電性ケージと、
前記粒子捕集部に帯電している電荷に誘因されて前記導電性ケージに周囲から移行してくる電荷を計測することで前記粒子捕集部に捕集された電荷量を計測する電流計と、
を備え、
前記粒子捕集部は帯電した電荷をアースに放出する電荷放出機構を有していることを特徴とするファラデーカップ電流計。
【請求項２】
前記粒子捕集部の周囲は導電性部材により覆われ、前記電荷放出機構は前記導電性部材とアースとの接続を切り換えるスイッチにより構成されている請求項１に記載のファラデーカップ電流計。
【請求項３】
前記粒子捕集部と前記導電性部材はピンにより固定されている請求項1又は２に記載のファラデーカップ電流計。
【請求項４】
前記粒子捕集部はフィルタ状又は円筒状に形成されている請求項１から３のいずれか一項に記載のファラデーカップ電流計。
【請求項５】
前記電荷放出機構は前記電流計が計測した所定の積算電流値を以って前記粒子捕集部に帯電した電荷をアースに放出するものである請求項１から４のいずれか一項に記載のファラデーカップ電流計。
【請求項６】
荷電対象粒子を帯電させる帯電機構と、
帯電粒子を電気移動度により分級するために互いに対向して配置された一対の対向電極、前記分級領域の一端側から前記分級領域に非荷電ガスをシースガスとして供給するシースガス供給部、前記分級領域の上流側から試料ガスを供給する試料ガス供給部、及び前記分級領域の下流側から帯電粒子の一部をシースガスの流れ方向に一定流量で吸引する吸引部を備えた粒子分級機構と、
前記吸引部の下流に設けられた請求項１から５のいずれかに記載のファラデーカップ電流計と、
を備えた粒子測定装置。
【請求項７】
前記帯電機構には極性を反転させる単極帯電機構が備えられている請求項６に記載の粒子測定装置。
【請求項８】
前記対向電極には逆電位を印加させる電源が備えられている請求項６又は７に記載の粒子測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は試料ガス供給量を測定する装置に関し、例えば環境ガスに含まれる粒子数を測定する粒子測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
エアロゾルとは、一般に分散媒体が気体で、分散質が液体又は固体のコロイドを意味し、例えば自動車排ガスなどの環境ガスを示す。
粒子数を測定する装置としては、測定対象エアロゾル中の粒子を帯電させ、帯電した帯電粒子の電場中での移動速度の違いを利用して分級した後に測定する電気移動度測定装置が用いられている。電気移動度と粒子径との間には一定の関係があるので、電気移動度を指定することで微粒子径を指定することができる。
【０００３】
電気移動度測定装置には、特定の電気移動度及びそのごく近傍の電気移動度をもつ微粒子を選び出すことができる微分型電気移動度測定装置（ＤＭＡ；Differential mobility analyzer）（特許文献１参照。）と、ある電気移動度よりも小さい電気移動度をもつ微粒子を選び出すことができる積分型電気移動度測定装置がある。
これらに用いる粒子濃度係数器として、図４に示すようなファラデーカップ電流計が用いられてきた。
【０００４】
このファラデーカップ電流計では、粒子捕集部１１はガス流中の帯電粒子を捕集できるようにフィルタ状に形成されている。粒子捕集部１１の上部には粒子捕集部１１を固定するための金網（導電性部材１３）が置かれている。
粒子捕集部１１とその上部の導電性部材１３は、絶縁材１７により電気的に絶縁され、絶縁材１７の周囲には導電性ケージ１９が備えられている。導電性ケージ１９とアース２１の間には、粒子捕集部１１が回収した電荷を検出するための電流計２３が備えられており、この電流値に粒子の価数を演算することで粒子数が求められる。
また装置全体は、カバー３１によって囲まれており、導入口３３からガス導入を行ない、排出口３５からガス排出を行なうようになっている。
【０００５】
【特許文献１】特許第３４５９３５９号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来、図４に示すファラデーカップ電流計は研究用途に用いられることが多く、連続測定時間もせいぜい数時間であり、導入ガス流量の少なさと相まって、フィルタ中に残存している帯電粒子のチャージが計測に影響を与えることはなかった。
しかし、自動車排ガス測定用途などでは、大流量の試料ガスを処理する必要がある。その場合、フィルタに大流量のガスを流しながら低圧損を実現するため、フィルタを波型に屈曲させたものや、フィルタを円筒状に加工したものを使用する必要性があった。
そしてそれに伴い、フィルタ中にチャージする帯電粒子の電荷は飽和状態となり、測定が不能となる事態が生じた。
【０００７】
そこで本発明は、粒子捕集部に帯電している帯電粒子の電荷を受けることのないファラデーカップ電流計を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のファラデーカップ電流計は、ガス流中の帯電粒子を捕集する粒子捕集部と、粒子捕集部と電気的に絶縁され、その全周を覆う導電性ケージと、粒子捕集部に帯電している電荷に誘因されて導電性ケージに周囲から移行してくる電荷を計測することで粒子捕集部に捕集された電荷量を計測する電流計と、を備えている。そして、上記粒子捕集部は帯電した電荷をアースに放出する電荷放出機構を有している。
【０００９】
粒子捕集部の周囲は導電性部材により覆われ、電荷放出機構は導電性部材とアースとの接続を切り換えるスイッチにより構成することができる。
【００１０】
粒子捕集部と導電性部材は、例えばピンにより固定することができる。
【００１１】
粒子捕集部はフィルタ状又は円筒状に形成することができる。
【００１２】
電荷放出機構は電流計が計測した所定の積算電流値を以って粒子捕集部に帯電した電荷をアースに放出するものである。
【００１３】
本発明の粒子測定装置は、荷電対象粒子を帯電させる帯電機構と、帯電粒子を電気移動度により分級するために互いに対向して配置された一対の対向電極、分級領域の一端側から分級領域に非荷電ガスをシースガスとして供給するシースガス供給部、分級領域の上流側から試料ガスを供給する試料ガス供給部、及び分級領域の下流側から帯電粒子の一部をシースガスの流れ方向に一定流量で吸引する吸引部を備えた粒子分級機構と、吸引部の下流に設けられた本発明のファラデーカップ電流計とを備えている。
【００１４】
供給するガスの電荷を変えるために、帯電機構には極性を反転させる単極帯電機構を備えるようにしてもよい。
【００１５】
分級する粒子の電荷を変えるために、対向電極には逆電位を印加させる電源を備えるようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、粒子捕集部に帯電している帯電粒子を放出することができるので、粒子同士の反発力による粒子捕集能の低下や電荷チャージによる測定電流誤差が解消され、精度の高い粒子測定を行なうことができる。
【００１７】
導電性部材とアースとの接続をスイッチにより切り換えるようにすると、必要なときに粒子捕集部から電荷を放出することができるようになる。
【００１８】
粒子捕集部と導電性部材をピンによって固定すれば、粒子捕集部に帯電している電荷を効率よく導電性部材を介して外部に放出できるようになる。
【００１９】
所定の積算電流値を以って粒子捕集部に帯電した電荷をアースに放出するようにすれば、粒子捕集部に過剰の電荷が帯電することを未然に防ぐことができ、より精度の高い粒子測定を行なうことができる。
【００２０】
帯電機構と、粒子分級機構と、本発明のファラデーカップ電流計とを備えた粒子測定装置にすれば、帯電粒子を分級するとともに粒子数を測定することができる。
【００２１】
帯電機構に極性を反転させる単極帯電機構を備えるようにすれば、どちらか一方の極性に帯電している粒子捕集部を、もう一方の極性によって消滅することができるようになる。
【００２２】
対向電極に逆電位を印加させる電源を備えるようにすれば、粒子の荷電極性を変えることができ、粒子捕集部における電荷チャージを解消することができ、より精度の高い粒子測定を行なうことができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下に本発明を実施例に基づいて詳細に説明する。
図１はファラデーカップ電流計の一実施例の垂直断面図を示している。
粒子捕集部１１はガス流中の帯電粒子を捕集できるようにフィルタ状に形成されている。粒子捕集部１１の周囲は導電性部材１３により覆われ、複数の導電ピン１５によって固定されており、粒子捕集部１１内の電荷を外部に排出しやすくしている。
【００２４】
粒子捕集部１１としては一般の市販エアフィルタを用いることができ、サイズ、形状及び材質は粒子及びそれを含む流体の種類や流量によって選定する。０．３μｍＤＯＰ捕捉効率９９．９％程度を有することが望ましい。
例えば、ADVANTEC  ガラス繊維濾紙プリーツ  コンパクトカートリッジフィルターMCGや、Pall Corporation製グラスファイバーフィルター  Type A/E等が挙げられる。
導電性部材１３としては、金網などの金属材料をメッシュ状又はハニカム状に形成したものや、細い導線を巻いたもの、導電ピン１５と一体となっているもの等を挙げることができる。導電性部材１３にメッシュ状又はハニカム状のものを用いる場合、粒子捕集部１１に帯電した電荷を捕集するのに充分な間隔（例えば、１０μｍ〜２ｍｍ）であればよい。
導電ピン１５としては、ねじや釘のようなものを挙げることができる。
【００２５】
粒子捕集部１１とその周囲の導電性部材１３は、絶縁材１７により電気的に絶縁され、絶縁材１７の周囲には導電性ケージ１９が備えられている。絶縁材１７の材料としては、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）やＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）材を用いることができる。
導電性ケージ１９とアース２１の間には、粒子捕集部１１が回収した電荷を検出するための電流計２３が備えられている。電流計２３の電流値に粒子の価数を演算することで粒子数を求めることができる。
【００２６】
導電性部材１３には電荷を排出するリード線２５の一端を接続し、リード線２５の他端はアース２１に接続する。また、リード線２５の途中には接続のオン／オフを切り換えるスイッチ（電荷放出機構）２７を設ける。
リード線２５上に設けられているスイッチ２７のオン／オフは、人為的に行なうようにしてもよいし、電流計２３が所定の積算電流値を示した時に自動的にスイッチを切り換えるようにしてもよい。
【００２７】
なお、上述のファラデーカップ電流計の構成において、導電ピン１５の周囲に隙間が生じるとそこから粒子が捕集されることなく排出されてしまうので、導電ピン１５の周囲は気密が確保されるようにする必要がある。例えば、柔軟性を有するテフロン（登録商標）フィルタに対し、金属ピンを圧挿すればよい。また、粒子数を計測している最中においては電荷を蓄積する必要があるため、通常はスイッチ２７を開けた状態としておく。この際、リード線２５とケージ１９が接触しないようにする。
【００２８】
また、ファラデーカップ電流計全体はカバー３１に囲まれており、導入口３３からガスが導入され、排出口３５からガスが排出されるようになっている。
【００２９】
次に同実施例の動作について説明する。
ガス導入部３３から、例えばプラスにチャージされている微粒子を含むガスを導入し、粒子捕集部１１で荷電微粒子を捕集する。
粒子捕集部１１に捕集された微粒子の電荷は、粒子捕集部１１に帯電している電荷に誘因されて導電性ケージ１９に周囲から移行してくる電荷を電流計２３によって測定することで求められる。
【００３０】
電流計２３では荷電による積算電流値が計測される。その積算電流値が予め定めた閾値を超えた時、スイッチ２７を閉じることで、積算電流をアース２１に解放する。この解放動作は人為的に行なってもよいし、自動的に行なうようにしてもよい。これにより、粒子捕集部１１に蓄積した電荷は、導電ピン１５、導電性部材１３及びリード線２５を介してアース２１に放出され、粒子捕集部１１の帯電は解消される。
【００３１】
上記の動作ではスイッチ２７を閉じることにより電荷を放出し、粒子捕集部１１の帯電を解消したが、ガス導入部３３から導入する微粒子の荷電を制御してもよい。具体的には、プラスにチャージされた微粒子を含むガスを導入した後、マイナスにチャージされた微粒子を含むガスを導入するようにすればよい。これにより、粒子捕集部１１の荷電はプラスとマイナスのチャージで相殺され、帯電は解消される。
【００３２】
次に他の実施例を説明する。
図２は粒子測定装置の垂直断面図である。
円筒状の筐体４１の内部には、円柱状の中心電極４３が筐体４１の中央線４２と一致するように設けられている。筐体４１の内面は外側電極４４となっており、中心電極４３と外側電極４４が対向電極を構成している。中心電極４３と外側電極４４により帯電粒子を電気移動度により分級する電界を発生しており、両電極４３，４４間に形成される回転体状の空間が分級領域４５である。中央線４２は、円筒状の筐体４１内においては円筒状に形成されている。
【００３３】
筐体４１の上部には非荷電ガスをシースガスとして一定流量Ｑｃで導入するためのシースガス供給部４７が設けられ、分級領域４５の上流側にはシースガスを層流化するための絶縁性の第１整流機構４９が設けられている。第１整流機構４９は垂直方向に互いに平行に並べられた複数の板から構成されている。第１整流機構４９を経たシースガスは層流となって分級領域４５に供給される。
【００３４】
分級領域４５の上流側には吐出方向がシースガス流と平行になるように試料ガス供給部５１の吐出口５１ａが設けられており、その先端は導入される試料ガスの流速とシースガスの流速との流速差が０になるように両ガスの流速が設定されている。試料ガスはシースガス流と平行に一定流量Ｑａで帯電機構４０から供給される。この帯電機構４０には、極性を反転させる単極帯電機構（図示は略）が設けられており、荷電微粒子のチャージの制御をすることができる。
【００３５】
分級領域４５の下流側には吸引方向がシースガス流と平行になるように吸引部５７の吸込み口５７ａが設けられており、吸引される帯電粒子の流速とシースガスの流速との流速差が０になるように吸引速度が設定されている。帯電粒子はシースガス流と平行に一定流量Ｑｓで吸引される。
吸引部５７の下流にはシースガスとともに送られてきた帯電粒子数を電気量として検出する検出器５８が配置されている。この検出器５８は図１に示したファラデーカップ電流計である。
筐体４１の下部、すなわちシースガス流の下流側には、分級領域４５の下端の外側にシースガス排出部５３が設けられ、ガスが一定流量Ｑｅで排出される。
【００３６】
中心電極４３は上端が絶縁部材５０とガスの流れを層流化する第１整流機構４９により筐体４１に支持され、中心電極４３の下端は絶縁部材５９とシースガスの流れを層流化する第１整流機構４９と同様の構造をもつ第２整流機構５６により筐体４１に支持されていることによって、中心電極４３と外部電極となる筐体４１との間が電気的に絶縁されている。
【００３７】
例えば、中心電極４３の直径は５０ｍｍ、外側電極４４の内側の直径は６６ｍｍであり、中心電極４３の円柱状部分では中心電極４３と外側電極４４の間隔は８ｍｍ程度で一定になっている。両電極４３，４４間には１〜１５００Ｖの分級電圧が印加される。
【００３８】
吸引部５７及びシースガス排出部５３の下流には吸引機構としてポンプ６３，６１がそれぞれ設けられている。
吸引部５７とポンプ６３の間の検出器５８は、分級された粒子の電荷を検出し、粒子数を算出することができる。
【００３９】
また、対向電極４３，４４間には、逆電位を印加させる電源６７が設けられており、対向電極４３，４４間の電位を制御することができるようになっている。
【００４０】
次に同実施例の動作を説明する。両電極４３，４４間に電圧をかけると、分級領域４５には帯電粒子を電気移動度により分級する水平方向の電界が発生する。
帯電機構４０から、例えばプラスにチャージした微粒子を含むガスを導入する。試料ガス供給部５１の吐出口５１ａから分級領域４５に導入された試料ガスのうち、分級された帯電粒子は吸引部５７の吸込み口５７ａから吸入され、検出器５８に送られる。
検出器５８では粒子捕集部１１によりガス中の荷電微粒子は捕集され、電流計２３によって電荷と粒子数が測定される。
【００４１】
電流計２３では荷電による積算電流値が計測される。この積算電流値が予め定めた閾値を超えた時、今度は帯電機構４０からマイナスにチャージした微粒子を含むガスを導入する。これにより、粒子捕集部１１の電荷は相殺され、帯電は解消される。
また、電源６７により逆電位を印加するようにした場合も、粒子捕集部１１の電荷は相殺され、帯電は解消される。
【００４２】
次にファラデーカップ電流計の他の実施例を説明する。
図３は波型円筒加工フィルタ型ファラデーカップ電流計のフィルタ部の斜視図である。
粒子捕集部１１はサポートメディア４１，４２により３重構造となって、ジャバラ状に重ねられている。
この３重構造の粒子捕集部１１は、コア４７とプロテクター４３によって挟まれて円筒型に固定されている。また、装置の上部にはＯ−リング４５が設けられ、他の装置と接続可能になっている。
【００４３】
円筒型電流計の周囲は導電性部材１３ｂにより覆われており、円筒の内部には導電性部材１３ａを挿入できるようになっている。導電性部材１３ａと導電性部材１３ｂは粒子捕集部１１を貫通する導電性ピン１５によって接続され、固定されている。
また、導電性部材１３ｂとアース２１はリード線２５とスイッチ２７を介して接続している。スイッチ２７と閉じると、導電性部材１１に帯電した積算電流を放出することができる。これにより、粒子同士の反発力による粒子捕集能の低下や電荷チャージによる測定電流誤差を解消することができ、精度の高い粒子測定を行なうことができる。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明は自動車排ガス等のエアロゾルに含まれる微粒子数をリアルタイムに測定する装置などとして利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】ファラデーカップ電流計の垂直断面図を示している。
【図２】粒子測定装置の垂直断面図である。
【図３】波型円筒加工フィルタ型ファラデーカップ電流計のフィルタ部の斜視図である。
【図４】従来のファラデーカップ電流計の垂直断面図を示している。
【符号の説明】
【００４６】
１１      粒子捕集部
１３      導電性部材
１５      導電ピン
１７      絶縁材
１９      導電性ケージ
２１      アース
２３      電流計
２５      リード線
２７      スイッチ
３１      ケース
【図１】
2008145347.tif 000003
【図２】
2008145347.tif 000004
【図３】
2008145347.tif 000005
【図４】
2008145347.tif 000006