(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電微粒子を電気移動度により分級する電界を発生して分級領域を形成するために互いに対向して配置された一対の対向電極と、
前記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と、
前記対向電極の一方の電極又はその電極の近傍に導入口をもち、その導入口から帯電エアロゾルを供給するエアロゾル供給部と、
シースガス流の下流側において前記一方の電極又はその電極の近傍に排出口をもち、分級された前記帯電エアロゾル中の荷電微粒子の所定粒径以上の部分をシースガスの一部とともに排出する大粒径側排出部と、
前記分級領域の他端側に配置され、残余の荷電微粒子をシースガスとともに取り出す取出し口と、
を備えた分級装置。
【請求項２】
前記大粒径側排出部は、分級された前記帯電エアロゾル中の荷電微粒子の所定粒径以上の部分をシースガスの一部とともに一定流量で排出するものである請求項１に記載の分級装置。
【請求項３】
前記取出し口から取り出された荷電微粒子の粒子分布幅を調整する粒子径選択手段をさらに備えた請求項１又は２に記載の分級装置。
【請求項４】
前記粒子径選択手段は前記大粒径側排出部から排出されるガス流量及び／又は前記対向電極に印加される電圧により粒子分布幅を調整するものである請求項３に記載の分級装置。
【請求項５】
前記粒子径選択手段は前記大粒径側排出部の下流に接続されたポンプの流量を制御して荷電微粒子の所定粒径以上の部分をシースガスの一部とともに排出するものである請求項４に記載の分級装置。
【請求項６】
前記粒子径選択手段は前記対向電極に接続された電源装置を制御して荷電微粒子の所定粒径以下の部分を電極に吸着させるものである請求項４に記載の分級装置。
【請求項７】
シースガス流の下流側において前記対向電極の他方の電極又はその電極の近傍に排出口をもち、所定粒径以下の荷電微粒子で電極に吸着されなかったものをシースガスの一部とともにその排出口から排出する小粒径側排出部をさらに備えた請求項１から６のいずれか一項に記載の分級装置。
【請求項８】
シースガス流の下流側において前記対向電極の他方の電極又はその電極の近傍に排出口をもち、所定粒径以下の荷電微粒子で電極に吸着されなかったものをシースガスの一部とともにその排出口から排出する小粒径側排出部をさらに備え、
前記粒子径選択手段は前記小粒径側排出部の下流に接続されたポンプの流量を制御して排出される微粒子の粒径を制御するものである請求項３から６のいずれか一項に記載の分級装置。
【請求項９】
前記分級領域と前記取出し口との間に互いに対向して配置され、分級された荷電微粒子を収束させて前記取出し口に導くように前記分級領域形成用の電極とは逆方向の電界を発生させる収束電極をさらに備えた請求項１から８のいずれか一項に記載の分級装置。
【請求項１０】
前記収束電極と前記取出し口との間に、収束された荷電微粒子をシースガス流の一部とともに選択的に取り出して前記取出し口に導く取出し口用スリットを設けた請求項９に記載の分級装置。
【請求項１１】
請求項１から１０のいずれか一項に記載の分級装置と、
前記取出し口の下流に設けられ、シースガスとともに送られてきた残余の粒子数を検出する検出器と、
を備えた微粒子測定装置。
【請求項１２】
前記検出器はファラデーカップエレクトロメーターである請求項１１に記載の微粒子測定装置。
【請求項１３】
測定対象となるエアロゾルについて予め求められた帯電率を保持し、前記検出器で測定された電気量に基づいて測定されたエアロゾルの微粒子数濃度を算出するデータ処理装置を備えた請求項１１又は１２に記載の微粒子測定装置。
【発明の詳細な説明】
技術分野
［0001］本発明は、環境ガスに含まれる微粒子の所定の粒径範囲を取り出す分級装置、及び当該分級装置で得られた微粒子数を測定する装置、例えば自動車排ガスに含まれる微粒子数をリアルタイムに測定する微粒子測定装置に関する。
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であり、例えば自動車排ガスなどのことである。
微粒子数を分級する装置としては、測定対象エアロゾル中の微粒子を帯電させ、帯電した荷電微粒子の電場中での移動速度の違いを利用して分級するものが知られている。また、微粒子を測定する装置としては、微粒子分級した後に電気移動度等を測定する電気移動度測定装置が知られている。電気移動度と微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。
［0004］自動車排ガスに含まれる微粒子の粒径分布モードには、一般的に、微粒子径として10nm付近を中心として広がりをもつニュークレイ（Nuclei）モードと、70nm付近を中心としてほぼ30〜100nmの範囲の広がりをもつアキュムレーション（Accumulation）モードという、2つの特徴的な微粒子径分布がある。これらはその生成メカニズムや組成が異なることから、2つの粒径分布モードは互いに分離をし、それぞれの微粒子数全体をリアルタイムに測定することが要求されている。
［0005］アキュムレーションモードの粒径分布モードを測定するには、例えば30〜100nmの範囲の粒径をもつ微粒子は一定の透過率で透過させ、その粒径範囲の両側の粒径をもつ微粒子は透過させないという透過特性をもたせた測定器が必要である。
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］微分型電気移動度測定装置でも、シースガス、エアロゾルガス及び検知ガス（粒子数検知器に導かれるガス）の流量比を変えることで、広がりをもった粒径範囲を透過させる台形型の透過特性を得ることができるが、その場合でも透過できる粒径範囲は例えば80〜100nmと狭く、アキュムレーションモードの粒径分布モードのような例えば30〜100nmというような広い粒径範囲を同時に測定することや取り出したりすることは困難である。
［0007］本発明は微粒子の所定の粒径範囲を分級して取り出す分級装置と、分級装置で得られたエアロゾルの粒径範囲の粒子数を同時に測定することのできる微粒子測定装置を提供することを目的とするものである。
課題を解決するための手段
［0008］本発明の分級装置は、電気移動度測定装置の基本原理を用いながら広い粒径範囲の微粒子を分級するものであって、荷電微粒子を電気移動度により分級する電界を発生して分級領域を形成するために互いに対向して配置された一対の対向電極と、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と、上記対向電極の一方の電極又はその電極の近傍に導入口をもち、その導入口から帯電エアロゾルを供給するエアロゾル供給部と、シースガス流の下流側において上記一方の電極又はその電極の近傍に排出口をもち、分級された上記帯電エアロゾル中の荷電微粒子の所定粒径以上の部分をシースガスの一部とともに排出する大粒径側排出部と、上記分級領域の他端側に配置され、残余の荷電微粒子をシースガスとともに取り出す取出し口とを備えている。
［0009］分級された帯電エアロゾル中の荷電微粒子の所定粒径以上の部分をシースガスの一部とともに排出するとき、粒径分布幅を一定に保つ一つの方法は、排出流量を一定にする方法である。
［0010］上述の「その電極の近傍」とはその電極と同じ側で電極に近い位置を意味している。すなわち、導入口の設置位置に関しては分級領域に帯電エアロゾルを供給する作用を果たすことのできる位置であることを意味し、大粒径側排出部の排出口の設置位置に関しては分級された帯電エアロゾル中の所定粒径以上の部分をシースガスの一部とともに排出する作用を果たすことのできる位置であることを意味している。
［0011］上述の「帯電エアロゾル」とは帯電器を経てこの分級装置に供給されるエアロゾルである。帯電エアロゾルには帯電して荷電微粒子となったのと帯電していない微粒子とが含まれている。帯電器を経る前のエアロゾルの含まれていた全微粒子のうち荷電微粒子となったものの割合が帯電率である。
［0012］本発明はエアロゾル中の荷電微粒子の粒径分布のうち、大粒径側だけでなく、小粒径側も除去した所定の粒径範囲における微粒子を取り出し、又は微粒子数を求めようとするものである。
そのため、本発明の分級装置は、上記取出し口から取り出された荷電微粒子の粒子分布幅を調整する粒子径選択手段をさらに備えていることが好ましい。
［0013］その粒子径選択手段とは、大粒径側排出部から排出されるガス流量及び／又は対向電極に印加される電圧により粒子分布幅を選択する手段のことである。ここでの「及び／又は」とは、ガス流量及び電圧の一方又は両方を含むことを意味している。
［0014］上記粒子径選択手段の一例は、大粒径側排出部の下流に接続されたポンプの流量を制御して荷電微粒子の所定粒径以上の部分をシースガスの一部とともに排出するものである。この場合、ポンプの流量を大きくすると排出される粒径の範囲は粒径の大きい側で広くなり、取出し口からは粒径の大きい側の荷電粒子が広い範囲で除去された状態で取り出される。また、ポンプの流量を小さくすると排出される粒径の範囲は大きい側で広くならず、取出し口からは粒径の大きい側の荷電粒子が狭い範囲で除去された状態で取り出される。
［0015］上記粒子径選択手段の他の例は上記対向電極に接続された電源装置を制御して荷電微粒子の所定粒径以下の部分を電極に吸着させるものである。この場合、印加電圧を大きくすると電極に吸着される粒径の範囲が粒径の小さい側で広くなり、取出し口からは粒径の小さい側の荷電微粒子が広い範囲で除去された状態で取り出される。また、印加電圧を小さくすると電極に吸着される粒径の範囲が小さい側で広くならないので、取出し口からは粒径の小さい側の荷電微粒子が狭い範囲で除去された状態で取り出される。
［0016］このように、所定粒径範囲よりも大粒径側の微粒子は大粒径側排出部より除去されるものであり、小粒径側の微粒子は分級領域で分級され対向電極の他方の電極に吸引されて吸着されることにより除去されるものである。
［0017］大粒径側排出部から除去される大粒径側の粒径及び対向電極の他方の電極により除去される小粒径側の粒径は、分級領域に供給されるシースガス流量Qe、エアロゾル供給部から導入口を経て分級領域に供給される帯電エアロゾルガス流量Qa、大粒径側排出部から排出する流量Qe及び対向電極に印加する電圧を調整することにより設定することができる。このような粒子の粒径調整は、取出し口に接続される検出器に導かれるガスを、従来の微分型電気移動度測定装置に導いてその粒径分布を測定しながら行なうことができる。
［0018］また、小粒径側の微粒子の除去をより確実にするために、シースガス流の下流側において対向電極の他方の電極又はその電極の近傍に排出口をもち、所定粒径以下の荷電微粒子で電極に吸着されなかったものをシースガスの一部とともにその排出口から排出する小粒径側排出部をさらに備えるようにしてもよい。小粒径側排出部を備えて小粒径側の粒子を除去する場合、電極に微粒子を吸着して小粒径側の粒子を除去する上述の方法と併用してもよいし、どちらか一方を単独で用いてもよい。なお、両方法を併用することで、小粒径側の微粒子の除去はより確実に行なうことができる。
［0019］上述の小粒径側排出部の排出口の設置位置に関して、「その電極の近傍」とはその電極と同じ側で電極に近い位置を意味し、分級された帯電エアロゾル中の荷電微粒子の所定粒径以下の部分をシースガスの一部とともに排出する作用を果たすことのできる位置であることを意味している。
［0020］また、上述の小粒径側排出部の排出口の設置位置に関して、上記粒子径選択手段は、上述の小粒径側排出部の下流に接続されたポンプの流量を制御することで取り出される微粒子の粒径を制御するようにしてもよい。この場合、ポンプの流量を大きくすると排出される粒径の範囲は粒径の小さい側で広くなり、取出し口からは粒径の小さい側の荷電粒子が広い範囲で除去された状態で取り出される。また、ポンプの流量を小さくすると排出される粒径の範囲は小さい側で広くならず、取出し口からは粒径の小さい側の荷電粒子が狭い範囲で除去された状態で取り出される。
［0021］分級した荷電微粒子が装置の壁面等に付着すると取出し口から正確に回収することが出来ない場合があるので、収束電極を分級領域と取出し口との間に互いに対向して配置し、分級された荷電微粒子を収束させて取出し口に導くように分級領域形成用の電極とは逆方向の電界を発生させるようにしてもよい。
［0022］また、収束電極により収束された荷電微粒子部分のみを検出器に導き、荷電微粒子を含まない部分のシースガスは検出器に導かないようにするために、収束電極と取出し口との間に、収束された荷電微粒子をシースガス流の一部とともに選択的に取り出して取出し口に導く取出し口用スリットを設けるようにしてもよい。
［0023］上記検出器の好ましい一例として、荷電微粒子数を電気量として測定するファラデーカップエレクトロメーターを挙げることができる。
［0024］本発明はエアロゾルの粒径分布のうち、大粒径側だけでなく、小粒径側も除去した所定の粒径範囲にある微粒子を求めようとするものである。
そこで本発明の微粒子測定装置は、本発明の分級装置と、上記取出し口の下流に設けられ、シースガスとともに送られてきた残余の粒子数を検出する検出器とを備えている。
［0025］その場合、集束電極を分級領域と取出し口との間に互いに対向して配置し、分級された荷電微粒子を収束させて取出し口に導くように分級領域形成用の電極とは逆方向の電界を発生させるようにようにすれば、これまでは分級されたままの荷電微粒子を全て検出するには大きな検出器が必要であったが、小さい検出器でも検出することができるようになる。
さらに、収束電極により収束された荷電微粒子部分のみを検出器に導く取出し口用スリットを設けるようにすれば、検出器に導かれるシースガス流量を少なくすることができるので、検出器の大きさをさらに小さくすることができる。
［0026］本発明の微粒子測定装置で最終的に求めたい物理量は、帯電される前のエアロゾル中の所定範囲の微粒子であり、検出器で得られる出力は帯電後のエアロゾル中の荷電微粒子数に対応した電気量である。そのため、検出器による出力を帯電前のエアロゾル中の微粒子数に変換する処理が必要になる。この計算は測定対象となるエアロゾルについて、この測定装置の帯電器で帯電させたときの帯電率を予め求めておくことにより行なうことができる。その計算を自動的に行なわせるために、この測定装置が測定対象となるエアロゾルについて予め求められた帯電率を保持し、検出器で測定された電気量に基づいて測定されたエアロゾルの微粒子数濃度を算出するデータ処理装置を備えていることが好ましい。
［0027］また、「帯電率」は、帯電前のエアロゾル中の全微粒子数と、帯電後のエアロゾルから荷電微粒子を除去した後のエアロゾル中の全微粒子数との比率から求めることができる。帯電エアロゾルからの荷電微粒子の除去は帯電エアロゾルを電界に通すことにより行なうことができる。また、帯電していないエアロゾル中の全微粒子数は、例えば光の散乱を利用した計数計により求めることができる。
［0028］帯電率を保持し、検出器で測定された電気量に基づいて測定されたエアロゾルの粒子数濃度を算出するデータ処理装置を備えている場合には、エアロゾルの粒子数濃度を自動的にオンラインで求めることができるようになる。
発明の効果
［0029］本発明の分級装置は、対向電極、シースガス供給部、エアロゾル供給部及び取出し口を備えて電気移動度測定装置の基本原理にしたがって帯電エアロゾル中の荷電微粒子を分級するものであるが、分級された荷電微粒子の所定粒径以上の部分を大粒径側排出部により除去するようにした。そして、対向電極の他方の電極に吸引されて吸着されることなどにより小粒径側の微粒子が除去されるのと合わせると、帯電エアロゾル中の所定範囲の微粒子を取り出したり、所定範囲の粒径をもつ荷電微粒子の総量を測定したりすることができる。
このとき、取り出される微粒子の粒径範囲は、除去しようとする大粒径側の粒径範囲と小粒径側の粒径範囲を、シースガス流量、帯電エアロゾルガス流量、大粒径側排出部からの排出流量又は印加電圧のいずれかにより設定すれば、測定範囲を例えば30〜100nmというような充分に広い範囲に設定することができる。
【図面の簡単な説明】
［0030］［図1］分級装置の一実施例を概略図に示す図であり、（A）は垂直断面図、（B）は（A）のX−X’における水平断面図である。
［図2］微粒子測定装置の一実施例を概略図に示す図であり、（A）は垂直断面図、（B）は（A）のX−X’における水平断面図である。
［図3A］微粒子径が100nmと120nmの荷電微粒子について、シースガス流量を100L／分、大粒径側排出部13の排出流量を5.0L／分とし、エアロゾルガス流量を0.8L／分とした場合の微粒子軌跡を示したシミュレーション結果の図である。
［図3B］微粒子径が100nmと120nmの荷電微粒子について、シースガス流量を100L／分、大粒径側排出部13の排出流量を5.0L／分とし、エアロゾルガス流量を0.9L／分とした場合の微粒子軌跡を示したシミュレーション結果の図である。
［図3C］微粒子径が100nmと120nmの荷電微粒子について、シースガス流量を100L／分、大粒径側排出部13の排出流量を5.0L／分とし、エアロゾルガス流量を1.0L／分とした場合の微粒子軌跡を示したシミュレーション結果の図である。
［図3D］微粒子径が100nmと120nmの荷電微粒子について、シースガス流量を100L／分、大粒径側排出部13の排出流量を5.0L／分とし、エアロゾルガス流量を1.1L／分とした場合の微粒子軌跡を示したシミュレーション結果の図である。
［図3E］微粒子径が100nmと120nmの荷電微粒子について、シースガス流量を100L／分、大粒径側排出部13の排出流量を5.0L／分とし、エアロゾルガス流量を1.2L／分とした場合の微粒子軌跡を示したシミュレーション結果の図である。
［図4A］微粒子径が20,21,22,100及び120nmの荷電微粒子について、エアロゾルガス流量を1.0L／分、大粒径側排出部13の排出流量を5.0L／分とし、シースガス流量を96L／分としたときの微粒子軌跡を示したシミュレーション結果の図である。
［図4B］同シミュレーション結果の排出口での微粒子軌跡を示す図である。
［図4C］微粒子径が20,21,22,100及び120nmの荷電微粒子について、エアロゾルガス流量を1.0L／分、大粒径側排出部13の排出流量を5.0L／分とし、シースガス流量を100L／分としたときの微粒子軌跡を示したシミュレーション結果の図である。
［図4D］同シミュレーション結果の排出口での微粒子軌跡を示す図である。
［図4E］微粒子径が20,21,22,100及び120nmの荷電微粒子について、エアロゾルガス流量を1.0L／分、大粒径側排出部13の排出流量を5.0L／分とし、シースガス流量を104L／分としたときの微粒子軌跡を示したシミュレーション結果の図である。
［図4F］同シミュレーション結果の排出口での微粒子軌跡を示す図である。
［図5］シースガス流量を100L／分、エアロゾルガス流量を1.0L／分とし、大粒径側排出部の排出流量を変化させた場合の透過率の変化を示すグラフである。
［図6A］シースガス流量100L／分、エアロゾルガス流量1.0L／分、大粒径側排出部の排出流量5.0L／分での微粒子径が20,21,100及び120nmの荷電微粒子の軌跡を示すシミュレーション結果の図である。
［図6B］同シミュレーション結果の排出口での微粒子軌跡を示す図である。
［図7］運転条件と粒子特性（透過率特性）との関係結果であり、縦軸はエアロゾル供給部から供給されたエアロゾルに含まれる微粒子の内、取出し口から取り出される割合（透過率）を示し、横軸は取り出される粒径nmを示している。
［図8］他の実施例を概略的に示す図であり、（A）は垂直断面図、（B）は（A）のX−X’における水平断面図を示す。
［図9］さらに他の実施例を概略的に示す図であり、（A）は垂直断面図、（B）は（A）のX−X’における水平断面図を示す。
［図10］本発明の分級装置に荷電機構、ガス供給機構及び粒子捕集部を接続した粒子捕集装置の概略図である。
［図11］本発明の分級装置に荷電機構、ガス供給機構及び流量計測機構を接続した粒子選別装置の概略図である。
符号の説明
［0031］1     筐体
3     中心電極
4     外側電極
5     分級領域
7     シースガス供給部
9     整流子
11    エアロゾル供給部
11a     導入口
12,24     収束電極
13    大粒径側排出部
13a     排出口
14    小粒径側排出部
14a     排出口
16    取出し口用スリット
17    シースガス排出部
19    絶縁体
21,22,23    ポンプ
26    データ処理装置
35    取出し口
31    電源装置
33    制御部
発明を実施するための最良の形態
［0032］以下に本発明を実施例に基づいて詳細に説明する。
図1は分級装置の一実施例の概略図を示しており、（A）は垂直断面図、（B）は（A）のX−X’における水平断面図である。
円筒状の筐体1の内部には、円柱状の中心電極3が筐体1の中心軸と一致するように設けられている。筐体1の内面は外側電極4となっており、中心電極3と外側電極4により対向電極を構成している。中心電極3と外側電極4は荷電微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3,4間に形成される回転体状の空間が分級領域5となっている。両電極3,4は電源装置31に接続され、電源装置31は制御部33に接続されている。両電極3,4間に電圧を印加する電源装置31は制御部33により制御することができ、これは粒子径選択手段の一つである。
［0033］筐体1の上部には非荷電ガスをシースガスとして一定流量で導入するためのシースガス供給部7が設けられている。また、分級領域5の上端にはシースガスを層流化するための絶縁体製の整流子9が設けられており、整流子9を経たシースガスが分級領域5に供給される。
分級領域5で外側電極4側には導入口11aが設けられ、その導入口11aからはシースガス流を横切る方向に帯電エアロゾルが一定流量で供給される。導入口11aはエアロゾル供給部11に接続されている。
［0034］分級領域5の外側電極4側でシースガス流の下流側には排出口13aをもち、分級された帯電エアロゾル中の荷電微粒子の所定粒径以上の部分をシースガスの一部とともに排出する大粒径側排出部13が設けられている。大粒径側排出部13から排出される流量は一定流量にすることができる。
筐体1の下部、すなわちシースガス流の下流側には、分級領域5の下端の外側に残余の荷電微粒子をシースガスとともに取り出す取出し口35（シースガス排出部17）が設けられている。
［0035］大粒径側排出部13及び取出し口35の下流には吸引機構としてのポンプ21,23がそれぞれ設けられており、ポンプ21からは3.5〜5.5L／分の流量で、ポンプ23からは90〜100L／分の流量で筐体1の内部からガスを排気する。また、シースガス供給部7及びエアロゾル供給部11にはそれぞれ流量計が設けられており、シースガスの流量は約100L／分、エアロゾルの流量は0.5〜1.5L／分に設定される。
ポンプ21は制御部33に接続されており、ポンプ21とそれを制御する制御部33により調整する手段は粒子径選択手段の一つである。
［0036］中心電極3の上端は絶縁部材10と絶縁体製の整流子9により筐体1に支持され、中心電極3の下端は絶縁部材19とシースガスの流れを層流化する整流子を兼ねる支持部材15により筐体1に支持されていることによって、中心電極3と外部電極4となる筐体1との間が電気的に絶縁されている。
［0037］中心電極3の直径は25mm、外側電極4の内側の直径は33mmであり、分級領域5の円柱状部分では中心電極3と外側電極4の間隔は約4mm程度で一定になっている。両電極3,4間には1000〜1500Vの分級電圧が印加される。
導入口11aと排出口13aは幅が0.5mmで、外側電極4の内周面に沿って中心電極1を取り巻くリング状に形成されている。両口11a,13a間の距離は100mm程度である。また、導入口11a及び排出口13aはスリット状であってもよい。
［0038］次に同実施例の動作を説明する。両電極3,4間に電圧をかけると、分級領域5には荷電微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。
この実施例では、例えばエアロゾル供給部11の導入口11aから分級領域5に導入されたエアロゾルのうち、粒径20nm程度の荷電微粒子は対岸の中心電極3近くに到達し、20nmよりも粒径の小さい荷電微粒子は中心電極3に捕捉されて除去される。そして粒径が20nmよりも大きい荷電微粒子はシースガス流の中央付近から導入口11aを備える外側電極4の近傍までの間に分布する。
［0039］排出口13aは導入口11aと同じ外側電極4の下流側に設けられており、そこから帯電エアロゾル中の荷電微粒子の所定粒径以上の部分をシースガスとともに吸引して排気することで、一定微粒子径（例えば100nm）よりも大きい微粒子が除去される。
これにより、取出し口35からは一定微粒子径が除去された微粒子を取り出すことができる。取り出された微粒子は、半導体のエッチングプロセスや医薬品等へ応用することができる。
［0040］上述のように一定粒子径よりも大きい微粒子を除去することを実現するには、例えば、粒径20nmの荷電微粒子が対岸に到達する比較的小さい分級電圧において、粒径100nm付近の荷電微粒子の分布がシースガス流の中において粒径130nm付近の荷電微粒子と完全に分離されて分布していること、さらに粒径100nmを超える微粒子が分布しているガス流だけを排出口13aから排除することが必要である。
［0041］そのために、DMAとして高分解能状態を実現するように分級電界を設定した上で、シースガス流量Qc、帯電エアロゾルガス流量Qa及び大粒径側排出部13からの排出流量Qeを調節する。シースガス流量／エアロゾルガス流量比は100／1程度が適当であることが以下に示す流体の計算機シミュレーションの結果からわかった。シミュレーションにはFIDAP（Fluent社製品）というソフトを用いた。
［0042］また、粒子分布を測定する微粒子測定装置としては図2に示す構成とした。
図1の分級装置において、取出し口35（シースガス排出部17）の下流にはシースガスとともに送られてきた残余の荷電微粒子数を電気量として検出する検出器18が配置されている。
［0043］大粒径側排出部13及び検出器18の下流には吸引機構としてポンプ21,23がそれぞれ設けられており、ポンプ21からは3.5〜5.5L／分の流量で、ポンプ23からは90〜100L／分の流量で筐体1の内部からガスを排気する。また、シースガス供給部7及びエアロゾル供給部11にはそれぞれ流量計が設けられており、シースガスの流量は約100L／分、エアロゾルの流量は0.5〜1.5L／分に設定した。
［0044］シミュレーションの結果を図3から図6に示す。シミュレーションに必要な感度条件から、エアロゾルガス流量を0.8〜1.2L／分の範囲で、シースガス流量を96〜104L／分の範囲で変化させ、微粒子径が20,21,22,100,120,150nmのものについて粒子軌道を算出した。
［0045］一般的なDMA製品では検出器としてファラデーカップエレクトロメーターを使用し、ガス流量が3L／分程度以下のものを測定の対象としているため、供給されたシースガス流量が100L／分程度のものを全て検出器に通すときは、検出器の微粒子捕集材としてガス流量が100L／分に対応できるものを選定する。
［0046］図3A〜図3Eは、粒子径が100nmと120nmの荷電微粒子について、シースガス流量Qcを100L／分、大粒径側排出部13の排出流量Qeを5.0L／分とし、エアロゾルガス流量Qaを1L／分の前後で変化させたときの微粒子軌跡を示したものである。図3Aはエアロゾルガス流量が0.8L／分（1L／分に対して−20％）、図3Bはエアロゾルガス流量が0.9L／分（1L／分に対して−10％）、図3Cはエアロゾルガス流量が1.0L／分、図3Dはエアロゾルガス流量が1.1L／分（1L／分に対して＋10％）、図3Eはエアロゾルガスが流量1.2L／分（1L／分に対して＋20％）である。
［0047］エアロゾルガス流量が減少する場合は分級性能（分解能）は低下することはないが、エアロゾルガス流量が1.2L／分まで増加すると、もはや粒径100nmの荷電微粒子と粒径120nmの荷電微粒子を完全に分離することはできず、エアロゾルガス流量が分離性能に著しい影響を与えることがわかる。一方、この程度のエアロゾルガス流量の変化では、微粒子径が20nmなどの小さい領域では有意な影響は見られない。
［0048］図4A〜図4Fは、粒子径が20,21,22,100及び120nmの荷電微粒子について、エアロゾルガス流量を1.0L／分、大粒径側排出部13の排出流量を5.0L／分とし、シースガス流量を100L／分の前後で変化させたときの微粒子軌跡を示したものである。図4Aはシースガス流量が96L／分（100L／分に対して−4％）、図4Cはシースガス流量が100L／分、図4Eはシースガス流量が104L／分（100L／分に対して＋4％）であり、図4B,D,Fはそれぞれ図4A,C,Eでの大粒径側排出部13の排出口での微粒子軌跡を示している。
この結果より、シースガス流量は100L／分を基準にして±4％程度変化しても、分級性能にはそれほど大きな影響はないことがわかる。
［0049］図5はシースガス流量を100L／分、エアロゾルガス流量を1.0L／分とし、大粒径側排出部13に接続されるポンプ21の排出流量を変化させた場合の透過率（大粒径側排出部13により排出されることなく検出器に到達する割合であり、1.0は全く排出されないことを示し、0は全て排出されることを示す。）の変化を示す。横軸は排出流量（L／分）、縦軸は透過率である。
［0050］図5の結果から、大粒径側排出部13の排出流量が4.9〜5.1L／分の範囲では、粒径100nmの荷電微粒子と粒径120nmの荷電微粒子を分離でき、排出流量が3.8〜5.1L／分の範囲では、粒径100nmの荷電微粒子と粒径150nmの荷電微粒子を分離できることがわかる。
［0051］次に図6に、基本条件下（シースガス流量100L／分、エアロゾルガス流量1.0L／分）で、排出流量を5L／分とした場合の荷電微粒子の軌跡をシミュレーションした結果を示す。図6Aは微粒子径が20,21,100及び120nmの荷電微粒子の軌跡を求めて示したものであり、図6Bは排出口13b付近を拡大したものである。このように、排出流量を5.0L／分とすれば、粒径100nmの荷電微粒子と粒径120nmの荷電微粒子とを分離可能であることが、シミュレーションにより確認できる。
［0052］以上のシミュレーションの結果から、シースガス流量Qc、エアロゾルガス流量Qa及び大粒径側排出部の排出流量Qeをパラメータとして調整することにより、所望の粒径範囲の微小粒子を選択的に測定できることがわかる。本発明の微粒子測定装置は、分級領域5に印加する電界を設定し、これらのパラメータを調整して所望の粒径範囲の微小粒子を測定するものであり、本発明の分級装置はそれら所望の粒径範囲における微小粒子を取り出すものである。
［0053］次に、シースガス流量Qc、大粒径側排出部からの排出流量Qe及び分級領域に印加される電圧Vを運転パラメータとして変化させ、それらの運転条件と取出し口35（シースガス排出部17）から取り出された粒子特性（透過率特性）との関係結果を説明する。
図7の縦軸はエアロゾル供給部11から供給されたエアロゾルに含まれる微粒子の内、取出し口35から取り出される割合（透過率）を示し、横軸は取り出される粒径nmを示している。透過率が0の場合はその粒径における粒子がほぼ100％除去されていることを意味する。
［0054］グラフ右端に示した凡例において、各ドットの説明中の「Qc」はシースガス流量slm（standard L/m）、「Qe」は排出口13aから排出されるガス流量（sLm）、また、括弧内の数字は分級電圧を示す。シースガス排出量Qcは60sLmで一定とした。
Qeが同じ場合、電圧が高いと粒径の小さいものが除去されやすくなる。一方、電圧が同じ場合、Qe粒径の大きいものが除去されやすくなり、この図から台形伝達関数が実現されていることが判る。
この結果より、運転条件を変化させることで検知される粒子の粒径範囲を容易に変化させえることがわかり、また、アキュムレーションモード粒子のみならず、ニュークレイモード粒子のみの捕捉も可能であることがわかる。
［0055］図2の実施例に戻って説明すると、検出器18にはデータ処理装置26が接続されている。データ処理装置26は測定対象となる自動車排ガスなどのエアロゾルについて予め求められた帯電率を保持し、検出器18で測定された電気量に基づいて測定されたエアロゾルの微粒子数濃度を算出するものである。微粒子測定装置がデータ処理装置26を備えていることにより、測定したエアロゾルの粒子数濃度を自動的にオンラインで求めることができるようになる。
後述する実施例の微粒子測定装置においてもこのデータ処理装置26を備えるようにしてもよい。
［0056］図8は他の実施例として小粒径側排出部を備えた微粒子測定装置を概略的に示しており、（A）は垂直断面図、（B）は（A）のX−X’における水平断面図、（C）は（B）の破線部における粒径分布の概略図を示す。
筐体1及び内部に設けられている中心電極3の構成は図1及び図2の実施例と同じである。図8の実施例では、分級領域5の中心電極3側でシースガス流の下流側には排出口14aをもち、分級された帯電エアロゾル中の荷電微粒子の所定粒径以下の部分をシースガスの一部とともに一定流量で排出する小粒径側排出部14をさらに備えている。小粒径側排出部14の下流にはシースガスと荷電微粒子を排出するための排気機構としてポンプ22が設けられており、一定流量で分級領域5からガスを排出する。なお、小粒径側排出部14と、その流量を調整するポンプ22と、ポンプ22を制御する制御部33は粒子径選択手段の一つである。
［0057］小粒径側排出部14の排出流量は所定の粒径以下、例えば粒径20nm以下の荷電微粒子を確実に排出するように設定される。小粒径側の荷電微粒子は分級されて中心電極3に吸着されることにより除去することもできるが、小粒径側排出部14を備えていることにより、より確実に除去することができるようになる。
［0058］小粒径側排出部14を備えて小粒径側の粒子を除去する場合、電極に微粒子を吸着して小粒径側の粒子を除去する上述の方法と併用してもよいし、どちらか一方を単独で用いてもよい。なお、両方法を併用することで、小粒径側の微粒子の除去はより確実に行なうことができる。
図8ではシースガス排出部17（取出し口35）の下流に検出器18を備えているが、検出器18を備えずに図1に示すような分級装置とし、所定の粒径分布幅の微粒子を取り出すようにしてもよい。
［0059］図9はさらに他の実施例として集束電極を備えた微粒子測定装置を概略的に示しており、（A）は垂直断面図、（B）は（A）のX−X’における水平断面図である。
筐体1及びその内部に設けられている中心電極3の構成は図1の実施例と同じである。図9の実施例では、収束電極12,24を分級領域5と検出器18との間に、互いに対向して配置し、分級された荷電微粒子を収束させるように分級領域形成用の電極3,4とは逆方向の電界を発生させるようにしている。収束電極12は電極4と一体となった外側電極で、電極4と同電位であり、この実施例ではともに接地電位とされている。収束電極24は電極3と同じく中心電極であるが、電極3の下部に絶縁部材19を介して配置されている。電極3と収束電極24はそれぞれ同芯ケーブル25を介して直流電圧が印加されており、電極3と収束電極24とは互いに逆電位の関係になっている。
［0060］さらに、収束電極12,24により収束された荷電微粒子部分のみを取出し口35から取り出し、又は取り出した後に検出器18に導いて荷電微粒子を含まない部分のシースガスは検出器18に導かないようにするために、収束電極12,24と検出器18との間には、収束された荷電微粒子をシースガス流の一部とともに選択的に取り出す取出し口用スリット16を備えている。取出し口用スリット16は収束された荷電微粒子を取り込める大きさをもち、外側電極12の内周面側にあって、中心電極24を取り巻くリング状に形成されている。
図9の実施例においても、中心電極24の下端部の絶縁部材20を介して電極3,20を筐体1により支持しておくのが好ましい。
［0061］このように収束電極12,24を備えていることにより、分級された荷電微粒子を収束させるので、取出し口用スリット16を備えていない場合でも、検出器18としては収束された荷電微粒子を検出すればよいので、検出器18の大きさを小さくすることができる。
さらに、取出し口用スリット16を備えている場合は、検出器18に導かれるシースガス流量を少なくすることができるので、検出器18の大きさをさらに小さくすることができる。
［0062］また、図9の実施例ではシースガス排出部17の下流に検出器18を備えたが、図1に示すように検出器18を備えない分級装置としてもよい。
分級装置に収束電極を備えるようにすれば、荷電微粒子が装置の壁面に付着して取出し口から正確に回収できなることを防ぐことができるようになる。
［0063］本発明の分級装置及び微粒子測定装置により、近年、ニュークレイモード粒子の健康影響を懸念する研究者も散見されるが、本装置がその懸念にたいしても有効な測定手段となることが実証された。また、本装置の計測以外への産業用途適応例として、医薬品におけるミサイルドラッグや半導体製造における表面研磨を挙げる分野において、本装置は分級捕集機とし使用することができる。
［0064］例えば、ナノサイズの医薬品はそのサイズから免疫反応を誘引せず、細胞によって容易に吸収される為、標的指向性を付与することでミサイルドラッグとして患部に選択的に作用させうることが期待されている。また、半導体産業におけるシリコンウエハの表面研磨には粒径の揃ったナノサイズ研磨粒子が適しているとの研究結果が報告されている。
［0065］次に図10及び図11において、本発明の分級装置の適用例を示す。
図10は本発明の分級装置に荷電機構、ガス供給機構及び粒子捕集部を接続した粒子捕集装置の概略図である。
この粒子捕集装置は、図10に示すように、エアロゾルを荷電する荷電機構41と、帯電エアロゾル中の荷電粒子を電気移動度により分級する分級装置42と、分級されて取り出された粒子を捕集する粒子捕集部44と、シースガスを供給するシースガス供給機構43が接続されている。また、分級装置42の対向電極には電源装置31が接続されている。
［0066］分級装置42の上部はシースガス供給部7であり、シースガス供給機構43と接続され、非帯電のシースガスを流量Qcで供給するようになっている。
また、分級装置42の荷電機構41との接続部はエアロゾル供給部11となっており、荷電機構41で帯電された帯電エアロゾルが試料ガス供給量Qaで分級装置42内に供給されるようになっている。
［0067］分級装置42の下流側には、ガスを分級領域の外部へ流量Qeで排出する大粒径側排出部13が設けられている。
大粒径側排出部13の下流には、微粒子を除去するフィルタ45、ガス流量Qeを測定して調整する流量調整部46、ポンプ47が備えられ、これらを流れるガスは流量Qoでガス排出部48から排出される。
［0068］また、分級装置42の粒子捕集部44との接続部はシースガス排出部17（取出し口35）となっており、所定粒径範囲の微粒子を含むシースガスが流量Qsで排出されるようになっている。粒子捕集部44の下流は流量調整部54を介してガス排出部48に接続されている。
［0069］シースガス供給機構43は、上流にあたる粒子捕集部44から下流にあたるシースガス供給部7までを結ぶ流路と、そこに配置されるポンプ等から構成されている。粒子捕集部44の下流には、圧力変動減衰機構49が備えられ、その下流には順に、シースガスを輸送するポンプ50、シースガスを室温近傍に保つ冷却タンク51、シースガスに混入した微粒子を除去するフィルタ52、シースガス流の流量を調整する流量調整弁53が備えられている。
［0070］本装置においては粒子を荷電させることから、図10における粒子捕集部44は静電スクラバにより捕集してバッチ的に回収したり、又はチタニア等耐熱性の粒子であればコットンフィルタ等で捕集した後、フィルタを焼却し回収したりする方法を用いることができる。これにより、所定粒径の微粒子を捕集し、分析などに利用することができるようになる。
［0071］図11は本発明の分級装置に荷電機構、ガス供給機構及び流量計測機構を接続した粒子選別装置の概略図である。
この粒子選別装置は、図11に示すように、エアロゾルを荷電する荷電機構41と、帯電エアロゾル中の荷電粒子を電気移動度により分級する分級装置42と、分級されて取り出された粒子の流量を調整して使用場所に送る流量制御機構55と、シースガス供給機構43が接続されている。
［0072］また、図10と同様に、分級装置42の上部はシースガス供給部7となっており、シースガス供給機構43と接続され、非帯電のシースガスを流量Qcで供給するようになっている。分級装置42の荷電機構41との接続部はエアロゾル供給部11となっており、荷電機構41で帯電された帯電エアロゾルが試料ガス供給量Qaで分級装置42内に供給されるようになっている。また、分級装置42の対向電極には電源装置31が接続されている。
［0073］分級装置42の下流側には、ガスを分級領域の外部へ流量Qeで排出する大粒径側排出部13が設けられている。
大粒径側排出部13の下流には、微粒子を除去するフィルタ45、ガス流量Qeを測定して調整する流量調整部46、ポンプ47が備えられ、これらを流れるガスはシースガス供給機構43に送られてシースガスとして再度利用される。また、シースガスの足りない分は外部から補給できるようになっている。
［0074］また、分級装置42の流量制御機構55からは所定粒径の粒子を含んだガスが取り出され、顧客使用場所に輸送される。
図11では所望の粒径範囲に分級された粒子を含むエアフローとして使用者の望む場所に輸送される。
産業上の利用可能性
［0075］本発明は環境ガスに含まれる微粒子の所定の粒径範囲を取り出す分級装置や、当該分級装置で得られた微粒子数を測定する装置に利用することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図３Ｅ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図４Ｅ】
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【図４Ｆ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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