(57)【要約】本発明の粒子分離および収集アセンブリは、小さな粒子を空気流から分離および除去し、そしてセンサ／検出器技術のために小さな粒子を濃縮するために、サイクロン力を使用する。本発明の１つの実施形態において、粒子分離器および収集アセンブリは、以下：複数の粒子分離チャンバであって、各粒子分離チャンバは、内面を有する円錐形状を有する、粒子分離チャンバ；この粒子分離チャンバと流体連絡して配置された下側真空チャンバ；複数の入口であって、各入口は、各粒子分離チャンバと流体連絡して配置されており、各入口が、このアセンブリの外側の粒子を含む気体を各粒子分離チャンバに供給する、入口；ならびに液体通過コンジットを備える。
2004503757.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
長手軸方向のアセンブリ軸を有する、ブロワーと共に使用するための粒子分離機アセンブリであって、該粒子分離機アセンブリに接続可能な該ブロワーは、該粒子分離器アセンブリを介して気流を吸いこみ、該粒子分離機アセンブリは、以下：
複数の粒子分離チャンバであって、該粒子分離チャンバの各々は、内面を有する円錐形状および該円錐部分の中へと下に延びる中心ボルテックスファインダーチューブを有する円柱形上部を有する、粒子分離チャンバ；
該粒子分離チャンバと流体連絡して配置される、下側真空チャンバ；
各粒子分離チャンバと流体連絡して配置される入口であって、該入口は、該アセンブリの外側の粒子を含む気体を該粒子分離チャンバへ、最終的には上側真空チャンバおよび該下側真空チャンバへと方向付けする、入口；ならびに
レザバと接続可能な液体通過コンジットであって、該液体通過コンジットは、液体をレザバから該粒子分離チャンバの内面に供給して、該内面を湿潤し、これにより各粒子分離チャンバ内の気体から分離された粒子は、該チャンバの該湿潤された内面上に集まる、コンジット、
を備える、粒子分離機アセンブリ。
【請求項２】
前記複数の粒子分離チャンバは、前記アセンブリの長手軸の周りに配置される、請求項１に記載のアセンブリ。
【請求項３】
前記複数の粒子分離チャンバは、前記アセンブリの横軸の周りに、１列または２列で配置される、請求項１に記載のアセンブリ。
【請求項４】
前記液体通過コンジットは、前記アセンブリの長手軸に沿って配置される、請求項２に記載の装置。
【請求項５】
請求項１に記載のアセンブリであって、以下：
各粒子分離チャンバおよび前記液体通過コンジットと流体連絡しているレザバをさらに備える、アセンブリ。
【請求項６】
長手軸を有する粒子分離機およびコレクターアセンブリであって、該アセンブリは、以下：
少なくとも１つの粒子分離チャンバであって、該チャンバの各々は、内面および長手軸を有してほぼ円錐形状で形成される、チャンバ；
該少なくとも１つの粒子分離チャンバと流体連絡して配置される、下側真空チャンバ；
該少なくとも１つの粒子分離チャンバと流体連絡する少なくとも１つの入口であって、該少なくとも１つの入口により、該アセンブリの外側の粒子を含む気体は、該少なくとも１つの粒子分離チャンバに入り得る、入口；
該下側真空チャンバと流体連絡して配置される液体レザバ；ならびに
液体通過コンジットであって、該コンジットは該液体レザバと該粒子分離チャンバの内面とを相互接続して、該レザバから該粒子分離チャンバの内面に液体を供給する、コンジット、
を備え、
ここで、該粒子を含む気体はブロワーによって該少なくとも１つの入口に吸いこまれ、そして該円錐形の粒子分離チャンバを通して該下側真空チャンバに螺旋形態で供給され、該気体が該円錐形の粒子分離チャンバを通して供給される場合、該粒子は遠心力によって該粒子分離チャンバの長手軸から外向きに離れるように力を受け、その結果、該粒子は、該気体から分離され、そして該内面に供給される液体によって収集される、
アセンブリ。
【請求項７】
請求項６に記載のアセンブリであって、前記少なくとも１つの粒子分離チャンバおよび少なくとも１つの真空移動チャネルと流体連絡して配置される上側真空チャンバをさらに備え、該少なくとも１つの真空移動チャネルは、上側真空チャンバと該下側真空移動チャネルとを相互接続している、アセンブリ。
【請求項８】
請求項６に記載のアセンブリであって、前記入口は、前記粒子分離チャンバに対して接線方向に配置され、その結果、前記粒子分離チャンバに入る気体は、螺旋形態で移動し始める、アセンブリ。
【請求項９】
気流から粒子を分離し、そして該粒子を液体中に収集する装置であって、該装置は、以下：
長手軸を規定するハウジングであって、該ハウジングは、ブロワーと接続可能な上端部およびポンプと接続可能な下端部を備える、ハウジング；
少なくとも１つのサイクロンチャンバであって、該チャンバは該ハウジング内に配置され、そして上側端部および下側端部を有する、チャンバ；
該少なくとも１つのサイクロンチャンバと流体連絡した少なくとも１つのハウジング入口であって、該少なくとも１つのハウジング入口により、該装置の外側の粒子を含む気体は、該少なくとも１つの粒子分離チャンバに入り得る、ハウジング入口；ならびに
該ハウジング内に配置され、そしてポンプと接続可能である液体通過コンジットであって、該液体通過コンジットは、該少なくとも１つのサイクロンチャンバの上側端部へと該液体を送達する、コンジット、
を備え、
ここで、該粒子を含む気体は、該ブロワーによって該少なくとも１つのサイクロンチャンバを通って吸いこまれ、その結果、該粒子は遠心力によって該気体から分離され、そして該少なくとも１つのサイクロンチャンバに供給される液体によって収集される、
装置。
【請求項１０】
前記ハウジング内に配置される複数のサイクロンチャンバをさらに備える、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記サイクロンチャンバの下側端部に連結される下流体出口をさらに備える、請求項１０に記載の装置であって、ここで粒子を捕捉した液体は、該サイクロンチャンバを出て、該下流体出口を通ってレザバに至る、装置。
【請求項１２】
請求項１０に記載の装置であって、前記複数のサイクロンチャンバは、前記ハウジングの長手軸の周りに等距離で配置される、装置。
【請求項１３】
請求項１０に記載の装置であって、前記複数のサイクロンチャンバは、前記ハウジングの横軸の周りに、一列または二列で配置される、装置。
【請求項１４】
請求項１０に記載の装置であって、前記液体通過コンジットは、前記複数のサイクロンチャンバに液体を供給する、装置。
【請求項１５】
請求項１４に記載の装置であって、前記液体通過コンジットは、前記ハウジングの長手軸に沿って配置される、装置。
【請求項１６】
請求項９に記載の装置であって、前記ハウジングは、少なくとも１つの真空移動チャネルをさらに備え、該少なくとも１つの真空移動チャネルは、該ハウジングの上端部から該ハウジングの下端部まで延びる、装置。
【請求項１７】
請求項１６に記載の装置であって、前記ハウジングは、該ハウジングの上端部に配置され、前記サイクロンチャンバの上側部分にあるボルテックスファインダーと流体連絡した上側真空チャンバをさらに備え、前記少なくとも１つの真空移動チャネルは、前記下流体出口と該上側真空チャンバとを接続し、その結果、前記気流は、該サイクロンチャンバを通して吸いこまれる、装置。
【請求項１８】
下側真空チャンバ、前記サイクロンチャンバおよび前記流体通過コンジットと流体連絡したレザバをさらに備える、請求項９に記載の装置。
【請求項１９】
前記長手軸に対して同心状であり、そして前記ハウジングに連結される外側サイクロンチャンバをさらに備える、請求項９に記載の装置であって、該外側サイクロンチャンバは、前記ハウジング入口と流体連絡している、装置。
【請求項２０】
請求項１９に記載の装置であって、前記外側サイクロンチャンバは、入口をさらに備え、該外側サイクロンチャンバ入口により、該装置の外側の粒子を含む気体は、前記ハウジング入口を通って前記少なくとも１つのサイクロンチャンバに入り得る、装置。
【請求項２１】
粒子分離アセンブリを使用して、気体から特定のカットサイズより大きな空気力学的直径を有する粒子を分離し、そして該粒子を液体中に捕捉するための方法であって、該粒子分離アセンブリは、該アセンブリのハウジング内に長手軸方向に配置される、内壁を有する複数のサイクロン分離チャンバを有し、そして長手軸を規定し、該ハウジングは、ブロワーに接続可能な上端部、ポンプに接続可能な下端部、外部気体が該アセンブリに入るための該サイクロン分離チャンバと連絡したハウジング入口、および該液体を該サイクロン分離チャンバに送達するための該ポンプに接続可能な流体通過コンジットを備え、該方法は、以下：
粒子を含む気体を、該ハウジングの入口内へ、そして該複数のサイクロン分離チャンバを通して吸いこむ工程であって、その結果、該気体は、該チャンバの構造に従う環状通路内を流れる、工程；
該チャンバ内の気体の該環状流路から該粒子にかけられた遠心力によって、該気体からカットサイズより大きな粒子を分離し、該粒子を該長手軸から各サイクロンチャンバの該内壁に向かって外向きに移動させる、工程；
該液体通過コンジットを通して、該液体を各サイクロンチャンバに供給する工程；ならびに
該粒子を該液体内に捕捉し、そして該粒子を該サイクロンチャンバの内壁から洗い流す工程、
を包含する、方法。
【請求項２２】
請求項２１に記載の方法であって、前記粒子分離アセンブリは、前記ハウジングに連結される入口を有すし、そして前記ハウジング入口と流体連絡する外側サイクロンチャンバをさらに有し、前記粒子分離アセンブリを使用して、気体から粒子を分離し、そして該粒子を液体内に収集するための方法は、以下：
粒子を含む気体を前記外側サイクロンチャンバの入口内に吸いこむ工程；
該粒子を含む気体からより大きな粒子を分離する工程であって、その結果、より小さな分子が、該ハウジング入口に入る、工程；および
該より大きな粒子を該ハウジングから取り出す工程、をさらに包含する、方法。
【請求項２３】
粒子分離アセンブリを使用して、気体から粒子を分離し、そして該粒子を液体内に収集するための、請求項２１に記載の方法であって、該方法は、以下：
前記粒子を含む液体を分析のために取り出す工程；および
前記サイクロン分離チャンバから収集した粒子をモニタリングする工程、をさらに包含する、方法。
【請求項２４】
前記長手軸方向のアセンブリ軸に対して同心状の外側サイクロンチャンバをさらに備える、請求項１に記載の装置であって、該外側サイクロンチャンバは、前記複数の入口と流体連絡している、装置。
【請求項２５】
請求項２４に記載の装置であって、前記外側サイクロンチャンバは、入口をさらに備え、該外側サイクロンチャンバ入口により、該装置の外側の粒子を含む気体は、該複数の入口を通って該複数の粒子分離チャンバに入り得る、装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（発明の分野）
本発明は、気流から粒子を分離するための粒子分離器に関し、そして特に、気流から粒子を分離し、そしてこれらの粒子を収集およびモニタリングするために、ある量の液体内に濃縮する、ミニサイクロンを使用する粒子分離器に関する。
【０００２】
（発明の背景）
気体から分離された粒子の収集およびモニタリングは、非常に多くの状況において必要とされる。これらの状況のいくつかとしては、戦場における生物戦薬剤に対する防御および他の軍事適用；ならびにテロリスト集団によってばら撒かれる空気伝搬病原性因子；生物工学適用において使用される遺伝的に改変された物質；病院、研究室、公共の建物、および地下鉄網のような閉じ込められた空間における、感染性微生物を含む空気；ならびに呼吸器系を損傷する汚染物質のエアロゾルに対する一般人民の保護が挙げられる。
【０００３】
バイオエアロゾル（ｂｉｏａｅｒｏｓｏｌ）とは、生存しているか、生存生物を含むか、または生存生物から放出された、空気伝搬性の粒子、大きな分子または揮発性化合物と定義される。バイオエアロゾル粒子の大きさは、１００ミクロンから０．０１ミクロンまで変動し得る。
【０００４】
食品加工産業に関連する、エアロゾル化生物汚染物の存在に関して、関心が高まっている。Ｅ．ｃｏｌｉ、サルモネラ属、「狂牛」病および他の汚染物が、食品の安全性に関する広範な公衆の懸念を生じている。バイオエアロゾルの収集および測定は、公衆衛生職員の広範な共同社会に対する関心事である。なぜなら、バイオエアロゾルは、呼吸器系に対する感染性疾患または化学的損傷を引き起こし得るからである。これらの粒子はまた、それらの生物戦争およびテロ行為における可能な用途に起因して、国防総省（ＤＯＤ）の懸念である。
【０００５】
空気の品質のモニタリングもまた、重要な公衆衛生の必要事項である。世界の人口は指数関数的に増加しており、そして世界旅行が次第に容易になっているので、伝染病が拡散し得る程度および速さは、空気伝搬疾患の伝達からの潜在的な流行に関する重大な懸念を生じた。建物および他の閉じ込められた空間（例えば、地下鉄および航空機）における空気の再循環は、潜在的に重大な公衆衛生の問題を生じた。病院における感染性疾患の生物の同定および制御は、別の主要な必要性を代表する。環境保護局は、「シックビル症候群」を引き起こす屋内の空気の汚染を、米国における５つの主要な環境問題の１つとして挙げている（Ｆｅｄｅｒａｌ　Ｒｅｇｉｓｔｅｒ，１９９４年４月５日；ＯＳＨＡに対して提唱された規制のような屋内の空気の品質に関する規制ドライバー）。ＥＰＡによれば、屋内空気の汚染は、営利的な建物の３３〜５５％に影響を与え、そして毎年１３５０万人が、就業時間を失っている。屋内空気の汚染はまた、公衆衛生の主要な事件をもたらし得る。
【０００６】
院内（すなわち、病院内）での感染は、しばしば、抗生物質耐性の微生物によって引き起こされる。これらの感染は、現在、約１０％の病院患者に影響を与え、さらなる苦しみおよび死亡率を生じている。換気システムにおける病原性物質（例えば、院内肺炎およびレジオネラ症）の検出は、病院および公共の建物における未知の起源の感染の発生の防止を補助し得る。小型化された収集／検出システムは、建物の換気管内に容易に配置され得、そして長期間にわたってサンプリングしている状態にされ得る。
【０００７】
組換え微生物の使用は、生化学物質、医薬およびワクチンの製造のための、拡張している生物工学の領域である。次第に、組換えウイルスベクターが、ワクチン送達および遺伝子治療のために使用されるようになっている。効果的な封じ込め手段が必要とされるが、これらの封じ込め手段の有効性を測定し得ることが必要とされる。例えば、実験室の手順によって偶発的に生じたエアロゾルが、微生物安全キャビネットによって提供される封じ込めから逃れ得る可能性がある。あるいは、エアロゾルは、遠心分離、または液体の取り扱いによって生じ得る。現在、空気伝搬性のウイルスおよび細菌が検出され得、そしてモニタリングされ得る手段は、制限されている。
【０００８】
自然現象または人によって誘導される活性（例えば、上記の例）の結果としての、空気中の微生物からの脅威は、現在の技術を用いては、十分にはモニタリングおよび評価され得ない。早期の警告、危険の認知、個人的な防護装置、曝露の評価、および環境モニタリングが、空気伝搬性の感染性物質または遺伝的に改変された物質からの影響を予防および減少させるために、必要とされる。曝露を回避するため、および疾患の進行を停止させるための早期の処置の開始のために、ほぼ実時間のモニタリングが必要である。既存の収集デバイス（例えば、フィルタ）は、実時間の情報を提供しない。なぜならこれらは、分析のために実験室に運ばれなければならないからである。現在の軍隊による実時間での使用のための検出デバイスは、大きく、そして電力集約的である。
【０００９】
大きなコレクターに付随するさらなる欠点は、これらが高い入口速度を有し、そして収集されている微生物を重篤に損傷または殺傷し得ることである。１つの大きなサイクロンチャンバを使用する、高い流速のシステムは、適切な効率のために、高い入口気体速度を必要とする。しかし、高い入口気体速度はまた、サイクロンチャンバにわたる大きな圧力低下を生じさせ、これは、高い電力消費を生じる。さらに、微生物は通常、効果的な検出のために、生存状態で収集されなければならない。効率のために必要とされる高い入口速度は、粒子に対して高いせん断力を与え、分析のために生存している必要がある微生物を殺傷する。
【００１０】
従って、検出のために空気から微生物を分離し、捕捉し、そして濃縮するための、小さな効率的な気体（エアロゾル）コレクターに対する必要性が存在する。
【００１１】
（発明の要旨）
本発明の粒子分離および収集アセンブリは、小さな粒子を空気流から分離および除去し、そしてセンサ／検出器技術のために小さな粒子を濃縮するために、サイクロン力を使用する。このシステムは、並行して作動する複数のミニサイクロンを利用して、吸入空気の速度を低下させ、同時に１つの大きなサイクロンと比較して、同じ流体またはフローの速度を維持する。
【００１２】
本発明の１つの実施形態において、粒子分離器および収集アセンブリは、以下：複数の粒子分離チャンバであって、各粒子分離チャンバは、内面を有する円錐形状を有する、粒子分離チャンバ；この粒子分離チャンバと流体連絡して配置された下側真空チャンバ；複数の入口であって、各入口は、各粒子分離チャンバと流体連絡して配置されており、各入口が、このアセンブリの外側の粒子を含む気体を各粒子分離チャンバに供給する、入口；ならびにレザバに接続可能な液体通過コンジットであって、この液体通過コンジットは、気体から分離された粒子を各粒子分離チャンバ内に収集するために、液体を、レザバから各粒子分離チャンバの内側表面へと供給する、液体通過コンジットを備える。
【００１３】
本発明の代替の実施形態において、粒子分離器および収集アセンブリは、大きな妨害粒子を除去し、そして小さな粒子を収集および分析のために保持するための、同軸構成要素の２段階システムを備える。このアセンブリにおいて、大きな外側のサイクロンは、５０μより大きな粒子を分離するために使用され、そしてミニサイクロンの内側のバンクは、５０μ未満の小さな粒子を捕捉および濃縮するために使用される。この２段階粒子分離器および濃縮器アセンブリは、長手方向軸を有するハウジングであって、ブロワーに接続可能な頂端部およびポンプに接続可能な底端部を備える、ハウジング；このハウジングの内部に配置され、そして上端部および下端部を有する、少なくとも１つのサイクロンチャンバ；ならびに少なくとも１つのサイクロンチャンバと流体連絡する少なくとも１つのハウジング入口であって、粒子を含む気体がこの装置の外側から少なくとも１つの粒子分離チャンバに入ることを可能にする、少なくとも１つのハウジング入口；ハウジング内に配置され、そしてポンプに接続可能な、液体通過コンジットであって、少なくとも１つのサイクロンチャンバの上端部に液体を送達する、液体通過コンジット；ならびに長手方向軸に対して同軸であり、そしてハウジングに接続される外側サイクロンチャンバであって、入口と流体連絡している、外側サイクロンチャンバを備え、ここで、粒子を含む気体が、ブロワーによって少なくとも１つのサイクロンチャンバを通して引かれ、その結果、これらの粒子が、遠心力によってこの気体から分離され、そしてこの少なくとも１つのサイクロンチャンバに供給される液体によって、収集される。
【００１４】
本発明は、さらに、粒子分離アセンブリを使用して、粒子を気体から分離し、そしてこれらの粒子を液体内に収集するための方法を包含し、この粒子分離アセンブリは、このアセンブリのハウジング内に長手方向に配置された、長手方向軸を有する複数のサイクロン分離チャンバ；外部気体がこのアセンブリに入るための、複数のサイクロン分離チャンバに対応する複数の入口；および各サイクロン分離チャンバに液体を送達するための、ポンプに接続可能な液体通過コンジットを備え、このハウジングは、ブロワーに接続可能な頂端部、およびポンプに接続可能な底端部を備え、この方法は、以下の工程を包含する：粒子を含む気体を、ハウジングの入口内へ、そして複数のサイクロン分離チャンバを通して引き込み、その結果、これらのチャンバの構成に起因して遠心力が発生する、工程；これらの粒子を、この遠心力を使用することによってこの気体から分離して、長手方向軸から離して外向きに、そして各サイクロンチャンバの内壁に向けて、これらの粒子を移動させる工程；各サイクロンチャンバに、液体通過コンジットを通して液体を供給する工程；および各サイクロンチャンバの内壁を洗い流し、そしてこれらの粒子を液体内に捕捉することによって、この液体を用いてこれらの粒子を収集する工程。
【００１５】
本発明の、エアロゾル収集のためのマイクロアセンブリのアプローチは、大きな表面対容量比および短い応答時間を通じてのプロセスルートを可能にすることによって、有利である。マイクロ構成要素を使用する並行した処理は、単一ユニットのプロセスの最適化および引き続く反復によるスケールアップを可能にする。構成要素の小型化はまた、より効率的な粒子の収集および濃縮のために、空気流の多成分処理を可能にする。
【００１６】
小型サイクロン（直径１〜３ｃｍ）のバンクを並行に使用することは、有利である。複数のミニサイクロンチャンバを使用する並行処理は、分離ユニットにわたる圧力低下を有意に減少させ、一方で１つの大きなサイクロンチャンバと同じ効率で、同じ量の流体（同じ流体またはフローの速度）を処理する。このことはまた、入口の空気の速度がより低いことに起因して、電力消費が低いアセンブリを提供する。さらに、入口の空気の速度がより低いことによって、粒子に対するせん断力および研磨による磨耗、ならびにサイクロンに通常付随する連続的な下側の流体またはフローが低減する。
【００１７】
複数のミニサイクロンからなるアセンブリの別の利点は、アセンブリの全体の大きさおよび容量である。内部容積に関して、本発明者らの計算は、ミニサイクロンアセンブリが、単一の大きなサイクロンよりほぼ１桁小さくあり得ることを示す。このことはまた、アセンブリの重量および流体アセンブリの容量の役に立つ。さらに、微細加工された並行な構成要素の使用は、粒子の分離および収集システムが、より小さいかまたはより大きな構築物（これは、多数の異なるバイオセンサまたは他の検出器技術に組み込まれ得る）に組み立てられることを可能にし、このシステムを非常に融通性にし、そして広範な可能な適用に適合可能にする。
【００１８】
（好ましい実施形態の詳細な説明）
本願発明は、気流中で捕捉された粒子を分離し、そして分析のために液体レザバ中の粒子を濃縮する、サイクロン粒子分離システムである。この粒子分離器は、空気から生体物質を収集し、そして濃縮する、軽量で、コンパクトなシステムである。このシステムは、制御ユニットと組み合わせて使用され、そして数種の型の生体検出器（ｂｉｏｄｅｔｅｃｔｏｒ）およびセンサと一体化され得るか、またはスタンドアロン（ｓｔａｎｄ−ａｌｏｎｇ）システムとして使用され得る。この制御ユニット（示さず）は、ブロワーおよび蠕動ポンプを介して、空気および液体の流速および方向を制御することによって、サイクロンアセンブリを作動する。
【００１９】
図１は、本発明の第１実施形態を例示する。図１は、６個のセクションから構成されるハウジングを含む、ミニサイクロン粒子分離器および収集器アセンブリ２を描写する。このハウジングは、６個の個々のセクションから構成されるが、このハウジングは、一体型であっても、必要とされる場合は、任意の数の切片で構築されてもよい。全てのハウジングセクションは、全体の形状において、ほぼ円筒型として示されるが、他の外部形状が使用され得る。構築された場合、各セクションは、このアセンブリの長手軸方向の中心軸６に対して同軸であり、そしてアセンブリ２の全長にわたって延びる細長いボルト４によって共に保持される。このハウジングセクションは、射出成形プロセスを使用してプラスチックから製造されるが、他の材料およびプロセスを使用し得る。
【００２０】
図１および２に示されるように、ミニサイクロン粒子分離器のアセンブリ２は、内部レザバ１２および下部真空チャンバ１４を含むベースセクション１０を備える。図１、２および３Ｂを参照すると、下部真空チャンバ１４は、以下で議論される円錐型サイクロンセクション２０の下部流体パイプ出口または下部フローパイプ出口２８に隣接するベースセクション１０の頂部に向かって配置される。下部真空チャンバ１４は、下部開口部１９において、４個の真空伝達チャネル５２に流体連絡またはフロー連絡で接続される。各開口部１９は、下部流体パイプまたは下部フローパイプ２８に隣接して配置される。レザバ１２は、液体を貯蔵し、そして下部流体パイプまたは下部フローパイプ２８からの液体を受容するための収集場所を提供する。ベースセクション１０の底部において、小さな直径の中心出口１６は、蠕動ポンプ（示さず）の吸引側に接続するために提供される。ソレノイドバルブと共に作動するポンプは、内部レザバ１２からの液体を、サイクロンセクション２０の中心液体通路２４を通って、サイクロンチャンバ２２の頂部へと、上方に引き上げる。ベースセクション１０は、ベースセクション１０の内壁の高さのほぼ中央に配置された内部ショルダー１８を備え得る。内部ショルダー１８は、液体ストリーム流体中の任意の泡または下部流体パイプもしくは下部フローパイプ２８から流れ出る任意の泡を壊す、３個のスクリーン（示さず）のための支持体を提供する。制御ユニット（示さず）は、出口１６に接続された導管を介して収集された液体を、収集された粒子間の毒性微生物の存在をチェックするためのモニタリングシステムに指向し得る。
【００２１】
図１に示されるように、円錐型サイクロンセクション２０の下部末端は、ベースセクション１０の頂部に接続される。セクション２０は、中心軸６から延び、そしてベースセクション２０の壁厚をほぼ残して、外端に近づく内部フランジまたはシェルフ２９を備える。図１および５〜７Ｄを参照して、円錐型サイクロンセクション２０は、４個の別個の粒子分離またはサイクロンチャンバ２２を規定し、各々が、円錐型サイクロンセクション２０を通って長手軸方向に延びる、下方向に細くなる円錐型形状で形成される。各々のチャンバ２２は、中心軸６に対して並行に延び、そして好ましくは、中心軸６の周りに等距離に配置される。この円錐型サイクロンセクション２０は、中心に小さな直径の液体通過パイプまたは導管２４を備え、これは、円錐型サイクロンセクション２０の全長にわたって延びる。液体通過パイプ２４は、円錐型サイクロンセクション２０の頂部で開始し、そして中心軸６に沿ってセクション２０の中心の下方へと続き、次いで、ベースセクション１０を通って下方に延びる外部通路１３に接続するために半径方向外側に曲がる。外部通路１３の底部出口１５は、ベースセクション１０の下部末端で小型蠕動ポンプ（示さず）の圧力側に接続される。液体通過パイプ２４は、接線方向入口開口部２６を通って、円錐型チャンバ２２の頂部２３に液体を供給する。接線方向開口部２６を通って各チャンバ２２に入る液体は、液体がチャンバ２２の内壁を洗い流すにつれて、液体内の粒子を捕捉する。この液体は、下部フローパイプまたは頂端出口２８を介してチャンバ２２の底部分２１から出て、そしてベースセクション１０に戻る。下部フローパイプ２８は、ネジ山２７を介してチャンバ２２に接続される。このポンプ（示さず）は、１分当たり約１〜２５ｍｌの流体速度または流速で、パイプ２４を通してチャンバ２２に液体を供給するが、より速いか、またはより遅い流体速度または流速が、使用者の特定の要求に基づいて達成され得る。
【００２２】
図１に示されるように、円筒型サイクロンセクション３０は、円錐型サイクロンセクション２０の頂部に接続される。図８Ｂおよび９Ａ−９Ｂを参照すると、円筒型サイクロンセクション３０は、４個の円筒型サイクロンチャンバ３２を備える。各チャンバ３２は、対応する円錐型チャンバ２２上に直接整列される。真空伝達チャネル５２およびクリアランスホール６６は、円筒型サイクロンセクション３０を通って延びる。
【００２３】
図１に示されるように、サイクロン入口セクション４０の底部は、円筒型サイクロン３０の頂部に接続される。図８Ａおよび１０Ａ〜１０Ｃを参照すると、サイクロン入口セクション４０は、各々が内部壁または内部表面４４を有する４個のチャンバ４２を備える。各チャンバ４２は、チャンバ４２を外部環境に接続する、接線方向入口４３を有する。チャンバ４２は、対応する円筒型チャンバ３２および対応する円錐型チャンバ２２と流体連絡またはフロー連絡してさらに接続し、全体のサイクロンチャンバを形成する。各入口４３は、ほぼ矩形形状の断面を有し、そして入口壁４６を通ってチャンバ４２に接続する。入口壁４６は、チャンバ４２の円筒型内部表面４４に対して接線方向である。各入口４３はまた、テーパー付けされた入口壁４８によって形成され、粒子を含む気体が、入口４３を通ってチャンバ４２に入るのを容易にする。テーパー付けされた壁４８は、円筒型チャンバ４２の接線方向の内部壁４６から約３５°突出する。１分当たり約１００〜５００Ｌの空気の流体速度または流速は、本発明の構成によって達成されるが、より速いか、またはより遅い流体速度または流速が、さらなるサイクロンチャンバまたは使用される場合および／またはサイクロンサイズが調節される場合に達成され得る。本発明の１つの好ましい実施形態において、１分当たり１００〜５００Ｌの流体速度または流速を達成するために、このアセンブリは、好ましくは、約７ｃｍの直径および約２０ｃｍの長さであり、４個のサイクロンチャンバを使用する。好ましくは、サイクロンチャンバの頂部は、２ｃｍの直径を有し、サイクロンチャンバの底部の底部直径は、０．６ｃｍであり、そしてこのサイクロンチャンバの高さは、１０ｃｍである。
【００２４】
図１に示される様に、上部サイクロン通気口セクション５０は、密接に適合するクリアランスホール６６を通って延びるボルトによって、サイクロン入口セクション４０の頂部に接続される。図１１および１２Ａ〜１２Ｄを参照すると、サイクロン通気口セクション５０は、ほぼディスク形状の通気口セクション５０を通って垂直方向に延びる、４個の通気通路５４を備える。各通気口通路は、チャンバ４２上に直接、アセンブリ軸６に対して並行に配置され、そしてネジ山内部表面５５を有する。４個のオーバーフローパイプまたは渦型ファインダー出口５６（円筒型形状）は、部分的にネジ切りされた外側表面５７を有する。各パイプ５６は、対応するネジ山表面５５および５７のかみ合わせにより通気口５４に接続される。オーバーフローパイプ５６は、下方向に、サイクロン入口セクション４０のそれぞれの円筒型チャンバ４２へと延びる。各々の過剰流体（ｏｖｅｒｆｌｕｉｄ）パイプまたはオーバーフローパイプは、オーバーサイクロン通気口セクション５０の底部からサイクロン入口セクション４０のほぼ底部に延びる。
【００２５】
入り粒子積載ガスの大部分は、サイクロンチャンバ（円筒形および円錐形区画）を通る螺旋状流体またはフローパターンで下方向に移動する。下方向流体またはフローのいくつかは、下流体（ｕｎｄｅｒｆｌｕｉｄ）またはフロー出口を通り、真空移動通路５２を通って去り、そして上側真空チャンバ６２から出る。ガスの残り（大部分の粒子が分離され、そして流体によって捕捉された後）は、その垂直方向で逆になり、そして内側螺旋状流体またはフローにより上向きに進み、そしてオーバーフローパイプ５６を通る円錐形チャンバを出る。このガスは、ブロワー誘導真空によって通気口５４を通って上昇し、そしてアセンブリから出続ける。
【００２６】
図１に示されるように、頂部区画６０は、上側サイクロン通気口区画５０の頂部に取り付けられる。図１３および１４Ａ〜１４Ｂを参照すると、頂部区画６０は、上側真空チャンバ６２および外部結合ニップル６８を備える。外部結合ニップル６８は、ブロワーまたは真空ポンプ（図示せず）に装着される。頂部区画６０は、４つのクリアランス穴６６を有し、これらの穴は、アセンブリ２の全長にわたって延びる。各真空伝達通路５２は、上部開口部６４において上部真空チャンバ６２に出る。上部真空チャンバ６２は、通気口５４および円筒形チャンバ３２を通り、円錐形チャンバ２２の頂部と流体連通またはフロー連通して接続される。
【００２７】
操作の際、ブロワーまたは真空ポンプは、放射状入口４３を通して、サイクロン粒子分離器アセンブリ中に外気を引き込む。真空伝達チャネル５２（アセンブリ２の全長にわたって延びる）は、ガスをサイクロンチャンバ２２の頂部２３に引き込み、そしてサイクロンチャンバ２２の頂端２８を通して出す。入り口４３からサイクロン粒子分離チャンバ２２に入るガスは、接線方向に整列された入り口４３に起因して、円筒形サイクロン区画３０を通って下方向に、円錐形形状チャンバ２２に渦巻きながら進む。ガスは、円錐形チャンバ２２の底部分２１に向かって下向きに螺旋状パターンで進む。遠心分離力に起因して、粒子は、チャンバ２２の中心軸から外向きに離れ、そしてそれぞれのチャンバ２２の壁に向かって流れる。液体は、中心液体通過管２４を通り内部レザバ１２からチャンバ２２にポンプで送られる。この液体は、チャンバ２２における粒子を湿潤し、そしてレザバ１２に粒子をフラッシングして、チャンバ壁を洗い流す。液体は、蠕動ポンプ（図示せず）によって円錐形チャンバを通って連続的に再循環し、それによって、徐々に液体内に粒子を濃縮する。次いで、液体は、検出器およびセンサーから構成される、必要に応じて一体化された検出器／センサーシステムにポンプで送られ得る。検出器／センサーシステムは、毒性微生物が存在する場合、警告を送り出し得る。粒子濃縮が必要とされない場合、液体は、迅速に検出器／センサーシステムにポンプで送り出され得る。
【００２８】
（実施例１）
本発明の１つの実施形態に従う、スケールダウンした２０ＬＰＭサイクロンシステムは、周囲チャンバ内のエアロゾル化された微生物を使用してこれらの初期の試験に使用した。「Ｏｒｉｇｉｎ」と呼ばれる抗原−抗体試験を使用して、サイクロンシステムによって収集された微生物および細胞培地における生物の増殖を定量化した。最初の結果は、Ｅｒｗｉｎｉａ　ｈｅｒｂｉｃｏｌａ試験についてのＯｒｉｇｉｎアッセイから得た。Ｏｒｉｇｉｎ試験は、生きた生物材料および死んだ生物材料の両方を認識した。試験（表１）は、本発明のミニサイクロンバイオコレクターが、使用される参照コレクターよりも効率的であることを示す。
【００２９】
（表１）
総ガラスインピンジャー参照収集器と比較した、サイクロンバイオ収集器についての１５分のサンプリング期間の間のＥｒｗｉｎｉａ　ｈｅｒｂｉｃｏｌａについての収集効率。データは、コロニー形成単位／ｍｌ（収集溶液）／Ｌ（サンプリングされた空気）である。生物は、「Ｏｒｉｇｉｎ」抗原−抗体試験を使用して定量化された。
【００３０】
【表１】
2004503757.tif 000003
図１６〜２８は、本発明の代替の実施形態を示す。図１６および２７Ａ〜２７Ｃを最初に参照すると、代替の実施形態は、気流から大きな粒子を分離しそして除き、そしてセンサー／検出器技術のための小さな粒子を濃縮するためのサイクロン力を使用する粒子分離アセンブリまたはシステムである。代替の実施形態は、場の状況における病原体分離および収集に適切な携帯可能多機能デバイスである。
【００３１】
粒子分離器および収集器アセンブリの代替の実施形態は、図２７〜２８に示されるように、外側サイクロンを使用して気流からより大きな粒子を除き、そして内部の一連のミニサイクロンを使用してより小さな粒子を液体中に濃縮する。図１５〜２８は、ミニサイクロン粒子分離器および収集器アセンブリ１０２を記載し、この収集器アセンブリ１０２は、５つの区画から構成されるハウジングを備える。しかし、このハウジングは、一体型でも、必要とされる場合には、任意の数の部品で構築されてもよい。全てのハウジング区画は、円筒形状であるが、その他の外形が使用され得る。組み立てられた場合、各区画は、アセンブリの長手方向中心軸１０６に対して同軸であり、そしてアセンブリ１０２の全長に及ぶ細長ボルト１０４により共に保持される。これらのハウジング区画は、射出成型プロセスを使用してプラスチックから作製される；しかし、その他の材料およびプロセスが使用され得る。
【００３２】
図１６に示されるように、ミニサイクロン粒子分離器アセンブリ１０２は、流体レザバ区画１１０を備え、この区画１１０は、流体チャンバまたは流体レザバ１１１を備える。レザバ１１１は、液体を貯蔵し、そして下流体パイプまたはフローパイプ２８からの液体を受容するための収集場所を提供する。流体レザバ１１１は、上部円筒形区画１１２と下部円錐形区画１１３とに分けられる。円錐形区画１１３は、流体レザバ区画１１０の内部表面のおよそ中間で始まり、そして流体レザバ区画１１０の底部における小さな直径の中心出口１１４で終端する。小さな直径の出口１１４は、蠕動ポンプ（図示されず）の吸引側に接続される。小型蠕動ポンプは、各サイクロンチャンバ１３２に、定容積の液体を、サイクロン壁の接線方向の開口部を通して供給する。各サイクロンへの０．２５ｍｌ／分程度の低いポンピング速度が、湿性壁（ｗｅｔ−ｗａｌｌ）操作には十分であることが分かった。電気的ソレノイド弁を使用して、収集期間の間の液体の循環（および従って粒子の濃縮）のために流体またはフローを中央液体通路１３４を上ってレザバ１１３からサイクロンチャンバ１３２へと方向付けるか、あるいは液体中に存在する任意の毒性微生物の検出のためにサンプルポートまたはセンサー／検出器デバイスへと流出される。特定の生物学的材料用の実時間センサーが開発される場合、低い連続性または間欠液体流体またはフローがサイクロンに供給され、次いでこれがセンサーユニットにポンピングされる。
【００３３】
この設計は、空気および液体の移動のための一体化された流体チャネルまたはフローチャネルを有する。いくつかの異なるレザバ区画１１０は、サイクロンチャンバ１３２の壁を湿潤させ、そしてサンプルを濃縮するための種々の量の液体を保持するように製造され得る。サイクロンアセンブリの積層部品設計により、オペレータが所望のサンプリング期間の長さによってレザバ部品を変えることが可能になる。十分な液体が、蒸発損失を補うために利用可能となるように、より大きなレザバは、より長いサンプリング期間のために使用される。
【００３４】
図１７〜２６を参照して、垂直柱１１６は、流体レザバ区画１１０の外部表面に装着され、そして内部チャネル１１７ならびに液体収集およびリターン導管１１８を備える。内部収集およびリターン導管１１８は、流体レザバ区画１１０の底部において、ポンプ（図示せず）に対して流体連通またはフロー連通して接続される。内部チャネル１１７は、ポンプおよびブロワーの両方からワイヤが垂直柱１１６の全長に延びるのを可能にする。垂直柱１１６は、流体レザバ区画１１０の底部からサイクロン頭頂部区画１４０の外部表面まで延びる。液体は、流体収集ポート１３９を使用することにより、レザバ１１１に加えられ得る。液体で満たされた収集管は、流体収集ポート１３９に装着される。この収集管からの液体は、逆の様式でポンプを操作することにより、内部収集およびリターン導管１１８を通ってレザバ１１１へポンピングされる。二次注入ポート１１５はまた、流体レザバ区画１１０に含まれて、液体がレザバに加えられるのを可能にし得る。二次注入ポート１１５は、流体レザバ区画１１０の頂部の直下に位置し、そしてポンプ（図示せず）を作動させることなくシリンジを使用して系中に液体を注入するために使用され得る。
【００３５】
図１６に示されるように、スプラッシュガード区画１２０の下端は、流体レザバ区画１１０の上端に装着し、そして下部真空チャンバ１２２を備える。図１６および１８を参照して、下部真空チャンバ１２２は、以下で考察される円錐形サイクロン区画１３０の下流（ｕｎｄｅｒｆｌｏｗ）パイプ出口１３８に隣接して配置される。下部真空チャンバ１２２は、下部開口部１２４において４つの真空伝達チャネル１４６に流体またはフロー連通して接続される。真空伝達チャネル１４６は、スプラッシュ区画１２０から延びて、開口部１５４における頂部区画１５０において終端する。各下部開口部１２４は、下流体パイプまたは下流パイプ１３８に隣接して配置される。下部真空チャンバ１２２は、上部円筒形部分１２７および下部円錐形部分１２８を含む。下部円錐形部分１２８は、出口１２９で終端する。出口１２９は、液体がレザバ１１１に戻るのを可能にする。
【００３６】
図１６に示されるように、円錐形サイクロン区画１３０の下端は、スプラッシュガード区画１２０の頂部に装着する。サイクロン区画１３０は、内部フランジまたはシェルフ１３１を備え、これは、中心軸６から延び、そしてスプラッシュガード区画１３０の壁のおよその厚さを残して、外部端に接近する。図１６、１９、２０および２５を参照して、円錐形サイクロン区画１３０は、４つの別個のチャンバ１３２を規定し、これらの各々は、下向きに先細の円錐形状に形成され、長手方向に区画１３０を通って延びている。各チャンバ１３２は、中心軸６に対して平行であり、そして中心軸１０６の周りに等距離に配置される。円錐形サイクロン区画１３０は、中央の小直径液体通路パイプまたは導管１３４を備え、これは、円錐形サイクロン区画１３０内に延びる。中央液体通路１３４は、円錐形サイクロン区画１３０の頂部において始まり、そして中心軸１０６に沿って区画１３０の中心を下り、次いで半径方向外側に曲がって外側通路１２５に接続する。この外側通路１２５は、スプラッシュガード区画１２０および流体レザバ区画１１０を通って下向きに延び、そして底部出口１１５で終端する。外側通路の底部出口１１５は、流体レザバ区画１１０の下端において小型蠕動ポンプ（図示せず）の圧力側に接続される。中央液体通路パイプ１３４は、接線方向入口開口部１７５を通して円筒形チャンバ１４２に液体を供給する。接線方向開口を通って各チャンバ１４２に入る液体は、この液体がチャンバ１３２の内部壁を洗い流すにつれて液体内に粒子を捕捉する。この液体は、下流体パイプもしくはフローパイプまたは頂端出口１３８を通ってチャンバ１３２の底部１３５から流出し、そして流体レザバ区画１１０に戻る。下流パイプ１３８は、ネジ（図示せず）によりチャンバ１３２に接続される。ポンプ（図示せず）は、液体を、約１〜２５ミリリットル／分の流速または流量でパイプ１３４を通してチャンバ１３２に供給する。
【００３７】
あるいは、図２２に示されるように、接線方向開口部１９５は、矩形であり、そして円錐形サイクロンチャンバ１４２の頂部に向かって上方に延びる。
【００３８】
図２５に示されるように、垂直柱１１６は、サイクロン区画１３０の外部表面に装着し、そして流体収集および注入ポート１３９を備える。流体収集ポート１３９は、サイクロン区画１３０の外部表面のおよそ中間に垂直柱１１６上に配置される。収集容器は、流体収集および注入ポート１３９に装着されて、レザバから濃縮された粒子液を収集し得るかまたは新しい液体をレザバ１１１内に注入するために使用され得る。
【００３９】
図１６、２１および２２に示されるように、サイクロン頭頂部区画１４０は、サイクロン区画１３０の頂部に装着する。このサイクロン頭頂部区画１４０は、４つの円筒形サイクロンチャンバ１４２を備える。各チャンバ１４２は、直接、対応する円錐形チャンバ１３２の上に整列される。サイクロン頭頂部区画１４０は、４つの入口１４３を含み、これらの入口１４３は、チャンバ１４２を外部環境に接続する。チャンバ１４２は、さらに対応するサイクロンチャンバ１３２と流体連通またはフロー連通して接続し、粒子分離チャンバまたはサイクロンチャンバ全体を形成する。各入口１４３は、ほぼ矩形の断面を有し、そして進入壁（図示せず）を通してチャンバ１４２に接続する。この進入壁は、チャンバ１４２の円筒形内部表面に対して接線方向である。各入口１４３はまた、テーパ状進入壁（図示せず）により形成されて、粒子積載気体が入口１４３を通って円筒形チャンバ１４２に進入するのを容易にする。このテーパ状の壁は、円筒形チャンバ１４２の内部接線方向壁から約３５度だけ突出する。
【００４０】
図２１に示されるように、４つの通気口通路１４４は、サイクロン頭頂部区画１４０を垂直に通過する。各通気口通路は、チャンバ１４２の上に直接、アセンブリ軸６に対して平行に配置され、そしてねじ切りされた内部表面（図示せず）を有する。４つの過剰流体（ｏｖｅｒｆｌｕｉｄ）パイプもしくはフローパイプまたは渦探知（ｖｏｒｔｅｘ　ｆｉｎｄｅｒ）出口１４７（円筒形）は、部分的にネジきりされた外側表面（図示せず）を有する。各パイプ１４７は、対応するネジ切り表面のかみ合わせ（ｍｅｓｈｉｎｇ）により通気口１４４に装着される。過剰流体パイプまたはフローパイプ１４７は、下向きに、そしてサイクロン頭頂部区画１４０のそれぞれの円筒形チャンバ１４２に延びる。各過剰流体パイプまたはフローパイプは、頂部区画１５０の底部からサイクロン頭頂部区画１４０のほぼ底部まで延びる。
【００４１】
図２７Ａ〜２７Ｃに示されるように、外側サイクロンセパレータ１４８は、サイクロンヘッド部分１４０に取り付けられ得る。外側サイクロンセパレータまたはチャンバ１４８は、中心軸１０６の周りに同心円的に配置される。図２７Ａ〜２７Ｃ（これらの図は、先に議論された４つの内側サイクロンチャンバの代わりに８つの内側サイクロンチャンバの例を示す）を参照して、粒子を運ぶ気体が、外側サイクロンベント１４９を通って、外側サイクロンセパレータ１４８に入り、そして螺旋状の流体またはフローで気体を移動させる。外側サイクロンセパレータ１４８の螺旋状構造は、大きな粒子（この場合には、５０μｍより大きい）を生じ、この粒子は、外側サイクロンの内面上に堆積され、一方で、小さな粒子を含む空気が、内側サイクロンによって処理される。この直線的な流体速度またはフロー速度（８ｍ／秒）は、外側サイクロン入口１４９を通して、内側シリンダーの周囲の周りの内側サイクロンチャンバ１３２の８つの入口１４３に対応する位置で、内側シリンダーに入れられる。さらに、図２７Ａ〜２７Ｃを参照して、外側サイクロンセパレータ１４８が所望される場合、アセンブリ１０２が、垂直柱１１６が使用されないように改変される。液体が、分析のために、外部モニタリングシステム（示されず）にポンピングされ得る。
【００４２】
外側サイクロンセパレータ１４８の基部にある捕獲ビン（示されず）は、大きな粒子がセパレータ１４８の底部に落ちる場合、この大きな粒子を保持する。必要である場合、一連の短い螺旋状フィン（示されず）が、外壁に取り付けられ得、その目的は、外壁の付近にある粒子を底部に向かって流動またはフローさせることである。１．０ｇｍより大きな密度を有する生物学的生物の収集においてその対象ではないより重い無機粒子は、外側螺旋の外壁に移動し、そして大きな粒子と共に廃棄される。外側サイクロンセパレータ１４８をクリーニングすることは、入口１４３を閉じ、捕獲ます内のベント（示されず）を開き、そして捕獲ますの底部のベントを通して大きな粒子を吹き飛ばすために、ブロワーユニットの流体またはフローを逆流させることによって達成される。
【００４３】
円柱状チャンバ１４２を入る流入粒子で満たされた気体のほとんどは、サイクロンチャンバ１３２を通る螺旋状の流体パターンまたはフローパターンで下方向に移動する。下向きの流体またはフローのいくらかは、下流体（ｕｎｄｅｒｆｌｕｉｄ）またはフロー出口１３８を通って出ていき、そして真空移動経路１４６に入り、次いで上部真空チャンバ１５２から排出される。この気体の残り（これらの粒子のほとんどが、液体によって分離および捕獲された後の）は、その垂直方向を逆転させ、そして内部の螺旋状流体またはフローを介して上方に移動し、そしてオーバーフロー（ｏｖｅｒｆｌｏｗ）パイプ１４７を介して円錐形チャンバを出る。この気体は、通過ベント１４４まで続き、そして、ブロワーにより誘導された真空によってアセンブリから出る。
【００４４】
図１６および２３に示されるように、頂部部分１５０は、サイクロンヘッド部分１４０の上部に取り付けられる。頂部部分１５０は、上部真空チャンバ１５２および外部カップリングリップ（縁）１５６を備える。外部カップリングリップ１５２は、ブロワーまたは真空ポンプ（示されず）に取り付けられる。頂部部分１５０は、４つのクリアランス穴１５８を有し、これらの穴は、アセンブリ１０２の長さ全体に延びる。各真空移動経路１４６は、開口部１５４で上部真空チャンバ１５２に入る。上部真空チャンバ１５２は、ベント１４４および円柱状チャンバ１４２を介してサイクロンチャンバ１３２の頂部と流体またはフロー連絡して接続される。
【００４５】
操作において、ブロワーまたは真空ポンプは、外側の気体を、外側サイクロンセパレータ１４８に引く。より大きな粒子は、より小さな粒子から分離され、そして捕獲ます中に収集される。次いで、より小さな粒子は、放射状入口１４３を通ってサイクロン粒子セパレータアセンブリ中のミニサイクロンに入る。真空移動チャネル１４６（これは、アセンブリ１０２の長さ全体に延びる）は、気体をサイクロンチャンバ１３２の頂部に引き、そしてサイクロンチャンバ１３２のより下端部１３８を通して出す。入口１４３からサイクロン粒子分離チャンバ１３２に入る気体は、円柱状サイクロンチャンバ１４２を通って下向きに渦巻き、そして接線方向に位置合わせされた入口１４３のために、円錐形のチャンバ１３２に入る。この気体は、円錐形チャンバ１３２の底部１３５に向かって下向きに螺旋状のパターンで移動する。遠心力に起因して、これらの粒子は、チャンバ１３２の中心軸からそれぞれのチャンバ１３２の壁面に向かって外向きに離れるように流動またはフローする。液体は、中央液体経路管１３４を通って液体レザバ１１１からチャンバ１３２にポンピングされる。この液体は、チャンバ１３２内の粒子をぬらし、そしてこれらの粒子をレザバ１２にフラッシングするチャンバ壁を洗浄する。この液体は、連続的に、蠕動ポンプ（示されず）によって円錐形チャンバを通して再循環され、それによって、経時的に、液体内に粒子を濃縮する。次いで、この液体は、検出器およびセンサからなる必要に応じて一体化されたモニタリングシステムにポンピングされ得る。次いで、このモニタリングシステムは、有毒な微生物が存在する場合、警告を発し得る。
【００４６】
（実施例２）
原型デバイスを、高い流体速度またはフロー速度、１〜１５マイクロメートル（μｍ）の粒子についての高い収集効率、５０μｍより大きい粒子の排除、および低電力消費／圧力低下を達成するために設計した。この実施例のデバイスのための設計仕様は、以下の要求に合致するように確立されたが、他の仕様が、後に記載される計算を使用して確立されるような異なる設計形状について可能である：
５０ｇｍより大きい粒子の１００％の排除
８００　ｌ／分より大きい全空気流体速度またはフロー速度
５０％より大きい２ジン（ｇｉｎ）粒子についての収集効率
（システム全体の設計）
サイクロンセパレータ設計は、大きな粒子を取り除きそして小さな粒子を保持するための同心円状構成要素の２段階システムからなる。図２７に示されるように、単一の大きな外側サイクロンを使用して、５０μｍより大きな粒子を分離しそして排除する。並行して作動する複数のミニサイクロンの内部バンクは、２０μｍより小さい粒子を捕獲し、そして濃縮する。このユニットは、空気流体またはフローを、１０００リットル／分（ＬＰＭ）で処理する能力を有し、収集された生体粒子を、濃縮および／または分析のための液体流に移動させる。内側構造および外側構造の両方の設計は、サイクロン力および重力の影響下での粒子の移動を数学的に記述する式を使用する計算に基づく。
【００４７】
１０００ＬＰＭ（１ｍ３／分）で空気流を処理するために、本発明者らは、ぬれた壁を有する複数のサイクロンユニットを収容する内部シリンダーについての設計を施した。この設計は、円状の配置で、ぬれた壁を有する８個のミニサイクロンに適応し、各々は、１２５ＬＰＭの流体速度またはフロー速度が可能である。このことは、１０ｃｍの直径を有する内側ユニットを生じる。以下に記載される反復計算に基づいて、８ｍ／秒の入口速度を得る形状が選択されて、外側螺旋状キャビティ（サイクロン）の粒子分離性能を達成した。
【００４８】
（入口流体またはフローおよびサイズ計算）
外側サイクロンの形状は、所望の全流体速度またはフロー速度（すなわち、１０００ＬＭＰ）および所望の粒子分離を達成するために必要とされる入口速度に基づいて決定される。本発明者らが想像した設計について、より大きな粒子（＞５０μｍ）は、これらが外側サイクロンの内壁を叩くように、正の半径方向の速度（ｐｏｓｉｔｉｖｅ　ｒａｄｉａｌ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ）を有さなくてはならない。小さい粒子は、この小さい粒子がサイクロンの内側バンクによって捕獲され得るように、負の半径方向の速度を有さなくてはならない。以下の計算を、必要とされる入口速度および入口寸法を決定するために使用した。
【００４９】
１０ｃｍの内側シリンダーの壁での粒子の半径方向の速度を、以下の式を使用して計算した：
Ｖｒ０＝−Ｑ／Ａ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（１）
ここで、
Ｑ＝体積流体速度またはフロー速度（ｃｍ３／秒）であり、そして
Ａ＝空気流体またはフローに曝された内側シリンダーの面積である。
【００５０】
従って、Ｖｒ０＝−Ｑ／Ａ＝−１６６７０／πｄｈ＝−１３０ｃｍ／秒＝−１．３０ｍ／秒であり、ここで、
ｄは、内側シリンダーの直径（１０ｃｍ）であり、そして
ｈは、入口高さ（４．１ｃｍ）である。
【００５１】
粒子抵抗係数のストークスの法則を仮定して、この外側チャネルにおける粒子の半径方向の速度は、以下であり得る：
【００５２】
【数１】
2004503757.tif 000004
ここで、
Ｕ＝入口速度（１０ｍ／秒）であり、
Ｒ＝内側半径（０．０５インチ）であり、そして
ｔＶ＝空気力学的応答時間であり、これは、以下によって定義される：
【００５３】
【数２】
2004503757.tif 000005
ここで、
ρＰ＝粒子密度（１０００ｋｇ／ｍ３、生体粒子が１．０の平均密度を有すると仮定する）であり、
Ｄ＝粒子直径（メートル）であり、そして
μ＝空気の粘度（１．８×１０−５）である。
【００５４】
式２および３を使用して、粒子の半径方向の速度は、いくつかの入口速度（Ｕ）で、種々のサイズの粒子について計算され得る。図３３は、ある範囲の入口速度についての粒子直径　対　Ｖｒｐのプロットを示す。Ｖｒｐについての負の値は、ぬれた内壁のサイクロンにより捕獲を生じる内壁への移動を示す。Ｖｒｐについての正の値は、外壁への移動を示す。１０ｍ／秒の入口流体またはフローの例において、１２μｍより大きい粒子が、構造の外側に流れ、そしてより小さい粒子が、内壁に流れ、ここで、これらは、ぬれた壁を有するサイクロンによって捕獲される。入口でのより大きい流体速度またはフロー速度（１２ｍ／秒）において、ぬれた壁のサイクロンによる捕獲のための粒子サイズカットオフは、１０μｍに減少される。８ｍ／秒のより低い流体速度またはフロー速度において、２０μｍより小さい粒子が捕獲される。全ての場合において、より大きな粒子は、外壁に向かって移動し、そして除去のためにこの構造の底部に位置する。
【００５５】
従って、１０００ＬＰＭの流体速度またはフロー速度を確立するために、入口は、１６．７ｃｍ２の断面積を必要とする。
【００５６】
流体速度またはフロー速度（ｍ３／秒）＝１．０ｍ３／分／６０秒／分＝０．０１６７ｍ３／秒。
【００５７】
流入ポート面積＝０．０１６７ｍ３／秒／８ｍ／秒＝０．００２１ｍ２または（２１ｃｍ２）。
【００５８】
四角形のポートについて、側方寸法＝（０．００２１ｍ２）ｅｘｐ０．５＝０．０４５８ｍまたは４．５８ｃｍ。
【００５９】
従って、外側サイクロンについての入口寸法は、約４．６×４．６ｃｍであるべきである。
【００６０】
同じセットの計算を、１〜２０μｍのサイズの範囲の粒子を収集するために、サイクロンの内部シリンダーについての入口寸法を決定するために使用した。
【００６１】
本発明の別の実施形態において、図２９〜３１は、中心軸に周りに配置される代わりに、直線的に配置されたサイクロンチャンバを示す。それにも関わらず、これらの図に示される装置は、上記のように、先の図の装置に類似する様式で機能する。
【００６２】
空気は、その速度が円柱状の主部分（１８１）に対して接線方向であるように、サイクロン入口ポート（１８０）を通ってシステムに入る。それが回転するにつれて、液体は、液体注入ポート（１８２）から導入されて、シリンダーの内表面をコートし、そしてサイクロン空気流によって投げ出される粒子を収集する。空気のほぼ半分が、フローを逆流させ、そして次いで上部真空チャンバ（１８９）から吸引を受けるボルテックスファインダー（１８３）を通して流れ出る。他の半分は、液体（これは、ここで、粒子を含む）とともに、アンダーフロー開口部（１８４）から流れ、そして下部真空チャンバ（１８６）の上部部分に流れる。次いで、この空気は、空気リターンチャネル（１８５）を通って、上部真空チャンバに流れ、ここで、この空気は、ボルテックスファインダーを通して出、そしてブロワー開口部（１８７）に取り付けられたブロワーを介して吸引される空気と一緒になる。この液体は空気から分離され、そしてこの液体とともに粒子を、液体流出管（１８８）に運ぶ、下部真空チャンバ（１８６）の底部部分である流体レザバに滴下される。「１回通過（ｏｎｃｅ　ｔｈｒｏｕｇｈ）」適用において、この液体は、次いで、センサ／検出器（示されず）に送られ、そして新鮮な液体が、液体注入（ｉｎｐｕｔ）管（１９１）にポンピングされ（ポンプは示されず）、そして液体注入管（１９１）を介して液体注入ポート（１８２）に戻される。「バッチ」適用において、この液体は、注入ポンプを介するポンピングによって流体レザバ（１８６）から再循環され、そして注入ポート（１８２）を通して各サイクロンに分配され、そして、円柱状部分が、サイクロン力を介して壁に衝撃を与える粒子を捕獲し続ける円柱状部分に落とされる。
【００６３】
４つの円錐形チャンバが、説明の目的のためのみに使用され、そして任意の数の円錐形チャンバが使用され得ることが明らかであるべきである。円錐形チャンバに関連した部品（真空移動チャネル、上部サイクロンベント、サイクロン入口、下流体またはフローパイプ、および過剰流体（ｏｖｅｒｆｌｕｉｄ）またはフローパイプ）が、円錐形チャンバの数に従って変化することもまた、明らかであるべきである。２つのサイクロンの形状が主に例示され、１つは、３６０度サンプリングする放射状の形状の４つのミニサイクロンを備え、そして１つは、入口が互いに対向し、そして図２９に示されるような双極形状の１２のミニサイクロンを備える。しかし、本発明は、これらの数のサイクロンまたは形状に限定されるべきではない。この放射状の設計は、収集される所望の粒子サイズに依存して、より多くのサイクロンを有し得、そしてこれらのサイクロン自体は、大きくてもよいし、小さくてもよい。このことは、双極システムにおいても同様であり、より多いかまたは少ない数のサイクロンが使用され得、そしてこれらのサイクロンは、そのサイズがより大きくてもよいし、小さくてもよい。入口が１つの方向に面する、単極設計もまた可能である。
【００６４】
本発明の好ましい実施形態を例示しそして記述してきたが、種々の変化が、本発明の意図および範囲から逸脱することなくなされ得ることが、理解される。
【図面の簡単な説明】
上記の局面および本発明の多くの付随の利点は、より容易に理解され、添付の図面と組み合わせて解釈する場合、以下の詳細な説明を参照してより良く理解される。
【図１】
図１は、本発明の粒子分離器アセンブリの分解斜視図を図示する。
【図２】
図２は、本発明のベースセクションの拡大斜視図を図示する。
【図３】
図３Ａは、本発明のベースセクションの上面図を図示する。図３Ｂは、図３ＡのラインＩ−Ｉに沿って取られたベースセクションの断面図を図示する。図３Ｃは、図３ＡのラインＩ−Ｉに沿って取られたベースセクションの別の断面図を図示する。
【図４】
図４は、本発明のベースセクションの底面図を図示する。
【図５】
図５は、本発明の円錐型サイクロンセクションの拡大斜視図を図示する。
【図６】
図６は、本発明の円錐型サイクロンセクションの頂部の拡大図を図示する。
【図７】
図７Ａは、本発明の円錐型サイクロンセクションの上面図を図示する。図７Ｂは、本発明の円錐型サイクロンセクションの側面立面図を図示する。図７Ｃは、本発明の円錐型サイクロンセクションの底面図を図示する。図７Ｄは、本発明の円錐型サイクロンセクションに接続される、下部流体パイプまたは下部フローパイプの側面立面図を図示する。
【図８】
図８Ａは、本発明のサイクロン入口セクションの拡大斜視図を図示する。図８Ｂは、本発明の円筒型サイクロンセクションの拡大斜視図を図示する。
【図９】
図９Ａは、本発明の円筒型サイクロンセクションの上面図を図示する。図９Ｂは、本発明の円筒型サイクロンセクションの側面立面図を図示する。
【図１０】
図１０Ａは、本発明のサイクロン入口セクションの上面図を図示する。図１０Ｂは、本発明のサイクロン入口セクションの側面立面図を図示する。図１０Ｃは、本発明のサイクロン入口セクションのテーパー付けされた外壁の拡大部分図を図示する。
【図１１】
図１１は、本発明の上部サイクロン通気口セクションの拡大斜視図を図示する。
【図１２】
図１２Ａは、本発明の上部サイクロン通気口セクションの上面図を図示する。図１２Ｂは、本発明の上部サイクロン通気口セクションの側面立面図を図示する。図１２Ｃは、本発明の円錐型サイクロンセクションに接続される、下部流体パイプまたは下部フローパイプの上面図を図示する。図１２Ｄは、本発明の円錐型サイクロンセクションに接続される、下部流体パイプまたは下部フローパイプの側面立面図を図示する。
【図１３】
図１３は、本発明の頂部セクションの拡大斜視図を図示する。
【図１４】
図１４Ａは、フランジ取り付け部を有さない、本発明の頂部セクションの上面図を図示する。図１４Ｂは、フランジ取り付け部を有さない、本発明の頂部セクションの側面立面図を図示する。
【図１５】
図１５は、本発明の粒子分離アセンブリとブロワーの組み合わせを図示する。
【図１６】
図１６は、本発明の粒子分離器アセンブリの代替の実施形態の分解斜視図を図示する。
【図１７】
図１７は、本発明の代替の実施形態のレザバセクションの拡大斜視図を図示する。
【図１８】
図１８は、本発明の代替の実施形態のはねよけセクションの拡大斜視図を図示する。
【図１９】
図１９は、本発明の代替の実施形態のサイクロンセクションの拡大斜視図を図示する。
【図２０】
図２０は、本発明の代替の実施形態のサイクロンセクションの拡大斜視図を図示する。
【図２１】
図２１は、本発明の代替の実施形態のサイクロンヘッドセクションの拡大斜視図を例図する。
【図２２】
図２２は、本発明の代替の実施形態のサイクロンヘッドセクションの別の拡大斜視図を図示する。
【図２３】
図２３は、本発明の代替の実施形態の頂部セクションの拡大斜視図を図示する。
【図２４】
図２４は、本発明の代替の実施形態の粒子分離器アセンブリのサイクロンヘッドセクションの拡大図を図示する。
【図２５】
図２５は、本発明の代替の実施形態の粒子分離器アセンブリのサイクロンチャンバセクションの拡大図を図示する。
【図２６】
図２６は、本発明の代替の実施形態の粒子分離器アセンブリのレザバセクションの拡大図を図示する。
【図２７】
図２７Ａは、本発明の内部ミニサイクロン収集器と組み合わされた外部粒子分離器の頂部断面図を図示する。図２７Ｂは、本発明の代替の実施形態の、大きな粒子の分離のための外部螺旋状サイクロンの側面斜視図を図示する。図２７Ｃは、本発明の代替の実施形態の側面斜視図を図示する。
【図２８】
図２８は、本発明の粒子分離器アセンブリの代替の実施形態の拡大斜視図を図示する。
【図２９】
図２９は、本発明の粒子分離器の別の実施形態の斜視図を図示する。
【図３０】
図３０は、図２９に示される実施形態の長手軸断面図を図示する。
【図３１】
図３１は、図３０に示される実施形態の上面断面図を図示する。
【図３２】
図３２は、図１および図１６に図示されるような、サイクロンシステムのＣＦＤモデリングに基づく計画された収集効率を図示する。
【図３３】
図３３は、実施例２に記載される代替の実施形態のための、ある範囲の入口速度についての粒子直径　対　Ｖｒｐのプロットを図示する。
【図１】
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【図４】
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【図６】
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【図７】
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【図１２】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図３２】
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【図３３】
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【国際公開パンフレット】
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【手続補正書】
【提出日】平成14年1月10日(2002.1.10)
【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】
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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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【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
2004503757.tif 000099
【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
2004503757.tif 000114
【図３３】
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【国際調査報告】
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