(57)【要約】【課題】高レベルのエアロゾルを測定するための正確な単独粒子計数のために使用され得る凝縮粒子計数器を提供すること。【解決手段】高濃度の粒子を有するエアロゾルを測定するための装置であって、サンプルエアロゾルストリーム中の粒状物の濃度を希釈して希釈されたエアロゾルストリームを形成するための希釈器、およびこの希釈されたエアロゾルストリーム中の粒子を、蒸気凝縮、液滴成長および光学的検出によって検出するためのセンサーを備える装置、を提供する。【選択図】図２
2007057532.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エアロゾル中の粒子を検出するための装置であって、該装置は、
希釈器であって、サンプルエアロゾルストリーム中の粒子の濃度を希釈して希釈されたエアロゾルストリームを形成するための希釈器；ならびに
センサーであって、該希釈されたエアロゾルストリーム中の粒子を、蒸気凝縮、液滴成長および光学的検出によって検出するためのセンサー、
を備える、装置。
【請求項２】
前記希釈器が、前記希釈されたエアロゾルストリームの一部を引き込み、該部分から粒子を取り除いて、前記サンプルエアロゾルストリームと混合して該希釈されたエアロゾルストリームを形成するための清浄な空気ストリームを形成するための流路を有する、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記希釈されたエアロゾルストリームから前記部分を引き込むためのポンプを備える、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記ポンプにより引き込まれた希釈されたエアロゾルストリームの一部から粒子を取り除くための少なくとも１つのフィルターを備える、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記ポンプにより引き込まれた希釈されたエアロゾルストリームの一部から熱を取り除くための冷却要素を備える、請求項２に記載の装置。
【請求項６】
前記サンプルエアロゾルストリームがすべての希釈器を通って流れるように、請求項２に記載の装置に直列に連結された少なくとも１つの追加の希釈器を備え、そして各希釈器が、該サンプルエアロゾルストリームを漸進的に希釈するための不連続な清浄空気の通路を有する、請求項２に記載の装置。
【請求項７】
前記希釈器が、前記サンプルエアロゾルストリームが入るための入口、清浄空気が入って該サンプルエアロゾルストリームと混合して希釈されたエアロゾルストリームを形成するための入口と、該希釈されたエアロゾルストリームが出るための出口と、機構であって、該出口から該希釈されたエアロゾルストリームの一部を引き込み、該引き込まれた部分から粒子を取り除き、そして該引き込まれた部分を清浄な空気として該清浄空気入口を通して該希釈器に戻すための機構と、を備える、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記サンプルエアロゾルストリームを、１つの希釈器から下流のその次の希釈器へ漸進的に希釈するために、請求項７に記載の希釈器と直列に連結された少なくとも１つの希釈器をさらに備える、請求項７に記載の希釈器。
【請求項９】
サンプルエアロゾルストリームを清浄空気ストリームと混合することにより、エアロゾルを希釈するための装置であって、該装置は、
該サンプルエアロゾルおよび該清浄空気ストリームが通って流れるための絞り穴、
を備え、該絞り穴は、該サンプルエアロゾルストリームおよび清浄空気を混合させて希釈されたエアロゾルストリームを形成させる乱流を生成するようなサイズである、装置。
【請求項１０】
さらなる混合を前記希釈されたエアロゾルストリーム中で発生させる乱流を生成するために、請求項９に記載の絞り穴の下流に置かれる少なくとも１つの追加の絞り穴を備える、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
センサーであって、前記希釈されたエアロゾルストリーム中の粒状物を、蒸気凝縮、液滴成長および光学的検出によって検出するセンサー、を備える、請求項９に記載の装置。
【請求項１２】
前記希釈されたエアロゾルストリームの一部が取り除かれ、濾過され、そして前記サンプルエアロゾルストリームと混合して該希釈されたエアロゾルストリームを形成するための清浄空気として導入される、請求項９に記載の装置。
【請求項１３】
前記希釈されたエアロゾルストリームから一部を取り除き、そのように取り除かれた部分の流量を維持するためのポンプを備える、請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記サンプルエアロゾルストリームの流れを維持するための第２のポンプを備える、請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
エアロゾル粒子を、蒸気凝縮、液滴成長および光学的検出によって検出するセンサー、および前記ポンプにより維持される流量を感知するためのセンサー、および該流量を所望の設定値に制御するための制御システム、を備える、請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
前記希釈器、前記センサー、および前記制御システムが、共通のハウジング中に配置されている、請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
前記希釈器および前記センサーが共通のハウジング中に配置されている、請求項１に記載の装置。
【請求項１８】
エアロゾルを希釈するための装置であって、該装置は、入口を通して引き込まれたサンプルエアロゾルストリームを清浄空気ストリームと混合し、希釈されたエアロゾルストリームを形成すること、および希釈されたエアロゾルサンプルストリームを出口を通して、該入口を通して引き込まれるサンプルエアロゾルストリームの流量と実質的に同じ流量で送達することによって該エアロゾルを希釈し、該装置は、
第１のポンプであって、該入口を通って流れる該サンプルエアロゾルストリームおよび該出口を通って流れる該希釈されたエアロゾルストリームの流量を維持するための第１のポンプ；ならびに
第２のポンプであって、該希釈されたエアロゾルストリームの一部を、フィルターを通して、該入口を通して引き込まれたサンプルエアロゾルストリームと混合して所望の希釈を形成するための該清浄空気ストリームを提供するに十分な流量で引き込むための第２のポンプ、
を備える、装置。
【請求項１９】
周囲空気通路をさらに備え、そして前記第２のポンプが、前記入口での前記サンプルエアロゾルストリームの流れに打ち勝って該入口を通る清浄空気の逆の流れを生成するに十分な周囲空気を選択的に引き込む、請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
請求項１に記載の装置を使用する、エアロゾルストリーム中の粒子を検出するための方法であって、該方法は、
希釈器を提供する工程であって、該希釈器は、エアロゾルストリーム中の粒子の濃度を希釈して希釈されたエアロゾルストリームを生成するためのものである、工程；ならびに
該希釈されたエアロゾルストリーム中の粒子を、蒸気凝縮、液滴成長および光学的検出によって検出する工程、
を包含する、方法。
【請求項２１】
さらに、
前記希釈されたエアロゾルストリームの一部を引き込む工程；
そのように引き込まれた該部分を濾過して、希釈ストリームを形成する工程；および
該希釈ストリームと該エアロゾルストリームとを組合わせて、それにより該エアロゾルストリームを希釈する工程、
を包含する、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記希釈されたエアロゾルストリームの一部が、ポンプによって引き込まれる、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
さらに、
前記希釈ストリームを冷却する工程、
を包含する、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
さらに、
前記エアロゾルストリームが、前記希釈器のすべてを通って流れ、前記粒子のサンプルエアロゾルストリームを漸進的に希釈するように、直列に流体により連結された２つ以上の希釈器を提供する工程、
を包含する、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
さらに、
各希釈器中の前記希釈されたエアロゾルストリームからの部分を引き込む工程、
を包含する、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
さらに、
前記エアロゾルストリームを絞り穴を通して乱流状に混合する工程、
を包含する、請求項２５記載の方法。
【請求項２７】
さらに、
前記絞り穴の下流の前記希釈されたエアロゾルストリームの一部分を引き込む工程；
該一部分を濾過し、前記サンプルエアロゾルストリームを希釈するための清浄空気として導入する工程、
を包含する、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記希釈器に１つ以上の絞り穴を提供し、該絞り穴は、間隔を空けて離れた関係で直列に下流に配置され、そして該絞り穴は、乱流を生成するようなサイズである、請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
さらに、
ポンプを用いて、前記サンプルエアロゾルストリームを前記絞り穴を通して引き込む工程、
を包含する、請求項２８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（発明の背景）
本発明は、引き続く粒状物測定がより正確になるように、高い粒状物濃度を有するエアロゾルストリームを希釈するための方法および装置に関する。本発明はまた、高濃度のエアロゾルを測定するための、凝縮粒子計数器（Ｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎ  Ｐａｒｔｉｃｌｅ  Ｃｏｕｎｔｅｒ）（ＣＰＣ）と組合わせた希釈器の使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
空気中に懸濁した小さい粒子からなるエアロゾルは、自然界および人間環境に広く見られる。エアロゾル測定のための技術は、エアロゾルの挙動、およびエアロゾルが存在する環境に与えるエアロゾルの影響を研究するために重要である。エアロゾル測定のための重要な技術は、光散乱式粒子計数器（Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｐａｒｔｉｃｌｅ  Ｃｏｕｎｔｅｒ）（ＯＰＣ）である。この機器はまた、レーザー光源が粒子の照射に使用される場合は、レーザー粒子計数器（Ｌａｓｅｒ  Ｐａｒｔｉｃｌｅ  Ｃｏｕｎｔｅｒ）（ＬＰＣ）と呼ばれる。別の技術は、凝縮粒子計数器（ＣＰＣ）である。両方の技術には、光散乱に基づく光学的検出が関与し、このＯＰＣは、粒子からの直接の光散乱を検出するが、他方、ＣＰＣは、蒸気を粒子上に凝縮させて液滴を形成し、次いでその液滴が光散乱または他の技術により光学的に検出されることにより、粒子を検出する。
【０００３】
ＯＰＣの小粒径側検出限界は、一般に粒子の直径が０．１μｍのオーダーである。より小さい粒子は、より強いレーザー光源、より感度のよい光検出器、またはそれらの両方を使用することにより、ＯＰＣにより検出され得るが、その装置は、ますます設計がより困難になり、製造にコストがかかるようになり、代替の測定方法がより好ましくなる。代替のデバイスは、直径０．００２μｍもの小さい粒子を検出し得るＣＰＣである。非常に小さい粒子は、ＣＰＣにより検出され得る。なぜなら、蒸気が、最初粒子上に凝縮され、より大きなサイズの液滴を形成するからである。この液滴は、次いで光散乱または他の技術により光学的に検出される。
【０００４】
ＯＰＣおよびＣＰＣの両方が、エアロゾル測定のための有用な機器であり、ＣＰＣは、ＯＰＣの下方検出限界（通常、約０．１μｍである）未満の小さい粒子を測定するのに特に有用である。ディーゼルエンジンおよび火花点火エンジンおよび他の燃焼源により排出される小粒子の健康への影響の可能性に起因して、ＣＰＣは、エンジン排気の粒状物および類似の測定のための測定機器としてますます重要になっている。
【０００５】
歴史的には、凝縮粒子計数器（ＣＰＣ）は、凝縮核計数器（Ｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎ  Ｎｕｃｌｅｕｓ  Ｃｏｕｎｔｅｒ）（ＣＮＣ）と呼ばれる。なぜなら、検出されている粒子は、液滴形成において凝縮の核を形成するからである。ＣＰＣとＣＮＣとの両方は、現在、科学文献および技術文献で使用され、蒸気の凝縮、液滴成長および光学的検出に基づく測定機器を意味する。
【０００６】
ＣＰＣとＯＰＣの両方は、粒子濃度についてのある固有の限界を有する。粒子が検出回路および計数回路により信頼性をもって計数されるには速すぎる速度で光のビームを通過するときには、粒子計数器の計数速度の限界を超えることになる。１つより多い粒子が検出器の光学的視界容積中に存在し、２つ以上の粒子からの光散乱が１つの粒子からの光散乱と見られるようになると、同時計数の限界を超えることになり、粒子の計数の減少を導く。高い精度の測定のためには、これらの限界の両方を超えてはならない。
【０００７】
ＣＰＣによる、同時計数限界を超えるエアロゾル測定に対して、光度測定モードがしばしば使用される。この光度測定モード同時計数では、光のビームにより照射された液滴雲からの光散乱は、光学検出器によって測定され、液滴濃度の測定値として使用される。光度測定モードを使用する１つの市販の機器は、ＴＳＩ，Ｉｎｃ．によるＭｏｄｅｌ  ３０２２Ａ  ＣＰＣである。この機器では、１ｃｃあたり約１０４粒子までのエアロゾルが単独粒子計数により測定されるが、濃度が１ｃｃあたり約１０７粒子という最大限界までの高濃度に対しては光度測定モードが使用される。
【０００８】
液滴雲からの光散乱は、液滴サイズおよび液滴濃度の両方に依存するので、光度測定モードは、単独粒子計数モードほどには正確ではない。この光度測定モードでは、蒸気飽和条件および蒸気凝縮条件に起因する液滴サイズの小さい変化が液滴サイズを変化させ、たとえエアロゾル濃度が同じのままであっても、異なる機器の読み取り値を生じ得る。最近の研究により、いくつかのＣＰＣが比較のために並べて配置されたとき、測定されたエアロゾル濃度において６０％以上もの大きな差が起こり得ることが示された（非特許文献１）。光学測定モードが、測定された濃度における観察された不一致に有意に寄与していると考えられている。
【非特許文献１】Ｓ．Ｂｉｓｗａｓ，Ｐ．Ｍ．Ｆｉｎｅ，Ｍ．Ｄ．Ｇｅｌｌｅｒ，Ｓ．Ｖ．ＨｅｒｉｎｇおよびＣ．Ｓｉｏｕｔａｓ，「Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ  ｏｆ  ａ  Ｒｅｃｅｎｔｌｙ  Ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ  Ｗａｔｅｒ−Ｂａｓｅｄ  Ｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎ  Ｐａｒｔｉｃｌｅ  Ｃｏｕｎｔｅｒ」，Ａｅｒｏｓｏｌ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  ａｎｄ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００５年，第３９巻，４１９〜４２７頁
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
（発明の要旨）
本発明は、高濃度の粒子を有するエアロゾルを測定するための装置を包含し、この装置は、サンプルエアロゾル中の粒子の濃度を希釈するための希釈器、ならびに粒子を、蒸気凝縮、液滴成長および光学的検出によって検出するためのセンサーを備える。このような装置は、この装置の作動のための電子機器、ならびにポンプ、フィルター、温度センサーおよび流れセンサーなどのような必要であるかも知れない付属構成要素とともに、共通のハウジング中に収容され得る。
【００１０】
本発明はまた、エアロゾルストリーム中の粒子の引き続く計数のために、エアロゾルストリームを希釈するための装置および方法を包含する。この希釈装置は、初期粒子濃度を有する入力エアロゾルストリームが、実質的に粒子を含まない清浄な空気と混合されることにより、希釈されることを可能にする。混合は、エアロゾルストリームと清浄な空気ストリームとを、絞り穴を通して導くことによって達成され、この絞り穴は、その絞り穴の下流で乱流が生成されるようなサイズであり、この乱流が、上記ストリームを混合しより低い粒子濃度のエアロゾルの希釈されたストリームを形成させる。
【００１１】
この方法は、エアロゾルストリーム中のある濃度の粒子を希釈するための希釈器を提供する工程、ならびに粒子を蒸気凝縮、液滴成長および光学的検出によって検出する工程、を包含する。この方法の１つの実施形態はまた、この希釈されたエアロゾルストリームの一部を引き込み、そのように引き込まれた一部を濾過して、実質的に粒子を含まない清浄空気の希釈ストリームを形成し、そしてこの希釈ストリームと上記エアロゾルストリームとを組合わせて、それによりこのエアロゾルストリームを希釈する。この方法の別の局面では、このエアロゾルおよびこの希釈ストリームは、絞り穴を通して引き込まれ、この絞り穴は、この希釈ストリームとこのエアロゾルストリームとを混合するために下流で乱流を生成するようなサイズである。
【００１２】
本発明の別の局面では、複数のこのような絞り穴が直列に配置され、各絞り穴は、さらなる混合を生成するための乱流を生成するようなサイズである。本発明はまた、この絞り穴の下流のエアロゾルストリームの一部を引き込み、引き込まれた部分を濾過して実質的に粒子を含まない希釈ストリームを生成することによる、希釈ストリームの形成を包含する。
【００１３】
第１のポンプが使用され得、上記エアロゾルストリームの一部が引き込まれて粒子を含まない希釈ストリームが生成され得る。第２のポンプもまた使用され得、絞り穴または一連の絞り穴を通してエアロゾルが引き込まれ得る。
【００１４】
本発明の別の局面では、エアロゾルストリームが各希釈器を通って流れるように、複数の希釈器が直列に連結され、各希釈器は、漸進的にエアロゾルストリームを希釈するために、希釈されたエアロゾルストリームの一部分を引き込み、この一部分を濾過して、実質的に粒子を含まない希釈ストリームを提供する。
【００１５】
より詳細には、本発明は以下の手段を提供する。
【００１６】
（項目１）
エアロゾル中の粒子を検出するための装置であって、この装置は、
希釈器であって、サンプルエアロゾルストリーム中の粒子の濃度を希釈して希釈されたエアロゾルストリームを形成するための希釈器；ならびに
センサーであって、この希釈されたエアロゾルストリーム中の粒子を、蒸気凝縮、液滴成長および光学的検出によって検出するためのセンサー、
を備える、装置。
【００１７】
（項目２）
上記希釈器が、上記希釈されたエアロゾルストリームの一部を引き込み、この部分から粒子を取り除いて、上記サンプルエアロゾルストリームと混合してこの希釈されたエアロゾルストリームを形成するための清浄な空気ストリームを形成するための流路を有する、項目１に記載の装置。
【００１８】
（項目３）
上記希釈されたエアロゾルストリームから上記部分を引き込むためのポンプを備える、項目２に記載の装置。
【００１９】
（項目４）
上記ポンプにより引き込まれた希釈されたエアロゾルストリームの一部から粒子を取り除くための少なくとも１つのフィルターを備える、項目３に記載の装置。
【００２０】
（項目５）
上記ポンプにより引き込まれた希釈されたエアロゾルストリームの一部から熱を取り除くための冷却要素を備える、項目２に記載の装置。
【００２１】
（項目６）
上記サンプルエアロゾルストリームがすべての希釈器を通って流れるように、項目２に記載の装置に直列に連結された少なくとも１つの追加の希釈器を備え、そして各希釈器が、このサンプルエアロゾルストリームを漸進的に希釈するための不連続な清浄空気の通路を有する、項目２に記載の装置。
【００２２】
（項目７）
上記希釈器が、上記サンプルエアロゾルストリームが入るための入口、清浄空気が入ってこのサンプルエアロゾルストリームと混合して希釈されたエアロゾルストリームを形成するための入口と、この希釈されたエアロゾルストリームが出るための出口と、機構であって、この出口からこの希釈されたエアロゾルストリームの一部を引き込み、この引き込まれた部分から粒子を取り除き、そしてこの引き込まれた部分を清浄な空気としてこの清浄空気入口を通してこの希釈器に戻すための機構と、を備える、項目１に記載の装置。
【００２３】
（項目８）
上記サンプルエアロゾルストリームを、１つの希釈器から下流のその次の希釈器へ漸進的に希釈するために、項目７に記載の希釈器と直列に連結された少なくとも１つの希釈器をさらに備える、項目７に記載の希釈器。
【００２４】
（項目９）
サンプルエアロゾルストリームを清浄空気ストリームと混合することにより、エアロゾルを希釈するための装置であって、この装置は、
このサンプルエアロゾルおよびこの清浄空気ストリームが通って流れるための絞り穴、
を備え、この絞り穴は、このサンプルエアロゾルストリームおよび清浄空気を混合させて希釈されたエアロゾルストリームを形成させる乱流を生成するようなサイズである、装置。
【００２５】
（項目１０）
さらなる混合を上記希釈されたエアロゾルストリーム中で発生させる乱流を生成するために、項目９に記載の絞り穴の下流に置かれる少なくとも１つの追加の絞り穴を備える、項目９に記載の装置。
【００２６】
（項目１１）
センサーであって、上記希釈されたエアロゾルストリーム中の粒状物を、蒸気凝縮、液滴成長および光学的検出によって検出するセンサー、を備える、項目９に記載の装置。
【００２７】
（項目１２）
上記希釈されたエアロゾルストリームの一部が取り除かれ、濾過され、そして上記サンプルエアロゾルストリームと混合してこの希釈されたエアロゾルストリームを形成するための清浄空気として導入される、項目９に記載の装置。
【００２８】
（項目１３）
上記希釈されたエアロゾルストリームから一部を取り除き、そのように取り除かれた部分の流量を維持するためのポンプを備える、項目１２に記載の装置。
【００２９】
（項目１４）
上記サンプルエアロゾルストリームの流れを維持するための第２のポンプを備える、項目１３に記載の装置。
【００３０】
（項目１５）
エアロゾル粒子を、蒸気凝縮、液滴成長および光学的検出によって検出するセンサー、および上記ポンプにより維持される流量を感知するためのセンサー、およびこの流量を所望の設定値に制御するための制御システム、を備える、項目１４に記載の装置。
【００３１】
（項目１６）
上記希釈器、上記センサー、および上記制御システムが、共通のハウジング中に配置されている、項目１５に記載の装置。
【００３２】
（項目１７）
上記希釈器および上記センサーが共通のハウジング中に配置されている、項目１に記載の装置。
【００３３】
（項目１８）
エアロゾルを希釈するための装置であって、この装置は、入口を通して引き込まれたサンプルエアロゾルストリームを清浄空気ストリームと混合し、希釈されたエアロゾルストリームを形成すること、および希釈されたエアロゾルサンプルストリームを出口を通して、この入口を通して引き込まれるサンプルエアロゾルストリームの流量と実質的に同じ流量で送達することによってこのエアロゾルを希釈し、この装置は、
第１のポンプであって、この入口を通って流れるこのサンプルエアロゾルストリームおよびこの出口を通って流れるこの希釈されたエアロゾルストリームの流量を維持するための第１のポンプ；ならびに
第２のポンプであって、この希釈されたエアロゾルストリームの一部を、フィルターを通して、この入口を通して引き込まれたサンプルエアロゾルストリームと混合して所望の希釈を形成するためのこの清浄空気ストリームを提供するに十分な流量で引き込むための第２のポンプ、
を備える、装置。
【００３４】
（項目１９）
周囲空気通路をさらに備え、そして上記第２のポンプが、上記入口での上記サンプルエアロゾルストリームの流れに打ち勝ってこの入口を通る清浄空気の逆の流れを生成するに十分な周囲空気を選択的に引き込む、項目１８に記載の装置。
【００３５】
（項目２０）
項目１に記載の装置を使用する、エアロゾルストリーム中の粒子を検出するための方法であって、この方法は、
希釈器を提供する工程であって、この希釈器は、エアロゾルストリーム中の粒子の濃度を希釈して希釈されたエアロゾルストリームを生成するためのものである、工程；ならびに
この希釈されたエアロゾルストリーム中の粒子を、蒸気凝縮、液滴成長および光学的検出によって検出する工程、
を包含する、方法。
【００３６】
（項目２１）
さらに、
上記希釈されたエアロゾルストリームの一部を引き込む工程；
そのように引き込まれたこの部分を濾過して、希釈ストリームを形成する工程；および
この希釈ストリームとこのエアロゾルストリームとを組合わせて、それによりこのエアロゾルストリームを希釈する工程、
を包含する、項目２０に記載の方法。
【００３７】
（項目２２）
上記希釈されたエアロゾルストリームの一部が、ポンプによって引き込まれる、項目２１に記載の方法。
【００３８】
（項目２３）
さらに、
上記希釈ストリームを冷却する工程、
を包含する、項目２２に記載の方法。
【００３９】
（項目２４）
さらに、
上記エアロゾルストリームが、上記希釈器のすべてを通って流れ、上記粒子のサンプルエアロゾルストリームを漸進的に希釈するように、直列に流体により連結された２つ以上の希釈器を提供する工程、
を包含する、項目２３に記載の方法。
【００４０】
（項目２５）
さらに、
各希釈器中の上記希釈されたエアロゾルストリームからの部分を引き込む工程、
を包含する、項目２４に記載の方法。
【００４１】
（項目２６）
さらに、
上記エアロゾルストリームを絞り穴を通して乱流状に混合する工程、
を包含する、項目２５記載の方法。
【００４２】
（項目２７）
さらに、
上記絞り穴の下流の上記希釈されたエアロゾルストリームの一部分を引き込む工程；
この一部分を濾過し、上記サンプルエアロゾルストリームを希釈するための清浄空気として導入する工程、
を包含する、項目２６に記載の方法。
【００４３】
（項目２８）
上記希釈器に１つ以上の絞り穴を提供し、この絞り穴は、間隔を空けて離れた関係で直列に下流に配置され、そしてこの絞り穴は、乱流を生成するようなサイズである、項目２７に記載の方法。
【００４４】
（項目２９）
さらに、
ポンプを用いて、上記サンプルエアロゾルストリームを上記絞り穴を通して引き込む工程、
を包含する、項目２８に記載の方法。
【発明の効果】
【００４５】
本発明により、高レベルのエアロゾルを測定するための正確な単独粒子計数のために使用され得る凝縮粒子計数器が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４６】
（発明の詳細な説明）
類似の参照文字が、全図面を通して類似の要素を示すために使用される。
【００４７】
本明細書中で使用される場合、以下の用語は、以下の意味を有する。
【００４８】
エアロゾルは、浮遊した粒子を含有するガス状媒体である。このガス状媒体は、純粋なガス、水蒸気のような蒸気を含むかまたは含まない空気のようなガス混合物である。便宜的に、すべてのガス状媒体が空気と呼ばれる。清浄な空気とは、実質的に粒状物の夾雑物を含まない空気を意味する。この空気という用語は、空気の粒状物含量が重要でない場合には、しばしば、浮遊した粒子を含むかまたは含まない空気を意味するのに使用される。エアロゾル濃度は、そのエアロゾル中の粒子の濃度であり、通常、１立方センチメートルの空気あたりの粒子の数で表される。
【００４９】
ポンプは、流路の流れ抵抗に打ち勝つために、流路を通して空気を移動させるためのデバイスである。ポンプは、回転翼ポンプ、ピストンポンプ、または任意の他の容積式ポンプであってもよい。また、それは、流体移動のための回転羽根車を備えた送風機、または振動ダイヤフラムポンプのような任意の他の流体移動デバイスであってもよい。便宜的に、すべての空気移動装置が、ポンプと呼ばれる。ポンプは、通常、ポンプの回転のための電気モーターを装備し、ポンプの速度はまた、流量を変更したい場合には、調節され得る。
【００５０】
粒子計数器は、空気中の粒子を検出し計数するためのデバイスを意味する。粒子計数器としては、光散乱または他の光学技術により粒子を光学的に検出する光散乱式粒子計数器（ＯＰＣ）；レーザー粒子計数器（ＬＰＣ）、すなわち粒子の照射のためにレーザー光源を用いるＯＰＣ；および凝縮核計数器（ＣＮＣ）としても公知の凝縮粒子計数器（ＣＰＣ）が挙げられる（この粒子検出デバイスは、蒸気の凝縮、液滴成長および光学的検出を利用する）。
【００５１】
絞り穴は、流れ測定のための混合または圧力低下のための流体の乱れを生成するように、空気が高められた速度で通過する、制限された流れ通路である。この絞り穴は、一般的に、流れ測定の目的のための、オリフィス（例えば、プレート中の穴）；ノズル（例えば、テーパー状の入口を備えたオリフィス、もしくは様々な断面および湾曲した壁を有する入口）；一定断面積の管；または毛細管、圧力低下を生成するに十分な長さの小直径の管であり得る。便宜的に、このオリフィスとノズルの両方が、本発明ではオリフィスと呼ばれる。このオリフィスは、円形断面または非円形断面を有し得、直線状スリットまたは曲線状（とりわけ、環状）のスリットとしてそのような断面形状を含む。
【００５２】
ハウジングとは、囲いがあってもなくてもよい、構造上の枠組みを意味し、装置の構成要素がその上に置かれるものである。構成要素のいくつかは、便宜上、別個の位置に取り付けるために取り外され得、いくつかは、ここでも便宜上別のところに永久的に取り付けられ得る。
【００５３】
図１は、本発明の高精度希釈器１００の概略図である。希釈器１００は、多段階乱流ジェット希釈器であり、続いて説明されるように、混合−希釈の第１段階および引き続く下流の１回以上の混合段階を有する。
【００５４】
この高精度希釈器１００は、希釈されたエアロゾルストリームに対して粒子計数器を用いて正確な粒子計数がなされ得るように、上で考察した粒子計数器の計数速度限界または同時計数限界を超える高レベルからエアロゾルの粒子濃度を十分に低下させるのに適している。
【００５５】
この多段階乱流ジェットミキサー希釈器１００は、ほぼ円筒形状の外側管１１０を備える。管１１０は、エアロゾルストリーム１１１のサンプルが入り得る入口１１２、希釈されたエアロゾルサンプル１１５が出るための出口１１４、清浄空気１１７が希釈のために入るための入口１１６、および過剰の希釈されたエアロゾルが出るための出口１１９を備える。
【００５６】
管１１０の内側に、入口としてオリフィス１２２を備える第１の混合希釈段階１２１を有する別の円筒状の管１２０が存在する。２つの随意の混合段階１２３および１２５は、各々、段階１２１の下流に配置されるオリフィス１２４および１２６を有する。混合段階１２３および１２５はまた、それぞれチャンバ１３４および１３６を備え、それらの中へオリフィス１２４および１２６からエアロゾルが流れる。清浄な希釈空気１１７が外側管１１０に入るとき、それは、管１１０と管１２０との間の環状の空間の中を流れる。環状の流路の端部に到着した際に、清浄希釈空気１１７は、半径方向内側に、オリフィス１２２に向かって曲がり、オリフィス１２２で清浄な希釈空気は、入口１１２を通って入るエアロゾルストリーム１１１と出会い、エアロゾルストリーム１１１と一緒になってオリフィス１２２を通って流れる。オリフィス１２２のサイズは、オリフィスを出る空気流れ１２３が、高速の乱流ジェットを形成するように選択される。この空気のジェット１２３が下流のチャンバ１３２に入るとき、その運動エネルギーは、エアロゾル１１１および清浄空気１１７を混合させる流体の乱れによって消散される。この流れの運動エネルギーが消費され流体の乱れによって消散されたとき、混合は止む。
【００５７】
エアロゾルと清浄な空気との乱流による混合は、通常、希釈器の第１の混合−希釈段階１２１では不完全である。さらなる混合を促進するために、第２の混合段階１２３および第３の混合段階１２５が提供される。必要ならば、より多くの混合ステージが提供され得る。明瞭さと簡潔さのため、第１の混合−希釈段階に加えてただ２つの混合段階が示される。図１に示される構成が、ほとんどの適用に対して、均一な混合を確実にするに通常は十分である。混合後、混合され希釈されたエアロゾルは、次いで出口１１４を通って、希釈されたエアロゾルサンプルとして希釈器１００を出、他方過剰のエアロゾル、すなわちエアロゾルの残りの部分は、出口１１８を通って希釈器を出る。
【００５８】
図２は、凝縮粒子計数器（ＣＰＣ）２１０、希釈器１００を備える凝縮粒子計数システムを示し、そして全体が２００で示される再循環流れシステムが、コントローラー、コンピューターおよび他の専門の制御回路のようなすべての電子回路とともに共通のハウジング中に配置され、使用者にやさしく操作および制御が簡単な自己完結性の小型携帯型のデバイスが作製される。
【００５９】
図３は、全体が５０で示され、米国特許第６，８２９，０４４号（この特許文献は、その全体が本明細書中に参考として援用される）に記載されるＣＰＣと類似である、本発明における使用に適したＣＰＣを図示する。このＣＰＣを本発明の希釈器と組合せると、このＣＰＣは、高レベルのエアロゾル濃度を測定するための正確な単独粒子計数のために使用され得る。希釈器がなければ、このＣＰＣは、通常、１ｃｃあたり約０．５×１０５個の粒子の濃度限界に限定される。例えば、エアロゾル濃度を２００倍低下させるための１個の希釈器を使用すれば、このＣＰＣは、１ｃｃあたり約１０７個の粒子までの正確な濃度測定に使用され得る。直列に連結した２つの希釈器を使用すれば、あとで説明されるように、１ｃｃあたり１０９個の粒子までの正確な粒子濃度が測定され得る。
【００６０】
ＣＰＣ５０は、液体形態のブチルアルコールのような作用流体６２を収容するレザバー６０を備える。多孔性金属管６４は、その下方端部がレザバー６０中の作用流体６２に接触している。毛細管表面張力の力によって、流体６２は、多孔性金属管６４の隙間の孔空間に自動的に侵入し、それを作用流体６２で満たす。管６４の一部は、金属ブロック６６と熱的に接触しており、この金属ブロックは、電気ヒーター（示さず）により適切な温度に加熱される。
【００６１】
計数されるべき浮遊した粒子を含むエアロゾル６７は、入口６８を通って管状通路７２に入る。このエアロゾルがこの管状通路７２を流れるとき、このエアロゾルは、金属ブロック６６と同じほぼ温度に加熱される。多孔性金属管６４は、管状流路７２のすぐ下で中実の閉塞具７０で塞がれている。エアロゾル６７は、管状流路７２を通って多孔性金属管６４に入り、多孔性金属管６４の表面から気化されている作用流体からの蒸気を受け取り始める。エアロゾルが多孔性金属管６４を出て通路７４を通って流れるとき、このエアロゾルは、作用流体６２の蒸気で飽和している。それゆえに、多孔性金属管６４は、飽和器管とも呼ばれる。
【００６２】
次いで、エアロゾル６７は、本質的には金属ブロック８０中の通路である管状凝縮器８２を通って流れる。金属ブロック８０は、熱電クーラー（示さず）により低温に維持されている。このエアロゾルが凝縮器８２を通って流れるとき、このエアロゾルは、凝縮器８２のより冷たい壁へ熱を廃棄することにより冷え、これによりエアロゾルは、作用流体で過飽和の状態になり、これは粒子上での蒸気の凝縮をもたらし、液滴が形成される。エアロゾルが、凝縮器８２を通過し続けると、液滴サイズが大きくなるにつれて、粒子は大きくなる。次いで、この液滴は、凝縮器８２を出て、光散乱または他の光学的技術による検出および計数のための光学センサー９０の中に流れる。十分に高い濃度で存在する場合、作用流体の蒸気のいくらかは、水蒸気と同様、凝縮器の壁上で凝縮する。凝縮器上の凝縮した液体は、次いで、重力の影響の下で、凝縮器８２の底部の小さい穴８６を通って凝縮物レザバー８４の中に流れ、そこで凝縮物８８として収集される。
【００６３】
光学センサー９０は、光源９２（代表的には、固体レーザー）、および適切なレンズおよび光学機器を備える。光源９２からのレーザーは、小容積に集束され、高強度で照射される領域９３中の光の強度が高められる。液滴８９がこの高強度で照射された領域（光学的視界容積）を通過するとき、液滴は、検出感知システム９４上へ光を散乱する。９４からの出力シグナルは、電子的に処理され、このレーザービームを通過する液滴の数を定量するためのデータが提供される。検出の後で、次いで、エアロゾルは、通常ポンプ（示さず）により、周囲へ矢印９６で示されるように排気される。
【００６４】
蒸気凝縮および液滴成長および引き続く光学的検出に基づいてエアロゾル中の粒子を測定するための機器は、凝縮粒子計数器と呼ばれる。そのような先行技術の凝縮粒子計数器（ＣＰＣ）のすべてが、上に記載されかつ図３に図示されたすべての特徴を有しているわけではないが、すべてが、蒸気凝縮、液滴成長および光学的検出という実質的に同じかまたは類似した原理で作動する。蒸気凝縮および液滴成長は、低温凝縮器と組合せて作用する加熱された飽和器により発生され得る。蒸気凝縮および液滴成長はまた、米国特許第４，４４９，９１６号に記載されるように、熱い飽和蒸気ストリームを低温エアロゾルストリームと混合することにより、または何らかの他の手段により発生され得る。すべてのそのようなデバイスは、ＣＰＣと呼ばれる。なぜなら、それらのデバイスの基本の作動原理は、実質的に同じだからである。
【００６５】
図２に示される再循環流れシステム２００は、２つのポンプを使用する。一方のポンプ２３２は、希釈のための清浄空気を提供し、他方のポンプ２２０は、希釈器１００およびＣＰＣ２１０を通るエアロゾルの流れを維持する。
【００６６】
ポンプ２３２は、希釈器の過剰エアロゾル出口１１８を通して希釈されたエアロゾルストリームから、必要とされる速度Ｑ２で流れの一部を引き込み、この引き込まれた部分を、１つはポンプ２３２の前、１つはポンプ２３２の後にある２つの高効率空気フィルター２３０および２３４；流れセンサー２３６および空気クーラー２３８を通した後で、この流れを清浄な希釈空気として同じ速度Ｑ２で入口１１６を通して上記希釈器に戻す。この清浄希釈空気は、この空気が引き込まれた地点から上流で導入される。流れは引き込まれ、同じ速度で希釈器１００に戻されるので、再循環流れシステム２００の作動に由来する希釈器１００による流れの増減は存在しない。ポンプ２２０により引き込まれる流れは、このようにして、サンプル流量Ｑ１として希釈器１００に入り、そして同じ流量Ｑ１で希釈器１００を出る。流量Ｑ１の希釈されたエアロゾルサンプルは、次いで、流れ絞り穴１４０および圧力差ゲージ１４２から構成される流れセンサー１４１に入り、ＣＰＣによる粒子計数のためにＣＰＣ２１０に入る。
【００６７】
希釈器から希釈されたエアロゾルの一部を抜き取って濾過後にそれを希釈のための清浄な空気として戻すための、上に記載されるシステム２００は、流れ管理に対する簡便なアプローチを提供する。希釈器１００を出入りして流れる空気の複数のストリームは、適正に管理されねばならない。そのような流れを管理する仕事は、一般に非常に複雑である。希釈器１００は、１個の流れセンサーが、ＣＰＣによる粒子計数のために希釈器を出入りするサンプル流れの測定のために使用され、別のセンサーが、希釈されたエアロゾルストリームから引き込まれ、希釈のための清浄空気として使用されたエアロゾルの一部を測定するために使用されることを可能にする。このアプローチは、流れ測定システムを顕著に簡素化し、それによりそのコストを低減し、その精度を改善する。
【００６８】
サンプルの流量Ｑ１を調整するために、ポンプ２２０の速度は、電気的に調整され得る。あるいは、ポンプ速度は、一定に保たれ得、手動または自動のスロットルバルブ（示さず）がサンプル流量を調整するために流れ抵抗を変化させるために使用され得る。同様に、清浄空気流量Ｑ２は、ポンプ２３２の速度を電気的に調整するか、ポンプ速度を一定に維持して手動または自動のスロットルバルブ（これも示さず）により流量を調節することにより調整され得る。自動流れ制御のために、流量における所望の設定値が達成されるまで、回路中の２つの流れセンサーの出力は、流量に対する設定値に従う所望の出力と比較され得、ポンプ速度を調整するかまたは自動のスロットルバルブによりそれぞれの流量が調整され得る。
【００６９】
システム２００はまた、図２に示されるようなクーラー２３８を備える。クーラー２３８は、流れを維持する上でポンプ２３２から入力されたエネルギーに起因して再循環流れシステム２００中で発生した熱を消散する。クーラー２３８は、空気対空気の熱交換器の形態であり得る。あるいは、水のような冷却液の供給源が、冷却を提供していてもよい。空気を冷却するための他のスキームが利用可能であり、それらは熱伝達および加熱冷却設備設計の分野の当業者には、周知である。
【００７０】
上記システムで使用される希釈器１００および粒子計数器は、エアロゾル測定のために正確に制御されねばならない。電子的コントローラー２５０が、流れセンサーからの入力を受けて、必要とされる空気流量をシステム全体で維持するための適切な制御シグナルを提供するために提供される。このシステムで使用されるセンサーからの入力を受けるための多数のセンサー入力ラインが２５２で示される。ポンプの速度または（使用される場合には）自動スロットルバルブを制御し、このシステム中および制御される必要があるヒーター、クーラーなどの他のシステム構成要素中の流れを調整するための制御シグナルをポンプに送達するための多数の出力ライン２５４が提供される。コントローラー２５０は、アナログ、デジタル両方の制御能力を有し得、このシステムがソフトウェア、ファームウェアおよびハードウェア制御スキームにより、ＣＰＣによる正確な粒子計数のために正確に精度よく制御されることが可能になる。さらに、ＣＰＣからの出力シグナルは、データ保存、解析および表示目的のために、コントローラー２５０中の適切なシグナル処理回路によって処理され得る。
【００７１】
図４は、２つの希釈器３１０および１００を使用する、粒子測定のためのシステムを示し、これら２つの希釈器は、サンプルエアロゾルストリームが両方の希釈器を通って流れるように直列に連結され、各希釈器は、図３に図示される希釈器１００に関して上で説明されたように、希釈のための清浄空気を供給するためのそれ自身の再循環流れシステムを有する。図４に図示されるシステムは、本質的には図３のシステムであるが、希釈という追加の段階を提供するための追加の希釈器３１０を備える。
【００７２】
図４のシステムにおけるサンプル流量はまた、ポンプ２２０により維持され、このポンプ２２０はサンプルエアロゾル流れを速度Ｑ１で希釈器３１０の入口３１２を通して引き込み、希釈されたサンプル流れ３１３をサンプル出口３１４で、またＱ１で提供する。希釈されたサンプル３１３は、次いで希釈器１００の入口に流れ、濃度がさらに希釈されて１１４のサンプル出口を出て、次いで絞り穴１４０および圧力差ゲージ１４２から構成される流れセンサー１４１を通り、そしてＣＰＣによる粒子計数のためにＣＰＣ２１０に流れる。流れ２１９は、次いでポンプ２２０によって排気される。２つの希釈器３１０および１００の各々中のサンプル流量またはそれらの外のサンプル流量は、図４に示されるように、すべて同じ流量Ｑ１である。
【００７３】
希釈器３１０のための清浄空気は、ポンプ３３２によって希釈器３１０から、その過剰エアロゾル出口３１８を通して引き込まれ、次いでフィルター３３０および３３４、流れセンサー３３６およびクーラー３３８を通り、その後その空気は、この空気が引き込まれたところから上流である希釈器３１０の入口３１８を通って、希釈のための清浄空気として戻される。希釈流量Ｑ３は、ポンプ３３２の速度を調整することによるか、またはポンプ速度を一定に維持し、手動または自動の流れスロットルバルブ（示さず）を用いて流れを調整することにより調整可能である。
【００７４】
希釈率ＤＦ、すなわちエアロゾル濃度が希釈システムにより希釈される率は、図３に示される単回段階希釈システムに対しては、
【００７５】
【数１】
2007057532.tif 000003
であり、式中、（Ｑ２＋Ｑ１）は希釈器を通る全流れであり、Ｑ１はサンプル流れであり、Ｑ２は希釈流れ、すなわちポンプ２３２により維持される再循環空気流れである。図４に示される２段階直列希釈器に対しては、希釈率は、
【００７６】
【数２】
2007057532.tif 000004
である。例えば、Ｑ１＝０．３ｌｐｍであり、Ｑ２＝２９．７０ｌｐｍである場合、図３の単独希釈システムは、
【００７７】
【数３】
2007057532.tif 000005
の希釈率を有する。図４の２段階希釈器に対しては、さらにＱ３＝２９．７０ｌｐｍである場合、希釈率は、
【００７８】
【数４】
2007057532.tif 000006
である。この例は、適切な数の希釈段階を使用することにより、非常に大きい希釈率が達成され得ることを示す。すべての流量が、広い範囲の値にわたって電気的手段または電子的手段により簡単に調整されるので、このシステムはまた、使用者の個々の希釈の要求を満たすための迅速な使用者で調整可能な制御にも適応する。
【００７９】
図５は、サンプル入口３１２を通る清浄なパージ空気を提供するために、希釈器３１０とともに使用され得る入口パージシステムを示す。システム３００に連結されたソレノイドバルブ２４０は、粒子測定のためのサンプリングの間、通常は閉じられている。このシステムが測定が行なわれていない待機中の状態にあるとき、外部からの過剰の空気がポンプ３３２によってシステム内に引き込まれ得るように、バルブ２４０は開かれ得る。過剰の空気は、Ｑ４の流量で、フィルター３３４により濾過され、次いで希釈器３１０の入口３１２に清浄な空気として現れる。Ｑ４がＱ１より大きい場合、差Ｑ４−Ｑ１は、逆方向にパージ流れとして入口１１２から外へ流れる逆清浄空気として現れる。ディーゼルエンジンからの排気粒状物のような高濃度のエアロゾルを測定するために、この清浄パージ空気流れは、待機中の間、効果的に使用されて、高濃度のエアロゾルがシステムに入ることを防止し、それによりシステムが粒子により汚染されるのを防止する。このパージ流れは、別の方法では必要とされるメンテナンスの頻度を大きく減らす。エアロゾルサンプリングおよび粒子計数は、バルブ２４０を単に閉じることにより再開され得る。
【００８０】
本発明は、好ましい実施形態を参照して説明されたが、当業者は、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく形態および詳細において変更がなされ得ることを認識する。
【００８１】
（要約）
本発明は、高濃度の粒子を有するエアロゾルを測定するための装置を包含し、この装置は、サンプルエアロゾルストリーム中の粒子の濃度を希釈して希釈されたエアロゾルストリームを形成するための希釈器、およびこの希釈されたエアロゾルストリーム中の粒子を、蒸気凝縮、液滴成長および光学的検出によって検出するためのセンサーを備える。このような装置は、この装置の作動のための電子機器、ならびにポンプ、フィルターのような必要であるかも知れない付属構成要素とともに、共通のハウジング中に収容され得る。この希釈器は、初期粒子濃度を有するエアロゾルストリーム、および希釈ストリームのための入口を備える。エアロゾルストリームおよび希釈ストリームは、この希釈ストリームとこのエアロゾルストリームが混合されて希釈されたエアロゾルストリームを生成するように、乱流が生成されるようなサイズである絞り穴を通って流れる。この希釈ストリームは、この希釈されたエアロゾルストリームの一部分を引き込み、その一部分を濾過して清浄な空気を生成し、その清浄な空気が、絞り穴から上流のエアロゾルストリームと混合されることにより、形成される。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】図１は、本発明の高精度希釈器の概略図である。
【図２】図２は、単独３段階乱流ジェットミキサー希釈器を描く概略図であり、この希釈器は、入口からサンプルを引き込み、そして出口で、希釈されたサンプルストリーム中の粒子を計数するために下流に置かれた凝縮粒子計数器に希釈されたサンプルを送達する再循環清浄空気システムを備える。
【図３】図３は、エアロゾル測定のための蒸気凝縮、液滴成長および光学的検出に基づく凝縮粒子計数器を描写する概略図である。
【図４】図４は、直列に連結された２つの単独３段階乱流ジェットミキサー希釈器を備える２段階系列希釈器を描く概略図であり、各希釈器は、それ自身の空気流れ再循環システムを備え、サンプルを入口から引き込み、そしてより低い濃度での粒子計数のために希釈したサンプルを、出口で同じ速度でＣＰＣに送達する。
【図５】図５は、待機中の間、サンプリング入口を通って逆方向に流れる清浄なパージ空気を提供するためのソレノイドバルブを備える希釈器を描く、概略図である。
【符号の説明】
【００８３】
１００、３１０    希釈器
９０      光学センサー
８２      凝縮器
１１０      外側管
１１１      エアロゾルストリーム
１１２、１１６    入口
１１５      希釈されたエアロゾルサンプル
１１４、１１９    出口
１１７      清浄空気
２００      再循環流れシステム
２２０、２３２    ポンプ
２３８      クーラー
２５０      コントローラー
【図１】
2007057532.tif 000007
【図２】
2007057532.tif 000008
【図３】
2007057532.tif 000009
【図４】
2007057532.tif 000010
【図５】
2007057532.tif 000011