(57)【要約】【課題】超微小粒子の分級特性を一定に保つ。【解決手段】インパクタ部１３を通過する気体の温度と、インパクタ部１３の上流側又は下流側における気体の圧力とを用いて、すべり補正係数を算出する。ついで、インパクタ部１３を通過する気体の質量流量と、その圧力とを用いて、インパクタ部１３のノズル１３１の出口における平均流速を算出する。算出されたすべり補正係数と平均流速とを用いて、インパクタ部１３における５０％カットオフ粒径ｄ５０を求める。５０％カットオフ粒径ｄ５０が設定値に近付くように、インパクタ部１３を通過する気体の質量流量を制御する。【選択図】図１
2012013479.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
インパクタ部と、圧力検出部と、温度検出部と、流量検出部と、制御部と、負圧発生部とを備えており、
前記インパクタ部は、ノズルとインパクタ板とを備えており、
前記ノズルは、前記負圧発生部によって下流に向けて吸引された気体を前記インパクタ板に向けて送り出す構成となっており、
前記インパクタ板は、前記ノズルから送り出された気体により搬送された粒子の少なくとも一部を付着させる構成となっており、
前記圧力検出部は、前記インパクタ部の上流側及び／又は下流側における前記気体の圧力を検出する構成となっており、
前記温度検出部は、前記インパクタ部の上流側及び／又は下流側における前記気体の温度を検出する構成となっており、
前記流量検出部は、前記インパクタ部を通過する気体の質量流量を検出する構成となっており、
前記負圧発生部は、前記インパクタ部の下流側に接続されており、負圧を発生させることによって、気体を前記インパクタ部のノズル側に導入する構成となっており、
前記制御部は、以下の処理を行う
ことを特徴とする超微小粒子の分級装置：
（１）前記圧力検出部により検出された前記上流側及び／又は下流側における気体の圧力と、前記温度検出部により検出された前記上流側及び／又は下流側における気体の温度とを用いて、すべり補正係数Ｃｃを算出する処理；
（２）前記流量検出部により検出された前記質量流量と、前記圧力検出部により検出された前記気体の上流側及び／又は下流側における圧力とを用いて、前記ノズル出口における平均流速Ｕを算出する処理；
（３）前記すべり補正係数Ｃｃと、前記平均流速Ｕとを用いて、前記インパクタ部における５０％カットオフ粒径ｄ５０を求める処理；
（４）前記５０％カットオフ粒径ｄ５０が設定値に近付くように、前記負圧発生部における負圧発生量を制御する処理。
【請求項２】
前記温度検出部は、前記インパクタ部の上流側及び下流側における前記気体の温度をそれぞれ検出する構成となっており、
前記制御部は、前記すべり補正係数Ｃｃを算出するための前記気体の温度として、前記上流側及び下流側における前記気体の温度を用いる構成となっており、
さらに、前記制御部は、前記平均流速Ｕを、前記上流側における前記気体の温度をさらに用いて算出する構成となっている、請求項１に記載の超微小粒子の分級装置。
【請求項３】
さらに、前記制御部は、前記圧力検出部で検出した上流側圧力と下流側圧力との差に基づいて、すべり補正係数Cc又は平均流速Uの算出方法を変更する処理を行う、請求項１又は２に記載の超微小粒子の分級装置。
【請求項４】
前記インパクタ部の上流側に、粗大モード粒子又は累積モード粒子を捕捉するための上流側インパクタ部をさらに備えている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の超微小粒子の分級装置。
【請求項５】
さらに粒子検出器を備えており、
前記粒子検出器は、前記インパクタ部の下流側に接続されて、前記気体の少なくとも一部に含まれた粗大モード粒子又は累積モード粒子を検出することができる構成となっており、
前記制御部は、前記粒子検出器により前記粗大モード粒子又は累積モード粒子が検出されたときには、超微小流路を制御して粗大モード粒子又は累積モード粒子の影響を避ける構成となっている
請求項１〜４のいずれか１項に記載の超微小粒子の分級装置。
【請求項６】
以下のステップを備えることを特徴とする超微小粒子の分級方法：
（１）インパクタ部を通過する気体の温度と、前記インパクタ部の上流側及び／又は下流側における前記気体の圧力とを用いて、すべり補正係数Ｃｃを算出するステップ； 
（２）前記インパクタ部を通過する気体の質量流量と、前記上流側及び／又は下流側における前記気体の圧力とを用いて、前記インパクタ部のノズル出口における平均流速Ｕを算出するステップ；
（３）前記すべり補正係数Ｃｃと、前記平均流速Ｕとを用いて、前記インパクタ部における５０％カットオフ粒径ｄ５０を求めるステップ；
（４）前記５０％カットオフ粒径ｄ５０が設定値に近付くように、前記インパクタ部を通過する気体の質量流量を制御するステップ。
【請求項７】
請求項６に記載の各ステップをコンピュータで実行するためのコンピュータプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気体中に存在する粒子を分級するための装置及び方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、大気中を浮遊する微粒子を吸い込むことによる健康への影響についての関心が高まっている。特に、超微小粒子 (粒径０．１ミクロン以下、ナノ粒子と呼ばれることもある) は、累積モード粒子（粒径０．１〜２．５ミクロン）や粗大モード粒子（粒径２．５ミクロン以上）に比較して健康への影響がより大きいのではないかとの懸念がある。
【０００３】
また、ナノマテリアルを扱う製造・作業環境においては、浮遊する超微小粒子がデバイスに混入し、その性能に影響することも懸念されている。
【０００４】
そこで、気体中に存在する超微小粒子の測定のために超微小粒子を分級する技術として、カスケードインパクタ（例えば下記特許文献１参照）を応用した低圧カスケードインパクタを用いることが提案されている。この技術では、吸引ポンプにより、カスケードインパクタの内部に低圧で吸引した気体を、ノズルを通してインパクタ板に衝突させることで、粗大モード粒子や累積モード粒子を排除し、この衝突を必要数繰り返して、所望の粒径の粒子を分級する。
【０００５】
しかしながら、従来の低圧カスケードインパクタでは、 ノズルを通過する気体全体として、設計時に定めた規定の圧力でかつ規定の流量であってはじめて、所望の粒径に対する分級特性が得られる。このため、インパクタにおける大気導入部近傍での気体圧力や、真空ポンプにより吸引される気体流量が変化した場合、分級特性が変化するという問題がある。
【０００６】
また、別の問題として、累積モード粒子や粗大モード粒子を初段のインパクタ板で捕集しきれず、これらの粒子が後段のインパクタ板まで跳ね返った場合には、これらの粒子が、目的とする超微小粒子の分級特性に影響し、測定精度を劣化させる。
【０００７】
別の原理に基づく方法として、微分型電気移動度分級法（DMA）（例えば下記特許文献２参照）により超微小粒子を分級して捕集する方法も考えられる。しかしながら、DMAは、一般的に、試料として扱える空気の流量が小さいため、用途が限定されるという不都合がある。また、DMAにおいても、気体の圧力変化や流量変化に起因して分級特性が変化する。さらには、DMAでは、多価帯電により累積モード粒子の混入が起こるという問題もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００８−７０２２２号公報
【特許文献２】特開２００４−９３５１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものである。本発明における主な目的は、超微小粒子の分級特性を一定に保つための技術を提供することである。
【００１０】
本発明における他の目的は、超微小粒子の分級において、累積モード粒子や粗大モード粒子による影響を避けることである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記した課題を解決する手段は、以下の項目のように記載できる。
【００１２】
（項目１）
インパクタ部と、圧力検出部と、温度検出部と、流量検出部と、制御部と、負圧発生部とを備えており、
前記インパクタ部は、ノズルとインパクタ板とを備えており、
前記ノズルは、前記負圧発生部によって下流に向けて吸引された気体を前記インパクタ板に向けて送り出す構成となっており、
前記インパクタ板は、前記ノズルから送り出された気体により搬送された粒子の少なくとも一部を付着させる構成となっており、
前記圧力検出部は、前記インパクタ部の上流側及び／又は下流側における前記気体の圧力を検出する構成となっており、
前記温度検出部は、前記インパクタ部の上流側及び／又は下流側における前記気体の温度を検出する構成となっており、
前記流量検出部は、前記インパクタ部を通過する気体の質量流量を検出する構成となっており、
前記負圧発生部は、前記インパクタ部の下流側に接続されており、負圧を発生させることによって、気体を前記インパクタ部のノズル側に導入する構成となっており、
前記制御部は、以下の処理を行う
ことを特徴とする超微小粒子の分級装置：
（１）前記圧力検出部により検出された前記上流側及び／又は下流側における気体の圧力と、前記温度検出部により検出された前記上流側及び／又は下流側における気体の温度とを用いて、すべり補正係数Ｃｃを算出する処理；
（２）前記流量検出部により検出された前記質量流量と、前記圧力検出部により検出された前記気体の上流側及び／又は下流側における圧力とを用いて、前記ノズル出口における平均流速Ｕを算出する処理； 
（３）前記すべり補正係数Ｃｃと、前記平均流速Ｕとを用いて、前記インパクタ部における５０％カットオフ粒径ｄ５０を求める処理； 
（４）前記５０％カットオフ粒径ｄ５０が設定値に近付くように、前記負圧発生部における負圧発生量を制御する処理。
【００１３】
５０％カットオフ粒径ｄ５０として、超微小粒子の分級に適切な値を用いることにより、超微小粒子を分級することができる。また、単なる流量だけで制御するのではなく、すべり補正係数Ｃｃと前記平均流速Ｕとを制御に用いているので、超微小粒子の分級特性を向上させることができる。
【００１４】
（項目２）
前記温度検出部は、前記インパクタ部の上流側及び下流側における前記気体の温度をそれぞれ検出する構成となっており、
前記制御部は、前記すべり補正係数Ｃｃを算出するための前記気体の温度として、前記上流側及び下流側における前記気体の温度を用いる構成となっており、
さらに、前記制御部は、前記平均流速Ｕを、前記上流側における前記気体の温度をさらに用いて算出する構成となっている、項目１に記載の超微小粒子の分級装置。
【００１５】
このように制御をすることにより、測定対象とする空気の温度や圧力が変動した場合でも、つまり、気体の圧力損失の大小に拘わらず、超微小粒子の分級特性をほぼ一定に保つことが可能になる。
【００１６】
（項目３）
さらに、前記制御部は、前記圧力検出部で検出した上流側圧力と下流側圧力との差に基づいて、すべり補正係数Cc又は平均流速Uの算出方法を変更する処理を行う、項目１又は２に記載の超微小粒子の分級装置。
【００１７】
（項目４）
前記インパクタ部の上流側に、粗大モード粒子又は累積モード粒子を捕捉するための上流側インパクタ部をさらに備えている、項目１〜３のいずれか１項に記載の超微小粒子の分級装置。
【００１８】
（項目５）
さらに粒子検出器を備えており、
前記粒子検出器は、前記インパクタ部の下流側に接続されて、前記気体の少なくとも一部に含まれた粗大モード粒子又は累積モード粒子を検出することができる構成となっており、
前記制御部は、前記粒子検出器により前記粗大モード粒子又は累積モード粒子が検出されたときには、超微小粒子の分級動作を停止させる構成となっている
項目１〜４のいずれか１項に記載の超微小粒子の分級装置。
【００１９】
ここで、分級動作の停止とは、例えば、粗大モード粒子又は累積モード粒子の存在が検知された気体について、その流路を切り替えて排出することを含む。この動作により、粗大モード粒子又は累積モード粒子が超微小粒子の分級に影響することを避けることができる。
【００２０】
（項目６）
以下のステップを備えることを特徴とする超微小粒子の分級方法：
（１）インパクタ部を通過する気体の温度と、前記インパクタ部の上流側及び／又は下流側における前記気体の圧力とを用いて、すべり補正係数Ｃｃを算出するステップ； 
（２）前記インパクタ部を通過する気体の質量流量と、前記上流側及び／又は下流側における前記気体の圧力とを用いて、前記インパクタ部のノズル出口における平均流速Ｕを算出するステップ；
（３）前記すべり補正係数Ｃｃと、前記平均流速Ｕとを用いて、前記インパクタ部における５０％カットオフ粒径ｄ５０を求めるステップ； 
（４）前記５０％カットオフ粒径ｄ５０が設定値に近付くように、前記インパクタ部を通過する気体の質量流量を制御するステップ。
【００２１】
（項目７）
項目６に記載の各ステップをコンピュータで実行するためのコンピュータプログラム。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、超微小粒子の分級特性を一定に保つことができ、これによって、超微小粒子の測定精度を向上させることが可能となる。
【００２３】
また、粒子検出器を用いた場合には、超微小粒子の分級における、累積モード粒子や粗大モード粒子による影響を避けることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第１実施形態に係る分級装置の全体的な構成を示すためのブロック図である。
【図２】カスケードインパクタの縦断面図である。
【図３】ノズルの配置状態を説明するための説明図である。図（ａ）は、一つのノズルを形成した例を示している。図（ｂ）は、四つのノズルを形成した例を示している。
【図４】インパクタ板の平面形状を説明するための説明図である。
【図５】第１実施形態における分級方法を説明するためのフローチャートである。
【図６】ノズル部分におけるジェットの流れを説明するための説明図である。
【図７】実験例における実験結果を示すグラフである。
【図８】本発明の第２実施形態に係る分級装置の全体的な構成を示すためのブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、添付図面を参照しながら、本発明の第１実施形態について説明する。
【００２６】
（第１実施形態の分級装置）
本実施形態の分級装置（図１参照）は、カスケードインパクタ１と、上流用圧力検出部２と、下流用圧力検出部３と、上流用温度検出部４と、下流用温度検出部５と、流量検出部６と、制御部７と、負圧発生部８と、外付け捕集装置９と、気体を通過させるための流路１０とを備えている。
【００２７】
カスケードインパクタ１は、図２に示されるように、本体１０１と、第１段インパクタ部１２と、第２段インパクタ部１３とを備えている。第２段インパクタ部１３が、本発明におけるインパクタ部に対応している。
【００２８】
本体１０１は、全体として円筒状に形成されており、両端に気体の入口１１１と出口１１２とを備えている。
【００２９】
本体１０１における入口側の端部近傍と、出口側の端部近傍とは、いずれも、円錐形状となっている（図２参照）。
【００３０】
第１段インパクタ部１２は、第１段ノズル１２１と、第１段インパクタ板１２２とを備えている。第１段ノズル１２１は、負圧発生部８によって下流に向けて吸引された気体を第１段インパクタ板１２２に向けて送り出す構成となっている。第１段インパクタ板１２２は、ノズル１２１から送り出された気体をこのインパクタ板１２２に衝突させることで、気体中の粗大モード粒子の少なくとも一部を付着させる構成となっている。第１段ノズル１２１の径は、例えば、1mmから数mm程度とすることができる。
【００３１】
第２段インパクタ部１３は、第２段ノズル１３１と、第２段インパクタ板１３２とを備えている。第２段ノズル１３１は、負圧発生部８によって下流に向けて吸引された気体を第２段インパクタ板１３２に向けて送り出す構成となっている。第２段ノズル１３１の配置例を図３に示す。図３（ａ）は、一つのノズル１３１を形成した例、図３（ｂ）は四つのノズル１３１を形成した例である。なお、第１段ノズル１２１についても、同様の配置とすることができる。ノズルの数は四つに限らず、必要に応じて単数又は複数とすることができる。第2段ノズル１３１の径は、例えば、0.1mmから0.5mm程度とすることができる。
【００３２】
第２段インパクタ板１３２は、ノズル１３１から送り出された気体をこのインパクタ板１３２に衝突させることで、気体中の累積モード粒子の少なくとも一部を付着させ、分級された超微小粒子を下流に流す構成となっている。インパクタ板１３２の平面形状の一例を図４に示す。この例では、インパクタ板１３２の周縁に、気流が通過するための通気孔１３２ａが形成されている。なお、インパクタ板１２２についても、同様の形状とすることができる。
【００３３】
上流用圧力検出部２は、第２段インパクタ部１３の上流側における、本体１０１の測定用ポート１０１ａに取り付けられている（図２参照）。これにより、上流用圧力検出部２は、第２段インパクタ部の上流側に配置されて、この位置における気体の圧力を測定できるようになっている。なお、第１段ノズル１２１による圧力損失を無視できる場合には、上流用圧力検出部２を、カスケードインパクタ１の上流側、つまり、第１段インパクタ部１２の上流側に接続して、この位置の圧力を測定することもできる。
【００３４】
下流用圧力検出部３は、第２段インパクタ部１３の下流側における流路１０に接続されて、この位置における気体の圧力を測定できるようになっている。
【００３５】
上流用温度検出部４は、上流用圧力検出部２と同様に、第２段インパクタ部１３の上流側における、本体１０１に取り付けられている。これにより、上流用温度検出部４は、第２段インパクタ部１３の上流側の測定用ポート１０１ａに配置されて、この位置における気体の温度を測定できるようになっている。なお、第１段ノズル１２１による圧力損失を無視できる場合には、ノズルを通過する際の気体の温度変化も無視しうると考えられるので、上流用温度検出部４により、カスケードインパクタ１の上流側、つまり、第１段インパクタ部１２の上流側の気体温度を測定しても良い。
【００３６】
下流用温度検出部５は、下流用圧力検出部３と同様に、第２段インパクタ部１３の下流側に取り付けられて、この位置における気体の温度を測定できるようになっている。
【００３７】
前記した圧力検出部２及び３並びに温度検出部４及び５で測定された値は、いずれも、制御部７に送られる。
【００３８】
流量検出部６は、負圧発生部８への流量を測定するための流量計６１と、捕集装置９への流量を測定するための流量計６２とを備えている（図１参照）。これらの流量計６１及び６２で検出された流量の値は、いずれも、制御部７に送られる。これにより、流量検出部６は、第２段インパクタ部１３を通過する気体全体の質量流量を検出することができるようになっている。
【００３９】
負圧発生部８は、カスケードインパクタ１の下流側における流路１０に接続されており、負圧を発生させることによって、気体をカスケードインパクタ１の入口１１１から導入して、各ノズル１２１及び１３１を通過させるようになっている。負圧発生部８としては、この実施形態では、電圧値によって回転数を制御できる直流モータを用いた真空ポンプが用いられている。
【００４０】
捕集装置９は、カスケードインパクタ１によって分級された超微小粒子を含む気体の少なくとも一部を取り入れて、超微小粒子の捕集及び分析を行うものである。このような捕集装置９としては、例えば、凝縮粒子カウンタを使用することができる。
【００４１】
配管１０は、気体を搬送するための配管やバルブなどの適宜の器具を使って構成することができる。なお、配管１０に、制御部７によって動作制御される電磁制御バルブ（図示せず）を取り付けることができる。そして、カスケードインパクタ１を通過して下流に流れてしまった粗大モード粒子や累積モード粒子を検知した場合には、制御部７の信号に従って流路を制御して、気体を捕集装置９に送らずに外部に排出することが可能である。
【００４２】
制御部７は、以下の処理を行うものとなっている。
（１）圧力検出部２又は３により検出された気体の温度と、温度検出部４及び／又は５により検出された気体の圧力とを用いて、すべり補正係数Ｃｃを算出する処理；
（２）流量検出部６により検出された質量流量と、圧力検出部２及び３により検出された上流側及び／又は下流側における圧力とを用いて、第２段ノズル１３１の出口における平均流速Ｕを算出する処理；
（３）算出されたすべり補正係数Ｃｃと平均流速Ｕとを用いて、第２段インパクタ部１３における５０％カットオフ粒径ｄ５０を求める処理；
（４）５０％カットオフ粒径ｄ５０が設定値に近付くように、負圧発生部８における負圧発生量を制御する処理。
【００４３】
これらの制御の詳細は、本実施形態の動作として追って説明する。
【００４４】
（本実施形態における超微小粒子の分級方法）
（理論的前提）
まず、本実施形態における分級方法の説明に必要な理論的前提を説明し、その後、具体的な分級の動作を説明する。なお、以下の説明におけるインパクタは、超微小粒子を分級するための第２段インパクタ部１３を前提としているが、累積モード粒子を分級するための第１段インパクタ部１２についても、同じ説明が基本的に妥当する。
【００４５】
ノズルを通過する気体をインパクタ板に衝突させることにより除去される粒子についての、50%カットオフ粒径d50 (m)は次式で与えられる。ここで、50%カットオフ粒径とは、よく知られているように、捕集効率が５０％となる空気動力学径をいう。
2012013479.tif 000003
【００４６】
2012013479.tif 000004
【００４７】
式(1)を適用するために望ましい条件は、ジェットのレイノルズ数
2012013479.tif 000005
2012013479.tif 000006
2012013479.tif 000007
【００４８】
2012013479.tif 000008
2012013479.tif 000009
【００４９】
2012013479.tif 000010
2012013479.tif 000011
【００５０】
2012013479.tif 000012
【００５１】
ノズルを通過する空気の平均流速Uは、等温過程または断熱過程を仮定して導出できる。ノズル１３１における圧力損失が小さいときは、いずれの仮定でもほぼ同じ結果となる (等温過程を適用する方が、測定および計算がより簡便になる)。圧力損失が大きいときは、断熱過程の仮定の方が正確な結果を与える。
【００５２】
（空気の運動が等温過程のとき）
このときの平均流速Uisothは、
2012013479.tif 000013
2012013479.tif 000014
【００５３】
（空気の運動が断熱過程のとき）
このときの平均流速Uadiabatは、以下の二次方程式を解くことにより求められる。
2012013479.tif 000015
【００５４】
2012013479.tif 000016
【００５５】
1ミクロン以上の大きい粒子については、Ccの圧力依存性は大きくないので、ある程度圧力が変動しても、流速Uを一定にすればd50をほぼ一定に保つことができる。例えば、大気計測に広く用いられている粒径2.5ミクロンカット (PM2.5) のインパクタでは、流速を一定にするように制御が行われる。しかしながら、超微小粒子に対してCcは強い圧力依存性を持つことから、流速Uを一定にするだけでは、大気導入圧などが変化した際にd50を一定にすることはできない。
【００５６】
（参考文献）
Flagan, R. C., Compressible flow inertial impactors, J. Colloid Interface Sci., 87, 291-199, 1982.
Hering, S. V., Calibration of the QCM impactor for stratospheric sampling, Aerosol Sci. Tech., 7, 257-274, 1987.
Hinds, W.C., Aerosol Technology (Second edition), John Wiley & Sons. Inc., 1999.
Lee, P., et al., Experimental study of a nanoparticle virtual impactor, J. Nanoparticle Res., 5, 269-280, 2003.
Marjamaki, M., et al., Performance evaluation of the electrical low-pressure impactor (ELPI), J. Aerosol. Sci., 31, 249-261, 2000.
【００５７】
（本実施形態における分級動作）
本実施形態における分級の動作を、図５に示すフローチャートに沿って説明する。
【００５８】
（超微小粒子の定義）
超微小粒子の定義は粒径0.1 μm以下であるが、対象とする粒子組成によって空力学粒径は異なる。密度の大きい(重い)粒子を対象とするときは、空力学粒径もそれに応じて設定する必要がある。大気中の超微小粒子の分級においては、対象とする空力学粒径を0.1-0.2 μm程度に設定することが好ましい。すなわち、ユーザが必要とする50%カットオフ粒径をd50,set（後述）とすると、超微小粒子の分級のためには、d50,setを0.1-0.2 μmの範囲の適切な値に設定すれば良い。
【００５９】
（図５のステップＳＡ−１）
第１段及び第２段インパクタ部２及び３が好ましい条件で動作するために、おおよそ想定される圧力・温度範囲を用いて式(1)-(7)を計算し、d50の値やレイノルズ数などが適正な範囲となるように、適切なノズル径Djを選択する。インパクタ部を通過する流量を多く設定したい場合には、ノズル数Njを多くすれば良い。想定される気体の圧力・温度範囲が非常に広い場合は、単一種類のノズル選択では分級が難しくなる可能性がある。つまり、カットオフ粒径d50やレイノルズ数を適正範囲に保てない可能性がある。例えば、サンプル空気の圧力範囲が1000-300 hPa程度、温度範囲が10-30℃程度であれば、単一種類のノズル選択で分級可能と考えられるが、この範囲を超えることが予想される場合には、ノズルの種類を条件に応じて変更するか、又は、複数のノズルを併用することが好ましい。
【００６０】
（図６のステップＳＡ−２）
以下において、式(1)-(7)の計算過程で参照するインパクタ部とは、第2段インパクタ部１３を指す。第1段インパクタ部１２は制御機構には直接は関係しない。なお、第2段インパクタ部１３の制御の過程で、第1段インパクタ部１２におけるd50も若干変化するが、それは粒径数μm付近の粒子についての変化であるため、目的とする超微小粒子の分級には影響しない。
【００６１】
制御系のデータ取得・演算等を行うタイミングをサイクルと呼ぶ。まず、任意のサイクルiにおいて直流ポンプに制御信号Viを与え、それによりポンプをある回転数で動作させる。
【００６２】
これにより、図６に示されるように、ノズル１３１を通過した気流に含まれる、ある大きさ以上の粒子は、インパクタ板１３２に捕集される。一方、ある大きさ以下の粒子は、空気の流れと一緒に、下流に流れる。なお、この機構は、第１段インパクタ部１２においても同様である。ただし、第１段インパクタ部１２は、粗大モード粒子を排除するためのものであって、超微小粒子の分級には直接は関係しない。また、第１段インパクタ部１２での分級特性は、超微小粒子を分級する場合と異なり、ある程度の流量を確保することで達成できると考えられるので、これについての詳しい説明は省略する。
【００６３】
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【００６４】
（図５のステップＳＡ−４）
ついで、制御部７は、前記のようにして計測した値と理想気体の状態方程式とを用いて、式(3)-(5)の値、及び式(7)の値を計算する。式(7)は、式（６）よりも一般性の高い式であり、圧力損失が大きい場合でも、精度の良い演算が可能である。ここで、式(4)では、暫定的にd50をd50,setとおいたときのCcの値を計算する。
【００６５】
しかしながら、圧力損失が小さいときは、より簡便な式(6)でもほぼ同じ結果となる。あるいは、要求される精度によっては、式（６）を式（７）に代えて用いることができる。式（６）を用いる場合は、それに必要な値のみを計測すれば良く、その分、センサの数を減らせるので、装置の構成を簡略化できる。例えば、ノズルにおける圧力損失が小さいことが既知であれば、ノズルの上流側における温度や圧力測定を不要とできる。つまり、上流側圧力と下流側圧力との差（つまり圧力損失）を計測することにより、その結果に基づいて、式（６）と式（７）とを切り替えて使用することができる。通常は、上流圧力p0に対する下流圧力p1の比p1/p0が0.97程度以下であれば、気流を圧縮流とみなす。式(6)での計算値と(7)での計算値との違いは条件によって変動するが、おおよその目安として、p1/p0 = 0.97では、計算値の違いは1%程度であり、p1/p0が減少するとともに違いは大きくなる。特に限定するものではないが、例えば、p1/p0 ＞ 0.97ならば、実用上は、式(6)を使っても支障がないと考えられる。したがって、この場合は、例えば下流側だけの圧力測定を行う構成とすることができる。
【００６６】
（図５のステップＳＡ−５）
これらの計算値に基づき、式(1)のd50の値を計算する。
【００６７】
（図５のステップＳＡ−６）
式(1)で計算されるd50とd50,setは必ずしも一致しない。その差分に適切な比例係数kを乗じて、次のサイクル(i + 1)で直流ポンプの回転数を制御するための電圧信号を計算する。そして、この電圧信号を用いて、下記式（８）に示されるように、負圧発生部８を構成する真空ポンプの回転数を制御する。本実施形態では、直流モータを用いているので、真空ポンプの回転数制御が容易であって、かつ、装置を小型化できるという利点がある。
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【００６８】
このサイクルを繰り返す（図５参照）ことで、d50とd50,setを計測誤差の範囲で一致させることができる。サイクルの頻度は任意であるが、例えば0.1〜0.5秒おきなどが望ましい。すると、ゆっくりした条件変化に対しては1-2秒程度、急な変化に対しても10秒程度で追随することが可能である。なお、この数値はいずれも一例である。
【００６９】
前述のように、1ミクロン以上の大きい粒子については、すべり補正係数Ccの圧力依存性は大きくないので、ある程度圧力が変動しても、流速Uを一定にすればd50をほぼ一定に保つことができる。一方、超微小粒子に対してCcは強い圧力依存性を持つことから、流速Uを一定にするだけでは、空気導入部の圧力などが変化した際にd50を一定にすることはできない。本実施形態では、流速とすべり補正係数を合わせて制御することで、d50を一定に制御することに特徴がある。このように制御を行うことにより、第２段インパクタ部１３を通り抜けた気体には、分級された超微小粒子が含まれることになる。そして、この気体を捕集装置９で捕集することにより、気体に含まれる超微小粒子を分析することができる。
【００７０】
また、本実施形態では、第２段インパクタ部１３の上流側に、粗大モード粒子を補足するための第１段インパクタ部（上流側インパクタ部）１２を備えているので、第２段インパクタ部１３において粗大モード粒子や累積モード粒子が下流に流れる可能性を減少させることができ、超微小粒子の分級特性を向上させることができる。
【００７１】
また、制御部７は、第２段ノズル１３１における圧力損失が既定値より大きいか否かを、上流側圧力検出部２で検出した上流側圧力と下流側圧力検出部３で検出した下流側圧力との差に基づいて判定することができる。これにより、例えば、前記した式（６）を用いてｄ５０を計算していた場合において、所望の測定精度が達成できないことを知ることができ、必要に応じて測定作業を停止することができる。
【００７２】
さらに、本実施形態では、DMAを用いた従来の方法に比較して、大流量を扱うことが可能なので、広い用途への適用が可能になるという利点がある。すなわち、本実施形態の分級方法は、以下の用途への適用が考えられる。
・大気環境中の超微小粒子の捕集・分析、
・自動車等の排気ガスに含まれる超微小粒子の捕集・分析、
・ナノマテリアル製造・作業等の環境中における超微小粒子の捕集・分析、
・低圧条件における超微小粒子の捕集・分析。
【００７３】
なお、前記した制御部７の各計算動作は、適宜なコンピュータプログラムを用いて、コンピュータにより行うことができる。
【００７４】
また、前記実施形態では、第２段ノズルの上流側と下流側における圧力と温度とをそれぞれ測定する構成としたが、前記から明らかなように、制御に必要な箇所の圧力と温度とを測定すればよく、不要なセンサは省略することができる。
【００７５】
（実験例）
図７は、本実施形態の装置を用いて、大気の入口より圧力990 hPa（図中黒丸）又は480 hPa（図中白丸）の条件で単分散の硫酸アンモニウム粒子を導入した場合の、インパクタ分級特性の結果である。異なる圧力に対してほぼ同じ分級特性を達成していることが分かる。
【００７６】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態に係る分級装置を図８に示す。
【００７７】
この例では、粒子検出器１１がさらに使用されている。この粒子検出器１１は、カスケードインパクタ１を通過した気体に含まれる粗大モード粒子又は累積モード粒子を検出するものである。また、粒子検出器１１には、この粒子検出器１１に引き込まれた気体の流量を計測するための流量計６３が取り付けられている。流量計６３で検出された流量は、制御部７に送られる。
【００７８】
粒子検出器１１により粗大モード粒子又は累積モード粒子が検出されたときは、検出信号を制御部７に送り、気体の流路を制御して、粗大モード粒子又は累積モード粒子が捕集装置９に流入することを防止することができる。これにより、粗大モード粒子又は累積モード粒子が超微小粒子の分級に影響することを避けることができる。
【００７９】
また、流量計６３を用いることにより、カスケードインパクタを通過する流量を正確に検出することができる。
【００８０】
第２実施形態における他の構成及び動作は、第１実施形態と同様なので、同一の符号を用いることにより、これ以上詳しい説明を省略する。
【００８１】
なお、本発明は、前記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更を加え得るものである。
【符号の説明】
【００８２】
１  カスケードインパクタ
１０１  本体
１１１  入口
１１２  出口
１２  第１段インパクタ部（上流側インパクタ部）
１２１  第１段ノズル
１２２  第１段インパクタ板
１３  第２段インパクタ部（インパクタ部）
１３１  第２段ノズル（ノズル）
１３２  第２段インパクタ板（インパクタ板）
１３２ａ  インパクタ板周縁の通気孔
２  上流用圧力検出部
３  下流用圧力検出部
４  上流用温度検出部
５  下流用温度検出部
６  流量検出部
６１  負圧発生部用の流量計
６２  捕集装置用の流量計
６３  粒子検出器用の流量計
７  制御部
８  負圧発生部
９  捕集装置
１０  流路
１１  粒子検出器
【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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