(57)【要約】【課題】粒子数計測装置において計測用絞り部が閉塞することによる不具合をなくす。【解決手段】粒子計数部１８，４０と、粒子計数部１８，４０の光路中へ微粒子を含む試料ガスを導入する試料ガス導入ノズル１７，４４を具備し、構成によってはさらに計測用絞り部４を備えた粒子数計測装置であり、試料ガス導入ノズル１７，４４又は計測用絞り部４が閉塞状態となったときに試料ガス導入ノズル１７，４４又は計測用絞り部４に通常の測定に供するよりも大量のガスを流すか、又は試料ガス導入ノズル１７，４４又は計測用絞り部４の上流側を高圧にし、もしくは下流側を低圧にすることにより、試料ガス導入ノズル１７，４４又は計測用絞り部４の閉塞状態を解除する閉塞状態解除機構を備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光路に微小粒子を通過させ、そこから放出される散乱光の光量もしくは透過光の光量のアナログ的変化、又は閾値によりデジタル化された信号のパルスカウント値により粒子数そのもの又は粒子数濃度を測定する粒子計数部（１８，４０）と、粒子計数部（１８，４０）の光路中へ粒子を運搬する気流径を絞る試料ガス導入ノズル(１７，４４)を備えた粒子数計測装置において、
前記試料ガス導入ノズル(１７，４４)が閉塞状態となったときに前記試料ガス導入ノズル(１７，４４)に対し、通常の測定に供するよりも大量のガスを流し、又は通常の測定時よりも上流側を高圧にもしくは下流側を低圧にすることにより前記試料ガス導入ノズル(１７，４４)の閉塞状態を解除する閉塞状態解除機構を備えたことを特徴とする粒子数計測装置。
【請求項２】
該粒子数計測装置はエアロゾル粒子数計測装置であり、
ナノメータサイズの微小粒子を含むエアロゾルを試料ガスとして吸入する試料ガス導入口（２）と、
粒子計数部（１８）の光路中での粒子の重なりを回避するために粒子計数部（１８）へ供給する粒子数を減少させる計測用絞り部として試料ガスの一部をエアロゾルフローとして流すエアロゾルフローキャピラリ（４）と、
前記試料ガス導入口（２）の先端部に設けられ、試料ガスを前記エアロゾルフローキャピラリ（４）に流れるガスとその残部ガスとに分離するスプリッタ（６）と、
前記スプリッタ（６）の下流に配置され、試料ガス中の粒子を除去するフィルタ（１０）及び流量を調節する調整バルブ（１２）を備えたシースガス流路（８）と、
前記シースガス流路（８）からのガスを飽和蒸気状態のシースフローにして前記エアロゾルフローキャピラリ４から流出するエアロゾルフローと合流させる飽和器（１４）と、
前記エアロゾルフローキャピラリ（４）からのエアロゾルフローと飽和器（１４）からのシースフローとの合流ガスを冷却してエアロゾルフロー中の微粒子をシースフローの蒸気により成長させる冷却凝縮器（１６）と、
前記冷却凝縮器（１６）からの試料ガスを前記粒子計数部（１８）へ供給する前記試料ガス導入ノズル(１７)と、
前記粒子計数部（１８）の下流に設けられ所定流量で排気するように駆動が制御される排気ポンプ（２２）と、
前記粒子計数部（１８）と前記排気ポンプ（２２）との間に設けられた流量計（２０）と、
を備えている請求項１に記載の粒子数計測装置。
【請求項３】
該粒子数計測装置はパーティクルカウンタであり、
微小粒子を含む試料ガスを吸入する試料ガス導入口（２）と、
前記試料ガス導入口（２）からの試料ガスを前記粒子計数部（４０）の光路中へ導く前記試料ガス導入ノズル(４４)と、
前記粒子計数部（４０）の下流に設けられ所定流量で排気するように駆動が制御される排気ポンプ（２２）と、
前記粒子計数部（４０）と前記排気ポンプ（２２）との間に設けられた流量計（２０）と、
を備えている請求項１に記載の粒子数計測装置。
【請求項４】
前記試料ガス導入ノズル(１７，４４)に関する前記閉塞状態解除機構として、前記流量計（２０）と前記排気ポンプ（２２）の間に開閉弁(２１)を備え、
該開閉弁(２１)は通常測定時は開けられており、前記試料ガス導入ノズル(１７，４４)の閉塞状態を解除するときはいったん閉じられた後、開かれることによって前記試料ガス導入ノズル(１７，４４)に突入的に試料ガスを流すものである請求項２又は３に記載の粒子数計測装置。
【請求項５】
前記排気ポンプ（２２）は、その出力が、前記開閉弁(２１)が一時的に閉じられる前に通常測定時よりも増大させられ、前記開閉弁(２１)が開かれた後に通常測定時のものに戻されるものである請求項４に記載の粒子数計測装置。
【請求項６】
前記流量計（２０）は流路が細くなった絞り部と、その絞り部の上流と下流との間の差圧を検出する圧力センサとを備えたものであり、その差圧により流量を検知するものであり、
前記絞り部での差圧が予め設定された閾値又は一定の割合よりも低下したときに前記開閉弁(２１)を一時的に閉じた後、開くように開閉動作を制御して前記試料ガス導入ノズル(１７，４４)の閉塞状態を自動的に解除する制御部（２６，４６）をさらに備えた請求項４に記載の粒子数計測装置。
【請求項７】
前記制御部（２６，４６）は前記試料ガス導入ノズル(１７，４４)の閉塞状態を解除するために前記開閉弁(２１)を一時的に閉じる前に前記排気ポンプ（２２）の出力を通常測定時よりも増大しておき、前記開閉弁(２１)を開いた後に前記排気ポンプ（２２）の出力を通常測定時のものに戻すように前記排気ポンプ（２２）も制御するものである請求項６に記載の粒子数計測装置。
【請求項８】
前記エアロゾルフローキャピラリ（４）に関する前記閉塞状態解除機構として、前記シースガス流路（８）に設けられた開閉弁（７）を備え、
該開閉弁（７）は通常の測定時には解放され、前記エアロゾルフローキャピラリ（４）の閉塞状態を解除するときに閉じられて前記エアロゾルフローキャピラリ（４）に通常測定時よりも大量の試料ガスを流すものである請求項２に記載の粒子数計測装置。
【請求項９】
前記シースガス流路（８）の前記調整バルブ（１２）の上流側と下流側の間で前記調整バルブ（１２）による差圧を検出する圧力センサ（２４）と、
通常測定時に前記圧力センサ（２４）による差圧が予め設定された閾値又は一定の割合を超えたときに前記開閉弁（７）を一時的に閉じて前記エアロゾルフローキャピラリ（４）の閉塞を自動的に解除する制御部（２６）と、をさらに備えた請求項８に記載の粒子数計測装置。
【請求項１０】
前記試料ガス導入口（２）には分級装置（３０）の分級粒子の排出口が接続されており、
前記制御部（２６，４６）は前記分級装置（３０）の分級動作による測定データの取得中は前記閉塞状態解除機構による閉塞状態解除動作を行なわないようになっている請求項６、７又は９に記載の粒子数計測装置。
【請求項１１】
前記分級装置（３０）での分級のための電圧印加時点から分級された粒子が前記粒子計数部（１８）に到達するまでの遅れ時間をＴｄとし、
前記分級装置（３０）の分級動作開始時点をＴｓとし、分級動作終了時点をＴｅとすると、
前記測定データの取得中とは、（Ｔｓ＋Ｔｄ）時点から（Ｔｅ＋Ｔｄ）時点までの期間である請求項１０に記載の粒子数計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大気や自動車排ガス等に含まれる微小粒子数濃度を計測する粒子数計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
粒子数計測装置としては、数ｎｍから数１０ｎｍのナノメータサイズの微粒子を含むエアロゾル中の粒子数を計数するＣＰＣ（condensing particle counter）と称されるエアロゾル粒子数計測装置、３００ｎｍから数マイクロメートルの粒子の粒子径や粒子数濃度を測定するパーティクルカウンタ（粉塵計）がある。
【０００３】
エアロゾル粒子数計測装置は、微粒子を核としてその周囲に水又はブタノール等の作動流体蒸気を凝縮させることにより、粒子径を増大させた後、その増大した粒子に光を照射し、その特定散乱角における散乱光パルス数を検知することで粒子数濃度を測定する。エアロゾルは、固体又は液体の微粒子が気体中に比較的安定して浮遊して存在している状態のものであり、自動車の排気ガスや工場からの排出ガスなどに含まれる。
【０００４】
パーティクルカウンタは、微粒子に光を照射し、その特定散乱角における散乱光パルス数、散乱光強度又は透過光強度を検知することで、粒子径と粒子数濃度を測定する。
【０００５】
また、これらの粒子数計測装置の前段に微分型電気移動度分級機又はインパクタ等の分級機を設置し、粒径−粒子濃度測定も行なわれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第３４３５０１５号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ultrafine Condensation Particle Counter[online]、２００５年、TSI Incorporated、［平成２０年７月２５日検索］、インターネット、(ＵＲＬ：www.tsi.com/documents/3776.pdf)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
エアロゾル粒子数計測装置もパーティクルカウンタも、粒子を漏れなく測定用光路に導くために試料ガス導入ノズルを備えている。さらに、エアロゾル粒子数計測装置では試料ガス導入ノズルへ導入される粒子数を制限するために試料ガス導入ノズルの前段に計測用絞り部を備えている。また、エアロゾル粒子数計測装置及びパーティクルカウンタの多くの市販品では試料ガス流量の測定を行なうために試料ガス流路に流量測定用絞り部を備えている。流量測定用絞り部はその部分の前後の差圧を検出することにより流量を割り出すものである。
【０００９】
粒子数計測装置では、粒子濃度を計測する装置の目的上、サンプリング試料ガスのフィルタリングは不可能であり、その結果、流路の狭隘な試料ガス導入ノズル又は計測用絞り部に固体又は液体の粒子成分が導入される。また、それらの部位において粒子の拡散によって流路側壁への粒子の付着は回避し得ない。その結果、長時間の測定の後、試料ガス導入ノズル又は計測用絞り部が閉塞し、所定の試料ガス流量が得られなくなって濃度計算に誤差を生じさせたり、サンプリングそのものが不可能となったりする不具合が発生する。
【００１０】
本発明は、粒子数計測装置において試料ガス導入ノズル又は計測用絞り部が閉塞することによる不具合をなくす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】
【００１１】
本発明は、光路に微小粒子を通過させ、そこから放出される散乱光の光量もしくは透過光の光量のアナログ的変化、又は閾値によりデジタル化された信号のパルスカウント値により粒子数そのもの又は粒子数濃度を測定する粒子計数部（１８，４０）と、粒子計数部（１８，４０）の光路中へ粒子を運搬する気流径を絞る試料ガス導入ノズル(１７，４４)を備えた粒子数計測装置を対象とするものである。
【００１２】
そして、試料ガス導入ノズル(１７，４４)が閉塞状態となったときに試料ガス導入ノズル(１７，４４)に対し、通常の測定に供するよりも大量のガスを流し、又は通常の測定時よりも上流側を高圧にもしくは下流側を低圧にすることにより試料ガス導入ノズル(１７，４４)の閉塞状態を解除する閉塞状態解除機構を備えたことを特徴としている。
【００１３】
エアロゾル粒子数計測装置は、閉塞する可能性のある部分として、試料ガス導入ノズル(１７)の他に計測用絞り部（４）を備えている。そこで、エアロゾル粒子数計測装置では試料ガス導入ノズル(１７)だけでなく、計測用絞り部（４）に対してもその閉塞状態を解除する閉塞状態解除機構を備えている。
【００１４】
ここで、試料ガス導入ノズル(１７，４４)又は計測用絞り部（４）の「閉塞状態」とは、試料ガス導入ノズル(１７，４４)又は計測用絞り部（４）を流れる試料ガス流量がゼロになることを意味するのではなく、試料ガス導入ノズル(１７，４４)又は計測用絞り部（４）に粒子や水分が付着して試料ガス導入ノズル(１７，４４)又は計測用絞り部（４）を流れる試料ガス流量が測定精度に影響を与える程度に減少した状態を意味する。例えば、測定精度を維持するために、試料ガス導入ノズル(１７，４４)又は計測用絞り部（４）を流れる試料ガス流量の変動率が規定値に対して±１０％以下であると規定されている場合には、「閉塞状態」とは試料ガス導入ノズル(１７，４４)又は計測用絞り部（４）を流れる試料ガス流量が１０％に近い値、例えば７〜９％の間の値、まで減少したことを意味する。したがって、例えば試料ガス流量を検出するために、試料ガス流路に絞り部を設けて圧力センサによりその絞り部で上流側と下流側の間の差圧により流量を検知する流量計を設けている場合には、閉塞状態を解除するためのその圧力センサによる差圧の閾値は、試料ガス導入ノズル(１７，４４)又は計測用絞り部（４）を流れる試料ガス流量の減少率が「閉塞状態」として設定した減少率、上の例では規定値に対して７〜９％の間の減少率、に相当するその圧力センサによる差圧値に設定しておく。
【００１５】
粒子数計測装置の一例はエアロゾル粒子数計測装置である。エアロゾル粒子数計測装置は、ナノメータサイズの微小粒子を含むエアロゾルを試料ガスとして吸入する試料ガス導入口（２）と、粒子計数部（１８）の光路中での粒子の重なりを回避するために粒子計数部（１８）へ供給する粒子数を減少させる計測用絞り部として試料ガスの一部をエアロゾルフローとして流すエアロゾルフローキャピラリ（４）と、前記試料ガス導入口（２）の先端部に設けられ、試料ガスを前記エアロゾルフローキャピラリ（４）に流れるガスとその残部ガスとに分離するスプリッタ（６）と、前記スプリッタ（６）の下流に配置され、試料ガス中の粒子を除去するフィルタ（１０）及び流量を調節する調整バルブ（１２）を備えたシースガス流路（８）と、前記シースガス流路（８）からのガスを飽和蒸気状態のシースフローにして前記エアロゾルフローキャピラリ４から流出するエアロゾルフローと合流させる飽和器（１４）と、前記エアロゾルフローキャピラリ（４）からのエアロゾルフローと飽和器（１４）からのシースフローとの合流ガスを冷却してエアロゾルフロー中の微粒子をシースフローの蒸気により成長させる冷却凝縮器（１６）と、前記冷却凝縮器（１６）からの試料ガスを前記粒子計数部（１８）へ供給する前記試料ガス導入ノズル(１７)と、前記粒子計数部（１８）の下流に設けられ所定流量で排気するように駆動が制御される排気ポンプ（２２）と、前記粒子計数部（１８）と前記排気ポンプ（２２）との間に設けられた流量計（２０）と、を備えている。
【００１６】
粒子数計測装置の他の例は、パーティクルカウンタである。パーティクルカウンタは、微小粒子を含む試料ガスとして吸入する試料ガス導入口（２）と、前記試料ガス導入口（２）からの試料ガスを前記粒子計数部（４０）の光路中へ導く前記試料ガス導入ノズル(４４)と、前記粒子計数部（４０）の下流に設けられ所定流量で排気するように駆動が制御される排気ポンプ（２２）と、前記粒子計数部（４０）と前記排気ポンプ（２２）との間に設けられた流量計（２０）と、を備えている
【００１７】
閉塞状態解除機構としては種々に構成することができる。試料ガス導入ノズル(１７，４４)に関する閉塞状態解除機構として、例えば、前記流量計（２０）と前記排気ポンプ（２２）の間に開閉弁(２１)を備えたものとすることができる。その開閉弁(２１)は通常測定時は開けられており、前記試料ガス導入ノズル(１７，４４)の閉塞状態を解除するときはいったん閉じられた後、開かれることによって前記試料ガス導入ノズル(１７，４４)に突入的に試料ガスを流すものである。
【００１８】
この閉塞状態解除機構では、前記排気ポンプ（２２）は、その出力が、前記開閉弁(２１)が一時的に閉じられる前に通常測定時よりも増大させられ、前記開閉弁(２１)が開かれた後に通常測定時のものに戻されるものであるようにするとより効果的に閉塞状態を解除することができる。
【００１９】
エアロゾルフローキャピラリ（４）に関する閉塞状態解除機構として、例えば、前記シースガス流路（８）に設けられた開閉弁（７）を備えたものとすることができる。その開閉弁（７）は通常の測定時には解放され、前記エアロゾルフローキャピラリ（４）の閉塞状態を解除するときに閉じられて前記エアロゾルフローキャピラリ（４）に通常測定時よりも大量の試料ガスを流すものである。
【００２０】
閉塞状態解除機構による閉塞解除動作は、手動スイッチにより開始させてもよく、タイマーにより自動的に開始させてもよく、又は試料ガス導入ノズル(１７，４４)又は計測用絞り部（４）の閉塞状態を検知する手段を設け、閉塞状態が検知されたら自動的に開始させるようにしてもよい。閉塞解除動作を自動的開始させるための形態として次のものを挙げることができる。
【００２１】
前記試料ガス導入ノズル(１７，４４)の閉塞状態を自動的に解除するために、例えば、前記流量計（２０）は流路が細くなった絞り部と、その絞り部の上流と下流との間の差圧を検出する圧力センサと、を備えたもので、その差圧により流量を検知するものとする。そして、制御部（２６，４６）をさらに備え、制御部（２６，４６）は前記絞り部での差圧が予め設定された閾値又は一定の割合よりも低下したときに前記開閉弁(２１)を一時的に閉じた後、開くように開閉動作を制御して前記試料ガス導入ノズル(１７，４４)の閉塞状態を自動的に解除するようにする。
【００２２】
前記制御部（２６，４６）は前記試料ガス導入ノズル(１７，４４)の閉塞状態を解除するために前記開閉弁(２１)を一時的に閉じる前に前記排気ポンプ（２２）の出力を通常測定時よりも増大しておき、前記開閉弁(２１)を開いた後に前記排気ポンプ（２２）の出力を通常測定時のものに戻すように前記排気ポンプ（２２）も制御するものとすれば、より効果的に前記試料ガス導入ノズル(１７，４４)の閉塞状態を解除することができる。
【００２３】
前記エアロゾルフローキャピラリ（４）の閉塞を自動的に解除するために、例えば、前記シースガス流路（８）の前記調整バルブ（１２）の上流側と下流側の間で前記調整バルブ（１２）による差圧を検出する圧力センサ（２４）を設ける。そして、通常測定時に前記圧力センサ（２４）による差圧が予め設定された閾値又は一定の割合を超えたときに前記開閉弁（７）を一時的に閉じて前記エアロゾルフローキャピラリ（４）の閉塞を解除する制御部（２６）を設ける。
【００２４】
他の好ましい形態では、試料ガス導入口（２）には分級装置（３０）の分級粒子の排出口が接続されており、制御部（２６，４６）は分級装置（３０）の分級動作による測定データの取得中は前記閉塞状態解除機構による閉塞状態解除動作を行なわないようになっている。一連の分級動作の途中に閉塞解除動件を挿入すると一部の分級データが欠測となる。さらには、例えば、分級機が微分型電気移動度分級機（ＤＭＡ）であり、それにより電圧走査型の分級動作を行なっている場合は一部の分級データの欠測のみならず全体の分級データが無効となる。そこで、閉塞解除の開始閾値を、閉塞の開始が示唆されるが、測定精度には影響を与えない範囲で設定し、閉塞解除の開始を分級動作の終了後となるよう定めておく。つまり、その回の測定の分級動作の終了までは測定精度に影響を与えるような閉塞状態にならないように閉塞解除の開始閾値を設定する。このように閉塞状態解除機構の動作を制御することにより、閉塞解除の開始動作が測定データの取得の妨げにならないようにすることができる。
【００２５】
さらには、閉塞解除動作の開始を単純に分級動作の終了に同期させるのではなく、試量流量、分級部内流量、分級部サイズ、ＤＭＡの電圧走査型の分級動作においては電圧走査速度、配管長を考慮した遅れ時間を考慮すればさらに分級データの欠測を回避し得る。具体的には、測定データの取得が繰り返し行われる分級装置（３０）の場合には、閉塞解除動作を避けるための測定データの取得中の期間は次のように設定することができる。分級装置（３０）での分級のための電圧印加時点から分級された粒子が粒子計数部（１８）に到達するまでの遅れ時間をＴｄとし、分級装置（３０）の分級動作開始時点をＴｓとし、分級動作終了時点をＴｅとすると、（Ｔｓ＋Ｔｄ）時点から（Ｔｅ＋Ｔｄ）時点までの期間が測定データの取得中となる。閉塞解除動作を行うときは、いずれかの測定データの取得についてのその測定データ取得中の期間を避けるように制御する。
【発明の効果】
【００２６】
本発明は試料ガス導入ノズル(１７，４４)を備えた粒子数計測装置の試料ガス導入ノズル(１７，４４)が閉塞状態となったときに試料ガス導入ノズル(１７，４４)の閉塞状態を解除する閉塞状態解除機構を備えたので、長期間安定して粒子数計測を行うことができる。
ＣＰＣの場合は、さらに計測用絞り部（４）が閉塞状態となったときに計測用絞り部（４）の閉塞状態も解除して長期間安定して粒子数計測を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明をエアロゾル粒子数計測装置に適用した一実施例を示す概略構成図である。
【図２】本発明をパーティクルカウンタに適用した一実施例を示す概略構成図である。
【図３】同実施例における粒子計数部を示す概略断面図である。
【図４】同実施例のエアロゾル粒子数計測装置に接続される分級装置の一例を示す概略断面図である。
【図５】同分級装置を動作させる印加電圧の一例を示す波形図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
本発明をエアロゾル粒子数計測装置に適用した一実施例を図１に概略的に示す。
【００２９】
試料ガス導入口２は、ナノメータサイズの微小粒子からなるエアロゾルを含む大気圧状態の試料ガスを吸入する。試料ガス導入口２の先端部にはスプリッタ６が設けられている。スプリッタ６は試料ガスをエアロゾルフローキャピラリ４に流れるガスとその残部ガスとに分離する。エアロゾルフローキャピラリ４はスプリッタ６により分離された試料ガスの一部をエアロゾルフローとして流すものである。
【００３０】
スプリッタ６の下流には開閉弁７を介してシースガス流路８が接続されており、スプリッタ６で分離された試料ガスの残部はシースガス流路８に流れる。シースガス流路８には流量を調節する調整バルブ１２と、試料ガス中の粒子を除去するＨＥＰＡ(High Efficiency Particulate Air Filter)フィルタなどのフィルタ１０が設けられている。
【００３１】
シースガス流路８の開閉弁７は通常の測定時には解放され、エアロゾルフローキャピラリ４の閉塞状態を解除するときに閉じられてエアロゾルフローキャピラリ４に通常測定時よりも大量の試料ガスを流すためのものである。
【００３２】
試料ガス導入口２に供給された試料ガスはエアロゾルフローキャピラリ４とシースガス流路８に分割されるので、シースガス流路８を流れる試料ガス流量を検知することによりエアロゾルフローキャピラリ４を流れる試料ガス流量を間接的に検知することができる。そのシースガス流路８を流れる試料ガス流量を検知するために、シースガス流路８の調整バルブ１２の上流側と下流側の間で調整バルブ１２による差圧を検出するために圧力センサ２４が設けられている。調整バルブ１２での差圧は調整バルブ１２を流れる試料ガス流量に対応しており、流量が増すと差圧が大きくなる。エアロゾルフローキャピラリ４が閉塞状態になるとエアロゾルフローキャピラリ４を流れる試料ガス流量が減少し、調整バルブ１２を流れる試料ガス流量が増すので圧力センサ２４の検出圧力が大きくなる。その圧力増大によりエアロゾルフローキャピラリ４が閉塞状態になったことを検知することができる。
【００３３】
シースガス流路からのガスを飽和蒸気状態のシースフローにしてエアロゾルフローキャピラリ４から流出するエアロゾルフローと合流させるために飽和器１４が設けられている。飽和器１４はブチルアルコールを４０℃程度に加熱して蒸気とするものであり、そのアルコール蒸気中をシースガスが流れることによってアルコール蒸気で飽和されたシースガスとなる。
【００３４】
エアロゾルフローキャピラリ４からのエアロゾルフローと飽和器１４からのシースフローとの合流ガスを冷却してエアロゾルフロー中の微粒子をシースフローの蒸気により成長させるために冷却凝縮器１６が設けられている。合流ガスが冷却凝縮器１６に導かれて１０℃程度に冷却されることにより、エアロフローの周りがアルコール蒸気で飽和されたシースガスで包み込まれた状態で冷却されてエアロゾル中の微粒子にアルコール蒸気が付着して凝縮し、粒子径が大きくなるように成長していく。
【００３５】
冷却凝縮器１６の先端は絞られて試料ガス導入ノズル１７となっている。試料ガス導入ノズル１７を通過したガス中の粒子数を計数するために粒子計数部１８が設けられている。粒子計数部１８の一例は、エアロゾルの流れに垂直な方向からレーザービームを照射し、その散乱光を検出することにより粒子計数部１８を通過するエアロゾル中の粒子数を計数するものである。このときエアロゾル中の微粒子はアルコールが凝縮することによって成長して粒径が大きくなっており、計数の精度が高くなる。
【００３６】
粒子計数部１８の下流には、排気ガス中の粒子を除去するＨＥＰＡフィルタなどのフィルタ１９を介して所定流量で排気するように駆動が制御される排気ポンプ２２が設けられている。排気ポンプ２２の流量は制御部２６により制御される。この実施例では、フィルタ１９と排気ポンプ２２との間に流量計２０と開閉弁２１が設けられている。流量計２０の一例は、クリティカルオリフィスの上流側と下流側の圧力差を検出することによって流量を測定するものである。開閉弁２１は通常測定時は開けられている。
【００３７】
この実施例の動作を説明する。
試料ガス導入口２から吸入された試料ガスのエアロゾルは、スプリッタ６で分離され、その一部がエアロゾルフローキャピラリ４に導かれてエアロゾルフローとなり、残部はシースガス流路８に導かれてシースガスとなる。
【００３８】
エアロゾルフローキャピラリ４に導かれてエアロゾルフローとなる試料ガス流量は試料ガス導入口２から吸入された試料ガス流量のごく一部であり、大部分の試料ガスはシースガス流路８に導かれてシースガスとなる。このように、試料ガスがエアロゾルフローキャピラリ４の手前までは大きな流量で流されるのは、試料ガス中でのエアロゾルの拡散による微粒子の損失を防ぐためである。
【００３９】
シースガス流路８を流れる試料ガスの流量は調整バルブ１２で調節されて一定流量となる。シースガス流路８では試料ガスはフィルタ１０により試料ガス中の粒子が除去されてシースガスとなる。
【００４０】
シースガスは飽和器１４で飽和蒸気状態のシースフローにされ、エアロゾルフローキャピラリ４から流出するエアロゾルフローと合流した後、冷却凝縮器１６で冷却されることによりエアロゾルフロー中の微粒子がシースフローの蒸気により成長し、粒子計数部１８で粒子数が計数される。試料ガス導入口２から吸入される試料ガスの流量は粒子計数部１８の下流に設けられた流量計２０で測定され、その流量が所定流量になるように排気ポンプ２２の駆動が制御される。
【００４１】
試料ガス中の微粒子数を正確に測定するためには、エアロゾルフローキャピラリ４を流れるエアロゾルフローの流量が正確に制御されなければならない。エアロゾルフローの流量は圧力センサ２４により調整バルブ１２による圧力降下が差圧として検知されることにより間接的に監視されている。
【００４２】
第１の形態はエアロゾルフローキャピラリ４の閉塞状態を手動で解除するものである。この形態では、この計測装置により測定を行っている作業者が通常測定時に圧力センサ２４による差圧を監視しておき、その差圧がエアロゾルフローキャピラリ４の閉塞状態に対応するものとして予め定めた一定値まで大きくなると開閉弁７を手動スイッチにより一定時間だけ閉じる。開閉弁７を閉じておく時間は、大量の試料ガスをエアロゾルフローキャピラリ４に流すことによりエアロゾルフローキャピラリ４に付着した粒子や水分を除去してエアロゾルフローキャピラリ４の閉塞状態を解除するのに必要な時間であり、数秒〜数十秒程度に設定する。
【００４３】
第２の形態は試料ガス導入ノズル１７の閉塞状態を手動で解除するものである。この形態では、この計測装置により測定を行っている作業者が通常測定時に流量計２０による流量を監視しておき、その流量が試料ガス導入ノズル１７の閉塞状態に対応するものとして予め定めた一定値まで低下すると開閉弁２１を手動スイッチによりいったん閉じた後、開くことによって試料ガス導入ノズル１７に突入的に試料ガスを流す。
【００４４】
このとき、開閉弁２１を一時的に閉じる前に排気ポンプ２２の出力を通常測定時よりも増大させ、開閉弁２１を開いた後に通常測定時のものに戻すようにすると、試料ガス導入ノズル１７に突入的に流す試料ガス流量が大きくなって試料ガス導入ノズル１７の閉塞状態の解除がより確実になる。
【００４５】
第３の形態は、エアロゾルフローキャピラリ４の閉塞状態を自動的に解除するものである。この形態では、エアロゾルフローキャピラリ４の閉塞状態を制御部２６が監視し、閉塞状態と判断されると開閉弁７を一定時間だけ自動的に閉じる。そのために、制御部２６は圧力センサ２４と開閉弁７にも接続され、圧力センサ２４の検出信号を入力し、開閉弁７の開閉動作を制御する。制御部２６は通常測定時に圧力センサ２４による差圧が予め設定された閾値を超えたときに一定時間だけ開閉弁７を閉じる動作を行う。
【００４６】
制御部２６は開閉弁７の開閉動作を制御するための専用のものとして設けてもよいが、この実施例のように流量計２０による流量検出値を入力し、その検出した流量が規定の一定値になるようにポンプ２２の動作を制御するための制御部を兼ねるようにしてもよい。
【００４７】
第４の形態は、試料ガス導入ノズル１７の閉塞状態を自動的に解除するものである。この形態では、制御部２６が流量計２０と開閉弁２１に接続され、制御部２６が試料ガス導入ノズル１７の閉塞状態を流量計２０の流量により監視する。その流量が試料ガス導入ノズル１７の閉塞状態に対応するものとして予め定めた一定値まで低下すると、制御部２６は開閉弁２１をいったん閉じた後、開くことによって試料ガス導入ノズル１７に突入的に試料ガスを流す。
【００４８】
この場合も、制御部２６は開閉弁２１を一時的に閉じる前に排気ポンプ２２の出力を通常測定時よりも増大させ、開閉弁２１を開いた後に通常測定時のものに戻すようにしてもよい。
【００４９】
制御部２６はこのエアロゾル粒子数計測装置に専用のマイクロコンピュータとして、又は汎用のパーソナルコンピュータ等により実現することができる。
【００５０】
この実施例のエアロゾル粒子数計測装置は自動車排気ガスや環境の空気を試料ガス導入口２に取り込んで測定する単独の計測装置として使用することができる。
【００５１】
本発明の粒子数計測装置をパーティクルカウンタに適用した他の実施例を図２と図３に概略的に示す。
【００５２】
微小粒子を含む試料ガスとして吸入する試料ガス導入口２からの試料ガスをその流束を絞って粒子計数部４０の光路中へ導くために試料ガス導入ノズル４４が設けられている。粒子計数部４０の下流には、排気ガス中の粒子を除去するＨＥＰＡフィルタなどのフィルタ１９を介して所定流量で排気するように駆動が制御される排気ポンプ２２が設けられている。排気ポンプ２２の流量は制御部４６により制御される。この実施例でも、フィルタ１９と排気ポンプ２２との間に流量計２０と開閉弁２１が設けられている。流量計２０の一例は、クリティカルオリフィスの上流側と下流側の圧力差を検出することによって流量を測定するものである。開閉弁２１は通常測定時は開けられている。
【００５３】
粒子計数部４０は、図３に示されるように、試料ガス導入ノズル４４により流束が絞られた試料ガスが試料ガス排出口４５へ導かれ、試料ガス排出口４５に導かれた試料ガスはフィルタ１９、流量計２０及び開閉弁２１を経て排気ポンプ２２により排出される。
【００５４】
試料ガス導入ノズル４４から試料ガス排出口４５に向かう試料ガスの流束に対し、試料ガス流束の方向に直交する方向の測定光束４８が照射される。測定光束４８のための光源５０としてレーザダイオードが備えられており、その光源５０からのレーザ光が非球面レンズ５２とシリンドリカルレンズ５４によって試料ガス流束の方向に直交する方向の測定光束となる。この測定光束は試料ガス流束と交差する位置で集光され、その集光部分が試料ガス流束よりも広い幅をもつように紙面垂直方向に延びている。試料ガス流束に含まれる粒子によって生じた散乱光光束を検出するために、散乱光光束を集光するレンズ５６と、そのレンズ５６で集光された散乱光を検出するフォトダイオードからなる光検出器５８が設けられている。
【００５５】
試料ガス流束を透過した測定光を光検出器５８に導く光学系は、散乱光に替えて透過光となるようにしてもよい。
【００５６】
この実施例では、試料ガス導入口２から吸入された試料ガスが試料ガス導入ノズル４４により流束が絞られて粒子計数部４０に導かれ、試料ガス流束に照射された測定光束の透過光又は散乱光から試料ガス中の微粒子数が計数される。
【００５７】
この実施例における第１の形態は試料ガス導入ノズル４４の閉塞状態を手動で解除するものである。この形態では、この計測装置により測定を行っている作業者が通常測定時に流量計２０による流量を監視しておき、その流量が試料ガス導入ノズル４４の閉塞状態に対応するものとして予め定めた一定値まで低下すると開閉弁２１を手動スイッチによりいったん閉じた後、開くことによって試料ガス導入ノズル４４に突入的に試料ガスを流す。
【００５８】
このとき、開閉弁２１を一時的に閉じる前に排気ポンプ２２の出力を通常測定時よりも増大させ、開閉弁２１を開いた後に通常測定時のものに戻すようにすると、試料ガス導入ノズル４４に突入的に流す試料ガス流量が大きくなって試料ガス導入ノズル４４の閉塞状態の解除がより確実になる。
【００５９】
この実施例における第２の形態は、試料ガス導入ノズル４４の閉塞状態を自動的に解除するものである。この形態では、制御部４６が流量計２０と開閉弁２１にも接続され、制御部４６が試料ガス導入ノズル４４の閉塞状態を流量計２０の流量により監視する。その流量が試料ガス導入ノズル４４の閉塞状態に対応するものとして予め定めた一定値まで低下すると、制御部４６は開閉弁２１をいったん閉じた後、開くことによって試料ガス導入ノズル４４に突入的に試料ガスを流す。
【００６０】
この場合も、制御部４６は開閉弁２１を一時的に閉じる前に排気ポンプ２２の出力を通常測定時よりも増大させ、開閉弁２１を開いた後に通常測定時のものに戻すようにしてもよい。
【００６１】
制御部４６はパーティクルカウンタに専用のマイクロコンピュータとして、又は汎用のパーソナルコンピュータ等により実現することができる。
【００６２】
この実施例のパーティクルカウンタも自動車排気ガスや環境の空気を試料ガス導入口２に取り込んで測定する単独の計測装置として使用することができる。
【００６３】
図１や図２に実施例として示した粒子数計測装置は、単独で使用することもできるが、図１及び図２に概略的に示されているように、分級装置３０の分級粒子排出口に接続し、分級された粒子の粒子数検出装置として使用することもできる。そのような使用形態に用いる分級装置３０の具体的な例として、微分型電気移動度分級機（ＤＭＡ）の一例を図４に示す（特許文献１参照）。微分型電気移動度分級機は、帯電した微粒子を電気移動度の違いを利用して粒径毎に分級して取り出すものである。図４の微分型電気移動度分級機は分級装置３０の一例であり、他の形式の分級装置３０であっても同様に本発明に適用することができる。
【００６４】
分級装置３０の円筒状の筐体１０１の内部には、円柱状の中心電極１０３が筐体１０１の中心軸と一致するように設けられている。筐体１０１は導電性の材質からなり、その内面は外側電極１０４となっている。筐体１０１は絶縁性の基台１０２上に配置されている。中心電極１０３は絶縁性の基部１１９上に配置され、中心電極１０３は基部１１９と基台１０２により筐体１０１から絶縁されている。中心電極１０３と外側電極１０４により対向電極を構成し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いる。電極１０４は接地され、電極１０３は電源装置１３１に接続され、電源装置１３１は制御部１３３に接続されている。両電極１０３，１０４間に電圧を印加する電源装置１３１は制御部１３３により制御される。制御部１３３は図１の実施例のエアロゾル粒子数計測装置の制御部２６又は図２の実施例のパーティクルカウンタの制御部４６と接続されている。
【００６５】
筐体１０１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１０７が設けられている。また、分級領域１０５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１０９が設けられており、整流子１０９を経たシースガスが分級領域１０５に供給される。
【００６６】
分級領域１０５で外側電極１０４側にはスリット状の導入口１１１が設けられ、その導入口１１１からは帯電エアロゾルが一定流量で供給される。導入口１１１に帯電エアロゾルを供給するために、この分級装置３０の外側には荷電装置（図示略）が設けられている。その荷電装置で帯電させられた帯電エアロゾルが導入口１１１に供給される。
【００６７】
中心電極１０３の下部には分級後の微粒子を排出する環状の出口スリット１２０が形成されている。両電極１０３，１０４間に形成される回転体状の空間で、試料ガスの導入口１１１から出口スリット１２０までの空間が分級領域１０５となっている。
【００６８】
出口スリット１２０は分級粒子排出口１２２につながり、分級粒子排出口１２２はエアロゾル粒子数計測装置の試料ガス導入口２に接続されている。
【００６９】
筐体１０１にはシースガスと帯電エアロゾルがそれぞれ一定流量で供給される。筐体１０１に供給されたそれらのガスの一部は分級された荷電粒子とともに出口スリット１２０から分級粒子排出口１２２を経てエアロゾル粒子数計測装置に導かれ、残りのガスは筐体１０１の下部に設けられた排出口１２４から排出される。
【００７０】
この分級装置３０に荷電装置にて帯電した帯電エアロゾルが導入口１１１を経て分級領域１０５に供給され、シースガス供給部１０７から供給されたシースガスとともに軸方向下方に移動し、分級領域１０５に形成された電場の影響を受けて帯電エアロゾル中の個々の粒径の微粒子の電気移動度に応じた速度で中心軸方向に引き寄せられる。その結果、そのときの電場に応じた所定の軌跡を描いて出口スリット１２０に到達した微粒子１１２のみが分級粒子排出口１２２からエアロゾル粒子数計測装置の試料ガス導入口２に導かれて計数される。
【００７１】
制御部１３３により電源装置１３１から電極１０３，１０４間に印加する電圧が変化させられ、その電圧に応じた粒径の微粒子が分級されてエアロゾル粒子数計測装置に導かれる。
【００７２】
図１の実施例のエアロゾル粒子数計測装置ではエアロゾルフローキャピラリ４もしくは試料ガス導入ノズル１７、図２の実施例のパーティクルカウンタでは試料ガス導入ノズル４４が閉塞状態になると、それらの閉塞状態を解除するために、開閉弁７又は２１が一定時間閉じられる。開閉弁７又は２１が閉じられるとエアロゾル粒子数計測装置又はパーティクルカウンタの計測動作は中断されるので、制御部２６，４６は分級装置３０の制御部１３３から電源装置１３１を制御する信号を取り込み、分級装置３０の分級動作による測定データの取得中は開閉弁７又は２１を閉じる動作を行なわないように制御する。
【００７３】
分級装置３０の分級動作による測定データの取得中であるかどうかは、次のように判定される。電極１０３，１０４間に印加される電圧は例えば図５に示されるように変化させられる。電圧は階段状（ａ）又はランプ状（ｂ）に上昇させられる。電圧が階段状に上昇させられる場合は、電圧は階段の各段階で分級領域１０５の電圧が安定するように一定時間保持され、その一定時間の電圧に応じた粒径の微粒子、又は粒子が分級部に存在する間に受けた積分の電圧に応じた粒径の微粒子が分級されて分級粒子排出口１２２からエアロゾル粒子数計測装置又はパーティクルカウンタの試料ガス導入口２に導かれる。印加電圧は図５のように階段状に上昇させる場合に限らず、階段状に下降させるようにしてもよく、電圧の上昇と下降を適当に組み合わせたものであってもよく、又はランプ状に上昇させたり、下降させたり、上昇と降下を組み合わせたものであってもよい。
【００７４】
一連の電圧変化による分級動作は時間間隔ｔｏをもって繰り返されるものとする。帯電エアロゾルが分級領域１０５に供給されて印加電圧により分級されてからエアロゾル粒子数計測装置の粒子計数部１８に到達するまでに遅れ時間Ｔｄを生じる。この遅れ時間Ｔｄは、分級装置３０の種類、運転条件、エアロゾル粒子数計測装置の配管容積及び試料ガス流量などの影響を受ける。１回の測定データの取得のための分級装置３０の分級動作開始時点をＴｓとし、分級動作終了時点をＴｅとすると、測定データの取得中とは、（Ｔｓ＋Ｔｄ）時点から（Ｔｅ＋Ｔｄ）時点までの期間となる。１回目の測定データの取得時間がｔ１、２回目の測定データの取得時間がｔ２であり、ｔ１とｔ２の期間の間の時間Ｔｎは測定データを取得しない時間である。測定が繰り返されるときは、それぞれの測定の間に測定データを取得しない時間Ｔｎが存在するので、エアロゾルフローキャピラリ４又は試料ガス導入ノズル１７，４４が閉塞状態になってその閉塞状態を解除するために開閉弁７又は２１を閉じる必要が生じたときは、いずれかの時間Ｔｎで開閉弁７又は２１を閉じる。
【００７５】
制御部２６，４６は開閉弁７又は２１を閉じる時点がいずれかの測定データの取得のための取得中の時間にかからないように、分級装置３０の制御部１３３からの信号に基づいて時間Ｔｎで開閉弁７又は２１を閉じるように開閉弁７又は２１の開閉動作を制御する。
【産業上の利用可能性】
【００７６】
本発明は自動車の排気ガスや工場からの排出ガスなどを対象とする環境測定に利用することができる。
【符号の説明】
【００７７】
２      試料ガス導入口
６      スプリッタ
４      エアロゾルフローキャピラリ
８      シースガス流路
１０      フィルタ
１２      可変オリフィス
１４      飽和器
１６      冷却凝縮器
１７      試料ガス導入ノズル
１８      粒子計数部
２０      流量計
２１      開閉弁
２２      排気ポンプ
２６，４６，１３３      制御部
３０      ＤＭＡ
１０４      外側電極
１０３      中心電極
１０５      分級領域
１２２      分級粒子排出口
【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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