(57)【要約】  集められた粒子を感知するためのセンサ１２に向かって熱泳動が誘導される（１０）、流体の流れのなかの粒子分布の情報を提供するための粒子感知システムが提示される。本発明によれば、熱泳動による粒子の運動が、重力の方向とは逆方向であり、センサ１２が、感知空間の上に配置される。センサ１２は、長細のチャネルの長さ方向に沿って配置された一連のセンサ要素（７０）を有し、各センサ要素は、特定の粒子サイズを感知するために配置される。更に、流体の流れのなかの粒子分布の情報を提供する方法が提示される。
2018521312.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
粒子分布情報を提供するための粒子感知システムであって、
粒子を取り込んだ流体が通過させられる感知空間と、
前記感知空間において熱泳動粒子運動を誘導するための構成と、
集められた粒子を感知するためのセンサと、
を有し、 前記構成は、重力の方向とは逆に、上向きの熱泳動粒子運動を誘導し、前記センサは、前記感知空間の上端に配置され、
前記感知空間は長細のチャネルを形成し、前記流体は前記チャネルに沿って流れる、粒子感知システムにおいて、
前記センサは、前記長細のチャネルの長さ方向に沿って配置された一連のセンサ要素を有し、各前記センサ要素は、特定の粒子サイズを感知するよう配置されたことを特徴とする、粒子感知システム。
【請求項２】
前記構成は、前記感知空間の下端において加熱板を有する、請求項１に記載の粒子感知システム。
【請求項３】
前記構成は、前記感知空間において異なる熱勾配を連続的に提供するよう調節可能である、請求項１又は２に記載の粒子感知システム。
【請求項４】
前記構成は、少なくとも４００Ｋ／ｃｍ、より好適には少なくとも６００Ｋ／ｃｍ、より好適には少なくとも８００Ｋ／ｃｍである、前記感知空間における熱勾配を提供するよう構成された、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の粒子感知システム。
【請求項５】
前記センサは、質量センサを有する、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の粒子感知システム。
【請求項６】
前記センサは、光学センサを有する、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の粒子感知システム。
【請求項７】
前記感知空間を通る流体の流速を制御するための流量コントローラを有する、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の粒子感知システム。
【請求項８】
前記一連のセンサ要素の異なるセンサ要素が、異なる粒子サイズを感知するよう構成された、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の粒子感知システム。
【請求項９】
前記一連のセンサ要素の或るセンサ要素はＰＭ２．５粒子センサであり、前記一連のセンサ要素の別のセンサ要素はＰＭ１０粒子センサである、請求項８に記載の粒子感知システム。
【請求項１０】
粒子分布情報を提供するための粒子感知方法であって、
粒子を取り込んだ流体に感知空間を通過させるステップと、
前記感知空間において熱泳動粒子運動を誘導するステップと、
集められた粒子を感知するステップと、
を有し、前記熱泳動粒子運動は、重力の方向とは逆に、上向きに誘導され、前記感知するステップは、前記感知空間の上端に位置する粒子に対するものである方法において、
前記集められた粒子を感知するステップは、前記感知空間の長さ方向に沿った複数の位置において、前記集められた粒子を独立して感知することにより実行されることを特徴とする、粒子感知方法。
【請求項１１】
前記感知空間において異なる温度勾配を提供するよう加熱を連続的に調節するステップを有する、請求項１０に記載の粒子感知方法。
【請求項１２】
前記感知空間を通る流体の流速を制御するステップを有する、請求項１０又は１１に記載の粒子感知方法。
【請求項１３】
前記複数の位置のそれぞれにおいて、異なる粒子サイズが検知される、請求項１０乃至１２のいずれか一項に記載の粒子感知方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体の流れにおける粒子を検出するためのセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
空気中の粒子状汚染物質、特に２．５μｍよりも小さな直径範囲の粒子状物質（いわゆる「ＰＭ２．５」）は、工業化の速度が規制要件の境界を広げている中国のような国にとって大きな関心事である。
【０００３】
増大する消費者の権利の結果として、生活空間の空気品質についての情報に対する要求が増大している。特に中国においては、ここ十年、過剰なＰＭ２．５の汚染が、一般的な問題となっている。この問題はまた、種々の中国の都市における継続的な測定により立証されている。データは公的に利用可能であり、携帯電話アプリケーションによって又はウェブを通して同時に監視されることができる。
【０００４】
斯かるデータの利用可能性並びに継続的な国内及び国際的な媒体の注目は、斯かる問題についての消費者の強い認識をもたらした。
【０００５】
公式な屋外空気品質規格は、単位体積当たりの質量濃度（例えばμｇ／ｍ３）として、粒子状物質濃度を定義する。中国本土における平均ＰＭ２．５濃度は、衛星データに基づいて算出されており、国内の殆どにおいて世界保健機関の制限値である１０μｇ／ｍ３を超え、幾つかの領域では１００μｇ／ｍ３のＰＭ２．５濃度に到達し、超えさえもしている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
低コストの粒子センサは例えば、検出空間を通る空気流により取り込まれる粒子において散乱される光の測定に基づくものである。空気流は、例えばファン又は加熱器により引き起こされる。光学的な粒子センサは一般に、センサ出力として粒子計数を与え、当該情報は次いで、質量濃度に変換される。しかしながら、異なるタイプのエアロゾルは異なる密度を持つため、該変換は通常は正確ではない。斯くして、低コストの光学的手法は、種々の粒子サイズ間の区別を容易には可能としない。
【０００７】
空気中の粒子のサイズ分布についての情報をも提供する、プロフェッショナル用途のための、より高価な光学システムも利用可能である。しかしながら、これらのシステムは複雑であり、高価である。
【０００８】
粒子を集めて、例えば重量的な手法を用いて、時間経過と共に集められた粒子の総質量を直接測定する、代替のセンサ設計もある。しかしながら、質量検知型センサは粒子のサイズ間を区別せず、それ故、空気中の粒子サイズの分布についての情報を提供しない。それ故、従来の重量的なシステムにおけるサイズ特有の粒子検出（例えばＰＭ２．５）は、サイクロン、フィルタ、衝突部材等のような、付加的なサイズ分類手法を必要とし、システムの複雑さを増大させ、保守の労力を生む。
【０００９】
質量測定は例えば、石英結晶微量天秤、先細の共振器、衝突部材、又は重みフィルタ及び篩を用いて実行され得る。
【００１０】
米国特許出願公開US2004/259267A1は、気体中の粒子状内容物の測定及び識別のための粒子曝露評価のためのシステムを記載している。該出願は、小さな粒子と大きな粒子とを区別するための粒子サイズ区別器を記載している。区別された全ての粒子を捕捉するため、サーモグラフィック力が利用される。捕捉の後、これら粒子は質量及び光学的検出を介して検出される。米国特許出願公開US2002/014158A1は、流体のストリームにおける粒子を集めるためのシステムを記載している。粒子は、サーモグラフィック力を介して面上に沈殿させることにより集められる。沈殿させられた粒子は、任意に解析される。
【００１１】
米国特許出願公開US2013/036793A1は、空気中の粒子状物質の濃度を測定するための装置を記載している。異なるサイズの粒子を分離するため、湾曲したチャネルが用いられる。分離された粒子を集めるために、収集面が用いられる。
【００１２】
米国特許出願公開US2011/197571A1は、気体流における粒子を集めるための方法及び粒子センサ構成を提示する。該構成内の温度を変化させることにより、センサにおいて積層される粒子が達成され得る。当該粒子積層は、センサにより検出される。
【００１３】
それ故、低コストで実装され得る、粒子のサイズの選択可能性を提供する、粒子センサのニーズが存在する。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、独立請求項により定義される。従属請求項は、有利な実施例を定義する。
【００１５】
本発明の一態様によれば、流体の流れに取り込まれた粒子を感知するための粒子感知システムであって、
粒子を取り込んだ流体が通過させられる感知空間と、
前記流体において熱泳動粒子運動を誘導するための構成と、
集められた粒子を感知するためのセンサと、
を有し、前記感知空間は長細のチャネルを形成し、前記流体は前記チャネルに沿って流れ、
前記構成は、重力の方向とは逆に、上向きの熱泳動粒子運動を誘導し、前記センサは、前記感知空間の上端に配置され、
前記センサは、前記長細のチャネルの長さ方向に沿って配置された一連のセンサ要素を有し、各前記センサ要素は、特定の粒子サイズを感知するよう配置された、システムが提供される。
【００１６】
本システムにおいては、粒子に対する重力、及び熱泳動力が、全体として反対方向に作用させられる。重力と熱泳動力とが、粒子サイズに対して異なる機能を持つため、このことは粒子サイズの選択可能性を実現する。特に、該システムは、粒子サイズについてのローパスフィルタリングを実現する。重力は粒子体積即ち線形の粒子サイズの３乗に対応するが、熱泳動力は異なる態様で対応する。流体は例えば空気のような気体、又は水のような液体である。
【００１７】
該感知空間は、該構成内に配置され、例えば該構成の加熱板と冷却板との間に配置される。流体が該感知空間を流れるため、該感知空間は流体チャネルとして定義されることができ、該感知空間は、長細のチャネルの形状を持つ。該チャネルは、流体の流れの方向に沿って長細である。
【００１８】
該構成は、感知空間の下端において加熱板を有しても良い。このことは、垂直方向において該感知空間に亘る温度勾配をもたらす。センサが配置された感知空間の上端は、好適には一定の温度に保たれる。加熱板は、ペルチェ素子又は抵抗性加熱要素を有しても良い。温度勾配は、代替として又はこれに加えて、感知空間の下端における冷却要素によって得られても良い。
【００１９】
該構成は、感知空間において異なる熱勾配を連続的にもたらすよう調節可能であっても良い。異なる熱勾配は、フィルタリング機能に影響を与え、粒子サイズ分布が、異なる熱勾配を適用して異なる測定結果を解析することにより得られ得る。
【００２０】
該構成は例えば、少なくとも４００Ｋ／ｃｍ、より好適には少なくとも６００Ｋ／ｃｍ、より好適には少なくとも８００Ｋ／ｃｍの感知空間における熱勾配をもたらすよう動作可能である。これら熱勾配は、１０ｍｍ乃至１００ｍｍの範囲内といった感知空間の所望の長さ、及び０．２ｍｍ乃至１ｍｍの範囲内といった所望の感知空間高さについて、略全ての小さな粒子をセンサに到達させることが可能である。
【００２１】
上述したように、感知空間は長細のチャネルを有する。流体の流れは該チャネルに沿ったものであり、該チャネルの高さに対応する必要な距離だけ粒子が動くことができるのに十分な時間の間、流体の流れが該チャネルにとどまることを確実にする。該チャネルに沿った異なる位置において、異なる範囲の粒子サイズが、センサに到達するための時間があることとなり得る。斯くして、センサ要素のセットの使用は、粒子サイズ分布が決定されることを可能とする。
【００２２】
本発明の実施例によれば、異なるセンサ要素が、異なる粒子サイズを感知するよう構成される。例えば、或るセンサ要素は、第１の粒子サイズを持つ粒子を感知するよう構成され、第２のセンサ要素は、第２の粒子サイズを持つ粒子を感知するよう構成され、第１の粒子サイズは第２の粒子サイズとは異なる。
【００２３】
一実施例においては、或るセンサ要素はＰＭ２．５センサであり、別のセンサ要素はＰＭ１０センサである。
【００２４】
センサは、質量センサを有しても良い。該センサは例えば、質量センサ結晶であっても良い。質量検出はこのとき、センサ面に付着した（例えば静電的に又は物理的に）、センサと接触した粒子の共振周波数に対する影響に基づく。
【００２５】
代替としては、センサは光学センサを有しても良い。該センサは、例えば感知空間の透明な上側壁を通して、粒子質量を評価するため、光散乱又は光反射を利用しても良い。
【００２６】
感知空間を通る流体の流速を制御するため流量コントローラが備えられても良い。流量を制御することにより、粒子サイズ分布が得られ得る。特に、異なる流量においては、異なる範囲の流量サイズが、感知空間の長さ内でセンサに到達するための時間があることとなる。
【００２７】
感知空間の垂直方向の高さを制御するための手段が備えられても良い。センサに到達するために粒子が移動する必要がある（最大）距離を表す、感知空間の高さを制御することにより、粒子サイズ分布が得られ得る。特に、異なる垂直方向の高さは、異なる範囲の粒子サイズが、感知空間の長さ内でセンサに到達するための時間があることとなることを意味する。該手段は、感知空間の体積を変化させる機械的な手段であっても良い。例えば、該体積は、図１に示されるように、加熱板（１０）と質量感知板（１２）との間の距離を変化させることにより、変化させられても良い。
【００２８】
本発明の他の態様による例は、流体の流れに取り込まれた粒子を感知するための粒子感知方法であって、
粒子を取り込んだ流体に感知空間を通過させるステップと、
前記流体において熱泳動粒子運動を誘導するステップと、
集められた粒子を感知するステップと、
を有し、加熱が、重力の方向とは逆に、上向きの熱泳動粒子運動を誘導し、前記感知するステップは、前記感知空間の上端に位置する粒子に対するものであり、
前記集められた粒子を感知するステップは、前記感知空間の長さ方向に沿った複数の位置において、前記集められた粒子を独立して感知することにより実行される、方法を提供する。
【００２９】
該方法は、粒子に対する重力と熱泳動力とを組み合わせ、粒子サイズの選択性を実現し、粒子サイズについてのローパスフィルタリング機能を実装する。
【００３０】
該方法は、感知空間において異なる熱勾配を連続的にもたらすよう、連続的に加熱を調節するステップを有しても良い。粒子サイズ分布はこのとき、異なる熱勾配を連続的に適用することにより得られ得る。
【００３１】
該方法は、感知空間の長さ方向に沿った複数の位置において、集められた粒子を独立して感知するステップを有するため、粒子サイズ分布はこのとき、複数のセンサ測定値に基づいて決定され得る。
【００３２】
感知空間を通る流量の流速が制御されても良い。ここでもまた、異なる流量についてのセンサ情報を組み合わせることにより、粒子サイズ分布が得られ得る。
【００３３】
感知空間の垂直方向の高さが制御されても良い。この場合には、感知空間の高さを制御することによって、粒子サイズ分布が得られ得る。
【００３４】
本発明の一実施例によれば、感知空間の長さ方向に沿ったセンサ要素の複数の位置のそれぞれにおいて、異なる粒子サイズが感知される。
【００３５】
粒子サイズ分布を可能とするためのこれらの種々の手法は、いずれの組み合わせで用いられても良く、例えば以上に列記した選択肢から選択されたいずれの２つ又は３つの異なる制御パラメータと組み合わせて用いられても良い。これらのパラメータを変更することにより、異なる感知情報が得られる。集められた全ての感知情報は次いで組み合わせられ、所望の粒子サイズ分布を導出する。
【００３６】
本発明の例は、添付図面を参照しながら、以下に詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】熱泳動効果に基づく既知の粒子測定システムを示す。
【図２】本発明による熱泳動効果に基づく粒子測定システムの第１の例を示す。
【図３】図２のシステムについての粒子サイズの関数としての結果の熱泳動力及び重力を示す。
【図４】図２のシステムを用いた粒子の検出のための収集効率を示す。
【図５】適用される温度勾配の種々の値についての重力及び熱泳動力を示す。
【図６】図５において用いられる各熱勾配についての粒子収集効率を示す。
【図７】本発明による熱泳動効果に基づく粒子測定システムの第２の例を示す。
【図８】図７のシステムを用いた粒子の検出のための収集効率を示す。
【図９】異なる流量における図２におけるセンサの使用を示す。
【図１０】異なるチャネル高さによる図２におけるセンサの使用を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
本発明は、集められた粒子を感知するためのセンサに向けた熱泳動による粒子の運動を引き起こすために加熱が用いられる、流体の流れに取り込まれた粒子を感知するための、粒子感知システムを提供する。熱泳動粒子運動は、重力の方向とは逆方向であり、センサは、感知空間の上端に配置される。重力と熱泳動力とが、粒子サイズに対して異なる機能を持つため、このことは粒子サイズの選択可能性を実現する。熱泳動力は全体として垂直方向上向きであるが、完全な垂直に対して或る鋭角だけ傾いていても良いことに留意されたい。「上向き」及び「重力の方向とは逆」なる語は、これに応じて理解されるべきである。特に、熱泳動力は、少なくとも実際に完全に垂直方向上向きである成分を持つこととなる。
【００３９】
熱泳動の使用は、質量センサの表面に空気中の粒子を堆積させるため既知である。例えば、I.Paprotny、F.Doering、P.A.Solomon、R.M.White及びL.A.Gundelによる「Microfabricated air-microfluidic sensor for personal monitoring of airborne particulate matter」（Design, fabrication, and experimental results, Sensors and Actuators A201、506-516、2013）への参照が為される。
【００４０】
図１は、本処理の原理を示す。センサは、質量感知板１２の上に配置された加熱板１０を有する。粒子が取り込まれた空気のストリーム１４が、速度ｖｇで、２つの面の間を流れるよう向けられる。２つの面の間の空間は、長細のチャネルである感知空間として定義される。上面は、底面よりも高い温度に保たれる。
【００４１】
温度の勾配によって、粒子は熱泳動力を感じ、その結果の垂直方向の速度ｖｔｈを持つこととなり、粒子を低い方の温度を持つ面に向けて駆動する。その結果、図１において破線よりも下にある粒子は、底面に到達することとなる（簡単のため栓流を仮定する）。
【００４２】
入ってくる粒子のうち底面に到達するものの割合は、Ｌ／Ｄ＊ｖｔｈ／ｖｇで与えられ、最大値は１である。Ｌ及びＤは、それぞれ長さ及び間隔距離である。
【００４３】
Ｌ＞ＬＣであれば全ての粒子が集められ、ここでＬＣ＝（ｖｇ／ｖｔｈ）＊Ｄである。
【００４４】
このことは、上述したPaprotnyらの文献において提案されたシステムにおける場合であり、該システムにおいては底面において集められた粒子の総質量を測定するための質量センサが内蔵されている。
【００４５】
図２は、本発明に内在する概念による実装の例を、模式的な形で示す。センサは、質量感知板１２の下に配置された加熱板１０を有する。ここでもまた、粒子が取り込まれた空気又はその他の流体のストリーム１４が、２つの面の間を流れるよう向けられる。このようにして、加熱構成は、全体として重力の方向とは逆の、上向きに又は上向きの成分を持つよう熱泳動力を誘導するものである。該加熱構成は、一方の側において加熱を、他方において冷却を含んでも良い。両側における温度は、両方の側における制御された加熱、又は加熱及び冷却によって、一定の温度差を維持するよう制御されても良い。しかしながら、単に周囲の温度に比較して温度の相対的な上昇をもたらす一方の側における加熱でも、十分となり得る。
【００４６】
粒子は、下向の重力Ｆｇと、上向きの熱泳動力Ｆｔを経験する。斯くして、熱泳動力は、粒子を上方向に引き上げ、同時に、重力が粒子を下方向に引き下げることとなる。正味の力は、粒子が上方向に動くか下方向に動くかを決定する。この特徴は、検出器面において大きな粒子を除去することにより、サイズ特有の粒子感知機構を提供するため利用される。このようにして、熱泳動力と重力との特定の組み合わせが、所与の粒子サイズよりも小さい粒子を選択的に集めるセンサを形成するため用いられる。
【００４７】
熱泳動効果を解析するためのモデルは、Chunhong He及びGoodarz Ahmadiによる「Particle deposition with Thermophoresis in Laminar and Turbulent Duct Flows」（Aerosol Science and Technology 29、525-546、1998）に開示されている。該手法は、粒子の挙動をモデル化するため、以下の例において用いられる。
【００４８】
第１のモデルは、長さ７１ｍｍ（Ｌ＝７１ｍｍ）、幅３０ｍｍ、及び高さ０．３８ｍｍ（Ｄ＝０．３８ｍｍ）のチャネルを通る、５８５ｍｍ／ｓの気体流速（４００ｍｌ／分と同等）の、空気中のＮａＣｌ粒子（２１６５ｋｇ／ｍ３の粒子密度を持つ）に対する熱泳動力の解析に基づく。
【００４９】
加熱板は５２．７℃にモデル化され、センサ側は２０．９℃の一定温度に保たれ、８３７Ｋ／ｃｍの温度勾配に対応する。
【００５０】
図３は、粒子サイズの関数としての、結果の熱泳動力及び重力を示す。プロット３０は熱泳動力であり、プロット３２は重力である。ｘ軸は粒子径をμｍで表し、ｙ軸は力をＮで表す。これらの軸は対数スケールを持つ。斯くして、重力と粒子の線形サイズとの間の三乗の関係が、傾き３を持つ直線として見られる（重力は質量それ故体積に比例し、体積は線形の粒子サイズの３乗に比例するため）。
【００５１】
重力は、４μｍよりも大きな直径の粒子については、熱泳動力よりも大きいことが分かる。これら粒子は、加熱された底面に向かって移動し、それ故、上端のセンサ板に到達して検出されないこととなる。斯くして本例においては、検出器は、４μｍよりも小さな粒子のみを検出することとなる。
【００５２】
図４は、ＮａＣｌ粒子の検出についての収集効率を示す。プロット４０は、（図１におけるような）同じ方向に作用する重力及び熱泳動力の効果を示し、プロット４２は、（図２におけるような）逆方向に作用する重力及び熱泳動力の効果を示す。ｘ軸は粒子径をμｍで表し、ｙ軸は収集効率、即ち集められる粒子の割合を示す。ｘ軸は対数スケールを持つ。
【００５３】
図４は、１００ｎｍの粒子については、熱泳動力の役割が優勢であり、粒子収集効率は約７０％（両方の例について）であることを示している。
【００５４】
図１のシステムについては、粒子サイズを増大させると、熱泳動力は空気の粘度により増大させられる牽引力を補償するのに十分に早く増大しないという事実のため、収集効率が最初は減少する。次いで、より大きな粒子のサイズについて、熱泳動力と同じ方向に作用する重力のため、従来の手法においては、重力が収集効率の増大をもたらす。
【００５５】
図２のシステムについては、大きな粒子に対する重力が、センサの表面（この場合には上面）に粒子が到達することを防ぎ、４μｍよりも大きな粒子は質量センサに到達しない。
【００５６】
第２のモデルは、異なる温度勾配（３８２Ｋ／ｃｍ、７８２Ｋ／ｃｍ及び１５８０Ｋ／ｃｍ）についての空気中の乾いた粘土粒子（１６００ｋｇ／ｍ３の粒子密度を持つ）に対する熱泳動力の解析に基づく。該モデルは、長さ１０ｍｍ、幅１０ｍｍ及び高さ０．５ｍｍのチャネル、並びに１０ｍｌ／分の気体の流れに基づく。これらの寸法は、粒子質量を検出するための約１０×１０ｍｍのセンサ結晶の典型的なサイズと整合する。センサ側が２１℃の温度に保たれ、熱泳動力を駆動するよう動作する加熱板が、それぞれ４０℃、６０℃及び１００℃に設定されて、異なる温度勾配をもたらすことが仮定される。
【００５７】
図５は、プロット５０としての重力、及び適用される温度勾配の種々の値についての熱泳動力（プロット５２、５４、５６）を示す。プロット５２は、３８２Ｋ／ｃｍについてのものであり、プロット５４は、７８２Ｋ／ｃｍについてのものであり、プロット５７は、１５８０Ｋ／ｃｍについてのものである。ｘ軸は粒子径をμｍで表し、ｙ軸は力をＮで表す。これらの軸は対数スケールを持つ。
【００５８】
それぞれ約３．０μｍ、４．０μｍ及び５．４μｍよりも大きな粒子径については、粒子にかかる重力が熱泳動力よりも大きく、粒子が下側の板に向けて駆動される。それ故、重力の方向において重力が正味の垂直方向の粒子速度に導くような、粒子サイズ境界値を設定するために、該温度勾配設定が用いられることができる。
【００５９】
図６は、各熱勾配についての粒子収集効率、及び図１のシステムとの比較を示す。各場合について、プロット６０が、（図１におけるような）同じ方向に作用する重力及び熱泳動力の効果を示し、各場合について、プロット６２が、（図２におけるような）逆方向に作用する重力及び熱泳動力の効果を示す。ここでもまたｘ軸は対数での粒子径をμｍで表し、ｙ軸は収集効率である。
【００６０】
３８２Ｋ／ｃｍの温度勾配は、センサ面に向けてチャネル中の全ての小さな粒子を駆動するのには不十分である。しかしながら、約１μｍよりも小さな全ての粒子が、７８２Ｋ／ｃｍにおいて集められる。勾配が１５８０Ｋ／ｃｍにまで更に上昇させられると、集められる粒子サイズの上限は、約２．５μｍまでシフトする。この条件は、ＰＭ２．５粒子検出器についての要件と、よく合致する。空気中の７５μｇ／ｍ３の粒子濃度において、集められる総質量は０．７５ｎｇ／分である。
【００６１】
以上に与えられる基本的なセンサの例は、閾値を下回る粒子サイズの範囲を検出することが可能であり、当該閾値は、熱勾配を変化させることにより調節されることができる。異なる温度においてセンサを動作させることにより、粒子サイズ分布の情報が得られる。例えば、７８２Ｋ／ｃｍについて感知された質量と１５８０Ｋ／ｃｍについて感知された質量との差は、１μｍ乃至２．５μｍの範囲内の粒子に関連する。斯くして、示されたセンサ設計を用いて、粒子サイズ分布が得られ得る。
【００６２】
図７は、粒子分布情報を供給するためのセンサ設計の第２の例を示す。
【００６３】
空気中の粒子のサイズ分布についての情報は、図２におけるチャネルの収集面における単一のセンサ１２を、それぞれがチャネルの上面の一部をカバーする質量センサのアレイ７０により置き換えることにより、得られる。
【００６４】
一例として、それぞれが１０×１０ｍｍのサイズの６個のセンサ位置を用いて、幅１０ｍｍ、長さ６０ｍｍ、及び高さ０．５ｍｍのチャネルにおける乾いた粘土粒子の収集効率が算出される。空気の流量は、６０ｍｌ／ｓと仮定される。
【００６５】
結果は、図８に示される。
【００６６】
ｘ軸はセンサ位置を示し、ｙ軸は収集効率を示す。各センサ位置は、８個の異なる粒子サイズ、即ち０．１μｍ、０．４μｍ、０．８μｍ、１．５μｍ、２．０μｍ、２．５μｍ、３．０μｍ、４．０μｍ及び５．０μｍについてモデル化される。粒子サイズは、左から右へとプロットされる。斯くして、センサ位置１については、０．１μｍの粒子サイズについての収集効率は０．４３（最も左の最も高いバー）であり、５．０μｍの粒子サイズについての収集効率は０．０２（最も右の最も短いバー）である。
【００６７】
５μｍよりも大きな粒子は、チャネルにおいてセンサ上に殆ど集められない。センサ６において、２．５μｍと４μｍとの間の粒子のみが集められる。センサ５までは、２．０μｍの粒子も集められる。１．５μｍの粒子は、センサ４まで集められ、０．８μｍの粒子は、センサ３まで集められる。センサ１及び２は、より小さな粒子をも集める。これらは略同一の結果をもたらす。
【００６８】
それ故、センサ位置１は、チャネル入口における不均一な流れのプロファイルの影響を受け得るため、空白のままとされるべきである。
【００６９】
本例は、大きな粒子を除外するのみならず、空気中の粒子のサイズ分布についての情報をも提供する、該システムの能力を明確に示している。
【００７０】
以上の２つの実施例において、チャネルの受容面において内蔵された質量センサが用いられ得る。これらの質量センサは、共振構造の共振周波数を測定し、当該共振周波数は、センサ表面と接触する粒子の質量により影響される。
【００７１】
光散乱又は光反射によってのように、光学的手段により、表面上の集められた粒子の存在を測定することも可能である。収集面はこのとき、集められた粒子の位置に光のアクセスを提供するよう、光学的に透明である必要がある。
【００７２】
以上の例から、分布情報を提供するため、温度勾配が変化させられても良く、又はセグメント化された電極設計が用いられても良いことが明らかである。温度勾配制御の場合には、加熱器の種々の温度設定が用いられる。或る温度範囲を掃引することにより、又は温度設定の段階状の動作により、検出器表面に堆積される粒子のサイズ範囲を調整することが可能である。
【００７３】
別の例においては、該センサシステムは、流体の流速（空気の速度）が粒子のサイズスクリーニングのために利用されるが、一定の熱勾配のモードで動作するよう、動作させられる。以上の説明から、堆積した粒子サイズの範囲は、空気の速度に依存し、即ち、より低い空気の速度は、より大きなサイズ幅までの粒子の収集に帰着し、その逆も成り立つ。
【００７４】
図９は、１５８０Ｋ／ｃｍの温度勾配における、上述したモデルにおけるような粘土粒子の検出のための、図２におけるようなセンサの使用の結果を示す。以上の例におけるように、粒子密度は１６００ｋｇ／ｍ３であり、長さ１０ｍｍ、幅１０ｍｍ及び高さ０．５ｍｍのチャネルを用いた感知による。
【００７５】
プロット９０は５ｍｌ／分の流量についてのものであり、プロット９２は１０ｍｌ／分の流量についてのものであり、プロット９４は２０ｍｌ／分の流量についてのものであり、プロット９６は３０ｍｌ／分の流量についてのものであり、プロット９８は５０ｍｌ／分の流量についてのものである。
【００７６】
空気の流量が２０ｍｌ／分より高い場合、小さな粒子の収集効率が１よりも低い値に低下することが分かる。しかしながら、該効率は、チャネルの長さを増大させることにより増大させられ得る。
【００７７】
加熱板とセンサ（例えば共振重量検出器）との間の距離もまた、センサのサイズ検出範囲を操作するためのパラメータとして用いられ得る。当該距離は、図１においてＤとして示されている。
【００７８】
例えば設定ねじ又は機械的なドライバを備えた機械的な設計を利用することにより、及び加熱器と検出器との間の距離を変化させることにより、検出器のサイズ範囲が調整されることができる。より短い距離は、より大きな粒子サイズ範囲の堆積に導き、より大きな距離は、より小さな粒子サイズ範囲についてのセンサシステムに帰着することとなる。
【００７９】
図１０は、１５８０Ｋ／ｃｍの温度勾配における、以上のモデルにおけるような粘土粒子の検出のための、図２におけるようなセンサの使用を示す。以上の例におけるように、粒子密度は１６００ｋｇ／ｍ３であり、長さ１０ｍｍ、幅１０ｍｍ及び可変の高さのチャネルを用いた感知による。空気の流量は１０ｍｌ／分である。
【００８０】
プロット１００はＤ＝０．２５ｍｍについてのものであり、プロット１０２はＤ＝０．５ｍｍについてのものであり、プロット１０４はＤ＝１．０ｍｍについてのものである。
【００８１】
これらの例の幾つかは、複数のサイズ範囲動作を可能とし、同じセンサユニットを用いて、例えばＰＭ１、ＰＭ２．５及びＰＭ１０のような、センサ動作範囲を選択するために利用されることができる。
【００８２】
本発明は、屋内の環境制御のための粒子センサ（例えばＰＭ２．５）のためのみならず、屋外のセンサ装置のためにも興味深いものであり、総質量に加えて、粒子サイズ分布についての情報が導出されることができる機能を追加する。本発明は、例えば調理又は喫煙のようなあらゆる種類の屋内活動による、エアロゾル濃度及びタイプにおける変化を監視する可能性をもたらし、空気清浄化装置に対する基本的な制御フィードバックも提供し得る。
【００８３】
空気（又はその他の気体）中の粒子の測定に利用可能であることに加え、例えば水質監視及び制御システムにおけるような、流体における粒子センサのために、同様の手法が適用され得る。
【００８４】
図面、説明及び添付される請求項を読むことにより、請求される本発明を実施化する当業者によって、開示された実施例に対する他の変形が理解され実行され得る。請求項において、「有する（comprising）」なる語は他の要素又はステップを除外するものではなく、「１つの（a又はan）」なる不定冠詞は複数を除外するものではない。特定の手段が相互に異なる従属請求項に列挙されているという単なる事実は、これら手段の組み合わせが有利に利用されることができないことを示すものではない。請求項におけるいずれの参照記号も、請求の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。
【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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【国際調査報告】
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