(57)【要約】第１の電極と第２の電極とを有する移動度分析器であって、前記電極の一方が接地され、前記電極の他方が高電圧源に接続可能であり、前記分析器は、エアロゾル入口およびシース流出口、ならびに少なくとも１つのサンプル流路であってサンプル入口とサンプル出口とを有するものを備え、前記電極は導電性コーティングが施されたプラスチック材料で実装される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の電極（２）と第２の電極（３）とを有する移動度分析器（１）であって、前記電極の一方が接地され、前記電極の他方が電圧源に接続可能であり、この分析器（１）は、エアロゾル入口（４）とシース流入口（９）をさらに備え、また、少なくとも１つの粒子サンプル流路（６）も備え、この粒子サンプル流路が粒子サンプル入口（７）および粒子サンプル出口（８）を有する移動度分析器において、
前記電極（２，３）は、導電性材料が埋め込まれたプラスチック材料・導電性コーティング（２’，３’）が施されたプラスチック材料、の群から選択されたものを備えたプラスチック材料で出来ていること
を特徴とする移動度分析器。
【請求項２】
前記導電性材料が、カーボンナノチューブで構成されていることを特徴とする請求項１に記載の移動度分析器（１）。
【請求項３】
前記導電性コーティング（２’、３’）が、金属コーティングであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の移動度分析器（１）。
【請求項４】
接地された前記電極（２）が、分析器のハウジングを成すことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の移動度分析器（１）。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の移動度分析器（１）であって、前記電極（２，３）が互いに同心状に配置されて前記電極（２，３）同士の間のエアロゾル用の環状流路（１０）を画定し、前記電極（２，３）の内部電極（３）には、エアロゾルから得られる粒子を粒子カウンタ（１１）へと案内する前記粒子サンプル流路（６）への通路となる前記粒子サンプル入口（７）が設けられ、
前記粒子カウンタ（１１）が、前記内部電極（３）内の前記粒子サンプル流路（６）中に配置されていることを特徴とする移動度分析器。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の移動度分析器の製造方法であって、以下のステップを特徴とする：
- 移動度分析器の部品用の１つまたは複数のモールドを用意する；
- 前記１つまたは複数のモールド内に液体プラスチック材料を注ぐ；
- 前記液体プラスチック材料内に導電性材料、好ましくはカーボンナノチューブを埋め込む；
- 前記導電性材料が埋め込まれた前記プラスチック材料を前記１つまたは複数のモールド内で固化させて前記移動度分析器の前記部品を作る；
- 前記１つまたは複数のモールドから前記部品を取り出す；
- 任意で前記部品に導電性コーティングを施す；
- 前記部品を組み合わせて移動度分析器を製作する。
【請求項７】
請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の移動度分析器の製造方法であって、以下のステップを特徴とする：
- 移動度分析器の部品用の１つまたは複数のモールドを用意する；
- 前記１つまたは複数のモールド内に液体プラスチック材料を注ぎ、そのプラスチック材料を前記１つまたは複数のモールド内で固化させてプラスチック材料部品を作る；
- 前記１つまたは複数のモールドから前記プラスチック材料部品を取り出す；
- 前記プラスチック材料部品に導電性コーティングを施す；
- 前記プラスチック材料部品を組み合わせて移動性分析器を製作する。
【請求項８】
請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の移動度分析器の製造方法であって、以下のステップを特徴とする：
- プラスチック材料部品を３Ｄ印刷によって作る。
- 前記プラスチック材料部品に導電性コーティングを施す。
- 前記プラスチック材料部品を組み合わせて移動性分析器を製作する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、第１の電極と第２の電極とを有する粒子移動度分析器に関するものであって、電極の一方が接地され、電極の他方は電圧源に接続可能となっているもので、さらにこの分析器がエアロゾル入口とシース流入口を備え、また、少なくとも１つの粒子サンプル流路も備えており、この粒子サンプル流路が粒子サンプル入口および粒子サンプル出口を有する、移動度分析器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
このような粒子移動度分析器は、例えば、非特許文献１の論文で開示されている。この論文によれば、微分型移動度分析器（ＤＭＡ；differential mobility analyzer）は、直径１ｎｍから１μｍのナノメートルサイズのエアロゾル粒子を電気移動度に基づいて分類および測定するために最も一般的に使用される装置の１つである。この論文では、既知のＤＭＡのいくつかの構造が開示されている。
【０００３】
典型的なＤＭＡは基本的に、制御された負電圧または正電圧、典型的には１Ｖから１０ｋＶの範囲に保たれた内部電極を有する２つの同心状の金属電極を備えており、その一方で外部電極は電気的に接地されている。これにより、２つの電極間の環状空間に電界が形成される。帯電したエアロゾルの層流および無粒子シース空気の層流がＤＭＡの一端に導入され、電極間の環状空間を流れ落ちる。エアロゾルがシース空気の内側コアを取り囲み、双方の流れが２つの層流を混合することなしに環状部を通過する。
【０００４】
電極間の電界によって、荷電粒子がシース空気を介して荷電コレクタ電極に引き付けられる。集められた粒子がコレクタ電極に到達する位置は、粒子の電気移動度、エアロゾルの流速、およびＤＭＡの形状に依存する。集められた粒子の電気移動度は、ＤＭＡの寸法、印加電圧、およびエアロゾル流速の関数である。
【０００５】
高い電気移動度を有する粒子は、集電極の上流領域に集められる。電気移動度の低い粒子は、集電極の下流領域に集められる。狭い範囲の電気移動度の粒子が、集電極の下流領域に位置する小さなスリット（粒子サンプル入口）を通って電極間の環状空間を出てゆく。これらの粒子は、粒子サンプル流路を通って粒子サンプル出口に移され、より下流に配置されている粒子数濃度を測るための粒子カウンタに到達する。残りの粒子は過剰な空気流として排出される。粒子サイズの分布は、ＤＭＡの２つの電極間の電圧差を変化させることによって測ることができる。
【０００６】
前述の非特許文献１の論文は、いくつかの微分型移動度分析器について論じていて、いずれもチューブタイプのものであり、それぞれの構造には、数センチメートルの厚さの通常ステンレス鋼製の中央ロッドまたは電極と、同じく数センチメートルの厚さの鋼またはアルミニウム製の外部シャーシとが含まれている。
【０００７】
非特許文献２から、微分型移動度分析器のいわゆるラジアル構造が知られており、これは超微細エアロゾル粒子の測定に特に適している。
【０００８】
構造の電極を形成する２つのディスクで実装されたこのラジアル構造では、無粒子シース空気流がディスク間の円形路へ接線方向に入り、その後、シース流を均一に分散させる多孔質材料（例えばポリエチレン）製のリングを通り抜けて、均一な流れ場を作る。エアロゾル流もラジアル型ＤＭＡの入口路へ接線方向に導入される。
【０００９】
気流は、ハウジングディスクの中心に位置する出口を通って出てゆき、分類されたエアロゾルはエアロゾル入口に対向する電極内の粒子流入口を通して取り出される。この非特許文献２の論文で示されているラジアル型ＤＭＡは、ステンレス鋼、アルミニウム、およびプラスチックで出来ている。両方の電極、すなわちハウジングディスク電極およびはめ込みディスク電極はステンレス鋼で出来ている。
【００１０】
使用中、ハウジングは接地される。分析領域内の電界はエアロゾル層から荷電粒子を引き付け、半径方向の流れが計器の中心に向かってそれらを運ぶにつれて、シース空気流を横切って集電極（すなわちはめ込み電極）に向けて移動させる。比較的高い移動度を有する粒子は、粒子サンプル入口の上流の電極上に堆積する。比較的低い移動度を有するものは、余分なエアロゾル流と共に排出される。狭い範囲の中程度移動度の粒子は粒子サンプル入口に到達することができ、取り出される。
【００１１】
この非特許文献２の論文はさらに、他の微分型移動度分析器の構造、特に平行プレート分析器についても報告している。これは、微分型移動同分析器に対して累積型移動度分析器と呼ばれ、平行円形ディスク間の流れに基づく。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】Songklanakarin Journal of Science and Technolgy 30(2), 243-256, March-April 2008に掲載された、Panich IntraおよびNakorn Tippayawongによる総説論文「ナノメートルサイズのエアロゾル粒子のサイズ分類のための微分型移動度分析器の概要（An overview of differential mobility analyzers for size classification of nanometer-sized aerosol particles）」
【非特許文献２】Aerosol Science and Technology 23：357-372（1995）に掲載された、Shou-Hua Zhangらの論文「ラジアル型微分型移動度分析器（Radial Differential Mobility Analyzer）」
【非特許文献３】wileyonlinelibrary.comにオンラインで掲載されている、プラスチック技術者協会（Society of Plastics Engineers）のPolymer Composites - 2012内の、N. Athanasopoulosらの論文「ポリウレタン／ＭＷＣＮＴナノ複合発泡体の電気伝導率（Electrical conductivity of polyurethane/MWCNT Nanocomposite Foams）」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
ここで本発明は、こうした全ての既知の微分型または累積型の移動度分析器で、チューブ構造、ラジアル構造、その他の既知の構造の型に係る全ての既知のタイプに関するものである。
【００１４】
既知の構造は多種多様なものが存在するが、どうすれば移動度分析器を製造または製作できるかについては特有の制限が当然存在する。これらの制限の一部は、移動度分析器に必要とされる材料が固体金属であることに起因する。これらの金属は、所望の導電性のために必要とされる。
【００１５】
本発明の目的は、既知の形状および構造に限定されず、特に汎用性及び可搬性の面で利点をもたらす構成の移動度分析器を提供することである。
【００１６】
本発明では、添付の請求項の１つ以上の特徴を有する移動度分析器が提案される。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明の第１の態様では、移動度分析器の電極は、プラスチック材料に埋め込まれた導電性材料またはプラスチック材料に施された導電性コーティングのいずれかを備えたプラスチック材料で出来ている。両方の措置を同時に適用すること、すなわち、プラスチック材料に埋め込まれた導電性材料と、プラスチック材料に施された導電性コーティングとを適用することも可能である。
【００１８】
導電性材料がプラスチック材料に埋め込まれている場合、導電性材料はカーボンナノチューブで出来ていることが好ましい。作り方は非特許文献３が開示している。
【００１９】
移動度分析器を鋼やアルミニウムではなく実質的にプラスチックのコアで作る場合、３−Ｄ印刷といった様々な簡単で安価な製造技術を使用することができるという大きな利点があり、製造コストを低減し、移動度分析器の形状と構造をより多様化できる。さらに本発明は、通常使用される金属よりもはるかに低い密度を有する膨大な種類の材料から選択する可能性を開き、移動性分析器の総重量を減少させ、携帯性を高め、多用途性を向上させる。
【００２０】
好適には、プラスチックコアに施される導電性コーティングは金属コーティングである。
【００２１】
より好ましくは、接地された電極は、分析器のハウジングを成す。
【００２２】
特に、移動度分析器が、電極が互いに同心状に配置されて電極同士の間のエアロゾル用の環状流路を画定し、電極の内部電極には、エアロゾルから得られる粒子を粒子カウンタへと案内するサンプル流路への通路となるサンプル入口が設けられている、というタイプにおいて、本発明がもたらす更なる利点の１つは、粒子カウンタを内部電極内のサンプル流路中に配置できることである。こうして粒子カウンタを近位配置することにより、計器の精度が大幅に向上する。
【００２３】
以下、本発明の移動度分析器の例示的な実施形態の単一の図面と、本発明に係る微分型移動度分析器が得られる製造方法を参照して本発明をさらに説明するが、これは添付の請求項を限定するものではない。
【００２４】
本発明に係る微分型移動度分析器を製造する方法を示す実施例においては、こうした分析器は、５つの金属部品を有する既存の特製円筒形ステンレス鋼のＤＭＡを基として製造される；すなわち、内部電極および外部電極、エアロゾル入口スリット、そして入口ベースおよび出口ベースを含むものである。
【００２５】
ＤＭＡの各部分のモールドを作成するにあたり、柔軟なシリコーンゴムを使用した。そのために、各ピースを容器の中に入れ、関連するピースが完全に浸かるまで液体シリコーンゴムを注いだ。シリコーンが硬化するのに要する１時間ほど後に、モールドから金属ピースを取り出した。次いで、液体ポリウレタンをモールドに注ぎ、固化させた。プラスチックＤＭＡの内面を導電性にするために、すべての部品にニッケルペイントをスプレーコーティングした。
【００２６】
上記の噴霧／乾燥プロセスの３サイクルは、表面の完全被覆を達成するのに十分であり、各部品の表面上に厚さ０．５ｍｍの導電性膜を生じさせた。得られたプラスチックＤＭＡの組み立て後の重量は、対応するステンレス鋼ＤＭＡ（３．５ｋｇ）の重量よりも著しく軽い１５０ｇであり、本発明のＤＭＡの製造に使用される材料のコストは、およそ１００米ドルである。単一のモールドから複数のＤＭＡを製造できることを考慮すると、製造時間と関連するコストをさらに低減することができ、提唱されている方法を非常に魅力的にする。
【００２７】
移動度分析器のポリウレタン部品を作るためのモールドを使用する代わりに、３−Ｄ印刷でプラスチック部品を作ることも可能であり、これは実現可能な形状および構造に関してさらに多様性をもたらす。
【００２８】
本発明に係る移動度分析器を製造する方法は、上述の２つの方法の代わりに、以下の製造ステップを適用することも可能である：
- 移動度分析器の部品用の１つまたは複数のモールドを用意する；
- １つまたは複数のモールド内に液体プラスチック材料を注ぐ；
- 液体プラスチック材料内に導電性材料、好ましくはカーボンナノチューブを埋め込む；
- 導電性材料が埋め込まれたプラスチック材料を１つまたは複数のモールド内で固化させて移動度分析器の部品を作る；
- １つまたは複数のモールドから部品を取り出す；
- 必要に応じて部品に導電性コーティングを施す；
- 最後に部品を組み合わせて移動度分析器を製作する。
【００２９】
当業者であれば、上述の非特許文献３の内容に触れることにより、どうやって液体プラスチック材料に導電性材料を埋め込むかが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明に係る微分型移動度分析器を表す図であり、側方側面図を示している。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
分析器には参照番号１が付いており、これは第１の電極２と第２の電極３とを備え、その電極の一方側である２は接地され、その電極の他方側である３は高電圧源に接続可能であり、高電圧源は正電圧でも負電圧でもよい。分析器１は、エアロゾル入口４と、シース流入口９と、シース流出口５とをさらに備え、また、少なくとも１つの粒子サンプル流路６も備えており、粒子サンプル流路は粒子サンプル入口７と粒子サンプル出口８とを有する。さらに、シースガス用の入口９もある。
【００３２】
本発明においては、電極２，３は、その中に導電性材料が埋め込まれたもの、またはプラスチック材料に導電性コーティングが施されたものを備えたプラスチック材料で出来ている。導電性材料がプラスチック材料に埋め込まれている場合には、カーボンナノチューブを用いることが好ましい。プラスチック材料に導電性材料を埋め込むことに加えて、またはそれに代えて、本発明においては、プラスチック材料に導電性コーティングを施してもよい。好ましくは、導電性コーティング２’，３’は金属コーティングである。この図は、接地されている電極２が分析器のハウジングを成していることをさらに示している。
【００３３】
図示の移動度分析器１は、互いに同心状に配置された電極２，３を有し、これにより電極２，３の間にエアロゾル用の環状流路１０を画定する。
【００３４】
本発明のＤＭＡが使用されるときには、内部電極３は、１Ｖから例えば１０ｋＶ以上の範囲の制御された負または正の電圧に維持され、一方、ハウジングを成す外部電極２は電気的に接地される。これにより、２つの電極２，３の間に電界が形成される。入口４に導入された荷電エアロゾルの層流と入口９に導入された無粒子シース空気の層流が、電極２，３間の環状流路１０内に流れ落ちる。エアロゾルがシース空気の内側コアを取り囲み、２つの層流が混合することなしに双方の流れが流路１０を通過する。
【００３５】
電極２，３の間の電界により、荷電粒子がシース空気を介して荷電コレクタ電極３に引き寄せられる。集められた粒子が集電極３に到達する位置は、粒子の電気移動度、エアロゾル流量、およびＤＭＡ形状に依存する。集められた粒子の電気移動度は、ＤＭＡの寸法、印加電圧、およびエアロゾル流速の関数である。
【００３６】
電気移動度の高い粒子は、集電極３の上流領域Ａに集められる。電気移動度の低い粒子は、集電極３の下流領域Ｂに集められる。電気移動度が狭い範囲内に収まる粒子は、集電極３の下流領域Ｂに位置する粒子サンプル入口７を通って電極２，３間の環状流路１０を出てゆく。これらの粒子は、粒子サンプル流路６を通って粒子サンプル出口８に移される。
【００３７】
通常、サンプル出口８を離れた後、粒子はさらに下流でＤＭＡの外部に配置された、粒子数濃度を測るための粒子カウンタに到達する。この図では、粒子カウンタ１１が内部電極３内のサンプル流路６中に配置されているという、本発明で可能となる実施形態が示されている。これにより、粒子数濃度を測るにあたっての粒子数濃度を測るにあたっての本発明のＤＭＡの信頼性および精度が向上する。
【００３８】
以上、本発明の装置の例示的な実施形態を参照して説明したが、本発明はこの特定の実施形態に限定されるものではなく、本発明から逸脱することなく様々な形に変更可能である。したがって、説明した例示的な実施形態は、添付の特許請求の範囲を厳密にこの形態で以って解釈するために使用されるべきではない。この実施形態はむしろ、添付の特許請求の範囲の記載をこうした例示的実施形態に限定する意図なく説明することを目的としたものに過ぎない。よって本発明の保護範囲は、添付の特許請求の範囲のみに従って解釈されるべきであり、特許請求の範囲の記載に生じ得る曖昧性の解消のためにこうした例示的実施形態が用いられるものとする。
【図１】
2018522229.tif 000003
【国際調査報告】
2018522229.tif 000004
2018522229.tif 000005
2018522229.tif 000006