(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
間隔を開けて平行に配置された２つの同軸のディスク間に形成される空間を分級領域とし、前記分級領域において荷電超微粒子を粘性流体中で静電界が印加された際の荷電粒子の粒径に依存した電気移動度を利用して分級し、前記同軸のディスクを３つ以上配置することにより前記分級領域が２つ以上の多段で構成され、当該多段分級領域の各段ごとに、ディスクの外周部分から分級領域の中心部方向へシースガスが流入される超微粒子分級装置において、
前記多段分級領域の段数の増加につれて、各段へ流入するシースガス流量が増加する、
ことを特徴とする超微粒子分級装置。
【請求項２】
間隔を開けて平行に配置された２つの同軸のディスク間に形成される空間を分級領域とし、前記分級領域において荷電超微粒子を粘性流体中で静電界が印加された際の荷電粒子の粒径に依存した電気移動度を利用して分級し、前記同軸のディスクを３つ以上配置することにより前記分級領域が２つ以上の多段で構成され、当該多段分級領域の各段ごとに、ディスクの外周部分から分級領域の中心部方向へシースガスが流入される超微粒子分級装置において、
前記多段分級領域の段数の増加につれて、各段のシースガスの粘度あるいは衝突直径が増加する、
ことを特徴とする超微粒子分級装置。
【請求項３】
多段分級領域の各段に個別に直流電圧を印加可能であることを特徴とする請求項１または２に記載の超微粒子分級装置。
【請求項４】
多段の分級領域を仕切るディスクには一方の分級領域から他方の分級領域へキャリアガスを流入させるスリットが形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の超微粒子分級装置。
【請求項５】
多段分級領域の段数の増加につれて、各段へ流入するキャリアガス流量が減少していくことを特徴とする請求項４に記載の超微粒子分級装置。
【請求項６】
ディスクはセラミック系絶縁体と、金属とから構成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の超微粒子分級装置。
【請求項７】
同軸で平行に配置され、間に超微粒子を分級する多段の分級領域を形成する複数のディスクと、キャリアガスと超微粒子をディスクを通して次段の分級領域へ導入するために前記ディスクに形成されたスリットと、各ディスクの軸部分に設けられ各分級領域にディスクの周囲からそれぞれ流入するシースガスを排気するためのシースガス排気口と、最終段のディスクの下部に設けられ、キャリアガスと分級された超微粒子を排気するためのキャリアガス排気口とを備え、前記分級領域において荷電超微粒子を分級する超微粒子分級装置において、
前記多段分級領域の段数の増加につれて、各段へ流入するシースガス流量が増加する、
ことを特徴とする超微粒子分級装置。
【請求項８】
同軸で平行に配置され、間に超微粒子を分級する多段の分級領域を形成する複数のディスクと、キャリアガスと超微粒子をディスクを通して次段の分級領域へ導入するために前記ディスクに形成されたスリットと、各ディスクの軸部分に設けられ各分級領域にディスクの周囲からそれぞれ流入するシースガスを排気するためのシースガス排気口と、最終段のディスクの下部に設けられ、キャリアガスと分級された超微粒子を排気するためのキャリアガス排気口とを備え、前記分級領域において荷電超微粒子を分級する超微粒子分級装置において、
前記多段分級領域の段数の増加につれて、各段のシースガスの粘度あるいは衝突直径が増加する、
ことを特徴とする超微粒子分級装置。
【請求項９】
ディスクの、スリットより外周の部分は、当該ディスクの面に対して垂直の方向に３つの部分に分割され、前記ディスクの３分割部分の上部は、直流電圧が印加され、下部は接地され、さらに、中部は上部と下部を絶縁する構成となっていることを特徴とする請求項７又は８に記載の超微粒子分級装置。
【発明の詳細な説明】
【発明の属する技術分野】
【０００１】
本発明は超微粒子分級装置に関するものであり、特に静電界中での荷電粒子の粒径に依存した電気移動度を利用した微分型電気移動度分級装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、粒子径に依存した移動度を利用して微粒子の粒径を選別する微粒子分級装置は、サブミクロンの微粒子を高効率で捕集分離する高性能エアフィルターの性能テストや、浄化雰囲気のモニタリング等における標準微粒子の生成および粒径測定に用いられてきた。粒径選別に利用する移動度としては、主に、静電界中での荷電粒子に働く電気移動度と、重力等による動的移動度がある。また、前記微粒子分級装置の構造としては、主に二重円筒型と円盤型がある。
【０００３】
図3は、例えばエアロゾル研究Vol.2, No.2, p106 (1987)あるいは粉体工学会誌Vol.21, No.12, p753 (1984)に記載された、従来の微分型電気移動度分級装置の概略図である。前記微分型電気移動度分級装置は二重円筒型構造である。図3において、荷電された微粒子301はキャリアガス302により搬送され、二重円筒型分級装置の上端部から流入し、内側を流れるシースガス303である清浄空気と合流する。荷電された微粒子301とシースガス303の混合ガスは、層流として二重円筒部分を流れる。この二重円筒部分では、前記の混合ガスの流れの方向と垂直に、直流電源307により静電界が印加されている。従って荷電された微粒子301は各々の電気移動度に応じた軌道を描く。前記電気移動度は微粒子の粒径に依存しているため、ある特定粒径の微粒子だけが下部のスリット308に達し、分級されてキャリアガス排気口305より取り出される。その他の粒径の微粒子は、シースガスと共に排気されるか、あるいは内側の集電極306へ移動、付着する。
【０００４】
また、円盤型構造の動的移動度分級装置が、特開平9-269288号広報に開示されている。図4は前記円盤型の動的移動度分級装置の概略図である。図4において、分級領域409は、同軸で平行に配置された上部ディスク403と下部ディスク404の間の空間に形成される。シースガスである空気流402は、分級領域409へ上下部ディスク周囲から流入し、分級領域409を求心性の層流として流れ、中央吸込ダクト405から排気される。微粒子401はキャリアガス410により搬送され、上部ディスク403に配された環状導入スリット407から分級領域409に導入される。上部ディスク403に配された環状導入スリット407から分級領域409に導入された微粒子401は、空気流402により中心軸方向へ移動すると同時に、重力場により上部ディスク403から下部ディスク404の方向へと落下する。落下速度は微粒子401の粒径に依存しているため、ある特定粒径の微粒子だけが、下部ディスク404に配された環状スリット408に達し、分級されて引出ダクト406から取り出される。その他の粒径の微粒子は、空気流と共に中央吸込ダクト405から排気されるか、あるいは下部ディスク404へ移動、付着する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
粒径が数nmから数十nm程度の超微粒子では、その超微粒子の物性値は、粒径に依存して変化することが知られている。例えば、半導体超微粒子では、粒径の減少と共にエネルギーギャップが増加する。前記半導体超微粒子の物性を利用することにより、新たなデバイスの作製も試みられている。近年、前記新たなデバイスを構成する物質として、Siが注目されるようになっており、希ガス中でのパルスレーザアブレーションにより、粒径が数nmから十数nm程度のSi超微粒子の作製が試みられている。このSi超微粒子を用いた新たなデバイスを作製するためには、数nmから十数nm程度の様々な粒径をもったSi超微粒子を分級して、単一粒径と見なせる程度狭い粒径分布をもったSi超微粒子を抽出する必要がある。また、分級されるSi超微粒子の平均粒径は変化させられることが望ましい。
【０００６】
一方、図4に示した従来の円盤型動的移動度分級装置の場合は、サブミクロン程度の粒径を持った微粒子を分級することを目的としており、粒径選別には重力場が利用されている。重力場は一定であるため、分級する超微粒子の平均粒径を変化させるためには、空気流402の流量を変化させる必要がある。ｎmレベルの超微粒子の平均粒径を変化させるには、前記空気流402の流量の変化も微少になる。この微少な流量変化の制御と、流量を安定させるための制御は非常に困難である。
【０００７】
また、前記円盤型動的移動度分級装置のサイズを大きくする（環状導入スリット407と環状スリット408の射影距離を長くする）ことなく、サブミクロン以下の粒径をもった超微粒子を分級するためには、分級領域409中においてシースガスである空気流402と垂直な方向（上部ディスク403から下部ディスク404へと向かう方向）で超微粒子に作用する力を、重力以上の大きさをもったものにする必要がある。
【０００８】
超微粒子の分級分解能を向上させる方法として、分級領域を1段から多段にし、分級回数を増加させるという手法がある。図3に示した二重円筒型分級装置の場合、例えば粉体工学会誌Vol.21, No.12, p753 (1984)に記載された二重円筒型分級装置の分級領域寸法はL = 400mm, R  = 15 mm, R  = 25 mmである。従って、前記二重円筒型分級装置の外周にさらに円筒型の分級領域を配置して、分級領域を多段にすると、分級装置全体の寸法が非常に大型化する。そのため、分級装置全体の寸法を小さくするためには、二重円筒型以外の構造にする必要がある。
【０００９】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、nmレベルの超微粒子を良好な分解能で分級するために、分級装置の分級領域を多段にすることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
図4に示した従来の円盤型動的移動度分級装置の上部ディスク403および下部ディスク404間に直流電圧を印加可能とする。これにより、分級領域409において上下方向（空気流402と垂直な方向）に静電界を発生させることが可能となり、前記円盤型動的移動度分級装置に導入される微粒子が荷電されている場合は、重力場による動的移動度ではなく、静電界による電気移動度により荷電微粒子を分級することが可能となる。上部ディスク403および下部ディスク404間に印加する直流電圧を大きくすることにより、重力より大きい静電気力を発生させることができるため、前記円盤型動的移動度分級装置のサイズを大きくする（環状導入スリット407と環状スリット408の射影距離を長くする）ことなく、nmレベルの粒径をもった超微粒子を分級することが可能となる。
【００１１】
また、上部ディスク403および下部ディスク404間に印加する直流電圧を変化させることにより、静電界の強度を精密に変化させることが可能である。従って、空気流402の流量一定の元で、nmレベルの荷電超微粒子を分級する際の平均粒径をも精密に変化させることが可能である。
【００１２】
さらに、前記円盤型動的移動度分級装置において、分級領域を1段から多段にする。これにより、分級装置全体の寸法が小さく、しかもnmレベルの荷電超微粒子の分級分解能を向上させることが可能となる。具体的には、前記円盤型動的移動度分級装置の下部ディスク404の下部にさらに同軸で平行に第3のディスクを配置し、下部ディスク404と第3のディスクの間の空間を2段目の分級領域とする。これと同じ要領で第4、第5、等のディスクを配し、3段目、4段目、等の分級領域を形成する。
【００１３】
この本発明によれば、nmレベルの超微粒子を良好な分解能で分級する円盤型の超微粒子分級装置が得られる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の発明は、間隔を開けて平行に配置された２つの同軸のディスク間に形成される空間を分級領域とし、前記分級領域において荷電超微粒子を粘性流体中で静電界が印加された際の荷電粒子の粒径に依存した電気移動度を利用して分級し、前記同軸のディスクを３つ以上配置することにより前記分級領域が２つ以上の多段で構成され、当該多段分級領域の各段ごとに、ディスクの外周部分から分級領域の中心部方向へシースガスが流入される超微粒子分級装置において、前記多段分級領域の段数の増加につれて、各段へ流入するシースガス流量が増加する、ことを特徴とする超微粒子分級装置である。分級領域を多段にすることにより、分級領域が１段の従来の円盤型動的移動度分級装置よりも分級分解能を向上させることが可能となる。また、装置形状を円盤型にすることにより、多段の分級領域を配していても装置寸法の大型化を抑制することが可能となる。そして、多段分級領域の段数の増加につれて、各段へ流入するシースガス流量が増加することにより、分級領域の段数の増加につれて、分級分解能を向上させることが可能となる。
【００１５】
請求項２に記載の発明は、間隔を開けて平行に配置された２つの同軸のディスク間に形成される空間を分級領域とし、前記分級領域において荷電超微粒子を粘性流体中で静電界が印加された際の荷電粒子の粒径に依存した電気移動度を利用して分級し、前記同軸のディスクを３つ以上配置することにより前記分級領域が２つ以上の多段で構成され、当該多段分級領域の各段ごとに、ディスクの外周部分から分級領域の中心部方向へシースガスが流入される超微粒子分級装置において、前記多段分級領域の段数の増加につれて、各段のシースガスの粘度あるいは衝突直径が増加する、ことを特徴とする超微粒子分級装置である。分級領域を多段にすることにより、分級領域が１段の従来の円盤型動的移動度分級装置よりも分級分解能を向上させることが可能となる。また、装置形状を円盤型にすることにより、多段の分級領域を配していても装置寸法の大型化を抑制することが可能となる。そして、多段分級領域の段数の増加につれて、各段のシースガスの粘度あるいは衝突直径が増加することにより、多段分級領域の段数の増加につれて、分級分解能を向上させることが可能となる。
【００１６】
請求項３に記載の発明は、多段分級領域の各段に個別に直流電圧を印加可能であることを特徴とする請求項１または２に記載の超微粒子分級装置であり、多段分級領域の各段ごとに異なった値の直流電圧を印加できるため、多段分級領域の各段ごとに超微粒子の分級粒径の設定を変更することが可能となる。
【００１７】
請求項４に記載の発明は、多段の分級領域を仕切るディスクには一方の分級領域から他方の分級領域へキャリアガスを流入させるスリットが形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の超微粒子分級装置であり、前記スリットにより、分級領域で分級された超微粒子を、キャリアガスとともに、後段の分級領域へ搬送することが可能となる。
【００１８】
請求項５に記載の発明は、多段分級領域の段数の増加につれて、各段へ流入するキャリアガス流量が減少していくことを特徴とする請求項４に記載の超微粒子分級装置であり、多段分級領域の段数の増加につれて、分級分解能を向上させることが可能となる。
【００１９】
請求項６に記載の発明は、ディスクがセラミック系絶縁体と、金属とから構成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の超微粒子分級装置であり、超微粒子分級装置を高温でベーキングできるため、超微粒子分級装置内を清浄に保持することが可能となり、超微粒子分級装置内を通過する超微粒子への不純物の混入を抑制することが可能となる。
【００２０】
請求項７に記載の発明は、同軸で平行に配置され、間に超微粒子を分級する多段の分級領域を形成する複数のディスクと、キャリアガスと超微粒子をディスクを通して次段の分級領域へ導入するために前記ディスクに形成されたスリットと、各ディスクの軸部分に設けられ各分級領域にディスクの周囲からそれぞれ流入するシースガスを排気するためのシースガス排気口と、最終段のディスクの下部に設けられ、キャリアガスと分級された超微粒子を排気するためのキャリアガス排気口とを備え、前記分級領域において荷電超微粒子を分級する超微粒子分級装置において、前記多段分級領域の段数の増加につれて、各段へ流入するシースガス流量が増加する、ことを特徴とする超微粒子分級装置であり、分級領域を多段にすることにより、分級領域が１つの従来型の円盤型動的移動度分級装置よりも分級分解能を向上させることが可能となり、そして、多段分級領域の段数の増加につれて、各段へ流入するシースガス流量が増加することにより、分級分解能を向上させることが可能となる。
【００２１】
請求項８に記載の発明は、同軸で平行に配置され、間に超微粒子を分級する多段の分級領域を形成する複数のディスクと、キャリアガスと超微粒子をディスクを通して次段の分級領域へ導入するために前記ディスクに形成されたスリットと、各ディスクの軸部分に設けられ各分級領域にディスクの周囲からそれぞれ流入するシースガスを排気するためのシースガス排気口と、最終段のディスクの下部に設けられ、キャリアガスと分級された超微粒子を排気するためのキャリアガス排気口とを備え、前記分級領域において荷電超微粒子を分級する超微粒子分級装置において、前記多段分級領域の段数の増加につれて、各段のシースガスの粘度あるいは衝突直径が増加する、ことを特徴とする超微粒子分級装置であり、分級領域を多段にすることにより、分級領域が１つの従来型の円盤型動的移動度分級装置よりも分級分解能を向上させることが可能となり、そして、多段分級領域の段数の増加につれて、各段のシースガスの粘度あるいは衝突直径が増加することにより、分級分解能を向上させることが可能となる。
【００２２】
請求項９に記載の発明は、ディスクの、スリットより外周の部分は、当該ディスクの面に対して垂直の方向に３つの部分に分割され、前記ディスクの３分割部分の上部は、直流電圧が印加され、下部は接地され、さらに、中部は上部と下部を絶縁する構成となっていることを特徴とする請求項７または８に記載の超微粒子分級装置であり、荷電超微粒子に対して効果的に静電場を印加することが可能となる。
【００２７】
（実施の形態）
図1は本発明の一実施の形態を示しており、円盤型超微粒子分級装置の概略図である。この円盤型超微粒子分級装置は、n+1個（ただしn は1以上の整数）のディスクが同軸で平行に配置された構造になっている。第1ディスク101と第2ディスク102の間の空間を第1分級領域113とし、第2ディスク102と第3ディスク103の間の空間を第2分級領域114とし、同様にして、第nディスク104と第n+1ディスク105の間の空間を第n分級領域115とする。第1ディスク101はキャリアガスと超微粒子を前記円盤型超微粒子分級装置へ導入するための環状導入スリット106を半径ｒ1 の位置に具備し、第2ディスク102は半径ｒ1 より小さい半径ｒ2 の位置に第1環状スリット107を具備し、第3ディスク103は半径ｒ2 より小さい半径ｒ3 の位置に第2環状スリット108を具備し、同様にして、第n+1 ディスク105は半径ｒn より小さい半径ｒn+1 の位置に第n環状スリット110を具備する。
【００２８】
また、第1ディスク101、第２ディスク102、…、第nディスク105は、第1分級領域113、第2分級領域114、…、第n分級領域115にディスクの周囲からそれぞれ流入する第1シースガス117、第2シースガス118、…、第nシースガス119を排気するためのシースガス排気口111を具備する。第n+1ディスク105下部には、キャリアガスと分級された超微粒子を排気するためのキャリアガス排気口112を具備する。第2ディスク102において、半径ｒ2 以上の、第1環状スリット107より外周の部分は、上下方向に3つの部分に分割されている。前記3分割部分の上部は、第1直流電圧電源120により正または負の直流電圧を印加することが可能であり、下部は接地されている。また中部は、上部と下部を絶縁するための絶縁体116で構成されている。同様にして、第n+1ディスク105において、半径ｒn+1 以上の、第n環状スリット110より外周の部分は、上下方向に3つの部分に分割されており、前記3分割部分の上部は、第n直流電圧電源122により正または負の直流電圧を印加することが可能であり、下部は接地されている。また中部は、上部と下部を絶縁するための絶縁体116で構成されている。円盤型超微粒子分級装置において、前記した第2ディスク102から第n+1ディスク105までの各ディスクの3分割部分以外の構成部分は、全て接地されている。
【００２９】
図1に示した円盤型超微粒子分級装置において、以下に示す動作により超微粒子の分級を行った。第1シースガス117、第2シースガス118、…、第nシースガス119は、ディスクの周囲からそれぞれ第1分級領域113、第2分級領域114、…、第n分級領域115へと導入される。前記導入された各シースガスは、各分級領域を層流状態で通過した後、シースガス排気口111より排気される。
【００３０】
一方、荷電された超微粒子はキャリアガスにより搬送され、第1ディスク101に具備された環状導入スリット106から円盤型超微粒子分級装置に導入され、第1分級領域113へ噴出される。前記第1分級領域113には、第1ディスク101および第2ディスク102間に第1直流電圧電源120により第1シースガス流に垂直な方向に静電界が印加されているため、環状導入スリット106より噴出された荷電超微粒子は、第1シースガス117により横方向に搬送されつつ、その荷電数と粒径に依存した電気移動度に応じた軌跡を描きながら、第1ディスク101から第2ディスク102の方向へ偏曲される。前記偏曲された荷電超微粒子において、第2ディスク102に具備された第1環状スリット107に到達したもののみが第1分級領域113で分級された荷電超微粒子として第2分級領域114へ噴出される。前記第2分級領域114には、第2ディスク102および第3ディスク103間に第2直流電圧電源121により第2シースガス流に垂直な方向に静電界が印加されているため、第1環状スリット107より噴出された荷電超微粒子は、第2シースガス118により横方向に搬送されつつ、その荷電数と粒径に依存した電気移動度に応じた軌跡を描きながら、第2ディスク102から第3ディスク103の方向へ偏曲される。前記偏曲された荷電超微粒子において、第3ディスク103に具備された第2環状スリット108に到達したもののみが第2分級領域114で分級された荷電超微粒子として第3分級領域へ噴出される。同様にして、第n分級領域115には、第nディスク104および第n+1ディスク105間に第n直流電圧電源122により第nシースガス流に垂直な方向に静電界が印加されているため、第n-1環状スリット109より噴出された荷電超微粒子は、第nシースガス119により横方向に搬送されつつ、その荷電数と粒径に依存した電気移動度に応じた軌跡を描きながら、第nディスク104から第n+1ディスク105の方向へ偏曲される。前記偏曲された荷電超微粒子において、第n+1ディスク105に具備された第n環状スリット110に到達したもののみが第n分級領域115で分級された荷電超微粒子としてキャリアガス排気口112より取り出される。
【００３１】
図1に示した円盤型超微粒子分級装置において、分級される超微粒子の平均粒径および分級分解能に関与するパラメータ（以後、分級パラメータと表記）には、分級領域上部の環状スリットと分級領域下部の環状スリットの投影距離（図1中ではｒn+1 - ｒn に相当する）、分級領域となる空間を形成する2つのディスク間距離、分級領域となる空間を形成する2つのディスク間に印加される直流電圧、キャリアガスの種類、キャリアガスの流量、シースガスの種類、シースガスの流量、等がある。前記分級パラメータを第1分級領域113から第n分級領域115まで全て等しくした場合、分級条件（分級される超微粒子の平均粒径および分級分解能）も全て等しくなる。つまり、第1分級領域113において分級された超微粒子の分級分解能は、その後の第2分級領域114から第n分級領域115まで通過した後でも向上することはない。そこで、各分級領域の分級パラメータを変更可能とする事によって、多段分級領域を通過する超微粒子の分級分解能を向上させることを可能とした。具体的には分級パラメータとして、分級領域となる空間を形成する2つのディスク間に印加される直流電圧、キャリアガスの流量、シースガスの流量、シースガスの種類、を変更可能とした。以下に、分級パラメータを変更する事により超微粒子の分級分解能を向上させる方法について詳細に説明する。
【００３２】
図2に、各分級領域において分級された超微粒子の粒子数と粒径に関する模式図を示す。図2(a)に示す様に、例えば第1分級領域113において分級された超微粒子は、厳密には単一粒径ではなく、平均粒径ｄp1を中心として、その周りにいくらかの分散△ｄp1をもつ。分級される超微粒子の平均粒径は、分級領域に印加される直流電圧に依存するため、第2分級領域114に印加される直流電圧を、第1分級領域113に印加される直流電圧より僅かに正または負にずらす事により、第2分級領域114で分級される超微粒子の平均粒径ｄp2をｄp1より僅かにずらす事ができる。これに伴い、平均粒径ｄp2の周りの分散△ｄp2も△ｄp1より僅かにずれる。従って第2分級領域で分級される超微粒子において、ｄp1より大きい粒径側の分散か、あるいは小さい粒径側の分散かのいずれか一方を減少させることができる。さらに、図2(b)に示す様に、第3分級領域に印加される直流電圧を、第2分級領域114でずらした直流電圧の極性とは逆の極性へ僅かにずらすことにより、第2分級領域で減少させた側の分散とは逆の粒径側の分散を減少させることができる。結果として、1段の分級領域だけから構成される円盤型超微粒子分級装置よりも分級分解能を向上させることが可能となった。
【００３３】
なお、第3分級領域よりさらに後段の分級領域において、第2および第3分級領域と同様に、前段の分級領域より僅かに印加電圧をずらすことを繰り返して、さらに分級分解能を向上させていくことも可能である。
【００３４】
前記した様に、荷電した超微粒子は、ディスクに垂直で上部ディスクから下部ディスクへ向かう方向へは、粒径に依存した速度（すなわち電気移動度）で移動する。同時に、ディスクに平行でディスク中心に向かう方向へはシースガスにより一定の搬送速度で移動する。結果として、上部ディスクの環状スリットから分級領域へ噴出された粒径分布をもった超微粒子は、下部ディスクへ到達するまでに、ディスクに平行でディスク中心に向かう方向へ粒径分散する。この粒径分散した超微粒子の一部だけが、下部ディスクの環状スリットから分級された超微粒子として取り出される。従って、超微粒子の分級分解能を向上させるためには、前記ディスクに平行でディスク中心に向かう方向の粒径分散を大きくすればよい。すなわち、シースガス流量を大きくし、超微粒子の搬送速度を大きくすればよい。
【００３５】
そこで、図1に示した円盤型超微粒子分級装置において、各分級領域ごとにシースガス流量を変更可能とし、分級分解能を変更可能とした。さらに、第1シースガス流量より第2シースガス流量を、第2シースガス流量より第3シースガス流量を、…、第n-1シースガス流量より第nシースガス流量を大きくすることにより、徐々に分級分解能を向上させることを可能とした。結果として、1段の分級領域だけから構成される円盤型超微粒子分級装置よりも分級分解能を向上させることが可能となった。
【００３６】
粒径がnmレベルの超微粒子では、その輸送過程においてブラウン運動による拡散が無視できなくなる。図1に示した円盤型超微粒子分級装置において、上部ディスクの環状スリットから分級領域へ流入した荷電超微粒子は、個々のもつ電気移動度に従って下部ディスクへ到達するまでに、前記ブラウン運動による拡散の影響を受ける。このブラウン運動により、超微粒子は、シースガスの流れの方向（すなわちディスクの周囲から中心へ向かう方向）と、その逆方向（すなわちディスクの中心から周囲へ向かう方向）へ全くランダムに（すなわち粒径に全く依存せず）拡散する。従って、分級領域内でのブラウン拡散は超微粒子の分級分解能を低下させることになる。
【００３７】
一般に、ガス中超微粒子のブラウン拡散における拡散係数は、ガス粘度の増加と共に減少する。また、ガス原子・分子の衝突直径の増加と共に減少する。従って、分級領域を流れるシースガスとして、ガス粘度の高いもの、あるいは衝突直径の大きいものを選ぶことによって、超微粒子の分級分解能を向上させることができる。
【００３８】
そこで、図1に示した円盤型超微粒子分級装置において、第1分級領域113ではHeガスを第1シースガス117として用い、第2分級領域114ではArガスを第2シースガス118として用いた。ここで、Heガスのガス粘度は19.6×10-6 Pa ・s、ガス原子衝突直径は2.15×10-10 mであり、Arガスのガス粘度は22.3×10-6 Pa ・s、ガス原子衝突直径は3.58×10-10 mである（ただしガス粘度は圧力1 atm、温度20℃の場合）。これにより、第1分級領域113よりも第2分級領域114の方が超微粒子のブラウン拡散の影響を抑制することができ、結果として、1段の分級領域だけから構成される円盤型超微粒子分級装置よりも分級分解能を向上させることができた。
【００３９】
なお、第3分級領域に第3シースガスとしてKrガス（ガス原子衝突直径：4.08×10-10 m）を、また第4分級領域に第4シースガスとしてXeガス（ガス原子衝突直径：4.78×10-10 m）を用いる等、第3分級領域以降にさらにガス粘度の高いガス、または衝突直径の大きいガスをシースガスとして用いることにより、さらに超微粒子の分級分解能を向上させることも可能である。
【００４０】
超微粒子を搬送するキャリアガスの流量も、超微粒子の分級分解能に影響を及ぼす。キャリアガスは超微粒子とともに、上部ディスクの環状スリットから分級領域へ流入する。キャリアガス流量が大きい場合、上部環状スリットから超微粒子が分級領域へ流入する時、上部ディスクから下部ディスクの方向へ大きな初速を与えることになる。前記初速の方向は、電気移動度による速度方向と等しい。そのため上部ディスクから下部ディスクの方向への超微粒子の移動距離に前記初速の大きさ分の誤差が生じ、これが分級分解能を低下させる。
【００４１】
一方、キャリアガス流量が小さい場合、ブラウン拡散による超微粒子同士の会合・凝集の問題が生じる。前記凝集は、超微粒子の初期濃度が高いほど、また初期粒径が小さいほど、時間的に早く生じる。何らかの方法で生成されたnmレベルの超微粒子を図1に示した円盤型超微粒子分級装置まで搬送する過程において、搬送時間が長いと、円盤型超微粒子分級装置により分級する以前に超微粒子同士の会合・凝集により粒径が変化してしまう。これを抑制するには、超微粒子を搬送するキャリアガスの流量を大きくし、前記搬送時間を短縮する必要がある。
【００４２】
前記の相反する2つの問題（即ち、大きいキャリアガス流量での分級分解能の低下および小さいキャリアガス流量での凝集の問題）を解決するために、図1に示した円盤型超微粒子分級装置において、各分級領域ごとに流入するキャリアガス流量を異ならせた。そして以下の要領で超微粒子の分級を行った。第1ディスク101の環状導入スリット106から第1分級領域113へ流入するキャリアガス流量は大きくすることにより、生成された超微粒子が円盤型超微粒子分級装置へ搬送されるまでに生じる凝集の影響を抑制した。第１分級領域113で分級された超微粒子の粒子濃度は、環状導入スリット106上流での超微粒子濃度と比較して小さくなっている。すなわち、第1分級領域113で分級された超微粒子の凝集に要する時間は、環状導入スリット106上流での超微粒子の凝集に要する時間に比較して長くなっている。従って、第1環状スリット107から第2分級領域114へ流入するキャリアガス流量は、第1分級領域113へ流入するキャリアガス流量よりも小さくし、分級分解能の向上を図った。前記の様に、後段の分級領域にいくにつれて、環状スリットから流入するキャリアガス流量を減少させることにより、前記超微粒子同士の凝集と分級分解能の低下の問題を解決した。
【００４３】
nmレベルの超微粒子は、構成原子数が少ないことと、内部原子数に対する表面に露出している原子数の割合が大きいことから、不純物の混入には非常に敏感である。そこで、図1に示した円盤型超微粒子分級装置において、絶縁体116をセラミック系物質で構成し、他の部分を全て金属で構成することにより、超微粒子分級装置を高真空下で高温ベーキング可能とした。これにより、超微粒子分級装置内を清浄に保持することが可能となり、超微粒子中への不純物の混入を抑制することが可能となった。
【００４４】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、多段の分級領域を持った円盤型超微粒子分級装置により、nmレベルの超微粒子を良好な分解能で分級することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態による円盤型超微粒子分級装置の概略図
【図２】上記実施の形態による円盤型超微粒子分級装置の各分級領域において分級された超微粒子の粒子数と粒径に関する模式図
【図３】従来の二重円筒型構造の微分型電気移動度分級装置の概略図
【図４】従来の円盤型動的移動度分級装置の概略図
【符号の説明】
１０１  第1ディスク
１０２  第2ディスク
１０３  第3ディスク
１０４  第nディスク
１０５  第n+1ディスク
１０６  環状導入スリット
１０７  第1環状スリット
１０８  第2環状スリット
１０９  第n-1環状スリット
１１０  第n環状スリット
１１１  シースガス排気口
１１２  キャリアガス排気口
１１３  第1分級領域
１１４  第2分級領域
１１５  第n分級領域
１１６  絶縁体
１１７  第1シースガス
１１８  第2シースガス
１１９  第nシースガス
１２０  第1直流電圧電源
１２１  第2直流電圧電源
１２２  第n直流電圧電源
３０１  微粒子
３０２  キャリアガス
３０３  シースガス
３０４  シースガス排気口
３０５  キャリアガス排気口
３０６  集電極
３０７  直流電源
３０８  スリット
４０１  微粒子
４０２  空気流
４０３  上部ディスク
４０４  下部ディスク
４０５  中央吸込ダクト
４０６  引出ダクト
４０７  導入環状スリット
４０８  環状スリット
４０９  分級領域
４１０  キャリアガス
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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