(57)【要約】  本発明は、エアロゾル中のガス同伴粒子を帯電させるか、またはエアロゾル中のガス同伴粒子の電荷を変化させる装置であって、（ａ）コロナ放電を発生させるための第１の電極（２）を含むイオン発生室（１）であって、第１の電極（２）はコロナ放電を生成するために十分に高電圧の電源に接続され、イオン発生室（１）は、コロナ放電によって発生したイオンが室（１）を出ることが可能なイオン出口（１０）を有する、イオン発生室（１）と；（ｂ）ガス同伴粒子の帯電またはガス同伴粒子の電荷の変更が行われる粒子帯電室（５）であって、イオン発生室（１）と流体連通し、入口とエアロゾル出口とを有する、粒子帯電室（５）と；（ｃ）エアロゾル粒子帯電室（５）とイオン発生室（１）との間に配置される非導電性の界面体（７）であって、イオン発生室（１）およびエアロゾル粒子帯電室と流体連通する中空内部を有し、かつ、ガスの流れを界面体（７）の中空内部に導入することが可能なガス入口（８）を有する、界面体（７）と；を備える、装置を提供する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エアロゾル中のガス同伴粒子を帯電させるか、またはエアロゾル中のガス同伴粒子の電荷を変更する装置であって、
（ａ）コロナ放電を発生させるための第１の電極を含むイオン発生室であって、該第１の電極はコロナ放電を生成するために十分に高電圧の電源に接続されて、該イオン発生室は該コロナ放電により発生したイオンが室を出ることが可能なイオン出口を有する、イオン発生室と、
（ｂ）エアロゾル中のガス同伴粒子の帯電、またはエアロゾル中のガス同伴粒子の電荷の変更が行われる粒子帯電室であって、該粒子帯電室は、前記イオン発生室と流体連通し、かつ、入口とエアロゾル出口とを有する、粒子帯電室と、
（ｃ）該エアロゾル粒子帯電室と該イオン発生室との間に配置される非導電性の界面体であって、該界面体は該イオン発生室および該エアロゾル粒子帯電室と流体連通する中空内部を有し、かつ、ガスの流れを該界面体の該中空内部に導入することが可能なガス入口を有する、界面体と、
を備える、装置。
【請求項２】
前記界面体の前記ガス入口に進入するガスが、エアロゾル中のガス同伴粒子を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記界面体の前記ガス入口に進入するガスが、清浄ガスであり、かつ、前記エアロゾル粒子帯電室内へとイオンを運ぶキャリアガスとして機能し、該エアロゾル粒子帯電室において、イオンが該粒子帯電室内のさらに別の入口を通じて導入されたガス同伴粒子と衝突する、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記第１の電極は、前記イオン発生室を規定する１つまたは複数の壁から電気的に絶縁されている、請求項１から３のうちのいずれか一項に記載の装置。
【請求項５】
前記イオン発生室と前記粒子帯電室との間に第２の電極が配置され、該第２の電極は第２の電圧源に接続されて該イオン発生室から出るイオンの動きを制御する、先行する請求項のうちのいずれか一項に記載の装置。
【請求項６】
前記第２の電極は、前記イオン発生室の端壁の一部を構成または形成するように構成され、該壁は該イオン発生室のイオン出口を定義する開口を有する、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記界面体の前記中空内部は、前記ガス入口をその上流位置に、かつ、区画壁とガスが流れ得る隣接間隙とをその下流位置に有する流れ調節室を含み、該流れ調節室、区画壁および間隙の形状は、該粒子帯電室をガス流が通過する前に該ガス流の流れ特性に対し所望の変更をもたらすように選択される、先行する請求項のうちのいずれか一項に記載の装置。
【請求項８】
前記界面体の前記中空内部における前記区画壁は軸方向に向いた環状壁であり、前記流れ調節室は環状室である、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
導電性のメッシュが、前記第２の電極の開口（イオン出口）にわたって延在するように、該第２の電極に取り付けられる、請求項５およびその従属項に記載の装置。
【請求項１０】
前記界面体の前記ガス入口、前記イオン発生室の前記イオン出口、および前記粒子帯電室の前記入口と流体連通する中間混合室を備え、使用時に該中間混合室がイオンと清浄ガスとの混合物を受け入れるようになされ、該粒子帯電室は、該中間混合室の下流に配置されるとともに、ガス同伴粒子を含む該ガス流を受け入れるための別個の入口を備える、請求項３およびその従属項に記載の装置。
【請求項１１】
エアロゾル中のガス同伴粒子を帯電させるか、またはエアロゾル中のガス同伴粒子の電荷を変更する装置であって、
（ａ）コロナ放電を発生させるための第１の電極を含むイオン発生室を備える第１の本体部材であって、該第１の電極はコロナ放電を生成するために十分に高電圧の電源に接続され、該イオン発生室は該コロナ放電により発生したイオンが室を出ることが可能なイオン出口を有する、第１の本体部材と、
（ｂ）エアロゾル中のガス同伴粒子の帯電、またはエアロゾル中のガス同伴粒子の電荷の変更が行われる粒子帯電室を備える第２の本体部材であって、該粒子帯電室は、該イオン発生室と流体連通し、かつ、入口とエアロゾル出口とを有する、第２の本体部材と、
（ｃ）該第１および第２の本体部材の間に配置される非導電性の界面体であって、該界面体は、該イオン発生室および該エアロゾル粒子帯電室と流体連通する中空内部を有し、かつ、ガスの流れを該界面体の該中空内部に導入することが可能なガス入口を有する、界面体と、
を備える、装置。
【請求項１２】
前記第１および第２の本体部材が前記界面体と隣接して配置される、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
第２の電極を備える第３の本体部材が、前記第１の本体部材と前記界面体との間に配置される、請求項１１に記載の装置。
【請求項１４】
ガス同伴粒子を帯電させるか、またはガス同伴粒子の電荷を変更する方法であって、
コロナ放電電極によって第１の室内にイオンを形成する工程と、
該第１の室と流体連通する第２の室内に、ガスの流れを導入する工程と、
（ｉ）該ガスの流れが、ガス同伴粒子を含む場合、該ガス同伴粒子を帯電させるように、または該ガス同伴粒子の電荷を変更するように、該第１の室内のイオン出口から出てくるイオンを該第２の室内の該ガスの流れと混合することを可能にする工程、または
（ｉｉ）該第２の室内に導入される該ガスの流れが、ガス同伴粒子を実質的に含まない場合、第１の室内のイオン出口から出てくるイオンを該第２の室内の該ガスの流れと混合することを可能にし、イオンとガスとの混合物を、該第２の室の下流に位置する第３の室へと通し、該ガス同伴粒子を帯電するように、または該ガス同伴粒子の電荷を変更するように、該第３の室内の該イオンとガスとの混合物を、該第３の室内の別個の入口を通じて受け取ったガス同伴粒子を含むエアロゾルと接触させる工程と、
を含む、方法。
【請求項１５】
先行する請求項のうちのいずれか一項に規定される装置を備える、差動移動度分析器（ＤＭＡ）。
【請求項１６】
請求項１５に規定されるＤＭＡを備える、差動移動度粒子計測器（ＤＭＰＳ）。
【請求項１７】
請求項１５に規定の差動移動度分析器（ＤＭＡ）を備えた装置を使用し、前記粒子のサイズまたは該ＤＭＡに印加された電圧にしたがって前記粒子の帯電効率および／または多重電荷の割合を変更、低減、または除去する、請求項１４に記載のガス同伴粒子を帯電する、またはガス同伴粒子の電荷を変更する方法。
【請求項１８】
前記粒子の帯電効率および／または多重電荷の割合が、前記第１の電極を経由して流れる電流を変えることによって変更される、請求項１４または請求項１７に記載のガス同伴粒子を帯電する、またはガス同伴粒子の電荷を変更する方法。
【請求項１９】
前記粒子の帯電効率および／または多重電荷の割合が、前記イオン発生室の前記電極のうちのいずれかに印加される電圧を変えることによって変更される、請求項１７、１８、および１９のうちのいずれか一項に記載のガス同伴粒子を帯電する、またはガス同伴粒子の電荷を変更する方法。
【請求項２０】
前記粒子の帯電効率および／または多重電荷の割合が、前記第１の電極に印加される電圧を変えることによって変更される、請求項１９に記載のガス同伴粒子を帯電する、またはガス同伴粒子の電荷を変更する方法。
【請求項２１】
前記粒子の帯電効率および／または多重電荷の割合が、前記第１の電極を経由して流れる電流を、より小さな粒子（例えば、５ｎｍの粒子）に対するより大きな電流から、より大きな粒子（例えば、５００ｎｍ）に対するより低い電流まで変えることによって変更される、請求項１４から２０のうちのいずれか一項に記載のガス同伴粒子を帯電する、またはガス同伴粒子の電荷を変更する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コロナ放電を用いてエアロゾル粒子を帯電する、またはエアロゾル粒子の電荷を調整するための装置に関する。本発明は特に、装置のイオン発生領域と粒子帯電区域とが空間的に離間されて多重帯電を低減し、より高い長期的な帯電安定性を実現する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、意図せずに空気中に排出されるナノ粒子およびマイクロ粒子による健康への影響について、非常に懸念されている。例えば、近年では英国において呼吸器疾患やアレルギーが非常に増えており、このことはディーゼルエンジンやその他の燃焼プロセスにより排出される粒子と一部関連している。主にディーゼル廃気物に焦点が当てられてきたが、石油燃料を使用する発電、焼却、原子力発電、航空機の排出物など、他の潜在的な排出源へと関心が移りつつある。煙霧を排出するプロセスを伴うすべての重工業は、エアロゾル粒子排出の潜在的な問題を抱えている。このようなプロセスには、精錬、焼成、ガラス製造、溶接、ろう接、原子力発電、および焼却が含まれる。また、粉石けんに酵素を使う消費者関連企業の間では、粉体塗装や、使い捨ておむつおよびその他の製品で使用される繊維が問題を引き起こし得ることが懸念されている。その上、米国環境保護庁はガソリンエンジンの排気に対する懸念を増している。
【０００３】
ナノ粒子およびナノ物体は、毒性作用をもたらすことが知られている。例えば、これらは人間の血管脳関門を通過する可能性があり、金のナノ粒子は胎盤を越えて母親から胎児へと移動する可能性がある。直径２０ｎｍ程度のＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）粒子に関する初期の研究では、不活性と推定される不溶性物質の環境気中濃度は、５０μｇ／ｍ３未満でラットにとって致死量となり得ることが示された。
【０００４】
健康面からの懸念に加えて、環境気中の粒子の除去または制御は、マイクロエレクトロニクス、医薬、医療、レーザー、およびファイバ光学産業における何千ものクリーンルームで規格を遵守するにあたって重要である。
【０００５】
小粒子は以下の表１に示されるように分類可能である。
【０００６】
【表１】
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【０００７】
「ナノ粒子」という名称は、１ｎｍ〜０．１μｍ（１００ｎｍ）の範囲の空力粒子サイズを有する粒子を示すのに使われる。
【０００８】
球状粒子について、空力粒子サイズは粒子の幾何直径である。空気中にある実際の粒子は、複雑な形状を有することが多い。非球形粒子について、「直径」という用語は厳密には適切でない。例えば、薄片または繊維は、異なる方向に異なる寸法を持つ。同一形状の粒子が、異なる化学物質から構成され、異なる密度を有する可能性がある。形状や密度の違いによって、粒子サイズを定める際に大きな混乱が生じる。
【０００９】
そのため、「空力粒子サイズ」または「空力直径」という用語は、任意の形状および密度を有する実際の非球形粒子を説明するための一つのパラメータを提供するために用いられる。本明細書中、「空力直径」という用語は、（標準的な温度および圧力下の）空気中において関心粒子と同じ慣性特性（終端沈降速度）を持つ、１ｇ／ｃｍ３の密度を有する球状粒子の直径である。空力直径は、カスケードインパクターなどの慣性サンプリング機器によって測定することができる。「空力直径」という用語は、あらゆる形状および密度のクラスターおよび集合体を含むすべての粒子について便利な用語である。しかし、非球形粒子は通常、球形粒子より低い終端沈降速度を有するので、空力直径は真の幾何サイズではない。他の便利な等価直径は、関心粒子と同じ拡散係数を持つ密度１ｇ／ｃｍ３の球体として定義される拡散直径または熱力学直径である。
【００１０】
大気中のエアロゾル粒子の調査およびモニタリングは、広い粒子サイズ範囲について計測可能であるが、広く一般に使用されるにあたって十分に安価で、頑丈かつ便利な機器が不足していることから、停滞している。
【００１１】
エアロゾル粒子を計測および選択する機器は、粒子の電気移動度に基づくことができる。例えば、 Flagan, R.C.(1998): History of electrical aerosol measurements, Aerosol Sci.Technol., 28(4), pp.301-380参照。このような機器の一つに、エアロゾル中の粒子サイズ分布の測定に使用可能な差動移動度粒子計測器（ＤＭＰＳ）がある。ＤＭＰＳは、あるサイズの粒子だけを透過させる差動移動度分析器（ＤＭＡ）と、粒子をカウントする凝縮粒子カウンター（ＣＰＣ）とからなる。ＤＭＡまたはＤＭＰＳの主な要素の一つは、中性粒子を公知の所定の程度まで帯電させることが可能な粒子帯電装置である。
【００１２】
工業および居住地域のエアロゾルは、帯電粒子および電気的に中性の粒子の割合が様々であることが多い。ＤＭＰＳを使ったエアロゾルの定量化には、粒子が規定された公知の電荷状態であることが必要である。公知の電荷状態は、公知の割合にしたがってエアロゾル中の帯電粒子および中性粒子を再分布させる放射性線源を用いてエアロゾルを処理することによって得られ得る。
【００１３】
放射性線源は、まず、ガス媒体中に正および負のイオンを発生させる電離放射線を放出する。ガスイオンは続いて、エアロゾル粒子を帯電または再帯電する（例えば、Fuchs, N., On the Stationary Charge Distribution on Aerosol Particles in a Bipolar Ionic Atmosphere, Geofis. Pura Appl., Vol.56, 1963, pp.185-192）。
【００１４】
放射性線源の使用は、いくつかのデメリットにより制限される。
・放射性線源に関して高い安全要件がある。
・購買およびメンテナンスのコストが非常に高い。
・小粒子（ｄｐ＜３０ｎｍ）に対する帯電効率が非常に低い。
・より大きな粒子（ｄｐ＞１００ｎｍ）は、粒子が１より大きな電気素量を持ち得る場合、多重帯電される。
・放射性帯電原理に基づいて構成された装置において、帯電効率を上げる、または多重帯電を低減することは、非常に難しいか、不可能である。
【００１５】
コロナ放電を用いたエアロゾル粒子の帯電では、原則として、小粒子の帯電効率を向上し、電荷を低減または除去することが可能である。しかし、放射性帯電装置と代替可能なコロナをベースとした装置を提供するためには、いくつかの問題を克服する必要がある。これらの問題には、以下が含まれる：
・コロナ放電の発生に必要な、より高電圧でのオゾン生成；
・コロナ放電の安定性の確保；
・コロナ放電において発生するイオンおよびその他の種と空気成分との化学反応により形成される化合物による、コロナを放出する電極の表面の汚染；ならびに
・低電流でのコロナ放電の不安定性。
（例えば、Romay, F., Liu, B., Pui, D., A Sonic Jet Corona Ionizer for Electrostatic Discharge and Aerosol Neutralization, Aerosol Sci.  Tech., Vol.20, 1994, pp.31-41参照。）
【００１６】
特に、小型機器の提供が望まれる場合、コロナを放出する電極の表面の汚染は重大な問題となり得る。コロナ放電イオンは粒子および／またはガス分子と反応して電極上の堆積物（多くは白い「ひげ」のように見える）を形成する。堆積物は電極からのコロナ放出を低減し、結果的に、同じ水準のコロナ放電を行うためにより高い電圧が必要となる。昇圧された電圧は、今度は堆積物が形成される可能性を高め、帯電効率を低下させ、粒子の多重帯電の可能性を高める。これらの問題を避けるために、電極は定期的に機械洗浄される必要がある。電極の機械洗浄はより大きな電極（例えば、厚みが０．５ｍｍより大きい電極）に対しては可能だが、機器が小型化される場合において、例えば可搬式機器において用いられる必要がある非常に小さな電極（例えば、厚み０．１ｍｍ）に対しては、あまり現実的ではない。
【００１７】
Hinds, W., Kennedy, N., An Ion Generator for Neutralizing Concentrated Aerosols, Aerosol Sci.Tech., Vol.22, 2000, pp.214-220には、エアロゾルが電気放電と直接接触させられるいくつかの装置が説明されている。Hindsの論文は、特に、エアロゾルフローを収容するチャネルにおいて対向する２つの電極を有する構成を開示している。一定の正または負の高電圧が２つの電極のそれぞれに一時的に印加され、二極性のコロナ放電が２つの電極間で発生する。両電極は活性電極として作用し、正または負のガスイオンを発生する。
【００１８】
Hindsらは、９０度の配置で流れの中に軸方向に揃えられた５つの電極と４つのポイントを有する装置を開示している。４つのポイントは同じ電位にバイアスされ、一方、軸上の電極は対極（この場合、正極）を形成する。４つの電極の曲率半径がより小さいことから、正よりも負の電荷が発達する。Hindsらが開示する構成は高価であり、電極の定期的な洗浄を必要とする複雑な構成である。
【００１９】
米国特許第６８６１０３６号は、Ｘ線が照射されるコロナ放電を備える、粒子を帯電および捕獲する装置を開示している。当該特許において、コロナ放電のＸ線照射により超微細粒子の帯電が改善されることが述べられている。この方法およびシステムは、バイオエアロゾル粒子での使用に特に適しており、コロナ放電およびＸ線照射への曝露は、単一の装置を使ったバイオエアロゾル粒子の捕獲および非活性化の両方に役立つ。しかし、Ｘ線源は高価であり、大きく、安全性に関する制限と管理の対象となる。このような欠点により、エアロゾル粒子を帯電するためのＸ線の使用は制限される。
【００２０】
帯電効率を向上させる別の方法は、両方の極性の必要なイオンを生成することである。イオンは、粒子をふくまないキャリアガスを使って、エアロゾル空間に導入される（Zamorani, E., Ottobrini, G., Aerosol Particle Neutralization to Boltzmann's Equilibrium by AC Corona Discharge, J.Aerosol Sci..Vol.9, pp.31-39参照）。この方法はエアロゾルを希釈するものであり、低濃度での測定の信頼性に影響を及ぼし得る。加えて、イオンの大半は壁に堆積するか、または再結合を通じて失われる。このことはオゾン発生量の増加につながり、多くの応用に対する制限となる可能性がある。
【００２１】
エアロゾル空間において電気放電を生成する装置は、電荷の減少のみを実現する傾向がある（Ｈｉｎｄｓ）。いずれの装置も、エアロゾルを帯電または逆帯電して拡散型の二極性電荷分布とすることは示せていない。さらなる問題は、電極上に多量の堆積物が発生することである。米国特許第７０３１１３３号参照。
【００２２】
米国特許第５，９７３，９０４号は、ハウジングの入口と出口との間に延びる縦軸を有し、エアロゾル粒子の流れが縦軸に平行であるハウジングを含む粒子帯電装置を開示している。エアロゾル粒子の流れとハウジングとの間には清浄空気のシースが生成されて、帯電粒子の損失を低減する。しかし、シース風速は適正に制御されておらず、壁上の帯電粒子の損失を防ぐのに十分な高速ではない。さらに、米国特許第５，９７３，９０４号の粒子帯電装置は、放電を生成するための放射性同位体と、軸状の電界を生成するための複雑な工学設計を必要とする。これらの技術的特徴は構造を複雑にし、結果的にコストの増大を招き、また可搬式粒子測定機器での使用のための小型化を阻む。
【００２３】
米国特許第８４００７５０号は、帯電効率を増大するためのシース気流を用いる、コロナをベースとした粒子帯電器を開示している。粒子帯電器は、放電ワイヤを含む帯電室であって、粒子入口と、シース空気入口と、出口と、加速チャネルとを有する帯電室を含むハウジングを備える。清浄な空気のシースは、シース空気入口を通じて帯電室内へ案内されて帯電粒子を取り囲み、帯電粒子のハウジングの内壁上での堆積を低減する。加速チャネルにおける比較的小さな環状の間隙は、帯電粒子が粒子帯電器を高速で抜け出ることによって、ハウジングの内部表面上の粒子堆積による粒子の静電損失を最小限にするよう、帯電粒子を加速する。さらに、非帯電粒子は軸方向に放電ワイヤに接近し、帯電粒子は放射状に離れる。このことは、帯電粒子が高速かつ均一に拡散するのを助け、それによって帯電効率を増大する。しかし、米国特許第８４００７５０号に開示される帯電器についての問題としては、帯電効率が変更しにくく、したがってより大きな粒子の多重帯電を防ぐこと、または小粒子の帯電効率を向上することが難しい。
【００２４】
そのため、現在、電極を洗浄せずに長期間にわたって使用可能であり、非常に高い信頼性を備え、多重帯電を減らし、小型化に適しているエアロゾル粒子帯電器へのニーズが依然として存在する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２５】
本発明の目的は、エアロゾルを含まない領域においてガスイオンを電気放電によって生成し、その後、エアロゾル粒子が導入されて該イオンとの衝突により帯電される離れた区域へと移動させる粒子帯電装置を生成することである。イオン発生領域を帯電領域から空間的に離すことにより、コロナ放電電極上の堆積物の形成が実質的に低減し、装置の安定性と性能が向上する。
【課題を解決するための手段】
【００２６】
したがって、第１の局面において、本発明は、エアロゾル中のガス同伴粒子を帯電させるか、またはエアロゾル中のガス同伴粒子の電荷を変更する装置であって、
（ａ）コロナ放電を発生させるための第１の電極を含むイオン発生室であって、第１の電極は、コロナ放電を生成するために十分に高電圧の電源に接続され、イオン発生室は、コロナ放電により発生したイオンが室を出ることが可能なイオン出口を有する、イオン発生室と、
（ｂ）エアロゾル中のガス同伴粒子の帯電、またはエアロゾル中のガス同伴粒子の電荷の変更が行われる粒子帯電室であって、粒子帯電室は、イオン発生室と流体連通し、かつ、入口とエアロゾル出口とを有する、粒子帯電室と、
（ｃ）エアロゾル粒子帯電室とイオン発生室との間に配置される非導電性の界面体であって、界面体は、イオン発生室およびエアロゾル粒子帯電室と流体連通する中空内部を有し、かつ、ガスの流れを界面体の中空内部に導入することが可能なガス入口を有する、界面体と、
を備える、装置を提供する。
【００２７】
使用の際、適切な高電圧（例えば、１０００Ｖ〜５０００Ｖ、例えば１５００Ｖ〜４５００Ｖもしくは２０００Ｖ〜４０００Ｖの範囲内の大きさを有するいずれかの極性の電圧）が電極に印加され、コロナ放電がイオン発生室内で生成される。コロナ放電によって発生したイオンは、室内に拡散する。イオンの一部は室の内壁によって捕獲されるが、その他は出口に到達し、界面体および粒子帯電室の中空内部に移動し、そこでイオンは、界面体のガス入口に進入するガス流におけるガス同伴粒子（存在する場合）と衝突する。粒子との衝突の結果、粒子は帯電されるか、または、既に帯電している場合は、この帯電粒子の電荷が変更される。帯電プロセスは、イオンとガス同伴粒子とが粒子帯電室内へ移動して通過する間、継続する。そのため、粒子帯電室のエアロゾル出口から出てくるのは、ガス同伴帯電粒子を含むエアロゾルであり得る。
【００２８】
界面体のガス入口は、粒子帯電室内へと、および／または粒子帯電室を通ってイオン発生室を抜け出るイオンの流れを受け入れる。
【００２９】
１つの実施形態において、界面体のガス入口に進入するガスはエアロゾル中のガス同伴粒子を含むことができる。この実施形態において、エアロゾル中の粒子はイオン発生室から出てくるイオンと衝突し、粒子帯電室を通じて、ガス流によって運ばれることとなる。装置内部の形状によっては、エアロゾル粒子の帯電（または電荷変更）は界面体の中空内部で開始し、粒子帯電室内で継続してもよく、あるいは、帯電または電荷変更の大半（もしくは実質的にすべて）が粒子帯電室内で起こってもよい。
【００３０】
代替的な実施形態において、界面体のガス入口に進入するガスは清浄ガス（例えば、清浄空気）である。すなわち、ガス同伴粒子を実質的に含まない。この実施形態において、界面体のガス入口に進入するガスはキャリアガスとして機能してエアロゾル粒子帯電室内へとイオンを運び、エアロゾル粒子帯電室内において、さらに別の入口を通じて導入されたガス同伴粒子とイオンが衝突することになる。
【００３１】
そのため、この代替的な実施形態によれば、界面体のガス入口は実質的に粒子を含まないガスの流れを受け入れ、エアロゾル粒子帯電室は、エアロゾル中のガス同伴粒子を含むガスの流れを受け入れるための入口を有する。
【００３２】
第１の電極は、典型的に、イオン発生室を規定する１つまたは複数の壁から電気的に絶縁されている。イオン発生室の壁は、接地されているか、−５，０００Ｖ〜＋５，０００Ｖの電圧下にあり得る。
【００３３】
１つの実施形態において、第１の電極はイオン発生室の壁に装着され、電気絶縁材料の層が第１の電極と壁との間に配置される。例えば、第１の電極は壁の開口内に装着可能であり、開口は電気絶縁材料、例えばＰＴＦＥで内張りされる。
【００３４】
第１の電極は、例えば、固体金属（Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ）、およびステンレス鋼や真鍮などの合金で形成可能である。電極を形成するための好ましい材料の一つは、白金である。
【００３５】
電極は、厚み１ｍｍ未満、例えば０．１〜０．５ｍｍ、または０．１〜０．４ｍｍ、例えば０．１５〜０．２５ｍｍの導電性の金属ワイヤとすることができる。１つの実施形態において、電極は厚み約０．２ｍｍの金属ワイヤで形成される。
【００３６】
粒子帯電室は導電材料、例えば金属または合金で形成可能である。粒子帯電室は、非導電性の界面体によって、または他の中間絶縁要素によって、イオン発生室から電気的に絶縁される。
【００３７】
装置は、イオン発生室と粒子帯電室との間に配置される第２の電極を有することができ、第２の電極は第２の電圧源に接続されてイオン発生室から出るイオンの動きを制御する。第２の電極が取り付けられる第２の電圧源は、典型的に、第１の電極が取り付けられる電圧源よりも低い電圧源である。そのため、例えば、第２の電圧源は、−２００〜＋２００ボルトの範囲の電圧を与えることが可能な電圧源とすることができる。
【００３８】
第２の電極により、イオン発生室の出口から来るイオンの数を制御することができる。例えば、正の電位が第２の電極に印加される場合、イオン発生室から来る正のイオンの数を低減することができる。第２の電極に印加される電位を必要に応じて変更できるように、第２の電圧源は、好ましくは可変である。
【００３９】
イオン発生室から来るイオンの数を制御することによって、より大きな粒子の多重帯電を低減し、より小さな粒子の帯電効率を向上することが可能である。
【００４０】
第２の電極は、イオン発生室の端壁の一部を構成また形成するように構成可能であり、壁はイオン発生室のイオン出口を定義する開口を有する。
【００４１】
電極の開口は典型的に、比較的狭い。例えば、開口の面積は、端壁の面積の１％〜９０％、より一般的には１０％〜８０％、または３０％〜７０％、または４０％〜６０％、例えば約５０％を構成し得る。
【００４２】
１つの実施形態において、第２の電極は実質的に端壁の全体を構成し、そのため、導電材料で形成される。上記において定義されるように、壁には典型的に、壁を低電圧源に接続するコネクタが設けられる。
【００４３】
第２の電極は、例えば、イオン発生室用のイオン出口を構成する開口を有するプレートの形態をとり得る。
【００４４】
第２の電極は、イオン発生室の壁から電気的に絶縁されている。したがって、第２の電極が実質的に端壁の全体を構成する場合、電気絶縁材料の本体（body）が好ましくは端壁とイオン発生室との間に配置される。
【００４５】
代替的な実施形態において、端壁は非導電材料で形成可能であり、第２の電極は端壁内に取り付け可能である。
【００４６】
１つまたは複数の壁、じゃま板、もしくはその他のガス流変更構造を、界面体のガス入口と粒子帯電室との間に配置して、粒子帯電室内へと通過する前にガス流の流れ特性を変更することができる。例えば、壁、じゃま板、またはその他の構造は、より均一なガスの層流を、エアロゾル粒子帯電室内へ流れさせ、通過させるよう構成することができる。
【００４７】
１つの実施形態において、界面体の中空内部は、ガス入口をその上流位置に有し、かつ、区画壁とそれに隣接するガスが流れ得る間隙とをその下流位置に有する流れ調節室を含み、流れ調節室、区画壁および間隙の形状は、ガス流が粒子帯電室を通過する前にガス流の流れ特性に所望の変更をもたらすように選択される。
【００４８】
第２の電極が存在してイオン発生室および界面室の端壁を形成する場合、区画壁に隣接する間隙は、第２の電極と区画壁との間の間隙（好ましくは、狭い間隙）とすることができる。
【００４９】
界面体のガス入口は、ガス入口に進入するガス流が流れ調節室を通って流れ、その後粒子帯電室内へ、または粒子帯電室に向かって進むように、流れ調節室へと開口する。流れ調節室は、ガス流の流れ特性を変更するよう構成される。例えば、ガスの流れを円滑にし、より多くの層流特性をガス流に与え、それによって実質的に均一なガスの層流を粒子帯電室内へと流れさせ、通過させるよう構成可能である。
【００５０】
１つの実施形態において、界面体の中空内部における区画壁は軸方向に向いた環状壁であり、流れ調節室は環状室である。環状壁は、好ましくは装置の縦軸について対称である。例えば、環状壁は、円形、楕円形、または多角形（例えば、六角形または八角形）の断面を有するものとすることができる。典型的には、環状壁の縁とイオン発生室の端壁（例えば、第２の電極によって構成される場合）との間に環状間隙（好ましくは、狭い環状間隙）が存在する。
【００５１】
ガス流の、狭い間隙に進入する前の断面積は、好ましくは、環状壁とイオン発生室の端壁との間の狭い間隙内の流れの断面積より大きい。例として、エアロゾル流の、狭い間隙に進入する前の断面積をＳａｆとし、狭い間隙内の流れの断面積をＳｎｇとすると、Ｓａｆ＞Ｓｎｇである。Ｓａｆ／Ｓｎｇの割合は、典型的に、１．１より大きく、好ましくは２より大きく、さらに好ましくは、割合は３より大きくすべきである。
【００５２】
１つの実施形態において、導電性のメッシュが、第２の電極の開口（イオン出口）にわたって延在するように、第２の電極に取り付けられる。導電性のメッシュは導電材料で形成され、第２の電極と電気的に接続している。
【００５３】
第２の電極の形成に使用可能な固体材料の例には、固体金属（Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ）、およびステンレス鋼や真鍮などの合金が含まれる。
【００５４】
界面体のガス入口に進入するガスは、空気または純粋ガスまたは混合ガスとすることができる。例えば、空気の代わりに、ガスは窒素ガスとすることができる。ガス入口が、空気同伴粒子を含む試料ガスではなく、キャリアガスとして意図されたガスを受け入れる場合、ガスは粒子を含まない源、例えばガスのシリンダから提供することができる。または、もしくはさらに、ガス入口の外側にフィルタを配置することができる。例えば、フィルタはガス入口自体をまたぐように配置可能であり、または、フィルタはガス入口の上流に配置可能であり、そのことから、いずれの場合も、界面体に進入するキャリアガスは不純物、特に粒状不純物を含まない。フィルタの例としてはＨＥＰＡフィルタが挙げられ、このようなフィルタは周知であり、ここで詳細な説明は不要である。
【００５５】
界面体のガス入口が清浄（例えば、粒子を含まない）ガスの供給源に接続される本発明の実施形態において、粒子帯電室は、空気同伴粒子を含むガス流を受け入れるための別個の入口を有してもよい。
【００５６】
１つの特定の実施形態において、中間混合室が設けられ、使用時に中間混合室がイオンと清浄ガスとの混合物を受け入れるように、中間混合室は界面体のガス入口、イオン発生室のイオン出口、および粒子帯電室の入口と流体連通し、粒子帯電室は、中間混合室の下流に配置されるとともに、ガス同伴粒子を含むガス流を受け入れるための別個の入口を備える。
【００５７】
中間混合室および粒子帯電室は、共通壁の開口を介して連結されてよく、または、管を介して連結されてもよい。
【００５８】
本発明の第２の局面において、エアロゾル中のガス同伴粒子を帯電させるか、またはエアロゾル中のガス同伴粒子の電荷を変更する装置であって、
（ａ）コロナ放電を発生させるための第１の電極を含むイオン発生室を備える第１の本体部材であって、第１の電極はコロナ放電を生成するために十分に高電圧の電源に接続され、イオン発生室はコロナ放電により発生したイオンが室を出ることが可能なイオン出口を有する、第１の本体部材と、
（ｂ）エアロゾル中のガス同伴粒子の帯電、またはエアロゾル中のガス同伴粒子の電荷の変更が行われる粒子帯電室を備える第２の本体部材であって、粒子帯電室はイオン発生室と流体連通し、かつ、入口とエアロゾル出口とを有する、第２の本体部材と、
（ｃ）第１および第２の本体部材の間に配置される非導電性の界面体であって、界面体はイオン発生室およびエアロゾル粒子帯電室と流体連通する中空内部を有し、かつ、ガスの流れを界面体の中空内部に導入することが可能なガス入口を有する、界面体と、
を備える、装置が提供される。
【００５９】
本発明の第２の局面における特定の好ましい実施形態は、本発明の第１の局面に関連して上記に記載したとおりである。
【００６０】
本発明の第２の局面における１つの実施形態において、第１および第２の本体部材と界面体とは隣接して配置される。
【００６１】
別の実施形態において、第２の電極を備える第３の本体部材が、第１の本体部材と界面体との間に配置される。
【００６２】
第３の本体部材が導電材料で形成される場合、電気絶縁材料で形成される第４の本体部材が、第１の本体部材と第３の本体部材との間に配置されてもよい。
【００６３】
別の実施形態において、中間混合室を備える第４の本体部材が、第２の本体部材と界面体との間に配置され、中間混合室は界面体のガス入口、イオン発生室のイオン出口、および粒子帯電室の入口と流体連通し、粒子帯電室には空気同伴粒子を含むガス流を受け入れるための別個の入口が設けられる。
【００６４】
本発明の第１の局面の装置と同様に、中間室および粒子帯電室は、共通壁の開口を介して連結されてもよく、または、管を介して連結されてもよい。
【００６５】
第３の局面において、本発明は、ガス同伴粒子を帯電させるか、またはガス同伴粒子の電荷を変更する方法であって、
コロナ放電電極によって第１の室内にイオンを形成する工程と、
第１の室と流体連通する第２の室内に、ガスの流れを導入する工程と、
（ｉ）ガスの流れが、ガス同伴粒子を含む場合、ガス同伴粒子を帯電させるように、またはガス同伴粒子の電荷を変更するように、第１の室内のイオン出口から出てくるイオンを第２の室内のガスの流れと混合することを可能にする工程、または
（ｉｉ）第２の室内に導入されるガスの流れが、ガス同伴粒子を実質的に含まない場合、第１の室内のイオン出口から出てくるイオンを第２の室内のガスの流れと混合することを可能にし、イオンとガスとの混合物を、第２の室の下流に位置する第３の室へと通し、ガス同伴粒子を帯電するように、またはガス同伴粒子の電荷を変更するように、第３の室内のイオンとガスとの混合物を、第３の室内の別個の入口を通じて受け取ったガス同伴粒子を含むエアロゾルと接触させる工程と、
を含む、方法を提供する。
【００６６】
上記の本発明の各局面および実施形態において、ガス同伴粒子のエアロゾルを含むガス流の大半は、コロナ放電を生成する電極から遠ざけられる。結果として、粒子の多重電荷が形成される機会がより少なくなり、また、第１の電極の近傍で化学反応が起こって電極上に堆積物が作られる機会も少なくなる。そのため、電極の寿命が長くなる。
【００６７】
ある環境下において、本発明の装置を２台、互いに連続的に接続して使用することが有利な場合がある。例えば、２台の装置のうちの第１の装置は、第１の装置が生成する帯電エアロゾルが、主にまたは排他的に１つの極性のイオン（例えば、負の帯電イオン）を含むように設定可能である。第２の装置においては、エアロゾル入力は第１の装置のエアロゾル出力から成り、エアロゾルに、反対の極性の（例えば、正に帯電された）イオンを帯びさせる。これにより、帯電の安定性が増し、信頼性が向上する。
【００６８】
別の局面において、本発明は、上記に規定され、また以下で説明される、エアロゾル中のガス同伴粒子を帯電させる、またはエアロゾル中のガス同伴粒子の電荷を変更する装置を備える、差動移動度分析器（ＤＭＡ）を提供する。
【００６９】
さらなる局面において、本発明は、上記に規定され、また以下で説明される、エアロゾル中のガス同伴粒子を帯電させる、またはエアロゾル中のガス同伴粒子の電荷を変更する装置を備えるＤＭＡと、凝縮粒子カウンター（ＣＰＣ）とを備える、差動移動度粒子計測器（ＤＭＰＳ）を提供する。
【００７０】
さらなる局面において、本発明は、サイズスキャン装置、例えば、走査型移動度粒径測定器（ＳＭＰＳ）または高速移動度粒子測定器（ＦＭＰＳ）において多重帯電を低減／除去する方法を提供し、このサイズスキャン装置は、粒子サイズまたは前述のＳＭＰＳまたはＦＭＰＳのＤＭＡに印加する電圧にしたがって、帯電効率または多重電荷の割合を変更、低減、または除去可能にする、粒子帯電手段、例えば制御されたコロナ帯電器を備える。
【００７１】
別の局面において、本発明は、上記に規定の差動移動度分析器（ＤＭＡ）を備えた装置を使用し、粒子のサイズまたはＤＭＡに印加された電圧にしたがって帯電効率および／または多重電荷の割合を変更、低減、または除去する、上記に規定のガス同伴粒子を帯電する、またはガス同伴粒子の電荷を変更する方法を提供する。
【００７２】
第１の（コロナ）電極からのコロナ放電の結果、電極内に、かつ電極に沿って流れる電流が存在することが理解されるであろう。この電流は、電圧源と電極との間に配置される適切な機器によって測定可能である。コロナ放電によって生成されるイオンのすべてがイオン発生室から出てエアロゾル中の粒子をイオン化する役割を担うとは限らない。イオンの多くはイオン発生室の導体壁によって回収されるが、ある割合、例えば１０％程度はイオン出口を通じて出ていき、その正確な割合は出口のサイズや第２の電極（存在する場合）の電位を含む多くの要因に依存する。そのため、第１の電極に沿って流れる電流は、イオン発生室から出ていくイオンの数の正確な測定を提供せず、イオン発生室から出て粒子イオン化プロセスに資するイオンの数に比例する。この比例性は、粒子のイオン化の度合いを制御する手段として使うことができる。そのため、装置は公知の測定可能な電流を生成するように設定することができ、よって、イオン発生室を出ていくイオンの数を予測可能にし、ひいては粒子のイオン化度合を制御することになる。
【００７３】
したがって、別の局面において、本発明は、粒子の帯電効率および／または多重電荷の割合が、第１の電極を経由して流れる電流を変えることによって変更される、上記に規定の（例えば、ＤＭＡを使用した）ガス同伴粒子を帯電する、またはガス同伴粒子の電荷を変更する方法を提供する。
【００７４】
第１の電極内への電流の流れを制御することによってガス同伴粒子のイオン化を制御することに代わるものとして（またはそれに加えて）、粒子のイオン化の程度は、イオン発生室内の第１および／または第２の電極に供給される電圧を変更することによって制御可能である。
【００７５】
したがって、別の局面において、本発明は、粒子の帯電効率および／または多重電荷の割合が、イオン発生室の電極のうちのいずれかに印加される電圧を変えることによって変更される、上記に規定の（例えば、ＤＭＡを使用した）ガス同伴粒子を帯電する、またはガス同伴粒子の電荷を変更する方法を提供する。
【００７６】
１つの実施形態において、ガス同伴粒子の帯電の程度は、第１の（コロナ）電極の電圧を変更することによって制御される。
【００７７】
したがって、本発明は、粒子の帯電効率および／または多重電荷の割合は、第１の電極に印加される電圧を変えることによって変更される、上記に規定の（例えば、ＤＭＡを使用した）ガス同伴粒子を帯電する、またはガス同伴粒子の電荷を変更する方法を提供する。
【００７８】
本発明のさらなる局面および特徴は、以下に説明され、図１〜図９に示される特定の実施形態から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】図１は、本発明の第１の実施形態によるエアロゾル粒子帯電装置の模式側面断面図である。
【図２】図２は、本発明の第２の実施形態によるエアロゾル粒子帯電装置の模式側面断面図である。
【図３】図３は、本発明の第３の実施形態によるエアロゾル粒子帯電装置の模式側面断面図である。
【図４】図４は、本発明の第４の実施形態によるエアロゾル粒子帯電装置の模式側面断面図である。
【図５】図５は、本発明の第５の実施形態によるエアロゾル粒子帯電装置の模式側面断面図である。
【図６】図６は、時間に対するイオン濃度（イオンカウント）を示す長期的なコロナ性能試験（正のコロナ）である。
【図７】図７は正のコロナのコロナ電圧に対するオゾン濃度である。
【図８】図８は、粒子直径に対する帯電効率について、単極性のコロナ（黒い四角）とエアロゾル粒子中和剤（白い丸）とを比較するグラフを示す。
【図９】図９は、本発明の第３の実施形態で得られる代表的なサイズ分布のグラフを示す。サイズｄｐの単位はｎｍであり、ｄＮ／ｄＬｏｇｄｐの単位はｃｍ−３である。
【発明を実施するための形態】
【００８０】
本発明について、以下に説明され、添付の図１〜図９に示す特定の実施形態を参照して、より詳細に説明する。
【００８１】
本発明の第１の実施形態による装置を、図１に示す。装置はイオン発生室１を備え、イオン発生室１の壁には、コロナ電気放電を生成するための第１の電極２が装着される。第１の電極２は、電気絶縁材料で形成されるシール素子またはプラグ３によって、イオン発生室１の本体から電気的に絶縁されている。電極２は、約５０００ボルトまでの電位を電極に印加可能な高電圧電源（図示せず）に接続されている。イオン発生室の、第１の電極と反対側の一端には、イオンがイオン発生室から出ることが可能な開口４がある。イオン発生室の壁は、金属または合金（例えば、ステンレス鋼）などの導電材料で形成される。
【００８２】
中空内部７ａと、ガス同伴粒子のエアロゾルを含むガスの流れを受け入れるためのガス入口８とを有する非導電性の界面体７は、イオン発生室１に隣接し、イオン発生室１に取り付けられる。界面体７は、ＰＴＦＥなどの非導電材料で形成される。
【００８３】
ステンレス鋼などの導電材料で形成され、エアロゾル出口６を有する粒子帯電室５は、界面体７に接続される。界面体は、導電材料で形成され、イオン発生室１と粒子帯電室５との間を電気的に絶縁する。
【００８４】
イオン発生室１、粒子帯電室５、および界面７は、典型的に軸対称である。
【００８５】
使用の際、ガス同伴粒子のエアロゾルを含むガスの流れがガス入口８を通じて導入される。高電圧（例えば、約５０００Ｖ）が第１の（コロナ）電極２に印加され、コロナ放電がイオン発生室１において発生する（図１）。イオンは、コロナによって生成された電界において、コロナ電極２の先端から移動する。イオンの一部は、イオン発生室１の内壁に捕獲されるが、一部はイオン発生室１の開口４に到達し、界面体７の中空内部に進入する。界面体７の中空内部では、ブラウン拡散の結果、イオンは入口８から来るエアロゾル粒子と衝突する。衝突の結果、エアロゾル中の非帯電粒子が帯電され、既存の電荷を持つ粒子は、その帯電状態が変化することになる。界面体７の中空内部において帯電／帯電の変化が始まり、ガス入口８からのガス流が、ガス、イオン、および粒子の混合物を粒子帯電室５および出口６に続く管の内部へ移動させ、それらを通過させる間、継続する。出口６において、出て行くガス流は帯電粒子を含み、この帯電粒子は、次いで、接続された機器により測定または特性把握され得る。
【００８６】
図１に示す装置の利点は、ガス入口８に進入するガス流が、電極２からのコロナ放電が及ぶ領域に、深刻な程度にはぶつからないことである。そのため、エアロゾル中の粒子が反応して第１の電極上に堆積物を形成する可能性は大きく低減される。
【００８７】
本発明の第２の実施形態による装置を、図２に示す。図２の実施形態は、符号１から３および５から８で特定される特徴を、図１の実施形態と共通に有する。しかし、図２の装置はさらに、導電性の第２の電極を、導電性の金属材料で形成されて狭い中央開口１０を有するプレート９として備える。第２の電極９は、イオン発生室１と界面体７との間に配置される。第２の電極は導電材料で形成されることから、第２の電極とイオン発生室とが確実に互いに電気的に絶縁されるように、電気絶縁材料１１の本体が第２の電極とイオン発生室１との間に配置される。第２の電極９は、好ましくは−２００〜＋２００ボルトの電圧の、直流または交流電源に接続される。
【００８８】
第２の電極９があることで、イオン出口４と開口１０を通じてイオン発生室１を出るイオン濃度は、所望の極性および大きさの電圧を第２の電極に印加することによって制御可能となる。例えば、正の電位が第２の電極９に印加される場合、開口１０を通過して界面体７および粒子帯電室５の中空内部に進入する正のイオンの数は減少することになる。この配置の利点は、より大きな粒子の多重帯電が低減され、より小さな粒子の帯電効率が向上することである。さらなる利点は、コロナ放電領域と、ガス入口８を通じて進入するエアロゾル中の粒子との間をさらに空間的に離し、それによって第１の電極２上に堆積物が形成される可能性がさらに減少することである。
【００８９】
本発明の第３の実施形態による装置を、図３に示す。図３の実施形態は、符号１から３および５から１１で特定される特徴を、図２の実施形態と共通に有する。したがって、装置は、コロナ電気放電を生成するための第１の電極２を有するイオン発生室１を備える。第１の電極は、電気絶縁材料のプラグまたは層３によって、イオン発生室１の本体とは電気的に絶縁されており、高電圧電源（図示せず）に接続されている。図２の実施形態と同様に、装置は、粒子帯電室５とイオン発生室１との間に配置された非導電性の界面体７を備える。界面体７には、ガス入口８が設けられる。導電材料で形成されて狭い中央開口１０を有する第２の電極９は、イオン発生室１と界面７との間に配置され、電気絶縁材料１１の本体はイオン発生室１と導電性の第２の電極９との間に配置される。
【００９０】
図２の装置に見られる特徴に加えて、図３の装置はさらに、界面体７の中空内部に形成され、その半径方向内側で区画壁１２によって境界を定められた環状の流れ調節室７ｂを備える。区画壁１２の縁と導電性の第２の電極９との間には、狭い間隙１３がある。
【００９１】
流れ調節室７ｂはエアロゾル流を均等にし、軸対称とする。ガス入口８を通じて界面体７に進入するエアロゾル粒子は、狭い間隙１３による圧力低下の結果、まず区画壁１２に対向してその周囲を流れる。これにより、エアロゾル流は界面体７および粒子帯電器５の内側で軸対称に流れ、イオン損失が低減する。区画壁１２の主な利点は、帯電の安定性を向上することと、イオン損失を低減することである。
【００９２】
区画壁１２は、金属または導電性の合金で作ることができる。流れ分配器は、例えば、円形断面、楕円形断面、または多角形断面を有してもよい。区画壁１２は、好ましくは軸対称である。流れ調節室７ｂおよび区画壁１２の形状は、装置を通じてガス流の均一な層流を提供するのに役立つ。
【００９３】
図１から図３に示す各実施形態による装置を構成しかつ試験を行い、いずれも良好な長期的性能を示した。しかし、エアロゾルがコロナの電荷とは反対の電荷を有する化学的に活性な粒子を含む場合、このような粒子は第１の（コロナ）電極２に引き寄せられ、第１の電極の寿命を制限してしまうような堆積物となり得ることが考えられた。したがって、図４に示す本発明の第４の実施形態では、外部の粒子帯電室１４が導入される。このことにより、エアロゾルではなく清浄な空気（またはその他のキャリアガス）を、ガス入口８を通じて界面体７内へと供給することが可能になる。キャリアガス流は、室５（本実施形態では、帯電室ではなく中間混合室として機能する）を通じて出口６そして室１４内へとイオンを運び、室１４ではイオンはエアロゾル入口１５を通じて進入するエアロゾル粒子と衝突する。帯電粒子は出口１６へ向けられる。この配置は、第１の電極２上の反応性粒子の潜在的な悪影響をさらに低減し、長期的安定性を向上する。
【００９４】
本発明の第５の実施形態による装置を、図５に示す。図５の装置は、１から３および５から１１で示される共通の特徴を有する点で、図２の装置に概ね対応する。しかし、導電性のメッシュ１７が第２の電極９に当該電極の中央開口１０を覆うように取り付けられている点で、図２の装置とは異なる。導電性のメッシュ１７は導電材料からなり、開口１０の縁と電気的に接続している。メッシュに使用できる材料の例は、金属（Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ）およびステンレス鋼または錫などの合金である。導電性のメッシュ１７は第２の電極と同じ電位にあり、開口１０を通過するイオンの数の制御を補助する。
【００９５】
図１から図５に示す各実施形態の作用の様態は、上記の変形例を除いて、同じである。さらなる変形例は以下に説明するとおりである。
【００９６】
上述の各実施形態において、室１の本体（main body）の断面形状は軸対称であるため、例えば、円形断面または正多角形断面とすることができる。あるいは、本体の断面形状は、界面７および粒子帯電室５の断面形状と同様に、矩形とすることができる。
【００９７】
各場合において、エアロゾル粒子帯電室は特定の電位とするか、接地させることができる。
【００９８】
上述の各実施形態において、コロナ電極２の先端は典型的に、安定した性能を実現するために、界面室７から十分な距離を置いて配置されている。実際には、この距離は典型的に０．５Ｄ〜３Ｄ（Ｄはイオン発生室１の内径である）である。
【００９９】
装置は、電極９に印加される電圧によって制御される様々なイオン濃度で動作することができるが、このことはＳＭＰＳで使用される装置にとって利点である。電圧を変えることで、様々な粒子直径に対して最適なイオン濃度を得ることができる。これにより、より大きな粒子の多重帯電が低減され、小粒子の帯電効率が向上する。よって、電圧の変更をＳＭＰＳのサイズスキャンと関連させるべきである。ＳＭＰＳで使用される、イオン濃度が制御された単極性コロナ粒子帯電装置は、多重電荷なしにサイズ分布を得られる利点がある。
【０１００】
多重帯電を低減するのに必要な最適イオン濃度は、粒子サイズに影響される。そのため、本発明の別の局面は、多重帯電することなくエアロゾル粒子を帯電する方法であって、イオン濃度が小粒子に対しては高く、より大きな粒子に対しては低い、方法である。任意の粒子サイズ範囲に対する最適イオン濃度の値は、実験的に見出すことができる。
【０１０１】
本発明のさらなる局面は、ＤＭＡまたはＳＭＰＳにおいて多重帯電することなくエアロゾル粒子を効果的に帯電する方法であって、イオン濃度はエアロゾル粒子の粒子サイズの関数である、方法である。必要とされるイオン濃度とエアロゾル粒子の粒子サイズの関係は、様々なサイズ分布についての通常の試行錯誤研究により、当業者が容易に決定することができる。
【０１０２】
さらなる実施形態では、異なる帯電条件を与えるために構成された本発明の複数の粒子帯電装置を、互いに直列または並列に接続することができる。
【実施例】
【０１０３】
本発明による装置のいくつかの実施例を構成および試験した。それについて以下に説明する。
【０１０４】
（実施例１）
図５に示す実施形態にしたがって装置を構成した。すべての金属部品はステンレス鋼製であった。非導電性部品はＰＴＦＥ製であり、直径０．２ｍｍの金の電極を用いた。イオン発生室（図５の構成要素１）の内径は１６ｍｍであった。第２の電極９の開口１０は直径２．５ｍｍであり、第２の電極９の厚みは１．５ｍｍであった。メッシュ１７をステンレス鋼で形成し、メッシュの開口は１２０μｍ（開口の対角寸法として測定）であった。
【０１０５】
（実施例２）
本発明による装置の別の例を、図４に示す実施形態にしたがって構成した。すべての金属部品はステンレス鋼製であった。非導電性部品はＰＴＦＥ製であり、直径０．１ｍｍの金の電極を用いた。イオン発生室１の内径は１４ｍｍであった。第２の電極９の開口は直径２．５ｍｍであり、第２の電極９の厚みは１．５ｍｍであった。
【０１０６】
（実施例３）
本発明による装置のさらに別の例を、図５に示す実施形態にしたがって構成した。すべての金属部品はステンレス鋼製であり、非導電性部品はＰＴＦＥ製であり、電極は直径０．２ｍｍのＡｕ製であった。イオン発生室１の内径は１２ｍｍであった。第２の電極９の開口は３．５ｍｍであり、第２の電極９の厚みは１．５ｍｍであった。メッシュをステンレス鋼で形成し、１２０μｍの開口（開口の対角として測定）を有した。エアロゾル流量は０．２ｌ／分であった。
【０１０７】
（試験結果）
本発明の装置の実施例について、Ｚｎ、セバケート、ＺｎＯ、煤塵含有大気エアロゾル（soot atmospheric aerosols）、およびＣｒ２Ｏ３エアロゾルを使って試験した。各場合において、イオンカウンターでイオン濃度を測定し、エアロゾル粒子サイズ分布をＮＰＳ５００機器（Ｎａｎｅｕｍ）を用いて得た。
【０１０８】
帯電するコロナの長期的安定性（実施例２の装置を使用して測定）を図６に図示する。ここで、コロナ放電は少なくとも１５００時間にわたり安定していたことが分かる。
【０１０９】
コロナ電圧の関数としてのオゾン濃度を図７に示す。通常の作動形態で、コロナの電圧が１．９５ｋＶ未満の場合、コロナ放電により発生するオゾン濃度は０．１ｐｐｍ未満であり、空気中のオゾン濃度の許容限度に関する現在の労働衛生および環境衛生の公式ガイドラインと一致することが分かる。
【０１１０】
（実施例３の装置を使用して試験された）コロナ装置の帯電効率を図８に示し、図からは、装置の効率は中和剤の帯電効率（丸で示されるデータ点）よりもかなり高いことが分かる。データをＣｒ２Ｏ３エアロゾルを持つ正のコロナに対して得た。
【０１１１】
本発明のコロナ帯電器の主な利点の一つは、粒子の多重帯電の低減をもたらすことである。図９は、ＤＭＡ（ＮＰＣ１０、Ｎａｎｅｕｍ）を用いて切断された２１０ｎｍのセバケートエアロゾルの代表的なスペクトルを表す。スペクトルにおいて、多重電荷のピークは存在しない。このサイズの中和帯電器（neutralizer charger）、例えば２４１Ａｍについて、多重電荷が粒子上の全電荷の３０％より多くを占めることは周知である。図９に提示されるデータは、本発明の装置が中和帯電器よりも良好な性能であることを説明している。
【０１１２】
（均等物）
上記の本発明の特定の実施形態に対し、本発明の趣旨から逸脱することなく数多くの改良および変更が可能であることは、直ちに明らかになるであろう。そのような改良および変更のすべては本願に含まれるものとする。
【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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【国際調査報告】
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