(57)【要約】  大気環境中の超微粒子の分級を常圧で高効率に行い、さらに超微粒子を濃縮捕集し、大気環境中の超微粒子の化学組成の分析、評価を的確に行えるようにすること。  ワイヤ放電電極７１とコイル状接地電極６５とによるコロナ放電と、軟Ｘ線照射管７７、７８による軟Ｘ線照射とを併用した非平衡荷電により、超微粒子の荷電を行う。【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電空間を画定し、一端側に試料気体入口を、他端に試料気体出口を有する荷電用筒状ハウジングと、
前記荷電空間において前記試料気体入口と前記試料気体出口との間に配置されたコイル状接地電極と、
前記荷電空間において前記コイル状接地電極の内側をその中心軸線に沿って配置され、前記コイル状接地電極との間に電界の形成とコロナ放電を行うワイヤ放電電極と、
前記荷電空間にＸ線を照射するＸ線照射管と、
前記筒状ハウジングの前記試料気体出口に接続された捕集器とを、
有することを特徴とする超微粒子用静電濃縮捕集装置。
【請求項２】
前記Ｘ線照射管は、長波長のＸ線を照射する軟Ｘ線照射管であることを特徴とする請求項１に記載の超微粒子用静電濃縮捕集装置。
【請求項３】
前記捕集器は、前記試料気体出口に連通する導入口に配置された正電極部材と、接地された捕集板とを含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の超微粒子用静電濃縮捕集装置。
【請求項４】
前記捕集器は、外側円筒正電極部材と、前記外側円筒正電極部材内に当該外側円筒正電極部材と同心配置された内側円筒状接地電極部材とを有し、前記外側円筒正電極部材の内周面と前記内側円筒状接地電極部材の外周面との間に、前記試料気体出口に連通する円筒状の超微粒子捕集室を画定しており、前記内側円筒状接地電極部材が粒子捕集部材をなしていることを特徴とする請求項１又は２に記載の超微粒子用静電濃縮捕集装置。
【請求項５】
前記超微粒子捕集室は前記試料気体出口と同心に設けられていることを特徴とする請求項４に記載の超微粒子用静電濃縮捕集装置。
【請求項６】
前記捕集器は、前記試料気体出口に連通する形態で、金属ワイヤメッシュによる正電極部材と、粒子捕集部材として機能する誘電体メッシュによるフィルタと、金属ワイヤメッシュによる接地電極部材との積層体を有し、外部電界静電フィルタ方式の捕集器をなしていることを特徴とする請求項１又は２に記載の超微粒子用静電濃縮捕集装置。
【請求項７】
前記捕集器の下流部に繊維層フィルタを有することを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の超微粒子用静電濃縮捕集装置。
【請求項８】
前記荷電用筒状ハウジングの前記試料気体入口に、アンダーセン・インパクタによる粗大粒子除去器と、慣性式フィルタによるサブミクロン粒子除去器とが、試料気体流れで見て上流から順に接続されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の超微粒子用静電濃縮捕集装置。
【請求項９】
サブミクロン粒子除去器は、オリフィス気体入口と、前記オリフィス気体入口に所定間隔をおいて対向配置された通気性繊維フィルタとを含むことを特徴とする請求項８に記載の超微粒子用静電濃縮捕集装置。
【請求項１０】
前記通気性繊維フィルタは気流の圧力により繊維構造が変化しない材質からなるフィルタ，好ましくは単分散ステンレス繊維製のフィルタであることを特徴とする請求項９に記載の超微粒子用静電濃縮捕集装置。
【請求項１１】
オリフィス気体入口と、前記オリフィス気体入口に対向配置された通気性繊維フィルタとを備えることを特徴とするサブミクロン粒子除去器。
【請求項１２】
サブミクロン粒子除去室を画定するハウジングと、前記サブミクロン粒子除去室に開口したオリフィス気体入口と、前記サブミクロン粒子除去室内にあって前記オリフィス気体入口に対向配置された通気性繊維フィルタと、前記通気性繊維フィルタが前記オリフィス気体入口と対向する反対側に設けられた気体出口とを備えることを特徴とするサブミクロン粒子除去器。
【請求項１３】
前記通気性繊維フィルタは、前記オリフィス気体入口に所定間隔をおいて対向配置されていることを特徴とする請求項１１又は１２記載のサブミクロン粒子除去器。
【請求項１４】
前記通気性繊維フィルタは、前記オリフィス気体入口に無間隔で対向配置されていることを特徴とする請求項１１又は１２記載のサブミクロン粒子除去器。
【請求項１５】
前記通気性繊維フィルタは、気流の圧力により繊維構造が変化しない材質からなるフィルタ、好ましくは単分散ステンレス繊維製のフィルタであることを特徴とする請求項１１に記載のサブミクロン粒子除去器。
【請求項１６】
請求項１１から１５のいずれか一項に記載のサブミクロン粒子除去器を有する超微粒子用静電濃縮捕集装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、超微粒子用静電濃縮捕集装置及びサブミクロン粒子除去器に係り、特に、大気環境中のナノクラスの超微粒子（ＵＦＰ）を分級濃縮捕集する超微粒子用静電濃縮捕集装置及びそれに用いるサブミクロン粒子除去器に関する。
【背景技術】
【０００２】
大気環境中のナノクラスの超微粒子（ナノ粒子）は、ディーゼル排ガス等に多く含まれ、多環芳香族炭化水素（ＰＡＨ）等の毒性の高い物質が多く含まれているとされる。しかし、超微粒子は、図２３に示されているように、大気塵全体に含まれる質量割合が極めて低いため、粒子全体を捕集して分析を行っても超微粒子そのものの毒性を評価することは困難とされ、サブミクロン以上の粗大粒子から超微粒子を分級する技術の開発が望まれている。【０００３】
なお、図２３において、実線は粒子個数分布を、破線は表面積分布を、点線は質量分布を各々示している。【０００４】
従来、超微粒子を分級する装置として、減圧インパクタ（ＬＰＩ）や微分型静電分級装置（ＤＭＡ）が知られている。【０００５】
減圧インパクタ（ＬＰＩ）は、アンダーセン・インパクタによる微粒子の捕集原理を用いたものである。インパクタは微粒子を捕集するプレートを多段に重ね、プレート間に直径の異なるノズルを配置している。装置に流入した微粒子は、最初のステージではノズル径が大きく、流速が遅いため、粒径の大きい粒子はプレートに衝突し捕集されるが、粒径の小さな粒子はプレートに衝突せず次のステージに流れていく。プレート間のノズルを下流に行くに従い小さくしていくことにより、粒子を連続して粒径別に分離することが可能である。【０００６】
ＬＰＩは、０．３μｍ以下の粒子の分級捕集を減圧下で行うものであり、３０ｎｍ〜１０μｍの広範囲な粒径の粒子の分級捕集を可能にしている。【０００７】
また、微分型静電分級装置（ＤＭＡ）は、電極となる２重円筒に挟まれた空間に直流電界が形成されており、予め放射性同位元素（通常はＡｍ−２４１やＫｒ−８５を使用）を用いて平衡帯電状態となった微粒子を上部外筒壁から装置内に流入する。この時、電気移動度の差により粒径の小さい粒子は内筒上部に、大きい粒子は下部に到達し、特定の粒径範囲の粒子のみが電極下端に取り付けられたスリットに流入することにより分級される。【０００８】
しかしながら、従来のＬＰＩでは、０．３μｍ以下の粒子を捕集する捕集部が減圧となるため、超微粒子に含まれる不安定な成分が揮発してしまう可能性があり、超微粒子の信頼性の高い分析、評価を行うことが難しい。【０００９】
また、ＤＭＡは、本来、単分散の粒子を得る装置であり、粒子を両極荷電で荷電していることから、投入した粒子に対して取り出される粒子の割合は極めて低い。特に、超微粒子域では粒径が小さくなるほど極端に荷電効率が減少し、超微粒子の分析、評価を行うことが難しい。ＤＭＡでは、分級される帯電粒子は内筒に印加される電圧に対し逆の極性を持つ粒子である。【００１０】
このようなことから、大気環境中の超微粒子の化学組成を調べる上で、常圧で超微粒子のみを高効率で分級し、さらに濃縮捕集する装置の有用性は極めて高く、その濃縮・捕集装置の開発が強く要望されている。【００１１】
この発明は、前記課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、大気環境中の超微粒子の分級を常圧で高効率に行い、さらに超微粒子を濃縮捕集し、大気環境中の超微粒子の化学組成の分析、評価を的確に行える超微粒子用静電濃縮捕集装置を提供することにある。【００１２】
また、この発明の他の目的とするところは、前記超微粒子用静電濃縮捕集装置の荷電用筒状ハウジングや各種電極のサイズを適宜変更することで可能となる、例えば、排気ガス中に含まれる超微粒子を捕集して大気を浄化する大気浄化装置を提供することにある。
【発明の開示】
【００１３】
この発明による超微粒子用静電濃縮捕集装置は、荷電空間を画定し、一端側に試料気体入口を、他端に試料気体出口を有する荷電用筒状ハウジングと、前記荷電空間において前記試料気体入口と前記試料気体出口との間に配置されたコイル状接地電極と、前記荷電空間において前記コイル状接地電極の内側をその中心軸線に沿って配置され、前記コイル状接地電極との間に電界の形成とコロナ放電を行うワイヤ放電電極と、前記荷電空間にＸ線を照射するＸ線照射管と、前記筒状ハウジングの前記試料気体出口に接続された捕集器と有する。
【００１４】
この発明による超微粒子用静電濃縮捕集装置は、好ましくは、前記Ｘ線照射管は、長波長のＸ線を照射する軟Ｘ線照射管である。
【００１５】
この発明による超微粒子用静電濃縮捕集装置は、好ましくは、前記捕集器は、前記試料気体出口に連通する導入口に配置された正電極部材と、接地された捕集板とを含む。
【００１６】
この発明による超微粒子用静電濃縮捕集装置は、好ましくは、前記捕集器は、外側円筒正電極部材と、前記外側円筒正電極部材内に当該外側円筒正電極部材と同心配置された内側円筒状接地電極部材とを有し、前記外側円筒正電極部材の内周面と前記内側円筒状接地電極部材の外周面との間に、前記試料気体出口に連通する円筒状の超微粒子捕集室を画定しており、前記内側円筒状接地電極部材が粒子捕集部材をなしている。
【００１７】
この発明による超微粒子用静電濃縮捕集装置は、更に、好ましくは、前記超微粒子捕集室は前記試料気体出口と同心に設けられている。
【００１８】
この発明による超微粒子用静電濃縮捕集装置は、好ましくは、前記捕集器は、前記試料気体出口に連通する形態で、金属ワイヤメッシュによる正電極部材と、粒子捕集部材として機能する誘電体メッシュによるフィルタと、金属ワイヤメッシュによる接地電極部材との積層体を有し、外部電界静電フィルタ方式の捕集器をなしている。
【００１９】
この発明による超微粒子用静電濃縮捕集装置は、好ましくは、更に、前記捕集器の下流部に繊維層フィルタを有する。
【００２０】
この発明による超微粒子用静電濃縮捕集装置は、好ましくは、前記荷電用筒状ハウジングの前記試料気体入口に、アンダーセン・インパクタによる粗大粒子除去器と、慣性式フィルタによるサブミクロン粒子除去器とが、試料気体流れで見て順に接続されている。
【００２１】
この発明による超微粒子用静電濃縮捕集装置は、好ましくは、サブミクロン粒子除去器は、オリフィス気体入口と、前記オリフィス気体入口に所定間隔をおいて対向配置された通気性繊維フィルタとを含む。
【００２２】
この発明による超微粒子用静電濃縮捕集装置は、更に、好ましくは、前記通気性繊維フィルタは単分散ステンレス繊維製のフィルタである。
【００２３】
この発明による超微粒子用静電濃縮捕集装置は、分級濃縮を常圧で行うから、超微粒子に含まれる不安定な成分が揮発することがなく、コイル状接地電極によるコロナ放電と軟Ｘ線照射とを併用した非平衡荷電により、超微粒子を帯電粒子として効率よく取り出すことができる。
【００２４】
この発明による超微粒子用静電濃縮捕集装置は、前記の如く、主に静電濃縮した超微粒子を捕集し、該超微粒子の組成分析を行うものであるが、前記装置を構成する荷電用筒状ハウジングや各種電極のサイズを適宜変更することで、例えば、排気ガス中に含まれる超微粒子を捕集して大気を浄化する大気浄化装置として応用することも可能である。
【００２５】
この発明によるサブミクロン粒子除去器は、オリフィス気体入口と、前記オリフィス気体入口に対向配置された通気性繊維フィルタと備えていることを特徴としている。
【００２６】
この発明によるサブミクロン粒子除去器は、具体的な態様としては、サブミクロン粒子除去室を画定するハウジングと、前記サブミクロン粒子除去室に開口したオリフィス気体入口と、前記サブミクロン粒子除去室内にあって前記オリフィス気体入口に対向配置された通気性繊維フィルタと、前記通気性繊維フィルタが前記オリフィス気体入口と対向する反対側に設けられた気体出口とを有する。
【００２７】
この発明によるサブミクロン粒子除去器は、好ましくは、前記通気性繊維フィルタは、前記オリフィス気体入口に所定間隔をおいて、あるいは無間隔で対向配置されている。
【００２８】
この発明によるサブミクロン粒子除去器は、気流の圧力により繊維構造が変化しない材質からなるフィルタ、好ましくは前記通気性繊維フィルタは単分散ステンレス繊維製のフィルタを有する。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】図１はこの発明による超微粒子用静電濃縮捕集装置の一つの実施形態を示す全体斜視図
【図２】図２は実施形態１による超微粒子用静電濃縮捕集装置の超微粒子用静電濃縮捕集筒を示す断面図
【図３】図３は実施形態１による超微粒子用静電濃縮捕集筒の粗大粒子除去器で使用される衝突ノズル板の正面図
【図４】図４は実施形態１による超微粒子用静電濃縮捕集筒の粗大粒子除去器で使用される捕集板の正面図
【図５】図５は実施形態１による超微粒子用静電濃縮捕集筒のサブミクロン粒子除去器で使用される衝突板と通気性繊維フィルタの正面図
【図６】図６は実施形態１による超微粒子用静電濃縮捕集筒で使用される超微粒子捕集器の要部の説明図
【図７】図７は超微粒子用静電濃縮捕集筒のサブミクロン粒子除去器における通気性繊維フィルタの性能試験結果を示すグラフ
【図８】図８は超微粒子用静電濃縮捕集筒の荷電器における非平衡荷電下でのイオンと粒子の挙動を模式的に示す説明図である。
【図９】図９は超微粒子用静電濃縮捕集筒の荷電器におけるコロナ放電の印加電圧Ｖ１とイオン濃度の関係を、軟Ｘ線照射あり・なしで示すグラフ
【図１０】図１０はコロナ放電の印加電圧と荷電器における損失率との関係を、各流速について示すグラフ
【図１１】図１１はコロナ放電の印加電圧と荷電器出口における正帯電粒子の割合との関係を各流速について示すグラフ
【図１２】図１２はコロナ放電の印加電圧と荷電器における帯電粒子の透過率の関係（軟Ｘ線照射管が一つの場合）を各流速について示すグラフ
【図１３】図１３はコロナ放電の印加電圧と荷電器における帯電粒子の透過率の関係（軟Ｘ線照射管が二つの場合）を、各流速について示すグラフである。
【図１４】図１４は実施形態２による超微粒子用静電濃縮捕集装置の超微粒子用静電濃縮捕集筒を示す断面図
【図１５】図１５は実施形態２による超微粒子用静電濃縮捕集筒で使用される超微粒子捕集器の要部の説明図
【図１６】図１６は実施形態２による超微粒子用静電濃縮捕集筒で使用される超微粒子捕集器の性能評価の試験結果を示すグラフである。
【図１７】図１７は実施形態３による超微粒子用静電濃縮捕集装置の超微粒子用静電濃縮捕集筒を示す断面図
【図１８】図１８は実施形態３による超微粒子用静電濃縮捕集筒で使用される超微粒子捕集器の要部の説明図
【図１９】図１９は実施形態３による超微粒子用静電濃縮捕集筒で使用される超微粒子捕集器の性能評価の試験結果を示すグラフである。
【図２０】図２０は実施形態４による超微粒子用静電濃縮捕集装置の超微粒子用静電濃縮捕集筒を示す断面図
【図２１】図２１の（ａ）、（ｂ）は本実施形態のサブミクロン粒子除去器おけるオリフィス気体入口と通気性繊維フィルタとの距離の捕集効率への影響を示すグラフ
【図２２】図２２の（ａ）、（ｂ）は実施形態４のサブミクロン粒子除去器おけるオリフィス気体入口と通気性繊維フィルタとの距離の捕集効率への影響を示すグラフである。
【図２３】図２３はディーゼル排ガスを含む大気環境中の粒子分布を示すグラフである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
この発明による超微粒子用静電濃縮捕集装置の実施形態１を、図１〜図６を参照して、詳細に説明する。【００３１】
図１に示されているように、本実施形態の超微粒子用静電濃縮捕集装置は、電源、制御機器等を内蔵した装置本体１０と、装置本体１０に取り付けられた超微粒子用静電濃縮捕集筒２０とを有する。超微粒子用静電濃縮捕集筒２０は装置本体１０に上下方向姿勢で取り付けられている。【００３２】
超微粒子用静電濃縮捕集筒２０は、粗大粒子除去器３０と、サブミクロン粒子除去器４０と、荷電器５０と、超微粒子捕集器９０から構成されている。図２に示されているように、この超微粒子用静電濃縮捕集筒２０では、排気側に、吸引ブロワ１２０が接続され、試料気体は、常圧での吸引ブロワ１２０による吸引により、粗大粒子除去器３０から取り入れられ、サブミクロン粒子除去器４０、荷電器５０、超微粒子捕集器９０の順に流れる。【００３３】
粗大粒子除去器３０は、主として、ｌμｍ以上の粒径の粗大粒子を除去するものであり、従来から使用されているアンダーセン・インパクタの一部をそのまま適用している。【００３４】
粗大粒子除去器３０は試料気体導入口３１を開口形成された上蓋状のインパクタ導入部材３３を有する。インパクタ導入部材３３は、サブミクロン粒子除去器４０のオリフィス部材４２と共働して粗大粒子除去室３２を画定している。【００３５】
粗大粒子除去室３２内には、複数個のノズル孔３４を有する衝突ノズル板３５（図３参照）と、円形の中央開口３６を有する捕集板３７（図４参照）とが所定間隔をおいて順に固定配置されている。【００３６】
サブミクロン粒子除去器４０は、慣性式フィルタで、主として、０．１〜１．０μｍ程度の粒径の粒子を除去するものである。【００３７】
サブミクロン粒子除去器４０は、インパクタ導入部材３２に接続され、中央部にオリフィス気体入口４１を有するオリフィス部材４２を有し、荷電器５０の導入ハウジング５１と共働してサブミクロン粒子除去室４３を画定している。【００３８】
サブミクロン粒子除去室４３内には衝突板４４が固定配置されている。衝突板４４は、図５に示されているように、円形の中央開口４５と、３つの円弧状の側部開口４６とが穿設されている。衝突板４４の中央部には、中央開口４５を塞ぐように通気性繊維フィルタ４７が取り付けられている。【００３９】
通気性繊維フィルタ４７は、繊維径４〜１０μｍ程度、気流の圧力により繊維構造が変化しない材質からなるフィルタ，好ましくは８μｍ程度の単分散ステンレス繊維により構成され、オリフィス気体入口４１に比較的狭い間隔をおいて対向している。つまり、オリフィス気体入口４１の正面に通気性繊維フィルタ４７が配置されている。【００４０】
荷電器５０は、超微粒子を高効率に荷電する部位である。荷電器５０は、連通ポート５２を有する導入ハウジング５１と、導入ノズル５３を有する導入ノズル部材５４と、上端部材５５と筒状ハウジング本体５６と下端部材５７との組立体による荷電用筒状ハウジング５８とを含む。【００４１】
荷電用筒状ハウジング５８は、内側に荷電空間５９を画定し、上端部材５５に導入ノズル５３と連通する試料気体入口６０を有し、下端部材５７に試料気体出口６１を有する。【００４２】
荷電空間５９内には有底筒体によるコイル固定部材６２が固定配置されている。コイル固定部材６２の底部６３は下端部材５７の側にあって試料気体出口６１と連通する連通孔６４を有する。【００４３】
コイル固定部材６２の底部６３にはコイル状接地電極６５の一端６５Ａが固定されている。コイル状接地電極６５は、荷電空間５９の中心部を軸線方向に延在し、他端６５Ｂを上端部材５５に固定されている。これにより、コイル状接地電極６５は、荷電空間５９において試料気体入口６０と試料気体出口６１との間に配置される。【００４４】
筒状ハウジング本体５６の外側には接続端子取付部材７２が固定されている。接続端子取付部材７２には接地用接続端子７３が取り付けられており、接地用接続端子７３はコイル状接地電極６５の一端６５Ａに導通接続されている。【００４５】
導入ハウジング５１と導入ノズル部材５４との間にはワイヤ固定板６７、ワイヤ支持板６８が固定配置されている。ワイヤ固定板６７、ワイヤ支持板６８は、各々連通孔６９、７０を有する。【００４６】
下端部材５７は中心部にてワイヤ放電電極（ＤＥ）７１の一端７１Ａを固定されている。ワイヤ放電電極７１は、コイル状接地電極６５の内側をその中心軸線に沿って延在し、他端７１Ｂをワイヤ支持板６８の中心部に固定されている。【００４７】
ワイヤ固定板６７の外周には正電極リング部材７４が取り付けられている。正電極リング部材７４は、ワイヤ支持板６８と導通接触し、ワイヤ支持板６８を介してワイヤ放電電極７１の他端７１Ｂに導通接続されている。【００４８】
導入ハウジング５１の外側には接続端子取付部材７５が固定されている。接続端子取付部材７５には正電極用接続端子７６が取り付けられており、正電極用接続端子７６は正電極リング部材７４に導通接続されている。【００４９】
上端部材５５は、ねじ部６６によってコイル固定部材６２にねじ係合し、軸線方向に変位可能であることにより、導入ノズル部材５４、ワイヤ支持板６８を介して調整ねじ式にワイヤ放電電極７１の張力を調整する張力調整部材をなしている。【００５０】
接地用接続端子７３と正電極用接続端子７６が装置本体１０内の放電用電源１１（図８参照）に接続されることにより、ワイヤ放電電極７１とコイル状接地電極６５とに放電用電源１１によって所定の電位差が与えられ、ワイヤ放電電極７１とコイル状接地電極６５との間で電界の形成とコロナ放電が行われる。【００５１】
筒状ハウジング本体５６の外側には、荷電空間５９を径方向に横切る方向に相対向して軟Ｘ線照射管（エミッタ）７７、７８が取り付けられている。軟Ｘ線照射管７７、７８は、波長が０．１３〜０．４１ｎｍ程度の長波長のＸ線を発生するものであり、各々、コイル固定部材６２に形成されている開口７９、８０より荷電空間５９に軟Ｘ線を照射する。【００５２】
なお、軟Ｘ線照射管は、必ずしも、２個設けられることはなく、軟Ｘ線照射管７７と７８の何れか一方であってもよい。【００５３】
超微粒子捕集器９０は、下端部材５７と、筒状ハウジング本体５６に装着された筒状の捕集器ハウジング９１と、複数個の整流孔９２を開けられた整流板９３とによって超微粒子捕集室９４を画定している。【００５４】
筒状ハウジング本体５６の下端部には、排気ノズル孔１１０を有する排気ノズル部材１１１と、排気口１１２を有する排気ハウジング１１３が取り付けられている排気ハウジング１１３の排気口１１２に吸引ブロワ１２０が接続されている。【００５５】
荷電部出口である試料気体出口６１は、超微粒子捕集器９０の導入口（捕集部ノズル）を兼ねており、試料気体出口６１に、正電極部材として、正電極リング部材９５と、メッシュ電極部材９６（図６参照）とが電極カセット蓋９７によって取り付けられている。【００５６】
なお、超微粒子捕集器９０の正電極部材は、正電極リング部材９５とメッシュ電極部材９６の何れか一方だけであってもよい。【００５７】
筒状ハウジング本体５６の外側にはもう一つの接続端子取付部材９８が固定されている。接続端子取付部材９８には正電極用接続端子９９が取り付けられており、正電極用接続端子９９は正電極リング部材９５に導通接続されている。【００５８】
超微粒子捕集室９４内には、捕集板保持体１００の先端に取り付けられた捕集円板１０１が配置されている。捕集円板１０１は、ステンレス鋼により構成され、比較的接近した態様で、試料気体出口６１に正対向している。【００５９】
捕集円板１０１は捕集板保持体１００に取り付けられた接地電極部材１０２に導通接続されており、接地電極部材１０２と正電極用接続端子９９が装置本体１０内の静電界発生用電源１２（図６参照）に接続されることにより、正電極リング部材９５、メッシュ電極部材９６と捕集円板１０１間にかかる静電界を利用して超微粒子を捕集円板１０１の表面に捕捉、捕集する。【００６０】
捕集板保持体１００は、排気ハウジング１１３の底部１１４に明けられた取付孔１１５に抜き差し可能に差し込まれており、捕集円板１０１の取り出しのために、捕集円板１０１を伴って取り外し可能、交換可能になっている。【００６１】
つぎに、本実施形態による超微粒子用静電濃縮捕集装置の作用について説明する。【００６２】
大気やエンジンの排ガス等の試料気体は、吸引ブロワ１２０によって引かれ、超微粒子用静電濃縮捕集筒２０の試料気体導入口３１より排気口１１２へ、超微粒子用静電濃縮捕集筒２０内を上から下へ流れる。【００６３】
この間に、粗大粒子除去器３０によって試料気体中のｌμｍ以上の粒径の粗大粒子が除去され、次に、サブミクロン粒子除去器４０によって試料気体中の０．１〜１．０μｍ程度の粒径の粒子を除去され、次に、荷電器５０にて試料気体中のナノ粒子（超微粒子）に荷電が行われ、そして荷電されたナノ粒子が超微粒子捕集器９０の捕集円板１０１の表面に捕捉、捕集される。粒子の取り除かれた試料気体は排気口１１２より外部へ排気される。【００６４】
サブミクロン粒子除去器４０では、試料気体がオリフィス気体入口４１を通過する際に流速が速められ、例えば、５０ｍ／ｓ程度まで加速されてサブミクロン粒子除去室４３に流入する。これにより、試料気体がオリフィス気体入口４１の正面に配置されている通気性繊維フィルタ４７、中央開口４５を高速度で通過し、試料気体中の０．１〜１．０μｍ程度の粒径の粒子は、運動エネルギを与えられて直進し、慣性により効率よく通気性繊維フィルタ４７に衝突して捕捉、捕集される。衝突板４４の側部開口４６は、エアーベントとして機能し、サブミクロン粒子除去室４３の内圧上昇を抑制する。【００６５】
これにより、従来のインパクタ方式のものでは、大気圧下で分離できる限界は、粒径が０．３μｍ程度の粒子であったのが、特に、繊維径８μｍ程度の単分散ステンレス繊維により構成された通気性繊維フィルタ４７の使用により、粒径が０．１μｍ以下の粒子の捕捉除去も可能になった。実際に、５０％カットオフ径０．１μｍを達成することが可能になる。【００６６】
図７は、サブミクロン粒子除去器４０における通気性繊維フィルタ４７の性能試験結果を示している。□付き線はポリマ製のフィルタＡの性能試験結果を、○付き線は単分散ステンレス繊維製のフィルタＢの性能試験結果を各々示している。【００６７】
フィルタＡは、繊維径５．０μｍ、フィルタ厚３．０ｍｍ、充填率０．０８のポリマ製フィルタであり、フィルタＢは、シート密度２００ｇ／ｍ２、繊維径８．０μｍ、フィルタ厚４．０ｍｍ、充填率０．００６５の単分散ステンレス繊維製フィルタである。【００６８】
ポリマ製フィルタと単分散ステンレス繊維製フィルタとを比べると、粒径０．０７μｍ程度以上では、ほぼ同等の捕集効率であるが、粒径０．０７μｍ程度以下では、ポリマ製フィルタに比して単分散ステンレス繊維製フィルタのほうが捕集効率が悪いことがわかる。【００６９】
このことから、単分散ステンレス繊維製フィルタが粒径０．０７μｍ以下の粒子と以上の粒子との分離捕集が良いことが理解でき、サブミクロン以上の粗大粒子から超微粒子が効率よく分級することができる。これにより、超微粒子が、サブミクロン粒子除去器４０より後段の超微粒子捕集器９０に、効率よく渡されることになる。【００７０】
荷電器５０における試料気体中のナノ粒子の荷電は、軟Ｘ線照射管７７、７８による軟Ｘ線照射と、ワイヤ放電電極７１とコイル状接地電極６５との間のコロナ放電による非平衡荷電により行われる。【００７１】
これにより、粒径が６０ｎｍ以下の粒子に対して、放電電圧７．５ｋＶ程度の軟Ｘ線照射のもと、９５％以上の荷電効率に到達している。【００７２】
超微粒子用静電濃縮捕集装置における荷電器５０では、粒子を荷電するだけで、電極において粒子を極力捕集せずに、帯電粒子として、後段へ、つまり超微粒子捕集器９０に取り出す必要がある。【００７３】
このため、本実施形態では、荷電部での損失を極力抑えるべく、コイル状接地電極６５を採用している。これにより、流速４０Ｌ／ｍｉｎで、粒径５０ｎｍの粒子を最大７０％程度の荷電粒子として取り出すことができる。【００７４】
図８は、荷電器５０における非平衡帯電下でのイオンおよび粒子Ｐの挙動を模式的に示している。なお、図８では、簡略化のために片側の軟Ｘ線照射管７８のみを示している。【００７５】
図８において、Ａはコロナ放電による単極イオンの発生を、Ｂはコロナ放電により得られる自由イオンによる拡散荷電を、Ｃは軟Ｘ線照射による両極イオンを、Ｄは軟Ｘ線照射による粒子の光イオン化を各々示している。【００７６】
図９は、荷電器５０におけるコロナ放電の印加電圧Ｖ１とイオン濃度の関係を、軟Ｘ線照射ありと、軟Ｘ線照射なしとで示している。この特性グラフより軟Ｘ線照射ありのほうが、イオン濃度が高くなることがわかる。【００７７】
図１０は、コロナ放電の印加電圧Ｖ１と荷電器における損失率ｆＬとの関係を、各流速について示している。【００７８】
損失率ｆＬは下式により表される。【００７９】
ｆＬ＝１−（ＮＶ１／Ｎｉｎ）
但し、ＮＶ１：印加電圧Ｖ１における荷電器出口での粒子濃度、Ｎｉｎ：荷電器入口での粒子濃度である。【００８０】
図１１は、コロナ放電の印加電圧Ｖ１と荷電器出口における帯電粒子の割合ｆｃ＋との関係を、各流速について示している。【００８１】
帯電粒子の割合ｆｃ＋は下式により表される。【００８２】
ｆｃ＋＝Ｎ＋ｔｏｔａｌ／Ｎｉｎ
但し、Ｎ＋ｔｏｔａｌ：印加電圧Ｖ１における荷電器出口での正帯電粒子の濃度、
Ｎｉｎ：荷電器入口での粒子濃度である。【００８３】
図１２、図１３は、コロナ放電の印加電圧Ｖ１と荷電器における帯電粒子の透過率の関係を、各流速について示している。図１２は軟Ｘ線照射管が一つの場合を、図１３は軟Ｘ線照射管が二つの場合を各々示している。【００８４】
帯電粒子の透過率ｆ３は下式より表される。【００８５】
ｆ３＝ｆ１×（１−ｆＬ）
但し，ｆ１：荷電部出口での荷電粒子の割合，
ｆＬ：荷電器における損失率である。【００８６】
また，ｆ１は以下の実測値を用いて，下式で表される。【００８７】
ｆ１＝Ｎ０／ＮＶ１
但し，Ｎ０：印加電圧０Ｖにおける荷電部出口での粒子濃度，ＮＶ１：印加電圧Ｖ１における荷電器出口での粒子濃度である。【００８８】
上述の如く荷電器５０で帯電し、荷電器５０を透過した帯電粒子（ナノ粒子）は、試料気体出口６１より超微粒子捕集器９０の超微粒子捕集室９４に入り、正電極リング部材９５、メッシュ電極部材９６と捕集円板１０１間にかかる静電界によって捕集円板１０１の表面に捕捉、捕集される。【００８９】
これにより、捕集円板１０１にナノ粒子が効率よく濃縮捕集される。ナノ粒子が濃縮捕集された捕集円板１０１は、捕集板保持体１００を排気ハウジング１１３より抜き出すことにより、取り出され、大気環境中等の超微粒子の化学組成の分析、評価に供される。【００９０】
この発明による超微粒子用静電濃縮捕集装置は、以下のような効果を奏する。【００９１】
（１）分級濃縮が常圧で行われるので、超微粒子に含まれる不安定な成分が揮発することがない。【００９２】
（２）コイル状接地電極６５によるコロナ放電と軟Ｘ線照射と併用した非平衡荷電により、流速４０Ｌ／ｍｉｎ程度で、粒径５０ｎｍ程度の超微粒子を最大７０％程度、荷電粒子として取り出すことができる。【００９３】
（３）以上のように、常圧で超微粒子のみを高効率で分級し、更に、濃縮、捕集するため、大気環境中の超微粒子の化学組成を調べる上で、有用性が高い。【００９４】
この発明による超微粒子用静電濃縮捕集装置の実施形態２を、図１４、図１５を参照して、詳細に説明する。なお、図１４、図１５において、図２〜図６に対応する部分は、図２〜図６に付した符号と同一の符号を付けている。【００９５】
本実施形態では、超微粒子用静電濃縮捕集筒２０は、粗大粒子除去器３０と、サブミクロン粒子除去器４０と、荷電器５０と、超微粒子捕集器１３０から構成されている。粗大粒子除去器３０、サブミクロン粒子除去器４０、荷電器５０は、上述の実施形態１と同じであり、上述の実施形態１と異なるところは、超微粒子捕集器１３０であるから、粗大粒子除去器３０、サブミクロン粒子除去器４０、荷電器５０についての説明は、重複することを避けるべく、省略する。【００９６】
超微粒子捕集器１３０は、筒状ハウジング本体５６の下端に連結された捕集器ハウジング１３１と、捕集器ハウジング１３１内に荷電器５０の試料気体出口（捕集部入口）６１と同心配置された外側円筒正電極部材１３２と、外側円筒正電極部材１３２内に取付ロッド１３９によって外側円筒正電極部材１３２と同心配置された内側円筒状接地電極部材１３３と、捕集器ハウジング１３１の下端部（捕集部出口）に装着された整流孔９２付きの整流板９３および繊維層フィルタ１３４とを有する二重円筒型捕集部として構成されている。【００９７】
捕集器ハウジング１３１の外側には接続端子取付部材１３５が固定されている。接続端子取付部材１３５には正電極用接続端子１３６が取り付けられており、正電極用接続端子１３６は外側円筒正電極部材１３２に導通接続されている。【００９８】
外側円筒正電極部材１３２と内側円筒状接地電極部材１３３とは、外側円筒正電極部材１３２の内周面と内側円筒状接地電極部材１３３の外周面との間に、円筒状の超微粒子捕集室１３７を画定しており、内側円筒状接地電極部材１３３が粒子捕集部材として機能する。超微粒子捕集室１３７は、上端（捕集部入口）にて荷電器５０の試料気体出口６１に連通し、試料気体出口６１と同心で、下端（捕集部出口）にて整流板９３の整流孔９２に連通している。【００９９】
試料気体出口６１は、荷電空間５９よりの帯電粒子を含む試料気体が円滑に超微粒子捕集室１３７へ流れるよう、スロート状をなしている。また、同じ目的で、内側円筒状接地電極部材１３３の上端には半球状案内部材１３８が取り付けられている。【０１００】
外側円筒正電極部材１３２と内側円筒状接地電極部材１３３は、装置本体１０内の静電界発生用電源１２（図１５参照）に接続されている。これにより、外側円筒正電極部材１３２と内側円筒状接地電極部材１３３との間に電圧が印加され、超微粒子捕集室１３７が静電界域になり、静電界によって荷電器５０の試料気体出口６１よりの試料気体中の超微粒子が内側円筒状接地電極部材１３３の外周表面に捕捉、捕集される。【０１０１】
本実施形態では、同心配置の外側円筒正電極部材１３２と内側円筒状接地電極部材１３３との間に静電界が形成されるから、円筒状空間の超微粒子捕集室１３７に一様な静電界が形成される。また、超微粒子捕集室１３７は荷電器５０の試料気体出口（捕集部入口）６１と同心であるから、超微粒子捕集室１３７における試料気体の偏流や乱流が抑制される。これらのことにより、内側円筒状接地電極部材１３３の外周表面に対する超微粒子の捕捉・捕集効率が向上する。【０１０２】
内側円筒状接地電極部材１３３の外周表面に捕捉・捕集される超微粒子は、専ら荷電された粒径が３０ｎｍ程度以上の超微粒子である。それより粒径が小さく、荷電されていない超微粒子（荷電率が低い粒子）は繊維層フィルタ１３４によって分級捕捉・捕集される。【０１０３】
この繊維層フィルタ１３４を構成する材料としては、０．１μｍ程度の微細なガラス繊維等が挙げられる。【０１０４】
なお、繊維層フィルタ１３４の配置位置は、整流板９３の底面部分に限られることはなく、超微粒子捕集室１３７より下流側にあればよく、排気口１１２の外側に別置きで設けられてもよい。【０１０５】
また、本実施形態では、荷電部と捕集部との間の距離を拡大できるので、荷電部と捕集部における電界の干渉を避けることができ、このことによっても、超微粒子の分離効率、捕捉・捕集効率が向上する。【０１０６】
図１６は、本実施形態における超微粒子捕集器１３０の性能評価の試験結果を示している。この性能評価は、粒子捕集部材として機能する内側円筒状接地電極部材１３３における超微粒子の捕集効率に関するものであり、図１６のグラフでは、縦軸に超微粒子の捕集効率を、横軸に超微粒子の粒径を示している。Ｖｃｏは外側円筒正電極部材１３２と内側円筒状接地電極部材１３３との間の印加電圧である。【０１０７】
このグラフから、超微粒子の粒径が３０ｎｍ以上のものに関しては、印加電圧Ｖｃｏに対する依存性が殆どなく、印加電圧Ｖｃｏが４ｋＶ以上で、高い捕集効率が得られることが分かる。【０１０８】
この発明による超微粒子用静電濃縮捕集装置の実施形態３を、図１７、図１８を参照して、詳細に説明する。なお、図１７、図１８においても、図２〜図６に対応する部分は、図２〜図６に付した符号と同一の符号を付けている。【０１０９】
本実施形態では、超微粒子用静電濃縮捕集筒２０は、粗大粒子除去器３０と、サブミクロン粒子除去器４０と、荷電器５０と、超微粒子捕集器１４０から構成されている。本実施形態でも、粗大粒子除去器３０、サブミクロン粒子除去器４０、荷電器５０は、上述の実施形態１と同じであり、上述の実施形態１と異なるところは、超微粒子捕集器１４０であるから、粗大粒子除去器３０、サブミクロン粒子除去器４０、荷電器５０についての説明は、重複することを避けるべく、省略する。【０１１０】
超微粒子捕集器１４０は、荷電器５０の試料気体出口（捕集部入口）６１を有する下端部材５７と下部蓋１４１との間に、試料気体出口６１と下部蓋１４１に形成された通孔１４２とを連通する形態で、金属ワイヤメッシュによる正電極部材１４３と、粒子捕集部材として機能する誘電体メッシュによるフィルタ１４４と、金属ワイヤメッシュによる接地電極部材１４５との積層体を有し、外部電界静電フィルタ方式の捕集器をなしている。【０１１１】
下部蓋１４１の下流側には、実施形態２と同様に、整流孔９２付きの整流板９３および繊維層フィルタ１３４が設けられている。【０１１２】
正電極部材１４３と接地電極部材１４５はシリコンゴム等による電気絶縁スペーサ１４６によって所定間隔をおいて絶縁されており、この正電極部材１４３と接地電極部材１４５とに挟まれる形態で、フィルタ１４４が設けられている。【０１１３】
筒状ハウジング本体５６の外側には接続端子取付部材１４７が固定されている。接続端子取付部材１４７には正電極用接続端子１４８が取り付けられており、正電極用接続端子１４８は正電極部材１４３に導通接続されている。正電極部材１４３と接地電極部材１４５は、装置本体１０内の静電界発生用電源１２（図１８参照）に接続されている。これにより、正電極部材１４３と接地電極部材１４５との間に電圧が印加される。【０１１４】
フィルタ１４４は、多数枚のポリアミド（ナイロン）メッシュの積層物により構成されており、両側にある正電極部材１４３と接地電極部材１４５による電圧印加によって生じる誘電分極（クーロン力）により、帯電粒子を沈着捕集する。フィルタ１４４を構成するポリアミドメッシュとしては、繊維径が２０〜４０μｍ程度で、目開きが５０〜７０μｍ程度のもの、好ましくは、繊維径が３０μｍ程度で、目開きが６０μｍ程度のものが用いられればよい。フィルタ１４４のポリアミドメッシュの積層枚数は２０枚以上の多数枚であることが好ましい。【０１１５】
本実施形態では、荷電された粒径が３０ｎｍ程度以上の超微粒子は、フィルタ１４４に効率よく沈着捕集され、荷電されていない超微粒子（荷電率が低い粒子）は繊維層フィルタ１３４によって分級捕捉・捕集される。【０１１６】
図１９は、本実施形態における超微粒子捕集器１４０の性能評価の試験結果を示している。この性能評価は、粒子捕集部材として機能するフィルタ１４４における超微粒子の捕集効率に関するものであり、図１９のグラフでは、縦軸に超微粒子の捕集効率を、横軸に超微粒子の粒径を示している。Ｖｃｏは正電極部材１４３と接地電極部材１４５との間の印加電圧である。【０１１７】
このグラフから、捕集効率は、超微粒子の粒径の如何を問わず、印加電圧Ｖｃｏに対する依存性が殆どなく、粒径が３０ｎｍ程度以上のものについて、高い捕集効率が得られることが分かる。【０１１８】
この発明による超微粒子用静電濃縮捕集装置の実施形態４を、図２０を参照して、詳細に説明する。なお、図２０において、図２に対応する部分は、図２に付した符号と同一の符号を付けてその説明を省略する。【０１１９】
本実施形態では、超微粒子用静電濃縮捕集筒２０は、粗大粒子除去器３０と、サブミクロン粒子除去器４０と、荷電器５０と、超微粒子捕集器１４０から構成されている。粗大粒子除去器３０、荷電器５０は、上述の実施形態１と同じであり、上述の実施形態１と異なるところは、サブミクロン粒子除去器４０と、超微粒子捕集器１３０であるから、粗大粒子除去器３０、荷電器５０についての説明は、重複することを避けるべく、省略する。【０１２０】
本実施形態では、サブミクロン粒子除去器４０の通気性繊維フィルタ４７がオリフィス気体入口４１の正面に無間隔で対向配置されている。【０１２１】
通気性繊維フィルタ４７がオリフィス気体入口（ノズル）４１の正面に無間隔で対向配置されていることにより、オリフィス気体入口４１のサブミクロン粒子除去室４３に対する開口端から試料気体が通気性繊維フィルタ４７に到達するまでの圧力損失がなくなり、試料気体が通気性繊維フィルタ４７の中の微細な繊維間空間をより高速度で通過するようになる。【０１２２】
このことは、前述のストークス数Ｓｔｋおよびペクレ数Ｐｅを大きくするために、高速気流を用いることが好ましいことに通ずる。【０１２３】
このことにより、試料気体中の０．１〜１．０μｍ程度の粒径の粒子に大きい運動エネルギが与えられ、当該粒子は、より強い慣性により通気性繊維フィルタの繊維表面に衝突し、効率よく捕捉、捕集される。【０１２４】
オリフィス気体入口４１と通気性繊維フィルタ４７との距離の捕集効率への影響について、図２１（ａ）、（ｂ）と図２２（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。【０１２５】
図２１はポリオレフィン繊維製フィルタの捕集効率を、図２２は単分散ステンレス繊維製フィルタの捕集効率を各々示している。図２１、図２２の（ａ）はオリフィス気体入口４１と通気性繊維フィルタ４７との距離が零の場合（無間隔の場合）を、（ｂ）はオリフィス気体入口４１と通気性繊維フィルタ４７との距離が４ｍｍの場合を示している。【０１２６】
図２１（ａ）、（ｂ）および図２２（ａ）、（ｂ）より、オリフィス気体入口４１と通気性繊維フィルタ４７との距離が零の場合（無間隔の場合）のほうが、優れた捕集効率が得られることが分かる。【０１２７】
超微粒子捕集器１４０は、荷電器５０の試料気体出口（捕集部入口）６１を有する下端部材５７と下部蓋１４１との間に、試料気体出口６１と下部蓋１４１に形成された通孔１４２とを連通する形態で、金属ワイヤメッシュによる正電極部材１４３と、粒子捕集部材として機能する誘電体メッシュによるフィルタ１４４と、金属ワイヤメッシュによる接地電極部材１４５との積層体を有し、外部電界静電フィルタ方式の捕集器をなしている。【０１２８】
下部蓋１４１の下流側には、実施形態２と同様に、整流孔９２付きの整流板９３および繊維層フィルタ１３４が設けられている。【０１２９】
正電極部材１４３と接地電極部材１４５はシリコンゴム等による電気絶縁スペーサ１４６によって所定間隔をおいて絶縁されており、この正電極部材１４３と接地電極部材１４５とに挟まれる形態で、フィルタ１４４が設けられている。【０１３０】
筒状ハウジング本体５６の外側には接続端子取付部材１４７が固定されている。接続端子取付部材１４７には正電極用接続端子１４８が取り付けられており、正電極用接続端子１４８は正電極部材１４３に導通接続されている。正電極部材１４３と接地電極部材１４５は、装置本体１０内の静電界発生用電源に接続されている。これにより、正電極部材１４３と接地電極部材１４５との間に電圧が印加される。【０１３１】
フィルタ１４４は、多数枚のポリアミド（ナイロン）メッシュの積層物により構成されており、両側にある正電極部材１４３と接地電極部材１４５による電圧印加によって生じる誘電分極力ならびにクーロン力により、帯電粒子を沈着捕集する。フィルタ１４４を構成するポリアミドメッシュとしては、繊維径が２０〜４０μｍ程度で、目開きが５０〜７０μｍ程度のもの、好ましくは、繊維径が３０μｍ程度で、目開きが６０μｍ程度のものが用いられればよい。フィルタ１４４のポリアミドメッシュの積層枚数は２０枚以上の多数枚であることが好ましい。【０１３２】
本実施形態では、荷電された粒径が３０ｎｍ程度以上の超微粒子は、フィルタ１４４に効率よく沈着捕集され、荷電されていない超微粒子（荷電率が低い粒子）は下流部に設置する繊維層フィルタ１３４によって分級捕捉・捕集される。
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【国際調査報告】
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