(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
大気中の浮遊粒子状物質を捕集する装置であって、捕集容器と、その捕集容器内に大気を吸引するポンプと、捕集容器内に配置され、単極イオンを発生して当該容器内の浮遊粒子状物質を帯電させる放電電極と、その放電電極に対して電位差が与えられることにより捕集容器内で帯電した浮遊粒子状物質を引き寄せて捕集する集塵電極を備え、この集塵電極は、表面に凹部が形成された透明部材と、少なくともその凹部の底面にコーティングされた透明電極膜によって構成されていることを特徴とする大気中の浮遊粒子状物質の捕集装置。
【発明の詳細な説明】
【発明の属する技術分野】
本発明は、大気中に存在する浮遊粒子状物質の捕集装置に関し、例えばレーザ回折・散乱式の粒度分布測定装置を用いて浮遊粒子状物質の粒度分布を測定する際に用いるのに適した捕集装置に関する。
【従来の技術】
大気中に浮遊している粉じんのうち、粒径が１０μｍ以下のものは浮遊粒子状物質（ＳＰＭ）と称される。この浮遊粒子状物質は、巻き上げられた土なども含まれるが、ディーゼル車が排出する黒煙や未燃焼燃料、硫黄化合物などが多くを占め（関東では３５％がディーゼル車からのもの）、これらは有害性もより高いと言われている。このディーゼル車からの排気ガスが原因の粒子状物質は、特にＤＥＰと称される。また、より粒径の小さい２．５μｍ以下のものは微小粒子状物質（ＰＭ２．５）と称され、欧米では調査・研究が盛んになってきている。このＰＭ２．５の場合、その排出原因はディーゼル車の排ガスである割合がより高くなると言われている。
このような大気中の浮遊粒子状物質（ＳＰＭ）や微小粒子状物質（ＰＭ２．５）の形状等を顕微鏡で調査したり、あるいはそこに含まれている化学物質を同定すべく化学分析を行うには、大気中からこれらの粒子状物質を捕集する必要があるが、この捕集は、従来、大気中からこれらの粒子状物質をフィルタにより捕集する方法が採用されている。
また、以上のような大気中の浮遊粒子状物質（ＳＰＭ）や微小粒子状物質（ＰＭ２．５）の粒度分布を測定する装置として、従来、カスケードインパクタ方式に基づく装置が実用化されている。このカスケードインパクタ方式に基づく測定装置は、流体を捕集板に衝突させてその流れの方向を急変させることによって粒子を流体から分離するインパクタ法を利用したものであり、５０％捕集効率の粒径を順次変化させたインパクタを多段に直列接続して、各段における５０％捕集効率の粒径をそれぞれの段の代表径として、それぞれの段における捕集量の測定結果から、流体中の粒度分布を求めるものである。
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ＳＰＭやＰＭ２．５を顕微鏡で観察したり、あるいは各種化学分析機器に供すべくフィルタにより捕集する方法では、浮遊粒子状物質を単独で抽出することが極めて困難であるため、顕微鏡により観察するに当たってはフィルタに付着した状態の浮遊粒子状物質を観察することになるが、その場合、背景のフィルタ像で粒子の像が不鮮明となり、観察しにくいという問題がある。また、捕集した浮遊粒子状物質を各種化学分析機器に供する場合においても、フィルタから浮遊粒子状物質を単独で抽出することが困難であることから、機器によってはフィルタに付着した状態で分析を行う必要があり、その場合、例えば蛍光Ｘ線分光装置などにおいては粒子のみにＸ線を照射することが困難となり、実質的に分析不能となってしまうという問題がある。
また、フィルタに付着させて捕集する従来の方法では、捕集した浮遊粒子状物質を当初の状態を変化させずに保存することが困難であるという問題もある。
更に、浮遊粒子状物質の粒度分布の測定に供されているカスケードインパクタ方式に基づく従来の測定装置においては、その原理上、粒径の測定上限値が１０μｍ程度に限定されてしまうという問題があるとともに、粒径の分解能が捕集板の数によって決まってしまうために、高い分解能で粒度分布を測定することは望めないという欠点もある。
浮遊粒子状物質の粒度分布を測定する有効な方法として、レーザ回折・散乱式粒度分布測定装置を用いる方法がある。このレーザ回折・散乱式粒度分布測定装置は、分散飛翔状態の被測定粒子群にレーザ光を照射して得られる回折・散乱光の空間強度分布を測定し、その強度分布がミーの散乱理論やフラウンホーファの回折理論に則ることを利用して、回折・散乱光の空間強度分布の測定結果から被測定粒子群の粒度分布を求めるものであって、広い粒径範囲で高い分解能のもとに粒度分布を求めることができる。しかしながら、このレーザ回折・散乱式粒度分布測定装置を用いて浮遊粒子状物質の粒度分布を求めるには、被測定粒子群である浮遊粒子状物質を捕集したうえで分散状態にする必要があり、従来のフィルタを用いて浮遊粒子状物質を捕集する方法では、フィルタから浮遊粒子状物質を分離して媒液等に分散させることが極めて困難であるという問題がある。
本発明はこのような実情に鑑みてなされたもので、大気中の浮遊粒子状物質を効率的に捕集することができ、しかも捕集した浮遊粒子状物質をそのままの状態で保存することが容易であり、また、極めて容易に顕微鏡で観察したり、あるいは容易に個別の粒子を取り出して分析機器等による分析に供することができ、更にはレーザ回折・散乱式粒度分布測定装置による測定に容易に供することのできる捕集装置の提供を目的としている。
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明の大気中の浮遊粒子状物質の捕集装置は、大気中の浮遊粒子状物質を捕集する装置であって、捕集容器と、その捕集容器内に大気を吸引するポンプと、捕集容器内に配置され、単極イオンを発生して当該容器内の浮遊粒子状物質を帯電させる放電電極と、その放電電極に対して電位差が与えられることにより捕集容器内で帯電した浮遊粒子状物質を引き寄せて捕集する集塵電極を備え、この集塵電極は、表面に凹部が形成された透明部材と、少なくともその凹部の底面にコーティングされた透明電極膜によって構成されていることによって特徴づけられる。
本発明は、大気中の浮遊粒子状物質を帯電させ、その帯電させた浮遊粒子状物質を、ガラス板や透明なプラスチック板等の透明部材の表面に凹部を設けてその凹部底面に透明電極をコーティングしてなる集塵電極に電位差を利用して捕集することによって、所期の目的を達成するものである。
すなわち、本発明の構成において、大気をポンプで捕集容器内に吸引し、その捕集容器内に配置された放電電極によって単極イオンを発生させると、大気中に含まれている浮遊粒子状物質が帯電する。この帯電した浮遊粒子状物質は、捕集容器内で放電電極に対して電位差が与えられている集塵電極へと向かい、この集塵電極上に捕集される。この集塵電極として、透明部材の表面に凹部を形成し、その凹部の少なくとも底面に透明電極膜をコーティングしたものを用いることにより、帯電した浮遊粒子状物質は凹部内の透明電極膜上に捕集される。
凹部内に浮遊粒子状物質が捕集されるため、凹部に例えば蓋を被せることにより、捕集した浮遊粒子状物質を当初の付着状態のまま容易に保存することができる。また、集塵電極が透明部材であるため、そこに付着したままの状態で容易に顕微鏡による観察が可能であり、更には、容易に浮遊粒子状物質を取り出すことができるため、各種分析器による分析に供したり、あるいはレーザ回折・散乱式粒度分布測定装置による粒度分布測定に供することが容易化される。
そして、レーザ回折・散乱式粒度分布測定装置を用いて浮遊粒子状物質の粒度分布を測定するに当たっては、捕集した浮遊粒子状物質による回折・散乱光の空間強度分布の測定に先立ち、媒液に分散させた標準粒子を集塵電極の凹部に封入して、装置の調整を行うことができ、集塵電極の形状等に起因する粒度分布測定結果の差異をなくすることができる。
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明の実施の形態の構成を表す模式図であり、図２はその集塵電極４の詳細構造を示す模式的断面図である。
開閉自在の蓋１ａを備えた捕集容器１には、大気の流入口１ｂと、ポンプ（捕集用圧縮機）２の吸引口に連通する連通口１ｃが形成されており、蓋１ａを閉じた状態でポンプ２を駆動することにより、大気が流入口１ｂを介して捕集容器１内に吸引される。
捕集容器１内には、その上部に放電電極３が設けられているとともに、その放電電極３に対向してその下部には集塵電極４が配置されている。放電電極３には高圧電源５からの高電圧が印加され、これによって放電電極３の近傍の空気が電離し、単極イオンが発生する。
一方、集塵電極４は、図２に示すように、透明なガラス板４ａの片面に凹部４１ａを形成するとともに、その凹部４１ａの底面４１ｂに透明電極膜４ｂを形成した構造を有している。捕集容器１内においては、凹部４１ａの形成側の面が放電電極３に対向して上方を向くように配置されているとともに、透明電極膜４ｂが接地電位６に接続されている。透明電極膜４ｂの材質としては、例えばＩＴＯやＳｎＯ2 などの公知の導電性材料を用いることができる。また、ガラス板４ａの代わりに透明なプラスチック、例えばアクリル樹脂製の板等を使用することができる。更に、集塵電極の板は、１枚の平板と孔のくり抜かれた他の板を貼り合わせることによって凹部を形成してもよい。
以上の構成において、ポンプ２を駆動しつつ放電電極３に高電圧を印加すると、その周囲の空気が電離して生成された単極イオンは、透明電極膜４ｂとの電位差により集塵電極４側に向けて移動し、その過程で捕集容器１内に吸引された大気中の浮遊粒子状物質Ｐと接触してこれを帯電させる。帯電した浮遊粒子状物質Ｐは、同じく放電電極３と透明電極膜４ｂとの電位差によって当該透明電極膜４ｂ上、つまり集塵電極４の凹部４１ａの底面４１ｂ上にランダムに分散した状態で捕集されていく。帯電した浮遊粒子状物質Ｐが多量に捕集されていっても、透明電極膜４ｂが設置されているため、捕集効率が低下することなく、高い効率を維持しつつ浮遊粒子状物質Ｐを捕集することができる。
以上のように捕集された浮遊粒子状物質Ｐは、集塵電極４の凹部４１ａ内の透明電極膜４ｂ上に付着した状態であるため、個々の粒子を容易に取り出すことができ、各種分析機器等を用いた分析などに容易に供することが可能である。また、集塵電極４が透明であるため、そのまま顕微鏡の観察に供して鮮明な粒子像を得ることができる。更には、図３に断面図を示すように、凹部４１ａを覆う蓋４２を用意し、浮遊粒子状物質Ｐを捕集した後に蓋４２で凹部４１ａに蓋を被せることにより、捕集後の浮遊粒子状物質Ｐを接触することなく保存状態とすることができる。
また、以上のように捕集された浮遊粒子状物質Ｐは、以下に示すレーザ回折・散乱式粒度分布測定装置を用いることによって、極めて容易に広い粒径範囲にわたり高分解能のもとにその粒度分布を測定することができる。
図４はその粒度分布測定に際しての装置構成例を示す図で、光学的構成を表す模式図と電気的構成を表すブロック図とを併記して示す図である。
レーザ回折・散乱式粒度分布測定装置２０は、被測定粒子群に対して平行なレーザ光を照射する照射光学系２１と、被測定粒子群による回折・散乱光の空間強度分布を測定する測定光学系２２と、その測定光学系２２の出力をサンプリングするデータサンプリング回路２３、およびそのデータサンプリング回路２３によりサンプリングされた回折・散乱光の空間強度分布データを用いて、被測定粒子群の粒度分布を算出するコンピュータ２４を主体として構成されている。
図１に示した捕集装置によってその集塵電極４の凹部４１ａ内に捕集された浮遊粒子状物質Ｐは、その凹部４１ａ内の透明電極膜４ｂに付着させたままの状態で、照射光学系２１と測定光学系２２の間に、その光軸に直交するように立てて配置される。
照射光学系２１は、レーザ光源２１ａ，集光レンズ２２ｂ、空間フィルタ２２ｃおよびコリメートレンズ２３ｄによって構成され、レーザ光源２１ａから出力これたレーザ光を平行光束として集塵電極４の透明電極膜４ｂに付着している浮遊粒子状物質Ｐに照射する。この集塵電極４に照射されたレーザ光は、透明電極膜４ｂに付着している浮遊粒子状物質Ｐにより回折・散乱を受ける。この回折・散乱光の空間強度分布は測定光学系２２によって測定される。
測定光学系２２は、集光レンズ２２ａおよびリングディテクタ２２ｂと、その外側に配置された前方広角度散乱光センサ群２２ｃと、集塵電極４の側方および後方（照射光学系２１側）に配置された側方／後方散乱光センサ群２２ｄによって構成されている。リングディテクタ２２ｂは、互いに異なる半径のリング状または１／２リング状もしくは１／４リング状の受光面を有する光センサを同心上に配置した光センサアレイであって、集光レンズ２２ａにより集光された前方所定角度以内の回折・散乱光の空間強度分布を検出することができる。従って、これらのセンサ群からなる測定光学系２２により、透明電極膜４ｂにランダムに分散して付着している浮遊粒子状物質Ｐによる回折・散乱光の空間強度分布が、前方微小角度から後方に至る広い範囲で測定される。
以上の測定光学系２２による各回折・散乱角度ごとの光強度検出信号は、それぞれのアンプ並びにＡ−Ｄ変換器を有してなるデータサンプリング回路２３によって増幅された上でデジタル化され、回折・散乱光の空間強度分布データとしてコンピュータ２４に取り込まれる。
コンピュータ２４では、その回折・散乱光の空間強度分布を用いて、レーザ回折・散乱式の粒度分布測定において公知の、ミーの散乱理論およびフラウンホーファの回折理論に基づく演算手法により、レーザ光が回折・散乱した原因粒子である浮遊粒子状物質の粒度分布を算出する。
このレーザ回折・散乱式粒度分布測定装置２０による粒度分布の測定によれば、サブミクロンオーダーから１０μｍを越える広い粒径範囲において高い分解能でその粒度分布の測定が可能であり、集塵電極４上の浮遊粒子状物質Ｐの量を、十分な回折・散乱光強度が得られる程度とすることにより、短時間のうちに大気中の浮遊粒子状物質Ｐの粒度分布を高い精度で測定することができる。
ここで、レーザ回折・散乱式粒度分布測定装置２０により上記のように正確な粒度分布を求めるためには、装置の調整が必要である。この調整は、被測定粒子群の測定時と同等の条件のもとに、粒子径が既知の標準粒子を分散状態にしてレーザ光を照射してその回折・散乱光の空間強度分布などを測定する必要がある。上記した本発明の実施の形態における集塵電極４は、透明部材に凹部４１ａを形成してその凹部４１ａの底面に被測定粒子群である浮遊粒子状物質Ｐを付着させて捕集する構造を有しているため、標準粒子を水などの媒液に分散させて凹部４１ａ内に封入してレーザ光を照射することができる。これにより、浮遊粒子状物質Ｐの捕集に用いて回折・散乱光の空間強度分布を測定するものと全く同じ捕集電極４を用いて調整が可能となり、従って、集塵電極４の形状に起因する粒度分布の測定結果の差異をなくして正確な粒度分布を得ることができる。
なお、集塵電極４の透明電極膜４ｂによるコーティング領域は、上記のように凹部４１ａの底面４１ｂのほか、底面４１ｂを含む任意領域としてもよいが、底面４１ｂのみに透明電極膜４ｂをコーティングすることが、浮遊粒子状物質Ｐを凹部４１ａ内に集中して捕集することができ、捕集された浮遊粒子状物質Ｐの面密度を増加させ得る点において好ましい。
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、大気中の浮遊粒子状物質を帯電させて、透明部材の表面に凹部を形成してその凹部の底面に透明電極膜をコーティングした集塵電極上に捕集するので、そのままの状態で顕微鏡による観察に供して鮮明な粒子像を得ることができ、また、個々の粒子を容易に取り出して分析等に供することができる、更には適当な蓋を被せることによって、捕集した浮遊粒子状物質を接触することなく保存することができる。
また、レーザ回折・散乱式粒度分布測定装置を用いて、浮遊粒子状物質を捕集した集塵電極に対してレーザ光を直接的に照射して回折・散乱光を測定して粒度分布を測定することができ、極めて簡単な作業のもとに、従来方法に比してより広い粒径範囲で高分解能の粒度分布の測定が可能となり、その際、測定に先立ち、集塵電極の凹部に標準粒子を媒液に分散させて封入して装置の調整が可能であることから、集塵電極（試料保持部材）の形状に起因する差異をなくすることができるという利点もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の構成を表す模式図である。
【図２】本発明の実施の形態における集塵電極４の詳細構造を示す模式的断面図である。
【図３】本発明の実施の形態における集塵電極４に捕集した浮遊粒子状物質Ｐの保存方法の例の説明図である。
【図４】本発明の実施の形態における集塵電極４に捕集した浮遊粒子状物質Ｐの粒度分布を、レーザ回折・散乱式粒度分布測定装置を用いて測定する場合の装置構成例を示す図で、光学的構成を表す模式図と電気的構成を表すブロック図とを併記して示す図である。
【符号の説明】
１  捕集容器
２  ポンプ
３  放電電極
４  集塵電極
４ａ  ガラス板
４１ａ  凹部
４１ｂ  底面
４ｂ  透明電極膜
５  高圧電源
６  接地電位
２０  レーザ回折・散乱式粒度分布測定装置
２１  照射光学系
２２  測定光学系
２３  データサンプリング回路
２４  コンピュータ
Ｐ  浮遊粒子状物質
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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