JP2004507757A - エアロゾル粒子の粒径分布を測定するための装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、流れ（１１）からエアロゾル粒子の粒径分布を測定するための装置（３０）に関するものであり、装置（３０）は電気移動度分析装置（１０）とインパクタ（２０）とを具備していて、インパクタ（２０）の第一ステージのノズル部（２２ａ）が同時に前記移動度分析装置（１０）の底板であるように電気移動度分析装置（１０）とインパクタ（２０）とが互いに接続されている。

Description

【０００１】
本発明は、請求項１の前文に述べられたエアロゾル粒子の粒径分布を測定するための装置に関するものである。
【０００２】
厳しくなる環境規制とともに、粒子排出物のリアルタイムな測定についての必要性が増大している。特に、実際の排出物に対する監視プロセスにおいてはもとより、濾過方法の開発において、及び様々な燃焼過程の研究において、測定についての必要性が存在している。エアロゾル粒子の粒径分布移動度を分級するために、リアルタイムのエアロゾル測定は、様々な分析装置を利用している。リアルタイムのエアロゾル測定が、例えば微分型電気移動度分析装置（ＤＭＡ）のような粒子の電気移動度を測定するさまざまな分析装置を利用している。
【０００３】
図１は、従来技術による移動度分析装置１０を単純化した図で示している。移動度分析装置１０は、導電性の好ましくは円筒状のフレーム部１２からなっており、前記フレーム部１２は、通常は接地平面である第一の一定電位に接続されており、そしてそのことにより外側電極として働いている。フレーム部１２の端部は、カバー１７ａ及び底板１７ｂを備えている。内側電極１３が、フレーム部１２の中心に配置されており、そして電源１５を介して第二の一定電位に接続されている。電源１５は、装置のフレーム部１２と内側電極１３との間に電場を作り出すために使われている。
【０００４】
分析装置１０のカバー１７ａ及び底板１７ｂは、内側電極１３により必要とされる継手はもとより、入口パイプ１８並びに出口パイプ１４及び１６を実現するための必要な管路を備えている。
【０００５】
粒子がそれらの電気移動度に基づいて電場を使って分けられることが可能であるように、分析装置に導入されるエアロゾル粒子は、移動度分析装置１０の前で電荷をもっていなければならない。この理由のため、エアロゾル粒子は通常、別個のチャージャー（図１には図示されない）によって移動度分析装置１０の前で帯電される。チャージャーからの流れ１１が入口パイプ１８を経由して分析装置に導かれる。流れ１１は、分析装置１０を通過し、主に出口パイプ１６を経由して出てゆく。
【０００６】
流れ１１のなかの帯電したエアロゾル粒子は、分析装置１０のフレーム部と内側電極１３との間の電場に入ると、電荷の符号に基づいて、フレーム部１２の方か、又は内側電極１３の方へ引き寄せられる。通常、移動度分析装置は、調査対象のエアロゾル粒子が内側電極１３の方へ引き寄せられるように作られている。
【０００７】
エアロゾル粒子が電極の方へ移動する速度は、粒子の電気移動度に依存しており、前記移動度は、既知の様態にあって、例えば粒子の質量と電荷に依存している。
【０００８】
大きな電気移動度を有する粒子はより速く、粒子の電荷により定められる電極、通常は内側電極１３、の方へ移動する。この結果として、より大きな電気移動度をもつ粒子が、より小さな電気移動度をもつ粒子より早く内側電極１３に衝突する。流れ１１が分析装置１０の底板１７ｂの方へ流れるので、より大きな電気移動度をもった粒子が、カバー１７ａ側の内側電極１３の端部近くに衝突し、より小さな移動度をもった粒子が、底板１７ｂ側の内側電極１３の端部近くに衝突する。流れ１１と共に分析装置を通過する際に、内側電極１３に到達しない程の小さな電気移動度をもった粒子は、出口パイプ１６をとおって分析装置から排出される。
【０００９】
上述の移動度分析装置１０は、利用すべき解決法に応じて、多くの異なった方法により実現されることが可能である。そのもっとも単純な形式では、解決法は、内側電極１３の内側に配置された出口パイプ１４を全く使用しないものであり、そこでは分析装置１０の中に入って来た全ての流れ１１は、底板１７ｂのオリフィスを通って出口パイプ１６の中へ排出される。従って、ある一定値より大きい電気移動度を持った粒子を流れ１１から取り除くために分析装置を使用することが可能であり、そして前記粒子は内側電極１３の内側に集積される。
【００１０】
ＤＭＡ分析装置は通常、内側電極１３が第二出口パイプ１４につながった狭いスリット１９を備えるように作られている。この結果、スリット１９の中に落ちる粒子は第二出口パイプ１４の中に吸い込まれる。内側電極１３からある一定の間隔をあけて測定されるべき流れ１１が分析装置１０の中に導入されるように分析装置１０が作られているとすると、分析装置１０のフレーム部１２と内側電極１３との間の電圧差を、スリット１９の中に落ちる粒子の移動度のレンジを決めるために調整することが可能である。従って、ＤＭＡ分析装置は、流れ１１を第二出口パイプ１４の中に導くことにより、ある一定の移動度レンジの中に含まれる粒子を分析中の流れ１１から分離するために使用可能であり、そこではより大きな電気移動度をもった粒子が、スリット１９より先に内側電極１３に付着し、より小さな電気移動度をもった粒子が、流れと共に出口パイプ１６を通って排出される。
【００１１】
更に、移動度分析装置１０を多チャンネル微分型移動度分析装置として実現することが知られていて、そこでは、移動度分析装置１０の内側電極１３が、いくつかの検出面を備えており、前記検出面はそこに衝突する粒子の数を例えばそこに衝突する粒子によって運ばれた電荷に基づいて示すものである。検出面の各々が、ある移動度レンジの中に含まれる粒子を捕集するように、検出面が、内側電極１３の表面に好適に配置される。これら検出面により与えられる信号を監視することにより、分析中の流れ１１の中の粒子の電気移動度をリアルタイムに測定すること、及びこのことに基づいて、電気移動度粒子径に基づいた粒径分布を計算することが可能である。
【００１２】
粒子の電気移動度は粒子の質量に反比例するので、つまり粒子の質量が大きくなるほど、粒子の移動度は小さくなるので、移動度分析装置は、小さな質量をもった粒子に対して最も正確である。典型的な粒子測定環境では、十分の数ナノメートルから十分の一ミクロンメートルまで変化する直径をもった粒子を測定することが目的である。このレンジには、粒子の移動度における数オーダーの差異が一般的に存在し、そこでは全てのレンジを同時に一つの装置で十分高精度に測定することが非常に難しい。電気的移動度分析装置は、主に微粒子の分析で使用されており、そこでは、移動度分析装置は微粒子の大きな移動度に起因して最も正確である。
【００１３】
主により大きな粒子を測定するために、空気力学的粒子径に基づいた、例えばインパクタのような分級方法が普通に使用されている。デカチ（Ｄｅｋａｔｉ）社により開発された電気式低圧インパクタ（ＥＬＰＩ）が、エアロゾル粒子のリアルタイムな測定のための解決法を提供している。
【００１４】
図２は、電気式低圧インパクタ２０の二つの上ステージ２１ａ及び２１ｂ、並びにそれらに関係するチャンバ２９ａ及び２９ｂの断面図を示している。分析されるべき空気流れ１１が、ポンプ（図２には示されない）により生み出された負圧によって電気式低圧インパクタ２０の中へ、そしてインパクタの第一チャンバ２９ａの中へ吸い込まれる。各々のステージは、オリフィスを有するノズル部２２ａ、２２ｂを具備しており、空気流れ１１が、前記オリフィスをとおして粒子流れを運ぶ。捕集面２３ａ、２３ｂが、ノズル部２２ａ、２２ｂの後に配置されている。各々の捕集面２３ａ、２３ｂは少なくとも一つの出口２５を備えており、流れ１１が、出口２５をとおって次のチャンバか又はインパクタの外へ流れることが可能となっている。ステージ２０ａと２０ｂとの間に配置された絶縁材２４ａ、２４ｂ、２４ｃが、異なるステージ２０ａ及び２０ｂを互いに絶縁し、さらにインパクタの第一ステージをカバー部２６から絶縁している。
【００１５】
ノズル部２２ａ、２２ｂのオリフィスから流れる空気流れ１１の方向は、それが捕集面２３ａ、２３ｂに衝突するとき、急激に変えられる。流れ１１によって運ばれ且つ十分に大きい空力的粒子径をもっている粒子は、流れの方向における急激な変化についてゆくことができないで、それらは捕集面２３ａ、２３ｂに衝突し、同様に集積される。帯電粒子は、捕集面２３ａ、２３ｂに衝突するとき、捕集面２３ａ、２３ｂの帯電レベルに変化を引き起こす。捕集面２３ａ、２３ｂは、前記インパクタステージ２０ａ、２０ｂに電気的に接続されていて、前記インパクタステージ２０ａ、２０ｂは、電気的結合器２７ａ、２７ｂを介して更に制御ユニット２８に接続されているので、捕集面２３ａ、２３ｂの帯電レベルにおける変化が電流として示され、前記電流が制御ユニット２８に設けられた高感度電流計によって検出される。
【００１６】
上述の方法は、粒子を大きさに従って選択的に分級することを可能にする。公知の方法では、ノズル部２２ａ、２２ｂのオリフィスの数と大きさ、及びノズル部２２ａ、２２ｂと捕集面２３ａ、２３ｂとの間の間隔、及び使用する流速を選択することによって、各々のインパクタステージ２０ａ、２０ｂは、所定の粒子径より大きい粒子だけがそれぞれのステージにおける捕集面に集積するように寸法を決められることが可能である。異なる粒子径をもつ粒子が異なるステージに捕集されるように、一連のインパクタステージの寸法を決めることにより、制御ユニット２８によって測定される、異なるインパクタステージ２０ａ、２０ｂからの電流が、測定されるべき流れ１１の中の粒径分布を空気力学的粒子径に基づいてリアルタイムに測定するために使用されることが可能である。
【００１７】
インパクタの作動原理の結果として、インパクタは、機械的移動度が小さい粒子、即ち一般的に大きな空気力学的粒子径をもった粒子に対して高感度である。他方で、粒子の大きな機械的移動度のせいで、高流速及び流れの方向の急激な変化が流れから粒子を分離するために必要とされるので、インパクタを使って小さな粒子を測定することは難しい。
【００１８】
上述の従来技術のリアルタイムの粒子測定による課題は、広い粒子径レンジにおける測定に対してのそれらの適用不能性である。ＤＭＡ分析装置は、小さな径と大きな電気移動度とをもった粒子の測定に適しており、インパクタは、非常に大きな空気力学的粒子径をもった粒子の測定に適している。
【００１９】
一部の用途では、広い粒子径レンジの中で粒径分布の測定を実行することが有利である。測定が電気移動度分析装置を使って実施されるとすると、課題は大きな粒子に対して装置の感度が低いことであり、そしてインパクタが使用されるとすると、課題は小さな粒子を十分な精度で検出することである。従来技術の装置を使って二つの部分で測定を実行することによりこの課題を解決するための試みが為されており、そこでは電気移動度分析装置１０が、小さな粒子の粒径分布を測定するために最初に使用される。出口パイプ１６を通して移動度分析装置１０から得られた流れが、大きな粒子の粒子径を測定するために単独のインパクタ２０に導かれる。
【００２０】
上述の従来技術の解決法における課題は、二つの別個の測定装置の共同運転にある。通常は、異なった測定装置を使った共同測定は、測定装置の構造においては考慮されていないものであり、そこでは、異なる測定装置の集中的制御を実行することが難しい。更に、異なる測定装置との間の移送配管における粒子損失についての問題が存在することがある。
【００２１】
従来技術の上述の課題を克服するために、エアロゾル粒子の粒径分布測定のための斬新な装置を提供することが、本発明の目的である。この目的は、移動度分析装置の底板を同時にインパクタの第一ステージのノズル部として使用するように、電気移動度分析装置とインパクタとを互いに接続することにより達成される。
【００２２】
より正確には、本発明による装置は、請求項１の特徴記述部に提示されたことの中に特徴付けられる。本発明の有利な実施例が従属請求項に提示される。
【００２３】
以下に、本発明は、添付図面を参照しながら詳細に説明される。
【００２４】
図１及び２は、従来技術の説明とともに上で論述されてきた。
【００２５】
図３は、本発明によるエアロゾル粒子の粒径分布を測定するための装置３０である。装置３０は移動度分析装置１０とインパクタ２０とを一つの装置に一体化している。移動度分析装置の働きと共に上述したように、本発明の解決法は、分析すべき流れ１１を入口パイプ１８を経由して移動度分析装置１０の中に導入する。上述の方法では、所定の電気移動度を持った粒子が、移動度分析装置１０の内側電極１３に衝突する。
【００２６】
図３は、上述の多チャンネル移動度分析装置に基づいた解決法を示しており、そこでは移動度分析装置１０の内側電極１３にいくつかの測定面が設けられている。しかしながら、本発明の解決法は、前記分析装置解決法だけに限定されるわけではなく、本発明による装置３０に属する移動度分析装置は、別の方法でも実現され得るものであり、例えば、所定の移動度レンジの中に含まれる粒子がスリット１９を通って第二出口パイプ１４の中に導かれ、主要な流れ１１が開口１９を通り過ぎて進行し続けるところの、図１に示されたものと同じ解決法を使っても実現されうるものである。
【００２７】
図３に示される装置３０では、移動度分析装置１０を通過する流れは、移動度分析装置１０の後に連結されたインパクタ２０の中に直接的に導かれる。図１に示される移動度分析装置２０の底板１７ｂが、図２に示されるインパクタ２０の第一ステージのノズル部２２ａであるように、移動度分析装置１０とインパクタ２０との間の結合が実行されることが好ましい。
【００２８】
図３のインパクタ２０は三つのステージ２３ａ、２３ｂ、及び２３ｃを具備しており、前記三つのステージは、絶縁材２４ａ、２４ｂ、２４ｃを使って互いから及び移動度分析装置１０から電気的に絶縁されている。
【００２９】
提示された解決法は、移動度分析装置１０とインパクタ２０とを一つのコンパクトな分析装置３０に一体化することを可能にする。例えば、移動度分析装置１０の電圧を調整するために必要とされる手段のような、装置の制御と較正のために使用される装置が、単一の制御ユニット２８中に中枢的に配置されることが可能である。更に、移動度分析装置１０とインパクタ２０とが、明瞭に単一ユニットに一体化されているので、装置は最初から互いにサポートするように容易に構造を決めることが可能であり、そこでは一体化された装置の較正と制御とが、二つの分かれた測定装置の場合におけるよりも著しく簡単に実行可能である。
【００３０】
移動度分析装置１０及びインパクタ２０は、移動度分析装置１０が所定の移動度粒径分布の値より小さい粒子を測定するために使用され、そしてインパクタ２０が所定の空気力学的粒子径の値より大きな粒子を測定するために使用されるように、有利に構造が決められることが可能である。移動度分析装置がインパクタより正確であるところの粒子径レンジの範囲内で、移動度分析装置が測定し、及びインパクタが移動度分析装置より高い測定精度をもっているところの粒子径レンジの範囲内で、インパクタが測定するように、上述の値を好適に決めることが可能である。当然のこととして、測定レンジが部分的に重なることもある。
【００３１】
本発明の解決法の結果、装置間の移送配管の中で起こり得る損失も発生せず、このことが、順順に配置される二つの別個の分析装置による解決法と比較すると、測定の信頼度を高める。
【００３２】
本発明の解決法は特にリアルタイムでの粒径分布測定に適しているが、しかしながら本発明はこの解決法だけに限定されてはいない。なぜなら本発明の解決法は、測定されるべき粒子がある一定の時間分析装置の中に集積されるところのいわゆる積算測定においても適用可能であるためである。粒子を集積した後に、全測定期間で蓄積された粒子が測定される。
【００３３】
本発明による解決法は、上述の例にのみ限定されているわけではなく、特許請求の範囲で規定された範囲内で変化し得るものである。特に、本発明は、例の中で使用された移動度分析装置及びインパクタに限定されているわけではなく、本発明の解決法は、そのようなものとして知られているさまざまな形式の移動度分析装置及びインパクタを使って実現される。
【００３４】
移動度分析装置の“底板”という用語は、それが詳細な説明及び特許請求の範囲において使用されたとき、移動度分析装置の、流れが分析装置から出てゆく底部分を通常指示することが、当然のこととして本技術分野に知識を有する者には、明らかであろう。前記用語は、それが常に移動度分析装置の最下部であるというような限定された意味で解釈されるべきではない。もし必要なら、本発明の装置を実現するために、底部が、板のような形状とは違った構造、及び突出部、その他を備えていてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、従来技術による電気移動度分析装置を示した図である。
【図２】図２は、従来技術による電気式インパクタを示した図である。
【図３】図３は、本発明による測定装置を示した図である

Claims (5)

1. 流れ（１１）からエアロゾル粒子の粒径分布を測定するための装置（３０）であって、装置（３０）が、電気移動度分析装置（１０）とインパクタ（２０）とを具備していて、インパクタ（２０）の第一ステージのノズル部（２２ａ）が同時に前記移動度分析装置（１０）の底板であるように、前記電気移動度分析装置（１０）と前記インパクタ（２０）とが接続されており、更に、前記移動度分析装置（１０）が所定の移動度粒子径の値より小さな粒子を捕集し、且つ前記インパクタ（２０）が所定の空気力学的粒子径の値より大きな粒子を捕集するように、前記移動度分析装置（１０）と前記インパクタ（２０）とが作られていることを特徴とする、装置（３０）。
2. 前記インパクタ（２０）が、電気式低圧インパクタであることを特徴とする、請求項１に記載の装置（３０）。
3. 前記移動度分析装置（１０）が、多チャンネル微分型移動度分析装置であることを特徴とする、請求項１に記載の装置（３０）。
4. 前記移動度分析装置（１０）を通過するほぼ全体の流れ（１１）であって、移動度分析装置（１０）の中に集積されたエアロゾル粒子を含まない前記流れ（１１）が、インパクタ（２０）の第一ステージのノズル部（３５）を通って導かれることを特徴とする、請求項１に記載の装置（３０）。
5. 前記移動度粒子径の値と前記空気力学的粒子径の値とが、同一の粒子径に対して一致することを特徴とする、請求項１に記載の装置（３０）。