JP2005106670A

JP2005106670A - エアロゾル荷電中和装置

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Publication number: JP2005106670A
Application number: JP2003341192A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Sakurai; 博桜井; Akifumi Seto; 瀬戸章文
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2003-09-30
Filing date: 2003-09-30
Publication date: 2005-04-21
Anticipated expiration: 2023-09-30
Also published as: JP4221501B2

Abstract

【課題】気体中に浮遊する微粒子の集合体（エアロゾル）に対しその粒径分布を電気移動度分級法により計測する際に、その荷電量分布を中和状態にでき、かつ、放射線源を用いない装置を提供すること。また、中和化のために新たにガスを導入する必要がなく、流量調節が簡便で、かつ試料エアロゾルが希釈されない中和装置を提供する。
【解決手段】エアロゾル流入口１２とエアロゾル流出口１３の間の導電材で作られた容器と、交流によるイオン発生装置１４と、交流電源１６からなるエアロゾルの荷電中和装置であって、交流放電を用いて正イオンと負イオンを発生させるイオン発生装置が、粒子を荷電中和する場の中心部にあり、双方の場が同一空間内にあることを特徴とするエアロゾルの荷電中和装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、エアロゾルの荷電分布を中和化する技術に関するもので、エアロゾル中の粒子の粒径分布測定において、既知の荷電分布量を簡便に実現するために利用されるものである。

エアロゾルの構成粒子の荷電量は一般に分布を持つが、その分布の平均をほぼゼロ（無荷電）にする中和化技術は、電気移動度分級によるエアロゾル粒子の粒径分布計測で重要な技術として広く用いられている。中和技術を用いた電気移動度分布測定は、従来から詳細に議論されており（非特許文献１参照）、また、これまでに米国TSI社を含め複数の製造業者により商品化されている。こうした測定装置は、微粒子を用いる製造プロセス中の粒子粒径分布や、大気エアロゾルや自動車排ガス中の微粒子の粒径分布の測定など幅広く用いられている。

中和荷電分布状態のエアロゾルは、その構成粒子のほとんどが無帯電であるが、同時に一部の粒子は正か負の電荷を一価、あるいは多価帯びて存在する。それぞれの価数の粒子数は正負ほぼ同数であり、荷電価数を横軸にとり、それぞれの荷電価数の粒子の存在頻度を縦軸にとった頻度分布は、ゼロを最頻値とした正負対称の分布となる。この様な荷電分布状態を中和状態と称する。中和状態では、こうした荷電数と荷電・無荷電率の分布が粒径毎にわかっているので、電気移動度法により測定された荷電粒子の粒径分布から、無帯電粒子をも含めた全粒子の粒径分布を換算し、正確に求めることができる。

エアロゾル粒子の中和化には、放射性物質を用いた装置がもっとも頻繁に利用されている。このような中和装置は例えば非特許文献１に詳しく述べられており、その構成の一例を図２に記す。この装置内では、放射性物質２４から放出される高エネルギー粒子が気体分子と衝突し、多量のイオンを正負ほぼ同数発生させる。このようにして発生した両極イオンがブラウン運動する過程で浮遊粒子に付着し、粒子の荷電量を変化させる。正と負のイオンがほぼ同数存在する状況における荷電粒子へのイオンの付着確率は、粒子の持つ電荷と反対の極性を持つイオンの付着確率が、粒子と同じ極性をもつイオンの付着確率を上回るので、その結果、両極イオンと粒子の間の付着反応は、大多数の粒子を無帯電状態化する。しかしながら、一部の粒子は正か負の一価に帯電し、さらに少数の粒子は正または負の多価に帯電し、粒子全体としては上記の中和荷電状態に至る。

エアロゾルの中和化を目的とした両極イオン発生には、放電を利用することも可能である。例えば、直流コロナ放電を用いて、正の直流コロナ放電による正イオンの発生と負の直流コロナ放電による負イオンの発生を同時に行い、それらのイオンを混合することにより正と負のイオンをほぼ同量含む両極イオンを発生させている。この装置では、イオン発生場と粒子を荷電中和する場を分離している。この分離は、直流コロナ放電場内での粒子の損失を防ぐために必要である（非特許文献２参照）。また、交流コロナ放電を用いた両極イオンの発生装置とエアロゾル粒子の中和化への適用が論じられているが、この中和法においても、両極イオン発生部は粒子荷電中和場と分離されている（特許文献１参照）。

両極イオンの発生によるエアロゾルの中和技術としては、このほかに紫外線照射による光電子放出を利用した正イオンと光電子の発生を用いた技術がある（特許文献２）。
しかしこの方法では、中和装置内に直流電場を発生させて正負イオン数の調節を行うとする原理のため、帯電した粒子は中和装置内の電場により装置壁面に輸送され損失されてしまう。電気移動度測定は荷電粒子にのみ有効であるので、この中和法は電気移動度測定と組み合わせての使用には適さない。

エアロゾル粒子の荷電分布を調節する技術はこの他にも数多く提案・実用化されている。そうした技術は、中和化が目的ではなく、正または負の単極イオンを用いて無帯電状態の粒子を帯電状態化することを目的とするものがほとんどである。
粒子の帯電化の結果、粒子の空間中での輸送制御を容易にすることを目的とし、そうした荷電技術と輸送制御技術は、粒子を材料要素とする製造プロセスにおける生産効率の向上や（特許文献３参照）、コピー機中でのトナー粒子の制御（特許文献４参照）、電気集塵による気中からの粒子除去（特許文献５参照）、さらには荷電粒子にのみ感度を持つ粒子計測装置の測定感度の上昇（特許文献６参照）といった用途に利用されている。
これらの荷電技術では、直流放電から発生する単極イオンや（特許文献７参照）、放射性物質から発生する両極イオンのうち単極成分のみを取り出したもの（特許文献８参照）を用いたものがある。
しかしながら、無帯電粒子の荷電化を目的とするこうした手法では、いずれの場合でも粒子の荷電分布がゼロから正または負の一方に偏り、中和状態の荷電分布には至らない。また、多くの多価荷電粒子が発生するので、電気移動度法による粒径分布測定においては、多価荷電を有する粗大粒子と一価荷電の微小粒子が同じ電気移動度として測定される感度交差の問題を発生させてしまう。したがってこうした粒子荷電技術を電気移動度法による粒径測定を目的とした中和技術としてそのまま利用することは困難である。

特許第３３９３２７０号明細書特許第２６７０９４２号明細書特開２００２−１９０２５８号公報特開２０００−１８７３６９号公報特開昭５２−９９４８０号公報特表２０００−５０４１１１号公報特許昭６２−１９０３３号公報特開平７−２４３５７号公報 Knutson, E. O. (1976). Extended electric mobility method for measuring aerosol particle size and concentration. Fine Particles, Aerosol Generation, Measurement, Sampling, and Analysis. B. Y. H. Liu. New York, NY, Academic Press: 740-762. Adachi, M. et al. (1993). "Aerosol charge neutralization by a corona ionizer." Aerosol Sci. Technol. 18: 48-58.

前記の放射性物質を用いた中和装置は、放射性物質使用認可を受けた場所においてのみ、かつ放射性物質取扱認可を受けた者によってのみ使用が可能であるという制限があった。また、認可条件を満たす場合であっても、放射性物質の使用に伴う人体への健康影響をなくすための安全管理や保管に関して特別な取り扱いが必要であった。

また、非特許文献２ならびに特許文献１のコロナ放電を用いた中和装置では、イオン発生部がエアロゾルの流路と分離されており、イオン発生部で生じたイオンを被中和エアロゾルと混合させるために、イオン発生部独自のガス導入と流量制御が必要となり、中和装置の構造の複雑化を伴う。また、イオンを含むガスの被中和エアロゾルへの混入はエアロゾルを希釈し粒子濃度の低下を生じさせる。さらに、特許文献２では、装置内の直流電場による荷電粒子の損失が生じる。

本発明は、交流放電を用いてイオン発生装置から両極イオンを発生させることによりエアロゾルの荷電分布を中和化する。すなわち、直流成分がゼロ（バイアスがかかってない）の交流電圧を印加することができるため、放電を用いても電極周辺で粒子損失を生じることがないので、従来の装置では考えられなかった場所、すなわち、粒子を荷電中和する場の中心部にイオン発生機能を持つことが出来るため、構造が簡単で、コントロールしやすく、取り扱いやすいエアロゾルの荷電中和装置を作り出すことに成功した。
すなわち、本発明は、エアロゾル流入口とエアロゾル流出口の間の導電材で作られた容器と、交流によるイオン発生装置と、交流電源からなるエアロゾルの荷電中和装置であって、交流放電を用いて正イオンと負イオンを発生させるイオン発生装置が、粒子を荷電中和する場の中心部にあり、双方の場が同一空間内にあることを特徴とするエアロゾルの荷電中和装置を提供する。

本発明においては、交流によるイオン発生装置を用いるため、放射性物質を用いないので、使用認可や取扱認可による中和装置使用の制限がなくなる。また、中和装置の取り扱いや保管が、放射性物質を用いるものより容易になる。

本発明においては、交流によるイオン発生装置は、微細な突起を表面に有する構造の放電電極を使用し、かつ、直流成分がゼロ（バイアスがかかってない）の交流電圧を印加することにより、放電を用いても電極周辺で粒子損失を生じることがないので、放電電極を被中和エアロゾル流路内に置くことが可能となる。その結果、イオン発生部をエアロゾル流路から分離する必要がなくなり、ガスを新たに導入する必要がなく、流量制御などの装置構造を簡略化することができる。

本発明においては、放電に用いる印加電圧を発生する電源は通常電圧の発生・停止が制御できるものを用いることから、そうした電源を操作することにより、装置の取り外しをすることなく中和作用の有無を制御できる。

本発明においては、交流放電を用いて正イオンと負イオンを発生させる場の中心にイオン発生装置があり、空間を構成する導電材が接地されているエアロゾルの荷電中和装置とすることができる。
また、本発明においては、交流によるイオン発生装置は放電電極と接地電極からなり、放電電極にはその表面に微細な突起を有する構造を有するものを使用する。接地電極は薄い絶縁層を介して放電電極を取り囲み、電極対近傍空間に局所的にのみ電場を形成することができるよう上記電極の対が設けられているエアロゾルの荷電中和装置とすることができる。
そのような放電電極を被中和エアロゾルの流路内に置き、直流成分がゼロの交流電圧を印加する。また、電圧と周波数は、正負ほぼ同量のイオンを発生させるために適切な値にそれぞれ設定する。

本発明で用いるエアロゾルの荷電中和装置を図１と図３を用いて説明する。
図１にエアロゾルの荷電中和装置の構成の全体図を示す。中和装置容器は円筒に枝管を付随した金属製容器１１と、その両端に金属製のエアロゾル流入口１２と流出口１３を有し、容器内部にはイオン発生装置１４を設置する。イオン発生装置１４は、交流電圧が印加された場合に安定した放電を持続できるものを用いる必要があり、本発明では沿面コロナ放電電極の構造を用いる。
この放電電極への導線１９は、電流導入端子１５を介して外部の交流電源１６と接続される。放電電極への導線１９と円筒容器との間の空間に直流電場を生じさせないよう、イオン発生装置１４の一方へ接続された接地電極への導線１７は導線１８を介して円筒状容器と電気的に接続する。放電電極に接続された導線１９は容器枝管部中に配置し、被中和エアロゾルの流れとできる限り分離し、導線１９周辺に発生する電場による粒子損失を抑制する。同様の理由により、導線１９の長さはできる限り短くする。中和装置内を流れるエアロゾル流量は、流出口１３に接続されるエアロゾル流路下流の装置の流量制御により決定される。

図３にイオン発生装置の構造を示す。交流電圧は導線３２を介して放電電極３１に印加される。放電電極３１の周囲には、薄い絶縁層を介して、これを取り囲むように接地電極３３を配置する。この放電電極３１と接地電極３３の間の間隔は、安定した放電が得られる範囲でできる限り小さくする。接地電極３３は導線３４を介して接地する。

本発明の装置において、正負のイオンをほぼ同数発生させるために放電電極に印加する電圧と周波数を最適化するには、極性別のイオン個数濃度を電圧と周波数の関数として測定する。
そうした測定結果の例を表１に示す。負イオン濃度が正イオン濃度を若干上回る場合が多く見られたが、電圧が３ｋVで周波数が５０Ｈｚの条件においては、正負ほぼ同量のイオン濃度が見られ、中和化を目的とする操作条件を満たすことがわかる。また、放射性物質（アメリシウム２４１）を用いた中和装置の発生するイオン濃度を表１の最下部に示したが、これらとの比較から、放電によって発生されたイオン濃度と放射性物質により発生されたイオン濃度がほぼ同量であることがわかり、放電による中和装置が放射性物質を用いた中和装置と同様の中和性能を持つであろうことが類推される。

最適の条件を表１を参考にしながら定めて（３ｋV、５０Ｈｚ）、粒子発生装置から生じた無荷電状態の銀粒子エアロゾルに対して本発明の中和装置を適用し、粒子の一部が荷電した様子を微分型電気移動度分級装置により測定し、粒径ごとの荷電粒子個数濃度を正負それぞれ求めた。その結果を、図４に示す。それぞれの粒径において正負の荷電粒子量がほぼ同量であり、両極イオンによって荷電分布がゼロを中心とした正負対称型になっていると考えられる。

本発明のエアロゾル荷電中和装置は、交流によるイオン発生装置を用いるため、放射性物質を用いないので、使用認可や取扱認可による中和装置使用の制限がなくなる。また、中和装置の取り扱いや保管が、放射性物質を用いるものより容易になるので、荷電中和を用いたエアロゾル測定に画期的な簡便性を与えることが出来る。

本発明の一実施形態におけるエアロゾル荷電中和装置の概略図従来の放射性物質を用いたエアロゾル荷電中和装置の概略図イオン発生装置の電極構造の概略図無帯電銀粒子エアロゾルを本発明のエアロゾル荷電中和装置内を通過させた結果生じた正負荷電粒子の粒径別個数濃度分布（表１）本発明のエアロゾル荷電中和装置から発生する正負イオン濃度の印加電圧と周波数に対する依存性と、放射性物質を用いた中和装置から発生する正負イオン濃度

符号の説明

１１中和装置容器
１２エアロゾル流入口
１３エアロゾル流出口
１４イオン発生装置
１５電流導入端子
１６交流電源
１７導線
１８導線
１９導線
２１従来型中和装置容器
２２エアロゾル流入口
２３エアロゾル流出口
２４放射性物質を含有する放射線源
３１放電電極
３２導線
３３接地電極
３４導線
３５電極基板

Claims

エアロゾル流入口とエアロゾル流出口の間の導電材で作られた容器と、交流によるイオン発生装置と、交流電源からなるエアロゾルの荷電中和装置であって、交流放電を用いて正イオンと負イオンを発生させる場が、粒子を荷電中和する場の中心部にあり、双方の場が同一空間内にあることを特徴とするエアロゾルの荷電中和装置。
交流による放電を用いて正イオンと負イオンを発生させる場の中心に、交流によるイオン発生装置があり、空間を構成する導電材が接地されている請求項１に記載したエアロゾルの荷電中和装置。
交流によるイオン発生装置は、放電電極と接地電極からなり、放電電極は、その表面に微細な突起を有する構造を有し、接地電極は、薄い絶縁層を介して、放電電極を取り囲むように設けられていることを特徴とする請求項２に記載したエアロゾルの荷電中和装置。
放電電極にかける交流が、バイアスがかかっていない交流を用いることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載したエアロゾルの荷電中和装置。
放電により発生される正負のイオン個数をほぼ同数にするよう、印加される交流電圧ならびに周波数が設定されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかひとつに記載したエアロゾルの荷電中和装置。