JP2005147861A - 浮遊粒子状物質の捕集装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 短時間のうちに集塵電極上に高い密度で大気中の浮遊粒子状物質を捕集することができ、各種分析のためのサンプリング時間を短くすることのできる浮遊粒子状物質の捕集装置を提供する。
【解決手段】 大気が導入される捕集容器１内に、粒子状物質Ｐを帯電させるための放電電極３と、その放電電極３に対して電位差が与えられる集塵電極４を配置するとともに、これらとは別に、これら両電極間に集塵電極４に集中する形状の電界を形成するための電界制御用電極５を配置することにより、帯電した粒子状物質Ｐを電界に沿わせて集塵電極４の狭い領域に導き、短時間で高密度の粒子状物質Ｐの捕集を可能とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、大気中に浮遊する粒子状物質を各種分析や測定に供すべく、効率的に捕集する装置に関する。

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。

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）の分析や調査を行うためには、大気中からこれらの粒子状物質を捕集する必要がある。このような粒子状物質を捕集する方法としては、従来、フィルタを介して大気を吸引し、その大気に含まれている粒子状物質をフィルタに付着させる方法が採用されていた。

しかしながら、大気中に浮遊する粒子状物質をフィルタに付着させる方法では、フィルタに付着した粒子状物質を抽出することが困難であり、例えば蛍光Ｘ線分光装置などのように、分析対象である粒子のみにＸ線を照射することが困難となることから、実質的に分析不能となる場合がある。

そこで、本発明者は、図３に模式的に示すように、ポンプ３２により大気が吸引される捕集容器３１内に放電電極３３と集塵電極３４とを対向配置し、捕集容器３１内に吸引された大気中に含まれる浮遊粒子状物質Ｐを放電電極３３で発生させた単極イオンにより帯電させ、その帯電した粒子状物質Ｐを、放電電極３３に対して電位差が与えられる透明な集塵電極３４に静電的に捕集する装置を提案している（例えば特許文献１参照）。
特開２００３−２１４９９７号公報

上記した特許文献１に開示されている捕集装置によると、大気中の浮遊粒子状物質が集塵電極の表面に捕集されるため、個々の粒子を極めて容易に抽出することができるとともに、集塵電極を透明とすることにより、粒子状物質が付着した集塵電極をそのまま各種分析機器等の粒子保持部材として供して分析等を行うことが可能となる。

しかしながら、このような捕集装置によると、捕集容器内に導入された大気中に含まれる粒子状物質は、放電電極と集塵電極との電位差により集塵電極上に導かれる結果、集塵電極の表面全域に略均等に捕集されることになり、集塵電極上の粒子状物質が各種機器により分析可能な濃度（密度）に達するまでに長時間を要するという問題がある。

また、捕集容器内に導入された大気に含まれる全ての粒子状物質が集塵電極上に捕集されるので、粒子状物質を重量別に弁別して、重量別の分析を行うことが難しいという問題もある。

本発明はこのような実情に鑑みてなされたもので、その主たる目的は、従来の静電式の捕集装置に比して、短時間のうちに高い密度で集塵電極上に粒子状物質を捕集することができ、もって短いサンプリング時間のもとに浮遊粒子状物質の分析を行うことのできる捕集装置を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、粒子状物質をその重量別に弁別して捕集することができ、もって浮遊粒子状物質をその重量別に分析することのできる捕集装置を提供することにある。

上記の主たる目的を達成するため、本発明の浮遊粒子状物質の捕集装置は、大気が導入される捕集容器と、その捕集容器内に配置され、単極イオンを発生して当該捕集容器内に導入された大気中に浮遊する粒子状物質を帯電させる放電電極と、上記捕集容器内に配置され、放電電極に対して電位差が与えられることにより当該捕集容器内で帯電した粒子状物質を捕集する集塵電極を備えた浮遊粒子状物質捕集装置において、上記捕集容器内に、放電電極と集塵電極とは別に、これらの電極間に集塵電極に集中する形状の電界を形成するための電界制御用電極が設けられていることによって特徴づけられる（請求項１）。

また、加えて前記した他の目的を達成するため、請求項２に係る発明の浮遊粒子状物質の捕集装置は、上記集塵電極が、上記捕集容器への大気の導入方向に対向しない位置に配置されているとともに、上記電界制御用電極は、帯電した粒子状物質を大気の導入方向に対して偏向させて上記集塵電極へと向かわせる電界を形成することによって特徴づけられる。

ここで、請求項２に係る発明においては、集塵電極の少なくとも表面部分を、上記大気の導入方向に直交する分割線により複数に分割した構成（請求項３）を採用することが望ましい。

本発明は、捕集容器内に放電電極と集塵電極を設けて、捕集容器内に導入された大気中に浮遊する粒子状物質を放電電極で発生した単極イオンで帯電させて集塵電極に導くのであるが、単にこれら両電極間の電位差により捕集するのではなく、放電電極と集塵電極の間の空間に、集塵電極に集中する形状の電界を形成して、粒子状物質を電界に沿って移動させることにより、所期の目的を達成しようとするものである。

すなわち、捕集容器内に放電電極および集塵電極とは別に、これら両電極間の空間に集塵電極に集中する形状の電界を形成するための電界制御用電極を設け、帯電した粒子状物質をその電界に沿わせて移動させて集塵電極に捕集するように構成すると、粒子状物質を任意の狭い領域に捕集することが可能となり、短時間のうちに集塵電極上に高い濃度（密度）のもとに浮遊粒子状物質を捕集することが可能となる。

また、請求項２に係る発明のように、集塵電極を捕集容器内への大気の導入方向に対向しない、例えば側方に配置し、放電電極で帯電させた粒子状物質を大気の導入方向に対して偏向させて集塵電極へと向かわせる電界を形成すれば、重量の小さい粒子は大気の導入方向に短い距離だけ移動して集塵電極に捕らえられるのに対し、重量の大きい粒子はより長距離だけ移動して集塵電極に捕らえられる。従って、各粒子は、それぞれの重量に応じた集塵電極上の位置に捕集されることになり、粒子状物質の重量ごとに弁別した分析等が容易となる。

そして、請求項３に係る発明のように、請求項２に係る発明における集塵電極を、その少なくとも表面部分について、大気の導入方向に複数に分割した構成とすることにより、分割化された各部分ごとに平均の重量が異なる粒子が捕集されることになり、弁別がより容易化される。

本発明によれば、捕集容器内に導入された大気に含まれる粒子状物質が帯電され、電界制御用電極により形成された電界に沿って集塵電極へと移動するので、単に放電電極と集塵電極との電位差によって集塵電極上に捕集する従来の静電式の捕集装置に比して、集塵電極上の任意の狭い領域に粒子状物質を捕集することができ、短時間のうちに高い濃度（密度）で粒子状物質を捕集することが可能となり、分析のためのサンプリング時間を短縮化することができる。

また、請求項２に係る発明によると、集塵電極を捕集容器への大気の導入方向に対向しない位置に配置し、放電電極により帯電させた粒子状物質を偏向させて集塵電極に導くように構成すれば、粒子状物質はその重量に応じた集塵電極上の位置に捕集されることになり、大気中に浮遊する粒子状物質を重量別に捕集することができ、浮遊粒子状物質の重量ごとの分析を容易に行うことが可能となる。

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示す模式図である。

円筒状の捕集容器１には、大気の流入口１ａと、ポンプ２の吸引口に連通する連通口１ｂが形成されており、ポンプ２を駆動することによりって、大気が流入口１ａを介して捕集容器１内に吸引される。

捕集容器１内には、その上部の流入口１ａに近接して放電電極３が設けられているとともに、その放電電極３に対向して容器底部近傍に集塵電極４が設けられている。更にこの捕集容器１内には、その天井部近傍から上下方向略中間部に至る電界制御用電極５が設けられている。この電界制御用電極５は、円筒部５１の上端部に円板部５２が配された形状を有し、円板部５２の中央には孔５２ａが形成されており、前記した放電電極３はその孔５２ａの直下に配置されている。

放電電極３には高圧電源６から負の高電圧が印加される一方、集塵電極４は接地電位７に接続されている。また、電界制御用電極５には、可変高圧電源８から負の高電圧が印加される。

この例において、電界制御用電極５の円筒部５１ないしは円板部５２の外径寸法は、捕集容器１の内径寸法よりも僅かに小さいのに対し、集塵電極４の直径は捕集容器１の内径寸法に比して大幅に小さい。従って、電界制御用電極５に印加する電圧を適宜に設定することにより、捕集容器１の上半分の空間から徐々に絞られて狭い集塵電極４へと集中する形状の電界が形成される。

以上の実施の形態において、ポンプ２を駆動しつつ放電電極３および電界制御用電極５に高電圧を印加すると、大気が流入口１ａを介して捕集容器１内に流入し、電界制御用電極５の円板部５２の孔５２ａを通って放電電極３の近傍を通過し、その際、大気に含まれる粒子状物質Ｐは、放電電極３により発生した単極イオンにより帯電し、電界制御用電極５により形成された電界に沿って、集塵電極４上の狭い領域に捕集される。

従って、以上の実施の形態によれば、捕集容器１内に流入した大気中に含まれる粒子状物質Ｐを、電界制御用電極５が作る電界に沿って小面積の集塵電極４上に集中的に捕集するので、集塵電極４上には、短時間のうちに高い濃度（密度）で粒子状物質Ｐが捕集され、短いサンプリング時間のもとに各種分析に供することができる。

なお、以上の実施の形態では、電界制御用電極５として円筒部５１の一端に円板部５２を設けた略カップ状の形状のものを用いたが、集塵電極４へと向けて集中するような電界を形成することができるものであれば、電界制御用電極５の形状は特に限定されるものではない。

次に、本発明の他の実施の形態について述べる。図２はその構成を示す模式図である。 この例の特徴は、捕集容器１０内に、当該捕集容器１０内への大気の導入方向に直交する位置に平板状の集塵電極４０を配置するとともに、その集塵電極４０に対向するように平板状の電界制御用電極５０を配置した点にある。

すなわち、捕集容器１０には、先の例と同様にその上部に大気の流入口１０ａが設けられ、その底部にポンプ２の吸引口に連通する連通口１０ｂが設けられている。放電電極３についても、先の例と同様に流入口１０ａの直下に設けられているが、集塵電極４０は捕集容器１０の側壁と平行に鉛直方向に沿って配置され、その集塵電極４０に対向するように電界制御用電極５０が鉛直に配置されている。そして、この例においても、放電電極３には高圧電源６からの高電圧が印加され、集塵電極４０は接地電位７に接続され、電界制御用電極５０は可変高圧電源８からの電圧が印加される。

そして、この実施の形態における集塵電極４０は、１枚の共通電極４１と、その共通電極４１に対して電気的および機械的に接続される複数の分割透明電極４２ａ〜４２ｄによって構成されており、分割透明電極４２ａ〜４２ｄは上下に、つまり大気の導入方向に分割されている。なお、各分割透明電極４２ａ〜４２ｄは、例えばガラス板の周囲に導電性透明皮膜をコーティングする等の構成を採用することができる。

以上の実施の形態において、ポンプ２を駆動しつつ放電電極３および電界制御用電極５０に電圧を印加すると、流入口１０ａを介して捕集容器１０内に大気が流入し、その大気に含まれている浮遊粒子状物質Ｐは放電電極３が発生する単極イオンにより帯電する。集塵電極４０と電界制御用電極５０の間には、図２において破線で示すような電界が形成されるので、帯電した粒子状物質Ｐはその電界に沿った方向、つまり大気の導入方向に対して偏向した方向へと移動して集塵電極４０へと向かう。このとき、各粒子状物質Ｐの荷電量が一定であるならば、重量の小さな粒子ほど流入口１０ａからの飛行距離が短い間に集塵電極４０に捕集される。換言すれば、上下に分割された透明分割電極４２ａ〜４２ｄのうち、上側の電極ほど重量の小さい粒子状物質Ｐが捕集されることになり、浮遊粒子状物質Ｐは、透明分割電極４２ａ〜４２ｄに重量弁別されて捕集されることになる。

粒子の荷電量が明らかであれば、電界制御用電極５０により電界を適宜に制御することにより、特定の重量範囲の粒子を、透明分割電極４２ａ〜４２ｄのうちの特定のものに捕集することが可能となり、その特定の透明分割電極を取り出して分析に供することにより、任意の重量範囲の粒子について分析を行うことが可能となる。また、この電極を透明としているので、これを分析機器の試料保持部材として兼用すれば、分析作業の簡略化を達成することもできる。

なお、以上の実施の形態では、集塵電極を上下に分割した例を示したが、本発明は特に分割することに限定されず、１枚の集塵電極を用いることもでき、その場合、その集塵電極には上から下へと向けて次第に重量が大きな粒子が捕集されることになり、適宜に領域を区切って粒子を抽出して分析に供すればよい。

本発明の実施の形態の構成を示す模式図である。 本発明の他の実施の形態の構成を示す模式図である。 従来の静電式の浮遊粒子状物質の捕集装置の構成例の説明図である。

符号の説明

１，１０ 捕集容器
１ａ，１０ａ 流入口
１ｂ，１０ｂ 連通口
２ ポンプ
３ 放電電極
４，４０ 集塵電極
４１ 共通電極
４２ａ〜４２ｄ 透明分割電極
５，５０ 電界制御用電極
６ 高圧電源
７ 接地電位
８ 可変高圧電源
Ｐ 浮遊粒子状物質

Claims (3)

1. 大気が導入される捕集容器と、その捕集容器内に配置され、単極イオンを発生して当該捕集容器内に導入された大気中に浮遊する粒子状物質を帯電させる放電電極と、上記捕集容器内に配置され、放電電極に対して電位差が与えられることにより当該捕集容器内で帯電した粒子状物質を捕集する集塵電極を備えた浮遊粒子状物質捕集装置において、
   上記捕集容器内に、放電電極と集塵電極とは別に、これらの電極間に集塵電極に集中する形状の電界を形成するための電界制御用電極が設けられていることを特徴とする浮遊粒子状物質の捕集装置。
2. 上記集塵電極が、上記捕集容器への大気の導入方向に対向しない位置に配置されているとともに、上記電界制御用電極は、帯電した粒子状物質を大気の導入方向に対して偏向させて上記集塵電極へと向かわせる電界を形成することを特徴とする請求項１に記載の浮遊粒子状物質の捕集装置。
3. 請求項２における集塵電極の少なくとも表面部分が、上記大気の導入方向に直交する分割線により複数に分割されていることを特徴とする請求項２に記載の浮遊粒子状物質の捕集装置。

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