JP2007171001A - 微粒子計測装置および計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】流体に含まれる微粒子の中から所定の粒径範囲内の微粒子だけを、正確に且つ安定して時系列的に計測する。
【解決手段】帯電させた微粒子を含んだ計測対象流体と、搬送流体とが層を成すような状態で流しておき、流れに交差する方向の電場を形成する。微粒子が電場を受けて流れを横切る方向に移動する速度は粒径に依存するので、微粒子は粒径に応じて異なる経路を通過する。この性質を利用して、計測対象の微粒子を、所望の粒径よりも大きな微粒子と小さな微粒子とに分離し、何れか一方の微粒子を検出する。こうすれば、電場の強さや、搬送流体の流速などを適切に設定することで、所望の粒径よりも大きな微粒子、あるいは所望の粒径よりも小さな微粒子だけを、高い精度で且つ安定して、しかも時系列的に計測することが可能となる。
【選択図】図２

Description

本発明は、流体中の微粒子を連続的に、且つ粒径に関する情報を含めて計測する技術に関する。

内燃機関は、小型でありながら比較的大きな動力を出力可能という優れた特性を備えていることから、自動車や船舶、航空機などの各種輸送機関の動力源として、あるいは定置式の各種機器の動力源として広く使用されている。これら内燃機関は、燃焼室内で圧縮した混合気を燃焼させ、そのときに発生する燃焼圧力を機械的な仕事に変換して、動力として取り出すことを動作原理としている。

こうした内燃機関の中でも燃料を燃焼室内に直接噴射し、燃料噴霧を拡散燃焼させる方式の内燃機関（いわゆるディーゼルエンジンや筒内噴射ガソリンエンジンなど）は、燃料消費効率が高いという優れた特性を有している。しかし、その一方で、排気ガス中に含まれる粒子状物質（Ｐaticulate Ｍatter 、以下ではＰＭ）が健康に悪影響を与える可能性が指摘されているため、ディーゼルエンジン等のこうした燃焼方式の内燃機関には、排気ガス中に含まれるＰＭの重量濃度を許容値以下に抑制する旨の法律的な規制が定められている。また近年では、ＰＭの中でも比較的小さな特定の粒径範囲の微粒子が、人体に何らかの影響を与える可能性が指摘されており、これら微粒子の健康に与える影響が、規制の必要性も含めて検討されている。

このような排気ガス中の微粒子を計測する技術としては、例えば、捕集部材を用いて微粒子を粒径別に捕集して計測する技術や（例えば、特許文献１）、排気ガス中に光を入射した時の微粒子からの散乱光に基づいて微粒子濃度を計測する技術（例えば、特許文献２）、更には、帯電させた微粒子が流体からの抵抗を受けながら電場中を移動する速度の違いを利用して、微粒子を分級しながら計測する技術（特許文献３）などが提案されている。

特開２００３−３５６３６号公報 特開２００３−１１４１９２号公報 特開２００５−２４４０９号公報

しかし、提案されている技術では、何れも、計測対象とする小さな粒径範囲の微粒子を、安定して正確に且つ時系列的に計測することは困難であるという問題があった。すなわち、計測対象とする小さな粒径範囲では、分子間力や、静電力、熱泳動などの作用が大きく現れるので、捕集部材を用いて微粒子を捕集したのでは計測条件の影響が強く受けてしまい、対象とする粒径範囲の微粒子だけを高い精度で且つ安定して計測することは困難である。もちろん、時系列的な計測を行うこともできない。また、微粒子からの散乱光を検出する方法では、時系列的な計測が可能であるものの、微粒子の粒径に関する情報を得ることは困難である。更に、帯電させた微粒子が電場中を移動する速度の違いを利用して、微粒子を分級しながら計測する方法では、高い精度で且つ安定して時系列的な計測が可能ではあるものの、予め計測対象に設定しておいた非常に狭い粒径範囲（実質的には、ある特定の粒径）の微粒子しか計測することができない。従って、対象とする粒径範囲を計測するためには、計測する粒径を少しずつ変更しながら、何回にも分けて計測しなければならないので、計測に手間がかかるだけでなく、最終的な計測精度も低下してしまう。

また、上述した課題は、排気ガス中の微粒子を計測する場合に限られず、流体中の微粒子の中から計測対象とする粒径範囲の微粒子だけを、連続的に計測しようとする場合にも、全く同様に生じ得る。

この発明は、従来の技術における上述した課題を解決するためになされたものであり、流体に含まれる微粒子の中から、所定の粒径範囲内の微粒子だけを、高い精度で且つ安定して、しかも時系列的に計測することを可能とする技術の提供を目的とする。

上述した課題の少なくとも一部を解決するために、本発明の微粒子計測装置は次の構成を採用した。すなわち、
流体中に含まれる微粒子を計測する微粒子計測装置であって、
前記計測対象の微粒子を含んだ流体たる計測対象流体と、該計測対象流体と共に供給される搬送流体とが層を成して流れる通路部と、
前記通路部の上流側に設けられて、前記微粒子を帯電させる微粒子帯電部と、
前記微粒子帯電部の下流側で、前記搬送流体の流れに交差する方向の電場を形成する電場形成部と、
前記計測対象流体および前記搬送流体が前記電場内を通過する際に、前記帯電した微粒子が該電場の力を受けて該搬送流体の流れを横切る方向に移動する速度が、該微粒子の粒径に応じて異なる性質を利用して、該微粒子を、該移動速度が所定の閾値速度よりも小さな大径微粒子と、該移動速度が該閾値速度よりも大きな小径微粒子とに分離する微粒子分離部と、
前記大径微粒子または前記小径微粒子の何れか一方を検出する微粒子検出部と
を備えることを要旨とする。

また、上記の微粒子計測装置に対応する本発明の計測方法は、
流体中に含まれる微粒子を計測する計測方法であって、
前記計測対象の微粒子を含んだ流体たる計測対象流体と、該計測対象流体と共に供給される搬送流体とが、通路内で層を成した状態の流れを形成する第１の工程と、
前記通路の上流側で、前記微粒子を帯電させる第２の工程と、
前記帯電した微粒子を含んだ計測対象流体および前記搬送流体の流れに対して交差する方向の電場を形成する第３の工程と、
前記計測対象流体および前記搬送流体が前記電場内を通過する際に、前記帯電した微粒子が該電場の力を受けて該搬送流体の流れを横切る方向に移動する速度が、該微粒子の粒径に応じて異なる性質を利用して、該微粒子を、該移動速度が所定の閾値速度よりも小さな大径微粒子と、該移動速度が該閾値速度よりも大きな小径微粒子とに分離する第４の工程と、
前記大径微粒子または前記小径微粒子の何れか一方を検出する第５の工程と
を備えることを要旨とする。

かかる本発明の微粒子計測装置および計測方法においては、計測対象の微粒子を含んだ計測対象流体と、搬送流体とが、層を成した状態の流れを通路内に形成しておき、この流れに交差する方向に電場を加えるとともに、流れの上流では計測対象の微粒子を帯電させる。帯電した微粒子は、計測対象流体の流れに載って上流から下流へと流されながら、電場からの力を受けて、流れと交差する方向に少しずつ移動し、やがて搬送流体の中に進入する。ここで、帯電した微粒子が流れと交差する方向に移動する速度は、微粒子の粒径に応じて異なっており、粒径が大きくなるほど流体から受ける抵抗が大きくなるので移動速度は小さくなる。その結果、帯電した微粒子は、通路内を、粒径に応じて異なった経路を通って、下流側へと流されていくことになる。

本発明の微粒子計測装置および計測方法では、こうした性質を利用して、移動速度が所定の閾値速度よりも大きいか小さいかによって微粒子を分離し、何れか一方の微粒子を検出する。上述したように、移動速度が異なれば通路内で微粒子が通過する経路も異なるので、適切な位置で微粒子を採取することで、何れか一方の微粒子を検出することができる。そして、上述したように、粒子の粒径が大きくなるほど、流れを横切る方向への移動速度は小さくなることから、移動速度が閾値速度よりも大きな微粒子のみを採取した場合には、対応する粒径よりも小さな微粒子のみが検出され、逆に、移動速度が閾値速度よりも小さな微粒子のみを採取した場合には、大きな微粒子のみが検出されることになる。

このことから、本発明の微粒子計測装置および計測方法においては、電場の強さや、搬送流体の流速、微粒子の採取位置などを、予め適切に設定しておくことで、所望の粒径よりも大きな微粒子、あるいは所望の粒径よりも小さな微粒子だけを、高い精度で且つ安定して、しかも時系列的に計測することが可能となる。

また、本発明の微粒子計測装置および計測方法によれば、計測対象流体および搬送流体を、互いに層を成した状態で通路内に流しておき、上流側では微粒子を帯電させ、下流側では電場を形成するという極めて簡素な構成で、所望の粒径範囲の微粒子のみを検出することができる。このため、装置全体を簡素な構成とすることができるので、信頼性が高く、しかも小型で製造が容易な計測装置とすることが可能となる。

更に、本願発明の微粒子計測装置および計測方法では、検出した微粒子の粒径範囲を、電場の強さや、搬送流体の流速、微粒子の採取位置などから、較正によらず正確に且つ一意的に決定することができる。このため、極めて信頼性の高い計測値を得ることが可能となる。

また、本発明の微粒子計測装置においては、次のようにして微粒子を分離することとしても良い。すなわち、移動速度が所定の第１の閾値速度よりも小さな微粒子を、計測対象外の大径の微粒子として除去するとともに、所定の第２の閾値速度（但し、第１の閾値速度よりも大きい）よりも大きな微粒子を、計測対象外の小径の微粒子として除去することとしてもよい。そして、これら計測対象外の大径の微粒子、および計測対象外の小径の微粒子を除いた残余の微粒子を、計測対象の微粒子として検出することとしてもよい。

こうすれば、第１の閾値速度および第２の閾値速度を適切に設定することで、所望の粒径範囲の微粒子だけを、高い精度で且つ安定して、しかも時系列的に計測することが可能となる。

以下では、上述した本願の発明について、実施例に基づいて詳細に説明する。図１は、本実施例の微粒子計測装置１００を使用して、内燃機関１０の排気ガス中に含まれる微粒子を計測する様子を、概念的に示した説明図である。先ず、図示した微粒子計測装置１００の大まかな構造について説明する。

図１に示されているように、本実施例の微粒子計測装置１００は、大まかには、分級通路１１０と、粒子検出器１２０と、高圧電源１３０などから構成されている。分級通路１１０の上流側には、微粒子を含んだ計測対象流体を導入するための計測対象流体導入管１４０と、分級通路内に搬送流体を供給するための搬送流体供給管１５０とが接続されており、分級通路１１０の下流側には、計測対象流体および搬送流体を放出するための放出通路１６０が接続されている。また、計測対象流体導入管１４０の途中には帯電器１７０が設けられている。帯電器１７０は、内部でコロナ放電などを行うことにより、通過する微粒子に電荷を付与することが可能となっている。分級通路１１０は、断面が略円形状に形成されており、分級通路１１０のほぼ中心には、円柱状の電極１８０が設けられている。電極１８０と分級通路１１０の内壁面との間には、高圧電源１３０によって電場を形成可能となっている。

微粒子計測装置１００を用いて、内燃機関１０の排気ガス中に含まれる微粒子を計測する場合には、計測対象流体導入管１４０を内燃機関の排気管１２に装着するとともに、放出通路１６０に排気ブロア２０を接続して、排気ガスを計測対象流体導入管１４０に吸引する。排気ガス中に含まれている微粒子は、計測対象流体導入管１４０に設けられた帯電器１７０で電荷が付与された後、分級通路１１０内に流入する。また、搬送流体供給管１５０の上流は、圧送ポンプ３０に接続されており、排気ガスの流入に合わせて、搬送流体供給管１５０からは搬送ガスを分級通路１１０内に供給する。搬送ガスとしては、空気など、微粒子を含まない種々の気体を用いることができる。

図１では、微粒子を含んだ排気ガスの流れを、斜線を付した矢印で表し、搬送ガスの流れを白抜きの矢印で表している。図示されているように、排気ガスと搬送ガスとは互いに層を成した状態で、ほとんど混じり合うことなく分級通路１１０内を流れていく。前述したように、分級通路１１０の中心に設けられた電極１８０と、分級通路１１０の内壁面との間には電場が形成されているので、排気ガス中に含まれている微粒子は、電場からのクーロン力を受けて流れを横切る方向に移動する。

分級通路１１０の壁面には、大きな採取口１２２が設けられている。上述したように、排気ガス中の微粒子は、排気ガスあるいは搬送ガスによって分級通路１１０内を下流に向かって流されているから、流れを横切る移動速度があまりに遅い微粒子は採取口１２２では採取されずに、放出通路１６０へと排出される。また、移動速度があまりに速い微粒子は、採取口１２２の上流側で分級通路１１０の内壁面に捕捉されてしまうので、採取口１２２で採取されることはない。その結果、所定の粒径範囲の微粒子だけが採取口１２２で採取されて、粒子検出器１２０に導かれるようになっている。採取口１２２で所定の粒径範囲の微粒子だけが採取されるメカニズムについては、後ほど詳しく説明する。

粒子検出器１２０としては、光学的な手法を利用して粒子の数をカウントする粒子カウンタを好適に用いることができる。あるいは、いわゆるＦＩＤ（水素炎イオン化検出器、Ｆlam Ｉonization Ｄetector）を用いて微粒子に含まれる炭素濃度を検出したり、更には、帯電した微粒子の流れを、いわゆるファラデーカップを用いて電流として直接検出するなど、他の種々の方法を適用することも可能である。

図２は、排気ガスに含まれる微粒子の中から、所定の粒径範囲の微粒子だけが採取口１２２に採取されるメカニズムを示した説明図である。排気ガス中に含まれている微粒子は、帯電器１７０を通過する際に電荷を付与されて、計測対象流体導入管１４０から分級通路１１０内に流入する。図中に示した黒丸は、排気ガス中に含まれている微粒子を示している。尚、図２では、図示が煩雑となることを避けるため、排気ガスに含まれる微粒子のうち、計測対象とする粒径範囲の中の比較的大きな微粒子ＤＰＬと、比較的小さな微粒子ＤＰＳのみが表示されている。

計測対象流体導入管１４０の周囲には、搬送流体供給管１５０が設けられており、搬送流体供給管１５０からは、圧送ポンプ３０で圧送された搬送ガスが、排気ガスの流入に合わせて供給される。搬送ガスの流入速度は排気ガスの流入速度と同じ速度となるように調整されている。図２では、搬送ガスの流れを白抜きの矢印で表している。分級通路１１０の寸法および排気ガスの流入速度（従って、搬送ガスの流入速度）は、レイノズル数が所定値以下となるような適切な値に設定されているので、分級通路１１０内での排気ガスおよび搬送ガスの流れは、いわゆる層流状態に保たれており、このため排気ガスおよび搬送ガスは互いにほとんど混じり合うことなく、層を成した状態を保ったまま分級通路１１０内を流れていく。この結果、分級通路１１０の中央に設けられた電極１８０の周囲には、排気ガスの流れが形成され、そしてその周囲には搬送ガスの流れが層を成した状態で形成される。

次いで、高圧電源１３０からの電圧を印加することで、電極１８０と分級通路１１０との間に電場を形成する。排気ガスおよび搬送ガスは分級通路１１０に沿って流れているから、電場はこの流れと交差する方向に形成されることになる。電場の方向は、微粒子に付与した電荷によって決定される。すなわち、微粒子にプラスの電荷を付与した場合は、電極１８０から分級通路１１０に向かうような電場を形成する。こうした電場は、例えば電極１８０に正電圧を加えて分級通路１１０を接地することで、あるいは電極１８０を接地して分級通路１１０に負電圧を加えることで形成することができる。逆に、微粒子にマイナスの電荷を付与した場合は、電極１８０に負電圧を加えて分級通路１１０を接地し、あるいは電極１８０を接地して分級通路１１０に正電圧を加えればよい。

このように、微粒子に付与した電荷に応じて電場を形成しておくと、微粒子は、電極１８０から離れる方向のクーロン力を受けることになる。この結果、排気ガス中の微粒子は、流れを横切る方向に少しずつ移動し、搬送ガスの層に進入して、やがては分級通路１１０の内壁まで到達する。電荷を帯びた微粒子が、このように流れを横切る方向に移動する速度Ｚp は、電場から受けるクーロン力と、流体から受ける抵抗との釣り合いによって決定され、次式によって算出することができる。
Ｚp ＝Ｃm ×ｎp ×ｅ／（３πμ×ｄp ）
ここで、ｎp は微粒子に付与された電荷の数を示しており、ｅは電気素量、μは気体の粘性係数、ｄp は微粒子の粒径を示している。また、補正係数Ｃm はカニンガム補正係数と呼ばれ、微粒子の粒径が小さく、気体を連続流体と見なせないことによる影響を補正するための係数である。

上式から明らかなように、微粒子は粒径が大きくなるほどゆっくりと流れを横切るように移動する。これは、微粒子が大きくなるほど、流体から大きな抵抗を受けるためである。このように、微粒子が大きくなると流れをゆっくりと横切るので、分級通路１１０の内壁面まで到達するまでに、排気ガスおよび搬送ガスの流れに載って長い距離を流される。これに対して、小さな微粒子は流れを速やかに横切るので、さほど流されることなく、分級通路１１０の内壁面まで到達する。結局、分級通路１１０の内壁面に到達する位置は、小さな微粒子ほど上流側となり、大きな微粒子ほど下流側となる。このため、分級通路１１０の側面に、図２に示すような大きな採取口１２２を設けて微粒子を採取してやれば、所定粒径範囲の微粒子のみを採取することが可能となるのである。図２に示した例では、粒径が、微粒子ＤＰＳよりは大きく、微粒子ＤＰＬよりは小さい範囲の微粒子のみが、採取口１２２から採取される様子が示されている。

図３は、分級通路１１０に設けられた採取口１２２の詳細な構造を概念的に示した拡大断面図である。図示されているように、採取口１２２の上端および下端は、それぞれエッジ形状に形成されている。上述したように、粒径が小さな微粒子ほど、流れを速やかに横切るから、粒径が微粒子ＤＰＳよりも小さな微粒子は、採取口１２２の上端側のエッジ部１２２ａよりも上流側で分級通路１１０の内壁面に到達し、壁面に捕捉されるか、あるいは搬送ガスに押し流されて採取口１２２の横を通って下流側へと流されていく。また、粒径が微粒子ＤＰＬよりも大きな微粒子は、採取口１２２の下端側のエッジ部１２２ｂよりも下流側で分級通路１１０の内壁面に到達するか、若しくは内壁面に到達することなく下流側に流されていく。そして、微粒子ＤＰＳよりは大きく、微粒子ＤＰＬよりは小さい粒径範囲の微粒子のみが、採取口１２２から採取されることになる。このことから、図示した微粒子計測装置１００では、採取口１２２の上端側のエッジ部１２２ａは、微粒子ＳＰよりも粒径が小さな微粒子と大きな微粒子とを分離する機能を有しており、また、１２２の下端部のエッジ部１２２ｂは、微粒子ＬＰよりも粒径が小さな微粒子と大きな微粒子とを分離する機能を有していると言うことができる。

図４は、排気ガスに含まれる微粒子の代表的な粒径分布を示した説明図である。横軸には微粒子の粒径が対数表示されている。図示されているように、排気ガス中の微粒子は、１０ｎｍ〜３０ｎｍ付近にピークを有する小さな微粒子と、ほぼ８０ｎｍを中心として４０ｎｍ〜１２０ｎｍ付近にピークを有する大きな微粒子の、大きく２種類の微粒子が含まれていることが知られている。このうち、粒径の小さい方の微粒子は、内燃機関１０の僅かな運転条件の違いによって排出量が大きくことなり、また、不安定な物質で構成されているため、計測条件によっても得られる値が大きく変動する傾向にある。これに対して、粒径の大きい方の微粒子は、小さい方の微粒子に比べれば安定な物質で構成されており、計測条件によって大きく計測値が変動することがない。このため、粒径の大きな方の微粒子を検出しておけば、計測条件の違いによる影響を受けることなく信頼性の高いデータを得ることが可能である。

こうした微粒子の粒径分布を考慮して、本実施例の微粒子計測装置１００では、粒径の大きな方のピークの微粒子だけを検出するように、採取口１２２の位置および大きさが設定されている。図３を用いて説明したように、採取口１２２には、微粒子ＤＰＳよりは大きく、且つ、微粒子ＤＰＬよりは小さい粒径範囲の微粒子のみが取り込まれ、それ以外の微粒子は採取口１２２には入り込まない構造となっている。そして、採取口１２２に取り込まれた微粒子は直ちに粒子検出器１２０に供給されて、全ての微粒子が検出される。結局、本実施例の微粒子計測装置１００は、計測対象とする粒径範囲の微粒子に対しては極めて高い検出感度を有し、その一方で、粒径範囲外の微粒子に対してはほとんど検出感度を有さない特性を有しているということができる。参考として、本実施例の微粒子計測装置１００が有する感度特性を図５に概念的に示しておく。図示されているように、本実施例の微粒子計測装置１００は、検出対象の粒径範囲にのみ感度を有するような、ほぼ矩形の感度特性を有している。

本実施例の微粒子計測装置１００は、このような感度特性を有していることから、内燃機関１０の排気ガスに含まれる微粒子を計測する際に、極めて好適に使用することができる。以下、この点について説明する。前述したように、内燃機関１０の排気ガス中に含まれる微粒子は、粒径の小さいものと粒径の大きなものの２つのピークを有している。このうち、粒径の小さい方の微粒子は、内燃機関１０の僅かな運転条件の違いによって大きく変動し、また、計測側の条件の違いによっても、得られる値は大きく異なる傾向にある。このため、粒径が小さい方の微粒子の排出挙動を特に対象として計測するのでない限り、粒径が小さな方のピーク成分が計測値に混入すると、強いノイズとなって解析の妨げとなる。しかし、本実施例の微粒子計測装置１００では、図５に示すように、計測対象の粒径範囲の微粒子に対しては高い検出感度を有するものの、計測対象外の粒径の微粒子に対しては、ほとんど検出感度を有していない。このため、小さな粒径のピーク成分の影響を受けることなく、大きな粒径のピーク成分だけを、ほぼ完全に検出することができ、その結果、信頼性の高いデータを安定して計測することが可能となる。

もちろん、本実施例の微粒子計測装置１００が有するこのような特性は、内燃機関１０の排気ガス中に含まれる微粒子を計測する場合に限らず、特定の粒径範囲の微粒子だけを、精度良く、しかも安定して計測する必要がある場合に、極めて適した特性と言うことができる。

また、本実施例の微粒子計測装置１００は、高い時間分解能で時系列的なデータを取得することができる。このため、例えば、排気ガス中の微粒子を計測するために適用すれば、内燃機関１０の運転条件が変化したときの過渡的な微粒子の排出挙動などを、好適に計測することが可能である。

また、本実施例の微粒子計測装置１００では、計測対象とする粒径範囲の微粒子だけを、単純な機構で採取することができ、フィルタのような目詰まりを起こす要素が存在しない。このため、長い期間に亘って使用を続けても特性が劣化することなく、高い精度で安定した計測を行うことが可能である。

更に、本実施例の微粒子計測装置１００は、構造が簡素であるため、装置全体を極めて小型に構成することができる。しかも、分級通路１１０内を通過する流量、電極１８０に印加する電圧、採取口１２２の位置および大きさに基づいて、検出された微粒子の粒径範囲を決定することができるので、何ら較正の必要がなく、簡便な計測が可能となる。加えて、電極１８０に印加する電圧や、計測対象流体（上述した例では、排気ガス）あるいは搬送流体（上述した例では、搬送ガス）の流量を調整することで、異なる粒径範囲の微粒子を検出することも可能となる。

上述した微粒子計測装置１００には、種々の変形例が存在している。以下では、これら変形例の微粒子計測装置について説明する。

（１）第１の変形例：
以上に説明した微粒子計測装置１００では、電極１８０に印加する電圧や、排気ガスあるいは搬送ガスの流量を調整することで、異なる粒径範囲の微粒子を検出することも可能であったが、検出する粒径範囲を固定することを前提として、採取口１２２の形状を最適化することも可能である。

図６は、こうした第１の変形例の微粒子計測装置１００における採取口１２２の形状を概念的に示した説明図である。図中に細い実線で示した矢印は、分級通路１１０内を通過する排気ガスおよび搬送ガスの流線を示している。排気ガスや、搬送ガスの流量、および採取口１２２の位置などを固定すると、分級通路１１０内での流線は自ずから決定される。従って、この流線を考慮して、採取口１２２の断面形状を、分級通路１１０内の流れを乱さないような形状にしておけば、採取口１２２に到達した微粒子だけを確実に採取することが可能となる。すなわち、流れに乱れが発生すると、微粒子の動きは電場から受けるクーロン力だけではなく、乱れの影響を強く受けるようになる。これに対して、乱れが発生していなければ、流れに沿って微粒子が移動する経路は、電場から受けるクーロン力から決定することができる。そこで、この微粒子の経路に採取口１２２を設けておくことにより、計測対象の粒径範囲の微粒子だけを、ほぼ完全に採取することが可能となる。

図６に示した例では、採取口１２２の上端側のエッジ部１２２ａは、計測対象とする粒径よりも小さな微粒子が流れ込むことを防ぐような断面形状に設定されており、また、下端側のエッジ部１２２ｂは、計測対象の微粒子のみが流入するような断面形状に設定されている。このようにすることで、粒径に対する感度特性を、より理想的な特性に近づけることが可能となる。

（２）第２の変形例：
以上に説明した微粒子計測装置１００では、採取口１２２は、分級通路１１０の側面に設けられているものとして説明したが、必ずしも採取口１２２を分級通路１１０の側面に設ける必要はない。

図７は、このような第２の変形例の微粒子計測装置１００の大まかな構造を例示した説明図である。図示した例では、分級通路１１０の断面を矩形形状として、一方の側面に電極１８０が設けられている。そして、分級通路１１０内に、排気ガスおよび搬送ガスを層状に供給し、流れと交差する方向に電場を形成する。こうすれば、流れの下流側では、粒径の小さな微粒子と大きな微粒子とに分級されるので、何れか一方の微粒子を粒子検出器１２０に導いて、微粒子を検出することとしても良い。

このような第２の変形例の微粒子計測装置１００を用いれば、所定の粒径より大きな微粒子、あるいは小さな微粒子の何れか一方だけを、高い精度で且つ安定して、しかも時系列的に計測することが可能となる。加えて、採取口１２２を、分級通路１１０の側面に設ける必要がないので、分級通路１１０を短くすることができ、延いては装置全体を簡素で小型なものとすることができる。

あるいは、図８に示すように、分級通路１１０の下流側に設けた採取口１２２から微粒子を採取することとしてもよい。こうすれば、所定の粒径範囲の微粒子のみを、高い精度で且つ安定して計測することが可能となる。

以上、本発明についての各種の実施の形態を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各請求項に記載した範囲を逸脱しない限り、各請求項の記載文言に限定されず、当業者がそれらから容易に置き換えられる範囲にも及び、かつ、当業者が通常有する知識に基づく改良を適宜付加することができる。

本実施例の微粒子計測装置を使用して内燃機関の排気ガス中に含まれる微粒子を計測する様子を概念的に示した説明図である。 排気ガスに含まれる微粒子の中から所定の粒径範囲の微粒子だけが採取口に採取されるメカニズムを示した説明図である。 分級通路に設けられた採取口の詳細な構造を概念的に示した拡大断面図である。 排気ガスに含まれる微粒子の代表的な粒径分布を示した説明図である。 本実施例の微粒子計測装置が有する粒径に対する感度特性を概念的に示した説明図である。 第１の変形例の微粒子計測装置における採取口の断面形状を概念的に示した説明図である。 第２の変形例の微粒子計測装置の一例を示した説明図である。 第２の変形例の微粒子計測装置の他の一例を示した説明図である。

符号の説明

１０…内燃機関、 １２…排気管、 ２０…排気ブロア、
３０…圧送ポンプ、 １００…微粒子計測装置、 １１０…分級通路、
１２０…粒子検出器、 １２２…採取口、 １２２ａ…エッジ部、
１２２ｂ…エッジ部、 １３０…高圧電源、 １４０…計測対象流体導入管、
１５０…搬送流体供給管、 １６０…放出通路、 １７０…帯電器、
１８０…電極

Claims (3)

1. 流体中に含まれる微粒子を計測する微粒子計測装置であって、
   前記計測対象の微粒子を含んだ流体たる計測対象流体と、該計測対象流体と共に供給される搬送流体とが、層を成して流れる通路部と、
   前記通路部の上流側に設けられて、前記微粒子を帯電させる微粒子帯電部と、
   前記微粒子帯電部の下流側で、前記搬送流体の流れに交差する方向の電場を形成する電場形成部と、
   前記計測対象流体および前記搬送流体が前記電場内を通過する際に、前記帯電した微粒子が該電場の力を受けて該搬送流体の流れを横切る方向に移動する速度が、該微粒子の粒径に応じて異なる性質を利用して、該微粒子を、該移動速度が所定の閾値速度よりも小さな大径微粒子と、該移動速度が該閾値速度よりも大きな小径微粒子とに分離する微粒子分離部と、
   前記大径微粒子または前記小径微粒子の何れか一方を検出する微粒子検出部と
   を備える微粒子計測装置。
2. 請求項１に記載の微粒子計測装置であって、
   前記微粒子分離部は、
   前記帯電した微粒子の中から、前記移動速度が所定の第１の閾値速度よりも小さな微粒子を、計測対象外の大径の微粒子として除去する第１の微粒子除去部と、
   前記帯電した微粒子の中から、前記移動速度が所定の第２の閾値速度（但し、前記第１の閾値速度よりも大きい）よりも大きな微粒子を、計測対象外の小径の微粒子として除去する第２の微粒子除去部と
   を備えており、
   前記微粒子検出部は、前記計測対象外の大径の微粒子および小径の微粒子が除かれた残余の微粒子を検出する検出部である微粒子計測装置。
3. 流体中に含まれる微粒子を計測する計測方法であって、
   前記計測対象の微粒子を含んだ流体たる計測対象流体と、該計測対象流体と共に供給される搬送流体とが、通路内で層を成した状態の流れを形成する第１の工程と、
   前記通路の上流側で、前記微粒子を帯電させる第２の工程と、
   前記帯電した微粒子を含んだ計測対象流体および前記搬送流体の流れに対して交差する方向の電場を形成する第３の工程と、
   前記計測対象流体および前記搬送流体が前記電場内を通過する際に、前記帯電した微粒子が該電場の力を受けて該搬送流体の流れを横切る方向に移動する速度が、該微粒子の粒径に応じて異なる性質を利用して、該微粒子を、該移動速度が所定の閾値速度よりも小さな大径微粒子と、該移動速度が該閾値速度よりも大きな小径微粒子とに分離する第４の工程と、
   前記大径微粒子または前記小径微粒子の何れか一方を検出する第５の工程と
   を備える計測方法。
   

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