JP2008096322A - 粒子分級装置 - Google Patents

Abstract

【課題】粒子を分級する領域に渦流が発生しない構成の粒子分級装置を提供する。
【解決手段】本発明の粒子分級装置は、荷電粒子を電気移動度により分級する電界を発生して分級領域５を形成するために互いに対向して配置された一対の対向電極３，４と、分級領域５の一端側から分級領域５に非荷電ガスをシースガスとして供給するシースガス供給部７と、分級領域５の上流側で一方の電極側にその電極から離れた位置に吐出方向がシースガス流と平行になるように設けられ、シースガスの流れ方向に試料ガスを供給する試料ガス供給部１１と、分級領域５の下流側で他方の電極側にその電極から離れた位置に吸引方向がシースガス流と平行になるように設けられ、分級された帯電エアロゾル中の荷電粒子の一部をシースガスの流れ方向に一定流量で吸引する吸引部１７と、を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は試料ガス中の粒子を電気移動度により分級する装置に関し、例えば環境ガスに含まれる粒子数を測定する粒子分級装置に関するものである。

エアロゾルとは、一般に分散媒体が気体で、分散質が液体又は固体のコロイドを意味し、例えば自動車排ガスなどの環境ガスを示す。
粒子数を測定する装置としては、測定対象エアロゾル中の粒子を帯電させ、帯電した荷電粒子の電場中での移動速度の違いを利用して分級した後に測定する電気移動度測定装置が用いられている。電気移動度と粒子径との間には一定の関係があるので、電気移動度を指定することで微粒子径を指定することができる。

電気移動度測定装置には、特定の電気移動度及びそのごく近傍の電気移動度をもつ微粒子を選び出すことができる微分型電気移動度測定装置（ＤＭＡ；Differential mobility analyzer）（特許文献１参照。）と、ある電気移動度よりも小さい電気移動度をもつ微粒子を選び出すことができる積分型電気移動度測定装置がある。

ＤＭＡによる分級とは、シースガス流に対し垂直に電界を印加し、それにより惹起される静電吸引力によって荷電粒子がシースガス流を横断し、対向電極に移動する過程で粒子の粒径によって定義される抵抗をシースガス流から受けることで粒子径に分級するものである。
このとき、シースガス流は層流であること、また、分級対象である粒子の電界方向の速度成分は０であることが要求される。
特許第３４５９３５９号公報

図４は従来の粒子分級装置における分級領域の拡大断面図を示している。対向電極３，４間に分級領域５が形成されている。シースガスはシースガス供給部７から、試料ガスは試料ガス供給部１１から導入され、分級された粒子は吸引部１７から吸引される。
この装置の場合、対向電極３，４の壁面でのシースガス流の流体速度は０となる。このような条件では、仮にシースガス流に対し浅い角度で試料ガスを外側電極４の側壁面から合流させたとしても、吐出口１１ａから供給される粒子の電界方向への速度成分を０とすることは困難である。粒子は静電引力とシースガス流からの抵抗力の差によって移動するものなので、電界方向の速度成分の大きさは、ＤＭＡの測定精度に影響を及ぼしてしまう。

さらに、ガス吸引部１７からの吸引方向や配置位置についても、ガス供給部１１と同様であり、電界方向の吸引速度成分の大きさがＤＭＡの測定に影響を及ぼしてしまうことがある。すなわち、吸込み口１７ａでは、中心電極３側に移動した粒子が微小な間隙から吸い出されることによってシャープな分級特性を実現するのであるが、ここで不要な渦流や巻き込みが発生した場合、意図しない粒径の粒子を吸引したり、意図した粒径の粒子が散逸したりしてしまうことがある。
つまり、吸込み口１７ａにおいてもシースガス速度が０である側壁面から吸い出すと、ガス流速による影響が相対的に大きくなってしまうのである。

そこで本発明は、粒子を分級する領域に渦流が発生しない構成の粒子分級装置を提供することを目的とする。

本発明の粒子分級装置は、荷電粒子を電気移動度により分級する電界を発生して分級領域を形成するために互いに対向して配置された一対の対向電極と、分級領域の一端側から分級領域に非荷電ガスをシースガスとして供給するシースガス供給部と、分級領域の上流側で一方の電極側にその電極から離れた位置に吐出方向がシースガス流と平行になるように設けられ、シースガスの流れ方向に試料ガスを供給する試料ガス供給部と、分級領域の下流側で他方の電極側にその電極から離れた位置に吸引方向がシースガス流と平行になるように設けられ、分級された帯電エアロゾル中の荷電粒子の一部をシースガスの流れ方向に一定流量で吸引する吸引部と、吸引部の下流側に設けられ、荷電粒子を計測する検出器と、を備えている。
「分級領域の上流側」とはシースガスの流れで上流を意味し、「分級領域の下流側」とはシースガスの流れで下流を意味する。

ガス流を層流として流すために、試料ガス供給部の下流側にはシースガス流を層流とする第１整流機構が設けられ、吸引部の上流側にはシースガス流を層流とする第２整流機構が設けられていることが好ましい。

分級領域内で渦流等を発生させないために、ガス供給部先端の吐出口において、導入される試料ガスの流速とシースガスの流速は流速差が０になるように設定されていることが好ましい。

分級領域内で渦流等を発生させないため、吸引部先端の吸込み口において、吸引されるガスの流速とシースガスの流速は流速差が０になるように設定されていることが好ましい。

電気移動度を計算しやすくするためには粒子にかかる電界が大きく変化しない方がよいので、吐出口と吸込み口は上記分級領域の中央線から等距離の位置に設けられていることが好ましい。

ガス流の流速分布は分級領域やシースガス流によって大きく異なるので、正確な流速分布を知るために、分級領域内におけるシースガス流の流速分布を求める算出機構をさらに備え、算出機構により求められた流速分布に基づいて粒子の移動度が算出されるようにしてもよい。

本発明の粒子分級装置は、試料ガス供給部からの吐出方向がシースガス流と平行になるように設けられ、吸引部からの吸引方向がシースガス流と平行になるように設けられ、試料ガス供給部と吸引部は対向電極から離れているので、シースガス流は乱されることがなくなり、導入された粒子に測定誤差となる速度成分を与えることもなくなるので、理論的挙動に近い粒子の分級を行なう装置を提供することができる。

第１整流機構、第２整流機構を設けることで、ガス流を層流として流すのが容易になる。

ガス供給部の吐出口において、導入される試料ガスとシースガスの流速差が０になるように設定すれば、分級領域内で渦流が発生しにくくなる。

吸引部の吸込み口において、吸引されるガスとシースガスの流速差が０になるように設定すれば、分級領域内で渦流が発生しにくくなる。

吐出口と吸込み口は上記分級領域の中央線から等距離の位置に設けるようにすれば、電気移動度を計算しやすくなる。

以下に本発明を実施例に基づいて詳細に説明する。
図１は一実施例の粒子分級装置の垂直断面図である。図２は図１の分級領域を拡大して示した概略図である。
円筒状の筐体１の内部には、円柱状の中心電極３が筐体１の中央線２と一致するように設けられている。筐体１の内面は外側電極４となっており、中心電極３と外側電極４が対向電極を構成している。中心電極３と外側電極４により荷電粒子を電気移動度により分級する電界を発生しており、両電極３，４間に形成される回転体状の空間が分級領域５である。中央線２は、円筒状の筐体１内においては円筒状に形成されている。

筐体１の上部には非荷電ガスをシースガスとして一定流量Ｑｃで導入するためのシースガス供給部７が設けられ、分級領域５の上流側にはシースガスを層流化するための絶縁体製の第１整流機構９が設けられている。第１整流機構９は図１で垂直方向に互いに平行に並べられた複数の板から構成されている。第１整流機構９を経たシースガスは層流となって分級領域５に供給される。
分級領域５の上流側には吐出方向がシースガス流と平行になるように試料ガス供給部１１の吐出口１１ａが設けられており、その先端は導入される試料ガスの流速とシースガスの流速との流速差が０になるように両ガスの流速が設定されている。試料ガスはシースガス流と平行に一定流量Ｑａで供給される。

分級領域５の下流側には吸引方向がシースガス流と平行になるように吸引部１７の吸込み口１７ａが設けられており、吸引される荷電粒子の流速とシースガスの流速との流速差が０になるように吸引速度が設定されている。荷電粒子はシースガス流と平行に一定流量Ｑｓで吸引される。
吸引部１７の下流にはシースガスとともに送られてきた荷電粒子数を電気量として検出する検出器１８が配置されている。
筐体１の下部、すなわちシースガス流の下流側には、分級領域５の下端の外側にシースガス排出部１３が設けられ、一定流量Ｑｅで排出されている。

中心電極３は上端が絶縁部材１０とガスの流れを層流化する第１整流機構９により筐体１に支持され、中心電極３の下端は絶縁部材１９とシースガスの流れを層流化する第１整流機構９と同様の構造をもつ第２整流機構１６により筐体１に支持されていることによって、中心電極３と外部電極となる筐体１との間が電気的に絶縁されている。

中心電極３の直径は５０ｍｍ、外側電極４の内側の直径は６６ｍｍであり、中心電極３の円柱状部分では中心電極３と外側電極４の間隔は8ｍｍ程度で一定になっている。両電極３，４間には１〜１５００Ｖの分級電圧が印加される。

吸引部１７及びシースガス排出部１３の下流には吸引機構としてポンプ２３，２１がそれぞれ設けられており、ポンプ２３からは３．５〜５．５Ｌ／分の流量で、ポンプ２１からは９０〜１００Ｌ／分の流量で筐体１の内部からガスを排気する。また、シースガス供給部７及び試料ガス供給部１１にはそれぞれ流量計が設けられており、シースガスの流量は約１００Ｌ／分、試料ガスの流量は０．５〜１．５Ｌ／分に設定されている。
吸引部１７とポンプ２３の間には検出器（ファラデーカップエレクトロメータ）８が設けられ、分級された粒子の電荷を検出し、粒子数を算出するようになっている。

ガス流の流速分布は分級領域やシースガス流によって大きく異なるので、正確な流速分布を知る必要がある。そのため、分級領域内におけるシースガス流の流速分布を求める算出機構をさらに備え、算出機構により求められた流速分布に基づいて粒子の移動度を算出するようにしてもよい。
図３は流速分布の算出機構による流量分布算出の一例を示している。
内部電極の半径をｒ１、外部電極の半径をｒ２とし、内部電極と外部電極の中間点をＸ＝０とする。

この図において、シースガス流れは層流と見做せることより、その流量をＱｃとすると、内部電極と外部電極の中間点Ｘ＝０からｘ₀離れた点での流速Ｖｘ₀は
Ｖｘ₀＝Ｕ×〔１−ｘ₀ ²／（ｒ１−ｒ２）²〕 ・・・（１）
である。ここで、
Ｕ＝２×Ｑｃ／〔（ｒ２²−ｒ１²）×π〕 ・・・（２）
を用いることにより（１）式の流速Ｖｘ₀を演算することができる。
この算出機構としては、予め製作時に決定されているｒ１，ｒ２を記憶するメモリー、シース流量Ｑｃの計測手段、及びそれらの値から（１）式、（２）式にしたがって速度分布を演算する演算部からなるようにすればよい。

次に同実施例の動作を説明する。両電極３，４間に電圧をかけると、分級領域５には荷電粒子を電気移動度により分級する水平方向の電界が発生する。
この実施例では、試料ガス供給部１１の吐出口１１ａから分級領域５に導入された試料ガスのうち、分級された荷電粒子は吸引部１７の吸込み口１７ａから吸入される。図２に示すように、シースガスと試料ガスは平行になって分級領域５を上流側から下流側に流れる。

次に従来の粒子分級装置を解析した結果を本発明の参考例として説明する。
図４は従来の粒子分級装置の分級領域５を示した図である。図５はその解析モデル図、図６〜図８はその解析結果を示している。
図６は図５のＸ地点における位置と軸方向の速度（ｍ／ｓ）を示している。横軸の０．０２０ｍと０．０２６ｍは分級領域の両端、つまり対向電極の側面に相等し、速度はほぼ０ｍ／ｓである。一方、それらの中央付近である０．０２３ｍでは、軸方向の速度は最も速くなっている。この結果から、分級領域５の中央線２の近辺ほど粒子速度が速いことが確認できる。

図７は図５の分級領域内の粒子速度を示した図である。吐出口と吸込み口の部分ではガス流による不要な渦流や巻き込みが発生していることが確認される。
図８（Ａ）は図５のＡ地点、図８（Ｂ）は図５のＢ地点における粒子速度を示した図である。図８（Ａ）では、吐出口付近にガスによる渦流が発生しており、図８（Ｂ）では、吸込み口付近にガスによる渦流が発生している。
これらは、シースガス流に対して試料ガスが垂直方向に供給されたり吸い出されたりするためであるが、本発明の図１及び図２に示すように、試料ガスをシースガス流に平行になるように導入した場合、これらの渦流は発生しないようになる。

本発明は試料ガス中の粒子を電気移動度により分級する装置などに利用することができる。

一実施例の粒子分級装置の垂直断面図である。 分級領域を拡大して示した概略図である。 流速分布の算出機構による流量分布算出の一例を示している。 従来の分級領域を拡大して示した概略図である。 同実施例の解析モデル図である。 図５のＸ地点における位置と軸方向の速度（ｍ／ｓ）を示している。 図５の分級領域内の粒子速度分布を示した図である。 （Ａ）は図５のＡ地点、（Ｂ）は図５のＢ地点における粒子速度分布を示した図である。

符号の説明

１ 筐体
３ 中心電極
４ 外側電極
５ 分級領域
７ シースガス供給部
９，１６ 整流機構
１１ 試料ガス供給部
１１ａ 吐出口
１３ ガス排出部
１７ 吸引部
１７ａ 吸込み口
１９ 絶縁体
２１，２３ ポンプ

Claims (6)

1. 荷電粒子を電気移動度により分級する電界を発生して分級領域を形成するために互いに対向して配置された一対の対向電極と、
   前記分級領域の一端側から前記分級領域に非荷電ガスをシースガスとして供給するシースガス供給部と、
   前記分級領域の上流側で一方の電極側にその電極から離れた位置に吐出方向がシースガス流と平行になるように設けられ、シースガスの流れ方向に試料ガスを供給する試料ガス供給部と、
   前記分級領域の下流側で他方の電極側にその電極から離れた位置に吸引方向がシースガス流と平行になるように設けられ、分級された前記帯電エアロゾル中の荷電粒子の一部をシースガスの流れ方向に一定流量で吸引する吸引部と、
   前記吸引部の下流側に設けられ、荷電粒子を計測する検出器と、
   を備えた粒子分級装置。
2. 前記試料ガス供給部の下流側にはシースガス流を層流とする第１整流機構が設けられ、前記吸引部の上流側にはシースガス流を層流とする第２整流機構が設けられている請求項１に記載の粒子分級装置。
3. 前記ガス供給部先端の吐出口において、導入される試料ガスの流速とシースガスの流速は流速差が０になるように設定されている請求項１又は２に記載の粒子分級装置。
4. 前記吸引部先端の吸込み口において、吸引されるガスの流速とシースガスの流速は流速差が０になるように設定されている請求項１から３のいずれかに記載の粒子分級装置。
5. 前記吐出口と前記吸込み口は前記分級領域の中央線から等距離の位置に設けられている請求項１から４のいずれかに記載の粒子分級装置。
6. 前記分級領域内におけるシースガス流の流速分布を求める算出機構をさらに備え、前記算出機構により求められた流速分布に基づいて粒子の移動度が算出される請求項１から５のいずれかに記載の粒子分級装置。