JP2008544294A - 超微細粒子センサ - Google Patents

Abstract

本発明は、約５〜５００ｎｍの範囲にある直径を有する浮遊粒子を検知する超微細粒子センサに関する。センサは、超微細粒子の流入のための空気吸い込み口と、少なくとも１つの時間間隔の間に少なくとも第１の濃度レベルと第２の濃度レベルとの間で超微細粒子の濃度を変化させることが可能な濃度変化部とを有する。粒子検知部は、少なくとも第１の濃度レベルに対応する第１の電流レベルと第２の濃度レベルに対応する第２の電流レベルとの間で変化する電流である測定信号を発生させることが可能なよう設けられる。評価ユニットは、変化する測定信号から超微細粒子に関するデータを得ることが可能なよう設けられる。濃度レベルにおける適用される変化の結果として、データは、浮遊超微細粒子の粒子長さ濃度及び粒子個数濃度に関する測定信号の結果として得られる変化から得られる。

Description

本発明は、超微細粒子センサと、このような超微細粒子センサを有する空調システムとに関する。更に具体的に、本発明は、およそ１〜５００ｎｍ、望ましくは５〜３００ｎｍ、より望ましくは１０〜３００ｎｍ、又は、より一層望ましくは２０〜３００ｎｍの範囲にある直径を有する浮遊粒子を検知する超微細粒子センサに関する。

過去１０年間に、浮遊する燃焼に関連する超微細粒子（“Ｕｌｔｒａ Ｆｉｎｅ Ｐａｒｔｉｃｌｅｓ”、略して“ＵＦＰ”。）の吸入は、かかる粒子が、肺組織に堆積して、最終的に被嚢する傾向を有するという事実により、ヒトに深刻な健康被害をもたらすことが、徐々に明らかになりつつある。このようなＵＦＰは、固体粒子及び液状粒子の両方を含む。燃焼に関連する固体粒子の主要部分は、燃えなかった元素炭素を含むか、あるいは、大部分が元素炭素から構成される煤粒子から成る。燃焼に関連する固体粒子の一部は無機の灰から成る。超微細な燃焼に関連する液状粒子は、通常、少量の無機物とともに、大体において揮発性炭化水素／Ｈ_２ＳＯ_４／Ｈ_２Ｏから成る。燃焼に関連するＵＦＰは、直径がおよそ５ｎｍから５００ｎｍの間にあり（大部分の粒子は、直径が２００〜３００ｎｍよりも小さい。）、通常、発ガン性の多環芳香族炭化水素（ＰＡＨ）及び他の揮発性有機酸（ＶＯＣ）を有するか、又は、これらにより少なくとも部分的に覆われている。かかるＵＦＰは、例えば自動車交通のような燃焼発生源及び他の局所的な燃焼発生源の排出ガスから空気中に放出され、不完全燃焼過程の結果として形成される。特に、ディーゼルモータは、大量の煤粒子及び他のＵＦＰを空気中に放出することで有名である。

産業上の燃焼発生源及び他の固定された燃焼発生源の近隣から離れて、西世界における燃焼に関連するＵＦＰの濃度（以降、簡単にＵＦＰと呼ばれる。）は、一般に、自動車交通が存在する場所において若しくはその近くで最も高い。非常に高い局所濃度は、特に、トンネル、交差点、且つ／あるいは、速度制限及び／若しくは風速による交通渋滞において生ずる。ヒトの健康に対するこれらＵＦＰの影響は、燃焼モータによって放出される共通のガス排出汚染物質（ＣＯ、ＮＯｘ、ＳＯ_２、ＶＣＯｓ）の影響よりも著しいことがますます明らかにされつつある。このように、局所的な空気汚染は、相当に、局所的なＵＦＰ濃度と関連づけられる。更に、局所的なＵＦＰ濃度は、大体において、共通のガス排出汚染物質の局所濃度と、それらが全て同じ汚染発生源を起源とするので、関連付けられる。

先行技術において、浮遊粒子汚染レベルの深刻さは、特に呼吸域にある、即ち、肺の肺胞領域に達して堆積しうるかかる浮遊粒子に関連する浮遊粒子質量濃度に関して、主として認められている。ｄｐ≦１０μｍを有する全ての浮遊粒子は呼吸域にあるので、総体的な呼吸域粒子質量Ｍｔｏｔａｌは、関連するパラメータであると考えられる。Ｍｔｏｔａｌは、

として定義される。なお、ρｐは粒子密度であり、ｄＮ（ｄｐ）／ｄｌｎｄｐは粒子サイズ分布を表し、ｄＮ（ｄｐ）は直径ｄｐを有する粒子の個数濃度を表す。積分は、呼吸域の粒子直径ｄｐの全範囲にわたって、実際には（呼吸域粒子に関する空気力学サイズの上限である）ｄｐ＝１０μｍまで行われる。呼吸域粒子質量濃度Ｍｔｏｔａｌは、例えば、光散乱によって及び／又は粒子サンプリング／重み付けによって、測定され得る。

Ｍｔｏｔａｌは、一般に、主として、かかる粒子が極めて小さい個数濃度（即ち、単位体積ごとの粒子の数）しか有さない場合でさえ、ｄｐ＞３００〜５００ｎｍを有する粒子から得られることが知られている。より小さな粒子は、その個数濃度が概して非常に高い環境にも関わらず、実質的にＭｔｏｔａｌに寄与しない。ヒト健康影響パラメータＨｆｐは、ヒトの健康への影響の相対的な深刻さを示す数値を有するパラメータであって、ｄｐ＞３００〜５００ｎｍを有する呼吸域微細粒子（ＦＰ）を考慮して、通常の環境状況の下でＭｔｏｔａｌに近似的に比例するよう示され得る。

特に３００〜５００ｎｍよりも小さい粒子直径ｄｐを有するＵＦＰがヒトの健康に有害であるということがますます証明されつつあることから、単なる呼吸域の粒子質量濃度Ｍｔｏｔａｌのみの測定は、ＦＰ及びＵＦＰについての別個のヒト健康影響パラメータの和である総体的なヒト健康影響パラメータＨｔｏｔａｌに関して、信頼できる且つ／あるいは十分なデータを提供し得ない。更に、総体的なＵＦＰ個数濃度及び数平均ＵＦＰ直径は、低コストの手段によっては得られない。

本発明は、浮遊ＵＦＰに関する信頼できるデータの取得が可能な超微細粒子センサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、超微細粒子センサは、およそ１から５００ｎｍ、望ましくは５から３００ｎｍの範囲にある直径を有する浮遊粒子を検知するために提供され、
− 超微細粒子の流入のための空気吸い込み口；
− 少なくとも１つの時間間隔の間に、少なくとも第１の濃度レベルと第２の濃度レベルとの間で超微細粒子の濃度の変化を生じさせることが可能な濃度変化部；
− 前記第１の濃度レベルと前記第２の濃度レベルとの間の前記変化に従って変化する測定信号を発生させることが可能な粒子検知部；及び
− 前記変化する測定信号から前記超微細粒子に関するデータを得ることが可能な評価ユニット；
を有する。

濃度レベルにおいて適用される変化の結果として、データは、単位体積ごとの超微細粒子の数、即ち、粒子個数濃度Ｎｕｆｐに関連する測定信号の結果として得られる変化から得られる。更に、単位体積ごとの粒子の全長、即ち、粒子長さ濃度Ｌｕｆｐは、ＵＦＰのヒト健康影響パラメータＨｕｆｐに近似的に比例するかかる測定信号から推測され得る。データＮｕｆｐ及びＬｕｆｐの組合せは、センサがさらされる空気の品質に関する有用な情報を提供する。更に、計算される比ｄｐ，ａｖ＝Ｌｕｆｐ／Ｎｕｆｐは、浮遊ＵＦＰ汚染の特性を更に示すのに役立つ、全ての浮遊ＵＦＰの数平均粒子直径ｄｐ，ａｖを提供する。

請求項２で定義される本発明の実施形態は、ＵＦＰの帯電の結果としての濃度レベルの変化及びＵＦＰの検知の有効な方法の効果を提供する。

請求項３で定義される本発明の実施形態で、コロナ放電源は、上述されるように、様々な種類のＵＦＰを帯電する際に有効である。起こり得る健康に有害なオゾンの発生は、例えば、活性炭フィルタを用いることによって、除去され得る。請求項４で定義される実施形態は、前記コロナ放電源を、ＵＦＰの帯電処理の更なる制御を可能にする多孔スクリーン電極と組み合わせる。スクリーン電極は、粒子の帯電が、粒子の帯電処理の間の粒子消失を最小限とするよう働く極めて低い電界強さで達成されることを可能にする。

請求項５で定義される本発明の実施形態は、特に浮遊煤粒子の有効な帯電を可能にし、更に、超微細粒子センサ内で高電圧を印加する必要性を除く。

当然、超微細粒子センサは、また、１よりも多い種類の粒子帯電部を有しても良く、１よりも多い種類又は実施形態の超微細粒子センサを有する複合体として具現されても良い。

請求項６で定義される濃度変化部の実施形態は、前記粒子検知部に達する流れにおける帯電された粒子の濃度の簡単且つ有効な制御された変化を提供する。一例として、ひと組の直線の又は円筒同心の平行板が用いられる。これは、平行板沈降分離装置（ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｏｒ）とも呼ばれる。かかる平行板への一連の電圧は、板表面において部分的な電界により誘発される粒子降下が少なくとも１つの時間間隔の間に生ずることを可能にするために、選択された板へ印加され得る。平行板は、前記空気吸い込み口と粒子検知部との間で無視できるほどの空気圧降下しか受けないという利点を有する。望ましくは、一連の零でない電圧パルスは、零電圧の期間と交互にされて、周期的に印加される。

請求項７及び８で定義される本発明の実施形態は、前記濃度変化部の下流に、帯電されたＵＦＰの濃度に比例する変化する電気信号を得る手段を設ける。前記電気信号は、センサがさらされる空気における粒子個数濃度Ｎｕｆｐを決定するのに適する。

請求項９及び１０で定義される本発明の実施形態は、前記評価ユニットが単位体積ごとの粒子個数濃度Ｎｕｆｐ及び粒子の全長Ｌｕｆｐを推定するための有効な方法について記載する。

請求項１１で定義される本発明の実施形態は、適切な気流速度で、前記濃度変化部内の完全な粒子降下が、当該超微細粒子センサに入る流れにおける総体的な粒子個数濃度に無視可能な程度を超えて寄与する直径ｄｐを有する浮遊粒子の如何なるグループに関しても妨げられることを示す。

請求項１２で定義される本発明の実施形態は、粒子個数濃度Ｎｕｆｐにほとんど寄与しない粗粒子が、当該超微細粒子センサに入って、結果として汚す前に除去されるという利点を有する。

請求項１３で定義される本発明の実施形態は、当該超微細粒子センサを通るＵＦＰを含む規則的な、望ましくは制御可能な気流を実現することの利点を提供する。

請求項１４で定義される本発明の実施形態は、周囲空気の特性、例えば品質／汚染に関するデータを表示する便利な方法の利点を有する。かかるデータは、以下のデータ、即ち、粒子個数濃度Ｎｕｆｐ、粒子長さ濃度Ｌｕｆｐ、ヒト健康影響パラメータＨｕｆｐ、又は、例えば、数平均粒子直径ｄｐ，ａｖのようなこれらのパラメータから得られるデータのうち、１又はそれ以上を含みうる。

請求項１５で定義される本発明の実施形態は、ＵＦＰ及びＦＰの両方ともに関するデータを得ることが可能なセンサの利点を有する。

当然、上記実施形態又はそれらの態様は組み合わせられる。

本発明は、更に、上述された超微細粒子センサを有する空調システムであって、前記超微細粒子センサは、前記変化する測定信号に基づいて当該空調システムの空気清浄ユニット及び／又は換気ユニットを制御することが可能な制御信号を供給するよう配置されるフィードバック出力を有する、空調システムに関連する。

このような空調システムは、本発明に従う超微細粒子センサの測定に能動的に反応するよう配置され得る。従って、前記センサが、例えば粒子個数濃度Ｎｕｆｐ及び／又は粒子長さ濃度Ｌｕｆｐに関する閾値として特定される粗悪な空気品質を示す場合に、当該空調システムの下流での空気の状態は改善され得る。

本発明は、更に、添付の図面を参照して表される。図面は、本発明の好ましい実施形態を図式的に示す。当然、本発明は、決してかかる特定の且つ好ましい実施形態に限定されない。

図１は、超微細粒子（ＵＦＰ）を含む流れＦの流入のための空気吸い込み口２を有する超微細粒子センサ１の説明図である。センサ１は、ＵＦＰの濃度の変化を引き起こすことが可能な濃度変化部３を有する。濃度変化部３は、少なくとも１つの時間間隔の間に、少なくとも第１の零でない濃度レベルと第２の零でない濃度レベルとの間でＵＦＰの濃度を変化させるための制御可能な手段４を有する。第１の零でない濃度レベルは、例えば、濃度変化部３に入るＵＦＰの約１００％のＵＦＰの通過パーセンテージに関し、一方、ＵＦＰの第２の零でない濃度は、７０〜９０％の通過パーセンテージを有する。手段４は、静電気ＵＦＰ捕捉手段、又は、ＵＦＰのスループットを（一時的に）減らすことが可能な如何なる他の手段を含んでも良い。

粒子検知部５は、ＵＦＰの濃度の前出のような変化に依存して変化する測定信号Ｉを発生させることが可能なよう設けられる。最終的に、評価ユニット６は、その変化する測定信号Ｉから超微細粒子に関するデータを得るよう配置される。

図２は、図１の超微細粒子センサの更に詳細な説明図を示す。

粒子帯電部７は、空気吸い込み口２と濃度変化部３との間に位置する。粒子帯電部７は、空気吸い込み口２に入るＵＦＰの少なくとも一部を帯電させることができる。粒子帯電部７の様々な実施形態について、図３乃至６を参照して、更に説明する。

図３乃至５は、浮遊イオンのコロナ放電源を用いる超微細粒子センサの説明図を示す。針１１又は細いワイヤ１２は、針先１１又は細いワイヤ１２の近くの空気を電離するほど十分に高い直流電圧Ｖｃｏｒへ接続されている。

多孔スクリーン電極１３は、イオン源としての針１１又は細いワイヤ１２の周りに位置し、１つの極性のイオンを生じさせるＶｃｏｒよりも実質的に小さい電圧Ｖｓｃｒに設定されて、イオンを針１１又はワイヤ１２からスクリーン電極１３へと引き込む。カウンタ電極１４は、多孔スクリーン電極１３の周りに位置し、Ｖｓｃｒよりも小さいカウンタ電極電位に設定される。カウンタ電極電位は、望ましくは、接地電位に設定され、センサ１の筐体の内壁によって形成される。これにより、針１１又はワイヤ１２から多孔スクリーン電極１３へと引き込まれる単極イオンの一部は、スクリーン電極１３の孔を通って、多孔スクリーン電極１３とカウンタ電極１４との間に存在する電界の駆動力の下で、カウンタ電極１４へ引き込まれ得る。多孔スクリーン電極１３とカウンタ電極１４との間に存在する電界は、望ましくは、５００Ｖ／ｃｍより下に保たれた力を有する。カウンタ電極１４へと引き込まれる単極イオンの一部は、流入可能な気流に存在するＵＦＰに自身を加え、それによって、かかるＵＦＰの拡散荷電を含む。

図５で、電位Ｖｓｃｒは、スクリーン電極１３へ接続される接地された抵抗Ｒによって作られる。

当然、多孔スクリーン電極１３は、センサ１において削除されても良い。粒子が帯電されるかかる状況下で、粒子帯電部７は、イオン源１１、１２と、カウンタ電極１４とを有し、イオン源１１、１２とカウンタ電極１４との間で、流入気流は空気吸い込み口２から受け取られる。イオン源１１、１２は、浮遊イオンを発生させ、望ましくは、２つの絶縁体の間に位置付けられた針先電極として又は細いワイヤ電極として具現される。十分に高いコロナ電圧Ｖｃｏｒは、針先電極１１又は細いワイヤ電極１２に加えられ、針先１１又は細いワイヤ１２の直ぐ近くで空気を電離する。Ｖｃｏｒと、カウンタ電極１４に加えられる電圧（望ましくは、接地電位。）との間の差は、イオン源１１、１２からカウンタ電極１４へと直接に単極イオンを引き込む気流路を横切る電界を生じさせ、それによって、単極イオンの一部は、気流路を通る流入気流中のＵＦＰに自身を加えることが可能となり、従って、粒子の帯電は、５００Ｖ／ｃｍ超える局所的な強さを有しうる又は有し得ない流路を横切る電界の存在下で達成され得る。イオン源と向かい合うＵＦＰセンサの筐体の内壁が、カウンタ電極１４として利用されても良い。

浮遊ＵＦＰの少なくとも一部を帯電させる代替の方法は、１又はそれ以上の光源によって、かかる粒子を照らすことによって得られる。これは、図６に図式的に表されている。この方法は、特に、煤（すす）粒子の帯電及びその後の検知に適し、従って、超微細粒子センサをより具体的な煤センサに変形する。

図６における粒子帯電部７は、ＵＶランプ２０、例えば、２６０ｎｍを下回る波長を有する放射線を放射する管状低圧ＵＶランプを有する。例えば、一般に消毒目的で使用されるような、通常の低圧ＵＶランプは、水銀蒸気を含むガス充填を与えられる。かかるＵＶランプは、２５３．７ｎｍのピーク波長と、ＵＶランプが（人工）水晶ランプとして具現される場合には、１８４．９ｎｍの更なるピーク波長とを放射する。代替的に、ＵＶランプは、ＵＶエキシマランプであっても良く、エキシマランプ内部の充填ガスの特性及び成分に依存して、その放射波長は１７０ｎｍから２６０ｎｍの間に合わせられる。ＵＶランプと向かい合うセンサ筐体の内壁は、ランプとセンサ筐体との間の流路において光度を増大させるよう反射性であっても良い。多環芳香族炭化水素（ＰＡＨ）材の被覆により少なくとも部分的に覆われた燃焼関連のＵＦＰは、通常は全ての煤粒子の場合であって、それらが２６０ｎｍを下回る波長ピークを有するＵＶ光により照らされる場合に、１又はそれ以上の電子の光電子放出を起こす。これにより、ＵＦＰは正に帯電される。ＵＶランプ２０の周りに高い多孔率の防護導電ガーゼ２１を配置することによって、ランプは、煤センサを通る気流に直接的にさらされることから保護され、それによって、空気からのＵＦＰを蒸着することによるランプ表面の漸進的な汚濁を防ぐ。さもなければ、ランプ表面の漸進的な汚濁は、時間の経過とともに、ランプから出力された光を低減しうる。

更に、小さな静電界がガーゼ２１とセンサ１の内壁との間の流路を横切って存在するように、このガーゼ２１においてＵ０＝約５〜１０Ｖの小さな直流又は交流電圧を加え、センサ１の内壁を接地することが有利である。この電界は、（電子及びイオンのより一層高い電気泳動移動度のために）濃度変化部３への正に帯電された煤粒子の移動にほとんど影響を及ぼさずに、空気からの負のイオン及び光電放射電子の急速な除去を進める。その後、帯電された（及び帯電されないままの）煤粒子は、センサ１の濃度変化部３に入る。ガーゼ２１の表面と、ガーゼ２１と向かい合うセンサ１の内壁の表面とに、これらの表面がＵＶ光に照らされる場合にそれらからの電子の光電子放出を妨げる非金属被覆層を設けることが有利である。

当然、図３乃至５のコロナ放電の実施形態及び図６の照射の実施形態は、組み合わされても良い。

図２に戻り、ＵＦＰの少なくとも一部が粒子帯電部７において帯電される場合、濃度変化部３におけるＵＦＰの濃度の変化は、静電気的に達成され得る。具体的に、濃度変化部３の手段４は、直線の又は円筒同心の平行板の連続として構成されても良く、平行板のうちの少なくとも１つは、周期的に連続する電圧パルスＶｐｌａｔｅを受け取ることができる。板４は、接地電位へ及び電圧Ｖｐｌａｔｅへ交互に接続される。平行板は、互いに対して並列に置かれ、夫々、気流の方向に実質的に平行な面に存在する。電圧は、第１の濃度レベルに関連付けられた電圧Ｖ＝０ボルトと、第２の濃度レベルに関連付けられたＶ＝Ｖｐｌａｔｅとの間を行き来するパルス電圧である。第２の濃度レベルは第１の濃度レベルを下回る。これは、多数の帯電されたＵＦＰが、電圧Ｖｐｌａｔｅの印加時に隣り合う板の間に存在する静電界の影響下で、板４のうちの少なくとも１つの表面上に堆積するためである。Ｖｐｌａｔｅは、濃度変化部３を通る関連する空気速度において、制御される一部の粒子の堆積のみが、無視できない程に総粒子数濃度に寄与するｄｐ＝５００ｎｍ、望ましくは３００ｎｍを下回るいずれかの大きさで等しい大きさを有する帯電された粒子の全ての種類に関して生ずるように、選択される。これは、概して、直径が約１０から２０ｎｍの間の大きさである全ての帯電された超微細粒子の多くても約９５％が、電圧Ｖｐｌａｔｅの印加時に、濃度変化部３の内部での電気集塵によって気流から除去されるべきであることを意味する。より大きな粒子は、濃度変化部３の内部での粒子集塵の範囲が、少なくともかかる粒子が拡散荷電により帯電される場合に、粒子サイズの増大とともに減少するので、比較的より低い割合で除去される。粒子が板表面に堆積すると、それらは動かなくなり、電圧Ｖｐｌａｔｅがその後に零に下がる場合に、板表面から自身を取り外すことができない。

濃度変化部３を通る帯電されたＵＦＰは、その後、粒子検知部５において受け取られる。粒子検知部５は、受け取ったＵＦＰのほぼ全てを捕捉する。図３乃至６に示される実施形態で、全ての帯電されたＵＦＰをファラデーケージ３０内のダストフィルタ３１の繊維に堆積させるファラデーケージ３０が利用される。ファラデーケージ３０は、例えば、高感度な流速計を介してそれを共通電位、望ましくは、評価ユニット６の側での接地電位へ接続することによって、一定の電位に保たれる。ファラデーケージ３０の一定電位は、ファラデーケージ３０への電流Ｉを含む。電流Ｉは、帯電されたＵＦＰがダストフィルタ３１内に入り込む場合に、ファラデーケージ３０に配置されたフィルタ３１内に堆積する電荷を補償する。この電流Ｉは、センサ信号を構成し、ファラデーケージ３０内で単位時間ごとに堆積される電荷に等しい。Ｉ_Ｖ＝０とＩ_{Ｖ＝Ｖｐｌａｔｅ}との間の変化は、濃度変化部３を通る帯電されたＵＦＰの濃度変化の結果として得られ、評価ユニット６へ送られる。

図３乃至５に示されるコロナ帯電の場合に、ＵＦＰの帯電は、粒子直径ｄｐと、スクリーン電極１３とセンサ１の筐体の接地された内壁との間の流路空間における平均イオン濃度Ｎｉｏｎと、帯電領域におけるＵＦＰの居留の平均時間ｔとによって決定される。粒子の帯電は、パラメータｄｐ及び積Ｎｉｏｎ＊ｔに依存することが分かる。

更に、コロナ帯電に関して、濃度変化部３においてＶ＝０である場合に、電流Ｉ_Ｖ＝０は、粒子フィルタ３１を有するファラデーケージ３０へ接続された評価ユニット６によって記録されることが分かる。電流Ｉ_Ｖ＝０は、全てのＵＦＰの全長濃度Ｌｕｆｐに比例する。従って、

である。

実際のところ、同様に、５００ｎｍよりも大きい浮遊粒子がＩ_Ｖ＝０、ひいてはＬｕｆｐに寄与するが、かかるＬｕｆｐへの寄与は、概して、５００ｎｍよりも小さい粒子の寄与に比べてずっと小さい。Ｌｕｆｐは、ＵＦＰに関連するヒト健康影響パラメータＨｕｆｐにおおよそ比例するので、

だとすると（なお、Ｃｏｎｓｔ１は粒子の物理組成に依存する定数パラメータである。）、それは、

のように近似される。

Ｈｕｆｐに関する式におけるｄｐ^１．５の依存度は、（粒子の表面積に比例する（〜ｄｐ^２））堆積された粒子の相対的な健康への影響と、（おおよそｄｐ^−０．５に比例する）肺の中でのかかる粒子の堆積の影響との乗算から得られる。望ましくは、浮遊ＵＦＰの発生源は、Ｉ_Ｖ＝０とＨｕｆｐとの間の信頼できる比例係数を決定するために、知られるべきである（例えば、自動車交通。）。従って、データは、ＵＦＰにより汚染された空気の相対的な健康への影響Ｈｕｆｐに関して得られる。

Ｖ＝Ｖｐｌａｔｅ≠０の場合に、帯電されたＵＦＰの一部は、濃度変化部３の内部に堆積し、従って、電流Ｉ_{Ｖ＝Ｖｐｌａｔｅ}＜Ｉ_Ｖ＝０を得る。以下、

であることが知られ、従って、評価ユニット６における２つの電流レベルの間の差の記録と、ＵＦＰの帯電の程度及び超微細粒子センサを通る気流に依存する比例係数とから、総体的なＵＦＰ粒子数濃度Ｎｕｆｐを得る。Ｎｕｆｐは一般的に時間依存するので、それは、１Ｈｚを下回る周波数を有して集塵部３へ矩形Ｖｐｌａｔｅを供給するのに適する。その場合、濃度Ｎｕｆｐは、また、時間の関数として記録され得る。

図６に示されるように、粒子の帯電が照射によって行われる場合、実質的に浮遊煤粒子のみが、十分に短い波長を有するＵＶ光による照射により帯電される。誘発される光電子粒子荷電が（ＵＶ光における十分に高い放射強度及び／又は十分に長い粒子居留時間の適用により）飽和へと至る場合に、Ｖ＝０で、記録されるファラデーケージ３０の電流Ｉ_{ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ，Ｖ＝０}は、煤粒子の全長濃度Ｌｓｏｏｔに比例することが分かる。従って、

となる。

超微細な煤粒子の、煤に関連する健康影響パラメータＨｓｏｏｔは、

から得られる。なお、Ｃｏｎｓｔ２は定数パラメータであり、結果として、比例関数における妥当な近似

が得られる。

この場合に、煤粒子数濃度Ｎｓｏｏｔは、

から評価ユニット６において決定され得、従って、評価ユニット６における２つの電流レベルの間の差の記録と、経験的に決定される又は理論的に推測される比例係数とから、総体的な煤粒子数濃度Ｎｓｏｏｔを得る。

Ｈｓｏｏｔのより一層正確な推定は、煤粒子の光荷電が光電子飽和を幾らか下回ったままであることを確実にすることによって、行われ得る。その場合、光電子粒子荷電は、１．０から２．０（十分に飽和した光荷電に関してｆ＝１。十分に飽和していない光荷電に関してｆ＝２。）の範囲内にある指数ｆを有するｄｐ^ｆに比例する。ＵＶ光への浮遊煤粒子の露光を注意深く制御することによって、その場合、

に従って、電流Ｉ_Ｖ＝０を記録することが可能となる。この式は、先に示されたＨｓｏｏｔに関する式にも存在するｄｐ^１．５の依存度を有する。この場合に、より正確な健康への影響を表す因数は、

によって決定され得る。

評価結果は、表示装置８に都合良く表示され得る。望ましくは、手段（図示せず。）は、異なる化学組成及び／又は起源を有する異なる浮遊超微細粒子を捕らえるために、記録された電流Ｉ_Ｖ＝０を、健康への影響の因数Ｈｕｆｐ及び／又はＨｓｏｏｔに関連付ける比例係数の（手動）調整を可能にするよう設けられる。

ポンプ又は換気装置９は、空気吸い込み口２を通る粒子検知部５への空気の流れを維持するために設けられる。空気吸い込み口２は、更に、粗粒子によるセンサ１の汚濁を回避するよう、粒子前置フィルタ１０を設けられる。

代替的に、センサを通る気流は、センサの空気吸い込み口とセンサの空気出口との間で圧力の差を生じさせることによって作られても良い。このような圧力の差は、空気ダクトの壁を越えて存在する。その場合、センサを通る気流は、空気ダクトに吸い込み口２を位置付け、空気ダクトの外側に排気口を位置付けることによって、実現され得る。センサを流れる空気の量は、空気がサンプリングされるところの空気ダクト内に存在する平均速度に依存する（これは、平均速度が、センサの空気吸い込み口と空気出口との間の圧力差を少なくとも部分的に設定するためである。）。その平均気流速度は、空気ダクトにおいて気流を作る換気装置の設定から決定され得る。このようにして決定された気流速度は、次いで、測定されるセンサ信号を読み取るために使用され得る。この処理は、センサを通る気流を、空気ダクトを通る気流を作る換気装置の設定に正確に関連付けるよう、較正を必要としうる。

（粒子が存在しないことを示す）増幅されたセンサ電流の零レベルは、例えば温度変化によって、ドリフトしやすい。正確な零レベルは、検知処理を中断することによって確立され得る。これは、例えば、センサ内部での粒子の帯電を無効にすることによって、又は、空気取り入れ口を止めることによって、行われ得る。

図１乃至６に表される上記超微細粒子センサは、例えば電気抵抗加熱素子のような加熱手段を、その吸い込み口部に又は吸い込み口部の近くに設けられても良く、センサに入る空気の相対湿度を下げて、結露によって、あるいは、湿度飽和した空気において電界を発生させることによって引き起こされる短絡及び／又は漏電の問題の発生の危険性を少なくする。

図７は、本発明の実施形態に従って超微細粒子及び微細粒子（ＦＰ）を検知するよう較正されるセンサ４０のブロック図を示す。センサ４０は、図１乃至６を参照して説明された実施形態のいずれか１つにおけるセンサ１と、微細粒子センサ４１とを有する。ＵＦＰセンサ１及びＦＰセンサ４１の両方の出力又はその派生物は、表示装置８に表示され得る。微細粒子センサ４１は、例えば、所謂当業者に知られる（例えば、ＰＭ_１０サンプリングシステムを用いる）粒子サンプリング／重み付け手順により、且つ／あるいは、光散乱法により、３００ｎｍ≦ｄｐ≦１０μｍ若しくは５００ｎｍ≦ｄｐ≦１０μｍのおおよその粒子サイズ範囲内にある呼吸域の浮遊微細粒子の質量濃度を測定するユニットを有しても良い。呼吸域のＦＰ及びＵＦＰの両方が、センサ４０によって検知される空気中で発生する場合、ヒトは、

に従って、総体的な健康への影響Ｈｔｏｔａｌ＝Ｈｆｐ＋Ｈｕｆｐを有する。なお、Ｃｏｎｓｔ３及びＣｏｎｓｔ４は比例係数である。

Ｈｆｐの相対的な大きさは、例えば、装置４１によって用いられる光散乱により評価され得る。これは、Ｈｕｆｐに関しては可能でない。Ｈｕｆｐに関して、代替の測定方法は、本願において発明され、論じられてきた。上述されるように、特に交通汚染された空気において、ＨｕｆｐはＨｆｐよりも重要となりうることが知られる。

最後に、図８Ａ及び８Ｂで、空調システム５０は、本発明に従う超微細粒子センサ１、４０へ接続されるよう表示される。空調システム５０は、例えば、流路５３を介して取り込まれる空気を処理するよう、換気装置５１及び／又は空気調節／清浄システム５２を有する。センサ１、４０は、空調システム５０の上流及び／又は下流にある流路の内部に、且つ／あるいは、流路５３が空気を供給するところの、又は、空気が取り出されるところの筐体５４の内部に配置され得る。筐体５４は、例えば、建物の部屋又は乗り物に関する。１よりも多いセンサ１、４０が用いられても良い。センサは、変化する測定信号に基づいて、あるいは、より具体的には、センサ１、４０の１若しくはそれ以上から得られた超微細粒子及び／又は煤粒子及び／又は呼吸域粉塵に関するデータに基づいて、空調システム５０のユニットの設定及び動作を制御することができる。

当然、センサ１、４０は、必ずしも空調システム５０に結合されるわけではなく、スタンドアローンのセンサ、例えば手持ち式のセンサであっても良い。

本発明に従う超微細粒子センサ１、４０は、また、図８Ｃに示される（持ち運び可能な）空気清浄装置５５へ結合されても良い。持ち運び可能な空気清浄装置は、しばしば、例えば居間及び寝室のような部屋において室内の空気を清浄するために使用され、通常は、換気装置及び１又はそれ以上の空気清浄フィルタを有する。センサ１、４０は、持ち運び可能な空気清浄機の中に配置されても、空気清浄機に取り付けられても、あるいは、筐体５４内に空気清浄機から離れて配置されても良く、空気は持ち運び可能な空気清浄機５０によって清浄される。１よりも多いセンサ１、４０が用いられても良い。センサは、変化する測定信号に基づいて、あるいは、より具体的には、センサ１、４０の１又はそれ以上から得られる超微細粒子及び／又は煤粒子及び／又は呼吸域粒子に関するデータに基づいて、持ち運び可能な空気清浄機の動作設定（気流、オン／オフ切替）を制御することができる。センサ１、４０は、空気清浄装置と無線通信することができる。

ＵＦＰ若しくは煤センサ及び空気清浄ユニットを有する空気汚染センサシステムで、空気清浄ユニットは、空気清浄ユニットを迂回するためのバイパスを取り付けられても良く、バイパスへ向かう空気の量は、センサの制御下にある。システムに引き込まれる空気が超微細粒子によってひどく汚染されている場合に、センサは、少なくとも空気の主要部分を空気清浄ユニットへ導き、一方、汚染度の低い空気は、清浄ユニットで生ずる圧力降下を回避することによって電力を節約するよう、少なくとも実質的にバイパスへ導かれる。

提案されるセンサ１、４０は、簡単且つ安価であり、単独でも、あるいは、互いに組み合わせた状態でも使用され得る。それらは、基本的な洗浄メンテナンスしか必要とせず、（通常の）周囲空気でも且つ（ひどく）汚染された空気でも粒子汚染レベルを評価するために使用され得る。センサ１、４０は、例えばクリーンルーム環境における、非常に低い粒子数を測定することができない。

留意すべきは、上述される実施形態は、本発明を限定しているのではなく説明しており、当業者は、添付の特許請求の範囲の適用範囲から逸脱することなく多数の代替の実施形態を設計することができる点である。特許請求の範囲において、括弧内の如何なる参照符号も、請求を限定するよう解釈されるべきではない。語“有する”は、請求項に挙げられた以外の要素又はステップの存在を除外しているわけではない。要素の前に付された語“１つの”は、そのような要素の複数個の存在を除外しているわけではない。ある手段が相互に異なる従属請求項に挙げられているという単なる事実は、かかる手段の組合せが有利に使用され得ないことを示しているわけではない。

本発明の実施形態に従う超微細粒子センサの説明図を示す。 図１の超微細粒子センサの更に詳細な説明図を示す。 コロナ放電源を用いる超微細粒子センサの説明図を示す。 コロナ放電源を用いる超微細粒子センサの説明図を示す。 コロナ放電源を用いる超微細粒子センサの説明図を示す。 紫外線光源を用いる超微細粒子センサの説明図を示す。 本発明の実施例に従う超微細粒子及び微細粒子を検知するよう構成されるセンサのブロック図を示す。 Ａ〜Ｃは、本発明に従う超微細粒子センサを用いる空調システムを示す。

Claims (17)

1. およそ１から５００ｎｍ、望ましくは５から３００ｎｍの範囲にある直径を有する浮遊粒子を検知する超微細粒子センサであって：
   − 超微細粒子の流入のための空気吸い込み口；
   − 少なくとも１つの時間間隔の間に、少なくとも第１の濃度レベルと第２の濃度レベルとの間で超微細粒子の濃度の変化を生じさせることが可能な濃度変化部；
   − 前記第１の濃度レベルと前記第２の濃度レベルとの間の前記変化に従って変化する測定信号を発生させることが可能な粒子検知部；及び
   − 前記変化する測定信号から前記超微細粒子に関するデータを得ることが可能な評価ユニット；
   を有する超微細粒子センサ。
2. 前記濃度変化部の上流にある粒子帯電部を有し、
   前記粒子帯電部は、前記超微細粒子のうちの少なくとも一部を帯電させることが可能であり、
   前記濃度変化部は、帯電された超微細粒子の濃度に関して前記変化を生じさせることが可能な可変電界を発生させるよう配置される、請求項１記載の超微細粒子センサ。
3. 前記粒子帯電部は、少なくとも１つのコロナ放電源、望ましくは、針若しくはワイヤと、カウンタ電極と、第１の電圧を前記コロナ放電源へ印加し且つ第２の電圧を前記カウンタ電極へ印加する手段とを有し、
   前記コロナ放電源及びカウンタ電極は、前記超微細粒子のうちの少なくとも一部が帯電され得るように前記空気吸い込み口に対して配置される、請求項２記載の超微細粒子センサ。
4. 前記粒子帯電部は、前記コロナ放電源を少なくとも部分的に囲む多孔スクリーン電極と、第３の電圧を前記多孔スクリーン電極へ印加する手段とを更に有する、請求項３記載の超微細粒子センサ。
5. 前記粒子帯電部は、前記超微細粒子のうちの少なくとも一部を帯電させるために発光可能な少なくとも１つの光源、望ましくは紫外線光源を有する、請求項２記載の超微細粒子センサ。
6. 前記濃度変化部は、少なくともひと組の実質的に平行な板と、少なくとも１つの時間間隔の間に前記電界を変化させるよう前記板のうちの少なくとも１つへ可変電圧を印加する手段とを有する、請求項２記載の超微細粒子センサ。
7. 前記粒子検知部は、前記帯電された超微細粒子のうちの少なくとも一部を捕捉し、且つ、少なくとも前記第１の濃度レベルに対応する第１の電流レベルと前記第２の濃度レベルに対応する第２の電流レベルとの間で変化する電流を生成することが可能な粒子フィルタを有する、請求項２記載の超微細粒子センサ。
8. 前記粒子検知部は、ファラデーケージ内に配置される多孔粒子フィルタを有し、
   前記ファラデーケージは、前記電流を処理するよう前記評価ユニットへ接続される、請求項７記載の超微細粒子センサ。
9. 前記変化する測定信号は、少なくとも前記第１の濃度レベルに対応する第１の電流レベルと前記第２の濃度レベルに対応する第２の電流レベルとの間で変化する電流であり、
   前記評価ユニットは、前記第１の電流レベルと前記第２の電流レベルとを比較することによって、前記空気吸い込み口に入る単位体積ごとの超微細粒子の数を導き出すことが可能であり、
   前記単位体積ごとの超微細粒子の数は、約５ｎｍ又はそれより大きい、あるいは１０ｎｍ又はそれより大きい、あるいは２０ｎｍ又はそれより大きい直径を有する超微細粒子に関連する、請求項１記載の超微細粒子センサ。
10. 前記評価ユニットは、更に、前記第１の電流レベルから前記超微細粒子の長さ濃度を導き出すことが可能であり、
    前記長さ濃度は、約５ｎｍ又はそれよりも大きい直径を有する超微細粒子に関連する、請求項９記載の超微細粒子センサ。
11. 前記濃度変化部は、前記第１の濃度レベル及び前記第２の濃度レベルの両方が、約５又は１０ｎｍよりも長い大きさの全ての超微細粒子に関して零以外であるように、前記第１の濃度レベル及び前記第２の濃度レベルを達成することが可能である、請求項１記載の超微細粒子センサ。
12. 前記空気吸い込み口は、およそ２から５μｍよりも長い直径を有する粒子を濾過することが可能な前置フィルタ部を有する、請求項１記載の超微細粒子センサ。
13. 前記粒子検知部への前記空気吸い込み口を介する空気の流れを保つことが可能であって且つそのように配置されるポンプ又は換気装置を更に有する、請求項１記載の超微細粒子センサ。
14. 前記評価ユニットから前記超微細粒子に関するデータを受け取って表示することが可能な表示装置を更に有する、請求項１記載の超微細粒子センサ。
15. および５００ｎｍから１０μｍ、望ましくは３００ｎｍから１０μｍの範囲にある直径を有する粒子に関するデータを得ることが可能な粒子量検知部を更に有する、請求項１記載の超微細粒子センサ。
16. 請求項１記載の超微細粒子センサを有する空調システムであって、
    前記超微細粒子センサは、前記変化する測定信号に基づいて当該空調システムに関わる空気調節／清浄ユニット及び／又は換気ユニットを制御することが可能な制御信号を供給するよう配置されるフィードバック出力を有する、空調システム。
17. 前記空気調節／清浄ユニットは持ち運び可能なユニットである、請求項１６記載の空調システム。

Images