JP2009264979A - 微粒子分級方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】流体の中を移動する微粒子を分級し、分級された微粒子を、分析系で用いる媒体ガスの中に導入すること。
【解決手段】流体流路３０に隣接して媒体ガス流路１８を形成するとともに、流体流路３０上流側に試料ガス導入路３８を形成し、流体流路３０の下流側に微粒子導入口２４を形成し、流体流路３０中に、シースエアを一定の速度で流すとともに、微粒子１００を含む試料ガスを流し、媒体ガス流路１８中には、分析器２８で用いる媒体ガスを流す。この状態で、第１の電極１２と第２の電極１４間に電圧を印加すると、流体流路３０中の各微粒子１００は、電界の影響を受けながら移動し、各微粒子１００の電気移動度に応じた速度で第１の電極１２側に引き寄せられ、微粒子導入口２４に到達した微粒子１００のみが媒体ガス流路１８内に取り込まれ、分析器２８に送給される。
【選択図】図１

Description

本発明は、試料ガスに含まれる微粒子を分級する微粒子分級方法およびその装置に関する。

一般に、大気雰囲気中の微粒子の濃度を測定するに際して、空気中に存在する粒子の有害性はその粒子径に依存するため、粒子径別の濃度（粒度分布）が測定される。粒度分布を測定する方法には、サイクロン、インパクター等、慣性力を用いて粒子径を分ける装置、粒子に光を当てたときの散乱光のパルスの大きさ、あるいは散乱方向が粒子サイズに依存することを利用した装置等が用いられている。

しかし、いずれの装置を用いても、ナノスケール（数ｎｍ〜数１００ｎｍ）の微粒子を測定することはできない。そのため、ナノスケールの微粒子を測定することができる微粒子分級装置が提案された（特許文献１参照）。

この微粒子分級装置は、分取される微粒子の雰囲気とすべき媒体ガスの流れを形成するとともに、この流れを横断する方向の静電場を形成し、帯電された微粒子を含む試料ガスを、エアロゾル流導入スリットから媒体ガスの流れに沿って流路内に導入し、媒体ガスの流路内に導入された微粒子のうち静電気力を受けて、媒体ガスの流れを横断した特定の微粒子を、エアロゾル流導出スリットから媒体ガスとともに導出することで、ナノスケールの微粒子を分級することができる。

特許第３６２９５１２号公報

従来技術においては、特定の微粒子の雰囲気を、分級と同時に、所望の媒体ガスに置換するようにしたため、分級後に使用目的に応じた特別なガス、例えば、アルゴンガスを別途注入する必要がなく、作業の効率化を図ることができる。

しかし、試料ガスを流す流路に、空気とは異なる気体として、例えば、アルゴンガス等の媒体ガスを導入すると、アルゴンガスの流れの中を移動する試料ガスに電圧を印加するにも、媒体ガスの種類によっては、高電圧に対する耐圧が低く放電現象が生じることがあり、分級すべき微粒子の径の大きさが制限されることがある。

すなわち、試料ガスに含まれる微粒子を分級する場合、静電場を形成するための電極間に印加される電圧の大きさに応じて粒子径が決定されるので、電極間に印加される電圧の大きさを任意に変化させることで、任意の径の微粒子を分級することができる。しかし、電極間に印加する電圧を高くしたときに、媒体ガスの耐圧が低く、放電現象が生じたときには、媒体ガスの中を移動する微粒子を分級することができず、放電現象が生じない電圧で微粒子を分級することが余儀なくされる。

本発明は、前記従来技術の課題に鑑みて為されたものであり、その目的は、試料ガスを流体中に導入し、流体の中を移動する微粒子を流体中で分級するとともに、分級された微粒子を、分析系で用いる媒体ガスの中に導入することができる微粒子分級方法およびその装置を提供することにある。

前記目的を達成するために、請求項１に係る微粒子分級方法においては、媒体ガス流路中に、その上流側から下流側に向けて分析系で用いる媒体ガスを流し、前記媒体ガス流路に隣接して配置された流体流路中に、その上流側から下流側に向けて流体を流すともに、帯電された微粒子を含む試料ガスを前記流体流路途中の上流側に導入し、前記流体流路中を移動する微粒子に前記流体流路と交差する方向の静電気力を付与し、前記流体流路の下流側に形成されて前記流体流路と前記媒体ガス流路とを結ぶ微粒子導入口に、前記流体流路中を移動する微粒子のうち前記静電気力の大きさに応じて分級された微粒子を導入する構成とした。
(作用) 媒体ガス流路中に、分析系で用いる媒体ガスを流し、媒体ガス流路に隣接して配置された流体流路中に、流体を流すとともに、帯電された微粒子を含む試料ガスを流体流路途中の上流側に導入し、流体流路中を移動する微粒子に流体流路と交差する方向の静電気力を付与し、流体流路の下流側に形成された微粒子導入口に、流体流路中を移動する微粒子のうち静電気力の大きさに応じて分級された微粒子を導入するようにしたため、流体として、高耐圧のものを用いることで、微粒子に付与する静電気力（電圧）を高くすることができ、分級すべき微粒子の粒子径が静電気力（電圧）によって制限されるのを抑制することができ、結果として、広範囲の微粒子を微粒子毎に分級することができる。さらに、媒体ガス流路中に、分析系で用いる媒体ガスを流すようにしたため、分析系に新たに媒体ガスを導入する必要がなく、運転コストの低減およびシステム全体の小型化を図ることができる。

請求項２に係る微粒子分級方法においては、請求項１に記載の微粒子分級方法において、前記流体流路中には、前記流体として、シースエアを導入する構成とした。
（作用）流体流路中に、流体として、シースエアを導入して流すことで、流体流路中に、アルゴン（Ａｒ）ガスやヘリウム（Ｈｅ）ガスを流すときよりも、微粒子に付与する静電気力（電圧）を高くすることができる。

請求項３に係る微粒子分級方法においては、請求項１に記載の微粒子分級方法において、前記流体流路中には、前記流体として六フッ化硫黄を導入する構成とした。
（作用）流体流路中には、流体として、六フッ化硫黄を導入することで、流体流路中に他の流体を流すときよりも、耐圧が高い分、装置を小型化することができるとともに、分級すべき微粒子をより広範囲に亘って分級することができる。

請求項４に係る微粒子分級装置においては、分析系で用いる媒体ガスの流路となる媒体ガス流路を形成する第１の電極と、前記第１の電極に隣接して配置されて、流体の流路となる流体流路を形成する第２の電極と、帯電された微粒子を含む試料ガスを前記流体流路途中の上流側に導入する試料ガス導入路と、前記第１の電極と前記第２の電極間に電圧を印加して、前記流体流路中を移動する微粒子に前記流体流路と交差する方向の静電気力を付与する電源と、を備え、前記流体流路の下流側には、前記流体流路と前記媒体ガス流路とを結ぶ微粒子導入口が形成され、前記微粒子導入口には、前記流体流路を移動する微粒子のうち前記両電極間に印加された電圧に応じて分級された微粒子が導入されてなる構成とした。
（作用）媒体ガス流路中に、分析系で用いる媒体ガスを流し、媒体ガス流路に隣接して配置された流体流路中に、流体を流すとともに、帯電された微粒子を含む試料ガスを流体流路途中の上流側に導入し、両電極間に電圧を印加して流体流路中を移動する微粒子に流体流路と交差する方向の静電気力を付与し、流体流路の下流側に形成された微粒子導入口に、流体流路中を移動する微粒子のうち両電極間に印加される電圧の大きさに応じて分級された微粒子を導入するようにしたため、流体として、高耐圧のものを用いることで、微粒子に付与する静電気力（電圧）を高くすることができ、分級すべき微粒子の粒子径が静電気力（電圧）によって制限されるのを抑制することができ、結果として、広範囲の微粒子を微粒子毎に分級することができる。さらに、媒体ガス流路中に、分析系で用いる媒体ガスを流すようにしたため、分析系に新たに媒体ガスを導入する必要がなく、運転コストの低減およびシステム全体の小型化を図ることができる。

請求項５に係る微粒子分級装置においては、前記流体流路中には、前記流体として、シースエアが導入されてなる構成とした。
(作用) 流体流路中に、流体として、シースエアを導入して流すことで、流体流路中に、アルゴン（Ａｒ）ガスやヘリウム（Ｈｅ）ガスを流すときよりも、微粒子に付与する静電気力（電圧）を高くすることができる。

請求項６に係る微粒子分級装置においては、請求項４に記載の微粒子分級装置において、前記流体流路中には、前記流体として六フッ化硫黄が導入されてなる構成とした。
（作用）流体流路中には、流体として、六フッ化硫黄を導入することで、流体流路中に他の流体を流すときよりも、耐圧が高い分、装置を小型化することができるとともに、分級すべき微粒子をより広範囲に亘って分級することができる。

請求項７に係る微粒子分級装置においては、請求項４、５または６のうちいずれか１項に記載の微粒子分級装置において、前記第１の電極は筒体で構成されて鉛直方向に沿って配置され、前記第２の電極は、前記第１の電極を囲む筒体で構成されてなる構成とした。
（作用）第１の電極を筒体で構成し、第２の電極を第１の電極を囲む筒体で構成することで、各筒体の径方向の長さを短くすることができ、装置の小型化を図ることができる。また、第１の電極に形成された微粒子導入口の周囲に、第２の電極による、環状の流体流路が形成されるので、多量の微粒子を微粒子導入口に導入して分級することができる。

以上の説明から明らかなように、請求項１によれば、広範囲の微粒子を微粒子毎に分級することができるとともに、運転コストの低減およびシステム全体の小型化を図ることができる。

請求項２によれば、微粒子に付与する静電気力（電圧）を高くすることができる。

請求項３によれば、装置を小型化することができるとともに、分級すべき微粒子をより広範囲に亘って分級することができる。

請求項４によれば、広範囲の微粒子を微粒子毎に分級することができるとともに、運転コストの低減およびシステム全体の小型化を図ることができる。

請求項５によれば、微粒子に付与する静電気力（電圧）を高くすることができる。

請求項６によれば、装置を小型化することができるとともに、分級すべき微粒子をより広範囲に亘って分級することができる。

請求項７によれば、装置の小型化を図ることができるとともに、多量の微粒子を微粒子導入口に導入して分級することができる。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の一実施例を示す微粒子分級装置の要部断面図、図２は、微粒子分級装置を含むシステムのブロック図である。

図１および図２において、微粒子分級装置１０は、例えば、微分移動度型粒子分析装置（ＤＭＡ：Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ａｎａｌｙｚｅｒ）として、第１の電極１２と、第２の電極１４と、第１の電極１２と第２の電極１４間に電圧を印加する直流電源１６を備えて構成されている。
第１の電極１２は、金属製の筒体で形成されて鉛直方向に沿って配置されている。第１の電極１２の内側には、例えば、分析系で用いる媒体ガスの流路となる媒体ガス流路１８が形成されている。媒体ガス流路１８の上部側（上流側）には、媒体ガス導入口２０が形成され、下部側（下流側）には媒体ガス排出口２２が形成されている。媒体ガス導入口２０と媒体ガス排出口２２とを結ぶ媒体ガス流路１８の下流側には、第２の電極１４を臨む、環状の微粒子導入口２４が形成されている。

媒体ガス導入口２０には、媒体ガス供給装置２６から媒体ガス（媒体気体）が導入される。媒体ガス導入口２０から導入された媒体ガスは、媒体ガス流路１８に沿って下部側（下流側）に流れ、媒体ガス排出口２２から排出された後、分析系の分析器２８に送給される。

媒体ガスとしては、例えば、測定対象物質が、カーボンナノチューブ、フラーレンなどの炭素系材料のときには、Ｈｅ（ヘリウム）が用いられ、測定対象物質が金属酸化物のときには、Ａｒ（アルゴン）が用いられ、測定対象物質が硫酸ミストその他硫黄化合物のときには、ＨｅやＡｒなどを用いることができる。なお、測定対象物質が上記以外の物質のときには、媒体ガスとして、二酸化炭素やＳＦ_６（六フッ化硫黄）を用いることができる。

また、分析器２８としては、媒体ガスにＨｅを用いたときには、ガスクロマトグラフ質量分析器（ＧＣ−ＭＳ）を用いることが好ましく、媒体ガスにＡｒを用いたときには、高周波誘導結合質量分析装置（ＩＣＰ−ＭＳ）を用いることが好ましい。

第２の電極１４は、第１の電極１２の周囲を囲む、金属製の筒体で形成されて鉛直方向に沿って配置されている。第２の電極（筒体）１４の内側には、媒体ガスとは異なるガスを含む流体の流路となる流体流路３０が形成されている。流体流路３０の上部側（上流側）には、シースエア導入口３２が形成され、下部側（下流側）にはシースエア排出口３４が形成されている。シースエア導入口３２とシースエア排出口３４とを結ぶ流体流路３０の流路途中の上流側には、環状の試料ガス導入口３６が形成され、流体流路３０の流路途中の下流側には、流体流路３０と媒体ガス流路１８とを結ぶ微粒子導入口２４が形成されている。試料ガス導入口３６は、環状の試料ガス導入路３８に接続されている。

シースエア導入口３２には、シースエア供給装置４０からシースエア（清浄空気）が導入される。シースエア導入口３２から導入されたシースエアは、シースエア中の不純物を除去するフィルタ４２を通過した後、流体流路３０に沿って下部側（下流側）に一定の速度で流れ、シースエア排出口３４から排出され、その後、シースエア供給装置４０に回収される。

試料ガス導入路３８は、帯電装置４４に接続され、帯電装置４４は、サンプリング装置４６に接続されている。サンプリング装置４６は、例えば、大気等の雰囲気中を浮遊する粉塵やミスト等の微粒子をサンプリングし、サンプリングした微粒子を帯電装置４４に供給する。帯電装置４４は、サンプリング装置４６から供給された微粒子を、例えば、放射線源または，コロナ放電などにより帯電し、帯電された微粒子１００を含む試料ガス（サンプルエアロゾル）を試料ガス導入路３８に供給する。

試料ガス導入路３８に供給された試料ガスは、試料ガス導入口３６から流体流路３０上流側に導入され、シースエアとともに、流体流路３０に沿って下流側に向かって流れる。

この際、第１の電極１２と第２の電極１４間には、直流電源１６によって直流電圧が印加され、流体流路３０中の微粒子１００には、微粒子１００に対して、流体流路３０と交差する方向（直交する方向）の静電気力Ｆを付与するための電界が印加される。すなわち、帯電された微粒子１００は、シースエアが一定の速度で移動しているのに対して、第１の電極１２の外周面と第２の電極１４の内周面との間に形成される電界（静電場）の影響を受けながら、流体流路３０に沿って移動する。このとき、個々の微粒子１００は、各微粒子１００の電気移動度に応じた速度で第１の電極１２方向に引き寄せられ、微粒子導入口２４に到達した微粒子１００のみが媒体ガス流路１８内に取り込まれる。すなわち、帯電された微粒子１００は、その電気移動度に応じた粒子径毎に分級される。

具体的には、帯電された微粒子１００の多くは、静電気を帯びており、電荷はプラス同士、マイナス同士は反発しあう。このため、粒子の小さくなった微粒子１００は電子１個分（電気素量）の静電気しか持つことができなくなる。その結果、数１００ｎｍ以下の微粒子１００では、微粒子１個が持つ静電気量は、正負の違いがあっても一定になる。

一方、１個の微粒子１００が持つ静電気量が一定の状態にある条件下で、第１の電極１２の外周面と第２の電極１４の内周面との間に形成される電界（静電場）の影響を受ける微粒子１００の静電気力Ｆは、微粒子１００の大きさにかかわらず一定になる。

一定の静電気力Ｆが作用する微粒子１００がその力に従って第１の電極１２側に引き寄せられる過程では、各微粒子１００に作用する静電気力Ｆは一定であるが、各微粒子１００に作用する空気抵抗は微粒子１００の大きさによって異なるため、小さい径の微粒子１００は速く、大きい径の微粒子１００はゆっくりと引き寄せられる。

すなわち、シースエアが一定の速度で移動しているときに、シースエア中に導入された微粒子１００のうち、第１の電極１２と第２の電極１４間に印加された電圧（電界）の大きさで決まる、特定の大きさの微粒子１００のみが微粒子導入口２４に到達する。

逆に、第１の電極１２と第２の電極１４間に印加される電圧（電界）を変化させることにより、任意の大きさの微粒子１００を取り出すことができる。例えば、第１の電極１２と第２の電極１４間に印加される電圧を変化させることで、おおむね１ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲の微粒子１００を粒子径毎に分級（分離）することができる。

微粒子導入口２４から媒体ガス流路１８に導入された微粒子１００は、分級された微粒子１００として、媒体ガスとともに、媒体ガス流路１８の媒体ガス排出口２２から分析器２８に導入される。分析器２８に導入された微粒子１００は、分析器２８により、その粒度分布が測定される。

ここで、媒体ガス流路１８に導入される媒体ガスとして、分析器２８で微粒子１００の分析に必要な媒体ガスが用いられているので、分析器２８に新たに媒体ガスを導入する必要がなく、運転コストの低減およびシステム全体の小型化を図ることができる。

本実施例によれば、試料ガスの流路となる流体流路３０に隣接して媒体ガス流路１８を形成し、流体流路３０中に、シースエアを流し、媒体ガス流路１８中には、媒体ガスを流すようにしたため、流体流路３０中に、アルゴン（Ａｒ）ガスやヘリウム（Ｈｅ）ガスを流すものよりも、第１の電極１２と第２の電極１４間に印加される電圧を高くすることができ、分級すべき微粒子（対象微粒子）１００の粒子径が電圧によって制限されるのを抑制することができ、結果として、広範囲（１ｎｍ〜１０００ｎｍ）の微粒子１００を微粒子毎に分級（分離）することができる。

また、本実施例によれば、媒体ガス流路１８中に、シースエアとは異なる媒体気体であって、分析器２８で用いる媒体ガス、例えば、ＨｅあるいはＡｒを流すようにしたため、分析器２８に新たに媒体ガスを導入する必要がなく、運転コストの低減およびシステム全体の小型化を図ることができる。

また、微粒子分級装置で分級できる微粒子１００の大きさの上限は、微粒子分級装置の大きさに依存するため、流体流路３０中に、シースエアの代わりに、シースエアよりも耐圧の高い気体として、例えば、六フッ化硫黄（高耐圧気体）を流すと、耐圧が高い分、微粒子分級装置１０の作動範囲が高くなり、微粒子分級装置１０を小型化することができるとともに、分級すべき微粒子（対象微粒子）１００をより広範囲に亘って分級（分離）することができる。

また、第１の電極１２を筒体で構成し、第２の電極１４を第１の電極１２を囲む筒体で構成したため、各電極１２、１４の径方向の長さを短くすることができ、装置の小型化を図ることができる。さらに、第１の電極１２に形成された微粒子導入口２４の周囲に、第２の電極１４による、環状の流体流路３０が形成されている、多量の微粒子１００を微粒子導入口２４に導入して分級することができる。

本発明の一実施例を示す微粒子分級装置の要部断面図である。 微粒子分級装置を含むシステムのブロック図である。

符号の説明

１０ 微粒子分級装置
１２ 第１の電極
１４ 第２の電極
１６ 直流電源
１８ 媒体ガス流路
２０ 媒体ガス導入口
２２ 媒体ガス排出口
２４ 微粒子導入口
２６ 媒体ガス供給装置
２８ 分析器
３０ 流体流路
３２ シースエア導入口
３４ シースエア排出口
３６ 試料ガス導入口
３８ 試料ガス導入路

Claims (7)

1. 媒体ガス流路中に、その上流側から下流側に向けて分析系で用いる媒体ガスを流し、前記媒体ガス流路に隣接して配置された流体流路中に、その上流側から下流側に向けて流体を流すともに、帯電された微粒子を含む試料ガスを前記流体流路途中の上流側に導入し、前記流体流路中を移動する微粒子に前記流体流路と交差する方向の静電気力を付与し、前記流体流路の下流側に形成されて前記流体流路と前記媒体ガス流路とを結ぶ微粒子導入口に、前記流体流路中を移動する微粒子のうち前記静電気力の大きさに応じて分級された微粒子を導入する微粒子分級方法。
2. 前記流体流路中には、前記流体として、シースエアを導入することを特徴とする請求項１に記載の微粒子分級方法。
3. 前記流体流路中には、前記流体として六フッ化硫黄を導入することを特徴とする請求項１に記載の微粒子分級方法。
4. 分析系で用いる媒体ガスの流路となる媒体ガス流路を形成する第１の電極と、前記第１の電極に隣接して配置されて、流体の流路となる流体流路を形成する第２の電極と、帯電された微粒子を含む試料ガスを前記流体流路途中の上流側に導入する試料ガス導入路と、前記第１の電極と前記第２の電極間に電圧を印加して、前記流体流路中を移動する微粒子に前記流体流路と交差する方向の静電気力を付与する電源と、を備え、前記流体流路の下流側には、前記流体流路と前記媒体ガス流路とを結ぶ微粒子導入口が形成され、前記微粒子導入口には、前記流体流路を移動する微粒子のうち前記両電極間に印加された電圧に応じて分級された微粒子が導入されてなる微粒子分級装置。
5. 前記流体流路中には、前記流体として、シースエアが導入されてなることを特徴とする請求項４に記載の微粒子分級装置。
6. 前記流体流路中には、前記流体として六フッ化硫黄が導入されてなることを特徴とする請求項４に記載の微粒子分級装置。
7. 前記第１の電極は筒体で構成されて鉛直方向に沿って配置され、前記第２の電極は、前記第１の電極を囲む筒体で構成されてなることを特徴とする請求項４、５または６のうちいずれか１項に記載の微粒子分級装置。

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