JP2009503507A - 広範囲定濃度粒子発生システム - Google Patents

Abstract

粒子発生システムは、エアロゾル発生器と、排気希釈器と、エアロゾル希釈器と、を備えている。排気希釈器は発生したエアロゾルを受け付けて、当該エアロゾルを所望の初期濃度に希釈する。エアロゾル希釈器は当該エアロゾルを所望の初期濃度の０〜１００％の範囲の濃度に更に希釈する。エアロゾル希釈器はエアロゾルを希釈するためにミニサイクロンを備えている。粒子発生システムは計測器を校正するために様々な濃度の単分散又は多分散エアロゾルを供給するように構成されていてもよい。本システムは初期濃度の０〜１００％の範囲で定濃度を提供することができる。ミニサイクロンにより本システムがコンパクトになり、本システムは持ち運び可能であってもよい。

Description

この発明は、粒子発生システム及び粒子計測器を校正することに関するものである。

粒子計測器は、大気中、特定の環境下及び燃焼機関内等の粒子状物質レベル（量及び数）を検出するために広く適用されている。これらの計測器が正確に機能することを確実にするために、様々な定濃度のエアロゾルによる頻繁な校正が極めて必要である。

これまで、噴霧器やプロパンバーナ等のエアロゾル発生器は、粒子を発生させるために広く使用されてきた。同様に、様々な濃度に粒子を希釈するために多様なタイプの希釈器が適用されてきた。しかしながら、希釈比の幅は狭く、０〜１００％の幅の濃度は出せなかった。

これらエアロゾル発生器と希釈器の２つの技術を組み合わせることにより、校正用エアロゾルが粒子計測器を校正するために利用できる。エアロゾル発生器と希釈器は別個のユニットにあるので、これらユニットは所望の濃度のエアロゾルを発生するために正しく組み立てられなければならない。セットアップには多くのバリエイションが含まれ、当該セットアップの作業は時間がかかり非効率的である。結果として、校正された計測器により大きな不確実性がもたらされる可能性がある。

本発明の目的は、改良された粒子発生システムを提供することである。

本発明には、計測器を校正するために、既知の濃度の単分散又は多分散エアロゾルを発生させることが含まれる。好ましい実施態様においては、未処理のエアロゾルを希釈することにより未処理のエアロゾルの０〜１００％の範囲で正確なエアロゾル濃度が利用できる。

本発明に従って、広範囲定濃度粒子発生システムが、既知の特性を有する校正用エアロゾルを提供する。一面において、本発明は、エアロゾル発生器と、排気希釈器と、エアロゾル希釈器とを、単一のシステムに統合することを含んでもよい。

本発明を実施するための代表的な手法においては、排気希釈器が所望の初期濃度にエアロゾルを希釈する。エアロゾル希釈器は当該エアロゾルを更に初期濃度の０〜１００％の範囲の濃度に希釈する。本発明によれば、エアロゾル希釈器のミニサイクロンはエアロゾルを混合するために使用され、排気希釈器とエアロゾル発生器から得られた未処理のエアロゾルを希釈する。当該サイクロンは粒子の損失を低減し、エアロゾル希釈器は正確な希釈比をもたらすので、所望の粒度範囲と同じ粒度分布における正確な濃度が、初期エアロゾル濃度の０〜１００％の範囲で得られる。この特定の手法において、加えてサイクロンは大きな粒径の粒子を取り除く。そして結果として、このことが校正された計測器を誤作動から守る。従来型の混合用トンネルの代わりにミニサイクロンを使用することによって、希釈器の実際のサイズを小さくすることが可能となる。ＰＩＤループは、一定の希釈比と濃度が求められるとき、エアロゾル希釈器の希釈比を一定に制御する。

エアロゾル発生器はほとんどの環境下で多分散エアロゾルを発生する。エアロゾル発生器で発生したエアロゾルを微分型静電分級器（ＤＭＡ）等の粒度計測器に供給することにより、初期濃度の０〜１００％の単分散エアロゾルが利用可能になる。

図１及び図２に示すように、好ましい実施形態において、広範囲定濃度粒子発生システムは、エアロゾル発生器１０と、エアロゾル調節ユニット１２と、中和装置１４と、高性能微粒子フィルタ（ＨＥＰＡ）１６と、排気希釈器１８と、エアロゾル希釈器２０と、制御システム２２と、を備えている。当該システムはまた、適当な吸引源、無粒子圧縮空気等も備えている。図１及び図２は、それぞれ多分散及び単分散エアロゾルのシステムのフロー概略図を示す。

図１において、エアロゾル発生器１０は、液体溶剤を圧縮空気と霧化させるか、又は、プロパン若しくはディーゼル燃料をバーナで燃焼させるか、又は、その他の手段によって、エアロゾルを発生する。使用される発生器の種類は、校正対象の計測器やそれらの用途によって決定される。例えば、計測器が粒子の数密度を測定する凝縮型粒子計数器である場合は、発生器としては噴霧器が好適である。

エアロゾルが調節ユニット１２に流入した後、水又は液滴又は蒸気は除去される。そして、エアロゾルは中和装置１４に進入する。排気希釈器１８で必要とされる流れがエアロゾル発生器１０で発生する流れより少ない場合は、ニードル弁１５を調節することによって、余分な流れがＨＥＰＡフィルタ１６（ここでエアロゾル中の粒子は除去される。）から排出され得る。ある環境下では、発生器１０が排気希釈器１８にとって充分な流れを発生していない場合、流れはＨＥＰＡフィルタ１６（ここで大気中の粒子は除去される。）を通って排気器１８に吸い込まれる。ＨＥＰＡフィルタ１６の吸気口が開いている状態では、エアロゾルの流れの圧力は安定化される。

中和装置１４では、エアロゾルはボルツマン平衡になるように帯電される。結果として、粒子の静電荷によって引き起こされる粒子の損失が低減される。エアロゾルは排気希釈器１８で所望の濃度に希釈される。排気器１８からの一部の流れはエアロゾル希釈器２０に進入する。エアロゾルの大部分は排出される。

エアロゾル希釈器２０での希釈比が１：１の場合、排気希釈器１８からのエアロゾルの濃度は計測器２４（校正済み）で測定される。この数値は、エアロゾルの初期濃度としてコンピュータ２２に記録され保存される。当該コンピュータから所望の割合の濃度を入力することにより、コンピュータと制御ソフトウェア中のＰＩＤループがエアロゾル希釈器２０を所望の希釈比に制御する。１００％濃度はエアロゾルの希釈を行わないことを意味し、０％濃度は計測器２４（校正済み）へ流入するエアロゾルが無いことを意味する。

図２において、中和装置１４から流出してきたエアロゾルの流れは、排気希釈器１８に直接接続される代わりに微分型静電分級器（ＤＭＡ）２６に接続される。ＤＭＡ２６は、一定の電圧で作動することにより単分散の粒子を出力することができる。単分散エアロゾルは排気希釈器１８に流入し、排気希釈器１８は、ＤＭＡ２６からのエアロゾルが所望より高いか又は低い間は、ＤＭＡ２６からの流れを排出するか又は補うように機能する。これらの顕著な違いを除いては、単分散エアロゾルに対するシステムの運転は、多分散エアロゾルに対するシステムの運転と同じである。

図３は、排気希釈器１８のフロー概略図をより詳細に示す。当該フロー概略図は、排気装置３０と、オリフィス３２と、圧力調整器３４と、圧力計３６と、ＨＥＰＡフィルタ３８と、を備えており、更に、無粒子圧縮空気及び副流路も備えている。

排気装置３０は無粒子圧縮空気によって運転される。圧縮空気が排気装置３０を通って流れると、排気装置３０の吸気口側に真空が発生する。当該真空は、中和装置１４又はＤＭＡ２６から当該排気装置へのエアロゾルの流れを吸い込む。エアロゾルは当該排気装置中で直ちに無粒子圧縮空気と均一に混合される。排気装置３０からの混合物の大部分は排出され、混合物のごく一部がエアロゾル希釈器に流入する。

特定のサイズのオリフィス３２により、圧縮空気の圧力を調節することにより異なる希釈比が得られる。ほとんどの環境下で、圧縮空気の圧力が大きくなるほど希釈比が高くなる。言い換えれば、圧縮空気の圧力が低くなるほど希釈比が低くなる。

オリフィス３２のサイズは、排気装置３０での希釈比を調節する他の主要な要因である。オリフィスのサイズが大きいほど、小さな希釈比が得られる。言い換えれば、より高いエアロゾルの濃度が得られる。オリフィスのサイズが小さいほど、大きな希釈比と低いエアロゾル濃度が得られる。

多分散エアロゾルが要求される場合は、排気希釈器３０はエアロゾルを中和装置１４から直接受け取る。中和装置の上流にあるＨＥＰＡフィルタ１６及びニードル弁１５（図１）は、余分な流れを排出するか又は吸い込むことにより、排気希釈器への流れの適正量を確保し得るので、ＨＥＰＡフィルタ３８は栓４０で閉じるべきである。

単分散エアロゾルが要求される場合は、中和装置１４からのエアロゾルは微分型静電分級器（ＤＭＡ）２６へ進入する（図２）。ＭＤＡ２６は一定のカラム電圧で作動することによって単一のサイズの粒子を選択する。カラム電圧は特定の粒子サイズと結びついている。加えてＭＤＡ２６は一定の空気流を出力する。この流れは排気希釈器１８に必要とされるよりも多いか又は少なくてもよい。

引き続いて図３を参照すると、排気希釈器のＨＥＰＡフィルタ３８に接続されている栓４０を外すことにより、排気希釈器への流れが自動的に調節され得る。例えば、ＤＭＡが排気希釈器に充分な流れを供給できないとき、ＨＥＰＡフィルタ３８によって濾過された大気が進入してＤＭＡからのエアロゾルと混ざり合う。すなわち、ＤＭＡが排気希釈器に必要とされるよりより多量の流れを供給する場合、ＤＭＡからの余分な流れはＨＥＰＡフィルタ３８を通って排出される。結果として、排気希釈器での希釈比の調節はＤＭＡの性能に影響を与えない。

図４は、エアロゾル希釈器のフロー概略図をより詳細に示す。これは、マスフローコントローラ６０と、マスフローコントローラ６２と、ミニサイクロン６４と、吸引ポンプ６６と、を備えている。

排気希釈器からのエアロゾルはエアロゾル希釈器２０に進入し、ミニサイクロン６４で無粒子圧縮空気と均一に混ざり合う。２．５μｍより大きい粒子はサイクロン６４で取り除かれて、サイクロン６４は計測器（校正済み）を大きなサイズの粒子により引き起こされる誤作動から守る。希釈空気の流量と総流量は２つのマスフローコントローラ６０、６２によって制御される。コンピュータのソフトウェアとハードウェアは、所望の希釈比又はエアロゾル濃度を得るために、これらの流量を制御する。既知の流量のエアロゾルが計測器２４（校正済み）へ進入する。余分な流れは吸引ポンプ６６によって排出される。

以下の方程式は希釈比と濃度の演算を示す。

ここで、Ｑ_{totalflowrate}はフローコントローラを通過した総流量であり、Ｑ_instrumentは計測器（校正済み）への確定された流量であり、Ｑ_dilutionairは希釈空気の流量であり、Ｃ_rawは排気希釈器からのエアロゾル濃度であり、Ｄ_rはエアロゾル希釈器での希釈比であり、Ｃは所望の濃度であり、ｐは０〜１００％の割合の濃度である。上記の流量は全て標準状態又は同じ規定状態におけるものである。

１００％濃度にするためには、希釈空気の流れは０である。結果として、排気希釈器からの未処理のエアロゾルはサイクロンへ進入する。０％濃度のエアロゾルを計測器（校正済み）に取り込ませるには、上記方程式においてＱ_dilutionairがＱ_{totalflowrate}＋Ｑ_instrumentと同じか大きくなくてはならない。結果として、エアロゾルはエアロゾル希釈器に進入しない。

エアロゾルが定濃度であることが要求される場合は、エアロゾル希釈器での希釈比は一定でなくてはならない。ＰＩＤループ（図１及び図２）は希釈比を一定に制御するために構築されている。希釈比の設定値又は濃度の割合を実際の値と比較することにより、ＰＩＤループが希釈空気の流量を調節する。結果として、一定の希釈比が維持される。

図５は、７０でエアロゾル希釈器の他の設計例を示す。臨界流量オリフィス７２とマスフローメータ７４が図４に示されたマスフローコントローラ６２と置き換わっている。これは総流量制御においてマスフローコントローラと同じ機能をもたらす。臨界流量オリフィス７２のサイズを変えることにより、異なる総流量が得られる。

本発明の実施形態が図示され記述されたが、これらの実施形態が本発明のあらゆる可能な形態を図示し記述することは意図されていない。むしろ、本明細書において使用された用語は、限定よりむしろ説明のための用語であり、本発明の本質と要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることが理解される。

図１は、本発明の好ましい実施形態に従って校正のための多分散エアロゾルを供給する広範囲定濃度粒子発生システムのフロー概略図を示す。 図２は、本発明の好ましい実施形態に従って校正のための単分散エアロゾルを供給する広範囲定濃度粒子発生システムのフロー概略図を示す。 図３は、排気希釈器を示す。 図４は、エアロゾル希釈器を示す。 図５は、エアロゾル希釈器の他の設計例を示す。

Claims (11)

1. エアロゾルを発生させるためのエアロゾル発生器と、
   前記エアロゾルを受け付けて当該エアロゾルを所望の初期濃度に希釈する排気希釈器と、
   希釈されたエアロゾルを受け付けて当該エアロゾルを前記所望の初期濃度の０〜１００％の範囲の濃度に更に希釈するエアロゾル希釈器と、を備えていて、
   前記エアロゾル希釈器は、前記エアロゾルを希釈するためのミニサイクロンを備えている粒子発生システム。
2. 更に、前記エアロゾル発生器と前記排気希釈器との間にあり、発生したエアロゾルから蒸気を除去する調節ユニットを備えている請求項１記載のシステム。
3. 更に、前記エアロゾル発生器と前記排気希釈器との間にあり、前記エアロゾルをボルツマン平衡になるよう帯電させる中和装置を備えている請求項１記載のシステム。
4. 更に、前記排気希釈器が必要とする流れに応じて、前記エアロゾル発生器からの流れがそのフィルタから排出され得るか、又は、流れがそのフィルタを通って前記排気希釈器に引き込まれ得るように、大気と前記排気希釈器との間の流れを調整する高性能微粒子フィルタを備えている請求項１記載のシステム。
5. 更に、エアロゾル希釈器に対して希釈比を制御するＰＩＤループを備えている請求項１記載のシステム。
6. 前記ＰＩＤループは、前記希釈比を一定に制御する請求項５記載のシステム。
7. 更に、前記エアロゾル発生器から発生した前記エアロゾルを受け付けて、前記排気希釈器により受け付けられるための単分散エアロゾルを生産する粒度計測器を備えている請求項１記載のシステム。
8. 前記粒度計測器は、微分型静電分級器である請求項７記載のシステム。
9. 前記エアロゾル発生器は、前記排気希釈器により受け付けられる多分散エアロゾルを発生する請求項１記載のシステム。
10. 前記エアロゾル希釈器が、更に、
    粒子を含まない前記エアロゾルを希釈するために前記ミニサイクロンに接続する第１のマスフローコントローラと、
    吸引ポンプと、
    前記ミニサイクロンを前記吸引ポンプに接続する第２のマスフローコントローラと、
    前記第２のマスフローコントローラと前記ミニサイクロンとの間にあり、計測器に接続するための排気口と、を備えている請求項１記載のシステム。
11. 前記エアロゾル希釈器が、更に、
    粒子を含まない前記エアロゾルを希釈するために前記ミニサイクロンに接続する第１のマスフローコントローラと、
    吸引ポンプと、
    前記ミニサイクロンと前記吸引ポンプとの間にあるマスフローメータ及び臨界流量オリフィスと、
    前記第２のマスフローコントローラと前記ミニサイクロンとの間にあり、計測器に接続するための排気口と、を備えている請求項１記載のシステム。
    

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