JP2016057315A - 浮遊粒子を感知するセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】センサの静かな動作が好ましい環境において使用する改良されたＵＦＰセンサを提供する。【解決手段】粒子センサが開示され、前記センサは、前記センサ内の通路を通過する空気流内の約１０ｎｍより大きい浮遊粒子を感知することができる。前記センサは、前記空気流内の前記浮遊粒子を帯電させる浮遊単極性イオンを生成する高圧放電電極を有する。前記生成されたイオンは、更に、前記放電電極と前記センサ内のカウンタ電極との間でイオン風を生じるのに更に使用される。【選択図】図１

Description

本発明は、１０ｎｍより大きい浮遊粒子（airborne particles）を感知するセンサに関する。本発明は、前記センサを有する空気処理システム、及び１０ｎｍより大きい浮遊粒子を感知する方法にも関する。

浮遊超微細粒子（ＵＦＰ）は、おおよそ１０ないし５００ｎｍの範囲の直径を持つ粒子である。技術文献において、用語ＵＦＰは、時々、３００ｎｍ以下の直径を持つ粒子に対しても使用される。ＵＦＰの吸入は、人間の健康に有害であると知られているので、ＵＦＰセンサは、屋内及び屋外環境の両方において、空気の質、特に空気中のＵＦＰ汚染レベルを監視するのに使用されることができる。浮遊ＵＦＰに対する暴露を低減する適切な対策は、ＵＦＰセンサ信号に基づいて必要であると見なされる場合に取られる。例えば、屋内環境から浮遊ＵＦＰを除去するように構成された空気処理システムは、少なくとも実際の屋内ＵＦＰ濃度レベルが既知である場合に、より経済的に動作されることができる。約５００ｎｍより小さいＵＦＰは別として、約３００ｎｍないし１０μｍのサイズの浮遊微粒子（ＦＰ）は、関心がある。粒子のクラスとしてのＦＰが、ＵＦＰほど有害ではないと信じられているとしても、１０μｍより小さい浮遊粒子は、吸入可能であり、肺の深い肺胞領域に到達及び堆積する可能性があるので、潜在的に危険を生じる可能性がある。したがって、浮遊ＵＦＰの測定と並んで、浮遊ＦＰの測定も、依然として価値のある追求である。

屋内測定は、好ましくは、人々が住む若しくは働く、又は調理エリアのようなＵＦＰが生成される前提で実行される。通常の人間の活動との干渉を可能な限り少なくするために、ＵＦＰセンサは、小さく、出しゃばらず、静かであるべきである。ＵＦＰ濃度は、異なる部屋の間で大きく異なりうるので、複数の測定点が、しばしば、単一の住宅内で必要とされ、したがって、センサ毎のコストを低く保つことが望ましい。

同時継続特許出願ＷＯ２００７／０００７１０は、電気集塵（electric precipitation）が、浮遊ＵＦＰのサイズ及び濃度を評価するのに使用されるＵＦＰセンサ装置に関する。高圧放電電極が、前記装置に入る空気流の中に浮遊イオンを生成及び放出するのに使用される。浮遊イオンの一部は、前記空気流の中の前記ＵＦＰに付着し、これにより帯電させる。帯電した粒子は、この後に、接地された導電性ファラデーケージ内に配置される機械的フィルタにより捕獲される。帯電粒子の濃度は、前記機械的フィルタ内に堆積する粒子に束縛された電荷（particle-bound electric charge）の量を測定することにより評価されることができる。前記フィルタに到達する前に、前記空気流は、平行板凝集（precipitation）セクションを通過し、ここで、電気集塵を用いて前記空気流から特定のサイズ範囲の帯電粒子の一部を除去するために静電場が与えられることができるか、又は除去しないように静電場が与えられない。これは、２つの異なる測定信号の生成を可能にし、一方の信号は、前記空気流中の全ての帯電粒子の測定に関連付けられ、他方の信号は、前記帯電粒子の一部が電気集塵を用いて前記空気流から除去された後に前記空気流内の残っている帯電粒子の測定に関連付けられる。前記２つの信号の組み合わせは、粒子数濃度（ここで使用されるように、前記粒子数濃度は、空気の単位体積内の浮遊粒子の数である）及び個数平均粒子直径の両方が推定されることを可能にする。

ＷＯ２００７／０００７１０に開示されるＵＦＰセンサは、前記センサを通る空気流の強度が、主として、前記センサを通る空気を引き込むポンプ又はベンチレータの特性により及び前記ファラデーケージの中の前記機械的フィルタにより被った圧力降下により決定されるロバストな構成に対して有利である。前記センサの空気入口と空気出口との間の小さい環境気圧差は、前記センサを通る空気流に実質的に作用しない。

空気流が、空気流が通過するセンサ内の開いた空気通路の底部端において空気に連続的に供給される熱により誘導される熱的煙突効果により作成される既知のセンサも存在する。このような空気流を誘導するのに必要とされる熱エネルギは、前記センサの動作を非経済的にする。更に、熱的煙突効果は、前記センサ内の空気通路が縦に配置される場合にのみ有効であり、したがって熱的煙突効果の一般的な適用可能性を制限する。

本発明の目的は、センサの静かな動作が好ましい環境において使用する改良されたＵＦＰセンサを提供することである。前記センサを通る空気流を作成する際にアクティブである構成要素が、仮想的にエネルギを消費すべきでなく（又は少なくとも低減された量のエネルギを消費する）、耐久性があり、コンパクトであり、仮想的に可聴雑音を生成すべきでない（又は少なくとも非常に低い可聴雑音を生成する）ことが、望ましい。

本発明の第１の態様によると、約１０ｎｍより大きい、例えば（好ましくは）約２０ｎｍより大きい、浮遊粒子を感知するセンサが提供される。前記センサは、開口端を持つ通路を有し、前記通路において、以下の要素、すなわち、
−浮遊単極性イオンを生成する放電電極と、
−前記浮遊イオンを引き付ける空気透過（air-pervious）カウンタ電極と、
−前記カウンタ電極の下流に配置された空気透過スクリーニング（screening）電極と、
−帯電浮遊粒子を感知する粒子感知セクションと、
が配置される。

前記カウンタ電極は、実質的に下流方向に前記浮遊イオンに引力を及ぼすように、前記放電電極の下流に配置される。前記放電電極により反発され、前記カウンタ電極に向かって引き付けられるイオンは、空気中を移動するときに経験する粘性抵抗により、前記カウンタ電極の方向への正味の空気移動を達成する。この正味の空気移動は、一般にイオン風と称される通路内の空気流を生じる。浮遊単極性イオンの一部は、前記空気流内の浮遊粒子上に吸収し、これにより前記粒子を帯電させる。多くの浮遊イオンは、この後に、前記カウンタ電極における吸収により前記空気から除去される。

残っている浮遊イオンは、浮遊イオンが前記粒子感知セクションに入ることができない又は少なくとも限定的な数の浮遊粒子が前記粒子感知セクションに入ることができるように、前記カウント電極の下流に配置されたスクリーニング電極により前記空気流から除去される。前記スクリーニング電極を用いて、浮遊イオンが前記空気流の外に前記浮遊イオンを移動する静電力を受けるような電場が作成される。したがって、前記スクリーニング電極により前記浮遊イオンに加えられる静電力は、前記空気流が移動する下流方向とは別の第２の方向である。したがって、前記粒子感知セクションに入る空気は、帯電浮遊粒子のみを含み、浮遊イオンを含まないか、又は少なくとも限定数の浮遊イオンを含む。

当業者は、前記放電電極及び前記カウンタ電極が、この実施例において少なくとも２つの目的にかなうことを理解するだろう。前記センサの動作中に、前記放電電極は、一方で検出するのに必要な電荷をもつ浮遊粒子を提供し、他方で空気分子に運動量を移行させることによりイオン風を作成する浮遊イオンを作成する。前記カウンタ電極は、浮遊イオンに下流方向の静電力をかけ、近接して空気から前記浮遊イオンの少なくとも一部を除去する二重タスクを満たすように構成され、これにより、前記浮遊イオンは、粒子により前記粒子感知セクションに持ち込まれない浮遊電荷を導入することにより粒子検出プロセスを混乱させない。

有利な実施例において、前記スクリーニング電極は、前記浮遊イオンに静電力を受けさせ、前記静電力の方向は、前記下流方向に対して少なくとも９０度の角度をなす。好ましくは、前記静電力は、実質的に空気流方向と反対に向けられる。特に、前記第２の方向は、上流方向でありうる。

本発明の一実施例において、前記粒子感知セクションは、前記空気流に電場をかけ、これにより少なくとも１つの凝集面における前記帯電浮遊粒子の少なくとも一部の電気集塵を誘導する手段を有する。電気集塵は、大幅に低い空気流抵抗において実現されることができる点で、粒子を捕獲する（繊維フィルタのような）機械的フィルタの使用に対する利点を表す。これは、直面した空気流抵抗が非常に小さく、典型的には５−１０Ｐａであるイオン風により作成された圧力差より小さい場合にのみ、前記イオン風により誘導される空気流が確立されることができるので、重要である。適切には、印加される電場は、時間の経過に対して可変にされることができ、これにより部分的に及び完全に凝集する粒子の粒子サイズ領域が変化されることができる。これは、前記浮遊粒子のサイズ分布の相対幅の洞察を得るのに使用されることができる。この実施例において、前記粒子感知セクションは、更に、少なくとも１つの電流メータを有する。前記少なくとも１つの電流メータは、１以上の前記少なくとも１つの凝集面に電気接続され、これにより前記凝集面上に凝集する帯電浮遊粒子の電荷を示す測定信号を生成する。測定された電流は、前記凝集面上に単位時間毎に堆積する粒子に束縛された電荷を表す。前記電場を変化させることは、結果として、凝集した帯電粒子の量の変化、したがって測定される電流の変化を生じうる。

他の実施例において、前記空気流に電場をかける手段は、互いに平行である少なくとも２つの導電性電極素子を有する。前記導電性素子の少なくとも１つは、凝集面を有する。前記電場は、真っ直ぐ又は円筒形構成のいずれかで構成されることができる少なくとも２つの平行な導電性板の間の空気流導管を横切って作成されることができる。これは、前記電場が、前記導管に対して、したがって前記通路の方向に対して本質的に垂直であることを意味する。前記平行な導電性板の分離は、前記空気流を大きく妨げないために十分に大きくなくてはならない。

帯電粒子凝集を可能にするために前記粒子感知セクション内で平行板電極アセンブリを使用する代わりに、少なくとも２つの平行な粗メッシュ金網（metallic gauze）電極のスタックを使用することができ、近隣の金網は、互いに対して異なる電位に設定される。前記金網電極の面は、前記金網自体が空気透過性であるので、前記粒子感知セクションを通る空気流の方向に対して異なる向きを与えられることができる。

本発明の他の実施例において、前記スクリーニング電極は、互いに平行である少なくとも２つのスクリーニング電極素子を有する。前記スクリーニング素子の間の電場は、第１のスクリーニング電場強度Ｅ_scr,1と第２のスクリーニング電場強度Ｅ_scr,2との間で時間の経過に対して変化する。前記第１のスクリーニング電場強度は、実質的にすべての浮遊イオンが前記スクリーニング電極を離れる前に凝集し（即ち、前記電場強度は十分に高い）、前記空気流内の帯電浮遊粒子の多くとも２０％が前記スクリーニング電極を離れる前に凝集する（即ち、前記電場強度が十分に低い）ように決定される。前記第２のスクリーニング電場強度は、前記第１のスクリーニング電場強度より高く、所定の粒子サイズより大きいサイズを持つ全ての帯電浮遊粒子の一部が前記スクリーニング電極を通過するように（即ち、十分に低く）選択される。好ましくは、前記第１のスクリーニング電場強度は、前記帯電粒子の可能な限り小さい一部のみが凝集するように調整される。このストラテジは、浮遊イオン、又は前記浮遊イオンの少なくとも大多数が前記粒子感知セクションに入ることを防ぐ。好ましくは、前記第２のスクリーニング電場強度は、約１０−２０ｎｍのサイズを持つ単電荷（single-charged）粒子（即ち、１つの素電荷のみを持つ粒子）が、前記スクリーニング電極を離れる前に部分的にのみ、好ましくは９０％より低く凝集される。変化するスクリーニング電場強度に応じて、前記凝集電極に付着された前記電流メータにより測定される電流Ｉ_sも、帯電粒子凝集が前記粒子感知セクション内で発生するとすぐに、第１の電流値Ｉ₁と第２の電流値Ｉ₂との間で時間の経過に対して変化する。それぞれの電流値は、個数濃度及び個数平均粒子サイズに関して前記浮遊帯電粒子を特徴付けるのに使用されることができる。

本発明の有利な実施例において、前記センサは、前記空気流内の浮遊粒子を光学的に検出することができる光学的粒子検出ユニットを更に有する。浮遊粒子は、約３００ｎｍより大きい場合にのみ容易に検出されることができる。適切に構成された光学的粒子検出ユニットを用いて、３００ｎｍ−１０μｍ粒子サイズ間隔で粒子の複数のサイズクラスを区別することさえ可能である。前記センサに対する光学的粒子検出ユニットの追加は、１０−３００ｎｍサイズ範囲の超微細粒子の感知だけでなく、３００ｎｍより大きい微細粒子の感知をも可能にする。これは、１０μｍより小さい浮遊粒子の存在が、当該粒子の吸入され、気道の奥深くに堆積する能力を考慮して有害であることができるので、有益である。前記粒子感知セクションにより感知された合計粒子電荷に対する３００ｎｍより大きい粒子に関連した粒子電荷の寄与が、通常は、３００ｎｍより小さい浮遊粒子に関連した粒子電荷と比較される場合に無視できるので、３００ｎｍより大きい浮遊粒子は、電荷の測定により容易に検出されることができない。同時に、３００ｎｍより大きい浮遊粒子は、３００ｎｍより小さい粒子より光学的手段により容易に検出される。したがって、測定信号として評価ユニットに提供されることができる、前記光学的粒子検出ユニットを用いて得られる情報は、帯電粒子感知セクションを用いて得られる情報を補足する。前記光学的粒子検出ユニットは、好ましくは、前記光学的粒子検出ユニット内の帯電粒子凝集を避けるように前記放電電極から上流に配置される。

本発明の一実施例において、前記放電電極により生成される潜在的に健康に有害なオゾンは、前記センサを離れる前に前記空気流から除去される。これは、オゾンを吸収又は分解することができる面に沿って及び／又は多孔性媒体を通って前記空気流を通過させることにより達成されることができる。この目的で、前記表面及び／又は多孔性媒体は、活性炭を備えることができる。

本発明の他の実施例において、前記凝集面に接続された前記電流メータから、及び前記センサが光学的粒子検出ユニットを有する場合に前記光学的粒子検出ユニットから前記測定信号を受け取ることができる評価ユニットが提供される。前記粒子感知セクションが、別個の電流メータを持つ一連のサブセクションに分割される場合、好ましくは、全ての前記測定された電流は、前記評価ユニットに対する入力信号として提供される。前記評価ユニットは、
−前記空気流内の、１０ｎｍより大きい、例えば２０ｎｍより大きい、浮遊粒子の長さ濃度（length concentration）、
−前記空気流内の、１０ｎｍより大きい、例えば２０ｎｍより大きい、直径を持つ浮遊粒子の個数濃度、
−前記空気流内の、１０ｎｍより大きい、例えば２０ｎｍより大きい、浮遊粒子の個数平均粒子サイズ、及び
−前記空気流内の光学的に検出された浮遊粒子の濃度、
の少なくとも１つを示す信号を出力するように構成される。

更に、前記評価ユニットは、出力データを、前記センサ内の１以上の電圧設定又は前記センサ内の作成された処理条件、特に前記通路を通る前記空気流の強度に関連付けることができる。

本発明の更に他の実施例において、前記センサは、好ましくは不活性化される前記放電電極を除いて上記の全ての構成要素を動作することに対応する較正モードで動作可能である。このモードにおいて、通常は、浮遊イオンが、前記放電電極により生成されない。浮遊イオンが生成されない場合、イオン風誘導空気流は、前記センサ内の通路を通して作成されず、粒子帯電又は帯電粒子凝集は、発生することができない。前記粒子感知セクション内で凝集する帯電粒子により誘導される電流を測定する前記電流メータの結果として生じる測定された信号は、ゼロ示度を規定するバイアス信号として使用されることができる。好ましくは、前記センサは、前記電流メータのゼロ示度であるかどうかを定期的に確認し、前記バイアス信号内のドリフトが時間の経過に対して観測される場合に前記電流メータ示度に対して調節を行うように較正モードにおいて定期的に動作される。

本発明の他の有利な実施例において、前記評価ユニットは、時間の経過に対して出力データから累積数を生成することができる。好ましくは、個数累積は、前記センサをサービスした後にゼロから開始し、前記センササービスは、堆積した粒子から前記センサ内の前記空気流通路の洗浄を少なくとも含む。前記累積数は、前回のセンササービス以降に前記粒子感知セクション内に凝集したＵＦＰの近似的な合計量、又は前回のセンササービス以降に前記光学的検出ユニットを通過した光学的に検出された粒子の近似的な合計量に比例することができる。これは、これらの数の線形結合であることもできる。このように、前記累積数は、前記センサ内の堆積した材料の合計量の少なくとも一部の大きさを近似的に反映する。前記累積数が、設定された最大値を超過する場合、前記評価ユニットは、センササービスが推奨されるという警告メッセージを生成するように構成される。タイムリーなセンササービスは、信頼できる予測可能なセンサ動作及び機能を保証するのに有益である。センササービスの後に、前記累積数は、ゼロにリセットされる。

本発明の他の有利な実施例において、前記通路の一端又は両端が、開口に対向する遮蔽板により環境に対する直接的な暴露から遮蔽される。この方策は、前記センサ内の前記通路を通るイオン風誘導空気流が、前記センサが存在する環境における空間的気圧勾配により誘導される空気移動により直ちに影響を受けることを防ぐ。これは、前記センサ測定の信頼性を向上し、環境条件による干渉を防ぐ。

本発明の第２の態様によると、空気処理システムが提供され、前記空気処理システムの設定は、前記システムの一部を形成する本発明による浮遊粒子を感知する少なくとも１つのセンサにより提供される出力信号に基づいて制御可能である。前記センサ又は複数のセンサは、前記空気処理システムによりサービスされる空間又はその外側、例えば屋外に配置されることができ、前記外側から新鮮な空気が取ってこられる。前記粒子センサに加えて、前記空気処理システムは、要求に応じて空気洗浄する、及び／又は要求に応じて空気調節する及び／又は要求に応じて換気する手段を有することができ、これにより浮遊粒子の屋内濃度が前記空気処理システムにより取り扱われる前提において所定の値を超過する場合にこの濃度を減少させる。車のキャビンに対する空気処理システムの特定の場合に、前記システムは、内部空気再循環及び外環境との空気交換の適切なレートを決定するために浮遊粒子の屋内濃度及び屋外濃度を比較することができる。

本発明の第３の態様によると、１０ｎｍより大きい、例えば（好ましくは）２０ｎｍより大きい、浮遊粒子を感知する方法が提供される。この方法を説明する目的で、第１及び第２の開口端を持つ通路内に収容される空気サンプル、−又は制御体積、すなわち、空気分子及びその中を漂う浮遊粒子の特定の集合−が考慮される。前記方法は、以下の連続したステップ、すなわち、
−浮遊単極性イオンを生成するステップと、
−生成された浮遊イオンに前記通路に沿った第１の方向に対する静電力をかけ、これにより前記第１の方向における前記空気サンプルの移動を引き起こし、前記空気サンプル内の浮遊粒子を帯電させるように第１の電場を印加するステップと、
−前記空気サンプルから前記浮遊イオンの一部を除去する空気透過カウンタ電極に前記空気サンプルを通すステップと、
−前記空気サンプルから浮遊イオンを分離するように、前記第１の方向とは異なる第２の方向における静電力を残りの浮遊イオンにかける第２の電場を印加するステップと、
−前記通路内の凝集面に対して浮遊帯電粒子を凝集させる第３の電場を印加するステップと、
−前記凝集面における前記凝集された帯電粒子の電荷を測定するステップと、
を有する。

一部の浮遊イオンは、浮遊粒子に付着するので、単極性浮遊イオンの存在は、前記浮遊粒子に帯電させる。印加された第１の電場を用いて、前記生成された浮遊イオンは、前記通路の第２の端部に向かって前記通路に沿って第１の方向に移動される。空気を通って移動するイオンにより経験される粘性抵抗は、前記第１の方向に対する正味の空気流を誘導する。前記第１の電場は、空気透過カウンタ電極において終了し、前記空気流は、前記カウンタ電極を通過する。多くの浮遊イオンは、前記カウンタ電極により前記空気流から除去される。前記空気流内の残りの浮遊イオンの存在は、帯電した浮遊粒子に対するこの後の電気的測定を妨害する可能性があり、この理由のため、スクリーニング電場が、前記サンプルされた空気流から全ての残りの浮遊イオンを除去するように印加される。前記スクリーニング電場の強度は、好ましくは、前記空気流からの帯電粒子の実質的な凝集が誘導されないように選択される（即ち、前記電場強度が十分に低く保たれる）。この後に、前記空気流内の電荷は、主に浮遊粒子により運ばれる。前記帯電浮遊粒子は、この場合、少なくとも部分的に、第２の電場の影響下で前記通路内の凝集電極の表面上に凝集させられ、凝集した帯電粒子の濃度を示す凝集した電荷の量が測定される。

本発明の一実施例において、帯電粒子の凝集は、前記通路を通る前記空気流の方向に垂直に向けられた静電場を前記サンプルされた空気流にかけることにより引き起こされる。所定の電場強度において、小さい帯電粒子は、より大きい帯電粒子より相対的に速く凝集する。したがって、時間又は空間における前記静電場強度の変化は、前記サンプルされた空気流内の前記浮遊粒子のサイズ分布に関する情報を取り出すのに有用である。

本発明の方法の他の有利な実施例において、前記サンプルされた空気流内の浮遊粒子は、更に、追加の光学的粒子検出ユニットを用いて光学的に検出される。これは、約３００ｎｍより大きい浮遊粒子に対して直ちに可能であり、これは、約３００ｎｍより大きい粒子が通常は電気的手段により容易に検出されないので、有利である。

前記方法の追加の有利な実施例は、浮遊イオンが生成される場所から下流の前記通路内の前記サンプルされた空気流からオゾンを除去するステップを含む。

本発明のこれら及び他の態様は、以下に記載される実施例を参照して説明され、明らかになる。

本発明の現在の好適な実施例は、ここで、添付の図面を参照して説明される。

１つの電流メータを有する、本発明の一実施例によるＵＦＰセンサの概略的な断面図である。 粒子感知セクションが２つの電流メータを有する、本発明の異なる実施例によるＵＦＰセンサの概略的な断面図である。 光学的粒子検出ユニットが、放電電極から上流に配置され、センサの入口セクション及び出口セクションが、対向する遮蔽板である、本発明の異なる実施例によるＵＦＰセンサの概略的な断面図である。 本発明の第２の態様による空気処理システムの概略図である。 本発明の第３の態様による空気サンプル内のＵＦＰを感知する方法を示すフローチャートである。

図１は、本発明の特定の実施例によるＵＦＰセンサ１００を示す。センサ１００は、３つの接続されたセクション１１０、１１２、１１４を有する空気で満たされた中央通路を有し、粒子を帯電させる第１のセクション１１０は、吸気口セクション１１６からカウンタ電極１２４までの前記通路の方向に延在し、第２のセクション１１２は、カウンタ電極１２４からスクリーニング電極１２８まで延在し、帯電粒子の感知を対象とした第３のセクション１１４は、スクリーニング電極１２８から排気口セクション１１８まで延在する。吸気口セクション１１６及び排気口セクション１１８は、アース又はある基準（ゼロ）電位に接続されたセンサ１００のハウジング１５０内の開口の形で設けられる。

第１のセクション１１０において、電位Ｖ_corに接続され、絶縁体１２２を用いてセンサ１００の他の部分から電気的に絶縁された高電圧コロナ放電電極１２０が設けられる。電位Ｖ_corは、可変であることができ、単極性イオンの一定の流れが放電電極１２０から発せられるように制御されることができる。１−２μＡの範囲の電流は、多くの応用例に対して適切であることが分かっている。前記放電電極の幾何構成は、好ましくは、前記放電電極におけるオゾン生成及び粒子堆積を制限しながら浮遊イオンの効率的な生成を促進するように構成される。好ましくは、モリブデン又はタングステンのような化学的に不活性な材料からなる鋭い針先電極が使用される。特に前記オゾン生成を制限するために、正に帯電した浮遊イオンを生成することが有利であることが分かっている。

放電電極１２０は、前記浮遊イオンの雲を反発し、前記雲は、前記イオン自体の間の反発により直ちに拡大する。電位Ｖ_ctrが印加されるカウンタ電極１２４は、イオンを放電電極１２０からカウンタ電極１２４に向けて引き付けるために第１のセクション１１０の下流端において設けられる。カウンタ電極１２４の幾何構成は、好ましくは、少なくとも３つの要件、すなわち、
（ｉ）カウンタ電極１２４は、前記通路の実質的に下流方向に前記イオンを引き付けるべきである、
（ｉｉ）放電電極１２０からカウンタ電極１２４に引き付けられる前記浮遊イオンの経路は、前記空気流の全ての部分の経路が前記イオンの経路と交差し、これにより、浮遊粒子が浮遊イオンに対する暴露を逃れることができない、又は前記浮遊粒子の少なくとも限定的な部分が逃れることができるようなものであるべきである、
（ｉｉｉ）カウンタ電極１２４は、ほとんど又は全く流れ抵抗を引き起こすべきでない、
により決定される。実際に、当業者は、カウンタ電極１２４が、放電電極１２０に対向する円形又は楕円形開口を持つ管として適切に実現されることができることに気づくだろう。ほとんどの浮遊イオンは、この場合、放電電極１２０に対向する前記管の開口面の円形の縁に向かって引き付けられ、これにより前記空気流から除去される。前記帯電粒子の比較的大幅に小さい電気的移動度は、ほとんどの帯電粒子がカウンタ電極１２４に対する凝集を避けることを可能にし、前記ほとんどの帯電粒子がカウンタ電極１２４を通る前記空気流とともに旅を続けることを可能にする。放電電極１２０からカウンタ電極１２４に向かう浮遊イオンの運動は、空気流が５−１０Ｐａ以下に留まる最小抵抗のみを受けることを条件として、空気流を生成する他の手段に依存する必要なしに前記通路を通る空気流を作成及び維持することができるイオン風を生成する。浮遊粒子と浮遊イオンとの間の第１のセクション１１０における接触は、一般に拡散帯電（diffusion charging）又は自由イオン帯電（free-ion charging）と称される物理的プロセスによる粒子帯電を生じる。

第２のセクション１１２の下流端において、カウンタ電極１２における電位Ｖ_ctrに対して、スクリーニング電極１２８からカウンタ電極１２４に戻る浮遊イオンを反発する電位に設定された導電性スクリーニング電極１２８が設けられる。図１において、前記スクリーニング電極は、カウンタ電極１２４の中心軸と同じ方向に向けられた中心軸を持つ短い開管として構成される。前記スクリーニング電極に印加される電位が、（接地されたセンサハウジングに対する短絡により）ゼロである場合、Ｖ_ctrは、スクリーニング電極１２８からカウンタ電極１２４に戻るように陽イオンを反発するために負の電圧であることを必要とする。互いに対向するカウンタ電極１２４の管開口端及びスクリーニング電極の管開口端に、図１に示されるような平行に配置された多孔性金網を設けることにより、局所的に非常に効果的なイオンスクリーニングが、前記平行金網間の低いスクリーニング電場強度でさえ作成されることができる。浮遊イオンの高い移動性のため、第２のセクション１１２におけるスクリーニング電場の強度は、比較的低く保たれることができ、これにより仮想的に帯電粒子の凝集が、前記空気流からのイオンスクリーニングを仮想的に伴わない、又は少なくとも非常に限定的な量の凝集が前記イオンスクリーニングを伴う。

スクリーニング電極１２８の下流で、第３セクション１１４において、前記浮遊帯電粒子は、前記空気流内の唯一の実質的に残っている帯電体である。前記空気流は、２つの平行な導電性板１３０と１３２との間の導管を通って導かれ、前記２つの平行な導電性板の一方１３０は（電位Ｖ_earthに）接地され、他方１３２は、前記空気流に垂直な方向においておおよそ一様な電場を作成するように一定の電位Ｖ_plateに維持される。板１３０、１３２は、絶縁体１３４によりセンサ１００の他の部分から電気的に絶縁される。予測される粒子電荷及び粒子サイズ並びに板１３０、１３２の寸法に関してＶ_plateの十分に大きい値を選択することにより、実質的に全ての浮遊帯電粒子が前記空気流から凝集することが保証されることができる。正に帯電した粒子及びＶ_plate−Ｖ_earth＞０である場合に、凝集は、接地された板１３２における凝集面において生じる。板１３２上の凝集する粒子により運ばれた電荷は、電流メータ１３６を介してアースに流される。

拡散帯電の条件下の粒子毎の電荷は、前記粒子の直径におおよそ比例するので、電流メータ１３６で測定された電流Ｉ_sは、浮遊粒子の長さ濃度Ｌ、すなわち、

によって、単位空気体積毎の全ての並べられた粒子の合計長さに否定する。

個数平均直径ｄ_p,avが既知である又は推定されることができる場合、粒子数濃度Ｎは、
Ｎ＝Ｌ／ｄ_p,av （２）
として得られる。

とりわけ前記粒子の実効帯電度に依存する、式１のＩ_sとＬとの間の比例係数は、実験的に又は較正により決定されることができる。式１の積分範囲は、無限大に広がっているが、３００−５００ｎｍより大きい浮遊粒子は、通常は、屋内又は屋外環境のいずれかからの普通の外気が関与する場合、Ｌに大きくは寄与しない。その理由は、空気中の個数濃度が、通常は３００−５００ｎｍより小さい粒子の個数濃度より大幅に小さいことである。したがって、Ｌ、したがってＮも、特に浮遊超微細粒子に関する。

本発明による粒子センサの有利な実施例は、図２に示される。センサ２００において、導電性板の少なくとも１つの追加の対２４２、２４４が、絶縁体２４６を介して第３のセクション１１４に設けられる。板２４４は、第２の電流メータ２４８を介して接地される。第１の板２４２に対して、電位Ｖ_plate,1が印加され、板の他の対１３０、１３２の第１の板１３０は、電位Ｖ_plateに設定されたままである。Ｖ_plate,1及びＶ_plateの適切な値を選択することにより、前記平行板の２つの対の間に作成される電場は、異なる強度を持ちうる。好ましくは、Ｖ_plate,1は、無視できない程度で合計粒子数濃度に寄与する如何なるサイズの浮遊帯電粒子の一部のみが、前記板の追加の対の板２４４上に凝集し、これにより接続された電流メータ２４８により測定される第１の電流Ｉ₁を生じるように選択される。好ましくは、１０ｎｍより大きい全ての帯電粒子、より好ましくは２０ｎｍより大きい全ての帯電粒子が、板２４４において前記空気流から部分的にのみ凝集することを可能にされる。残りの浮遊帯電粒子は、板要素１３０と１３２との間の十分に強い電場の作用下で板１３２上に凝集し、これにより接続された電流メータ１３６により測定される電流Ｉ₂を生じる。粒子数濃度Ｎ及び平均粒子直径ｄ_p,avが、実験的に又は較正により決定されることができる比例係数を用いて、
Ｎ∝Ｉ₁ （３）
ｄ_p,av∝（Ｉ₁＋Ｉ₂）／Ｉ₁ （４）
によってＩ₁及びＩ₂から得られることが実験的に分かった。図２に示される構成によって同時に測定される電流Ｉ₁及びＩ₂は、Ｎ及びｄ_p,avが、前記空気流内の前記浮遊粒子の特性及び濃度に対して静止状態及び過渡状態の両方の下で決定されることを可能にする。

センサ２００の通路を通る空気流は、前記空気流が、多くとも、好ましくは５−１０Ｐａより低い、前記通路を横切る非常に低い圧力降下のみを受ける場合に、放電電極１２０とカウンタ電極１２４との間のイオン風により維持されることができる。

電流測定Ｉ₁及びＩ₂の信頼性を更に向上するために、前記ＵＦＰセンサは、好ましくは、放電電極１２０が不活性であり、イオンを生成することができず、他の全ての電位が通常動作中のように印加される状態において電流メータ１３６及び２４８を読み出すことにより定期的に較正される。このような較正は、前記イオン風の生成を中断し、したがって前記通路を通る空気流及び前記浮遊粒子の帯電を停止し、これにより電流メータの読み出しは、帯電粒子凝集の不在時のゼロ（ベースレベル）読み出しに対応するべきである。これらのゼロ読み出しは、活性化された放電電極１２０を持つ後の測定の読み出しから減算されることができ、これにより正味の電流読み出しは、凝集に対する電極素子１３２及び２４４において単位時間毎に凝集する粒子に束縛された電荷と対応する。

特定の実施例において、本発明によるセンサは、前記空気流からオゾンを除去することができる材料を備えた多孔性媒体又は表面を有することができる。この材料は、活性炭又は他の触媒材料であることができ、オゾンが本発明によるセンサから逃れることを防ぐように空気出口セクション１１８の上流に存在すべきである。例えば、前記活性炭は、図１及び２に示されるセンサにおいて、それぞれ、カウンタ電極１２４及びスクリーニング電極１２８に付着された前記金網に付着されることができる。

同様に、粒子が放電電極１２０に到達する前に前記空気流から典型的なＵＦＰ直径より大幅に大きい直径を持つ粒子を除去するために空気入口セクション１１６の近くに非常に粗い粒子フィルタ１３８を設けることは有利である。この方策は、前記センサの通路内の大きな微粒子材料の体積を防ぎ、これにより定期的なセンササービス（前記通路の洗浄を含む）への依存を低減し、妨害されないセンサ動作を促進する。

本発明の他の有利な実施例において、概して図３の概略図を参照すると、粒子センサ３００は、空気透過管状カウンタ電極３２４を有し、両方の管端は、開いたままであり、一方の管端は、放電電極１２０に対向する。カウンタ電極３２４は、好ましくは、センサ３００のハウジング１５０に電気的に短絡される。前記カウンタ電極の第２の開口端は、スクリーニング電極３７２、３７４に対向する。前記スクリーニング電極は、ここで、２つのスクリーニング電極素子３７２、３７４を有する平行板電極として実施される。第１のスクリーニング電極素子３７４は、スクリーニング電圧源に接続され、第２のスクリーニング電極素子３７２は、アース電位に接続される。前記スクリーニング電圧源は、第１のスクリーニング電場強度Ｅ_scr,1＝Ｖ₁／ｄ_plと第２のスクリーニング電場強度Ｅ_scr,2＝Ｖ₂／ｄ_plとの間で時間の経過に対して変化するスクリーニング電極素子３７２と３７４との間のスクリーニング電場Ｅ_scrをかけ、ｄ_plは、平行スクリーニング電極素子３７２と３７４との間の間隔を示す。第１のスクリーニング電場強度Ｅ_scr,1は、残りの浮遊イオンが前記空気流から除去されるように（十分に高く）、それでも前記空気流からの帯電した浮遊粒子の実質的な静電凝集を引き起こさない（即ち十分に低く保たれる）ように選択される。第２のスクリーニング電場強度Ｅ_scr,2は、Ｅ_scr,1より高く、前記合計粒子数濃度に無視できない程度で寄与する前記空気流からの如何なる粒子サイズの前記帯電浮遊粒子の一部のみを凝集することができる。好ましくは、約１０−２０ｎｍの直径を持つ単一の素電荷で帯電した粒子は、部分的にのみ、好ましくは９０％より低く、印加されたＥ_scr,2の影響下で前記空気流から除去される。残りの浮遊粒子は、前記粒子感知セクションに到達する。この電場強度の選択は、浮遊イオンが前記粒子感知セクションに入ることをも防ぐ。変化するスクリーニング電場強度に応じて、前記凝集面に付着された前記電流メータにより測定される電流Ｉ_sは、帯電粒子凝集が前記粒子感知セクション内で生じるとすぐに、第１のスクリーニング電場強度Ｅ_scr,1において測定された第１の電流値Ｉ₁と第２のスクリーニング電場強度Ｅ_scr,2において測定された第２の電流値Ｉ₂との間で時間の経過に対して変化する。それぞれの電流値Ｉ₁及びＩ₂が、
Ｎ∝（Ｉ₁−Ｉ₂） （５）
ｄ_p,av∝Ｉ₁／（Ｉ₁−Ｉ₂） （６）
によって個数平均粒子サイズｄ_p,avに関して前記浮遊帯電粒子を特徴付けるのに使用されることができることが実験的に分かった。

この比例係数は、較正により決定されることができる。３００−５００ｎｍより大きい浮遊帯電粒子は、通常は、Ｉ₁又はＩ₂に大きく寄与しないので、データＮ及びｄ_p,avは、通常は、浮遊超微細粒子に関する。これは、ｄ_p,avに対する推測値から後で確認されることができる。

図３のセンサは、前記放電電極から上流に配置された光学的粒子検出ユニットを更に有する。前記光学的粒子検出ユニットは、前記光学的粒子検出ユニット内の空気流に入射光ビームを照射することにより、３００−５００ｎｍより大きい粒子を検出することができる。３００−５００ｎｍより大きい照射された粒子は、光を散乱することができ、前記入射ビームの方向から離れた特定の方向への散乱光の測定された特性が、約３００−５００ｎｍより大きい浮遊粒子の近似的な量を推測するのに使用されることができる。約３００−５００ｎｍより大きい浮遊粒子を光学的に検出することができる光学的粒子検出ユニットと約３００−５００ｎｍより小さい浮遊粒子を電気的に測定することができる超微細粒子センサとの組み合わせは、約１０μｍより小さい吸入可能な粒子の潜在的に有害な空気汚染の合計量を評価及び特徴付けるのに有用である。

図１、２及び３に開示された本発明の実施例において、長さ濃度、個数濃度、平均粒子サイズ及び光学的に検出可能な粒子の濃度のような、前記センサの出力値を返す数値演算は、それぞれの評価ユニット（図示されない）において実行される。評価ユニットは、計算手段及び式１−６にそれとなく現れる比例係数のような定数に対する記憶手段を含むことができる。これは、入力量（測定信号）を受け取り、デジタル又はアナログ信号として結果を出力することができる。

図３のセンサは、前記センサの入口セクション及び出口セクションに対向する遮蔽板の対を更に有する。限定的な間隔が、センサハウジング１５０内のそれぞれの開口と前記遮蔽板との間で維持される。好ましくは、前記間隔は、前記通路の最も狭い部分１１０、１１２、１１４と同じオーダである。これは、前記放電電極と前記カウンタ電極との間に存在するイオン風により決定される空気流の強度で前記センサ内又は外への空気流の妨げられない出入りを可能にする。同時に、前記遮蔽板は、前記センサの周りの環境の気圧勾配による妨害から前記センサを通る空気流を保護する。これは、前記イオン風により誘導される前記センサ内の圧力勾配が、比較的小さく、外部からの影響により容易に圧倒されることができるので、重要である。前記遮蔽板の存在は、測定されるセンサ信号の信頼性を向上する。

図４は、人々が住む又は働く空間４２０を扱う空気処理システムを示す。空気は、空気出口４１２を介して空間４２０から空気処理ユニット４１０に排出され、空気は、空気入口４１４を介して空間４２０に入る。本発明の一実施例による粒子センサ４１８は、空間４２０内の浮遊粒子の濃度を示す出力信号を生成する。前記出力信号は、粒子センサ４１８からの前記出力信号に基づいて空気処理ユニット４１０に対する出力信号を生成するコントローラ４１６に提供される。したがって、空気処理ユニット４１０の動作は、空間４２０に含まれる空気の現在の特性によって制御される。

図５は、本発明による浮遊粒子を感知する方法５００のフローチャートである。前記方法は、空気流を導く開いた通路内の空気サンプル（制御体積）に含まれる、１０ｎｍより大きい、好ましくは２０ｎｍより大きい、粒子を感知するように構成される。第１のステップ５１０として、前記空気サンプル内の粗い粒子が、光学的に検出される。光学的検出器の信頼性は、通常は、粒子の堆積に対して非常に高感度なので、このステップは、好ましくは、浮遊イオンが前記空気サンプル内に導入される前に実行される。第２のステップ５１２において、浮遊イオンが生成され、前記浮遊イオンは、ステップ５１４において、前記通路に平行な第１の方向に電場により引き付けられる。粘性抵抗により、前記空気サンプル及びそこに含まれる前記浮遊粒子は、前記第１の方向に移動される。次に、ステップ５１６において、前記空気サンプルは、前記空気サンプルから前記浮遊イオンの一部を除去する空気透過電極を通される。後の測定を妨害する残りの浮遊イオンは、ステップ５１８において除去され、ここで前記空気サンプルは、前記第１の方向とは異なる方向に前記イオンを移動する静電力を前記イオンにかける第２の電場をかけられ、これにより前記浮遊イオンは、前記空気サンプルから分離される。前記第２の電場の強度は、前記浮遊帯電粒子の運動が、より低い移動性及びより大きい慣性のおかげで、わずかな程度又は好ましくは無視できる程度でのみ影響を受けるほど低くなくてはならない。ステップ５１８の後に、前記帯電粒子は、前記空気サンプル内の実質的に唯一の帯電した物体であり、これは、前記第１の方向において前方への正味の運動量を持つ。ステップ５２０において、前記空気サンプルは、前記帯電浮遊粒子に前記通路内の凝集面に対して凝集させる第３の電場をかけられる。ステップ５２２において、前記凝集面上の前記凝集した帯電粒子の電荷が測定され、これにより前記空気サンプルに最初に含まれる浮遊粒子の濃度が特徴付けられることができる。ステップ５２０及び５２２の変形例として、前記空気サンプルは、他の電場をかけられることができる。例えば、前記電場の強度が異なる（順次的に適切に増大する）場合、前記粒子のサイズ分布は、算出されることができる。最後のステップ５２４において、潜在的に健康に有害なオゾンは、粒子濃度が評価される環境内に放出される前に、前記サンプルから除去される。

本発明は、図面及び先行する記載に詳細に図示及び説明されているが、このような図示及び説明は、説明的又は例示的であり、限定的ではないと見なされるべきであり、本発明は、開示された実施例に限定されない。例えば、凝集を引き起こす電場が同心の円筒状板の１以上の対により生成される実施例において本発明を動作することが可能である。更に、本発明によるセンサは、上記とは異なるサイズ範囲の粒子を感知するのに使用されることができる。

開示された実施例に対する他の変形例は、図面、開示及び添付の請求項を読むことにより、請求された本発明を実施する当業者により理解及び達成されることができる。請求項において、単語"有する"は、他の要素又はステップを除外せず、不定冠詞"１つの"（"a"又は"an"）は、複数を除外しない。特定の方策が相互に異なる従属請求項に記載されるという単なる事実は、これらの方策の組み合わせが有利に使用されることができないことを示さない。請求項内の参照符号は、範囲を限定すると解釈されるべきでない。

Claims (15)

1. １０ｎｍより大きい浮遊粒子を感知するセンサにおいて、当該センサは、開口端を持つ通路を有し、前記通路が、当該センサ内に配置され、当該センサは、
   前記通路内で浮遊単極性イオンを生成する放電電極と、
   前記浮遊イオンを引き付ける空気透過カウンタ電極と、
   前記放電電極の下流に配置される空気透過スクリーニング電極と、
   前記スクリーニング電極の下流に配置され、前記通路内で帯電した浮遊粒子を感知する粒子感知セクションとを有し、
   前記カウンタ電極は、前記通路において前記放電電極の下流かつ前記スクリーニング電極の上流に配置され、これにより、浮遊イオンの下流への正味の流れを引き起こし、これにより、下流への空気流を生成し、
   前記スクリーニング電極は、前記空気流から浮遊イオンを分離するように、前記の下流の方向とは異なる第２の方向への静電力を浮遊イオンにかける、センサ。
2. 前記第２の方向は、前記下流の方向と少なくとも９０度の角度をなす、請求項１に記載のセンサ。
3. 前記粒子感知セクションは、
   凝集面における帯電浮遊粒子の静電凝集を誘導する電場を前記空気流にかける手段と、
   前記凝集面に電気的に接続され、前記凝集面において凝集する帯電浮遊粒子の電荷を示す測定信号を生成する電流メータとを有する、請求項１に記載のセンサ。
4. 前記の電場を空気流にかける手段は、少なくとも２つの平行な導電性電極素子を有し、前記少なくとも２つの平行な導電性電極素子のうち少なくとも一方が、前記凝集面を有する、請求項３に記載のセンサ。
5. 前記の電場を空気流にかける手段は、前記下流の方向に垂直な電場を生成する、請求項３又は４に記載のセンサ。
6. 前記スクリーニング電極は、少なくとも２つの平行な導電性電極素子を有し、
   前記スクリーニング電極素子の間の電場は、第１のスクリーニング電場強度と第２のスクリーニング電場強度との間で時間の経過において交互に生じ、
   前記第１のスクリーニング電場強度は、実質的に全ての浮遊イオンが前記スクリーニング電極を離れる前に凝集し、前記空気流内の前記帯電浮遊粒子の多くとも２０％が、前記スクリーニング電極を離れる前に凝集するように選択され、
   前記第２のスクリーニング電場強度は、前記第１のスクリーニング電場強度より高く、予め決められた粒子サイズより大きいサイズを持つ全ての帯電浮遊粒子の一部が、前記スクリーニング電極を通過するように選択される、請求項１，３，４及び５のうちいずれか一項に記載のセンサ。
7. 前記空気流内の浮遊粒子を光学的に検出し、前記光学的に検出された粒子の濃度を示す測定信号を放出する光学的粒子検出ユニットを有する、請求項１−６のうちいずれか一項に記載のセンサ。
8. 前記通路内で前記放電電極の下流に配置され、前記通路を通る前記空気流からオゾンを除去する手段を有する、請求項１−７のうちいずれか一項に記載のセンサ。
9. 前記測定信号を受信可能な評価ユニットを有し、
   前記評価ユニットは、
   前記空気流内の浮遊粒子の長さ濃度と、
   前記空気流内の１０ｎｍより大きい直径を持つ浮遊粒子の個数濃度と、
   前記空気流内の１０ｎｍより大きい浮遊粒子の個数平均粒子サイズと、
   前記空気流内の光学的に検出された浮遊粒子の濃度と、
   を有するグループ内の少なくとも１つを示す信号を出力する、請求項１−８のうちいずれか一項に記載のセンサ。
10. 前記評価ユニットは、前記出力信号から、時間の経過において、
    予め決められた時点以降に前記粒子感知セクション内で凝集した１０ｎｍより大きい浮遊粒子の近似的な合計量、又は
    予め決められた時点以降に前記光学的粒子検出ユニットにより検出された浮遊粒子の近似的な合計量、
    のいずれかに比例する累積数を計算可能である、請求項９に記載のセンサ。
11. 当該センサは、較正モードにおいて動作可能であり、前記較正モードにおいて、前記放電電極が不活性化される場合の前記電流メータの前記測定信号が、前記放電電極が活性化される場合の後の測定に対するゼロレベルとして使用される、請求項１−１０のうちいずれか一項に記載のセンサ。
12. 前記通路の少なくとも一端が遮蔽板を備える、請求項１−１１のうちいずれか一項に記載のセンサ。
13. 浮遊粒子の濃度を示す出力信号を供給する、請求項１−１２のうちいずれか一項に記載のセンサと、
    空気処理ユニットと、
    前記センサの前記出力信号に基づいて前記空気処理ユニットを制御するコントローラとを有する、空気処理システム。
14. 開口端を持つ通路内の空気サンプル内の１０ｎｍより大きい浮遊粒子を感知する方法において、
    浮遊単極性イオンを生成するステップと、
    前記通路に沿って第１の方向に静電力を前記の生成された浮遊イオンにかける第１の電場を印加するステップであって、これにより、前記第１の方向における前記空気サンプルの移動を引き起こし、前記空気サンプル内の浮遊粒子を帯電させる、ステップと、
    前記空気サンプルから前記浮遊イオンの一部を除去するように空気透過カウンタ電極に前記空気サンプルを通すステップと、
    前記空気サンプルから浮遊イオンを分離するように、前記第１の方向とは異なる第２の方向の静電力を残りの浮遊イオンにかける第２の電場を印加するステップと、
    前記通路内の凝集面において浮遊帯電粒子を凝集する第３の電場を印加するステップと、
    前記凝集面上の前記凝集した帯電粒子の電荷を測定するステップとを有する、方法。
15. 前記空気サンプル内の浮遊粒子を光学的に検出するステップを有する、請求項１５に記載の方法。

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