JP2017133925A - 粒子分析装置 - Google Patents

Abstract

【課題】粒子計測部と成分分析部とを搭載する粒子分析装置において検出感度の低下を防ぎつつ計測レンジを拡大する。【解決手段】試料ガス中の粒子によって散乱されたレーザ光に基づいて試料ガス中の粒子の数または濃度を計測する粒子計測部と、試料ガス中の粒子の成分別の量を計測する成分分析部と、試料ガス源に一端が接続され、他端側の分岐点において、粒子計測部に試料ガスを導入する第１流路と、成分分析部に試料ガスを導入する第２流路とに分岐すする流路と、第１流路に設けられて試料ガスを希釈ガスで希釈して、希釈された試料ガスを粒子計測部に導入することによって粒子計測部による計測レンジを調整する第１調整部と、第２流路に設けられて成分分析部への試料ガスの導入時間を調整する第２調整部とを備える、粒子分析装置を提供する。【選択図】図１

Description

本発明は、粒子分析装置に関する。

大気中におけるＰＭ２．５などの粒子の計測技術に関心が集まっている。従来、サンプル空気中の粒子によって散乱されるレーザ光に基づいて粒子の数及び大きさを計測する粒子計測装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。また、試料ガス中の粒子の成分別の量を計測する成分分析装置が知られている（例えば、特許文献２参照）。また、粒子を高濃度に含む排ガスを計測する場合、排ガスの濃度に対応して計測レンジを拡大するために、排ガスを希釈空気で希釈する計測装置が知られている（例えば、特許文献３参照）。当該計測装置においては、希釈した排ガスの一部が計測装置に導かれ、その中に含まれる粒子数をカウントする。
［先行技術文献］
［特許文献］
［特許文献１］ 特開２０１２−１８９４８３号公報
［特許文献２］ 国際公開第２０１１／１１４５８７号
［特許文献３］ 国際公開第２０１０／１１６９５９号

対象の粒子を多角的に分析するために、粒子計測部と成分分析部を共に備える複合的な粒子分析装置も用いることが考えられる。しかし粒子計測部と成分分析部とに対して試料ガスを一律に希釈して計測を行うと、粒子計測部及び成分分析部のいずれかにおいて検出感度が低下してしまう場合がある。したがって、粒子計測部と成分分析部とを搭載する粒子分析装置において検出感度の低下を防ぎつつ計測レンジを拡大することが困難な場合があった。

本発明の態様においては、粒子分析装置を提供する。粒子分析装置は、粒子計測部と、成分分析部と、流路と、第１調整部と、第２調整部とを備えてよい。粒子計測部は、試料ガス中の粒子によって散乱されたレーザ光に基づいて試料ガス中の粒子の数または濃度を計測してよい。成分分析部は、試料ガス中の粒子の成分別の量を計測してよい。流路は、試料ガス源に一端が接続されてよい。流路は、他端側の分岐点において、第１流路と第２流路とに分岐してよい。第１流路は、粒子計測部に試料ガスを導入してよい。第２流路は、成分分析部に試料ガスを導入してよい。第１調整部は、第１流路に設けられてよい。第１調整部は、試料ガスを希釈ガスで希釈してよい。第１調整部は、希釈された試料ガスを粒子計測部に導入することによって粒子計測部による計測レンジを調整してよい。第２調整部は、第２流路に設けられてよい。第２調整部は、成分分析部への試料ガスの導入時間を調整してよい。

第１調整部は、希釈ガス流路と、希釈ガス流量制御部とを有してよい。希釈ガス流路は、希釈ガス源に一端が接続されてよい。希釈ガス流路は、他端が第１流路に接続されてよい。希釈ガス流量制御部は、希釈ガス流路に設けられてよい。希釈ガス流量制御部は、第１流路に導入される希釈ガスの流量を制御してよい。

粒子分析装置は、排出ガス流量制御部を有してよい。排出ガス流量制御部は、粒子計測部から排出される排出ガスの流量を制御してよい。

粒子分析装置は、希釈率算出部と、濃度算出部とを備えてよい。希釈率算出部は、希釈ガス流量制御部における希釈ガスの流量と、排出ガス流量制御部における排出ガスの流量とから希釈率を算出してよい。濃度算出部は、粒子計測部による計測結果と希釈率とから、希釈されていない試料ガス中の粒子の濃度を算出してよい。

第２調整部は、試料ガス流量制御部と、流路開閉部とを有してよい。試料ガス流量制御部は、第２流路に配置されてよい。試料ガス流量制御部は、試料ガスの流量を制御してよい。流路開閉部は、第２流路に配置されてよい。流路開閉部は、開状態と閉状態とを切り替えて成分分析部への試料ガスの導入時間を調整してよい。

粒子分析装置は、導入量算出部を備えてよい。導入量算出部は、試料ガス流量制御部における試料ガスの流量と、流路開閉部によって調整される試料ガスの成分分析部への導入時間とから成分分析部への試料ガスの導入量を算出してよい。第２調整部は、流路開閉部の開状態の時間を調整して試料ガスの導入量を予め定められた範囲に制御してよい。

成分分析部は、粒子線生成部と、捕捉体と、エネルギー線照射部と、分析器とを有してよい。粒子線生成部は、試料ガス中の粒子の粒子線を射出してよい。捕捉体は、粒子線が射出される位置に配置されてよい。捕捉体は、粒子線中の粒子を捕捉してよい。エネルギー線照射部は、捕捉体にエネルギー線を照射してよい。エネルギー線照射部は、捕捉体に捕捉された粒子を気化、昇華、または反応させて脱離成分を生じさせてよい。分析器は、脱離成分を分析して粒子の成分別の量を計測してよい。

粒子分析装置は、バイパス流路と、バイパス流量制御部と、排出ガス流路とを備えてよい。バイパス流路は、第２流路から分岐してよい。バイパス流量制御部は、バイパス流路に設けられてよい。バイパス流量制御部は、試料ガス源から粒子分析装置全体へ流入する試料ガスの必要流量が予め定められた範囲になるように、バイパス流路を流れる試料ガスの流量を制御してよい。排出ガス流路は、粒子計測部から排出される排出ガスが流れてよい。バイパス流路は、排出ガス流路に接続されてよい。

粒子計測部によって計測された粒子の数または濃度が高いほど試料ガスの導入時間を短くしてよい。

なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

本発明の一実施形態における粒子分析装置１００の全体構成図である。 粒子計測部２００の一例を示す概略構成図である。 成分分析部３００の一例を示す概略構成図である。 処理部４００の一例を示す図である。 他の例の粒子分析装置１００の全体構成図である。 処理部４００の他の例を示す図である。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、本発明の一実施形態における粒子分析装置１００の全体構成図である。粒子分析装置１００は、粒子計測部２００、成分分析部３００、及び処理部４００を備える。粒子計測部２００は、試料ガス中の粒子の数または濃度を計測する。粒子計測部２００は、さらに粒子の大きさを計測してよい。成分分析部３００は、試料ガス中における粒子の成分別の量を計測してよい。例えば、成分分析部３００は、粒子の化学組成別の質量を計測する。試料ガスは大気であってもよく、車両などの排気ガスであってもよい。

本例の粒子分析装置１００は、互いに異なる計測機構を有する粒子計測部２００及び成分分析部３００を備えている。粒子分析装置１００は、試料ガス中に浮遊する粒子であるエアロゾルを多角的に分析する複合分析装置であってよい。粒子計測部２００及び成分分析部３００は、別々の筐体に配置されて、それぞれ独立して処理を行ってもよい。

粒子計測部２００と成分分析部３００とは並列に接続されている。粒子分析装置１００は、第１流路Ｌ１及び第２流路Ｌ２に分岐するガス流路を備える。第１流路Ｌ１は、粒子計測部２００に試料ガスを導入する。第２流路Ｌ２は、成分分析部３００に試料ガスを導入する。

本例の粒子分析装置１００は、導入配管である流路Ｌ０を備える。流路Ｌ０の一端は、試料ガス源１０に接続される。試料ガス源１０は、計測対象となる大気または排気ガスの試料導入口であってよい。流路Ｌ０の他端側は、分岐点１２において第１流路Ｌ１と第２流路Ｌ２とに分岐する。第１流路Ｌ１と第２流路Ｌ２も、配管であってよい。

なお、粒子分析装置１００は、流路Ｌ０を有さずに、第１流路Ｌ１と第２流路Ｌ２とが試料ガス源１０に直接接続されていてもよい。いずれの例においても、第１流路Ｌ１及び第２流路Ｌ２には、同一濃度の試料ガスが導入される。

粒子分析装置１００は、第１調整部２０と第２調整部３０とを有する。第１調整部２０は、第１流路Ｌ１に設けられる。第１調整部２０は、試料ガスを希釈ガスで希釈して、粒子計測部２００に導入する。第１調整部２０は、希釈された試料ガスを粒子計測部２００に導入することによって粒子計測部２００による計測レンジを調整する。

第１調整部２０は、希釈ガス流路Ｌ３、希釈ガス源２２、希釈ガス流量制御部２４、及び浄化部２６を有してよい。希釈ガス流路Ｌ３の一端は、希釈ガス流量制御部２４及び浄化部２６を介して希釈ガス源２２に接続される。希釈ガス流路Ｌ３の他端は、合流点２８において第１流路Ｌ１に接続される。希釈ガス流路Ｌ３は、希釈ガス源２２と希釈ガス流量制御部２４との間、希釈ガス流量制御部２４と浄化部２６との間、及び浄化部２６と合流点２８との間をそれぞれ連結するための複数の配管を含んでよい。合流点２８は、希釈ガス流路Ｌ３を第１流路Ｌ１に接続する分岐配管であってもよく、希釈用の空間を備える容器であってもよい。

希釈ガスは、例えば、粒子を予め定められた量以上に含まない清浄な希釈空気である。希釈ガス源２２は、例えば圧縮空気源である。圧縮空気源は、コンプレッサであってよい。合流点２８において、試料ガス源１０からの試料ガスと希釈ガス源２２からの希釈ガスとが混合される。したがって、合流点２８の下流においては希釈ガスによって希釈された試料ガスが流れる。希釈ガスによって希釈された試料ガスは粒子計測部２００に導入される。希釈ガス流量制御部２４は、希釈ガス流路Ｌ３に設けられる。

希釈ガス流量制御部２４は、第１流路Ｌ１に導入される希釈ガスの流量Ａ２を計測し、流量Ａ２を制御する。希釈ガス流量制御部２４は、流量センサ、流量制御バルブ、及び制御回路部を含んでよい。具体的には、希釈ガス流量制御部２４は、マスフローコントローラ、またはニードル弁付き流量計であってよい。希釈ガス流量制御部２４には制御回路部を通じて流量設定値が入力される。希釈ガス流量制御部２４は、流量Ａ２を実測してよい。希釈ガス流量制御部２４は、流量制御バルブのバルブ開度を連続的に調整して、流量の実測値が流量設定値となるように制御してよい。

浄化部２６は、希釈ガス内の粒子を除去して希釈ガスを浄化するためのフィルタを有する。本例では、浄化部２６が希釈ガス流量制御部２４の下流に設けられているが、本例と異なり、希釈ガス流量制御部２４の上流側に設けられてもよい。希釈ガス内の粒子を除去することによって、希釈ガス内の粒子の影響におる測定誤差を防止することができる。希釈ガス源２２によって供給される希釈ガスが予め定められた基準以上に清浄である場合には、浄化部２６を省略してもよい。

粒子分析装置１００は、排出ガス流路Ｌ４、排出ガス流量制御部４０、及び第１吸引部４４を備える。排出ガス流路Ｌ４の一端が粒子計測部２００の排出口に接続される。排出ガス流路Ｌ４の他端側は、第１吸引部４４に接続される。第１吸引部４４は、排出ガス流路Ｌ４を介して排出ガスを吸引して系外に排出する。第１吸引部４４は、真空ポンプであってよい。排出ガス流路Ｌ４は、粒子計測部２００から排出される排出ガスが流れる。排出ガスは、粒子計測部２００で測定を終えたガスである。本例の粒子計測部２００は、合流点２８において希釈された試料ガスを計測後に排出ガスとして排出する。

排出ガス流量制御部４０は、排出ガス流路Ｌ４に設けられる。排出ガス流量制御部４０は、粒子計測部２００から排出される排出ガスの流量Ａ４を制御する。排出ガス流量制御部４０は、制御対象のガスが希釈ガスではなく排出ガスであることを除いて、希釈ガス流量制御部２４と同様の構成を有してよい。排出ガス流量制御部４０は、流量設定値が入力されてよい。排出ガス流量制御部４０は、排出ガスの流量Ａ４を実測してよい。

本例の粒子分析装置１００は、粒子計測部２００に対しては、希釈された試料ガスを導入することによって計測レンジを調整している。一方、成分分析部３００に対しては第１調整部２０により希釈された試料ガスを導入しない。成分分析部３００に対しては、第１調整部２０とは異なる方法で計測レンジを拡大する第２調整部３０を設けている。

第２調整部３０は、第２流路Ｌ２に配置される。第２調整部３０は、成分分析部３００への試料ガスの導入時間を調整する。第２調整部３０は、試料ガス流量制御部３２と流路開閉部３４とを有してよい。試料ガス流量制御部３２は、第２流路Ｌ２に配置される。試料ガス流量制御部３２は、試料ガスの単位時間当たりの流量Ａ５を制御する。例えば、試料ガス流量制御部３２は、単位時間当たりの流量Ａ５を設定値に制御する絞り弁であるオリフィスである。試料ガス流量制御部３２としてオリフィスのように動力源を有しない制御部を使用する場合には、オリフィスの直後に圧力計測部３３を配置してよい。圧力計測部３３は、オリフィスの前後の圧力差を検出するダイヤフラムなどの圧力計であってよい。圧力計測部３３による指示値が電気的に読み込まれて、試料ガス流量制御部３２における試料ガスの単位時間当たりの流量Ａ５に換算される。

流路開閉部３４は、第２流路Ｌ２に配置される。成分分析部３００が流路開閉部３４の下流に設けられている。本例では、試料ガス流量制御部３２が流路開閉部３４の上流に設けられている。ただし、試料ガス流量制御部３２は、流路開閉部３４の下流に設けられてもよく、流路開閉部３４が試料ガス流量制御部３２の機能を更に有していてもよい。成分分析部３００の排出口には、排出流路Ｌ６を介して第２吸引部６０が接続される。第２吸引部６０は、成分分析部３００からの排出流路Ｌ６を介して排出ガスを吸引して系外に排出する。第２吸引部６０は、真空ポンプである。

流路開閉部３４は、開状態と閉状態とを切り替えて成分分析部３００への試料ガスの導入時間を調整する。流路開閉部３４が第２流路Ｌ２を閉状態に制御すると、成分分析部３００へ試料ガスが導入されず、流路開閉部３４が第２流路Ｌ２を開状態に制御すると、成分分析部３００へ試料ガスが導入される。流路開閉部３４は、電動弁であってよく、例えば、電動アクチュエータ式ボールパルプである。しかし、流路開閉部３４は、試料ガスの成分分析部３００への導入の有無を制御できるものであれば、特に限定されない。

粒子分析装置１００は、第２流路Ｌ２から分岐するバイパス流路Ｌ５と、バイパス流量制御部５０とを有する。バイパス流路Ｌ５の一端は第２流路Ｌ２に接続される。バイパス流路Ｌ５の他端は、バイパス流量制御部５０を介して排出ガス流路Ｌ４に接続される。バイパス流路Ｌ５と排出ガス流路Ｌ４とが接続するバイパス合流点４２は、排出ガス流量制御部４０よりも下流側であってよい。これにより、排出ガス流量制御部４０における流量Ａ４の実測値が影響を受けない。

バイパス流路Ｌ５を流れる試料ガスと排出ガス流路Ｌ４を流れる排出ガスとは混合されて、共に第１吸引部４４で系外に排出される。バイパス流路Ｌ５と排出ガス流路Ｌ４とで第１吸引部４４を共通化させているので、流路ごとに吸引部を取り付ける必要がなく、省スペース化を図ることができる。

バイパス流量制御部５０は、バイパス流路Ｌ５の途中に設けられる。バイパス流量制御部５０は、バイパス流路Ｌ５を流れる試料ガスの流量Ａ６を制御する。バイパス流量制御部５０は、マスフローコントローラ、またはニードル弁付き流量計であってよい。制御対象のガスが希釈ガス及び排出ガスではなく、バイパス流路Ｌ５を流れるガスであることを除いて、バイパス流量制御部５０は、希釈ガス流量制御部２４及び排出ガス流量制御部４０と同様の構成を有してよい。したがって、詳しい説明を省略する。

バイパス流量制御部５０は、試料ガス源１０から第１流路Ｌ１へ導入される試料ガスの流量をＡ１及び希釈ガスの流量Ａ２が微量流量である場合における試料微粒子のロスを低減する。例えば、流量Ａ１及び流量Ａ２が１０ｍＬ／ｍｉｎ以下である場合には、試料ガス源１０から測定対象となる試料微粒子を粒子計測部２００または３００に吸引するときに、配管Ｌ０、Ｌ１、Ｌ２の管径および管路長によっては圧力損失が大きくなり、試料微粒子をロスしてしまうことがある。しかし、本例では、バイパス流量制御部５０が、流量Ａ１及び流量Ａ２より大きい流量で試料ガスをバイパス流路Ｌ５に吸引するように制御する。したがって、試料微粒子のロスを低減することができる。

バイパス流量制御部５０は、試料ガス源１０から粒子分析装置１００全体へ流入する試料ガスの必要流量が予め定められた範囲になるように制御してよい。例えば、バイパス流量制御部５０は、粒子分析装置１００全体として試料ガスの必要流量を一定にするため、流量Ａ１、Ａ５、Ａ６の和が常に一定量になるように制御を行う。

例えば、希釈ガス流量制御部２４及び排出ガス流量制御部４０が、試料ガスの濃度に応じて計測レンジを調整するために流量Ａ２及び流量Ａ４を調整する結果、流量Ａ１が変化し得る。また、流量Ａ１が変化することによって流量Ａ５が変化し得る。また、流路開閉部３４が第２流路Ｌ２を閉状態に制御すると、成分分析部３００へ試料ガスが導入されず流量Ａ５が０になる。したがって、バイパス流量制御部５０は、これらの流量変化を補償して、粒子分析装置１００全体として試料ガスの必要流量を一定にするため、流量Ａ１、Ａ５、Ａ６の和が常に一定量になるように制御してよい。

バイパス流量制御部５０は、処理部４００を経由して、希釈ガスの流量Ａ２、排出ガスの流量Ａ４、試料ガス流量制御部３２における試料ガスの流量Ａ５、及び流路開閉部３４の開閉状態の情報を取得し、これらの情報に基づいて、流量Ａ１、Ａ５、Ａ６の和が常に一定量になるように制御してよい。

なお、試料ガス流量制御部３２としてはオリフィスを用い、希釈ガス流量制御部２４、排出ガス流量制御部４０、及びバイパス流量制御部５０としては、マスフローコントローラ、またはニードル弁付き流量計などのように動力源を有する制御部を用いることが好ましい。試料ガス源１０と粒子計測部２００との間の配管、及び試料ガス源１０と成分分析部３００との間の配管は、測定対象となる微粒子が通過する流路である。したがって、これらの流路にマスフローコントローラ及びニードル弁付き流量計等を設置すると、微粒子をロスしてしまう懸念がある。本例では、試料ガス源１０と成分分析部３００との間の配管に配置される試料ガス流量制御部３２として、マスフローコントローラ及びニードル弁付き流量計に比べて微粒子のロスが少ないオリフィスを採用することで、測定対象となる微粒子のロスを軽減できる。

希釈ガス流量制御部２４、排出ガス流量制御部４０、及びバイパス流量制御部５０においては、測定対象の微粒子が通過しないもしくは測定後の微粒子が通過するにすぎないため微粒子のロスを考慮する必要がなく、流量が可変なマスフローコントローラ、またはニードル弁付き流量計を採用してよい。

処理部４００は、各種のデータ及び信号を処理し、種々の制御を実行するコンピュータであってよい。処理部４００は、図１に破線で示したように、希釈ガス流量制御部２４、排出ガス流量制御部４０、粒子計測部２００、圧力計測部３３、流路開閉部３４、バイパス流量制御部５０、及び成分分析部３００の各部と通信可能に接続されてよい。処理部４００は、希釈ガス流量制御部２４、排出ガス流量制御部４０、及びバイパス流量制御部５０から流量の実測値を読み込んでよい。

本例のように、試料ガス流量制御部３２にオリフィスを用いる場合は、処理部４００は、オリフィス自体に電気的に接続することができない。したがって、処理部４００は、試料ガス流量制御部３２の直後に配置された圧力計測部３３で読み込まれた圧力値を取得し、圧力値から流量５を算出してよい。圧力計測部３３で、既に圧力値が流量Ａ５に換算されている場合は、処理部４００は、圧力計測部３３から流量Ａ５を取得してよい。

処理部４００は、希釈ガス流量制御部２４、排出ガス流量制御部４０、及びバイパス流量制御部５０に流量設定値の指令を送信してよい。処理部４００は、流路開閉部３４の開状態の時間の指令を送信してよい。処理部４００は、開状態の時間、即ち導入時間を算出してよい。処理部４００と粒子計測部２００との間は、第１外部伝送部２４２を介して通信可能に接続されている。処理部４００と成分分析部３００との間は、第２外部伝送部３６２を介して通信可能に接続されている。第１外部伝送部２４２及び第２外部伝送部３６２は、伝送ケーブルなど伝送媒体である。処理部４００の詳細については後述する。

図２は、粒子計測部２００の一例を示す概略構成図である。粒子計測部２００は、遮光容器２０２、射出ノズル２０４、回収ノズル２０８、レーザ照射部２１４、受光部２１８、及び第１信号処理部２４０を備える。遮光容器２０２は、壁部によって囲まれた容器であってよい。遮光容器２０２は、外部から遮光された領域を提供する。射出ノズル２０４は、遮光容器２０２の壁部の一部を貫通するように配置されている。射出ノズル２０４の先端には、ガスを射出する射出口２０６が設けられる。

射出ノズル２０４は、合流点２８から流路Ｌ１を通じて導入される希釈済みの試料ガスを射出口２０６から射出する。回収ノズル２０８は、射出ノズル２０４と対向する位置において遮光容器２０２の壁部の一部を貫通するように配置されている。回収ノズル２０８の先端には、希釈済みの試料ガスを吸入して回収する回収口２１０が設けられる。回収ノズル２０８は、その回収口２１０が射出ノズル２０４の射出口２０６に対向するように配置される。回収ノズル２０８の他端は、排出ガス流路Ｌ４を介して排出ガス流量制御部４０に接続される。

射出ノズル２０４及び回収ノズル２０８は、図２に示される場合に限られない。射出ノズル２０４及び回収ノズル２０８は、それぞれが２重のノズル構造を有していてもよい。射出ノズル２０４は、被計測粒子を含む試料ガスを吐出するとともに、その外側を清浄なシースエアで包み込むことによって、試料ガスをビーム状に形成してよい。この場合、回収ノズル２０８は、試料ガスとシースエアとを分離して回収してよい。

レーザ照射部２１４と受光部２１８とは遮光容器２０２内に設けられる。レーザ照射部２１４は、射出ノズル２０４と回収ノズル２０８との間の粒子計測領域２１２に向けて、予め定められた距離にわたってレーザ光２１６を照射する。受光部２１８は、レーザ光２１６が計測対象の粒子にあたって生じる散乱光２２０を受光する。受光部２１８は、散乱光２２０の受光強度に応じて電気信号を出力する。受光部２１８は、受光した散乱光２２０をパルス状の電気信号に変換する光電変換素子を含んでよい。

第１信号処理部２４０は、受光信号処理回路であってよい。例えば、第１信号処理部２４０はマイクロコンピュータ等のプロセッサである。第１信号処理部２４０は、受光部２１８から第１信号伝送部２３０を介して電気信号を受信する。第１信号処理部２４０は、受信された電気信号に基づいて演算する。

具体的には、第１信号処理部２４０は、受光部２１８から入力された電気信号のパルスの高さから、粒子の大きさを演算してよい。第１信号処理部２４０は、電気信号のパルスの数から、粒子の数を演算してよい。第１信号処理部２４０は、計算された粒子の数から、単位体積当たりの粒子の数である濃度を演算してもよい。粒子計測部２００が、粒子の数及び大きさを計測する場合には、大きさ別の数の分布である粒径分布を計測する場合が含まれる。第１信号処理部２４０で演算された結果は、第１外部伝送部２４２を介して処理部４００に出力される。

受光部２１８は、複数の散乱角度に応じて配置された複数の光電変換素子を含んでいてもよい。この場合、第１信号処理部２４０は、各光電変換素子からの電気信号に基づいて散乱角度毎の散乱光２２０の強度分布を取得する。粒子の大きさに応じて、散乱光２２０の散乱角度が変化するので、散乱角度毎の強度分布から粒径分布を検出することができる。以上のような基本構成と基本動作を可能とする粒子計測部２００の装置構成として、例えば特開昭６１−１４５４３号公報及び特開２０１２−１８９４８３号公報に記載された装置構成を採用することができる。

図３は、成分分析部３００の一例を示す概略構成図である。成分分析部３００は、減圧容器３０２、排気部３０４、粒子線生成部３１０、及び捕捉体３２０を有する。減圧容器３０２は、外部に対して減圧された領域を提供するための減圧チャンバであってよい。排気部３０４は、減圧容器３０２内の減圧状態を保つための真空ポンプである。

粒子線生成部３１０は、試料ガス中の粒子の粒子線３１６を射出する。粒子線生成部３１０は、例えばエアロダイナミックレンズである。粒子線生成部３１０は、減圧容器３０２の壁部の一部に設けられる。粒子線生成部３１０は、減圧容器３０２の気密性を保ちつつ減圧容器３０２の壁部を貫通する。粒子線生成部３１０は、管状構造体の内側に立設する複数の絞り機構である複数のオリフィス３１２を備えてよい。粒子線生成部３１０の一端には、粒子線射出口３１４が設けられている。粒子線生成部３１０の他端は、第２調整部３０に接続される。

本発明において、「試料ガス中の粒子の粒子線３１６」とは、固体または液体で構成された粒子の空力学的特性を利用して、粒子が浮遊した試料ガスから、各粒子が試料ガス中で同じような飛行・移動特性を持つようにビーム状に離隔濃縮された粒子の粒子線３１６である。減圧容器３０２内外の圧力差によって、試料ガスが粒子線生成部３１０に流入する。粒子線生成部３１０内を試料ガスが通り抜けるときは、媒質である気体は拡散しながら移動するので、オリフィス３１２によって直線的な移動が妨げられる。

一方、固体または液体で構成された粒子は、直進性が気体分子に比べて高いので、初段のオリフィス３１２を通過した粒子の移動が２段目以降のオリフィス３１２により大きく妨げられることがない。したがって、各粒子がビーム状に収束しつつ、粒子線射出口３１４を通って、減圧雰囲気側に粒子の粒子線３１６として射出される。

捕捉体３２０は、粒子線３１６中の粒子を捕捉する。捕捉体３２０は、粒子線３１６が照射される捕捉面３２２を有する。捕捉体３２０は、捕捉面３２２から予め定められた厚さの部分までは少なくともメッシュ状構造を有している。メッシュ状構造の捕捉体３２０において捕捉面３２２側から投影したときの面積空隙率が、８０％以上９９％の範囲であってよい。捕捉体３２０は、粒子線３１６が射出される位置に配置される。本実施形態では、粒子線生成部３１０の粒子線射出口３１４から射出された粒子線３１６が減圧容器３０２内で予め定められた距離を飛行して到達する位置に、捕捉体３２０が配置されてよい。

減圧環境によって減圧容器３０２内では気相成分が減っているので、粒子が捕捉体３２０に当たったときの気流による乱れが抑制されている。粒子線３１６中の粒子が捕捉体３２０の空隙に獲捕されつつ運動エネルギーが弱まる。捕捉体３２０は、捕捉面３２２が粒子線生成部３１０の粒子線射出口３１４に対して、傾けて対向するように配されてよい。これにより、捕捉体３２０に跳ね返されて捕捉できない確率を低減することができ、より効率的に粒子線３１６中の粒子を捕捉することができる。

成分分析部３００は、更に、エネルギー線照射部３３０、分析器３４０、及び第２信号処理部３６０を有する。エネルギー線照射部３３０は、捕捉体３２０に向けてエネルギー線３３１を照射して、捕捉体３２０に捕捉された粒子を気化、昇華、または反応させて脱離成分を生じさせる。エネルギー線３３１は、減圧容器３０２の壁部の一部に設けられた透光窓３３４を通過して減圧容器３０２内の捕捉体３２０に到達する。エネルギー線３３１は、捕捉体３２０の予め定められた範囲に照射される。

エネルギー線３３１は、捕捉体３２０に捕捉された粒子を気化、昇華または反応させて、粒子の組成分析に適する脱離成分を生じさせるものであればよく、特に制限されない。エネルギー線３３１は、例えば、赤外レーザの供給器、可視レーザの供給器、紫外レーザの供給器、Ｘ線の供給器、及びイオンビームの供給器により供給されるエネルギー線である。

捕捉体３２０は、捕捉面３２２をエネルギー線照射部３３０の照射口３３２に対してやや傾けて対向するように配置されてよい。これにより、捕捉面３２２の垂線方向を基準にして傾いた方向からエネルギー線３３１が入射する。したがって、捕捉体３２０に捕捉された粒子にエネルギー線３３１が到達しやすくなり、捕捉体３２０に捕捉された粒子を、より効率的に気化、昇華または反応させ、その脱離成分を生じさせることができる。

分析器３４０は、脱離成分を分析して粒子の成分別の量を計測する。分析器３４０は、質量分析計または分光分析装置であってよい。分析器３４０は、分析強度に応じて分析信号を出力する。分析器３４０の導入口には、回収筒部３４２の一端が連結されている。回収筒部３４２の他端は、減圧容器３０２の気密性を保ちつつ減圧容器３０２の壁部を貫通する。脱離成分が、回収筒部３４２を通じて回収されて、分析器３４０内に導入される。

第２信号処理部３６０は、質量分析計での分析信号の処理回路であってよい。例えば、第２信号処理部３６０はプロセッサである。第２信号処理部３６０は、分析器３４０から第２信号伝送部３５０を介して電気信号を受信する。第２信号伝送部３５０は、分析器３４０での分析信号を電気信号として伝送する。第２信号処理部３６０は、電気信号として受信された分析信号に基づいて演算し、粒子の成分及び成分別の量を導出する。分析信号から粒子の成分及び成分別の量を導出は、従来の質量分析計などと同様であるので詳しい説明を省略する。

第２信号処理部３６０で演算された結果は、第２外部伝送部３６２を介して処理部４００に出力されてよい。以上のような基本構成と基本動作を可能とする成分分析部３００の装置構成として、例えば国際公開第２０１１／１１４５８７号に記載された装置構成を採用することができる。

成分分析部３００によれば、エアロゾル試料中の粒子を予め定められた領域に集中的に捕捉して、それにエネルギー線３３１を照射して生じさせた脱離成分を分析するので、効率的でしかも感度良く、粒子の成分及びその量を分析することが可能である。さらに、本例の粒子分析装置１００によれば、粒子計測部２００によって、粒子の数、大きさ、及び濃度を計測しつつ、成分分析部３００によって成分ごとの量を計測できるので、測定対象粒子を多角的に分析するのに適した粒子複合分析装置を提供することができる。

図４は、粒子分析装置１００における処理部４００の一例を示す図である。本例の処理部４００は、希釈率算出部４１０、濃度算出部４２０、導入量算出部４３０、及び成分濃度算出部４４０を有する。希釈率算出部４１０及び濃度算出部４２０は、粒子計測部２００における希釈率及び濃度を算出する。希釈率算出部４１０は、希釈ガス流量制御部２４における希釈ガスの流量Ａ２と、排出ガス流量制御部４０における排出ガスＡ４の流量とから希釈率を算出する。濃度算出部４２０は、算出された希釈率と、粒子計測部２００による計測結果とから、希釈されていない元々の試料ガス中における粒子の濃度を算出する。

導入量算出部４３０及び成分濃度算出部４４０は、成分分析部３００に関する各種演算及び制御を実行する。導入量算出部４３０は、試料ガス流量制御部３２における試料ガスの単位時間当たりの流量Ａ５と、試料ガスの成分分析部３００への導入時間Ｔ１とから成分分析部３００への試料ガスの導入量を算出する。導入時間Ｔ１は、流路開閉部３４によって調整される。成分濃度算出部４４０は、成分分析部３００による計測結果と、算出された導入量とから、成分別の濃度を算出する。

また、処理部４００は、各部からの計測結果及び演算結果を受信するのみならず、各種の指令などの制御情報を各部に送信してもよい。例えば、処理部４００は、希釈ガス流量制御部２４及び排出ガス流量制御部４０に対して所望の流量設定値を指示する。

導入量算出部４３０及び成分濃度算出部４４０は、算出された導入量が予め定められた範囲になるように、第２調整部３０の流路開閉部３４に指示してもよい。指示に基づいて、第２調整部３０は、流路開閉部３４の開状態の時間を調整して試料ガスの導入量を予め定められた範囲に制御してよい。なお、以上のような処理部４００は、一つのコンピュータであってもよく、複数のコンピュータであってもよい。処理部４００は、一つの筐体内に配置されている必要はなく、粒子計測部２００及び成分分析部３００の一方または双方に分散されて設けられていてもよい。

以上のように構成される本例の粒子分析装置１００は、以下のように処理を行う。図１において、希釈ガス源２２から供給された希釈ガスの流量Ａ２は、希釈ガス流量制御部２４によって流量設定値に制御されてよい。流量設定値は、処理部４００から指示されてもよく、第１調整部２０において直接入力されてもよい。一方、試料ガス源１０からの流量をＡ１とすると、図１に示されるとおり、粒子計測部２００に導入される希釈後の試料ガスの流量Ａ３は、流量Ａ１と流量Ａ２の和となる。

粒子計測部２００から排出されて回収される排出ガスの流量Ａ４は、排出ガス流量制御部４０によって流量設定値に制御されており、流量Ａ３と等しい。流量Ａ４の流量設定値は、処理部４００から指示されてもよく、直接入力されてもよい。したがって、粒子計測部２００には、エアロゾル試料としての試料ガスがＡ４／Ａ３、すなわちＡ４／（Ａ４−Ａ２）倍に希釈されて導入される。希釈率算出部４１０は、希釈ガス流量制御部２４から流量Ａ２の実測値を取得し、排出ガス流量制御部４０から流量Ａ４の実測値を取得してよい。希釈率算出部４１０は、取得したＡ２及びＡ４を用いてＡ４／（Ａ４−Ａ２）を計算して希釈率Ｅ１を算出する。

本例の粒子分析装置１００によれば、試料ガス源１０からの流量Ａ１を計測するためのマスフローコントローラなどの機器を粒子計測部２００の上流に用いることなく、希釈率Ｅ１を算出できる。したがって、装置構成を簡略化することができ、省スペース及び省コストを実現できる。処理部４００が、流量Ａ２の設定流量値の指令を希釈ガス流量制御部２４に送信し、流量Ａ４の設定流量値の指令を排出ガス流量制御部４０に送信する場合は、希釈率算出部４１０は、流量の実測値の代わりに設定流量値を用いて希釈率を算出してもよい。

粒子計測部２００は、試料ガス中の粒子の濃度を計測してよい。粒子の濃度の計測値をＳ１とすると、濃度の計測値Ｓ１は、Ｅ１倍に希釈されている。したがって、希釈されていない元々の試料ガス中における粒子の濃度は、濃度の計測値Ｓ１をＥ１倍した値となる。処理部４００の濃度算出部４２０は、第１外部伝送部２４２を通じて粒子計測部２００の第１信号処理部２４０から計測値Ｓ１を取得してよい。濃度算出部４２０は、取得した計測値Ｓ１に希釈率Ｅ１を乗じて、希釈されていない元々の試料ガス中の粒子の濃度を算出する。

粒子計測部２００における計測において、試料ガス中の粒子の濃度が高くて複数の粒子がレーザ光２１６の光路上に重なりあった状態で存在すると、正確な測定が困難となる場合がある。しかし、本例の粒子分析装置１００によれば、粒子の濃度が高い試料ガスを希釈して濃度を計測するとともに、得られた値に希釈率を乗じて真の濃度を算出できるので、計測レンジを拡大することができる。

一方、成分分析部３００の前段には、第２調整部３０が設けられている。第２調整部３０は、試料ガス流量制御部３２と流路開閉部３４とを有している。試料ガス流量制御部３２によって制御される流量、すなわち成分分析部３００へ導入される試料ガスの流量をＡ５とすると、成分分析部３００への試料ガスの導入量は、流量Ａ５に、流路開閉部３４の開状態の時間である導入時間Ｔｌを乗ずることで算出できる。

処理部４００の導入量算出部４３０は、圧力計測部３３の計測値から換算された流量Ａ５を取得してよい。導入量算出部４３０は、流路開閉部３４から開状態の時間Ｔ１を取得してよい。導入量算出部４３０は、取得したＡ５及びＴ１を用いてＡ５・Ｔ１を計算して導入量を算出する。処理部４００が、流路の開状態の時間の指令を流路開閉部３４に送信する場合は、流路開閉部３４における開閉動作の追従性によっては、導入量算出部４３０は、取得した流量Ａ５と、指令された開状態の時間とを用いて導入量を算出してもよい。

成分分析部３００は、試料ガス中の粒子における成分別の質量を計測してよい。成分別の質量の計測値をＳ２とすると、それを導入量Ａ５・Ｔ１で除した値Ｓ２／（Ａ５・Ｔ１）が成分別の質量濃度となる。成分濃度算出部４４０は、第２外部伝送部３６２を通じて成分分析部３００の第２信号処理部３６０から計測値Ｓ２を取得してよい。成分濃度算出部４４０は、取得した計測値Ｓ２を導入量Ａ５・Ｔ１で除すことで、試料ガス中の成分別の重量濃度を算出する。

成分分析部３００における計測において、粒子線３１６中の粒子の大部分が捕捉体３２０に捕捉され、捕捉された粒子の大部分がエネルギー線３３１の照射を受けて脱離成分を生じさせる場合、Ｓ２／（Ａ５・Ｔ１）の式によって成分別の質量濃度が算出できる。一方、捕捉体３２０が既に予め定められた量の粒子を捕捉している場合には、さらに粒子を導入しても十分に捕捉できない。したがって、捕捉体３２０が十分に捕捉できる量を超えた粒子が導入された場合には、成分別の濃度を正確に計測することが困難となる。

したがって、成分分析部３００は、成分分析部３００への粒子の導入量が予め定められた範囲を超えないように制御する。流路開閉部３４による開状態の時間Ｔ１を短くして、粒子の導入量を予め定められた範囲内に制御することによって、計測レンジを拡大することができる。

試料ガス中の粒子の濃度が比較的高い場合には、試料ガスの導入量Ａ５・Ｔ１が比較的少ない場合でも、試料ガスに含まれる粒子自体の導入量が多い場合があり得る。粒子計測部２００によって計測された粒子の数または濃度が高いほど、同じ試料ガスの導入量Ａ５・Ｔ１であっても、粒子自体の導入量が多いと判断できる。したがって、比較的短時間で計測できる粒子計測部２００によって計測された粒子の数または濃度が高いほど、成分分析部３００への試料ガスの導入時間Ｔ１を短くするように制御してもよい。具体的には、処理部４００が粒子計測部２００による検出結果を取得し、取得した検出結果に基づいて流路開閉部３４に開状態の時間についての指令を送信してよい。

本例の粒子分析装置１００によれば、粒子を含まない清浄な希釈空気などのガスを試料ガスに混合し、粒子計測部２００に導入することで、粒子計測部２００の計測レンジを拡大することができる。したがって、本例の粒子分析装置１００は、測定対象の粒子が高濃度である地域及び場所での計測にも適用できる。粒子分析装置１００は、排出源から排出される高濃度の粒子を直接測定することもできる。一方、成分分析部３００に試料ガスを導入する導入時間を従来よりも短縮することで成分分析部３００の計測レンジを拡大することができる。

本例の粒子分析装置１００によれば、対象粒子を多角的に分析するために用いられる複合型の分析装置において、それに備わる粒子計測部２００と成分分析部３００の各々に独立かつ任意の計測レンジを拡大することができる。粒子計測部２００と成分分析部３００とに適した計測レンジの拡大方法を採用できるので、計測性能を低下させることなく計測レンジの拡大が可能になる。

上記の説明では、試料ガス流量制御部３２として動力源を有しないオリフィスを使用し、オリフィスの直後に圧力計測部３３を設ける場合を説明したが、この場合に限られない。図５は、他の例の粒子分析装置１００の全体構成図である。図６は、処理部４００の他の例を示す図である。微粒子のロスが問題とならない場合には、試料ガス流量制御部３２として、マスフローコントローラ及びニードル弁付き流量計などのように動力源を有する制御部を用いて、図５に示されるように、圧力計測部３３を省略してもよい。

処理部４００は、図５に破線で示したように、希釈ガス流量制御部２４、排出ガス流量制御部４０、粒子計測部２００、試料ガス流量制御部３２、流路開閉部３４、バイパス流量制御部５０、及び成分分析部３００の各部と通信可能に接続されてよい。処理部４００は、希釈ガス流量制御部２４、排出ガス流量制御部４０、試料ガス流量制御部３２、及びバイパス流量制御部５０から流量の実測値を読み込んでよい。処理部４００は、希釈ガス流量制御部２４、排出ガス流量制御部４０、及びバイパス流量制御部５０に流量設定値の指令を送信してよい。

図６に示されるとおり、処理部４００の導入量算出部４３０は、試料ガス流量制御部３２から流量Ａ５の実測値を取得してよい。導入量算出部４３０は、取得したＡ５及びＴ１を用いてＡ５・Ｔ１を計算して導入量を算出する。処理部４００が、流量Ａ５の設定流量値の指令を試料ガス流量制御部３２に送信し、流路の開状態の時間の指令を流路開閉部３４に送信する場合は、試料ガス流量制御部３２及び流路開閉部３４における流量及び開閉動作の追従性によっては、導入量算出部４３０は、流量Ａ５の設定流量値と、指令された開状態の時間とを用いて導入量を算出してもよい。

図５及び図６に示す場合も、バイパス流量制御部５０は、試料ガス源１０から粒子分析装置１００全体へ流入する試料ガスの必要流量が予め定められた範囲になるように制御してよい。例えば、粒子分析装置１００全体として試料ガスの必要流量を一定にするため、流量Ａ１、Ａ５、Ａ６の和が常に一定量になるように制御されてよい。具体的には、処理部４００は、希釈ガス流量制御部２４、排出ガス流量制御部４０、及び試料ガス流量制御部３２における流量、並びに流路開閉部３４における開閉状態に応じて、バイパス流量制御部５０に流量設定値の指令を送信してよい。バイパス流量制御部５０は、流量設定値の指令に基づいて、流量Ａ１、Ａ５、Ａ６の和が一定量になるように流量を制御してよい。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

１０・・・試料ガス源、１２・・・分岐点、２０・・・第１調整部、２２・・・希釈ガス源、２４・・・希釈ガス流量制御部、２６・・・浄化部、２８・・・合流点、３０・・・第２調整部、３２・・・試料ガス流量制御部、３３・・・圧力計測部、３４・・・流路開閉部、４０・・・排出ガス流量制御部、４２・・・バイパス合流点、４４・・・第１吸引部、５０・・・バイパス流量制御部、６０・・・第２吸引部、１００・・・粒子分析装置、２００・・・粒子計測部、２０２・・・遮光容器、２０４・・・射出ノズル、２０６・・・射出口、２０８・・・回収ノズル、２１０・・・回収口、２１２・・・粒子計測領域、２１４・・・レーザ照射部、２１６・・・レーザ光、２１８・・・受光部、２２０・・・散乱光、２３０・・・第１信号伝送部、２４０・・・第１信号処理部、２４２・・・第１外部伝送部、３００・・・成分分析部、３０２・・・減圧容器、３０４・・・排気部、３１０・・・粒子線生成部、３１２・・・オリフィス、３１４・・・粒子線射出口、３１６・・・粒子線、３２０・・・捕捉体、３２２・・・捕捉面、３３０・・・エネルギー線照射部、３３１・・・エネルギー線、３３２・・・照射口、３３４・・・透光窓、３４０・・・分析器、３４２・・・回収筒部、３５０・・・第２信号伝送部、３６０・・・第２信号処理部、３６２・・・第２外部伝送部、４００・・・処理部、４１０・・・希釈率算出部、４２０・・・濃度算出部、４３０・・・導入量算出部、４４０・・・成分濃度算出部

Claims (9)

1. 試料ガス中の粒子によって散乱されたレーザ光に基づいて前記試料ガス中の粒子の数または濃度を計測する粒子計測部と、
   前記試料ガス中の粒子の成分別の量を計測する成分分析部と、
   試料ガス源に一端が接続され、他端側の分岐点において、前記粒子計測部に前記試料ガスを導入する第１流路と、前記成分分析部に前記試料ガスを導入する第２流路とに分岐すする流路と、
   前記第１流路に設けられて前記試料ガスを希釈ガスで希釈して、希釈された試料ガスを前記粒子計測部に導入することによって前記粒子計測部による計測レンジを調整する第１調整部と、
   前記第２流路に設けられて前記成分分析部への前記試料ガスの導入時間を調整する第２調整部と、を備える
   粒子分析装置。
2. 前記第１調整部は、
   希釈ガス源に一端が接続され、他端が前記第１流路に接続された希釈ガス流路と、
   前記希釈ガス流路に設けられ、前記第１流路に導入される前記希釈ガスの流量を制御する希釈ガス流量制御部と、を有する
   請求項１に記載の粒子分析装置。
3. 前記粒子計測部から排出される排出ガスの流量を制御する排出ガス流量制御部を備える
   請求項２に記載の粒子分析装置。
4. 前記希釈ガス流量制御部における前記希釈ガスの流量と、前記排出ガス流量制御部における前記排出ガスの流量とから希釈率を算出する希釈率算出部と、
   前記粒子計測部による計測結果と前記希釈率とから、希釈されていない試料ガス中の粒子の濃度を算出する濃度算出部と、を備える
   請求項３に記載の粒子分析装置。
5. 前記第２調整部は、
   前記第２流路に配置されて前記試料ガスの流量を制御する試料ガス流量制御部と、
   前記第２流路に配置されて開状態と閉状態とを切り替えて前記成分分析部への前記試料ガスの導入時間を調整する流路開閉部と、を有する
   請求項１から４の何れか１項に記載の粒子分析装置。
6. 前記試料ガス流量制御部における前記試料ガスの流量と、前記流路開閉部によって調整される前記試料ガスの前記成分分析部への導入時間とから前記成分分析部への前記試料ガスの導入量を算出する導入量算出部を備え、
   前記第２調整部は、前記流路開閉部の開状態の時間を調整して前記試料ガスの導入量を予め定められた範囲に制御する
   請求項５に記載の粒子分析装置。
7. 前記成分分析部は、
   前記試料ガス中の粒子の粒子線を射出する粒子線生成部と、
   前記粒子線が射出される位置に配置されて前記粒子線中の粒子を捕捉する捕捉体と、
   前記捕捉体にエネルギー線を照射して、前記捕捉体に捕捉された粒子を気化、昇華、または反応させて脱離成分を生じさせるエネルギー線照射部と、
   前記脱離成分を分析して粒子の成分別の量を計測する分析器と、
   を有する請求項１から６の何れか１項に記載の粒子分析装置。
8. 前記第２流路から分岐するバイパス流路と、
   前記バイパス流路に設けられ、前記試料ガス源から前記粒子分析装置全体へ流入する試料ガスの必要流量が予め定められた範囲になるように、前記バイパス流路を流れる試料ガスの流量を制御するバイパス流量制御部と、
   前記粒子計測部から排出される排出ガスが流れる排出ガス流路と、を備え、
   前記バイパス流路は、前記排出ガス流路に接続される
   請求項１から７の何れか１項に記載の粒子分析装置。
9. 前記粒子計測部によって計測された粒子の数または濃度が高いほど前記試料ガスの導入時間を短くする
   請求項１から８の何れか１項に記載の粒子分析装置。

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