JP2019020372A - 処理流量可変バーチャルインパクタ及び処理流量可変バーチャルインパクタを用いたバイオエアロゾル計測器用前処理システム - Google Patents

Abstract

【課題】大気中に浮遊する花粉や細菌、ウイルスなどの浮遊微生物粒子（バイオエアロゾル）をリアルタイムに計測するバイオエアロゾル計測器において、測定対象物質と同程度の大きさの測定阻害粒子が存在することで、測定の精度を低下させていた。【解決手段】バイオエアロゾル計測器の外気導入部に前処理システムを設ける。前処理システムは、処理流量可変バーチャルインパクタと、慣性力や遠心力の差を用いる方式の分級器を直列に組み合わせた構造である。上記処理流量可変バーチャルインパクタはエアロゾルを噴出する加速ノズルと、上記加速ノズルと対向して配置され、上記加速ノズルから噴出されたエアロゾルの一部を吸入する捕集ノズルと、を備えるバーチャルインパクタであって、上記加速ノズル中の流路幅、上記捕集ノズル中の流路幅のうち少なくともいずれかを可変とする可変機構を有する。【選択図】図１

Description

この発明は、エアロゾル中の粒子を濃縮したり、エアロゾル中の粒子を大きさで分級したりする際に使用されるバーチャルインパクタの改良と、改良されたバーチャルインパクタを用いるバイオエアロゾル計測器用の前処理システムに関する。さらに詳しくは、バイオエアロゾル計測器で測定するために導入するエアロゾル中にある、測定対象物質（例えば花粉）と同程度の大きさで密度の異なる測定阻害粒子（例えば土壌粒子や雪等）を選択的に除去するとともに、測定対象物質を濃縮することができる前処理システム。

エアロゾル中の粒子を濃縮したり、大きさで分級したりする技術は、各種計測器や処理機の前処理に必要とされることが多い。大気中に浮遊する花粉や細菌、ウイルスなどの浮遊微生物粒子（バイオエアロゾル）を瞬時（リアルタイム）に計測するバイオエアロゾル計測器もその一つである。

近年、大気中に存在する微生物を簡便且つ迅速に測定することは、リアルタイムの花粉情報提供、食品工場などでの製造工程管理など広い分野で必要とされてきている。

これまで、大気中の微生物の計測は、スライドガラスや粘着テープ上に捕集した後に顕微鏡にて目視計測する方法や、培養に基づいた方法など、非常に労力のかかる手段により行われている。

したがって、自動的にかつ迅速に測定できるバイオエアロゾル計測器が求められ、例えば光散乱法（例えば、特許文献１〜４）や蛍光スペクトル解析（例えば、特許文献５、非特許文献１）を用いた装置などが開発されてきており、リアルタイム測定に対応できるバイオエアロゾル計測器が増えてきている。

特開平７−４３２９９号公報 特開平１０−３１８９０８号公報 特開２００１−８２０３８号公報 特開２００３−３８１６３号公報 特開２０１４−１６８４４２号公報 長谷川倫男他 「気中微生物リアルタイム検出技術」ａｚｂｉｌ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｒｅｖｉｅｗ２００９年１２月発行号、ｐ．２−７、２００９年

しかしながら、以上の技術によれば、一般環境中には微生物以外にかなりの粉塵や砂、雨、雪などが存在するため、他の粒子が阻害物質となり特定の粒子だけを計測することができなかった。

そこで、この発明は、測定対象物質と同じ大きさで誤測定の原因となっている測定阻害物質を除去する機構を持つバイオエアロゾル計測器用前処理システムを提供することを課題とする。

本件発明者は、主に課題となっている測定阻害物質は測定対象物と密度が大きく異なっていることに着眼し、従来、慣性力や遠心力の差を利用して主に大きさ別に分けるために用いられている分級法が、同じ大きさで密度の異なるものを分けるために利用できることを見出し、本発明を完成するに至った。

また、従来、バーチャルインパクタを利用する際には利用先の流量に合わせて、その都度、加速ノズル径等を最適な大きさに設計しなければならなかったが、可変式の絞り機能を組み込むことにより、流量に合わせて流路を適切に絞ることで、同じ分級性能及び濃縮性能を得られることを見出し、本発明を完成するに至った。より具体的には、本発明は以下の技術的事項から構成される。

可変機構により、処理流量可変機能を有することで、分級性能及び濃縮性能を維持しつつ、処理流量の異なる様々な機器に接続可能であることを特徴とするバーチャルインパクタ。

前記バーチャルインパクタと、慣性力や遠心力の差を利用する分級器により、測定対象物質と同じ大きさで密度の異なる測定阻害物質を除去する機構を持つことを特徴とするバイオエアロゾル計測器用前処理システム。

また、処理流量可変機構により様々な流量のバイオエアロゾル計測器に接続可能であり、バイオエアロゾル計測器の外気導入部に接続することで計測精度の向上ができることを特徴とするバイオエアロゾル計測器用前処理システム。

また、選択的に測定対象物質を濃縮することを特徴とするバイオエアロゾル計測器用前処理システム。

利用先の流量に合わせて加速ノズル径等を最適な大きさに設計する必要はなく、同一の構造をもって同じ分級性能及び濃縮性能が得られるので、広い流量に対応できるバーチャルインパクタが提供される。

さらに、バイオエアロゾル計測器に導入させるエアロゾル中の、測定対象物質と同じ大きさで密度の異なる測定阻害物質を除去し、測定対象物質を濃縮することができるので、バイオエアロゾル計測器での計測時の精度を向上できるバイオエアロゾル計測器用前処理システムが提供される。

バイオエアロゾル計測器用前処理システムの概略を示したブロック図である。 システムの構成と原理を示した模式図である。 流量可変機構の構成例▲１▼を示す模式図である。 流量可変機構の構成例▲２▼を示す模式図である。 流量可変機構の構成例▲３▼を示す模式図である。 流量可変機構の構成例▲４▼を示す模式図である。 流量可変機構の構成例▲５▼を示す模式図である。 流量可変機構の構成例▲６▼を示す模式図である。

本発明の実施形態は、処理流量可変バーチャルインパクタ及び処理流量可変バーチャルインパクタを用いたバイオエアロゾル計測器用前処理システムである。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は本発明の概略を示したブロック図である。バイオエアロゾル計測器用前処理システムＳは、測定対象物と同じ大きさで密度の大きい（慣性力の大きい）測定阻害物質を除去するための分級器１と、測定対象物と同じ大きさで密度の小さい（慣性力や遠心力の小さい）測定阻害物質を除去するための分級器２（処理流量可変バーチャルインパクタ）を備えている。バイオエアロゾル計測器用前処理システムＳはバイオエアロゾル計測器の外気導入部の前段に設置し、接続させることで効果を発揮する。以下、本発明を構成する各部材について説明する。

分級器１は例えば、インパクタやサイクロン、バーチャルインパクタ方式の慣性力や遠心力差を利用した方式の分級器を用いる。

分級器２は、処理流量可変機構を備えたバーチャルインパクタである。処理流量可変機構の構成例は後述する。

図２は分級器１にインパクタ方式の分級器を採用した場合のシステム構成例であり、本発明の概念を示す図である。図２を用いて各部材の働きと概念を説明する。

測定対象物質１５と、測定対象物質と同じ大きさで密度の大きい測定阻害物質１６および、測定対象物質と同じ大きさで密度の小さい測定阻害物質１４を含む大気エアロゾルを前処理するとする。大気エアロゾルを採取し、分級器１に導入させる。ここでは、インパクタ方式を例示しているので、捕集板１２に向けて加速ノズル１１から気流を垂直に衝突させる。衝突した気流は気流の流れ１３に示すように流れる。密度の大きい測定阻害物質１６物質は大きな慣性力を持つため、気流の急激な変化に耐えられず捕集板１２に衝突し除去される。慣性力の小さい測定阻害物質１４と測定対象物質１５を乗せた気流は、接続ライン１７を通って、分級器２へと導入される。

分級器２は通常のバーチャルインパクタ方式の分級器に処理流量可変機構４を設けたものである。バーチャルインパクタ方式は、インパクタ方式にある捕集板の代わりに捕集ノズルが設置された構造で、捕集ノズルからは少量の吸引のみを行っており、ほぼ相対速度０となる空気の層に気流を衝突させることで分級を行う。

分級器１で処理後に導入された気流は、加速ノズル２１から捕集ノズル２２に向けて衝突される。衝突された気流の流れは２４のようになり、密度が小さく慣性力の小さい測定阻害物質１４は気流とともに除去ライン２５から排出される。測定対象物質１５は慣性力により、捕集ノズル２２で回収され、導入ライン２６からバイオエアロゾル計測器へと導入される。この際、加速ノズル２１から排出される流量に対して、捕集ノズル２２で吸引する流量は１割程度とするため、処理前大気エアロゾル中の測定対象物質の濃度を約９倍に濃縮する効果が得られる。また、処理流量可変機構４の働きにより、処理する流量に合わせて流路を適切に絞ることで、同じ分級性能及び濃縮性能を維持することができる。以下、処理流量可変機構４について説明する。

図３に流量可変機構４の構成例▲１▼を示す。気流の流路内に円錐型の流量絞り部材４１２を設置する。流量絞り部材４１２はねじ切り付き支持棒４１１で加速ノズル２１と同心円上に固定されており、支持棒を回転させることで加速ノズル２１内への流量絞り部材４１２の侵入量を調整できるようになっている。例えば、４１４の位置から４１５の位置まで流量絞り部材４１２を移動させると、加速ノズル出口での口径は（Ｄ−ｒ）から（Ｄ−ｒ′）まで絞ることができる。流路を絞ることができれば、少ない流量でも同じ流速を保つことができる。このように、加速ノズルの流路を絞ることでノズルから噴射する気流の流速を一定に維持させる。流速が一定になれば、同じ性能の分級効果が得られる。

図４に流量可変機構の構成例▲２▼を示す。この構成例によると、気流の流路内に先端が円錐状になった円柱状の流量絞り部材４２１を設置する。流量絞り部材４２１は加速ノズル２１と同心円上に固定されており、ねじ切りにより流量絞り部材４２１を回転させることで加速ノズル２１内への侵入量を調整できるようになっている。構成例▲１▼と同様に加速ノズルの流路を絞ることでノズルから噴射する気流の流速を一定に維持させる。

図５に流量可変機構の構成例▲３▼を示す。上流側は構成例▲２▼と同様である。下流側の捕集ノズル２２にも流量絞り部材４３２を設置する。捕集ノズル２２と同心円上に固定されており、ねじ切りにより流量絞り部材４３２を回転させることで捕集ノズル２２内への侵入量を調整できるようになっている。構成例▲２▼と同様に加速ノズルの流路を絞ることでノズルから噴射する気流の流速を一定に維持させると同時に、捕集ノズルの流路を絞ることで捕集ノズルの流速も調整できる。捕集ノズルの流速が小さくなりすぎると（流路を絞らない場合）、分級後粒子が捕集ノズル壁面へ付着してしまうことでのロスが増加する。捕集ノズルの流速を維持することで、分級後の測定対象物質のロスを減少させる効果が得られる。

図６に流量可変機構の構成例▲４▼を示す。大きくは構成例▲２▼と同様である。ただし、流量絞り部材４４１の内部は空洞となっており、また先端部が焼結金属などの多孔物質を使用している。流量絞り用ノズル４４１内にはシースエア（清浄空気）を導入できるようになっている。流量絞り用ノズル４４１壁面による流路絞りに加え、多孔質の孔から出るシースエア層による流路絞りが行われている状態になる。中心軸付近にシースエアが流れることによる効果は、中心付近で分級精度が落ちる対策にもなる。というのも、中心軸付近の流れは垂直に衝突後にそのまま捕集ノズルに吸引されるため、粒子が一旦相対速度０となったとしても吸引されてしまうからである。一般的に噴出する気流中の中心から５％程度の領域が分級できないと言われている。

図７に流量可変機構の構成例▲５▼を示す。この構成例によると、気流の流路内に流量絞り用ノズル４５１を設置する。流量絞り用ノズル４５１の内部にシースエア（清浄空気）を導入できるようになっている。流量絞り用ノズル４５１壁面による流路絞りに加え、シースエア層による流路絞りが行われている状態になる。中心軸付近にシースエアが流れることにより構成例▲４▼と同様の効果が得られる。

図８に流量可変機構の構成例▲６▼を示す。上流側は構成例▲５▼と同様である。下流側の捕集ノズル２２にも流量絞り用ノズル４６３を設置する。捕集ノズル２２と同心円上に固定されており、ねじ切りにより流量絞り用ノズル４６３を回転させることで捕集ノズル２２内への侵入量を調整できるようになっている。構成例▲５▼と同様にノズルから噴射する気流の流速を一定に維持させると同時に、捕集ノズルの流路を絞ることで捕集ノズルの流速も調整できる。捕集ノズルの流速を維持することで、構成例▲２▼と同様に、分級後の測定対象物質のロスを減少させる効果が得られる。さらに、流量絞り用ノズル４６３から一部気流を吸引することで、中心部の粒子の含まれないシースエアを取り除き、捕集ノズルで分離される測定対象物質を、より濃縮する効果が得られる。

以上のとおり、処理流量可変バーチャルインパクタは、処理流量可変機構を持ち、接続先のバイオエアロゾル計測器の吸引流量に合わせて適正に前処理することができる。

「実施形態の効果」
この実施形態によれば、分級器の働きで、測定対象物と同じ大きさで密度の大きい（慣性力や遠心力の大きい）測定阻害物質を除去できる。処理流量可変バーチャルインパクタの働きで測定対象物と同じ大きさで密度の小さい（慣性力の小さい）測定阻害物質を除去できる。また、除去の過程で測定対象物を濃縮する効果も発揮する。さらに、処理流量可変バーチャルインパクタが持つ処理流量可変機構により、バイオエアロゾル計測器の吸引流量によってそれぞれ分級器を作成することなく、同一の装置をもって広い範囲での接続に対応できる。したがって、バイオエアロゾル計測器の外気導入部に接続することで、計測器の処理流量に関わらず計測精度の向上ができる。

「他の実施形態」
図２の実施形態では、分級器にはインパクタ方式を利用したものである。他の実施形態では、バーチャルインパクタやサイクロン等の慣性力や遠心力差を用いた方式の分級器を用いたものを複数利用しても良い。また、両方に処理流量可変バーチャルインパクタを用いてもよい。

Ｓ バイオエアロゾル計測器用前処理システム
１ 分級器
１１ 加速ノズル
１２ 捕集板
１３ 気流の流れ
１４ 測定対象物質と同じ大きさで密度の小さい測定阻害物質
１５ 測定対象物質
１６ 測定対象物質と同じ大きさで密度の大きい測定阻害物質
１７ 接続ライン
２ 分級器（処理流量可変バーチャルインパクタ）
２１ 加速ノズル
２２ 捕集ノズル
２４ 気流の流れ
２５ 測定阻害物質を含むエアロゾルの除去ライン
２６ 測定対象物が濃縮されたエアロゾルの回収ライン
２７ 分級器１からのエアロゾル
２８ 加速ノズルおよび捕集ノズルの配置される中心線
３ バイオエアロゾル計測器
４ 処理流量可変機構
４１処理流量可変機構▲１▼
４１１ ねじ切り付き支持棒
４１２ 流量絞り部材
４１３ 加速ノズルの管内径 Ｄ
４１４ 任意の場所における絞り部材の径 ｒ
４１５ さらに押し込んだ際の絞り部での絞り部材の径 ｒ′
４２処理流量可変機構▲２▼
４２１ 流量絞り部材
４３処理流量可変機構▲３▼
４３２ 流量絞り部材（下流側）
４４処理流量可変機構▲４▼
４４１ 流量絞り部材
４４２ シースエア（清浄空気）
４５処理流量可変機構▲５▼
４５１ 流量絞り用ノズル
４５２ シースエア（清浄空気）
４６処理流量可変機構▲６▼
４６３ 流量絞り用ノズル（下流側）
４６４ 吸引ライン
５ 処理流量可変機構（シースエア利用）
５１
５２ 中心軸
５３ シースエア（清浄空気）
５４ 分級器１からのエアロゾル

Claims (6)

1. エアロゾルを噴出する加速ノズルと、
   前記加速ノズルと対向して配置され、前記加速ノズルから噴出されたエアロゾルの一部を吸入する捕集ノズルと、
   を備えるバーチャルインパクタであって、
   上記加速ノズル中の流路幅、前記捕集ノズル中の流路幅のうち少なくともいずれかを可変とする可変機構を有する、バーチャルインパクタ。
2. 前記可変機構により、処理流量可変機能を有することで、分級性能及び濃縮性能を維持しつつ、処理流量の異なる様々な機器に接続可能であることを特徴とする請求項１に記載のバーチャルインパクタ。
3. 請求項１又は２に記載のバーチャルインパクタと、
   慣性力や遠心力の差を利用する分級器と、
   を備えるバイオエアロゾル計測器用前処理システム。
4. 前記前処理システムは、複数の分級器により、測定対象物質と同じ大きさで密度の異なる測定阻害物質を除去する機構を持つことを特徴とするバイオエアロゾル計測器用前処理システム。
5. 前記前処理システムは、処理流量可変機構により様々な処理流量のバイオエアロゾル計測器に接続可能であり、
   バイオエアロゾル計測器の外気導入部に接続することで計測精度の向上ができることを特徴とするバイオエアロゾル計測器用前処理システム。
6. 前記前処理システムは、選択的に測定対象物質を濃縮することを特徴とするバイオエアロゾル計測器用前処理システム。