JP2021135130A - 微粒子数検出器 - Google Patents

Abstract

【課題】微粒子数検出器の検出感度を向上させる。【解決手段】微粒子数検出器は、微粒子数検出素子２０のガス流路２４の周囲を取り囲むように設けられた有底筒状の保護カバー８０と、保護カバー８０のうちガス流路２４の入口側に設けられたガス導入口８１と、保護カバー８０のうちガス流路２４の出口側に設けられたガス排出口と、保護カバー８０内でガス流路２４の周囲に設けられたガス衝突面８４ａと、を備える。ガス衝突面８４ａは、ガス流路２４の入口２４ａよりも排ガスの流れの下流側に配置され、ガス導入口８１から導入された排ガスと衝突する面である。【選択図】図６

Description

本発明は、微粒子数検出器に関する。

微粒子数検出器としては、微粒子数検出素子のガス流路に設けた電荷発生素子でコロナ放電により電荷を発生させ、その電荷により被測定ガス中の微粒子を帯電させて帯電微粒子とし、その帯電微粒子を捕集電極で捕集し、捕集された帯電微粒子の電荷の量に基づいて微粒子の個数を測定するものが知られている（例えば特許文献１参照）。特許文献１には、こうした微粒子数検出素子を保護カバーによって保護することや、その保護カバーに設けられた穴を介して排気管を流通する排ガスが微粒子数検出素子の下端に設けられたガス流路を通過することが記載されている。一方、特許文献２，３には、保護カバーを備えた微粒子量検出器が開示されている。

特許第６４２０５２５号公報 米国特許第８２２５６４８号明細書 特開２０１３−１６０６１７号公報

特許文献１には、微粒子数検出素子を保護する保護カバーが記載されているものの、その保護カバーは微粒子数の検出感度を向上させるために工夫されたものではない。また、特許文献２，３に開示された保護カバーは、微粒子量検出素子に適用されるものであって、微粒子数検出素子に適用されるものではなく、ましてや微粒子数の検出感度を向上させるものではない。

本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、微粒子数検出器の検出感度を向上させることを主目的とする。

本発明の微粒子数検出器は、
微粒子数検出素子のガス流路の入口から流入してきた排ガス中の微粒子に電荷を付加して帯電微粒子とし、前記帯電微粒子と前記微粒子に付加されなかった電荷とのいずれかである捕集対象を前記ガス流路内に設けた捕集電極に電界を利用して捕集し、前記捕集電極に流れる電流に基づいて前記微粒子の数を検出する微粒子数検出器であって、
前記微粒子数検出素子の前記ガス流路の周囲を取り囲むように設けられた筒状の保護カバーと、
前記保護カバーのうち前記ガス流路の入口側に設けられたガス導入口と、
前記保護カバーのうち前記ガス流路の出口側に設けられたガス排出口と、
前記保護カバー内で前記ガス流路の周囲に設けられ、前記ガス流路の入口よりも前記排ガスの流れの下流側に配置され、前記ガス導入口から導入された排ガスと衝突するガス衝突面と、
を備えたものである。

この微粒子数検出器では、保護カバーのガス導入口から保護カバー内に導入された排ガスは、ガス衝突面に衝突して流速が低下したあと微粒子数検出素子のガス流路の入口から出口までを通過する。そのため、ガス流路を通過するガスの流速は、排気管内を通過するガスの流速に比べて低下する。拡散荷電による粒子の帯電数を示す下記のホワイト（White）の式によれば、帯電数すなわち微粒子に帯電する電荷の数は、時間が大きいほど（つまりガス流速が低いほど）大きくなる。そのため、ガス流路を通過するガスの流速が低いほど、微粒子１つあたりに付加される平均電荷の数が大きくなる。ここで、ガス衝突面が微粒子数検出素子のうちガス流路の入口が設けられている基準面と同一平面上にあると、ガス流路の入口付近で渦が発生し、その渦により見かけ上ガス流路が狭くなり、電荷発生部を流れるガスの流速が速くなって微粒子の帯電数が少なくなることがある。これに対して、ガス衝突面がガス流路の入口よりも排ガスの流れの下流側に配置されていると、ガス流路の入口付近で発生する渦が抑制され、電荷発生部を流れるガスの流速が適切になる。その結果、捕集対象が帯電微粒子の場合には、帯電微粒子１つあたりの捕集電流が大きくなるため、検出感度が高くなる。また、捕集対象が微粒子に付加されなかった電荷（余剰電荷）の場合には、帯電微粒子１つあたりの電流減少分が大きくなるため、検出感度が高くなる。なお、「筒状」には、例えば円筒（断面が円形）、楕円筒（断面が楕円形）、角筒（断面が多角形）などが含まれる。

本発明の微粒子数検出器において、
前記ガス衝突面は、前記微粒子数検出素子のうち前記ガス流路の入口が設けられている面を含む基準面と平行であってもよい。つまり、ガス衝突面は、基準面と平行な面であって、基準面よりも排ガスの流れの下流側に配置された面であってもよい。なお、「平行」とは、実質的に平行であればよく、公差や誤差などは許容される。この場合、前記ガス衝突面は、前記ガス流路の入口よりも所定長さ以上前記排ガスの流れの下流側に設けられ、前記所定長さは、前記ガス流路の入口の短手方向の長さの１／３としてもよいし１ｍｍとしてもよい。こうすれば、ガス流路の入口付近で渦が発生するのを十分抑制することができる。

本発明の微粒子数検出器において、前記ガス衝突面は、前記微粒子数検出素子のうち前記ガス流路の入口が設けられている面を含む基準面に対して傾斜していてもよい。つまり、ガス衝突面は、基準面と傾斜をなす傾斜面であって、傾斜面全体が基準面よりもガス流路の入口よりも排ガスの流れの下流側に配置されていてもよい。例えば、前記ガス衝突面は、前記排ガスの流れの上流側から下流側に向かって前記微粒子数検出素子との距離が広がる正テーパ面であってもよいし、前記排ガスの流れの上流側から下流側に向かって前記微粒子数検出素子との距離が狭まる逆テーパ面であってもよい。この場合、前記ガス衝突面は、前記基準面に対して１５°以上傾斜していることが好ましい。こうすれば、ガス流路の入口付近で渦が発生するのを十分抑制することができる。なお、ガス衝突面の基準面に対する傾斜角度は、３０°以上であることがより好ましい。また、この傾斜角度は、９０°未満であればよく、７０°以下であることがより好ましい。

本発明の微粒子数検出器において、前記ガス衝突面は、絶縁材料で形成されていてもよい。こうすれば、微粒子数検出器で利用される電界への影響を小さくすることができる

本発明の微粒子数検出器において、前記ガス衝突面は、前記ガス衝突面と前記微粒子数検出素子の側面と前記保護カバーとで囲まれた領域に配置された立体的障害物の壁面であってもよい。こうすれば、ガス流路を通過した排ガスは保護カバーの内部で滞留することなくスムーズにガス排出口から保護カバーの外へと排出される。

本発明の微粒子数検出器において、前記ガス衝突面は、平面的障害物の壁面であってもよい。こうすれば、障害物を軽量にすることができる。

本発明の微粒子数検出器において、前記保護カバーは、側壁の下方位置又は底面に排水口を有していてもよい。こうすれば、ガス導入口から導入された排ガスに含まれる水が保護カバー内に溜まったとしてもその溜まった水は排水口を介して保護カバーの外へ排出される。

本発明の微粒子数検出器において、前記保護カバーは、断面が円形又は楕円形である筒状のカバーであってもよい。こうすれば、保護カバーが排気管内を流れる排ガスの圧力損失を小さく抑えることができる。

微粒子数検出器１０の説明図。 微粒子数検出器１０の排気管１２への取付構造の断面図。 微粒子数検出素子２０の斜視図。 図３のＡ−Ａ断面図。 図３のＢ−Ｂ断面図。 保護カバー８０の内部構造を示す斜視図。 保護カバー８０の斜視図。 図６のＤ−Ｄ断面図。 本実施形態のガスの流れを示す説明図。 比較形態のガスの流れを示す説明図。 ガス衝突面１８４ａを設けた形態の斜視図。 ガス衝突面２８４ａを設けた形態の斜視図。 ガス衝突面３８４ａを設けた形態の斜視図。 ガス衝突面４８４ａを設けた形態の斜視図。

次に、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。図１は本発明の一実施形態である微粒子数検出器１０の説明図、図２は微粒子数検出器１０の排気管１２への取付構造の断面図、図３は微粒子数検出素子２０の斜視図、図４は図３のＡ−Ａ断面図、図５は図３のＢ−Ｂ断面図である。なお、本実施形態において、上下方向，左右方向及び前後方向は、図１及び図３に示した通りとする。

微粒子数検出器１０は、図１に示すように、エンジンの排気管１２を流れる排ガスに含まれる微粒子２６（図５参照）の数を検出するものである。この微粒子数検出器１０は、微粒子数検出素子２０と、各種電源３６，５６や個数検出部６０を含む付属ユニット６８とを備えている。

微粒子数検出素子２０は、図２に示すように、主体金具７０を上下方向に貫通する貫通孔７２の内部にサポータ７４を介して支持されている。主体金具７０は、外周面にボルト部（雄ネジ）７０ａを備えており、排気管１２に固定されたリング状のボス７６のナット部（雌ネジ）７６ａに螺合されている。これにより、微粒子数検出素子２０は、排気管１２に取り付けられている。なお、主体金具７０とボス７６との間にはガスケット７８が装着されている。主体金具７０の下端には、有底筒状の保護カバー８０が固定されている。保護カバー８０は、微粒子数検出素子２０のガス流路２４の周囲を取り囲むように設けられている。そのため、保護カバー８０は、微粒子数検出素子２０に異物が当たったり水がかかったりするのを防止する。保護カバー８０の詳細については後述する。

微粒子数検出素子２０は、図５に示すように、筐体２２に、電荷発生部３０と、余剰電荷除去部４０，１４０と、捕集部５０，１５０と、ヒータ電極６６とを備えたものである。

筐体２２は、図１に示すように、排気管１２の中心軸と交差する方向（ここでは略直交する方向）に長い長尺の直方体である。筐体２２は絶縁体であり、例えばアルミナなどのセラミック製である。筐体２２の下端２２ａは排気管１２の内部に配置され、上端２２ｂは排気管１２の外部に配置されている。筐体２２の下端２２ａには、ガス流路２４が設けられている。筐体２２の上端２２ｂには、各種端子が設けられている。

ガス流路２４は、図３に示すように、筐体２２の前方の面に設けられた矩形の入口２４ａから、筐体２２の後方の面に設けられた矩形の出口２４ｂまで連なる直方体形状の空間である。筐体２２は、ガス流路２４を構成する左方壁２２ｃと右方壁２２ｄを備えると共に、これらの壁２２ｃ，２２ｄと平行な仕切り壁２２ｅを備えている。仕切り壁２２ｅは、入口２４ａよりもやや奥に入り込んだ位置から出口２４ｂに達する壁であり、ガス流路２４を第１分岐流路２４１と第２分岐流路２４２にほぼ等分している。

電荷発生部３０は、図４及び図５に示すように、ガス流路２４内の入口２４ａの近傍（入口２４ａから仕切り壁２２ｅの前端面２２ｅ１までの間）に電荷が発生するように、左方壁２２ｃに設けられている。電荷発生部３０は、放電電極３２と２つのグランド電極３４，３４とを有している。放電電極３２は、左方壁２２ｃの内面に沿って設けられ、矩形の周囲に複数の微細突起を有している。２つのグランド電極３４，３４は、矩形電極であり、左方壁２２ｃに間隔をあけて放電電極３２と平行となるように埋設されている。電荷発生部３０では、図５に示すように、放電電極３２と２つのグランド電極３４，３４との間に放電用電源３６（付属ユニット６８の１つ）の数ｋＶのパルス電圧が印加されることで、両電極間の電位差による気中放電が発生する。このとき、筐体２２のうち放電電極３２とグランド電極３４，３４との間の部分が誘電体層の役割を果たす。この気中放電によって、放電電極３２の周囲に存在するガスがイオン化されて正の電荷２８が発生する。放電電極３２は、筐体２２の上端２２ｂに設けられた放電電極端子３３（図３参照）に筐体２２内の配線を経由して接続されている。放電電極３２は、放電電極端子３３を介して放電用電源３６に接続されている。グランド電極３４，３４は、筐体２２の上端２２ｂに設けられたグランド電極端子３５（図３参照）に筐体２２内の配線を経由して接続されている。グランド電極３４，３４は、グランド電極端子３５を介してグランド（アース）に接続されている。

ガスに含まれる微粒子２６は、図５に示すように、入口２４ａからガス流路２４内に入り、電荷発生部３０を通過する際に電荷発生部３０の気中放電によって発生した電荷２８が付加されて帯電微粒子Ｐとなったあと、第１及び第２分岐流路２４１，２４２のいずれかに移動する。また、発生した電荷２８のうち微粒子２６に付加されなかったものは、余剰電荷として電荷２８のまま第１及び第２分岐流路２４１，２４２のいずれかに移動する。

余剰電荷除去部４０，１４０は、余剰電荷を捕集するものであり、図５に示すように、電荷発生部３０の下流で且つ捕集部５０，１５０の上流に設けられている。

余剰電荷除去部４０は、一対の除去電極４２，４２を有している。一方の除去電極４２は、左方壁２２ｃに設けられ、第１分岐流路２４１に露出している。他方の除去電極４２は、仕切り壁２２ｅの左面に設けられ、第１分岐流路２４１に露出している。一対の除去電極４２，４２は、互いに向かい合う位置に配設され、筐体２２の上端２２ｂに設けられた除去電極端子４５（図３参照）に筐体２２内の配線を経由して接続されている。除去電極４２，４２は、除去電極端子４５を介してグランド（アース）に接続されている。

余剰電荷除去部１４０は、一対の除去電極１４２，１４２を有している。一方の除去電極１４２は、右方壁２２ｄに設けられ、第２分岐流路２４２に露出している。他方の除去電極１４２は、仕切り壁２２ｅの右面に設けられ、第２分岐流路２４２に露出している。一対の除去電極１４２，１４２は、互いに向かい合う位置に配設され、筐体２２の上端２２ｂに設けられた除去電極端子４５（図３参照）に筐体２２内の配線を経由して接続されている。除去電極１４２，１４２は、除去電極端子４５を介してグランド（アース）に接続されている。

捕集部５０，１５０は、帯電微粒子Ｐを捕集するものであり、図５に示すように、電荷発生部３０よりも下流に設けられている。

捕集部５０は、電界発生電極５２と捕集電極５４とを有している。電界発生電極５２は、左方壁２２ｃに設けられ、第１分岐流路２４１に露出している。捕集電極５４は、仕切り壁２２ｅの左面に設けられ、第１分岐流路２４１に露出している。捕集電極５４は、筐体２２内の配線を経由して捕集電極端子５５（図３参照）に接続され、捕集電極端子５５を介して電流計６２に接続されている。電界発生電極５２と捕集電極５４とは、互いに向かい合う位置に配設されている。電界発生電極５２は、筐体２２内の配線を経由して電界発生電極端子５３（図３参照）に接続され、電界発生電極端子５３を介して直流電圧Ｖ１（正電位、例えば２ｋＶ程度）が捕集用電源５６によって印加される。これにより、捕集部５０の電界発生電極５２と捕集電極５４との間には、帯電微粒子Ｐを捕集電極５４に向けて移動させる比較的強い電界が発生する。したがって、第１分岐流路２４１を流れる帯電微粒子Ｐは、この比較的強い電界によって捕集電極５４に引き寄せられて捕集される。

捕集部１５０は、電界発生電極１５２と捕集電極１５４とを有している。電界発生電極１５２は、右方壁２２ｄに設けられ、第２分岐流路２４２に露出している。捕集電極１５４は、仕切り壁２２ｅの右面に設けられ、第２分岐流路２４２に露出している。捕集電極１５４は、筐体２２内の配線を経由して捕集電極端子５５に接続され、捕集電極端子５５を介して電流計６２に接続されている。電界発生電極１５２と捕集電極１５４とは、互いに向かい合う位置に配設されている。電界発生電極１５２は、筐体２２内の配線を経由して電界発生電極端子５３に接続され、電界発生電極端子５３を介して直流電圧Ｖ１が捕集用電源５６によって印加される。これにより、捕集部１５０の電界発生電極１５２と捕集電極１５４との間には、帯電微粒子Ｐを捕集電極１５４に向けて移動させる比較的強い電界が発生する。したがって、第２分岐流路２４２を流れる帯電微粒子Ｐは、この比較的強い電界によって捕集電極１５４に引き寄せられて捕集される。

電荷発生部３０で発生した電荷２８のうち、微粒子２６に付加されなかった電荷２８（余剰電荷）は、放電電極３２と除去電極４２，１４２との間に発生する電界によって除去電極４２，１４２に引き寄せられて捕獲されグランドに捨てられるか、電界発生電極５２と除去電極４２，１４２との間に生じる電界によって除去電極４２，１４２に引き寄せられて捕獲されグランドに捨てられる。つまり、除去電極４２，１４２は、放電用電源３６や捕集用電源５６を利用して余剰電荷を除去するものであり、除去電極４２，１４２に電界を発生させる独自の電源を有さない。このようにして、余剰電荷除去部４０，１４０は、余剰電荷が捕集部５０，１５０の捕集電極５４，１５４に捕集されて微粒子２６の数にカウントされてしまうことを抑制する。

個数検出部６０は、付属ユニット６８の１つであり、図５に示すように、電流計６２と個数測定装置６４とを備えている。電流計６２は、一方の端子が捕集電極５４，１５４に接続され、もう一方の端子がグランドに接続されている。この電流計６２は、捕集電極５４，１５４に捕集された帯電微粒子Ｐの電荷２８に基づく電流を測定する。個数測定装置６４は、電流計６２の電流に基づいて微粒子２６の個数を演算する。

ヒータ電極６６は、筐体２２に埋設されている。ヒータ電極６６は、筐体２２の全面にわたって引き回された帯状の発熱体である。ヒータ電極６６の両端は、それぞれ筐体２２の上端２２ｂに設けられたヒータ電極端子６７，６７（図３参照）に接続されている。ヒータ電極６６は、ヒータ電極端子６７，６７を介して図示しない給電装置に接続され、その給電装置によって通電されると発熱する。ヒータ電極６６は、筐体２２や除去電極４２，１４２，電界発生電極５２，１５２，捕集電極５４，１５４などの各電極を加熱する。

ここで、保護カバー８０について、詳細に説明する。図６は保護カバー８０の内部構造を示す斜視図（図２をＣ−Ｃ面で切断したときの斜視図）、図７は保護カバー８０の斜視図、図８は図６のＤ−Ｄ断面図である。

保護カバー８０は、有底で円筒状の部材すなわちコップ状の部材であり、微粒子数検出素子２０のガス流路２４の周囲を取り囲むように設けられている。保護カバー８０は、本実施形態では金属製であるが、特に金属製に限定されるものではなく、例えば絶縁材料製であってもよい。保護カバー８０は、ガス導入口８１とガス排出口８２と排水口８３とを備えている。ガス導入口８１は、保護カバー８０のうちガス流路２４の入口２４ａ側に設けられている。ガス導入口８１は縦方向に複数個（ここでは３つ）並んで列をなしており、その列が２列設けられている。ガス導入口８１の中心軸は、排気管１２の中心軸と略平行になっている。左側の列のガス導入口８１は、ガス流路２４の入口２４ａと正対せず左側のガス衝突面８４ａと正対する領域８０ａ（図８参照）に設けられている。右側の列のガス導入口８１は、ガス流路２４の入口２４ａと正対せず右側のガス衝突面８４ａと正対する領域８０ｂ（図８参照）に設けられている。ガス排出口８２は、保護カバー８０のうちガス流路２４の出口側に設けられている。本実施形態では、縦方向に３つのガス排出口８２が並んだ列が、ガス流路２４の出口２４ｂと正対するように設けられている。ガス排出口８２の中心軸は、排気管１２の中心軸と略平行になっている。排水口８３は、保護カバー８０のガス導入口８１側の側壁の下方とガス排出口８２側の側壁の下方にそれぞれ設けられている。

保護カバー８０の内部には、微粒子数検出素子２０を挟み込む一対の立体的な障害物８４，８４が設けられている。一対の障害物８４，８４は、左右対称の形状であり、左側に配置された障害物８４の右面と右側に配置された障害物８４の左面とで微粒子数検出素子２０を挟み込んでいる。一対の障害物８４，８４の下面は、保護カバー８０の底面に達しているが、一対の障害物８４，８４で挟まれた微粒子数検出素子２０の下面は、保護カバー８０の底面から浮いている。各障害物８４は、底面が扇形（円の１／４）の柱状体の立体的障害物であり、絶縁材料（例えばアルミナなどのセラミック絶縁材料）を用いて形成したものである。各障害物８４は、中空部材（中が空洞の部材）であってもよいし、中実部材（中が詰まっている部材）であってもよい。各障害物８４の外周曲面は、保護カバー８０の内周面に密着されている。各障害物８４の前面は、ガス衝突面８４ａとなっている。ガス衝突面８４ａは、微粒子数検出素子２０のうちガス流路２４の入口２４ａが設けられた面（基準面Ｆ）と平行な面であり、基準面Ｆよりも後方（排ガスの流れの下流側）に配置されている。ガス衝突面８４ａは、基準面Ｆよりも所定長さ以上排ガスの流れの下流側に設けられていること、つまり図６の長さＬｂが所定長さ以上であることが好ましい。ここで、所定長さは、ガス流路２４の入口２４ａの短手方向の長さＬａ（図２参照）の１／３としてもよいし、あるいは、１ｍｍとしてもよい。長さＬａは、特に限定するものではないが、例えば３〜４ｍｍとしてもよい。

次に、微粒子数検出器１０の使用例について説明する。自動車の排ガスに含まれる微粒子２６を計測する場合、上述したようにエンジンの排気管１２に微粒子数検出素子２０を取り付ける（図１参照）。

排気管１２を流通する排ガスは、図８に示すように、保護カバー８０のガス導入口８１から保護カバー８０の内部に入る。保護カバー８０の内部に入った排ガスは、図８の矢印に示すように、ガス衝突面８４ａに衝突して減速し、ガス衝突面８４ａで跳ね返り、基準面Ｆより後方のガス衝突面８４ａと保護カバー８０とで囲まれた空間内で更に減速したあと、微粒子数検出素子２０のガス流路２４の入口２４ａに流入する。その後、排ガスは入口２４ａから出口２４ｂまでを通過し、ガス排出口８２から保護カバー８０の外へ出る。なお、図８においてガス導入口８１から保護カバー８０内に導入される排ガスがガス導入口８１の中心軸に対して斜めに（左右に拡がって）進行するのは、排ガスが保護カバー８０の外周面に沿って流れたあとガス導入口８１から保護カバー８０内に導入されるからである。但し、排ガスがガス導入口８１の中心軸に沿って保護カバー８０内に導入されたとしても、特に問題はない。

図５に示すように、入口２４ａから筐体２２内に導入された排ガスに含まれる微粒子２６は、電荷発生部３０の放電によって発生した電荷２８（ここでは正電荷）を帯びて帯電微粒子Ｐになる。帯電微粒子Ｐは、余剰電荷除去部４０，１４０をそのまま通過して、捕集部５０，１５０に至る。一方、微粒子２６に付加されなかった電荷２８（余剰電荷）は、余剰電荷除去部４０、１４０の除去電極４２，１４２に引き寄せられ、除去電極４２，１４２を介してグランドに捨てられる。これにより、微粒子２６に付加されなかった余剰電荷は捕集部５０，１５０にほとんど到達することがない。

捕集部５０，１５０に到達した帯電微粒子Ｐは、電界発生電極５２，１５２によって発生した捕集用電界によって捕集電極５４，１５４に捕集される。そして、捕集電極５４，１５４に捕集された帯電微粒子Ｐの電荷２８に基づく電流が電流計６２で測定され、その電流に基づいて個数測定装置６４が微粒子２６の個数を演算する。電流Ｉと電荷量ｑの関係は、Ｉ＝ｄｑ／（ｄｔ）、ｑ＝∫Ｉｄｔである。個数測定装置６４は、所定期間にわたって電流値を積分（累算）してその積分値（蓄積電荷量）を求め、蓄積電荷量を素電荷で除算して電荷の総数（捕集電荷数）を求め、その捕集電荷数を１つの微粒子２６に付加する電荷の数の平均値（平均帯電数）で除算することで、捕集電極５４，１５４に捕集された微粒子２６の個数Ｎｔを求める（下記式（１）参照）。個数測定装置６４は、この個数Ｎｔを排ガス中の微粒子２６の数として検出する。
Ｎｔ＝（蓄積電荷量）／｛（素電荷）×（平均帯電数）｝ …（１）

微粒子数検出素子２０の使用に伴い、ガス流路２４の壁へ数多く堆積すると電極間の絶縁が不十分となり、粒子数を正常に測定できない場合がある。そのため、定期的にあるいは堆積量が所定量に達したタイミングで、ガス流路２４の壁の堆積物を加熱して焼却しガス流路２４の壁及び電極３２，４２，１４２，５２，１５２，５４，１５４をリフレッシュする。

以上説明した微粒子数検出器１０では、保護カバー８０のガス導入口８１から保護カバー８０内に導入された排ガスは、図８の矢印に示すように、障害物８４に衝突して流速が低下したあと微粒子数検出素子２０のガス流路２４の入口２４ａから出口２４ｂまでを通過し、その後ガス排出口８２から保護カバー８０の外へ出る。そのため、ガス流路２４を通過するガスの流速は、排気管１２内を通過するガスの流速に比べて低下する。上述したホワイト（White）の式によれば、帯電数すなわち微粒子２６に帯電する電荷の数は、時間が大きいほど（つまりガス流速が低いほど）大きくなる。そのため、ガス流路２４を通過するガスの流速が低いほど、微粒子１つあたりに付加される平均電荷の数が大きくなる。

ここで、ガス衝突面８４ａを基準面Ｆと同一平面上に設けたものを比較形態とすると、比較形態と比べて上述した実施形態は微粒子数の検出感度が高くなる。具体的には、実施形態については、図９に示すように、ガス流路２４の入口２４ａの短手方向の長さＬａを３．２ｍｍ、微粒子数検出素子２０の前後方向及び左右方向の長さをそれぞれ１０ｍｍ及び４ｍｍ、基準面Ｆからガス衝突面８４ａまでの前後方向の距離Ｌｂを５ｍｍに設定し、比較形態については、図１０に示すように、距離Ｌｂをゼロにした以外は実施形態と同じに設定したところ、実施形態の検出感度は比較形態の検出感度の約２倍になった。また、実施形態と比較形態とでガスの流れをシミュレーションした。シミュレーションは、Ａｎｓｙｓ社の流体解析ソフトウェアＦｌｕｅｎｔ（Ｖｅｒ．１９．１）において、乱流ソルバー（ｋ−εモデル）を使用し、モデルの最も細かい辺でも４メッシュ以上入るようにメッシュを作成し解析した。解析はガスの流速を２０ｍ／ｓに設定して行った。その結果を図９及び図１０に模式的に示した。なお、図９及び図１０では、ガス流路２４の入口２４ａ付近のガスの流れのみを模式的に示した。比較形態では、図１０に示すように、ガス流路２４の入口２４ａ付近すなわち電荷発生部３０の付近で渦が発生した。比較形態では、その渦により見かけ上ガス流路が狭くなり、電荷発生部３０を流れるガスの流速が速くなって微粒子２６の帯電数が少なくなったと考えられる。これに対して、実施形態では、図９に示すように、ガス衝突面８４ａが基準面Ｆよりも後方に配置されているため、ガス流路２４の入口２４ａ付近で渦が発生しなかった。その結果、実施形態では、微粒子２６の帯電数が多くなり、帯電微粒子１つあたりの捕集電流が大きくなり、検出感度が高くなったと考えられる。

なお、図９において距離Ｌｂを１ｍｍに設定した場合も２ｍｍに設定した場合も、ガス流路２４の入口２４ａ付近で渦が発生せず、比較形態に比べて検出感度が高くなった。

また、ガス衝突面８４ａを、基準面Ｆよりも所定長さ以上（ガス流路２４の入口２４ａの短手方向の長さの１／３以上又は１ｍｍ以上）排ガスの流れの下流側に設けるようにすれば、ガス流路２４の入口２４ａ付近で渦が発生するのを十分抑制することができる。所定長さは、上述したシミュレーションの結果に基づいて定めることができる。

更に、ガス導入口８１は、ガス衝突面８４ａと正対する領域８０ａ，８０ｂに設けられているため、保護カバー８０のガス導入口８１から保護カバー８０内に導入された排ガスを、ガス衝突面８４ａに確実に衝突させることができる。

更にまた、ガス衝突面８４ａは、絶縁材料で形成されているため、微粒子数検出器１０で利用される電界への影響を小さくすることができる。

そして、立体的な障害物８４はガス衝突面８４ａと微粒子数検出素子２０の左右の側面と保護カバー８０とで囲まれた領域を充填しているため、ガス流路２４を通過した排ガスは保護カバー８０の内部で滞留することなくスムーズにガス排出口８２から保護カバー８０の外へと排出される。

そしてまた、保護カバー８０は保護カバー８０の側壁の下方位置に排水口８３を有しているため、ガス導入口８１から導入された排ガスに含まれる水が保護カバー８０内に溜まったとしてもその溜まった水は排水口８３を介して保護カバー８０の外へ排出される。特に、微粒子数検出素子２０は下面が排水口８３よりも高い位置にあるため、保護カバー８０内に溜まった水は微粒子数検出素子２０に接触することなく排水口８３から排出される。

そして更に、保護カバー８０は円筒状（つまり断面が円形）であるため、排気管１２内を流れる排ガスの圧力損失を小さく抑えることができる。

なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。

例えば、上述した実施形態では、ガス衝突面８４ａを立体的な障害物８４の前面としたが、特にこれに限定されない。例えば、図１１に示すように、ガス衝突面１８４ａを、微粒子数検出素子２０と保護カバー８０との間に配置された平面的な障害物１８４の前面としてもよい。図１１では上述した実施形態と同じ構成要素については同じ符号を付した。こうした形態であっても、上述した実施形態と同様の効果が得られる。それに加えて、平面的な障害物１８４は立体的な障害物８４に比べて軽量にすることができる。但し、ガス流路２４を通過した排ガスは平面的な障害物１８４の後方空間に滞留するおそれがある。これに対して、上述した実施形態の立体的な障害物８４はそのようなおそれがない。

上述した実施形態では、ガス衝突面８４ａを基準面Ｆと平行な面としたが、特にこれに限定されない。例えば、図１２に示すように、ガス衝突面２８４ａを、基準面Ｆよりも排ガスの流れの下流側（後方）で基準面Ｆに対して傾斜する面としてもよい。ガス衝突面２８４ａは、微粒子数検出素子２０の左右両側に配置された立体的な障害物２８４の前面（傾斜面）である。障害物２８４は、ガス流路２４の入口２４ａよりも排ガスの流れの下流側に配置されている。ガス衝突面２８４ａは、排ガスの流れの上流側から下流側に向かって（前方から後方に向かって）微粒子数検出素子２０との距離が広がる正テーパ面であり、基準面Ｆに対して角度θだけ傾斜している。この場合、保護カバー８０の内部に入った排ガスは、ガス衝突面２８４ａに衝突して減速し、ガス衝突面２８４ａで跳ね返り、基準面Ｆより後方のガス衝突面２８４ａと保護カバー８０とで囲まれた空間内で更に減速したあと、入口２４ａからガス流路２４に流入する。その後、排ガスは入口２４ａから出口２４ｂまでを通過し、ガス排出口８２から保護カバー８０の外へ出る。図１２では上述した実施形態と同じ構成要素については同じ符号を付した。こうした形態であっても、上述した図９の比較形態と比べてガス流路２４の入口２４ａ付近で発生する渦が抑制され、微粒子数の検出感度が向上する。なお、ガス流路２４の入口２４ａ付近で発生する渦を抑制するためには、基準面Ｆに対するガス衝突面２８４ａのなす角度θは１５°以上が好ましく、３０°以上７０°以下がより好ましい。角度θの好ましい範囲は、上述したシミュレーションの結果に基づいて定めることができる。

なお、図１２では、ガス衝突面２８４ａのうち最前の辺を、微粒子数検出素子２０の基準面Ｆの右辺や左辺と一致するようにしたが、図１３に示すように、ガス衝突面３８４ａのうち最前の辺を、微粒子数検出素子２０の基準面Ｆの右辺や左辺よりも後方位置で微粒子数検出素子２０と接するようにしてもよい。

あるいは、図１４に示すように、ガス衝突面４８４ａを、基準面Ｆよりも排ガスの流れの下流側で基準面Ｆに対して傾斜する面としてもよい。ガス衝突面４８４ａは、微粒子数検出素子２０の左右両側に配置された立体的な障害物４８４の前面（傾斜面）である。障害物４８４は、ガス流路２４の入口２４ａよりも排ガスの流れの下流側に配置されている。ガス衝突面４８４ａは、排ガスの流れの上流側から下流側に向かって（前方から後方に向かって）微粒子数検出素子２０との距離が狭まる逆テーパ面であり、基準面Ｆに対して角度θだけ傾斜している。この場合、保護カバー８０の内部に入った排ガスは、ガス衝突面４８４ａに衝突して減速し、ガス衝突面４８４ａで跳ね返り、基準面Ｆより後方のガス衝突面４８４ａと保護カバー８０とで囲まれた空間内で更に減速したあと、入口２４ａからガス流路２４に流入する。その後、排ガスは入口２４ａから出口２４ｂまでを通過し、ガス排出口８２から保護カバー８０の外へ出る。図１４では上述した実施形態と同じ構成要素については同じ符号を付した。こうした形態であっても、上述した図９の比較形態と比べてガス流路２４の入口２４ａ付近で発生する渦が抑制され、微粒子数の検出感度が向上する。また、障害物４８４は、図１２の障害物２８４と比べて保護カバー８０の内周面との接着面積が大きいため、保護カバー８０内で安定して固定することができる。なお、ガス流路２４の入口２４ａ付近で発生する渦を抑制するためには、基準面Ｆに対するガス衝突面４８４ａのなす角度θは１５°以上が好ましく、３０°以上がより好ましい。角度θの好ましい範囲は、上述したシミュレーションの結果に基づいて定めることができる。

ガス衝突面８４ａ，１８４ａ，２８４ａ，３８４ａ，４８４ａを設ける位置は、上述したＡｎｓｙｓ社の流体解析ソフトウェアＦｌｕｅｎｔ（Ｖｅｒ．１９．１）で乱流ソルバー（ｋ−εモデル）を使用し、モデルの最も細かい辺でも４メッシュ以上入るようにメッシュを作成して解析を行ったときにガス流路２４の入口２４ａ付近の渦が発生しない位置としてもよい。

上述した実施形態では、排水口８３を保護カバー８０の側壁の下方位置に設けたが、排水口８３を保護カバー８０の底面に設けてもよい。

上述した実施形態では、障害物８４を絶縁材料で形成したが、微粒子数検出器１０で利用される電界への影響を小さくすることができるのであれば、障害物８４を金属などの導電性材料で形成してもよい。

上述した実施形態では、保護カバー８０は断面が円形の筒状としたが、断面が楕円形の筒状としてもよい。このようにしても、排気管１２内を流れる排ガスの圧力損失を小さく抑えることができる。また、保護カバー８０は有底筒状の部材としたが、底のない筒状の部材としてもよい。

上述した実施形態では、縦方向に３つのガス導入口８１が並んだ列を、左右それぞれの障害物８４に正対する領域８０ａ，８０ｂに設けたが、特に列に並べるガス導入口８１の個数は３つに限定されるものではなく、２つでもよいし、４つ以上でもよい。あるいは、左右それぞれの障害物８４に正対する領域８０ａ，８０ｂにガス導入口８１を１つずつ設けてもよい。ガス導入口８１は、丸穴でも角穴でもよい。あるいは、ガス導入口８１を、縦方向に延びるスリットとしてもよい。また、上述した実施形態では、ガス導入口８１の列を、左右それぞれの障害物８４に正対する領域８０ａ，８０ｂに１列ずつ設けたが、複数列ずつ設けてもよい。また、上述した実施形態では、３つのガス導入口８１を縦方向に並べたが、特にこれに限定されない。例えば、左右それぞれの障害物８４に正対する領域８０ａ，８０ｂに、複数のガス導入口８１をジグザグに設けたりランダムに設けたりしてもよい。

上述した実施形態において、ガス導入口８１の中心軸を、排気管１２の中心軸と略平行にしたが、排気管１２の中心軸から外を向くようにしてもよい。例えば、ガス導入口８１の中心軸を、図８のガス導入口８１を通過する排ガスの主流を示す矢印方向と平行にしてもよい。こうすれば、ガス導入口８１から導入された排ガスはガス衝突面８４ａにより衝突しやすくなる。

上述した実施形態では、微粒子数検出器１０をエンジンの排気管１２に取り付ける場合を例示したが、特にエンジンの排気管１２に限定されるものではなく、微粒子を含むガスが流通する管であればどのような管であってもよい。

上述した実施形態では、捕集対象を帯電微粒子として微粒子の数を求めたが、捕集対象を余剰電荷として微粒子の数を求めてもよい。例えば、上述した第１実施形態において、除去電極４２を省略し、捕集用電源５６が電界発生電極５２，１５２に印加する電圧を電圧Ｖ１よりも低く設定し、余剰電荷が捕集電極５４，１５４に捕集され、帯電微粒子Ｐが捕集電極５４，１５４に捕集されずに出口２４ｂから排出されるようにしてもよい。その場合、まず、電荷発生部３０で発生する電荷２８の総数を測定しておき、その後、微粒子２６を含むガスをガス流路２４に流したときに捕集電極５４，１５４に流れる電流から余剰電荷の数を測定し、電荷２８の総数から余剰電荷の数を引くことにより微粒子の数を求めることができる。この場合、帯電微粒子Ｐの１つあたりの電流減少分が大きくなる。その結果、電荷２８の総数から余剰電荷の数を引いた値が大きくなるため、検出感度が高くなる。但し、この場合、電荷２８の総数の測定と余剰電荷の数の測定の両方が必要になるうえ、電荷２８は微粒子２６よりも軽く挙動も不安定であり、さらに微粒子２６の数がこれらの数と比べて数桁小さいことを考慮すると、捕集対象を帯電微粒子Ｐとした方が誤差を小さくすることができる。

上述した実施形態では、図５に示すように、ガス流路２４を仕切り壁２２ｅで第１及び第２分岐流路２４１，２４２に仕切ったが、仕切り壁２２ｅを有さないものとしてもよい。その場合、図５の電界発生電極１５２は、捕集用電源５６に接続せず電流計６２に接続して捕集電極として利用する。このようにしても上述した実施形態と同様の効果が得られる。

本発明は、例えば自動車などの動力機械の排ガス中の微粒子の数を検出する微粒子数検出器に利用可能である。

１０ 微粒子数検出器、１２ 排気管、２０ 微粒子数検出素子、２２ 筐体、２２ａ 下端、２２ｂ 上端、２２ｃ 左方壁、２２ｄ 右方壁、２２ｅ 仕切り壁、２２ｅ１ 前端面、２４ ガス流路、２４ａ 入口、２４ｂ 出口、２６ 微粒子、２８ 電荷、３０ 電荷発生部、３２ 放電電極、３３ 放電電極端子、３４ グランド電極、３５ グランド電極端子、３６ 放電用電源、４０，１４０ 余剰電荷除去部、４２，１４２ 除去電極、４５ 除去電極端子、５０，１５０ 捕集部、５２，１５２ 電界発生電極、５３ 電界発生電極端子、５４，１５４ 捕集電極、５５ 捕集電極端子、５６ 捕集用電源、６０ 個数検出部、６２ 電流計、６４ 個数測定装置、６６ ヒータ電極、６７ ヒータ電極端子、６８ 付属ユニット、７０ 主体金具、７０ａ ボルト部、７２ 貫通孔、７４ サポータ、７６ ボス、７６ａ ナット部、７８ ガスケット、８０ 保護カバー、８０ａ，８０ｂ 領域、８１ ガス導入口、８２ ガス排出口、８３ 排水口、８４，１８４，２８４，４８４ 障害物、８４ａ，１８４ａ，２８４ａ，３８４ａ，４８４ａ ガス衝突面、２４１ 第１分岐流路、２４２ 第２分岐流路、Ｐ 帯電微粒子、Ｖ１ 直流電圧。

Claims (12)

1. 微粒子数検出素子のガス流路の入口から流入してきた排ガス中の微粒子に電荷を付加して帯電微粒子とし、前記帯電微粒子と前記微粒子に付加されなかった電荷とのいずれかである捕集対象を前記ガス流路内に設けた捕集電極に電界を利用して捕集し、前記捕集電極に流れる電流に基づいて前記微粒子の数を検出する微粒子数検出器であって、
   前記微粒子数検出素子の前記ガス流路の周囲を取り囲むように設けられた筒状の保護カバーと、
   前記保護カバーのうち前記ガス流路の入口側に設けられたガス導入口と、
   前記保護カバーのうち前記ガス流路の出口側に設けられたガス排出口と、
   前記保護カバー内で前記ガス流路の周囲に設けられ、前記ガス流路の入口よりも前記排ガスの流れの下流側に配置され、前記ガス導入口から導入された排ガスと衝突するガス衝突面と、
   を備えた微粒子数検出器。
2. 前記ガス衝突面は、前記微粒子数検出素子のうち前記ガス流路の入口が設けられている面を含む基準面と平行である、
   請求項１に記載の微粒子数検出器。
3. 前記ガス衝突面は、前記ガス流路の入口よりも所定長さ以上前記排ガスの流れの下流側に設けられ、前記所定長さは、前記ガス流路の入口の短手方向の長さの１／３である、
   請求項２に記載の微粒子数検出器。
4. 前記ガス衝突面は、前記ガス流路の入口よりも所定長さ以上前記排ガスの流れの下流側に設けられ、前記所定長さは、１ｍｍである、
   請求項２又は３に記載の微粒子数検出器。
5. 前記ガス衝突面は、前記微粒子数検出素子のうち前記ガス流路の入口が設けられている面を含む基準面に対して傾斜している、
   請求項１に記載の微粒子数検出器。
6. 前記ガス衝突面は、前記排ガスの流れの上流側から下流側に向かって前記微粒子数検出素子との距離が広がる正テーパ面であるか、前記排ガスの流れの上流側から下流側に向かって前記微粒子数検出素子との距離が狭まる逆テーパ面である、
   請求項５に記載の微粒子数検出器。
7. 前記ガス衝突面は、前記基準面に対して１５°以上傾斜している、
   請求項５又は６に記載の微粒子数検出器。
8. 前記ガス衝突面は、絶縁材料で形成されている、
   請求項１〜７のいずれか１項に記載の微粒子数検出器。
9. 前記ガス衝突面は、前記ガス衝突面と前記微粒子数検出素子の側面と前記保護カバーとで囲まれた領域に配置された立体的障害物の壁面である、
   請求項１〜８のいずれか１項に記載の微粒子数検出器。
10. 前記ガス衝突面は、平面的障害物の壁面である、
    請求項１〜８のいずれか１項に記載の微粒子数検出器。
11. 前記保護カバーは、側壁の下方位置又は底面に排水口を有している、
    請求項１〜１０のいずれか１項に記載の微粒子数検出器。
12. 前記保護カバーは、断面が円形又は楕円形である筒状のカバーである、
    請求項１〜１１のいずれか１項に記載の微粒子数検出器。

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