JP3981687B2 - 小型で高効率の凝結核計数器 - Google Patents

Description

本発明は、エーロゾルの粒子を数えるための小型で効率が信頼性の高い凝結核計数器と、そのような計数器を使用する方法に関する。具体的には、本発明は、エーロゾルと呼ばれる気体内に浮遊している粒子の測定に関する。

最も一般的な気体は空気であるが、別の気体を粒子の浮遊の媒体にすることもできる。粒子は、固体でも、液体でも、両者の混合体でもよい。何れの場合も、浮遊している粒子が入っている気体はエーロゾルと呼ばれ、粒子及び気体の化学的な性質及びそれぞれの物理的状態について、何ら制限はない。

空気又は他の気体中に浮遊している小さい粒子から成るエーロゾルには、自然及び人間環境の中で広く遭遇する。エーロゾルの粒子を数えるために広く使用されている方法は凝結核計数器（ＣＮＣ）であり、凝結粒子計数器とも呼ばれる。代表的なＣＮＣでは、エーロゾルは、最初に、気体を加熱するために飽和器を通過し、気体を作動流体の蒸気で飽和させる。次に気体を凝縮器内で冷却し、過飽和状態を作り出す。すると、過飽和状態の蒸気は、粒子上に凝結して液滴になり、液滴は光散乱液滴計数器によって数えられる。

先行技術によるＣＮＣを図１に概略的に示している。飽和器は、液状の作動流体が入っている高温の液体リザーバー内に配置されている多孔性のプラスチックブロックを備えている。多孔性プラスチック内の気体の流路は、エーロゾルを流すと、作動流体の蒸気で加熱され、飽和状態になるようになっている。凝縮器は、低温に保持されている金属ブロック内に管状の通路を備えている。気体は、凝縮器の経路を流れるときに、流れている気体の流れから低温の経路の壁に熱を伝達することによって冷却されるので、気体の温度は下がり、気体は過飽和状態になる。すると、過飽和状態の蒸気は、気体中で搬送されている粒子上に凝結して液滴を形成する。エーロゾルは従来型の光学粒子計数器に流れ込み、すると、計数器が液滴の数、即ち間接的に粒子の数を数える。

凝縮器ブロックは、熱電冷却器によって低温に保持される。熱電冷却器によって取り除かれる熱は、一部は、液体リザーバーを所望の温度に加熱し、光学粒子計数器の光学ブロックを加熱して中で蒸気が凝結するのを防ぐのに用いられ、残りの熱は、熱シンクを介して周囲の空気に散逸される。

ＣＮＣに使用されている最も一般的な作動流体は、ブチルアルコールである。飽和器は通常約３５℃に加熱され、凝縮器は通常約５℃に冷却される。図１の先行技術によるＣＮＣは、直径が８ナノメートル（ｎｍ）の小さい粒子を検出することができる。特別に設計すれば、３ｎｍの小さい粒子でもＣＮＣによって検出することができる。

図１に示す先行技術によるＣＮＣでは、飽和器ブロック内の高温のエーロゾル流路は、気体の流れの速度を下げるために大きな四角形断面を有しているので、気体を加熱して蒸気で飽和させるための気体の滞留時間が長くなる。同じ理由で、凝縮器ブロック内には、何本かの管状の経路が、各経路内の気体の流速を下げ、冷却して蒸気を粒子上に凝結させ液滴を形成するのに必要な気体の滞留時間を長くするために設けられている。これらの設計特徴を有するＣＮＣについて、米国特許第４，７９０，６５０号に記載されている。

先行技術によるＣＮＣで用いられている気流の速度は、毎秒数センチメーター程度である。代表的な滞留時間は、数秒程度である。気流の速度が低いと、飽和器及び凝縮器の経路内の気体の流れが、自然に、ほとんど層状に、即ち流線状になる。
層状即ち流線状の流れでは、凝縮器の、経路の中心から異なる半径方向距離を通る気体は、異なる気体速度で動くことになる。同時に、気体の流れを横切る分子拡散による熱物質移動(heat and mass transfer)は、気体温度と蒸気凝結が管の壁で最低となり経路の中心線で最高となる、温度と蒸気凝結の勾配が作り出される。

異なる半径方向距離にある粒子が凝縮器を通って流れる際には、粒子は、その半径方向の位置に依って、異なる温度と蒸気過飽和状態に曝される。概括的には、経路の中心付近を通る粒子は、最高の過飽和状態に曝され、経路の壁付近を通る粒子は、蒸気の枯渇と低温の経路壁上の直接蒸気凝結のために、それより低い過飽和状態に遭遇する。

このため、非常に小さい粒子を数えるには、検出対象の粒子が入っている気体の流れを、管状経路の中心付近の狭い領域内に閉じ込める必要がある。これは、普通は、エーロゾルを凝縮器経路内に小型の皮下注射針を通して経路軸に沿って導入することによって行われる。３ｎｍまでの小さな粒子を検出するための市販の超微細ＣＮＣは、この原理に基づいており、Ｍ．Ｂ．ＳｔｏｌｚｅｎｂｅｒｇとＰ．Ｈ．ＭｃＭｕｒｒｙによる「超微細エーロゾルの凝結核計数器」（エーロゾルの科学と技術、１４巻、４８−６５頁、１９９１年）に記載されている。

超微細ＣＮＣでは、皮下注射針を通るエーロゾルの流れは、一般的に、凝縮器を通る総気体流れの１０％である。従って、超微細ＣＮＣの有効エーロゾル流量は、大きい粒子を検出するように設計されている従来型ＣＮＣの流量の１０分の１に下がる。超微細ＣＮＣは、凝縮器内に２つの気流の流れが必要なので、装置は複雑である。

従来型のＣＮＣの作動に関連する別の問題は、高湿度状態下では、凝縮器を通って流れる気体がその気体の露点以下に冷却され、気体内の水分が凝結することである。凝結された水は、その後、作動流体の凝結している蒸気と共に、経路壁を多孔性飽和器ブロックへと流れ下る。

凝結した水は、飽和器内の多孔性プラスチックに達すると、飽和器の孔の中に溜まる傾向があるので、有機作動流体を多孔性材料から追い出すことになる。時間が経って、多孔性材料内に相当な水が溜まると、ＣＮＣの性能を劣化させることになり、装置が不適切に機能するようになり、間違った信頼できないデータを作る原因となる。凝結した水を作動流体から分離する方法については、米国特許第５，１１８，９５９号に記載されている。

本発明は、性能を高めるための、ＣＮＣ内のエーロゾルの取り扱いにおける改良に関している。飽和器は、飽和器を、従来からの水平方向以外のどの様な向きにでも、又は水平に近い位置にも配置できるように、孔サイズを制御した気体経路を形成している多孔性金属インサートを有している。

適切な孔サイズは、液体が孔から吹き出されることなく、高い差圧が多孔性材料にわたって維持されるように選択される。
流路は、全体性能を改良して装置を小さくするため、乱流の渦が、飽和器及び凝縮器内の熱と蒸気の伝達速度を増すように設計されている。

凝結された水が飽和器の多孔性材料を透過することに伴う問題を取り除くために、作動流体は１つのリザーバー内に保持され、一方、凝結（作動流体及び水）は別のリザーバーに集められている。
更に、本発明は、複数のサンプルの流れをＣＮＣによって同時に計数できる多重チャネルＣＮＣを備えている。

図１は、先に述べたように、先行技術による凝結核計数器（ＣＮＣ）を参照番号１０で示しており、凝結核計数器（ＣＮＣ）１０は、多孔性プラスチック材料１４で内張された流体リザーバー１２を備えている。供給源１６からのエーロゾルは、多孔性プラスチックの中心の経路１５内に導入され、経路は直角に曲がって、凝縮器ブロック１７、即ち凝縮器経路１７Ａを通って上向きに進んでいる。供給源からのエーロゾルは、水蒸気も含んでいる。ブロック１７は、ブロック１７と熱シンク１８の間に配置されている熱電気モジュール１９によって冷却される。熱電気モジュール１９は、凝縮器ブロック１７から熱を奪い温度を下げるので、経路１７Ａを通過するエーロゾルは、流体リザーバー内の作動流体からの蒸気で飽和状態になり、その結果、作動流体の蒸気は、エーロゾルが経路１７Ａを通るときに凝結する。光学粒子計数器１９は、凝結後に粒子上に形成される液滴を計数するのに用いられる。

図２−７は、本発明によって作られた凝結核計数器（ＣＮＣ）を参照番号２０で示している。計数器は多重チャネルＣＮＣであり、各チャネルは図５に示すチャネルと同じである。エーロゾル供給源２２からの検出対象粒子と水蒸気を含んでいる空気又は他の気体は、飽和器チャンバ２８と近接して熱的接触している金属ブロック２６内の加熱された経路２４を通る経路を流れる。エーロゾルの流れは、各ＣＮＣ区画の出口のポンプ又は他の流れ生成器２９によって作り出される。飽和器のチャンバ２８は、多孔性金属で作られた飽和器管３０内の経路を備えている。経路２４を通って移動するエーロゾルは、この様に、飽和器管３０内のチャンバに入る前に、飽和器チャンバ２８とほぼ同じ温度まで予熱される。気体のサンプルを、チャンバ２８を通す前に予熱することによって、図１に示す従来型の飽和器、及び先行技術によるＣＮＣを使う場合に必要となる、飽和器内の気体を加熱する必要性が減少する。エーロゾルを予熱することによって、飽和器区画のサイズが小さくなり、飽和器の全体性能が改善される。

更に、気体のサンプルが加熱された経路２４を通って流れるときに、経路を形成している壁から気体へ熱が伝達され、粒子に作用する熱伝達力は、経路２４の壁に対する拡散によって生じる粒子の損失を大幅に少なくするか、又は無くする。ナノメーターサイズ範囲の粒子のような、高い拡散係数を有する非常に細かい粒子でも、予熱経路２４を通過する間の粒子の損失は殆ど又は全くない。

飽和器管３０は、多孔性金属管製、望ましくは多孔性ステンレス鋼製であり、金属ブロック２６内にブロックと熱伝導関係となるよう挿入される。金属ブロック２６は、小型の電気ヒーター３４又は熱電気ヒーターで電気的に加熱され、高温に保持される。多孔性金属飽和器管の温度は、凝結核計数器内の作動流体としてブチルアルコールを用いる場合、通常２５℃から４０℃の間にある。

多孔性金属飽和器管３０の下端部は、作動流体リザーバー３８内の液状の作動流体３６と接触している。飽和器管３０内の中実プラグ４０は、多孔性金属管の下側部分３０Ａを上側部分３０Ｂから分離している。多孔性金属飽和器管内の飽和器孔サイズは、液体が、毛管表面張力によって汲み上げられ、隙間を作る孔の空間を満たし、多孔性金属飽和器管３０をその全長に亘って完全に飽和させるように選択される。

中実プラグ４０より上の空間は、多孔性金属管に囲まれ、飽和器チャンバ２８を形成している。気体は、チャンバ２８へ流れ込むと、湿った飽和器管壁から蒸発している作動流体の蒸気と遭遇する。

飽和器管３０への入口又は吸気口には、図示のように、エーロゾルが通って流れる小さなオリフィス４４又は複数のオリフィスがある。オリフィス４４の面積は小さいので、エーロゾルは、オリフィスを通過するときに高速の気体噴流になる。オリフィスのサイズは、平均噴流速度が代表的には１０ｍ／ｓ（秒当りのメーター）となるように選択される。この高速の気体噴流は、加熱された飽和器チャンバ２８内で比較的停滞している気体と衝突する。気体の噴流は、チャンバ２８に侵入すると、乱流混合によって、チャンバ内の高温で蒸気を含んだ気体と混じり合う。その結果、気体自体が、急速に、作動流体蒸気で飽和状態になる。

作動流体の蒸気で飽和したエーロゾルは、その後、飽和器管を離れ、管４２内の加熱された経路を通って凝縮器５０へ流れる。凝縮器５０内の経路へ流れ込むエーロゾルの流れは、これも管４２の側壁の小さなオリフィス５２（図示のように１つ又は複数の開口部）を通過する。管４２の端部は、気体がオリフィス５２を通って出なければならないように遮断されている。

気体は、代表的には１０ｍ／ｓの平均気体速度でオリフィスを出る。凝縮器５０の小さな円筒形チャンバ５４、又は他の断面形状のチャンバは、作動流体３６としてブチルアルコールが使用されている場合、通常５℃から１５℃の低い温度に維持される。エーロゾルは、高速のエーロゾル噴流によって生じる乱流混合作用によって、凝縮器のチャンバ５４内で低温の空気と混じり、急速に冷却され、低温のチャンバ気体と熱平衡状態になって、蒸気の凝結と液滴の成長が起きる過飽和状態を作り出す。水蒸気と過剰な作動流体の蒸気は、エーロゾルから凝結して離れ、排水穴５１から凝結タンク５３へ流出する。凝縮液５５は、タンク５３に回収される。

エーロゾル内で成長した液滴は、次いで気流によって、管状のノズル５６を通り、光散乱液滴計数器で検出するための液滴計数器区画５８へ運ばれる。個々の液滴は、適切な電子回路を使って数えることができる。光散乱液滴計数器は、チャンバ５９を有しており、レーザービームを、ビームを収束する集光レンズ６２を通して放射するレーザー光供給源６０を含んでいる。ノズル５６を通して運ばれた液体液滴を運ぶエーロゾルは、ビームの焦点領域を横切り、出口管６４を通ってチャンバ５９を出る。液滴によって散乱された光は、集束レンズ６６によって集められ、光感知フォトダイオード６８へ放射され、光感知フォトダイオード６８は、計数するために、光信号を波高分析回路６９に送る。レンズ６６は中心ビームストッパ７０を有しているので、散乱された光だけが集められ、フォトダイオード６８と回路６９によって感知される。

先行技術によるＣＮＣでは、液体作動流体リザーバー内で飽和器ブロックとして使用されている多孔性材料は、材料が多孔性でなければならないという事実以外に、明記されていない物理的特性を有している。飽和器として効果的に作用するためには、隙間の孔空間を、作動流体から成る液体で完全に飽和せねばならないので、液体は、多孔性材料全体に亘って、特に、蒸発が起こるエーロゾル経路の表面に透過することになる。作動流体にとって多孔性材料が完全に飽和状態にあることが重要であるにも関わらず、多孔性材料を作動流体の液体で完全に飽和するのに用いなければならない具体的な孔サイズには注意が払われていない。飽和器設計に適している孔サイズを選択するための物理的な基本事項を、本発明で説明する。

本発明の飽和器チャンバ２８の管３０を形成している多孔性金属は、孔を満たしている液体を毛管の表面張力によって所望の高さへ持ち上げるのに適した孔サイズを有するように選択される。更に、液体で飽和した多孔性金属管３０を横切って、一定の最小気体圧力差を維持する必要がある場合、孔のサイズは、孔を満たしている液体が気体圧力に耐え、孔から吹き出されないように、ここに記載する方法によって選択することができる。

図４は、飽和器管３０の壁の表面を濡らす液体で満たされている半径ｒの小さな毛管７２の概略図である。この毛管７２は、飽和器管３０の壁の中の相当する孔を表している。ステンレス鋼のような金属は、水によって湿らすことができるので、親水性と呼ばれる。ＣＮＣで作動流体として用いられているブチルアルコールのような多くの有機液体も、金属表面を濡らす。

毛管の表面を濡らす液体の場合、液体の表面張力は、式
Ｆ_ｓ＝２πｒσ
による持ち上げ力Ｆ_ｓを液体柱７４に掛け、液柱を、図４に示す高さｈに持ち上げる。但し、σは液体の表面張力である。

表面張力によって持ち上げられている液柱は、
Ｆ_ｗ＝πｒ^２ρｇｈ
で表される重量を有する。

平衡状態で、表面張力Ｆ_ｓは、液柱の重量Ｆ_ｓと平衡が保たれ、即ち、
Ｆ_ｓ＝Ｆ_ｗ
である。従って、平衡状態にある毛管柱の高さは、
ｈ＝２σ／ｒρｇ
であり、ここにρは液体（作動流体）の密度、ｇは重力の加速度である。下の表は、表面張力によって液体を持ち上げることのできる高さｈと各種孔サイズの関係を示している。液体の表面張力は３０ｄｙｎｅ／ｃｍ、液体密度は１ｇ／ｃｃと仮定している。これらの特性値は、典型的なＣＮＣに用いられている作動流体の特性値に近い。

上記表の結果は、孔の直径が１０μｍの場合、毛管の表面張力は、液柱を１２２ｃｍの高さに持ち上げることができると示している。従って、飽和器管３０のような垂直な多孔性金属管は、その孔が、その最大高さまで液体で満たされることになる。この、実現可能な高さは、ＣＮＣの飽和器管に必要な高さよりも遙かにに高い。代表的なＣＮＣに必要な飽和器の全長は数センチメートル程度である。全長１５ｃｍの飽和器管は、大部分の適用例に適する長さより長いと思われる。結果的に、相当大きな孔直径を使用することができる。

毛管の頂部が、周囲圧力よりΔｐだけ高い圧力の気体供給源に接続されている場合、この気体の圧力は、毛管柱の上に
Ｆ_ｐ＝πｒ^２Δｐ
の力を掛けることになる。この力が、表面張力
Ｆ_ｓ＝２πｒσ
と等しいか又はそれより大きい場合、毛管柱は、液体リザーバー内の液体３６内にあると想定される底部から吹き出されることになる。従って、毛管柱に掛けることのできる最大気体圧力は、
（Δｐ）_max＝２σ／ｒ＝ρｇｈ
で与えられる。

上記表１に示す毛管柱の上昇値は、液体（作動流体）を孔から押し出すことなく多孔性金属管３０の壁を横切って加えることのできる最大気体圧力に直接関係する。結果が示しているように、直径１０μｍの孔を有し、毛管柱が１２２ｃｍ上昇する有機液体で満たされている多孔性の金属管は、多孔性金属管を横切る水位計１２２ｃｍ相当の最大気体圧力差を維持することができる。

多孔性の金属は、一般に、ＣＮＣ内の作動流体として使用できる殆どの有機液体で濡らすことができるので、液体が孔から吹き出されるまでに相当な気体圧力差に耐えることができる。更に、多孔性の金属は、多孔性プラスチックよりもずっと小さな孔サイズで製造することができ、品質がもっと安定しており、多孔性のプラスチックよりも一様な孔サイズとすることができる。従って、多孔性の金属、特に多孔性のステンレス鋼を使えば、毛管柱の上昇値が非常に予測可能なＣＮＣの飽和器を設計することができる。従って、多孔性の金属から作られる飽和器の性能は、より安定し、より予測可能になる。

本発明では、検出対象の微粒子が入っている気体（エーロゾル）は、小さいオリフィス又はオリフィスのセット４４を通過して、高速で飽和器チャンバ２８に入る。高速の気体噴流は、チャンバ２８内の飽和状態で高温気体に衝突すると、ばらばらになって、オリフィス４４の開口サイズ程度のサイズの小さな乱流の渦になる。小さな乱流の渦は、チャンバ２８内で、高温の、蒸気で飽和した気体内に急速に分散する。渦の境界を越える熱と蒸気の拡散を通して、個々の渦は、加熱され、蒸気で飽和状態になる。熱と蒸気の拡散が起こる時間スケールは、分子拡散による熱と蒸気の輸送に関するアインシュタインの式から見積もることができる。

熱の拡散に関しては、時間の尺度(time scale)が、式
ｘ^２＝２αｔ_ｔ
によって与えられ、蒸気の拡散に関しては、時間の尺度が、式
ｘ^２＝２Ｄｔ_ｖ
によって与えられ、ここにｘは２乗平均拡散距離であり、ｔ_ｔ及びｔ_ｖは特性熱及び蒸気拡散時間であり、αは気体の熱拡散率であり、Ｄは蒸気の拡散率である。

このように、渦の境界を越える特性熱及び蒸気拡散時間は、乱流の渦の半径の２乗として変化する。乱流の渦の半径ｘは、オリフィス４４の半径ｒと同じ程度の大きさ、即ち

であり、オリフィスを通過する平均気体速度は、
Ｖ_ｇ＝Ｑ／πｒ²
なので、特性熱及び蒸気拡散時間は、
ｔ_ｔ＝Ｑ／２παＶ_ｇ
及び、
ｔ_ｖ＝Ｑ／２πＤＶ_ｇ
となり、ここにＱはオリフィスを通過する気体の容積流量である。従って、ｔ_ｔ及びｔ_ｖは、オリフィスを通過する平均気体速度Ｖｇに逆比例する。

例を挙げると、気体流量が３００ｃｃ／ｍｉｎで、オリフィス４４の直径が０．７５ｍｍの場合、オリフィスを通過する平均気体速度は、毎秒１０メートルである。特性渦サイズ(characteristic eddy size)は０．７５ｍｍであり、特性拡散時間(characteristic diffusion times)は、３６ミリ秒程度である。比較すると、蒸気飽和に用いられる先行技術による層流飽和器は、一般に、気体を加熱し作動流体の蒸気で飽和させるために、１秒程度の飽和器内気体滞在時間を必要とする。ここで説明している乱流噴流法を使えば、特性熱及び蒸気拡散時間を、相当に、約３０分の１に減らすことができる。気体速度を例えば２０ｍ／ｓに上げることによって、熱及び蒸気拡散時間は、更に半分の１６ミリ秒、又は、図１に示す先行技術によるＣＮＣで用いられている層流飽和器の６０分の１にすることができる。

乱流混合凝縮器５０内で起こる過程も同様である。微粒子を含む、加熱され飽和状態の気体が、小さいオリフィス又はオリフィスのセット５２を通って凝縮器に入ると、気体は再びばらばらになり小さい渦になる。これらの小さな渦は、それぞれが加熱され飽和状態になった蒸気を含んでおり、凝縮器の温度に近い経路又はチャンバ５４内の低温の気体の中に分散される。個々の渦は、渦の境界を超える熱拡散によって冷却され、蒸気の凝結と粒子上の液滴の成長を高める過飽和状況が作り出される。

有機作動流体の蒸気では、蒸気の拡散よりも熱の拡散が早く起きるので、多くの蒸気が渦の境界を越えて周囲の低温の気体へ拡散することによって失われる前に、個々の渦が、ほぼ均一な温度に冷却されることになる。これによって、蒸気の凝結と液滴の成長のために各渦の中に作られる過飽和の状態がほぼ一様なことと、同じサイズの全ての粒子が活性化されることが保証される。これは、ＣＮＣの性能の改良に繋がる。更に、チャンバ５４を形成している低温の凝縮器管の壁の上の蒸気の凝結による作動流体の損失が、最小になる。ＣＮＣによる最終的な作動流体の消費も少ない。従って、作動流体リザーバー３８のサイズを小さくし、ＣＮＣのサイズを全体的に小さくすることができる。

効率的な乱流混合を作るのに必要な、飽和器及び凝縮器チャンバに入る気体の速度は、どの程度早く混合を行う必要があるかで決まる。ＣＮＣの適用例では、ＣＮＣの性能を改良するのに、１０ｍ／ｓの気体噴流速度を使用できること、及び５０ｃｍ／ｓ程度の遅い気体速度でも使用できることが分かっている。

飽和器又は凝縮器内の乱流気体混合に１つのオリフィス４４又は５２だけを使用してもよいが、２つ以上のオリフィスを使用してもよい。例えば、凝縮器又は飽和器へ入る気体の体積流量と、各オリフィスを通る平均気体速度が変わらないようにして、単一のオリフィスに替えて４つの同じ直径のオリフィスを使えば、各オリフィスの面積は４分の１に減り、オリフィスの直径は２分の１に減ることになる。従って、オリフィスの直径は、０．７５ｍｍから０．３７５ｍｍに減らすことができるので、特性熱拡散時間が３６ミリ秒から１８ミリ秒に下がる。オリフィスの数を例えば１から１６に増やすと、オリフィスのサイズを０．７５ｍｍから０．１９ｍｍへと更に小さくし、特性熱拡散時間を３６ミリ秒から９ミリ秒へと更に短縮することができる。飽和器又は凝縮器入口に使用されるオリフィスの数を増やすことによって、乱流の渦の数は大幅に増加する。同時に、渦のサイズは小さくなるので、熱及び蒸気の平衡に必要な時間が短縮される。

凝結によって形成される液滴を数えるのに、光学粒子計数器を使用することができる。図６に示す好適な実施形態では、光散乱液滴計数器５８（ＬＤＣ）が、上記の通り使用されている。ＬＤＣでは、集光レンズ６２は、レーザービームを入口ノズル５６と出口管６４の軸上の領域６１に集束する円筒レンズである。ビームが集束レンズ６６に達すると、不透明な光吸収面であるビームストッパ７０にレーザー光が吸収される。

液滴エーロゾルは、入口ノズル５６を通ってＬＤＣに入る。液滴がノズルの先端に達するときには、流れの断面積は非常に小さくなっており、エーロゾルは高速に加速されている。次いで、検出対象の液滴を含んでいるこの高速の気体は、集束されたレーザービームを通過し、出口管６４を通って光散乱粒子計数器から流れ出る。各液滴は、レーザービームの焦点領域６１を通過するときに、光を全方向に散乱させる。次に、集束レンズ６６は、レーザービームの前方向の、レンズ６６によって半導体フォトダイオード検出器６８上に定められた角度範囲内に、散乱した光を集める。次に、フォトダイオード６８からの信号が、適した波高分析回路６９によって電気的に処理される。散乱光の集束レンズ６６として１つのレンズだけを示しているが、性能を改良するために、２つ以上又は多要素のレンズを集束レンズとして使用することもできる。

図示の集光レンズと集束レンズは、共に簡単にするために単一のレンズとして示しているが、ＬＤＣ５８の光学性能を改良するため２つ以上のレンズを使用してもよい。そのような改良は、光散乱粒子計数器の光学設計の当業者には容易に理解頂けるであろう。

ＬＤＣ光学系上に作動流体の蒸気が凝結するのを防ぐために、ＬＤＣハウジング８０は、アルミニウムのような熱伝導性材料で作られており、飽和器ブロック２６と近接熱接触するように配置され、飽和器ブロック２６と実質的に同じ温度に加熱されている。液滴検出器の光学系上に蒸気が凝結するのを防ぐ必要性については、米国特許第４，７９０，６５０号（Ｋｅａｄｙ）の装置図に示されているように、ＣＮＣを設計している当業者には理解頂けよう。

図５に示しているＣＮＣの好適な実施形態では、電気ヒーター３４を使って、飽和器ブロックを、一般的には３５℃である所望の温度に加熱し、熱電冷却器８２を使って、凝縮器５０の一部を形成する凝縮器ブロック８４を、一般的には５℃である所望の温度に冷却している。
図５は、図２、３、６、７に示している、目的に適した多重チャネルＣＮＣから、１つのチャネルだけを示している。

図２、３、６及び７には４つの測定チャネルを示しており、各チャネルは、図６で流路に１０６、１０６Ａ、１０６Ｂ、１０６Ｃと番号が付されていることを除けば、同じ番号が付されている単一のチャネルである。多重チャネルＣＮＣは、測定チャネルが２つだけでもよい。多重チャネルＣＮＣが備えるチャネルの最大数に関して、特別な上限はない。上限は、通常、空間とコストを考慮して決められる。

図６は、多孔性金属飽和器管３０を含む飽和器金属ブロック２６を通る断面を示している。多孔性の金属飽和器管３０は、全てが飽和器ブロック２６と近接熱接触しており、ブロックは、熱伝導率の高い金属、通常はアルミニウムで作られている。ブロック２６は、電気ヒーター３４で通常は２５℃から４０℃の適切な高温に加熱される。飽和器金属ブロック２６は実質的に一様な温度なので、全飽和器管３０も実質的に同じ温度である。

飽和器管３０の下端部は、作動流体リザーバー３８内の作動流体３６と流体連通している。同じリザーバー３８が、全ての飽和器管に作動流体を供給するのに使用されている。従って、多孔性金属飽和器管３０は、毛管の表面張力によって隙間の孔の空間内が作動流体で満たされるようになり、作動流体が多孔性金属壁から飽和器チャンバ２８内へと蒸発できるようになっている。各多孔性金属飽和器管３０は、飽和器チャンバ２８の底部を形成する中実プラグ分離器を有しており、一方、飽和器管３０の下端部は、リザーバー３８内の作動流体３６に浸漬している。繰り返すが、飽和器チャンバ２８への気体入口に小さいオリフィス４４を使って、検出対象の粒子を含む気体が高速気体噴流を形成し、飽和器チャンバ２８内で乱流気体混合と蒸気飽和状態を作り出せるようになっている。

図７は、凝縮器ブロック８４を通る断面を示しており、凝縮器ブロックも、高熱伝導率の材料、通常はアルミニウムで作られている。ブロック８４は、図５に示す熱電気冷却器８２を使って、通常は５℃まで冷却される。凝縮器ブロック８４は断熱材８３で取り囲まれており、熱電気冷却器８２への熱負荷を最小にして、熱電気冷却器８２を作動させるのに必要な電力を最小にしている。熱シンク８５も設けられている。

凝縮器ブロック内には、多数の凝縮器空洞又はチャンバ５４がある。各チャンバ５４は、通常略円筒形である。各チャンバの底部には、管４２内に、飽和器２８からの検出対象粒子を含んでいる高温の蒸気が満たされた気体を運ぶ高温気体の経路が設けられている。この気体は、小さな入口オリフィス５２を通過して高速の気体噴流を形成し、噴流は、凝縮器チャンバ５４内に侵入して、乱流混合と粒子上での蒸気凝結を引き起こし、液滴を形成する。水と作動流体の一部も凝結し、開口部５１を通って排水チャンバ５３に流れる。次いで液滴は、気体に運ばれてチャンバ出口を通過し、ＣＮＣの上部の液滴計数器５８内の入口ノズル５６へ運ばれる。各ＣＮＣチャネル毎に１つの液滴計数器がある。従って、図示の４チャネル型ＣＮＣには、４つの別々の液滴計数器５８がある。

本発明のＣＮＣの別の実施形態を、図８及び図９に参照番号９０で示している。その作動と構造は、電気ヒーターが省かれ、熱電ヒーターと置き替えられており、熱電冷却器と熱シンクが新しい場所へ動かされていることを除けば、図５と実質的に同じである。

図８及び図９で、ＣＮＣ９０は、熱シンク９６を通して周囲の空気から熱を取り出し、飽和器ブロック９２に熱を捨てる（即ち熱を加える）熱電ヒーター９４によって加熱される飽和器ブロック９２を有している。熱電冷却器９８は、熱シンク１０２を通して熱を周囲の空気に捨てながら、凝縮器ブロック１００から熱を取り出すのに用いられている。凝縮器ブロック１００には、熱電冷却器９８と接触している表面以外の側面に断熱材層が設けられている。２つの熱シンク９６及び１０２は、一方が熱電ヒーター９４用で、他方が熱電冷却器９８用であり、両者は熱的に連結され１つのユニットを形成しているので、一方で捨てられる熱は、他方で取り出される熱を供給するのに用いられる。この様にして、飽和器を加熱するための熱の一部が凝縮器用の熱電冷却器によって捨てられる熱から来るため、熱電ヒーターに対し電力入力によって平衡が作り出されるので、飽和器ブロック９２を加熱するのに必要な電気エネルギーが少なくなる。

図８及び図９の実施形態では、エーロゾル供給源１０４は、エーロゾルを、凝縮器ブロック９２内の凝縮器経路１０６に供給し、するとエーロゾルは、オリフィス１０８を通って、先に説明したように多孔性金属で作られた多孔性金属飽和器管１１２内に形成されている飽和器チャンバ１１０へ流れ込む。エーロゾルの流れは、ＣＮＣ９０出口の、ポンプ又は他の差圧生成流れ発生器１１３によって確立される。多孔性金属飽和器管の端部は、リザーバー１１６に入っている液体状の作動流体１１４の中にあり、壁１１７で遮断されている。エーロゾルは、作動流体の蒸気で飽和状態になった後、経路内を管１１８へと流れ、オリフィス又はオリフィスのセット１２０を通って、凝縮器ブロック１００の凝縮器チャンバ１２２へ流れ込む。

なお、この場合も、凝結液１２６を集めるための凝結チャンバ１２４へ繋がっている排水開口部１２３が設けられている。
粒子の周りに形成された凝結液の液滴を含んでいるエーロゾルは、出口ノズル管１２８を通って光散乱液滴計数器１３２の光散乱液滴計数器チャンバ１３０へ流れ込む。ポンプ１１３に接続されている出口管１３４は、エーロゾルが、レーザービーム１３６を通過した後で、チャンバ１３０を出ることができるようにしている。液滴によって散乱した光は、先に説明したように、レンズ１３８によって集められ、光信号をフォトダイオード１４０に提供する。更に、フォトダイオード１４０は、これも先に説明したように、液滴（粒子）の数を提供するために、適切な回路１４２に接続されている。レーザー光ビーム１３６は、レーザー供給源１４４から送られている。

飽和器ブロック９２を加熱するために、単純な電気ヒーターではなく熱電ヒーター９４を使用することの１つの利点は、ＣＮＣを厳しい温度環境で用いる場合、即ち、周囲の温度が飽和器の所望の作動温度より高い場合、熱電ヒーターなら、ヒーターへのＤＣ電流の流れの方向を逆転させるだけで冷却器として使用できることである。例えば、飽和器の所望の作動温度が３０℃であるのに対して周囲の温度が３５℃の場合、単純な電気ヒーターでは、飽和器を所望の３０℃レベルに保持することはできないが、熱電ヒーターは、ＤＣ電流の流れの方向を逆転させるだけで、冷却モードで使用することができる。この様にして、ＣＮＣの作動温度の範囲を、時には発生することもある厳しい温度環境にも順応できるように拡張することができる。

２つの電熱モジュールを、一方は主にヒーター、他方は冷却器として「プッシュ―プル」モードで使用する別の利点は、飽和器と凝縮器の温度をそれぞれの設定値レベル、例えば３５℃と５℃に制御するために、２つの別々の熱電モジュールを独立して制御できることである。凝縮器と飽和器の間に１つの熱電モジュールが用いられている従来型の方法では、飽和器と凝縮器の温度差しか制御できない。周囲の温度が変わると、凝縮器ブロック１００と飽和器ブロック９２の実際の温度も変わり、ＣＮＣの性能変動に繋がる。この変動は、２つの別々の熱電モジュール９４及び９８に別々の独立した制御器９４Ａ及び９８Ａを使用することによって取り除くことができる。制御器９４Ａはモジュール９４を制御するのに、制御器９８Ａはモジュール９８を制御するのに用いられる。

熱電モジュールによって飽和器ブロック９２又は凝縮器ブロック１００の温度を制御するための具体的な手段について述べると、通常は、実際の温度と所望の設定値の差を測定し、ＰＩＤ（比例−積分−微分）制御器を使って印可する電圧を変え、熱電モジュールによって温度差が最小になるまで電流の流れを変える。しかしながら、飽和器又は凝縮器の温度制御の場合、温度はゆっくりと変化するだけなので、普通は完全なＰＩＤ制御方式を使用する必要はない。殆どの場合、比例−積分制御器で十分であろうし、場合によっては簡単な比例制御が適している。温度制御の手段は、電子工学設計の当業者には周知であり、実際には、本発明で述べている目標から実質的に逸脱することなく、飽和器ブロック９２と凝縮器ブロック１００をそれぞれの設定値に維持するという所望の結果を実現して、改良型設計によるＣＮＣの安定した繰り返し可能な性能と、上記のように飽和器ブロックと凝縮器ブロックの更に正確な温度制御を実現するために、どの様な制御回路を使用してもよい。

ＣＮＣを使用して、エーロゾル内の粒子を数える場合、時には幾つかのエーロゾルを同時に計数する必要のある場合もある。そのような場合、幾つかの個別のＣＮＣではなく、１つの多重チャネルＣＮＣを使用するのが好都合なことがある。

図８及び図９の計数器の形態は、多重チャネル計数器として作ることもできる。多重チャネルＣＮＣの１つの利点は、１つの多重チャネル装置の方が、一般的に、同じ測定を実行するのに必要な幾つかの自立型ＣＮＣよりも相当に小さいことである。多重チャネル装置は、各自立型ＣＮＣ毎に別々のヒーターと制御器を使うのではなく、１つの電気加熱及び制御回路を使って全ての飽和器を制御することができるので、経費も安い。同じ理由で、個別のＣＮＣの各凝縮器ブロック毎に別々の冷却及び制御装置を使うのではなく、１つの熱電冷却器と制御回路を使って全ての凝縮器ブロックを制御することもできる。

技術的には、多重チャネルＣＮＣは、全ての飽和器チャンバが同じ飽和器ブロック内にあり、サンプル気体流れ内の温度と蒸気飽和の程度がほぼ同じになるので、良好に機能することができる。同様に、各凝縮器チャンバも同じ凝縮器ブロック内に形成されているので、全てのサンプルの流れで蒸気凝結と液滴成長の条件が全てほぼ同じになる。従って、単一の多重チャネル装置を使って行う測定は、別々の自立型ＣＮＣを使って行う測定よりも安定している。

以上、好適な実施形態を参照しながら本発明を説明してきたが、当業者には、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、形態及び細部に変更を加え得ることを理解頂けるであろう。

先行技術による凝結核計数器の概略図である。 本発明により作られた多重チャネルの凝結核計数器（ＣＮＣ）の正面図である。 図２のＣＮＣの上面図である。 表面張力と液柱上昇の関係を示す概略図である。 図２の線５−５に沿う断面図である。 図３の線６−６に沿う断面図である。 図３の線７−７に沿う断面図である。 本発明の、変形ＣＮＣの垂直断面図である。 図８の線９−９に沿う断面図である。

Claims (8)

1. 経路に沿って移動する気体の流れの中に含まれている粒子を検出するための連続流装置において、
   液体状の作動流体の供給源と、
   蒸気状の前記作動流体を前記気体の流れに供給するための、前記経路に沿って配置されている飽和手段であって、前記作動流体の供給源と流体連通していて、前記気体の流れが通過する多孔性金属を含んでいる飽和手段と、
   前記作動流体と接触するように前記加熱された金属ブロックから延びている前記多孔性金属を加熱するために、前記多孔性金属と熱接触して前記作動流体とは離間している加熱された金属ブロックと、
   前記粒子上に蒸気を凝結させ、前記気体の流れの中に液滴を形成させるための、前記気体の流れの経路に沿って前記飽和手段の下流に配置されている冷却手段と、
   前記液滴を検出するための、前記冷却手段の下流に配置されている感知器と、を備えている装置。
2. 前記多孔性金属は、直径が５００μｍより小さい孔を有している、請求項１に記載の装置。
3. 気体の流れの中の粒子を検出するための連続流装置において、
   経路に沿って流れとなって移動する、微粒子と水蒸気を含んでいる気体サンプルの供給源と、
   液体状の作動流体の流体供給源と、
   前記経路に沿う通路を備えており、前記流体供給源と流体連通しており、作動流体の蒸気を前記気体に供給するように作動することができる飽和器と、
   前記蒸気を前記気体の流れの中の粒子上に凝結させて液滴を形成させるために、前記経路に沿って前記飽和器の下流に配置されている冷却器と、
   凝結した作動流体と水蒸気を集めるための前記冷却器に近接している収集器と、
   前記液滴を検出するための、前記冷却器の下流に配置されている感知器と、を備えている装置。
4. 前記飽和器は、内部空間を画定する壁を有している多孔性材料と、前記内部空間に侵入する気体の噴流を形成するために気体の流れが通過するオリフィスと、を含んでいる、請求項３に記載の連続流装置。
5. 前記冷却器は、低温の壁を有するチャンバと、前記気体の流れが前記チャンバ内に入るための入口オリフィスとを備えており、前記入口オリフィスは、前記チャンバの前記内部空間に侵入する気体の噴流を提供する、請求項４に記載の連続流装置。
6. 気体の流れの中の粒子を検出するための連続流装置において、
   微細粒子を含む気体サンプルを、直列に接続された第１、第２及び第３通路に沿って、流れとして引き出す流れ誘起装置と、
   液体状の作動流体の流体供給源と、
   前記気体の流れが前記第１通路に沿って移動する間に、前記気体サンプルを選択された温度に加熱するヒーターと、
   前記気体の流れを前記第１経路から受け入れるために接続されている前記第２通路を有しており、前記気体の流れが前記第２通路を通って移動する際に前記気体の流れに作動流体の蒸気を供給するために前記作動流体と液体連通する加熱された要素を有する飽和器と、
   前記気体の流れを前記第２通路から受け入れて、前記気体の流れの中の粒子上に蒸気を凝結させて液滴を形成させるための前記第３経路を有している冷却器と、を備えている装置。
7. 前記第２通路内に気体噴流を形成するために、前記第１通路と前記第２通路の間にオリフィスが配置されている、請求項６に記載の連続流装置。
8. 前記飽和器は前記第２通路を形成する管を備えており、前記管は多孔性であり、一部が前記作動流体供給源内にあり、前記飽和器の孔は、前記第２通路の表面への、前記作動流体の液体の毛管運動を引き起こす、請求項７に記載の連続流装置。

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