JP4714915B1 - 慣性フィルタおよび粒子分級装置 - Google Patents

Abstract

【課題】意図した初期分級性能を得やすく、かつ、長期にわたり安定して粒子分級を行うことができる慣性フィルタおよびこれを備えた粒子分級装置を提供すること。
【解決手段】本慣性フィルタは、流体通過路に設置されるもので複数の粒子分級穴を一様な配列態様で有する粒子分級用シートを具備する。この粒子分級用シートは、それが設置される位置における流体通過面積よりも大きいシート面積を有し、かつ、その一部が当該流体通過路を粒子分級のため流体通過方向で２つに隔てる隔壁状に設置された構成を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、流体通過路内に配置されて流体中の粒子を慣性衝突効果等により分級することができる慣性フィルタおよびこれを備えた粒子分級装置に関するものである。

図１６を参照して従来の慣性フィルタ１００を説明する。従来の慣性フィルタ１００は、流体通過路内に配置されて粒子分級することができるものであり、円柱状のフィルタ本体１０１を備える。フィルタ本体１０１は、流体通過上流側から下流側方向にかけて貫通した断面円形の貫通孔１０２を具備する。この貫通孔１０２は流体通過上流側の内径が漸次縮径する縮径貫通孔１０２ａと、この縮径貫通孔１０２ａに下流側で連成される内径が一定の定径貫通孔１０２ｂとを含む。この定径貫通孔１０２ｂ内に、非圧縮性繊維の一例である金属繊維１０３が充填されている。金属繊維１０３は図示略の機構により定径貫通孔１０２ｂから流体通過方向下方へ抜け止めされている。

この慣性フィルタ１００では、図示略のポンプの吸引力により、慣性フィルタ１００の内圧を外圧以下に下げて両圧力で生成する圧力差で貫通孔１０２内に図中矢印ＡからＢ方向へ流体を発生させて粒子を分級させることができるようになっている。上記流体は、縮径貫通孔１０２ａ内で速度上昇して定径貫通孔１０２ｂ内に流入して一定となる。そして、定径貫通孔１０２ｂ内において流体に含む微粒子は金属繊維１０３に衝突して捕捉（捕集）される。

特開２００８−７０２２２号公報

上記の慣性フィルタ１００においては、第１に、繊維は空間密度分布、配向、形状が一定でないので、意図した初期分級特性を得難い。また、第２に定径貫通孔１０２ｂ内に金属繊維１０３を一様な密度で充填することが難しく、そのため、定径貫通孔１０２ｂ内における金属繊維１０３の充填密度のばらつきにより分級特性がばらつき易く、安定した分級が難しい。第３に分級動作中に気流から受ける圧力で金属繊維１０３が流体通過方向に圧縮してしまって、分級特性が変化し、結果、安定した分級が難しい。第４に慣性フィルタ洗浄中に定径貫通孔１０２ｂ内における金属繊維１０３の空間密度に変化が起こり得るが、このような変化は定量化しにくく、そのため当該慣性フィルタを再利用しにくい、といった課題がある。

したがって、本発明においては、上記に鑑みて、意図した初期分級性能を得やすく、かつ、長期にわたり捕集効率が低下しにくく安定した粒子分級を行うことができる慣性フィルタを提供することを課題としている。

本発明による慣性フィルタは、ナノ粒子を含む流体が通過する流体通過路に設置されて、該流体通過路内のナノ粒子を粒子慣性効果により捕集すると共に上記流体流速が大きくなる程、より小さな粒径のナノ粒子を捕集する慣性フィルタであって、当該慣性フィルタは、上記流体通過路上流側に配置されると共に該流体通過方向に内径が縮径する貫通孔を有し該貫通孔の形態により該流体通過路内の流体流速を調整する流量調整ノズルと、上記流量調整ノズルよりも流体通過路下流側に配置されかつ粒子慣性効果によりナノ粒子を捕集するための複数の粒子分級穴を一様な配列態様で有すると共に上記流量調整ノズルの貫通孔の下流側開口よりも大きいシート面積を有しかつそのシートが該下流側開口全面を塞ぐ様に当該流体通過路を流体通過方向において２つに隔てる隔壁状に設置された粒子分級用シートと、を具備し、 上記流量調整ノズルを該貫通孔の数が相違する他の流量調整ノズルと組み替えることで流量調整を可能とした、ことを特徴とする。

好ましくは、上記粒子分級用シートは、流体通過方向において単一のシートで構成されている。

好ましくは、上記粒子分級用シートは、流体通過方向において複数枚になって積層されている。

好ましくは、上記粒子分級用シートは、上記粒子分級穴として多数の貫通孔をメッシュ状の配列態様で備えたシートである。

好ましくは、上記粒子分級用シートは、線径が５−２０μｍ、目開きが４０−３００μｍのメッシュ状シートである。

好ましくは、上記粒子分級用シートの流体通過方向上流側に当該流体通過方向に縮径する縮径貫通孔を備えた流量調節ノズルを、流体流速調整に際して当該縮径貫通孔の縮径率が相違する他の流量調節ノズルと組み替え可能に配置する。

好ましくは、上記粒子分級用シートの流体通過方向上流側に当該流体通過方向に縮径する縮径貫通孔を備えた流量調節ノズルを、流量調整に際して縮径貫通孔の数が相違する他の流量調節ノズルと組み替え可能に配置する。

好ましくは、上記粒子分級用シートの流体通過方向上流側に当該流体通過方向に縮径する流路を備えた流量調節ノズルを配置すると共に、上記粒子分級用シートの複数を介装スペーサと交互に積層する。

好ましくは、上記介装スペーサを流路が相違する別の介装スペーサと組み替え可能として流速調整可能とする。

好ましくは、上記介装スペーサの積層枚数制御で分級制御可能とする。

好ましくは、上記流量調節ノズルを流路が相違する別の流量調節ノズルと組み替え可能として流速調整可能とする。

好ましくは、上記介装スペーサのスペーサ厚さ制御で分級制御可能とする。

好ましくは、上記流量調節ノズルの流路数およびこれに対応する介装スペーサの貫通孔数の制御で流量調整可能とする。

（２）本発明による粒子分級装置は、流体通過方向上流側に非圧縮性繊維を充填した慣性フィルタを粗粒子除去用として配置し、下流側に、上記（１）の慣性フィルタをナノ粒子分級用として配置した、ことを特徴とする。

なお、上記流体には気体に限らず、液体、その他のものを含む。

なお、上記慣性フィルタで捕集ないし捕捉される粒子は、気体中に浮遊する粒子に限定されず、他の溶媒例えば液中やその他を浮遊する粒子を含むことができる。また、分級する粒子は特に限定されず、樹脂微粒子、無機微粒子、金属微粒子、セラミック微粒子等が例示できる。粒子の形状は、特に限定されない。

なお、上記非圧縮性繊維は好ましくは金属繊維で構成することができる。また金属繊維として例えばステンレス繊維が好ましいが、ステンレス繊維に限定するものではなく、アルミ繊維、銅繊維、その他の金属繊維から選ばれる１種以上の金属繊維でもよい。また、非圧縮性繊維は、非圧縮性で高速気流が通過しても体積変化が殆どない繊維であればよく、金属繊維に限定されない。

本発明によれば、初期分級特性に優れ、長期にわたり安定して粒子分級を行うことができる慣性フィルタを提供することができる。

図１は本発明の実施の形態にかかる慣性フィルタを備えた粒子分級装置を側面から見た構成を示す図である。 図２（ａ）は本発明の実施形態の慣性フィルタが備えるナノ粒子分級用シートの形状例を示すもので平織り形状を示す図、図２（ｂ）は綾織形状を示す図である。 図３は本発明の実施形態の慣性フィルタが備えるナノ粒子分級用シートの別の形状例を示すもので図３（ａ）は円穴形状で、図３（ｂ）は長孔形状で、図３（ｃ）は角孔形状でそれぞれ示す図である。 図４は拡散フィルタと慣性フィルタそれぞれのナノ粒子分級用シートの形状を比較して示す図である。 図５は図１の粒子分級装置に用いるナノ粒子分級用慣性フィルタにおいて流量調整ノズルによる流速調整の説明に用いる図である。 図６は図１の粒子分級装置に用いるナノ粒子分級用慣性フィルタにおいて流量調整ノズルによる流速調整の説明に用いる図である。 図７は本発明の実施の形態にかかる慣性フィルタを複数枚積層して備えた粒子分級装置を側面から見た構成を示す図である。 図８は図７の慣性フィルタの枚数に対する５０％カットオフ径を示す図である。 図９（ａ）は図７のナノ粒子分級用慣性フィルタを分解した状態の外観構成を示す図、図９（ｂ）はその慣性フィルタを組み立てた状態で断面構成を示す図である。 図１０は図７の慣性フィルタを用いた粒子分級装置において粒子分級用シートの積層枚数を組み替えたときの粒径と捕集効率との関係の説明に用いる図である。 図１１は図７の慣性フィルタを用いた粒子分級装置において流量調整ノズルおよび複数の介装スペーサーを組み替えたときの粒径と捕集効率との関係の説明に用いる図である。 図１２は図７の慣性フィルタを用いた粒子分級装置において複数の慣性フィルタをその配置間隔を組み替えたときの粒径と捕集効率との関係の説明に用いる図である。 図１３は図７の慣性フィルタを用いた粒子分級装置において流量調整ノズルと複数の介装スペーサーそれぞれの貫通孔の形状ないし個数を組み替えたときの流量調整の説明に用いる図である。 図１４は本発明の実施形態の慣性フィルタのフィルタ性能を検証するための横軸に空気力学径、縦軸に捕集効率を示す図である。 図１５は本発明の実施形態の慣性フィルタを示す図である。 図１６は従来の慣性フィルタの側面から見た構成を示す図である。

以下、添付した図面を参照して、本発明の実施の形態に係る慣性フィルタおよびこれを備えた粒子分級装置を説明する。

図１に上記粒子分級装置の断面構成を示す。なお、実施の形態において分級対象となる粒子が浮遊する流体は、気体、液体、その他の溶媒を含むことができる。同図１に示す粒子分級装置１は、矢印Ａで示す流体通過方向上流側から下流側にかけて、プレ慣性フィルタとして粗粒子除去用慣性フィルタ３と、本慣性フィルタとしてナノ粒子分級用慣性フィルタ５と、ナノ粒子捕集／装置導入部７と、を備える。

粗粒子除去用慣性フィルタ３は、円柱状プレート３ａを備える。この円柱状プレート３ａは流体通過方向へ内径が漸次縮径して同方向への流体流速を早くすることができる縮径貫通孔３ｂと、この縮径貫通孔３ｂの下流側開口に連成し同方向へ内径が一定とされて流体流速を一定化することができる定径貫通孔３ｃと、を備える。そしてこの粗粒子除去用慣性フィルタ３はその定径貫通孔３ｃ内部に非圧縮性繊維として高速気流が通過しても体積変化が殆どない金属繊維好ましくはＳＵＳ（ステンレス）繊維３ｄが緻密に絡まった状態で充填されている。なお、金属繊維としてはＳＵＳ繊維に限定するものではなく、アルミ繊維、銅繊維、その他の金属繊維から選ばれる１種以上の金属繊維でもよい。また、非圧縮性で高速気流が通過しても体積変化が殆どない繊維であれば、金属繊維に限定しない。

ナノ粒子分級用慣性フィルタ５は、粗粒子除去用慣性フィルタ３に対して流体下流側直下に連続配置されて当該粗粒子除去用慣性フィルタ３に連結されている。ナノ粒子分級用慣性フィルタ５は、粗粒子除去用慣性フィルタ３外径と同じ外径で上流側に配置した内径が一定の円筒状プレート５ａと、その円筒状プレート５ａの外径と同外径で下流側に円筒状プレート５ａに連成配置した円柱状プレート５ｂと、を含み、これらにより内部にフィルタ空間５ｃを構成する。円柱状プレート５ｂは、当該プレート中央に流体通過方向上流側から下流側へかけて内径が漸次縮径する縮径貫通孔５ｄが形成されている。そして、縮径貫通孔５ｄの下端に縮径貫通孔５ｄの下流側開口の内径よりも内径が大径でかつ一定径の定径貫通孔５ｅが設けられ、この定径貫通孔５ｅに粒子分級用シート９が配置されている。

この粒子分級用シート９は、図１では図示略のナノ粒子分級用の多数の穴を一様かつ密な配列態様例えばメッシュ状で有しており、かつ、それが設置される位置における流体通過面積、この例では縮径貫通孔５ｄの流体通過下流側開口の内径よりも大きいシート面積を有し、かつ、その一部９ａが図中矢印Ａで示す流体通過路を粒子分級のため流体通過方向において２つに隔てる隔壁状に設置されている。

ナノ粒子捕集／装置導入部７は、ナノ粒子分級用慣性フィルタ５の外径と同じ外径で上流側に配置した内径が一定の円筒状プレート７ａと、その円筒状プレート７ａの外径と同外径で下流側に円筒状プレート７ａに連成配置した円柱状プレート７ｂと、を含み、これらにより内部に捕集空間７ｃを構成する。円柱状プレート７ｂは、当該プレート中央に流体通過方向上流側から下流側へかけて内径が漸次縮径する縮径貫通孔７ｄと、この縮径貫通孔７ｄに連成した内径が一定の定径貫通孔７ｅとが形成されており、捕集したナノ粒子を装置に導入することができるようになっている。この装置側では、流体を矢印Ａで示すように図示略の吸引ポンプで吸引することで流体を排気することができるようになっている。

以上の構成において、実施形態の粒子分級装置１においては、ナノ粒子分級用慣性フィルタ５に、従来のように非圧縮性繊維を定径貫通穴内に充填した構造とは異なって、多数の微小貫通孔を有する粒子分級用シート９を用いたことを特徴とする。

ここで粒子分級用シート９の構造を図２−図４を参照して説明する。この粒子分級用シート９における多数の微小貫通孔はメッシュ状となっている。ここでメッシュ状は、プラスチックまたは金属からなる所定線径ｄの繊維１１を所定の目開きＤの状態に図２（ａ１）の側面からみた断面をもち、図２（ａ２）の平面から見て平織り形状で織ることで多数の微小貫通孔９ａ１が形成されたシート９ａ、図２（ｂ１）の側面からみた断面をもち、（ｂ２）の平面から見て綾織り形状で織ることで多数の微小貫通孔９ｂ１が形成されたシート９ｂ、また、通常のシートに対してエッチングで図３（ａ）のように多数の円状微小貫通孔９ｃ１が形成されたシート９ｃ、図３（ｂ）のように多数の長孔状微小貫通孔９ｄ１が形成されたシート９ｄ、図３（ｃ）のように多数の角孔状微小貫通孔９ｅ１が形成されたシート９ｅ、等を例示することができる。

これら貫通孔はもちろんナノ粒子の分級に要する孔径を有する。このことを、図４を参照して説明すると、図４には線１０ａ，１０ｂが交差してメッシュ状に形成される貫通孔１０ｃを示す。そして、拡散フィルタと慣性フィルタとにおけるメッシュ状は、拡散フィルタでは線１０ａ，１０ｂの線径ｄ＝２０μｍ程度、貫通孔１０ｃのサイズである目開きＤ＝２０μｍ程度、流体ろ過速度は０．００１−０．１ｍ／ｓであり、これに対して慣性フィルタでは、線径ｄ＝５−２０μｍ、目開きＤ＝４０−３００μｍ、流体ろ過速度は１−１００ｍ／ｓである。なお、目開きとは、通過できる球状粒子の最大直径をいい、分級精度に重要なのが、目開きの均一性である。

この目開き率が上記範囲内であると、フィルタ強度が高く、また、圧力損失が少なく、流体流量を多くすることができるので好ましい。

上記メッシュ状の粒子分級用シートとしては、プラスチック繊維を織ったものとしては、ナイロンメッシュ、ポリエステルメッシュ、ポリプロピレンメッシュ、テフロン（登録商標）メッシュ、ポリエチレンメッシュを例示することができる。また、カーボンファイバを織り込んだナイロンメッシュ、カーボンファイバを織り込んだナイロンメッシュ等、２種以上の繊維で織られた繊維を例示することができる。金属繊維としては、ＳＵＳ等を織ったメッシュ状フィルタを例示することができる。また、金属膜をエッチングする等により、多数の微小貫通孔を設けた金属膜も使用することができる。

以上のようにメッシュ状は、一定面積あるいは単位長当たりに規則的に複数の分級用の微小貫通孔が開けられた形状である。そして本実施形態では、粒子分級用シート９は縮径貫通孔５ｄの下流側開口の内径よりも大きいシート面積を有しているので、該縮径貫通孔５ｄの下流側開口にその一部９ａがナノ粒子分級を行う部分として設置されるだけであるから、粒子分級用シート９の外周部付近で起こり得る、メッシュのほつれなどによる微小貫通孔の不均一性や、粒子分級用シート９の外周部と円柱状プレート５ｂとの隙間などが、当該一部９ａでの分級精度に影響を与えることが少なくなる。

以上の構成において、粗粒子除去用慣性フィルタ３の縮径貫通孔３ｂは流体下流側方向へ直径が小さくなっていくので、流体は徐々に加速した後、定径貫通孔３ｃを一定速度で通過し、この通過の際に粗粒子を捕集する。この定径貫通孔３ｃは金属繊維３ｄが層状になったフィルタ構造になっているので、気体の流速、繊維径の選択に用いることができるストークス数Ｓｔｋと、ペクレ数Ｐｅと、を適用することができる。ストークス数Ｓｔｋは、金属繊維構造のフィルタ内での、気体の流れに対する粒子の追従性を表す無次元の値である。その式は省略する。ストークス数Ｓｔｋは、流速、粒子密度に比例し、粒径の２乗に比例し、繊維径に反比例する。

ストークス数Ｓｔｋの式によると、気体の流速が大きくなるに従い、粒径が大きい浮遊粒子から順に気体の運動に追従できなくなり、気体の流路から外れて金属繊維と衝突するようになる。このストークス数Ｓｔｋを参考にしつつ、気体の流速を制御することと、繊維径を選択することとにより、捕集目的の粒子の粒径を選択することができる。実施の形態では金属繊維の繊維径は極めて小さいので、インパクタほど流速を大きくする必要がない。また、金属繊維は、粒子の慣性だけではなく、さえぎり、重力、静電気力、拡散などの捕集機構によっても粒子を捕集することができる。

ペクレ数Ｐｅは、気流により粒子が運ばれる効果と、拡散によって粒子が運ばれる効果との比率を表す数であり、流速、繊維径に比例し、拡散係数に反比例する。拡散の影響を少なくするには、ペクレ数Ｐｅを大きくする必要がある。粒径が小さいほど、拡散係数が大きくなり、繊維径は小さい値が選択されているので、流速を高めることが粒径の選択性を高めることに好ましいことがわかる。以上から、流速、繊維径等を選択することで、目的とする粒子を金属繊維により捕集ないし分級することができる。

そして、実施の形態では、特に、粗粒子除去用慣性フィルタ３の定径貫通孔３ｃ内の金属繊維３ｄの充填量調整により、当該粗粒子除去用慣性フィルタ３の定径貫通孔３ｃ内部の空隙率調整を行うことと、金属繊維３ｄの繊維径とにより、定径貫通孔３ｃ内における気流流通性を大きく低下させず圧損を小さく抑制した結果、小型の気流吸引ポンプで小流量吸引しても粗粒子除去に必要な粒子慣性効果を得られるようにしている。

次に、実施形態の特徴であるナノ粒子分級用慣性フィルタ５の粒子分級用シート９により、ナノ粒子を分級することができるが、この粒子分級用シート９がメッシュ状になっているので、流体圧力が作用しても流体通過方向に圧縮されるようなことがなく、また、メッシュ状により空間率、空間形状も均一化し、これにより分級特性をシャープにすることができる。また、粒子分級用シート９の充填率を均一にすることができるので、分級径を制御しやすいうえに、粒子分級用シート９を例えば多層に積層することで分級径を現場で容易に調整することができるようになる。

また、粒子分級用シート９における流体の流通性はほとんど低下するようなことがないので、吸引ポンプとしても小型のもので小流量吸引しても圧損を小さく抑制しつつ、ナノ粒子分級に必要な粒子慣性効果を得ることができるようになる。

図１で示すナノ粒子分級用慣性フィルタ５における円柱状プレート５ｂを図５（ａ１）−（ｃ１）でそれぞれ示すように流量調整ノズル１３ａ−１３ｃとして別の流量調整ノズルと交換可能として、流量調整を行うことができるようにしている。各流量調整ノズル１３ａ−１３ｃそれぞれの下端開口側には、それぞれ粒子分級用シート１５ａ−１５ｃが配置されている。この粒子分級用シート１５ａ−１５ｃの外周にはＯリング１７ａ−１７ｃが配置され、これにより図中矢印で示す流体通過路は外部から密封されている。

図５（ａ１）の流量調整ノズル１３ａを備えた慣性フィルタ５ａの場合は、縮径貫通孔１３ａ１の流体通過方向単位長さ当たりの縮径率は通常であり、流体流速は基準流速となっている。これにより、図５（ａ２）で横軸に粒径、縦軸に捕集効率をとると、その捕集特性はｃ１で示すようになる。そして、図５（ｂ１）で示す流量調節ノズル１３ｂを備えた慣性フィルタ５ｂの場合、流量調整ノズル１３ｂ１の縮径貫通孔１３ｂ１の縮径率が大きく、流体流速が大きくなるので、図５（ｂ２）で示すように捕集効率はｃ１からｃ２になり、５０％カットオフ（分級）径が小さくなる。また、図５（ｃ１）で示す流量調節ノズル１３ｃを備えた慣性フィルタ５ｃの場合、流量調整ノズル１３ｃ１の縮径貫通孔１３ｃ１の縮径率が小さく、流体流速が小さくなるので、図５（ｃ２）で示すように捕集効率はｃ１からｃ３になり、分級径が大きくなる。

すなわち、使用流量が一定の場合、流量調整ノズルを１３ａ−１３ｃに組み替えることにより分級径を段階的に変更し、これにより粒径分布が分かり、また、流量が相違する装置に接続しても、流体通過速度を一定にすることで、分級径を一定にすることができる。これは特定用途で分級径が一定であるべき用途例えば環境測定で用いると有用である。

図６を参照して流量調整ノズルによる流量調整を説明すると、図６（ａ１）に示す慣性フィルタ２５ａでは流量調整ノズル１９ａと、粒子分級用シート２１ａと、Ｏリング２３ａとを有する。図６（ａ２）は流量調整ノズル１９ａの表面、図６（ａ３）は同流量調整ノズル１９ａの裏面を示す。これに対して図６（ｂ１）に示す慣性フィルタ２５ｂでは流量調整ノズル１９ｂと、粒子分級用シート２１ｂと、Ｏリング２３ｂとを有する。図６（ｂ２）は流量調整ノズル１９ｂの表面、図６（ｂ３）は同流量調整ノズル１９ｂの裏面を示す。なお、矢印は流体通過方向を示す。

図６（ａ１）の慣性フィルタ２５ａでは流量調整ノズル１９ａにおける縮径貫通孔２７ａが１つであるのと比較して、図６（ｂ１）の慣性フィルタ２５ｂでは流量調整ノズル１９ｂにおける縮径貫通孔２７ｂが複数であるので、分級特性を一定にして流量をより多く増加させることができるようになる。

図７を参照して本発明の別の実施形態にかかる粒子分級装置を説明する、この粒子分級装置２９においては、図１のそれと同様に、粗粒子除去用慣性フィルタ３１と、ナノ粒子分級用慣性フィルタ３３と、粒子捕集／装置導入部３５とを有する一方で、ナノ粒子分級用慣性フィルタ３３に配置される粒子分級用シート３７が複数の粒子分級用シート３７ａ−３７ｃで積層されて構成されている。そしてこのように粒子分級用シート３７ａ−３７ｃの積層構造とされている場合、図８で横軸に粒子分級用シートの積層枚数、縦軸に５０％カットオフ径（分級径）とした分級特性で示すように積層枚数が増加すると、分級径が小さくなるので、このことを利用して、分級径を現場で調整することができる。なお、３９はナノ粒子分級用慣性フィルタ３３における流量調整ノズルである。また、図７では粒子分級用シート３７の枚数は図解の都合で、３枚で示すものであり、３枚にはなんら限定されない。

図９（ａ）にナノ粒子分級用慣性フィルタ４１を示し、図９（ｂ）にその分解構成を示す。このナノ粒子分級用慣性フィルタ４１は、フィルタケース４３内部に組み替え可能な流量調整ノズル４５と、組み替え可能な複数の粒子分級用シート４７ａ−４７ｃと、組み替え可能な複数の介装スペーサ４９ａ−４９ｃと、を含む。

粒子分級用シート４７ａ−４７ｃは、所定のシート厚さを有すると共に流量調節ノズル４５の下流側開口の円形状の面積より大きい円形状のシート面積を有し、そのうちの一部が流量調節ノズル４５の下流側開口に対向していると共に、介装スペーサ４９ａ−４９ｃは粒子分級用シート４７ａ−４７ｃに対して交互に積層され、それぞれ、粒子分級用シート４７ａ−４７ｃと同じ円形状で同面積であると共に同程度のスペーサ厚さを有して流量調節ノズル４５の下流側開口と同径の貫通孔５０ａ−５０ｃが形成されている。これにより、介装スペーサ４９ａ−４９ｃの積層構造によるこれら貫通孔５０ａ−５０ｃの集合により流体流速を一定とする貫通孔を構成することができる。

以上により図９（ａ）（ｂ）で示すナノ粒子分級用慣性フィルタ４１にあっては、それぞれを構成する部品が組み替え可能であるので、それらの組み換えで流体流速を制御したり分級を制御したりすることが容易にできるようになる。

図１０を参照して図９（ａ）（ｂ）に示すナノ粒子分級用慣性フィルタ４１で複数の粒子分級用シート４７ａ−４７ｃと、組み替え可能な介装スペーサ４９ａ−４９ｃと、を組み替えることで分級径を制御する例を説明する。図１０（ａ１）に粒子分級用シートが４７ａ−４７ｃの３枚、介装スペーサが４９ａ−４９ｃの３枚の慣性フィルタ５１、図１０（ａ２）に分級特性ｃ４を示す。図１０（ｂ１）に粒子分級用シートが４７ａ−４７ｅの５枚、介装スペーサが４９ａ−４９ｄの４枚の慣性フィルタ５３、図１０（ｂ２）に分級特性ｃ５を示す。図１０（ｃ１）に粒子分級用シートが４７ａ，４７ｂの２枚、介装スペーサが４９ａ，４９ｂの２枚の慣性フィルタ５５、図１０（ｃ２）に分級特性ｃ６を示す。図１０（ｄ）に粒子分級用シートの枚数を横軸、分級を縦軸とする分級径特性を示す。この図１０（ｄ）で示すように、粒子分級用シートの積層枚数が増加すると、分級径が小さくなることがわかる。

図１１を参照して流量調整ノズルおよび介装スペーサにより分級径を制御する例を説明する。図１１（ａ１）に基準流速を与える流量調整ノズル４５ａ、粒子分級用シート４７ａ−４７ｃ、および介装スペーサ４８ａ１−４８ａ３の慣性フィルタ５７、図１１（ａ２）に慣性フィルタ５７の分級特性ｃ７を示す。この分級特性ｃ７は流量調節ノズル４５ａが備える縮径貫通孔５１ａの流体通過方向での単位長さ当たりの直径の縮径率および介装スペーサ４８ａ１−４８ａ３により与えられるものであり、これを基準流体流速とする。そして図１１（ｂ１）に基準流速より大きい流速を与える流量調整ノズル４５ｂ、粒子分級用シート４７ａ−４７ｃおよび介装スペーサ４８ｂ１−４８ｂ３の慣性フィルタ５９、図１１（ｂ２）に慣性フィルタ５９の分級特性ｃ８を示す。この流量調節ノズル４５ｂの縮径貫通孔５１ｂの縮径率は大きく、および介装スペーサ４８ｂ１−４８ｂ３の貫通孔径は小さい、そのため、流体流速が上記基準流体流速よりも大きく流体中のナノ粒子の慣性衝突効果が大きくなる結果、この分級特性はｃ７からｃ８になり、より粒径が小さいナノ粒子を捕集することができるようになる。

図１１（ｃ１）に基準流速より大きい流速を与える流量調整ノズル４５ｃ、粒子分級用シート４７ａ−４７ｃおよび介装スペーサ４８ｃ１−４８ｃ３の慣性フィルタ６１、図１１（ｃ２）に慣性フィルタ６１の分級特性ｃ９を示す。この流量調節ノズル４５ｃの縮径貫通孔５１ｃの縮径率は小さく、および介装スペーサ４８ｃ１−４８ｃ３の貫通孔径は大きい、そのため、流体流速が上記基準流体流速よりも小さく流体中のナノ粒子の慣性衝突効果が小さくなる結果、この分級特性はｃ７からｃ９になる。

これらの図で明らかであるように、流量調整ノズル４５ａ−４５ｃおよび介装スペーサ４８ａ１−４８ａ３，４８ｂ１−４８ｂ３，４８ｃ１−４８ｃ３の組み換えで、分級径を制御することができることがわかる。

図１２を参照して介装スペーサで分級径を制御する例を説明する。図１２（ａ１）に基準空間率を与える介装スペーサ４９ａ１−４９ｃ１の慣性フィルタ６３、図１２（ａ２）に慣性フィルタ６３の分級特性ｃ９を示す。この慣性フィルタ６３における空間率を基準空間率とする。この慣性フィルタ６３における介装スペーサ４９ａ１−４９ｃ１それぞれのスペーサ厚さを例えばｔとする。全体では介装スペーサ４９ａ１−４９ｃ１により構成される定径貫通孔長さは、３ｔである。４７ａ−４７ｃは粒子分級用シートである。

そして図１２（ｂ１）に介装スペーサ４９ａ２−４９ｃ２の慣性フィルタ６５、図１２（ｂ２）に慣性フィルタ６５の分級特性ｃ１０を示す。この慣性フィルタ６５の場合、介装スペーサ４９ａ２−４９ｃ２それぞれのスペーサ厚さは例えば２ｔであり、そのため、慣性フィルタ６３と比較して介装スペーサ４９ａ２−４９ｃ２により構成される定径貫通孔長さは、６ｔである。そのため、空間率が大きく（充填率は小）となり、分級特性はより粒径が小さいナノ粒子を捕集することができる。

図１２（ｃ１）に介装スペーサ４９ａ３−４９ｃ３の慣性フィルタ６７、図１２（ｃ２）に慣性フィルタ６７の分級特性ｃ１１を示す。この慣性フィルタ６７の場合、介装スペーサ４９ａ３−４９ｃ３それぞれのスペーサ厚さは例えば０．５ｔであり、そのため、慣性フィルタ６３と比較して介装スペーサ４９ａ３−４９ｃ３により構成される定径貫通孔長さは、１．５ｔである。そのため、空間率が小さく（充填率は大）となる。これらの図で明らかであるように、介装スペーサの組み換えで、分級径を図１２（ａ２）（ｂ２）（ｃ２）のように制御することができることがわかる。

図１３を参照して流量調整ノズルと介装スペーサとによる流量調整を行う例を説明する。図１３（ａ１）の慣性フィルタ６９は、流量調整ノズル５０ａ、粒子分級用シート５２ａ−５２ｃ、介装スペーサ５４ａ１−５４ｃ１を有する。図１３（ａ２）に流量調整ノズル５０ａの平面、裏面の構成を示し、図１３（ａ３）に介装スペーサ５４ａ１−５４ｃ１の平面構成を示す。流量調整ノズル５０ａ、粒子分級用シート５２ａ−５２ｃ、介装スペーサ５４ａ１−５４ｃ１は、それぞれ流体通過方向に直交する面内での外形寸法は同じである。粒子分級用シート５２ａ−５２ｃは、流量調節ノズル５０ａ、介装スペーサ５４ａ１−５４ｃ１に交互に挟まれた状態で積層されている。介装スペーサ５４ａ１−５４ｃ１にはそれぞれ流量調整ノズル５０ａの縮径貫通孔７０の下流側開口と同径の単一貫通孔７０ａ−７０ｃが形成されており、それら単一貫通孔７０ａ−７０ｃは同一位置で流体通過方向Ａ０で重なっている。

図１３（ｂ１）の慣性フィルタ７１は、流量調整ノズル５０ｂ、粒子分級用シート５２ａ−５２ｃ、介装スペーサ５４ａ２−５４ｃ２とを有する。図１３（ｂ２）に流量調整ノズル５０ｂの平面、裏面の構成を示し、図１３（ｂ３）に介装スペーサ５４ａ２−５４ｃ２の平面構成を示す。流量調整ノズル５０ｂ、粒子分級用シート５２ａ−５２ｃ、介装スペーサ５４ａ２−５４ｃ２は、それぞれ流体通過方向に直交する面内での外形寸法は同じである。粒子分級用シート５２ａ−５２ｃは、流量調節ノズル５０ｂ、介装スペーサ５４ａ２−５４ｃ２に交互に挟まれた状態で積層されている。流量調節ノズル５０ｂには、複数の縮径貫通孔７０が形成され、介装スペーサ５４ａ２−５４ｃ２にはそれぞれ流量調整ノズル５０ｂの複数の縮径貫通孔７０´それぞれの下流側開口と対応しかつそれと同径の複数の貫通孔７０ａ−７０ｃが形成されており、それら複数の貫通孔７０ａ−７０ｃはそれぞれ同一位置で流体通過方向Ａ１−Ａ３で重なっている。

これらの図１３（ａ１）の慣性フィルタ６９と図１３（ｂ１）の慣性フィルタ７１は、流体通過方向における貫通孔の数が相違しているが、図１３（ａ１）の慣性フィルタ６９の流体通過方向Ａ０での流体流速と、図１３（ｂ１）の慣性フィルタ７１の流体通過路Ａ１−Ａ３それぞれの流体流速は、一定で同じとして、慣性フィルタ６９の流量よりも慣性フィルタ７１の流量をより多くすることができる。

図１４を参照して実施形態の慣性フィルタの実用例を説明する。図１４において横軸に空気力学径、縦軸に捕集効率をとる慣性フィルタの分級特性を示す。ｃ１２は理論値による分級特性であり、黒四角◆、黒三角▲は粒子分級用シート５枚、介装スペーサ５枚を有する第１、第２慣性フィルタであり、×は粒子分級用シート５枚、介装スペーサ２０枚を有する第３慣性フィルタである。ΔＰ＝４．１４、４．３４、５．４１（ｋＰａ）は各第１−第３慣性フィルタの初期圧力損失であり、ｃｕｔ−ｏｆｆ径＝１６５，１６０，１３０（ｎｍ）は、各第１−第３慣性フィルタの分級径である。また、流量は１．５リットル／分である。以上から、実施形態の慣性フィルタでは、理論値と実験値とが略一致しており、良好な分級特性を有する慣性フィルタであることが判る。

図１５を参照して、製品としての慣性フィルタを示す。この慣性フィルタは、２つの円筒状雌雄一対のコネクタ８０，８１を備え、一方の雄コネクタ８０の先端凸部８０ａを他方の雌コネクタ８１の凹部８１ａに入れ込むことで内部に矢印方向の流体通過路を構成する。そして、この状態で雌コネクタ８１の外周螺旋溝８１ｂに雄コネクタ８０側からナット８２を回し込むことで、該ナット８２で両コネクタ８０，８１を締結した構造となっている。そして、雄コネクタ８０の先端凸部８０ａの内部に矢印方向に縮径する貫通孔８０ｂと、複数の粒子分級用シート８０ｃおよび介装スペーサ８０ｄを設けた構成となっている。

以上説明したように本実施形態では、複数の粒子分級穴を一様な配列態様で有する粒子分級用シートを具備し、この粒子分級用シートの面積を、それが設置される位置における流体通過面積よりも大きくすると共に、かつ、その一部を当該流体通過路を粒子分級のため流体通過方向で２つに隔てる隔壁状に設置した慣性フィルタ構成であるので、定径貫通孔内に繊維を詰め込んだ慣性フィルタとは異なり、意図した初期分級性能を得やすく、かつ、長期にわたり分級特性が安定した慣性フィルタを提供することができる。特に、従来のように定径貫通孔に繊維を詰め込んだ場合のように、繊維の充填密度、配向、空間形状が不均一なため初期分級特性が制御し難いことはなく、また、分級動作中に気流から受ける圧力で繊維が流体通過方向に圧縮されて安定した分級が難しくなることはなく、また、繊維からシートに代わったのでフィルタ洗浄も容易となり、慣性フィルタの再利用も容易となる、など、意図した初期分級性能を得やすく、かつ、長期にわたり捕集効率が低下しにくく安定した粒子分級を行うことができる慣性フィルタを提供することができる。

１ 粒子分級装置
３ 粗粒子除去用慣性フィルタ
５ ナノ粒子分級用慣性フィルタ
９ 粒子分級用シート

Claims (15)

1. ナノ粒子を含む流体が通過する流体通過路に設置されて、該流体通過路内のナノ粒子を粒子慣性効果により捕集すると共に上記流体流速が大きくなる程、より小さな粒径のナノ粒子を捕集する慣性フィルタであって、
   当該慣性フィルタは、
   上記流体通過路上流側に配置されると共に該流体通過方向に内径が縮径する貫通孔を有し該貫通孔の形態により該流体通過路内の流体流速を調整する流量調整ノズルと、
   上記流量調整ノズルよりも流体通過路下流側に配置されかつ粒子慣性効果によりナノ粒子を捕集するための複数の粒子分級穴を一様な配列態様で有すると共に上記流量調整ノズルの貫通孔の下流側開口よりも大きいシート面積を有しかつそのシートが該下流側開口全面を塞ぐ様に当該流体通過路を流体通過方向において２つに隔てる隔壁状に設置された粒子分級用シートと、
   を具備し、
   上記流量調整ノズルを
   該貫通孔の数が相違する他の流量調整ノズルと組み替えることで流量調整を可能とした、ことを特徴とする慣性フィルタ。
2. 上記粒子分級用シートは、流体通過方向において単一のシートで構成されている、請求項１に記載の慣性フィルタ。
3. 上記粒子分級用シートは、流体通過方向において複数枚になって積層されている、請求項１に記載の慣性フィルタ。
4. 上記粒子分級用シートは、上記粒子分級穴として多数の貫通孔をメッシュ状の配列態様で備えたシートである、請求項１ないし３のいずれかに記載の慣性フィルタ。
5. 上記粒子分級用シートは、線径が５−２０μｍ、目開きが４０−３００μｍのメッシュ状シートである、請求項４に記載の慣性フィルタ。
6. 上記粒子分級用シートを繊維径、目開き、空間率、空間形状などの相違する他の粒子分級用シートと組み替え可能に配置した、請求項１ないし５のいずれかに記載の慣性フィルタ。
7. 複数の粒子分級用シートの流体通過方向間に介装スペーサを介装して積層すると共に、当該介装スペーサを貫通孔の径が相違する他の介装スペーサと組み替え可能に配置した、請求項１ないし６のいずれかに記載の慣性フィルタ。
8. 上記粒子分級用シートを、少なくとも繊維径、目開き、空間率、空間形状で相違する他の粒子分級用シートと組み替えることで分級制御可能とした、請求項７に記載の慣性フィルタ。
9. 上記粒子分級用シートの積層枚数制御で分級制御可能とした、請求項７に記載の慣性フィルタ。
10. 上記介装スペーサの積層枚数制御で分級制御可能とした請求項７に記載の慣性フィルタ。
11. 上記介装スペーサを貫通孔の径が相違する他の介装スペーサと組み替え可能として流速調整可能とした、請求項７に記載の慣性フィルタ。
12. 上記介装スペーサのスペーサ厚さ制御で分級制御可能とした請求項７に記載の慣性フィルタ。
13. 上記流量調整ノズルの流路数およびこれに対応する介装スペーサの貫通孔数の制御で流量調整可能とした請求項７に記載の慣性フィルタ。
14. ナノ粒子を含む流体が通過する流体通過路に設置されて、該流体通過路内のナノ粒子を粒子慣性効果により捕集すると共に上記流体流速が大きくなる程、より小さな粒径のナノ粒子を捕集する慣性フィルタであって、
    当該慣性フィルタは、
    上記流体通過路上流側に配置されると共に該流体通過方向に内径が縮径する貫通孔を有し該貫通孔の形態により該流体通過路内の流体流速を調整する流量調整ノズルと、
    上記流量調整ノズルよりも流体通過路下流側に配置されかつ粒子慣性効果によりナノ粒子を捕集するための複数の粒子分級穴を一様な配列態様で有すると共に上記流量調整ノズルの貫通孔の下流側開口よりも大きいシート面積を有しかつそのシートが該下流側開口全面を塞ぐ様に当該流体通過路を流体通過方向において２つに隔てる隔壁状に設置された粒子分級用シートと、
    を具備し、
    上記流量調整ノズルを
    該貫通孔の縮径率が相違する他の流量調整ノズルと組み替えることで、流体流速調整を可能とした、ことを特徴とする慣性フィルタ。
15. 流体通過方向上流側に非圧縮性繊維を充填した慣性フィルタを粗粒子除去用として配置し、下流側に、請求項１ないし１４のいずれかに記載の慣性フィルタをナノ粒子分級用として配置した、ことを特徴とする粒子分級装置。

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