JP4830983B2 - 粒度分布測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、被測定液中の気泡粒子群の粒度分布を測定するレーザ回折・散乱式の粒度分布測定装置に関する。

レーザ回折・散乱式の粒度分布測定装置においては、媒体中に分散状態の被測定粒子群にレーザ光を照射することにより、被測定粒子群で回折・散乱されたレーザ光の空間的な強度分布を光検出素子で検出して、その測定結果からフラウンホーファ回折理論やミーの散乱理論に基づく演算を行うことによって、被測定粒子群の粒度分布を算出する。

このような粒度分布測定装置において、被測定粒子群を分散させるために媒液（例えば、水等）を使用する場合には、フローセルが使用されることがある。フローセルを使用した測定では、媒液中に被測定粒子群が均一に分散された被測定液がフローセル内を流れるようにして、フローセル内の被測定液にレーザ光を照射することになる。

ここで、フローセルを使用した粒度分布測定装置の一例について説明する。図４は、フローセルを使用した従来の粒度分布測定装置２の構成を示す図である。なお、図４中で、光学系の構成を表す模式図と、データサンプリング回路やコンピュータからなる信号処理系の構成を表すブロック図とを併記して示している。
まず、媒液Ｌが、攪拌羽根等を有する攪拌機２１２と超音波振動子２１３とを備える分散槽２１０内に媒液供給ポンプ２１１から供給されるともに、被測定粒子群Ｐも分散槽２１０内に投入される。そして、攪拌機２１２と超音波振動子２１３とを駆動させることによって、分散槽２１０内で媒液Ｌ中に被測定粒子群Ｐが均一に分散してなる被測定液Ｓが生成する。
また、分散槽２１０は、循環用配管２２１を介してフローセル２３０の下側接続口２３０ａと接続されるとともに、循環用配管２２０を介してフローセル２３０の上側接続口２３０ｂと接続されることにより、循環ポンプ２２２を駆動させることによって、被測定液Ｓが分散槽２１０内とフローセル２３０内との間を循環することになる。このとき、被測定液Ｓはフローセル２３０内を下方から上方に流れることになる。

次に、被測定液Ｓが分散槽２１０内とフローセル２３０内との間を循環した状態、つまりフローセル２３０内を被測定液Ｓが流れている状態で、レーザ光源２４１からのレーザ光を、集光レンズ２４２、空間フィルタ２４３、コリメータ２４４を介してフローセル２３０に前方向（左から右へ）に向かうように照射する。これにより、レーザ光は、フローセル２３０内の被測定粒子群Ｐで回折・散乱して、空間的に回折・散乱光の強度分布パターンが生ずることになる。この回折・散乱光のうち、フローセル２３０から略前方向への回折・散乱光は、集光レンズ２５１を介して前方散乱光センサ（光検出素子）２５２の受光面上に集光されて、リング状の回折・散乱像を結ぶ。また、フローセル２３０から側方（後上方向）への散乱光は、側方散乱光センサ（光検出素子）２５３によって検出され、フローセル２３０から後方（後下方向）への散乱光は、複数の後方散乱光センサ（光検出素子）２５４によって検出されることになる。

このようにして各光センサ２５２、２５３、２５４で検出される光の強度分布は、各光センサ２５２、２５３、２５４の出力信号を増幅するアンプ及びその増幅信号をデジタル化するＡ−Ｄ変換器を備えるデータサンプリング回路２６０を介してコンピュータ２７０に送信される。
最後に、コンピュータ２７０では、この回折・散乱光の空間強度分布の測定データ（デジタル化された増幅信号）と、予め記憶させた被測定粒子及び媒液Ｌの屈折率とを用いて、ミーの散乱理論やフラウンホーファの回折理論に基づいた公知の演算が行われることにより、被測定粒子群Ｐの粒度分布が算出される（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−１１６１３４号公報

ところで、近年、マイクロバブル（例えば、数μｍの粒子径の気泡粒子）、ナノバブル（例えば、数十〜数百ｎｍの粒子径の気泡粒子）と呼称されるような気泡粒子を、様々な分野・目的へ応用をすることが期待されている。例えば、洗剤を気泡粒子の周りに吸着させてから、洗浄対象物に投入することにより、洗浄対象物に付着した汚れと洗剤とが接触する面積を大きくすることができ、その結果、少量の洗剤で効果的な洗浄を行うことが考えられている。そのため、気泡粒子群を発生させる気泡発生装置等の研究・開発が進められつつある。

また、気泡粒子の効果や性質は、気泡粒子の大きさ、すなわち粒子径に大きく依存することが見出されている。例えば、洗浄対象物の洗浄を行うときには、気泡粒子の粒子径が小さいほど気泡粒子の表面積が増えることになり、気泡粒子と汚れとの接触する総面積も増大することになる。つまり、粒子径が小さい気泡粒子（特に、ナノバブル）が多くあれば、少量の洗剤でより効果的な洗浄を行うことができる。そこで、気泡発生装置等の研究・開発には、気泡粒子の大きさの把握、すなわち気泡粒子群の粒度分布測定が重要になってくる。

しかしながら、気泡発生装置等で発生した気泡粒子群の粒度分布を測定する場合に、従来の粒度分布測定装置２を用いると、被測定粒子群Ｐとして気泡粒子群を、媒液Ｌで満たされている分散槽２１０に気泡発生装置等から投入して、攪拌機２１２と超音波振動子２１３とを駆動させることによって被測定液Ｓを生成させることになる。つまり、攪拌機２１２と超音波振動子２１３とが駆動することによって、分散槽２１０内の気泡粒子が破壊されることもあり、気泡発生装置等で発生したときの粒子径より小さくなった気泡粒子が含まれる被測定液Ｓが生成する。したがって、このような被測定液Ｓを分散槽２１０内とフローセル２３０内との間で循環させることにより、フローセル２３０内を流れている被測定液Ｓへレーザ光を照射して、回折・散乱光の強度分布パターンを得ても、気泡発生装置等で発生した実際の気泡粒子群の粒度分布が得られるものではなかった。

そこで、本発明は、気泡粒子を破壊せずに、フローセル内に気泡粒子群を取り込むことで、気泡粒子群の粒度分布を正確に算出することができる粒度分布測定装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するためになされた本発明の粒度分布測定装置は、フローセル内を流れる被測定液にレーザ光を照射することにより回折・散乱光の強度分布を測定して、その強度分布の測定結果から被測定液に含まれる被測定粒子群の粒度分布を算出するレーザ回折・散乱式の粒度分布測定装置であって、測定対象となるマイクロバブルまたはナノバブルの粒子径の気泡粒子を含む被測定液を供給する気泡粒子供給源を備え、前記フローセルの下側接続口と前記気泡粒子供給源とを連通するとともに、前記フローセルの上側接続口と排出ポンプとを接続し、さらに前記下側接続口と前記気泡粒子供給源との間にメッシュフィルタを備え、メッシュの大きさを調整したメッシュフィルタを設けることにより、前記気泡粒子供給源から供給される被測定液がメッシュフィルタを通過しようとする際に、前記測定対象となるマイクロバブルまたはナノバブルの上限の粒子径より粒子径が大きい気泡粒子を除去するようにし、前記下側接続口からフローセル内に被測定液を取り込み、前記上側接続口からフローセル外に被測定液を排出するようにしている。

ここで、「気泡粒子供給源」としては、例えば、気泡粒子を含んだ洗浄流体のように、気泡発生装置で発生した気泡粒子を媒液に投入することにより被測定液にして供給する供給源や、ビール等のように元々気泡が含まれる被測定液の供給源等が挙げられる。
また、「測定対象となる範囲の粒子径の気泡粒子」とは、主にナノオーダーからマイクロオーダーであって、測定を行いたい関心のある粒子径の範囲の気泡粒子をいい、関心範囲の粒子径に対しオーダーが異なる大きな粒子径の気泡粒子を除いた気泡粒子のことをいう。一般に、気泡粒子を含む被測定液にはナノオーダーからマイクロオーダー、さらにはミリオーダーまで異なる大きさの粒子径の気泡粒子が混在する。被測定液中に含まれる気泡粒子のうち、ナノバブルやマイクロバブルよりも大きな粒子径であるミリオーダーの気泡粒子は、通常はレーザ回折・散乱式の粒度分布測定では関心がなく不要な気泡粒子であり、これを除去することにより測定範囲をナノオーダーからミクロオーダーに絞り狭くすることが好ましい。それゆえ、ミリオーダーの気泡粒子は、「測定対象となる範囲の粒子径」からは除外されることが好ましい。
さらに、「下側接続口と気泡粒子供給源とを連通する」とは、下側接続口と気泡粒子供給源との間に気泡粒子を破壊するような攪拌機や超音波振動子や循環ポンプ等が存在しないように、下側接続口と気泡粒子供給源とを接続することをいう。なお、ミリオーダー以上で不要な大きい粒子径の気泡粒子を除去するようなチャンバーやメッシュフィルタ等（後述する）は、測定対象となる範囲の粒子径の気泡粒子を変化させるものではないので、気泡粒子を破壊するようなものには該当しない。

本発明の粒度分布測定装置によれば、フローセルの下側接続口と気泡粒子供給源とを連通する。また、フローセルの上側接続口と排出ポンプとを接続する。これにより、被測定液がポンプによって吐出されるのではなく吸引されることにより、下側接続口からフローセル内に被測定液を取り込み、上側接続口からフローセル外に被測定液を排出する。

本発明の粒度分布測定装置によれば、フローセルと気泡粒子供給源との間に攪拌機や超音波振動子や循環ポンプを備えず、排出ポンプをフローセルより後段に備えるため、被測定液を循環させず排出することにより、気泡粒子群の粒度分布に影響を与えないようにして、フローセル内に気泡粒子群を取り込むので、気泡粒子群の粒度分布を正確に算出することができる。
さらに、下側接続口と気泡粒子供給源との間にメッシュフィルタを備え、メッシュの大きさを調整したメッシュフィルタを設けることにより、気泡粒子供給源から供給される被測定液がメッシュフィルタを通過しようとする際に、測定対象となる範囲の上限の粒子径より粒子径が大きい気泡粒子を除去するようにしたので、これにより、気泡粒子供給源から供給された被測定液がメッシュフィルタを通過しようとする際に、大きい粒子径の気泡粒子（例えば、コンタミとなるバブル等）がメッシュフィルタを通過しないようにすることで、小さい粒子径の気泡粒子を破壊せずに、大きい粒子径の気泡粒子を測定対象から除去することができる。その結果、特に測定したい小さい粒子径（例えば、ナノバブルやマイクロバブル）に絞ることにより、気泡粒子群の粒度分布を、精度を上げて算出することができる。

また、上記発明において、前記下側接続口と気泡粒子供給源との間に大気開放されたチャンバーを備え、前記気泡粒子供給源から供給される被測定液がチャンバー内を通過する際に、測定対象となる範囲の上限の粒子径より粒子径が大きい気泡粒子を除去するようにしてもよい。
これにより、気泡粒子供給源から供給された被測定液がチャンバーを通過する際に、大きい粒子径の気泡粒子（例えば、コンタミとなるバブル等）に作用する大きな浮力により、大きい粒子径の気泡粒子を大気に導くことで、小さい粒子径の気泡粒子を破壊せずに、大きい粒子径の気泡粒子を測定対象から除去することができる。その結果、特に測定したい小さい粒子径（例えば、ナノバブルやマイクロバブル）に絞ることにより、気泡粒子群の粒度分布を、精度を上げて算出することができる。

そして、上記発明において、前記チャンバーは、チャンバー内に空気層が形成されるとともにチャンバー上部に大気開放のための空気抜穴が形成された構造であるようにしてもよい。
これにより、チャンバー内に埃が入らないようにして、大きい粒子径の気泡粒子を測定対象から除去することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。なお、本発明は、以下に説明するような実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の態様が含まれる。

図１は、本発明に係るレーザ光回折・散乱式の粒度分布測定装置１の構成を示す図である。なお、図１中で、光学系の構成を表す模式図と、データサンプリング回路やコンピュータからなる信号処理系構成を表すブロック図とを併記して示している。
フローセル３０は、下端部に下側接続口３０ａを、上端部に上側接続口３０ｂを有するものである。そして、フローセル３０の下側接続口３０ａは、配管２１を介して気泡粒子供給源１１と直接連通している。また、上側接続口３０ｂは、配管２０を介して排出ポンプ１２と接続されている。
このような構成において、排出ポンプ１２が駆動することによって、気泡粒子供給源１１内の気泡粒子群Ｐを含む被測定液Ｓが、下側接続口３０ａからフローセル３０内に流入し、そして、フローセル３０内を下方から上方へ流れ、その後、上側接続口３０ｂから流出することになる。
よって、粒度分布測定装置１では、フローセル３０と気泡粒子供給源１１との間に攪拌機や超音波振動子や循環ポンプを備えず、排出ポンプ１２をフローセル３０より後段に備えるため、気泡粒子を破壊せずに、フローセル３０内に気泡粒子群Ｐを取り込むことができるようになる。

粒度分布測定装置１の左側には、レーザ光源４１と集光レンズ４２と空間フィルタ４３とコリメータ４４とが左からこの順に配置されるとともに、粒度分布測定装置１の中央には、フローセル３０が配置される。
このような構成において、レーザ光源４１で発生されたレーザ光は、集光レンズ４２、空間フィルタ４３、コリメータ４４を通過して平行光とされ、前方向（左から右へ）に向かうようにフローセル３０に照射される。このとき、フローセル３０内には、粒度分布を測定するための被測定液Ｓが下から上へ流れるように導入されている。
これにより、レーザ光は、フローセル３０内の気泡粒子群Ｐで回折・散乱して、空間的に回折・散乱光の強度分布パターンが生ずることになる。

粒度分布測定装置１の右側には、集光レンズ５１とリングディテクタ（前方散乱光センサ）５２とが左からこの順に配置されている。
リングディテクタ５２は、互いに異なる半径を持つリング状ないしは半リング状の受光面を持つ複数（例えば、６４個）の光検出素子を、集光レンズ５１の光軸を中心とするように同心円状に配置してあり、各光検出素子には、それぞれの位置に応じた回折・散乱角度を持つ光が入射するようにしてある。したがって、各光検出素子の出力信号は、各回折・散乱角度ごとの光の強度を表すことになる。
このような構成において、前方向に対して６０°以内の回折・散乱光は、集光レンズ５１を介してリングディテクタ５２の受光面上に集光されて、リング状の回折・散乱像を結ぶようになる。

また、前方向に対して６０°を越えることになる側方（後下方向）への散乱光は、側方散乱光センサ５３によって検出される。
さらに、前方向に対して６０°を越えることになる後方（後上方向）への散乱光は、複数の後方散乱光センサ５４によって検出される。
後方散乱光センサ５４は、複数（例えば、５個）の光検出素子を、左から右へ一直線状に並ぶように配置してあり、各光検出素子には、それぞれの位置に応じた回折・散乱角度を持つ光が入射するようにしてある。したがって、各光検出素子の出力信号は、各回折・散乱角度ごとの光の強度を表すことになる。

リングディテクタ５２、側方散乱光センサ５３及び後方散乱光センサ５４の各光センサの出力信号は、アンプ、マルチプレクサ及びＡ−Ｄ変換器からなるデータサンプリング回路６０によって順次デジタル化され、汎用のコンピュータ７０に送信される。
コンピュータ７０では、リングディテクタ５２、側方散乱光センサ５３及び後方散乱光センサ５４の各光センサからの光強度データ（デジタル化された増幅信号）、つまり回折・散乱光の空間強度分布データ（強度分布の測定結果）と、予め記憶させた気泡粒子及び媒液の屈折率とを用いて、フラウンホーファ回折理論やミーの散乱理論に基づいた公知の演算が行われることによって、気泡粒子群の粒度分布が算出される。

以上のように、本発明の粒度分布測定装置１によれば、フローセル３０と気泡粒子供給源１１との間に攪拌機や超音波振動子や循環ポンプを備えず、排出ポンプ１２をフローセル３０より後段に備えるため、気泡粒子を破壊せずに、フローセル３０内に気泡粒子群を取り込むことができるので、気泡粒子供給源１１で発生した気泡粒子群Ｐの粒度分布を正確に算出することができる。

（他の実施形態）
（１）上述した粒度分布測定装置１では、フローセル３０の下側接続口３０ａは、配管２１を介して気泡粒子供給源１１と直接連通している構成としたが、フローセル３０の下側接続口３０ａと気泡粒子供給源１１との間に、チャンバー３１を備えるような構成としてもよい（図２参照）。
これにより、大きい粒子径の気泡粒子（例えば、コンタミとなるバブル等）に作用する大きな浮力により、大きい粒子径の気泡粒子を空気層３１ａに導くことで、小さい粒子径の気泡粒子を破壊せずに、大きい粒子径の気泡粒子を測定対象から除去することができる。その結果、特に測定したい小さい粒子径（例えば、ナノバブル）に絞ることにより、気泡粒子群の粒度分布を、精度を上げて算出することができる。
（２）上述した粒度分布測定装置１では、フローセル３０の下側接続口３０ａは、配管２１を介して気泡粒子供給源１１と直接連通している構成としたが、フローセル３０の下側接続口３０ａと気泡粒子供給源１１との間に、メッシュフィルタ３２を備えるような構成としてもよい（図３参照）。
これにより、大きい粒子径の気泡粒子（例えば、コンタミとなるバブル等）がメッシュフィルタ３２を通過しないようにすることで、小さい粒子径の気泡粒子を破壊せずに、大きい粒子径の気泡粒子を測定対象から除去することができ、その結果、特に測定したい小さい粒子径（例えば、ナノバブル）に絞ることにより、気泡粒子群の粒度分布を精度を上げて算出することができる。

本発明は、フローセルを用いて気泡粒子群の粒度分布を測定する場合に好適に利用できる。

本発明に係るレーザ光回折・散乱式の粒度分布測定装置の構成を示す図である。 チャンバーを備える粒度分布測定装置の一部の構成を示す図である。 メッシュフィルタを備える粒度分布測定装置の一部の構成を示す図である。 従来のレーザ光回折・散乱式の粒度分布測定装置の構成を示す図である。

１ 粒度分布測定装置
１１ 気泡粒子供給源
１２ 排出ポンプ
３０ フローセル
３０ａ 下側接続口
３０ｂ 上側接続口
Ｐ 被測定粒子群
Ｓ 被測定液

Claims (1)

1. フローセル内を流れる被測定液にレーザ光を照射することにより回折・散乱光の強度分布を測定して、その強度分布の測定結果から被測定液に含まれる被測定粒子群の粒度分布を算出するレーザ回折・散乱式の粒度分布測定装置であって、
   測定対象となるマイクロバブルまたはナノバブルの粒子径の気泡粒子を含む被測定液を供給する気泡粒子供給源を備え、
   前記フローセルの下側接続口と前記気泡粒子供給源とを連通するとともに、前記フローセルの上側接続口と排出ポンプとを接続し、
   さらに前記下側接続口と前記気泡粒子供給源との間にメッシュフィルタを備え、
   メッシュの大きさを調整したメッシュフィルタを設けることにより、前記気泡粒子供給源から供給される被測定液がメッシュフィルタを通過しようとする際に、前記測定対象となるマイクロバブルまたはナノバブルの上限の粒子径より粒子径が大きい気泡粒子を除去するようにし、
   前記下側接続口からフローセル内に被測定液を取り込み、前記上側接続口からフローセル外に被測定液を排出することを特徴とする粒度分布測定装置。