JP4832473B2 - 凝縮核計数器 - Google Patents

Description

本発明は、凝縮核計数器に係り、より詳しくは、作動流体(Working Fluid)として水を用いて多量の微粒子を効率よく測定することが可能な凝縮核計数器に関する。

凝縮核計数器は、飽和器(Saturator)、凝縮器(Condenser)および光学粒子計数器(Optical Particle Counter、ＯＰＣ)から構成されており、微粒子の個数と粒径の測定に用いられている。凝縮核計数器の飽和器は、エアロゾル(Aerosol)、すなわち微粒子が浮遊している気体の飽和のために作動流体を収容している。作動流体としては、例えばアルコール、ブタノール、イソプロピルアルコールなどのアルコール系とエチレングリコールなどの有機化合物が使用されている。

飽和器は、ヒーターの加熱によって周囲の温度より高い温度に維持される。これにより、飽和器に収容されている作動流体は蒸発する。微粒子の浮遊している気体が飽和器に流入すると、気体は作動流体によって飽和して飽和気体になり、飽和気体は飽和器から凝縮器に供給される。作動流体の一例としてアルコールが使用される場合、飽和器の温度は約３５℃、凝縮器の温度は約１０℃にそれぞれ維持される。凝縮器では飽和気体が温度の低下によって過飽和気体になる。飽和気体の凝縮は、微粒子を核として液滴が成長する形で起きる。成長した液滴は光学粒子計数器に供給される。凝縮器における飽和気体の拡散速度が温度伝達速度より速くなると、飽和気体は微粒子の周囲で凝縮せず、凝縮器の壁面でのみ凝縮する。光学粒子計数器は、液滴の検出によって微粒子の個数と粒径を測定する。

凝縮核計数器の作動流体としては人体に無害で匂いと汚染物質の発生がない水を使用することが多くの利点を持つ。ところが、従来の技術の凝縮核計数器において水を作動流体として使用すると、水蒸気は低温の凝縮器の壁面でのみ凝縮が発生し、微粒子を核とする凝縮は発生しないため、微粒子がそのまま排出される。凝縮していない微粒子は光学粒子計数器によって検出できないという問題点がある。

従って、従来の技術に係る凝縮核計数器は作動流体として有機化合物を使用している。有機化合物は、人体に有害であるうえ、匂いが多く発生するという問題点がある。その上、引火物質である有機化合物の取り扱いに多くの難しさを伴っている。特に、半導体の製造工程において、凝縮核計数器の作動流体としてアルコール系の有機化合物が使用される場合、有機化合物が汚染物質として作用して不良の原因となっている。有機化合物は、気体に含まれている水分を吸収するため、長時間使用の際に凝縮核計数器の性能を低下させる。よって、有機化合物は周期的に交換しなければならないという厄介な問題点がある。

従来の凝縮核計数器は、エアロゾルの測定容量が決定されているため、ある一つの場所で多量のエアロゾルを測定するためには多数台の凝縮核計数器が使用されなければならないという厄介で不便な問題点がある。また、多数台の凝縮核計数器が使用されるとき、各凝縮核計数器の飽和器と凝縮器の温度を均一に制御することが非常に困難であるという問題点がある。飽和器と凝縮器の温度差が大きければ、微粒子の測定から得られるデータの信頼性が低下する。

そこで、本発明は、上述した従来の技術の様々な問題点を解決するために創案されたもので、その目的とするところは、凝縮器チューブの内面が親水性層から構成されることにより、作動流体として水を使用することが可能な凝縮核計数器を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の一特徴によれば、微粒子の浮遊している気体を作動流体によって飽和させて飽和気体を生成する飽和器と、飽和器の下流に連結されており、飽和器から供給される微粒子を核として液滴が生成されるように飽和気体を凝縮させる凝縮器と、凝縮器の下流に連結されており、凝縮器から供給される液滴を光学的に検出する光学粒子計数器とを含んでなる凝縮核計数器において、凝縮器は、飽和器と光学粒子計数器とを連結する凝縮器チューブを有し、凝縮器チューブの内側には飽和気体が流れるように親水性チューブが取り付けられている、凝縮核計数器を提供する。

また、親水性チューブは酸化チタン層からなり、作動流体は水からなることを特徴とする。

上述したように、本発明に係る凝縮核計数器によれば、凝縮器チューブの内面に親水性物質をコーティングまたはプラズマ表面改質によって形成することにより、或いは親水性チューブを設置することにより、作動流体として水を使用することができるとともに、光学的な方法で微粒子を容易かつ正確に測定することができるという効果がある。

以下に添付図面を参照しながら、本発明に係る凝縮核計数器の好適な実施の形態について詳細に説明する。

まず、図１を参照すると、本発明の凝縮核計数器は、微粒子Ｐの浮遊している気体を作動流体によって飽和させて飽和気体を生成する飽和器１０、飽和気体を凝縮させる複数の凝縮器２０、および微粒子Ｐの個数と粒径を光学的に検出して算出する複数の光学粒子計数器３０から構成されている。

飽和器１０は、作動流体Ｗが収容されるプール(pool)１１を備えている。プール１１は、エアロゾル、すなわち微粒子Ｐの浮遊している気体が導入される飽和器１０の入り口１２と連結されている。プール１１の一方には飽和気体の流れを誘導する飽和器チューブ１３が連結されており、飽和器チューブ１３は飽和気体を排出するための出口１４を有する。作動流体Ｗの水位は、作動流体Ｗの液面上に気体の流れが誘導されるように入り口１２および出口１４より低く維持されている。飽和器１０の外側にはヒーター１５が取り付けられている。ヒーター１５は、プール１１に収容されている作動流体Ｗが蒸発するように熱を加える。飽和器チューブ１３の内面には、作動流体Ｗの蒸発を促進させることができるようにプール１１の作動流体Ｗを吸収する吸収部材１６が取り付けられている。作動流体Ｗとしては、水、アルコール系などが使用できるが、好ましくは水である。

図１〜図３を参照すると、凝縮器２０は、飽和器１０の下流に連結されており、飽和器１０から供給される微粒子Ｐを核として液滴Ｄが生成されるように飽和気体を凝縮させる。凝縮器２０は、飽和器１０の出口１４と連結されている凝縮器チューブ２１を備えている。凝縮器チューブ２１の外面には、凝縮器チューブ(Condenser Tube)２１を降温させる冷却手段として熱電冷却素子(Thermo Electric Cooler)２２が取り付けられている。冷却手段は、凝縮器チューブ２１の外面を取り囲む冷却チャンバー(Cooling Chamber)と、冷却チャンバーに冷媒を供給して凝縮器チューブ２１を降温させる冷凍サイクル(Refrigerating Cycle)を有する冷却装置とから構成できる。

凝縮器チューブ２１の内面には、作動流体Ｗとして水が使用できるようにするために親水性チューブ２３が取り付けられている。親水性チューブ２３は、酸化チタン（ＴｉＯ_２）または親水性ポリマーから構成できる。また、凝縮器チューブ２１の内面には、親水性物質、例えば酸化チタン（ＴｉＯ_２）層がコーティングまたはプラズマ表面改質によって形成できる。プラズマ表面改質は、公知のプラズマ表面改質装置のプラズマを用いて凝縮器チューブ２１の内面に酸化チタン層を形成する。

図４を参照すると、親水性チューブ２３は、複数の気孔２３ａを有する多孔性チューブから構成されている。多孔性チューブは、酸化チタンまたは親水性ポリマーなどから構成され、或いは親水性−疎水性を持つ物質、例えばゼオライトなどから構成される。

図１に示すように、光学粒子計数器３０は、凝縮器２０の下流に連結されており、凝縮器チューブ２１から供給される液滴Ｄを光学的に検出して微粒子Ｐの個数と粒径を算出する。光学粒子計数器３０は、ハウジング３１、光源３２、第１レンズ群３３、第２レンズ群３４、光検出器３５およびコンピュータ３６から構成されている。

ハウジング３１のセンシング体積（空間）(Sensing Volume)３１ａは入り口３１ｂと出口３１ｃに連結されており、ハウジング３１の入り口３１ｂには凝縮器チューブ２１が連結されている。光源３２はハウジング３１の一側に取り付けられており、光源３２から出力される光は第１レンズ群３３を介してハウジング３１のセンシング体積３１ａに投射される。ハウジング３１のセンシング体積３１ａに投射される光はハウジング３１の他側に取り付けられている第２レンズ群３４によって集光され、第２レンズ群３４を介して集光される光は光検出器３５によって検出される。

光検出器３５は、検出される光信号を出力してコンピュータ３６に入力する。コンピュータ３６は、光検出器３５から入力される光信号をプログラムによってプロセシングして微粒子Ｐの個数と粒径を算出する。光検出器３５は、液滴Ｄの位置データを獲得するためにイメージセンサ、例えば電荷結合素子カメラ（ＣＣＤカメラ）またはクアドラチャー検出器(Quadrature Detector)から構成できる。コンピュータ３６は、光検出器３５の光信号を処理し、微粒子Ｐの個数と粒径を算出して出力する信号処理器から構成できる。ハウジング３１の出口３１ｃには、流量の制御のための流量計４０、および気体の導入のためのエアポンプ４１が取り付けられている。

次に、このような構成を持つ本発明に係る凝縮核計数器の作用について説明する。

図１および図２を参照すると、飽和器１０のプール１１に作動流体Ｗとして水が収容される。ヒーター１５の作動によって飽和器１０の温度が約６０〜７０℃に維持されると、水が蒸発して水蒸気が生成される。エアポンプ４１の作動によって気体吸い込み力が発生すると、飽和器１０の入り口１２を介してプール１１にエアロゾル、すなわち微粒子Ｐの浮遊している気体が導入される。気体は、水蒸気によって飽和気体になった後、出口１４を介して排出される。

飽和器１０の出口１４に連結されている凝縮器２０の凝縮器チューブ２１は、熱電冷却素子２２の作動によって飽和器１０の温度より低い温度に維持される。凝縮器チューブ２１の温度は、作動流体としてアルコール系を使用する従来の技術の凝縮核計数器より約１０℃高い温度、すなわち２０℃に維持される。したがって、気体に浮遊している微粒子Ｐを核として水蒸気が凝縮しながら液滴Ｄ、すなわち水滴が生成される。飽和器１０の温度は約６０〜７０℃に維持され、凝縮器チューブ２１の温度は約２０℃に維持される。よって、液滴Ｄの生成が最適化され、エネルギーの効率が高くなる。

凝縮器チューブ２１の内面から発生する液滴Ｄは、重力によって親水性表面層２３に沿って容易に流下する。凝縮器チューブ２１の内面が疎水性を持つ場合には、液滴Ｄが、凝縮器チューブ２１の内面に沿って流下せず、凝縮器チューブ２１の内面に滞留することになる。凝縮器チューブ２１の内面に滞留する液滴Ｄは、伝熱を妨害して凝縮器チューブ２１内の温度の分布を不均一にする。したがって、凝縮器チューブ２１内における過飽和度は非常に不均一になり、微粒子Ｐを核とする液滴Ｄの成長を妨害する。

図４に示すように、親水性チューブ２３が、複数の気孔２３ａを有する多孔性チューブから構成されている場合、多孔性チューブの内面に沿って液滴Ｄが流下して液滴Ｄの滞留現象が防止される。気孔２３ａは液滴Ｄを吸収して液滴Ｄの滞留現象を効果的に防止する。

図１および図３を再び参照すると、液滴Ｄは、凝縮器チューブ２１を介して光学粒子計数器３０のセンシング体積３１ａに導入された後、センシング体積３１ａを経て出口３１ｃからハウジング３１の外に排出される。光源３２からの光は第１レンズ群３３を介してセンシング体積３１ａに投射され、投射される光はセンシング体積３１ａに沿って流れる液滴Ｄによって散乱する。液滴Ｄによって散乱する散乱光は第２レンズ群３４を介して光検出器３５に送られ、光検出器３５は光を検出して光信号を出力する。コンピュータ３６は、光検出器３５から入力される光信号をプログラムによってプロセシングして微粒子Ｐの個数と粒径を算出し、算出される微粒子Ｐの個数と粒径を例えばモニターなどのディスプレイに表示する。ハウジング３１の出口３１ｃから排出される微粒子Ｐと液滴Ｄは、フィルターのフィルタリングによって除去する。

本発明の凝縮核計数器と従来の技術の凝縮核計数器それぞれに対して性能実験を行って図５のグラフに示した。本発明の凝縮核計数器は、従来の技術の凝縮核計数器において凝縮器チューブの内面に親水性チューブとして酸化チタン層が形成されたものである。本発明の凝縮核計数器には作動流体として水が使用され、従来の技術の凝縮核計数器には作動流体としてブタノールが使用された。図５のグラフを参照すると、直径（Ｄ_Ｐ）２０ｎｍ、４０ｎｍ、６０ｎｍの微粒子の濃度が１０，０００個／ｃｍ^３の場合までは、本発明の凝縮核計数器と従来の技術の凝縮核計数器それぞれによって微粒子の個数を測定した結果がほぼ一致することが分かる。また、本発明の凝縮核計数器と従来の技術の凝縮核計数器それぞれによって微粒子の個数を測定した結果は、理論的直線(Theoritical Line)にほぼ一致することが分かる。

本発明の凝縮核計数器と従来の技術の凝縮核計数器の両方ともに作動流体として水を使用した性能実験を行って図６および図７のグラフにそれぞれ示した。図６のグラフは、流量１．０１ｐｍ(Liter Per Minute)のエアロゾルに対して直径（Ｄ_Ｐ）２０ｎｍ、４０ｎｍ、６０ｎｍの微粒子を測定した結果を示した。図７のグラフは、エアロゾルの流量をそれぞれ１．０１ｐｍ、０．８１ｐｍ、０．５１ｐｍ、０．３１ｐｍと変えて測定した結果を示す。図６および図７のグラフを参照すると、本発明の凝縮核計数器によって得られる理論的直線に対して、従来の技術の凝縮核計数器はその微粒子の計数効率が約１０％と非常に低いことが分かる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、本発明の技術的思想と特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても本発明の技術的範囲に属するものと理解されるべきである。

本発明に係る凝縮核計数器の一実施例の構成を示す断面図である。 本発明に係る凝縮核計数器の凝縮器チューブ内に親水性チューブが取り付けられている構成を示す断面図である。 本発明に係る凝縮核計数器の凝縮器チューブ内で微粒子を核として液滴が生成される状態を拡大して示す図である。 本発明に係る凝縮器計数器において親水性チューブの例として多孔性チューブが取り付けられている構成を示す断面図である。 本発明の凝縮核計数器と従来の技術の凝縮核計数器に対する性能実験の結果を示すグラフである。 本発明の凝縮核計数器と、水を作動流体として使用した従来の技術の凝縮核計数器に対する性能実験の結果を示すグラフである。 本発明の凝縮核計数器と、水を作動流体として使用した従来の技術の凝縮核計数器に対する性能実験の結果を示すグラフである。

符号の説明

１０ 飽和器、１１ プール、１３ 飽和器チューブ、１５ ヒーター、１６ 吸収部材、２０ 凝縮器、２１ 凝縮器チューブ、２２ 熱電冷却素子、２３ 親水性チューブ、３０ 光学粒子計数器、３１ ハウジング、３２ 光源、３３ 第１レンズ群、３４ 第２レンズ群、３５ 光検出器、３６ コンピュータ、４０ 流量計、４１ エアポンプ、Ｗ 作動流体、Ｐ 微粒子。

Claims (3)

1. 作動流体が収容されるプールと、前記プールに連結され飽和気体の流れを誘導する飽和器チューブと、前記飽和器チューブの内面に取り付けられ前記プールに収容される前記作動流体を吸収する吸収部材とを含み、微粒子の浮遊している気体を前記作動流体によって飽和させて前記飽和気体を生成する飽和器と、
   前記プールに収容されている前記作動流体が蒸発するように熱を加える、前記飽和器の外側に取り付けられているヒーターと、
   前記飽和器の下流に連結されており、前記飽和器から供給される前記微粒子を核として液滴が生成されるように前記飽和気体を凝縮させる凝縮器と、
   入り口、出口、および前記入口と前記出口の間に配されるセンシング体積を有するハウジングと、前記ハウジングの一側に取り付けられる第１レンズ群と、前記第１レンズ群を介して前記センシング体積に光を投射する光源と、前記ハウジングの他側に取り付けられる第２レンズ群と、前記第２レンズ群によって集光される光を検出する光検出器と、を含み、前記凝縮器の下流に連結されており、前記凝縮器から供給される前記液滴を光学的に検出する光学粒子計数器と、
   を含んでなる凝縮核計数器において、
   前記凝縮器は、前記飽和器と前記光学粒子計数器とを連結する凝縮器チューブを有し、前記凝縮器チューブを降温させる熱電冷却素子が前記凝縮器チューブの外面に取り付けられ、前記凝縮器チューブの内面には前記飽和気体が流れるように、複数の気孔を有する多孔性チューブによって形成された親水性チューブが取り付けられ、
   前記作動流体は水である、
   ことを特徴とする、凝縮核計数器。
2. 前記親水性チューブが、酸化チタンおよび親水性ポリマーのいずれかから構成されることを特徴とする、請求項１に記載の凝縮核計数器。
3. 前記飽和器の温度は前記水の蒸発のために６０〜７０℃に維持されており、前記凝縮器の温度は水蒸気の凝縮のために約２０℃に維持されていることを特徴とする、請求項１に記載の凝縮核計数器。

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