JP5170004B2 - エアロゾル微粒子計測装置 - Google Patents

Description

本発明はナノメータサイズの微粒子を含むエアロゾル中の粒子数を計数するための計測装置に関するものである。エアロゾルは、固体又は液体の微粒子が気体中に比較的安定して浮遊して存在している状態のものであり、自動車の排気ガスや工場からの排出ガスなどを含む。

従来の装置を図４に概略的に示す。
試料ガス流路２から吸入された試料ガスのエアロゾルは、スプリッタ６で分離され、その一部がエアロゾルフローキャピラリ４に導かれてエアロゾルフローとなり、残部はシースガス流路８に導かれてシースガスとなる。試料ガスがエアロゾルフローキャピラリ４の手前までは大きな流量で流されるのは、試料ガス中でのエアロゾルの拡散による微粒子の損失を防ぐためである。シースガス流路８にはフィルタ１０とその下流の可変オリフィス１２が設けられている。フィルタ１０で試料ガス中の粒子が除去されてシースガスとなり、可変オリフィス１２でシースガスの流量が調節される。シースガスは飽和器１４で飽和蒸気状態のシースフローにされ、エアロゾルフローキャピラリ４から流出するエアロゾルフローと合流した後、冷却凝縮器１６で冷却されることによりエアロゾルフロー中の微粒子がシースフローの蒸気により成長し、粒子計数器１８で粒子数が計数される。試料ガス流路２から吸入される試料ガスの流量は粒子計数器１８の下流に設けられた流量計２０で測定され、その流量が所定流量になるように排気ポンプ２２の駆動が制御される（非特許文献１参照。）。

このような計測装置で試料ガス中の微粒子数を正確に測定するためには、エアロゾルフローキャピラリ４を流れるエアロゾルフローの流量が正確に制御されなければならない。

図４の装置では、流量計２０を通過するガスの流量Ｃが一定になるようにポンプ２２の駆動が制御され、シースガス流路８を通るシースガスの流量Ｂは可変オリフィス１２により調節される。その結果、エアロゾルフローキャピラリ４を通るエアロゾルフローの流量Ａは（流量Ｃ−流量Ｂ）として設定される。

校正作業としてはエアロゾルフローキャピラリ４を通る流量Ａが目的の流量となるように可変オリフィス１２が調節される。その校正作業では装置を分解してシースガス流路８の適当な位置、例えば符号３６により示された位置、に石鹸膜流量計等の流量計を挿入し、流量Ａが目的流量となるように、可変オリフィス１２が調節される。その後、シースガス流路８に挿入した流量計を取り外し、シースガス流路８を元の状態に組み立てる。
計測時はエアロゾルフローキャピラリ４による圧力損失を圧力計２４により検出し、その値が一定値を保っておればエアロゾルフローキャピラリ４を流れるエアロゾルフローの流量が校正された一定値で維持されているものとして扱われる。
Ultrafine Condensation Particle Counter[online]、２００５年、TSI Incorporated、［平成２０年７月２５日検索］、インターネット、(ＵＲＬ：www.tsi.com/documents/3776.pdf)

図４に示されるような従来の装置では、流量Ａの校正を流量Ａの直接測定ではなく（流量Ｃ−流量Ｂ）として求めているので、精度が低くなることは避けられない。

さらに、校正のためにシースガス流路８に流量計を挿入すると、流量計での圧力損失の影響を受けるため、測定値に誤差を含むことになる。このことも校正の精度を低下させることになる。

そこで、本発明はシースガス流路８に流量計を挿入する操作を不要にするとともに、エアロゾルフローの流量を直接測定して校正できるようにすることにより、校正の精度を高めることを目的とするものである。

本発明のエアロゾル微粒子計測装置でも、試料ガス流路２から導入された試料ガスのエアロゾルはスプリッタ６に導かれる。試料ガスの一部がシースガスとして利用される計測時には、試料ガスはスプリッタ６でエアロゾルフローキャピラリ４を流れるエアロゾルフローとシースガス流路８を流れるシースフローに分離される。エアロゾルフローキャピラリ４による圧力損失を検出するために圧力計２４が設けられている。スプリッタ６の下流に配置されたシースガス流路８には、試料ガス中の粒子を除去するフィルタ１０とその下流に設けられて流量を調節する可変オリフィス１２が設けられている。シースガス流路８からのガスを飽和蒸気状態のシースフローにしてエアロゾルフローキャピラリ４から流出するエアロゾルフローと合流させる飽和器１４が設けられており、エアロゾルフローキャピラリ４からのエアロゾルフローと飽和器１４からのシースフローとの合流ガスを冷却してエアロゾルフロー中の微粒子をシースフローの蒸気により成長させる冷却凝縮器１６も設けられ、冷却凝縮器１６を通過したガス中の粒子数が粒子計数器１８により計数される。粒子計数器の下流には所定流量で排気するように駆動が制御される排気ポンプ２２が設けられている。

そして、本発明では、シースガス流路８で可変オリフィス１２の上流側に設けられ、計測時はシースガス流路８にスプリッタ６で分離された試料ガスを導入し、校正時はシースガス流路８に試料ガス流路２を経由しないガスを導入するように、シースガス流路８に流れるガスを切り替える流路切替え機構２６を備えている。また、校正時に試料ガス流路２を流れる試料ガスの流量を測定するための第１流量計２８と、校正時に第１流量計２８により測定される流量がエアロゾルフローキャピラリ４を流れるエアロゾルフローの目的流量となるように可変オリフィス１２を調節したときの圧力計２４により検出されたエアロゾルフローキャピラリ４による圧力損失を記憶しておく記憶装置３２を有する制御装置３０を備え、計測時に記憶装置３２に記憶されている圧力損失が再現されるようにしたものである。

可変オリフィス１２の調節は制御装置３０により自動的に行ってもよく、又は手動で行ってもよい。可変オリフィス１２の調節を自動的に行う形態では、制御装置３０は校正時に第１流量計２８により測定される流量がエアロゾルフローキャピラリ４を流れるエアロゾルフローの目的流量となるように可変オリフィス１２を調節し、計測時に圧力計２４により検出されるエアロゾルフローキャピラリ４による圧力損失が記憶装置３２に記憶された値になるように可変オリフィス１２を調節するものとなる。

一方、可変オリフィス１２の調節を手動で行う形態では、校正時に第１流量計２８により測定される流量がエアロゾルフローキャピラリ４を流れるエアロゾルフローの目的流量となるように可変オリフィス１２が手動で調節され、計測時に圧力計２４により検出されるエアロゾルフローキャピラリ４による圧力損失が記憶装置３２に記憶された値になるように可変オリフィス１２が手動で調節されるようになる。

排気ポンプ２２の流量調節もいくつかの形態がある。その１つの形態では、粒子計数器１８と排気ポンプ２２との間に第２流量計２０が設けられており、排気ポンプ２２は第２流量計２０により測定される流量が所定流量になるように駆動が制御される。

排気ポンプ２２の流量調節の他の形態は、排気ポンプ２２は制御部３０により自動的に駆動制御されるものである。このとき、可変オリフィス１２は手動で調節するものとなっている。校正時に可変オリフィス１２が手動で適当な流量に設定された状態で第１流量計２８により測定される流量がエアロゾルフローキャピラリ４を流れるエアロゾルフローの目的流量となるように排気ポンプ２２が制御装置３０により調節されたときの圧力計２４によるエアロゾルフローキャピラリ４での圧力損失が前記記憶装置３２に記憶され、計測時は圧力計２４により検出されるエアロゾルフローキャピラリ４による圧力損失が記憶装置３２に記憶された値になるように排気ポンプ２２が制御部３０により調節される。

第１流量計２８が校正時にのみ使用される場合には、第１流量計２８は試料ガス流路２に着脱可能に取りつけられたものとすることができる。

本発明では、校正時に第１流量計２８により測定される流量は、エアロゾルフローの流量そのものである。校正時にその第１流量計２８による流量が目的流量となるように可変オリフィス１２又は排気ポンプ２２を調節し、計測時にその調節された時のエアロゾルフローキャピラリ４による圧力損失が再現されるように、又は第１流量計２８による流量が目的流量となるように、可変オリフィス１２又は排気ポンプ２２を調節することにより、校正されたエアロゾルフロー流量で粒子数を計測することができる。

第１の実施例を示す概略構成図である。 第２の実施例を示す概略構成図である。 第３の実施例を示す概略構成図である。 従来のエアロゾル微粒子計測装置の一例を示す概略構成図である。

（第１実施例）
図１は第１の実施例を表わす。
試料ガス流路２は、ナノメータサイズの微小粒子を含む大気圧状態のエアロゾルを試料ガスとして吸入する。試料ガス流路２には試料ガス流路２を流れる試料ガスの流量を測定する石鹸膜流量計などの流量計（第１流量計）２８が着脱可能に設けられている。

試料ガス流路２の先端部にはスプリッタ６が設けられている。スプリッタ６は試料ガスをエアロゾルフローキャピラリ４に流れるガスとその残部ガスとに分離する。エアロゾルフローキャピラリ４はスプリッタ６により分離された試料ガスの一部をエアロゾルフローとして流すものである。スプリッタ６で分離された試料ガスの残部はシースガス流路８に流れる。シースガス流路８には試料ガス中の粒子を除去するＨＥＰＡ(High Efficiency Particulate Air Filter)フィルタなどのフィルタ１０とその下流に設けられて流量を調節する可変オリフィス１２を備えている。可変オリフィス１２はこの実施例では制御部３０により自動的にその流量が調節されるようになっている。シースガス流路８には、さらに可変オリフィス１２の上流側に設けられ、計測時はシースガス流路８にスプリッタ６で分離された試料ガスの残部ガスを流し、校正時はシースガス流路８に試料ガス流路２を経由しないガスとして大気圧状態の外部ガスを流すように、シースガス流路８に流れるガスを切り替える流路切替え機構として三方弁２６が設けられている。

シースガス流路からのガスを飽和蒸気状態のシースフローにしてエアロゾルフローキャピラリ４から流出するエアロゾルフローと合流させるために飽和器１４が設けられている。飽和器１４はブチルアルコールを４０℃程度に加熱して蒸気とするものであり、そのアルコール蒸気中をシースガスが流れることによってアルコール蒸気で飽和されたシースガスとなる。

エアロゾルフローキャピラリ４からのエアロゾルフローと飽和器１４からのシースフローとの合流ガスを冷却してエアロゾルフロー中の微粒子をシースフローの蒸気により成長させるために冷却凝縮器１６が設けられている。合流ガスが冷却凝縮器１６に導かれて１０℃程度に冷却されることにより、エアロフローの周りがアルコール蒸気で飽和されたシースガスで包み込まれた状態で冷却されてエアロゾル中の微粒子にアルコール蒸気が付着して凝縮し、粒子径が大きくなるように成長していく。

冷却凝縮器１６を通過したガス中の粒子数を計数するために粒子計数器１８が設けられている。計数器１８の一例は、エアロゾルの流れに垂直な方向からレーザービームを照射し、その散乱光を検出することにより計数器１８を通過するエアロゾル中の粒子数を計数するものである。このときエアロゾル中の微粒子はアルコールが凝縮することによって成長して粒径が大きくなっており、計数の精度が高くなる。

粒子計数器１８の下流には所定流量で排気するように駆動が制御される排気ポンプ２２が設けられている。この実施例では、粒子計数器１８と排気ポンプ２２との間に第２流量計２０が設けられている。流量計２０の一例は、クリティカルオリフィスの上流側と下流側の圧力差を検出することによって流量を測定するものである。

エアロゾルフローキャピラリ４による圧力損失を検出するためにエアロゾルフローキャピラリ４の上流側と下流側の間に圧力計２４が設けられている。制御装置３０には、校正時に第１流量計２８により測定される流量がエアロゾルフローキャピラリ４を流れるエアロゾルフローの目的流量となるように可変オリフィス１２を調節したときの圧力計２４により検出されたエアロゾルフローキャピラリ４による圧力損失を記憶しておくために記憶装置３２が設けられている。

この実施例では、可変オリフィス１２は制御装置３０により自動的に調節されるようになっている。制御装置３０は校正時には流量計２８による流量の測定値を取り込み、その測定流量値がエアロゾルフローキャピラリ４を流れるエアロゾルフローの目的流量となるように可変オリフィス１２を調節し、そのときの圧力計２４により検出されたエアロゾルフローキャピラリ４による圧力損失を記憶装置３２に記憶する。計測時には圧力計２４により検出されるエアロゾルフローキャピラリ４による圧力損失が記憶装置３２に記憶された値になるように可変オリフィス１２を調節する。制御装置３０は専用のコンピュータにより、又は汎用のパーソナルコンピュータにより実現される。記憶装置３２は書込みができるものであれば特に限定されるものではなく、コンピュータに内蔵のＲＡＭやハードディスク装置のほか、フロッピィディスクやＥＥＰＲＯＭ（電気的に書替え可能ＰＲＯＭ）など、種々の記憶媒体を使用した記憶装置を使用することができる。

この実施例において、動作の一例を示すと、スプリッタ６は試料ガス流路２から吸入した試料ガスをエアフローキャピラリ４とシースガス流路８に分岐する。このときエアロゾルフローキャピラリ４を流れる流量Ａはシースガス流路８を流れる流量Ｂに対して１／１０程度になるように可変オリフィス１２が調節されることが好ましい。ポンプ２２は流量計２０により測定される流量が例えば０．３Ｌ／分となるように一定流量で駆動される。ポンプ２２による排気流量の条件は計測時も校正時も変わらず一定に保たれる。計測時は試料ガス流路２から０．３Ｌ/分の試料ガスが吸入される。スプリッタ６で例えばエアロゾルフローキャピラリ４には０．０５Ｌ／分の試料ガスが流れ、シースガス流路８には０．２５Ｌ／分の試料ガスが流れるように可変オリフィス１２が設定されているものとする。

シースガス流路８へ導かれた試料ガス中の粒子はフィルタ１０によって除去され、粒子成分を含まないガスがシースフローとなってシースガス流路８から飽和器１４へ導かれる。飽和器１４でアルコール蒸気により飽和状態となったシースガスはエアロゾルフローキャピラリ４を流れてきたエアロフローと合流して冷却凝縮器１６に導かれ、粒子計数器１８でエアロフロー中の粒子数が計数される。

可変オリフィス１２の設定はエアロゾルフローキャピラリ４を流れる流量が目的の流量となるように調節するものである。そのため、計測時の可変オリフィス１２の調節は圧力計２４によるエアロゾルフローキャピラリ４の圧力損失が制御装置３０の記憶装置３２に記憶された値になるように、制御装置３０により自動的に行われる。

（校正動作）
校正時は三方弁２６が外気を取り入れる方向に切り替える。これにより試料ガス流路２から吸入される試料ガスは全てエアロゾルフローキャピラリ４を通過するようになるので、このとき流量計２８により測定される流量は、試料ガスがエアロゾルフローキャピラリ４を通過している流量となる。

流量計２０の測定値が計測時と同じ所定の流量となるようにポンプ２２が駆動されているので、流量計２０で測定される流量Ｃはエアロゾルフローキャピラリ４を通過したエアロゾルの流量Ａと三方弁２６を経て外部から導入された外部ガスの流量Ｂとの合計となる。その合計の流量Ｃは一定であるので、可変オリフィス１２を調節することによって三方弁２６を経て導入される外気の流量が変化し、それに伴ってエアロゾルフローキャピラリ４を流れるエアロゾルフローの流量も変化する。そこでエアロゾルフローキャピラリ４を流れる流量が流量計２８で測定されて制御部３０に取り込まれ、その測定値が目的とする流量になるように可変オリフィス１２が制御装置３０により自動的に調節され、そのときの圧力計２４によるエアロゾルフローキャピラリ４での圧力損失が検出されて、その検出値が制御装置３０の記憶装置３２に記憶される。

（計測動作）
計測時は、流量計２８は不要であるので、試料ガス流路２から取り外す。計測時は三方弁２６を試料ガス流路２側にして、試料ガス流路２から導入されスプリッタ６で分離された試料ガスがシースガス流路８を流れるようにする。ポンプ２２は流量計２０による測定流量が所定の一定流量となるように制御されている。可変オリフィス１２は、圧力計２４によるエアロゾルフローキャピラリ４での圧力損失が記憶装置３２に記憶された値になるように、制御装置３０により自動的に調節される。その結果エアロゾルフローキャピラリ４を目標とする流量のエアロゾルが流れる。

（第２実施例）
図２は第２の実施例を表わす。

この実施例は可変オリフィス１２を手動で調節するものとした点で第１の実施例と異なる。

校正時は第１の実施例と同様に三方弁２６が外気を取り入れる方向に切り替える。しかし、この実施例では、第１流量計２８により測定される流量がエアロゾルフローキャピラリ４を流れるエアロゾルフローの目的流量となるように可変オリフィス１２を手動で調節する。そして、そのときの圧力計２４によるエアロゾルフローキャピラリ４での圧力損失が検出されて、その検出値が制御装置３０の記憶装置３２に記憶されるようにする。

計測時は流量計２８を試料ガス流路２から取り外し、三方弁２６を試料ガス流路２側にして、試料ガス流路２から導入されスプリッタ６で分離された試料ガスがシースガス流路８を流れるようにする。ポンプ２２は第１の実施例と同様に流量計２０による測定流量が所定の一定流量となるように制御されている。そして、圧力計２４により検出されるエアロゾルフローキャピラリ４による圧力損失が記憶装置３２に記憶された値になるように、この実施例では可変オリフィス１２を手動で調節する。

（第３実施例）
図３は第３の実施例を表わす。

この実施例は第２実施例と同様に可変オリフィス１２を手動で調節するものとするとともに、第２流量計２０を省略して排気ポンプ２２は制御部３０により駆動が制御されるものである。排気ポンプ２２は圧力計２４により検出されるエアロゾルフローキャピラリ４による圧力損失が記憶装置３２に記憶された値になるように流量が調節される。

校正時は第１、第２の実施例と同様に三方弁２６が外気を取り入れる方向に切り替える。
この実施例では、まず、可変オリフィス１２を手動で適当なところに設定しておいて、第２流量計２８により測定される流量がエアロゾルフローキャピラリ４を流れるエアロゾルフローの目的流量となるように排気ポンプ２２を制御部３０により自動的に又は手動で調節する。そして、そのときの圧力計２４によるエアロゾルフローキャピラリ４での圧力損失が検出されて、その検出値が制御装置３０の記憶装置３２に記憶されるようにする。

計測時は第１、第２の実施例と同様に三方弁２６を試料ガス流路２側にして、試料ガス流路２から導入されスプリッタ６で分離された試料ガスがシースガス流路８を流れるようにする。この実施例では流量計２８は試料ガス流路２に取り付けたままにしておく。そして、圧力計２４により検出されるエアロゾルフローキャピラリ４による圧力損失が記憶装置３２に記憶された値になるように排気ポンプ２２を制御部３０により自動的に調節する。

本発明は自動車の排気ガスや工場からの排出ガスなどを対象とする環境測定に利用することができる。

２ 試料ガス流路
６ スプリッタ
４ エアロゾルフローキャピラリ
８ シースガス流路
１０ フィルタ
１２ 可変オリフィス
１４ 飽和器
１６ 冷却凝縮器
１８ 粒子計数器
２０ 流量計（第１流量計）
２２ 排気ポンプ
２４ 圧力計
２６ 三方弁（流路切替え機構）
２８ 流量計（第２流量計）
３０ 制御装置
３２ 記憶装置

Claims (6)

1. ナノメータサイズの微小粒子を含む大気圧状態のエアロゾルを試料ガスとして吸入する試料ガス流路（２）と、
   試料ガスの一部をエアロゾルフローとして流すエアロゾルフローキャピラリ（４）と、
   前記試料ガス流路（２）の先端部に設けられ、試料ガスを前記エアロゾルフローキャピラリ（４）に流れるガスとその残部ガスとに分離するスプリッタ（６）と、
   前記スプリッタ（６）の下流に配置され、試料ガス中の粒子を除去するフィルタ（１０）及びその下流に設けられて流量を調節する可変オリフィス（１２）を備えたシースガス流路（８）と、
   前記シースガス流路（８）からのガスを飽和蒸気状態のシースフローにして前記エアロゾルフローキャピラリ（４）から流出するエアロゾルフローと合流させる飽和器（１４）と、
   前記エアロゾルフローキャピラリ（４）からのエアロゾルフローと飽和器（１４）からのシースフローとの合流ガスを冷却してエアロゾルフロー中の微粒子をシースフローの蒸気により成長させる冷却凝縮器（１６）と、
   前記冷却凝縮器（１６）を通過したガス中の粒子数を計数する粒子計数器（１８）と、
   前記粒子計数器（１８）の下流に設けられ所定流量で排気するように駆動が制御される排気ポンプ（２２）と、
   前記エアロゾルフローキャピラリ（４）による圧力損失を検出する圧力計（２４）と、
   前記シースガス流路（８）で前記可変オリフィス（１２）の上流側に設けられ、計測時は前記シースガス流路（８）に前記残部ガスを導入し、校正時は前記シースガス流路（８）に前記試料ガス流路（２）を経由しないガスを導入するように前記シースガス流路（８）に流れるガスを切り替える流路切替え機構（２６）と、
   校正時に前記試料ガス流路（２）を流れる試料ガスの流量を測定するための第１流量計（２８）と、
   校正時に前記第１流量計（２８）により測定される流量が前記エアロゾルフローキャピラリ（４）を流れるエアロゾルフローの目的流量となるように調節したときの前記圧力計（２４）により検出された前記エアロゾルフローキャピラリ（４）による圧力損失を記憶しておく記憶装置（３２）を有する制御装置（３０）と、を備え、
   計測時に前記記憶装置（３２）に記憶されている圧力損失が再現されるようにしたエアロゾル微粒子計測装置。
2. 前記可変オリフィス（１２）は前記制御装置（３０）により流量が自動的に調節されるものであり、
   前記制御装置（３０）は、校正時に前記第１流量計（２８）により測定される流量が前記エアロゾルフローキャピラリ（４）を流れるエアロゾルフローの目的流量となるように前記可変オリフィス（１２）を調節し、計測時に前記圧力計（２４）により検出される前記エアロゾルフローキャピラリ（４）による圧力損失が前記記憶装置（３２）に記憶された値になるように前記可変オリフィス（１２）を調節するものである請求項１に記載のエアロゾル微粒子計測装置。
3. 前記可変オリフィス（１２）は手動で調節されるものであり、
   校正時に前記第１流量計（２８）により測定される流量が前記エアロゾルフローキャピラリ（４）を流れるエアロゾルフローの目的流量となるように前記可変オリフィス（１２）が調節され、計測時に前記圧力計（２４）により検出される前記エアロゾルフローキャピラリ（４）による圧力損失が前記記憶装置（３２）に記憶された値になるように前記可変オリフィス（１２）が調節されるようにした請求項１に記載のエアロゾル微粒子計測装置。
4. 前記粒子計数器（１８）と前記排気ポンプ（２２）との間に第２流量計（２０）が設けられており、
   前記排気ポンプ（２２）は前記第２流量計（２０）により測定される流量が所定流量になるように駆動が制御されるものである請求項１から３のいずれかに記載のエアロゾル微粒子計測装置。
5. 前記第１流量計（２８）は前記試料ガス流路（２）に着脱可能に取りつけられたものである請求項１から４のいずれかに記載のエアロゾル微粒子計測装置。
6. 前記排気ポンプ（２２）は前記制御部（３０）により自動的に駆動が制御されるものであり、
   前記可変オリフィス（１２）は手動で調節されるものであり、
   校正時に前記可変オリフィス（１２）が適当な流量に設定された状態で前記第１流量計（２８）により測定される流量が前記エアロゾルフローキャピラリ（４）を流れるエアロゾルフローの目的流量となるように前記排気ポンプ（２２）が調節されたときの前記圧力計（２４）による前記エアロゾルフローキャピラリ（４）での圧力損失が前記記憶装置（３２）に記憶され、
   計測時は前記圧力計（２４）により検出されるエアロゾルフローキャピラリ（４）による圧力損失が前記記憶装置（３２）に記憶された値になるように前記排気ポンプ（２２）が前記制御部（３０）により調節される請求項１に記載のエアロゾル微粒子計測装置。

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