JP5514676B2 - 粒子分粒捕集機構 - Google Patents
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Description
大気中に浮遊する粒子状物質(PM)は、土壌性粒子、海塩粒子、火山噴出物のような自然発生源粒子および工場・事業所からのばい煙、ガソリン自動車やディーゼルからの排気粒子のような人為的発生源粒子からなる一次粒子と、硫黄酸化物、窒素酸化物、炭化水素類等のガス状物質が大気中で粒子化する二次生成粒子とからなっている。
発生源あるいは生成由来の相違を反映して、大気中に浮遊する粒子状物質(PM)の化学成分は粒径によって著しく異なっている。したがって、大気中に浮遊する粒子状物質(PM)の化学成分を粒径別に測定することによって、その発生源あるいは生成由来の特徴をより詳細に把握できる。
大気中に浮遊する粒子状物質(PM)のうちで、粒径が2.5μm以下のものは、特に微小粒子状物質(PM2.5)と呼ばれている。微小粒子状物質(PM2.5)は、ヒトが呼吸したときに肺の奥深くまで達するため、特に健康への悪影響が懸念されている。
そのために、大気中に浮遊する粒子状物質(PM)を分粒捕集して、浮遊粒子状物質(SPM)および微小粒子状物質(PM2.5)について、それらの質量濃度とともに化学成分濃度が測定される。
吹き出しノズルあるいはスリットの形状寸法、流量、捕集段数など種々のものがあるが、一般に粒径0.5〜20μm程度の粒子を分粒捕集の対象とし、それより小さい粒子は最終部につけたバックアップフィルタで捕集する。
ノズルから吹き出す粒子の慣性衝突による捕集効率は、Ranzら(1952)以来多くの研究者によって研究されている。
気流に含まれる粒子の限界流跡線についての理論式の完全解を得ることはできないが、解の関数型を考察して、粒子の衝突効率は慣性力の大きさを示す尺度であり次式で定義されるストークス数Stkのみの関数となることが知られている。
Stk = Cρpv0Dp2/(9μDc)
ここで、
C = カニンガム補正項,無次元(1.00+0.16x10-4/Dp)
ρp = 粒子密度(g/cm3)
v0 = 流速(cm/sec)
Dp = 粒子の実効粒径(cm)
μ = 空気の粘性率(ポアズ)
Dc = 円形ノズルの直径または矩形の場合の幅(W)(cm)
捕集効率が50%となるような粒径はECD(effective cut-off diameter)、通称50%捕集粒径(Dp50)といい、このときのStkがStk50と表される。すなわち、
√(Stk50) = √(Cρpv0/(9μDc))Dp50= √(Cv0/(9μDc))(√(ρp)Dp50)
であり、√(Stk50)は吹き出しノズルの形状寸法やノズルと衝突捕集板との距離Sによるが、例えば円形(S/Dc=1.0)では0.48、矩形(S/W=1.0)では0.70との理論計算結果が得られている。また、空気動力学粒径では、ECDは(√(ρp)Dp50)である。
この関係を利用して、0.5〜20μmの粒径範囲で任意のECDの捕集段を設計製作することができる。
捕集段ごとにECDが異なる衝突捕集段を適当に連結したカスケードインパクタ型サンプラを用いて、大気中の浮遊粒子状物質(PM)を粒径の大きいものから逐次分粒捕集される。各捕集段の衝突捕集板に沈着した粒子の質量やその化学成分を測定して、粒径分布のデータが得られる。
そして最下段側に取り付けたエアポンプを稼働すると、最上段側に設けた吸入口から気体が吸入され、各捕集段ではその捕集段で規定された粒子粒径の捕集効率にしたがって粒子が衝突捕集板(一般には板上に置かれたフィルタ等の捕集材)上に沈着捕集されながら、順次、下段の捕集段に流れていく。このようにして、上段の捕集段には粒径が大きい粒子が捕集され、下段になるにつれて粒径の小さい粒子が捕集されるようにしてある。
そして上記文献では、カスケードインパクタ型サンプラによって捕集された粒子は、イオンクロマトグラフ分析法によるイオン種分析を行ったり、ICP質量分析法による元素分析などを行ったりするための分析試料として利用される。
しかしながら、上述したカスケードインパクタ型サンプラでは、捕集材に堆積した粒子は、ノズルの配置を反映した斑点模様になっており、捕集材上に不均一に堆積されている。そのため、蛍光X線分析を行うと、粒子が不均一に堆積されていることによって、精度のよい測定を行うことが困難であった。蛍光X線分析以外の分析手法であっても、捕集材上に均一に堆積されることが求められる測定手法であれば、精度の高い測定が困難になる問題が生じる。また、捕集材上に不均一に堆積した粒子試料から、正確に一定量を取り出して、分析に供することは困難である。
したがって、捕集材に堆積した粒子が再飛散して再び捕集材から離れることを防ぐには、気流の衝突する衝突捕集板の位置に堆積する粒子の量を減らすことが必要であり、捕集材の全面にわたって万遍なく粒子が均一に堆積捕集されるようにすることが望ましい。
採集ディスク101の軸線Uから最も遠い位置の孔104outによる粒子デポジットまでの距離doutは、孔104が採集ディスク101の軸線Uと穿孔円板102の軸線Vとを結ぶ直線の軸線V側の延長上にあるときで、最長長さが(r0+e)となる。逆に、最も近い位置の孔104inは、孔104が採集ディスク101の軸線Uと穿孔円板102の軸線Vとを結ぶ直線の軸線U側の延長上にあるときで最短長さdinが(r0−e)となる。すなわち、図8に示すように、穿孔円板102の軸線Vの位置を原点とし、原点と最長長さとなる孔104outとを結ぶ方向を基準方向とし、原点から軸線Vを中心とする半径r0の円周上の任意の位置にある孔104xとなす角をθとすると、軸線Uの位置から孔104xまでの距離dxは、次式になる。
dx = √ (e2 + rO 2 + 2erOcosθ)
θは0≦θ≦2πであり、したがって、dxの最長長さdoutは(r0+e)、最短長さdinは(r0−e)となる。
Sout = 2π (rO + e) Dc
最も近い孔104inによる粒子デポジットは、採集ディスク101の軸線Uを中心として半径(r0−e)で幅Dcとなる円環のデポジットとなり、その環状面積Sinは、次式となる。
Sin = 2π (rO - e) Dc
Rs = (rO - e) / (rO + e)
採集ディスク101上の粒子デポジットは、デポジットされる全面積103にわたって均等になるのではなく、外側ほど単位面積あたりのデポジット量が少なくなる。
r0=1.7cm、e=0.5cmに選ぶと、半径1.2cmと2.2cmの円に囲まれた幅1cmの環状の粒子デポジットが得られる。このとき、面積比Rs(=Sin/Sout)=0.55となり、孔を通過して採集ディスク101に慣性衝突する単位面積あたりの空気量は、半径2.2cmの最も外側部分は半径1.2cmの最も内側部分の55%となる。最も外側部分と最も内側部分との中間部分は、内側に近づくほどデポジット量が多くなる。したがって、採集ディスク(衝突捕集板)上に集まる粒子デポジットは、円周方向には均等化することはできるが、半径方向には、円環状の縞模様あるいは濃淡模様が残ってしまうことになる。
衝突捕集板の中心から半径r1の最内周円と半径rmの最外周円で囲まれる円環状領域内に粒子を堆積捕集するものとする。ノズルプレート上で半径r0とr1(=r0+d)の円で囲まれる細い円環状領域の面積をS0とすると、
S0 = π(r0 + d)2 − π r0 2 = π(r1 2 - r0 2)
同様に、半径r2,r3,.....,rn,.....の円を、隣り合う円で囲まれる細い円環状領域の面積がS0と等しくなるように定義する。すなわち、
S0 = π(r2 2 - r1 2)= π(r3 2 - r2 2)= π(r4 2 - r3 2)= ..... = π(rn 2 - rn-1 2)= .....
したがって、n番目の円環状領域の外周円の半径rnは、与えられたr0とdの値から次のように計算される。
rn = √(r0 2 + 2ndr0 + nd2)
また、衝突捕集板の回転方法を制御することによって、半径r1の最内周円と半径rmの最外周円で囲まれる円環状領域の特定領域のみに限って衝突捕集して、単位面積あたりの吸入空気量を多くできる。さらに、時間帯によって沈着領域を制御することによって、例えば昼夜間を区別して粒子捕集をすることができる。
さらに、衝突捕集板の中心近傍に粒子が堆積しないブランク領域を設けることができるので、衝突捕集板上に置かれたフィルタ等の捕集材のこの部分を蛍光X線分析等でのフィールドブランク試料として利用することができる。
また、説明の便宜上、カスケードインパクタ型の粒子分粒捕集機構の全体構造について先に説明し、本発明の重要な要素であるノズルプレートのスリット形状については、その後に説明する。
図1は本発明の一実施形態であるカスケードインパクタ型の粒子分粒捕集機構の構成を示す断面図である。この粒子分粒捕集機構10は、大気吸入孔11とそれに接続された粒径10μm以上の粒子を分粒捕集する衝突捕集板21を有する前置衝突捕集段12、ノズルプレート31と対になる衝突捕集板32とそのホルダ33および電動モータを収納した回転機構34を有する第一捕集段13、ノズルプレート41と対になる衝突捕集板42とそのホルダ43および電動モータを収納した回転機構44を有する第二捕集段14、バックアップフィルタ51とそのホルダ52を有する最終部15(最終段)が、この順で直列に接続された構造を有する。
この粒子分粒捕集機構10は、加工性、耐食性に優れ、かつ、帯電の影響を避けるため、吸入された大気が直接触れる部分は、アルミ合金などの金属製材料で形成され、バックアップフィルタホルダ52のみが樹脂系材料を使用するようにしてある。
最終部15の出口には吸入ポンプに接続される吸入孔があり、図示しないエアポンプが接続してあり、これを作動することで粒子分粒捕集機構内の流路に気体が流れるようにしてある。
正確な分粒捕集特性を維持するためには、粒子分粒捕集機構内を流れる気体を一定流量に維持する必要があり、エアポンプの吸入速度を制御することにより、規定の流量を維持することができる。以下、各段ごとに順次説明する。
前置衝突捕集段12では、大気吸入孔11の真正面の位置に、吸入された大気が最初に衝突する衝突捕集板21が設けてある。
衝突捕集板21は、小孔やスリットが形成されていない円板であり、吸入された大気が衝突したときに、大気中に含まれる浮遊粒子のうち、粒径10μm以上の粒子がこの衝突捕集板上に捕集されるようにしてある。具体的には、最初に装置の吸入速度を決め、衝突捕集板21の直上の円形孔とで衝突捕集段を形成するとして、既述のストークス数Stkを計算して最適の円形孔の口径を決め、粒径10μm以上の浮遊粒子が衝突捕集板21に衝突すると、慣性力で捕集されるようにしてある。
ノズルプレート31の下には、ノズルプレート31と対をなすホルダ33があり、ホルダ33の上面に適当な材質のフィルタ等の衝突捕集板32が装着保持してある。取り外し可能なホルダ33は回転機構34に装着固定されていて、これを作動することにより、ホルダ33とともに衝突捕集板32が回転するようにしてある。回転機構34は、ホルダ33の回転が気体の流れに影響を及ぼさないように、ゆっくりとした速度で回転するようにしてある。
すなわち、既述のストークス数Stkの計算式を用いて、捕集効率が50%となる粒径が2.5μmとなるように、気流のスリット通過流速とスリット幅の関係を計算し、決められた装置の大気吸入速度に対するスリット形状の諸元が決められる。製作されたスリットの分粒捕集特性は粒径と密度が正確に規定されている標準粒子を用いた試験で確認されている。なお、スリット31aの形状については、後述する。
ノズルプレート41の下には、ノズルプレート41と対をなすホルダ43があり、ホルダ43の上面に適当な材質のフィルタ等の衝突捕集板42が装着保持してある。
取り外し可能なホルダ43は回転機構44に装着固定されていて、これを作動することにより、ホルダ43とともに衝突捕集板42が回転するようにしてある。回転機構44は、ホルダ43の回転が気体の流れに影響を及ぼさないように、ゆっくりとした速度で回転するようにしてある。
ノズルプレート41に形成されるスリット41aは、装置に定流量で大気が吸入されたとき、スリット41aを通過した気流に含まれる粒径0.45μmの浮遊粒子の50%が、慣性力によって衝突捕集板42上に捕集できるように設計製作してある。
すなわち、既述のストークス数Stkの計算式を用いて、捕集効率が50%となる粒径が0.45μmとなるように、気流のスリット通過流速とスリット幅の関係を計算し、決められた装置の大気吸入速度に対するスリット形状の諸元が決められる。製作されたスリットの分粒捕集特性は粒径と密度が正確に規定されている標準粒子を用いた試験で確認されている。なお、スリット41aの形状については後述する。
次に、第一捕集段13、第二捕集段14のノズルプレート31、41上に形成するスリットの形状について説明する。
図1で説明したように、各分粒捕集段(第一捕集段13、第二捕集段14)は、気体が通過する曲線スリット31a、41aが形成されたノズルプレート31、41、ノズルプレート31、41と平行に配設され曲線スリット31a、41aを通過した気体を慣性衝突させて浮遊粒子を分粒捕集する衝突捕集板32、42、その衝突捕集板32、42を回転させる回転機構34、44および衝突捕集板32、42に衝突した気体を下段へ流出させる排出流路13a、14aを備えた構造である。
既述のように、従来のカスケードインパクタ型サンプラでは、衝突捕集板と対向するノズルプレートの面全体にわたって、円形の小孔を複数形成したものが多かった。
本発明のノズルプレート31、41では、衝突捕集板32、42に衝突捕集される粒子が斑点模様や円環の縞模様などではなく、均一に沈積分布させるように、円形小孔や直線スリットではなく曲線スリットのノズルを形成する。
ノズルプレート1(図1におけるノズルプレート31または41)は、円板状をなしており、円の中心が衝突捕集板32、42の回転軸を延長した線上にくるようにしてある。
そして、ノズルプレート1の中心近傍の円形領域2を除いた円環領域3内で、当該円環領域3の内周円4から外周円5に向かう弓状の曲線スリット6を、ノズルとして形成するようにしてある。このスリットの加工は切削加工により行うことが好ましいが、要求される測定精度に応じて、放電加工その他の既存の加工方法を採用してもよい。続いて曲線スリット6の決定方法の1つについて図3を参照しつつ説明する。
粒子を均一に堆積捕集するためには、ノズルから吹き出される一定流量の気流を、一定の回転速度で回転する衝突捕集板上の規定された面に一様に衝突させる必要があり、これを実現できるノズルプレートのスリット形状を次のようにして計算する。ここで、衝突捕集板上の規定された面とは、図2のノズルプレート1(すなわちノズルプレート32、42)の中心近傍の円形領域2を除いた円環状領域3で、当該円環状領域の内周円4と外周円5に囲まれた領域を、対向する衝突捕集板32、42に投影した領域である。すなわち、衝突捕集板の中心から半径r1の最内周円と半径rmの最外周円で囲まれる円環状領域内に粒子を堆積捕集するものとする。
S0 = π(r0 + d)2 − π r0 2 = π(r1 2 - r0 2)
次に、半径r2,r3,.....,rn,.....の円を、隣り合う円で囲まれる細い円環状領域の面積がS0を等しくなるように定義する。すなわち、
S0 = π(r2 2 - r1 2)= π(r3 2 - r2 2)= π(r4 2 - r3 2)= ..... = π(rn 2 - rn-1 2)= .....
したがって、n番目の細い円環状領域の外周円の半径rnは、与えられたr0とdの値から次のようになる。
rn = √(r0 2 + 2ndr0 + nd2)
それぞれの細い円環状領域内での一様性は次のようである。ここでは内側からn番目の細い円環状領域Sn内を例に考える。細い円環状領域Sn内で、点Pn−1とPnを結ぶように形成された長さd、幅W(≦d)の矩形スリットを通過して衝突捕集板に衝突する気体流量は、この細い円環状領域の半径rn-1の内側円と半径rnの外側円とで比較すると、その単位面積あたりの気体流量の比は、それぞれの半径の比の逆数になる。したがって、最内側の細い円環状領域S1内で領域内での均一性は最も悪くなるが、その程度は、具体的に半径r1とdの値を与えると計算できる。
すなわち、r1= 9.5mmにとり、d= 0.1mm、0.2mm、0.4mm、0.8mmの4通りの場合に計算すると、それぞれの半径の比r1 /r2 = 0.990、0.980、0.961、0.928であり、dを0.1mmとして計算すると、均一性が99%以上の良好な曲線スリットの形状が得られる。
スリット幅Wは、装置の空気吸入速度V、捕集段の50%捕集粒径等の条件が決められると、ストークス数の定義式を使って計算でき、その分粒捕集特性は標準粒子を用いて測定することで確認する。
ストークス数の定義式 Stk=(Cρpv0/(9μW))Dp2 で、空気動力学粒径は√(ρp)Dpであり、ノズルプレート31あるいは41に形成するノズルでは、それぞれの√(ρp)Dp50 が2.5μmあるいは0.45μmである。
すなわち、
√(ρp)Dp50= √((Stk50)(9μW)/(Cv0))
但し、装置の水平断面のどの断面に於いても等流量の気体が流れていて、その流量は装置で制御される吸入ポンプによる吸入流量V(30L/分)であり、スリットを通過する気体の流速 v0=V/(WL)となる。
例えば、S/W=1のときの√(Stk50)値0.70および他の必要パラメータの値を参考にして、スリット長LがL1の整数倍の場合について、√(ρp)Dp50 が2.5μmあるいは0.45μmになるスリット幅Wを計算する。特にスリットの製作可能性や難易度などの条件を検討して、スリットの本数と幅とを確定する。
なお、具体的には、加工しやすさや測定精度から総合的に判断すると、スリット幅は0.2mm程度にするのが好ましいが、0.1mm〜1mmの範囲でスリット幅を選べば実用上は問題ない。
これらの測定は、回転機構34、44の回転速度を1回転/分、図示しない吸入ポンプの吸入速度を30L/分に維持するようにして行われた。
いずれも円環状の縞模様や濃淡模様が現れておらず、均一に堆積されている。
2 円形領域
3 円環状領域
4 円環状領域の内周円
5 円環状領域の外周円
6 曲線スリット
10 カスケードインパクタ型サンプラ(粒子分粒捕集機構)
11 大気吸入孔
12 前置捕集段
13 第一捕集段
14 第二捕集段
15 最終部
21 前置段の衝突捕集板
31 第一段ノズルプレート
31a 第一段曲線スリット
32 第一段捕集材
33 第一段捕集材ホルダ
34 回転機構
41 第二段ノズルプレート
41a 第二段曲線スリット
42 第二段捕集材
43 第二段捕集材ホルダ
44 回転機構
51 バックアップフィルタ
52 バックアップフィルタホルダ
Claims (3)
- 浮遊粒子を含む気体を流入させる少なくとも1つの捕集段を有し、
各捕集段内には、気体が通過するノズルが形成されたノズルプレートと、ノズルプレートと対向するように配設されノズルを通過した気体を衝突させて浮遊粒子を捕集する捕集板と、捕集板を回転させる回転機構と、捕集板に衝突した気体を流出させる排出流路とを備えた粒子分粒捕集機構であって、
ノズルプレートに形成されるノズルが、少なくとも1本の曲線スリットからなり、
前記曲線スリットは、捕集板の回転軸を延長した線上にくるノズルプレートの位置をノズルプレートの中心として、ノズルプレートの中心近傍の円形領域を除いた円環状領域内で、曲線スリットが当該円環状領域の内周円から外周円に向かう曲線を形成するように設けられ、
さらに、前記曲線スリットが形成される円環状領域を同心状でかつ同一面積の微小円環領域ごとに区分したときに、各微小円環領域を横断する曲線スリットの部分長さdが一定長さになるようにそれぞれの微小円環領域内での方向が定められることを特徴とする粒子分粒捕集機構。 - 前記捕集段の上流側に、外部から浮遊粒子を含む気体を流入させる前置衝突捕集段を設け、前置衝突捕集段内に、流入した気体を衝突させて上限閾値以上の粒径の浮遊粒子を予め除去する衝突捕集板を備えるとともに、衝突捕集板に衝突した気体を後段の捕集段に流出する排出流路を備えた請求項1に記載の粒子分粒捕集機構。
- 最も下流側の捕集段の後段に、下限閾値以下の粒径の浮遊粒子を捕集するバックアップフィルタをさらに設けた請求項1に記載の粒子分粒捕集機構。
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