JP6112000B2 - 微粒子分級装置における分級部故障診断装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は自動車排ガス中のナノ微粒子濃度のモニタリング、ビル衛生管理、労働安全衛生などで使用するのに適する微粒子測定装置、特に微粒子を粒径に応じて分級して測定する微粒子分級測定装置など、電界により微粒子を分級する装置に関し、特に分級電界のための電圧を印加する分級電極が正常であるか否かを診断するための装置と方法に関するものである。

ナノメートルオーダーの微粒子径の微粒子に対して、微粒子サイズの分級を行う分級機構をもつ測定装置として微分型電気移動度分析装置（ＤＭＡ）又は積分型電気移動度分析装置が知られている。分級機構としては、分級部側壁面から試料ガスを導入し、同じく分級部側壁面から所望の粒径に分離された微粒子を含むガスを吸いだすものが用いられている（特許文献１〜５、非特許文献１、２参照。）。

ＤＭＡによる分級においてはシースガス流に対し垂直に分級電界を印加し、それにより惹起される静電吸引力によって帯電微粒子がシースガス流を横断し、対向電極へ移動する過程において粒径に依存した抵抗をシースガス流から受けることで微粒子を分級するものである。

一対の電極間に分級電圧を印加し、それにより発生する分級電界によって帯電微粒子を粒子サイズに基づいて分級する原理を利用した分級装置は、ＤＭＡに限らず、広く使用されている。

米国特許出願公開第２００５／０１６２１７３号 米国特許第６,２３０,５７２号 米国特許第６,８２８,７９４号 米国特許第６,２３０,５７２号 米国特許第６,７８７,７６３号

Chen, D-R, D.Y.H. Pui, D. Hummes, H. Fissan, F.R. Quant, and G.J. Sem, [1998], "Design and Evaluation of a Nanometer Aerosol Differential Mobility Analyzer (Nano-DMA), Journal of Aerosol Science 29/5:497-509. Fissan, H.J., C. Helsper, and H.J. Thielen [1983], "Determination of Particle Size Distribution by Means of an Electrostatic Classifier." Journal of Aerosol Science, 14:354. 粉体工学会誌，Vol.22, No.4, pp.231 - 244 (1985)

分級電極により分級電圧を印加しそれにより発生する分級電界によって帯電微粒子を粒子サイズに基づいて分級するには、所定の分級電圧が安定して印加されなければならない。分級電極は電圧を印加するために、分級装置を構成するボディとは絶縁されている。ボディは通常は金属からなり、接地されている。

しかし、使用中に分級電極とボディの間に試料ガス中の汚れが付着したり結露が生じたりして、分級電極とボディの間の絶縁が低下すると、分級電極に所定の電圧を印加できなくなり、所望の分級機能を発揮できなくなる。分級電極に電圧を印加する電源装置の出力電圧をモニタすることは行われているが、電源装置の出力電圧が一定であっても分級電極とボディの間の絶縁状態が低下すると分極電圧は低下してしまうので、電源装置の出力電圧で分級電極とボディの間の絶縁状態を正しく判断することはできない。

分級電極に所定の電圧が印加されているか否かは、分級電極にかかっている電圧を直接測定すればわかる。しかし、分級電圧は高圧、例えば数ｋＶ、であるため、正確に測定しようとすれば、正しく校正された分圧抵抗を用いて電圧を測定するなど、装置コストを押し上げる要因になる。

本発明は、分級装置の分級電圧を測定しなくても所定の分級電圧が印加されているかどうかを判定することのできる装置と方法を提供するものである。

本発明の対象とする微粒子分級装置は、試料吸込み口から吸引したガスを帯電させる荷電部と、前記荷電部により帯電させられたガスが流れる流路を構成する内面のうちの一つの面に配置された少なくとも１つの吸引電極と、前記内面のうちの他の面上に前記吸引電極に対向して配置され、前記吸引電極との間に前記流路を流れるガス中の帯電粒子を前記吸引電極側に引き付ける電界を発生させる分級電極と、を備えたものである。

本発明は、そのような微粒子分級装置おける分級電極が正常であるか否かを判定する分級部故障診断装置である。吸引電極に吸引された帯電粒子の電荷量を検出するために、吸引電極に検流回路が接続されている。故障診断用の電圧印加のために、分級電源供給制御部が設けられている。分級電源供給制御部は分級電極への供給電圧を通常測定時の電圧よりも低い診断用の一定電圧に下げ、その後、分級電極への電源供給のオン／オフを切り換える。その一定電圧とは、分級部故障診断に必要な程度に帯電微粒子を測定電極に引き付けることができる大きさの分級電圧である。

第１の実施形態は、分級部故障診断を自動的に行うように構成されたものであって、分級電極が正常であるか否かを判定するために判定部が設けられている。判定部は、検流回路の出力信号を取り込み、分級電極への電源供給のオン／オフ切換えにおけるその出力信号変化の大きさがしきい値以上であるか否かにより分級電極が正常であるか否かを判定する。判定部が使用するしきい値はしきい値保持部に保持されており、判定部はしきい値保持部に保持されているしきい値を取り込んで分級電極が正常であるか否かを判定する。

第１の実施形態の分級部故障診断装置では、分級電極が正常であるか否かの判定結果がこの微粒子分級装置を使用している操作者に容易にわかるようにするために、判定部による判定結果を表示する表示部をさらに備えていることが好ましい。

第２の実施形態は、分級部故障診断を作業者が行うように構成されたものである。第２の実施形態は第１の実施形態における判定部を必要としない。検流回路と分級電源供給制御部を備えている点は第１の実施形態と同じであるが、第２の実施形態は、検流回路に接続され検流回路の出力信号を表示する表示装置を備えている。作業者は、その表示装置に表示された検流回路の出力信号変化の大きさがしきい値以上であるか否かにより分級電極が正常であるか否かを判定する。

第３の実施形態は、第１、第２の実施形態をともに実現できるものであり、判定部と表示装置の両方を備えている。

好ましい形態では、試料吸込み口に配置され、吸引するガス中の粒子成分を除去するガスフィルタをさらに備えている。試料吸込み口から吸引されるガス中の粒子濃度は時間的に変化するが、吸引するガス中の粒子成分を除去するガスフィルタを介してガスを吸引することにより、試料ガスが吸引されてもそのガス中の粒子濃度は０となり、時間的な変化を抑えることができる。ガスフィルタ透過後のガスを帯電させガスイオンとする非常に微小なガスイオンを測定するために、測定電極として流路を流れるガスの流れに沿って複数個が配置されている場合には、判定部が出力信号を取り込む検流回路として、流路を流れるガスの流れの最も上流側にある測定電極につながる検流回路を使用することが好ましい。

分級部故障診断装置は、分級電極が正常であるか否かの判定結果がこの微粒子分級装置を使用している操作者に容易にわかるようにするために、判定部による判定結果を表示する表示部をさらに備えていることが好ましい。

本発明の分級部故障診断方法は、微粒子分級装置の測定電極に電荷量を検出する検流回路を接続した状態で、以下のステップ（Ｓ１）〜（Ｓ３）を行う。
（Ｓ１）分級電極への供給電圧を通常測定時の電圧よりも低い診断用の一定電圧に下げるステップ、
（Ｓ２）その後、分級電極への電源供給のオン／オフを切り換えるステップ、及び
（Ｓ３）検流回路の出力信号に基づき、分級電極への電源供給のオン／オフ切換えにおけるその出力信号変化の大きさに基づいて分級電極が正常であるか否かを判定するステップ。

この分級部故障診断方法のプロセスは、分級装置の専用のコンピュータ又は汎用のパーソナルコンピュータなどのコンピュータのＣＰＵにより自動的に行うようにすることができる。その際、この分級部故障診断方法を定期的に自動で起動するようにプログラムを組んでおいてもよく、又は測定開始前などに操作者が随時、起動するようにしてもよい。また、この分級部故障診断方法は操作者が手動で行うこともできる。

この分級部故障診断方法を実施する際に、微粒子分級装置の試料吸込み口に、吸引するガス中の粒子成分を除去するガスフィルタを設けることが好ましい。この分級部故障診断方法のプロセスを自動で行うようにした場合には、ガスフィルタの着脱もＣＰＵからの命令により自動で行うようにしてもよく、又はガスフィルタの着脱を手動でおこなって、そのことをコンピュータに入力するようにしてもよい。微粒子分級装置の試料吸込み口にガスフィルタを設ける形態では、測定電極として流路を流れるガスの流れに沿って複数個が配置されている場合は、流路を流れるガスの流れの最も上流側にある測定電極につながる検流回路の出力信号に基づいて分級部故障診断方法を実施することが好ましい。これは、ガスフィルタを透過したガスはほぼ全ての粒子成分が除去された状態となっているので、帯電されたごく微細なガスイオンはガスの流れの最も上流側にある測定電極に引き付けられるからである。

本発明では、分級電極への供給電圧を通常測定時の電圧よりも低い診断用の一定電圧に下げ、分級電極への電源供給のオン／オフを切り換え、そのときの測定電極につながる検流回路の出力信号変化の大きさに基づいて分級電極が正常であるか否かを判定するようにしたので、分級電圧を直接測定しなくても分級電極の故障の有無を診断できるようになる。

本発明の分級部故障診断装置が適用される分級測定装置の一例を示す概略斜視図である。 一実施例を他の分級測定装置とともに示す概略構成図である。 同分級測定装置における概略平面断面図である。 同分級測定装置の流路に沿った断面図である。 本発明の分級部故障診断装置が適用されるさらに他の分級測定装置を示す概略斜視図である。 一実施例の動作を示すフローチャートである。

微粒子分級装置の一例としての微粒子分級測定装置の一例を図１に概略的に示す。流路１０は入口１２と出口１４に開口をもち、流れ方向も流路幅方向もともに断面が長方形の扁平な形状になっている。その流路の寸法、形状は、特に限定されるものではないが、例えば縦（高さ）４ｍｍ、横（流路幅）２５０ｍｍ、奥行き（流路長さ）４５０ｍｍの扁平な直方体である。

流路１０の出口１４側には試料吸引用に送風機構としてのファン１５が配置されている。ファン１５を回転させるモータ１６は駆動回路１７により駆動される。ファン１５の試料ガス吸入側には流量調整弁１８として手動のバタフライ弁が設けられており、流量調整弁１８を調節することにより試料ガス流量を変化させることができるようになっている。ファン１５は流路１０の幅全体にわたって均一に吸引し、流路１０の入口１２から試料ガスを吸入する。ファン１５は、吸入された試料ガスが流路１０内を層流となって流れる条件で駆動される。層流となる条件はレイノルズが概ね２０００以下となる条件である。

流路１０の出口側にはファン１５の下流に流路を流れる試料ガス流量を測定する流量計１９が設けられている。流量計１９は流路１０の入口側と出口側のいずれに配置してもよいが、試料ガス中の粒子が流量計１９にも付着するため出口側に配置する方が好ましい。

流路１０の入口付近には試料ガス中の微粒子を帯電させる帯電器が配置されている。この実施例では、帯電器は単極荷電の様式をとるように構成されている。帯電器は流路１０を挟んで一方の側に取り付けられたワイヤー状の放電電極２０と、それらの放電電極２０に対向して流路１０の他方の側に配置された対向電極２２とからなる。放電電極２０と対向電極２２との間で放電を起こさせるように、放電電極２０には荷電電源２１が接続されている。放電電極２０の形状はワイヤー状のものに限らず、対向電極２２に垂直に取り付けられた１又は複数の針であってもよい。後述する図２の実施例で示されるような、流路１０のガスの流れに垂直に設けられた、中心に開口をもつ対向電極と、その対向電極の開口の中心に針の先端が対向するように配置された放電電極とからなるものであってもよい。帯電器は放電電極と対向電極との間で放電できるものであれば特にその構造は限定されない。

流路１０の幅広の対向する一対の底面（実施例では天井面と下底面）は互いに平行で、同じ広さをもっている。その一方の底面である下底面上には、流路方向に沿って入口１２から互いに異なる距離の位置に複数の吸引電極２４，２６が配置されている。吸引電極２４，２６は流路方向に沿ってそれぞれ所定の電極幅をもち、互いに電気的に分離されている。吸引電極２４，２６には測定電極２４−１〜２４−ｎ（測定電極２４−１〜２４−ｎの符号は包括的に単に「２４」とのみ表示されることもある。検流回路２８についても同様である。）とトラップ電極２６が含まれる。各測定電極２４−１〜２４−ｎには測定電極に到達した微粒子がもつ電荷量を検出するためにそれぞれの検流回路２８−１〜２８−ｎが接続されている。測定電極２４−１〜２４−ｎは互いに近接して配置することもでき、図示の実施例のように測定電極間に隙間をもって配置することもできる。トラップ電極２６には検流回路は接続されていないが、極微小粒径を測定したい場合はここに検流回路を接続してもよい。隣接する吸引電極間には絶縁部材が挟まれて、又は空気層を介して電極間が互いに電気的に分離されている。それらの絶縁部材は電極間を電気的に分離することができればよいので、厚くする必要はなく、例えば０.５ｍｍ程度でよいが、もちろんこの厚みは、絶縁部材の体積抵抗率に依存する。

流路１０の幅広の対向する一対の底面の他方の底面である天井面には、吸引電極２４，２６に対向して分級電極３０が配置されている。分級電極３０は吸引電極２４，２６との間に流路１０を流れる試料ガス中の帯電微粒子を吸引電極側に引き付ける電界を発生させるものである。この電界が流路１０を流れる試料ガスの流れの方向に対して垂直又はほぼ垂直になるように、分級電極３０の面積と吸引電極２４、２６の合計面積がほぼ等しくなり、空間的にも正面どうしで対向していることが好ましい。そのため、吸引電極２４、２６は互いに電気的には分離されているが、隣接する吸引電極２４、２６の隙間は少ない方が好ましい。吸引電極２４、２６は到達した帯電微粒子の電荷量が測定される測定電極２４のみで構成してもよいが、この実施例のように、帯電微粒子は到達するが測定電極としては使用されないトラップ電極２６を含んでいてもよい。トラップ電極２６を含んでいる場合には、流路１０を流れる試料ガスの流れの方向に対して垂直方向又はほぼ垂直方向の電界を作用させるためには、トラップ電極２６にも測定電極２４と同じ電位が与えられる。トラップ電極２６と測定電極２４の電位にはグランド電位を含む。

この実施例において、測定電極２４のうちの流路の入口にもっとも近い第１の測定電極２４−１より入口側に１つのトラップ電極２６が配置され、そのトラップ電極２６の入口側の先端位置と、分級電極３０の入口側の先端位置は、流路方向の同じ位置になるように位置決めされており、その位置が分級領域の基点となっている。以後の説明において、測定電極２４の位置と幅の特定は、この分級領域の基点からの距離として表示される。分級電極３０と吸引電極２４，２６の間が分級領域となっている。流路の入口から分級領域の基点までの距離を助走距離と呼ぶ。助走距離では帯電微粒子は分級領域に達していないので、分級電界の影響を受けずに試料ガスの流れに乗って移動する。

この実施例において、測定電極２４−１〜２４−ｎとトラップ電極２６は同電位とされ、分級電極３０との間に流路を流れる試料ガスの流れに対し垂直方向又はほぼ垂直方向の電界が形成される。分級電極３０には分級電圧を印加するための分級電源３２が接続されており、分級電源３２からの電圧印加により、分級電極３０と吸引電極２４，２６の間に試料ガス中の帯電微粒子が吸引電極側に吸引される方向の電界が形成される。例えば、フィルタを設けて粒子成分を除去した後のガスイオンにより動作確認する場合に、ガスイオンとして正の電荷をもったものにて動作確認したいときは分級電極３０の電圧が正の電圧となり吸引電極２４，２６を接地電位とする。逆にガスイオンとして負の電荷をもったものにて動作確認したいときは分級電極３０の電圧が負の電圧となるように、分級電源３２から分級電極３０に電圧印加を行う。

分級電源３２は測定時と分級部故障診断時とでは印加電圧値が異なるように、出力電圧を変化させることができるようになっている。流路１０の寸法にもよるが、通常測定時の分級電源３２への印加電圧値は数ｋＶ、例えばこの実施例では１〜４ｋＶ、一般には絶縁破壊が起きない範囲の電圧をかけることができる。分級部故障診断時の分級電源３２への印加電圧値は数Ｖ、例えば３〜１０Ｖとなるように切り換えられる。

通常測定時は分級電源３２から分級電極３０に対して一定電圧が連続して供給される。一方、分級部故障診断時は分級電源３２から分級電極３０に対して測定時よりも低い一定電圧の供給がオン／オフと切り換えて供給される。

例えば、対向電極２２を接地電位として放電電極２０を正側にして単極放電を行うと試料ガス中の微粒子は正の単極荷電をもつので、吸引電極の測定電極２４−１〜２４−ｎとトラップ電極２６を接地電位として分級電極３０を正側にする。

この実施例において、帯電器を作動させ、分級電界を作用させた状態でファン１６を作動させると、試料ガスが流路１０の入口から導入され、試料ガスは帯電器の放電によって荷電される。分級電極３０と吸引電極２４、２６の間には分級電界がかけられているので、荷電された試料ガスは流れに沿って分級電界中に送られる。帯電器で荷電された試料ガスは、分級電界が存在するところまでは試料ガスの流れの方向に移動し、分級電界に到達すると試料ガス流れ方向に移動しながら分級電界によって吸引電極２４、２６の方向に移動を始める。

荷電されたイオンは分級部の電界中で、試料ガスの流れに沿って排気側に流されながら、吸引電極に向かって移動する。小さな微粒子は入口に近い吸引電極により多く捕捉される。しかし、吸引電極に近い位置、すなわち流路の下底面側の位置、で吸い込まれた大きな微粒子も入り口に近い吸引電極に捕捉される。吸引電極のうち、測定電極２４−１〜２４−ｎに到達した微粒子の電荷がそれぞれの測定電極２４−１〜２４−ｎに接続された検流回路２８−１〜２８−ｎによって検出される。

図２から図５により微粒子分級装置の他の例に一実施例の分級部故障診断装置を適用した実施例の具体的な構造を示す。図４は流路に沿った断面図を表わしている。

流路１０は扁平な直方体をなし、その入口１２と出口１４にはそれぞれ試料ガスの流れを平行流にするために整流抵抗１１ａ、１１ｂが配置されている。整流抵抗１１ａ、１１ｂは試料が流路幅方向に均一に分散するような流路抵抗になるように設定されている。流路につながる試料導入口１３ａと排出口１３ｂは流れの断面積が流路１０よりも小さくなっているが、整流抵抗１１ａ、１１ｂによって流路１０での試料ガスの流れは流路幅にわたって均一な平行流となる。

流路１０の出口１４につながる排出口１３ｂには送風機構としてブロア４０が接続され、ブロア４０の上流に風量センサ４２が配置されている。流路１０を流れる試料ガス流量を調整して一定にするための流量調整弁１８が風量センサ４２とブロア４０の間に配置されている。流量調整弁１８は風量センサ４２による検出風量が試料ガスを層流にするように予め定められた一定量になるように調整する。流量調整弁１８は手動で調整することもでき、風量センサ４２の信号に基づいてフィードバック制御するように構成することもできる。

試料導入口１３ａに試料ガスを導入するために試料吸込み口１２がある。分級部故障診断方法を実施する際には、試料吸込み口１２に、吸引するガス中の粒子成分を除去するガスフィルタ５０を設けることできるように、試料吸込み１２口にはフィルタ取付け部（図示略）が設けられている。ガスフィルタ５０は、ＨＥＰＡフィルタ、ＵＬＰＡフィルタなどが適当である。そのようなガスフィルタ５０の例としてアドバンテック東洋製ＣＣＧシリーズがある。フィルタ取付け部にはガスフィルタ５０が取り付けられたことを検知するマイクロスイッチなどのセンサを設け、そのセンサの出力信号をコンピュータ１００に取り込むようにしてもよい。そのようなセンサが設けられていない場合は、ガスフィルタ５０が取り付けられたことをコンピュータ１００に入力するようにしてもよい。ガスフィルタ５０の着脱をコンピュータ１００のＣＰＵからの命令により自動で行うようにすることができる。また、ガスフィルタ５０の着脱を手動で行なうようにすることもできる。

試料吸込み口１２と試料導入口１３ａの間にはインパクタ１３と帯電部が配置されている。インパクタ１３は、流路を遮る板の中央にノズルが開けられ、そのノズルの下流にノズルに対向して捕集板が配置された構造をもっている。ノズルから噴出するエアロゾルの慣性衝突を利用してエアロゾル中の大きい側の微粒子を捕集板に採取して除去し、小さい側の微粒子を通過させる装置である。

帯電部は放電電極２０ａと対向電極２２ａとからなり、インパクタ１３と試料導入口１３ａの間に配置されている。放電電極２０ａは針状の形状をもち、対向電極２２ａは流路を遮る電極板からなり、その中央に開口をもっている。放電電極２０ａの先端が対向電極２２ａの開口の中央に向けて配置されている。対向電極２２ａは接地されている。放電電極２０ａに荷電電源２１から荷電用の電圧が印加される。放電電極２０ａに正電圧が印加されるとこの荷電部は試料ガス中の微粒子を正に帯電させ、放電電極２０ａに負電圧が印加されるとこの荷電部は試料ガス中の微粒子を負に帯電させる。放電電極２０ａと対向電極２２ａの構造はこれに限定されるものではない。

所望のイオン濃度や荷電の極性などに応じて放電電極２０ａに印加する電圧を調整するために、荷電電源２１には荷電電圧調整器２３ａが接続されており、荷電電源２１の出力電圧と電流を表示するための荷電電流・電圧モニタ装置２３ｂが荷電電源２１に接続されている。

流路１０の下底面上には、流路方向に沿って入口１２から互いに異なる距離の位置に上流側から順にトラップ電極２６及び６枚の測定電極２４−１〜２４−６が配置されている。測定電極２４−１〜２４−６は互いに近接して配置され、隣接する測定電極間に隙間をもって配置されている。トラップ電極２６及び各測定電極２４−１〜２４−６には、流路方向に対して中央の位置にスタッド４６が溶接されている。スタッド４６はトラップ電極２６及び測定電極２４−１〜２４−６について流路幅方向に沿って３個ずつ設けられている。各スタッド２５はこの測定装置のベース基板４８に開けられた穴に嵌め込まれていることによりトラップ電極２６及び測定電極２４−１〜２４−６の流路方向の位置決めがなされている。

測定電極２４−１〜２４−６のスタッド４６のうち、流路幅方向の中央に配置されたものは検出した電流を取り出すための端子を兼ねており、それらのスタッド４６はそれぞれの検流回路２８−１〜２８−６に接続されている。検流回路２８−１〜２８−６は増幅回路（アンプ）を備えている。検流回路２８−１〜２８−６はここでは全ての測定電極に設けられているが、電流値を検出しようとする測定電極のみに接続してもよい。トラップ電極２６のスタッド４６には検流回路は接続されておらず、接地されている。トラップ電極２６及び各測定電極２４−１〜２４−６に対向して、流路１０の天井面には１つの分級電極３０が配置されている。トラップ電極２６の入口１２側の位置と分級電極３０の入口１２側の位置とが一致しており、測定電極２４−６と分級電極３０出口１４側の位置が一致している。

検流回路２８−１〜２８−６は分級のための計算を行うためにコンピュータ（図示略）に接続されている。通常測定時においては、検流回路２８−１〜２８−６の検出信号は、流路１０を流れる試料ガス中の帯電粒子が分級されて測定電極２４−１〜２４−６に吸引され結果を反映しているので、それらの検出信号に基づいて分級測定を行うことができる。

本発明は通常測定が目的ではなく、分級電極が正常であるか否かを診断するのが目的であるので、手動でもその診断をできるように、検流回路２８−１〜２８−６には表示装置としてそれぞれの電流モニタ装置２９−１〜２９−６が接続されており、検流回路２８−１〜２８−６の検出電流値が表示されるようになっている。電流モニタ装置２９−１〜２９−６の少なくとも１つ、好ましくは最も上流側に配置された測定電極２４−１に接続された検流回路２８−１の電流モニタ装置２９−１は、操作者が分級部の故障診断を行う際に利用することができる。

この微粒子分級装置おいて、分級電極が正常であるか否かを自動で判定する分級部故障診断装置は、検流回路２８−１〜２８−６のいずれか、分級電源供給制御部１０２、判定部１０４及びしきい値保持部１０６を含んでいる。分級電源供給制御部１０２及び判定部１０４は分級装置の専用コンピュータ又はパーソナルコンピュータなどの汎用コンピュータのＣＰＵとブログラムにより実現されるものであり、しきい値保持部１０６はそのコンピュータのメモリ装置により実現される。

分級部故障診断装置を構成する検流回路としては、検流回路２８−１〜２８−６のうち、もっとも微小な粒子の電荷量を検出できる検流回路２８−１の検出電流を使用する。検流回路２８−１は検流回路２８−１〜２８−６のうちで流路のガスの流れに対して最も上流側に配置された測定電極２４−１に接続された検流回路である。

分級電源供給制御部１０２は、分級電極３０への供給電圧を通常測定時の電圧よりも低い診断用の一定電圧に下げるとともに、分級電極３０への電源供給のオン／オフを切り換えるように構成されている。分級電極３０への供給電圧を変化させることができるように、分級電源３２には分級電源供給制御部１０２が接続されており、分級電源供給制御部１０２は分級電源３２から分級電極３０への供給電圧を変化させる。分級電極３０への供給電圧を診断用の一定電圧に下げた後、分級電源供給制御部１０２は分級電源３２に命令を出して分級電極３０への電源供給のオン／オフを切り換える。

判定部１０４は、検流回路２８−１の出力信号を取り込み、しきい値保持部１０６からしきい値を取り込み、分級電極３０への電源供給のオン／オフ切換えにおける検流回路２８−１の出力信号変化の大きさがそのしきい値以上であれば分級電極３０とボディ１１との間の絶縁が正常に保たれていると判定し、そうでなければが分級電極３０とボディ１１との間の絶縁が低下していると判定する。

分級部故障診断を手動によってもできるように、分級電源供給制御部１０２は手動によっても分級電源３２から分級電極３０への供給電圧を変化させることができるように構成されており、分級電源３２は手動によっても分級電極３０への電源供給のオン／オフを切り換えることができるように構成されている。

好ましい実施例として、試料吸込み口１２にガスフィルタ５０を配置することができるようになっている。ガスフィルタ５０は、吸引するガス中の濃度変化する粒子成分を除去する。そのため、試料吸込み口１２から試料ガスを吸引しながら、濃度変化する粒子成分が除去された後のガスを用いて、帯電したガスイオンを用いて分級部故障診断を行うことができるようになる。その場合、測定電極として流路を流れるガスの流れに沿って複数個２６−１〜２６−６が配置されている場合には、判定部１０４が出力信号を取り込む検流回路として、流路を流れるガスの流れの最も上流側にある測定電極２６−１につながる検流回路２８−１を使用することが好ましい。検流回路２８−１には微細な帯電粒子が取り込まれる。

分級電極が正常であるか否かの判定結果がこの微粒子分級装置を使用している操作者に容易にわかるようにするために、判定部１０４による判定結果を表示する表示部１０８が設けられている。表示部１０８は、例えば、液晶表示装置、表示する色により判定結果を識別できるランプなどが好ましい。

流路１０を流れるガスの流れや検流回路は温度と相対湿度の影響も受ける。そのため、流路１０を一定温度に保ち、相対湿度が高くならないようにするために、流路１０のボディ１１にはヒーター６０と温度センサの温度検出端６２が設けられている。ボディ１１は熱伝導性のよい金属製であり、ヒーター６０はボディ１１全体が均一な温度になるような形態で設けられている。ヒーター６０への通電は温度検出端６２が検出する温度が所定の温度になるように、温度調節器６４を介してフィードバック制御される。温度調節器６４には温度モニタ装置６６が接続されており、ボディ１１の温度が表示される。

図５は本発明の分級部故障診断装置が適用される微粒子分級装置のさらに他の例を概略的に示したものである。図１の微粒子分級装置と相違する点は、分級電極３０に対向する吸引電極は測定電極２４ａとトラップ電極２６ａだけであるという点であり、他の構成は同じである。図１の実施例の構成部分と同じ部分は同じ符号を付し、説明を省略する。

分級電極３０に対向する吸引電極は、１つの測定電極２４ａと、流路の試料ガスの流れの方向に対して測定電極２４ａよりも上流側、すなわち流路１０の入口側、に配置されたトラップ電極２６ａとからなる。図１の実施例と同様に、分級電極３０の流路入口側の先端位置とトラップ電極２６ａの流路入口側の先端位置が流路入口から同じ距離の位置に位置決めされており、その先端位置が分級領域の基点となり、流路入口から分級領域の基点までの距離が助走距離である。

測定電極２４ａとトラップ電極２６ａは同電位とされ、測定電極２４ａには検流回路２８ａが接続され、トラップ電極２６ａには検流回路は接続されていない点も図１の実施例と同様である。

流路入口から導入された試料ガスに含まれる微粒子は、放電電極２０ａの放電によって荷電される。分級電極３０とトラップ電極２６ａ、測定電極２４ａ間には分級用の電界がかけられており、荷電された微粒子は試料ガス流れに沿ってこの分級電界中に送られる。

荷電された微粒子は分級部の電界中で、試料ガスの流れに沿って排気側に流されながら、トラップ電極２６ａ及び測定電極２４ａに向かって移動する。非常に小さな微粒子と、非常に大きな微粒子は入口側のトラップ電極２６ａに捕捉され、特定粒径範囲の微粒子だけが測定電極２４ａに到達し、その電荷が測定電極２４ａに接続された検流回路２８ａによって検出される。

分級部故障診断装置は検流回路２８ａの出力電流を取り込み、その電流値に基づいて分級電極３０の故障の有無を診断する。分級部故障診断装置の構成は図２に示されたものと同じである。

分級部故障診断を行うプロセスを図６に示す。このプロセスはコンピュータ１００により自動的に行う場合も、操作者が電流モニタ装置１９−１の表示をみて判断する場合も含んでいる。

まず、分級部故障診断装置が自動で診断動作を実行する場合を述べる。分級電源供給制御部１０２は、試料吸込み口１２にフィルタ５０が装着されていることをセンサ出力により、又は操作者によるコンピュータ１００への入力による認識すると、分級電源供給制御部１０２から分級電顕３２を介して分級電極３０への供給電圧を通常測定時の電圧（数ｋＶ）よりも低い診断用の一定電圧（例えば、５Ｖ）に下げる。診断用の一定電圧は微細な帯電粒子が流路を流れるガスの流れの最も上流側にある測定電極２６−１に取り込まれるには十分な大きさの電界を発生できる分級電圧である。そのような診断用の一定電圧は分級電源供給制御部１０２に設定しておく。

分級電極３０への供給電圧の低下後、分級電源供給制御部１０２は分級電極３０への電源供給のオン／オフを切り換える。分級電極３０とボディ１１との間の絶縁が正常に保たれておれば、分級電極３０への電源供給をオンからオフに切り換えると、電源供給のオン時に検流回路２８−１に流れていた電流がなくなるので、その変化が大きいのに対し、分級電極３０とボディ１１との間の絶縁が正常に保たれていなければ、分級電極３０への電源供給がオンのときも検流回路２８−１に所定の電流が流れていないので、分級電極３０への電源供給をオンからオフに切り換えてもその電流値の変化は小さい。分級電極３０への電源供給のオンからオフへの切り換えに伴う電流値の変化の大きさをしきい値と比較し、しきいち値以上であれば分級電極３０は正常であると判定し、そうでなければ故障と判定し、それぞれを表示部１０８に表示する。

この動作を手動で行う場合は、試料吸込み口１２にフィルタ５０が装着されていることを目視で確認し、分級電極３０への供給電圧を手動で下げ、その後、分級電極３０への電源供給のオン／オフを手動で切り換える。その結果に基づく検流回路２８−１の電流値の変化が所定の値よりも大きいか否かを電流モニタ装置２９−１により目視で判断する。

本発明の分級部故障診断装置と方法が適用される微粒子分級装置は、実施例に示したものに限定されない。たとえば、流路は、実施例では流路の流れ方向に対して垂直方向の断面形状が横方向に扁平な形状であるが、流路の断面形状を実施例のものから９０度回転させた縦方向に扁平な形状のものとしてもよい。また、流路は、実施例に示したような断面が方形のものに限らず、円形のものや、吸引側電極（測定電極とトラップ電極）と分級電極を２重円筒状に互いに対向するように配した構造でもよい。一対の電極間に分級電圧を印加し、それにより発生する分級電界によって帯電微粒子を粒子サイズに基づいて分級する原理を利用した分級装置であれば、本発明を適用することができる。

１０ 流路
１２ 試料吸込み口
２０，２０ａ 放電電極
２２，２２ａ 対向電極
２４−１〜２４−ｎ 測定電極
２８−１〜２８−ｎ，２８ａ 検流回路
２９−１〜２９−６ 電流モニタ装置
３０ 分級電極
３２ 分級電源
５０ ガスフィルタ
１００ コンピュータ
１０２ 分級電源供給制御部
１０４ 判定部
１０６ しきい値保持部
１０８ 表示部

Claims (6)

1. 試料吸込み口から吸引したガスを帯電させる荷電部と、前記荷電部により帯電させられたガスが流れる流路を構成する内面のうちの一つの面に配置された少なくとも１つの吸引電極と、前記内面のうちの他の面上に前記吸引電極に対向して配置され、前記吸引電極との間に前記流路を流れるガス中の帯電粒子を前記吸引電極側に引き付ける電界を発生させる分級電極と、を備えた微粒子分級装置における前記分級電極が正常であるか否かを判定する分級部故障診断装置であって、
   前記吸引電極に接続されて電荷量を検出する検流回路と、
   前記分級電極への供給電圧を通常測定時の電圧よりも低い診断用の一定電圧に下げるとともに、前記分級電極への電源供給のオン／オフを切り換える分級電源供給制御部と、
   前記検流回路の出力信号を取り込み、前記分級電極への電源供給のオン／オフ切換えにおけるその出力信号変化の大きさがしきい値以上であるか否かにより前記分級電極が正常であるか否かを判定する判定部と、
   前記判定部が使用する前記しきい値を保持し、保持したしきい値を前記判定部に供給するしきい値保持部と、
   を備えた分級部故障診断装置。
2. 前記判定部による判定結果を表示する表示部をさらに備えている請求項１に記載の分級部故障診断装置。
3. 試料吸込み口から吸引したガスを帯電させる荷電部と、前記荷電部により帯電させられたガスが流れる流路を構成する内面のうちの一つの面に配置された少なくとも１つの吸引電極と、前記内面のうちの他の面上に前記吸引電極に対向して配置され、前記吸引電極との間に前記流路を流れるガス中の帯電粒子を前記吸引電極側に引き付ける電界を発生させる分級電極と、を備えた微粒子分級装置における前記分級電極が正常であるか否かを判定する分級部故障診断装置であって、
   前記吸引電極に接続されて電荷量を検出する検流回路と、
   前記分級電極への供給電圧を通常測定時の電圧よりも低い診断用の一定電圧に下げるとともに、前記分級電極への電源供給のオン／オフを切り換える分級電源供給制御部と、
   前記検流回路に接続され前記検流回路の出力信号を表示する表示装置と、を備えた分級部故障診断装置。
4. 前記試料吸込み口に配置され、吸引するガス中の粒子成分を除去するガスフィルタをさらに備えており、
   前記測定電極は前記流路を流れるガスの流れに沿って複数個が配置されており、前記判定部が出力信号を取り込む前記検流回路は、前記流路を流れるガスの流れの最も上流側にある測定電極につながる検流回路である請求項１から３のいずれか一項に記載の分級部故障診断装置。
5. 試料吸込み口から吸引したガスを帯電させる荷電部と、前記荷電部により帯電させられたガスが流れる流路を構成する内面のうちの一つの面に配置された少なくとも１つの吸引電極と、前記内面のうちの他の面上に前記吸引電極に対向して配置され、前記吸引電極との間に前記流路を流れるガス中の帯電粒子を前記吸引電極側に引き付ける電界を発生させる分級電極と、を備えた微粒子分級装置における前記分級電極が正常であるか否かを判定する分級部故障診断方法であって、
   前記吸引電極に電荷量を検出する検流回路を接続し、
   （Ｓ１）前記分級電極への供給電圧を通常測定時の電圧よりも低い診断用の一定電圧に下げるステップ、
   （Ｓ２）その後、前記分級電極への電源供給のオン／オフを切り換えるステップ、及び
   （Ｓ３）前記検流回路の出力信号に基づき、前記分級電極への電源供給のオン／オフ切換えにおけるその出力信号変化の大きさに基づいて前記分級電極が正常であるか否かを判定するステップ、
   を含む分級部故障診断方法。
6. この分級部故障診断方法を実施する際に、前記試料吸込み口に、吸引するガス中の粒子成分を除去するガスフィルタを設け、
   前記測定電極として前記流路を流れるガスの流れに沿って複数個が配置されている場合は、前記流路を流れるガスの流れの最も上流側にある測定電極につながる検流回路の出力信号に基づいて前記ステップＳ３の判定を行う請求項５に記載の分級部故障診断方法。

Images