JP6858135B2 - 粒子センサ及び検知方法 - Google Patents

Description

本発明は、特に空中浮遊超微粒子（「ＵＦＰ」）の見かけ粒子数濃度（すなわち、単位ボリューム当たりの粒子の見かけ数）を決定するための、粒子センサに関する。

このタイプの知られている粒子センサは通常、センサを通る空気流を確立するための手段（たとえば換気装置又はポンプ）を備える。次に空気流は、空中浮遊粒子を帯電させるためのイオン化電極を有する粒子帯電セクションと、実質的にすべての空中浮遊粒子を流れから取り除くための粒子集塵セクションとを通過する。

センサはさらに粒子測定セクションを備え、これは、粒子集塵セクションにおける単位時間当たりの粒子結合電荷の堆積として得られる電流（Ｉ_{ｓｅｎｓｏｒ}）を測定するための電流計を有する。

測定された電流（Ｉ_{ｓｅｎｓｏｒ}）から、いわゆる見かけ超微粒子数密度（Ｎ_ａｐｐ）を次式により計算することができる。
Ｎ_ａｐｐ＝Ｓ・Ｉ_{ｓｅｎｓｏｒ} （１）

上式で、Ｓは較正定数である。見かけ超微粒子数濃度（Ｎ_ａｐｐ）は、粒子長さ濃度（すなわち、空気単位ボリューム中の全空中浮遊ＵＦＰがその中で１本の紐として整列したときの紐の全長）と所定の平均粒径すなわち、

の比に等しい。ここで、平均粒径は算術平均粒径であり、集計平均粒径としても知られている。ＵＦＰに関し、式（１）は、実質的にすべての帯電空中浮遊粒子が粒子集塵セクション内に堆積した場合には、

の値に依存することなく有効である。

粒子集塵セクションは、ファラデーケージの中に配置された機械式粒子フィルタ、又は平行板静電粒子集塵機を備える。製造可能性の観点から、後者の方が前者よりも好まれる。寸法が小さいセンサ設計を使用することもまた望ましい。しかし、こうして選択されたものでは、全帯電空中浮遊ＵＦＰのうちの一部しか集塵できず、特にＵＦＰサイズが大きくなるとそうなる。特に、サンプリング空気流から実質的にすべての帯電空中浮遊粒子が取り除かれることを保証するのは困難である。その理由は、そうするには高い粒子集塵電圧（１００Ｖを超える、電子工学的な観点から魅力的ではない電圧）を加えること、流量が小さいこと（毎分０．３リットル未満であり、そのため感度が低下する）、及び／又は粒子集塵機の中の集塵長さが長いこと（そのためデバイスサイズが大きくなる）が必要になるからである。

その結果、平行板静電集塵機が使用される場合には、サンプリング空気流からすべての帯電空中浮遊粒子が取り除かれない可能性があることになり、これによりＮ_ａｐｐに関して曖昧さのないＩ_{ｓｅｎｓｏｒ}の解釈が妨げられ、サンプリング粒子の計数平均直径ｄ_ｐ，ａｖが分かっていないときには特に妨げられる。

したがって、サンプリング空気流からたとえ全帯電粒子をセンサの粒子集塵セクションにおいて集塵しなくても、センサ電流を粒子長さ濃度に関してより正確に解釈することができる粒子センサ設計が必要とされている。

本発明は、特許請求の範囲によって定義される。

本発明の一態様による諸例によれば、
ガス流を同伴された粒子と共に受け入れる入力部と、
静電気粒子帯電セクションと、
平行板粒子集塵セクションと、
集塵された粒子を検出してセンサ信号を生成するためのセンサとを備える粒子センサが提供され、
センサ信号Ｉ_{ｓｅｎｓｏｒ}は、Ｉ_{ｓｅｎｓｏｒ}＝ｆ（Ｎ_ａｐｐ，Ｓ_１）になるように較正定数Ｓ_１によって、帯電セクションに入るガス流中の粒子の見かけ粒子数濃度Ｎ_ａｐｐと関係付けられ、この較正定数Ｓ_１は、第１の関係すなわち、
Ｓ_１＝ｆ_１（ｄ_{ｐ，ａｖ（ｃｓ）}）
に従って、帯電セクションに入るガス流中の粒子の集計平均直径ｄ_{ｐ，ａｖ（ｃｓ）}に依存し、
粒子センサは、帯電セクションの上流に配置された前置フィルタを備え、この前置フィルタは、前置フィルタに入るガス流から粒子の一部分をフィルタリングすることができ、粒子フィルタリングの割合ηは、第２の関係すなわち、
η＝ｆ_２（ｄ_ｐ，ａｖ）
に従って、前置フィルタに入る粒子の集計平均粒径ｄ_ｐ，ａｖに依存し、
前置フィルタ特性は、前置フィルタによってフィルタ除去されていない同伴された粒子に応じる生成センサ信号が、較正定数Ｓによって、前置フィルタに入る粒子の見かけ粒子数濃度Ｎ_ａｐｐと関係付けられるような特性であり、この較正定数Ｓは、第３の関係すなわち、
Ｓ＝ｆ_３（ｄ_ｐ，ａｖ）
に従って、前置フィルタに入る粒子の集計平均直径ｄ_ｐ，ａｖに依存し、
この第３の関係は、それぞれの集計平均直径への依存が第１の関係よりも少ない。

このセンサ設計では前置フィルタを利用して、センサデバイス全体（すなわち、前置フィルタ、粒子帯電セクション及び平行板粒子集塵セクション）の応答が粒子サイズ分布の特性によりいっそう依存しないようにする。というのは、このサイズ分布情報は通常知られていないからである。このようにして、平行板集塵機において集塵された帯電粒子から得られたセンサ信号の、その入力部における粒子サイズ分布との望ましくない依存関係が少なくとも部分的に相殺され、それにより、センサ信号は、センサデバイス全体の入力部における粒子サイズ分布に依存することが少なくなる（又は全く依存しなくなる）。この場合、較正定数を使用してセンサ信号を、センサデバイス全体の入力部に入るサンプリングガス流中の見かけ粒子数濃度と相関させることができる。「依存することが少ない」とは、集計平均粒径に関する較正値Ｓの関数に対して最良適合ラインの勾配がより浅くなることと理解される。

サンプリングガス流中の粒子長さ濃度のどんな値の集計平均粒径ともセンサ信号の依存関係を少なくとも部分的に取り除こうとするには、近似を用いて前置フィルタ及びセンサ応答を特徴付けなければならない。したがって、その依存関係は一般に完全には取り除かれない。好ましくは、最も関心のある集計平均粒径ｄ_ｐ，ａｖの範囲（たとえば、２５ｎｍから１００ｎｍ）にわたって、センサ換算係数のある一定値（先に較正定数Ｓと定義）からの最大偏差は２５％未満であり、より好ましくは１５％未満である。依存関係は、前置フィルタがないときに存在する第１の関係におけるよりも少なく、その目的は、ｄ_ｐ，ａｖに対するこの依存関係を、前置フィルタ及び粒子集塵セクションの挙動に依存する物理的制限内で可能な限り取り除くことである。

第１の関係は、たとえば線形関係すなわち、
Ｓ_１＝Ａ_１・ｄ_{ｐ，ａｖ（ｃｓ）}＋Ｂ_１ （３）
で近似することができ、ここでＡ_１及びＢ_１は、流量、集塵電圧、及び平行板粒子集塵セクションの設計に依存する正の定数である。

平行板集塵セクションの実際の設計を試験し、次にこの線形関数を当てはめることによって、パラメータＡ_１及びＢ_１が実験によって見いだされる。

前置フィルタは活性炭フィルタを含み、サンプリング空気流０．１リットル／分当たり少なくとも１ｍｌのボリュームを有する。

第２の関係は、たとえば累乗関係すなわち、

によって近似することができ、ここでＡ_２及びＢ_２は、前置フィルタの特性及び前置フィルタを通る空気流の速度に依存する正の定数である。前置フィルタ設計を試験又はモデル化し、次にその結果をこの累乗関係に当てはめることによって、パラメータＡ_２及びＢ_２が、前置フィルタの選択された設計選択肢に基づいて決定される。

平行板粒子集塵セクション、前置フィルタ設計及び動作空気流速度は、好ましくは、近似関数すなわち、

で与えられる較正定数Ｓが２５ｎｍ≦ｄ_ｐ，ａｖ≦５０ｎｍの範囲内の最小値に達するように設計される。

このようにして、前置フィルタが存在することにより、全体較正定数Ｓは、ｄ_ｐ，ａｖへの依存が較正定数Ｓ_１よりも少なくなる。実現された依存関係低減は、平行板粒子集塵セクションの設計及び適用される処理条件と組み合わせた前置フィルタの設計仕様からもたらされる。

本発明の別の態様によれば、粒子センサを設計する方法が提供され、この方法は、
静電気粒子帯電セクション及び平行板粒子集塵セクションを設計するステップと、
集塵された粒子を検出してセンサ信号を生成するためのセンサを選択するステップであって、センサ信号は、Ｉ_{ｓｅｎｓｏｒ}＝ｆ（Ｎ_ａｐｐ，Ｓ_１）となるように較正定数Ｓ_１によって、静電帯電セクションに入る粒子の見かけ粒子数濃度Ｎ_ａｐｐと関係付けられ、この較正定数Ｓ_１が第１の関係すなわち、
Ｓ_１＝ｆ_１（ｄ_{ｐ，ａｖ（ｃｓ）}）
に従って、帯電セクションに入るガス流中の粒子の集計平均直径ｄ_{ｐ，ａｖ（ｃｓ）}に依存する、ステップと、
帯電セクションの上流に配置するための前置フィルタを設計するステップとを有し、この前置フィルタは、前置フィルタ内の粒子堆積の割合ηと、前置フィルタに入るガス流中の粒子の集計平均直径ｄ_ｐ，ａｖとの間に第２の関係、すなわち
η＝ｆ_２（ｄ_ｐ，ａｖ）
を有し、
この方法は、前置フィルタによってフィルタ除去されていない同伴された粒子に応じるセンサ信号が、較正定数Ｓによって、前置フィルタに入る粒子の見かけ粒子数濃度Ｎ_ａｐｐと関係付けられるように前置フィルタ特性を選択するステップを有し、この較正定数Ｓは、第３の関係すなわち、
Ｓ＝ｆ_３（ｄ_ｐ，ａｖ）
に従って、前置フィルタに入る粒子の集計平均直径ｄ_ｐ，ａｖに依存し、
この第３の関係は、それぞれの集計平均直径への依存が第１の関係よりも少ない。

上記で説明したように、この設計手法により、平行板集塵セクションにおいて堆積帯電粒子から得られたセンサ信号が、好ましくは許容できる精度内で、粒子サイズ分布の詳細を考慮に入れる必要がない程度に、センサデバイス全体の入力部において粒子サイズ分布への依存が少ないセンサが生成される。

本発明の別の態様によれば、
同伴された粒子を伴うガス流を受け入れるステップと、
ガス流を前置フィルタに通すステップとを有する粒子検知方法が提供され、前置フィルタは、前置フィルタ内の粒子堆積の割合ηと、前置フィルタに入るガス流中の粒子の集計平均粒径ｄ_ｐ，ａｖとの間に、第２の関係すなわち、
η＝ｆ_２（ｄ_ｐ，ａｖ）
に従って、前置フィルタ関係を有し、この方法はさらに、
前置フィルタでフィルタリングされたガス流を静電粒子帯電セクションに通すステップと、
平行板粒子集塵セクションを使用し、集塵された粒子の電荷を検出してセンサ信号を生成するステップとを有し、
センサ信号は、Ｉ_{ｓｅｎｓｏｒ}＝ｆ（Ｎ_ａｐｐ，Ｓ_１）となるように較正定数Ｓ_１によって、帯電セクションに入る粒子の見かけ粒子数濃度Ｎ_ａｐｐと関係付けられ、この較正定数は、第１の関係すなわち、
Ｓ_１＝ｆ_１（ｄ_{ｐ，ａｖ（ｃｓ）}）
に従って、静電帯電セクションに入る粒子の集計平均粒径ｄ_{ｐ，ａｖ（ｃｓ）}に依存し、
前置フィルタによってフィルタ除去されていない同伴された粒子に応じるセンサ信号が、較正定数Ｓによって、前置フィルタに入る粒子の見かけ粒子数濃度Ｎ_ａｐｐと関係付けられ、この較正定数Ｓは、第３の関係すなわち、
Ｓ＝ｆ_３（ｄ_ｐ，ａｖ）
に従って、前置フィルタに入る粒子の集計平均直径ｄ_ｐ，ａｖへの依存が少なく、
この第３の関係は、それぞれの集計平均直径への依存が第１の関係よりも少ない。

次に、本発明の諸例について添付の図面を参照して詳細に説明する。

知られている粒子センサの第１の例を示す図である。 知られている粒子センサの第２の例を示す図である。 図２の設計においてセンサ信号を入射粒子濃度と相関させる較正値Ｓ_１が、入射粒子の集計平均直径ｄ_ｐ，ａｖにどれだけ依存するかを示す図である。 本発明による粒子センサの第１の例を示す図である。 図４の粒子センサにおいて前置フィルタによって満たされるべきフィルタリング関係の例を示す図である。 図４の粒子センサ設計においてセンサ信号を粒子センサに入るガス流中の粒子の濃度と相関させる較正定数Ｓは、粒子センサに備えられる前置フィルタの設計に関して、粒子センサに入る粒子の集計平均直径ｄ_ｐ，ａｖへの依存がどれだけ少なくなるかの例を示す図である。

本発明は、静電粒子帯電セクション及び平行板粒子集塵セクションと、集塵された粒子を検出してセンサ信号を生成するためのセンサとを備える粒子センサを提供する。前置フィルタが帯電セクションの前に置かれる。前置フィルタ特性は、前置フィルタによってフィルタ除去されていない同伴された粒子に応じるセンサ信号が、較正定数Ｓによって、粒子センサ入力部における見かけ粒子数濃度Ｎ_ａｐｐと関係付けられるような特性である。この較正定数Ｓは、粒子センサに入るガス流中の粒子の集計平均直径ｄ_ｐ，ａｖへの依存が、前置フィルタが存在しないときにおけるよりも少ない。したがって、集塵セクションにおいて集塵された粒子に由来するセンサ信号の粒子サイズ分布への依存（異なる粒子サイズにおいて粒子集塵の程度が異なることによる）が、粒子サイズへの粒子フィルタリング機能の適切な依存関係を保有する前置フィルタによって、少なくとも部分的に相殺される。

知られている電気式超微粒子（ＵＦＰ）センサの設計及び動作についてまず、より詳細に説明する。これらのセンサは、たとえば約１０ｎｍから５００ｎｍの間の粒子サイズ範囲の粒子を測定する。

最も基本的なセンサ実施態様が図１に示されている。

センサは、流量φ_Ｃの空気を受け入れるための入口１０を備える。

ＵＦＰ帯電セクション１２は、多孔質スクリーン電極１６で取り囲まれた空気イオン化高圧電極１４を備える。

さらに下流に、粒子フィルタを含むファラデーケージ２０を備えるＵＦＰ集塵セクション１８があり、この粒子フィルタは、ＵＦＰセンサを通過するサンプリング空気流からすべての空中浮遊粒子を実質的にフィルタリングすることができる。

電流計２２がファラデーケージに接続される。電流計は、ファラデーケージの内部に単位時間当たりに堆積する粒子結合電荷の量を電流Ｉ_{ｓｅｎｓｏｒ}として測定する。Ｉ_{ｓｅｎｓｏｒ}はセンサ信号を構成する。

空中浮遊ＵＦＰを含むサンプリング空気流をセンサ中に通すための手段２４がある。この手段は換気扇、ポンプ、又はイオン風とすることができる。流量φ_Ｃで空気を排出する空気流出口２６がある。

上述のように、サンプリング空気流中の推測される見かけＵＦＰ数濃度Ｎ_ａｐｐは、
Ｎ_ａｐｐ＝Ｓ・Ｉ_{ｓｅｎｓｏｒ} （１）
によって、測定されたＩ_{ｓｅｎｓｏｒ}と関係付けられる。

これは、一般的にＩ_{ｓｅｎｓｏｒ}＝ｆ（Ｎ_ａｐｐ，Ｓ）であることを意味する。

Ｓは較正定数であり、粒子サイズ分布特性に実質的に依存せず、したがって集計平均ＵＦＰ直径ｄ_ｐ，ａｖに実質的に依存しない。さらに、見かけ粒子数濃度Ｎ_ａｐｐは

と定義され、Ｎは総合ＵＦＰ数濃度であり、ｄ_ｐ，ａｖは集計平均粒径であり、

は、任意の事前選択デフォルト平均粒径とすることができる（通常は、

である）。

すなわち、Ｎ_ａｐｐはＮとｄ_ｐ，ａｖの積に比例する。積Ｎｄ_ｐ，ａｖは粒子長さ濃度（ｍ／ｍ^３）を示す。Ｎ_ａｐｐが分かっているだけで、ＵＦＰに関連した大気汚染レベルの相対的深刻さを評価するのに十分である。その目的には、Ｎとｄ_ｐ，ａｖの両方が個別に分かっている必要がない。

式２は、平均ＵＦＰ粒子サイズ範囲２５ｎｍ≦ｄ_ｐ，ａｖ≦１２０ｎｍについて有効である。この範囲は、通常に遭遇するＵＦＰ直径範囲１０ｎｍ≦ｄ_ｐ≦５００ｎｍ全体にわたるＵＦＰサイズ分布を包含する。

図１に示されたＵＦＰセンサ実施形態の代わりに、図２の代替実施形態を使用することができる。

図１と同じ参照番号が同じ構成要素に対し使用されている。ファラデーケージ２０の代わりに、平行板静電粒子集塵機３０が設けられ、電流計２２が、帯電粒子が集塵される板電極に取り付けられる。平行板集塵機は、たとえば、２つの平行平板電極として、又は外側電極に取り囲まれている内側電極を含む同心電極組として具現化することができる。いくつかの代替実施形態が当業者には明らかであろう。

すべての空中浮遊帯電ＵＦＰが集塵されるとすれば、上記の式、式１及び式２がなお当てはまる。

図１の実施形態の代わりに図２の実施形態を使用することが、ＵＦＰセンサが低コスト及び小さいサイズで大量生産される場合には、組立てが容易という理由で好ましい。

上述のように、平行板静電集塵機が使用される場合には、サンプリング空気流からすべての空中浮遊粒子が取り除かれない可能性があることになり、これによりＮ_ａｐｐに関して曖昧さのないＩ_{ｓｅｎｓｏｒ}の解釈が妨げられる。

図３は、空中浮遊ＵＦＰの一部だけがセンサ集塵セクション内で集塵される場合に、式１の較正値Ｓ_１とｄ_ｐ，ａｖの間の関係の例を異なるφ_Ｃ及びＶ_ｐｒｅｃの値において示す。Ｖ_ｐｒｅｃは、互いに向かい合う２つの平行板電極間に加えられる電圧である。

図３（ａ）のすべてのグラフは、流量がφ_Ｃ＝０．６リットル／分であるが、図示のようにＶ_ｐｒｅｃが３つの異なる値である。Ｖ_ｐｒｅｃの無限値は、完全な粒子集塵が行われると共にそれがｄ_ｐ，ａｖに依存しないＳ_１の所望の一定値を与える、理想の（しかし非実際的な）状態と関係付けられる。図３（ａ）及び図３（ｂ）の実線は、サイズ分布の幅の標準偏差σ＝１．７である正規対数型の粒子サイズ分布に当てはまる。破線は、標準偏差σ＝２．１である正規対数型の粒子サイズ分布に当てはまり、点線は、標準偏差σ＝１．３である正規対数型の粒子サイズ分布に当てはまる。図３（ａ）から、Ｓ_１が主としてｄ_ｐ，ａｖの関数であり、σには実質的に依存しないことが明らかである。

図３（ｂ）のすべてのグラフは、流量がφ_Ｃ＝０．３リットル／分であるが、図示のようにＶ_ｐｒｅｃが３つの異なる値である。

図３（ａ）及び図３（ｂ）の有限Ｖ_ｐｒｅｃ値におけるＳ_１の値は、平行板集塵機の実際的な設計ではもはや一定ではないことが分かる。これは、帯電粒子の不完全な集塵に起因する。

本発明は、不完全な粒子の集塵の結果として、較正定数（Ｓ_１）が線形関係すなわち、
Ｓ_１＝Ａ_１・ｄ_ｐ，ａｖ＋Ｂ_１ （３）
に従って、集計平均粒径（ｄ_ｐ，ａｖ）による粒子サイズ分布の特性に主として依存するようになることを示した調査に基づいている。

集計平均粒径（ｄ_ｐ，ａｖ）は、センサ、すなわちセンサの帯電セクションに入る粒子についてのものである。したがって、空気入口とセンサの間に他の構成要素がある場合について特徴付けるために、帯電セクションの入口に入るときの集計平均粒径（ｄ_{ｐ，ａｖ（ｃｓ）}）が、センサだけに較正定数が関係付けられるように定義される。

その場合、
Ｓ_１＝Ａ_１・ｄ_{ｐ，ａｖ（ｃｓ）}＋Ｂ_１ （３ａ）
となる。

一般的には、センサ性能に関連して第１の関係、すなわちＳ_１＝ｆ_１（ｄ_{ｐ，ａｖ（ｃｓ）}）がある。

この線形関係は、図３の例に見られる。この式は、少なくとも２５ｎｍ≦ｄ_ｐ，ａｖ≦１００ｎｍの範囲において有効であることが実証された。

正の定数Ａ_１及びＢ_１の数値は、流量、集塵電圧、及び平行板集塵機の設計仕様に依存する。これらは計算すること、又は実験的に決定することができる。

したがって、平行板集塵セクションの実際の挙動は式３によって近似することができる。

サンプリング空気流中に同伴する粒子について、その集計平均粒径（ｄ_ｐ，ａｖ）は通常未知であるので、Ａ_１及びＢ_１が分かっているときでも較正定数（Ｓ１）は未知である。また見かけ超微粒子数濃度（Ｎ_ａｐｐ）は、平行板静粒子電集塵機における単位時間当たりの粒子結合電荷の堆積として得られる電流（Ｉ_{ｓｅｎｓｏｒ}）を単に測定することによっては、確実に決定することができない。

本発明は、上記で説明した効果を、粒子帯電セクションの上流にフィルタを含むことによって少なくとも部分的に相殺することに基づいており、このフィルタは、サンプリング空気流から粒子の一部分を取り除くように構成される。

本発明によるセンサの一例が図４に示されている。その設計は図２に示されたものと同じであるが、センサの入口１０に活性炭フィルタ４０が備わる。

適切に設計された活性炭（ＡＣ）フィルタ４０をセンサ帯電セクション１２の上流に設置すると、以下で説明するように、（一般に未知の）集計平均粒径への較正定数の依存を少なくする助けになる。

物理的な吸着によって、ＡＣフィルタは、サンプリング空気流からシリコーン含有ガスを、それがセンサの帯電セクション内のイオン化電極に到達する前に、取り除くことができる。加えて、ＡＣフィルタは、サンプリング空気流から空中浮遊ＵＦＰの一部を、ＡＣ材料への拡散ＵＦＰ堆積によって取り除く。粒状ＡＣ材料へのＵＦＰ堆積の割合ηは、形状の累乗関係、すなわち

に従って、（フィルタに入る粒子の）集計平均ＵＦＰ直径ｄ_ｐ，ａｖが増大すると共に減少することが見いだされた。

一般的には、第２の関係η＝ｆ_２（ｄ_ｐ，ａｖ）がある。

上式において、ηは粒子長さ濃度の、フィルタによって取り除かれる割合を、フィルタに入る粒子の集計平均直径の関数として示す。

正の定数Ａ_２及びＢ_２の数値はフィルタの特性に依存し、実験的に決定することができる。

式４では、Ａ_２及びＢ_２は正の定数であり、その値はＡＣフィルタの顆粒サイズ、ＡＣフィルタを通り抜ける表面空気流速度ｖ_ｓ、及びＡＣフィルタの長さに依存する。

式４は、η＜０．８の値に対し、２５ｎｍ≦ｄ_ｐ，ａｖ≦１００ｎｍの範囲において有効であることが見いだされた。

ＡＣフィルタにおける部分粒子長さ堆積値の組に対する累乗適合の２つの例が、図５にη対ｄ_ｐ，ａｖのグラフとして示されている。

グラフ５０は、１６ｍｍの活性炭ベッド長さを用いて表面空気流速度０．０２５ｍ／ｓで得られた実験的フィルタリングデータのものであり、活性炭ベッドは直径が２ｍｍの円筒形炭素顆粒を含む。

グラフ５２は、３２ｍｍの活性炭ベッド長さを用いて表面空気流速度０．０２５ｍ／ｓにおいて得られた実験的フィルタリングデータのものであり、この活性炭ベッドは直径が２ｍｍの円筒形炭素顆粒を含む。

サンプリング空気からの適切で長続きするシリコーン含有気体除去を可能にするために、顆粒ＡＣフィルタは、サンプリングされる０．１リットル／分の空気流当たり少なくとも１ｍｌのボリュームを好ましくは有すべきである。したがって、サンプリングされる空気流が０．４リットル／分である場合、活性炭フィルタは少なくとも４ｍｌのボリュームを有すべきである。顆粒ＡＣベッドの典型的な密度ρ_ｃ＝０．５グラム／ｃｍ^３では、４ｍｌのＡＣベッドが約２グラムの顆粒ＡＣ材料を含む。

ＡＣフィルタ直径を変えることによって、ＡＣフィルタ長さ及び／又はＡＣフィルタ内のＡＣ顆粒サイズ、ＡＣフィルタ内のＵＦＰ粒子の拡散堆積を、要件に合わせて調整することができる。

ＡＣフィルタ内の拡散ＵＦＰ堆積は式４に従うので、ＡＣフィルタを出てからＵＦＰ帯電セクションに入る見かけＵＦＰ数濃度Ｎ_{ａｐｐ，ｄｏｗｎ}は、

によって、サンプリング空気中の、デバイス全体の入力部におけるＵＦＰ濃度Ｎ_ａｐｐと関係付けられる。

続いて、センサ集塵セクションに入る濃度Ｎ_{ａｐｐ，ｄｏｗｎ}によりセンサ信号Ｉ_{ｓｅｎｓｏｒ}が、
Ｎ_{ａｐｐ，ｄｏｗｎ}＝（Ａ_１ｄ_{ｐ，ａｖ（ｃｓ）}＋Ｂ_１）・Ｉ_{ｓｅｎｓｏｒ} （６）
に従って生成される。
式（５）と式（６）を組み合わせると、

が得られる。

適切に設計された前置フィルタ（たとえば、直径が少なくとも２ｍｍである円筒形活性炭顆粒）を用いると、ｄ_{ｐ，ａｖ（ｃｓ）}とｄ_ｐ，ａｖの間にはわずかな差しか残らず、それにより、ｄ_{ｐ，ａｖ（ｃｓ）}を近似的にｄ_ｐ，ａｖに置き換えることができることに留意されたい。こうすることにより、

が得られる。

大括弧内の部分は、第３の関係Ｓ＝ｆ_３（ｄ_ｐ，ａｖ）によって定義される有効較正定数を表す。

図４のＡＣフィルタの設計を、有効較正定数すなわち、

が２５ｎｍ≦ｄ_ｐ，ａｖ≦５０ｎｍの範囲の最小値に達するように調整することによって、式８の較正定数Ｓはｄ_ｐ，ａｖへの依存が、式３ａによるＳ_１のｄ_{ｐ，ａｖ（ｃｓ）}への依存よりも少なくなる。

上記の式（３ａ）の第１の関係は、帯電セクションに入る粒子の値ｄ_{ｐ，ａｖ（ｃｓ）}と関係付けられる。前置フィルタが存在しないとするなら、値ｄ_{ｐ，ａｖ（ｃｓ）}は、第２及び第３の関係における値ｄ_ｐ，ａｖと等値になる。

本発明の利点は、前置フィルタが存在するときのｄ_ｐ，ａｖへのＳの依存が、前置フィルタが不在のときと比較して改善することに基づいている。

ｄ_ｐ，ａｖへのＳの依存に対する、異なるフィルタが存在することの効果が図６に示されている。グラフ６０は、ＡＣフィルタが不在のときのｄ_ｐ，ａｖへのＳの依存関係を示す。この場合、Ｓは式３で表すことができる。グラフ６０と比較して、グラフ６１は、粒子帯電セクションの上流にＡＣフィルタを１６ｍｍの活性炭ベッド長さを用いて設置したときにＳに起きた変化を示す。表面空気流速度０．０２５ｍ／ｓのサンプリング空気が、直径が２ｍｍの円筒形炭素顆粒を含むこのＡＣフィルタを通る。グラフ６１から、ｄ_ｐ，ａｖ＝２５ｎｍにおいてＳが最小値に達することが認められる。グラフ６２は、ＡＣフィルタの長さが３２ｍｍまで増大され、他のすべてのパラメータがグラフ６０及び６１のものと同じままであるときに得られた。グラフ６２では、ｄ_ｐ，ａｖ＝３５ｎｍにおいてＳが最小値に達する。粒子センサをｄ_ｐ，ａｖ＝５０ｎｍであるＵＦＰ粒子の試験エアロゾルを用いて較正したとき、それによって得られる、３２ｍｍＡＣフィルタが存在するときのＳの（固定）値は、粒子センサが続いて、２５ｎｍから１００ｎｍの範囲のｄ_ｐ，ａｖ値を有するＵＦＰサイズ分布の見かけ粒子数濃度Ｎ_ａｐｐを決定するために使用されたときに、誤差が２０％未満になる。これにより、粒子帯電セクションの上流にフィルタが存在しない図６のグラフ６０で表された状態と比較すると、広い範囲のｄ_ｐ，ａｖ値にわたってより信頼できるＮ_ａｐｐの推定値が得られる。

したがって、ｄ_ｐ，ａｖへのＳの依存低減は、ＵＦＰセンサの設計及びＵＦＰセンサに存在する処理条件と組み合わせたＡＣベッドの設計に基づいて達成することができ、ｄ_ｐ，ａｖへのＳの相対的な依存は、２５ｎｍ≦ｄ_ｐ，ａｖ≦５０ｎｍの範囲内でＳの最小値が実現されたときに最少になる。

ｄ_ｐ，ａｖへのＳの依存が十分に低減されると、式１が再び、ＵＦＰの一部分だけがセンサの集塵セクションで集塵される状況においても、Ｉ_{ｓｅｎｓｏｒ}とＮ_ａｐｐの間の関係に近似的に当てはまる。

最終結果は、前置フィルタが、デバイス全体の入力部における粒子サイズ分布（集計平均粒径で表される）に実質的に依存しないセンサデバイス全体（すなわち、前置フィルタ、帯電セクション及び平行板集塵セクション）に対応することである。そうして、その入力部における粒子サイズ分布に対するセンサ信号の望ましくない依存関係が大部分は相殺される。その場合、単一の較正定数を使用してセンサ信号を、センサデバイス全体の入力部における見かけ粒子数濃度と相関させることができる。

Ａ_１及びＢ_１の数値は、流量、集塵電圧、及び平行板集塵機の設計仕様に依存し、Ａ_２及びＢ_２の数値は、前置フィルタの特性に依存する。

本発明の手法はまた、別の問題にも対処する。図２に示されたようなＵＦＰセンサ設計では、センサの帯電セクション内のＨＶイオン化電極のイオン化先端部は、ケイ素含有ガスのシランをサンプリング空気が含む場合に、白色ＳｉＯ_２で徐々に被覆される。これらのガスは、イオン化電極先端部まわりのプラズマ領域内で酸化され、それによってＳｉＯ_２残留物が電極の上に堆積する。ＳｉＯ_２材料が絶縁性であるので、電極のイオン化挙動が最終的に妨害されて、センサ機能不良になる。

活性炭材料を備える前置フィルタが、空気流からガス成分を、それがイオン化電極に到達する前に取り除く。特に、シリコーン含有ガスを取り除くことが、防止しなければ電極機能が次第に低下することになる、イオン化電極上に電気絶縁二酸化ケイ素残留物が形成することを防止する。

したがって、イオン化電極へのＳｉＯ_２堆積によって誘発される擾乱に対するＵＦＰセンサの感受性が、前置フィルタ中の活性炭によって行われるときの事前フィルタリングによって、大幅に低減される。前置フィルタ中の活性炭材料は、顆粒として、繊維として、発泡体支持材料にコーティングされた粒子として、又は支持シート材料にコーティングされた微粒子として存在することができる。

他の適切な前置フィルタ、たとえば機械的繊維性フィルタもまた存在する。数平均粒径に対する所望の相殺機能、すなわち図５に示された関係を生成するように設計できる任意の粒子フィルタを使用することができる。

本発明は、上記で説明したように設計された粒子センサと、上記で説明した設計方法と、粒子センサを使用する粒子検知方法とを提供する。

開示された実施形態に対する他の変形形態は、特許請求された本発明を実践するにおいて、図面、開示、及び添付の特許請求の範囲を検討することにより、当業者によって理解され、もたらされ得る。特許請求の範囲で、「備える」という語は他の要素又はステップを除外せず、また不定冠詞「ａ」又は「ａｎ」は複数を除外しない。いくつかの方策が互いに異なる従属項に列挙されているにすぎないことは、これらの方策の組合せを有利に使用できないことを示すものではない。特許請求の範囲におけるいかなる参照符号も、その範囲を限定するものと解釈されるべきではない。

Claims (14)

1. ガス流を同伴された粒子と共に受け入れる入力部と、
   静電気粒子帯電セクションと、
   平行板粒子集塵セクションと、
   集塵された粒子を検出してセンサ信号を生成するためのセンサとを備える粒子センサであって、
   前記センサ信号Ｉ_{ｓｅｎｓｏｒ}は、Ｉ_{ｓｅｎｓｏｒ}＝ｆ（Ｎ_ａｐｐ，Ｓ_１）になるように較正定数Ｓ_１によって、前記静電気粒子帯電セクションに入る前記ガス流中の前記粒子の見かけ粒子数濃度Ｎ_ａｐｐと関係付けられ、前記較正定数Ｓ_１は、第１の関係すなわち、
   Ｓ_１＝ｆ_１（ｄ_{ｐ，ａｖ（ｃｓ）}）
   に従って、前記静電気粒子帯電セクションに入る前記ガス流中の前記粒子の集計平均直径ｄ_{ｐ，ａｖ（ｃｓ）}に依存し、
   前記粒子センサは、前記静電気粒子帯電セクションの上流に配置された前置フィルタを備え、前記前置フィルタは、前記前置フィルタに入る前記ガス流から前記粒子の一部分をフィルタリングすることができ、前記粒子フィルタリングの割合ηは、第２の関係すなわち、
   η＝ｆ_２（ｄ_ｐ，ａｖ）
   に従って、前記前置フィルタに入る前記粒子の集計平均粒径ｄ_ｐ，ａｖに依存し、
   前置フィルタ特性は、前記前置フィルタによってフィルタ除去されていない前記同伴された粒子に応じて生成された前記センサ信号が、較正定数Ｓによって、前記前置フィルタに入る前記粒子の前記見かけ粒子数濃度Ｎ_ａｐｐと関係付けられるような特性であり、前記較正定数Ｓは、第３の関係すなわち、
   Ｓ＝ｆ_３（ｄ_ｐ，ａｖ）
   に従って、前記前置フィルタに入る前記粒子の前記集計平均直径ｄ_ｐ，ａｖに依存し、
   前記第３の関係は、２５ｎｍから１００ｎｍの集計平均直径の範囲について、前記それぞれの集計平均直径への依存が前記第１の関係よりも少なく、したがって、前記平行板粒子集塵セクションから得られた前記センサ信号の、その入力部における粒子サイズ分布との依存関係が少なくとも部分的に相殺され、それにより、前記センサ信号は、前記粒子センサの前記入力部における粒子サイズ分布に依存することが少なくなる、
   粒子センサ。
2. 前記第１の関係は、線形関係すなわち、
   Ｓ_１＝Ａ_１・ｄ_{ｐ，ａｖ（ｃｓ）}＋Ｂ_１
   で近似することができ、Ａ_１及びＢ_１は、ガス流量、付与された粒子の集塵電圧、及び前記平行板粒子集塵セクションの設計に依存する正の定数である、請求項１に記載の粒子センサ。
3. 前記前置フィルタは活性炭フィルタを含む、請求項１又は２に記載の粒子センサ。
4. 前記前置フィルタはサンプリングガス流の０．１リットル／分当たり少なくとも１ｍｌのボリュームを有する、請求項３に記載の粒子センサ。
5. 前記第２の関係は、累乗関係すなわち、
   

   

   に従って近似することができ、Ａ_２及びＢ_２は、前記前置フィルタの前記特性及び前記前置フィルタを通るガス流の速度に依存する正の定数である、請求項２、３、又は４に記載の粒子センサ。
6. 前記平行板粒子集塵セクション、前記前置フィルタ設計及び動作ガス流速度は、近似関数すなわち、
   

   

   に従って前記第３の関係により与えられる前記較正定数Ｓが２５ｎｍ≦ｄ_ｐ，ａｖ≦５０ｎｍの範囲内の最小値に達するように設計される、請求項５に記載の粒子センサ。
7. 静電気粒子帯電セクション及び平行板粒子集塵セクションを設計するステップと、
   集塵された粒子を検出してセンサ信号を生成するためのセンサを選択するステップであって、前記センサ信号は、Ｉ_{ｓｅｎｓｏｒ}＝ｆ（Ｎ_ａｐｐ，Ｓ_１）となるように較正定数Ｓ_１によって、前記静電気粒子帯電セクションに入る粒子の前記見かけ粒子数濃度Ｎ_ａｐｐと関係付けられ、前記較正定数Ｓ_１が第１の関係すなわち、
   Ｓ_１＝ｆ_１（ｄ_{ｐ，ａｖ（ｃｓ）}）
   に従って、前記静電気粒子帯電セクションに入るガス流中の前記粒子の集計平均直径ｄ_{ｐ，ａｖ（ｃｓ）}に依存する、ステップと、
   前記静電気粒子帯電セクションの上流に配置するための前置フィルタを設計するステップとを有し、前記前置フィルタは、前記前置フィルタ内の粒子堆積の割合ηと、前記前置フィルタに入る前記ガス流中の前記粒子の前記集計平均直径ｄ_ｐ，ａｖとの間に第２の関係、すなわち
   η＝ｆ_２（ｄ_ｐ，ａｖ）
   を有し、
   前記方法は、前記前置フィルタによってフィルタ除去されていない同伴された粒子に応じた前記センサ信号が、較正定数Ｓによって、前記前置フィルタに入る前記粒子の前記見かけ粒子数濃度Ｎ_ａｐｐと関係付けられるように前置フィルタ特性を選択するステップを有し、前記較正定数Ｓは、第３の関係すなわち、
   Ｓ＝ｆ_３（ｄ_ｐ，ａｖ）
   に従って、前記前置フィルタに入る前記粒子の前記集計平均直径ｄ_ｐ，ａｖに依存し、
   前記第３の関係は、２５ｎｍから１００ｎｍの集計平均半径の範囲について、前記それぞれの集計平均直径への依存が前記第１の関係よりも少なく、したがって、前記平行板粒子集塵セクションから得られた前記センサ信号の、その入力部における粒子サイズ分布との依存関係が少なくとも部分的に相殺され、それにより、前記センサ信号は、前記粒子センサの前記入力部における粒子サイズ分布に依存することが少なくなる、
   粒子センサを設計する方法。
8. 前記第１の関係は、線形関係すなわち、
   Ｓ_１＝Ａ_１・ｄ_{ｐ，ａｖ（ｃｓ）}＋Ｂ_１
   で近似することができ、Ａ_１及びＢ_１は、流量、集塵電圧、及び前記平行板粒子集塵セクションの設計に依存する正の定数である、請求項７に記載の方法。
9. 前記第２の関係は、累乗関係すなわち、
   

   

   によって近似することができ、Ａ_２及びＢ_２は、前記前置フィルタの前記特性及び前記前置フィルタを通る空気流の速度に依存する正の定数である、請求項７又は８に記載の方法。
10. 前記平行板粒子集塵セクション、前記前置フィルタ設計及び動作空気流速度は、近似関数すなわち、
    

    

    で前記第３の関係により与えられる前記較正定数Ｓが２５ｎｍ≦ｄ_ｐ，ａｖ≦５０ｎｍの範囲内の最小値に達するように設計される、請求項９に記載の方法。
11. 同伴された粒子を伴うガス流を受け入れるステップと、
    前記ガス流を前置フィルタに通すステップとを有する粒子検知方法であり、前記前置フィルタは、前記前置フィルタ内の粒子堆積の割合ηと、前記前置フィルタに入る前記ガス流中の前記粒子の集計平均粒径ｄ_ｐ，ａｖとの間に、第２の関係すなわち、
    η＝ｆ_２（ｄ_ｐ，ａｖ）
    に従う前置フィルタ関係を有し、
    前記前置フィルタでフィルタリングされた前記ガス流を静電粒子帯電セクションに通すステップと、
    平行板粒子集塵セクションを使用し、集塵された粒子の電荷を検出してセンサ信号を生成するステップとを有し、
    前記センサ信号は、Ｉ_{ｓｅｎｓｏｒ}＝ｆ（Ｎ_ａｐｐ，Ｓ_１）となるように較正定数Ｓ_１によって、前記静電粒子帯電セクションに入る前記粒子の前記見かけ粒子数濃度Ｎ_ａｐｐと関係付けられ、この較正定数は、第１の関係すなわち、
    Ｓ_１＝ｆ_１（ｄ_{ｐ，ａｖ（ｃｓ）}）
    に従って、前記静電粒子帯電セクションに入る前記粒子の前記集計平均粒径ｄ_{ｐ，ａｖ（ｃｓ）}に依存し、
    前記前置フィルタによってフィルタ除去されていない前記同伴された粒子に応じる前記センサ信号が、較正定数Ｓによって、前記前置フィルタに入る前記粒子の前記見かけ粒子数濃度Ｎ_ａｐｐと関係付けられ、前記較正定数Ｓは、第３の関係すなわち、
    Ｓ＝ｆ_３（ｄ_ｐ，ａｖ）
    に従って、前記前置フィルタに入る前記粒子の集計平均直径ｄ_ｐ，ａｖへの依存が少なく、
    前記第３の関係は、２５ｎｍから１００ｎｍの集計平均直径の範囲について、前記それぞれの集計平均直径への依存が前記第１の関係よりも少なく、したがって、前記平行板粒子集塵セクションから得られた前記センサ信号の、その入力部における粒子サイズ分布との依存関係が少なくとも部分的に相殺され、それにより、前記センサ信号は、前記粒子センサの前記入力部における粒子サイズ分布に依存することが少なくなる、
    粒子検知方法。
12. 前記第１の関係は、線形関係すなわち、
    Ｓ_１＝Ａ_１・ｄ_{ｐ，ａｖ（ｃｓ）}＋Ｂ_１
    で近似することができ、Ａ_１及びＢ_１は、流量、集塵電圧、及び前記平行板粒子集塵セクションの設計に依存する正の定数である、請求項１１に記載の方法。
13. 前記第２の関係は、累乗関係すなわち、
    

    

    に従って近似することができ、Ａ_２及びＢ_２は、前記前置フィルタの特性及び前記前置フィルタを通る空気流の速度に依存する正の定数である、請求項１１又は１２に記載の方法。
14. 前記平行板粒子集塵セクション、前記前置フィルタ設計及び動作空気流速度は、近似関数すなわち、
    

    

    で前記第３の関係により与えられる前記較正定数Ｓが２５ｎｍ≦ｄ_ｐ，ａｖ≦５０ｎｍの範囲内の最小値に達するように設計される、請求項１３に記載の方法。

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