JP7116055B2 - 低ノイズ粒子カウントのための複合芯体 - Google Patents

Description

本出願は、空中浮遊粒子カウンタの技術分野に関し、具体的な実施形態において、凝縮粒子カウンタにおける偽粒子カウントを減らすための装置に関するものである。

いくつかの空中浮遊粒子計測研究では、監視対象の環境において粒子を検出するために（凝縮核カウンタ（ＣＮＣ：Ｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎ Ｎｕｃｌｅｕｓ Ｃｏｕｎｔｅｒ）としても知られる）凝縮粒子カウンタ（ＣＰＣ：Ｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎ Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｃｏｕｎｔｅｒ）が使用されており、それらの粒子は、従来の検出技術（例えば、光学粒子カウンタにおけるレーザビームの光散乱）で検出するのに十分な光を散乱させるには小さすぎるものである。これらの小さい粒子を、ＣＰＣ内の作動流体から粒子に形成される凝縮によって、より大きいサイズに成長させる。すなわち、各粒子は、作動流体に対して核形成点として作用し、それらの粒子に蒸気が凝縮することで、粒子をより大きくする。粒子に作動流体蒸気が凝縮することによって粒子の成長を達成したら、個々の液滴がレーザビームの焦点（又は焦線）を通過して、散乱光の形で閃光を発するという点で、ＣＰＣは、光学粒子カウンタと同様に機能する。それぞれの閃光を１つの粒子としてカウントする。

ＣＰＣは、極小粒子の検出におけるそれらの優位性にも拘らず、偽カウント率が高いことが知られている。試料体積流量（すなわち、試料採取率）が増加するにつれて、流路に流れ込む作動流体はいずれも、泡又は他の形態の小滴を生成する傾向がある。その後、それらの小滴は、ＣＰＣ内の光学粒子検出器によって検出される大きい粒子に成長する。これらのカウントは、ＣＰＣの内部で発生するものであって、監視対象の環境からの実際の粒子に起因するものではない。そのため、この内部発生的なカウントは、偽粒子カウントとみなされるものであり（例えば、高効率粒子空気（ＨＥＰＡ：Ｈｉｇｈ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ａｉｒ）フィルタから受け取る濾過空気のような）、概ね清浄で粒子フリーなＨＥＰＡ濾過空気から試料採取する場合でも発生する。

いくつかの用途において、ＣＰＣで発生する偽カウント率は、通常、他の種類の作動流体ベースのＣＰＣ（例えばイソプロパノール又はブタノールを使用する、例えばアルコールベースのＣＰＣ）と比較して、水ベースのＣＰＣにおいてより顕著であり得る。ＣＰＣは、通常、より高い粒子濃度の計測に用いられてきたため、ほとんどの応用において、高い偽カウント率は問題となっていなかった。しかしながら、例えば、クリーンルーム、及び電子機器製造プロセスを行う環境において見られるような、低粒子濃度の計測の場合には、高い偽カウント率は深刻な問題となる。クリーンルームのＣＰＣで見られるように、通常２．８３リットル／分（約０．１立方フィート／分）（２８３０ｃｍ^３／分）である、高められた試料流量では、高い偽カウント率は加えて深刻となる。ＣＰＣの性能は、指定された期間における偽カウントの数で評価される。例えば、半導体クリーンルームでは、この流量で１時間当たりの偽カウントが６未満であることが要求される場合がある。

クリーンルームに適用して使用するための低偽カウント率を有する高流量ＣＰＣを開発しようとする様々なメーカによるこれまでの試みは成功していない。いくつかのアプローチは、最初は良好な偽カウント率が得られるものの、それらのアプローチは、十分な長さの時間にわたって低偽カウント率を維持することはできていない。

よって、一般に、偽カウントの数が少ないほど、その計測器は優れている。本開示の主題は、ＣＰＣにおける偽粒子カウントを低減又は排除するための技術及びデザインについて記載している。

種々の実施形態による、芯体ホルダに挿入された複合芯体の断面図。 単独の多孔質プラスチック芯体と、内側にナイロン膜芯体を有する複合多孔質プラスチック芯体と、を比較した、片対数グラフ。 単独の多孔質プラスチック芯体と、内側にナイロン膜芯体を有する複合多孔質プラスチック芯体と、を比較した、図２Ａの片対数グラフの２次元線形バージョン。

凝縮粒子カウンタの科学技術、及び計測の複雑さは、粒子に蒸気を凝縮させる技術次第である。粒子の周囲の蒸気が特定の過飽和度に達すると、蒸気は粒子に凝縮し始める。その過飽和の程度によって、ＣＰＣの検出可能な最小粒子サイズが決まる。一般的に、計測器内の過飽和プロファイルは厳密に制御される。

凝縮成長を生じさせるために用いることが可能ないくつかの方法があるが、広く使用されている技術は連続層流法である。連続層流ＣＰＣは、他のタイプのＣＰＣよりも精密な温度制御を有し、乱流（混合流）を用いる計測器よりも粒子損失が少ない。層流ＣＰＣでは、試料を、蒸気で飽和された調整領域に通して連続的に採取し、試料を熱平衡させる。次に、その試料を、凝縮が発生する領域に引き込む。一方、アルコール（例えば、イソプロパノール又はブタノール）ベースのＣＰＣでは、調整領域は暖温であり、それに比べて凝縮領域（飽和器）は相対的に低温である。水ベースの層流ＣＰＣは、低温の凝縮領域では、水の蒸気拡散性が非常に高いため熱力学的に機能しない。水ベースの層流ＣＰＣでは、調整領域は低温であり、凝縮領域は相対的に暖温である。

水ベースのＣＰＣは、アルコールベースのＣＰＣと比べて、いくつかの利点がある。水は無毒で、環境に優しく、そして調達が容易である。一方、水には、わずかに欠点もある。一般に、水の場合は、化学薬品供給業者から購入したアルコールの場合ほど、液体の純度が厳密に管理されていない。粒子含有試料流に作動流体を供給するために使用される芯体内で、水中の不純物が蓄積することがあり、これにより、最終的には芯体材が機能しなくなることがある。この不純物の影響を抑えるために、蒸留水又は高純度水を利用することが多い。加えて、芯体は、エンドユーザによって現場で交換可能であることが多い。存在する粒子数が極めて少ないと予想されるいくつかの環境（例えば、半導体製造設備）では、エンドユーザは、順相液体クロマトグラフィ（ＮＰＬＣ：Ｎｏｒｍａｌ－Ｐｈａｓｅ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙ）で使用するために特別に調製され包装された水を使用することがある。ＮＰＬＣ水は、紫外線（ＵＶ）吸光度が低い超純水であり、多くの場合、例えば０．２マイクロメートル（μｍ）フィルタで濾過されてから、溶媒でリンス済みのアンバーガラス瓶に詰められ、窒素のような不活性雰囲気で密封されたものである。ＮＰＬＣ水を使用することは、通常水中に存在し得る汚染物質（例えば、イオン、粒子、又は細菌）による偽粒子カウントを低減又は排除する助けとなり得る。

上述のように、同時期の水使用凝縮粒子カウンタ（ＣＰＣ）における報告されたカウント率は、偽粒子カウント率が高いため、一般的にクリーンルーム用途では許容できない。（例えば、半導体産業における）現在のクリーンルーム要件では、２．８３リットル／分の空気試料採取流量で１時間当たり６カウント未満という厳しい偽カウント率を規定している。典型的なＣＰＣは、これよりも偽カウントが数桁多く、加えて、時間と共にカウントの散発的な「バースト」を伴う傾向がある。この偽カウント「ノイズ」は、試験対象の環境内の実際の粒子カウントと区別できない可能性がある。本明細書に記載の発明の主題の種々の実施形態は、ＣＰＣにおける持続的な問題、すなわち、成長室を通過する空気／エアロゾルの流れを制御しなければならない一方、その間に、凝縮液が、滴を形成することなく、さらにはノイズ粒子を生成することがないように、室のすべての内面に凝縮する作動流体も管理しなければならない、という問題を解決する。加えて、ＣＰＣは、システム内への新液の流れを有していなければならず、それは、ノイズ粒子を生成することなく分散されなければならない。通常、芯体は、この目的で使用される。

本明細書に開示された種々の実施形態は、例えば、水泡又は中空水滴（例えば、核形成点として作用する実際の粒子を含んでいない、検出された「粒子」）のような様々な要因によって生じる偽カウントを、低減又は排除するために特別に開発された技術及びデザインを含む。一例では、複合芯体用に組み合わされた材料は、液体管理、長寿命を提供するとともに、「ノイズ粒子」の付加（すなわち、ＣＰＣによって内部で発生する粒子事象であって、監視対象の環境内の実際の粒子事象を示すものではない粒子事象）がなく、目的通りに計測対象の粒子を成長させることを可能とする蒸発面を提供する。

一実施形態において、本明細書に開示されたクリーンルーム用ＣＰＣでは、芯体を形成するための多孔質媒体の少なくとも２つの「層」を用いる。各「層」は、いくらかの重なる部分を有してよく、厚さは、略均一であるか、又はばらついているか、いずれかであり得る。いくつかの実施形態において、層の厚さは、厚さ変化が約０％～約１０％の範囲内で、略均一とみなされる。いくつかの実施形態において、層の厚さは、厚さ変化が約１０％～約２０％の範囲内で、略均一とみなされる。また、各層は、同じ材料又は異なる材料を含み得る。さらに、より詳細に後述するように、各層は、均一なポア（例えば、開口）サイズ又はばらついているポアサイズを有し得るとともに、均一なポア密度又はばらついているポア密度を有し得る。それらのポアは、当業者であれば理解できるように、円形状、細長形状、断面が（面積と形状の両方において）ばらついている開口、隣接する繊維間の開口、及びそれらの様々な組み合わせ、又はいくつかの他の形状及び一定サイズ若しくはばらついているサイズの様々な組み合わせのような、１つ以上の開口形状を各材料内に含み得る。また、これらの様々な開口は、例えば、当業者によらず周知の機械的手段及び／若しくは化学的手段又はその他のプロセスによって形成してよい。

多孔質媒体は、粒子含有エアロゾル試料流入路を囲繞する領域に作動流体を引き込むために用いられる。芯体とも呼ばれる多孔質媒体は、上述のように、１種以上の様々な種類の材料であり得る。本明細書に開示された発明の主題においては、それらの様々な種類の材料は、親水性又は疎水性のいずれかであり得る。具体的な実施形態において、親水性材料と疎水性材料の両方を用いて、複合芯体を形成する。さらなる他の実施形態において、使用される材料は両方とも疎水性である。さらなる他の実施形態において、材料は両方とも親水性である。多孔質媒体は、エアロゾル流路の少なくとも一部を取り囲んでおり、かつ、多孔質媒体は、連続体であり得る。該連続体は、ＣＰＣの試料入口から光学粒子検出器又はその近傍までであり、該光学粒子検出器は、粒子を囲繞する作動流体の凝縮の形成によってサイズが成長した粒子を検出するために使用される。種々の実施形態において、複合芯体は、ＣＰＣの輸送及び保守のためにＣＰＣから取り外し可能である。本発明の主題とは対照的に、従来の芯体は、成形／焼結ポリエチレン、吸い取り紙などのような多孔質材料からなる。これらの芯体は、水などの作動流体の流入を利用して、湿気を保つ。これらの単独材料の芯体は、流体の突入、混入した気泡の破裂、及び表面に凝縮した流体が形成する液滴が周期的に滴下、飛散すること、又は芯体に完全に再吸収されないこと、による偽カウントに関する問題がある。

これらのさらなる問題を解決するために、本発明の実施形態は、（３０日超の）長期間にわたり、一貫して（半導体クリーンルームの場合の、１時間当たり６カウントという要件をはるかに下回る、２．８３ｌｐｍで１分当たりのカウントが０．０２未満であり得る）超低ノイズカウントを生成する、高流量の水ベースのＣＰＣで用いるための改良された芯体デザインについて開示する。本発明の主題では、一実施形態において、２種材料の芯体デザインを採用し、これは、単独の他のあらゆる芯体よりも性能に優れている。他の実施形態において、偽粒子カウントを低減するための複合構造を形成するために、単独の芯体材料を改質させてよい。例えば、芯体の内面を例えば適切な高速で機械加工することにより、又は化学的に処理することにより、本明細書で説明するライニングされた芯体と同様に、内面のポアをより小さくし得る。

以下の説明では、主に、Ｎｙｔｒａｎ（登録商標）材を焼結プラスチック層で複合化した組み合わせに着目しているが、本発明の主題は、同様に他の材料の組み合わせで用いることも容易に可能である。例えば、焼結金属、若しくは焼結セラミック、又は、およそサブミクロンサイズのポアが形成された他の材料を、複合芯体の形成に同様に用いてもよい。さらに、以下の説明では２種の材料を含む複合芯体について記載しているが、当業者であれば、本明細書で提示する説明を読めば、３つ以上の材料層を用いてよいことを認識できるであろう。それらの複合材料のうちの１つ以上は、ＣＰＣの飽和領域に作動流体を引き込む助けとするための親水性材料を含み得る。したがって、本説明の以降では、本発明の主題の理解を容易とするために、Ｎｙｔｒａｎ（登録商標）と焼結プラスチックの２種材料の使用に着目する。

最初に、いくつかの長さのＮｙｔｒａｎ（登録商標）でプラスチック芯体にライニングすることにより、芯体のバリエーションを試験した結果、カウントは顕著には改善されなかった。種々の実施形態において、凝縮液を回収して液滴の形成を防ぐために、Ｎｙｔｒａｎ（登録商標）層を他の面まで延長した。次いで、後述の図１に図示され説明するように、Ｎｙｔｒａｎ（登録商標）ライニングがプラスチック芯体の頂部から上方に突き出す程度について２通りのバリエーションを有する全部で５つのユニットにおいて、このデザインが構築され試験された。この複合デザインは、芯材層が、流体が凝縮する不整形な空間内に突き出して、問題となる水滴の蓄積を防ぐことを可能にする。試験では、Ｎｙｔｒａｎ（登録商標）ライナ付の成形焼結プラスチックからなる複合芯体が、妥当なコストという利点も有しつつ（現在のところ、Ｎｙｔｒａｎ（登録商標）は、典型的なプラスチック芯体と比較して約５０倍、高価である）、あらゆる芯体の中で最高の全体的性能を有していた。いくつかの実施形態において、Ｎｙｔｒａｎ（登録商標）層は、凝縮が生じる無ポア面から芯体材への滑らかな繋ぎ部を提供するために、空間の頂部における円錐形領域内へ上方に突き出す。この繋ぎ部は、大きい液滴が材料境界に集合することを防ぐとともに、該大きい液滴が、例えば粒子を破壊するまで成長することを防いでいる。

複合芯体は、内側のＮｙｔｒａｎ（登録商標）芯体が湿潤状態を保って、水（又は他の作動流体）の蒸気が空気流に混入することを可能とする一方、水が注入源から芯体全体を通って自由に流れ、かつ、毛細管作用によって全体に均一に流れることを可能にする多孔質の焼結プラスチック層で構成される。Ｎｙｔｒａｎ（登録商標）は、問題となるプラスチック芯体内の泡又は湿潤状態の異常による粒子を防ぐ。Ｎｙｔｒａｎ（登録商標）の薄層は、凝縮が発生する可能性がある場所であるプラスチック芯体の上方の面まで延長させるために十分な可撓性があり、かつ、水が偽カウントにつながる大きい水滴を形成することなく芯体内に戻るように流れることを可能とする。また、Ｎｙｔｒａｎ（登録商標）層は、凝縮した作動流体（例えば、水）を芯体管内に引き込むための助けにもなる。加えて、Ｎｙｔｒａｎ（登録商標）材と組み合わされた焼結プラスチックは、後述するように、複合芯体を形成することと同様に、時間の関数としての偽カウントを低減又は最小限に抑制し続けることを助ける。複合芯体のこれら及び他の利点については、より詳細に後述する。

以下の詳細な説明では、偽粒子低減技術の一部をなす添付の図面を参照し、それらの図面には、例として、具体的な実施形態を示している。他の実施形態を用いてよく、例えば、本開示の範囲から逸脱することなく、様々な熱力学的、機械的、又は物理的な変更を加えてよい。よって、以下の詳細な説明は、限定的な意味ではなく、例示的な意味で解釈されるべきである。

ここで図１を参照して、同図には芯体ホルダに挿入された複合芯体の断面１００を示している。芯体ホルダは、管状部１０１と円錐部１０３とを含むものとして示している。図示のように、管状部１０１は、その長軸に沿って、穿削、成形、又はその他の方法で形成された穴を有する。管状部１０１の内面は、いくらかの過剰量の作動流体をリザーバに戻すことを可能とし得る。管状部１０１は、アルミニウム、黄銅、ステンレス鋼、セラミック、及び様々な種類のプラスチック、並びに作動流体に対して不浸透性である他の材料、を含む様々な材料で形成することができる。図示されていないが、管状部１０１は、（管状部１０１の長手軸に沿って見たときに）円形、楕円形、細長い矩形、又は他の断面形状を有するように形成することができる。

円錐部１０３は、管状部１０１と同じ材料又は同種の材料で形成することができる。円錐部１０３の内面は、概して、滴下又は飛散し得る大きい液滴を形成することなく芯体に戻ることが可能となるように、面上に水が滴を形成することを防ぎ、水が湿潤面に拡がるわずかな表面テクスチャを有するように形成される。ある具体的な一実施形態において、円錐部１０３は、アセチルホモポリマ樹脂のような断熱材料で形成される。円錐部１０３を形成するための材料として利用できる１つのアセチルホモポリマ材料は、例えば、Ｅ．Ｉ．ｄｕ Ｐｏｎｔ ｄｅ Ｎｅｍｏｕｒｓ ａｎｄ Ｃｏｍｐａｎｙ（ＤｕＰｏｎｔ（登録商標），１００７ Ｎｏｒｔｈ Ｍａｒｋｅｔ Ｓｔｒｅｅｔ，Ｗｉｌｍｉｎｇｔｏｎ，デラウェア州，アメリカ合衆国）から入手可能なＤｅｌｒｉｎ（登録商標）であり得る。断熱材料は、低温の管状部１０１と上方の光学系（図示していないが、当業者であれば理解できる）との間に熱バリアを提供するように選択される。断熱材料によって、光学系への経路における水の凝縮を防止又は最小限に抑制する。さらに、光学系におけるレーザビームに整合された小径ノズルを通して流れを方向づけることに備えて、円錐部１０３は、流れをより小さい管部に方向づけるために設けられる。レーザビームは、当該レーザビームを通過するそれぞれの液滴について閃光を提示する。この閃光は、一般的に、光信号を電気パルスに変換する光検出器によって検出される。

複合芯体は、管状部１０１の穴内に形成される。いくつかの実施形態において、単一材料の２つ以上の「層」によって、複合芯体を形成し得る。具体的な実施形態において、２種以上の異種材料で、複合芯体を形成してよい。図１に示すように、複合芯体は、第１の多孔質材料１０５（例えば、焼結プラスチック材料）と第２の多孔質材料１０７（例えば、ライナ材料）で形成される。これらの材料は、作動流体（例えば、水又はアルコール）を（軸方向と長手方向の両方に）材料に通過させるために多孔質である。第１の多孔質材料１０５と第２の多孔質材料１０７はそれぞれ、上述のように、互いに異質の（例えば、異なる）ポア密度及びポアサイズ分布を有し得る。しかも、芯体の材料は、ポア密度分布及びポアサイズ分布の均一分布、ポア密度分布及びポアサイズ分布の狭分布、密度分布及びサイズ分布の広分布、又はそれらの様々な組み合わせ、を含むことができる。また、それらのポアは、例えば、繊維材料若しくは繊維性材料、織布材料若しくは不織布材料の両方、各種スポンジ状材料、ファブリック、ガラス繊維、又はそれらの様々な組み合わせ、を構成し得る。

種々の実施形態において、より小さいポアサイズは、作動流体を、より大きいポアサイズが可能な高さよりも高い高さに吸い上げることが可能となる。それらのポアは、ミクロン又はサブミクロンの寸法である寸法（例えば、直径又は他の特性寸法）を有し得る。具体的な実施形態において、平均ポアサイズは、Ｎｙｔｒａｎ（登録商標）材では、直径（又は他の特性寸法）が約０．４５μｍ、焼結プラスチック材料では、直径が約５０μｍであり得る。他の実施形態において、ライナ平均ポアサイズは、最大で直径が約１μｍ以上であり得る。さらなる他の実施形態において、ライナ平均ポア径は、約０．２μｍ以下であり得る。これらの同じ実施形態において、焼結プラスチックの平均ポア径又は他の特性寸法の範囲は、直径約２５μｍ以下～直径約１００μｍ以上の範囲であり得る。さらなる他の実施形態において、ポア径又は他の特性寸法の範囲は、上記サイズの多く又はすべてを含み得る。試験された典型的な多孔質プラスチック芯体のポアサイズは、公称５０μｍである。しかしながら、公称２５μｍ及び７５μｍのポアサイズも、良好に機能することが判明している。

具体的な実施形態において、第１の多孔質材料１０５の全長Ｄ_１は、約２４０ｍｍ（約９．５インチ）であり、約１ｍｍ～２ｍｍ（約０．０４０インチ～０．０８０インチ）の厚さを有する。第１の多孔質材料１０５が挿入される管状部が円形断面を有すると仮定して、第１の多孔質材料１０５の外径Ｄ_３は、約１２ｍｍ（約１／２インチ）であり、内径Ｄ_２は、約１０ｍｍ（約３／８インチ）である。第２の多孔質材料１０７は、円錐の内部に形成された角度に少なくとも部分的に依存する約２．５ｍｍ（約０．１インチ）の距離Ｄ_５で、円錐部１０３内に延出するように形成される。第２の多孔質材料１０７は、底縁において第１の多孔質材料１０５の上方に約１ｍｍ（約０．０４０インチ）の距離Ｄ_４にあるように形成される。距離Ｄ_４は、円錐部１０３がある場合は、この円錐部１０３内への第２の多孔質材料１０７の延長に少なくとも部分的に基づいている。図１に示すように、第２の多孔質材料１０７は、円錐内に突出しており、これを円錐面に堅固に接触させることで、円錐面からの凝縮液が、遷移面の小隙において滴を形成することなく、材料に吸収されることが可能となる。他の実施形態において、この突出部分は必要ない。例えば、特定の管及び（使用される場合の）円錐の物理的幾何学形状によっては、突出部分は必要ない場合がある。第２の多孔質材料１０７は、約５０μｍ～１００μｍ（約０．００２インチ～０．００４インチ）の厚さを有し得る。第１の多孔質材料１０５と第２の多孔質材料１０７は、略同じ又は同程度の表面積を有し得る（例えば、１０％～２０％の範囲内の表面積を有する）。ただし、これらの寸法及びその他の数量のそれぞれは、具体的な実施形態並びに本発明の主題の全体的性質をより明確に例示するために提供している。いずれにしても、本明細書で提供する開示を読解することで、特定のＣＰＣについて、エアロゾル流量、選択された芯体材料の作動流体輸送特性、システムの熱力学、及びその他の検討事項に基づいて、他の寸法を容易に決定し得ることは、当業者であれば認識できるであろう。

種々の実施形態において、より詳細に後述するように、第１の多孔質材料１０５は、大きいポアサイズを有し、第２の多孔質材料１０７は、より高密度の（すなわち、より小さいポアサイズを有する）材料である。高密度材料における小さいポアサイズと比較して、大きいポアサイズにより、作動流体は、より自由に移動するとともに、より均一に分布することが可能になる一方、高密度のインナ材は、気泡を低減するとともに、充填弁の動作のような事象及びその他の要因による圧力変動を抑制する。また、例えばＣＰＣを物理的に動かすことによる入水注入の、脈動を伴うとともに、粒子及びノイズを発生することになる何らかの液滴を伴うことの影響も、別個の材料層を有することによって、緩衝される。

いくつかの実施形態において、第１の多孔質材料１０５及び第２の多孔質材料１０７のどちらか一方又は両方は、界面活性剤を含むように製造されてよい。界面活性剤は、作動流体と多孔質材料との間の表面張力を低下させるように作用する。ところが、いくつかの応用において、界面活性剤の化学組成によっては、多孔質材料から界面活性剤が剥がれるか、又はその他の形態で外れることがある。そのような場合、その界面活性剤は、当業者によらず周知の手段によって、化学的に除去、剥離、洗浄、又はその他の方法で除去若しくは低減してよい。本明細書で説明する種々の実施形態に基づけば、より詳細に後述するように、通常の芯体による偽粒子カウント率は、本明細書に記載の複合芯体を使用することによって数桁減少している。例えば、複合芯体を採用して実施した試験では、偽粒子カウントは、３０日以上にわたって、ゼロ又は極めてゼロに近く維持された。

一実施形態において、第１の多孔質材料１０５及び第２の多孔質材料１０７の一方又は両方は、焼結プラスチックであり得る。他の実施形態において、それらの多孔質材料の一方又は両方は、吸い取り紙又は類似の多孔質材料であり得る。さらなる他の実施形態において、より詳細に後述するように、多孔質材料は、例えば、焼結金属及び焼結セラミックを含み得る。

第２の多孔質材料１０７として使用される１つの適切な多孔質材料は、例えば、（ともにアメリカ合衆国にある、Ｓｉｇｍａ－Ａｌｄｒｉｃｈ（本社：３０５０ Ｓｐｒｕｃｅ Ｓｔｒｅｅｔ，Ｓｔ．Ｌｏｕｉｓ，ミズーリ州）、又はＧＥ Ｈｅａｌｔｈｃａｒｅ Ｌｉｆｅ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ（本社：１００ Ｒｅｓｕｌｔｓ Ｗａｙ，Ｍａｒｌｂｏｒｏｕｇｈ，マサチューセッツ州）、から入手可能である）Ｎｙｔｒａｎ（登録商標）の商品名で呼ばれるナイロン膜である。Ｎｙｔｒａｎ（登録商標）は、約０．４５μｍの平均ポアサイズ寸法を有する多孔質材料である。他の形態では、Ｎｙｔｒａｎ（登録商標）は、約０．２μｍの平均ポアサイズ寸法を有する。Ｎｙｔｒａｎ（登録商標）は、支持マトリクスの両側に略均一にキャストされたナイロン膜であり、これにより、略一貫した膜モルフォロジを有すると共に、材料の第１の面（例えば、表）から対向する第２の面への対称性を呈している。Ｎｙｔｒａｎ（登録商標）は、６００μｇ／ｃｍ^２超の結合能力を有する。

Ｎｙｔｒａｎ（登録商標）のような第２の多孔質材料１０７は、様々な理由による偽カウントの原因に対してバリアを提供する。例えば、（例えば、水又は他の作動流体によって包囲された空気で構成される）泡は、Ｎｙｔｒａｎ（登録商標）材の製造時に形成された小さいポアサイズが理由で、Ｎｙｔｒａｎ（登録商標）を横切ることができない。

しかしながら、第２の多孔質材料が、上記の具体的な実施形態で使用されるようなＮｙｔｒａｎ（登録商標）であるように選択される場合には、他の機械的特性を考慮する必要があり得る。例えば、Ｎｙｔｒａｎ（登録商標）は、湿潤状態では膨張するので、（新規の芯体への交換がその後に続く）芯体の取り外しにおいて、特に現場でそのような交換作業を行う場合に、（芯体交換の前に材料を完全に乾燥させるための十分な時間が与えられない限り）難易度が高くなる。このため、Ｎｙｔｒａｎ（登録商標）を焼結プラスチックのような他の材料と複合化することにより、Ｎｙｔｒａｎ（登録商標）材を単独で使用する場合と比較して、膨張による影響を低減又は排除することができる。また、Ｎｙｔｒａｎ（登録商標）は、所与の形状に形成することがより困難である。従って、特にＮｙｔｒａｎ（登録商標）材の周囲に第１の多孔質材料１０５が形成される場合に、第１の多孔質材料１０５は、（例えば、焼結プラスチック又は焼結金属のような）成形しやすい材料から選択され得る。

上述のように、いくつかの実施形態において、（第１の多孔質材料１０５と第２の多孔質材料１０７からなる）複合芯体は、それぞれの材料が（例えば、ロール状に巻かれた）合わせ縁においてわずかに重なる概ね単一層であるように形成される。次いで、その複合芯体を穴内に圧入する。他の実施形態において、複合芯体は、化学接着剤によって、数個の部品としても、或いは、接着剤の連続層としても、定位置に保持される。しかしながら、化学接着剤は、時間が経過すると劣化することがある。さらなる他の実施形態において、当業者によらず周知の（圧入以外の）機械的手段によって、複合芯体を定位置に保持してよい。

次に図２Ａを参照して、同図は、単独の多孔質プラスチック芯体と、内側にナイロン膜芯体を有する複合多孔質プラスチック芯体（本実施形態において、インナ芯体にＮｙｔｒａｎ（登録商標）を選択した）とを比較した、片対数グラフを示している。各ＣＰＣで検出される「粒子」がいずれも内部で生成されたものであるように、試験対象の水ベースのＣＰＣへの入口は、アブソリュートフィルタ（例えば、当技術分野で周知の、ＨＥＰＡフィルタ又はＵＬＰＡ（Ｕｌｔｒａ Ｌｏｗ Ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ Ａｉｒ：超高性能空気）フィルタ）に接続した。従って、図示のカウントはすべて、偽カウントを示している。横軸は、試験が行われた時間を日数で示している。縦軸目盛りは、時間の関数としての、１分当たりの粒子カウントの対数を示している。第１の曲線２０１は、多孔質プラスチックのみを使用した単独材料の芯体の、連続的に増加する１分当たりのカウントを示している。図２Ａに示すように、多孔質プラスチック芯体からの粒子カウントは、最初の２０日間にわたって増加し続けており、その時点で、多孔質プラスチック芯体を収容したＣＰＣの試験を中止した。

一方、第２の曲線２０３で示すように、内側にナイロン膜芯体を有する複合多孔質プラスチック芯体は、縦軸が対数で示されていることを想起すると、１分当たり約０．０３カウント（すなわち、１時間当たり２カウント未満）の全最大カウント率（すなわち、偽カウント率）を示している。同じく、単独の多孔質プラスチック芯体と、内側にナイロン膜芯体を有する複合多孔質プラスチック芯体と、を比較した、図２Ａの片対数グラフの２次元線形バージョンである図２Ｂを参照すると、ゼロに近い偽カウント率であることがより容易に分かる。

さらなる別の一連の試験では、本明細書に記載の複合芯体の一実施形態を、水以外の作動流体を用いて実施した試験に利用した。それらの試験では、機械加工されたプラスチック芯体にインナ芯体としてのＮｙｔｒａｎ（登録商標）材を用いてライニングした場合のブタノール使用システムにおいて、芯体の内壁のライニング（例えば、複合芯体デザイン）によって偽カウント率が約２５０倍で改善されることを確認した。１２時間にわたって実施した１つの試験では、単層（すなわち、インナライナなしの）芯体の場合の偽カウント率は、１時間当たり１６２カウントであった。インナライナを用いて実施した、その後の１２時間の期間では、同じ芯体が、１時間当たりわずか０．６６７の偽カウント（すなわち、１分当たり約０．０１の偽カウント）を示した。よって、本明細書に記載の複合芯体は、水以外に、ブタノール、アルコールなどのような他の一般的な流体を含む様々な作動流体と共に使用することが容易に可能である。

従来の単独材料プラスチック芯体と比較した、複合芯体の有効性を検証するために、プラスチック芯体のみを用いた複数の水ベースのＣＰＣに対して追加の試験を実施した。それらの追加の試験の１つでは、全偽粒子カウント率は、１分当たり約１４カウント（１時間当たり８４０カウント）まで増加したが、その時点で、偽粒子カウントは連続的に増加していたので、試験を終了した。それでも、実施したすべての試験において、プラスチック芯体のみを用いた水ベースのＣＰＣは、半導体クリーンルームの場合の２．８３ｌｐｍで１時間当たり６カウントという要件をはるかに（すなわち、数桁又は大きさで）上回るカウントを示した。

上記説明は、本開示の主題を具現化する実例、デバイス、及び装置について記載している。本記載では、発明の主題の種々の実施形態についての理解を与えるため、説明を目的として、様々な具体的詳細について記載した。しかしながら、これら特定の詳細を伴うことなく、発明の主題の種々の実施形態を実施してよいことは、当業者には明らかであろう。また、種々の例示した実施形態を不明瞭にすることがないよう、周知の構造、材料、及び技術については、詳細に示していない。

本明細書で使用する場合の「又は（ｏｒ）」という用語は、包含的又は排他的な意味で解釈され得る。また、本明細書で説明した種々の例示的な実施形態において、特定の材料を組み込んだ特定の複合芯体デザインに着目しているが、当業者であれば、提供される本開示を読解することで、他の実施形態が分かるであろう。加えて、本明細書で提供される開示を読解することで、当業者であれば、本明細書で提示する技術の様々な組み合わせと例を、いずれも、様々な組み合わせで適用してよいことは、容易に理解できるであろう。

種々の実施形態について別々に説明しているが、これらの個別の実施形態は、独立した技術又はデザインとみなされるものではない。上記のように、様々な部分のそれぞれは相互に関連していることがあり、それぞれを個別に、又は本明細書で説明された他の複合芯体形成技術及び材料との組み合わせで、用いてよい。

加えて、本明細書で説明された様々なパラメータについて、具体的な値、値の範囲、寸法、及び技術を提示しているが、これらの値及び技術は、単に、本明細書に開示のデザイン及び技術についての何らかの特徴を当業者が理解するのを助けるために提示されるにすぎない。当業者であれば、提供される本開示を読解することで、これらの値、寸法、及び技術は単なる例として提示されるものであり、複合芯体の生産に採用され得る記載の新規デザインによる恩恵を依然として享受しながらも、多くの他の値、値の範囲、寸法、及び技術を採用し得ることは、理解できるであろう。よって、装置の様々な例示は、種々の実施形態の構造及びデザインについての全般的な理解を与えるものであり、本明細書に記載の構造、特徴、及びデザインを利用し得る装置のすべての要素及び特徴についての完全な説明を提供するものではない。

本明細書で提供する開示を読解することで、当業者には明らかであるように、数多くの変更及び変形を実施することが可能である。本明細書で列挙したものに加えて、本開示の範囲内にある機能的に等価な方法及びデバイスについては、上記説明から、当業者には明らかであろう。例えば、本明細書で提供する開示では、発明の主題の理解を容易とするために、きっちり２種の諸材料で構成された複合芯体に着目しているが、複合芯体を形成するために３種以上の諸材料を用いてよいことは、当業者であれば理解できるであろう。いくつかの実施形態の部分及び特徴を、他の実施形態に含むか、又は他の実施形態のものと置き換えてよい。提示された説明を読解することで、当業者には、他の多くの実施形態が明らかであろう。かかる変更及び変形は、添付の請求項の範囲内に含まれるものとする。よって、本開示は、かかる請求項によって権利が認められる均等物の全範囲と共に、添付の請求項の用語によってのみ限定されるべきである。また、本明細書で用いる用語は、具体的な実施形態を記述する目的のものにすぎず、限定するものではないということも、理解されるべきである。

本開示の要約書は、読者が技術的開示の本質を迅速に確認できるように提供するものである。要約書は、それが請求項を解釈又は限定するために用いられることはないという理解のもとに提出される。また、上記の詳細な説明では、開示を合理化する目的で、種々の特徴が、１つの実施形態にまとめられている場合もあることが分かるであろう。この開示方法は、請求項を限定するものと解釈されてはならない。よって、以下の請求項は、本明細書における詳細な説明に組み込まれているものであり、各請求項は個別の実施形態として独立している。

Claims (27)

1. 複合芯体装置であって、
   管状部と円錐部とを有し、前記管状部が当該管状部の長軸に沿う穴を有し、前記管状部と前記円錐部とが、それぞれ、作動流体に対して不浸透性である少なくとも１つの材料で形成される芯体ホルダと、
   第１のポア密度を有する第１の多孔質材料であって、第１の面と、対向する第２の面とをさらに有する、前記第１の多孔質材料と、
   前記第１の多孔質材料と流体連通した第２の多孔質材料であって、該第２の多孔質材料は、前記第１の多孔質材料の前記第１の面の面積と略同じ面積を有する第１の面を有し、該第２の多孔質材料の前記第１の面は、前記第１の多孔質材料の前記第１の面に概ね接触しており、該第２の多孔質材料は、前記第１のポア密度とは異質の第２のポア密度を有する、前記第２の多孔質材料と、
   を備え、
   前記第１の多孔質材料及び前記第２の多孔質材料は、前記作動流体から蒸気を流体ベース粒子カウンタに供給するように構成され、前記第１の多孔質材料と前記第２の多孔質材料とは、前記芯体ホルダの少なくとも管状部内に配置されるように構成される、装置。
2. 前記第２の多孔質材料は、前記第１の多孔質材料と同心である、請求項１に記載の装置。
3. 前記第１の多孔質材料の前記対向する第２の面は、前記芯体ホルダの内側部分に概ね接触している、請求項１に記載の装置。
4. 前記円錐部の長手軸は、前記管状部の長手軸に沿って配置される、請求項１に記載の装置。
5. 複合芯体装置であって、
   管状部と円錐部とを有し、前記管状部が当該管状部の長軸に沿う穴を有し、前記管状部と前記円錐部とが、それぞれ、作動流体に対して不浸透性である少なくとも１つの材料で形成される芯体ホルダと、
   第１のポア密度を有する第１の多孔質材料であって、第１の面と、対向する第２の面とをさらに有する、前記第１の多孔質材料と、
   前記第１の多孔質材料と流体連通した第２の多孔質材料であって、該第２の多孔質材料は、前記第１の多孔質材料の前記第１の面の面積と略同じ面積を有する第１の面を有し、該第２の多孔質材料の前記第１の面は、前記第１の多孔質材料の前記第１の面に概ね接触しており、該第２の多孔質材料は、前記第１のポア密度とは異質の第２のポア密度を有する、前記第２の多孔質材料と、
   を備え、
   前記第１の多孔質材料及び前記第２の多孔質材料は、前記作動流体から蒸気を流体ベース粒子カウンタに供給するように構成され、前記第１の多孔質材料と前記第２の多孔質材料とは、前記芯体ホルダの少なくとも管状部内に配置されるように構成され、
   少なくとも前記第２の多孔質材料によって前記作動流体の凝縮した液滴を吸収することを可能とするために、少なくとも前記第２の多孔質材料は、前記円錐部内に部分的に延出している、装置。
6. 前記円錐部は、内面上に前記作動流体が滴を形成することを防ぐために、前記円錐部の前記内面上に表面テクスチャを有する、請求項１に記載の装置。
7. 複合芯体装置であって、
   管状部と円錐部とを有し、前記管状部が当該管状部の長軸に沿う穴を有し、前記管状部と前記円錐部とが、それぞれ、作動流体に対して不浸透性である少なくとも１つの材料で形成される芯体ホルダと、
   第１のポア密度を有する第１の多孔質材料であって、第１の面と、対向する第２の面とをさらに有する、前記第１の多孔質材料と、
   前記第１の多孔質材料と流体連通した第２の多孔質材料であって、該第２の多孔質材料は、前記第１の多孔質材料の前記第１の面の面積と略同じ面積を有する第１の面を有し、該第２の多孔質材料の前記第１の面は、前記第１の多孔質材料の前記第１の面に概ね接触しており、該第２の多孔質材料は、前記第１のポア密度とは異質の第２のポア密度を有する、前記第２の多孔質材料と、
   を備え、
   前記第１の多孔質材料及び前記第２の多孔質材料は、前記作動流体から蒸気を流体ベース粒子カウンタに供給するように構成され、前記第１の多孔質材料と前記第２の多孔質材料とは、前記芯体ホルダの少なくとも管状部内に配置されるように構成され、
   前記円錐部は、前記管状部からの熱バリアを提供する断熱材料である、装置。
8. 前記第１の多孔質材料は、焼結プラスチック材料であり、前記第２の多孔質材料は、ナイロン膜である、請求項１に記載の装置。
9. 前記第１の多孔質材料及び前記第２の多孔質材料のうちの少なくとも一方は、親水性材料である、請求項１に記載の装置。
10. 前記第１の多孔質材料及び前記第２の多孔質材料のうちの少なくとも一方は、疎水性材料である、請求項１に記載の装置。
11. 前記第１の多孔質材料及び前記第２の多孔質材料のうちの少なくとも一方は、焼結金属と多孔質セラミックとを含む諸材料から選択された少なくとも１つの材料である、請求項１に記載の装置。
12. 複合芯体装置であって、
    第１の面と対向する第２の面とを有する第１の多孔質材料層と、
    前記第１の多孔質材料層と流体連通した第２の多孔質材料層であって、該第２の多孔質材料層は、前記第１の多孔質材料層の前記第１の面の面積と略同じ面積を有する第１の面を有し、該第２の多孔質材料層の前記第１の面は、前記第１の多孔質材料層の前記第１の面に概ね接触しているとともに、前記第１の多孔質材料層の内側において同心に形成されている、第２の多孔質材料層と、を備え、
    前記第１の多孔質材料層及び前記第２の多孔質材料層は、作動流体から蒸気を流体ベース粒子カウンタに供給するためのものであり、前記第１の多孔質材料層と前記第２の多孔質材料層は、芯体ホルダの少なくとも管状部内に配置されるように構成されており、前記管状部は、当該管状部の長軸に沿う穴を有するとともに前記作動流体に対して不浸透性である少なくとも１つの材料で形成され、
    前記第１の多孔質材料層と前記第２の多孔質材料層のうち、少なくとも１つは、界面活性剤材料を含む、装置。
13. 前記第１の多孔質材料層は、第１のポア密度を有し、前記第２の多孔質材料層は、第２のポア密度を有する、請求項１２に記載の装置。
14. 前記第１の多孔質材料層は、第１のポア密度及びポアサイズ分布を有し、前記第２の多孔質材料層は、第２のポア密度及びポアサイズ分布を有し、前記第１のポア密度及びポアサイズ分布は、前記第２のポア密度及びポアサイズ分布とは異なる、請求項１２に記載の装置。
15. 前記第１の多孔質材料層と前記第２の多孔質材料層のうち、少なくとも一方は、厚さが略均一である、請求項１２に記載の装置。
16. 前記第１の多孔質材料層と前記第２の多孔質材料層のうち、少なくとも一方は、厚さがばらついている、請求項１２に記載の装置。
17. 前記第１の多孔質材料層及び前記第２の多孔質材料層のそれぞれは、異なる材料である、請求項１２に記載の装置。
18. 前記第１の多孔質材料層及び前記第２の多孔質材料層のそれぞれは、同じ材料である、請求項１２に記載の装置。
19. 前記第１の多孔質材料層と前記第２の多孔質材料層のうち、少なくとも一方は、ばらつきのあるポア密度を有する、請求項１２に記載の装置。
20. 前記第１の多孔質材料層と前記第２の多孔質材料層のうち、少なくとも一方は、ばらつきのあるポアサイズ分布を有する、請求項１２に記載の装置。
21. 互いに流体連通するとともに互いに同心に形成された複数の多孔質材料層を備える芯体装置であって、前記複数の多孔質材料層は、作動流体から蒸気を流体ベース粒子カウンタに供給するためのものであり、前記複数の多孔質材料層は、芯体ホルダの少なくとも管状部内に配置されるように構成されており、前記管状部は、当該管状部の長軸に沿う穴を有するとともに前記作動流体に対して不浸透性である少なくとも１つの材料で形成され、
    前記複数の多孔質材料層のうち、少なくとも１つは、界面活性剤材料を含む、芯体装置。
22. 前記複数の多孔質材料層のうち、少なくとも１つにおけるポアサイズは、約１ミクロン未満の特性寸法を有する、請求項２１に記載の芯体装置。
23. 前記複数の多孔質材料層のうち、少なくとも１つにおけるポアサイズは、約１ミクロン超の特性寸法を有する、請求項２１に記載の芯体装置。
24. 前記複数の多孔質材料層のそれぞれは、同種の材料である、請求項２１に記載の芯体装置。
25. 前記複数の多孔質材料層のうちの少なくともいくつかは、前記複数の多孔質材料層のうちの残余の多孔質材料層とは異種の材料である、請求項２１に記載の芯体装置。
26. 前記複数の多孔質材料層のそれぞれは、繊維材料若しくは繊維性材料、織布材料、不織布材料、スポンジ状材料、ファブリック、及びガラス繊維を含む諸材料から選択された少なくとも１つの材料から選択される、請求項２１に記載の芯体装置。
27. 複合芯体装置であって、
    焼結材料からなるとともに第１のポア密度を有する第１の多孔質材料を備え、前記第１の多孔質材料は、第１の表面と対向する第２の表面とをさらに有し、
    前記第１の多孔質材料と流体連通するナイロン膜からなるとともに前記第１の多孔質材料の第１の表面の面積と略同じ面積を有する第１の表面を有する第２の多孔質材料を備え、前記第２の多孔質材料の第１の表面は、前記第１の多孔質材料の第１の表面と概ね接触し、前記第２の多孔質材料は、前記第１のポア密度とは異種の第２のポア密度を有し、前記第１の多孔質材料及び前記第２の多孔質材料は、液体から蒸気を流体ベース粒子カウンタに供給するように構成され、
    前記第１の多孔質材料と前記第２の多孔質材料のうち、少なくとも１つは、界面活性剤材料を含む、複合芯体装置。

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