JP7172569B2 - 粉体のサンプリング装置 - Google Patents

Description

本開示は粉体のサンプリング装置に関する。

所定の通路を落下する製造物や廃棄物等の粉体について光学的手法を用いて分析するため、当該粉体を通路外に抽出する装置が知られている（特許文献１及び２参照）。

特公昭５３－８５０８号公報 特開平９－１４５５５６号公報

通路内を落下している粉体を分析する場合、特許文献１又は２に示されたような装置を用いて、当該粉体を一旦通路外に抽出することが考えられる。一方、このような装置については、粉体の付着による汚染や粉体との衝突による破損などの発生を抑制することが望ましい。

本開示は、上述の事情を鑑みて成されたものである。即ち、本開示は、粉体の付着による汚染や衝突による破損の発生を抑制することが可能なサンプリング装置の提供を目的とする。

本開示の第１の態様は粉体のサンプリング装置であって、筐体と、前記粉体の落下方向に面する収集面を有し、前記筐体の外側の第１位置と前記筐体の内側の第２位置との間を往復可能に、且つ、前記第１位置と前記第２位置との間の第３位置に静止可能に設けられる試料台と、前記筐体に設けられると共に、前記第１位置と前記第３位置との間において前記試料台の軌道よりも上方に位置する均し板と、前記筐体に設けられると共に、前記第３位置と前記第２位置との間において前記試料台の前記軌道よりも上方に位置するスクレーパとを備え、前記均し板は、前記試料台から第１距離だけ上方に離れ、前記スクレーパは、前記試料台から前記第１距離よりも小さい第２距離だけ上方に離れていることを要旨とする。

前記均し板の前記縁部は、前記試料台の前記軌道に沿った方向に対して前記軌道に向けて湾曲した曲面を有してもよい。前記筐体は、前記試料台の軌道よりも下方に位置し、前記第２位置から前記第１位置に向かうにつれて前記軌道からの距離が大きくなるように傾斜した傾斜面を有してもよい。

前記サンプリング装置は、前記収集面に堆積した前記粉体の重量を検知するセンサを更に備えてもよい。この場合、前記試料台は、前記収集面に堆積した前記粉体の重量として所定値以上の値を前記センサが検知したときに前記第１位置から前記第３位置に移動してもよい。

前記筐体は、前記粉体が落下する経路を構成する壁面に着脱可能に設けられてもよい。

本開示の第２の態様は廃棄物処理プラントであって、第1の態様に係るサンプリング装置を備えることを要旨とする。

本開示によれば、粉体の付着による汚染や衝突による破損の発生を抑制することが可能なサンプリング装置を提供できる。

本実施形態に係るサンプリング装置の設置例を示す図である。 本実施形態に係るサンプリング装置の構成図である。 本実施形態に係る試料台、均し板及びスクレーパの間の位置関係を示す図であり、（ａ）は当該位置関係を示す側面図、（ｂ）は当該位置関係を示す平面図である。 サンプリング装置の動作を説明するための図であり、当該動作を（ａ）～（ｈ）まで時系列順に示したものである。 サンプリング装置をレーザー誘起ブレークダウン分光法（ＬＩＢＳ）に適用した例を示すブロック図である。

以下、本開示の実施形態について添付図面に基づいて説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図１は、本実施形態に係るサンプリング装置１０の設置例を示す図である。図２は、サンプリング装置１０の構成図である。図３は、本実施形態に係る試料台１２、均し板１３及びスクレーパ１４の間の位置関係を示す図であり、（ａ）は当該位置関係を示す側面図、（ｂ）は当該位置関係を示す平面図である。

図１に示すように、本実施形態に係るサンプリング装置１０は、経路５０を構成する壁面５１に設置される。経路５０内では粉体５２が落下している。サンプリング装置１０は、この落下している粉体５２を経路５０の内側から外側に抽出するために構成される。

上述の経路５０は、例えば、廃棄物処理プラントの排出口である。排出口からは、粉体５２としての飛灰が排出される。飛灰には重金属などの微量な物質が含まれており、このような微量な物質の特定及び濃度を分析する場合がある。後述の通り、本実施形態に係るサンプリング装置１０は、例えば、レーザー誘起ブレークダウン分光法（Ｌａｓｅｒ Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｂｒｅａｋｄｏｗｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：以下、ＬＩＢＳ）に適用される。この場合、飛灰などの落下する粉体５２をサンプリング装置１０が抽出し、粉体５２中の微量成分は、ＬＩＢＳによって検出される。なお、サンプリング装置１０が適用される光学分析はＬＩＢＳに限られず、レーザー誘起蛍光分析（ＬＩＦ）、レーザーラマン分光、吸収分光等の他の光学分析にも適用できる。

経路５０は鉛直に設けられており、粉体５２は自重によって落下する。一方、経路５０内には、サンプリング装置１０の試料台１２が露出する。試料台１２は、経路５０を落下している粉体５２を受け止め、受け止められた粉体５２は試料台１２の収集面１２ａに堆積する。一定量の粉体５２が試料台１２に堆積した後、試料台１２は経路５０から退避し、観測窓１５と対向する位置に静止する。

静止した試料台１２の上方には観測窓１５が設けられている。後述の通り、粉体５２には、この観測窓１５を介してプローブ光３１が照射される。プローブ光３１の照射によって、粉体５２からは光３３（図５参照）が放出される。分析装置３５（図５参照）は、この光３３の波長及び強度を計測する。

図２に示すように、サンプリング装置１０は、筐体１１と、試料台１２と、均し板１３と、スクレーパ１４とを備える。後述の通り、試料台１２は往復可能（移動可能に）に筐体１１に収容されている。また、試料台１２は筐体１１の外側に露出する位置まで移動する。以下、説明の便宜上、試料台１２が静止する位置のうち、筐体１１の外側（即ち、経路５０の内側）の位置を第１位置Ｐ１、筐体１１の内側の位置を第２位置Ｐ２、筐体１１の内側、且つ、第１位置Ｐ１と第２位置Ｐ２との間の位置を第３位置Ｐ３と称する。

筐体１１は、一側面に開口１６を有する箱体である。筐体１１は、粉体５２の経路５０を構成する壁面５１に設置される。経路５０の壁面５１には開口５３が形成されている。開口５３は、試料台１２の往復移動と、筐体１１から経路５０への粉体５２の流入を許容する。筐体１１の開口１６は、この開口５３の形状と同一又は若干小さい形状を有する。筐体１１は、当該筐体１１の開口１６を経路５０の開口５３に合わせた状態で、経路５０の壁面５１に設置される。なお、筐体１１は、壁面５１に対して着脱可能に設けられてもよい。この場合、粉体５２等の付着による洗浄や交換が容易になる。

試料台１２は、アクチュエータ１７との間を連結する連結部材１８によって支持され、連結部材１８は摺動可能に筐体１１に支持されている。或いは、連結部材１８は、その一端側で試料台１２を支持すると共に、他端側がアクチュエータ１７に支持されてもよい。何れの場合も、試料台１２は、第１位置Ｐ１と第２位置Ｐ２との間を往復可能に設けられる。また、試料台１２は、第１位置Ｐ１と第２位置Ｐ２との間の第３位置Ｐ３に静止可能に設けられる。

試料台１２は、プローブ光３１が照射されてもブレークダウンが発生しにくい材料で構成されてもよい。このような材料はプローブ光３１に対して光学的に透明な物質であり、例えば、石英ガラスである。試料台１２自体のブレークダウンが抑えられるため、試料台１２自体からの発光による迷光や、不要なスペクトルの発生等が抑えられる。また、試料台１２自体のブレークダウンによる紛体５２の散逸も抑制できる。

アクチュエータ１７は、試料台１２と連結部材１８を、例えば水平方向に移動（往復）させる。また、アクチュエータ１７は、連結部材１８を介して、試料台１２を第１位置Ｐ１、第２位置Ｐ２、第３位置Ｐ３のうちの何れかの位置に静止させる（位置決めする）。アクチュエータ１７には周知の構成が適用できる。例えば、アクチュエータ１７は、エアシリンダ等の流体を用いる構成でもよく、電動モータを用いる構成でもよい。

制御部１９は例えばコンピュータであり、アクチュエータ１７を制御する。なお、制御部１９は、後述する光源３０及び分析装置３５の制御部として機能してもよい。この場合、制御部１９は、分析装置３５から出力された波長及び強度を分析すると共に、粉体５２の組成を特定（検出）する。

試料台１２は、粉体５２の落下方向ＦＤに面した収集面１２ａを有する。落下方向ＦＤは、粉体５２が流れる経路５０の上流側から下流側に向かう方向であり、鉛直方向と平行な方向、或いは略鉛直方向に沿った方向である。即ち、収集面１２ａは上方に面している。収集面１２ａは平面状に形成され、その上に粉体５２が堆積する。

筐体１１には観測窓１５が設置される。観測窓１５は、試料台１２の軌道において第１位置Ｐ１と第２位置Ｐ２との間に位置する第３位置Ｐ３を臨む位置に設けられる。例えば、観測窓１５は第３位置Ｐ３の上方に設けられる。

プローブ光３１は、この観測窓１５を介して、第３位置Ｐ３に位置する試料台１２上の粉体５２に照射される。また、プローブ光３１の照射によって粉体５２から放出された光３３（図５参照）は、観測窓１５を介して、分析装置３５に入射し、検出される。

観測窓１５は、プローブ光３１及び粉体５２から放出された光３３に対して所望の透過率が得られる周知の材料によって形成されている。なお、観測窓１５は、筐体に対して着脱可能に取り付けられてもよい。この場合、粉体５２等の付着による洗浄や交換が容易になる。

なお、プローブ光３１及び粉体５２から放出された光３３は、観測窓１５は介さなくてもよい。例えば、粉体５２にプローブ光３１を照射する場合、プローブ光３１は筐体１１の内側で発生させてもよく、或いは、光ファイバ等の光学部材（図示せず）を用いて筐体１１の外側から内側に導入してもよい。また、粉体５２から放出された光３３についても、筐体１１の内側に設置した分析装置３５によって検出されてもよく、或いは、光ファイバ等の光学部材（図示せず）を用いて筐体１１の内側から外側に導くと共に、筐体１１の外側に設置した分析装置３５によって検出されてもよい。

筐体１１には均し板１３が設けられる。均し板１３は、試料台１２の往復方向ＲＤと直交し、試料台１２の収集面１２ａの幅Ｗ１よりも大きい水平方向の幅Ｗ２を有する板状部材である。均し板１３は、第１位置Ｐ１と第３位置Ｐ３との間において試料台１２の軌道よりも上方に位置する。

均し板１３は、試料台１２から第１距離Ｄ１だけ上方に離れている。具体的には、均し板１３は、試料台１２に面すると共に、水平に延伸する縁部１３ａを有し、往復方向ＲＤから見て、この縁部１３ａが試料台１２の収集面１２ａから第１距離Ｄ１だけ上方に離れている。後述の通り、均し板１３は粉体５２の照射面５２ａを形成し、第１距離Ｄ１は分析時の粉体５２の厚さを規定する。

試料台１２は、粉体５２が収集面１２ａに堆積した状態で、第１位置Ｐ１から第３位置Ｐ３に向けて進行する。一方、均し板１３は第１位置Ｐ１と第３位置Ｐ３の間に位置する。従って、収集面１２ａに堆積した粉体５２のうち、均し板１３に接触する部分は水平方向に押し退けられる。この結果、堆積した粉体５２の上部は平面に均され、照射面５２ａが形成される。照射面５２ａには、例えば、光源３０からのプローブ光３１が照射される。

均し板１３の縁部１３ａは、試料台１２に向けて湾曲した曲面を有してもよい。上述の通り、均し板１３は粉体５２の上部を平面に均し、照射面５２ａを形成する。実質的には、縁部１３ａがこの平面（照射面５２ａ）を形成する。縁部１３ａが上述の曲面を有する場合、均し板１３によって押し退けられている最中の粉体５２の一部が、縁部１３ａの下に潜入しやすくなる。これにより、縁部１３ａと収集面１２ａの間に圧縮作用が生じ、平坦且つ崩れにくい照射面５２ａを形成することができる。

筐体１１にはスクレーパ１４が設けられる。スクレーパ１４は往復方向ＲＤに延伸し、試料台１２の収集面１２ａの幅Ｗ１よりも大きい水平方向の幅Ｗ３を有する板状部材である。スクレーパ１４は、第３位置Ｐ３と第２位置Ｐ２との間において試料台１２の軌道よりも上方に位置する。例えば、スクレーパ１４は、第２位置Ｐ２に位置する試料台１２の上方に位置する。

スクレーパ１４は、試料台１２から第２距離Ｄ２だけ上方に離れている。第２距離Ｄ２は０よりも大きい。従って、試料台１２の全体はスクレーパ１４と干渉することなく、スクレーパ１４の下の空間に静止できる、或いは、当該空間を通過できる。

また、第２距離Ｄ２は第１距離Ｄ１よりも小さい。一方、スクレーパ１４は、筐体１１の開口１６に面した側面１４ａを有する。第２距離Ｄ２は第１距離Ｄ１よりも小さいため、試料台１２がスクレーパ１４の下に進行している間に、収集面１２ａ上の粉体５２は、この側面１４ａに当接することで、収集面１２ａ（試料台１２）から脱落する。

なお、スクレーパ１４は、粉体５２に当接する側面１４ａを有し、第３位置への試料台の進行を妨げない限り、全体の形状は任意である。

筐体１１は傾斜面１１ａを有してもよい。傾斜面１１ａは、試料台１２の軌道よりも下方に位置し、第２位置Ｐ２から第１位置Ｐ１に向かうにつれて軌道からの距離が大きくなるように傾斜している。傾斜面１１ａは平面でもよく、湾曲してもよい。何れの場合も、試料台１２から落下した粉体５２は、傾斜面１１ａに到達した後、経路５０内に滑り落ちる。即ち、傾斜面１１ａは試料台１２から落下した粉体５２を経路５０に戻す。

なお、筐体１１は、試料台１２から落下した粉体５２を経路５０に戻す傾斜面１１ａ等の構成を持たなくてもよい。例えば、筐体１１は、スクレーパ１４の側面１４ａから下方の位置に穴１１ｂを有してもよい。この場合、粉体５２は、スクレーパ１４によって試料台１２から落下した後、穴１１ｂを通じて筐体１１の外側に排出される。

また、筐体１１は、試料台１２から落下した粉体５２を一時的に捕集する面を有してもよい。例えば、筐体１１は、傾斜面１１ａの代わりに水平面（図示せず）を有してもよい。この場合、サンプリング装置１０は、水平面（図示せず）に堆積した紛体５２を除去（回収）する機構（図示せず）を有してもよい。

サンプリング装置１０は、試料台１２の収集面１２ａに堆積した粉体５２の重量を検知するセンサ２１を備えていてもよい。センサ２１は、例えば収集面１２ａの下面に設置され、収集面１２ａ上の粉体５２の重量を計測し、その結果を制御部１９に出力する（図２参照）。制御部１９は、センサ２１が計測した収集面１２ａ上の粉体５２の重量に基づいて、アクチュエータ１７を制御し、試料台１２を移動させる。例えば、センサ２１が、１２ａに堆積した粉体５２の重量として所定値以上の値を検知した時、試料台１２は第１位置Ｐ１から第３位置Ｐ３に移動してもよい。

なお、センサ２１は、収集面１２ａ上の粉体５２の重量に相当する物理量を計測するものもよい。例えば、センサ２１は、収集面１２ａ上の粉体５２の重量変化に伴って、連結部材１８に生じる物理量の変化を検出してもよい。この場合、センサ２１は連結部材１８に取り付けられ、連結部材１８からの圧力、鉛直方向における連結部材１８の移動量、水平方向に対する連結部材１８の傾斜角の変化を計測するものでもよい。

次に、サンプリング装置１０の動作について説明する。図４はサンプリング装置１０の動作を説明するための図であり、当該動作を（ａ）～（ｈ）まで時系列順に示したものである。

制御部１９はアクチュエータ１７を制御し、試料台１２を第１位置Ｐ１に移動させる（図４（ａ））。試料台１２は、収集面１２ａが上向きの状態で経路５０の内側に位置する。経路５０には粉体５２が落下している。従って、収集面１２ａには徐々に粉体５２が堆積していく。粉体５２の堆積が上限に達した後（図４（ｂ））、制御部１９はアクチュエータ１７を制御し、試料台１２を第３位置Ｐ３に向けて移動させる（図４（ｃ））。この移動の間に、堆積した粉体５２の上部は、均し板１３によって平面に均され、照射面５２ａが形成される。

制御部１９はアクチュエータ１７を制御し、試料台１２を第３位置Ｐ３に停止させる（図４（ｄ））。その後、照射面５２ａには、例えば、光源３０からのプローブ光３１が照射される（図４（ｅ））。プローブ光３１の照射によって粉体５２から放出された光３３は、観測窓１５を介して、分析装置３５に入射し、波長や強度等の各種の分析が行われる。

プローブ光３１が照射された後、制御部１９はアクチュエータ１７を制御し、試料台１２を第２位置Ｐ２に向けて移動させる。この移動の間に、収集面１２ａ上の粉体５２はスクレーパ１４に当接し、更なる試料台１２の移動によって、収集面１２ａから落下する（図４（ｆ）。収集面１２ａから落下した粉体５２は、例えば、傾斜面１１ａ（図２参照）に到達し、その後、経路５０に滑り落ちる。

制御部１９はアクチュエータ１７を制御し、第２位置Ｐ２で停止させる（図４（ｇ））。試料台１２が第２位置Ｐ２に到達したことによって、収集面１２ａ上の粉体５２は除去される。その後はこの停止を維持し、試料台１２を経路５０から退避させてもよい。或いは、制御部１９はアクチュエータ１７を制御し、試料台１２を第１位置Ｐ１に向けて移動させ（図４（ｈ））、第１位置Ｐ１で停止させてもよい（図４（ａ））。試料台１２が第１位置Ｐ１に位置したことによって、収集面１２ａにおける粉体５２の堆積が再開する。

上述の通り、本実施形態に係るサンプリング装置１０では、経路５０を落下する粉体５２を収集するときのみ、試料台１２が経路５０内に露出する。それ以外の時、試料台１２は経路５０から筐体１１内に退避している。従って、粉体５２の不要な付着による汚染や衝突による破損の発生を抑制することができ、サンプリング装置１０の使用可能時間を長期化させることができる。

また、抽出された粉体５２は分析時に経路５０外に移動する。つまり、経路５０内の粉体５２の落下を妨げることなく、抽出された粉体５２の分析を行うことができる。

第２位置Ｐ２に搬送された粉体５２の上面は、均し板１３によって照射面５２ａとして平面に均され、粉体５２は照射面５２ａにおいて均一に分布しやすくなる。また、試料台１２と均し板１３の距離は略一定であるため、照射面５２ａにおけるプローブ光３１の照射位置（焦点）も安定する。従って、照射面５２ａにおける単位面積当たりのプローブ光３１の強度も安定し、精度の良い分析が可能になる。

なお、上述のセンサ２１を併用した場合、適切なタイミングで試料台１２を第１位置Ｐ１から第２位置Ｐ２に移動させることができる。換言すれば、試料台１２を必要以上長期に経路５０内に放置することを抑制でき、使用可能時間を更に長期化させることができる。

次に、本実施形態に係るサンプリング装置１０をＬＩＢＳに適用した例について説明する。図５は、サンプリング装置１０をＬＩＢＳに適用した例を示すブロック図である。なお、本実施形態に係るサンプリング装置１０の適用対象はＬＩＢＳに限られず、他の光学的分析法にも適用できる。

ＬＩＢＳでは、測定対象である粉体５２の照射面５２ａに、プローブ光３１としてのレーザー光を照射する。照射面５２ａには粉体５２のプラズマが発生し、物質固有の波長の光を放出する。つまり、プラズマから放出された光の波長と強度を計測することによって、粉体５２の組成や濃度などを分析することができる。

光源３０は、パルス状のレーザー光３１Ａを所定の周期で繰り返し発生する。光源３０は、例えば、パルスレーザー光源であるＮｄ：ＹＡＧレーザーである。本実施形態のＮｄ：ＹＡＧレーザーは２倍波である５３２ｎｍのパルスレーザー光を、数十ｆｓ～数百ｎｓのパルス幅、且つ、１０Ｈｚ程度の周波数で出力する。

なお、レーザー光３１Ａの波長は測定対象の組成に応じて設定される。例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーの基本波（１０６４ｎｍ）、３倍波（３５５ｎｍ）、或いは、４倍波（２６６ｎｍ）でもよい。また、光源３０はＮｄ：ＹＡＧレーザーに限られず、測定対象固有の発光を促す波長とエネルギーをもつレーザー光を発生する他の光源でもよい。波長は例えば１９３ｎｍ～１０．６μｍであり、エネルギー（パルスエネルギー）は例えば０．１ｍＪ以上である。

照射光学系３２は、レンズ、（平面、凹面）ミラー、光ファイバ等の周知の光学素子によって構成され、光源３０から出力されたレーザー光３１Ａを、粉体５２の照射面５２ａに導く。

観測光学系３４は、照射光学系３２と同様に、レンズ、（平面、凹面）ミラー、光ファイバ等の周知の光学素子によって構成され、レーザー光３１Ａ照射によって照射面５２ａから放出された光３３を受光し、分析装置３５に導く。

分析装置３５は所謂分光器である。レーザー光３１Ａによって粉体５２の照射面５２ａから放出され、観測光学系３４によって導かれる光３３の波長と強度を計測する。本実施形態の分析装置３５は、所定の範囲内の波長の光を一度に計測するポリクロメータやマルチチャネル型分光器である。但し、分析装置３５は、モノクロメータでもよい。

なお、本開示は上述した実施形態に限定されず、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含む。

１０…サンプリング装置、１１…筐体、１１ａ…傾斜面、１１ｂ…穴、１２…試料台、１２ａ…収集面、１３…均し板、１３ａ…縁部、１４…スクレーパ、１４ａ…側面、１５…観測窓、１６…開口、１７…アクチュエータ、１８…連結部材、１９…制御部、２１…センサ、３０…光源、３１…プローブ光、３１Ａ…レーザー光、３２…照射光学系、３３…光、３４…観測光学系、３５…分析装置、５０…経路、５１…壁面、５２…粉体、５２ａ…照射面、５３…開口、Ｄ１…第１距離、Ｄ２…第２距離、Ｐ１…第１位置、Ｐ２…第２位置、Ｐ３…第３位置、ＦＤ…落下方向、ＲＤ…往復方向、Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３…幅

Claims (6)

1. 粉体のサンプリング装置であって、
   筐体と、
   前記粉体の落下方向に面した収集面を有し、前記筐体の外側の第１位置と前記筐体の内側の第２位置との間を往復可能に、且つ、前記第１位置と前記第２位置との間の第３位置に静止可能に設けられる試料台と、
   前記筐体に設けられると共に、前記第１位置と前記第３位置との間において前記試料台の軌道よりも上方に位置する均し板と、
   前記筐体に設けられると共に、前記第３位置と前記第２位置との間において前記試料台の前記軌道よりも上方に位置するスクレーパと
   を備え、
   前記均し板は、前記試料台から第１距離だけ上方に離れ、
   前記スクレーパは、前記試料台から前記第１距離よりも小さい第２距離だけ上方に離れている
   サンプリング装置。
2. 前記均し板の縁部は、前記試料台の前記軌道に沿った方向に対して前記軌道に向けて湾曲した曲面を有する
   請求項１に記載のサンプリング装置。
3. 前記筐体は、前記試料台の軌道よりも下方に位置し、前記第２位置から前記第１位置に向かうにつれて前記軌道からの距離が大きくなるように傾斜した傾斜面を有する
   請求項１または２に記載のサンプリング装置。
4. 前記収集面に堆積した前記粉体の重量を検知するセンサ
   を更に備え、
   前記試料台は、前記収集面に堆積した前記粉体の重量として所定値以上の値を前記センサが検知したときに前記第１位置から前記第３位置に移動する
   請求項１から３のうちの何れか一項に記載のサンプリング装置。
5. 前記筐体は、前記粉体が落下する経路を構成する壁面に着脱可能に設けられる
   請求項１から４のうちの何れか一項に記載のサンプリング装置。
6. 請求項１から５のうちの何れか一項に記載のサンプリング装置を設けられた廃棄物処理プラント。

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