JP7397428B2

JP7397428B2 - Multiple sampler device

Info

Publication number: JP7397428B2
Application number: JP2020090236A
Authority: JP
Inventors: 知明奥田; 輝草苅
Original assignee: Keio University
Current assignee: Keio University
Priority date: 2020-05-25
Filing date: 2020-05-25
Publication date: 2023-12-13
Anticipated expiration: 2040-05-25
Also published as: JP2021185343A

Description

本発明は、大気中に含まれる微小粒子状物質を同一条件で付着させた複数のフィルターサンプルを同時に採取するための多連サンプラー装置に関する。 The present invention relates to a multiple sampler device for simultaneously collecting a plurality of filter samples to which fine particulate matter contained in the atmosphere is attached under the same conditions.

大気中に浮遊している粒子は、多種類の混合物からなる粒子状物質であり、粒径に応じて呼吸器系の各部位に沈着し、人の健康に影響を与える。中でも、粒径が２．５μｍ以下の微小粒子状物質つまり微小粒子は、一般にＰＭ２．５と言われており、粒子の大きさが非常に小さいことから、肺の奥まで入りやすく、喘息や気管支炎などの呼吸器系の疾患への影響のほか、肺がんのリスクの上昇や循環器系への影響が懸念されている。 Particles floating in the atmosphere are particulate matter consisting of a mixture of many types, and depending on the particle size, they deposit in various parts of the respiratory system, affecting human health. Among these, microparticulate matter with a particle size of 2.5 μm or less is generally referred to as PM2.5, and because the particle size is extremely small, it can easily enter deep into the lungs, causing asthma and bronchial problems. In addition to the effects on respiratory diseases such as inflammation, there are concerns about increased risk of lung cancer and effects on the circulatory system.

ＰＭ２．５つまり微小粒子の環境基準が定められているため、微小粒子を測定することによって環境基準の達成状況を把握し、地域毎の特色に応じた対策を検討する必要がある。また、成分分析の継続的な実施は、微小粒子の経年推移や対策の結果検証につながる。したがって、微小粒子の測定および成分分析は重要である。微小粒子は、多種多様な成分で構成され、それぞれ異なる濃度レベルにあり、成分毎に分析方法も多岐にわたる。このような分析において、複数の各分析機関同士の結果の妥当性を担保し、一定の精度を確保するためには、精度管理を行う必要がある。同質試料を各分析機関に配布し、その分析結果を解析、比較する外部精度管理のためには、精度管理用試料として複数の同等のフィルターサンプルが必要である。 Environmental standards for PM2.5, or microparticles, have been established, so it is necessary to measure microparticles to understand the status of achievement of the environmental standards and consider measures tailored to the characteristics of each region. Continuous component analysis will also help verify changes in microparticles over time and the results of countermeasures. Therefore, measurement and component analysis of microparticles are important. Microparticles are composed of a wide variety of components, each at a different concentration level, and there are a wide variety of analysis methods for each component. In such analysis, accuracy control must be performed in order to ensure the validity of the results of multiple analytical institutions and to ensure a certain degree of accuracy. For external quality control in which homogeneous samples are distributed to various analytical institutions and the analysis results are analyzed and compared, multiple equivalent filter samples are required as quality control samples.

特許文献１には、複数のインパクターからなるカスケードインパクターと、微小粒子を捕集するフィルターとを備えた微小粒子サンプラーが記載されている。 Patent Document 1 describes a microparticle sampler that includes a cascade impactor including a plurality of impactors and a filter that collects microparticles.

特開２００８－７０２２２号公報Japanese Patent Application Publication No. 2008-70222

特許文献１に記載されるように、フィルターに微小粒子を付着させてフィルターサンプルを採取するようにした従来の微小粒子サンプラーにおいては、１台のサンプラーにより得られるフィルターサンプルは1個のみである。 As described in Patent Document 1, in a conventional microparticle sampler that collects a filter sample by attaching microparticles to a filter, only one filter sample is obtained by one sampler.

したがって、一度に複数の同質試料を得るためには一定流量のサンプラーが複数必要である。しかし、複数のサンプラーにより同一条件で複数のフィルターサンプルを採取するには、全てのサンプラーを同一の流量で作動させるために、それぞれのサンプラーの流量のばらつきを抑制する必要がある。このため、それぞれのサンプラーに流量計を設置し、流量計から得られたデータに基づいてフィルターに流れる空気の流量をフィードバック制御する制御装置をそれぞれのサンプラーに設置する必要がある。 Therefore, multiple samplers with a constant flow rate are required to obtain multiple homogeneous samples at once. However, in order to collect a plurality of filter samples under the same conditions using a plurality of samplers, it is necessary to suppress variations in the flow rate of each sampler in order to operate all the samplers at the same flow rate. For this reason, it is necessary to install a flow meter in each sampler, and to install in each sampler a control device that performs feedback control of the flow rate of air flowing to the filter based on data obtained from the flow meter.

しかしながら、それぞれのサンプラーの流量を、流量計を用いて高精度で制御することは困難であり、サンプラーの製造コストが高くなるだけでなく、サンプラーの複雑化、大型化が避けられない。 However, it is difficult to control the flow rate of each sampler with high precision using a flowmeter, which not only increases the manufacturing cost of the sampler but also makes the sampler unavoidably complicated and large.

本発明の目的は、同一条件のもとで微小粒子が付着した複数のフィルターサンプルを採取し得る簡単な構造の多連サンプラーを提供することにある。 An object of the present invention is to provide a multiple sampler with a simple structure that can collect a plurality of filter samples to which microparticles are attached under the same conditions.

本発明の多連サンプラー装置は、大気中の粒子を微小粒子と粗大粒子とに分粒するインパクター、および前記インパクターにより分粒された微小粒子を採取するフィルターを備えた複数のサンプラーと、それぞれの前記サンプラーに設けられ前記フィルターを通過した空気を排出する排気管が接続される連通支持管と、前記連通支持管に接続され、それぞれの前記サンプラーに流入する気流を形成する真空ポンプと、スロート部、当該スロート部に向けて内径が小径となるサンプラー側の上流側流路、および前記スロート部から内径が大きくなる真空ポンプ側の下流側流路を備える臨界ノズルと、前記上流側流路の上流圧力と前記下流側流路の下流圧力との圧力比が臨界背圧比以下となる流量に前記真空ポンプの流量を設定する流量制御部と、を有し、それぞれの前記サンプラーに設けられた前記排気管にそれぞれ前記臨界ノズルを設けた。 The multiple sampler device of the present invention includes a plurality of samplers including an impactor that divides particles in the atmosphere into fine particles and coarse particles, and a filter that collects the fine particles divided by the impactor; a communication support pipe provided in each of the samplers and connected to an exhaust pipe for discharging air that has passed through the filter; a vacuum pump connected to the communication support pipe and forming an airflow flowing into each of the samplers; a critical nozzle comprising a throat section, an upstream channel on the sampler side whose inner diameter becomes smaller toward the throat section, and a downstream channel on the vacuum pump side whose inner diameter increases from the throat section; and the upstream channel. a flow rate control unit that sets the flow rate of the vacuum pump to a flow rate at which a pressure ratio between the upstream pressure of the vacuum pump and the downstream pressure of the downstream flow path is equal to or less than a critical back pressure ratio, Each of the exhaust pipes was provided with the critical nozzle .

単一の真空ポンプにより複数のサンプラーの内部に気流を生成し、臨界ノズルによりそれぞれのサンプラーに流れる気流の流速を同一流量に設定するようにしたので、それぞれのサンプラーに流れる気流の流速を制御することなく、簡単な構造で、複数のフィルターに対して同一の流速で空気を透過させることができる。したがって、測定領域の大気に含まれる微小粒子を含む複数のフィルターサンプルを同時に採取することができ、微小粒子の元素成分がほぼ同様となって採取された複数のサンプルを用いて、種々の分析方法によって、同種のサンプルを分析することができる。 A single vacuum pump generates airflow inside multiple samplers, and a critical nozzle sets the flow rate of the airflow to each sampler to the same flow rate, so the flow rate of the airflow to each sampler can be controlled. Air can be passed through multiple filters at the same flow rate with a simple structure. Therefore, multiple filter samples containing microparticles contained in the atmosphere in the measurement area can be collected simultaneously, and various analysis methods can be applied using multiple samples collected with almost the same elemental components of the microparticles. allows the analysis of similar samples.

本発明の一実施の形態の多連サンプラー装置を示す正面図である。FIG. 1 is a front view showing a multiple sampler device according to an embodiment of the present invention. 図１に示されたサンプラーと臨界ノズルとを示す拡大正面図である。FIG. 2 is an enlarged front view of the sampler and critical nozzle shown in FIG. 1; 図２に示されたサンプラーの半断面図である。3 is a half-sectional view of the sampler shown in FIG. 2. FIG. 図３におけるＡ-Ａ線断面図である。FIG. 4 is a sectional view taken along line A-A in FIG. 3. FIG. 臨界ノズルの断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view of a critical nozzle. 真空ポンプの概略構造を示す断面図である。1 is a cross-sectional view showing a schematic structure of a vacuum pump. サンプラーの変形例を示す半断面図である。FIG. 7 is a half-sectional view showing a modified example of the sampler. 他の実施の形態である多連サンプラー装置を示す正面図である。FIG. 7 is a front view showing a multiple sampler device according to another embodiment. スロート径と臨界ノズルを流れる気体の固定流量との関係を示す特性線図である。FIG. 3 is a characteristic diagram showing the relationship between the throat diameter and the fixed flow rate of gas flowing through the critical nozzle. スロート径が相違する４種類の臨界ノズルについて、気体の流量と背圧比との関係を示す特性線図である。FIG. 3 is a characteristic diagram showing the relationship between gas flow rate and back pressure ratio for four types of critical nozzles having different throat diameters.

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図1に示されるように、多連サンプラー装置１０は、５つのサンプラー１１と１つのダミーサンプラー１２とを有している。サンプラー１１は排気管１３により連通支持管１４に装着され、ダミーサンプラー１２は取付管１５により連通支持管１４に装着されている。連通支持管１４は台座１６により支持台２１の天板２２の上に取り付けられ、支持台２１の底板２３には真空ポンプ２４が配置されている。真空ポンプ２４の吸入ポートに接続される真空配管２５は連通支持管１４に接続されており、それぞれのサンプラー１１の内部には、真空ポンプ２４の吸引力により上部から排気管１３に向けて気流が生成される。ただし、ダミーサンプラー１２の取付管１５には、閉塞部材１７が設けられており、ダミーサンプラー１２の内部には気流は生成されない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail based on the drawings. As shown in FIG. 1, the multiple sampler device 10 includes five samplers 11 and one dummy sampler 12. The sampler 11 is attached to the communication support tube 14 through an exhaust pipe 13, and the dummy sampler 12 is attached to the communication support tube 14 through an attachment tube 15. The communication support tube 14 is attached to the top plate 22 of the support stand 21 by a pedestal 16, and a vacuum pump 24 is arranged on the bottom plate 23 of the support stand 21. A vacuum pipe 25 connected to the suction port of the vacuum pump 24 is connected to the communication support pipe 14, and inside each sampler 11, an air flow is generated from the upper part toward the exhaust pipe 13 by the suction force of the vacuum pump 24. generated. However, the attachment tube 15 of the dummy sampler 12 is provided with a closing member 17, so that no airflow is generated inside the dummy sampler 12.

それぞれのサンプラー１１は、図２および図３に示されるように、基部ステージ３１と、基部ステージ３１に取り付けられる第１の中間ステージ３２と、第１の中間ステージ３２に取り付けられる第２の中間ステージ３３と、中間ステージ３３に取り付けられるトップカバー３４とを有しており、それぞれ透明性の樹脂材料により成形されている。ダミーサンプラー１２もサンプラー１１と同一構造である。 As shown in FIGS. 2 and 3, each sampler 11 includes a base stage 31, a first intermediate stage 32 attached to the base stage 31, and a second intermediate stage attached to the first intermediate stage 32. 33 and a top cover 34 attached to the intermediate stage 33, each of which is molded from a transparent resin material. The dummy sampler 12 also has the same structure as the sampler 11.

基部ステージ３１は、図３に示されるように、円筒部３５とこれと一体の環状の上端壁部３６とを有し、上端壁部３６には基部ステージ３１の下端部に向けて漸次内径が小さくなったテーパ部３７が一体に設けられている。テーパ部３７の下端部には排出部３８が設けられ、排出部３８には図２に示した排気管１３が取り付けられる。基部ステージ３１の上端壁部３６の上には、金網４１を介してフィルター４２が配置され、フィルター４２の上には環状のフィルター押さえ具４３が配置されている。フィルター４２は、ＰＴＦＥ繊維や石英繊維の素材により形成されており、トップカバー３４の内部から排出部３８に向けて流れる気流に含まれる微小粒子がフィルター４２に付着し、微小粒子はフィルター４２に採取される。 As shown in FIG. 3, the base stage 31 has a cylindrical part 35 and an annular upper end wall part 36 integral with the cylindrical part 35, and the inner diameter of the upper end wall part 36 gradually increases toward the lower end part of the base stage 31. A smaller tapered portion 37 is integrally provided. A discharge part 38 is provided at the lower end of the tapered part 37, and the exhaust pipe 13 shown in FIG. 2 is attached to the discharge part 38. A filter 42 is placed above the upper end wall 36 of the base stage 31 via a wire mesh 41, and an annular filter presser 43 is placed above the filter 42. The filter 42 is made of a material such as PTFE fiber or quartz fiber, and the microparticles contained in the airflow flowing from the inside of the top cover 34 toward the discharge part 38 adhere to the filter 42 and are collected by the filter 42. be done.

第１の中間ステージ３２は、基部ステージ３１の円筒部３５の雄ねじ３５ａにねじ結合される雌ねじ４４ａが形成された下側円筒部４４と、下側円筒部４４と一体となった上側円筒部４５とを有している。中間ステージ３２を基部ステージ３１にねじ結合すると、上側円筒部４５の下端面がフィルター押さえ具４３に突き当てられ、金網４１とフィルター４２とフィルター押さえ具４３は、基部ステージ３１と中間ステージ３２との間で挟持つまり挟み付けられる。 The first intermediate stage 32 includes a lower cylindrical part 44 formed with a female thread 44a that is screwed to the male thread 35a of the cylindrical part 35 of the base stage 31, and an upper cylindrical part 45 that is integrated with the lower cylindrical part 44. It has When the intermediate stage 32 is screwed to the base stage 31, the lower end surface of the upper cylindrical part 45 is abutted against the filter holder 43, and the wire mesh 41, filter 42, and filter holder 43 are connected to the base stage 31 and the intermediate stage 32. It is sandwiched or pinched between.

中間ステージ３２の上側円筒部４５には環状の衝突板４６が配置され、衝突板４６の上には、衝突板４６に向けて流れた粗大粒子が付着する付着部４６ａが配置されている。付着部４６ａは、フィルター４２と同様の素材により形成され、衝突板４６の一部を構成している。衝突板４６と付着部４６ａの中央部には、貫通孔４７が設けられており、微小粒子を含む気流は貫通孔４７を通過してフィルター４２に向けて流れる。衝突板４６の上にはノズル板４８が配置され、ノズル板４８の外周部には、図４に示されるように、内径ｄ１の複数のノズル孔４９が形成されている。ノズル孔４９はノズル板４８の中心から半径ｒ１の円周上に円周方向に一定の間隔を隔てて１２個設けられており、内径Ｒの貫通孔４７よりも径方向外方に形成され、衝突板４６の付着部４６ａに対向している。 An annular collision plate 46 is disposed on the upper cylindrical portion 45 of the intermediate stage 32, and an adhering portion 46a to which coarse particles flowing toward the collision plate 46 adhere is disposed on the collision plate 46. The attachment portion 46a is made of the same material as the filter 42, and constitutes a part of the collision plate 46. A through hole 47 is provided in the center of the collision plate 46 and the adhering portion 46a, and the airflow containing microparticles passes through the through hole 47 and flows toward the filter 42. A nozzle plate 48 is arranged on the collision plate 46, and a plurality of nozzle holes 49 having an inner diameter d1 are formed in the outer circumference of the nozzle plate 48, as shown in FIG. Twelve nozzle holes 49 are provided on the circumference with radius r1 from the center of nozzle plate 48 at regular intervals in the circumferential direction, and are formed radially outward from the through hole 47 with inner diameter R. It faces the attachment portion 46a of the collision plate 46.

ノズル孔４９を通過した粗大粒子は慣性によって直進し、付着部４６ａに衝突する。一方、粒径が２．５μｍ以下の微細粒子はそれよりも大粒径の粗大粒子よりも慣性力が小さく、貫通孔４７に向けて蛇行する気流に案内される。このように、衝突板４６と付着部４６ａとノズル板４８とにより、大気中の粒子を粒径が２．５μｍ以下の微小粒子と、それよりも大径の粗大粒子とに分粒する主インパクターとしてのインパクター５０が形成される。このインパクター５０のカット部の高さはＬ１である。 The coarse particles that have passed through the nozzle hole 49 move straight due to inertia and collide with the adhering portion 46a. On the other hand, fine particles with a particle size of 2.5 μm or less have a smaller inertial force than coarse particles with a larger particle size, and are guided by the airflow meandering toward the through hole 47. In this way, the collision plate 46, the attachment part 46a, and the nozzle plate 48 create a main impact that divides particles in the atmosphere into fine particles with a particle size of 2.5 μm or less and coarse particles with a larger diameter. An impactor 50 is formed. The height of the cut portion of this impactor 50 is L1.

第２の中間ステージ３３は、第１の中間ステージ３２の上側円筒部４５の雄ねじ４５ａにねじ結合される雌ねじ５１ａが形成された下側円筒部５１と、下側円筒部５１と一体となった上側円筒部５２とを有している。第２の中間ステージ３３は第１の中間ステージ３２と同一形状であり、第２の中間ステージ３３を第１の中間ステージ３２にねじ結合すると、上側円筒部５２の下端面がノズル板４８のフランジ部４８ａに突き当てられ、衝突板４６と付着部４６ａとフランジ部４８ａは、両方の中間ステージ３２、３３の間で挟持される。 The second intermediate stage 33 is integrated with the lower cylindrical part 51 and a lower cylindrical part 51 formed with a female thread 51a that is screwed to the male thread 45a of the upper cylindrical part 45 of the first intermediate stage 32. It has an upper cylindrical portion 52. The second intermediate stage 33 has the same shape as the first intermediate stage 32, and when the second intermediate stage 33 is screwed to the first intermediate stage 32, the lower end surface of the upper cylindrical portion 52 is connected to the flange of the nozzle plate 48. The collision plate 46, attachment portion 46a, and flange portion 48a are held between both intermediate stages 32 and 33.

中間ステージ３３の上側円筒部５２には環状の衝突板５３が配置され、衝突板５３の上には、衝突板５３に向けて流れた粒子が付着する付着部５３ａが配置されており、付着部５３ａは付着部４６ａと同様の素材からなり、衝突板５３の一部を構成している。衝突板５３と付着部５３ａの中央部には貫通孔５４が設けられており、気流は貫通孔５４を貫通して下方に流れる。衝突板５３の上にはノズル板５５が配置され、ノズル板５５の外周部には内径ｄ２の複数のノズル孔５６が付加ノズル孔として形成されている。ノズル孔５６の内径ｄ２はノズル孔４９の内径ｄ１よりも大径であり、貫通孔５４よりも径方向外方に形成され、衝突板５３の付着部５３ａに対向している。衝突板５３と付着部５３ａとノズル板５５とにより、付加的インパクター５７が形成され、付加的インパクター５７のカット部の高さＬ２は、インパクター５０の高さＬ１よりも大きく設定されている。付加的インパクター５７は、大気中に含まれる粒子のうち微小粒子よりも大径の粗大粒子の中でも粒子径の大きい粒子を衝突板５３に付着させて除去する。 An annular collision plate 53 is disposed on the upper cylindrical portion 52 of the intermediate stage 33, and an adhesion portion 53a to which particles flowing toward the collision plate 53 adhere is disposed on the collision plate 53. 53a is made of the same material as the attachment part 46a, and constitutes a part of the collision plate 53. A through hole 54 is provided in the center of the collision plate 53 and the attachment portion 53a, and the airflow passes through the through hole 54 and flows downward. A nozzle plate 55 is disposed on the collision plate 53, and a plurality of nozzle holes 56 having an inner diameter d2 are formed as additional nozzle holes on the outer periphery of the nozzle plate 55. The inner diameter d2 of the nozzle hole 56 is larger than the inner diameter d1 of the nozzle hole 49, is formed radially outward from the through hole 54, and faces the attachment portion 53a of the collision plate 53. An additional impactor 57 is formed by the collision plate 53, the attachment portion 53a, and the nozzle plate 55, and the height L2 of the cut portion of the additional impactor 57 is set larger than the height L1 of the impactor 50. There is. The additional impactor 57 attaches to the collision plate 53 particles having a large particle size among coarse particles having a larger diameter than fine particles among particles contained in the atmosphere and removes them.

トップカバー３４は、上側円筒部５２に形成された雄ねじ５２ａにねじ結合される雌ねじ５８ａが形成された下側円筒部５８と、下側円筒部５８と一体となったテーパ部５９とを有しているトップカバー３４を中間ステージ３３にねじ結合すると、テーパ部５９の下端面がノズル板５５のフランジ部５５ａに突き当てられ、衝突板５３と付着部５３ａとフランジ部５５ａは、トップカバー３４と中間ステージ３３との間で挟持される。 The top cover 34 has a lower cylindrical portion 58 formed with a female thread 58a that is screwed to a male thread 52a formed on the upper cylindrical portion 52, and a tapered portion 59 that is integrated with the lower cylindrical portion 58. When the top cover 34 is screwed to the intermediate stage 33, the lower end surface of the tapered part 59 is abutted against the flange part 55a of the nozzle plate 55, and the collision plate 53, the attachment part 53a, and the flange part 55a are connected to the top cover 34. It is held between the intermediate stage 33 and the intermediate stage 33.

サンプラー１１におけるそれぞれの雄ねじ３５ａ、４５ａおよび５２ａは、同一のピッチ径であり、サンプラー１１に付加的インパクター５７と中間ステージ３３を設けない形態においては、トップカバー３４が中間ステージ３２に装着される。 The respective male threads 35a, 45a, and 52a in the sampler 11 have the same pitch diameter, and in a configuration in which the sampler 11 is not provided with the additional impactor 57 and the intermediate stage 33, the top cover 34 is attached to the intermediate stage 32. .

トップカバー３４のテーパ部５９の上端部には継手部６０が設けられており、外気を取り込む部材が設けられた図示しない配管が継手部６０に接続される。このように、配管が接続されるようになったサンプラー１１はインライン型となっている。大気中の粒子を含む空気は、図３において矢印で示されるように、上方から下方に流れる。サンプラー１１の内部を流れる空気が外部に漏出するのを防止するために、それぞれの部材の間にはシール材が配置されている。なお、サンプラー１１についての上下の位置関係は、図1に示されるように、使用されている状態を基準としている。 A joint part 60 is provided at the upper end of the tapered part 59 of the top cover 34, and a pipe (not shown) provided with a member for taking in outside air is connected to the joint part 60. In this way, the sampler 11 to which the piping is connected is of an in-line type. Air containing atmospheric particles flows from above to below, as indicated by the arrows in FIG. In order to prevent the air flowing inside the sampler 11 from leaking to the outside, a sealing material is placed between each member. The vertical positional relationship of the sampler 11 is based on the state in which it is used, as shown in FIG.

インパクター５０および付加的インパクター５７は、鉛直下方に向けた気流の噴出ノズルつまりノズル孔４９、５６を有し、ノズル孔に対して直角方向に衝突板４６、５３が配置されている。ノズル孔４９、５６から噴出した気流が衝突板４６、５３に衝突することによって水平方向に蛇行する際に、慣性力により衝突板に衝突する粒子と、衝突する粒子よりも小径であり、気流に乗って水平方向に曲がり貫通孔４７、５４を貫通する粒子とに分粒される。貫通孔４７を貫通した微小粒子はフィルター４２に採取される。ノズル板４８、５５に設けられたノズル孔の数や内径、を変化させることで、分粒径を設定することができる。 The impactor 50 and the additional impactor 57 have nozzles or nozzle holes 49 and 56 for ejecting airflow vertically downward, and collision plates 46 and 53 are arranged perpendicularly to the nozzle holes. When the airflow ejected from the nozzle holes 49, 56 collides with the collision plates 46, 53 and winds in the horizontal direction, some particles collide with the collision plate due to inertial force, and some particles have a smaller diameter than the colliding particles, and the airflow The particles are divided into particles that bend horizontally and pass through the through holes 47 and 54. The microparticles that have passed through the through holes 47 are collected by the filter 42 . By changing the number and inner diameter of the nozzle holes provided in the nozzle plates 48 and 55, the particle diameter can be set.

サンプラー１１は、インパクター５０と付加的インパクター５７の２つを備えている。主インパクターとしてのインパクター５０のノズル板４８の板厚は２ｍｍ、ノズル孔４９の内径ｄ１は、１．６２ｍｍであり、高さＬ１は４．５ｍｍである。一方、付加的インパクター５７のノズル板５５の板厚は５ｍｍ、ノズル孔５６の内径ｄ２は、４ｍｍであり、高さＬ２は１０ｍｍである。ノズル孔４９のノズル板４８の中心からの半径ｒ１は、１４．４ｍｍであり、ノズル孔５６も同様の半径の位置に設けられている。貫通孔４７、５４の内径Ｒはそれぞれ１８ｍｍであり、付着部４６ａ、５３ａの内径はそれぞれ２０ｍｍである。 The sampler 11 includes two impactors: an impactor 50 and an additional impactor 57. The thickness of the nozzle plate 48 of the impactor 50 as the main impactor is 2 mm, the inner diameter d1 of the nozzle hole 49 is 1.62 mm, and the height L1 is 4.5 mm. On the other hand, the thickness of the nozzle plate 55 of the additional impactor 57 is 5 mm, the inner diameter d2 of the nozzle hole 56 is 4 mm, and the height L2 is 10 mm. The radius r1 of the nozzle hole 49 from the center of the nozzle plate 48 is 14.4 mm, and the nozzle hole 56 is also provided at a position with the same radius. The inner diameters R of the through holes 47 and 54 are each 18 mm, and the inner diameters of the attachment parts 46a and 53a are each 20 mm.

インパクター５０は、粒径が２．５μｍ以下の微小粒子と、それよりも粒径が大きい粗大粒子とに分粒し、粗大粒子は衝突板４６の付着部４６ａに捕捉され、微小粒子はフィルター４２に採取される。付加的インパクター５７は、粗大粒子のうち比較的粒径が大きい粒子と、それよりも小径の粒子とに分粒する。このように、２段のインパクターを設けることにより、最終的にフィルター４２に付着させて採取する微小粒子の分粒効率を高めることができる。ただし、インパクターとしては、付加的インパクター５７を使用することなく、主インパクターとしての１つのインパクター５０のみを備えたサンプラー１１としても良い。 The impactor 50 divides the particles into fine particles with a particle size of 2.5 μm or less and coarse particles with a larger particle size. Taken on 42nd. The additional impactor 57 divides the coarse particles into particles with a relatively large diameter and particles with a smaller diameter. In this way, by providing two stages of impactors, it is possible to increase the efficiency of sizing the microparticles that are finally collected by adhering to the filter 42. However, as an impactor, the sampler 11 may be provided with only one impactor 50 as a main impactor without using the additional impactor 57.

複数のサンプラー１１において、特定領域の大気中から同時に複数の微小粒子のサンプルを採取するには、それぞれのフィルター４２に相互に同一の流量で気流を通過させる必要がある。つまり、それぞれのサンプラー１１に流入する空気の流量を同一に設定する必要がある。それぞれのサンプラーに真空ポンプ２４を接続すると、流量を同一に設定するために、それぞれのサンプラー１１に流量計を設置し、流量計により得られたデータに基づいてサンプラー１１に流入する空気の量を制御する必要がある。それでは多連サンプラーの製造コストが高くなるだけでなく、装置の複雑化、大型化が避けられない。 In order to simultaneously collect a plurality of samples of microparticles from the atmosphere in a specific region using the plurality of samplers 11, it is necessary to allow the airflow to pass through each filter 42 at the same flow rate. That is, it is necessary to set the flow rate of air flowing into each sampler 11 to be the same. When the vacuum pump 24 is connected to each sampler, a flow meter is installed in each sampler 11 to set the same flow rate, and the amount of air flowing into the sampler 11 is determined based on the data obtained by the flow meter. need to be controlled. This not only increases the manufacturing cost of the multiple sampler, but also inevitably increases the complexity and size of the device.

そこで、全てのサンプラー１１に流入する空気の量を同一に設定するために、図１に示されるように、それぞれの排気管１３には臨界ノズル６１が設けられている。臨界ノズル６１には、図２に示される継手部材６２が設けられており、臨界ノズル６１は継手部材６２により連通支持管１４に取り付けられる。図５に示されるように、ワンタッチ継手６３により臨界ノズル６１は排気管１３に取り付けられる。 Therefore, in order to set the amount of air flowing into all samplers 11 to be the same, each exhaust pipe 13 is provided with a critical nozzle 61, as shown in FIG. The critical nozzle 61 is provided with a joint member 62 shown in FIG. 2, and the critical nozzle 61 is attached to the communication support pipe 14 by the joint member 62. As shown in FIG. 5, the critical nozzle 61 is attached to the exhaust pipe 13 by a one-touch joint 63.

臨界ノズル６１は、スロート径ｄにより定まる断面積の狭窄部つまりスロート部６４と、スロート部６４に向けて小径となって断面積が減少するサンプラー側の上流側流路６５と、スロート部６４から内径が大きくなって断面積が増加する真空ポンプ側の下流側流路６６とを有している。臨界ノズル６１の上流側流路６５と下流側流路６６の圧力比、つまり上流圧力と下流圧力との圧力比を臨界背圧比以下に保つと、狭窄部であるスロート部６４における気流の流速は、音速つまり臨界状態に固定され、気流の流量がノズル下流側の状態に依存せず一定流量の気流をサンプラー１１に発生させることができる。流速が音速よりも遅い状態を亜音速流、音速よりも速い状態を超音速といい、流体は音速を境にして変化する性質を持っている。流路内での流れに音速を発生させるには、流路内の断面積を一度減少させた後に増加させるように、上流側流路６５と下流側流路６６との境界部にスロート部６４が設けられる。 The critical nozzle 61 has a narrowed part, that is, a throat part 64 with a cross-sectional area determined by the throat diameter d, an upstream flow passage 65 on the sampler side whose cross-sectional area becomes smaller toward the throat part 64, and a flow passage from the throat part 64. The downstream flow path 66 on the vacuum pump side has an increased inner diameter and an increased cross-sectional area. When the pressure ratio between the upstream flow path 65 and the downstream flow path 66 of the critical nozzle 61, that is, the pressure ratio between the upstream pressure and the downstream pressure, is maintained below the critical back pressure ratio, the flow velocity of the air flow in the throat portion 64, which is the narrowed portion, is , the speed of sound is fixed at the critical state, and the flow rate of the airflow does not depend on the state on the downstream side of the nozzle, allowing the sampler 11 to generate a constant flow rate of airflow. A state where the flow velocity is slower than the speed of sound is called subsonic flow, and a state where the flow speed is faster than the speed of sound is called supersonic flow, and fluids have the property of changing at the speed of sound. In order to generate sonic velocity in the flow within the flow path, a throat portion 64 is installed at the boundary between the upstream flow path 65 and the downstream flow path 66 so that the cross-sectional area within the flow path is once decreased and then increased. will be provided.

臨界ノズル６１は、スロート部６４が臨界状態であれば、ノズル下流側の流れの変動によらず、常に一定の流量を発生させることができる。このように、臨界状態となるとスロート部６４の下流の状態が上流に影響しない理由は音速にある。圧力や温度などの流れの情報を伝える波は音速ａで伝播する。流速ｕのとき、波の移動速度ｖは、
ｖ＝ａ±ｕとなる。 If the throat portion 64 is in a critical state, the critical nozzle 61 can always generate a constant flow rate regardless of fluctuations in the flow downstream of the nozzle. As described above, the reason why the downstream state of the throat portion 64 does not affect the upstream state when the critical state is reached is the speed of sound. Waves that convey flow information such as pressure and temperature propagate at the speed of sound a. When the flow velocity is u, the moving velocity of the wave is
v=a±u.

この式において、±は、流れの進む方向（＋）と反対の方向（－）を意味する。この式から、流れが超音速（ｕ＞ａ）の場合は、流れと反対方向の速度ｖは負になる。したがって、流れがスロート部６４で臨界状態にあるときに、スロート部６４の下流は超音速で波よりも速いことから、流れの情報である波は流れの進行方向と逆方向のスロート部上流側へは伝播されない。よって、臨界状態のときスロート部下流側の流れの情報は、スロート部を越えて上流側には伝播されない。 In this formula, ± means the direction (-) opposite to the direction of flow (+). From this equation, when the flow is supersonic (u>a), the velocity v in the opposite direction to the flow is negative. Therefore, when the flow is in a critical state at the throat part 64, the downstream part of the throat part 64 is supersonic and faster than the waves, so the waves, which are flow information, are transmitted to the upstream side of the throat part in the opposite direction to the flow direction. is not propagated to. Therefore, in the critical state, information about the flow downstream of the throat portion is not propagated to the upstream side beyond the throat portion.

臨界ノズル６１の上流側流路６５と下流側流路６６の圧力比を臨界背圧比以下に保ち、臨界状態とすればスロート部６４における流速が音速に固定されるという条件から、臨界状態でのノズルを通過する流量は、理論上、「スロート部断面積」×「スロート部環境下での音速」で求められる。しかし、実際のノズル内部には境界層が発達し、実質的断面積の欠損が生じるため、理論上の計算値とは乖離する。 If the pressure ratio between the upstream flow path 65 and the downstream flow path 66 of the critical nozzle 61 is maintained below the critical back pressure ratio and a critical state is achieved, the flow velocity at the throat portion 64 is fixed at the sonic speed. The flow rate passing through the nozzle is theoretically determined by "cross-sectional area of the throat section" x "velocity of sound in the environment of the throat section". However, since a boundary layer develops inside the actual nozzle and a substantial loss of cross-sectional area occurs, the value deviates from the theoretically calculated value.

境界層とは、気体の持つ粘性の影響により流路の内壁面近傍に形成され、音速に達していない領域のことである。この境界層の形状は、ノズルの材質や形状に依存する。境界層を定量的に考えるために、内壁面に接触した部分における速度０の部分と、実質的音速面との間の速度勾配の部分をなくし、実質的音速面と内壁面に接触した部分との間を排除厚さとする。この排除厚さの割合をスロート部の２０～３０％に設定し、予め設定されたノズル通過流量に基づいて、スロート部の断面積を２０～３０％増加させた。 The boundary layer is a region that is formed near the inner wall surface of a flow path due to the influence of the viscosity of gas, and which does not reach the speed of sound. The shape of this boundary layer depends on the material and shape of the nozzle. In order to consider the boundary layer quantitatively, we eliminate the part where the velocity is 0 in the part in contact with the inner wall surface and the part with a velocity gradient between the substantial sonic velocity surface and the part in contact with the substantial sonic velocity surface and the inner wall surface. The distance between the two is the exclusion thickness. The ratio of this excluded thickness was set to 20 to 30% of the throat portion, and the cross-sectional area of the throat portion was increased by 20 to 30% based on a preset nozzle passing flow rate.

臨界ノズル６１のスロート部６４の流量が固定されるにはノズルの背圧比（Ｐ２／Ｐ１）がある一定値（臨界背圧比）以下になるという条件がある。臨界背圧比は、臨界ノズル６１の形状と気流の持つ粘性などに大きく影響されるレイノルズ数に依存する量であり、ノズル固有の値であるため、実験によって確認する必要がある。 In order for the flow rate of the throat portion 64 of the critical nozzle 61 to be fixed, there is a condition that the back pressure ratio (P2/P1) of the nozzle is equal to or less than a certain value (critical back pressure ratio). The critical back pressure ratio is a quantity that depends on the Reynolds number, which is greatly influenced by the shape of the critical nozzle 61 and the viscosity of the air flow, and is a value specific to the nozzle, so it must be confirmed through experiments.

臨界背圧比を実験で求めるには、臨界ノズル６１が設けられた実験用配管のノズル上流側流路と下流側流路とに圧力センサを設け、負圧ポンプにより実験用配管に空気を流し、空気流量を流量計で測定することにより行うことができる。負圧ポンプの回転数を変化させても、実験用配管を流れる空気の流量が変化しない背圧比の値により臨界背圧比を求めることができる。 To determine the critical back pressure ratio by experiment, pressure sensors are installed in the nozzle upstream flow path and the downstream flow path of the experimental piping in which the critical nozzle 61 is installed, and air is caused to flow through the experimental piping using a negative pressure pump. This can be done by measuring the air flow rate with a flow meter. The critical back pressure ratio can be determined from the value of the back pressure ratio at which the flow rate of air flowing through the experimental piping does not change even if the rotational speed of the negative pressure pump is changed.

図６は、真空ポンプ２４の概略構造を示す断面図である。真空ポンプ２４を構成するポンプユニット７０は、吸気ポート７１と排気ポート７２が設けられたポンプ本体７３と、電動モータ７４により回転駆動されるロータ７５とを有している。ポンプ本体７３に取り付けられたダイアフラム７６は、コネクティングロッド７７によりロータ７５に連結されている。ダイアフラム７６とポンプ本体７３との間に形成される膨張収縮室７８と吸気ポート７１との間に吸気弁８１が配置され、膨張収縮室７８と排気ポート７２との間には排気弁８２が配置されている。このように、真空ポンプ２４はダイアフラム７６を備えたダイアフラム型である。 FIG. 6 is a sectional view showing a schematic structure of the vacuum pump 24. As shown in FIG. A pump unit 70 constituting the vacuum pump 24 includes a pump body 73 provided with an intake port 71 and an exhaust port 72, and a rotor 75 rotationally driven by an electric motor 74. A diaphragm 76 attached to the pump body 73 is connected to the rotor 75 by a connecting rod 77. An intake valve 81 is arranged between the expansion and contraction chamber 78 formed between the diaphragm 76 and the pump body 73 and the intake port 71, and an exhaust valve 82 is arranged between the expansion and contraction chamber 78 and the exhaust port 72. has been done. Thus, the vacuum pump 24 is of the diaphragm type with a diaphragm 76.

吸気ポート７１は、図１に示した真空配管２５に接続され、排気ポート７２は外部に開口されている。図６において実線で示されるように、ダイアフラム７６が膨張収縮室７８を膨張させる方向に駆動されると、吸気ポート７１から膨張収縮室７８に外部の空気が真空ポンプ２４内に吸引される。一方、図６において二点鎖線で示されるように、ダイアフラム７６が膨張収縮室７８を収縮させる方向に駆動されると、真空ポンプ２４から外部に空気が排出される。真空ポンプ２４を駆動させることにより、それぞれのサンプラー１１内には外気の流れが生成される。真空ポンプ２４は、図６に示されるポンプユニット７０を２組有しており、２つのポンプユニット７０のロータ７５の位相は、ずれている。これにより、脈動を発生させることなく、電動モータ７４の回転により連続的に吸気ポート７１に向けてそれぞれのサンプラー１１の内部に気流を連続的に生成することができる。ダイアフラム式の真空ポンプ２４を流れる空気は、油や液体に触れることなく、清浄な空気を外部に排気することができる。 The intake port 71 is connected to the vacuum piping 25 shown in FIG. 1, and the exhaust port 72 is opened to the outside. As shown by the solid line in FIG. 6, when the diaphragm 76 is driven in the direction of expanding the expansion/contraction chamber 78, external air is sucked into the vacuum pump 24 from the intake port 71 into the expansion/contraction chamber 78. On the other hand, as shown by the two-dot chain line in FIG. 6, when the diaphragm 76 is driven in a direction to contract the expansion/contraction chamber 78, air is discharged from the vacuum pump 24 to the outside. By driving the vacuum pump 24, a flow of outside air is generated within each sampler 11. The vacuum pump 24 has two pump units 70 shown in FIG. 6, and the rotors 75 of the two pump units 70 are out of phase. Thereby, airflow can be continuously generated inside each sampler 11 toward the intake port 71 by the rotation of the electric motor 74 without generating pulsation. The air flowing through the diaphragm type vacuum pump 24 can exhaust clean air to the outside without coming into contact with oil or liquid.

ロータ７５を回転駆動する電動モータ７４の回転数は、流量制御部としてのコントローラ８３により制御され、真空ポンプ２４の流量はコントローラ８３により一定値に制御される。上述のように、臨界ノズル６１の上流側流路６５と下流側流路６６の圧力比を臨界背圧比以下に保つと、スロート部６４における流速は臨界状態に固定されるので、臨界背面圧比以下になる流量にポンプ流量を設定すれば、全てのサンプラー１１の流量は一定量に設定される。 The rotation speed of the electric motor 74 that rotationally drives the rotor 75 is controlled by a controller 83 as a flow rate control section, and the flow rate of the vacuum pump 24 is controlled to a constant value by the controller 83. As described above, if the pressure ratio between the upstream flow path 65 and the downstream flow path 66 of the critical nozzle 61 is maintained below the critical back pressure ratio, the flow velocity at the throat portion 64 is fixed at the critical state, so that the pressure ratio remains below the critical back pressure ratio. If the pump flow rate is set to the flow rate, the flow rate of all samplers 11 is set to a constant amount.

図１に示されるように、真空配管２５には圧力計２６が設けられており、真空ポンプ２４によって真空配管２５内を流れる気流の圧力が圧力計２６により検出される。これにより、真空配管２５内の気流の圧力を確認することができる。真空配管２５には圧力調整バルブ２７が設けられており、フィルター２８により浄化された外気を真空配管２５内に注入することができる。これにより、真空配管２５内の圧力を変化させて内部を流れる空気の流量を調整することができ、真空ポンプ２４の回転数を一定値として、圧力調整バルブ２７を流量制御部として機能させるようにしても良い。 As shown in FIG. 1, the vacuum piping 25 is provided with a pressure gauge 26, and the pressure of the air flowing through the vacuum piping 25 by the vacuum pump 24 is detected by the pressure gauge 26. Thereby, the pressure of the airflow inside the vacuum piping 25 can be confirmed. The vacuum piping 25 is provided with a pressure regulating valve 27, and outside air purified by the filter 28 can be injected into the vacuum piping 25. Thereby, the pressure inside the vacuum pipe 25 can be changed to adjust the flow rate of the air flowing therein, and the rotation speed of the vacuum pump 24 is kept at a constant value, and the pressure adjustment valve 27 is made to function as a flow rate control section. It's okay.

図１に示されるように、５つのサンプラー１１とダミーサンプラー１２を備えた多連サンプラー装置１０を作動させて、それぞれのサンプラー１１のフィルター４２に微小粒子を付着させる。これにより、５つのフィルター４２のそれぞれには、同様の元素の微小粒子のバラツキを少なく、つまり変動係数を少なくして、微小粒子を採取することができる。それぞれ同種の微小粒子が付着した複数のフィルターサンプルが複数得られるので、それぞれについて、分析条件や分析方式を相違させて元素分析を行うことができる。 As shown in FIG. 1, a multiple sampler device 10 including five samplers 11 and a dummy sampler 12 is operated to cause microparticles to adhere to the filter 42 of each sampler 11. Thereby, each of the five filters 42 can collect microparticles with less variation in the microparticles of the same element, that is, with a reduced coefficient of variation. Since a plurality of filter samples to which the same type of microparticles are attached are obtained, elemental analysis can be performed for each filter sample using different analysis conditions and methods.

ダミーサンプラー１２には空気は導入されないが、サンプラー１１と同様にフィルターがブランクフィルターとして配置されており、測定領域の大気に含まれてブランクフィルターに付着した元素と、他のフィルターに付着した元素とを比較分析することができる。 Air is not introduced into the dummy sampler 12, but like the sampler 11, the filter is placed as a blank filter, and the elements contained in the atmosphere in the measurement area and attached to the blank filter are separated from the elements attached to other filters. can be comparatively analyzed.

図７はサンプラーの変形例を示す半断面図である。このサンプラー１１ａは、基部ステージ３１と中間ステージ３２とを有しており、これらは図３に示したものと同一構造である。このサンプラー１１ａにおいては、図３に示した中間ステージ３３は設けられておらず、中間ステージ３２にはトップカバー３４ａが装着されている。 FIG. 7 is a half sectional view showing a modified example of the sampler. This sampler 11a has a base stage 31 and an intermediate stage 32, which have the same structure as shown in FIG. 3. In this sampler 11a, the intermediate stage 33 shown in FIG. 3 is not provided, and the intermediate stage 32 is equipped with a top cover 34a.

基部ステージ３１に中間ステージ３２をねじ結合すると、中間ステージ３２の上側円筒部４５の下端面がフィルター押さえ具４３に突き当てられ、金網４１とフィルター４２とフィルター押さえ具４３は、基部ステージ３１と中間ステージ３２との間で挟持される。トップカバー３４ａを中間ステージ３２にねじ結合すると、トップカバー３４ａの環状上端部５９ａの下端面がノズル板４８のフランジ部４８ａに突き当てられる。衝突板４６と付着部４６ａとフランジ部４８ａは、中間ステージ３２とトップカバー３４ａとの間で挟持され、衝突板４６とノズル板４８によりインパクター５０が形成される。 When the intermediate stage 32 is screwed to the base stage 31, the lower end surface of the upper cylindrical part 45 of the intermediate stage 32 is abutted against the filter holder 43, and the wire mesh 41, filter 42, and filter holder 43 are connected to the base stage 31 and the intermediate stage 31. It is held between the stage 32 and the stage 32. When the top cover 34a is screwed to the intermediate stage 32, the lower end surface of the annular upper end 59a of the top cover 34a abuts against the flange 48a of the nozzle plate 48. The collision plate 46, the attachment part 46a, and the flange part 48a are held between the intermediate stage 32 and the top cover 34a, and the collision plate 46 and the nozzle plate 48 form an impactor 50.

このように、図７に示されるサンプラー１１ａは、付加的インパクター５７を備えておらず、サンプラー１１ａに供給された気流に含まれる粒子は、インパクター５０により粒径が２．５μｍ以下の微小粒子と、それよりも粒径が大きい粗大粒子とに分粒される。 In this way, the sampler 11a shown in FIG. 7 is not equipped with the additional impactor 57, and the particles contained in the airflow supplied to the sampler 11a are collected by the impactor 50 into small particles with a particle size of 2.5 μm or less. It is divided into particles and coarse particles having a larger particle size.

トップカバー３４ａには、継手部６０が設けられておらず、インパクター５０はトップカバー３４ａの環状上端部５９ａの内側から外部に露出されており、図７に示すサンプラー１１ａはオープン型である。 The top cover 34a is not provided with the joint part 60, and the impactor 50 is exposed to the outside from the inside of the annular upper end part 59a of the top cover 34a, and the sampler 11a shown in FIG. 7 is an open type.

サンプラーの形態には、トップカバー３４、３４ａの形態に応じて、図３に示されるインライン型と図７に示されるオープン型とがあり、２組のインパクター５０、５７を備えた形態と、インパクター５０のみの形態とがある。さらに、微小粒子を採取するフィルター４２に加えて、ガスを吸着するフィルターを付加すると、ガスサンプリングを行うことができる。 The form of the sampler includes an in-line type shown in FIG. 3 and an open type shown in FIG. 7 depending on the form of the top covers 34, 34a, and a form equipped with two sets of impactors 50, 57, There is also a form with only the impactor 50. Furthermore, gas sampling can be performed by adding a filter that adsorbs gas in addition to the filter 42 that collects microparticles.

図８は他の実施の形態である多連サンプラー装置１０を示す正面図である。この多連サンプラー装置１０においては、それぞれの排気管１３には臨界ノズル６１は設けられておらず、連通支持管１４と真空ポンプ２４とを連結する真空配管２５に臨界ノズル６１が設けられている。このように、単一の臨界ノズル６１により全てのサンプラー１１を流れる空気の流量を一定値に設定するようにしても良い。 FIG. 8 is a front view showing a multiple sampler device 10 according to another embodiment. In this multiple sampler device 10, each exhaust pipe 13 is not provided with a critical nozzle 61, but a critical nozzle 61 is provided in a vacuum pipe 25 that connects a communication support pipe 14 and a vacuum pump 24. . In this way, the flow rate of air flowing through all samplers 11 may be set to a constant value by a single critical nozzle 61.

次に、多連サンプラー装置１０の実施例について説明する。 Next, an embodiment of the multiple sampler device 10 will be described.

図１に示されるように、それぞれ臨界ノズル６１が設けられた５つのサンプラー１１を備えた多連サンプラー装置１０において、臨界ノズル６１の設定流量を１６．７Ｌ／ｍｉｎとし、それぞれのサンプラー１１に、この流量で外部から空気を供給するようにした。多連サンプラー装置１０は５つのサンプラー１１を有しており、合計１０００Ｌ／ｍｉｎの空気が多連サンプラー装置１０に流入される。 As shown in FIG. 1, in a multiple sampler device 10 equipped with five samplers 11 each having a critical nozzle 61, the set flow rate of the critical nozzle 61 is 16.7 L/min, and each sampler 11 has a flow rate of 16.7 L/min. Air was supplied from outside at this flow rate. The multiple sampler device 10 has five samplers 11, and a total of 1000 L/min of air flows into the multiple sampler device 10.

上述した設定流量の条件のもとで、臨界ノズル６１のスロート部６４のスロート径ｄを求めた。スロート径ｄに対する排除厚さの割合を上述のように、２０～３０％であるとし、「スロート部断面積×(0.7～0.8)」×「スロート部環境下での音速」＝１６．７Ｌ／minにより求めたスロート径ｄを、１．３≦ｄ≦１．５の範囲で複数の臨界ノズル６１を製作した。 The throat diameter d of the throat portion 64 of the critical nozzle 61 was determined under the above-mentioned set flow rate conditions. Assuming that the ratio of the excluded thickness to the throat diameter d is 20 to 30% as mentioned above, "throat section cross-sectional area x (0.7 to 0.8)" x "sound velocity in throat section environment" = 16.7L/ A plurality of critical nozzles 61 were manufactured with the throat diameter d determined by min in the range of 1.3≦d≦1.5.

ここで、「スロート部環境下での音速」について、臨界ノズル６１の上流側流路のよどみ点での音速ａ_０と、スロート部６４の音速ａ_ｔとの間には、次の関係が成り立つ。ここで、γは気体の比熱比である。 Here, regarding the "sound velocity in the throat section environment", the following relationship holds between the sound velocity a ₀ at the stagnation point of the upstream flow path of the critical nozzle 61 and the sound velocity a _t of the throat section 64. . Here, γ is the specific heat ratio of the gas.

ａ_ｔ ^２＝［２／（γ＋１）］×ａ_０ ^２
スロート部６４は、通常状態とは異なり、圧縮されて空気密度が高い状態である。音速は密度に依存し、密度が高くなると音速は小さくなるため、このような式で表される。 a _t ² = [2/(γ+1)]×a ₀ ²
The throat portion 64 is in a compressed state with high air density, unlike the normal state. The speed of sound depends on density, and as the density increases, the speed of sound decreases, so it is expressed by this formula.

空気の比熱比γ＝１．４、大気圧、室温での空気の音速をａ_０＝３４０ｍ／ｓとすると、スロート部６４の音速はａ_ｔ＝３１０ｍ／ｓとなる。ここで、よどみ点とは、流れの中で流れが０になる点である。 If the specific heat ratio of air γ=1.4, the sound speed of air at atmospheric pressure and room temperature is a ₀ =340 m/s, then the sound speed of the throat portion 64 is a _t =310 m/s. Here, the stagnation point is the point in the flow where the flow becomes zero.

ノズル毎に境界層の厚さが異なるため、製作したノズルを用いて固定流量確認実験を繰り返し、スロート径ｄと固定流量Ｑとの関係を導き出した。 Since the thickness of the boundary layer differs for each nozzle, we repeated experiments to confirm the fixed flow rate using manufactured nozzles, and derived the relationship between the throat diameter d and the fixed flow rate Q.

図９は、スロート径ｄと臨界ノズル６１を流れる気体の固定流量Ｑとの関係を示す特性線図であり、スロート径ｄを１．３０ｍｍ、１．３６ｍｍおよび１．３８ｍｍとした３種類の臨界ノズル６１について固定流量Ｑを求めた。この結果、流量１６．７Ｌ／ｍｉｎに固定されるスロート径ｄは、１．３７５ｍｍであると定めることができる。 FIG. 9 is a characteristic diagram showing the relationship between the throat diameter d and the fixed flow rate Q of gas flowing through the critical nozzle 61. A fixed flow rate Q was determined for the nozzle 61. As a result, the throat diameter d, which is fixed at a flow rate of 16.7 L/min, can be determined to be 1.375 mm.

臨界ノズル６１の流量が固定されるには、臨界ノズル６１の背圧比（Ｐ２／Ｐ１）が、ある一定の値（臨界背圧比）以下になる必要がある。臨界背圧比は、臨界ノズル６１の形状と流れの粘性などに大きく影響されるレイノズル数に依存する量であり、ノズル固有の値であるため、臨界ノズル６１を使用するには、そのノズルが臨界状態となるために必要な臨界背圧比を、実験により確認する必要がある。 In order to fix the flow rate of the critical nozzle 61, the back pressure ratio (P2/P1) of the critical nozzle 61 needs to be below a certain value (critical back pressure ratio). The critical back pressure ratio is a quantity that depends on the Ray nozzle number, which is greatly influenced by the shape of the critical nozzle 61 and the viscosity of the flow, and is a value unique to the nozzle. It is necessary to confirm the critical backpressure ratio required to achieve this state through experiments.

そのためには、真空ポンプが接続された配管に設けられた臨界ノズルと、臨界ノズルの上流側と下流側とに位置させてそれぞれ配管に設けられた圧力計と、配管に設けられた流量計とを備えた背圧比確認の空圧回路を使用し、スロート径ｄが相違する複数の臨界ノズル６１について、固定流量となる背圧比を求めた。 To do this, we need a critical nozzle installed in the piping to which the vacuum pump is connected, a pressure gauge installed in the piping upstream and downstream of the critical nozzle, and a flow meter installed in the piping. Using a pneumatic circuit for checking the back pressure ratio, which was equipped with the following, the back pressure ratio at which the flow rate was fixed was determined for a plurality of critical nozzles 61 having different throat diameters d.

図１０は、スロート径ｄが１．３０ｍｍ、１．３６ｍｍ、１．３７５ｍｍおよび１．３８ｍｍの４種類の臨界ノズルについて、気体の流量と背圧比との関係を示す特性線図である。図１０に示されるように、４種類の全ての臨界ノズルにおいて、固定流量となる背圧比は、０．８であった。 FIG. 10 is a characteristic diagram showing the relationship between gas flow rate and back pressure ratio for four types of critical nozzles with throat diameters d of 1.30 mm, 1.36 mm, 1.375 mm, and 1.38 mm. As shown in FIG. 10, the back pressure ratio at which the flow rate was fixed was 0.8 in all four types of critical nozzles.

したがって、図１に示す５つのサンプラー１１に対してそれぞれ１６．７Ｌ／ｍｉｎの固定流量で気流を流すには、臨界ノズル６１の背圧比を０．８以下とすれば良いことが分かる。 Therefore, it can be seen that in order to flow airflow at a fixed flow rate of 16.7 L/min to each of the five samplers 11 shown in FIG. 1, the back pressure ratio of the critical nozzle 61 should be set to 0.8 or less.

このように、臨界ノズル６１を使用すると、真空ポンプ２４を一定の回転数で駆動することにより、複数のサンプラー１１に対して同一流量で気流を流すことができる。サンプラー１１内のフィルター４２には同一流量の空気が流れるので、同一領域の空気に含まれる微小粒子の元素成分がほぼ同様となって採取された複数のサンプルを得ることができる。これにより、種々の分析方法によって、同種のサンプルを分析することができる。 In this way, when the critical nozzle 61 is used, by driving the vacuum pump 24 at a constant rotation speed, it is possible to flow the airflow at the same flow rate to the plurality of samplers 11. Since the same flow rate of air flows through the filter 42 in the sampler 11, it is possible to obtain a plurality of samples in which the elemental components of the microparticles contained in the air in the same area are almost the same. This allows the same type of sample to be analyzed using various analysis methods.

本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、多連サンプラー装置１０に搭載されるサンプラー１１の数は、５つに限られることなく、任意の数に設定することができる。 The present invention is not limited to the embodiments described above, and can be modified in various ways without departing from the gist thereof. For example, the number of samplers 11 installed in the multiple sampler device 10 is not limited to five, and can be set to any number.

１０多連サンプラー装置
１１、１１ａサンプラー
１２ダミーサンプラー
１３排気管
１４連通支持管
２１支持台
２４真空ポンプ
２５真空配管
３１基部ステージ
３２、３３中間ステージ
３４、３４ａトップカバー
３７テーパ部
３８排出部
４１金網
４２フィルター
４６衝突板
４６ａ付着部
４７貫通孔
４８ノズル板
４９ノズル孔
５０インパクター
５３衝突板
５３ａ付着部
５４貫通孔
５５ノズル板
５６ノズル孔
５７付加的インパクター
６１臨界ノズル
６４スロート部
６５上流側流路
６６下流側流路
７５ロータ
７６ダイアフラム
８３コントローラ（流量制御部） 10 Multiple sampler device 11, 11a Sampler 12 Dummy sampler 13 Exhaust pipe 14 Communication support pipe 21 Support stand 24 Vacuum pump 25 Vacuum piping 31 Base stage 32, 33 Intermediate stage 34, 34a Top cover 37 Tapered part 38 Discharge part 41 Wire mesh 42 Filter 46 Collision plate 46a Attachment part 47 Through hole 48 Nozzle plate 49 Nozzle hole 50 Impactor 53 Collision plate 53a Attachment part 54 Through hole 55 Nozzle plate 56 Nozzle hole 57 Additional impactor 61 Critical nozzle 64 Throat part 65 Upstream flow path 66 Downstream flow path 75 Rotor 76 Diaphragm 83 Controller (flow rate control section)

Claims

a plurality of samplers including an impactor that divides particles in the atmosphere into fine particles and coarse particles, and a filter that collects the fine particles divided by the impactor;
a communication support pipe provided in each of the samplers and connected to an exhaust pipe for discharging air that has passed through the filter;
a vacuum pump connected to the communication support tube and forming an airflow flowing into each of the samplers;
a critical nozzle comprising a throat portion, an upstream flow path on the sampler side whose inner diameter becomes smaller toward the throat portion, and a downstream flow path on the vacuum pump side whose inner diameter increases from the throat portion;
a flow rate control unit that sets the flow rate of the vacuum pump to a flow rate at which a pressure ratio between the upstream pressure of the upstream flow path and the downstream pressure of the downstream flow path is equal to or less than a critical back pressure ratio;
has
A multiple sampler device , wherein each of the exhaust pipes provided in each of the samplers is provided with the critical nozzle .

The multiple sampler device according to claim 1 ,
The impactor is
a nozzle plate provided with a plurality of nozzle holes;
A multi-sampler comprising: a through-hole through which fine particles contained in the meandering airflow pass after passing through the nozzle hole; and a collision plate on which coarse particles traveling straight and contained in the airflow passing through the nozzle hole collide. Device.

The multiple sampler device according to claim 1 or 2 ,
The vacuum pump is a diaphragm type multiple sampler device.

The multiple sampler device according to any one of claims 1 to 3 ,
the sampler has an additional impactor located upstream of the impactor;
The additional impactor is
a nozzle plate provided with an additional nozzle hole having a larger diameter than the nozzle hole of the impactor;
A multi-sampler comprising: a through-hole through which particles included in the meandering airflow pass after passing through the additional nozzle hole; and a collision plate with which particles traveling straight and included in the airflow that has passed through the additional nozzle hole collide. Device.