JPWO2010113521A1 - 大気中の降下煤塵の水平成分捕集器および水平成分の計測方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本願は、2009年4月1日に、日本に出願された特願2009−089492号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
種々の生産活動および消費活動に伴って発生する大気中の煤塵のうち、特に大気中を自由落下しうる概ね10μm超の直径である粗大な煤塵は降下煤塵と呼ばれる。降下煤塵は、重要な環境汚染項目のひとつとみなされており、その実態把握と対策が社会から強く求められている。降下煤塵の実態把握のためには正確に降下煤塵量を測定することが重要であり、このためには、まず、降下煤塵を正確に捕集する装置が必要である。
[降下煤塵の鉛直流束]=[降下煤塵の濃度]×[降下煤塵の落下速度]
[降下煤塵の水平流束]=[降下煤塵の濃度]×[検査面垂直成分風速]
[降下煤塵の水平流束]
=[降下煤塵の鉛直流束]×[検査面垂直成分風速]/[降下煤塵の落下速度]
煤塵採取口1内の煤塵の一部は、煤塵採取口を通過する降下煤塵20の流線のように、排気口8から外気中に流出する。また、装置全体は水平方向に回転可能であり、装置に付属する羽根23と回転軸24の作用により、外気採取口10が常に風上方向を自動的に向く機構となっている。この装置は、風向に応じて外気流入口10を自動的に旋回させる機構を備えるために、降下煤塵の水平成分捕集器としては構造が複雑、かつ、大型化し易い問題点がある。また、この装置では煤塵採取口1内での大気からの降下煤塵の分離が必ずしも効率的でないため、非特許文献1に記載のとおり、降下煤塵の捕集効率は、高いものではない。
この方法では、瞬時の風向及び風速を計測する。また、煤塵採取口の外気流入口を水平面内で常に風向に対して直交させる。その上、外気流入口において、外気風速と同一速度で、降下煤塵を含む外気の吸引を行う。さらに、吸引した大気中の降下煤塵を捕集フィルタ等で捕集する。この結果単位時間当たりに捕集された降下煤塵質量を計測し、この計測値と外気流入口の開口面積とから降下煤塵の水平流束を算出する。この方法を実現する場合、一般に、外気の吸引、並びに、外気流入口の方向を変更するための動力機構及び制御機構を備えた装置となる。
しかし、この場合、複雑な装置構成及び制御が必要であり、装置が高価、かつ、大型化しやすいため、簡便な測定方法とはいえない。
以下、図8から図10Cを用いて、本発明の第1の実施形態について説明する。
図9A〜図9D及び図10A〜図10Cを用いて煤塵採取口1を説明する。煤塵採取口1は、外気流入口10を設けた側壁2、天板3、並びに、仕切板4を有する。
側壁2は鉛直方向を中心軸とし、上端及び下端の開放された本質的に円錐状(ろうと状)の板である。側壁2は上方に向けて広がる形状である。側壁2は、中心軸を鉛直線上とした錐体台の側面に相当する部分を板で構成したものを典型とする。この錐体台の上底及び下底の形状は円形でもよいし、または、少なくとも4つ以上の頂点を有する正多角形等の円形に近い形状であってもよい。例えば、上面及び底面が円形の場合、側壁2の形状は円錐台の側面となる。また、側壁2で囲われた空間の任意高さの水平断面は、円形または正多角形等の円形に近い形状であり、かつ、これらの水平断面の中心、または、重心は同一の鉛直線上に常に位置する。この水平断面の断面積は、前記の円錐台の下端から上端に向けて単調に増大する。
天板3は、側壁2に前記側壁2の中心軸と中心軸が一致するように前記側壁2の上端に接する。
仕切板4は、天板3及び側壁2上端を含む側壁2の上部と隙間なく接続し、かつ、煤塵採取口1の中心軸において仕切り板同士も互いに端面を接するように配置される。その結果、採取口内上部は、外気流入口10及び下方のみに開口を有する水平断面扇状の小領域27に分割される。煤塵採取口の周方向に同一断面形状の扇状小領域27が複数配置されるように、仕切板4は設置される。ここで、この扇状小領域27の数が3つ以下の場合、外気の風の上流側外気流入口からこの扇状小領域に流入した大気の大半は、図10A〜10Cに示すような、仕切板4の下端をまわりこんで減風領域13を通過することなく、同じ扇状小領域の下流側の外気流入口から直接、流出する。前述のように、減風領域において大気中の降下煤塵は大気から分離および濃縮されるので、扇状小領域27が3個以下の場合には、通気口9に到達する降下煤塵の比率、即ち、降下煤塵捕集率が低いという問題がある。
また、図13を参照してL1の値が0.5を境に特性曲線の傾向が変化する理由について説明する。L2は、大きいほど吹き抜けが生じにくい効果が高いが一方で外気流入口面積の減少を招き、降下煤塵捕集量を減少させがちになる。このため、L2は、好適な下限値である2程度で設計する場合が多い。
一方、前述のように、図13でL1が0.5を越えると、図13の場合と同様に、急激に降下煤塵補修パラメータが減少する。従って、L1が降下煤塵捕集効率に悪影響を及ぼさない限界値として0.5という値が重要である。
捕集容器25は、捕集した降下煤塵を再び外気中に放出することなく、かつ、捕集した降下煤塵を容易に取り出すことのできる構造や材質であればどのようなものであってもよい。捕集容器25には、従来技術と同様のものを適用することができる。例えば、従来技術である、デポジットゲージ用のガラス製の瓶を用いることができる。捕集容器の容量は、測定期間中に降雨による水が煤塵採取口1から捕集容器に流入することを考慮して、十分に大きなものであることが望ましい。例えば、10Lの容量のものを用いることができる。捕集瓶の材質は、ガラス以外にもステンレス、アルミ、防錆鋼板等を用いることができる。
異物の捕集容器25への混入を防止するために、捕集容器25と通気管9の接続部分はシールされていることが望ましい。但し、捕集容器の着脱の便宜のために、捕集容器25と通気管の間に狭い隙間を設けた構造としても良い。
本実施形態における煤塵採取口1内での降下煤塵の捕集機構について説明する。本実施形態において、外気流入口10から流入した大気中の降下煤塵は、流入した大気が仕切板4を迂回して仕切板4の下方を通過する際に、大気とともに減風領域13に流入する。減風領域13に降下煤塵が流入する際には、周囲大気の流れが鉛直下方に向きを変える効果、または、降下煤塵粒子が仕切板4に衝突する効果によって降下煤塵は、鉛直下方に加速されている。このため、例えば直径100μm以上といった特別に粗大な降下煤塵粒子はそのまま通気口9まで落下して、通気管5を通じて捕集容器25に捕集される。特別に粗大ではない降下煤塵粒子の一部も、減風領域13内に滞留する間に自由落下してより粗大な降下煤塵粒子と同様に通気口9に到達して通気管を通じて捕集器25に捕集される。従来技術であるBSNEの説明で述べた様に、減風領域の降下煤塵捕集に与える効果は、煤塵採取口1内での降下煤塵の滞留時間を延長することによって、減風しない場合よりもより多量の降下煤塵を下方で捕集することである。
[降下煤塵捕集効率パラメータP1]
=[減風領域水平断面積28]・[減風領域長29]
/[外気流入口10の総面積]2
単位時間当たりに連続式煤塵量計測装置6で計測された降下煤塵量を外気流入口の有効開口面積で除すことによって降下煤塵量水平流束値を算出することができる。本実施形態における外気流入口有効開口面積とは、外気流入口のうち、外気が実際に流入する開口面積の、風向に対する垂直面への投影面積の合計である。外気の流入する開口を特定するためには、例えば、本装置を風洞内に配置して一定風速条件下で煤塵採取口1近傍の流れ場を測定することによって、個々の外気流入口での外気流入の有無を判定すればよい。
[降下煤塵捕集効率]=[本装置に捕集された単位時間当たり降下煤塵質量]/([外気流入口有効開口面積]・[風洞内での降下煤塵量水平流束の平均値])とすればよい。風洞内での降下煤塵量水平流束の平均値は、非特許文献2に記載される方法等で求めればよい。
図14A〜14Dを用いて、第2の実施形態を説明する。本実施形態は、天板以外については、第1の実施形態と同様の構造である。本実施形態において、天板3の直径は、側壁2上端直径よりも大きくなければならない。天板3の直径が側壁2上端の直径に一致する場合には、雨天時に煤塵採取口1上に降る雨滴は、どの様な大きさのものであっても、外気流入口10から煤塵採取口1内に流入しうる。この際、降雨のウォシュアウト効果によって雨滴中に取り込まれた降下煤塵は、湿性沈着物として雨滴とともに煤塵採取口1内に流入して捕集容器25に捕集される。湿性沈着物である降下煤塵の環境に与える影響は、非雨天時に捕集される降下煤塵である乾性沈着物である降下煤塵が与えるものとは異なる。
例えば、湿性沈着物である降下煤塵が水溶性の塩や酸を含む場合、降雨中のこれらの物質は成長阻害因子として植生等に影響を与えうる。一方、乾性沈着物中に水溶性の酸が含まれていたとしても、降下煤塵の沈着後直ちに植生に影響を与えることは少ない。
[天板のひさし部分の半径方向長さ]
<[外気の代表風速]/[捕集したい降下煤塵の自由落下速度]
×[天板下面と外気流入口下端間の鉛直方向長さ]
[天板のひさし部分の半径方向長さ]
>[外気の代表風速]/[捕集したくない、最小直径時の雨滴の自由落下速度]・[天板下面と外気流入口下端間の鉛直方向長さ]
図15を用いて、本発明の第3の実施形態を説明する。この図において、第1の降下煤塵の水平成分捕集器32では天板3の直径が側壁2上端の直径に等しく、乾性沈着物である降下煤塵及び湿性沈着物である降下煤塵の水平成分を捕集することができる。第1の降下煤塵の水平成分捕集器32に隣接して架台上に設置された第2の降下煤塵の水平成分捕集器33では天板3の直径は、側壁2上端の直径より大きく、乾性沈着物である降下煤塵のみを捕集する。即ち、第2の降下煤塵の水平成分捕集器33で捕集された降下煤塵質量を降下煤塵水平成分の乾性沈着物質量とすることができる。これら2つの降下煤塵の水平成分捕集器は、近接して同一高さに設置されているので、これら2つの降下煤塵の水平成分捕集器は、外気中で同一の降下煤塵の水平流束に曝されていると考えられる。
図9に示す構造の煤塵採取口を、図8の構成に適用した装置を用いて降下煤塵水平流束の連続測定を屋外で実施した。
本装置の煤塵採取口内部の各外気流入口の背後にタフト(気流観察用の糸)を設置し、タフト法による風向計測を実施した。タフト法ではタフトの先端の示した向きが気流の瞬時の下流(気流方向)に対応する。タフト先端の動きを透明天板を通して上方から観察して、タフトの先端の示す気流方向を連続的に記録した。気流方向を外気流入口に対する流入方向と流出方向の2つの方向に分類して、タフト先端がそれぞれの方向を示す時間割合を算出した。気流方向が外気流入口に対して流入方向となる時間割合が過半となる外気流入口を、有効な開口とした。
図14A〜14Dに示す構造の煤塵採取口を持ち、天板3の直径が150mmであり、図8の構成を持つ降下煤塵水平流束の測定装置を用意した。この装置を用いて降下煤塵水平流束の連続測定を屋外で実施した。比較用の煤塵捕集器であるハイボリュームサンプラには、感雨計、外気流入口蓋、並びに、蓋開閉装置を追加して雨天時には外気を吸引しないように自動的に前記外気流入口蓋を開閉する機構を加えた。この機構によって、上記ハイボリュームサンプラは、非雨天時のみに煤塵を吸引できる。これ以外の構造を全て実施例1と同様にして、日を変えて10回試験を行った。
煤塵採取口を図6A、6Bに示す従来技術の構造の煤塵採取口とし、煤塵採取口の下方に捕集容器を接続した煤塵捕集器を製作し、これ以外の条件を全て実施例2と同様にして試験を行った。本装置で測定した前記降下煤塵捕集質量測定値を、本装置に併設した比較計器である等速吸引を行うハイボリュームサンプラでの降下煤塵捕集質量測定値と比較した。この両測定値の比較の際には、以下の方法で、本装置とハイボリュームサンプラ間の煤塵採取口1の外気流入口10の有効開口面積差の影響を反映させた。すなわち、本装置での降下煤塵捕集効率が100%のときに、本装置での降下煤塵捕集質量測定値が前記ハイボリュームサンプラによる降下煤塵捕集質量に一致するように前記ハイボリュームサンプラによる降下煤塵捕集質量測定値を補正した。尚、外気流入口の有効開口面積を求める際には、この装置では開口が全周に渡って単一であるので、風洞実験を行い、外気流入口内で外気が平均的に流入する部分を求めた。このような試験を、日を変えて10回実施した
煤塵採取口1を実施例2と相似にして各寸法を2倍とし、これ以外の条件を全て実施例2と同様にして試験を行った。その結果、単位時間当たりの降下煤塵捕集量、即ち、実施例2と同様の方法で算出した降下煤塵量水平流束は、実施例2の装置での値の約4倍であった。
図15の装置構成で試験を行った。この図において、第1の降下煤塵の水平成分捕集器は実施例1に用いたものと同様の降下煤塵水平成分捕集器である。第2の降下煤塵の水平成分捕集器は実施例2に用いたものと同様の降下煤塵水平成分捕集器である。これら2つの降下煤塵水平成分捕集器を、周囲200mの範囲に障害物のない屋外に、床面高さ5mの架台34上に互いに3mの間隔を設けて設置した。この状態で1ヶ月間の降下煤塵捕集を行った。この間、合計5日の降雨日があり、降水量の合計は、30mmであった。
= [第2の降下煤塵水平成分捕集器で捕集されたろ液の質量]
×[第2の降下煤塵水平成分捕集器で捕集されたろ液の特定成分の質量構成率]
[特定成分の非水溶性乾性沈着物質量]
= [第2の降下煤塵水平成分捕集器で捕集されたろ過残留物の質量]
×[第2の降下煤塵水平成分捕集器で捕集されたろ過残留物の特定成分の質量構成率]
[特定成分の水溶性湿性沈着物質量]
= [第1の降下煤塵水平成分捕集器で捕集されたろ液の質量]
×[第1の降下煤塵水平成分捕集器で捕集されたろ液の特定成分の質量構成率]
−[第2の降下煤塵水平成分捕集器で捕集されたろ液の質量]
×[第2の降下煤塵水平成分捕集器で捕集されたろ液の特定成分の質量構成率]
[特定成分の非水溶性湿性沈着物質量]
= [第1の降下煤塵水平成分捕集器で捕集されたろ過残留物の質量]
×[第1の降下煤塵水平成分捕集器で捕集されたろ過残留物の特定成分の質量構成率]
−[第2の降下煤塵水平成分捕集器で捕集されたろ過残留物の質量]
×[第2の降下煤塵水平成分捕集器で捕集されたろ過残留物の特定成分の質量構成率]
2 ・・・側壁
3 ・・・天板
4 ・・・仕切板
5 ・・・通気管
8 ・・・排気口
9 ・・・通気口
10・・・外気流入口
12・・・筐体
13・・・減風領域
14・・・流れを阻害する構造物
15・・・外気の大気流れ
16・・・吸引される大気流れ
17・・・煤塵採取口内を通過する大気流れ
18・・・外気中の降下煤塵
19・・・捕集される降下煤塵
20・・・煤塵採取口内を通過する降下煤塵
21・・・底板
22・・・支柱
23・・・羽根
24・・・回転軸
25・・・捕集容器
26・・・通気管
27・・・扇状小領域
27’・・・大気の流入する扇状小領域
27”・・・別の扇状小領域
27’・・・大気の流入する扇状小領域
27”・・・別の小領域
28・・・減風領域水平断面積
29・・・減風領域長
30・・・金網
31・・・風向風速計
32・・・第1の降下煤塵の水平成分捕集器
33・・・第2の降下煤塵の水平成分捕集器
34・・・架台
35・・・捕集フィルタ
36・・・湿性沈着物用捕集容器
37・・・乾性沈着物用捕集容器
38・・・湿性沈着物用煤塵採取口
39・・・乾性沈着物用煤塵採取口
40・・・煤塵採取口蓋
41・・・蓋開閉機構および蓋開閉制御装置
42・・・感雨器
43・・・筐体
44・・・粒子捕集器
Claims (7)
- 大気中の降下煤塵の水平成分の捕集器であって:
天板、側壁、及び、4枚以上の仕切板を有する煤塵採取口と;
通気管と;
前記煤塵採取口から流入する降下煤塵を前記通気管を通じて回収する捕集容器と;を備え、
前記煤塵採取口は前記通気管に接続され、
前記通気管は前記捕集容器に接続され、
前記側壁は、その下端に開口である吸気口を有し、
前記吸気口は前記通気管と接続され、
前記側壁は、鉛直方向の中心軸を持ち、上方に向けて広がる本質的に円錐台または多角形錐台の側面の形状を有する板であり、
前記側壁は、その上端近傍の特定の高さに、前記側壁の周方向に一定間隔で配置された4つ以上の開口を有する外気流入口を有し、
前記天板は、本質的に円板の形状を有し、
前記天板の中心軸は、前記側壁の中心軸と一致し、
前記天板は、前記側壁の上端に接するように接続され、
前記4枚以上の仕切板のそれぞれは、鉛直面内に配置される平板であり、
前記4枚以上の仕切板のそれぞれは、前記側壁及び前記天板と、隙間を生じないように接続され、
前記4枚以上の仕切板は、前記天板の中心軸上で互いに接続され、
前記4枚以上の仕切板は、前記側壁によって囲まれた空間を水平断面において均等な大きさの扇状領域に分割する、
ことを特徴とする、大気中の降下煤塵の水平成分捕集器。 - 前記天板の直径は、前記側壁の上端部における水平断面の直径よりも大きく、
前記天板は、前記側壁の上端部から周方向外側に延出するひさし部分を有する、
ことを特徴とする、請求項1に記載の大気中の降下煤塵の水平成分捕集器。 - 前記天板の直径と前記側壁の上端部における水平断面の直径とが一致することを特徴とする、請求項1に記載の大気中の降下煤塵の水平成分捕集器。
- 大気中の降下煤塵の水平成分捕集器であって:
請求項3に記載の大気中の降下煤塵の水平成分捕集器である第1の捕集器と;
請求項2に記載の大気中の降下煤塵の水平成分捕集器である第2の捕集器と;
を備えることを特徴とする、大気中の降下煤塵の水平成分捕集器。 - 請求項2に記載の大気中の降下煤塵の水平成分捕集器であって、
前記天板のひさし部分の半径方向長さが、
[前記天板のひさし部分の半径方向長さ]<[外気の代表風速]/[捕集したい降下煤塵の自由落下速度]
×[前記天板下面と前記吸気口下端間の鉛直方向長さ]
および、
[前記天板のひさし部分の半径方向長さ]
>[外気の代表風速]/[捕集したくない、最小直径時の雨滴の自由落下速度]・[前記天板下面と前記吸気口下端間の鉛直方向長さ]
を満たすことを特徴とする、大気中の降下煤塵の水平成分捕集器。 - 請求項1〜3のいずれか1項に記載した大気中の降下煤塵の水平成分捕集器を用いた大気中の降下煤塵の水平成分の計測方法であって、
単位時間当たりに前記水平成分捕集器に捕集された降下煤塵量を前記外気流入口の有効開口面積で除した値を降下煤塵の水平流束として算出することを特徴とする、大気中の降下煤塵の水平成分の計測方法。 - 請求項4に記載した大気中の降下煤塵の水平成分捕集器を用いた大気中の降下煤塵の水平成分の計測方法であって:
前記第2の捕集器によって捕集された降下煤塵量を降下煤塵の水平成分の乾性沈着物の量とし;
前記第1の捕集器によって捕集された降下煤塵量から前記第2の捕集器によって捕集された降下煤塵量を減じた残りの降下煤塵量を、降下煤塵の水平成分の湿性沈着物の量として算出する;
ことを特徴とする、大気中の降下煤塵の水平成分の計測方法。
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