JPWO2018212156A1 - 微粒子数検出器 - Google Patents
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Abstract
微粒子数検出器１０は、電荷発生素子と、捕集装置と、個数測定装置とを備える。電荷発生素子は、通気管１２内に導入されたガス中の微粒子に放電によって発生させた電荷を付加して帯電微粒子にする。捕集装置は、電界発生部４２によって発生された電界を利用して捕集電極４８に帯電微粒子を捕集する。個数測定装置は、捕集電極４８に捕集された帯電微粒子の数に応じて変化する捕集電極４８の物理量に基づいて、帯電微粒子の数を検出する。ここで、通気管１２は、セラミック材料で構成された緻密質の骨格形成部１３（１３ａ〜１３ｄ）と、骨格形成部１３に接触しセラミック材料よりもヤング率の低い材料で構成された緻密質の応力緩和部１４（１４ａ〜１４ｄ）とを備える。
Description
本発明は、微粒子数検出器に関する。
微粒子数検出器としては、セラミック製の通気管内に導入されたガス中の微粒子に、電荷発生素子がコロナ放電によってイオンを発生させてそのイオンを帯電させ、帯電した微粒子を捕集電極が捕集し、捕集された微粒子の電荷の量に基づいて個数測定器が微粒子数を測定するものが知られている（例えば特許文献１参照）。
しかしながら、こうした微粒子数検出器を用いて高温ガス中の微粒子数を測定する場合、セラミック製の通気管に水が付着すると熱衝撃によりクラックが発生するおそれがあった。クラックは、通気管の壁面を貫通した場合はもちろんのこと、通気管の壁面を貫通していない場合でも測定精度を低下させる原因となり得る。すなわち、通気管の壁面を貫通していないクラックが発生した場合、そのクラックにより解放された応力で、通気管壁面が変形し、壁面に設けられた電荷発生素子の位置がずれる。コロナ放電を起こすために必要となる不平等電界では、電気力線の分布が端部に集中しているため、わずかな変形によって電界分布が大きく変化する。それに伴い、イオン密度の空間分布も変化してしまうため、微粒子１つ当たりに付着するイオンの量が設計値から外れてしまい、測定精度の低下を招く。
本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、電荷発生素子の位置ずれを防止することを主目的とする。
本発明の微粒子数検出器は、
通気管内に導入されたガス中の微粒子に放電によって発生させた電荷を付加して帯電微粒子にする電荷発生素子と、
前記電荷発生素子よりも前記ガスの流れの下流側に設けられ、前記帯電微粒子を捕集する帯電微粒子捕集部と、
前記帯電微粒子捕集部に捕集された前記帯電微粒子の数に応じて変化する前記帯電微粒子捕集部の物理量に基づいて、前記帯電微粒子の数を検出する個数検出部と、
を備え、
前記通気管は、セラミック材料で構成された緻密質の骨格形成部と、前記骨格形成部に接触し前記セラミック材料よりもヤング率の低い材料で構成された緻密質の応力緩和部とを備える、
ものであるか、
あるいは、
通気管内に導入されたガス中の微粒子に放電によって発生させた電荷を付加して帯電微粒子にする電荷発生素子と、
前記電荷発生素子よりも前記ガスの流れの下流側に設けられ、前記微粒子に帯電しなかった余剰電荷を捕集する余剰電荷捕集部と、
前記余剰電荷捕集部に捕集された前記余剰電荷の数に応じて変化する前記余剰電荷捕集部の物理量に基づいて、前記帯電微粒子の数を検出する個数検出部と、
を備え、
前記通気管は、セラミック材料で構成された緻密質の骨格形成部と、前記骨格形成部に接触し前記セラミック材料よりもヤング率の低い材料で構成された緻密質の応力緩和部とを備える、
ものである。
通気管内に導入されたガス中の微粒子に放電によって発生させた電荷を付加して帯電微粒子にする電荷発生素子と、
前記電荷発生素子よりも前記ガスの流れの下流側に設けられ、前記帯電微粒子を捕集する帯電微粒子捕集部と、
前記帯電微粒子捕集部に捕集された前記帯電微粒子の数に応じて変化する前記帯電微粒子捕集部の物理量に基づいて、前記帯電微粒子の数を検出する個数検出部と、
を備え、
前記通気管は、セラミック材料で構成された緻密質の骨格形成部と、前記骨格形成部に接触し前記セラミック材料よりもヤング率の低い材料で構成された緻密質の応力緩和部とを備える、
ものであるか、
あるいは、
通気管内に導入されたガス中の微粒子に放電によって発生させた電荷を付加して帯電微粒子にする電荷発生素子と、
前記電荷発生素子よりも前記ガスの流れの下流側に設けられ、前記微粒子に帯電しなかった余剰電荷を捕集する余剰電荷捕集部と、
前記余剰電荷捕集部に捕集された前記余剰電荷の数に応じて変化する前記余剰電荷捕集部の物理量に基づいて、前記帯電微粒子の数を検出する個数検出部と、
を備え、
前記通気管は、セラミック材料で構成された緻密質の骨格形成部と、前記骨格形成部に接触し前記セラミック材料よりもヤング率の低い材料で構成された緻密質の応力緩和部とを備える、
ものである。
この微粒子数検出器では、電荷発生素子は、通気管内に導入されたガス中の微粒子に放電によって発生させた電荷を付加して帯電微粒子にする。帯電微粒子捕集部は、その帯電微粒子を捕集し、個数検出部は、帯電微粒子捕集部に捕集された帯電微粒子の数に応じて変化する帯電微粒子捕集部の物理量に基づいてガス中の微粒子の数を検出する。あるいは、余剰電荷捕集部は、余剰電荷を捕集し、個数検出部は、余剰電荷捕集部に捕集された余剰電荷の数に応じて変化する余剰電荷捕集部の物理量に基づいて帯電微粒子の数を検出する。ここで、通気管は、セラミック材料で構成された緻密質の骨格形成部と、その骨格形成部に接触し骨格形成部を構成するセラミック材料よりもヤング率の低い材料で構成された緻密質の応力緩和部とを備える。これにより、通気管全体が緻密質になるため、微粒子を含むガスが通気管の壁面を通り抜けることがない。また、高温ガス中の微粒子数を測定する場合、通気管に水が付着すると水が付着した部分が急冷され、熱衝撃によるエネルギーが発生するが、通気管のうち応力緩和部がそのエネルギー密度を低減するため、応力集中を緩和し、通気管にクラックが発生するのを抑制することができる。これにより、クラックによる電荷発生素子の位置ずれを防止することができ、ひいては測定精度を高く維持することができる。
なお、本明細書において、「電荷」とは、正電荷や負電荷のほかイオンを含むものとする。「微粒子の数を検出する」とは、微粒子の数を測定する場合のほか、微粒子の数が所定の数値範囲に入るか否か（例えば所定のしきい値を超えるか否か）を判定する場合も含むものとする。「物理量」とは、帯電微粒子の数（電荷量）に基づいて変化するパラメータであればよく、例えば電流などが挙げられる。「緻密質」とは、開気孔率が５％以下（好ましくは３％以下、より好ましくは１％以下）であることをいう。
本発明の微粒子数検出器において、前記骨格形成部は、前記通気管が複数に分割された分割部材であり、前記応力緩和部は、複数の前記分割部材を接合する接合層であってもよい。こうすれば、複数の分割部材を接合層で接合して通気管を作製するため、通気管の製造が容易になる。また、前記通気管は、角筒であり、前記分割部材は、前記通気管が面毎に４つに分割されたものとしてもよい。こうすれば、分割部材は面状部材であり面方向に伸縮するのを応力緩和部である接合層が許容しているため、通気管にクラックが発生するのをより抑制することができる。
本発明の微粒子数検出器において、前記骨格形成部は、前記通気管と同形状の管体であり、前記応力緩和部は、前記管体の外表面、内表面及び内部の少なくとも１箇所に層状に設けられていてもよい。高温ガス中の微粒子数を測定する場合、通気管に水が付着すると熱衝撃のエネルギーが発生するが、そのエネルギー密度の少なくとも一部は応力緩和部によって低減される。また、応力緩和部が管体の外表面に層状に設けられている場合には、応力緩和部は通気管を保護する役割も果たす。応力緩和部が管体の内部に層状に設けられている場合には、応力緩和部は管体から剥離するおそれが特に小さくなる。
本発明の微粒子数検出器において、前記応力緩和部のヤング率は、前記骨格形成部を構成するセラミックス材料のヤング率の０．７倍以下であることが好ましい。こうすれば、通気管に水が付着した場合に発生する熱応力を十分に低減することができる。
本発明の微粒子数検出器において、前記骨格形成部は、アルミナ、窒化ケイ素、ムライト、コージェライト及びマグネシアからなる群より選ばれた少なくとも１種のセラミックス材料で構成されていることが好ましい。また、前記応力緩和部は、結晶化ガラスで構成されていることが好ましい。なお、本発明の微粒子数検出器は通常金属材料から構成される排気管に取り付けられるため、骨格形成部が金属材料のＣＴＥ（１０ｐｐｍ／℃以上）に近い材料で構成されていれば熱応力を低減させることができる。この点で、マグネシアは骨格形成部の材料として好適である。また、本発明の微粒子数検出器において、電荷発生素子及び帯電微粒子捕集部（又は余剰電荷捕集部）には、導電性を有する電極が設けられる。電極の材料は、例えばＰｔを含んだ導電材料であってもよい。ＰｔのＣＴＥは１０．５ｐｐｍ／℃と金属材料の中でも比較的低い。そのため、電極の材料としてＰｔを含んだ導電材料を用いる場合には、アルミナを骨格形成部の材料としてもよい。
本発明の微粒子数検出器は、帯電微粒子捕集部は、一対の捕集電界生成電極の間に配置され、その一対の捕集電界生成電極の間に捕集電圧が印加されると帯電微粒子を捕集するようにしてもよい。また、本発明の微粒子数検出器は、前記電荷発生素子と前記帯電微粒子捕集部との間に余剰電荷を除去する余剰電荷除去部を備えていてもよい。余剰電荷除去部は、一対の除去電界生成電極の間に配置され、その一対の除去電界生成電極の間に捕集電圧よりも低い除去電圧が印加されると微粒子に付加されなかった余剰電荷を捕集するようにしてもよい。
本発明の微粒子数検出器は、例えば、大気環境調査、屋内環境調査、汚染調査、自動車などの燃焼粒子計測、粒子生成環境監視、粒子合成環境監視等で用いられる。
本発明の好適な実施形態を図面を参照しながら以下に説明する。図１は微粒子数検出器１０の概略構成を表す断面図、図２は図１のＡ−Ａ断面図である。
微粒子数検出器１０は、ガス（例えば自動車の排ガス）に含まれる微粒子の数を計測するものである。この微粒子数検出器１０は、セラミック製の通気管１２内に、電荷発生素子２０、捕集装置４０、余剰電荷除去装置５０、個数測定装置６０及びヒータ装置７０を備えている。
通気管１２は、ガスを通気管１２内に導入するガス導入口１２ａと、通気管１２を通過してきたガスを排出するガス排出口１２ｂと、ガス導入口１２ａとガス排出口１２ｂとの間の空間である中空部１２ｃとを有している。通気管１２は、図２に示すように、角筒つまり断面四角形の筒である。通気管１２は、セラミック材料で構成された緻密質の骨格形成部１３と、骨格形成部１３に接触し骨格形成部１３を構成するセラミック材料よりもヤング率の低い材料で構成された緻密質の応力緩和部１４とを備える。骨格形成部１３は、通気管１２が面毎に４つに分割された部材を含む。具体的には、骨格形成部１３は、上面部材１３ａと下面部材１３ｂと２つの壁面部材１３ｃ，１３ｄを含む。４つの部材１３ａ〜１３ｄを構成するセラミック材料としては、特に限定するものではないが、例えば、アルミナ（ヤング率：２８０ＧＰａ、ＣＴＥ：８．０ｐｐｍ／℃）、窒化ケイ素（ヤング率：２７０ＧＰａ、ＣＴＥ：３．５ｐｐｍ／℃）、ムライト（ヤング率：２１０ＧＰａ、ＣＴＥ：５．８ｐｐｍ／℃）、コージェライト（ヤング率：１４５ＧＰａ、ＣＴＥ：０．１ｐｐｍ／℃以下）、マグネシア（ヤング率：２４５ＧＰａ、ＣＴＥ：１２．９ｐｐｍ／℃）などが挙げられる。なお、ＣＴＥは熱膨張係数（４０〜８５０℃）を示す（以下同じ）。また、４つの部材１３ａ〜１３ｄは緻密質であり、開気孔率は５％以下、好ましくは３％以下、より好ましくは１％以下である。応力緩和部１４は、４つの部材１３ａ〜１３ｄを接合する接合層１４ａ〜１４ｄである。具体的には、応力緩和部１４は、上面部材１３ａと壁面部材１３ｃとを接合する接合層１４ａ、上面部材１３ａと壁面部材１３ｄとを接合する接合層１４ｂ、下面部材１３ｂと壁面部材１３ｃとを接合する接合層１４ｃ、下面部材１３ｂと壁面部材１３ｄとを接合する接合層１４ｄを含む。４つの接合層１４ａ〜１４ｄを構成する材料としては、金属や結晶相が析出しない一般的なガラスを用いることができるが、軟化時に形状追従性があるため封止に有利であり、結晶化させた後は軟化しないという点で、結晶化ガラスが好ましい。結晶化ガラスとしては、特に限定するものではないが、例えば、ネオセラム（ヤング率：１００ＧＰａ、ＣＴＥ：０．１ｐｐｍ／℃）、ＳＯＦＣ用の結晶化ガラス（ヤング率：５０〜１５０ＧＰａ、ＣＴＥ：９．５〜１３．０ｐｐｍ／℃）などが挙げられる。なお、結晶化ガラスはガラスセラミックとも呼ばれる。また、４つの接合層１４ａ〜１４ｄは緻密質であり、開気孔率が５％以下、好ましくは３％以下、より好ましくは１％以下である。骨格形成部１３と応力緩和部１４との熱膨張係数差は±１ｐｐｍ／℃以下であることが好ましく、±０．５ｐｐｍ／℃以下であることがより好ましい。
こうした通気管１２の作製方法を以下に示す。まず、各部材１３ａ〜１３ｄを作製する。すなわち、原料粉末を所定形状の成形体に成形し、その成形体を焼成し、緻密なセラミック材料からなる部材１３ａ〜１３ｄを得る。なお、各種電極等は、成形する際に埋設しておく。次に、ガラス粉末ペースト（ガラス粉末、バインダ及び溶剤の混合物）を接合部分に塗布して各部材１３ａ〜１３ｄを一体化し、その一体化したものを加熱して、ガラス軟化点（例えば５００℃）、カーボンの熱分解温度（例えば６００℃）を経たあと更に高温（例えば８００℃）で維持して結晶相を成長させることにより、結晶化ガラスからなる接合層１４ａ〜１４ｄとする。なお、ガラス粉末ペーストの代わりにガラス粉末のグリーンシートを用いてもよいしガラスタブレット（ガラス粉末を型に詰めてプレスし必要に応じて熱を加えて固めたもの）を用いてもよい。これらは固体であるためペーストに比べて取り扱いが容易である点で好ましい。また、ガラスタブレットはカーボンが入っていないため加熱後にピンホール等が生じにくい点で好ましい。
通気管１２の１／４モデル（図２の１点鎖線で囲んだ部分）で熱応力を計算した。具体的には、環境温度６００℃において、骨格形成部１３（ここではアルミナ）と応力緩和部１４との境界を含む領域に水が付着してその領域が１００℃になったときの安全率を、ヤング率比が０．９，０．７，０．３のそれぞれについて求めた。その結果を図３に示す。なお、ヤング率比＝応力緩和部のヤング率／アルミナのヤング率、安全率＝アルミナの許容応力／最大応力、アルミナの許容応力＝２１６０ＭＰａである。ヤング率比が０．９，０．７，０．３の場合の最大応力はそれぞれ７００ＭＰａ，５００ＭＰａ，３００ＭＰａであった。図３から、ヤング率比が０．７以下であれば安全率は５以上になるため好ましいことがわかる。
電荷発生素子２０は、通気管１２のうちガス導入口１２ａに近い側に設けられている。この電荷発生素子２０は、針状電極２２と、その針状電極２２に対向して設置された対向電極２４とを有している。また、針状電極２２と対向電極２４とは、電圧Ｖｐ（例えばパルス電圧等）を印加する放電用電源２６に接続されている。対向電極２４は接地電極である。針状電極２２と対向電極２４との間に電圧Ｖｐが印加されると、両電極間の電位差により気中放電が発生する。この気中放電中をガスが通過することによりガス中の微粒子１６は電荷１８が付加されて帯電微粒子Ｐになる。
捕集装置４０は、帯電微粒子Ｐを捕集する装置であり、通気管１２内の中空部１２ｃ（電荷発生素子２０よりも排ガスの流れの下流側）に設けられている。捕集装置４０は、電界発生部４２及び捕集電極４８を有している。電界発生部４２は、中空部１２ｃの壁に埋設された負極４４と、その負極４４に対向する壁に埋設された正極４６とを有している。捕集電極４８は、正極４６が埋設された中空部１２ｃの壁に露出している。電界発生部４２の負極４４には負電位−Ｖ１が印加され、正極４６には接地電位Ｖｓｓが印加される。負電位−Ｖ１のレベルは−ｍＶオーダーから−数１０Ｖである。これにより、中空部１２ｃの内部には正極４６から負極４４に向かう電界が発生する。したがって、中空部１２ｃに入り込んだ帯電微粒子Ｐは、発生している電界によって、正極４６に引き寄せられ、その途中に設置された捕集電極４８に捕集される。
余剰電荷除去装置５０は、微粒子１６に付加されなかった電荷１８を除去する装置であり、中空部１２ｃのうち捕集装置４０よりも排ガス流れの上流側（電荷発生素子２０と捕集装置４０との間）に設けられている。余剰電荷除去装置５０は、電界発生部５２及び除去電極５８を有している。電界発生部５２は、中空部１２ｃの壁に埋設された負極５４と、その負極５４に対向する壁に埋設された正極５６とを有している。除去電極５８は、正極５６が埋設された中空部１２ｃの壁に露出している。電界発生部５２の負極５４には負電位−Ｖ２が印加され、正極５６には接地電位Ｖｓｓが印加される。負電位−Ｖ２のレベルは−ｍＶオーダーから−数１０Ｖである。負電位−Ｖ２の絶対値は、捕集装置４０の負極４４に印加される負電位−Ｖ１の絶対値よりも１桁以上小さい。これにより、正極５６から負極５４に向かう弱い電界が発生する。したがって、電荷発生素子２０で気中放電によって発生した電荷１８のうち、微粒子１６に付加されなかった電荷１８は、弱い電界によって正極５６に引き寄せられ、その途中に設置された除去電極５８を介してＧＮＤに捨てられる。
個数測定装置６０は、捕集電極４８に捕集された帯電微粒子Ｐの電荷１８の量に基づいて微粒子１６の個数を測定する装置であり、電流測定部６２及び個数算出部６４を有している。電流測定部６２と捕集電極４８との間には、捕集電極４８側からコンデンサ６６と抵抗器６７とスイッチ６８とが直列に接続されている。スイッチ６８は、半導体スイッチが好ましい。スイッチ６８がオンされて捕集電極４８と電流測定部６２とが電気的に接続されると、捕集電極４８に付着した帯電微粒子Ｐに付加された電荷１８に基づく電流が、コンデンサ６６と抵抗器６７からなる直列回路を介して過渡応答として電流測定部６２に伝達される。電流測定部６２は、通常の電流計を用いることができる。個数算出部６４は、電流測定部６２からの電流値に基づいて微粒子１６の個数を演算する。
ヒータ装置７０は、ヒータ電極７２及びヒータ電源７４を有している。ヒータ電極７２は、捕集電極４８が設けられた壁に埋設されている。ヒータ電源７４は、ヒータ電極７２の両端に設けられた端子同士の間に電圧を印加してヒータ電極７２に電流を流すことにより、ヒータ電極７２を発熱させる。なお、ヒータ装置７０は、ＳＯＦ（Ｓｏｌｕｂｌｅ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｆｒａｃｔｉｏｎ：可溶性有機成分）と呼ばれる高分子炭化水素の影響をなくした状態で微粒子数を測定する際にも利用される。
次に、微粒子数検出器１０の使用例について説明する。自動車の排ガスに含まれる微粒子を計測する場合、エンジンの排気管内に微粒子数検出器１０を取り付ける。このとき、排ガスが微粒子数検出器１０のガス導入口１２ａから通気管１２内に導入され、ガス排出口１２ｂから排出されるように微粒子数検出器１０を取り付ける。
ガス導入口１２ａから通気管１２内に導入された排ガスに含まれる微粒子１６は、電荷発生素子２０を通過する際に電荷１８（電子）が付加されて帯電微粒子Ｐになったあと中空部１２ｃに入る。帯電微粒子Ｐは、電界が弱く除去電極５８の長さが中空部１２ｃの長さに対して１／２０〜１／１０と短い余剰電荷除去装置５０をそのまま通過して捕集装置４０に至る。また、微粒子１６に付加されなかった電荷１８も、中空部１２ｃに入る。こうした電荷１８は、電界が弱くても余剰電荷除去装置５０の正極５６に引き寄せられ、その途中に設置された除去電極５８を介してＧＮＤに捨てられる。これにより、微粒子１６に付加されなかった不要な電荷１８は捕集装置４０にほとんど到達することがない。
帯電微粒子Ｐは、捕集装置４０に至ると、正極４６に引き寄せられ、その途中に設置された捕集電極４８に捕集される。捕集電極４８に付着された帯電微粒子Ｐの電荷１８に基づく電流が、コンデンサ６６と抵抗器６７からなる直列回路を介して過渡応答として個数測定装置６０の電流測定部６２に伝達される。
電流Ｉと電荷量ｑの関係は、Ｉ＝ｄｑ／（ｄｔ）、ｑ＝∫Ｉｄｔである。したがって、個数算出部６４は、スイッチ６８がオンされている期間（スイッチオン期間）にわたって電流測定部６２からの電流値を積分（累算）して電流値の積分値（蓄積電荷量）を求める。スイッチオン期間の経過後に、蓄積電荷量を素電荷で除算して電荷の総数（捕集電荷数）を求め、その捕集電荷数を１つの微粒子１６に付加する電荷の数の平均値で除算することで、一定時間（例えば５〜１５秒）にわたって捕集電極４８に付着していた微粒子１６の個数を求めることができる。そして、個数算出部６４は、一定時間における微粒子１６の個数を算出する演算を、所定期間（例えば１〜５分）にわたって繰り返し行って積算することで、所定期間にわたって捕集電極４８に付着した微粒子１６の個数を算出することができる。また、コンデンサ６６と抵抗器６７による過渡応答を利用することで、小さな電流でも測定することが可能となり、微粒子１６の個数を高精度に検出することができる。ｐＡ（ピコアンペア）レベルやｎＡ（ナノアンペア）レベルの微小な電流であれば、例えば抵抗値の大きい抵抗器６７を使用して時定数を大きくすることで、微小な電流の測定が可能となる。
微粒子１６の個数を測定する場合、微粒子１６を含む排ガスが通気管１２の壁面を通り抜けて通気管１２の内部と外部とを行き来してしまうと測定精度が低下するが、本実施形態では通気管１２全体が緻密質であり微粒子１６を含む排ガスが通気管１２の壁面を通り抜けることがないため測定精度を高く維持することができる。また、高温の排ガス中の微粒子数を測定する場合、通気管１２に水が付着すると水が付着した部分に熱衝撃によるエネルギーが発生するが、通気管１２のうち応力緩和部１４（接合層１４ａ〜１４ｄ）がそのエネルギー密度の少なくとも一部を低減するため、通気管１２にクラックが発生するのを抑制することができる。これにより、クラックによる電荷発生素子２０の位置ずれ（特に針状電極２２の先端の位置ずれ）を防止することができ、ひいては測定精度を高く維持することができる。なお、針状電極２２の先端の位置がずれると、イオン密度の空間分布も変化してしまうため、１つの微粒子１６に付加する電荷の数の平均値（微粒子１６の個数を算出するのに用いるパラメータ）が設計値から外れてしまい、測定精度の低下を招くことがある。
微粒子の個数を測定したあと、捕集電極４８には微粒子等が堆積していることがある。その場合、ヒータ電極７２の一対の端子の間に所定のリフレッシュ電圧が印加されるようヒータ電源７４を制御する。所定のリフレッシュ電圧が印加されたヒータ電極７２は、捕集電極４８に捕集された帯電微粒子Ｐを焼却可能な温度になる。これにより、捕集電極４８をリフレッシュすることができる。
ここで、本実施形態の微粒子数検出器１０の構成要素と本発明の微粒子数検出器の構成要素との対応関係を明らかにする。本実施形態の通気管１２が本発明の通気管に相当し、電荷発生素子２０が電荷発生素子に相当し、捕集装置４０が帯電微粒子捕集部に相当し、個数測定装置６０が個数検出部に相当する。
以上詳述した微粒子数検出器１０では、通気管１２全体が緻密質であり微粒子を含む排ガスが通気管１２の壁面を通り抜けることがない。また、通気管１２に水が付着したとしても通気管１２のうち応力緩和部１４がクラックの発生を抑制するためクラックによる電荷発生素子２０の位置ずれを防止することができる。したがって、微粒子数検出器１０によれば測定精度を高く維持することができる。
また、複数の部材１３ａ〜１３ｄを接合層１４ａ〜１４ｄで接合して通気管１２を作製するため、通気管１２の作製が容易になる。
更に、複数の部材１３ａ〜１３ｄは面状部材であり面方向に伸縮するのを接合層１４ａ〜１４ｄが許容しているため、通気管１２にクラックが発生するのをより抑制することができる。
なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。
上述した実施形態では、骨格形成部１３と応力緩和部１４とを備える通気管１２を採用したが、これに代えて、図４又は図５に示す通気管１１２，２１２を採用してもよい。図４は通気管１１２の断面図、図５は通気管２１２の断面図である。これらは、図１のＡ−Ａ断面図に相当する図面である。符号４２，４４，４６，４８，７２は、上述した実施形態と同じ構成要素を表すため、それらの説明は省略する。
図４に示す通気管１１２は、通気管１１２と同形状の管体である骨格形成部１１３と、その骨格形成部１１３の外表面を覆う層状の応力緩和部１１４とを備えている。骨格形成部１１３は、セラミック材料で構成されている。セラミック材料の具体例は上述した実施形態で述べたとおりである。応力緩和部１１４は、骨格形成部１１３を構成するセラミック材料よりもヤング率の低い材料（例えば結晶化ガラス）で構成されている。高温ガス中の微粒子数を測定する場合、通気管１１２に水が付着すると熱衝撃のエネルギーが発生するが、そのエネルギー密度の少なくとも一部は応力緩和部１１４によって低減される。そのため、通気管１１２にクラックが発生するのを抑制することができる。また、応力緩和部１１４は通気管１１２を保護する役割も果たす。この応力緩和部１１４に代えて又は加えて、骨格形成部１１３の内表面を覆う（但し電極２２，２４，４８，５８は除く）層状の応力緩和部を設けてもよい。なお、通気管１１２についても、上述した実施形態と同様にヤング率比と安全率との関係を調べたところ、ヤング率比が０．７以下であれば安全率は５以上になった。
図５に示す通気管２１２は、通気管２１２と同形状の管体である骨格形成部２１３と、その骨格形成部２１３の内部に埋め込まれた層状（薄い筒状）の応力緩和部２１４とを備えている。骨格形成部２１３は、セラミック材料で構成されている。セラミック材料の具体例は上述した実施形態で述べたとおりである。応力緩和部２１４は、骨格形成部２１３を構成するセラミック材料よりもヤング率の低い材料（例えば結晶化ガラス）で構成されている。高温ガス中の微粒子数を測定する場合、通気管２１２に水が付着すると熱衝撃のエネルギーが発生するが、そのエネルギー密度の少なくとも一部は応力緩和部２１４によって低減される。そのため、通気管２１２にクラックが発生するのを抑制することができる。また、応力緩和部２１４は骨格形成部２１３から剥離するおそれが小さい。この応力緩和部２１４に加えて、図４の応力緩和部１１４を設けてもよいし、骨格形成部２１３の内表面を覆う（但し電極２２，２４，４８，５８は除く）層状の応力緩和部を設けてもよい。
上述した実施形態では、通気管１２の接合層１４ａ〜１４ｄを応力緩和部１４としたが、それに加えて通気管１２の外表面、内表面及び内部の少なくとも１箇所に層状の応力緩和部を設けてもよい。
上述した実施形態では、通気管１２を４つに分割した例を示したが、図６に示すように通気管１２を上下２つに分割した分割部材１３ｅ，１３ｆ（骨格形成部１３）を接合層１４ｅ，１４ｆ（応力緩和部１４）で接合してもよい。なお、図６の符号４２，４４，４６，４８，７２は、上述した実施形態と同じ構成要素を表すため、それらの説明を省略する。
上述した実施形態では、通気管１２を角筒としたが、特に角筒に限定されるものではなく、円筒としてもよいし、断面多角形の筒体としてもよい。また、通気管１２の断面の外郭形状を円形、通気管１２の断面の中空部１２ｃを四角形としてもよい。この点は、図４〜図６でも同様である。
上述した実施形態では、針状電極２２と対向電極２４とを備えた電荷発生素子２０を採用したが、これに代えて、図７に示す電荷発生素子１２０を採用してもよい。電荷発生素子１２０は、誘電体層１２６の表裏にそれぞれ放電電極１２２と誘導電極１２４とが設けられている。放電電極１２２は、長方形状の金属薄板の互いに向かい合う長辺に複数の三角形状の微細突起１２２ａが設けられている。誘導電極１２４は、長方形状の電極であり、放電電極１２２の長手方向と平行に２本設けられている。この電荷発生素子１２０の両電極間に高周波の高電圧を印加すると、放電が起きてイオン（電荷）が発生する。
上述した実施形態では、微粒子の個数を測定したが、その代わりに、微粒子の個数が所定の数値範囲に入るか否か（例えば所定のしきい値を超えるか否か）を判定してもよい。
上述した実施形態では、帯電微粒子の数（電荷量）に基づいて変化するパラメータとして電流を例示したが、特に電流に限られるものではなく、帯電微粒子の数（電荷量）に基づいて変化するパラメータであればよい。
上述した実施形態では、余剰電荷除去装置５０を設けたが、この余剰電荷除去装置５０を省略してもよい。
上述した実施形態では、捕集装置４０の捕集電極４８に流れる電流に基づいて帯電微粒子Ｐの数を求めたが、図８に示す微粒子数検出器３１０のように、捕集装置４０（電界発生部４２及び捕集電極４８）を省略し、余剰電荷除去装置５０の除去電極５８に流れる電流に基づいて余剰電荷の数を求め、電荷発生素子２０で発生した電荷の総数からその余剰電荷の数を差し引いて帯電微粒子Ｐの数を個数測定装置３６０が求めるようにしてもよい。この場合も、通気管１２は、図２に示すように、セラミック材料で構成された緻密質の骨格形成部１３（１３ａ〜１３ｄ）と、骨格形成部１３に接触しセラミック材料よりもヤング率の低い材料で構成された緻密質の応力緩和部１４（１４ａ〜１４ｄ）とを備えるようにする。こうすれば、微粒子数検出器３１０では、通気管１２全体が緻密質であり微粒子を含む排ガスが通気管１２の壁面を通り抜けることがない。また、通気管１２に水が付着したとしても通気管１２のうち応力緩和部１４がクラックの発生を抑制するためクラックによる電荷発生素子２０の位置ずれを防止することができる。したがって、測定精度を高く維持することができる。なお、図２の通気管１２の代わりに、図４の通気管１１２や図５の通気管２１２、図６の通気管１２を採用してもよい。
本出願は、２０１７年５月１５日に出願された日本国特許出願第２０１７−９６２３４号を優先権主張の基礎としており、引用によりその内容の全てが本明細書に含まれる。
本発明は、ガス中の微粒子の数を検出するのに利用可能である。
１０ 微粒子数検出器、１２ａ ガス導入口、１２ｂ ガス排出口、１２ｃ 中空部、１３ 骨格形成部、１３ａ 上面部材、１３ｂ 下面部材、１３ｃ，１３ｄ 壁面部材、１３ｅ，１３ｆ 分割部材、１４ 応力緩和部、１４ａ〜１４ｆ 接合層、１６ 微粒子、１８ 電荷、２０ 電荷発生素子、２２ 針状電極、２４ 対向電極、２６ 放電用電源、４０ 捕集装置、４２ 電界発生部、４４ 負極、４６ 正極、４８ 捕集電極、５０ 余剰電荷除去装置、５２ 電界発生部、５４ 負極、５６ 正極、５８ 除去電極、６０ 個数測定装置、６２ 電流測定部、６４ 個数算出部、６６ コンデンサ、６７ 抵抗器、６８ スイッチ、７０ ヒータ装置、７２ ヒータ電極、７４ ヒータ電源、１１２ 通気管、１１３ 骨格形成部、１１４ 応力緩和部、１２０ 電荷発生素子、１２２ 放電電極、１２２ａ 微細突起、１２４ 誘導電極、１２６ 誘電体層、２１２ 通気管、２１３ 骨格形成部、２１４ 応力緩和部、３１０ 微粒子数検出器、３６０ 個数測定装置。
Claims (8)
- 通気管内に導入されたガス中の微粒子に放電によって発生させた電荷を付加して帯電微粒子にする電荷発生素子と、
前記電荷発生素子よりも前記ガスの流れの下流側に設けられ、前記帯電微粒子を捕集する帯電微粒子捕集部と、
前記帯電微粒子捕集部に捕集された前記帯電微粒子の数に応じて変化する前記帯電微粒子捕集部の物理量に基づいて、前記帯電微粒子の数を検出する個数検出部と、
を備え、
前記通気管は、セラミック材料で構成された緻密質の骨格形成部と、前記骨格形成部に接触し前記セラミック材料よりもヤング率の低い材料で構成された緻密質の応力緩和部とを備える、
微粒子数検出器。 - 通気管内に導入されたガス中の微粒子に放電によって発生させた電荷を付加して帯電微粒子にする電荷発生素子と、
前記電荷発生素子よりも前記ガスの流れの下流側に設けられ、前記微粒子に帯電しなかった余剰電荷を捕集する余剰電荷捕集部と、
前記余剰電荷捕集部に捕集された前記余剰電荷の数に応じて変化する前記余剰電荷捕集部の物理量に基づいて、前記帯電微粒子の数を検出する個数検出部と、
を備え、
前記通気管は、セラミック材料で構成された緻密質の骨格形成部と、前記骨格形成部に接触し前記セラミック材料よりもヤング率の低い材料で構成された緻密質の応力緩和部とを備える、
微粒子数検出器。 - 前記骨格形成部は、前記通気管が複数に分割された分割部材であり、前記応力緩和部は、複数の前記分割部材を接合する接合層である、
請求項１又は２に記載の微粒子数検出器。 - 前記通気管は、角筒であり、前記分割部材は、前記通気管が面毎に４つに分割されたものである、
請求項３に記載の微粒子数検出器。 - 前記骨格形成部は、前記通気管と同形状の管体であり、
前記応力緩和部は、前記管体の外表面、内表面及び内部の少なくとも１箇所に層状に設けられている、
請求項１又は２に記載の微粒子数検出器。 - 前記応力緩和部のヤング率は、前記骨格形成部を構成するセラミックス材料のヤング率の０．７倍以下である、
請求項１〜５のいずれか１項に記載の微粒子数検出器。 - 前記骨格形成部は、アルミナ、窒化ケイ素、ムライト、コージェライト及びマグネシアからなる群より選ばれた少なくとも１種のセラミックス材料で構成されている、
請求項１〜６のいずれか１項に記載の微粒子数検出器。 - 前記応力緩和部は、結晶化ガラスで構成されている、
請求項１〜７のいずれか１項に記載の微粒子数検出器。
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