WO2006098397A1

WO2006098397A1 - 超微粒子用静電濃縮捕集装置及びそれに用いるサブミクロン粒子除去器

Info

Publication number: WO2006098397A1
Application number: PCT/JP2006/305205
Authority: WO
Inventors: Norikazu Namiki; Yoshio Otani; Kazuhiko Sakamoto; Kazuhiko Sekiguchi; Nobuhiko Fukushima; Naoko Tajima
Original assignee: National University Corporation Kanazawa University; Saitama University; Kanomax Japan Inc.
Priority date: 2005-03-17
Filing date: 2006-03-16
Publication date: 2006-09-21
Also published as: JPWO2006098397A1

Abstract

　大気環境中の超微粒子の分級を常圧で高効率に行い、さらに超微粒子を濃縮捕集し、大気環境中の超微粒子の化学組成の分析、評価を的確に行えるようにすること。　ワイヤ放電電極７１とコイル状接地電極６５とによるコロナ放電と、軟Ｘ線照射管７７、７８による軟Ｘ線照射とを併用した非平衡荷電により、超微粒子の荷電を行う。

Description

明細書

超微粒子用静電濃縮捕集装置及びそれに用いるサブミクロン粒子除去技術分野

[0001] この発明は、超微粒子用静電濃縮捕集装置及びサブミクロン粒子除去器に係り、特に、大気環境中のナノクラスの超微粒子 (UFP)を分級濃縮捕集する超微粒子用静電濃縮捕集装置及びそれに用いるサブミクロン粒子除去器に関する。

背景技術

[0002] 大気環境中のナノクラスの超微粒子 (ナノ粒子）は、ディーゼル排ガス等に多く含まれ、多環芳香族炭化水素 (PAH)等の毒性の高ヽ物質が多く含まれてヽるとされる。しかし、超微粒子は、図 23に示されているように、大気塵全体に含まれる質量割合が極めて低、ため、粒子全体を捕集して分析を行っても超微粒子そのものの毒性を評価することは困難とされ、サブミクロン以上の粗大粒子力超微粒子を分級する技術の開発が望まれている。

[0003] なお、図 23において、実線は粒子個数分布を、破線は表面積分布を、点線は質量分布を各々示している。

[0004] 従来、超微粒子を分級する装置として、減圧インパクタ (LPI)や微分型静電分級装置（DMA)が知られている。

[0005] 減圧インパクタ (LPI)は、アンダーセン'インパクタによる微粒子の捕集原理を用いたものである。インパクタは微粒子を捕集するプレートを多段に重ね、プレート間に直径の異なるノズルを配置している。装置に流入した微粒子は、最初のステージではノズル径が大きぐ流速が遅いため、粒径の大きい粒子はプレートに衝突し捕集される力粒径の小さな粒子はプレートに衝突せず次のステージに流れていく。プレート間のノズルを下流に行くに従、小さくして、くことにより、粒子を連続して粒径別に分離することが可能である。

[0006] LPIは、 0. 3 m以下の粒子の分級捕集を減圧下で行うものであり、 30nm〜10 μ mの広範囲な粒径の粒子の分級捕集を可能にしてヽる。 [0007] また、微分型静電分級装置 (DMA)は、電極となる 2重円筒に挟まれた空間に直流電界が形成されており、予め放射性同位元素（通常は Am— 241や Kr— 85を使用）を用いて平衡帯電状態となった微粒子を上部外筒壁から装置内に流入する。この時、電気移動度の差により粒径の小さい粒子は内筒上部に、大きい粒子は下部に到達し、特定の粒径範囲の粒子のみが電極下端に取り付けられたスリットに流入すること〖こより分級される。

[0008] し力しながら、従来の LPIでは、 0. 3 μ m以下の粒子を捕集する捕集部が減圧となるため、超微粒子に含まれる不安定な成分が揮発してしまう可能性があり、超微粒子の信頼性の高い分析、評価を行うことが難しい。

[0009] また、 DMAは、本来、単分散の粒子を得る装置であり、粒子を両極荷電で荷電していることから、投入した粒子に対して取り出される粒子の割合は極めて低い。特に、超微粒子域では粒径力 S小さくなるほど極端に荷電効率が減少し、超微粒子の分析、評価を行うことが難しい。 DMAでは、分級される帯電粒子は内筒に印加される電圧に対し逆の極性を持つ粒子である。

[0010] このようなことから、大気環境中の超微粒子の化学組成を調べる上で、常圧で超微粒子のみを高効率で分級し、さらに濃縮捕集する装置の有用性は極めて高ぐその濃縮 ·捕集装置の開発が強く要望されて!ヽる。

[0011] この発明は、前記課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、大気環境中の超微粒子の分級を常圧で高効率に行い、さらに超微粒子を濃縮捕集し、大気環境中の超微粒子の化学組成の分析、評価を的確に行える超微粒子用静電濃縮捕集装置を提供することにある。

[0012] また、この発明の他の目的とするところは、前記超微粒子用静電濃縮捕集装置の荷電用筒状ハウジングや各種電極のサイズを適宜変更することで可能となる、例えば、排気ガス中に含まれる超微粒子を捕集して大気を浄化する大気浄化装置を提供することにある。

発明の開示

[0013] この発明による超微粒子用静電濃縮捕集装置は、荷電空間を画定し、一端側に試料気体入口を、他端に試料気体出口を有する荷電用筒状ハウジングと、前記荷電空間にお 1ヽて前記試料気体入口と前記試料気体出口との間に配置されたコイル状接地電極と、前記荷電空間において前記コイル状接地電極の内側をその中心軸線に沿って配置され、前記コイル状接地電極との間に電界の形成とコロナ放電を行うワイャ放電電極と、前記荷電空間に X線を照射する X線照射管と、前記筒状ハウジングの前記試料気体出口に接続された捕集器と有する。

[0014] この発明による超微粒子用静電濃縮捕集装置は、好ましくは、前記 X線照射管は、長波長の X線を照射する軟 X線照射管である。

[0015] この発明による超微粒子用静電濃縮捕集装置は、好ましくは、前記捕集器は、前記試料気体出口に連通する導入口に配置された正電極部材と、接地された捕集板とを含む。

[0016] この発明による超微粒子用静電濃縮捕集装置は、好ましくは、前記捕集器は、外側円筒正電極部材と、前記外側円筒正電極部材内に当該外側円筒正電極部材と同心配置された内側円筒状接地電極部材とを有し、前記外側円筒正電極部材の内周面と前記内側円筒状接地電極部材の外周面との間に、前記試料気体出口に連通する円筒状の超微粒子捕集室を画定しており、前記内側円筒状接地電極部材が粒子捕集部材をなしている。

[0017] この発明による超微粒子用静電濃縮捕集装置は、更に、好ましくは、前記超微粒子捕集室は前記試料気体出口と同心に設けられている。

[0018] この発明による超微粒子用静電濃縮捕集装置は、好ましくは、前記捕集器は、前記試料気体出口に連通する形態で、金属ワイヤメッシュによる正電極部材と、粒子捕集部材として機能する誘電体メッシュによるフィルタと、金属ワイヤメッシュによる接地電極部材との積層体を有し、外部電界静電フィルタ方式の捕集器をなしてヽる。

[0019] この発明による超微粒子用静電濃縮捕集装置は、好ましくは、更に、前記捕集器の下流部に繊維層フィルタを有する。

[0020] この発明による超微粒子用静電濃縮捕集装置は、好ましくは、前記荷電用筒状ノ、ウジングの前記試料気体入口に、アンダーセン'インパクタによる粗大粒子除去器と、慣性式フィルタによるサブミクロン粒子除去器とが、試料気体流れで見て順に接続されている。 [0021] この発明による超微粒子用静電濃縮捕集装置は、好ましくは、サブミクロン粒子除去器は、オリフィス気体入口と、前記オリフィス気体入口に所定間隔をおいて対向配置された通気性繊維フィルタとを含む。

[0022] この発明による超微粒子用静電濃縮捕集装置は、更に、好ましくは、前記通気性繊維フィルタは単分散ステンレス繊維製のフィルタである。

[0023] この発明による超微粒子用静電濃縮捕集装置は、分級濃縮を常圧で行うから、超微粒子に含まれる不安定な成分が揮発することがなぐコイル状接地電極によるコロナ放電と軟 X線照射とを併用した非平衡荷電により、超微粒子を帯電粒子として効率よく取り出すことができる。

[0024] この発明による超微粒子用静電濃縮捕集装置は、前記の如ぐ主に静電濃縮した超微粒子を捕集し、該超微粒子の組成分析を行うものであるが、前記装置を構成する荷電用筒状ハウジングや各種電極のサイズを適宜変更することで、例えば、排気ガス中に含まれる超微粒子を捕集して大気を浄化する大気浄化装置として応用することも可能である。

[0025] この発明によるサブミクロン粒子除去器は、オリフィス気体入口と、前記オリフィス気体入口に対向配置された通気性繊維フィルタと備えてヽることを特徴としてヽる。

[0026] この発明によるサブミクロン粒子除去器は、具体的な態様としては、サブミクロン粒子除去室を画定するハウジングと、前記サブミクロン粒子除去室に開口したオリフィス気体入口と、前記サブミクロン粒子除去室内にあって前記オリフィス気体入口に対向配置された通気性繊維フィルタと、前記通気性繊維フィルタが前記オリフィス気体入口と対向する反対側に設けられた気体出口とを有する。

[0027] この発明によるサブミクロン粒子除去器は、好ましくは、前記通気性繊維フィルタは、前記オリフィス気体入口に所定間隔をおいて、あるいは無間隔で対向配置されている。

[0028] この発明によるサブミクロン粒子除去器は、気流の圧力により繊維構造が変化しな Vヽ材質力もなるフィルタ、好ましくは前記通気性繊維フィルタは単分散ステンレス繊維製のフィルタを有する。

図面の簡単な説明圆 1]図 1はこの発明による超微粒子用静電濃縮捕集装置の一つの実施形態を示す全体斜視図

[図 2]図 2は実施形態 1による超微粒子用静電濃縮捕集装置の超微粒子用静電濃縮捕集筒を示す断面図

圆 3]図 3は実施形態 1による超微粒子用静電濃縮捕集筒の粗大粒子除去器で使用される衝突ノズル板の正面図

圆 4]図 4は実施形態 1による超微粒子用静電濃縮捕集筒の粗大粒子除去器で使用される捕集板の正面図

圆 5]図 5は実施形態 1による超微粒子用静電濃縮捕集筒のサブミクロン粒子除去器で使用される衝突板と通気性繊維フィルタの正面図

[図 6]図 6は実施形態 1による超微粒子用静電濃縮捕集筒で使用される超微粒子捕集器の要部の説明図

圆 7]図 7は超微粒子用静電濃縮捕集筒のサブミクロン粒子除去器における通気性繊維フィルタの性能試験結果を示すグラフ

圆 8]図 8は超微粒子用静電濃縮捕集筒の荷電器における非平衡荷電下でのイオンと粒子の挙動を模式的に示す説明図である。

[図 9]図 9は超微粒子用静電濃縮捕集筒の荷電器におけるコロナ放電の印加電圧 V 1とイオン濃度の関係を、軟 X線照射あり'なしで示すグラフ

[図 10]図 10はコロナ放電の印加電圧と荷電器における損失率との関係を、各流速について示すグラフ

[図 11]図 11はコロナ放電の印加電圧と荷電器出口における正帯電粒子の割合との関係を各流速にっ、て示すグラフ

[図 12]図 12はコロナ放電の印加電圧と荷電器における帯電粒子の透過率の関係（軟 X線照射管が一つの場合)を各流速にっ、て示すグラフ

[図 13]図 13はコロナ放電の印加電圧と荷電器における帯電粒子の透過率の関係（軟 X線照射管が二つの場合)を、各流速について示すグラフである。

[図 14]図 14は実施形態 2による超微粒子用静電濃縮捕集装置の超微粒子用静電濃縮捕集筒を示す断面図 [図 15]図 15は実施形態 2による超微粒子用静電濃縮捕集筒で使用される超微粒子捕集器の要部の説明図

[図 16]図 16は実施形態 2による超微粒子用静電濃縮捕集筒で使用される超微粒子捕集器の性能評価の試験結果を示すグラフである。

[図 17]図 17は実施形態 3による超微粒子用静電濃縮捕集装置の超微粒子用静電濃縮捕集筒を示す断面図

[図 18]図 18は実施形態 3による超微粒子用静電濃縮捕集筒で使用される超微粒子捕集器の要部の説明図

[図 19]図 19は実施形態 3による超微粒子用静電濃縮捕集筒で使用される超微粒子捕集器の性能評価の試験結果を示すグラフである。

[図 20]図 20は実施形態 4による超微粒子用静電濃縮捕集装置の超微粒子用静電濃縮捕集筒を示す断面図

[図 21]図 21の（a)、 (b)は本実施形態のサブミクロン粒子除去器おけるオリフィス気体入口と通気性繊維フィルタとの距離の捕集効率への影響を示すグラフ

[図 22]図 22の（a)、 (b)は実施形態 4のサブミクロン粒子除去器おけるオリフィス気体入口と通気性繊維フィルタとの距離の捕集効率への影響を示すグラフである。

[図 23]図 23はディーゼル排ガスを含む大気環境中の粒子分布を示すグラフである。発明を実施するための最良の形態

[0030] この発明による超微粒子用静電濃縮捕集装置の実施形態 1を、図 1〜図 6を参照して、詳細に説明する。

[0031] 図 1に示されているように、本実施形態の超微粒子用静電濃縮捕集装置は、電源、制御機器等を内蔵した装置本体 10と、装置本体 10に取り付けられた超微粒子用静電濃縮捕集筒 20とを有する。超微粒子用静電濃縮捕集筒 20は装置本体 10に上下方向姿勢で取り付けられている。

[0032] 超微粒子用静電濃縮捕集筒 20は、粗大粒子除去器 30と、サブミクロン粒子除去器 40と、荷電器 50と、超微粒子捕集器 90から構成されている。図 2に示されているように、この超微粒子用静電濃縮捕集筒 20では、排気側に、吸引ブロワ 120が接続され、試料気体は、常圧での吸引ブロワ 120による吸引により、粗大粒子除去器 30から取り入れられ、サブミクロン粒子除去器 40、荷電器 50、超微粒子捕集器 90の順に流れる。

[0033] 粗大粒子除去器 30は、主として、 1 μ m以上の粒径の粗大粒子を除去するものであり、従来から使用されて、るアンダーセン ·インパクタの一部をそのまま適用して!/ヽる。

[0034] 粗大粒子除去器 30は試料気体導入口 31を開口形成された上蓋状のインパクタ導入部材 33を有する。インパクタ導入部材 33は、サブミクロン粒子除去器 40のオリフィス部材 42と共働して粗大粒子除去室 32を画定して、る。

[0035] 粗大粒子除去室 32内には、複数個のノズル孔 34を有する衝突ノズル板 35 (図 3参照)と、円形の中央開口 36を有する捕集板 37 (図 4参照)とが所定間隔をおいて順に固定配置されている。

[0036] サブミクロン粒子除去器 40は、慣性式フィルタで、主として、 0. 1〜： L 0 m程度の粒径の粒子を除去するものである。

[0037] サブミクロン粒子除去器 40は、インパクタ導入部材 32に接続され、中央部にオリフイス気体入口 41を有するオリフィス部材 42を有し、荷電器 50の導入ノヽウジング 51と共働してサブミクロン粒子除去室 43を画定して、る。

[0038] サブミクロン粒子除去室 43内には衝突板 44が固定配置されている。衝突板 44は、図 5に示されているように、円形の中央開口 45と、 3つの円弧状の側部開口 46とが穿設されている。衝突板 44の中央部には、中央開口 45を塞ぐように通気性繊維フィルタ 47が取り付けられて!/、る。

[0039] 通気性繊維フィルタ 47は、繊維径 4〜10 μ m程度、気流の圧力により繊維構造が変化しない材質力なるフィルタ，好ましくは 8 m程度の単分散ステンレス繊維により構成され、オリフィス気体入口 41に比較的狭い間隔をおいて対向している。つまり、オリフィス気体入口 41の正面に通気性繊維フィルタ 47が配置されている。

[0040] 荷電器 50は、超微粒子を高効率に荷電する部位である。荷電器 50は、連通ポート 52を有する導入ノヽウジング 51と、導入ノズル 53を有する導入ノズル部材 54と、上端部材 55と筒状ノ、ウジング本体 56と下端部材 57との組立体による荷電用筒状ノ、ウジング 58とを含む。 [0041] 荷電用筒状ハウジング 58は、内側に荷電空間 59を画定し、上端部材 55に導入ノズル 53と連通する試料気体入口 60を有し、下端部材 57に試料気体出口 61を有する。

[0042] 荷電空間 59内には有底筒体によるコイル固定部材 62が固定配置されている。コィル固定部材 62の底部 63は下端部材 57の側にあって試料気体出口 61と連通する連通孔 64を有する。

[0043] コイル固定部材 62の底部 63にはコイル状接地電極 65の一端 65 Aが固定されて!/、る。コイル状接地電極 65は、荷電空間 59の中心部を軸線方向に延在し、他端 65B を上端部材 55に固定されている。これにより、コイル状接地電極 65は、荷電空間 59 にお、て試料気体入口 60と試料気体出口 61との間に配置される。

[0044] 筒状ハウジング本体 56の外側には接続端子取付部材 72が固定されている。接続端子取付部材 72には接地用接続端子 73が取り付けられており、接地用接続端子 7 3はコイル状接地電極 65の一端 65Aに導通接続されている。

[0045] 導入ノヽウジング 51と導入ノズル部材 54との間にはワイヤ固定板 67、ワイヤ支持板 68が固定配置されている。ワイヤ固定板 67、ワイヤ支持板 68は、各々連通孔 69、 7 0を有する。

[0046] 下端部材 57は中心部にてワイヤ放電電極 (DE) 71の一端 71Aを固定されている。

ワイヤ放電電極 71は、コイル状接地電極 65の内側をその中心軸線に沿って延在し

、他端 71Bをワイヤ支持板 68の中心部に固定されている。

[0047] ワイヤ固定板 67の外周には正電極リング部材 74が取り付けられている。正電極リング部材 74は、ワイヤ支持板 68と導通接触し、ワイヤ支持板 68を介してワイヤ放電電極 71の他端 71 Bに導通接続されている。

[0048] 導入ハウジング 51の外側には接続端子取付部材 75が固定されている。接続端子取付部材 75には正電極用接続端子 76が取り付けられており、正電極用接続端子 7

6は正電極リング部材 74に導通接続されて、る。

[0049] 上端部材 55は、ねじ部 66によってコイル固定部材 62にねじ係合し、軸線方向に変位可能であることにより、導入ノズル部材 54、ワイヤ支持板 68を介して調整ねじ式にワイヤ放電電極 71の張力を調整する張力調整部材をなしている。 [0050] 接地用接続端子 73と正電極用接続端子 76が装置本体 10内の放電用電源 11 (図 8参照）に接続されることにより、ワイヤ放電電極 71とコイル状接地電極 65とに放電用電源 11によって所定の電位差が与えられ、ワイヤ放電電極 71とコイル状接地電極 65との間で電界の形成とコロナ放電が行われる。

[0051] 筒状ハウジング本体 56の外側には、荷電空間 59を径方向に横切る方向に相対向して軟 X線照射管（ェミッタ） 77、 78が取り付けられている。軟 X線照射管 77、 78は、波長が 0. 13-0. 41nm程度の長波長の X線を発生するものであり、各々、コイル固定部材 62に形成されている開口 79、 80より荷電空間 59に軟 X線を照射する。

[0052] なお、軟 X線照射管は、必ずしも、 2個設けられることはなぐ軟 X線照射管 77と 78 の何れか一方であってもよ!/ヽ。

[0053] 超微粒子捕集器 90は、下端部材 57と、筒状ハウジング本体 56に装着された筒状の捕集器ハウジング 91と、複数個の整流孔 92を開けられた整流板 93とによって超微粒子捕集室 94を画定して、る。

[0054] 筒状ハウジング本体 56の下端部には、排気ノズル孔 110を有する排気ノズル部材 111と、排気口 112を有する排気ハウジング 113が取り付けられて、る排気ハウジング 113の排気口 112に吸引ブロワ 120が接続されている。

[0055] 荷電部出口である試料気体出口 61は、超微粒子捕集器 90の導入口（捕集部ノズル)を兼ねており、試料気体出口 61に、正電極部材として、正電極リング部材 95と、メッシュ電極部材 96 (図 6参照）とが電極カセット蓋 97によって取り付けられている。

[0056] なお、超微粒子捕集器 90の正電極部材は、正電極リング部材 95とメッシュ電極部材 96の何れか一方だけであってもよ!/、。

[0057] 筒状ハウジング本体 56の外側にはもう一つの接続端子取付部材 98が固定されている。接続端子取付部材 98には正電極用接続端子 99が取り付けられており、正電極用接続端子 99は正電極リング部材 95に導通接続されている。

[0058] 超微粒子捕集室 94内には、捕集板保持体 100の先端に取り付けられた捕集円板 101が配置されている。捕集円板 101は、ステンレス鋼により構成され、比較的接近した態様で、試料気体出口 61に正対向してヽる。

[0059] 捕集円板 101は捕集板保持体 100に取り付けられた接地電極部材 102に導通接続されており、接地電極部材 102と正電極用接続端子 99が装置本体 10内の静電界発生用電源 12 (図 6参照）に接続されることにより、正電極リング部材 95、メッシュ電極部材 96と捕集円板 101間にかかる静電界を利用して超微粒子を捕集円板 101の表面に捕捉、捕集する。

[0060] 捕集板保持体 100は、排気ハウジング 113の底部 114に明けられた取付孔 1 15に抜き差し可能に差し込まれており、捕集円板 101の取り出しのために、捕集円板 101 を伴って取り外し可能、交換可能になっている。

[0061] つぎに、本実施形態による超微粒子用静電濃縮捕集装置の作用について説明する。

[0062] 大気やエンジンの排ガス等の試料気体は、吸引ブロワ 120によって引かれ、超微粒子用静電濃縮捕集筒 20の試料気体導入口 31より排気口 112へ、超微粒子用静電濃縮捕集筒 20内を上から下へ流れる。

[0063] この間に、粗大粒子除去器 30によって試料気体中の 1 /z m以上の粒径の粗大粒子が除去され、次に、サブミクロン粒子除去器 40によって試料気体中の 0. 1〜1. Ο μ m程度の粒径の粒子を除去され、次に、荷電器 50にて試料気体中のナノ粒子 (超微粒子）に荷電が行われ、そして荷電されたナノ粒子が超微粒子捕集器 90の捕集円板 101の表面に捕捉、捕集される。粒子の取り除かれた試料気体は排気口 112より外部へ排気される。

[0064] サブミクロン粒子除去器 40では、試料気体がオリフィス気体入口 41を通過する際に流速が速められ、例えば、 50mZs程度まで加速されてサブミクロン粒子除去室 43 に流入する。これにより、試料気体がオリフィス気体入口 41の正面に配置されている通気性繊維フィルタ 47、中央開口 45を高速度で通過し、試料気体中の 0. 1〜1. 0 μ m程度の粒径の粒子は、運動エネルギを与えられて直進し、慣性により効率よく通気性繊維フィルタ 47に衝突して捕捉、捕集される。衝突板 44の側部開口 46は、エア一ベントとして機能し、サブミクロン粒子除去室 43の内圧上昇を抑制する。

[0065] これにより、従来のインパクタ方式のものでは、大気圧下で分離できる限界は、粒径が 0. 3 μ m程度の粒子であつたの力特に、繊維径 8 μ m程度の単分散ステンレス繊維により構成された通気性繊維フィルタ 47の使用により、粒径が 0. 1 μ m以下の粒子の捕捉除去も可能になった。実際に、 50%カットオフ径 0.： mを達成することが可能になる。

[0066] 図 7は、サブミクロン粒子除去器 40における通気性繊維フィルタ 47の性能試験結果を示している。口付き線はポリマ製のフィルタ Aの性能試験結果を、〇付き線は単分散ステンレス繊維製のフィルタ Bの性能試験結果を各々示して、る。

[0067] フィルタ Aは、繊維径 5. 0 m、フィルタ厚 3. Omm、充填率 0. 08のポリマ製フィルタであり、フィルタ Bは、シート密度 200gZm2、繊維径 8. O ^ m,フィルタ厚 4. Om m、充填率 0. 0065の単分散ステンレス繊維製フィルタである。

[0068] ポリマ製フィルタと単分散ステンレス繊維製フィルタとを比べると、粒径 0. 07 μ m程度以上では、ほぼ同等の捕集効率である力粒径 0. 07 m程度以下では、ポリマ製フィルタに比して単分散ステンレス繊維製フィルタのほうが捕集効率が悪いことがゎカゝる。

[0069] このことから、単分散ステンレス繊維製フィルタが粒径 0. 07 μ m以下の粒子と以上の粒子との分離捕集が良いことが理解でき、サブミクロン以上の粗大粒子力も超微粒子が効率よく分級することができる。これにより、超微粒子が、サブミクロン粒子除去器 40より後段の超微粒子捕集器 90に、効率よく渡されることになる。

[0070] 荷電器 50における試料気体中のナノ粒子の荷電は、軟 X線照射管 77、 78による軟 X線照射と、ワイヤ放電電極 71とコイル状接地電極 65との間のコロナ放電による非平衡荷電により行われる。

[0071] これにより、粒径が 60nm以下の粒子に対して、放電電圧 7. 5kV程度の軟 X線照射のもと、 95%以上の荷電効率に到達している。

[0072] 超微粒子用静電濃縮捕集装置における荷電器 50では、粒子を荷電するだけで、電極において粒子を極力捕集せずに、帯電粒子として、後段へ、つまり超微粒子捕集器 90に取り出す必要がある。

[0073] このため、本実施形態では、荷電部での損失を極力抑えるベぐコイル状接地電極

65を採用している。これにより、流速 40LZminで、粒径 50nmの粒子を最大 70% 程度の荷電粒子として取り出すことができる。

[0074] 図 8は、荷電器 50における非平衡帯電下でのイオンおよび粒子 Pの挙動を模式的に示している。なお、図 8では、簡略ィ匕のために片側の軟 X線照射管 78のみを示している。

[0075] 図 8において、 Aはコロナ放電による単極イオンの発生を、 Bはコロナ放電により得られる自由イオンによる拡散荷電を、 Cは軟 X線照射による両極イオンを、 Dは軟 X線照射による粒子の光イオンィ匕を各々示して、る。

[0076] 図 9は、荷電器 50におけるコロナ放電の印加電圧 VIとイオン濃度の関係を、軟 X 線照射ありと、軟 X線照射なしとで示している。この特性グラフより軟 X線照射ありのほうが、イオン濃度が高くなることがわかる。

[0077] 図 10は、コロナ放電の印加電圧 VIと荷電器における損失率 fLとの関係を、各流速について示している。

[0078] 損失率 fLは下式により表される。

[0079] fL = 1— (NVl/Nin)

但し、 NV1 :印加電圧 VIにおける荷電器出口での粒子濃度、 Nin:荷電器入口での粒子濃度である。

[0080] 図 11は、コロナ放電の印加電圧 VIと荷電器出口における帯電粒子の割合 fc +との関係を、各流速について示している。

[0081] 帯電粒子の割合 fc +は下式により表される。

[0082] fc+ =N+ total/Nin

但し、 N+total:印加電圧 VIにおける荷電器出口での正帯電粒子の濃度、

Nin：荷電器入口での粒子濃度である。

[0083] 図 12、図 13は、コロナ放電の印加電圧 VIと荷電器における帯電粒子の透過率の関係を、各流速について示している。図 12は軟 X線照射管が一つの場合を、図 13 は軟 X線照射管が二つの場合を各々示して、る。

[0084] 帯電粒子の透過率 f3は下式より表される。

[0085] f3=fl X (1 -fL)

但し， fl :荷電部出口での荷電粒子の割合，

fL：荷電器における損失率である。

[0086] また， flは以下の実測値を用いて，下式で表される。 [0087] fl =N0/NVl

但し， NO：印加電圧 OVにおける荷電部出口での粒子濃度， NV1：印加電圧 VIにおける荷電器出口での粒子濃度である。

[0088] 上述の如く荷電器 50で帯電し、荷電器 50を透過した帯電粒子 (ナノ粒子）は、試料気体出口 61より超微粒子捕集器 90の超微粒子捕集室 94に入り、正電極リング部材 95、メッシュ電極部材 96と捕集円板 101間にかかる静電界によって捕集円板 101 の表面に捕捉、捕集される。

[0089] これにより、捕集円板 101にナノ粒子が効率よく濃縮捕集される。ナノ粒子が濃縮捕集された捕集円板 101は、捕集板保持体 100を排気ハウジング 113より抜き出すことにより、取り出され、大気環境中等の超微粒子の化学組成の分析、評価に供される。

[0090] この発明による超微粒子用静電濃縮捕集装置は、以下のような効果を奏する。

[0091] (1)分級濃縮が常圧で行われるので、超微粒子に含まれる不安定な成分が揮発することがない。

[0092] (2)コイル状接地電極 65によるコロナ放電と軟 X線照射と併用した非平衡荷電により、流速 40LZmin程度で、粒径 50nm程度の超微粒子を最大 70%程度、荷電粒子として取り出すことができる。

[0093] (3)以上のように、常圧で超微粒子のみを高効率で分級し、更に、濃縮、捕集するため、大気環境中の超微粒子の化学組成を調べる上で、有用性が高い。

[0094] この発明による超微粒子用静電濃縮捕集装置の実施形態 2を、図 14、図 15を参照して、詳細に説明する。なお、図 14、図 15において、図 2〜図 6に対応する部分は、図 2〜図 6に付した符号と同一の符号を付けている。

[0095] 本実施形態では、超微粒子用静電濃縮捕集筒 20は、粗大粒子除去器 30と、サブミクロン粒子除去器 40と、荷電器 50と、超微粒子捕集器 130から構成されている。粗大粒子除去器 30、サブミクロン粒子除去器 40、荷電器 50は、上述の実施形態 1と同じであり、上述の実施形態 1と異なるところは、超微粒子捕集器 130であるから、粗大粒子除去器 30、サブミクロン粒子除去器 40、荷電器 50についての説明は、重複することを避けるベぐ省略する。 [0096] 超微粒子捕集器 130は、筒状ハウジング本体 56の下端に連結された捕集器ハウジング 131と、捕集器ハウジング 131内に荷電器 50の試料気体出口（捕集部入口） 6 1と同心配置された外側円筒正電極部材 132と、外側円筒正電極部材 132内に取付ロッド 139によって外側円筒正電極部材 132と同心配置された内側円筒状接地電極部材 133と、捕集器ハウジング 131の下端部 (捕集部出口）に装着された整流孔 9 2付きの整流板 93および繊維層フィルタ 134とを有する二重円筒型捕集部として構成されている。

[0097] 捕集器ハウジング 131の外側には接続端子取付部材 135が固定されている。接続端子取付部材 135には正電極用接続端子 136が取り付けられており、正電極用接続端子 136は外側円筒正電極部材 132に導通接続されている。

[0098] 外側円筒正電極部材 132と内側円筒状接地電極部材 133とは、外側円筒正電極部材 132の内周面と内側円筒状接地電極部材 133の外周面との間に、円筒状の超微粒子捕集室 137を画定しており、内側円筒状接地電極部材 133が粒子捕集部材として機能する。超微粒子捕集室 137は、上端 (捕集部入口）にて荷電器 50の試料気体出口 61に連通し、試料気体出口 61と同心で、下端 (捕集部出口）にて整流板 9 3の整流孔 92に連通して、る。

[0099] 試料気体出口 61は、荷電空間 59よりの帯電粒子を含む試料気体が円滑に超微粒子捕集室 137へ流れるよう、スロート状をなしている。また、同じ目的で、内側円筒状接地電極部材 133の上端には半球状案内部材 138が取り付けられている。

[0100] 外側円筒正電極部材 132と内側円筒状接地電極部材 133は、装置本体 10内の静電界発生用電源 12 (図 15参照）に接続されている。これにより、外側円筒正電極部材 132と内側円筒状接地電極部材 133との間に電圧が印加され、超微粒子捕集室 137が静電界域になり、静電界によって荷電器 50の試料気体出口 61よりの試料気体中の超微粒子が内側円筒状接地電極部材 133の外周表面に捕捉、捕集される。

[0101] 本実施形態では、同心配置の外側円筒正電極部材 132と内側円筒状接地電極部材 133との間に静電界が形成されるから、円筒状空間の超微粒子捕集室 137に一様な静電界が形成される。また、超微粒子捕集室 137は荷電器 50の試料気体出口（捕集部入口） 61と同心であるから、超微粒子捕集室 137における試料気体の偏流や乱流が抑制される。これらのこと〖こより、内側円筒状接地電極部材 133の外周表面に対する超微粒子の捕捉 ·捕集効率が向上する。

[0102] 内側円筒状接地電極部材 133の外周表面に捕捉'捕集される超微粒子は、専ら荷電された粒径が 30nm程度以上の超微粒子である。それより粒径が小さぐ荷電されて、な、超微粒子 (荷電率が低、粒子）は繊維層フィルタ 134によって分級捕捉'捕集される。

[0103] この繊維層フィルタ 134を構成する材料としては、 0. 1 m程度の微細なガラス繊維等が挙げられる。

[0104] なお、繊維層フィルタ 134の配置位置は、整流板 93の底面部分に限られることはなぐ超微粒子捕集室 137より下流側にあればよぐ排気口 112の外側に別置きで設けられてちよい。

[0105] また、本実施形態では、荷電部と捕集部との間の距離を拡大できるので、荷電部と捕集部における電界の干渉を避けることができ、このことによつても、超微粒子の分離効率、捕捉 ·捕集効率が向上する。

[0106] 図 16は、本実施形態における超微粒子捕集器 130の性能評価の試験結果を示している。この性能評価は、粒子捕集部材として機能する内側円筒状接地電極部材 1 33における超微粒子の捕集効率に関するものであり、図 16のグラフでは、縦軸に超微粒子の捕集効率を、横軸に超微粒子の粒径を示している。 Vcoは外側円筒正電極部材 132と内側円筒状接地電極部材 133との間の印加電圧である。

[0107] このグラフから、超微粒子の粒径が 30nm以上のものに関しては、印加電圧 Vcoに対する依存性が殆どなぐ印加電圧 Vcoが 4kV以上で、高い捕集効率が得られることが分かる。

[0108] この発明による超微粒子用静電濃縮捕集装置の実施形態 3を、図 17、図 18を参照して、詳細に説明する。なお、図 17、図 18においても、図 2〜図 6に対応する部分は、図 2〜図 6に付した符号と同一の符号を付けている。

[0109] 本実施形態では、超微粒子用静電濃縮捕集筒 20は、粗大粒子除去器 30と、サブミクロン粒子除去器 40と、荷電器 50と、超微粒子捕集器 140から構成されている。本実施形態でも、粗大粒子除去器 30、サブミクロン粒子除去器 40、荷電器 50は、上述の実施形態 1と同じであり、上述の実施形態 1と異なるところは、超微粒子捕集器 140 であるから、粗大粒子除去器 30、サブミクロン粒子除去器 40、荷電器 50についての説明は、重複することを避けるベぐ省略する。

[0110] 超微粒子捕集器 140は、荷電器 50の試料気体出口（捕集部入口） 61を有する下端部材 57と下部蓋 141との間に、試料気体出口 61と下部蓋 141に形成された通孔 142とを連通する形態で、金属ワイヤメッシュによる正電極部材 143と、粒子捕集部材として機能する誘電体メッシュによるフィルタ 144と、金属ワイヤメッシュによる接地電極部材 145との積層体を有し、外部電界静電フィルタ方式の捕集器をなして、る。

[0111] 下部蓋 141の下流側には、実施形態 2と同様に、整流孔 92付きの整流板 93および繊維層フィルタ 134が設けられている。

[0112] 正電極部材 143と接地電極部材 145はシリコンゴム等による電気絶^ぺーサ 14 6によって所定間隔をおいて絶縁されており、この正電極部材 143と接地電極部材 1 45とに挟まれる形態で、フィルタ 144が設けられている。

[0113] 筒状ハウジング本体 56の外側には接続端子取付部材 147が固定されている。接続端子取付部材 147には正電極用接続端子 148が取り付けられており、正電極用接続端子 148は正電極部材 143に導通接続されている。正電極部材 143と接地電極部材 145は、装置本体 10内の静電界発生用電源 12 (図 18参照）に接続されている。これにより、正電極部材 143と接地電極部材 145との間に電圧が印加される。

[0114] フィルタ 144は、多数枚のポリアミド（ナイロン)メッシュの積層物により構成されており、両側にある正電極部材 143と接地電極部材 145による電圧印加によって生じる誘電分極 (クーロン力）により、帯電粒子を沈着捕集する。フィルタ 144を構成するポリアミドメッシュとしては、繊維径が 20〜40 μ m程度で、目開きが 50〜70 μ m程度のもの、好ましくは、繊維径が 30 m程度で、目開きが 60 m程度のものが用いられればよ、。フィルタ 144のポリアミドメッシュの積層枚数は 20枚以上の多数枚であることが好ましい。

[0115] 本実施形態では、荷電された粒径が 30nm程度以上の超微粒子は、フィルタ 144 に効率よく沈着捕集され、荷電されて!ヽなヽ超微粒子 (荷電率が低!ヽ粒子）は繊維層フイノレタ 134によって分級捕捉 '捕集される。 [0116] 図 19は、本実施形態における超微粒子捕集器 140の性能評価の試験結果を示している。この性能評価は、粒子捕集部材として機能するフィルタ 144における超微粒子の捕集効率に関するものであり、図 19のグラフでは、縦軸に超微粒子の捕集効率を、横軸に超微粒子の粒径を示している。 Vcoは正電極部材 143と接地電極部材 1 45との間の印加電圧である。

[0117] このグラフから、捕集効率は、超微粒子の粒径の如何を問わず、印加電圧 Vcoに対する依存性が殆どなぐ粒径が 30nm程度以上のものについて、高い捕集効率が得られることが分かる。

[0118] この発明による超微粒子用静電濃縮捕集装置の実施形態 4を、図 20を参照して、詳細に説明する。なお、図 20において、図 2に対応する部分は、図 2に付した符号と同一の符号を付けてその説明を省略する。

[0119] 本実施形態では、超微粒子用静電濃縮捕集筒 20は、粗大粒子除去器 30と、サブミクロン粒子除去器 40と、荷電器 50と、超微粒子捕集器 140から構成されている。粗大粒子除去器 30、荷電器 50は、上述の実施形態 1と同じであり、上述の実施形態 1 と異なるところは、サブミクロン粒子除去器 40と、超微粒子捕集器 130であるから、粗大粒子除去器 30、荷電器 50についての説明は、重複することを避けるベぐ省略する。

[0120] 本実施形態では、サブミクロン粒子除去器 40の通気性繊維フィルタ 47がオリフィス気体入口 41の正面に無間隔で対向配置されている。

[0121] 通気性繊維フィルタ 47がオリフィス気体入口（ノズル) 41の正面に無間隔で対向配置されていることにより、オリフィス気体入口 41のサブミクロン粒子除去室 43に対する開口端力も試料気体が通気性繊維フィルタ 47に到達するまでの圧力損失がなくなり、試料気体が通気性繊維フィルタ 47の中の微細な繊維間空間をより高速度で通過するようになる。

[0122] このことは、前述のストークス数 Stkおよびペタレ数 Peを大きくするために、高速気流を用いることが好まし、ことに通ずる。

[0123] このことにより、試料気体中の 0. 1〜1. 0 m程度の粒径の粒子に大きい運動エネルギが与えられ、当該粒子は、より強い慣性により通気性繊維フィルタの繊維表面に衝突し、効率よく捕捉、捕集される。

[0124] オリフィス気体入口 41と通気性繊維フィルタ 47との距離の捕集効率への影響について、図 21 (a)、（b)と図 22 (a)、（b)を参照して説明する。

[0125] 図 21はポリオレフイン繊維製フィルタの捕集効率を、図 22は単分散ステンレス繊維製フィルタの捕集効率を各々示している。図 21、図 22の（a)はオリフィス気体入口 41 と通気性繊維フィルタ 47との距離が零の場合 (無間隔の場合)を、 (b)はオリフィス気体入口 41と通気性繊維フィルタ 47との距離が 4mmの場合を示して!/、る。

[0126] 図 21 (a)、（b)および図 22 (a)、（b)より、オリフィス気体入口 41と通気性繊維フィルタ 47との距離が零の場合 (無間隔の場合)のほうが、優れた捕集効率が得られることが分かる。

[0127] 超微粒子捕集器 140は、荷電器 50の試料気体出口（捕集部入口） 61を有する下端部材 57と下部蓋 141との間に、試料気体出口 61と下部蓋 141に形成された通孔 142とを連通する形態で、金属ワイヤメッシュによる正電極部材 143と、粒子捕集部材として機能する誘電体メッシュによるフィルタ 144と、金属ワイヤメッシュによる接地電極部材 145との積層体を有し、外部電界静電フィルタ方式の捕集器をなして、る。

[0128] 下部蓋 141の下流側には、実施形態 2と同様に、整流孔 92付きの整流板 93および繊維層フィルタ 134が設けられている。

[0129] 正電極部材 143と接地電極部材 145はシリコンゴム等による電気絶^ぺーサ 14 6によって所定間隔をおいて絶縁されており、この正電極部材 143と接地電極部材 1 45とに挟まれる形態で、フィルタ 144が設けられている。

[0130] 筒状ハウジング本体 56の外側には接続端子取付部材 147が固定されている。接続端子取付部材 147には正電極用接続端子 148が取り付けられており、正電極用接続端子 148は正電極部材 143に導通接続されている。正電極部材 143と接地電極部材 145は、装置本体 10内の静電界発生用電源に接続されている。これにより、正電極部材 143と接地電極部材 145との間に電圧が印加される。

[0131] フィルタ 144は、多数枚のポリアミド（ナイロン)メッシュの積層物により構成されており、両側にある正電極部材 143と接地電極部材 145による電圧印加によって生じる誘電分極力ならびにクーロン力により、帯電粒子を沈着捕集する。フィルタ 144を構成するポリアミドメッシュとしては、繊維径が 20〜40 μ m程度で、目開きが 50〜70 μ m 程度のもの、好ましくは、繊維径が 30 m程度で、目開きが 60 m程度のものが用いられればよい。フィルタ 144のポリアミドメッシュの積層枚数は 20枚以上の多数枚であることが好ましい。

本実施形態では、荷電された粒径が 30nm程度以上の超微粒子は、フィルタ 144 に効率よく沈着捕集され、荷電されていない超微粒子 (荷電率が低い粒子）は下流部に設置する繊維層フィルタ 134によって分級捕捉 '捕集される。

Claims

請求の範囲

[1] 荷電空間を画定し、一端側に試料気体入口を、他端に試料気体出口を有する荷電用筒状ハウジングと、

前記荷電空間におヽて前記試料気体入口と前記試料気体出口との間に配置されたコイル状接地電極と、

前記荷電空間にお、て前記コイル状接地電極の内側をその中心軸線に沿って配置され、前記コイル状接地電極との間に電界の形成とコロナ放電を行うワイヤ放電電極と、

前記荷電空間に X線を照射する X線照射管と、

前記筒状ハウジングの前記試料気体出口に接続された捕集器とを、

有することを特徴とする超微粒子用静電濃縮捕集装置。

[2] 前記 X線照射管は、長波長の X線を照射する軟 X線照射管であることを特徴とする請求項 1に記載の超微粒子用静電濃縮捕集装置。

[3] 前記捕集器は、前記試料気体出口に連通する導入口に配置された正電極部材と、接地された捕集板とを含むことを特徴とする請求項 1又は 2に記載の超微粒子用静電濃縮捕集装置。

[4] 前記捕集器は、外側円筒正電極部材と、前記外側円筒正電極部材内に当該外側円筒正電極部材と同心配置された内側円筒状接地電極部材とを有し、前記外側円筒正電極部材の内周面と前記内側円筒状接地電極部材の外周面との間に、前記試料気体出口に連通する円筒状の超微粒子捕集室を画定しており、前記内側円筒状接地電極部材が粒子捕集部材をなしていることを特徴とする請求項 1又は 2に記載の超微粒子用静電濃縮捕集装置。

[5] 前記超微粒子捕集室は前記試料気体出口と同心に設けられて、ることを特徴とする請求項 4に記載の超微粒子用静電濃縮捕集装置。

[6] 前記捕集器は、前記試料気体出口に連通する形態で、金属ワイヤメッシュによる正電極部材と、粒子捕集部材として機能する誘電体メッシュによるフィルタと、金属ワイャメッシュによる接地電極部材との積層体を有し、外部電界静電フィルタ方式の捕集器をなしていることを特徴とする請求項 1又は 2に記載の超微粒子用静電濃縮捕集装置。

[7] 前記捕集器の下流部に繊維層フィルタを有することを特徴とする請求項 1から 6のいずれか一項に記載の超微粒子用静電濃縮捕集装置。

[8] 前記荷電用筒状ハウジングの前記試料気体入口に、アンダーセン'インパクタによる粗大粒子除去器と、慣性式フィルタによるサブミクロン粒子除去器とが、試料気体流れで見て上流から順に接続されて!、ることを特徴とする請求項 1から 7の、ずれか一項に記載の超微粒子用静電濃縮捕集装置。

[9] サブミクロン粒子除去器は、オリフィス気体入口と、前記オリフィス気体入口に所定間隔をおいて対向配置された通気性繊維フィルタとを含むことを特徴とする請求項 8〖こ記載の超微粒子用静電濃縮捕集装置。

[10] 前記通気性繊維フィルタは気流の圧力により繊維構造が変化しな、材質力なるフィルタ，好ましくは単分散ステンレス繊維製のフィルタであることを特徴とする請求項 9 に記載の超微粒子用静電濃縮捕集装置。

[11] オリフィス気体入口と、前記オリフィス気体入口に対向配置された通気性繊維フィルタとを備えることを特徴とするサブミクロン粒子除去器。

[12] サブミクロン粒子除去室を画定するハウジングと、前記サブミクロン粒子除去室に開口したオリフィス気体入口と、前記サブミクロン粒子除去室内にあって前記オリフィス気体入口に対向配置された通気性繊維フィルタと、前記通気性繊維フィルタが前記オリフィス気体入口と対向する反対側に設けられた気体出口とを備えることを特徴とするサブミクロン粒子除去器。

[13] 前記通気性繊維フィルタは、前記オリフィス気体入口に所定間隔をおヽて対向配置されていることを特徴とする請求項 11又は 12記載のサブミクロン粒子除去器。

[14] 前記通気性繊維フィルタは、前記オリフィス気体入口に無間隔で対向配置されて、ることを特徴とする請求項 11又は 12記載のサブミクロン粒子除去器。

[15] 前記通気性繊維フィルタは、気流の圧力により繊維構造が変化しなヽ材質からなるフィルタ、好ましくは単分散ステンレス繊維製のフィルタであることを特徴とする請求項 11に記載のサブミクロン粒子除去器。

[16] 請求項 11から 15のいずれか一項に記載のサブミクロン粒子除去器を有する超微粒子用静電濃縮捕集装置。