WO2011001626A1

WO2011001626A1 - 粒子分級装置

Info

Publication number: WO2011001626A1
Application number: PCT/JP2010/004082
Authority: WO
Inventors: 鈴木恵友; 古内正美; 大谷吉生
Original assignee: ニッタ株式会社
Priority date: 2009-06-30
Filing date: 2010-06-18
Publication date: 2011-01-06
Also published as: JP2011012975A; TW201102149A

Abstract

　流体流路の上流側にある第１慣性フィルタの貫通孔内での非圧縮性繊維の繊維径を、下流側にある第２慣性フィルタの貫通孔内での非圧縮性繊維の繊維径より大きくする。

Description

粒子分級装置

　本発明は、貫通孔内に非圧縮性繊維を充填して粒子を捕集する慣性フィルタを用いた粒子分級装置に関するものである。

　カスケードインパクタ型粒子分級装置は、インパクタを上下方向複数段で直列に連ねてなる装置である（特許文献１の図１参照、以下、第１の従来例という）。第１の従来例においては、下段側になるほどインパクタにおける気流通過ノズル径を小さくすることで、順次に気流速度を高め、これにより慣性質量が大きい粒径大の粒子から順次各段のインパクタで捕集分級することができるようになっている。インパクタは、気流の向きを変えた際に慣性力によりその気流の向き変化に追随できない慣性質量を有する粒子を捕集プレートに衝突させて捕集する装置であり、第１の従来例では、インパクタを複数段連ねることで、粒径の大きい順に粒子を分級できるようになっている。

　このような構成を有する第１の従来例では、ポンプ吸引により、装置内圧を下げて、装置内圧と装置外圧との間の気圧差で装置内部に気流を発生させ、この気流により粒子を分級させるようになっている。しかしながら、粒径が微小な粒子では、ノズル径を高精度に製作することが困難であるために、微小粒子の分級が困難であった。

　特許文献１の図２には、第１の従来例を上段側に配置して粒径の大きい粒子の分級を行う一方、下段側に慣性フィルタを配置して、微小粒子の分級を可能にした構成（以下、第２の従来例という）が開示されている。第２の従来例は、気体が通過する貫通孔を有するフィルタサポート部と、この貫通孔内に当該貫通孔を塞ぐように配置した通気性多孔質部材であるＳＵＳ繊維とを含んでいる。

特開２００８－７０２２２号公報

　ところで第２の従来例の構造において、貫通孔内での金属繊維の充填率を高くして貫通穴内での空隙率の微小化を図ることで微小粒子の分級を行おうとする場合、貫通孔内における気流流通性が大きく低下して圧損が増大する。その結果、気流吸引ポンプとして大型のものが必要となり、携行性に不便な装置全体の大型化を招く。一方、携行性を考慮し小流量の小型ポンプで気流吸引するには、空隙率の微小な貫通孔内では圧損により気流速度が低下してしまい、分級で必要となる粒子慣性効果が低下して、目的とする微小粒子の分級が困難となる。

　本発明は、小型軽量化を図りながら、微小粒子の分級を可能にすることを解決すべき課題としている。

　本発明による粒子分級装置は、
　流体流路の上流側から下流側にわたって少なくとも２つの慣性フィルタを直列に連結配置し、
　前記慣性フィルタそれぞれは、非圧縮性繊維が充填された貫通孔を有し、
　上流側に位置する第１慣性フィルタの前記非圧縮性繊維の繊維径を、下流側に位置する第２前記慣性フィルタの前記非圧縮性繊維の繊維径より大きくし、
　前記第１慣性フィルタを粗粒子除去フィルタとし、
　前記第２慣性フィルタを微小粒子分級フィルタとする。

　本発明によれば、第１慣性フィルタでは、繊維径が大きい非圧縮性繊維の充填量を調整してその圧損を可能な限り小さく抑制した状態で、粒径の大きい粒子の捕集を効率的に行うことができる。また、第２慣性フィルタでは、繊維径が小さい非圧縮性繊維の充填量を調整して圧損を可能な限り小さく抑制した状態で、粒径が小さい粒子の捕集を効率的に行うことができる。

　これにより、第１、第２慣性フィルタにおける気流吸引構成として小型軽量、低吸引流量のポンプを採用しても、圧損を可能な限り小さく抑制した状態で、粒径が大きい粒子から粒径が小さい粒子まで分離捕集することが可能となる。

　本発明においては、例えば第１慣性フィルタの貫通孔内の非圧縮性繊維の繊維径ｄ１を１２μｍとした場合、非圧縮性繊維の充填量増加にほぼ比例して圧損が増加するものの、流量毎分６リットルという小流量では、その圧損を０．２－０．５Ｐａオーダーと極めて小さく抑制した状態で、粒径０．５μｍ前後を分離径とする粗粒子の捕集（粒径０．５μｍより大きい粒径を有する粗粒子の捕集）を行うことができる。また、第２慣性フィルタの貫通孔内の非圧縮性繊維の繊維径ｄ１を８μｍとした場合、流量毎分６リットルという小流量では、非圧縮性繊維の充填量を増加させても圧損がそれに比例して増加することはなく、圧損を０．２－０．５Ｐａオーダーで極めて小さく抑制した状態で、粒径約１９０ｎｍ前後を分離径とする微少粒子の捕集（粒径約１９０ｎｍより小さい粒径を有する微少粒子の捕集）を行うことができる。その結果、小流量のポンプで吸引しても分級に必要な粒子慣性効果を得ることができて装置全体の小型軽量化が図れる。

　本発明によれば、システム全体および粒子分級装置そのものの小型軽量化を図りながら低圧損状態で粗粒子除去や微少粒子の分級を行うことができる粒子分級装置を提供することができる。

図１は本発明の実施の形態にかかる粒子分級装置を側面から見た概念構成を示す図である。図２Ａは図１装置内の第１慣性フィルタを拡大して示す図である。図２Ｂは同装置内の第２慣性フィルタを拡大して示す図である。図３Ａは、第１慣性フィルタと第２慣性フィルタそれぞれの金属繊維充填量対圧損とを示す第１の図である。図３Ｂは、第１慣性フィルタと第２慣性フィルタそれぞれの金属繊維充填量対圧損とを示す第２の図である。図４Ａは、第１慣性フィルタと第２慣性フィルタそれぞれにおける、粒径（μｍ）対捕集効率（％）の関係を示す第１の図であり、同図において横軸は粒径（μｍ）であり、縦軸は粒子捕集効率（％）である。図４Ｂは、第１慣性フィルタと第２慣性フィルタそれぞれにおける、粒径（μｍ）対捕集効率（％）の関係を示す第２の図であり、同図において横軸は粒径（μｍ）であり、縦軸は粒子捕集効率（％）である。図５は実施の形態にかかる粒子分級装置の変形例を示す図である。

　以下、添付した図面を参照して、本発明の実施の形態に係る慣性フィルタとこれを用いた粒子分級装置を説明する。なお、実施の形態において粒子は溶媒の一例として気体中に浮遊する粒子を想定するが、気体中に浮遊する粒子に限定されず、他の溶媒例えば液中やその他を浮遊する粒子を含むことができる。図１および図２Ａ、図２Ｂを参照して、実施の形態の粒子分級装置１は、気流上流側から気流下流側にかけて、プレ慣性フィルタである第１慣性フィルタ３と、本慣性フィルタである第２慣性フィルタ５と、バックアップフィルタ７と、慣性フィルタ内部気流を外部に排気する排気部９とを順次備える。第１慣性フィルタ３は粗粒子除去用のフィルタである。第２慣性フィルタ５はナノ粒子等の微少粒子分級用のフィルタである。バックアップフィルタ７は微少粒子捕集用のフィルタである。なお、ナノ粒子とは、ナノメートルオーダーの粒子のことである。

　第１慣性フィルタ３は、円板状プレート３ａと、円筒状プレート３ｂと、円柱状プレート３ｃとを含み、これらプレート３ａ，３ｂ，３ｃの内部にフィルタ空間３ｄが形成される。

　円板状プレート３ａは、フィルタプレートとして気流上流側に配置される。円板状プレート３ａは、図示略の気流吸入孔を多数有し、気流下流側に配置した図示略の気流吸引ポンプの作用により、この気流吸入孔から装置内部に気流を吸入することができるようになっている。円板状プレート３ａは、必ずしも必須ではなく、省略することもできる。

　円筒状プレート３ｂは、円板状プレート３ａの外径と同じ外径を有し、第１慣性フィルタ３の側面を構成する。円柱状プレート３ｃは、プレート中央に軸方向に沿った貫通孔３ｅを有する。貫通孔３ｅは、気流上流側から下流側へかけて内径が漸次連続的に縮径する縮径貫通孔３ｅ１と、縮径貫通孔３ｅ１の下端に連続して内径一定に形成された定径貫通孔３ｅ２とを備える。

　定径貫通孔３ｅ２には、高速気流が通過しても体積変化が殆どない非圧縮性繊維１１が緻密に絡まった状態で充填されている。非圧縮性繊維１１は好ましくはＳＵＳ（ステンレス）繊維等の金属繊維からなる。なお、金属繊維としてはＳＵＳ繊維に限定するものではなく、アルミ繊維，銅繊維，その他の金属繊維から選ばれる１種以上の金属繊維でもよい。また、非圧縮性繊維１１は、非圧縮性で高速気流が通過しても体積変化が殆どない繊維であれば、金属繊維に限定されない。

　第２慣性フィルタ５は、第１慣性フィルタ３の気流下流側に連続配置されて第１慣性フィルタ３に連結されている。第２慣性フィルタ５は、第１慣性フィルタ３の外径と同じ外径を有する円筒状プレート５ａと、円柱状プレート５ｂとを含み、これらプレート５ａ，５ｂの内部にフィルタ空間５ｃが構成される。

　円柱状プレート５ｂは、プレート中央に軸方向に沿った貫通孔５ｄを有する。貫通孔５ｄは、気流上流側から下流側へかけて内径が漸次連続的に縮径する縮径貫通孔５ｄ１と、縮径貫通孔部分５ｄ１の下端に連続して内径一定に形成された定径貫通孔５ｄ２とを備える。

　定径貫通孔５ｄ２には、高速気流が通過しても体積変化が殆どない非圧縮性繊維１３が緻密に絡まった状態で充填されている。非圧縮性繊維１３は好ましくはＳＵＳ（ステンレス）繊維等の金属繊維からなる。なお、金属繊維としてはＳＵＳ繊維に限定するものではなく、アルミ繊維，銅繊維，その他の金属繊維から選ばれる１種以上の金属繊維でもよい。また、非圧縮性繊維１３は、非圧縮性で高速気流が通過しても体積変化が殆どない繊維であれば、金属繊維に限定されない。

　バックアップフィルタ７は、第２慣性フィルタ５の気流下流側に連続配置されて第２慣性フィルタ５に連結されている。バックアップフィルタ７は、第２慣性フィルタ５の外径と同じ外径を有する円筒状プレート７ａと、円板状プレート７ｂとを含む。円板状プレート７ｂはフィルタプレートとして作用する。これらプレート７ａ，７ｂの内部にフィルタ空間７ｃが形成される。

　排気部９は、上記装置内から外部へ気流を排気するものであり、図示略の吸引ポンプにより上記排気を行うようになっている。

　以上の構成において、気流上流側の第１慣性フィルタ３から気流下流側の排気部９へかけて気流が矢印で示すように流れると共に各フィルタ３，５，７を通過する際に粗粒子が第１の慣性フィルタ３で除去されたうえで、微少粒子が第２の慣性フィルタ５で分級され、分級された微少粒子がバックアップフィルタ７で捕集される。

　本実施の形態では、第１慣性フィルタ３の定径貫通孔３ｅ２と、第２慣性フィルタ５の定径貫通孔５ｄ２とのそれぞれに非圧縮性繊維１１，１３を充填している。この非圧縮性繊維１１，１３は本実施の形態ではＳＵＳ繊維である。

　定径貫通孔３ｅ２内での非圧縮性繊維１１の繊維径（μｍ）をｄ１、定径貫通孔５ｄ２内での非圧縮性繊維１３の繊維径（μｍ）をｄ２とすると、これらにはｄ１＞ｄ２の関係がある。また、定径貫通孔３ｅ２、定径貫通孔５ｄ２それぞれの非圧縮性繊維１１，１３の充填量（ｍｇ）をｍ１，ｍ２とし、この非圧縮性繊維充填量ｍ１，ｍ２に対応した圧損（ｋＰａ：キロパスカル）をそれぞれΔＰ１，ΔＰ２とする。

　以上の構成においては、第１慣性フィルタ３の縮径貫通孔３ｅ１は気流下流側方向になる程、直径が小さくなっているので、気流は徐々に加速した後、定径貫通孔３ｅ２を一定速度で通過し、この通過の際に粗粒子が捕集される。

　定径貫通孔３ｅ２は非圧縮性繊維１１が層状になったフィルタ構造になっているので、気体の流速、繊維径の選択に用いることができるストークス数Ｓｔｋと、ペクレ数Ｐｅとを適用することができる。ストークス数Ｓｔｋは、非圧縮性繊維構造のフィルタ内での、気体の流れに対する粒子の追従性を表す無次元の値である。その式は省略する。ストークス数Ｓｔｋは、流速と粒子密度とに比例し、粒径の２乗に比例し、繊維径に反比例する。

　ストークス数Ｓｔｋの式によると、気体の流速が大きくなるに従い、粒径が大きい浮遊粒子から順に気体の運動に追従できなくなり、気体の流路から外れて金属繊維と衝突するようになる。このストークス数Ｓｔｋを参考にしつつ、気体の流速を制御することと、繊維径を選択することとにより、捕集目的の粒子の粒径を選択することができる。実施の形態における金属繊維の繊維径は極めて小さいので、インパクタほど流速を大きくする必要がない。また、非圧縮性繊維（特に金属繊維）は、粒子の慣性だけではなく、さえぎり、重力，静電気力，拡散などを用いた捕集機構によっても粒子を捕集することができる。

　ペクレ数Ｐｅは、気流により粒子が運ばれる効果と、拡散によって粒子が運ばれる効果との比率を表す数であり、流速，繊維径に比例し、拡散係数に反比例する。拡散の影響を少なくするには、ペクレ数Ｐｅを大きくする必要がある。粒径が小さいほど、拡散係数が大きくなり、繊維径は小さい値が選択されているので、流速を高めることが粒径の選択性を高めることにとって好ましいことがわかる。以上に基づいて、流速，繊維径等を選択することで、目的とする粒子を非圧縮性繊維により捕集ないし分級することができる。

　本実施の形態では、第１の慣性フィルタ３において、定径貫通孔３ｅ２における空隙率の調整（具体的には定径貫通孔３ｅ２における非圧縮性繊維１１の充填量の調整）と、非圧縮性繊維１１における繊維径ｄ１の設定とにより、定径貫通孔３ｅ２内における気流流通性を大きく低下させることなく圧損を抑制する（小さくする）ことが可能となる。その結果、小型の気流吸引ポンプで小流量吸引しても粗粒子除去に必要な粒子慣性効果が得られる。

　同様に、第２慣性フィルタ５において、定径貫通孔５ｄ２における空隙率の調整（具体的には定径貫通孔５ｄ２における非圧縮性繊維１３の充填量の調整）と、非圧縮性繊維１３における繊維径ｄ２の設定とにより、定径貫通孔３ｄ２内における気流流通性を大きく低下させることなく圧損を抑制する（小さくする）ことが可能となる。その結果、小型の気流吸引ポンプで小流量吸引しても微少粒子分級に必要な粒子慣性効果が得られる。

　例えば非圧縮性繊維１１，１３の充填率を小さくして定径貫通孔５ｅ２，５ｄ２内での空隙率を大きくしたうえで、非圧縮性繊維１１，１３の直径ｄ１，ｄ２を小さく選択する。これにより、定径貫通孔５ｅ２，５ｄ２内における気流流通性を大きく低下させることなく、微少粒子分級に必要となる粒子慣性効果を得ることが可能となる。その結果、小型の気流吸引ポンプによる小流量吸引でもって、圧損を抑制しつつ、微少粒子分級を行うことが可能となる。

　上述した実施の形態における具体的な数値例を説明する。定径貫通孔３ｅ２と定径貫通孔５ｄ２とでは、その孔径Ｄ１，Ｄ２を３ｍｍ，６ｍｍとし、その孔長さＬ１，Ｌ２を４．５ｍｍ，５ｍｍとする。非圧縮性繊維１１，１３の繊維径ｄ１，ｄ２をそれぞれ１２μｍ、８μｍとする。また、気流吸引ポンプにより吸引されることにより、発生する気流の流量Ｑ１，Ｑ２は共に小流量、すなわち毎分６リットルとする。

　以上の条件による金属繊維充填量ｍ１，ｍ２と圧損ΔＰ１，ΔＰ２との関係を図３Ａ，図３Ｂに示す。図３Ａにおいて、横軸は定径貫通孔３ｅ２内の非圧縮性繊維の充填量ｍ１（ｍｇ）であり、縦軸は圧損ΔＰ１（ｋＰａ）である。図３Ｂにおいて、横軸は定径貫通孔５ｄ２内の非圧縮性繊維充填量ｍ２（ｍｇ）であり、縦軸は圧損ΔＰ２（ｋＰａ）である。

　図３Ａ，図３Ｂに示すように、定径貫通孔３ｅ２の圧損ΔＰ１は、非圧縮性繊維充填量ｍ１が１０－２０ｍｇの調整範囲で０．３－０．４ｋＰａであり、定径貫通孔５ｄ２の圧損ΔＰ２は、非圧縮性繊維充填量ｍ２が３－４ｍｇの調整範囲で１．５－２ｋＰａである。

　図３Ａ，図３Ｂのデータから明らかなように、携帯型ポンプでも実現可能な小流量吸引を実施しつつ、第１慣性フィルタ３，第２慣性フィルタ５内の非圧縮性繊維１１，１３それぞれの充填量（空隙率）を、その充填量調整範囲内で調整したとしても、低圧損状態で、第１慣性フィルタ３での粗粒子除去と、第２慣性フィルタ５での微少粒子分級とを行うことができる。そのため、例えば、小型軽量の粒子分級装置でもって、作業者の呼吸域での微小粒子曝露量を高精度に測定することが可能となる。

　図４Ａ，図４Ｂそれぞれに第１慣性フィルタ３と、第２慣性フィルタ５とにおける粒径（μｍ）対捕集効率（％）の関係を示す。これらの図において、横軸は粒径（μｍ）であり、縦軸は粒子捕集効率（％）である。ただし、第１慣性フィルタ３，第２慣性フィルタ５それぞれの定径貫通孔３ｅ２，５ｄ２の孔径Ｄ１，Ｄ２は６ｍｍ，３ｍｍであり、孔長さＬ１，Ｌ２は３ｍｍ，４．５ｍｍであり、非圧縮性繊維１１，１３の繊維径ｄ１，ｄ２は１２μｍ、８μｍである、とする。また、気流吸引ポンプにより吸引されることにより、発生する気流の流量Ｑ１，Ｑ２は共に小流量（毎分６リットル）である、とする。

　図４Ａで示すように第１慣性フィルタ３では０．５μｍ前後を粒子分離径とすることができ、また、図４Ｂで示すように第２慣性フィルタ５では約１９０ｎｍを粒子分離径とすることができる。

　なお、第１慣性フィルタ３と第２慣性フィルタ５とを図５で示すように構成することもできる。図５は図１と対応する部分に同一符号を付して示している。図５では、第１慣性フィルタ貫通孔３ｅ２と第２慣性フィルタ貫通孔５ｄ２とを連続させた形態となっている。この図５で示す構造も図１と同様の作用を有する。

　以上説明したように本実施の形態では、気流上流側と気流下流側との上下２段で、第１，第２慣性フィルタ３，５を直列に連結配置し、第１慣性フィルタ３の貫通孔３ｅ２内における非圧縮性繊維１１の繊維径を第２慣性フィルタ５の貫通孔５ｄ２内における非圧縮性繊維１３の繊維径より大きくしている。これにより、第１慣性フィルタ３では、非圧縮性繊維１１の繊維径が大きいために、非圧縮性繊維１１の充填量を多くしても、その圧損を可能な限り小さく抑制した状態で粗粒子の捕集を効率的に行えるようになる。さらには、第２慣性フィルタ５では、非圧縮性繊維１３の繊維径が小さいために、非圧縮性繊維１３の充填量を少なくしても、その圧損を可能な限り小さく抑制した状態で微少粒子の分級を効率的に行えるようになる。これらのことにより、小型軽量、低吸引流量のポンプを用いても、圧損を可能な限り小さく抑制した状態で、粗粒子から微少粒子までの分離捕集を実現することが可能になる。

　　３　第１慣性フィルタ
　　３ｅ　貫通孔
　　１１　金属繊維
　　５　第２慣性フィルタ
　　５ｄ　貫通孔
　　１３　金属繊維

Claims

　流体流路の上流側から下流側にわたって少なくとも２つの慣性フィルタを直列に連結配置し、
　前記慣性フィルタそれぞれは、非圧縮性繊維が充填された貫通孔を有し、
　上流側に位置する第１慣性フィルタの前記非圧縮性繊維の繊維径を、下流側に位置する第２前記慣性フィルタの前記非圧縮性繊維の繊維径より大きくし、
　前記第１慣性フィルタを粗粒子除去フィルタとし、
　前記第２慣性フィルタを微少粒子分級フィルタとした、
　粒子分級装置。
　前記貫通孔は前記慣性フィルタにおいて連続して設けられている、
　請求項１の粒子分級装置。
　前記非圧縮性繊維はステンレス繊維である、
　請求項１の粒子分級装置。
　前記貫通孔のうちで少なくとも前記第１慣性フィルタの貫通孔は、縮径貫通孔と、前記縮径貫通孔の流体下流側に配置されて前記縮径貫通孔に連結形成された定径貫通孔とを備え、
　前記縮径貫通孔は上流側から下流側にかけて連続的に内径が縮径しており、
　前記定径貫通孔は、上流側から下流側にかけて内径が一定であり、
　前記非圧縮性繊維は、前記定径貫通孔に充填されている、
　請求項１の粒子分級装置。
　前記第２慣性フィルタの貫通孔は、前記縮径貫通孔と前記定径貫通孔とを備え、
　前記非圧縮性繊維は、前記下流側の慣性フィルタの前記定径貫通孔に充填されている、
　請求項４の粒子分級装置。