WO2020179356A1 - 微粒子検出素子及び微粒子検出器 - Google Patents

微粒子検出素子及び微粒子検出器 Download PDF

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detection element
flow path
gas flow
particle detection
fine particles
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Inventor
英正 奥村
Original Assignee
日本碍子株式会社
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/06—Investigating concentration of particle suspensions
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/60—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrostatic variables, e.g. electrographic flaw testing

Definitions

  • the present invention relates to a particle detection element and a particle detector.
  • Patent Document 1 As a particle detection element used for detecting particles in a gas passing through an exhaust pipe, for example, one described in Patent Document 1 is known.
  • the fine particle detection element of Patent Document 1 is a rectangular parallelepiped casing having a gas flow path, and charge generation that adds charge generated by discharge to the fine particles in the gas introduced into the gas flow path to form charged fine particles.
  • a unit and a collection unit that collects charged fine particles on the downstream side of the charge generation unit in the gas flow path are provided.
  • the gas flow path is provided so as to penetrate through the side surfaces of the housing that face each other.
  • the present invention has been made to solve such a problem, and its main purpose is to improve the detection accuracy of fine particles.
  • the fine particle detection element of the present invention A fine particle detection element used to detect fine particles in a gas passing through an exhaust pipe.
  • a long casing A gas flow path provided in the housing, A charge generation unit for adding charged charges generated by electric discharge to the fine particles in the gas introduced into the gas flow path to form charged fine particles, A collection electrode that is provided on the downstream side of the charge generation unit in the gas flow path and that collects the charged fine particles and an electric field that generates a collection electric field that moves the charged fine particles toward the collection electrode.
  • a collector having a generating electrode, Equipped with The gas flow path is provided along the longitudinal direction of the housing, It is a thing.
  • the gas flow path is provided along the longitudinal direction of the housing. Therefore, as compared with the case where the gas flow path is provided so as to penetrate the side surfaces of the housing that face each other as in Patent Document 1, the flow path length of the gas flow path can be increased, and the collection unit The area of the collecting electrode can be increased. Therefore, the detection accuracy of the fine particles can be improved.
  • the longitudinal direction of the housing may intersect with the axial direction of the exhaust pipe. This makes it easy to attach the particle detection element to the exhaust pipe.
  • the inlet of the gas flow path may be provided on the bottom surface of the housing, and the outlet of the gas flow path may be provided on the side surface of the housing.
  • the opening area of the outlet of the gas flow path may be smaller than the opening area of the inlet of the gas flow path.
  • the particulate matter detection device of the present invention may include a partition part that partitions the gas flow path into a plurality of branch flow paths, and the collection part may be provided for each of the branch flow paths. In this way, the charged fine particles are collected by the collecting portion provided for each branch flow path, so that the charged fine particles are more easily collected.
  • the outlet of the gas flow path may be provided for each of the branch flow paths.
  • the fine particle detection element of the present invention may include a direction changing unit that converts the gas flow from the axial direction of the exhaust pipe to the longitudinal direction of the housing. In this way, the gas flowing through the exhaust pipe can be easily guided to the gas flow path of the fine particle detection element.
  • the particle detector of the present invention is Any of the above-mentioned fine particle detection elements (those that do not have a direction changing unit) and In front of the inlet of the gas flow passage, there is provided a direction changing portion which is provided so as to surround the particle detection element and which changes the flow of gas passing through the exhaust pipe from the axial direction of the exhaust pipe to the longitudinal direction of the casing.
  • a protective tube It is equipped with.
  • the gas flowing through the exhaust pipe can be easily guided to the gas flow path of the particle detection element by the direction changing portion of the protection tube.
  • the lower end of the protective tube is an inlet side opening of the protective tube, and the inlet side opening has a shape oblique to the axial direction of the exhaust pipe. You may make it function as a direction conversion part. In this way, the gas flowing through the exhaust pipe can be easily guided to the gas flow path of the fine particle detecting element by the opening on the inlet side of the protective pipe.
  • the protective tube may have an outlet-side opening at a position facing the outlet of the gas flow path of the fine particle detection element. By doing so, it is possible to prevent the gas from continuing to stay inside the protective tube.
  • the particle detector of the present invention may include an arithmetic unit that detects the particles based on a physical quantity that changes according to the charged particles collected by the collecting electrode.
  • charge includes positive charge, negative charge, and ions.
  • the "physical quantity” may be a parameter that changes based on the number of charged fine particles (charge amount), and examples thereof include an electric current.
  • the calculation unit may detect the amount of fine particles based on the physical quantity, in which case the amount of fine particles may be, for example, at least one of the number, mass, and surface area of the fine particles. "Detecting the amount of fine particles” means not only measuring the amount of fine particles but also determining whether the amount of fine particles falls within a predetermined numerical range (for example, whether or not it exceeds a predetermined threshold value). The case shall be included.
  • FIG. 3 is a perspective view of the particle detection element 20.
  • FIG. FIG. 3 is a sectional view taken along line AA of FIG.
  • FIG. 3 is a sectional view taken along line BB of FIG. CC sectional drawing of FIG.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of another example of the particle detection element 20.
  • FIG. FIG. 6 is a cross-sectional view of another example of the particle detection element 20.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of another example of the particle detection element 20.
  • FIG. 1 is an explanatory view of a particle detector 10 of the present embodiment
  • FIG. 2 is a perspective view of a particle detection element 20
  • FIG. 3 is a sectional view taken along line AA of FIG. 2
  • FIG. 4 is a sectional view taken along line BB of FIG.
  • FIG. 5 is a sectional view taken along line CC of FIG.
  • the vertical direction, the horizontal direction, and the front-back direction are as shown in FIGS. 1 and 2.
  • 2 to 4 also show a cross section of the opening 14a on the inlet side of the protective tube 14.
  • the fine particle detector 10 detects the number of fine particles 26 (see FIG. 5) contained in the exhaust gas flowing through the exhaust pipe 12 of the engine.
  • the fine particle detector 10 includes a protective tube 14, a fine particle detection element 20, and an accessory unit 80 including various power supplies 36 and 56 and a number detection unit 60.
  • the protection pipe 14 is fixed to the exhaust pipe 12 in a state of being inserted in a direction intersecting the axis of the exhaust pipe 12 (here, a direction substantially orthogonal to each other).
  • the upper half of the protection pipe 14 is arranged outside the exhaust pipe 12 and holds the particle detection element 20.
  • the upper part of the particle detection element 20 is exposed from the upper end of the protective tube 14.
  • the lower half of the protection pipe 14 is disposed inside the exhaust pipe 12 and covers the lower portion (including the gas flow path 24) of the particle detection element 20.
  • the lower end of the protection pipe 14 is cut diagonally with respect to the axis of the exhaust pipe 12 to form an opening 14a on the inlet side.
  • the opening 14a faces the upstream side of the exhaust gas flow, and is arranged in front of the inlet 24a of the gas flow path 24 of the fine particle detection element 20.
  • the opening 14b on the outlet side is provided on the side surface of the protective tube 14.
  • the exhaust gas flowing in the exhaust pipe 12 along the axial direction of the exhaust pipe 12 is diverted by the opening 14a on the inlet side of the protection pipe 14 so as to flow vertically upward in the protection pipe 14.
  • the particle detection element 20 is provided with a charge generation section 30, a collection section 50, and an excess charge removal section 40 in a housing 22.
  • the housing 22 is a long rectangular parallelepiped that is long in a direction intersecting the axial direction of the exhaust pipe 12 (here, a direction substantially orthogonal to each other).
  • the housing 22 is made of ceramic such as alumina.
  • the bottom surface 22a of the housing 22 is located above the opening 14a on the inlet side of the protective tube 14.
  • the housing 22 has a gas flow path 24 as shown in FIGS. 2 and 5.
  • the gas flow path 24 is provided along the longitudinal direction of the housing 22, that is, the vertical direction.
  • the gas flow path 24 has an inlet 24a on the bottom surface 22a of the housing 22, and a slit-shaped outlet 24b on the flow path wall 22d on the right side of the housing 22.
  • the flow channel length (length in the vertical direction) of the gas flow channel 24 is determined from the distance between the side surfaces of the housing 22 that face each other (for example, the distance between the front surface and the rear surface of the housing 22 or the distance between the left side surface and the right side surface). Is also long.
  • the opening area of the outlet 24b of the gas flow path 24 is smaller than the opening area of the inlet 24a. As shown in FIG. 1, the outlet 24b is provided at a position facing the opening 14b on the outlet side of the protective tube 14.
  • the charge generation unit 30 is provided on the flow passage wall 22c on the left side so that charges are generated near the inlet 24a in the gas flow passage 24.
  • the charge generation unit 30 has a discharge electrode 32 and two ground electrodes 34 and 34.
  • the discharge electrode 32 is provided along the inner surface of the left flow path wall 22c, and has a plurality of fine protrusions around a rectangle long in the front-rear direction.
  • the two ground electrodes 34, 34 are rectangular electrodes that are long in the front-rear direction, and are embedded in the flow path wall 22c on the left side so as to be parallel to the discharge electrode 32.
  • a pulse voltage of several kV of the discharge power supply 36 (one of the accessory units 80) is applied between the discharge electrode 32 and the two ground electrodes 34, 34.
  • an air discharge is generated due to the potential difference between the electrodes.
  • the portion of the housing 22 between the discharge electrode 32 and the ground electrodes 34, 34 serves as a dielectric layer. Due to this air discharge, the gas existing around the discharge electrode 32 is ionized and a positive charge 28 is generated.
  • the discharge electrode 32 is connected to a discharge electrode terminal 33 (see FIG. 2) provided on the upper portion of the housing 22, and is connected to the discharge power supply 36 via the terminal 33.
  • the two ground electrodes 34, 34 are connected to a ground electrode terminal 35 (see FIG. 2) provided on the upper portion of the housing 22, and are connected to a discharging power supply 36 via this terminal 35.
  • the fine particles 26 contained in the gas enter the gas flow path 24 through the inlet 24a, and when passing through the charge generation unit 30, the charge 28 generated by the air discharge of the charge generation unit 30 is added. After being turned into charged fine particles P, they move upward along the gas flow path 24. Further, of the generated charges 28, those not added to the fine particles 26 move upward along the gas flow path 24 as the charges 28 as the excess charges.
  • the collecting unit 50 collects the charged fine particles P and is provided between the charge generating unit 30 and the outlet 24b of the gas flow path 24, as shown in FIG.
  • the collecting unit 50 has a counter electrode (electric field generating electrode) 52 and a collecting electrode 54.
  • the counter electrode 52 is provided in the left channel wall 22c and is exposed in the gas channel 24.
  • the collecting electrode 54 is provided on the right flow passage wall 22 d and is exposed to the gas flow passage 24.
  • the counter electrode 52 and the collecting electrode 54 are arranged at positions facing each other.
  • a DC voltage V1 positive potential, for example, about 2 kV
  • V1 positive potential, for example, about 2 kV
  • the collection electrode 54 is connected to the ground via a collection electrode terminal 55 (see FIG. 2) and an ammeter 62. As a result, a relatively strong electric field is generated between the counter electrode 52 of the collecting unit 50 and the collecting electrode 54 to move the charged fine particles P toward the collecting electrode 54. Therefore, the charged fine particles P flowing through the gas flow path 24 are attracted to the collection electrode 54 by this relatively strong electric field and collected.
  • the surplus charge removing unit 40 collects the surplus charge by the removing electrode 42, and is provided between the charge generating unit 30 and the collecting electrode 54, as shown in FIGS. 4 and 5.
  • the charge generation unit 30, the surplus charge removal unit 40, and the collection unit 50 are provided in this order along the gas flow path 24 from the inlet 24a of the gas flow path 24 toward the outlet 24b.
  • the removal electrode 42 is provided on the right channel wall 22d and is exposed to the gas channel 24.
  • the removal electrode 42 is connected to the ground via the removal electrode terminal 45 (see FIG. 2). It is considered that a weak electric field is generated between the removal electrode 42 and the counter electrode 52 or between the removal electrode 42 and the discharge electrode 32, which attracts the excess charges 28 not added to the particles 26 to the removal electrode 42.
  • the strength of the electric field generated by the discharge electrode 42, the distance between the removal electrode 42 and the discharge electrode 32, and the distance between the removal electrode 42 and the counter electrode 52 are determined by the collection electrode 54 without the charged fine particles P being collected by the removal electrode 42. It is set so as to be collected and the charge 28 not added to the fine particles 26 is removed by the removal electrode 42.
  • the electric mobility of the electric charge 28 is 10 times or more the electric mobility of the charged fine particles P, and the electric field required to collect the electric particles 28 can be reduced by one digit or more. Therefore, such setting can be easily performed. Become.
  • the number detection unit 60 is one of the accessory units 80, and includes an ammeter 62 and a number measurement device 64, as shown in FIG.
  • the ammeter 62 has one terminal connected to the collection electrode 54 and the other terminal connected to the ground.
  • the ammeter 62 measures a current based on the electric charge 28 of the charged fine particles P collected by the collecting electrode 54.
  • the number measuring device 64 is composed of a well-known microprocessor including a CPU and the like, and calculates the number of the particles 26 based on the current of the ammeter 62.
  • the fine particles detection element 20 When measuring the fine particles 26 contained in the exhaust gas of an automobile, the fine particles detection element 20 is attached to the exhaust pipe 12 of the engine via the protective pipe 14 as described above (see FIG. 1). As shown in FIG. 5, the exhaust gas flowing in the exhaust pipe 12 along the axial direction of the exhaust pipe 12 is diverted by the opening 14 a on the inlet side of the protective pipe 14 so as to flow vertically upward in the protective pipe 14. .. The gas whose direction is changed in this way is introduced into the gas flow path 24 from the inlet 24a. When the fine particles 26 contained in the exhaust gas enter the gas flow path 24, they become charged fine particles P with a charge 28 (here, a positive charge) generated by the discharge of the charge generation unit 30.
  • a charge 28 here, a positive charge
  • the charged fine particles P pass through the excess charge removing unit 40 as they are and reach the collecting unit 50.
  • the electric charge 28 not added to the fine particles 26 is attracted to the removal electrode 42 of the excess charge removing unit 40 and discarded to the ground.
  • the surplus charges 28 that have not been added to the particles 26 hardly reach the collection unit 50.
  • the charged fine particles P that have reached the collection unit 50 are collected by the collection electrode 54 by the collection electric field generated by the counter electrode 52.
  • a current based on the electric charge 28 of the collected charged fine particles P flows through the collecting electrode 54.
  • the current is measured by the ammeter 62, and the number measuring device 64 calculates the number of the fine particles 26 based on the current.
  • the number measuring device 64 integrates (accumulates) the current value over a predetermined period to obtain the integrated value (stored charge amount), divides the stored charge amount by the elementary charge, and obtains the total number of charges (collected charge number).
  • the number Nt of the fine particles 26 collected by the collecting electrode 54 is obtained by dividing the number of collected charges by the average value of the number of charges added to one fine particle 26 (average charge number) (see below). See equation (1)).
  • the gas flow path 24 is provided along the longitudinal direction of the housing 22. Therefore, as compared with the case where the gas flow path is provided so as to penetrate the side surfaces of the housing that face each other as in Patent Document 1, the flow path length can be increased, and the collection of the collection unit 50 can be performed. The area of the electrode 54 can be increased. Therefore, the detection accuracy of the fine particles can be improved.
  • the longitudinal direction of the housing 22 intersects with the axial direction of the exhaust pipe 12. Therefore, it becomes easy to attach the particle detection element to the exhaust pipe.
  • the inlet 24a of the gas flow path 24 is provided on the bottom surface 22a of the housing 22, and the outlet 24b is provided on the side surface (flow path wall 22d on the right side) of the housing.
  • the flow of the exhaust gas becomes L-shaped, so that the residence time of the exhaust gas in the gas flow path 24 becomes long.
  • the opening area of the outlet 24b of the gas flow path 24 is smaller than the opening area of the inlet 24a.
  • the protective pipe 14 has the oblique opening 14a (direction changing portion), the gas flowing through the exhaust pipe 12 can be easily guided to the gas flow path 24 of the particle detection element 20.
  • the protective tube 14 has an outlet-side opening 14b at a position facing the outlet 24b of the gas flow path 24 of the particle detection element 20. Therefore, it is possible to prevent the exhaust gas from continuously staying inside the protection tube 14.
  • the gas flow path 24 is divided by the partition wall 22e to be divided into two branch flow paths 241 and 242, and the excess charge removing unit 40 and the collecting unit 50 are branched. It may be provided in each of the paths 241 and 242.
  • the same components as those in the above-described embodiment are designated by the same reference numerals.
  • the outlet 241b of the branch channel 241 is provided on the left channel wall 22c of the housing 22, and the outlet 242b of the branch channel 242 is provided on the right channel wall 22d of the housing 22.
  • the removal electrode 42 and the collection electrode 54 are provided on both front and back surfaces of the partition wall 22e, and the counter electrode 52 is provided on both the left and right flow path walls 22c and 22d. Then, the current flowing through the two collection electrodes 54 is measured by the ammeter 62, and the number measuring device 64 calculates the number of the fine particles 26 based on the current. In this way, the charged fine particles P are collected by the collecting portions 50 provided in each of the branch flow paths 241,242, so that the charged fine particles P can be more easily collected.
  • an opening 14b on the outlet side of the protective tube 14 is provided at a position facing the outlets 241b and 242b on the side surface of the protective tube 14.
  • the opening 14a of the protection tube 14 is formed by cutting the lower end of the protection tube 14 obliquely with respect to the axis of the exhaust pipe 12 to form the opening 14a of the protection tube 14 as the direction changing portion.
  • the direction changing portion may be formed by bending the opening 14a side of the protection pipe 14 into an L shape along the axis of the exhaust pipe 12 as shown in FIG.
  • the opening 14a on the inlet side of the protective pipe 14 is the direction changing part that changes the flow of the exhaust gas from the axial direction of the exhaust pipe 12 to the longitudinal direction of the housing 22.
  • the inlet 24a of the gas flow path 24 of the particulate matter detection element 20 may be used as a direction changing portion.
  • FIGS. 8 and 9 the same components as those in the above-described embodiment are designated by the same reference numerals.
  • the bottom surface 22a of the housing 22 is an inclined surface (a surface cut so as to be inclined downward from the flow path wall 22c to the flow path wall 22d), and the entrance 24a is provided by providing the entrance 24a on the inclined surface. Has the function of the direction changing unit.
  • the flow path wall 22c of the fine particle detection element 20 is arranged so as to face the upstream side (front) of the exhaust gas flow.
  • the inlet 24a is provided below the flow path wall 22c of the housing 22, so that the inlet 24a has the function of the direction changing portion.
  • the flow path wall 22c of the particle detection element 20 is arranged so as to face the upstream side of the flow of the exhaust gas. 7 and 8, the inlet 24a of the gas passage 24 having the function of the direction changing portion can easily guide the gas flowing through the exhaust pipe 12 to the gas passage 24.
  • the longitudinal direction of the housing 22 is set to a direction substantially orthogonal to the axial direction of the exhaust pipe 12, but the present invention is not limited to this.
  • the longitudinal direction of the housing 22 is a direction forming an angle of 45° or more and 135° or less (preferably 60° or more and 120° or less, more preferably 75° or more and 105° or less) with the axial direction of the exhaust pipe 12. Good.
  • a guard electrode that absorbs a leakage current flowing from the counter electrode 52 through the housing 22 to the collection electrode 54 may be provided.
  • the leakage current affects the detection current that changes according to the charged fine particles P collected by the collection electrode 54, but if it is absorbed by the guard electrode, the detection current can be accurately captured, As a result, the detection accuracy of the number of fine particles can be improved.
  • a guard electrode may be provided so as to surround the collection electrode 54 and the guard electrode may be connected to the ground. In that case, a part of the guard electrode may be used as the removal electrode 42.
  • the heater may be embedded in the housing 22.
  • the collection electrode 54 is heated by a heater periodically or at a timing when the deposition amount reaches a predetermined amount, so that the deposit on the collection electrode 54 is heated and incinerated to be an electrode of the collection electrode 54. You can refresh the surface. Further, the heater can also incinerate the fine particles 26 attached to the inner surface of the gas flow path 24 of the housing 22.
  • the charge generation unit 30 is provided on the flow passage wall 22c on the left side of the housing 22, but instead of or in addition to this, the charge generation unit may be provided on the flow passage wall 22d on the right side. ..
  • the counter electrode 52 is exposed to the gas flow path 24, but it is not limited to this and may be embedded in the housing 22.
  • the particulate matter detector 10 is attached to the exhaust pipe 12 of the engine, but the particulate matter detector 10 is not particularly limited to the exhaust pipe 12 of the engine, and any pipe through which a gas containing particulates flows can be used. Such a tube may be used.
  • the surplus charge removing unit 40 is provided, but the surplus charge removing unit 40 may not be provided. Even if the excess charge removing section 40 is not provided, the excess charge is pushed back in the direction opposite to the flow of the exhaust gas by the electric field generated between the counter electrode 52 and the collection electrode 54 of the collection section 50, and the gas flow path. This is because it adheres to the wall of 24.
  • the particle detection element 20 detects the number of particles, but it may detect the mass or surface area of the particles.
  • the mass of the fine particles can be obtained, for example, by multiplying the number of the fine particles by the average mass of the fine particles, and the relationship between the accumulated charge amount and the mass of the collected fine particles is stored in a storage device as a map in advance. By using this map, the mass of fine particles can be obtained from the accumulated charge amount.
  • the surface area of the fine particles can also be determined by the same method as the mass of the fine particles.
  • the present invention is used, for example, to detect fine particles in a gas passing through an exhaust pipe.

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Abstract

微粒子検出素子（２０）は、長尺の筐体（２２）と、筐体（２２）に設けられたガス流路（２４）と、ガス流路（２４）内に導入されたガス中の微粒子（２６）に電荷（２８）を付加して帯電微粒子（Ｐ）にする電荷発生部（３０）と、帯電微粒子（Ｐ）を捕集する捕集電極（５４）及び捕集電極（５４）に向けて帯電微粒子（Ｐ）を移動させる捕集用電界を発生させる対向電極（５２）を有する捕集部（５０）と、を備える。ガス流路（２４）は、筐体（２２）の長手方向に沿って設けられている。

Description

微粒子検出素子及び微粒子検出器
　本発明は、微粒子検出素子及び微粒子検出器に関する。
　排気管を通過するガス中の微粒子を検出するために用いられる微粒子検出素子としては、例えば特許文献１に記載されたものが知られている。特許文献１の微粒子検出素子は、ガス流路を有する直方体形状の筐体と、ガス流路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部と、ガス流路内の電荷発生部の下流側で帯電微粒子を捕集する捕集部と、を備えている。ガス流路は、筐体の正対する側面同士を貫通するように設けられている。
特許第６４２０５２５号公報
　こうした微粒子検出素子では検出感度を高くするには捕集部を大きくすることが考えられるが、特許文献１のガス流路は比較的短いため捕集部を大きくすることが困難であった。
　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、微粒子の検出精度を高めることを主目的とする。
　本発明の微粒子検出素子は、
　排気管を通過するガス中の微粒子を検出するために用いられる微粒子検出素子であって、
　長尺の筐体と、
　前記筐体に設けられたガス流路と、
　前記ガス流路内に導入された前記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部と、
　前記ガス流路のうち前記電荷発生部よりも下流側に設けられ、前記帯電微粒子を捕集する捕集電極及び前記捕集電極に向けて前記帯電微粒子を移動させる捕集用電界を発生させる電界発生電極を有する捕集部と、
　を備え、
　前記ガス流路は、前記筐体の長手方向に沿って設けられている、
　ものである。
　この微粒子検出素子では、ガス流路は、筐体の長手方向に沿って設けられている。そのため、特許文献１のようにガス流路が筐体の正対する側面同士を貫通するように設けられている場合に比べて、ガス流路の流路長を長くすることができ、捕集部の捕集電極の面積を大きくすることができる。したがって、微粒子の検出精度を高めることができる。
　本発明の微粒子検出素子において、前記筐体の長手方向は、前記排気管の軸方向と交差していてもよい。こうすれば、微粒子検出素子を排気管に取り付けやすくなる。
　本発明の微粒子検出素子において、前記ガス流路の入口は前記筐体の底面に設けられ、前記ガス流路の出口は前記筐体の側面に設けられていてもよい。こうすれば、ガスの流れがＬ字状になるため、ガス流路内におけるガスの滞留時間が長くなる。
　本発明の微粒子検出素子において、前記ガス流路の出口の開口面積は前記ガス流路の入口の開口面積よりも小さくてもよい。こうすれば、ガス流路の出口でのガスの流速が上がるため、出口からガスが逆流するのを防止することができる。
　本発明の微粒子検出素子は、前記ガス流路を複数の分岐流路に仕切る仕切り部を備え、前記捕集部は、前記分岐流路ごとに設けられていてもよい。こうすれば、帯電微粒子は分岐流路ごとに設けられた捕集部で捕集されるため、より捕集されやすくなる。この場合、前記ガス流路の出口は、前記分岐流路ごとに設けられていてもよい。
　本発明の微粒子検出素子は、前記ガスの流れを前記排気管の軸方向から前記筐体の長手方向へ変換させる方向変換部を備えていてもよい。こうすれば、排気管を流れるガスを微粒子検出素子のガス流路へ容易に誘導することができる。
　本発明の微粒子検出器は、
　上述したいずれかの微粒子検出素子（方向変換部を備えていないもの）と、
　前記微粒子検出素子を取り囲むように設けられ、前記排気管を通過するガスの流れを前記排気管の軸方向から前記筐体の長手方向へ変換させる方向変換部を前記ガス流路の入口の手前に有する保護管と、
　を備えたものである。
　この微粒子検出器によれば、保護管の方向変換部によって、排気管を流れるガスを微粒子検出素子のガス流路へ容易に誘導することができる。
　本発明の微粒子検出器において、前記保護管の下端は、前記保護管の入口側開口部であり、前記入口側開口部は、前記排気管の軸方向に対して斜めの形状になっていて前記方向変換部として機能するようにしてもよい。こうすれば、保護管の入口側開口部により、排気管を流れるガスを微粒子検出素子のガス流路へ容易に誘導することができる。
　本発明の微粒子検出器において、前記保護管は、前記微粒子検出素子の前記ガス流路の出口と対向する位置に出口側開口部を有していてもよい。こうすれば、保護管の内部にガスが滞留し続けるのを防止することができる。
　本発明の微粒子検出器は、前記捕集電極に捕集された前記帯電微粒子に応じて変化する物理量に基づいて前記微粒子を検出する演算部を備えたものとしてもよい。
　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。「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。演算部は、物理量に基づいて微粒子の量を検出してもよく、その場合、微粒子の量は、例えば微粒子の数，質量，表面積の少なくともいずれかであってもよい。「微粒子の量を検出する」とは、微粒子の量を測定する場合のほか、微粒子の量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。
微粒子検出器１０の説明図。 微粒子検出素子２０の斜視図。 図２のＡ－Ａ断面図。 図２のＢ－Ｂ断面図。 図２のＣ－Ｃ断面図。 微粒子検出素子２０の別例の断面図。 保護管１４の別例の断面図。 微粒子検出素子２０の別例の断面図。 微粒子検出素子２０の別例の断面図。
　本発明の好適な実施形態について、図面を用いて説明する。図１は本実施形態の微粒子検出器１０の説明図、図２は微粒子検出素子２０の斜視図、図３は図２のＡ－Ａ断面図、図４は図２のＢ－Ｂ断面図、図５は図２のＣ－Ｃ断面図である。なお、本実施形態において、上下方向，左右方向及び前後方向は、図１及び図２に示した通りとする。図２～図４には保護管１４の入口側の開口部１４ａの断面も示した。
　微粒子検出器１０は、図１に示すように、エンジンの排気管１２を流れる排ガスに含まれる微粒子２６（図５参照）の数を検出するものである。この微粒子検出器１０は、保護管１４と、微粒子検出素子２０と、各種電源３６，５６や個数検出部６０を含む付属ユニット８０とを備えている。
　保護管１４は、排気管１２の軸に対して交差する方向（ここでは略直交する方向）に差し込まれた状態で排気管１２に固定されている。保護管１４の上半分は、排気管１２の外側に配置され、微粒子検出素子２０を保持している。微粒子検出素子２０の上部は、保護管１４の上端から露出している。保護管１４の下半分は、排気管１２の内部に配置され、微粒子検出素子２０の下部（ガス流路２４を含む）を覆っている。保護管１４の下端は、排気管１２の軸に対して斜めに切断されて入口側の開口部１４ａとなっている。この開口部１４ａは、排ガスの流れの上流側を向いており、微粒子検出素子２０のガス流路２４の入口２４ａよりも手前に配置されている。出口側の開口部１４ｂは、保護管１４の側面に設けられている。排気管１２内を排気管１２の軸方向に沿って流れる排ガスは、保護管１４の入口側の開口部１４ａによって保護管１４を鉛直上向きに流れるように方向変換される。
　微粒子検出素子２０は、図５に示すように、筐体２２に、電荷発生部３０と、捕集部５０と、余剰電荷除去部４０とを備えたものである。
　筐体２２は、図１に示すように、排気管１２の軸方向と交差する方向（ここでは略直交する方向）に長い長尺の直方体である。筐体２２は、例えばアルミナなどのセラミック製である。筐体２２の底面２２ａは保護管１４の入口側の開口部１４ａよりも上方に位置している。筐体２２は、図２及び図５に示すように、ガス流路２４を有している。ガス流路２４は、筐体２２の長手方向すなわち上下方向に沿って設けられている。ガス流路２４は、筐体２２の底面２２ａに入口２４ａを有し、筐体２２の右方の流路壁２２ｄにスリット形状の出口２４ｂを有する。ガス流路２４の流路長（上下方向の長さ）は、筐体２２の正対する側面同士の距離（例えば筐体２２の前面と後面との距離や左側面と右側面との距離）よりも長い。ガス流路２４の出口２４ｂの開口面積は、入口２４ａの開口面積よりも小さい。出口２４ｂは、図１に示すように、保護管１４の出口側の開口部１４ｂと対向する位置に設けられている。
　電荷発生部３０は、図３及び図５に示すように、ガス流路２４内の入口２４ａの近傍に電荷が発生するように、左方の流路壁２２ｃに設けられている。電荷発生部３０は、放電電極３２と２つのグランド電極３４，３４とを有している。放電電極３２は、左方の流路壁２２ｃの内面に沿って設けられ、前後方向に長い矩形の周囲に複数の微細突起を有している。２つのグランド電極３４，３４は、前後方向に長い矩形電極であり、左方の流路壁２２ｃに間隔をあけて放電電極３２と平行となるように埋設されている。電荷発生部３０では、図５に示すように、放電電極３２と２つのグランド電極３４，３４との間に放電用電源３６（付属ユニット８０の１つ）の数ｋＶのパルス電圧が印加されることで、両電極間の電位差による気中放電が発生する。このとき、筐体２２のうち放電電極３２とグランド電極３４，３４との間の部分が誘電体層の役割を果たす。この気中放電によって、放電電極３２の周囲に存在するガスがイオン化されて正の電荷２８が発生する。放電電極３２は、筐体２２の上部に設けられた放電電極端子３３（図２参照）に接続され、この端子３３を介して放電用電源３６に接続されている。また、２つのグランド電極３４，３４は、筐体２２の上部に設けられたグランド電極端子３５（図２参照）に接続され、この端子３５を介して放電用電源３６に接続されている。
　ガスに含まれる微粒子２６は、図５に示すように、入口２４ａからガス流路２４内に入り、電荷発生部３０を通過する際に電荷発生部３０の気中放電によって発生した電荷２８が付加されて帯電微粒子Ｐとなったあと、ガス流路２４に沿って上方へ移動する。また、発生した電荷２８のうち微粒子２６に付加されなかったものは、余剰電荷として電荷２８のままガス流路２４に沿って上方へ移動する。
　捕集部５０は、帯電微粒子Ｐを捕集するものであり、図５に示すように、電荷発生部３０とガス流路２４の出口２４ｂとの間に設けられている。捕集部５０は、対向電極（電界発生電極）５２と捕集電極５４とを有している。対向電極５２は、図３及び図５に示すように、左方の流路壁２２ｃに設けられ、ガス流路２４に露出している。捕集電極５４は、図４及び図５に示すように、右方の流路壁２２ｄに設けられ、ガス流路２４に露出している。対向電極５２と捕集電極５４とは、互いに向かい合う位置に配設されている。対向電極５２は、対向電極端子５３（図２参照）を介して直流電圧Ｖ１（正電位、例えば２ｋＶ程度）が捕集用電源５６によって印加される。捕集電極５４は、捕集電極端子５５（図２参照）及び電流計６２を介してグランドに接続されている。これにより、捕集部５０の対向電極５２と捕集電極５４との間には、帯電微粒子Ｐを捕集電極５４に向けて移動させる比較的強い電界が発生する。したがって、ガス流路２４を流れる帯電微粒子Ｐは、この比較的強い電界によって捕集電極５４に引き寄せられて捕集される。
　余剰電荷除去部４０は、除去電極４２で余剰電荷を捕集するものであり、図４及び図５に示すように、電荷発生部３０と捕集電極５４との間に設けられている。電荷発生部３０と余剰電荷除去部４０と捕集部５０とは、ガス流路２４の入口２４ａから出口２４ｂに向かってガス流路２４に沿ってこの順に設けられている。除去電極４２は、右方の流路壁２２ｄに設けられ、ガス流路２４に露出している。除去電極４２は、除去電極端子４５（図２参照）を介してグランドに接続されている。除去電極４２と対向電極５２との間や除去電極４２と放電電極３２との間には、微粒子２６に付加されなかった余剰の電荷２８を除去電極４２に引き寄せる弱い電界が発生すると考えられる。
　なお、余剰電荷除去部４０の除去電極４２のサイズ、放電電極３２と除去電極４２との間の電界の強さ、捕集部５０の各電極５２，５４のサイズ、両電極５２，５４の間に発生させる電界の強さ、除去電極４２と放電電極３２との距離、除去電極４２と対向電極５２との距離は、帯電微粒子Ｐが除去電極４２に捕集されることなく捕集電極５４に捕集されるように、また、微粒子２６に付加しなかった電荷２８が除去電極４２によって除去されるように、設定されている。一般に、電荷２８の電気移動度は、帯電微粒子Ｐの電気移動度の１０倍以上であり、捕集するのに必要な電界は１桁以上小さくて済むので、このような設定が容易に可能となる。
　個数検出部６０は、付属ユニット８０の１つであり、図５に示すように、電流計６２と個数測定装置６４とを備えている。電流計６２は、一方の端子が捕集電極５４に接続され、もう一方の端子がグランドに接続されている。この電流計６２は、捕集電極５４に捕集された帯電微粒子Ｐの電荷２８に基づく電流を測定する。個数測定装置６４は、周知のＣＰＵなどを備えたマイクロプロセッサからなり、電流計６２の電流に基づいて微粒子２６の個数を演算する。
　次に、微粒子検出器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２６を計測する場合、上述したようにエンジンの排気管１２に保護管１４を介して微粒子検出素子２０を取り付ける（図１参照）。図５に示すように、排気管１２内を排気管１２の軸方向に沿って流れる排ガスは、保護管１４の入口側の開口部１４ａによって保護管１４を鉛直上向きに流れるように方向変換される。このように方向変換されたガスは、入口２４ａからガス流路２４内に導入される。排ガスに含まれる微粒子２６は、ガス流路２４内に入ると、電荷発生部３０の放電によって発生した電荷２８（ここでは正電荷）を帯びて帯電微粒子Ｐになる。帯電微粒子Ｐは、余剰電荷除去部４０をそのまま通過して、捕集部５０に至る。一方、微粒子２６に付加されなかった電荷２８は、余剰電荷除去部４０の除去電極４２に引き寄せられてグランドに捨てられる。これにより、微粒子２６に付加されなかった余剰な電荷２８は捕集部５０にほとんど到達することがない。
　捕集部５０に到達した帯電微粒子Ｐは、対向電極５２によって発生した捕集用電界によって捕集電極５４に捕集される。捕集電極５４には、捕集された帯電微粒子Ｐの電荷２８に基づく電流が流れる。そして、その電流が電流計６２で測定され、その電流に基づいて個数測定装置６４が微粒子２６の個数を演算する。電流Ｉと電荷量ｑの関係は、Ｉ＝ｄｑ／（ｄｔ）、ｑ＝∫Ｉｄｔである。個数測定装置６４は、所定期間にわたって電流値を積分（累算）してその積分値（蓄積電荷量）を求め、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２６に付加する電荷の数の平均値（平均帯電数）で除算することで、捕集電極５４に捕集された微粒子２６の個数Ｎｔを求める（下記式（１）参照）。個数測定装置６４は、この個数Ｎｔを排ガス中の微粒子２６の数として検出する。
　Ｎｔ＝（蓄積電荷量）／｛（素電荷）×（平均帯電数）｝　…（１）
　以上説明した微粒子検出素子２０では、ガス流路２４は、筐体２２の長手方向に沿って設けられている。そのため、特許文献１のようにガス流路が筐体の正対する側面同士を貫通するように設けられている場合に比べて、流路長を長くすることができ、捕集部５０の捕集電極５４の面積を大きくすることができる。したがって、微粒子の検出精度を高めることができる。
　また、筐体２２の長手方向は、排気管１２の軸方向と交差している。そのため、微粒子検出素子を排気管に取り付けやすくなる。
　更に、ガス流路２４の入口２４ａは筐体２２の底面２２ａに設けられ、出口２４ｂは筐体の側面（右方の流路壁２２ｄ）に設けられている。これにより、排ガスの流れがＬ字状になるため、ガス流路２４内における排ガスの滞留時間が長くなる。
　更にまた、ガス流路２４の出口２４ｂの開口面積は、入口２４ａの開口面積よりも小さい。これにより、ガス流路２４の出口２４ｂでの排ガスの流速が上がるため、出口２４ｂから排ガスが逆流するのを防止することができる。
　そして、保護管１４は斜めの開口部１４ａ（方向変換部）を有しているため、排気管１２を流れるガスを微粒子検出素子２０のガス流路２４へ容易に誘導することができる。
　そしてまた、保護管１４は、微粒子検出素子２０のガス流路２４の出口２４ｂと対向する位置に出口側の開口部１４ｂを有している。そのため、保護管１４の内部に排ガスが滞留し続けるのを防止することができる。
　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。
　例えば、上述した実施形態において、図６に示すように、ガス流路２４を仕切り壁２２ｅで仕切って２つの分岐流路２４１，２４２に分け、余剰電荷除去部４０及び捕集部５０を分岐流路２４１，２４２のそれぞれに設けてもよい。図６では、上述した実施形態と同じ構成要素については同じ符号を付した。分岐流路２４１の出口２４１ｂは、筐体２２の左方の流路壁２２ｃに設けられ、分岐流路２４２の出口２４２ｂは、筐体２２の右方の流路壁２２ｄに設けられている。除去電極４２と捕集電極５４は、仕切り壁２２ｅの表裏両面に設けられ、対向電極５２は、左右の流路壁２２ｃ，２２ｄの両方に設けられている。そして、２つの捕集電極５４を流れる電流を電流計６２で測定し、その電流に基づいて個数測定装置６４が微粒子２６の個数を演算する。このようにすれば、帯電微粒子Ｐは分岐流路２４１，２４２のそれぞれに設けられた捕集部５０で捕集されるため、帯電微粒子Ｐをより捕集しやすくなる。なお、図示しないが、保護管１４の側面のうち各出口２４１ｂ，２４２ｂに対向する位置には保護管１４の出口側の開口部１４ｂが設けられている。
　上述した実施形態では、保護管１４の開口部１４ａを、保護管１４の下端を排気管１２の軸に対して斜めに切断することにより保護管１４の開口部１４ａを方向変換部としたが、斜めに切断するのではなく、図７に示すように保護管１４の開口部１４ａ側を排気管１２の軸に沿うようにＬ字に湾曲させることにより方向変換部を形成してもよい。
　上述した実施形態では、保護管１４の入口側の開口部１４ａを、排ガスの流れを排気管１２の軸方向から筐体２２の長手方向へ変換させる方向変換部としたが、図８又は図９に示すように、微粒子検出素子２０のガス流路２４の入口２４ａを方向変換部としてもよい。図８及び図９では、上述した実施形態と同じ構成要素については同じ符号を付した。図８では、筐体２２の底面２２ａを傾斜面（流路壁２２ｃから流路壁２２ｄへ下り傾斜になるように切断された面）とし、その傾斜面に入口２４ａを設けることにより、入口２４ａに方向変換部の機能を持たせている。この場合、微粒子検出素子２０の流路壁２２ｃが排ガスの流れの上流側（前方）を向くように配置する。図９では、筐体２２の流路壁２２ｃの下方に入口２４ａを設けることにより、入口２４ａに方向変換部の機能を持たせている。この場合も、微粒子検出素子２０の流路壁２２ｃが排ガスの流れの上流側を向くように配置する。図７及び図８のいずれにおいても、方向変換部の機能を備えたガス流路２４の入口２４ａは排気管１２を流れるガスをガス流路２４へ容易に誘導することができる。
　上述した実施形態では、筐体２２の長手方向を排気管１２の軸方向に対して略直交する方向としたが、特にこれに限定されるものではない。例えば、筐体２２の長手方向を排気管１２の軸方向に対して４５°以上１３５°以下（好ましくは６０°以上１２０°以下、より好ましくは７５°以上１０５°以下）の角度をなす方向としてもよい。
　上述した実施形態において、対向電極５２から筐体２２を経て捕集電極５４へ流れる漏れ電流を吸収するガード電極を設けてもよい。漏れ電流は、捕集電極５４に捕集された帯電微粒子Ｐに応じて変化する検出電流に影響を与えるが、ガード電極によって吸収されるようにすれば、検出電流を精度よく捉えることができ、ひいては微粒子の数の検出精度を高めることができる。例えば、捕集電極５４の周囲を囲むようにガード電極を設け、そのガード電極をグランドに接続してもよい。その場合、ガード電極の一部を除去電極４２として用いてもよい。
　上述した実施形態において、筐体２２にヒータを埋設してもよい。その場合、定期的にあるいは堆積量が所定量に達したタイミングで、捕集電極５４をヒータによって加熱することにより、捕集電極５４上の堆積物を加熱して焼却し捕集電極５４の電極面をリフレッシュすることができる。また、ヒータにより、筐体２２のガス流路２４の内面に付着した微粒子２６を焼却することもできる。
　上述した実施形態では、筐体２２の左方の流路壁２２ｃに電荷発生部３０を設けたが、それに代えて又は加えて、右方の流路壁２２ｄに電荷発生部を設けてもよい。
　上述した実施形態では、対向電極５２はガス流路２４に露出していたが、これに限らず筐体２２に埋設されていてもよい。
　上述した実施形態では、微粒子検出器１０をエンジンの排気管１２に取り付ける場合を例示したが、特にエンジンの排気管１２に限定されるものではなく、微粒子を含むガスが流通する管であればどのような管であってもよい。
　上述した実施形態では、余剰電荷除去部４０を設けたが、余剰電荷除去部４０を設けなくてもよい。余剰電荷除去部４０を設けなくても、余剰電荷は捕集部５０の対向電極５２と捕集電極５４との間に発生する電界によって排ガスの流れと反対の方向に押し返されてガス流路２４の壁に付着するからである。
　上述した実施形態では、微粒子検出素子２０は微粒子の数を検出するものとしたが、微粒子の質量や表面積などを検出するものとしてもよい。微粒子の質量は、例えば、微粒子の数に微粒子の平均質量を乗じることにより求めることができるし、予め蓄積電荷量と捕集された微粒子の質量との関係をマップとして記憶装置に記憶しておき、このマップを用いて蓄積電荷量から微粒子の質量を求めることもできる。微粒子の表面積についても、微粒子の質量と同様の方法で求めることができる。
  本出願は、２０１９年０３月０１日に出願された日本国特許出願第２０１９－０３７８０４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、例えば排気管を通過するガス中の微粒子を検出するために用いられる。
１０　微粒子検出器、１２　排気管、１４　保護管、１４ａ，１４ｂ　開口部、２０　微粒子検出素子、２２　筐体、２２ａ　底面、２２ｃ，２２ｄ　流路壁、２２ｅ　仕切り壁、２４　ガス流路、２４ａ　入口、２４ｂ　出口、２６　微粒子、２８　電荷、３０　電荷発生部、３２　放電電極、３３　放電電極端子、３４　グランド電極、３５　グランド電極端子、３６　放電用電源、４０　余剰電荷除去部、４２　除去電極、４５　除去電極端子、５０　捕集部、５２　対向電極、５３　対向電極端子、５４　捕集電極、５５　捕集電極端子、５６　捕集用電源、６０　個数検出部、６２　電流計、６４　個数測定装置、８０　付属ユニット、２４１，２４２　分岐流路、２４１ｂ，２４２ｂ　出口、Ｐ　帯電微粒子。

Claims (9)

  1. 　排気管を通過するガス中の微粒子を検出するために用いられる微粒子検出素子であって、
    　長尺の筐体と、
    　前記筐体に設けられたガス流路と、
    　前記ガス流路内に導入された前記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部と、
    　前記ガス流路のうち前記電荷発生部よりも下流側に設けられ、前記帯電微粒子を捕集する捕集電極及び前記捕集電極に向けて前記帯電微粒子を移動させる捕集用電界を発生させる電界発生電極を有する捕集部と、
    　を備え、
    　前記ガス流路は、前記筐体の長手方向に沿って設けられている、
    　微粒子検出素子。
  2. 　前記筐体の長手方向は、前記排気管の軸方向と交差している、
    　請求項１に記載の微粒子検出素子。
  3. 　前記ガス流路の入口は前記筐体の底面に設けられ、前記ガス流路の出口は前記筐体の側面に設けられている、
    　請求項１又は２に記載の微粒子検出素子。
  4. 　前記ガス流路の出口の開口面積は前記ガス流路の入口の開口面積よりも小さい、
    　請求項１～３のいずれか１項に記載の微粒子検出素子。
  5. 　請求項１～４のいずれか１項に記載の微粒子検出素子であって、
    　前記ガス流路を複数の分岐流路に仕切る仕切り部
    　を備え、
    　前記捕集部は、前記分岐流路ごとに設けられている、
    　微粒子検出素子。
  6. 　請求項１～５のいずれか１項に記載の微粒子検出素子であって、
    　前記ガスの流れを前記排気管の軸方向から前記筐体の長手方向へ変換させる方向変換部
    　を備えた微粒子検出素子。
  7. 　請求項１～５のいずれか１項に記載の微粒子検出素子と、
    　前記微粒子検出素子を取り囲むように設けられ、前記排気管を通過するガスの流れを前記排気管の軸方向から前記筐体の長手方向へ変換させる方向変換部を前記ガス流路の入口の手前に有する保護管と、
    　を備えた微粒子検出器。
  8. 　前記保護管の下端は、前記保護管の入口側開口部であり、
    　前記入口側開口部は、前記排気管の軸方向に対して斜めの形状になっていて前記方向変換部として機能する、
    　請求項７に記載の微粒子検出器。
  9. 　前記保護管は、前記微粒子検出素子の前記ガス流路の出口と対向する位置に出口側開口部を有する、
    　請求項７又は８に記載の微粒子検出器。
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