WO2020179502A1 - 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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WO2020179502A1
WO2020179502A1 PCT/JP2020/007078 JP2020007078W WO2020179502A1 WO 2020179502 A1 WO2020179502 A1 WO 2020179502A1 JP 2020007078 W JP2020007078 W JP 2020007078W WO 2020179502 A1 WO2020179502 A1 WO 2020179502A1
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WO
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fine particles
gas
flow path
gas flow
electrode
Prior art date
Application number
PCT/JP2020/007078
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English (en)
French (fr)
Inventor
英正 奥村
Original Assignee
日本碍子株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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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.
  • the fine particle detection element of Patent Document 1 includes a housing having a gas flow path, a charge generation unit that adds charge generated by discharge to fine particles in gas introduced into the gas flow path to form charged fine particles, And a collection unit that collects the charged fine particles on the downstream side of the charge generation unit in the gas flow path.
  • the gas passage is a rectangular parallelepiped space, and the width of the gas passage is the same from the inlet to the outlet.
  • Patent Document 1 the gas containing fine particles introduced into the gas flow passage passes through the gas flow passage at a relatively high flow rate. Therefore, the fine particles in the gas may pass through the charge generation section without being charged, or the charged fine particles may be discharged without being collected by the collection section. It was difficult.
  • 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 particle detection element used for detecting particles in a gas, A housing having a gas flow path through which the gas passes, 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 unit that is provided on the downstream side of the charge generation unit in the gas flow path and that collects a collection target that is any one of the charged fine particles and the charges not added to the fine particles, Equipped with
  • the gas flow path has an expansion portion in which the width of the gas flow path gradually widens from the inlet of the gas flow path to the back from the inlet of the gas flow path to the charge generation portion. , It is a thing.
  • the charge generated in the charge generation section is added to the fine particles in the gas introduced into the gas flow path to form the charged fine particles, and the collection target (charged fine particles and charges not added to the fine particles are Collect any) at the collection section.
  • the gas flow passage has an expansion portion in which the width of the gas flow passage gradually increases from the inlet of the gas flow passage to the depth from the inlet of the gas flow passage to the electric charge generating portion.
  • the gas introduced from the inlet of the gas passage into the gas passage has a reduced flow velocity when passing through the expansion portion. As a result, it is possible to prevent the situation in which the flow velocity of the gas is too high and the fine particles are not charged, or the collection target is not collected in the collection unit. Therefore, the detection accuracy of the fine particles can be improved.
  • the width of the gas flow passage may be gradually increased from the inlet of the gas flow passage toward the inner side by a stepped wall.
  • the gas introduced from the inlet of the gas flow path into the gas flow path hits the step of the stepped wall provided in the expansion part or a part of the gas stays at the step, so that the expansion The flow velocity of the gas after passing through the section can be made lower.
  • a particle detector of the present invention includes the particle detection element described above, and an arithmetic unit that detects the particles based on a physical quantity that changes according to the collection target collected in the collection unit. May be In this particle detector, the particles in the gas are detected based on the physical quantity that changes according to the collection target collected in the collection unit. Since it is used, the detection accuracy of fine particles can be improved.
  • the particle detector of the present invention is A particle detector comprising a particle detection element used for detecting particles in a gas and a protective cover covering the particle detection element, The fine particle detection element, A casing having a gas flow path through which the gas passes, 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 unit provided on the downstream side of the charge generation unit in the gas flow path and collecting a collection target which is either the charged fine particles or the electric charge not added to the fine particles. Equipped with The protective cover is provided with a gas introduction path at a position facing the inlet of the gas flow path of the fine particle detection element.
  • the gas introduction path has an enlarged portion that gradually widens from the entrance of the gas introduction path toward the back. It may be one.
  • the fine particle detection element adds an electric charge generated in a charge generation part to fine particles in a gas introduced into a gas flow path to make charged fine particles, and is added to a collection target (charged fine particles and fine particles). Any charge that was not present) is collected by the collection unit.
  • the protective cover has a gas introduction passage at a position facing the inlet of the gas passage of the particle detection element.
  • the gas introduction passage has an enlarged portion that gradually widens from the inlet of the gas introduction passage toward the inside.
  • the flow rate of the gas introduced into the gas introduction from the inlet of the gas introduction passage decreases when passing through the expansion part.
  • the gas introduced into the gas flow path of the particle detection element becomes slow. As a result, it is possible to prevent the situation in which the flow velocity of the gas is too high and the fine particles are not charged or the collection target is not collected in the collection unit. Therefore, the detection accuracy of the fine particles can be improved.
  • the width of the gas introduction passage may be gradually increased from the inlet of the gas introduction passage toward the inner side by a stepped wall.
  • the gas introduced from the inlet of the gas introduction passage into the gas introduction passage hits the step of the stepped wall provided in the extension part or a part of the gas stays at the step, so the expansion The flow velocity of the gas after passing through the section can be made lower.
  • the particle detector of the present invention may be provided with an arithmetic unit that detects the particles based on a physical quantity that changes according to the collection target collected in the collection unit of the particle detection element.
  • This particle detector detects particles in the gas based on the physical quantity that changes depending on the collection target collected in the collection unit, but employs a protective cover with an expansion section in the gas introduction path. Therefore, the detection accuracy of fine particles can be improved.
  • charge includes positive charge, negative charge, and ions.
  • the “physical quantity” may be a parameter that changes based on the number of collection targets (charge quantity), and examples thereof include 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.
  • the “collection unit” may include a collection electrode that collects the collection target, and an electric field generation electrode that generates a collection electric field that moves the collection target toward the collection electrode.
  • Explanatory drawing of the fine particle detector 10 of 1st Embodiment. 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.
  • Explanatory drawing of the fine particle detector 110 of 2nd Embodiment. The partial perspective view of the protective cover 114.
  • FIG. 9 is a sectional view taken along line DD of FIG. 8.
  • FIG. 9 is a sectional view taken along line EE of FIG. 8.
  • FIG. 1 is an explanatory view of a particle detector 10 of the first 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. 5 is a sectional view taken along the line CC of FIG. 2
  • FIG. 6 is an exploded perspective view of the fine particle detecting element 20
  • FIG. 7 is an exploded perspective view of the fourth sheet S4.
  • the vertical direction, the horizontal direction, and the front-back direction are as shown in FIGS. 1 and 2.
  • 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 particle detector 10 includes an element holding tube 14, a particle detection element 20, and an accessory unit 80 including various power sources 36 and 56 and a number detection unit 60.
  • the element holding pipe 14 is fixed to the outer surface of the exhaust pipe 12 in a posture that intersects with the axis of the exhaust pipe 12 (here, it is substantially orthogonal).
  • the element holding tube 14 holds the vicinity of the center of the fine particle detecting element 20.
  • the material of the element holding tube 14 is not particularly limited, and examples thereof include a metal material such as stainless steel.
  • the fine particle detection element 20 is provided with a charge generation unit 30, a surplus charge removal unit 40, a collection unit 50, and a heater electrode 78 in a housing 22.
  • the housing 22 is a rectangular parallelepiped that is long in a direction intersecting the axial direction of the exhaust pipe 12 (here, a direction that is substantially orthogonal).
  • the housing 22 is made of ceramic such as alumina.
  • the lower portion of the housing 22 in which the gas flow path 24 is provided is arranged inside the exhaust pipe 12.
  • the upper portion of the housing 22 provided with various terminals (terminals 33, 53, etc.) is exposed above the element holding tube 14.
  • the axial direction of the gas flow path 24 coincides with the axial direction of the exhaust pipe 12.
  • the gas flow path 24 is a space that extends from a rectangular inlet 24 a provided on the front surface of the housing 22 to a rectangular outlet 24 b provided on the rear surface of the housing 22. ..
  • the gas flow path 24 has an extension portion 24c between the inlet 24a and the front side of the charge generation portion 30.
  • the left and right widths of the gas flow path 24 are gradually widened from the inlet 24a toward the inner side (downstream side of the flow of exhaust gas).
  • the left and right widths of the gas flow path 24 are constant between the rear end of the expansion portion 24c and the outlet 24b of the gas flow path 24.
  • the housing 22 includes a pair of left and right flow path walls 22c and 22d that form a gas flow path 24.
  • the flow path walls 22c and 22d are stepped walls 25 having a plurality of steps.
  • the plurality of steps of the stepped wall 25 are provided such that the left and right widths of the gas flow path 24 are gradually increased as the depth from the inlet 24a is increased.
  • the opening area of the inlet 24a of the gas flow path 24 is almost the same as the opening area of the inlet of the conventional gas flow path (for example, Patent Document 1).
  • the charge generation unit 30 is provided on the flow path wall 22c so that charges are generated near the inlet 24a in the gas flow path 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 flow path wall 22c, and as shown in FIG. 3, has a plurality of fine protrusions around a rectangle.
  • the two ground electrodes 34, 34 are rectangular electrodes, and are embedded in the flow path wall 22c so as to be parallel to the discharge electrode 32 with a space therebetween.
  • 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 FIGS. 2 and 6) on the upper part of the housing 22, and is connected to a discharge power supply 36 via the terminal 33.
  • the two ground electrodes 34, 34 are connected to a ground electrode terminal 35 (see FIGS. 2 and 6) on the upper part 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 formed into charged fine particles P, they move backward. Further, among the generated charges 28, those not added to the fine particles 26 move backward as surplus charges with the charges 28.
  • the surplus charge removal unit 40 is provided downstream of the charge generation unit 30 and upstream of the collection unit 50, as shown in FIGS. 4 and 5.
  • the surplus charge removal portion 40 has the removal electrode 42, but does not have the application electrode (the electrode for generating an electric field on the removal electrode 42) at a position facing the removal electrode 42.
  • the removal electrode 42 is provided along the inner surface of the flow path wall 22d on the right side and is exposed in the gas flow path 24.
  • the removal electrode 42 is connected to the ground via the removal electrode terminal 45 (see FIGS. 2 and 6).
  • the collection unit 50 is provided downstream of the charge generation unit 30 and the surplus charge removal unit 40 in the gas flow path 24.
  • the collecting unit 50 collects the charged fine particles P, and has a counter electrode (electric field generating electrode) 52 and a collecting electrode 54.
  • the counter electrode 52 is provided along the inner surface of the left channel wall 22c and is exposed in the gas channel 24 (see FIGS. 3 and 5).
  • the collection electrode 54 is provided along the inner surface of the right channel wall 22d and is exposed in the gas channel 24 (see FIGS. 4 and 5).
  • the counter electrode 52 and the collection electrode 54 are arranged at positions facing each other.
  • a DC voltage V1 (a positive potential, for example, about 2 kV) is applied to the counter electrode 52 by a collection power supply 56 via a counter electrode terminal 53 (see FIGS. 2 and 6).
  • the collection electrode 54 is connected to the ground via a collection electrode terminal 55 (see FIGS. 2 and 6) and an ammeter 62.
  • 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 heater electrode 78 is a strip-shaped heating element embedded in the housing 22. Specifically, the heater electrode 78 is wired so as to return from one heater electrode terminal 79 on the upper part of the casing 22 to the other heater electrode terminal 79 on the upper part of the casing 22 after being drawn in zigzag. ing.
  • the heater electrode 78 is connected to a power supply device (not shown) via a pair of heater electrode terminals 79, 79, and generates heat when energized by the power supply device.
  • the heater electrode 78 heats each electrode such as the housing 22, the removal electrode 42, and the collection electrode 54.
  • the fine particle detection element 20 is composed of six sheets S1 to S6.
  • Each sheet S1 to S6 is made of the same material as the housing 22.
  • the sheets are referred to as a first sheet S1, a second sheet S2,... From left to right, a right side surface of each of the sheets S1 to S6 is referred to as a front surface, and a left side surface is referred to as a back surface.
  • a heater electrode 78 is provided on the surface of the first sheet S1. One end and the other end of the heater electrode 78 are arranged above the front surface of the first sheet S1, and the heater electrode terminals 79 are provided above the back surface of the first sheet S1 through the through holes of the first sheet S1. , 79, respectively.
  • Ground electrodes 34, 34 are provided on the surface of the second sheet S2.
  • the ground electrodes 34 and 34 are grouped into one wiring 34a.
  • the end of the wiring 34a is arranged above the front surface of the second sheet S2, and is provided above the back surface of the first sheet S1 through the through holes of the second sheet S2 and the first sheet S1. It is connected to the electrode terminal 35.
  • the wiring 44a of the removal electrode 42 and the wiring 54a of the collection electrode 54 are provided along the vertical direction.
  • the upper ends of the wirings 44a and 54a are respectively connected to the removal electrode terminal 45 and the collection electrode terminal 55 provided above the back surface of the first sheet S1 through the through holes of the second sheet S2 and the first sheet S1. ing.
  • the discharge electrode 32 and the counter electrode 52 are provided on the surface of the third sheet S3.
  • a space to be the gas flow path 24 is provided on the lower end side of the fourth sheet S4.
  • the fourth sheet S4 is obtained by stacking thin sheets S41 to S47 in this order as shown in the exploded perspective view of FIG.
  • the thin sheets S41 and S47 are provided with a space to be the gas flow path 24 and a columnar portion 25c forming a part of the stepped wall 25 on the lower end side.
  • the thin sheets S42 and S46 have a space to be the gas flow path 24 and a columnar portion 25b forming a part of the stepped wall 25 on the lower end side.
  • the thin sheets S43 and S45 have a space to be the gas flow path 24 and a columnar portion 25a forming a part of the stepped wall 25 on the lower end side.
  • the columnar portions 25a, 25b, and 25c have longer depths (front-rear direction) in this order.
  • the thin sheet S44 has a space serving as a gas flow path 24 on the lower end side, and does not have a columnar portion.
  • the thickness of the thin sheet S44 is the same as the lateral width of the entrance 24a.
  • the removal electrode 42 and the collection electrode 54 are provided on the back surface of the fifth sheet S5.
  • the removal electrode 42 is connected to the wiring 44a of the second sheet S2 via the through holes of the fourth sheet S4 and the third sheet S3, and is connected to the removal electrode terminal 45 via the wiring 44a.
  • the collecting electrode 54 is connected to the wiring 54a of the second sheet S2 via the through holes of the fourth sheet S4 and the third sheet S3, and is connected to the collecting electrode terminal 55 via the wiring 54a.
  • the wiring 32a of the discharge electrode 32 and the wiring 52a of the counter electrode 52 are provided on the back surface of the sixth sheet S6 along the vertical direction.
  • the lower end of the wiring 32a is connected to the discharge electrode 32 provided on the third sheet S3 through the through holes of the fourth to fifth sheets S4 to S5.
  • the lower end of the wiring 52a is connected to the counter electrode 52 provided on the third sheet S3 through the through holes of the fourth to fifth sheets S4 to S5.
  • the upper ends of the wirings 32a and 52a are connected to the discharge electrode terminal 33 and the counter electrode terminal 53 provided above the surface of the sixth sheet S6 through the through holes of the sixth sheet S6, respectively.
  • the particle detection element 20 can be manufactured using a plurality of ceramic green sheets. Specifically, for each of the plurality of ceramic green sheets, notches, through holes and grooves are provided, electrodes and wiring patterns are screen-printed as necessary, and then they are laminated and fired. The notches, the through holes, and the grooves may be filled with a material (for example, an organic material) that will be burned out during firing. Thus, the particle detection element 20 is obtained. Then, the discharge electrode terminal 33 and the counter electrode terminal 53 of the particle detection element 20 are connected to the discharge power supply 36 and the collection power supply 56 of the accessory unit, respectively. Further, the ground electrode terminal 35 and the removal electrode terminal 45 of the particle detection element 20 are connected to the ground. Further, the collection electrode terminal 55 is connected to the number measuring device 64 via the ammeter 62. Then, the heater electrode terminals 79, 79 are connected to a power supply device (not shown). By doing so, the particle detector 10 can be manufactured.
  • a material for example, an organic material
  • the fine particle detection element 20 When measuring the fine particles 26 contained in the exhaust gas of an automobile, the fine particle detection element 20 is attached to the exhaust pipe 12 of the engine via the element holding pipe 14 as described above (see FIG. 1). As shown in FIG. 5, when the exhaust gas introduced from the inlet 24a into the gas flow passage 24 passes through the expanded portion 24c in which the left and right widths of the gas flow passage 24 gradually expand from the inlet 24a toward the back, The flow velocity decreases. Further, the exhaust gas hits the step of the stepped wall 25 provided in the expansion portion 24c or stays at the step, so that the flow rate is more likely to decrease. As a result, it is possible to prevent the situation in which the flow rate of the exhaust gas is too high and the fine particles 26 are not charged or the charged fine particles P are not collected by the collection unit 50.
  • the fine particles 26 included in the exhaust gas become charged fine particles P after passing through the expansion portion 24c and carrying a charge 28 (here, a positive charge) generated by the discharge of the charge generating portion 30.
  • the charged fine particles P have a weak electric field (electric field generated between the removal electrode 42 and the voltage application electrodes (the discharge electrode 32 and the counter electrode 52) arranged around the removal electrode 42) and the length of the removal electrode 42 is long. It passes through the excess charge removing unit 40, which is shorter than that, as it is, and reaches the collecting unit 50.
  • the charges 28 not added to the particles 26 are attracted to the removal electrode 42 of the excess charge removal unit 40 even if the electric field is weak, and are discarded to the ground via the removal electrode 42. As a result, the unnecessary charges 28 that have not been added to the fine 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 charged particles P may not be newly collected by the collection electrode 54. Therefore, by heating the collection electrode 54 by the heater electrode 78 periodically or at the timing when the deposition amount reaches a predetermined amount, the deposit on the collection electrode 54 is heated and incinerated, and the collection electrode 54 is heated. Refresh the electrode surface. Further, the heater electrode 78 can incinerate the fine particles 26 adhering to the inner peripheral surface of the housing 22.
  • the flow rate of the exhaust gas introduced into the gas flow path 24 from the inlet 24a of the gas flow path 24 decreases when passing through the expansion portion 24c. As a result, it is possible to prevent the situation in which the flow velocity of the gas is too fast and the fine particles 26 are not charged or the charged fine particles P are not collected by the collecting unit 50. Therefore, the detection accuracy of the fine particles 26 can be improved.
  • the width of the gas flow passage 24 is gradually increased from the inlet 24a of the gas flow passage 24 toward the inner side by the stepped wall 25. Therefore, the exhaust gas introduced into the gas flow path 24 from the inlet 24a hits the step of the stepped wall 25 provided in the expansion section 24c or a part of the exhaust gas stays at the step, so that the expansion section 24c The flow velocity of the gas after passing through can be made lower.
  • the particles 26 in the exhaust gas are detected based on the physical quantity (current) that changes according to the charged particles P collected by the collecting electrode 54. Since the 24 is provided with the expansion portion 24c, the detection accuracy of fine particles can be improved.
  • FIG. 8 is an explanatory view of the particle detector 110 of the second embodiment
  • FIG. 9 is a partial perspective view of the protective cover 114
  • FIG. 10 is a DD sectional view of FIG. 8
  • FIG. 11 is an EE sectional view of FIG. Is.
  • the up-down direction, the left-right direction, and the front-back direction are as shown in FIG.
  • the particle detector 110 includes a protective cover 114, a particle detection element 120, and an accessory unit 180.
  • the particulate matter detection element 120 is the same as the particulate matter detection element 20 of the first embodiment except that it does not have the expanded portion 24c (that is, the width of the gas flow path 24 is constant from the inlet 24a to the outlet 24b). .. Therefore, among the fine particle detection elements 120, the same components as the fine particle detection element 20 are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.
  • the accessory unit 180 is the same as the accessory unit 80 of the first embodiment, the same components as those of the accessory unit 80 are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.
  • the protective cover 114 includes an element holding pipe 115 and a gas introduction pipe 116.
  • the element holding pipe 115 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 element holding tube 115 is arranged outside the exhaust pipe 12 and holds the particle detection element 120.
  • the lower half of the element holding pipe 115 is arranged inside the exhaust pipe 12.
  • the gas introduction pipe 116 is provided at the lower end of the element holding pipe 115 so that the inlet 116a of the gas introduction pipe 116 faces the inlet 24a of the gas flow path 24 of the fine particle detection element 120.
  • the axis of the gas introduction pipe 116 is parallel to the axis of the exhaust pipe 12.
  • the gas introduction pipe 116 has an extension portion 116c between the inlet 116a of the gas introduction pipe 116 and the front side of the fine particle detection element 120.
  • the width (diameter in this case) of the gas introduction pipe 116 gradually increases from the inlet 116a of the gas introduction pipe 116 toward the back.
  • the expansion portion 116c is provided with a stepped wall 117 having a plurality of annular steps from the inlet 116a of the gas introduction pipe 116 toward the back.
  • the stepped wall 117 gradually increases the diameter of the gas introduction pipe 116 from the inlet 116a to the back.
  • the material of the protective cover 114 is not particularly limited, but examples thereof include metal materials such as stainless steel.
  • the fine particle detecting element 120 When measuring fine particles contained in the exhaust gas of an automobile, the fine particle detecting element 120 is attached to the exhaust pipe 12 of the engine through the protective cover 114 (see FIG. 8).
  • the exhaust gas flowing in the exhaust pipe 12 passes from the inlet 116a to the outlet 116b of the gas introduction pipe 116 of the protective cover 114.
  • the exhaust gas introduced into the gas introduction pipe 116 passes through the expansion portion 116c where the diameter of the gas introduction pipe 116 gradually expands from the inlet 116a toward the back, the flow velocity decreases. Further, since the exhaust gas hits the step of the stepped wall 117 provided in the expansion portion 116c or stays at the step, the flow rate is more likely to decrease. As a result, the exhaust gas introduced into the gas flow path 24 of the fine particle detection element 120 becomes low speed.
  • the fine particles contained in the exhaust gas that has entered the gas flow path 24 of the fine particle detection element 120 are charged with a charge (here, a positive charge) generated by the discharge of the charge generation unit 30 and become charged fine particles.
  • the charged fine particles have a weak electric field (the electric field generated between the removal electrode 42 and the voltage application electrodes (the discharge electrode 32 and the counter electrode 52) arranged around the removal electrode 42), and the length of the removal electrode 42 is smaller than that of the collection electrode 54. It passes through the short excess charge removing unit 40 as it is and reaches the collecting unit 50.
  • the charges not added to the fine particles are attracted to the removal electrode 42 of the excess charge removal unit 40 even if the electric field is weak, and are discarded to the ground via the removal electrode 42.
  • the unnecessary charges that have not been added to the particles hardly reach the collection unit 50.
  • the charged fine particles 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 of the collected charged fine particles flows through the collection electrode 54.
  • the number of fine particles is calculated based on the current. Since this point is the same as that of the first embodiment, the description thereof will be omitted.
  • the exhaust gas introduced into the gas flow path 24 of the particle detection element 120 becomes slow. As a result, it is possible to prevent the situation where the flow rate of the exhaust gas is too fast and the fine particles are not charged or the charged fine particles are not collected by the collecting unit 50.
  • the diameter of the gas introduction pipe 116 is gradually increased from the inlet 116a of the gas introduction pipe 116 toward the inside by the stepped wall 117. Therefore, the exhaust gas introduced from the inlet 116a into the gas introduction pipe 116 hits the step of the stepped wall 117 provided in the expansion section 116c or a part of the exhaust gas stays at the step, so the expansion section 116c The flow velocity of the gas after passing through can be made lower.
  • the particle detector 110 detects the particles in the exhaust gas based on the physical quantity (current) that changes according to the charged particles collected by the collecting electrode 54, but is extended to the gas introduction pipe 116 as a protective cover 114. Since the one including the portion 116c is adopted, the detection accuracy of fine particles can be improved.
  • the stepped wall 25 is provided in the expansion portion 24c
  • the stepped wall 117 is provided in the expansion portion 116c.
  • the stepped wall 25 is provided in the expansion portions 24c and 116c.
  • 117 may not be adopted, but a smooth tapered surface may be adopted. Even in this case, since the exhaust gas is expanded when passing through the expansion portions 24c and 116c and the flow velocity is reduced, the flow velocity of the exhaust gas is too fast and the fine particles are not charged or the charged fine particles are not collected by the collection unit 50. It is possible to suppress the occurrence of such a situation.
  • the flow rate of exhaust gas may be adjusted by changing the step size of the stepped walls 25 and 117.
  • the number of fine particles is obtained by using the collection target as charged fine particles, but the number of fine particles may be calculated by using the collection target as an excess charge.
  • the removal electrode 42 is omitted, the voltage applied to the counter electrode 52 by the collection power supply 56 is set lower than the voltage V1, and the surplus charge is collected by the collection electrode 54.
  • the charged fine particles P may be discharged from the outlet 24b without being collected by the collecting electrode 54. In that case, first, the total number of charges 28 generated by the charge generation unit 30 is measured, and then, when the gas containing the fine particles 26 is passed through the gas flow path 24, the surplus charge is generated from the current flowing through the collection electrode 54.
  • the number of fine particles can be obtained by measuring the number and subtracting the number of surplus charges from the total number of charges 28.
  • the charges 28 are lighter than the fine particles 26 and the behavior is unstable, and the number of the fine particles 26 is these numbers. Considering that it is smaller by several orders of magnitude, it is possible to reduce the error by using the charged fine particles P as the collection target.
  • 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 depending on the charged fine particles collected by the collection electrode 54, if it is absorbed by the guard electrode, the detection current can be accurately captured, and eventually 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 excess charge removing unit 40 does not have an application electrode for generating an electric field on the removal electrode 42 or an original removal power supply for applying a voltage to the application electrode.
  • an applying electrode may be provided at a position (left side channel wall 22c) facing the removing electrode 42 in FIG. 5, and a removing power source for applying a voltage to the applying electrode may be provided. In that case, the voltage applied to the removal electrode 42 is adjusted so as to collect the excess charges 28 but not the charged fine particles P.
  • the charge generation unit 30 is provided on the left channel wall 22c of the housing 22, but instead of or in addition to this, the charge generation unit is provided on the right channel wall 22d. May be.
  • the counter electrode 52 is exposed in the gas flow path 24, but it is not limited to this and may be embedded in the housing 22.
  • the present invention is not particularly limited to the exhaust pipe 12 of the engine, and a gas containing particles flows.
  • Any tube may be used as long as it is a tube.
  • 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 gas passing through an exhaust pipe.

Abstract

微粒子検出素子（２０）は、ガス流路（２４）を有する筐体（２２）と、ガス中の微粒子（２６）に放電によって発生させた電荷（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）を捕集する捕集部（５０）とを備える。ガス流路（２４）は、入口（２４ａ）から電荷発生部（３０）までの間で入口（２４ａ）から奥に向かってガス流路（２４）の幅が徐々に広くなる拡張部（２４ｃ）を有している。

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。ガス流路は直方体形状の空間であり、ガス流路の幅は入口から出口まで同じである。
特許第６４２０５２５号公報
　しかしながら、特許文献１では、ガス流路内に導入された微粒子を含むガスは、比較的速い流速でガス流路を通過していた。そのため、ガス中の微粒子に電荷が付加されることなく微粒子が電荷発生部を通過したり、帯電微粒子が捕集部に捕集されずに排出されたりすることがあり、精度よく微粒子を検出することが難しかった。
　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、
　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、
　前記ガスが通過するガス流路を有する筐体と、
　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、前記帯電微粒子と前記微粒子に付加されなかった前記電荷とのいずれかである捕集対象を捕集する捕集部と、
　を備え、
　前記ガス流路は、前記ガス流路の入口から前記電荷発生部までの間で前記ガス流路の入口から奥に向かって前記ガス流路の幅が徐々に広くなる拡張部を有している、
　ものである。
　この微粒子検出素子では、ガス流路内に導入されたガス中の微粒子に電荷発生部で生じた電荷を付加して帯電微粒子にし、捕集対象（帯電微粒子と微粒子に付加されなかった電荷とのいずれか）を捕集部で捕集する。ガス流路は、ガス流路の入口から電荷発生部までの間でガス流路の入口から奥に向かってガス流路の幅が徐々に広くなる拡張部を有している。ガス流路の入口からガス流路内に導入されたガスは、拡張部を通過すると流速が低下する。これにより、ガスの流速が速すぎて微粒子が帯電されなかったり捕集対象が捕集部に捕集されなかったりするという事態が発生するのを抑制することができる。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、前記拡張部は、前記ガス流路の入口から奥に向かって段付き壁により前記ガス流路の幅が段階的に広くなっていてもよい。こうすれば、ガス流路の入口からガス流路内に導入されたガスは、拡張部に設けられた段付き壁の段に当たったりガスの一部が段のところで滞留したりするため、拡張部を通過したあとのガスの流速をより低くすることができる。
　本発明の微粒子検出器は、上述した微粒子検出素子と、前記捕集部に捕集された前記捕集対象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と、を備えたものとしてもよい。この微粒子検出器では、捕集部に捕集された捕集対象に応じて変化する物理量に基づいてガス中の微粒子を検出するが、微粒子検出素子としてガス流路に拡張部を備えたものを採用しているため、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器は、
　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前記微粒子検出素子を覆う保護カバーとを備えた微粒子検出器であって、
　前記微粒子検出素子は、
　前記ガスが通過するガス流路を有する筐体と、
　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、前記帯電微粒子と前記微粒子に付加されなかった前記電荷とのいずれかである捕集対象を捕集する捕集部と、
　を備え、
　前記保護カバーは、前記微粒子検出素子の前記ガス流路の入口と対向する位置にガス導入路を備え、
　前記ガス導入路は、前記ガス導入路の入口から奥に向かって徐々に広くなる拡大部を有する、
　ものとしてもよい。
　この微粒子検出器では、微粒子検出素子は、ガス流路内に導入されたガス中の微粒子に電荷発生部で生じた電荷を付加して帯電微粒子にし、捕集対象（帯電微粒子と微粒子に付加されなかった電荷とのいずれか）を捕集部で捕集する。保護カバーは、微粒子検出素子のガス流路の入口と対向する位置にガス導入路を備えている。このガス導入路は、ガス導入路の入口から奥に向かって徐々に広くなる拡大部を有している。ガス導入路の入口からガス導入内に導入されたガスは、拡張部を通過すると流速が低下する。その結果、微粒子検出素子のガス流路に導入されるガスは低速になる。これにより、ガスの流速が速すぎて微粒子が帯電されなかったり捕集対象が捕集部に捕集されなかったりするという事態が発生するのを抑制することができる。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器において、前記拡張部は、前記ガス導入路の入口から奥に向かって段付き壁により前記ガス導入路の幅が段階的に広くなっていてもよい。こうすれば、ガス導入路の入口からガス導入路内に導入されたガスは、拡張部に設けられた段付き壁の段に当たったりガスの一部が段のところで滞留したりするため、拡張部を通過したあとのガスの流速をより低くすることができる。
　本発明の微粒子検出器は、前記微粒子検出素子の前記捕集部に捕集された前記捕集対象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。この微粒子検出器では、捕集部に捕集された捕集対象に応じて変化する物理量に基づいてガス中の微粒子を検出するが、保護カバーとしてガス導入路に拡張部を備えたものを採用しているため、微粒子の検出精度を高めることができる。
　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。「物理量」とは、捕集対象の数（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。「捕集部」は、捕集対象を捕集する捕集電極と、捕集電極に向けて捕集対象を移動させる捕集用電界を発生させる電界発生電極とを有していてもよい。
第１実施形態の微粒子検出器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の分解斜視図。 第４シートＳ４の分解斜視図。 第２実施形態の微粒子検出器１１０の説明図。 保護カバー１１４の部分斜視図。 図８のＤ－Ｄ断面図。 図８のＥ－Ｅ断面図。
［第１実施形態］
　図１は第１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、図６は微粒子検出素子２０の分解斜視図、図７は第４シートＳ４の分解斜視図である。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～図２に示した通りとする。
　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、素子保持管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。
　素子保持管１４は、排気管１２の軸に対して交差（ここでは略直交）する姿勢で排気管１２の外面に固定されている。素子保持管１４は、微粒子検出素子２０の中央付近を保持している。素子保持管１４の材質としては、特に限定するものではないが、例えばステンレス鋼などの金属材料が挙げられる。
　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、余剰電荷除去部４０と、捕集部５０と、ヒータ電極７８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。ガス流路２４が設けられている筐体２２の下部は、排気管１２の内部に配置されている。各種端子（端子３３，５３等）が設けられている筐体２２の上部は、素子保持管１４の上方に露出している。
　ガス流路２４の軸方向は、排気管１２の軸方向と一致している。ガス流路２４は、図２に示すように、筐体２２の前方の面に設けられた矩形の入口２４ａから、筐体２２の後方の面に設けられた矩形の出口２４ｂまで連なる空間である。ガス流路２４は、入口２４ａから電荷発生部３０の手前までの間に拡張部２４ｃを有している。拡張部２４ｃでは、入口２４ａから奥（排ガスの流れの下流側）に向かってガス流路２４の左右の幅が徐々に広くなっている。ガス流路２４のうち拡張部２４ｃの後端から出口２４ｂまでの間では、ガス流路２４の左右の幅は一定となっている。筐体２２は、ガス流路２４を構成する左右一対の流路壁２２ｃ，２２ｄを備えている。拡張部２４ｃでは、流路壁２２ｃ，２２ｄは複数の段を備えた段付き壁２５になっている。段付き壁２５の複数の段は、入口２４ａから奥に進むにつれてガス流路２４の左右の幅が段階的に広くなるように設けられている。なお、ガス流路２４の入口２４ａの開口面積は、従来（例えば特許文献１）のガス流路の入口の開口面積と同程度である。
　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、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、流路壁２２ｃの内面に沿って設けられ、図３に示すように、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、矩形電極であり、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の上部の放電電極端子３３（図２及び図６参照）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の上部のグランド電極端子３５（図２及び図６参照）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となったあと後方に移動する。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のまま後方に移動する。
　余剰電荷除去部４０は、図４及び図５に示すように、電荷発生部３０の下流で且つ捕集部５０の上流に設けられている。余剰電荷除去部４０は、除去電極４２を有しているが、除去電極４２に対向する位置に印加電極（除去電極４２上に電界を発生させるための電極）を有していない。除去電極４２は、右側の流路壁２２ｄの内面に沿って設けられ、ガス流路２４内に露出している。除去電極４２は、除去電極端子４５（図２及び図６参照）を介してグランドに接続されている。
　捕集部５０は、図５に示すように、ガス流路２４のうち電荷発生部３０及び余剰電荷除去部４０よりも下流に設けられている。捕集部５０は、帯電微粒子Ｐを捕集するものであり、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、左側の流路壁２２ｃの内面に沿って設けられ、ガス流路２４内に露出している（図３及び図５参照）。捕集電極５４は、右側の流路壁２２ｄの内面に沿って設けられ、ガス流路２４内に露出している（図４及び図５参照）。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及び図６参照）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及び図６参照）を介して電流計６２を経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。
　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。
　ヒータ電極７８は、筐体２２に埋設された帯状の発熱体である。具体的には、ヒータ電極７８は、筐体２２の上部の一方のヒータ電極端子７９から、ジグザグに引き回されたあと、筐体２２の上部の他方のヒータ電極端子７９に戻るように配線されている。ヒータ電極７８は、一対のヒータ電極端子７９，７９を介して図示しない給電装置に接続され、その給電装置によって通電されると発熱する。ヒータ電極７８は、筐体２２や除去電極４２，捕集電極５４などの各電極を加熱する。
　ここで、微粒子検出素子２０の構成について、図６の分解斜視図を用いて更に説明する。微粒子検出素子２０は、６枚のシートＳ１～Ｓ６で構成されている。各シートＳ１～Ｓ６は、筐体２２と同じ材料で形成されている。説明の便宜上、左から右に向かって第１シートＳ１、第２シートＳ２、…と称し、各シートＳ１～Ｓ６における右側の面を表面、左側の面を裏面と称する。
　第１シートＳ１の表面には、ヒータ電極７８が設けられている。ヒータ電極７８の一端及び他端は、第１シートＳ１の表面の上方に配置されており、第１シートＳ１のスルーホールを介して第１シートＳ１の裏面の上方に設けられたヒータ電極端子７９，７９にそれぞれ接続されている。
　第２シートＳ２の表面には、グランド電極３４，３４が設けられている。グランド電極３４，３４は１本の配線３４ａにまとめられている。その配線３４ａの端部は、第２シートＳ２の表面の上方に配置されており、第２シートＳ２及び第１シートＳ１のスルーホールを介して第１シートＳ１の裏面の上方に設けられたグランド電極端子３５に接続されている。第２シートＳ２の表面には、除去電極４２の配線４４ａと捕集電極５４の配線５４ａが上下方向に沿ってそれぞれ設けられている。各配線４４ａ，５４ａの上端は、第２シートＳ２及び第１シートＳ１のスルーホールを介して第１シートＳ１の裏面の上方に設けられた除去電極端子４５及び捕集電極端子５５にそれぞれ接続されている。
　第３シートＳ３の表面には、放電電極３２及び対向電極５２が設けられている。
　第４シートＳ４の下端側には、ガス流路２４になる空間が設けられている。第４シートＳ４は、図７の分解斜視図に示すように、肉薄シートＳ４１～Ｓ４７をこの順で積層することにより得られる。肉薄シートＳ４１，Ｓ４７は、下端側にガス流路２４になる空間と段付き壁２５の一部をなす柱状部２５ｃとを備えている。肉薄シートＳ４２，Ｓ４６は、下端側にガス流路２４になる空間と段付き壁２５の一部をなす柱状部２５ｂとを備えている。肉薄シートＳ４３，Ｓ４５は、下端側にガス流路２４になる空間と段付き壁２５の一部をなす柱状部２５ａとを備えている。柱状部２５ａ，２５ｂ，２５ｃは、この順に奥行き（前後方向）の長さが長くなっている。肉薄シートＳ４４は、下端側にガス流路２４になる空間を備え、柱状部を備えていない。肉薄シートＳ４４の厚さは、入口２４ａの左右幅と同じである。
　第５シートＳ５の裏面には、除去電極４２、捕集電極５４が設けられている。除去電極４２は、第４シートＳ４及び第３シートＳ３の各スルーホールを介して第２シートＳ２の配線４４ａに接続され、この配線４４ａを介して除去電極端子４５に接続されている。捕集電極５４は、第４シートＳ４及び第３シートＳ３の各スルーホールを介して第２シートＳ２の配線５４ａに接続され、この配線５４ａを介して捕集電極端子５５に接続されている。
　第６シートＳ６の裏面には、放電電極３２の配線３２ａと対向電極５２の配線５２ａとが上下方向に沿ってそれぞれ設けられている。配線３２ａの下端は、第４～第５シートＳ４～Ｓ５の各スルーホールを介して第３シートＳ３に設けられた放電電極３２に接続されている。配線５２ａの下端は、第４～第５シートＳ４～Ｓ５の各スルーホールを介して第３シートＳ３に設けられた対向電極５２に接続されている。各配線３２ａ，５２ａの上端は、第６シートＳ６のスルーホールを介して第６シートＳ６の表面の上方に設けられた放電電極端子３３及び対向電極端子５３にそれぞれ接続されている。
　次に、微粒子検出器１０の製造例について説明する。微粒子検出素子２０は、複数枚のセラミックグリーンシートを用いて作製することができる。具体的には、複数枚のセラミックグリーンシートの各々について、必要に応じて切欠や貫通孔や溝を設けたり電極や配線パターンをスクリーン印刷したりした後、それらを積層して焼成する。なお、切欠や貫通孔や溝については、焼成時に焼失するような材料（例えば有機材料）で充填しておいてもよい。こうして、微粒子検出素子２０を得る。続いて、微粒子検出素子２０の放電電極端子３３及び対向電極端子５３をそれぞれ付属ユニットの放電用電源３６及び捕集用電源５６に接続する。また、微粒子検出素子２０のグランド電極端子３５及び除去電極端子４５をグランドに接続する。更に、捕集電極端子５５を電流計６２を介して個数測定装置６４に接続する。そして、ヒータ電極端子７９，７９を図示しない給電装置に接続する。こうすることにより、微粒子検出器１０を製造することができる。
　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に素子保持管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、入口２４ａからガス流路２４内に導入された排ガスは、ガス流路２４の左右の幅が入口２４ａから奥に向かって徐々に広がっている拡張部２４ｃを通過すると、流速が低下する。また、排ガスは、拡張部２４ｃに設けられた段付き壁２５の段に当たったり段のところで滞留したりするため、それによって流速がより低下しやすい。これにより、排ガスの流速が速すぎて微粒子２６が帯電されなかったり帯電微粒子Ｐが捕集部５０に捕集されなかったりするという事態が発生するのを抑制することができる。
　排ガスに含まれる微粒子２６は、拡張部２４ｃを通過したあと、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、電界（除去電極４２とその周囲に配置された電圧印加電極（放電電極３２や対向電極５２）との間に発生する電界）が弱く除去電極４２の長さが捕集電極５４よりも短い余剰電荷除去部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、電界が弱くても余剰電荷除去部４０の除去電極４２に引き寄せられ、除去電極４２を介し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不要な電荷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）
　微粒子検出素子２０の使用に伴い、微粒子２６等が捕集電極５４に数多く堆積すると、新たに帯電微粒子Ｐが捕集電極５４に捕集されないことがある。そのため、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をヒータ電極７８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。また、ヒータ電極７８により、筐体２２の内周面に付着した微粒子２６を焼却することもできる。
　以上詳述した微粒子検出素子２０では、ガス流路２４の入口２４ａからガス流路２４内に導入された排ガスは、拡張部２４ｃを通過すると流速が低下する。これにより、ガスの流速が速すぎて微粒子２６が帯電されなかったり帯電微粒子Ｐが捕集部５０に捕集されなかったりするという事態が発生するのを抑制することができる。したがって、微粒子２６の検出精度を高めることができる。
　また、拡張部２４ｃは、ガス流路２４の入口２４ａから奥に向かって段付き壁２５によりガス流路２４の幅が段階的に広くなっている。そのため、入口２４ａからガス流路２４内に導入された排ガスは、拡張部２４ｃに設けられた段付き壁２５の段に当たったり排ガスの一部が段のところで滞留したりするため、拡張部２４ｃを通過したあとのガスの流速をより低くすることができる。
　更に、微粒子検出器１０では、捕集電極５４に捕集された帯電微粒子Ｐに応じて変化する物理量（電流）に基づいて排ガス中の微粒子２６を検出するが、微粒子検出素子２０としてガス流路２４に拡張部２４ｃを備えたものを採用しているため、微粒子の検出精度を高めることができる。
［第２実施形態］
　図８は第２実施形態の微粒子検出器１１０の説明図、図９は保護カバー１１４の部分斜視図、図１０は図８のＤ－Ｄ断面図、図１１は図８のＥ－Ｅ断面図である。なお、第２実施形態において、上下方向，左右方向及び前後方向は、図８に示した通りとする。
　微粒子検出器１１０は、図８に示すように、保護カバー１１４と、微粒子検出素子１２０と、付属ユニット１８０とを備えている。ここで、微粒子検出素子１２０は、拡張部２４ｃを有さない（つまりガス流路２４の幅を入口２４ａから出口２４ｂまで一定とした）以外は第１実施形態の微粒子検出素子２０と同じである。そのため、微粒子検出素子１２０のうち微粒子検出素子２０と同じ構成要素については同じ符号を付し、その説明を省略する。付属ユニット１８０は、第１実施形態の付属ユニット８０と同じであるため、付属ユニット８０と同じ構成要素については同じ符号を付し、その説明を省略する。
　保護カバー１１４は、素子保持管１１５と、ガス導入管１１６とを備える。素子保持管１１５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。素子保持管１１５の上半分は、排気管１２の外側に配置され、微粒子検出素子１２０を保持している。素子保持管１１５の下半分は、排気管１２の内部に配置されている。ガス導入管１１６は、素子保持管１１５の下端に、ガス導入管１１６の入口１１６ａが微粒子検出素子１２０のガス流路２４の入口２４ａと対向するように設けられている。ガス導入管１１６の軸は、排気管１２の軸と平行になっている。ガス導入管１１６は、図９～図１１に示すように、ガス導入管１１６の入口１１６ａから微粒子検出素子１２０の手前までの間に拡張部１１６ｃを有している。拡張部１１６ｃは、ガス導入管１１６の入口１１６ａから奥に向かってガス導入管１１６の幅（ここでは径）が徐々に広くなっている。具体的には、拡張部１１６ｃには、ガス導入管１１６の入口１１６ａから奥に向かって複数の環状の段を備えた段付き壁１１７が設けられている。拡張部１１６ｃでは、この段付き壁１１７によりガス導入管１１６の径が入口１１６ａから奥に進むにつれて段階的に広くなっている。保護カバー１１４の材質としては、特に限定するものではないが、例えばステンレス鋼などの金属材料が挙げられる。
　次に、微粒子検出器１１０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１２に保護カバー１１４を介して微粒子検出素子１２０を取り付ける（図８参照）。排気管１２内を流れる排ガスは、保護カバー１１４のガス導入管１１６の入口１１６ａから出口１１６ｂまでを通過する。ガス導入管１１６内に導入された排ガスは、ガス導入管１１６の径が入口１１６ａから奥に向かって徐々に広がっている拡張部１１６ｃを通過すると、流速が低下する。また、排ガスは、拡張部１１６ｃに設けられた段付き壁１１７の段に当たったり段のところで滞留したりするため、それによって流速がより低下しやすくなる。その結果、微粒子検出素子１２０のガス流路２４に導入される排ガスは低速になる。
　微粒子検出素子１２０のガス流路２４内に入った排ガスに含まれる微粒子は、電荷発生部３０の放電によって発生した電荷（ここでは正電荷）を帯びて帯電微粒子になる。帯電微粒子は、電界（除去電極４２とその周囲に配置された電圧印加電極（放電電極３２や対向電極５２）との間に発生する電界）が弱く除去電極４２の長さが捕集電極５４よりも短い余剰電荷除去部４０をそのまま通過して、捕集部５０に至る。一方、微粒子に付加されなかった電荷は、電界が弱くても余剰電荷除去部４０の除去電極４２に引き寄せられ、除去電極４２を介してグランドに捨てられる。これにより、微粒子に付加されなかった不要な電荷は捕集部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の電荷に基づく電流が流れる。そして、その電流に基づいて微粒子の個数が演算される。この点は第１実施形態と同じであるため、説明を省略する。
　以上詳述した微粒子検出器１１０によれば、微粒子検出素子１２０のガス流路２４に導入される排ガスは低速になる。これにより、排ガスの流速が速すぎて微粒子が帯電されなかったり帯電微粒子が捕集部５０に捕集されなかったりするという事態が発生するのを抑制することができる。
　また、拡張部１１６ｃは、ガス導入管１１６の入口１１６ａから奥に向かって段付き壁１１７によりガス導入管１１６の径が段階的に広くなっている。そのため、入口１１６ａからガス導入管１１６内に導入された排ガスは、拡張部１１６ｃに設けられた段付き壁１１７の段に当たったり排ガスの一部が段のところで滞留したりするため、拡張部１１６ｃを通過したあとのガスの流速をより低くすることができる。
　更に、微粒子検出器１１０では、捕集電極５４に捕集された帯電微粒子に応じて変化する物理量（電流）に基づいて排ガス中の微粒子を検出するが、保護カバー１１４としてガス導入管１１６に拡張部１１６ｃを備えたものを採用しているため、微粒子の検出精度を高めることができる。
［その他の実施形態］
　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、上述した第１実施形態では、拡張部２４ｃに段付き壁２５を設け、第２実施形態では、拡張部１１６ｃに段付き壁１１７を設けたが、拡張部２４ｃ，１１６ｃに段付き壁２５，１１７を採用せず、滑らかなテーパ面を採用してもよい。この場合でも、排ガスは拡張部２４ｃ，１１６ｃを通過する際に拡張されて流速が低下するため、排ガスの流速が速すぎて微粒子が帯電されなかったり帯電微粒子が捕集部５０に捕集されなかったりするという事態が発生するのを抑制することができる。
　上述した第１及び第２実施形態において、段付き壁２５，１１７の段の寸法を変えることにより排ガスの流速を調節してもよい。
　上述した第１及び第２実施形態では、捕集対象を帯電微粒子として微粒子の数を求めたが、捕集対象を余剰電荷として微粒子の数を求めてもよい。例えば、上述した第１実施形態において、除去電極４２を省略し、捕集用電源５６が対向電極５２に印加する電圧を電圧Ｖ１よりも低く設定し、余剰電荷が捕集電極５４に捕集され、帯電微粒子Ｐが捕集電極５４に捕集されずに出口２４ｂから排出されるようにしてもよい。その場合、まず、電荷発生部３０で発生する電荷２８の総数を測定しておき、その後、微粒子２６を含むガスをガス流路２４に流したときに捕集電極５４に流れる電流から余剰電荷の数を測定し、電荷２８の総数から余剰電荷の数を引くことにより微粒子の数を求めることができる。但し、この場合、電荷２８の総数の測定と余剰電荷の数の測定の両方が必要になるうえ、電荷２８は微粒子２６よりも軽く挙動も不安定であり、さらに微粒子２６の数がこれらの数と比べて数桁小さいことを考慮すると、捕集対象を帯電微粒子Ｐとした方が誤差を小さくすることができる。
　上述した第１及び第２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。
　上述した第１及び第２実施形態では、余剰電荷除去部４０は除去電極４２上に電界を発生させるための印加電極やその印加電極に電圧を印加する独自の除去用電源を有さないものとして説明したが、図５において除去電極４２に対向する位置（左側の流路壁２２ｃ）に印加電極を設け、その印加電極に電圧を印加する除去用電源を設けてもよい。その場合、除去電極４２に印加する電圧は余剰の電荷２８を捕集するが帯電微粒子Ｐを捕集しないように調整する。
　上述した第１及び第２実施形態では、筐体２２の左側の流路壁２２ｃに電荷発生部３０を設けたが、それに代えて又は加えて、右側の流路壁２２ｄに電荷発生部を設けてもよい。
　上述した第１及び第２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。
　上述した第１及び第２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。
　上述した第１および第２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。
　上述した第１及び第２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３月１日に出願された日本国特許出願第２０１９－０３７８０５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　素子保持管、２０　微粒子検出素子、２２　筐体、２２ｃ　流路壁、２２ｄ　流路壁、２４　ガス流路、２４ａ　入口、２４ｂ　出口、２４ｃ　拡張部、２５　段付き壁、２５ａ～２５ｃ　柱状部、２６　微粒子、２８　電荷、３０　電荷発生部、３２　放電電極、３２ａ　配線、３３　放電電極端子、３４　グランド電極、３４ａ　配線、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、４４ａ　配線、４５　除去電極端子、５０　捕集部、５２　対向電極、５２ａ　配線、５３　対向電極端子、５４　捕集電極、５４ａ　配線、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、７８　ヒータ電極、７９　ヒータ電極端子、８０　付属ユニット、１１０　微粒子検出器、１１４　保護カバー、１１５　素子保持管、１１６　ガス導入管、１１６ａ　入口、１１６ｂ　出口、１１６ｃ　拡張部、１１７　段付き壁、１２０　微粒子検出素子、１８０　付属ユニット、Ｐ　帯電微粒子、Ｓ１～Ｓ６　第１～第６シート、Ｓ４１～Ｓ４７　肉薄シート。

Claims (4)

  1. 　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、
    　前記ガスが通過するガス流路を有する筐体と、
    　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、前記帯電微粒子と前記微粒子に付加されなかった前記電荷とのいずれかである捕集対象を捕集する捕集部と、
    　を備え、
    　前記ガス流路は、前記ガス流路の入口から前記電荷発生部までの間で前記ガス流路の入口から奥に向かって前記ガス流路の幅が徐々に広くなる拡張部を有している、
    　微粒子検出素子。
  2. 　前記拡張部は、前記ガス流路の入口から奥に向かって段付き壁により前記ガス流路の幅が段階的に広くなっている、
    　請求項１に記載の微粒子検出素子。
  3. 　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前記微粒子検出素子を覆う保護カバーとを備えた微粒子検出器であって、
    　前記微粒子検出素子は、
    　前記ガスが通過するガス流路を有する筐体と、
    　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、前記帯電微粒子と前記微粒子に付加されなかった前記電荷とのいずれかである捕集対象を捕集する捕集部と、
    　を備え、
    　前記保護カバーは、前記微粒子検出素子の前記ガス流路の入口と対向する位置にガス導入路を備え、
    　前記ガス導入路は、前記ガス導入路の入口から奥に向かって徐々に広くなる拡大部を有する、
    　微粒子検出器。
  4. 　前記拡張部は、前記ガス導入路の入口から奥に向かって段付き壁により前記ガス導入路の幅が段階的に広くなっている、
    　請求項３に記載の微粒子検出器。
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