微小粒子分級装置、及び微小粒子サンプラ
【課題】大気圧下において、従来のカスケードインパクタでは分級できなかったサブミクロンオーダーの粒径を持つ浮遊粒子を、大気圧の下で分級することを目的とする。
【解決手段】気体中の浮遊粒子を粒径により分級する微小粒子分級装置１０に、粒径が１．０μｍ以上の粒径の浮遊粒子を分級する粗大粒子分級部２０と、サブミクロンオーダーの粒径の浮遊粒子を分級する微小粒子サンプラ３０とを備える。微小粒子サンプラ３０にテーパー状の貫通孔３３を持つフィルタサポート部３１を設ける。さらに、この貫通孔３３の下端付近に、繊維状の素材で構成された微小粒子サンプリングフィルタ３２を設ける。
【解決手段】気体中の浮遊粒子を粒径により分級する微小粒子分級装置１０に、粒径が１．０μｍ以上の粒径の浮遊粒子を分級する粗大粒子分級部２０と、サブミクロンオーダーの粒径の浮遊粒子を分級する微小粒子サンプラ３０とを備える。微小粒子サンプラ３０にテーパー状の貫通孔３３を持つフィルタサポート部３１を設ける。さらに、この貫通孔３３の下端付近に、繊維状の素材で構成された微小粒子サンプリングフィルタ３２を設ける。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微小粒子分級装置、及び微小粒子サンプラに係るものであり、特に、気体中の微小粒子を捕集する微小粒子分級装置、及び微小粒子サンプラに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、気体中の微小粒子を分級するための装置として、カスケードインパクタが知られている。特許文献１には、このようなカスケードインパクタを用いた花粉分別装置が示されている。図１は、従来のカスケードインパクタの構成を単純化した断面図を示している。図１のカスケードインパクタは、複数のインパクタで構成されている。各インパクタは、複数の貫通孔を持つ円板状のインパクタノズルと、中央部に貫通孔を持つ円板状の捕集プレートと、インパクタノズルと捕集プレートとのクリアランスを確保するためのスペーサで構成されている。図中、インパクタノズル１と捕集プレート２とスペーサ３とで１つのインパクタを構成している。また、インパクタノズル１の貫通孔よりも開口径が小さく、貫通孔の開口面積の合計も小さいインパクタノズル４と捕集プレート５とスペーサ６とでもう１つのインパクタを構成している。これら２つのインパクタを、スペーサ７を介して接続したものが図１のカスケードインパクタである。
【０００３】
カスケードインパクタの捕集プレート５側から吸引ポンプによって気体が吸引されるので、インパクタノズル１の貫通孔から気体が流入する。流入した気体は矢印で示すように流れる。インパクタノズル１を通過した気体は、運動方向を変えながら、捕集プレート２の貫通孔に向かって流れる。このとき気体と共にインパクタノズル１の貫通孔を通過し、その慣性により気体の運動に追従できない浮遊粒子は、運動方向を変えることなく捕集プレート２に衝突し、捕集される。次に、捕集プレート２の貫通孔を通過した気体は、インパクタノズル４の貫通孔を通過する。インパクタノズル４の貫通孔を通過した気体は、インパクタノズル１を通過したときよりも高い流速で、捕集プレート５に向かって流れる。このとき、気体の運動に追従できない浮遊粒子が捕集プレート５に衝突し、捕集される。捕集プレート５に捕集される浮遊粒子の粒径は、気体の流速の高まりに対応して捕集プレート２に捕集されるものよりも小さくなる。カスケードインパクタは、その内部に流れる気体の流速を、インパクタノズルの貫通孔の数や径によって調整する。そして複数のインパクタを接続し、順次気体の流速を高めることで、段階的に粒径の小さな浮遊粒子を捕集し、分級するようにしている。
【特許文献１】特開２００１−１８３２８４号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
カスケードインパクタは、その内部の気圧を下げることで生じる外部との圧力差によって外部の気体を吸引し、その内部に気体の流れを発生させる構造となっている。微小粒径の粒子を分級するために、気体の流速を高めれば、インパクタノズルの貫通孔の径を小さくする必要がある。例えば０．５μｍ以上の粒径の粒子をカットオフするためには０．７ｍｍφ、０．３μｍ以上の粒径の粒子をカットオフするためには０．５ｍｍφの正確な径の貫通孔を多数設ける必要があり、ノズルの加工が難しくなる。このことから、従来のカスケードインパクタでは、大気圧下において、一般的には０．３μｍ以下の粒径を持つ微小粒子の分級が難しい、という問題点があった。
【０００５】
また清浄空気を得るため、全ての粒径範囲の粒子を高効率で捕集する粒子除去集装置としてエアフィルタが用いられてきた。しかし、エアフィルタは、サイクロン、インパクタとは異なり、様々な捕集機構（慣性、さえぎり、重力、静電気力、拡散など）によって粒子を捕集するため、ろ過速度が一定の場合では最も捕集されにくい粒子の大きさ（最大透過粒子径）が存在し、一定の大きさの粒子ではその粒子がもっともフィルタを透過するろ過速度が存在する。このため、これまでは、最も捕集されにくい最大透過粒子径の捕集効率を如何に高くするかがフィルタ開発の焦点であった。
【０００６】
更に最近、大気中の超微粒子、特に０．１μｍ以下の粒子の生体への影響が懸念されている。大気に浮遊する微粒子の生体への影響を評価するためには、粒径毎の粒子濃度だけでなく、粒径とその粒子を構成する化学物質の組成との関係を認識することが不可欠である。０．１μｍ以下の粒子を捕集し組成を測定する装置として、減圧インパクタ、ＤＭＡがある。減圧インパクタはインパクタノズルへの入口側をあらかじめ減圧させる必要があり、粒子組成の変化が生じる恐れがある。またＤＭＡでは化学分析に必要な粒子量を捕集するのに長時間のサンプリングが必要であり、荷電、希釈による粒子性状の変化も問題である。したがって、０．１μｍ以下の粒子を分級し、短時間で化学分析に必要な粒子量を捕集できる装置が要求されている。
【０００７】
本発明は、大気圧下でもサブミクロンオーダーの粒径を持つ微小粒子を分級でき、短時間で化学分析に必要な粒子量を捕集できる微小粒子サンプラ、及び微小粒子分級装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の微小粒子サンプラは、気体中の浮遊粒子を捕集する微小粒子サンプラであって、気体が通過する貫通孔を持つフィルタサポート部と、繊維状の部材で構成され、前記フィルタサポート部の貫通孔の端部付近で前記貫通孔と気密に接して、前記貫通孔を塞ぐように配置される微小粒子サンプリングフィルタと、を具備するものである。
【０００９】
尚、前記微小粒子サンプリングフィルタは、ステンレス繊維で構成されてもよい。
【００１０】
尚、前記微小粒子サンプリングフィルタの繊維径は、１μｍ以上であってもよい。
【００１１】
本発明の微小粒子サンプラは、気体中の浮遊粒子を捕集する微小粒子サンプラであって、気体が通過する貫通孔を持つフィルタサポート部と、通気性の多孔質の部材で構成され、前記フィルタサポート部の貫通孔の端部付近で前記貫通孔と気密に接して、前記貫通孔を塞ぐように配置される微小粒子サンプリングフィルタと、を具備するものである。
【００１２】
尚、前記フィルタサポート部の貫通孔は、少なくとも前記微小粒子サンプリングフィルタが設けられる部分がテーパー状であってもよい。
【００１３】
本発明の微小粒子分級装置は、気体中の浮遊粒子を粒径により分級する微小粒子分級装置であって、浮遊粒子を分級する粗大粒子分級部と、前記粗大粒子分級部に接続された微小粒子サンプラと、を具備し、前記微小粒子サンプラは、前記粗大粒子分級部を通過した気体が通過する貫通孔を持つフィルタサポート部と、繊維状の部材で構成され、前記フィルタサポート部の貫通孔の端部付近で前記貫通孔と気密に接して、前記貫通孔を塞ぐように配置される微小粒子サンプリングフィルタと、を有するものである。
【００１４】
本発明の微小粒子分級装置は、気体中の浮遊粒子を粒径により分級する微小粒子分級装置であって、浮遊粒子を分級する粗大粒子分級部と、前記粗大粒子分級部に接続された微小粒子サンプラと、を具備し、前記微小粒子サンプラは、前記粗大粒子分級部を通過した気体が通過する貫通孔を持つフィルタサポート部と、通気性の多孔質の部材で構成され、前記フィルタサポート部の貫通孔の端部付近で前記貫通孔と気密に接して、前記貫通孔を塞ぐように配置される微小粒子サンプリングフィルタと、を有するものである。
【００１５】
尚、前記フィルタサポート部の貫通孔は、少なくとも前記微小粒子サンプリングフィルタが設けられるテーパー状であってもよい。
【００１６】
尚、前記粗大粒子分級部は、カスケードインパクタを有するようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１７】
このような特徴を有する本発明の微小粒子サンプラによれば、大気圧下においても、サブミクロンオーダー以下の粒径を持つ微小粒子を効率よく補集することができる。又この微小粒子サンプラを分級装置に用いることによって、サブミクロンオーダーの微小粒子を効率よく分級することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
（実施の形態１）
本発明の微小粒子サンプラを用いた微小粒子分級装置の実施の形態１について、図２〜図７を用いて以下に説明する。
【００１９】
図２は、本実施の形態の微小粒子分級装置１０の構成を示す断面図である。微小粒子分級装置１０の外観はほぼ円柱状であり、円柱又は円筒状に加工された複数の部材で構成されている。
【００２０】
微小粒子分級装置１０は、気体中に存在する浮遊粒子（Particulate matter）をその粒径によって区分して分級する。粒径の区分は例えば、１０μｍ以上、２．５μｍ〜１０μｍ、０．１μｍ〜２．５μｍ、０．１μｍ以下の４区分とする。ここで、粒径が１０μｍ以下の全ての浮遊粒子をＰＭ１０、粒径が２．５μｍ以下の全ての浮遊粒子をＰＭ2.5、粒径が０．１μｍ以下の全浮遊粒子をＰＭ0.1と表す。
【００２１】
図２において、微小粒子分級装置１０は、１０μｍ以上、２．５μｍ〜１０μｍの粒子を分級する粗大粒子分級部２０と、微小粒子サンプラであって０．１μｍ〜２．５μｍを分級する微小粒子分級部３０と、０．１μｍ以下の粒径の浮遊粒子を捕集する超微小粒子補集部４０と、フィルタ排気部５０とを備える。上記の各分級部及びフィルタ排気部５０の外径はほぼ同じである。フィルタ排気部５０の下部には、気体吸引のための吸引ポンプが取り付けられている。
【００２２】
粗大粒子分級部２０は従来のカスケードインパクタと同様の構成であり、ＰＭ１０用インパクタとＰＭ2.5用インパクタを備える。ＰＭ１０用インパクタは、インパクタノズル２１、捕集プレート２２、スペーサ２３を有する。ＰＭ2.5用インパクタは、インパクタノズル２４、捕集プレート２５、スペーサ２６を有する。これらのＰＭ１０用インパクタとＰＭ2.5用インパクタはスペーサ２７を介して接続されている。
【００２３】
図３に示すように、インパクタノズル２１は円板状の部材であり、その面に複数の円形の貫通孔を環状に配置している。ここでは一例として、インパクタノズル２１の直径を６４．９ｍｍ、厚みを５ｍｍ、貫通孔の数を１８とし、貫通孔の直径を５ｍｍとする。各貫通孔の中心軸はインパクタノズル２１の中心軸に平行であり、各貫通孔はインパクタノズル２１の半径の中央付近にある。
【００２４】
図４に示すように、捕集プレート２２は円板状の部材であり、その中央部に円形の貫通孔を１つ備えている。ここでは一例として、捕集プレート２２の直径を６４．９ｍｍ、厚みを１ｍｍとし、その貫通孔の内径を３０ｍｍとする。貫通孔の中心軸は捕集プレート２２の中心軸と一致している。
【００２５】
図５に示すように、インパクタノズル２３は円板状の部材であり、その面に複数の円形の貫通孔を環状に配置している。ここでは一例として、インパクタノズル２３の直径を６４．９ｍｍ、厚みを２ｍｍ、貫通孔の数を３６、貫通孔の直径を１．６ｍｍとする。各貫通孔の中心軸はインパクタノズル２３の中心軸に平行であり、各貫通孔はインパクタノズル２３の半径の中央付近にある。
【００２６】
捕集プレート２５は、円柱状の部材であり、その中央部に円形の貫通孔を１つ備えている。その構成は、捕集プレート２２と同様である。
【００２７】
図６に示すスペーサ２３，２６は円筒形の部材であり、各インパクタノズルと捕集プレートとのクリアランスを確保して、気体の流路を確保するためのものである。各インパクタノズル、捕集プレート、及びスペーサは、図２に示す順序で配置されており、各々の接続部分は、気密が保たれている。
【００２８】
図７に示すように、微小粒子分級部３０は微小粒子サンプラであり、フィルタサポート部３１と、０．１μｍ〜２．５μｍの微粒子を分級するフィルタ３２とを備えている。フィルタサポート部３１は、上記各インパクタノズル、捕集プレート、及びスペーサよりも厚みの大きい円柱形の外観を持ち、中央部に貫通孔３３を備えている。この貫通孔３３の中心軸とフィルタサポート部３１の中心軸はほぼ一致している。貫通孔３３の開口径は、上部が捕集プレート２５の開口径と同じ３０ｍｍであり、貫通孔３３の上部側面の傾斜は、気体とともに流入した浮遊粒子がその側面に衝突しないようになめらかな曲線状の傾斜となっており、下部では開口径は一定で１０ｍｍとなっている。尚、フィルタサポート部３１は、貫通孔３３の上部で捕集プレート２５に気密を保って接続されている。
【００２９】
微小粒子サンプリングフィルタであるフィルタ３２は、通気性があり非圧縮性の繊維フィルタで構成されている。本実施の形態では、フィルタ３２は、例えば繊維径８μｍのステンレス繊維が緻密に絡まり充填率が低くフェルト状となった、厚さ約４ｍｍの非圧縮性の繊維フィルタとする。このフィルタ３２は、貫通孔３３の下端付近に、貫通孔３３を隙間なく塞ぐように配置され、貫通孔３３と接する面では気密を保っている。フィルタ３２は非圧縮性であるので、高速の気体が通過してもほとんど体積変化がない。
【００３０】
超微粒子補集部４０は、円筒状のバックアップフィルタ導入部４１と、０．１μｍ以下の粒径の浮遊粒子を捕集するバックアップフィルタ４２と、バックアップフィルタ４２を支持するサポート多孔板４３とを備える。バックアップフィルタ導入部４１は、フィルタサポート部３１と気密を保って接続し、その内部はフィルタサポート部３１の貫通孔３３の下端の開口より大きな開口径をもつ空洞となっている。
【００３１】
フィルタ排気部５０は円柱状であり、その中央部に貫通孔を有する。フィルタ排気部５０は、貫通孔をバックアップフィルタ導入部４１に向けて、サポート多孔板４３と気密を保って接続している。
【００３２】
以下に、本実施の形態の微小粒子分級装置１０における、浮遊粒子の分級の様子を、図２を用いて説明する。
【００３３】
［ＰＭ１０の分級］
微小粒子分級装置１０は、浮遊粒子を含む気体を、その内部に最大で数十ｍ／秒の速度で通すことで、気体中の浮遊粒子を分級する。微小粒子分級装置１０内に気体を流入させて気流を発生させるために、フィルタ排気部５０の側から気体を吸引する。この吸引は吸引ポンプなどを用いて行なうが、その吸引速度は、例えば４０リットル／分である。
【００３４】
フィルタ排気部５０の気体出口から気体を吸引すると、微小粒子分級装置１０内の気圧が大気圧より低くなるため、微小粒子分級装置１０内に気体が流入する。流入する気体はまずインパクタノズル２１の貫通孔を通過する。通過するときの気体の流速は、例えば１．８８６ｍ／秒に達する。
【００３５】
インパクタノズル２１を通過した気体は、スペーサ２３によるクリアランスを経て、捕集プレート２２の貫通孔へ向かって流れる。捕集プレート２２の貫通孔は、インパクタノズル２１の貫通孔の延長上にはないので、インパクタノズル２１を通過した気体の流路は、図２に矢印で示すように曲線を描く。このとき、慣性が大きくこの曲線状の気体の運動に追従できない１０μｍ以上の微粒子が、その慣性によって気体の流路を外れ、捕集プレート２２に衝突し捕集される。こうしてＰＭ１０を分級することができる。
【００３６】
［ＰＭ2.5の分級］
捕集プレート２２を通過したＰＭ１０を含む気体は、スペーサ２７によるクリアランスを経て、インパクタノズル２４の貫通孔へ向かって流れる。インパクタノズル２４の貫通孔は、インパクタノズル２１の貫通孔よりもその直径が小さくなり、開口面積の合計も小さくなっている。したがって、インパクタノズル２４の貫通孔を通過した気体の流速は、インパクタノズル２１を通過したときよりも大きくなる。このときの気体の流速は、例えば９．２１１ｍ／秒に達する。
【００３７】
インパクタノズル２４を通過して加速した気体は、捕集プレート２５の貫通孔に向かってその流路を曲げながら流れていく。このとき、気体の運動に追従できない２．５μｍ以上の微粒子が、捕集プレート２５に衝突して捕集される。
【００３８】
［ＰＭ0.1の分級］
捕集プレート２５の貫通孔を通過した気体は、フィルタサポート部３１の貫通孔３３に流入する。流入した気体は、開口径が小さくなっていく方向に流れるので、徐々に加速した後、一定速度でフィルタ３２を通過する。この通過の際に、フィルタ３２が気体中の０．１μｍ以上の微粒子を捕集する。
【００３９】
フィルタ３２のような繊維を層状にした繊維フィルタを用いて浮遊粒子を捕集するときの、気体の流速、及び繊維径の選択に用いることができるストークス数Ｓｔｋとペクレ数Ｐｅについて以下に説明する。ストークス数Ｓｔｋは、繊維フィルタ内での、気体の流れに対する浮遊粒子の追従性を表す無次元の値であって、次の式で示される。
Ｓｔｋ＝Ｃｃ・ρｐ・ｄｐ２・ｕ／（９μ・ｄｆ） ・・・（１）
Ｃｃはカニンガムの補正係数、ρｐは粒子密度、ｄｐは粒子径、ｕは流速、μは粘性係数、ｄｆは繊維フィルタの繊維径である。上の式から、ストークス数は、ｄｐ（粒子径）の２乗に比例し、またｄｆ（繊維径）に反比例することがわかる。
【００４０】
また、ストークス数はｕ（流速）にも影響を受ける値であり、流速に比例してストークス数も大きくなる。つまり、気体の流速が高まるにつれて、粒子径の大きな浮遊粒子から順に気体の運動に追従できなくなり、気体の流路から外れてフィルタの繊維と衝突するようになる。このように、ストークス数を参考にしながら気体の流速を制御することと、繊維径を選択することとで、捕集したい浮遊粒子の粒径を選択することができる。貫通孔３３に流入する気体は、粒径２．５μｍ以上の微粒子はあまり含んでいない。次に、気体が０．１μｍ以上の微粒子を捕集するのに最も適した速度となるように貫通孔３３の径を選択する。
【００４１】
本実施の形態のフィルタ３２は、例えばその繊維径を８μｍ程度としているので、先に説明したストークス数の式（１）において、繊維フィルタの繊維径を表すｄｆは非常に小さい値となる。これにより、ストークス数を大きく採ることができるが、捕集の標的となる０．１μｍ以上の微粒子に対してストークス数が十分に大きければ、インパクタを用いる場合ほど気体の流速を上昇させなくても、ＰＭ0.1を分級することができる。しかし、繊維層であるフィルタ３２は、浮遊粒子の慣性のみならず、さえぎり、重力、静電気力、拡散などの捕集機構によって、浮遊粒子を捕集する。
【００４２】
ここで、気流によって浮遊粒子が運ばれる効果と、拡散によって浮遊粒子が運ばれる効果の比を表すペクレ数Ｐｅがある。このペクレ数は次の式で求めることができる。
Ｐｅ＝ｕ・ｄｆ／Ｄｂ ・・・（２）
【００４３】
ｕは流速、ｄｆは繊維フィルタの繊維径、Ｄｂは拡散係数である。ここで、拡散の影響を少なくするため、ペクレ数Ｐｅを大きくする必要がある。微粒子の粒径が小さいほど拡散係数Ｄｂは大きくなり、繊維径ｄｆは小さい値が選択されているので、流速ｕを高めることが粒径の選択性を高めるのに必要であることがわかる。
【００４４】
つまり、フィルタ３２では、ストークス数とペクレ数とを大きくすることによって、ＰＭ0.1を分級するのに最も適した繊維径ｄｆと、流速ｕとを最適化するようにしている。フィルタ３２は、慣性を大きくし、拡散による効果を抑制して、ＰＭ0.1を分級するのに必要な流速を大気圧下で得ることができる。
【００４５】
［ＰＭ0.1の捕集］
フィルタ３２を通過した粒径０．１μｍ以下の浮遊粒子を含む気体は、バックアップフィルタ導入部４１で膨張し、その流速を低下させてバックアップフィルタ４２を通過する。バックアップフィルタ４２は、気体中に残存する全ての微粒子、即ち主として粒径０．１μｍ以下の浮遊粒子を捕集する。バックアップフィルタ４２を通過した気体は、フィルタ排気部５０を通って微小粒子分級装置１０の外に流出する。
【００４６】
上記のように、従来のカスケードインパクタに、本発明の微小粒子サンプラを付加することで、従来のカスケードインパクタでは分級が困難であった０．１μｍ以上の微粒子を、大気圧下で分級することができる。
【００４７】
次に、微小粒子分級装置１０の微小粒子分級部３０を用いて微粒子を捕集したときの捕集効率を、気体の流速ごとに図８に示す。図には、４つの流速ｕについての捕集効率を示しており、Ａは２７ｍ／秒、Ｂは４０ｍ／秒、Ｃは５３ｍ／秒、Ｄは６５ｍ／秒のときのものである。この図は、フィルタ３２に流入する気体の速度を変えることで、５０％カットオフ径（捕集効率が０．５となる粒径）を変化させることができることを示している。例えば流速ｕが６５ｍ／秒では５０％カットオフ径が０．０９μｍ、４０ｍ／秒では５０％カットオフ径は０．１９３μｍとなる。そしてこの図に示されるように、各曲線Ａ〜Ｄにおいて補集効率が零まで下がっており、これはフィルタとしての透過率はこの粒径では１００％に達していることを示している。この点は透過率を下げようとしていた従来のフィルタとは大きく異なる。
【００４８】
また図９は、フィルタ３２にタバコの副流煙を付着させて、毎秒６５ｍの流速で浮遊粒子を捕集したときの捕集効率を、単位面積当たりに付着している副流煙の量ごとに示している。図のＥは０ｇ／ｍ２、Ｆは６０ｇ／ｍ２、Ｇは３００ｇ／ｍ２の量の副流煙が付着しているときのグラフである。いずれも補集効率０．５となるのは、ほぼ０．１μｍで一致している。つまりこの結果は、フィルタ３２の５０％カットオフ径が、既に捕集した浮遊粒子の量に影響を受けにくいことを示している。
【００４９】
次に、フィルタ３２の圧力損失と、気体がフィルタ３２を通過する速度との関係を、図１０に示す。ここでは、通過速度が５３ｍ／秒のときの圧力損失は１０ｋＰａ（７５ｍｍＨｇ）程度の小さな値であることを示しており、大気圧と比較しても小さな値といえる。フィルタ３２の通気性がよいため、その圧力損失は小さな値になる。このように圧力損失の小さな通気性のよいフィルタを用いることにより、大気変化で通常のポンプを用いて微小粒子を分級することができる。
【００５０】
フィルタ３２のステンレス繊維径は８μｍに限らず、要求される分級性能等によって変更することができる。捕集する浮遊粒子の粒径を変えるためには、より小さな繊維径を用いてもよいし、気体の流速との組み合わせによっては、より大きな繊維径を用いることもできる。図１１Ａは流速を５３．１ｍ／ｓとし、ステンレス繊維径が夫々４μｍ、８μｍ、１２μｍのフィルタを用いたとき、夫々曲線Ａ，Ｂ，Ｃとして補集効率を示したものである。この図より示されるように、繊維径を小さくすることで５０％カットオフ径を小さくすることができる。又図１１Ｂでは流速を５３．１ｍ／ｓとし、フィルタ３２のステンレス繊維径ｄｆと厚みＬを変えることで、フィルタの補集効果が０〜１００％となることを示している。曲線Ａはｄｆ＝４μｍ，Ｌ＝７ｍｍ、曲線Ｂはｄｆ＝８μｍ，Ｌ＝１３ｍｍ、曲線Ｃはｄｆ＝１２μｍ，Ｌ＝２４ｍｍの場合である。尚、横軸はストークス数の１／２乗であるが、これは式（１）から示されるように、粒子径と比例している。ここで曲線Ａ，Ｂ，Ｃは夫々効果が５０％となる粒子径が３３ｎｍ，３４ｎｍ，４５ｎｍとなる。これらはいずれの場合もフィルタとして使用することができる。尚、繊維径は１μｍ未満では製造が困難となるので、１μｍ以上の繊維径を用いることが好ましい。フィルタ３２の厚さも４ｍｍに限らず、要求される分級性能等によって、例えば４〜４０ｍｍの厚みを持つものに変更することができる。
【００５１】
（実施の形態２）
つぎに、本発明の微小粒子分級装置の実施の形態２について説明する。図１２は、本発明の実施の形態２の微小粒子分級部７０を示している。図１３は、微小粒子分級部７０を用いた微小粒子分級装置８０を示している。図１３において、微小粒子サンプラである微小粒子分級部７０以外の構成は、実施の形態１の微小粒子分級装置１０と同様である。微小粒子分級部７０は、フィルタサポート部７１、ＰＭ0.1を分級するフィルタ７２、貫通孔７３を備えている。
【００５２】
フィルタサポート部７１は、各インパクタノズル、捕集プレート、及びスペーサよりも厚みの大きい円柱形の外観を持ち、中央部に貫通孔７３を備えている。さらにフィルタサポート部７１の外径は、粗大粒子分級部２０、超微粒子補集部４０と同じである。貫通孔７３の開口径は、上部が最大で捕集プレート２５の開口径と同じく３０ｍｍであり、下端は約１０ｍｍで、テーパー状となっている。
【００５３】
フィルタ７２は、貫通孔７３の下端付近に貫通孔７３を隙間なく塞ぐように配置され、貫通孔７３と接する面では気密を保っている。このフィルタ７２の材質はフィルタ３２と同様であり、厚さ４ｍｍのステンレス繊維である。このように構成することで、フィルタ７２もテーパー状となる。このような微小粒子分級部７０を用いても、実施の形態１と同様の過程を経てＰＭ0.1を分級することができる。
【００５４】
ここで、微小粒子分級部７０において貫通孔７３の円筒部分の下端の開口径は１０ｍｍであるので、貫通孔３３の気体出口は、微小粒子分級部３０の貫通孔３３の気体出口と同じ開口径になる。従って貫通孔３３及び７３において、開口径１０ｍｍの部分を通過する気体の流速が同じとなる。しかし、貫通孔７３はテーパー状であるため、気体は加速しながらフィルタ７２を通過する。よって、フィルタ３２とフィルタ７２が同じ材質のものから構成されているので、微小粒子分級部７０の方が、微小粒子分級部３０よりも圧力損失を小さくすることができる。
【００５５】
上記の各実施の形態において、微小粒子分級装置１０及び微小粒子分級装置８０を通過した気体に含まれていた浮遊粒子は、その粒径によって、１０μｍ以上と、２．５μｍ〜１０μｍと、０．１μｍ〜２．５μｍと、０．１μｍ以下の４区分に分級される。しかし、本発明の微小粒子分級装置の分級は、上記の区分にかかわらず、任意の区分による分級であってもよい。インパクタノズルや捕集プレートの貫通孔の開口面積の変更、吸引ポンプの吸引速度の変更、微小粒子分級装置１０及び微小粒子分級装置８０内を流れる気体の流速の変更、及びフィルタ３２及びフィルタ７２の繊維径及び厚みの変更などによって、浮遊粒子の分級の区分を変更することができる。例えば、フィルタ３３及びフィルタ７３の繊維径を変えたり、フィルタを通過する気体の流速を変えたりすることで、微小粒子分級部３０及び７０が分級する浮遊粒子の粒径の下限は０．１μｍに限らず、例えば０．０３μｍ〜１．０μｍの範囲であってもよい。
【００５６】
上記の各実施の形態では、各インパクタノズル及び捕集プレートの直径、厚み、貫通孔の数及び直径などについて具体的な数値を挙げて説明した。しかし、これらとは違う数値によるインパクタノズル及び捕集プレートの設計でも、同様の分級を行なうことができる。
【００５７】
また、フィルタ３２及びフィルタ７２はフェルト状のステンレス繊維であるとしたが、繊維径が均一で充填率が低く、非圧縮性の繊維フィルタであればステンレス繊維以外のものでもよい。例えばステンレス繊維をメッシュ状に織った金属布を層状に重ねてステンレスファイバーマットを構成してもよい。また、ステンレス以外の金属又は高分子繊維等を用いてファイバーマットを構成し、フィルタ３２及びフィルタ７２の代わりに用いてもよい。さらにフィルタ３２及びフィルタ７２は、必ずしも繊維フィルタで構成されている必要はなく、多孔質体フィルタ、例えばセラミックで構成されたフィルタであってもよい。この場合、多孔質フィルタは孔径が均一で非圧縮性のものが好ましい。
【００５８】
上記の各実施の形態において、インパクタノズル２１、２３の貫通孔の位置は、必ずしも図面で示したとおりでなくてよい。捕集プレートの貫通孔が、インパクタノズルの貫通孔の延長上に存在しないようになっていれば、それら貫通孔を任意の場所に設けてもよい。
【００５９】
又上述した各実施の形態では微小粒子分級部をカスケードインパクタに付加したものとしているが、微小粒子分級部を独立して用いてもよく、微小粒子分級部を縦続接続し、夫々の分級する微粒子の粒径を変化させるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】従来のカスケードインパクタの構成を単純化して示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態１の微小粒子分級装置１０の構成を示す断面図である。
【図３】本発明の実施の形態１のインパクタノズル２１を示す構成図である。
【図４】本発明の実施の形態１の捕集プレート２２を示す構成図である。
【図５】本発明の実施の形態１のインパクタノズル２３を示す構成図である。
【図６】本発明の実施の形態１のスペーサ２３を示す構成図である。
【図７】本発明の実施の形態１の微小粒子分級部３０を示す構成図である。
【図８】本発明の実施の形態１のフィルタ３２を用いてＰＭ0.1を分級した結果を、気体の流速ごとに示すグラフである。
【図９】本発明の実施の形態１のフィルタ３２に、毎秒６５ｍの流速でタバコの副流煙を捕集したときの捕集結果を示すグラフである。
【図１０】本発明の実施の形態１のフィルタ３２の圧力損失を示すグラフである。
【図１１Ａ】本発明の実施の形態１においてフィルタ３２の繊維径を変化させたときの補集効率を示すグラフである。
【図１１Ｂ】本発明の実施の形態１においてフィルタ３２の繊維径と厚みを変化させたときの補集効率を示すグラフである。
【図１２】本発明の実施の形態２の微小粒子分級部７０を示す構成図である。
【図１３】本発明の実施の形態２の微小粒子分級装置８０を示す構成図である。
【符号の説明】
【００６１】
１０ 微小粒子分級装置
２０ 粗大粒子分級部
２１ ＰＭ１０用インパクタノズル
２２ ＰＭ１０用捕集プレート
２３、２６、２７ スペーサ
２４ ＰＭ2.5用インパクタノズル
２５ ＰＭ2.5用捕集プレート
３０ 微小粒子分級部
３１ ＰＭ0.1用フィルタサポート部
３２ フィルタ
３３ 貫通孔
４０ 超微粒子補集部
４１ バックアップフィルタ導入部
４２ バックアップフィルタ
４３ サポート多孔板
５０ フィルタ排気部
７０ 微小粒子分級部
７１ ＰＭ0.1用フィルタサポート部
７２ フィルタ
７３ 貫通孔
８０ 微小粒子分級装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微小粒子分級装置、及び微小粒子サンプラに係るものであり、特に、気体中の微小粒子を捕集する微小粒子分級装置、及び微小粒子サンプラに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、気体中の微小粒子を分級するための装置として、カスケードインパクタが知られている。特許文献１には、このようなカスケードインパクタを用いた花粉分別装置が示されている。図１は、従来のカスケードインパクタの構成を単純化した断面図を示している。図１のカスケードインパクタは、複数のインパクタで構成されている。各インパクタは、複数の貫通孔を持つ円板状のインパクタノズルと、中央部に貫通孔を持つ円板状の捕集プレートと、インパクタノズルと捕集プレートとのクリアランスを確保するためのスペーサで構成されている。図中、インパクタノズル１と捕集プレート２とスペーサ３とで１つのインパクタを構成している。また、インパクタノズル１の貫通孔よりも開口径が小さく、貫通孔の開口面積の合計も小さいインパクタノズル４と捕集プレート５とスペーサ６とでもう１つのインパクタを構成している。これら２つのインパクタを、スペーサ７を介して接続したものが図１のカスケードインパクタである。
【０００３】
カスケードインパクタの捕集プレート５側から吸引ポンプによって気体が吸引されるので、インパクタノズル１の貫通孔から気体が流入する。流入した気体は矢印で示すように流れる。インパクタノズル１を通過した気体は、運動方向を変えながら、捕集プレート２の貫通孔に向かって流れる。このとき気体と共にインパクタノズル１の貫通孔を通過し、その慣性により気体の運動に追従できない浮遊粒子は、運動方向を変えることなく捕集プレート２に衝突し、捕集される。次に、捕集プレート２の貫通孔を通過した気体は、インパクタノズル４の貫通孔を通過する。インパクタノズル４の貫通孔を通過した気体は、インパクタノズル１を通過したときよりも高い流速で、捕集プレート５に向かって流れる。このとき、気体の運動に追従できない浮遊粒子が捕集プレート５に衝突し、捕集される。捕集プレート５に捕集される浮遊粒子の粒径は、気体の流速の高まりに対応して捕集プレート２に捕集されるものよりも小さくなる。カスケードインパクタは、その内部に流れる気体の流速を、インパクタノズルの貫通孔の数や径によって調整する。そして複数のインパクタを接続し、順次気体の流速を高めることで、段階的に粒径の小さな浮遊粒子を捕集し、分級するようにしている。
【特許文献１】特開２００１−１８３２８４号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
カスケードインパクタは、その内部の気圧を下げることで生じる外部との圧力差によって外部の気体を吸引し、その内部に気体の流れを発生させる構造となっている。微小粒径の粒子を分級するために、気体の流速を高めれば、インパクタノズルの貫通孔の径を小さくする必要がある。例えば０．５μｍ以上の粒径の粒子をカットオフするためには０．７ｍｍφ、０．３μｍ以上の粒径の粒子をカットオフするためには０．５ｍｍφの正確な径の貫通孔を多数設ける必要があり、ノズルの加工が難しくなる。このことから、従来のカスケードインパクタでは、大気圧下において、一般的には０．３μｍ以下の粒径を持つ微小粒子の分級が難しい、という問題点があった。
【０００５】
また清浄空気を得るため、全ての粒径範囲の粒子を高効率で捕集する粒子除去集装置としてエアフィルタが用いられてきた。しかし、エアフィルタは、サイクロン、インパクタとは異なり、様々な捕集機構（慣性、さえぎり、重力、静電気力、拡散など）によって粒子を捕集するため、ろ過速度が一定の場合では最も捕集されにくい粒子の大きさ（最大透過粒子径）が存在し、一定の大きさの粒子ではその粒子がもっともフィルタを透過するろ過速度が存在する。このため、これまでは、最も捕集されにくい最大透過粒子径の捕集効率を如何に高くするかがフィルタ開発の焦点であった。
【０００６】
更に最近、大気中の超微粒子、特に０．１μｍ以下の粒子の生体への影響が懸念されている。大気に浮遊する微粒子の生体への影響を評価するためには、粒径毎の粒子濃度だけでなく、粒径とその粒子を構成する化学物質の組成との関係を認識することが不可欠である。０．１μｍ以下の粒子を捕集し組成を測定する装置として、減圧インパクタ、ＤＭＡがある。減圧インパクタはインパクタノズルへの入口側をあらかじめ減圧させる必要があり、粒子組成の変化が生じる恐れがある。またＤＭＡでは化学分析に必要な粒子量を捕集するのに長時間のサンプリングが必要であり、荷電、希釈による粒子性状の変化も問題である。したがって、０．１μｍ以下の粒子を分級し、短時間で化学分析に必要な粒子量を捕集できる装置が要求されている。
【０００７】
本発明は、大気圧下でもサブミクロンオーダーの粒径を持つ微小粒子を分級でき、短時間で化学分析に必要な粒子量を捕集できる微小粒子サンプラ、及び微小粒子分級装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の微小粒子サンプラは、気体中の浮遊粒子を捕集する微小粒子サンプラであって、気体が通過する貫通孔を持つフィルタサポート部と、繊維状の部材で構成され、前記フィルタサポート部の貫通孔の端部付近で前記貫通孔と気密に接して、前記貫通孔を塞ぐように配置される微小粒子サンプリングフィルタと、を具備するものである。
【０００９】
尚、前記微小粒子サンプリングフィルタは、ステンレス繊維で構成されてもよい。
【００１０】
尚、前記微小粒子サンプリングフィルタの繊維径は、１μｍ以上であってもよい。
【００１１】
本発明の微小粒子サンプラは、気体中の浮遊粒子を捕集する微小粒子サンプラであって、気体が通過する貫通孔を持つフィルタサポート部と、通気性の多孔質の部材で構成され、前記フィルタサポート部の貫通孔の端部付近で前記貫通孔と気密に接して、前記貫通孔を塞ぐように配置される微小粒子サンプリングフィルタと、を具備するものである。
【００１２】
尚、前記フィルタサポート部の貫通孔は、少なくとも前記微小粒子サンプリングフィルタが設けられる部分がテーパー状であってもよい。
【００１３】
本発明の微小粒子分級装置は、気体中の浮遊粒子を粒径により分級する微小粒子分級装置であって、浮遊粒子を分級する粗大粒子分級部と、前記粗大粒子分級部に接続された微小粒子サンプラと、を具備し、前記微小粒子サンプラは、前記粗大粒子分級部を通過した気体が通過する貫通孔を持つフィルタサポート部と、繊維状の部材で構成され、前記フィルタサポート部の貫通孔の端部付近で前記貫通孔と気密に接して、前記貫通孔を塞ぐように配置される微小粒子サンプリングフィルタと、を有するものである。
【００１４】
本発明の微小粒子分級装置は、気体中の浮遊粒子を粒径により分級する微小粒子分級装置であって、浮遊粒子を分級する粗大粒子分級部と、前記粗大粒子分級部に接続された微小粒子サンプラと、を具備し、前記微小粒子サンプラは、前記粗大粒子分級部を通過した気体が通過する貫通孔を持つフィルタサポート部と、通気性の多孔質の部材で構成され、前記フィルタサポート部の貫通孔の端部付近で前記貫通孔と気密に接して、前記貫通孔を塞ぐように配置される微小粒子サンプリングフィルタと、を有するものである。
【００１５】
尚、前記フィルタサポート部の貫通孔は、少なくとも前記微小粒子サンプリングフィルタが設けられるテーパー状であってもよい。
【００１６】
尚、前記粗大粒子分級部は、カスケードインパクタを有するようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１７】
このような特徴を有する本発明の微小粒子サンプラによれば、大気圧下においても、サブミクロンオーダー以下の粒径を持つ微小粒子を効率よく補集することができる。又この微小粒子サンプラを分級装置に用いることによって、サブミクロンオーダーの微小粒子を効率よく分級することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
（実施の形態１）
本発明の微小粒子サンプラを用いた微小粒子分級装置の実施の形態１について、図２〜図７を用いて以下に説明する。
【００１９】
図２は、本実施の形態の微小粒子分級装置１０の構成を示す断面図である。微小粒子分級装置１０の外観はほぼ円柱状であり、円柱又は円筒状に加工された複数の部材で構成されている。
【００２０】
微小粒子分級装置１０は、気体中に存在する浮遊粒子（Particulate matter）をその粒径によって区分して分級する。粒径の区分は例えば、１０μｍ以上、２．５μｍ〜１０μｍ、０．１μｍ〜２．５μｍ、０．１μｍ以下の４区分とする。ここで、粒径が１０μｍ以下の全ての浮遊粒子をＰＭ１０、粒径が２．５μｍ以下の全ての浮遊粒子をＰＭ2.5、粒径が０．１μｍ以下の全浮遊粒子をＰＭ0.1と表す。
【００２１】
図２において、微小粒子分級装置１０は、１０μｍ以上、２．５μｍ〜１０μｍの粒子を分級する粗大粒子分級部２０と、微小粒子サンプラであって０．１μｍ〜２．５μｍを分級する微小粒子分級部３０と、０．１μｍ以下の粒径の浮遊粒子を捕集する超微小粒子補集部４０と、フィルタ排気部５０とを備える。上記の各分級部及びフィルタ排気部５０の外径はほぼ同じである。フィルタ排気部５０の下部には、気体吸引のための吸引ポンプが取り付けられている。
【００２２】
粗大粒子分級部２０は従来のカスケードインパクタと同様の構成であり、ＰＭ１０用インパクタとＰＭ2.5用インパクタを備える。ＰＭ１０用インパクタは、インパクタノズル２１、捕集プレート２２、スペーサ２３を有する。ＰＭ2.5用インパクタは、インパクタノズル２４、捕集プレート２５、スペーサ２６を有する。これらのＰＭ１０用インパクタとＰＭ2.5用インパクタはスペーサ２７を介して接続されている。
【００２３】
図３に示すように、インパクタノズル２１は円板状の部材であり、その面に複数の円形の貫通孔を環状に配置している。ここでは一例として、インパクタノズル２１の直径を６４．９ｍｍ、厚みを５ｍｍ、貫通孔の数を１８とし、貫通孔の直径を５ｍｍとする。各貫通孔の中心軸はインパクタノズル２１の中心軸に平行であり、各貫通孔はインパクタノズル２１の半径の中央付近にある。
【００２４】
図４に示すように、捕集プレート２２は円板状の部材であり、その中央部に円形の貫通孔を１つ備えている。ここでは一例として、捕集プレート２２の直径を６４．９ｍｍ、厚みを１ｍｍとし、その貫通孔の内径を３０ｍｍとする。貫通孔の中心軸は捕集プレート２２の中心軸と一致している。
【００２５】
図５に示すように、インパクタノズル２３は円板状の部材であり、その面に複数の円形の貫通孔を環状に配置している。ここでは一例として、インパクタノズル２３の直径を６４．９ｍｍ、厚みを２ｍｍ、貫通孔の数を３６、貫通孔の直径を１．６ｍｍとする。各貫通孔の中心軸はインパクタノズル２３の中心軸に平行であり、各貫通孔はインパクタノズル２３の半径の中央付近にある。
【００２６】
捕集プレート２５は、円柱状の部材であり、その中央部に円形の貫通孔を１つ備えている。その構成は、捕集プレート２２と同様である。
【００２７】
図６に示すスペーサ２３，２６は円筒形の部材であり、各インパクタノズルと捕集プレートとのクリアランスを確保して、気体の流路を確保するためのものである。各インパクタノズル、捕集プレート、及びスペーサは、図２に示す順序で配置されており、各々の接続部分は、気密が保たれている。
【００２８】
図７に示すように、微小粒子分級部３０は微小粒子サンプラであり、フィルタサポート部３１と、０．１μｍ〜２．５μｍの微粒子を分級するフィルタ３２とを備えている。フィルタサポート部３１は、上記各インパクタノズル、捕集プレート、及びスペーサよりも厚みの大きい円柱形の外観を持ち、中央部に貫通孔３３を備えている。この貫通孔３３の中心軸とフィルタサポート部３１の中心軸はほぼ一致している。貫通孔３３の開口径は、上部が捕集プレート２５の開口径と同じ３０ｍｍであり、貫通孔３３の上部側面の傾斜は、気体とともに流入した浮遊粒子がその側面に衝突しないようになめらかな曲線状の傾斜となっており、下部では開口径は一定で１０ｍｍとなっている。尚、フィルタサポート部３１は、貫通孔３３の上部で捕集プレート２５に気密を保って接続されている。
【００２９】
微小粒子サンプリングフィルタであるフィルタ３２は、通気性があり非圧縮性の繊維フィルタで構成されている。本実施の形態では、フィルタ３２は、例えば繊維径８μｍのステンレス繊維が緻密に絡まり充填率が低くフェルト状となった、厚さ約４ｍｍの非圧縮性の繊維フィルタとする。このフィルタ３２は、貫通孔３３の下端付近に、貫通孔３３を隙間なく塞ぐように配置され、貫通孔３３と接する面では気密を保っている。フィルタ３２は非圧縮性であるので、高速の気体が通過してもほとんど体積変化がない。
【００３０】
超微粒子補集部４０は、円筒状のバックアップフィルタ導入部４１と、０．１μｍ以下の粒径の浮遊粒子を捕集するバックアップフィルタ４２と、バックアップフィルタ４２を支持するサポート多孔板４３とを備える。バックアップフィルタ導入部４１は、フィルタサポート部３１と気密を保って接続し、その内部はフィルタサポート部３１の貫通孔３３の下端の開口より大きな開口径をもつ空洞となっている。
【００３１】
フィルタ排気部５０は円柱状であり、その中央部に貫通孔を有する。フィルタ排気部５０は、貫通孔をバックアップフィルタ導入部４１に向けて、サポート多孔板４３と気密を保って接続している。
【００３２】
以下に、本実施の形態の微小粒子分級装置１０における、浮遊粒子の分級の様子を、図２を用いて説明する。
【００３３】
［ＰＭ１０の分級］
微小粒子分級装置１０は、浮遊粒子を含む気体を、その内部に最大で数十ｍ／秒の速度で通すことで、気体中の浮遊粒子を分級する。微小粒子分級装置１０内に気体を流入させて気流を発生させるために、フィルタ排気部５０の側から気体を吸引する。この吸引は吸引ポンプなどを用いて行なうが、その吸引速度は、例えば４０リットル／分である。
【００３４】
フィルタ排気部５０の気体出口から気体を吸引すると、微小粒子分級装置１０内の気圧が大気圧より低くなるため、微小粒子分級装置１０内に気体が流入する。流入する気体はまずインパクタノズル２１の貫通孔を通過する。通過するときの気体の流速は、例えば１．８８６ｍ／秒に達する。
【００３５】
インパクタノズル２１を通過した気体は、スペーサ２３によるクリアランスを経て、捕集プレート２２の貫通孔へ向かって流れる。捕集プレート２２の貫通孔は、インパクタノズル２１の貫通孔の延長上にはないので、インパクタノズル２１を通過した気体の流路は、図２に矢印で示すように曲線を描く。このとき、慣性が大きくこの曲線状の気体の運動に追従できない１０μｍ以上の微粒子が、その慣性によって気体の流路を外れ、捕集プレート２２に衝突し捕集される。こうしてＰＭ１０を分級することができる。
【００３６】
［ＰＭ2.5の分級］
捕集プレート２２を通過したＰＭ１０を含む気体は、スペーサ２７によるクリアランスを経て、インパクタノズル２４の貫通孔へ向かって流れる。インパクタノズル２４の貫通孔は、インパクタノズル２１の貫通孔よりもその直径が小さくなり、開口面積の合計も小さくなっている。したがって、インパクタノズル２４の貫通孔を通過した気体の流速は、インパクタノズル２１を通過したときよりも大きくなる。このときの気体の流速は、例えば９．２１１ｍ／秒に達する。
【００３７】
インパクタノズル２４を通過して加速した気体は、捕集プレート２５の貫通孔に向かってその流路を曲げながら流れていく。このとき、気体の運動に追従できない２．５μｍ以上の微粒子が、捕集プレート２５に衝突して捕集される。
【００３８】
［ＰＭ0.1の分級］
捕集プレート２５の貫通孔を通過した気体は、フィルタサポート部３１の貫通孔３３に流入する。流入した気体は、開口径が小さくなっていく方向に流れるので、徐々に加速した後、一定速度でフィルタ３２を通過する。この通過の際に、フィルタ３２が気体中の０．１μｍ以上の微粒子を捕集する。
【００３９】
フィルタ３２のような繊維を層状にした繊維フィルタを用いて浮遊粒子を捕集するときの、気体の流速、及び繊維径の選択に用いることができるストークス数Ｓｔｋとペクレ数Ｐｅについて以下に説明する。ストークス数Ｓｔｋは、繊維フィルタ内での、気体の流れに対する浮遊粒子の追従性を表す無次元の値であって、次の式で示される。
Ｓｔｋ＝Ｃｃ・ρｐ・ｄｐ２・ｕ／（９μ・ｄｆ） ・・・（１）
Ｃｃはカニンガムの補正係数、ρｐは粒子密度、ｄｐは粒子径、ｕは流速、μは粘性係数、ｄｆは繊維フィルタの繊維径である。上の式から、ストークス数は、ｄｐ（粒子径）の２乗に比例し、またｄｆ（繊維径）に反比例することがわかる。
【００４０】
また、ストークス数はｕ（流速）にも影響を受ける値であり、流速に比例してストークス数も大きくなる。つまり、気体の流速が高まるにつれて、粒子径の大きな浮遊粒子から順に気体の運動に追従できなくなり、気体の流路から外れてフィルタの繊維と衝突するようになる。このように、ストークス数を参考にしながら気体の流速を制御することと、繊維径を選択することとで、捕集したい浮遊粒子の粒径を選択することができる。貫通孔３３に流入する気体は、粒径２．５μｍ以上の微粒子はあまり含んでいない。次に、気体が０．１μｍ以上の微粒子を捕集するのに最も適した速度となるように貫通孔３３の径を選択する。
【００４１】
本実施の形態のフィルタ３２は、例えばその繊維径を８μｍ程度としているので、先に説明したストークス数の式（１）において、繊維フィルタの繊維径を表すｄｆは非常に小さい値となる。これにより、ストークス数を大きく採ることができるが、捕集の標的となる０．１μｍ以上の微粒子に対してストークス数が十分に大きければ、インパクタを用いる場合ほど気体の流速を上昇させなくても、ＰＭ0.1を分級することができる。しかし、繊維層であるフィルタ３２は、浮遊粒子の慣性のみならず、さえぎり、重力、静電気力、拡散などの捕集機構によって、浮遊粒子を捕集する。
【００４２】
ここで、気流によって浮遊粒子が運ばれる効果と、拡散によって浮遊粒子が運ばれる効果の比を表すペクレ数Ｐｅがある。このペクレ数は次の式で求めることができる。
Ｐｅ＝ｕ・ｄｆ／Ｄｂ ・・・（２）
【００４３】
ｕは流速、ｄｆは繊維フィルタの繊維径、Ｄｂは拡散係数である。ここで、拡散の影響を少なくするため、ペクレ数Ｐｅを大きくする必要がある。微粒子の粒径が小さいほど拡散係数Ｄｂは大きくなり、繊維径ｄｆは小さい値が選択されているので、流速ｕを高めることが粒径の選択性を高めるのに必要であることがわかる。
【００４４】
つまり、フィルタ３２では、ストークス数とペクレ数とを大きくすることによって、ＰＭ0.1を分級するのに最も適した繊維径ｄｆと、流速ｕとを最適化するようにしている。フィルタ３２は、慣性を大きくし、拡散による効果を抑制して、ＰＭ0.1を分級するのに必要な流速を大気圧下で得ることができる。
【００４５】
［ＰＭ0.1の捕集］
フィルタ３２を通過した粒径０．１μｍ以下の浮遊粒子を含む気体は、バックアップフィルタ導入部４１で膨張し、その流速を低下させてバックアップフィルタ４２を通過する。バックアップフィルタ４２は、気体中に残存する全ての微粒子、即ち主として粒径０．１μｍ以下の浮遊粒子を捕集する。バックアップフィルタ４２を通過した気体は、フィルタ排気部５０を通って微小粒子分級装置１０の外に流出する。
【００４６】
上記のように、従来のカスケードインパクタに、本発明の微小粒子サンプラを付加することで、従来のカスケードインパクタでは分級が困難であった０．１μｍ以上の微粒子を、大気圧下で分級することができる。
【００４７】
次に、微小粒子分級装置１０の微小粒子分級部３０を用いて微粒子を捕集したときの捕集効率を、気体の流速ごとに図８に示す。図には、４つの流速ｕについての捕集効率を示しており、Ａは２７ｍ／秒、Ｂは４０ｍ／秒、Ｃは５３ｍ／秒、Ｄは６５ｍ／秒のときのものである。この図は、フィルタ３２に流入する気体の速度を変えることで、５０％カットオフ径（捕集効率が０．５となる粒径）を変化させることができることを示している。例えば流速ｕが６５ｍ／秒では５０％カットオフ径が０．０９μｍ、４０ｍ／秒では５０％カットオフ径は０．１９３μｍとなる。そしてこの図に示されるように、各曲線Ａ〜Ｄにおいて補集効率が零まで下がっており、これはフィルタとしての透過率はこの粒径では１００％に達していることを示している。この点は透過率を下げようとしていた従来のフィルタとは大きく異なる。
【００４８】
また図９は、フィルタ３２にタバコの副流煙を付着させて、毎秒６５ｍの流速で浮遊粒子を捕集したときの捕集効率を、単位面積当たりに付着している副流煙の量ごとに示している。図のＥは０ｇ／ｍ２、Ｆは６０ｇ／ｍ２、Ｇは３００ｇ／ｍ２の量の副流煙が付着しているときのグラフである。いずれも補集効率０．５となるのは、ほぼ０．１μｍで一致している。つまりこの結果は、フィルタ３２の５０％カットオフ径が、既に捕集した浮遊粒子の量に影響を受けにくいことを示している。
【００４９】
次に、フィルタ３２の圧力損失と、気体がフィルタ３２を通過する速度との関係を、図１０に示す。ここでは、通過速度が５３ｍ／秒のときの圧力損失は１０ｋＰａ（７５ｍｍＨｇ）程度の小さな値であることを示しており、大気圧と比較しても小さな値といえる。フィルタ３２の通気性がよいため、その圧力損失は小さな値になる。このように圧力損失の小さな通気性のよいフィルタを用いることにより、大気変化で通常のポンプを用いて微小粒子を分級することができる。
【００５０】
フィルタ３２のステンレス繊維径は８μｍに限らず、要求される分級性能等によって変更することができる。捕集する浮遊粒子の粒径を変えるためには、より小さな繊維径を用いてもよいし、気体の流速との組み合わせによっては、より大きな繊維径を用いることもできる。図１１Ａは流速を５３．１ｍ／ｓとし、ステンレス繊維径が夫々４μｍ、８μｍ、１２μｍのフィルタを用いたとき、夫々曲線Ａ，Ｂ，Ｃとして補集効率を示したものである。この図より示されるように、繊維径を小さくすることで５０％カットオフ径を小さくすることができる。又図１１Ｂでは流速を５３．１ｍ／ｓとし、フィルタ３２のステンレス繊維径ｄｆと厚みＬを変えることで、フィルタの補集効果が０〜１００％となることを示している。曲線Ａはｄｆ＝４μｍ，Ｌ＝７ｍｍ、曲線Ｂはｄｆ＝８μｍ，Ｌ＝１３ｍｍ、曲線Ｃはｄｆ＝１２μｍ，Ｌ＝２４ｍｍの場合である。尚、横軸はストークス数の１／２乗であるが、これは式（１）から示されるように、粒子径と比例している。ここで曲線Ａ，Ｂ，Ｃは夫々効果が５０％となる粒子径が３３ｎｍ，３４ｎｍ，４５ｎｍとなる。これらはいずれの場合もフィルタとして使用することができる。尚、繊維径は１μｍ未満では製造が困難となるので、１μｍ以上の繊維径を用いることが好ましい。フィルタ３２の厚さも４ｍｍに限らず、要求される分級性能等によって、例えば４〜４０ｍｍの厚みを持つものに変更することができる。
【００５１】
（実施の形態２）
つぎに、本発明の微小粒子分級装置の実施の形態２について説明する。図１２は、本発明の実施の形態２の微小粒子分級部７０を示している。図１３は、微小粒子分級部７０を用いた微小粒子分級装置８０を示している。図１３において、微小粒子サンプラである微小粒子分級部７０以外の構成は、実施の形態１の微小粒子分級装置１０と同様である。微小粒子分級部７０は、フィルタサポート部７１、ＰＭ0.1を分級するフィルタ７２、貫通孔７３を備えている。
【００５２】
フィルタサポート部７１は、各インパクタノズル、捕集プレート、及びスペーサよりも厚みの大きい円柱形の外観を持ち、中央部に貫通孔７３を備えている。さらにフィルタサポート部７１の外径は、粗大粒子分級部２０、超微粒子補集部４０と同じである。貫通孔７３の開口径は、上部が最大で捕集プレート２５の開口径と同じく３０ｍｍであり、下端は約１０ｍｍで、テーパー状となっている。
【００５３】
フィルタ７２は、貫通孔７３の下端付近に貫通孔７３を隙間なく塞ぐように配置され、貫通孔７３と接する面では気密を保っている。このフィルタ７２の材質はフィルタ３２と同様であり、厚さ４ｍｍのステンレス繊維である。このように構成することで、フィルタ７２もテーパー状となる。このような微小粒子分級部７０を用いても、実施の形態１と同様の過程を経てＰＭ0.1を分級することができる。
【００５４】
ここで、微小粒子分級部７０において貫通孔７３の円筒部分の下端の開口径は１０ｍｍであるので、貫通孔３３の気体出口は、微小粒子分級部３０の貫通孔３３の気体出口と同じ開口径になる。従って貫通孔３３及び７３において、開口径１０ｍｍの部分を通過する気体の流速が同じとなる。しかし、貫通孔７３はテーパー状であるため、気体は加速しながらフィルタ７２を通過する。よって、フィルタ３２とフィルタ７２が同じ材質のものから構成されているので、微小粒子分級部７０の方が、微小粒子分級部３０よりも圧力損失を小さくすることができる。
【００５５】
上記の各実施の形態において、微小粒子分級装置１０及び微小粒子分級装置８０を通過した気体に含まれていた浮遊粒子は、その粒径によって、１０μｍ以上と、２．５μｍ〜１０μｍと、０．１μｍ〜２．５μｍと、０．１μｍ以下の４区分に分級される。しかし、本発明の微小粒子分級装置の分級は、上記の区分にかかわらず、任意の区分による分級であってもよい。インパクタノズルや捕集プレートの貫通孔の開口面積の変更、吸引ポンプの吸引速度の変更、微小粒子分級装置１０及び微小粒子分級装置８０内を流れる気体の流速の変更、及びフィルタ３２及びフィルタ７２の繊維径及び厚みの変更などによって、浮遊粒子の分級の区分を変更することができる。例えば、フィルタ３３及びフィルタ７３の繊維径を変えたり、フィルタを通過する気体の流速を変えたりすることで、微小粒子分級部３０及び７０が分級する浮遊粒子の粒径の下限は０．１μｍに限らず、例えば０．０３μｍ〜１．０μｍの範囲であってもよい。
【００５６】
上記の各実施の形態では、各インパクタノズル及び捕集プレートの直径、厚み、貫通孔の数及び直径などについて具体的な数値を挙げて説明した。しかし、これらとは違う数値によるインパクタノズル及び捕集プレートの設計でも、同様の分級を行なうことができる。
【００５７】
また、フィルタ３２及びフィルタ７２はフェルト状のステンレス繊維であるとしたが、繊維径が均一で充填率が低く、非圧縮性の繊維フィルタであればステンレス繊維以外のものでもよい。例えばステンレス繊維をメッシュ状に織った金属布を層状に重ねてステンレスファイバーマットを構成してもよい。また、ステンレス以外の金属又は高分子繊維等を用いてファイバーマットを構成し、フィルタ３２及びフィルタ７２の代わりに用いてもよい。さらにフィルタ３２及びフィルタ７２は、必ずしも繊維フィルタで構成されている必要はなく、多孔質体フィルタ、例えばセラミックで構成されたフィルタであってもよい。この場合、多孔質フィルタは孔径が均一で非圧縮性のものが好ましい。
【００５８】
上記の各実施の形態において、インパクタノズル２１、２３の貫通孔の位置は、必ずしも図面で示したとおりでなくてよい。捕集プレートの貫通孔が、インパクタノズルの貫通孔の延長上に存在しないようになっていれば、それら貫通孔を任意の場所に設けてもよい。
【００５９】
又上述した各実施の形態では微小粒子分級部をカスケードインパクタに付加したものとしているが、微小粒子分級部を独立して用いてもよく、微小粒子分級部を縦続接続し、夫々の分級する微粒子の粒径を変化させるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】従来のカスケードインパクタの構成を単純化して示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態１の微小粒子分級装置１０の構成を示す断面図である。
【図３】本発明の実施の形態１のインパクタノズル２１を示す構成図である。
【図４】本発明の実施の形態１の捕集プレート２２を示す構成図である。
【図５】本発明の実施の形態１のインパクタノズル２３を示す構成図である。
【図６】本発明の実施の形態１のスペーサ２３を示す構成図である。
【図７】本発明の実施の形態１の微小粒子分級部３０を示す構成図である。
【図８】本発明の実施の形態１のフィルタ３２を用いてＰＭ0.1を分級した結果を、気体の流速ごとに示すグラフである。
【図９】本発明の実施の形態１のフィルタ３２に、毎秒６５ｍの流速でタバコの副流煙を捕集したときの捕集結果を示すグラフである。
【図１０】本発明の実施の形態１のフィルタ３２の圧力損失を示すグラフである。
【図１１Ａ】本発明の実施の形態１においてフィルタ３２の繊維径を変化させたときの補集効率を示すグラフである。
【図１１Ｂ】本発明の実施の形態１においてフィルタ３２の繊維径と厚みを変化させたときの補集効率を示すグラフである。
【図１２】本発明の実施の形態２の微小粒子分級部７０を示す構成図である。
【図１３】本発明の実施の形態２の微小粒子分級装置８０を示す構成図である。
【符号の説明】
【００６１】
１０ 微小粒子分級装置
２０ 粗大粒子分級部
２１ ＰＭ１０用インパクタノズル
２２ ＰＭ１０用捕集プレート
２３、２６、２７ スペーサ
２４ ＰＭ2.5用インパクタノズル
２５ ＰＭ2.5用捕集プレート
３０ 微小粒子分級部
３１ ＰＭ0.1用フィルタサポート部
３２ フィルタ
３３ 貫通孔
４０ 超微粒子補集部
４１ バックアップフィルタ導入部
４２ バックアップフィルタ
４３ サポート多孔板
５０ フィルタ排気部
７０ 微小粒子分級部
７１ ＰＭ0.1用フィルタサポート部
７２ フィルタ
７３ 貫通孔
８０ 微小粒子分級装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
気体中の浮遊粒子を捕集する微小粒子サンプラであって、
気体が通過する貫通孔を持つフィルタサポート部と、
繊維状の部材で構成され、前記フィルタサポート部の貫通孔の端部付近で前記貫通孔と気密に接して、前記貫通孔を塞ぐように配置される微小粒子サンプリングフィルタと、を具備する微小粒子サンプラ。
【請求項２】
前記微小粒子サンプリングフィルタは、ステンレス繊維で構成される請求項１に記載の微小粒子サンプラ。
【請求項３】
前記微小粒子サンプリングフィルタの繊維径は、１μｍ以上である請求項２に記載の微小粒子サンプラ。
【請求項４】
気体中の浮遊粒子を捕集する微小粒子サンプラであって、
気体が通過する貫通孔を持つフィルタサポート部と、
通気性の多孔質の部材で構成され、前記フィルタサポート部の貫通孔の端部付近で前記貫通孔と気密に接して、前記貫通孔を塞ぐように配置される微小粒子サンプリングフィルタと、を具備する微小粒子サンプラ。
【請求項５】
前記フィルタサポート部の貫通孔は、少なくとも前記微小粒子サンプリングフィルタが設けられる部分がテーパー状である請求項１から４のいずれか１項に記載の微小粒子サンプラ。
【請求項６】
気体中の浮遊粒子を粒径により分級する微小粒子分級装置であって、
浮遊粒子を分級する粗大粒子分級部と、
前記粗大粒子分級部に接続された微小粒子サンプラと、を具備し、
前記微小粒子サンプラは、
前記粗大粒子分級部を通過した気体が通過する貫通孔を持つフィルタサポート部と、
繊維状の部材で構成され、前記フィルタサポート部の貫通孔の端部付近で前記貫通孔と気密に接して、前記貫通孔を塞ぐように配置される微小粒子サンプリングフィルタと、を有する微小粒子分級装置。
【請求項７】
気体中の浮遊粒子を粒径により分級する微小粒子分級装置であって、
浮遊粒子を分級する粗大粒子分級部と、
前記粗大粒子分級部に接続された微小粒子サンプラと、を具備し、
前記微小粒子サンプラは、
前記粗大粒子分級部を通過した気体が通過する貫通孔を持つフィルタサポート部と、
通気性の多孔質の部材で構成され、前記フィルタサポート部の貫通孔の端部付近で前記貫通孔と気密に接して、前記貫通孔を塞ぐように配置される微小粒子サンプリングフィルタと、を有する微小粒子分級装置。
【請求項８】
前記フィルタサポート部の貫通孔は、少なくとも前記微小粒子サンプリングフィルタが設けられるテーパー状である請求項６又は７に記載の微小粒子分級装置。
【請求項９】
前記粗大粒子分級部は、カスケードインパクタを有する請求項６〜８のいずれか１項に記載の微小粒子分級装置。
【請求項１】
気体中の浮遊粒子を捕集する微小粒子サンプラであって、
気体が通過する貫通孔を持つフィルタサポート部と、
繊維状の部材で構成され、前記フィルタサポート部の貫通孔の端部付近で前記貫通孔と気密に接して、前記貫通孔を塞ぐように配置される微小粒子サンプリングフィルタと、を具備する微小粒子サンプラ。
【請求項２】
前記微小粒子サンプリングフィルタは、ステンレス繊維で構成される請求項１に記載の微小粒子サンプラ。
【請求項３】
前記微小粒子サンプリングフィルタの繊維径は、１μｍ以上である請求項２に記載の微小粒子サンプラ。
【請求項４】
気体中の浮遊粒子を捕集する微小粒子サンプラであって、
気体が通過する貫通孔を持つフィルタサポート部と、
通気性の多孔質の部材で構成され、前記フィルタサポート部の貫通孔の端部付近で前記貫通孔と気密に接して、前記貫通孔を塞ぐように配置される微小粒子サンプリングフィルタと、を具備する微小粒子サンプラ。
【請求項５】
前記フィルタサポート部の貫通孔は、少なくとも前記微小粒子サンプリングフィルタが設けられる部分がテーパー状である請求項１から４のいずれか１項に記載の微小粒子サンプラ。
【請求項６】
気体中の浮遊粒子を粒径により分級する微小粒子分級装置であって、
浮遊粒子を分級する粗大粒子分級部と、
前記粗大粒子分級部に接続された微小粒子サンプラと、を具備し、
前記微小粒子サンプラは、
前記粗大粒子分級部を通過した気体が通過する貫通孔を持つフィルタサポート部と、
繊維状の部材で構成され、前記フィルタサポート部の貫通孔の端部付近で前記貫通孔と気密に接して、前記貫通孔を塞ぐように配置される微小粒子サンプリングフィルタと、を有する微小粒子分級装置。
【請求項７】
気体中の浮遊粒子を粒径により分級する微小粒子分級装置であって、
浮遊粒子を分級する粗大粒子分級部と、
前記粗大粒子分級部に接続された微小粒子サンプラと、を具備し、
前記微小粒子サンプラは、
前記粗大粒子分級部を通過した気体が通過する貫通孔を持つフィルタサポート部と、
通気性の多孔質の部材で構成され、前記フィルタサポート部の貫通孔の端部付近で前記貫通孔と気密に接して、前記貫通孔を塞ぐように配置される微小粒子サンプリングフィルタと、を有する微小粒子分級装置。
【請求項８】
前記フィルタサポート部の貫通孔は、少なくとも前記微小粒子サンプリングフィルタが設けられるテーパー状である請求項６又は７に記載の微小粒子分級装置。
【請求項９】
前記粗大粒子分級部は、カスケードインパクタを有する請求項６〜８のいずれか１項に記載の微小粒子分級装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１Ａ】
【図１１Ｂ】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１Ａ】
【図１１Ｂ】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２００８−７０２２２（Ｐ２００８−７０２２２Ａ）
【公開日】平成２０年３月２７日（２００８．３．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２４８９５７（Ｐ２００６−２４８９５７）
【出願日】平成１８年９月１４日（２００６．９．１４）
【出願人】（０００２３０６８５）日本カノマックス株式会社 (2)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年３月２７日（２００８．３．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年９月１４日（２００６．９．１４）
【出願人】（０００２３０６８５）日本カノマックス株式会社 (2)
【Ｆターム（参考）】
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