粒子分粒捕集機構
【課題】捕集板上に濃淡や縞が生じないようにするとともに、粒子を均一に堆積することができるようにした粒子分粒捕集機構を提供する。
【解決手段】ノズルプレート１と対向するように配設され、ノズルプレートのノズルを通過した気体を衝突させて浮遊粒子を捕集する捕集板と、捕集板を回転させる回転機構とを備えた粒子分粒捕集機構であって、ノズルプレート１に形成されるノズルが、少なくとも１本の曲線スリット６からなり、捕集板の回転軸を延長した線上にくるノズルプレートの位置をノズルプレートの中心として、ノズルプレート１の中心近傍の円形領域２を除いた円環状領域３内で、この曲線スリット６が当該円環状領域３の内周円４から外周円５に向かう曲線を形成するようにすることで、均一な分布にする。
【解決手段】ノズルプレート１と対向するように配設され、ノズルプレートのノズルを通過した気体を衝突させて浮遊粒子を捕集する捕集板と、捕集板を回転させる回転機構とを備えた粒子分粒捕集機構であって、ノズルプレート１に形成されるノズルが、少なくとも１本の曲線スリット６からなり、捕集板の回転軸を延長した線上にくるノズルプレートの位置をノズルプレートの中心として、ノズルプレート１の中心近傍の円形領域２を除いた円環状領域３内で、この曲線スリット６が当該円環状領域３の内周円４から外周円５に向かう曲線を形成するようにすることで、均一な分布にする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大気中に浮遊する粒子状物質（ＰＭ）を分粒捕集する機構に関する。本発明は、例えば、大気中に浮遊する粒子状物質を粒径ごとに分粒して捕集するカスケードインパクタ型サンプラの粒子分粒捕集機構（分粒捕集装置）として利用される。
【背景技術】
【０００２】
大気中にはさまざまな粒径の浮遊粒子状物質が存在する。大気中に浮遊する粒子状物質であって、空気動力学粒径（以下粒径と略称）が10μｍ以下のものは、我が国では浮遊粒子状物質（ＳＰＭ）と呼ばれ、環境基準が定められ環境濃度監視の対象となっている。
大気中に浮遊する粒子状物質（ＰＭ）は、土壌性粒子、海塩粒子、火山噴出物のような自然発生源粒子および工場・事業所からのばい煙、ガソリン自動車やディーゼルからの排気粒子のような人為的発生源粒子からなる一次粒子と、硫黄酸化物、窒素酸化物、炭化水素類等のガス状物質が大気中で粒子化する二次生成粒子とからなっている。
発生源あるいは生成由来の相違を反映して、大気中に浮遊する粒子状物質（ＰＭ）の化学成分は粒径によって著しく異なっている。したがって、大気中に浮遊する粒子状物質（ＰＭ）の化学成分を粒径別に測定することによって、その発生源あるいは生成由来の特徴をより詳細に把握できる。
大気中に浮遊する粒子状物質（ＰＭ）のうちで、粒径が2.5μｍ以下のものは、特に微小粒子状物質（ＰＭ２．５）と呼ばれている。微小粒子状物質（ＰＭ２．５）は、ヒトが呼吸したときに肺の奥深くまで達するため、特に健康への悪影響が懸念されている。
そのために、大気中に浮遊する粒子状物質（ＰＭ）を分粒捕集して、浮遊粒子状物質（ＳＰＭ）および微小粒子状物質（ＰＭ２．５）について、それらの質量濃度とともに化学成分濃度が測定される。
【０００３】
インパクタは小さな円形または矩形のノズルから衝突捕集板に向かって粒子を含む気流（エアロゾル）を吹き付け、慣性力によって粒子を衝突捕集板上に沈着させるものである。これを数段直列に連結し、ノズルを通過する流速を下段にいくにしたがって高速にした分粒機構がカスケードインパクタであり、大気中に浮遊する粒子状物質（ＰＭ）を詳細に分粒捕集するための粒子捕集装置に利用される。
吹き出しノズルあるいはスリットの形状寸法、流量、捕集段数など種々のものがあるが、一般に粒径0.5〜20μｍ程度の粒子を分粒捕集の対象とし、それより小さい粒子は最終部につけたバックアップフィルタで捕集する。
ノズルから吹き出す粒子の慣性衝突による捕集効率は、Ranzら（1952）以来多くの研究者によって研究されている。
気流に含まれる粒子の限界流跡線についての理論式の完全解を得ることはできないが、解の関数型を考察して、粒子の衝突効率は慣性力の大きさを示す尺度であり次式で定義されるストークス数Ｓｔｋのみの関数となることが知られている。
Stk ＝ Cρpv0Dp2/(9μDc)
ここで、
C ＝ カニンガム補正項，無次元（1.00＋0.16x10-4/Dp）
ρp ＝ 粒子密度（g/cm3）
v0 ＝ 流速（cm/sec）
Dp ＝ 粒子の実効粒径（cm）
μ ＝ 空気の粘性率（ポアズ）
Dc ＝ 円形ノズルの直径または矩形の場合の幅(W)（cm）
捕集効率が50％となるような粒径はＥＣＤ（effective cut-off diameter）、通称50％捕集粒径（Dp50）といい、このときのＳｔｋがStk50と表される。すなわち、
√(Stk50) ＝ √(Cρpv0/(9μDc))Dp50＝ √(Cv0/(9μDc))（√(ρp)Dp50）
であり、√(Stk50)は吹き出しノズルの形状寸法やノズルと衝突捕集板との距離Ｓによるが、例えば円形（S/Dc＝1.0）では0.48、矩形（S/W＝1.0）では0.70との理論計算結果が得られている。また、空気動力学粒径では、ＥＣＤは（√(ρp)Dp50）である。
この関係を利用して、0.5〜20μｍの粒径範囲で任意のＥＣＤの捕集段を設計製作することができる。
捕集段ごとにＥＣＤが異なる衝突捕集段を適当に連結したカスケードインパクタ型サンプラを用いて、大気中の浮遊粒子状物質（ＰＭ）を粒径の大きいものから逐次分粒捕集される。各捕集段の衝突捕集板に沈着した粒子の質量やその化学成分を測定して、粒径分布のデータが得られる。
【０００４】
カスケードインパクタ型サンプラの従来例としては、複数の分粒捕集段が直列に接続され、各捕集段には、外気または直前の捕集段から流入する気体をノズルを通して放出するためのノズルプレートと放出された気体を衝突させて気体中の粒子を捕集する衝突捕集板があり、衝突捕集板に衝突した気体を後段に導く流路を備えているものが開示されている（例えば特許文献１参照）。
【０００５】
このタイプのカスケードインパクタ型サンプラでは、ノズルプレートには孔径の等しい円形小孔が多数個穿孔形成されている。各捕集段の全ノズルを通過する気体の合計流量は一定であり、下段側の捕集段になるほどノズルを通過する気流の速度を高速にするためにノズル径と個数を調節し、また衝突捕集板に気体が偏りなく吹き付けられるようにノズルプレートのノズル位置が配置されている。
そして最下段側に取り付けたエアポンプを稼働すると、最上段側に設けた吸入口から気体が吸入され、各捕集段ではその捕集段で規定された粒子粒径の捕集効率にしたがって粒子が衝突捕集板（一般には板上に置かれたフィルタ等の捕集材）上に沈着捕集されながら、順次、下段の捕集段に流れていく。このようにして、上段の捕集段には粒径が大きい粒子が捕集され、下段になるにつれて粒径の小さい粒子が捕集されるようにしてある。
そして上記文献では、カスケードインパクタ型サンプラによって捕集された粒子は、イオンクロマトグラフ分析法によるイオン種分析を行ったり、ＩＣＰ質量分析法による元素分析などを行ったりするための分析試料として利用される。
【０００６】
ところで、捕集材に捕集された粒子の成分を分析する上で、既述のイオン種分析、元素分析以外の分析方法、特に湿式の化学操作を行わない非破壊分析法で試料の分析を行いたい場合がある。例えば、ＰＩＸＥ（Proton Induced X-ray Emission）法や蛍光Ｘ線分析法によって、捕集材上に堆積した粒子試料を計測したい場合である。蛍光Ｘ線分析法で精度よく元素分析するためには、捕集材上のＸ線が照射される測定領域内で、粒子が均一に堆積されていることが必須である。さらに高感度な元素分析法であるＰＩＸＥ法を適用して定量分析する場合には、分析試料の均一性がさらに厳しく求められる。
しかしながら、上述したカスケードインパクタ型サンプラでは、捕集材に堆積した粒子は、ノズルの配置を反映した斑点模様になっており、捕集材上に不均一に堆積されている。そのため、蛍光Ｘ線分析を行うと、粒子が不均一に堆積されていることによって、精度のよい測定を行うことが困難であった。蛍光Ｘ線分析以外の分析手法であっても、捕集材上に均一に堆積されることが求められる測定手法であれば、精度の高い測定が困難になる問題が生じる。また、捕集材上に不均一に堆積した粒子試料から、正確に一定量を取り出して、分析に供することは困難である。
【０００７】
また、カスケードインパクタでは、一旦、捕集材に衝突して堆積した粒子が「再飛散」によって、再び捕集材から離れ、気流によって流されてしまうことがある（特許文献２参照）。カスケードインパクタの場合、捕集材に堆積した後に再飛散した粒子は、後段の捕集段に設けられた捕集材に堆積することになる。このような現象は分粒性能を悪化させ誤差の要因となる。粒子の再飛散は、主として既に相当量の粒子が堆積しているとき、後からノズルを通過したエアロゾルが堆積している粒子と衝突することによって生じる。
したがって、捕集材に堆積した粒子が再飛散して再び捕集材から離れることを防ぐには、気流の衝突する衝突捕集板の位置に堆積する粒子の量を減らすことが必要であり、捕集材の全面にわたって万遍なく粒子が均一に堆積捕集されるようにすることが望ましい。
【０００８】
そのため、衝突捕集板の全面にわたって、できるだけ均一に堆積させることを目的として、捕集段に衝突捕集板を回転させる回転機構を備え、衝突捕集板を回転しながら捕集することにより、粒子の堆積位置が一部に偏らないようにしたカスケードインパクタが開示されている（特許文献２参照）。
【０００９】
また、採集ディスク（衝突捕集板）の軸線を、穿孔円板（ノズルプレート）の軸線に対し偏心するように配置するとともに、穿孔円板にはその軸線と同軸の同一周縁上に複数の孔を形成し、採集ディスクを回転させることにより、採集ディスク上に集められる粒子デポジットが、幅広の環状面積を均等に占めるとするカスケードインパクタが開示されている（特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００７−１０１３３１号公報
【特許文献２】特表２００７−５０１３９９号公報
【特許文献３】特開昭６０−１５７０３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
特許文献２に記載されているように、回転機構で衝突捕集板を回転することにより、粒子が捕集材上で斑点模様を形成するように堆積することはなくなる。しかしながら、捕集材に捕集される粒子は、円環状の縞模様を形成することになる。すなわち、ノズルプレートには孔径の等しい多数個の円型ノズルが穿孔されており、これらのいずれか１つのノズルに着目すると、このノズルから吹き出される気体が衝突する衝突捕集板の位置が回転することにより円環状の軌跡を描くようになるので、粒子は円環状に堆積する。個々のノズルの孔径が100μｍであるなら、それぞれのノズルから吹き出された気流が衝突する位置に、孔径より若干幅の広い円環状の縞模様が形成される。その結果、回転機構により円周方向には粒子を均一に堆積できたとしても、半径方向には不均一に堆積することになっていた。
【００１２】
これに対し、特許文献３に記載されているように、採集ディスク（衝突捕集板）の軸線を、穿孔円板（ノズルプレート）の軸線に対し偏心することにより、半径方向の不均一さは、さらに改善されるようになる。しかしながら、たとえ軸線を偏心させたとしても、円環状の縞模様をなくすことはできず、依然として、半径方向に円環状の不均一さに起因する模様が生じることとなっている。
【００１３】
ここで、採集ディスクと穿孔円板とを偏心させた場合でも円環状の不均一が残ることについて説明する。図７は、穿孔円板（ノズルプレート）に対し、採集ディスク（衝突捕集板）を偏心させて回転したときのデポジットの全体分布を説明するための特許文献３に記載された図である。また、図８は、図７で穿孔円板（ノズルプレート）に形成された孔のうち特定の穿孔によるデポジットの分布を説明するための図である。
【００１４】
穿孔円板１０２にあけた各孔１０４の直径をＤｃ、採集ディスク１０１の軸線Ｕと穿孔円板１０２の軸線Ｖとの偏心距離をｅとする。また、穿孔円板１０２の軸線Ｖと同軸で同一周縁１０５上に配置された孔１０４、１０４、・・・のそれぞれと穿孔円板１０２の軸線Ｖとの距離をｒ０とする。
採集ディスク１０１の軸線Ｕから最も遠い位置の孔１０４ｏｕｔによる粒子デポジットまでの距離ｄｏｕｔは、孔１０４が採集ディスク１０１の軸線Ｕと穿孔円板１０２の軸線Ｖとを結ぶ直線の軸線Ｖ側の延長上にあるときで、最長長さが（ｒ０＋ｅ）となる。逆に、最も近い位置の孔１０４ｉｎは、孔１０４が採集ディスク１０１の軸線Ｕと穿孔円板１０２の軸線Ｖとを結ぶ直線の軸線Ｕ側の延長上にあるときで最短長さｄｉｎが（ｒ０−ｅ）となる。すなわち、図８に示すように、穿孔円板１０２の軸線Ｖの位置を原点とし、原点と最長長さとなる孔１０４ｏｕｔとを結ぶ方向を基準方向とし、原点から軸線Ｖを中心とする半径ｒ０の円周上の任意の位置にある孔１０４ｘとなす角をθとすると、軸線Ｕの位置から孔１０４ｘまでの距離ｄｘは、次式になる。
dx ＝ √ (e2 + rO2 + 2erOcosθ）
θは０≦θ≦２πであり、したがって、ｄｘの最長長さｄｏｕｔは（ｒ０＋ｅ）、最短長さｄｉｎは（ｒ０−ｅ）となる。
【００１５】
採集ディスク１０１が１回転することによって、最も遠い孔１０４ｏｕｔによる粒子デポジットは、採集ディスク１０１の軸線Ｕを中心として半径（ｒ０＋ｅ）で幅Ｄｃとなる円環のデポジットとなり、その環状面積Ｓｏｕｔは、次式となる。
Sout ＝ 2π (ｒO + e) Dc
最も近い孔１０４ｉｎによる粒子デポジットは、採集ディスク１０１の軸線Ｕを中心として半径（ｒ０−ｅ）で幅Ｄｃとなる円環のデポジットとなり、その環状面積Ｓｉｎは、次式となる。
Sin ＝ 2π (ｒO - e) Dc
【００１６】
孔１０４ｏｕｔと孔１０４ｉｎをそれぞれ通過する空気量は等しいから、それぞれの環状面積にデポジットする粒子の全量は等しくなる。したがって、デポジットする粒子の濃度密度は環状面積に反比例する。これらの環状面積の比Ｒｓ（＝Ｓｉｎ／Ｓｏｕｔ）は、次式となる。
Rs ＝ (ｒO - e) / (ｒO + e)
採集ディスク１０１上の粒子デポジットは、デポジットされる全面積１０３にわたって均等になるのではなく、外側ほど単位面積あたりのデポジット量が少なくなる。
【００１７】
例えば、直径47ｍｍの採集フィルタ上に、幅1ｃｍで環状に粒子をデポジットする場合を考える。
ｒ０＝1.7ｃｍ、ｅ＝0.5ｃｍに選ぶと、半径1.2ｃｍと2.2ｃｍの円に囲まれた幅1ｃｍの環状の粒子デポジットが得られる。このとき、面積比Ｒｓ（＝Ｓｉｎ／Ｓｏｕｔ）＝0.55となり、孔を通過して採集ディスク１０１に慣性衝突する単位面積あたりの空気量は、半径2.2ｃｍの最も外側部分は半径1.2ｃｍの最も内側部分の55％となる。最も外側部分と最も内側部分との中間部分は、内側に近づくほどデポジット量が多くなる。したがって、採集ディスク（衝突捕集板）上に集まる粒子デポジットは、円周方向には均等化することはできるが、半径方向には、円環状の縞模様あるいは濃淡模様が残ってしまうことになる。
【００１８】
孔１０４ｏｕｔおよび孔１０４ｉｎと同一周縁１０５上に配置される孔１０４、１０４、・・・を増やすことで重ね塗りを行ったとしても、縞模様や濃淡模様は完全に消すことはできない。
【００１９】
そこで、本発明は、捕集材上に斑点模様や円環状の縞模様が生じないようにするとともに、粒子を理想的な均一度で堆積することができるようにしたカスケードインパクタ型の粒子分粒捕集機構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】
【００２０】
上記課題を解決するためになされた本発明のカスケードインパクタ型の粒子分粒捕集機構は、浮遊粒子を含む気体を吸入する少なくとも１つの捕集段を有し、各捕集段内には、気体が通過するノズルが形成されたノズルプレートと、ノズルプレートと平行に配設されノズルを通過した気体を衝突させて浮遊粒子を捕集する衝突捕集板と、その捕集板を回転させる回転機構と、捕集板に衝突した気体を下段へ流出させる排出流路を備えた構造であり、以下の特徴的な構成を備えている。
【００２１】
すなわち、この粒子分粒捕集機構におけるノズルプレートには幅が一定の曲線スリット形状のノズルが少なくとも１本形成される。この曲線スリットは、衝突捕集板の回転軸を延長した線上にくるノズルプレートの位置をノズルプレートの中心として、ノズルプレートの中心近傍の円形領域を除いた円環状領域内で、当該円環状領域の内周円から外周円に向かうように形成される。そして曲線スリットの好ましい位置や形状は、以下の計算に基づいて設計される。
【００２２】
粒子を均一に堆積捕集するためには、ノズルから吹き出される気流を衝突捕集板上に均一に衝突させる必要があり、これを実現できるノズルプレート上のスリット形状を次のようにして計算する。
衝突捕集板の中心から半径ｒ1の最内周円と半径ｒmの最外周円で囲まれる円環状領域内に粒子を堆積捕集するものとする。ノズルプレート上で半径ｒ0とｒ1（＝ｒ0＋ｄ）の円で囲まれる細い円環状領域の面積をＳ0とすると、
S0 ＝ π（r0 + d)2 − π r02 ＝ π（r12 - r02）
同様に、半径ｒ2,ｒ3,.....,ｒn,.....の円を、隣り合う円で囲まれる細い円環状領域の面積がＳ0と等しくなるように定義する。すなわち、
S0 ＝ π（r22 - r12）＝ π（r32 - r22）＝ π（r42 - r32）＝ ..... ＝ π（rn2 - rn-12）＝ .....
したがって、ｎ番目の円環状領域の外周円の半径ｒnは、与えられたｒ0とｄの値から次のように計算される。
rn ＝ √（r02 + 2ndr0 + nd2）
【００２３】
この計算結果に基づいて、半径ｒ1の円上の任意の点Ｐ１を選び、点Ｐ１からの距離がｄで半径ｒ2の円上にある２点の位置を計算し、点Ｐ１に立てた法線との角度がπ/2以内の方向の点を点Ｐ２とする。同様にして点Ｐ２からの距離がｄで半径ｒ3の円上にある点Ｐ３の位置を計算する。このような計算を繰り返して最外周円での点Ｐｍまでの位置を計算する。ｄの値を調整することによって必要な精度で点の位置を計算することができる。得られた点Ｐ１からＰｍの点群をつなぎ合わせて得る線を中心として細い一定幅のスリットを形成し、衝突捕集板を一定速度で回転させると、スリットから吹き出された気流が衝突捕集板上の半径ｒ1の最内周円と半径ｒmの最外周円で囲まれる円環状領域の衝突通過した領域では、単位面積あたりに衝突する気体流量は均一になる。その結果、気流に含まれる粒子が均一に衝突捕集されることになる。
【００２４】
スリット幅Ｗは、装置の空気吸入速度、捕集段の50％捕集粒径等の条件が決められると、ストークス数の定義式を使って計算でき、その分粒捕集特性は標準粒子を用いて測定することで確認される。
【発明の効果】
【００２５】
本発明では、ノズルプレートに形成するノズル形状を、円形小孔ではなく曲線スリットとして、また、ノズルプレート上で曲線スリットが形成される位置を、ノズルプレートの中心近傍を除いた円環状領域内として、さらに、曲線スリットが円環状領域の最内周円から最外周円に向かう弓状の曲線を形成するようにしたことにより、曲線スリットを通過した粒子は、一定速度で回転させた衝突捕集板上に単位面積あたり一定流量の気流が衝突することになり、その結果、斑点模様や同心円状の縞模様ではなく、均一に粒子を沈着捕集できるようになる。
また、衝突捕集板の回転方法を制御することによって、半径ｒ1の最内周円と半径ｒmの最外周円で囲まれる円環状領域の特定領域のみに限って衝突捕集して、単位面積あたりの吸入空気量を多くできる。さらに、時間帯によって沈着領域を制御することによって、例えば昼夜間を区別して粒子捕集をすることができる。
さらに、衝突捕集板の中心近傍に粒子が堆積しないブランク領域を設けることができるので、衝突捕集板上に置かれたフィルタ等の捕集材のこの部分を蛍光Ｘ線分析等でのフィールドブランク試料として利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の一実施形態である粒子分粒捕集機構の構成を示す断面図である。
【図２】本発明の一実施形態である粒子分粒捕集機構で用いられる曲線スリットが形成されたノズルプレートの例を示す図である。
【図３】ノズルプレートに形成される曲線スリットの形状を説明する図である。
【図４】滑らかな曲線スリットになるように設計したノズルプレートの設計例を示す図である。
【図５】本発明のノズルプレートを用いたときに捕集材に堆積する粒子状態を示す写真である。(粒径2.5−7.0μｍ)
【図６】本発明のノズルプレートを用いたときに捕集材に堆積する粒子状態を示す写真である。（粒径0.45−2.5μｍ）
【図７】穿孔円板（ノズルプレート）に対し採集ディスク（衝突捕集板）を偏心させて回転したときのデポジットの全体分布を説明するための図である。
【図８】図７で穿孔円板（ノズルプレート）に形成された孔のうち特定の孔によるデポジットの分布を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の粒子分粒捕集機構について図面を用いて説明する。ここでは、捕集段を直列に接続した構造のカスケードインパクタ型の粒子分粒捕集機構を例にして説明するが、本発明は、必ずしも以下の実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜修正、変更することが可能である。
また、説明の便宜上、カスケードインパクタ型の粒子分粒捕集機構の全体構造について先に説明し、本発明の重要な要素であるノズルプレートのスリット形状については、その後に説明する。
【００２８】
（粒子分粒捕集機構の構造）
図１は本発明の一実施形態であるカスケードインパクタ型の粒子分粒捕集機構の構成を示す断面図である。この粒子分粒捕集機構１０は、大気吸入孔１１とそれに接続された粒径10μｍ以上の粒子を分粒捕集する衝突捕集板２１を有する前置衝突捕集段１２、ノズルプレート３１と対になる衝突捕集板３２とそのホルダ３３および電動モータを収納した回転機構３４を有する第一捕集段１３、ノズルプレート４１と対になる衝突捕集板４２とそのホルダ４３および電動モータを収納した回転機構４４を有する第二捕集段１４、バックアップフィルタ５１とそのホルダ５２を有する最終部１５（最終段）が、この順で直列に接続された構造を有する。
この粒子分粒捕集機構１０は、加工性、耐食性に優れ、かつ、帯電の影響を避けるため、吸入された大気が直接触れる部分は、アルミ合金などの金属製材料で形成され、バックアップフィルタホルダ５２のみが樹脂系材料を使用するようにしてある。
最終部１５の出口には吸入ポンプに接続される吸入孔があり、図示しないエアポンプが接続してあり、これを作動することで粒子分粒捕集機構内の流路に気体が流れるようにしてある。
正確な分粒捕集特性を維持するためには、粒子分粒捕集機構内を流れる気体を一定流量に維持する必要があり、エアポンプの吸入速度を制御することにより、規定の流量を維持することができる。以下、各段ごとに順次説明する。
【００２９】
大気吸入孔１１は、浮遊粒子が含まれる大気を吸入し、前置衝突捕集段１２に導く。
前置衝突捕集段１２では、大気吸入孔１１の真正面の位置に、吸入された大気が最初に衝突する衝突捕集板２１が設けてある。
衝突捕集板２１は、小孔やスリットが形成されていない円板であり、吸入された大気が衝突したときに、大気中に含まれる浮遊粒子のうち、粒径10μｍ以上の粒子がこの衝突捕集板上に捕集されるようにしてある。具体的には、最初に装置の吸入速度を決め、衝突捕集板２１の直上の円形孔とで衝突捕集段を形成するとして、既述のストークス数Ｓｔｋを計算して最適の円形孔の口径を決め、粒径10μｍ以上の浮遊粒子が衝突捕集板２１に衝突すると、慣性力で捕集されるようにしてある。
【００３０】
前置衝突捕集段１２の下方に続く気体流路は第一捕集段１３に接続されている。衝突捕集板２１に衝突した気体は、衝突捕集板２１の外周側にある壁面との隙間を通って、粒径10μｍ以上の浮遊粒子が取り除かれた気体が次の第一捕集段１３に流入していく。
【００３１】
第一捕集段１３では、前置衝突捕集段１２の排出流路に接続して、ノズルプレート３１が取り付けられている。
ノズルプレート３１の下には、ノズルプレート３１と対をなすホルダ３３があり、ホルダ３３の上面に適当な材質のフィルタ等の衝突捕集板３２が装着保持してある。取り外し可能なホルダ３３は回転機構３４に装着固定されていて、これを作動することにより、ホルダ３３とともに衝突捕集板３２が回転するようにしてある。回転機構３４は、ホルダ３３の回転が気体の流れに影響を及ぼさないように、ゆっくりとした速度で回転するようにしてある。
【００３２】
前置衝突捕集段１２から流れ込んだ気体は、ノズルプレート３１に形成されたスリット３１ａを通過しなければ第一捕集段１３に流れ込めないようにしてある。
【００３３】
ノズルプレート３１に形成されるスリット３１ａは、装置に定流量で大気が吸入されたとき、スリット３１ａを通過した気流に含まれる粒径2.5μｍの浮遊粒子の50％が、慣性力によって衝突捕集板３２上に捕集できるように設計製作してある。
すなわち、既述のストークス数Ｓｔｋの計算式を用いて、捕集効率が50％となる粒径が2.5μｍとなるように、気流のスリット通過流速とスリット幅の関係を計算し、決められた装置の大気吸入速度に対するスリット形状の諸元が決められる。製作されたスリットの分粒捕集特性は粒径と密度が正確に規定されている標準粒子を用いた試験で確認されている。なお、スリット３１ａの形状については、後述する。
【００３４】
衝突捕集板３２は、気体中に含まれていた浮遊粒子を衝突させて捕集して、成分分析等の供試試料とするためのものであり、各種素材の市販フィルタ等から、対象成分に応じて利用される測定手法に適した捕集材が選択される。
【００３５】
ホルダ３３および回転機構３４の外周側および回転機構３４の下方には、排出流路１３ａとなる空間が形成してある。衝突捕集板３２に衝突した気体は、排出流路１３ａを通って、次段の第二捕集段１４に流入する。
【００３６】
第二捕集段１４は、ノズルプレート４１を除いて、第一捕集段１３と同じ構造を有している。すなわち、第二捕集段１４では、第一捕集段１３の排出流路１３ａとの境界部分に、ノズルプレート４１が取り付けられている。
ノズルプレート４１の下には、ノズルプレート４１と対をなすホルダ４３があり、ホルダ４３の上面に適当な材質のフィルタ等の衝突捕集板４２が装着保持してある。
取り外し可能なホルダ４３は回転機構４４に装着固定されていて、これを作動することにより、ホルダ４３とともに衝突捕集板４２が回転するようにしてある。回転機構４４は、ホルダ４３の回転が気体の流れに影響を及ぼさないように、ゆっくりとした速度で回転するようにしてある。
【００３７】
第一捕集段１３から流れ込んだ気体は、ノズルプレート４１に形成されたスリット４１ａを通過しなければ第二捕集段１４に流れ込めないようにしてある。
ノズルプレート４１に形成されるスリット４１ａは、装置に定流量で大気が吸入されたとき、スリット４１ａを通過した気流に含まれる粒径0.45μｍの浮遊粒子の50％が、慣性力によって衝突捕集板４２上に捕集できるように設計製作してある。
すなわち、既述のストークス数Ｓｔｋの計算式を用いて、捕集効率が50％となる粒径が0.45μｍとなるように、気流のスリット通過流速とスリット幅の関係を計算し、決められた装置の大気吸入速度に対するスリット形状の諸元が決められる。製作されたスリットの分粒捕集特性は粒径と密度が正確に規定されている標準粒子を用いた試験で確認されている。なお、スリット４１ａの形状については後述する。
【００３８】
ホルダ４３および回転機構４４の外周側および回転機構４４の下方には、排出流路１４ａとなる空間が形成してある。衝突捕集板４２に衝突した気体は、排出流路１４ａを通って、次段の最終部１５に流入する。
【００３９】
最終部１５では、バックアップフィルタホルダ５２に装着されたバックアップフィルタ５１で気体に含まれる浮遊粒子が濾過捕集された後、最終部１５の出口に向けて吸入されていくようにしてある。
【００４０】
バックアップフィルタ５１では、気体に含まれる浮遊粒子が濾過捕集されるが、その粒径は主として0.45μｍ以下のものである。バックアップフィルタ５１は成分分析等の供試試料とされるものであり、石英繊維、テフロン（登録商標）、ポリカーボネートなどの各種素材製の市販フィルタ等から、対象成分に応じて利用される測定手法に適した捕集材が選択される。
【００４１】
そして、最終部１５の出口に達した気体は、吸入ポンプによって大気中に排出されるようにしてある。
【００４２】
（ノズルプレートのスリット形状）
次に、第一捕集段１３、第二捕集段１４のノズルプレート３１、４１上に形成するスリットの形状について説明する。
図１で説明したように、各分粒捕集段（第一捕集段１３、第二捕集段１４）は、気体が通過する曲線スリット３１ａ、４１ａが形成されたノズルプレート３１、４１、ノズルプレート３１、４１と平行に配設され曲線スリット３１ａ、４１ａを通過した気体を慣性衝突させて浮遊粒子を分粒捕集する衝突捕集板３２、４２、その衝突捕集板３２、４２を回転させる回転機構３４、４４および衝突捕集板３２、４２に衝突した気体を下段へ流出させる排出流路１３ａ、１４ａを備えた構造である。
既述のように、従来のカスケードインパクタ型サンプラでは、衝突捕集板と対向するノズルプレートの面全体にわたって、円形の小孔を複数形成したものが多かった。
本発明のノズルプレート３１、４１では、衝突捕集板３２、４２に衝突捕集される粒子が斑点模様や円環の縞模様などではなく、均一に沈積分布させるように、円形小孔や直線スリットではなく曲線スリットのノズルを形成する。
【００４３】
図２は、分粒捕集段（第一捕集段１３、第二捕集段１４）のノズルプレート３１、４１に形成される曲線スリット（ノズル）とその形成される位置とを説明するための模式図である。
ノズルプレート１（図１におけるノズルプレート３１または４１）は、円板状をなしており、円の中心が衝突捕集板３２、４２の回転軸を延長した線上にくるようにしてある。
そして、ノズルプレート１の中心近傍の円形領域２を除いた円環領域３内で、当該円環領域３の内周円４から外周円５に向かう弓状の曲線スリット６を、ノズルとして形成するようにしてある。このスリットの加工は切削加工により行うことが好ましいが、要求される測定精度に応じて、放電加工その他の既存の加工方法を採用してもよい。続いて曲線スリット６の決定方法の１つについて図３を参照しつつ説明する。
【００４４】
まず、均一に沈積させるための形状曲線を決め、次に要求される捕集段の50％捕集粒径に対して、スリット幅Ｗを確定するための計算をさまざまな条件で行い、それらの結果から製作上の制約条件や得られる試料を成分分析する場合の要件などを考慮して最終的に曲線スリットの形状諸元を決定する。
【００４５】
＜形状曲線＞
粒子を均一に堆積捕集するためには、ノズルから吹き出される一定流量の気流を、一定の回転速度で回転する衝突捕集板上の規定された面に一様に衝突させる必要があり、これを実現できるノズルプレートのスリット形状を次のようにして計算する。ここで、衝突捕集板上の規定された面とは、図２のノズルプレート１（すなわちノズルプレート３２、４２）の中心近傍の円形領域２を除いた円環状領域３で、当該円環状領域の内周円４と外周円５に囲まれた領域を、対向する衝突捕集板３２、４２に投影した領域である。すなわち、衝突捕集板の中心から半径ｒ1の最内周円と半径ｒmの最外周円で囲まれる円環状領域内に粒子を堆積捕集するものとする。
【００４６】
ノズルプレート上で半径ｒ0とｒ1（＝ｒ0＋ｄ）の円で囲まれる細い円環状領域の面積をＳ0とすると、
S0 ＝ π（r0 + d)2 − π r02 ＝ π（r12 - r02）
次に、半径ｒ2,ｒ3,.....,ｒn,.....の円を、隣り合う円で囲まれる細い円環状領域の面積がＳ0を等しくなるように定義する。すなわち、
S0 ＝ π（r22 - r12）＝ π（r32 - r22）＝ π（r42 - r32）＝ ..... ＝ π（rn2 - rn-12）＝ .....
したがって、ｎ番目の細い円環状領域の外周円の半径ｒnは、与えられたｒ0とｄの値から次のようになる。
rn ＝ √（r02 + 2ndr0 + nd2）
【００４７】
この計算結果に基づいて、半径ｒ1の円上の任意の点Ｐ１を選び、点Ｐ１からの距離がｄで半径ｒ2の円上にある２点の位置を計算し、点Ｐ１に立てた法線との角度がπ/2以内の方向の点を点Ｐ２とする。同様にして点Ｐ２からの距離がｄで半径ｒ3の円上にある点Ｐ３の位置を計算する。このような計算を繰り返して最外周円での点Ｐｍまでの位置を計算する。ｄの値を調整することによって必要な精度で点の位置を計算することができる。得られた点Ｐ１からＰｍの点群をつなぎ合わせて得られる長さＬ１＝ｄｍの曲線がスリットの形状であり、これを中心として一定幅のスリットを形成する。なお、ｄの値を小さくすることで、スリットは滑らかな弓状の曲線にすることができる。図４はｄを小さくとることにより、滑らかな曲線スリットになるように設計したノズルプレート１の設計例である。
【００４８】
上述の通り、このように形成されたスリットでは、細い円環状領域の面積Ｓn（ｎ＝１,.....,ｍ）はいずれもＳ0で等しいので、点Ｐ１から順にＰｍまでで、長さｄ、幅Ｗ（≦ｄ）の矩形スリットで連続し、一定の回転速度で回転すると、それぞれの矩形スリットを通過して細い円環状領域に衝突する気体流量は、装置の吸入流量Ｖの１/ｍとなり、最内側円環状領域Ｓ1でも最外側円環状領域Ｓmでも中間の円環状領域Ｓnでもすべて等しくなる。
【００４９】
＜一様性の検討＞
それぞれの細い円環状領域内での一様性は次のようである。ここでは内側からｎ番目の細い円環状領域Ｓn内を例に考える。細い円環状領域Ｓn内で、点Ｐｎ−１とＰｎを結ぶように形成された長さｄ、幅Ｗ（≦ｄ）の矩形スリットを通過して衝突捕集板に衝突する気体流量は、この細い円環状領域の半径ｒn-1の内側円と半径ｒnの外側円とで比較すると、その単位面積あたりの気体流量の比は、それぞれの半径の比の逆数になる。したがって、最内側の細い円環状領域Ｓ1内で領域内での均一性は最も悪くなるが、その程度は、具体的に半径ｒ1とｄの値を与えると計算できる。
すなわち、ｒ1＝ 9.5ｍｍにとり、ｄ＝ 0.1ｍｍ、0.2ｍｍ、0.4ｍｍ、0.8ｍｍの４通りの場合に計算すると、それぞれの半径の比ｒ1 /ｒ2 ＝ 0.990、0.980、0.961、0.928であり、ｄを0.1ｍｍとして計算すると、均一性が99％以上の良好な曲線スリットの形状が得られる。
【００５０】
＜スリット幅の計算＞
スリット幅Ｗは、装置の空気吸入速度Ｖ、捕集段の50％捕集粒径等の条件が決められると、ストークス数の定義式を使って計算でき、その分粒捕集特性は標準粒子を用いて測定することで確認する。
ストークス数の定義式 Stk＝(Cρpv0/(9μW))Dp２ で、空気動力学粒径は√(ρp)Dpであり、ノズルプレート３１あるいは４１に形成するノズルでは、それぞれの√(ρp)Dp50 が2.5μｍあるいは0.45μｍである。
すなわち、
√(ρp)Dp50＝ √((Stk50)(9μW)/(Cv0))
但し、装置の水平断面のどの断面に於いても等流量の気体が流れていて、その流量は装置で制御される吸入ポンプによる吸入流量Ｖ（30Ｌ/分）であり、スリットを通過する気体の流速 v0＝V/(WL）となる。
例えば、S/W＝1のときの√(Stk50)値0.70および他の必要パラメータの値を参考にして、スリット長ＬがＬ１の整数倍の場合について、√(ρp)Dp50 が2.5μｍあるいは0.45μｍになるスリット幅Ｗを計算する。特にスリットの製作可能性や難易度などの条件を検討して、スリットの本数と幅とを確定する。
なお、具体的には、加工しやすさや測定精度から総合的に判断すると、スリット幅は0.2ｍｍ程度にするのが好ましいが、0.1ｍｍ〜1ｍｍの範囲でスリット幅を選べば実用上は問題ない。
【００５１】
以上の条件でスリット形状を設計することによって、衝突捕集材３２では50％分離粒径2.5μｍのスリットで粒径2.5μｍ以上の浮遊粒子を衝突捕集し、衝突捕集材４２では50％分離粒径0.45μｍのスリットで粒径0.45μｍ以上の浮遊粒子を衝突捕集することができ、しかも衝突捕集材３２、４２を一定の回転速度で回転させることで、衝突捕集板の中心から半径ｒ1の最内周円と半径ｒmの最外周円で囲まれる円環状領域内に粒子を一様に堆積捕集できるようになる。
【００５２】
具体的な最内周円半径ｒ1と最外周円半径ｒmは、捕集材として47ｍｍ径のフィルタを用いるので、（ｒm−ｒ1）が10ｍｍになるようｒm＝19.5ｍｍ、ｒ1＝9.5ｍｍとしてある。これらは成分分析試料の要求条件によるものである。
【００５３】
ノズルプレートはアルミ合金等の金属製であり、図１におけるノズルプレート３１、４１では側壁と一体となっている。ノズルプレートの厚さは、分粒捕集特性に関係しており、ノズル端と衝突捕集板との距離と同程度以上の厚さが必要であり、この例では1ｍｍにしてある。また、用いるフィルタ直径に応じて定められるが、47ｍｍのもの利用を想定している。ノズルプレート中心はその下方に配置される捕集部材の回転中心と軸線が一致するようにしてある。
【実施例】
【００５４】
弓状の曲線スリットからなるノズルが形成されたノズルプレートを用いて、実際に大気中の粒子を分粒捕集した。図５は第一捕集段１３にて堆積された粒径2.5−7.0μｍの浮遊粒子の状態を示す写真であり、図６は第二捕集段１４にて堆積された粒径0.45−2.5μｍの浮遊粒子の状態を示す写真である。
これらの測定は、回転機構３４、４４の回転速度を１回転／分、図示しない吸入ポンプの吸入速度を３０Ｌ／分に維持するようにして行われた。
いずれも円環状の縞模様や濃淡模様が現れておらず、均一に堆積されている。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明は、浮遊粒子を捕集するカスケードインパクタ型サンプラ等の粒子分粒捕集機構として利用できる。
【符号の説明】
【００５６】
１ ノズルプレート
２ 円形領域
３ 円環状領域
４ 円環状領域の内周円
５ 円環状領域の外周円
６ 曲線スリット
１０ カスケードインパクタ型サンプラ（粒子分粒捕集機構）
１１ 大気吸入孔
１２ 前置捕集段
１３ 第一捕集段
１４ 第二捕集段
１５ 最終部
２１ 前置段の衝突捕集板
３１ 第一段ノズルプレート
３１ａ 第一段曲線スリット
３２ 第一段捕集材
３３ 第一段捕集材ホルダ
３４ 回転機構
４１ 第二段ノズルプレート
４１ａ 第二段曲線スリット
４２ 第二段捕集材
４３ 第二段捕集材ホルダ
４４ 回転機構
５１ バックアップフィルタ
５２ バックアップフィルタホルダ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大気中に浮遊する粒子状物質（ＰＭ）を分粒捕集する機構に関する。本発明は、例えば、大気中に浮遊する粒子状物質を粒径ごとに分粒して捕集するカスケードインパクタ型サンプラの粒子分粒捕集機構（分粒捕集装置）として利用される。
【背景技術】
【０００２】
大気中にはさまざまな粒径の浮遊粒子状物質が存在する。大気中に浮遊する粒子状物質であって、空気動力学粒径（以下粒径と略称）が10μｍ以下のものは、我が国では浮遊粒子状物質（ＳＰＭ）と呼ばれ、環境基準が定められ環境濃度監視の対象となっている。
大気中に浮遊する粒子状物質（ＰＭ）は、土壌性粒子、海塩粒子、火山噴出物のような自然発生源粒子および工場・事業所からのばい煙、ガソリン自動車やディーゼルからの排気粒子のような人為的発生源粒子からなる一次粒子と、硫黄酸化物、窒素酸化物、炭化水素類等のガス状物質が大気中で粒子化する二次生成粒子とからなっている。
発生源あるいは生成由来の相違を反映して、大気中に浮遊する粒子状物質（ＰＭ）の化学成分は粒径によって著しく異なっている。したがって、大気中に浮遊する粒子状物質（ＰＭ）の化学成分を粒径別に測定することによって、その発生源あるいは生成由来の特徴をより詳細に把握できる。
大気中に浮遊する粒子状物質（ＰＭ）のうちで、粒径が2.5μｍ以下のものは、特に微小粒子状物質（ＰＭ２．５）と呼ばれている。微小粒子状物質（ＰＭ２．５）は、ヒトが呼吸したときに肺の奥深くまで達するため、特に健康への悪影響が懸念されている。
そのために、大気中に浮遊する粒子状物質（ＰＭ）を分粒捕集して、浮遊粒子状物質（ＳＰＭ）および微小粒子状物質（ＰＭ２．５）について、それらの質量濃度とともに化学成分濃度が測定される。
【０００３】
インパクタは小さな円形または矩形のノズルから衝突捕集板に向かって粒子を含む気流（エアロゾル）を吹き付け、慣性力によって粒子を衝突捕集板上に沈着させるものである。これを数段直列に連結し、ノズルを通過する流速を下段にいくにしたがって高速にした分粒機構がカスケードインパクタであり、大気中に浮遊する粒子状物質（ＰＭ）を詳細に分粒捕集するための粒子捕集装置に利用される。
吹き出しノズルあるいはスリットの形状寸法、流量、捕集段数など種々のものがあるが、一般に粒径0.5〜20μｍ程度の粒子を分粒捕集の対象とし、それより小さい粒子は最終部につけたバックアップフィルタで捕集する。
ノズルから吹き出す粒子の慣性衝突による捕集効率は、Ranzら（1952）以来多くの研究者によって研究されている。
気流に含まれる粒子の限界流跡線についての理論式の完全解を得ることはできないが、解の関数型を考察して、粒子の衝突効率は慣性力の大きさを示す尺度であり次式で定義されるストークス数Ｓｔｋのみの関数となることが知られている。
Stk ＝ Cρpv0Dp2/(9μDc)
ここで、
C ＝ カニンガム補正項，無次元（1.00＋0.16x10-4/Dp）
ρp ＝ 粒子密度（g/cm3）
v0 ＝ 流速（cm/sec）
Dp ＝ 粒子の実効粒径（cm）
μ ＝ 空気の粘性率（ポアズ）
Dc ＝ 円形ノズルの直径または矩形の場合の幅(W)（cm）
捕集効率が50％となるような粒径はＥＣＤ（effective cut-off diameter）、通称50％捕集粒径（Dp50）といい、このときのＳｔｋがStk50と表される。すなわち、
√(Stk50) ＝ √(Cρpv0/(9μDc))Dp50＝ √(Cv0/(9μDc))（√(ρp)Dp50）
であり、√(Stk50)は吹き出しノズルの形状寸法やノズルと衝突捕集板との距離Ｓによるが、例えば円形（S/Dc＝1.0）では0.48、矩形（S/W＝1.0）では0.70との理論計算結果が得られている。また、空気動力学粒径では、ＥＣＤは（√(ρp)Dp50）である。
この関係を利用して、0.5〜20μｍの粒径範囲で任意のＥＣＤの捕集段を設計製作することができる。
捕集段ごとにＥＣＤが異なる衝突捕集段を適当に連結したカスケードインパクタ型サンプラを用いて、大気中の浮遊粒子状物質（ＰＭ）を粒径の大きいものから逐次分粒捕集される。各捕集段の衝突捕集板に沈着した粒子の質量やその化学成分を測定して、粒径分布のデータが得られる。
【０００４】
カスケードインパクタ型サンプラの従来例としては、複数の分粒捕集段が直列に接続され、各捕集段には、外気または直前の捕集段から流入する気体をノズルを通して放出するためのノズルプレートと放出された気体を衝突させて気体中の粒子を捕集する衝突捕集板があり、衝突捕集板に衝突した気体を後段に導く流路を備えているものが開示されている（例えば特許文献１参照）。
【０００５】
このタイプのカスケードインパクタ型サンプラでは、ノズルプレートには孔径の等しい円形小孔が多数個穿孔形成されている。各捕集段の全ノズルを通過する気体の合計流量は一定であり、下段側の捕集段になるほどノズルを通過する気流の速度を高速にするためにノズル径と個数を調節し、また衝突捕集板に気体が偏りなく吹き付けられるようにノズルプレートのノズル位置が配置されている。
そして最下段側に取り付けたエアポンプを稼働すると、最上段側に設けた吸入口から気体が吸入され、各捕集段ではその捕集段で規定された粒子粒径の捕集効率にしたがって粒子が衝突捕集板（一般には板上に置かれたフィルタ等の捕集材）上に沈着捕集されながら、順次、下段の捕集段に流れていく。このようにして、上段の捕集段には粒径が大きい粒子が捕集され、下段になるにつれて粒径の小さい粒子が捕集されるようにしてある。
そして上記文献では、カスケードインパクタ型サンプラによって捕集された粒子は、イオンクロマトグラフ分析法によるイオン種分析を行ったり、ＩＣＰ質量分析法による元素分析などを行ったりするための分析試料として利用される。
【０００６】
ところで、捕集材に捕集された粒子の成分を分析する上で、既述のイオン種分析、元素分析以外の分析方法、特に湿式の化学操作を行わない非破壊分析法で試料の分析を行いたい場合がある。例えば、ＰＩＸＥ（Proton Induced X-ray Emission）法や蛍光Ｘ線分析法によって、捕集材上に堆積した粒子試料を計測したい場合である。蛍光Ｘ線分析法で精度よく元素分析するためには、捕集材上のＸ線が照射される測定領域内で、粒子が均一に堆積されていることが必須である。さらに高感度な元素分析法であるＰＩＸＥ法を適用して定量分析する場合には、分析試料の均一性がさらに厳しく求められる。
しかしながら、上述したカスケードインパクタ型サンプラでは、捕集材に堆積した粒子は、ノズルの配置を反映した斑点模様になっており、捕集材上に不均一に堆積されている。そのため、蛍光Ｘ線分析を行うと、粒子が不均一に堆積されていることによって、精度のよい測定を行うことが困難であった。蛍光Ｘ線分析以外の分析手法であっても、捕集材上に均一に堆積されることが求められる測定手法であれば、精度の高い測定が困難になる問題が生じる。また、捕集材上に不均一に堆積した粒子試料から、正確に一定量を取り出して、分析に供することは困難である。
【０００７】
また、カスケードインパクタでは、一旦、捕集材に衝突して堆積した粒子が「再飛散」によって、再び捕集材から離れ、気流によって流されてしまうことがある（特許文献２参照）。カスケードインパクタの場合、捕集材に堆積した後に再飛散した粒子は、後段の捕集段に設けられた捕集材に堆積することになる。このような現象は分粒性能を悪化させ誤差の要因となる。粒子の再飛散は、主として既に相当量の粒子が堆積しているとき、後からノズルを通過したエアロゾルが堆積している粒子と衝突することによって生じる。
したがって、捕集材に堆積した粒子が再飛散して再び捕集材から離れることを防ぐには、気流の衝突する衝突捕集板の位置に堆積する粒子の量を減らすことが必要であり、捕集材の全面にわたって万遍なく粒子が均一に堆積捕集されるようにすることが望ましい。
【０００８】
そのため、衝突捕集板の全面にわたって、できるだけ均一に堆積させることを目的として、捕集段に衝突捕集板を回転させる回転機構を備え、衝突捕集板を回転しながら捕集することにより、粒子の堆積位置が一部に偏らないようにしたカスケードインパクタが開示されている（特許文献２参照）。
【０００９】
また、採集ディスク（衝突捕集板）の軸線を、穿孔円板（ノズルプレート）の軸線に対し偏心するように配置するとともに、穿孔円板にはその軸線と同軸の同一周縁上に複数の孔を形成し、採集ディスクを回転させることにより、採集ディスク上に集められる粒子デポジットが、幅広の環状面積を均等に占めるとするカスケードインパクタが開示されている（特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００７−１０１３３１号公報
【特許文献２】特表２００７−５０１３９９号公報
【特許文献３】特開昭６０−１５７０３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
特許文献２に記載されているように、回転機構で衝突捕集板を回転することにより、粒子が捕集材上で斑点模様を形成するように堆積することはなくなる。しかしながら、捕集材に捕集される粒子は、円環状の縞模様を形成することになる。すなわち、ノズルプレートには孔径の等しい多数個の円型ノズルが穿孔されており、これらのいずれか１つのノズルに着目すると、このノズルから吹き出される気体が衝突する衝突捕集板の位置が回転することにより円環状の軌跡を描くようになるので、粒子は円環状に堆積する。個々のノズルの孔径が100μｍであるなら、それぞれのノズルから吹き出された気流が衝突する位置に、孔径より若干幅の広い円環状の縞模様が形成される。その結果、回転機構により円周方向には粒子を均一に堆積できたとしても、半径方向には不均一に堆積することになっていた。
【００１２】
これに対し、特許文献３に記載されているように、採集ディスク（衝突捕集板）の軸線を、穿孔円板（ノズルプレート）の軸線に対し偏心することにより、半径方向の不均一さは、さらに改善されるようになる。しかしながら、たとえ軸線を偏心させたとしても、円環状の縞模様をなくすことはできず、依然として、半径方向に円環状の不均一さに起因する模様が生じることとなっている。
【００１３】
ここで、採集ディスクと穿孔円板とを偏心させた場合でも円環状の不均一が残ることについて説明する。図７は、穿孔円板（ノズルプレート）に対し、採集ディスク（衝突捕集板）を偏心させて回転したときのデポジットの全体分布を説明するための特許文献３に記載された図である。また、図８は、図７で穿孔円板（ノズルプレート）に形成された孔のうち特定の穿孔によるデポジットの分布を説明するための図である。
【００１４】
穿孔円板１０２にあけた各孔１０４の直径をＤｃ、採集ディスク１０１の軸線Ｕと穿孔円板１０２の軸線Ｖとの偏心距離をｅとする。また、穿孔円板１０２の軸線Ｖと同軸で同一周縁１０５上に配置された孔１０４、１０４、・・・のそれぞれと穿孔円板１０２の軸線Ｖとの距離をｒ０とする。
採集ディスク１０１の軸線Ｕから最も遠い位置の孔１０４ｏｕｔによる粒子デポジットまでの距離ｄｏｕｔは、孔１０４が採集ディスク１０１の軸線Ｕと穿孔円板１０２の軸線Ｖとを結ぶ直線の軸線Ｖ側の延長上にあるときで、最長長さが（ｒ０＋ｅ）となる。逆に、最も近い位置の孔１０４ｉｎは、孔１０４が採集ディスク１０１の軸線Ｕと穿孔円板１０２の軸線Ｖとを結ぶ直線の軸線Ｕ側の延長上にあるときで最短長さｄｉｎが（ｒ０−ｅ）となる。すなわち、図８に示すように、穿孔円板１０２の軸線Ｖの位置を原点とし、原点と最長長さとなる孔１０４ｏｕｔとを結ぶ方向を基準方向とし、原点から軸線Ｖを中心とする半径ｒ０の円周上の任意の位置にある孔１０４ｘとなす角をθとすると、軸線Ｕの位置から孔１０４ｘまでの距離ｄｘは、次式になる。
dx ＝ √ (e2 + rO2 + 2erOcosθ）
θは０≦θ≦２πであり、したがって、ｄｘの最長長さｄｏｕｔは（ｒ０＋ｅ）、最短長さｄｉｎは（ｒ０−ｅ）となる。
【００１５】
採集ディスク１０１が１回転することによって、最も遠い孔１０４ｏｕｔによる粒子デポジットは、採集ディスク１０１の軸線Ｕを中心として半径（ｒ０＋ｅ）で幅Ｄｃとなる円環のデポジットとなり、その環状面積Ｓｏｕｔは、次式となる。
Sout ＝ 2π (ｒO + e) Dc
最も近い孔１０４ｉｎによる粒子デポジットは、採集ディスク１０１の軸線Ｕを中心として半径（ｒ０−ｅ）で幅Ｄｃとなる円環のデポジットとなり、その環状面積Ｓｉｎは、次式となる。
Sin ＝ 2π (ｒO - e) Dc
【００１６】
孔１０４ｏｕｔと孔１０４ｉｎをそれぞれ通過する空気量は等しいから、それぞれの環状面積にデポジットする粒子の全量は等しくなる。したがって、デポジットする粒子の濃度密度は環状面積に反比例する。これらの環状面積の比Ｒｓ（＝Ｓｉｎ／Ｓｏｕｔ）は、次式となる。
Rs ＝ (ｒO - e) / (ｒO + e)
採集ディスク１０１上の粒子デポジットは、デポジットされる全面積１０３にわたって均等になるのではなく、外側ほど単位面積あたりのデポジット量が少なくなる。
【００１７】
例えば、直径47ｍｍの採集フィルタ上に、幅1ｃｍで環状に粒子をデポジットする場合を考える。
ｒ０＝1.7ｃｍ、ｅ＝0.5ｃｍに選ぶと、半径1.2ｃｍと2.2ｃｍの円に囲まれた幅1ｃｍの環状の粒子デポジットが得られる。このとき、面積比Ｒｓ（＝Ｓｉｎ／Ｓｏｕｔ）＝0.55となり、孔を通過して採集ディスク１０１に慣性衝突する単位面積あたりの空気量は、半径2.2ｃｍの最も外側部分は半径1.2ｃｍの最も内側部分の55％となる。最も外側部分と最も内側部分との中間部分は、内側に近づくほどデポジット量が多くなる。したがって、採集ディスク（衝突捕集板）上に集まる粒子デポジットは、円周方向には均等化することはできるが、半径方向には、円環状の縞模様あるいは濃淡模様が残ってしまうことになる。
【００１８】
孔１０４ｏｕｔおよび孔１０４ｉｎと同一周縁１０５上に配置される孔１０４、１０４、・・・を増やすことで重ね塗りを行ったとしても、縞模様や濃淡模様は完全に消すことはできない。
【００１９】
そこで、本発明は、捕集材上に斑点模様や円環状の縞模様が生じないようにするとともに、粒子を理想的な均一度で堆積することができるようにしたカスケードインパクタ型の粒子分粒捕集機構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】
【００２０】
上記課題を解決するためになされた本発明のカスケードインパクタ型の粒子分粒捕集機構は、浮遊粒子を含む気体を吸入する少なくとも１つの捕集段を有し、各捕集段内には、気体が通過するノズルが形成されたノズルプレートと、ノズルプレートと平行に配設されノズルを通過した気体を衝突させて浮遊粒子を捕集する衝突捕集板と、その捕集板を回転させる回転機構と、捕集板に衝突した気体を下段へ流出させる排出流路を備えた構造であり、以下の特徴的な構成を備えている。
【００２１】
すなわち、この粒子分粒捕集機構におけるノズルプレートには幅が一定の曲線スリット形状のノズルが少なくとも１本形成される。この曲線スリットは、衝突捕集板の回転軸を延長した線上にくるノズルプレートの位置をノズルプレートの中心として、ノズルプレートの中心近傍の円形領域を除いた円環状領域内で、当該円環状領域の内周円から外周円に向かうように形成される。そして曲線スリットの好ましい位置や形状は、以下の計算に基づいて設計される。
【００２２】
粒子を均一に堆積捕集するためには、ノズルから吹き出される気流を衝突捕集板上に均一に衝突させる必要があり、これを実現できるノズルプレート上のスリット形状を次のようにして計算する。
衝突捕集板の中心から半径ｒ1の最内周円と半径ｒmの最外周円で囲まれる円環状領域内に粒子を堆積捕集するものとする。ノズルプレート上で半径ｒ0とｒ1（＝ｒ0＋ｄ）の円で囲まれる細い円環状領域の面積をＳ0とすると、
S0 ＝ π（r0 + d)2 − π r02 ＝ π（r12 - r02）
同様に、半径ｒ2,ｒ3,.....,ｒn,.....の円を、隣り合う円で囲まれる細い円環状領域の面積がＳ0と等しくなるように定義する。すなわち、
S0 ＝ π（r22 - r12）＝ π（r32 - r22）＝ π（r42 - r32）＝ ..... ＝ π（rn2 - rn-12）＝ .....
したがって、ｎ番目の円環状領域の外周円の半径ｒnは、与えられたｒ0とｄの値から次のように計算される。
rn ＝ √（r02 + 2ndr0 + nd2）
【００２３】
この計算結果に基づいて、半径ｒ1の円上の任意の点Ｐ１を選び、点Ｐ１からの距離がｄで半径ｒ2の円上にある２点の位置を計算し、点Ｐ１に立てた法線との角度がπ/2以内の方向の点を点Ｐ２とする。同様にして点Ｐ２からの距離がｄで半径ｒ3の円上にある点Ｐ３の位置を計算する。このような計算を繰り返して最外周円での点Ｐｍまでの位置を計算する。ｄの値を調整することによって必要な精度で点の位置を計算することができる。得られた点Ｐ１からＰｍの点群をつなぎ合わせて得る線を中心として細い一定幅のスリットを形成し、衝突捕集板を一定速度で回転させると、スリットから吹き出された気流が衝突捕集板上の半径ｒ1の最内周円と半径ｒmの最外周円で囲まれる円環状領域の衝突通過した領域では、単位面積あたりに衝突する気体流量は均一になる。その結果、気流に含まれる粒子が均一に衝突捕集されることになる。
【００２４】
スリット幅Ｗは、装置の空気吸入速度、捕集段の50％捕集粒径等の条件が決められると、ストークス数の定義式を使って計算でき、その分粒捕集特性は標準粒子を用いて測定することで確認される。
【発明の効果】
【００２５】
本発明では、ノズルプレートに形成するノズル形状を、円形小孔ではなく曲線スリットとして、また、ノズルプレート上で曲線スリットが形成される位置を、ノズルプレートの中心近傍を除いた円環状領域内として、さらに、曲線スリットが円環状領域の最内周円から最外周円に向かう弓状の曲線を形成するようにしたことにより、曲線スリットを通過した粒子は、一定速度で回転させた衝突捕集板上に単位面積あたり一定流量の気流が衝突することになり、その結果、斑点模様や同心円状の縞模様ではなく、均一に粒子を沈着捕集できるようになる。
また、衝突捕集板の回転方法を制御することによって、半径ｒ1の最内周円と半径ｒmの最外周円で囲まれる円環状領域の特定領域のみに限って衝突捕集して、単位面積あたりの吸入空気量を多くできる。さらに、時間帯によって沈着領域を制御することによって、例えば昼夜間を区別して粒子捕集をすることができる。
さらに、衝突捕集板の中心近傍に粒子が堆積しないブランク領域を設けることができるので、衝突捕集板上に置かれたフィルタ等の捕集材のこの部分を蛍光Ｘ線分析等でのフィールドブランク試料として利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の一実施形態である粒子分粒捕集機構の構成を示す断面図である。
【図２】本発明の一実施形態である粒子分粒捕集機構で用いられる曲線スリットが形成されたノズルプレートの例を示す図である。
【図３】ノズルプレートに形成される曲線スリットの形状を説明する図である。
【図４】滑らかな曲線スリットになるように設計したノズルプレートの設計例を示す図である。
【図５】本発明のノズルプレートを用いたときに捕集材に堆積する粒子状態を示す写真である。(粒径2.5−7.0μｍ)
【図６】本発明のノズルプレートを用いたときに捕集材に堆積する粒子状態を示す写真である。（粒径0.45−2.5μｍ）
【図７】穿孔円板（ノズルプレート）に対し採集ディスク（衝突捕集板）を偏心させて回転したときのデポジットの全体分布を説明するための図である。
【図８】図７で穿孔円板（ノズルプレート）に形成された孔のうち特定の孔によるデポジットの分布を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の粒子分粒捕集機構について図面を用いて説明する。ここでは、捕集段を直列に接続した構造のカスケードインパクタ型の粒子分粒捕集機構を例にして説明するが、本発明は、必ずしも以下の実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜修正、変更することが可能である。
また、説明の便宜上、カスケードインパクタ型の粒子分粒捕集機構の全体構造について先に説明し、本発明の重要な要素であるノズルプレートのスリット形状については、その後に説明する。
【００２８】
（粒子分粒捕集機構の構造）
図１は本発明の一実施形態であるカスケードインパクタ型の粒子分粒捕集機構の構成を示す断面図である。この粒子分粒捕集機構１０は、大気吸入孔１１とそれに接続された粒径10μｍ以上の粒子を分粒捕集する衝突捕集板２１を有する前置衝突捕集段１２、ノズルプレート３１と対になる衝突捕集板３２とそのホルダ３３および電動モータを収納した回転機構３４を有する第一捕集段１３、ノズルプレート４１と対になる衝突捕集板４２とそのホルダ４３および電動モータを収納した回転機構４４を有する第二捕集段１４、バックアップフィルタ５１とそのホルダ５２を有する最終部１５（最終段）が、この順で直列に接続された構造を有する。
この粒子分粒捕集機構１０は、加工性、耐食性に優れ、かつ、帯電の影響を避けるため、吸入された大気が直接触れる部分は、アルミ合金などの金属製材料で形成され、バックアップフィルタホルダ５２のみが樹脂系材料を使用するようにしてある。
最終部１５の出口には吸入ポンプに接続される吸入孔があり、図示しないエアポンプが接続してあり、これを作動することで粒子分粒捕集機構内の流路に気体が流れるようにしてある。
正確な分粒捕集特性を維持するためには、粒子分粒捕集機構内を流れる気体を一定流量に維持する必要があり、エアポンプの吸入速度を制御することにより、規定の流量を維持することができる。以下、各段ごとに順次説明する。
【００２９】
大気吸入孔１１は、浮遊粒子が含まれる大気を吸入し、前置衝突捕集段１２に導く。
前置衝突捕集段１２では、大気吸入孔１１の真正面の位置に、吸入された大気が最初に衝突する衝突捕集板２１が設けてある。
衝突捕集板２１は、小孔やスリットが形成されていない円板であり、吸入された大気が衝突したときに、大気中に含まれる浮遊粒子のうち、粒径10μｍ以上の粒子がこの衝突捕集板上に捕集されるようにしてある。具体的には、最初に装置の吸入速度を決め、衝突捕集板２１の直上の円形孔とで衝突捕集段を形成するとして、既述のストークス数Ｓｔｋを計算して最適の円形孔の口径を決め、粒径10μｍ以上の浮遊粒子が衝突捕集板２１に衝突すると、慣性力で捕集されるようにしてある。
【００３０】
前置衝突捕集段１２の下方に続く気体流路は第一捕集段１３に接続されている。衝突捕集板２１に衝突した気体は、衝突捕集板２１の外周側にある壁面との隙間を通って、粒径10μｍ以上の浮遊粒子が取り除かれた気体が次の第一捕集段１３に流入していく。
【００３１】
第一捕集段１３では、前置衝突捕集段１２の排出流路に接続して、ノズルプレート３１が取り付けられている。
ノズルプレート３１の下には、ノズルプレート３１と対をなすホルダ３３があり、ホルダ３３の上面に適当な材質のフィルタ等の衝突捕集板３２が装着保持してある。取り外し可能なホルダ３３は回転機構３４に装着固定されていて、これを作動することにより、ホルダ３３とともに衝突捕集板３２が回転するようにしてある。回転機構３４は、ホルダ３３の回転が気体の流れに影響を及ぼさないように、ゆっくりとした速度で回転するようにしてある。
【００３２】
前置衝突捕集段１２から流れ込んだ気体は、ノズルプレート３１に形成されたスリット３１ａを通過しなければ第一捕集段１３に流れ込めないようにしてある。
【００３３】
ノズルプレート３１に形成されるスリット３１ａは、装置に定流量で大気が吸入されたとき、スリット３１ａを通過した気流に含まれる粒径2.5μｍの浮遊粒子の50％が、慣性力によって衝突捕集板３２上に捕集できるように設計製作してある。
すなわち、既述のストークス数Ｓｔｋの計算式を用いて、捕集効率が50％となる粒径が2.5μｍとなるように、気流のスリット通過流速とスリット幅の関係を計算し、決められた装置の大気吸入速度に対するスリット形状の諸元が決められる。製作されたスリットの分粒捕集特性は粒径と密度が正確に規定されている標準粒子を用いた試験で確認されている。なお、スリット３１ａの形状については、後述する。
【００３４】
衝突捕集板３２は、気体中に含まれていた浮遊粒子を衝突させて捕集して、成分分析等の供試試料とするためのものであり、各種素材の市販フィルタ等から、対象成分に応じて利用される測定手法に適した捕集材が選択される。
【００３５】
ホルダ３３および回転機構３４の外周側および回転機構３４の下方には、排出流路１３ａとなる空間が形成してある。衝突捕集板３２に衝突した気体は、排出流路１３ａを通って、次段の第二捕集段１４に流入する。
【００３６】
第二捕集段１４は、ノズルプレート４１を除いて、第一捕集段１３と同じ構造を有している。すなわち、第二捕集段１４では、第一捕集段１３の排出流路１３ａとの境界部分に、ノズルプレート４１が取り付けられている。
ノズルプレート４１の下には、ノズルプレート４１と対をなすホルダ４３があり、ホルダ４３の上面に適当な材質のフィルタ等の衝突捕集板４２が装着保持してある。
取り外し可能なホルダ４３は回転機構４４に装着固定されていて、これを作動することにより、ホルダ４３とともに衝突捕集板４２が回転するようにしてある。回転機構４４は、ホルダ４３の回転が気体の流れに影響を及ぼさないように、ゆっくりとした速度で回転するようにしてある。
【００３７】
第一捕集段１３から流れ込んだ気体は、ノズルプレート４１に形成されたスリット４１ａを通過しなければ第二捕集段１４に流れ込めないようにしてある。
ノズルプレート４１に形成されるスリット４１ａは、装置に定流量で大気が吸入されたとき、スリット４１ａを通過した気流に含まれる粒径0.45μｍの浮遊粒子の50％が、慣性力によって衝突捕集板４２上に捕集できるように設計製作してある。
すなわち、既述のストークス数Ｓｔｋの計算式を用いて、捕集効率が50％となる粒径が0.45μｍとなるように、気流のスリット通過流速とスリット幅の関係を計算し、決められた装置の大気吸入速度に対するスリット形状の諸元が決められる。製作されたスリットの分粒捕集特性は粒径と密度が正確に規定されている標準粒子を用いた試験で確認されている。なお、スリット４１ａの形状については後述する。
【００３８】
ホルダ４３および回転機構４４の外周側および回転機構４４の下方には、排出流路１４ａとなる空間が形成してある。衝突捕集板４２に衝突した気体は、排出流路１４ａを通って、次段の最終部１５に流入する。
【００３９】
最終部１５では、バックアップフィルタホルダ５２に装着されたバックアップフィルタ５１で気体に含まれる浮遊粒子が濾過捕集された後、最終部１５の出口に向けて吸入されていくようにしてある。
【００４０】
バックアップフィルタ５１では、気体に含まれる浮遊粒子が濾過捕集されるが、その粒径は主として0.45μｍ以下のものである。バックアップフィルタ５１は成分分析等の供試試料とされるものであり、石英繊維、テフロン（登録商標）、ポリカーボネートなどの各種素材製の市販フィルタ等から、対象成分に応じて利用される測定手法に適した捕集材が選択される。
【００４１】
そして、最終部１５の出口に達した気体は、吸入ポンプによって大気中に排出されるようにしてある。
【００４２】
（ノズルプレートのスリット形状）
次に、第一捕集段１３、第二捕集段１４のノズルプレート３１、４１上に形成するスリットの形状について説明する。
図１で説明したように、各分粒捕集段（第一捕集段１３、第二捕集段１４）は、気体が通過する曲線スリット３１ａ、４１ａが形成されたノズルプレート３１、４１、ノズルプレート３１、４１と平行に配設され曲線スリット３１ａ、４１ａを通過した気体を慣性衝突させて浮遊粒子を分粒捕集する衝突捕集板３２、４２、その衝突捕集板３２、４２を回転させる回転機構３４、４４および衝突捕集板３２、４２に衝突した気体を下段へ流出させる排出流路１３ａ、１４ａを備えた構造である。
既述のように、従来のカスケードインパクタ型サンプラでは、衝突捕集板と対向するノズルプレートの面全体にわたって、円形の小孔を複数形成したものが多かった。
本発明のノズルプレート３１、４１では、衝突捕集板３２、４２に衝突捕集される粒子が斑点模様や円環の縞模様などではなく、均一に沈積分布させるように、円形小孔や直線スリットではなく曲線スリットのノズルを形成する。
【００４３】
図２は、分粒捕集段（第一捕集段１３、第二捕集段１４）のノズルプレート３１、４１に形成される曲線スリット（ノズル）とその形成される位置とを説明するための模式図である。
ノズルプレート１（図１におけるノズルプレート３１または４１）は、円板状をなしており、円の中心が衝突捕集板３２、４２の回転軸を延長した線上にくるようにしてある。
そして、ノズルプレート１の中心近傍の円形領域２を除いた円環領域３内で、当該円環領域３の内周円４から外周円５に向かう弓状の曲線スリット６を、ノズルとして形成するようにしてある。このスリットの加工は切削加工により行うことが好ましいが、要求される測定精度に応じて、放電加工その他の既存の加工方法を採用してもよい。続いて曲線スリット６の決定方法の１つについて図３を参照しつつ説明する。
【００４４】
まず、均一に沈積させるための形状曲線を決め、次に要求される捕集段の50％捕集粒径に対して、スリット幅Ｗを確定するための計算をさまざまな条件で行い、それらの結果から製作上の制約条件や得られる試料を成分分析する場合の要件などを考慮して最終的に曲線スリットの形状諸元を決定する。
【００４５】
＜形状曲線＞
粒子を均一に堆積捕集するためには、ノズルから吹き出される一定流量の気流を、一定の回転速度で回転する衝突捕集板上の規定された面に一様に衝突させる必要があり、これを実現できるノズルプレートのスリット形状を次のようにして計算する。ここで、衝突捕集板上の規定された面とは、図２のノズルプレート１（すなわちノズルプレート３２、４２）の中心近傍の円形領域２を除いた円環状領域３で、当該円環状領域の内周円４と外周円５に囲まれた領域を、対向する衝突捕集板３２、４２に投影した領域である。すなわち、衝突捕集板の中心から半径ｒ1の最内周円と半径ｒmの最外周円で囲まれる円環状領域内に粒子を堆積捕集するものとする。
【００４６】
ノズルプレート上で半径ｒ0とｒ1（＝ｒ0＋ｄ）の円で囲まれる細い円環状領域の面積をＳ0とすると、
S0 ＝ π（r0 + d)2 − π r02 ＝ π（r12 - r02）
次に、半径ｒ2,ｒ3,.....,ｒn,.....の円を、隣り合う円で囲まれる細い円環状領域の面積がＳ0を等しくなるように定義する。すなわち、
S0 ＝ π（r22 - r12）＝ π（r32 - r22）＝ π（r42 - r32）＝ ..... ＝ π（rn2 - rn-12）＝ .....
したがって、ｎ番目の細い円環状領域の外周円の半径ｒnは、与えられたｒ0とｄの値から次のようになる。
rn ＝ √（r02 + 2ndr0 + nd2）
【００４７】
この計算結果に基づいて、半径ｒ1の円上の任意の点Ｐ１を選び、点Ｐ１からの距離がｄで半径ｒ2の円上にある２点の位置を計算し、点Ｐ１に立てた法線との角度がπ/2以内の方向の点を点Ｐ２とする。同様にして点Ｐ２からの距離がｄで半径ｒ3の円上にある点Ｐ３の位置を計算する。このような計算を繰り返して最外周円での点Ｐｍまでの位置を計算する。ｄの値を調整することによって必要な精度で点の位置を計算することができる。得られた点Ｐ１からＰｍの点群をつなぎ合わせて得られる長さＬ１＝ｄｍの曲線がスリットの形状であり、これを中心として一定幅のスリットを形成する。なお、ｄの値を小さくすることで、スリットは滑らかな弓状の曲線にすることができる。図４はｄを小さくとることにより、滑らかな曲線スリットになるように設計したノズルプレート１の設計例である。
【００４８】
上述の通り、このように形成されたスリットでは、細い円環状領域の面積Ｓn（ｎ＝１,.....,ｍ）はいずれもＳ0で等しいので、点Ｐ１から順にＰｍまでで、長さｄ、幅Ｗ（≦ｄ）の矩形スリットで連続し、一定の回転速度で回転すると、それぞれの矩形スリットを通過して細い円環状領域に衝突する気体流量は、装置の吸入流量Ｖの１/ｍとなり、最内側円環状領域Ｓ1でも最外側円環状領域Ｓmでも中間の円環状領域Ｓnでもすべて等しくなる。
【００４９】
＜一様性の検討＞
それぞれの細い円環状領域内での一様性は次のようである。ここでは内側からｎ番目の細い円環状領域Ｓn内を例に考える。細い円環状領域Ｓn内で、点Ｐｎ−１とＰｎを結ぶように形成された長さｄ、幅Ｗ（≦ｄ）の矩形スリットを通過して衝突捕集板に衝突する気体流量は、この細い円環状領域の半径ｒn-1の内側円と半径ｒnの外側円とで比較すると、その単位面積あたりの気体流量の比は、それぞれの半径の比の逆数になる。したがって、最内側の細い円環状領域Ｓ1内で領域内での均一性は最も悪くなるが、その程度は、具体的に半径ｒ1とｄの値を与えると計算できる。
すなわち、ｒ1＝ 9.5ｍｍにとり、ｄ＝ 0.1ｍｍ、0.2ｍｍ、0.4ｍｍ、0.8ｍｍの４通りの場合に計算すると、それぞれの半径の比ｒ1 /ｒ2 ＝ 0.990、0.980、0.961、0.928であり、ｄを0.1ｍｍとして計算すると、均一性が99％以上の良好な曲線スリットの形状が得られる。
【００５０】
＜スリット幅の計算＞
スリット幅Ｗは、装置の空気吸入速度Ｖ、捕集段の50％捕集粒径等の条件が決められると、ストークス数の定義式を使って計算でき、その分粒捕集特性は標準粒子を用いて測定することで確認する。
ストークス数の定義式 Stk＝(Cρpv0/(9μW))Dp２ で、空気動力学粒径は√(ρp)Dpであり、ノズルプレート３１あるいは４１に形成するノズルでは、それぞれの√(ρp)Dp50 が2.5μｍあるいは0.45μｍである。
すなわち、
√(ρp)Dp50＝ √((Stk50)(9μW)/(Cv0))
但し、装置の水平断面のどの断面に於いても等流量の気体が流れていて、その流量は装置で制御される吸入ポンプによる吸入流量Ｖ（30Ｌ/分）であり、スリットを通過する気体の流速 v0＝V/(WL）となる。
例えば、S/W＝1のときの√(Stk50)値0.70および他の必要パラメータの値を参考にして、スリット長ＬがＬ１の整数倍の場合について、√(ρp)Dp50 が2.5μｍあるいは0.45μｍになるスリット幅Ｗを計算する。特にスリットの製作可能性や難易度などの条件を検討して、スリットの本数と幅とを確定する。
なお、具体的には、加工しやすさや測定精度から総合的に判断すると、スリット幅は0.2ｍｍ程度にするのが好ましいが、0.1ｍｍ〜1ｍｍの範囲でスリット幅を選べば実用上は問題ない。
【００５１】
以上の条件でスリット形状を設計することによって、衝突捕集材３２では50％分離粒径2.5μｍのスリットで粒径2.5μｍ以上の浮遊粒子を衝突捕集し、衝突捕集材４２では50％分離粒径0.45μｍのスリットで粒径0.45μｍ以上の浮遊粒子を衝突捕集することができ、しかも衝突捕集材３２、４２を一定の回転速度で回転させることで、衝突捕集板の中心から半径ｒ1の最内周円と半径ｒmの最外周円で囲まれる円環状領域内に粒子を一様に堆積捕集できるようになる。
【００５２】
具体的な最内周円半径ｒ1と最外周円半径ｒmは、捕集材として47ｍｍ径のフィルタを用いるので、（ｒm−ｒ1）が10ｍｍになるようｒm＝19.5ｍｍ、ｒ1＝9.5ｍｍとしてある。これらは成分分析試料の要求条件によるものである。
【００５３】
ノズルプレートはアルミ合金等の金属製であり、図１におけるノズルプレート３１、４１では側壁と一体となっている。ノズルプレートの厚さは、分粒捕集特性に関係しており、ノズル端と衝突捕集板との距離と同程度以上の厚さが必要であり、この例では1ｍｍにしてある。また、用いるフィルタ直径に応じて定められるが、47ｍｍのもの利用を想定している。ノズルプレート中心はその下方に配置される捕集部材の回転中心と軸線が一致するようにしてある。
【実施例】
【００５４】
弓状の曲線スリットからなるノズルが形成されたノズルプレートを用いて、実際に大気中の粒子を分粒捕集した。図５は第一捕集段１３にて堆積された粒径2.5−7.0μｍの浮遊粒子の状態を示す写真であり、図６は第二捕集段１４にて堆積された粒径0.45−2.5μｍの浮遊粒子の状態を示す写真である。
これらの測定は、回転機構３４、４４の回転速度を１回転／分、図示しない吸入ポンプの吸入速度を３０Ｌ／分に維持するようにして行われた。
いずれも円環状の縞模様や濃淡模様が現れておらず、均一に堆積されている。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明は、浮遊粒子を捕集するカスケードインパクタ型サンプラ等の粒子分粒捕集機構として利用できる。
【符号の説明】
【００５６】
１ ノズルプレート
２ 円形領域
３ 円環状領域
４ 円環状領域の内周円
５ 円環状領域の外周円
６ 曲線スリット
１０ カスケードインパクタ型サンプラ（粒子分粒捕集機構）
１１ 大気吸入孔
１２ 前置捕集段
１３ 第一捕集段
１４ 第二捕集段
１５ 最終部
２１ 前置段の衝突捕集板
３１ 第一段ノズルプレート
３１ａ 第一段曲線スリット
３２ 第一段捕集材
３３ 第一段捕集材ホルダ
３４ 回転機構
４１ 第二段ノズルプレート
４１ａ 第二段曲線スリット
４２ 第二段捕集材
４３ 第二段捕集材ホルダ
４４ 回転機構
５１ バックアップフィルタ
５２ バックアップフィルタホルダ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
浮遊粒子を含む気体を流入させる少なくとも１つの捕集段を有し、
各捕集段内には、気体が通過するノズルが形成されたノズルプレートと、ノズルプレートと対向するように配設されノズルを通過した気体を衝突させて浮遊粒子を捕集する捕集板と、捕集板を回転させる回転機構と、捕集板に衝突した気体を流出させる排出流路とを備えた粒子分粒捕集機構であって、
ノズルプレートに形成されるノズルが、少なくとも１本の曲線スリットからなり、
前記曲線スリットは、捕集板の回転軸を延長した線上にくるノズルプレートの位置をノズルプレートの中心として、ノズルプレートの中心近傍の円形領域を除いた円環状領域内で、曲線スリットが当該円環状領域の内周円から外周円に向かう曲線を形成するように設けられ、
さらに、前記曲線スリットが形成される円環状領域を同心状でかつ同一面積の微小円環領域ごとに区分したときに、各微小円環領域を横断する曲線スリットの部分長さｄが一定長さになるようにそれぞれの微小円環領域内での方向が定められることを特徴とする粒子分粒捕集機構。
【請求項２】
前記捕集段の上流側に、外部から浮遊粒子を含む気体を流入させる前置衝突捕集段を設け、前置衝突捕集段内に、流入した気体を衝突させて上限閾値以上の粒径の浮遊粒子を予め除去する衝突捕集板を備えるとともに、衝突捕集板に衝突した気体を後段の捕集段に流出する排出流路を備えた請求項１に記載の粒子分粒捕集機構。
【請求項３】
最も下流側の捕集段の後段に、下限閾値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をさらに設けた請求項１に記載の粒子分粒捕集機構。
【請求項１】
浮遊粒子を含む気体を流入させる少なくとも１つの捕集段を有し、
各捕集段内には、気体が通過するノズルが形成されたノズルプレートと、ノズルプレートと対向するように配設されノズルを通過した気体を衝突させて浮遊粒子を捕集する捕集板と、捕集板を回転させる回転機構と、捕集板に衝突した気体を流出させる排出流路とを備えた粒子分粒捕集機構であって、
ノズルプレートに形成されるノズルが、少なくとも１本の曲線スリットからなり、
前記曲線スリットは、捕集板の回転軸を延長した線上にくるノズルプレートの位置をノズルプレートの中心として、ノズルプレートの中心近傍の円形領域を除いた円環状領域内で、曲線スリットが当該円環状領域の内周円から外周円に向かう曲線を形成するように設けられ、
さらに、前記曲線スリットが形成される円環状領域を同心状でかつ同一面積の微小円環領域ごとに区分したときに、各微小円環領域を横断する曲線スリットの部分長さｄが一定長さになるようにそれぞれの微小円環領域内での方向が定められることを特徴とする粒子分粒捕集機構。
【請求項２】
前記捕集段の上流側に、外部から浮遊粒子を含む気体を流入させる前置衝突捕集段を設け、前置衝突捕集段内に、流入した気体を衝突させて上限閾値以上の粒径の浮遊粒子を予め除去する衝突捕集板を備えるとともに、衝突捕集板に衝突した気体を後段の捕集段に流出する排出流路を備えた請求項１に記載の粒子分粒捕集機構。
【請求項３】
最も下流側の捕集段の後段に、下限閾値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をさらに設けた請求項１に記載の粒子分粒捕集機構。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図７】
【図８】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図７】
【図８】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１１−８０９８２（Ｐ２０１１−８０９８２Ａ）
【公開日】平成２３年４月２１日（２０１１．４．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１９５８０４（Ｐ２０１０−１９５８０４）
【出願日】平成２２年９月１日（２０１０．９．１）
【出願人】（５０５１２７７２１）公立大学法人大阪府立大学 (688)
【出願人】（３０３０５７０５５）ムラタ計測器サービス株式会社 (1)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年４月２１日（２０１１．４．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月１日（２０１０．９．１）
【出願人】（５０５１２７７２１）公立大学法人大阪府立大学 (688)
【出願人】（３０３０５７０５５）ムラタ計測器サービス株式会社 (1)
【Ｆターム（参考）】
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