粒子分級・濃度計測装置
【課題】１台の装置でもって、貫通孔内の非圧縮性繊維による粒子分級捕集と、捕集した粒子の濃度計測とを行うことができること。
【解決手段】本発明装置１は、粒子分級装置部３と、濃度計測装置部５と、を含み、粒子分級装置部は、流体通過路と、この流体通過路上に配置された、内部に非圧縮性繊維を充填してなる慣性フィルタと、を具備し、濃度計測装置部は、上記慣性フィルタ内濃度と上記慣性フィルタにおける吸光度との関係からなる検量線データを記憶する記憶部と、上記慣性フィルタに対する吸光度を測定する測定部と、記憶部が記憶する検量線データと、測定部が測定した吸光度と、慣性フィルタ内濃度を演算する演算部と、を具備する。
【解決手段】本発明装置１は、粒子分級装置部３と、濃度計測装置部５と、を含み、粒子分級装置部は、流体通過路と、この流体通過路上に配置された、内部に非圧縮性繊維を充填してなる慣性フィルタと、を具備し、濃度計測装置部は、上記慣性フィルタ内濃度と上記慣性フィルタにおける吸光度との関係からなる検量線データを記憶する記憶部と、上記慣性フィルタに対する吸光度を測定する測定部と、記憶部が記憶する検量線データと、測定部が測定した吸光度と、慣性フィルタ内濃度を演算する演算部と、を具備する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、貫通孔内を通過する溶媒が含む粒子を当該貫通孔内に充填した非圧縮性繊維により捕集する慣性フィルタを用いて、粒子の分級と計測とを行う粒子分級・濃度計測装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
粒子分級装置の中でカスケードインパクタ型粒子分級装置は、インパクタを上下方向複数段で直列に連ねてなる装置である（特許文献１の図１参照）。このカスケードインパクタ型粒子分級装置においては、下段側インパクタほど気流通過ノズル径を小さくすることで、順次に気流速度を高め、これにより各段のインパクタにより慣性質量が大きい粒径大の粒子から順次に捕集分級することができるようになっている。インパクタは、気流の向きを変えた際に慣性力によりその気流の向き変化に追随できない慣性質量を持つ粒子を捕集プレートに衝突させて捕集する装置であり、このようなインパクタを複数段連ねることで、粒径の大きい順に粒子を分級できるようになっている。
【０００３】
このような粒子分級装置では、ポンプ吸引により、装置内圧を下げて装置外圧との間で生成する気圧差で装置内部に上記粒子を分級させる気流を発生させるようになっているが、粒径が微小な粒子では、ノズル径を高精度に制作することが困難化し、分級は困難であった。
【０００４】
特許文献１には、上記カスケードインパクタ型粒子分級装置を上段側に配置して粒径の大きい粒子の分級を行う一方、下段側に特許文献１発明にかかる慣性フィルタ（特許文献１の図２参照）を配置し、粒径が小さい粒子の分級を可能としたことが開示されている。
【０００５】
この慣性フィルタは、気体が通過する貫通孔を持つフィルタサポート部と、この貫通孔内に当該貫通孔を塞ぐように配置した通気性多孔質部材であるＳＵＳ繊維（従来慣性フィルタ）とを含むものである。このＳＵＳ繊維は非圧縮性繊維として貫通孔内に充填されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−７０２２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記従来の慣性フィルタを用いた粒子分級装置においては、主として貫通孔内の非圧縮性繊維に対する衝突慣性効果により粒子捕集するようになっている。このような粒子分級装置で捕集した粒子の捕集量を計測するには、粒子分級装置とは別途の濃度計測装置により計測することが必要となっている。
【０００８】
しかしながら、従来では、粒子分級装置と粒子分級計測装置とを個別に購入して配置するなどが必要であり、低コストで粒子捕集とその捕集量計測とを短時間で簡易かつ効果的に行うことができなかった。
【０００９】
そこで、本発明においては、１台の装置でもって、貫通孔内の非圧縮性繊維による粒子分級捕集と同時に捕集した粒子の量を計測できる粒子分級計測装置を提供することにより、上記した課題を解決するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明装置は、粒子分級装置部と、濃度計測装置部と、を含み、粒子分級装置部は、流体通過路と、この流体通過路上に配置された、内部に非圧縮性繊維を充填してなる慣性フィルタと、を具備し、濃度計測装置部は、上記慣性フィルタ内濃度と上記慣性フィルタにおける吸光度との関係からなる検量線データを記憶する記憶部と、上記慣性フィルタに対する吸光度を測定する測定部と、記憶部が記憶する検量線データと、測定部が測定した吸光度と、慣性フィルタ内濃度を演算する演算部と、を具備したことを特徴とする。
【００１１】
本発明では、１台の装置に粒子の分級を行う分級装置部と、粒子の濃度計測を行う濃度計測装置部とを内蔵させたから、これらにより慣性フィルタによる粒子分級捕集と、この分級捕集による当該慣性フィルタ内の濃度計測とを実施することができるようになり、個別に、粒子分級装置と、濃度計測装置とを備えて粒子の分級捕集と、濃度計測とを個別に行う場合と比較して安価かつ簡易にそれらを実施することができる。
【００１２】
本発明において、好ましい態様は、上記吸光度（Ａ）が、ランベルト・ベールの法則によりＡ＝εｃｄ（ただし、Ａは吸光度、εは吸光係数、ｃは慣性フィルタ内濃度、ｄは慣性フィルタ内光路長さ）の式で表されるものである。
【００１３】
本発明において、好ましい態様は、上記粒子分級装置部は、流体通過上流側と下流側それぞれに少なくとも２つの第１、第２慣性フィルタを直列に連結配置し、当該両慣性フィルタはそれぞれ、非圧縮性繊維を充填した貫通孔を具備すると共に、第１慣性フィルタの貫通孔内での非圧縮性繊維の繊維径を、第２慣性フィルタの貫通孔内での非圧縮性繊維の繊維径より大きくして、第１慣性フィルタでは予め一定粒径以上の粒子除去用とし、第２慣性フィルタでは第１慣性フィルタで除去されずに通過してきた一定粒径以下の粒子の分級用とした、ことである。
【００１４】
この態様においては、流体上流側配置の第１慣性フィルタの貫通孔に充填される非圧縮性繊維の繊維径を流体下流側配置の第２慣性フィルタのそれよりも大きくしたことで、第１慣性フィルタでは繊維径が大きい非圧縮性繊維の充填量を調整してその圧損を可能な限り小さく抑制すると共に、粒径が大きい粒子の捕集を効率的に行えると共に、第２慣性フィルタでは繊維径が小さい非圧縮性繊維の充填量を調整することで圧損を可能な限り小さく抑制すると共に、粒径が小さい粒子の捕集を効率的に行えるので、これに両第１、第２慣性フィルタにより、小型軽量、低吸引流量のポンプを用いても、圧損を可能な限り小さく抑制して、粒径が大きい粒子から粒径が小さい粒子まで分離捕集できる。
【００１５】
本発明において、好ましい態様は、上記非圧縮性繊維をステンレス繊維とすることである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、１台の装置でもって、貫通孔内に非圧縮性繊維を充填した慣性フィルタによる粒子分級捕集と、この慣性フィルタ内の濃度計測とを行うことができるので、粒子分級装置と濃度計測装置とを個別に購入するよりも、低コストで粒子捕集と濃度計測とを短時間で簡易かつ効果的に行うことができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は本発明の実施の形態にかかる粒子分級・濃度計測装置の概念構成を示す図である。
【図２】図２は図１装置内の粒子分級装置部における慣性フィルタを拡大して示す図であり、その一部を円内にさらに拡大して示している図である。
【図３】図３は検量線データを示す図である。
【図４】図４は実施の形態の粒子分級・濃度計測装置を具体化した構成を示す図である。
【図５】図５（ａ）および図５（ｂ）は同装置内の粒子分級部において、第１慣性フィルタおよび第２慣性フィルタをそれぞれ拡大して示す図である。
【図６】図６（ａ）および図６（ｂ）は、それぞれ、第１慣性フィルタと第２慣性フィルタそれぞれにおける、横軸が粒径（μｍ）、縦軸が粒子捕集効率（％）とする粒径（μｍ）対捕集効率（％）の関係を示す図である。
【図７】図７は粒子分級装置部における慣性フィルタの変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、添付した図面を参照して、本発明の実施の形態に係る粒子分級・濃度計測装置を説明する。なお、実施の形態において粒子は溶媒の一例として気体中に浮遊する粒子を想定するが、気体中に浮遊する粒子に限定されず、他の溶媒例えば液中やその他を浮遊する粒子を含むことができる。
【００１９】
図１および図２を参照して説明する。図１は本発明の実施の形態にかかる粒子分級・濃度計測装置の概念構成を示す図、図２は図１装置内の粒子分級装置部における慣性フィルタを拡大して示す図であり、その一部を円内にさらに拡大して示している図である。これらの図に示す実施の形態の粒子分級・濃度計測装置１は、粒子分級装置部３と、濃度計測装置部５と、を有する。
【００２０】
粒子分級装置部３は、内部に流体である気流通過路を備えて、両端が開口した円筒型セル７と、このセル７に対して上部開口から溶媒である気体を吸引し、下部開口から溶媒を排気させるポンプ機構９と、セル７内に配置された慣性フィルタ１１とを具備する。
【００２１】
慣性フィルタ１１は、中央に貫通孔１３を備えた円柱形のフィルタサポート１５と、この貫通孔１３内に充填された非圧縮性繊維１７とを含む。貫通孔１３は、気流上流側から気流下流側に向けて漸次内径が拡径する拡径貫通孔１３ａと、この拡径貫通孔１３ａに連成され内径が一定の定径貫通孔１３ｂとを含む。
【００２２】
非圧縮性繊維１７はこの定径貫通孔１３ｂに充填される。この非圧縮性繊維１７は、高速気流が通過しても体積変化が殆どない非圧縮性の繊維として好ましくは金属繊維、より好ましくはＳＵＳ（ステンレス）繊維が緻密に絡まった状態で充填されている。金属繊維としてはＳＵＳ繊維に限定するものではなく、アルミ繊維、銅繊維、その他の金属繊維から選ばれる１種以上の金属繊維でもよい。また、非圧縮性で高速気流が通過しても体積変化が殆どない繊維であれば、金属繊維に限定しない。
【００２３】
慣性フィルタ１１の拡径貫通孔１３ａは気流下流側方向へ直径が漸次に小径になっていくので、気流は拡径貫通孔１３ａ内で徐々に加速した後、定径貫通孔１３ｂ内を一定速度で通過し、この通過の際に非圧縮性繊維１７により粒子１９を捕集することができる。この捕集の原理はさらに後述する。
【００２４】
濃度計測装置部５は、セル７上方に配置されたレーザ光源２１と、セル７下方に配置された受光素子２３と、これらを制御する装置本体２５とを含む。
【００２５】
レーザ光源２１は、装置本体２５により制御されて、セル７上方から慣性フィルタ１１内の非圧縮性繊維１７を入射光強度Ｉｏの入射光２７で照射する。なお、レーザ光源２１で直接、非圧縮性繊維１７を照射することに代えて、図示略の光ファイバ先端からレーザー光を照射することでもよい。
【００２６】
受光素子２３は、非圧縮性繊維１７を透過した透過光２９を受光し、その受光出力を装置本体２５に出力する。受光素子２３の受光出力は、透過光２９の強度Ｉのデータを含む。この入射光強度Ｉｏと透過光強度Ｉとから、吸光度（Ａ）をＡとすると、次式（１）の吸光度（Ａ）を得ることができる。なお、受光素子２３で直接、透過光２９を受光することに代えて、図示略の光ファイバ先端に透過光２９を導入し、この光ファイバ他端側に受光素子を配置した構成とすることもできる。
【００２７】
Ａ＝−ｌｏｇ（Ｉ／Ｉｏ）…（１）
また、貫通孔１３内の吸光係数をε、貫通孔１３内の光通過距離をｄ、貫通孔１３内濃度をｃとすると、これらの間では、ランベルト・ベールの法則により、次式（２）を得ることができる。ここで、貫通孔１３内の濃度は、主として、非圧縮性繊維１７と非圧縮性繊維１７により捕集された粒子１９とにより定まる。すなわち、捕集された粒子１９の量が増加すると、濃度が大きくなる。
【００２８】
Ａ＝εｃｄ…（２）
装置本体２５は、計測操作入力を行う操作部３１と、濃度計測全体を制御する制御部３３と、制御部３３により制御されてレーザ光源２１と受光素子２３とを駆動する駆動部３５と、貫通孔内濃度（ｃ）と、貫通孔内吸光度（Ａ）との検量線データを記憶する記憶部３７と、制御部３３からの演算指令に応答して、上記貫通孔内吸光度（Ａ）を演算すると共に、この吸光度（Ａ）と記憶部３７が記憶する検量線データとから貫通孔内濃度（ｃ）を演算する演算部３９と、計測結果を表示する表示部４１と、を具備する。
【００２９】
操作部３１は、計測に必要なデータを入力したりする。
【００３０】
駆動部３５は、セル７上方から慣性フィルタ１１内の非圧縮性繊維１７を入射光強度Ｉｏで照射するようレーザ光源２１を駆動すると共に、受光素子２３を受光可能に駆動するようになっている。
【００３１】
記憶部３７は、図３に示す検量線データを記憶する。図３において横軸は貫通孔１３内濃度（ｃ）、また、縦軸は貫通孔１３内吸光度（Ａ）を示す。この検量線４３は、図１で示す粒子分級装置部３において、セル７内に溶媒を吸引し、セル７内に配置した慣性フィルタ１１により、溶媒中の粒子１９を非圧縮性繊維１７により捕集し、この捕集の結果データを図３の横軸と、縦軸とにプロットし、各プロットを線で結んでいくことで得ることができる。このような検量線データは予め記憶部３７に記憶している。
【００３２】
制御部３３は、駆動部３５を制御してレーザ光源２１から強度Ｉｏの入射光２７を慣性フィルタ１１に入射させる一方で、受光素子２３から透過光２９の強度Ｉのデータを得る。そして、制御部３３は、これらデータと、記憶部３７から図３で示す検量線データとを演算部３９に渡す。
【００３３】
演算部３９は、制御部３３から入射光２７の強度Ｉｏのデータと、透過光２９の強度Ｉのデータと、図３の検量線データとを得るので、これらデータから、まず上記式（１）に従い吸光度（Ａ）を演算する。この吸光度（Ａ）の値を仮にＡ１とする。そして、図３の検量線４３において、縦軸の吸光度（Ａ）の値Ａ１に対応する濃度（ｃ）をｃ１として求める。
【００３４】
以上から本実施の形態では、１台の濃度計測装置１において、粒子分級装置部３と、濃度計測装置部５とを内蔵させたから、これらにより粒子の分級捕集と、捕集した粒子の濃度計測とを個別に行う場合と比較して安価かつ簡易にそれらを実施することができる。
【００３５】
図４、図５（ａ）および図５（ｂ）を参照して他の実施の形態を説明する。図４は実施の形態の粒子分級・濃度計測装置を具体化した構成を示す図、図５（ａ）および図５（ｂ）は同装置内の粒子分級装置部において、第１慣性フィルタおよび第２慣性フィルタをそれぞれ拡大して示す図である。
【００３６】
この実施の形態の装置１では、粒子分級装置部３におけるセル７の内部に慣性フィルタ１１を第１慣性フィルタとし、これに加えて、もう１つ慣性フィルタ１４を第２慣性フィルタとして配置した。第１慣性フィルタ１１は気流上流側、第２慣性フィルタ１４は気流下流側に配置する。第１慣性フィルタ１１は、プレ慣性フィルタとして粒径が大きい粒子除去用フィルタであり、第２慣性フィルタ１４は、粒径が小さい粒子分級用フィルタである。
【００３７】
第２慣性フィルタ１４も第１慣性フィルタ１１と同様、フィルタサポート１８と、貫通孔１６とを含むと共に、この貫通孔１６内に非圧縮性繊維２０を配置している。貫通孔１６は、上側から下側へかけて内径が下方へ漸次拡径する拡径貫通孔１６ａと、拡径貫通孔１６ａの下端に連続し内径が一定である定径貫通孔１６ｂと、から構成される。この定径貫通孔１６ｂには非圧縮性繊維２０を充填する。これら非圧縮性繊維２０は、高速気流が通過しても体積変化が殆どない非圧縮性の繊維であり、好ましくは、金属繊維、より好ましくはＳＵＳ（ステンレス）繊維が緻密に絡まった状態で充填されている。なお、金属繊維としてはＳＵＳ繊維に限定するものではなく、アルミ繊維、銅繊維、その他の金属繊維から選ばれる１種以上の金属繊維でもよい。また、非圧縮性で高速気流が通過しても体積変化が殆どない繊維であれば、金属繊維に限定しない。
【００３８】
以上の構成において、気流上流側の第１慣性フィルタ１１から気流下流側へかけて気流が矢印４３，４５，４７で示すように流れると共に各フィルタ１１，１４を通過する際に各粒径の粒子が除去ないし分級ないし捕集される。この場合、第１慣性フィルタ１１の定径貫通孔１３ｂ内の非圧縮性繊維１７の繊維径（μｍ）をｄ１、第２慣性フィルタ１４の定径貫通孔１６ｂ内の非圧縮性繊維２０の繊維径（μｍ）をｄ２とすると、これらにはｄ１＞ｄ２の関係がある。
【００３９】
以上の構成においては、各慣性フィルタ１１，１４の定径貫通孔１３ｂ，１６ｂは非圧縮性繊維１７，２０が層状になったフィルタ構造になっているので、気体の流速、繊維径の選択に用いることができるストークス数Ｓｔｋと、ペクレ数Ｐｅと、を適用することができる。ストークス数Ｓｔｋは、非圧縮性繊維構造のフィルタ内での、気体の流れに対する粒子の追従性を表す無次元の値である。その式は省略する。ストークス数Ｓｔｋは、流速、粒子密度に比例し、粒径の２乗に比例し、繊維径に反比例する。
【００４０】
ストークス数Ｓｔｋの式によると、気体の流速が大きくなるに従い、粒径が大きい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非圧縮性繊維と衝突するようになる。このストークス数Ｓｔｋを参考にしつつ、気体の流速を制御することと、繊維径を選択することとにより、捕集目的の粒子の粒径を選択することができる。実施の形態では非圧縮性繊維の繊維径は極めて小さいので、インパクタほど流速を大きくする必要がない。また、非圧縮性繊維は、粒子の慣性だけではなく、さえぎり、重力、静電気力、拡散などの捕集機構によっても粒子を捕集することができる。
【００４１】
ペクレ数Ｐｅは、気流により粒子が運ばれる効果と、拡散によって粒子が運ばれる効果との比率を表す数であり、流速、繊維径に比例し、拡散係数に反比例する。拡散の影響を少なくするには、ペクレ数Ｐｅを大きくする必要がある。粒径が小さいほど、拡散係数が大きくなり、繊維径は小さい値が選択されているので、流速を高めることが粒径の選択性を高めることに好ましいことがわかる。以上から、流速、繊維径等を選択することで、目的とする粒子を非圧縮性繊維により捕集ないし分級することができる。
【００４２】
図６（ａ）および図６（ｂ）それぞれに第１慣性フィルタ１１と、第２慣性フィルタ１４とにおける、横軸が粒径（μｍ）、縦軸が粒子捕集効率（％）とする粒径（μｍ）対捕集効率（％）の関係を示す。ただし、第１慣性フィルタ１１と、第２慣性フィルタ１４それぞれの定径貫通孔１３ｂ，１６ｂでの孔径Ｄ１，Ｄ２はそれぞれ６ｍｍ，３ｍｍ、孔長さＬ１，Ｌ２はそれぞれ５ｍｍ，４．５ｍｍ、非圧縮性繊維１７，２０それぞれの繊維径ｄ１，ｄ２はそれぞれ１２μｍ、８μｍとする。また、気流吸引ポンプにより吸引されることにより、発生する気流の流量Ｑ１，Ｑ２は共に同じ毎分６リットルの小流量とする。
【００４３】
図６（ａ）で示すように第１慣性フィルタ１１では０．５μｍ前後を粒子分離径とすることができ、また、図６（ｂ）で示すように第２慣性フィルタ１４では約１９０ｎｍを粒子分離径とすることができる。
【００４４】
なお、第１慣性フィルタ１１と第２慣性フィルタ１４とを図７で示すように構成することもできる。図７は図１と対応する部分に同一符号を付して示している。図７では、第１慣性フィルタ貫通孔１３ｂと第２慣性フィルタ貫通孔１６ｂとを連続させた形態となっている。この図７で示す構造も図１と同様の作用を有する。
【００４５】
以上説明したように本実施の形態では、１台の装置１に粒子の分級を行う粒子分級装置部３と、粒子の濃度計測を行う濃度計測装置部５とを内蔵させたから、これらにより粒子の分級捕集と、捕集した粒子の濃度計測とを実施することができるようになり、個別に、粒子分級装置と、濃度計測装置とを備えて粒子の分級捕集と、濃度計測とを個別に行う場合と比較して安価かつ簡易にそれらを実施することができる。
【符号の説明】
【００４６】
１ 粒子分級・濃度計測装置
３ 粒子分級装置部
５ 濃度計測装置部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、貫通孔内を通過する溶媒が含む粒子を当該貫通孔内に充填した非圧縮性繊維により捕集する慣性フィルタを用いて、粒子の分級と計測とを行う粒子分級・濃度計測装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
粒子分級装置の中でカスケードインパクタ型粒子分級装置は、インパクタを上下方向複数段で直列に連ねてなる装置である（特許文献１の図１参照）。このカスケードインパクタ型粒子分級装置においては、下段側インパクタほど気流通過ノズル径を小さくすることで、順次に気流速度を高め、これにより各段のインパクタにより慣性質量が大きい粒径大の粒子から順次に捕集分級することができるようになっている。インパクタは、気流の向きを変えた際に慣性力によりその気流の向き変化に追随できない慣性質量を持つ粒子を捕集プレートに衝突させて捕集する装置であり、このようなインパクタを複数段連ねることで、粒径の大きい順に粒子を分級できるようになっている。
【０００３】
このような粒子分級装置では、ポンプ吸引により、装置内圧を下げて装置外圧との間で生成する気圧差で装置内部に上記粒子を分級させる気流を発生させるようになっているが、粒径が微小な粒子では、ノズル径を高精度に制作することが困難化し、分級は困難であった。
【０００４】
特許文献１には、上記カスケードインパクタ型粒子分級装置を上段側に配置して粒径の大きい粒子の分級を行う一方、下段側に特許文献１発明にかかる慣性フィルタ（特許文献１の図２参照）を配置し、粒径が小さい粒子の分級を可能としたことが開示されている。
【０００５】
この慣性フィルタは、気体が通過する貫通孔を持つフィルタサポート部と、この貫通孔内に当該貫通孔を塞ぐように配置した通気性多孔質部材であるＳＵＳ繊維（従来慣性フィルタ）とを含むものである。このＳＵＳ繊維は非圧縮性繊維として貫通孔内に充填されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−７０２２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記従来の慣性フィルタを用いた粒子分級装置においては、主として貫通孔内の非圧縮性繊維に対する衝突慣性効果により粒子捕集するようになっている。このような粒子分級装置で捕集した粒子の捕集量を計測するには、粒子分級装置とは別途の濃度計測装置により計測することが必要となっている。
【０００８】
しかしながら、従来では、粒子分級装置と粒子分級計測装置とを個別に購入して配置するなどが必要であり、低コストで粒子捕集とその捕集量計測とを短時間で簡易かつ効果的に行うことができなかった。
【０００９】
そこで、本発明においては、１台の装置でもって、貫通孔内の非圧縮性繊維による粒子分級捕集と同時に捕集した粒子の量を計測できる粒子分級計測装置を提供することにより、上記した課題を解決するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明装置は、粒子分級装置部と、濃度計測装置部と、を含み、粒子分級装置部は、流体通過路と、この流体通過路上に配置された、内部に非圧縮性繊維を充填してなる慣性フィルタと、を具備し、濃度計測装置部は、上記慣性フィルタ内濃度と上記慣性フィルタにおける吸光度との関係からなる検量線データを記憶する記憶部と、上記慣性フィルタに対する吸光度を測定する測定部と、記憶部が記憶する検量線データと、測定部が測定した吸光度と、慣性フィルタ内濃度を演算する演算部と、を具備したことを特徴とする。
【００１１】
本発明では、１台の装置に粒子の分級を行う分級装置部と、粒子の濃度計測を行う濃度計測装置部とを内蔵させたから、これらにより慣性フィルタによる粒子分級捕集と、この分級捕集による当該慣性フィルタ内の濃度計測とを実施することができるようになり、個別に、粒子分級装置と、濃度計測装置とを備えて粒子の分級捕集と、濃度計測とを個別に行う場合と比較して安価かつ簡易にそれらを実施することができる。
【００１２】
本発明において、好ましい態様は、上記吸光度（Ａ）が、ランベルト・ベールの法則によりＡ＝εｃｄ（ただし、Ａは吸光度、εは吸光係数、ｃは慣性フィルタ内濃度、ｄは慣性フィルタ内光路長さ）の式で表されるものである。
【００１３】
本発明において、好ましい態様は、上記粒子分級装置部は、流体通過上流側と下流側それぞれに少なくとも２つの第１、第２慣性フィルタを直列に連結配置し、当該両慣性フィルタはそれぞれ、非圧縮性繊維を充填した貫通孔を具備すると共に、第１慣性フィルタの貫通孔内での非圧縮性繊維の繊維径を、第２慣性フィルタの貫通孔内での非圧縮性繊維の繊維径より大きくして、第１慣性フィルタでは予め一定粒径以上の粒子除去用とし、第２慣性フィルタでは第１慣性フィルタで除去されずに通過してきた一定粒径以下の粒子の分級用とした、ことである。
【００１４】
この態様においては、流体上流側配置の第１慣性フィルタの貫通孔に充填される非圧縮性繊維の繊維径を流体下流側配置の第２慣性フィルタのそれよりも大きくしたことで、第１慣性フィルタでは繊維径が大きい非圧縮性繊維の充填量を調整してその圧損を可能な限り小さく抑制すると共に、粒径が大きい粒子の捕集を効率的に行えると共に、第２慣性フィルタでは繊維径が小さい非圧縮性繊維の充填量を調整することで圧損を可能な限り小さく抑制すると共に、粒径が小さい粒子の捕集を効率的に行えるので、これに両第１、第２慣性フィルタにより、小型軽量、低吸引流量のポンプを用いても、圧損を可能な限り小さく抑制して、粒径が大きい粒子から粒径が小さい粒子まで分離捕集できる。
【００１５】
本発明において、好ましい態様は、上記非圧縮性繊維をステンレス繊維とすることである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、１台の装置でもって、貫通孔内に非圧縮性繊維を充填した慣性フィルタによる粒子分級捕集と、この慣性フィルタ内の濃度計測とを行うことができるので、粒子分級装置と濃度計測装置とを個別に購入するよりも、低コストで粒子捕集と濃度計測とを短時間で簡易かつ効果的に行うことができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は本発明の実施の形態にかかる粒子分級・濃度計測装置の概念構成を示す図である。
【図２】図２は図１装置内の粒子分級装置部における慣性フィルタを拡大して示す図であり、その一部を円内にさらに拡大して示している図である。
【図３】図３は検量線データを示す図である。
【図４】図４は実施の形態の粒子分級・濃度計測装置を具体化した構成を示す図である。
【図５】図５（ａ）および図５（ｂ）は同装置内の粒子分級部において、第１慣性フィルタおよび第２慣性フィルタをそれぞれ拡大して示す図である。
【図６】図６（ａ）および図６（ｂ）は、それぞれ、第１慣性フィルタと第２慣性フィルタそれぞれにおける、横軸が粒径（μｍ）、縦軸が粒子捕集効率（％）とする粒径（μｍ）対捕集効率（％）の関係を示す図である。
【図７】図７は粒子分級装置部における慣性フィルタの変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、添付した図面を参照して、本発明の実施の形態に係る粒子分級・濃度計測装置を説明する。なお、実施の形態において粒子は溶媒の一例として気体中に浮遊する粒子を想定するが、気体中に浮遊する粒子に限定されず、他の溶媒例えば液中やその他を浮遊する粒子を含むことができる。
【００１９】
図１および図２を参照して説明する。図１は本発明の実施の形態にかかる粒子分級・濃度計測装置の概念構成を示す図、図２は図１装置内の粒子分級装置部における慣性フィルタを拡大して示す図であり、その一部を円内にさらに拡大して示している図である。これらの図に示す実施の形態の粒子分級・濃度計測装置１は、粒子分級装置部３と、濃度計測装置部５と、を有する。
【００２０】
粒子分級装置部３は、内部に流体である気流通過路を備えて、両端が開口した円筒型セル７と、このセル７に対して上部開口から溶媒である気体を吸引し、下部開口から溶媒を排気させるポンプ機構９と、セル７内に配置された慣性フィルタ１１とを具備する。
【００２１】
慣性フィルタ１１は、中央に貫通孔１３を備えた円柱形のフィルタサポート１５と、この貫通孔１３内に充填された非圧縮性繊維１７とを含む。貫通孔１３は、気流上流側から気流下流側に向けて漸次内径が拡径する拡径貫通孔１３ａと、この拡径貫通孔１３ａに連成され内径が一定の定径貫通孔１３ｂとを含む。
【００２２】
非圧縮性繊維１７はこの定径貫通孔１３ｂに充填される。この非圧縮性繊維１７は、高速気流が通過しても体積変化が殆どない非圧縮性の繊維として好ましくは金属繊維、より好ましくはＳＵＳ（ステンレス）繊維が緻密に絡まった状態で充填されている。金属繊維としてはＳＵＳ繊維に限定するものではなく、アルミ繊維、銅繊維、その他の金属繊維から選ばれる１種以上の金属繊維でもよい。また、非圧縮性で高速気流が通過しても体積変化が殆どない繊維であれば、金属繊維に限定しない。
【００２３】
慣性フィルタ１１の拡径貫通孔１３ａは気流下流側方向へ直径が漸次に小径になっていくので、気流は拡径貫通孔１３ａ内で徐々に加速した後、定径貫通孔１３ｂ内を一定速度で通過し、この通過の際に非圧縮性繊維１７により粒子１９を捕集することができる。この捕集の原理はさらに後述する。
【００２４】
濃度計測装置部５は、セル７上方に配置されたレーザ光源２１と、セル７下方に配置された受光素子２３と、これらを制御する装置本体２５とを含む。
【００２５】
レーザ光源２１は、装置本体２５により制御されて、セル７上方から慣性フィルタ１１内の非圧縮性繊維１７を入射光強度Ｉｏの入射光２７で照射する。なお、レーザ光源２１で直接、非圧縮性繊維１７を照射することに代えて、図示略の光ファイバ先端からレーザー光を照射することでもよい。
【００２６】
受光素子２３は、非圧縮性繊維１７を透過した透過光２９を受光し、その受光出力を装置本体２５に出力する。受光素子２３の受光出力は、透過光２９の強度Ｉのデータを含む。この入射光強度Ｉｏと透過光強度Ｉとから、吸光度（Ａ）をＡとすると、次式（１）の吸光度（Ａ）を得ることができる。なお、受光素子２３で直接、透過光２９を受光することに代えて、図示略の光ファイバ先端に透過光２９を導入し、この光ファイバ他端側に受光素子を配置した構成とすることもできる。
【００２７】
Ａ＝−ｌｏｇ（Ｉ／Ｉｏ）…（１）
また、貫通孔１３内の吸光係数をε、貫通孔１３内の光通過距離をｄ、貫通孔１３内濃度をｃとすると、これらの間では、ランベルト・ベールの法則により、次式（２）を得ることができる。ここで、貫通孔１３内の濃度は、主として、非圧縮性繊維１７と非圧縮性繊維１７により捕集された粒子１９とにより定まる。すなわち、捕集された粒子１９の量が増加すると、濃度が大きくなる。
【００２８】
Ａ＝εｃｄ…（２）
装置本体２５は、計測操作入力を行う操作部３１と、濃度計測全体を制御する制御部３３と、制御部３３により制御されてレーザ光源２１と受光素子２３とを駆動する駆動部３５と、貫通孔内濃度（ｃ）と、貫通孔内吸光度（Ａ）との検量線データを記憶する記憶部３７と、制御部３３からの演算指令に応答して、上記貫通孔内吸光度（Ａ）を演算すると共に、この吸光度（Ａ）と記憶部３７が記憶する検量線データとから貫通孔内濃度（ｃ）を演算する演算部３９と、計測結果を表示する表示部４１と、を具備する。
【００２９】
操作部３１は、計測に必要なデータを入力したりする。
【００３０】
駆動部３５は、セル７上方から慣性フィルタ１１内の非圧縮性繊維１７を入射光強度Ｉｏで照射するようレーザ光源２１を駆動すると共に、受光素子２３を受光可能に駆動するようになっている。
【００３１】
記憶部３７は、図３に示す検量線データを記憶する。図３において横軸は貫通孔１３内濃度（ｃ）、また、縦軸は貫通孔１３内吸光度（Ａ）を示す。この検量線４３は、図１で示す粒子分級装置部３において、セル７内に溶媒を吸引し、セル７内に配置した慣性フィルタ１１により、溶媒中の粒子１９を非圧縮性繊維１７により捕集し、この捕集の結果データを図３の横軸と、縦軸とにプロットし、各プロットを線で結んでいくことで得ることができる。このような検量線データは予め記憶部３７に記憶している。
【００３２】
制御部３３は、駆動部３５を制御してレーザ光源２１から強度Ｉｏの入射光２７を慣性フィルタ１１に入射させる一方で、受光素子２３から透過光２９の強度Ｉのデータを得る。そして、制御部３３は、これらデータと、記憶部３７から図３で示す検量線データとを演算部３９に渡す。
【００３３】
演算部３９は、制御部３３から入射光２７の強度Ｉｏのデータと、透過光２９の強度Ｉのデータと、図３の検量線データとを得るので、これらデータから、まず上記式（１）に従い吸光度（Ａ）を演算する。この吸光度（Ａ）の値を仮にＡ１とする。そして、図３の検量線４３において、縦軸の吸光度（Ａ）の値Ａ１に対応する濃度（ｃ）をｃ１として求める。
【００３４】
以上から本実施の形態では、１台の濃度計測装置１において、粒子分級装置部３と、濃度計測装置部５とを内蔵させたから、これらにより粒子の分級捕集と、捕集した粒子の濃度計測とを個別に行う場合と比較して安価かつ簡易にそれらを実施することができる。
【００３５】
図４、図５（ａ）および図５（ｂ）を参照して他の実施の形態を説明する。図４は実施の形態の粒子分級・濃度計測装置を具体化した構成を示す図、図５（ａ）および図５（ｂ）は同装置内の粒子分級装置部において、第１慣性フィルタおよび第２慣性フィルタをそれぞれ拡大して示す図である。
【００３６】
この実施の形態の装置１では、粒子分級装置部３におけるセル７の内部に慣性フィルタ１１を第１慣性フィルタとし、これに加えて、もう１つ慣性フィルタ１４を第２慣性フィルタとして配置した。第１慣性フィルタ１１は気流上流側、第２慣性フィルタ１４は気流下流側に配置する。第１慣性フィルタ１１は、プレ慣性フィルタとして粒径が大きい粒子除去用フィルタであり、第２慣性フィルタ１４は、粒径が小さい粒子分級用フィルタである。
【００３７】
第２慣性フィルタ１４も第１慣性フィルタ１１と同様、フィルタサポート１８と、貫通孔１６とを含むと共に、この貫通孔１６内に非圧縮性繊維２０を配置している。貫通孔１６は、上側から下側へかけて内径が下方へ漸次拡径する拡径貫通孔１６ａと、拡径貫通孔１６ａの下端に連続し内径が一定である定径貫通孔１６ｂと、から構成される。この定径貫通孔１６ｂには非圧縮性繊維２０を充填する。これら非圧縮性繊維２０は、高速気流が通過しても体積変化が殆どない非圧縮性の繊維であり、好ましくは、金属繊維、より好ましくはＳＵＳ（ステンレス）繊維が緻密に絡まった状態で充填されている。なお、金属繊維としてはＳＵＳ繊維に限定するものではなく、アルミ繊維、銅繊維、その他の金属繊維から選ばれる１種以上の金属繊維でもよい。また、非圧縮性で高速気流が通過しても体積変化が殆どない繊維であれば、金属繊維に限定しない。
【００３８】
以上の構成において、気流上流側の第１慣性フィルタ１１から気流下流側へかけて気流が矢印４３，４５，４７で示すように流れると共に各フィルタ１１，１４を通過する際に各粒径の粒子が除去ないし分級ないし捕集される。この場合、第１慣性フィルタ１１の定径貫通孔１３ｂ内の非圧縮性繊維１７の繊維径（μｍ）をｄ１、第２慣性フィルタ１４の定径貫通孔１６ｂ内の非圧縮性繊維２０の繊維径（μｍ）をｄ２とすると、これらにはｄ１＞ｄ２の関係がある。
【００３９】
以上の構成においては、各慣性フィルタ１１，１４の定径貫通孔１３ｂ，１６ｂは非圧縮性繊維１７，２０が層状になったフィルタ構造になっているので、気体の流速、繊維径の選択に用いることができるストークス数Ｓｔｋと、ペクレ数Ｐｅと、を適用することができる。ストークス数Ｓｔｋは、非圧縮性繊維構造のフィルタ内での、気体の流れに対する粒子の追従性を表す無次元の値である。その式は省略する。ストークス数Ｓｔｋは、流速、粒子密度に比例し、粒径の２乗に比例し、繊維径に反比例する。
【００４０】
ストークス数Ｓｔｋの式によると、気体の流速が大きくなるに従い、粒径が大きい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非圧縮性繊維と衝突するようになる。このストークス数Ｓｔｋを参考にしつつ、気体の流速を制御することと、繊維径を選択することとにより、捕集目的の粒子の粒径を選択することができる。実施の形態では非圧縮性繊維の繊維径は極めて小さいので、インパクタほど流速を大きくする必要がない。また、非圧縮性繊維は、粒子の慣性だけではなく、さえぎり、重力、静電気力、拡散などの捕集機構によっても粒子を捕集することができる。
【００４１】
ペクレ数Ｐｅは、気流により粒子が運ばれる効果と、拡散によって粒子が運ばれる効果との比率を表す数であり、流速、繊維径に比例し、拡散係数に反比例する。拡散の影響を少なくするには、ペクレ数Ｐｅを大きくする必要がある。粒径が小さいほど、拡散係数が大きくなり、繊維径は小さい値が選択されているので、流速を高めることが粒径の選択性を高めることに好ましいことがわかる。以上から、流速、繊維径等を選択することで、目的とする粒子を非圧縮性繊維により捕集ないし分級することができる。
【００４２】
図６（ａ）および図６（ｂ）それぞれに第１慣性フィルタ１１と、第２慣性フィルタ１４とにおける、横軸が粒径（μｍ）、縦軸が粒子捕集効率（％）とする粒径（μｍ）対捕集効率（％）の関係を示す。ただし、第１慣性フィルタ１１と、第２慣性フィルタ１４それぞれの定径貫通孔１３ｂ，１６ｂでの孔径Ｄ１，Ｄ２はそれぞれ６ｍｍ，３ｍｍ、孔長さＬ１，Ｌ２はそれぞれ５ｍｍ，４．５ｍｍ、非圧縮性繊維１７，２０それぞれの繊維径ｄ１，ｄ２はそれぞれ１２μｍ、８μｍとする。また、気流吸引ポンプにより吸引されることにより、発生する気流の流量Ｑ１，Ｑ２は共に同じ毎分６リットルの小流量とする。
【００４３】
図６（ａ）で示すように第１慣性フィルタ１１では０．５μｍ前後を粒子分離径とすることができ、また、図６（ｂ）で示すように第２慣性フィルタ１４では約１９０ｎｍを粒子分離径とすることができる。
【００４４】
なお、第１慣性フィルタ１１と第２慣性フィルタ１４とを図７で示すように構成することもできる。図７は図１と対応する部分に同一符号を付して示している。図７では、第１慣性フィルタ貫通孔１３ｂと第２慣性フィルタ貫通孔１６ｂとを連続させた形態となっている。この図７で示す構造も図１と同様の作用を有する。
【００４５】
以上説明したように本実施の形態では、１台の装置１に粒子の分級を行う粒子分級装置部３と、粒子の濃度計測を行う濃度計測装置部５とを内蔵させたから、これらにより粒子の分級捕集と、捕集した粒子の濃度計測とを実施することができるようになり、個別に、粒子分級装置と、濃度計測装置とを備えて粒子の分級捕集と、濃度計測とを個別に行う場合と比較して安価かつ簡易にそれらを実施することができる。
【符号の説明】
【００４６】
１ 粒子分級・濃度計測装置
３ 粒子分級装置部
５ 濃度計測装置部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
粒子分級装置部と、
濃度計測装置部と、
を含み、
粒子分級装置部は、流体通過路と、この流体通過路上に配置された、内部に非圧縮性繊維を充填してなる慣性フィルタと、を具備し、
濃度計測装置部は、上記慣性フィルタ内濃度と上記慣性フィルタにおける吸光度との関係からなる検量線データを記憶する記憶部と、上記慣性フィルタに対する吸光度を測定する測定部と、記憶部が記憶する検量線データと、測定部が測定した吸光度と、慣性フィルタ内濃度を演算する演算部と、
を具備したことを特徴とする濃度計測装置。
【請求項２】
上記吸光度（Ａ）が、ランベルト・ベールの法則によりＡ＝εｃｄ（ただし、Ａは吸光度、εは吸光係数、ｃは慣性フィルタ内濃度、ｄは慣性フィルタ内光路長さ）の式で表されるものである、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
上記粒子分級装置部は、流体通過上流側と下流側それぞれに少なくとも２つの第１、第２慣性フィルタを直列に連結配置し、当該両慣性フィルタはそれぞれ、非圧縮性繊維を充填した貫通孔を具備すると共に、第１慣性フィルタの貫通孔内での非圧縮性繊維の繊維径を、第２慣性フィルタの貫通孔内での非圧縮性繊維の繊維径より大きくして、第１慣性フィルタでは予め一定粒径以上の粒子除去用とし、第２慣性フィルタでは第１慣性フィルタで除去されずに通過してきた一定粒径以下の粒子の分級用とした、請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
上記非圧縮性繊維をステンレス繊維とした、請求項１ないし３のいずれかに記載の装置。
【請求項１】
粒子分級装置部と、
濃度計測装置部と、
を含み、
粒子分級装置部は、流体通過路と、この流体通過路上に配置された、内部に非圧縮性繊維を充填してなる慣性フィルタと、を具備し、
濃度計測装置部は、上記慣性フィルタ内濃度と上記慣性フィルタにおける吸光度との関係からなる検量線データを記憶する記憶部と、上記慣性フィルタに対する吸光度を測定する測定部と、記憶部が記憶する検量線データと、測定部が測定した吸光度と、慣性フィルタ内濃度を演算する演算部と、
を具備したことを特徴とする濃度計測装置。
【請求項２】
上記吸光度（Ａ）が、ランベルト・ベールの法則によりＡ＝εｃｄ（ただし、Ａは吸光度、εは吸光係数、ｃは慣性フィルタ内濃度、ｄは慣性フィルタ内光路長さ）の式で表されるものである、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
上記粒子分級装置部は、流体通過上流側と下流側それぞれに少なくとも２つの第１、第２慣性フィルタを直列に連結配置し、当該両慣性フィルタはそれぞれ、非圧縮性繊維を充填した貫通孔を具備すると共に、第１慣性フィルタの貫通孔内での非圧縮性繊維の繊維径を、第２慣性フィルタの貫通孔内での非圧縮性繊維の繊維径より大きくして、第１慣性フィルタでは予め一定粒径以上の粒子除去用とし、第２慣性フィルタでは第１慣性フィルタで除去されずに通過してきた一定粒径以下の粒子の分級用とした、請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
上記非圧縮性繊維をステンレス繊維とした、請求項１ないし３のいずれかに記載の装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１１−１２９７６（Ｐ２０１１−１２９７６Ａ）
【公開日】平成２３年１月２０日（２０１１．１．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１５４８０３（Ｐ２００９−１５４８０３）
【出願日】平成２１年６月３０日（２００９．６．３０）
【出願人】（０００１１１０８５）ニッタ株式会社 (588)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１月２０日（２０１１．１．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年６月３０日（２００９．６．３０）
【出願人】（０００１１１０８５）ニッタ株式会社 (588)
【Ｆターム（参考）】
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