粒子分級装置
【課題】小型軽量化可能な構造でナノ粒子分級が可能な装置を提供する。
【解決手段】本発明装置は、溶媒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慣性フィルタをプレ慣性フィルタとして粗粒子除去用とし、第２慣性フィルタを本慣性フィルタとしてナノ粒子分級用とした。
【解決手段】本発明装置は、溶媒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慣性フィルタをプレ慣性フィルタとして粗粒子除去用とし、第２慣性フィルタを本慣性フィルタとしてナノ粒子分級用とした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、貫通孔内に非圧縮性繊維を充填して粒子を捕集する慣性フィルタを用いた粒子分級装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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、微小粒子の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、微小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。
【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】
ところで従来の慣性フィルタの構造において、貫通孔内での金属繊維の充填率を高くして、貫通穴内での空隙率を微小化することで、ナノ粒子分級を行おうとする場合、貫通孔内における気流流通性が大きく低下して圧損が増大する結果、気流吸引ポンプとしても大型のものを使用する必要があり、装置全体が携行性に不便な大型となってしまう。一方、携行性を考慮し小流量の小型ポンプで吸引するには、空隙率の微小な貫通孔内では圧損により気流速度が低下してしまい、分級に必要とする粒子慣性効果が低下し、目的とするナノ粒子の分級が困難となる。
【０００８】
本発明は、携帯型ポンプで内部に小流量の気流を吸引するなどして、装置全体の小型軽量化を図る一方、そのポンプで吸引しても圧損がそれほど大きくならず、金属繊維等の非圧縮性繊維が充填されている貫通孔内の空隙率を確保すると共に、その空隙率の貫通孔内においてナノ粒子を分級できるようにすることを解決すべき課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明による粒子分級装置は、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慣性フィルタをプレ慣性フィルタとして粗粒子除去用とし、第２慣性フィルタを本慣性フィルタとしてナノ粒子分級用とした、ことを特徴とする。
【００１０】
本発明においては、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。
【００１１】
本発明において、好ましい態様は、上記第１、第２慣性フィルタそれぞれの貫通孔を連続して設けることである。
【００１２】
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。
【００１３】
本発明において、好ましい態様は、少なくとも第１慣性フィルタの貫通孔は、流体上流側の拡径貫通孔と、流体下流側の定径貫通孔とを含んだ構成になっており、拡径貫通孔は上流側から下流側方向に徐々に内径が拡径する貫通孔であり、定径貫通孔は、上流側から下流側方向に内径が一定の貫通孔であり、当該内部に上記非圧縮性繊維が充填してある、ことである。
【００１４】
以上の本発明においては、例えば第１慣性フィルタの貫通孔内の非圧縮性繊維の繊維径ｄ１を１２μｍとした場合、流量毎分６リットルという小流量で、非圧縮性繊維の充填量増加にほぼ比例して圧損が増加するものの、その圧損は０．２−０．５Ｐａオーダーと極めて小さく抑制でき、かつ、粒径０．５μｍ前後を分離径としてそれより粒径が大きい粗粒子を捕集することができる。また、第２慣性フィルタの貫通孔内の非圧縮性繊維の繊維径ｄ１を８μｍとした場合、流量毎分６リットルという小流量で、非圧縮性繊維の充填量が増加しても圧損は比例的に増加するようなことはなく、圧損を０．２−０．５Ｐａオーダーで極めて小さく抑制でき、かつ、粒径約１９０ｎｍ前後を分離径としてそれより粒径が小さいナノ粒子を捕集することができる。その結果、小流量のポンプで吸引しても分級に必要な粒子慣性効果を得ることができ、ポンプ小型化とあいまって装置全体の小型軽量化が可能となる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、携帯型ポンプで小流量吸引するなど、このポンプを含むシステム全体および当該粒子分級装置そのものも小型軽量化構造を有しながら、低圧損で粗粒子除去やナノ粒子分級ができる装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は本発明の実施の形態にかかる粒子分級装置を側面から見た概念構成を示す図である。
【図２】図２（ａ）は図１装置内の第１慣性フィルタを拡大して示す図、図２（ｂ）は同装置内の第２慣性フィルタを拡大して示す図である。
【図３】図３（ａ）および図３（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の金属繊維充填量対圧損とを示す図である。
【図４】図４（ａ）および図４（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５】図５は実施の形態にかかる粒子分級装置の変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
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慣性フィルタとこれを用いた粒子分級装置を説明する。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。図１および図２（ａ）（ｂ）を参照して、実施の形態の粒子分級装置１は、気流上流側から気流下流側にかけて、プレ慣性フィルタとして粗粒子除去用フィルタである第１慣性フィルタ３、本慣性フィルタとしてナノ粒子分級用フィルタである第２慣性フィルタ５、およびナノ粒子捕集用のバックアップフィルタ７と、慣性フィルタ内部気流を外部に排気する排気部９と、を備える。
【００１８】
第１慣性フィルタ３は、円板状プレート３ａと、円筒状プレート３ｂと、円柱状プレート３ｃと、を含むと共にこれらにより内部にフィルタ空間３ｄを構成する。
【００１９】
円板状プレート３ａは、フィルタプレートとして、気流上流側に配置され、図示略の気流吸入孔を多数有し、気流下流側に配置した図示略の気流吸引ポンプの作用により、この気流吸入孔から内部に気流を吸入することができるようになっている。この円板状プレート３ａは、必ずしも、必須ではなく、省略することもできる。円筒状プレート３ｂは、円板状プレート３ａの外径と同じ外径を有し、第１慣性フィルタ３の側面を構成する。円柱状プレート３ｃは、当該プレート中央に軸方向の貫通孔３ｅを有する。この貫通孔３ｅ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３ｅ１と、拡径貫通孔３ｅ１の下端に連続し内径が一定である定径貫通孔３ｅ２と、から構成される。
【００２０】
この定径貫通孔３ｅ２には非圧縮性繊維として高速気流が通過しても体積変化が殆どない金属繊維好ましくはＳＵＳ（ステンレス）繊維１１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。
【００２１】
第２慣性フィルタ５は、第１慣性フィルタ３に対して気流下流側直下に連続配置されて当該第１慣性フィルタ３に連結されている。第２慣性フィルタ５は、第１慣性フィルタ３外径と同じ外径の円筒状プレート５ａと、円柱状プレート５ｂと、を含み、これらにより内部にフィルタ空間５ｃを構成する。円柱状プレート５ｂは、当該プレート中央に軸方向の貫通孔５ｄを有する。この貫通孔５ｄ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５ｄ１と、第１貫通孔部分５ｄ１の下端に連続し内径が一定である定径貫通孔５ｄ２と、から構成される。
【００２２】
この第２慣性フィルタ５の定径貫通孔５ｄ２には金属繊維好ましくはＳＵＳ（ステンレス）繊維１３が充填されている。この場合も上記と同様、第２慣性フィルタ５の定径貫通孔５ｄ２には非圧縮性繊維として高速気流が通過しても体積変化が殆どない金属繊維好ましくはＳＵＳ（ステンレス）繊維１３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。
【００２３】
バックアップフィルタ７は、ナノ粒子捕集用として、第２慣性フィルタ５に対して気流下流側直下に連続配置されて当該第２慣性フィルタ５に連結されている。バックアップフィルタ７は、第２慣性フィルタ５の外径と同じ外径の円筒状プレート７ａと、円板状プレート７ｂと、を含み、円板状プレート７ｂはフィルタプレートとして作用し、これらにより内部にフィルタ空間７ｃを構成する。
【００２４】
排気部９は、上記装置内から外部へ気流を排気するものであり、図示略の吸引ポンプにより上記排気を行うようになっている。
【００２５】
以上の構成において、気流上流側の第１慣性フィルタ３から気流下流側の排気部９へかけて気流が矢印で示すように流れると共に各フィルタ３，５，７を通過する際に粗粒子が除去され、ナノ粒子が分級されて、捕集される。
【００２６】
そして、実施の形態では、第１慣性フィルタ３の定径貫通孔３ｅ２と、第２慣性フィルタ５の定径貫通孔５ｄ２とのそれぞれに金属繊維１１，１３を充填している。この金属繊維１１，１３は実施の形態ではＳＵＳ繊維である。
【００２７】
第１慣性フィルタ３の定径貫通孔３ｅ２内の金属繊維１１の繊維径（μｍ）をｄ１、第２慣性フィルタ５の定径貫通孔５ｄ２内の金属繊維１３の繊維径（μｍ）をｄ２とすると、これらにはｄ１＞ｄ２の関係がある。また、第１慣性フィルタ３の定径貫通孔３ｅ２、第２慣性フィルタ５の定径貫通孔５ｄ２それぞれの金属繊維１１，１３の充填量（ｍｇ）をｍ１，ｍ２とし、この金属繊維充填量ｍ１，ｍ２に対応した圧損（ｋＰａ：キロパスカル）をそれぞれΔＰ１，ΔＰ２とする。
【００２８】
以上の構成においては、第１慣性フィルタ３の拡径貫通孔３ｅ１は気流下流側方向へ直径が小さくなっていくので、気流は徐々に加速した後、定径貫通孔３ｅ２を一定速度で通過し、この通過の際に粗粒子を捕集する。
【００２９】
この定径貫通孔３ｅ２は金属繊維１１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、金属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。
【００３０】
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金属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。実施の形態では金属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、金属繊維は、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。
【００３１】
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、目的とする粒子を金属繊維により捕集ないし分級することができる。
【００３２】
そして、実施の形態では、特に、第１慣性フィルタ３の定径貫通孔３ｅ２内の金属繊維１１の充填量調整により、当該第１慣性フィルタ３の定径貫通孔３ｅ２内部の空隙率調整を行うことと、金属繊維１１の繊維径ｄ１とにより、定径貫通孔３ｅ２内における気流流通性を大きく低下させず圧損を小さく抑制した結果、小型の気流吸引ポンプで小流量吸引しても粗粒子除去に必要な粒子慣性効果を得られるようにしている。
【００３３】
同様に、第２慣性フィルタ５の定径貫通孔５ｄ２内の金属繊維１３の充填量調整により、当該第２慣性フィルタ５の定径貫通孔５ｄ２内部の空隙率調整を行い、例えば金属繊維１３の充填率を小さくして定径貫通孔５ｄ２内での空隙率を大きくしても、金属繊維１３の直径ｄ２を小さく選択することで、定径貫通孔５ｄ２内における気流流通性を大きく低下させず、気流吸引ポンプとしても小型のもので小流量吸引しても圧損を小さく抑制しつつ、ナノ粒子分級に必要な粒子慣性効果を得られるようにしている。
【００３４】
上記実施の形態に具体数値を適用すると、第１慣性フィルタ３の定径貫通孔３ｅ２と第２慣性フィルタ５の定径貫通孔５ｄ２それぞれは、その孔径Ｄ１，Ｄ２をそれぞれ３ｍｍ，６ｍｍ、孔長さＬ１，Ｌ２をそれぞれ４．５ｍｍ，５ｍｍ、金属繊維１１，１３それぞれの繊維径ｄ１，ｄ２をそれぞれ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。
【００３５】
以上の条件による金属繊維充填量ｍ１，ｍ２と圧損ΔＰ１，ΔＰ２との関係を図３（ａ）と図３（ｂ）とに示す。図３（ａ）は、横軸に第１慣性フィルタ３の定径貫通孔３ｅ２内の金属繊維充填量ｍ１（ｍｇ）、縦軸に圧損ΔＰ１（ｋＰａ）をとり、これらの関係を示し、図３（ｂ）は、横軸に第２慣性フィルタ５の定径貫通孔５ｄ２内の金属繊維充填量ｍ２（ｍｇ）、縦軸に圧損ΔＰ２（ｋＰａ）をとり、これらの関係を示す。
【００３６】
図３（ａ）、図３（ｂ）で示すように、第１慣性フィルタ３の定径貫通孔３ｅ２の圧損ΔＰ１は、金属繊維充填量ｍ１が１０−２０ｍｇの調整範囲で０．３−０．４ｋＰａであり、第２慣性フィルタ５の定径貫通孔５ｄ２の圧損ΔＰ２は、金属繊維充填量ｍ２が３−４ｍｇの調整範囲で１．５−２ｋＰａである。
【００３７】
これら図３（ａ）、図３（ｂ）から明らかであるように、携帯型ポンプでも可能な小流量で吸引しても、第１慣性フィルタ３、第２慣性フィルタ５内の金属繊維１１，１３それぞれの充填量調整でもって、空隙率を調整することで、低圧損で、第１慣性フィルタ３では粗粒子を除去し、第２慣性フィルタ５ではナノ粒子を分級できるので、例えば、小型軽量の粒子分級装置として、作業者の呼吸域での微小粒子曝露量を高精度に測定できるようになる。
【００３８】
図４（ａ）および図４（ｂ）それぞれに第１慣性フィルタ３と、第２慣性フィルタ５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３と、第２慣性フィルタ５それぞれの定径貫通孔３ｅ２，５ｄ２での孔径Ｄ１，Ｄ２はそれぞれ６ｍｍ，３ｍｍ、孔長さＬ１，Ｌ２はそれぞれ３ｍｍ，４．５ｍｍ、金属繊維１１，１３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。
【００３９】
図４（ａ）で示すように第１慣性フィルタ３では０．５μｍ前後を粒子分離径とすることができ、また、図４（ｂ）で示すように第２慣性フィルタ５では約１９０ｎｍを粒子分離径とすることができる。
【００４０】
なお、第１慣性フィルタ３と第２慣性フィルタ５とを図５で示すように構成することもできる。図５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５では、第１慣性フィルタ貫通孔３ｅ２と第２慣性フィルタ貫通孔５ｄ２とを連続させた形態となっている。この図５で示す構造も図１と同様の作用を有する。
【００４１】
以上説明したように本実施の形態では、気流上流側と気流下流側との上下２段で、第１、第２慣性フィルタ３，５を直列に連結配置し、第１慣性フィルタ３の貫通孔３ｅ２内の金属繊維の繊維径を第２慣性フィルタ５の貫通孔５ｄ２内のそれより大きく調整することで、第１慣性フィルタ３では繊維径が大きい金属繊維１１の充填量を多くしてもその圧損を可能な限り小さく抑制して粗粒子の捕集を効率的に行えると共に、第２慣性フィルタ５では繊維径が小さい金属繊維１３の充填量を少なくしたことで、圧損を可能な限り小さく抑制してナノ粒子の分級を効率的に行えるようになり、結局、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、粗粒子からナノ粒子までを分離捕集できる。
【符号の説明】
【００４２】
３ 第１慣性フィルタ
３ｅ 貫通孔
１１ 金属繊維
５ 第２慣性フィルタ
５ｄ 貫通孔
１３ 金属繊維
【技術分野】
【０００１】
本発明は、貫通孔内に非圧縮性繊維を充填して粒子を捕集する慣性フィルタを用いた粒子分級装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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、微小粒子の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、微小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。
【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】
ところで従来の慣性フィルタの構造において、貫通孔内での金属繊維の充填率を高くして、貫通穴内での空隙率を微小化することで、ナノ粒子分級を行おうとする場合、貫通孔内における気流流通性が大きく低下して圧損が増大する結果、気流吸引ポンプとしても大型のものを使用する必要があり、装置全体が携行性に不便な大型となってしまう。一方、携行性を考慮し小流量の小型ポンプで吸引するには、空隙率の微小な貫通孔内では圧損により気流速度が低下してしまい、分級に必要とする粒子慣性効果が低下し、目的とするナノ粒子の分級が困難となる。
【０００８】
本発明は、携帯型ポンプで内部に小流量の気流を吸引するなどして、装置全体の小型軽量化を図る一方、そのポンプで吸引しても圧損がそれほど大きくならず、金属繊維等の非圧縮性繊維が充填されている貫通孔内の空隙率を確保すると共に、その空隙率の貫通孔内においてナノ粒子を分級できるようにすることを解決すべき課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明による粒子分級装置は、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慣性フィルタをプレ慣性フィルタとして粗粒子除去用とし、第２慣性フィルタを本慣性フィルタとしてナノ粒子分級用とした、ことを特徴とする。
【００１０】
本発明においては、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。
【００１１】
本発明において、好ましい態様は、上記第１、第２慣性フィルタそれぞれの貫通孔を連続して設けることである。
【００１２】
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。
【００１３】
本発明において、好ましい態様は、少なくとも第１慣性フィルタの貫通孔は、流体上流側の拡径貫通孔と、流体下流側の定径貫通孔とを含んだ構成になっており、拡径貫通孔は上流側から下流側方向に徐々に内径が拡径する貫通孔であり、定径貫通孔は、上流側から下流側方向に内径が一定の貫通孔であり、当該内部に上記非圧縮性繊維が充填してある、ことである。
【００１４】
以上の本発明においては、例えば第１慣性フィルタの貫通孔内の非圧縮性繊維の繊維径ｄ１を１２μｍとした場合、流量毎分６リットルという小流量で、非圧縮性繊維の充填量増加にほぼ比例して圧損が増加するものの、その圧損は０．２−０．５Ｐａオーダーと極めて小さく抑制でき、かつ、粒径０．５μｍ前後を分離径としてそれより粒径が大きい粗粒子を捕集することができる。また、第２慣性フィルタの貫通孔内の非圧縮性繊維の繊維径ｄ１を８μｍとした場合、流量毎分６リットルという小流量で、非圧縮性繊維の充填量が増加しても圧損は比例的に増加するようなことはなく、圧損を０．２−０．５Ｐａオーダーで極めて小さく抑制でき、かつ、粒径約１９０ｎｍ前後を分離径としてそれより粒径が小さいナノ粒子を捕集することができる。その結果、小流量のポンプで吸引しても分級に必要な粒子慣性効果を得ることができ、ポンプ小型化とあいまって装置全体の小型軽量化が可能となる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、携帯型ポンプで小流量吸引するなど、このポンプを含むシステム全体および当該粒子分級装置そのものも小型軽量化構造を有しながら、低圧損で粗粒子除去やナノ粒子分級ができる装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は本発明の実施の形態にかかる粒子分級装置を側面から見た概念構成を示す図である。
【図２】図２（ａ）は図１装置内の第１慣性フィルタを拡大して示す図、図２（ｂ）は同装置内の第２慣性フィルタを拡大して示す図である。
【図３】図３（ａ）および図３（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の金属繊維充填量対圧損とを示す図である。
【図４】図４（ａ）および図４（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５】図５は実施の形態にかかる粒子分級装置の変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
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慣性フィルタとこれを用いた粒子分級装置を説明する。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。図１および図２（ａ）（ｂ）を参照して、実施の形態の粒子分級装置１は、気流上流側から気流下流側にかけて、プレ慣性フィルタとして粗粒子除去用フィルタである第１慣性フィルタ３、本慣性フィルタとしてナノ粒子分級用フィルタである第２慣性フィルタ５、およびナノ粒子捕集用のバックアップフィルタ７と、慣性フィルタ内部気流を外部に排気する排気部９と、を備える。
【００１８】
第１慣性フィルタ３は、円板状プレート３ａと、円筒状プレート３ｂと、円柱状プレート３ｃと、を含むと共にこれらにより内部にフィルタ空間３ｄを構成する。
【００１９】
円板状プレート３ａは、フィルタプレートとして、気流上流側に配置され、図示略の気流吸入孔を多数有し、気流下流側に配置した図示略の気流吸引ポンプの作用により、この気流吸入孔から内部に気流を吸入することができるようになっている。この円板状プレート３ａは、必ずしも、必須ではなく、省略することもできる。円筒状プレート３ｂは、円板状プレート３ａの外径と同じ外径を有し、第１慣性フィルタ３の側面を構成する。円柱状プレート３ｃは、当該プレート中央に軸方向の貫通孔３ｅを有する。この貫通孔３ｅ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３ｅ１と、拡径貫通孔３ｅ１の下端に連続し内径が一定である定径貫通孔３ｅ２と、から構成される。
【００２０】
この定径貫通孔３ｅ２には非圧縮性繊維として高速気流が通過しても体積変化が殆どない金属繊維好ましくはＳＵＳ（ステンレス）繊維１１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。
【００２１】
第２慣性フィルタ５は、第１慣性フィルタ３に対して気流下流側直下に連続配置されて当該第１慣性フィルタ３に連結されている。第２慣性フィルタ５は、第１慣性フィルタ３外径と同じ外径の円筒状プレート５ａと、円柱状プレート５ｂと、を含み、これらにより内部にフィルタ空間５ｃを構成する。円柱状プレート５ｂは、当該プレート中央に軸方向の貫通孔５ｄを有する。この貫通孔５ｄ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５ｄ１と、第１貫通孔部分５ｄ１の下端に連続し内径が一定である定径貫通孔５ｄ２と、から構成される。
【００２２】
この第２慣性フィルタ５の定径貫通孔５ｄ２には金属繊維好ましくはＳＵＳ（ステンレス）繊維１３が充填されている。この場合も上記と同様、第２慣性フィルタ５の定径貫通孔５ｄ２には非圧縮性繊維として高速気流が通過しても体積変化が殆どない金属繊維好ましくはＳＵＳ（ステンレス）繊維１３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。
【００２３】
バックアップフィルタ７は、ナノ粒子捕集用として、第２慣性フィルタ５に対して気流下流側直下に連続配置されて当該第２慣性フィルタ５に連結されている。バックアップフィルタ７は、第２慣性フィルタ５の外径と同じ外径の円筒状プレート７ａと、円板状プレート７ｂと、を含み、円板状プレート７ｂはフィルタプレートとして作用し、これらにより内部にフィルタ空間７ｃを構成する。
【００２４】
排気部９は、上記装置内から外部へ気流を排気するものであり、図示略の吸引ポンプにより上記排気を行うようになっている。
【００２５】
以上の構成において、気流上流側の第１慣性フィルタ３から気流下流側の排気部９へかけて気流が矢印で示すように流れると共に各フィルタ３，５，７を通過する際に粗粒子が除去され、ナノ粒子が分級されて、捕集される。
【００２６】
そして、実施の形態では、第１慣性フィルタ３の定径貫通孔３ｅ２と、第２慣性フィルタ５の定径貫通孔５ｄ２とのそれぞれに金属繊維１１，１３を充填している。この金属繊維１１，１３は実施の形態ではＳＵＳ繊維である。
【００２７】
第１慣性フィルタ３の定径貫通孔３ｅ２内の金属繊維１１の繊維径（μｍ）をｄ１、第２慣性フィルタ５の定径貫通孔５ｄ２内の金属繊維１３の繊維径（μｍ）をｄ２とすると、これらにはｄ１＞ｄ２の関係がある。また、第１慣性フィルタ３の定径貫通孔３ｅ２、第２慣性フィルタ５の定径貫通孔５ｄ２それぞれの金属繊維１１，１３の充填量（ｍｇ）をｍ１，ｍ２とし、この金属繊維充填量ｍ１，ｍ２に対応した圧損（ｋＰａ：キロパスカル）をそれぞれΔＰ１，ΔＰ２とする。
【００２８】
以上の構成においては、第１慣性フィルタ３の拡径貫通孔３ｅ１は気流下流側方向へ直径が小さくなっていくので、気流は徐々に加速した後、定径貫通孔３ｅ２を一定速度で通過し、この通過の際に粗粒子を捕集する。
【００２９】
この定径貫通孔３ｅ２は金属繊維１１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、金属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。
【００３０】
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金属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。実施の形態では金属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、金属繊維は、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。
【００３１】
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、目的とする粒子を金属繊維により捕集ないし分級することができる。
【００３２】
そして、実施の形態では、特に、第１慣性フィルタ３の定径貫通孔３ｅ２内の金属繊維１１の充填量調整により、当該第１慣性フィルタ３の定径貫通孔３ｅ２内部の空隙率調整を行うことと、金属繊維１１の繊維径ｄ１とにより、定径貫通孔３ｅ２内における気流流通性を大きく低下させず圧損を小さく抑制した結果、小型の気流吸引ポンプで小流量吸引しても粗粒子除去に必要な粒子慣性効果を得られるようにしている。
【００３３】
同様に、第２慣性フィルタ５の定径貫通孔５ｄ２内の金属繊維１３の充填量調整により、当該第２慣性フィルタ５の定径貫通孔５ｄ２内部の空隙率調整を行い、例えば金属繊維１３の充填率を小さくして定径貫通孔５ｄ２内での空隙率を大きくしても、金属繊維１３の直径ｄ２を小さく選択することで、定径貫通孔５ｄ２内における気流流通性を大きく低下させず、気流吸引ポンプとしても小型のもので小流量吸引しても圧損を小さく抑制しつつ、ナノ粒子分級に必要な粒子慣性効果を得られるようにしている。
【００３４】
上記実施の形態に具体数値を適用すると、第１慣性フィルタ３の定径貫通孔３ｅ２と第２慣性フィルタ５の定径貫通孔５ｄ２それぞれは、その孔径Ｄ１，Ｄ２をそれぞれ３ｍｍ，６ｍｍ、孔長さＬ１，Ｌ２をそれぞれ４．５ｍｍ，５ｍｍ、金属繊維１１，１３それぞれの繊維径ｄ１，ｄ２をそれぞれ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。
【００３５】
以上の条件による金属繊維充填量ｍ１，ｍ２と圧損ΔＰ１，ΔＰ２との関係を図３（ａ）と図３（ｂ）とに示す。図３（ａ）は、横軸に第１慣性フィルタ３の定径貫通孔３ｅ２内の金属繊維充填量ｍ１（ｍｇ）、縦軸に圧損ΔＰ１（ｋＰａ）をとり、これらの関係を示し、図３（ｂ）は、横軸に第２慣性フィルタ５の定径貫通孔５ｄ２内の金属繊維充填量ｍ２（ｍｇ）、縦軸に圧損ΔＰ２（ｋＰａ）をとり、これらの関係を示す。
【００３６】
図３（ａ）、図３（ｂ）で示すように、第１慣性フィルタ３の定径貫通孔３ｅ２の圧損ΔＰ１は、金属繊維充填量ｍ１が１０−２０ｍｇの調整範囲で０．３−０．４ｋＰａであり、第２慣性フィルタ５の定径貫通孔５ｄ２の圧損ΔＰ２は、金属繊維充填量ｍ２が３−４ｍｇの調整範囲で１．５−２ｋＰａである。
【００３７】
これら図３（ａ）、図３（ｂ）から明らかであるように、携帯型ポンプでも可能な小流量で吸引しても、第１慣性フィルタ３、第２慣性フィルタ５内の金属繊維１１，１３それぞれの充填量調整でもって、空隙率を調整することで、低圧損で、第１慣性フィルタ３では粗粒子を除去し、第２慣性フィルタ５ではナノ粒子を分級できるので、例えば、小型軽量の粒子分級装置として、作業者の呼吸域での微小粒子曝露量を高精度に測定できるようになる。
【００３８】
図４（ａ）および図４（ｂ）それぞれに第１慣性フィルタ３と、第２慣性フィルタ５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３と、第２慣性フィルタ５それぞれの定径貫通孔３ｅ２，５ｄ２での孔径Ｄ１，Ｄ２はそれぞれ６ｍｍ，３ｍｍ、孔長さＬ１，Ｌ２はそれぞれ３ｍｍ，４．５ｍｍ、金属繊維１１，１３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。
【００３９】
図４（ａ）で示すように第１慣性フィルタ３では０．５μｍ前後を粒子分離径とすることができ、また、図４（ｂ）で示すように第２慣性フィルタ５では約１９０ｎｍを粒子分離径とすることができる。
【００４０】
なお、第１慣性フィルタ３と第２慣性フィルタ５とを図５で示すように構成することもできる。図５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５では、第１慣性フィルタ貫通孔３ｅ２と第２慣性フィルタ貫通孔５ｄ２とを連続させた形態となっている。この図５で示す構造も図１と同様の作用を有する。
【００４１】
以上説明したように本実施の形態では、気流上流側と気流下流側との上下２段で、第１、第２慣性フィルタ３，５を直列に連結配置し、第１慣性フィルタ３の貫通孔３ｅ２内の金属繊維の繊維径を第２慣性フィルタ５の貫通孔５ｄ２内のそれより大きく調整することで、第１慣性フィルタ３では繊維径が大きい金属繊維１１の充填量を多くしてもその圧損を可能な限り小さく抑制して粗粒子の捕集を効率的に行えると共に、第２慣性フィルタ５では繊維径が小さい金属繊維１３の充填量を少なくしたことで、圧損を可能な限り小さく抑制してナノ粒子の分級を効率的に行えるようになり、結局、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、粗粒子からナノ粒子までを分離捕集できる。
【符号の説明】
【００４２】
３ 第１慣性フィルタ
３ｅ 貫通孔
１１ 金属繊維
５ 第２慣性フィルタ
５ｄ 貫通孔
１３ 金属繊維
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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も大きくして、第１慣性フィルタをプレ慣性フィルタとして粗粒子除去用とし、第２慣性フィルタを本慣性フィルタとしてナノ粒子分級用とした、ことを特徴とする粒子分級装置。
【請求項２】
上記第１、第２慣性フィルタそれぞれの貫通孔は連続して設けられている請求項１に記載の装置。
【請求項３】
上記非圧縮性繊維がステンレス繊維であることである請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
少なくとも第１慣性フィルタの貫通孔は、流体上流側の拡径貫通孔と、流体下流側の定径貫通孔とを含んだ構成になっており、拡径貫通孔は上流側から下流側方向に徐々に内径が拡径する貫通孔であり、定径貫通孔は、上流側から下流側方向に内径が一定の貫通孔であり、当該内部に上記非圧縮性繊維が充填してある、請求項１ないし３のいずれかに記載の装置。
【請求項５】
上記両慣性フィルタそれぞれの貫通孔は、共に、流体上流側の拡径貫通孔と、流体下流側の定径貫通孔とを含んだ構成になっており、拡径貫通孔は上流側から下流側方向に徐々に内径が拡径する貫通孔であり、定径貫通孔は、上流側から下流側方向に内径が一定の貫通孔であり、当該内部に上記非圧縮性繊維が充填してある、請求項１ないし３のいずれかに記載の装置。
【請求項１】
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も大きくして、第１慣性フィルタをプレ慣性フィルタとして粗粒子除去用とし、第２慣性フィルタを本慣性フィルタとしてナノ粒子分級用とした、ことを特徴とする粒子分級装置。
【請求項２】
上記第１、第２慣性フィルタそれぞれの貫通孔は連続して設けられている請求項１に記載の装置。
【請求項３】
上記非圧縮性繊維がステンレス繊維であることである請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
少なくとも第１慣性フィルタの貫通孔は、流体上流側の拡径貫通孔と、流体下流側の定径貫通孔とを含んだ構成になっており、拡径貫通孔は上流側から下流側方向に徐々に内径が拡径する貫通孔であり、定径貫通孔は、上流側から下流側方向に内径が一定の貫通孔であり、当該内部に上記非圧縮性繊維が充填してある、請求項１ないし３のいずれかに記載の装置。
【請求項５】
上記両慣性フィルタそれぞれの貫通孔は、共に、流体上流側の拡径貫通孔と、流体下流側の定径貫通孔とを含んだ構成になっており、拡径貫通孔は上流側から下流側方向に徐々に内径が拡径する貫通孔であり、定径貫通孔は、上流側から下流側方向に内径が一定の貫通孔であり、当該内部に上記非圧縮性繊維が充填してある、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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１１−１２９７５（Ｐ２０１１−１２９７５Ａ）
【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２００９−１５４８０２（Ｐ２００９−１５４８０２）
【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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