JP5480156B2 - 空気流動中の帯電した浮遊粒子のサイズ分布の特性を決定する装置 - Google Patents

Description

本発明は、空気流動中の帯電した浮遊粒子のサイズ分布の特性を決定するための装置に関する。

人の健康を守るために、健康に害を及ぼす浮遊粒子が吸い込まれることを防止することが重要である。特に、健康に有害な浮遊粒子は、約10nm〜約2.5μm、より具体的には約20nm〜約300nmの等価直径を持つ粒子である超微細粒子である。超微細粒子は、不完全な燃焼プロセスの結果として形成される場合があり、そしてそれらは、自動車交通のような燃焼源及び他の局所的な燃焼源の排気から空気中に放出される場合がある。超微細粒子の吸入は結果として重篤な肺障害につながる可能性があることがよく知られている。

浮遊粒子の局所的な検出は、好ましくは、浮遊粒子の全粒子数濃度及び平均直径の決定を伴う。

前述のパラメータを決定するための装置は、WO 2007/000710A2から知られている。この既知の装置は、空気流動をサンプリングするように配置されて、少なくとも一つの時間間隔の間に少なくとも第１濃度レベルと第２濃度レベルとの間で超微細粒子の濃度の変動を生じさせることが可能な粒子濃度変動セクションを有する。粒子濃度変動セクションは、第１濃度レベルと第２濃度レベルとの間の変動に依存して変化する測定信号を生成することが可能な粒子検知セクションの上流に位置する。適用された粒子濃度変動に応答して、この既知の装置は、連続した時間間隔の間に連続的な態様で変化する粒子濃度レベルと関連した測定信号を決定する。全粒子数濃度及び平均粒径を決定するために、一セットの少なくとも２つの変化する粒子濃度レベルに対応する少なくとも２つの測定信号からなるセットが必要とされる。そのうちに発展する全粒子数濃度及び平均粒径に追従するために、測定信号の異なるセットが周期的に決定されることができる。

浮遊粒子の全粒子数濃度及び平均直径の正確な決定のために、既知の装置は、浮遊粒子の全濃度及び粒径分布(すなわち粒径の関数としての粒子濃度)が、単にゆっくりと変化する時間の関数であるだけでなく、好ましくは実質的に時間的に変動しない環境を必要とする。全粒子数濃度及び平均粒径の一回の決定のために必要とされる一セットの連続的測定信号を測定するために必要な時間間隔の間、全粒子数濃度及び平均粒径は、実質的に一定のままでなければならない。少なくとも最低限の期間の間の信号の平均値算出を通常必要とする測定精度に関する最小限必要とされる要求のために、この時間間隔を任意に小さくすることはできない。(自動車交通が存在する場所又はその近傍のような)非定常環境における正確な動作のために、浮遊粒子の全粒子数濃度及び平均直径を、これらのパラメータが時間の経過中に急激に変化する場合がある非常に過渡的な条件の下でも決定することができる装置が必要である。そのような状況は、例えば、自動車交通が存在する場所又はその近傍で生じる可能性がある。

本発明の目的は、定常状態及び過渡状態の両方の下で、空気流動中の帯電した浮遊粒子のサイズ分布の特性を信頼性をもって決定することができる、冒頭の段落に記載された種類の装置を提供することである。

この目的は本発明による装置により実現され、当該装置は、(a)当該装置に入る浮遊粒子を帯電させることによって帯電した浮遊粒子のサイズ分布を生じさせるために配置される粒子帯電ユニット、(b)粒子帯電ユニットの下流に位置する第１粒子沈降ユニットであって、第１粒径制限より大きなサイズを持つ帯電した浮遊粒子の濃度を部分的に低減するために配置され、当該第１粒子沈降ユニット内での帯電した浮遊粒子の沈降に対応する第１出力信号を生成する第１粒子沈降ユニット、(c)第１粒子沈降ユニットの下流に位置する第２粒子沈降ユニットであって、実質的に全ての入ってくる帯電した浮遊粒子を沈降させるために配置され、当該第２粒子沈降ユニット内での帯電した浮遊粒子の沈降に対応する第２出力信号を生成する第２粒子沈降ユニット、並びに、(d)第１出力信号及び第２出力信号に基づいて、第１粒径制限より大きなサイズを持つ浮遊粒子の粒子数濃度及び平均直径を計算するために配置されるデータ評価ユニットを有する。

本発明は、過渡的な条件の下での既知の装置の不正確さは、主として、帯電した浮遊粒子の全粒子数濃度及び平均直径の決定が、粒子濃度変動区間における２つの異なる電場強度の連続的な(直列の)適用に応じた粒径分布の調整を必要とし、これが第１の有限量の時間を必要とすることの結果であるとの認識に基づく。加えて、(電界強度の印加によって得られる粒径分布に対応する)各々の順次生成される出力信号は、最低限の特定の程度の測定精度を達成するために必要とされる十分なデータ平均算出を可能にするために、第２の有限量の時間の間サンプリングされなければならない。第１及び/又は第２の有限量の時間の間に粒子濃度及び/又は粒径分布が顕著に変化する場合、完全に誤りではないとしても、不正確な全粒子数濃度及び平均粒径の値が得られる。

本発明による装置は、逐次的に生成される出力信号の代わりに、第１及び第２粒子沈降ユニットからそれぞれ同時に生成される出力信号を用いることにより、空気流動中の帯電した浮遊粒子のサイズ分布の更に信頼できる特性決定を可能にする。各々の粒子沈降ユニットは、粒子沈降ユニット中で沈降した帯電浮遊粒子の長さ濃度に比例する出力信号を提供する。第２粒子沈降ユニットが第１粒子沈降ユニットの下流に位置し、後者が第１粒径制限より大きなサイズを持つ帯電した浮遊粒子の濃度を部分的に低減するように配置されるので(これは、これらの粒子に対して、第１粒子沈降ユニットを通過する際に濃度が非ゼロの値に低減されることを意味する)、第１及び第２出力信号は、特性を決定されるべき帯電した浮遊粒子のサイズ分布の異なるサブセットを示す。

第１及び第２出力信号を組み合わせることで、第１粒径制限より大きい帯電した浮遊粒子についての情報を得ることが可能になる。両方の出力信号は、同時に記録されて、したがって同時に平均されることもでき、これらの出力信号から第１粒径制限より大きな帯電した浮遊粒子の全粒子数濃度及び平均直径を計算するために配置されるデータ評価ユニットに対する入力として用いられる。

この計算は、第１粒径制限より大きな粒子の全粒子数濃度が、第１粒径制限より大きな帯電した浮遊粒子の、第１粒子沈降ユニット内での制御された部分的な沈降に対応する第１出力信号に関連することが見いだされることに基づく。粒子沈降ユニットによって生成される出力信号の和は、空気流動中の帯電した浮遊粒子の全体の長さ濃度に関連することが見いだされる。続いて、第１粒径制限より大きな浮遊粒子の平均直径は、第１粒径制限より大きな浮遊粒子の全体の長さ濃度と全個数濃度との間の比をとることによって見いだされる。

本発明による装置の実施の形態が請求項2に定義される。この実施の形態において、装置はさらに、第１粒子沈降ユニットの下流であって、第２粒子沈降ユニットの上流に位置する第３粒子沈降ユニットを有し、第３粒子沈降ユニットは、第２粒径制限より小さい粒径を持つ実質的に全ての入ってくる帯電した浮遊粒子を沈降させ、第３粒子沈降ユニット内での帯電した浮遊粒子の沈降に対応する第３出力信号を生成するために配置され、データ評価ユニットはさらに、第１出力信号、第２出力信号及び第３出力信号に基づいて、第２粒径制限より大きなサイズを持つ浮遊粒子の粒子数濃度及び平均直径を計算するように配置される。

第１、第２及び第３出力信号は(個別に及び組み合わせて)、全ての帯電した浮遊粒子の長さ濃度、並びに、それぞれ第１及び第２粒子沈降ユニット中で沈降した及び/又は第１及び第２粒子沈降ユニットを通過した帯電した浮遊粒子の長さ濃度に関する情報を含むことが見いだされた。

この実施の形態は、粒径分布の複数の粒径間隔でのさらに詳細な特性決定を可能にする。全ての出力信号が同時に測定され、信号精度を改善するための有限時間にわたるそれらの平均算出が同時に実行されることができるので、過渡的状況下においても、浮遊粒子の濃度及びサイズ分布に関する信頼できる情報を得ることが可能である。

本発明による装置の実施の形態が請求項3に定義される。この実施の形態において、第２粒径制限は、空気流動中の第１粒径制限よりも大きい帯電した浮遊粒子の少なくとも90%が、この第２粒径制限より小さいサイズをもつような粒径制限であり、データ評価ユニットはさらに、第１粒径制限より大きいサイズを持つ浮遊粒子の平均直径から、そして第２粒径制限の数値から、空気流動中の第１粒径制限よりも大きな帯電した浮遊粒子のサイズ分布の相対幅を決定するように配置される。この実施の形態は、粒径分布のさらに詳細な特性決定を可能にする。

本発明による装置の実施の形態が請求項4に定義される。この実施の形態において、粒子帯電ユニットは、コロナ放電源、コロナ放電源を少なくとも部分的に囲む有孔スクリーン電極、有孔スクリーン電極を少なくとも部分的に囲む基準電極、及び、有孔スクリーン電極と基準電極との間に電位差を印加するための手段を有する拡散荷電ユニットである。この実施の形態は、粒子拡散荷電が単に比較的低い電場強度で実行されるので、粒子帯電ユニット内の静電沈降による粒子帯電プロセス間の粒子濃度の相当な減少に悩まされることなく、装置による特性決定前に浮遊粒子のサイズ分布を帯電させる便利かつ制御可能な態様を可能にする。

本発明による装置の実施の形態が請求項5に定義される。この実施の形態において、第２粒子沈降ユニットは、ファラデーケージの中に配置される粒子フィルタを含み、このファラデーケージは、高感度な電流計を介して基準電位に接続され、この高感度な電流計は、出力信号をデータ評価ユニットに中継するように配置される。この実施の形態は、粒子フィルタが空気流動から全ての浮遊粒子をそれらの電荷と共に取り込むように容易に作られることができるので、浮遊粒子の帯電したサイズ分布の特性を決定する便利な態様を可能にする。

本発明による装置の実施の形態が請求項6に定義される。この実施の形態において、第２粒子沈降ユニットは平行板沈降分離装置を含み、平行板沈降分離装置のプレートのうちの一つは高感度な電流計を介して基準電位に接続され、この高感度な電流は、出力信号をデータ評価ユニットに中継するように配置される。この実施の形態は、空気流動から実質的に全ての帯電した浮遊粒子をそれらの電気電荷と共に沈降させるために平行板沈降分離装置のプレート間の電場の強さが容易に調整されることができるので、浮遊粒子の帯電したサイズ分布の特性を決定する便利な態様を可能にする。

本発明による装置の実施の形態が請求項7に定義される。この実施の形態において、第１粒径制限は、10nmと20nmとの間のサイズ範囲の粒径に設定される。この粒径制限は、有効粒径下限を設定し(この下限を超えたところで、粒子と関連した電荷に基づいて浮遊粒子サイズ分布の特性が決定されることができる)、そして、実際的に関心のあるほとんどの粒径を含む浮遊粒子の幅広いサイズ範囲の特性決定を可能にするために十分に低い。

本発明の例は添付の図面を参照して詳細に説明される。

本発明による装置の第１の実施の形態の模式図。 それぞれ図1Aの実施の形態に用いられる粒子帯電ユニット、第１粒子沈降ユニット及び第２粒子沈降ユニットの実施の形態の模式図。 本発明による装置の第２の実施の形態の模式図。 それぞれ図2Aの実施の形態に用いられる粒子帯電ユニット、第１粒子沈降ユニット、第２粒子沈降ユニット及び第１粒子沈降ユニットの実施の形態の模式図。 プレート間に電場E₁又は電場E₂が印加された平行板沈降分離装置を有する粒子沈降ユニットにおける拡散荷電された粒子の部分的粒子沈降効率を粒径の関数として概略的に示すグラフ。 粒子沈降ユニットに含まれる平行板沈降分離装置のプレート間の第１電場E₁及び第２電場E₂の逐次的な印加を概略的に示すグラフ。

これらの図は概略であり、スケール通りに描かれていないことに留意すべきである。これらの図の部品の相対的寸法及び比率は、図面の明確性及び便宜のために、サイズが誇張又は縮小されて示されている。

図1Aは、本発明による装置の第１の実施の形態を示す。装置1は、第１粒子沈降ユニット10及び第２粒子沈降ユニット20を通して空気流動70を連続的に通過させることによって、浮遊粒子を含む空気流動70をサンプリングするように配置される。この目的のために、装置1は換気装置60を有する。換気装置の代わりに、ポンプや、空気密度の局所的な差によって生じる熱煙突効果によって空気を移動させるために配置される加熱素子のような、別の空気移動装置が用いられることも可能である。

第１粒子沈降ユニット10への流入の前に、装置1によってサンプリングされる浮遊粒子は帯電される。この目的のために、装置1は、第１粒子沈降ユニット10の上流に位置する粒子帯電ユニット50を有する。図1Bに示されるように、粒子帯電ユニット50は、コロナ放電源51、コロナ放電源51を少なくとも部分的に囲む有孔スクリーン電極52、有孔スクリーン電極52を少なくとも部分的に囲む基準電極53、及び、有孔スクリーン電極52と基準電極53との間に電位差を印加するための手段54を有する。サンプリングされる空気流動70中の浮遊粒子が有孔スクリーン電極52と基準電極53との間に位置する管路を通過する間に、粒子帯電が生じる。有孔スクリーン電極52と基準電極53との間の電場を好ましくは500V/cmを下回るように維持することによって、粒子帯電は比較的低い電場強度で生じ、これは、粒子帯電ユニット50内で生じる(例えば基準電極53への沈着による)浮遊粒子の帯電誘発損失を最小限にすることを保証する。これらの条件に基づく粒子帯電は、粒子拡散荷電と一般的に呼ばれる。他のタイプの粒子帯電ユニットも可能である(例えばUV光源を含む又はイオン化放射による粒子帯電ユニット)。

第１粒子沈降ユニット10は第１出力信号41を生成するように配置され、そして第２粒子沈降ユニット20は第２出力信号42を生成するように配置される。浮遊粒子が拡散荷電を介して帯電されているので、出力信号41及び42は、それぞれ、粒子沈降ユニット10及び20中で沈降した帯電した浮遊粒子の長さ濃度に比例する大きさを持つ。

図1Bに示されるように、第１粒子沈降ユニット10は平行板沈降分離装置11を有する。第１粒子沈降ユニット10の第１動作モードにおいて、平行板沈降分離装置11は、そのプレート間に第１電場E₁を生成するように用意される。電場E₁の大きさは、平行板沈降分離装置11のプレートの間を通過して第１粒径制限d₁より大きな粒径を持つ帯電した浮遊粒子の濃度がゼロ以外の値に低下するような大きさである。これは図3Aに示されており、この図は、拡散荷電を用いて帯電された浮遊粒子の粒径の関数として部分粒子沈降効率(fractional particle precipitation efficiency)を概略的に示す。図3Aから、第１電場E₁が平行板沈降分離装置11のプレートの間に印加されるときに、第１粒径制限d₁よりサイズが大きい全ての帯電した粒子は、１より小さい部分粒子沈降効率を持ち、それらの濃度がゼロ以外の値に低下することが明らかである。第１粒径制限d₁より小さい帯電した粒子に対して平行板沈降分離装置11内部で一つの部分沈降効率のみを引き起こすことも更に可能である。

平行板沈降分離装置11において、帯電した浮遊粒子の沈降は、高感度な電流計(図示せず)を介して基準電位に接続されたプレート上で生じ、この電流計は、平行板沈降分離装置11の中で単位時間あたりに沈積する電荷の量を表す第１出力信号41を生成することが可能である。

図1Bに示されるように、第２粒子沈降ユニット20は、ファラデーケージ22中に配置される粒子フィルタ21を有する。粒子フィルタ21は、ファラデーケージ22を通過する空気流動70から浮遊粒子を捕獲することが可能である。ファラデーケージ22は、高感度な電流計(図示せず)を介して基準電位に接続され、この電流計は、粒子フィルタ21において単位時間あたりに沈積する電荷の量を表す第２出力信号42を生成することが可能である。

本発明のために、第２粒子沈降ユニットは、あるいは、第２粒子沈降ユニット内部で実質的に全ての入ってくる帯電した浮遊粒子を沈降させることが可能であるプレート間の電場を生成するように配置される平行板沈降分離装置として実施されることができる。

図1Bに示される実施の形態において、第１粒子沈降ユニット10及び第２粒子沈降ユニット20は超微細粒子沈降ユニットであり、約10nm〜2.5μm、好ましくは約15nm〜500nm、最も好ましくは約20nm〜300nmの範囲の等価直径を有する粒子を沈降させることが可能である。通常の周囲空気において、全粒子数濃度に対する最大の寄与は、通常は、自動車のエンジンのような燃焼源によって通常は生成される300nmより小さい浮遊粒子に由来する。

第１出力信号41及び第２出力信号42はデータ評価ユニット40によって記録され、データ評価ユニットは、これらの出力から、第１粒径制限d₁より大きい粒子に関する全粒子数濃度及び平均粒径を計算するように用意される。第１出力信号41及び第２出力信号42を記録することは、同時に、過渡的条件の下でも全粒子数濃度及び平均粒径を直ちに決定することを可能にする。

装置1の第１動作モードにおいて、第１出力信号41は大きさI₁-I₂の電流であり、第２出力信号42は大きさI₂の電流であり、I₁は、第１粒径制限d₁より大きいサイズを持つ実質的に全ての帯電した浮遊粒子の捕捉に関連する電流を表す。言い換えると、電流I₁の大きさは、第１出力信号41及び第２出力信号42の和によって取得されることができ、電流I₂の大きさは、第２出力信号42から直接取得される。

理論に束縛されることを望まずに、以下において、どのように電流I₁及びI₂が装置1に入ってくる浮遊粒子の濃度及びサイズ分布に関連するか、並びに、そこに存在するさまざまなプロセス及び装置パラメータの更なる詳細な説明が与えられる。粒子拡散荷電の条件下で、有効直径dの粒子上の電気素量p_avの平均数は、

との関係に従うことが分かった(Aはdから実質的に独立した定数を示す)。

例えば、式(1)中の定数Aの値、並びに、粒子帯電ユニット60に存在するさまざまなプロセス及び帯電パラメータの関数としての粒子帯電特性に関する更なる詳細な情報は、実験に基づいて又はエアロゾル帯電についてのFuchs理論を用いて取得されることができる(例えば、M. Adachi et al., Journal of Aerosol Science, 16 (1985) pp. 109-123を参照)。

電流I₁は、

との関係に従うことが分かった。積分は全ての浮遊粒子の全ての粒径dにわたって実行される。式(2)において、eは電気素量を示し、φは装置1を通る体積空気流量を示し、Lは粒子長さ濃度であり、N(d)は粒径の関数としての粒子数濃度を示す。装置1に入る全ての帯電した浮遊粒子がその中で捕えられることも暗黙に仮定される。比dN(d)/dln(d)は、正規化された粒径分布を表す。したがって、I₁は粒子長さ濃度Lに比例する。ここで、粒径の対数にわたる正規化された粒径分布の積分は、

によって、全粒子数濃度Nを与える。装置1中の第１粒子沈降ユニット10に関して、平行板沈降分離装置11のプレート間に印加された電場E₁は、式(1)によって与えられるp_avにより

にしたがって、直径dの帯電した浮遊粒子の部分的沈降度ξ(E₁)を引き起こす。

式(4)において、Cは粒径に依存するカニングハムスリップ補正係数を示し(更に詳細な情報は、例えば、W.C. Hinds, Aerosol Technology. Properties, Behaviour and Measurement of Airborne Particles, 2nd Ed. (1999), John Wiley & Sons, Chapter 3を参照)、λは平行板沈降分離装置11のプレートの長さを示し、δは平行板沈降分離装置11のプレート間の間隔を示し、ν_airは、平行板沈降分離装置11のプレート間の平均空気流速であり、ηは空気粘性率である。

第２出力信号42である電流I₂は、平行板沈降分離装置11内での沈降を免れた帯電した粒子から導き出されて、

によって近似的に与えられる。積分は、d>d₁の全ての粒径にわたり実行される(d₁はξ(E₁)がほぼ１になる第１粒径制限d₁を示す)。ここで式(5)は、単に任意の所与の有効直径dの粒子上の平均電気粒子電荷p_av eを含めるだけでなく、代わりに任意の所与の有効直径dの粒子上の統計的粒子電荷分布を含めることによって、さらに綿密な形式で書き直されることができる(更に詳細な情報は、前述のM. Adachi et. al.の参考文献を参照)。

d₁のための適切な値は、p_avがほぼ１になる有効粒子径である。選択された粒子帯電条件に応じて、d₁は10nm、好ましくは15nm、より好ましくは20nmであり、それにより、d>d₁に対してξ(E₁)<1であることを保証するために第１電場E₁の大きさに対する上限値を設定する。d₁の後者の数値は、多くの実際的な関心の場合において、d₁より小さいサイズの浮遊粒子が、電流I₁又は通常の周囲空気中の全ての浮遊粒子の全個数濃度Nに有意に寄与しないとの仮定を正当化するために十分に小さい。

電流I₁とI₂との間の差(この差が第１出力信号41である)は、ここでは、

によって記述されることができ、N(d>d₁)は、d₁より大きい帯電した浮遊粒子の個数濃度を示す。d₁≒10-20nmの比較的小さい第１粒径制限では、N(d>d₁)は、多くの場合、全ての浮遊粒子の個数濃度Nに近い。パラメータC₁(d_av, σ)は定数を表し、その値は、ある程度、d₁より大きい全ての帯電した浮遊粒子の平均粒径d_av及びパラメータσによって説明される粒径分布の特性の両方に依存すると予想される。例えばσは、対数正規粒径分布における幾何学的標準偏差を表すことができる。大部分の浮遊粒子が約150-200nmの直径以下のサイズである場合には(これは通常の周囲空気の場合である)、パラメータC₁(d_av, σ)は、d_av及びσの両方から実質的に独立していることが見いだされ、

との結果を与える(C₁は定数)。

d₁より大きい帯電した浮遊粒子の平均粒径d_avに対して、

を得る。

式(8)におけるd_avの結果は、大部分の浮遊粒子が約150-200nmより小さいサイズであるとの仮定の正しさを確認するために用いられることができる。正しくない場合、d_av及びσの両方に関するC₁(d_av, σ)の依存性が計上されるはずである。粒径分布は、例えば、

にしたがって、パラメータN、d_av及びσによって特性を決定される対数正規粒径分布として近似的に表されることができる。

式(1), (4)及び(6)-(9)を組み合わせることによって、関係C₁(d_av, σ)が、既知の粒径分布(したがって既知のd_av, σ及びN(d>d₁)の値)に対して確立されることができ、内部整合性のために、式(7)及び(8)によるN(d>d₁)及びd_avの結果を確認するために(必要ならば反復的に)用いられることができる。あるいは、関係C₁(d_av, σ)は、N(d>d₁)及びd_avの既知の値をもつ既知の粒径分布に対して実験に基づいて確立されることができる。

第１粒子沈降ユニット10の第２動作モードにおいて、第１電場E₁及び第２電場E₂が平行板沈降分離装置11のプレート間に逐次的に印加される。これは図3Bに示され、この図は、それぞれ、第１時間周期t₁及び第２時間周期t₂の間の第１電場E₁及び第２電場E₂の逐次的な印加を概略的に示す。

第２電場E₂の大きさは、第１電場E₁の大きさを超え、第２粒径制限d₂より小さいサイズを有する帯電した浮遊粒子の濃度がゼロに低下し、第２粒径制限d₂より大きいサイズを有する帯電した浮遊粒子の濃度がゼロ以外の値に低下するような大きさであり、第２粒径制限d₂は第１粒径制限d₁より大きい。これは図3Aに示され、この図は粒径の関数として帯電した粒子の部分粒子沈降効率を概略的に示す。図3Aから、電場E₁が平行板沈降分離装置11のプレート間に印加されたとき、第１粒径制限d₁より大きい全ての帯電した粒子が１より小さな部分粒子沈降効率をもち、それらの濃度がゼロ以外の値に低下することが明らかである。電場E₂が平行板沈降分離装置11のプレート間に印加されたとき、第２粒径制限d₂より大きな帯電した粒子のみが１より小さい部分粒子沈降効率を持ち、第２粒径制限d₂より小さい帯電した粒子は、１の部分粒子沈降効率を持ち、第１粒子沈降ユニット10を出る空気流動70中でそれらの濃度はゼロに低下する。

平行板沈降分離装置11のプレート間に印加される電場(E₁又はE₂)に応じて、出力信号42は、平行板沈降分離装置11での沈降を免れた第１粒径制限d₁より大きい帯電した浮遊粒子に関する情報か、又は、平行板沈降分離装置11での沈降を免れた第２粒径制限d₂より大きい帯電した浮遊粒子に関する情報を伝える。データ評価ユニット40は、第１出力信号41及び第２出力信号42から、第１粒径制限d₁より大きい帯電した浮遊粒子に関する、又は、第２粒径制限d₂より大きい帯電した浮遊粒子に関する、粒子数濃度及び平均粒径を計算するように用意される。このようにして、粒径分布のより詳細な特性決定が実行されることができる。

第２動作モードが平行板沈降分離装置11のプレート間に２つの異なる電場を逐次的に印加することを必要とするので、浮遊粒子の濃度及びサイズ分布が、t₁とt₂の和に等しい期間の間、実質的に一定であることを必要とする。第１及び第２出力信号41及び42の和が、時間間隔t₁+t₂の間、実質的に一定のままかどうかをモニタリングすることによって、装置1が第１モードでのみ動作することができる(過渡的な条件でも使うことができる)かどうか、又は、浮遊粒子のサイズ及び濃度分布のさらに詳細な特性決定を実行するために装置1が第２モードでも動作可能であるように環境が十分に定常的であるかどうかが決定されることができる。

理論に束縛されることを望まずに、以下において、装置1の第２動作モードにおいて、第２粒径d₂より大きい帯電した浮遊粒子の濃度N(d>d2)がそれぞれ第１及び第２出力信号41及び42からどのように決定されることができるかについての更なる詳細な説明が与えられる。

装置1の第２動作モードにおいて、第１出力信号41は大きさI₁-I₃の電流であり、第２出力信号42は大きさI₃の電流であり、電流I₃は、

によって与えられる。

I₁とI₃との間の差は、

によって、第２粒径制限d₂より大きい帯電した浮遊粒子に関する情報を与える。

式(11)の右辺の第１項は、d₁より大きくd₂より小さいサイズの帯電した浮遊粒子の粒子長さ濃度に比例する。式(11)の右辺の第２項は、装置1のさまざまなプロセス、帯電及び設計パラメータ並びにパラメータN、d_av及びσの関数として電流I₁及びI₃を計算する又は測定することによって、パラメータN、d_av及び有効粒径分布パラメータσによって特徴づけられる任意の粒径分布に対して取得される又は先験的に推定されることができるパラメータC₂(d_av, σ)を含む。N(d>d₂)は、第２粒径制限d₂より大きい浮遊粒子の個数濃度を示す。粒径制限d₁及びd₂は、

の根d₁及びd₂として、平行板沈降分離装置11における大きさE₁及びE₂の電場においてそれぞれ得られる(式(4)参照)。

d₁及びd₂の既知の値によって、N(d>d₁)及びN(d>d₂)も任意の既知の粒径分布に対して推定されることができ、これは、電流I₁, I₂及びI₃が知られているときに、パラメータC₂(d_av, σ)が推定されることを可能にする。電流I₁, I₂及びI₃が未知の粒径分布を有する未知のエアロゾルに関して後で測定される場合、式(7)及び(8)に従ってN(d>d₁)及びd_avを得るために電流I₁及びI₂を記録すれば十分である。そして電流I₁及びI₃は、既知のパラメータC₂(d_av, σ)を用いて式(11)に従って濃度N(d>d₂)を推定するために後で用いられることもでき、C₂(d_av, σ)が単に弱くσに依存している場合に最も容易である。より正確なN(d>d₂)の決定が望まれる場合には、d_avの既知の値に対するC₂(d_av, σ)のさらに正確な値を前もって決定することができるように、有効粒径分布パラメータσが先験的に知られていなければならない。これは、式(6)に導入されるパラメータC₁(d_av, σ)のさらに正確な値を決定するためにも有用である。特に、対数正規粒径分布に対して、σは粒径分布の標準偏差を表し、

にしたがって、d_avに近似的に関連があることが見いだされた。粒径d_upperは、平行板沈降分離装置11のプレート間に印加される電場強度E_upperに対して(この電場強度において、第２粒子沈降ユニット20によって測定される電流I₂は、第１粒子沈降ユニット10及び第２粒子沈降ユニット20によって測定される電流I₁-I₂及びI₂の和の僅か数パーセントにまで減少する)、式(12)から根d=d_upperとして得られる。明らかに、d_upperは粒径分布全体の有効上限粒径を表し、第１粒径制限d₁より大きい帯電した浮遊粒子の90%以上がd_upperより小さいサイズである。d_avとd_upperとの間の比は、パラメータσによって表現されるような粒径分布の相対幅を評価するために便利に用いられることができる。

N(d>d₁)に加えてN(d>d₂)を決定することは、粒径分布のさらに詳細な特性決定を可能にする。第２粒径制限d₂より大きい浮遊粒子の平均粒径d_av(d>d₂)は、

にしたがって、N(d>d₁)、N(d>d₂)及びd_avから推定されることができる。上記から、一連の逐次増加する電界強度(E₁, E₂, E₃など)が平行板沈降分離装置11のプレート間に順次印加されることができ、それによって、一連の順次低下する粒子数濃度(N(d>d₁), N(d>d₂), N(d>d₃)など)が順次決定されることを可能にし、それによって、粒径分布特性に関する更なる情報を与えることができることが明らかである。電流I₁である第１及び第２出力信号41及び42の和の定常性の程度は、順次得られる粒子数濃度の信頼性及び/又は相対的精度を推定するために用いられることができる。粒子数濃度系列を決定するために必要とされる全時間間隔の間に第１及び第２出力信号41及び42の和が実質的に一定のままである場合に、最高の信頼性が得られる。

図2Aは、本発明による装置の第２の実施の形態を示す。第１粒子沈降ユニット10及び第２粒子沈降ユニット20に加えて、装置2はさらに、第１粒子沈降ユニット10の下流で第２粒子沈降ユニット20の上流に位置する第３粒子沈降ユニット30を有する。

図2Bに示されるように、第３粒子沈降ユニット30は平行板沈降分離装置31を有し、そこで、帯電した浮遊粒子の沈降が、高感度な電流計(図示せず)を介して基準電位に接続されたプレート上で生じ、この電流計は、平行板沈降分離装置31中で単位時間あたりに沈積する電荷の量を表す第３出力信号43を生成することが可能である。

平行板沈降分離装置31は、そのプレート間に第２電場E₂ ^*を生成するように配置される。第２電場E₂ ^*の大きさは、第２粒径制限d₂より小さいサイズを有する帯電した浮遊粒子の濃度が平行板沈降分離装置31を出ていく気流中でゼロに低下し、第２粒径制限d₂より大きいサイズを有する帯電した浮遊粒子の濃度がゼロ以外の値に低下するような大きさであり、第２粒径制限d₂は第１粒径制限d₁より大きい。特に、第３粒子沈降ユニット30における電場E₂ ^*の大きさは、帯電した浮遊粒子の少なくとも90%が、直列に連結された電場E₁が平行板沈降分離装置11のプレート間に印加された第１粒子沈降ユニット10及び電場E₂ ^*が平行板沈降分離装置31のプレート間に印加された第３粒子沈降ユニット30内で沈降する程度まで高められることが可能である。その場合、第２粒径制限d₂は、式(13)に導入される粒径d_upperを表す。式(13)によれば、比d_av/d_upperは、有効サイズ偏差パラメータσに関する粒径分布の有効幅を評価するために用いられることができる。

装置2において、同時に生成される第１、第２及び第３出力信号41, 42及び43はそれぞれ個別の電流を表し、これらの電流は、一緒に取得されて、式(2)によって全電流I₁へと合計され、装置2の粒子沈降ユニット10, 30, 20いずれかの中で単位時間あたりに沈降される全ての帯電した浮遊粒子の全電荷を表す。

特に、出力信号41は式(6)による電流I₁-I₂を表す。出力信号42及び43の和は、式(5)による電流I₂を表す。

出力信号42は、平行板沈降分離装置31における電場強度E₂ ^*が、

となるように選択されるときに、(電場強度E₂を説明する)式(10)による電流I₃を表す(ξ(E)は式(4)により与えられる)。直列に連結された平行板沈降分離装置11及び31中の帯電した粒子の沈降全体への図2Bの平行板沈降分離装置11のプレート間に印加される電場強度E₁の影響のために、(d₂より小さい粒径を持つ全ての入ってくる帯電した浮遊粒子の実質的に完全な沈降を達成するために図1Bの平行板沈降分離装置11プレート間に印加される)電場E₂と、(直列に連結された平行板沈降分離装置11及び31に入るd₂より小さい粒径を持つ全ての帯電した浮遊粒子の実質的に完全な沈降を達成するために図2Bの平行板沈降分離装置31のプレート間に印加される)E₂ ^*とは、互いに異なることに注意すべきである。ここで、図1Bの平行板沈降分離装置11並びに図2Bの平行板沈降分離装置11及び31に関するプロセス及び設計パラメータは同じであることが暗黙に仮定されている。そうでない場合には、これは当業者によって容易に説明されることができる。

図2Aにおける出力信号43は電流I₂-I₃を表し、I₂及びI₃はそれぞれ式(5)及び(10)により与えられ、式(15)を説明する。

装置2からの出力信号41, 42及び43は、帯電した浮遊粒子のサイズ分布の特性を決定し、第２動作モードで動作する場合の装置1について上述された態様と同様の態様で、d_av, σ, N(d>d₁)及びN(d>d₂)の値を得るために用いられることができる。

(図2Aに示されるように)装置2中の粒子沈降ユニットの数を３に制限する代わりに、平行板沈降分離装置のプレート間に異なる電場強度を与えることにより粒径制限より大きいサイズの粒子に対して異なる程度の帯電粒子沈降を引き起こすことが各々可能であり、それにより、対応する一連の粒径制限より大きな粒径に対する一連の粒子数濃度の同時決定を可能にする複数の粒子沈降ユニットを、装置2が有することができる。決定された一連の粒子数濃度はさらに、粒径分布を決定し、この決定された粒径分布から(例えば式(9)を用いて)有効粒径分布パラメータσを推定し、そこから、粒径分布のσに対して先験的に推定された値の正確さ及び/又は式(13)によって確立されたσの予め定められた値の正確さを確認するために用いられることができる。このようにして、対応する一連の粒径間隔に対してσの値に整合する一連の粒子数濃度が決定されるまでの、内部整合性チェックを必要とする反復的な態様で、σの値を決定することもさらに可能である。

粒径分布の有効幅を説明するために唯一のσの値を必要とする代わりに、時には、例えばこの粒径分布がいくつかの対数正規粒径分布(各々の対数正規サイズ分布iは式(8)に従ってパラメータN_i、d_{av, i}及びσ_iのそれ自身のセットによって記述される)の重ね合わせの結果である場合に、より正確に粒径分布の特性を説明するためにいくつかの異なるサイズ分布パラメータσ_iが関与することが必要な場合があることは明らかである。

図2Aに図示された実施例の利点は、浮遊粒子の濃度及びサイズ分布が実質的に時間的に一定でない状況下でも、非常に過渡的な条件下であっても、信頼できる正確な粒径分布の特性決定が実行されることができることである。

本発明が図面及び上述の説明において詳細に図示及び説明されたが、そのような図示及び説明は実例又は例示であるとみなされるべきであり、制限的なものとしてみなされるべきではない。本発明は開示された実施の形態に限定されない。図面、明細書及び添付の請求の範囲の検討から、請求された発明を実施する際に、開示された実施の形態に対するバリエーションが、当業者によって理解され、遂行される。請求の範囲において、「有する」「含む」といった語は他の要素を除外せず、単数形は複数を除外しない。特定の手段が相互に異なる従属請求項中に挙げられていても、これらの手段の組み合わせを有益に用いることができないことを表さない。請求の範囲中の参照符号は範囲を制限するものと解釈されてはならない。

Claims (7)

1. 空気流動中の帯電した浮遊粒子のサイズ分布の特性を決定するための装置であって、
   当該装置に入ってくる浮遊粒子を帯電させることにより帯電した浮遊粒子のサイズ分布を生成する粒子帯電ユニット、
   前記粒子帯電ユニットの下流に位置する第１粒子沈降ユニットであって、当該第１粒子沈降ユニットに入ってくる、第１粒径制限より小さいサイズを持つ実質的に全ての帯電した浮遊粒子を沈降させ、第１粒径制限より大きいサイズを持つ帯電した浮遊粒子の濃度を部分的に低下させ、当該第１粒子沈降ユニット内での帯電した浮遊粒子の沈降に対応する第１出力信号を生成する第１粒子沈降ユニット、
   第１粒子沈降ユニットの下流に位置する第２粒子沈降ユニットであって、実質的に全ての入ってくる帯電した浮遊粒子を沈降させ、当該第２粒子沈降ユニット内での帯電した浮遊粒子の沈降に対応する第２出力信号を生成する第２粒子沈降ユニット、
   第１出力信号及び第２出力信号に基づいて、第１粒径制限より大きいサイズを持つ浮遊粒子の粒子数濃度及び平均直径を計算するデータ評価ユニット、
   を有する装置。
2. 第１粒子沈降ユニットの下流で第２粒子沈降ユニットの上流に位置する第３粒子沈降ユニットをさらに有し、第３粒子沈降ユニットは、第２粒径制限より小さい粒径を持つ実質的に全ての入ってくる帯電した浮遊粒子を沈降させて、当該第３粒子沈降ユニット内での帯電した浮遊粒子の沈降に対応する第３出力信号を生成し、前記データ評価ユニットはさらに、第１出力信号、第２出力信号及び第３出力信号に基づいて、第２粒径制限より大きいサイズを持つ浮遊粒子の粒子数濃度及び平均直径を計算する、請求項１に記載の装置。
3. 第２粒径制限は、空気流動中の第１粒径制限より大きい帯電した浮遊粒子の少なくとも９０％が当該第２粒径制限より小さいサイズを持つような粒径制限であり、前記データ評価ユニットはさらに、第１粒径制限より大きいサイズを持つ浮遊粒子の前記平均直径から、及び、第２粒径制限の数値から、空気流動中の第１粒径制限より大きい帯電した浮遊粒子のサイズ分布の相対幅を決定する、請求項２に記載の装置。
4. 前記粒子帯電ユニットは、コロナ放電源、前記コロナ放電源を少なくとも部分的に囲む有孔スクリーン電極、前記有孔スクリーン電極を少なくとも部分的に囲む基準電極、及び、前記有孔スクリーン電極と前記基準電極との間に電位差を印加する手段を有する拡散荷電ユニットである、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の装置。
5. 第２粒子沈降ユニットは、ファラデーケージ内に配置される粒子フィルタを有し、前記ファラデーケージは高感度な電流計を介して基準電位に接続され、前記高感度な電流計は第２出力信号を前記データ評価ユニットに中継する、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の装置。
6. 第２粒子沈降ユニットは平行板沈降分離装置を有し、前記平行板沈降分離装置のプレートのうちの１つは、高感度な電流計を介して基準電位に接続され、前記高感度な電流計は第２出力信号を前記データ評価ユニットに中継する、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の装置。
7. 第１粒径制限が、10 nmから20 nmのサイズ範囲内の粒子直径に設定される、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の装置。

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