JP5883641B2 - 粒子数計数装置 - Google Patents

Description

本発明は、計測対象となる試料粒子を核として作動液を凝縮させ、大径化した後に、その数をレーザ光学系、信号処理系等によってカウントする粒子数計数装置に関するものである。

この種の粒子数計数装置は、特許文献１に示すように、作動液（エタノールやイソプロパノール、ブタノールをはじめとするアルコール類）が飽和蒸気となって拡散している流路に試料粒子を含んだ測定対象ガスを流し、その後、これを冷却することによって試料粒子を核として作動液を凝縮させて作動液滴を生成し、この作動液滴をカウントすることで、試料粒子の数を計数し、その濃度を測定するものである。

そして従来は、前記流路を作動液の飽和蒸気で充満させるために、例えば図９に示すように、円筒状の筐体に前記流路を上下に貫通させたポーラス部材（多孔質部材）を嵌め入れ、このポーラス部材の下端部を作動液に浸すことによって、作動液がポーラス部材全体に浸みわたり、その結果、このポーラス部材に貫通させた前記流路が作動液蒸気で飽和状態となるように構成してある。

特開２０１０−１６４５６６号公報

しかしながら、上述した構成において、入口圧力が変化すると、未知の内的な原因によって、試料粒子を導入していない状態でも粒子がカウントされて測定誤差が生じる場合がある。

本発明者は、鋭意検討の結果、ポーラス部材の外側周面と筐体の内側周面との間で毛細管現象のような現象が発生し、この場合、同図の矢印に示すルートで作動液がポーラス部材の上面にまで達し、液体状態のまま流路に漏れ出して液滴となりカウントされることを突き止めた。通常は、ポーラス部材は多孔質であり作動液を湿潤させるから、その外側周面と筐体の内側周面との間で毛細管現象のような作用が営まれるとは非常に考えにくい。

本発明は、かかる知見に基づいてなされたものであって、入口圧力が変動するときでも、この種の粒子数計数装置における測定精度、特にオフセット誤差を可及的に低減することをその主たる所期課題とするものである。

すなわち、本発明に係る粒子数計数装置は、作動液が蒸気となって拡散している流路を有し、この流路を測定対象ガスに含まれる試料粒子が流れるように構成されたサチュレータ部と、前記流路から試料粒子及び作動液蒸気を導入するとともに、該試料粒子を核として作動液を凝縮させて作動液滴を生成するコンデンサ部と、前記作動液滴を計数するカウンタ部とを具備したものであって、
前記サチュレータ部が、下側が入口、上側が出口となるように前記流路が貫通させてあるとともに所定部位に作動液が供給されて毛細管現象によって全体に該作動液が浸潤するように構成されたポーラス部材と、該ポーラス部材を収容する収容空間を有した筐体とを具備したものであり、作動液が供給される前記所定部位と前記流路の出口との間における前記ポーラス部材の外周面と前記筐体収容空間の内周面との間に間隙が設けられていることを特徴とする。

このようなものであれば、作動液が筐体の内周面とポーラス部材の外周面との間を毛細管現象的な作用によって上昇することを前記間隙が防止する。したがって、入口圧力が変動するときでも、従来のようにかかるルートから作動液が上昇して液体のまま流路に漏れ出し飛沫となって計数誤差を生み出すといった現象を防ぐことができ、従来装置に比べて測定精度の向上を図れる。

前記間隙は、途切れることなく周回していることがより好ましい。

装置のガス導入ポートが下がって作動液が導入される作動液導入ポートの相対的な圧力が何らかの要因で上昇し、前記測定対象ガスが導入されるガス導入ポートよりも圧力が大きくなると、上述した作動液漏洩現象が生じやすくなり得るが、前記作動液導入ポートと測定ガス導入ポートとを接続し、各ポートの圧力を等しくさせる接続配管を設けておけば、そのような要因による従来装置のような作動液漏洩現象を低減させることができる。また、この発明によれば、仮に過渡的に作動液導入ポートの圧力が上昇したとしても、前記間隙の空間が圧力クッション的な役割を果たすので、この点でも作動液漏洩現象をより確実に防止できる。

前記ポーラス部材の内部にノンポーラス部材を配置しているものであれば、このノンポーラス部材によってポーラス部材の体積が低減されるので、ポーラス部材が作動液を不必要に多く吸収することを防止でき、このポーラス部材内での気泡の膨張による作動液の漏洩も減少させることが可能になる。

このように本発明によれば、作動液が筐体の内周面とポーラス部材の外周面との間を毛細管現象的な作用によって上昇することを前記間隙が防止できるので、作動液が上昇して液体のまま流路に漏れ出し計数誤差を生み出すといった現象を防ぐことができ、測定精度の向上を図れる。

本発明の一実施形態における粒子数計数装置の内部構造を示す模式的断面図。 同実施形態におけるポーラス部材の斜視図。 本発明の他の実施形態におけるサチュレート部を示す模式的断面図。 本発明のさらに他の実施形態におけるサチュレート部を示す模式的断面図。 本発明のさらに他の実施形態におけるサチュレート部を示す模式的断面図。 本発明のさらに他の実施形態におけるサチュレート部を示す模式的断面図。 本発明のさらに他の実施形態におけるサチュレート部を示す模式的断面図。 本発明のさらに他の実施形態におけるポーラス部材を示す模式的断面図。 従来の粒子数計数装置の内部構造を示す模式的断面図。

以下に、本実施形態に係る粒子数計数装置１００を、図面を参照して説明する。

この粒子数計数装置１００は、測定対象ガス（例えば大気や排出ガス）に含まれる微小粒子の濃度を測定すべく、その数を計数するものであって、図１に示すように、前記微小粒子を含んだ測定対象ガスを導入する導入部１と、この測定対象ガスとエタノールやブタノールをはじめとするアルコール類、水等の作動液の飽和蒸気とを混合するサチュレート部２と、この混合ガスを冷却して微小粒子の周りに作動液を凝縮させ、該微小粒子を核とした作動液滴を形成するコンデンサ部３と、この作動液滴を計数するカウンタ部４とを備えている。
各部を説明する。

導入部１は例えばブロック状をなすものであり、内部には、一端をガス導入ポート１１ａとして側面に開口させ、他端をガス導出ポート１１ｂとして上面に開口させたガス流通路１１が形成してある。

サチュレート部２は、前記導入部１の上に配設した柱状のものであり、上下に延びる筒状の筐体２１と、この筐体２１の内部収容空間に収容された多孔質のポーラス部材２２とを備えている。このポーラス部材２２には、上下に貫通する流路２３が形成してあり、この流路２３の下端に開口する入口２３ａが前記ガス流通路１１のガス導出ポート１１ｂに接続されている。また、筐体２１の下端部には、側方に開口する作動液導入ポート２１ａが設けてある。この作動液導入ポート２１ａは図示しない作動液タンクが接続されており、該作動液導入ポート２１ａから導入された作動液が、前記ポーラス部材２２の下端部に供給され、そこから毛細管現象によってポーラス部材２２全体に浸みわたるように構成してある。

より具体的には、作動液導入ポート２１ａの上端よりもポーラス部材２２の下端が下に位置するように設定してあって、前記ポーラス部材２２の下端よりも上の高さにまで常に作動液の液面が存在し、当該ポーラス部材２２の下端部が常に作動液に浸っている状態となるように設定してある。

また、この筐体２１には図示しない温調器が設けられてその内部が所定の第１温度に保たれており、前記流路２３には、気体となった作動液（以下、作動液蒸気とも言う。）が飽和状態で拡散するようにしてある。

コンデンサ部３は、前記サチュレート部２の上に配設した柱状のものであり、前記ポーラス部材２２を収容する筐体としての役割も果たす。その内部には、前記流路２３の上端出口２３ｂに接続された凝縮管３１が設けてあり、この凝縮管３１は、前記サチュレート部２の内部温度よりも低い第２温度に設定してある。したがって、前記流路２３から流入してくる作動液蒸気は、この凝縮管３１において、同様に流入してくる微小粒子を核として凝縮・液化し、前述したように微小粒子が肥大してこれよりも大径の作動液滴が形成される。この作動液滴は、当該凝縮管３１の先端に形成されたノズル３２から順次重ならないように吹き出される。

カウンタ部４は、例えばレーザやＬＥＤ等の光を射出する光射出部４１とその光を受光する光センサ等の光受光部４２とを具備するもので、その間の光軸上をノズル３２から吹き出された作動液滴が通過するように配置してある。そして作動液滴が前記光軸上を通過する度に光が散乱して、光受光部４２での光強度に変化が生じることから、この光強度の変化を図示しない情報処理部でカウントすることによって、作動液滴を計数する。

しかしてこの実施形態では、前記ポーラス部材２２に作動液が供給される所定部位、すなわちポーラス部材２２での作動液の液面よりも少なくとも上側における、当該ポーラス部材２２の外側周面２２ａと前記筐体収容空間の内側周面２１ｂとの間に、周回する間隙Ｓを設けている。より具体的に説明すると、この実施形態では、図１、図２に示すように、ポーラス部材２２の上半部を小径、下半部を大径とし、前記下半部を筐体１の収容空間に嵌め込むとともに、前記上半部の外側周面２２ａと筐体収容空間の内側周面２１ｂとの間に毛細管現象が生じ得ない幅の前記間隙Ｓが形成されるようにしている。

また、この実施形態では、ポーラス部材２２の中心軸部分に複数の貫通孔を設け、そこに作動液を内部に吸収しない所定の性質を有した柱状のノンポーラス部材２４をがたなく嵌め込んでいる。このノンポーラス部材２４は所定の剛性を有する例えば樹脂製のものであり、前記導入部１の上面に図示しないネジ等で固着してある。
さらに、ここでは、前記ガス導入ポート１１ａと作動液導入ポート２１ａの圧力が等しくなるように、この間を接続配管５で接続している。

このような構成によれば、図１の矢印に示すように、作動液が筐体２１の内側周面２１ｂとポーラス部材２２の外側周面２２ａとの間を毛細管現象的な作用によって上昇することを前記間隙Ｓが防止する。

したがって、従来のようにかかる不測のルートから作動液が上昇して液体のまま流路２３に漏れ出し、飛沫となって計数誤差を生み出すといった現象を防ぐことができ、測定精度の向上を図れる。

また、作動液導入ポート２１ａの圧力が何らかの要因で上昇し、ガス導入ポート１１ａよりも圧力が大きくなると、上述した作動液漏洩現象が生じやすくなるかもしれないが、本実施形態では、作動液導入ポート２１ａとガス導入ポート１１ａとを接続して圧力差をほとんど生じさせないようにしているうえ、仮に過渡的に作動液導入ポート２１ａの圧力が上昇したとしても、この装置によれば、前記間隙Ｓの空間が圧力クッション的な役割を果たすので、作動液漏洩現象をより確実に防止できる。

さらに、ノンポーラス部材２４によってポーラス部材２２の体積が低減されるので、ポーラス部材２２が作動液を不必要に多く吸収することを防止でき、このポーラス部材２２内での気泡の膨張による作動液の漏洩も減少させることが可能になる。また、このノンポーラス部材２４は、ポーラス部材２２を確実に位置決めし、ポーラス部材２２の外側周面２２ａと筐体２１の内側周面２１ｂとの間の隙間を適正に保つ役割も果たす。
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。

例えば間隙Ｓは、図３に示すように、ポーラス部材２２の下半部に設けてもよいし、図４に示すように、ポーラス部材２２の上端から下端に至るまで設けてもよい。また、このような間隙Ｓを、図５に示すように、複数重に設けてもよい。ポーラス部材側ではなく、図６に示すように、筐体２１の内側周面２１ｂに周回する溝を設けて間隙Ｓを形成しても構わない。さらに、図７に示すように、ポーラス部材２２の上面における流路２３よりも外周側に間隙Ｓを周回形成してもよい。このように間隙Ｓは周回して途切れないようにしてあること、すなわち、筐体２１の内周面とポーラス部材２２の外周面との密着面が、ポーラス部材２２の作動液浸漬面から流路出口２３ｂに至るまでの間で途切れるように構成してあることが好ましい。

ただし、一部で間隙Ｓが途切れていても一定の効果を得ることはできる。例えば、図８に示すように、間隙Ｓの途切れた部分がずれるように、間隙Ｓを多重化してもよい。要は、前記密着面の作動液浸漬部位から流路出口２３ｂまでの作動液が沿って上がるための距離が長くなるように、あるいは前記密着面の面積が小さくなるように、間隙Ｓが所要箇所に設けられていればよい。
また、上記図３〜図８に示すように、必ずしもノンポーラス部材や接続配管は必要ではなく、これらがなくとも、従来装置に比べ大幅に測定精度を向上できる。

円筒形のポーラス部材２２の場合（図４）、0.5mmから2.0mm程度、より好ましくは1mm程度の間隙Ｓを形成することが好ましい。また、上半部と下半部とで構成し、上半部を小径、下半部を大径にするような形状のポーラス部材２２（図２参照）においては、毛細管現象防止のための間隙Ｓを、例えば6.0mm程度まで拡大することができる。ポーラス部材２２の径方向の厚みがあまりに薄くなると、筐体２１の収容空間に嵌め込み保持する場合の嵌合部（下端部分）の強度を確保できず作動液漏洩現象が発生する場合も考えられるが、下半部を大径にするなどして径を上半部のみ小さくなるように調整すれば、単純に円筒形にする場合に比べ、嵌合部（下端部分）での強度を確保しつつ、さらに間隙Ｓも拡大できるので毛細管現象の発生を確実に防止しうる。なお、ここで2.0mmとか6.0mmという間隙Ｓの値は、嵌め込み保持する部分の強度、ポーラス部材２２の径方向の厚み、作動液を含浸可能な量等を考慮した値であって、ポーラス部材２２の形状や構造を種々工夫することによりこれらを確保することができれば、発明の趣旨にしたがい、さらに間隙Ｓを拡大させてもよい。

その他、本発明は前記実施形態に限られず、前述した実施形態や変形実施形態の一部を適宜組み合わせてよいし、その他、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

１００・・・粒子数計数装置
２・・・サチュレータ部
２１・・筐体
２１ｂ・・・筐体収容空間の内周面
２２・・・ポーラス部材
２２ａ・・・ポーラス部材の外周面
２３・・・流路
２３ａ・・・入口
２３ｂ・・・出口
２４・・・ノンポーラス部材
３・・・コンデンサ部
４・・・カウンタ部
５・・・接続配管
Ｓ・・・間隙

Claims (6)

1. 作動液が蒸気となって拡散している流路を有し、この流路を測定対象ガスに含まれる試料粒子が流れるように構成されたサチュレータ部と、前記流路から試料粒子及び作動液蒸気を導入するとともに、該試料粒子を核として作動液を凝縮させて作動液滴を生成するコンデンサ部と、前記作動液滴を計数するカウンタ部とを具備したものであって、
   前記サチュレータ部は、
   下側が入口、上側が出口となるように前記流路が貫通させてあるとともに所定部位に作動液が供給されて毛細管現象によって全体に該作動液が浸潤するように構成されたポーラス部材と、該ポーラス部材を収容する収容空間を有した筐体とを具備し、
   作動液が供給される前記所定部位よりも少なくとも上側における前記ポーラス部材の外側周面と前記筐体収容空間の内側周面との間に間隙が設けられていることを特徴とする粒子数計数装置。
2. 前記間隙が途切れることなく周回している請求項１記載の粒子数計数装置。
3. 前記作動液が導入される作動液導入ポートと、前記測定対象ガスが導入される測定ガス導入ポートとを接続し、各ポートの圧力を等しくさせる接続配管をさらに備えている請求項１又は２記載の粒子数計数装置。
4. 前記ポーラス部材の内部にノンポーラス部材を配置している請求項１乃至３いずれか記載の粒子数計数装置。
5. 作動液が蒸気となって拡散している流路を有し、この流路を測定対象ガスに含まれる試料粒子が流れるように構成されたサチュレータ部と、前記流路から試料粒子及び作動液蒸気を導入するとともに、該試料粒子を核として作動液を凝縮させて作動液滴を生成するコンデンサ部と、前記作動液滴を計数するカウンタ部とを具備した粒子数計数装置に適用される前記サチュレータ部であって、
   下側が入口、上側が出口となるように前記流路が貫通させてあるとともに所定部位に作動液が供給されて毛細管現象によって全体に該作動液が浸潤するように構成されたポーラス部材と、
   このポーラス部材を収容する収容空間を有した筐体とを具備し、
   作動液が供給される前記所定部位よりも少なくとも上側における前記ポーラス部材の外側周面と前記筐体収容空間の内側周面との間に間隙が設けられていることを特徴とするサチュレータ部。
6. 作動液が蒸気となって拡散している流路を有し、この流路を測定対象ガスに含まれる試料粒子が流れるように構成されたサチュレータ部と、前記流路から試料粒子及び作動液蒸気を導入するとともに、該試料粒子を核として作動液を凝縮させて作動液滴を生成するコンデンサ部と、前記作動液滴を計数するカウンタ部とを具備したものであって、
   前記サチュレータ部は、
   下側が入口、上側が出口となるように前記流路が貫通させてあるとともに所定部位に作動液が供給されて全体に該作動液が浸潤するように構成されたポーラス部材と、該ポーラス部材を収容する収容空間を有した筐体とを具備し、
   作動液が供給される前記所定部位よりも少なくとも上側における前記ポーラス部材の外側周面と前記筐体収容空間の内側周面との間に間隙が設けられており、
   前記ポーラス部材の内部にノンポーラス部材を配置していることを特徴とする粒子数計数装置。