特許 6596041 微小粒子の捕集装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6596041

(24)【登録日】2019年10月4日

(45)【発行日】2019年10月23日

(54)【発明の名称】微小粒子の捕集装置

(51)【国際特許分類】

   B01D 50/00 20060101AFI20191010BHJP

   B04C 5/103 20060101ALI20191010BHJP

   G01N 1/00 20060101ALI20191010BHJP

   G01N 1/02 20060101ALI20191010BHJP

   B04C 5/185 20060101ALI20191010BHJP

   B04C 9/00 20060101ALI20191010BHJP

   B07B 7/02 20060101ALI20191010BHJP

【ＦＩ】

   B01D50/00 501F

   B01D50/00 501J

   B04C5/103

   G01N1/00 102A

   G01N1/02 B

   B04C5/185

   B04C9/00

   B07B7/02

【請求項の数】3

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2017-132547(P2017-132547)

(22)【出願日】2017年7月6日

(65)【公開番号】特開2018-23970(P2018-23970A)

(43)【公開日】2018年2月15日

【審査請求日】2018年7月18日

(31)【優先権主張番号】特願2016-152501(P2016-152501)

(32)【優先日】2016年8月3日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】899000079

【氏名又は名称】学校法人慶應義塾

(73)【特許権者】

【識別番号】506324149

【氏名又は名称】東京ダイレック株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002066

【氏名又は名称】特許業務法人筒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】奥田 知明

【審査官】 宮部 裕一

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許第０４１３２８９４（ＵＳ，Ａ）

【文献】 特開平０２−０４０２１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−０７３９３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−１７４０７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開昭５１−０７３７７５（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 実開昭５１−０５０４６６（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 Tomoaki Okuda, et al.，Development of a High-Volume PM2.5 Particle Sampler Using Impactor and Cyclone Techniques，Aerosol and Air Quality Research，２０１５年 ６月，Volume 15, Issue 3，P.759-767

【文献】 吉田 英人，改良型サイクロンによるフライアッシュ微粒子の高精度分級，化学工学論文集，日本，１９９４年，第20巻第1号，第105頁−第112頁

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｎ １／００− １／４４

Ｇ０１Ｎ １５／００−１５／１４

Ｂ０４Ｃ ５／００− ５／３０

Ｂ０１Ｄ ５０／００

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＭＥＤＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の加速ノズルが設けられた大気導入板を備えた分粒容器、前記分粒容器内に配置されて外側の主流室と内側の副流室とに区画する分粒筒体、前記分粒筒体の天壁に前記加速ノズルに対向して設けられ、前記加速ノズルを通過した大気のうち微小粒子を含む主流を前記主流室に振り向ける一方、粗大粒子を含む副流を前記副流室に案内する複数の捕集ノズルを備えたバーチャルインパクタと、
前記主流が流入する流入口、該流入口から流入した大気を旋回させて微小粒子を下端部の粒子落下口に向けて案内する円錐筒部、および前記円錐筒部の内部を上昇した大気を外部に排出する排気口を備えた微小粒子捕集用のサイクロンと、
前記微小粒子捕集用のサイクロンの下端部に設けられ、前記粒子落下口を通過した微小粒子を収容する捕集容器と、
前記捕集容器の上端部に配置され、上部から下部に向けて外径が大きく、前記下部と前記捕集容器の内周面との間に微小粒子の通過隙間を形成する円錐体と、
前記副流が流入する流入口、該流入口から流出した大気を旋回させて粗大粒子を下端部の粒子落下口に向けて案内する円錐筒部、および前記円錐筒部の内部を上昇した大気を外部に排出する排出口を備えた粗大粒子捕集用のサイクロンと、
前記粗大粒子捕集用のサイクロンの下端部に受けられ、粒子落下口を通過した粗大粒子を収容する捕集容器と、を有し、
前記微小粒子捕集用のサイクロンの円錐筒部の内周面の表面粗さは、０．１７μｍ以下であり、
前記加速ノズルの吐出口と前記捕集ノズルの流入口との間のノズル間距離は、４．９〜６．４ｍｍである、粗大粒子も捕集する微小粒子の捕集装置。

【請求項2】

請求項１記載の微小粒子の捕集装置において、前記円錐体に装着される支持部材が径方向中心部に設けられ、複数の粒子通過孔が径方向外周部に設けられた取付リングを前記粒子落下口に設け、前記円錐体の上端部を前記取付リングに突き当てて、前記円錐体と前記捕集容器の内周面との間のスペースに前記粒子通過孔を落下した微小粒子を案内する、微小粒子の捕集装置。

【請求項3】

請求項１または２記載の微小粒子の捕集装置において、前記分粒筒体の前記天壁は円形であり、前記捕集ノズルは、前記天壁の中心から同一半径位置の外周部に設けた、微小粒子の捕集装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、空気中に含まれる微小粒子物質を効率的に捕集するための微小粒子の捕集装置に関する。

【背景技術】

【0002】

大気中に浮遊する粒子には、花粉や砂塵のみならず、大気中に放出されたディーゼル排気ガスなどの煤や有機化合物などがある。花粉や砂塵などの粒径が大きい粗大粒子に対して、粒径が２．５μｍ以下の微小粒子状物質つまり微小粒子は、一般にＰＭ２．５と言われる。ＰＭ２．５つまり微小粒子状物質は、約半分が水溶性の無機物質であり、残りはディーゼル排気などの煤や有機化合物であり、ガス物質が大気中の化学反応により微小粒子となる場合がある。

【0003】

このような微小粒子は、鼻や気管にとどまらず、肺胞深くまで到達し、呼吸器や循環器の疾患を引き起こす原因になり、深刻な健康被害をもたらす可能性が指摘されている。しかしながら、ＰＭ２．５の有害性発現における細胞生化学的メカニズムの詳細は明らかになっていない。その理由としては、微小粒子が多種多様な化学成分から構成される複雑な集合体であることに加え、実験対象とすべき細胞の種類や影響の発現解析手法が多様であり、さらには細胞への曝露に用いるための微小粒子を大量に準備することが困難であることも挙げられる。つまり、曝露実験に用いるための微小粒子を大量に準備することの困難さが、研究上の一つの大きな制約となっている。

【0004】

この問題に対して、例えば動物実験の場合には、大気中の微小粒子を濃縮して曝露する実験も行われている。しかし、この方法は、能動的に呼吸を行う動物への曝露には有効であるが、静的な生物体外の細胞実験に対してはあまり有効とは考えられていない。空気中の粒度濃度を高くしても、それに対応して細胞への粒子曝露量がリニアに増えるとは限らないからである。これまでは、微小粒子つまりＰＭ２．５粒子を一度フィルター上に捕集した後に、機械的振動により微小粒子を回収して曝露実験に用いている場合が多い。しかしながら、この方法では、最終的に曝露に用いられる粒子が真に微小粒子であるとみなせるのか、特に粒径分布が同一であるか、という点について疑問が残る上に、実験に供する微小粒子を得るための方法が非常に煩雑となる。このため、細胞への曝露実験に用いるために必要十分な多量の微小粒子を、フィルターを用いずに簡便に捕集する技術の開発が強く望まれている。

【0005】

特許文献１には、燃焼器から発生する排ガス中の微細粒子を捕集するために、固定サイクロンと回転サイクロンとを組み合わせた粉塵セパレータが記載されている。特許文献２には、１０μｍ以下の粉塵とそれ以上の粉塵とを分級するようにした全円周渦巻き型サイクロンが記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０１５−１３１２６５号公報

【特許文献2】特開２００２−２９２３０８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

特許文献１に記載されるように、固定サイクロンと回転サイクロンとを組み合わせた粉塵セパレータは、回転サイクロンをモータで駆動する必要があり、大型化が避けられない。一方、特許文献２に記載される全円周渦巻き型のサイクロンは、処理できる量が１６．７Ｌ／ｍｉｎ程度の小型であって、導入路にサイクロンの流入口の上部と同じ高さの天井部を設け、導入路からの大きな粒子の舞い上がりと吸引口へのショートパスを避けるようにしたものである。このサイクロンにより捕集できる粉塵は、粒径が１〜１０μｍのものであり、それよりも微細な粉塵を捕集することができない。

【0008】

大気中に含まれる粒子には、上述のように、粒径が２．５μｍ以下の微小粒子と、粒径がそれよりも大きい粗大粒子とが含まれている。大気中に含まれる粒子を、微小粒子と粗大粒子とに分離つまり分級するために、バーチャルインパクタが開発されている。バーチャルインパクタは、粒子の慣性力を利用した慣性分級方式であり、加速ノズルと、これに隙間を隔てて配置される捕集ノズルとを有している。捕集ノズルは分粒容器内に配置される分粒筒体の天壁部に設けられており、分粒筒体の内部には副流室が形成され、分粒筒体の外面と分粒容器との間には主流室が形成される。微小粒子は加速ノズルから噴出されて主流室に向かう大気とともに主流室に流れる。一方、粗大粒子は慣性力により捕集ノズルから副流室に流入する。これにより、大気中の粒子は、微小粒子と粗大粒子とに分級される。

【0009】

粒子の慣性力を利用して微小粒子と粗大粒子とに分級するには、分級性能は、加速ノズルと捕集ノズルとの間のノズル間距離に大きく影響されることが判明した。そこで、種々の実験を行った結果、ノズル間距離を所定の範囲にすると、分級性能が高められることが判明した。分級性能が高められると、大気中に含まれる微小粒子を効率的に捕集することができる。

【0010】

本発明の目的は、大気中に含まれる粒子の中から微小粒子を効率的に捕集し得るようにすることにある。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本発明の微小粒子の捕集装置は、複数の加速ノズルが設けられた大気導入板を備えた分粒容器、前記分粒容器内に配置されて外側の主流室と内側の副流室とに区画する分粒筒体、前記分粒筒体の天壁に前記加速ノズルに対向して設けられ、前記加速ノズルを通過した大気のうち微小粒子を含む主流を前記主流室に振り向ける一方、粗大粒子を含む副流を前記副流室に案内する複数の捕集ノズルを備えたバーチャルインパクタと、前記主流が流入する流入口、該流入口から流入した大気を旋回させて微小粒子を下端部の粒子落下口に向けて案内する円錐筒部、および前記円錐筒部の内部を上昇した大気を外部に排出する排気口を備えた微小粒子捕集用のサイクロンと、前記微小粒子捕集用のサイクロンの下端部に設けられ、前記粒子落下口を通過した微小粒子を収容する捕集容器と、前記捕集容器の上端部に配置され、上部から下部に向けて外径が大きく、前記下部と前記捕集容器の内周面との間に微小粒子の通過隙間を形成する円錐体と、前記副流が流入する流入口、該流入口から流出した大気を旋回させて粗大粒子を下端部の粒子落下口に向けて案内する円錐筒部、および前記円錐筒部の内部を上昇した大気を外部に排出する排出口を備えた粗大粒子捕集用のサイクロンと、前記粗大粒子捕集用のサイクロンの下端部に受けられ、粒子落下口を通過した粗大粒子を収容する捕集容器と、を有し、前記微小粒子捕集用のサイクロンの円錐筒部の内周面の表面粗さは、０．１７μｍ以下であり、前記加速ノズルの吐出口と前記捕集ノズルの流入口との間のノズル間距離は、４．９〜６．４ｍｍである、粗大粒子も捕集する。

【0012】

本発明の微小粒子の捕集装置は、前記円錐体に装着される支持部材が径方向中心部に設けられ、複数の粒子通過孔が径方向外周部に設けられた取付リングを前記粒子落下口に設け、前記円錐体の上端部を前記取付リングに突き当てて、前記円錐体と前記捕集容器の内周面との間のスペースに前記粒子通過孔を落下した微小粒子を案内する。また、本発明の微小粒子の捕集装置は、前記分粒筒体の前記天壁は円形であり、前記捕集ノズルは、前記天壁の中心から同一半径位置の外周部に設けた。

【発明の効果】

【0013】

大気に含まれる粒径が２．５μｍ以下の微小粒子をサイクロンにより大気から分離し、分離された微小粒子は捕集容器に回収される。サイクロンの内周面の表面粗さを０．１７μｍ以下すると、サイクロンを大気とともに排気口から透過される微小粒子の透過率を低下させて微小粒子の捕集率を高めることができる。さらに、微小粒子捕集用のサイクロンの捕集容器に円錐体を設けると、捕集容器の内部に捕集された微小粒子がサイクロンに再飛散することを抑制することができ、微小粒子の捕集効率を高めることができる。これにより、大気に含まれる微小粒子を効率的に捕集することができ、多量の微小粒子を短時間で得ることができる。

【0014】

粒子を含む大気は加速ノズルを通過し、粗大粒子を含む副流はバーチャルインパクタの捕集ノズルから副流室に流入し、微小粒子を含む主流は主流室に流入する。加速ノズルと捕集ノズルとの間のノズル間距離は、４．９〜６．４ｍｍに設定されており、微小粒子と粗大粒子とを振り分ける分級性能を向上させることができる。これにより、大気に含まれる微小粒子を効率的に捕集することができ、多量の微小粒子を短時間で得ることができる。さらに、粗大粒子をも効率的に捕集することができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】一実施の形態である微小粒子の捕集装置を示すシステム構成図である。

【図2】図１に示されたバーチャルインパクタの一例を示す斜視図である。

【図3】バーチャルインパクタの概略断面図である。

【図4】バーチャルインパクタの変形例を示す一部切欠き正面図である。

【図5】図４におけるＡ−Ａ線断面図である。

【図6】分粒容器に設けられた上下動機構を示す断面図である。

【図7】図１に示された微小粒子捕集用つまり主流用のサイクロンを示す一部切欠き斜視図である。

【図8】第１のサイクロンに設けられる捕集容器を示す断面図である。

【図9】捕集容器の分解斜視図である。

【図10】サイクロンの内周面の表面粗さを相違させた場合における透過率の相違を示す特性線図である。

【図11】捕集容器に円錐体が設けられていない場合と、円錐体が設けられた場合とについての透過率の相違を示す特性線図である。

【図12】サイクロンの内周面の表面粗さを低減させることなく捕集容器に円錐体が設けられていない場合と、表面粗さを低減しつつ円錐体を捕集容器に設けた場合とについての透過率の相違を示す特性線図である。

【図13】バーチャルインパクタの加速ノズルと捕集ノズルとの間のノズル間距離と、微小粒子捕集用のサイクロンにおける粒子の透過率を示す透過率曲線である。

【図14】粗大粒子捕集用のサイクロンの流量と粒子の透過率を示す透過率曲線である。

【図15】微小粒子捕集用のサイクロンと粗大粒子捕集用のサイクロンのそれぞれで捕集された粉体の化学成分の測定結果を示すグラフである。

【図16】図１５に示された化学成分を微小粒子の粗大粒子に対する割合を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１に示される微小粒子の捕集装置１０は、バーチャルインパクタ１１を有している。バーチャルインパクタ１１は、粒子を含む大気を、粒径が２．５μｍ以下の微小粒子物質つまり微小粒子を含む主流と、それよりも粒径が大きい粗大粒子を含む副流とに分粒するための分粒器である。主流は、ホースやパイプからなる主流案内配管１２により主流用つまり微小粒子捕集用のサイクロン１３に供給される。サイクロン１３は、主流の大気中に含まれる微小粒子を主流から分離する。分離された微小粒子を収容するために、サイクロン１３の下端部には捕集容器１４が設けられている。

【0017】

微小粒子が分離された大気を外部に排出するために、サイクロン１３の排気口には排気配管１５を介して排気ファン１６が接続されている。この排気ファン１６は約１１００ＬＰＭの排気流量を有しており、排気ファン１６によりサイクロン１３内には毎分約１１００リットルの大気が流れる。排気配管１５内を流れる大気の量を検出するために、排気配管１５にはマスフローメータ１７が設けられている。マスフローメータ１７に流れる大気は、フィルター１８により清浄化される。

【0018】

副流は、ホースやパイプ等からなる副流供給配管２２により副流用つまり粗大粒子捕集用のサイクロン２３に供給される。サイクロン２３は、副流の大気中に含まれる粗大粒子を副流から分離する。分離された粗大粒子を捕集するために、サイクロン２３の下端部には捕集容器２４が設けられている。粗大粒子が分離された大気を外部に排出するために、サイクロン２３の排気口には排気配管２５を介して真空ポンプ２６が接続されている。この真空ポンプ２６は約１００ＬＰＭの排気流量を有しており、真空ポンプ２６によりサイクロン２３内には毎分約１００リットルの大気が流れる。排気配管２５内を流れる大気の量を検出するために、排気配管２５にはマスフローメータ２７が設けられている。マスフローメータ２７に流れる大気は、フィルター２８により清浄化される。

【0019】

図２は図１に示されたバーチャルインパクタの一例を示す斜視図であり、図３はバーチャルインパクタの概略断面図である。

【0020】

バーチャルインパクタ１１は分粒容器３１を有しており、分粒容器３１は円筒部３１ａと上部壁３１ｂと底壁部３１ｃとを有している。上部壁３１ｂには大気導入板３２が設けられており、大気導入板３２には複数の加速ノズル３３が設けられている。分粒容器３１の上方には、雨水が加速ノズル３３に入り込むのを防止するために、カバー３４が設けられている。大気中に浮遊する粒子は、大気とともにカバー３４と分粒容器３１の外周部との間の空間３５からカバー３４の内部に流入する。

【0021】

分粒容器３１の内部には、分粒筒体３６が配置されており、分粒筒体３６により、分粒容器３１の内部は、外側の主流室３７と内側の副流室３８とに区画される。分粒筒体３６は円筒部３６ａと天壁部３６ｂと円錐部３６ｃとを有し、円錐部３６ｃの下端部には副流の流出口３９が設けられている。円形の天壁部３６ｂには、加速ノズル３３に対向して複数の捕集ノズル４１が設けられており、捕集ノズル４１の内径は加速ノズル３３の内径よりも僅かに大きく設定されている。一方、分粒容器３１の円筒部３１ａには主流の流出口４２が設けられている。加速ノズル３３の内径ｄは４．９ｍｍであり、捕集ノズル４１の内径Ｄは、内径ｄの約１．３倍の６．３５ｍｍである。

【0022】

排気ファン１６と真空ポンプ２６を作動させると、粒子を含む大気が吸引されて空間３５からカバー３４の内側に大気が流入する。この大気の流入量は、排気ファン１６と真空ポンプ２６とを上述した流量とすると、両方の合計流量である約１２００ＬＰＭとなる。主流室３７から流出口４２に吸引される大気の流量は、副流室３８から流出口３９に吸引される大気の流量の約１０倍である。カバー３４内に流入した大気は、加速ノズル３３に吸引される大気により加速されて分粒容器３１内に流入する。流入した大気は、加速ノズル３３に対向する捕集ノズル４１を通って副流室３８内に流入する副流と、加速ノズル３３を通過した後に向きを変えて捕集ノズル４１に向かうことなく、主流室３７内に振り向けられる主流とに分離される。このように、捕集ノズル４１を流れる流量つまり副流の流量は、全体の流量の約１０％程度であり、副流に比して大量の主流は捕集ノズル４１を迂回して流出口４２に流れる。

【0023】

カバー３４内からそれぞれの加速ノズル３３内に流入する大気には、粒径が２．５μｍ以下の微小粒子と、それよりも粒径が大きい粗大粒子とが含まれている。なお、図３においては、微小粒子が符号Ｐ１で示され、粗大粒子が符号Ｐ２で示されており、粗大粒子Ｐ２は微小粒子Ｐ１よりも模式的に拡大して示されている。微小粒子は、粗大粒子に比して慣性が小さいので、微小粒子は主流に留まって主流とともに主流室３７内に流入する。一方、慣性力の大きい粗大粒子は、副流に同伴して捕集ノズル４１に入り込んで副流室３８内に流入する。このように、大気中に浮遊する粒子は、バーチャルインパクタ１１により、慣性力を利用して微小粒子と粗大粒子とに分級される。

【0024】

図４はバーチャルインパクタの変形例を示す一部切欠き正面図であり、図５は図４におけるＡ−Ａ線断面図である。

【0025】

大気導入板３２は分粒容器３１に上下動自在に装着されており、大気導入板３２の上下方向の位置を調整することにより、加速ノズル３３と捕集ノズル４１との間の距離を調整することができる。大気導入板３２を上下動するために、分粒容器３１には上下動機構４３が設けられている。大気導入板３２には、図５に示されるように、２０個の加速ノズル３３が設けられており、それぞれの加速ノズル３３に対向して、分粒筒体３６の天壁部３６ｂには、２０個の捕集ノズル４１が設けられている。なお、図４においては、１つの捕集ノズル４１が示されている。大気導入板３２の外周部には、図５に示されるように、円弧形状の複数の連通孔４０が設けられており、微小粒子は、連通孔４０から主流とともに主流室３７内に流入する。

【0026】

それぞれの捕集ノズル４１は、加速ノズル３３に対向しているので、図４に示される捕集ノズル４１は、図５に示されるように、大気導入板３２の中心つまり天壁部３６ｂの中心から同一半径の位置に円周方向に所定の間隔を隔てて設けられている。図４においては、２０個の捕集ノズル４１のうちの１つが示されている。このように、それぞれの捕集ノズル４１を同一半径位置に設けると、それぞれの捕集ノズル４１に流入する副流の流速がほぼ同一条件となる。これにより、分粒容器３１内に多量の大気を供給しても、それぞれの捕集ノズル４１には粗大粒子のみが流入し、分粒効率を高めつつ、微小粒子と粗大粒子との分粒精度を高めることができる。なお、加速ノズル３３およびそれに対向して設けられる捕集ノズル４１の数は、複数であれば、２０個に限られず、分粒処理する容量に応じて任意の数に設定することができる。

【0027】

図６は大気導入板３２を上下動するための上下動機構４３を示す断面図である。上下動機構４３は、分粒容器３１に取り付けられる円筒形状の支持台４４を有し、大気導入板３２が設けられた上下動筒体４５が支持台４４の内部に上下動自在に装着される。ガイドピン４６が上下動筒体４５に取り付けられ、ガイドピン４６は支持台４４に上下方向に延びて設けられた長孔４７を貫通しており、上下動筒体４５は長孔４７の上下方向の長さのストロークの範囲を上下方向に駆動される。カバー３４は、上下動筒体４５のフランジ部４５ｂに複数の支持駒３４ａにより取り付けられる。

【0028】

上下動筒体４５の外周面には雄ねじ４５ａが設けられ、支持台４４の上端面と上下動筒体４５のフランジ部４５ｂとの間に調整リング４８が回転自在に設けられている。調整リング４８の外周面にはローレットが刻み込まれており、調整リング４８はローレット付きリングである。調整リング４８には、雄ねじ４５ａにねじ結合される雌ねじ４８ａが設けられており、調整リング４８を回転させて、上下動筒体４５を上下動させると、大気導入板３２に設けられた加速ノズル３３と、分粒筒体３６の天壁部３６ｂに設けられた捕集ノズル４１との間の隙間、つまり加速ノズル３３の吐出口と捕集ノズル４１の流入口との間のノズル間距離Ｓの寸法を調整することができる。

【0029】

上下動筒体４５を支持台４４に固定するための固定ねじ４９ａが支持台４４に設けられ、調整リング４８を上下動筒体４５に固定するための固定ねじ４９ｂが調整リング４８に設けられている。

【0030】

加速ノズル３３と捕集ノズル４１との間の距離つまりノズル間距離Ｓの寸法を調整するには、カバー３４を取り外すとともに、それぞれの固定ねじ４９ａ、４９ｂを緩めた状態のもとで、調整リング４８を回転させることにより行う。図６において、上下動筒体４５の右半分が下降限位置に設定された状態を示す。調整リング４８を回転させて調整リング４８の上面をフランジ部４５ｂに接触させるとともに、上下動筒体４５を押し込んで調整リング４８の下面を支持台４４の上面に接触させると、ノズル間距離Ｓは、図６においてＳmimで示す最小値となる。この最小値Ｓminは、０．４ｍｍである。

【0031】

この状態のもとで、調整リング４８を平面から見て時計方向に回転させると、上下動筒体４５は支持台４４に対して上方に駆動される。このときには、ガイドピン４６は長孔４７に案内されて上昇移動する。調整リング４８を１回転させると、上下動筒体４５は１．５ｍｍ上昇する。調整リング４８を８回転させると、上下動筒体４５は、上昇限位置になる。図６において上下動筒体４５の左半分が上昇限位置となった状態を示す。このときのノズル間距離Ｓは、図６においてＳmaxで示す最大値となる。この最大値Ｓmaxは１２．４ｍｍである。

【0032】

このように、ノズル間距離Ｓの値は、０．４〜１２．４ｍｍの範囲のいずれかに設定することができる。ノズル間距離Ｓが設定されたら、固定ねじ４９ａにより上下動筒体４５は支持台４４に固定され、固定ねじ４９ｂにより調整リング４８は上下動筒体４５に固定される。バーチャルインパクタ１１が使用されるときには、カバー３４が上下動筒体４５に取り付けられる。

【0033】

図７は、図１に示された微小粒子捕集用つまり主流用のサイクロン１３を示す一部切欠き斜視図であり、図８は主流用のサイクロン１３に設けられる捕集容器１４を示す断面図であり、図９は捕集容器１４の分解斜視図である。

【0034】

サイクロン１３は、図７に示されるように、下端部に向かうに従って漸次内径が小さくなった円錐筒部５１を備えており、円錐筒部５１の上側には円筒部５２が設けられ、円筒部５２の上端には端壁部５３が設けられている。円筒部５２には、バーチャルインパクタ１１により分粒されて微小粒子を含む主流の大気が流入する流入口５４が設けられている。流入口５４には図１に示されるように、主流案内配管１２が接続される。円錐筒部５１の下端部には、粒子落下口５５が設けられており、流入口５４からサイクロン１３内に流入した大気は、円筒部５２と円錐筒部５１とからなるサイクロン１３の内周面５６に沿って旋回しながら円錐筒部５１の下端部の粒子落下口５５に向けて流れる。主流の大気に含まれる微小粒子は、旋回流により遠心力を受けてサイクロン１３の内周面に案内されて粒子落下口５５に旋回しながら落下して捕集される。

【0035】

一方、円錐筒部５１の下端部に到達して微小粒子が分離された大気は、サイクロン１３の内部を上昇する。上昇した大気を外部に排出するために、端壁部５３には、排気口５７が設けられており、排気口５７には図１に示される排気配管１５が接続される。排気ファン１６によって、主流がサイクロン１３内に吸引供給されるとともに、微小粒子が分離除去された大気は捕集装置１０の外部に排気される。

【0036】

副流用のサイクロン２３の基本構造は、主流用のサイクロン１３とほぼ同様の構造となっているが、副流は主流に比して流量が少ないので、サイクロン２３はサイクロン１３に比して小型である。サイクロン２３もサイクロン１３と同様に円錐筒部を備え、円錐筒部は副流室から流出した大気を旋回させて粗大粒子を下端部の粒子落下口に向けて案内する。さらに、サイクロン２３は、粗大粒子を含む大気が流入する流入口と、円錐筒部の内部を上昇した大気を外部に排出する排出口が設けられている。サイクロン２３の下端部には、粒子落下口を通過した粗大粒子を収容する捕集容器２４が設けられている。

【0037】

微小粒子を収容する捕集容器１４は、図８および図９に示されるように、円錐筒部５１の下端部に装着されて粒子落下口５５を形成する継手部材６１により円錐筒部５１に取り付けられる。継手部材６１には取付リング６２が挿入されており、取付リング６２は捕集容器１４の上端面と継手部材６１との間に突き当てられて挟み込まれる。捕集容器１４の内部には円錐体６３が捕集容器１４の上端部側に位置させて配置される。円錐体６３は上部から下部に向けて外径が大きくなった外周面６４を有し、上部には棒状の支持部材６５が装着されており、支持部材６５は取付リング６２の径方向中心部に取り付けられる。支持部材６５は円錐体６３に取り外し自在に装着されており、支持部材６５を交換することにより、円錐体６３の上端面と、取付リング６２との間の距離、つまり円錐体６３の設置高さｈを変化させることができる。なお、円錐体６３としては、円錐形状の外周面６４を備えていれば、板金製としても良い。

【0038】

取付リング６２の径方向外周部には、図９に示されるように、複数の粒子通過孔６６が設けられており、粒子落下口５５に到達した微小粒子は、粒子通過孔６６を通って外周面６４に向けて落下する。円錐体６３の下部と捕集容器１４の内周面との間には、通過隙間６７が形成されており、粒子落下口５５から粒子通過孔６６を介して捕集容器１４に落下した微小粒子は、円錐体６３の外周面と捕集容器１４の内周面との間のスペース６８を通過して通過隙間６７から捕集容器１４の底部に落下する。

【0039】

円錐筒部５１の内周面に沿って旋回しながら粒子落下口５５に到達した旋回流によって、捕集容器１４の上端部に僅かな旋回流が発生することがある。発生した旋回流が上昇したとしても、円錐体６３によって捕集容器１４の底部内の気体には旋回流の発生が抑制される。これにより、捕集容器１４の底部に溜まった微小粒子がサイクロン１３に向けて逆流することが確実に防止され、微小粒子の捕集効率を高めることができる。

【0040】

サイクロン１３の排気口５７から排出される大気の中には、捕集容器１４に回収されずにサイクロンを透過した微小粒子も含まれる。サイクロン１３を透過する微小粒子の割合である透過率を低下させると、サイクロン１３による捕集率を高めることができる。微小粒子は、内周面５６の付近の旋回中の微小粒子に加わる遠心力により空気の流れから分離されて捕集される。そこで、サイクロン１３内を旋回する微小粒子に加わる遠心力は、サイクロン１３の内周面５６の表面粗さと関係があると推測した。内周面５６の表面粗さを小さく、つまり低減すると、微小粒子の遠心力の低下を抑制することができると考え、表面粗さと微小粒子の透過率との関係について実験した。さらに、サイクロン１３から捕集容器１４内に捕集された微小粒子は、サイクロン１３内の旋回流により旋回された後に排気口５７に戻る大気に吸引されて再飛散するのではないかと考え、再飛散の防止技術について検討し、捕集容器１４内に再飛散を防止するための円錐体６３を設けた場合と設けない場合とについての透過率を測定した。

【0041】

図１０は、サイクロンの内周面５６の表面粗さを相違させた場合における透過率の相違を示す特性線図である。図１０は、内周面５６の表面粗さＲａを相違させた場合における微小粒子の粒径（Ｄｐ）と透過率との関係を示す。なお、それぞれの実験に用いた捕集容器１４には、円錐体６３は設けられてない。図１０において、比較例Ａ１は内周面５６の表面粗さＲａを５．１μｍとした場合を示し、実施例Ｂ１は内周面５６の表面粗さＲａを０．１７μｍとした場合を示し、実施例Ｂ２は表面粗さＲａを０．０８μｍとした場合を示す。いずれの表面粗さの場合であっても、粒径が大きくなると、透過率は低下して捕集効率が高められる。図１０に示されるように、粒径が０．１μｍの粒子の透過率は、表面粗さＲａが５．１μｍの比較例Ａ１の場合には７６％であるのに対し、表面粗さＲａが０．０８μｍの場合には６９％であり、１０％の捕集効率の向上が見られた。また、表面粗さＲａが０．１７μｍとした場合であっても、高い捕集効率が得られたが、表面粗さＲａを小さくした方が捕集効率が高められる。したがって、実験によれば、表面粗さＲａとしては、０．１７μｍ以下とし、好ましくは、０．０８μｍ以下とすることで、捕集効率をより高めることができることを確認したが、表面粗さＲａとしては、０．２０μｍ以下であれば、同様の捕集効率を得ることができると考えられる。

【0042】

図１１は、捕集容器に円錐体が設けられていない場合と、円錐体が設けられた場合とについての透過率の相違を示す特性線図である。図１１において、比較例Ａ２は捕集容器１４に円錐体６３を設置していない場合であり、実施例Ｂ３は円錐体６３の設置高さｈを１０ｍｍとした場合であり、実施例Ｂ４は円錐体６３の設置高さｈを０ｍｍとした場合である。それぞれの実験に使用したサイクロン１３の内周面の表面粗さＲａは、５．１μｍである。なお、設置高さｈは、図８に示されるように、取付リング６２と円錐体６３の上面との間の距離を示す。図１１の実施例Ｂ３，Ｂ４に示されるように、円錐体６３を設置しない場合よりも、設置した方が透過率を低下させることができた。また、設置高さｈを０ｍｍとして円錐体６３をサイクロン１３に近付けると、透過率をさらに低下させることが判明した。設置高さｈを長くすると、円錐体６３の上側のスペース６８の容積が大きくなり、捕集容器１４の上部の大気が旋回しながら上昇して微小粒子がサイクロン１３内に再飛散することを抑制する効果が低下してしまったからであると考えられる。したがって、設置高さｈを０とする方が捕集効果を高めることができる。

【0043】

図１２は、サイクロンの内周面の表面粗さを低減させることなく捕集容器に円錐体が設けられていない場合と、表面粗さを低減しつつ円錐体を捕集容器に設けた場合とについての透過率の相違を示す特性線図である。図１２において、比較例Ａ３は、内周面５６の表面粗さＲａを５．１μｍとして円錐体６３が設けられていない場合を示し、実施例Ｂ５は、表面粗さＲａを０．０８μｍとし、円錐体６３の設置高さｈを０ｍｍとした場合を示す。図１２に示されるように、円錐体６３を設置するとともに、内周面５６の表面粗さＲａを０．０８μｍとすると、表面粗さの低減と円錐体設置との相乗効果によって、比較例Ａ３に比して明確に透過率が低減されて捕集効率を高められることが判明した。

【0044】

５０％カットオフ径は、比較例Ａ３ではｄp＝０．１９μｍであり、実施例Ｂ５ではｄｐ＝０．１５μｍであった。したがって、表面粗さＲａを０．１７μｍ以下に低減し、円錐体６３を捕集容器１４内に設置すると、サイクロン１３による微小粒子の捕集効果を大幅に向上させることができることが可能であることが判明した。このように、微小粒子であるＰＭ２．５を大量に捕集することができると、微小粒子を使用した細胞・生物曝露実験等の毒性評価や、微小粒子の有害性と関係があると考えられる化学成分や比表面積などの測定などの微小粒子の有害性評価を進展させることができる。特に、従来に比してバーチャルインパクタ１１に供給する大気の量を増加させると、短時間で多量の微小粒子を捕集することができる。

【0045】

図６に示されるように、バーチャルインパクタ１１のノズル間距離Ｓは０．４〜１２．４ｍｍの範囲で調整することができる。そこで、ノズル間距離Ｓを変化させて主流に含まれる粒子つまり捕集ノズル４１に流入することなく、主流に向けて透過する粒子の割合である透過率つまり分級性能を測定した。図１３はその測定結果を示し、バーチャルインパクタ１１の加速ノズル３３と捕集ノズル４１との間のノズル間距離Ｓと、主流に流れる粒子の透過率を示す透過率曲線である。

【0046】

図１３に示されるように、ノズル間距離Ｓを１０ｍｍとした場合には、主流の中に粒径（Ｄｐ）が２．５μｍ以上の粗大粒子が多く混入してしまうことが考えられる。一方、ノズル間距離Ｓを１．０ｍｍとした場合には、粒径が２．５μｍ以下の微小粒子の主流への混入率が低下して、副流の中に微小粒子が多く混入していると考えられる。

【0047】

一方、ノズル間距離Ｓを１．９ｍｍとした場合には、５０％の分粒径は２．１μｍであり、粒径が２．５μｍ以上の粗大粒子の混入率を低下させることができるとともに、粒径が２．５μｍ以下の微小粒子の透過率を、ノズル間距離Ｓを１．０ｍｍとした場合よりも、高めることができる。

【0048】

さらに、ノズル間距離Ｓを４．９ｍｍとした場合には、５０％分粒径は２．５μｍであり、８０％分粒径に対する２０％分粒径の比で規定する傾きは１．４であった。粒径が２．５μｍ以下の微小粒子の透過率はノズル間距離Ｓを１．９ｍｍとした場合よりも高めることができるとともに、粒径が２．５μｍ以上の粗大粒子の透過率を低減させることができる。

【0049】

ノズル間距離Ｓを７．９ｍｍとした場合には、５０％分粒径は２．８であり、粒径が２．５μｍ以下の微小粒子の透過率はノズル間距離Ｓを４．９ｍｍとした場合に近い値となった。ただし、粒径が２．５μｍ以上の粗大粒子が含まれる量は、ノズル間距離Ｓを４．９ｍｍとした場合よりも多かった。

【0050】

図１３に示されるように、ノズル間距離Ｓを、１．９〜７．９ｍｍの範囲とすると、バーチャルインパクタ１１としての実用上の分級性能としては十分と考えられる。より好ましくは、上述のように、ノズル間距離Ｓを４．９ｍｍとすると、５０％分粒径を２．５μｍとすることができ、２．５μｍよりも大きい粒子の透過率を飛躍的に低下させることができるので、主流の中に含まれる粗大粒子の量を低下させることができ、ノズル間距離Ｓを４．９ｍｍとすることが好ましいことが判明した。ノズル間距離Ｓを３．４ｍｍ、６．４ｍｍとした場合にも、４．９ｍｍとした場合とほぼ同様の透過率であった。

【0051】

したがって、バーチャルインパクタ１１の分級性能を高めて、主流の中に粗大粒子が含まれないように、主流に混入される粗大粒子の量を少なくするには、ノズル間距離Ｓを、１．９〜７．９ｍｍの範囲とし、好ましくは、３．４ｍｍ〜６．４ｍｍとすることが好ましい。さらに好ましくはノズル間距離Ｓを４．９ｍｍとすることが好ましいことが判明した。

【0052】

バーチャルインパクタ１１の分級性能を高めるとともに、サイクロン１３の外部には排出される微小粒子の透過率を低下させると、分級性能の向上と相俟って、サイクロン１３によって微小粒子の捕集率をさらに高めることができる。

【0053】

図１４は、粗大粒子捕集用のサイクロン２３の流量と粒子の透過率を示す透過率曲線である。

【0054】

上述のように、サイクロン２３には毎分１００リットル（ＬＰＭ）の流量で空気を流している。この流量について、図１４に示されるように、５０ＬＰＭ、７５ＬＰＭ、１００ＬＰＭと変化させて粗大粒子捕集用のサイクロン２３における透過率を測定した。流量５０ＬＰＭのときは、５０％分粒径は約１．０μｍであった。流量を７５ＬＰＭ、１００ＬＰＭと高めると、５０％分粒径は小さくなり、１００ＬＰＭにおける５０％分粒径は約０．６８μｍであり、粒径１μｍの粒子の捕集効率は９５％であった。

【0055】

バーチャルインパクタ１１の分級性能により、粒径１μｍ以下の粒子はその殆どが微小粒子捕集用のサイクロン１３に流入すると考えられるため、粗大粒子捕集用のサイクロン２３では粒径１μｍ以上の粒子を捕集できれば十分な性能を持つと考えられる。したがって、サイクロン２３としては、流量を１００ＬＰＭとすることで、副流側に流入した粗大粒子を十分に捕集することができることが確認された。

【0056】

図１５は、微小粒子捕集用のサイクロン１３と粗大粒子捕集用のサイクロン２３のそれぞれで捕集された粉体の化学成分の測定結果を示すグラフである。図１６は、図１５に示された化学成分を微小粒子の粗大粒子に対する割合を示すグラフであり、粗大粒子の重量を微小粒子の重量で除した値を示す。

【0057】

それぞれのサイクロンで捕集された粒子の化学組成を比較すると、大気中において主に粗大側に存在すると考えられるＮａ^＋、Ｃａ^２＋、Ｓｉ、Ｆｅ等は、粗大粒子捕集用のサイクロン２３で捕集された粒子中に大きな割合で含まれていた。一方、大気中において主に微小粒子として存在すると考えられるＥＣ（元素状炭素）、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｐｂ等は微小粒子捕集用のサイクロン１３で捕集された粒子中に大きな割合で含まれていた。

【0058】

したがって、バーチャルインパクタ１１と、サイクロン１３、２３とを備えた装置により、それぞれのサイクロン１３、２３により特徴的な組成を持った微小粒子と粗大粒子とを捕集することができる。粗大粒子をサイクロン２３を用いて捕集することにより、大気中の粗大粒子による生体への有害調査に供することができる。微小粒子とは別に、黄砂等の粗大粒子も生体内における炎症等を引き起こすことが知られており、粗大粒子と微小粒子を同時に採取して曝露実験を行うことにより、大気中の粒子による生体有害性を発現するメカニズムが詳細に解明できることが可能となる。

【0059】

本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。

【符号の説明】

【0060】

１０ 捕集装置
１１ バーチャルインパクタ
１３ サイクロン
１４ 捕集容器
１６ 排気ファン
２３ サイクロン
２４ 捕集容器
２６ 真空ポンプ
３１ 分粒容器
３２ 大気導入板
３３ 加速ノズル
３４ カバー
３６ 分粒筒体
３７ 主流室
３８ 副流室
３９ 流出口
４１ 捕集ノズル
４２ 流出口
４３ 上下動機構
４４ 支持台
４５ 上下動筒体
４５ａ 雄ねじ
４５ｂ フランジ部
４６ ガイドピン
４７ 長孔
４８ 調整リング
４８ａ 雌ねじ
４９ａ、４９ｂ 固定ねじ
５１ 円錐筒部
５２ 円筒部
５４ 流入口
５５ 粒子落下口
５６ 内周面
５７ 排気口
６３ 円錐体
６４ 外周面

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】