特開 2024-16472 カウンターフローデニューダ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024016472

(43)【公開日】2024-02-07

(54)【発明の名称】カウンターフローデニューダ

(51)【国際特許分類】

   G01N 1/02 20060101AFI20240131BHJP

   G01N 15/00 20240101ALI20240131BHJP

【ＦＩ】

G01N1/02 A

G01N15/00 C

【審査請求】有

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022118624

(22)【出願日】2022-07-26

(11)【特許番号】

(45)【特許公報発行日】2022-12-13

(71)【出願人】

【識別番号】591056927

【氏名又は名称】一般財団法人日本自動車研究所

(74)【代理人】

【識別番号】240000327

【弁護士】

【氏名又は名称】弁護士法人クレオ国際法律特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】萩野 浩之

【テーマコード（参考）】

2G052

【Ｆターム（参考）】

2G052AA02

2G052AC20

2G052AD04

2G052BA03

2G052EA08

2G052EB11

(57)【要約】

【課題】高温度条件でのガス除去要求に応え、ゴム系素材の耐熱温度を超える高温環境下であってもシール機能を保って正常なガス交換を行うことができるカウンターフローデニューダを提供すること。
【解決手段】カウンターフローデニューダＣＦＤは、サンプルガスチャネルＳＣを流れる試料気体に含まれるガス成分を、パージガスが流れるパージガスチャネルＰＣへの拡散により除去することで粒子試料を生成する。多孔膜内管１の両端部と外管部材に介装され、外管部材に対し多孔膜内管１の両端部を支持しつつガス漏れを封止する一対の管支持兼シール構造Ｓａ，Ｓｂを備える。管支持兼シール構造Ｓａ，Ｓｂは、グラファイトを素材とし、多孔膜内管１の外周円筒面に対するシール接触部を、圧接力が与えられた円筒形状による圧接シール支持内面５０とするグラファイトフェラル５ａ，５ｂを有する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

同心状に配置された多孔膜内管と外管部材の二重管構造によりサンプルガスチャネルとパージガスチャネルが画成され、前記サンプルガスチャネルを流れる試料気体に含まれるガス成分を、パージガスが流れる前記パージガスチャネルへの拡散により除去することで粒子試料を生成するカウンターフローデニューダであって、
前記多孔膜内管の両端部と前記外管部材に介装され、前記外管部材に対し前記多孔膜内管の両端部を支持しつつガス漏れを封止する一対の管支持兼シール構造を備え、
前記管支持兼シール構造は、グラファイトを素材とし、前記多孔膜内管の外周円筒面に対するシール接触部を、圧接力が与えられた円筒形状による圧接シール支持内面とするグラファイトフェラルを有する
ことを特徴とするカウンターフローデニューダ。

【請求項2】

請求項１に記載されたカウンターフローデニューダにおいて、
前記管支持兼シール構造は、前記グラファイトフェラルに加え、管軸方向の圧縮力を付与する圧縮力付与部材と前記グラファイトフェラルとに挟まれた位置に配置され、管軸方向に移動可能な可動リテーナリングを備え、
前記可動リテーナリングは、前記圧縮力付与部材の部材端面に圧接するリング端面と、前記グラファイトフェラルのリング垂直端面に圧接するリング垂直端面と、を有する
ことを特徴とするカウンターフローデニューダ。

【請求項3】

請求項２に記載されたカウンターフローデニューダにおいて、
前記管支持兼シール構造は、前記可動リテーナリングに加え、前記外管部材と前記グラファイトフェラルとに挟まれた位置に配置され、管軸方向に固定の固定リテーナリングを備え、
前記固定リテーナリングは、前記グラファイトフェラルのテーパー面にテーパー嵌合するテーパー面と、前記外管部材に形成されたシール構造嵌合穴の穴端面に押付けられるリング端面と、を有する
ことを特徴とするカウンターフローデニューダ。

【請求項4】

請求項１から３までの何れか一項に記載されたカウンターフローデニューダにおいて、
前記多孔膜内管は、シラス多孔質ガラスを管素材とし、
前記グラファイトフェラルは、３５０℃以上の耐熱性と、モース硬度１～２による柔軟性との両方を兼ね揃えた圧縮可能なグラファイト材料を素材とする
ことを特徴とするカウンターフローデニューダ。

【請求項5】

請求項１に記載されたカウンターフローデニューダにおいて、
前記パージガスチャネルのパージガス出口に、前記多孔膜内管によりガス交換が正常に行われているか否かでセンサ値が変化するガスセンサを設け、
前記ガスセンサからのセンサ値を入力し、前記センサ値に基づいてガス交換の正常判定や異常判定を行うコントローラを設ける
ことを特徴とするカウンターフローデニューダ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、試料気体に含まれるガス成分を拡散により除去するカウンターフローデニューダに関する。

【背景技術】

【0002】

多孔性隔膜を用いたガス置換技術としては、微粒子を含む試料ガスを置換ガスに変換するためのガス置換方法と、そのガス置換方法を実施するためのガス置換装置と、そのガス置換装置と、そのガス置換装置を備えた分析システムが知られている。ガス置換装置は、円筒形状の多孔性隔膜の両端面に、内外径が多孔性隔膜と等しい一対の内管の端面を結合し、一対の内管と外管とを等間隔空間を介在させて結合している（特許文献１を参照）。また、膜乳化、膜バブリング、膜ろ過、等を用途とする円筒状多孔質膜を用いた円筒状多孔質膜用モジュールが知られている。円筒状多孔質膜用モジュールは、円筒形状の多孔性隔膜と外管との間に、外管に対して多孔性隔膜の両端部を支持しつつ液漏れを封止するＯリングシール構造を設けている（特許文献２を参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許第４３１５３４８号公報

【特許文献2】特開２０２１－６２３５４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかし、特許文献１に記載のガス置換装置は、多孔性隔膜と内管という異種材料の端面結合を必要とするし、多孔性隔膜の有効長が短くなるし、外管に加わる振動等の力が内管を経由して多孔性隔膜へ直接伝達することにより隔膜が破損し易い、という課題がある。これに対し、特許文献２に記載の円筒状多孔質膜用モジュールは、Ｏリングシール構造を設け、円筒状多孔質膜を弾性支持したことで、特許文献１に記載されたガス置換装置の課題を解消できる。しかし、Ｏリングの素材がゴム系素材であるため、耐熱性が確保される上限温度が低く（例えば、２００℃程度）、使用流体が、ゴム系素材の上限温度以下である液体等に限られる。よって、使用流体をゴム系素材の上限温度を超える高温の気体に変更すると、Ｏリングが熱変形等を生じてシール機能を失い、円筒状多孔質膜を介して正常にガス交換が行えない。さらに、使用流体が試料気体の場合、温度を高くするほどガス除去効率が向上するため、粒子試料の測定結果の精度を高めるために高温度条件でガス除去したいという要求がある。しかし、Ｏリングシール構造は、高温度条件でのガス除去要求に応えることができない、という課題がある。

【0005】

本発明は、上記課題に着目してなされたもので、高温度条件でのガス除去要求に応え、ゴム系素材の耐熱温度を超える高温環境下であってもシール機能を保って正常なガス交換が行えるカウンターフローデニューダを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記目的を達成する本発明のカウンターフローデニューダは、同心状に配置された多孔膜内管と外管部材の二重管構造によりサンプルガスチャネルとパージガスチャネルが画成され、サンプルガスチャネルを流れる試料気体に含まれるガス成分を、パージガスが流れるパージガスチャネルへの拡散により除去することで粒子試料を生成する。多孔膜内管の両端部と外管部材に介装され、外管部材に対し多孔膜内管の両端部を支持しつつガス漏れを封止する一対の管支持兼シール構造を備える。管支持兼シール構造は、グラファイトを素材とし、多孔膜内管の外周円筒面に対するシール接触部を、圧接力が与えられた円筒形状による圧接シール支持内面とするグラファイトフェラルを有する。

【発明の効果】

【0007】

本発明のカウンターフローデニューダは、上記手段を採用したことで、高温度条件でのガス除去要求に応え、ゴム系素材の耐熱温度を超える高温環境下であってもシール機能を保って正常なガス交換を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】実施例１のカウンターフローデニューダを示す全体断面図である。

【図2】実施例１のカウンターフローデニューダの試料気体入口側の管支持兼シール構造を示す図１のＡ部拡大断面図である。

【図3】試料気体入口側の管支持兼シール構造を示す図２のＢ-Ｂ線端面図である。

【図4】実施例１のカウンターフローデニューダの多孔膜内管によるガス交換作用を示す作用説明図である。

【図5】実施例１のカウンターフローデニューダの管支持兼シール構造によるガスシール作用を示す作用説明図である。

【図6】実施例１のカウンターフローデニューダを適用した実施例２のＩＰＡ粒子試料個数測定システムを示すシステムブロック図である。

【図7】４種類の有効長さが異なる多孔膜内管を備えるカウンターフローデニューダを用いて行った検証実験により得られたガス温度（２５℃～３５０℃）に対するＩＰＡガス除去効率の変化特性を示す実験結果図である。

【図8】実施例１のカウンターフローデニューダを適用した実施例３の排気ガス粒子試料個数測定システムを示すシステムブロック図である。

【図9】４種類の有効長さが異なる多孔膜内管を備えるカウンターフローデニューダを用いて行った検証実験により得られたガス温度（２５℃～３５０℃）に対する粒子透過率の変化特性を示す実験結果図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、本発明のカウンターフローデニューダを実施するための形態を、図面に示す実施例１～実施例３に基づいて説明する。

【実施例0010】

実施例１は、気中粒子個数濃度等を測定するとき、試料気体に含まれる揮発性ガス・凝縮性ガス等のガス成分を除去し、測定に適合する粒子試料を生成するために用いられるカウンターフローデニューダの単体である。以下、実施例１のカウンターフローデニューダの構成を、「全体構成」と「管支持兼シール構造の詳細構成」とに分けて説明する。

【0011】

［全体構成］
まず、図１を参照してカウンターフローデニューダＣＦＤの全体構成を説明する。カウンターフローデニューダＣＦＤは、図１に示すように、多孔膜内管１と、外管２（外管部材）と、一対のＴ字管３ａ，３ｂ（外管部材）と、一対の管支持兼シール構造Ｓａ，Ｓｂと、を備えている。

【0012】

カウンターフローデニューダＣＦＤは、同心状に配置された多孔膜内管１と外管部材である外管２及び一対のＴ字管３ａ，３ｂの二重管構造によりサンプルガスチャネルＳＣとパージガスチャネルＰＣが画成される。カウンターフローデニューダＣＦＤは、サンプルガスチャネルＳＣへ導入される試料気体に含まれるガス成分を、パージガスチャネルＰＣへ拡散させて除去することで、ガス成分が除去された粒子試料を生成する。ここで、「カウンターフローデニューダＣＦＤ」は、サンプルガスチャネルＳＣへ導入される試料気体の流れ方向（図１の右方向）と、パージガスチャネルＰＣへ導入されるパージガスの流れ方向（図１の左方向）とが互いに対向することから名付けられている。

【0013】

多孔膜内管１は、サンプルガスチャネルＳＣを画成し、CaO-B₂O₃-SiO₂-Al₂O₃系多孔質体のシラス多孔質ガラスＳＰＧ（「Shirasu Porous Glass」の略）を管素材とする細長い円筒管である。このシラス多孔質ガラスＳＰＧは、膜を貫通する無数の超微細孔を有し、気孔率が非常に高く、細孔の均一性について非常に優れている多孔質ガラス膜である。シラス多孔質ガラスＳＰＧは、微細孔径に因ることなく約５０％乃至６０％の気孔率を有し、サンプルガスチャネルＳＣを通過する試料気体に含まれるガス成分のガス分子をガス拡散により透過させる透過性に優れた多孔質体である。

【0014】

外管２は、多孔膜内管１の外周面との間にパージガスチャネルＰＣを画成し、ステンレス等を素材とする金属パイプである。外管２は、多孔膜内管１の中央部外周位置に配置され、両端部にガス漏れを封止した状態で一対のＴ字管３ａ，３ｂが密封固定される。つまり、実施例１では、外管２と一対のＴ字管３ａ，３ｂとを一体化して外管部材を構成している。

【0015】

一対のＴ字管３ａ，３ｂは、Ｔ字状の三方向通路を有する継手部材であり、金属等を素材とし製造される。ここで、「三方向通路」とは、多孔膜内管１の管軸方向であって互いに向かい合う内向き通路と、多孔膜内管１の管軸方向であって互いに外を向く外向き通路と、管軸方向に直交する交差通路と、をいう。

【0016】

Ｔ字管３ａ，３ｂの内向き通路には、通路端部に外管嵌合穴３１ａ，３１ｂ及びフェラル嵌合テーパー穴３２ａ，３２ｂが形成され、向かい合う一対の外管嵌合穴３１ａ，３１ｂに外管２の両端部が差し込まれる。そして、一対のＴ字管３ａ，３ｂは、シール固定構造により外管２に対してガス漏れを封止した状態で固定される。シール固定構造は、一対のＴ字管３ａ，３ｂにネジ止めされる連結ナット８ｃ，８ｄと、フェラル嵌合テーパー穴にテーパー嵌合されるフェラル１４ａ，１４ｂと、フェラル１４ａ，１４ｂと組み合わせて配置されるバックフェラル１５ａ，１５ｂと、を有する。

【0017】

Ｔ字管３ａ，３ｂの外向き通路には、通路端部にシール構造嵌合穴３３ａ，３３ｂ及びコネクタ嵌合テーパー穴３４ａ，３４ｂが形成される。入口側のＴ字管３ａには、シール構造嵌合穴３３ａに管支持兼シール構造Ｓａが配置され、コネクタ嵌合テーパー穴３４ａに、試料気体入口９を有する入口ポートコネクタ７ａがテーパー嵌合される。入口ポートコネクタ７ａは、Ｔ字管３ａにネジ止めされる入口ナット８ａにより固定される。出口側のＴ字管３ｂには、シール構造嵌合穴３３ｂに管支持兼シール構造Ｓｂが配置され、コネクタ嵌合テーパー穴３４ｂに、試料気体出口１０を有する出口ポートコネクタ７ｂがテーパー嵌合される。出口ポートコネクタ７ｂは、Ｔ字管３ｂにネジ止めされる出口ナット８ｂにより固定される。

【0018】

Ｔ字管３ａ，３ｂの交差通路には、通路端部にパージガス管嵌合穴３５ａ，３５ｂ及びフェラル嵌合テーパー穴３６ａ，３６ｂが形成される。入口側のＴ字管３ａには、パージガス管嵌合穴３５ａにパージガス出口１２を有する出口パージガス管１３ａが差し込まれる。出口パージガス管１３ａは、シール固定構造によりＴ字管３ａに対してガス漏れを封止した状態で固定される。出口側のＴ字管３ｂには、のパージガス管嵌合穴３５ｂにパージガス入口１１を有する入口パージガス管１３ｂが差し込まれる。入口パージガス管１３ｂは、シール固定構造によりＴ字管３ｂに対してガス漏れを封止した状態で固定される。シール固定構造は、一対のＴ字管３ａ，３ｂにネジ止めされる連結ナット８ｅ，８ｆと、フェラル嵌合テーパー穴にテーパー嵌合されるフェラル１４ｃ，１４ｄと、フェラル１４ｃ，１４ｄと組み合わせて配置されるバックフェラル１５ｃ，１５ｄと、を有する。

【0019】

一対の管支持兼シール構造Ｓａ，Ｓｂは、多孔膜内管１の両端部と一対のＴ字管３ａ，３ｂに介装され、一対のＴ字管３ａ，３ｂに対して多孔膜内管１の両端部を支持しつつガス漏れを封止する。一対の管支持兼シール構造Ｓａ，Ｓｂは、グラファイトを素材とし、多孔膜内管１の外周円筒面に対するシール接触部を、圧接力が与えられた円筒形状による圧接シール支持内面５０とするグラファイトフェラル５ａ，５ｂをそれぞれ有することを特徴とする。ここで、グラファイトとは、規則的な配列をしている炭素から成る元素鉱物をいう。なお、実施例１の一対の管支持兼シール構造Ｓａ，Ｓｂは、グラファイトフェラル５ａ，５ｂを挟んだ両側位置に、固定リテーナリング４ａ，４ｂと可動リテーナリング６ａ，６ｂを有して構成されている。

【0020】

［管支持兼シール構造の詳細構成］
次に、図２及び図３を参照してカウンターフローデニューダＣＦＤの試料気体入口９側に設定される管支持兼シール構造Ｓａの詳細構成を説明する。試料気体入口９側には、図２に示すように、多孔膜内管１と、Ｔ字管３ａと、管支持兼シール構造Ｓａと、入口ポートコネクタ７ａ（圧縮力付与部材）と、入口ナット８ａと、を備えている。なお、試料気体出口１０側の管支持兼シール構造Ｓｂの詳細構成は、試料気体入口９側の管支持兼シール構造Ｓａの詳細構成と同様の構成であるため、管支持兼シール構造Ｓｂの詳細構成の図示並びに説明を省略する。

【0021】

管支持兼シール構造Ｓａは、多孔膜内管１の外周面と、Ｔ字管３ａに形成されたシール構造嵌合穴３３ａの穴内面及び穴端面と、によって形成される円筒形状によるシール設定空間に配置される。そして、管支持兼シール構造Ｓａは、グラファイトフェラル５ａに、固定リテーナリング４ａと可動リテーナリング６ａを追加した組み合わせシール構造としている。

【0022】

固定リテーナリング４ａは、５角形断面形状に形成されたリング部材であり、Ｔ字管３ａに形成されたシール構造嵌合穴３３ａとグラファイトフェラル５ａとに挟まれた位置に配置される。固定リテーナリング４ａの取り付けは、シール構造嵌合穴３３ａの穴内面によって径方向に固定され、シール構造嵌合穴３３ａの穴端面への押付けによって管軸方向に固定される。固定リテーナリング４ａの外周には、グラファイトフェラル５ａのテーパー面５１にテーパー嵌合するテーパー面４１と、シール構造嵌合穴３３ａの穴内面に嵌合するリング外周面４２と、シール構造嵌合穴３３ａの穴端面に押付けられるリング端面４３と、を有する。

【0023】

グラファイトフェラル５ａは、多孔膜内管１の外周面と固定リテーナリング４ａと可動リテーナリング６ａとに挟まれた位置に配置され、３５０℃以上の耐熱性（例えば、４５０℃の耐熱性）と、モース硬度１～２による柔軟性との両方を兼ね揃えた圧縮可能なグラファイト材料を素材として形成されている。多孔膜内管１の外周円筒面に対するグラファイトフェラル５ａのシール接触部は、圧接力が与えられた円筒形状による圧接シール支持内面５０としている。即ち、圧接シール支持内面５０は、多孔膜内管１の外周円筒面に対して圧接する所定の管軸方向長さＬによる環状支持面としている。圧接シール支持内面５０の管軸方向長さＬは、例えば、多孔膜内管１の全長が500mmの場合、15mm～20mmの長さになるように設定する。このとき、多孔膜内管１の細孔面積の有効長はおよそ460mm～470mmになる。

【0024】

グラファイトフェラル５ａの外周には、圧接シール支持内面５０以外に、固定リテーナリング４ａのテーパー面４１に圧接するテーパー面５１と、可動リテーナリング６ａに圧接するリング垂直端面５２及びフェラル外周面５３と、を有する。

【0025】

テーパー面５１は、圧接シール支持内面５０に対して直角未満の傾斜角度を有し、固定リテーナリング４ａからグラファイトフェラル５ａに対して管軸方向の圧縮力を受けたときの反力のうち内径方向分力を与える。リング垂直端面５２は、圧接シール支持内面５０に対して垂直面に形成され、可動リテーナリング６ａからグラファイトフェラル５ａに対して管軸方向の圧縮力を与える。フェラル外周面５３は、圧接シール支持内面５０と平行な円筒外周面に形成され、可動リテーナリング６ａから管軸方向の圧縮力が与えられているとき、グラファイトフェラル５ａが外径方向に膨張変形するのを抑える。

【0026】

可動リテーナリング６ａは、Ｌ字断面形状に形成されたリング部材であり、シール構造嵌合穴３３ａと入口ポートコネクタ７ａとグラファイトフェラル５ａとに挟まれた位置に配置される。可動リテーナリング６ａの取り付けは、シール構造嵌合穴３３ａの穴内面によって径方向に固定され、入口ポートコネクタ７ａから加えられるネジ込み押付け力によって管軸方向に移動可能に配置される。可動リテーナリング６ａの外周は、入口ポートコネクタ７ａのコネクタ端面７１に圧接するリング端面６１と、リング垂直端面５２に圧接するリング垂直端面６２と、フェラル外周面５３に圧接するリング内周面６３と、シール構造嵌合穴３ｃの穴内面に嵌合するリング外周面６４と、を有する。

【0027】

入口ポートコネクタ７ａは、金属材により形成されたコネクタ部材であり、入口ナット８ａとの段差面嵌合により組み合わせ固定される。入口ポートコネクタ７ａの軸心位置には、試料気体入口９が形成される。入口ポートコネクタ７ａの外周は、リング端面６１に接触するコネクタ端面７１と、コネクタ嵌合テーパー穴３ｄと同じテーパー角度によるテーパー面７２と、入口ナット８ａに形成される傾斜段差面８３と嵌合する傾斜段差面７３と、を有する。また、入口ポートコネクタ７ａとしては、試料気体入口９の内径や外径が異なる複数種類のポートコネクタが用意され、接続される入口装置のコネクタサイズに対応して交換可能としている。なお、出口ポートコネクタ７ｂも同様である。

【0028】

入口ナット８ａは、入口ポートコネクタ７ａに段差面嵌合されると共に、Ｔ字管３ａの入口端部の外周面に形成された雄ネジ３７ａに対しネジ止めされる。ここで、入口ナット８ａの外周には、六角面８１を有する。入口ナット８ａの内周には、雄ネジ３７ａに螺合する雌ネジ８２と、傾斜段差面７３に嵌合する傾斜段差面８３と、を有する。

【0029】

次に、「背景技術及び課題解決手段」について説明する。そして、カウンターフローデニューダＣＦＤにおける「試料気体のガス交換作用」、「多孔膜内管の支持/シール作用」を説明する。

【0030】

［背景技術及び課題解決手段］
以下の説明において、『特許第4315348号公報』を「特許文献１」、『特開2021-62354号公報』を「特許文献２」、『特表2006-506640号公報』を「特許文献３」という。『CEN/TS 17434:2020』を「非特許文献１」、『Aerosol Science and Technology, 51(4), pp. 443-450 (2017)』を「非特許文献２」、『United Nations Global Technical Regulation No. 15』を「非特許文献３」、『Scientific Reports, 9, 17149 (2019)』を「非特許文献４」という。

【0031】

自動車排出ガス等の気中に存在する粒子の濃度は、排出ガス処理装置により低減され従来の粒子質量で測定することが困難であることから、高感度な測定方法である凝縮式粒子計数法による粒子個数濃度により、排出ガスの規制・管理が求められている。一方、半導体・エレクトロニクス産業では、部品洗浄用の超純水・薬液に対して厳しい清浄度管理が求められるが、洗浄液中の粒子の微小化に伴い、従来の光散乱法では測定できない粒径100nm以下のナノ粒子に対し、懸濁液中の粒子をエアロゾル化し気中に分散させ、凝縮式粒子計数法による容易かつ高感度に行うことが提案されている。

【0032】

凝縮式粒子計数（以下、「Condensation Particle Counter」の略である「ＣＰＣ」という。）法を用いる分析装置により、気中の粒子がブタノール飽和蒸気と十分に混合させ、冷却により粒子の凝縮成長を行い、10μm程度の大きさまで粒径成長させることで、光学的に検出可能な粒径に成長した粒子数を計数することができる。ＣＰＣ単体では粒径分布測定はできないため、ＣＰＣの上流部に微分型移動度分析器（ＤＭＡ、Differential Mobility Analyzer）のような分級器を挟むことで粒径分布測定も可能になる。このとき、試料ガス中に粒子へ凝縮するガスである、水蒸気（湿度）、液中分析に含まれていた溶媒等が混入すると、ＣＰＣ分析装置内のブタノール飽和蒸気によるにより粒子の凝縮成長を妨げとなる。試料ガスに含まれる水分をナフィオン（登録商標）製の非多孔質膜を介して除去する非特許文献１が提案されているが、ナフィオンはイオン交換により水分を吸着させる機構を有するため、有機溶媒などの不活性ガスを除去することができないといった問題がある。

【0033】

また、自動車排出ガス等の気中に存在する粒子をＣＰＣで安定した計測値を得たいところ、排出ガスに含まれる粒子に凝縮しうるガスを加熱により除去しないと、粒子の凝縮成長やガスが凝縮することで新たに凝縮性粒子が生成する。よって、本来の粒子以外の凝縮性粒子が混在し、不安定な計測となるため、凝縮性粒子を約３５０℃以上の所定の温度で加熱して触媒で分解する特許文献３が提案されている。しかし、ハニカム構造などにより配管に粒子が２５％以上付着して粒子損失が起こり、非特許文献３で定められている最小可測粒径10nmに対しては、７０％程度の粒子損失（３０％程度の粒子透過率）であることが知られており、正確な測定を行う上で問題となる。

【0034】

そこで、多孔質膜を介して試料ガスに含まれる水分や不活性ガスを純空気もしくは純窒素に置換するカウンターフローデニューダとする非特許文献２や非特許文献４、多孔質膜の固定には、均一な分散粒子のエマルションや、ろ過に好適に使用される円筒状多孔質膜の気密性を維持したシール構造を提供する特許文献２が、それぞれ提案されている。

【0035】

これまでのカウンターフローデニューダによる非特許文献２や円筒状多孔質膜のシール構造を提供する特許文献２の方法によると、当該円筒状多孔質膜の両辺縁部をＯリングや樹脂で圧着支持する場合、材質の耐熱温度が約２００℃以下であるため、凝縮性粒子などを除去する約３５０℃以上の所定の温度で加熱することができなかった。また、加熱したハニカム触媒を用いる特許文献３の触媒ストリッパーによると、ハニカム構造により配管に粒子が管内に付着して最小可測粒径10nmに対しては、７０％程度の粒子損失（３０％程度の粒子透過率）であることが知られており、正確な測定を行う上で問題があった。

【0036】

カウンターフローデニューダ法による円筒状多孔質膜のシール構造において、間違いなく多孔質膜を気密にするためには、非特許文献２や特許文献２に示す、円筒状多孔質膜の内管と外管とをゴム製のＯリングにより気密に保持して固定しなければならない。しかし、その固定方法を誤ると、試料ガスの「ガス漏れ」が生じ、欠陥品になってしまう。ゴム製のＯリングは、通常約８～３０％のつぶし代が確保できる設計の溝に装着され、圧縮されることで発生したゴムの反発力（元のＯリング形状に戻ろうとする力）によって、気密を確保する。また、Ｏリングは片側の溝に押し付けられてＤ型になることによって生じる反発力には、Ｏリングによる気密性を更に向上させる効果・機能である、Ｏリングの自封性により気密が保たれる。しかし、Ｏリングを選択において、円筒状多孔質膜の外径には、外径φ10mmに対し±0.5mm程度、外径φ5mmに対しては±0.3mm程度のバラツキがあり得るため、汎用のＯリングは、その線径の太さやリング外径が様々存在する。当該円筒状多孔質膜を固定するＯリングの選択を間違えると大いにその上述の「ガス漏れ」を生じる欠陥品を提供させる可能性が高い。

【0037】

そこで非特許文献３に示す、テフロン（登録商標）の通称で広く知られているフッ素樹脂（ＰＴＦＥ）薄膜を用いてばらつき内で収まるように当該円筒状多孔質膜を隙間が残らないような設計をすることが考えられる。しかし、ＰＴＦＥはゴム材ほどの伸縮性はないため、気密性を更に向上させる効果や気密を満足できるという安心は得られない。また、ＰＴＦＥはゴム製のＯリングと比べて柔軟性や復元性が無いため、多孔質膜を破損させてしまうおそれがある。

【0038】

また、特許文献２に示す同径もしくは異径のＯリングを二重、三重等と重ねることで、バラツキ内で収まるように当該円筒状多孔質膜を隙間が残らないような設計をしても、耐熱温度を約２００℃以上に確保する材質が無い。Ｏリングに用いられる耐薬品性のポリフッ化ビニリデン、または非特許文献３で用いられるＰＴＦＥは、耐熱温度の約２００℃以上に加熱する場合に熱分解してしまうため、ポリマーヒューム粒子やパーフルオロイソブチレンといった有害ガスが発生することが知られている。正しい粒子個数の測定が行えないことになる。更に装置外部への漏洩となると、場合によっては作業従事者への健康被害や環境汚染等を招く事態も考えられる。

【0039】

本発明者は、上記背景技術の問題点に鑑みて鋭意研究を重ねた結果、カウンターフローデニューダにおいて、改良・改善の余地がある一対の管支持兼シール構造に着目した。

【0040】

そして、カウンターフローデニューダＣＦＤの管支持兼シール構造Ｓａ，Ｓｂとして、グラファイトを素材とし、多孔膜内管１の外周円筒面に対するシール接触部を、圧接力が与えられた円筒形状による圧接シール支持内面５０とするグラファイトフェラル５ａ，５ｂを有するシール構造を採用した。

【0041】

よって、多孔膜内管１の外周円筒面の支持を、支持姿勢が安定する両端支持であって、且つ、圧接シール支持内面５０により分散荷重による面支持にすることで、集中荷重による線支持に比べて支持荷重を低く抑えながらも、高い気密性を確保することができる。加えて、シール接触部に耐熱性の上限温度がゴム系素材よりも高いグラファイトを素材とするグラファイトフェラル５ａ，５ｂを選定することで、耐熱性と柔軟性の両方を兼ね備えたシール構造にすることができる。この結果、高温度条件でのガス除去要求に応え、ゴム系素材の耐熱温度を超える高温環境下であってもシール機能を保って正常なガス交換を行うことができるカウンターフローデニューダＣＦＤを提供できる。

【0042】

［試料気体のガス交換作用］
次に、図４を参照して試料気体のガス交換作用を説明する。気中粒子個数濃度を測定する多孔膜内管１の内面により画成されるサンプルガスチャネルＳＣの入口に矢印方向（図４の右方向）に導入される試料気体は、粒子試料（Particles）以外にガス成分（Sample Gas）が含まれているとする。多孔膜内管１の外周面と外管２の内周面により画成されるパージガスチャネルＰＣを矢印方向（図４の左方向）に流れるガスは、空気や窒素ガス等によるパージガス（Purge Gas）とする。

【0043】

サンプルガスチャネルＳＣの入口に導入される試料気体（粒子試料＋ガス成分）に対して、パージガスチャネルＰＣに加熱された空気等のパージガスを流すことで、粒子試料とガス成分の拡散係数の違いによりガス成分のみが多孔膜内管１によりガス交換される。ガス交換では、パージガスチャネルＰＣからの加熱された空気がサンプルガスチャネルＳＣに透過する。一方、サンプルガスチャネルＳＣに導入される試料気体のうち粒子個数計測に影響しうるガス成分である、粒子に凝縮しうるガス成分、排出ガス中の半揮発性ガス、溶媒等の液体が蒸発したガス成分等が、多孔膜内管１からパージガスチャネルＰＣに透過する。このように、多孔膜内管１での透過作用によってガス交換が行われる。

【0044】

このように、サンプルガスチャネルＳＣの入口に導入される試料気体のうち、気中粒子個数濃度等の正確な測定を阻害するガス成分のみが選択的に除去される。よって、サンプルガスチャネルＳＣの出口からの粒子試料は、個数濃度を損なうことなく、多孔膜内管１の下流側に配置した装置により気中粒子個数濃度等を測定することが可能になる。

【0045】

［多孔膜内管の支持/シール作用］
次に、図５を参照して多孔膜内管１の支持/シール作用を説明する。カウンターフローデニューダＣＦＤでは、管支持兼シール構造Ｓａ，Ｓｂのシール部材として、耐熱性の材質によるグラファイトフェラル５ａ，５ｂを使うとき、寸法バラツキのある多孔膜内管１との気密性をどのように確保するかが最も重要な点である。

【0046】

つまり、多孔膜内管１は、外径寸法のバラツキが多くみられ、カウンターフローデニューダＣＦＤにて多孔膜内管１の両端部を耐熱性シール部材のみで支持する構造では、グラファイトフェラル５ａ，５ｂのサイズの選択が正しくなければ、ガス漏れの原因となる隙間が容易に形成されてしまう。

【0047】

これに対して、実施例１の管支持兼シール構造Ｓａでは、多孔膜内管１の円筒外周面に当接するグラファイトフェラル５ａを挟んで固定リテーナリング４ａと可動リテーナリング６ａを追加した組み合わせシール構造を採用している。

【0048】

したがって、入口ナット８ａを工具により回してねじ込むと、入口ナット８ａに組み合わせられる入口ポートコネクタ７ａが図５の矢印Ｅに示す右方向に移動する。この入口ポートコネクタ７ａの管軸方向の移動により、コネクタ端面７１が可動リテーナリング６ａのリング端面６１を管軸方向に押すことになる。可動リテーナリング６ａのリング端面６１が管軸方向に押されると、グラファイトフェラル５ａに対して、固定リテーナリング４ａを反力受けとする管軸方向の圧縮力が作用し、グラファイトフェラル５ａは、両側から挟み込む方向に作用する圧縮力で圧縮変形する。このとき、グラファイトフェラル５ａの外径方向への膨張変形については、可動リテーナリング６ａのリング内周面６３とフェラル外周面５３との圧接により規制されて抑えられる。このため、グラファイトフェラル５ａは、多孔膜内管１が存在する内径方向に向かって膨張変形することになる。

【0049】

このグラファイトフェラル５ａの内径方向の膨張変形量は、グラファイトフェラル５ａの圧接シール支持内面５０と多孔膜内管１の円筒外周面とが離れて隙間が存在する場合、隙間を埋める膨張変形量になる。また、グラファイトフェラル５ａの圧接シール支持内面５０と多孔膜内管１の円筒外周面とが当接している場合、グラファイトフェラル５ａの内径方向の膨張変形量は、多孔膜内管１に作用する圧接力になり、圧接力は膨張変形量の大きさに比例する。

【0050】

このように、多孔膜内管１の外径寸法やグラファイトフェラル５ａの内径寸法にバラツキがあったとしても、入口ナット８ａのねじ込み量調整により、寸法バラツキに合わせて膨張変形させることができる。よって、多孔膜内管１の外径寸法やグラファイトフェラル５ａの内径寸法にバラツキがあったとしても、適正な圧接力に調整され、高いガスシール機能が確保される。

【0051】

さらに、実施例１の固定リテーナリング４ａはテーパー面４１を有し、グラファイトフェラル５ａはテーパー面４１にテーパー嵌合するテーパー面５１を有する。このため、グラファイトフェラル５ａに管軸方向の圧縮力が作用すると、グラファイトフェラル５ａは、両側から挟み込む方向に作用する圧縮力に、テーパー面４１、５１のテーパー嵌合面による内径方向分力が加わって内径方向に膨張変形することになる。したがって、テーパー嵌合有りの場合は、管軸方向に付与される圧縮力が同じとき、テーパー嵌合無しの場合に比べ、グラファイトフェラル５ａの内径方向への膨張変形量を大きく確保することができる。

【0052】

このため、多孔膜内管１の外径寸法やグラファイトフェラル５ａの内径寸法にバラツキがあったとき、バラツキを吸収するバラツキ吸収幅が拡大される。この結果、多孔膜内管１の外径寸法のバラツキに対してグラファイトフェラル５ａのサイズを厳密に選択するような作業を要さず、多孔膜内管１とグラファイトフェラル５ａとの組み合わせ選択作業が非常に簡潔になる。

【0053】

以上説明したように、実施例１のカウンターフローデニューダＣＦＤにあっては、下記に列挙する効果を得ることができる。

【0054】

（１）同心状に配置された多孔膜内管１と外管部材（外管２、一対のＴ字管３ａ，３ｂ）の二重管構造によりサンプルガスチャネルＳＣとパージガスチャネルＰＣが画成され、サンプルガスチャネルＳＣを流れる試料気体に含まれるガス成分を、パージガスが流れるパージガスチャネルＰＣへの拡散により除去することで粒子試料を生成するカウンターフローデニューダＣＦＤであって、多孔膜内管１の両端部と外管部材に介装され、外管部材に対し多孔膜内管１の両端部を支持しつつガス漏れを封止する一対の管支持兼シール構造Ｓａ，Ｓｂを備え、管支持兼シール構造Ｓａ，Ｓｂは、グラファイトを素材とし、多孔膜内管１の外周円筒面に対するシール接触部を、圧接力が与えられた円筒形状による圧接シール支持内面５０とするグラファイトフェラル５ａ，５ｂを有する。このため、高温度条件でのガス除去要求に応え、ゴム系素材の耐熱温度を超える高温環境下であってもシール機能を保って正常なガス交換を行うことができる。

【0055】

（２）管支持兼シール構造Ｓａ，Ｓｂは、グラファイトフェラル５ａ，５ｂに加え、管軸方向の圧縮力を付与する圧縮力付与部材（入口ポートコネクタ７ａ、出口ポートコネクタ７ｂ）とグラファイトフェラル５ａ，５ｂとに挟まれた位置に配置され、管軸方向に移動可能な可動リテーナリング６ａ，６ｂを備え、可動リテーナリング６ａ，６ｂは、圧縮力付与部材の部材端面（コネクタ端面７１）に圧接するリング端面６１と、グラファイトフェラル５ａ，５ｂのリング垂直端面５２に圧接するリング垂直端面６２と、を有する。即ち、圧縮力付与部材（入口ポートコネクタ７ａ、出口ポートコネクタ７ｂ）からグラファイトフェラル５ａ，５ｂに付与する管軸方向の圧縮力を調整することが可能である。このため、多孔膜内管１の外径寸法やグラファイトフェラル５ａ，５ｂの内径寸法にバラツキがあったとしても、適正な圧接力に調整され、高いガスシール機能を確保することができる。

【0056】

（３）管支持兼シール構造Ｓａ，Ｓｂは、可動リテーナリング６ａ，６ｂに加え、外管部材（一対のＴ字管３ａ，３ｂ）とグラファイトフェラル５ａ，５ｂとに挟まれた位置に配置され、管軸方向に固定の固定リテーナリング４ａ，４ｂを備え、固定リテーナリング４ａ，４ｂは、グラファイトフェラル５ａ，５ｂのテーパー面５１にテーパー嵌合するテーパー面４１と、外管部材に形成されたシール構造嵌合穴３３ａ，３３ｂの穴端面に押付けられるリング端面４３と、を有する。即ち、多孔膜内管１の外径寸法やグラファイトフェラル５ａ，５ｂの内径寸法にバラツキがあったとき、テーパー嵌合無しの場合に比べ、バラツキを吸収するバラツキ吸収幅を拡大させることができる。このため、多孔膜内管１とグラファイトフェラル５ａ，５ｂを選定するとき、厳密にサイズを選定する作業を要さず、寸法バラツキがある多孔膜内管１とグラファイトフェラル５ａ，５ｂの選定負担を軽減することができる。

【0057】

（４）多孔膜内管１は、シラス多孔質ガラスＳＰＧを管素材とし、グラファイトフェラル５ａ，５ｂは、３５０℃以上の耐熱性と、モース硬度１～２による柔軟性との両方を兼ね揃えた圧縮可能なグラファイト材料を素材とする。即ち、耐熱性と透過性に優れた多孔質体であるシラス多孔質ガラスＳＰＧを多孔膜内管１に選択し、耐熱性と柔軟性を持つ材料によるグラファイトフェラル５ａ，５ｂを選択している。このため、高温度条件でのガス除去要求に応え、３５０℃以上の高温環境下であってもシール機能を保って正常なガス交換を行うことができる。また、グラファイトフェラル５ａ，５ｂは、カッター等で切断できるため、円筒状の多孔膜内管１を取り外す作業にも適する。

【実施例0058】

実施例２は、実施例１のカウンターフローデニューダＣＦＤを適用し、サンプルガスチャネルＳＣへ導入される試料気体を粒子発生器から発生するイソプロピルアルコール粒子（以下、「ＩＰＡ粒子」という。）とするＩＰＡ粒子試料個数測定システムである。なお、ＩＰＡは「iso-Proply Alcohol」の略である。

【0059】

実施例２のＩＰＡ粒子試料個数測定システムにおけるカウンターフローデニューダＣＦＤは、図６に示すように、試料気体入口９と試料気体出口１０とパージガス入口１１とパージガス出口１２を有する。試料気体入口９には、ＩＰＡ粒子発生器１６が接続される。試料気体出口１０には、走査型モビリティサイザー等の粒子計測器１７が接続される。パージガス入口１１には、純空気若しくは純窒素によるパージガスのパージガス供給源１８と、パージガス供給流量を制御するマスフローコントローラー１９ａと、が接続される。パージガス出口１２には、熱交換器２０と、ＨＥＰＡフィルター２１（ＨＥＰＡは「High Efficiency Particulate Air Filter」の略）と、ガス排出流量を制御するマスフローコントローラー１９ｂと、ポンプ２２と、が接続される。なお、ＩＰＡ粒子発生器１６の仕組みは、例えば、ポンプを使って小さなオリフィス（細い管）から、振動をさせながらＩＰＡ液体を噴出させて粒子を作る。

【0060】

ＩＰＡ粒子試料個数測定システムは、図６に示すように、第１加熱ヒーター２３と、第２加熱ヒーター２４と、熱交換器２５と、ＰＩＤセンサ２６と、を備えている。第１加熱ヒーター２３は、ＩＰＡ粒子発生器１６を５０℃～２００℃に加熱する。第２加熱ヒーター２４は、カウンターフローデニューダＣＦＤの全体を５０℃～３５０℃に加熱する。熱交換器２５は、試料気体出口１０からの粒子試料を室温に戻して粒子計測器１７へ導く。ＰＩＤセンサ２６は、熱交換器２０で室温に戻したパージガス出口１２からの排出ガスに含まれるＩＰＡガスを測定する。なお、ＰＩＤセンサ２６（ＰＩＤは「Photo-Ionization Detector」の略）とは、光イオン化式センサと呼ばれ、検知対象ガスに紫外線を照射してイオン化し、このとき発生するイオン電流からガス濃度を検知するセンサをいう。

【0061】

ＰＩＤセンサ２６は、正常にガス交換できているか否かを監視するコントローラ９０に接続される。コントローラ９０は、ＰＩＤセンサ２６からのセンサ値（ＩＰＡガス濃度）を入力し、ガス交換が正常にできているときのＩＰＡガス濃度領域であると、例えば、正常確認ランプ等を点灯させて正常であることを確認する。一方、ガス交換が正常にできているときのＩＰＡガス濃度領域から外れると、例えば、多孔膜内管１の破損や管支持兼シール構造Ｓａ，Ｓｂからのガスリーク等による異常と判定し、異常を報知器９１からの警報音やアナウンス音等により報知する。

【0062】

実施例２のシステムでは、半導体製造プロセスにおける、洗浄後のウェーハ乾燥法の一種で、ＩＰＡ（「2-プロパノール」ともいう。）を用いて行う直接置換乾燥、蒸気乾燥、マランゴニ乾燥等によるＩＰＡ乾燥中に、ＩＰＡの不純物に由来する微粒子を測定することができる。

【0063】

例えば、ＩＰＡ液をネブライザー法等に基づいてＩＰＡ粒子発生器１６によりＩＰＡ粒子を発生させ、カウンターフローデニューダＣＦＤの試料気体入口９より多孔膜内管１によるサンプルガスチャネルＳＣに試料気体を流す。一方、パージガス供給源１８からのパージガスを、マスフローコントローラー１０ａで流量を制御しながらパージガス入口１１へ導き、パージガスチャネルＰＣに流す。そして、パージガス出口１２から熱交換器２０とＨＥＰＡフィルター２１を通してマスフローコントローラー１９ｂで流量を制御しながらポンプ２２でパージガスを吸引する。

【0064】

このように、サンプルガスチャネルＳＣに試料気体を流し、パージガスチャネルＰＣにパージガスを流すことで、ガスと粒子の拡散係数の違いによりガス（余剰のＩＰＡ蒸気）のみが多孔膜内管１によってガス交換され、粒子個数計測に影響しうる液体であるＩＰＡ粒子から蒸発したガス成分を、多孔膜内管１からパージガスチャネルＰＣへと透過させ、多孔膜内管１のサンプルガスチャネルＳＣを流れる粒子は、個数濃度を損なうことなく、試料気体出口１０から出た粒子試料の個数を粒子計測器１７で測定するができる。このとき、ＩＰＡ粒子発生器１６を第１加熱ヒーター２３により５０℃～２００℃に加熱し、カウンターフローデニューダＣＦＤを第２加熱ヒーター２４により５０℃～３５０℃に加熱してもカウンターフローデニューダＣＦＤの管支持兼シール構造Ｓａ，Ｓｂは、耐熱性を有するためガス漏れすることなく正常なガス交換ができる。また、パージガス出口１２から粒子計測器１７へ供給される粒子試料も高温になるが、熱交換器２５により室温に戻されることで、粒子計測器１７でのＩＰＡ粒子試料個数測定に支障を与えることもない。

【0065】

（実験例１）
実験例１で使用するシラス多孔質ガラスＳＰＧを管素材とする多孔膜内管１は、外径φ10mm、厚さ0.7mm、内径φ8.6mm、有効長さ100～450mmとして数値実験を行った。ここでカウンターフローデニューダＣＦＤには、図１に示すように、グラファイトフェラル５ａ，５ｂとして10mm配管規格（内径10mm、１００％グラファイトフェラル）を用いた。非特許文献２に従いＳＰＧ細孔径は0.1μmを用い、徐ガスの対象成分はＩＰＡガス、パージガスに空気を使用した。カウンターフローデニューダＣＦＤによるＩＰＡガスの徐ガス効率は、図６に示すように、加熱可能なカウンターフローデニューダＣＦＤによる粒子測定を想定し、25℃～350℃の温度範囲で、粒子計測器１７には走査モビリティパーティクルサイザーを想定した試料ガスの流量２．５L/minに基づいて数値解析実験を行った。数値解析には、非特許文献２に従い、Gormley and Kennedyのガス拡散に基づいた理論式により行った。その結果、図７に示すように、多孔膜内管１の有効長さ100～450mmで比較すると、450mmと長くすることでＩＰＡガスの除去効率が向上することが確認できた。２５℃～３５０℃の温度範囲でみると、温度を高くすることでＩＰＡガスの除去効率が向上することが確認できた。ＩＰＡガスの除去効率が９０％以上であれば充分であると見ると、本実験例では多孔膜内管１の有効長さ300mm以上で、かつ、２００℃以上の加熱が必要であることが確認できた。これは、特許文献２で用いられる従来のフッ素ゴムや非特許文献４で用いられるＰＴＦＥシールの耐熱温度を超えるため、実施例１のカウンターフローデニューダＣＦＤに用いるグラファイトフェラル５ａ，５ｂにより耐熱性を確保する必要があることが確認できた。

【0066】

実施例２のＩＰＡ粒子試料個数測定システムにあっては、実施例１における（１）～（４）の効果に加え、下記の効果を得ることができる。

【0067】

（５）パージガスチャネルＰＣのパージガス出口１２に、多孔膜内管１によりガス交換が正常に行われているか否かでセンサ値が変化するＰＩＤセンサ２６（ガスセンサ）を設け、ＰＩＤセンサ２６からのセンサ値を入力し、センサ値に基づいてガス交換の正常判定や異常判定を行うコントローラ９０を設ける。このため、カウンターフローデニューダＣＦＤによりガス交換が正常に行われているとの確認ができると共に、多孔膜内管１の破損や管支持兼シール構造Ｓａ，Ｓｂからのガスリークを確認することができる。