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(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】
(24)【登録日】2023-06-01
(45)【発行日】2023-06-09
(54)【発明の名称】降下煤塵分級装置
(51)【国際特許分類】
G01N 1/02 20060101AFI20230602BHJP
G01N 1/40 20060101ALI20230602BHJP
G01N 1/04 20060101ALI20230602BHJP
【ＦＩ】
G01N1/02 A
G01N1/40
G01N1/04 M
【請求項の数】
8
(21)【出願番号】P 2019100074
(22)【出願日】2019-05-29
(65)【公開番号】P2020193886
(43)【公開日】2020-12-03
【審査請求日】2022-03-04
(73)【特許権者】
【識別番号】000006655
【氏名又は名称】日本製鉄株式会社
(73)【特許権者】
【識別番号】592244376
【氏名又は名称】日鉄テクノロジー株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100096389
【弁理士】
【氏名又は名称】金本 哲男
(74)【代理人】
【識別番号】100101557
【弁理士】
【氏名又は名称】萩原 康司
(74)【代理人】
【識別番号】100167634
【弁理士】
【氏名又は名称】扇田 尚紀
(74)【代理人】
【識別番号】100187849
【弁理士】
【氏名又は名称】齊藤 隆史
(74)【代理人】
【識別番号】100212059
【弁理士】
【氏名又は名称】三根 卓也
(72)【発明者】
【氏名】末岡 一男
(72)【発明者】
【氏名】伊藤 信明
【審査官】外川 敬之
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１８－０２３９７０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１１－２４７６０９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０２－０４０２１２（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｎ １／０２
Ｇ０１Ｎ １／４０
Ｇ０１Ｎ １／０４
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
大気中に含まれる粒子のうち降下煤塵を分級によって濃縮するための装置であって、密閉された容器と、
前記容器または前記容器の内部に設けられ、当該容器の内部に前記降下煤塵を含む空気を流入させる流入口と、
前記容器の内部において前記流入口の気流下流側に設けられ、前記流入口と同一の中心軸を有し、上流から下流方向に直径の減少するテーパ部を備えた、空気に含まれる粒子のうち、より大きな粒子である大粒子を主に含む空気と、より小さな粒子である小粒子を主に含む空気とに分離するための、１つ、または、２つ以上の分級管と、
前記容器の内部において前記分級管の気流下流側に設けられ、当該分級管と同一の中心軸を有し、前記大粒子を含む空気を流出させる大粒子側流出口と、
前記容器または前記容器の内部において前記流入口の気流下流側に設けられ、前記小粒子を含む空気を流出させる小粒子側流出口と、
前記容器の外部に設けられ、前記大粒子側流出口に連通し、前記大粒子を含む空気を吸引する大粒子側吸引装置と、
前記容器の外部に設けられ、前記小粒子側流出口に連通し、前記小粒子を含む空気を吸引する小粒子側吸引装置と、を有することを特徴とする、降下煤塵分級装置。
【請求項2】
前記分級管は、前記テーパ部、前記テーパ部の上端に接続された円管形状を有するレセプタ、並びに、前記テーパ部の下端に接続された円管形状を有するノズルから構成されることを特徴とする、請求項１に記載の降下煤塵分級装置。
【請求項3】
前記流入口は、鉛直方向の中心軸を備えた円管形状を有する第１のノズルの下端に形成され、前記分級管のうち最も上方に位置する分級管における前記レセプタが前記第１のノズルの直下に位置し、
前記大粒子側流出口が、前記分級管のうち最も下方に位置する分級管におけるノズルの直下に位置することを特徴とする、請求項２に記載の降下煤塵分級装置。
【請求項4】
前記小粒子側吸引装置は、軸流ファンであることを特徴とする、請求項１～３のいずれか一項に記載の降下煤塵分級装置。
【請求項5】
前記小粒子側流出口は、前記容器の底板に形成され、前記軸流ファンの流入口と直接に接続されることを特徴とする、請求項４に記載の降下煤塵分級装置。
【請求項6】
前記テーパ部の内壁は、当該テーパ部の中心軸に垂直な平面に対してなす傾斜角が７０°以上、かつ、９０°未満の範囲であることを特徴とする、請求項１～５のいずれか一項に記載の降下煤塵分級装置。
【請求項7】
前記テーパ部の内壁の表面は、導電性および粒子衝突に対する衝撃吸収性を有することを特徴とする、請求項１～６のいずれか一項に記載の降下煤塵分級装置。
【請求項8】
前記容器の内部に設けられ、前記分級管を支持する支持具をさらに有し、前記支持具には、前記流入口から流入した空気が通過する開口部が形成されていることを特徴とする、請求項１～７のいずれか一項に記載の降下煤塵分級装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、大気中に含まれる粒子のうち降下煤塵を分級によって濃縮するための装置に関するものである。
【背景技術】
【0002】
種々の生産活動および消費活動に伴って発生する大気中の煤塵のうち、特に大気中を自由落下しうる概ね１０μｍ以上の直径である粗大な煤塵は、降下煤塵と呼ばれる。降下煤塵は、重要な環境汚染項目のひとつとみなされており、その実態把握と対策が社会から求められている。例えば、原子力発電所の事故によって大気中に飛散した降下煤塵の管理は、環境対策上、重要である。大気中の煤塵の実態把握のためには、大気中における煤塵の濃度分布を把握することが特に重要である。
【0003】
近年の小型（通常、２５ｋｇ未満）のＵＡＶ（unmanned aerial vehicle、通称、ドローン）の性能向上により、煤塵採取装置を小型無人航空機に搭載して上空で大気をサンプリングし、上空での煤塵濃度を測定する試みも行われている。このような用途では煤塵採取装置は、小型無人航空機に搭載可能なように十分に軽量であることが好ましい。また、従来の小型無人機搭載の煤塵採取装置では、大気中での個数濃度が一般に大きい、ＰＭ２．５（particulate matter ２．５）等の微小な煤塵の採取を前提として、上空で比較的小流量（例えば、数１０ｌ／ｍｉｎ以下）での吸引を行った大気を、直接フィルタで捕集するか、光散乱式粒子濃度計等のオンライン分析器に供給することが行われてきた。
【0004】
一方、小型無人航空機に煤塵採取装置を搭載して大気中の降下煤塵を分析しようとする場合には、このように、吸引された大気を直接処理することは、不効率である。これは、大気中の降下煤塵の個数濃度は、ＰＭ２．５等のエアロゾルに比べて遥かに希薄であるため、これを直接に吸引して捕集、または、オンライン分析するとすれば、大規模な装置が必要となって小型無人航空機に搭載できなくなるからである。装置が大型化する理由は、例えば大気を吸引し、これを直接、フィルタを通過させてフィルタ上で降下煤塵を捕集する場合には、分析に必要な量の降下煤塵を得るために、大量の大気（例えば、１００ｌ／ｍｉｎ以上）を吸引する必要があり、この大気を直接、フィルタに通過させる際には、大型の吸引装置を用いるか、通気抵抗を低下させるためにより大型のフィルタを用いなければならないからである。また、吸引した大気中の降下煤塵をパーティクルカウンタ等のオンライン分析装置に供給する際、分析に必要な量の降下煤塵を得るために大量の大気を処理しようとすると、測定部をより大型化し、レーザ照射装置および受光器をより大型化する必要があるからである。このため、小型無人航空機に降下煤塵用の煤塵採取装置を搭載する際には、吸引した大気中の降下煤塵を濃縮してより少量の空気流量にしてから捕集やオンライン分析を行うことが必要である。
【0005】
降下煤塵の沈着速度（降下煤塵量）を計測するための計測装置として、例えば、特許文献１～３に、据え置き型のものが開示されている。この装置では吸引した大量の大気中に存在する降下煤塵を濃縮してフィルタで捕集できるように、バーチャルインパクタを用いる。バーチャルインパクタの構造については、例えば、非特許文献１に示されている。その具体的な構造の概念を、図１を用いて説明する。
【0006】
図１に示すようにバーチャルインパクタ１００は、円筒形状の容器１１０を有している。容器１１０は、円筒体１１１と、円筒体１１１の上面開口を覆う天板１１２と、円筒体１１１の下面開口を覆う底板１１３とを有し、これら円筒体１１１、天板１１２、および、底板１１３で内部空間が形成されている。バーチャルインパクタ１００では、天板１１２を貫通する流入管１２０から空気を導入し、底板１１３または円筒体１１１を貫通する流出管から分級処理された空気を流出させる。流出管としては、大粒子側流出管１２１と小粒子側流出管１２２の２種類が設けられる。
【0007】
容器１１０の上記の内部空間にはノズル１２３（非特許文献１では「加速ノズル」と呼称）とレセプタ１２４（非特許文献１では「捕集ノズル」と呼称）が設けられる。ノズル１２３は流入管１２０に接続され、レセプタ１２４は大粒子側流出管１２１に接続される。小粒子側流出管１２２は、円筒体１１１または底板１１３を貫通して上記の容器１１０内の内部空間に接続される。大粒子側流出管１２１および小粒子側流出管１２２には、大粒子側吸引装置１２５および小粒子側吸引装置１２６がそれぞれ接続される。この２つの吸引装置１２５、１２６には、ブロワまたは圧縮機が用いられる。この２つの吸引装置１２５、１２６を共用することもできるが、共用する際には少なくとも一方の吸引装置１２５、１２６に流量調整のための減圧弁を設ける必要がある。バーチャルインパクタ１００によって分級された粒子および空気を捕集するためのフィルタや、バーチャルインパクタ１００によって分級された粒子を計測するためのオンライン粒子計測装置等である煤塵処理器１２７は、大粒子側吸引装置１２５および小粒子側吸引装置１２６の上流または下流に接続される。煤塵処理器１２７がフィルタである場合には、通常、吸引装置１２５、１２６の上流に設けられる。
【0008】
このような構成のバーチャルインパクタ１００において吸引装置１２５、１２６の吸引を行うと、流入管１２０から吸引された外気は、流入管１２０およびノズル１２３において加速されてノズル１２３からレセプタ１２４方向へ容器１１０内で吐出される。吐出された空気に含まれる粒子のうち分級のしきい値以上の粒径である粒子は、吐出された空気の一部とともにレセプタ１２４内に流入して、後続する大粒子側流出管１２１経由で大粒子側の煤塵処理器１２７に至る（従来の第２の空気の流れ１３２）。残りの吐出された粒子および空気は、レセプタ１２４を迂回して、小粒子側流出管１２２を経由で小粒子側の煤塵処理器１２７に至る（従来の第１の空気の流れ１３１）。このようにして、従来のバーチャルインパクタ１００では煤塵粒子の分級が行われる。
【0009】
上記の分級のしきい値を例えば、粒径１０μｍに設定すれば、吸引された外気のうちの降下煤塵の大半を大粒子側流出管１２１側に、より少量の空気とともに分離できる。即ち、大気中の降下煤塵を濃縮することができる。降下煤塵を濃縮することによって処理すべき空気流量が減少するので、例えば、より小型のフィルタを大粒子側流出管１２１に用いることができる。
【0010】
また、ノズル１２３およびレセプタ１２４を複数備えたバーチャルインパクタの例として、図２に示す構造の二段式バーチャルインパクタ１００が開示されている。このバーチャルインパクタ１００では、ノズル１２３とレセプタ１２４が２組設けられ、実質的に２台のバーチャルインパクタが直列に接続された構造に相当する。容器１１０内は、仕切板１１４によって上下に分割される。
【0011】
従来の第３の空気の流れ１３３は、小粒子を主に含む空気の流れであり、上流側のノズル１２３Ａから容器１１０に流入し、上流側のレセプタ１２４Ａを迂回して下流側のノズル１２３Ｂ経由で仕切板１１４の下側の空間に流入した後、小粒子側流出管１２２を経由して図示しない小粒子側吸引装置に至る。一方、大粒子を含む空気の流れは、従来の第４の空気の流れ１３４の経路で上流側のノズル１２３Ａから上流側のレセプタ１２４Ａを通って、支持具１２８Ａに保持された煤塵処理器１２７Ａであるフィルタで大粒子を除去した後、大粒子側流出管１２１Ａを経由して図示しない大粒子側吸引装置に至る。尚、仕切板１１４の下側の空間でも、下流側のノズル１２３Ｂから下流側のレセプタ１２４Ｂを通って、支持具１２８Ｂに保持された煤塵処理器１２７Ｂであるフィルタで大粒子を除去した後、大粒子側流出管１２１Ｂを経由して図示しない大粒子側吸引装置に至る。
【0012】
バーチャルインパクタ１００では外気を吸引するために容器１１０内を負圧に維持する必要がある。このバーチャルインパクタ１００では、容器１１０内が上下に分割されている。バーチャルインパクタ１００において直径１０μｍでの分級を行う際の一般的な流速である例えば、１３ｍ／ｓの吐出流速をノズル１２３Ａでそれぞれ得ようとすれば、容器１１０内で仕切板１１４の上方の空間での静圧を外気でのものよりも少なくとも１００Ｐa以上低く設定する必要がある。同様に、下流側のノズル１２３Ｂで１２３Ａと同じ吐出流速を得ようとすれば、仕切板１１４より下方の空間での静圧を、仕切板１１４より上方の空間でのものよりも少なくとも１００Ｐa以上低く設定する、即ち、仕切板１１４より下方の空間での静圧を外気でのものよりも２００Ｐａ以上低く設定する必要がある。
【0013】
非特許文献２に示すように、工業的に粒子を濃縮するための装置には、サイクロンセパレータやインパクタも広く用いられる。同一の粒径しきい値を前提とした場合、サイクロンセパレータ等の他の連続式分級器に比べて、バーチャルインパクタでは、構造がより単純であるため、処理流量が比較的小さい（例えば、１０Ｌ／ｍｉｎ以下）場合には装置をより小型化できる特徴がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0014】
【文献】特許第４７９５２８０号報
【文献】特許第４７９５２９５号報
【文献】特許第４８７０２４３号報
【非特許文献】
【0015】
【文献】ＪＩＳ規格 Ｚ７１５２：２０１３
【文献】和田匡司ら著 「固定発生源煙道内ＰＭ１０／ＰＭ２．５質量濃度測定用multi-stage VIS impactorの分級特性」 粉体工学会誌 Ｖｏｌ．４６ Ｎｏ．６ ２００９ ｐｐ．４６７－４７５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0016】
本発明の課題は、小型無人航空機に搭載可能なレベルに軽量、かつ、より多量の降下煤塵を処理可能な分級装置（例えば、バーチャルインパクタ）の提供にある。以下に説明するように、従来技術では、多量の降下煤塵を処理しようとすると小型無人機に搭載不可能な装置重量となり、装置を軽量にするとサンプリングの代表性を保てないほど少量の降下煤塵個数しか処理できなかった。
【0017】
降下煤塵の大気中個数濃度は、ＰＭ２．５等に比べて極端に小さい。このため、従来の携帯式ＰＭ２．５等で採用されるレベルの小流量（例えば、数Ｌ／ｍｉｎ）のサンプリングでは、サンプリング個数が過少なために降下煤塵サンプリングの代表性を保てない問題がある。例えば、一般的な屋外大気を前提にした場合、大気中の直径３０μｍの降下煤塵を１０ｓ周期でサンプリング（計測）し、かつ、平均値が統計的に意味を持つ１０個以上の降下煤塵捕集を常に行おうとすれば、約１００Ｌ／ｍｉｎ以上の流量で大気を処理する必要がある。
【0018】
バーチャルインパクタにおいて単一のノズル－レセプタの対のみで分級を行うとき、処理流量が大きい場合（例えば、１０Ｌ／ｍｉｎを大きく超える場合）には、ノズル流速をより大きくする（即ち、容器内をより低圧化する）必要があり（例えば、３０ｍ／ｓ以上）、より高揚程、かつ、より高容量の吸引装置を用いなければならない。このため、従来のバーチャルインパクタにおいて大きい流量を処理する場合には、非特許文献１に示されるように、処理流量が小さいノズル－レセプタの対を並列に複数設置することで対処してきた。このように装置を並列化すると構造が比較的単純で軽量であるというバーチャルインパクタの利点が失われる。このため、工業的な分級処理においては、より低流速でも分級の可能な、サイクロンセパレータ等の他の分級装置が、大きな流量を処理する場合には多用されてきた。
【0019】
しかし、小型無人航空機への適用を想定した場合、サイクロンセパレータでは、粒子を主流から分離するために、装置の下部に比較的大きな空間を設ける必要があり、小型化が難しいという問題がある。また、サイクロンセパレータ内のこの大きな空間では粒子が装置内壁に付着しやすいので、分級後の粒子をリアルタイムで分析する用途には向かない。サイクロンセパレータで内壁に粒子が付着しやすい理由は次のとおりである。サイクロンセパレータでは、遠心力を用いてこの下部の空間内で粒子を外側、即ち、内壁側に押しやって主流から分離し、内壁近傍の低風速領域で粒子沈降を図る原理なので、粒子が内壁に付着しやすい。これに対してバーチャルインパクタでは、粒子は常に高速気流内に存在し、装置内壁側に粒子を移動させる特段の作用もないので、粒子は内壁面に接触しにくく、かつ、仮に内壁に粒子が付着したとしても、周囲の高速気流によって容易に粒子が内壁面から離脱可能である。従って、煤塵処理器としてリアルタイムの分析を行うための分級装置としては、バーチャルインパクタの方が適している。
【0020】
大きな流量をバーチャルインパクタで処理する際の他の問題点として、以下の理由によって装置が大型化、重量化することがあげられる。分級効果を得るためには、１段のノズル－レセプタにおいて、大粒子側流出口の吸引流量を小粒子側流出口での流量の少なくとも１／１０以上に設定する必要がある（即ち、１段のバーチャルインパクタでは粒子濃度を１０倍以上には濃縮できない）。、本発明が前提とする外気の吸引流量が１００Ｌ／ｍｉｎ以上と従来装置に比べて桁違いに大きいため、１段のバーチャルインパクタで外気を濃縮したとしても、少なくとも外気の吸引流量の１／１０以上（流量が１０Ｌ／ｍｉｎ以上）の比較的大容量の吸引装置（ブロワ、または、圧縮機）を大粒子側流出口に設けることが必要となり、で装置が大型化、重量化する。
【0021】
大粒子側流出口の吸引流量を小粒子側流出口での流量の少なくとも１／１０以上に設定する理由を説明する。大粒子側流出口の吸引流量を小粒子側流出口での流量の１／１０以下に設計すること自体は可能だが、その場合、レセプタの入口において中心軸に平行に循環をなす二次流を生じ、レセプタ内に進入した粒子のうち数割のオーダのものがこの二次流の効果によってレセプタ外に排出される現象を生じる。この影響によって大粒子側に流出させたい粒子の多くが小粒子側に流出するために、粒子の濃縮率は１０倍以上にはならない（二次流の状態次第では、大粒子側流出口での吸引流量の極端な削減によって濃縮率がかえって低下する場合もある）。このため、通常、顕著な二次流を発生させないように、大粒子側流出口の吸引流量を小粒子側流出口での流量の比に制限（１：９）を設ける設計が行われる。
【0022】
また、図２に示すように容器を多段に設けることによって、最下流の容器の下端に設けられる大粒子側流出口での吸引流量を削減することは、可能である。しかし、上述のように図２の多段のバーチャルインパクタでは、容器内で求められる負圧の大きさが一段のバーチャルインパクタでのものよりも著しく大きいため、小粒子側吸引装置に高い揚程が求められる。このため、処理流量当たりの装置重量は小さいものの高い揚程を実現することの困難な、ファン（特に、軽量化効果の高い、単段の軸流ファン）を適用することが困難であった。即ち、小型の単段軸流ファンを実用的な流量で使用する場合には１００Ｐａを大きく超える揚程を実現することが困難であるのに対し、多段のバーチャルインパクタにおける小粒子側吸引措置に求められる揚程は通常、数百Ｐａに達するので、単段軸流ファンを採用することはできず、重量の大きな大容量・高揚程のブロワまたは圧縮機を適用せざるをえない。
【0023】
さらに、このような多段の容器を用いるバーチャルインパクタでは、通常、上流の段ほど大きな粒子を分級するように設計されており、段ごとに異なる粒径範囲の粒子を捕集するカスケード式の粒子捕集装置としての用途のものである。このため、小粒子側流出口では分級された粒子を捕集するためのフィルタを設けることが標準的であり、フィルタの通気抵抗の効果によって吸引装置の所要揚程がより上昇するので、低揚程であるファンを適用することは一層、困難である。
【0024】
以上のように従来のバーチャルインパクタ、特に、携帯式のものとしては比較的大きな流量を処理するものでは装置が大型化・重量化することが避けられず、小型ＵＡＶに搭載可能なレベルのものを実現することが困難であった。
【0025】
そこで、本発明は、小型無人航空機（ＵＡＶ）に搭載可能なレベルの軽量、かつ、大容量の大気を処理可能な分級装置（バーチャルインパクタ）の技術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】
【0026】
前記の目的を達成するため、本発明者は鋭意検討の結果、以下の解決方法を発明するに至った。
【0027】
第１の発明は、大気中に含まれる粒子のうち降下煤塵を分級によって濃縮するための装置であって、密閉された容器と、前記容器または前記容器の内部に設けられ、当該容器の内部に前記降下煤塵を含む空気を流入させる流入口と、前記容器の内部において前記流入口の気流下流側に設けられ、前記流入口と同一の中心軸を有し、上流から下流方向に直径の減少するテーパ部を備えた、空気に含まれる粒子のうち、より大きな粒子である大粒子を主に含む空気と、より小さな粒子である小粒子を主に含む空気とに分離するための、１つ、または、２つ以上の分級管と、前記容器の内部において前記分級管の気流下流側に設けられ、当該分級管と同一の中心軸を有し、前記大粒子を含む空気を流出させる大粒子側流出口と、前記容器または前記容器の内部において前記流入口の気流下流側に設けられ、前記小粒子を含む空気を流出させる小粒子側流出口と、前記容器の外部に設けられ、前記大粒子側流出口に連通し、前記大粒子を含む空気を吸引する大粒子側吸引装置と、前記容器の外部に設けられ、前記小粒子側流出口に連通し、前記小粒子を含む空気を吸引する小粒子側吸引装置と、を有することを特徴とする、降下煤塵分級装置である。
【0028】
第２の発明は、前記分級管は、前記テーパ部、前記テーパ部の上端に接続された円管形状を有するレセプタ、並びに、前記テーパ部の下端に接続された円管形状を有するノズルから構成されることを特徴とする、第１の発明に記載の降下煤塵分級装置である。
【0029】
第３の発明は、前記流入口は、鉛直方向の中心軸を備えた円管形状を有する第１のノズルの下端に形成され、前記分級管のうち最も上方に位置する分級管における前記レセプタが前記第１のノズルの直下に位置し、前記大粒子側流出口が、前記分級管のうち最も下方に位置する分級管におけるノズルの直下に位置することを特徴とする、第２の発明に記載の降下煤塵分級装置である。
【0030】
第４の発明は、前記小粒子側吸引装置は、軸流ファンであることを特徴とする、第１～３の発明のいずれか１つに記載の降下煤塵分級装置である。
【0031】
第５の発明は、前記小粒子側流出口は、前記容器の底板に形成され、前記軸流ファンの流入口と直接に接続されることを特徴とする、第４の発明に記載の降下煤塵分級装置である。
【0032】
第６の発明は、前記テーパ部の内壁は、当該テーパ部の中心軸に垂直な平面に対してなす傾斜角が７０°以上、かつ、９０°未満の範囲であることを特徴とする、第１～５の発明のいずれか１つに記載の降下煤塵分級装置である。
【0033】
第７の発明は、前記テーパ部の内壁の表面は、導電性および粒子衝突に対する衝撃吸収性を有することを特徴とする、第１～６の発明のいずれか１つに記載の降下煤塵分級装置である。
【0034】
第８の発明は、前記容器の内部に設けられ、前記分級管を支持する支持具をさらに有し、前記支持具には、前記流入口から流入した空気が通過する開口部が形成されていることを特徴とする、第１～７の発明のいずれか１つに記載の降下煤塵分級装置である。
【0035】
本発明の第１の特徴は、降下煤塵分級装置において、単一の容器内に複数のノズル－レセプタの対を同軸上に配置することにより、以下の２つの効果を簡易な構造で得ることができることである。尚、以下の説明においては、降下煤塵装置がバーチャルインパクタの原理を利用した装置である場合を例に説明する。
【0036】
即ち、第１の効果として、単一の容器内において、降下煤塵濃度を、例えば、１００倍といった高い倍率で濃縮することができ、装置を小型軽量化できる。具体的には、最上流のノズル－レセプタ（第１のノズルおよび第１のレセプタ）の対において、通常のバーチャルインパクタと同様の原理によって第１のレセプタの出口で降下煤塵濃度を外気でのものの１０倍程度まで上昇できる。次に、第１のレセプタに下流側で直結するノズル（第２のノズル）からこの第２のノズルの対となるレセプタ（第２のレセプタ）への空気の吐出部で、上記降下煤塵が１０倍程度に濃縮された空気のうち、降下煤塵の大半を含有する一部の空気を第２のレセプタに供給することにより、第２のノズルから吐出された空気中の降下煤塵濃度をさらに１０倍程度まで濃縮する。即ち、容器内において、外気の１００倍程度まで濃縮することができる。
【0037】
第２の効果として、小粒子側流出口は、バーチャルインパクタ全体で単一であり、かつ、ノズル－レセプタ間の空間より外側における容器内の静圧は小径側流出口含めていたるところでほぼ一様であり、ここでの静圧（即ち、小径側流出口での吸引圧力）と外気圧との差は、単段のバーチャルインパクタ並みの低い値（例えば、１００Ｐa）でよい。その結果、軽量でも大流量を得やすい単段の軸流ファンを小粒子側流出口の吸引装置として適用することができ、装置全体を小型ＵＡＶに搭載可能なレベルに小型軽量化できる。
【0038】
従来技術を前提に大気中の粒子を１００倍程度まで濃縮しようとすれば、ノズル－レセプタの対を含む容器を直列に複数接続する必要がある。例えば、従来の２段式バーチャルインパクタである図２の装置において、従来の大粒子側流出管１２１および従来の小粒子側流出管１２２の位置を一部で交換することが考えられる。即ち、図２の装置において仕切板１１４より上方の容器内部分を１段目のバーチャルインパクタ、下方の容器内部分を２段目のバーチャルインパクタと定義した場合、１段目のバーチャルインパクタにおいて、この段でのノズル-レセプタ間の空間の水平方向の容器側面に従来の小粒子側流出管を接続するとともに、レセプタを通過した気流をこの段の容器内空間内に排気するための貫通孔をフィルタ１２７Ａの下方に設ける。従来の大粒子流出口は廃止する。大粒子側の気流と小粒子側の気流を混合させないように、１段目の容器内空間において小粒子側流出管が接続する部分と上記の貫通孔に接続する容器内空間との間には通気を妨げる仕切りを設けることが好ましい。
【0039】
この場合の、流速と圧力の変化を説明する。１段目のバーチャルインパクタにおいて、ノズルから１段目の容器内に吐出された空気のうちレセプタに流入しなかったものは、大きく減速するとともに圧力損失を生じて容器内に拡散する。外気がほぼ静止しているとみなすと、容器内の静圧は、少なくともノズル吐出時の動圧分、負圧である必要がある（例えば、－１００Ｐａ（ゲージ圧））。１段目のバーチャルインパクタのレセプタに流入した空気は、吐出された容器内空間において減速および整流化されたのち、２段目のバーチャルインパクタのノズルへと供給され、再び加速される。空気を加速するために、第２の容器の静圧は、第１の容器での静圧よりも少なくともノズル吐出時の動圧分、負圧にする必要がある（例えば、－２００Ｐａ（ゲージ圧））。このように、従来技術においては、下流の容器ほど静圧を低く設定する必要があるため、単段の軸流ファンで実現可能な揚程能力（例えば、－１００Ｐａ（ゲージ圧））を超えてしまう。
【0040】
これに対して、本発明では、単一の容器内の静圧は、従来技術の１段目のバーチャルインパクタと同程度に低く設定する（例えば、－１００Ｐａ（ゲージ圧））必要があるものの、ノズルごとに静圧をこれ以上低下させる必要がない。これは、第１のノズルの同軸上下方に、第１のレセプタと第２のノズルが一体化した分級管を配置することによる効果である。具体的な作用を説明する。第１のノズルから分級管内の第１のレセプタ内に流入した空気は、大きな圧力損失を生じることなく第１のレセプタ内で減速して動圧変化分、昇圧した後、分級管内の第２のノズルで再び加速して第２のノズルから流出する。分級管の軸方向長さは十分に小さく、かつ、分級管のなかには曲り・急縮小・急拡大・障害物などの抵抗要素がほとんど存在しないため、分級管内での気流の圧力損失は無視しうるほど小さく、流れの全圧は、分級管内で維持される。このため、第２のノズル内で流れを加速する際に第２のノズル出口での静圧を第１のノズル出口でのものよりも低くする必要がない。これに対して、従来技術において生じる圧力損失の大半は、ノズルから吐出されてレセプタに流入しなかった気流での急激な流路変化によるものでありバーチャルインパクタの原理上、不可避である。本発明では、第２のノズルに流入する空気は、上流においてレセプタに流入しない経路を通過していないので、圧力損失が少ない。一方、上記で説明した従来技術では、下流側のノズルに流入する空気は、レセプタに流入しない経路を必ず通過したものであるのでより大きな圧力損失が避けられない。
【0041】
本発明の第２の特徴は、分級管が、上流から下流方向に直径を減少させるテーパ部を有し、特に、テーパ部の内壁が、当該テーパ部の中心軸に垂直な平面に対してなす傾斜角を７０°以上、かつ、９０°未満の範囲にすることで、吸引粒子の濃縮効果を高めることができることである。尚、以下の説明においては、テーパ部の中心軸に垂直な平面が水平面である場合を例に説明する。また、テーパ部の内壁の表面を傾斜面と呼称する場合がある。
【0042】
分級のために第２のノズルで必要な吐出速度は、概ね第１のノズルでのものに等しい。一方、第２のノズルにおける空気の吐出流量は、第１のノズルでの吐出流量の１／１０程度である。そこで、本発明では分級管（テーパ部）の直径を第１のレセプタから第２のノズルの間で減少させることによって、第２のノズルにおいて流量が減少しても所要の吐出速度を満足することができる。第２のノズルにおける空気の吐出流量は、第１のノズルでの吐出流量の１／１０程度である。
【0043】
ここで、テーパ部の直径を減少する際、軸方向に急激に断面積を減少すること、即ち、テーパ部の内壁が水平面に対してなす傾斜角を小さく設定することは好ましくない。その理由は、直径１００μｍ以上といった粗大な粒子が第１のノズルの吐出時に１０ｍ／ｓ以上といった高速で第２のレセプタに向けて流出する際には、粒子の慣性が大きいので周囲の空気の流れとはほとんど無関係に上記の傾斜面に衝突して跳ね返るものの割合が大きいからである。粒子が内壁面に衝突する場合、一般に入射角と反射角は同程度になる場合が多いので、比較的細い管内で内壁面に衝突した粒子は、管内で衝突を繰り返すことが一般的である。粒子がノズル内壁面に衝突する際には運動量の損失を生じて反射後の粒子速度は減速するものの、繰り返しの衝突によって粗大な粒子の速度が十分に低下する（即ち、周囲の流れに従って下流へ粒子が移動しうる粒子速度まで低下する）までには、少なくとも２～３回以上の衝突回数が一般に必要である。ここで、もし、粒子が内壁に繰り返し衝突する粒子経路の途中で粒子が上流側の第１のレセプタの外部に至ることがあれば、この粗大な粒子は、本来の粗大粒子の流路である、第２のノズル、または、大粒子側流出口を通過することがないため、粒子の分級が阻害される問題を生じる。
【0044】
このような粗大粒子が管路内壁での反射によって第１のレセプタの外部に流出する現象が生じるかどうかは、主に管路内での傾斜面の傾斜角の大きさに依存する。例えば図３に示すように、テーパ部の傾斜面３４の傾斜角が４５°の場合、鉛直方向に第１のレセプタ内に流入してこの傾斜面３４に衝突する粗大粒子は、粗大粒子の第１の経路９１のような軌跡をとる。但し、気流による粒子軌跡への影響は無視している。この軌跡では２回の傾斜面３４での反射を経た後、常に上流側に反射されて第１のレセプタから流出するので、この傾斜角は、好適ではない。
【0045】
同様に図４に示すように、傾斜面３４の傾斜角が６０°の場合も、粗大粒子の第２の経路９２の軌跡をとり、２回の反射の後、第１のレセプタから流出しうるので好適ではない。尚、傾斜面３４を十分長く設定できれば、２回の反射でレセプタ外に流出することはないが、分級管の通過流量、流入する気流速度、および、分級管入口と出口間での流量比から、傾斜面３４の入口と出口の面積の範囲は制約されるので、可能な傾斜面３４の長さは有限となる。
【0046】
一方、図５に示すように、傾斜面３４の傾斜角が７０°以上の場合、粗大粒子の第３の経路９３の軌跡をとり、２回の反射後でも粒子が上流方向に移動することはなく、第１のレセプタから流出しない。この傾斜角では多くの場合、傾斜面３４での４回以上の反射が可能である。典型的な降下煤塵粒子と金属板を素材とする傾斜面３４での衝突の場合、反発係数（反射後の粒子速度／反射前の粒子速度）は０．７程度であるので、２回の反射後には粒子速度は、初期値の半分、４回の反射後には初期値の約１／４まで低下する。このため、傾斜面３４が存在する領域で粗大な粒子の速度を十分に低下させる可能性が格段に上昇する。本発明では、傾斜角を７０°以上に設定することにより、粗大な粒子でも傾斜面３４での反射による分級性能の低下を削減することができる。
【0047】
特に、本発明の一例においては、テーパ部の傾斜面の材質を、導電性を有するとともに粒子衝突に対する衝撃吸収性を有するものとすることにより、上記の反発係数をより小さくすることができ、より少ない反射回数で、粗大な粒子でも十分低速にすることができる。また、この発明では、傾斜面の表面を絶縁材料とした場合に生じ易い、静電気による粒子の傾斜面への付着の悪影響を低減することができる。
【0048】
本発明の第３の特徴は、本発明の一例において、小粒子側吸引装置として、容器の底板にファン（例えば、容器の断面積に近い流入口断面積を有するファン）を直接、接続することにより、装置をより小型化、効率化することができる。従来技術、特に、バーチャルインパクタを多段に設ける場合、小粒子側吸引装置にはブロワまたは圧縮機を用いる必要がある。このような装置では装置内の流路断面積を容器の断面積並みに大きく設定すると重量が極端に大きくなる問題を生じるので、従来、本発明のように小粒子側吸引装置を容器に直接設ける装置配置は、困難であった。
【0049】
本発明では、小粒子側吸引装置に、流入口断面積に対して軸方向の装置厚がブロワ等と比べて薄くすることのできる、ファン（特に、軸流ファン）を用いることで、小粒子側吸引装置を容器の底部に直結することができる。また、ファンと容器を分離して設ける場合、ファン通過時の圧損を低下させるためにファンの入口に整流のため空間（ヘッダ）を設けることが一般的であるが、本発明ではヘッダの役割を容器が果たすためにヘッダを省略でき、より軽量化が図れる。
なお、本発明では分級管を２個以上、同軸上に配置する場合の可能である。分級管の個数によらず説明を簡略化するために、最も上流のノズルを最初のノズルとよび、最も下流の分級管を最後の分級管とよび、最も下流のレセプタを最後のレセプタとよぶことにする。
なお、本発明では分級管を２個以上、同軸上に配置する場合の可能である。分級管の個数によらず説明を簡略化するために、最も上流のノズルを最初のノズルとよび、最も下流の分級管を最後の分級管とよび、最も下流のレセプタを最後のレセプタとよぶことにする。
【発明の効果】
【0050】
本発明によれば、小型無人航空機に搭載可能な軽量で、大量の大気から大気中の降下煤塵を濃縮することが可能な分級装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【0051】
【図1】従来技術でのバーチャルインパクタの構造の一例の模式図である。
【図2】従来技術でのバーチャルインパクタの構造の他の一例の模式図である。
【図3】本発明の原理に関わる模式図である。
【図4】本発明の原理に関わる他の模式図である。
【図5】本発明の原理に関わる他の模式図である。
【図6】本発明の第１の実施形態におけるバーチャルインパクタの一例の模式図である。
【図7】本発明の実施形態における分級管の一例の模式図である。
【図8】本発明の第２の実施形態におけるバーチャルインパクタの他の一例の模式図である。
【図9】本発明の第３の実施形態におけるバーチャルインパクタの他の一例の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【0052】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。尚、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【0053】
［第１の実施形態］
まず、本発明の第１の実施形態について説明する。
（全体構成）
第１の実施形態のバーチャルインパクタ１の構造の一例を、図６を用いて説明する。バーチャルインパクタ１は、鉛直方向の中心軸を備えた円筒形状の容器１０を有している。容器１０は、円筒体１１と、円筒体１１の上面開口を覆う天板１２と、円筒体１１の下面開口を覆う底板１３とを有し、これら円筒体１１、天板１２、および、底板１３で密閉された内部空間が形成されている。バーチャルインパクタ１では、天板１２を貫通する流入管２０から空気を導入し、円筒体１１または底板１３を貫通する流出管から、第１の分級管３０等を用いて分級処理された空気を流出させる。流出管としては、大粒子側流出管４０と小粒子側流出管５０の２種類が設けられる。
まず、本発明の第１の実施形態について説明する。
（全体構成）
第１の実施形態のバーチャルインパクタ１の構造の一例を、図６を用いて説明する。バーチャルインパクタ１は、鉛直方向の中心軸を備えた円筒形状の容器１０を有している。容器１０は、円筒体１１と、円筒体１１の上面開口を覆う天板１２と、円筒体１１の下面開口を覆う底板１３とを有し、これら円筒体１１、天板１２、および、底板１３で密閉された内部空間が形成されている。バーチャルインパクタ１では、天板１２を貫通する流入管２０から空気を導入し、円筒体１１または底板１３を貫通する流出管から、第１の分級管３０等を用いて分級処理された空気を流出させる。流出管としては、大粒子側流出管４０と小粒子側流出管５０の２種類が設けられる。
【0054】
容器１０の上記の内部空間には、第１のノズル２１、第１の分級管３０、および、第２のレセプタ４１がこの順で、互いに鉛直方向に同軸となるように設けられる。第１の分級管３０および第２のレセプタ４１はそれぞれ、支持具６０によって、円筒体１１に対して固定される。図６においては、第１のノズル２１が最初のノズル、第１の分級管３０が最後の分級管、第２のレセプタ４１が最後のレセプタである。
【0055】
第１のノズル２１の上端は流入管２０に接続され、下端には円形の孔である流入口２２が形成される。流入管２０の上端には、さらに煤塵採取管２３が接続される。第２のレセプタ４１の下端は大粒子側流出管４０に接続され、上端には孔である大粒子側流出口４２が形成される。小粒子側流出管５０は、底板１３を貫通して上記の容器１０内の内部空間に接続される。小粒子側流出管５０の上端には、孔である小粒子側流出口５１が形成される。尚、小粒子側流出管５０は、円筒体１１を貫通して設けられてもよい。大粒子側流出管４０および小粒子側流出管５０には、大粒子側吸引装置４３および小粒子側吸引装置５２がそれぞれ接続される。バーチャルインパクタ１によって分級された粒子および空気を捕集するためのフィルタやバーチャルインパクタ１によって分級された粒子を計測するためのオンライン粒子計測装置等である煤塵処理器４４は、大粒子側吸引装置４３の上流または下流に接続される。煤塵処理器４４がフィルタである場合には、煤塵処理器４４は、通常、大粒子側吸引装置４３の上流に設けられる。
【0056】
本構成の吸引装置４３、５２で吸引を行うと、容器１０の内部の圧力が大気圧よりも低下し、外気は、流入管２０経由でバーチャルインパクタ１内に吸引される。この際、バーチャルインパクタ１をＵＡＶに搭載する場合には、ＵＡＶと周囲大気との相対速度の風上方向に向けて煤塵採取管２３を設けて、煤塵採取管２３の入口での吸引流速がこの相対速度の流速と一致するように（即ち、等速吸引するように）ＵＡＶの速度を設定することが好ましい。この場合、大気中の降下煤塵濃度をより正確に測定することができ、より効果的である。
【0057】
流入管２０から吸引された外気（降下煤塵を含む空気）は、流入管２０および第１のノズル２１において加速されて、第１のノズル２１から第１の分級管３０方向へ容器１０内に吐出される。第１のノズル２１から吐出された空気に含まれる粒子のうち、分級のしきい値以上の粒径である粒子は、上記の第１のノズル２１から吐出された空気の一部（例えば、第１のノズル２１の吐出流量の１／１０）とともに第１の分級管３０の第１のレセプタ３１内に進入し、一旦、減速した後、テーパ部３２内を通過して、第２のノズル３３へ向けて再び加速して高速で（第１のノズル２１での吐出時並みの流速で）第２のレセプタ４１に向けて吐出される。第１の分級管３０から吐出された空気に含まれる粒子の大半は、上記の第１の分級管３０から吐出された空気の一部（例えば、第１の分級管３０の吐出流量の１／１０）とともに第２のレセプタ４１を通過して、後続する大粒子側流出管４０経由で大粒子側の大粒子側吸引装置４３および煤塵処理器４４に至る（第３の空気の流れ７３）。
【0058】
ここで、第２のノズル３３および第２のレセプタ４１の対による分級性能のしきい値は、第１のノズル２１および第１のレセプタ３１の組でのものと同程度に設定することができる。第１の分級管３０や第２のレセプタ４１に流入しなかった残りの粒子（その大半は、上記の分級しきい値未満の径のものである）および空気は、容器１０内の空間に拡散し、そのまま、小粒子側流出管５０を経由して小粒子側吸引装置５２に至り、再び外気に向けて放出される（第１の空気の流れ７１、第２の空気の流れ７２）。上記の第１の分級管３０および第２のレセプタ４１での分級のしきい値を、例えば、粒径１０μｍに設定すれば、降下煤塵の分級を行うことができる。このようにして、本実施形態では降下煤塵の分級が行われ、大粒子側流出口４２での降下煤塵濃度を、例えば、外気の１００倍に濃縮することができる。
【0059】
（第１のノズル）
第１のノズル２１は、流入管２０の下端に接続される円管である。本実施形態では小粒子側吸引装置５２にファンを用いるため、第１のノズル２１の下端での静圧（≒容器１０内の静圧）は、市販のファンの一般的な揚程である１００Ｐａ強程度の負圧となる。このとき、第１のノズル２１の吐出流速は、次の式（１）で算出される値が上限である。
［第１のノズル吐出流速］＝（２・［容器内静圧］／［空気密度］）１／２ ・・・（１）
従って、所要の吸気流量に対して、第１のノズル２１の下端半径は、少なくとも次の式（２）で算出される値以上とすることが好ましい。
［第１のノズル下端半径］＝（［所要吸気流量］／（π［第１のノズル吐出流速］））１／２ ・・・（２）
第１のノズル２１での吐出流速が概ね１３ｍ／ｓ以上あれば、以下に説明するような分級器の構造および寸法を適正な範囲に設定することによって降下煤塵（直径１０μｍ以上の粒子）を選択的に分級・濃縮することができる。
第１のノズル２１は、流入管２０の下端に接続される円管である。本実施形態では小粒子側吸引装置５２にファンを用いるため、第１のノズル２１の下端での静圧（≒容器１０内の静圧）は、市販のファンの一般的な揚程である１００Ｐａ強程度の負圧となる。このとき、第１のノズル２１の吐出流速は、次の式（１）で算出される値が上限である。
［第１のノズル吐出流速］＝（２・［容器内静圧］／［空気密度］）１／２ ・・・（１）
従って、所要の吸気流量に対して、第１のノズル２１の下端半径は、少なくとも次の式（２）で算出される値以上とすることが好ましい。
［第１のノズル下端半径］＝（［所要吸気流量］／（π［第１のノズル吐出流速］））１／２ ・・・（２）
第１のノズル２１での吐出流速が概ね１３ｍ／ｓ以上あれば、以下に説明するような分級器の構造および寸法を適正な範囲に設定することによって降下煤塵（直径１０μｍ以上の粒子）を選択的に分級・濃縮することができる。
【0060】
例えば、容器１０内の静圧が－１００Ｐａで、所要吸気流量が１００Ｌ／ｍｉｎの場合、第１のノズル２１の吐出流速は約１３ｍ／ｓとなり、第１のノズル２１の下端直径は約１３ｍｍ以上に設定すればよい。吸引装置４３、５２の減圧能力が低い場合は、過度の圧力損失を避ける観点から、第１のノズル２１に接続される流入管２０およびその上流の煤塵採取管２３の断面積は、第１のノズル２１下端の流入口２２での断面積と同等以上の値に設定することが好ましい。
【0061】
軸方向の長さに関して、第１のノズル２１では、流入口２２での直径の１倍以上１０倍以下にすることができる。但し、濃縮性能の低下とのトレードオフを前提として、装置を小型化するために、この軸方向の長さを流入口２２での直径の０．３倍までの値に低減してもよい。
【0062】
一般に管路系内のノズルで加速を行う場合には、ノズル内で下流に向けて徐々に断面積を減少させる流路形状とする場合が多い。しかし、本実施形態では、第１のノズル２１内での断面積の減少は、避けることが好ましい。なぜならば、本実施形態が対象とする外気は、処理対象である降下煤塵を含むので、第１のノズル２１内で流路断面積を減少させると慣性によって降下煤塵が第１のノズル２１の内壁に衝突し易くなり、その反射角が第１のノズル２１の吐出方向と大きく異なる場合には、降下煤塵が第１の分級管３０方向に吐出されず、降下煤塵の濃縮に悪影響を及ぼすからである。従って、流路の断面積を減少させる場合には、第１のノズル２１よりも十分に上流の、例えば流入管２０や煤塵採取管２３の内部、あるいは、外気に開放した吸引口の近傍の外気中で行われることが好ましい。このような場所で降下煤塵が内壁に衝突して反射されても、対向壁に再衝突を繰り返し、衝突の都度、壁垂直方向の速度成分が減少することによって、第１のノズル２１に至るまでに管路内の流線方向に降下煤塵の移動方向が揃うことが期待できるからである。
【0063】
第１のノズル２１の下端の形状としては、外周部を面取りする。これにより、容器１０内の流れ場での二次流を減少させ、分級効率を高めることができる。
【0064】
尚、本実施形態では、第１のノズル２１は容器１０の内部に設けられていたが、容器１０の天板１２に流入口２２が形成されるように、第１のノズル２１は容器１０に設けられてもよい。
【0065】
（第１の分級管）
本実施形態の第１の分級管３０の構造の一例を、図７を用いて説明する。図７は、第１の分級管３０に相当する構造を示しており、上流側から第１のレセプタ３１、テーパ部３２、第２のノズル３３の順で３つの部分に機能的に分割される。
本実施形態の第１の分級管３０の構造の一例を、図７を用いて説明する。図７は、第１の分級管３０に相当する構造を示しており、上流側から第１のレセプタ３１、テーパ部３２、第２のノズル３３の順で３つの部分に機能的に分割される。
【0066】
第１のレセプタ３１の直径は、隣接する上流側のノズル（図６では第１のノズル２１）の直径の１．２倍以上、かつ、１．５倍以下であることが好ましい。第２のノズル３３の断面積は、隣接する上流側のノズル（図６では第１のノズル２１）の断面積の１０％以上、かつ、２５％以下であることが好ましい。この断面積率の値が１０％未満の場合には、第１の分級管３０における第１のレセプタ３１内での下流方向への流量が不足して、粒径が比較的小さい降下煤塵を第１の分級管３０内へ十分に導入できなくなる問題を生じる。また、この断面積率の値が２５％より大きい場合には、第１の分級管３０における第１のレセプタ３１内での減速が十分に得られず、降下煤塵の濃縮能力が著しく減少するので好ましくない。
【0067】
テーパ部３２の傾斜面３４の傾斜角３５は、上述のとおり、粒子の反射が好適となるように７０°以上９０°未満であることが好ましい。傾斜角３５は、テーパ部３２の内壁が水平面に対してなす角である。この傾斜角３５の値が９０°以上の場合には、上記の好適な第２のノズル３３の断面積の条件を満足することが幾何学的に困難であるため、好ましくない。また、テーパ部３２の傾斜角３５は、７５°以上８５°未満であることがより好ましい。この傾斜角範囲の場合、粒子の反射がより好適となり、かつ、テーパ部３２の軸方向長さが長大にならないからである。さらに、テーパ部３２の傾斜角３５は軸方向に一定である必要は、必ずしもない。例えば、テーパ部３２の上端での傾斜角を７０°とし、下方に向けて傾斜角を徐々に増大してテーパ部３２の下端で傾斜角３５を９０°にしてもよい。
【0068】
容器１０内における軸方向の第１の分級管３０の位置は、隣接する上流側のノズル（図６では第１のノズル２１）の下端から下方に、隣接する上流側のノズル（図６では第１のノズル２１）の直径の０．６倍以上、かつ、２倍以下の距離に、第１の分級管３０の上端を配置することが好ましい。
【0069】
軸方向の長さに関して、第２のノズル３３では、第２のノズル３３下端での直径の１倍以上１０倍以下にすることができる。第１のレセプタ３１の軸方向長さは、第１のレセプタ３１上端での直径の０．５倍以上であることが第１のレセプタ３１内での二次流を低減して分級性能を高めるために好ましい。但し、装置の軸方向長さを短縮して小型化するために、濃縮性能とのトレードオフを前提として、第１のレセプタ３１は上記以下の長さであってよく、第１のレセプタ３１を省略してテーパ部３２の下部を実質的なレセプタとして用いてもよい。また、第１のレセプタ３１の軸方向長さを第１のレセプタ３１上端部での直径の２倍以上に設定しても特段の有益な効果は得られないので、装置を小型化する観点から、２倍以下とすることが好ましい。
【0070】
第１のレセプタ３１の上端および第２のノズル３３の下端の形状は、外周面を面取りしてもよい。このようにすることで容器１０内の流れ場に発生する二次流を低減でき、より急峻な分級効果が得られる。
【0071】
第１の分級管３０の内壁面は平滑とし、かつ、導電性を有する素材、例えば、研磨した金属（例えば、アルミニウムやステンレス鋼）やグラファイト等を用いることが好ましい。ここでいう第１の分級管３０は、第１のレセプタ３１、テーパ部３２、および、第２のノズル３３を含む。この場合、比表面積が比較的大きい降下煤塵粒子が第１の分級管３０の内壁面に付着することを抑制するのに効果がある。降下煤塵粒子の第１の分級管３０の内壁面への付着は、吸引された降下煤塵を、下流に配置される煤塵処理器４４に供給する機能を低下させるので好ましくない。
【0072】
テーパ部３２は、吸引された気流の流線に曲率を与えるので降下煤塵粒子が衝突しやすく、かつ、衝突後の降下煤塵粒子が数回の反射後に上流側に反射されうる幾何学的配置であるため、ここでの反発係数は、より小さいことが好ましい。この観点から、テーパ部３２の内壁面の素材にゴムや樹脂等の衝撃吸収材を用いることができる。この際、ゴムや樹脂を表面に剥き出しにすると静電気を帯びやすく、降下煤塵粒子を付着し易くなる問題を生じるので、これら衝撃吸収材の表面をアルミ箔やステンレス箔等の薄い導電性材料で被覆することによって静電気の蓄積を低減することができる。これら金属箔の厚みには、例えば、２０μｍ以上、かつ、３００μｍ以下のものを用いることができる。被覆のための接合には市販の接着剤を用いればよい。
【0073】
（第２のレセプタ）
第２のレセプタ４１は、従来のバーチャルインパクタにおける粒子捕集ノズルに相当する。第２のレセプタ４１の直径、配置、形状、および、素材は、第１の分級管３０での第１のレセプタ３１のものと同様でよい。第２のレセプタ４１の軸方向の長さは、第２のレセプタ４１の上端での直径の１倍以上、かつ、１０倍以下にすることができる。
第２のレセプタ４１は、従来のバーチャルインパクタにおける粒子捕集ノズルに相当する。第２のレセプタ４１の直径、配置、形状、および、素材は、第１の分級管３０での第１のレセプタ３１のものと同様でよい。第２のレセプタ４１の軸方向の長さは、第２のレセプタ４１の上端での直径の１倍以上、かつ、１０倍以下にすることができる。
【0074】
（小粒子側吸引装置）
バーチャルインパクタ１の小粒子側流出管５０から流出した空気は、小粒子側吸引装置５２に吸引される。小粒子側吸引装置５２には、誘引式のファンを用いることが好ましい。ファンの形式は、軸流ファン、シロッコファンなど様々なものを用いることができるが、大流量を小型の装置で実現するためには、軸流ファンが好ましく、装置をより軽量化するために、軸流ファンは単段であることがさらに好ましい。単段の軸流ファンには市販のものを用いることができる。様々な吸引装置形式のうち、単段の軸流ファンは、所定の吸引流量において軸方向の装置長さを最も短く設定することのできるもののひとつとなる。
バーチャルインパクタ１の小粒子側流出管５０から流出した空気は、小粒子側吸引装置５２に吸引される。小粒子側吸引装置５２には、誘引式のファンを用いることが好ましい。ファンの形式は、軸流ファン、シロッコファンなど様々なものを用いることができるが、大流量を小型の装置で実現するためには、軸流ファンが好ましく、装置をより軽量化するために、軸流ファンは単段であることがさらに好ましい。単段の軸流ファンには市販のものを用いることができる。様々な吸引装置形式のうち、単段の軸流ファンは、所定の吸引流量において軸方向の装置長さを最も短く設定することのできるもののひとつとなる。
【0075】
ファンの流量は、吸引した大気中の降下煤塵数が代表性を有するように十分な数の煤塵個数を測定周期の単位時間ごとに吸引するために、１００Ｌ／ｍｉｎ以上の能力のあることが好ましい。また、上記のように、降下煤塵を分級するためには、１３ｍ／ｓ以上のノズル吐出流速が必要である。このためには、少なくとも約１００Ｐａ以下の負圧に容器１０内を維持しなければならないため、ファンの揚程は、１００Ｌ／ｍｉｎの流量条件において少なくとも１００Ｐａ以上でなければならない。さらに、流入管２０や小粒子側流出管５０での圧力損失を考慮すると、ファンの揚程は、１００Ｌ／ｍｉｎの流量条件において２００Ｐａ以上であることが好ましい。これらの流量・揚程条件を同時に満たし、かつ、ＵＡＶに搭載する部品として許容される重量（例えば、１００ｇ）を満たすため、軸流ファンの回転数は高い回転数であることが好ましく、例えば、１００００ｒｐｍ以上の回転数のものを用いることができる。
【0076】
１００００ｒｐｍ以上の回転数の単段軸流ファンを用いたとしても１００Ｌ／ｍｉｎの流量条件において２００Ｐaを大きく超える圧力を得ることは簡単ではない。従って、流入管２０から容器１０内を通過して小粒子側流出管５０に至る流路においては圧力損失を極力低減する構造が好ましい。このためには、まず、この流路内にフィルタ等の抵抗体を配置しないことが好ましい。フィルタを設置しないと、低濃度とはいえ降下煤塵の一部が小粒子側吸引装置５２であるファンに到達する。測定場所が特に高濃度の発塵地域である場合には、煤塵によるファン運転への悪影響が懸念される。そのような場合には、市販の防塵型の軸流ファンなどを用いればよい。軸流ファンは、一般に回転羽根とケーシング間の隙間をブロワや圧縮機に比べてより大きく設定でき、煤塵の噛みこみトラブルに対して有利である。防塵型ブロワや防塵型圧縮機では、防塵対策をとる際には効率の低いダイヤフラム式のものを採用するなどして装置の大型化・重量増が避けられないのに対し、防塵型軸流ファンの場合、装置の重量増は比較的小さい。従って、軸流ファンを用いることが、軽量化のためにより有利である。また、管路の径も十分大きく（例：管路内流速が１０ｍ／ｓ未満となるような管径）、かつ、曲り部も可能な限り少なく設定できる。ファンの排気は、そのまま大気に放出してよい。
【0077】
尚、本実施形態では、小粒子側吸引装置５２に軸流ファンを用い、排気をそのまま放出した。しかし、例えば小粒子を回収する場合には、小粒子側吸引装置５２の上流にフィルタを設けるために、小粒子側吸引装置５２により高い揚程の得られる、圧縮機を用いてもよい。但し、上述したように装置が重くなる。
【0078】
（大粒子側吸引装置）
大粒子側吸引装置４３は、大粒子側流出管４０を経由して第２のレセプタ４１に接続され、第２のレセプタ４１に流入する降下煤塵と一部の空気を吸引する。大粒子側吸引装置４３の主目的は、濃縮された降下煤塵を煤塵処理器４４に供給することである。煤塵処理器４４は、その目的に応じて大粒子側吸引装置４３の下流、または、上流で大粒子側流出管４０より下流に設けることができる。煤塵処理器４４が煤塵捕集用のフィルタである場合には、煤塵処理器４４を大粒子側流出管４０と大粒子側吸引装置４３の間に設けることが好ましい。このように配置することによって大粒子側吸引装置４３内への煤塵の付着を防止できるとともに、大粒子側吸引装置４３を防塵仕様としなくてもよくなり、装置の軽量化を図れる。大粒子側吸引装置４３として防塵型のものを用いる場合には、煤塵処理器４４を必ずしも大粒子側吸引装置４３の上流に配置する必要はない。
大粒子側吸引装置４３は、大粒子側流出管４０を経由して第２のレセプタ４１に接続され、第２のレセプタ４１に流入する降下煤塵と一部の空気を吸引する。大粒子側吸引装置４３の主目的は、濃縮された降下煤塵を煤塵処理器４４に供給することである。煤塵処理器４４は、その目的に応じて大粒子側吸引装置４３の下流、または、上流で大粒子側流出管４０より下流に設けることができる。煤塵処理器４４が煤塵捕集用のフィルタである場合には、煤塵処理器４４を大粒子側流出管４０と大粒子側吸引装置４３の間に設けることが好ましい。このように配置することによって大粒子側吸引装置４３内への煤塵の付着を防止できるとともに、大粒子側吸引装置４３を防塵仕様としなくてもよくなり、装置の軽量化を図れる。大粒子側吸引装置４３として防塵型のものを用いる場合には、煤塵処理器４４を必ずしも大粒子側吸引装置４３の上流に配置する必要はない。
【0079】
大粒子側流出管４０から大粒子側吸引装置４３を経て大気を再び外気に放出する流路内には、煤塵処理器４４としてのフィルタが含まれ、フィルタでの圧力損失が生じるので、大粒子側吸引装置４３は小粒子側吸引装置５２よりもはるかに高揚程な形式のものを用いる。一方、大粒子側吸引装置４３では、濃縮されて流量が大きく減少した空気を処理すればよいので、小粒子側吸引装置５２ほどの大流量を処理する必要がない。
【0080】
そこで、大粒子側吸引装置４３には、ブロワまたは圧縮機を用いる。ブロワや圧縮機は、処理流量当たりの装置重量が軸流ファンに比べてはるかに大きい。しかし、本実施形態ではブロワまたは圧縮機で処理すべき流量を大幅に削減するように降下煤塵の濃縮度を上昇させているので、大粒子側吸引装置４３としてブロワまたは圧縮機を用いる場合でも、重量がファンである小粒子側吸引装置５２並みの軽量なもの（例えば、２００ｇ）でよい。ブロワまたは圧縮機の形式は、遠心式、斜流式、容積式等の各種の市販のものを用いることができる。即ち、ブロワまたは圧縮機の流量は、第２のレセプタ４１における吸引流量が第２のノズル３３からの吐出流量の１／１０以上となるように設定する。例えば、第１のノズル２１の吐出流量が１００Ｌ／ｍｉｎであり、第２のノズル３３の吐出流量が１５Ｌ／ｍｉｎの場合には、ブロワまたは圧縮機の流量は、１．５Ｌ／ｍｉｎ以上のものを用いる。
【0081】
なお、第１のノズル２１および第２のノズル３３の吐出流量に対してブロワまたは圧縮機の吸引流量は、ほとんど影響を与えない。ブロワまたは圧縮機の流量を大きく設定するほど分級効率は向上するものの、重量も増大する。特に、１０Ｌ／ｍｉｎ以上の市販のブロワまたは圧縮機は、小型ＵＡＶ搭載用としては重量が過大になるため、ブロワまたは圧縮機には１０Ｌ／ｍｉｎ未満のものを用いることができる。ブロワまたは圧縮機の揚程は、主にフィルタでの圧力損失を補償できる能力が必要であり、上記の流量条件において少なくとも１０００Ｐａ以上、好ましくは５０００Ｐａ以上であるものを用いることができる。ブロワまたは圧縮機の排気は、煤塵処理器４４に送るか、大気に放出してよい。
【0082】
（煤塵処理器）
煤塵処理器４４は、本実施形態での主な処理対象である降下煤塵を少なくとも処理するための装置である。ここで、「処理」とは、オフラインでの分析に供するために降下煤塵を捕集および貯留すること、または、オンラインで重量等の降下煤塵特性を測定する装置に降下煤塵を測定することを意味する。
煤塵処理器４４は、本実施形態での主な処理対象である降下煤塵を少なくとも処理するための装置である。ここで、「処理」とは、オフラインでの分析に供するために降下煤塵を捕集および貯留すること、または、オンラインで重量等の降下煤塵特性を測定する装置に降下煤塵を測定することを意味する。
【0083】
降下煤塵を捕集および貯留するための煤塵処理器４４には、バグフィルタやメンブレンフィルタ等のフィルタが捕集効率の観点から好ましい。フィルタによって降下煤塵を捕集および貯留する際には、降下煤塵よりも小径の粒子、例えば、ＳＰＭ（suspended particulate matter）やＰＭ２．５も同時に捕集および貯留してよい。こうすることで、より小径の粒子が下流に存在する大粒子側吸引装置４３内に流入して、大粒子側吸引装置４３の作動を阻害する現象を低減させることができる。このために、フィルタの目開きは、少なくとも降下煤塵の定義である１０μｍの粒子をほぼ１００％捕集できる必要があり、かつ、ブロワまたは圧縮機で問題となる寸法の煤塵の大半を捕集できることが好ましい。例えば、３μｍ以上の粒子を捕集するタイプのフィルタを用いることができる。
【0084】
（容器）
容器１０は、円筒体１１、天板１２、および、底板１３を接合したものであり、外気を吸引するために負圧に維持されるための密閉的な容器を構成する。但し、流入管２０は天板１２を貫通し、大粒子側流出管４０および小粒子側流出管５０はそれぞれ、円筒体１１または底板１３を貫通する。容器１０は、第１のノズル２１、第１の分級管３０、および、第２のレセプタ４１を内部に収容する。第１のノズル２１と第１の分級管３０との間の空気の流れ、および第１の分級管３０と第２のレセプタ４１との間の空気の流れに、周方向の偏差が生じて周方向の分級性能を変動させないために、容器１０は、軸対称（鉛直軸対称）であることが好ましい。尚、設計上の便宜などのために軸対称の設計が困難である場合には、正多角形断面などにしてもよい。
容器１０は、円筒体１１、天板１２、および、底板１３を接合したものであり、外気を吸引するために負圧に維持されるための密閉的な容器を構成する。但し、流入管２０は天板１２を貫通し、大粒子側流出管４０および小粒子側流出管５０はそれぞれ、円筒体１１または底板１３を貫通する。容器１０は、第１のノズル２１、第１の分級管３０、および、第２のレセプタ４１を内部に収容する。第１のノズル２１と第１の分級管３０との間の空気の流れ、および第１の分級管３０と第２のレセプタ４１との間の空気の流れに、周方向の偏差が生じて周方向の分級性能を変動させないために、容器１０は、軸対称（鉛直軸対称）であることが好ましい。尚、設計上の便宜などのために軸対称の設計が困難である場合には、正多角形断面などにしてもよい。
【0085】
（支持具）
支持具６０は、第１の分級管３０や第２のレセプタ４１を上述の適切な位置に保持するための固定用部品である。支持具６０は、容器１０内に配置されるが、ここでの圧力損失を可能な限り生じないように小型に設定される。支持具６０には、第１の分級管３０または第２のレセプタ４１を固定でき、かつ、容器１０内の流れを大きく阻害することのないものであれば、どのような形状のものでも用いることができる。例えば、円筒体１１の内壁と、第１の分級管３０の外壁または第２のレセプタ４１の外壁とを接続する棒を用いることができる。あるいは、天板１２または底板１３の内壁と、第１の分級管３０の外壁または第２のレセプタ４１の外壁とを接続する棒を用いることも可能である。支持具６０には、図６に示すように容器１０内の空気が通過する開口部６１が形成される。容器１０内での圧力損失に大きな影響を与えないために、支持具６０の水平断面積は、容器１０の水平断面積の少なくとも５０％以下が好ましく、３０％以下であることがさらに好ましい。
支持具６０は、第１の分級管３０や第２のレセプタ４１を上述の適切な位置に保持するための固定用部品である。支持具６０は、容器１０内に配置されるが、ここでの圧力損失を可能な限り生じないように小型に設定される。支持具６０には、第１の分級管３０または第２のレセプタ４１を固定でき、かつ、容器１０内の流れを大きく阻害することのないものであれば、どのような形状のものでも用いることができる。例えば、円筒体１１の内壁と、第１の分級管３０の外壁または第２のレセプタ４１の外壁とを接続する棒を用いることができる。あるいは、天板１２または底板１３の内壁と、第１の分級管３０の外壁または第２のレセプタ４１の外壁とを接続する棒を用いることも可能である。支持具６０には、図６に示すように容器１０内の空気が通過する開口部６１が形成される。容器１０内での圧力損失に大きな影響を与えないために、支持具６０の水平断面積は、容器１０の水平断面積の少なくとも５０％以下が好ましく、３０％以下であることがさらに好ましい。
【0086】
（材質）
煤塵採取管２３、流入管２０、第１のノズル２１、第１の分級管３０、第２のレセプタ４１、大粒子側流出管４０を経由して大粒子側吸引装置４３または煤塵処理器４４に至る流路の内面は、平滑な導電性材料を用いることが好ましい。このようにすることで、材料表面での静電気の蓄積を抑制し、流路の途中で内壁面に付着する降下煤塵を削減してより正確な捕集や測定を行うことができる。この目的のためには、これらの部品の材質として金属、例えば、ステンレス鋼、アルミニウムまたはその合金、チタンまたはその合金、若しくは、グラファイトを用いることができる。
煤塵採取管２３、流入管２０、第１のノズル２１、第１の分級管３０、第２のレセプタ４１、大粒子側流出管４０を経由して大粒子側吸引装置４３または煤塵処理器４４に至る流路の内面は、平滑な導電性材料を用いることが好ましい。このようにすることで、材料表面での静電気の蓄積を抑制し、流路の途中で内壁面に付着する降下煤塵を削減してより正確な捕集や測定を行うことができる。この目的のためには、これらの部品の材質として金属、例えば、ステンレス鋼、アルミニウムまたはその合金、チタンまたはその合金、若しくは、グラファイトを用いることができる。
【0087】
一方、上記の流路以外に接する部位（即ち、実質的に小粒子のみが通過する流路）は、必ずしも導電性材料である必要はない。その第１の理由は、本実施形態においては小粒子を捕集することを特段の目的としているわけではないからである。第２の理由は、仮に、小粒子がこのような流路で内壁面に付着したとしても、その下流で大粒子の流路と交わることはないので、目的とする大粒子（降下煤塵）の捕集や測定に対して悪影響を与えないからである。従って、小粒子のみが通過する流路には金属を用いてもよいが、軽量な非金属材料、例えば、合成樹脂を用いることもできる。
【0088】
［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。本実施形態のバーチャルインパクタ１は、第１の実施形態での第１の分級管３０と第２のレセプタ４１との間に、さらに別の第２の分級管８０を追加したものである。以下においては、上流側の分級管が第１の分級管３０であり、下流側の分級管が第２の分級管８０である。
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。本実施形態のバーチャルインパクタ１は、第１の実施形態での第１の分級管３０と第２のレセプタ４１との間に、さらに別の第２の分級管８０を追加したものである。以下においては、上流側の分級管が第１の分級管３０であり、下流側の分級管が第２の分級管８０である。
【0089】
なお、分級管を３個以上、同軸上に配置する場合でも以下の説明での考え方を容易に応用できる。その構造の概念を、図８を用いて説明する。図８では、第１のノズル２１が最初のノズルであり、第２の分級管８０が最後の分級管であり、第３のレセプタ８４が最後のレセプタである。尚、第２の分級管８０を追加した以外は、原則、第１の実施形態と同様である。
【0090】
第２の分級管８０における構造および配置の考え方は、第１の実施形態における第１の分級管３０での説明と同様である。即ち、第２の分級管８０は、第１の分級管３０と同様の構成を有し、第２のレセプタ８１、テーパ部８２、第３のノズル８３を備える。
【0091】
第２の分級管８０を設けた場合、当該第２の分級管８０の下方に第３のレセプタ８４が設けられる。第３のレセプタ８４の下端は大粒子側流出管４０に接続され、上端には孔である大粒子側流出口８５が形成される。第２の分級管８０から吐出される降下煤塵の大半は一部の空気とともに第３のレセプタ８４内に流入する（第３の空気の流れ７３）のに対し、第２の分級管８０から吐出された空気の過半は、第３のレセプタ８４を迂回して（第４の空気の流れ７４）、第１の空気の流れ７１および第２の空気の流れ７２とともに小粒子側の流路に合流する。その結果、本実施形態では降下煤塵の濃縮度を、第１の実施形態よりもさらに向上させることができる。そして、大粒子側吸引装置４３や煤塵処理器４４に、より小型の装置を用いることができる。
【0092】
第３のレセプタ８４への流入流量は、第１の実施形態よりも減少するので、第３のレセプタ８４の直径は、第１の実施形態で示した第２のレセプタ４１よりも小さく設定する必要があり、その好適な範囲は、第１の実施形態で説明したものと同様である。具体的には、第３のレセプタ８４の直径は、隣接する上流側の第３のノズル８３の直径の１．２倍以上、かつ、１．５倍以下であることが好ましい。
【0093】
吸引する外気の流量条件が同じ場合、第２の分級管８０を追加したことによる容器１０内での所要静圧は、第１の実施形態とほぼ同じである。これは、第２の分級管８０を通過する空気の流路には、急拡大、急縮小、または、曲率の大きな流路変更といった圧力損失を生じやすい部位が存在しないからである。従って、本実施形態では、第１の実施形態で説明した仕様の軸流ファンを小粒子側吸引装置５２として用いることができる。
【0094】
このように、分級管３０、８０は、同軸上にいくつでも配置することができ、第２の分級管８０の下流に、第３、第４の分級管を設けることも可能である。但し、分級管３０、８０の数を増加させれば、それに対応してバーチャルインパクタ１全体の長さが増加して重量増となるので、分級管３０、８０の増加による重量増の影響と、分級管増加による分級効率向上効果を総合的に考慮して分級管の妥当な数量を決定する。
【0095】
［第３の実施形態］
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。本実施形態のバーチャルインパクタ１は、第１の実施形態において小粒子側吸引装置５２である軸流ファンを、底板１３に直接に接続したものである。その構造の概念を、図９を用いて説明する。小粒子側吸引装置５２の配置以外は、原則、第１の実施形態と同様である。
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。本実施形態のバーチャルインパクタ１は、第１の実施形態において小粒子側吸引装置５２である軸流ファンを、底板１３に直接に接続したものである。その構造の概念を、図９を用いて説明する。小粒子側吸引装置５２の配置以外は、原則、第１の実施形態と同様である。
【0096】
本実施形態では底板１３に、小粒子側流出口５１が形成される。小粒子側流出口５１は、小粒子側吸引装置５２である軸流ファンの流入開口面積相当以上の大きさの開口であり、容器１０内の第１の空気の流れ７１および第２の空気の流れ７２は、ほとんど抵抗を受けることなく、小粒子側吸引装置５２に流入し、そのまま、小粒子側吸引装置５２で昇圧を受けて外気に放出される。このため、本実施形態では小粒子側流出管５０での圧力損失がないため、小粒子側吸引装置５２には、より低い揚程の軸流ファンを採用することができるとともに、装置全体もより小型化できるので、軽量化の点で有利である。
【0097】
［第１～３の実施形態の変形例］
以上の第１～第３の実施形態のバーチャルインパクタ１は、鉛直方向の中心軸を備えた容器１０内に、最初のノズル（第１のノズル２１）、最後の分級管を含む分級管（第１の分級管３０、第２の分級管８０）、最後のレセプタ（第２のレセプタ４１、第３のレセプタ８４）をこの順で、互いに鉛直方向に同軸となるように設けた。この点、容器１０、最初のノズル、最後の分級管を含む分級管、並びに、最後のレセプタのそれぞれの中心軸は、鉛直方向から若干傾斜してもよい。例えば、バーチャルインパクタ１をＵＡＶに搭載すると、ＵＡＶは飛行中に傾き、バーチャルインパクタ１の中心軸も傾斜する。この場合でも、バーチャルインパクタ１は、捕集した降下煤塵を分級することは十分に可能である。
以上の第１～第３の実施形態のバーチャルインパクタ１は、鉛直方向の中心軸を備えた容器１０内に、最初のノズル（第１のノズル２１）、最後の分級管を含む分級管（第１の分級管３０、第２の分級管８０）、最後のレセプタ（第２のレセプタ４１、第３のレセプタ８４）をこの順で、互いに鉛直方向に同軸となるように設けた。この点、容器１０、最初のノズル、最後の分級管を含む分級管、並びに、最後のレセプタのそれぞれの中心軸は、鉛直方向から若干傾斜してもよい。例えば、バーチャルインパクタ１をＵＡＶに搭載すると、ＵＡＶは飛行中に傾き、バーチャルインパクタ１の中心軸も傾斜する。この場合でも、バーチャルインパクタ１は、捕集した降下煤塵を分級することは十分に可能である。
【0098】
また、最初のノズル（第１のノズル２１）、最後の分級管を含む分級管（第１の分級管３０、および第２の分級管８０）、最後のレセプタ（第２のレセプタ４１、第３のレセプタ８４）を、それぞれの中心軸が水平方向になるように容器１０内に設けてもよい。大粒子の捕集効率が悪化するおそれもあるが、要求される用途に応じて、このような分級装置も使用可能である。
【実施例】
【0099】
［実施例１］
第３の実施形態のバーチャルインパクタを製作して性能を評価した。装置条件は、以下のとおりである。
第３の実施形態のバーチャルインパクタを製作して性能を評価した。装置条件は、以下のとおりである。
【0100】
煤塵採取管２３： 長さ１００ｍｍ、内径１４ｍｍのアルミ管と、長さ１００ｍｍ内径、２０ｍｍのアルミ管とを接合して、９０°曲がり管とした。内径１４ｍｍ管の末端が流入管２０に接続される。
天板１２、流入管２０、および、第１のノズル２１： アルミのブロックから削り出した一体物として製作し、流入管２０および第１のノズル２１を、内径１４ｍｍ、長さ２０ｍｍの直管となるようにした。煤塵採取管２３の下端と流入管２０の上端を、ビニルチューブを介して接続した。
第１の分級管３０： 第１のノズル２１の下端から軸方向に８ｍｍ下方に、内径１７ｍｍの第１のレセプタ３１の上端が位置するように配置した。第１のレセプタ３１の軸方向長さを５ｍｍとし、傾斜角７０°のテーパ部３２を設け、テーパ部３２の下端で内径が４ｍｍで軸方向長さが８ｍｍの第２のノズル３３と接続されるようにアルミブロックから削り出した。
第２のレセプタ４１： 第１の分級管３０の下端から２ｍｍ下方に、第２のレセプタ４１の上端が位置するように配置した。第２のレセプタ４１は、内径が６ｍｍで軸方向長さが１０ｍｍとなるようにアルミブロックから削り出した。
大粒子側流出管４０： 内径６ｍｍのステンレス製９０°曲がり管の下端に内径６ｍｍのステンレス製直管を溶接して製作した。この直管は、円筒体１１を貫通させ、貫通部においてこの直管の外壁を円筒体１１に接着剤で固定した。曲がり管の上端部を、ビニルチューブを介して第２のレセプタ４１の下端に接続した。
円筒体１１： 内径５０ｍｍで軸方向長さ９０ｍｍの硬質塩化ビニール製チューブを用いた。
底板１３： 外径５５ｍｍで内径４０ｍｍの硬質塩化ビニール製のリングとし、円筒体１１の下端に接着剤で接着した。また、底板１３にはファンを取り付けるためのネジ孔を設けた。
支持具６０： 内輪、外輪、および、スポークから構成される車輪状の構造とし、内輪の内側に第１の分級管３０を篏合させ、外輪の周囲を円筒体１１の内壁に接着することで、第１の分級管３０を容器１０内に固定した。容器１０の軸方向での支持具６０の開口率を８５％とした。同様の構造の支持具６０を用いて第２のレセプタ４１も容器１０内に固定した。
煤塵処理器４４： 降下煤塵を捕集するためのフィルタであって、フィルタ形式はホルダに収納されたメンブランフィルタであり、フィルタの直径は２５ｍｍ、捕集径５μｍの市販品を用いた。このフィルタの流入口を大粒子側流出管４０の下流側端部にビニルチューブを介して接続した。
大粒子側吸引装置４３： 市販のダイヤフラム型圧縮機を用いた。圧縮機の仕様は、重量が１５０ｇ、流量が最大４Ｌ／ｍｉｎ、揚程が最大４０ｋＰaである。この圧縮機の流入口を煤塵処理器４４の流出口に、ビニルチューブを介して接続した。
小粒子側吸引装置５２： 市販の単段の軸流ファンを用いた。ファンの仕様は、重量が７０ｇ、羽根車の外径（羽根を含む）が３５ｍｍ、流入口内径が３７ｍｍ、最大回転数が１５０００ｒｐｍ、流量が最大５００Ｌ／ｍｉｎ、揚程が最大３００Ｐａである。ファンの流入口を上向きとし、ファンの回転中心軸が容器１０の中心軸と一致するようにファンを底板１３に密着させてボルトで締結した。
尚、大粒子側吸引装置４３および小粒子側吸引装置５２の動力源として、図示しない、容量１０Ｗｈのリチウムイオン蓄電池を用いた。
天板１２、流入管２０、および、第１のノズル２１： アルミのブロックから削り出した一体物として製作し、流入管２０および第１のノズル２１を、内径１４ｍｍ、長さ２０ｍｍの直管となるようにした。煤塵採取管２３の下端と流入管２０の上端を、ビニルチューブを介して接続した。
第１の分級管３０： 第１のノズル２１の下端から軸方向に８ｍｍ下方に、内径１７ｍｍの第１のレセプタ３１の上端が位置するように配置した。第１のレセプタ３１の軸方向長さを５ｍｍとし、傾斜角７０°のテーパ部３２を設け、テーパ部３２の下端で内径が４ｍｍで軸方向長さが８ｍｍの第２のノズル３３と接続されるようにアルミブロックから削り出した。
第２のレセプタ４１： 第１の分級管３０の下端から２ｍｍ下方に、第２のレセプタ４１の上端が位置するように配置した。第２のレセプタ４１は、内径が６ｍｍで軸方向長さが１０ｍｍとなるようにアルミブロックから削り出した。
大粒子側流出管４０： 内径６ｍｍのステンレス製９０°曲がり管の下端に内径６ｍｍのステンレス製直管を溶接して製作した。この直管は、円筒体１１を貫通させ、貫通部においてこの直管の外壁を円筒体１１に接着剤で固定した。曲がり管の上端部を、ビニルチューブを介して第２のレセプタ４１の下端に接続した。
円筒体１１： 内径５０ｍｍで軸方向長さ９０ｍｍの硬質塩化ビニール製チューブを用いた。
底板１３： 外径５５ｍｍで内径４０ｍｍの硬質塩化ビニール製のリングとし、円筒体１１の下端に接着剤で接着した。また、底板１３にはファンを取り付けるためのネジ孔を設けた。
支持具６０： 内輪、外輪、および、スポークから構成される車輪状の構造とし、内輪の内側に第１の分級管３０を篏合させ、外輪の周囲を円筒体１１の内壁に接着することで、第１の分級管３０を容器１０内に固定した。容器１０の軸方向での支持具６０の開口率を８５％とした。同様の構造の支持具６０を用いて第２のレセプタ４１も容器１０内に固定した。
煤塵処理器４４： 降下煤塵を捕集するためのフィルタであって、フィルタ形式はホルダに収納されたメンブランフィルタであり、フィルタの直径は２５ｍｍ、捕集径５μｍの市販品を用いた。このフィルタの流入口を大粒子側流出管４０の下流側端部にビニルチューブを介して接続した。
大粒子側吸引装置４３： 市販のダイヤフラム型圧縮機を用いた。圧縮機の仕様は、重量が１５０ｇ、流量が最大４Ｌ／ｍｉｎ、揚程が最大４０ｋＰaである。この圧縮機の流入口を煤塵処理器４４の流出口に、ビニルチューブを介して接続した。
小粒子側吸引装置５２： 市販の単段の軸流ファンを用いた。ファンの仕様は、重量が７０ｇ、羽根車の外径（羽根を含む）が３５ｍｍ、流入口内径が３７ｍｍ、最大回転数が１５０００ｒｐｍ、流量が最大５００Ｌ／ｍｉｎ、揚程が最大３００Ｐａである。ファンの流入口を上向きとし、ファンの回転中心軸が容器１０の中心軸と一致するようにファンを底板１３に密着させてボルトで締結した。
尚、大粒子側吸引装置４３および小粒子側吸引装置５２の動力源として、図示しない、容量１０Ｗｈのリチウムイオン蓄電池を用いた。
【0101】
このバーチャルインパクタ１を風洞内に煤塵採取管２３の流入口が風上を向くように設置した。小粒子側吸引装置５２の流出口に面積１ｍ２のフィルタを装着した。風洞内の風速を４ｍ／ｓに設定し、煤塵採取管２３の風上で、直径１０μｍ以上のアルミナ粒子を風洞内に連続的に散布した。バーチャルインパクタ１の圧縮機を２Ｌ／ｍｉｎの流量、かつ、１０ｋＰaの揚程の条件で運転するとともに、ファンを１００Ｌ／ｍｉｎの流量、かつ、１５０Ｐａの揚程の条件で運転した。１０分間の運転の後に煤塵処理器４４であるフィルタと小粒子側流出口５１に装着したフィルタを回収し、それぞれ秤量して捕集されたアルミナ粒子の質量を算出して両者を比較した。その結果、煤塵処理器４４のフィルタで捕集された粒子質量は、小粒子側吸引装置５２に装着されたフィルタでの質量の約２倍であった。即ち、煤塵採取管２３から流入した降下煤塵のうち、大半（２／３の割合）を煤塵処理器４４に導くことができた。従って、本実施例において、降下煤塵相当の粒径の粒子を約３０倍に濃縮することができた（大粒子側流出管４０では煤塵採取管２３から流入した空気のうち、２／（１００＋２）の割合が通過するとともに、煤塵採取管２３から流入した粒子のうち、２／３の割合が通過した）。
【0102】
［実施例２］
実施例１と同様のバーチャルインパクタ１（重量１．５ｋｇ）を、市販の４ロータ式マルチコプタ型の小型無人航空機（機体重量４ｋｇ、搭載可能重量２ｋｇ）に搭載し、煤塵採取管２３の流入口をこの小型無人航空機の飛行方向に向けて設置して、平均４ｍ／ｓの対地速度でこの小型無人航空機を屋外で１分間飛行させた。飛行中にバーチャルインパクタ１の圧縮機を２Ｌ／ｍｉｎの流量、かつ、１０ｋＰaの揚程の条件で運転するとともに、バーチャルインパクタ１のファンを１００Ｌ／ｍｉｎの流量、かつ、１５０Ｐａの揚程の条件で運転した。
実施例１と同様のバーチャルインパクタ１（重量１．５ｋｇ）を、市販の４ロータ式マルチコプタ型の小型無人航空機（機体重量４ｋｇ、搭載可能重量２ｋｇ）に搭載し、煤塵採取管２３の流入口をこの小型無人航空機の飛行方向に向けて設置して、平均４ｍ／ｓの対地速度でこの小型無人航空機を屋外で１分間飛行させた。飛行中にバーチャルインパクタ１の圧縮機を２Ｌ／ｍｉｎの流量、かつ、１０ｋＰaの揚程の条件で運転するとともに、バーチャルインパクタ１のファンを１００Ｌ／ｍｉｎの流量、かつ、１５０Ｐａの揚程の条件で運転した。
【0103】
飛行後にフィルタを回収し、フィルタ表面を顕微鏡撮影してその画像を用いて画像処理によって粒径分布の計測を行った。その結果、粒径がφ１０μｍ以上、かつ、φ２０μｍ未満である降下煤塵の粒径範囲相当の粒子を３５個識別でき、統計処理を行ううえで十分な数の降下煤塵数を捕集することができた。
【0104】
［比較例１］
実施例１の装置において、第１の分級管３０の下端と第２のレセプタ４１の上端の間をビニルチューブで接続して実質的に従来方式の単段のバーチャルインパクタとした。これ以外の条件を実施例１と同様にして風洞実験を行った。その結果、大粒子側流出管４０では、煤塵採取管２３から流入した空気のうち、２／（１００＋２）の割合が通過するとともに、煤塵採取管２３から流入した粒子のうち、２０％の割合が通過した。即ち、降下煤塵相当の粒径の粒子を約１０倍に濃縮するに留まった。このように、従来のバーチャルインパクタの形式を用いて大粒子側吸引装置４３での吸引流量を小粒子側吸引装置５２のものに対して極端に小さく設定すれば、ある程度の煤塵濃縮効果の向上を期待できるものの、降下煤塵の捕集効率（煤塵採取管２３から流入した降下煤塵のうち、大粒子側流出管４０に導かれる降下煤塵の割合）が著しく低下するという問題が生じる。また、このように低い捕集効率においては、粒子性状（例えば、粒径や粒子密度）の変動によって捕集効率が大きく変動して測定精度を低下させる問題が生じる。
実施例１の装置において、第１の分級管３０の下端と第２のレセプタ４１の上端の間をビニルチューブで接続して実質的に従来方式の単段のバーチャルインパクタとした。これ以外の条件を実施例１と同様にして風洞実験を行った。その結果、大粒子側流出管４０では、煤塵採取管２３から流入した空気のうち、２／（１００＋２）の割合が通過するとともに、煤塵採取管２３から流入した粒子のうち、２０％の割合が通過した。即ち、降下煤塵相当の粒径の粒子を約１０倍に濃縮するに留まった。このように、従来のバーチャルインパクタの形式を用いて大粒子側吸引装置４３での吸引流量を小粒子側吸引装置５２のものに対して極端に小さく設定すれば、ある程度の煤塵濃縮効果の向上を期待できるものの、降下煤塵の捕集効率（煤塵採取管２３から流入した降下煤塵のうち、大粒子側流出管４０に導かれる降下煤塵の割合）が著しく低下するという問題が生じる。また、このように低い捕集効率においては、粒子性状（例えば、粒径や粒子密度）の変動によって捕集効率が大きく変動して測定精度を低下させる問題が生じる。
【産業上の利用可能性】
【0105】
本発明は、大気中の降下煤塵を分級する際に有用である。
【符号の説明】
【0106】
１ バーチャルインパクタ
１０ 容器
１１ 円筒体
１２ 天板
１３ 底板
２０ 流入管
２１ 第１のノズル
２２ 流入口
２３ 煤塵採取管
３０ 第１の分級管
３１ 第１のレセプタ
３２ テーパ部
３３ 第２のノズル
３４ 傾斜面
３５ 傾斜角
４０ 大粒子側流出管
４１ 第２のレセプタ
４２ 大粒子側流出口
４３ 大粒子側吸引装置
４４ 煤塵処理器
５０ 小粒子側流出管
５１ 小粒子側流出口
５２ 小粒子側吸引装置
６０ 支持具
６１ 開口部
７１ 第１の空気の流れ
７２ 第２の空気の流れ
７３ 第３の空気の流れ
７４ 第４の空気の流れ
８０ 第２の分級管
８１ 第２のレセプタ
８２ テーパ部
８３ 第３のノズル
８４ 第３のレセプタ
８５ 大粒子側流出口
９１ 粗大粒子の第１の経路
９２ 粗大粒子の第２の経路
９３ 粗大粒子の第３の経路
１００ 従来のバーチャルインパクタ
１１０ 従来の容器
１１１ 従来の円筒体
１１２ 従来の天板
１１３ 従来の底板
１１４ 従来の仕切板
１２０ 従来の流入管
１２１（１２１Ａ、１２１Ｂ） 従来の大粒子側流出管
１２２ 従来の小粒子側流出管
１２３（１２３Ａ、１２３Ｂ） 従来のノズル
１２４（１２４Ａ、１２４Ｂ） 従来のレセプタ
１２５ 大粒子側吸引装置
１２６ 小粒子側吸引装置
１２７（１２７Ａ、１２７Ｂ） 従来の煤塵処理器
１２８（１２８Ａ、１２８Ｂ） 従来の支持具
１３１ 従来の第１の空気の流れ
１３２ 従来の第２の空気の流れ
１３３ 従来の第３の空気の流れ
１３４ 従来の第４の空気の流れ
１０ 容器
１１ 円筒体
１２ 天板
１３ 底板
２０ 流入管
２１ 第１のノズル
２２ 流入口
２３ 煤塵採取管
３０ 第１の分級管
３１ 第１のレセプタ
３２ テーパ部
３３ 第２のノズル
３４ 傾斜面
３５ 傾斜角
４０ 大粒子側流出管
４１ 第２のレセプタ
４２ 大粒子側流出口
４３ 大粒子側吸引装置
４４ 煤塵処理器
５０ 小粒子側流出管
５１ 小粒子側流出口
５２ 小粒子側吸引装置
６０ 支持具
６１ 開口部
７１ 第１の空気の流れ
７２ 第２の空気の流れ
７３ 第３の空気の流れ
７４ 第４の空気の流れ
８０ 第２の分級管
８１ 第２のレセプタ
８２ テーパ部
８３ 第３のノズル
８４ 第３のレセプタ
８５ 大粒子側流出口
９１ 粗大粒子の第１の経路
９２ 粗大粒子の第２の経路
９３ 粗大粒子の第３の経路
１００ 従来のバーチャルインパクタ
１１０ 従来の容器
１１１ 従来の円筒体
１１２ 従来の天板
１１３ 従来の底板
１１４ 従来の仕切板
１２０ 従来の流入管
１２１（１２１Ａ、１２１Ｂ） 従来の大粒子側流出管
１２２ 従来の小粒子側流出管
１２３（１２３Ａ、１２３Ｂ） 従来のノズル
１２４（１２４Ａ、１２４Ｂ） 従来のレセプタ
１２５ 大粒子側吸引装置
１２６ 小粒子側吸引装置
１２７（１２７Ａ、１２７Ｂ） 従来の煤塵処理器
１２８（１２８Ａ、１２８Ｂ） 従来の支持具
１３１ 従来の第１の空気の流れ
１３２ 従来の第２の空気の流れ
１３３ 従来の第３の空気の流れ
１３４ 従来の第４の空気の流れ
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】