特許 7397428 多連サンプラー装置

(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】

(24)【登録日】2023-12-05

(45)【発行日】2023-12-13

(54)【発明の名称】多連サンプラー装置

(51)【国際特許分類】

   G01N 1/02 20060101AFI20231206BHJP

   G01N 1/04 20060101ALI20231206BHJP

【ＦＩ】

G01N1/02 B

G01N1/04 M

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2020090236

(22)【出願日】2020-05-25

(65)【公開番号】P2021185343

(43)【公開日】2021-12-09

【審査請求日】2023-02-13

(73)【特許権者】

【識別番号】598121341

【氏名又は名称】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】弁理士法人筒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】奥田 知明

(72)【発明者】

【氏名】草苅 輝

【審査官】北条 弥作子

(56)【参考文献】

【文献】特表平０８－５０６９０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－０７０２２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０２０／０８４５６８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００４－００９１６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１０２７４３９２４（ＣＮ，Ａ）

【文献】特開２００３－３２３２１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１２－５１００４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５０－０７１３８６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｎ １／００～ １／４４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

大気中の粒子を微小粒子と粗大粒子とに分粒するインパクター、および前記インパクターにより分粒された微小粒子を採取するフィルターを備えた複数のサンプラーと、
それぞれの前記サンプラーに設けられ前記フィルターを通過した空気を排出する排気管が接続される連通支持管と、
前記連通支持管に接続され、それぞれの前記サンプラーに流入する気流を形成する真空ポンプと、
スロート部、当該スロート部に向けて内径が小径となるサンプラー側の上流側流路、および前記スロート部から内径が大きくなる真空ポンプ側の下流側流路を備える臨界ノズルと、
前記上流側流路の上流圧力と前記下流側流路の下流圧力との圧力比が臨界背圧比以下となる流量に前記真空ポンプの流量を設定する流量制御部と、
を有し、
それぞれの前記サンプラーに設けられた前記排気管にそれぞれ前記臨界ノズルを設けた、多連サンプラー装置。

【請求項2】

請求項１記載の多連サンプラー装置において、
前記インパクターは、
複数のノズル孔が設けられたノズル板と、
前記ノズル孔を通過した後に蛇行する気流に含まれる微小粒子が通過する貫通孔を備え、前記ノズル孔を通過した気流に含まれ直進する粗大粒子が衝突する衝突板と、を有する、多連サンプラー装置。

【請求項3】

請求項１または２記載の多連サンプラー装置において、
前記真空ポンプは、ダイアフラム型である、多連サンプラー装置。

【請求項4】

請求項１～３のいずれか１項に記載の多連サンプラー装置において、
前記サンプラーは、前記インパクターの上流側に配置される付加的インパクターを有し、
前記付加的インパクターは、
前記インパクターのノズル孔よりも大径の付加ノズル孔が設けられたノズル板と、
前記付加ノズル孔を通過した後に蛇行する気流に含まれる粒子が通過する貫通孔を備え、前記付加ノズル孔を通過した気流に含まれ直進する粒子が衝突する衝突板と、を有する、多連サンプラー装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、大気中に含まれる微小粒子状物質を同一条件で付着させた複数のフィルターサンプルを同時に採取するための多連サンプラー装置に関する。

【背景技術】

【0002】

大気中に浮遊している粒子は、多種類の混合物からなる粒子状物質であり、粒径に応じて呼吸器系の各部位に沈着し、人の健康に影響を与える。中でも、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と言われており、粒子の大きさが非常に小さいことから、肺の奥まで入りやすく、喘息や気管支炎などの呼吸器系の疾患への影響のほか、肺がんのリスクの上昇や循環器系への影響が懸念されている。

【0003】

ＰＭ２．５つまり微小粒子の環境基準が定められているため、微小粒子を測定することによって環境基準の達成状況を把握し、地域毎の特色に応じた対策を検討する必要がある。また、成分分析の継続的な実施は、微小粒子の経年推移や対策の結果検証につながる。したがって、微小粒子の測定および成分分析は重要である。微小粒子は、多種多様な成分で構成され、それぞれ異なる濃度レベルにあり、成分毎に分析方法も多岐にわたる。このような分析において、複数の各分析機関同士の結果の妥当性を担保し、一定の精度を確保するためには、精度管理を行う必要がある。同質試料を各分析機関に配布し、その分析結果を解析、比較する外部精度管理のためには、精度管理用試料として複数の同等のフィルターサンプルが必要である。

【0004】

特許文献１には、複数のインパクターからなるカスケードインパクターと、微小粒子を捕集するフィルターとを備えた微小粒子サンプラーが記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２００８－７０２２２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

特許文献１に記載されるように、フィルターに微小粒子を付着させてフィルターサンプルを採取するようにした従来の微小粒子サンプラーにおいては、１台のサンプラーにより得られるフィルターサンプルは1個のみである。

【0007】

したがって、一度に複数の同質試料を得るためには一定流量のサンプラーが複数必要である。しかし、複数のサンプラーにより同一条件で複数のフィルターサンプルを採取するには、全てのサンプラーを同一の流量で作動させるために、それぞれのサンプラーの流量のばらつきを抑制する必要がある。このため、それぞれのサンプラーに流量計を設置し、流量計から得られたデータに基づいてフィルターに流れる空気の流量をフィードバック制御する制御装置をそれぞれのサンプラーに設置する必要がある。

【0008】

しかしながら、それぞれのサンプラーの流量を、流量計を用いて高精度で制御することは困難であり、サンプラーの製造コストが高くなるだけでなく、サンプラーの複雑化、大型化が避けられない。

【0009】

本発明の目的は、同一条件のもとで微小粒子が付着した複数のフィルターサンプルを採取し得る簡単な構造の多連サンプラーを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明の多連サンプラー装置は、大気中の粒子を微小粒子と粗大粒子とに分粒するインパクター、および前記インパクターにより分粒された微小粒子を採取するフィルターを備えた複数のサンプラーと、それぞれの前記サンプラーに設けられ前記フィルターを通過した空気を排出する排気管が接続される連通支持管と、前記連通支持管に接続され、それぞれの前記サンプラーに流入する気流を形成する真空ポンプと、スロート部、当該スロート部に向けて内径が小径となるサンプラー側の上流側流路、および前記スロート部から内径が大きくなる真空ポンプ側の下流側流路を備える臨界ノズルと、前記上流側流路の上流圧力と前記下流側流路の下流圧力との圧力比が臨界背圧比以下となる流量に前記真空ポンプの流量を設定する流量制御部と、を有し、それぞれの前記サンプラーに設けられた前記排気管にそれぞれ前記臨界ノズルを設けた。

【発明の効果】

【0011】

単一の真空ポンプにより複数のサンプラーの内部に気流を生成し、臨界ノズルによりそれぞれのサンプラーに流れる気流の流速を同一流量に設定するようにしたので、それぞれのサンプラーに流れる気流の流速を制御することなく、簡単な構造で、複数のフィルターに対して同一の流速で空気を透過させることができる。したがって、測定領域の大気に含まれる微小粒子を含む複数のフィルターサンプルを同時に採取することができ、微小粒子の元素成分がほぼ同様となって採取された複数のサンプルを用いて、種々の分析方法によって、同種のサンプルを分析することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明の一実施の形態の多連サンプラー装置を示す正面図である。

【図2】図１に示されたサンプラーと臨界ノズルとを示す拡大正面図である。

【図3】図２に示されたサンプラーの半断面図である。

【図4】図３におけるＡ-Ａ線断面図である。

【図5】臨界ノズルの断面図である。

【図6】真空ポンプの概略構造を示す断面図である。

【図7】サンプラーの変形例を示す半断面図である。

【図8】他の実施の形態である多連サンプラー装置を示す正面図である。

【図9】スロート径と臨界ノズルを流れる気体の固定流量との関係を示す特性線図である。

【図10】スロート径が相違する４種類の臨界ノズルについて、気体の流量と背圧比との関係を示す特性線図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

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に示されるように、多連サンプラー装置１０は、５つのサンプラー１１と１つのダミーサンプラー１２とを有している。サンプラー１１は排気管１３により連通支持管１４に装着され、ダミーサンプラー１２は取付管１５により連通支持管１４に装着されている。連通支持管１４は台座１６により支持台２１の天板２２の上に取り付けられ、支持台２１の底板２３には真空ポンプ２４が配置されている。真空ポンプ２４の吸入ポートに接続される真空配管２５は連通支持管１４に接続されており、それぞれのサンプラー１１の内部には、真空ポンプ２４の吸引力により上部から排気管１３に向けて気流が生成される。ただし、ダミーサンプラー１２の取付管１５には、閉塞部材１７が設けられており、ダミーサンプラー１２の内部には気流は生成されない。

【0014】

それぞれのサンプラー１１は、図２および図３に示されるように、基部ステージ３１と、基部ステージ３１に取り付けられる第１の中間ステージ３２と、第１の中間ステージ３２に取り付けられる第２の中間ステージ３３と、中間ステージ３３に取り付けられるトップカバー３４とを有しており、それぞれ透明性の樹脂材料により成形されている。ダミーサンプラー１２もサンプラー１１と同一構造である。

【0015】

基部ステージ３１は、図３に示されるように、円筒部３５とこれと一体の環状の上端壁部３６とを有し、上端壁部３６には基部ステージ３１の下端部に向けて漸次内径が小さくなったテーパ部３７が一体に設けられている。テーパ部３７の下端部には排出部３８が設けられ、排出部３８には図２に示した排気管１３が取り付けられる。基部ステージ３１の上端壁部３６の上には、金網４１を介してフィルター４２が配置され、フィルター４２の上には環状のフィルター押さえ具４３が配置されている。フィルター４２は、ＰＴＦＥ繊維や石英繊維の素材により形成されており、トップカバー３４の内部から排出部３８に向けて流れる気流に含まれる微小粒子がフィルター４２に付着し、微小粒子はフィルター４２に採取される。

【0016】

第１の中間ステージ３２は、基部ステージ３１の円筒部３５の雄ねじ３５ａにねじ結合される雌ねじ４４ａが形成された下側円筒部４４と、下側円筒部４４と一体となった上側円筒部４５とを有している。中間ステージ３２を基部ステージ３１にねじ結合すると、上側円筒部４５の下端面がフィルター押さえ具４３に突き当てられ、金網４１とフィルター４２とフィルター押さえ具４３は、基部ステージ３１と中間ステージ３２との間で挟持つまり挟み付けられる。

【0017】

中間ステージ３２の上側円筒部４５には環状の衝突板４６が配置され、衝突板４６の上には、衝突板４６に向けて流れた粗大粒子が付着する付着部４６ａが配置されている。付着部４６ａは、フィルター４２と同様の素材により形成され、衝突板４６の一部を構成している。衝突板４６と付着部４６ａの中央部には、貫通孔４７が設けられており、微小粒子を含む気流は貫通孔４７を通過してフィルター４２に向けて流れる。衝突板４６の上にはノズル板４８が配置され、ノズル板４８の外周部には、図４に示されるように、内径ｄ１の複数のノズル孔４９が形成されている。ノズル孔４９はノズル板４８の中心から半径ｒ１の円周上に円周方向に一定の間隔を隔てて１２個設けられており、内径Ｒの貫通孔４７よりも径方向外方に形成され、衝突板４６の付着部４６ａに対向している。

【0018】

ノズル孔４９を通過した粗大粒子は慣性によって直進し、付着部４６ａに衝突する。一方、粒径が２．５μｍ以下の微細粒子はそれよりも大粒径の粗大粒子よりも慣性力が小さく、貫通孔４７に向けて蛇行する気流に案内される。このように、衝突板４６と付着部４６ａとノズル板４８とにより、大気中の粒子を粒径が２．５μｍ以下の微小粒子と、それよりも大径の粗大粒子とに分粒する主インパクターとしてのインパクター５０が形成される。このインパクター５０のカット部の高さはＬ１である。

【0019】

第２の中間ステージ３３は、第１の中間ステージ３２の上側円筒部４５の雄ねじ４５ａにねじ結合される雌ねじ５１ａが形成された下側円筒部５１と、下側円筒部５１と一体となった上側円筒部５２とを有している。第２の中間ステージ３３は第１の中間ステージ３２と同一形状であり、第２の中間ステージ３３を第１の中間ステージ３２にねじ結合すると、上側円筒部５２の下端面がノズル板４８のフランジ部４８ａに突き当てられ、衝突板４６と付着部４６ａとフランジ部４８ａは、両方の中間ステージ３２、３３の間で挟持される。

【0020】

中間ステージ３３の上側円筒部５２には環状の衝突板５３が配置され、衝突板５３の上には、衝突板５３に向けて流れた粒子が付着する付着部５３ａが配置されており、付着部５３ａは付着部４６ａと同様の素材からなり、衝突板５３の一部を構成している。衝突板５３と付着部５３ａの中央部には貫通孔５４が設けられており、気流は貫通孔５４を貫通して下方に流れる。衝突板５３の上にはノズル板５５が配置され、ノズル板５５の外周部には内径ｄ２の複数のノズル孔５６が付加ノズル孔として形成されている。ノズル孔５６の内径ｄ２はノズル孔４９の内径ｄ１よりも大径であり、貫通孔５４よりも径方向外方に形成され、衝突板５３の付着部５３ａに対向している。衝突板５３と付着部５３ａとノズル板５５とにより、付加的インパクター５７が形成され、付加的インパクター５７のカット部の高さＬ２は、インパクター５０の高さＬ１よりも大きく設定されている。付加的インパクター５７は、大気中に含まれる粒子のうち微小粒子よりも大径の粗大粒子の中でも粒子径の大きい粒子を衝突板５３に付着させて除去する。

【0021】

トップカバー３４は、上側円筒部５２に形成された雄ねじ５２ａにねじ結合される雌ねじ５８ａが形成された下側円筒部５８と、下側円筒部５８と一体となったテーパ部５９とを有しているトップカバー３４を中間ステージ３３にねじ結合すると、テーパ部５９の下端面がノズル板５５のフランジ部５５ａに突き当てられ、衝突板５３と付着部５３ａとフランジ部５５ａは、トップカバー３４と中間ステージ３３との間で挟持される。

【0022】

サンプラー１１におけるそれぞれの雄ねじ３５ａ、４５ａおよび５２ａは、同一のピッチ径であり、サンプラー１１に付加的インパクター５７と中間ステージ３３を設けない形態においては、トップカバー３４が中間ステージ３２に装着される。

【0023】

トップカバー３４のテーパ部５９の上端部には継手部６０が設けられており、外気を取り込む部材が設けられた図示しない配管が継手部６０に接続される。このように、配管が接続されるようになったサンプラー１１はインライン型となっている。大気中の粒子を含む空気は、図３において矢印で示されるように、上方から下方に流れる。サンプラー１１の内部を流れる空気が外部に漏出するのを防止するために、それぞれの部材の間にはシール材が配置されている。なお、サンプラー１１についての上下の位置関係は、図1に示されるように、使用されている状態を基準としている。

【0024】

インパクター５０および付加的インパクター５７は、鉛直下方に向けた気流の噴出ノズルつまりノズル孔４９、５６を有し、ノズル孔に対して直角方向に衝突板４６、５３が配置されている。ノズル孔４９、５６から噴出した気流が衝突板４６、５３に衝突することによって水平方向に蛇行する際に、慣性力により衝突板に衝突する粒子と、衝突する粒子よりも小径であり、気流に乗って水平方向に曲がり貫通孔４７、５４を貫通する粒子とに分粒される。貫通孔４７を貫通した微小粒子はフィルター４２に採取される。ノズル板４８、５５に設けられたノズル孔の数や内径、を変化させることで、分粒径を設定することができる。

【0025】

サンプラー１１は、インパクター５０と付加的インパクター５７の２つを備えている。主インパクターとしてのインパクター５０のノズル板４８の板厚は２ｍｍ、ノズル孔４９の内径ｄ１は、１．６２ｍｍであり、高さＬ１は４．５ｍｍである。一方、付加的インパクター５７のノズル板５５の板厚は５ｍｍ、ノズル孔５６の内径ｄ２は、４ｍｍであり、高さＬ２は１０ｍｍである。ノズル孔４９のノズル板４８の中心からの半径ｒ１は、１４．４ｍｍであり、ノズル孔５６も同様の半径の位置に設けられている。貫通孔４７、５４の内径Ｒはそれぞれ１８ｍｍであり、付着部４６ａ、５３ａの内径はそれぞれ２０ｍｍである。

【0026】

インパクター５０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に分粒し、粗大粒子は衝突板４６の付着部４６ａに捕捉され、微小粒子はフィルター４２に採取される。付加的インパクター５７は、粗大粒子のうち比較的粒径が大きい粒子と、それよりも小径の粒子とに分粒する。このように、２段のインパクターを設けることにより、最終的にフィルター４２に付着させて採取する微小粒子の分粒効率を高めることができる。ただし、インパクターとしては、付加的インパクター５７を使用することなく、主インパクターとしての１つのインパクター５０のみを備えたサンプラー１１としても良い。

【0027】

複数のサンプラー１１において、特定領域の大気中から同時に複数の微小粒子のサンプルを採取するには、それぞれのフィルター４２に相互に同一の流量で気流を通過させる必要がある。つまり、それぞれのサンプラー１１に流入する空気の流量を同一に設定する必要がある。それぞれのサンプラーに真空ポンプ２４を接続すると、流量を同一に設定するために、それぞれのサンプラー１１に流量計を設置し、流量計により得られたデータに基づいてサンプラー１１に流入する空気の量を制御する必要がある。それでは多連サンプラーの製造コストが高くなるだけでなく、装置の複雑化、大型化が避けられない。

【0028】

そこで、全てのサンプラー１１に流入する空気の量を同一に設定するために、図１に示されるように、それぞれの排気管１３には臨界ノズル６１が設けられている。臨界ノズル６１には、図２に示される継手部材６２が設けられており、臨界ノズル６１は継手部材６２により連通支持管１４に取り付けられる。図５に示されるように、ワンタッチ継手６３により臨界ノズル６１は排気管１３に取り付けられる。

【0029】

臨界ノズル６１は、スロート径ｄにより定まる断面積の狭窄部つまりスロート部６４と、スロート部６４に向けて小径となって断面積が減少するサンプラー側の上流側流路６５と、スロート部６４から内径が大きくなって断面積が増加する真空ポンプ側の下流側流路６６とを有している。臨界ノズル６１の上流側流路６５と下流側流路６６の圧力比、つまり上流圧力と下流圧力との圧力比を臨界背圧比以下に保つと、狭窄部であるスロート部６４における気流の流速は、音速つまり臨界状態に固定され、気流の流量がノズル下流側の状態に依存せず一定流量の気流をサンプラー１１に発生させることができる。流速が音速よりも遅い状態を亜音速流、音速よりも速い状態を超音速といい、流体は音速を境にして変化する性質を持っている。流路内での流れに音速を発生させるには、流路内の断面積を一度減少させた後に増加させるように、上流側流路６５と下流側流路６６との境界部にスロート部６４が設けられる。

【0030】

臨界ノズル６１は、スロート部６４が臨界状態であれば、ノズル下流側の流れの変動によらず、常に一定の流量を発生させることができる。このように、臨界状態となるとスロート部６４の下流の状態が上流に影響しない理由は音速にある。圧力や温度などの流れの情報を伝える波は音速ａで伝播する。流速ｕのとき、波の移動速度ｖは、
ｖ＝ａ±ｕ となる。

【0031】

この式において、±は、流れの進む方向（＋）と反対の方向（－）を意味する。この式から、流れが超音速（ｕ＞ａ）の場合は、流れと反対方向の速度ｖは負になる。したがって、流れがスロート部６４で臨界状態にあるときに、スロート部６４の下流は超音速で波よりも速いことから、流れの情報である波は流れの進行方向と逆方向のスロート部上流側へは伝播されない。よって、臨界状態のときスロート部下流側の流れの情報は、スロート部を越えて上流側には伝播されない。

【0032】

臨界ノズル６１の上流側流路６５と下流側流路６６の圧力比を臨界背圧比以下に保ち、臨界状態とすればスロート部６４における流速が音速に固定されるという条件から、臨界状態でのノズルを通過する流量は、理論上、「スロート部断面積」×「スロート部環境下での音速」で求められる。しかし、実際のノズル内部には境界層が発達し、実質的断面積の欠損が生じるため、理論上の計算値とは乖離する。

【0033】

境界層とは、気体の持つ粘性の影響により流路の内壁面近傍に形成され、音速に達していない領域のことである。この境界層の形状は、ノズルの材質や形状に依存する。境界層を定量的に考えるために、内壁面に接触した部分における速度０の部分と、実質的音速面との間の速度勾配の部分をなくし、実質的音速面と内壁面に接触した部分との間を排除厚さとする。この排除厚さの割合をスロート部の２０～３０％に設定し、予め設定されたノズル通過流量に基づいて、スロート部の断面積を２０～３０％増加させた。

【0034】

臨界ノズル６１のスロート部６４の流量が固定されるにはノズルの背圧比（Ｐ２／Ｐ１）がある一定値（臨界背圧比）以下になるという条件がある。臨界背圧比は、臨界ノズル６１の形状と気流の持つ粘性などに大きく影響されるレイノルズ数に依存する量であり、ノズル固有の値であるため、実験によって確認する必要がある。

【0035】

臨界背圧比を実験で求めるには、臨界ノズル６１が設けられた実験用配管のノズル上流側流路と下流側流路とに圧力センサを設け、負圧ポンプにより実験用配管に空気を流し、空気流量を流量計で測定することにより行うことができる。負圧ポンプの回転数を変化させても、実験用配管を流れる空気の流量が変化しない背圧比の値により臨界背圧比を求めることができる。

【0036】

図６は、真空ポンプ２４の概略構造を示す断面図である。真空ポンプ２４を構成するポンプユニット７０は、吸気ポート７１と排気ポート７２が設けられたポンプ本体７３と、電動モータ７４により回転駆動されるロータ７５とを有している。ポンプ本体７３に取り付けられたダイアフラム７６は、コネクティングロッド７７によりロータ７５に連結されている。ダイアフラム７６とポンプ本体７３との間に形成される膨張収縮室７８と吸気ポート７１との間に吸気弁８１が配置され、膨張収縮室７８と排気ポート７２との間には排気弁８２が配置されている。このように、真空ポンプ２４はダイアフラム７６を備えたダイアフラム型である。

【0037】

吸気ポート７１は、図１に示した真空配管２５に接続され、排気ポート７２は外部に開口されている。図６において実線で示されるように、ダイアフラム７６が膨張収縮室７８を膨張させる方向に駆動されると、吸気ポート７１から膨張収縮室７８に外部の空気が真空ポンプ２４内に吸引される。一方、図６において二点鎖線で示されるように、ダイアフラム７６が膨張収縮室７８を収縮させる方向に駆動されると、真空ポンプ２４から外部に空気が排出される。真空ポンプ２４を駆動させることにより、それぞれのサンプラー１１内には外気の流れが生成される。真空ポンプ２４は、図６に示されるポンプユニット７０を２組有しており、２つのポンプユニット７０のロータ７５の位相は、ずれている。これにより、脈動を発生させることなく、電動モータ７４の回転により連続的に吸気ポート７１に向けてそれぞれのサンプラー１１の内部に気流を連続的に生成することができる。ダイアフラム式の真空ポンプ２４を流れる空気は、油や液体に触れることなく、清浄な空気を外部に排気することができる。

【0038】

ロータ７５を回転駆動する電動モータ７４の回転数は、流量制御部としてのコントローラ８３により制御され、真空ポンプ２４の流量はコントローラ８３により一定値に制御される。上述のように、臨界ノズル６１の上流側流路６５と下流側流路６６の圧力比を臨界背圧比以下に保つと、スロート部６４における流速は臨界状態に固定されるので、臨界背面圧比以下になる流量にポンプ流量を設定すれば、全てのサンプラー１１の流量は一定量に設定される。

【0039】

図１に示されるように、真空配管２５には圧力計２６が設けられており、真空ポンプ２４によって真空配管２５内を流れる気流の圧力が圧力計２６により検出される。これにより、真空配管２５内の気流の圧力を確認することができる。真空配管２５には圧力調整バルブ２７が設けられており、フィルター２８により浄化された外気を真空配管２５内に注入することができる。これにより、真空配管２５内の圧力を変化させて内部を流れる空気の流量を調整することができ、真空ポンプ２４の回転数を一定値として、圧力調整バルブ２７を流量制御部として機能させるようにしても良い。

【0040】

図１に示されるように、５つのサンプラー１１とダミーサンプラー１２を備えた多連サンプラー装置１０を作動させて、それぞれのサンプラー１１のフィルター４２に微小粒子を付着させる。これにより、５つのフィルター４２のそれぞれには、同様の元素の微小粒子のバラツキを少なく、つまり変動係数を少なくして、微小粒子を採取することができる。それぞれ同種の微小粒子が付着した複数のフィルターサンプルが複数得られるので、それぞれについて、分析条件や分析方式を相違させて元素分析を行うことができる。

【0041】

ダミーサンプラー１２には空気は導入されないが、サンプラー１１と同様にフィルターがブランクフィルターとして配置されており、測定領域の大気に含まれてブランクフィルターに付着した元素と、他のフィルターに付着した元素とを比較分析することができる。

【0042】

図７はサンプラーの変形例を示す半断面図である。このサンプラー１１ａは、基部ステージ３１と中間ステージ３２とを有しており、これらは図３に示したものと同一構造である。このサンプラー１１ａにおいては、図３に示した中間ステージ３３は設けられておらず、中間ステージ３２にはトップカバー３４ａが装着されている。

【0043】

基部ステージ３１に中間ステージ３２をねじ結合すると、中間ステージ３２の上側円筒部４５の下端面がフィルター押さえ具４３に突き当てられ、金網４１とフィルター４２とフィルター押さえ具４３は、基部ステージ３１と中間ステージ３２との間で挟持される。トップカバー３４ａを中間ステージ３２にねじ結合すると、トップカバー３４ａの環状上端部５９ａの下端面がノズル板４８のフランジ部４８ａに突き当てられる。衝突板４６と付着部４６ａとフランジ部４８ａは、中間ステージ３２とトップカバー３４ａとの間で挟持され、衝突板４６とノズル板４８によりインパクター５０が形成される。

【0044】

このように、図７に示されるサンプラー１１ａは、付加的インパクター５７を備えておらず、サンプラー１１ａに供給された気流に含まれる粒子は、インパクター５０により粒径が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に分粒される。

【0045】

トップカバー３４ａには、継手部６０が設けられておらず、インパクター５０はトップカバー３４ａの環状上端部５９ａの内側から外部に露出されており、図７に示すサンプラー１１ａはオープン型である。

【0046】

サンプラーの形態には、トップカバー３４、３４ａの形態に応じて、図３に示されるインライン型と図７に示されるオープン型とがあり、２組のインパクター５０、５７を備えた形態と、インパクター５０のみの形態とがある。さらに、微小粒子を採取するフィルター４２に加えて、ガスを吸着するフィルターを付加すると、ガスサンプリングを行うことができる。

【0047】

図８は他の実施の形態である多連サンプラー装置１０を示す正面図である。この多連サンプラー装置１０においては、それぞれの排気管１３には臨界ノズル６１は設けられておらず、連通支持管１４と真空ポンプ２４とを連結する真空配管２５に臨界ノズル６１が設けられている。このように、単一の臨界ノズル６１により全てのサンプラー１１を流れる空気の流量を一定値に設定するようにしても良い。

【0048】

次に、多連サンプラー装置１０の実施例について説明する。

【0049】

図１に示されるように、それぞれ臨界ノズル６１が設けられた５つのサンプラー１１を備えた多連サンプラー装置１０において、臨界ノズル６１の設定流量を１６．７Ｌ／ｍｉｎとし、それぞれのサンプラー１１に、この流量で外部から空気を供給するようにした。多連サンプラー装置１０は５つのサンプラー１１を有しており、合計１０００Ｌ／ｍｉｎの空気が多連サンプラー装置１０に流入される。

【0050】

上述した設定流量の条件のもとで、臨界ノズル６１のスロート部６４のスロート径ｄを求めた。スロート径ｄに対する排除厚さの割合を上述のように、２０～３０％であるとし、「スロート部断面積×(0.7～0.8)」×「スロート部環境下での音速」＝１６．７Ｌ／minにより求めたスロート径ｄを、１．３≦ｄ≦１．５の範囲で複数の臨界ノズル６１を製作した。

【0051】

ここで、「スロート部環境下での音速」について、臨界ノズル６１の上流側流路のよどみ点での音速ａ_０と、スロート部６４の音速ａ_ｔとの間には、次の関係が成り立つ。ここで、γは気体の比熱比である。

【0052】

ａ_ｔ ^２＝［２／（γ＋１）］×ａ_０ ^２
スロート部６４は、通常状態とは異なり、圧縮されて空気密度が高い状態である。音速は密度に依存し、密度が高くなると音速は小さくなるため、このような式で表される。

【0053】

空気の比熱比γ＝１．４、大気圧、室温での空気の音速をａ_０＝３４０ｍ／ｓとすると、スロート部６４の音速はａ_ｔ＝３１０ｍ／ｓとなる。ここで、よどみ点とは、流れの中で流れが０になる点である。

【0054】

ノズル毎に境界層の厚さが異なるため、製作したノズルを用いて固定流量確認実験を繰り返し、スロート径ｄと固定流量Ｑとの関係を導き出した。

【0055】

図９は、スロート径ｄと臨界ノズル６１を流れる気体の固定流量Ｑとの関係を示す特性線図であり、スロート径ｄを１．３０ｍｍ、１．３６ｍｍおよび１．３８ｍｍとした３種類の臨界ノズル６１について固定流量Ｑを求めた。この結果、流量１６．７Ｌ／ｍｉｎに固定されるスロート径ｄは、１．３７５ｍｍであると定めることができる。

【0056】

臨界ノズル６１の流量が固定されるには、臨界ノズル６１の背圧比（Ｐ２／Ｐ１）が、ある一定の値（臨界背圧比）以下になる必要がある。臨界背圧比は、臨界ノズル６１の形状と流れの粘性などに大きく影響されるレイノズル数に依存する量であり、ノズル固有の値であるため、臨界ノズル６１を使用するには、そのノズルが臨界状態となるために必要な臨界背圧比を、実験により確認する必要がある。

【0057】

そのためには、真空ポンプが接続された配管に設けられた臨界ノズルと、臨界ノズルの上流側と下流側とに位置させてそれぞれ配管に設けられた圧力計と、配管に設けられた流量計とを備えた背圧比確認の空圧回路を使用し、スロート径ｄが相違する複数の臨界ノズル６１について、固定流量となる背圧比を求めた。

【0058】

図１０は、スロート径ｄが１．３０ｍｍ、１．３６ｍｍ、１．３７５ｍｍおよび１．３８ｍｍの４種類の臨界ノズルについて、気体の流量と背圧比との関係を示す特性線図である。図１０に示されるように、４種類の全ての臨界ノズルにおいて、固定流量となる背圧比は、０．８であった。

【0059】

したがって、図１に示す５つのサンプラー１１に対してそれぞれ１６．７Ｌ／ｍｉｎの固定流量で気流を流すには、臨界ノズル６１の背圧比を０．８以下とすれば良いことが分かる。

【0060】

このように、臨界ノズル６１を使用すると、真空ポンプ２４を一定の回転数で駆動することにより、複数のサンプラー１１に対して同一流量で気流を流すことができる。サンプラー１１内のフィルター４２には同一流量の空気が流れるので、同一領域の空気に含まれる微小粒子の元素成分がほぼ同様となって採取された複数のサンプルを得ることができる。これにより、種々の分析方法によって、同種のサンプルを分析することができる。

【0061】

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。例えば、多連サンプラー装置１０に搭載されるサンプラー１１の数は、５つに限られることなく、任意の数に設定することができる。

【符号の説明】

【0062】

１０ 多連サンプラー装置
１１、１１ａ サンプラー
１２ ダミーサンプラー
１３ 排気管
１４ 連通支持管
２１ 支持台
２４ 真空ポンプ
２５ 真空配管
３１ 基部ステージ
３２、３３ 中間ステージ
３４、３４ａ トップカバー
３７ テーパ部
３８ 排出部
４１ 金網
４２ フィルター
４６ 衝突板
４６ａ 付着部
４７ 貫通孔
４８ ノズル板
４９ ノズル孔
５０ インパクター
５３ 衝突板
５３ａ 付着部
５４ 貫通孔
５５ ノズル板
５６ ノズル孔
５７ 付加的インパクター
６１ 臨界ノズル
６４ スロート部
６５ 上流側流路
６６ 下流側流路
７５ ロータ
７６ ダイアフラム
８３ コントローラ（流量制御部）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】