[go: up one dir, main page]

WO2019049236A1 - 微粒子検出素子及び微粒子検出器 - Google Patents

微粒子検出素子及び微粒子検出器 Download PDF

Info

Publication number
WO2019049236A1
WO2019049236A1 PCT/JP2017/032103 JP2017032103W WO2019049236A1 WO 2019049236 A1 WO2019049236 A1 WO 2019049236A1 JP 2017032103 W JP2017032103 W JP 2017032103W WO 2019049236 A1 WO2019049236 A1 WO 2019049236A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
gas
flow path
electrode
detection element
flow velocity
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/JP2017/032103
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
京一 菅野
英正 奥村
和幸 水野
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NGK Insulators Ltd
Original Assignee
NGK Insulators Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by NGK Insulators Ltd filed Critical NGK Insulators Ltd
Priority to DE112017007992.6T priority Critical patent/DE112017007992T5/de
Priority to JP2018533966A priority patent/JP6420525B1/ja
Priority to PCT/JP2017/032103 priority patent/WO2019049236A1/ja
Priority to CN201780094388.8A priority patent/CN111065910A/zh
Publication of WO2019049236A1 publication Critical patent/WO2019049236A1/ja
Priority to US16/804,525 priority patent/US20200200667A1/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/06—Investigating concentration of particle suspensions
    • G01N15/0656—Investigating concentration of particle suspensions using electric, e.g. electrostatic methods or magnetic methods
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/60—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrostatic variables, e.g. electrographic flaw testing
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N2015/0042—Investigating dispersion of solids
    • G01N2015/0046—Investigating dispersion of solids in gas, e.g. smoke

Definitions

  • Patent Document 1 not all of the charged particles can be collected by the collecting electrode, and some of the charged particles are released out of the particle detector. Therefore, it has been desired to improve the collection rate of charged fine particles by the collection electrode.
  • the present invention has been made to solve such problems, and its main object is to improve the collection rate of charged fine particles by a collection electrode.
  • the present invention adopts the following means in order to achieve the above-mentioned main object.
  • the particle detecting element of the present invention is A particulate detection element used to detect particulates in a gas, comprising: A housing having a gas flow path through which the gas passes; A charge generation unit that adds charge generated by discharge to particles in the gas introduced into the housing to form charged particles; A collection electrode provided on the downstream side of the flow of the gas in the housing than the charge generation unit and configured to collect the charged particles; Equipped with The gas flow path is a rectangular parallelepiped space extending from a rectangular gas introduction port to a gas discharge port having the same shape as the gas introduction port, and the fine particle detection element is disposed in the flow of the gas When the gas is allowed to pass through, a low flow velocity portion is generated in the region downstream of the gas outlet, wherein the flow velocity of the gas is lower than the flow velocity of the gas passing through the inside of the gas passage It is a thing.
  • the charge generation portion generates electric charge to turn particles in the gas into charged particles, and the collection electrode collects the charged particles.
  • the physical quantity of the collecting electrode changes in accordance with the number of charged fine particles collected, and therefore, the number of fine particles in the gas can be detected by using this fine particle detection element.
  • the gas flow path is a rectangular parallelepiped space extending from the rectangular gas inlet to the gas outlet having the same shape as the gas inlet.
  • the low flow velocity portion is preferably formed to cover the gas discharge port. In this way, the effects of the present invention can be obtained remarkably.
  • the casing when the casing includes a pair of flow path walls forming the gas flow path, and the distance between the pair of flow path walls is a flow path width of the gas flow path,
  • the wall thickness of the flow path wall) / (flow path width) ⁇ 0.65 may be satisfied.
  • the low flow velocity portion is formed so as to cover the gas outlet reliably, and (the flow velocity of the gas in the low flow velocity portion) / (the maximum flow velocity of the gas passing through the inside of the gas flow channel) ⁇ 0.31.
  • the curvature radius of the corner including the side located around the gas introduction port in the casing may be 1.0 mm or less (particularly 0.3 mm or less).
  • the gas that has not entered the gas flow path from the gas inlet is at a lower speed on the housing side than the peeling surface bordering on the peeling surface extending diagonally backward from the outer surface of the housing after hitting the corner. It travels at a high speed on the opposite side of the casing than the peeling surface.
  • the heat exchange between the low speed gas and the solid is lower in heat exchange efficiency than the heat exchange between the high speed gas and the solid.
  • the casing is a long body extending in a direction intersecting the axial direction of the gas flow path, and one end of the long body in the longitudinal direction has the gas flow path
  • the other end of the elongated body in the longitudinal direction has at least a terminal of the charge generating portion and a terminal of the collecting electrode, and is disposed outside the tube. It is good also as a thing.
  • the terminal of the charge generation portion and the terminal of the collection electrode are not easily affected by the high temperature gas flowing through the tube, it can be connected to the wiring by a relatively low heat resistant bonding material such as solder.
  • the particle detector according to the present invention includes the particle detecting element according to any one of the above-described embodiments, and a detection unit that detects the particles based on a physical quantity that changes according to the charged particles collected by the collection electrode. , Is provided. Therefore, this fine particle detector has the same effect as the above-described fine particle detection element of the present invention, for example, the effect of improving the collection rate of charged fine particles by the collection electrode.
  • charge includes ions in addition to positive charge and negative charge.
  • Detecting particles refers to whether the amount of particles falls within a predetermined numerical range (for example, a predetermined threshold value), as well as when measuring the amount of particles (for example, the number, mass, surface area, etc. of particles). Also includes the case of determining whether or not The “physical amount” may be a parameter that changes based on the number (charge amount) of the charged fine particles, and examples thereof include current.
  • FIG. 2 is a perspective view of a particle detection element 20.
  • BB sectional drawing of FIG. FIG. 5 is an exploded perspective view of the particle detection element 20.
  • Explanatory drawing which shows the flow-rate distribution of the gas which passes the inside and outside of the microparticles
  • FIG. Explanatory drawing which shows the flow-rate distribution of the gas which passes the inside and outside of the microparticles
  • FIG. 1 is an explanatory view of a particle detector 10 according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a perspective view of a particle detection element 20
  • FIG. 3 is a partially enlarged view of FIG. 2
  • FIG. 5 is a cross-sectional view taken along the line BB in FIG. 2
  • FIG. 6 is an exploded perspective view of the particle detection element 20.
  • the vertical direction, the horizontal direction, and the front-rear direction are as shown in FIG. 1 and FIG.
  • the axial direction of the gas flow passage 24 coincides with the axial direction of the exhaust pipe 12.
  • the gas flow path 24 extends from the rectangular gas inlet 24 a provided on the front surface of the housing 22 to the rectangular gas outlet 24 b provided on the rear surface of the housing 22. It is a cuboid shaped space that is continuous.
  • the housing 22 is provided with a pair of left and right flow path walls 22c and 22d that constitute the gas flow path 24 (see FIGS. 2 and 3).
  • the distance between the pair of left and right flow path walls 22 c and 22 d is referred to as the flow path width W of the gas flow path 24.
  • the radius of curvature of the portion is preferably 1.0 mm or less, and more preferably 0.1 mm or less.
  • the two induction electrodes 34, 34 are rectangular electrodes, and are embedded in the flow path wall 22c so as to be parallel to the discharge electrode 32 with an interval.
  • a high frequency high voltage (for example, a pulse voltage or the like) of the discharge power supply 36 (one of the attached units 80) is applied between the discharge electrode 32 and the two induction electrodes 34, 34. Air discharge occurs due to the potential difference between both electrodes.
  • the portion of the housing 22 between the discharge electrode 32 and the induction electrodes 34, 34 plays a role of a dielectric layer.
  • the induction electrodes 34, 34 are here connected to ground.
  • the excess charge removal unit 40 is provided downstream of the charge generation unit 30 and upstream of the collection unit 50.
  • the excess charge removing unit 40 has an applying electrode 42 and a removing electrode 44.
  • the application electrode 42 is provided along the inner surface of the right flow path wall 22 d and exposed in the gas flow path 24.
  • the removal electrode 44 is provided along the inner surface of the left flow path wall 22 c and exposed in the gas flow path 24.
  • the application electrode 42 and the removal electrode 44 are disposed at positions facing each other.
  • the application electrode 42 is an electrode to which a voltage V2 (positive potential) lower by about one digit than a voltage V1 described later is applied by the removal power supply 46 (one of the attached units 80).
  • the removal electrode 44 is an electrode connected to the ground.
  • the collection unit 50 is provided downstream of the charge generation unit 30 and the excess charge removal unit 40 in the gas flow channel 24.
  • the collection unit 50 is for collecting the charged fine particles P, and has an electric field generating electrode 52 and a collection electrode 54.
  • the electric field generating electrode 52 is provided along the inner surface of the right flow path wall 22 d and exposed in the gas flow path 24.
  • the collection electrode 54 is provided along the inner surface of the left flow path wall 22 c and exposed in the gas flow path 24.
  • the electric field generating electrode 52 and the collecting electrode 54 are disposed at positions facing each other.
  • the electric field generating electrode 52 is an electrode to which a voltage V1 (positive potential) larger than the voltage V2 applied to the application electrode 42 is applied by the collecting power source 56 (one of the attached units 80).
  • the collection electrode 54 is an electrode connected to the ground via the ammeter 62. As a result, a relatively strong electric field is generated between the electric field generating electrode 52 of the collection unit 50 and the collection electrode 54. Therefore, the charged fine particles P flowing through the gas flow channel 24 are attracted to the collection electrode 54 by the relatively strong electric field and collected.
  • the sizes of the electrodes 42 and 44 of the excess charge removal unit 40, the strength of the electric field generated between the electrodes 42 and 44, the sizes of the electrodes 52 and 54 of the collection unit 50, and the sizes of the electrodes 52 and 54 The strength of the electric field generated between them is such that the charged fine particles P are collected by the collection electrode 54 without being collected by the removal electrode 44, and the charge 28 not applied to the fine particles 26 is removed It is set to be removed by 44.
  • the electric mobility of the charge 28 is 10 times or more of the electric mobility of the charged fine particles P, and the electric field necessary for collection may be reduced by one digit or more, so such setting can be easily made.
  • a plurality of sets of the electric field generating electrode 52 and the collecting electrode 54 may be provided.
  • the number detecting unit 60 is one of the attached units 80, and includes an ammeter 62 and a number measuring device 64.
  • One terminal of the ammeter 62 is connected to the collection electrode 54, and the other terminal is connected to the ground.
  • the ammeter 62 measures the current based on the charge 28 of the charged fine particles P collected by the collection electrode 54.
  • the number measuring device 64 calculates the number of particles 26 based on the current of the ammeter 62.
  • the heater electrode 72 is embedded in the housing 22.
  • the heater electrode 72 is a strip-shaped heating element (see FIG. 6) drawn in a zigzag.
  • the heater electrode 72 is connected to a power feeding device (not shown), and generates heat when energized by the power feeding device.
  • the heater electrode 72 heats each of the housing 22, the removal electrode 44, the collection electrode 54 and the like.
  • the particle detection element 20 is composed of seven sheets S1 to S7.
  • Each of the sheets S1 to S7 is formed of the same material as the housing 22.
  • the left sheet is referred to as the first sheet S1, the second sheet S2,... From the left to the right, the right surface of each of the sheets S1 to S7 is referred to as the front surface, and the left surface is referred to as the back surface.
  • the thickness of each of the sheets S1 to S7 may be set appropriately, and may be, for example, all the same or different.
  • a heater electrode 72 is provided on the surface of the first sheet S1. One end and the other end of the heater electrode 72 are disposed above the front surface of the first sheet S1, and a heater electrode terminal 75 provided above the back surface of the first sheet S1 via the through hole of the first sheet S1. , 75 respectively.
  • Induction electrodes 34, 34 are provided on the surface of the second sheet S2.
  • the induction electrodes 34, 34 are combined into one wire.
  • An end portion of the wiring is disposed above the front surface of the second sheet S2, and an induction electrode provided above the back surface of the first sheet S1 through the through holes of the second sheet S2 and the first sheet S1. It is connected to the terminal 35.
  • the wiring 44a of the removal electrode 44 and the wiring 54a of the collection electrode 54 are provided on the surface of the second sheet S2 along the vertical direction.
  • the upper ends of the wires 44a and 54a are connected to the removal electrode terminal 45 and the collection electrode terminal 55 provided above the back surface of the first sheet S1 through the through holes of the second sheet S2 and the first sheet S1, respectively. ing.
  • a discharge electrode 32, a removal electrode 44 and a collection electrode 54 are provided on the surface of the third sheet S3.
  • the removal electrode 44 is connected to the wire 44a of the second sheet S2 through the through hole of the third sheet S3, and is further connected to the removal electrode terminal 45 through the wire 44a.
  • the collection electrode 54 is connected to the wiring 54a of the second sheet S2 through the through hole of the third sheet S3, and is further connected to the collection electrode terminal 55 through the wiring 54a.
  • the discharge electrode 32, the application electrode 42, and the electric field generating electrode 52 are provided on the back surface of the fifth sheet S5.
  • Induction electrodes 34, 34 are provided on the back surface of the sixth sheet S6.
  • the induction electrodes 34, 34 are combined into one wire.
  • the end of the wiring is disposed above the back surface of the sixth sheet S6, and is connected to the wiring of the induction electrode 34 of the second sheet S2 through the through holes of the third to sixth sheets S3 to S6. There is. Therefore, the induction electrodes 34, 34 provided on the sixth sheet S6 are also connected to the induction electrode terminals 35 provided above the back surface of the first sheet S1.
  • the wire 32a of the discharge electrode 32, the wire 42a of the application electrode 42, and the wire 52a of the electric field generating electrode 52 are provided on the back surface of the seventh sheet S7 along the vertical direction.
  • the lower ends of the wires 32a are connected to the discharge electrodes 32 provided on the third and fifth sheets S3 and S5 through the through holes of the fourth to sixth sheets S4 to S6.
  • the lower end of the wiring 42a is connected to the application electrode 42 provided on the back surface of the fifth sheet S5 via the through holes of the fifth and sixth sheets S5 and S6.
  • the lower end of the wiring 52a is connected to the electric field generating electrode 52 provided on the back surface of the fifth sheet S5 via the through holes of the fifth and sixth sheets S5 and S6.
  • the fine particle detection element 20 can be manufactured using a plurality of ceramic green sheets. Specifically, for each of the plurality of ceramic green sheets, after providing a notch, a through hole or a groove as required, screen printing an electrode or a wiring pattern, or the like, they are laminated and fired. The notches, the through holes and the grooves may be filled with a material (for example, an organic material) which is burnt off at the time of firing. Thus, the particle detection element 20 is obtained.
  • a material for example, an organic material
  • the discharge electrode terminal 33, the application electrode terminal 43 and the electric field generating electrode terminal 53 of the particle detection element 20 are connected to the discharge power source 36, the removal power source 46 and the collection power source 56 of the attached unit 80 respectively.
  • the induction electrode terminal 35 and the removal electrode terminal 45 of the particle detection element 20 are connected to the ground, and the collection electrode terminal 55 is connected to the number measuring device 64 via the ammeter 62.
  • the heater electrode terminals 75, 75 are connected to a power feeding device (not shown). By this, the particle detector 10 can be manufactured.
  • the particulate detection element 20 is attached to the exhaust pipe 12 of the engine (see FIG. 1).
  • the charged fine particles P that have reached the collection unit 50 are collected by the collection electrode 54 by the collection electric field generated by the electric field generating electrode 52. Then, a current based on the charge 28 of the charged fine particles P collected by the collection electrode 54 is measured by the ammeter 62, and the number measuring device 64 calculates the number of particles 26 based on the current.
  • the number measuring device 64 integrates (accumulates) the current value over a predetermined period to obtain the integral value (accumulated charge amount), divides the accumulated charge amount by the elementary charge, and calculates the total number of charges (collection charge number)
  • the number Nt of the particulates 26 collected by the collection electrode 54 is determined by dividing the number of collected charges by the average value of the number of charges added to one particle (average number of charges) Equation (1)).
  • the collection electrode 54 is heated by the heater electrode 72 periodically or at a timing when the amount of deposition reaches a predetermined amount, whereby the deposits on the collection electrode 54 are heated and incinerated. Refresh the electrode surface.
  • the heater electrode 72 can also incinerate the particulates 26 attached to the inner peripheral surface of the housing 22.
  • the gas flow passage 24 is a rectangular parallelepiped space extending from the rectangular gas inlet 24 a to the gas outlet 24 b having the same shape as the gas inlet 24 a.
  • FIG. 7 shows the flow velocity distribution when the particulate matter detection element 20 is disposed in the flow of exhaust gas using the sectional view of the particulate matter detection element 20 (corresponding to the BB sectional view in FIG. 2) .
  • the flow velocity was displayed in the order of red ⁇ orange ⁇ yellow ⁇ green ⁇ blue ⁇ blue ⁇ purple, but in FIG. Replaced and displayed. As shown in FIG.
  • a low flow velocity portion LA where the flow velocity of the exhaust gas is slower than the flow velocity of the exhaust gas passing through the inside of the gas flow passage 24 is generated in the downstream region of the gas outlet 24 b.
  • the charged fine particles P which are not collected by the collection electrode 54 are discharged from the gas discharge port 24b and reach the low flow velocity portion LA.
  • the charged fine particles P that have reached the low flow velocity portion LA act to push back the charged fine particles P that are not collected by the collection electrode 54 and come out from the gas outlet 24b to the gas flow path 24 by electrical repulsion. Do.
  • the collection rate of the charged fine particles P by the collection electrode 54 is improved.
  • the low flow velocity portion LA is formed to cover the gas outlet 24b securely, and the flow velocity of the exhaust gas in the low flow velocity portion LA becomes lower as the flow velocity ratio R ⁇ 0.31 is satisfied. Therefore, as described above, the charged particles P having reached the low flow velocity portion LA are more likely to act so as to push back the charged particles P discharged from the gas outlet 24 b to the gas flow path 24.
  • the collection rate is further improved. Such an effect is obtained if t / W ⁇ 0.65 is satisfied.
  • the wall thickness t and the channel width W do not include the thicknesses (usually several tens of ⁇ m) of the various electrodes 32, 42, 44, 52, and 54.
  • the radius of curvature of the corner (see FIG. 3) of the housing 22 including the sides 22e to 22g located around the gas inlet 24a in the housing 22 preferably satisfies 1.0 mm or less (particularly 0.3 mm or less).
  • the exhaust gas that did not enter the gas flow path 24 from the gas inlet 24a is bounded by a peeling surface BF extending diagonally rearward from the outer surface of the housing 22 after hitting the corner as shown in FIG.
  • the housing 22 travels at a lower speed than the peeling surface BF, and travels at a high speed on the opposite side of the housing 22 from the peeling surface BF.
  • this curvature radius may be 0 mm.
  • the radius of curvature is preferably 0.01 mm or more.
  • the charged particles P not collected by the collection electrode 54 are discharged from the gas outlet 24 b and then reach the low flow velocity portion LA. Thereafter, the charged fine particles P that have reached the low flow velocity portion LA are not collected by the collection electrode 54 and push the charged fine particles P discharged from the gas outlet 24 b back to the gas flow path 24 by the electrical repulsion. Works. As a result, the collection rate of the charged fine particles P by the collection electrode 54 is improved. In the particle detector 10, if the voltage V1 is increased to increase the collection performance, there is a risk of causing dielectric breakdown in the gas flow path 24 or a short circuit in the wiring portion, so the collection rate is not changed It is extremely effective to improve the
  • the curvature radius of the corner of the housing 22 including the sides 22e to 22g located around the gas inlet 24a is 1.0 mm or less. In this way, heat exchange between the outer surface of the casing 22 and the exhaust gas is suppressed, temperature change of the casing 22 is reduced, and measurement accuracy of the number Nt of the fine particles is improved.
  • the lower end in which the gas flow path 24 is formed is arrange
  • the upper end thereof is disposed outside the exhaust pipe 12. Therefore, the electrode terminals 33, 35, 43, 45, 53, 55, 75 are hardly affected by the high temperature exhaust gas flowing through the exhaust pipe 12, and are connected to the external wiring by a bonding material having a relatively low heat resistance such as solder. be able to.
  • the collection electrode 54 collects charged particles P using an electric field, the charged particles P can be collected on the collection electrode 54 efficiently.
  • the housing 22 incorporates the heater electrode 72
  • the temperature of the housing 22 can be controlled by the heater electrode 72.
  • the particulates 26 attached to the collecting electrode 54 and the like with the use of the particulate detection element 20 can be burnt by heating the heater electrode 72 to refresh the collecting electrode 54 and the like.
  • the particulate matter detection element 20 further includes the removal electrode 44 on the upstream side of the gas flow in the housing 22 than the collection electrode 54, the charge 28 (excessive charge) not added to the particulate matter 26 Are removed by the removal electrode 44 before being collected by the collection electrode 54. Therefore, it is possible to prevent the number of particles from being affected by such excess charge.
  • the flow path walls 22c and 22d of the gas flow path 24 are described as the wall thickness t, but the flow path wall 22c is a wall thickness t1 and the flow path wall 22d is a wall thickness t2 ( ⁇ t1) It may be In that case, both of (flow channel wall thickness t1) / (flow channel width W) ⁇ 0.65, and (flow channel wall thickness t2) / (flow channel width W) ⁇ 0.65 may be satisfied. preferable.
  • two or more gas flow paths 24 may be arranged in the housing 22.
  • the intensity of the electric field generated in the collection electrode 54 for each gas flow channel 24 can be changed.
  • the particle detection element 20 has a configuration in which the low flow velocity portion LA is not generated, and the curvature radius of the corner of the casing 22 including the sides 22e to 22g located around the gas inlet 24a is It may be 1.0 mm or less (in particular 0.3 mm or less).
  • the effect by the low flow velocity portion LA can not be obtained, the effect by the corner portion, that is, the heat exchange between the outer surface of the housing 22 and the exhaust gas is suppressed, and the temperature change of the housing 22 is reduced. The effect of improving the measurement accuracy of Nt is obtained.
  • the charge generation unit 30 is configured by the discharge electrode 32 provided along the inner surface of the gas flow passage 24 and the two induction electrodes 34 and 34 embedded in the housing 22. Any configuration may be used as long as the charge is generated by the discharge. For example, instead of embedding the induction electrodes 34, 34 in the wall of the gas flow channel 24, they may be provided along the inner surface of the gas flow channel 24. Alternatively, as described in Patent Document 1, the charge generation portion may be configured by a needle-like electrode and a counter electrode.
  • the electric field generating electrode 52 is exposed to the gas flow channel 24, but the invention is not limited to this and the electric field generating electrode 52 may be embedded in the housing 22. Further, in place of the electric field generating electrode 52, a pair of electric field generating electrodes disposed so as to sandwich the collecting electrode 54 from above and below is provided in the housing 22, and the electric field generated by the voltage applied between the pair of electric field generating electrodes. Then, the charged fine particles P may be moved toward the collecting electrode 54. The same applies to the application electrode 42 in this respect.
  • the voltage V1 is applied to the electric field generating electrode 52, but even when no electric field is generated by the electric field generating electrode 52 without applying the voltage, the channel width W has a minute value (for example, 0.01 mm or more)
  • the particle diameter By setting the particle diameter to less than 0.2 mm, relatively small charged particles P with a sharp particle size of Brownian motion can be made to collide with the collecting electrode 54. Thereby, the collection electrode 54 can collect the charged fine particles P.
  • the particle detection element 20 may not include the electric field generating electrode 52.
  • the particulate detector 10 is attached to the exhaust pipe 12 of the engine, but it is not particularly limited to the exhaust pipe 12 of the engine, and any pipe through which gas containing particulates flows may be used. It may be a tube like that.
  • the particle detection element 20 detects the number of particles, but the mass, surface area, etc. of the particles may be detected.
  • the mass of the particles can be determined, for example, by multiplying the number of particles by the average mass of the particles, or the relationship between the accumulated charge amount and the mass of the collected particles is stored in the storage as a map in advance. It is also possible to determine the mass of the particle from the accumulated charge amount using this map.
  • the surface area of the particles can also be determined by the same method as the mass of the particles.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Other Investigation Or Analysis Of Materials By Electrical Means (AREA)

Abstract

微粒子検出素子は、ガスが通過するガス流路を有する筐体と、その筐体内に導入されたガス中の微粒子に放電によって発生させた電荷を付加して帯電微粒子にする電荷発生部と、その筐体内で電荷発生部よりもガスの流れの下流側に設けられ、帯電微粒子を捕集する捕集電極と、を備える。ガス流路は、矩形のガス導入口からガス導入口と同形のガス排出口まで連なる直方体形状の空間であり、ガスの流れの中に微粒子検出素子を配置してガス流路にガスを通過させると、ガス排出口よりも下流領域に、ガスの流速がガス流路の内部を通過するガスの流速よりも低速になる低流速部が発生する。

Description

微粒子検出素子及び微粒子検出器
　本発明は、微粒子検出素子及び微粒子検出器に関する。
　微粒子検出器としては、電荷発生素子でコロナ放電によりイオンを発生させ、そのイオンにより被測定ガス中の微粒子を帯電させて帯電微粒子とし、その帯電微粒子を捕集電極で捕集し、捕集された帯電微粒子の電荷の量に基づいて微粒子の個数を測定するものが知られている（例えば特許文献１参照）。
国際公開第２０１５／１４６４５６号パンフレット
　しかしながら、特許文献１では、帯電微粒子のすべてを捕集電極で捕集できるわけではなく、一部の帯電微粒子を微粒子検出器の外へ逃がしていた。そのため、捕集電極による帯電微粒子の捕集率を向上させることが望まれていた。
　本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、捕集電極による帯電微粒子の捕集率を向上させることを主目的とする。
　本発明は、上述した主目的を達成するために以下の手段を採った。
　本発明の微粒子検出素子は、
　ガス中の微粒子を検出するために用いられる微粒子検出素子であって、
　前記ガスが通過するガス流路を有する筐体と、
　前記筐体内に導入された前記ガス中の微粒子に放電によって発生させた電荷を付加して帯電微粒子にする電荷発生部と、
　前記筐体内で前記電荷発生部よりも前記ガスの流れの下流側に設けられ、前記帯電微粒子を捕集する捕集電極と、
　を備え、
　前記ガス流路は、矩形のガス導入口から前記ガス導入口と同形のガス排出口まで連なる直方体形状の空間であり、前記ガスの流れの中に前記微粒子検出素子を配置して前記ガス流路に前記ガスを通過させると、前記ガス排出口よりも下流領域に、前記ガスの流速が前記ガス流路の内部を通過する前記ガスの流速よりも低速になる低流速部が発生する、
　ものである。
　この微粒子検出素子では、電荷発生部が電荷を発生させることでガス中の微粒子を帯電微粒子にし、捕集電極がその帯電微粒子を捕集する。捕集電極は捕集された帯電微粒子の数に応じて物理量が変化するため、この微粒子検出素子を用いることでガス中の微粒子の数を検出できる。ここで、ガス流路は、矩形のガス導入口からそのガス導入口と同形のガス排出口まで連なる直方体形状の空間である。ガスの流れの中に微粒子検出素子を配置してガス流路にガスを通過させると、ガス排出口よりも下流領域に、ガスの流速がガス流路の内部を通過するガスの流速よりも低速になる低流速部が発生する。捕集電極で捕集されなかった帯電微粒子は、ガス排出口から排出されたあと低流速部に至る。低流速部に至った帯電微粒子は、その後に捕集電極で捕集されずガス排出口から排出されてきた帯電微粒子を電気的な反発力によりガス流路に押し戻すように作用する。その結果、捕集電極による帯電微粒子の捕集率が向上する。
　なお、本明細書で「微粒子検出素子」は、微粒子の量（例えば微粒子の数、質量、表面積など）を検出する素子のことをいう。
　本発明の微粒子検出素子において、（低流速部におけるガスの流速）／（ガス流路の内部を通過するガスの最大流速）≦０．５７を満たすようにしてもよい。こうすれば、本発明の効果が顕著に得られる。
　本発明の微粒子検出素子において、前記低流速部は、前記ガス排出口を覆うように形成されることが好ましい。こうすれば、本発明の効果が顕著に得られる。
　本発明の微粒子検出素子において、前記筐体は、前記ガス流路を構成する一対の流路壁を備え、前記一対の流路壁の間隔を前記ガス流路の流路幅としたとき、（流路壁の壁厚）／（流路幅）≦０．６５を満たすようにしてもよい。こうすれば、低流速部がガス排出口を確実に覆うように形成されると共に、（低流速部におけるガスの流速）／（ガス流路の内部を通過するガスの最大流速）≦０．３１を満たすようになるため、本発明の効果が顕著に得られる。
　本発明の微粒子検出素子において、前記筐体のうち前記ガス導入口の周囲に位置する辺を含む角部の曲率半径は、１．０ｍｍ以下（特に０．３ｍｍ以下）としてもよい。こうすれば、ガス導入口からガス流路に入らなかったガスは、その角部に当たったあと筐体の外面から斜め後方に延びる剥離面を境界にしてその剥離面よりも筐体側では低速で進み、その剥離面よりも筐体とは反対側では高速で進む。一般に、低速のガスと固体との熱交換は、高速のガスと固体との熱交換よりも熱交換効率が低いことが知られている。そのため、筐体とガスとの熱交換が抑制され、筐体の温度変化が低減される。特に、こうした構成は、（流路壁の壁厚）／（流路幅）≦０．６５を満たす場合に適用する意義が高い。この場合、流路壁の熱容量が小さいため、流路壁はガスとの熱交換の影響を受けやすくなるからである。
　本発明の微粒子検出素子において、前記筐体は、前記ガス流路の軸方向と交差する方向に長い長尺体であり、前記長尺体の長手方向の一端は、前記ガス流路を有し、前記ガスが流通する管の内部に配置され、前記長尺体の長手方向の他端は、少なくとも前記電荷発生部の端子及び前記捕集電極の端子を有し、前記管の外部に配置されるものとしてもよい。こうすれば、電荷発生部の端子や捕集電極の端子は管を流通する高温のガスの影響を受けにくいため、はんだ等の比較的耐熱性の低い接合材で配線と接続することができる。
　本発明の微粒子検出器は、上述したいずれかの態様の微粒子検出素子と、前記捕集電極に捕集された前記帯電微粒子に応じて変化する物理量に基づいて、前記微粒子を検出する検出部と、を備えたものである。そのため、この微粒子検出器は、上述した本発明の微粒子検出素子と同様の効果、例えば捕集電極による帯電微粒子の捕集率を向上させるという効果が得られる。
　なお、本明細書において、「電荷」とは、正電荷や負電荷のほかイオンを含むものとする。「微粒子を検出する」とは、微粒子の量（例えば微粒子の数、質量、表面積など）を測定する場合のほか、微粒子の量が所定の数値範囲に入るか否か（例えば所定のしきい値を超えるか否か）を判定する場合も含むものとする。「物理量」とは、帯電微粒子の数（電荷量）に基づいて変化するパラメータであればよく、例えば電流などが挙げられる。
微粒子検出器１０の説明図。 微粒子検出素子２０の斜視図。 図２の部分拡大図。 図２のＡ－Ａ断面図。 図２のＢ－Ｂ断面図。 微粒子検出素子２０の分解斜視図。 微粒子検出素子２０の内外を通過するガスの流速分布を示す説明図。 微粒子検出素子２０の内外を通過するガスの流速分布を示す説明図。
　次に、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。図１は本発明の一実施形態である微粒子検出器１０の説明図、図２は微粒子検出素子２０の斜視図、図３は図２の部分拡大図、図４は図２のＡ－Ａ断面図、図５は図２のＢ－Ｂ断面図、図６は微粒子検出素子２０の分解斜視図である。なお、本実施形態において、上下方向，左右方向及び前後方向は、図１～図２に示した通りとする。
　微粒子検出器１０は、図１に示すように、エンジンの排気管１２を流れる排ガスに含まれる微粒子２６（図５参照）の数を検出するものである。この微粒子検出器１０は、微粒子検出素子２０と、各種電源３６，４６，５６や個数検出部６０を含む付属ユニット８０とを備えている。
　微粒子検出素子２０は、図１に示すように、円柱状の支持体１４に差し込まれた状態で、排気管１２に固定されたリング状の台座１６に取り付けられている。微粒子検出素子２０は、保護カバー１８によって保護されている。保護カバー１８には図示しない穴が設けられており、この穴を介して排気管１２を流通する排ガスが微粒子検出素子２０の下端に設けられたガス流路２４を通過する。微粒子検出素子２０は、図５に示すように、筐体２２に、電荷発生部３０と、余剰電荷除去部４０と、捕集部５０と、ヒータ電極７２とを備えたものである。
　筐体２２は、図１に示すように、排気管１２の軸方向と交差する方向（ここでは略直交する方向）に長い長尺の直方体である。筐体２２は絶縁体であり、例えばアルミナなどのセラミックス製である。筐体２２の下端２２ａは排気管１２の内部に配置され、上端２２ｂは排気管１２の外部に配置される。筐体２２の下端２２ａには、ガス流路２４が設けられている。筐体２２の上端２２ｂには、各種端子が設けられている。
　ガス流路２４の軸方向は、排気管１２の軸方向と一致している。ガス流路２４は、図２に示すように、筐体２２の前方の面に設けられた矩形のガス導入口２４ａから、筐体２２の後方の面に設けられた矩形のガス排出口２４ｂまで連なる直方体形状の空間である。筐体２２は、ガス流路２４を構成する左右一対の流路壁２２ｃ，２２ｄを備えている（図２及び図３参照）。本実施形態では、図３に示すように、左右一対の流路壁２２ｃ，２２ｄの間隔を、ガス流路２４の流路幅Ｗと称する。流路壁２２ｃ，２２ｄの壁厚ｔは、流路幅Ｗより大きくても小さくてもよいが、流路幅Ｗより小さい方が好ましく、ｔ／Ｗ≦０．６５を満たすのがより好ましい。また、０．１７≦ｔ／Ｗを満たすことが好ましい。例えば、流路幅Ｗを１～５ｍｍの範囲内の所定値に設定し、この不等式を満たすように壁厚ｔを設定するのが好ましい。一例として、流路幅Ｗを３ｍｍとした場合、壁厚ｔは０．５～１．９５ｍｍで設定するのが好ましい。筐体２２の辺のうち、ガス導入口２４ａの周囲に位置する辺（図２及び図３における、ガス導入口２４ａの左辺、右辺及び下辺とそれぞれ対向する辺２２ｅ，２２ｆ，２２ｇ）を含む角部の曲率半径は、１．０ｍｍ以下であることが好ましく、０．１ｍｍ以下であることがより好ましい。
　電荷発生部３０は、ガス流路２４内のガス導入口２４ａの近傍に電荷が発生するように、左右一対の流路壁２２ｃ，２２ｄのそれぞれに設けられている。以下には説明の便宜上、流路壁２２ｃに設けられた電荷発生部３０について説明するが、流路壁２２ｄに設けられた電荷発生部３０もこれと同様である。電荷発生部３０は、放電電極３２と２つの誘導電極３４，３４とを有している。放電電極３２は、流路壁２２ｃの内面に沿って設けられ、図４に示すように、矩形の周囲に複数の微細突起を有している。２つの誘導電極３４，３４は、矩形電極であり、流路壁２２ｃに間隔をあけて放電電極３２と平行となるように埋設されている。電荷発生部３０では、放電電極３２と２つの誘導電極３４，３４との間に放電用電源３６（付属ユニット８０の１つ）の高周波高電圧（例えばパルス電圧等）が印加されることで、両電極間の電位差による気中放電が発生する。このとき、筐体２２のうち放電電極３２と誘導電極３４，３４との間の部分が誘電体層の役割を果たす。この気中放電によって、放電電極３２の周囲に存在するガスがイオン化されて正の電荷２８が発生する。誘導電極３４，３４は、ここではグランドに接続されている。
　ガスに含まれる微粒子２６は、ガス導入口２４ａからガス流路２４内に入り、電荷発生部３０を通過する際に電荷発生部３０の気中放電によって発生した電荷２８が付加されて帯電微粒子Ｐとなったあと後方に移動する。また、発生した電荷２８のうち微粒子２６に付加されなかったものは、電荷２８のまま後方に移動する。
　余剰電荷除去部４０は、電荷発生部３０の下流で且つ捕集部５０の上流に設けられている。余剰電荷除去部４０は、印加電極４２と除去電極４４とを有している。印加電極４２は、右側の流路壁２２ｄの内面に沿って設けられ、ガス流路２４内に露出している。除去電極４４は、左側の流路壁２２ｃの内面に沿って設けられ、ガス流路２４内に露出している。印加電極４２と除去電極４４とは互いに向かい合う位置に配設されている。印加電極４２は、除去用電源４６（付属ユニット８０の１つ）によって後述する電圧Ｖ１に対して１桁程度低い電圧Ｖ２（正電位）が印加される電極である。除去電極４４は、グランドに接続された電極である。これにより、余剰電荷除去部４０の印加電極４２と除去電極４４との間には弱い電界が発生する。したがって、電荷発生部３０で発生した電荷２８のうち、微粒子２６に付加されなかった余剰の電荷２８は、この弱い電界によって除去電極４４に引き寄せられて捕獲され、グランドに捨てられる。これにより、余剰電荷除去部４０は、余剰の電荷２８が捕集部５０の捕集電極５４に捕集されて微粒子２６の数にカウントされてしまうことを抑制している。
　捕集部５０は、ガス流路２４のうち電荷発生部３０及び余剰電荷除去部４０よりも下流に設けられている。捕集部５０は、帯電微粒子Ｐを捕集するものであり、電界発生電極５２と捕集電極５４とを有している。電界発生電極５２は、右側の流路壁２２ｄの内面に沿って設けられ、ガス流路２４内に露出している。捕集電極５４は、左側の流路壁２２ｃの内面に沿って設けられ、ガス流路２４内に露出している。電界発生電極５２と捕集電極５４とは互いに向かい合う位置に配設されている。電界発生電極５２は、印加電極４２に印加される電圧Ｖ２よりも大きな電圧Ｖ１（正電位）が捕集用電源５６（付属ユニット８０の１つ）によって印加される電極である。捕集電極５４は、電流計６２を介してグランドに接続された電極である。これにより、捕集部５０の電界発生電極５２と捕集電極５４との間には比較的強い電界が発生する。したがって、ガス流路２４を流れる帯電微粒子Ｐは、この比較的強い電界によって捕集電極５４に引き寄せられて捕集される。
　なお、余剰電荷除去部４０の各電極４２，４４のサイズ、両電極４２，４４の間に発生させる電界の強さ、捕集部５０の各電極５２，５４のサイズ、両電極５２，５４の間に発生させる電界の強さは、帯電微粒子Ｐが除去電極４４に捕集されることなく捕集電極５４に捕集されるように、また、微粒子２６に付加しなかった電荷２８が除去電極４４によって除去されるように、設定されている。一般に、電荷２８の電気移動度は、帯電微粒子Ｐの電気移動度の１０倍以上であり、捕集するのに必要な電界は１桁以上小さくて済むので、このような設定が容易に可能となる。なお、電界発生電極５２と捕集電極５４とは、複数組設けられていてもよい。
　個数検出部６０は、付属ユニット８０の１つであり、電流計６２と個数測定装置６４とを備えている。電流計６２は、一方の端子が捕集電極５４に接続され、もう一方の端子がグランドに接続されている。この電流計６２は、捕集電極５４に捕集された帯電微粒子Ｐの電荷２８に基づく電流を測定する。個数測定装置６４は、電流計６２の電流に基づいて微粒子２６の個数を演算する。
　ヒータ電極７２は、筐体２２に埋設されている。ヒータ電極７２は、ジグザグに引き回された帯状の発熱体（図６参照）である。ヒータ電極７２は、図示しない給電装置に接続され、その給電装置によって通電されると発熱する。ヒータ電極７２は、筐体２２や除去電極４４，捕集電極５４などの各電極を加熱する。
　ここで、微粒子検出素子２０の構成について、図６の分解斜視図を用いて更に説明する。微粒子検出素子２０は、７枚のシートＳ１～Ｓ７で構成されている。各シートＳ１～Ｓ７は、筐体２２と同じ材料で形成されている。説明の便宜上、左から右に向かって第１シートＳ１、第２シートＳ２、…と称し、各シートＳ１～Ｓ７における右側の面を表面、左側の面を裏面と称する。各シートＳ１～Ｓ７の厚みは適宜設定すればよく、例えばすべて同じであってもよいし、それぞれ異なっていてもよい。
　第１シートＳ１の表面には、ヒータ電極７２が設けられている。ヒータ電極７２の一端及び他端は、第１シートＳ１の表面の上方に配置されており、第１シートＳ１のスルーホールを介して第１シートＳ１の裏面の上方に設けられたヒータ電極端子７５，７５にそれぞれ接続されている。
　第２シートＳ２の表面には、誘導電極３４，３４が設けられている。誘導電極３４，３４は１本の配線にまとめられている。その配線の端部は、第２シートＳ２の表面の上方に配置されており、第２シートＳ２及び第１シートＳ１のスルーホールを介して第１シートＳ１の裏面の上方に設けられた誘導電極端子３５に接続されている。第２シートＳ２の表面には、除去電極４４の配線４４ａと捕集電極５４の配線５４ａとが上下方向に沿ってそれぞれ設けられている。各配線４４ａ，５４ａの上端は、第２シートＳ２及び第１シートＳ１のスルーホールを介して第１シートＳ１の裏面の上方に設けられた除去電極端子４５及び捕集電極端子５５にそれぞれ接続されている。
　第３シートＳ３の表面には、放電電極３２、除去電極４４及び捕集電極５４が設けられている。除去電極４４は、第３シートＳ３のスルーホールを介して第２シートＳ２の配線４４ａに接続され、更にこの配線４４ａを介して除去電極端子４５に接続されている。捕集電極５４は、第３シートＳ３のスルーホールを介して第２シートＳ２の配線５４ａに接続され、更にこの配線５４ａを介して捕集電極端子５５に接続されている。
　第４シートＳ４の下端側には、ガス流路２４すなわち直方体形状の空間が設けられている。
　第５シートＳ５の裏面には、放電電極３２、印加電極４２及び電界発生電極５２が設けられている。
　第６シートＳ６の裏面には、誘導電極３４，３４が設けられている。誘導電極３４，３４は１本の配線にまとめられている。その配線の端部は、第６シートＳ６の裏面の上方に配置されており、第３～第６シートＳ３～Ｓ６のスルーホールを介して第２シートＳ２の誘導電極３４の配線に接続されている。そのため、第６シートＳ６に設けられた誘導電極３４，３４も、第１シートＳ１の裏面の上方に設けられた誘導電極端子３５に接続されている。
　第７シートＳ７の裏面には、放電電極３２の配線３２ａと印加電極４２の配線４２ａと電界発生電極５２配線５２ａとが上下方向に沿ってそれぞれ設けられている。配線３２ａの下端は、第４～第６シートＳ４～Ｓ６のスルーホールを介して第３及び第５シートＳ３，Ｓ５にそれぞれ設けられた放電電極３２に接続されている。配線４２ａの下端は、第５及び第６シートＳ５，Ｓ６のスルーホールを介して第５シートＳ５の裏面に設けられた印加電極４２に接続されている。配線５２ａの下端は、第５及び第６シートＳ５，Ｓ６のスルーホールを介して第５シートＳ５の裏面に設けられた電界発生電極５２に接続されている。各配線３２ａ，４２ａ，５２ａの上端は、第７シートＳ７のスルーホールを介して第７シートＳ７の表面の上方に設けられた放電電極端子３３、印加電極端子４３及び電界発生電極端子５３にそれぞれ接続されている。
　次に、微粒子検出器１０の製造例について説明する。微粒子検出素子２０は、複数枚のセラミックグリーンシートを用いて作製することができる。具体的には、複数枚のセラミックグリーンシートの各々について、必要に応じて切欠や貫通孔や溝を設けたり電極や配線パターンをスクリーン印刷したりした後、それらを積層して焼成する。なお、切欠や貫通孔や溝については、焼成時に焼失するような材料（例えば有機材料）で充填しておいてもよい。こうして、微粒子検出素子２０を得る。続いて、微粒子検出素子２０の放電電極端子３３、印加電極端子４３及び電界発生電極端子５３をそれぞれ付属ユニット８０の放電用電源３６、除去用電源４６及び捕集用電源５６に接続する。また、微粒子検出素子２０の誘導電極端子３５及び除去電極端子４５をグランドに接続し、捕集電極端子５５を電流計６２を介して個数測定装置６４に接続する。更に、ヒータ電極端子７５，７５を図示しない給電装置に接続する。こうすることにより、微粒子検出器１０を製造することができる。
　次に、微粒子検出器１０の使用例について説明する。自動車の排ガスに含まれる微粒子２６を計測する場合、上述したようにエンジンの排気管１２に微粒子検出素子２０を取り付ける（図１参照）。
　図５に示すように、ガス導入口２４ａから筐体２２内に導入された排ガスに含まれる微粒子２６は、電荷発生部３０の放電によって発生した電荷２８（ここでは正電荷）を帯びて帯電微粒子Ｐになる。帯電微粒子Ｐは、電界が弱く除去電極４４の長さが捕集電極５４よりも短い余剰電荷除去部４０をそのまま通過して、捕集部５０に至る。一方、微粒子２６に付加されなかった電荷２８は、電界が弱くても余剰電荷除去部４０の除去電極４４に引き寄せられ、除去電極４４を介してＧＮＤに捨てられる。これにより、微粒子２６に付加されなかった不要な電荷２８は捕集部５０にほとんど到達することがない。
　捕集部５０に到達した帯電微粒子Ｐは、電界発生電極５２によって発生した捕集用電界によって捕集電極５４に捕集される。そして、捕集電極５４に捕集された帯電微粒子Ｐの電荷２８に基づく電流が電流計６２で測定され、その電流に基づいて個数測定装置６４が微粒子２６の個数を演算する。電流Ｉと電荷量ｑの関係は、Ｉ＝ｄｑ／（ｄｔ）、ｑ＝∫Ｉｄｔである。個数測定装置６４は、所定期間にわたって電流値を積分（累算）してその積分値（蓄積電荷量）を求め、蓄積電荷量を素電荷で除算して電荷の総数（捕集電荷数）を求め、その捕集電荷数を１つの微粒子２６に付加する電荷の数の平均値（平均帯電数）で除算することで、捕集電極５４に捕集された微粒子２６の個数Ｎｔを求める（下記式（１）参照）。個数測定装置６４は、この個数Ｎｔを排ガス中の微粒子２６の数として検出する。
　Ｎｔ＝（蓄積電荷量）／｛（素電荷）×（平均帯電数）｝　…（１）
　微粒子検出素子２０の使用に伴い、微粒子２６等が捕集電極５４に数多く堆積すると、新たに帯電微粒子Ｐが捕集電極５４に捕集されないことがある。そのため、定期的にあるいは堆積量が所定量に達したタイミングで、捕集電極５４をヒータ電極７２によって加熱することにより、捕集電極５４上の堆積物を加熱して焼却し捕集電極５４の電極面をリフレッシュする。また、ヒータ電極７２により、筐体２２の内周面に付着した微粒子２６を焼却することもできる。
　ここで、ガス流路２４は、矩形のガス導入口２４ａからガス導入口２４ａと同形のガス排出口２４ｂまで連なる直方体形状の空間である。このガス流路２４に排ガスを通過させると図７に示す流速分布が得られる。図７は、微粒子検出素子２０の断面図（図２のＢ－Ｂ断面図に相当）を用いて、微粒子検出素子２０を排ガスの流れの中に配置したときの流速分布を示したものである。図７の元図になったカラーの流速分布図では、赤→橙→黄→緑→青→藍→紫の順に流速が低くなるように表示されていたが、図７ではカラーをグレースケールに置き換えて表示した。図７に示すように、ガス排出口２４ｂよりも下流領域には、排ガスの流速がガス流路２４の内部を通過する排ガスの流速よりも低速になる低流速部ＬＡが発生する。捕集電極５４で捕集されなかった帯電微粒子Ｐは、ガス排出口２４ｂから排出されたあと低流速部ＬＡに至る。低流速部ＬＡに至った帯電微粒子Ｐは、その後に捕集電極５４で捕集されずガス排出口２４ｂから出てきた帯電微粒子Ｐを電気的な反発力によりガス流路２４に押し戻すように作用する。その結果、捕集電極５４による帯電微粒子Ｐの捕集率が向上する。
　図７の低流速部ＬＡは、（低流速部ＬＡにおける排ガスの流速）／（ガス流路２４の内部を通過する排ガスの最大流速）を流速比Ｒとしたとき、Ｒ≦０．５７を満たす。Ｒ≦０．５７の低流速部ＬＡが存在するか否かは、図７の元図になったカラーの流速分布図を用いることにより容易に判断することができる。図７では、低流速部ＬＡは、ガス排出口２４ｂを覆うように形成されていることがわかる。これにより、上述したように低流速部ＬＡに至った帯電微粒子Ｐがその後にガス排出口２４ｂから排出されてきた帯電微粒子Ｐをガス流路２４に押し戻すように作用しやすくなり、帯電微粒子Ｐの捕集率がより向上する。
　図７に示した流路壁２２ｃ，２２ｄの壁厚ｔは、（流路壁の壁厚ｔ）／（流路幅Ｗ）≦０．６５を満たす。具体的には、図７ではｔ＝１ｍｍ、Ｗ＝３ｍｍとした。これにより、低流速部ＬＡは、ガス排出口２４ｂを確実に覆うように形成されるし、低流速部ＬＡにおける排ガスの流速は、流速比Ｒ≦０．３１を満たすほど低くなる。そのため、上述したように低流速部ＬＡに至った帯電微粒子Ｐがその後にガス排出口２４ｂから排出されてきた帯電微粒子Ｐをガス流路２４に押し戻すように一層作用しやすくなり、帯電微粒子Ｐの捕集率が一層向上する。こうした作用効果は、ｔ／Ｗ≦０．６５を満たせば得られる。一方、流路壁２２ｃ，２２ｄの壁厚ｔがｔ／Ｗ≦０．６５を満たしていない場合であっても、帯電微粒子Ｐの捕集率が向上する効果は得られる。例えば、図８に示すように壁厚ｔが流路幅Ｗと等しい場合（図８ではｔ＝Ｗ＝３ｍｍ）であっても、ガス排出口２４ｂよりも下流領域に低流速部ＬＡが発生し、図７ほど明確ではないがガス排出口２４ｂを覆うように形成される。そのため、帯電微粒子Ｐの捕集率が向上するという効果は得られる。但し、図８の低流速部ＬＡは、流速比Ｒ≦０．５７を満たすが、流速比Ｒ≦０．３１を満たさない。そのため、帯電微粒子Ｐの捕集率が向上するという効果は図８よりも図７の方が大きい。なお、壁厚ｔや流路幅Ｗには、各種電極３２，４２，４４，５２，５４の厚み（通常、数１０μｍ）を含めないものとする。
　筐体２２のうちガス導入口２４ａの周囲に位置する辺２２ｅ～２２ｇを含む角部（図３参照）の曲率半径は、１．０ｍｍ以下（特に０．３ｍｍ以下）を満たすことが好ましい。こうすれば、ガス導入口２４ａからガス流路２４に入らなかった排ガスは、図７に示すように、こうした角部に当たったあと筐体２２の外面から斜め後方に延びる剥離面ＢＦを境界にしてその剥離面ＢＦよりも筐体２２側では低速で進み、その剥離面ＢＦよりも筐体２２とは反対側では高速で進む。一般に、低速のガスと固体との熱交換は、高速のガスと固体との熱交換よりも熱交換効率が低いことが知られている。そのため、筐体２２と排ガスとの熱交換が抑制され、筐体２２の温度変化が低減され、ひいては微粒子の個数Ｎｔの測定精度が向上する。すなわち、微粒子２６の個数Ｎｔは上述したように平均帯電数の関数であり、平均帯電数は温度の関数であることが知られている。そのため、筐体２２の温度変化を抑制して平均帯電数を安定化させれば、個数Ｎｔの測定精度が向上する。辺２２ｅ～２２ｇを含む角部の曲率半径が１．０ｍｍを超えると、剥離面ＢＦは形成されず筐体２２の外面を高速のガスが流れるため、筐体２２の温度変化は低減されない。辺２２ｅ～２２ｇを含む角部の曲率半径が１．０ｍｍ以下という構成を採用したことによる効果は、壁厚ｔと流路幅Ｗとの関係によらずに得ることができる。例えば、図８においても得ることができる。但し、この構成は、（流路壁の壁厚ｔ）／（流路幅Ｗ）≦０．６５を満たす場合に適用する意義が高い。この場合、流路壁２２ｃ，２２ｄの熱容量が小さいため、流路壁２２ｃ，２２ｄは排ガスとの熱交換の影響を受けやすくなるからである。なお、剥離面ＢＦを生じさせるためには、この曲率半径は０ｍｍであっても構わない。しかし、あまり鋭利な角部を形成しようとすると、角部が突出して脱落しやすくなり、脱落面によって角部形状が不均一になるおそれがある。そのような不均一な角部形状では、流れが乱れやすくなるため、かえって安定な剥離面を生じにくくなる。これを防ぐためには、曲率半径を０．０１ｍｍ以上にしておくことが好ましい。
　以上説明した微粒子検出器１０では、捕集電極５４で捕集されなかった帯電微粒子Ｐは、ガス排出口２４ｂから排出されたあと低流速部ＬＡに至る。低流速部ＬＡに至った帯電微粒子Ｐは、その後に捕集電極５４で捕集されずガス排出口２４ｂから排出されてきた帯電微粒子Ｐを電気的な反発力によりガス流路２４に押し戻すように作用する。その結果、捕集電極５４による帯電微粒子Ｐの捕集率が向上する。微粒子検出器１０において、捕集性能を上げるために電圧Ｖ１を増加させると、ガス流路２４内の絶縁破壊や配線部での短絡を生じるリスクがあるため、電圧Ｖ１を変えずに捕集率を向上させる工夫はきわめて有効である。
　微粒子検出器１０は、流速比Ｒ≦０．５７を満たすことや低流速部ＬＡがガス排出口２４ｂを覆うように形成されることが好ましい。こうすれば、捕集電極５４による帯電微粒子Ｐの捕集率がより向上する。
　また、ｔ／Ｗ≦０．６５を満たすことが好ましい。こうすれば、低流速部ＬＡは、ガス排出口２４ｂを確実に覆うように形成されるし、低流速部ＬＡにおける排ガスの流速は、流速比Ｒ≦０．３１を満たすほど低くなる。そのため、捕集電極５４による帯電微粒子Ｐの捕集率が一層向上する。なお、流路壁２２ｃ，２２ｄの強度を確保することを考慮すると、０．１７≦ｔ／Ｗを満たすことが好ましい。
　更に、筐体２２のうちガス導入口２４ａの周囲に位置する辺２２ｅ～２２ｇを含む角部の曲率半径を１．０ｍｍ以下にすることが好ましい。こうすれば、筐体２２の外面と排ガスとの熱交換が抑制され、筐体２２の温度変化が低減され、ひいては微粒子の個数Ｎｔの測定精度が向上する。
　更にまた、長尺体である筐体２２のうち、ガス流路２４が形成された下端は排気管１２の内部に配置され、電極端子３３，３５，４３，４５，５３，５５、７５が形成された上端は排気管１２の外部に配置される。そのため、電極端子３３，３５，４３，４５，５３，５５、７５は排気管１２を流通する高温の排ガスの影響を受けにくく、はんだ等の比較的耐熱性の低い接合材で外部配線と接続することができる。
　そしてまた、捕集電極５４は電界を利用して帯電微粒子Ｐを捕集するため、捕集電極５４に帯電微粒子Ｐを効率よく捕集することができる。
　そして更に、筐体２２は、ヒータ電極７２を内蔵しているため、筐体２２の温度をヒータ電極７２によって制御することができる。また、微粒子検出素子２０の使用に伴って捕集電極５４等に付着した微粒子２６をヒータ電極７２を加熱することにより焼却して捕集電極５４等をリフレッシュすることができる。
　そして更にまた、微粒子検出素子２０は、筐体２２内で捕集電極５４よりもガスの流れの上流側に除去電極４４を備えているため、微粒子２６に付加されなかった電荷２８（余剰電荷）は捕集電極５４に捕集される前に除去電極４４によって除去される。したがって、そのような余剰電荷によって微粒子数が影響を受けるのを防止することができる。
　なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。
　例えば、上述した実施形態において、ガス流路２４の流路壁２２ｃ，２２ｄを壁厚ｔとして説明したが、流路壁２２ｃを壁厚ｔ１とし、流路壁２２ｄを壁厚ｔ２（≠ｔ１）としてもよい。その場合、（流路壁の壁厚ｔ１）／（流路幅Ｗ）≦０．６５、（流路壁の壁厚ｔ２）／（流路幅Ｗ）≦０．６５の両方を満たすことが好ましい。
　上述した実施形態において、筐体２２にガス流路２４を２つ以上並べて設けてもよい。その場合、例えばガス流路２４ごとに捕集電極５４に発生させる電界の強度を変化させれば、ガス流路２４ごとに捕集される微粒子２６の粒径分布を異ならせることができる。
　上述した実施形態において、微粒子検出素子２０は、低流速部ＬＡが発生しない構成であって、筐体２２のうちガス導入口２４ａの周囲に位置する辺２２ｅ～２２ｇを含む角部の曲率半径が１．０ｍｍ以下（特に０．３ｍｍ以下）のものであってもよい。その場合、低流速部ＬＡによる効果は得られないものの、角部による効果、つまり筐体２２の外面と排ガスとの熱交換が抑制され、筐体２２の温度変化が低減され、ひいては微粒子の個数Ｎｔの測定精度が向上するという効果は得られる。
　上述した実施形態では、電荷発生部３０として、ガス流路２４の内面に沿って設けられた放電電極３２と筐体２２に埋設された２つの誘導電極３４，３４とにより構成したが、気中放電により電荷を発生するものであれば特にどのような構成でも構わない。例えば、誘導電極３４，３４をガス流路２４の壁に埋設する代わりに、ガス流路２４の内面に沿って設けてもよい。あるいは、特許文献１に記載されているように、電荷発生部を針状電極と対向電極とで構成してもよい。
　上述した実施形態では、電界発生電極５２はガス流路２４に露出していたが、これに限らず筐体２２に埋設されていてもよい。また、電界発生電極５２に代えて、捕集電極５４を上下から挟むように配設された一対の電界発生電極を筐体２２に設け、この一対の電界発生電極間に印加した電圧により生じる電界で、帯電微粒子Ｐを捕集電極５４に向けて移動させてもよい。この点は、印加電極４２も同様である。
　上述した実施形態において、電界発生電極５２には電圧Ｖ１を印加したが、電圧を印加せず電界発生電極５２による電界を発生させない場合でも、流路幅Ｗを微小な値（例えば０．０１ｍｍ以上０．２ｍｍ未満）としておくことで、ブラウン運動の激しい粒径の比較的小さな帯電微粒子Ｐを捕集電極５４に衝突させることができる。これにより、捕集電極５４が帯電微粒子Ｐを捕集できる。この場合、微粒子検出素子２０は電界発生電極５２を備えなくてもよい。
　上述した実施形態では、微粒子検出器１０をエンジンの排気管１２に取り付ける場合を例示したが、特にエンジンの排気管１２に限定されるものではなく、微粒子を含むガスが流通する管であればどのような管であってもよい。
　上述した実施形態では、微粒子検出素子２０は微粒子の数を検出するものとしたが、微粒子の質量や表面積などを検出するものとしてもよい。微粒子の質量は、例えば、微粒子の数に微粒子の平均質量を乗じることにより求めることができるし、予め蓄積電荷量と捕集された微粒子の質量との関係をマップとして記憶装置に記憶しておき、このマップを用いて蓄積電荷量から微粒子の質量を求めることもできる。微粒子の表面積についても、微粒子の質量と同様の方法で求めることができる。
　本発明は、例えば自動車などの動力機械の排ガス中の微粒子の数を検出する微粒子検出器に利用可能である。
１０　微粒子検出器、１２　排気管、１４　支持体、１６　台座、１８　保護カバー、２０　微粒子検出素子、２２　筐体、２２ａ　下端、２２ｂ　上端、２２ｃ　流路壁、２２ｄ　流路壁、２２ｅ～ｇ　辺、２４　ガス流路、２４ａ　ガス導入口、２４ｂ　ガス排出口、２６　微粒子、２８　電荷、３０　電荷発生部、３２　放電電極、３２ａ　配線、３３　放電電極端子、３４　誘導電極、３５　誘導電極端子、３６　放電用電源、４０　余剰電荷除去部、４２　印加電極、４２ａ　配線、４３　印加電極端子、４４　除去電極、４４ａ　配線、４５　除去電極端子、４６　除去用電源、５０　捕集部、５２　電界発生電極、５２ａ　配線、５３　電界発生電極端子、５４　捕集電極、５４ａ　配線、５５　捕集電極端子、５６　捕集用電源、６０　個数検出部、６２　電流計、６４　個数測定装置、７２　ヒータ電極、７５　ヒータ電極端子、８０　付属ユニット、ＢＦ　剥離面、ＬＡ　低流速部、Ｓ１～Ｓ７　第１～第７シート、Ｐ　帯電微粒子、ｔ　流路壁の壁厚、Ｗ　流路幅。

Claims (7)

  1. 　ガス中の微粒子を検出するために用いられる微粒子検出素子であって、
    　前記ガスが通過するガス流路を有する筐体と、
    　前記筐体内に導入された前記ガス中の微粒子に放電によって発生させた電荷を付加して帯電微粒子にする電荷発生部と、
    　前記筐体内で前記電荷発生部よりも前記ガスの流れの下流側に設けられ、前記帯電微粒子を捕集する捕集電極と、
    　を備え、
    　前記ガス流路は、矩形のガス導入口から前記ガス導入口と同形のガス排出口まで連なる直方体形状の空間であり、前記ガスの流れの中に前記微粒子検出素子を配置して前記ガス流路に前記ガスを通過させると、前記ガス排出口よりも下流領域に、前記ガスの流速が前記ガス流路の内部を通過する前記ガスの流速よりも低速になる低流速部が発生する、
    　微粒子検出素子。
  2. 　（低流速部におけるガスの流速）／（ガス流路の内部を通過するガスの最大流速）≦０．５７を満たす、
    　請求項１に記載の微粒子検出素子。
  3. 　前記低流速部は、前記ガス排出口を覆うように形成される、
    　請求項１又は２に記載の微粒子検出素子。
  4. 　前記筐体は、前記ガス流路を構成する一対の流路壁を備え、前記一対の流路壁の間隔を前記ガス流路の流路幅としたとき、（流路壁の壁厚）／（流路幅）≦０．６５を満たす、
    　請求項１～３のいずれか１項に記載の微粒子検出素子。
  5. 　前記筐体のうち前記ガス導入口の周囲に位置する辺を含む角部の曲率半径は、１．０ｍｍ以下である、
    　請求項１～４のいずれか１項に記載の微粒子検出素子。
  6. 　前記筐体は、前記ガス流路の軸方向と交差する方向に長い長尺体であり、前記長尺体の長手方向の一端は、前記ガス流路を有し、前記ガスが流通する管の内部に配置され、前記長尺体の長手方向の他端は、少なくとも前記電荷発生部の端子及び前記捕集電極の端子を有し、前記管の外部に配置される、
    　請求項１～５のいずれか１項に記載の微粒子検出素子。
  7. 　請求項１～６のいずれか１項に記載の微粒子検出素子と、
    　前記捕集電極に捕集された前記帯電微粒子に応じて変化する物理量に基づいて、前記微粒子を検出する検出部と、
    　を備えた微粒子検出器。
PCT/JP2017/032103 2017-09-06 2017-09-06 微粒子検出素子及び微粒子検出器 Ceased WO2019049236A1 (ja)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE112017007992.6T DE112017007992T5 (de) 2017-09-06 2017-09-06 Element zum erfassen von teilchen und teilchendetektor
JP2018533966A JP6420525B1 (ja) 2017-09-06 2017-09-06 微粒子検出素子及び微粒子検出器
PCT/JP2017/032103 WO2019049236A1 (ja) 2017-09-06 2017-09-06 微粒子検出素子及び微粒子検出器
CN201780094388.8A CN111065910A (zh) 2017-09-06 2017-09-06 微粒检测元件及微粒检测器
US16/804,525 US20200200667A1 (en) 2017-09-06 2020-02-28 Particle detection element and particle detector

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/JP2017/032103 WO2019049236A1 (ja) 2017-09-06 2017-09-06 微粒子検出素子及び微粒子検出器

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
US16/804,525 Continuation US20200200667A1 (en) 2017-09-06 2020-02-28 Particle detection element and particle detector

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2019049236A1 true WO2019049236A1 (ja) 2019-03-14

Family

ID=64098751

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2017/032103 Ceased WO2019049236A1 (ja) 2017-09-06 2017-09-06 微粒子検出素子及び微粒子検出器

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20200200667A1 (ja)
JP (1) JP6420525B1 (ja)
CN (1) CN111065910A (ja)
DE (1) DE112017007992T5 (ja)
WO (1) WO2019049236A1 (ja)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2022020482A1 (en) * 2020-07-22 2022-01-27 Telosair Corp. Electrostatic precipitation-based sampler for bioaerosol monitoring
CN114264579A (zh) * 2020-09-16 2022-04-01 智感云端科技股份有限公司 细悬浮颗粒物检测装置
CN118858410B (zh) * 2024-09-23 2024-12-17 江苏君华特种高分子材料股份有限公司 Peek导电复合颗粒抗静电检测系统及其工作方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4555933A (en) * 1983-02-18 1985-12-03 Coal Industry (Patents) Limited Dust assessment apparatus and method
WO2008111403A1 (ja) * 2007-03-15 2008-09-18 Ngk Insulators, Ltd. 粒子状物質検出装置
WO2013183652A1 (ja) * 2012-06-06 2013-12-12 株式会社島津製作所 微粒子分級測定装置、粒子濃度分布が一様なサンプル作成装置、及びナノ粒子膜成膜装置
WO2015146456A1 (ja) * 2014-03-26 2015-10-01 日本碍子株式会社 微粒子の個数計測器及び微粒子の個数計測方法

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US455933A (en) * 1891-07-14 Extension vehicle-seat
JP2006112246A (ja) * 2004-10-12 2006-04-27 Denso Corp 内燃機関用排気浄化装置
US8966956B2 (en) * 2010-04-30 2015-03-03 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Particulate matter amount detecting apparatus
JP5201193B2 (ja) * 2010-10-28 2013-06-05 株式会社デンソー 粒子状物質検出センサ
JP2013029473A (ja) * 2011-07-29 2013-02-07 New Cosmos Electric Corp 吸引式ガス検知器
JP5385420B2 (ja) * 2012-04-23 2014-01-08 日本特殊陶業株式会社 微粒子検知システム
US10281384B2 (en) * 2015-08-25 2019-05-07 Ford Global Technologies, Llc Method and system for exhaust particulate matter sensing

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4555933A (en) * 1983-02-18 1985-12-03 Coal Industry (Patents) Limited Dust assessment apparatus and method
WO2008111403A1 (ja) * 2007-03-15 2008-09-18 Ngk Insulators, Ltd. 粒子状物質検出装置
WO2013183652A1 (ja) * 2012-06-06 2013-12-12 株式会社島津製作所 微粒子分級測定装置、粒子濃度分布が一様なサンプル作成装置、及びナノ粒子膜成膜装置
WO2015146456A1 (ja) * 2014-03-26 2015-10-01 日本碍子株式会社 微粒子の個数計測器及び微粒子の個数計測方法

Also Published As

Publication number Publication date
DE112017007992T5 (de) 2020-06-10
CN111065910A (zh) 2020-04-24
US20200200667A1 (en) 2020-06-25
JPWO2019049236A1 (ja) 2019-11-07
JP6420525B1 (ja) 2018-11-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6505082B2 (ja) 微粒子の個数計測器
FI118278B (fi) Menetelmä ja anturilaite hiukkaspäästöjen mittaamiseksi polttomoottorin pakokaasuista
US20190285534A1 (en) Particulate detector
US20190391063A1 (en) Particulate detecting element and particulate detector
WO2019049236A1 (ja) 微粒子検出素子及び微粒子検出器
US20190145858A1 (en) Fine-particle number detector
US20200348220A1 (en) Particle detection device
US20200182769A1 (en) Particle counter
WO2018139345A1 (ja) 微粒子数検出器
JPWO2019239588A1 (ja) 微粒子数検出器
JP2019045504A (ja) 微粒子検出素子及び微粒子検出器
JP2019163976A (ja) 微粒子検出器
US20200200710A1 (en) Particle detection element and particle detector
WO2020179502A1 (ja) 微粒子検出素子及び微粒子検出器
US20200209134A1 (en) Particle detection element and particle detector
WO2020137416A1 (ja) 微粒子検出素子及び微粒子検出器
WO2019049566A1 (ja) 微粒子検出素子及び微粒子検出器
WO2020090438A1 (ja) 微粒子検出器
JP2020159726A (ja) 微粒子検出素子
WO2020137418A1 (ja) 微粒子検出器
WO2020036092A1 (ja) 微粒子検出器
JP2021043123A (ja) 微粒子数検出器
JP2018151381A (ja) 微粒子数検出器
WO2021060105A1 (ja) 微粒子検出素子及び微粒子検出器
JP2019045415A (ja) 微粒子数検出器

Legal Events

Date Code Title Description
ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2018533966

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 17924381

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 17924381

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1