JP2017001002A

JP2017001002A - 分離装置

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Publication number: JP2017001002A
Application number: JP2015121086A
Authority: JP
Inventors: 修赤坂; Osamu Akasaka; 早崎　嘉城; Yoshiki Hayazaki; 嘉城早崎; 瀬戸　章文; Akifumi Seto; 章文瀬戸; 拡松原; Hiroshi Matsubara
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2015-06-16
Filing date: 2015-06-16
Publication date: 2017-01-05
Anticipated expiration: 2035-06-16
Also published as: JP6558686B2

Abstract

【課題】圧力損失の低減を図りながらも分粒特性の向上を図れ、かつ、分粒特性を容易に変えることが可能な分離装置を提供する。【解決手段】分離装置１ａは、筒体２と、筒体２の内部空間により構成される流路３に気体を流す送風装置４と、筒体２の軸方向に沿った中心線２０を筒体２の回転中心軸として筒体２を回転させる駆動装置５と、筒体２の回転数を設定する設定部６と、駆動装置５が設定部６により設定された回転数で筒体２を回転させるように駆動装置５を制御する制御装置７と、を備える。流路３は、気体の流入口３１と流出口３２とがあり、筒体２の軸方向に直交する流路断面が円形状であり、流入口３１の口径が流入口３１以外の口径以上である。送風装置４は、流入口３１よりも下流側にある。分離装置１ａでは、筒体２における流出口３２の周部２４に、気体中に含まれていた固体を排出する排出孔２５が形成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、分離装置に関し、より詳細には、気体中の固体を分離する分離装置に関する。

従来、大気中の浮遊粒子の分離装置としては、サイクロン（cyclone）方式の分離装置、インパクタ（impactor）方式の分離装置、バーチャルインパクタ（virtual impactor）方式の分離装置が知られている（特許文献１）。

また、電気掃除機に用いる分離装置としては、例えば、サイクロン分離装置が知られている（特許文献２）。

特許文献２には、サイクロン分離装置と電動送風機とを互いに連結してユニット化した構成が記載されている。

サイクロン分離装置は、ベース、フィルタ、分離筒体、旋回流形成手段をなす螺旋翼、塵出口及び塵溜め部を備えている。分離筒体は、サイクロン上流部及びサイクロン下流部を備えている。サイクロン上流部の風路断面積は下流側に向けて徐々に拡大している。サイクロン下流部は、径に変化がない円筒形状をなしている。

螺旋翼は、サイクロン上流部に挿入してサイクロン上流部に取り付けられている。これにより、サイクロン上流部には、螺旋状の風路が形成されている。

サイクロン分離装置は、旋回しつつ流れる含塵気流の進行方向に気流を流出させながら、この気流中に含まれている塵を遠心分離する機能を有している。

特開２００４−８９８９８号公報特開２００４−１２９７８３号公報

サイクロン方式の分離装置、インパクタ方式の分離装置及びバーチャルインパクタ方式の分離装置は、圧力損失が大きく、分粒径を小さくするにつれて圧力損失が大きくなる傾向にある。また、これらの分離装置では、圧力損失を低減しようとすると、分粒特性が低下する傾向にある。

また、近年、大気汚染物質の問題が顕在化しており、大気中のＰＭ０．５、ＰＭ２．５（微小粒子状物質）、ＳＰＭ（浮遊粒子状物質）それぞれの質量濃度を計測して、大気環境の状況をより正確に把握したいという要望がある。しかしながら、ＰＭ０．５、ＰＭ２．５、ＳＰＭそれぞれの質量濃度を精度良く計測するためには、分離効率５０％の分粒径（以下、「５０％分粒径」という。）が０．５μｍの分離装置を有する計測器、５０％分粒径が２．５μｍの分離装置を有する計測器、分離効率１００％の分粒径（以下、「１００％分粒径」という。）が１０μｍの分離装置を有する計測器が必要であった。「質量濃度」とは、積算実流量における、単位体積中に浮遊する粒子状物質の質量である。「積算実流量」とは、大気の採取を開始してから終了するまでに採取した空気の実流量である。質量濃度の単位は、μｇ／ｍ³である。

本発明の目的は、圧力損失の低減を図りながらも分粒特性の向上を図れ、かつ、分粒特性を容易に変えることが可能な分離装置を提供することにある。

本発明の分離装置は、筒体と、前記筒体の内部空間により構成される流路に気体を流す送風装置と、前記筒体の軸方向に沿った中心線を前記筒体の回転中心軸として前記筒体を回転させる駆動装置と、前記筒体の回転数を設定する設定部と、前記駆動装置が前記設定部により設定された回転数で前記筒体を回転させるように前記駆動装置を制御する制御装置と、を備える。前記流路は、気体の流入口と流出口とがあり、前記軸方向に直交する流路断面が円形状であり、前記流入口の口径が前記流入口以外の口径以上である。前記送風装置は、前記流入口よりも下流側にある。分離装置では、前記筒体における前記流出口の周部に、気体中に含まれていた固体を排出する排出孔が形成されている。

本発明の分離装置においては、圧力損失の低減を図りながらも分粒特性の向上を図れ、かつ、分粒特性を容易に変えることが可能となる。

図１Ａは、実施形態１の分離装置の概略断面図である。図１Ｂは、実施形態１の分離装置の要部概略斜視図である。図２は、実施形態１の分離装置の原理説明図である。図３は、回転数と分粒径との関係を示すグラフである。図４は、筒体の内径と分粒径との関係を示すグラフである。図５は、回転数と圧力損失との関係を示すグラフである。図６は、実施形態１の分離装置を備えた空気浄化システムの概略説明図である。図７は、実施形態１の第１変形例の要部概略断面図である。図８は、実施形態１の第２変形例の要部概略断面図である。図９は、実施形態１の第３変形例の要部概略斜視図である。図１０は、実施形態１の第４変形例の要部概略斜視図である。図１１は、実施形態１の第５変形例の要部概略斜視図である。図１２は、実施形態１の第６変形例の要部概略斜視図である。図１３は、実施形態１の第７変形例の要部概略斜視図である。図１４は、実施形態１の第８変形例の要部概略斜視図である。図１５は、実施形態２の分離装置を備えた計測器の概略構成図である。図１６は、実施形態２の分離装置を備えた計測器のブロック図である。図１７は、実施形態２の分離装置を備えた計測器の要部回路ブロック図である。図１８は、実施形態２の分離装置を備えた計測器における信号処理回路の出力信号の説明図である。図１９は、実施形態２の分離装置を備えた計測器で用いる換算式の求め方の説明図である。

下記の実施形態１、２において説明する各図は、模式的な図であり、各構成要素の大きさや厚さそれぞれの比が、必ずしも実際の寸法比を反映しているとは限らない。

（実施形態１）
以下では、本実施形態の分離装置１ａについて、図１Ａ、１Ｂ、２及び３に基づいて説明する。

分離装置１ａは、筒体２と、筒体２の内部空間により構成される流路３に気体を流す送風装置４と、筒体２の軸方向に沿った中心線２０を筒体２の回転中心軸として筒体２を回転させる駆動装置５と、を備える。また、分離装置１ａは、筒体２の回転数を設定する設定部６と、駆動装置５が設定部６により設定された回転数で筒体２を回転させるように駆動装置５を制御する制御装置７と、を備える。流路３は、気体の流入口３１と流出口３２とがあり、筒体２の軸方向に直交する流路断面が円形状であり、流入口３１の口径が流入口３１以外の口径以上である。送風装置４は、流入口３１よりも下流側にある。分離装置１ａでは、筒体２における流出口３２の周部２４に、気体中に含まれていた固体を排出する排出孔２５が形成されている。以上の構成により、分離装置１ａは、圧力損失の低減を図りながらも分粒特性の向上を図れ、かつ、分粒特性を容易に変えることが可能となる。排出孔２５から排出される固体は、分離装置１ａの分粒径以上の固体である。分離装置１ａでは、筒体２の回転数を変更することにより、分粒径を変えることができる。

気体としては、例えば、空気、排気ガス等が挙げられる。流路３を通る物質としては、気体を構成している気体分子、気体中に含まれている固体等がある。気体分子としては、例えば、窒素分子、酸素分子等が挙げられる。固体としては、例えば、微粒子、塵埃等が挙げられる。微粒子としては、例えば、粒子状物質等を挙げることができる。粒子状物質としては、微粒子として直接大気中に放出される一次生成粒子、気体として大気中に放出されたものが大気中で微粒子として生成される二次生成粒子等がある。一次生成粒子としては、例えば、土壌粒子（黄砂等）、粉塵、植物性粒子（花粉等）、動物性粒子（カビの胞子等）、煤等が挙げられる。粒子状物質は、大きさの分類として、例えば、ＰＭ０．５、ＰＭ２．５、ＰＭ１０、ＳＰＭ等を挙げることができる。

図１Ａ及び２では、分粒径以上の固体の一例として、微粒子６１を模式的に記載してある。また、図１Ａでは、分粒径未満の固体の一例として、超微粒子６０を模式的に記載してある。超微粒子６０は、微粒子６１よりも粒径が小さい粒子である。

筒体２は、円筒状に形成されている。筒体２は、筒体２の中心線２０に沿った方向において筒体２の第１端２１側に流入口３１があり、筒体２の第２端２２側に流出口３２がある。筒体２は、外径が一定であり、第２端２２の内径が他の部位の内径よりも小さくなっている。言い換えれば、筒体２は、第２端２２以外の内径が一定である。分離装置１ａでは、筒体２における流出口３２の周部２４に、排出孔２５が形成されている。排出孔２５は、流出口３２の周部２４において、筒体２の中心線２０から遠い外側に形成されている。筒体２では、一例として、２つの排出孔２５が形成されている。２つの排出孔２５の各々は、筒体２の内周面２３に沿った円弧状に形成されている。

筒体２は、気体と、気体に含まれている固体と、を筒体２の厚さ方向に通さないように構成されている。筒体２の材料としては、例えば、金属、合成樹脂等を採用することができる。筒体２は、導電性を有するのが好ましい。これにより、分離装置１ａでは、筒体２の帯電を抑制することが可能となる。

流路３の断面形状は、円形状である。流入口３１の流路断面積（開口面積）は、流出口３２の流路断面積よりも大きい。流路３は、筒体２の第２端２２以外において流路断面積が一定である。「流路断面積」は、筒体２の中心線２０に直交する任意の断面における筒体２の開口面積である。

流路３は、筒体２の中心線２０に沿った方向において筒体２の第１端２１側が上流側であり、かつ、筒体２の第２端２２側が下流側である。本明細書における「上流側」は、気体の流れる方向でみたときの上流側（一次側）を意味する。また、本明細書における「下流側」は、気体の流れる方向でみたときの下流側（二次側）を意味する。

本実施形態における送風装置４は、ファンにより構成されている。ファンは、電動ファンである。これにより、分離装置１ａでは、送風装置４を動作させることにより、流路３に気体を流すことが可能となる。電動ファンとしては、例えば、軸流ファンを採用することができる。送風装置４は、流路３の流入口３１の下流側において、流路３の流出口３２の下流側に配置されている。要するに、送風装置４は、気体を吸引することで流路３に気体を流す装置である。図１Ａ及び２では、送風装置４を動作させたときの気体の流れを白抜きの矢印で模式的に示してある。

駆動装置５は、モータ５０と、駆動回路５１と、プーリ５２と、回転ベルト５３と、を備えている。モータ５０は、モータ本体（胴体）５０１から円柱状の回転軸５０２が突出している。駆動回路５１は、モータ５０を駆動する。プーリ５２は、円板状に形成されている。プーリ５２は、モータ５０の回転軸５０２に連結されている。回転ベルト５３は、プーリ５２の外周面と筒体２の外周面とに架け渡されている。これにより、駆動装置５は、筒体２を回転させることができる。筒体２の回転方向は、モータ５０の回転軸５０２の回転方向と同じである。筒体２の回転角速度は、モータ５０の回転軸５０２の回転角速度と同じである。筒体２の回転数は、モータ５０の回転軸５０２の回転数と同じである。

分離装置１ａは、駆動装置５及び制御装置７へ電力を供給する電源装置８を備えているのが好ましい。電源装置８は、例えば、外部の交流電源から供給される交流電圧から駆動装置５及び制御装置７に適した電圧を生成して出力するように構成されているのが好ましい。

分離装置１ａは、筒体２を収納するケース７０を備えている。ケース７０は、直方体状に形成されている。ケース７０には、流路３の流入口３１を露出させる第１開口部７１と、流路３の流出口３２を露出させる第２開口部７２と、が形成されている。第１開口部７１は、ケース７０において、筒体２の中心線２０に直交する平板状の第１壁７０１に形成されている。第２開口部７２は、ケース７０において、筒体２の中心線２０に直交する平板状の第２壁７０２に形成されている。第１開口部７１の開口形状は、円形状である。第１開口部７１の内径は、筒体２の外径よりも大きい。第２開口部７２の開口形状は、円形状である。第２開口部７２の内径は、流出口３２の内径と略同じである。分離装置１ａでは、筒体２の第１端２１が第１開口部７１内に配置され、筒体２の第２端２２が第２開口部７２よりも第１開口部７１に近い側に配置されている。

ケース７０には、排出孔２５よりも筒体２の中心線２０から離れた位置に、排出孔２５に連通する貫通孔７５が形成されている。貫通孔７５は、排出孔２５から排出される固体を通すことができる大きさに形成されている。また、ケース７０は、第２開口部７２の周部から第１開口部７１側へ突出する第１流管７３と、第２開口部７２の周部から反対側へ突出する第２流管７４と、を一体に備えている。第１流管７３及び第２流管７４は、円筒状に形成されている。第１流管７３及び第２流管７４それぞれの内径は、第２開口部７２の内径と同じであるのが好ましい。

ケース７０は、筒体２だけでなく、モータ５０の一部及び回転ベルト５３を収納する大きさに形成されている。ケース７０は、モータ５０のモータ本体５０１を固定できるように構成されている。

ケース７０には、筒体２の第１端２１を回転自在に保持する第１軸受８１と、筒体２の第２端２２を回転自在に保持する第２軸受８２と、が固定されている。これにより、分離装置１ａでは、筒体２をより安定して回転させることが可能となる。

図２では、筒体２の回転方向を太線の矢印で模式的に示してある。筒体２の回転方向は、筒体２を軸方向の第１端２１側から見て、反時計回りの方向である。筒体２の回転方向は、筒体２を軸方向の第２端２２側から見て、時計回りの方向である。

設定部６は、筒体２の回転数を設定できるように構成されている。言い換えれば、設定部６は、モータ５０の回転軸５０２の回転数を設定できるように構成されていることにより、筒体２の回転数を設定できる。これにより、分離装置１ａでは、筒体２の回転数を変更することができる。設定部６は、例えば、ポテンショメータ等によって構成することができる。

制御装置７は、設定部６で設定された回転数で駆動装置５が筒体２を回転させるように駆動回路５１を制御する。制御装置７は、例えば、コンピュータ（マイクロコンピュータ等）に所定のプログラムを実行させることにより実現することができる。所定のプログラムは、例えば、コンピュータのメモリに記憶されていればよい。制御装置７は、コンピュータに限らず、適宜の機能回路を組み合わせて構成してもよい。

図３は、分離装置１ａにおける筒体２の回転数と分粒径との関係を示すグラフである。図３は、筒体２の内径が１０ｍｍ、筒体２の長さＬ１（図２参照）が３０ｍｍの場合の実験データである。ここで、図３中の「◆」は、筒体２における流量が０．５Ｌ／ｍｉｎの場合の５０％分粒径の実験データである。また、図３中の「■」は、筒体２における流量（流路３を通る流量）が１．０Ｌ／ｍｉｎの場合の５０％分粒径の実験データである。図３から、分離装置１ａでは、筒体２における流量を一定として筒体２の回転数を変えることにより５０％分粒径を変えることができるのが分かる。

図４は、分離装置１ａにおける筒体２の内径と分粒径との関係を示すグラフである。図４は、筒体２の長さＬ１が３０ｍｍ、筒体２における流量が０．５Ｌ／ｍｉｎの場合の実験データである。ここで、図４中の「◆」は、筒体２の回転数が１０００ｒｐｍの場合の５０％分粒径の実験データである。また、図４中の「■」は、筒体２の回転数が２０００ｒｐｍの場合の５０％分粒径の実験データである。また、図４中の「▲」は、筒体２の回転数が３０００ｒｐｍの場合の５０％分粒径の実験データである。図４から、分離装置１ａでは、筒体２の長さＬ１、筒体２における流量及び筒体２の回転数それぞれを一定として筒体２の内径を変えることにより５０％分粒径を変えることができるのが分かる。

図５は、分離装置１ａにおける筒体２の回転数と圧力損失との関係を示すグラフである。図５は、筒体２の長さＬ１が３０ｍｍ、筒体２における流量が０．５Ｌ／ｍｉｎの場合の実験データである。ここで、図５中の「◆」は、筒体２の内径が１０ｍｍの場合の５０％分粒径の実験データである。また、図５中の「■」は、筒体２の内径が２０ｍｍの場合の５０％分粒径の実験データである。また、図５中の「▲」は、筒体２の内径が５０ｍｍの場合の５０％分粒径の実験データである。図５から、分離装置１ａでは、筒体２の長さＬ１、筒体２における流量及び筒体２の内径それぞれを一定とした場合、筒体２の回転数を変えても圧力損失がほとんど変化しないことが変わる。言い換えれば、分離装置１ａでは、回転数を大きくしても圧力損失が増えない傾向にあることが分かる。

分離装置１ａでは、流路３に入った気体に含まれていた固体は、流路３において螺旋状に回転するときに筒体２の中心線２０から筒体２の内周面２３に向かう方向の遠心力を受ける。遠心力を受けた固体は、筒体２の内周面２３へ向かい、筒体２の内周面２３付近を内周面２３に沿って螺旋状に回転する。そして、分離装置１ａでは、排出孔２５付近を回転していた固体が、その固体に作用していた遠心力により、排出孔２５を通して排出される。固体に作用する遠心力は、固体の質量と、固体の円運動の半径と、に比例する。円運動の半径は、筒体２の中心線２０に直交する方向における中心線２０と固体との距離である。固体の質量をｍ、固体の速度をｖ、円運動の半径をｒとすると、遠心力の大きさはｍｖ^２／ｒである。ここで、角速度をωとすると、ｖ＝ｒωなので、遠心力の大きさは、ｍω^２ｒである。要するに、固体には、ωの二乗に比例した遠心力が作用する。

分離装置１ａでは、分粒径の微粒子（規定粒径の微粒子）を分離できるように、設定部６において、筒体２の回転数を設定してある。したがって、分離装置１ａでは、分粒径以上の固体を分離することが可能となる。規定粒径の微粒子としては、例えば、空気動力学的粒子径が、１．０μｍの粒子を想定している。「空気動力学的粒子径」とは、空気動力学的挙動が、比重１．０の球形粒子と等価になるような粒子の直径を意味する。空気動力学的粒子径は、粒子の沈降速度によって測定される粒径である。分離装置１ａで分離されずに気体中に残る固体としては、分離装置１ａで分離することを想定している微粒子よりも粒径の小さな微粒子（言い換えれば、質量が小さな微粒子）を挙げることができる。

分離装置１ａでは、送風装置４を動作させ、かつ、駆動装置５により筒体２を回転させる。これにより、分離装置１ａでは、流路３の流入口３１よりも上流側の気体（流路３の外側で流入口３１付近にある気体）及び流路３に流入した気体に対して筒体２の中心線２０のまわりの回転方向の力を与えることが可能となる。より詳細には、分離装置１ａでは、送風装置４を動作させ、かつ、筒体２を第１端２１側から見て反時計回り方向に回転させることにより、流路３の流入口３１よりも上流側の物質（気体、気体中に含まれている固体）及び流路３を通る物質を螺旋状に回転させることができる。「螺旋状に回転」とは、螺旋状に旋回と同じ意味である。図１Ａ及び２では、物質が螺旋状に回転する方向を点線の矢印で模式的に示してある。分離装置１ａでは、物質が流入口３１に流入する前に物質の旋回流が発生するので、流入口３１に流入する前の物質に遠心力が働き、流路３内でのみ物質に遠心力が働くような構成に比べて、分粒効率を向上させることが可能となる。

分離装置１ａでは、流路３を通る気流に含まれている分粒径以上の固体（微粒子６１）を排出孔２５から外部へ排出でき、分粒径以上の固体が分離された気体を流出口３２から下流側へ流すことができる。よって、分離装置１ａは、圧力損失の低減を図りながらも分粒特性の向上を図れ、かつ、分粒特性を容易に変えることが可能となる。

図６は、分離装置１ａを備えた空気浄化システム３００の概略構成図である。

分離装置１ａのうち送風装置４を含まない分離装置本体１０ａは、住戸４００の屋外に配置される室外機３０１のハウジング３０２内に配置される。一方、送風装置４は、住戸４００の天井裏に配置される。

分離装置本体１０ａは、空気中の微粒子６１を室外機３０１におけるハウジング３０２の外に排出するように構成されている。微粒子６１は、上述の規定粒径以上の微粒子であり、空気動力学的粒子径が、１．０μｍの粒子を想定している。

ハウジング３０２には、空気の流入口３０３と、微粒子６１等の固体を排出する固体排出口３０４と、清浄化された空気の流出口と、が形成されている。ハウジング３０２の流入口３０３には、第１のメッシュが配置されているのが好ましい。ハウジング３０２の固体排出口３０４には、第２のメッシュが配置されているのが好ましい。ハウジング３０２には、固体排出口３０４が複数形成されている。分離装置本体１０ａでは、ケース７０をハウジング３０２に固定してある。より詳細には、複数の固体排出口３０４は、筒体２の外周方向において離れて形成されている。

空気浄化システム３００は、室外機３０１により浄化された空気を住戸４００内へ流すための第１ダクト３１１と、第１ダクト３１１で給気された空気を更に浄化するためのフィルタ装置３１７と、を備える。フィルタ装置３１７は、例えば、エアフィルタとして、ＨＥＰＡフィルタ（high efficiency particulate air filter）を備える。「ＨＥＰＡフィルタ」とは、定格流量で粒径が０．３μｍの粒子に対して９９．９７％以上の粒子捕集率をもち、かつ初期圧力損失が２４５Ｐａ以下の性能をもつエアフィルタである。フィルタ装置３１７は、１００％の粒子捕集効率を必須の条件とはしない。ただし、フィルタ装置３１７は、気体中に含まれている固体の捕集効率がより高いのが好ましい。

図６では、空気の流れを白抜きの矢印で模式的に示してある。また、図６では、分離装置本体１０ａによって空気から分離して排出する微粒子６１と、フィルタ装置３１７で捕集する超微粒子６０と、を模式的に示してある。超微粒子６０は、微粒子６１よりも粒径が小さく、かつ、ＨＥＰＡフィルタで除去できる粒径の微粒子である。

また、空気浄化システム３００は、フィルタ装置３１７と送風装置４との間に配置された第２ダクト３１２と、送風装置４の下流側に配置された分配器３１８と、送風装置４と分配器３１８との間に配置された第３ダクト３１３と、を備える。分配器３１８には、住戸４００内の複数の区画４０１（例えば、リビング、寝室等）それぞれへ空気を給気するための複数の第４ダクト３１４が接続されている。フィルタ装置３１７、第２ダクト３１２、送風装置４、第３ダクト３１３及び分配器３１８は、住戸４００の天井裏に配置される。

空気浄化システム３００では、室外機３０１が分離装置本体１０ａを備えることにより、ＰＭ２．５等の微粒子６１がフィルタ装置３１７へ到達するのを抑制することが可能となる。これにより、空気浄化システム３００は、フィルタ装置３１７の長寿命化を図ることが可能となる。言い換えれば、空気浄化システム３００では、フィルタ装置３１７に捕集される微粒子等の総質量が増加することによる圧力損失の上昇を抑制することが可能となる。これにより、空気浄化システム３００では、フィルタ装置３１７の交換頻度を少なくすることが可能とする。

分離装置１ａは、送風装置４、駆動装置５及び制御装置７の運転を開始する運転スイッチの操作部を備えているのが好ましい。

筒体２は、流路３に関して、筒体２の軸方向に直交する流路断面が円形状であり、流入口３１の口径が流入口３１以外の口径以上となる円筒状の形状であれば、上述の例に限定されない。

例えば、本実施形態の分離装置１ａの第１変形例では、筒体２が、図７に示すように、第１端２１の内径が他の部位に比べて大きくなっている形状でもよい。また、本実施形態の分離装置１ａの第２変形例では、筒体２が、図８に示すように、流入口３１から流出口３２に向かう方向において内径が漸減するテーパ円筒状でもよい。

また、本実施形態の分離装置１ａの第３変形例では、図９に示すように、筒体２の内径が一定で、かつ、筒体２の第１端２１において内周面２３から径方向へ突出した複数の突起２６を備えていてもよい。ただし、突起２６の突出寸法は、流入口３１の内径の半分よりも十分に小さいのが好ましく、内径の４分の１以下であるのが好ましい。

また、本実施形態の分離装置１ａの第４変形例では、図１０に示すように、筒体２の内径が一定で、かつ、筒体２の第１端２１において内周面２３から突出する複数の羽根２７を備えている。筒体２の径方向における羽根２７の突出寸法は、流入口３１の内径の半分よりも十分に小さいのが好ましく、内径の４分の１以下であるのが好ましい。複数の羽根２７は、それぞれが、筒体２の内周面２３に沿った仮想の螺旋形状の一部により構成されているのが好ましい。第４変形例では、複数の羽根２７と駆動装置５（図１Ａ参照）とで、筒体２の内部空間により構成される流路３に気体を流す送風装置を構成してもよい。この場合でも、送風装置は、流入口３１よりも下流側にある。図１０中の太線の矢印は、筒体２の回転方向を示している。

また、本実施形態の分離装置１ａの第５変形例では、図１１に示すように、筒体２が、流入口３１から流出口３２に向かう方向において内径が漸減するテーパ円筒状であり、かつ、筒体２の第１端２１において内周面２３から突出する複数の羽根２７を備えている。筒体２の径方向における羽根２７の突出寸法は、流入口３１の内径の半分よりも十分に小さいのが好ましく、内径の４分の１以下であるのが好ましい。第５変形例では、複数の羽根２７と駆動装置５（図１Ａ参照）とで、筒体２の内部空間により構成される流路３に気体を流す送風装置を構成してもよい。この場合でも、送風装置は、流入口３１よりも下流側にある。図１１中の太線の矢印は、筒体２の回転方向を示している。

また、本実施形態の分離装置１ａの第６変形例では、図１２に示すように、筒体２の内径が一定で、かつ、筒体２の第２端２２において内周面２３から突出する複数の羽根２７を備えている。筒体２の径方向における羽根２７の突出寸法は、流出口３２の内径の半分よりも十分に小さいのが好ましく、内径の４分の１以下であるのが好ましい。第６変形例では、複数の羽根２７と駆動装置５（図１Ａ参照）とで、筒体２の内部空間により構成される流路３に気体を流す送風装置を構成してもよい。この場合でも、送風装置は、流入口３１よりも下流側にある。図１２中の太線の矢印は、筒体２の回転方向を示している。

また、本実施形態の分離装置１ａの第７変形例では、図１３に示すように、筒体２が、流入口３１から流出口３２に向かう方向において内径が漸減するテーパ円筒状であり、かつ、筒体２の第２端２２において内周面２３から突出する複数の羽根２７を備えている。筒体２の径方向における羽根２７の突出寸法は、流出口３２の内径の半分よりも十分に小さいのが好ましく、内径の４分の１以下であるのが好ましい。第７変形例では、複数の羽根２７と駆動装置５（図１Ａ参照）とで、筒体２の内部空間により構成される流路３に気体を流す送風装置を構成してもよい。この場合でも、送風装置は、流入口３１よりも下流側にある。図１３中の太線の矢印は、筒体２の回転方向を示している。

また、本実施形態の分離装置１ａの第８変形例では、第４変形例と同様、図１４に示すように、筒体２の内径が一定で、かつ、筒体２の第１端２１において内周面２３から突出する複数の羽根２７を備えている。第８変形例では、複数の羽根２７と駆動装置５（図１Ａ参照）とで、筒体２の内部空間により構成される流路３に気体を流す送風装置を構成してもよい。この場合でも、送風装置は、流入口３１よりも下流側にある。第８変形例では、複数の羽根２７それぞれの一端が流入口３１よりも上流側にある点が第４変形例と相違するだけである。要するに、送風装置は、流入口３１よりも下流側にあればよく、複数の羽根２７それぞれの一部が流入口３１よりも上流側にあってもよい。図１４中の太線の矢印は、筒体２の回転方向を示している。

（実施形態２）
以下では、本実施形態の分離装置１ｂを備えた計測器６００について、図１５〜１９に基づいて説明する。なお、実施形態１と同様の構成要素については、実施形態１と同一の符号を付して説明を適宜省略する。

分離装置１ｂの基本構成は、実施形態１の分離装置１ａと略同じであり、排出孔２５から排出された固体を捕集する捕集部９を備える点が相違する。これにより、分離装置１ｂでは、筒体２の排出孔２５から排出された分粒径の固体（微粒子６１）を捕集部９で捕集することが可能となる。捕集部９は、ケース７０に対して着脱自在であるのが好ましい。また、分離装置１ｂの基本構成が実施形態１の分離装置１ａと略同じであるから、分離装置１ｂでは、分離装置１ａと同様、圧力損失の低減を図りながらも分粒特性の向上を図れ、かつ、分粒特性を容易に変えることが可能となる。

計測器６００は、分粒径未満の計測対象粒子の質量濃度を求め、求めた質量濃度を表示できるように構成されている。本実施形態では、計測対象粒子の一例として、煙草の煙粒子を想定している。

計測器６００は、分離装置１ｂと、粒子検知モジュール６０１と、フィルタ装置６０２と、回路モジュール６０３と、表示装置６０８と、設定部６と、を備える。

分離装置１ｂは、分離装置本体１０ｂと、送風装置４と、を備える。分離装置本体１０ｂの基本構成は、実施形態１で説明した分離装置本体１０ａと略同じであり、排出孔２５から排出された固体を捕集する捕集部９を備える点が相違する。分離装置１ｂは、分離装置本体１０ｂが、粒子検知モジュール６０１及びフィルタ装置６０２よりも上流側に配置され、送風装置４が、フィルタ装置６０２よりも下流側に配置されている。なお、図１６中の白抜きの矢印は、気体の流れを模式的に示している。より詳細には、分離装置本体１０ｂに向かう白抜きの矢印、粒子検知モジュール６０１に向かう白抜きの矢印及びフィルタ装置６０２に向かう白抜きの矢印は、エアロゾル（煙草の煙粒子）を含む気体の流れを模式的に示している。また、送風装置４に向かう白抜きの矢印及び送風装置４から下流側へ向かう白抜きの矢印は、フィルタ装置６０２でエアロゾルが取り除かれた後の気体の流れを模式的に示している。

粒子検知モジュール６０１は、チャンバ６１０と、発光素子６１１と、発光素子６１１から放射される光を制御する第１レンズ６１２と、受光素子６１３と、受光素子６１３の受光面の前方に配置される第２レンズ６１４と、を備える。

チャンバ６１０の一部は、発光素子６１１と第１レンズ６１２と受光素子６１３と第２レンズ６１４とを位置決めする光学基台を兼ねている。チャンバ６１０は、黒色の合成樹脂により形成されているのが好ましい。

計測器６００は、チャンバ６１０と分離装置本体１０ｂの第２流管７４とを連結する配管６０４を備えている。配管６０４は、円筒状に形成されている。また、計測器６００は、チャンバ６１０とフィルタ装置６０２のハウジング６２１とを連結する配管６０５及び６２０を備えている。配管６０５は、円筒状に形成されている。配管６２０は、フィルタ装置６０２に近づくにつれて開口面積が徐々に大きくなるテーパ円筒状に形成されている。

チャンバ６１０は、分離装置本体１０ｂにおける流路３の流出口３２から流出した、計測対象粒子を含む気体が通過できるように構成されている。また、チャンバ６１０は、外部からの外光が入射するのを抑制するように構成されている。

発光素子６１１は、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）により構成されている。発光素子６１１による光の照射範囲は、例えば、チャンバ６１０と第１レンズ６１２とで規定することができる。発光素子６１１による光の照射範囲は、発光素子６１１の光軸と筒体２の中心線２０とを含む一面内では、図１７に模式的に示すように、２本の点線Ａ１によって囲まれた範囲である。なお、発光素子６１１は、ＬＥＤに限らず、例えば、ＬＤ（Laser Diode）でもよい。

受光素子６１３は、フォトダイオードにより構成されている。受光素子６１３による光の受光範囲は、例えば、チャンバ６１０と第２レンズ６１４とで規定することができる。受光素子６１３による光の受光範囲は、受光素子６１３の光軸と筒体２の中心線２０とを含む一面内では、図１７に模式的に示すように、２本の点線Ｂ１によって囲まれた範囲である。

発光素子６１１と受光素子６１３とは、発光素子６１１と受光素子６１３とが対向しないように配置されている。より詳細には、発光素子６１１と受光素子６１３とは、発光素子６１１の光軸と受光素子６１３の光軸とがチャンバ６１０の粒子検知室６１５で交差するように、光学基台により位置決めされている。発光素子６１１による光の照射範囲と受光素子６１３による光の受光範囲とは、粒子検知室６１５において重複する。

粒子検知モジュール６０１では、発光素子６１１から放射された光が粒子検知室６１５に照射される。粒子検知モジュール６０１では、粒子検知室６１５に計測対象粒子が入ると、計測対象粒子による散乱光の一部が受光素子６１３に入射するので、受光素子６１３の出力信号が大きくなる。

フィルタ装置６０２は、ＨＥＰＡフィルタである。フィルタ装置６０２は、ＨＥＰＡフィルタに限らず、例えば、ＵＬＰＡフィルタ（ultra low penetration air filter）等でもよい。「ＵＬＰＡフィルタ」とは、定格流量で粒径が０．１５μｍの粒子に対して９９．９９９５％以上の粒子捕集率をもち、かつ初期圧力損失が２４５Ｐａ以下の性能をもつエアフィルタである。

送風装置４は、電動ファンである。計測器６００は、送風装置４を収納するハウジング６０７を備えている。計測器６００は、フィルタ装置６０２のハウジング６２１とハウジング６０７とを連結する配管６２２及び６０６を備えている。配管６２２は、フィルタ装置６０２から離れるにつれて開口面積が徐々に大きくなるテーパ円筒状に形成されている。配管６０６は、円筒状に形成されている。

回路モジュール６０３は、プリント基板６３１を備えている。回路モジュール６０３では、プリント基板６３１に、電源回路６４０、アナログ回路６４１及び制御装置７が形成されている。また、回路モジュール６０３では、プリント基板６３１に７個のコネクタ６３２、６３４、６３５、６３６、６３７、６３８及び６３９が実装されている。コネクタ６３２は、商用電源との接続用コネクタである。これにより、計測器６００は、商用電源を電源として動作することができる。計測器６００は、電池を電源として動作するように構成してもよい。コネクタ６３４には、送風装置４との接続用コネクタである。コネクタ６３５は、モータ５０との接続用コネクタである。コネクタ６３６は、表示装置６０８との接続用コネクタである。コネクタ６３７は、設定部６との接続用コネクタである。コネクタ６３８は、発光素子６１１との接続用コネクタである。コネクタ６３９は、受光素子６１３との接続用コネクタである。

アナログ回路６４１は、モータ５０を駆動する駆動回路（以下、「第１駆動回路」ともいう。）と、粒子検知モジュール６０１を駆動する駆動回路（以下、「第２駆動回路」ともいう。）と、送風装置４を駆動する駆動回路（以下、「第３駆動回路」ともいう）と、を備える。第１駆動回路は、制御装置７によって制御される。制御装置７は、駆動装置５が設定部６により設定された回転数で筒体２を回転させるように駆動装置５（における第１駆動回路）を制御する。第２駆動回路は、制御装置７によって制御されて発光素子６１１及び受光素子６１３を駆動する。第３駆動回路は、制御装置７によって制御されて筒体２に単位時間当たりに流れる流量が所定流量となるように送風装置４を駆動する。また、アナログ回路６４１は、粒子検知モジュール６０１の出力信号を信号処理する信号処理回路を備える。

信号処理回路は、例えば、図１７に示すように、受光素子６１３の出力信号を電流−電圧変換して出力する電流電圧変換回路６１６と、電流電圧変換回路６１６の後段に設けられたフィルタ６１７と、フィルタ６１７の後段に設けられた増幅回路６１８と、増幅回路６１８の後段に設けられたフィルタ６１９と、を備えている。フィルタ６１７は、ＨＰＦ（high pass filter）であり、一例として、カットオフ周波数を５Ｈｚに設定してある。フィルタ６１９は、ＬＰＦ（low pass filter）であり、一例として、カットオフ周波数を２０Ｈｚに設定してある。フィルタ６１７とフィルタ６１９とは、計測対象粒子が粒子検知室６１５を通過するのに要する時間（以下、「通過時間」ともいう。）基づいて設定するのが好ましい。例えば、通過時間が１００ｍｓｅｃの場合、受光素子６１３の出力信号における信号成分の周波数は、１０Ｈｚ付近にある。信号処理回路では、フィルタ６１７とフィルタ６１９とで、５Ｈｚ〜２０Ｈｚの通過帯域を有するバンドパスフィルタを構成している。

図１８は、信号処理回路から出力される電圧信号の波形の一例を示している。図１８は、横軸が時間、縦軸が電圧信号の波高値である。図１８において、波高値が高くなっている時刻では、煙粒子による散乱光に起因して受光素子６１３の出力信号が大きくなっていると推考され、波高値が低い時刻では、煙粒子による散乱光がなく受光素子６１３の出力信号の主成分が交流成分であると推考される。波高値と粒子径とには相関があり、粒子の密度、屈折率及び反射率それぞれが一定であると仮定すれば、粒子径が大きいほど波高値が大きくなる傾向にある。

制御装置７は、時計部と、演算部と、質量濃度推定部と、記憶部と、を備えている。第１演算部は、信号処理回路から出力される電圧信号の波形の所定時間Ｔ１における交流成分のＲＭＳ値（root mean square value）を演算する。質量濃度推定部は、下記の式（１）の換算式により計測対象粒子の質量濃度を推定する。

式（１）において、ｘは、演算部での演算により求めた交流成分のＲＭＳ値である。また、式（１）において、ｙは、計測対象粒子の質量濃度である。ａ１、ｂ１及びｃ１は、それぞれ係数である。一例では、ａ１＝５０３．７、ｂ１＝１４．２３、ｃ１＝−９．００３５である。ここで、ａ１、ｂ１及びｃ１の各値は、図１９から求めた値である。

図１９の横軸は、図１８の電圧信号の波形の所定時間Ｔ１における交流成分のＲＭＳ値である。ＲＭＳ値は、所定時間Ｔ１を３分としたときの値である。また、図１９では、所定時間Ｔ１において、波高値がＶｎ１とＶｎ２との間にあるノイズ交流成分のＲＭＳ値を、ノイズ成分として記載してある。

図１９の縦軸は、ＪＩＳＢ９９０８：２０１１で規定されている試験方法形式３における試験項目の粒子捕集率（質量法）による、煙粒子の質量濃度の計測値である。

式（１）の換算式は、図１９の４つの計測値に対して最小二乗法を適用して２次関数をフィッティングさせたときの式である。

制御装置７は、質量濃度推定部で推定した質量濃度を表示装置６０８に表示させる。表示装置６０８は、例えば、液晶表示装置等により構成することができる。

制御装置７は、例えば、コンピュータ（マイクロコンピュータ等）に所定のプログラムを実行させることにより実現することができる。所定のプログラムは、例えば、コンピュータのメモリに記憶されていればよい。制御装置７は、コンピュータに限らず、適宜の機能回路を組み合わせて構成してもよい。

質量濃度は、光学式の粒子検知モジュール６０１を利用して求める方式に限らず、例えば、濾紙で粒子をためて質量法で測定する方式でもよい。

実施形態１及び２に記載した材料、数値等は、好ましい例を示しているだけであり、それに限定する主旨ではない。更に、本願発明は、その技術的思想の範囲を逸脱しない範囲で、構成及び形状それぞれに適宜変更を加えることが可能である。

例えば、送風装置４は、電動ファンに限らず、電動ポンプ、ブロワ等でもよい。

１ａ、１ｂ分離装置
２筒体
３流路
３１流入口
３２流出口
２０中心線
２１第１端
２２第２端
２４周部
２５排出孔
３流路
４送風装置
５駆動装置
６設定部
７制御装置
９捕集部

Claims

筒体と、前記筒体の内部空間により構成される流路に気体を流す送風装置と、前記筒体の軸方向に沿った中心線を前記筒体の回転中心軸として前記筒体を回転させる駆動装置と、前記筒体の回転数を設定する設定部と、前記駆動装置が前記設定部により設定された回転数で前記筒体を回転させるように前記駆動装置を制御する制御装置と、を備え、
前記流路は、気体の流入口と流出口とがあり、前記軸方向に直交する流路断面が円形状であり、前記流入口の口径が前記流入口以外の口径以上であり、
前記送風装置は、前記流入口よりも下流側にあり、
前記筒体における前記流出口の周部に、気体中に含まれていた固体を排出する排出孔が形成されている、
ことを特徴とする分離装置。
前記排出孔から排出された固体を捕集する捕集部を備える、
ことを特徴とする請求項１記載の分離装置。