捕集器更換機構及顆粒組成分析裝置的製作方法

2024-03-29 16:02:05

本發明涉及一種捕集器更換機構及顆粒組成分析裝置。

背景技術：

隨著人們日益關心大氣中的粒子狀物質(氣溶膠)對健康的影響，分析其成分、濃度等的裝置正在進行開發。例如專利文獻2的技術中，將粒子捕捉至捕集效率較高的捕集器中，利用雷射等能量線進行照射使粒子加熱氣化，並對氣化後的氣體實施離子化，通過質量分析對其成分進行分析。

[現有技術文獻]

[專利文獻]

[專利文獻1]美國專利第6040574號說明書

[專利文獻2]國際公開第2011/114587

技術實現要素：

[發明所要解決的技術問題]

捕集器受到能量線的照射會發生熔融或因熱衝擊的積蓄而發生構造性、化學性的變化，因此捕集器的初期的性能會隨著使用而無法保持。因此，必須定期更換捕集器，但存在以下課題，即一旦在更換時將減壓室開放到大氣壓力下，則要再次對整個減壓室實施抽真空，花費時間使其恢復到減壓狀態，測定的空載時間會延長。

[解決技術問題所採用的技術方案]

本發明的第1實施方式的捕集器更換機構，其具有：杆，其保持用來捕捉顆粒的捕集器；以及連接部，其具有與設置捕集器的減壓空間連接的輔助空間的至少一部分，通過使杆移動，能夠在保持減壓空間的減壓狀態的狀況下，使捕集器從減壓空間退避至輔助空間側，而在大氣壓中開放。

此外，連接部含有伸縮機構，伸縮機構的內部空間也可作為輔助空間發揮功能。連接部含有聯軸器部，其用來連接到形成減壓空間的減壓室，在聯軸器部的內側可形成有輔助空間的至少一部分。

杆可構成為，能夠調整減壓空間中捕集器的設置位置。此外，也可構成為，能夠在減壓空間內保持捕集器以及從捕集器脫離。

還可具有用來使輔助空間減壓的輔助泵。此外，還可具有閘閥，其能夠將減壓空間與輔助空間在連接狀態與隔絕狀態間進行切換，閘閥在捕集器退避至輔助空間後，從連接狀態切換為隔絕狀態。

本發明的第2實施方式的顆粒組成分析裝置，其具有：上述捕集器更換機構；捕集器；排氣裝置，其用來使減壓空間減壓；導入部，其取入含有顆粒的氣體樣品並使其聚集後，向捕集器噴出；雷射裝置，其對捕集器照射雷射；以及氣體分析儀，其對通過雷射照射而生成的樣品氣體進行分析。

另外，上述發明內容並未列舉出本發明的所有必要特徵。此外，這些特徵群的子組合也屬於本發明。

附圖說明

圖1是表示使用時的顆粒組成分析裝置的示意圖。

圖2是表示捕集器的更換作業時的顆粒組成分析裝置的示意圖。

圖3是更換機構的外觀立體圖。

圖4是用來說明空氣動力學透鏡的示意圖。

圖5是表示變形例所涉及的顆粒組成分析裝置100』的示意圖。

圖6是變形例所涉及的更換機構的外觀立體圖。

具體實施方式

以下通過發明的實施方式來說明本發明，但以下實施方式並不會對專利權利要求範圍所涉及的發明加以限定。此外，實施方式中說明的所有特徵的組合併不一定是發明的解決方法所必須的。

圖1是表示使用時的顆粒組成分析裝置100的示意圖。顆粒組成分析裝置100是用來分析氣體樣品(氣溶膠)中所含的顆粒的組成及濃度的裝置。

顆粒組成分析裝置100主要具有空氣動力學透鏡10、分離器12、捕集器14、雷射裝置16、分析組件18、氣體分析儀20、導入管30以及更換機構50。此外，顆粒組成分析裝置100還具有控制部24。

顆粒組成分析裝置100具有減壓室。減壓室具有第1減壓室26a、第2減壓室26b、第3減壓室26c以及退避室26d。第1減壓室26a的內部形成有第1減壓空間。第2減壓室26b的內部形成有第2減壓空間。第3減壓室26c的內部形成有第3減壓空間。退避室26d的內部形成有輔助空間。利用第1隔壁28將第1減壓室26a與第2減壓室26b隔開。此外，利用第2隔壁29將第2減壓室26b與第3減壓室26c隔開。退避室26d在使用時透過連通部35與第2減壓室26b空間連接。

第1減壓室26a含有第1排氣裝置27a。第2減壓室26b含有第2排氣裝置27b。第3減壓室26c含有第3排氣裝置27c。第1排氣裝置27a、第2排氣裝置27b以及第3排氣裝置27c將第1減壓空間、第2減壓空間以及第3減壓空間減壓至預先決定的互不相同的內壓。第1減壓空間、第2減壓空間以及第3減壓空間中預先決定的內壓分別為例如10-3Torr、10-5Torr以及10-7Torr。另外，使用時輔助空間與第2減壓空間連通，因此輔助空間也會減壓至與第2減壓空間的內壓。

空氣動力學透鏡10配置為，從第1減壓室26a的一側面插通至第1減壓空間。具體地說，空氣動力學透鏡10配設為，將導入氣體樣品的導入口側配置在第1減壓室26a的外部，將射出粒子射線10a的射出口10c側配置在第1減壓室26a的內部。空氣動力學透鏡10連接至導入氣體樣品的導入管30。空氣動力學透鏡10使從導入管30導入的氣體中所含的顆粒收束，並作為粒子射線10a射出。顆粒組成分析裝置100中，空氣動力學透鏡10承擔獲取氣體樣品的取入部的作用。後面將使用附圖詳細說明空氣動力學透鏡10。

分離器12設置在第1隔壁28上，該第1隔壁28用來將第1減壓室26a與第2減壓室26b分隔開。分離器12是頂點設有連通孔12a的圓錐形狀的構造體，其將連通孔12a配置為朝向空氣動力學透鏡10的射出口10c。如上所述，由於第2減壓空間的內壓設定為低於第1減壓空間的內壓，所以會產生透過連通孔12a從第1減壓空間流向第2減壓空間的氣流。分離器12在從空氣動力學透鏡10射出的粒子射線10a通過連通孔12a時，會去除粒子射線10a中含有的剩餘氣體的一部分。

分析組件18的前端部配置在第2減壓室26b內，後端部配設為插通第2隔壁29，該第2隔壁29將第2減壓室26b與第3減壓室26c分隔開。分析組件18的前端部設有分離器部18a。分離器18a與分離器12同樣，呈頂點設有連通孔18b的圓錐形狀。連通孔18b配置在空氣動力學透鏡10的射出口10c與分離器12的連通孔12a相連的直線上。分離器部18a進一步去除粒子射線10a中含有的剩餘氣體。

此外，分析組件18的後端部也形成為前細後粗形狀，其端部具有微孔18c。通過如此將分析組件18的兩端形成為前細後粗形狀，顆粒組成分析裝置100可維持第2減壓室26b的第2減壓空間與第3減壓室26c的第3減壓空間的壓力差。因此，分析組件18內會產生從第2減壓室26b流向第3減壓室26c的氣流。此外，在分析組件18的中央部附近配置有捕集器14，分析組件18整體形成為曲軸形狀，集中捕集器14所產生的氣體並使其流向微孔18c。

捕集器14在分析組件18內配設在分離器部18a的後方。捕集器14配設為，捕捉顆粒的面與粒子射線10a的流入方向斜交。捕集器14將在後文詳述，其具有網孔狀的構造，捕捉射入的粒子射線10a中含有的顆粒。

射入捕集器14的粒子射線10a中含有的各顆粒會以固有的概率與網孔構造發生碰撞。與網孔構造發生碰撞的顆粒會在之後與網孔構造重複碰撞數次，並隨著每次碰撞而減速。該顆粒不久就會失去速度，並最終被捕集器14捕捉。

雷射裝置16配置在減壓室26的外部。雷射裝置16發出雷射16a。在與第2減壓室26b的外氣環境接觸的側壁上設有光學窗口32。此外，在分析組件18的側壁上設有光學窗口33。雷射裝置16通過光學窗口32及光學窗口33，將雷射16a照射至捕集器14，然後加熱照射部分。本實施方式中，雷射16a的一例為二氧化碳(CO2)雷射。

雷射裝置16利用雷射16a使被捕集器14捕捉到的顆粒發生氣化、升華或反應，生成脫離成分即氣體。此處，「脫離成分」是指從捕集器14的捕捉狀態脫離後，成為可移動的狀態的成分。以下說明中，有時會將導入氣體樣品時的脫離成分即氣體稱為樣品氣體。具體地說，樣品氣體的成分為通過顆粒的構成成分的氧化而生成的CO2、H2O、NO2以及SO2等。

氣體分析儀20配置在第3減壓室26c內。氣體分析儀20是通過質量分析法對導入的氣體的成分進行分析的分析儀。質量分析法的檢測下限較低，因此也能夠良好地適用於顆粒的濃度較低的氣體樣品。另外，本實施例中使用的是通過質量分析法分析氣體的成分的分析儀，但也可根據作為分析對象的氣體樣品的顆粒的濃度、種類等，採用通過其他分析法分析氣體的成分的分析儀。例如，作為分析對象的顆粒的濃度較高時，也可採用利用分光分析法的分析儀。

氣體分析儀20具有離子化區域20a。氣體分析儀20配置為，離子化區域20a與形成在分析組件18的後端部的前細後粗形狀的微孔18c對向。離子化區域20a使從分析組件18導入的氣體離子化，並供給至氣體分析儀20。氣體分析儀20將與所導入的氣體的各個成分的含量相應的強度信號周期性地輸出至運算部25。

控制部24對顆粒組成分析裝置100的各構成要素的動作及處理實施統一控制。例如，按照預先決定的周期將氣體樣品導入捕集器14，並利用雷射16a照射捕集器14。此外，控制部24含有對氣體分析儀20的輸出進行運算的運算部25。運算部25使用與控制部24從氣體分析儀20獲取的特定成分的含量相應的強度信號，運行各種運算。

如上所述，捕集器14捕捉從空氣動力學透鏡10射出的顆粒，並接受雷射16a的照射。雷射16a的能量大小為使顆粒瞬間氣化的程度。因此，捕集器14根據使用條件等，網孔構造會熔融而發生變化，降低顆粒的捕捉性能。此外，雷射16a有時會間斷照射，有時會在網孔構造積蓄熱衝擊。並且，根據要捕捉的顆粒的成分，網孔構造有時會產生化學變化或者對之後的分析造成影響。因此，捕集器14必須相應劣化程度或定期更換新的捕集器。

如上所述，捕集器14設置在第2減壓室26b的第2減壓空間內，因此以往的裝置結構中，為了取出捕集器14，必須將第2減壓空間開放到大氣壓力下。將第2減壓空間暫時開放到大氣壓力下後，必須通過第2排氣裝置27b重新實施抽真空，以便再次恢復到減壓狀態，該時間會成為測定的空載時間，從而降低作業效率。此外，由於要將減壓空間曝露在外氣中，所以也會成為內部要素發生汙染和劣化的原因。

因此，為了更換捕集器14，本實施方式的顆粒組成分析裝置100具有更換機構50。如果使用更換機構50，則能夠在維持第2減壓空間的減壓狀態的狀態下，更換捕集器14。

圖1表示捕集器14設置在顆粒組成分析裝置100的使用狀態下的預先決定的正常位置的狀態。另外，為了便於說明，使第2減壓室26b的壁面的一部分具有厚度，並通過截面進行表示。截面部與更換機構50的要素的截面一同利用陰影進行表示。以下說明該狀態下的更換機構50。

更換機構50主要由聯軸器部51、風箱58、基座凸緣59以及杆55構成。聯軸器部51含有連接凸緣52及主幹部53。連接凸緣52形成為從主幹部53向外側呈鍔狀擴張的形狀，透過螺釘61固定至安裝在第2減壓室26b的壁面的安裝部36。聯軸器部51中在安裝部36側設有開放式的內部空間。如下所述，該內部空間是供捕集器14退避的輔助空間。聯軸器部51由剛性較高的例如杜拉鋁形成，輔助空間作為能夠承受減壓的退避室26d發揮功能。O型圈57以包圍輔助空間的開口部的方式設置在連接凸緣52與安裝部36接觸的面上。通過按壓O型圈57並利用螺釘緊固，確保輔助空間的密閉性。

杆55設置為貫通退避室26d的內部，並且其後端側從設置在聯軸器部51的後端側(安裝部36側的相反側)的貫通孔53a突出。杆55被引導入貫通孔53a後，能夠向其軸向移動。杆55的後端固定在基座凸緣59上。使用者握住基座凸緣59並按入或拉出後，能夠使杆55在軸向上移動。

聯軸器部51的後端部與基座凸緣59通過形成伸縮機構的風箱58連接。杆55位於風箱58的內側。由聯軸器部51的後端部、基座凸緣59以及風箱58包圍且供杆55貫通的內部空間實施了密封處理，以成為能夠承受減壓的密閉空間。如圖所示，在使用者按入杆55的狀態下，風箱58的伸縮機構會發生摺疊。另外，將該內部空間形成為密閉空間的原因在於，透過貫通孔53a與輔助空間連通，該內部空間也可成為退避室26d的一部分。

與安裝部36鄰接地設有閘閥34。閘閥34是使第2減壓室26b的第2減壓空間與退避室26d的輔助空間在空間上連接或隔絕的活動隔壁。圖1中顯示閘閥34退避後第2減壓空間與輔助空間處於連接狀態的情況。因此，輔助空間也可通過第2排氣裝置27b，減壓至與第2減壓空間相同的壓力。

杆55的前端設有用來保持捕集器14的頭部55a。捕集器14的安裝面形成為相對於杆的軸向以預先決定的角度傾斜。捕集器14與安裝面接觸的背面側設有定位銷，通過使該定位銷嵌合於設置在安裝面上的定位孔，將捕集器14固定在安裝面上。另外，固定方法不限定於此，可採用各種方法。例如也可利用粘合劑進行固定。

杆55具有限制移動的鎖定機構，使捕集器14靜置於預先決定的正常位置。鎖定機構例如由掛鈎構成，抑制想要打開摺疊後的風箱58的作用力使其停留在規定位置。此外，也可設定多個杆的停止位置，例如根據捕集器14的種類使杆55停留在多個位置。此時，根據停止位置設置多個掛鈎的掛止部即可。

圖2是表示捕集器14的更換作業時顆粒組成分析裝置100的示意圖。使用者將基座凸緣59向與安裝部36相反的外側方向拉伸後，風箱58的伸縮機構會打開，並且杆55也會向外側方向移動。不久後，頭部55a到達貫通孔53a的開口附近，並且頭部55a會與捕集器14一同收容至退避室26d的輔助空間內。

使用者將捕集器14收容至輔助空間內後，使閘閥34向內部方向移動，並且將第2減壓空間與輔助空間切換為隔絕狀態。切換為隔絕狀態後，如果拆下螺釘61，則能夠使更換機構50脫離顆粒組成分析裝置100。此時，第2減壓空間通過閘閥34形成為密閉空間，因此不會放入外氣，可維持減壓狀態。

脫離更換機構50後，退避室26d會開放到大氣壓力下，使用者能夠取出捕集器14。為了便於取出捕集器14，也可略微摺疊風箱58的伸縮機構，使捕集器14從退避室26d略微突出。

圖3是更換機構50的外觀立體圖。如圖所示，在連接凸緣52的圓周方向上設有4個用來讓螺釘61貫通的螺釘孔52a。此外，主幹部53形成為圓筒狀，與連接凸緣52一體地形成聯軸器部51。聯軸器部51的內部形成有輔助空間，其整體作為退避室26d發揮功能。

主幹部53是將連接部側作為開口部的杯狀，在杯子的底部中心部設有貫通孔53a。本實施方式中，為了使杆55在軸向上穩定地筆直前進，將底部形成為較厚，也就是說將貫通孔53a形成為較深，確保杆55的嵌合長度。也就是說，將貫通孔53a作為杆55的導向部。但是，如果另外設置導向部，則主幹部53也可不形成為杯狀，例如也可形成為圓筒狀，根據風箱58的內部空間形成輔助空間。

此處對捕集器14進行說明。捕集器14是用來捕捉作為分析對象的氣體樣品的顆粒的單元。捕集器14含有用來捕捉顆粒的主體即網孔14a以及用來支撐網孔14a的支撐框體14b。網孔14a整體為例如φ3mm至φ8mm，使用金屬、合金或由其化合物的纖維構成的不織布。此外，也可使用通過精細加工形成的網孔板。網孔的線寬為1μm至10μm，開孔形成為每邊10μm至100μm的四邊形。此外，也可將多個網孔重疊為層狀。支撐框體14b是長或寬的一條邊為5mm至8mm的四邊形，厚度為100μm至300μm左右的形狀。也可將張開網孔14a的支撐框體14b重疊數塊，形成捕集器14。此外，將網孔14a重疊成層狀時，開孔的大小可互不相同。

以下，說明空氣動力學透鏡10。圖4是用來說明空氣動力學透鏡10的示意圖。空氣動力學透鏡10具有圓筒狀的外觀構造即框體10i。在框體10i的一端的側面設有用來從外部導入樣品空氣等的導入口10b。此外，在框體10i的另一端的側面設有用來射出粒子射線10a的射出口10c。空氣動力學透鏡10在框體10i內具有孔10d、10e、10f、10g、10h。孔10d至孔10h是中心具有貫通孔的圓環形狀的板材。如圖2所示，其構成為各貫通孔的直徑從孔10d向孔10h減小。

如利用圖1說明的那樣，導入口10b與射出口10c分別配設在第1減壓室26a的外側及內側。因此，通過導入口10b與射出口10c的壓力差，樣品空氣從導入口10b流向射出口10c。穿過空氣動力學透鏡10時，樣品空氣的媒質即空氣會一邊擴散一邊移動。因此，作為氣體的空氣的移動會受到各孔的限制。

另一方面，由固體或液體構成的顆粒具有較高的直線性。因此，顆粒通過第一層的孔10d後，其移動不會受到第2層以後的孔10e至孔10h的太大妨礙。此外，如上所述，貫通孔的直徑從孔10d向孔10h逐級減小，因此流路會從導入口10b向射出口10c縮小。因此，從導入口10b導入的樣品空氣中含有的顆粒會排列成束狀，從射出口10c射出。

以下對變形例進行說明。圖5是表示變形例所涉及的顆粒組成分析裝置100』的示意圖。尤其示出了與圖2同樣的捕集器14的更換作業時的情況。與上述實施方式的不同之處在於，安裝部36』形成輔助空間的一部分，捕集器14退避至該輔助空間中。上述更換機構50中，聯軸器部51含有主幹部53，該主幹部的內部形成有輔助空間，但變形例所涉及的更換機構70中，聯軸器部由連接凸緣72單獨構成。相應地，風箱78的伸縮機構長於更換機構50的風箱58。

圖6是變形例所涉及的更換機構70的外觀立體圖。更換機構70與更換機構50不同，具有引導部73。引導部73在連接凸緣72的開口的中央部具有用來引導杆55的缸體73a。此外，還具有從連接凸緣72支撐缸體73a的4根梁73b。此外，風箱78安裝在連接凸緣72，並實施密封處理。其他結構與更換機構50相同，因此標註相同符號，並省略說明。

更換機構70安裝在安裝部36』上時，安裝部36』形成的空間與風箱78的內部空間連通。它們成為一體形成輔助空間，在使用顆粒組成分析裝置100』時，與第2減壓空間一同實施減壓。此時，也可認為風箱78構成連接部的一部分。

以上說明的顆粒組成分析裝置100、100』中，使用者握住基座凸緣59按入或拉出，使杆55進行移動，但也可構成為利用致動器使杆55移動。例如事先實施磁化，使杆55的軸部沿軸向交替成為N極S極，控制外部的線圈形成磁性後，能以非接觸方式使杆55移動。利用致動器使杆55移動時，使用控制部24進行控制即可。

此外，上述顆粒組成分析裝置100、100』中，在使用時也由頭部55a保持著捕集器14，但也可構成為在使用時使捕集器14脫離頭部55a，來使杆55退避。此時，設置使捕集器14脫離頭部55a的脫離機構。例如，捕集器14的背面採用磁性材料，頭部55a採用電磁體。使捕集器14到達正常位置後，停止電磁體的作用，脫離捕集器14。

此外，上述顆粒組成分析裝置100、100』中，輔助空間也通過第2排氣裝置27b進行減壓，但也可具備用來使輔助空間減壓的輔助泵。如果具備輔助泵，則在更換後將捕集器14配置至第2減壓空間的正常位置時，能夠在打開閘閥34前使輔助空間減壓，因此能夠將第2減壓空間的減壓狀態保持固定。另外，閘閥34不限定為從連通部35完全退避的類型，例如也可是使2塊旋轉板符合第1相位後形成連通狀態，在符合第2相位後形成連通狀態的類型。

本實施方式中，說明了將更換機構50、70適用於顆粒組成分析裝置100、100』的情況，但更換機構50、70也能適用於所有在減壓下利用用來捕捉顆粒的捕集器14的裝置。在需要捕捉顆粒的裝置中，一般會要求高效率地更換捕集器，因此本發明不限於顆粒的分析裝置，同樣能夠擴展到其他裝置。

以上使用實施方式說明了本發明，但本發明的技術的範圍並不限定於上述實施方式所述的範圍。本領域的技術人員應可明白上述實施方式可添加多種變更或改良。根據權利要求範圍的記載，可明確上述添加了變更或改良的形態也可包含在本發明的技術範圍內。

[附圖符號說明]

10 空氣動力學透鏡

10a 粒子射線

10b 導入口

10c 射出口

12 分離器

12a 連通孔

14 捕集器

14a 網孔

14b 支撐框體

16 雷射裝置

16a 雷射

18 分析組件

18a 分離器部

18b 連通孔

18c 微孔

20 氣體分析儀

20a 離子化區域

24 控制部

25 運算部

26a 第1減壓室

26b 第2減壓室

26c 第3減壓室

26d 退避室

27a 第1排氣裝置

27b 第2排氣裝置

27c 第3排氣裝置

28 第1隔壁

29 第2隔壁

30 導入管

32 光學窗口

33 光學窗口

34 閘閥

35 連通部

36、36』 安裝部

50 更換機構

51 聯軸器部

52 連接凸緣

52a 螺釘孔

53 主幹部

53a 貫通孔

55 杆

55a 頭部

57 O型圈

58 風箱

59 基座凸緣

61 螺釘

70 更換機構

72 連接凸緣

73 引導部

73a 缸體

73b 梁

78 風箱

100、100』 顆粒組成分析裝置