捕集器更换机构及颗粒组成分析装置的制作方法

本发明涉及一种捕集器更换机构及颗粒组成分析装置。

背景技术：

随着人们日益关心大气中的粒子状物质(气溶胶)对健康的影响，分析其成分、浓度等的装置正在进行开发。例如专利文献2的技术中，将粒子捕捉至捕集效率较高的捕集器中，利用激光等能量线进行照射使粒子加热气化，并对气化后的气体实施离子化，通过质量分析对其成分进行分析。

[现有技术文献]

[专利文献]

[专利文献1]美国专利第6040574号说明书

[专利文献2]国际公开第2011/114587

技术实现要素：

[发明所要解决的技术问题]

捕集器受到能量线的照射会发生熔融或因热冲击的积蓄而发生构造性、化学性的变化，因此捕集器的初期的性能会随着使用而无法保持。因此，必须定期更换捕集器，但存在以下课题，即一旦在更换时将减压室开放到大气压力下，则要再次对整个减压室实施抽真空，花费时间使其恢复到减压状态，测定的空载时间会延长。

[解决技术问题所采用的技术方案]

本发明的第1实施方式的捕集器更换机构，其具有：杆，其保持用来捕捉颗粒的捕集器；以及连接部，其具有与设置捕集器的减压空间连接的辅助空间的至少一部分，通过使杆移动，能够在保持减压空间的减压状态的状况下，使捕集器从减压空间退避至辅助空间侧，而在大气压中开放。

此外，连接部含有伸缩机构，伸缩机构的内部空间也可作为辅助空间发挥功能。连接部含有联轴器部，其用来连接到形成减压空间的减压室，在联轴器部的内侧可形成有辅助空间的至少一部分。

杆可构成为，能够调整减压空间中捕集器的设置位置。此外，也可构成为，能够在减压空间内保持捕集器以及从捕集器脱离。

还可具有用来使辅助空间减压的辅助泵。此外，还可具有闸阀，其能够将减压空间与辅助空间在连接状态与隔绝状态间进行切换，闸阀在捕集器退避至辅助空间后，从连接状态切换为隔绝状态。

本发明的第2实施方式的颗粒组成分析装置，其具有：上述捕集器更换机构；捕集器；排气装置，其用来使减压空间减压；导入部，其取入含有颗粒的气体样品并使其聚集后，向捕集器喷出；激光装置，其对捕集器照射激光；以及气体分析仪，其对通过激光照射而生成的样品气体进行分析。

另外，上述发明内容并未列举出本发明的所有必要特征。此外，这些特征群的子组合也属于本发明。

附图说明

图1是表示使用时的颗粒组成分析装置的示意图。

图2是表示捕集器的更换作业时的颗粒组成分析装置的示意图。

图3是更换机构的外观立体图。

图4是用来说明空气动力学透镜的示意图。

图5是表示变形例所涉及的颗粒组成分析装置100’的示意图。

图6是变形例所涉及的更换机构的外观立体图。

具体实施方式

以下通过发明的实施方式来说明本发明，但以下实施方式并不会对专利权利要求范围所涉及的发明加以限定。此外，实施方式中说明的所有特征的组合并不一定是发明的解决方法所必须的。

图1是表示使用时的颗粒组成分析装置100的示意图。颗粒组成分析装置100是用来分析气体样品(气溶胶)中所含的颗粒的组成及浓度的装置。

颗粒组成分析装置100主要具有空气动力学透镜10、分离器12、捕集器14、激光装置16、分析组件18、气体分析仪20、导入管30以及更换机构50。此外，颗粒组成分析装置100还具有控制部24。

颗粒组成分析装置100具有减压室。减压室具有第1减压室26a、第2减压室26b、第3减压室26c以及退避室26d。第1减压室26a的内部形成有第1减压空间。第2减压室26b的内部形成有第2减压空间。第3减压室26c的内部形成有第3减压空间。退避室26d的内部形成有辅助空间。利用第1隔壁28将第1减压室26a与第2减压室26b隔开。此外，利用第2隔壁29将第2减压室26b与第3减压室26c隔开。退避室26d在使用时透过连通部35与第2减压室26b空间连接。

第1减压室26a含有第1排气装置27a。第2减压室26b含有第2排气装置27b。第3减压室26c含有第3排气装置27c。第1排气装置27a、第2排气装置27b以及第3排气装置27c将第1减压空间、第2减压空间以及第3减压空间减压至预先决定的互不相同的内压。第1减压空间、第2减压空间以及第3减压空间中预先决定的内压分别为例如10^-3Torr、10^-5Torr以及10^-7Torr。另外，使用时辅助空间与第2减压空间连通，因此辅助空间也会减压至与第2减压空间的内压。

空气动力学透镜10配置为，从第1减压室26a的一侧面插通至第1减压空间。具体地说，空气动力学透镜10配设为，将导入气体样品的导入口侧配置在第1减压室26a的外部，将射出粒子射线10a的射出口10c侧配置在第1减压室26a的内部。空气动力学透镜10连接至导入气体样品的导入管30。空气动力学透镜10使从导入管30导入的气体中所含的颗粒收束，并作为粒子射线10a射出。颗粒组成分析装置100中，空气动力学透镜10承担获取气体样品的取入部的作用。后面将使用附图详细说明空气动力学透镜10。

分离器12设置在第1隔壁28上，该第1隔壁28用来将第1减压室26a与第2减压室26b分隔开。分离器12是顶点设有连通孔12a的圆锥形状的构造体，其将连通孔12a配置为朝向空气动力学透镜10的射出口10c。如上所述，由于第2减压空间的内压设定为低于第1减压空间的内压，所以会产生透过连通孔12a从第1减压空间流向第2减压空间的气流。分离器12在从空气动力学透镜10射出的粒子射线10a通过连通孔12a时，会去除粒子射线10a中含有的剩余气体的一部分。

分析组件18的前端部配置在第2减压室26b内，后端部配设为插通第2隔壁29，该第2隔壁29将第2减压室26b与第3减压室26c分隔开。分析组件18的前端部设有分离器部18a。分离器18a与分离器12同样，呈顶点设有连通孔18b的圆锥形状。连通孔18b配置在空气动力学透镜10的射出口10c与分离器12的连通孔12a相连的直线上。分离器部18a进一步去除粒子射线10a中含有的剩余气体。

此外，分析组件18的后端部也形成为前细后粗形状，其端部具有微孔18c。通过如此将分析组件18的两端形成为前细后粗形状，颗粒组成分析装置100可维持第2减压室26b的第2减压空间与第3减压室26c的第3减压空间的压力差。因此，分析组件18内会产生从第2减压室26b流向第3减压室26c的气流。此外，在分析组件18的中央部附近配置有捕集器14，分析组件18整体形成为曲轴形状，集中捕集器14所产生的气体并使其流向微孔18c。

捕集器14在分析组件18内配设在分离器部18a的后方。捕集器14配设为，捕捉颗粒的面与粒子射线10a的流入方向斜交。捕集器14将在后文详述，其具有网孔状的构造，捕捉射入的粒子射线10a中含有的颗粒。

射入捕集器14的粒子射线10a中含有的各颗粒会以固有的概率与网孔构造发生碰撞。与网孔构造发生碰撞的颗粒会在之后与网孔构造重复碰撞数次，并随着每次碰撞而减速。该颗粒不久就会失去速度，并最终被捕集器14捕捉。

激光装置16配置在减压室26的外部。激光装置16发出激光16a。在与第2减压室26b的外气环境接触的侧壁上设有光学窗口32。此外，在分析组件18的侧壁上设有光学窗口33。激光装置16通过光学窗口32及光学窗口33，将激光16a照射至捕集器14，然后加热照射部分。本实施方式中，激光16a的一例为二氧化碳(CO₂)激光。

激光装置16利用激光16a使被捕集器14捕捉到的颗粒发生气化、升华或反应，生成脱离成分即气体。此处，“脱离成分”是指从捕集器14的捕捉状态脱离后，成为可移动的状态的成分。以下说明中，有时会将导入气体样品时的脱离成分即气体称为样品气体。具体地说，样品气体的成分为通过颗粒的构成成分的氧化而生成的CO₂、H₂O、NO₂以及SO₂等。

气体分析仪20配置在第3减压室26c内。气体分析仪20是通过质量分析法对导入的气体的成分进行分析的分析仪。质量分析法的检测下限较低，因此也能够良好地适用于颗粒的浓度较低的气体样品。另外，本实施例中使用的是通过质量分析法分析气体的成分的分析仪，但也可根据作为分析对象的气体样品的颗粒的浓度、种类等，采用通过其他分析法分析气体的成分的分析仪。例如，作为分析对象的颗粒的浓度较高时，也可采用利用分光分析法的分析仪。

气体分析仪20具有离子化区域20a。气体分析仪20配置为，离子化区域20a与形成在分析组件18的后端部的前细后粗形状的微孔18c对向。离子化区域20a使从分析组件18导入的气体离子化，并供给至气体分析仪20。气体分析仪20将与所导入的气体的各个成分的含量相应的强度信号周期性地输出至运算部25。

控制部24对颗粒组成分析装置100的各构成要素的动作及处理实施统一控制。例如，按照预先决定的周期将气体样品导入捕集器14，并利用激光16a照射捕集器14。此外，控制部24含有对气体分析仪20的输出进行运算的运算部25。运算部25使用与控制部24从气体分析仪20获取的特定成分的含量相应的强度信号，运行各种运算。

如上所述，捕集器14捕捉从空气动力学透镜10射出的颗粒，并接受激光16a的照射。激光16a的能量大小为使颗粒瞬间气化的程度。因此，捕集器14根据使用条件等，网孔构造会熔融而发生变化，降低颗粒的捕捉性能。此外，激光16a有时会间断照射，有时会在网孔构造积蓄热冲击。并且，根据要捕捉的颗粒的成分，网孔构造有时会产生化学变化或者对之后的分析造成影响。因此，捕集器14必须相应劣化程度或定期更换新的捕集器。

如上所述，捕集器14设置在第2减压室26b的第2减压空间内，因此以往的装置结构中，为了取出捕集器14，必须将第2减压空间开放到大气压力下。将第2减压空间暂时开放到大气压力下后，必须通过第2排气装置27b重新实施抽真空，以便再次恢复到减压状态，该时间会成为测定的空载时间，从而降低作业效率。此外，由于要将减压空间曝露在外气中，所以也会成为内部要素发生污染和劣化的原因。

因此，为了更换捕集器14，本实施方式的颗粒组成分析装置100具有更换机构50。如果使用更换机构50，则能够在维持第2减压空间的减压状态的状态下，更换捕集器14。

图1表示捕集器14设置在颗粒组成分析装置100的使用状态下的预先决定的正常位置的状态。另外，为了便于说明，使第2减压室26b的壁面的一部分具有厚度，并通过截面进行表示。截面部与更换机构50的要素的截面一同利用阴影进行表示。以下说明该状态下的更换机构50。

更换机构50主要由联轴器部51、风箱58、基座凸缘59以及杆55构成。联轴器部51含有连接凸缘52及主干部53。连接凸缘52形成为从主干部53向外侧呈锷状扩张的形状，透过螺钉61固定至安装在第2减压室26b的壁面的安装部36。联轴器部51中在安装部36侧设有开放式的内部空间。如下所述，该内部空间是供捕集器14退避的辅助空间。联轴器部51由刚性较高的例如杜拉铝形成，辅助空间作为能够承受减压的退避室26d发挥功能。O型圈57以包围辅助空间的开口部的方式设置在连接凸缘52与安装部36接触的面上。通过按压O型圈57并利用螺钉紧固，确保辅助空间的密闭性。

杆55设置为贯通退避室26d的内部，并且其后端侧从设置在联轴器部51的后端侧(安装部36侧的相反侧)的贯通孔53a突出。杆55被引导入贯通孔53a后，能够向其轴向移动。杆55的后端固定在基座凸缘59上。使用者握住基座凸缘59并按入或拉出后，能够使杆55在轴向上移动。

联轴器部51的后端部与基座凸缘59通过形成伸缩机构的风箱58连接。杆55位于风箱58的内侧。由联轴器部51的后端部、基座凸缘59以及风箱58包围且供杆55贯通的内部空间实施了密封处理，以成为能够承受减压的密闭空间。如图所示，在使用者按入杆55的状态下，风箱58的伸缩机构会发生折叠。另外，将该内部空间形成为密闭空间的原因在于，透过贯通孔53a与辅助空间连通，该内部空间也可成为退避室26d的一部分。

与安装部36邻接地设有闸阀34。闸阀34是使第2减压室26b的第2减压空间与退避室26d的辅助空间在空间上连接或隔绝的活动隔壁。图1中显示闸阀34退避后第2减压空间与辅助空间处于连接状态的情况。因此，辅助空间也可通过第2排气装置27b，减压至与第2减压空间相同的压力。

杆55的前端设有用来保持捕集器14的头部55a。捕集器14的安装面形成为相对于杆的轴向以预先决定的角度倾斜。捕集器14与安装面接触的背面侧设有定位销，通过使该定位销嵌合于设置在安装面上的定位孔，将捕集器14固定在安装面上。另外，固定方法不限定于此，可采用各种方法。例如也可利用粘合剂进行固定。

杆55具有限制移动的锁定机构，使捕集器14静置于预先决定的正常位置。锁定机构例如由挂钩构成，抑制想要打开折叠后的风箱58的作用力使其停留在规定位置。此外，也可设定多个杆的停止位置，例如根据捕集器14的种类使杆55停留在多个位置。此时，根据停止位置设置多个挂钩的挂止部即可。

图2是表示捕集器14的更换作业时颗粒组成分析装置100的示意图。使用者将基座凸缘59向与安装部36相反的外侧方向拉伸后，风箱58的伸缩机构会打开，并且杆55也会向外侧方向移动。不久后，头部55a到达贯通孔53a的开口附近，并且头部55a会与捕集器14一同收容至退避室26d的辅助空间内。

使用者将捕集器14收容至辅助空间内后，使闸阀34向内部方向移动，并且将第2减压空间与辅助空间切换为隔绝状态。切换为隔绝状态后，如果拆下螺钉61，则能够使更换机构50脱离颗粒组成分析装置100。此时，第2减压空间通过闸阀34形成为密闭空间，因此不会放入外气，可维持减压状态。

脱离更换机构50后，退避室26d会开放到大气压力下，使用者能够取出捕集器14。为了便于取出捕集器14，也可略微折叠风箱58的伸缩机构，使捕集器14从退避室26d略微突出。

图3是更换机构50的外观立体图。如图所示，在连接凸缘52的圆周方向上设有4个用来让螺钉61贯通的螺钉孔52a。此外，主干部53形成为圆筒状，与连接凸缘52一体地形成联轴器部51。联轴器部51的内部形成有辅助空间，其整体作为退避室26d发挥功能。

主干部53是将连接部侧作为开口部的杯状，在杯子的底部中心部设有贯通孔53a。本实施方式中，为了使杆55在轴向上稳定地笔直前进，将底部形成为较厚，也就是说将贯通孔53a形成为较深，确保杆55的嵌合长度。也就是说，将贯通孔53a作为杆55的导向部。但是，如果另外设置导向部，则主干部53也可不形成为杯状，例如也可形成为圆筒状，根据风箱58的内部空间形成辅助空间。

此处对捕集器14进行说明。捕集器14是用来捕捉作为分析对象的气体样品的颗粒的单元。捕集器14含有用来捕捉颗粒的主体即网孔14a以及用来支撑网孔14a的支撑框体14b。网孔14a整体为例如φ3mm至φ8mm，使用金属、合金或由其化合物的纤维构成的不织布。此外，也可使用通过精细加工形成的网孔板。网孔的线宽为1μm至10μm，开孔形成为每边10μm至100μm的四边形。此外，也可将多个网孔重叠为层状。支撑框体14b是长或宽的一条边为5mm至8mm的四边形，厚度为100μm至300μm左右的形状。也可将张开网孔14a的支撑框体14b重叠数块，形成捕集器14。此外，将网孔14a重叠成层状时，开孔的大小可互不相同。

以下，说明空气动力学透镜10。图4是用来说明空气动力学透镜10的示意图。空气动力学透镜10具有圆筒状的外观构造即框体10i。在框体10i的一端的侧面设有用来从外部导入样品空气等的导入口10b。此外，在框体10i的另一端的侧面设有用来射出粒子射线10a的射出口10c。空气动力学透镜10在框体10i内具有孔10d、10e、10f、10g、10h。孔10d至孔10h是中心具有贯通孔的圆环形状的板材。如图2所示，其构成为各贯通孔的直径从孔10d向孔10h减小。

如利用图1说明的那样，导入口10b与射出口10c分别配设在第1减压室26a的外侧及内侧。因此，通过导入口10b与射出口10c的压力差，样品空气从导入口10b流向射出口10c。穿过空气动力学透镜10时，样品空气的媒质即空气会一边扩散一边移动。因此，作为气体的空气的移动会受到各孔的限制。

另一方面，由固体或液体构成的颗粒具有较高的直线性。因此，颗粒通过第一层的孔10d后，其移动不会受到第2层以后的孔10e至孔10h的太大妨碍。此外，如上所述，贯通孔的直径从孔10d向孔10h逐级减小，因此流路会从导入口10b向射出口10c缩小。因此，从导入口10b导入的样品空气中含有的颗粒会排列成束状，从射出口10c射出。

以下对变形例进行说明。图5是表示变形例所涉及的颗粒组成分析装置100’的示意图。尤其示出了与图2同样的捕集器14的更换作业时的情况。与上述实施方式的不同之处在于，安装部36’形成辅助空间的一部分，捕集器14退避至该辅助空间中。上述更换机构50中，联轴器部51含有主干部53，该主干部的内部形成有辅助空间，但变形例所涉及的更换机构70中，联轴器部由连接凸缘72单独构成。相应地，风箱78的伸缩机构长于更换机构50的风箱58。

图6是变形例所涉及的更换机构70的外观立体图。更换机构70与更换机构50不同，具有引导部73。引导部73在连接凸缘72的开口的中央部具有用来引导杆55的缸体73a。此外，还具有从连接凸缘72支撑缸体73a的4根梁73b。此外，风箱78安装在连接凸缘72，并实施密封处理。其他结构与更换机构50相同，因此标注相同符号，并省略说明。

更换机构70安装在安装部36’上时，安装部36’形成的空间与风箱78的内部空间连通。它们成为一体形成辅助空间，在使用颗粒组成分析装置100’时，与第2减压空间一同实施减压。此时，也可认为风箱78构成连接部的一部分。

以上说明的颗粒组成分析装置100、100’中，使用者握住基座凸缘59按入或拉出，使杆55进行移动，但也可构成为利用致动器使杆55移动。例如事先实施磁化，使杆55的轴部沿轴向交替成为N极S极，控制外部的线圈形成磁性后，能以非接触方式使杆55移动。利用致动器使杆55移动时，使用控制部24进行控制即可。

此外，上述颗粒组成分析装置100、100’中，在使用时也由头部55a保持着捕集器14，但也可构成为在使用时使捕集器14脱离头部55a，来使杆55退避。此时，设置使捕集器14脱离头部55a的脱离机构。例如，捕集器14的背面采用磁性材料，头部55a采用电磁体。使捕集器14到达正常位置后，停止电磁体的作用，脱离捕集器14。

此外，上述颗粒组成分析装置100、100’中，辅助空间也通过第2排气装置27b进行减压，但也可具备用来使辅助空间减压的辅助泵。如果具备辅助泵，则在更换后将捕集器14配置至第2减压空间的正常位置时，能够在打开闸阀34前使辅助空间减压，因此能够将第2减压空间的减压状态保持固定。另外，闸阀34不限定为从连通部35完全退避的类型，例如也可是使2块旋转板符合第1相位后形成连通状态，在符合第2相位后形成连通状态的类型。

本实施方式中，说明了将更换机构50、70适用于颗粒组成分析装置100、100’的情况，但更换机构50、70也能适用于所有在减压下利用用来捕捉颗粒的捕集器14的装置。在需要捕捉颗粒的装置中，一般会要求高效率地更换捕集器，因此本发明不限于颗粒的分析装置，同样能够扩展到其他装置。

以上使用实施方式说明了本发明，但本发明的技术的范围并不限定于上述实施方式所述的范围。本领域的技术人员应可明白上述实施方式可添加多种变更或改良。根据权利要求范围的记载，可明确上述添加了变更或改良的形态也可包含在本发明的技术范围内。

[附图符号说明]

10 空气动力学透镜

10a 粒子射线

10b 导入口

10c 射出口

12 分离器

12a 连通孔

14 捕集器

14a 网孔

14b 支撑框体

16 激光装置

16a 激光

18 分析组件

18a 分离器部

18b 连通孔

18c 微孔

20 气体分析仪

20a 离子化区域

24 控制部

25 运算部

26a 第1减压室

26b 第2减压室

26c 第3减压室

26d 退避室

27a 第1排气装置

27b 第2排气装置

27c 第3排气装置

28 第1隔壁

29 第2隔壁

30 导入管

32 光学窗口

33 光学窗口

34 闸阀

35 连通部

36、36’ 安装部

50 更换机构

51 联轴器部

52 连接凸缘

52a 螺钉孔

53 主干部

53a 贯通孔

55 杆

55a 头部

57 O型圈

58 风箱

59 基座凸缘

61 螺钉

70 更换机构

72 连接凸缘

73 引导部

73a 缸体

73b 梁

78 风箱

100、100’ 颗粒组成分析装置