JP4280809B2

JP4280809B2 - Ultra fine particle classifier

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Publication number: JP4280809B2
Application number: JP2000091902A
Authority: JP
Inventors: 俊晴牧野; 信靖鈴木; 岳人吉田; 由佳山田; 章文瀬戸; 信博綾
Original assignee: Panasonic Corp; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2000-03-29
Filing date: 2000-03-29
Publication date: 2009-06-17
Anticipated expiration: 2020-03-29
Also published as: JP2001276661A

Description

【発明の属する技術分野】
【０００１】
本発明は超微粒子分級装置に関するものであり、特に静電界中での荷電粒子の粒径に依存した電気移動度を利用した微分型電気移動度分級装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、粒子径に依存した移動度を利用して微粒子の粒径を選別する微粒子分級装置は、サブミクロンの微粒子を高効率で捕集分離する高性能エアフィルターの性能テストや、浄化雰囲気のモニタリング等における標準微粒子の生成および粒径測定に用いられてきた。粒径選別に利用する移動度としては、主に、静電界中での荷電粒子に働く電気移動度と、重力等による動的移動度がある。また、前記微粒子分級装置の構造としては、主に二重円筒型と円盤型がある。
【０００３】
図3は、例えばエアロゾル研究Vol.2, No.2, p106 (1987)あるいは粉体工学会誌Vol.21, No.12, p753 (1984)に記載された、従来の微分型電気移動度分級装置の概略図である。前記微分型電気移動度分級装置は二重円筒型構造である。図3において、荷電された微粒子301はキャリアガス302により搬送され、二重円筒型分級装置の上端部から流入し、内側を流れるシースガス303である清浄空気と合流する。荷電された微粒子301とシースガス303の混合ガスは、層流として二重円筒部分を流れる。この二重円筒部分では、前記の混合ガスの流れの方向と垂直に、直流電源307により静電界が印加されている。従って荷電された微粒子301は各々の電気移動度に応じた軌道を描く。前記電気移動度は微粒子の粒径に依存しているため、ある特定粒径の微粒子だけが下部のスリット308に達し、分級されてキャリアガス排気口305より取り出される。その他の粒径の微粒子は、シースガスと共に排気されるか、あるいは内側の集電極306へ移動、付着する。
【０００４】
また、円盤型構造の動的移動度分級装置が、特開平9-269288号広報に開示されている。図4は前記円盤型の動的移動度分級装置の概略図である。図4において、分級領域409は、同軸で平行に配置された上部ディスク403と下部ディスク404の間の空間に形成される。シースガスである空気流402は、分級領域409へ上下部ディスク周囲から流入し、分級領域409を求心性の層流として流れ、中央吸込ダクト405から排気される。微粒子401はキャリアガス410により搬送され、上部ディスク403に配された環状導入スリット407から分級領域409に導入される。上部ディスク403に配された環状導入スリット407から分級領域409に導入された微粒子401は、空気流402により中心軸方向へ移動すると同時に、重力場により上部ディスク403から下部ディスク404の方向へと落下する。落下速度は微粒子401の粒径に依存しているため、ある特定粒径の微粒子だけが、下部ディスク404に配された環状スリット408に達し、分級されて引出ダクト406から取り出される。その他の粒径の微粒子は、空気流と共に中央吸込ダクト405から排気されるか、あるいは下部ディスク404へ移動、付着する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
粒径が数nmから数十nm程度の超微粒子では、その超微粒子の物性値は、粒径に依存して変化することが知られている。例えば、半導体超微粒子では、粒径の減少と共にエネルギーギャップが増加する。前記半導体超微粒子の物性を利用することにより、新たなデバイスの作製も試みられている。近年、前記新たなデバイスを構成する物質として、Siが注目されるようになっており、希ガス中でのパルスレーザアブレーションにより、粒径が数nmから十数nm程度のSi超微粒子の作製が試みられている。このSi超微粒子を用いた新たなデバイスを作製するためには、数nmから十数nm程度の様々な粒径をもったSi超微粒子を分級して、単一粒径と見なせる程度狭い粒径分布をもったSi超微粒子を抽出する必要がある。また、分級されるSi超微粒子の平均粒径は変化させられることが望ましい。
【０００６】
一方、図4に示した従来の円盤型動的移動度分級装置の場合は、サブミクロン程度の粒径を持った微粒子を分級することを目的としており、粒径選別には重力場が利用されている。重力場は一定であるため、分級する超微粒子の平均粒径を変化させるためには、空気流402の流量を変化させる必要がある。ｎmレベルの超微粒子の平均粒径を変化させるには、前記空気流402の流量の変化も微少になる。この微少な流量変化の制御と、流量を安定させるための制御は非常に困難である。
【０００７】
また、前記円盤型動的移動度分級装置のサイズを大きくする（環状導入スリット407と環状スリット408の射影距離を長くする）ことなく、サブミクロン以下の粒径をもった超微粒子を分級するためには、分級領域409中においてシースガスである空気流402と垂直な方向（上部ディスク403から下部ディスク404へと向かう方向）で超微粒子に作用する力を、重力以上の大きさをもったものにする必要がある。
【０００８】
超微粒子の分級分解能を向上させる方法として、分級領域を1段から多段にし、分級回数を増加させるという手法がある。図3に示した二重円筒型分級装置の場合、例えば粉体工学会誌Vol.21, No.12, p753 (1984)に記載された二重円筒型分級装置の分級領域寸法はL = 400mm, R = 15 mm, R = 25 mmである。従って、前記二重円筒型分級装置の外周にさらに円筒型の分級領域を配置して、分級領域を多段にすると、分級装置全体の寸法が非常に大型化する。そのため、分級装置全体の寸法を小さくするためには、二重円筒型以外の構造にする必要がある。
【０００９】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、nmレベルの超微粒子を良好な分解能で分級するために、分級装置の分級領域を多段にすることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
図4に示した従来の円盤型動的移動度分級装置の上部ディスク403および下部ディスク404間に直流電圧を印加可能とする。これにより、分級領域409において上下方向（空気流402と垂直な方向）に静電界を発生させることが可能となり、前記円盤型動的移動度分級装置に導入される微粒子が荷電されている場合は、重力場による動的移動度ではなく、静電界による電気移動度により荷電微粒子を分級することが可能となる。上部ディスク403および下部ディスク404間に印加する直流電圧を大きくすることにより、重力より大きい静電気力を発生させることができるため、前記円盤型動的移動度分級装置のサイズを大きくする（環状導入スリット407と環状スリット408の射影距離を長くする）ことなく、nmレベルの粒径をもった超微粒子を分級することが可能となる。
【００１１】
また、上部ディスク403および下部ディスク404間に印加する直流電圧を変化させることにより、静電界の強度を精密に変化させることが可能である。従って、空気流402の流量一定の元で、nmレベルの荷電超微粒子を分級する際の平均粒径をも精密に変化させることが可能である。
【００１２】
さらに、前記円盤型動的移動度分級装置において、分級領域を1段から多段にする。これにより、分級装置全体の寸法が小さく、しかもnmレベルの荷電超微粒子の分級分解能を向上させることが可能となる。具体的には、前記円盤型動的移動度分級装置の下部ディスク404の下部にさらに同軸で平行に第3のディスクを配置し、下部ディスク404と第3のディスクの間の空間を2段目の分級領域とする。これと同じ要領で第4、第5、等のディスクを配し、3段目、4段目、等の分級領域を形成する。
【００１３】
この本発明によれば、nmレベルの超微粒子を良好な分解能で分級する円盤型の超微粒子分級装置が得られる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の発明は、間隔を開けて平行に配置された２つの同軸のディスク間に形成される空間を分級領域とし、前記分級領域において荷電超微粒子を粘性流体中で静電界が印加された際の荷電粒子の粒径に依存した電気移動度を利用して分級し、前記同軸のディスクを３つ以上配置することにより前記分級領域が２つ以上の多段で構成され、当該多段分級領域の各段ごとに、ディスクの外周部分から分級領域の中心部方向へシースガスが流入される超微粒子分級装置において、前記多段分級領域の段数の増加につれて、各段へ流入するシースガス流量が増加する、ことを特徴とする超微粒子分級装置である。分級領域を多段にすることにより、分級領域が１段の従来の円盤型動的移動度分級装置よりも分級分解能を向上させることが可能となる。また、装置形状を円盤型にすることにより、多段の分級領域を配していても装置寸法の大型化を抑制することが可能となる。そして、多段分級領域の段数の増加につれて、各段へ流入するシースガス流量が増加することにより、分級領域の段数の増加につれて、分級分解能を向上させることが可能となる。
【００１５】
請求項２に記載の発明は、間隔を開けて平行に配置された２つの同軸のディスク間に形成される空間を分級領域とし、前記分級領域において荷電超微粒子を粘性流体中で静電界が印加された際の荷電粒子の粒径に依存した電気移動度を利用して分級し、前記同軸のディスクを３つ以上配置することにより前記分級領域が２つ以上の多段で構成され、当該多段分級領域の各段ごとに、ディスクの外周部分から分級領域の中心部方向へシースガスが流入される超微粒子分級装置において、前記多段分級領域の段数の増加につれて、各段のシースガスの粘度あるいは衝突直径が増加する、ことを特徴とする超微粒子分級装置である。分級領域を多段にすることにより、分級領域が１段の従来の円盤型動的移動度分級装置よりも分級分解能を向上させることが可能となる。また、装置形状を円盤型にすることにより、多段の分級領域を配していても装置寸法の大型化を抑制することが可能となる。そして、多段分級領域の段数の増加につれて、各段のシースガスの粘度あるいは衝突直径が増加することにより、多段分級領域の段数の増加につれて、分級分解能を向上させることが可能となる。
【００１６】
請求項３に記載の発明は、多段分級領域の各段に個別に直流電圧を印加可能であることを特徴とする請求項１または２に記載の超微粒子分級装置であり、多段分級領域の各段ごとに異なった値の直流電圧を印加できるため、多段分級領域の各段ごとに超微粒子の分級粒径の設定を変更することが可能となる。
【００１７】
請求項４に記載の発明は、多段の分級領域を仕切るディスクには一方の分級領域から他方の分級領域へキャリアガスを流入させるスリットが形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の超微粒子分級装置であり、前記スリットにより、分級領域で分級された超微粒子を、キャリアガスとともに、後段の分級領域へ搬送することが可能となる。
【００１８】
請求項５に記載の発明は、多段分級領域の段数の増加につれて、各段へ流入するキャリアガス流量が減少していくことを特徴とする請求項４に記載の超微粒子分級装置であり、多段分級領域の段数の増加につれて、分級分解能を向上させることが可能となる。
【００１９】
請求項６に記載の発明は、ディスクがセラミック系絶縁体と、金属とから構成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の超微粒子分級装置であり、超微粒子分級装置を高温でベーキングできるため、超微粒子分級装置内を清浄に保持することが可能となり、超微粒子分級装置内を通過する超微粒子への不純物の混入を抑制することが可能となる。
【００２０】
請求項７に記載の発明は、同軸で平行に配置され、間に超微粒子を分級する多段の分級領域を形成する複数のディスクと、キャリアガスと超微粒子をディスクを通して次段の分級領域へ導入するために前記ディスクに形成されたスリットと、各ディスクの軸部分に設けられ各分級領域にディスクの周囲からそれぞれ流入するシースガスを排気するためのシースガス排気口と、最終段のディスクの下部に設けられ、キャリアガスと分級された超微粒子を排気するためのキャリアガス排気口とを備え、前記分級領域において荷電超微粒子を分級する超微粒子分級装置において、前記多段分級領域の段数の増加につれて、各段へ流入するシースガス流量が増加する、ことを特徴とする超微粒子分級装置であり、分級領域を多段にすることにより、分級領域が１つの従来型の円盤型動的移動度分級装置よりも分級分解能を向上させることが可能となり、そして、多段分級領域の段数の増加につれて、各段へ流入するシースガス流量が増加することにより、分級分解能を向上させることが可能となる。
【００２１】
請求項８に記載の発明は、同軸で平行に配置され、間に超微粒子を分級する多段の分級領域を形成する複数のディスクと、キャリアガスと超微粒子をディスクを通して次段の分級領域へ導入するために前記ディスクに形成されたスリットと、各ディスクの軸部分に設けられ各分級領域にディスクの周囲からそれぞれ流入するシースガスを排気するためのシースガス排気口と、最終段のディスクの下部に設けられ、キャリアガスと分級された超微粒子を排気するためのキャリアガス排気口とを備え、前記分級領域において荷電超微粒子を分級する超微粒子分級装置において、前記多段分級領域の段数の増加につれて、各段のシースガスの粘度あるいは衝突直径が増加する、ことを特徴とする超微粒子分級装置であり、分級領域を多段にすることにより、分級領域が１つの従来型の円盤型動的移動度分級装置よりも分級分解能を向上させることが可能となり、そして、多段分級領域の段数の増加につれて、各段のシースガスの粘度あるいは衝突直径が増加することにより、分級分解能を向上させることが可能となる。
【００２２】
請求項９に記載の発明は、ディスクの、スリットより外周の部分は、当該ディスクの面に対して垂直の方向に３つの部分に分割され、前記ディスクの３分割部分の上部は、直流電圧が印加され、下部は接地され、さらに、中部は上部と下部を絶縁する構成となっていることを特徴とする請求項７または８に記載の超微粒子分級装置であり、荷電超微粒子に対して効果的に静電場を印加することが可能となる。
【００２７】
（実施の形態）
図1は本発明の一実施の形態を示しており、円盤型超微粒子分級装置の概略図である。この円盤型超微粒子分級装置は、n+1個（ただしn は1以上の整数）のディスクが同軸で平行に配置された構造になっている。第1ディスク101と第2ディスク102の間の空間を第1分級領域113とし、第2ディスク102と第3ディスク103の間の空間を第2分級領域114とし、同様にして、第nディスク104と第n+1ディスク105の間の空間を第n分級領域115とする。第1ディスク101はキャリアガスと超微粒子を前記円盤型超微粒子分級装置へ導入するための環状導入スリット106を半径ｒ₁の位置に具備し、第2ディスク102は半径ｒ₁より小さい半径ｒ₂の位置に第1環状スリット107を具備し、第3ディスク103は半径ｒ₂より小さい半径ｒ₃の位置に第2環状スリット108を具備し、同様にして、第n+1 ディスク105は半径ｒ_nより小さい半径ｒ_n+1の位置に第n環状スリット110を具備する。
【００２８】
また、第1ディスク101、第２ディスク102、…、第nディスク105は、第1分級領域113、第2分級領域114、…、第n分級領域115にディスクの周囲からそれぞれ流入する第1シースガス117、第2シースガス118、…、第nシースガス119を排気するためのシースガス排気口111を具備する。第n+1ディスク105下部には、キャリアガスと分級された超微粒子を排気するためのキャリアガス排気口112を具備する。第2ディスク102において、半径ｒ₂以上の、第1環状スリット107より外周の部分は、上下方向に3つの部分に分割されている。前記3分割部分の上部は、第1直流電圧電源120により正または負の直流電圧を印加することが可能であり、下部は接地されている。また中部は、上部と下部を絶縁するための絶縁体116で構成されている。同様にして、第n+1ディスク105において、半径ｒ_n+1 以上の、第n環状スリット110より外周の部分は、上下方向に3つの部分に分割されており、前記3分割部分の上部は、第n直流電圧電源122により正または負の直流電圧を印加することが可能であり、下部は接地されている。また中部は、上部と下部を絶縁するための絶縁体116で構成されている。円盤型超微粒子分級装置において、前記した第2ディスク102から第n+1ディスク105までの各ディスクの3分割部分以外の構成部分は、全て接地されている。
【００２９】
図1に示した円盤型超微粒子分級装置において、以下に示す動作により超微粒子の分級を行った。第1シースガス117、第2シースガス118、…、第nシースガス119は、ディスクの周囲からそれぞれ第1分級領域113、第2分級領域114、…、第n分級領域115へと導入される。前記導入された各シースガスは、各分級領域を層流状態で通過した後、シースガス排気口111より排気される。
【００３０】
一方、荷電された超微粒子はキャリアガスにより搬送され、第1ディスク101に具備された環状導入スリット106から円盤型超微粒子分級装置に導入され、第1分級領域113へ噴出される。前記第1分級領域113には、第1ディスク101および第2ディスク102間に第1直流電圧電源120により第1シースガス流に垂直な方向に静電界が印加されているため、環状導入スリット106より噴出された荷電超微粒子は、第1シースガス117により横方向に搬送されつつ、その荷電数と粒径に依存した電気移動度に応じた軌跡を描きながら、第1ディスク101から第2ディスク102の方向へ偏曲される。前記偏曲された荷電超微粒子において、第2ディスク102に具備された第1環状スリット107に到達したもののみが第1分級領域113で分級された荷電超微粒子として第2分級領域114へ噴出される。前記第2分級領域114には、第2ディスク102および第3ディスク103間に第2直流電圧電源121により第2シースガス流に垂直な方向に静電界が印加されているため、第1環状スリット107より噴出された荷電超微粒子は、第2シースガス118により横方向に搬送されつつ、その荷電数と粒径に依存した電気移動度に応じた軌跡を描きながら、第2ディスク102から第3ディスク103の方向へ偏曲される。前記偏曲された荷電超微粒子において、第3ディスク103に具備された第2環状スリット108に到達したもののみが第2分級領域114で分級された荷電超微粒子として第3分級領域へ噴出される。同様にして、第n分級領域115には、第nディスク104および第n+1ディスク105間に第n直流電圧電源122により第nシースガス流に垂直な方向に静電界が印加されているため、第n-1環状スリット109より噴出された荷電超微粒子は、第nシースガス119により横方向に搬送されつつ、その荷電数と粒径に依存した電気移動度に応じた軌跡を描きながら、第nディスク104から第n+1ディスク105の方向へ偏曲される。前記偏曲された荷電超微粒子において、第n+1ディスク105に具備された第n環状スリット110に到達したもののみが第n分級領域115で分級された荷電超微粒子としてキャリアガス排気口112より取り出される。
【００３１】
図1に示した円盤型超微粒子分級装置において、分級される超微粒子の平均粒径および分級分解能に関与するパラメータ（以後、分級パラメータと表記）には、分級領域上部の環状スリットと分級領域下部の環状スリットの投影距離（図1中ではｒ_n+1- ｒ_nに相当する）、分級領域となる空間を形成する2つのディスク間距離、分級領域となる空間を形成する2つのディスク間に印加される直流電圧、キャリアガスの種類、キャリアガスの流量、シースガスの種類、シースガスの流量、等がある。前記分級パラメータを第1分級領域113から第n分級領域115まで全て等しくした場合、分級条件（分級される超微粒子の平均粒径および分級分解能）も全て等しくなる。つまり、第1分級領域113において分級された超微粒子の分級分解能は、その後の第2分級領域114から第n分級領域115まで通過した後でも向上することはない。そこで、各分級領域の分級パラメータを変更可能とする事によって、多段分級領域を通過する超微粒子の分級分解能を向上させることを可能とした。具体的には分級パラメータとして、分級領域となる空間を形成する2つのディスク間に印加される直流電圧、キャリアガスの流量、シースガスの流量、シースガスの種類、を変更可能とした。以下に、分級パラメータを変更する事により超微粒子の分級分解能を向上させる方法について詳細に説明する。
【００３２】
図2に、各分級領域において分級された超微粒子の粒子数と粒径に関する模式図を示す。図2(a)に示す様に、例えば第1分級領域113において分級された超微粒子は、厳密には単一粒径ではなく、平均粒径ｄ_p1を中心として、その周りにいくらかの分散△ｄ_p1をもつ。分級される超微粒子の平均粒径は、分級領域に印加される直流電圧に依存するため、第2分級領域114に印加される直流電圧を、第1分級領域113に印加される直流電圧より僅かに正または負にずらす事により、第2分級領域114で分級される超微粒子の平均粒径ｄ_p2をｄ_p1より僅かにずらす事ができる。これに伴い、平均粒径ｄ_p2の周りの分散△ｄ_p2も△ｄ_p1より僅かにずれる。従って第2分級領域で分級される超微粒子において、ｄ_p1より大きい粒径側の分散か、あるいは小さい粒径側の分散かのいずれか一方を減少させることができる。さらに、図2(b)に示す様に、第3分級領域に印加される直流電圧を、第2分級領域114でずらした直流電圧の極性とは逆の極性へ僅かにずらすことにより、第2分級領域で減少させた側の分散とは逆の粒径側の分散を減少させることができる。結果として、1段の分級領域だけから構成される円盤型超微粒子分級装置よりも分級分解能を向上させることが可能となった。
【００３３】
なお、第3分級領域よりさらに後段の分級領域において、第2および第3分級領域と同様に、前段の分級領域より僅かに印加電圧をずらすことを繰り返して、さらに分級分解能を向上させていくことも可能である。
【００３４】
前記した様に、荷電した超微粒子は、ディスクに垂直で上部ディスクから下部ディスクへ向かう方向へは、粒径に依存した速度（すなわち電気移動度）で移動する。同時に、ディスクに平行でディスク中心に向かう方向へはシースガスにより一定の搬送速度で移動する。結果として、上部ディスクの環状スリットから分級領域へ噴出された粒径分布をもった超微粒子は、下部ディスクへ到達するまでに、ディスクに平行でディスク中心に向かう方向へ粒径分散する。この粒径分散した超微粒子の一部だけが、下部ディスクの環状スリットから分級された超微粒子として取り出される。従って、超微粒子の分級分解能を向上させるためには、前記ディスクに平行でディスク中心に向かう方向の粒径分散を大きくすればよい。すなわち、シースガス流量を大きくし、超微粒子の搬送速度を大きくすればよい。
【００３５】
そこで、図1に示した円盤型超微粒子分級装置において、各分級領域ごとにシースガス流量を変更可能とし、分級分解能を変更可能とした。さらに、第1シースガス流量より第2シースガス流量を、第2シースガス流量より第3シースガス流量を、…、第n-1シースガス流量より第nシースガス流量を大きくすることにより、徐々に分級分解能を向上させることを可能とした。結果として、1段の分級領域だけから構成される円盤型超微粒子分級装置よりも分級分解能を向上させることが可能となった。
【００３６】
粒径がnmレベルの超微粒子では、その輸送過程においてブラウン運動による拡散が無視できなくなる。図1に示した円盤型超微粒子分級装置において、上部ディスクの環状スリットから分級領域へ流入した荷電超微粒子は、個々のもつ電気移動度に従って下部ディスクへ到達するまでに、前記ブラウン運動による拡散の影響を受ける。このブラウン運動により、超微粒子は、シースガスの流れの方向（すなわちディスクの周囲から中心へ向かう方向）と、その逆方向（すなわちディスクの中心から周囲へ向かう方向）へ全くランダムに（すなわち粒径に全く依存せず）拡散する。従って、分級領域内でのブラウン拡散は超微粒子の分級分解能を低下させることになる。
【００３７】
一般に、ガス中超微粒子のブラウン拡散における拡散係数は、ガス粘度の増加と共に減少する。また、ガス原子・分子の衝突直径の増加と共に減少する。従って、分級領域を流れるシースガスとして、ガス粘度の高いもの、あるいは衝突直径の大きいものを選ぶことによって、超微粒子の分級分解能を向上させることができる。
【００３８】
そこで、図1に示した円盤型超微粒子分級装置において、第1分級領域113ではHeガスを第1シースガス117として用い、第2分級領域114ではArガスを第2シースガス118として用いた。ここで、Heガスのガス粘度は19.6×10^-6 Pa ・s、ガス原子衝突直径は2.15×10^-10mであり、Arガスのガス粘度は22.3×10^-6 Pa ・s、ガス原子衝突直径は3.58×10^-10mである（ただしガス粘度は圧力1 atm、温度20℃の場合）。これにより、第1分級領域113よりも第2分級領域114の方が超微粒子のブラウン拡散の影響を抑制することができ、結果として、1段の分級領域だけから構成される円盤型超微粒子分級装置よりも分級分解能を向上させることができた。
【００３９】
なお、第3分級領域に第3シースガスとしてKrガス（ガス原子衝突直径：4.08×10^-10m）を、また第4分級領域に第4シースガスとしてXeガス（ガス原子衝突直径：4.78×10^-10m）を用いる等、第3分級領域以降にさらにガス粘度の高いガス、または衝突直径の大きいガスをシースガスとして用いることにより、さらに超微粒子の分級分解能を向上させることも可能である。
【００４０】
超微粒子を搬送するキャリアガスの流量も、超微粒子の分級分解能に影響を及ぼす。キャリアガスは超微粒子とともに、上部ディスクの環状スリットから分級領域へ流入する。キャリアガス流量が大きい場合、上部環状スリットから超微粒子が分級領域へ流入する時、上部ディスクから下部ディスクの方向へ大きな初速を与えることになる。前記初速の方向は、電気移動度による速度方向と等しい。そのため上部ディスクから下部ディスクの方向への超微粒子の移動距離に前記初速の大きさ分の誤差が生じ、これが分級分解能を低下させる。
【００４１】
一方、キャリアガス流量が小さい場合、ブラウン拡散による超微粒子同士の会合・凝集の問題が生じる。前記凝集は、超微粒子の初期濃度が高いほど、また初期粒径が小さいほど、時間的に早く生じる。何らかの方法で生成されたnmレベルの超微粒子を図1に示した円盤型超微粒子分級装置まで搬送する過程において、搬送時間が長いと、円盤型超微粒子分級装置により分級する以前に超微粒子同士の会合・凝集により粒径が変化してしまう。これを抑制するには、超微粒子を搬送するキャリアガスの流量を大きくし、前記搬送時間を短縮する必要がある。
【００４２】
前記の相反する2つの問題（即ち、大きいキャリアガス流量での分級分解能の低下および小さいキャリアガス流量での凝集の問題）を解決するために、図1に示した円盤型超微粒子分級装置において、各分級領域ごとに流入するキャリアガス流量を異ならせた。そして以下の要領で超微粒子の分級を行った。第1ディスク101の環状導入スリット106から第1分級領域113へ流入するキャリアガス流量は大きくすることにより、生成された超微粒子が円盤型超微粒子分級装置へ搬送されるまでに生じる凝集の影響を抑制した。第１分級領域113で分級された超微粒子の粒子濃度は、環状導入スリット106上流での超微粒子濃度と比較して小さくなっている。すなわち、第1分級領域113で分級された超微粒子の凝集に要する時間は、環状導入スリット106上流での超微粒子の凝集に要する時間に比較して長くなっている。従って、第1環状スリット107から第2分級領域114へ流入するキャリアガス流量は、第1分級領域113へ流入するキャリアガス流量よりも小さくし、分級分解能の向上を図った。前記の様に、後段の分級領域にいくにつれて、環状スリットから流入するキャリアガス流量を減少させることにより、前記超微粒子同士の凝集と分級分解能の低下の問題を解決した。
【００４３】
nmレベルの超微粒子は、構成原子数が少ないことと、内部原子数に対する表面に露出している原子数の割合が大きいことから、不純物の混入には非常に敏感である。そこで、図1に示した円盤型超微粒子分級装置において、絶縁体116をセラミック系物質で構成し、他の部分を全て金属で構成することにより、超微粒子分級装置を高真空下で高温ベーキング可能とした。これにより、超微粒子分級装置内を清浄に保持することが可能となり、超微粒子中への不純物の混入を抑制することが可能となった。
【００４４】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、多段の分級領域を持った円盤型超微粒子分級装置により、nmレベルの超微粒子を良好な分解能で分級することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態による円盤型超微粒子分級装置の概略図
【図２】上記実施の形態による円盤型超微粒子分級装置の各分級領域において分級された超微粒子の粒子数と粒径に関する模式図
【図３】従来の二重円筒型構造の微分型電気移動度分級装置の概略図
【図４】従来の円盤型動的移動度分級装置の概略図
【符号の説明】
１０１第1ディスク
１０２第2ディスク
１０３第3ディスク
１０４第nディスク
１０５第n+1ディスク
１０６環状導入スリット
１０７第1環状スリット
１０８第2環状スリット
１０９第n-1環状スリット
１１０第n環状スリット
１１１シースガス排気口
１１２キャリアガス排気口
１１３第1分級領域
１１４第2分級領域
１１５第n分級領域
１１６絶縁体
１１７第1シースガス
１１８第2シースガス
１１９第nシースガス
１２０第1直流電圧電源
１２１第2直流電圧電源
１２２第n直流電圧電源
３０１微粒子
３０２キャリアガス
３０３シースガス
３０４シースガス排気口
３０５キャリアガス排気口
３０６集電極
３０７直流電源
３０８スリット
４０１微粒子
４０２空気流
４０３上部ディスク
４０４下部ディスク
４０５中央吸込ダクト
４０６引出ダクト
４０７導入環状スリット
４０８環状スリット
４０９分級領域
４１０キャリアガスBACKGROUND OF THE INVENTION
[0001]
The present invention relates to an ultrafine particle classifier, and more particularly, to a differential electric mobility classifier using an electric mobility depending on the particle size of a charged particle in an electrostatic field.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, the particle classifier that selects the particle size of particles by using the mobility depending on the particle size is a performance test of a high-performance air filter that collects and separates submicron particles with high efficiency, and monitoring of the purification atmosphere. Have been used for the production of standard fine particles and particle size measurement. As the mobility used for particle size selection, there are mainly an electric mobility acting on charged particles in an electrostatic field and a dynamic mobility due to gravity or the like. Also, the structure of the fine particle classifier mainly includes a double cylinder type and a disk type.
[0003]
Fig. 3 shows a conventional differential electric mobility classifier described in, for example, Aerosol Research Vol.2, No.2, p106 (1987) or Powder Engineering Journal Vol.21, No.12, p753 (1984). FIG. The differential electric mobility classifier has a double cylindrical structure. In FIG. 3, charged fine particles 301 are transported by a carrier gas 302, flow in from the upper end of the double cylindrical classifier, and merge with clean air that is a sheath gas 303 that flows inside. A mixed gas of charged fine particles 301 and sheath gas 303 flows through the double cylindrical portion as a laminar flow. In this double cylindrical portion, an electrostatic field is applied by a DC power source 307 perpendicular to the flow direction of the mixed gas. Accordingly, the charged microparticles 301 draw a trajectory corresponding to each electric mobility. Since the electric mobility depends on the particle size of the fine particles, only fine particles having a specific particle size reach the lower slit 308 and are classified and taken out from the carrier gas exhaust port 305. Fine particles having other particle diameters are exhausted together with the sheath gas, or move to and adhere to the inner collector electrode 306.
[0004]
Also, a dynamic mobility classifier having a disk-type structure is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 9-269288. FIG. 4 is a schematic view of the disk-type dynamic mobility classifier. In FIG. 4, a classification region 409 is formed in a space between an upper disk 403 and a lower disk 404 that are coaxially arranged in parallel. An air flow 402 which is a sheath gas flows into the classification region 409 from the periphery of the upper and lower disks, flows as a centripetal laminar flow in the classification region 409, and is exhausted from the central suction duct 405. The fine particles 401 are conveyed by the carrier gas 410 and introduced into the classification region 409 from the annular introduction slit 407 disposed on the upper disk 403. The fine particles 401 introduced into the classification region 409 from the annular introduction slit 407 disposed on the upper disk 403 move toward the central axis by the air flow 402 and, at the same time, drop from the upper disk 403 to the lower disk 404 due to the gravitational field. To do. Since the falling speed depends on the particle size of the fine particles 401, only fine particles having a specific particle size reach the annular slit 408 disposed on the lower disk 404, and are classified and taken out from the extraction duct 406. Fine particles having other particle diameters are exhausted from the central suction duct 405 together with the air flow, or move and adhere to the lower disk 404.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
In the case of ultrafine particles having a particle size of several nanometers to several tens of nanometers, it is known that the physical property values of the ultrafine particles vary depending on the particle size. For example, in the semiconductor ultrafine particles, the energy gap increases as the particle size decreases. Attempts have also been made to fabricate new devices by utilizing the physical properties of the semiconductor ultrafine particles. In recent years, Si has been attracting attention as a material constituting the new device, and pulsed laser ablation in a rare gas has made it possible to produce ultrafine Si particles with a particle size of several nanometers to several tens of nanometers. Has been tried. In order to fabricate a new device using these ultra-fine Si particles, Si ultra-fine particles with various particle sizes ranging from several nanometers to several tens of nanometers are classified and narrow enough to be regarded as a single particle size. It is necessary to extract Si ultrafine particles with distribution. Moreover, it is desirable that the average particle size of the Si ultrafine particles to be classified can be changed.
[0006]
On the other hand, the conventional disk-type dynamic mobility classifier shown in FIG. 4 is intended to classify fine particles having a particle size of about submicron, and a gravitational field is used for particle size selection. ing. Since the gravitational field is constant, it is necessary to change the flow rate of the air flow 402 in order to change the average particle size of the ultrafine particles to be classified. In order to change the average particle size of the nm fine particles, the change in the flow rate of the air flow 402 is also small. Control of this minute flow rate change and control for stabilizing the flow rate are very difficult.
[0007]
In addition, in order to classify ultrafine particles having a particle size of sub-micron or less without increasing the size of the disk type dynamic mobility classifier (increasing the projection distance of the annular introduction slit 407 and the annular slit 408). In the classification region 409, the force acting on the ultrafine particles in the direction perpendicular to the air flow 402 as the sheath gas (the direction from the upper disk 403 to the lower disk 404) has a magnitude greater than gravity. There is a need to.
[0008]
As a method of improving the classification resolution of ultrafine particles, there is a method of increasing the number of classifications by changing the classification region from one stage to multiple stages. In the case of the double cylindrical classifier shown in FIG. 3, for example, the classification area size of the double cylindrical classifier described in the Journal of Powder Technology Vol.21, No.12, p753 (1984) is L = 400 mm, R = 15 mm, R = 25 mm. Therefore, if a cylindrical classification region is further arranged on the outer periphery of the double cylindrical classification device and the classification regions are multi-staged, the size of the entire classification device becomes very large. Therefore, in order to reduce the overall size of the classifier, it is necessary to use a structure other than the double cylinder type.
[0009]
The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to classify the classification region of a classification device in multiple stages in order to classify ultrafine particles at the nm level with good resolution.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
A DC voltage can be applied between the upper disk 403 and the lower disk 404 of the conventional disk-type dynamic mobility classifier shown in FIG. This makes it possible to generate an electrostatic field in the vertical direction (direction perpendicular to the air flow 402) in the classification region 409, and when the fine particles introduced into the disk-type dynamic mobility classification device are charged. It is possible to classify charged fine particles not by dynamic mobility by a gravitational field but by electric mobility by an electrostatic field. By increasing the DC voltage applied between the upper disk 403 and the lower disk 404, an electrostatic force larger than gravity can be generated, so the size of the disk-type dynamic mobility classifier is increased (annular introduction slit). It is possible to classify ultrafine particles having a particle size of nm level without increasing the projection distance between 407 and the annular slit 408).
[0011]
Further, by changing the DC voltage applied between the upper disk 403 and the lower disk 404, it is possible to precisely change the strength of the electrostatic field. Therefore, it is possible to precisely change the average particle diameter when classifying charged ultrafine particles of nm level with a constant air flow 402 flow rate.
[0012]
Furthermore, in the disk type dynamic mobility classifier, the classification area is changed from one stage to multiple stages. This makes it possible to reduce the overall size of the classification device and improve the classification resolution of charged ultrafine particles at the nm level. Specifically, a third disk is further arranged coaxially and parallel to the lower part of the lower disk 404 of the disk type dynamic mobility classifier, and the space between the lower disk 404 and the third disk is the second stage. This is the classification area. In the same manner, the fourth, fifth, etc. discs are arranged to form the classification areas such as the third stage, the fourth stage, etc.
[0013]
According to the present invention, a disk-type ultrafine particle classifying device for classifying ultrafine particles at the nm level with good resolution can be obtained.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
  According to the first aspect of the present invention, a space formed between two coaxial disks arranged in parallel with a gap therebetween is defined as a classification region, and in the classification region, charged ultrafine particles are statically contained in a viscous fluid. Classification is performed using the electric mobility depending on the particle size of the charged particles when an electric field is applied, and the classification region is configured by two or more multistages by arranging three or more coaxial disks.In the ultrafine particle classification apparatus in which the sheath gas flows from the outer peripheral portion of the disk toward the center of the classification area for each stage of the multistage classification area, the sheath gas that flows into each stage as the number of stages of the multistage classification area increases It is characterized by an increase in flow rate.This is an ultrafine particle classifier. By making the classification area multi-stage, it becomes possible to improve the classification resolution as compared with the conventional disk type dynamic mobility classification apparatus having one classification area. Further, by making the device shape a disk shape, it is possible to suppress an increase in the size of the device even if a multi-stage classification region is provided.As the number of sheath gas flows into each stage increases as the number of stages in the multistage classification area increases, the classification resolution can be improved as the number of stages in the classification area increases.
[0015]
  The invention described in claim 2The space formed between two coaxial disks arranged in parallel with a gap is used as a classification region, and the particle size of the charged particles when an electrostatic field is applied to the charged ultrafine particles in the viscous fluid in the classification region By classifying using three or more of the coaxial disks, the classification area is configured by two or more multistages, and each stage of the multistage classification area includes a disk. In the ultrafine particle classification device in which the sheath gas flows from the outer peripheral portion toward the center of the classification region, as the number of stages in the multistage classification region increases, the viscosity or collision diameter of each stage of the sheath gas increases.It is characterized bySuperIt is a fine particle classifier.By making the classification area multi-stage, it becomes possible to improve the classification resolution as compared with the conventional disk type dynamic mobility classification apparatus having one classification area. Further, by making the device shape a disk shape, it is possible to suppress an increase in the size of the device even if a multi-stage classification region is provided. As the number of stages in the multistage classification area increases, the viscosity or collision diameter of the sheath gas in each stage increases, so that the classification resolution can be improved as the number of stages in the multistage classification area increases.
[0016]
  The invention described in claim 3 isStepsClass areaDC voltage can be applied to each stage individuallyThe ultrafine particle classifier according to claim 1 or 2,Since different values of DC voltage can be applied to each stage of the multistage classification area, the setting of the ultrafine particle classification particle size is changed for each stage of the multistage classification area.It becomes possible.
[0017]
  The invention according to claim 4 is a multi-stage.ofClassification areaThe disk for partitioning is formed with a slit through which carrier gas flows from one classification area to the other classification areaClaimsFrom 13One ofIs an ultrafine particle classifier described inThe slits convey ultrafine particles classified in the classification region to the subsequent classification region together with the carrier gas.It becomes possible.
[0018]
  The invention according to claim 5 is characterized in that the flow rate of the carrier gas flowing into each stage decreases as the number of stages in the multistage classification region increases.Item 4And the resolution of classification can be improved as the number of stages in the multistage classification area increases.
[0019]
  The invention according to claim 6 is a disc.Is made of ceramic insulator and metalThe ultrafine particle classifier according to any one of claims 1 to 5, wherein the ultrafine particleSince the classification device can be baked at a high temperature, it is possible to keep the inside of the ultrafine particle classification device clean, and it is possible to suppress the mixing of impurities into the ultrafine particles passing through the ultrafine particle classification device..
[0020]
  The invention described in claim 7A plurality of discs that are coaxially arranged in parallel and form a multistage classification region for classifying ultrafine particles therebetween, and formed on the disc for introducing a carrier gas and ultrafine particles to the next classification region through the disc A slit, a sheath gas exhaust port for exhausting the sheath gas flowing from the periphery of the disc to each classification area provided at the shaft portion of each disc, and a super gas gas provided at the bottom of the final stage disc and classified as a carrier gas In the ultrafine particle classifier having a carrier gas exhaust port for exhausting fine particles and classifying charged ultrafine particles in the classification region, the flow rate of the sheath gas flowing into each stage increases as the number of stages in the multistage classification region increases. ,It is characterized bySuperA fine particle classifier,By making the classification area multi-stage, it becomes possible to improve the classification resolution as compared with the conventional disk type dynamic mobility classifier with one classification area, and each stage is increased as the number of stages in the multi-stage classification area increases. Improve classification resolution by increasing the flow rate of sheath gas flowing intoIt becomes possible.
[0021]
  The invention according to claim 8 provides:A plurality of discs that are coaxially arranged in parallel and form a multistage classification region for classifying ultrafine particles therebetween, and formed on the disc for introducing a carrier gas and ultrafine particles to the next classification region through the disc A slit, a sheath gas exhaust port for exhausting the sheath gas flowing from the periphery of the disc to each classification area provided at the shaft portion of each disc, and a super gas gas provided at the bottom of the final stage disc and classified as a carrier gas A carrier gas exhaust port for exhausting fine particles, and in an ultrafine particle classifier for classifying charged ultrafine particles in the classification region, as the number of stages in the multistage classification region increases, the viscosity or collision diameter of the sheath gas at each step increases. To increase,It is characterized bySuperA fine particle classifier,By making the classification area multi-stage, it becomes possible to improve the classification resolution as compared with the conventional disc type dynamic mobility classifier having one classification area, andAs the number of stages in the multistage classification area increases,By increasing the viscosity or collision diameter of the sheath gas at each stage,Classification resolution can be improved.
[0022]
  The invention according to claim 9 is:The outer periphery of the disk is divided into three parts perpendicular to the surface of the disk, a DC voltage is applied to the upper part of the three divided parts of the disk, and the lower part is grounded. The middle part is configured to insulate the upper part from the lower part.Claims characterized in that7 or 8Is an ultrafine particle classifier described inEffectively applying an electrostatic field to charged ultrafine particlesIt becomes possible.
[0027]
(Embodiment)
FIG. 1 shows an embodiment of the present invention and is a schematic diagram of a disc-type ultrafine particle classifier. This disk-type ultrafine particle classifier has a structure in which n + 1 disks (where n is an integer of 1 or more) are coaxially arranged in parallel. The space between the first disk 101 and the second disk 102 is defined as a first classification area 113, and the space between the second disk 102 and the third disk 103 is defined as a second classification area 114. Similarly, the n-th disk 104 The space between the (n + 1) th disk 105 and the (n + 1) th disk 105 is defined as an nth classification area 115. The first disk 101 has an annular introduction slit 106 for introducing a carrier gas and ultrafine particles into the disk-type ultrafine particle classifier with a radius r.₁And the second disk 102 has a radius r.₁Smaller radius r₂And the third disk 103 has a radius r.₂Smaller radius r_ThreeIn the same manner, the n + 1-th disk 105 has a radius r._nSmaller radius r_{n + 1}The n-th annular slit 110 is provided at the position.
[0028]
In addition, the first disk 101, the second disk 102,..., The n-th disk 105 are the first sheath gas that flows into the first classification area 113, the second classification area 114,. 117, a second sheath gas 118,..., A sheath gas exhaust port 111 for exhausting the n-th sheath gas 119. A lower portion of the (n + 1) th disk 105 is provided with a carrier gas exhaust port 112 for exhausting ultrafine particles classified as a carrier gas. In the second disk 102, the radius r₂The portion on the outer periphery from the first annular slit 107 is divided into three portions in the vertical direction. A positive or negative DC voltage can be applied to the upper part of the three divided parts by the first DC voltage power supply 120, and the lower part is grounded. The middle part is constituted by an insulator 116 for insulating the upper part and the lower part. Similarly, in the (n + 1) th disc 105, the radius r_{n + 1} The outer peripheral part of the n-th annular slit 110 is divided into three parts in the vertical direction, and a positive or negative DC voltage is applied to the upper part of the three divided parts by the n-th DC voltage power supply 122. It is possible that the lower part is grounded. The middle part is constituted by an insulator 116 for insulating the upper part and the lower part. In the disk-type ultrafine particle classifier, all the components other than the three-divided portion of each disk from the second disk 102 to the (n + 1) th disk 105 are grounded.
[0029]
In the disc-type ultrafine particle classifier shown in FIG. 1, ultrafine particles were classified by the following operation. The first sheath gas 117, the second sheath gas 118,..., And the nth sheath gas 119 are introduced from the periphery of the disk to the first classification region 113, the second classification region 114,. Each introduced sheath gas passes through each classification region in a laminar flow state and is then exhausted from the sheath gas exhaust port 111.
[0030]
On the other hand, the charged ultrafine particles are transported by the carrier gas, introduced into the disc-type ultrafine particle classifier from the annular introduction slit 106 provided in the first disk 101, and ejected to the first classification region 113. Since an electrostatic field is applied to the first classification region 113 between the first disk 101 and the second disk 102 by the first DC voltage power supply 120 in a direction perpendicular to the first sheath gas flow, the annular introduction slit 106 The ejected charged ultrafine particles are transported in the lateral direction by the first sheath gas 117, and while drawing a trajectory according to the electric mobility depending on the number of charges and the particle size, from the first disk 101 to the second disk 102 Bend in the direction. Of the polarized charged ultrafine particles, only those that have reached the first annular slit 107 provided on the second disk 102 are ejected to the second classifying region 114 as charged ultrafine particles classified in the first classifying region 113. The Since an electrostatic field is applied to the second classification region 114 between the second disk 102 and the third disk 103 by the second DC voltage power supply 121 in a direction perpendicular to the second sheath gas flow, the first annular slit 107 The charged ultrafine particles ejected from the second disk 102 are transported in the lateral direction by the second sheath gas 118 while drawing a trajectory according to the electric mobility depending on the number of charges and the particle diameter. Bend in the direction of Of the deflected charged ultrafine particles, only those that have reached the second annular slit 108 provided in the third disk 103 are ejected to the third classification region as charged ultrafine particles classified in the second classification region 114. . Similarly, an electrostatic field is applied to the nth classification region 115 between the nth disk 104 and the (n + 1) th disk 105 by the nth DC voltage power supply 122 in a direction perpendicular to the nth sheath gas flow. The charged ultrafine particles ejected from the n-1 annular slit 109 are transported in the lateral direction by the nth sheath gas 119, while drawing a trajectory corresponding to the number of charges and the electric mobility depending on the particle size, It is deflected from the disk 104 toward the (n + 1) th disk 105. Of the polarized charged ultrafine particles, only those that have reached the nth annular slit 110 provided in the (n + 1) th disk 105 are charged ultrafine particles classified in the nth classification region 115 from the carrier gas exhaust port 112. It is taken out.
[0031]
In the disk-type ultrafine particle classifier shown in Fig. 1, the parameters related to the average particle size and resolution of the ultrafine particles to be classified (hereinafter referred to as classification parameters) are the annular slit at the upper part of the classification area and the lower part of the classification area. Projection distance of the annular slit (r in Fig. 1)_{n + 1}-r_n), The distance between the two disks forming the classification area space, the DC voltage applied between the two disks forming the classification area space, the type of carrier gas, the flow rate of the carrier gas, the sheath gas Types, sheath gas flow rate, etc. When the classification parameters are all equal from the first classification region 113 to the nth classification region 115, the classification conditions (the average particle diameter and classification resolution of the ultrafine particles to be classified) are all equal. That is, the classification resolution of the ultrafine particles classified in the first classification region 113 does not improve even after passing from the second classification region 114 to the nth classification region 115 thereafter. Therefore, by making it possible to change the classification parameter of each classification region, it is possible to improve the classification resolution of ultrafine particles passing through the multistage classification region. Specifically, as classification parameters, the DC voltage applied between the two disks forming the space to be the classification region, the flow rate of the carrier gas, the flow rate of the sheath gas, and the type of the sheath gas can be changed. Hereinafter, a method for improving the classification resolution of ultrafine particles by changing the classification parameters will be described in detail.
[0032]
FIG. 2 shows a schematic diagram regarding the number of particles and the particle size of the ultrafine particles classified in each classification region. As shown in FIG. 2 (a), for example, the ultrafine particles classified in the first classification region 113 are not strictly single particle size but strictly average particle size d._p1And some dispersion around it_p1It has. Since the average particle size of the ultrafine particles to be classified depends on the DC voltage applied to the classification region, the DC voltage applied to the second classification region 114 is slightly smaller than the DC voltage applied to the first classification region 113. The average particle diameter d of the ultrafine particles classified in the second classification region 114 is shifted to positive or negative._p2D_p1It can be shifted slightly. Accordingly, the average particle diameter d_p2Dispersion around_p2△ d_p1Slightly shift. Therefore, in the ultrafine particles classified in the second classification region, d_p1Either the larger particle size side dispersion or the smaller particle size side dispersion can be reduced. Further, as shown in FIG. 2 (b), the DC voltage applied to the third classifying region is slightly shifted to the polarity opposite to the polarity of the DC voltage shifted in the second classifying region 114. The dispersion on the particle diameter side opposite to the dispersion on the side reduced in the classification region can be reduced. As a result, it became possible to improve the classification resolution over the disc type ultrafine particle classifier composed of only one stage of classification area.
[0033]
In the classification area further downstream than the third classification area, as in the second and third classification areas, the applied voltage is slightly shifted from the previous classification area to further improve the classification resolution. Is also possible.
[0034]
As described above, the charged ultrafine particles move in a direction perpendicular to the disk and from the upper disk to the lower disk at a speed (that is, electric mobility) depending on the particle diameter. At the same time, the sheath gas moves in a direction parallel to the disk and toward the center of the disk at a constant transport speed. As a result, the ultrafine particles having a particle size distribution ejected from the annular slit of the upper disk to the classification region are dispersed in the direction parallel to the disk and toward the disk center before reaching the lower disk. Only a part of the ultrafine particles dispersed in particle diameter is taken out as classified ultrafine particles from the annular slit of the lower disk. Therefore, in order to improve the classification resolution of ultrafine particles, the particle size dispersion in the direction parallel to the disk and toward the center of the disk may be increased. That is, the sheath gas flow rate is increased and the transport speed of the ultrafine particles is increased.
[0035]
Therefore, in the disc type ultrafine particle classifier shown in FIG. 1, the sheath gas flow rate can be changed for each classification region, and the classification resolution can be changed. Further, the resolution of classification is gradually improved by increasing the second sheath gas flow rate from the first sheath gas flow rate, the third sheath gas flow rate from the second sheath gas flow rate, and the nth sheath gas flow rate from the n-1 sheath gas flow rate. Made it possible. As a result, it became possible to improve the classification resolution over the disc type ultrafine particle classifier composed of only one stage of classification area.
[0036]
In ultrafine particles with a particle size of nm level, diffusion due to Brownian motion cannot be ignored in the transport process. In the disc type ultrafine particle classifier shown in FIG. 1, the charged ultrafine particles flowing into the classification region from the annular slit of the upper disk are diffused by the Brownian motion before reaching the lower disk according to the individual electric mobility. to be influenced. Due to this Brownian motion, the ultrafine particles are totally random (that is, the particle diameter is changed) in the direction of the flow of the sheath gas (that is, the direction from the periphery of the disk toward the center) and the opposite direction (that is, the direction from the center of the disk toward the periphery). Diffuse). Therefore, Brownian diffusion in the classification region decreases the classification resolution of the ultrafine particles.
[0037]
In general, the diffusion coefficient in Brownian diffusion of ultrafine particles in a gas decreases with an increase in gas viscosity. In addition, it decreases as the collision diameter of gas atoms / molecules increases. Therefore, by selecting a sheath gas having a high gas viscosity or a large collision diameter as the sheath gas flowing in the classification region, the classification resolution of the ultrafine particles can be improved.
[0038]
Therefore, in the disc-type ultrafine particle classifier shown in FIG. 1, He gas was used as the first sheath gas 117 in the first classification region 113, and Ar gas was used as the second sheath gas 118 in the second classification region 114. Here, the gas viscosity of He gas is 19.6 × 10^-6 Pa · s, gas atom collision diameter is 2.15 × 10^-Tenm, and the gas viscosity of Ar gas is 22.3 × 10^-6 Pa · s, gas atom collision diameter is 3.58 × 10^-Tenm (with gas viscosity at 1 atm pressure and 20 ° C temperature). As a result, the second classification region 114 can suppress the effect of Brownian diffusion of ultrafine particles rather than the first classification region 113, and as a result, the disc-type ultrafine particle classification composed of only one classification region. The classification resolution could be improved compared to the device.
[0039]
In addition, Kr gas (gas atom collision diameter: 4.08 x 10) as the third sheath gas in the third classification region^-Tenm) and Xe gas (gas atom collision diameter: 4.78 x 10) as the fourth sheath gas in the fourth classification region^-TenThe classification resolution of ultrafine particles can be further improved by using a gas having a higher gas viscosity or a gas having a larger collision diameter as the sheath gas after the third classification region, such as using m).
[0040]
The flow rate of the carrier gas for conveying the ultrafine particles also affects the classification resolution of the ultrafine particles. The carrier gas flows into the classification region from the annular slit of the upper disk together with the ultrafine particles. When the carrier gas flow rate is large, when the ultrafine particles flow into the classification region from the upper annular slit, a large initial velocity is given in the direction from the upper disk to the lower disk. The direction of the initial speed is equal to the speed direction due to electric mobility. For this reason, an error corresponding to the magnitude of the initial speed is generated in the moving distance of the ultrafine particles in the direction from the upper disk to the lower disk, which lowers the classification resolution.
[0041]
On the other hand, when the carrier gas flow rate is small, a problem of association / aggregation of ultrafine particles due to Brownian diffusion occurs. The aggregation occurs earlier in time as the initial concentration of the ultrafine particles is higher and the initial particle size is smaller. In the process of transporting nano-level ultrafine particles generated by some method to the disk-type ultrafine particle classifier shown in Fig. 1, if the transport time is long, the ultrafine particles are separated before being classified by the disk-type ultrafine particle classifier. The particle size changes due to the aggregation / aggregation. In order to suppress this, it is necessary to increase the flow rate of the carrier gas for transporting ultrafine particles and shorten the transport time.
[0042]
In order to solve the above two conflicting problems (that is, the degradation of classification resolution at a large carrier gas flow rate and the problem of aggregation at a small carrier gas flow rate), in the disc type ultrafine particle classifying device shown in FIG. The flow rate of the carrier gas flowing into each classification area was varied. Then, ultrafine particles were classified as follows. By increasing the flow rate of the carrier gas flowing into the first classification region 113 from the annular introduction slit 106 of the first disk 101, the influence of aggregation that occurs before the generated ultrafine particles are conveyed to the disk-type ultrafine particle classifier is reduced. Suppressed. The particle concentration of the ultrafine particles classified in the first classification region 113 is smaller than the ultrafine particle concentration upstream of the annular introduction slit 106. That is, the time required for the aggregation of the ultrafine particles classified in the first classification region 113 is longer than the time required for the aggregation of the ultrafine particles upstream of the annular introduction slit 106. Therefore, the carrier gas flow rate flowing into the second classification region 114 from the first annular slit 107 is made smaller than the carrier gas flow rate flowing into the first classification region 113 to improve the classification resolution. As described above, the problem of agglomeration of the ultrafine particles and a decrease in classification resolution was solved by decreasing the flow rate of the carrier gas flowing from the annular slit as it moved to the subsequent classification region.
[0043]
The ultrafine particles at the nm level are very sensitive to contamination by impurities because they have a small number of constituent atoms and a large ratio of the number of atoms exposed on the surface to the number of internal atoms. Therefore, in the disk type ultrafine particle classifier shown in Fig. 1, the insulator 116 is composed of a ceramic material and all other parts are composed of metal, so that the ultrafine particle classifier can be baked at high temperature under high vacuum. It was. As a result, it is possible to keep the inside of the ultrafine particle classifier clean, and it is possible to suppress the mixing of impurities into the ultrafine particles.
[0044]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to classify nano-level ultrafine particles with good resolution by using a disk-type ultrafine particle classifier having multi-stage classification regions.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram of a disc-type ultrafine particle classifier according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic diagram relating to the number and size of ultrafine particles classified in each classification region of the disc-type ultrafine particle classifier according to the above embodiment.
FIG. 3 is a schematic view of a differential electric mobility classifier having a conventional double cylindrical structure.
FIG. 4 is a schematic diagram of a conventional disk-type dynamic mobility classifier.
[Explanation of symbols]
101 First disk
102 Second disk
103 3rd disc
104 nth disk
105 n + 1 disk
106 Annular introduction slit
107 1st annular slit
108 Second annular slit
109 n-1 annular slit
110 nth annular slit
111 Sheath gas exhaust port
112 Carrier gas exhaust port
113 First classification area
114 Second classification area
115 nth classification region
116 Insulator
117 First sheath gas
118 Second sheath gas
119 nth sheath gas
120 First DC voltage power supply
121 Second DC voltage power supply
122 nth DC voltage power supply
301 fine particles
302 carrier gas
303 Sheath gas
304 Sheath gas exhaust port
305 Carrier gas outlet
306 Current collector
307 DC power supply
308 slit
401 fine particles
402 Airflow
403 Upper disk
404 Lower disc
405 Central suction duct
406 drawer duct
407 Introduction annular slit
408 Annular slit
409 Classification area
410 Carrier gas

Claims

The space formed between two coaxial disks arranged in parallel with a gap is used as a classification region, and the particle size of the charged particles when an electrostatic field is applied to the charged ultrafine particles in the viscous fluid in the classification region By classifying using three or more of the coaxial disks, the classification area is configured by two or more multistages, and each stage of the multistage classification area includes a disk. In the ultrafine particle classification device in which the sheath gas flows from the outer peripheral portion toward the center of the classification region,
As the number of stages in the multistage classification region increases, the sheath gas flow rate flowing into each stage increases.
Ultra-fine classifier you, characterized in that.

The space formed between two coaxial disks arranged in parallel with a gap is used as a classification region, and the particle size of the charged particles when an electrostatic field is applied to the charged ultrafine particles in the viscous fluid in the classification region By classifying using three or more of the coaxial disks, the classification area is configured by two or more multistages, and each stage of the multistage classification area includes a disk. In the ultrafine particle classification device in which the sheath gas flows from the outer peripheral portion toward the center of the classification region,
As the number of stages in the multistage classification region increases, the viscosity or collision diameter of the sheath gas of each stage increases.
An ultrafine particle classifier.

Ultrafine particle classifier according to claim 1 or 2, characterized in that each stage of the multi-stage classifying region is capable individually applied to a DC voltage.

Multistage to a disk for partitioning the classifying area ultrafine particle classifier according to any one of claims 1 to 3, characterized in that slits for flowing the other classifying the carrier gas into the region from one classifying region is formed .

The ultrafine particle classification apparatus according to claim 4 , wherein the flow rate of the carrier gas flowing into each stage decreases as the number of stages in the multistage classification region increases.

6. The ultrafine particle classifier according to claim 1 , wherein the disk is made of a ceramic insulator and a metal .

A plurality of discs that are coaxially arranged in parallel and form a multistage classification region for classifying ultrafine particles therebetween, and formed on the disc for introducing a carrier gas and ultrafine particles to the next classification region through the disc A slit, a sheath gas exhaust port for exhausting the sheath gas flowing from the periphery of the disc to each classification area provided at the shaft portion of each disc, and a super gas gas provided at the bottom of the final stage disc and classified as a carrier gas An ultrafine particle classifying device comprising a carrier gas exhaust port for exhausting fine particles, and classifying charged ultrafine particles in the classification region;
As the number of stages in the multistage classification region increases, the sheath gas flow rate flowing into each stage increases.
Ultra-fine classifier you, characterized in that.

A plurality of discs that are coaxially arranged in parallel and form a multistage classification region for classifying ultrafine particles therebetween, and formed on the disc for introducing a carrier gas and ultrafine particles to the next classification region through the disc A slit, a sheath gas exhaust port for exhausting the sheath gas flowing from the periphery of the disc to each classification area provided at the shaft portion of each disc, and a super gas gas provided at the bottom of the final stage disc and classified as a carrier gas An ultrafine particle classifying device comprising a carrier gas exhaust port for exhausting fine particles, and classifying charged ultrafine particles in the classification region;
As the number of stages in the multistage classification region increases, the viscosity or collision diameter of the sheath gas of each stage increases.
Ultra-fine classifier you, characterized in that.

The outer periphery of the disk is divided into three parts perpendicular to the surface of the disk, a DC voltage is applied to the upper part of the three divided parts of the disk, and the lower part is grounded. The ultrafine particle classifier according to claim 7 or 8 , wherein the middle part is configured to insulate the upper part from the lower part .