CN101270901A - 改善空气质量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明是有关于一种改善空气质量装置，是适用于一具有周壁的舱室，使能降低此舱室内空气中二氧化碳浓度并维持氧气浓度。本装置包括有一具有一进气口及一排气口的压缩机；一热交换器，此热交换器与此压缩机相连通；以及一具有一入口及一第一出口的气体分离模块，此气体分离模块的入口与热交换器相连通；其中，此气体分离模块是用以分离经该压缩机与该热交换器而来的空气中二氧化碳与氮气而产生一改质气体，此改质气体由气体分离模块的第一出口排出。
Description
技术领域
本发明是关于一种改善空气质量装置，尤指一种能维持空气中氧气浓度并降低空气中二氧化碳浓度的装置。
背景技术
人类长时间在密闭的室内生活或工作时，因为人类呼吸而消耗掉空气中的氧气，同时产生二氧化碳。空气中含氧量随时间减少而二氧化碳则随时间增加，久处于此密闭的空间会使人产生疲劳、精神不济、胸闷、头痛、呼吸困难等症状，进而影响人们的身体健康或工作的效率。
市面上已有常用的氧氧制造机，制造出高浓度的氧气供医疗上使用。然而大部分医疗用的氧气制造机，其氧气纯度高达90％以上，若将此医疗用的氧气制造机应用于一般的室内空间，并提供一高浓度的氧气供人类长时间使用并不理想。主要原因有如下二点：其一为一般心肺健康的人若长时间呼吸浓度过高的氧气，容易产生精神亢奋等不利于身体机能的副作用。其二为氧气是一种助燃剂，若居家空气中的氧气浓度过高，容易产生不可预期的危险。
因此，在顾及人类身心健康及人身安全的前提下，欲改善密闭空间的空气质量，只着重提升室内氧气浓度实非良策。发明人缘因于此，本于积极发明的精神，欲提供一种可以解决上述问题的改善室内空气质量的装置，几经研究实验终至完成此项嘉惠世人的本发明。
发明内容
本发明的主要目的是在提供一种改善空气质量装置，使能维持空气中氧气浓度并降低空气中二氧化碳浓度。
为达成上述目的，本发明的改善空气质量装置，是适用于一具有周壁的舱室。本装置包括有一具有一进气口及一排气口的压缩机；一热交换器，此热交换器与此压缩机相连通；以及一具有一入口及一第一出口的气体分离模块，此气体分离模块的入口与热交换器相连通；其中，此气体分离模块是用以分离经该压缩机与该热交换器而来的空气中二氧化碳与氮气而产生-改质气体，此改质气体由气体分离模块的第一出口排出。
本发明的改善空气质量装置，其中，此气体分离模块可更包括有一第二出口，是用以排出被分离的二氧化碳与氮气。
本发明的改善空气质量装置，可更包括有一第一排气管，此第一排气管的一端与气体分离模块的第一出口相连通。
本发明的改善空气质量装置，可更包括有一空气吸入管，此空气吸入管的一端与此压缩机的进气口相连通。
本发明的改善空气质量装置，可更包括有一消音器，是组设于压缩机的进气口。
本发明的改善空气质量装置，可更包括有一空气过滤器，例如高效率微粒滤网(High Efficiency Particulate Air缩写为HEPA)，是组设于压缩机的进气口。
本发明的改善空气质量装置，可更包括有至少一温度控制模块，是用以控制气体分离模块的温度。
本发明的改善空气质量装置，可更包括有一逆止阀，此逆止阀的入口与气体分离模块的第一出口相连通。上述的改善空气质量装置，可更包括有一细菌过滤器，是组设于此逆止阀的出口端。
本发明的改善空气质量装置，可更包括有一第二排气管，此第二排气管的一端是与气体分离模的第二出口相连通，另一端是贯穿舱室的周壁，并设置于一开放空间中。
本发明的改善空气质量装置，可更包括有一储气筒，且此储气筒与气体分离模块的第一出口相连通。
本发明的改善空气质量装置中，此气体分离模块较佳可包括有复数个分子筛颗粒。如上所述的气体分离模块较佳可为变压吸附法(PressureSwing Adsorption)、真空变压吸附法(Vacuum Pressure SwingAdsorption)、或变温吸附法(Temperature Swing Adsorption)以分离空气中的二氧化碳与氮气。
本发明的改善空气质量装置中，此气体分离模块较佳亦可包括有至少一薄膜。如上所述的气体分离模块较佳可为薄膜分离法(MembraneSeparation Method)以分离空气中的二氧化碳与氮气。
本发明的改善空气质量装置，可更包括有一节流阀及一回流输气管路，此节流阀是组设于气体分离模块的第一出口处，此回流输气管路是连接该节流阀与该压缩机的进气口。
附图说明
图1是本发明实施例一的系统架构图；
图2是本发明中分子筛对二氧化碳、氮气、及氧气的等温吸附平衡曲线；
图3是本发明实施例二的系统架构图；
图4是本发明实施例三的系统架构图。
具体实施方式
实施例一
图1为本发明第一实施例的系统架构图。本装置包括有一空气吸入管100、一第一排气管200、一第二排气管300、一空气过滤器10、一消音器20、一压缩机400、一热交换器500、一气体分离模块600、一细菌过滤器30、以及一逆止阀800。空气吸入管的吸入口101装设于室内并与室内环境空气相通。第一排气管的排气口201同样装设于室内，而第二排气管的排气口301则装设于室外并与室外环境空气相通。
当压缩机启动后，室内空气由空气吸入管的吸入口101进入本装置。流经空气过滤器10，借已去除空气中的微粒及杂质，避免微粒及杂质进入压缩机内而损坏压缩机。并设置一消音气20于压缩机进气口401处，其主要目的为消除空气快速吸入压缩机所产生的噪音。
空气经压缩机压缩后，到达到2.5大气压的高压状态，同时温度也上升到约100℃。压缩机排气口402连接到热交换器500，热交换器500用以降低经压缩后的高压空气的温度。随后高压空气流向气体分离模块600。在本实施例中，气体分离模块600是利用变压吸附法(Pres sure SwingAdsorption)以达到分离空气中二氧化碳与氮气的目的。气体分离模块600内部包括有两个管柱(或多个管柱，未图示)，管柱内填充分子筛颗粒，用以吸附二氧化碳与氮气。当气体分离模块600内部的一个(或一组)管柱进行吸附程序时，另一个(或一组)管柱则同时进行脱附程序而再生。经吸附程序后的改质气体仅含有极低浓度的二氧化碳与氮气，此改质气体由气体分离模块的第一出口602连接到第一排气管200，而排到室内。而同时进行脱附再生程序的另一个(或一组)分子筛管柱所产生的废气，则经由气体分离模块的第二出口603连接到第二排气管300，排放到室外。
图2为气体分离模块600内分子筛对不同气体的等温吸附平衡曲线，其中曲线A为二氧化碳的等温吸附平衡曲线，曲线B为氮气的等温吸附平衡曲线，曲线C为氧气的等温吸附平衡曲线。图2中显示此分子筛对二氧化碳与氮气的吸附量远高于氧气。因此，当高压空气流经分子筛管柱时，空气中的二氧化碳与氮气大部份会被分子筛吸附，而氧气的吸附量则相对少很多，借此达成分离空气中二氧化碳与氮气的目的。
此分子筛对于气体的吸附行为是一种物理吸附模式。当进入的空气的温度升高时，分子筛对各种气体的吸附量均会减少，反之当其温度降低时，分子筛对各种气体的吸附量会增加。因此，在气体分离模块入口601前设置一热交换器的主要目的，是为了降低高压空气的温度而增加分子筛的吸附量。
高压空气流经分子筛颗粒后会产生压降，使得气体分离模块第一出口602的压力降为1.5大气压。气体分离模块第一出口602连接到细菌过滤器30，用以去除气体中可能的细菌或微生物。并于细菌过滤器30的出口侧设置一逆止阀800，其主要目的为避免在压缩机400停机后，空气中的水气或悬浮物质进入此装置内部。流经细菌过滤器30及逆止阀800的改质气体，再连接到第一排气管200输送回室内。
室内空气进入本装置后，其中的二氧化碳与氮气成分将被分离而产生出改质气体。然后再将产生的改质气体输送回室内，经由这样的循环来降低室内空气中二氧化碳的浓度，达到改善室内空气质量的目的。
实施例二
图3为本发明第二实施例的系统架构图。本装置包括有一空气吸入管100、一第一排气管200、一第二排气管300、一空气过滤器10、一消音器20、一压缩机400、一热交换器500、一气体分离模块600、一温度控制模块40、一储气筒700、一细菌过滤器30、以及一逆止阀800。温度控制模块40包覆热交换器500及气体分离模块600。空气吸入管的吸入口101装设于室内并与室内环境空气相通，第一排气管的排气口201同样装设于室内。而第二排气管的排气口301则装设于室外并与室外环境空气相通。
当压缩机启动后，室内空气由空气吸入管的吸入口101进入本装置。流经空气过滤器10，借已去除空气中的微粒及杂质，避免微粒及杂质进入压缩机内而损坏压缩机。并设置一消音气20于压缩机进气口401处，其主要目的为消除空气快速吸入压缩机所产生的噪音。
空气经压缩机压缩后，到达到2.5大气压的高压状态，同时温度也上升到约100℃。压缩机排气口402连接到热交换器500，热交换器500用以降低经压缩后的高压空气的温度。随后高压空气流向气体分离模块600。在本实施例中，气体分离模块600是利用变压吸附法(Pressure SwingAdsorption)以达到分离空气中二氧化碳的目的。气体分离模块600内部包括有两个(或多个)管柱(未图示)，管柱内填充分子筛颗粒，用以吸附二氧化碳与氮气。当气体分离模块600内部的一个(或一组)管柱进行吸附程序时，另一个(或一组)管柱则同时进行脱附程序而再生。经吸附程序后的改质气体仅含有极低浓度的二氧化碳与氮气，此改质气体由气体分离模块的第一出口602连接到第一排气管200，而排到室内。而同时进行脱附再生程序的另一个(或一组)分子筛管柱所产生的废气，则经由气体分离模块的第二出口603连接到第二排气管300，排放到室外。
图2为气体分离模块600内分子筛对不同气体的等温吸附平衡曲线，其中曲线A为二氧化碳的等温吸附平衡曲线，曲线B为氮气的等温吸附平衡曲线，曲线C为氧气的等温吸附平衡曲线。图2中显示此分子筛对二氧化碳与氮气的吸附量远高于氧气。因此，当高压空气流经分子筛管柱时，空气中的二氧化碳与氮气大部份会被分子筛吸附，而氧气的吸附量则相对少很多，借此达成分离空气中二氧化碳的目的。
此分子筛对于气体的吸附行为是一种物理吸附模式。当进入的空气的温度升高时，分子筛对各种气体的吸附量均会减少，反之当其温度降低时，分子筛对各种气体的吸附量会增加。因此，在本实施例中设置一温度控制模块40用以控制气体分离模块600的温度，避免因环境温度改变，例如日夜温差或寒热带国家，而造成二氧化碳的分离效果发生变异，从而确保本装置的效果。同时，气体分离模块600经过一段长时间使用，无可避免会吸附一些正常脱附程序无法脱附的物质，造成分子筛的吸附效果劣化，而使得本装置分离二氧化碳的效果下降。此时，可利用温度控制模块40将脱附温度提高，在高温下进行脱附程序，达到再生分子筛的目的。
高压空气流经分子筛固定床后会产生压降，使得气体分离模块第一出口602的压力降为1.5大气压。气体分离模块第一出口602连接到一储气筒700，储气筒700提供一大空间储存改质气体。使本装置在运转过程中可稳定地提供改质气体。储气筒700出口连接一细菌过滤器30，以去除气体中可能的细菌或微生物。并于细菌过滤器30的出口端设置一逆止阀800，以避免在本装置停机之后，空气中的水气或悬浮物质进入此装置内部。流经细菌过滤器30及逆止阀800的改质气体，再连接到第一排气管200输送回室内。
室内空气进入本装置后，其中的二氧化碳与氮气成分将被分离而产生出改质气体。然后再将产生的改质气体输送回室内，经由这样的循环来降低室内空气中二氧化碳的浓度，达到改善室内空气质量的目的。
实施例三
图4为本发明第三实施例的系统架构图。本装置包括有一空气吸入管100、一第一排气管200、一第二排气管300、一空气过滤器10、一消音器20、一压缩机400、一热交换器500、一气体分离模块600、一节流阀50、一回流输气管路60、一细菌过滤器30、以及一逆止阀800。节流阀50设置于气体分离模块的第一出口602处。回流输气管路60则连接节流阀50与压缩机进气口401。空气吸入管的吸入口101装设于室内并与室内环境空气相通，第一排气管的排气口201同样装设于室内。而第二排气管的排气口301则装设于室外并与室外环境空气相通。
当压缩机启动后，室内空气由空气吸入管的吸入口101进入本装置。流经空气过滤器10，借已去除空气中的微粒及杂质，避免微粒及杂质进入压缩机内而损坏压缩机。并设置一消音气20于压缩机进气口401处，其主要目的为消除空气快速吸入压缩机所产生的噪音。
空气经压缩机压缩后，到达到2.5大气压的高压状态，同时温度也上升到约100℃。压缩机排气口402连接到热交换器500，热交换器500用以降低经压缩后的高压空气的温度。随后高压空气流向气体分离模块600。在本实施例中，气体分离模块600是利用变压吸附法(Pressure SwingAdsorpt ion)以达到分离空气中二氧化碳与氮气的目的。气体分离模块600内部包括有两个(或多个)管柱(未图示)，管柱内填充分子筛颗粒，用以吸附二氧化碳与氮气。当气体分离模块600内部的一个(或一组)管柱进行吸附程序时，另一个(或一组)管柱则同时进行脱附程序而再生。经吸附程序后的改质气体仅含有极低浓度的二氧化碳，此改质气体由气体分离模块的第一出口602连接到第一排气管200，而排到室内。而同时进行脱附再生程序的另一个(或一组)分子筛管柱所产升的废气，则经由气体分离模块的第二出口端603连接到第二排气管300，排放到室外。
图2为气体分离模块600内的分子筛对不同气体的等温吸附平衡曲线，其中曲线A为二氧化碳的等温吸附平衡曲线，曲线B为氮气的等温吸附平衡曲线，曲线C为氧气的等温吸附平衡曲线。图中显示此分子筛对二氧化碳与氮气的吸附量远高于氧气。因此，当高压空气流经分子筛管柱时，空气中的二氧化碳与氮气大部份会被此分子筛吸附，而氧气的吸附量则相对少很多，借此达成分离空气中二氧化碳与氮气的目的。
此分子筛对于气体的吸附为一种物理吸附模式，当进入的空气的温度升高时。分子筛对各种气体的吸附量均会减少，反的当其温度降低时，分子筛对各种气体的吸附量会增加。因此，在气体分离模块入口601前设置一热交换器的主要目的是降低经压缩后高压空气的温度，增加分子筛的吸附量。
当本装置所欲处理的空气量增大时，则必须考虑填充有分子筛的管柱的平均滞留时间，平均滞留时间的定义如下列方程式1所示：
τ＝V/p 方程式1
其中、τ为平均滞留时间，V为管柱内的空隙体积(m3)，p为流经分子筛固定床的体积平均流速(m/s)。
因此，当进入本装置的空气流量增加时，高压空气流经分子筛管柱的平均滞留时间τ将减少。当平均滞留时间τ减少到一特定值时，会使得高压空气与分子筛没有充分的接触时间，而导致分子筛吸附二氧化碳的效果大幅下降。
本实施例中，气体分离模块第一出口端602连接一节流阀50。当气体流经节流阀50时会有一部份气体被分流到回流输气管路60，而再进入压缩机进气口401。这样的部份回流设计，可以更有效率的利用分子筛固定床，进而改善因空气流量增加所导致二氧化碳吸附效果下降的问题。
本实施例中还包括有一细菌过滤器30，以去除气体中可能的细菌或微生物。并于细菌过滤器30的出口端设置一逆止阀800，以避免在此装置停机之后，空气中的水气或悬浮物质进入此装置内部。流经细菌过滤器30及逆止阀800的改质气体，再连接到第一排气管200输送回室内。
室内空气进入本装置后，其中的二氧化碳与氮气成分将被分离而产生出改质气体。然后再将产生的改质气体输送回室内，经由这样的循环来降低室内空气中二氧化碳的浓度，达到改善室内空气质量的目的。
然而，本发明并不限制用于改善室内空气质量。事实上，本发明的装置可应用于任何需要移除或控制空气中二氧化碳浓度的场合。例如，需要控制空气中二氧化碳浓度的生物培养腔或是需要移除空气中二氧化碳的生物测试环境。
上述实施例仅是为了方便说明而举例而已，本发明所主张的权利范围自应以权利要求书所述保护范围为准，而非仅限于上述实施例。
Claims (18)
1. 一种改善空气质量装置，是适用于一具有复数个周壁的舱室，其中该舱室是由该复数个周壁所围绕而成；其特征在于：包括：
一具有一进气口及一排气口的压缩机；
一热交换器，且该热交换器与该压缩机相连通；以及
一具有一入口及一第一出口的气体分离模块，该气体分离模块的该入口与该热交换器相连通；
其中，该气体分离模块是用以分离经该压缩机与该热交换器而来的空气中二氧化碳与氮气而产生一改质气体，且该改质气体由该气体分离模块的第一出口排出。
2. 如权利要求1所述的改善空气质量装置，其特征在于：其中，该气体分离模块更包括有一第二出口，是用以排出该被分离的二氧化碳与氮气。
3. 如权利要求1所述的改善空气质量装置，其特征在于：其更包括有一第一排气管，该第一排气管的一端与该气体分离模块的第一出口相连通。
4. 如权利要求1所述的改善空气质量装置，其特征在于：其更包括有一空气吸入管，该空气吸入管的一端与该压缩机的该进气口相连通。
5. 如权利要求1所述的改善空气质量装置，其特征在于：其更包括有一消音器，是组设于该压缩机的该进气口。
6. 如权利要求1所述的改善空气质量装置，其特征在于：其更包括有一空气过滤器，是组设于该压缩机的该进气口。
7. 如权利要求1所述的改善空气质量装置，其特征在于：其更包括有至少一温度控制模块，是用以控制该气体分离模块的温度。
8. 如权利要求1所述的改善空气质量装置，其特征在于：其更包括有一逆止阀，该逆止阀的入口与该气体分离模块的第一出口相连通。
9. 如权利要求8所述的改善空气质量装置，其特征在于：其更包括有一细菌过滤器，是组设于该逆止阀的出口端。
10. 如权利要求2所述的改善空气质量装置，其特征在于：其更包括有一第二排气管，且该第二排气管的一端是与该气体分离模块的第二出口相连通，另一端是贯穿该周壁。
11. 如权利要求2所述的改善空气质量装置，其特征在于：其更包括有一储气筒，且该储气筒与该气体分离模块的第一出口相连通。
12. 如权利要求2所述的改善空气质量装置，其特征在于：其中，该气体分离模块包括有复数个分子筛颗粒。
13. 如权利要求12所述的改善空气质量装置，其特征在于：其中，该气体分离模块是利用变压吸附以分离空气中的二氧化碳与氮气。
14. 如权利要求12所述的改善空气质量装置，其特征在于：其中，该气体分离模块是利用真空变压吸附以分离空气中的二氧化碳与氮气。
15. 如权利要求12所述的改善空气质量装置，其特征在于：其中，该气体分离模块是利用变温吸附以分离空气中的二氧化碳与氮气。
16. 如权利要求2所述的改善空气质量装置，其特征在于：其中，该气体分离模块包括有至少一薄膜。
17. 如权利要求16所述的改善空气质量装置，其特征在于：其中，该气体分离模块是利用该薄膜以分离空气中的二氧化碳与氮气。
18. 如权利要求2所述的改善空气质量装置，其特征在于：其更包括有一节流阀及一回流输气管路，该节流阀是组设于该气体分离模块的第一出口处，该回流输气管路是连接该节流阀与该压缩机的该进气口。
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20101208 Termination date: 20110321 |