PL189898B1

PL189898B1 - Układ dyfuzyjnej wymiany gazów oraz sposób umożliwiania przenikania gazów

Info

Publication number: PL189898B1
Application number: PL97333978A
Authority: PL
Inventors: David L. Braun; Ricardo Lira
Original assignee: Minnesota Mining & Mfg
Priority date: 1996-12-09
Filing date: 1997-04-11
Publication date: 2005-10-31
Also published as: PL333978A1; EP0946257B1; US5976220A; RU2182512C2; KR100493128B1; CA2272277A1; US6248153B1; EP0946257A1; AU2663997A; JP2001505816A; DE69732529T2; CA2272277C; KR20000057455A; DE69732529D1; WO1998025687A1; TW422730B

Abstract

1 . Uklad dyfuzyjnej wymiany gazów zawierajacy membrane obejm ujaca stala osnow e um ieszczona pomiedzy pierwszym obszarem wypelnionym gazem i drugim obszarem w ypelnionym gazem, gdzie pierw- szy obszar w ypelniony gazem ma pierwszy mechanizm, który jest zdolny do kierow ania pierwszego srodowi- skowego strum ienia gazu poprzecznie przez i w stycz- nosci z pierw sza pow ierzchnia membrany, zas drugi obszar wypelniony gazem m a drugi mechanizm, który jest zdolny do kierow ania drugiego srodowiskowego strumienia gazu poprzecznie przez i w stycznosci z druga pow ierzchnia m em brany, przy czym co naj- mniej pierwszy lub drugi strum ien gazu zaw iera zaw ie- szone czastki stale, znam ienny tym, ze mem brana (24) sklada sie z wielu kretych kanalików rozciagajacych sie od pierwszej pow ierzchni (23) membrany (24) do drugiej pow ierzchni (25) m em brany (24), w yznaczaja- cych maksym alna w ielkosc porów oraz okreslajacych wskaznik objetosci m iedzyziarnowej wynoszacy co najmniej 0,2, przy czym m em brana (24) zdolna jest do blokowania przenikania zasadniczo wszystkich czastek mniejszych niz m aksym alna w ielkosc porów pomiedzy pierwszym i drugim obszarem w ypelnionym gazem (22. 26). um ozliw iajac rów noczesnie dyfuzje pom ie- dzy pierwszym i drugim obszarem w ypelnionym gazem (22, 26). Fig. 1 PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest układ dyfuzyjnej wymiany gazów oraz sposób umożliwiania przenikania gazów, w których wymiana składników gazów odbywa się na drodze dyfuzji przez membranę podczas gdy blokowane jest przenikanie cząstek stałych.

Dotychczas stosowano różne systemy wentylacyjne w celu regulacji ilości dwutlenku węgla i tlenu w zamkniętych przestrzeniach. Zamkniętą przestrzeń może stanowić na przykład samochód, dom, wieżowiec, wnętrze respiratora, fabryka, pomieszczenie o zaostrzonych wymaganiach czystości lub pokój szpitalny. System wentylacyjny usuwa nadmiar dwutlenku węgla i uzupełnia niedobór tlenu w zamkniętych przestrzeniach.

W celu przeprowadzania takiej operacji, w konwencjonalnych systemach wentylacyjnych zwykle stosuje się filtry aby zapobiec przenikaniu zawartych w powietrzu cząsteczek

189 898 stałych z otoczenia do zamkniętej przestrzeni. Zwykle przepływ powietrza odbywa się prostopadle przez filtr i dostarczana jest energia z zewnętrznego źródła w celu wymuszenia przepływu powietrza. Jeżeli powietrze dostarczane do zamkniętej przestrzeni nie jest filtrowane, przebywający w niej ludzie mogą być narażeni na toksyczne lub alergiczne działanie nieożywionych cząstek stałych lub też na działanie chorobotwórczych mikroorganizmów zawartych w powietrzu. Powietrze musi być usuwane z zamkniętej przestrzeni przez szczelinę wylotową aby zapobiec wzrostowi ciśnienia gdy pompowane jest filtrowane powietrze.

Konwencjonalne systemy wentylacyjne posiadają szereg wad.

Pierwszą wadą jest to, że trudno jest całkowicie usunąć cząsteczki stałe z powietrza nie stosując dużych ilości medium filtrującego, co wiąże się z dużymi spadkami ciśnienia podczas przedostawania się powietrza przez medium filtrujące. W konsekwencji, w konwencjonalnych systemach filtracyjnych zwykle znaczna ilość cząstek dostaje się do zamkniętej przestrzeni z pompowanym strumieniem powietrza.

Drugą wadą jest to, że dostarczane powietrze musi przenikać prostopadle przez medium filtrujące. Kiedy powietrze zawierające cząstki przepływa przez filtr, pory filtra wypełniają się tymi cząsteczkami co daje w rezultacie zwiększenie spadku ciśnienia. Jeżeli zatem zachodzi potrzeba utrzymania wysokich wartości przepływu filtr musi być często wymieniany.

Trzecią wadą jest to, że w konwencjonalnych systemach potrzebne są znaczne ilości energii do wymuszania przepływu dostarczanego powietrza przez medium filtrujące. Filtry, których pory nie są zatkane także wykazują duże opory tarcia lub stanowią barierę dla powietrza. Zapotrzebowanie na energię może być znaczne przy dużych instalacjach.

Inną niedogodnością jest to, że konwencjonalne systemy wentylacyjne wymagają szczeliny wylotowej w celu umożliwienia wydostawania się nadmiaru powietrza z zamkniętej przestrzeni. W innym przypadku byłoby bardzo trudne lub niemożliwe, prowadzenie ciągłego procesu wentylacyjnego.

Konwencjonalne systemy filtrujące i wentylacyjne mają także tę wadę, że wymagają stosowania znacznie większego przepływu powietrza niż wynikałoby to ze zużycia tlenu. Rozważmy zamkniętą przestrzeń otoczoną zanieczyszczonym powietrzem do której tłoczone jest przefiltrowane powietrze zaopatrując w tlen znajdujące się w niej osoby, zaś powietrze znajdujące się wewnątrz jest usuwane w celu uniknięcia podwyższenia ciśnienia. W strumieniu wypływającego powietrza wydostaje się na zewnątrz dwutlenek węgla. Zwykle dostarcza się 20 stóp sześciennych na minutę (566 litrów na minutę) zewnętrznego powietrza na jednego mieszkańca budynku. Przy siedzącej pracy biurowej wytwarzany jest dwutlenek węgla w ilości 0,35 litrów na minutę (l/min) na pracownika. W tych warunkach, w stanie ustalonym, zewnętrzne powietrze o stężeniu dwutlenku węgla wynoszącym około 0,03% będzie zawierało 0,09% dwutlenku węgla opuszczając budynek ((0,35 l/min /566 l/min) + 0,03% = 0,09%). Poziomy dwutlenku węgla powyżej 0,1% mogą być niedogodne lub szkodliwe dla mieszkańców. Stężenie O₂ w powietrzu zewnętrznym na poziomie morza wynosi 20,95%. Po tym jak mieszkaniec zużywa w przybliżeniu 0,28 litrów O₂ na minutę, powietrze o stężeniu O₂ około 20% jest usuwane na zewnątrz. Ta wartość stężenia tlenu w usuwanym powietrzu odzwierciedla dynamiczne stężenie tlenu w pomieszczeniu, które jest znacznie wyższe niż jest to potrzebne ze względu na bezpieczeństwo. Poziomy CO2 decydują zatem o potrzebnym poziomie wentylacji z punktu widzenia zaspokajania potrzeb fizjologicznych ludzi znajdujących się w zamkniętych pomieszczeniach.

Patent amerykański nr 3,369,343 (Robb) ujawnia zastosowanie przepuszczalnej nieporowatej przegrody wykonanej z materiałów takich jak guma silikonowa do wymiany CO2 lub O2 przez przenikania. Przenikanie takie jak zastosowano w US 3,369,343 jest ograniczone przez proces rozpuszczania, w którym gaz rozpuszcza się w przegrodzie następnie dyfunduje przez przegrodę w stanie rozpuszczonym. Przegroda tworzy pozbawioną porów barierę dla jakichkolwiek ciał stałych, płynów lub gazów, które nie rozpuszczają się chemicznie w gumie silikonowej. US 3,369,343 ujawnia różne systemy oczyszczania powietrza, w których stosuje się membrany wykonane z gumy silikonowej.

Patent radziecki nr SU 1710951 ujawnia urządzenie wentylacyjne, w którym stosuje się nuklearną membranę jako medium do wymiany gazów do wentylacji zamkniętej struktury. Ciśnienia cząstkowe O2 i CO₂ na przeciwległych powierzchniach membrany nuklearnej

189 898 zapewniały siłę napędową procesu wymiany masy. Dodatkowo, membrana jest użyteczna jako bariera dla szkodliwych aerozoli i mikrocząsteczek obecnych w zewnętrznym powietrzu. Membrany nuklearne zwykle tworzy się przez przyspieszanie atomów w pobliżu błony polimerowej tworząc zasadniczo równoległe otwory w błonie. Otwory w nuklearnych membranach mogą się zapychać lub wypełniać stałymi cząstkami czyniąc membranę mniej efektywną jako medium do wymiany gazów.

Radziecki patent nr SU 1119197 ujawnia respirator, w którym stosuje się cienką, elastyczną, porowatą i przepuszczalną dla gazów polimerową membranę jako medium wymiany gazowej. Membrana jest ujawniona jako nuklearny filtr wykonany z polietylenoterftalanowej lub poliwęglanowej membrany o porowatości 10% (przy większych porowatościach mechaniczne własności filtra szybko się pogarszają). Przypuszcza się, że ochrona przed aerozolami wszelkich rozmiarów może być zapewniona przez porowate membrany polimerowe o rozmiarach porów od 3 do 0,03 mikrometrów. Z powodu jednakowego rozmiaru porów, skuteczność ochrony przed aerozolami o rozmiarach równych lub większych niż pory jest zasadniczo 100%.

Układ dyfuzyjnej wymiany gazów zawiera membranę obejmującą stałą osnowę umieszczoną pomiędzy pierwszym obszarem wypełnionym gazem i drugim obszarem wypełnionym gazem. Pierwszy obszar wypełniony gazem ma pierwszy mechanizm, który jest zdolny do kierowania pierwszego środowiskowego strumienia gazu poprzecznie przez i w styczności z pierwszą powierzchnią membrany, zaś drugi obszar wypełniony gazem ma drugi mechanizm, który jest zdolny do kierowania drugiego środowiskowego strumienia gazu poprzecznie przez i w styczności z drugą powierzchnią membrany, przy czym co najmniej pierwszy lub drugi strumień gazu zawiera zawieszone cząstki stałe. Rozwiązanie charakteryzuje się tym, że membrana składa się z wielu krętych kanalików rozciągających się od pierwszej powierzchni membrany do drugiej powierzchni membrany, wyznaczających maksymalną wielkość porów oraz określających wskaźnik objętości międzyziarnowej wynoszący co najmniej 0,2, przy czym membrana zdolna jest do blokowania przenikania zasadniczo wszystkich cząstek mniejszych niż maksymalna wielkość porów pomiędzy pierwszym i drugim obszarem wypełnionym gazem, umożliwiając równocześnie dyfuzję pomiędzy pierwszym i drugim obszarem wypełnionym gazem.

Korzystnym jest, że membrana stanowi membranę polimerową albo jest włóknistą, mikroporowatą membraną polimerową, albo też membrana ma formę kulistej, mikroporowatej membrany polimerowej. Membrana zawiera wiele losowo rozproszonych, o nieregularnym kształcie cząstek termoplastycznych, z których część jest oddzielona od siebie tworząc pomiędzy sobą sieć kanalików, a część jest między sobą połączona za pomocą włókienek. Mechanizmy pierwszy i drugi, które kierują strumieniami gazów środowiskowych zawierają komory sprężonego powietrza. Wskaźnik objętości międzyziarnowej w membranie wynosi co najmniej 0,50, albo wskaźnik ten wynosi co najmniej 0,70, przy czym wskaźnik objętości międzyziarnowej w membranie wynosi mniej niż 0,9. Membrana jest umieszczona pomiędzy pierwszym i drugim obszarem wypełnionym gazem i zasadniczo blokuje przenikanie cząstek pod wpływem działania różnicy ciśnień po obu stronach membrany, gdy różnica ta jest większa niż ciśnienie rozerwania membrany. Membrana jest umieszczona pomiędzy pierwszym i drugim obszarem wypełnionym gazem i zasadniczo blokuje przenikanie cząstek pod wpływem działania różnicy ciśnień po obu stronach membrany, gdy różnica ta jest w przybliżeniu równa ciśnieniu rozerwania membrany. Stosunek współczynnika dyfuzji wybranego gazu w wybranej temperaturze i dla danego ciśnienia w nieruchomym powietrzu, do współczynnika dyfuzji tego samego gazu w tej samej temperaturze i pod tym samym ciśnieniem wewnątrz krętych kanalików membrany wynosi pomiędzy 1,03 do 500. Mechanizmy pierwszy i drugi kierują środowiskowe strumienie gazu prostopadle do siebie albo kierują część pierwszego środowiskowego strumienia gazu równolegle do drugiego środowiskowego strumienia gazu, albo też kierują część pierwszego środowiskowego strumienia gazu pod kątem względem drugiego środowiskowego strumienia gazu. Pierwszy obszar wypełniony gazem zawiera powietrze zewnętrzne w stosunku do przestrzeni zamkniętej, zaś drugi obszar wypełniony gazem zawiera powietrze w obrębie przestrzeni zamkniętej. Drugi obszar wypełniony gazem zawiera czyste pomieszczenie, przy czym drugi obszar wypełniony gazem stanowi albo osobisty respi189 898 rator albo wnętrze budynku. Ponadto membrana stanowi membranę różną od membrany mikroporowatej.

Układ obróbki powietrza zawiera pierwszą ścieżkę przepływu gazu przebiegającą od wlotu do wylotu, podzieloną na część przeciwprądową i część współprądową, przez którą przepływa pierwszy strumień gazu od wlotu do wylotu oraz drugą ścieżkę przepływu gazu przez którą przepływa drugi strumień gazu. Rozwiązanie charakteryzuje się tym, że zawiera membranę posiadającą pierwszy i drugi koniec, umieszczoną pomiędzy pierwszą i drugą ścieżką przepływu gazu, przy czym membrana blokuje przenikanie cząstek pomiędzy pierwszą i drugą ścieżką przepływu z równoczesnym zachowaniem dyfuzji gazów z pierwszego strumienia gazowego do drugiego strumienia gazowego, a ponadto zasadniczo oddziela część przeciwprądową pierwszej ścieżki przepływu gazu od jej części współprądowej oraz ma nieprzepuszczalny dla gazów obszar przenikania ciepła od części współprądowej do części przeciwprądowej i/lub odwrotnie.

Korzystnym jest, że pierwszy strumień gazu stanowi powietrze zewnętrzne w stosunku do zamkniętej przestrzeni, zaś drugi strumień gazu stanowi powietrze w zamkniętej przestrzeni.

Sposób umożliwiania przenikania gazów z pierwszego obszaru wypełnionego gazem do drugiego obszaru wypełnionego gazem bez umożliwiania przenikania znaczącej ilości cząstek stałych charakteryzuje się tym, że kieruje się pierwszy środowiskowy strumień z pierwszego obszaru wypełnionego gazem poprzecznie przez i w styczności z pierwszą powierzchnią membrany zawierającej wiele krętych kanalików przebiegających od pierwszej powierzchni membrany do drugiej powierzchni membrany, w której wskaźnik objętości międzyziarnowej wynosi co najmniej 0,2 i zdolnej do blokowania przenikania cząstek stałych oraz kieruje się drugi środowiskowy strumień z drugiego obszaru wypełnionego gazem poprzecznie przez i w styczności z drugą powierzchnią membrany, przy czym co najmniej jeden ze środowiskowych strumieni gazu zawiera cząstki stałe, a gaz z pierwszego i/lub drugiego obszaru wypełnionego gazem dyfunduje z niego przez membranę do innej przestrzeni wypełnionej gazem, przy czym cząstki stałe są zatrzymywane przez membranę.

Korzystnym jest, że jako gazy stosuje się gazy oddechowe, przy czym stosuje się membranę zdolną do blokowania przenikania zasadniczo wszystkich albo wszystkich cząstek pomiędzy pierwszym i drugim obszarem wypełnionym gazem. Jako membranę stosuje się włóknistą, mikroporowatą membranę polimerową albo kulistą, mikroporowatą membranę polimerową. Jako membranę stosuje się również membranę zawierającą wiele losowo rozproszonych, o nieregularnym kształcie cząstek termoplastycznych, z których część jest oddzielona od siebie tworząc pomiędzy sobą sieć kanalików, a część jest między sobą połączona za pomocą włókienek. Pierwszy i drugi strumienie gazów środowiskowych są kierowane przez komorę. Membrana ma wskaźnik objętości międzyziarnowej wynoszący co najmniej 0,50 albo co najmniej 0,70. Kręte kanaliki wyznaczają maksymalną wielkość porów membrany wykazującej zdolność do blokowania przenikania cząstek mniejszych niż maksymalna wielkość porów. Membranę podpiera się i zasadniczo blokuje się przenikanie cząstek, gdy różnica ciśnień po obu stronach membrany jest równa ciśnieniu bliskiemu lub większemu od ciśnienia rozrywania membrany, przy czym zasadniczo blokuje się przenikanie cząstek przez membranę, kiedy różnica ciśnień po obu stronach membrany wynosi 300 kPa lub więcej. Stosuje się membranę zdolną do podtrzymywania wymiany gazów na poziomie obniżonym nie bardziej niż 2% podczas testowania dyfuzji gazów po poddaniu membrany działaniu cząstek. Stosunek współczynnika dyfuzji wybranego gazu w wybranej temperaturze i dla danego ciśnienia w nieruchomym powietrzu, do współczynnika dyfuzji tego samego gazu w tej samej temperaturze i pod tym samym ciśnieniem wewnątrz krętych kanalików membrany wynosi pomiędzy 1,03 a 500. Stosuje się etap, w którym utrzymuje się burzliwy przepływ dla co najmniej jednego środowiskowego strumienia gazu w odniesieniu do medium dyfuzyjnej wymiany gazów. Również stosuje się etap, w którym utrzymuje się część pierwszego środowiskowego strumienia gazu prostopadle do drugiego środowiskowego strumienia gazu. Ponadto stosuje się etap, w którym utrzymuje się część pierwszego środowiskowego strumienia gazu przeciwrównolegle do drugiego środowiskowego strumienia gazu. Może być również stosowany etap w którym utrzymuje się część pierwszego środowiskowego strumienia gazu pod pewnym kątem nachylenia do drugiego środowiskowego strumienia gazu. Ponadto utrzymuje się warunki

189 898 laminarnego przepływu co najmniej jednego środowiskowego strumienia gazu w odniesieniu do medium dyfuzyjnej wymiany gazów.

Układ dyfuzyjnej wymiany gazów oraz sposób według wynalazku różnią się od konwencjonalnych systemów wentylacyjnych przez zastosowanie membrany, która umożliwia dyfuzję gazów przez membranę równocześnie zasadniczo blokując przenikanie cząstek, w połączeniu ze skierowaniem strumienia gazu poprzecznie do membrany. Niniejszy układ i sposób może zablokować przenikanie cząstek o bardzo szerokim zakresie aerodynamicznej średnicy oraz jest szczególnie użyteczny do blokowania przenikania cząstek o średnicach od 0,2 do 0,3 (im, które najłatwiej przenikają przez konwencjonalne systemy filtracyjne. Niniejszy wynalazek tym samym przezwycięża niepraktyczność stosowania dużych ilości filtrów w celu zapewnienia wyłapania wszystkich cząstek i zaopatrzenia w czyste źródło tlenu.

Pomimo, że pory membran mogą być zatykane przez cząstki stałe tak jak to się dzieje w przypadku filtrów, filtracja nie jest potrzebna aby dostarczać oczyszczone gazy do zamkniętej przestrzeni. Tlen może dyfundować przez membranę ponieważ ciśnienie cząstkowe tlenu w zewnętrznej przestrzeni wypełnionej gazem jest wyższe niż w wewnętrznej lub zamkniętej przestrzeni wypełnionej gazem, w której przebywają mieszkańcy. Podobnie, nadmiarowy dwutlenek węgla może być usuwany z zamkniętej przestrzeni wypełnionej gazem ponieważ jego ciśnienie cząstkowe jest tutaj wyższe niż w otoczeniu. Filtracja nie zachodzi w znacznym stopniu ponieważ gaz przepływa poprzecznie do membrany. W rezultacie urządzenie i sposób według niniejszego wynalazku nie wykazują zatykania porów spotykanego często w konwencjonalnych systemach. Unika się w ten sposób zwiększonych spadków ciśnienia i konieczności częstej wymiany membrany, ponadto przenikanie gazu jest utrzymane nawet po wystawieniu membrany na działanie znacznej ilości cząstek stałych.

Stosowanie niniejszego wynalazku przyczynia się również do zminimalizowania zużycia energii ponieważ przepływ strumieni gazu przez membranę nie jest wymuszony. Przenikanie masy może się odbywać wyłącznie na drodze dyfuzji. Przenikanie masy przez membranę utrzymuje się na zasadniczo stałym poziomie nawet w warunkach dużego zanieczyszczenia cząsteczkami stałymi, tak że spadek ciśnienia na membranie przy stałym przepływie wzrasta o 25% lub więcej.

Co więcej, wynalazek nie wymaga stosowania przewodu wyprowadzającego w celu zapobiegania wzrostowi ciśnienia w zamkniętych przestrzeniach. Nadmiarowe ilości gazów takich jak dwutlenek węgla mogą być usuwane z zamkniętej przestrzeni wypełnionej gazem poprzez samą membranę.

Niniejszy wynalazek pozwala również na ominięcie niedogodności konieczności stosowania dużych przepływów gazu z zewnątrz do zamkniętych przestrzeni. Dwutlenek węgla oraz tlen mogą być usuwane i dostarczane do zamkniętej przestrzeni bez równoczesnego przenikania powietrza lub innych gazów.

Zatem, układ dyfuzyjnej wymiany gazów jest praktyczną alternatywą dla konwencjonalnych systemów filtracji dla usuwania dwutlenku węgla w dużej skali z, oraz uzupełniania tlenu w, zamkniętych przestrzeniach, bez wprowadzania do nich zawartych w powietrzu stałych cząstek zanieczyszczających.

Ponadto, urządzenie do traktowania powietrza jest korzystne ponieważ oprócz wyżej wymienionych zalet oferuje oszczędność energii w połączeniu z korzyściami w zarządzaniu czystością powietrza.

Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schematycznie przykładowy układ dyfuzyjnej wymiany gazów, fig. 2 przedstawia graficznie obciążenie cząsteczkami stałymi układu dyfuzyjnej wymiany gazów, fig. 2b przedstawia graficznie różnice ciśnienia po obu stronach membrany w jednym z przykładów wykonania układu dyfuzyjnej wymiany gazów, fig. 3 przedstawia dzielony schematyczny widok wielomembranowego układu dyfuzyjnej wymiany gazów, fig. 4 przedstawia widok z góry nakładających się sekcji ramy z przepływem współprądowym lub przepływem przeciwprądowym do zastosowania w układzie dyfuzyjnej wymiany gazów, fig. 5 schematycznie ukazuje wielowarstwowy układ dyfuzyjnej wymiany gazów z przepływem krzyzowym, fig. 6 przedstawia schematycznie układ obróbki powietrza z wymiennikiem ciepła powietrzepowietrze, fig. 7a ukazuje profil stężenia tlenu w kanałach wejściowych przy prędkościach

189 898 przepływu około 2,36 litrów na minutę (l/min), fig. 7b przedstawia całkowitą objętość tlenu przeniesioną (zmierzoną w porównaniu z obliczoną teoretycznie) ze strumienia tlenu do strumienia azotu przy różnych prędkościach przepływu, fig. 7c przedstawia stężenia tlenu poprzecznie do długości kanału po każdej stronie membrany przy przepływie laminamym, fig. 7d przedstawia stężenia tlenu poprzecznie do długości kanału po każdej stronie membrany przy przepływie burzliwym, fig. 8a ukazuje schematycznie system osobistej filtracji cząstek według niniejszego wynalazku, fig. 8b przedstawia widok z przodu osobistego urządzenia do filtracji cząstek stałych według niniejszego wynalazku, fig. 9 przedstawia rzut izometryczny komory testującej do wyznaczania skuteczności działania układu dyfuzyjnej wymiany gazów, fig. lOa przedstawia rzut izometryczny układu dyfuzyjnej wymiany gazów przedstawionego na fig. 9, fig. lOb przedstawia wykres ukazujący poziomy CO2 przy różnych prędkościach przepływu przez układ dyfuzyjnej wymiany gazów przedstawiony na fig. 9, fig. lOc przedstawia graficznie różne stężenia CO2 przy stałym natężeniu pracy urządzenia dla dwóch różnych prędkości przepływu przez układu dyfuzyjnej wymiany gazów przedstawiony na fig. 9, fig. 11 schematycznie ukazuje komórki testowe do wyznaczania właściwości dyfuzyjnego przenoszenia gazu dla membran, fig. 12a graficznie ukazuje działanie membrany mikroporowatej i nuklearnej przy ładunku przyspieszonych cząsteczek, fig. 12b graficznie ukazuje działanie membrany mikroporowatej i innej nuklearnej przy ładunku przyspieszonych cząsteczek, fig. 13 graficznie ukazuje ciśnienia dla których zaczyna się przenikanie cząstek w różnych mikroporowatych membranach, zaś fig. 14 - przekrój urządzenia testującego do wyznaczania stopnia przenikania cząstek w niskich ciśnieniach różnych mikroporowatych membran.

Terminy stosowanych w niniejszym opisie:

„Środowiskowy strumień gazu” oznacza przepływ lub strumień powietrza składający się z zawiesiny gazów, cieczy, ciał stałych i/lub ich kombinacji.

„Dyfuzja” oznacza proces, w którym określone porcje płynów, gazów i/lub ciał stałych w środowiskowym strumieniu gazu, lub w nieruchomym powietrzu, łączą się w wyniku swoich spontanicznych losowych przesunięć spowodowanych energią cieplną i zderzeniami co prowadzi do ciągłego mieszania i cała objętość staje się jednorodną mieszaniną. Dla substancji rozpuszczonych cząsteczki migrują z regionu o wyższym stężeniu do regionu o niższym stężeniu na drodze dyfuzji.

„Dyfuzja gazów” oznacza swobodny ruch atomów i cząsteczek gazów w środowiskowym strumieniu gazu, lub w nieruchomym powietrzu, w taki sposób, że atomy i cząsteczki są rozdzielone równomiernie w zamkniętej przestrzeni.

„Gazy oddechowe” obejmują tlen, azot, dwutlenek węgla i parę wodną.

„Cząstki” oznaczają relatywnie małe i oddzielne drobiny, zarówno stałe, ciekłe lub ich kombinacje które mogą być zawieszone lub niesione w środowiskowym strumieniu gazu. Cząstki mogą mieć średnicę od około 1,0 milimetra (mm) lub więcej, do mniej niż około 0,01 mikrometra (pm) średnicy. Cząstki o średnicy około 2,0 pm lub większej mogą być usunięte przy zastosowaniu konwencjonalnych metod filtracji. Cząstki o średnicy od około 0,1 nm do około 0,5 pm, takie jak dym papierosowy, są zwykle zbyt małe aby można je było usunąć z powietrza przy użyciu mechanizmów inercyjnych takich jak bezpośrednie filtrowanie strumieniowo-ścieme. Cząstki o tych rozmiarach mogą być jednak zablokowane przez membrany stosowane w niniejszym wynalazku. Układu dyfuzyjnej wymiany gazów według niniejszego wynalazku blokuje przenikanie zasadniczo wszystkich cząstek o średnicy od około 1,0 mm lub mniej, bardziej korzystnie blokuje przenikanie zasadniczo wszystkich cząstek i jeszcze bardziej korzystnie blokuje przenikanie absolutnie wszystkich cząstek.

„Przenikalność” jest stanem lub właściwością, dla której transport substancji takiej jak ciecz, gaz lub ciało stałe odbywa się przez pory lub objętość innej substancji.

„Kręty kanalik” oznacza otwór lub korytarz w przepuszczalnej membranie, który nie jest zasadniczo prosty.

„Nieruchome powietrze” oznacza powietrze które wykazuje zerową konwekcję i ruch masy.

Układ dyfuzyjnej wymiany gazów według niniejszego wynalazku wykazuje rezultaty znacznie lepsze niż konwencjonalne filtry do cząstek. Membrana tworzy podział pomiędzy pierwszym obszarem wypełnionym gazem i drugim obszarem wypełnionym gazem. Pierwszy

189 898 i drugi obszar wypełniony gazem korzystnie nie są zasadniczo połączone ze sobą poza membraną. Pierwszy i drugi obszar wypełniony gazem zawierają każdy mechanizm zdolny do skierowania pierwszego i drugiego środowiskowego strumienia gazu przez obie powierzchnie membrany. „Mechanizmem” może być instrument, proces lub inne środki lub ich kombinacja która powoduje przepływ środowiskowego gazu poprzecznie do i w kontakcie z membraną. Membrana umożliwia dyfuzję gazów zawartych w środowiskowym strumieniu gazu pomiędzy pierwszym i drugim obszarem wypełnionym gazem, podczas gdy zasadniczo blokuje przenikanie cząstek. Niniejszy wynalazek jest szczególnie dopasowany do przeprowadzania wymiany gazów oddechowych pomiędzy pierwszym i drugim obszarem wypełnionym gazem. Inne nie-gazy oddechowe mogą także być przeniesione dla innych korzystnych celów. W konsekwencji, drugi obszar wypełniony gazem może być utrzymywany w warunkach podtrzymujących życie lub innych korzystnych warunkach zasadniczo wolnych od cząstek pochodzących z pierwszego obszaru wypełnionego gazem.

W jednym z przykładów wykonania wynalazku, membrana jest podparta. Podparta membrana zasadniczo blokuje przenikanie cząstki kiedy różnica ciśnienia na membranie jest większa niż ciśnienie przy którym membrana pęka. Stosunek współczynnika dyfuzji wybranego gazu w wybranej temperaturze i dla danego ciśnienia wewnątrz krętych kanalików membrany, do współczynnika dyfuzji tego samego gazu w tej samej temperaturze i pod tym samym ciśnieniem w nieruchomym powietrzu, wynosi pomiędzy 0,002 i 0,970.

Pierwszy środowiskowy strumień gazu stanowi korzystnie powietrze zewnętrzne w stosunku do zamkniętej przestrzeni, drugi środowiskowy strumień gazu stanowi korzystnie powietrze wewnątrz zamkniętej przestrzeni. Zamknięta przestrzeń może być wnętrzem czystego pokoju, osobistym respiratorem, wnętrzem samochodu, kabiną samolotu, domu wolnostojącego, wieżowca, fabryki, pokojem szpitalnym lub różnymi innymi strukturami. W alternatywnym przykładzie wykonania wynalazku, układ dyfuzyjnej wymiany gazów może być stosowane do wyłapywania znajdujących się w powietrzu cząstek w obrębie drugiego obszaru wypełnionego gazem. W zastosowaniach w których drugi obszar wypełniony gazem jest wnętrzem pokoju, pomieszczenia, budynku lub innej struktury, wymiana gazów najpierw zachodzi przez membranę, podczas gdy następna wymiana gazowa zachodzi w rejonach innych niż membrana, takich jak szpary w drzwiach i oknach. To co rozumiemy przez „najpierw” oznacza, że przez długi okres czasu znacząco większa objętość gazu wymieniana jest raczej pomiędzy obszarami przez membranę(y) niż innymi drogami.

Pierwszy i drugi środowiskowy strumień gazu mogą być skierowany prostopadle, równolegle lub pod różnymi kątami względem siebie. W jednym przykładzie wykonania wynalazku, jeden lub więcej środowiskowych przepływów gazu może być jako burzliwy lub laminarny w odniesieniu od medium wymiany gazowej. W niniejszym wynalazku, tak jak w konwencjonalnych systemach wentylacyjnych, poziom CO₂ wyznacza prędkości przepływu powietrza. Dla układu dyfuzyjnej wymiany gazów według wynalazku prędkości przepływu mogą być wyznaczone przez podzielenie wytwarzanego wewnątrz CO₂ przez zmianę stężenia CO 2 w układzie dyfuzyjnej wymiany gazów. Na przykład, jeżeli jeden mieszkaniec wytwarza 0,35 litrów na minutę CO₂ oraz jeżeli zmiana stężenia CO ₂ we wnętrzu (drugi środowiskowy strumień gazu) obiegu układu do wymiany gazów wynosi 0,05 procent, przepływ powietrza w tym obwodzie wynosi 0,35 podzielone przez 0,0005 lub 700 litrów na minutę.

Figura 1 schematycznie przedstawia układ dyfuzyjnej wymiany gazów 20 dla którego środowiskowy strumień gazu z pierwszego obszaru wypełnionego gazem 22 przepływający przez pierwszą komorę 28 dostaje się w pobliże pierwszej powierzchni 23 membrany 24. Środowiskowy strumień gazu z drugiego obszaru wypełnionego gazem 26 przepływając przez drugą komorę 30 dostaje się w pobliże drugiej powierzchni 25 membrany 24. W przykładzie wykonania wynalazku przedstawionym na fig. 1, pierwszy obszar wypełniony gazem 22 zawiera powietrze zewnętrzne w stosunku do zamkniętego pomieszczenia, a drugi obszar wypełniony gazem 26 zawiera powietrze w zamkniętej przestrzeni. Uszczelka 27 zapobiega przedostawaniu się gazu pomiędzy obszarami 22 i 26 na końcach membrany 24. Punkty próbkowania ciśnienia 29a - 29d są umieszczone w różnych miejscach w komorach 28 i 30, takich jak pobliże wlotów i wylotów 42, 44, 46, 48. Pomiędzy pierwszym i drugim obszarem wypełnionym gazem 22, 26 nie zachodzi płynna komunikacja poza przenikaniem przez membranę 24.

189 898

W zastosowaniach, w których drugi obszar wypełniony gazem 26 stanowi dużą strukturę taką jak wieżowce, pierwszy i drugi obszar wypełniony gazem 22, 26 mogą nie być oddzielone tak, że przenikanie zachodzi wyłącznie przez membranę z przecieków lub tymczasowych otworów pomiędzy dwoma obszarami wypełnionymi gazem.

Z powodu procesów życiowych wewnątrz drugiego obszaru wypełnionego gazem 26, środowiskowy strumień gazu w drugiej komorze 30 wykazuje podwyższone poziomy CO₂i zredukowane zawartości O2 w odniesieniu do środowiskowego strumienia gazu w pierwszej komorze 28. Wyższe ciśnienie cząstkowe tlenu w pierwszej komorze 28 powoduje przepływ 02 przez membranę 24 i do drugiej komory 30. Równocześnie, wyższe ciśnienie cząstkowe dwutlenku węgla w drugiej komorze 30 powoduje przepływ CO2 przez membranę 24 do pierwszej komory 28.

Membrana 24 może mieć rozmiar taki aby zapewnić wystarczającą dyfuzyjną wymianę O2 i CO₂ utrzymując zdrowe środowisko wewnątrz drugiego obszaru wypełnionego gazem 26 równocześnie zapobiegając przenikaniu cząstek przez membranę 24. Dyfuzja tlenu i dwutlenku węgla przez membranę 24 jest regulowana przez różne czynniki, takie jak gradient stężenia po obu stronach membrany 24 (proporcjonalny do różnicy ciśnień cząstkowych O2 i CO2), przenikalność dyfuzyjne membrany, geometrii przepływu przewodów po obu stronach membrany 24, w układzie dyfuzyjnej wymiany gazów 20, dostępnej do procesu dyfuzji powierzchni membrany 24, natężenia przepływu w przewodach i innych czynników. Jakiekolwiek zużycie tlenu lub wytwarzanie dwutlenku węgla wewnątrz drugiego obszaru wypełnionego gazem 26 powoduje odpowiadające przenikanie wybranego gazu przez membranę 24.

Figury 2a i 2b graficznie przedstawiają teoretyczny ładunek cząstek oraz zróżnicowanie ciśnienia, odpowiednio, na membranie 24 wzdłuż dyfuzyjnej drogi przepływu przez membranę do wymiany gazów (DGTM) przy zastosowaniu dyfuzyjnego układu wymiany gazów takiego jak zostało przedstawione na fig. 1. Krzywa 40 odpowiada ciśnieniu statycznemu powietrza w pierwszej komorze 28. Środowiskowy strumień gazu wpływa do pierwszej komory 28 z pierwszego obszaru 22 przez szczelinę wlotową 42, wskazywaną przez lewą pionową oś. Ciśnienie statyczne wewnątrz pierwszej komory 28 spada gdy środowiskowy strumień gazu przepływa przez pierwszą komorę 28 do wylotu 44, wskazywanego przez prawą pionową oś. W przykładzie wykonania wynalazku przedstawionym na fig. 1, środowiskowy strumień gazu przepływa przez drugą komorę 30 w przeciwnym kierunku. W konsekwencji, ciśnienie po obu stronach membrany jest większe w pobliżu wlotu 48, jak to pokazano na przekroju na prawej pionowej osi i za pomocą krzywej 46 na wykresie ciśnienia na fig. 2b. W niektórych punktach w pobliżu środka dyfuzyjnego układu dyfuzyjnej wymiany gazów 20, zróżnicowanie ciśnienia po obu stronach membrany 24 wynosi w przybliżeniu zero na skrzyżowaniu krzywych 40, 46. Kierunki środowiskowych strumieni gazu przepływających przez układ 20 mogą być równoległe lub przebiegać ukośnie pod pewnym kątem w odniesieniu do siebie, raczej niż przeciwprądowo, mimo że przepływ przeciwprądowy ogólnie dałby w rezultacie większe natężenie przenoszenia masy w układzie według wynalazku. Jeżeli spadek ciśnienia na membranie 24 zwiększa się, może również występować przepływ ciśnienia wzmacniający lub osłabiający dyfuzyjny przepływ gazów.

Obciążenie ładunkiem cząstek membrany 24 wynika po pierwsze z różnicy ciśnienia pomiędzy przeciwnymi powierzchniami membrany 24. Jak to pokazano na fig. 2a, krzywa 50 odpowiada obciążeniu cząstkami na pierwszej powierzchni 23 membrany 24. Ponieważ różnica ciśnienia jest największa po obu stronach membrany 24 przy wlocie 42, położonym przy lewej pionowej osi, ładunek cząstek jest największy w tym położeniu. Ładunek cząstek znacząco spada w kierunku środka układu dyfuzyjnej wymiany gazów 20 gdzie różnica ciśnień zbliża się do zera na szerokości membrany 24, jednak ładunek cząstek może być większy od zera z powodu losowych ruchów gazu i odpowiadających ruchów Browna cząstek. Odpowiednio, ładunek cząstek na drugiej powierzchni 25 membrany 24 jest największy przy wlocie 48. Zakładając, że objętość środowiskowego strumienia gazu na drugiej powierzchni 25 generalnie zawiera mniej cząstek, całkowity ładunek cząstek ukazany na krzywej 52 jest niższy. Jak to przedstawiono dla pierwszej komory 28, ładunek cząstek spada znacząco gdy różnica ciśnień po obu stronach membrany 24 jest zredukowana.

189 898

Figura 3 schematycznie ukazuje wielowarstwowy układu dyfuzyjnej wymiany gazów 60 przeznaczone do maksymalizacji powierzchni dyfuzyjnej membrany 61 pomiędzy zanieczyszczonym środowiskowym strumieniem gazu 62, a mniej zanieczyszczonym środowiskowym strumieniem 64 gazu. Jak to pokazano, w rejonie R, stężenia tlenu, dwutlenku węgla, pary wodnej i innych gazów i par dyfundujących przez membranę 61 zmienia się podczas aktywnej dyfuzji. Na przykład, w przypadku przepływu laminarnego i zakładając, że stężenie wybranego lub docelowego gazu jest większe w zanieczyszczonym środowiskowym strumieniu gazu 62, stężenie C_x docelowego gazu w zanieczyszczonym środowiskowym strumieniu gazu 62 w pobliżu osi symetrii Dj jest ogólnie wyższe niż stężenie docelowego gazu Cy z powodu dyfuzji przez membranę 61. Ponieważ gaz docelowy dalej dyfunduje przez membranę 61, stężenie tlenu Ci na przeciwnej powierzchni membrany będzie większe niż stężenie C2. Po pewnym okresie czasu, stężenie C_x będzie się nadal zmniejszało i stężenie C 2 będzie się nadal zwiększało, jako że środowiskowe strumienie gazu 62, 64 dalej płyną. W warunkach przepływu laminarnego prędkość środowiskowego strumienia gazu jest generalnie największa wzdłuż osi symetrii Dl, D2 środowiskowych strumieni gazu 62, 64. Prędkość zmniejsza się w pobliżu membrany 61. Teoretycznie, dyfuzja przez membranę 61 jest limitowana przez trzy opory: pierwsza warstwa przyścienna pomiędzy C_x i Cy, membrana 61 i druga warstwa przyścienna pomiędzy Ci i C2. Opór warstwy przyściennej jest generalnie zredukowany w warunkach przepływu burzliwego.

Figura 4 schematycznie ukazuje ramę 80 stosowaną w membranowym układzie dyfuzyjnej wymiany gazów. Rama 80 ma szereg przedziałów 82 do kierowania środowiskowego strumienia gazu wzdłuż oddzielnych kanałów 84. Przedziały 82 zapewniają również oddzielenie poszczególnych warstw membrany. Układ dyfuzyjnej wymiany gazów może być konfigurowany poprzez naprzemienne układanie ramy 80 i płacht membrany (nie pokazane). Ułożone naprzemiennie ramy 80 mogą być obrócone o 180° w stosunku do siebie tak, że przedziały 82' wzdłuż części końcowych 87, 88 są w konfiguracji przepływu krzyżowego. Usuwalne części 81 utrzymują przedziały i inne składniki układu w odpowiednim ułożeniu przestrzennym podczas montażu i są usuwane po zamocowaniu układu membran. W przypadku przepływu przeciwprądowego, regiony 83a i 83b są wlotami podczas gdy 85a i 85b są wylotami. Gdy zachodzi przepływ współprądowy, 83a i 85b są wlotami i 83b i 85a są wylotami.

Figura 5 schematycznie ukazuje wielowarstwowe układ dyfuzyjnej wymiany gazów 90. Rząd membran 99 jest utrzymywany konfiguracji oddzielonej przestrzennie za pomocą rzędu przedziałów 97. Naprzemiennie ułożone warstwy środowiskowego strumienia gazu 92 przemieszczają się przez kanały 94 prostopadłe do mniej zanieczyszczonego środowiskowego strumienia gazu 98 w kanałach 96.

Figura 6 schematycznie ukazuje układu dyfuzyjnej wymiany gazów 200 stanowiący układ obróbki powietrza połączony z wymiennikiem ciepła powietrze-powietrze 202. Zimny środowiskowy strumień gazu z pierwszego obszaru wypełnionego gazem 204 dostaje się do szczeliny wlotowej 206 pierwszej ścieżki przepływu gazu 213 w górnej części strumienia 211 pod wpływem odpowiedniego środka napędowego takiego jak wentylator, pompa, kompresor, miech i tym podobne. Środowiskowy strumień gazu dostając się do szczeliny wlotowej 206 jest dostarczany do pierwszej powierzchni membrany 212 do dyfuzyjnej wymiana gazów w przestrzeni dyfuzyjnej wymiany gazów w części 210c. Membrana zasadniczo oddziela to co jest tu nazywane częścią w górę strumienia 211 pierwszej ścieżki przepływu gazu 213 od jej części w dół strumienia 215. Drugi lub cieplejszy strumień gazu 217 z drugiego obszaru wypełnionego gazem 216 kontaktuje się z przeciwną powierzchnią membrany 212 powodując dyfuzyjny przenikanie pomiędzy pierwszą ścieżką przepływu gazu 213 i drugą ścieżką przepływu gazu w części 210c. Przenikanie ciepła zachodzi także przez medium 212 w taki sposób, że zimniejszy strumień gazu 213 w miejscu 210c jest ogrzewany. Pierwszy, teraz pozbawiony tlenu, cieplejszy strumień gazu w ścieżce 213 w miejscu 210c płynie dalej w części w dół strumienia 215 strumienia przepływu 213 do miejsca 210b gdzie wymienia ciepło z zimniejszym środowiskowym strumieniem gazu z części w górę strumienia 211 w miejscu 210a, tym samym ogrzewając wpływający gaz.

189 898

Dyfuzja masy w warunkach przepływu laminamego/burzliwego

Działanie układu dyfuzyjnej wymiany gazów zależy do wstępnego wyboru pomiędzy reżimem laminamym lub burzliwym przepływu. W przypadku konfiguracji prostego kanału przepływ laminarny zachodzi przy wartości liczby Raynoldsa mniejszej niż w przybliżeniu 2300. Przepływ burzliwy rozpoczyna się przy powyżej około 2300. Liczba Reynoldsa jest definiowana jako stosunek efektów inercyjnych do efektów lepkościowych, to znaczy Re=DVp/p, gdzie p jest gęstością płynu, D jest średnicą zastępczą kanału, V jest prędkością przepływu a μ jest lepkością płynu.

Dla gazu, który płynie przez kanał, warstwa przyścienna jest definiowana poprzez część poruszającego się gazu, na którą wpływa obecność granicy ciała stałego takiego jak membrana. Dla danej membrany, grubość warstwy przyściennej wyznacza ilość gazu przeniesiona z jednej powierzchni membrany do drugiej. Grubsza laminama warstwa przyścienna promuje mniejszą wymianę gazów poprzez membranę w porównaniu do cienkiej warstwy przyściennej dla przepływu burzliwego (lepkościowa subwarstwa), która jest bliższa i przylepiona do dyfuzyjnej membrany. W tym samym czasie, przy przepływie laminamym wytwarzane są wyższe profile stężenia na długości kanału z powodu dłuższego czasu przebywania cieczy. Dla danej konfiguracji kanału istnieje optymalna kombinacja prędkości przepływu, ścieżki przepływu, szerokości kanału i długości kanału oraz jego przepustowości dla której transport masy od wejścia do wyjścia będzie zachodził z maksymalną wydajnością, biorąc pod uwagę, że wysokie spadki ciśnień przy bardzo dużej prędkości przepływu mogą być limitujące z powodu możliwości zniszczenia membrany i wysokich kosztów energetycznych.

W celu zanalizowania jaki wpływ na transport masy ma przepływ laminarny lub burzliwy przeprowadzono szereg eksperymentów w celu wyznaczenia zależności pomiędzy przenikaniem masy i reżimem przepływu w warunkach przepływu współprądowego.

Badanie dyfuzji przy przepływie laminamym/burzliwym

Urządzenie doświadczalne zastosowane w tym badaniu składało się z dwóch pojedynczych poziomych kanałów przepływowych oddzielonych od siebie membraną (materiał zastosowany w przykładzie 5 poniżej). Wymiary każdego z kanałów wynosiły: grubość 1,8 cala (3,175 mm), szerokość 0,3125 cala (7,9375 mm) i długość 4 cale (10,16 cm). Urządzenie laboratoryjne miało podobną konfigurację przepływu jak to przedstawiono na fig. 1 za wyjątkiem tego, że wlot i wylot oryginalnie były skierowane pod kątem 90° w odniesieniu do osi ścieżki przepływu i przepływ był raczej współprądowy niż przeciwprądowy.

Ścieżka przepływu w pierwszej komorze 28 zawierała ultra czysty azot (0% tlenu) i przepływ denny w drugiej komorze 30 zawierał wstępnie filtrowane powietrze z laboratorium (20,9% tlenu). Analiza dyfuzji została przeprowadzona przez przenikanie tlenu zawierającej tlen komory 30 do zawierającej azot komory 28. Ilość tlenu przenoszona do strumienia azotu była monitorowana i mierzona przy wylocie 44 ścieżki azotu. Aparatura zastosowana do wyznaczania stężenia tlenu była taka sama jak ta stosowana w dyfuzyjnych badaniach opisanych poniżej.

Spadki ciśnienia i prędkości przepływu były monitorowane przy wlocie/wylocie każdego strumienia przy pomocy odpowiednio zaworów magnetycznych i rotametrów. Tabela 1 przedstawia procentową ilość tlenu przeniesioną do strumienia azotu mierzoną na wylocie ścieżki przepływu dla współprądowego przepływu. Różnice w spadkach ciśnienia pomiędzy dwoma strumieniami wynikają z różnych wartości lepkości i gęstości poszczególnych gazów (powietrze i azot). Warto zauważyć, że przepływy zostały stopniowo powiększone do wartości 5 stóp sześciennych na godzinę (cfh), 2,36 litry na minutę (l/min) dla przepływu laminarnego i przepływy zostały stopniowo powiększone do wartości 10 cfh (4,72 l/min) dla przepływu burzliwego.

Model dyfuzji dla przepływu łaminarnego/burzliwego

Analiza eksperymentalna przeprowadzona powyżej była bardzo użyteczna do otrzymania krzywej wzorcowej poziomu wymiany gazów w tej komórce doświadczalnej.

W celu zredukowania błędów oraz procesu iteracji doświadczalnej opracowano model matematyczny dynamiki płynów (CFD) aby zweryfikować niektóre wyniki doświadczeń i pomóc dobrać bardziej korzystne modele. Kiedy już model jest opracowany, proces matema14

189 898 tycznego modelowania ma tę zaletę, że można uwzględnić zmiany parametrów które nie mogły być uzyskane eksperymentalnie.

Model matematyczny opracowano w oparciu o równania regulujące Naviera-Stokesa, które opisują dynamikę płynów i przenikanie masy zachodzące w przedmiotowym procesie. Model obejmuje obszar oddzielnych oczek siatki który odpowiada rzeczywistej geometrii (za wyjątkiem wlotów i wylotów) gdzie równania numeryczne są rozwiązane dla rozwiązania w przybliżeniu takiego samego jak stosowane w obecnym eksperymencie. Ponieważ model jest przybliżeniem rzeczywistej sytuacji, zatem gdy zostanie znalezione rozwiązanie, możliwe jest uzyskanie informacji o jakiejkolwiek lokalizacji obszaru fizycznego. Informacje na temat gradientu ciśnienia, prędkości (włączając kierunek przepływu), gradienty stężenia, całkowita przeniesiona masa itd. mogą być wyznaczone dla jakiejkolwiek lokalizacji w obrębie dyskretyzowanego rozwiązania. Opracowany model obejmował efekty laminarne i burzliwe sprzężone z rodzajami transportu masy.

W celu opracowania analizy porównawczej procesu, włączono do modelu parametry i wymiary fizyczne. Procent tlenu przeniesiony do strumienia azotu był głównym parametrem używanym do porównywania wyników doświadczeń stosowanych do porównywania wyników doświadczalnych z teoretycznymi wartościami.

Figura 7a przedstawia widok z boku stężenia tlenu dla współprądowego przepływu dla małej porcji powietrza (20,9% tlenu) i azotu (0,0% tlenu) we wlocie. Obydwa wloty są ukazane na tej figurze, ze strumieniem powietrza od spodu oraz strumieniem azotu na górze a także membraną oddzielającą przepływy z lewej na prawą stronę dla obydwu ścieżek przepływu. Istotne jest jak liniowy wzrost stężenia tlenu może być uchwycony zaraz przy wejściu do tej ścieżki przepływu. Obliczony model był dla przepływu 5 stóp sześciennych na godzinę (cfh) (2,36 l/min) stosując przepływ laminamy i całkując wartości stężeń dla górnego wylotu uzyskując 3,57%) tlenu (w porównaniu z 4,62% doświadczalnej wartości). Całkowita objętość tlenu przeniesiona na każdy przypadek może być obliczona przez pomnożenie rzeczywistej prędkości przepływu przez procent tlenu przeniesiony dla tego przypadku z tabeli 1.

Figura 7b przedstawia porównanie obliczonych wartości z wartościami eksperymentalnymi dla całkowitej objętości tlenu przeniesionej w przypadku przepływu współprądowego. Ważnym wnioskiem z tej analizy porównawczej jest fakt, że lepsze przenoszenie masy zachodzi dla większych prędkości przepływu (przepływ burzliwy). Efekty przenoszenia masy mogą być także wyznaczone ilościowo na podstawie zmian stężeń na długości ścieżki przepływu.

Figura 7c przedstawia zmiany stężenia tlenu od wlotu (x = 0) do wylotu (x = 10,16 cm) wzdłuż obu powierzchni 23, 25 membrany (w pobliżu powierzchni międzyfazowej ciało stałe/gaz) w warunkach przepływu współprądowego dla przepływu laminamego 5 cfh (2,36 l/min).

Figura 7d przedstawia te same zmiany stężenia tlenu ale dla przepływu burzliwego 140 cfh (66 l/min). Można zaobserwować, że różnica stężenia (AC) dla laminamego przepływu wynosi około 1,5% po obu stronach membrany podczas gdy różnica ta dla przepływu burzliwego (AC) po obu stronach membrany wynosi około 8%.

Tabela 1

	Przepływ przeciwprądowy
Natęż. Przepł (cfh)	Natęż. Przepł (1 pm)	Liczba Re	%0₂w azocie	AP Azot (kPa)	AP Powietrze (kPa)	AP Azot (cal H₂0)	AP Powietrze (cal H₂0)
1	2	3	4	5	6	7	8
5	2,36	328	4,62	0,02	0,02	0,08	0,07
10	4,72	656	3,27	0,03	0,04	0,14	0,15

189 898 cd. tabeli 1

1	2	3	4	5	6	7	8
15	7,08	984	2,58	0,07	0,06	0,27	0,24
20	9,44	1312	2,25	0,10	0,09	0,42	0,38
25	11,80	1640	1,98	0,16	0,14	0,64	0,57
30	14,16	1968	1,78	0,21	0,18	0,83	0,73
40	18,88	2624	1,52	0,37	0,37	1,50	1,50
50	23,60	3280	1,37	0,50	0,52	2,00	2,10
60	28,32	3936	1,26	0,65	0,60	2,60	2,40
70	33,04	4592	1,14	0,90	0,75	3,60	3,00
80	37,75	5248	1,03	112	0,90	4,50	3,60
90	42,47	5904	0,95	1,42	1,14	5,70	4,60
100	47,19	6560	0,89	1,87	1,44	7,50	5,80
110	51,91	7216	0,82	2,34	1,69	9,40	6,80
120	56,63	7872	0,79	2,51	1,99	10,10	8,00
130	61,35	8528	0,76	2,74	2,24	11 00	9,00
140	66,07	9184	0,73	3,23	2,61	13,00	10,50

Figury 8a i 8b przedstawiają osobisty układ dyfuzyjnej wymiany gazów 70. Operator 71 oddycha przez część twarzową 73 z której wydech jest wyprowadzany przez tubę wydechową 75 do modułu dyfuzyjnej wymiany gazów 72. Powietrze wydychane przez operatora 71 zawiera nizsze stężenie O2 i wyższe stężenia CO2 w porównaniu z powietrzem zewnętrznym. Zewnętrzny (zawierający cząstki) strumień powietrza 74 jest dostarczany do obiegu przez moduł do dyfuzyjnej wymiany gazów 72 w taki sposób, ze zawartość tlenu w komorze sprężonego powietrza 77 jest podniesiona i zawartość CO2 jest zredukowana. Powracające powietrze wzbogacone w tlen w komorze sprężonego powietrza 77 przedostaje się do worka oddechowego 76. Zaczerpnięcie powietrza z worka oddechowego 76 ma miejsce przez rurkę wziewną 79 przez operatora 71. Jest zrozumiałe, że zewnętrzne powietrze może być ewentualnie wtłaczane do obiegu z modułem do dyfuzyjnej wymiany gazów 72 przez wentylator lub jakikolwiek inny mechanizm.

Figura 9 przedstawia izometrycznie komorę testową 100 do badania układu dyfuzyjnej wymiany gazów 102. Komora testowa 100 jest hermetycznie oddzielona od zewnętrznego obszaru tworząc wewnętrzny obszar wypełniony gazem 104. Powietrze w zewnętrznym obszarze wypełnionym gazem 106 nie miesza się z powietrzem wewnętrznym obszarze wypełnionym gazem 104. Urządzenie ćwiczebne 120 jest wprowadzone do komory testowej 100 w celu przyspieszania zużycia tlenu przez operatora 122.

Układ dyfuzyjnej wymiany gazów 102, jak to najlepiej przedstawiono na fig. lOa składa się z wielowarstwowego modułu do dyfuzyjnej wymiany gazów 108 o ogólnej konfiguracji przedstawionej na fig. 4 z różnorodnością przestrzennych membran. Powietrze w zewnętrznym obszarze wypełnionym gazem 106 jest przetłaczane przez membrany za pomocą wentylatora 112. Powietrze wraca do zewnętrznego obszaru wypełnionego gazem przez otwór 114. Podobnie, wentylator 116 wprawia w ruch powietrze w obrębie wewnętrznego obszaru wypełnionego gazem 104 przez membrany. Powietrze wraca do wewnętrznego obszaru wypełnionego gazem 104 przez otwór 118. Komora testowa 100 i układ dyfuzyjnej wymiany gazów 102 są opisane szczegółowo w przykładzie 42. Przepływ powietrza jest regulowany przez rząd dźwigni 110, które są opisane w powiązaniu z przykładem 42.

Figura 1Ob jest graficzną ilustracją równowagi stężenia CO2 wewnątrz komory testowej 100 przedstawionej na fig. 9 dla różnych prędkości przepływu powietrza przez układ dyfuzyjnej

189 898 wymiany gazów 102. Poziome osie reprezentują natężenie przepływu zarówno w litrach na minutę jak i stopach sześciennych na minutę.

Figura lOb dalej przedstawia równowagę stężenia CO 2 w obrębie komory testowej przy różnych przepływach powietrza przez DGTM. Poziom CO 2 był mierzony przy pomocy przyrządu do pomiaru poziomu CO 2 Model 3600 dostępnego w sprzedaży w Mine Safety Appliance Co., 121 Gamma Dr., Pittsburgh, PA 15238. Warto odnotować, że równowagowy poziom CO2 początkowo spada gwałtownie kiedy przepływ powietrza przez DGTM jest zwiększony. Zmniejszenie poziomu CO 2 osiąga poziom zmniejszonego powrotu przy około 48 CFM (1360 l/min). CO 2 był wytwarzany ze stałą prędkością wynoszącą około 1,55 l/min, wartością wyznaczoną w oparciu o wytyczne z źródła Wasserman'a wymienionego poniżej zastosowane w stosunku do mężczyzny ważącego 255 Ib (115,77 kg) ćwiczącego z mocą 100 watów. Ponieważ stężenia są stężeniami równowagowymi, DGTM przenosi około 1,55 l/min CO2 dla każdego natężenia przepływu pokazanego na fig. lOa. Zwiększenie przepływu przez DGTM ma korzystny efekt redukując stężenie CO2.

Figura lOc przedstawia graficznie dwa kolejno wykonane ćwiczenia doświadczalne ukazane jako nakładające się. Górna krzywa 140 przedstawia stężenia CO2 w obrębie wewnętrznego obszaru wypełnionego gazem 104 przy prędkości przepływu przez obydwa obwody przepływu przez układ dyfuzyjnej wymiany gazów wynoszącej 680 litry/minutę (24 stopy sześcienne/minutę). Wznosząca się część 141 górnej krzywej 140 przedstawia wzrost stężenia CO2 do wartości równowagowej wynoszącej około 0,38%. W momencie 142 na krzywej 140 wprowadzono sondę mierzącą stężenia CO 2 na wylocie 118 układu dyfuzyjnej wymiany gazów 102. Stężenie CO 2 na wylocie 118 jest zasadniczo niższe niż w obrębie wewnętrznego obszaru wypełnionego gazem 104.

Figura lOc dalej przedstawia stężenie CO2 w czasie dla drugiego mężczyzny o wadze 190 Ibs (86,26 kg) ćwiczącego przy 100 watach w dwóch oddzielnych eksperymentach, obydwu pokazanych. Górna krzywa reprezentuje poziom przepływu powietrza 24 CFM (680 l/m) przez DGTM i nakładająca się niższa krzywa reprezentuje przepływ 48 CFM (1360 l/min). Dla obydwu krzywych gwałtowna zmiana stężenia była spowodowana przesunięciem sondy pomiarowej z komory do powietrza recyrkulowanego z DGTM z powrotem do komory. Dla krzywej 680 l/min, redukcja wynosi 0,23% CO2, dla 1,56 l/min przenikanie CO2 przez DGTM. Dla krzywej 1360 l/min, redukcja wynosi 0,1% CO 2 dla przepływu 1,36 l/min CO2 przez DGTM. Podobnie, niższa krzywa 144 przedstawia zredukowane stężenia CO2 uzyskane przez przepływu przez układ dyfuzyjnej wymiany gazów do 1360 l/min. W momencie 145 wprowadzono sondę pomiarową w celu pomiaru stężenia CO 2 na wylocie 118 układu dyfuzyjnej wymiany gazów 102. W chwilach 146 i 147, sonda pomiarowa została wprowadzona w celu kolejnego pomiaru stężenia CO2 w obrębie wewnętrznego obszaru wypełnionego gazem 104.

Dobór membrany

Membrany, które są stosowane w niniejszym wynalazku wykazują właściwości, które umożliwiają wyekstrahowanie tlenu z zewnętrznego powietrza bez przenoszenia zanieczyszczeń. Tlen, oczywiście, jest użyteczny do podtrzymywania życia w obrębie zamkniętej przestrzeni, kiedy tlen jest ekstrahowany z zewnętrznego powietrza przez membranę, nadmiarowy dwutlenek węgla wytwarzany podczas procesów życiowych w zamkniętej przestrzeni jest wyrzucany na zewnątrz. Membrany użyteczne do zastosowania w niniejszym wynalazku również zasadniczo blokują przenikanie zanieczyszczeń w postaci cząstek stałych. Membrana jest korzystnie wykonana z materiału polimerowego o włóknistej lub ziarnistej strukturze. Objętość pustek stanowi co najmniej 0,2 i korzystnie wynosi co najmniej 0,5 i bardziej korzystnie 0,7 lub więcej. Typowo, górna część objętości pustki wynosi 0,95, bardziej typowo 0,9. Kręte kanaliki w membranie mogą być scharakteryzowane przez pory w membranie o dostrzegalnych maksymalnych rozmiarach porów. Membrana korzystnie blokuje przenikanie cząstek nawet wtedy gdy cząstki są znacznie mniejsze niż rzeczywisty rozmiar porów definiowanych przez kręte kanaliki. Maksymalny rozmiar porów zasadniczo kompletnego zablokowania cząstek 0,1 mikrometrowych lub mniejszych może być mieć nawet 3,0 mikrometry w zależności od ciśnienia wywieranego po obu stronach membrany. Maksymalne rozmiary porów od 0,05 do 2 mikrometrów mogą zasadniczo zablokować przenikanie cząstek, nawet przy wysokich

189 898 różnicach ciśnień po obu stronach membrany. Obecna membrana może być podparta w celu zwiększenia jej wytrzymałości na rozerwanie przy wysokim ciśnieniu. W jednym z przykładów wykonania wynalazku, membrana zasadniczo blokuje przenikanie cząstek kiedy różnica ciśnień po obu stronach membrany jest większa niż ciśnienie rozerwania membrany. Membrany korzystnie blokują cząstki i nadal utrzymują wysokie wartości dyfuzyjnej wymiany gazów. Membrany według niniejszego wynalazku mają taką strukturę, że występują w nich kręte kanaliki pomiędzy górną i dolną powierzchnią membrany, które są otwarte i wypełnione powietrzem. Parametry membrany decydujące ojej wyborze obejmują:

1. Materiał membrany. W zastosowaniach gdzie jest wysoka wilgotność lub gdzie powierzchnia membrany wystawiona na działanie niskiej temperatury tak, że może zachodzić skraplanie jest korzystne zastosowanie materiału o niskiej energii powierzchniowej tak, że woda nie wnika do porów i nie zwilża ich. Właściwości termiczne materiału korzystnie polegają na tym, że są wystarczające do stosowanych temperatur, nawet kiedy membrany wykazują drobną mikroporowatą strukturę (mniej niż 1,0 mikronów). Jeżeli materiał membrany nie wykazuje wystarczającej odporności mechanicznej w różnych zastosowaniach, może być wzmocniony nakładaniem wzmacniającej warstwy. Międzyfazowe połączenie pomiędzy membraną i warstwą wzmacniającą powinno być wystarczająco mocne aby uniknąć rozszczepienia warstw podczas użytkowania bez zakłócania procesu wymiany gazów.

2. Grubość. Cienkie membrany o grubości od kilku mikronów od kilkuset mikronów są użyteczne a grubsze membrany mogą być potrzebne w zastosowaniach gdzie używane jest wysokie ciśnienie lub możliwe jest fizyczne ich zniszczenie.

3. Objętość pustek i spoistość. Regulacja i dobór spoistości lub zawartości frakcji stałej membrany jest decydująca w odniesieniu do własności dyfuzyjnych. Kiedy spoistość, wyrażona jako ułamek zwykły lub dziesiętny jest odjęta od liczby 1,0 otrzymujemy w rezultacie objętość pustek. Objętość frakcji pustek jest sumą wszystkich rozmiarów porów w obrębie membrany pomiędzy dwoma powierzchniami membrany podzieloną przez objętość membrany. Z punktu widzenia przepływu lub wymiany gazów, objętość pustek jest również przestrzenią w której taki przepływ lub wymiana może zachodzić.

4. Opór przepływu. Opór przepływu może być mierzony przez czas potrzebny do przepłynięcia danej objętości gazu przez membranę pod danym stałym ciśnieniem według Metody Doświadczalnej Gurley'a. Opór przepływu może być także wyznaczony przez pomiar ciśnienia dla danego stałego przepływu. Znajomość oporu przepływu w połączeniu ze znajomością grubości membrany, jej spoistości i gęstości polimeru z którego jest wykonana membrana prowadzi do przybliżenia zarówno skutecznej średnicy włókien Rubowa (EFD) jak i skutecznej średnicy porów Benarie-Chena. (patrz Rubow, K.: Submikrona Aerosol Filtration Characteristics of Membrana Filters, Ph.D Thesis, Univ. of Minn., p. 37-38 (1981); Benarie, M.: Influence of Pore Structure Upon Separation Efficiencies in Fiber Filters, Staub Filtration of Aerosols by Fibrous Media, R. Luft 29 (2) p. 37 (1969); Chen, C.y. Chem. Rev. 55 (6) pp. 595-623 (1955)).

5. Skuteczna średnica włókien. Skuteczna średnica włókien (EFD) jest czynnikiem mocno wpływającym na charakterystykę blokowania cząstek przez membranę. Jest to raczej wyznacznik skuteczności blokowania niż dyfuzyjnej wymiany gazów. Wraz ze średnicą porów, znajomość EFD jest użyteczna do wizualizacji struktury membrany.

6. Średnica porów. Skuteczna średnica porów (EPD) przybliża średnią średnice porów. Średnica porów dla której zaczynają powstawać pęcherzyki (BPPD) jest reprezentatywna dla największego zbioru rzeczywistych porów kapilarnych przebiegających od jednej powierzchni membrany do drugiej, niezależnie od tego czy są to kręte kanaliki czy nie. BPPD jest rozmiarem zbioru porów, które najpierw umożliwiają wypychanie zwilżającej membranę cieczy przez gaz. Obydwie te średnice porów są przedstawione w tabeli 1.

Badania związane z grubością membrany

Testy na grubość membrany przeprowadzono dla różnych sił nacisku na powierzchnię. Membrany wykazują różny stopień twardości tak, że stopień zgniecenia membrany waha się w zależności od siły nacisku i twardości membrany. Zgniecenie membrany nie powinno mieć miejsca jeśli się chce uzyskać prawidłowe wyniki pomiarów. Jest także ważne aby przyłożyć wystarczająco dużą siłę aby wygładzić fałdy tak aby wyeliminować szczelinę powietrzną

189 898 pomiędzy urządzeniem pomiarowym a powierzchnią membrany podczas pomiaru jej grubości. Aby polepszyć dokładność próbki poniżej 25,4 mikronów grubości były ułożone w 5 warstwach lub w niektórych przypadkach 10 warstwach i wyznaczano średnią grubość membrany. Grubości membran z przykładów Cl do C8 zmierzono używając Cyfrowego Przyrządu Pomiarowego ONO-SOKKI EG 133 Ono-Sokki Co. Ltd., Japan. Instrument ten odczytuje wartości do 4 x 10' cali i/lub do 1 x 10’³ mm. Fabryczna sprężyna powrotna w tym instrumencie została odłączona aby umożliwić sondzie spoczywać na próbce. Masa sondy wynosiła 37 gramów i do tej masy dołączono 100 gramów. Przygotowano specjalną przystawkę pomiarową której waga dodaje się do wagi sondy i wykonano płaskie denko o średnicy 0,508 cm (0,2 cali) w celu kontaktowania z próbką. Siła nacisku na powierzchnię membrany podczas pomiarów wynosiła 9,6 psi (6,62 x 10⁴ Pa). Grubości membran z przykładów od 1 do 40 mierzono używając przyrządu opisanego poniżej. Specjalna aluminiowa przystawka pomiarowa ważąca 11,22 gramów o 2,866 cm (1,128 cali) płaskim denku z otworem o średnicy 0,2 (0,508 cm) stosowano do kontaktowania z próbką. Całkowity ciężar działający na próbkę wynosił 148,22 gramów. Powierzchnia oddziałująca na próbkę wynosiła 6,24 cm² (0,9679 cali²) i nacisk na powierzchnię membrany podczas pomiarów wynosił 0,337 psi (2,32 kPa).

Badanie gęstości polimerowego ciała stałego

Porowate membrany mają gęstość wyznaczaną przez podzielenie masy próbki przez jej grubość i pole powierzchni. Ponieważ membrana ma pewną objętość pustek, ta wartość gęstości jest niższa niż rzeczywista gęstość polimeru z którego wykonana jest membrana, która powinna być wyznaczana jak to opisano poniżej.

Próbki były ważone w powietrzu z dokładnością do 0,00001 gramów. Jeżeli ciężar próbki był niższy niż około 0,1 gramów, ilość materiału membrany do pomiarów była zwiększana dopóki waga nie podwyższyła się do powyżej 0,1 gramów. Zapisywano wagę próbek. Próbki były umieszczane w małym (około 20 mm wysokości i 40 mm średnicy) perforowanym, aluminiowym, cylindrycznym pojemniku umożliwiającym wyważenie przy podparciu w środkowej części. Pojemnik korzystnie ma perforowane ścianki, pokrywę oraz dno i waży poniżej 20 gramów. Do środka pokrywy przytwierdzona była pojedyncza nitka nylonowa zaopatrzona w małą pętelkę na drugim końcu. Waga pojemnika wraz z nitką była wyznaczona z dokładnością do 0,00001 gramów.

Próbka i pojemnik zostały umieszczone w 150 ml zlewce wypełnionej w około połowie odaromatyzowanym heptanem. Próbka została odgazowana pompą próżniową w szklanym dzwonowatym słoju w którym można uzyskać ciśnienie bezwzględne 1 mm Hg. Zaobserwowano wydzielanie gazu z próbki. Pęcherzyki wydostające się w miarę obniżania ciśnienia były typowymi pęcherzykami powietrza. Pęcherzyki uwalniane pod niższym ciśnieniem oznaczały wrzenie heptanu. Wypompowywanie było powtarzane dopóki nie zaobserwowano wyłącznie wrzenia heptanu i nie pojawiały się nowe pęcherzyki po zaprzestaniu pompowania. Od tego momentu pojemnik i próbka trzymane były w heptanie w celu uniknięcia dostania się powietrza. Ponieważ próbka ochłodziła się podczas procesu wrzenia heptanu było konieczne odczekanie aż osiągnie ona temperaturę pokojową. Zlewka i pojemnik zostały zawieszone na wadze i pojemnik został unieruchomiony za pomocą nylonowej nitki. Dodano heptanu aż pojemnik znajdował się poniżej jego powierzchni. Działało to lepiej kiedy zrobiono węzeł na nitce wyznaczający poziom heptanu. Pojemnik został zważony będąc zawieszony w heptanie. Ważne było aby pojemnik zwisał swobodnie w heptanie. Ciężar pojemnika był odejmowany aby uzyskać ciężar membrany zawieszonej w heptanie. Objętość części membrany będącej ciałem stałym uzyskano najpierw odejmując ciężar próbki w powietrzu od ciężaru próbki w heptanie a następnie dzieląc tą różnicę przez gęstość heptanu w temperaturze pokojowej. Następnie, gęstość części membrany będącej ciałem stałym została wyznaczona przez podzielenie wagi próbki membrany w powietrzu przez objętość części będącej ciałem stałym wyznaczoną powyżej.

Opór przepływu przez membranę

Opór przepływu powietrza przez membranę mierzono zgodnie z Metodą A, ASTM-D-726-58. Aparatura doświadczalna którą zastosowano był to Teledyne Gurley Densometer Model 4110 i Densometer Control Unit 4136/4137 obydwa dostępne w Teledyne Gurley, Troy, New York. W doświadczeniu poddano 1,0 cal kwadratowy (6,45 cm2) próbki membrany działaniu powietrza pod ciśnieniem 4,88 cali wody (1,215 kPa). Ilość sekund potrzebna na

189 898 przepływ 50 cm³ powietrza została odnotowana. Te „sekundy Gurley'a” są następnie odnoszone liniowo do oporu przepływu ponieważ im dłuższy czas, tym wyższy jest opór przepływu.

Średnica porów przy której zaczynają powstawać pęcherzyki

Pomiary średnicy porów przy której zaczynają powstawać pęcherzyki dają w wyniku skuteczną średnicę porów (EPD) w mikronach. Doświadczenia przeprowadzono zgodnie z ASTM-F-(316-86, Metodą Doświadczalną, która jest tutaj przedstawiona ponieważ przerwano prace nad nią w 1995 r. Metoda doświadczalna pozwala wyznaczyć maksymalny rozmiar porów i wykonuje się ją na wstępnie zwilżonej próbce zwiększając ciśnienie strumienia gazu w jego górnej części we wcześniej wyznaczonym stopniu i obserwuje się czy w dolnej części strumienia są pęcherzyki w celu wyznaczenia maksymalnej średnicy porów próbki. Metoda doświadczalna wyznaczania punktu powstawania pęcherzyków jest oparta na założeniu, że zwilżająca ciecz utrzymywana w kapilarnych porach próbki przez siły kapilarne i napięcia powierzchniowego i minimalne ciśnienie potrzebne do wypchnięcia cieczy z tych porów jest funkcją średnicy porów. Ciśnienie przy którym pojawia się stały strumień pęcherzyków nazywane jest ciśnieniem pęcherzykowania. W celu przeprowadzenia doświadczenia próbkę o średnicy 47 mm umieszczono na podtrzymującym dysku, którego pierwsza warstwa jest siatką 100 lub ekranem a druga jest perforowaną płytką metalową dla usztywnienia. Jako gaz zastosowano argon i metodę skalibrowano dla zwilżającej cieczy składającej się z 3M Fluorinert (TM), FC-43 dostępnego w 3M Specialty Chemicals División, 3M Center, St. Paul, MN. Wytworzono pochylnię ciśnieniową regulowaną przez urządzenie deklarowane jako ica-Scan Wet-flow Instrument dostępny w International Consultants Association, Encinitas, CA. Ciśnienie mierzono za pomocą Ashcroft Model KI przetwornika ciśnienia dostępnego w Ashcroft, podległy Dresser Industries, Instrument División, Milford, CT. Do pomiaru przepływu gazu przez zwilżoną membranę zastosowano Vacuum General Model USX2-11 dostępny w Vacuum General, San Diego, CA skalibrowany na 10 standardowych centymetrów sześciennych przepływu gazu na minutę (stabilny strumień pęcherzyków). W celu obliczenia maksymalnego rozmiaru porów zastosowano Metodę Obliczeniową ASTM-F-316-86 z paragrafu 9,1 w następujący sposób:

d = (C) (y) / (P) gdzie:

d = graniczna średnica, jam y = napięcie powierzchniowe, (dyna/cm)

P = ciśnienie w psi lub Pa

C = stała (2860 kiedy p jest podane w Pa, 0,415 kiedy p jest podane w psi)

W przypadku zastosowania Fluorinert (TM) FC 43, wynikiem C i y jest 6,64 dyn/cm.

Charakterystyka membrany

Różne membrany odpowiadają kryteriom opisanym powyżej. Membrana wykonana z mikroporowatego polimeru wykazująca korzystne właściwości dyfuzyjnej wymiany gazów jest opisana w Patencie Amerykańskim Nr 5,260,360 przez Mrozinskiego i innych. Mrozinski ujawnia membranę zawierającą różnorodność losowo rozproszonych, o nieregularnym kształcie cząstek termoplastycznych, z których część jest oddzielona od innych zapewniając sieciowe kanaliki pomiędzy nimi, a część jest połączona z innymi za pomocą włókienek.

Mikroporowaty polimer z którego jest wykonana może stanowić jakikolwiek materiał 0 zasadniczo ciągłych małych otworach o krętych kanalikach na swej grubości. Podczas gdy korzystne jest aby cała powierzchnia materiału membrany była porowata, membrany wykonane z ciała stałego lub nieporowate regiony wraz regionami porowatymi mogą mieć zastosowanie w szczególnych przypadkach. Rozmiar porów w materiale membrany będzie zasadniczo mniejszy niż grubość materiału. Inne membrany użyteczne ze względu na korzystne właściwości dyfuzyjnej wymiany gazów obejmują: membrany z przestrzennie zorientowanymi cząsteczkami takie jak opisane US 4, 777,073, US 4,347,844, US 5,176,953 i US 5,317,035; zimne gęste membrany które stają się porowate przez obróbkę na ciepło i zimno takie jak te opisane w US 5,013,439, US 3,839,240, US 3,426,754, US 3,843,761, US 3,801,404 i US 3,801,692; oraz inne membrany termicznie wzbudzane i separowane takie jak opisane przez US 4,867,881, US 4,539,256 i US 4,519,909. Różne membrany nie wymienione tutaj mogę być także użyteczne w niniejszym wynalazku.

Lista membran wybranych w oparciu o kryteria wskazane powyżej jest wymieniona w tabeli 2:

189 898

Tabela

Ścisłość

| 64.12 1

116.06 J

136.93 |

118.24 |

58.05 |

Tt oo co Tj*

tr, co \© SO

r- o tri Ό

| 44.71 1

r- CS CS

IT) © s co

335.74 |

147.17 1

Os OO

446.51 |

CS sp tT CS CO

225.42 |

| 131.13 1

co co iri r—

93.07 |

| 99Ό9

Γ— rt oś CS

249.62 |

101.26 |

Skuteczna 1 średnica porów (Benaire) (mikrony)

| 0.102 |

0.164

0.115

0.158

0.378

0.295

0.426

0.696

| 1.034 1

| 0.166 1

2.970 |

0.043 |

| 0.532 1

9860

0.216

0.423

0.195

| 0.486 1

0.834

0.679

1.106

Ό Γ- ιο

0.281

0.577

•—· ^*Ί 3 C Q 0 O h. 43 U M p X 06 -H - E

| 0.050 |

0.120

0.262

0.205

0.347

sO CS O

0.282

0.350

| 0.455 |

| 0.214 I

2.831

to SD © ©

0.500 |

OO ©

0.264

0.450

Os to d

| 0.293 |

0.474

to, Os iO O

Ι96Ό

1.625

0.195

0.440

Punkt pęcherzykowania

| 0.62 1

ó

00 o

r—4 ó

0.46

sO Ó

O ITJ O

CS Cs d

γ- γο O

IT) Γ- ιο

IO © ©

© ©

CS © ci

4.43

Os CS ©

10 10 ©

0.83

0.45

0.76

4.93

0.23

0.70

Gurley

| 20.0 1

28.0

327.50

55.0

O OŚ

O oó

©

<c

o ©

CS

<r> cś Tt tn

co

<O co

O tO

55.5

tp to

1 11-7 1

00 00

Cs co

00

00 d co

9.40

• 0 ΤΊ -U Λ ω O D CŁ

| 0.828 1

^“4 cs r- ó

0.240

0.500

0.640

co so ó

o uo u- ©

0.824

| 0.854 1

CS © tn ©

so CS SD ©

ci cO SD ©

SD CS 10 d

co 00 to ©

co 00 sO O

| 0.778 1

Cs Γ- d

Γ- ΙΟ SD d

T“H sD sO ©

o Cs Ό O

SO CO Γ- o

90Ζ.Ό

1 Gęstość plimeru (g/cm³)

| 0.940 1

0.940

0.929

Cs CS Cs ©

Os co Os ©

Tjir> ·—(

O Γ- ΟΟ ©

r— δ ©

| 096Ό

096Ό

0.960 j

096 0

co sp «—t

| 1.613 |

to CS tp

00 co

CO cs

i

O Γ- γο —H

U) «5% i * S m d cH

| 0.033 1

0.143

0.366

0.247

0.206

Cs d

| Ι6ΤΌ

tn co CS d

| 0.209 |

r- SO ©

r- s

Ό CS d

0.775 |

066Ό

© 3

1.537

Tt co sD d

| 0.679 |

C- Os to O

0.801

Γ- ΟΟ Γ- o

0.547 |

cO Γ— d

6990

Grubość (mikrony)

| 14.78 |

39.12

37.08

38.10

43.94

cs tri CS

58.93

103.24

| 108.97 1

| 76.96 1

CS co © cs CS

r- Cs oś CS

r- Os \D 10

167.89

195.07

275.08

| 0688

| 135.89 |

135.99

r- CS

134.87

SD CS CS CS

CO © tri Tt

CO r— cś

1 Oznaczenie membrany

|3M 839-3B |

3M 1069-1X1

§ Cs 1 2 co

3M 817-8

3M 826-4

3M 826-8

3M 930-2C

3M 1030-1 B

|3M 1213-2D |

|3M 1216-9 |

3M BMF-2.7 |

Celgard 2400 |

Tyvek 10-1056D |

Tyvek 1O-1O73D

Tyvek 10-1079 |

Tyvek 10-1085D

CostarMFO.l pm |

E =Ł CS © u rt υσ O O

Gelman GN-6 0.45pm

E ZŁ CS © © © CJ CŁ H c C3 £ 7) O

Gelman TF 450 .45 pm

[Gelman TF 1000 1 pm |

Gelman Supor 100 0.1 pm

Gelman Supor 450 0.45 pm

Numer przykład u

-

CS

co

υη

O

r--

00

Os

©

-

CS

co

10

sO

r-

oo

Cs

, 20

Ol

zz J

CO C-l

O CS

189 898

© ©

cc © © cc

MC © CM CM

3 CC ©

CC O CC 3

O oś CM

Γ- ΟΟ vć ©

Cs © OŚ

00 cc 00 cc

MC Os cć CM

CM MC Γ-

| 31933 1

CM MC © MC

144.633 |

00 oś ©

Tf O

oo r- •—1 't

Tt oo © o

Os •M^- cc O

rC MC r—-

CM mc CM ©

Tt mc Tt ©

CM CM Γ-

Γ- © CM

cc © 00 ©

Γ- Γ- ΟΟ

CM CM cc ©

CM M~) ©

CS © ©

Γ- O0 ci

os os ó

OO Tt ©

cc CM cc ©

cc Γ- ΟΟ ©

CM cc CM

CM © Γ- O

3 ©

Tt Cj Γ;

os © CM ©

CC © cc ©

c Cs

CC 00 cć

r- ©

cc © cc

CS C^ CC

Cs CM

C-J cc

CM Os O

cc MC

00 CM cć

r-

CM CM O

© ©

* #

©'

«M ©

CM CM ©

Os © ci

00 CM cć

Os Γζ rć

ΜΊ cć

O

oó

MC © -H

r- ©

MC ©

oo vć

MC ó

O

CC CM

CM

O) CM CM

© ©

Os

Tt *—9

O

MC © d

Cl M- c ó

CM © Ó

os © Γ- ©

CM Γ— O

oo Γ- O

mc cc o o

Cs CM Γ- ©

CM CM OO o

Γ- MC © O

00 cc © ©

M- co © ©

Tt Γ- © ©

r- ©

OO 3 ©

MC 00 ©

Os s O

CM ©

O c- CC

C-

r-

O 00 CM

r- ©

Γ- 4

cs CM CM

MC Γ-

r-F MC Γ-

cc © CM r—ł

cc © CM

CC © CM < 1

cc © CM

cc © CM i—<

CC 8

o ©

MC Cs 00 ©

Ol r- O

C Γ- cc ó

Γ- © CM ©

CM © CM

00 © MC ©

Γ- TT © —1

t—H © © CM

r- © CM

Os Γ- cc ó

Os rt © ©

CM O ©

MC Os © ©

CM © © ©

Os © O

3 ©

3 o

C\ 00 mĆ π

CM CM 00

cc O mc

CC Cs © O

CC © O ''t CM

MC Os OŚ rC

00 © oo Tt •“H

r- Cs TT CM

V) O 3 -H

00 © CM cC wF

00 os cć os

Γ- os CM Γ-

0s Os MĆ

Cs mĆ

OS OO MC

CM CM © r-H

CM 00 ©

CM OO ©

MĆ Cl

Gelmnn Supor 800 0.8 pm

E 3 CM s CM u. O 3 73 X u- O > i T5 O

6 3 cc © o © CC t-> O Ph CJ X L-. <υ > c Λ ε To O

£ 3 MC O © mc Tf H m c C3 ε 75 O

£ 3 MC © O c C3 >> Z c « £ 3

£ 3 mc © mc < fJ O c 75 O

X X C3 O Q Lc H c 73 £ o O

£ 3 CM CM u. I §

E cc £ O 3 §

E =t 00 ε o - §

E Z3_ MC Tf © O u. O P4 ci l_ 3 Q £ o _Q-

£ 3. MC 4) u O P. CJ u 3 Q <u u< O .O- !

E © MC X E S O L- o o- i

£ 3. © X c 4) U< O o.

£ 3. -H © V3 £ o Oh O N Λί <

£ 3. CM © X υ £ o 0- o 3 <

-χ- ε Μ) O © υ 3« u 2 o U

* £ 3. MC © © O 0- u 5 X O U

* E a. —H © O P- S X O U

# E 3 CM O O a. u. — X O U

* E a. CM U c. ł— 2 X O U

•y· E 3 CC G 3 F. rt X O U

* £ 3 CM G 3 1— Λ X O G

* u c o Q CO c .E H

mc CM

C' CM

oo CM

os OM

cc

<N CC

CC cc

cc

MC CC

Γ— cc

co cc

Os cc

c

CM U

cC u

M- U

MC U

© G

r- G

co G

Rozmiary porów były zbyt małe co pomiauu za pomocą dostępnggu urzadzenaa z powodu ograniczńń ciśnienia C1-Ct są to mew:óh^j.ste/z^^j^r^^!ttu membrany, tań więt pomiat EFD jest niemożliwy.

189 898

Dla Cl, nieznacznie negatywny rezultat dla objętości pustek wskazuje na to, że prawdopodobnie objętość pustek jest bardzo mała. Ponieważ cały szereg doświadczeń wykorzystuje tę wielkość jest prawdopodobne, że objętość obliczona na podstawie grubości i pola powierzchni była nieznacznie zawyżona powodując, że obliczona na podstawie objętości masa była większa niż zmierzona. Termin warstwowość w prawej kolumnie tabeli 2 oznacza zmierzoną ilość warstw w strukturze membrany. Warstwowość jest równa poczwórnej grubości membrany pomnożonej przez frakcję będącą ciałem stałym podzielonej przez π (3,1416) i skuteczną średnicę włókien (EFD). Ta wartość jest użyteczna do wizualizacji doświadczalnej liczby spotykających się cząstek lub cząsteczek gazu na drodze z jednej strony membrany na drugą stronę membrany.

Badanie dyfuzyjnej wymiany gazów

Przeprowadzono dwa związane ze sobą doświadczenia w celu wyznaczenia właściwości membran dotyczących dyfuzyjnej wymiany gazów. W pierwszym z nich badano ilość dyfundującego lub permeującego gazu przez jednowarstwową membranę. W drugim badano właściwości dyfuzyjne wielowarstwowej membrany. Strumień objętościowy dyfuzji O2 w powietrzu wynosi około 0,20 cm² na sekundę. Teoretyczne największa prędkość dyfuzji tlenu przez membranę jest mniejsza lub równa prędkości dyfuzji tlenu przez powietrze.

Badanie membrany jednowarstwowej

Figura 11 przedstawia komórkę doświadczalną do badania dyfuzyjnej wymiana gazów 150 o identycznych dolnej i górnej części 152, 154. Regulowane strumienie 5,00 litrów na minutę (l/min) są dostarczane do górnej komory sprężonego powietrza 151 i dolnej komory sprężonego powietrza 153, odpowiednio i następnie przez 100 jednakowo oddalone otwory 156 o średnicy 0,10 cm (0,04 cali) długie na 0,32 cm (0,125 cali). Te otwory przekształcają przepływ gazu w szereg małych strumieni, które uderzają prostopadle w powierzchnię membrany. Strumienie te uderzają w taki sam sposób w górną i dolną powierzchnię membrany 158. Układ osiemdziesięciu dwóch podtrzymujących słupków 160 (9 jednostek x 9 jednostek) jest umieszczony pomiędzy strumieniami w celu utrzymywania membrany na środku.

Słupki podtrzymujące wywierają również niewielki nacisk na membranę 158 ale nie zmieniają jej wymiarów. Strumienie z dysz 156 dostarczają pierwszą mieszaninę dyfundujących gazów do obu powierzchni membrany 158 a także odbierają drugi dyfundujący gaz który przechodzi przez membranę. Następnie gazy odpływają od membrany 158 przez wszystkie czterdzieści otworów 161, 163 o średnicy 0,125 (0,32 cm), które są jednakowo oddalone po dziesięć na każdą stronę dookoła miejsc komórki 150 o jednakowej długości po każdej stronie membran 158. Strumień po każdej stronie membrany 158 dostaje się następnie do bocznych komór a następnie przenika do szczelin wylotowych 162, 164, odpowiednio.

Mieszanina gazów o znanym procencie zawartości tlenu lub dwutlenku węgla ze zbalansowanym azotem była dostarczana do górnej części komórki i 100 procentowy azot był dostarczany do dolnej części komórki. Przepływy były mierzone za pomocą specjalnego przepływomierza opisanego w części zatytułowanej „Badanie przepływu gazu”. Stężenia tlenu były mierzone za pomocą Series 1100, Model. Nr 1 100A0103110002000000, (603) Servomex Analyzer Control, dostępnego w Servomex z Norwood, MA. Kiedy dwutlenek węgla był stosowany, stężenie było mierzone za pomocą Model aq-01 kontrolera jakości powietrza dostępnego w Metrosonics, Lnc. of Rochester, NY. Ciśnieniomierz o skali wyskalowany na zero i zdolny do pokazywania różnicy ciśnień tak małej jak 0,01 cali wody (2,49 Pa) był przyłączony do górnej i dolnej części komórki aby zapewnić równowagę ciśnienia pomiędzy górną i dolną częścią komórki.

Ilość przedyfundowanego, na przykład tlenu, jest wynikiem przemnożenia stężenia tlenu w strumieniu azotu (niższe) przez wypływ z dolnej części komórki. Dokładny wypływ może być wyznaczony z bilansu masowego tlenu lub azotu za pomocą równań algebraicznych. Ponieważ dyfundujące ilości tlenu i azotu są w przybliżeniu równe, wypływy są zbliżone do 5,00 l/min wpływu i stosowanie w obliczeniach 5,00 l/min wpływu jest dobrym przybliżeniem ilości dyfundującego gazu. Na przykład, w przykładzie 19 z membraną Gelman GN-6 o grubości 0,45 pm przeniesione zostało 6,74% O2 do strumienia 50 l/min dla całkowitej ilości przeniesionego O2 wynoszącej 0,337 l/min.

189 898

Tabela 3 przedstawia rezultaty dyfuzji dla membran badanych w „Badaniu membrany jednowarstwowej” przy zastosowaniu dwutlenku węgla i tlenu jako gazów. Im wyższa wartość tym lepsze są dyfuzyjne właściwości membrany.

Tabela 3

Nr próbki	Oznaczenie badanej membrany	Przenikanie tlenu przez membranę jednowarstwową (%O2 w wylocie N2)	Przenikanie dwutlenku węgla przez membranę jednowarstwową (ppm CO2 w wylocie N2)
1	2	3	4
1	3M 839-3B	7.11	1435
2	3M 1069-1X1	6.48	1335
3	3M KN-9400	3.33	587
4	3M817-8	6.27	1269
5	3M 826-4	6.86	1420
6	3M 826-8	6.96	1460
7	3M 930-2C	6.93	1446
8	3M 1030-1B	6.77	1456
9	3M 1213-2D	6.83	1424
10	3M 1216-9	5.10	992
11	3M BMF-2.7	6.05	1181
12	Celgard 2400	4.20	1053
13	Tyvek 10-1056D	2.36	412
14	Tyvek 10-1073D	2.43	475
15	Tyvek 10-1079	0.91	207
16	Tyvek 10-1085D	1.46	250
17	Costar MF 0.1 gm	6.60	1340
18	Costar MF 0.2 gm	6.74	1377
19	Gelman GN-6 0.45 gm	6.74	1405
20	Gelman TF 200 0.2 gm	6.11	1265
21	Gelman TF 450 0.45 gm	6.15	1233
22	Gelman Tl⁷ 1000 l gm	6.28	1278
23	Gelman Supor 100 0.1 gm	6.39	1330
24	Gelman Supor 450 0.45 gm	6.72	1361
25	Gelman Supor 800 0.8 gm	6.77	1362
26	Gelman Versapor 1200 1.2 gm	6.27	1219
27	Gelman Verspor 3000 3 gm	6.61	1297
28	Gelman HT-450 0.45 gm	6.57	1329
29	Gelman Nylaflo 0.45 gm	6.40	1267
30	Gelman GLA-5000 5 gm	5.72	Niewystarczająca próba

189 898 cd. tabeli 3

1	2	3	4
31	Gelman Thick Glass	4.90	934
32	Millipore MF 0.22 μμ	6.61	1317
33	Millipore MF 3 μμ	6.86	1368
34	Millipore MF 8 μιη	6.85	1363
35	Millipore Durapore 0.45 μμ	6.53	1295
36	Millipore Durapore 5 μμ	5.69	1121
37	Millipore Mitex 5 μηι	3.75	724
38	Millipore Mitex 10 μμ	5.57	1060
39	Akzo Poretics 0.1 μμ	6.56	1321
40	Akzo Poretics 0.2 μμ	6.44	1281
Cl	Costar PC 0.015 μμ	1.77	285
C2	Costar PC 0.05 μμ	6.63	1288
C3	Costar PC 0.1 μιη	6.77	1447
C4	Costar PC 0.2 μμ	6.91	1446
C5	Costar PC 2 μηι	6.71	1383
C6	Costar PC 3 μηι	6.95	1442
C	Costar PC 12 μμ	6.91	1419
C8	Thin Silicone	0.01	0

Badanie membrany wielowarstwowej

Przy badaniu membrany wielowarstwowej stosowano to samo wyposażenie i metodykę jak przy badaniu membrany jednowarstwowej opisanym powyżej. Badanie membrany wielowarstwowej umożliwiło wyznaczenie efektywnych współczynników dyfuzji gazów wewnątrz struktury membrany. W celu wyznaczenia właściwości dyfuzyjnego przenikania przez membranę jest niezbędne oddzielenie tego co dzieje się wewnątrz membrany od efektów warstwy przyściennej w pobliżu obu powierzchni membrany. Właściwości membrany mogą być wyznaczone przez szereg doświadczeń w których zwiększone powierzchnie membran będących poszczególnymi warstwami są naprzemiennie ułożone i znajdują się w bezpośrednim kontakcie. Słupki podtrzymujące 160 ukazane na fig. 11 podtrzymują poszczególne membrany 158 tworząc stos membran będących w bezpośrednim kontakcie. Aby przeprowadzić badanie stosu, bada się jedną membranę, następnie dwie, następnie cztery i na końcu dziewięć. Dla każdego z tych badań litera L oznacza następujące wyrażenie oparte na prawie Fick'a:

Ilość przedyfundowana = (D A C) /L

Ilość przedyfundowana wyrażona jest w (cm³/s)

D to współczynnik dyfuzji (cm2/s)

A oznacza powierzchnię (39,44 cm2)

C jest średnim gradientem stężenia (dziesiętnym)

L długość drogi dyfuzji (cm)

Współczynnik dyfuzji D uzyskano z podręcznika Perry's Chemical Engineers' Handbook, Fourth Edition (McGraw-Hill). Pole powierzchni A zostało wyznaczone przez odjęcie całkowitej powierzchni 81 słupków podtrzymujących 160 opisanych powyżej od całkowitej powierzchni 158. Średni gradient stężenia został obliczony z wyjściowego i wejściowego stężenia tlenu. Na przykład, jeżeli strumień powietrza zawierającego 20,90% tlenu i 79,10 procent azotu jest wprowadzony na górną powierzchnię stosu membran i równorzędny przepływ

189 898 azotu przy 0,00 procentach tlenu, na niższą powierzchnię stosu membran i jeżeli wypływ z górnej powierzchni zawiera 14,59% O2 i niższej powierzchni 6,27% O2, średnie stężenie na górnej powierzchni wynosi (20,90 + 14,59) podzielone przez dwa lub 17,745. Średnie stężenie na niższej powierzchni wynosi (6,27 - 0,0) podzielone przez dwa łub 3,135. Średni gradient stężenia O2 po obu stronach membrany zatem wynosi (17,745 - 3,135) lub 14,61%. W wyrażeniu na dyfuzję jest to wyrażone jako ułamek dziesiętny 0,1461. Wyrażenie po lewej, ilość przedyfundowana jest wyznaczone w badaniu jednowarstwowej membrany. Zgodnie z informacjami przedyskutowanymi powyżej L może być obliczone.

L ma trzy składowe. Jeżeli przepływy gazów skierowane pod i nad membranę są równe, warstwy przyścienne gazu powyżej i poniżej membrany są równe i każdy stanowi równy składnik L. Dla tych dwóch składników L dodany jest wpływ stosu membran dla poszczególnych testów. Ponieważ ilość warstw się zwiększa, wpływ warstwy prz.yściernnej na L pozostaje na stałym poziomie więc zmiana wartości L spowodowane jest tylko dodatkowymi membranami. Tak więc jest możliwe oddzielenie tego co się dzieje wewnątrz membrany od efektów warstwy przyściennej.

Tabela 4 przedstawia rezultaty badania membrany wielowarstwowej. Przez odjęcie efektywnej grubości dyfuzyjnej membrany dla jednej warstwy całkowitej efektywnej grubości przenikania otrzymuje się równoważną grubość warstwy przyściennej w nieruchomym powietrzu. Kiedy rezultaty tych obliczeń są uśredniane dla membrany z tabeli 4 otrzymujemy w rezultacie 0,176 cm. Ta wartość jest to całkowita równoważna grubość warstwy przyściennej w nieruchomym powietrzu dla górnej i dolnej warstwy przyściennej w zastosowanych warunkach. Podczas przeprowadzania tych doświadczeń jest dopuszczalne zastosowanie nieznacznie innej całkowitej równoważnej grubości warstwy przyściennej w nieruchomym powietrzu o grubości pomiędzy 0,17 i 0,18 cm, jakkolwiek, ta wartość musi być utrzymywana na stałym poziomie dla poszczególnych testów porównawczych.

189 898

Tabela

Proporcja skutecznej grub. dyf. do rzecz, grub. (bezwymiarowa)

10.8 |

CM cń

CM

8.9 |

FJ s© cn

Grubość pojedynczej warstwy membrany z Ibb.2 (mikrony)

00 cn

Os cn ft

oo Ff

-2 Η -o § co 3 >, •H rj 'to Tł - Q £ .3 8 -2 'f i -1 5 y ⁰¹sM

n f*) Ό fF

P IZ) m rF

00 os oo © rF

Całkowita stkuteczna grubość dyfuzj i

•n P- F cm ©

rF ©

0-1 m n CO O

F* 00 iz) ©

O\ 00 ©

P- P- © CM ©

FF CM 3 O

Ff p © cn ©

«Zł Os fF ©

fF CM CM • ©

00 Ff a «5

fF Os © cn ©

P- cn 00 ©

«η IZ) CM ©

Ff O CM ©

CM cn w* cn ©

fF 00 CM ©

Ff s© Os cn ©

CS Ο» rH *© ©

00 v> m ©

n & ~

FF ©

«η © CM Pl ©

IZ] © F* ©

O\ ©

IZ} P· PI cn ©

Ff os CM ©

o a O

«Ζ) fF cn ©

IZ) cn fF cn ©

cn a ©

m ©

«Ζ) IZ) «Zł cn ©

Os fF cn ©

tZ) 00 P’ CM ©

«Ζ) PA Ff CM ©

<Z) fF '«O CM ©

IZ} fF © PI ©

Ln 00 cn rF ©

S© X © ©

Gradient stężenia

P- <n Ft fF ©

Ff «Ζ) rF ©

O\ Ff © fF ©

$ t> ff ©

Ff Os cn rF ©

p· cn Ff FF ©

3 IZ) FF ©

00 Os m r-J ©

P © Ff fF ©

Ff © Ff rF ©

«η rF ©

s© fF ©

00 cn rF ©

cn in Ff fF ©

cn cn «Zł rF ©

<n © ^F o

P· m IZ) 1-F o

8 so rF ©

Ff fF X rF ©

Os Os fF ©

A o) (« gj S 5 8 » 5 ot > λ;

Ff CC © ©

Z) iz> © ©

rF Ff Ff © ©

Cp CM CP © ©

00 Os s ©

IZ) «η ©

00 00 IZ) © ©

CM Os Ff © ©

cn $ © ©

P CM © © ©

OS FT © O

fF rF t- © ©

oo cn s© © ©

«Zł «η © ©’

IZ) 00 Ft © ©

cn Pl IZ) © ©

m © Ff © ©

P- P- CM © ©

CM P- rF © ©

O ·* ' E? .2 2 <5 2 8 - N £ 2 8 OT S Λ!

00 iz) rr ©

cm Ff «Zł rF ©

ov Ff © rF ©

©S © P- ©

OS cn n- ©

X θ' «η ©

P © ©

IZ) © Ff i-F ©

a <n fF ©

00 cn fF ©

m «Ζ) Ff FF ©

Pl cn IZ) rF ©

IZ} © \© ^4 O

3 IZ} fF ©

§8 S© O

«z> 00 ff ©

Os rF Os ©

Liczba warstw

-

PI

00

FF

CM

Ff

00

FF

CM

Ff

00

fF

CM

FT

X

fF

PI

Ff

00

i Ś3 N M ϋ Ό § 1 N fc O

sp Ό <υ Prl CO ’ >1 t*· M CO dl a ~ m

U Ί r> 'ł 1 to ot 00 c S m

Ί 3 Ό H * >, M u| Ϊ4

Q CM m i—1 CM H a m

σ τ Π rV Λ l· i- Q

s 5 3 d q 4 1

m n σ> cn 00 S cn

Ί fl rS Λ t- X £

3 0 H ć >1 -1

o o et Ό h rt tn H 0 U

c Γ Ί C

\! H 3 U > M M

189 898

			p ci rC				OO				ci				uc d m Cl —H				p ID				sQ Tt CC
			<ο\ Ό				188.0				o d CM				O d				O d				C\ d
			5515.4				os ''t cc CC				cc CC				7502.9				305.6				204.0
0.657	Ό Ο LC cc	00 Γ Γ' ci	c\ Γ*- Ο cs	00 CC ο CM Ο	0.2434	0.3117	0.4456	00 O CM d	c\ uc CM O	0.3184	Cs <-C d	s© cc CM O	Μ^- CS o OO —	C\ O uc CC	6.506	0.2039	rc O CM d	0.3167	0.439	0.1903	0.2192	0.2603	0.3418
0.1315	0C SO Ο d	ΜΊ <“C Ο Ο	0.0195	0.3315	0.2925	UC cc Tt Cl O	0.183	0.3265	KS O Cs Cl O	0.2395	8ΤΌ	tri 00 00 O O	CM vc O d	uc ρ- η o d	«—< O d	m cC CC O	ΥΊ un Cs CM d	0.2405	0.1855	O- 'Tt CC d	0.315	0.2785	0.2265
0.1826	0.1964	0.2021	0.2051	0.1428	0.1505	0.1604	0.1723	0.1438	t—4 d	0.1611	C^i C- d	2 σ\ d	0.1988	t— cc o CM d	0.2062	0. 1429	3 d	0.161	0.1721	0.1396	0.1459	0.1532	0.1636
cC SO CM Ο d	0.0136	6900Ό	0.0039	0.0663	0.0585	0.0487	0.0366	cC uc SO O O	0.0581	0.0479	0.036	0.0117	0.0104	uc MC g d	0.003	0.0663	Cs uc o o	0.0481	0.0371	C\ g d	0.063	0.0557	0.0453
0.1824	0.1953	CI Ο CM Ο	0.2051	οο οι Tf Ο	0.1504	o c o	0.1722	0.1438	1/Ί d	0.1611	cC c- •M d	UC OS d	66ΙΌ	00 CC o CM d	0.2064	0.143	CM O tn d	19Γ0	0.1722	0.1395	0.1458	0.153	0.1635
-	C1	^τ	00	-	CM		OO	—4	Cl		00	—4	CM	'd·	00	»—4	CM		00	-	CM		00
Tyvek 10-1073D (przykład 14)	Gelmak Versapor 300k 3.0 (Przykasd 27)	Millipore Durapore 0^,45 (Przykaed 25)	Cornink Costar 0.015 (Przykład porównawcyy C1)	Cornink Costar 0.05 (Przykład poróvmawcyy C2)	Cornink Costar 0.10 (Przykład porównawczy C3)

189 898

Wybrane membrany z grupy obejmującej przykłady 1-40 wykazują doskonałe właściwości dyfuzyjnego przenikania w porównaniu do membran z porównawczych przykładów Cl do C8. Dla danej grubości niższe wartości efektywnych grubości dyfuzyjnych membran dają doskonałe właściwości wymiana gazów. Stosunek wartości współczynników dyfuzji jest liczbowo równoważny stosunkowi dyfuzyjnej efektywnej grubości membrany do rzeczywistej grubości. Stosunek współczynnika dyfuzji wybranego gazu takiego jak tlen w wybranej temperaturze i ciśnieniu w nieruchomym powietrzu od efektywnego współczynnika dyfuzji tego samego gazu wewnątrz membrany w tych samych warunkach temperatury i ciśnienia wynosi od 1,03 do 500.

Badanie przepływu gazu

Dokładny pomiar objętości przepływającego gazu jest decydującym czynnikiem przy pomiarach przepływu dyfuzyjnego dokonywanych przy wyznaczaniu właściwości dyfuzyjnych membrany. Następująca metoda pozwala na wyznaczenie przepływu z dokładnością lepszą niż 0,5 procent. Bezwzględna dokładność zależy od sposobu kalibracji pomiarów. Przy zastosowaniu objętościowych przyrządów do pomiaru przepływu gazu bezwzględne błędy są ograniczone do mniej niż około jeden procent. Metoda jest oparta na prawie HagenaPoiseuille'a:

Q = (π d⁴ γ h_L) / (128 p 1)

Q jest to objętościowa natężenie przepływu (cm³/min) d jest to średnica (cm)

μ. jest ciężarem właściwym (gr/cm³) hL jest spadkiem ciśnienia w przewodzie (cm przepływającej cieczy) (i jest to lepkość gazu (gr sek/cm2) jest to długość przewodu (cm)

Dla ułatwienia w dużej aluminiowej rurce umieszczono równolegle więcej niż 350 kapilarnych 24 skalowanych rurek średnicy wewnętrznej 0,012 cali (0,0305 cm) i długości 2,605 cali (6,617 cm). Przestrzenie między kapilarami zostały wypełnione żywicą tak, że przepływ mógł się odbywać wyłącznie przez wnętrze kapilar. Ten układ został wykalibrowany przez zapieczętowanie części kapilar dając w rezultacie przyrząd na którym spadek ciśnienia wynosił 249 Pa (1,0 cali słupa wody) dla każdego przepływu powietrza litr na minutę. Wstępna kalibracja została dokonana z powietrzem i następne kalibracje zostały dokonane dla tlenu, azotu i innych stosowanych gazów. Ta kalibracja jest konieczna ponieważ metoda jest uzależniona od właściwości poszczególnych stosowanych gazów. Duża rurka z zatopionymi mniejszymi rurkami nazywana jest HP rurką. Komórka do badania dyfuzyjnej wymiany gazów ma górną i dolną część z których każda jest zdolna do przyjmowania i oddawania strumieni. Do dalszego użytku, dla nominalnego natężenia przepływu wynoszącego 5 l/min przez zarówno górną dolną część, spadek ciśnienia na komórce wynosi 8,0 Pa (0,032 cali słupa wody).

Aby wykalibrować HP rurki, każda z nich została wypełniona gazem, który aktualnie badano (powietrze, O2, N 2) i koniec każdej z nich został połączony z objętościowym przepływomierzem Singer Model DTM 115 dostępnym w American Meter Co., Horsham, P. Okazało się, że ciśnienie potrzebne aby objętościowy przepływomierz Singer pracował wynosiło pomiędzy 4,98 a 374 Pa (0,02 i 0,15 cali słupa wody) i uśrednione w czasie około 19,93 Pa (0,08 cali słupa wody). Przez podłączenie HP rurki do przepływomierza Singer w celu kalibracji oraz przez zastąpienie przepływomierza komórką do badania współczynnika dyfuzji, jest pewne, że przepływy dla danego punktu kalibracji są równe zakresu dokładności wymaganego w tym opracowaniu. Przepływy opisywane w niniejszym wynalazku są przepływami objętościowymi.

Wyznaczenie charakterystyk blokowania cząstek i obciążenia membran

Okazało się, że wydajność membran waha się w odniesieniu do potrzeb niniejszego wynalazku. Jednym z najważniejszych kryteriów jest zdolność membrany do zasadniczego blokowania przenikania cząstek przez jej mikroporowatą strukturę. Niniejszy wynalazek wymaga zasadniczo całkowitego blokowania cząstek wraz z drugim głównym kryterium wysokiej wydajności dyfuzyjnej wymiany gazów w rzeczywistych warunkach kiedy są obecne cząstki potencjalnie zanieczyszczające. Trzecim kryterium jest mechaniczna integralność. Mając na

189 898 uwadze powiązania między tymi kryteriami, membrany mikroporowate są użyteczne w niniejszym wynalazku jeżeli spełnione są następujące warunki:

1. Wybrane membrany całkowicie blokują przenikanie cząstek kiedy nie występuje różnica całkowitych ciśnień (suma ciśnienia statycznego i dynamicznego) po obu stronach membrany. Takie membrany wykazują minimalne użyteczne zdolności do blokowania cząstek.

2. Wybrane membrany całkowicie blokują przenikanie cząstek kiedy całkowite ciśnienie po obu stronach membrany jest poniżej maksymalnego ciśnienia odnotowanego po obu stronach membrany podczas jakiegokolwiek etapu pracy zdefiniowanego pracującego urządzenia.

3. Wybrane membrany umożliwiają dyfuzyjne przenikanie gazu i cząsteczek pary przez mikroporowatą strukturę.

4. Wybrane membrany całkowicie blokują przenikanie cząstek kiedy całkowite ciśnienie po obu stronach membrany jest poniżej maksymalnego ciśnienia zdolnego do rozerwania, rozwłóknienia lub naruszenia integralności membrany

5. Wybrane membrany utrzymują wysoki poziom dyfuzyjnej wymiany gazów kiedy są znacząco obciążone cząstkami stałymi w konkretnym zastosowaniu.

Minimalna zdolność do blokowania cząstek.

Połączenie warunków (1), (3) i (5) jest użyteczne dla urządzeń, w których membrany są stosowane do całkowitego zablokowania przenikania cząstek równocześnie umożliwiając przenikanie gazów. Rozważmy zamkniętą przestrzeń oddzieloną od zewnętrznego zanieczyszczonego środowiska. Rozważmy dalej warunki dla których zachodzi wyrównanie ciśnienia pomiędzy zamkniętą przestrzenią i zewnętrznym zanieczyszczonym środowiskiem. Podtrzymanie procesów życiowych lub procesów zużywania i generowania gazu w obrębie zamkniętej przestrzeni z zasadniczo całkowitym zablokowaniem cząstek może być uzyskane przy membranie według wynalazku umieszczonej pomiędzy zamkniętą przestrzenią i środowiskiem zewnętrznym w warunkach wolnej lub naturalnej konwekcji która nie wywiera znaczącego ciśnienia po obu stronach membrany. Membrany wykazujące minimalne właściwości blokowania cząstek są użyteczne w takim urządzeniu.

Charakterystyka blokowania cząstek przy niskich ciśnieniach

Połączenie kryteriów (2), (3) i (5) jest użyteczne w urządzeniach które są stosowane do całkowitego zablokowania przenikania cząstek umożliwiając równocześnie przenikanie gazów jak następuje. Rozważmy zamkniętą przestrzeń w której umieszczono (a) moduł membranowy, b) wentylator i system przewodów do cyrkulacji powietrza przez moduł membranowy i c) drugi wentylator i system przewodów do cyrkulacji powietrza z zewnętrznego zanieczyszczonego środowiska do i przez moduł membranowy i z powrotem do środowiska zewnętrznego. Skuteczne działanie takiego urządzenie jest osiągane kiedy różnice ciśnienia pomiędzy zanieczyszczoną i niezanieczyszczoną częścią modułu membranowego są w obrębie określonego zakresu dla którego zachodzi całkowite blokowanie cząstek przez membranę.

Charakterystyka blokowania cząstek przy wysokich ciśnieniach

Połączenie kryteriów (2), (3) i (5) jest użyteczne w urządzeniach które są stosowane do całkowitego zablokowania przenikania cząstek umożliwiając równocześnie przenikanie gazów jak przedstawiono. Rozważmy zamkniętą przestrzeń w której umieszczono (a) moduł membranowy zdolny do pracy przy wysokim ciśnieniu, b) wysokociśnieniowy wentylator i system przewodów do cyrkulacji powietrza przez moduł membranowy i c) drugi wysokociśnieniowy wentylator oraz system przewodów do cyrkulacji powietrza z zewnętrznego zanieczyszczonego środowiska do i przez moduł membranowy i z powrotem do środowiska zewnętrznego. Wysokie ciśnienia po obu stronach membrany są użyteczne do wytwarzania warunków przepływu burzliwego wewnątrz modułu membranowego oraz są także użyteczne w przypadku gdy czynnikiem limitującym w module membranowym są wąskie ścieżki przepływu do maksymalizacji wydajności dyfuzyjnej wymiany gazów.

Wysokie ciśnienia po obu stronach membrany wprowadzają konwekcję jako drugi ważny mechanizm wymiany gazów. W zależności od konfiguracji i połączeń pomiędzy modułem membranowym a pierwszym i drugim wentylatorem wysokociśnieniowym i systemem przewodów może zachodzić niewielkie polepszenie całkowitej wymiany gazów dla danego gazu takiego jak CO 2.

189 898

Przykłady

Procedury doświadczalne.

Do wyznaczania charakterystyk blokowania cząstek przez membrany stosowano dwie różne metody doświadczalne. Pierwsza metoda była stosowana aby przeprowadzić co następuje:

1. Warunki zerowej różnicy ciśnienia: fig. 14 przedstawia urządzenie laboratoryjne zasadniczo według fig. 1, w którym przedmiotowa membrana 24' jest umieszczona pomiędzy dwoma przeciwnie położonymi komorami 28', 30' aby zapewnić zerową lub bardzo bliską zeru różnicę ciśnień po obu stronach membrany. Odpowiadające sobie części są oznaczone podobnymi odnośnikami liczbowymi. W dolnej komorze utrzymuje się powietrze pozbawione cząstek przepuszczając przez nią ultra-czyste powietrze w ilości około 0,7 l/min. Zaopatrzenie w oczyszczone powietrze jest realizowane przez przepuszczanie sprężonego powietrza przez wieloetapowy, przez przepływomierz i przez zamknięty system rur wlotowych 182 jak to pokazano. Zamknięty przepływ przez rurę wlotową 182 o natężeniu 4-5 l/min pozwala uniknąć wywierania ciśnienia na dolną komorę 30' i zminimalizować szansę dostania się zanieczyszczających cząstek do rury wlotowej 182 przez kąpiel w ultra-czystym powietrzu. Pomiędzy rurą wlotową 182 i zamknięciem 180 znajduje się prześwit dający w rezultacie pierścieniową przestrzeń do przepływu wokół rury wlotowej 182. Przepływ przez dolną komórkę 30' jest utrzymywany na poziomie 0,7 l/min przez pompę próbkującą w urządzeniu mierzącym ilość cząstek Portacount Plus dostępnym w TSI, 1nc., z St. Paul, MN.

Cząstki są dostarczane do górnej komory 28' przez przepuszczenie 4-5 l/min powietrza przez generator dymu. Dym generowany był z jednego końca bawełnianej liny, produkt nr 10196 Southgate (TM) linka dostępna w Wellington Leisure Products Inc. of Madison, GA. Polimerowy rdzeń liny został usunięty i pozostawiono tylko zewnętrzny bawełniany oplot, który umieszczono na izolowanej i ognioodpornej powierzchni ceramicznej dna odwróconego 5 galonowego wiadra. Większość zanieczyszczonego dymem powietrza przepływało do okapu wyciągowego. Mniejszy strumień około 0,7 l/min powietrza zanieczyszczonego dymem przepływał przez pierwszy zawór, do pompy przeponowej i przez drugi zawór.

Strumień wlotowy do pompy był regulowany przez pierwszy zawór a strumień wylotowy z pompy był regulowany przez drugi zawór. Następnie strumień przechodził przez 3 litrowy zbiornik buforujący, przepływomierz i do górnej komory 28' urządzenia doświadczalnego. Stwierdzono, że warunki zerowej różnicy ciśnień można osiągnąć przez ograniczenie ograniczeń przepływu wypływającego z górnej komory 28' i przez zrównoważenie strumieni do 0,7 l/min tworząc jeżeli jest to możliwe, identyczne warunki z punktu widzenia mechaniki płynów w górnej i dolnej komorze 28', 30' komórki doświadczalnej. Rozkład średnic cząstek dymu był mierzony za pomocą TSI Scanning Scanning Mobility systemu pomiarowego dostępnego w Thermo Systems Inc. St. Paul, MN. Rozkład rozmiarów cząstek był symetryczny wokół głównego rozmiaru cząstki wynoszącego 0,12 pm i rozciągał się do rozmiaru nie większego niż 0,60 pm i nie mniejszego niż 0,03 pm.

Aby przeprowadzić doświadczenia na wybranej membranie, umieszczano tę membranę pomiędzy górną i dolną komorą i równoważono przepływy. Strumień w dolnej, wolnej od cząstek komorze początkowo może zawierać cząstki ponieważ był on otwarty na dostęp cząstek podczas montażu membrany (zwykle około 2000-5000 cząstek na cm³). Jeżeli strumień ten stopniowo staje się czysty w czasie kiedy nie występuje różnica ciśnień po obu stronach membrany, można wyciągnąć wniosek, że membrana jest skuteczną barierą dla cząstek przy zerowej różnicy ciśnień. Jeżeli strumień w dolnej komorze nie zmierza do zera lub jeżeli stężenie cząstek w tym strumieniu zwiększa się można wyciągnąć wniosek, że membrana nie jest skuteczną barierą dla cząstek przy zerowej różnicy ciśnień. W powyższym eksperymencie celem jest stwierdzenie czy cząstki mogą być przenoszone przez membranę wyłącznie na drodze dyfuzji.

2. Warunki małej różnicy ciśnienia: aparatura doświadczalna przedstawiona na fig. 1 stosowana podczas badań dla zerowej różnicy ciśnienia została zmodyfikowana tak aby umożliwiała poddawanie badanych membran działaniu niskiego ciśnienia zanieczyszczonego powietrza. Niższa komora i aparatura została użyta taka sama jak do badań dla zerowej różnicy ciśnienia. Do górnej komory i aparatury dodano zawory nastawcze i przeliczeniowe w celu ograniczenia przepływu przez górną komorę. Ta konfiguracja umożliwiała zwiększanie

189 898 ciśnienia w górnej komorze i jego regulację w zakresie niskich ciśnień jak to przedstawiono na fig. 13.

Figura 13 graficznie ukazuje skuteczność różnych membran jako bariera dla cząstek w funkcji małej różnicy ciśnienia po obu stronach membrany. Membrany są wymienione wzdłuż lewej osi tej figury. W miarę poruszania się wzdłuż osi y, znajdują się membrany 0 większych rozmiarach porów, większych włóknach, mniejszych polach powierzchni iniższej masie. Region 200 przedstawia penetrację cząstek a region 202 przedstawia brak penetracji cząstek. Jak jest to widoczne na fig. 13, membrany C6, 38 i C7 nie blokują cząstek, nawet przy zasadniczo zerowej różnicy ciśnień. Membrany w niższej części fig. 13 zasadniczo blokują cząstki przy wyższych zmierzonych różnicach ciśnień. Z drugiej strony niektóre membrany blokujące cząstki wymienione na osi y mogą nie wykazywać optymalnej prędkości dyfuzji. W konsekwencji, dla wszystkich zastosowań jest ważne zbadanie zarówno prędkości dyfuzji jak i właściwości blokowania cząstek. Figura 13 podaje ciśnienie przy którym przenikają pierwsze cząstki. Jeżeli cząstki przedostają się przez membranę przy zerowej różnicy ciśnień tak jak w pierwszych trzech przykładach, cząstki przenikają wyłącznie na drodze dyfuzji. Przez poddanie membran tej próbie jest możliwe wyszukiwanie i eliminacja membran które mogą być dalej rozważane w praktycznych zastosowaniach według niniejszego wynalazku, które nie spełniają kryteriów próby na przenikanie cząstek wyłącznie na drodze dyfuzji.

3. WaruiWi ruysokiey różni cr ciśnienia: wcelu ustalenia charakterrstykr btokowania cząstek membran przy wysokich róCnicace ciśnień aż do ciśnień powodujących rozerwanie membrany kiedy nie jest ona wzmocniona na odcinku który w sposób uzasadniony i użyteczny może występować w module membranowym, przeprowadzono następujące testy. Strumień wytwarzany przez sprężarkę tłokową został przyłączony do długiego na 48 cm i o średnicy wynoszącej 31 cm zbiornika powietrza o pojemności około 55 litrów. Powietrze pod ciśnieniem wypływało ze zbiornika przez regulator ciśnienia do komórki doświadczalnej zawierającej membranę wzmocnioną szkliwem. Kawałek szkliwa miał średnicę czołową 2,85 cm i pory o rozmiarach w przybliżeniu 50 mikronów tak aby umożliwić swobodny przepływ powietrza dając równocześnie pełne podparcie membranie, powierzchnia szkliwa była gładka i obejmowana przez aluminiową nakładkę połączoną z okrągłą uszczelką na obwodzie kawałka szkliwa. Przepływ przez membranę był mierzony przy pomocy aparatu Porta-count w celu wyznaczenia stopnia przenikania cząstek przez membranę. Test przeprowadzono najpierw wypełniając zbiornik sprężonym powietrzem pobranym z pokoju które następnie przepływało przez membranę przy czym stopniowo zwiększano ciśnienie za pomocą regulatora ciśnienia. Ciśnienie i przepływ przy którym zaobserwowano pierwsze cząstki zostało odnotowane. Jeżeli nie pojawiały się cząstki aż do maksymalnego ciśnienia 50 PSI (344,7 kPa), membranę poddawano badaniu za pomocą bardziej adekwatnej metody używając bawełnianej liny opisanej powyżej przy testach przy niskiej różnicy ciśnienia. Sprężono dym w zbiorniku i powtórzono test tak jak wyżej. Jeżeli nadal nie wykryto cząstek w strumieniu po przejściu przez membranę odnotowywano maksymalne ciśnienie. Jeżeli stwierdzono obecność cząstek dymu w strumieniu po przejściu przez membranę odnotowywano ciśnienie przy którym to miało miejsce. Tabela 5 obrazuje pracę membran badanych w warunkach wysokiej różnicy ciśnienia zarówno przy stosowaniu cząstek znajdujących się w pokoju jak i większego stężenia cząstek dymu. Membrany z przykładów C4, 18 i 25 wykazują przenikanie cząstek podczas pierwszego testu nawet przy relatywnie niskich stężeniach cząstek w pokoju co powoduje, że nie ma potrzeby przeprowadzania testu w cięższych warunkach. Membrana z przykładu 1 przeszła pomyślnie test na przepuszczanie cząstek znajdujących się w pokoju ale test z dymem wykazał przenikanie przy stężeniu cząstek dymu 570,000 cząstek na cm³. Membrany z przykładów 15 i Cl nie mogły być zbadane ponieważ na obu występuje wysoki spadek ciśnienia tak, że nie było możliwe wytworzenie wystarczającego przepływu do prawidłowego przeprowadzenia testów przy pomocy aparatu Portαcaunt. Jak to jasno wynika z tabeli 5, pozostałe membrany przedstawiają zasadniczo całkowite blokowanie cząstek nawet przy ciśnieniu w zakresie 45-50 PSI (310-345 kPa).

189 898

Tabela

/b =*α> — ^,f) ;! id O n 'to o 0? M J U -n 5 s? £ Ό Οι

tt o tt o γ- ιο

O o o tt tt c\

O o o o rr ot

o o tt o 00 PM

o 3 o o O\

O tt o tt *o rt

o o o o 00

o o o tt 00 Tt

o o tt to

tt tt F—

tt tt tt tt' tt CN

c> d o ®\

o o CS d o 05

tt tt tt tt tt

tt tt tt tt tT

tt tt tt tt TT PO

-* F Φ <ti R-l Ł ² o

oo tt tT eo

00 TT TT PO

oo TT PO

oo Tf *T PO

oo TT TT PO

00 TT TT PO

00 TT tT po

00 3 π

00 τί TT PO

00 3 PO

00 τί tT PO

OO 3 PO

00 TT TT PO

tt F—< PO PO

• Φ CD •“i fl •H S <5 c — S g φ M >i o i cn ω ω n Jz O χη ·—(U 4-’ -1 2 CO u

tt to

o to

tt to

O to

o to

o IZ)

tt to

o IZ)

tt to

o >c

tt to

00 TT

O 2 •Η Π r* S ^π -H g i ” s 1% ^N Ib (J

$r OJ z

ej z

CJ z

o z

4) z

Φ z

CJ z

OJ z

ej z

OJ z

ej Z

Z

OJ z

<> ‘S? o 'V '(Ą Q U U Γ o ·> E J, 0 —1 to _xpi X ¹ '3 Bl i ) * υ

tt o o o to

o o o tt PO

o o c V? Ί·

o o o 00 Tt

o o o d <*)

o o o d c3

o o o 00 T±

tt o o 00 W“

tt tt tt tt tH

o o o d >Z)

o d <Zj

tt tt tt to TT

o o o >Z) \©

tt o o

tt 00

o CS o d -rf

• Q) i—1 H 5 'V 5t r-4 Oj 0) r: Λ5 Λί -U) — S ΰ

oo Tf PO

co 3 PO

00 TT tT PO

03 3 pO

cc τί tT PO

00 3 PO

00 τί tT PO

o ł“ po PO

Φ PO

03 3 PO

00 TT Tt PO

00 3 PO

o T·^ po

00 TT TT PO

co TT TT PO

O PO po

• 0 (V ι-H C <-. Π1 JO C — E g Φ M >i 0 -H W to (fl C fb χΐ 0 — frt jj τ-t a w υ

o IZ)

o to

O to

o to

00 TT

to TT

tt to

to TT

tt to

o IZ)

oo TT

0) -Η N ! 3 f § ;& rj

ej Z

e> Z

ej z

ej Z

Φ Z

e> Z

z

-Si z

Z

ej Z

OJ Z

£ 4) £ d ej N U Cu

Z

ej Z

2 Z

'Π (U § % (D •h £» S ill U fc Π3 C N O

00 r^· vs PO

TT 1 tt rt ec *< rr,

00 « tt rq 00 *-· <o PO

u PN 1 o PO CS £ PO

tt ł-H t o po tt s po

Q PN po PN s PO

s© »“4 —1 s PO

e ® Ί· Γ) O Ctf < 0 J 0 U

©s r- tt tt >

ta c es < H E O ~ 0 o

ci X Z < £ E J a ω o 0 =

® ta E- Z £ ε ś =- ω =: 0

π Ό ‘0 2 •J

r-H

PN

Ό

TT

ITj

tt

r-

00

Os

tt »—4

PN

to i-H

r-

©\ r-4

tt PN

PN

γν PN

189 898

435,000	100,000		250,000	200,000	390,000	670,000	250,000		100,000 1	6400000 \|
344.8	344.8		344.8	344.8	344.8	344.8	344.8		oo Tf fG	344.8
O »G	OS		50	50	50	50	50		© T)	O *G
Nie	Nie	Tak	Nic	Nie	4> Z	Nie	Nie		Nie	Nie	Tak	20,0)00 \|Tak
O o © CG	50,000	15,000	15,000	60,000	45,000	30,000	40,000		24,000	55,000	45,000
344.8	344.8	© O\	344.8	344.8	344.8	00 τί Tf CG	344.8		00 n rr	344.8	34.5	© oś ©
o Ti	50	©	50	O U)	50	O G	50		© T)	O IG	m	O ł—1
Nie	Nie	Tak	Nic	Nie	Nie	Nie	Nie	Przep wew	z	Ł) Z	Tak	Tak
GELMAN SUPOR 1000.1 gm	GELMANN SUPOR 450 0.445 gm	GELMAN N SUPOR 800 0.8 gm	Ul TT © © IZ) •η· H S Z < S ε C a.	GELMAN NOLALLOW 0.45 gm	MILL1PORE DURA PORE 0.45gm	AKZO PORETICS 01 gm	AKOO PORETICS 0.2 gm	COSTAR PC 0.015 gm	COSTAR PC 0.05 gm	COSTAR PC 0.10 gm	COSTAR PC 0.20 gm	COSTAR MF 0.2 gm
	ci	IG d	28	Os Cl	IG fO	OS <G	O	3	Cl U	fG O	u	GO

g to

G

-Q £

Φ e

o

H

C

0)

N

Ό

O

Λί

N cn □

ω

Z ni

O

Ό

O

Cl (/)

Π3 >

£}

Ό 'tn

O

G υ

G) .O

O

-C υ

H

G)

N

G>

•H

0)

O m

N ω

o •rs

G>

H g

Ό

CL

Φ >—I ω φ

-M cn ω^-

M

O

Ό '<n o

ή

G3 o

ϋ o

4-1

O

U fj +

189 898

Tabela 6

Numer przykładu	Oenynzknih badanej membrany	Ciśnienie rozerwania (kPa)
1	3M 839-3B	55.20
2	3M 1069-1XI	151.7
3	3MKN-9400	186.2
4	3M 817-8	358.6
5	3M 826-4	234.5
6	3M 826-8	144.8
7	3M 930-2C	89.6
8	3M 1030-1B	124.1
9	3M 1213-2D	55.2
10	3M 1216-9	620.6
12	CELGARD 2400	379.2
15	TYVEK 10-1079	brak rozerwania
17	COSTAR MF 0.1 μμ	110.3
18	COSTARMF 0.2 μμ	82.8
19	GELMAN GN-6 0.45 μμ	220.7
20	GELMAN TF 200 0.2 μμ	213.8
21	GELMAN TF 450 0.45 μμ	206.9
22	GELMAN TF 1000 1.0 μμ	193.1
23	GELMAN SUPOR 100 0.1 μμ	248.3
24	GELMAN SUPOR 450 0.45 μμ	75.9
25	GELMAN SUPOR 800 0.8 μμ	241.4
28	GELMAN HT-450 0.45 μμ	289.6
29	GELMAN NYLAFLOW 0.45 μμ	310.3
32	MILLIPORE MF 0.22 μμ	137.9
35	MILL1PORE DURAPORE 0.45 μμ	193.1
39	AKZO PORETICS 0.1 μμ	103.4
40	AKZO PORETICS 0.2 μμ	103.4
C1	COSTAR PC 0.015 μμ	324.1
C2	COSTAR PC 0.05 μμ	117.2

4. Badanie na tozrt2wamo: i^żek szkki wa z wyżej opitanegb nesto zostuł oattapiony otwartym pierścieniem aluminiowym o zewnętrznej średnicy 2,85 cm, wewnętrznej średnicy 2,40 cm i 0,70 cm wysokości. Ułożono dwa okrągłe stalowe pręty o średnicy 0,23 cm, równolegle do siebie na przedniej krawędzi pierścienia w odległości 0,90 cm przy czym każdy pręt był oddalony o 0,45 cm od średnicy pierścienia. Pręty umieszczone na górnej powierzchni pierścienia tworzyły podparcie dla membrany w taki sposób, że membrana rozciągnięta była na szerokości 0,9 cm i na długości 2,4 cm. W celu wyznaczenia właściwości membrany jeżeli chodzi ojej wytrzymałość na rozrywanie zwiększono ciśnienie dopóki membrana nie pękała

189 898 i odnotowywano maksymalne ciśnienie jak to przedstawiono w tabeli 6. W przypadku kiedy przeprowadzano doświadczenia z membraną wielowarstwową ze zmieniającym się kątem pod jakim umieszczona jest membrana odnotowywano najmniejszą wartość.

5. Test nT nbciyżamo cenśtknmi: tan test n^^nacza ayoiyość wobram^ó mambrahy do utrzymywania wysokiej wydajności dyfuzji w rzeczywistych warunkach eαaieczyseczenia i potencjalnego zatykania. W tych warunkach natężenie konwekcyjnego przepływu wymuszanego przez różnicę ciśnienia po obu stronach membrany jest zależne od przepuszczalności dla strumienia powietrza i ten strumień wpływa na proces obciążania membrany cząstkami. Rezultaty testu na obciążenie z fig. 12a i 12b (kolejne testy) mogą być przenoszone dla membran mogących być badanymi w tych warunkach. Aparatura doświadczalna była tak skonstruowana aby wystawić dwie próbki membrany na działanie tego samego strumienia powietrza zawierającego cząstki w aerozolu lub formie ciała stałego. Każda była podparta krążkiem spieku o rozmiarze porów około 50 mikronów. Krążek był umieszczony w ramie tak, że jego krawędzie pokrywały górną powierzchnię ramy. Aktywna powierzchnia każdej membrany wynosiła 2,5 na 2,5 cali (6,25 na 6,25 cm) dla całkowitej 6,25 cali kwadratowych (40,32 cm2). Kawałek gumy wulkanizowanej na zimno (RTV) o grubości 0,6 cm o dwóch kwadratowych otworach obejmujących aktywną powierzchnię membrany i o odpowiedniej długości i szerokości aby pokryć obwód krążka został umieaeczaao nad membraną. Kawałek gumy został wprowadzony aby zapewnić zastąpienie kawałka membrany aieporowatej i ukazać warunki braku przepływu. Porowaty krążek obejmował komorę a komora miała szczelinę wylotową prowadzącą do rurki zaopatrzonej w zawór ciśnieniowy w celu umożliwienia pomiaru spadku ciśnienia na membranie i krążku. Rurka wylotowa była podłączona do pompy powietrza a wylot z pompy był połączony do jedaogαlonowego zbiornika wyrównawczego w celu zrównoważenia pulsacji. Wyjście ze zbiornika wyrównawczego było podłączone do przepływomierza.

Membrany z przykładów 8 i C3 były wystawione obok siebie na działanie powietrza znajdującego się w pokoju poza czasem potrzebnym do pomiaru zmian charakterystyk membran. Poziom cząstek stałych w pokoju był mikreono za pomocą Pnrtacouat Plus Model 8020 Quαatitative Respirator Fit Tester dostępnego w TSI, Inc., St. Paul, MN. Ilość cząstek mieściła się w zakresie od około 1000 do 8000 cząstek na centymetr sześcienny powietrza. Jak to jest ukazane na fig. 12a, przepływ przez membranę w przykładzie C3 wynosił 9,4 l/min dla czasu trwania testu dłuższego niż 400 godzin. Procentowa wartość przenikania O2 przenikania jest przedstawiona na lewej pionowej osi a spadek ciśnienia na membranie jest przedstawiony na prawej pionowej ^ΐ. Czas jest przedstawiony na poziomej osi. Przepływ przez membranę z przykładu C3 wynosił początkowo 9,4 litry/minutę i był utrzymywany na poziomie 9,4 litrów/minutę przez pierwsze 95 godzin, po których spadek cibaΐeaia na membranie był zbyt duży aby utrzymać początkowy przepływ. Badanie dyfuzji dla membrany jednowarstwowej było przeprowadzane w odstępach aby umożliwić zachodzenie zmian właściwości membrany determinujących wydajność wymiany gazów. Warto zauważyć, że nawet dla obciążenia zanieceyszceeniymi membrany z przykładu C3 było nicsee niż obciążenie membrany z przykładu 8, własności membrany z przykładu 8 determinujące wydajność wymiany gazów pozostawały mezmikank lub tylko bardzo aiezaaszaik zmienione podczas testu podczas gdy właściwości membrany z przykładu C3 determinujące wymianę gazów pogorszyły się do jednej dziesiątej pierwotnych wartości.

Figura 12b ukazuje rezultaty uzyskane dla membrany zastosowanej w przykładzie 2 w porównaniu z membraną z przykładu C2. Membrana z przykładu 2 wykazuje albo całkowity brak zmian lub tylko bardzo nieznaceak zmiany właściwości determinujących dyfuzyjną wymianę gazów po 477 godzinach testowania przy natężeniu przepływu 9,4 litrów/minutę. Co ciekawe, właściwości determinujące dyfuzyjne przenikanie masy były bardzo nieznaczne podczas gdy zaobserwowano zauważalny wzrost spadku ciśnienia na membranie. W przypadku membrany z przykładu C2, właściwości determinujące dyfuzyjne przenikanie są zauważalnie pogorszone i spadek ciśnienia na membranie wzrasta znacząco w czasie krótszym niż 200 godzin. Nie było możliwe utrzymanie przepływu przez membranę z przykładu C2 na poziomie pełnych 9,4 l/min wciągu całego testu. Tak więc, membrana C2 była badana w lżejszych warunkach w porównaniu z membraną z przykładu 2.

189 898

6. Badanie dymi any mazów ao traptowantu canstkcmi: w tym teście, początkowa wartość wymiany tlenu przez wybraną membranę jest wyznaczana w sposób opisany w „badaniu membrany jednowarstwowej”. Grubość warstwy przyściennej w nieruchomym powietrzu uznaje się za stałą w obrębie zakresu od 0,17 do 0,18 cm. Wybrana membrana jest kolejno poddawana działaniu cząstek stałych tak jak jest to opisane w „badaniu obciążenia cząstkami stałymi” tak, że zmiana spadku ciśnienia przy wybranym natężeniu przepływu na jednostkę powierzchni dla powietrza zawierającego cząstki wynosi 25% lub więcej. Wybrana membrana jest następnie ponownie testowana metodą opisaną w „badaniu membrany jednowarstwowej” w celu wyznaczenia wynikowej wydajności wymiany tlenu po traktowaniu cząstkami stałymi. Warstwa przyścienna w nieruchomym powietrzu musi być utrzymywana na tym samym poziomie jak „badaniu membrany jednowarstwowej”. Kolejne procentowe zmniejszenie się wydajności wymiany tlenu przez membranę jest wyznaczane na podstawie wydajności wymiany tlenu przed i po „teście na obciążenie cząstkami”.

Przygotowanie próbek

Patent US. 4,539,256 (Shipman) udzielony 3 września 1985 r. na rzecz obecnego zgłaszającego, dotyczy wytwarzania mikroporowatych materiałów stosowanych w przykładach 1-3 i ujawnia sposób wytwarzania mlkrokoroóαtego materiału składający się z etapów topienia mieszanki krystalizujących termoplastycznych polimerów ze związkiem który jest rozpuszczalny w termoplastycznym polimerze w temperaturze stapiania polimeru ale wydziela się jako oddzielna faza w temperaturze niższej niż temperatura krystalizacji polimeru, formowania ukształtowanego produktu z mieszanki stopionych substancji, chłodzenia ukształtowanego produktu do temperatury w której termoplastyczny polimer krystalizuje powodując oddzielenia faz pomiędzy termoplastycznym polimerem a związkiem, oraz skierowanie tego produktu w co najmniej jednym kierunku zapewniając powstanie sieci wzajemnie połączonych mikro^rów. Drugi patent, dotyczący wytwarzania mikroporuóatych materiałów specyficznie do przykładów 4-9 US 4,726,989 (Mrozinski) scedowany na obecnego zgłaszającego i udzielony 23 lutego 1988 r., ujawnia sposób wytwarzania mSkroporowłtego materiału obejmujący następujące etapy: topi się mieszaninę krystalizujących termoplastycznych polimerów z mieszającym się z nimi związkiem i środkiem nukleującym, tworzy się ukształtowany artykuł ze stopionej mieszanki, chłodzi się ukształtowany produkt do temperatury, w której środek nukleujący indukuje termoplastyczny polimer do krystalizacji powodując rozdział faz pomiędzy termoplastycznym polimerem a produktem zapewniając tym samym produkt składający się z agregacji pierwszej fazy składającej się z cząstek skrystalizowanego termoplastycznego polimeru i drugiej fazy - związku, który jest ewentualnie usuwany i produkt jest dwuosiowo rozciągany w urządzeniu w poprzecznych do siebie kierunkach zapewniając sieć wzajemnie połączonych porów wewnątrz membrany.

Przykłady 1i 2

W tych przykładach, zastosowano sposób taki jak to opisano w US 4,539,256 (Shipman), udzielonym 3 września 1985 r. do wytwarzania membran. W przykładzie 1 (839-3B), mieszanka 35:65 stopionego polietylenu o wysokiej gęstości o „melt flow index” 5,0 (ASTM D 1238-82) dostępnego pod nazwą handlową „FINA 9255” w Fina Oil i Chemical Company of LaPorte, TX i oleju mineralnego dostępnego pod nazwą handlową dostępnego pod nazwą handlową Amoco White Minerał oil #31 USP była wyciskana z wydajnością 6,8 kg/godzinę (15 funtów/godzinę) za pomocą wytłaczarki dwuśrubowej zaopatrzonej w warstwowy tłocznik o otworze 0,76 mm w 199°C (390°F) na hartowane koło gwiazdowe maszyny rozlewniczej mającej występy w kształcie piramidy o końcach w kształcie rombu 0,02 mm², aby zapewnić około 10% powierzchnię kontaktu utrzymywaną w 32°C (90°F). Następnie membrana była ekstrahowana 1,1 J-trichloroetanem w celu usunięcia oleju i rozciągana w dwóch kierunkach do rozmiaru 4,0 x 4,0 (lub 400% w kierunku maszyny i 400% w kierunku poprzecznym) w temperaturze 70°C (158°F) w kierunku maszyny i w temperaturze 77°C (170°F) w kierunku poprzecznym.

Przykład 2 (1069-IK) był przygotowany podobnie jak przykład 1 z następującymi wyjątkami. Stosunek wagowy polietylenu do oleju mineralnego wynosił 36:64. Otrzymywana w rezultacie membrana była ekstrahowana za pomocą HCFC-1,2,3 (dostępnego pod nazwą handlową Yertrel 423 w Dupont Company) przez około 8,1 minut w dodatkowej kąpieli

189 898 w celu usunięcia oleju mineralnego. Membrana była następnie suszona w temperaturze 28°C (83°F) i rozciągana w dwóch kierunkach do rozmiaru 2,7 x 2,7 (lub 270% w kierunku maszyny i 270% w kierunku prostopadłym) w temperaturze 35°C (95°F) w kierunku maszyny i 93°C (200°F) w kierunku poprzecznym. Fizyczna charakterystyko grubości membrany, wagi na jednostkę powierzchni, gęstości polimeru, opór przepływu (Gurley) i porowatości dla punktu pęcherzykowon^ przedstawiona jest w tobeli 2. Z rezultatów testów, frokcja dziesiętna objętości pustek, średnica porów Benoiry, skuteczna średnica włókien Rubowa i ścisłość były oblicenne i przedstawione w tabeli 3.

Przykład 3

Mikroporowato membrana polipropylenowy wytworzona przez wytłoczynie stopionej mieszanki i odlanie w chłodzącej rolce a następnie ekstrakcję i rozciąganie w dwóch kierunkach jest dostępna pod nazwą handlową „KN 9400” w Personal Care i Related Product.s Division, 3M Company, St. Paul, MN. Fizyczne właściwości membrany były mierzone lub obliczone i przedstawione w tabelach 2 i 3.

Przykład 4

Specyficznie w przykładzie 4 (817-8), krystalizujący polipropylen (dostępno pod nazwą handlową „Profax” typ 6723 w Hercules, Inc.) o gęstości 0,903 g/cm³, „melt przepływ iadex” (ASTM D 1238, Warunek I) 0,8 i temperaturze topnienia około 176°C był mieszony no sucho z około 0,30% wagowych .środka aukleująckgo sorbitu dśbeaeylśdyay (dostępnego w Milliken Chemical pod nazwą Millad 3905) przed wprowadzeniem polimeru do wytłaczarki. Polimer był wytłaczany w temperaturze topnienia około 189°C (372°F) w 40 mm wytłaczarce dwuśrubowej Berstorffa zaopatrzonej w tłocznik z płaskim otworem umieszczony nad kołem oziębiającym. Wytłaczarko pracowały z wydajnością około 312 cm3/min. wytwarzając membranę zbieraną z wydajnością około 6,1 metrów no minutę. Olej mineralny (dostępny pod nazwą handlową Amo^ White Olej mineralny #31 USP Grode w Ammo Oil Co.), o temperaturze wrzenia przy około 200°C i standardowej lepkości Soybolto 360-390 przy 38°C (około 80 ceatśatokęsów) był równocześnie wprowadzony do wytłaczarki dwuśrubowej przez szczelinę wejściową z taką prędkością oby dostarczyć mieszankę 55% wagowych polimeru polipropylenowego i 45% wagowych oleju mineralnego. Roztopiony polipropylen/olej mineralny był wytłoczony w formie membrany i chłodzony no gładkim kole odlewniczym (bębnie) utrzymywonym wokoło 60°C (140°F). Następnie membrano było zanurzono w 1,i,i-triceloroetoaie przez 3, 6 minut w dodatkowej kąpieli usuwającej w celu usunięcia oleju mineralnego i membrano była suszono w temperaturze pokojowej. Mikroporowatą membrana była dolej rozciągana w dwóch kierunkach do rozmiaru 2,5 x 2,5 (lub 250% zarówno w kierunku maszyny jak i kierunku prostopadłym) w 80°C w kierunku maszyny i 121°C w kierunku poprzecznym. Właściwości membrany są przedstawione w tobeli 2 i 3.

Przykłady 5 i 6

W przykładach 5 i 6, wykorzystano sposób przygotowania mikroporowotego materiału identyczny jak ten z przykładu 4 z następującymi wyjątkami: w przykładzie 5 (826-4) i przykładzie 6 (826-8), proporcja polimer polipropylenowy Profox 6723:olej mineralny wynosiło 40:60 wagowo. Ten roztopiony polimer był wytłaczany no chłodzącym kole odlewniczym mającym występy w kształcie piramidy o końcach w kształcie rombu 0,02 mm2 zapewniając około 10% powierzchnię kontaktu utrzymywaną w 140°C. Membrany były rozciągane w dwóch kierunkach do rozmiaru 2,7 x 2,7 (lub 270% zarówno w kierunku maszyno jak i prostopadłym). Rezultaty wszystkich pomiarów i obliczeń są ukazane w tabelach 2 i 3 jako przykłady 5 i 6 odpowiednio.

Przykłady 7 i 8

Zastosowano warunki wytwarzania mikroporowatej membrany z przykładu 4 z następującymi wyjątkami: w przykładzie 7 (930-2C), około 0,40% (w odniesieniu do wagi polimeru) sorbitu dibenzylidony (Millod 3905) środka aukleującegn było mieszone no sucho z polimerem polipropylenowym przed wprowadzeniem polimeru do wytłaczarki. Proporcjo polipropo^;len:olej mineralny wynosiło 35:65. Po walcowaniu no ściętym piramidalnie kole odlewniczym opisanym powyżej membrana polipropylen/olej minerolay/Millad 3905 było przemywano rozpuszczalnikiem HCFC-1,2,3 (dostępnym pod nazwą handlową Vertrel 423 w Dupont Company) przez około 5,7 minut w dodatkowej kąpieli usuwającej olej mineralny.

189 898

Każda membrana była następnie suszona i rozciągana w dwóch kierunkach do rozmiaru 2,7 x 2,7 (lub 270% zarówno w kierunku maszyny jak i kierunku prostopadłym) w temperaturze 80°C w kierunku maszyny i 121°C w kierunku poprzecznym. W przykładzie 8 (1030-1B), około 0,20% (w odniesieniu do wagi polimeru) sorbitu dibenzylidyny (Millad 3905) środka nukleującego było domieszane na sucho do polimeru polipropylenowego przed wprowadzeniem polimeru do wytłaczarki. Proporcja polipropylen: olej mineralny wynosiła 33:67. Po walcowaniu na ściętym piramidalnie kole odlewniczym opisanym powyżej, membrana kollprokylen/olej mineralny/Millad 3905 była przemywana rozpuszczalnikiem HCFC-1,2,3 (dostępnym pod nazwą handlową Vertrel 423 w Dupont Company) przez około 6, 6 minut w dodatkowej kąpieli usuwającej olej mineralny. Każda membrana była następnie suszona w 60°C i rozciągana w dwóch kierunkach do rozmiaru 2,5 x 2,5 (lub 250% w kierunku maszyny i 280% w kierunku prostopadłym) w temperaturze 110°C w kierunku maszyny i 132°C w kierunku poprzecznym. Fizyczne właściwości otrzymanej membrany były mierzone i przedstawione w tabelach 2 i 3.

Przykład 9

Te same warunki przygotowania mlkrokoroóatej membrany co w przykładzie 4 zastosowano z następującymi wyjątkami: W przykładzie 9 (1213-2D) około 0,06% (w odniesieniu do wagi polimeru) sorbitu dibenzylidyny (Millad 3905) środka nukleującego było domieszane na sucho do krystalizującego polipropylenu (dostępnego pod nazwą handlową Shell 5D45 w Shell Chemical Co.) o „melt przepływ index” (ASTM D 1238, Warunek I) 0.65 i temperaturze topnienia około 176°C. Mieszanina polimer/środek nukleujący była mieszana w postaci stopionej z olejem mineralnym w stosunku polimer:olej mineralny około 31:69. Po walcowaniu na kole odlewniczym o ukośnie skrzyżowanym wzorze o szerokości powierzchni styku około 0,12 mm które zapewniało około 40% powierzchni kontaktu i utrzymywanym w 66°C, membrana polipropylen/olej mineralny/Millad 3905 była przemywana rozpuszczalnikiem HCFC-1,2,3 (dostępnym pod nazwą handlową Vertrel 423 w Dupont Company) przez około 6,8 minut w dodatkowej kąpieli usuwającej olej mineralny. Każda membrana była następnie suszona w 60°C i rozciągana w dwóch kierunkach do rozmiaru 2,23 x 3,3 (lub 223% w kierunku maszyny i 330% w kierunku prostopadłym) w 87°C w kierunku maszyny i 132°C w kierunku poprzecznym. Właściwości membrany są przedstawione w tabelach 2 i 3.

Przykład 10

W tym przykładzie (1216-9 EV AL), procedura z przykładu 5 zgłoszenia patentu amerykańskiego Nr 08/568,808 który jest tutaj włączony jako odnośnik literaturowy, była przeprowadzona z następującymi wyjątkami: zmieszano w stanie stopionym 58,7 procent wagowych kopolimeru alkoholu etyleno-winylowego (dostępnego jako EVAL F-100BTM wEval Corp. of America), 24,5 procent wagowych glikolu polietylenowego (dostępnego jako PEG 200 w Dow Chemical Co.) i 16,8 procent wagowych gliceryny (USP 99,7% naturalnej, dostępnej w Proctor i Gamble Co.) i wytłoczono na chłodzące koło odlewnicze z występami kształcie piramidy o końcach w kształcie rombu 0,02 mm², zapewniając około 10% powierzchnię kontaktu utrzymywane w 77°C. Otrzymana w rezultacie płachta była przemywana w kąpieli wodnej przez w przybliżeniu 7,6 minut. Płachta była rozciągana w dwóch kierunkach wstanie mokrym do rozmiaru 1,9 x 1,9 (lub 190% w kierunku maszyny i 190% w kierunku prostopadłym) w temperaturze pokojowej. Po zakończeniu rozciągania usuwano wodę przez odparowanie w temperaturze 182°C w celu wysuszenia i wyżarzenia membrany. Właściwości membrany są przedstawione w tabeli 2 i 3.

Przykład 11

Polipropylenowa membrana rozdmuchane mikrowłókno (bloón-mikrufιber BMF) przygotowana według procesu opisanego w Wente, Van., „Superfine Thermoplastic Fibers,” Industrial Engineering Chemistry, Vol. 48, pp. 1342-1346 i w Wente, Van. et al., „Manufacture of Superfine Organic Fibers,” Report Nr 4364 of Naval Research Laboratory, opublikowanym 25 maja 1954 r. była otrzymana z części tkaniny filtracyjnej przez demontaż óysokoskraónego filtru cieczowego pod nazwą handlową „743B” dostępnego w 3M Filtration Products, 3M Company, St. Paul, MN. Kawałek tkaniny filtracyjnej ma czteroóarstwuóą kalendarzową budowę polipropylenu BMF, każda warstwa ma wagę 20 gm/m2 co daje całkowitą wagę 80 gramów/m². Fizyczne właściwości BMF były mierzone i przedstawione w tabelach 2 i 3.

189 898

Przykład 12

Płachto membrany polipropylenowej Celgord (reg.) 2400 dostępnej w Hoechst Celoakse Corp., Seporotioas Produ^s Division, Charlotte, NC było badano o rezultaty są przedstawione w tabeli 2.

Przykłady 13 do 16

Płachto membrany z polietylenu o wysokiej gęstości Dupont Tyvek (reg.) Typ 10-1056-D dostępnej w Dupont of Wilmington, DE było testowano tok jak w przykładzie 1 i rezultaty są przedstawione w tabeli 2. Płachto typu 10-1073-D, 10-1079 i 10-1085-D, każdo również wykonane z polietylenu o wysokiej gęstości, były tak samo przetestowane i wyniki są pokazane jako przykłady 14, 15 i 16 odpowiednio w tabeli 2.

Przykłady 17 i 18

Płachto membrany Castαr MF MB o roemiarek porów 0,1 mikrona wykonana z mieszanino azotanu celulozy i dwuoctonu celulozy i dostępnego w Coming C^ter Corporation, One Alewife Center, Cambridge, MA było testowana według przykładu 1 i wyniki są przedstawione jako przykład 17. Płachto membrany Cos^r MF MB o nominalnym rozmiarze porów 0,2 mikrona było podobnie testowano jak w przykładzie 18 i wszystkie wyniki są przedstawione w tobeli 2.

Przykłady 19 do 31

W przykładzie 19, płachta membrany z mśeaeonkś estrów celulozy Gelman GN-6 Metricel o nominalnym rozmiarze porów 0,45 mikrona dostępno w Gelman Sciences, Ann Arbor, MI było testowano według przykładu 1. Dwanaście różnych odmian membrany Gelman było podobnie testowanych i kolejno przedstawionych jako przykłady 20 do 31. Wyniki i konfiguracje membran są przedstawione w tabeli 2. Dla przykładów 20 do 22 polimerem był palitetrofluaroetylen no polipropylenie. W przykładach 23 do 25 i 28, polimerem był polisulfonion. W przykładach 26 i 27, polimerem był kopolimer akrylowy osadzony no włókninie nylonowej. W przykładzie 29, polimerem był nylon. W przykładzie 30, polimerem był chlorek poliwinolu i w przykładzie 31 materiałem było włókno szklone z akrylowym spoiwem.

Przykłady 32 do 38

W przykładzie 32, płachto membrany z mieszanki estrów celulozy Millipore MF o rozmiarze porów 0,22 mikrona dostępno w Millipore Corporation, Bedford. MA była testowana jak w przykładzie 1. Dwie dodatkowe membrany z mieszanki estrów celulozy 0 aamiaolnoch rozmiarach porów 3,0 i 8,0 mikronów były testowane i wyniki są przedstawione w przykładach 33 i 34. W przykładach 35 i 36 polimerem był fluorek poliwiailidenu ϊ w przykładach 37 i 38, politetrαfluoroetylea.

Przykłady 39 i 40

Płachto membrany polipropylenowej Akzo Nobel Faser o rozmiarze porów 0,1 mikrona dostępnej w Akzo Nobe Faser AG Membrano of Wuppertal, Germany było testowano jak w przykładzie 1 i wyniki są przedstawione w tobeli 2 jako przykład 39. Drugo płachta, podobno za wyjątkiem tego, że rozmiar porów wynosił 0,2 mikrona, była także testowana jak to jest przedstawione jako przekład 40.

Przykłady porównawcze CldoC7

Płachty membrany poliwęglanowej Costar PC MB o rozmiarze porów 0,015 mikrona dostępnej w Coming Costar Corporation, Cambridge, MA była testowana według przykładu 1 i jpr^^<^^Fstio^viiont jako przykład Cl. Dodatkowe płachty membrany poliwęglanowej Costar PC MB były podobnie testowane i wyniki są przedstawione jako przykłady C2 do C7 w tabeli 2.

Przykład porównawczy C8

Płachta membrany z gumy silikonowej 0,001 (25,4 mikrona) dostępnej w Membrana Products Corp., Albany, NY, było testowana dla grubość. Próbka była zwężona podczas cięcia co sprawiło, że wyznaczenie wagi no jednostkę objętości było niepraktyczne. Membrana jest nieparowota co sprawia, że pozostałe kryteria z tabeli 2 jej nie dotyczą.

Przykład 41

Wykonano osobisty respirator do dyfuzyjnej wymiany gazów przez połączenie modułu do dyfuzyjnej wymiany gazów z przepływem krzyżowym (DGTM) z fig. 5 ze zmodyfikowaną wersją części twarzowej respiratora Easi-Air (TM) Nr 7300 o rozmiarze średni/duży. DGTM

189 898 i część twarzowa respiratora były dalej połączone z elastycznymi przewodami, elastyczną torbą nieprzepuszczalną dla gazu i standardowymi zaworami.

Figury 8a i 8b przedstawiają cały osobisty respirator. Zawór wziewny po prawej stronie respiratora został zamknięty aby umożliwić dostarczanie powietrza jednym przewodem. Centralny zawór wziewny był lewostronny i przytwierdzony do przewodu prowadzącego do zbiornika magazynowego przy wejściu do DGTM. DGTM był wyposażony w membranę Celenese Celgard Nr 2400 z przykładu 12. W orientacji ukazanej na fig. 5, widać 128 pionowych prostokątnych rowków do odbioru wydychanego powietrza szerokich na 1,9 mm, grubych na 1,0 mm i długich na 20,8 mm. Budowa jest determinowana przez połączenie ścian membrany i przedzielających warstw 129 ścieżek przepływu krzyżowego do kontaktowania obojętnego powietrza jest podzielonych na szesnaście części tworząc całkowitą ilość 2064 indywidualnych ścieżek każda o szerokości 1,0 cm, 1,0 mm gruba i 2,54 cm długa. Warstwy oddzielające są utworzone przez laminację 0,040 (1 mm) płachty poliestru ogólnego zastosowania podwójnie powlekaną przyczepną taśmą 3M Nr 1522 która jest dostarczana razem z uwalniaczem. Warstwy oddzielające dla zarówno dla wzdłużnego jak i poprzecznego podparcia membrany były wykonane przez najpierw laminację płachty polistyrenu taśmą i następnie cięcie strumieniami wody tworząc przekładki. Wkładka wyjmowana jest usuwana w trakcie montażu aby umożliwić ścisłe przymocowanie membrany do przekładki. Każda ze 128 pionowych ścieżek zawiera 105,7 cm2 membrany z czego 46,9 cm2 jest zablokowane przez przekładki tak, że zostaje 58,8 cm2 aktywnej membrany podzielonej na dwie płachty po jednej na każdym końcu rowka. Całkowita ilość aktywnej membrany w urządzeniu wynosi 7531 cm²lub około 0,75 m2. Jak to jasno wynika z budowy DGTM ukazanej na fig. 6, części membrany tworzące ściany każdego rowka tworzą także ścianki przepływu krzyżowego. Dodatkowe przekładki biegnące poziomo podczas gdy rowki są utrzymywane w poziomie utrzymując oddechowe rowki oddzielone od siebie i definiują rozmiar ścieżek przepływu.

Elastyczna torba przymocowana i połączona z dnem DGTM może być wykonana z różnych nizkurowatych materiałów. Wlot do elastycznego worka jest wylotem z DGTM i wydechem. Wylot z elastycznego worka jest połączony do przewodu który prowadzi do zaworu oddechowego części twarzowej respiratora. Podczas pracy wydychane powietrze dostaje się do DGTM przy każdym wydechu użytkownika. Podczas wdechu zawór wydechowy oddziela wcześniej wydychane powietrze zapobiegając jego ponownemu wdechowi. Wydychane powietrze przepływa swobodnie przez pionowe rowki do elastycznego worka. Podczas przepływu powietrza, nadmiarowy CO2 jest przeniesiony do środowiska zewnętrznego a tlen do rowków oddechowych. Tak więc powietrze wprowadzane do elastycznego worka ma zmniejszoną zawartość CO2 i podwyższoną O2 w porównaniu z powietrzem wydychanym przez użytkownika. Para wodna z wydychanego powietrza także przenika do środowiska zewnętrznego. Elastyczny worek wypełnia się podczas wydechu i opróżnia podczas wdechu zapewniając ciągły obieg masy powietrza wolnego od zanieczyszczeń za wyjątkiem ograniczonej ilości zanieczyszczeń dostających się przez nieszczelności uszczelki. Całkowite zamknięcie części twarzowej uszczelką daje w rezultacie całkowitą izolację użytkownika od cząstek stałych z otaczającego go powietrza.

W celu przetestowania działania urządzenia badany mężczyzna wykonywał dwa poziomy ćwiczeń wyposażony w urządzenie. Pierwszym poziomem było chodzenie przez dłuższy czas do jednej godziny i urządzenie zapewniało wystarczającą wymianę gazów włączając O2, CO2 i H 2 O dla komfortowego użytku bez zauważalnych negatywnych skutków. W drugim poziomie ćwiczeń badany mężczyzna najpierw wchodził na trzy stopnie a następnie kontynuował chodzenie po ziemi. W przypadku obu tych warunków ruch użytkownika umożliwiał wpływanie powietrza atmosferycznego do i przepływ krzyżowy przez rowki oddechowe przy czym usuwany był CO2 i H2C) oraz dostarczany był O2. W warunkach drugiego testu zanotowano nieznaczny wzrost zawartości CO2 objawiający się słabym kwaskowym posmakiem w ustach. Podwyższony poziom CO2 obniżył się w momencie kiedy użytkownik zaczął z powrotem chodzić po ziemi.

Wnioskuje się, że urządzenie znajduje zastosowanie przy lekkich pracach i może być ulepszone przez dołączenie wentylatora w części urządzenia wypełnionego powietrzem atmosferycznym w celu przetłaczania powietrza przez rowki oddechowe ze stałą prędkością.

189 898

Jak stwierdzono urządzenie było użyteczne do wymiany gazów pomiędzy użytkownikiem i środowiskiem na drodze swobodnej wymiany otaczającego powietrza na zewnątrz DGTM i wymuszonej konwekcji wewnątrz spowodowanej cyklem oddechowym.

Przykład 42

Obudowa przedstawiona fig. 9 została zastosowana do wyznaczania zdolności do dyfuzyjnej wymiany gazów DGTM o konfiguracji ukazanej na fig. 9. Obudowa miała wysokość 194 cm, 77 cm szerokości i 139 cm długości. Przy tylnym końcu obudowy, szerokość zwiększała się do 194 cm w celu pomieszczenia ramion użytkownika. Rama była wykonana z 2,54 cm² rurek aluminiowych o połączeniach spawanych, z czystymi płachtami poliwęglanu tworzącymi ścianki i sufit. Obudowa była uszczelniona silikonem. Podłoga została uszczelniona pianką. Wejście do obudowy było ułatwione przez podniesienie całej obudowy z przodu. Objętość wnętrza obudowy wyznaczono przeprowadzając pomiary fizyczne i badając zmiany stężenia na około 2 m . Objętość wolna dla gazu stanowiła różnicę objętości obudowy i objętości zajmowanej przez użytkownika i wyposażenie. W celu przetestowania skuteczności uszczelnienia obudowy wypełniono ją mieszaniną 0,50% dwutlenku węgla w azocie. Po czterech dniach stężenie dwutlenku węgla w obudowie nie spadło w zauważalny sposób. To pozwala na wniosek, że człowiek może być poddawany badaniu przez dwie godziny z pewnością, że wymiana gazów pomiędzy człowiekiem a otoczeniem będzie się odbywać wyłącznie przez DGTM. DGTM został ustawiony na pochyłej płaszczyźnie jak to jest pokazane na fig. 9. Składał się on z 131 aktywnych warstw membrany z przykładu 5 z przekładkami tak jak to pokazano na fig. 4 i, za wyjątkiem kształtu, wykonanym zgodnie ze sposobem dla osobistego DGTM z przepływem krzyżowym. 131 warstw membrany pomiędzy 132 warstwami ze strumieniami gazu, z każdą warstwą podzieloną na 10 kanałów przepływu pokazano na fig. 4. Zewnętrzny i wewnętrzny obieg powietrza komunikuje się z 66 warstwami dla całkowitej ilości 660 kanałów przepływu. Aby zbudować DGTM, warstwy tworzące przekładki są obrócone o 180 stopni tak jak jest ukazane na fig. 4. Przekładki w pozycji wejściowej i wyjściowej krzyżują się pod kątem 90 zapewniając przepływ krzyżowy dla sąsiednich warstw w centralnej pozycji do wyboru przepływ współprądowy lub przeciwprądowy. Przeciwprądowy przepływ stosowano w testach. Na górze i dole stosu membran przekładki były w kontakcie w kontakcie z membraną z jednej strony a z drugiej strony ze ścianą nie przepuszczającą gazów. Wszystkie inne miejsca przepływu kontaktowały się z membraną wymieniającą gazy z każdej strony. Każda ze 131 aktywnych warstw membrany miała powierzchnię całkowitą około 157 cm2 z której około 42 cm ² było blokowane przez przekładki zostawiając 115 cm2 powierzchni wymiany gazów na aktywną warstwę membrany.

Całkowita powierzchnia aktywna w DGTM wynosiła około 1,5 m2. W celu regulowania przepływu w DGTM, skonstruowano dwa systemy komora/kryza z pleksiglasowych płacht w mosiężnych kryzach. Każda mosiężna kryza miała 64 otwory i każdy otwór miał średnicę 0,653 cm. Średnica kryzy była tak dobrana aby przepływ 1 stopy sześciennej na minutę (28,32 l/min) dawał ciśnienie w komorze równe jeden cal wody lub 249 Pa. W każdym z systemów komora/kryza zainstalowano po osiem zamykających zaworów zbudowanych z pleksiglasu powleczonego 0,5 mm płachtą gumy. Zawory były sterowane za pomocą dźwigni 110 i pierwszych sześć zaworów mogło otwierać lub zamykać jedną, dwie, cztery, osiem lub szesnaście kryz odpowiednio. Pozostałe dwa sterowały 16 kryzami. Tak więc istniała możliwość regulacji przepływu pomiędzy jedną a 64 stopami sześciennymi na minutę (28,32 i 1812,5 l/min) w zakresie będącym wielokrotnością stopy. Zawartość komory obejmowała maszynę do ćwiczeń Schwinn Airdyne Total Body Ergometer. Maszyna ta umożliwiała uwzględnienie wagi ciała użytkownika przy obliczaniu zużycia kalorii, wytwarzanej mocy i wykonywanej pracy.

Zależność pomiędzy intensywnością ćwiczeń, zużyciem tlenu i wytwarzaniem dwutlenku węgla można znaleźć w „Principles of Exercise Testing i Interpretation” 1987, Karlman Wasserman, opublikowane przez Lea & Febiger, Philadelphia. Szybkość wytwarzania dwutlenku węgla przez ćwiczącego była wyznaczana przy ćwiczeniu o stałej intensywności przy braku przepływu przez DGTM dającym stały wzrost stężenia dwutlenku węgla w komorze, którego wartość można zmierzyć.

189 898

Patenty i zgłoszenia patentowe ujawnione w niniejszym opisie stanowią odnośniki literaturowe. Niniejszy wynalazek został opisany w oparciu o przykłady wykonania, szczególnie uwzględniając właściwości powierzchniowe. Będzie jasne dla specjalisty, że do przykładów wykonania można wprowadzić wiele zmian nie wykraczając poza zakres wynalazku. Tak więc zakres niniejszego wynalazku nie jest limitowany do konstrukcji wyżej opisanych ale do konstrukcji opisanych językiem zastrzeżeń lub ich równoważników.

Fig. 2b

DGTM FLOWPATH

189 898

Λ ο

CD

CO cb

LL

189 898

Fig. 4

189 898

Fig. 5

189 898

216

Fig. 6

189 898

09e-01

189 898

O₂TRANSFERRED (LPM) <

H

Z.

LU

CE

LU

Οχ

UJ i

ó u

I

CL

O

LL

CE <

CALCULATED .Q ręp

Ll

189 898

MASS FRACTION OF O₂

189 898

POSITION (CM.)

189 898

Ó)

LL

189 898

Fig. 8b

189 898

Fig. 9

189 898

112

189 898

Ż

JO

O

Ó)

LJL

189 898

TIME IN MINUTES

Fig. 10c

189 898

CO

CD

Z o

m

CD co

OJ w

tn

189 898

P (Pa)

189 898

P (Pa)

03	o	o	co	O	O
03	m	o	03	O	in
<£>	OJ	co	O	03
sr	CJ	CD	03	•Μ^-	CM
	co		CO	CM	T~

h- CD in Tf CO CM T-O %0₂ TRANSFER

CM t—

Ó)

Ll

189 898

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 70 egz. Cena 6,00 zł.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Układ dyfuzyjnej wymiany gazów zawierający membranę obejmującą stałą osnowę umieszczoną pomiędzy pierwszym obszarem wypełnionym gazem i drugim obszarem wypełnionym gazem, gdzie pierwszy obszar wypełniony gazem ma pierwszy mechanizm, który jest zdolny do kierowania pierwszego środowiskowego strumienia gazu poprzecznie przez i w styczności z pierwszą powierzchnią membrany, zaś drugi obszar wypełniony gazem ma drugi mechanizm, który jest zdolny do kierowania drugiego środowiskowego strumienia gazu poprzecznie przez i w styczności z drugą powierzchnią membrany, przy czym co najmniej pierwszy lub drugi strumień gazu zawiera zawieszone cząstki stałe, znamienny tym, że membrana (24) składa się z wielu krętych kanalików rozciągających się od pierwszej powierzchni (23) membrany (24) do drugiej powierzchni (25) membrany (24), wyznaczających maksymalną wielkość porów oraz określających wskaźnik objętości międzyziamowej wynoszący co najmniej 0,2, przy czym membrana (24) zdolna jest do blokowania przenikania zasadniczo wszystkich cząstek mniejszych niż maksymalna wielkość porów pomiędzy pierwszym i drugim obszarem wypełnionym gazem (22, 26), umożliwiając równocześnie dyfuzję pomiędzy pierwszym i drugim obszarem wypełnionym gazem (22, 26).
2. Układ do wymiany gazów według zastrz. 1, znamienny tym, że membrana (24) jest membraną' polimerową.
3. Układ według zastrz. 2, znamienny tym, że membrana (24) jest włóknistą, mikroporowatą membraną polimerową.
4. Układ według zastrz. 3, znamienny tym, że membrana (24) jest w formie kulistej, mikroporowatej membrany polimerowej.
5. Układ według zastrz. 2 albo 3, albo 4, znamienny tym, że membrana (24) zawiera wiele losowo rozproszonych, o nieregularnym kształcie cząstek termoplastycznych, z których część jest oddzielona od siebie tworząc pomiędzy sobą sieć kanalików, a część jest między sobą połączona za pomocą włókienek.
6. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że mechanizmy pierwszy i drugi, które kierują strumieniami gazów środowiskowych zawierają komory sprężonego powietrza (77).
7. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że wskaźnik objętości międzyziamowej w membranie wynosi co najmniej 0,50.
8. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że wskaźnik objętości międzyziamowej w membranie wynosi co najmniej 0,70.
9. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że wskaźnik objętości międzyziamowej w membranie wynosi mniej niż 0,9.
10. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że membrana (24) jest umieszczona pomiędzy pierwszym i drugim obszarem wypełnionym gazem (22, 26) i zasadniczo blokuje przenikanie cząstek pod wpływem działania różnicy ciśnień po obu stronach membrany, gdy różnica ta jest większa niż ciśnienie rozerwania membrany.
11. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że membrana (24) jest umieszczona pomiędzy pierwszym i drugim obszarem wypełnionym gazem (22, 26) i zasadniczo blokuje przenikanie cząstek pod wpływem działania różnicy ciśnień po obu stronach membrany, gdy różnica ta jest w przybliżeniu równa ciśnieniu rozerwania membrany.
12. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że stosunek współczynnika dyfuzji wybranego gazu w wybranej temperaturze i dla danego ciśnienia w nieruchomym powietrzu, do współczynnika dyfuzji tego samego gazu w tej samej temperaturze i pod tym samym ciśnieniem wewnątrz krętych kanalików membrany (24) wynosi pomiędzy 1,03 do 500.
13. Układ według zastrz. 6, znamienny tym, że mechanizmy pierwszy i drugi kierują środowiskowe strumienie gazu prostopadle do siebie.

189 898
14. Układ według zastrz. 6, znamienny tym, że mechanizmy pierwszy i drugi kierują część pierwszego środowiskowego strumienia gazu równolegle do drugiego środowiskowego strumienia gazu.
15. Układ według zastrz. 6, znamienny tym, że mechanizmy pierwszy i drugi kierują część pierwszego środowiskowego strumienia gazu pod kątem względem drugiego środowiskowego strumienia gazu.
16. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że pierwszy obszar wypełniony gazem (22) zawiera powietrze zewnętrzne w stosunku do przestrzeni zamkniętej, zaś drugi obszar wypełniony gazem (26) zawiera powietrze w obrębie przestrzeni zamkniętej.
17. Układ według zastrz. 16, znamienny tym, że drugi obszar wypełniony gazem (26) stanowi czyste pomieszczenie.
18. Układ według zastrz. 16, znamienny tym, że drugi obszar wypełniony gazem (26) stanowi osobisty respirator.
19. Układ według zastrz. 16, znamienny tym, że drugi obszar wypełniony gazem (26) stanowi wnętrze budynku.
20. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że membrana (24) stanowi membranę różną od membrany mikroporowatej.
21. Układ obróbki powietrza zawierający pierwszą ścieżkę przepływu gazu przebiegającą od wlotu do wylotu, podzieloną na część przeciwprądową i część współprądową, przez którą przepływa pierwszy strumień gazu od wlotu do wylotu oraz drugą ścieżkę przepływu gazu przez którą przepływa drugi strumień gazu, znamienny tym, że zawiera membranę (24), posiadającą pierwszy i drugi koniec, umieszczoną pomiędzy pierwszą i drugą ścieżką przepływu gazu, przy czym membrana (24) blokuje przenikanie cząstek pomiędzy pierwszą i drugą ścieżką przepływu z równoczesnym zachowaniem dyfuzji gazów z pierwszego strumienia gazowego do drugiego strumienia gazowego, a ponadto zasadniczo oddziela część przeciwprądową pierwszej ścieżki przepływu gazu od jej części współprądowej, oraz ma nieprzepuszczalny dla gazów obszar przenikania ciepła od części współprądowej do części przeciwprądowej i/lub odwrotnie.
22. Układ według zastrz. 21, znamienny tym, że pierwszy strumień gazu stanowi powietrze zewnętrzne w stosunku do zamkniętej przestrzeni, zaś drugi strumień gazu stanowi powietrze w zamkniętej przestrzeni.
23. Sposób umożliwiania przenikania gazów z pierwszego obszaru wypełnionego gazem do drugiego obszaru wypełnionego gazem bez umożliwiania przenikania znaczącej ilości cząstek stałych, znamienny tym, że kieruje się pierwszy środowiskowy strumień z pierwszego obszaru wypełnionego gazem (22) poprzecznie przez i w styczności z pierwszą powierzchnią (23) membrany (24) zawierającej wiele krętych kanalików przebiegających od pierwszej powierzchni (23) membrany (24) do drugiej powierzchni (25) membrany (24), w której wskaźnik objętości międzyziamowej wynosi co najmniej 0,2 i zdolnej do blokowania przenikania cząstek stałych oraz kieruje się drugi środowiskowy strumień z drugiego obszaru wypełnionego gazem (26) poprzecznie przez i w styczności z drugą powierzchnią (25) membrany (24), przy czym co najmniej jeden ze środowiskowych strumieni gazu zawiera cząstki stałe, a gaz z pierwszego i/lub drugiego obszaru wypełnionego gazem (22, 26) dyfunduje z niego przez membranę do innej przestrzeni wypełnionej gazem, przy czym cząstki stałe są zatrzymywane przez membranę (24).
24. Sposób według zastrz. 23, znamienny tym, że jako gazy stosuje się gazy oddechowe.
25. Sposób według zastrz. 23, znamienny tym, że stosuje się membranę (24) zdolną do blokowania przenikania zasadniczo wszystkich cząstek pomiędzy pierwszym i drugim obszarem wypełnionym gazem (22, 26).
26. Sposób według zastrz. 23, znamienny tym, że stosuje się membranę (24) zdolną do blokowania przenikania wszystkich cząstek pomiędzy pierwszym i drugim obszarem wypełnionym gazem (22, 26).
27. Sposób według zastrz. 23, znamienny tym, że jako membranę (24) stosuje się włóknistą, mikroporowatą membranę polimerową.
28. Sposób według zastrz. 23, znamienny tym, że jako membranę (24) stosuje się kulistą, mikroporowatą membranę polimerową.

189 898
29. Sposób według zastrz. 23, znamienny tym, że jako membranę (24) stosuje się membranę zawierającą wiele losowo rozproszonych, o nieregularnym kształcie cząstek termoplastycznych, z których część jest oddzielona od siebie tworząc pomiędzy sobą sieć kanalików, a część jest między sobą połączona za pomocą włókienek.
30. Sposób według zastrz. 23, znamienny tym, że pierwszy i drugi strumienie gazów środowiskowych są kierowane przez komorę (28, 30).
31. Sposób według zastrz. 23, znamienny tym, że stosuje się membranę o wskaźniku objętość międzyziarnowej wynoszącym co najmniej 0,50.
32. Sposób według zastrz. 23, znamienny tym, że stosuje się membranę o wskaźniku objętość międzyziarnowej wynoszącym co najmniej 0,70.
33. Sposób według zastrz. 23, znamienny tym, że kręte kanaliki wyznaczają maksymalną wielkość porów membrany wykazującej zdolność do blokowania przenikania cząstek mniejszych niż maksymalna wielkość porów.
34. Sposób według zastrz. 23, znamienny tym, że ponadto podpiera się membranę (24) i zasadniczo blokuje przenikanie cząstek, kiedy różnica ciśnień po obu stronach membrany (24) jest równa ciśnieniu bliskiemu lub większemu od ciśnienia rozrywania membrany.
35. Sposób według zastrz. 23, znamienny tym, że zasadniczo blokuje się przenikanie cząstek przez membranę (24), kiedy różnica ciśnień po obu stronach membrany wynosi 300 kPa lub więcej.
36. Sposób według zastrz. 34 albo 35, znamienny tym, że stosuje się membranę (24) zdolną do podtrzymywania wymiany gazów na poziomie obniżonym nie bardziej niż 2% podczas testowania dyfuzji gazów po poddaniu membrany działaniu cząstek.
37. Sposób według zastrz. 23, znamienny tym, że stosunek współczynnika dyfuzji wybranego gazu w wybranej temperaturze i dla danego ciśnienia w nieruchomym powietrzu, do współczynnika dyfuzji tego samego gazu w tej samej temperaturze i pod tym samym ciśnieniem wewnątrz krętych kanalików membrany wynosi pomiędzy 1,03 a 500.
38. Sposób według zastrz. 23, znamienny tym, że stosuje się etap, w którym utrzymuje się burzliwy przepływ dla co najmniej jednego środowiskowego strumienia gazu w odniesieniu do medium dyfuzyjnej wymiany gazów.
39. Sposób według zastrz. 23, znamienny tym, że stosuje się etap, w którym utrzymuje się część pierwszego środowiskowego strumienia gazu prostopadle do drugiego środowiskowego strumienia gazu.
40. Sposób według zastrz. 23, znamienny tym, że stosuje się etap, w którym utrzymuje się część pierwszego środowiskowego strumienia gazu przeciwrównolegle do drugiego środowiskowego strumienia gazu.
41. Sposób według zastrz. 23, znamienny tym, że stosuje się etap w którym utrzymuje się część pierwszego środowiskowego strumienia gazu pod pewnym kątem nachylenia do drugiego środowiskowego strumienia gazu.
42. Sposób według zastrz. 23, znamienny tym, że utrzymuje się warunki laminamego przepływu co najmniej jednego środowiskowego strumienia gazu w odniesieniu do medium dyfuzyjnej wymiany gazów.