TWI220652B - Method of collecting nanoparticles using a cyclone and method of designing said cyclone - Google Patents

Description

狄、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種收集奈米微粒的 用旋風器收集奈米微粒的方法。 種使 【先前技術】 半導體或光電製程的製程會產生含有害氣體及微粒 例如Si〇2、含砷微粒）的廢氣，該廢氣經由真空泵抽至空 氣污染防治設備進行廢氣燃燒處理及洗滌，但是因為反應 過程中所產生的微粒大都小於丨微米，在洗滌過程中的處 理效率很低，大部份的微粒均會排放至大氣中，污染環境 及造成人體健康上的危害；同時這些微粒也會沈積在真空 泵之後的管線，造成管線的阻塞，影響製程的進行及維修 人員的安全。另一方面，奈米技術是未來高科技產業的關 鍵技術。奈米材料的生產過程中不可避免將有部分奈米級 顆粒於生產過程中流失，並隨製程排氣排出或逸散，成為 奈米級粒狀物污染’其很難以目前常見的粒狀物處理機制 將之去除。因此必須發展新型式超細微粒之污染防治技術 及設備’以因應伴隨奈米技術發展所衍生而來的超細微粒 污染問題。 旋風器一般均使用在常壓下，用於去除氣動直徑為i 至10微米以上的微粒。在過去的旋風除塵器的文獻中以切 線進氣式最多，軸向進氣式的較少。轴向旋風器的研究中： Liu and Rubow [Liu5 B. Y. H. and Rubow, K. L.5 1 984, A New Axial Flow Cascade Cyclone for Size Characterization 1220652 of Airborne Particulate Matter. In Aerosols (Liu B. Y. H.5

Pui，D. Y. and Fissan，H. J·，ed·)，pp· 115-118，Elsevier，

Amsterdam]曾建造一個階段式的軸向旋風器，並發表各階 的微粒收集效率及微粒損失的實驗數據，流量為30 lpm， 各階的截取氣動直徑分別為12.2、7.9、3.6、2.05、1.0 μπχ。

Weiss et al· [Weiss，Z·，Martinec，Ρ· and Vitek，J·，1987,

Vlastnosti Dulnibo Prachu A Zaklady Protiprasne Techniky, Prague，SNTL]曾發表適合作工作場所粉塵採樣的兩種轴 向旋風器’其流量分別為8及50 lpm，截取氣動直徑分別 為 4.8 及 3·0μιη。Vaughan [Vaughan，Ν· P·，1988,

Construction and Testing of An Axial Flow Cyclone

Pre-separator，J· Aerosol Sci·，19(3):295-305]製作 了多種 轴向旋風器’在流量為1·24至3·75 ipm時，截取氣動直 徑在1·6至6·5 μπι之間。以上的學者僅針對一大氣壓下 的旋風除塵器的效率進行研究，但在低壓時並無旋風器的 相關文獻發表。 【發明内容】 本發明利用低壓中微粒阻力減小、慣性增加的原理， 發展一個可以收集氣流中奈米微粒的旋風收集器，其可用 於去除製程管線所排放之超細微粒，以解決超細微粒所造 成的污染問題。 本發明先使用理論公式推導出奈米微粒旋風器的收集 效率與尺寸、流量、真空壓力及微粒氣動粒徑間的關係， 6 1220652 以供設計時的參考。接著針對會產生一含奈米微粒的氣流 之製程的真空壓力及流量的需求，設計出一個旋風器，並 進行實驗至的實驗，以得到除塵效率的實驗數據來確認其 50%收集效率的微粒直徑（截取氣動直徑d^5G)落於一理 想的奈米級粒控範圍。本發明利用真空環境下微粒慣性增 加的特性，以及結合真空時微粒滑溜校正係數顯著增加因 而dpa5〇下降的特性，此時微粒於該旋風器的空腔中反彈情 形降低及收集容量大。 【實施方式】 本發明揭示一種使用旋風器收集奈米微粒的方法，包 含使一含有奈米微粒的氣流通過一旋風器，於是該氣流中 的奈米微粒的一部份被收集於該旋風器，其特徵在於該氣 流在該旋風器内具有一小於2〇 t〇rr的壓力。 車父佳的’該紅風|§為轴翼型旋風器，該轴翼型旋風器 包含一艙體，及一旋風機構，其中該艙體具有一用於導入 該氣流的入口及一氣流出口，該旋風機構位於該艙體内且 _ 介於該入口與出口之間，且該旋風機構與該艙體的内壁形 成一通道用於使氣流在通過該通道時產生旋轉，氣流中的 微粒因而被賦予離心力，而撞擊該艙體之内壁。 較佳的，該轴翼型旋風器的旋風機構包含一圓柱體及 環繞該圓柱體軸心設於該圓柱體外表面的一個連續的或多 個分段的螺旋型導翼片，其中該通道為該螺旋型導翼片與 鄰近該螺旋型導翼片的艙體内壁所定義。 7 1220652 較佳的，本發明的旋風器具有一介於l〇 —2〇〇n[n的截取 氣動直徑（dpa5Q)。 較佳的，該軸翼型旋風器具有一介於卜100nm的依下 式（3)計算之理論截取氣動直徑： dpa50 =0.106ί-&-1 (尸-,

Ppo^Q〇r^N2X〇 (3) 其中Pcyc為旋風器内部壓力，其單位為t〇rr ; p76〇為76〇 t〇rr，Q。為常壓及常溫下的氣流的流量；λ。為常壓及常溫 下的空氣分子自由平均路徑長；μ為氣流中的氣體的黏度； rmax及rmin分別為導翼片的最大半徑及最小半徑；ρ為導 翼片的間距；N為導翼片的數目；w為導翼片的厚度；pp。 為微粒岔度，η為導翼片旋轉圈數；ς為一擬合常數，能使 理論效率與文獻上的實驗數據相符。 本發明亦揭示一種設計上述收集奈米微粒的軸翼型旋 風器的方法，該方法使該旋風器具有一介於卜100nm的依 上式（3)計算之理論截取氣動直徑。 於本發明的一較佳的具體實施例中一軸翼型旋風器被 使用來收集奈米微粒，力圖丨及2所示。該軸翼型旋風器 包含一艙體10與一位於該艙體内的導翼2〇。於該艙體的頂 邛被α又有入口 11以導入一外界氣流進入該艙體内部。接 近該入口 11 一用於連接一壓力計（未示於圖中）的第一埠 12被設於該艙體10。該導翼2〇具有一圓柱體21及環繞該 圓柱體设於該圓柱體外表面的一連續的螺旋型導翼片Μ。 該螺旋型導翼片22環繞該圓柱體21三圈。該螺旋型導翼 8 =22具有一外徑等於或稍小於該艙體10的空腔内徑，於 疋該螺旋型導翼片22與接近該螺旋型導翼片22的該艙體 1〇的内壁定義出_螺旋型通道23。—出口管μ沿著該餘 體10的軸心方向被安裝於該艙體10的底部，該出口管30 的一頂部入口端接近該圓柱體21的底部，而該出口管30 的一底部出Π端適於連接於—外界真空栗（未示於圖中）。 接近該出口管30 —第二埠32被設於該艙體1〇，該第二埠 32被連接於該壓力計。相對於該第一埠12 —真空法蘭調 節閥13被設於該艙體1〇，一旁通管（未示於圖中）將該真空 法蘭調節閥13連接於該真空泵。 當圖1所示的轴翼型旋風器的入口丨丨被結合於一含奈 米微粒的氣流之管線時，啟動該真空泵使該氣流由該入口 11進入該艙體1〇的内部。該氣流通過該螺旋型通道23, 於疋產生旋轉，該氣流中的微粒因而被賦予離心力而撞擊 該艙體，於是部份的微粒被收集於該艙體丨〇内，而清潔的 氣流則由該出口管30流出該轴翼型旋風器。藉由該真空法 蘭調節閥13可調節該艙體10内的壓力，其係由連接於該 第一埠12及第二埠32的壓力計讀出。 本發明使用理論公式推導出奈米微粒旋風器的收集效 率與尺寸、流量、真空壓力及微粒氣動粒徑間的關係，以 供設計時的參考。接著針對會產生一含奈米微粒的氣流之 製程的真空壓力及流量的需求，設計出一個旋風器，並進 行實驗室的實驗’以得到除塵效率的實驗數據來確認其 50°/。收集效率的微粒直徑（截取氣動直徑dpa5G)落於一理 1220652 想的奈米級粒徑範圍。 在理論方面：帶有微粒的 妯道^ 體通過軸向旋風器時，會 ^ L 此f由於微粒承受離心力時，會沿 仏向向外移動，最後撞擊軸 微隹“ 罕门％風器的空腔壁而被捕集。 儆粒的收集效率η可以計算如 Ο) η = 4Tci^St/(l+rmax/rmin) 其中n為導翼内的圈數· / 圈數，w及“分別為導翼片的最大丰 徑及最小半徑；ζ為-擬合常數，能使理論效率 的實驗數據相符；st為史脫克斯數1義為：st = TV/f 〜n);X為微粒的鬆他時間；U導翼内氣體的切線速= 微粒滑溜校正係數C可用下式計算（HindsWc二 Aerosol Technology, 2nd Ed., Wiley & Sons, Inc., pp ^ ； (2) C = 1 + ^—[2.34 +1.05 exp(-0.39^^^ .其中λ為氣體分子的自由平均路徑長，其值與氣體 比 '與氣體溫度Τ成正tb ; dp為微粒直徑。t旋風器= 真空度高（或是旋風器内部壓力Pcyc小於20…心二部 0 = 3.39λΜρ’此時微粒的截取氣動直徑勾⑽可用下式汁算· 10 (3)1220652 ^pa5^ =0.106 P〇yc P760 J^rmax ~ )2(P-N w) Ppo «ζ Q〇 N2 X〇 其中旋風器内部壓力Pcyc的單位為t〇rr、P76。為76〇t〇rr(i 大氣壓）·，Q。為常壓及常溫下（1 atm，2〇〇c)的氣體流量；入 為常壓及常溫下的空氣分子自由平均路徑長;μ為氣體的黏 度；rmax及rmin分別為導翼片的最大半徑及最小半徑；ρ 為導翼片的間距；N為導翼片的數目；w為導翼片的厚度； PP。為微粒密度·，η為導翼片旋轉圈數；ς為一擬合常數，能 使理論效率與文獻上的實驗數據相符。 以下將參照較佳實施例說明本發明。 實施例1 σ本實施例1之轴翼型旋風器如圖1及2所示。該旋風 器具有一個連續的螺旋型導翼，其具3圈導翼片。導翼片 的最大半徑及最小半揑分別為w= 15 cm及Γ_ = i 〇 cm ’導翼片的間距Ρ = 〇·5 cm。測試的標準流量為〇·455及 1.0 Slpm，旋風器入口的壓力為13 t〇rr (1 slpm時）或是6 (0.455 slpm時）。根據前述公式（3)計算，本實施例工 之軸翼型旋風器在13 torr (1 slpm時）及6 t〇rr (〇 455 slpm 時）之理論截取氣動直徑分別為5〇及7 nm (擬合常數ς 設為1)。 使用油酸（oleic acid，密度ρ。為894 kg/m3)微粒產生器 來測4本實施 <列1之軸翼型旋風器，其中油酸微粒的粒徑 11 1220652 由35 nm至460 nm。圖3a為旋風器入口的壓力6 torr (0.455 · slpm)，圖3b為旋風器入口的壓力π torr (1 slpm)時，旋 -風器的除塵效率與油酸微粒粒徑之間的關係。從圖3a及圖 3b的結果可知本實施例1之轴翼型旋風器的截取氣動直徑 與流量及壓力有很大的關係，其在1 slpm、13 torr時的截 取氣動直徑 dp a5〇 為 108 nm (圖 3b);而在 0.455 slpm、6 torr 時，截取直徑cipaw可降為43 nm (圖3a)。上述實驗結果證 明，本發明的轴翼型旋風器在適當的真空度時，可有效捕 集奈米微粒。 · 實施例2 本實施例之轴翼型旋風器除了其中的導翼不同外，其 餘類似於如圖1及2所示者。如圖4所示本實施例之旋風 器具有三個分段的導翼片，每一個導翼片旋轉〇.5圈。 使用油酸微粒產生器來測試本實施例2之轴翼型旋風 器。圖5a為旋風器入口的壓力6 torr (0.455 slpm)，圖5b 為旋風器入口的壓力13 torr (1 Slpm)時，旋風器的除塵效 · 率與油酸微粒粒徑之間的關係。從圖5a及圖5b的結果可 知本實施例2之軸翼型旋風器的截取氣動直徑與流量及壓 力有很大的關係，其在1 slpm、丨3 t〇rr時的截取氣動直徑 dpa50 為 140 nm (圖 5b) ·，而在 〇·455 slpm、6 torr 時，截取 直仏dpa5〇可降為102 nm (圖5a)。 【圖式簡單說明】 12 ^0652 μ 1』示本毛明的一較佳具體實施例的-軸翼型旋風 裔的部份剖面立體示意圖。 圖2顯示本發明的實施例i的一轴翼型旋風器的導翼 的立體示意圖。 圖3顯不本發明的實施例i的_轴翼^旋風器的除塵 效率與油酸微粒粒徑之間的關係，其中圖3a為旋風器入口 的壓力6t〇rr (0.455 slpm)，圖3b為旋風器入口的壓力13 t〇rr (1 slpm) 〇 圖4顯不本發明的實施例2的一轴翼型旋風器的導翼 的立體示意圖。 圖5顯示本發明的實施例2的一轴翼型旋風器的除塵 效率與油酸微粒粒徑之間的關係，其中圖5a為旋風器入口 的壓力6 t〇rr(0.455 slpm)，圖5b為旋風器入口的壓力13 torr (1 slpm) 〇 主要元件之符號說明 10··艙體，11··入口； 12··第一埠；13··調節閥；20··導 翼’ 21· ·圓柱體；22. ·螺旋型導翼片；23. ·螺旋型通道； 30· ·出口管；32· ·第二埠 13

Claims (1)

1220652 拾、申請專利範圍： 1 · 一種使用旋風器收集奈米微粒的方法，包含使一含 有奈米微粒的氣流通過一旋風器，於是該氣流中的奈米微 粒的一部份被收集於該旋風器，其特徵在於該氣流在該旋 風器内具有一小於20 torr的壓力。 2·如申請專利範圍第1項的方法，其中該旋風器為軸 翼型旋風器’該軸翼型旋風器包含一艙體，及一旋風機構， 其中該艙體具有一用於導入該氣流的入口及一氣流出口， 該旋風機構位於該艙體内且介於該入口與出口之間，且該 旋風機構與該艙體的内壁形成一通道用於使氣流在通過該 通道時產生旋轉’氣流中的微粒因而被賦予離心力，而撞 擊該艙體之内壁。 3·如申請專利範圍第2項的方法，其中該旋風機構包 含一圓柱體及環繞該圓柱體轴心設於該圓柱體外表面的一 個連續的或多個分段的螺旋型導翼片，其中該通道為該螺 旋型導翼片與鄰近該螺旋型導翼片的艙體内壁所定義。 4·如申请專利範圍第3項的方法，其中該旋風器具有 一介於10-200nm的截取氣動直徑（dpa5。）。 5 ·如申明專利範圍第3項的方法，其中該旋風器具有 一介於l-100nm的依下式計算之理論截取氣動直徑： = 0.106

^(rmax " rmm )2 (P ~ pP〇n^ k ^pa50 其中Pcyc為旋風器内部壓力，其單位為t〇rr ; p76〇為76〇 torr ; Q。為常壓及常溫下的氣流的流量；λ。為常壓及常溫 下的空氣分子自由平均路徑長；μ為氣流中的氣體的黏度； 14 Ϊ220652 rmax及rmin分別為導翼片的最大半徑及最小半徑；p為導 . 翼片的間距為導翼片的數目；w為導翼片的厚度；pp。 · 為微粒密度’ n為導翼片旋轉圈數；ζ為-擬合常數，能使 理論效率與文獻上的實驗數據相符。 6· —種收集奈米微粒的轴翼型旋風器的設計方法，該 軸翼型旋風器包含一艙體，及一旋風機構，其中該搶體具 有用於導入一氣流的入口及一氣流出口，該旋風機構位 於該搶體内且介於該入口與出口之間，該旋風機構包含一 圓柱體及環繞該圓柱體軸心設於該圓柱體外表面的一個連籲 續的或多個分段的螺旋型導翼片，其中該螺旋型導翼片與 鄰近該螺旋型導翼片的艙體内壁定義出一通道，用於使氣 流在通過該通道時產生旋轉，氣流中的微粒因而被賦予離 心力，而撞擊該艙體之内壁，其特徵在於該方法使該旋風 器具有一介於1-1 〇〇nm的依下式計算之理論截取氣動直徑： ^ρα50 =〇·1〇6 ~ rmm )2(P-N w) ^6〇J Pp〇n(；Q0r^N2Xo 其中Pcyc為旋風器内部壓力，其單位為t〇rr ; p?⑹為76〇 # torr ; Q。為常壓及常溫下的氣流的流量；λ。為常壓及常溫 下的空氣分子自由平均路徑長；μ為氣流中的氣體的黏度； 『max及rmin分別為導翼片的最大半徑及最小半徑；ρ為導 翼片的間距；N為導翼片的數目；w為導翼片的厚度； 為微粒密度；η為導翼片旋轉圈數；ς為一擬合常數，能使 理論效率與文獻上的實驗數據相符。 15