TWI426937B - 薄膜式壓縮空氣呼吸系統 - Google Patents

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Description

薄膜式壓縮空氣呼吸系統
本發明一般係關於一種薄膜式壓縮空氣呼吸系統與方法；更特定而言，本發明是關於例如一種使用純化外部清除流之薄膜式分離器。
在本領域中係知可對具有多種用途(包含用於呼吸空氣系統、食物包裝、製藥實驗室與積體電路製造)之壓縮空氣加以處理以移除污染物與水氣。壓縮呼吸空氣(Compressed Breathing Air,CBA)係藉由一呼吸空氣純化系統(Breathing Air Purification System,BAPS)而產生，BAPS係用於兩種基本功能：(i)水解以移除未處理空氣中的過剩濕氣，及(ii)純化以移除未處理空氣中的固體顆粒、油性氣膠與碳氫氣體。BAPS的純化功能也可配置以將一氧化碳轉化為二氧化碳。
攜帶式與靜止式BAPS係用以對面罩、頭盔與呼吸空氣櫃供應純化之CBA，CBA系統可用於提供流通的良質空氣給具有滅火、噴砂、噴塗、化學物濺散清除、熔接、研磨、管塔清潔及類似活動之任務的工作者，這些工作者係重複暴露於未處理之空氣中而產生健康問題徵兆。聯邦法規要求在未處理空氣會即時產生生理不適、在重複暴露後會產生毒害、或在長期暴露後會產生嚴重有害的生理徵兆的環境中必須使用CBA。
傳統的BAPS一般使用去濕乾燥或冷凍乾燥技術來乾燥壓縮空氣，這兩種裝置都不是相當可攜性、且需要電力、或複雜又昂貴的氣動式控制方可運作。需要提供具有較佳可攜性及較低製造成本之BAPS，同時消除任何外部設施(壓縮空氣以外)的需求，並移除壓縮空氣中的水、液態油、液態污染物、油氣、一氧化碳與可偵測之臭味。
此外，部分傳統BAPS(例如使用去濕乾燥器者)需要清除(淨化)空氣以進行有效運作。若清除空氣是得自系統中早於空氣純化之點，則清除空氣會含有致命的污染物(例如一氧化碳)。清除空氣接著從系統排出至即時環境中，可能會污染周遭環境。需要提供一種BAPS，其產生職業安全與健康法案(OSHA)所規定之品質等級為D的呼吸空氣，而不污染系統的裝設區域或即時環境。
前述需求係藉由本發明而滿足或大量滿足，其中在一實施例中，一呼吸空氣純化系統係用於以一薄膜清除排氣流而提供OSHA品質等級D之呼吸空氣，其並不污染BAPS的裝設區域。這種改良的BAPS是藉由使用一薄膜乾燥器與一純化外部清除流而完成。清除進流是得自以催化劑過濾器加以處理之後的薄膜乾燥器的下游，其移除了清除進流中的一氧化碳(CO)。
在本發明之示範實施例中，係使用具有不含一氧化碳之清除流的呼吸空氣純化裝置。利用薄膜乾燥器來移除壓縮空氣流中的水氣，薄膜乾燥器包含：一薄膜，其具有一滲流部分與一非滲流部分；一薄膜外殼，其包圍該薄膜；一薄膜進流導管，其連接至該薄膜；以及一非滲流氣體排氣導管，其與該薄膜的該非滲流部分流體連接。位於該薄膜的一中央部分之一傳送管，用於從該薄膜的該非滲流部分傳送一部分之該非滲流產品氣體至該非滲流氣體排氣導管。在部分實施例中，係使用一過濾器固定支架來固定薄膜分離元件。為了產生外部清除流，薄膜外殼可含有一「T型」過濾器外殼。
用於清除該薄膜乾燥器之外部滲流部分的該清除流係取自一催化劑過濾器。該催化劑過濾器包含：一匣體，其含有一催化劑床；兩端件，其將該匣體維持在一催化劑床外殼內且具有多個出流孔；一催化劑進流導管，其連接至該催化劑床；以及一產品氣體排氣導管，其連接至該等出流孔。在部分實施例中，催化劑過濾器包含一濕度指示裝置與一插入埠，其供使用者視情況添加一氧化碳監控裝置之用。
在示範實施例中，一清除進流管提供了該催化劑過濾元件與該薄膜的該滲流部分間之一氣體連接。因此，實質上不含一氧化碳之清除氣體流是從催化劑過濾器流至薄膜分離元件。呼吸空氣純化裝置也包含一清除進流導管，其位於薄膜外殼內。呼吸空氣純化裝置進一步包含一清除孔，用於計量進入該薄膜的該滲流部分之氣體量。在部分實施例中，一過濾器固定支架係用於固定催化劑過濾元件。在本發明之部分實施例中，一清除過濾器(例如一燒結青銅過濾器)係與清除進流管流體連接。在示範實施例中，一管線式催化劑配線係與該催化劑床外殼組合而產生一合適密封，且一轉接器係合適以維持該管線式催化劑配線與該清除進流管之間的連接。
在本發明之部分實施例中，壓縮空氣在經薄膜乾燥器處理之前係使用預過濾器加以處理，因此，BAPS係包含至少一預過濾器，其位於薄膜分離元件的上游。呼吸空氣純化裝置係進一步包含位於催化劑過濾器下游之一活性碳過濾器、以及位於活性碳過濾器下游之一粒狀物過濾器。
在本發明之示範實施例中，提供了一種具有不含一氧化碳之清除流的呼吸空氣純化裝置，其包含：一薄膜分離構件，其具有：一分離構件，用於分離一滲流部分與一非滲流部分；一包裝構件，用於包裝該分離構件；一進流構件，用於運載一進氣氣體至該裝置；及一非滲流產品氣體排氣構件，用於將非滲流產品氣體運載出該薄膜分離構件。該裝置更包含一催化劑過濾構件，其具有：一匣體構件，用於圍繞一催化劑床；一端件構件，用於將該匣體保持在一催化劑床外殼內，且其具有多個出流孔以將一經催化劑處理之出流氣體運載出該催化劑過濾 構件；及一催化劑進流構件，用於將該非滲流產品氣體引入該催化劑床中。該裝置也包含一清除進流構件，用於提供自該催化劑過濾元件至該薄膜的該滲流部分之一氣體連接。
在本發明之一實施例中，一種使用呼吸空氣純化裝置的方法包含：使用一薄膜分離元件而自一壓縮空氣流中移除水氣，包含：將該壓縮空氣流運載至該裝置中；分離該壓縮空氣流的一滲流部分與一非滲流部分；及將一非滲流氣體運載出該薄膜分離元件。該方法也包含使用一催化劑過濾元件而自該非滲流氣體中移除一氧化碳，包含：使用端件而將一匣體維持於一催化劑床外殼內，該端件具有多個出流孔以將一經催化劑處理之氣體運載出該催化劑過濾元件；及將該非滲流氣體引入該匣體內之一催化劑床。最後，該方法包含經由一清除進流導管，使該經催化劑處理之氣體從該催化劑過濾元件傳送至該薄膜的該滲流部分。
本發明之特定(非廣泛)實施例係已列出，以求能進一步瞭解其詳細內容、且可進一步推知其對於該領域之貢獻。當然，以下將說明本發明之其他實施例，其形成了如附申請專利範圍之標的內容。
就此構想，在詳細解釋本發明之至少一實施例之前，應瞭解本發明並非限於下文中所說明與圖式中所描述的架構細節與元件配置；本發明可以所描述者以外之實施例來實行，且可以各種方式施行。同時，也應瞭解說明書與摘要中所使用的用語皆為說明之用，其並不做為限制之用。
因此，本領域技術人士將推知本說明書之基礎概念可直接使用作為設計用於實施本發明數種構想之其他結構、方法與系統的基礎，因此，重要的是申請專利範圍係視為含有這種等效架構，其並不背離本發明之精神與範疇。
本發明之示範實施例可用於避免呼吸空氣純化系統(BAPS)之裝設區域的污染物。根據本發明之BAPS為薄膜式以進行更精實及省電的脫水程序。本發明之示範實施例使用去濕或薄膜，其需要清除空氣；舉例而言，為使水氣自薄膜纖維脫附(desorb)，薄膜乾燥器使用一部分的乾燥壓縮空氣而自中空纖維的外/滲流側沖洗水氣，且因此清除含水氣之薄膜。在本發明之示範實施例中，清除空氣是取自系統中乾燥空氣經催化劑床處理後的一點，其將致命的一氧化碳(CO)轉化為二氧化碳，這種實質上不含CO之清除空氣接著可從系統安全排出至即時環境中，而不污染周遭環境。
現將參照下列圖式說明本發明。第1圖是一平面圖，其說明了根據本發明一示範實施例之呼吸空氣純化系統(BAPS) 10，如第1圖所示，薄膜式BAPS 10之示範實施例包含：(i)兩個進流預過濾器12a、12b以移除大量液體，主要為水和油；(ii)薄膜分離元件，例如薄膜乾燥器15，以降低壓縮空氣的相對濕度；(iii)催化劑過濾器20，以將存在的任何一氧化碳轉化為二氧化碳；(iv)活性碳過濾器25，用以吸附油氣與可偵測之臭味；(v)粒狀物過濾器30，用以捕捉任何小催化劑或碳微粒；以及(vi)視情況之過濾器固定支架32。
第2圖提供了第1圖所示之BAPS 10的截面圖。使用薄膜乾燥器15來清潔壓縮空氣移除了污染物與水氣，同時也降低其露點(dew point)，其中露點是指在固定氣壓下空氣必須冷卻以使水氣分子凝結成水之溫度。薄膜乾燥器15係用以降低相對濕度達3%或以下。壓縮空氣可透過薄膜37而移動，薄膜37包含中空纖維束，其係經特別設計以移除水氣。因此，當壓縮空氣通過薄膜37時，水氣係吸收於纖維的內側，並快速通過至薄膜37的外層。薄膜束中央配件39係作用以將薄膜束37集中於其外殼60內。
在本發明之一示範實施例中，含水氣與其他不純物之壓縮空氣透過進流Is 而進入BAPS。傳統的預過濾器係用以在壓縮空氣由薄膜乾燥器15處理前處理壓縮空氣，進流Is 進入第一預過濾器12a，其移除大量液體與粒狀物。第一預過濾器12a包含一粗過濾元件47a，其係設計以抵擋高液體負載。液體係經由一浮動排水管49a而自預過濾器12a排放。氣流接著進入第二預過濾器12b，其以更高效率移除液體與粒狀物。第二預過濾器12b包含一細過濾元件47b，其可移除氣膠。更多的液體經由另一浮動排水管49b而自預過濾器12b排放。一模組連接套件50係用以於BAPS的不同元件(例如在第一預過濾器12a與第二預過濾器12b)之間產生密封；此外，每一個預過濾器12a、12b包含一差壓計53，以指示預過濾元件47a、47b何時需要更換。
離開第二預過濾器之氣流接著經由薄膜進流導管51進入乾燥器15的薄膜頭部55，壓縮空氣通過薄膜乾燥器束37，其由一薄膜乾燥碗部或殼部60包圍於內。薄膜乾燥器束37(其可能為螺旋纏繞)係特別設計以移除水氣，且在本發明之一實施例中，其可含有中空纖維束。
在薄膜乾燥器中空纖維37的內部(非滲流部分38)和薄膜乾燥器中空纖維37的外部(滲流部分36)之間存在水氣分壓差異，因此水氣將遷移至中空纖維37的外部。因此，當壓縮空氣通過薄膜纖維的內部時，水氣會被吸收在纖維壁的內部，並快速通過纖維壁而至薄膜纖維37的外部部分。乾燥器15係由中空薄膜纖維的內部與外部之間的水氣分壓差異加以驅動。為了連續乾燥氣流，必須使用清除流來淨除(清除)薄膜纖維37的外層之水氣，如下文進一步所說明。
大量的乾燥空氣向上移動通過傳送管65，並通過非滲流氣體排氣導管52而從薄膜頭部55離開乾燥器15。產生之乾燥氣體接著通過催化劑進流導管54進入催化劑 過濾器20，催化劑過濾器20在氧(O2 )的存在下將一氧化碳轉化成二氧化碳(CO2 )，此轉換之化學方程式為2CO+O2 →2CO2 。對催化劑過濾器20而言，催化劑進流必須是乾燥的，以移除氣流中的CO。為了監控進流，濕度指示計70係位於催化劑過濾器外殼74的頭部73，濕度指示計70利用指示膠來測試催化劑過濾器20之進流，其於氣流乾燥時呈綠色、而在存在濕氣時呈黃色。乾燥氣流持續進入催化劑床75，其移除了CO。端件77托持匣體，匣體將催化劑床75包圍於其外殼79內。純化的空氣流經由下端件77中的出流孔80離開催化劑床75，純化之大量空氣接著經由產品氣體排氣導管56離開催化劑過濾器20的頭部73。在本發明之部分實施例中，催化劑過濾器20內可含有一插入埠93，以視情況增加傳統的CO監控裝置(圖中未示)。
空氣流離開催化劑過濾器20的頭部73、並進入活性碳過濾器25，活性碳過濾器25包含充填有粒狀活性碳之一過濾元件85。此過濾器25係設計以移除空氣流中的可偵測臭味、油氣與其他有機氣體。氣流持續進入粒狀物過濾器30，其具有一過濾元件90；過濾元件90係設計以捕捉在先前兩個過濾步驟中已經進入氣流的任何催化劑或碳微粒。粒狀物過濾器30包含一差壓計53，以指示過濾元件90何時需要更換。所產生的空氣流透過出流氣流Os 而離開BAPS。
在中空纖維薄膜氣體分離裝置(例如薄膜乾燥器15) 中，清除氣體必須用以增加驅動系統之壓力差異、增加產品氣體的乾燥度、以及提升薄膜乾燥器15的產率。維持薄膜乾燥器15之脫水性能所需之清除空氣係得自催化劑過濾器20的外殼底部，小部分的產品氣體乾燥空氣係分送通過清除進流管35，其連接薄膜乾燥器15之可移除外殼的底部與催化劑過濾器20之底部。
在本發明之示範實施例中，清除控制孔41係用以計量適當的清除空氣量。清除過濾器(例如燒結青銅過濾器45)係裝設在清除進流管35的催化劑過濾器末端，以確保沒有固體粒狀物可以通過進入清除空氣控制孔41中而導致阻塞。清除中央配件95係設計以與一下束蓋體97對齊；清除空氣流經配件95，並接著沿著薄膜纖維束37的外表面99而清除。催化劑配件102與催化劑過濾器20的外殼74組合以產生一合適密封104。轉接器配件105係用以維持配件102的管線與清除進流管35之間的連接。
清除排放物經由孔洞100而離開纖維束37，並向下流動以排空呼吸器107，其將清除排放物排放至大氣環境中。在本發明之示範實施例中，薄膜乾燥器15係包圍於一「T型」過濾器外殼內，其係因外殼頭部具有進流與出流導管、且可利用來自附接至外殼底部之外部來源的清除空氣而稱之。因為清除進流在再次進入薄膜乾燥器15之前就已純化，因此清除排放物在排放至周圍環境中時實質上並不含CO，因此，純化之清除排放物並不會污 染環境。
從說明書內容顯然可見本發明的多項特徵與優勢，因此，如附申請專利範圍係用於涵蓋落於本發明之真實精神與範疇內之本發明所有這些特徵與優勢。此外，由於本領域技術人士可直接推得各種修飾與變化，因此，所有適當的修飾與等效例皆落於本發明之範疇中。
10‧‧‧呼吸空氣純化系統
12a、12b‧‧‧預過濾器
15‧‧‧薄膜乾燥器
20‧‧‧催化劑過濾器
25‧‧‧活性碳過濾器
30‧‧‧粒狀物過濾器
32‧‧‧過濾器固定支架
35‧‧‧清除進流管
36‧‧‧滲流部分
37‧‧‧薄膜
38‧‧‧非滲流部分
39‧‧‧配件
41‧‧‧控制孔
45‧‧‧燒結青銅過濾器
47a、47b‧‧‧過濾元件
49a、49b‧‧‧浮動排水管
50‧‧‧連接套件
51‧‧‧薄膜進流導管
52‧‧‧非滲流氣體排氣導管
53‧‧‧差壓計
54‧‧‧催化劑進流導管
55‧‧‧薄膜頭部
56‧‧‧產品氣體排氣導管
60‧‧‧碗部或殼部
65‧‧‧傳送管
70‧‧‧濕度指示計
73‧‧‧頭部
74‧‧‧催化劑過濾器外殼
75‧‧‧催化劑床
77‧‧‧端件
79‧‧‧外殼
80‧‧‧出流孔
85‧‧‧過濾元件
90‧‧‧過濾元件
93‧‧‧插入埠
95‧‧‧配件
97‧‧‧蓋體
99‧‧‧外表面
100‧‧‧孔洞
102‧‧‧催化劑配件
104‧‧‧合適密封
105‧‧‧轉接器配件
107‧‧‧呼吸器
第1圖為一平面圖，其說明了根據本發明一示範實施例之呼吸空氣純化系統。
第2圖為第1圖之呼吸空氣純化系統之截面圖。
12a、12b‧‧‧預過濾器
15‧‧‧薄膜乾燥器
20‧‧‧催化劑過濾器
25‧‧‧活性碳過濾器
30‧‧‧粒狀物過濾器
35‧‧‧清除進流管
36‧‧‧滲流部分
37‧‧‧薄膜
38‧‧‧非滲流部分
39‧‧‧配件
41‧‧‧控制孔
45‧‧‧燒結青銅過濾器
47a、47b‧‧‧過濾元件
49a、49b‧‧‧浮動排水管
50‧‧‧連接套件
51‧‧‧薄膜進流導管
52‧‧‧非滲流氣體排氣導管
53‧‧‧差壓計
54‧‧‧催化劑進流導管
55‧‧‧薄膜頭部
56‧‧‧產品氣體排氣導管
60‧‧‧碗部或殼部
65‧‧‧傳送管
70‧‧‧濕度指示計
73‧‧‧頭部
74‧‧‧催化劑過濾器外殼
75‧‧‧催化劑床
77‧‧‧端件
79‧‧‧外殼
80‧‧‧出流孔
85‧‧‧過濾元件
90‧‧‧過濾元件
93‧‧‧插入埠
95‧‧‧配件
97‧‧‧蓋體
99‧‧‧外表面
100‧‧‧孔洞
102‧‧‧催化劑配件
104‧‧‧合適密封
105‧‧‧轉接器配件
107‧‧‧呼吸器

Claims (25)

  1. 一種呼吸空氣純化裝置，其包含：一薄膜分離元件，其包含：一薄膜，其具有一滲流部分與一非滲流部分；一薄膜外殼，其圍繞該薄膜；一薄膜進流導管，其連接至該薄膜；以及一非滲流氣體排氣導管，其與該薄膜的該非滲流部分流體連接；一催化劑過濾元件，其包含：一匣體，其含有一催化劑床；兩端件，其將該匣體保持在一催化劑床外殼內，且具有多個出流孔；一催化劑進流導管，其連接至該催化劑床且與該非滲流氣體排氣導管流體連接；及一產品氣體排氣導管，其連接至該些出流孔；以及一清除進流管，其提供自該催化劑過濾元件至該薄膜之該滲流部分之一氣體連接。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之呼吸空氣純化裝置，更包含一清除控制孔，用於計量進入該薄膜的該滲流部分之氣體量。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之呼吸空氣純化裝置，更包含至少一預過濾器，其位於該薄膜分離元件的上游。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之呼吸空氣純化裝置，更包含該薄膜外殼內之一清除進流導管。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之呼吸空氣純化裝置，更包含位於該薄膜的一中央部分之一傳送管，用於從該薄膜的該非滲流部分傳送一部分之該非滲流產品氣體至該非滲流氣體排氣導管。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之呼吸空氣純化裝置，更包含一活性碳過濾器，其位於該催化劑過濾器的下游。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之呼吸空氣純化裝置，更包含一粒狀過濾器，其位於該活性碳過濾器的下游。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之呼吸空氣純化裝置，其中該催化劑過濾器包含一濕度指示裝置。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之呼吸空氣純化裝置，其中該催化劑過濾器包含一氧化碳監控裝置之一插入 埠。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之呼吸空氣純化裝置，更包含一過濾器固定支架，其附接至該薄膜分離元件。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之呼吸空氣純化裝置，更包含一過濾器固定支架，其附接至該催化劑過濾元件。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之呼吸空氣純化裝置，更包含一清除過濾器，其流體連接至該清除進流管。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之呼吸空氣純化裝置，其中該清除過濾器係一燒結青銅過濾器。
  14. 如申請專利範圍第1項所述之呼吸空氣純化裝置，其中該薄膜外殼包括一「T型」過濾器外殼。
  15. 如申請專利範圍第1項所述之呼吸空氣純化裝置，更包含一管線式催化劑配線，其與該催化劑床外殼組合而產生一合適密封。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之呼吸空氣純化裝置，更包含一轉接器，其合適以維持該管線式催化劑配線 與該請除進流管之間的連接。
  17. 如申請專利範圍第1項所述之呼吸空氣純化裝置，其中一清除氣體流自該催化劑過濾元件流至該薄膜分離元件，該清除氣體流實質上不含一氧化碳。
  18. 一種呼吸空氣純化裝置，其具有一無一氧化碳之清除流，該呼吸空氣純化裝置包含：一薄膜分離構件，其包含：一分離構件，用於分離一滲流部分與一非滲流部分；一包裝構件，用於包裝該分離構件；一進流構件，用於運載一進氣氣體至該裝置；及一非滲流產品氣體排氣構件，用於將非滲流產品氣體運載出該薄膜分離構件；一催化劑過濾構件，其包含：一匣體構件，用於圍繞一催化劑床；一端件構件，用於將該匣體保持在一催化劑床外殼內，且其具有出流構件以將一經催化劑處理之出流氣體運載出該催化劑過濾構件；及一催化劑進流構件，用於從該薄膜分離構件接收非滲流產品氣體，且將該非滲流產品氣體引入該催化劑床中；以及一清除進流構件，用於提供自該催化劑過濾元件至該 薄膜的該滲流部分之一氣體連接。
  19. 如申請專利範圍第18項所述之呼吸空氣純化裝置，更包含一清除控制構件，用於計量進入該滲流部分之氣體量。
  20. 如申請專利範圍第19項所述之呼吸空氣純化裝置，更包含一清除過濾構件，用於移除進入該清除進流構件的氣體中的粒狀物。
  21. 如申請專利範圍第18項所述之呼吸空氣純化裝置，更包含一管線式催化劑配件構件，用於與該催化劑床外殼組合而形成一合適密封。
  22. 如申請專利範圍第21項所述之呼吸空氣純化裝置，更包含一轉接器配件構件，用於維持該管線式催化劑配件構件與該清除進流構件間之一連接。
  23. 一種使用一呼吸空氣純化裝置的方法，其包含：使用一薄膜分離元件而自一壓縮空氣流中移除水氣，包含：將該壓縮空氣流運載至該裝置中；分離該壓縮空氣流的一滲流部分與一非滲流部分；及 將一非滲流氣體運載出該薄膜分離元件；使用一催化劑過濾元件而自該非滲流氣體中移除一氧化碳，包含：使用端件而將一匣體維持於一催化劑床外殼內，該端件具有多個出流孔以將一經催化劑處理之氣體運載出該催化劑過濾元件；及將該非滲流氣體引入該匣體內之一催化劑床；以及經由一清除進流導管，使該經催化劑處理之氣體從該催化劑過濾元件傳送至該薄膜的該滲流部分。
  24. 如申請專利範圍第23項所述之方法，更包含：計量進入該清除進流導管之氣體量。
  25. 如申請專利範圍第23項所述之方法，其中該經催化劑處理之氣體係實質上不含一氧化碳。
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