TWI512419B - 主動式壓力穩定系統及方法 - Google Patents

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TWI512419B
TWI512419B TW104100024A TW104100024A TWI512419B TW I512419 B TWI512419 B TW I512419B TW 104100024 A TW104100024 A TW 104100024A TW 104100024 A TW104100024 A TW 104100024A TW I512419 B TWI512419 B TW I512419B
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Description

主動式壓力穩定系統及方法
本發明之領域為氣體的壓力穩定控制及其循環回收。
壓力控制被廣泛應用在工業的製程或機具上。它除了可能影響製程產品的品質，產率，同時可能也是觸動化工製程反應的重要反應參數。
早期石化，食品，生技，醫藥等產業生產製程使用線上分析儀器(On-Line Analyzer)搭配取樣系統(Sample Conditioning System)作為生產的品管控制。取樣系統的設計決定線上分析儀的運作效能。取樣系統原則上必須控制流入線上分析儀的氣體具備穩定的壓力、溫度及流量，以符合線上分析儀器對分析氣體的條件要求。
從取樣系統進到線上分析儀的氣體一般為常溫，常壓。分析完後從線上分析儀排出的低壓氣體，通常無法自行排回製程管路，必須透過一增壓抽引裝置把氣體增壓後再打回製程管路或到任何回收容器。其裝置如第2圖所示。第2圖說明：
201 需要控制壓力的氣體源。
202 取樣系統：分析氣體的前處理系統。
203 線上分析儀：接收來自取樣系的氣體並不間斷地分析。
204 泵：將氣體增壓再排出去。
101 高壓氣體回收容器。
如果線上分析儀的排放口的回收容器壓力不穩定，會造成前端線上分析儀內的氣體壓力不穩定並直接造成線上分析儀器測值上下跳動，無法發揮測量分析的功能。因此系統設計者不得不採用第3圖的設計，直接將分析後的氣體排到大氣。第3圖說明：
201 同第2圖之201。
202 同第2圖之202。
203 同第2圖之203。
301 大氣。
另一先前的氣體穩壓及回收技術如第7圖所示。第7圖說明：
701 限位開關A(Limit Switch A)：裝置在特定位置的無方向性開關，用來停止增壓抽引裝置的運轉。
702 觸動桿(Tripper Rod)：隨著鋼索移動到特定位置觸動限位開關。
703 限位開關B(Limit Switch B)：裝置在特定位置的無方向性開關，用來啟動增壓抽引裝置的運轉。
704 配重砝碼(Counterweight)：透過滑輪組與浮頂的重量匹配達到平衡。
705 滑輪(Pulley)：支撐鋼索或繩索，同時讓鋼索或繩索易於滑動並改變施力方向。
706 滑輪：同705。
707 浮頂(Floating Top)：透過滑輪組與配重砝碼，當氣體進入集氣桶時會頂起浮頂增加集氣桶的容積而不會改變集氣桶的內壓。
708 集氣桶(Bucket)：收集不斷流入的氣體。
201 需要控制壓力的氣體來源。
300 增壓抽引裝置(Booster Device)：一端具備抽引氣體能力，同時把抽引的氣體增壓後再從另一出口排出。
101 高壓回收容器。
集氣桶的雙層夾壁放高密度矽油填滿與浮頂側壁的間隙防止洩露。浮頂本身的重量則由配重砝碼的重量平衡。當氣體進到集氣桶，浮頂上昇，觸動桿下降。當觸動桿下降碰到限位開關B時，會啟動增壓抽引裝置把集氣桶內的氣體抽走，然後浮頂下降，觸動桿上昇，直到觸動桿碰到限位開關A，然後馬達停止運轉。
當氣體流入集氣桶時，必須克服浮頂上升的慣性。當抽氣馬達被限位開關B啟動，準備把裝滿的氣體打到高壓回收容器，同樣面臨後端壓力不穩造成的抽引量不穩。浮頂又因慣性質量之故無法靈敏的上下快速移位，平衡進與出的迅速流量變化。
此設計對於後端高壓回收容器壓力變化很大，或是前端流量變化很大時，無法滿足使用者對線上分析儀器穩定性的要求。又因為每個元件長時間暴露在大氣中，物質表面特性的改變，使整個動力平衡機構失去效能，而無法正常運作。
因此，本發明之目的之一，即在提供一種更精確、更有效的系統及方法以解決上述的問題。
因此，本發明之目的之一，即在提供一種對環境更友善的系 統及方法以解決上述的問題。
根據本發明之一實施例，提出一種用以穩定一氣體源之壓力並將該氣體回收至一下游系統之主動式壓力穩定系統，該系統包含：(a)一壓力穩定裝置，該壓力穩定裝置包含一律動膜，該律動膜將該壓力穩定裝置區隔為一接收室及一控壓室，其中該接收室包含一用以引進所述氣體源之進氣孔，一出氣孔，以及一可關閉之迴流孔，該控壓室包含一用以引進一特定壓力之導壓孔，該律動膜具備感應該接收室及該控壓室之壓差並往低壓一方伸展或變形之特性；(b)一增壓抽引裝置，該增壓抽引裝置包含一增壓抽引裝置進氣端以及一增壓抽引裝置排氣端，並具備將從該增壓抽引裝置進氣端進入之氣體增壓後由該增壓抽引裝置排氣端排出之功能；(c)一氣體分流裝置，該氣體分流裝置包含一分流裝置進氣孔，一第一分流裝置出氣孔，一第二分流裝置出氣孔，以及一分流控制器，該分流控制器依賴一傳動指示來控制進入該氣體分流裝置之氣體之一特定比例，包括零，由該第一分流裝置出氣孔流出，其餘由該第二分流裝置出氣孔流出；以及(d)一控制驅動器，用以感應前述律動膜之伸展或變形並依其伸展或變形程度產生前述分流控制器所依賴之傳動指示；其中，該壓力穩定裝置、該增壓抽引裝置以及該氣體分流裝置之連接方式為以下二者之一：(i)該壓力穩定裝置之出氣孔連結該增壓抽引裝置進氣端，該增壓抽引裝置排氣端連結該氣體分流裝置之分流裝置進氣孔，該氣體分流裝置之第一分流裝置出氣孔連結前述下游系統，該氣體分流裝置之第二分流裝置出氣孔連結該壓力穩定裝置之迴流孔；(ii)該壓力穩定裝置之出氣孔連結該分流裝置進氣孔，在該氣體分流裝置之分流控制器控制所有氣體皆由其第一分 流裝置出氣孔流出之情況下，該氣體分流裝置之第一分流裝置出氣孔連結該增壓抽引裝置進氣端，該增壓抽引裝置排氣端連結前述下游系統。
根據本發明之一實施例，提出一種用以穩定一氣體源之壓力並將該氣體回收至一下游系統之方法，該方法包含：建造一壓力穩定裝置，該壓力穩定裝置包含一律動膜，該律動膜將該壓力穩定裝置區隔為一接收室及一控壓室，其中該接收室包含一用以引進所述氣體源之進氣孔，一出氣孔，以及一可關閉之迴流孔，該控壓室包含一用以引進一特定壓力之導壓孔，該律動膜具備感應該接收室及該控壓室之壓差並往低壓一方伸展或變形之特性；建造一氣體分流裝置，該氣體分流裝置包含一分流裝置進氣孔，一第一分流裝置出氣孔，一第二分流裝置出氣孔，以及一分流控制器，該分流控制器依賴一傳動指示來控制進入該氣體分流裝置之氣體之一特定比例，包括零，由該第一分流裝置出氣孔流出，其餘由該第二分流裝置出氣孔流出；建造一控制驅動器，用以感應前述律動膜之伸展或變形並依其伸展或變形程度產生前述分流控制器所依賴之傳動指示；將一包含一增壓抽引裝置進氣端以及一增壓抽引裝置排氣端之增壓抽引裝置、該壓力穩定裝置、該氣體分流裝置以及該控制驅動器用以下兩種方式之一連結：(i)該壓力穩定裝置之出氣孔連結該增壓抽引裝置進氣端，該增壓抽引裝置排氣端連結該氣體分流裝置之分流裝置進氣孔，該氣體分流裝置之第一分流裝置出氣孔連結前述下游系統，該氣體分流裝置之第二分流裝置出氣孔連結該壓力穩定裝置之迴流孔；(ii)該壓力穩定裝置之出氣孔連結該氣體分流裝置之分流裝置進氣孔，在該氣體分流裝置之分流控制器控制所有氣體皆由其第一分流裝置出氣孔流出之情況下，該氣體分流裝置之第一分流 裝置出氣孔連結該增壓抽引裝置進氣端，該增壓抽引裝置排氣端連結前述下游系統；將上述氣體源連接至該壓力穩定裝置之進氣孔。
101‧‧‧高壓氣體回收容器
102‧‧‧控制驅動器
200‧‧‧壓力穩定裝置
201‧‧‧需要控制壓力的氣體源
202‧‧‧取樣系統
203‧‧‧線上分析儀
204‧‧‧泵
2001‧‧‧接收室出氣孔
2002‧‧‧接收室進氣孔
2003‧‧‧接收室
2004‧‧‧律動膜
2005‧‧‧導壓孔
2006‧‧‧控壓室
2007‧‧‧接收室迴流孔
300‧‧‧增壓抽引裝置
3001‧‧‧增壓抽引裝置進氣端
3002‧‧‧增壓抽引裝置排氣端
400‧‧‧氣體分流裝置
401‧‧‧本發明PPSS
4001‧‧‧分流裝置進氣孔
4002‧‧‧分流控制器
4003‧‧‧分流裝置出氣孔
4004‧‧‧氣體迴流孔
501‧‧‧車量油箱
502‧‧‧加油槍
503‧‧‧油氣回收罩
505‧‧‧汽油回收裝置
506‧‧‧儲油槽
601‧‧‧氫氣
602‧‧‧氧氣
603‧‧‧燃料電池
604‧‧‧氣水分離裝置
701‧‧‧限位開關A
702‧‧‧觸動桿
703‧‧‧限位開關B。
704‧‧‧配重砝碼
705‧‧‧滑輪
706‧‧‧滑輪
707‧‧‧浮頂
708‧‧‧集氣桶
901‧‧‧後側板
902‧‧‧氣體迴流孔
903‧‧‧氣體分流裝置
904‧‧‧分流裝置出氣孔
905‧‧‧分流裝置進氣孔
906‧‧‧右側板
907‧‧‧R2出口
908‧‧‧R3出口
909‧‧‧分流控制器：以轉子結構為之
910‧‧‧前側板
911‧‧‧控制驅動器：以連桿為之
1001‧‧‧轉子固定座
1002‧‧‧軸承
1003‧‧‧分流控制器(以轉子結構為之)
1004‧‧‧分流裝置進氣孔
1005‧‧‧氣體分流裝置
1006‧‧‧氣體分流裝置本體固定座
1007‧‧‧分流裝置出氣孔
1008‧‧‧連桿安裝孔
1101‧‧‧控制驅動器
1501‧‧‧電子式的氣體分流裝置
1502‧‧‧電子式的分流控制器
1503‧‧‧接近感應器
1801‧‧‧以轉子為之的分流控制器
1802‧‧‧信號傳送器
第1圖為本發明PPSS之正壓及負壓兩種連接方式。
第2圖為傳統線上分析儀器搭配取樣系統的連接方式。
第3圖為傳統線上分析儀器搭配取樣系統為解決壓力不穩之問題而將氣體排放到大氣。
第4圖為線上分析儀器搭配取樣系統再加入本發明來解決壓力不穩所造成之問題。
第5圖為本發明PPSS用於加油站油氣回收系統之一實施例。
第6圖為本發明PPSS用於氫氧燃料電池之一實施例。
第7圖為早期一種使用集氣桶、浮頂、配重砝碼、觸動桿及滑輪組的穩壓裝置。
第8圖為本發明PPSS以正壓連結並加上迴流的一實施例。
第9圖為本發明之氣體分流裝置放置於接收室內，以正壓連接的一實施例。
第10圖為本發明之氣體分流裝置放置於接收室內，以負壓連接的一實施例。
第11圖為本發明以一轉子結構配合連桿做為分流控制器的一實施例所呈現的三種不同狀態。
第12圖為本發明之氣體分流裝置處於狀態A時，其轉子之R1,R2,R3通道與進氣、出氣、迴流通道對齊連通的實例。
第13圖為本發明之氣體分流裝置處於狀態B時，其轉子之R1,R2,R3通道與進氣、出氣、迴流通道對齊連通的實例。
第14圖為本發明之氣體分流裝置處於狀態C時，其轉子之R1,R2,R3通道與進氣、出氣、迴流通道對齊連通的實例。
第15圖為本發明以一近接感應器感知律動模移動，並採用電子式的氣體分流裝置及分流控制器的實例。律動模此時位於壓力穩定裝置之中央。
第16圖與第15圖相同，但律動模此時往壓力穩定裝置之右方移動。
第17圖為本發明之氣體分流裝置放置於控壓室內的一實施例。
第18圖為本發明之氣體分流裝置放置於壓力穩定裝置之外的一實施例。一機械式連桿用於連接律動模，並一起驅動一訊號產生器而將訊號傳至外部的氣體分流裝置。
有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖示以及至少一個實施例的詳細說明，將可清楚的呈現。
本發明為一主動式壓力穩定系統(Proactive Pressure Stabilizing System，簡稱PPSS)及其穩定壓力的方法。本發明包括一壓力穩定裝置(Pressure Stabilizer)，一增壓抽引裝置(Booster Device)，一氣體分流裝置(Gas Divider)，以及一控制驅動器(Control Driver)。
本發明可以用第1圖所示之兩種形式之任一種來連結上述元件。在正壓形式下，增壓抽引裝置排氣端與氣體分流裝置連結。因為增壓抽引裝置排氣端為正壓，稱為正壓形式。在負壓形式下，增壓抽引裝置進氣端與氣體分流裝置連結。因為增壓抽引裝置進氣端為負壓，因此稱為負壓形式。
第1圖說明：
101 高壓氣體回收容器(High Pressure Recovery Tank)：容納增壓後要回收的氣體。
102 控制驅動器(Control Driver)：可經由機械結構或電子信號把律動膜的變動程度傳遞到分流控制器。
200 壓力穩定裝置(Pressure Stabilizer)：具備主動穩壓功能，接受不斷流入的氣體，同時內部主動保持特定的壓力。
2001 接收室出氣孔(Receiving Chamber Gas Outlet)。
2002 接收室進氣孔(Receiving Chamber Gas Inlet)。
2003 接收室(Receiving Chamber)：用以接收不斷流入的氣體。
2004 律動膜(Flexible Membrane)：一片可以感應並平衡兩邊接觸面壓力的膜。
2005 導壓孔(Pressure Pilot)：用來導入特定的壓力到控壓室。
2006 控壓室(Pressure Chamber)：用來接受特定壓力的氣體，該特定壓力必須在控壓室容積改變時仍維持不變。
300 增壓抽引裝置(Booster Device)：一端具備抽引氣體能力，同時把抽引的氣體增壓後再從另一端排出。
3001 增壓抽引裝置進氣端(Booster Inlet)。
3002 增壓抽引裝置排氣端(Booster Outlet)。
400 氣體分流裝置(Gas Divider)：此裝置透過內部的分流控制器控制氣體流出去的量或是被抽引的量。
4001 分流裝置進氣孔(Divider Gas Inlet)。
4002 分流控制器(Divider Controller)：透過機械式的連動，或是有線或無 線的電子控制信號，改變從氣體分流裝置出氣孔流出的量或是被抽出的量。
4003 分流裝置出氣孔(Divider Gas Outlet)。
壓力穩定裝置內部由一律動膜隔成兩個獨立的氣室。接收室不斷接收氣體流入，透過律動膜自然的伸展變形，接收室內的壓力永遠保持與導入控壓室的特定壓力相同。律動膜的材料最好是輕，薄，軟，或是具有皺褶。有皺褶時，律動膜伸展變形其實是把皺褶拉平，而不是材質延展產生反向的張力而施力在接收室內使接收室內壓改變。輕，薄，軟的材質同時可以降低慣性質量(Inertial Mass)所造成的遲滯效應，更讓律動膜做伸展變形或左右上下運動時可以不需額外克服慣性質量所需要的力而造成接收室內壓改變。律動膜材質必須適合流入的氣體特性，盡可能與流入的氣體不產生化學作用，例如Teflon，PP，metal foil，PU，Viton，PE，Carbon，Ryton，Silicon等。
整體而言，增壓抽引裝置對氣體加壓，使氣體可以流向下游系統(通常是一高壓氣體回收容器)，除非下游系統具備類似抽引功能並且相對於接收室而言為負壓。增壓抽引裝置可以是Booster Pump、Bellow Pump、Diaphragm Pump、Ejector(Aspirator，Eductor)、Gear Pump、Compressor等。市場上找得到的任何形式的抽引裝置，只要物理特性及材質特性適合該應用就可以。因為增壓抽引裝置的氣體抽引量，會因高壓氣體回收容器的壓力增大而減小，選擇增壓抽引裝置的原則是在高壓氣體回收容器可能變動的最大壓力下，其單位時間抽引量必須大於接收室的單位時間最大可能輸入量。
氣體分流裝置具備一進氣孔及一出氣孔，以及一分流控制器。分流控制器被一個可感知律動模運動或變形的控制驅動器所驅動。分流控制器或是控制驅動器皆可用機械，或是電子，或是光學元件實施。各種實施方式稍後討論。
無論進入接收室的氣體其流量或壓力如何變動，或是高壓氣體回收容器壓力如何變動，接收室壓力永遠會與控壓室內的特定壓力相同。透過增壓抽引裝置增壓排到高壓氣體回收容器的氣體的質量流量(Mass Flow)，經氣體分流裝置內的分流控制器自動調整，會和流進接收室的氣體質量流量「同步變化」。此處的「同步變化」指當進氣的質量流量改變時，抽引出去的質量流量會因為律動膜的伸展變動，使得增壓排到高壓氣體回收容器的流量改變，一直到其質量流量與進氣的質量流量相同為止，「同步」需要的時間會因為壓力穩定裝置的體積與進氣的質量流量變化的程度而不同。
第1圖的正壓連結方式之下，增壓抽引裝置的進氣端連接接收室的出氣孔，其排氣端連接氣體分流裝置的進氣孔。分流控制器藉由律動膜伸展變形而產生的調整機制控制氣流從氣體分流裝置流出去的量，使得整個系統流出的質量流量等於整個系統流入的質量流量。進氣的質量流量與出氣的質量流量相等，表示進入的氣體分子數量與流出的氣體分子數量相等，因此律動膜不會再產生伸展變形，這是質量流量同步的原因。
在正壓連結方式之下，如果氣體分流裝置的分流裝置出氣孔被分流控制器完全閉鎖時，某些增壓抽引裝置的機械設計會因空轉沒有輸出氣體導致內部機件過熱，或輸出壓力累積造成轉動機件閉鎖受損。此時 可以借由氣體分流裝置上多一個迴流的出口，把氣體重新導回接收室。其連接方式如第8圖所示。第8圖說明：
101：同第1圖之101。
200：同第1圖之200。
2001：同第1圖之2001。
2002：同第1圖之2002。
2003：同第1圖之2003。
2004：同第1圖之2004。
2005：同第1圖之2005。
2006：同第1圖之2006。
2007 接收室迴流孔(Receiving Chamber Reflux Inlet)：接收導回的氣體。
300：同第1圖之300。
3001：同第1圖之3001。
3002：同第1圖之3002。
400：同第1圖之400。
4001：同第1圖之4001。
4002：同第1圖之4002。
4003：同第1圖之4003。
4004 氣體迴流孔(Gas Reflux)：用來將氣體導回壓力穩定裝置。
第8圖中的迴流管道確保當分流控制器把流出氣體分流裝置的流量完全閉鎖時，氣體還可以經由此孔導回接收室，使得增壓抽引裝置保持不斷的流量輸出。如此除了可釋放增壓抽引裝置的壓力，同時也可將 增壓抽引裝置累積的熱能帶走。
在正壓方式連接下，由於增壓抽引裝置排氣端的壓力較大，分流裝置出氣孔及氣體迴流孔在完全閉鎖到打開的動作前後要克服此較高壓力的氣流產生的阻力。如果用機械的控制驅動器，例如連桿，此時連桿必須足夠長以取得足夠的力距總和來推動分流控制器。為了防止洩漏增壓後的氣體，分流控制器內部移動或轉動的間隙要減小，但間隙太小或太緊會產生轉動力距不足，導致律動膜需要有更長的連桿以放大力距來提高控壓的精密度。採用電子信號的控制驅動器及分流控制器組合則不需有上述考量。
在負壓方式連接下，因為增壓抽引裝置進氣端的壓力較小，前述要克服的氣流阻力相對較小，所產生的洩漏問題也可以較輕易地解決，控壓的穩定及精準度較易提高。同樣地，採用電子信號來控制則不需有此考量。
第11圖是一個機械傳動分流控制器的實施例之三種狀態，第11圖說明：
400：同第1圖之400。
4001：同第1圖之4001。
4002 分流控制器(以一個轉子作為分流控制器的實施例)：轉子內包含R1，R2，R3三個聯通的通道。R1為進氣的通道，R2為排氣的通道，R3為迴流的通道。
4003：同第1圖之4003。
4004：同第8圖之4004。
1101 控制驅動器(以一連桿作為控制驅動器的實施例)：連桿與律動膜連接，隨著律動膜伸展變形而改變位置並轉動轉子4002。
第11圖顯示三種轉子隨著連桿的位置變動而轉動的角度狀態，以及狀態間的變化。以下說明三種狀態下各個通道間各別的關係：
狀態A：分流裝置進氣孔與R1完全暢通，分流裝置出氣孔與R2完全閉鎖，氣體迴流孔與R3完全暢通，所以分流裝置進氣孔與氣體迴流孔完全暢通。
狀態B：分流裝置進氣孔與R1完全暢通，分流裝置出氣孔與R2部分暢通，氣體迴流孔與R3部分暢通，所以分流裝置進氣孔同時與分流裝置出氣孔及氣體迴流孔部分暢通。
狀態C：分流裝置進氣孔與R1完全暢通，分流裝置出氣孔與R2完全暢通，氣體迴流孔與R3完全閉鎖，所以分流裝置進氣孔分流裝置出氣孔完全暢通。
上例利用槓桿機械設計原理，讓轉子上連接的連桿可以跟隨律動膜伸展變形而達到轉動所需的扭力，並且不會明顯施力在律動膜上，更不會造成接收室與控壓室間的壓差。
第9圖顯示一機械的氣體分流裝置以正壓方式連接的實施例，並且把氣體分流裝置安裝在接收室內，第9圖說明：
901 後側板(Rear Plate)。
902 氣體迴流孔(Gas Reflux)：用來將氣體導回接收室。
903 氣體分流裝置本體。
904 分流裝置出氣孔(朝下方)。
905 分流裝置進氣孔(朝下方)。
906 右側板(Right Plate)。
907 R2出口(朝右方)：氣體從分流裝置進氣孔進入，經R1通道流到R2通道，然後以此出口接分流裝置出氣孔。
908 R3出口(朝左方)：氣體從分流裝置進氣孔進入，經R1通道流到R3通道，然後以此出口接氣體迴流孔。
909 分流控制器：以轉子結構為之。
910 前側板(Front Plate)。
911 控制驅動器：以連桿為之。
第10圖顯示氣體分流裝置用在負壓方式連接的一種機械結構實施例，並且把氣體分流裝置安裝在接收室內，第10圖說明：
1001 轉子固定座：固定轉子用。
1002 軸承(Bearing)：輔助轉子轉動的元件。
1003 分流控制器(以轉子結構為之)。
1004 分流裝置進氣孔。
1005 氣體分流裝置。
1006 氣體分流裝置本體固定座。
1007 分流裝置出氣孔(朝右方)。
1008 連桿安裝孔。
第12圖顯示當氣體分流裝置安裝在接收室內時，第11圖所述狀態A各元件的關係位置。第12圖說明：
200：同第1圖之200。
2001：同第1圖之2001。
2002：同第1圖之2002。
2003：同第1圖之2003。
2004：同第1圖之2004。
2005：同第1圖之2005。
2006：同第1圖之2006。
2007：同第8圖之2007。
400：同第1圖之400。
4001：同第1圖之4001。
4002：同第1圖之4002。
4003：同第1圖之4003。
4004：同第8圖之4004。
1101：同第11圖之1101。
在第12圖中，壓力穩定裝置的進氣量持續低於壓力穩定裝置的出氣量，律動膜呈現接收室體積量縮的變化。連桿隨著律動膜位置變動而轉動轉子。轉子最終的轉動角度使得分流裝置出氣孔完全閉鎖，阻止壓力穩定裝置再流出氣體，氣體迴流孔完全通暢，加速迴流。
第13圖顯示當氣體分流裝置安裝在接收室內時，第11圖所述狀態B各元件的關係位置。第13圖說明：
200：同第1圖之200。
2001：同第1圖之2001。
2002：同第1圖之2002。
2003：同第1圖之2003。
2004：同第1圖之2004。
2005：同第1圖之2005。
2006：同第1圖之2006。
2007：同第8圖之2007。
400：同第1圖之400。
4001：同第1圖之4001。
4002：同第1圖之4002。
4003：同第1圖之4003。
4004：同第8圖之4004。
1101：同第11圖之1101。
在第13圖中，律動膜處在中間最佳的調整狀態。此時律動膜向右邊有最大的伸展變形空間，向左邊也有最大的伸展變形空間。轉子的轉動角度使得R2與分流裝置出氣孔以及R3與氣體迴流孔都呈現部分通暢的狀態。分流裝置進氣孔透過R1接通R2連到分流裝置出氣孔，以及接通R3連到氣體迴流孔。此時從分流裝置進氣孔進來的氣體部分通分流裝置出氣孔，部分通氣體迴流孔。
第14圖顯示當氣體分流裝置安裝在接收室內時，第11圖所述狀態C各元件的關係位置。第14圖說明：
200：同第1圖之200。
2001：同第1圖之2001。
2002：同第1圖之2002。
2003：同第1圖之2003。
2004：同第1圖之2004。
2005：同第1圖之2005。
2006：同第1圖之2006。
400：同第1圖之400。
4001：同第1圖之4001。
4002：同第1圖之4002。
4003：同第1圖之4003。
4004：同第8圖之4004。
1101：同第11圖之1101。
在第14圖中，壓力穩定裝置的進氣量持續高於壓力穩定裝置的出氣量，律動膜反應接收室體積量增的變化。連桿隨著律動膜位置變動而轉動轉子。轉子最終的轉動角度使得分流裝置出氣孔完全通暢，加快壓力穩定裝置排出氣體，氣體迴流孔完全閉鎖，阻止氣體迴流。
第15圖及第16圖顯示分流控制器以比例式控制器(Proportional Control)或是數位控制器(Digital On-Off Control)實施時，機械連桿改為近接感應器(Proximity Sensor)。例如利用渦電流(Eddy Current)的Proximity Sensor可偵測律動膜的遠近並輸出信號給分流控制器，再由分流控制器控制分流裝置進氣孔、分流裝置出氣孔、氣體迴流孔各個接口的連通關係。也可以利用多組光學感應的Proximity Sensor感應律動膜在狀態A與狀態B間各點位置的變動，並依不同位置產生不同比例的控制信號傳到分流控制器，以控制各個接口的氣流量。
第15圖，第16圖說明：
200：同第1圖之200。
2001：同第1圖之2001。
2002：同第1圖之2002。
2003：同第1圖之2003。
2004：同第1圖之2004。
2005：同第1圖之2005。
2006：同第1圖之2006。
1501 電子式的氣體分流裝置。
1502 電子式的分流控制器。
1503 近接感應器(Proximity Sensor)：非接觸式的感應器，感應物體遠近並輸出對等強弱的信號。
分流控制器運動所需要的力不能施力在律動膜上而造成接收室內壓的改變。在以上討論的機械式實施例中，分流控制器的轉動或移動接觸面要平滑，其中之間隙也要小到不至於在操作的壓力下產生洩漏。連桿與律動膜表面儘量保持較多的接觸點。接觸點越多，產生的力距總和也越大。為了讓連桿在律動膜伸展變形時還能保持各點接觸，可藉由分佈在律動膜表面上多處像褲子上穿皮帶的耳帶，讓連桿穿過耳帶在律動膜表面自由滑動。或是可直接將連桿黏貼在律動膜表面。律動膜變形時同時將變形的程度傳遞到連桿。連桿與律動膜每個緊密接觸點的微小力量所產生的力距總合推動連桿而轉動轉子。連桿越長，產生的力距越大。律動膜面積越大，允許伸展的變量越大，也進而可容許更大的瞬間體積變量。
第17圖圖示氣體分流裝置安裝在控壓室內，此種安裝方式與在接收室內的控制方式相同。第17圖說明：
200：同第1圖之200。
2001：同第1圖之2001。
2002：同第1圖之2002。
2003：同第1圖之2003。
2004：同第1圖之2004。
2005：同第1圖之2005。
2006：同第1圖之2006。
400：同第1圖之400。
4001：同第1圖之4001。
4002：同第1圖之4002。
4003：同第1圖之4003。
4004：同第8圖之4004。
1101：同第11圖之1101。
第18圖是另一種氣體分流裝置放置在壓力穩定裝置外部的做法。連桿同樣以機械結構與律動膜連動，並驅動一個信號傳送器，該信號傳送器會依連桿轉動的位置輸出對應的不同信號給外部氣體分流裝置內的分流控制器作控制。第18圖說明：
200：同第1圖之200。
2001：同第1圖之2001。
2002：同第1圖之2002。
2003：同第1圖之2003。
2004：同第1圖之2004。
2005：同第1圖之2005。
2006：同第1圖之2006。
400：同第1圖之400。
4002：同第1圖之4002。
1101：同第11圖之1101。
1801 以轉子為之的分流控制裝置：轉子轉動並產生對應的信號。
1802 信號傳送器：傳送相對應轉子的位置的信號。
如果用連桿作為機械式的控制驅動器，加長連桿的長度可提高感應接收室與控壓室的差壓的靈敏度，增加穩壓的精確度。如果用電子或光學方式實施，可以透過更精密的光學感應元件提高律動膜位置伸展變化的解析度，或加大接收室容積與單位時間進氣量的比例，讓接收室與控壓室間差壓控制在預期的程度內。壓力穩定裝置體積越大，進氣量在單位時間相對於壓力穩定裝置體積的氣體分子數量比例越低，壓力變化也就越小。也就是說，壓力穩定裝置體積越大，可以容忍的瞬間流量變化也較大。壓力穩定裝置體積大使律動膜面積也越大，表示可容許的伸展變形程度也越大，壓力穩定裝置也因此可以容忍更大的瞬間氣體流量進去接收室而不產生壓力變化。
本發明可以用於前述之線上分析儀及取樣系統之壓力穩定控制。本發明能穩定而精準地控制接收室的壓力去趨近控壓室的壓力。此兩者的差壓可以經由改變壓力穩定裝置的體積，或改變偵測律動膜伸展變化的元件或機械結構的靈敏度來符合應用上的要求。本發明還可以讓氣體回收到製程管路或回收容器而不至於影響環境。其裝置如第4圖所示。第4 圖說明：
201：同第2圖之201。
202：同第2圖之202。
203：同第2圖之203。
401：本發明PPSS。
101 高壓回收容器。
本發明能夠承受其前端流量或壓力不穩定的氣流，及其後端高壓氣體回收容器不穩定壓力之情況，還能保持壓力穩定裝置內接收室穩定的壓力，作為線上分析儀器的排放裝置及氣體回收裝置，同時讓分析儀永遠維持穩定的分析條件，發揮線上分析儀應有的功能。
加油站的油氣回收裝置是本發明可以應用的另一個領域。加油槍上的油氣回收罩(Gas Vapor Recovery Hood)必須以大於油氣溢散量抽引以避免油氣外漏。此時吸入油氣的同時也會吸入周圍的空氣，更讓氣罩口呈現微負壓的狀態。油氣回收罩產生的處理問題及消費者的權利問題如下：
(a)油氣混合含氧的空氣，使回收的油氣變成危險易爆的混合氣體。
(b)油氣混合大量的空氣，使回收消耗更多的能量失去經濟價值。
(c)氣罩吸入口呈現微負壓狀態，加速更多的汽油揮發出來，同時這些多揮發出來的油氣，又被氣罩吸入帶走，這個現象會一直持續到停止加油為止，直接影響消費者的權益。
要解決此問題，首先應了解車輛加油時油氣的三個來源：
(a)環境溫度下的汽油蒸汽：汽油的蒸汽壓是溫度的函數，當下的溫度決定 蒸汽壓的大小。
(b)劇烈擾動的油氣：汽油經加油幫浦提供內能，衝出加油槍，因為高速及衝撞等劇烈擾動使得高動能的汽油分子逃逸出液體表面而形成劇烈擾動的油氣。
(c)推擠出來的油氣：加入的汽油使得油箱內部液位升高，上方油氣被推擠出來。
前述b及c兩個因素造成大量油氣溢散出加油箱口，影響周圍的環境品質。本發明可如第5圖所示應用在此狀況。第5圖說明：
501 車量油箱。
502 加油槍。
503 油氣回收罩：環繞在加油槍上的抽引包覆罩，加油嘴伸入車輛油箱時氣罩會罩住整個車輛油箱的加油口。
401 本發明PPSS。
505 汽油回收裝置：從氣罩吸入溢散出加油口的油氣冷凝後，分成液狀的汽油和氣狀的空氣。
506 儲油槽：加油站儲存汽油的地下桶槽。
此應用中，我們可在控壓室內裝入少量在該環境溫度變化範圍內還能維持氣液兩相共存的汽油並封住導壓孔，或者直接將導壓孔接到一個具上述特性之壓力來源，使得控壓室內的壓力永遠等於當時溫度下油箱的汽油蒸汽壓。加油前，加油口的壓力與接收室端不會形成壓差並推擠油氣到接收室端，此時接收室的進氣等於零，抽引出去回收的油氣也會等於零。
開始加油後，多出來的「劇烈擾動的油氣」及「推擠出來的油氣」所形成的壓力造成加油箱口的壓力大於接收室的內壓，因而使得油氣流向接收室，最後被增壓抽引裝置加壓打到油氣的回收裝置。加油槍的氣罩採用全罩式的設計，加油時將加油箱口完全覆蓋，然後接本發明。第5圖的裝置方式不會抽引到當時溫度下的汽油蒸汽，也不會帶入外部多餘的空氣。將本發明與油氣回收系統結合，可以減少抽氣量，降低冷卻裝置的功率，並回收高純度的油氣，減少油氣溢散，同時提高油氣回收的經濟效益。
另一項可以應用本發明的是燃料電池的供氣系統。針對燃料電池的供氣系統可以參考第6圖所示。第6圖說明：
601 氫氣。
602 氧氣。
603 燃料電池：以氫氣及氧氣作為電池兩極的原料氣體產生電化學反應發電。
401 本發明PPSS。
604 氣水分離裝置：經由冷卻及過濾將水分與氣狀物分離的裝置。
燃料電池發電會伴隨產生大量的熱，兩極供應的氣體壓力(與供氣在電極上的反應濃度成比例)必須隨著燃料電池的溫度變化而調整，讓燃料電池在持續溫度變化下發揮最大，最穩定的發電效能。
最終未完全耗盡的原料氣體被排出。本發明可以收集燃料電池排出的氣體。PPSS使兩極的氣體排放口與燃料電池內部形成固定差壓的封閉系統，進而精準而且穩定控制並改變兩極供氣的反應壓力。收集的排 放氣體同時可重新加壓循環再使用，提高原料氣體的使用率。這也是從另一個角度提高燃料電池的效能。
PPSS的穩壓性能可以廣泛用在需要精準控制壓力的各種設備或應用上。PPSS也可以在不使用高科技的精密電子控制元件的情況下，單純運用材料特性及輕巧的機械結構，就可不耗費能源，精準地控制壓力，同時讓排出的氣體質量流量與進入的氣體質量流量同步。這是工業設計上的突破，現今全球講究綠能的同時，更可以用在保護環境等相關應用上。
在實用上，使用者為了解PPSS的運轉情況，也可以在氣體流入壓力穩定裝置的管路，氣體抽出壓力穩定裝置的管路，氣體迴流壓力穩定裝置的管路或氣體打到高壓氣體回收容器的管路上加裝流量、壓力、溫度或任何物理性質或化學性質的量測或指示元件。這些加裝的元件對穩壓功能不會造成影響，但是有助於使用者檢視PPSS運轉的狀態，也是人性化的操作界面設計。
101‧‧‧高壓氣體回收容器
102‧‧‧控制驅動器
200‧‧‧壓力穩定裝置
2001‧‧‧接收室出氣孔
2002‧‧‧接收室進氣孔
2003‧‧‧接收室
2004‧‧‧律動膜
2005‧‧‧導壓孔
2006‧‧‧控壓室
300‧‧‧增壓抽引裝置
3001‧‧‧增壓抽引裝置進氣端
3002‧‧‧增壓抽引裝置排氣端
400‧‧‧氣體分流裝置
4001‧‧‧分流裝置進氣孔
4002‧‧‧分流控制器
4003‧‧‧分流裝置出氣孔

Claims (12)

  1. 一種用以穩定一氣體源之壓力並將該氣體回收至一下游系統之主動式壓力穩定系統，該系統包含：(a)一壓力穩定裝置，該壓力穩定裝置包含一律動膜，該律動膜將該壓力穩定裝置區隔為一接收室及一控壓室，其中該接收室包含一用以引進所述氣體源之進氣孔，一出氣孔，以及一可關閉之迴流孔，該控壓室包含一用以引進一特定壓力之導壓孔，該律動膜具備感應該接收室及該控壓室之壓差並往低壓一方伸展或變形之特性；(b)一增壓抽引裝置，該增壓抽引裝置包含一增壓抽引裝置進氣端以及一增壓抽引裝置排氣端，並具備將從該增壓抽引裝置進氣端進入之氣體增壓後由該增壓抽引裝置排氣端排出之功能；(c)一氣體分流裝置，該氣體分流裝置包含一分流裝置進氣孔，一第一分流裝置出氣孔，一第二分流裝置出氣孔，以及一分流控制器，該分流控制器依賴一傳動指示來控制進入該氣體分流裝置之氣體之一特定比例，包括零，由該第一分流裝置出氣孔流出，其餘由該第二分流裝置出氣孔流出；以及(d)一控制驅動器，用以感應前述律動膜之伸展或變形並依其伸展或變形程度產生前述分流控制器所依賴之傳動指示；其中，該壓力穩定裝置，該增壓抽引裝置，以及該氣體分流裝置之連接方式為以下二者之一：(i)該壓力穩定裝置之出氣孔連結該增壓抽引裝置進氣端，該增壓抽 引裝置排氣端連結該氣體分流裝置之分流裝置進氣孔，該氣體分流裝置之第一分流裝置出氣孔連結前述下游系統，該氣體分流裝置之第二分流裝置出氣孔連結該壓力穩定裝置之迴流孔；(ii)該壓力穩定裝置之出氣孔連結該氣體分流裝置之分流裝置進氣孔，在該氣體分流裝置之分流控制器控制所有氣體皆由其第一分流裝置出氣孔流出之情況下，該氣體分流裝置之第一分流裝置出氣孔連結該增壓抽引裝置進氣端，該增壓抽引裝置排氣端連結前述下游系統。
  2. 如請求項第1項所述之主動式壓力穩定系統，其中該控制驅動器為一實際連結該律動膜及該分流控制器之堅性結構。
  3. 如請求項第1項所述之主動式壓力穩定系統，其中該控制驅動器為一具備以電子或光學方式感應該律動膜伸展或變形之裝置，而且其中該傳動指示為一電子或光學訊號。
  4. 如請求項第1項所述之主動式壓力穩定系統，其中該導壓孔連通大氣。
  5. 如請求項第1項所述之主動式壓力穩定系統，其中該律動膜表面有皺折結構。
  6. 如請求項第1項所述之主動式壓力穩定系統，其中該壓力穩定裝置之迴流孔以及該氣體分流裝置之第二分流裝置出氣孔皆關閉。
  7. 一種用以穩定一氣體源之壓力並將該氣體回收至一下游系統之方法，該方法包含：建造一壓力穩定裝置，該壓力穩定裝置包含一律動膜，該律動膜將該壓力穩定裝置區隔為一接收室及一控壓室，其中該接收室包含一用以引進所述氣體源之進氣孔，一出氣孔，以及一可關閉之迴流孔，該控壓室包 含一用以引進一特定壓力之導壓孔，該律動膜具備感應該接收室及該控壓室之壓差並往低壓一方伸展或變形之特性；建造一氣體分流裝置，該氣體分流裝置包含一分流裝置進氣孔，一第一分流裝置出氣孔，一第二分流裝置出氣孔，以及一分流控制器，該分流控制器依賴一傳動指示來控制進入該氣體分流裝置之氣體之一特定比例，包括零，由該第一分流裝置出氣孔流出，其餘由該第二分流裝置出氣孔流出；建造一控制驅動器，用以感應前述律動膜之伸展或變形並依其伸展或變形程度產生前述分流控制器所依賴之傳動指示；將一包含一增壓抽引裝置進氣端以及一增壓抽引裝置排氣端之增壓抽引裝置、該壓力穩定裝置、該氣體分流裝置以及該控制驅動器用以下方兩種方式之一連結：(i)該壓力穩定裝置之出氣孔連結該增壓抽引裝置進氣端，該增壓抽引裝置排氣端連結該氣體分流裝置之分流裝置進氣孔，該氣體分流裝置之第一分流裝置出氣孔連結前述下游系統，該氣體分流裝置之第二分流裝置出氣孔連結該壓力穩定裝置之迴流孔；(ii)該壓力穩定裝置之出氣孔連結該氣體分流裝置之分流裝置進氣孔，在該氣體分流裝置之分流控制器控制所有氣體皆由其第一分流裝置出氣孔流出之情況下，該氣體分流裝置之第一分流裝置出氣孔連結該增壓抽引裝置進氣端，該增壓抽引裝置排氣端連結前述下游系統；將上述氣體源連接至該壓力穩定裝置之進氣孔。
  8. 如請求項第7項所述之方法，其中該控制驅動器為一實際連結該律動膜及該分流控制器之堅性結構。
  9. 如請求項第7項所述之方法，其中該控制驅動器為一具備以電子或光學方式感應該律動膜伸展或變形之裝置，而且其中該傳動指示為一電子或光學訊號。
  10. 如請求項第7項所述之方法，還包含：將該導壓孔連通大氣。
  11. 如請求項第7項所述之方法，其中該律動膜表面有皺折結構。
  12. 如請求項第7項所述之方法，還包含：關閉該壓力穩定裝置之迴流孔以及該氣體分流裝置之第二分流裝置出氣孔。
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