TWI579032B - Inertial filter - Google Patents

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Description

慣性過濾器
本發明係關於一種配置於氣流通道內而可藉由慣性碰撞效果對氣流中之次微米級以下之粒子尤其係粒徑為100 nm以下之奈米粒子進行分級的慣性過濾器。
參照圖11說明先前之慣性過濾器100。先前之慣性過濾器100配置於氣流通道內，可進行粒子分級，且包括圓筒狀之過濾器本體101。過濾器本體101包括自氣流通過上游側起貫穿至下游側方向之剖面為圓形之貫穿孔102。該貫穿孔102包括氣流通過上游側之內徑逐漸縮小之縮徑貫穿孔102a、及於下游側與該縮徑貫穿孔102a連續形成之內徑固定之定徑貫穿孔102b。於該定徑貫穿孔102b內填充有作為非壓縮性纖維之一示例之金屬纖維103。金屬纖維103藉由省略圖示之機構自定徑貫穿孔102b朝向氣流通過方向下方止動。
於該慣性過濾器100中，係藉由省略圖示之泵之吸引力，將慣性過濾器100之內壓降低至外壓以下而以由兩壓力生成之壓力差於貫穿孔102內自圖中箭頭A向B方向產生氣流來對粒子進行分級。上述氣流於縮徑貫穿孔102a內其速度上升，流入至定徑貫穿孔102b內而達到固定。繼而，於定徑貫穿孔102b內，包含於氣流中之微粒子碰撞至金屬纖維103而被捕捉(捕集)。
先前技術文獻 專利文獻
專利文獻1：日本專利特開2008-70222號公報
於上述先前之慣性過濾器100中，存在如下課題：第1，由於纖維之空間密度分佈、配向及形狀為不固定，因此難以獲得所期望之初期分級特性；第2，難以按照相同密度於定徑貫穿孔102b內填充金屬纖維103，因此，由於定徑貫穿孔102b內之金屬纖維103之填充密度不均而易於導致分級特性不均，從而難以進行穩定之分級；第3，金屬纖維103因於分級動作中自氣流受到之壓力而朝向氣流通過方向壓縮，從而分級特性變化，結果，難以進行穩定之分級；第4，於慣性過濾器之清洗中，定徑貫穿孔102b內之金屬纖維103之空間密度可能會發生變化，此種變化難以定量化，因此難以再次利用該慣性過濾器；第5，難以簡便地調整分級性能。
本發明提供一種可解決上述先前之慣性過濾器之課題，尤其可簡便地調整其分級性能的慣性過濾器。
本發明之慣性過濾器設置於包含奈米粒子之氣流所通過之氣流通道內，藉由粒子慣性效果捕集上述氣流通道內之上述奈米粒子，並且上述氣流流速愈大，則捕集粒徑愈 小之上述奈米粒子，本發明之慣性過濾器之特徵在於：於氣流通道上配置複數張粒子分級用片，上述複數張粒子分級用片具有複數個網狀孔，並且上述複數張粒子分級用片之至少1張之一部分與其他片重疊積層，且藉由於對上述複數張粒子分級用片自上述氣流通道下游側向上游側假想性地投影而成之投影圖中調整陰影之面積比率而可調整分級徑。
於本發明之較佳態樣中，包括較上述粒子分級用片而配置於上述氣流通道之更上游側，且具有內徑沿氣流通過方向縮小之貫穿孔的流量調整噴嘴，該流量調整噴嘴藉由與上述貫穿孔之數量或上述貫穿孔之縮徑率不同之其他流量調整噴嘴重組而調整流速，且上述複數張粒子分級用片係積層為堵塞上述流量調整噴嘴之上述貫穿孔之下游側開口之整個面。
於本發明之較佳態樣中，上述複數張粒子分級用片係隔著間隔片交替積層。
再者，流體並不限定於氣體，還包括液體及其他。
又，由慣性過濾器捕集或捕捉之粒子並不限定於懸浮於氣體中之粒子，還可包括其他溶劑例如液體中或其他流體中所懸浮之粒子。又，所分級之粒子並無特別限定，可例示樹脂微粒子、無機微粒子、金屬微粒子、陶瓷微粒子等。粒子之形狀並無特別限定。
根據本發明，藉由於對複數張粒子分級用片自氣流通道下游側向上游側假想性地投影而成之投影圖中調整陰影之面積比率而可簡單地調整分級性能。
並且，根據本發明，可提供如下一種慣性過濾器，其將具有內徑沿氣流通過方向縮小之貫穿孔的流量調整噴嘴較粒子分級用片而配置於更靠氣流通道上游側處，藉由與貫穿孔之數量或貫穿孔之縮徑率不同之其他流量調整噴嘴重組而可調整流速，並且於藉由複數張粒子分級用片堵塞流量調整噴嘴之貫穿孔之下游側開口之整個面之情形時，初期分級特性優異，且可長期穩定地進行粒子分級。
本申請案申請人於日本專利4714915號中提供了一種可解決上述課題之一部分之慣性過濾器。以下，將該慣性過濾器稱為基本過濾器。基本過濾器係一種易於獲得所期望之初期分級性能，並且經過較長時期而捕集效率難以降低從而可進行穩定之粒子分級的慣性過濾器。
基本過濾器包括流量調整噴嘴及粒子分級用片。流量調整噴嘴具有內徑沿氣流通過方向縮小之縮徑貫穿孔，且具有藉由根據貫穿孔之形態調整流速而改變分級徑的功能。粒子分級用片配置於較流量調整噴嘴更靠氣流通過下游側處。又，該粒子分級用片以相同之排列態樣包括用於藉由粒子慣性效果捕集懸浮微粒子之複數個網狀粒子分級孔。粒子分級用片係設置為以較流量調整噴嘴之貫穿孔之下游側開口大之片面積堵塞該下游側開口之整個面。
於提出具有上述構成之基本過濾器之後，本申請案申請人發現，於在基本過濾器中沿氣流通過方向配置有複數張粒子分級用片之情形時，藉由改善其配置態樣，而相較於配置有1張粒子分級用片之情形，存在可進一步提高分級性能之餘地。本發明係基於此種見解進一步改良基本過濾器所得者。
以下，參照隨附圖式，說明本發明實施形態之慣性過濾器。參照圖1及圖2來說明實施形態之慣性過濾器之構成。圖1係本發明實施形態之慣性過濾器之剖面圖，圖2係圖1之慣性過濾器之放大分解圖。
該慣性過濾器10包括過濾器支架11、流量調整噴嘴12、複數個間隔片13-1~13-5及複數張粒子分級用片14-1~14-5。過濾器支架11呈兩端開口之圓筒形，且具有圓形之內周面。
流量調整噴嘴12為兩端開口之圓筒形，其外周面沿過濾器支架11之內周面配置於氣流通道上游側，並且內周面具有沿箭頭所示之氣流通過方向縮徑之貫穿孔12a。該流量調整噴嘴12藉由與貫穿孔12a之縮徑率不同之其他流量調整噴嘴重組而調整流速。再者，於上述情形時，流量調整噴嘴12於圖中其貫穿孔12a為單獨一個，但亦可具有複數個貫穿孔(未圖示)，藉由與其貫穿孔之數量不同之其他流量調整噴嘴重組而調整流速。
複數個間隔片13-1~13-5俯視時為圓形，間隔片厚度較小且外徑與流量調整噴嘴12之外徑大致相等，包括中央 之圓形開口13a、及圍繞中央之圓形開口13a之間隔片部分13b，且係沿圖中箭頭方向配置。複數個間隔片13-1~13-5各者之圓形開口13a之直徑與流量調整噴嘴12之貫穿孔12a之氣流通過方向下游側開口12b大致同等。間隔片13-1為氣流通過方向上游側最上方之間隔片，其間隔片部分13b之上表面與流量調整噴嘴12之下表面直接接觸。複數個間隔片13-1~13-5各者之間隔片部分13b之外徑與過濾器支架11之內徑大致同等。
複數張粒子分級用片14-1~14-5於俯視時為圓形，片厚較薄且外徑與流量調整噴嘴12之外徑大致相等，並且包括複數個網狀孔14a、劃定網狀孔14a之網部分14b、及支撐網部分14b之周緣部分14c。
該等各粒子分級用片14-1~14-5各者之周緣部分14c之外徑與各間隔片13-1~13-5各者之間隔片部分13b之外徑大致同等。各粒子分級用片14-1~14-5隔著各間隔片13-1~13-5於氣流通過方向上積層。各粒子分級用片14-1~14-5為相同形狀，並且各者之網狀孔14a之形狀於實施形態中為正方形，但該形狀可為多邊形或其他形狀，並無特別限定。
於流量調整噴嘴12之貫穿孔12a之下游側開口12b處配置有間隔片13-1~13-5與粒子分級用片14-1~14-5之交替積層體，藉此堵塞流量調整噴嘴12之貫穿孔12a之下游側開口12b之整個面。
例如，於對間隔片13-1~13-5與粒子分級用片14-1~ 14-5之交替積層體自氣流通道下游側向上游側假想性地投影時，會於臨向流量調整噴嘴12之下游側開口12b之假想面上映出包括光及陰影之投影圖。該投影圖中之陰影部分係由複數張粒子分級用片14-1~14-5之網部分14b及周緣部分14c將光遮擋而產生之部分。
本發明係具有如下效果之發明，即，藉由於對間隔片13-1~13-5與粒子分級用片14-1~14-5之交替積層體自氣流通道下游側向上游側假想性地投影時映出於臨向下游側開口12b之假想面上的投影圖中調整陰影之面積比率，而可調整慣性過濾器之分級徑或捕集效率。
參照圖3A、圖3B及圖4，對利用複數張粒子分級用片14-1~14-5而進行之作為慣性過濾器之分級徑及捕集效率之調整進行具體說明。圖3A、圖3B係表示因粒子分級用片14-1~14-5各者之網部分14b及支撐該網部分14b之周緣部分14c而產生之投影圖之陰影部分(圖中之黑色部分)S01、S02的圖(以下簡稱為投影S01、投影S02)。於圖3A、圖3B中，投影S01、S02包括臨向流量調整噴嘴12之貫穿孔12a之下游側開口12b的由虛線所包圍之範圍之陰影部分(圖中之黑色部分)S01'、S02'(以下簡稱為投影部分S01'、投影部分S02')。圖4係表示與投影部分S01'、S02'中之陰影之面積比率之調整相關之分級效率的圖。再者，如圖2所示，於該實施形態中，粒子分級用片14-1~14-5係使用5張。
於圖3A中，係將該5張粒子分級用片14-1~14-5調整 為藉由該5張粒子分級用片14-1~14-5之全部所形成之投影圖中表示陰影部分之投影S01之面積比率為最大。藉此，臨向流量調整噴嘴12之貫穿孔12a之下游側開口12b的投影部分S01'之面積比率亦被調整為最大。
作為提高陰影之面積比率之普通方法，例如藉由逐漸將上述5張粒子分級片14-1~14-5各者之設置方向錯開，調整為各網部分14b儘量不重疊而達成。此處，投影S01之面積與投影部分S01'之面積大致處於比例關係。
再者，於上述方式中，係將該5張粒子分級用片14-1~14-5調整為藉由該5張粒子分級用片14-1~14-5全部所形成之投影圖中該投影S01之面積比率為最大，但亦可直接調整為臨向流量調整噴嘴12之貫穿孔12a之下游側開口12b的由虛線包圍之範圍中之投影部分S01'之面積比率為最大。下述之將面積比率調整為最小之情形亦相同。
於圖3A中，將投影圖之整個面積設為100%時，投影S01之面積佔整體之面積比率為0.84(=84%)。於該情形時，與投影S01處於比例關係之投影部分S01'於由虛線包圍之範圍中之面積比率亦為0.84(=84%)。
又，於圖3B中，係將該5張粒子分級用片14-1~14-5調整為藉由該5張粒子分級用片14-1~14-5之全部所形成之投影圖中表示陰影部分之投影S02之面積比率為最小，藉此，臨向流量調整噴嘴12之貫穿孔12a之下游側開口12b的投影部分S02'之面積比率亦被調整為最小。
作為降低陰影之面積比率之普通方法，例如藉由使上 述5張粒子分級片14-1~14-5各者之設置方向儘量相同，調整為各網部分14b儘量重疊而達成。此處，投影S02與投影部分S02'亦大致處於比例關係。
於圖3B中，投影S02之面積比率相對於整個投影圖之面積為0.32(=32%)。於該情形時，與S02處於比例關係之投影部分S02'於由虛線包圍之範圍中之面積比率亦為0.32(=32%)。
再者，於上述內容中，為了便於說明，係進行使投影圖中之陰影之面積比率達到最大之情形(投影S01)及達到最小之情形(投影S02)之2個階段之面積比率調整，但亦包括2個階段以上之複數個階段之面積比率調整。
圖4係表示陰影之面積比率不同之情形下之各粒徑之捕集效率的圖。圖形A係對圖3A之投影部分S01'(陰影之面積比率為0.84(=84%))中之慣性過濾器捕集效率進行測定並繪製而成者，同樣，圖形B係繪製圖3B之投影部分S02'(陰影之面積比率為0.32(=32%))之捕集效率而成者。
若比較圖形A與圖形B，於粒徑為100 nm時，圖形A之捕集效率為41%，而圖形B中捕集效率為16%，明顯判明陰影之面積比率愈大則捕集效率愈高。
圖5係表示將陰影之面積比率(圖中係表示為網投影面積比率)取為橫軸且將最大到達捕集效率取為縱軸之圖表。如圖5所示，判明面積比率與最大到達捕集效率之間如虛線所示，處於正比例之關係。亦即判明為了提高捕集效率，陰影之面積比率之提高較為重要。
於上述例中網狀孔彼此之間為相同形狀相同尺寸之正方形，因此僅藉由隨機地重疊粒子分級用片並不能控制陰影之面積比率。相對於此，亦可組合具有不對稱之網狀孔之粒子分級用片，以此可僅藉由隨機地重疊粒子分級用片來控制陰影之面積比率。例如圖6所示，亦可組合網狀孔為正方形之粒子分級用片與網狀孔為六邊形之粒子分級用片。
再者，作為具有網狀孔之粒子分級用片，可例示編織塑膠纖維而成者。進而，作為縫製塑膠纖維而成者，可例示尼龍網、聚酯網、聚丙烯網、特氟綸(Teflon，註冊商標)網及聚乙烯網。又，可例示織入有碳纖維之尼龍網等及由2種以上之纖維編織而成之纖維。作為金屬纖維，可例示編織SUS等而成之網狀過濾器。又，藉由對金屬膜進行蝕刻等而亦可使用設有數個微小貫穿孔之金屬膜。
對實施形態中所使用之慣性過濾器10之粒子捕集機構及特徵進行進一步說明。首先，利用圖7，說明藉由使用普通纖維層之過濾器(以下稱為纖維層過濾器)捕集氣霧劑時之機構。圖7係概念性地表示普通纖維層過濾器之粒子捕集機構。箭頭係表示氣流方向。圖中央係表示構成纖維層過濾器之非壓縮性纖維之剖面，於其周圍流動有具有多種粒徑之氣霧劑粒子。於利用普通纖維層過濾器而進行之氣霧劑粒子之捕集中，擴散、慣性、阻擋作為捕集機構作而發揮作用，各者之捕集效率取決於粒徑及過濾速度。慣性係粒徑愈大且過濾速度愈大則愈佔優勢地位的捕集機 構，慣性捕集之尺度為由下式(1)定義之斯托克斯(Stokes)數。另一方面，布朗擴散係粒徑愈小且過濾速度愈緩慢則愈佔優勢地位的捕集機構，擴散捕集之尺度為由下式(2)定義之佩克萊(Peclet)數。慣性係斯托克斯數愈大則愈佔優勢地位的捕集機構，布朗擴散係佩克萊數愈小則愈佔優勢地位的捕集機構。根據該概念圖可概念性地理解粒子係藉由不同於「篩」之機構而被捕集。
Cc：肯寧漢滑動修正常數dp：粒徑(空氣動力學直徑)df：捕集纖維之纖維徑D：粒子擴散係數ρp：粒子密度u0：過濾速度μ：流體黏度
若相對於粒徑繪製普通微粒子過濾器之捕集效率，則如圖8中之(a)所示，為朝下凸之曲線，存在稱為最大穿透粒徑之最難捕集(捕集效率低)之粒徑。以該最大穿透粒徑為界，大於其之粒徑係由慣性捕集作為佔優勢地位之捕集機構，隨著粒徑增大而捕集效率提高。
另一方面，小於最大穿透粒徑之粒徑係由擴散捕集作 為佔優勢地位之捕集機構，隨著粒徑減小而捕集效率提高。此處，若增大過濾速度u0，則由式(1)、(2)定義之斯托克斯數及佩克萊數均增大，慣性捕集相對於較小之粒子亦被促進，而擴散捕集受到抑制。如此一來，上述(a)中所描繪之表示捕集效率之曲線伴隨過濾速度之增加，而變為由虛線表示之曲線，若進一步增大過濾速度，最終如圖8中之(b)所示，描繪出粒徑較大時捕集效率急劇提高而粒徑較小時急劇降低之曲線。將於藉由增加該過濾速度促進慣性捕集而抑制擴散捕集之狀態下過濾氣霧劑之過濾器稱為慣性過濾器，理想的是表現圖表(b)所示之捕集效率之過濾器。
但是，若粒徑大於次微米級，則粒子之動能增大，故粒子即便慣性碰撞至捕集纖維亦會引起反彈而難以捕集。
根據以上內容可言之，慣性過濾器係可藉由於高速下過濾氣霧劑而同時實現次微米級以下之微粒子之慣性捕集之促進及擴散捕集之抑制，幾乎可完全捕集某粒徑以上之粒子，且可使某粒徑以下之粒子幾乎完全穿透的低通過濾器，可作為以奈米粒子為對象之分級器。又，如圖9所示，慣性過濾器具有過濾速度愈大而捕集粒徑愈小之粒子之特徵。慣性過濾器10藉由以相對高速(數十m/sec)使氣流通過粒子分級用片14-1~14-5之網狀孔14a，而可對奈米粒子進行慣性分級。
圖10所示之照片係表示於圖2之慣性過濾器之網狀濾材表面粒子被捕集而堆積之狀態。該照片所示之慣性過濾器之粒子分級用片之網規格為纖維徑10 μm、間距83 μm、 網眼73 μm。根據該照片判明，粒徑小於網眼之大小之微粒子於網狀濾材表面被捕集而堆積，與圖7及圖8之概念一致。
10、100‧‧‧慣性過濾器
11‧‧‧過濾器支架
12‧‧‧流量調整噴嘴
12a、102‧‧‧貫穿孔
12b‧‧‧下游側開口
13a‧‧‧圓形開口
13b‧‧‧間隔片部分
13-1~13-5‧‧‧間隔片
14-1~14-5‧‧‧粒子分級用片
14a‧‧‧網狀孔
14b‧‧‧網部分
14c‧‧‧周緣部分
101‧‧‧過濾器本體
102a‧‧‧縮徑貫穿孔
102b‧‧‧定徑貫穿孔
103‧‧‧金屬纖維
S01、S02‧‧‧投影
S01'、S02'‧‧‧投影部分
圖1係本發明實施形態之慣性過濾器之剖面圖。
圖2係圖1之慣性過濾器之放大分解圖。
圖3A係表示對複數張粒子分級用片投影時之投影圖中之光及陰影部分的圖(其1)。
圖3B係表示對複數張粒子分級用片投影時之投影圖中之光及陰影部分的圖(其2)。
圖4係表示圖3之陰影之面積比率不同之情形下之各粒徑之捕集效率的圖。
圖5係表示陰影之面積比率(圖中係表示為網投影面積比率)與最大到達捕集效率之關係之圖表。
圖6係表示2張網狀孔形狀不同之粒子分級用片之平面形狀、及重疊其等之情形時之平面形狀的圖。
圖7係用於說明普通纖維層過濾器之粒子捕集機構之概念圖。
圖8係利用慣性過濾器而進行之粒子分級之概念圖。
圖9係表示慣性過濾器中與過濾速度相關之粒徑與捕集效率之關係之圖。
圖10係表示慣性過濾器之網狀濾材表面上所堆積之粒子之圖。
圖11係先前之慣性過濾器之剖面圖。
10‧‧‧慣性過濾器
11‧‧‧過濾器支架
12‧‧‧流量調整噴嘴
12a‧‧‧貫穿孔
13a‧‧‧圓形開口
13b‧‧‧間隔片部分
13-1~13-5‧‧‧間隔片
14-1~14-5‧‧‧粒子分級用片

Claims (3)

  1. 一種慣性過濾器，其設置於包含奈米粒子之氣流所通過之氣流通道，藉由粒子慣性效果捕集上述氣流通道內之上述奈米粒子，並且上述氣流之流速愈大，則捕集粒徑愈小之上述奈米粒子，該慣性過濾器之特徵在於：於上述氣流通道上配置複數張粒子分級用片，上述複數張粒子分級用片具有複數個網狀孔，並且上述複數張粒子分級用片之至少1張之一部分與其他片重疊積層，藉由於對上述複數張粒子分級用片自上述氣流通道下游側向上游側假想性地投影而成之投影圖中調整陰影之面積比率而可調整分級徑，且具有流量調整噴嘴，其較上述粒子分級用片配置於上述氣流通道之更上游側，且具有內徑沿氣流通過方向縮小之貫穿孔，上述複數張粒子分級用片係積層為堵塞上述流量調整噴嘴之上述貫穿孔之下游側開口之整個面。
  2. 如申請專利範圍第1項之慣性過濾器，其中該流量調整噴嘴藉由與上述貫穿孔之數量或上述貫穿孔之縮徑率不同之其他流量調整噴嘴重組而調整流速。
  3. 如申請專利範圍第2項之慣性過濾器，其中上述複數張粒子分級用片係隔著間隔片交替積層。
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