TWI662264B - 分徑採樣器 - Google Patents

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TWI662264B TW107113552A TW107113552A TWI662264B TW I662264 B TWI662264 B TW I662264B TW 107113552 A TW107113552 A TW 107113552A TW 107113552 A TW107113552 A TW 107113552A TW I662264 B TWI662264 B TW I662264B
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Abstract

一種分徑採樣器，係包括本體、流入埠口以及流出埠口，該本體具有容置空間及朝該容置空間方向形成之凹弧面，該凹弧面具有相對之第一側與第二側，使該流入埠口位於該第一側且連通該容置空間，且該流出埠口位於該第二側且連通該容置空間，以藉由該流入埠口沿該第一側之長度係至少20公厘而降低氣流之微粒穿透率，且該微粒穿透率之曲線大致等於ISO國際標準曲線。

Description

分徑採樣器
本發明係關於一種分徑採樣器，尤指一種符合國際標準穿透率需求之分徑採樣器。
個人呼吸採樣器常用於工業區勞工之採樣。目前對於健康相關的氣懸微粒之分徑採樣(aerosol size-selective sampling)係採用美國工業衛生技師協會(American Conference of Governmental Industrial Hygienists，簡稱ACGIH)、國際標準組織(International Standards Organization，簡稱ISO)、以及歐洲標準委員會(Comite Europeen de Normalisation，簡稱CEN)等三單位所協議的分徑準則。於此準則中，對於可呼吸性氣懸微粒部分的定義係採用最早的英國醫學研究會(British Medical Research Council，簡稱BMRC)的定義及ACGIH於1985年的定義。
習知旋風分徑器，如本國第424570號專利所示之虛擬旋風採樣器，係利用渦流的產生而藉著慣性衝擊的原理以收集微粒。當微粒受離心力拋向管壁而接觸管壁之瞬間，微粒可能會發生沈積、彈跳、滑動甚至滾動等情形，而上述情形之發生會視微粒及管壁的特性不同而異，因而 旋風分徑器對於微粒的分離效率曲線可能會因微粒的負載而有所偏移。
惟，習知旋風分徑器中，先前研究指出，負載效應會受到微粒的種類、粒徑分布、環境溫溼度、採樣器構造等因素影響，於不同微粒的成分組成下，微粒經負載效應後會有不同的穿透率曲線。使用固態微粒進行負載測試，發現微粒會明顯累積於採樣器內壁，導致後方進入採樣器的微粒撞擊在負載的內壁，進而使得微粒彈跳或是崩落，改變分徑採樣器原先預設的分徑效率。使用較小的微粒進行負載測試中可以發現，小微粒相較於大微粒更容易累積在壁面形成粉塵丘，原因為大微粒有較強的慣性衝擊力，在進入與內壁碰撞時可以將累積的微粒往下推進刮除，進而在主要撞擊面形成一個潔淨區，一定程度上可以減緩負載效應。
環境濕度也會造成嚴重程度不等的負載效應，在溼度情況高的環境中水分子附著於微粒表面導致表面特性改，因此相較於乾燥的環境，相對溼度高的情況微粒更容易附著於採樣器內部，加劇負載效應。
雖然不同特性微粒與採樣器內壁間的黏附特性不同、及微粒間的黏附特性不同，因此所造成的影響程度不同，但就趨勢上而言，由於固態微粒的負載會提升採樣器之捕集效率(意指穿透率曲線往小粒徑方向偏移)，於是分徑器後端的濾紙可收集的微粒減少，致使採樣結果之低估，故負載效應所造成之誤差將使後續的危害物分析、風 險評估等對健康危害的分析嚴重誤判。
因此，如何克服習知技術之問題，實為一重要課題。
為解決上述習知技術之問題，本發明遂揭露一種分徑採樣器，係包括：本體，其內具有容置空間，該本體朝該容置空間方向係形成有一凹弧面，且該凹弧面具有相對之第一側與第二側；第一埠口，係位於該第一側且連通該容置空間，且該第一埠口沿該第一側之長度係至少20公厘；以及第二埠口，係位於該第二側且連通該容置空間。
前述之分徑採樣器中，該容置空間之長度係為該凹弧面之第一側或第二側之長度。
前述之分徑採樣器中，該容置空間之長度係至少為20公厘。
前述之分徑採樣器中，該容置空間之寬度係至少為10公厘。
前述之分徑採樣器中，該容置空間之高度係至少為10公厘。
前述之分徑採樣器中，該第一埠口之寬度係為0.35至1.25公厘。
前述之分徑採樣器中，該第二埠口之寬度係為0.35至1.25公厘。
前述之分徑採樣器中，該第二或第二埠口之位置係凸出該容置空間外。
前述之分徑採樣器中，復包括過濾部，係一體成形於 該第二埠口上。例如，該過濾部係具有連通該第二埠口之通道。
由上可知，本發明之分徑採樣器中，改善習知分徑器的兩項問題。首先，針對負載效應的解決方案，本發明透過結構上的改變，有別於習知分徑採樣器於氣流進入採樣器內部會有一個近垂直接觸面(內壁或衝擊板)，致使微粒容易因為撞擊而停留在接觸面上，導致負載效應的發生。本發明的分徑採樣器沒有與氣流垂直接觸的接觸面，僅利用微粒本身的慣性衝擊力並設計凹弧面軌道(第一路徑)，使微粒依照慣性力的不同脫離主要氣流線，故小微粒由於有較小的慣性衝擊力而較容易隨著氣流行走第一路徑，且大微粒則有較強的慣性衝擊力，在進入容置空間時離開第一路徑。因此，在本發明中可以有效消除負載效應造成的嚴重誤差。
另一方面，本發明係依據第TW424570號專利所示之虛擬旋風採樣器，針對第TW424570號專利對於大微粒的捕集效率略有不足而使大微粒穿透率會高估ISO國際標準曲線之缺失進行改善，故本發明係透過構型的修改進行分徑效能的優化。具體地，藉由該第一埠口沿該第一側之長度係至少20公厘的設計，以確保氣體具有一定的流速，使微粒維持一定的前進速度，因而較大微粒會受慣性力而沿氣旋存留於該容置空間中，故相較於習知技術，本發明之分徑採樣器能提高較大微粒的捕集效率，使得該分徑器之整體穿透率曲線能夠大致等於ISO國際標準曲線，因而在 開始採樣時能避免採樣濃度高估之問題。又，本發明在執行採樣的過程中，該分徑採樣器的效率曲線並不會因為微粒的負載而有顯著的偏移，故同時能改善習知旋風分徑器因微粒負載而低估採樣結果的現象，進而使後續的危害物分析、風險評估等對健康危害的分析之誤判之機率降低。
1,2,3‧‧‧分徑採樣器
1a,2a‧‧‧本體
10‧‧‧凹弧面
10a‧‧‧第一側
10b‧‧‧第二側
11,21‧‧‧第一埠口
12,22‧‧‧第二埠口
2b‧‧‧凸伸部
20‧‧‧承載座
200‧‧‧凹槽
30‧‧‧過濾部
300‧‧‧通道
300a‧‧‧終端
300c,300d‧‧‧側面
9‧‧‧分徑採樣結構
A‧‧‧直線狀
B‧‧‧弧線狀
D1,D2,L‧‧‧長度
f‧‧‧慣性力
F1‧‧‧第一氣流路徑
F2‧‧‧第二氣流路徑
H,t1,t2‧‧‧高度
R‧‧‧曲率半徑
S‧‧‧容置空間
W,d‧‧‧寬度
第1A圖係為本發明之分徑採樣器之第一實施例之立體示意圖；第1B圖係為第1A圖之剖面示意圖；第2A圖係為本發明之分徑採樣器之第二實施例之立體示意圖；第2B圖係為第2A圖之側面透視示意圖；第2C圖係為第2A圖之局部立體示意圖；第3A及3B圖係為本發明之分徑採樣器之第三實施例之側面透視示意圖；第4圖係為本發明之分徑採樣器於使用時之立體示意圖；以及第5圖係為本發明之分徑採樣器與習知分徑採樣結構於實驗後所得之分式(fraction)之曲線圖。
以下藉由特定的具體實施例說明本發明之實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明之其他優點及功效。
須知，本說明書所附圖式所繪示之結構、比例、大小 等，均僅用以配合說明書所揭示之內容，以供熟悉此技藝之人士之瞭解與閱讀，並非用以限定本發明可實施之限定條件，故不具技術上之實質意義，任何結構之修飾、比例關係之改變或大小之調整，在不影響本發明所能產生之功效及所能達成之目的下，均應仍落在本發明所揭示之技術內容得能涵蓋之範圍內。同時，本說明書中所引用之如「第一」、「第二」、「長度」、「寬度」、「高度」及「一」等之用語，亦僅為便於敘述之明瞭，而非用以限定本發明可實施之範圍，其相對關係之改變或調整，在無實質變更技術內容下，當視為本發明可實施之範疇。
第1A及1B圖係為本發明之分徑採樣器1之第一實施例之示意圖。如第1A及1B圖所示，所述之分徑採樣器1係包括：一本體1a、一第一埠口11以及一第二埠口12。
所述之本體1a係於其內具有一容置空間S，該本體1a朝該容置空間S方向係形成有一凹弧面10，且該凹弧面10具有相對之第一側10a與第二側10b。
於本實施例中，該本體1a係由一中空薄壁矩形體進行設計，係於其中一邊緣依據圓形之曲率半徑R(或兩鄰接平面進行倒角加工)形成該凹弧面10，使該容置空間S之長度係大致等於該凹弧面10之第一側10a或該第二側10b之長度L。例如，該容置空間S之長度係至少為20公厘(因該本體1a之厚度極薄，故L≒20mm)。
再者，該容置空間S之高度H係至少為10公厘，且該容置空間S之寬度W係至少為10公厘。
又，該第一側10a與第二側10b係分別凸伸出該中空薄壁矩形體之外表面。應可理解地，該第一側10a與第二側10b亦可未凸出該中空薄壁矩形體之外表面，即齊平該中空薄壁矩形體之外表面。
所述之第一埠口11係位於該第一側10a且連通該容置空間S，且該第一埠口11沿該第一側10a之長度D1係至少20公厘。
於本實施例中，該第一埠口11係位於該凹弧面10與該其中一被倒角平面之交界處，且該第一埠口11之位置係凸出該容置空間S外或凸出該本體1a之外表面，使該分徑採樣器1之外觀對應該容置空間S，且其長度D1係等於或小於該容置空間S之長度L。應可理解地，該第一埠口11之位置亦可未凸出該容置空間S，即齊平該本體1a之外表面以作為該容置空間S之開孔。
再者，該第一埠口11之高度t1係為0.35至1.25公厘。
所述之第二埠口12係位於該第二側10b且連通該容置空間S，且該第二埠口12沿該第二側10b之長度D2係至少20公厘。
於本實施例中，該第二埠口12係位於該凹弧面10與該另一被倒角平面之交界處，且該第二埠口12之位置係凸出該容置空間S外或凸出該本體1a之外表面，且該第二埠口12之長度D2係等於或小於該容置空間S之長度L。應可理解地，該第二埠口12之位置亦可未凸出該容置空間S，即齊平該本體1a之外表面以作為該容置空間S之開孔。
再者，該第二埠口12之高度t2係為0.35至1.25公厘。
於使用該分徑採樣器1時，該第一埠口11係作為氣流入口，且該第二埠口12係作為氣流出口。當含有微粒(粒徑為0.5至20微米)之外界氣體從該第一埠口11進入該容置空間S時，其中一部分氣體會沿該凹弧面10流動並自該第二埠口12離開該容置空間S以作為第一氣流路徑F1，使該氣體中之較小微粒因具有較小的史多克數(stokes number)而能沿該第一氣流路徑F1離開該容置空間S，而另一部分氣體會於該容置空間S內形成氣旋以作為第二氣流路徑F2，使該氣體中之較大微粒則因慣性力f而沿該第二氣流路徑F2(或該凹弧面10之切線方向)以存留於該容置空間S中。
因此，本發明之分徑採樣器1藉由該第一埠口11沿該第一側10a之長度D1係至少20公厘的設計，以提高較大微粒的捕集效率。具體地，若該第一埠口11之長度D1小於20公厘時，當氣體進入該分徑採樣器1時，氣體會與該第一側10a之壁面進行摩擦接觸，因接觸壁面的空氣佔總氣流之比例過高而降低氣流之流速，致使微粒的前進速度降低而降低慣性力f的影響，導致較大微粒會沿該第一氣流路徑F1離開該容置空間S而無法存留於該容置空間S中，故當該第一埠口11之長度D1大於或等於20公厘時，可降低因為與壁面接觸導致流速變慢的氣流進入該第一埠口11氣流的比例，因而較大微粒會受慣性力f而沿該第二氣流路徑F2存留於該容置空間S中。因此，本發明之分 徑採樣器1藉由該第一埠口11之長度D1係至少20公厘的設計，能提高較大微粒的捕集效率，使得該分徑採樣器1之整體穿透率曲線能夠大致等於ISO國際標準曲線。如第5圖所示，當該第一埠口11之長度D1(D1≒L)係至少20公厘(如20、30、40mm)時，對於預設微粒尺寸之穿透率，本發明之整體穿透率曲線P0與ISO國際標準曲線PISO之分式(fraction)幾乎一致，如直線狀A；相對地，習知分徑採樣結構9之埠口之長度係小於20公厘(如5、10、15mm)，其整體穿透率曲線P0與ISO國際標準曲線PISO之分式(fraction)不相等，如弧線狀B，其中，本發明之容置空間S之高度H與寬度W均為20公厘，其等於習知分徑採樣結構9之容置空間之高度與寬度。
具體地，微粒特性係利用氣動直徑分析儀(Aerodynamic Particle Counter)，如美國TSI公司所製之Model APS 3321型，進行量測，該APS(Aerodynamic.Particle Sizer)原理係利用噴嘴(Nozzle)製造出一加速流場，並計算微粒通過兩道平行的雷射光計算所需時間(Time of Flight，簡稱TOF)，以計算出氣懸微粒之氣動粒徑(Aerodynamic Diameter，簡稱Dae)。於使用該氣動直徑分析儀時，其可測量之粒徑範圍為0.5微米至20微米，且分別量測該分徑採樣器之入口處與出口處之微粒濃度與粒徑分布，並據以計算其微粒穿透率曲線。為了觀察微粒負載效應，穿透率實驗基本上進行半小時以上，且該APS可提供每秒以粒徑為函數的監測資料，並且除了該分 徑採樣器的尺寸大小之外，採樣氣流對於負載的效應也一併分析。
再者，本發明之第一埠口11之長度D1需大於或等於20公厘，故該容置空間S之高度H與寬度W之間的關係可等比例縮放，仍可產生大致相同的穿透率。具體地，較大的曲率半徑R(其具有較小的徑向速度，且該徑向速度乘以行走的時間)上之微粒離開氣流線軌道的位移量係相同於較小的曲率半徑R上之微粒離開氣流線軌道的位移量，故不論曲率半徑R之大小，均會有相同的分徑效率。
又，當該第一埠口11之長度D1、該容置空間S之高度H與寬度W等參數為定值時(如20mm、10mm、10mm)，調整該第一埠口11之高度t1或該第二埠口12之高度t2以提供不同之氣體流率，而於該高度t1,t2為0.35至1.25公厘之情況下，該分徑採樣器1會有相同的穿透率，且該穿透率之曲線大致等於ISO國際標準曲線。
第2A及2B圖係為本發明之分徑採樣器2之第二實施例之示意圖。本實施例與第一實施例之差異在外觀，其它構形大致相同，故以下不再贅述相同處。
如第2A及2B圖所示，該本體2a之外觀係大致呈矩形體，且於其中一側面形成有一如梯形體構形之凸伸部2b，使該凹弧面10之第一側10a延伸至該凸伸部2b，以令該第一埠口21位於該凸伸部2b上，而該第二埠口22係自該容置空間S延伸至齊平該本體2a之外表面。
於本實施例中，該本體2a復具有一承載座20，其設 於該容置空間S下方，以利於承載氣體中之較大微粒。例如，第2C圖之承載座20具有至少一凹槽200，以收集較大微粒。
因此，本發明之分徑採樣器2藉由該第一埠口21之長度D1係至少20公厘的設計，能提高較大微粒的捕集效率，使得該分徑器之整體穿透率曲線能夠大致等於ISO國際標準曲線。
再者，本發明之第一埠口21之長度D1需大於或等於20公厘，故該容置空間S之高度H與寬度W之間的關係可等比例縮放，仍可產生大致相同的穿透率。
又，當該第一埠口21之長度D1、該容置空間S之高度H與寬度W等參數為定值時，於該高度t1,t2為0.35至1.25公厘之情況下，該分徑採樣器2會有相同的穿透率，且該穿透率之曲線大致等於ISO國際標準曲線。
第3A及3B圖係為本發明之分徑採樣器3之第三實施例之側面透視示意圖。本實施例與第二實施例之差異在增設過濾部30，其它構形大致相同，故以下不再贅述相同處。
如第3A及3B圖所示，該分徑採樣器3係於該第二埠口22上一體成形延伸出一過濾部30，俾供配置所需之濾紙(圖略)。例如，該過濾部30係具有連通該第二埠口22之通道300，以於該通道300之終端300a配置一用以置放該濾紙之濾紙匣(圖略)。具體地，該通道300之寬度係自該第二埠口22漸增以呈錐狀空間，且於對應該第一埠口21方向之相對兩側面300c係呈平直面(含內壁面與外表 面)，而另兩側面300d係為弧面(含內壁面與外表面)，並於該終端300a處維持等寬(如第3A圖所示之寬度d)以呈圓筒狀，以利於放置濾紙匣。
因此，本發明之分徑採樣器3藉由該第一埠口21之長度D1係至少20公厘的設計，能提高較大微粒的捕集效率，使得該分徑器之整體穿透率曲線能夠大致等於ISO國際標準曲線。
再者，本發明之第一埠口21之長度D1需大於或等於20公厘，故該容置空間S之高度H與寬度W之間的關係可等比例縮放，仍可產生大致相同的穿透率。
又，當該第一埠口21之長度D1、該容置空間S之高度H與寬度W等參數為定值時，於該高度t1,t2為0.35至1.25公厘之情況下，該分徑採樣器3會有相同的穿透率，且該穿透率之曲線大致等於ISO國際標準曲線。
另外，使用者於使用該分徑採樣器1,2,3時，如第4圖所示之分徑採樣器3，可將其設於外衣上，使環境空氣自該第一埠口21流進該分徑採樣器1,2,3中，以收集器體中之微粒。
上述實施例係用以例示性說明本發明之原理及其功效，而非用於限制本發明。任何熟習此項技藝之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施例進行修改。因此本發明之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。

Claims (10)

  1. 一種分徑採樣器，係包括：本體，其內具有容置空間，該本體朝該容置空間方向係形成有一凹弧面，且該凹弧面具有相對之第一側與第二側，其中，該容置空間係由一矩形空間於其中一邊緣對應該凹弧面所構成，使該容置空間定義有長度、寬度及高度；第一埠口，係位於該第一側且連通該容置空間，且該第一埠口沿該第一側之長度係至少20公厘；以及第二埠口，係位於該第二側且連通該容置空間。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之分徑採樣器，其中，該容置空間之長度係為該凹弧面之第一側或第二側之長度。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之分徑採樣器，其中，該容置空間之長度係至少為20公厘。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之分徑採樣器，其中，該容置空間之寬度係至少為10公厘。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之分徑採樣器，其中，該容置空間之高度係至少為10公厘。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之分徑採樣器，其中，該第一埠口之寬度係為0.35至1.25公厘。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之分徑採樣器，其中，該第二埠口之寬度係為0.35至1.25公厘。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之分徑採樣器，其中，該第二或第二埠口之位置係凸出該容置空間外。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之分徑採樣器，復包括過濾部，係一體成形於該第二埠口上。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之分徑採樣器，其中，該過濾部係具有連通該第二埠口之通道。
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