TWI805400B

TWI805400B - 奈米微粒分徑用的新穎慣性衝擊器

Info

Publication number: TWI805400B
Application number: TW111121115A
Authority: TW
Inventors: 蔡春進; 氏菊黎; 龔文誠
Original assignee: 國立陽明交通大學
Priority date: 2022-06-07
Filing date: 2022-06-07
Publication date: 2023-06-11
Also published as: TW202348969A

Abstract

一種新穎慣性衝擊器包括一氣膠流入口、一預備腔、一噴嘴板、一衝擊腔、一注水式衝擊板、一尾流腔及一尾流出口。預備腔位於氣膠流入口及噴嘴板之間，噴嘴板具有多個噴孔，這些噴孔由預備腔往衝擊腔的方向呈漸縮漏斗狀。注水式衝擊板具有一微粒衝擊面、至少一形成於微粒衝擊面的注水口、一注水流道、一鋪設於微粒衝擊面並覆蓋至少一注水口的濾紙、一集水井、一氣流通道及一汲水流道。該至少一注水口連通於注水流道，汲水流道連通於集水井，氣流通道連通於衝擊腔及尾流腔之間，衝擊腔位於噴嘴板及濾紙之間，尾流出口連通於尾流腔。

Description

奈米微粒分徑用的新穎慣性衝擊器

本發明是關於一種可適用於高微粒負載環境的奈米微粒分徑裝置。

微粒分徑裝置可用以將特定氣動截取直徑以下的微粒加以分離。不過，現有的微粒分徑裝置難以在高微粒負載及較低壓損的條件下，有效地分離奈米微粒。

本申請的發明人曾設計一種個人奈米微粒採樣器（personal nanoparticle sampler，以下簡稱PENS），例如台灣第I463127號發明專利所揭示者，其主要包括一旋風分離器及一微孔衝擊器，兩者的氣動截取直徑（d _pa ₅₀）分別為4 ㎛及100 nm。該微孔衝擊器具有一固定的多微孔板（具有137個噴孔）及一旋轉、表面塗油的基板來實現較均勻的微粒分布，並避免微粒彈跳。由於表面塗油基板所蒐集的微粒會持續累積在基板上，因此基板上會持續產生微粒堆積，這使得PENS若要長時間工作時，只能適用於較低的微粒負載環境，一旦微粒負載提高，就會因為基板上累積的微粒增加而使分徑效率顯著降低。另一方面，正因為基板上會產生微粒堆積，多微孔板與基板表面之間的軸向距離必須維持較大的間距以避免噴孔堵塞，如此一來，就必須使用較小的噴孔孔徑來實現足夠低的氣動截取直徑，而這也使得PENS的S/W比通常較高。

有鑑於此，本發明之主要目的在於提供一種可適用於高微粒負載環境的奈米微粒分徑裝置。

為了達成上述及其他目的，本發明提供一種新穎慣性衝擊器，其包括一氣膠流入口、一預備腔、一噴嘴板、一衝擊腔、一注水式衝擊板、一尾流腔及一尾流出口。氣膠流入口是供導入一氣膠流，預備腔位於氣膠流入口及噴嘴板之間，噴嘴板具有多個連通於預備腔及衝擊腔之間的噴孔，這些噴孔由預備腔往衝擊腔的方向呈漸縮漏斗狀。注水式衝擊板具有一微粒衝擊面、至少一形成於微粒衝擊面的注水口、一注水流道、一鋪設於微粒衝擊面並覆蓋至少一注水口的濾紙、一局部環繞微粒衝擊面的集水井、一局部環繞集水井的氣流通道及一汲水流道。該至少一注水口連通於注水流道，汲水流道連通於集水井，氣流通道連通於衝擊腔及尾流腔之間，衝擊腔位於噴嘴板及濾紙之間，尾流出口連通於尾流腔；其中，噴嘴板至濾紙之間的軸向間距為S，各噴孔的最小徑處的直徑為W，所有噴孔最小徑處的總橫截面積為A，並滿足下列關係式： 5＜S/W＜10； S/A＜0.5 mm^-1。

通過上述設計，注水口所注入的水可以持續地洗去濾紙上所收集到的微粒，從而可以避免微粒累積，並進一步地使本申請的新穎慣性衝擊器可在維持高分徑效率的表現下，適用於高微粒負載的環境並長時間工作，解決現有PENS長期存在無法適用於高微粒負載環境的問題。除此之外，本申請的發明人還發現，本申請的工作壓損顯著低於PENS，而較低的壓損意味著較低的耗能及操作費用，亦即，本申請可以達成更好的經濟效益。

請參考第1至3圖，所繪示者為本發明的新穎慣性衝擊器，其可適用於在高微粒負載環境下對奈米微粒進行分徑，其包括一氣膠流入口10、一預備腔20、一噴嘴板30、一衝擊腔40、一注水式衝擊板50、一尾流腔60及一尾流出口70。

預備腔20位於氣膠流入口10及噴嘴板30之間，噴嘴板30具有多個連通於預備腔20及衝擊腔40的噴孔31，本實施例中，噴孔31的數量為163個，請特別參考第3圖，噴孔31由預備腔20往衝擊腔40的方向呈漸縮漏斗狀，且噴孔31內壁為平滑的弧面，其最小徑處的直徑為W，於本實施例中，W為70 ㎛，相較於現有的PENS，本申請採用具有較大W的噴孔，例如W大於60 ㎛，如此可以避免噴孔堵塞。經計算，本實施例中單個噴孔31最小徑處的橫截面積約為0.0038465 mm^2，所有噴孔31最小徑處的總橫截面積A則為0.6269795 mm^2。

注水式衝擊板50具有一微粒衝擊面51、至少一形成於微粒衝擊面51的注水口52（第1圖僅繪示其中一個為例，實際上可為多個）、一注水流道53、一鋪設於微粒衝擊面51並覆蓋該至少一注水口52的濾紙54（例如玻璃纖維濾紙）、一局部環繞微粒衝擊面51的集水井55、一局部環繞集水井55的氣流通道56及一汲水流道57，衝擊腔40位於噴嘴板30及濾紙54之間，氣流通道56連通於衝擊腔40及尾流腔60之間，尾流出口70連通於尾流腔60，該至少一注水口52連通注水流道53，汲水流道57則連通於集水井55，從而，注水口52可向微粒衝擊面51持續地或間歇地注水，這些水會在濾紙54上形成一水膜（此時水膜可視為濾紙54的一部份），而後被氣膠流中被蒐集的微粒可隨著水膜進入集水井55，而後經由汲水流道57排出，從而避免在濾紙54上持續累積微粒。本實施例中，噴嘴板30至濾紙54之間的軸向間距S為0.41 mm（水膜厚度已列入計算考量），因此，本實施例的S/W值約為5.86，S/A值則約為0.65 mm^-1。相較於現有的各式衝擊器（包含PENS），本申請明顯具有較小的S/W值，這是因為本申請克服了本技術領域長期存在應避免採用較小S值的技術偏見，因為較低的S值意味著噴嘴板與衝擊板之間的軸向間距較小，因而容易因為微粒累積而導致噴孔堵塞，並進而影響分徑效率。然而，本申請仍選擇採用較小的S值（例如S小於0.5 mm），並通過在微粒衝擊面注水洗去微粒，並且採用具有較大W值的噴孔，避免微粒累積而造成噴孔堵塞，從而成功地克服了上述技術偏見。

請參考第4圖，本申請的前述實施例與現有PENS相較，其在較大的氣膠流流量（3L/min）的條件下，無論注水口有無注水，其氣動截取直徑均與現有PENS相當（～100 nm），但在注水口有注水的情況下，本申請的前述實施例具有較平滑的分徑效率對氣動截取直徑關係曲線，且本申請的工作壓損（8.2 kPa）較PENS的工作壓損（13.1 kPa）減少了約三分之一。

接著，請參考第5圖，在微粒負載測試中，本申請的前述實施例在無注水的情況下，當微粒質量負荷分別從0 mg開始降低至0.2、0.26及0.34 mg時，其氣動截取直徑分別從100.61 nm降低至94.24、92.18及94.43 nm，這是因為微粒逐漸在濾紙表面累積而導致S值縮小所致；然而，當微粒質量負荷進一步提升至0.51及0.79 mg時，無注水的實施例的氣動截取直徑則分別提升至110.20及108.30 nm，因為此時噴孔已經開始產生堵塞，從而造成較高的工作壓損及顯著的氣動截取直徑偏移，因此不再對未注水的實施例進行更高微粒質量負荷的測試。與之相較，當微粒質量負荷從0 mg分別提升至0.33、0.79、1.54、2.18級3.53 mg時，有注水的實施例的氣動截取直徑分別為100.61、100.0、102.2、101.22、100.4及101.12，其偏移量小於5％，維持非常穩定的狀態。另一方面，當微粒質量負荷從0 mg提升至3.42 mg時，現有的PENS（具有137個W為5之mm的噴孔，S/W值為13.8，S/A值為0.23 mm^-1）的氣動截取直徑會從100 nm降低至83.3 nm，從而，現有的PENS在連續工作8小時的條件下，只能適用於微粒質量負荷小於1.85 mg/m^3的工作環境，如果超過該值，就會造成PENS氣動截取直徑的顯著偏移而使分徑結果無法被信賴。相對地，本申請的新穎慣性衝擊器對於微粒質量負荷並沒有特別的限制，可長時間適用於高微粒質量負荷的環境。

也因此，本申請的發明人發現，當S/W值控制在介於5-10之間的範圍，並且S/A值控制在小於0.5 mm^-1時，不但可以使本申請的氣動截取直徑控制在較小的數值，例如約100 nm，同時在高微粒負載的環境下長時間工作後，也不會有噴孔堵塞、微粒累積的問題，且氣動截取直徑在整個工作時間區間內均保持穩定，更進一步地，其工作壓損僅為現有PENS的三分之一，解決了現有PENS此類分徑設備長期存在的問題，並具有較佳的經濟效益。

10:氣膠流入口 20:預備腔 30:噴嘴板 31:噴孔 40:衝擊腔 50:注水式衝擊板 51:微粒衝擊面 52:注水口 53:注水流道 54:濾紙 55:集水井 56:氣流通道 57:汲水流道 60:尾流腔 70:尾流出口

第1圖為本發明其中一實施例的縱剖面示意圖。

第2圖為本發明其中一實施例的噴嘴板的俯視示意圖。

第3圖為本發明其中一實施例的噴嘴板的其中一噴孔的縱剖面放大示意圖。

第4圖為本申請其中一實施例及PENS的分徑效率對氣動截取直徑關係圖。

第5圖為本申請其中一實施例及PENS的氣動截取直徑對微粒質量負荷關係圖。

10:氣膠流入口

20:預備腔

30:噴嘴板

40:衝擊腔

50:注水式衝擊板

51:微粒衝擊面

52:注水口

53:注水流道

54:濾紙

55:集水井

56:氣流通道

57:汲水流道

60:尾流腔

70:尾流出口

Claims

一種奈米微粒分徑用的新穎慣性衝擊器，包括：一氣膠流入口，供導入一氣膠流；一預備腔；一噴嘴板；一衝擊腔；一注水式衝擊板；一尾流腔；以及一尾流出口；其中，該預備腔位於該氣膠流入口及該噴嘴板之間，該噴嘴板具有多個連通於預備腔及衝擊腔之間的噴孔，該些噴孔由該預備腔往該衝擊腔的方向呈漸縮漏斗狀，該注水式衝擊板具有一微粒衝擊面、至少一形成於該微粒衝擊面的注水口、一注水流道、一鋪設於該微粒衝擊面並覆蓋該至少一注水口的濾紙、一局部環繞該微粒衝擊面的集水井、一局部環繞該集水井的氣流通道及一汲水流道，該至少一注水口連通該注水流道，該汲水流道連通於該集水井，該氣流通道連通於該衝擊腔及該尾流腔之間，該衝擊腔位於該噴嘴板及該濾紙之間，該尾流出口連通於該尾流腔；其中，該噴嘴板至該濾紙之間的軸向間距為S，各該噴孔最小徑處的直徑為W，所有所述噴孔最小徑處的總橫截面積為A，並滿足下列關係式： 5＜S/W＜10； S/A＜0.5 mm^-1。
如請求項1所述的奈米微粒分徑用的新穎慣性衝擊器，其中W大於60 ㎛。
如請求項1所述的奈米微粒分徑用的新穎慣性衝擊器，其中S小於0.5 mm。
如請求項1所述的奈米微粒分徑用的新穎慣性衝擊器，其中該濾紙為玻璃纖維濾紙。