TWM551693U - 氣體前濃縮裝置 - Google Patents

Description

氣體前濃縮裝置

本創作是有關於一種氣體採樣處理技術，特別是有關於透過冷凝技術將待分析的氣體中之水氣先行凝結成液體或固體，使氣體中之揮發性有機物在進行後續採樣濃縮及層析處理時可不受水氣影響之一種氣體前濃縮裝置。

隨著人類工業的進步，空氣污染正逐漸地加劇，在汙染空氣之氣體中若含有超過一定濃度之揮發性有機物(Volatile organic compounds, VOC)時，對人體之危害係相當大的，其可傷害人的肝臟、腎臟、大腦及神經系統，在短時間內即可讓人們感到頭痛、噁心、四肢無力，甚至可能造成人們抽搐、昏迷或記憶力減退。

揮發性有機物可能來自於工業廢氣、汽/機車排氣，或是香菸、油漆、塗料等所散發出來之氣體，幾乎是充斥在人們一般生活之中。為了避免揮發性有機物對人們造成健康上的傷害，大多數國家都會針對揮發性有機物的排放制訂管制標準，為此就必須設定一套氣體偵測分析系統以提供加裝在工業用的氣體環境或一般生活環境之中來對揮發性有機物之濃度加以偵測分析。

由於揮發性有機物在大氣中的濃度都相當的低，因此在進行VOC之濃度檢測層析作業前必須要執行前濃縮的步驟，以將被分析氣體的VOC濃度提升至偵測極限之上。基於此，一般氣體偵測分析系統係設有一氣體前濃縮裝置，當待檢測氣體進入時，可透過氣體前濃縮裝置之VOC採集器來採集待檢測氣體中之揮發性有機物以達到濃縮之目的；待濃縮作業完成後，即可將採集濃縮之揮發性有機物輸送至氣相層析質譜儀，以透過氣相層析質譜儀來執行揮發性有機物之層析作業，進而可計算出待檢測氣體所含揮發性有機物之濃度。

氣體前濃縮裝置例如為中華民國專利349653號所揭露使用液態氮來冷凍氣體樣品捕捉管，以達到採集與濃縮待檢測氣體中之揮發性有機物的目的；又，中華民國專利558631號另揭露氣動閥組及濃縮捕捉管，係能夠將揮發性有機物進行採集、濃縮與自動分析；再者，中華民國專利I575237號揭露採用旋轉閥、二位十孔閥及採樣迴圈，進行有機廢氣的自動監測。然而，由於氣體中容易含有水氣，在採集、濃縮與捕捉大氣中VOC時，過多的水氣會干擾後續VOC於層析管柱中各物種的分離情形，並且會減短分析儀器的壽命及於分析圖譜上形成大量水氣峰值而干擾了分析結果。而習知之氣體前濃縮裝置並無法將水氣先行排除，例如專利349653號是將水氣與揮發性有機物一起冷凍於氣體樣品捕捉管內，因此並無法避免分析儀器受水氣的干擾；又如專利558631號需將濃縮捕捉管維持於低溫狀態，且還需額外以抽氣幫浦持續抽氣一預定時間以企圖將水氣等干擾物抽出，然而此種方式需耗費時間且並無法保證已將水氣抽離；專利I575237號則未有除水設備或機制。另外，其他現行採用於VOC捕捉濃縮時的除水方式例如Nafion dryer及Dry Purging等方式，則會造成一些極性VOCs(Polar VOCs)、含氧VOC(OVOCs) 及C2 VOCs由於其易溶於水中的特性而一併被移除，因此影響了真實的分析結果。

有鑑於上述習知技藝之問題，本創作之目的就是在提供一種氣體前濃縮裝置，係透過冷凝技術將待分析的氣體中之水氣先行凝結成液體或固體，使氣體中之揮發性有機物在進行後續採樣濃縮及層析處理時可不受水氣影響。

根據本創作之目的，提出一種氣體前濃縮裝置，其包含：一冷凝器，係為一中空管體，該冷凝器具有一冷凝器前端及一冷凝器後端；一VOC採集器，係為一管體，該VOC採集器具有一VOC採集器前端及一VOC採集器後端，該VOC採集器前端係與該冷凝器後端相連通；以及一致冷器，該冷凝器係連接或接觸該致冷器。

依據上述技術特徵，所述該冷凝器前端及該冷凝器後端係皆具開口樣態並與該中空管體貫通，以能夠讓一待檢測氣體通過。

依據上述技術特徵，所述該VOC採集器前端及該VOC採集器後端係皆具開口樣態並與該管體貫通，以能夠讓該待檢測氣體進入及一其餘氣體流出。

依據上述技術特徵，其中該氣體前濃縮裝置係包含一另一致冷器，該VOC採集器係連接或接觸該另一致冷器。

依據上述技術特徵，於一實施例中，該致冷器及該另一致冷器係分別包含一致冷晶片。

依據上述技術特徵，其中該致冷器係包含一致冷晶片。

依據上述技術特徵，其中該致冷器係具有一致冷器表面，該冷凝器係連接或接觸該致冷器表面。

依據上述技術特徵，其中該VOC採集器係連接或接觸該致冷器表面。

依據上述技術特徵，其中該氣體前濃縮裝置更包含一多向閥，該多向閥係能夠連通該冷凝器後端及該VOC採集器前端。

依據上述技術特徵，其中該氣體前濃縮裝置更包含一加熱器，該加熱器係設置於該VOC採集器非與該致冷器表面連接或接觸之一側。

依據上述技術特徵，其中該氣體前濃縮裝置更包含一加熱器，該加熱器係包覆於該VOC採集器之表面。

依據上述技術特徵，其中該加熱器係為電加熱導線。

依據上述技術特徵，其中該冷凝器係為一中空玻璃管。

承上所述，本創作之氣體前濃縮裝置係具有下列特點：

1、此氣體前濃縮裝置特別係設置有冷凝器及致冷器，透過冷凝降溫之方式可使待檢測氣體中之水氣被捕捉並鎖附在冷凝器中，藉此可避免水氣進入至VOC採集器而干擾VOC採集濃縮作業，並且，在後續透過氣相層析儀進行VOC層析處理作業時，可提升分析準確性。

2、藉由致冷器可使VOC採集器降溫，如此可降低被採集之VOC之活絡性，進而提升VOC採集濃縮之效果。

為利 貴審查員瞭解本創作之技術特徵、內容與優點及其所能達成之功效，茲將本創作配合附圖，並以實施例之表達形式詳細說明如下，而其中所使用之圖式，其主旨僅為示意及輔助說明書之用，未必為本創作實施後之真實比例與精準配置，故不應就所附之圖式的比例與配置關係解讀、侷限本創作於實際實施上的權利範圍，合先敘明。

請同時參閱第1圖至第3圖，如圖所示本創作之氣體前濃縮裝置係包含：一冷凝器10、一VOC採集器20及一致冷器30，當然更可包含一加熱器40及一多向閥50；其中，該VOC採集器20係對應前述『先前技術』區段中所提及之氣體樣品捕捉管、濃縮捕捉管或採樣迴圈，例如使用球形多孔性碳分子吸附劑或多孔性活性碳吸附劑填充於呈現一管體之捕捉管內以形成該VOC採集器20；而該多向閥50係對應前述『先前技術』區段中所提及之氣動閥組、旋轉閥或二位十孔閥；因此，該VOC採集器20及該多向閥50之製作、運作原理、運作方式及所產生的功效，於此不再贅述。於本實施例中該多向閥50係採用二位多孔閥中的二位六孔閥，該多向閥50係能夠因旋轉而具有一第一位置P1及一第二位置P2而進行流向切換。

至少該冷凝器10係連接或接觸該致冷器30的一致冷器表面301；於本實施例中該冷凝器10及該VOC採集器20係連接或接觸該致冷器30的該致冷器表面301，且該加熱器40係連接或接觸該VOC採集器20；該冷凝器10及該VOC採集器20係互相連通，當該多向閥50係在該第一位置P1時，該多向閥50係能夠連通該冷凝器10及該VOC採集器20。於本實施例中，該致冷器30係為一致冷晶片，該致冷器30於採用致冷晶片的狀況下係能夠將該致冷器表面301的溫度降至攝氏負30度，致冷晶片的運作及原理係為習知技藝，在此不贅述；該冷凝器10係為一中空管體例如為透明中空玻璃管，該中空管體內部係可以選擇地不充填或充填有填充物例如玻璃棉或其他填充物以增加水氣的吸附量或增加吸附面積，該冷凝器10於採用中空管體的狀況下其兩端係分別具有一開口(圖未繪出)。該加熱器40係呈片狀，例如採用致冷晶片，並設置於該VOC採集器20非與該致冷器表面301連接或接觸之一側；或者該加熱器40係使用電加熱導線包覆於該VOC採集器20之表面。

於另一實施態樣，該冷凝器係連接或接觸該致冷器(例如第一個致冷晶片)的該致冷器表面，而該VOC採集器係連接或接觸一另一致冷器(例如第二個致冷晶片)的一另一致冷器表面。

請再度同時參閱第1圖至第3圖，當所述氣體前濃縮裝置在執行揮發性有機物(VOC)採集濃縮作業時，係依序採取如下之一採集分析方法S的操作程序：

低溫準備程序S1：係將該多向閥50進行流向切換至該第一位置P1，以使該多向閥50所採用二位多孔閥中的二位六孔閥係連通該冷凝器10之一冷凝器後端102及該VOC採集器20之一VOC採集器前端201；並且，啟動該致冷器30，例如啟動致冷晶片使得該致冷器表面301的溫度降至一預定溫度並維持於約略為該預定溫度，例如該預定溫度為攝氏負30度並維持於約攝氏負30度。如前所述於本實施例中，該冷凝器10及該VOC採集器20係連接或接觸該致冷器30的該致冷器表面301，因此該冷凝器10及該VOC的溫度係降至攝氏負20度並維持於約攝氏負20度，係低於一大氣壓下水的凝固點溫度。溫度的檢測方式係為習知技藝，例如可採用熱電偶式(thermocouple)溫度感測計或熱敏式(thermistor)溫度電子感測器，在此不贅述。

除水程序S2：接著，藉由一幫浦(圖未繪出)的抽力持續將一待檢測氣體A經由該冷凝器10之一冷凝器前端101送進該冷凝器10；由於該冷凝器10的溫度係維持於約攝氏負20度 ，因此依據水的三相圖(phase diagram)而言，該待檢測氣體A中所含的水氣將會於該冷凝器10之壁面及前述填充物的表面或填充物的內部快速凝集成一凝態水W(液態水或甚至形成固態冰)。對於該待檢測氣體A而言，因而達到物理除水的目的。於此特別說明的是，於不同的實施樣態，該冷凝器10的溫度係依照不同的需求而能夠被控制維持於約攝氏負20度至攝氏10度之間。

捕捉及濃縮程序S3：再接著，該待檢測氣體A經由該冷凝器後端102被送出至該多向閥50後，經由該多向閥50的二位六孔閥進入該VOC採集器前端201及該VOC採集器20；由於該VOC採集器20的溫度係維持於約攝氏負20度，因此達到VOC捕捉及濃縮的功效，其原理係為如『先前技術』所言之習知技藝，例如VOC分子於低溫下之分子動能低，因此被該VOC採集器20內之吸附劑捕捉後，於低溫下因分子擴散動能不足以掙脫吸附劑之吸附力，因此VOC分子於低溫下即不再釋出，其餘原理不在此贅述。當該待檢測氣體A中的VOC被該VOC採集器20所捕捉及濃縮後，形成一其餘氣體B經由該VOC採集器20之一VOC採集器後端202被送至該多向閥50後排出。

脫附及層析程序S4：當所述氣體前濃縮裝置執行完成VOC採集濃縮作業後(即，前述捕捉及濃縮程序S3)，請特別參閱第2圖，又接著透過該多向閥50進行流向切換至該第二位置P2，以斷開該冷凝器10與該VOC採集器20間之連通，並使得該VOC採集器20之該VOC採集器前端201經由該多向閥50連通一氣相層析質譜儀60，以及將該VOC採集器20之該VOC採集器後端202連通至用以提供一載流氣體C之一輸送幫浦(圖未繪出)；同時，啟動該加熱器40，以透過所述加熱器40對該VOC採集器20進行迅速升溫加熱至攝氏250度~300度以使得先前經由該捕捉及濃縮程序S3低溫冷卻之VOC得以增加分子動能以掙脫該VOC採集器20之吸附劑而形成熱脫附；又同時，藉由該抽器幫浦持續輸送該載流氣體C至已加熱完成之該VOC採集器後端202及該VOC採集器20，使得熱脫附後之VOC分子可被該載流氣體C由該VOC採集器前端201輸送離開該VOC採集器20並經由該多向閥50進入該氣相層析質譜儀60，以透過該氣相層析質譜儀60來進行層析作業，進而可計算出該待檢測氣體A所含VOC之種類及濃度值。

本創作於進行前述脫附及層析程序S4時，於該冷凝器10之該冷凝器前端101可通入一沖提氣體D，使該沖提氣體D通過該冷凝器10並將於前述該除水程序S2過程中所附著於該冷凝器10之該凝態水W，由該VOC採集器後端202被送至該多向閥50後排出。

上述中，於進行前述脫附及層析程序S4時，由於該冷凝器10及該VOC採集器20係連接或接觸該致冷器30的該致冷器表面301，且該加熱器40係連接或接觸該VOC採集器20，因此當啟動所述加熱器40對該VOC採集器20加熱時，亦可提供熱傳導而加熱該冷凝器10，讓所附著於該冷凝器10之該凝態水W因受熱而加速昇華或氣化成氣相，以加快由該VOC採集器後端202被送至該多向閥50後排出。

上述中，於進行前述脫附及層析程序S4之啟動該加熱器40時，該致冷器30可經由控制而關閉，以節省能源使用；或者，該致冷器30亦可以原本設定溫度或是以相對冷卻溫度之較高溫度持續開啟，如此於下一回執行該採集分析方法S時，可以節省該低溫準備程序S1中啟動該致冷器30到達該預定溫度的時間。

具體而言，本創作之氣體前濃縮裝置主要係設有冷凝器及致冷器，當該裝置在執行VOC採集濃縮作業時，可利用致冷器來提供冷卻溫度予冷凝器及VOC採集器，讓冷凝器可進行冷凝降溫以捕捉檢測氣體中之水氣，以避免水氣進入至VOC採集器而對採集作業產生干擾，同時VOC採集器受到該冷卻溫度可降低VOC之活絡性，藉以可增加VOC之採集濃縮效果，進而讓後續在執行VOC層析作業時可減少水分所導致的干擾與誤差產生，以提升分析結果的數據之準確性及再現性。

綜觀上述，可見本創作在突破先前之技術下，確實已達到所欲增進之功效，且也非熟悉該項技藝者所易於思及，再者，本創作申請前未曾公開，且其所具之進步性、實用性，顯已符合專利之申請要件，爰依法提出專利申請，懇請  貴局核准本件創作專利申請案，以勵創作，至感德便。

以上所述之實施例僅係為說明本創作之技術思想及特點，其目的在使熟習此項技藝之人士能夠瞭解本創作之內容並據以實施，當不能以之限定本創作之專利範圍，即大凡依本創作所揭示之精神所作之均等變化或修飾，仍應涵蓋在本創作之專利範圍內。

10‧‧‧冷凝器
101‧‧‧冷凝器前端
102‧‧‧冷凝器後端
20‧‧‧VOC採集器
201‧‧‧VOC採集器前端
202‧‧‧VOC採集器後端
30‧‧‧致冷器
301‧‧‧致冷器表面
40‧‧‧加熱器
50‧‧‧多向閥
60‧‧‧氣相層析質譜儀
A‧‧‧待檢測氣體
B‧‧‧其餘氣體
C‧‧‧載流氣體
D‧‧‧沖提氣體
P1‧‧‧第一位置
P2‧‧‧第二位置
S‧‧‧採集分析方法
S1‧‧‧低溫準備程序
S2‧‧‧除水程序
S3‧‧‧捕捉及濃縮程序
S4‧‧‧脫附及層析程序
W‧‧‧凝態水

第1圖 為本創作之氣體前濃縮裝置之多向閥之第一位置示意圖。          第2圖 為本創作之氣體前濃縮裝置之多向閥之第二位置示意圖。          第3圖 為本創作之氣體前濃縮裝置之採集分析方法之操作程序圖。

10‧‧‧冷凝器

101‧‧‧冷凝器前端

102‧‧‧冷凝器後端

20‧‧‧VOC採集器

201‧‧‧VOC採集器前端

202‧‧‧VOC採集器後端

30‧‧‧致冷器

301‧‧‧致冷器表面

40‧‧‧加熱器

50‧‧‧多向閥

60‧‧‧氣相層析質譜儀

A‧‧‧待檢測氣體

B‧‧‧其餘氣體

C‧‧‧載流氣體

P1‧‧‧第一位置

Claims (11)

1. 一種氣體前濃縮裝置，其至少包含：                       一冷凝器(10)，係為一中空管體，該冷凝器(10)具有一冷凝器前端(101)及一冷凝器後端(102)；                  一VOC採集器(20)，係為一管體，該VOC採集器(20)具有一VOC採集器前端(201)及一VOC採集器後端(202)，該VOC採集器前端(201)係與該冷凝器後端(102)相連通；以及                       一致冷器(30)，該冷凝器(10)係連接或接觸該致冷器(30)。
2. 如申請專利範圍第1項所述之氣體前濃縮裝置，其中該氣體前濃縮裝置係包含一另一致冷器，該VOC採集器(20)係連接或接觸該另一致冷器。
3. 如申請專利範圍第2項所述之氣體前濃縮裝置，其中該致冷器(30)及該另一致冷器係分別包含一致冷晶片。
4. 如申請專利範圍第1項所述之氣體前濃縮裝置，其中該致冷器(30)係包含一致冷晶片。
5. 如申請專利範圍第4項所述之氣體前濃縮裝置，其中該致冷器(30) 係具有一致冷器表面(301)，該冷凝器(10)係連接或接觸該致冷器表面(301)。
6. 如申請專利範圍第5項所述之氣體前濃縮裝置，其中該VOC採集器(20)係連接或接觸該致冷器表面(301)。
7. 如申請專利範圍第6項所述之氣體前濃縮裝置，其中該氣體前濃縮裝置更包含一加熱器(40)，該加熱器(40)係設置於該VOC採集器(20)非與該致冷器表面(301)連接或接觸之一側。
8. 如申請專利範圍第6項所述之氣體前濃縮裝置，其中該氣體前濃縮裝置更包含一加熱器(40)，該加熱器(40)係包覆於該VOC採集器(20)之表面。
9. 如申請專利範圍第8項所述之氣體前濃縮裝置，其中該加熱器(40)係為電加熱導線。
10. 如申請專利範圍第9項所述之氣體前濃縮裝置，其中該冷凝器(10)係為一中空玻璃管。
11. 如申請專利範圍第10項所述之氣體前濃縮裝置，其中該氣體前濃縮裝置更包含一多向閥(50)，該多向閥(50)係能夠連通該冷凝器後端(102)及該VOC採集器前端(201)。