TWI524924B - Inertial filters and particle grading devices - Google Patents
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Description
本發明係關於一種配置於流體通道內且藉由慣性碰撞效應等而使流體中之粒子分級之慣性過濾器及具備該慣性過濾器之粒子分級裝置。
參照圖16對先前之慣性過濾器100進行說明。先前之慣性過濾器100係配置於流體通道內，可進行粒子分級者，且具備圓柱狀之過濾器本體101。過濾器本體101具備自流體通過上游側朝向下游側方向貫通之剖面圓形之貫通孔102。該貫通孔102係包含縮徑貫通孔102a，其係流體通過上游側之內徑逐漸縮徑；及內徑固定之等徑貫通孔102b，其係於下游側與該縮徑貫通孔102a連結。於該等徑貫通孔102b內，填充有作為非壓縮性纖維之一例之金屬纖維103。金屬纖維103係藉由省略圖示之機構而防止自等徑貫通孔102b朝向流體通過方向下方脫落。
該慣性過濾器100，係藉由省略圖示之泵之吸力，將慣性過濾器100之內壓降至外壓以下，再藉由因兩壓力生成之壓力差，而使貫通孔102內自圖中箭線A至箭線B方向產生流體，從而使粒子分級。上述流體係於縮徑貫通孔102a內速度上升，流入至等徑貫通孔102b內達到恆定。而且，於等徑貫通孔102b內，包含於流體中之微粒子碰撞金屬纖維103而被捕捉(捕獲)。
[先前技術文獻]
[專利文獻]
[專利文獻1]日本特開2008-70222號公報
於上述慣性過濾器100中，存在如下課題：第1，纖維因空間密度分佈、定向、形狀並不固定，故難以獲得預期之初始分級特性。又，第2，於等徑貫通孔102b內，不易以均勻之密度填充金屬纖維103，故而，因等徑貫通孔102b內之金屬纖維103之填充密度之不均勻而易於使分級特性不均勻，從而難以穩定地進行分級。第3，於分級動作中，藉由因受到氣流之壓力，而使金屬纖維103沿流體通過方向壓縮，使分級特性發生變化，最終，難以穩定地進行分級。第4，於慣性過濾器清洗中，等徑貫通孔102b內之金屬纖維103之空間密度可能產生變化，但此種變化難以定量化，因此難以再利用該慣性過濾器。
因此，鑒於上述情況，本發明之課題在於提供一種慣性過濾器，其係易於獲得預期之初始分級性能，且長期使用過程中捕獲效率難以下降且可進行穩定之粒子分級。
(1)本發明之第1慣性過濾器，係設置於供包含奈米粒子之流體通過之流體通道，藉由粒子慣性效應而捕獲該流體通道內之奈米粒子，且該流體流速愈大捕獲粒徑愈小之奈米粒子，其特徵在於：該慣性過濾器，具備：流量調整嘴，係配置於該流體通道上游側，且具有於該流體通過方向內徑縮徑之貫通孔，藉由該貫通孔之形態來調整該流體通道內之流體流速；以及粒子分級用薄片，係配置於較該流量調整嘴更靠流體通道下游側且以一樣之排列形態具有用以藉由粒子慣性效應而捕獲奈米粒子之複數個粒子分級孔，且具有大於該流量調整嘴之貫通孔之下游側開口之薄片面積且該薄片以阻塞該下游側開口整面之方式設置成在流體通過方向將該流體通道分隔成2個之分隔壁狀；可藉由將該流量調整嘴與該貫通孔之數量不同之其他流量調整嘴替換組合而進行流量調整。
較佳為，該粒子分級用薄片於流體通過方向係以單一之薄片構成。
較佳為，該粒子分級用薄片於流體通過方向係積層為複數片。
較佳為，該粒子分級用薄片係以網眼狀之排列形態具備多個貫通孔作為該粒子分級孔之薄片。
較佳為，該粒子分級用薄片係線徑為5～20 μm、網眼為40～300 μm之網眼狀薄片。
較佳為，將該粒子分級用薄片配置成可與纖維直徑、網眼、空間率、空間形狀等不同之其他粒子分級用薄片替換組合。
較佳為，將插裝間隔物插裝於複數個粒子分級用薄片之流體通過方向間進行積層，且將該插裝間隔物配置成可與貫通孔之直徑不同之其他插裝間隔物替換組合。
較佳為，可藉由將該粒子分級用薄片與至少纖維直徑、網眼、空間率、空間形狀不同之其他粒子分級用薄片替換組合而進行分級控制。
較佳為，可藉由該粒子分級用薄片之積層片數控制而進行分級控制。
較佳為，可藉由該插裝間隔物之積層片數控制而進行分級控制。
較佳為，可藉由使該插裝間隔物可與貫通孔之直徑不同之其他插裝間隔物替換組合而進行流速調整。
較佳為，可藉由該插裝間隔物之間隔物厚度控制而進行分級控制。
較佳為，可藉由該流量調整嘴之流路數量及與該流路數量對應之插裝間隔物之貫通孔數量之控制而進行流量調整。
(2)又，本發明之第2慣性過濾器，係設置於供包含奈米粒子之流體通過之流體通道，藉由粒子慣性效應而捕獲該流體通道內之奈米粒子，且該流體流速愈大捕獲粒徑愈小之奈米粒子，其特徵在於：該慣性過濾器，具備：流量調整嘴，係配置於該流體通道上游側，且具有於該流體通過方向內徑縮徑之貫通孔，藉由該貫通孔之形態來調整該流體通道內之流體流速；以及粒子分級用薄片，係配置於較該流量調整嘴更靠流體通道下游側且以一樣之排列形態具有用以藉由粒子慣性效應而捕獲奈米粒子之複數個粒子分級孔，且具有大於該流量調整嘴之貫通孔之下游側開口之薄片面積且該薄片以阻塞該下游側開口整面之方式設置成在流體通過方向將該流體通道分隔成2個之分隔壁狀；可藉由將該流量調整嘴與該貫通孔之縮徑率不同之其他流量調整嘴替換組合而進行流體流速調整。
(3)又，本發明之粒子分級裝置，於流體通過方向上游側配置填充有非壓縮性纖維之慣性過濾器用於去除粗粒子，且於下游側配置本發明之第1、或第2慣性過濾器用於進行奈米粒子分級。
再者，上述流體中包含液體、其他者，而並不限於氣體。
再者，藉由上述慣性過濾器捕獲乃至捕捉之粒子並不限定於懸浮在氣體中之粒子，可包含懸浮在其他溶劑例如液體中或其他之中的粒子。又，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。
再者，上述非壓縮性纖維較佳為可由金屬纖維構成。又，作為金屬纖維，例如較佳為不鏽鋼纖維，但並不限定於不鏽鋼纖維，亦可為選自鋁纖維、銅纖維、其他金屬纖維中之1種以上之金屬纖維。又，非壓縮性纖維只要為非壓縮性且高速氣流通過下亦幾乎無體積變化之纖維即可，並不限定於金屬纖維。
根據本發明，可提供一種初始分級特性優異，長期使用過程中可穩定地進行粒子分級之慣性過濾器。
以下，參照隨附圖式，對本發明實施形態之慣性過濾器及具備該慣性過濾器之粒子分級裝置進行說明。於圖1中表示有上述粒子分級裝置之剖面構成。再者，於實施形態中，懸浮成為分級對象之粒子之流體可包含氣體、液體、及其他溶劑。圖1所示之粒子分級裝置1，係自箭線A所示之流體通過方向上游側朝向下游側，具備作為預先慣性過濾器之粗粒子去除用慣性過濾器3、作為正式慣性過濾器之奈米粒子分級用慣性過濾器5、及奈米粒子捕獲/裝置導入部7。
粗粒子去除用慣性過濾器3，係包含圓柱狀板3a。該圓柱狀板3a係包含縮徑貫通孔3b，其朝向流體通過方向內徑逐漸縮徑，可使朝向此方向之流體流速加速；及等徑貫通孔3c，其連結於該縮徑貫通孔3b之下游側開口，且使內徑朝向此方向固定，從而可使流體流速恆速化。而且，該粗粒子去除用慣性過濾器3，係於該等徑貫通孔3c內部，作為非壓縮性纖維，以緻密纏繞之狀態填充有即便高速氣流通過亦幾乎無體積變化之金屬纖維，較佳為填充SUS(不鏽鋼)纖維3d。再者，作為金屬纖維，並不限定於SUS纖維，亦可為選自鋁纖維、銅纖維、及其他金屬纖維中之1種以上之金屬纖維。又，只要為非壓縮性且即便高速氣流通過亦幾乎無體積變化之纖維，則不限定於金屬纖維。
奈米粒子分級用慣性過濾器5，係相對於粗粒子去除用慣性過濾器3，連續配置於緊鄰流體下游側下方，且連結於該粗粒子去除用慣性過濾器3。奈米粒子分級用慣性過濾器5，係包含內徑固定之圓筒狀板5a，其係外徑與粗粒子去除用慣性過濾器3之外徑相同，且配置於上游側；及圓柱狀板5b，其係外徑與該圓筒狀板5a之外徑相同，且於下游側與圓筒狀板5a連結配置；藉此，於內部構成過濾器空間5c。圓柱狀板5b係於該板中央形成有自流體通過方向上游側朝向下游側內徑逐漸縮徑之縮徑貫通孔5d。而且，於縮徑貫通孔5d之下端設置有內徑大於縮徑貫通孔5d之下游側開口之內徑且直徑固定之等徑貫通孔5e，且於該等徑貫通孔5e配置有粒子分級用薄片9。
該粒子分級用薄片9，係以均勻且緊密之排列形態例如網眼狀具有圖1中省略圖示之奈米粒子分級用之多個孔，且具有大於設置有該孔之位置上之流體通過面積之薄片面積，於該例中具有大於縮徑貫通孔5d之流體通過下游側開口之內徑之薄片面積，且，設置為其之一部分9a於流體通過方向上將圖中箭線A所示之流體通道分隔成2個以進行粒子分級之分隔壁狀。
奈米粒子捕獲/裝置導入部7，係包含內徑固定之圓筒狀板7a，其係外徑與奈米粒子分級用慣性過濾器5之外徑相同，且配置於上游側；及圓柱狀板7b，其係外徑與該圓筒狀板7a之外徑相同，且於下游側與圓筒狀板7a連結配置；藉此，於內部構成捕獲空間7c。圓柱狀板7b係於該板中央形成有縮徑貫通孔7d，其係自流體通過方向上游側朝向下游側，內徑逐漸縮徑；及內徑固定之等徑貫通孔7e，其係連結於該縮徑貫通孔7d；且，可將所捕獲之奈米粒子導入至裝置內。於該裝置側中，可藉由如箭線A所示，利用省略圖示之吸引泵吸引流體，而將流體排出。
於以上構成中，實施形態之粒子分級裝置1之特徵在於，在奈米粒子分級用慣性過濾器5中，與如先前般將非壓縮性纖維填充於等徑貫通孔內之構造不同，使用有包含多個微小貫通孔之粒子分級用薄片9。
此處，參照圖2～圖4B，對粒子分級用薄片9之構造進行說明。該粒子分級用薄片9中之多個微小貫通孔係成為網眼狀。此處，所謂網眼狀，可例示以下之薄片9a～9e。
薄片9a係具有於特定之網眼D之狀態下自圖2A-1所示之側面觀察由塑膠或金屬構成之特定線徑d之纖維11所得之剖面，且藉由以自圖2A-2所示之平面觀察之平紋形狀編織而形成有多個微小貫通孔9a1。薄片9b係具有自圖2B-1之側面觀察所得之剖面形狀，且藉由自圖2B-2所示之平面觀察以斜紋形狀編織而形成有多個微小貫通孔9b1。
薄片9c，係如圖3A所示，相對於通常之薄片，藉由蝕刻而形成有多個圓狀微小貫通孔9c1。薄片9d，係如圖3B所示，形成有多個長孔狀微小貫通孔9d1。薄片9e，係如圖3C所示，形成有多個方孔狀微小貫通孔9e1。
該等貫通孔，勿庸置疑具有奈米粒子之分級所需之孔徑。參照圖4A、圖4B對該情形進行說明，於圖4A中，表示有線10a、10b交叉形成為網眼狀之貫通孔10c。而且，擴散過濾器與慣性過濾器之網眼狀，係如圖4B所示，擴散過濾器為線10a、10b之線徑d=20 μm左右，貫通孔10c之尺寸即網眼D=20 μm左右，流體過濾速度為0.001～0.1 m/S。與此相對，慣性過濾器係線徑d=5～20 μm，網眼D=40～300 μm，流體過濾速度為1～100 m/s。再者，所謂網眼係指可通過之球狀粒子之最大直徑，故對分級精度而言重要的是網眼之均一性。若該網眼度處於上述範圍內，則過濾器強度較高，又，壓力損失較少，可使流體流量增多，故而較佳。
作為上述網眼狀之粒子分級用薄片，可例示尼龍網眼、聚酯網眼、聚丙烯網眼、鐵氟龍(註冊商標)網眼、聚乙烯網眼，作為編織塑膠纖維而成者。又，可例示織入有碳纖維之尼龍網眼、織入有碳纖維之尼龍網眼等由2種以上之纖維編織之纖維。作為金屬纖維，可例示編織SUS等所得之網眼狀過濾器。又，亦可使用藉由對金屬膜進行蝕刻等而設置有多個微小貫通孔之金屬膜。
如上所述，網眼狀係於每一固定面積或者單位長度上規則性地開設有複數個分級用微小貫通孔之形狀。而且，於本實施形態中，粒子分級用薄片9具有大於縮徑貫通孔5d之下游側開口之內徑之薄片面積，且於該縮徑貫通孔5d之下游側開口，僅設置其之一部分9a作為進行奈米粒子分級之部分。因此，粒子分級用薄片9之外周部附近可能產生之因網眼之磨損等而引起之微小貫通孔之不均勻性、或粒子分級用薄片9之外周部與圓柱狀板5b之間隙等對該一部分9a中之分級精度造成影響之情形變少。
於以上構成中，粗粒子去除用慣性過濾器3之縮徑貫通孔3b係朝向流體下游側方向直徑不斷變小，故而，流體於逐漸加速後，以恆定速度通過等徑貫通孔3c，且於該通過時捕獲粗粒子。該等徑貫通孔3c成為金屬纖維3d呈現層狀之過濾器構造，故可應用能夠用於氣體之流速及纖維直徑之選擇之史托克數Stk、及貝克勒數Pe。史托克數Stk係表示金屬纖維構造之過濾器內粒子對氣體流動的追隨性之無因次值。省略其之方程式。史托克數Stk與流速、粒子密度成正比，且與粒徑之平方成正比，與纖維直徑成反比。
根據史托克數Stk之式，隨著氣體之流速變大，變得無法自粒徑大之懸浮粒子起循序追隨氣體之運動，從而脫離氣體流路，與金屬纖維產生碰撞。一面參考該史托克數Stk，一面控制氣體之流速及選擇纖維直徑，藉此可選擇捕獲目標之粒子之粒徑。於實施形態中，由於金屬纖維之纖維直徑極小，因此，無需使流速變大至衝擊器程度。又，金屬纖維不僅可藉由粒子之慣性而捕獲粒子，而且亦可藉由阻斷、重力、靜電力、擴散等之捕獲機構而捕獲粒子。
貝克勒數Pe係表示藉由氣流運送粒子之效果與藉由擴散運送粒子之效果之比例之數，其與流速、纖維直徑成正比，且與擴散係數成反比。為了減少擴散之影響，而必需使貝克勒數Pe變大。粒徑越小，則擴散係數越大，使得纖維直徑選擇較小值，因此，可知較佳為提高流速可提高粒徑之選擇性。根據以上情況，可藉由任意地選擇流速、纖維直徑等(具體而言，任意地選擇粒子分級用薄片中之纖維直徑、網眼、空間率及空間形狀中之至少一個)，而利用金屬纖維捕獲乃至分級目標粒子。
而且，於實施形態中，尤其可實現如下情形：藉由粗粒子去除用慣性過濾器3之等徑貫通孔3c內之金屬纖維3d之填充量調整，而進行該粗粒子去除用慣性過濾器3之等徑貫通孔3c內部之空隙度調整，以及藉由變更金屬纖維3d之纖維直徑，而使等徑貫通孔3c內之氣流流通性不會大幅下降，從而較小地抑制壓力降。其結果，即便利用小型之氣流吸引泵進行小流量吸引，亦可獲得粗粒子去除所需之粒子慣性效應。
又，可藉由作為實施形態之特徵之奈米粒子分級用慣性過濾器5之粒子分級用薄片9，而對奈米粒子進行分級，但該粒子分級用薄片9呈網眼狀，故即便受到流體壓力作用亦不會於流體通過方向上受到壓縮，又，藉由網眼狀而使空間率、空間形狀亦均一化，藉此，便可使分級特性清晰。又，可使粒子分級用薄片9之填充度均一，故而不僅易於控制分級直徑，而且可藉由將粒子分級用薄片9積層例如多層而容易於現場調整分級直徑。
又，由於幾乎不存在粒子分級用薄片9中之流體之流通性低下之情形，故而，作為吸引泵即便以小型者進行小流量吸引，亦可一面將壓力降抑制為較小，一面獲得奈米粒子分級所需之粒子慣性效應。
使圖1所示之奈米粒子分級用慣性過濾器5之圓柱狀板5b，如圖5之(a1)、(b1)、(c1)中分別所示，作為流量調整嘴13a～13c，可與其他流量調整嘴交換，從而可進行流量調整。於各流量調整嘴13a～13c各自之下端開口側，分別配置有粒子分級用薄片15a～15c。於該粒子分級用薄片15a～15c之外周配置有O型環17a～17c，藉此，圖中箭線所示之流體通道自外部得以密封。
於圖5之(a1)之具備流量調整嘴13a之慣性過濾器5a的情形時，縮徑貫通孔13a1之每一流體通過方向單位長度之縮徑率為普通之縮徑率，流體流速為基準流速。藉此，當於圖5之(a2)中，使橫軸取粒徑，使縱軸取捕獲效率時，其捕獲特性由特性c1表示。而且，於圖5之(b1)所示之具備流量調整嘴13b之慣性過濾器5b之情形時，流量調整嘴13b之縮徑貫通孔13b1之縮徑率變大，且流體流速變大，因此，如圖5之(b2)所示，捕獲效率由效率c1變為效率c2，50%阻斷(分級)直徑變小。又，於圖5之(c1)所示之具備流量調整嘴13c之慣性過濾器5c之情形時，流量調整嘴13c之縮徑貫通孔13c1之縮徑率變小，且流體流速變小，因此，如圖5之(c2)所示，捕獲效率由效率c1變為效率c3，分級直徑變大。
即，於使用流量固定之情形時，藉由將流量調整嘴與流量調整嘴13a～13c進行替換組合而階段性地變更分級直徑，藉此可知粒徑分佈，又，即便連接於流量不同之裝置，亦可藉由使流體通過速度恆定而使分級直徑固定。此情形用於特定用途且分級直徑應固定之用途例如環境測定時較為有效。
參照圖6A-1～圖6A-3對流量調整嘴之流量調整進行說明，圖6A-1所示之慣性過濾器25a係包含流量調整嘴19a、粒子分級用薄片21a、及O型環23a。於圖6A-2中表示有流量調整嘴19a之表面，圖6A-3中表示有該流量調整嘴19a之背面。與此相對，圖6B-1所示之慣性過濾器25b係包含流量調整嘴19b、粒子分級用薄片21b、及O型環23b。圖6B-2係表示流量調整嘴19b之表面，圖6B-3係表示該流量調整嘴19b之背面。再者，箭線係表示流體通過方向。
圖6A-1之慣性過濾器25a係流量調整嘴19a之縮徑貫通孔27a為1個，與之相比，圖6B-1之慣性過濾器25b係流量調整嘴19b之縮徑貫通孔27b為複數個，故可使分級特性保持恆定，而更多地增加流量。
參照圖7對本發明之另一實施形態之粒子分級裝置進行說明。於該粒子分級裝置29中，與圖1之粒子分級裝置相同，具有粗粒子去除用慣性過濾器31、奈米粒子分級用慣性過濾器33、及粒子捕獲/裝置導入部35，而另一方面，配置於奈米粒子分級用慣性過濾器33之粒子分級用薄片37係由複數個粒子分級用薄片37a～37c積層而構成。而且，如上所述，於構成粒子分級用薄片37a～37c之積層構造之情形時，若以圖8中橫軸為粒子分級用薄片之積層片數且縱軸為50%阻斷直徑(分級直徑)之分級特性所示之方式，增加積層片數，則分級直徑變小，故可利用該情形，於現場調整分級直徑。再者，39係奈米粒子分級用慣性過濾器33之流量調整嘴。又，於圖7中，為了便於圖解，而使粒子分級用薄片37之片數為3片，但並不限定於3片。
圖9A中表示奈米粒子分級用慣性過濾器41，圖9B中表示其分解構成。該奈米粒子分級用慣性過濾器41係包含流量調整嘴45，其可於過濾器箱43內部進行替換組合；複數個粒子分級用薄片47a～47c，其等係可替換組合；及複數個插裝間隔物49a～49c，其等係可替換組合。
粒子分級用薄片47a～47c係具有特定之薄片厚度，並且具有大於流量調整嘴45之下游側開口之圓形之面積的圓形之薄片面積，且其中之一部分與流量調整嘴45之下游側開口對向，並且插裝間隔物49a～49c相對粒子分級用薄片47a～47c交替地積層，且分別形成有與粒子分級用薄片47a～47c為相同之圓形且面積相同，並且具有相同程度之間隔物厚度，且直徑與流量調整嘴45之下游側開口相同之貫通孔50a～50b。藉此，可藉由插裝間隔物49a～49c之積層構造之該等貫通孔50a～50c之集合，而構成使流體流速恆定之貫通孔。
根據以上情況，於圖9A、圖9B所示之奈米粒子分級用慣性過濾器41中，構成各者之零件可進行替換組合，因此，可藉由該等之替換組合，而容易地控制流體流速或控制分級。
參照圖10，對藉由在圖9A、圖9B所示之奈米粒子分級用慣性過濾器41中替換組合複數個粒子分級用薄片47a～47c、與可替換組合之插裝間隔物49a～49c而控制分級直徑之例進行說明。於圖10之(a1)中表示具有3片粒子分級用薄片47a～47c、及3片插裝間隔物49a～49c之慣性過濾器51，於圖10之(a2)中表示其分級特性c4。於圖10之(b1)中表示具有5片粒子分級用薄片47a～47e、及4片插裝間隔物49a～49d之慣性過濾器53，於圖10之(b2)中表示其分級特性c5。於圖10之(c1)中表示具有2片粒子分級用薄片47a、47b、及2片插裝間隔物49a、49b之慣性過濾器55，於圖10(c2)中表示其分級特性c6。於圖10之(d)中表示將粒子分級用薄片之片數作為橫軸且將分級作為縱軸之分級直徑特性。如圖10之(d)所示，可知若粒子分級用薄片之積層片數增加，則分級直徑變小。
參照圖11對藉由流量調整嘴及插裝間隔物來控制分級直徑之例進行說明。於圖11之(a1)中表示具有賦予基準流速之流量調整嘴45a、粒子分級用薄片47a～47c、及插裝間隔物48a1～48a3之慣性過濾器57。於圖11之(a2)中表示有慣性過濾器57之分級特性c7。該分級特性c7，係由流量調整嘴45a所具備之縮徑貫通孔51a之流體通過方向上之每一單位長度的直徑之縮徑率及插裝間隔物48a1～48a3所賦予者，且將其稱為基準流體流速。而且，於圖11之(b1)中表示具有賦予大於基準流速之流速之流量調整嘴45b、粒子分級用薄片47a～47c、及插裝間隔間48b1～48b3之慣性過濾器59。於圖11之(b2)中表示慣性過濾器59之分級特性c8。該流量調整嘴45b之縮徑貫通孔51b之縮徑率較大，且插裝間隔物48b1～48b3之貫通孔徑較小，因此，流體流速大於上述基準流體流速，且流體中之奈米粒子之慣性碰撞效應變大，其結果，該分級特性由特性c7變為特性c8，從而可捕獲更小粒徑之奈米粒子。
於圖11之(c1)中表示具有賦予大於基準流速之流速之流量調整嘴45c、粒子分級用薄片47a～47c、及插裝間隔物48c1～48c3之慣性過濾器61。於圖11之(c2)中表示慣性過濾器61之分級特性c9。該流量調整嘴45c之縮徑貫通孔51c之縮徑率較小，且插裝間隔物48c1～48c3之貫通孔徑較大。因此，流體流速小於上述基準流體流速，且流體中之奈米粒子之慣性碰撞效應變小，其結果，該分級特性由特性c7變為特性c9。
可由該等圖而清晰地獲知，可藉由流量調整嘴45a～45c及插裝間隔物48a1～48a3、48b1～48b3、48c1～48c3之替換組合，而控制分級直徑。
參照圖12，對藉由插裝間隔物來控制分級直徑之例進行說明。於圖12之(a1)中表示具有賦予基準空間率之插裝間隔物49a1～49c1之慣性過濾器63，於圖12之(a2)中表示慣性過濾器63之分級特性c9。將該慣性過濾器63之空間率作為基準空間率。將該慣性過濾器63之插裝間隔物49a1～49c1各自之間隔物厚度設為例如t。整體而言，藉由插裝間隔物49a1～49c1所構成之等徑貫通孔長度為孔長3t。47a～47c係為粒子分級用薄片。
而且，於圖12之(b1)中表示插裝間隔物49a2～49c2之慣性過濾器65，於圖12之(b2)中表示慣性過濾器65之分級特性c10。於該慣性過濾器65之情形時，插裝間隔物49a2～49c2各自之間隔物厚度為例如2t，藉此，與慣性過濾器63相比，由插裝間隔物49a2～49c2構成之等徑貫通孔長度成為孔長6t。因此，空間率變大(填充度小)，分級特性係可捕獲更小粒徑之奈米粒子。
於圖12之(c1)中表示具有插裝間隔物49a3～49c3之慣性過濾器67，於圖12之(c2)中表示慣性過濾器67之分級特性c11。於該慣性過濾器67之情形時，插裝間隔物49a3～49c3各自之間隔物厚度為例如0.5t，藉此，與慣性過濾器63相比，由插裝間隔物49a3～49c3構成之等徑貫通孔長度成為孔長1.5t。因此，空間率變小(填充度大)。可由該等圖明確地獲知，可藉由插裝間隔物之替換組合，而以圖12之(a2)、(b2)、(c2)所示之方式控制分級直徑。
參照圖13A-1～圖13B-3，對藉由流量調整嘴及插裝間隔物進行流量調整之例進行說明。圖13A-1所示之慣性過濾器69係包含流量調整嘴50a、粒子分級用薄片52a～52c、及插裝間隔物54a1～54c1。於圖13A-2中表示流量調整嘴50a之俯視圖與後視圖，於圖13A-3中表示插裝間隔物54a1～54c1之俯視圖。流量調整嘴50a、粒子分級用薄片52a～52c、及插裝間隔物54a1～54c1係各自之與流體通過方向正交之面內之外形尺寸相同。粒子分級用薄片52a～52c係以交替地由流量調整嘴50a與插裝間隔物54a1～54c1夾持之狀態積層。於插裝間隔物54a1～54c1，分別形成有直徑與流量調整嘴50a之縮徑貫通孔70之下游側開口相同之單一貫通孔70a～70c，且該等單一貫通孔70a～70c於相同位置上，與流體通過方向A0疊合。
圖13B-1所示之慣性過濾器71係包含流量調整嘴50b、粒子分級用薄片52a～52c、及插裝間隔物54a2～54c2。於圖13B-2表示流量調整嘴50b之俯視圖與後視圖，於圖13B-3表示插裝間隔物54a2～54c2之俯視圖。流量調整嘴50b、粒子分級用薄片52a～52c、插裝間隔物54a2～54c2係各自之與流體通過方向正交之面內之外形尺寸相同。粒子分級用薄片52a～52c係以交替地由流量調整嘴50b與插裝間隔物54a2～54c2夾持之狀態積層。於流量調整嘴50b形成有複數個縮徑貫通孔70，於插裝間隔物54a2～54c2，分別形成有與流量調整嘴50b之複數個縮徑貫通孔70'各自之下游側開口對應且直徑與其相同之複數個貫通孔70a～70c，該等複數個貫通孔70a～70c分別於相同之位置上，在流體通過方向A1-A3上疊合。
圖13A-1所示之慣性過濾器69與圖13B-1所示之慣性過濾器71，係流體通過方向上之貫通孔之數量不同，但可使圖13A-1之慣性過濾器69之流體通過方向A0上之流體流速、與圖13B-1之慣性過濾器71之流體通道A1～A3之流體流速恆定且彼此相同，並使慣性過濾器71之流量更多於慣性過濾器69之流量。
參照圖14，對實施形態之慣性過濾器之實用例進行說明。於圖14中表示橫軸取空氣力學直徑且縱軸取捕獲效率之慣性過濾器之分級特性。c12係理論值之分級特性，黑四邊形◆、及黑三邊形▲係具有5片粒子分級用薄片與5片插裝間隔物之第1、第2慣性過濾器之分級特性，×係具有5片粒子分級用薄片與20片插裝間隔物之第3慣性過濾器之分級特性。△P=4.14、4.34、5.41(kPa)係各第1～第3慣性過濾器之初始壓力損失，cut-off徑=165、160、130(nm)係各第1～第3慣性過濾器之分級直徑。又，流量係為1.5升/分鐘。根據以上情形，判斷出實施形態之慣性過濾器，係理論值與實驗值大致一致，且具有良好之分級特性之慣性過濾器。
參照圖15，表示作為製品之慣性過濾器。該慣性過濾器係包含2個圓筒狀凹凸一對連接器80、81，且藉由將一凸連接器80之前端凸部80a插入至另一凹連接器81之凹部81a而於內部構成箭線方向之流體通道。而且，成為如下構造：藉由於該狀態下自凸連接器80側將螺帽82旋入至凹連接器81之外周螺旋槽81b，而由該螺帽82將兩連接器80、81緊固。而且，構成為於凸連接器80之前端凸部80a之內部設置有沿箭線方向縮徑之貫通孔80b、複數個粒子分級用薄片80c、及插裝間隔物80d。
如以上說明，於本實施形態中，可提供如下之慣性過濾器，其係如下慣性過濾器構成：包含以均勻之排列形態具有複數個粒子分級孔之粒子分級用薄片，且使該粒子分級用薄片之面積大於設置有該粒子分級孔之位置上之流體通過面積，並且設置為其之一部分於流體通過方向上將該流體通道分隔成2個以進行粒子分級之分隔壁狀，因此，與在等徑貫通孔內填入有纖維之慣性過濾器不同，易於獲得預期之初始分級性能，且長期使用過程中分級特性穩定。尤其可提供如下之慣性過濾器：不存在如以先前方式在等徑貫通孔填入有纖維之情形般，因纖維之填充密度、定向、空間形狀不均一而使初始分級特性難以控制之情形，又，不存在於分級動作中，因受到氣流之壓力，纖維沿流體通過方向被壓縮而難以進行穩定之分級之情形，又，由於自纖維改為薄片，故而，易於獲得過濾器清洗亦變得容易且慣性過濾器之再利用亦變得容易等預期之初始分級性能，且長期使用過程中捕獲效率難以下降，可進行穩定之粒子分級。
[產業上之可利用性]
本發明係作為配置於流體通道內且可藉由慣性碰撞效應等而對流體中之粒子進行分級之慣性過濾器及具備該慣性過濾器之粒子分級裝置尤為有效。
1．．．粒子分級裝置
3．．．粗粒子去除用慣性過濾器
5．．．奈米粒子分級用慣性過濾器
9．．．粒子分級用薄片
圖1係表示具備本發明實施形態之慣性過濾器之粒子分級裝置自側面觀察時之構成之圖。
圖2A-1係本發明實施形態之慣性過濾器所具備之奈米粒子分級用薄片的第1形狀例(平紋形狀)之主要部分放大剖面圖。
圖2A-2係本發明實施形態之慣性過濾器所具備之奈米粒子分級用薄片的第1形狀例(平紋形狀)之主要部分放大俯視圖。
圖2B-1係本發明實施形態之慣性過濾器所具備之奈米粒子分級用薄片的第2形狀例(斜紋形狀)之主要部分放大剖面圖。
圖2B-2係本發明實施形態之慣性過濾器所具備之奈米粒子分級用薄片的第2形狀例(斜紋形狀)之主要部分放大俯視圖。
圖3A係本發明實施形態之慣性過濾器所具備之奈米粒子分級用薄片的第3形狀例(圓孔形狀)之主要部分放大俯視圖。
圖3B係本發明實施形態之慣性過濾器所具備之奈米粒子分級用薄片的第4形狀例(長孔形狀)之主要部分放大俯視圖。
圖3C係本發明實施形態之慣性過濾器所具備之奈米粒子分級用薄片的第5形狀例(方孔形狀)之主要部分放大俯視圖。
圖4A係表示擴散過濾器與慣性過濾器各自之奈米粒子分級用薄片之形狀之主要部分放大俯視圖。
圖4B係比較表示具有圖4A之構成之擴散過濾器與慣性過濾器各自之奈米粒子分級用薄片之形狀之圖。
圖5係用於圖1之粒子分級裝置中所用的奈米粒子分級用慣性過濾器中流量調整嘴之流速調整之說明之圖。
圖6A-1係圖1之粒子分級裝置中所用之第1奈米粒子分級用慣性過濾器之剖面圖。
圖6A-2係第1奈米粒子分級用慣性過濾器之表面圖。
圖6A-3係第1奈米粒子分級用慣性過濾器之背面圖。
圖6B-1係圖1之粒子分級裝置中所用之第2奈米粒子分級用慣性過濾器之剖面圖。
圖6B-2係第2奈米粒子分級用慣性過濾器之表面圖。
圖6B-3係第2奈米粒子分級用慣性過濾器之背面圖。
圖7係具備經複數片積層之本發明實施形態之慣性過濾器的粒子分級裝置之側視圖。
圖8係表示圖7之慣性過濾器之相對於片數之50%阻斷直徑之圖。
圖9A係表示圖7之奈米粒子分級用慣性過濾器經分解之狀態之外觀構成的立體圖。
圖9B係表示圖7之奈米粒子分級用慣性過濾器組裝後之狀態下之剖面構成之圖。
圖10係用以說明在使用有圖7之慣性過濾器之粒子分級裝置中替換組合粒子分級用薄片之積層片數時之粒徑與捕獲效率之關係的圖。
圖11係用以說明在使用有圖7之慣性過濾器之粒子分級裝置中替換組合流量調整嘴及複數個插裝間隔物時之粒徑與捕獲效率之關係的圖。
圖12係用以說明在使用有圖7之慣性過濾器之粒子分級裝置中對複數個慣性過濾器替換組合其配置間隔時之粒徑與捕獲效率之關係的圖。
圖13A-1係於使用有圖7之慣性過濾器之粒子分級裝置中使流量調整嘴與複數個插裝間隔物各自之貫通孔之形狀乃至個數替換組合之慣性過濾器(其1)之剖面圖。
圖13A-2係表示組裝於圖13A-1之慣性過濾器(其1)中之流量調整嘴之形狀的圖，左側為俯視圖，右側為背面圖。
圖13A-3係組裝於圖13A-1之慣性過濾器(其1)中之插裝間隔物之俯視圖。
圖13B-1係於使用有圖7之慣性過濾器之粒子分級裝置中使流量調整嘴與複數個插裝間隔物各自之貫通孔之形狀乃至個數替換組合之慣性過濾器(其2)的剖面圖。
圖13B-2係表示組裝於圖13B-1之慣性過濾器(其2)中之流量調整嘴之形狀的圖，左側為俯視圖，右側為背面圖。
圖13B-3係組裝於圖13B-1之慣性過濾器(其2)中之插裝間隔物之俯視圖。
圖14係以用於驗證本發明實施形態之慣性過濾器之過濾器性能的橫軸為空氣力學直徑，以縱軸為捕獲效率之圖。
圖15係表示本發明實施形態之慣性過濾器之圖。
圖16係先前之慣性過濾器之側視圖。
1．．．粒子分級裝置
3．．．粗粒子去除用慣性過濾器
3a、5b、7b．．．圓柱狀板
3b、5d、7d．．．縮徑貫通孔
3c、5e、7e．．．等徑貫通孔
3d．．．不鏽鋼纖維
5．．．奈米粒子分級用慣性過濾器
5a、7a．．．圓筒狀板
5c．．．過濾器空間
7．．．奈米粒子捕獲/裝置導入部
7c．．．捕獲空間
9．．．粒子分級用薄片
9a．．．薄片
Claims (18)
- 一種慣性過濾器，係設置於供包含奈米粒子之流體通過之流體通道，藉由粒子慣性效應而捕獲該流體通道內之奈米粒子，且該流體流速愈大捕獲粒徑愈小之奈米粒子，其特徵在於：該慣性過濾器，具備：流量調整嘴，係配置於該流體通道上游側，且具有於該流體通過方向內徑縮徑之縮徑貫通孔，藉由該縮徑貫通孔之形態來調整該流體通道內之流體流速；以及粒子分級用薄片，係配置於較該流量調整嘴更靠流體通道下游側且以一樣之排列形態具有用以藉由粒子慣性效應而捕獲奈米粒子之複數個粒子分級孔，且具有大於該縮徑貫通孔之下游側開口之薄片面積且該薄片以阻塞該下游側開口整面之方式設置成在流體通過方向將該流體通道分隔成2個之分隔壁狀；可藉由將該流量調整嘴與該縮徑貫通孔之數量不同之其他流量調整嘴替換組合而進行流量調整。
- 如申請專利範圍第1項之慣性過濾器，其中，該粒子分級用薄片於流體通過方向係以單一之薄片構成。
- 如申請專利範圍第1項之慣性過濾器，其中，該粒子分級用薄片於流體通過方向係積層為複數片。
- 如申請專利範圍第1項之慣性過濾器，其中，該粒子分級用薄片係以網眼狀之排列形態具備多個貫通孔作為該粒子分級孔之薄片。
- 如申請專利範圍第4項之慣性過濾器，其中，該粒子分級用薄片係線徑為5~20μm、網眼為40~300μm之網眼狀薄片。
- 如申請專利範圍第1項之慣性過濾器，其中，將該流量調整嘴配置成可在調整流體流速時與該縮徑貫通孔之縮徑率不同之其他流量調整嘴替換組合。
- 如申請專利範圍第1項之慣性過濾器，其中，將該粒子分級用薄片配置成可與纖維直徑、網眼、空間率、空間形狀中之至少一個不同之其他粒子分級用薄片替換組合。
- 如申請專利範圍第1項之慣性過濾器，其中，將插裝間隔物插裝於複數個粒子分級用薄片之流體通過方向間進行積層，且將該插裝間隔物配置成可與貫通孔之直徑不同之其他插裝間隔物替換組合。
- 如申請專利範圍第1項之慣性過濾器，其中，將該粒子分級用薄片之複數片與插裝間隔物交互地積層。
- 如申請專利範圍第9項之慣性過濾器，其中，可藉由將該粒子分級用薄片與纖維直徑、網眼、空間率、空間形狀中之至少一個不同之其他粒子分級用薄片替換組合而進行分級控制。
- 如申請專利範圍第10項之慣性過濾器，其中，可藉由該粒子分級用薄片之積層片數控制而進行分級控制。
- 如申請專利範圍第9項之慣性過濾器，其中，可藉由該插裝間隔物之積層片數控制而進行分級控制。
- 如申請專利範圍第9項之慣性過濾器，其中，可將 該流量調整嘴與流路不同之其他流量調整嘴替換組合而進行流速調整。
- 如申請專利範圍第9項之慣性過濾器，其中，可藉由使該插裝間隔物可與貫通孔之直徑不同之其他插裝間隔物替換組合而進行流速調整。
- 如申請專利範圍第10項之慣性過濾器，其中，可藉由該插裝間隔物之間隔物厚度控制而進行分級控制。
- 如申請專利範圍第10項之慣性過濾器，其中，可藉由該流量調整嘴之流路數量及與該流路數量對應之插裝間隔物之貫通孔數量之控制而進行流量調整。
- 一種粒子分級裝置，於流體通過方向上游側配置填充有非壓縮性纖維之慣性過濾器用於去除粗粒子，且於下游側配置申請專利範圍第1項之慣性過濾器用於進行奈米粒子分級。
- 一種慣性過濾器，係設置於供包含奈米粒子之流體通過之流體通道，藉由粒子慣性效應而捕獲該流體通道內之奈米粒子，且該流體流速愈大捕獲粒徑愈小之奈米粒子，其特徵在於：該慣性過濾器，具備：流量調整嘴，係配置於該流體通道上游側，且具有於該流體通過方向內徑縮徑之縮徑貫通孔，藉由該縮徑貫通孔之形態來調整該流體通道內之流體流速；以及粒子分級用薄片，係配置於較該流量調整嘴更靠流體通道下游側且以一樣之排列形態具有用以藉由粒子慣性效 應而捕獲奈米粒子之複數個粒子分級孔，且具有大於該縮徑貫通孔之下游側開口之薄片面積且該薄片以阻塞該下游側開口整面之方式設置成在流體通過方向將該流體通道分隔成2個之分隔壁狀；可藉由將該流量調整嘴與該縮徑貫通孔之縮徑率不同之其他流量調整嘴替換組合而進行流體流速調整。
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