TW201128179A - Inertial filter used in particle classification - Google Patents

Description

201128179 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種慣性過濾器’其利用使氣流等流體 通過填充有非壓縮性纖維之貫穿孔内時因非壓縮性纖維與 氣流中之粒子碰撞而產生的粒子慣性效果來對粒子進行分 級捕獲。 【先前技術】 參照圖7對習知慣性過濾器100進行說明，該慣性過 濾器100係配置於氣流通道内並可進行粒子分級者，且具 備圓柱狀板101。圓柱狀板101具備自氣流通過上游側朝^ 游側方向之例如剖面圓形之貫穿孔1〇2。該貫穿孔102包 括：例如内徑自氣流通過上游側至下游側逐漸縮徑之縮徑 貫穿孔102a、以及於下游側連接該縮徑貫穿孔i〇2a之内徑 為一定之定徑貫穿孔1〇2b。於該定徑貫穿孔i〇2b内填充有 作為非壓縮性纖維之一例之金屬纖維1 〇 3。 於該慣性過濾器100中’利用省略圖示之泵之吸引力 使ί貝ϋ過濾斋100之内壓下降後，藉由内壓與慣性過濾器 1〇〇之外壓之間所生成的氣壓差使貫穿孔1〇2内產生圖中箭 頭方向之氣流，從而可對粒子進行分級。上述氣流於縮徑 貫^孔lG2a内速度上升，流人至定徑貫穿孔工⑽内後變成 一定。而且，於定徑言穿a 02b内’氣流中所包含之微粒 子與金屬纖維103碰撞而被捕捉。 對上述微粒子之捕捉進行爷 一 适仃況明。首先，慣性過濾器1 00 之貫穿孔1 〇 2 a之内押崩齑、、去 k朝乳/爪下游側方向變小，因此氣 201128179 流逐漸加速後，以一定速度通過定徑貫穿孔i〇2b，於該通 過時捕獲粒子。定徑貫穿孔102b呈金屬纖維1〇3變成層狀 之過濾器構造，因此可應用能夠用於氣體之流速、纖維徑 之選擇的史托克斯數（Stokes Number ) Stk與貝克勒數 (Peclet Number) Pe。史托克斯數Stk係表示金屬纖維構造 之過濾器内之粒子對於氣體之流動的追隨性之無因次之 值又，史托克斯數stk係與流速、粒子密度成正比，與粒 徑之平方成正比’且與纖維徑成反比。 根據史托克斯數Stk之式，伴隨氣體之流速變大，自粒 徑較大之懸浮粒子起依序無法追隨氣體之運動，而脫離氣 體之流路並與金屬纖維103碰撞。一邊參考該史托克斯數

Stk , —邊控制氣體之流速’並選擇纖維徑，藉此可選擇捕 獲目標之粒子之粒徑。 再者，於上述習知慣性過濾器丨〇〇中，金屬纖維^ ^ 之纖維徑極小，因此無需將氣流之流速增大至撞擊器之程 度，又，金屬纖維1 03不僅可藉由粒子之慣性捕獲粒子， 亦可藉由阻擋、重力、靜電力、擴散等捕獲方法捕獲粒子。 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的數，其與流速、纖維徑成正比， 與擴散係數成反比。為減少擴散之影響，必需增大貝克勒 數e可知粒徑越小，擴散係數越大，由於纖維徑係選擇 幸乂小之值，因此提高流速對於提高粒徑之選擇性而言較 佳。根據以上所述，可藉由選擇流速、纖維徑#，而利用 金屬纖維對作為目標之粒子進行捕獲或分級。 4 201128179 專利文獻1 .日本特開2008-70222號公報 【發明内容】 於以上所說明之圖_ 7所示之慣性過濾器_中定徑 貫穿孔102b内之金屬纖維1〇3之填充密度大致被一定化， 捕獲對象之粒子之粒徑變得越小，越整體性地提高定徑貫 穿孔1 02b内之金屬纖維i 〇3之填充密度。 但疋，於如上述般提高金屬纖維丨〇3之填充密度之情 形時’如圖8所不’雖然可進行粒徑小之粒子之捕獲分級， 但於定徑貫穿孔l02b内之金屬纖維1〇3中位於氣流通過上 游側之金屬纖維部分’:因粉塵負荷而容易於早期產生堵 塞，其結果’若不提高泵之吸引力，則變得難以吸引且 於早期之階段給粒子分級帶來障礙。 於圖7、圖8中，定徑貫穿孔1〇2b整體之深度（自貫 穿孔入口至出口為止之深度）為d2，若將朝向定徑貫穿孔 102b之氣流流入入口處之貫穿孔深度d設定為d=〇,將氣 机流出出口處之貫穿孔深度d設定為d = d2，則於該貫穿孔 102中，自貫穿孔深度d=〇至貫穿孔深度d=dx為止可較 佳地進行粒子捕獲，但於該貫穿孔深度d=dx處產生堵塞 之結果，於其以後之貫穿孔深度處無法進行粒子捕獲。圖8 係誇張地表示粒子捕獲狀況，斜線部分表示粒子捕獲之狀 況。 本發明之課題在於提供一種金屬纖維等非壓縮性纖維 不易因粉塵負荷而產生堵塞，可長時間穩定地進行粒子分 級之慣性過濾器。 刀 201128179 本發明之慣性過遽器，具備在包含粒子之流體通過之 貫穿孔内填充有非壓縮性纖維之構造，其特徵在於： 使該貫穿孔内之非I缩性纖維之填充密度在流體通過 下游側之貫穿孔區域高於上游側之貫穿孔區域。再者，上 述流體並不限定於氣體，包括液體、其他流體。 於上述貫穿孔中，氣流通過上游側之貫穿孔區域因非 壓縮性纖維之填充密度低於氣流通過下游側之貫穿孔區 域，故空隙率變高，又，氣流通過下游側之貫穿孔區域因° 非壓縮性纖維之填充密度高於氣流通過上游側之貫穿孔區 域，故空隙率變低。因此’於將氣流中之粒子分類成例： 粒徑大與粒徑小之兩種粒子的情形時，欲與氣流—同通過 貫穿孔内之粒子之中。粒徑大之粒子於非壓、缩性纖維之填 充密度較低的氣流通過上游側區域被捕捉，另一方面，粒 徑小之粒子未被捕捉而通過。其結果，於貫穿孔内之氣流 通過上游側不易因粉塵負荷而產生堵塞。而且，於氣流通 過下游側之貫穿孔區域，因非壓縮性纖維之填充密度較 阿’故通過上游側貫穿孔㊣域之粒子於了游側之貫穿孔區 域被捕捉。藉此，於本發明之慣性過遽器中，不易因粉塵 負荷而產生堵塞，因此，可提供一種能夠長時間穩定地進 行粒子分級捕獲之慣性過濾器。 於較佳之形態中’藉由金屬纖維構成非壓縮性纖維。 作為該金屬纖維，例如較佳為不鏽鋼纖維，但並不限定於 不鐵鋼纖維’亦可為選自紹纖維、銅纖維、其他金屬纖維 中之一種以上之金屬纖維，x，若為非壓縮性且即使高速 6 201128179 則並不限定於金屬纖 氣流通過亦幾+ &體積變化之纖維 維。 ，、·’ 於另一較佳之形態中， 遠貫穿孔，包含： 内逕自氣机通過上游側朝下游側方向逐漸縮徑之縮徑 貫穿孔；以及 在下游側與該縮徑貫穿 1貝牙孔連接之内徑為一定之定徑貫 穿孔； 在。亥疋仁貫穿孔填充該非壓縮性纖維，且使其填充密 度在該定徑貫穿孔中之流體通過下游側之貫穿孔區域高於 上游側之貫穿孔區域。 根據本發明’可提供一種能夠長時間穩定地進行粒子 分級之慣性過濾器。 【實施方式】 以下’參照隨附之圖式，對本發明之實施形態之慣性 過慮器進行說明。再者’於實施形態中，假定粒子為懸浮 於作為溶劑之一例之氣體中的粒子，但並不限定於懸浮在 氣體中之粒子，可包括懸浮於其他溶劑，例如液體中或其 他溶劑中之粒子。 參照圖I及圖2，實施形態之慣性過濾器1係自氣流通 過上游側至下游側將圓板狀板2、圓筒狀板3、圓柱狀板4、 圓筒狀板5、圓板狀板6、以及圓柱狀板7之合計6片板以 該順序積層而構成。而且，藉由氣流上游側之圓板狀板2、 圓筒狀板3及圓柱狀板4之3片板構成氣流流入側過濾器 201128179 空間8,藉由圓柱狀板4、圓筒狀板5及圓板狀板6之3片 板構成氣流通過側過濾器空間9,藉由形成於圓柱狀板7之 貫穿孔1 2構成將氣流排出至外部之空間。 藉由具有多個省略圖示之氣流吸入孔，並配置於慣性 過濾益1之氣流下游側之省略圖示的氣流吸引泵之作用， 可如箭頭A所示般將氣流自該氣流吸入孔吸入至内部。圓 筒狀板3具有與圓板狀板2之外徑相同之外徑，並構成慣 性過濾器1之氣流上游側側面。圓柱狀板4於該板中央具 有軸方向之貫穿孔10 該貫穿孔1〇係由自上側至下側内徑 朝下方逐漸縮徑之縮徑貫穿孔丨〇a '以及連接於縮徑貫穿孔 l〇a之下端且内徑為一定之定徑貫穿^ i〇b構成。氣流如箭 頭B所示般自過濾器空間8流入至該貫穿孔ι〇中。 而且，於定徑貫穿孔10b中，填充有即使高速氣流通 過亦成乎無體積變化之作為非壓縮性纖維之金屬纖維11。 «亥金屬纖維11較佳為SUS (不鏽鋼）纖維，但並不限定於 SUS 截維，亦可為選自鋁纖維、銅纖維、其他金屬纖維中 之一種以上之金屬纖維。又，若為非壓縮性且即使高速氣 流通過亦幾乎無體積變化之纖維，則並不限定於金屬纖維。 通過貫穿孔10之氣流於過濾器空間9内如箭頭C所示 般通過圓板狀板6，繼而於圓柱狀板7之貫穿孔12内如箭 頭D所示般朝該慣性過濾器丨外流出而被排氣。 其次，參照圖2對填充於圓柱狀板4之貫穿孔1〇内之 金屬纖維11的填充形態進行說明。貫穿孔1〇如上所述， 包含縮徑貫穿孔10a與定徑貫穿孔1〇b，同時金屬纖維^ 201128179 並未被填充於縮控貫穿孔1 〇a内而被填充於定徑貫穿孔1 〇b 内。而且’根據定徑貫穿孔丨〇b之内部之金屬纖維Π之填 充密度的不同，而將定徑貫穿孔1()b分成流體通過上游側 之貫穿孔區域1 Ob 1與下游側之貫穿孔區域！ 〇b2，同時於流 體通過上游側之貫穿孔區域丨〇b丨中，以低於流體通過下游 側之貫穿孔區域10b2之填充密度填充金屬纖維na，於下 游側之貫穿孔區域丨〇b2中，以高於流體通過上游側之貫穿 孔區域i〇bi之填充密度填充金屬纖維nb。金屬纖維丨卜、 1 lb若為非壓縮性，則可為種類相同之金屬纖維1 1，又， 亦可為種類不同之金屬纖維丨丨。又，若為非壓縮性，則亦 可使用金屬纖維以外之纖維來代替金屬纖維丨i。 如以上所說明般，金屬纖維丨1於定徑貫穿孔丨内係 以2層構造來填充。於此情形時，金屬纖維η並不限定於 亡述2層構造，亦可為3層以上之構造。於此情形時，氣 *·通過上游側之層之金屬纖維丨丨的填充密度低於氣流通過 下游側之層’氣流通過下游側之層之金屬纖維η的填充密 度高於氣流通過上游側之層。總之，於定徑貫穿孔_内， :成為氣流通過下游側，金屬纖維η之填充密度越高。此 处：於上述2層構造中’金屬纖維填充密度逐步（階段狀) :變化，但未必限定於使金屬纖維填充密度如上述般逐步 地變化，亦可使金屬纖維填充密度連續地變化。 又，於上述金屬纖維填充密度變成2層構造之上述貫 孔1"，流體通過上游側之貫穿孔區域i〇bi本身之貫 穿孔深度（軸方向尺寸）盘 才〕下游側之貫穿孔區域l〇b2本身 201128179 之貫穿孔深度（軸方向尺寸）的比例只要適當設定即可， 但於將貫穿孔區域l〇bl中之貫穿孔深度尺寸設定為Di，將 貫穿孔區域1 〇b2中之貫穿孔深度尺寸設定為D2的情形 時’較佳為例如設定為D1 /D2 2 1之比例。 具備以上之構成之結果，於定徑貫穿孔1 〇b中，氣流 通過上游側之貫穿孔區域10M因金屬纖維11a之填充密度 較低’故空隙率變高’又，氣流通遍下游側之貫穿孔區域 10b2因金屬纖維llb之填充密度較高，故空隙率變低。因 此’於將氣流中之粒子之粒徑大致分類成大小兩種的情形 時’粒徑大之粒子由氣流通過上游側之貫穿孔區域1〇Μ内 之金屬纖維1 la捕捉，另一方面，粒徑小之粒子未被捕捉而 通過後，於氣流通過下游側之貫穿孔區域1〇b2中被捕捉。 其結果，於貫穿孔1 〇内，氣流通過上游側之貫穿孔區 域l〇bl内因金屬纖維丨la之填充密度較低且空隙率較高， 故其中粉塵負荷之影響較少，不易產生堵塞。而且，氣流 通過下游側之貫穿孔區域10b2内因金屬纖維Ub之填充密 度較高，故於氣流通過上游側之貫穿孔區域1〇Μ内通過之 粒徑小之粒子由該下游側之金屬纖維丨lb捕捉。藉此，本 :明之慣性過據器丨可提供能夠長時間不易產生堵塞且穩 疋地進行粒子分級之慣性過濾器。 參照圖3對實施形態之慣性過滤器之粒子捕獲進行說 明。於圖3中，橫軸表示粒子捕獲數，縱轴表示貫穿孔深 度。於貫穿孔10b中’自氣流流入入口即貫穿孔深度㈣ 至貫穿孔深度d=dl為止係氣流通過上游側之貫穿孔區域 10 201128179 i〇bi’其呈對應於金屬纖維lla之較低之填充密度的粒子捕 獲特性’粒子捕獲數於貫穿孔深度方向上逐漸增加，繼而 逐漸減少。自貫穿孔深度d=dud2為止係氣流通過下游 側之貫穿孔區域10b2，其呈對應於金屬纖維ub之較高之 填充密度的粒子捕獲特,)生，且纟子捕€數至以深度為止 急增’於該規定深度以後之深度中急減。 如分別以圖5與圖3對習知慣性過遽器1〇〇與實施形 態之慣性過濾g 1各自之過濾器特性進行比較後所示般， 可知於習知慣性過濾器100中，在定徑貫穿孔鳴之入口 附近因粉塵負荷而引起堵塞，粒子捕獲效率較差，相對於 此，於實施形態中，在整個定徑貫穿孔1〇b中進行粒子捕 獲，粒子捕獲效率優異。 、參照圖4A〜圖6對本實施形態之慣性過濾器丄之效果 進行更詳細的說明。首先’對分級特性與粒子之捕捉效率 中之本實施形態的效果進行說明。如圖4A所示，於將金屬 .戴維11以6%之填充率均勻地填充至整個定徑貫穿孔⑽ 中之峨【的構成中’粒子之捕捉效率較高，但粉塵堆 積後分級特性會劣化。另-方面，如圖4B所示，於將金屬 、截維11以1%之填充率均勻地填充至整個定徑貫穿孔 中之比㈣2的構成中，雖然粉塵堆積前後分級特性幾乎 不變動’但粒子之捕捉效率較低。相對於此，如圖5所示， 於將金屬纖維11以0.3%之填充率填充 貫穿孔區域10bl中，並將金屬纖維j 至氣流通過下游側之貫穿孔區域1〇b2 至氣流通過上游側之 以6%之填充率填充 中的本實施形態之構 201128179 成中，分級特性較高，且粉塵堆積前後分級特性之變動亦 較少。再者，於圖4A、圖4B、圖5之各圖中，橫轴為空氣 動力學的粒徑，縱軸為分級特性。 其次’參照圖ό對由粉塵負荷所引起之壓力損失之變 動中之本實施形態的效果進行說明。如0 6所示，於將金 屬纖維11以6%之填充率均勻地填充至整個定徑貫穿孔i〇b 中之比較例3的構成中，若粉塵負荷量增加，則伴隨於此， 壓力損失急遽增加。另一方面，於將金屬纖維u以〇3%之 填充率均勻地填充至整個定徑貫穿孔1〇b中之比較例：的 構成中，即使粉塵負荷量增加，壓力損失之變動亦較少。 但是，雖然未圖示，但粒子之捕捉效率較低。相對於此， 於將金I纖維W0.3%之填充率填充至氣流通過上游側之 貫：孔區域1〇bl中，並將金屬纖維u以6%之填充率填充 至氣流通過下游側之貫穿孔區域刪中的本實施形態之構 成中粒子之捕捉效率較高，而且即使粉塵負荷量增加， f力損失之變動亦較少。再者，於圖"，橫軸為粉塵負 何之量，縱軸為壓力損失。 、 。。本發明於如下之慣性過遽器中特別有用，該慣性過渡 氣流等流體通過填充有非麼縮性纖維之貫穿孔内 時因非壓縮性纖維與氣流中之粒子碰 效果來對粒子進行分級捕獲。 子償^ 【圖式簡單說明】 過/之表示自側面所觀察之本發明之實施形態之慣性 過/慮咨之概念構成的圖。 12 201128179 之 捕 性 成 況 圖 圖2係將圖丨所示之慣性過濾器之主要部分放大表 不 圖3係表示實施形態之慣性過濾器之貫穿孔内之粒子 獲狀況的圖。 圖4A係表示比較例丨之特性之圖。 圖4B係表示比較例2之特性之圖。 係表示本發明之實施形態之特性之圖。 係分別表示比較例1、2芬士 & ηη . 2及本發明之貫施形態之特 圖 圖 之圖 圖 的圖 圖 的圖 I 1 2 4、7 8 ' 9 10 10a 10b 10bl 10b2 係表示自側面所觀察之習知慣性過濾器之概念構 系表不g知慣性過濾器之貫穿孔内之粒子捕獲狀 主要元件符號說明】 慣性過濾器 圓板狀板 ' 5 圓筒狀板 .1 •I 圓柱狀板 過濾器空間 貫穿孔 縮徑貫穿孔 定徑貫穿孔 氣流通過上游側之貫穿孔區域 氣流通過下游側之貫穿孔區域 13 201128179 11 1 la lib 金屬纖維 低填充密度之金屬纖維 高填充密度之金屬纖維 14

Claims (1)

1. 201128179 七、申請專利範圍： r一種慣性過濾器，具備在包 孔内填充有非麗縮性纖維之構造子之流體通過之貫穿 a 傅& ’其特徵在於·· 使該貫穿孔内之非I縮性纖 下游側之言空π π A/ 维之填充费度在流體通過 下游側之貝穿孔區域南於上游側之貫穿孔區域。 2. 如申請專利範圍第丨項之 縮性纖維係金屬纖維。 其中，該非虔 3. 如申請專利範圍第1或 貫穿孔，包含： 戈2項之慣性過遽器，其中，該 内逕自氣流通過上游側朝下游側方向逐漸縮徑之縮徑 貝穿孔，及 自氣流通過上游側朝下游側方向之⑽為且在下 游側與該縮徑貫穿孔連接之定徑貫穿孔； 在該定徑貫穿孔填充該非壓縮性纖維，且使其填充密 度在該定徑貫穿孔中之流體通過下游側之貫穿孔區域高於 上游側之貫穿孔區域。 4.如申請專利範圍第i或2項之慣性過濾器，其中，在 將該流體通過上游側之貫穿孔區域之貫穿孔深度設定為 D1、將該流體通過下游側之貫穿孔區域之貫穿孔深度設定 為D2時，該等之間具有m/D2^i之關係。 八、圖式： (如次頁） 15