NL1025231C2

NL1025231C2 - Cyclone for separating particles from gases such as air, comprises filtering with microstructure filter and transporting filtered particles using inertia

Info

Publication number: NL1025231C2
Application number: NL1025231A
Authority: NL
Inventors: Job Elders; Gerardus Johannes Burger; Hermanus Marcellinus Koerkamp
Original assignee: C2V
Priority date: 2004-01-14
Filing date: 2004-01-14
Publication date: 2005-07-18

Abstract

The gas is filtered with a microstructure filter and the filtered particles are transported to a given collection space by inertia forces. Separating and collecting particles such as dust particles and microorganisms from a gas such as air comprises filtering the gas with a microstructure filter and transporting the filtered particles to a given collection space by means of inertia forces. The microstructure is one produced by microstructural technology, MEMS technology or micromachining techniques (e.g. chemical etching, reactive ion etching, LIGA, sacrificial layer etching), as well as by thin-film techniques for depositing and finishing thin layers (e.g. vaporizing, sputtering, oxidation, nitridization, implanting or chemical vapor deposition), optionally in combination with a lithography technique. An independent claim is also included for the filter device (1).

Description

Werkwijze en inrichting voor het uit een gas afscheiden en verzamelen van deeltjes, en werkwijze voor het vervaardigen van zo een inrichtingMethod and device for separating and collecting particles from a gas, and method for manufacturing such a device

Terrein van de uitvinding 5 De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het uit een gas, zoals lucht, afscheiden en verzamelen van deeltjes, zoals stofdeeltjes en micro-organismen. Tevens betreft de uitvinding een inrichting voor het uit een gas, zoals lucht, afscheiden en verzamelen van deeltjes, zoals stofdeeltjes en micro-organismen. De uitvinding betreft voorts een werkwijze voor het vervaardigen van een inrichting volgens de uitvinding.Field of the invention The invention relates to a method for separating and collecting particles such as dust particles and microorganisms from a gas, such as air. The invention also relates to a device for separating and collecting particles, such as dust particles and microorganisms, from a gas such as air. The invention further relates to a method for manufacturing a device according to the invention.

1010

Achtergrond van de uitvindingBACKGROUND OF THE INVENTION

Bekend zijn ‘cyclone partiele collectors’ waarin deeltjes uit lucht worden afgescheiden en verzameld, daarbij gebruik makend van hun massatraagheid. Daartoe wordt de lucht langs een gekromd, meestal een spiraalvormig, traject gevoerd waarbij met name de zwaardere en 15 grotere stofdeeltjes door de centrifugale krachten naar het meer naar buiten gelegen gedeelte van het traject worden gedreven, alwaar ze, meestal middels een ter plaatse stromende vloeistof, kunnen worden verzameld en afgevoerd, om verder bewerkt en/of geanalyseerd te worden. Lichtere en kleinere stofdeeltjes en micro-organismen zullen op deze wijze echter niet of onvoldoende worden afgescheiden. In veel gevallen is men echter 20 ook, of juist in het bijzonder, geïnteresseerd in deze lichtere en kleinere deeltjes. Verder is het met bekende ‘cyclone partiele collectors’ slechts mogelijk een zeer grove selectie naar deeltjesmassa en -grootte te maken."Cyclone partial collectors" are known in which particles are separated from air and collected, making use of their mass inertia. To that end, the air is guided along a curved, usually spiral-shaped path, wherein in particular the heavier and larger dust particles are driven by the centrifugal forces to the more outwardly situated part of the path, where they are, usually by means of a locally flowing liquid , can be collected and removed for further processing and / or analysis. Lighter and smaller dust particles and micro-organisms will, however, not or insufficiently be separated in this way. However, in many cases, or in particular in particular, people are interested in these lighter and smaller particles. Furthermore, with known "cyclone partial collectors" it is only possible to make a very coarse selection according to particle mass and size.

Er bestaat dus behoefte aan een systeem waarmee ook lichtere en kleinere deeltjes uit een 25 gas afgescheiden en verzameld kunnen worden, bij voorkeur met de mogelijkheid van selectie en sortering naar deeltjesvorm en/of deeltjesgrootte. Daarbij dienen de verzamelde deeltjes bij voorkeur zoveel mogelijk geconcentreerd te worden in een zo klein mogelijk (vloeistof)volume, dit om verdere bewerking en/of analyse te vergemakkelijken. Doel van de Onderhavige uitvinding is het verschaffen van zo een systeem.There is therefore a need for a system with which lighter and smaller particles can also be separated and collected from a gas, preferably with the possibility of selection and sorting according to particle shape and / or particle size. In addition, the collected particles should preferably be concentrated as much as possible in as small a (liquid) volume as possible, in order to facilitate further processing and / or analysis. The object of the present invention is to provide such a system.

3030

Samenvatting van de uitvindingSummary of the invention

De uitvinding verschaft daartoe een systeem voor het uit een gas, zoals lucht, afscheiden en verzamelen van deeltjes, zoals stofdeeltjes en micro-organismen, welke werkwijze zowel 1025231 " 2 het middels een daartoe voorzien microstructureel filter uit het gas filteren van deeltjes omvat als ook het middels daartoe voorziene middelen middels massatraagheidskrachten naar een bepaalde plaatsruimte drijven van deeltjes. Zo kunnen, naast zwaardere en grotere deeltjes, ook lichtere en kleinere deeltjes afgescheiden en verzameld worden.To this end, the invention provides a system for separating particles such as dust particles and microorganisms from a gas, such as air, which method comprises both filtering particles from the gas through a microstructural filter provided for this purpose and also driving particles by means of means provided for this purpose through mass inertia forces to a specific place space, so that, in addition to heavier and larger particles, lighter and smaller particles can also be separated and collected.

55

Daarbij kan het systeem tevens het bewerkstelligen van een vloeistofstroom voor het verzamelen en afvoeren van de naar de bepaalde plaatsruimte gedreven deeltjes en/of het bewerkstelligen van een, bij voorkeur niet-continue, vloeistofstroom voor het verzamelen en afvoeren van de uit het gas gefilterde deeltjes omvatten. De aldus verzamelde en 10 afgevoerde deeltjes kunnen vervolgens verder worden bewerkt en/of geanalyseerd. Door slechts bij tijd en wijle vloeistof langs het filter te laten stromen zal de doorstroom van gas door het filter zo weinig mogelijk worden belemmerd en kan de totale hoeveelheid vloeistof zoveel mogelijk worden beperkt waardoor de concentratie van deeltjes in de vloeistof zo hoog mogelijk zal zijn.In addition, the system can also effect a liquid flow for collecting and discharging the particles driven to the determined space and / or effecting a, preferably non-continuous, liquid flow for collecting and discharging the particles filtered from the gas include. The particles thus collected and discharged can then be further processed and / or analyzed. By allowing liquid to flow past the filter only occasionally, the flow of gas through the filter will be impeded as little as possible and the total amount of liquid can be limited as much as possible, so that the concentration of particles in the liquid will be as high as possible.

1515

Daarbij kan het filter worden bewogen, bij voorkeur gedraaid om een as.The filter can thereby be moved, preferably rotated about an axis.

Hierdoor zullen op het filter aanwezige uit het gas gefilterde deeltjes en/of vloeistof middels massatraagheidskrachten naar de periferie van het filter worden gedreven alwaar de deeltjes, al dan niet opgenomen in vloeistof, min of meer geconcentreerd kunnen worden 20 afgevoerd.As a result, particles and / or liquid present on the filter will be driven by mass inertia forces to the periphery of the filter where the particles, whether or not incorporated in liquid, can be discharged more or less concentrated.

Daarbij kunnen meerdere afzonderlijke hoeveelheden deeltjes uit het gas worden gefilterd middels meerdere daartoe voorziene filters, bij voorkeur met doorlaatopeningen van verschillende vorm, waarbij bij voorkeur de uit het gas gefilterde afzonderlijke 25 hoeveelheden deeltjes middels daartoe voorziene middelen gescheiden worden afgevoerd. Zo kan een selectie en sortering naar deeltjesvorm plaatsvinden. Met ‘(deeltjes)vorm’ wordt hier en in het navolgende steeds ‘(deeltjes)vorm en/of (deeltjes)grootte’ bedoeld.In this case, a plurality of individual quantities of particles can be filtered from the gas by means of a plurality of filters provided for this purpose, preferably with passage openings of different shape, wherein the individual quantities of particles filtered from the gas are preferably discharged separately by means provided for this purpose. For example, a selection and sorting according to particle form can take place. The term "(particle) shape" here and in the following always refers to "(particle) shape and / or (particle) size".

Bij voorkeur omvat ten minste één filter doorlaatopeningen met een doorsnede kleiner dan 30 100 nm, bij voorkeur kleiner dan 10 nm.Preferably, at least one filter comprises passage openings with a diameter of less than 100 nm, preferably less than 10 nm.

Zo wordt het mogelijk zeer kleine deeltjes en micro-organismen uit een gas of lucht te filteren. De doorlaatopeningen kunnen in beginsel elke vorm hebben.This makes it possible to filter very small particles and micro-organisms from a gas or air. The passage openings can in principle have any shape.

1025231 31025231 3

Voorts verschaft de uitvinding een werkwijze voor het vervaardigen van een inrichting volgens de uitvinding, waarbij voor het vervaardigen van ten minste één filter gebruik wordt gemaakt van een microstructurele techniek.The invention further provides a method for manufacturing a device according to the invention, wherein a microstructural technique is used for manufacturing at least one filter.

Onder ‘microstructurele techniek’ vallen alle in het microtechnologisch vakgebied, ook wel 5 ‘microsysteemtechnologie’ of ‘ micro-structural technology’ of ‘MEMS technology’ geheten, toegepaste vormgevingstechnieken of ‘ micromachining’ technieken, bijvoorbeeld nat chemisch etsen, ‘reactive ion etching’, ‘LIGA’, ‘sacrificial layer etching’, als ook alle dunne-film technieken voor het aanbrengen en bewerken van dunne lagen zoals opdampen, sputteren, oxideren, nitreren, implanteren of ‘chemical vapour deposition’, al dan niet in 10 combinatie met een lithografische techniek.'Microstructural technology' includes all in the micro technology field, also known as 'microsystem technology' or 'micro-structural technology' or 'MEMS technology', applied shaping techniques or 'micro-machining' techniques, for example wet chemical etching, 'reactive ion etching' , 'LIGA', 'sacrificial layer etching', as well as all thin-film techniques for applying and processing thin layers such as depositing, sputtering, oxidizing, nitrating, implanting or 'chemical vapor deposition', whether or not in combination with a lithographic technique.

Toepassing van genoemde technieken biedt de mogelijkheid filters te vervaardigen met goed gedefinieerde zeer kleine doorlaatopeningen (100 nm of kleiner) welke filters toch een zeer geringe stromingsweerstand vertonen, zodat een grote doorstroom van lucht door de filters mogelijk is, en bijvoorbeeld een cycloon in stand gehouden kan worden.Application of said techniques offers the possibility of manufacturing filters with well-defined very small passage openings (100 nm or smaller), which filters nevertheless exhibit very low flow resistance, so that a large flow of air through the filters is possible, and for example a cyclone is maintained. can become.

1515

Korte beschrijving van de tekeningenBrief description of the drawings

De uitvinding wordt in het navolgende toegelicht aan de hand twee niet-beperkende uitvoeringsvoorbeelden van een inrichting volgens de uitvinding. Hierin toont: - Fig. la een perspectivisch aanzicht op een eerste uitvoeringsvoorbeeld van een 20 inrichting volgens de uitvinding; - Fig. lb een gedeeltelijke uitvergroting van (het omkaderde gedeelte van) de afbeelding in Fig. la; en - Fig. 2 een perspectivisch aanzicht op een tweede uitvoeringsvoorbeeld van een inrichting volgens de uitvinding.The invention is explained below with reference to two non-limiting exemplary embodiments of a device according to the invention. Herein shows: - FIG. la is a perspective view of a first exemplary embodiment of a device according to the invention; FIG. 1b shows a partial enlargement of (the framed part of) the image in FIG. la; and FIG. 2 is a perspective view of a second exemplary embodiment of a device according to the invention.

2525

Gedetailleerde beschrijving van de uitvindingDetailed description of the invention

Fig. 1 toont een eerste uitvoeringsvoorbeeld van een inrichting (1) volgens de uitvinding. De inrichting (1) omvat een in hoofdzaak cilindervormig lichaam (12) met een ingang (13) met daarop aangesloten een leiding (14) voor (je aanvoer van lucht, en een uitgang (15) 30 voor de afvoer van lucht Door de plaatsing en vqim van de onderdelen (12-15) zal door de leiding (1) aangevoerde lucht zich in het lichaam (12) van de ingang (13) naar de uitgang (15) langs spiraalvormige trajecten bewegen. Daarbij zullen in de lucht aanwezige deeltjes door de centrifugale krachten naar de binnenwand (16) worden gedreven. Langs de 1025231 4 binnenwand (16) kan men een vloeistofstroom laten lopen voor het opvangen en verzamelen van naar de binnenwand (16) gedreven deeltjes. Met name zwaardere en grotere stofdeeltjes kunnen zo uit de lucht afgescheiden en verzameld worden. Dit alles zoals gangbaar in bekende ‘cyclone partiele collectors*.FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of a device (1) according to the invention. The device (1) comprises a substantially cylindrical body (12) with an inlet (13) with a pipe (14) connected thereto for (your supply of air, and an outlet (15) 30 for the discharge of air. and of the parts (12-15) air supplied through the line (1) will move in the body (12) from the entrance (13) to the exit (15) along spiral paths. are driven by the centrifugal forces to the inner wall (16) A fluid stream can be run along the inner wall (16) for collecting and collecting particles driven to the inner wall (16). separated from the air and collected, as is the case in well-known cyclone partial collectors *.

S Lichtere en kleinere stofdeeltjes en micro-organismen zullen echter minder naar de binnenwand (16) gedreven worden. Om deze ook af te scheiden uit de lucht is in het centrale gedeelte van het lichaam (12) een filterlichaam (17) aangebracht, volgens de uitvinding. Het filterlichaam (17) is vervaardigd middels microstructurele technieken waardoor het een relatief kleine stromingsweerstand vormt voor de erdoor stromende lucht 10 en de cycloon in stand kan worden gehouden. De filteropeningen kunnen zo klein zijn als 100 nm of nog kleiner, waardoor kleinere deeltjes en microorganismen uit de lucht kunnen worden afgescheiden.S Lighter and smaller dust particles and micro-organisms will, however, be driven less towards the inner wall (16). In order to also separate it from the air, a filter body (17) is arranged in the central part of the body (12) according to the invention. The filter body (17) is manufactured by microstructural techniques whereby it forms a relatively small flow resistance for the air flowing through it and the cyclone can be maintained. The filter openings can be as small as 100 nm or even smaller, whereby smaller particles and microorganisms can be separated from the air.

Het filterlichaam (17) is in dit uitvoeringsvoorbeeld opgebouwd uit meerdere delen (17a) met, ten opzichte van een vlak loodrecht op een centrale as van het lichaam (12), hellende 15 oppervlaktes. Langs deze oppervlaktes kan men weer bij tijd en wijle vloeistof laten stromen voor het opvangen en verzamelen van op het filterlichaam (17) aanwezige uit de lucht afgescheiden lichtere en kleinere deeltjes.In this exemplary embodiment, the filter body (17) is made up of several parts (17a) with surfaces inclined relative to a plane perpendicular to a central axis of the body (12). It is again possible to allow liquid to flow past these surfaces over time to collect and collect lighter and smaller particles present on the filter body (17).

Het filterlichaam (17) in dit uitvoeringsvoorbeeld is tevens zodanig vormgegeven dat de erlangs stromende vloeistof met de daarin verzamelde lichtere en kleinere deeltjes in de 20 richting van de binnenwand (16) wordt afgevoerd, om zich daar te mengen met de langs de binnenwand (16) stromende vloeistof met de daarin verzamelde zwaardere en grotere deeltjes.The filter body (17) in this exemplary embodiment is also designed such that the liquid flowing along it with the lighter and smaller particles collected therein is discharged in the direction of the inner wall (16), in order to mix with the along the inner wall (16) ) flowing liquid with the heavier and larger particles collected therein.

Het filterlichaam (17) kan daarbij ook roteerbaar zijn uitgevoerd om de erlangs stromende vloeistof met de daarin verzamelde lichtere en kleinere deeltjes middels centrifugale 25 krachten in de richting van de binnenwand (16) te drijven.The filter body (17) can also be rotatable in order to drive the liquid flowing along it with the lighter and smaller particles collected therein in the direction of the inner wall (16) by means of centrifugal forces.

Fig. 2 toont een tweede uitvoeringsvoorbeeld van een inrichting (2) volgens de uitvinding welke een cilindervormig lichaam (22) omvat met een ingang (23) en een uitgang (25). In het lichaam (22) zijn meerdere filterlichamen (27a,27b,27c), volgens de uitvinding, in serie 30 aangebracht. De doorlaatopeningen in de filterlichamen (27a,27b,27c) nemen in doorsnede af in de hoofdstromingsrichting van de lucht, zodat afzonderlijke hoeveelheden met verschillende deeltjesgrootte op de afzonderlijke filterlichamen (27a^7b,27c) uit de lucht worden gefilterd. Deze afzonderlijke uitgefilterde hoeveelheden kunnen middels daartoe bij 1025231 ' 5 tijd en wijle aangelegde vloeistofstromen afzonderlijk worden verzameld en afgevoerd middels daartoe voorziene in de binnenwand (26) aangebrachte kanalen (28) en afvoeren (29). De filterlichamen (27a^7b,27c) zijn roteerbaar uitgevoerd om de bij tijd en wijle erlangs stromende vloeistof met de daarin verzamelde lichtere deeltjes middels centrifugale 5 krachten in de richting van de binnenwand (26) en de kanalen (28) te drijven.FIG. 2 shows a second exemplary embodiment of a device (2) according to the invention which comprises a cylindrical body (22) with an input (23) and an output (25). A plurality of filter bodies (27a, 27b, 27c), according to the invention, are arranged in series 30 in the body (22). The passage openings in the filter bodies (27a, 27b, 27c) decrease in cross-section in the main flow direction of the air, so that individual amounts of different particle sizes on the individual filter bodies (27a ^ 7b, 27c) are filtered out of the air. These individual filtered-out quantities can be collected and discharged separately for this purpose through time and periodically applied liquid flows through channels (28) and drains (29) provided for this purpose in the inner wall (26). The filter bodies (27a ^ 7b, 27c) are rotatably designed to force the liquid flowing along with it and the lighter particles collected therein in the direction of the inner wall (26) and the channels (28) by means of centrifugal forces.

Het zal duidelijk zijn voor een in het betreffende vakgebied geschoold persoon dat de uitvinding niet tot de getoonde en beschreven uitvoeringsvooibeelden is beperkt maar dat binnen het kader van de uitvinding nog vele variaties en combinaties mogelijk zijn.It will be clear to a person skilled in the relevant art that the invention is not limited to the exemplary embodiments shown and described, but that many variations and combinations are still possible within the scope of the invention.

10252311025231

Claims

1. Werkwijze voor het uit een gas, zoals lucht, afscheiden en verzamelen van deeltjes, zoals stofdeeltjes en micro-organismen, welke werkwijze zowel het uit het gas filteren 5 van deeltjes middels een microstructureel filter omvat als ook het middels massatraagheidskrachten naar een bepaalde plaatsruimte drijven van deeltjes.Method for separating and collecting particles, such as dust particles and microorganisms, from a gas, such as air, which method comprises both filtering particles from the gas by means of a microstructural filter and also by mass inertia forces to a specific location space drift of particles.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, waarbij de werkwijze tevens het bewerkstelligen van een vloeistofstroom voor het verzamelen en afvoeren van de naar de bepaalde plaatsruimte gedreven deeltjes omvatA method according to claim 1, wherein the method also comprises effecting a liquid flow for collecting and discharging the particles driven to the determined location space

3. Werkwijze volgens conclusies 1 of 2, waarbij de werkwijze tevens het bewerkstelligen van een, bij voorkeur niet-continue, vloeistofstroom voor het verzamelen en afvoeren van de uit het gas gefilterde deeltjes omvatMethod according to claims 1 or 2, wherein the method also comprises effecting a, preferably non-continuous, liquid flow for collecting and discharging the particles filtered from the gas

4. Werkwijze volgens een der conclusies 1-3, waarbij het filter wordt bewogen, bij voorkeur gedraaid om een as.A method according to any one of claims 1-3, wherein the filter is moved, preferably rotated about an axis.

5. Werkwijze volgens een der conclusies 1-4, waarbij meerdere afzonderlijke hoeveelheden deeltjes uit het gas worden gefilterd middels meerdere filters, bij voorkeur met doorlaatopeningen van verschillende vorm.A method according to any one of claims 1-4, wherein a plurality of separate quantities of particles are filtered from the gas by means of a plurality of filters, preferably with passage openings of different shape.

6. Werkwijze volgens conclusies 5, waarbij de werkwijze tevens het gescheiden afvoeren van de uit het gas gefilterde afzonderlijke hoeveelheden deeltjes omvat 206. Method according to claim 5, wherein the method also comprises separate removal of the individual quantities of particles filtered from the gas

7. Inrichting voor het uit een gas, zoals lucht, afscheiden en verzamelen van deeltjes, zoals stofdeeltjes en micro-organismen, welke inrichting zowel een microstructureel filter voor het uit het gas filteren van deeltjes omvat als ook middelen voor het middels massatraagheidskrachten naar een bepaalde plaatsruimte drijven van deeltjes.7. Device for separating and collecting particles such as dust particles and microorganisms from a gas, such as air, which device comprises both a microstructural filter for filtering particles from the gas and also means for mass inertia forces to a particular space drift of particles.

8. Inrichting volgens conclusie 7, waarbij de inrichting tevens middelen omvat voor het bewerkstelligen van een vloeistofstroom voor het verzamelen en afvoeren van de naar de bepaalde plaatsruimte gedreven deeltjes.Device as claimed in claim 7, wherein the device also comprises means for effecting a liquid flow for collecting and discharging the particles driven to the determined location space.

9. Inrichting volgens conclusie 7 of 8, waarbij de inrichting tevens middelen omvat voor bewerkstelligen van een, bij voorkeur niet-continue, vloeistofstroom voor het 30 verzamelen en afvoeren van de uit het gas gefilterde deeltjes.9. Device as claimed in claim 7 or 8, wherein the device also comprises means for effecting a, preferably non-continuous, liquid flow for collecting and discharging the particles filtered from the gas.

10. Inrichting volgens een der conclusies 7-9, waarbij het filter beweegbaar is, bij voorkeur draaibaar om een as. 1025231Device as claimed in any of the claims 7-9, wherein the filter is movable, preferably rotatable about an axis. 1025231

11. Inrichting volgens een der conclusies 7-10, waarbij de inrichting meerdere afzonderlijke filters omvat, bij voorkeur met doorlaatopeningen van verschillende vorm, voor het uit het gas filteren van meerdere afzonderlijke hoeveelheden deeltjes.Device as claimed in any of the claims 7-10, wherein the device comprises a plurality of separate filters, preferably with passage openings of different shape, for filtering a plurality of separate quantities of particles from the gas.

12. Inrichting volgens conclusies 10, waarbij de inrichting tevens middelen omvat voor het 5 gescheiden afvoeren van de uit het gas gefilterde afzonderlijke hoeveelheden deeltjes.12. Device as claimed in claim 10, wherein the device also comprises means for separately discharging the individual quantities of particles filtered from the gas.

13. Inrichting volgens een der conclusies 7-12, waarbij ten minste één filter doorlaatopeningen met een doorsnede kleiner dan 100 nm, bij voorkeur kleiner dan 10 nm, omvat.Device as claimed in any of the claims 7-12, wherein at least one filter comprises passage openings with a diameter of less than 100 nm, preferably of less than 10 nm.

14. Werkwijze voor het vervaardigen van een inrichting volgens een der conclusies 7-13, waarbij voor het vervaardigen van ten minste één filter gebruik wordt gemaakt van een micro structurele techniek.A method of manufacturing a device according to any of claims 7-13, wherein a micro-structural technique is used to manufacture at least one filter.

15 102523115 1025231