TWI709717B - 空氣濾淨系統 - Google Patents

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林建宏
王家熙
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林建宏
王家熙
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Abstract

本發明揭露一種提供空氣濾淨系統，包括：一本體，具有一流路；一第一過濾部，設於該流路上，並具有一第一身部；複數突起，佈設於該第一身部上；複數第一通孔，穿設於該第一身部上並介於該些突起之相鄰彼此間；其中，當該外部流體於該流路中流動時，係先行經該些突起後通過各該第一通孔，藉以使流動中之該外部流體在受到該些突起之阻礙下，使得在鄰近該些突起之位置處的流速，低於流經該通孔的流速，從而在該些第一通孔孔口與相鄰之該些突起間分別產生渦流，以使該外部流體中所包含的微粒停留於該些渦流外側之靜止區域中。

Description

空氣濾淨系統
本發明係有關於過濾技術，特別是一種空氣濾淨系統。
按，於2009年，地球限度（Planetary Boundaries）一詞首次見於相關報導中，其主要係指當人類活動所造成的影響超過地球限度時，可能會造成嚴重破壞，甚至是災難性的，並據以影響目前或未來的人類社會。再者，科學家已歸納出九種受人類活動影響的地球限度：1.氣候變遷、2.喪失生物多樣性、3.臭氧破壞、4.海洋酸化、5.生物地球化學循環改變、6.森林砍伐與土地利用改變、7.淡水資源、8.氮循環及磷循環改變、及9.懸浮微粒污染。
據此，地球限度顯然為近年地球環境問題中重要指標之一，舉例來說，氣候變遷雖然還未超過危險值，但近年來人口快速成長，伴隨而來的二氧化碳排放量，亦急遽提升，使得氣候變遷越來越快速，並朝不可逆的臨界邊緣發展。其中，二氧化碳過量的問題，大多源自於工廠或汽機車排放，且其議題往往備受討論。此外，工廠或汽機車排放還會造成另一種環境問題，意即是區域大氣中的懸浮微粒濃度之問題，例如吾人所熟知的PM 2.5，係指粒徑在2.5微米(μm)以下的粒狀污染物，其對人類的傷害程度不亞於二氧化碳。詳細來說，若空氣中所懸浮的微粒粒徑係小於2.5微米，其重量輕可以在空氣中停留許久，且容易因呼吸而被吸入人體肺部中，並可經由氣管、支氣管及肺泡而直接進入人體內部，將會對人體器官造成危害。
世界衛生組織業已將PM 2.5列為一級致癌物，更甚每年將近有300萬人死於懸浮微粒影響，在台灣，居民養成了在戶外運動的習慣，但隨著PM 2.5增加，戶外運動不僅沒讓人更健康，反而因為其微小的顆粒，能夠深入肺泡，甚至血液裡吸收，進而誘發氣喘、肺結核甚至心臟病等症狀，嚴重危害人類的生命安全。
實際上，位於太平洋西岸的台灣台中市，近年受到PM 2.5的影響日益嚴重，因為台中火力發電廠是全台第三大單一PM 2.5製造源，台中工業區也排放了大量化學氣體，再加上台中汽機車數量比首都台北更多，種種因素，造成台中市區空氣品質相當不良。另外，在乾燥的冬、春兩季，台中因為受東北季風影響，又位於其背風側，使得水平流向氣流不強，更加上都市逆溫效應，讓汙染源容易累積在市區難以擴散，將嚴重影響當地居民的健康。
據此，如何能在都市對流、擴散不佳的氣候情況下，以節能的方式過濾並篩選出細微顆粒，達到淨化空氣的作用，將會是相關業者或研發人員所要思考改良之處。
因此，本發明之主要目的即係在提供一種空氣濾淨系統，係能夠提供簡單且有效率的集塵裝置，並善用地方氣候條件，藉以導引流向、集中且過濾外部流體，使本發明能在不需額外動力驅動的狀況下，達到淨化空氣之目的。
緣是，為達成上述之目的，本發明所提供空氣濾淨系統，包括：一本體，具有一流路，以供一外部流體流動；一第一過濾部，設於該流路上，並具有一第一身部；複數突起，係相間隔地佈設於該第一身部上；複數第一通孔，係分別穿設於該第一身部上並對應介於該些突起之相鄰彼此之間；其中，當該外部流體於該流路中流動時，係先行經該些突起後通過各該第一通孔，藉以使流動中之該外部流體在受到該些突起之阻礙下，使得在鄰近該些突起之位置處的流速，低於流經該通孔的流速，從而在該些第一通孔孔口與相鄰之該些突起間分別產生渦流，以使該外部流體中所包含的微粒停留於該些渦流外側之靜止區域中。
為了更進一步過濾PM2.5之微粒，本發明更包括一第二過濾部，設於該流路上且位於該第一過濾部的下游處，其具有一第二身部；複數纖毛，係自該第二身部上朝該外部流體流動的反方向延伸；複數第二通孔，係分別穿設於該第二身部；其中，當該外部流體於該流路中流動並流經該第二過濾部時，係先行經該些纖毛後通過各該第二通孔，藉以使流動中之該外部流體係受該些纖毛的阻隔而區分成多股微小之細流，同時該些纖毛能擷取該外部流體中所包含的微粒。
其中，該流路依位置順序設有第一區段、第二區段及第三區段，而該第一區段的橫截面積係大於該第二區段的橫截面積，且該第三區段的橫截面積係大於該第二區段的橫截面積，而該第三區段與該第二區段之間具有一壓力差，使該外部流體能被牽引流入該流路的該第一區段中，並進一步經由該第二區段朝該流路的第三區段方向流動。
本發明更包括一錐狀部，設置於該流路的第一區段上，並將該流路之第一區段隔成一第一腔室及一第二腔室，且該錐狀部的內徑係朝該流路的入口方向逐漸縮減，而該錐狀部週緣設有複數開口，使該第一腔室該第二腔室相連通。據此，當該外部流體流經過相對狹小的該些開口時，根據流體力學原理，可增加該外部流體的流速。
其中，該第一身部為錐狀，設於該第一腔室中，且該第一身部的內徑係朝該第二腔室的方向逐漸縮減，並於該第一身部的端部設有一第一套孔，以抵接套設於該錐狀部遠離該些開口的位置上。
本發明更包括有一圓筒狀之導流部，係於該本體上的該第二區段漸縮地突伸至該第二腔室中。
其中，該第二身部為錐狀，設於該第二腔室中，且介於該導流部與該錐狀部之間，並於該第二身部的端部設有一第二套孔，以抵接套設於該導流部突出於該第二腔室的位置上。
其中，該錐狀部的錐形角度係大於35∘，該導流部的錐形角度係大於30∘。
其中，該第一區段、該第二區段及該第三區段之最大內徑的比值為11：5：8，該第一區段之最大內徑、該開口直徑、該導流部外周緣與該錐狀部內周緣之間的最小距離及該導流部之最小內徑的比值為11：1.5：1：1.8。
為了提升對流效果，本發明更包括一動力源，設於該流路上，該動力源具有一熱輻射風扇，該熱輻射風扇的各個扇片之上、下兩側、分別為不同材質所組成，並且各個扇片之扇面更分別設有一三角形的凸起。
請參閱圖1至圖3，於本發明之較佳實施例所揭空氣濾淨系統，包括：一本體10及一第一過濾部20。
該本體10具有一流路11，以供一外部流體流動；其中，該流路11依位置順序設有第一區段12、第二區段13及第三區段14，而該第一區段12的橫截面積係大於該第二區段13的橫截面積，且該第三區段14的橫截面積係大於該第二區段13的橫截面積，而該第三區段14與該第二區段13之間具有一壓力差，使該外部流體能被牽引流入該流路11的該第一區段12中，並進一步經由該第二區段13朝該流路11的第三區段14方向流動。在本實施例中，該本體10係由三組不同管徑之管體相互銜接而成，該些管體的內部空間係相互連通而構成該流路11。此外，該流路11入口的開口151型態係參照海樽攝取微生物的開口結構來設計，使進入該流路11內的外部流體不會逆流。
再者，於該流路11的第一區段12上更設有一錐狀部15，係將該流路11之第一區段12區隔成一第一腔室121及一第二腔室122，且該錐狀部15的內徑係朝該流路11的入口方向逐漸縮減，而該錐狀部15週緣更設有複數開口151，使該第一腔室121與該第二腔室122相連通。此外，本發明更包括有一圓筒狀之導流部16，係於該本體10上的該第二區段13漸縮地突伸至該第二腔室122中。
該第一過濾部20係設於該流路11上，並具有一第一身部21；複數突起22，係相間隔地佈設於該第一身部21上；複數第一通孔23，係分別穿設於該第一身部21上並對應介於該些突起22之相鄰彼此之間；其中，當該外部流體於該流路11中流動時，係先行經該些突起22後通過各該第一通孔23，藉以使流動中之該外部流體在受到該些突起22之阻礙下，使得在鄰近該些突起22之位置處的流速，低於流經該通孔的流速，從而在該些第一通孔23孔口與相鄰之該些突起22間分別產生渦流，以使該外部流體中所包含的微粒停留於該些渦流外側之靜止區域中，如圖4所示。據此，本發明的該第一過濾部20能夠有效地將粒徑大於10微米之微粒集中於該些靜止區域中，從而達到過濾集塵之效果。特別的是，該第一過濾部20的結構設計係源自於白鱘的覓食方式，其係將海水湧入口腔中，同時透過魚鰓骨骼的結構型態來產生渦流，藉以集中浮游生物，並吞食之，最後再將海水排出。
在本實施例中，該第一身部21為錐狀，設於該第一腔室121中，且該第一身部21的內徑係朝該第二腔室122的方向逐漸縮減，並於該第一身部21的端部設有一第一套孔24，以抵接套設於該錐狀部15遠離該些開口151的位置上。
此外，為了更進一步過濾PM2.5之微粒，本發明更包括有一第二過濾部30，設於該流路11上且位於該第一過濾部20的下游處，其具有一第二身部31；複數纖毛32，係自該第二身部31上朝該外部流體流動的反方向延伸；複數第二通孔33，係分別穿設於該第二身部31；其中，當該外部流體於該流路11中流動並流經該第二過濾部30時，係先行經該些纖毛32後通過各該第二通孔33，藉以使流動中之該外部流體係受該些纖毛32的阻隔而區分成多股微小之細流，同時該些纖毛32能擷取該外部流體中所包含的微粒，如圖5所示。特別的是，該第二過濾部30的結構設計係源自孔雀蠕蟲的覓食方式，意即孔雀蠕蟲係利用其輻射狀的觸角上所延伸的細絲來過濾水中的食物。
在本實施例中，該第二身部31為錐狀，設於該第二腔室122中，且介於該導流部16與該錐狀部15之間，並於該第二身部31的端部設有一第二套孔34，以抵接套設於該導流部16突出於該第二腔室122的位置上。
經由實驗後發現，同方向的風管所產生渦流的過濾效率較好。詳細來說，該外部流體係選用空氣，而空氣為密度小且質量輕的介質，當該些管體內徑之間的尺寸差距過大，或是流向改變即非常容易讓氣體產生強烈渦流，而使空氣中的微粒過度囤積在某些角落，進而降低過濾的效率。據此，為提升過濾效率，本發明的具體實施條件如下：該第一區段12、該第二區段13及該第三區段14之最大內徑的比值為11：5：8，該第一區段12之最大內徑、該開口151直徑、該導流部16與該錐狀部15之間的最小距離及該導流部16之最小內徑的比值為11：1.5：1：1.8，該比例關係是源自草原犬鼠的洞穴構造，其中，該錐狀部15的錐形角度係大於35∘，該導流部16的錐形角度係大於30∘。
此外，當使用者欲增加本發明所濾除之該外部流體的流量時，除了能將多組空氣濾淨系統任意組裝結合來使用之外，還可以加裝一動力源40來提升該外部流體的流速，同樣可達到增加濾除流量之目的。具體來說，該動力源40設於該流路11上，並具有一熱輻射風扇41，據以提供較大的壓力差，從而增加過濾效能。特別的是，該熱輻射風扇41運轉的方式係透過接收太陽光的能量來驅動。詳細來說，透過斑馬身上紋路散熱原理，意即在該本體10上各處分別塗佈不同顏色，由於各類顏色間的吸熱效果不同，從而產生溫度差，並根據冷卻渦流理論，會產生不同的渦流速度，進而驅動該熱輻射風扇轉動，從而達到提升對流效果之目的。
在本實施例中，該熱輻射風扇41的各個扇片411之上、下兩側412、413分別為不同材質所組成，其中，上側412呈深色，用以吸收輻射熱；而下側413呈銀色，用來反射輻射熱。再者，各個扇片411之扇面均更分別設有一三角形的凸起414，該凸起414的結構設計發想於非洲銀蟻的毛髮，該毛髮係呈三角形且鋸齒狀，透過這種特定形狀的頭髮能反射的光量來減少熱量吸收。另一方面，該動力源40更具有一全反射稜鏡42，罩設於熱輻射風扇41上，並利用全內反射（TIR）的過程來集中加熱源。綜合上述條件所造成的溫差效果，用來促使該熱輻射風扇41轉動。
藉由上述構件之組成，本發明之空氣濾淨系統的具體實施步驟如下：首先，透過各該管體的管徑差異，使該流路11形成一壓力差，並將該外部流體被牽引流入該第一區段12的第一腔室121中。再者，該外部流體會順著該錐狀部15的外周緣朝該第二腔室122的方向流動，並流經該第一過濾部20，同時利用該第一過濾部20的過濾機制，意即該外部流體中所包含的微粒停留於該些渦流外側之靜止區域中，從而能初步過濾該外部流體中的微粒，意即流入該第二腔室122中的該外部流體已經過初步過濾。
接著，該外部流體通過該錐狀部15上開設之該些開口151而，此時，由於該些開口的孔徑相對狹小，根據流體力學原理，可增加該外部流體的流速，並使該外部流體順利地在該導流部16外周緣與該錐狀部15內周緣之間所形成的的通道中流動。而后，該外部流體會流經該第二過濾部30，並透過該第二過濾部30的該些纖毛32，能順流產生更多微小細流，並藉以擷取更小的微粒，從而獲得淨化後的該外部流體。
最後，由於該導流部16的結構設計係類似海綿體的中央腔及其特殊之壁體構造，可進一步提供一壓力差，從而能快速的將淨化後的該外部流體自該第二腔室122導引至該流路11的第二區段13中，並更流經該流路11的第三區段14，而最終自該流路11的出口流出。
以上僅是藉由較佳實例詳細說明本發明，熟知該技術領域者於不脫離本發明精神下，而對於說明書中之實施例所做的任何簡單修改或是變化，均應為本案申請專利範圍所得涵攝者。
10:本體 11:流路 12:第一區段 121:第一腔室 122:第二腔室 13:第二區段 14:第三區段 15:錐狀部 151:開口 16:導流部 20:第一過濾部 21:第一身部 22:突起 23:第一通孔 24:第一套孔 30:第二過濾部 31:第二身部 32:纖毛 33:第二通孔 34:第二套孔 40:動力源 41:熱輻射風扇 411:扇片 412:上側 413:下側 414:凸起 42:全反射稜鏡
圖1為本發明較佳實施例所揭空氣濾淨系統之立體組合圖。 圖2為本發明較佳實施例所揭空氣濾淨系統之立體分解圖。 圖3為本發明較佳實施例就圖1之剖面示意圖。 圖4為本發明較佳實施例就圖1之A部分的局部放大示意圖。 圖5為本發明較佳實施例就圖1之B部分的局部放大示意圖。
10:本體
11:流路
12:第一區段
121:第一腔室
122:第二腔室
13:第二區段
14:第三區段
15:錐狀部
151:開口
16:導流部
20:第一過濾部
30:第二過濾部
40:動力源
41:熱輻射風扇
411:扇片
412:上側
413:下側
414:凸起
42:全反射稜鏡

Claims (10)

  1. 一種空氣濾淨系統，包括： 一本體，具有一流路，以供一外部流體流動； 一第一過濾部，設於該流路上，並具有一第一身部；複數突起，係相間隔地佈設於該第一身部上；複數第一通孔，係分別穿設於該第一身部上並對應介於該些突起之相鄰彼此之間；其中，當該外部流體於該流路中流動時，係先行經該些突起後通過各該第一通孔，藉以使流動中之該外部流體在受到該些突起之阻礙下，使得在鄰近該些突起之位置處的流速，低於流經該通孔的流速，從而在該些第一通孔孔口與相鄰之該些突起間分別產生渦流，以使該外部流體中所包含的微粒停留於該些渦流外側之靜止區域中。
  2. 如請求項1所述之空氣濾淨系統，其更包括一第二過濾部，設於該流路上且位於該第一過濾部的下游處，其具有一第二身部；複數纖毛，係自該第二身部上朝該外部流體流動的反方向延伸；複數第二通孔，係分別穿設於該第二身部；其中，當該外部流體於該流路中流動並流經該第二過濾部時，係先行經該些纖毛後通過各該第二通孔，藉以使流動中之該外部流體係受該些纖毛的阻隔而區分成多股微小之細流，同時該些纖毛能擷取該外部流體中所包含的微粒。
  3. 如請求項2所述之空氣濾淨系統，其中，該流路依位置順序設有第一區段、第二區段及第三區段，而該第一區段的橫截面積係大於該第二區段的橫截面積，且該第三區段的橫截面積係大於該第二區段的橫截面積，而該第三區段與第二區段之間具有一壓力差，使該外部流體能被牽引流入該流路的該第一區段中，並進一步經由自該流路的第二區段朝該流路的第三區段方向流動。
  4. 如請求項3所述之空氣濾淨系統，其更包括一錐狀部，設置於該流路的第一區段上，並將該流路之第一區段隔成一第一腔室及一第二腔室，且該錐狀部的內徑係朝該流路的入口方向逐漸縮減，而該錐狀部週緣設有複數開口，使該第一腔室與該第二腔室相連通。
  5. 如請求項4所述之空氣濾淨系統，其中，該第一身部為錐狀，設於該第一腔室中，且該第一身部的內徑係朝該第二腔室的方向逐漸縮減，並於該第一身部的端部設有一第一套孔，以抵接套設於該錐狀部遠離該些開口的位置上。
  6. 如請求項5所述之空氣濾淨系統，其更包括有一圓筒狀之導流部，係於該本體上的該第二區段漸縮地突伸至該第二腔室中。
  7. 如請求項6所述之空氣濾淨系統，其中，該第二身部為錐狀，設於該第二腔室中，且介於該導流部與該錐狀部之間，並於該第二身部的端部設有一第二套孔，以抵接套設於該導流部突出於該第二腔室的位置上。
  8. 如請求項6所述之空氣濾淨系統，其中，該錐狀部的錐形角度係大於35∘，該導流部的錐形角度係大於30∘。
  9. 如請求項6所述之空氣濾淨系統，其中，該第一區段、該第二區段及該第三區段之最大內徑的比值為11：5：8，該第一區段之最大內徑、該開口直徑、該導流部外周緣與該錐狀部內周緣之間的最小距離及該導流部之最小內徑的比值為11：1.5：1：1.8。
  10. 如請求項1、2、3、4、5、6、7、8或9所述之空氣濾淨系統，其更包括一動力源，設於該流路上，該動力源具有一熱輻射風扇，該熱輻射風扇的各個扇片之上、下兩側、分別為不同材質所組成，並且各個扇片之扇面更分別設有一三角形的凸起。
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