气溶胶分配器和用于过滤器泄漏检测的装置的制作方法

本发明总体上涉及用于气体过滤系统中的过滤器泄漏检测的装置，并且更具体地涉及用于实现测试气溶胶在待测试的过滤器上游的气流中的均匀分配的气溶胶分配器。

背景技术：

在一些通过过滤气体而从诸如空气的气体中去除不期望的物质的环境中，重要的是能够在原位检查过滤器是否在工作并且检测过滤器的任何泄漏。检查过滤器的一种方法是使用过滤器测试系统，其中，将颗粒测试物质(通常是气溶胶)注射到过滤器上游的气流中，并且使用采样探针在过滤器下游收集气体。然后，针对不期望物质的出现来分析所收集的气体。

用于从气体中去除颗粒的过滤器和过滤器装置的测试可例如利用油的单分散或多分散气溶胶，例如邻苯二甲酸二辛酯(dop)、癸二酸二乙基己酯(dehs)dehs或聚α烯烃(pao)。所使用的其他典型的气溶胶是例如盐或二氧化硅的固体颗粒的气溶胶、聚苯乙烯乳胶的气溶胶，或者活细胞或非活细胞的气溶胶。对于分子过滤器的测试，也可使用气态激发化合物，例如空气中的甲苯或丁烷。将气溶胶在管道中的一点处引入到气流中，该点足够远离过滤器或过滤器组的上游，以确保在其到达过滤器或过滤器组时完全分散。

上游采样探针通常设置在过滤器的紧上游以确定管道中的气溶胶的浓度，并且下游采样探针设置为检测过滤器泄漏。在测试期间，将一部分气流通过采样探针从管道中抽出，并且将其传送到外部仪器，例如光度计或颗粒计数器等，其用于确定上游和下游样品中的气溶胶浓度。

下游采样探针可以是在平行于过滤器表面的平面中可移动的，使得过滤器表面可使用采样探针扫描。此类型的扫描采样探针不仅允许检测泄漏的存在，而且还可给出关于过滤器表面上的泄漏位置的粗略指示。典型的采样探针由管子制成，该管子带有若干沿着采样探针的长度分配的穿过管壁的入口孔并带有中心出口。

为了使泄漏检测准确，重要的是，当气流到达过滤器时，气溶胶颗粒均匀地分配在气流中，使得气溶胶颗粒负载均匀地分配在过滤器区域上。如果过滤器受到不均匀的颗粒分配，例如朝向过滤器中部的较高的颗粒浓度和朝向过滤器边缘的较低的颗粒浓度，则与定位成更靠近过滤器中部的泄漏相比，这可能导致对过滤器边缘处的泄漏的较低的灵敏度。

如果测试气溶胶经由单个注射点注射到气流中，则注射点必须位于离过滤器足够远的位置，以允许气溶胶颗粒在到达过滤器表面之前变得均匀分配。这可能急剧增加过滤器测试系统的空间要求。在串联使用多个过滤器的设备中，由于过滤器必须分开足够的距离以允许适当的颗粒分配，所以用于引入测试物质和取出样品所需的空间是成倍增加的。

通常，为了使气溶胶与周围气流完全混合，气溶胶应在其需要完全混合的位置的上游的点处被引入到气流中，该引入距离为气流行进通过的管道的至少10个横截面尺寸。然而，这种尺寸要求会导致测试段显著长于常规的过滤器装置，因此这不期望地需要更大的占地面积以及增加的材料成本。或者，可在气溶胶注射点和过滤器之间设置挡板或其他混合元件，以在较短的长度上提供充分的混合。然而，混合元件的添加显著地限制了通过过滤器装置的气流。因此，必须使用较大的风扇、鼓风机等，与不存在这种元件的情况相比，这种风扇、鼓风机等还使用更多的功率来实现期望的气流。较大的风扇增加了设备成本，而增加的气流阻力消耗了更多的能量，使得系统的运行更昂贵。

虽然气溶胶分配器应提供均匀的颗粒分配，但是气溶胶分配器对过滤器测试系统上的总压降的贡献尽可能低也是重要的。

一种用于改进过滤器测试系统中的气溶胶颗粒分配的常见现有技术解决方案包括连接到气溶胶源的互连穿孔管的装置。将来自气溶胶源的气溶胶供给到管子并经由穿孔分配到气流中。然而，此类型的装置通常不会导致令人满意的分配，因为较大量的颗粒将穿过最靠近气溶胶源的穿孔，而较少量的颗粒将穿过更远离气溶胶源的穿孔。

因此，需要一种用于过滤器测试系统中的气溶胶分配的替代方案，其结合允许气溶胶分配器靠近过滤器表面放置的有效气溶胶颗粒分配的特性和低压降。

技术实现要素：

本公开的一个目的是提供一种用于过滤器测试系统中的气溶胶分配器，其缓解了与现有技术的气溶胶分配器相关联的问题中的至少一些。

本公开的另一目的是提供一种气溶胶分配器，其结合了允许气溶胶分配器靠近过滤器表面放置的有效气溶胶颗粒分配的特性和低压降。

通过本文阐述的本发明的各方面实现了根据本公开对于本领域技术人员将变得显而易见的上述目的及其他目的。

根据本公开的第一方面，提供了一种用于气体过滤系统中的过滤器泄漏检测的气溶胶分配器，所述气溶胶分配器构造为定位在过滤器上游的气流中，所述气溶胶分配器包括：壳体，包括与两个或更多个次级腔室流体连接的初级腔室，该壳体具有用于允许测试气溶胶从气溶胶源进入初级腔室的入口并具有用于将测试气溶胶从初级腔室释放到每个次级腔室中的通道，所述次级腔室是伸长的(elongated)并且沿着次级腔室长度设置有多个出口孔，用于将测试气溶胶从次级腔室释放到包围气溶胶分配器的气流中，其中，入口、初级腔室、通道、次级腔室和出口孔的尺寸被选择为使得在操作期间，初级腔室中的测试气溶胶的压力将高于次级腔室中的测试气溶胶的压力。

气溶胶分配器可永久地安装在过滤器壳体中的过滤器的上游，其中需要定期或偶尔测试过滤器完整性。气溶胶分配器的功能是将气溶胶(例如以包含非常细的油颗粒气溶胶的载体流的形式)通过多个小的出口孔分配到过滤器上游的气流中。该气溶胶可以是例如油的单分散或多分散气溶胶，例如邻苯二甲酸二辛酯(dop)、癸二酸二乙基己酯(dehs)、dehs或聚α-烯烃(pao)。可使用的气溶胶的其他实例包括例如盐或二氧化硅的固体颗粒的气溶胶、聚苯乙烯乳胶的气溶胶，或者活细胞或非活细胞的气溶胶。对于分子过滤器的测试，也可使用气态激发化合物，例如空气中的甲苯或丁烷。在过滤器的下游，气溶胶采样探针通常用于检测过滤器泄漏。为了使泄漏检测准确，重要的是，当气流到达过滤器时，气溶胶颗粒均匀地分配在气流中，使得气溶胶颗粒负载均匀地分配在过滤器区域上。

已经发现，与现有技术的单腔室型气体分配器相比，本发明的气溶胶分配器提供了气溶胶分配的显著改进，该气溶胶分配器具有初级腔室和一个或多个连接到初级腔室的次级腔室，其中，将入口、通道和出口孔的尺寸选择为使得在操作期间，初级腔室中的测试气溶胶的压力将高于次级腔室中的测试气溶胶的压力。

已经发现，与相应的现有技术的气体分配器相比，本发明的气溶胶分配器能够将过滤器区域上的颗粒分配偏差减小高达50％。本发明的双腔室设计使得从初级腔室进入次级腔室的气溶胶分配更均匀。进一步相信，由入口、通道和出口孔的尺寸引起的次级腔室中的气溶胶压力的减小导致通过出口孔的气溶胶流的更均匀分配，从而导致气溶胶在气溶胶分配器下游的气体中的更均匀分配。

通过双腔室设计获得的颗粒分配偏差的减小允许气溶胶分配器更靠近过滤器表面放置，这继而允许过滤器测试装置的构建深度的减小和尺寸的减小。相应的现有技术的气体分配器通常需要距过滤器上游表面至少400mm的距离。利用双腔室设计，此距离可显著减小。

利用本发明的气溶胶分配器，可实现气溶胶分配的显著改进而不增加压降，因为本发明的气溶胶分配器可设计成具有与单腔型的常规穿孔管气体分配器相同的外部尺寸和形状。

由于供给到气溶胶分配器的气溶胶的压力通常相对较低，所以本发明的双腔室系统的效果被认为是特别显著的。来自气溶胶源的气溶胶压力通常在0.1-5巴的范围内，优选地在0.2-3巴的范围内。因此，在一些实施方式中，气溶胶分配器还包括气溶胶源，其适于在0.1-5巴的范围内，优选地在0.2-3巴的范围内的压力下将测试气溶胶供给到壳体的入口。

在本发明的气溶胶分配器中，将入口、初级腔室、通道、次级腔室和出口孔的尺寸，特别是入口、通道和出口孔的尺寸，选择为使得在操作期间，初级腔室中的测试气溶胶的压力将高于次级腔室中的测试气溶胶的压力。在一些实施方式中，这意味着在气溶胶分配器的操作期间通过通道的测试气溶胶流速将高于通过出口孔的测试气溶胶流速。

这可例如通过使进入次级腔室的通道的总横截面积等于或小于同一次级腔室的出口孔的总横截面积来实现。因此，在一些实施方式中，进入次级腔室的通道的总横截面积等于或小于同一次级腔室的出口孔的总横截面积。在一些实施方式中，进入次级腔室的通道的总横截面积小于同一次级腔室的出口孔的总横截面积。这也可通过使进入次级腔室的通道的总横截面积小于在垂直于总体气溶胶流动方向的平面中的初级腔室和次级腔室中的每个的横截面积来实现。换句话说，其中，通道的尺寸导致对从初级腔室到次级腔室的气溶胶流的限制。

气溶胶分配器壳体包括至少两个连接到初级腔室的次级腔室。具有两个或更多个次级腔室允许出口孔均匀地分配在气流的横截面面积上。这样，气溶胶可均匀地分配到气流中。可使用附加的次级腔室来进一步改进出口孔的分配。在一些实施方式中，壳体包括2-20个次级腔室，优选地2-16个次级腔室，更优选地4-12个次级腔室。

虽然气溶胶分配器应提供均匀的颗粒分配，但是气溶胶分配器对过滤器测试系统上的总压降的贡献尽可能低也是重要的。因此，壳体的形状应优选地设计为用于最小的气流阻力。因此，在一些实施方式中，伸长的次级腔室是管状的。

伸长的次级腔室优选地设计为具有附接到初级腔室的近端并具有封闭的远端。

根据本公开的第二方面，提供了一种用于气体过滤系统中的过滤器泄漏检测的装置，包括：过滤器壳体，其用于将过滤器密封地安装在所述壳体内，使得穿过壳体的气流穿过过滤器，以及气溶胶分配器，定位在过滤器上游的气流中，用于将测试气溶胶从气溶胶源释放到气流中，其中，气溶胶分配器包括壳体，该壳体包括与两个或更多个次级腔室流体连接的初级腔室，该壳体具有用于允许测试气溶胶从气溶胶源进入初级腔室的入口并具有用于将测试气溶胶从初级腔室释放到每个次级腔室中的通道，所述次级腔室是伸长的并且沿着其长度设置有多个出口孔，用于将测试气溶胶从次级腔室释放到包围气溶胶分配器的气流中，其中，将入口、初级腔室、通道、次级腔室和出口孔的尺寸选择为使得在操作期间，初级腔室中的测试气溶胶的压力将高于次级腔室中的测试气溶胶的压力。

第二方面的装置的气溶胶分配器可以如上文参考本公开的第一方面所描述的那样进一步限定。

在过滤器的下游，气溶胶采样探针通常用于检测过滤器泄漏。因此，在一些实施方式中，过滤器测试系统还包括：采样探针，其定位在过滤器下游的气流中，用于从待分析的气流中对气体采样以确定测试气溶胶的存在。

气溶胶分配器可放置在距过滤器常规距离(通常是大约400mm)处，以提供与相应的单腔室分配器相比改进的气溶胶分配，或者其可更靠近过滤器放置，以提供与相应的单腔室分配器相比相同或更好的气溶胶分配，但是具有减小的构建深度。在一些实施方式中，所述气溶胶分配器距所述过滤器的距离在50-500mm的范围内，优选地在50-250mm的范围内。

采样探针可以许多不同的形式提供而且可以是固定的或可移动的。由于希望采样探针不会显著干扰气流，所以其不能覆盖整个区域。已经开发了移动以扫描过滤区域的采样探针的不同构思。其一种类型是伸长的采样探针，其沿着过滤器的长度或宽度延伸，并且垂直于其纵向延伸方向前后移动，以扫描过滤器表面附近的区域。典型的伸长采样探针由带有若干沿着采样探针的长度分配的穿过管壁的入口孔并带有中心出口的管子制成。此类型的采样探针不仅允许检测泄漏的存在，而且还可给出关于过滤器表面上的泄漏位置的粗略指示。

在一些实施方式中，采样探针在平行于过滤器表面的平面中是可移动的，使得可使用采样探针扫描过滤器表面。

在一些实施方式中，采样探针替代地包括一系列在过滤器壳体的横截面区域上均匀分配的离散探针，其中，每个离散探针都可独立地进行分析。因此，该系列的离散探针不仅允许检测泄漏的存在，而且还可给出关于过滤器表面上的泄漏位置的粗略指示。

在一些情况中，特别是对于布置为扫描过滤器表面的可移动采样探针或一系列的离散探针，优选的是将采样探针靠近过滤器表面放置。在一些实施方式中，采样探针距所述过滤器的距离是在5-100mm的范围内，优选地在5-25mm的范围内。

现在将参考附图更详细地描述本发明的各种实施方式。

附图说明

现在参考附图，其是实例性实施方式，并且其中：

图1是具有用于过滤器泄漏检测的装置的气体过滤系统的示意图；

图2是根据本发明的气溶胶分配器的透视图；

图3a和图3b示出了根据本发明的气溶胶分配器的横截面图。

具体实施方式

图1示出了气体过滤系统1，具体地为空气过滤系统，包括根据各种实施方式的用于过滤器泄漏检测的装置。空气过滤系统1包括过滤器壳体2，其具有串联布置的上游测试段3、过滤器段4和下游测试段5。空气过滤系统1包括位于上游端的气流入口孔口6和位于下游端的气流出口孔口7。

过滤器壳体2可包括一个或多个门(未示出)，其可打开以允许接近容纳在其中的过滤器。过滤器壳体2还包括穿过其形成的上游样品端口8，以及允许在过滤器测试期间获得过滤器10上游的气流中的气溶胶浓度的样品的上游采样探针9。过滤器壳体2的过滤器段4包括基本上与门对齐的过滤器安装机构11。过滤器安装机构11通过门接收设置在过滤器段4中的过滤器10，并且可被致动以将过滤器密封地保持在过滤器段内的位置，使得通过气流入口孔口6进入空气过滤系统并离开气流出口孔口7的空气必须通过过滤器10并由其过滤。过滤器安装机构11可以是在市场上可买到的气体过滤系统中使用的任何合适的过滤器夹紧机构，或者其他合适的过滤器夹紧系统。

上游测试段3布置在气流入口孔口6和过滤器段4之间，并且包括形成将气流从气流入口孔口6引导到过滤器段4的通路的管道。在通路中布置气溶胶分配器20。可选地，挡板形式的混合元件19可设置在气溶胶注射点和过滤器之间以提供额外的混合。气溶胶分配器20可连接到穿过过滤器壳体2的壁布置的气溶胶端口12并与其流体连通。气溶胶分配器20的气溶胶入口26可通过连接管道13连接到气溶胶端口12。连接管道13可包括适于将气溶胶分配器20连接到气溶胶端口12的刚性的或柔性的管道。可将来自气溶胶源14的气溶胶引入到气溶胶端口12中，并且该气溶胶通过连接管道13进入气溶胶分配器20。

在图2、图3a和图3b中示出了根据本公开的气溶胶分配器的一个实施方式的基本结构特征。

气溶胶分配器20包括由金属或塑料制成的壳体21，其包括包围初级腔室28的第一伸长部分22并包括附接到第一伸长部分22的一系列伸长管状部分23，每个管状部分23包围次级腔室29。每个次级腔室29在第一近端24与初级腔室28流体连通，并且在相对的远端25密封。

壳体21具有入口26，用于允许来自气溶胶源14的测试气溶胶经由气溶胶端口和连接管道进入初级腔室。壳体包括一个或多个通道30，用于将测试气溶胶从初级腔室28释放到次级腔室29中。通道30可以是用于每个次级腔室的一个或多个孔口的形式。

次级腔室29设置有多个出口孔27，用于将测试气溶胶从次级腔室29释放到包围气溶胶分配器20的通路中。

将入口、初级腔室、通道、次级腔室和出口孔的尺寸选择为使得在操作期间，初级腔室中的测试气溶胶的压力将高于次级腔室中的测试气溶胶的压力。特别地，将入口26、通道和出口孔27的尺寸选择为使得在操作期间，初级腔室中的测试气溶胶的压力将高于次级腔室中的测试气溶胶的压力。

作为一个实例，每个通道可以是圆孔的形式，具有4mm的直径，导致通道的总横截面面积为大约12.5mm²，并且出口孔可以是10个圆孔的形式，每个具有1.6mm的直径，导致出口孔的总横截面面积为大约20mm²。

气溶胶分配器20的壳体21优选地设计为使得当其装配在通路中时，出口孔27均匀地分配在通路的横截面面积上。这样，将气溶胶均匀地分配到气流中。

将气溶胶分配器20的形状优选地选择为与其将装配在其中的管道或过滤器箱体相对应。由于大多数管道和箱体具有圆形或正方形的横截面几何形状，所以气溶胶分配器的壳体优选地设计为具有圆形或正方形的总体形状。气溶胶分配器的壳体通常可具有在100-1300mm范围内，优选地在250-650mm范围内的总宽度、高度或直径。

作为一个实例，如图2、图3a和图3b所示，对于内部尺寸为610×610mm的正方形管道，壳体的外部尺寸可以是大约610×610mm或更小，在空气流动方向上具有大约10-50mm的深度，使得壳体装配在管道的横截面中并且基本上覆盖该横截面。壳体可例如包括5个沿着初级腔室的长度均匀分配的次级腔室。每个次级腔室可包括10个沿着每个次级腔室的长度分配的出口孔，导致壳体具有50个在通路的横截面面积上基本上均匀分配的出口孔。

出口孔的直径典型地在1-2mm的范围内。图2、图3a和图3b中的出口孔27的直径为大约1.6mm。

在各种实施方式中，出口孔可布置在伸长管状部分的垂直于气流的总体方向的表面上。

壳体21优选地由塑料或金属制成。壳体可由两个或更多个部件组装，例如包括初级腔室的第一部件，多个次级腔室可例如通过胶合或焊接固定到第一部件。入口和出口孔例如可通过钻孔来制备。

在图3a和图3b中示出了一种可能的设计，其中，次级腔室29包括穿过初级腔室28中的孔装配的金属管。出口孔27包括在每个次级腔室29中的小的圆形钻孔的阵列，并且通道30包括在每个次级腔室29中的两个圆形孔。

图2、图3a和图3b的气溶胶分配器构造为装配在正方形管道中，并且壳体相应地制造。次级腔室具有相等的长度，并且附接到初级腔室以形成正方形网格状结构。在图2所示的实施方式中，初级腔室放置在中间，而次级腔室在两个方向上延伸。在一个替代实施方式中，初级腔室可放置在一侧，而所有的次级腔室在相同的方向上平行延伸。

应理解，气溶胶分配器也可制造成其他形状，以配合其他管道轮廓。例如，伸长管状部分的长度可以变化，较短的管状部分靠近第一伸长部分的端部，并且较长的管状部分靠近第一伸长部分的中部以形成圆形形状。

在一个替代实施方式中，初级腔室不是伸长的，而是居中地放置在管道中，其中，次级腔室在不同方向上径向延伸。

经由气溶胶端口12，气溶胶分配器可连接到气溶胶源14，该气溶胶源适于在0.1-5巴的范围内、优选地在0.2-3巴的范围内的压力下将测试气溶胶供给到壳体的入口。

下游测试段5布置在过滤器壳体段4中的过滤器10的下游表面与气流出口孔口7之间，并且包括形成将气流从过滤器10引导到气流出口孔口7的通路的管道。在通路中布置气溶胶采样探针15。气溶胶采样探针15定位在过滤器10下游的气流中，用于从待分析的气流中采样气体以确定测试气溶胶的存在。经由管道17，采样探针15可与通过过滤器壳体壁布置的采样端口16连接并流体连通。在测试期间，将一部分气流通过采样探针9、15从管道中抽出，并将该气流运送到外部仪器18，例如光度计或颗粒计数器等，其用于确定上游和下游样品中的气溶胶浓度。在通过下游采样探针收集的样品中测量的气溶胶浓度可以可选地与在通过上游采样探针9收集的样品中测量的气溶胶浓度进行比较。

下游采样探针15可以是在平行于过滤器表面的平面中可移动的，使得过滤器表面可使用采样探针扫描。此类型的采样探针不仅允许检测泄漏的存在，而且还可给出关于过滤器表面上的泄漏位置的粗略指示。

典型的采样探针由管子制成，该管子带有若干沿着采样探针的长度分配的穿过管壁的入口孔并带有连接到下游采样端口的中心出口。已经开发了用于移动探针以扫描过滤器表面的不同构思。一种构思是使用伸长的采样探针，该采样探针沿着过滤器的长度或宽度延伸，并且可通过手动或电机驱动的机构(例如圆筒、动力螺杆或其他合适的机构)在垂直于其纵向延伸的方向上前后移动，以扫描过滤器表面附近的区域。

虽然在此已经参考各种实例性实施方式描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可进行各种改变并且可用等同物替换其元件。另外，在不脱离本发明的实质范围的情况下，可进行许多修改以使特定的情况或特征适应本发明的教导。因此，目的是本发明不限于作为实施本发明的最佳方式而公开的特定实施方式，而是本发明将包括落入所附权利要求范围内的所有实施方式。此外，本领域技术人员将理解，虽然以上没有明确地写出，但是可组合不同实施方式的何种特征。