吸附组件、吸附装置及其再生方法

专利名称：吸附组件、吸附装置及其再生方法
技术领域：
本发明涉及吸附组件、吸附装置及其再生方法，特别地，本发明涉及可采用通电加热方式再生其内吸附材料的吸附组件、吸附装置及其再生方法。
背景技术：
常见的吸附材料有活性碳、硅胶、沸石等，它们可吸附空气中的有机挥发物(VOCs) 或水汽。这些材质本身具有巨孔(> 50 μ m)或微孔(< 2 μ m)的结构特性，因而可形成高比表面积的吸附载体，并可利用范德华力使得诸如有机挥发物或水汽的分子可吸附于这些吸附材料的表面。吸附材料使用时常常是以多塔式构造或是转轮构造等形态的吸附装置来实现连续式的操作。
当吸附装置中的吸附材料达到吸附饱和值时，通常利用对流热能方式来破坏吸附材料与吸附物质间的范德华力结合，进而使得所吸附的有机挥发物或水汽的分子可自吸附材料的表面处脱附而因此再生吸附材料。吸附材料可重复地进行上述吸附与再生脱附等程序，以达到去除空间中的异味及除湿等功能。
然而，上述再生脱附方法必须先加热空气，再透过空气与吸附材料间的热传递来脱附，由于透过空气加热器以加热空气，再将热空气送至吸附材料等程序之间容易有热损失，再加上空气加热器本身的加热效率问题，因此产生上述脱附情形所需能源的损耗极大。 此外，于要求轻薄短小的吸附装置中，往往缺乏空间来安装足够面积的加热器，而因为热交换面积不足，加热空气时的空气加热器本身的表面温度极高，因此造成额外的“辐射热”损失。


图1示出了台湾专利申请公开第201026374号中所分析的使用除湿转轮的传统家用滴水式除湿机能源消耗分析，由于加热器的表面温度极高，因此加热器消耗的大部分电能是以辐射的方式散出。而图1中的家用式除湿机的耗能分析中，滴水量约为6. 6升/天 (200C，60% RH)，加热器耗电量约600瓦特，其中有479瓦特为辐射热，仅有121瓦特用于加热空气。
图2示出了台湾专利申请公开第201026374号中所公开的低耗能脱附法，其于一除湿材料30的两侧耦接如网状金属电极310的电极结构31与32，电极结构31与32与电刷330相接触后通以一电压源33，进而使得再生区内的水分子产生电子跃迁而获得水分子脱离吸附剂的能量。然而，上述方法的再生能力的优劣取决于如有机挥发物或水汽等被吸附物与吸附材料之间的导电性。由于吸附物质多为不规则的多孔性结构，其与水分子键结后再通以电能时，所产生的能量会因不均匀的导通与发热情形而造成再生不均的问题，因而会降低吸附装置的再生解吸附效果。另外，电极结构31与32内的网状金属电极310会阻挡用于再生的通道，因而减低可用于再生解吸附程序的有效面积。发明内容
有鉴于此，需要一种新颖的吸附组件、吸附装置及其再生方法以解决上述公知问题。
依据一实施例，本发明提供了一种吸附组件，包括一电热基材，其构成一流体通 道；以及一吸附材料层，形成于该电热基材之上并接触该流体通道，由此吸附流经该流体通 道内的气体内的水汽或有机挥发物。
依据另一实施例，本发明提供了一种吸附装置，包括一绝缘外框，其内具有一空 间；多个上述吸附组件，相结合且规则地设置于该绝缘外框的该空间中；以及数个接触电 极板，设置于该绝缘外框的外表面上，其中该些接触电极板电性耦接该些吸附组件。
依据又一实施例，本发明提供了一种吸附组件的再生方法，包括提供如上所述的 该吸附组件，其中该吸附材料层的表面上具有至少一被吸附物；提供一电源，并耦接该电源 与该吸附组件的该电热基材；由该电源提供一电流至该电热基材，使该电热基材产生热能 并以“热传导”的方式，将热能直接传导至该吸附材料层，以加热该吸附材料层并脱附该至 少一被吸附物至该流体通道中。
附图简要说明
图1示出了使用除湿转轮的家用滴水式除湿机能源消耗分析示意图2示出了公知的一种低耗能脱附法；
图3示出了依据本发明一实施例的吸附组件；
图4示出了图3的吸附组件的再生程序；
图5a_5d示出了依据本发明的多个实施例的吸附装置的断面情形；
图6示出了依据本发明一实施例的吸附装置；
图7示出了图6所示吸附装置的剖面情形；
图8-9示出了依据本发明的多个实施例的吸附装置；
图10示出了依据本发明一实施例的吸附装置；
图11示出了依据本发明一实施例的单塔式吸附装置；
图12示出了依据本发明一实施例的双塔式吸附装置；以及
图13示出了依据本发明一实施例的吸附组件的剖面情形。
为了使本发明的上述目的、特征及优点更明显易懂，下文特举一较佳实施例，并配 合附图，作详细说明如下
实施方式
参照图3，示出了依据本发明一实施例的吸附组件100，其包括电热基材102、导热 黏结层104与吸附材料层106，其中导热黏结层104为一任选的膜层，该膜层可视吸附材料 层106所使用的材料而选择性地形成，不论电热基材102是与吸附材料层106接触进行热 传导，或是其间透过导热黏结层104进行热传导，皆属于以热传导的方式将电热基材102所 产生的热能以热传导的方式直接对吸附材料层106进行加热脱附。于一实施例中，电热基 材102的材料例如为超导薄膜发热片或正温度系数(PTC)热敏电阻，或如钨丝、热电材料等 其它可电致生热的材料，而于电热材料102与吸附材料层106之间更可任选地设置导热黏 结层104，该导热黏结层104包括导热、耐热且绝缘的材料，例如为氧化硅与氧化铝的无机 胶或为诸如聚乙烯醇缩丁醛(PVB)的有机胶。于一实施例中，吸附材料层106的材料例如 为硅胶、活性氧化铝、沸石或活性碳等多孔性吸附材料，吸附材料层106可直接充填于电热 基材102中而于其间不存在导热黏结层104，或者吸附材料层106也可通过导热黏结层104而黏着固定于电热基材102的内部侧壁，并于电热基材102内构成一流体通道110。
如图3所示，于吸附组件100的吸附操作时，向流体通道110内通入包括有机挥发 物或水汽的一气流112，进而通过吸附材料层106吸附气流112内的水汽或有机挥发物，而 被吸附附着于吸附材料层106上的水汽或有机挥发物则绘示为被吸附物114。此时，自流体 通道110所流出的经处理的气流116具有较低的湿度或较低的有机挥发物浓度，如此达到 净化空间内空气的目的。
参照图4，当对吸附组件100施行吸附操作一段时间使得其内吸附材料层106可能 达到饱和吸附时，需进行脱附操作以再生该吸附材料层106。此时，将吸附组件100耦接于 诸如交流电源或直流电源的电源108，而吸附组件100内的电热基材102则可直接或间接地 耦接于电源108，而此时向电源108通入一特定电压以直接加热电热基材102并产生热能 118，所通入的电压大小视电热基材102的体积而定。于电热基材102内产生的热能118可 直接传递至吸附材料层106或通过导热黏结层104的热传导而抵达吸附材料层106处并加 热它。因此，吸附于吸附材料层106上的被吸附物114在接受热能118后而达到可解吸附 的状态时便自吸附材料层106的表面脱附，进而达到再生吸附组件100的吸附材料层106 的目的。于上述再生操作时,还可向流体通道110内导入如干燥空气的一气流120以结合 并带出被脱附的被吸附物114，因此自流体通道110流出的一气流122将具有较高的湿度或 较高的有机挥发物浓度，如此便可达成再生吸附组件100的目的。
于图4所示的吸附组件100的再生程序中，由于电源108于电热基材102内所产 生的热能118可直接且均匀地加热吸附材料层104，因此可将热能损失降至最低。热能损失 仅包括电热基材102、导热黏结层104与吸附材料层106本身的热阻损失，因此可得到比前 述图1-2所示相关装置更好的脱附效能。图5a-5d则示出了包括数个如图3-4所示的吸附 组件100的吸附装置200的断面实施情形，于吸附装置200的不同区域内可整合有经规则 排列的数个吸附组件100，而每一吸附组件100的电热基材可包括如四边形(图5a)、六边 形(图5b)、瓦楞形(图5c)或螺旋形(图5d)等不同几何形状。可以理解的是，吸附组件 100的形状并不以上述情形为限，亦可能为其它形状。
于一实施例中，吸附装置200可为整合有多个吸附组件100的一轮状物，如图6所 示。吸附装置200包括相结合且规则地设置的数个吸附组件100，于这些吸附组件100的外 部包覆有一绝缘外框202 (于本实施例为一绝缘轮体)，而于吸附装置200内则设置有数个 绝缘隔板204以将吸附装置200界定出数个区域，这些区域内则分别设置了相结合且规则 设置的数个吸附组件100。吸附装置200还包括一轮体轴心206，由此固定吸附装置200。 于绝缘外框202的数个部分的表面之上设置有数个接触电极板208，吸附装置200内的吸附 组件100则可透过接触电极板208而电性耦接外部电源(未图示)，以利再生程序的施行。
参照图7，示出了沿如图6内线段7-7的一剖面情形。在此，接触电极板208与吸 附组件100之间通过穿透绝缘外框202的导电金属板210而连结，如此来自外部电源的电 流将可抵达吸附组件100处。
图8-9则示出了相似于图6所示吸附装置200的其它吸附装置200’的实施情形， 在此相同组件采用相同编号表示。参照图8，示出了一吸附装置200’，其主要构件与图6所 示的吸附装置200相似，但吸附装置200’于其进气侧结合有一进气盖212以及于其排气侧 结合有一排气盖214。在此，进气盖212大体于吸附装置200’内界定出一吸附区216与一脱附区218，可将欲吸附气体220导入吸附装置200’的吸附区216中以进行吸附程序，并可 将脱附用气体222通入吸附装置200’的脱附区218中以协助被吸附物质脱附离开吸附装 置200’。而排气盖214中亦设置有相对进气盖212的吸附区216与脱附区218的对应吸附 区与脱附区(未图示)，进而将吸附后与脱附后的气体导至适当地方。倘若欲脱附物质的 脱附温度较高时，例如高于180°C的水汽或高于100 160°C的有机挥发气体，则吸附装置 200’可采用如图9所示的结构，于进气盖212的脱附区218旁增设一预冷区224，并可导入 一预冷气流226以加速吸附装置200’的脱附区218的散热冷却，以利后续的吸附操作。
于另一实施例中，吸附装置可为整合有多个吸附组件100的一立方体物，如图10 所示的吸附装置400。在此，吸附装置400包括相结合且规则地设置的数个吸附组件100， 而这些吸附组件100则组成一立方体结构，于此立方体结构的外侧包覆有一绝缘框架402， 以保护内部结构体与绝缘。于绝缘框架402之上设置有一对接触电极板404、406，由此电性 耦接吸附组件100与外部电源(未图示)，以使电流可导通至吸附吸附组件100的电热基 材102处使其发热而进行脱附程序。在此，吸附装置400可应用于如图11-12所分别示出 的单塔式吸附系统或双塔式吸附系统。
参照图11，示出了整合有图10的吸附装置400的一种单塔式吸附装置500。在此， 单塔式吸附装置500包括进气盖502、吸附装置400及排气盖504。进气盖502结合于吸附 装置400的进气侧以于吸附作用时导入被吸附气体506至单塔式吸附装置500之中以进行 吸附处理，或于脱附作用时导入外部气体508至单塔式吸附装置500之中以协助排出包括 经脱附物质的气体。排气盖504结合于吸附装置400的排气侧以将经吸附处理完成的气体 510或包括经脱附物质的气体512导出单塔式吸附装置500之外并送至适当场合。于本实 施例中，单塔式吸附装置500本身可进行吸附与脱附功能。
参照图12，示出了整合有图10的吸附装置400的一种双塔式吸附装置600。在此， 双塔式吸附装置600包括两组吸附装置400，其进气侧分别与所述的进气盖602结合，每一 进气盖602分别结合于每一吸附装置400的进气侧以于吸附作用时导入被吸附气体606至 双塔式吸附装置600之中以进行吸附处理，或于脱附作用时导入外部气体608至双塔式吸 附装置600之中以协助排出包括经脱附物质的气体。每一排气盖604则结合于每一吸附装 置400的排气侧，以将经吸附处理完成的气体610或包括经脱附物质的气体612导出双塔 式吸附装置600之外并送至适当场合。于本实施例中，双塔式吸附装置600具有两组吸附 装置400，当其中一组吸附装置400进行吸附程序时，另一组吸附装置便可进行脱附程序， 如此可增加吸附处理量并减少脱附程序时间。双塔式吸附装置600可通过控制阀620、630 以分别控制双塔式吸附装置600内进气管路的启闭。
实施例
参照图13，示出了依据本发明一实施例的吸附组件剖面情形，其为正三角形的电 热基材102，而电热基材102的内部表面上形成有一吸附材料层106并构成一通道110。在 此，电热基材102的厚度为O. 05mm，而吸附材料层106的厚度为O. 5mm。热基材102的边长 为5mm，通道110的长度为20mm。当再生用气流(未图示)在25°C以2m/s进入吸附装置内 的通道110时，吸附装置内的吸附材料层106于脱附程序时的热能计算如下
直热基材102材质为铝合金，其比热(Cp)为O. 21cal/g°C;热传系数⑷为210 255w/m · k ;密度为2. 7g/cm3。而吸附材料层106材质为分子筛,其比热(Cp)为O. 95cal/g°C ;热传系数(K)为 O. 588w/m · k ;密度为 2. 03g/c. c.(湿)，1. 57g/c. c.(干)。
经计算，分子筛涂布截面积=#〔/2-(/-2V^)4(52 -3.2682)=6.2W’而通道分子筛涂布体积=6. 2X20 = 124mm2 =1. 24c. c.,而吸附剂重量(干)=1. 57g/ c. c. X1. 24=1. 95g。以吸、脱附水份以10 %基重计算，再生温度为140°C。水份量=1. 95X10 % = O. 195g。以3w功率加热通道110约10秒计3X10 =30J 1C.ο π τ-= 154’ 每克水脱附耗能=ai95S J/g。 每克水脱附耗能30J=L95^5%= j/g *,io%w, 其耗能为154J/g。如脱附水份为5%时，其耗能为308J/g。
无论是相较于图1所分析的使用除湿转轮的传统家用滴水式除湿机的能源消耗分析，或相较于台湾专利申请公开第201026374号的电极通电脱附方式的4200_4700J/g耗能情形，上述实施例中的吸附组件于再生脱附过程中的耗能极低，甚至仅为台湾专利申请公开第201026374号的3% 7%左右。因此，本申请所公开的吸附组件与其再生方法实质上具有更低耗能的优点。此外，由于本申请的吸附组件与吸附装置内整合了电热基材用于脱附再生，故可免除加热器的设置，因而可提供体积更为缩减的吸附组件与吸附装置。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可作修改与改变，因此本发明的保护范围以所附权利要求为准。
权利要求
1.一种吸附组件，包括一电热基材，其构成一流体通道；以及一吸附材料层，设置于该电热基材之上并接触该流体通道，由此吸附流经该流体通道内的气体内的水汽或有机挥发物。
2.如权利要求1所述的吸附组件，其中该电热基材包括超导薄膜发热片或正温度系数热敏电阻。
3.如权利要求1所述的吸附组件，还包括一导热黏结层，设置于该电热基材与该吸附材料层之间，其中该导热黏结层包括无机胶或有机胶。
4.如权利要求3所述的吸附组件，其中该无机胶包括氧化硅与氧化铝。
5.如权利要求3所述的吸附组件，其中该有机胶包括聚乙烯醇缩丁醛。
6.如权利要求1所述的吸附组件，其中该吸附材料层包括多孔性吸附材料。
7.如权利要求1所述的吸附组件，其中该吸附材料层包括硅胶、活性氧化铝、沸石或活性碳。
8.一种吸附装置，包括一绝缘外框，其内具有一空间；多个如权利要求1所述的吸附组件，所述吸附组件相结合且规则地设置于该绝缘外框的该空间中；以及数个接触电极板，设置于该绝缘外框的外表面上，其中该些接触电极板电性耦接该些吸附组件。
9.如权利要求8所述的吸附装置，其中该绝缘外框为一绝缘轮体，而该吸附装置还包括多个绝缘隔板，设置于该绝缘轮体内，于该绝缘轮体内界定出数个区域，其中该些区域包括了该些吸附组件；以及一轮体轴心，设置于该绝缘轮体的中心，以固定该吸附装置。
10.如权利要求9所述的吸附装置，还包括一导电金属板，该导电金属板穿透该绝缘轮体以连结该些吸附组件与该些接触电极板之一。
11.如权利要求9所述的吸附装置，还包括一进气盖与一排气盖，设置于该绝缘轮体的两相对侧，其中该进气盖与该排气盖于该吸附装置内界定出吸附区与脱附区。
12.如权利要求11所述的吸附装置，其中该进气盖与该排气盖于该吸附装置内还界定出预冷区，该预冷区邻近该脱附区。
13.如权利要求8所述的吸附装置，其中该绝缘外框为绝缘立方体，而该吸附装置还包括一进气盖，结合于该绝缘立方体的一侧；以及一排气盖，结合于该绝缘立方体相对于该排气盖的另一侧。
14.如权利要求13所述的吸附装置，其中该吸附装置为塔式吸附装置。
15.一种吸附组件的再生方法，包括提供如权利要求1所述的该吸附组件，其中该吸附材料层的表面上具有至少一被吸附物；提供一电源，并耦接该电源与该吸附组件的该电热基材；以及由该电源提供一电流至该电热基材，使该电热基材产生热能并热传导至该吸附材料层，以加热该吸附材料层并脱附该至少一被吸附物至该流体通道中。
16.如权利要求15所述的吸附组件的再生方法，其中该电源为交流电源或直流电源。
17.如权利要求15所述的吸附组件的再生方法，还包括导入一气流至该流体通道内， 以结合并带离该经脱附的该至少一被吸附物。
18.如权利要求17所述的吸附组件的再生方法，其中该气流包括干燥空气。
全文摘要
本发明涉及一种吸附组件，该吸附组件包括一电热基材，其构成一流体通道；以及一吸附材料层，形成于该电热基材之上并接触该流体通道，由此吸附流经该流体通道内的气体内的水汽或有机挥发物。本发明还涉及一吸附装置以及其再生方法。
文档编号B01D53/26GK102989258SQ20111030933
公开日2013年3月27日 申请日期2011年10月10日 优先权日2011年9月9日
发明者洪敏郎, 曾鹏樟, 康育豪, 陈幸婷, 彭及青 申请人:财团法人工业技术研究院