KR100428048B1

KR100428048B1 - 냉각된 충돌판을 갖는 임팩터

Info

Publication number: KR100428048B1
Application number: KR10-2001-0023821A
Authority: KR
Inventors: 김상수; 이병욱
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2001-05-02
Filing date: 2001-05-02
Publication date: 2004-04-27
Also published as: US6827219B2; US20020162773A1; KR20020084504A

Abstract

본 발명은 임팩터의 충돌판을 상온보다 낮은 온도로 냉각시켜 미세입자의 분리효율을 크게 향상시킬 수 있도록 한 임팩터에 관한 것으로, 미세입자를 분리, 포집하기 위한 장치로서, 미세입자의 운동에너지를 가속시켜 주는 가속노즐(20)과, 상기 가속노즐(20)의 토출구로부터 소정 간격을 갖고 떨어져 배치되고, 가속노즐 (20)로부터 토출된 미세입자를 충돌시켜 미세입자의 유로방향을 절환시켜 유로를 벗어난 특정 관성이 큰 입자를 부착시키는 충돌판(30) 및 상기 충돌판(30)을 주위 온도보다 낮은 온도로 냉각시키기 위해서 충돌판(30)에 부착된 냉각수단을 포함하여, 상기 냉각수단으로 냉각화 된 상기 충돌판(30)에 미세 입자의 침착성능이 높아지도록 구성한 것을 특징으로 한다.

Description

냉각된 충돌판을 갖는 임팩터{Impactor with cooled impaction plate}

본 발명은 환경오염입자 측정 및 제어분야에서 미세입자를 분리, 포집하기 위해 사용하는 임팩터(Impactor ; 관성충돌기)에 관한 것으로서, 특히 임팩터의 충돌판을 상온보다 낮은 온도로 냉각시켜 미세입자의 분리효율을 크게 향상시킬 수 있도록 한 임팩터에 관한 것이다.

근래에 들어 환경오염에 대한 관심이 높아지고 중요해짐에 따라 환경오염 측정장치 및 환경오염물질 연구장치가 많은 연구의 대상이 되고 있다.

특히, 임팩터는 환경오염물질 중 대기오염의 주원인인 미세입자(aerosol)의 측정 및 제어에 많이 사용되는 장치이다. 임팩터라는 것은 미세입자(10㎛ 이하의 입자)가 가지는 관성을 이용하여 미세입자를 분리,포집 및 측정하는 장치로서 1970년대 환경입자 연구가들에 의해 개발되어 사용되고 있다.

상기 임팩터는 유로를 따라 이동하던 유동 입자들의 유로를 급변화시켜 입자들 각각이 가진 관성 크기를 이용한다. 즉, 관성이 작은 입자는 급변하는 유동의 흐름을 잘 따라가게 되고, 관성이 큰 입자는 유로를 벗어나게 되는데, 이러한 현상을 이용하여 임팩터는 유로를 벗어난 입자를 충돌판(impaction plate)에 충돌시켜 포집하게 된다.

도 1은 종래의 임팩터의 단면을 보여주고 있다. 입자를 포함한 유체는 임팩터를 향해 가압 혹은 흡입을 통해 흘러들어간다. 이때 임팩터는 미세입자가 가지는 관성을 높여주기 위해 가속노즐(20)을 포함한다. 가속되어 관성이 커진 미세입자는 그 관성에 따라 관성이 특정량보다 큰 것은 충돌판(30)에 부착되고, 관성이 특정량보다 작은 것은 유체를 따라 그대로 흘러나가게 된다.

통상 임팩터에서 관성의 측정은 미세입자의 운동방정식을 풀어서 얻게 되는 다음과 같은 스톡스수(Stoke's number)에 의해 정해지며 스톡스수는 다음과 같이 정의된다.

여기서는 미세입자의 밀도,는 미세입자의 미끄럼 보정계수(slip correction factor),는 노즐을 통과하는 유체의 평균속도,는 미세입자의 직경,는 유체의 점도,는 노즐의 너비 혹은 노즐의 직경을 나타낸다.

위와 같이 정의된 스톡스수는 임팩터에서 미세입자의 관성의 크기를 나타내며, 분리성능을 이 스톡스수에 따라 표시한다.

종래의 임팩터는 충분한 분리효율을 얻기 위하여 일반적으로 충돌판위에 코팅제를 발라 사용하는데, 많은 경우 이 코팅제를 사용할 수 없는 조건이 발생하며 이 경우 임팩터의 분리효율이 크게 감소하게 된다.

예를 들어, (1)고온에서 발생하는 에어로졸(aerosol)의 샘플링(sampling)의 경우 고온에서는 코팅제가 일반적으로 불안정화되어 코팅제가 유동성을 갖게 되어 흘러내리거나 기체로 증발하여 코팅제의 역할을 제대로 수행할 수 없고, (2)생물학적 입자(bio-aerosol)의 샘플링의 경우 생물학적 입자가 코팅제에 의해 오염 (contamination)되어 정확한 생물학적 입자의 분석이 어렵다.

따라서 임팩터에서 코팅제를 사용할 수 없는 조건의 경우, 높은 분리효율을 가지는 임팩터가 요구된다.

본 발명은 상기와 같은 사정을 감안하여 창안된 것으로, 입자의 운동특성인 열영동현상을 이용하여 충돌판을 냉각시켜서 분리효율을 높인 고효율 임팩터를 제공함에 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구체적인 수단은,

미세입자를 분리, 포집하기 위한 장치로서,

미세입자의 운동에너지를 가속시켜 주는 가속노즐(20)과;

상기 가속노즐(20)의 토출구로부터 소정 간격을 갖고 떨어져 배치되고, 가속노즐(20)로부터 토출된 미세입자를 충돌시켜 미세입자의 유로방향을 절환시켜 유로를 벗어난 특정 관성이 큰 입자를 부착시키는 충돌판(30); 및

상기 충돌판(30)을 주위 온도보다 낮은 온도로 냉각시키기 위해서 충돌판 (30)에 부착된 냉각수단을 포함하여,

상기 냉각수단으로 냉각화 된 상기 충돌판(30)에 미세 입자의 침착성능이 높아지도록 구성한 것을 특징으로 한다.

도 1은 종래 임팩터의 단면도로서, 미세입자의 분리상태도.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 임팩터로서, 미세입자의 분리상태도.

도 3은 본 발명에 따른 포집 효율을 종래의 포집 효율과 비교하여 나타낸 포집 효율선도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

20 : 노즐가속도 30 : 충돌판

40 : 냉각수단

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 임팩터의 단면구조이다.

도 2에서와 같이 미세입자의 운동에너지를 가속시켜 주는 가속노즐(20)과, 상기 가속노즐(20)의 토출구(21)로부터 소정 간격으로 떨어져 배치되고, 가속노즐 (20)로부터 가속되어 온 미세입자를 충돌시켜 미세입자의 유로방향을 절환시켜 유로를 벗어난 특정관성이 큰 입자를 부착시키는 충돌판(30) 및 상기 충돌판(30)을 상온보다 낮은 온도로 냉각시키기 위해서 충돌판(30)에 부착된 냉각수단(40)을 포함한다.

상기 냉각수단은 본 실시예에서 열전소자(thermoelectric module)를 사용한다.

이와 같이 할 경우는 충돌판(30)위에 코팅제 사용 없이도 임팩터가 고효율의성능을 보여준다.

이러한 결과는 도 3의 실험결과 선도를 통해 확인할 수 있다.

도 3은 임팩터의 대표적 사용조건 가운데 하나인 비산재(flyash)입자를 레이놀즈수(Reynolds number)=3300일 경우에 임팩터 실험을 한 것이다. 레이놀즈수는 다음과 같이 정의된다.

여기서는 유체의 밀도, 나머지 문자는 상기 스톡스수 정의할때와 같다.

이 결과에서 그래프의 좌측 상단에 나타난 선모양의 설명은 각각 기존의 임팩터로서 코팅제를 바르지 않은 경우(a선도), 본 발명의 임팩터로서 코팅제를 바르지 않고 냉각시킨 경우(b선도), 기존의 임팩터로서 코팅제를 바른 경우(c선도)를 나타낸다.

도 3을 통해 종래의 임팩터가 코팅제를 바르지 않을 경우 스톡스수가 큰 영역에서 집진효율이 낮아서 임팩터의 성능이 떨어지지만, 충돌판(30)을 냉각시킬 경우는 스톡스수가 큰 영역에서 집진효율이 증가하여 임팩터의 성능이 향상되어 종래의 임팩터가 코팅제를 사용할 때 정도의 분리효율(침착효율)이 이루어짐을 알 수 있다.

이때 충돌판(30)의 냉각작용에 의해 더 많은 입자가 침착되는데, 이런 현상은 열영동현상(Thermophoresis)에 의해서 설명될 수 있다. 열영동현상이란, 주위의 온도구배가 형성되면 온도가 낮아지는 방향으로 입자에 힘이 작용하게 되는 것을 말하며, 본 실시예에서는 미세입자에 힘이 냉각된 충돌판(30)측으로 작용하게 되어있어 침착효율이 높아지는 것이다.

본 실시예에서는 충돌판(30)을 냉각시키기 위해 열전소자(thermoelectric module)를 사용했지만, 냉각수단으로 어떤 장치를 사용하는가 하는 것은 결과에 영향을 미치지 않는다.

이상은 본 발명의 일실시예를 설명한 것이나, 본 발명의 보호범위는 상기의 실시예만 한정되는 것은 아니며, 상기한 실시예에서 나타난 충돌판을 냉각한 임팩터의 경우에는 다양하게 변형하여 적용할 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명의 임팩터에 따르면, 충돌판위에 코팅제의 사용 없이도 임팩터의 고효율의 성능을 가질 수 있다. 따라서 종래에 코팅제를 사용하여 나타나는 코팅제의 흘러내림, 기체로의 증발, 입자 오염의 염려가 없다. 또한 냉각장치가 그 임팩터의 크기에 따라 다르지만 많은 비용이 소요되지 않는 이점을 갖는다.

그러므로 본 발명은 환경오염입자의 측정이나 제어, 생물입자의 측정이나 제어, 물질을 제조하기 위한 미세입자의 제어 등의 분야에 폭 넓게 활용될 수 있다.

Claims

미세입자를 분리, 포집하기 위한 장치로서,

미세입자의 운동에너지를 가속시켜 주는 가속노즐(20)과;

상기 가속노즐(20)의 토출구로부터 소정 간격을 갖고 떨어져 배치되고, 가속노즐(20)로부터 토출된 미세입자를 충돌시켜 미세입자의 유로방향을 절환시켜 유로를 벗어난 특정 관성이 큰 입자를 부착시키는 충돌판(30); 및

상기 충돌판(30)을 주위 온도보다 낮은 온도로 냉각시키기 위해서 충돌판 (30)에 부착된 열전냉각소자로 구성한 것을 특징으로 하는 임팩터.
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