KR100614101B1 - 입자 계수기 - Google Patents

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KR100614101B1
KR100614101B1 KR1020050086079A KR20050086079A KR100614101B1 KR 100614101 B1 KR100614101 B1 KR 100614101B1 KR 1020050086079 A KR1020050086079 A KR 1020050086079A KR 20050086079 A KR20050086079 A KR 20050086079A KR 100614101 B1 KR100614101 B1 KR 100614101B1
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문길주
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Abstract

본 발명은 공기 중에 포함된 미세 입자의 수농도를 측정하는 입자 계수기에 관한 것이다. 본 발명에 따른 입자 계수기는, 대기 중의 공기를 빨아들이며, 그 내부에서 성장액이 기화되는 기화기와, 그 내부 공간을 전기적으로 차폐하여 일정온도로 유지하면서, 일측을 통해 상기 기화기로부터 공기 및 기화된 성장액이 유입되어 공기 중에 포함된 미세 입자의 표면에 기화된 성장액을 응축시키고, 입자를 하전시켜 하전된 입자의 전류를 측정하여 공기 중에 포함된 입자의 수를 측정하는 차폐유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다. 이러한 입자 계수기에 의하면 측정기의 장소 이동이 쉬우면서 공기 중에 포함된 미세 입자의 수농도를 용이하게 측정하는 것이 가능해진다.
입자, 계수, 응축, 하전, 전류, 수농도

Description

입자 계수기 {Particle Counter}
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 입자 계수기의 구성을 나타내는 개략도이고,
도 2는 본 발명의 차폐유닛을 나타내는 도면이고,
도 3은 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 입자 계수기의 구성을 나타내는 개략도이고,
도 4는 희석기의 개략적인 구성을 나타내는 도면이고,
도 5는 유량 분리기의 개략적인 구성을 나타내는 도면이고,
도 6은 임팩터의 단면을 나타내는 도면이고,
도 7은 본 발명의 확산 스크린이 분리된 상태를 나타내는 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10...기화기 20...차폐유닛
40...희석기 50...유량 분리기
61...임팩터 80...확산 스크린
100...유량 조절 유닛
본 발명은 입자계수기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 미세 입자를 응축시켜서 성장시키고, 성장한 미세 입자 표면에 이온을 하전시킨 후, 이온량을 측정함으로써 미세 입자의 수농도를 측정할 수 있는 입자계수기에 관한 것이다.
최근 들어 대기 환경분야의 광화학 스모그(photochemical smog), 시정(visibility), 대기화학반응 현상 등을 규명하거나, 호흡에 의해 인체의 폐 속 깊이 흡입되는 미세 입자들에 의한 유해성을 평가하는데 있어서 초미세 입자의 수농도를 측정하는 기술이 매우 중요하다. 또한, 이 외에도 미세 입자의 물리화학적 특성 분석, 반도체 분야, 나노산업 분야의 입자 제어 등 다양한 산업의 광범위한 응용분야에서 그 중요성이 더욱 강조되고 있다.
이러한 초미세 입자를 포함하는 입자상 물질의 수농도를 측정하는 장비는 광학센서를 사용하여 입자의 수를 측정하는 장비와 입자를 하전시켜 전류를 측정하는 장비로 나눌 수 있다.
광학센서를 사용하여 측정하는 장비에는, MSP사의 WPS(Wide range Particle Spectrometer), Met One사의 CNC(Condensation Nucleus Counter), TSI사의 SMPS(Scanning Mobility Particle Sizer)를 구성하는 CPC(Condensation Particle Counter), PMS사의 LPC(Laser Particle Counter) 등이 있다. 또한, 전기적인 방법으로 측정하는 장비에는 Dekati사의 ELPI(Electrical Low Pressure Impactor) 등이 있다.
광학센서를 사용하여 측정하는 여러 장비 중에서 널리 사용되는 TSI사의 CPC를 살펴보면, 알코올을 기화시킨 후, 미세 입자의 표면에 알코올을 응축시켜서 입자의 크기를 크게 하여, 광학적으로 입자의 수농도를 측정하게 된다. 그런데, 이러한 CPC를 포함하여 광학센서를 사용하여 미세 입자의 수농도를 측정하는 장비들은 가격이 매우 고가이며, 측정 장소에 따라 장비를 이동시키는 과정 중에 응축액에 의해 광학센서가 오염될 수 있다는 문제점이 있다.
또한, 전기적인 방법을 사용하는 ELPI의 경우, 미세 입자를 최대로 하전시켜서 미세 입자에 하전된 전하량을 측정함으로써 미세 입자의 수농도를 측정하게 된다. 이 경우, 미세 입자가 포함할 수 있는 최대 전하량은 입자의 크기에 의해 결정된다. 보통 1㎛의 직경을 갖는 구형 입자의 경우에는 대략 156,000개의 전자를 포함할 수 있지만, 입자를 하전하는 방법에 따라 하전되는 양은 크게 달라진다. 일반적으로 약 1,000개의 전하로 균일하게 하전된 입자의 수농도가 100개/㎤이고, 1ℓ/min의 유량으로 전류계를 통과시키는 경우, 즉, 분당 1×105개의 미세 입자가 전류계를 통과하는 경우에 검출되는 전류는 약 2.7×10-13A가 된다. 따라서, 사용자는 측정된 전류의 크기에 의해서 역으로 미세 입자의 수농도를 측정할 수 있게 된다.
그런데, 이처럼 전기적인 방법을 사용하는 경우, 광학센서와 같이 이동시키는 경우에 오염문제는 발생하지 않지만, 측정 가능한 입자의 하한치가 약 0.03㎛에 해당하여, 광학센서를 사용하는 장비에 비하여 상대적으로 큰 입자만 측정이 가능 하다. 이는 미세 입자일수록 입자 표면에 하전되는 하전량이 적기 때문에 측정할 수 있는 전기적인 미세 신호에 한계가 있기 때문이다. 따라서, 전기적으로 입자의 수농도를 측정하는 경우에는 광학센서를 사용하는 장비보다 정확성이 떨어진다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해서 개발된 것으로서, 자유롭게 이동이 가능하고, 종래의 전기적인 방법에 의한 장치보다 더욱 미세한 입자의 수농도를 측정하는 것이 가능한 입자 계수기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 본 발명의 목적은, 대기 중의 공기를 빨아들이며, 그 내부에서 성장액이 기화되는 기화기와, 그 내부 공간을 전기적으로 차폐하여 일정온도로 유지하면서, 일측을 통해 상기 기화기로부터 공기 및 기화된 성장액이 유입되어 공기 중에 포함된 미세 입자의 표면에 기화된 성장액을 응축시키고, 입자를 하전시켜 하전된 입자의 전류를 측정하여 공기 중에 포함된 입자의 수를 측정하는 차폐유닛을 포함하는 입자 계수기에 의해 달성된다.
본 발명에서, 상기 차폐유닛은 상기 기화기에서 공급되는 공기 및 기화된 성장액이 유입되는 유입구가 형성되며, 그 내부가 전기적으로 차폐되는 하우징과, 상기 하우징 내부의 온도를 상기 기화기 내부의 온도 이하의 낮은 온도로 일정하게 유지하여, 상기 기화기에서 기화된 성장액이 공기 중에 포함된 미세 입자의 표면에 응축되도록 하는 저온 조절기와, 상기 하우징의 내부에 형성되어, 상기 성장액이 응축된 미세 입자를 하전시키는 하전부와, 상기 하우징의 내부에 형성되어, 상기 하전부에 의해 하전된 미세 입자의 전하량을 측정하는 전류 측정부를 포함한다.
여기서, 상기 하전부는 바람직한 실시예에 따르면 상기 하우징의 내벽에서 중앙을 향하여 돌출 형성된 다수개의 전극과 상기 전극에 전압을 인가하는 고전압 발생기를 포함할 수 있으며, 상기 고전압 발생기에서 인가되는 고전압에 의해 상기 전극에서 코로나 방전을 통하여 상기 하우징의 내부에 다수의 이온을 발생시켜, 성장액이 응축된 상기 미세 입자들을 상기 이온에 의해 하전시키게 된다.
한편, 본 발명의 입자 계수기는, 상기 하전부와 전류 측정부 사이에 공기 중의 미세 입자에 하전되지 않고 남아있는 여분의 이온을 제거하는 이온 제거부를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 이온 제거부는 상기 하우징의 일측에 설치되는 전압 발생기와, 상기 하우징의 내부 중앙에 위치하고, 상기 전압 발생기에 의해 전압을 발생시켜 전기력에 의해 상기 미세 입자에 하전되지 않은 이온들을 상기 하우징의 내벽쪽으로 밀어내는 이온트랩전극과, 상기 하우징의 내벽에 설치되어, 상기 하우징의 내벽을 향해 밀려온 이온들을 제거하는 이온 제거벽을 포함할 수 있다.
한편, 상기 전류 측정부는 상기 하전된 입자를 채취하여 이온과 입자를 분리하는 전도성 필터와, 상기 전도성 필터를 지지하는 지지부재 및 고정부재와, 상기 전도성 필터에 의해 채취된 하전 입자가 포함하는 이온의 전류량을 측정하여 컴퓨 터로 표시하는 전류 측정기를 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 입자 계수기는, 대기 중의 공기를 빨아들여 측정에 사용하고자 하는 양만큼의 공기를 분리하여 상기 기화기로 공급하고, 나머지 공기는 벤트라인용 통로를 통해 배출시키는 유량 분리기와, 상기 유량 분리기를 통하여 상기 기화기로 공급되는 유량과 상기 벤트라인용 통로를 통해 배출되는 유량을 조절하는 유량 조절 유닛을 더 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 입자 계수기는, 상기 유량 분리기와 기화기 사이에 상기 유량 분리기에 의해 분리된 공기에서 측정하고자 하는 크기 이외의 미세 입자들을 분리해내는 입자 분리 유닛을 더 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 입자 계수기는, 대기 중의 공기를 빨아들여 공기 중에 포함된 미세 입자를 희석하여 희석된 공기를 상기 유량 분리기에 공급하는 희석기를 더 포함할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정되는 것은 아니며, 본 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 적절하게 정의되었다. 따라서, 이들의 용어나 단어는 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 그러므로, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해해야 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 입자 계수기의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 입자 계수기의 구성요소들을 상세하게 설명한다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 입자 계수기는, 대기 중의 공기를 빨아들이며 그 내부에서 성장액이 기화되는 기화기(10)와, 그 내부공간을 전기적으로 차폐하여 일정온도로 유지하면서, 기화기(10)에서 기화된 성장액을 미세 입자의 표면에 응축시켜 미세 입자의 부피를 크게 하고, 미세 입자를 하전시킨 다음, 하전된 전하량을 측정하는 차폐유닛(20)을 포함한다.
기화기(10)는 대기 중의 공기가 유입되는 공기 유입구(12)와 기화기(10) 내부를 일정온도 이상으로 유지하는 히터 온도 조절기(14)를 포함한다. 공기 유입구(12)를 통해 기화기(10)의 내부로 공기가 유입되면, 히터 온도 조절기(14)에 의해 기화기(10)의 내부온도를 조절하여 미세 입자의 표면에 응축되는 성장액을 기화시킨다. 본 발명의 바람직한 실시예에서는 성장액으로서 알코올을 사용하였지만, 성장액은 이에 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 적절한 성장액이 채택될 수 있다.
비록 도면에는 도시되지 않았지만, 기화기(10)는 별도의 성장액 저장탱크와 연결되어 그 내부로 성장액을 공급받는다. 기화기(10)의 내부에 포함된 성장액은 히터 온도 조절기(14)에 의해 가열되어 기화된다. 기화된 성장액 중의 일부는 기화 기(10)의 내부에서 미세 입자의 표면에 응축되지만, 대부분의 성장액은 기화기(10) 내부의 높은 온도에 의해 응축되지 않고 증기 상태로 존재하게 된다. 이와 같이, 기화된 성장액, 공기 및 미세 입자는 함께 유동하여 후술하는 차폐유닛(20)의 내부로 유입된다.
도 2는 차폐유닛(20)을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 차폐유닛(20)은 먼저 하우징(21)을 포함한다. 하우징(21)은 그 내부가 전기적으로 차폐되도록 구성된다. 하우징(21)의 일측에는 기화기(도 1 참조)(10)에서 연장된 공급라인(22)이 연결되며, 공급라인(22)을 통해 기화기(10)에서 기화된 성장액, 공기 및 미세 입자가 하우징(21)의 내부로 유입된다.
하우징(21)의 내부에는, 기화된 성장액, 공기 및 미세 입자가 하우징(21)의 내부로 유입되는 유입구(23)로부터 차례대로 하전부, 전류 측정부가 형성된다. 하우징(21)에 유입된 미세 입자의 표면에 성장액이 응축되어 미세 입자의 부피가 커져서 성장하게 되면, 하전부에 의해 성장한 미세 입자가 하전되고, 전류 측정부에 의해 미세 입자에 하전된 전하량을 측정하여 미세 입자의 수농도를 계산하게 된다. 이하, 하우징(21) 내부의 구조에 대해서 순서대로 상세히 설명한다.
차폐유닛(20)의 골격을 형성하는 하우징(21)의 일측에는 저온 조절기(26)가 설치되어 하우징(21)의 내부 온도를 일정하게 유지한다. 이 경우, 기화된 성장액이 공기 중에 포함된 미세 입자 표면에 응축되도록 하우징(21)의 내부온도를 기화기(10)의 내부온도 이하의 낮은 온도로 유지한다. 따라서, 하우징(21)의 유입구(23)와 인접한 하우징(21)의 내부 부분은 낮은 온도에 의해 자연스럽게 응축부를 형성 하게 된다. 즉, 유입구(23)를 통해 하우징(21)의 내부로 유입된 성장액 증기는 하우징(21)의 내부의 낮은 온도에 의해 공기 중에 포함된 미세 입자의 표면에 응축된다. 미세 입자는 이러한 성장액의 응축에 의해 부피가 커지게 된다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 기화기(10)의 온도를 38℃로 유지하고, 하우징(21)의 내부 온도를 18℃로 유지하는 경우, 대략 360개/㎤의 농도로 희석한 미세 입자는 성장액에 의해 5㎛의 직경으로 성장하게 된다. 이 경우 성장한 미세 입자의 기하하적 표준편차는 1.3 이하에 해당하여, 성장한 미세 입자의 크기가 매우 균일함을 알 수 있었다.
전술한 바와 같이 크기가 균일하게 커진 미세 입자는 하전부에 의해 하전된다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 하전부는 하우징(21)의 내벽에서 중앙을 향하여 돌출 형성된 다수개의 전극(29)과, 전극(29)에 고전압을 인가하는 고전압 발생기(28)를 포함한다. 고전압 발생기(28)에 의해 전극(29)에 4㎸ 이상의 고전압을 인가하여 코로나 방전을 발생시켜 하우징(21)의 내부에 다수개의 이온을 생성한다. 이 경우, 고전압 발생기(28)의 전압을 높일수록 이온 생성량은 증가하게 된다. 따라서, 성장액의 응축에 의해 성장한 미세 입자는 하전부의 전극(29)에서 발생한 다수의 이온들과 뒤섞이면서 확산에 의해 하전된다.
한편, 미세 입자에 하전된 이온뿐만 아니라, 하전되지 않고 공기 중에 남아 있는 여분의 이온들이 전류 측정부에 의해 측정되면 정확한 미세 입자의 수농도를 측정하는 것이 곤란하므로, 공기 중에 남아 있는 이온들을 제거할 필요성이 있다. 이러한 여분의 이온들은 이온 제거부에 의해 제거된다.
이온 제거부는 하우징(21)의 내부에 하전부와 전류 측정부 사이에 위치하게 된다. 이온 제거부는, 하우징(21)의 일측에 설치되는 전압 발생기(미도시)와, 하우징(21)의 내부 중앙부에 위치하고, 상기 전압 발생기에 의해 인가된 전압을 발생하는 이온트랩전극(ion trap pole)(30) 및 하우징(21)의 내벽에 설치되는 이온 제거벽(32)을 포함한다. 상기 전압 발생기에 의해 75V 이상의 전압을 이온트랩전극(30)에 인가하면, 하우징(21) 내부에 남아 있는 여분의 이온들은 이온트랩전극(30)에서 멀어지는 방향으로 전기력을 받게 된다. 즉, 하우징(21)의 내부 중앙부에 설치된 이온트랩전극(30)에서 멀어지는 방향으로 하우징(21)의 내벽을 향하여 전기력을 받아 이동하게 된다. 이 경우, 하우징(21)의 내벽에는 이온 제거벽(32)이 설치되어, 밀려난 이온들이 제거벽(32)과 충돌하여 제거된다. 한편, 이온에 의해 하전된 미세 입자들은 순수한 이온에 비하여 관성이 크므로, 이온트랩전극(30)에 의해 제거벽(32)까지 밀리지 않고, 전류 측정부까지 흘러가게 된다.
이온 제거부의 다음에는 전류 측정부가 위치한다. 전류 측정부는 하전된 입자를 채취하여 이온과 입자를 분리하는 전도성 필터(38)와, 전도성 필터(38)를 지지하는 지지부재(37) 및 고정부재(35)와, 전도성 필터(38)에 의해 채취된 하전 입자가 포함하는 이온의 전류량을 측정하여 컴퓨터(36)로 표시하는 전류 측정기(34)를 포함한다.
전도성 필터(38)는 유입되는 공기 중에 포함된 하전 입자를 채취하여, 입자에서 이온을 분리하여 전류 측정기(34)로 이온을 전달하는 역할을 하게 된다. 따라서, 전도성 필터(38)의 구멍이 작을수록 더욱 미세한 입자들을 채취할 수 있게 된 다. 본 발명에서는 HEPA(High Efficiency Particulate Air)필터를 전도성 필터로 채용하였다. 상기 HEPA필터에 의하면 모든 크기의 입자를 99.97% 이상 채취할 수 있게 된다. 전도성 필터(38)는 바람직하게 0.5 내지 1㎜의 두께와 30 내지 37 ㎜의 직경을 갖는다. 이와 같이, 소형의 필터를 사용함으로써 하우징(21)의 전체의 부피를 줄일 수 있게 된다.
전도성 필터(38)는 하우징(21) 내부에서 지지부재(37)와 고정부재(35)에 의해 고정된다. 이러한 필터(38) 및 금속으로 된 지지부재(37)와 하우징(21)과의 통전(通電)을 방지하기 위하여, 고정부재(35)는 전기적 절연재질로 제조된다. 바람직하게, 이러한 고정부재(35)는 테프론(Teflon)과 같은 절연재질로 제조될 수 있다.
한편, 전류 측정기(34)는 필터(38)에 의해 채취된 이온에 의해 전류를 측정하게 되며, 측정된 전류의 양에 의해 공기 중에 포함된 미세 입자의 수농도를 측정하게 된다. 전도성 필터(38)를 거친 공기는 공기 배출구(39)를 통해 외부로 배출된다.
여기서 설명되지 않은 참조번호 24는 추가 이온 공급관으로서, 별도의 기화기(미도시)와 연결되어 하우징(21)의 내부에 추가적으로 이온을 공급해주는 역할을 한다.
도 3은 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 입자 계수기의 구성을 개략적으로 나타낸다.
도 3을 참조하면, 본 실시예는 도 1의 실시예와 비교하여, 소정의 공기를 흡입하여 공기 중에 포함된 미세 입자를 희석시키는 희석기(40)와, 희석기(40)에 의 해 희석된 공기에서 측정에 사용하고자 하는 양만큼의 공기를 분리하는 유량 분리기(50)와, 유량 분리기(50)에 의해 분리된 공기에서 측정하고자 하는 크기 이외의 미세 입자들을 분리해내는 입자 분리 유닛(60)을 더 포함하는 점에서 차이가 있다. 이하, 도면을 참조하여 상기 구성요소들에 대하여 상세히 설명한다. 아울러, 도 1의 실시예와 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조번호를 사용하였음을 밝혀둔다.
도 4는 본 실시예에서 희석기(40)의 구성을 나타내는 개략도이다.
도 4를 참조하면, 희석기(40)는 공기 유입구(44)와 공기 배출구(46)가 형성된 본체(42)를 구비하며, 본체(42)의 일측에는 필터(43)와 조절밸브(45)가 설치된 별도의 라인(47)이 형성된다.
공기 유입구(44)를 통해 대기의 공기(Qt)가 본체(42)의 내부로 유입되면, 그 중 일부 유량(Qd)은 별도의 라인(47)을 통해 흐르게 되고, 나머지 유량(Qs)은 본체(42) 내부의 라인(41)을 통해 그대로 흐르게 된다. 별도의 라인(47)을 통해 흐르는 유량(Qd)은 필터(43)에 의해 입자가 제거되고 다시 본체(42) 내부로 합쳐지게 된다. 따라서, 공기 배출구(46)를 통해 배출되는 공기의 양은 유입된 공기량(Qt)과 동일하지만, 별도의 라인(47)을 통해 흐르는 유량(Qd)은 필터(43)에 의해 입자가 제거되었으므로, 전체 공기 중에 포함된 입자의 농도는 희석되게 된다.
이와 같이, 공기 중에 포함된 미세 입자를 희석하는 이유는, 공기 중에 너무 많은 미세 입자가 포함되면 전술한 기화기(도 1참조)(10)에서 발생시킨 성장액의 증기가 모든 미세 입자에 응축되지 못하여서, 미세 입자들이 균일한 크기로 성장하지 못하고 크기가 다양해질 수 있기 때문이다. 따라서, 본 실시예에서는 희석기(40)에 의해 유입되는 공기의 미세 입자를 일정정도, 예를 들어 1/10 정도로 희석하고, 차폐유닛(도 2 참조)(20)에 의해 미세 입자의 수농도를 측정한 다음, 계산된 수농도에 10배를 하여 미세 입자의 수농도를 측정하게 된다.
한편, 별도의 라인(47)을 따라 흐르는 유량(Qd)은 조절밸브(45)를 개폐함으로써 조절이 가능하다. 즉, 조절밸브(45)를 개방하게 되면 별도의 라인(47)을 따라 흐르는 유량(Qd)이 증가하게 되어 희석되는 유량이 더욱 많아지게 되며, 조절밸브(45)를 닫게 되면 그 반대로 희석되지 않고 그대로 통과하는 유량(Qs)이 증가하게 된다. 여기서 희석비(D)는 아래의 수학식 1에 의해 계산된다.
Figure 112005051588624-pat00001
Figure 112005051588624-pat00002
Figure 112005051588624-pat00003
본 발명의 실시예에 따르면, 조절밸브(45)를 조절하여 희석되는 유량(Qd)을 조절함으로써 희석비(D)를 최대 15배까지 조절하는 것이 가능하다.
본 발명에서는 희석기(40)의 내부의 라인(41)과 외부의 별도의 라인(47)을 따라 흐르는 유량을 정확히 측정하고자, 희석기(40)에 압력계(48, 49)를 구비한다. 제 1 압력계(48)는 본체(42) 내부의 라인(41)을 따라 흐르는 유량의 압력차를 측정하며, 제 2 압력계(49)는 본체(42) 내부의 전체 유량의 압력차를 측정한다. 이러한 경우에, 제 1 압력계(48)에 의해 측정된 압력차(△P1)와 희석되지 않는 유량(Qs) 사이에는 선형적인 관계가 성립하므로, 압력차(△P1)와 희석되지 않는 유량(Qs)사이의 변환표를 작성할 수 있게 된다. 따라서, 원하는 유량(Qs)에 해당하는 압력차가 되도록 조절밸브(45)를 개폐함으로써 희석되는 유량(Qd)을 결정하게 된다. 또한, 작업자는 조절밸브(45)를 모두 열었을 때 제 2 압력계(49)의 압력차를 확인함으로써, 희석기(40)의 내부를 따라 흐르는 전체 유량(Qt)을 확인할 수 있게 된다.
도 3을 다시 참조하면, 희석기(40)에 의해 희석된 공기는 유량 분리기(50)로 유입된다. 도 5는 유량 분리기(50)를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 5를 참조하면, 유량 분리기(50)는 공기유입통로(53), 공기배출통로(55) 및 벤트라인용 통로(56)가 형성된 몸체(52)를 포함한다. 또한, 유량 분리기(50)는 유량 조절 유닛(100)과 연결되는데, 유량 조절 유닛(100)에 의해 후술하는 입자 분리 유닛(60)으로 공급되는 유량과 벤트라인용 통로(56)를 통해 배출되는 유량을 조절하게 된다. 즉, 유량 분리기(50)로 유입된 공기 중에 측정에 사용하고자 하는 양만큼의 공기는 공기배출통로(55)를 통해 입자 분리 유닛(60)으로 유입되며, 그 이외의 공기는 벤트라인용 통로(56)를 통해 배출된다.
구체적으로, 몸체(53) 내부에는 소정크기의 직경을 가지는 튜브(54)가 설치 된다. 희석기(도 4 참조)(40)에서 희석된 공기(Qt)는 공기유입통로(53)를 통해 유량 분리기(50)의 몸체(52) 내부로 유입된다.
도 3 및 도 5를 참조하면, 유량 분리기(50)는 공기유입통로(53)에서의 공기의 유속과 튜브(54) 내부에서의 공기의 유속이 서로 동일하도록 설계되고, 벤트라인용 통로(56)를 통해 배출되는 공기의 유량과 공기배출통로(55)를 통과하는 공기의 유량은 유량 조절 유닛(100)에 의해 조절된다. 한편, 도 3에 도시된 바와 같이, 유량 조절 유닛(100)은 유량 분리기(50)의 벤트라인용 통로(56)와 순차적으로 연결되는 제 1 오리피스(orifice)(91) 및 바이패스(bypass)밸브(95)와, 차폐유닛(20)의 공기 배출구(39)와 연결되는 제 2 오리피스(93)와, 바이패스밸브(95)와 제 2 오리피스(93)에 연결되는 유량조절밸브(96)와, 유량조절밸브(96)에 연결되는 진공펌프(98) 및 필터(99)를 포함한다.
작업자는 유량조절밸브(96)를 조절함으로써, 본 발명에 따른 입자 계수기에 유입되는 총 공기의 양을 조절하게 되며, 바이패스밸브(95)를 개폐함으로써 유량 분리기(50)의 벤트라인용 통로(56)를 통해 배출되는 유량(Qvent)을 조절하게 된다. 여기서, 진공펌프(98)의 구동에 의해 외부공기가 희석기(40) 및 유량 분리기(50)로 유입된다. 진공펌프(98)를 통해 배출되는 공기는 필터(99)에 의해 걸러져서 대기오염을 방지한다.
전술한 바와 같이, 유량 분리기(50)로 유입된 공기 중에 일부 유량(Qa)은 튜브(54)를 통과하여 입자 분리 유닛(60)으로 공급되며, 나머지 공기는 벤트라인용 통로(56)를 통해 배출된다. 이 경우에, 몸체(52) 내부의 튜브(54)는 바람직하게 구부러진 구간이 없는 직선형의 형상을 갖도록 형성된다. 튜브(54)에 구부러진 구간이 포함되면, 공기 중의 입자가 튜브(54)와 충돌하여 손실되므로 정확하게 공기 중의 미세 입자의 양을 측정할 수 없기 때문이다.
다시 도 3을 참조하면, 유량 분리기(50)에서 측정에 사용하기 위해 분리된 공기는 입자 분리 유닛(60)으로 유입된다. 입자 분리 유닛(60)은 측정하고자 하는 크기 이외의 미세 입자들을 분리해내는 역할을 한다. 본 발명에 따른 입자 계수기에서 입자 분리 유닛(60)은 측정하고자 하는 크기 이상의 입자들을 분리하는 최대 입자 분리기(61)와 측정하고자 하는 크기 이하의 입자들을 분리하는 최소 입자 분리기(80)를 포함한다.
최대 입자 분리기(61)는 측정하고자 하는 크기 이상의 입자들을 제거하는 역할을 한다. 본 발명에서는 이러한 최대 입자 분리기(61)로 임팩터(impactor)를 사용하는데 도 6은 이러한 임팩터의 단면도를 나타낸다.
도 6을 참조하면, 임팩터(61)는 내부에 공기가 유입되는 중공(63)이 형성된 공기유입부재(62)와, 공기유입부재(62)의 하단부에 위치하며 다수개의 노즐(65)이 형성된 노즐판(64)과, 공기유입부재(62)의 하단부 및 노즐판(64)이 그 일단부를 통해 삽입되는 중공(70)이 형성된 몸체(68)와, 중공(70)을 밀폐하는 밀폐부재(74)를 포함한다.
공기유입부재(62)는 내부에 중공이 형성되어 유량 분리기(도 5참조)(50)에서 분리된 공기가 그 내부로 유입된다. 노즐판(64)은 중앙부에 다수개의 노즐(65)이 형성되며, 그 하면에는 오목하게 들어간 오목부(66)가 형성된다. 몸체(68)의 내부에 형성된 중공(70)에는 상단부로부터 걸림턱(71, 73)이 차례대로 형성되는데, 상단부에 인접한 제 1 걸림턱(71)의 상면에 노즐판(64)이 위치하며, 노즐판(64)의 상부에는 공기유입부재(62)가 위치한다.
한편, 밀폐부재(74)에는 돌출부(76)가 형성되고, 돌출부(76)가 몸체(68)의 하단부를 통해 중공(70)에 삽입됨으로써, 중공(70)을 밀폐하게 된다. 중공(70)의 제 1 걸림턱(71)과 제 2 걸림턱(73) 사이의 내경은 돌출부(76)의 외경보다 크게 형성되므로, 제 1 걸림턱(71)과 제 2 걸림턱(73) 사이의 중공(70)과 돌출부(76) 사이에는 공기통로가 자연스럽게 형성된다. 한편, 돌출부(76)의 상면은 중공(70) 내부에 형성된 제 1 걸림턱(71)과 동일한 평면 상에 위치하도록 구성된다. 즉, 돌출부(76)의 상면과 노즐판(64)은 오목부(66)의 높이만큼 이격되어 위치하게 된다. 여기서, 설명되지 않은 참조번호 72, 78은 밀폐링으로서, 몸체(68) 외부의 공기가 내부로 유입되는 것을 방지한다.
전술한 바와 같은 구성을 갖는 임팩터(61)의 내부를 따라 흐르는 유체의 흐름을 살펴보면 다음과 같다. 유량 분리기(50)에서 분리된 공기(Qa)는 공기유입부재(62)를 통해 임팩터(61)의 몸체(68) 내부로 유입된다. 공기유입부재(62)의 중공(63)을 따라 흐르는 공기의 흐름은 노즐판(64)에 이르러 화살표 A와 같이 노즐(65)을 통과하고, 90°로 꺾여서 노즐판(64)의 하면에 형성된 오목부(66)와 밀폐부재(74)의 돌출부(76)의 상면 사이를 통과하여 흐르게 된다. 따라서, 노즐(65)을 통과 한 공기의 흐름은 돌출부(76)의 상면에 의해 90°로 꺾여서 흐르게 되고, 공기 중에 포함된 일정크기 이상의 입자들은 공기의 흐름을 따라가지 못하고 관성에 의하여 돌출부(76)의 상면에 충돌하면서 제거된다. 한편, 일정크기 이상의 입자가 제거된 공기(Qa)는 몸체(68)의 일측에 형성된 배출구(69)를 통해 임팩터(61)의 외부로 배출된다.
이러한 구조에서, 작업자는 노즐판(64)에 형성된 노즐(65)의 개수와 노즐(65)의 직경을 조절함으로써, 분리하고자 하는 입자의 최대 크기를 조절할 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 노즐판(64)에 직경이 0.3㎜인 노즐이 3개 형성된 경우에 그 직경이 0.3㎛를 초과하는 크기의 미세 입자를 제거할 수 있으며, 직경이 0.9㎜인 노즐이 1개 형성된 경우에는 그 직경이 1.0㎛를 초과하는 크기의 미세 입자를 제거할 수 있다.
임팩터(61)의 외부로 배출된 공기는 측정하고자 하는 크기 이하의 입자들을 분리하는 최소 입자 분리기(도 3 참조)(80)로 유입된다. 본 발명에서는 이러한 최소 입자 분리기(80)로 확산 스크린(screen)을 사용하는데 도 7은 이러한 확산 스크린(80)이 분리된 상태를 나타낸다.
도 7을 참조하면, 확산 스크린(80)은 공기가 유입되는 유입구(83)에 비하여 중앙부가 볼록한 타원형의 형상을 가지며, 도면에서 좌우로 분리되는 제 1 부재(82)와 제 2 부재(84)를 포함한다. 확산 스크린(80)의 내부에는 다수개의 스크린(87)이 공기의 흐름 방향과 수직하게 설치된다. 제 1 부재(82)의 타단부에 형성된 홈(88)에는 밀폐링(미도시)이 삽입되어, 확산 스크린(80)이 조립된 경우에 외부의 공기가 확산 스크린(80)의 내부로 유입되는 것을 방지한다. 제 2 부재(84)의 일단부에 제 1 부재(82)의 타단부가 삽입 고정되며, 제 2 부재(84)의 일단부 외측에 형성된 나사산(89)에 체결용 너트(86)가 체결되어, 제 1 부재(82)와 제 2 부재(84)를 연결하게 된다.
이러한 구조에서, 유입구(83)를 통해 유입된 공기 중의 입자는 확산스크린(80) 안에서 불규칙한 브라운 운동(Brownian motion)을 하게 된다. 한편, 브라운 운동에 의한 변위는 입자의 질량에 반비례하므로, 질량이 작은 입자일수록 브라운 운동에 의한 변위폭이 크며, 질량이 큰 입자일수록 브라운 운동에 위한 변위폭이 작아지게 된다. 따라서, 공기 중에 포함된 입자들이 확산 스크린(80)의 내부에 설치된 스크린(87)을 통과하는 경우에, 일정크기 이하의 입자들은 질량이 작으므로 브라운 운동에 의한 변위폭이 커져서 스크린(87)에 부딪쳐서 부착됨으로써 제거된다. 한편, 일정크기 이상의 입자들은 질량이 커서 브라운 운동에 의한 변위폭이 작으므로 스크린(87)에 부딪히지 않고 스크린(87)의 구멍을 그대로 통과하게 된다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 이러한 스크린이 1개 설치된 경우에 스크린을 통과하는 최소 입자의 직경은 0.015㎛이고, 스크린이 5개 설치된 경우에 스크린을 모두 통과하는 최소 입자의 직경은 0.052㎛가 된다. 스크린(87)을 통과한 공기 및 미세 입자들은 배출구(85)를 통해 기화기(도 3참조)(10)로 유입된다.
따라서, 작업자는 전술한 임팩터(61)와 확산 스크린(80)에 의해 측정하고자 하는 입자의 최대 직경과 최소 직경을 용이하게 조절할 수 있게 된다.
한편, 본 발명의 바람직한 다른 실시예에서는 기화기 및 차폐유닛에 희석기, 유량 분리기 및 입자 분리 유닛을 모두 구비한 것으로 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 다양한 조합을 가질 수 있다. 예를 들어, 기화기 및 차폐유닛에 유량 분리기만 더 구비하거나, 또는 기화기, 차폐유닛 및 유량 분리기에 입자 분리 유닛을 구비하거나, 또는 기화기 및 차폐유닛에 희석기, 유량 분리기 및 입자 분리 유닛을 모두 구비한 조합도 본 발명의 범위에 속하게 된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 입자 계수기를 사용하게 되면, 광학센서를 사용하지 않으면서 미세 입자의 수농도를 측정함으로써, 측정장소에 따라 자유롭게 이동을 하여 실시간으로 측정을 하는 것이 가능해진다.
또한, 본 발명에 의하면 종래기술에 비하여 간단한 구조를 가지면서도, 용이하게 공기 중에 포함된 미세 입자의 수농도를 측정할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면 미세 입자가 응축되는 응축부, 미세 입자가 하전되는 하전부 및 하전된 입자의 전류를 측정하는 전류 측정부를 일체로 하여 하우징을 형성하고, 하우징의 내부온도를 일정하게 유지하여, 공기 중의 미세 입자의 표면에 응축된 성장액이 기화되지 않도록 함으로써, 더욱 정확하게 미세 입자에 하전된 전하량을 측정할 수 있다.

Claims (13)

  1. 대기 중의 공기를 빨아들이며, 그 내부에서 성장액이 기화되는 기화기와,
    그 내부 공간을 전기적으로 차폐하여 일정온도로 유지하면서, 일측을 통해 상기 기화기로부터 공기 및 기화된 성장액이 유입되어 공기 중에 포함된 미세 입자의 표면에 기화된 성장액을 응축시키고, 입자를 하전시켜 하전된 입자의 전류를 측정하여 공기 중에 포함된 입자의 수를 측정하는 차폐유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 입자 계수기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 차폐유닛은,
    상기 기화기에서 공급되는 공기 및 기화된 성장액이 유입되는 유입구가 형성되며, 그 내부가 전기적으로 차폐되는 하우징과,
    상기 하우징 내부의 온도를 상기 기화기 내부의 온도 이하의 낮은 온도로 일정하게 유지하여, 상기 기화기에서 기화된 성장액이 공기 중에 포함된 미세 입자의 표면에 응축되도록 하는 저온 조절기와,
    상기 하우징의 내부에 형성되어, 상기 성장액이 응축된 미세 입자를 하전시키는 하전부와,
    상기 하우징의 내부에 형성되어, 상기 하전부에 의해 하전된 미세 입자의 전하량을 측정하는 전류 측정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 입자 계수기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 성장액이 알코올인 것을 특징으로 하는 입자 계수기.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 하전부는 상기 하우징의 내벽에서 중앙을 향하여 돌출 형성된 다수개의 전극과,
    상기 전극에 고전압을 인가하는 고전압 발생기를 포함하고,
    상기 고전압 발생기에서 인가되는 전압에 의해 상기 전극에서 코로나 방전을 통하여 상기 하우징의 내부에 다수의 이온을 발생시켜, 성장액이 응축된 상기 미세 입자들을 상기 이온에 의해 하전시키는 것을 특징으로 하는 입자 계수기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 하전부와 전류 측정부 사이에 개재하여, 공기 중의 미세 입자에 하전되지 않고 남아있는 여분의 이온을 제거하는 이온 제거부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 입자 계수기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 이온 제거부는,
    상기 하우징의 일측에 설치되는 전압 발생기와,
    상기 하우징의 내부 중앙에 위치하고, 상기 전압 발생기에 의해 전압을 발생시켜 전기력에 의해 상기 미세 입자에 하전되지 않은 이온들을 상기 하우징의 내벽쪽으로 밀어내는 이온트랩전극과,
    상기 하우징의 내벽에 설치되어, 상기 하우징의 내벽을 향해 밀려온 이온들을 제거하는 이온 제거벽을 포함하는 것을 특징으로 하는 입자 계수기.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 전류 측정부는,
    상기 하전된 입자를 채취하여 이온과 입자를 분리하는 전도성 필터와,
    상기 전도성 필터를 지지하는 지지부재 및 고정부재와,
    상기 전도성 필터에 의해 채취된 하전 입자가 포함하는 이온의 전류량을 측정하여 컴퓨터로 표시하는 전류 측정기를 포함하는 것을 특징으로 하는 입자 계수기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 전도성 필터는 HEPA(High Efficiency Particulate Air)필터로 이루어진 것을 특징으로 하는 입자 계수기.
  9. 제1항에 있어서,
    대기 중의 공기를 빨아들여 측정에 사용하고자 하는 양만큼의 공기를 분리하 여 상기 기화기로 공급하고, 나머지 공기는 벤트라인용 통로를 통해 배출시키는 유량 분리기와,
    상기 유량 분리기를 통하여 상기 기화기로 공급되는 유량과 상기 벤트라인용 통로를 통해 배출되는 유량을 조절하는 유량 조절 유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 입자 계수기.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 유량 조절 유닛은,
    상기 유량 분리기의 벤트라인용 통로와 차례로 연결되는 제 1 오리피스 및 바이패스밸브와,
    상기 차폐유닛의 공기가 배출되는 배출구와 연결되는 제 2 오리피스와,
    상기 바이패스밸브와 제 2 오리피스에 연결되는 유량조절밸브와,
    상기 유량조절밸브에 연결되는 진공펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 입자 계수기.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 유량 분리기와 기화기 사이에 개재하여, 상기 유량 분리기에 의해 분리된 공기에서 측정하고자 하는 크기 이외의 미세 입자들을 분리해내는 입자 분리 유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 입자 계수기.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 입자 분리 유닛은,
    측정하고자 하는 크기 이상의 입자들을 분리하는 최대 입자 분리기와,
    측정하고자 하는 크기 이하의 입자들을 분리하는 최소 입자 분리기를 포함하는 것을 특징으로 하는 입자 계수기.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 입자 계수기는 대기 중의 공기를 빨아들여 공기 중에 포함된 미세 입자를 희석하여 희석된 공기를 상기 유량 분리기에 공급하는 희석기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 입자 계수기.
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