KR101031612B1 - 응축 입자 계수 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 하우징; 상기 하우징에 배치되는 디스트리뷰터 바디와, 상기 디스트리뷰터 바디에 연결되고 에어로졸이 유입되는 디스트리뷰터 유입부와, 상기 디스트리뷰터 바디로부터 에어로졸을 유출시키는 디스트리뷰터 유동 라인을 구비하는 디스트리뷰터; 상기 하우징의 하부에 배치되고 상기 디스트리뷰터 유동 라인과 유체 소통을 이루고 에어로졸을 작동 유체로 포화시키기 위한 포화기; 상기 하우징의 내부에 배치되고 상기 포화기와 유체 소통을 이루어 상기 작동 유체로 포화된 에어로졸내 입자를 응축시키기 위한 응축기; 상기 응축기의 하류에 배치되고 상기 에어로졸을 사전 설정된 비율로 분류시켜 응축 입자를 농축시키기 위한 가상 임팩터; 상기 가상 임팩터의 하류에 배치되고 상기 가상 임팩터와 유체 소통을 이루어 응축된 에어로졸 내 농축된 입자를 계수하기 위한 광학 계수기;를 구비하는 응축 입자 계수 장치를 제공한다.

Description

응축 입자 계수 장치{CONDENSATION PARTICLE COUNTING DEVICE}
본 발명은 입자 측정기에 관한 것으로, 보다 구체적으로 에어로졸 내 입자를 농축시켜 보다 정확한 입자 개수 측정을 가능하게 하는 구조의 응축 입자 계수 장치에 관한 것이다.
입자(particle)는 작은 크기의 물질로서, 분자들보다는 다소 큰 크기를 갖고 고체, 액체, 기체, 플라즈마와 함께 물질의 5상 중의 하나를 이룬다. 통상적으로 입자는 에어로졸을 구성하는 기체 매체에 고체 또는 액체의 부유 물질로 구현된다.
이러한 입자는 소각로 배출 물질, 황사, 스모그 등의 대기 오염과 밀접한 관련을 갖는데, 이는 인간의 건강과 직결되는 문제로서, 이러한 입자에 의한 대기 오염에 대처하기 위하여 입자에 대한 보다 정확한 물리, 화학, 전기적 분석이 요구되고 있다.
뿐만 아니라, 산업 생산 설비에서도 입자는 생산성에 상당한 영향을 미치는데, 예를 들어, 반도체 산업에 있어 반도체 기술의 발달로 대용량화를 위한 반도체 회로 선폭은 미세화되고 있다. 이러한 미세화된 선폭으로 인하여, 입자는 직경(등가 직경)이 10nm 정도의 크기 범위에 대하여도 측정이 필수적으로 요구되고 있다. 하지만, 종래의 광학 입자 계수기는 빛의 산란으로 인하여 등가 직경이 0.1㎛ 이하 크기의 입자에 대하여는 측정이 곤란하였다. 이에 종래 기술에 따르면, 입자 분리 장치와 입자 계수 장치를 통하여 0.1㎛ 이하 크기의 입자에 대한 크기 및 개수 등을 측정할 수 있었다. 이러한 미세 입자의 개수를 측정하기 위하여 응축 계수 장치(CPC)가 사용된다. 하지만, 응축 계수 장치는 광학 입자 계수기를 통하여 입자 개수를 이루는데, 유량이 과도할 경우 입자 개수 측정이 부정확해짐으로써, 종래 기술에 따른 응축 계수 장치는 통상적으로 저유량, 예를 들어 대략 0.3L 정도의 유량 범위에 대하여만 미세 입자 측정이 가능하였고, 이로 인하여 고유량 측정이 불가능 또는 부정확하여 사용자로 하여금 입자 계수에 대한 정확한 측정 데이터를 제공하지 못하는 문제점이 수반되었다.
따라서, 본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 고유량 측정을 가능하도록 에어로졸의 농축, 보다 구체적으로 에어로졸 내 입자 개수의 증대를 이룰 수 있는 구조의 응축 입자 계수 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 하우징; 상기 하우징에 배치되는 디스트리뷰터 바디와, 상기 디스트리뷰터 바디에 연결되고 에어로졸이 유입되는 디스트리뷰터 유입부와, 상기 디스트리뷰터 바디로부터 에어로졸을 유출시키는 디스트리뷰터 유동 라인을 구비하는 디스트리뷰터; 상기 하우징의 하부에 배치되고 상 기 디스트리뷰터 유동 라인과 유체 소통을 이루고 에어로졸을 작동 유체로 포화시키기 위한 포화기; 상기 하우징의 내부에 배치되고 상기 포화기와 유체 소통을 이루어 상기 작동 유체로 포화된 에어로졸내 입자를 응축시키기 위한 응축기; 상기 응축기의 하류에 배치되고 상기 에어로졸을 사전 설정된 비율로 분류시켜 응축 입자를 농축시키기 위한 가상 임팩터; 상기 가상 임팩터의 하류에 배치되고 상기 가상 임팩터와 유체 소통을 이루어 응축된 에어로졸 내 농축된 입자를 계수하기 위한 광학 계수기;를 구비하는 응축 입자 계수 장치를 제공한다.
상기 응축 입자 계수 장치에 있어서, 상기 가상 임팩터는: 상기 응축기의 하류로 상기 하우징에 배치되는 가상 임팩터 바디와, 상기 가상 임팩터 바디의 내부로 상기 응축기와 유체 소통을 이루어 상기 에어로졸을 상기 가상 임팩터 바디 내부로 유입시키는 임팩터 가속 노즐부와, 상기 임팩터 가속 노즐부의 길이 방향과 교차된 평면 상으로 상기 가상 임팩터 바디와 유체 소통을 이루도록 배치되는 임팩터 유동 수집부와, 상기 임팩터 가속 노즐부와 동축 상에 배치되는 임팩터 관성 수집부를 구비하고, 상기 광학 계수기는 상기 임팩터 관성 수집부와 유체 소통을 이룰 수 있다.
상기 응축 입자 계수 장치에 있어서, 상기 디스트리뷰터 유동 라인은 복수 개가 구비되고, 각각의 디스트리뷰터 유동 라인은 상호 이격 배치될 수 있다.
상기 응축 입자 계수 장치에 있어서, 상기 포화기는 상기 디스트리뷰터 하부에 배치되고, 상기 응축기로의 응축 유입구와 상기 디스트리뷰터 유동 라인은 각각 균등 이격 배치될 수도 있다.
상기 응축 입자 계수 장치에 있어서, 상기 응축기는: 상기 응축 유입구와 연결되는 응축 유동 유입 라인과, 일단은 상기 응축 유동 유입 라인과 타단은 상기 임팩터 가속 노즐부의 일단과 유체 소통을 이루는 응축 유동 유출 라인을 포함하는 응축 유동 라인과, 상기 응축 유동 라인을 관류하는 에어로졸과 열전달을 이루기 위한 응축 냉각부를 구비하고, 상기 응축 유동 유입 라인은 복수 개가 구비될 수도 있다.
상기한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 응축 입자 계수 장치는 다음과 같은 효과를 갖는다.
첫째, 본 발명에 따른 응축 입자 계수 장치는, 가상 임팩터를 통하여 입자의 농축을 이루어 보다 정확하고 신속한 입자 검측 데이터를 사용자에게 제공할 수 있다.
둘째, 본 발명에 따른 응축 입자 계수 장치는, 이격 배치되는 복수 개의 디스트리뷰터 유동 라인 구조를 통하여 입자를 포함하는 에어로졸의 균등하면서도 신속한 유동을 확보할 수 있다.
셋째, 본 발명에 따른 응축 입자 계수 장치는, 응축 유입구와 복수 개의 디스트리뷰터 유동 라인의 배치를 적절하게 조절함으로써 입자를 포함하는 에어로졸의 작동 유체에 의한 포화도를 상당히 증대시켜 응축기에서의 입자를 핵으로 하는 작동 유체의 응축율을 최대화시킬 수도 있다.
이하에서는 본 발명에 따른 응축 입자 계수 장치에 대하여 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 1에는 본 발명의 일실시예에 따른 응축 입자 계수 장치(10)의 개략적인 사시도가 도시되고, 도 2에는 응축 입자 계수 장치(10)의 하우징(100)을 제거한 상태의 개략적인 부분 사시도가 도시되고, 도 3에는 본 발명의 일실시예에 따른 응축 입자 계수 장치(10)의 개략적인 구성도가 도시되며, 도 4에는 본 발명의 일실시예에 따른 응축 입자 계수 장치(10)의 가상 임팩터(500)에 대한 부분 확대 구성도가 도시된다.
본 발명의 일실시예에 따른 응축 입자 계수 장치(10)는 하우징(100)과 디스트리뷰터(200, 도 2 참조)와, 포화기(300)와, 응축기(400, 도 2 참조)와, 가상 임팩터(500, 도 2 참조)와 광학 계수기(600, 도 2 참조)를 포함하는데, 본 발명의 일실시예에 따른 응축기(400), 가상 임팩터(500) 및 광학 계수기(600)는 하우징(100)의 내부에 위치 고정되어 안정적으로 배치된다.
하우징(100)은 하우징 프레임(110)과 하우징 베이스(120)를 포함하는데, 하우징 프레임(110)은 하우징 베이스(120)와 연결되어 내부 공간을 형성한다. 본 실시예에서 하우징 프레임과 하우징 베이스는 개별적으로 형성되었으나 일체로 형성되는 구성을 취할 수도 있는 등 다양한 변형이 가능하다. 또한, 하우징 프레임(110)은 본 실시예에서 이단 구조를 취하였으나, 다단 또는 일체로 형성될 수도 있는 등 다양한 변형이 가능하다. 하우징 프레임(110)의 외면에는 하기되는 광학 계수기 위치에서의 내부 관찰을 가능하게 하는 하우징 윈도우(115)가 더 구비되는 데, 하우징 윈도우(115)에는 하우징 윈도우 커버(117)가 가동 가능하게 배치될 수 있다. 하우징 프레임(110)과 하우징 베이스(120)가 형성하는 내부 공간에는 상기한 바와 같이 디스트리뷰터(200), 응축기(400), 가상 임팩터(500), 및 광학 계수기(600)가 안정적으로 배치된다.
디스트리뷰터(200)는 하우징(100)의 내부에 안정적으로 위치 고정되어 배치된다. 디스트리뷰터(200)는 디스트리뷰터 유입부(201)와, 디스트리뷰터 바디(210)와, 디스트리뷰터 유동 라인(220)을 포함하는데, 디스트리뷰터 유입부(210)와 디스트리뷰터 유동 라인(220)은 디스트리뷰터 바디(210)를 사이에 두고 서로 유체 소통을 이룬다. 디스트리뷰터 유입부(201)의 일단은 하우징(100)의 하우징 프레임(110)에 형성된 프레임 유입부 관통구(111)를 통하여 관통 배치되고 디스트리뷰터 유입부(201)의 타단은 디스트리뷰터 바디(210)와 연결된다(도 2 참조). 디스트리뷰터 유입부(201)를 통하여 소정의 입자를 포함하는 에어로졸이 응축 입자 계수 장치(10)로 유입된다. 디스트리뷰터 유입부(201)를 통하여 유입된 에어로졸은 디스트리뷰터 바디(210)로 유입되고, 이는 다시 디스트리뷰터 바디(210)로부터 디스트리뷰터 유동 라인(220)을 통하여 포화기(300)로 전달된다. 여기서, 디스트리뷰터 바디(210)의 외주에는 복수 개의 바디 유동 관통구(213)가 형성되고 디스트리뷰터 유동 라인(220)은 복수 개가 구비되는데, 각각의 디스트리뷰터 유동 라인(220)은 각각의 바디 유동 관통구(213)와 연결됨으로써, 디스트리뷰터 바디(210)와 유체 소통을 이룬다. 이와 같은 구조를 통하여 디스트리뷰터 유입부(201)를 통하여 유입된 에어로졸은 디시트리뷰터 바디(210)에서 적절한 수용을 이루고 다시 복수 개 의 디스트리뷰터 유동 라인(220)를 통하여 포화기(300)로 전달됨으로써 에어로졸의 유동 용량이 증대되는 경우에도 안정적인 유동 전달 구조를 이룰 수 있다.
디스트리뷰터 유동 라인(220)을 통하여 유동하는 에어로졸은 포화기(300)로 전달된다. 일단이 디스트리뷰터 바디(210)와 연결된 디스트리뷰터 유동 라인(220)의 타단은 포화기(300), 보다 구체적으로 포화기 커버(320)에 형성된 커버 관통구(321)를 관통하여 배치된다. 포화기(300)은 포화기 바디(310)와 포화기 커버(320) 및 포화기 유동 라인(330)을 구비하는데, 포화기 바디(310)와 포화기 커버(320)는 서로 맞물리어 내부 공간을 형성한다. 포화기 바디(310)와 포화기 커버(320)가 형성한 내부 공간에는 물, 알코올과 같은 작동 유체가 수용되는데, 작동 유체(C, 도 3 참조)는 포화기 유동 라인(330)을 통하여 포화기 바디(310)와 포화기 커버(320)가 형성하는 포화기 내부 공간으로 유출입된다. 즉, 포화기(300)의 포화기 바디(310)의 측면에는 포화기 바디 유출입 관통구(311)가 형성되는데, 포화기 유동 라인(330)은 포화기 바디 유출입 관통구(311)를 통하여 포화기(300)의 포화기 내부 공간과 유체 소통을 이룬다. 포화기 유동 라인(330)은 쌍을 이루며 배치되는데, 하나는 포화기 내부 공간으로 작동 유체를 유입시키기 위한 유입 라인으로, 그리고 다른 하나는 포화기 내부 공간으로부터 작동 유체를 유출시키기 위한 유출 라인으로 구성된다. 여기서, 포화기 유동 라인은 쌍을 이루고, 서로 인접하여 배치되는 구조를 취하였으나, 포화기 내부 공간에 수용되는 작동 유체(C)의 수위 및 온도를 일정하게 또는 소정의 값으로 유지시키기 위한 다양한 구조를 취할 수 있다.
포화기(300)는 하우징(100)의 하부에 배치됨으로써, 포화기 내부 공간에 수 용되는 작동 유체로 인한 하중으로 인한 불안정성을 제거하고 안정적인 배치 구조를 이룰 수 있다. 포화기 커버(320)의 중앙에는 응축기(400)로의 포화된 에어로졸의 유입을 위한 응축 유입구(323)가 배치되는데, 포화기(300)의 포화기 커버(320)에 형성된 커버 관통구(321)와 응축 유입구(323)는 일정한 위치 관계를 형성할 수 있다. 즉, 본 실시예에서 복수 개의 커버 관통구(321)는 응축 유입구(323)를 사이에 두고 균등 이격 배치되는 구조를 취하는데, 이와 같이 디스트리뷰터 바디(210)로부터 디스트리뷰터 유동 라인(220)을 통하여 포화기 내부 공간에 유입된 에어로졸의 유동 경로를 최대화함과 동시에 균등화시켜 입자를 포함하는 에어로졸의 작동 유체에 의한 포화 상태 형성을 안정적으로 이룰 수 있도록 할 수도 있다. 이와 같이 디스트리뷰터 유동 라인(220)을 통하여 포화기 내부 공간으로 에어로졸이 유입되는 위치, 즉 커버 관통구(321)가 포화기 커버(320)의 중앙에 형성된 응축 유입구(323)로부터 모서리 측을 향하여 이격 균등 배치됨으로써 에어로졸의 포화 상태를 안정적으로 이룰 수 있다.
포화기(300)에서 포화된 에어로졸은 응축 유입구(323)를 통하여 응축기(400)로 유입되는데, 응축기(400)에 유입된 작동 유체의 의한 포화 에어로졸 내 입자는 온도 강하로 인한 응축 현상이 발생한다. 응축기(400)는 응축 유동 라인(410)과 응축 냉각부(420)를 포함하는데, 응축 유동 라인(410)의 일단은 응축 유입구(323)와 연결되고, 응축 냉각부(420)는 응축 유동 라인(410)과 인접 내지 접촉하여 배치된다. 본 발명의 일실시예에 따른 응축 유동 라인(410)은 응축 유동 유입 라인(411)과 응축 유동 유출 라인(413)을 포함하는데, 응축 유동 유입 라인(411)의 일단은 응축 유입구(323)와 연결되고 응축 유동 유입 라인(411)의 타단은 응축 유동 유출 라인(412)과 연결됨으로써, 응축 유입구(323)를 통하여 유입되는 포화된 에어로졸 내 입자는 응축 유동 라인(410)을 따라 유동한다. 본 실시예에서, 응축 유입구(323)은 복수 개가 구비되는데, 응축 유입구(323)와 유체 소통을 이루는 응축 유동 유입 라인(411)도 이에 대응하여 동일 수로 배치된다. 또한, 본 실시예에서 응축 유입구(323)와 응축 유동 라인(410) 사이에 하우징 베이스(120)에 형성된 베이스 관로(121)가 더 구비될 수도 있다. 베이스 관로(121)는 하우징 베이스(120)의 내부에 형성되는데, 하우징 베이스(121)는 하우징 프레임(110)과 포화기 바디(310) 간의 연결 뿐만 아니라, 포화기 바디(310)와 응축 유동 라인(410) 간의 연결도 이룰 수 있다. 베이스 관로(121)도 응축 유입구(323)의 개수와 동수로 배치되는데, 베이스 관로(121)를 통하여 응축 유동 라인(410)의 응축 유동 유입 라인(411)으로의 신속한 유동을 위한 유속 증대를 위해 베이스 관로(121)의 응축 유입구(323) 측의 단면적이 응축 유동 라인(410)의 응축 유동 유입 라인(411)과의 연결 측의 단면적보다 큰 값을 갖는 구성을 취하는 것이 바람직하다.
응축 유동 유입 라인(411)은 응축 유입구(323)와 동수로 복수 개가 구비되되 응축 유동 유출 라인(413)은 단일의 관로로 형성되는 것이 바람직하다. 즉, 응축 유동 유출 라인(413)의 타단은 가상 임팩터(500)와 연결되는데, 응축 유동 유출 라인(413)은 가상 임팩터(500)와의 연결을 위하여 단일 관로로 형성되는 것이 바람직하다. 응축기(400)는 응축 유동 유입 라인(411) 및 응축 유동 유출 라인(413)을 포함하는 응축 유동 라인(410)과 함께 응축 냉각부(420)를 더 구비하는데, 응축 냉 각부(420)는 응축 유동 라인(410)을 통하여 응축 유동 라인(410)을 관류하는 포화된 에어로졸 내 입자를 핵으로 응축시킨다. 본 실시예에서 응축 냉각부(420)는 응축 유동 라인(410)의 외주 상에 배치되는 구조의 전자 냉각부로 구성되는데, 입력되는 전기적 신호에 의하여 응축 유동 라인(410)과 접한 부분을 냉각시키는 펠티에 소자로 구성될 수도 있다. 응축 냉각부(420)와 응축 유동 라인(410)과의 열전달을 통하여 응축 유동 라인(410) 내에 유동하는 에어로졸 내 입자를 핵으로 에어로졸 내 포화된 작동 유체의 수증기에 의하여 응축이 발생하여 물방울(또는 액적)이 형성된다. 본 실시예에서 도시되지는 않았으나, 응축 냉각부(420)는 응축 유동 라인(410)과 접하지 않는 표면 상에 냉각핀을 구비하고 인근 영역에 냉각팬이 더 구비되어 펠티에 소자로 구현되는 전자 냉각부의 작동 효율을 더욱 증대시키는 구조를 취할 수도 있다.
응축 유동 라인(410)은 복수 개의 응축 유동 유입 라인(411)를 구비함으로써 응축 유동 라인(410)을 관류하는 에어로졸이 과도하게 빨리 유동을 이루어져 응축 냉각부(420)와의 열전달 시간 급감으로 응축이 적절하게 이루어지지 않는 것을 방지하되 복수 개의 응축 유동 유입 라인(411)을 통하여 에어로졸에 대한 소정의 단위 시간 당 유동, 즉 소정의 유량 확보를 가능하게 할 뿐만 아니라, 복수 개의 응축 유동 유입 라인(411)의 표면적을 증대시켜 열전달 면적 증가로 인한 응축 효율성을 높일 수도 있다.
본 실시예에서는 전자 냉각 장치 구조의 포화기/응축기 구조에 대하여 설명하였으나, 에어로졸을 효과적으로 포화 및 응축시킬 수 있고 복수 개 디스트리뷰터 유동 라인, 복수 개의 응축 유동 유입 라인을 구비하는 범위에서 작동 유체의 포화 수증기가 들어 있는 고온의 공기와, 저온 상태의 에어로졸을 혼합하여 과포화된 수증기를 형성하여 응축시키는 혼합방식으로 구성될 수도 있는 등 설계 사양에 따라 다양한 변형이 가능하다.
가상 임팩터(500)는 응축기(400)의 하류에 배치되고 포화된 에어로졸을 사전 설정된 비율로 분류시켜 응축 입자를 농축시키는데, 가상 임팩터(500)는 응축기(400)와 광학 계수기(600) 사이에 배치된다. 본 실시예에 따른 가상 임팩터(500)는 가상 임팩터 바디(501)와, 임팩터 가속 노즐부(510)와, 임팩터 유동 수집부(540)와 임팩터 관성 수집부(530)를 구비한다. 가상 임팩터 바디(501)는 하우징 프레임(110)의 내부에 위치 고정되어 안정적으로 배치되는데, 여기서 자세하게 도시되지는 않았으나 가상 임팩터 바디(501)를 하우징 프레임(110)의 내부에 고정시키기 위한 별도의 구성요소가 더 구비될 수도 있다. 임팩터 가속 노즐부(510)는 가상 임팩터 바디(501)의 내부에 배치되는데, 도 4에 도시된 바와 같이 임팩터 가속 노즐부(510)의 임팩터 노즐 라인(511)의 일단은 응축 유동 유출 라인(413)과 연결된다. 임팩터 노즐 라인(511)의 타단은 가상 임팩터 바디(501)의 내부 공간, 즉 임팩터 분리 공간부(520)를 향하여 배치되는데, 임팩터 노즐 라인(511)의 타단에는 임팩터 노즐 팁(513)이 형성된다. 임팩터 노즐 팁(513)은 응축 유동 유출 라인(413)을 유동하는 포화된 작동 유체가 응축된 입자를 포함하는 에어로졸을 내부 공간으로서의 임팩터 분리 공간부(520)로 분사되도록 한다. 여기서, 임팩터 노즐 팁(513)은 임팩터 노즐 라인(511)의 단부와 연결되는데, 임팩터 노즐 팁(513) 개구 의 단면적은 임팩터 노즐 라인(511)의 유입구 측 단면적보다 훨씬 작게 형성되어 에어로졸 유속 증대를 가능하게 함으로써, 임팩터 노즐 팁(513)으로부터 분산된 에어로졸 내 입자들의 관성 운동을 증대시킬 수 있다.
임팩터 유동 수집부(540)는 임팩터 가속 노즐부(510)의 길이 방향과 교차된 평면 상으로 가상 임팩터 바디(501), 보다 구체적으로 임팩터 분리 공간부(520)와 유체 소통을 이루도록 배치된다. 임팩터 유동 수집부(540)의 일단은 가상 임팩터 바디(501)의 내부 공간, 즉 임팩터 분리 공간부(520)를 향하여 배치되고 타단은 하기되는 진공 펌프부(800)의 유동 진공 펌프(810)와 연결된다.
임팩터 관성 수집부(530), 적어도 임팩터 관성 수집부(530)의 일단은 가상 임팩터 바디(501)의 일단으로 임팩터 분리 공간부(520)를 향하여 임팩터 가속 노즐부(510)와 마주하도록 임팩터 가속 노즐부(510)의 길이 방향과 동축, 즉 동일선상에 배치된다. 임팩터 관성 수집부(530)의 타단은 하기되는 광학 계수기(600)와 연결되고 광학 계수기(600)는 하기되는 진공 펌프부(800)의 관성 진공 펌프(820)와 연결된다.
관성 진공 펌프(820)와 유동 진공 펌프(810)의 흡입력에 의하여 임팩터 가속 노즐부(510)를 통하여 분사된 입자를 포함하는 에어로졸은 임팩터 유동 수집부(540)와 임팩터 관성 수집부(530)로 분류되는데, 각각으로 분류되는 유량은 관성 진공 펌프(820)와 유동 진공 펌프(810)의 흡입력에 따라 조절될 수 있다. 제어부(미도시)의 제어 신호에 따라 작동하는 관성 진공 펌프(810)와 유동 진공 펌프(820)의 작동 흡입력에 의하여 임팩터 가속 노즐부(510)를 통하여 가상 임팩터 바디(501)의 내부로 유입되는 에어로졸의 유량(QT)가 조절되는데, 이때 관성 진공 펌프(810)와 유동 진공 펌프(820)의 작동 진공 흡입력(PL, PS)에 의하여 임팩터 관성 수집부(530)와 임팩터 유동 수집부(540)로 흡입 유동하는 에어로졸의 유량(QL,QS)가 조절될 수 있다. 즉, 임팩터 가속 노즐부(510)를 통하여 유입되는 유량 QT의 에어로졸에는 작동 유체가 응축되어 응집된 소정 크기의 관성 입자(L)와 이보다 크기가 작아 시스템에 영향을 미치지 않아 계수가 불필요한 크기의 유동 입자(S)가 혼재하는데, 소정 크기의 관성 입자(L)는 진공 펌프부(800)의 흡입력에 의하여 가속되어 관성 운동을 이루어 임팩터 관성 수집부(530)로 유동하고 유동 입자(S)는 유동 진공 펌프(820)의 흡입력에 의하여 형성되는 에어로졸의 메인 스트림(main stream)을 따라 유동하여 임팩터 유동 수집부(540)로 유동한다. 여기서, 가상 임팩터의 기능으로서의 광학 계수기를 통하여 보다 정확한 계측을 위한 에어로졸 내 관심 대상인 입자의 농축을 위하여, 관성 진공 펌프(810)와 유동 진공 펌프(820)의 흡입력 차이에 의하여 각각의 임팩터 유동 수집부 및 임팩터 관성 수집부로 유동하는 유량의 유량비는 QS:QL=10:1 정도로 형성되는 것이 바람직하다.
광학 계수기(600)는 임팩터 관성 수집부(530)와 연결됨으로써, 메인 스트림을 벗어나 관성 운동을 이루는 소정 크기의 관성 입자(L)에 대하여 입자 계수를 수행한다. 본 실시예에서 광학 계수기(600)는 광학 입자 계수기(optical particle counter)로 구현되는데, 작동 유체 수증기가 응축된 미세 입자는 크기가 대략 10 내지 12㎛로 커져 광학 입자 계수기 타입의 광학 계수기(600)를 통한 입자 계수를 가능하게 한다. 광학 계수기(600)에는 광학 계수기 노즐(620)이 배치되고 광학 계 수기 노즐(620)과 대응하여 마주하는 위치에 광학 계수기 유출부(630)가 구비되며, 광학 계수기 유출부(630)의 단부는 광학 계수기 유출 라인(610)과 연결된다. 따라서, 가상 임팩터(500)의 임팩터 관성 수집부(530)를 통하여 유출되는 관성 입자(L)를 포함하는 에어로졸은 광학 계수기 노즐(620)과 연결되어 광학 계수기(600)의 내부 공간으로 유입된후 광학 계수기(600)의 내부 공간을 관통하여 광학 계수기 노즐(620)과 마주하며 배치된 광학 계수기 유출 라인(610)을 통하여 배출된다. 광학 계수기 유출 라인(610)의 일단에는 유출 라인 연결부(611,612)를 통하여 압력계(미도시)와 연결될 수 있다.
여기서 도시되지는 않았으나, 광학 계수기(600)의 내부 공간에는 레이저 생성부(미도시)와 레이저 검출부(미도시)가 서로 마주하여 배치되되 이들을 잇는 선분이 광학 계수기 노즐(620) 및 광학 계수기 유출부(630)를 통하여 광학 계수기(600)를 관류하는 에어로졸의 유동 경로와 교차되도록 하는 구성을 취한다. 응축된 입자를 포함하는 에어로졸이 광학 계수기(600)를 관류하는 과정에서 광학 계수기 노즐(620)을 통하여 고속으로 유동하는 에어로졸 내 응축된 입자가 레이저 생성부로부터 조사된 빛과 충돌하여 산란하게 되고 레이저 검출부는 산란된 빛을 감지하여 이를 전기적 신호로 변환시켜 분석 가능하게 함으로써 입자의 개수를 계측할 수 있다.
진공 펌프부(800)는 관성 진공 펌프(810)와 유동 진공 펌프(820)를 포함하는데, 이들은 모두 제어부(미도시)의 제어 신호에 따라 진공 흡입 용량을 변화시킬 수 있다. 관성 진공 펌프(810)는 광학 계수기 유출 라인(610)과 연결되고 유동 진 공 펌프(820)는 임팩터 유동 수집부(540)와 연결되는 유동 유출 라인(543)과 연결된다. 관성 진공 펌프(810)와 유동 진공 펌프(820)의 진공도에 의한 용량, 즉 유량은 광학 계수기로 측정하기 위한 에어로졸의 농축을 위하여 상기한 바와 같이 대략 1:10의 비율로 설정되는 것이 바람직하다.
또한, 진공 펌프부(800)로 유입되는 에어로졸 내 입자로 인한 관성 및 유동 진공 펌프(810,820)의 손상을 방지하기 위하여 필터부(700)가 더 구비될 수 있는데, 필터부(700)는 관성 필터(710)와 유동 필터(720)를 구비하고, 관성 필터(710)는 광학 계수기(600)와 관성 진공 펌프(810) 사이에, 그리고 유동 필터(720)는 가상 임팩터(500)와 유동 진공 펌프(820) 사이에 배치될 수 있다.
상기 실시예에 따른 응축 입자 계수 장치는 진공 펌프부의 흡인력에 의하여 응축기로 유입되는 유량(QT)을 고유량으로 증가시키고 관성 진공 펌프와 유동 진공 펌프의 흡입력에 의한 유량비를 조절함으로써 광학 계수기로 유입되는 에어로졸을 농축, 궁극적으로 광학 계수기를 통하여 측정하고자 하는 원하는 크기의 입자 개수를 증대시켜 보다 신속하고 정확한 입자 계측 기능을 제공할 수 있다.
도 5 및 도 6에는 본 발명의 실시예에 따른 가상 임팩터를 구비하는 응축 입자 계수 장치를 통하여 얻어진 실험값과 종래의 응축 입자 계수 장치를 통하여 얻어진 실험값들을 비교하는 선도가 도시된다. 도 5에는 입자의 크기별 개수를 나타내는 선도로서, 가로축은 종래의 응축 입자 계수 장치를 통하여 얻어진 입자 개수를 나타내고 세로축은 본 발명에 따른 가상 임팩터를 구비하는 응축 입자 계수 장치를 통하여 얻어진 입자 개수를 나타내는데, 여기서 가로축은 0.1CFM(cubit feet per minute)의 저유량 상태를 그리고 세로축은 1.0CFM의 고유량 상태를 나타내며, 도면 부호 lR로 표시된 실선은 가로축과 세로축의 유량차에 따른 입자 개수의 이론적 비율(10:1)을 나타내는 이론적 개수분포선(lR)을 지시하고, 입자의 크기는 20nm, 40nm, 60nm, 100nm의 경우에 대하여 측정하였다. 도 5에 도시된 바와 같이 가상 임팩터를 구비하는 본 발명에 따른 응축 입자 계수 장치를 통하여 얻어진 값과 종래 응축 입자 계수 장치를 통하여 얻어진 값은 거의 이론적 개수분포선의 근방에 배치되고 산포가 심하지 않다는 점으로부터, 가상 임팩터를 통한 입자의 농축 기능이 잘 수행되었다는 것을 추론할 수 있다.
또한, 도 6에는 가상 임팩터를 구비하는 본 발명에 따라 고유량(본 실시예에서 1.0CFM) 샘플링을 가능하게 하는 응축 입자 계수 장치와, 종래 저유량(0.1CFM) 샘플링을 이루는 응축 입자 계수 장치를 통하여 시간 변화에 따라 측정된 입자 개수 분포를 나타내는 선도가 도시되는데, 도 6에서 가로축은 시간(t)을, 세로축 중 N1은 고유량 샘플링을 통한 입자 개수 축을, 세로축 중 N2는 저유량 샘플링을 통한 입자 개수 축을, 그리고 세로축 중 R은 N1과 N2의 농축율을 나타낸다. R의 값으로부터 알 수 있는 바와 같이 고유량 샘플링과 저유량 샘플링의 농축율은 대략 10:1의 값을 가지는 것을 알 수 있는데, 이러한 결과를 통하여 입자 농축을 위한 가상 임팩터를 구비하는 본 발명에 따른 응축 입자 계수 장치는 보다 정확하고 신속한 검측 결과를 제공함으로써 사용자에게 입자 계측에 대한 신뢰도 높은 데이터를 제공할 수 있다.
상기 실시예들은 본 발명을 설명하기 위한 일예들로, 본 발명이 이에 국한되는 것은 아니다. 즉, 여기서 도시되지는 않았으나, 본 발명에 따른 응축 입자 계수 장치는 입자를 Kr, Po 등과 같은 방사능 또는 소프트 X-ray 등으로 전기적 중화시켜 전기적으로 일정한 비율로 입자 크기에 따라 양전하, 음전하 및 중성의 전하를 띄는 볼츠만 전하 분포를 이루도록 하고, 입자를 포함하는 에어로졸을 각각 +와 - 전압이 인가되는 구조 사이로 통과시켜 유체 흐름에 의한 힘과 전기력을 조절하여 소정의 크기 별로 입자를 분류시키는 전기 이동도 분석기(DMA;Differnential Mobility Analyzer)와 결합되어 사용될 수도 있는 등, 설계 사양에 따라 다양한 변형이 가능하다. 본 발명은 도면에 도시된 일실시예들을 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허 청구 범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 응축 입자 계수 장치의 개략적인 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 응축 입자 계수 장치의 개략적인 부분 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 응축 입자 계수 장치의 개략적인 구성도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 응축 입자 계수 장치의 가상 임팩터에 대한 개략적인 부분 확대 단면도이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 응축 입자 계수 장치 및 종래 응축 입자 계수 장치의 실험 결과를 나나태는 선도이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
10...응축 입자 계수 장치 100...하우징
200...디스트리뷰터부 300...포화기
400...응축기 500...가상 임팩터
600...광학 계수기 700...필터부
800...진공 펌프부

Claims (5)

  1. 하우징;
    상기 하우징에 배치되는 디스트리뷰터 바디와, 상기 디스트리뷰터 바디에 연결되고 에어로졸이 유입되는 디스트리뷰터 유입부와, 상기 디스트리뷰터 바디로부터 에어로졸을 유출시키는 디스트리뷰터 유동 라인을 구비하는 디스트리뷰터;
    상기 하우징의 하부에 배치되고 상기 디스트리뷰터 유동 라인과 유체 소통을 이루고 에어로졸을 작동 유체로 포화시키기 위한 포화기;
    상기 하우징의 내부에 배치되고 상기 포화기와 유체 소통을 이루어 상기 작동 유체로 포화된 에어로졸내 입자를 응축시키기 위한 응축기;
    상기 응축기의 하류에 배치되고 상기 에어로졸을 사전 설정된 비율로 분류시켜 응축 입자를 농축시키기 위한 가상 임팩터;
    상기 가상 임팩터의 하류에 배치되고 상기 가상 임팩터와 유체 소통을 이루어 응축된 에어로졸 내 농축된 입자를 계수하기 위한 광학 계수기;를 구비하고,
    상기 디스트리뷰터 유동 라인은 복수 개가 구비되고, 상기 각각의 디스트리뷰터 유동 라인은 상호 이격 배치되며,
    상기 포화기는 상기 디스트리뷰터 하부에 배치되고, 상기 응축기로의 응축 유입구와 상기 각각의 디스트리뷰터 유동 라인은 균등 이격 배치되는 것을 특징으로 하는 응축 입자 계수 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 가상 임팩터는:
    상기 응축기의 하류로 상기 하우징에 배치되는 가상 임팩터 바디와,
    상기 가상 임팩터 바디의 내부로 상기 응축기와 유체 소통을 이루어 상기 에 어로졸을 상기 가상 임팩터 바디 내부로 유입시키는 임팩터 가속 노즐부와,
    상기 임팩터 가속 노즐부의 길이 방향과 교차된 평면 상으로 상기 가상 임팩터 바디와 유체 소통을 이루도록 배치되는 임팩터 유동 수집부와,
    상기 임팩터 가속 노즐부와 동축 상에 배치되는 임팩터 관성 수집부를 구비하고,
    상기 광학 계수기는 상기 임팩터 관성 수집부와 유체 소통을 이루는 것을 특징으로 하는 응축 입자 계수 장치.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 응축기는:
    상기 응축 유입구와 연결되는 응축 유동 유입 라인과, 일단은 상기 응축 유동 유입 라인과 타단은 상기 임팩터 가속 노즐부의 일단과 유체 소통을 이루는 응축 유동 유출 라인을 포함하는 응축 유동 라인과,
    상기 응축 유동 라인을 관류하는 에어로졸과 열전달을 이루기 위한 응축 냉각부를 구비하고,
    상기 응축 유동 유입 라인은 복수 개가 구비되는 것을 특징으로 하는 응축 입자 계수 장치.
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