KR101074697B1 - 에어러솔 전처리 시스템 - Google Patents

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KR101074697B1 KR1020090010079A KR20090010079A KR101074697B1 KR 101074697 B1 KR101074697 B1 KR 101074697B1 KR 1020090010079 A KR1020090010079 A KR 1020090010079A KR 20090010079 A KR20090010079 A KR 20090010079A KR 101074697 B1 KR101074697 B1 KR 101074697B1
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이병인
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Abstract

본 발명은 에어러솔 전처리 시스템에 관한 것이며, 본 발명은 세계기상기구에서 권고하는 상대 습도 기준치에 부합하도록 샘플공기의 상대 습도를 제어하고자 한다.
이를 위하여, 본 발명은, 에어러솔이 포함되는 공기를 흡입하는 샘플러와 상기 샘플러에 연결되는 흡입 파이프로 이루어지며, 에어러솔의 흡입 입자크기를 제어하는 흡입 샘플관 시스템과; 상기 흡입 샘플관 시스템의 흡입 파이프와 연결되는 주 흡입 파이프를 구비하며, 상기 주 흡입 파이프 내에 위치하는 샘플 파이프 내 샘플 공기를 확산 건조기에 의해 제습하는 제1 제습 시스템; 및
상기 제1 제습 시스템의 상기 샘플 파이프가 연장되어 측정 장비와 연결되며, 상기 샘플 파이프에 가열장치를 통해 열을 가함으로써 샘플 공기 내의 포화 수증기압을 높여 샘플 공기의 습도를 낮추는 제2 제습 시스템을 포함한다.
에어러솔, 기후 변화, 상대 습도, 등운동학

Description

에어러솔 전처리 시스템{Aerosol Preprocessing System}
본 발명은 대기 중 에어러솔(aerosol)을 관측하는 기술에 대한 것이며, 특히 기후변화의 원인물질인 대기 중의 에어러솔을 정확히 관측함으로써 기후 변화 감시 및 분석, 기후변화 예측 기술에 관한 것이다.
화석연료나 토지 경작 등을 통한 인간의 활동은 대기 중으로 에어러솔(미세 대기 입자)을 방출시키게 한다. 에어러솔은 기후를 변화시킬 뿐만 아니라 대기질에 직접적으로 영향을 주거나 에어러솔의 배출원 부근에 사는 사람들의 건강과 생태계에 영향을 초래하는 등 다양한 환경 문제를 일으킨다는 점에서 이에 대한 대책 마련의 중요성이 보고되어 왔다. 대기 중 에어러솔이 기후변화와 대기오염 문제를 초래한다는 점에서, 대기 환경을 개선하고 기후 변화에 의한 영향을 최소화하기 위하여 우선 에어러솔을 정확히 관측할 필요가 있다.
그러나 에어러솔의 정확한 관측을 위해서는 상대 습도(relative humidity)의 영향을 고려할 필요가 있다. 세계기상기구(World Meteorological Organization; WMO)가 2003년 9월에 발간한 제153호 지구대기감시 보고서(Global Atmosphere Watch, No. 153)의 에어러솔 측정 절차/ 가이드라인 및 권고(Aerosol Measurement Procedures/ Guidelines and Recommendations)에서는, 특정 크기의 에어러솔을 관측하기 이전에 관측 자료에 큰 영향을 미치는 상대 습도를 40% 이하로 제어하도록 권고하고 있다.
미국이나 유럽과 같은 대륙성 기후에서는 습도가 높지 않기 때문에 에어러솔 측정 시스템에 단순한 건조기를 장착함으로써 상대 습도를 용이하게 제어할 수 있지만, 장마철과 같은 높은 습도의 우기가 뚜렷한 한국과 일본 등의 국가의 경우에는 그와 같은 건조기 장착만으로는 효율적으로 습도를 제어할 수 없는 문제가 있었다. 더욱이 에어러솔을 채취하는 위한 샘플 공기가 흡입되는 흡입관을 건조시키는 건조기의 온도를 높여서 공기의 포화수증기압을 상승시킴으로써 습도를 제어한다고 하더라도, 높은 습도로 인하여 건조기로부터 가해지는 온도를 과도하게 상승시켜야만 하고 그럴 경우 열에 민감한 장비가 훼손되어 버리는 문제점이 있었다.
따라서, 상대 습도가 90% 이상으로 높은 속도가 지속되는 여름철이나 우기에 있어서도 에어러솔 샘플공기의 상대습도를 효율적으로 제어할 수 있는 시스템 및 관측 장비가 필요하다. 그러나 종래에는 그와 같은 고습도 기후조건에 적합한 관측 장비나 전처리 시스템이 알려지지 않았다.
본 발명의 발명가는 오랫동안 연구 노력한 결과 위와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고 효율적이며 정확한 에어러솔 측정이 가능한 시스템 및 장치를 완성하게 되었다.
본 발명의 목적은 한국이나 일본 등과 같이 상대 습도가 매우 높은 우기나 여름 장마철이 존재하는 지역에 있어서도, 세계기상기구가 권고한 기준에 부합하며, 에어러솔 샘플 공기의 상대 습도를 효율적으로 제어하면서 정확하게 에어러솔을 측정할 수 있는 시스템 및 장치를 제공함에 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 상대 습도를 제어함과 함께, 흡입유량이 다른 장비들에 있어서도 등운동학적으로 동일한 샘플이 동시에 유입되도록 설계된 샘플관을 제공하고자 함에 있다.
한편, 본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은 하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 것이다.
본 발명은, 에어러솔 전처리 시스템으로서:
에어러솔이 포함되는 공기를 흡입하는 샘플러와 상기 샘플러에 연결되는 흡입 파이프로 이루어지며, 에어러솔의 흡입 입자크기를 제어하는 흡입 샘플관 시스템;
상기 흡입 샘플관 시스템의 흡입 파이프와 연결되는 주 흡입 파이프를 구비하며, 상기 주 흡입 파이프 내에 위치하는 샘플 파이프 내 샘플 공기를 확산 건조기에 의해 제습하는 제1 제습 시스템; 및
상기 제1 제습 시스템의 상기 샘플 파이프가 연장되어 측정 장비와 연결되며, 상기 샘플 파이프에 가열장치를 통해 열을 가함으로써 샘플 공기 내의 포화 수증기압을 높여 샘플 공기의 습도를 낮추는 제2 제습 시스템을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 에어러솔 전처리 시스템의 바람직한 실시예에서는, 상기 제1 제습 시스템의 주 흡입 파이프의, 상기 흡입 파이프와 연결되는 상부는, 그 직경이 순차적으로 증가되도록 구성하여 흡입된 공기의 유속을 완화시키는 것이 좋다.
또한, 상기 제1 제습 시스템의 상기 샘플 파이프의 상단부는 샘플 공기를 흡입하기 위하여 개방되어 있다.
또한, 본 발명의 에어러솔 전처리 시스템의 바람직한 실시예에서는, 상기 제1 제습 시스템의 주 흡입 파이프 내에 위치하는 상기 샘플 파이프의 내경은, 다음 식에 의해 산출하여 내부의 공기 흐름에 와류가 발생하지 않도록 하며, 상기 샘플 파이프 내부로 흐르는 공기의 흐름에 대한 레이놀즈수(Reynolds Number)가 2000 이하가 되도록 상기 샘플 파이프의 내경을 조정하는 것이 좋다.
Figure 112009007725914-pat00001
(Rs : 샘플 파이프의 반지름, Fq : 장비소요유량, Fv : 주 흡입 파이프의 유속)
또한, 본 발명의 상기 확산 건조기는,
상기 샘플 파이프와 동일한 직경으로 이루어지는 철망 원통관과, 상기 철망 원통관을 밀폐하며, 상기 샘플 파이프의 직경보다 더 큰 직경을 가지는 밀폐 원통관과, 상기 철망 원통관과 상기 밀폐 원통과 사이에 충진되는 실리카겔을 포함하는 것이 좋다.
또한, 바람직하게는, 상기 확산 건조기는 상단부 및 하단부에 각각 밀봉 체결체를 더 포함하여, 이 밀봉 체결체를 통해 상기 샘플 파이프에 착탈할 수 있는 카트리지 구조로 이루어지며, 상기 상단부 체결체를 개봉하여 상기 실리카겔을 충진하거나 교체가능하도록 할 수 있다.
또한, 상기 확산 건조기의 상기 밀폐 원통관은 투명한 재질로 이루어지는 것이 좋다.
또한, 바람직하게는, 상기 확산 건조기가 위치하는 곳에 대응하는 위치의 주 흡입 파이프에 개폐 장치를 더 포함하며, 이 개폐장치를 개방하여 상기 확산 건조기를 상기 샘플 파이프에 연결하거나 해제하는 것이 좋다.
또한, 상기 제1 제습 시스템의 주 흡입 파이프의, 확산 건조기가 장착되는 위치보다 더 높은 위치에, 측정공을 더 포함하며, 이 측정공에 유속 또는 온습도 측정센서를 연결하여 유속 또는 온습도를 측정하도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 에어러솔 전처리 시스템의 상기 제1 제습 시스템은, 주 흡입 파이프 내의 공기를 외부로 배출시키고, 상기 측정 장비로 흡입되는 샘플 공기의 용량과 주 흡입 파이프 내의 공기의 유속을 조절하는 샘플 공기 유량제어장치를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 상기 제2 제습 시스템에서 열을 가하는 가열장치는, 상기 제2 제습 시스템의 샘플 파이프에 금속부재의 와이어를 권선하고, 상기 금속부재의 와이어를 가열회로와 전기적으로 연결하여 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 상기 금속부재의 와이어로 권선된 샘플 파이프를 밀봉하는 단열재를 더 포함하는 것이 좋다.
또한, 상기 샘플 파이프에 온습도 측정장치를 설치하고, 상기 온습도 측정장치에 의해 측정되는 데이터에 따라 상기 가열장치의 동작을 제어하는 온습도 제어 장치를 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 국면에서는 위와 같은 에어러솔 전처리 시스템에 있어서, 상기 에어러솔 전처리 시스템에 사용되는 확산 건조기 장치를 특징으로 한다.
본 발명의 효과는 한국, 일본 등 우기가 뚜렷한 국가나 지역 등에서도 세계기상기구의 권고 기준에 부합하는 양질의 에어러솔 관측 자료를 생산할 수 있다는 데 있다.
또한, 전처리 시스템 규격화를 통하여 맞춤형 에어러솔 전처리 시스템의 대량 생산이 가능하다는 현저한 효과가 있다.
본 발명의 명세서에서 구체적으로 언급되지 않은 효과라 하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 잠정적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급됨을 첨언한다.
이하 본 발명에 따른 바람직한 실시례를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 등 이 분야의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명의 에어러솔 전처리 시스템의 구성예를 개략적으로 나타내고 있다. 본 발명의 에어러솔 전처리 시스템은, 흡입 샘플관 시스템(100), 제1 제습 시스템(200) 및 제2 제습 시스템(300)으로 이루어지는 3가지의 시스템을 포함한다. 흡입 샘플관 시스템(100)은 특정 크기의 파티클의 에어러솔을 흡입하는 흡입 샘플러(110)와 이 흡입 샘플러(110)와 연결되는 흡입 파이프(120)로 이루어진다.
제1 제습 시스템(200)의 제습은, 주 흡입 파이프(220) 내에 위치하는 샘플 파이프 내 샘플 공기를 확산 건조기(210)에 의해 제습을 통해 이루어진다. 확산 건조기(210)의 구성에 대해서는 하기에서 설명하기로 한다. 또한, 샘플 공기 유량 제어장치(230)가 더 설치되며, 배출구를 통해 주 흡입 파이프(220) 내의 공기를 외부로 배출시키고, 상기 측정 장비로 흡입되는 샘플 공기의 용량과 주 흡입 파이프(220) 내의 공기의 유속을 조절하게 된다.
제2 제습 시스템(300)의 제습은, 측정 장비와 연결되는 샘플 파이프(320)를 가열장치(310)로 가열함으로써 샘플 공기 내의 포화 수증기압을 높여 샘플 공기의 습도를 낮추게 된다. 이때 온습도 측정장치(330)가 샘플 파이프 내부의 공기의 온 습도를 측정하며, 온습도 제어장치(340)는 온습도 측정장치(330)가 측정한 상대 습도가 40% 이상인 경우에 자동으로 소정 온도의 가열장치(310)의 열을 샘플 파이프(320)에 가하게 된다. 가열 온도와 가열 시간은 프로그램에 의해 미리 세팅할 수 있으며, 사용자가 설정할 수 있다.
도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 에어러솔 전처리 시스템을 실제 적용한 개략적인 시스템 구성을 도시하고 있다. 제1 제습 시스템(200)은 상기 흡입 파이프(120)와 연결되는 주 흡입 파이프(220)를 통해 유입되는 샘플 공기를 일차적으로 제습하며, 제2 제습 시스템(300)은 일차적으로 제습된 샘플 공기를 이차적으로 제습한다. 제1 제습 시스템(200)의 주 흡입 파이프(220)는 흡입 파이프(120)와 연결되며, 주 흡입 파이프(220) 내부에 위치하는 샘플 파이프는 제2 제습 시스템(300)의 샘플 파이프(320)와 연장됨으로써, 본 시스템의 내부 공기는 서로 연결되고 연장되는 파이프를 통해 막힘 없이 흐르게 된다. 이와 같이 이중 제습 시스템을 통해 상대 습도를 세계기상기구의 권고치로 낮춰진 에어러솔은 샘플 파이프로 연결된 측정 장비(350)(351)로 최종적으로 흡입되게 된다.
(1) 흡입 샘플관 시스템(100)
도 4는 본 발명에 따른 흡입 샘플관 시스템(100)의 개략적인 구성을 도시하고 있다. 흡입 샘플관 시스템(100)은 에어러솔을 흡입하는 샘플러(110)와, 흡입 파이프(120), 흡입 파이프(120)와 샘플러(110)를 연결하는 연결부(130)로 이루어진다. 샘플러(110)는 10㎛ 이상의 에어러솔이 유입되지 않도록 걸러냄으로써 유입되 는 에어러솔의 파티클 크기를 제어하는 역할을 한다. 본 발명에 사용되는 샘플러(110)는 미국 Thermo Anderson 사의 직경이 10㎛인 PM10 임펙터를 사용하였다. PM10 임펙터의 최상부는 2개의 콘 모양 형상의 디플렉터(deflector)를 포함하며, 10㎛ 이상의 에어러솔이 유입되지 않도록 걸러낸다. 10㎛ 이상의 에어러솔은 매우 짧은 시간 내에 지면으로 떨어지기 때문에, 대기 중에 부유하는 에어러솔이 기후변화에 영향을 미치는 특징을 산출하는데 적합하지 않으며, 따라서 10㎛ 이상의 입자는 배제되도록 하였다.
흡입 파이프(120)는 1m 길이로 제작하였으며, 그 직경(D1)은 샘플러인 PM10 임펙터와 동일한 직경 10cm로 하였으며, PM10 임펙터와 흡입 파이프(120)를 연결하는 상기 연결부(130)는 착탈이 용이하도록 양쪽에 나사식 체결방식으로 구성하였다. 각 구성들의 직경이나 길이 등의 구체적인 규격 및 연결방식은 설계시에 용이하게 변경할 수 있으며, 그것에 따라서 본 발명의 보호범위가 제한되지 아니함을 첨언한다.
(2) 제1 제습 시스템(200)
도 2를 참조하면 본 발명의 제1 제습 시스템(200)이 상기 흡입 샘플관 시스템(100)과 제2 제습 시스템(300)이 어떠한 관계로 구성되는지를 용이하게 알 수 있다. 제2 제습 시스템(300)의 주 흡입 파이프(220)는 상부(224)는 흡입 샘플관 시스템(100)의 흡입 파이프(120)와 연결되며, 주 흡입 파이프의 본체(226) 내에 측정 장비로 샘플 공기를 흘러 보내기 위한 샘플 파이프(221)(222)가 설치된다. 그리고 샘플 파이프(221)(222)를 삼단으로 나누어서 그 중간 부분에 확산 건조기(210)를 설치한다. 도 2에서는 확산 건조기(210)가 도시되어 있지 않지만, 도 6 내지 8에서 상세히 도시되어 있다.
또한, 주 흡입 파이프(220)의 본체(226)의 특정 영역에는 측정공이 구비될 수 있으며, 이 측정공을 통해 소정의 센서(228)를 장착할 수 있다. 이 센서(228)는 유속 또는 온습도를 측정하는 센서이다. 한편 주 흡입 파이프(220) 본체(226)의 하부에 배출구(229)를 형성하고, 이 배출구와 연결되는 샘플 공기 유량 제어장치(230)를 설치함으로써, 샘플 파이프(221)(222)에 일정 용량의 샘플 공기를 공급한 후 나머지를 배출하도록 한다. 상기 샘플 공기 유량 제어장치(230)는 장비의 흡입 용량 및 파이프 내 유속을 조절할 수 있도록 다이얼 형식의 송풍기 유량 조절장치를 함께 장착할 수 있다.
도 5는 상기 주 흡입 파이프(220)의 상부(224)와 본체(226)의 구성을 도시하고 있다. 상기 주 흡입 파이프(220)의 상부(224)는 그 직경이 순차적으로 증가되도록 구성하여 흡입된 공기의 유속을 완화시킨다. 상부(224)의 상단부의 직경은 흡입 파이프의 직경(D1)과 동일하며, 상부(224)의 하단부의 직경은 본체의 직경(D2)과 동일하다. "D2 > D1"의 관계에서 상부(224)의 직경은 선형적으로 증가하기 때문에 도 5와 같이 삼각형상이 된다.
본 발명의 일 실시예에서는 주 흡입 파이프(220)의 길이는 5m로 설치하였고, 이중 주 흡입 파이프(220) 상부(224)의 길이는 2.5m로 본체(226)의 길이는 2.5m로 제작하였다. 그러나 이러한 길이는 설치 환경과 설계시에 용이하게 변경 가능하다.
주 흡입 파이프(220)의 본체(226) 내에 위치하는 샘플 파이프(221)(222)는 도 2와 같이 2개 구성될 수 있으며, 1개만 구성될 수 있으며 또는 더 많은 샘플 파이프들이 설치될 수 있다. 샘플 파이프의 개수는 샘플 파이프와 연결되는 에어러솔 관련 측정장비의 개수와 관련되기 때문이다. 단, 어느 경우에도 샘플 파이프의 내경을 계산하는 것은 중요하다. 흡입 유량이 다른 장비에 샘플 공기가 와류 발생 없이 유입되도록 하여야 하기 때문이다. 즉, 주 흡입 파이프(220)의 유속과 각 장비에 연결되는 샘플 파이프의 유속이 동일하도록 하여, 주 흡입 파이프 내부의 공기 흐름에 와류가 발생하지 않도록 다음과 같은 식을 이용하여 샘플 파이프의 내경을 계산한다:
Figure 112009007725914-pat00002
(Rs : 샘플 파이프의 반지름, Fq : 장비소요유량, Fv : 주 흡입 파이프의 유속)
예컨대 장비의 소요유량이 5lpm(83㎤/s)이고, 주 흡입 파이프의 유속이 40㎝/s인 경우, 와류가 발생하지 않도록 결정되는 샘플 파이프의 반지름은,
Figure 112009007725914-pat00003
가 된다. 한편, 계산된 샘플 반지름 내부로 흐르는 공기의 흐름이 층 류(Laminar flow)인지 난류인지를 확인하기 위하여, 샘플 파이프 내부로 흐르는 공기의 흐름에 대한 레이놀즈수(Reynolds Number)를 아래와 같이 계산한다:
Figure 112009007725914-pat00004
여기서, 공기밀도 = 1.2kg/㎥이며, 공기점성 = 1.807×10-5 Pa s이다.
위 예시와 같이 반지름이 0.81cm인 샘플 파이프의 유속이 40cm/s인 경우, 레이놀즈수는 (1.2kg/㎥ × 0.0162m × 0.4m/s)/(1.807×10-5Pa s) = 432.02가 된다. 만약 위 과정에서 계산된 레이놀즈 수가 2000 이상이면 주 흡입 파이프의 유속과 샘플 파이프의 직경을 변경하여 레이놀즈 수가 2000 이하가 되도록 조정한다. 한편, 본 발명의 실시예에서는, 샘플 파이프의 상단부는 벽체(50)로부터 1.2m 떨어진 위치의 주 흡입 파이프(220) 내에 위치하도록 하였다.
도 7은 본 발명에 따른 확산 건조기(210)의 구성예를 나타내며, 도 6은 도 7의 대략적인 분리 사시도 이고, 도 8은 확산 건조기(210)가 주 흡입 파이프에 착탈되는 구성예를 나타내고 있다. 결과적으로 제1 제습 시스템(200)의 샘플 파이프(221)(222)는 세 부분으로 나누어지며, 상부 샘플 파이프와 하부의 샘플 파이프 사이에 확산 건조기(210)가 위치하는 구성이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 확산 건조기는 샘플 파이프와 동일한 직경으로 이루어지는 얇은 철망 원통관(2210)(2220)과 이 철망 원통관(2210)(2220)의 단면 원 호와 평행하게 둘러싸면서 밀폐하며, 샘플 파이프의 직경, 즉 철망 원통관의 직경보다 더 큰 직경을 갖는 밀폐 원통관(2211)(2221)을 포함하며, 철망 원통관(2210)(2220)과 밀폐 원통관(2211)(2221) 사이의 공간에 실리카겔(미도시)이 충진되게 된다. 실리카겔이 철망 안으로 들어감으로써 공기의 흐름에 방해가 생기지 않도록 철망의 망구조는 충분히 촘촘하게 구성될 수 있다. 또한, 밀봉 원통관(2211)(2221)은 아크릴과 같은 투명한 재질로 구성함으로써, 확산 건조기의 상태를 용이하게 점검할 수 있다. 이렇게 구성된 확산 건조기의 상단부 및 하단부에는 각각 밀봉 체결체(2213)(2215)에 의해 밀봉되며, 또한 샘플 파이프(222)(221)의 체결체(2213´)(2215´)에 체결된다. 바람직한 체결방식은 공기의 누수방지와 접합부의 잠금 해제가 용이하도록 나사식으로 이루어질 수 있으며, 도 6이 시사하는 바와 같이 체결구(미도시)를 이용할 수도 있다.
상기의 확산 건조기는 철망 원통관(2210)(2220)과 밀폐 원통관(2211)(2221) 사이의 공간에 충진된 실리카겔를 이용하며, 이는 삼투압과 같이 샘플 파이프 내외부의 습도차를 이용하여 샘플 공기의 수증기를 강제로 제거하는 방식으로 이해될 수 있다.
상기와 같은 구성의 확산 건조기(210)는 결국 주 흡입 파이프 내의 샘플 파이프의 중간에 연결하거나 해제하는 방식의 카트리지 구성으로 이루어질 수 있으며, 이와 같은 카트리지 구성의 확산 건조기(210)는 도 7에 도시되어 있는 바와 같다. 또한, 도시되어 있는 바와 같이, 도 7의 밀봉 체결체(2213)(2215)는 나사식 체결방식을 시사하고 있다. 즉 밀봉 체결체(2213)(2215)를 돌려서 확산 건조 기(210) 카트리지를 분리하거나 연결할 수 있다. 샘플 파이프(2210(222)로 들어온 샘플 공기는 확산 건조기(210)의 철망 원통관(2210)(2220)을 거치면서 일차적으로 습기가 제거되는 것이다. 확산 건조기(210)의 카트리지 구성은 도 8에 더욱 명확히 나타나 있다. 주 흡입 파이프(220)의 일정한 위치, 즉, 상기 확산 건조기(210)가 위치하는 곳에 대응하는 위치에 개폐 장치(212)(door)를 설치할 수 있으며, 이 개폐 장치(212)를 열어서 확산 건조기(210) 카트리지를 설치하거나 분리, 교체할 수 있다.
(3) 제2 제습 시스템(300)
제1 제습 시스템(300)을 통해 일차적으로 제습된 샘플 공기는 제1 제습 시스템의 샘플 파이프(221)(222)를 통해 제2 제습 시스템(300)의 샘플 파이프(321)(322) 안으로 유입된다. 도면부호 221과 321의 샘플 파이프는 서로 연장되는 샘플 파이프이며, 설명의 편의를 위하여 물리적으로 구분하였으며, 샘플 파이프 222와 322도 마찬가지이다.
가열장치(311)(312)는 샘플 파이프(321)(322)에 소정 온도의 열을 가함으로써, 샘플 파이프(3210(322) 내의 포화 수증기압을 높임으로써 샘플 공기의 습도를 낮출 수 있다. 가열장치(311)(312)는 샘플 파이프(321)(322)의 외주면을 금속부재의 와이어(열선)으로 권선하고, 이 열선을 가열회로와 전기적으로 연결한 다음에, 전력을 가함으로써 이 열선에서 발생하는 열을 이용할 수 있다. 즉 도 2의 도면부호 311과 312는 샘플 파이프의 외주면을 권선하는 열선으로 이해될 수 있으며, 또 는 그 대용 수단으로서 샘플 파이프의 외주면의 온도를 높이는 수단으로 이해될 수 있다.
또한, 도 2에 도시 되어 있는 바와 같이, 효율적인 가열과 열의 유지를 위하여 유리섬유 등으로 제작된 단열재(315)로 가열장치(311)(312)가 부착된 샘플 파이프(321)(322)를 밀봉할 수 있다.
온습도 측정장치(331)(332)는 각 샘플 파이프 내부의 공기의 온습도를 측정하며, 이 측정 데이터는 온습도 제어장치(미도시)로 전달되며, 온습도 제어장치가 미리 설정된 상대 습도치, 예컨대 상대 습도가 40% 이상인 경우에 자동으로 상기 가열장치(311)(312)를 작동시킬 수 있도록 구성된다.
(4) 측정 장비(350)(351)
본 발명은 에어러솔 전처리 시스템으로서, 측정 장비로 연결되는 샘플 파이프 내 에어러솔의 상대 습도를 기준치 이하로 낮추는 시스템이며, 결과적으로 전처리된 에어러솔은 측정 장비로 유입되게 된다. 측정 장비는 측정의 목적에 따라 다수 선택될 수 있으며, 그러한 측정 장비의 구성과 종류 및 사양 등은 에어러솔 전처리 시스템인 본 발명의 보호범위를 제한하지 아니한다.
본 발명의 실시예에서는 2개의 측정 장비(350)(351)에 샘플 파이프를 연결하였으며, 전자의 측정 장비(350)는 에어러솔 광흡수 측정기(Aethalometer), 후자의 측정 장비(351)는 에어러솔 광산란 측정기(Nephelometer)이다. 따라서 샘플 파이프(221)(321)는 에어러솔 광흡수 측정기(350)에 연결되고, 샘플 파이프(222)(322) 는 에어러솔 광산란 측정기(351)에 연결된다. 다른 실시예에서는 이중 하나의 장비만을 연결할 수 있으며, 이 경우 상기한 에어러솔 전처리 시스템의 주 흡입 파이프(220) 내의 샘플 파이프는 1개만으로 설계될 수 있을 것이다.
도 9는 본 발명의 시스템 설치 전후의 습도 제거 효율을 나타내는 그래프이다. 대상 장비는 에어러솔의 산란 계수(scattering coefficient)를 측정하는 Nepelometer(미국 TSI사 모델 3563)이며, 시스템 설치전(2006년)과 시스템 설치후(2008년)에 장비 내부에서 실시간으로 관측되는 샘플 공기의 상대습도를 측정하였다.
비교결과, 시스템 설치전 장비 내부에 유입되는 샘플 공기의 상대습도가 평균 48.6±14.2%에서 시스템 설치 후 24.5±7.1%로 약 24% 감소하였으며, 세계기상기구에서 권고하는 에어러솔 샘플 공기의 습도가 40% 이하로 충분히 유지된 결과를 얻었다.
첨부된 도 2 및 도 3에서, 도면부호 50은 건물의 천장 벽을 의미하며, 도면부호 50을 기준으로 위쪽이 실외이고 아래쪽이 실내로 이해될 수 있다. 측정을 위한 파이프의 길이, 즉 샘플러(110)로부터 실내의 관측 장비(350)(351)까지의 파이프의 높이가 수 미터를 넘기 때문에(예컨대 8m), 건물 천정을 관통하는 시스템 구성을 하였던 것이다. 이와 같은 외형적인 환경에 의해 변형되는 규격에 의하여 본 바명의 보호범위가 제한되지는 아니 한다.
이상에서 상세히 기술된 설명들은 본 발명의 특허청구범위에 기재된 발명에 대한 다양하고 예시적인 실시예 중의 하나로서, 그와 같은 실시예의 기재에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되지 않으며, 다른 변형이나 치환이 제안되더라도 본 발명의 청구범위에 기재된 사항과 그 기술 사상의 범위 내라면 역시 본 발명의 권리범위에 속하는 것임을 명확히 첨언해 둔다.
도 1은 본 발명의 에어러솔 전처리 시스템의 개략적인 전체 구성예를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 에어러솔 전처리 시스템 중 흡입 샘플관 시스템(100)과 제1 제습 시스템의 구성예를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 에어러솔 전처리 시스템 중 제2 제습 시스템의 구성예를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 흡입 샘플관 시스템(100)의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 제1 제습 시스템 중 주 흡입 파이프의 형태적인 구성을 예시하는 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 확산 건조기의 구성예를 개략적으로 나타내는 분리 사시도 이다.
도 7은 본 발명에 따른 확산 건조기의 카트리지 구성예를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명에 따라 주 흡입 파이프(220) 내에 설치된 확산 건조기의 설치 및 교체작업을 위한 개폐 장치의 구성을 나타내고 있는 도면이다.
도 9는 실험데이터를 나타내는 그래프이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100 : 흡입 샘플관 시스템 110 : 흡입 샘플러
120 : 흡입 파이프 130 : 연결부
200 : 제1 제습 시스템 210 : 확산 건조기
2210, 2220 : 철망 원통관 2211, 2221 : 밀폐 원통관
2213, 2215 : 밀봉 체결체 212 : 개폐장치
220 : 주 흡입 파이프 224 : 주 흡입 파이프 상부
226 : 주 흡입 파이프 본체 228 : 센서
229 : 배출구
221, 222, 320, 321, 322 : 샘플 파이프
230 : 샘플 공기 유량 제어장치 300 : 제2 제습 시스템
310, 311, 312 : 가열장치 315 : 단열재
330 : 온습도 측정장치 340 : 온습도 제어장치
350, 351 : 측정 장비
※ 첨부된 도면은 본 발명의 기술사상에 대한 이해를 돋구기 위하여 참조로서 예시된 것임을 밝히며, 그것에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되는 것은 아님을 첨언한다.

Claims (14)

  1. 에어러솔이 포함되는 공기를 흡입하는 샘플러와 상기 샘플러에 연결되는 흡입 파이프로 이루어지며, 에어러솔의 흡입 입자크기를 제어하는 흡입 샘플관 시스템 요소;
    상기 흡입 샘플관 시스템 요소의 흡입 파이프와 연결되는 주 흡입 파이프를 구비하며, 상기 주 흡입 파이프 내에 위치하는 샘플 파이프 내 샘플 공기를 확산 건조기에 의해 제습하는 제1 제습 시스템 요소; 및
    상기 제1 제습 시스템 요소의 상기 샘플 파이프가 연장되어 측정 장비와 연결되며, 상기 샘플 파이프에 가열장치를 통해 열을 가함으로써 샘플 공기 내의 포화 수증기압을 높여 샘플 공기의 습도를 낮추는 제2 제습 시스템 요소를 포함하는, 에어러솔 전처리 시스템 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 제습 시스템의 주 흡입 파이프의, 상기 흡입 파이프와 연결되는 상부는, 그 직경이 순차적으로 증가되도록 구성하여 흡입된 공기의 유속을 완화시키는 것을 특징으로 하는, 에어러솔 전처리 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 제습 시스템의 상기 샘플 파이프의 상단부는 샘플 공기를 흡입하기 위하여 개방되어 있으며, 그 상단부는 주 흡입 파이프 본체 내에 위치하는, 에어러솔 전처리 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 제습 시스템의 주 흡입 파이프 내에 위치하는 상기 샘플 파이프의 내경은, 다음 식에 의해 산출하여 내부의 공기 흐름에 와류가 발생하지 않도록 하며, 상기 샘플 파이프 내부로 흐르는 공기의 흐름에 대한 레이놀즈수(Reynolds Number)가 2000 이하가 되도록 상기 샘플 파이프의 내경을 조정하는 것을 특징으로 하는 에어러솔 전처리 시스템.
    Figure 112009007725914-pat00005
    (Rs : 샘플 파이프의 반지름, Fq : 장비소요유량, Fv : 주 흡입 파이프의 유속)
  5. 제1항에 있어서,
    상기 확산 건조기는,
    상기 샘플 파이프와 동일한 직경으로 이루어지는 철망 원통관과,
    상기 철망 원통관을 밀폐하며, 상기 샘플 파이프의 직경보다 더 큰 직경을 가지는 밀폐 원통관과,
    상기 철망 원통관과 상기 밀폐 원통과 사이에 충진되는 실리카겔을 포함하는 것인, 에어러솔 전처리 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 확산 건조기는 상단부 및 하단부에 각각 밀봉 체결체를 더 포함하여, 이 밀봉 체결체를 통해 상기 샘플 파이프에 착탈할 수 있는 카트리지 구조로 이루어지며, 상기 상단부 체결체를 개봉하여 상기 실리카겔을 충진하거나 교체하는 것인, 에어러솔 전처리 시스템.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 밀폐 원통관은 투명한 재질로 이루어지는 것인, 에어러솔 전처리 시스템.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 확산 건조기가 위치하는 곳에 대응하는 위치의 주 흡입 파이프에 개폐 장치를 더 포함하며, 이 개폐장치를 개방하여 상기 확산 건조기를 상기 샘플 파이프에 연결하거나 해제하는 것을 특징으로 하는, 에어러솔 전처리 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 제습 시스템의 주 흡입 파이프의, 확산 건조기가 장착되는 위치보다 더 높은 위치에, 측정공을 더 포함하며, 이 측정공에 유속 또는 온습도 측정센 서를 연결하여 유속 또는 온습도를 측정하도록 하는 것을 특징으로 하는, 에어러솔 전처리 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 제습 시스템의 주 흡입 파이프 내의 공기를 외부로 배출시키고, 상기 측정 장비로 흡입되는 샘플 공기의 용량과 주 흡입 파이프 내의 공기의 유속을 조절하는 샘플 공기 유량제어장치를 더 포함하는, 에어러솔 전처리 시스템
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제2 제습 시스템에서 열을 가하는 가열장치는, 상기 제2 제습 시스템의 샘플 파이프에 금속부재의 와이어를 권선하고, 상기 금속부재의 와이어를 가열회로와 전기적으로 연결하여 이루어지는 것인, 에어러솔 전처리 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 금속부재의 와이어로 권선된 샘플 파이프를 밀봉하는 단열재를 더 포함하는, 에어러솔 전처리 시스템.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 샘플 파이프에 온습도 측정장치를 설치하고, 상기 온습도 측정장치에 의해 측정되는 데이터에 따라 상기 가열장치의 동작을 제어하는 온습도 제어 장치 를 더 포함하는, 에어러솔 전처리 시스템.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항의 에어러솔 전처리 시스템에 있어서, 상기 에어러솔 전처리 시스템에 사용되는 확산 건조기 장치.
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