KR101256546B1 - 회전 교환식 필터 카트리지를 구비한 배출가스의 입자상 물질 계측장치 - Google Patents

회전 교환식 필터 카트리지를 구비한 배출가스의 입자상 물질 계측장치 Download PDF

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Abstract

회전 교환식 필터 카트리지를 구비한 배출가스의 입자상 물질 계측장치가 개시된다. 본 발명의 희석터널식 입자상 물질 계측장치는 배출가스와 외부 공기가 희석된 희석 가스에 포함된 입자상 물질을 포집하는 여과지를 수용하는 필터 카트리지를 구비하되, 상기 여과지는 별도의 필터 교체수단에 의해 자동으로 교체된다. 필터 교체수단은 상기 여과지를 장착하기 위한 관통 홀인 필터 장착부를 복수 개 구비한 회전판과, 상기 회전판을 회전시킴으로써 상기 복수 개의 필터 장착부 중 하나를 상기 상부 커버와 하부 커버 사이에 위치시키는 모터를 구비하여 여과지를 자동 교체할 수 있다.

Description

회전 교환식 필터 카트리지를 구비한 배출가스의 입자상 물질 계측장치{Particulate Matter Measuring Apparatus Comprising Rotating Changing Type Filter Cartridge}
본 발명은, 희석터널 방식으로 배출가스에 포함된 입자상 물질을 양을 계측하는 희석터널식 입자상 물질 계측장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 회전 교환식 필터 카트리지를 구비하여 여과지를 자동으로 용이하게 교체할 수 있는 희석터널식 입자상 물질 계측장치에 관한 것이다.
자동차 등의 배기가스 중에는 인체에 해로운 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2), 탄화수소(HC), 질소산화물(NOX) 등이 많이 포함되어 있기 때문에, 환경 공해의 주요한 요인이 된다. 또한, 배출가스는 그 자체로 또는 대기와 반응하여 탄소(C), 탄화수소(HC), 황화물 등과 같은 입자상 물질(PM: Particulate Matter)이 포함되어 있으며, 입자상 물질은 인체의 호흡기 질환 등을 직접 유발시키는 물질로서 관리와 규제가 더욱 필요하다.
자동차 엔진의 배출가스에 포함된 입자상 물질을 계측하는 방법으로 널리 사용되는 것이 희석터널 방식이다. 희석터널 방식은, 먼저 배출 가스가 대기와 반응하는 실제 차량 운행 상태와 유사한 환경을 만들기 위해 엔진의 배기관으로부터 채취된 시료 배출가스에 외부 공기를 혼합하여 희석터널을 통과시킴으로써 실제 배출가스와 유사한 희석 배출가스를 구성하고, 그 희석 배출가스를 필터를 이용하여 여과시킨 다음, 필터에 걸러진 입자상 물질의 무게를 계량하는 방법으로 입자상 물질의 무게를 측정하게 된다.
희석터널식 입자상 물질 계측장치(이하, 간단히 '계측장치'라 함)에는 희석터널로 엔진의 배출가스 전체가 유입되는 전 유량 희석터널 시스템(Full Flow Dilution Tunnel System)과, 배출가스의 일부가 유입되는 부분 유량 희석터널 시스템(Partial Flow Dilution Tunnel System)이 있다.
종래의 계측장치는 배출가스의 입자상 물질의 측정에 사용할 필터가 설치되는 필터 홀더(Holder)를 구비한다. 필터는 매 회의 시험마다 교체하여야 하므로, 반복적으로 이루어지는 시험 중에 필터의 교체 작업도 반복적으로 이루어진다. 따라서, 필터의 반복적인 교체작업이 보다 손쉽게 이루어질 필요가 있으며, 그를 위해 필터 홀더의 분리도 손쉽게 이루어질 필요가 있다.
종래의 희석터널식 입자상 물질 계측장치는 필터 홀더를 분리하기 위해, 고무 호스관을 이용하였는데, 고무 호스관의 마모가 심하고, 배출가스의 이상 고온으로 인해 고무 호스관 연결부에서 열융착이 발생하여 분리 자체에 문제가 발생하기도 하였다.
본 발명의 목적은 희석터널 방식으로 배출가스에 포함된 입자상 물질을 양을 계측하며, 회전 교환식 필터 카트리지를 구비하여 여과지를 자동으로 용이하게 교체할 수 있는 희석터널식 입자상 물질 계측장치를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 희석터널식 입자상 물질 계측장치는 검사대상이 되는 배출가스와 외부 공기가 유입되어 희석되는 희석터널과, 필터 카트리지, 필터 교체수단 및 유량측정부를 포함한다.
필터 카트리지는 내부 공간부를 형성하는 상부 커버와 하부 커버를 포함하고, 상기 희석터널에서 배출되는 희석 가스에 포함된 입자상 물질을 포집하는 여과지를 상기 내부 공간부에 수용한다. 유량 측정부는 상기 필터 카트리지를 통과한 희석가스의 유량을 측정하고, 그 측정결과를 기초로 유입되는 외부 공기의 양을 제어함으로써 회석가스의 희석비율을 일정하게 유지한다.
필터 교체수단은 상기 여과지를 장착하기 위한 관통 홀인 필터 장착부를 복수 개 구비한 회전판과, 상기 회전판을 회전시킴으로써 상기 복수 개의 필터 장착부 중 하나를 상기 상부 커버와 하부 커버 사이에 위치시키는 모터를 포함한다. 상기 필터 카트리지 내의 여과지에 의한 입자상 물질의 포집이 완료되면, 상기 모터가 회전판을 일정한 각도만큼 회전시킴으로써 사용한 여과지를 새로운 여과지로 교체한다.
실시 예에 따라, 계측장치는 상기 하부 커버를 수직으로 이송하여 상기 필터 카트리지를 개방하는 카르티지 이송수단과, 상기 회전판을 수직으로 이송하여 상기 필터 장착부를 상기 상부 커버에 결합시키는 회전판 이송수단을 더 포함할 수 있다. 여기서, 상기 하부 커버와 유량 측정부는 자유롭게 움직일 수 있는 주름관에 의해 연결되어 하부 커버의 이송이 자유롭도록 할 수 있다.
다른 실시 예에 따라, 상기 여과지는 메쉬 필터에 의해 지지된 채로 상기 필터 장착부의 관통 홀에 장착되는 것이 바람직하다.
또 다른 실시 예에 따라, 상기 회전판은 복수 개의 상기 필터 장착부가 회전축을 중심으로 하는 동심원 상에 배치된 원판 형태를 가지며, 상기 모터의 회전에 따라, 상기 회전판이 상기 회전축을 중심으로 회전하면서 상기 복수 개의 필터 장착부가 회전하면서 순차적으로 상기 필터 카트리지에 장착되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 희석터널식 입자상 물질 계측장치는 배출가스가 대기 중에 방출될 때 포함되는 입자상 물질의 양을 희석터널을 이용하여 실제와 동일한 환경으로 계측할 수 있다.
본 발명에서, 입자상 물질의 포집에 사용되는 여과지는 별도의 회전판에 의해 새것으로 자동 교환된다. 이에 따라, 필터 카트리지에서의 여과지 교체가 매우 빠르고 손쉽게 이루어질 수 있다.
도 1은 본 발명의 희석터널식 입자상 물질 계측장치를 나타낸 개략도,
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 필터 교체수단을 도시한 사시도, 그리고
도 3은 도 1의 필터 교체수단과 필터 카트리지의 단면도이다.
<도면의 주요부에 대한 부호의 설명>
110: 희석터널 110a: 배출구
113: 공기흡입구 115: 가스 유입구
117: 흡기밸브 119: 개폐밸브
130: 필터 카트리지 131: 상부 커버
133: 하부 커버 135: 카트리지 이송수단
137: 연결관 150: 유량측정부
170: 필터 교체수단 171: 회전판
173a, 173b, 173c, 173d: 필터 장착부
181: 모터 183: 회전판 이송수단
201: 여과지 203: 메쉬 필터
이하 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
본 발명의 희석터널식 입자상 물질 계측장치(이하, 간단히 '계측장치'라고 함)는 외부로부터 시료가 되는 배출가스에 외부 공기를 희석시킨 희석 가스를 만든 다음, 희석 가스 내에 포함된 입자상 물질(PM: Particulate Matter)의 질량을 계측할 수 있다.
도 1 및 2를 참조하면, 본 발명의 계측장치(100)는 배출가스와 외부 공기가 유입되어 희석되는 희석터널(110)과, 희석터널(110)을 통과한 희석 가스로부터 입자상 물질을 포집하는 필터 카트리지(130)와, 필터 카트리지(130)를 통과한 희석 가스의 유량을 측정하는 유량측정부(150)와, 필터 카트리지(130)의 여과지를 자동으로 교체하는 필터 교체수단(170)을 포함한다.
희석터널(110)의 전단은 공기흡입구(113) 및 가스유입구(115)와 연결되어, 공기흡입구(113)를 통해 외부 공기가 희석터널(110)로 유입되고 가스유입구(115)를 통해 배출가스가 희석터널(110)로 유입된다. 공기흡입구(113)와 희석터널(110) 사이에는 유량측정부(150)에 의해 제어되어 유입되는 외부 공기의 양, 다시 말해 배출가스와 희석되는 외부 공기의 양을 제어하는 흡기밸브(117)가 마련된다.
또한, 개폐밸브(119)가 희석터널(110)과 필터 카트리지(130) 사이에 마련되어, 희석터널(110)에서 희석된 희석가스를 필터 카트리지(130)로 공급한다.
유량측정부(150)는 흡기밸브(117)를 제어하여 관로 상의 희석 가스의 희석 비율을 일정하게 유지하는 역할을 수행한다. 이를 위해, 유량측정부(150)는 필터부를 통과한 희석 가스의 유량(L1, L1 = L2 + L3)을 계측하고, 계측된 희석 가스의 유량을 기초로 흡기밸브(117)를 개폐시킨다. 유량측정부(150)는 흡기밸브(117)를 통해 유입되는 외부 공기의 양(L2)을 제어함으로써, 배출가스의 양(L3)에 관계없이 희석터널(110)에서 희석된 희석 가스의 희석비율(L3/L1)을 설정된 값으로 일정하게 유지할 수 있게 된다.
필터 카트리지(130)는 희석 가스의 유동 계통상에 마련되며, 희석 가스로부터 입자상 물질을 포집할 여과지(Filter Paper)를 수용하며, 필터 카트리지(130)에서 사용된 여과지는 필터 교체수단(170)에 의해 새로운 여과지로 자동 교체된다.
필터 카트리지(130)는 내부 공간부를 형성하여 여과지(201)를 밀폐 수용하는 상부 커버(131) 및 하부 커버(133)를 포함한다. 필터 카트리지(130)의 하부에는 하부 커버(133)를 수직으로 이송시킬 '카트리지 이송수단(135)'이 구비된다. 카트리지 이송수단(135)은 하부 커버(133)를 아래쪽으로 이송시킴으로써 필터 카트리지(130)를 상하로 개방시킨다. 나아가, 하부 커버(133)의 수직 이송을 위해, 하부 커버(133)와 유량 측정부(150)를 연결하는 연결관(137)은 주름관과 같이 자유롭게 움직일 수 있는 것이 바람직하다.
필터 교체수단(170)은 여과지(201)를 지지할 메쉬 필터(Mesh Filter)(203)와, 복수 개의 메쉬 필터(203)가 장착될 회전판(171)과, 회전판(171)을 회전시키는 모터(181)와, 회전판(171)을 수직 이송할 회전판 이송수단(183)을 구비한다.
회전판(171)은 원판 형상으로 마련되어 모터(181)에 의해 회전하게 된다. 회전판(171)에는 복수 개의 메쉬 필터(203)를 수용하도록 원형의 관통 홀(Hole)인 필터 장착부(173a, 173b, 173c, 173d)가 형성되어 있다. 도 2의 회전판(171)은 4개의 필터 장착부(173a, 173b, 173c, 173d)가 형성된 예이다.
각 필터 장착부(173a, 173b, 173c, 173d)는 회전판(171)의 회전축(173)을 중심으로 하는 원주 상에 그 중심점이 위치하도록 배치되고, 그 원주는 필터 카트리지(130)의 중심점을 지나도록 배치된다. 따라서, 회전판(171)이 회전축(173)을 중심으로 회전하게 되면, 복수 개의 필터 장착부(173a, 173b, 173c, 173d) 중 하나(또는, 그 필터 장착부에 장착된 메쉬 필터)는 필터 카트리지(130)의 상부 커버(131)와 하부 커버(133) 사이에 위치하게 된다. 이하에서는 설명의 편리를 위해, 입자상 물질의 포집에 사용될 필터 장착부(173a, 173b, 173c, 173d)가 필터 카트리지(130)의 상부 커버(131)와 하부 커버(133) 사이에 위치하게 된 상태를 "셋팅(Setting)되었다"고 표시한다. 도 2에서는 필터 장착부(173a)가 셋팅된 상태로서, 이하의 설명도 필터 장착부(173a)를 중심으로 설명한다.
메쉬 필터(203)는 원형의 그물망으로서 여과지(201)를 지지한다. 여과지(201)는 메쉬 필터(203)에 올려지고 메쉬 필터(203)는 필터 장착부(173a)에 장착된 상태에서, 해당 필터 장착부(173a)가 필터 카트리지(130)에 수용(또는 결합)되어 셋팅된다.
입자상 물질의 포집은 셋팅된 필터 장착부(173a)가 상부 커버(131) 및 하부 커버(133)와 직접 결합한 상태로 이루어지기 때문에, 필터 장착부(173a)는 메쉬 필터(203)를 수용하기 위한 구조와 함께, 상부 커버(131) 및 하부 커버(133)와 밀폐 결합하기 위한 구조를 가져야 한다. 도 3을 참조하면, 회전판(171)의 필터 장착부(173a)의 외주면(173-1)에는 가장자리를 향해 경사면이 형성되어 상부 커버(131) 및 하부 커버(133)의 하단부의 결합을 안내함과 동시에 밀폐 결합되도록 한다. 또한, 밀착력을 높이기 위해, 상부 커버(131) 및 하부 커버(133)의 하단 결합부분에는 밀착을 위한 패킹 부재가 마련될 수 있다.
회전판 이송수단(183)은 회전판(171)을 수직방향으로 이송하여 상부 커버(131)에 결합시키거나 상부 커버(131)로부터 분리한다.
필터 카트리지(130)의 동작을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 카트리지 이송수단(135)이 하부 커버(133)를 아랫쪽으로 이송시켜 필터 카트리지(130)를 개방해 둔 상태에서, 여과지(201)가 상면에 놓인 적어도 하나의 메쉬 필터(203)가 필터 장착부(173a, 173b, 173c, 173d)에 장착된다.
적어도 하나의 메쉬 필터(203)가 필터 장착부(173a, 173b, 173c, 173d)에 장착되면, 모터(181)는 회전판(171)을 일정한 각도만큼 회전시켜 필터 장착부(173a, 173b, 173c, 173d) 중 계측에 사용될 필터 장착부(173a)를 필터 카트리지(130)의 상부 커버(131)와 하부 커버(133) 사이에 위치시켜 셋팅한다.
모터(181)의 회전이 정지하고 셋팅이 완료되면, 회전판 이송수단(183)이 회전판(171)을 상측으로 수직 이송시켜 셋팅된 필터 장착부(173a)를 상부 커버(131)에 결합시킨다.
이후에, 카트리지 이송수단(135)이 하부 커버(133)를 상측으로 수직 이송시켜 셋팅된 필터 장착부(173a)에 결합시킨다. 이로써, 여과지(201)가 필터 카트리지(130)에 장착되면, 개폐밸브(119)를 열어 희석터널(110)로부터 희석 가스가 필터 카트리지(130)로 유입되도록 하고, 희석가스에 포함된 입자상 물질의 포집이 수행된다.
계측이 시작되면, 희석터널(110)에서 배출되는 희석 가스는 개폐밸브(119) → 상부 커버(131) → 여과지(201) → 메쉬 필터(203) → 하부 커버(133) → 연결관(137)을 통과하여 유량측정부(150)로 유입된다. 유량측정부(150)는 필터 카트리지(130)를 통과한 희석 가스의 유량을 측정하고, 그 측정결과에 따라 흡기밸브(117)를 피드백 제어함으로써 희석비율을 일정하게 유지한다.
셋팅된 필터 장착부(173a) 또는 그 셋팅된 여과지(201)에 의한 입자상 물질의 포집이 완료되면, 반대로 셋팅된 여과지(201) 또는 필터 장착부(173a)의 분리과정이 셋팅 과정과 반대로 이루어진다.
다시 말해, 카트리지 이송수단(135)이 하부 커버(133)를 아래 방향으로 이송시켜 필터 카트리지(130)를 개방하면, 회전판 이송수단(183)이 회전판(171)을 아래 방향으로 이송시켜 상부 커버(131)와 분리시킨다. 이후에 모터(181)가 다시 회전하여 다음 필터 장착부(173b)를 셋팅시키기 위한 과정이 앞에서와 같이 수행된다. 이러한 반복 과정을 통해 이미 사용된 필터 장착부(173a)가 필터 카트리지(130)로부터 분리되고 새로운 필터 장착부(173b)가 필터 카트리지(130)에 장착된다.
이상의 과정을 반복함으로써, 회전판(171) 내의 복수 개 필터 장착부(173a, 173b, 173c, 173d)는 순차적으로 회전하면서 필터 카트리지(130)와 결합하게 되고, 그 결합에 따라 필터 카트리지(130) 내에서의 입자상 물질의 포집이 반복적으로 이루어지게 된다.
실시 예에 따라, 계측장치(100)는 복수 개의 필터 카트리지(130)와, 복수 개의 필터 교체수단(170)을 포함할 수 있다. 이를 위해, 희석터널(110)의 배출구(110a)는 별도의 분배관을 통해 각 필터 카트리지(130)와 연결된다.
복수 개의 필터 카트리지(130)는 교번적으로 사용되어, 복수 개의 필터 카트리지(130) 중 선택된 하나만이 희석터널(110) 및 유량측정부(150)와 연결되어 입자상 물질의 계측에 제공된다. 이를 위해, 각 필터 카트리지(130)의 전단과 후단에는 각각 개폐밸브가 마련된다. 개폐밸브는 복수 개의 필터 카트리지(130) 중에서 시험에 제공될 필터부만을 개방하도록 제어된다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.

Claims (5)

  1. 검사대상이 되는 배출가스와 외부 공기가 유입되어 희석되는 희석터널;
    내부 공간부를 형성하는 상부 커버와 하부 커버를 포함하고, 상기 희석터널에서 배출되는 희석 가스에 포함된 입자상 물질을 포집하는 여과지를 상기 내부 공간부에 수용하는 필터 카트리지;
    상기 필터 카트리지 내의 여과지를 교체하는 필터 교체수단; 및
    상기 필터 카트리지를 통과한 희석가스의 유량을 측정하는 유량 측정부를 포함하고,
    상기 필터 교체수단은,
    상기 여과지를 장착하기 위한 관통 홀인 필터 장착부를 복수 개 구비한 회전판;
    상기 회전판을 회전시킴으로써 상기 복수 개의 필터 장착부 중 하나를 상기 상부 커버와 하부 커버 사이에 위치시키는 모터를 포함하는 것을 특징으로 하되,
    상기 하부 커버를 수직으로 이송하여 상기 필터 카트리지를 개방하는 카르티지 이송수단; 및
    상기 회전판을 수직으로 이송하여 상기 필터 장착부를 상기 상부 커버에 결합시키는 회전판 이송수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 희석터널식 입자상 물질 계측장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 하부 커버와 유량 측정부는 자유롭게 움직일 수 있는 주름관에 의해 연결되는 것을 특징으로 하는 희석터널식 입자상 물질 계측장치.
  4. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 여과지는 메쉬 필터에 의해 지지된 채로 상기 필터 장착부의 관통 홀에 장착되는 것을 특징으로 하는 희석터널식 입자상 물질 계측장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 회전판은 복수 개의 상기 필터 장착부가 회전축을 중심으로 하는 동심원 상에 배치된 원판 형태를 가지며,
    상기 모터의 회전에 따라, 상기 회전판이 상기 회전축을 중심으로 회전하면서 상기 복수 개의 필터 장착부가 회전하면서 순차적으로 상기 필터 카트리지에 장착되는 것을 특징으로 하는 희석터널식 입자상 물질 계측장치.


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