KR101677982B1 - 입자 포집 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 입자들의 선분리 기능이 포함된 번들형의 입자 포집 장치를 제공한다. 본 발명에서 제공하는 입자 포집 장치는, 축 방향으로 유입되는 입자들에 베인으로 원심력을 형성하여 입자들을 분리 및 포집하는 축방향 사이클론들을 포함하는 입자 포집 장치에 있어서, 제1기준크기보다 큰 입자들을 분리 및 포집하는 메인 축방향 사이클론; 상기 메인 축방향 사이클론으로 유입되기 전의 입자들을 제2기준크기보다 큰 입자와 작은 입자로 선분리하도록 상기 메인 축방향 사이클론에 연결되고, 상기 메인 축방향 사이클론으로 전달할 입자들의 유량을 서로 나누어 처리하도록 복수로 구비되는 서브 축방향 사이클론; 및 상기 서브 축방향 사이클론들에서 포집된 입자들을 제외한 나머지 입자들을 모아 상기 메인 축방향 사이클론으로 공급하도록 상기 서브 축방향 사이클론들의 각 축으로부터 연장되어 상기 메인 축방향 사이클론의 입구에 연결되는 연결부를 포함한다.

Description

입자 포집 장치{APPARATUS FOR COLLECTING PARTICLES}
본 발명은 축에 설치된 베인으로 입자들에 원심력을 형성하여 입자들을 크기별로 분리 및 포집하는 입자 포집 장치에 관한 것이다.
사이클론은 입자들을 회전 운동하게 만들고, 원심력을 이용하여 입자들을 분리 및 포집하는 장치이다. 사이클론의 입구를 통하여 유입된 입자들은 와류 유도기(vortex finder)나 베인(vane)을 따라 회전 운동을 하게 되는데 이때 관성력이 큰 입자(입자의 크기가 큰 입자)들은 상대적으로 큰 원심력 때문에 사이클론 내부 벽면이나 바닥면에 부딪혀 포집된다. 이와 반대로 관성력이 작은 입자(입자의 크기가 작은 입자)들은 상대적으로 작은 원심력 때문에 유동의 흐름을 따라 사이클론의 출구쪽으로 빠져나간다. 사이클론은 이러한 형상을 이용하여 공기 청정 기술 또는 입자 포집 기술을 필요로 하는 발전소, 공장, 소각로, 각종 측정 장비 등에서 널리 사용되고 있다.
노즐을 지나 반경의 방향으로 입자들을 유입시키는 일반적인 사이클론과는 달리, 축방향 사이클론은 축방향으로 입자들을 유입시키고 일반적인 와류 유도기(vortex finder)가 아닌 베인(vane)으로 입자들의 회전 운동을 유도한다. 축방향 사이클론은 일반적인 사이클론과는 달리 노즐이 없고 유체의 이동 방향이 변하지 않으므로 장치의 소형화에 더 유리하다는 특징이 있다.
그럼에도 불구하고, 축방향 사이클론은 입자를 분리 및 포집할 수 있는 성능이 제한적이어서 여러 크기의 입자들을 단계적으로 분리할 수는 없다는 한계가 있었다. 이러한 점에 근거하여 여러 크기의 입자들을 단계적으로 분리하고 포집할 수 있는 입자 포집 장치에 대하여 고려할 수 있다.
사이클론에 대한 추가적인 배경기술은 하기의 비특허 문헌1과 비특허 문헌2를 참조한다.
비특허 문헌 1
King, M. D., & McFarland, A. R. (2012). Bioaerosol Sampling with a Wetted Wall Cyclone: Cell Culturability and DNA Integrity of Escherichia coli Bacteria. Aerosol Science and Technology, 46(1), 82-93.
비특허 문헌1은 생물학적 입자를 포집하기 위해 설계된 일반적인 사이클론에 대하여 개시하였다.
비특헌 문헌 2
Gong, G., Yang, Z., & Zhu, S. (2012). Numerical investigation of the effect of helix angle and leaf margin on the flow pattern and the performance of the axial flow cyclone separator. Applied Mathematical Modelling, 36(8), 3916-3930.
비특허 문헌2는 축방향 사이클론에 관한 문헌으로 축방향 사이클론의 수치적 기법을 통하여 축방향 사이클론을 제작하고, 이를 실험으로 검증한 문헌이다.
본 발명의 일 목적은 입자의 선분리 기능이 포함된 번들형의 입자 포집 장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 일 목적은 효과적으로 입자를 분리하고 포집할 수 있는 입자 포집 장치를 제안하기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 일 목적은 장치의 호환성 및 소형화에 유리한 입자 포집 장치를 제시하기 위한 것이다.
이와 같은 본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따르는 입자 포집 장치는, 축 방향으로 유입되는 입자들에 베인으로 원심력을 형성하여 입자들을 분리 및 포집하는 축방향 사이클론들을 포함하는 입자 포집 장치에 있어서, 제1기준크기보다 큰 입자들을 분리 및 포집하는 메인 축방향 사이클론; 상기 메인 축방향 사이클론으로 유입되기 전의 입자들을 제2기준크기보다 큰 입자와 작은 입자로 선분리하도록 상기 메인 축방향 사이클론에 연결되고, 상기 메인 축방향 사이클론으로 전달할 입자들의 유량을 서로 나누어 처리하도록 복수로 구비되는 서브 축방향 사이클론; 및 상기 서브 축방향 사이클론들에서 포집된 입자들을 제외한 나머지 입자들을 모아 상기 메인 축방향 사이클론으로 공급하도록 상기 서브 축방향 사이클론들의 각 축으로부터 연장되어 상기 메인 축방향 사이클론의 입구에 연결되는 연결부를 포함한다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 각각의 상기 메인 축방향 사이클론과 상기 서브 축방향 사이클론들은, 분리된 상기 입자들을 배출하도록 중공부를 구비하는 축; 상기 입자들의 유로 및 상기 입자들에 원심력을 형성하도록 상기 축의 외주면을 따라 경사지게 설치되는 베인; 및 상기 베인에 의해 분리된 상기 제1기준크기 또는 제2기준크기 이상의 입자들을 포집하도록 상기 축과 베인을 감싸는 포집부를 포함할 수 있다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 연결부는, 상기 서브 축방향 사이클론으로부터 상기 메인 축방향 사이클론으로 입자들을 합류시키는 유로를 형성하도록, 각각의 상기 서브 축방향 사이클론의 축으로부터 연장되어 상기 메인 축방향 사이클론의 상부에서 집합되는 연결유로; 및 상기 메인 축방향 사이클론을 덮도록 형성되고, 내부에 상기 연결유로를 통해 상기 서브 축방향 사이클론으로부터 공급된 입자들을 상기 메인 축방향 사이클론으로 공급하는 유로와 상기 메인 축방향 사이클론에서 분리된 입자들을 배출하는 유로를 구비하는 메인 덮개부를 포함할 수 있다.
상기 메인 덮개부는, 포집되지 않은 입자들을 외부로 배출하도록 상기 메인 축방향 사이클론의 축으로부터 연장되는 배출유로; 및 상기 배출유로와 분리되도록 상기 배출유로를 감싸는 영역에 형성되고, 각각의 상기 서브 축방향 사이클론으로부터 공급된 입자들을 상기 메인 축방향 사이클론으로 전달하도록 상기 연결유로 및 상기 메인 축방향 사이클론의 내부 공간과 통하는 공급유로를 포함할 수 있다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 서브 축방향 사이클론들은 상기 메인 축방향 사이클론을 중심으로 하는 방사형의 형태로 배열되고, 상기 연결부는 상기 서브 축방향 사이클론들에 대응하여 상기 메인 축방향 사이클론으로 합류하는 방사형의 형태로 형성될 수 있다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 메인 축방향 사이클론과 상기 서브 축방향 사이클론들의 베인은, 각각의 축을 중심으로 하는 나선형 유로를 형성하도록 각각의 축으로부터 나선형으로 돌출되어 형성될 수 있다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 메인 축방향 사이클론과 상기 서브 축방향 사이클론들의 베인은, 상기 축을 중심으로 하는 복수의 나선형 유로를 형성하도록 복수로 구비되며 서로 동일한 피치로 상기 축에 나선형으로 돌출되어 형성될 수 있다.
상기 베인은, 포집되는 입자의 크기를 제어하도록 각 축방향 사이클론의 입구와의 거리 및 상기 축의 연장 방향에서 베인과 베인의 거리(피치)를 조절 가능하게 형성될 수 있다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 입자 포집 장치는, 상기 입자 포집 장치로 입자들을 인입시키며 포집되지 않은 입자들을 배출시키는 유동을 형성하도록, 상기 메인 축방향 사이클론의 출구에 설치되는 송풍장치를 더 포함할 수 있다.
상기 입자 포집 장치는, 상기 메인 축방향 사이클론에서 습식으로 입자들을 포집하도록 상기 메인 축방향 사이클론에 물을 분사하는 물 분사 시스템; 및 습식으로 상기 메인 축방향 사이클론에 포집된 입자들을 회수하도록 상기 메인 축방향 사이클론의 내부 공간과의 압력차를 형성하는 진공펌프를 더 포함할 수 있다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 진공펌프의 작동에 의해 상기 메인 축방향 사이클론의 출구로부터 입자들이 역류하는 것을 방지하도록 상기 출구로 이어지는 유로를 환형의 유로로 만드는 역류 방지봉을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 입자 포집 장치.
상기와 같은 구성의 본 발명에 의하면, 메인 축방향 사이클론으로 유입되기 전에 서브 축방향 사이클론에서 선분리할 수 있으므로, 불필요한 크기의 입자들을 먼저 제거하고 필요로 하는 크기의 입자들만을 포집할 수 있다.
또한, 본 발명은 메인 축방향 사이클론에서 분리 및 포집할 유량의 입자들을 복수의 서브 축방향 사이클론에서 서로 나누어 상대적으로 저유량으로 선분리하므로 호환성 및 소형화에 유리하다.
또한 본 발명은, 필요로 하는 입자만을 액상으로 포집할 수 있으므로 회수가 용이할 뿐 아니라 별도의 처리 과정 없이 분석 또는 이용을 위한 샘플링을 할 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 관련된 입자 포집 장치의 개념도.
도 2는 도 1에 도시된 축과 베인의 사시도.
도 3a는 본 발명의 다른 실시예에 관련된 입자 포집 장치의 사시도.
도 3b는 도 3a에 도시된 입자 포집 장치의 정면도.
도 4는 도 3a 및 도 3b에 도시된 축과 베인의 사시도.
이하, 본 발명에 관련된 입자 포집 장치에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일·유사한 구성에 대해서는 동일·유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 관련된 입자 포집 장치(100)의 개념도이고, 도 2는 도 1에 도시된 축(123)과 베인(125)의 사시도이다.
입자 포집 장치(100)는 축(113, 123)의 연장 방향으로 유입되는 입자들에, 상기 축(113, 123)에 설치된 베인(115, 125)으로 원심력을 형성하여 입자들을 분리 및 포집하는 축방향 사이클론(110, 120, 120')들을 포함한다.
본 발명에서 제안하는 입자 포집 장치(100)는 입자들의 선분리 기능을 갖춘 번들형 축방향 사이클론으로, 메인 축방향 사이클론(110), 서브 축방향 사이클론(120, 120') 및 연결부(130, 135)를 포함한다.
메인 축방향 사이클론(110)은 제1기준크기보다 큰 입자들을 분리 및 포집한다. 메인 축방향 사이클론(110)은 서브 축방향 사이클론(120, 120')들에 의해 둘러싸이도록 배치된다.
서브 축방향 사이클론(120, 120')은 상기 메인 축방향 사이클론(110)으로 유입되기 전의 입자들을 제2기준크기보다 큰 입자와 작은 입자로 선분리하도록 상기 메인 축방향 사이클론(110)에 연결된다. 서브 축방향 사이클론(120, 120')은 복수개로 구비되어 메인 축방향 사이클론(110)을 둘러싸도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 서브 축방향 사이클론(120, 120')들은 메인 축방향 사이클론(110)의 주위에 방사형으로 배치될 수 있다.
메인 축방향 사이클론(110)과 서브 축방향 사이클론(120, 120')에 의한 입자의 분리 및 포집 원리는 동일하다. 따라서, 이 명세서에서 메인 축방향 사이클론(110)과 서브 축방향 사이클론(120, 120')을 명백하게 구분하지 않는 한, 축방향 사이클론(110, 120, 120')이란 메인 축방향 사이클론(110)과 서브 축방향 사이클론(120, 120')을 모두 포함하는 개념인 것으로 전제하고 설명한다. 또한, 서브 축방향 사이클론(120, 120') 중 어느 하나(120)에 대한 설명은 나머지(120')에 대하여도 동일하게 적용될 수 있다.
이하에서는 먼저 메인 축방향 사이클론(110)과 서브 축방향 사이클론(120, 120')의 원리에 대하여 설명한다. 특히, 축(113, 123)과 베인(115, 125)의 세부 구조에 대하여는 도 2를 참조한다. 도 2에는 서브 축방향 사이클론(120)의 축(123)과 베인(125)에 대하여 도시되어 있으나, 이에 대한 설명은 메인 축방향 사이클론(110)의 축(113)과 베인(115)에도 동일하게 적용될 수 있다.
각각의 메인 축방향 사이클론(110)과 서브 축방향 사이클론(120, 120')들은 축(113, 123), 베인(115, 125) 및 포집부(111, 121)를 포함한다.
축(113, 123)은 분리된 입자들을 배출하도록 중공부(113a, 123a)를 구비한다. 입자들은 축(113, 123)의 외주면에 형성되는 유로를 거쳐 포집부(111, 121)로 유입되고, 베인(115, 125)에 의해 분리된 입자들 중 상대적으로 크기가 작은 입자들은 축(113, 123)의 중공부(113a, 123a)를 통해 배출된다.
베인(115, 125)은 입자들의 유로를 형성하고 입자들의 원심력을 형성하도록, 축(113, 123)의 외주면을 따라 경사지게 설치된다. 베인(115, 125)은 축(113, 123)을 중심으로 하는 나선형의 유로를 형성하도록 축(113, 123)으로부터 나선형으로 돌출되어 형성될 수 있다. 베인(115, 125)에 의해 형성된 원심력에 의해 기준크기보다 크기가 큰 입자들은 포집부(111, 121)에 포집되고, 나머지 입자들은 배출된다.
포집부(111, 121)는 베인(115, 125)에 의해 분리된 기준크기 이상의 입자들을 포집하도록 상기 축(113, 123)과 베인(115, 125)을 감싼다. 포집부(111, 121)는, 예를 들어 입자들을 담는 용기 형태로 형성될 수 있다.
축(113, 123)의 외주면에 형성되는 유로를 통해 포집부(111, 121)로 유입되는 입자들은 베인(115, 125)에 의해 형성된 유로를 따라 이동한다. 베인(115, 125)은 축(113, 123)을 중심으로 하는 나선형의 유로를 형성하므로, 입자들을 축(113, 123)을 중심으로 하는 나선형의 유로를 따라 이동한다. 따라서, 거시적으로 입자들은 축(113, 123)을 중심으로 회전하는 것으로 생각할 수 있다.
축(113, 123)을 중심으로 회전하는 입자들은 그 크기에 의하여 원심력의 크기가 결정된다. 상대적으로 큰 크기의 입자들은 상대적으로 큰 원심력으로 인해 포집부(111, 121)의 내부 벽면이나 바닥면에 부딪히고 포집부(111, 121)에 포집된다. 이와 반대로 상대적으로 작은 크기의 입자들은 상대적으로 작은 원심력으로 인해 유동의 흐름을 따라 중공부(113a, 123a)를 통해 배출된다. 이 경우 포집부(111, 121)에 포집되는 입자들을 기준크기보다 큰 입자라 할 수 있고, 포집되지 않고 배출되는 입자들을 기준크기보다 작은 입자라 할 수 있다. 기준크기는 메인 축방향 사이클론(110)과 서브 축방향 사이클론(120, 120')의 경우 서로 다르며, 메인 축방향 사이클론(110)의 기준크기를 제1기준크기라 지칭하고 서브 축방향 사이클론(120, 120')의 기준크기를 제2기준크기라고 할 수 있다.
입자의 기준크기는, 축방향 사이클론(110, 120, 120')의 입구에서 베인(115, 125)까지의 거리(L, 입구거리) 및 축(113, 123)의 연장 방향에서 베인(115, 125)과 베인(115, 125)의 거리(P, 피치)에 의하여 결정될 수 있다. 따라서, 입구거리(L)과 피치(P)의 크기가 달라지면 분리되는 입자들의 기준크기가 달라진다. 본 발명에서의 베인(115, 125)은, 포집되는 입자의 크기를 제어하도록 상기 거리들을 조절 가능하게 형성될 수 있다.
메인 축방향 사이클론(110)의 제1기준크기와 서브 축방향 사이클론(120, 120')의 제2기준크기는 서로 다른 크기를 기준으로 입자들을 분리하는 것을 의미하며, 이는 메인 축방향 사이클론(110)에서 분리 및 포집할 입자들 중 불필요한 입자들을 서브 축방향 사이클론(120, 120')에서 선분리하는 것과 관계된다.
본 발명은 서브 축방향 사이클론(120, 120')의 입구를 통해 입자들을 유입시키도록 이루어진다. 입자들은 서브 축방향 사이클론(120, 120')의 베인(125)에 의해 제2기준크기보다 큰 입자들과 작은 입자들로 분리된다. 제2기준크기보다 큰 입자들은 서브 축방향 사이클론(120, 120')의 포집부(121)에 포집되고, 제2기준크기보다 작은 입자들은 축(123)의 중공부(123a)를 통해 배출된다.
메인 축방향 사이클론(110)도 서브 축방향 사이클론(120, 120')과 동일한 원리로 입자들을 분리하고 포집한다. 다만, 메인 축방향 사이클론(110)에서 입구거리 및 피치는 서브 축방향 사이클론(120, 120')과 상이하므로, 제1기준크기와 제2기준크기는 서로 상이하다.
서브 축방향 사이클론(120, 120')을 통과한 입자들은 연결부(130, 135)를 통해 메인 축방향 사이클론(110)으로 공급되므로, 서브 축방향 사이클론(120, 120')은 메인 축방향 사이클론(110)에 대하여 불필요한 크기의 입자들을 제거하는 선분리 기능을 담당한다. 따라서, 메인 축방향 사이클론(110)과 서브 축방향 사이클론(120, 120')은 단계적으로 입자들을 분리할 수 있다.
특히, 서브 축방향 사이클론(120, 120')은 메인 축방향 사이클론(110)으로 전달할 입자들의 유량을 서로 나누어 처리하도록 복수로 구비된다. 따라서, 메인 축방향 사이클론(110)에서는 상대적으로 고유량의 입자들이 처리되고, 서브 축방향 사이클론(120, 120')에서는 상대적으로 저유량의 입자들이 처리된다. 이에 따라, 본 발명은 호환성 및 소형화에 유리한 장점을 갖는다.
연결부(130, 135)는 각각의 서브 축방향 사이클론(120, 120')들에서 포집된 입자들을 제외한 나머지 입자들을 모아 메인 축방향 사이클론(110)으로 공급하도록 서브 축방향 사이클론(120, 120')들의 각 축(123)으로부터 연장되어 메인 축방향 사이클론(110)의 입구에 연결된다.
연결부(130, 130' 135)는 연결유로(130)와 메인 덮개부(135)를 포함한다.
연결유로(130, 130')는 서브 축방향 사이클론(120, 120')으로부터 메인 축방향 사이클론(110)으로 입자들을 합류시키는 유로를 형성하도록, 각각의 서브 축방향 사이클론(120, 120')의 축(123)으로부터 연장되어 메인 축방향 사이클론(110)의 상부에서 집합된다. 연결유로(130, 130')는 서브 축방향 사이클론(120, 120')의 수와 대응되는 수로 구비되며, 서브 축방향 사이클론(120, 120')의 배치에 따라 그 형상이 달라질 수 있다. 예를 들어, 서브 축방향 사이클론(120, 120')이 방사형으로 배치되면, 연결유로(130, 130')도 메인 덮개부(135)를 중심으로 하는 방사형으로 형성된다.
메인 덮개부(135)는 메인 축방향 사이클론(110)의 상부를 덮도록 형성된다. 그리고, 메인 덮개부(135)는 내부에 연결유로(130)를 통해 서브 축방향 사이클론(120, 120')으로부터 공급된 입자들을 메인 축방향 사이클론(110)으로 공급하는 유로와, 메인 축방향 사이클론(110)에서 분리된 입자들을 배출하는 유로를 각각 구비한다.
메인 덮개부(135)는 배출유로(135a)와 공급유로(135b)를 포함한다.
배출유로(135a)는 포집부(111)에 포집되지 않은 입자들을 외부로 배출하도록 축(113)의 중공부(113a)로부터 연장된다.
공급유로(135b)는 배출유로(135a)와 분리되도록 상기 배출유로(135a)를 감싸는 영역에 형성되고, 각각의 서브 축방향 사이클론(120, 120')으로부터 공급된 입자들을 모아 메인 축방향 사이클론(110)으로 전달하도록 연결유로(130, 130') 및 포집부(111)의 내부 공간과 통한다.
서브 축방향 사이클론(120, 120')에서 선분리된 입자들 중 서브 축방향 사이클론(120, 120')에 포집되지 않은 입자들은 상기 서브 축방향 사이클론(120, 120')의 축(123)에 형성된 중공부(123a)를 통해 배출된다. 배출된 입자들은 연결배관을 통해 메인 덮개부(135)로 이동하고, 공급유로(135b)를 통해 메인 축방향 사이클론(110)의 내부 공간으로 유입된다.
메인 축방향 사이클론(110)의 베인(115)에 의해 분리된 입자들 중 일부는 포집부(111)에 포집되고, 포집되지 않은 입자들은 메인 축방향 사이클론(110)의 축(113)에 형성된 중공부(113a)로 유입된다. 중공부(113a)로 유입된 입자들은 메인 덮개부(135)의 배출유로(135a)를 통해 외부로 배출된다.
서브 축방향 사이클론(120, 120')으로 유입된 입자들은 상기 서브 축방향 사이클론(120, 120')에서 제2기준크기보다 큰 크기의 입자들만 포집되고, 제2기준크기보다 작은 입자들은 메인 축방향 사이클론(110)으로 이동한다. 메인 축방향 사이클론(110)으로 이동한 입자들은 제1기준크기보다 큰 크기의 입자들만 포집되고, 제1기준크기보다 작은 입자들은 외부로 배출된다. 따라서, 서브 축방향 사이클론(120, 120')과 메인 축방향 사이클론(110)은 서로 연계되어 입자들은 단계적으로 분리 및 포집할 수 있다.
그리고, 연결부(130, 135)는 서브 축방향 사이클론(120, 120')과 메인 축방향 사이클론(110) 사이에서, 서브 축방향 사이클론(120, 120')에서 포집되지 않은 입자들을 모으고 메인 축방향 사이클론(110)으로 전달하는 기능을 한다.
입자 포집 장치(100)는 송풍장치(140)를 포함한다. 또한, 입자 포집 장치(100)는, 물 분사 시스템(150, water injection system)과 진공펌프(160)를 더 포함할 수 있다.
송풍장치(140)는 입자 포집 장치(100)로 입자들을 인입시키며 포집되지 않은 입자들을 배출시키는 유동을 형성하도록 메인 축방향 사이클론(110)의 출구에 설치된다. 송풍장치(140)에 의해 서브 축방향 사이클론(120, 120')으로 인입된 입자들은, 상기 송풍장치(140)에 의해 계속적으로 형성되는 유동에 의해 서브 축방향 사이클론(120, 120'), 연결부(130, 135) 및 메인 축방향 사이클론(110)을 연속적으로 통과한다. 그리고, 포집되지 않은 입자들은 최종적으로 출구를 통해 외부로 배출된다.
물 분사 시스템(150)은 메인 축방향 사이클론(110)에서 습식으로 입자들을 포집하도록 메인 축방향 사이클론(110)의 입구에 물을 분사한다. 물 분사 시스템(150)은 물 분출구(152)를 통해 서브 축방향 사이클론(120, 120')에서 메인 축방향 사이클론(110)으로 입자들이 유입되는 공급유로(135b) 또는 메인 축방향 사이클론(110)의 내부에 물을 주입할 수 있다. 물 분사 시스템(150)은 초음파 또는 공압을 이용한 액적 토출 방식을 이용하여 물을 주입할 수 있다. 입자 포집 장치(100)는 물 없이 건식으로 사용될 수도 있으나, 물 분사 시스템(150)을 포함함에 따라 습식으로 이용되는 경우에는 포집부에 포집된 입자들을 보다 효과적으로 회수할 수 있다는 장점이 있다.
입자 포집 장치(100)를 건식으로 사용하는 경우에는 입자들이 포집부(111)의 내벽면에 포집되므로, 입자들을 회수에 어려움이 있다. 그러나, 입자 포집 장치(100)를 습식으로 이용하는 경우에는 포집된 입자들을 포함하는 용액을 연속적으로 얻을 수 있으므로 입자들을 손쉽게 회수할 수 있다. 특히, 도 1에 도시한 바와 같이, 포집부(111)의 하부가 경사지게 형성된 경우에는 포집된 입자들을 포함하는 용액이 포집부(111)의 중력 방향을 향해 흐르게 되므로, 포집부(111)의 하부에서 용액을 자연스럽게 포집할 수 있다.
입자 포집 장치(100)는 입자들을 분리하는 것 외에도 각종 측정을 위한 장비 등에도 사용될 수 있는데, 이 경우 입자들을 액상(예를 들어, 콜로이드 상태)으로 포집함에 따라 얻어지는 추가적인 장점이 있다. 그것은 상기 측정 장치 등에서 사용될 입자들을 별도의 추가적인 과정 없이 곧바로 샘플링할 수 있는 것이다. 아울러, 포집된 입자들을 농축시킬 수 있으므로 측정 기기 등에서 필요로 하는 샘플, 예를 들어 분석이 용이한 샘플을 제공할 수 있다. 또한, 바이오 물질의 경우에는 공기 중에 노출되는 것보다 생존성의 측면에서 바이오 물질을 보호할 수 있다는 장점도 있다.
진공펌프(160)는 습식으로 메인 축방향 사이클론(110)에 포집된 입자들을 회수하도록 메인 축방향 사이클론(110)의 내부 공간과의 압력차를 형성한다. 상대적으로 고압인 메인 축방향 사이클론(110)의 내부 공간에 포집된 입자들은 압력차에 의해 자연스럽게 포집부(111)의 하부로 이동하게 된다. 습식으로 입자들을 포집할 경우 용액 분출구(162)를 통해 용액들이 분출된다.
도 1에는 도시되어 있지 않으나, 입자 포집 장치(100)는 용액 분출구(162)와 연결된 수집부를 더 포함할 수 있다. 진공펌프(160)의 작동에 의해 용액 분출구(162)를 통해 분출되는 물질에는 물과 상기 물에 섞여 있는 포집 대상 입자 및 공기가 함유되어 있다. 공기는 진공펌프(160)를 통해 빠져나가며, 물과 포집 대상 입자는 수집부에 포집된다. 수집부는 예를 들어, 입자를 포집할 수 있는 용기가 될 수 있다.
입자 포집 장치(100)는 장치의 변수를 조절하여 포집되는 입자의 크기를 조절할 수 있다. 포집되는 입자의 크기를 조절할 수 있는 변수란, 유량, 사이클론(110, 120, 120')의 설계 치수, 입구에서 베인(115, 125)까지의 거리(L), 피치(P), 베인(115, 125)의 날개 수가 될 수 있다. 변수는 입자 포집 장치(100)의 입구와 출구의 차압에 따라 달라질 수 있다.
입자 포집 장치(100)에서 포집되는 입자의 크기를 제1크기라고 할 때, 상기 제1크기보다 작은 제2크기의 입자를 포집하고자 한다면, 아래 첨부된 표 1을 참조하여 상기 변수들을 증가시킬지 감소시킬지 결정할 수 있다.
축방향 사이클론 변수 차압 600Pa 미만 차압 800Pa 이상


메인

 유량 증가 증가
사이클론 설계 치수 감소 감소
피치(P) 감소 감소
회전 수 증가 증가
베인의 날개 수 증가 증가


서브


 유량 증가 증가
사이클론 설계 치수 감소 감소
입구와의 거리(L) 감소
피치(P) 감소 감소
회전 수 증가 증가
베인의 날개 수 증가 증가
이하에서는 입자 포집 장치의 다른 실시예에 대하여 설명한다.
도 3a는 본 발명의 다른 실시예에 관련된 입자 포집 장치(200)의 사시도이고, 도 3b는 도 3a에 도시된 입자 포집 장치(200)의 정면도이며, 도 4는 도 3a 및 도 3b에 도시된 축(223)과 베인(225)의 사시도이다.
도 3a, 도 3b에 도시된 입자 포집 장치(200)는 도 1에서 설명한 입자 포집 장치(200)와 구조 및 기능이 유사하다. 서브 축방향 사이클론(220, 220', 220")은 방사형으로 배치되고, 연결유로(230, 230', 230")도 이에 대응하여 방사형으로 형성되는 것을 확인할 수 있다. 그리고, 착탈식의 물 분사 시스템(미도시)가 제거되어 건식으로 입자 포집 장치(200)를 이용할 수 있으며, 필요에 따라 물 분사 시스템을 결합하여 습식으로 이용할 수도 있다. 물 분사 시스템(250)이 결합되는 경우 상기 물 분사 시스템은 물 분출구(252)를 통해 메인 덮개부(235)의 공급유로(235b)에 물을 분사할 수 있다. 공급유로(235b)는 서브 축방향 사이클론(220, 220', 220")에서 메인 축방향 사이클론(210)으로 입자들이 유입되는 유로의 영역이다.
습식으로 입자들을 분리 및 포집할 경우 진공펌프(160)를 이용하며, 메인 축방향 사이클론(210)에서 포집된 입자들은 아래의 용액 분출구(262)로 배출되고 포집되지 않은 입자들은 출구로 배출된다.
특히, 입자 포집 장치(200)가 도 1에 도시된 입자 포집 장치(200)와 다른 점은 베인(225)이다. 이는 도 4에 더욱 자세히 도시되어 있다.
메인 축방향 사이클론(210)과 서브 축방향 사이클론(220, 220', 220")들의 베인(225)은, 상기 축(223)을 중심으로 하는 복수의 나선형 유로를 형성하도록 복수로 구비되며 서로 동일한 피치로 각 축(223)에 나선형으로 돌출되어 형성된다.
이와 같은 베인(225)의 구조적 차이로 인하여 입자 포집 장치(200)에서 분리 및 포집되는 입자들의 크기는 도 1에 도시된 입자 포집 장치(200)에서 분리 및 포집되는 입자들의 크기와 상이하다. 또한, 베인(225)을 변형시키거나 교체하여 분리 및 포집되는 입자들의 크기를 제어할 수 있다.
입자 포집 장치(200)에는 역류 방지봉(270)이 더 설치될 수 있다. 습식으로 입자를 분리 및 포집하는 경우 입자 포집 장치(200)는 도 1에서 설명하였던 물 분사 시스템(150, 도 1 참조)과 진공펌프(160, 도 1 참조)를 더 포함한다. 진공펌프(160)의 작동 시 입자 포집 장치(200)의 내부에는 국부적으로 저압의 영역이 형성되어 출구로부터 입자들이 역류하는 현상이 발생할 우려가 있다.
역류 방지봉(270)은 입자 포집 장치(200)의 출구에 설치되어 관형의 유로를 환형의 유로로 변환하도록 이루어진다. 예를 들어, 역류 방지봉(270)은 도 3b에 도시한 바와 같이 메인 축방향 사이클론(210)의 배출유로(235a)에 설치될 수 있다. 역류 방지봉(270)은 브리지(271)에 의해 배출유로(235a)의 내주면과 연결될 수 있다. 역류 방지봉(270)은 국부적으로 저압의 영역이 형성되는 것을 방지하고, 입자들의 역류를 방지할 수 있다.
이상에서 설명된 입자 포집 장치는 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법에 한정되는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

Claims (11)

  1. 축 방향으로 유입되는 입자들에 베인으로 원심력을 형성하여 입자들을 분리 및 포집하는 축방향 사이클론들을 포함하는 입자 포집 장치에 있어서,
    제1기준크기보다 큰 입자들을 분리 및 포집하는 메인 축방향 사이클론;
    상기 메인 축방향 사이클론으로 유입되기 전의 입자들을 제2기준크기보다 큰 입자와 작은 입자로 선분리하도록 상기 메인 축방향 사이클론에 연결되고, 상기 메인 축방향 사이클론으로 전달할 입자들의 유량을 서로 나누어 처리하도록 복수로 구비되는 서브 축방향 사이클론;
    상기 서브 축방향 사이클론들에서 포집된 입자들을 제외한 나머지 입자들을 모아 상기 메인 축방향 사이클론으로 공급하도록 상기 서브 축방향 사이클론들의 각 축으로부터 연장되어 상기 메인 축방향 사이클론의 입구에 연결되는 연결부;
    상기 메인 축방향 사이클론의 내부 공간과의 압력차를 형성하는 진공펌프; 및
    상기 진공펌프의 작동에 의해 상기 메인 축방향 사이클론의 출구로부터 입자들이 역류하는 것을 방지하도록 상기 출구에 환형의 유로로 만드는 역류 방지봉을 포함하는 것을 특징으로 하는 입자 포집 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    각각의 상기 메인 축방향 사이클론과 상기 서브 축방향 사이클론들은,
    분리된 상기 입자들을 배출하도록 중공부를 구비하는 축;
    상기 입자들의 유로 및 상기 입자들에 원심력을 형성하도록 상기 축의 외주면을 따라 경사지게 설치되는 베인; 및
    상기 베인에 의해 분리된 상기 제1기준크기 또는 제2기준크기 이상의 입자들을 포집하도록 상기 축과 베인을 감싸는 포집부를 포함하는 것을 특징으로 하는 입자 포집 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 연결부는,
    상기 서브 축방향 사이클론으로부터 상기 메인 축방향 사이클론으로 입자들을 합류시키는 유로를 형성하도록, 각각의 상기 서브 축방향 사이클론의 축으로부터 연장되어 상기 메인 축방향 사이클론의 상부에서 집합되는 연결유로; 및
    상기 메인 축방향 사이클론을 덮도록 형성되고, 내부에 상기 연결유로를 통해 상기 서브 축방향 사이클론으로부터 공급된 입자들을 상기 메인 축방향 사이클론으로 공급하는 유로와 상기 메인 축방향 사이클론에서 분리된 입자들을 배출하는 유로를 구비하는 메인 덮개부를 포함하는 것을 특징으로 하는 입자 포집 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 메인 덮개부는,
    포집되지 않은 입자들을 외부로 배출하도록 상기 메인 축방향 사이클론의 축으로부터 연장되는 배출유로; 및
    상기 배출유로와 분리되도록 상기 배출유로를 감싸는 영역에 형성되고, 각각의 상기 서브 축방향 사이클론으로부터 공급된 입자들을 상기 메인 축방향 사이클론으로 전달하도록 상기 연결유로 및 상기 메인 축방향 사이클론의 내부 공간과 통하는 공급유로를 포함하는 것을 특징으로 하는 입자 포집 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 서브 축방향 사이클론들은 상기 메인 축방향 사이클론을 중심으로 하는 방사형의 형태로 배열되고,
    상기 연결부는 상기 서브 축방향 사이클론들에 대응하여 상기 메인 축방향 사이클론으로 합류하는 방사형의 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 입자 포집 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 메인 축방향 사이클론과 상기 서브 축방향 사이클론들의 베인은, 각각의 축을 중심으로 하는 나선형 유로를 형성하도록 각각의 축으로부터 나선형으로 돌출되어 형성되는 것을 특징으로 하는 입자 포집 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 메인 축방향 사이클론과 상기 서브 축방향 사이클론들의 베인은, 각각의 축을 중심으로 하는 복수의 나선형 유로를 형성하도록 복수로 구비되며 서로 동일한 피치로 상기 축에 나선형으로 돌출되어 형성되는 것을 특징으로 하는 입자 포집 장치.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 베인은, 포집되는 입자의 크기를 제어하도록 각 축방향 사이클론의 입구와의 거리 및 상기 축의 연장 방향에서 베인과 베인의 거리(피치)를 조절 가능하게 형성되는 것을 특징으로 하는 입자 포집 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 입자 포집 장치로 입자들을 인입시키며 포집되지 않은 입자들을 배출시키는 유동을 형성하도록, 상기 메인 축방향 사이클론의 출구에 설치되는 송풍장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 입자 포집 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 메인 축방향 사이클론에서 습식으로 입자들을 포집하도록 상기 메인 축방향 사이클론에 물을 분사하는 물 분사 시스템을 포함하고,
    상기 진공펌프는 습식으로 상기 메인 축방향 사이클론에 포집된 입자들을 회수하도록 상기 메인 축방향 사이클론의 내부 공간과의 압력차를 형성하는 것을 특징으로 하는 입자 포집 장치.
  11. 삭제
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