KR101706995B1 - 기체상 물질에 함유된 물(h2o)을 서리상으로 상변화시켜 물(h2o)을 제거하는 장치 및 방법 - Google Patents

기체상 물질에 함유된 물(h2o)을 서리상으로 상변화시켜 물(h2o)을 제거하는 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 기체상 물질에 함유된 물(H2O)을 제거하는 장치 및 방법에 관한 것으로, 기체 유입부(100), 본체부(200), 유출부(300) 및 서리 배출부(400)를 포함하는 기체상 물질에 함유된 물(H2O)을 서리상으로 상변화시켜 물(H2O)을 제거하는 장치, 기체에 포함된 물(H2O)을 서리 형상으로 상변화시키는 단계, 상변화된 서리와 물(H2O)이 제거된 기체를 분리시키는 단계, 물(H2O)이 제거된 기체를 외부로 유출시키는 단계 및 상변화된 서리를 외부로 배출시키는 단계를 포함하는 기체상 물질에 함유된 물(H2O)을 서리상으로 상변화시켜 물(H2O)을 제거하는 방법에 관한 것이다.

Description

기체상 물질에 함유된 물(H2O)을 서리상으로 상변화시켜 물(H2O)을 제거하는 장치 및 방법 {Apparatus and method for removal water from gaseous phase to frost of the phase transition}
본 발명은 기체상 물질에 함유된 물(H2O)을 제거하는 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 물(H2O)이 함유된 기체상 물질을 냉각하여 물(H2O)을 서리상으로 상변화시켜 분리함으로써, 물(H2O)이 함유되지 않는 기체를 얻을 수 있는 기체상 물질에 함유된 물(H2O)을 서리상으로 상변화시켜 물(H2O)을 제거하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
도시화와 인구증가, 무분별한 자연훼손 등으로 인하여 우리의 자연환경은 갈수록 황폐해지고 있다. 특히, 급격한 산업발달과 함께 대두된 환경오염은 일부 국가들에만 국한된 문제가 아니라 지구촌 모든 국가들이 심각하게 고민하고 대응해야 하는 상황에 직면해 있다고 하여도 과언이 아니다.
이러한 환경오염문제의 대처방안으로는 오염물질의 배출을 억제하거나 필연적으로 배출될 수밖에 없는 배출된 오염물질을 제거하는 기술개발로 대별될 수 있다.
이 중, 오염물질의 배출 억제를 위해서는 각 배출원별 배출허용기준을 정하여 관리·규제하고 있으며, 일반적으로는 오염물질의 배출량이나 배출농도를 확인하기 위한 모니터링을 실시하고 있고 이러한 배출 모니터링은 환경오염방제분야에서 매우 중요한 부분을 차지하고 있다.
특히, 환경오염 중 화석연료의 연소나 각종 제조공정 등에서 유래하는 대기오염물질을 모니터링하는 장치는 보통 광학기기를 기반으로 한 측정 방식을 이용하고 있다. 그러나 이들 모니터링 장치는 측정하고자 하는 기체상 물질에 포함된 수분이나 입자상 물질로 인하여 연소 가스에 포함된 대기 오염물질의 정확한 물질명이나 농도를 파악하기 곤란한 경우가 많다.
따라서 오염물질과 그 농도를 정확히 파악하기 위하여, 측정이나 분석을 어렵게 하는 수분이나 입자상 물질을 사전에 제거한 후 측정 장치에 도입되어야 하며, 이러한 전처리 방법으로 필터를 사용하는 경우도 있다. 그러나 필터는 수분이나 입자상 물질뿐만 아니라, 필터에서 제거된 수분이나 입자상 물질이 또 다른 여과체를 형성함으로 인하여 제거되지 않아야 할 즉, 측정하고자 하는 기체상 오염물질 마저도 제거될 수 있어 오염물질의 정확한 파악이 곤란해지는 문제점이 발생할 수 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위한 종래기술인 한국공개특허공보 제2006-0039465호에는 수분 제거를 위한 전처리장치, 상기 전처리 장치 내부에는 내주연에 수분을 냉각 응착시켜 제거하기 위한 글라스튜브 및 펠티어 트랩이 구비되며, 시료포집부의 시료포집이 완료된 후, 수분 제거를 위해 가열 구동되는 대기오염 분석을 위한 수분 전처리 수단이 구비된 전처리 장치에 관해 개시되어 있다.
그러나 상기 종래기술에서는 펠티어 트랩을 이용함으로써 가스에 함유되어 있는 수분을 제거할 수는 있으나, 오염된 기체에 포함된 수분이 튜브 내주연에 응결되어 유로의 직경이 점차 좁아지므로, 측정기기에 유입되는 가스의 유속을 일정하게 유지시키기가 매우 어렵다는 문제점이 있다.
즉, 종래의 펠티어 트랩 방식은 펠티어 트랩에 유입되는 수분량이 증가함에 따라 유로의 직경이 빠른 속도로 좁아지고, 급기야는 튜브를 재생하기 전에 튜브가 막혀버리는 현상이 발생하므로, 튜브의 개수를 증가시켜야 하고 또한 이에 따른 유량조절 장치와 펠티어 트랩의 개수가 늘어나 경제적으로 큰 손실을 야기시킨다는 문제점이 있다.
한국공개특허공보 제2006-0039465호
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 측정이나 분석을 어렵게 하는 기체상 물질에 포함된 물(H2O)을 완벽하게 제거하여 대기오염물질의 모니터링 장치에 대한 신뢰성을 확보하고, 나아가 구성의 간소화를 통하여 장치의 보수 등 유지관리가 용이한 기체상 물질에 포함된 물(H2O)을 제거하는 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 기체상 물질에 함유된 물(H2O)을 서리상으로 상변화시켜 물(H2O)을 제거하는 장치는, 물(H2O)을 포함하여 유입되는 기체에서 상기 물(H2O)을 서리상으로 상변화시키는 제1냉각부(102)가 일측에 구비된 기체 유입부(100); 상기 기체 유입부(100)에서 생성된 서리를 포집하고, 수분이 제거된 기체가 이동하는 공간부를 제공하는 본체부(200); 상기 수분이 제거된 기체가 유출되는 상기 본체부(200) 일측에 연결된 유출부(300); 및 상기 공간부에 포집된 서리를 외부로 배출하기 위한 상기 본체부(200)와 연통된 서리 배출부(400)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 장치는, 상기 기체 유입부(100)는 상기 물(H2O)이 포함된 기체를 60 내지 150로 조절하기 위한 가온부재가 구비된 가온부(101)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 장치는, 상기 제1냉각부(102)는 상기 가온부(101)를 통과한 기체를 -10이하로 조절하기 위한 제1냉각부재를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 장치는, 상기 기체 유입부(100)는 상기 포집된 서리를 상기 서리 배출부(400)로 배출시키는 펄스식 공기공급 수단을 더 구비하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 장치는, 상기 물(H2O)이 제거된 기체의 유출을 제어하는 상기 유출부(300)에 구비된 제1 개폐밸브(301); 및 상기 포집된 서리를 외부로 배출하는 서리 배출부(400)에 구비되는 제2개폐밸브(401) 중 어느 하나 이상의 개폐밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 장치는, 상기 본체부(200) 일측에는 상기 본체부(200)에 포집된 서리가 용해되지 않도록 상기 본체부(200)를 냉각시키는 제2냉각부재가 더 구비된 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 장치는, 상기 제1냉각부(102)는 석영 또는 유리인 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 장치는, 상기 상변화된 서리가 포집되도록 상기 본체부(200)는 하부가 오목한 형상인 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 장치는, 상기 본체부(200)와 연결된 상기 제1냉각부(102)의 일측부 직경이 점진적으로 작아지는 테이퍼 형상인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 기체상 물질에 함유된 물(H2O)을 서리상으로 상변화시켜 물(H2O)을 제거하는 방법은, 물(H2O)을 포함하여 유입되는 기체를 냉각시켜 상기 기체에 포함된 물(H2O)을 서리 형상으로 상변화시키는 제1단계; 상기 상변화된 서리와 물(H2O)이 제거된 기체를 분리시키는 제2단계; 상기 물(H2O)이 제거된 기체를 외부로 유출시키는 제3단계; 및 상기 상변화된 서리를 외부로 배출시키는 제4단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 방법은, 상기 제1단계를 수행하기 이전에, 상기 물(H2O)이 포함된 기체를 60 내지 150로 조절하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 방법은, 상기 제2단계에서의 냉각온도는 -10 이하로 조절되는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 방법은, 상기 제4단계에서는 펄스식 공기공급으로 상기 상변화된 서리를 외부로 배출시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 기체상 물질에 함유된 물(H2O)을 서리상으로 상변화시켜 물(H2O)을 제거하는 장치 및 방법은 측정하고자 하는 오염물질과 물(H2O)이 포함된 기체의 온도를 소정범위로 조절하는 간단한 조작만으로도 기체상 오염물질에 포함된 물(H2O)을 완벽하게 제거할 수 있다는 효과가 있다.
본 발명의 장치와 방법에 의하여 제거된 물(H2O)은 응결된 수분입자 사이에 큰 공간부를 형성하는 밀도가 매우 낮은 서리로 상변화되기 때문에, 기체가 이동하는 관로의 폐색을 현저히 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라 간단한 공기 공급만으로도 서리를 용이하게 외부로 배출할 수 있다는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 물(H2O)응결입자의 성장 모식도(a, b)를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명 서리 응결입자의 성장 모식도(a, b)를 나타낸 도면이다.
도 3은 기체 이동관내 생성된 본 발명 서리(frost)의 사진이다.
도 4는 상변화된 서리(frost)의 밀도를 측정하기 위해 사용된 장치도를 나타낸 도면이다.
도 5는 상변화된 서리(frost)의 포화점을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 기체상 물질에 함유된 물(H2O)을 제거하는 장치의 사시도를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 기체상 물질에 함유된 물(H2O)을 제거하는 장치의 평면도를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 기체상 물질에 함유된 물(H2O)을 제거하는 장치의 정면도를 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 기체상 물질에 함유된 물(H2O)을 제거하는 방법을 설명하는 흐름도이다.
본 발명은 기체상 물질에 함유된 물(H2O)을 서리상으로 상변화시켜 물(H2O)을 제거하는 장치에 관한 것이다.
본 명세서 전반에 기재된 물(H2O)은 액체상태의 물뿐만 아니라 기체상태의 물도 포함하는 것으로 정의한다.
일반적으로 알려져 있는 물(H2O)의 응결입자와 본 발명 서리(frost)와의 차이점에 대하여 첨부된 도 1 내지 3을 참고하면서 구체적으로 설명하면, 냉각에 의해 형성되는 일반적인 응결입자들은 각 응결입자들 표면 주위로 새로운 응결입자들이 결합하게 되고, 이러한 응결입자들이 지속적으로 유입되면 응결입자 덩어리 내부에 위치한 응결입자들은 큰 얼음 덩어리로 성장하여 기체의 흐름을 방해하게 된다(도 1).
그러나 도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명에서의 서리(frost)는 각 미세 응결입자들을 상호연결하고 있는 접촉면은 매우 적은 반면, 접촉하지 않는 자유표면이 매우 많고, 따라서 이러한 미세 응결입자들이 지속적으로 유입되어도 대부분 일방향으로만 성장하게 되어 기체의 흐름을 크게 방해하지 않는다.
이러한 서리(frost)는 기체 이동관내 생성된 실제 사진인 도 3으로부터도 확인할 수 있듯이, 각 응결입자들이 매우 느슨하게 결합되어 있어 서리(frost)가 크게 성장하여도 외부로부터의 물리적 충격 예를 들면, 유입되는 기체의 흐름에 의해 쉽게 끊어지는 특징을 갖고 있다.
이렇게 기체에 포함된 물(H2O)을 서리(frost)로 상변화시켜 물(H2O)을 제거하는 원리는 음페바(Mpemba)효과로부터 착안한 것이다. 음페바(Mpemba)효과란 같은 냉각 조건에서 높은 온도의 물이 낮은 온도의 물보다 빨리 어는 현상을 의미하는 것으로, 물 분자들이 가까이 붙이면 분자끼리 수소결합(hydrogen bond)으로 인해 서로 끌어당기며 이때 수소와 산소 원자 사이의 공유결합(covalent bond)이 길어지며 에너지를 축적하게 된다. 이러한 물을 끓이면 수소결합(Hydrogen bond)이 길어지면서 물의 밀도가 줄어들게 되며 이때 공유결합(covalent bond)이 다시 줄어들며 축적했던 에너지를 방출한다. 즉, 많은 에너지를 축적한 뜨거운 물이 냉각 시 더 빠르게 에너지를 방출하기 때문에 빨리 어는 것이다.
이러한 본 발명 서리(frost)의 물리적 특징인 밀도에 관하여 구체적으로 설명하기로 한다.
< 실시예 1 >
서리(frost)의 밀도를 측정하기 위하여 도 4에 도시된 장치를 사용하여, 물(H2O)이 함유된 기체를 유입 유도관(10)으로 유입시키면서 60℃로 온도를 조절하였다. 이어서 상기 온도범위로 조절된 기체를 -20℃가 유지되는 본체관(20)으로 이송시켜 기체에 함유된 물(H2O)을 서리(frost)로 상변화시켰다.
이 때, 상변화된 서리(frost)의 포화점, 즉 상기 본체관(20)의 모든 공간부에 서리(frost)가 채워진 시점에서의 본체관(20) 부피와 서리(frost)의 무게로부터 밀도를 계산하였다.
여기서, 상변화된 서리(frost)의 포화점이란 도 5에 도시된 바와 같이, 유입 유도관(10) 출구에서의 기체유속(V1)과 본체관(20) 출구에서의 기체유속(V2)과의 차이(ΔV=V1-V2)가 급격히 변화하는 시점을 의미한다. 즉, 기체에 포함된 물(H2O)이 상변화됨으로써 서리(frost)가 생성되며, 이러한 서리(frost)에 의하여 본체관(20)의 내경은 조금씩 좁아지게 되고, 따라서 유입 유도관(10) 출구측의 유속(V1)은 일정한 반면 본체관(20) 출구측의 유속(V2)은 점차 빨라지게 된다. 또한 생성된 서리(frost)가 본체관(20) 공간부를 모두 채우게 되면, 상호 약하게 결합하고 있는 서리(frost)의 일부는 유입 유도관(10) 출구측 유속(V1)에 의하여 상기 본체관(20)의 출구로 배출되어 출구측의 유속(V2)이 낮아지고, 결과적으로 ΔV가 감소하게 된다.
상기와 같이 기체를 가온한 후 냉각시킴으로써 상변화된 서리(frost)가 포화점에 도달한 시점에서 측정한 본 발명 서리(frost)의 밀도를 표 1에 나타내었다.
서리(frost)의 밀도(유입온도 60℃, 냉각온도 -20℃)
부피(mL) 서리 무게(g) 밀도 (g/mL)
1 0.558 0.124 0.21
2 0.572 0.128 0.22
3 0.551 0.127 0.23
4 0.568 0.131 0.24
5 0.565 0.125 0.22
6 0.564 0.128 0.23
7 0.567 0.126 0.22
평균 0.23
< 실시예 2 >
물(H2O)이 함유된 기체의 유입온도를 60℃로 온도를 조절하고, 이어서 상기 온도범위로 조절된 기체를 -30℃가 유지되는 본체관(20)으로 이송시키는 것 외에는 실시예 1과 동일하였다.
서리(frost)의 밀도(유입온도 60℃, 냉각온도 -30℃)
부피(mL) 서리 무게(g) 밀도 (g/mL)
1 0.976 0.169 0.174
2 0.978 0.168 0.172
3 0.979 0.165 0.169
4 0.975 0.170 0.175
5 0.969 0.177 0.183
평균 0.174
< 실시예 3 >
물(H2O)이 함유된 기체의 유입온도를 60℃로 온도를 조절하고, 이어서 상기 온도범위로 조절된 기체를 -40℃가 유지되는 본체관(20)으로 이송시키는 것 외에는 실시예 1과 동일하였다.
서리(frost)의 밀도(유입온도 60℃, 냉각온도 -40℃)
부피(mL) 서리 무게(g) 밀도 (g/mL)
1 1.043 0.159 0.153
2 1.043 0.161 0.154
3 1.052 0.159 0.151
4 1.045 0.168 0.161
5 1.037 0.169 0.163
평균 0.157
< 실시예 4 >
물(H2O)이 함유된 기체의 유입온도를 60℃로 온도를 조절하고, 이어서 상기 온도범위로 조절된 기체를 -50℃가 유지되는 본체관(20)으로 이송시키는 것 외에는 실시예 1과 동일하였다.
서리(frost)의 밀도(유입온도 60℃, 냉각온도 -50℃)
부피(mL) 서리 무게(g) 밀도 (g/mL)
1 1.182 0.155 0.131
2 1.167 0.140 0.120
3 1.156 0.143 0.123
4 1.172 0.149 0.127
5 1.178 0.150 0.128
평균 0.126
< 실시예 5 >
물(H2O)이 함유된 기체의 유입온도를 100℃로 온도를 조절하고, 이어서 상기 온도범위로 조절된 기체를 -20℃가 유지되는 본체관(20)으로 이송시키는 것 외에는 실시예 1과 동일하다.
서리(frost)의 밀도(유입온도 100℃, 냉각온도 -20℃)
부피(mL) 서리 무게(g) 밀도 (g/mL)
1 0.579 0.118 0.203
2 0.580 0.125 0.215
3 0.585 0.117 0.200
4 0.579 0.126 0.218
5 0.583 0.117 0.201
평균 0.207
< 실시예 6 >
물(H2O)이 함유된 기체의 유입온도를 100℃로 온도를 조절하고, 이어서 상기 온도범위로 조절된 기체를 -30℃가 유지되는 본체관(20)으로 이송시키는 것 외에는 실시예 1과 동일하였다.
서리(frost)의 밀도(유입온도 100℃, 냉각온도 -30℃)
부피(mL) 서리 무게(g) 밀도 (g/mL)
1 0.961 0.163 0.169
2 0.959 0.165 0.172
3 0.970 0.158 0.163
4 0.967 0.160 0.165
5 0.956 0.178 0.186
평균 0.171
< 실시예 7 >
물(H2O)이 함유된 기체의 유입온도를 100℃로 온도를 조절하고, 이어서 상기 온도범위로 조절된 기체를 -40℃가 유지되는 본체관(20)으로 이송시키는 것 외에는 실시예 1과 동일하였다.
서리(frost)의 밀도(유입온도 100℃, 냉각온도 -40℃)
부피(mL) 서리 무게(g) 밀도 (g/mL)
1 1.026 0.129 0.125
2 1.058 0.127 0.120
3 1.064 0.128 0.120
4 1.072 0.129 0.121
5 1.061 0.147 0.138
평균 0.125
< 실시예 8 >
물(H2O)이 함유된 기체의 유입온도를 100℃로 온도를 조절하고, 이어서 상기 온도범위로 조절된 기체를 -50℃가 유지되는 본체관(20)으로 이송시키는 것 외에는 실시예 1과 동일하다.
서리(frost)의 밀도(유입온도 100℃, 냉각온도 -50℃)
부피(mL) 서리 무게(g) 밀도 (g/mL)
1 1.107 0.135 0.122
2 1.112 0.124 0.111
3 1.104 0.121 0.110
4 1.099 0.137 0.124
5 1.124 0.130 0.116
평균 0.117
일반적으로 알려져 있듯이, 물의 밀도는 약 1g/mL, 얼음은 약 0.92g/mL인 반면, 본 발명 서리(frost)의 밀도는 0.11 내지 0.24g/mL 로서, 물이나 얼음에 비하여 약 1/10 ~ 1/5 정도에 불과한 것으로 나타났다. 즉, 본 발명의 물(H2O) 제거방법을 통하여 생성되는 서리(frost)는 결정입자들 사이에 공간부를 형성하기 때문에 밀도가 매우 낮고, 또한 이러한 공간부는 기체가 통과할 수 있는 통로로 작용하므로 관로의 폐색을 최소화할 수 있다는 효과가 있다.
이하에서는, 상기와 같은 기체에 함유된 물(H2O)을 서리(frost)로 상변화시켜 제거하는 장치에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
도6은 본 발명의 일 실시예에 따른 장치의 사시도, 도 7은 장치의 평면도이고, 도8은 장치의 정면도를 나타낸 도면이다.
도 6 내지 8을 참조하면서 본 발명의 기체상 물질에 함유된 물(H2O)을 서리상으로 상변화시켜 물(H2O)을 제거하는 장치를 설명하면, 본 발명의 장치는 오염물질 함유 기체 유입부(100), 본체부(200), 유출부(300) 및 서리 배출부(400)를 포함하고 있다.
상기 각 구성들을 좀더 구체적으로 설명하면, 먼저 상기 오염물질 함유 기체 유입부(100)는 측정하고자 하는 오염물질과 물(H2O)이 포함된 기체가 유입될 수 있도록 중공부를 갖고 있으며, 가온부(101)와 상기 가온부(101) 후단에 구비되는 제1냉각부(102)를 포함하고 있다. 또한 상기 기체 유입부(100)는 후술할 본체부(200)에 포집된 서리를 외부로 배출시키고자 하는 경우, 상기 본체부(200)로 주입시키는 공기의 통로 역할도 함께 수행할 수 있다.
상기 오염물질 함유 기체 유입부(100)는 측정하고자 하는 기체상 오염물질에 포함된 물(H2O)을 서리(frost)로 상변화시키기 위한 것으로, 상기 가온부(101)는 유입되는 기체를 가온시키고, 상기 가온부(101) 후단에 구비된 상기 제1냉각부(102)는 상기 가온부(101)를 통과한 기체를 냉각시킨다.
여기서, 상기 가온부(101) 외주연부에는 유입된 기체를 가온시키기 위한 가온부재(미도시)가 구비되어 있으며, 또한 상기 제1냉각부(102)의 외주연부에는 가온된 기체를 냉각시키기 위한 제1냉각부재(미도시)가 구비되어 있어, 유입된 기체를 소정 범위의 온도로 가온하거나 냉각할 수 있다.
상기 제1냉각부재와 가온부재는 동일한 기능 및 작용 효과를 달성할 수 있는 냉각 또는 가온수단이라면 특별히 제한하지는 않지만, 소망하는 온도로 정확하게 유지할 수 있는 냉각 펠티어, 히팅 펠티어인 것이 바람직하다.
펠티어 효과(Peltier effect)를 이용한 냉각 펠티어와 히팅 펠티어는 특정 국소부위를 냉각하거나 가온하기 위한 장치로서, 두 개의 서로 다른 금속선의 양 끝을 접합한 다음 회로에 직류전기를 흘리면 한쪽 접합부에서 흡열, 다른 접합부에서는 발열이 일어나며, 전류의 방향을 반대로 하면 흡열과 발열이 반대로 일어나는 현상으로, 일종의 heat pumping 현상으로써 전자냉각의 원리이다. 따라서, 이러한 원리를 이용한 냉각 펠티어와 히팅 펠티어는 특정 위치의 온도를 소망하는 온도로 정확하게 유지시킬 수 있다는 장점이 있다.
상기에서와 같이, 기체 유입부(100)에 가온부재와 제1냉각부재를 구비시키는 이유는 본 발명의 주요 특징 중의 하나로서, 전술한 바와 같이 음페바(Mpemba) 효과를 이용하여 기체상 오염물질 내에 포함되어 있는 물(H2O)을 서리(frost)로 상변화시키기 위한 것이다.
일 실시예로서, 상기 가온부(101)로 유입되는 기체는 히팅 펠티어를 이용하여 60℃내지 130℃, 더욱 바람직하게는 60℃ 내지 100℃로 조절하는 것이 좋다. 또한 상기 냉각부(102)로 유입되는 기체는 냉각 펠티어를 이용하여 -10℃ 이하, 더욱 바람직하게는 -20℃ 내지 -50℃로 조절하는 것이 좋다.
상기 가온 온도 범위 또는 냉각 온도 범위를 벗어나는 경우에는, 기체에 함유된 물(H2O)이 결정화되지 않거나 결정화된 물(H2O)의 입자가 너무 커서 원하는 서리로 상변화되지 않으므로 상기 가온 온도와 냉각 온도는 상기 범위로 유지시키는 것이 바람직하다.
이상과 같이, 상기 기체 유입부(100)에 유입된 기체상 오염물질에 포함된 물(H2O)은 가온 및/또는 냉각에 의한 음페바(Mpemba) 효과로 인하여 서리형상으로 상변화되어 물(H2O)이 제거되는 것이다.
한편, 기체상 오염물질에 입자성 물질이 포함되어 있는 경우, 이들 입자성 물질은 서리로의 상변화 시 물(H2O)에 포획되거나, 상변화된 서리에 충돌 부착되어 기체상 흐름으로부터 분리 제거될 수 있다.
상기 가온부(101)및 제1냉각부(102)는 기체의 유입 및 유출을 가능하게 하는 공간부를 가진 형상이라면 특별히 제한하지 않지만, 공간부를 갖는 원통형상이 바람직하다.
또 기체의 유입량과 기체에 포함된 물(H2O)의 함량에 따라 상기 제1냉각부(102)의 직경을 변화시킬 수 있다.
즉, 도 6 내지 8에서는 상기 본체부(200)와 연결된 상기 제1냉각부(102)의 일측부 직경이 점차적으로 커지는 것으로 도시하고 있으나, 이와는 반대로 제1냉각부(102)의 가스 유출구측 직경을 점진적으로 작은 테이퍼 형상으로도 변형할 수 있다.
한편, 상기 제1냉각부(102)의 소재가 열전도성이 높을 경우, 주변 대기와 열교환이 쉬워 -10℃이하로 유지하는 것이 곤란할 수 있으므로 상기 제1냉각부(102)는 석영, 유리와 같은 열전도성이 낮은 재질인 것이 바람직하다.
상기 본체부(200)는 상기 오염물질 함유 기체 유입부(100), 물(H2O)이 제거된 기체상 오염물질을 유출시키는 유출부(300) 및 본체부(200) 내부에 포집된 서리를 외부로 배출하기 위한 서리 배출부(400) 와 연통되어 있다.
상기 본체부(200)는 상기 본체부(200)의 외주연부를 감싸고 있는 제 2냉각부재를 더 포함할 수 있다.
상기 본체부(200)는 하부가 오목한 형상으로, 상기 오염물질 함유 기체 유입부(100)에서 물(H2O)이 제거된 기체상 오염물질을 분석장치로 이송시키는 역할과 함께, 상기 오염물질 함유 기체 유입부(100)에서 상변화되어 생성된 서리를 포집할 수 있는 포집부의 기능을 수행한다.
즉, 상기 오염물질 함유 기체 유입부(100)에서 생성되어 유입된 서리는 자중에 의해 침강하여 상기 본체부(200) 하단에 포집되고, 물(H2O)이 제거된 기체상 오염물질은 상기 본체부(200)의 상측면을 따라 이동하여 분석 장치로 유입된다.
상기 본체부(200) 외주연부에 구비되는 상기 제2냉각부재는 상기 본체부(200) 내에 포집된 서리가 재용해되거나 상변화되지 않도록 상기 본체부(200)의 온도를 -1℃ 내지 -5℃로 유지시키는 역할을 수행하며, 상기 제2냉각부재는 제1냉각부재와 동일한 냉각펠티어를 사용할 수 있다.
상기 유출부(300)는 전술한 바와 같이 상기 본체부(200) 후단에 구비되어 있으며, 물(H2O)이 제거된 기체상 오염물질을 분석장치로 유도하는 역할을 수행한다.
상기 유출부(300) 내부에는 제1개폐밸브(301)가 더 포함될 수 있으며, 상기 제1개폐밸브(301)는 후술할 상기 본체부(200)에 포집된 서리를 외부로 배출시킬 경우 서리가 분석장치로 유입되지 않도록 상기 유출부(300)를 폐쇄하기 위한 것이다.
여기서, 상기 유출부(300)는 기체의 유입 및 유출을 가능하게 하는 공간부를 가진 형상이라면 특별히 제한하지 않지만, 공간부를 갖는 원통형상인 것이 바람직하고, 내부식성 및 내충격성을 갖는 재질이라면 특별히 제한하지 않는다.
상기 본체부(200) 내부에는 유입되는 기체에 함유된 물(H2O)이 서리로 상변화되어 포집되고, 이렇게 포집된 서리가 과량으로 축적되면 본체부(200)의 공간부를 폐색시키거나 포집된 서리가 상기 유출부(300)를 경유하여 분석장치로 유입되는 문제점을 야기시킬 수 있다.
따라서 본 발명의 또 다른 주요 특징부 중 하나로서, 본 발명의 전처리 장치는 상기 본체부(200) 내에 포집된 서리를 간헐적으로 배출시키기 위하여, 서리 배출부(400)를 더 구비하고 있고, 이러한 구성으로 인하여 상기 본체부(200)의 폐색이 방지될 수 있을 뿐만 아니라 물(H2O)이 제거된 기체상 오염물질은 상기 본체부(200)의 상측면을 따라 상기 유출부(300)로 원활히 이동할 수 있다는 효과가 있다.
좀 더 구체적으로 설명하면, 상기 본체부(200) 내에 일정량의 서리가 포집되면, 상기 기체 유입부(100)와 개폐밸브를 통해 연통된 공기공급수단(미도시)을 이용하여 공기를 공급하고, 공급된 공기는 상기 본체부(200)에 포집된 서리를 상기 서리 배출부(400)로 배출시킨다.
여기서, 상기 공기를 공급할 수 있는 수단이라면 특별히 제한하지 않으며, 압축된 공기를 간헐적 즉, 펄스식으로 상기 본체부(200) 내부로 공급하는 것이 바람직하며, 순간적 공기공급에 의해 상기 본체부(200) 내에 포집된 서리를 상기 서리 배출부(400)로 이송시킨다.
한편, 상기 서리 배출부(400)는 상기 본체부(200) 후단에 구비되어 있으며, 상기 본체부(200)에 포집된 서리를 외부로 배출하기 위한 것으로 서리의 배출을 제어할 수 있는 제2개폐밸브(401)를 포함할 수 있다.
상기 서리 배출부(400)는 기체의 유입 및 유출을 가능하게 하는 공간부를 가진 형상이라면 특별히 제한하지 않지만, 공간부를 갖는 원통형상인 것이 바람직하고, 또 내충격성을 갖는 재질인 것이 바람직하다.
상기 제 1개폐밸브(301) 및 제 2개폐밸브(401)는, 기체 또는 서리의 개폐를 제어하기 위한 밸브들이다.
즉, 오염물질이 함유된 기체로부터 물(H2O)을 제거하고 물(H2O)이 제거된 기체를 분석장치로 공급하고자 하는 경우에는, 상기 제1개폐밸브(301)를 개방시키면서 상기 제2개폐밸브(401)를 폐쇄시키고, 반대로, 상기 본체부(200)에 포집된 서리를 외부로 배출시킬 경우에는, 상기 제1개폐밸브(301)를 폐쇄하고, 상기 제 2개폐밸브(401)를 개방시킨다.
이하에서는 첨부된 도 9를 참조하면서 본 발명의 기체상 물질에 함유된 물(H2O)을 서리상으로 상변화시켜 물(H2O)을 제거하는 방법에 관하여 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 방법은 물(H2O)을 포함하여 유입되는 기체를 냉각시켜 상기 기체에 포함된 물(H2O)을 서리 형상으로 상변화시키는 제1단계; 상기 상변화된 서리와 물(H2O)이 제거된 기체를 분리시키는 제2단계; 상기 물(H2O)이 제거된 기체를 외부로 유출시키는 제3단계; 및 상기 상변화된 서리를 외부로 배출시키는 제4단계를 포함할 수 있다.
상기 방법을 좀 더 구체적으로 설명하면, 상기 제1단계는 기체상 오염물질의 측정 분석시 방해물질로 작용하는 기체상 오염물질에 함유된 물(H2O)을 제거하기 위하여, 상기 기체를 냉각시켜 전술한 바와 같이 기체에 포함된 물(H2O)을 서리형성으로 상변화시키는 단계이다.
여기서, 상기 냉각온도는 -10℃ 이하, 더욱 바람직하게는 -20℃ 내지 -50℃로 조절되는 것이 좋다.
한편, 본 발명의 방법에 있어서, 상기 냉각단계 이전에 상기 오염물질이 함유된 기체를 소정 범위의 온도로 가온시키는 단계를 더 포함할 수 있으며, 상기 가온 온도는 60℃내지 150℃, 더욱 바람직하게는 60℃ 내지 100℃로 조절하는 것이 좋다.
이렇게 적절한 온도범위로 조절된 기체를 냉각시키게 되면, 전술한 바와 같이, 상기 기체상 오염물질에 포함된 물(H2O)은 음페바 효과에 의하여 서리형성으로 상변화된다.
상기 제2단계는 상기 제1단계에서 상변화된 서리를 기체흐름으로부터 분리 제거하는 단계이고, 상기 제3단계는 물(H2O)이 제거된 기체를 외부, 좀 더 구체적으로는 분석장치로 유도하는 단계이다.
상기 제1단계에서 상변화된 서리는 자중에 의해 침강하고, 물(H2O)이 제거된 기체는 분석장치로 유입되어 오염물질의 종류 및/또는 오염물질의 농도를 분석하게 되는 것이다.
여기서, 기체상 오염물질에 입자성 물질이 포함되어 있는 경우, 상기 입자성 물질은 서리로의 상변화 시 물(H2O)에 포획되거나, 상변화된 서리에 충돌 부착함으로써 기체상 흐름으로부터 분리 제거될 수 있다.
상기 제4단계는 상변화되어 포집된 서리는 외부로 배출시키는 단계이다.
상기 제2 및 제3단계에서 포집된 서리가 분석장치로 유입되지 않도록, 압축된 공기를 펄스식으로 공급하여 포집된 서리를 외부로 배출시키는 단계이다.
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것은 아니며, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연하다.
10 : 유입 유도관
11 : 가온수단
20 : 본체관
21 : 냉각수단
100 : 오염물질 함유 기체 유입부
101 : 가온부
102 : 제1냉각부
200 : 본체부
300 : 유출부
301 : 제1개폐밸브
400 : 서리 배출부
401 : 제2개폐밸브

Claims (13)

  1. 물(H2O)을 포함하여 유입되는 기체를 60℃ 내지 150℃로 조절하기 위한 가온부(101)와 -20℃ 내지 -50℃로 냉각시켜 상기 물(H2O)을 서리상으로 상변화시키는 제 1냉각부재가 구비된 제1 냉각부(102)로 이루어진 기체 유입부(100);
    상기 기체 유입부(100)에서 생성된 서리를 포집하고, 수분이 제거된 기체가 이동하는 공간부를 제공하는 본체부(200);
    상기 수분이 제거된 기체가 유출되는 상기 본체부(200) 일측에 연결된 유출부(300); 및
    상기 공간부에 포집된 서리를 외부로 배출하기 위한 상기 본체부(200)와 연통된 서리 배출부(400)를 포함하되,
    상기 서리의 밀도는 0.11 내지 0.24 g/㎤인 것을 특징으로 하는 대기오염물질 측정분석을 위한 기체상 물질에 함유된 물(H2O)을 서리상으로 상변화시켜 물(H2O)을 제거하는 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 기체 유입부(100)는 상기 포집된 서리를 상기 서리 배출부(400)로 배출시키는 펄스식 공기공급 수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 대기오염물질 측정분석을 위한 기체상 물질에 함유된 물(H2O)을 서리상으로 상변화시켜 물(H2O)을 제거하는 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 물(H2O)이 제거된 기체의 유출을 제어하는 상기 유출부(300)에 구비된 제1 개폐밸브(301); 및
    상기 포집된 서리를 외부로 배출하는 서리 배출부(400)에 구비되는 제2개폐밸브(401) 중 어느 하나 이상의 개폐밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 대기오염물질 측정분석을 위한 기체상 물질에 함유된 물(H2O)을 서리상으로 상변화시켜 물(H2O)을 제거하는 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 본체부(200) 일측에는 상기 본체부(200)에 포집된 서리가 용해되지 않도록 상기 본체부(200)를 냉각시키는 제2냉각부재가 더 구비된 것을 특징으로 하는 대기오염물질 측정분석을 위한 기체상 물질에 함유된 물(H2O)을 서리상으로 상변화시켜 물(H2O)을 제거하는 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1냉각부(102)는 석영 또는 유리인 것을 특징으로 하는 대기오염물질 측정분석을 위한 기체상 물질에 함유된 물(H2O)을 서리상으로 상변화시켜 물(H2O)을 제거하는 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 상변화된 서리가 포집되도록 상기 본체부(200)는 하부가 오목한 형상인 것을 특징으로 하는 대기오염물질 측정분석을 위한 기체상 물질에 함유된 물(H2O)을 서리상으로 상변화시켜 물(H2O)을 제거하는 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 본체부(200)와 연결된 상기 제1냉각부(102)의 일측부 직경이 점진적으로 작아지는 테이퍼 형상인 것을 특징으로 하는 대기오염물질 측정분석을 위한 기체상 물질에 함유된 물(H2O)을 서리상으로 상변화시켜 물(H2O)을 제거하는 장치.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
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