KR101768024B1 - 유동 재순환을 이용한 가상 임팩터 - Google Patents

유동 재순환을 이용한 가상 임팩터 Download PDF

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육세진
김원근
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한양대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 유동 재순환을 이용한 가상 임팩터는 에어로졸 입자가 유입되는 입자 유입부; 상기 유입된 에어로졸 입자를 관성에 따라 분류하되, 상기 입자 유입부의 하측으로 연통 형성되고, 입자 크기 분류의 기준이 되는 절단 직경(cut-off size)보다 크거나 같은 제1 입자를 분류하는 제1 입자 분류부; 상기 유입된 에어로졸 입자를 관성에 따라 분류하되, 상기 입자 유입부 및 상기 제1 입자 분류부 사이에서 좌측 및 우측으로 연통 형성되고, 상기 절단 직경보다 작은 제2 입자를 분류하는 제2 입자 분류부; 및 상기 제2 입자의 유동을 제어하여 상기 제2 입자가 상기 입자 유입부로 재순환되도록 하는 유동 제어부를 포함한다.

Description

유동 재순환을 이용한 가상 임팩터{VIRTUAL IMPACTOR USING FLOW RECIRCULATION}
본 발명의 실시예들은 입자 분류 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유동 재순환을 이용한 가상 임팩터에 관한 것이다.
관성 임팩터(inertial impactor)는 입자를 관성에 따라 크기별로 분리 포집하는 장치이다. 상기 관성 임팩터는 유입 유량과 노즐 크기, 노즐과 포집판 사이 간격 등으로 설계가 가능하고 구조가 간단하다.
상기 관성 임팩터는 충돌판에 입자를 샘플링하고, 샘플링 과정 중 입자의 운동에 의해 생기는 힘으로 인해 충돌판에 샘플링된 입자가 재비산하여 배출되는 현상, 즉 입자 바운스(particle bounce) 현상이 발생한다. Particle bounce를 줄이기 위해 관성 임팩터의 충돌판에 그리스(grease) 등을 도포하여 포집하지만 샘플링되는 입자가 오염되는 단점이 존재한다.
한편, 가상 임팩터(virtual impactor)는 에어로졸 입자를 관성에 따라 크기별로 분리 포집하는 장치로서, 출구가 양 갈래로 나눠진 형태이며, 마이너 플로우(minor flow), 메이저 플로우(major flow)로 에어로졸 입자를 분류하여 배출한다. 이때, 관성이 큰 입자는 minor flow로 분류되고, 상대적으로 관성이 작은 입자는 major flow로 분류된다.
상기 가상 임팩터는 충돌판을 사용하지 않고, 2방향으로 나뉜 출구 형태로부터 큰 입자의 관성을 이용하여 포집 프로브(collection probe)로 샘플링하는 형태이다. 따라서, 상기 가상 임팩터는 particle bounce가 발생하지 않고 grease 등을 사용하지 않기 때문에 샘플링된 입자가 오염되는 현상이 발생하지 않으나, minor flow를 통해 관성이 큰 입자를 샘플링하기 때문에 샘플링 유량이 적은 단점이 발생한다.
즉, 기존의 가상 임팩터는 대기 중 부유하는 에어로졸 입자를 포함한 유체가 가속 노즐을 통해 유입되어 양 갈래의 출구로부터 major flow와 minor flow의 유량 비에 의해 절단 직경이 결정되며, 절단직경 이상 크기의 관성이 큰 입자는 minor flow로 분류되고 나머지 절단직경 이하 크기의 관성이 작은 입자는 major flow로 배출되어 버려지기 때문에, 상대적으로 작은 크기의 입자를 분류하지 못하는 단점이 있다.
관련 선행기술로는 대한민국 공개특허공보 제10-2005-0015871호(발명의 명칭: 미세입자 분리장치, 공개일자: 2005.02.21)가 있다.
본 발명의 일 실시예는 절단 직경(cut-off size)보다 작은 에어로졸 입자의 재순환을 통해 에어로졸 입자의 집속(focusing) 및 응집(coagulation)을 유도하여 포집 효율을 향상시킬 수 있는, 유동 재순환을 이용한 가상 임팩터를 제공한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제(들)로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제(들)은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유동 재순환을 이용한 가상 임팩터는 에어로졸 입자가 유입되는 입자 유입부; 상기 유입된 에어로졸 입자를 관성에 따라 분류하되, 상기 입자 유입부의 하측으로 연통 형성되고, 입자 크기 분류의 기준이 되는 절단 직경(cut-off size)보다 크거나 같은 제1 입자를 분류하는 제1 입자 분류부; 상기 유입된 에어로졸 입자를 관성에 따라 분류하되, 상기 입자 유입부 및 상기 제1 입자 분류부 사이에서 좌측 및 우측으로 연통 형성되고, 상기 절단 직경보다 작은 제2 입자를 분류하는 제2 입자 분류부; 및 상기 제2 입자의 유동을 제어하여 상기 제2 입자가 상기 입자 유입부로 재순환되도록 하는 유동 제어부를 포함한다.
상기 유동 제어부는 상기 제2 입자 분류부 및 상기 입자 유입부 사이에서 서로 연통하도록 형성되고, 상기 제2 입자의 유동 재순환을 위한 경로로서 작용하는 유로관; 및 상기 유로관 내부에 설치되고, 상기 제2 입자 분류부에 의해 분류된 상기 제2 입자를 흡입하여 상기 입자 유입부로 배출하는 팬을 포함할 수 있다.
상기 유동 제어부는 상기 유로관 내부에 설치되고, 상기 유로관 내부로 유입된 상기 제2 입자를 필터링하는 필터를 더 포함할 수 있다.
상기 필터는 상기 유로관 내부에서, 상기 팬과 상기 제2 입자 분류부 사이에 설치될 수 있다.
상기 필터는 상기 유로관 내부에서, 상기 팬과 상기 입자 유입부 사이에 설치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유동 재순환을 이용한 가상 임팩터는 상기 유로관 내부에서 유동하는 상기 제2 입자의 체류 시간을 증가시키기 위한 응집 유도부를 더 포함할 수 있다.
상기 응집 유도부는 상기 유로관 내부에서 유동하는 상기 제2 입자가 체류할 수 있는 공간을 구비하는 체류 공간부; 상기 체류 공간부에 상기 유로관과 연결되도록 형성되고, 상기 유로관 내부에서 유동하는 상기 제2 입자를 상기 체류 공간부로 유입시키는 유입관; 및 상기 체류 공간부에 상기 유로관과 연결되도록 형성되고, 상기 체류 공간부에 체류된 제2 입자를 상기 유로관으로 유출시키는 유출관을 포함할 수 있다.
상기 체류 공간부는 상기 제2 입자가 체류할 수 있는 공간을 구비한 육면체 구조로 형성될 수 있다.
상기 체류 공간부는 상기 제2 입자가 체류할 수 있는 공간을 구비한 원통형 구조로 형성될 수 있다.
상기 유입관 및 상기 유출관은 상기 체류 공간부의 동일 면에 형성될 수 있다.
상기 유입관 및 상기 유출관은 상기 체류 공간부의 동일 면에서 서로 다른 높낮이를 가질 수 있다.
상기 유입관 및 상기 유출관은 상기 체류 공간부의 반대 면에 형성될 수 있다.
상기 유입관 및 상기 유출관은 상기 체류 공간부의 반대 면에서 서로 다른 높낮이를 가질 수 있다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 첨부 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 절단 직경(cut-off size)보다 작은 에어로졸 입자의 재순환을 통해 에어로졸 입자의 집속(focusing) 및 응집(coagulation)을 유도하여 포집 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유동 재순환을 이용한 가상 임팩터의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 유동 재순환을 이용한 가상 임팩터의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 유동 재순환을 이용한 가상 임팩터의 변형 예를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 유동 재순환을 이용한 가상 임팩터의 단면도이다.
도 5 및 도 6은 도 4의 응집 유도부의 상세 구성도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 유동 재순환을 이용한 가상 임팩터의 변형 예를 도시한 도면이다.
도 8 및 도 9는 도 7의 응집 유도부의 상세 구성도이다.
도 10은 본 발명의 실시예들에 따른 가상 임팩터의 효과를 일반적인 가상 임팩터의 효과와 비교하여 도시한 그래프이다.
본 발명의 이점 및/또는 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유동 재순환을 이용한 가상 임팩터의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 유동 재순환을 이용한 가상 임팩터(100)는 입자 유입부(110), 제1 입자 분류부(120), 제2 입자 분류부(130), 및 유동 제어부(140)를 포함한다.
상기 입자 유입부(110)는 에어로졸 입자가 유입되는 유입구로서 작용한다. 여기서, 상기 에어로졸 입자는 입자를 포함하는 기체로서, 예컨대 다분산성 에어로졸(Polydisperse Aerosol)을 포함하는 개념으로 이해될 수 있다.
상기 입자 유입부(110)는 상기 가상 임팩터(100)의 상부에 형성된다. 구체적으로, 상기 입자 유입부(110)는 후술하는 제2 입자 분류부(130)를 기준으로 후술하는 제1 입자 분류부(120)와 마주보는 방향의 상부에 형성될 수 있다.
이때, 상기 입자 유입부(110)는 제1 입자 분류부(120)보다 큰 직경을 가지도록 형성될 수 있다. 하지만, 이에 한정되지 않고, 상기 입자 유입부(110)는 제1 입자 분류부(120)보다 작거나 같은 직경을 가지도록 형성될 수도 있다.
상기 입자 유입부(110)로 유입된 에어로졸 입자는 관성에 의해 수직 방향으로 하강 이동하게 된다. 이때, 상기 에어로졸 입자 중 관성이 큰 입자는 마이너 플로우(Minor Flow)로서 작용하는 제1 입자 분류부(120)로 배출될 수 있고, 상기 에어로졸 입자 중 관성이 작은 입자는 메이저 플로우(Major Flow)로서 작용하는 제2 입자 분류부(120)로 배출될 수 있다.
상기 제1 입자 분류부(120)는 상기 입자 유입부(110)로 유입된 에어로졸 입자를 관성에 따라 분류한다. 이때, 상기 제1 입자 분류부(120)는 입자 크기 분류의 기준이 되는 절단 직경(cut-off size)보다 크거나 같은 제1 입자(관성이 큰 입자)를 분류한다.
여기서, 상기 절단 직경은 상기 마이너 플로우로서 작용하는 제1 입자 분류부(120)와 상기 메이저 플로우로서 작용하는 제2 입자 분류부(130)의 유량 비(ratio) 또는 형상 길이비에 의해 그 값이 결정될 수 있다.
상기 제1 입자 분류부(120)는 상기 가상 임팩터(100)의 하부에 형성되되, 상기 입자 유입부(110)의 하측으로 연통되게 형성된다. 구체적으로, 상기 제1 입자 분류부(120)는 제2 입자 분류부(130)를 기준으로 상기 입자 유입부(110)와 마주보는 방향의 하부에 형성될 수 있다.
이때, 상기 제1 입자 분류부(120)는 상기 입자 유입부(110)보다 작은 직경을 가지도록 형성될 수 있다. 하지만, 이에 한정되지 않고, 상기 제1 입자 분류부(120)는 상기 입자 유입부(110)보다 작거나 같은 직경을 가지도록 형성될 수도 있다.
상기 제2 입자 분류부(130)는 상기 입자 유입부(110)로 유입된 에어로졸 입자를 관성에 따라 분류한다. 이때, 상기 제2 입자 분류부(130)는 입자 크기 분류의 기준이 되는 절단 직경보다 작은 제2 입자(관성이 작은 입자)를 분류한다.
상기 제2 입자 분류부(130)는 상기 가상 임팩터(100)의 중간부에 형성되되, 상기 입자 유입부(110) 및 상기 제1 입자 분류부(120) 사이에서 좌측 및 우측으로 연통되게 형성된다.
즉, 상기 제2 입자 분류부(130)는 상기 입자 유입부(110) 및 상기 제1 입자 분류부(120) 사이에 형성되는 분류 영역(classifying region)으로부터 좌측 및 우측으로 연통되게 형성된다.
그런데, 기존에는 상기 제2 입자 분류부(130)에 의해 분류된 상기 제2 입자, 즉 상기 절단 직경보다 작은 크기의 관성이 작은 입자는 상기 메이저 플로우로 배출되어 버려지기 때문에 상대적으로 작은 크기의 입자를 분류하지 못하고, 이로 인해 샘플링 유량이 적은 단점이 있다.
이에, 본 발명의 일 실시예에서는 후술하는 유동 제어부(140)를 통해 기존의 문제점들을 해결할 수 있다. 이하에서는 상기 유동 제어부(140)에 대해 자세히 설명한다.
상기 유동 제어부(140)는 상기 제2 입자 분류부(130)에 의해 분류된 제2 입자의 유동을 제어하여 상기 제2 입자가 상기 입자 유입부(110)로 재순환되도록 한다.
구체적으로, 상기 유동 제어부(140)는 상기 제2 입자의 유동 재순환을 통해 관성이 작은 입자들 간의 응집 효과에 따른 크기 성장을 유도할 수 있다. 이로써, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 유동 제어부(140)에 의한 유동 재순환을 통해 크기와 관성이 커진 입자를 상기 마이너 플로우로 작용하는 제1 입자 분류부(120)로 재분류하여 샘플링 유량을 증가시킬 수 있다.
이를 위해, 상기 유동 제어부(140)는 유로관(142) 및 팬(144)을 구비할 수 있다.
상기 유로관(142)은 상기 제2 입자 분류부(130) 및 상기 입자 유입부(110) 사이에서 서로 연통하도록 형성되고, 상기 제2 입자 분류부(130)에 의해 분류된 제2 입자의 유동 재순환을 위한 경로로서 작용한다. 상기 유로관(142)은 도면에 도시된 바와 같이 'ㄷ'자 모양으로 형성될 수 있으나, 이에 한정되지 않고 다양한 형상, 예컨대 'C'자 모양 등으로 형성될 수도 있다.
상기 팬(144)은 상기 유로관(142) 내부에 설치되고, 상기 제2 입자 분류부(130)에 의해 분류된 제2 입자를 흡입하여 상기 입자 유입부(110)로 배출한다. 상기 팬(144)은 상기 제2 입자의 원활한 흡입을 위해, 상기 유로관(142)의 절곡부 중 상기 제2 입자 분류부(130)에 가까운 쪽에 있는 절곡부에 설치될 수 있다.
이로써, 상기 입자 유입부(110)로 배출된 제2 입자는 서로 응집하여 크기 성장을 이룰 수 있으며, 크기 성장을 이룬 응집 입자는 상기 제1 입자 분류부(120)를 통해 분류될 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 유동 재순환을 이용한 가상 임팩터의 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 유동 재순환을 이용한 가상 임팩터(200)는 입자 유입부(210), 제1 입자 분류부(220), 제2 입자 분류부(230), 및 유동 제어부(240)를 포함한다.
상기 입자 유입부(210)는 에어로졸 입자가 유입되는 유입구로서 작용한다. 여기서, 상기 에어로졸 입자는 입자를 포함하는 기체로서, 예컨대 다분산성 에어로졸(Polydisperse Aerosol)을 포함하는 개념으로 이해될 수 있다.
상기 입자 유입부(210)는 상기 가상 임팩터(200)의 상부에 형성된다. 구체적으로, 상기 입자 유입부(210)는 후술하는 제2 입자 분류부(230)를 기준으로 후술하는 제1 입자 분류부(220)와 마주보는 방향의 상부에 형성될 수 있다.
이때, 상기 입자 유입부(210)는 제1 입자 분류부(220)보다 큰 직경을 가지도록 형성될 수 있다. 하지만, 이에 한정되지 않고, 상기 입자 유입부(210)는 제1 입자 분류부(220)보다 작거나 같은 직경을 가지도록 형성될 수도 있다.
상기 입자 유입부(210)로 유입된 에어로졸 입자는 관성에 의해 수직 방향으로 하강 이동하게 된다. 이때, 상기 에어로졸 입자 중 관성이 큰 입자는 마이너 플로우(Minor Flow)로서 작용하는 제1 입자 분류부(220)로 배출될 수 있고, 상기 에어로졸 입자 중 관성이 작은 입자는 메이저 플로우(Major Flow)로서 작용하는 제2 입자 분류부(220)로 배출될 수 있다.
상기 제1 입자 분류부(220)는 상기 입자 유입부(210)로 유입된 에어로졸 입자를 관성에 따라 분류한다. 이때, 상기 제1 입자 분류부(220)는 절단 직경보다 크거나 같은 제1 입자(관성이 큰 입자)를 분류한다.
여기서, 상기 절단 직경은 상기 마이너 플로우로서 작용하는 제1 입자 분류부(220)와 상기 메이저 플로우로서 작용하는 제2 입자 분류부(230)의 유량 비(ratio) 또는 형상 길이비에 의해 그 값이 결정될 수 있다.
상기 제1 입자 분류부(220)는 상기 가상 임팩터(200)의 하부에 형성되되, 상기 입자 유입부(210)의 하측으로 연통되게 형성된다. 구체적으로, 상기 제1 입자 분류부(220)는 제2 입자 분류부(230)를 기준으로 상기 입자 유입부(210)와 마주보는 방향의 하부에 형성될 수 있다.
이때, 상기 제1 입자 분류부(220)는 상기 입자 유입부(210)보다 작은 직경을 가지도록 형성될 수 있다. 하지만, 이에 한정되지 않고, 상기 제1 입자 분류부(220)는 상기 입자 유입부(210)보다 작거나 같은 직경을 가지도록 형성될 수도 있다.
상기 제2 입자 분류부(230)는 상기 입자 유입부(210)로 유입된 에어로졸 입자를 관성에 따라 분류한다. 이때, 상기 제2 입자 분류부(230)는 절단 직경보다 작은 제2 입자(관성이 작은 입자)를 분류한다.
상기 제2 입자 분류부(230)는 상기 가상 임팩터(200)의 중간부에 형성되되, 상기 입자 유입부(210) 및 상기 제1 입자 분류부(220) 사이에서 좌측 및 우측으로 연통되게 형성된다.
즉, 상기 제2 입자 분류부(230)는 상기 입자 유입부(210) 및 상기 제1 입자 분류부(220) 사이에 형성되는 분류 영역(classifying region)으로부터 좌측 및 우측으로 연통되게 형성된다.
그런데, 기존에는 상기 제2 입자 분류부(230)에 의해 분류된 상기 제2 입자, 즉 상기 절단 직경보다 작은 크기의 관성이 작은 입자는 상기 메이저 플로우로 배출되어 버려지기 때문에 상대적으로 작은 크기의 입자를 분류하지 못하고, 이로 인해 샘플링 유량이 적은 단점이 있다.
이에, 본 발명의 다른 실시예에서는 후술하는 유동 제어부(240)를 통해 기존의 문제점들을 해결할 수 있다. 이하에서는 상기 유동 제어부(240)에 대해 자세히 설명한다.
상기 유동 제어부(240)는 상기 제2 입자 분류부(230)에 의해 분류된 제2 입자의 유동을 제어하여 상기 제2 입자가 상기 입자 유입부(210)로 재순환되도록 한다.
구체적으로, 상기 유동 제어부(240)는 상기 제2 입자의 유동 재순환을 통해 관성이 작은 입자들 간의 응집 효과에 따른 크기 성장을 유도할 수 있다. 이로써, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 유동 제어부(240)에 의한 유동 재순환을 통해 크기와 관성이 커진 입자를 상기 마이너 플로우로 작용하는 제1 입자 분류부(220)로 재분류하여 샘플링 유량을 증가시킬 수 있다.
이를 위해, 상기 유동 제어부(240)는 유로관(242), 팬(244), 및 필터(246)를 구비할 수 있다. 즉, 상기 유동 제어부(240)는 도 1의 유동 제어부(140)에 비해 상기 필터(246)를 더 구비할 수 있다.
상기 유로관(242)은 상기 제2 입자 분류부(230) 및 상기 입자 유입부(210) 사이에서 서로 연통하도록 형성되고, 상기 제2 입자 분류부(230)에 의해 분류된 제2 입자의 유동 재순환을 위한 경로로서 작용한다. 상기 유로관(242)은 도면에 도시된 바와 같이 'ㄷ'자 모양으로 형성될 수 있으나, 이에 한정되지 않고 다양한 형상, 예컨대 'C'자 모양 등으로 형성될 수도 있다.
상기 팬(244)은 상기 유로관(242) 내부에 설치되고, 상기 제2 입자 분류부(230)에 의해 분류된 제2 입자를 상기 유로관(242) 내부로 흡입한다. 상기 팬(244)은 상기 제2 입자의 원활한 흡입을 위해, 상기 유로관(242)의 절곡부 중 상기 제2 입자 분류부(230)에 가까운 쪽에 있는 절곡부에 설치될 수 있다.
상기 필터(246)는 상기 유로관(242) 내부에 설치되고, 상기 유로관(242) 내부로 유입된 제2 입자를 필터링(filtering)한다. 이때, 상기 필터(246)는 상기 유로관(242)의 내부 공간 중 상기 팬(244)과 상기 입자 유입부(210) 사이에 설치될 수 있다.
이와 달리, 상기 필터(246)는 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 유로관(242)의 내부 공간 중 상기 제2 입자 분류부(230)와 상기 팬(244) 사이에 설치될 수 있다. 참고로, 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 유동 재순환을 이용한 가상 임팩터의 변형 예를 도시한 도면이다. 이러한 설치 구조의 경우, 상기 필터(246)는 상기 제2 입자 분류부(230)로부터 배출된 제2 입자를 필터링하고, 상기 팬(244)은 필터링된 정화된 공기를 상기 유로관(242) 밖으로 배출할 수 있다.
이로써, 상기 정화된 공기(재순환 기류)는 상기 입자 유입부(210)로 다시 유입될 수 있다. 이때, 상기 재순환 기류는 상기 입자 유입부(210)로 유입되는 에어로졸 입자를 중심축으로 집속될 수 있다. 다시 말해, 상기 재순환 기류는 상기 입자 유입부(210)의 양측(좌측 및 우측)에서 유입되고, 이때 상기 입자 유입부(210)로 유입되는 에어로졸 입자를 중심축으로 집속되기 때문에, 상기 입자 유입부(210)로 유입되는 에어로졸 입자는 상기 재순환 기류에 의해 응집되는 효과로 인하여 크기 성장을 이룰 수 있다. 따라서, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 제1 입자 분류부(220)로 분류되는 입자가 증가하여 샘플링 유량(포집 효율)을 증가시킬 수 있게 된다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 유동 재순환을 이용한 가상 임팩터의 단면도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 유동 재순환을 이용한 가상 임팩터(400)는 입자 유입부(410), 제1 입자 분류부(420), 제2 입자 분류부(430), 유동 제어부(440), 및 응집 유도부(450)를 포함할 수 있다.
상기 입자 유입부(410)는 에어로졸 입자가 유입되는 유입구로서 작용한다. 여기서, 상기 에어로졸 입자는 입자를 포함하는 기체로서, 예컨대 다분산성 에어로졸(Polydisperse Aerosol)을 포함하는 개념으로 이해될 수 있다.
상기 입자 유입부(410)는 상기 가상 임팩터(400)의 상부에 형성된다. 구체적으로, 상기 입자 유입부(410)는 후술하는 제2 입자 분류부(430)를 기준으로 후술하는 제1 입자 분류부(420)와 마주보는 방향의 상부에 형성될 수 있다.
이때, 상기 입자 유입부(410)는 제1 입자 분류부(420)보다 큰 직경을 가지도록 형성될 수 있다. 하지만, 이에 한정되지 않고, 상기 입자 유입부(410)는 제1 입자 분류부(420)보다 작거나 같은 직경을 가지도록 형성될 수도 있다.
상기 입자 유입부(410)로 유입된 에어로졸 입자는 관성에 의해 수직 방향으로 하강 이동하게 된다. 이때, 상기 에어로졸 입자 중 관성이 큰 입자는 마이너 플로우(Minor Flow)로서 작용하는 제1 입자 분류부(420)로 배출될 수 있고, 상기 에어로졸 입자 중 관성이 작은 입자는 메이저 플로우(Major Flow)로서 작용하는 제2 입자 분류부(420)로 배출될 수 있다.
상기 제1 입자 분류부(420)는 상기 입자 유입부(410)로 유입된 에어로졸 입자를 관성에 따라 분류한다. 이때, 상기 제1 입자 분류부(420)는 절단 직경(cut-off size)보다 크거나 같은 제1 입자(관성이 큰 입자)를 분류한다.
여기서, 상기 절단 직경은 상기 마이너 플로우로서 작용하는 제1 입자 분류부(420)와 상기 메이저 플로우로서 작용하는 제2 입자 분류부(430)의 유량 비(ratio) 또는 형상 길이비에 의해 그 값이 결정될 수 있다.
상기 제1 입자 분류부(420)는 상기 가상 임팩터(400)의 하부에 형성되되, 상기 입자 유입부(410)의 하측으로 연통되게 형성된다. 구체적으로, 상기 제1 입자 분류부(420)는 제2 입자 분류부(430)를 기준으로 상기 입자 유입부(410)와 마주보는 방향의 하부에 형성될 수 있다.
이때, 상기 제1 입자 분류부(420)는 상기 입자 유입부(410)보다 작은 직경을 가지도록 형성될 수 있다. 하지만, 이에 한정되지 않고, 상기 제1 입자 분류부(420)는 상기 입자 유입부(410)보다 작거나 같은 직경을 가지도록 형성될 수도 있다.
상기 제2 입자 분류부(430)는 상기 입자 유입부(410)로 유입된 에어로졸 입자를 관성에 따라 분류한다. 이때, 상기 제2 입자 분류부(430)는 절단 직경보다 작은 제2 입자(관성이 작은 입자)를 분류한다.
상기 제2 입자 분류부(430)는 상기 가상 임팩터(400)의 중간부에 형성되되, 상기 입자 유입부(410) 및 상기 제1 입자 분류부(420) 사이에서 좌측 및 우측으로 연통되게 형성된다.
즉, 상기 제2 입자 분류부(430)는 상기 입자 유입부(410) 및 상기 제1 입자 분류부(420) 사이에 형성되는 분류 영역(classifying region)으로부터 좌측 및 우측으로 연통되게 형성된다.
그런데, 기존에는 상기 제2 입자 분류부(430)에 의해 분류된 상기 제2 입자, 즉 상기 절단 직경보다 작은 크기의 관성이 작은 입자는 상기 메이저 플로우로 배출되어 버려지기 때문에 상대적으로 작은 크기의 입자를 분류하지 못하고, 이로 인해 샘플링 유량이 적은 단점이 있다.
이에, 본 발명의 또 다른 실시예에서는 후술하는 유동 제어부(440)를 통해 기존의 문제점들을 해결할 수 있다. 이하에서는 상기 유동 제어부(440)에 대해 자세히 설명한다.
상기 유동 제어부(440)는 상기 제2 입자 분류부(430)에 의해 분류된 제2 입자의 유동을 제어하여 상기 제2 입자가 상기 입자 유입부(410)로 재순환되도록 한다. 즉, 상기 유동 제어부(440)는 상기 제2 입자의 유동 재순환을 통해 관성이 작은 입자들 간의 응집 효과에 따른 크기 성장을 유도할 수 있다.
이를 위해, 상기 유동 제어부(440)는 유로관(442) 및 팬(444)을 구비할 수 있다.
상기 유로관(442)은 상기 제2 입자 분류부(430) 및 상기 입자 유입부(410) 사이에서 서로 연통하도록 형성되고, 상기 제2 입자 분류부(430)에 의해 분류된 제2 입자의 유동 재순환을 위한 경로로서 작용한다. 상기 유로관(442)은 도면에 도시된 바와 같이 'ㄷ'자 모양으로 형성될 수 있으나, 이에 한정되지 않고 다양한 형상, 예컨대 'C'자 모양 등으로 형성될 수도 있다.
상기 팬(444)은 상기 유로관(442) 내부에 설치되고, 상기 제2 입자 분류부(430)에 의해 분류된 제2 입자를 흡입하여 상기 입자 유입부(410)로 배출한다. 상기 팬(444)은 상기 제2 입자의 원활한 흡입을 위해, 상기 유로관(442)의 절곡부 중 상기 제2 입자 분류부(430)에 가까운 쪽에 있는 절곡부에 설치될 수 있다.
이로써, 상기 입자 유입부(410)로 배출된 제2 입자는 서로 응집하여 크기 성장을 이룰 수 있으며, 크기 성장을 이룬 응집 입자는 상기 제1 입자 분류부(420)를 통해 분류될 수 있다.
이때, 상기 유로관(442) 내부로 유입된 제2 입자의 체류 시간을 늘리면 그것의 응집 효과를 더욱 향상시킬 수 있게 된다. 따라서, 본 발명의 또 다른 실시예에서는 상기 응집 유도부(450)를 더 포함할 수 있다.
상기 응집 유도부(450)는 상기 유로관(442) 내부로 유입된 제2 입자의 응집 효과를 더욱 향상시키기 위해 상기 유로관(442) 내부에서 유동하는 제2 입자의 체류 시간을 증가시키는 역할을 한다.
이를 위해, 상기 응집 유도부(450)는 체류 공간부(452), 유입관(454), 및 유출관(456)을 포함할 수 있다.
상기 체류 공간부(452)는 상기 유로관(442) 내부에서 유동하는 상기 제2 입자가 체류할 수 있는 공간을 구비한다. 예컨대, 상기 체류 공간부(452)는 도 5에 도시된 바와 같이 육면체 구조로 형성될 수 있으며, 이와 달리 도 6에 도시된 바와 같이 원통형 구조로 형성될 수 있다. 하지만, 이에 한정되지 않고, 상기 체류 공간부(452)는 내부에 공간을 구비한 구조라면 다른 형태로도 형성될 수 있음은 물론이다.
상기 유입관(454)은 상기 체류 공간부(452)에 상기 유로관(442)과 연결되도록 형성되고, 상기 유로관(442) 내부에서 유동하는 제2 입자를 상기 체류 공간부(452)로 유입시키는 역할을 한다.
상기 유출관(456)은 상기 체류 공간부(452)에 상기 유로관(442)과 연결되도록 형성되고, 상기 체류 공간부(452)에 체류된 제2 입자를 상기 유로관(442)으로 유출시키는 역할을 한다.
여기서, 상기 유입관(454) 및 상기 유출관(456)은 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이 상기 체류 공간부(452)의 동일 면에 형성되되 서로 다른 높낮이를 가지도록 형성될 수 있다. 즉, 상기 유입관(454)이 상기 체류 공간부(452)의 동일 면에서 상기 유출관(456)보다 낮은 위치에 형성될 수 있다. 이로써, 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 체류 공간부(452) 내에서 상기 제2 입자의 체류 시간을 늘려 응집 유도 효과를 극대화할 수 있다. 참고로, 도 5 및 도 6은 도 4의 응집 유도부(450)의 상세 구성도이다.
다른 실시예로서, 도 7의 응집 유도부(550)는 유입관(554)과 유출관(556)이 체류 공간부(552)의 반대 면에 형성되어 있다는 점에서, 도 4의 응집 유도부(450)와 차이가 있다. 구체적으로, 상기 유입관(554) 및 상기 유출관(556)은 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이 상기 체류 공간부(552)의 반대 면에 형성될 수 있다. 이때, 상기 유입관(554) 및 상기 유출관(556)은 서로 다른 높낮이를 가지도록 형성될 수 있다. 즉, 상기 유입관(554)이 상기 유출관(556)보다 낮은 위치에 형성될 수 있다. 이로써, 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 체류 공간부(552) 내에서 상기 제2 입자의 체류 시간을 늘려 응집 유도 효과를 극대화할 수 있다. 참고로, 도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 유동 재순환을 이용한 가상 임팩터의 변형 예를 도시한 도면이고, 도 8 및 도 9는 도 7의 응집 유도부(550)의 상세 구성도이다. 도 7에서 510은 입자 유입부, 520은 제1 입자 분류부, 530은 제2 입자 분류부, 540은 유동 제어부, 542는 유로관, 544는 팬을 각각 가리킨다.
도 10은 본 발명의 실시예들에 따른 가상 임팩터의 효과를 일반적인 가상 임팩터의 효과와 비교하여 도시한 그래프이다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 가상 임팩터와 일반적인 가상 임팩터는 노즐 크기, 유입 유량, major flow[제1 입자 분류부(120)] 및 minor flow[제2 입자 분류부(130)]의 유량 비를 모두가 동일하게 적용되었다. 점선은 본 발명의 가상 임팩터의 포집 효율을 나타내고, 실선은 일반적인 가상 임팩터의 포집 효율을 나타낸다.
도 10의 그래프를 살펴보면, 입자 직경의 크기가 2~3 μm 사이의 구간에서 본 발명의 가상 임팩터와 일반적인 가상 임팩터 간에 포집 효율의 차이가 크게 나타났으며, 이를 통해 본 발명의 가상 임팩터가 일반적인 가상 임팩터 대비 절단 직경이 감소되어 포집 효율이 증가했음을 알 수 있다.
지금까지 본 발명에 따른 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허 청구의 범위뿐 아니라 이 특허 청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
110, 210, 410, 510: 입자 유입부
120, 220, 420, 520: 제1 입자 분류부
130, 230, 430, 530: 제2 입자 분류부
140, 240, 440, 540: 유동 제어부
142, 242, 442, 542: 유로관
144, 244, 444, 544: 팬
246: 필터
450, 550: 응집 유도부
452, 552: 체류 공간부
454, 554: 유입관
456, 556: 유출관

Claims (13)

  1. 에어로졸 입자가 유입되는 입자 유입부;
    상기 유입된 에어로졸 입자를 관성에 따라 분류하되, 상기 입자 유입부의 하측으로 연통 형성되고, 입자 크기 분류의 기준이 되는 절단 직경(cut-off size)보다 크거나 같은 제1 입자를 분류하는 제1 입자 분류부;
    상기 유입된 에어로졸 입자를 관성에 따라 분류하되, 상기 입자 유입부 및 상기 제1 입자 분류부 사이에서 좌측 및 우측으로 연통 형성되고, 상기 절단 직경보다 작은 제2 입자를 분류하는 제2 입자 분류부; 및
    상기 제2 입자의 유동을 제어하여 상기 제2 입자가 상기 입자 유입부로 재순환되도록 하는 유동 제어부
    를 포함하고,
    상기 유동 제어부는
    상기 제2 입자 분류부 및 상기 입자 유입부 사이에서 서로 연통하도록 형성되고, 상기 제2 입자의 유동 재순환을 위한 경로로서 작용하는 유로관; 및
    상기 유로관 내부에 설치되고, 상기 제2 입자 분류부에 의해 분류된 상기 제2 입자를 흡입하여 상기 입자 유입부로 배출하는 팬
    을 포함하고,
    상기 유로관 내부에서 유동하는 상기 제2 입자의 체류 시간을 증가시키기 위한 응집 유도부
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유동 재순환을 이용한 가상 임팩터.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 유동 제어부는
    상기 유로관 내부에 설치되고, 상기 유로관 내부로 유입된 상기 제2 입자를 필터링하는 필터
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유동 재순환을 이용한 가상 임팩터.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 필터는
    상기 유로관 내부에서, 상기 팬과 상기 제2 입자 분류부 사이에 설치되는 것을 특징으로 하는 유동 재순환을 이용한 가상 임팩터.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 필터는
    상기 유로관 내부에서, 상기 팬과 상기 입자 유입부 사이에 설치되는 것을 특징으로 하는 유동 재순환을 이용한 가상 임팩터.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 응집 유도부는
    상기 유로관 내부에서 유동하는 상기 제2 입자가 체류할 수 있는 공간을 구비하는 체류 공간부;
    상기 체류 공간부에 상기 유로관과 연결되도록 형성되고, 상기 유로관 내부에서 유동하는 상기 제2 입자를 상기 체류 공간부로 유입시키는 유입관; 및
    상기 체류 공간부에 상기 유로관과 연결되도록 형성되고, 상기 체류 공간부에 체류된 제2 입자를 상기 유로관으로 유출시키는 유출관
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 유동 재순환을 이용한 가상 임팩터.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 체류 공간부는
    상기 제2 입자가 체류할 수 있는 공간을 구비한 육면체 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 유동 재순환을 이용한 가상 임팩터.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 체류 공간부는
    상기 제2 입자가 체류할 수 있는 공간을 구비한 원통형 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 유동 재순환을 이용한 가상 임팩터.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 유입관 및 상기 유출관은
    상기 체류 공간부의 동일 면에 형성되는 것을 특징으로 하는 유동 재순환을 이용한 가상 임팩터.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 유입관 및 상기 유출관은
    상기 체류 공간부의 동일 면에서 서로 다른 높낮이를 가지는 것을 특징으로 하는 유동 재순환을 이용한 가상 임팩터.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 유입관 및 상기 유출관은
    상기 체류 공간부의 반대 면에 형성되는 것을 특징으로 하는 유동 재순환을 이용한 가상 임팩터.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 유입관 및 상기 유출관은
    상기 체류 공간부의 반대 면에서 서로 다른 높낮이를 가지는 것을 특징으로 하는 유동 재순환을 이용한 가상 임팩터.
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