KR101793982B1 - 가스 희석장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 가스희석장치에 관한 것으로, 두 가지 이상의 가스가 혼합챔버 내에서 원활하게 혼합되게 하여 혼합챔버의 크기를 줄이고 빠른 응답특성을 갖으며, 필터가 필요없도록 하기 위한 것이다.
이를 위하여 본 발명은 폐쇄된 입구의 단면 중앙부에 제1가스통로 삽입구가 형성되고 희석가스 유입구가 측면에 형성되며 제1가스통로 삽입구와 희석가스 유입구에서 각각 유입되는 제1가스와 희석가스를 동시에 유출하는 와류챔버 출구가 형성되어 하나의 출구에서 제1가스와 제1가스 주변으로 와류를 형성하는 희석가스를 동시에 유출하는 와류챔버, 와류챔버의 제1가스통로 삽입구에 삽입되어 와류챔버 내부에서의 제1가스의 통로를 형성하는 제1가스통로, 및 폐쇄된 입구의 단면 중앙부에 와류챔버 출구 삽입구가 형성되고 제1가스와 희석가스가 혼합된 가스가 유출될 수 있는 혼합챔버 출구가 형성되어 하나의 출구에서 제1가스와 제1가스 주변으로 와류를 형성하는 희석가스가 혼합된 가스를 유출하는 혼합챔버를 포함하여 구성된다.
이를 위하여 본 발명은 폐쇄된 입구의 단면 중앙부에 제1가스통로 삽입구가 형성되고 희석가스 유입구가 측면에 형성되며 제1가스통로 삽입구와 희석가스 유입구에서 각각 유입되는 제1가스와 희석가스를 동시에 유출하는 와류챔버 출구가 형성되어 하나의 출구에서 제1가스와 제1가스 주변으로 와류를 형성하는 희석가스를 동시에 유출하는 와류챔버, 와류챔버의 제1가스통로 삽입구에 삽입되어 와류챔버 내부에서의 제1가스의 통로를 형성하는 제1가스통로, 및 폐쇄된 입구의 단면 중앙부에 와류챔버 출구 삽입구가 형성되고 제1가스와 희석가스가 혼합된 가스가 유출될 수 있는 혼합챔버 출구가 형성되어 하나의 출구에서 제1가스와 제1가스 주변으로 와류를 형성하는 희석가스가 혼합된 가스를 유출하는 혼합챔버를 포함하여 구성된다.
Description
본 발명은 가스희석장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 두 가지 이상의 가스가 혼합 챔버 내에서 원활하게 혼합되게 함으로써, 혼합 챔버의 크기를 줄이고, 빠른 응답특성을 갖으며, 혼합챔버 출구의 우회 배기공간 및 통로를 이용하여 희석가스에 포함된 입자들을 우회배기할 수 있도록 함으로써 필터가 필요하지 않은 가스 희석장치에 관한 것이다.
일반적으로 굴뚝에서 배출되는 배기가스는 고온, 고농도인 특성을 갖고 있기 때문에 이러한 배기가스에 포함된 특정 성분의 농도를 측정하기 위해 배기구로부터 채취된 샘플가스를 직접 가스측정장치에 연결하게 되면 가스측정장치의 오작동을 일으키게 하는 원인이 될 수 있으므로, 샘플가스를 희석하여 가스측정장치에 연결하여야 하며, 측정하고자 하는 샘플가스 성분의 농도가 가스측정장치의 측정농도 범위보다 높은 경우 희석가스와의 혼합을 통하여 샘플가스 성분의 농도를 일정한 비율로 감소시키는 가스 희석장치를 사용하게 된다.
그러나 희석가스와 샘플가스가 만나서 충분히 혼합되어 균일한 농도가 이루어지지 않으면, 가스측정장치에서 성분의 정확한 농도를 나타내기가 어렵게 된다.
따라서 종래에는 가스측정장치의 흡입구에 연결되어 혼합된 가스를 통과시키는 배관의 길이를 길게 하거나, 혼합챔버를 사용하여 충분히 혼합시키는 방법을 사용하고 있다.
이와 관련하여, 대한민국 공개특허 제10-2016-0116672호(2016.10.10. 공개, 이하 '특허문헌1'이라 약칭함)에는, 희석기 본체에 희석공기를 유입시키고 그 주위로 샘플가스를 유입시켜 희석기 본체 내에서 샘플 가스와 희석공기를 혼합시키는 가스 희석장치에 관한 기술이 공지되어 있다.
특허문헌1에 의하면, 도 1에 예시된 바와 같이 희석기 본체(1)에 희석 공기유입구(2)를 위치시키고 그 주위로 샘플가스 유입구(3)를 통해 샘플 가스를 유입시키며 이들 가스들이 이젝터 노즐(7)을 통해 희석기 본체(1)에서 혼합될 수 있도록 구성되며, 샘플 가스와 희석 공기를 가스 희석장치 본체로 유입하여 혼합된 가스를 배출하게 될 때, 혼합된 가스의 대부분은 혼합가스 배출구(4)로 배출시키면서 일부만을 희석 가스의 진행방향으로 갈수록 직경이 증가하는 오리피스 관(5)과 연결된 희석가스 배출구(6)로 배출시키도록 하여, 측정하고자 하는 성분의 종류에 따라 장치의 정상 작동 범위 내의 희석비로 조절하여 간단하면서도 효율적으로 희석시킬 수 있게 하였다.
그러나 상기와 같은 종래의 기술에서는 희석가스와 샘플링가스가 희석기 본체 방향으로 평행하게 유입되는 구조를 갖기 때문에 상기 가스들이 충분한 혼합이 이루어지기 위하여서는 희석기 본체의 내부 체적이 상당히 커져야만 하는 단점이 있으며, 이러한 체적의 증가로 인하여 샘플가스 유입구와 희석가스 배출구 사이를 통과하는 동안만큼 측정 성분의 농도에 대한 응답 시간이 길어지는 단점이 있다.
또한 Dekati Ltd. 사의 판매제품인 Dekati Diluter(이하 '판매제품1'이라 약칭함)는 에어로졸이나 가스를 희석하기 위한 장치로서 형상은 도 1과 동일하다. 다만 샘플링 가스가 혼합 챔버 입구의 중앙으로 유입되고 희석가스가 그 주위로 유입되는 점이 특허문헌1과 다른 점이다.
그러나 상기와 같은 종래의 기술들에서는 특허문헌1 및 판매제품1은 도 1과 같이 샘플가스와 희석가스의 유동방향이 입구방향에서 출구방향으로 평행하게 진행하기 때문에 챔버의 길이가 충분히 길어져야 한다. 이로 인하여 상기 경우는 혼합챔버의 크기가 커져야만 하는 단점이 있고, 또한 농도 희석의 응답시간이 길어지는 단점이 있다.
또한 상기와 같은 종래의 가스 희석장치는 연소가스 내에 포함된 입자형태의 불순물을 걸러내기 위하여 필터를 주로 사용하는데, 이 경우 입자들에 의해서 필터가 자주 막힐 수 있기 때문에 필터를 자주 교환해주어야만 하는 문제점이 있었다.
한편, 버너와 같은 연소장치에서 화염을 안정화시키고 압력손실을 줄이기 위하여 와류를 이용하는 연구가 많이 있어왔다. 2015년 Teresa Parra 등은 하나의 기체와 그 주위에 와류를 포함한 기체와의 열전달 현상을 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 연구하였다.(참고문헌①: Journal of Fluid Flow, Heat and Mass Transfer, Vol. 2, pp. 1-6, 2015, Teresa Parra, Ruben Perez, Miguel A. Rodriguez, Francisco Castro, Robert Z. Szasz, Artur Gutkowski, “Numerical Simulation of Swirling Flows - Heat Transfer Enhancement”) 그 결과 도 5에 예시된 바와 같이 선회수(S: swirl number)가 커질수록 혼합 챔버 내 유입구 후단에 소용돌이 전구(bulb)의 형상을 만들며, 혼합은 입구에서부터 짧은 거리에서 이루어지고, 이 영역에서 열전달 및 물질전달이 증가하는 것을 알 수 있었다.
또한 입자가 부유된 유동 주위로 와류기체가 흐르는 연소챔버 내의 유동과 입자의 궤적을 2003년 S.V. Apte 등이 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 연구하였다.(참고문헌②: Int. J. of Multiphase Flow, vol 29, pp. 1311-1331, 2003, S.V. Apte, K. Mahesh, P. Moin, J.C. Oefelein, “Large-eddy simulation of swirling particle-laden flows in a coaxial-jet combustor“) 그 결과 도 6에 예시된 바와 같이 입자들은 하류로 갈수록 와류에 의해서 연소챔버의 벽면쪽으로 이동하는 것을 볼 수 있으며 가스 샘플링 시에 오염입자를 분리하는 방법으로 이용할 수 있다.
(판매제품1) Dekati Ltd. 사의 제품 Dekati Diluter
따라서 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 두 가지 이상의 가스가 혼합챔버 내에서 원활하게 혼합되게 함으로써, 혼합 챔버의 크기를 줄이고 빠른 응답특성을 갖도록 하며,, 혼합챔버 출구의 우회 배기공간과 통로를 이용하여 희석가스에 포함된 입자들을 우회 배기할 수 있게 되므로 번거로운 필터 교환 및 관리의 문제점을 해결할 수 있는 가스희석장치를 제공하고자 하는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 형태는, 두 종류 이상의 가스를 혼합하는 가스희석장치에 있어서, 입구는 폐쇄되고 출구는 개방되되 출구로 갈수록 직경이 축소되는 깔대기 형상의 몸체로 이루어지며 폐쇄된 입구의 단면 중앙부에 제1가스통로가 긴밀하게 삽입 및 지지될 수 있는 제1가스통로 삽입구가 형성되고 희석가스가 유입되는 하나 이상의 희석가스 유입구가 측면에 형성되며, 상기 희석가스가 상기 몸체의 내주면을 따라 시계방향 또는 반시계방향으로 회전하여 와류를 형성할 수 있도록 상기 몸체의 중심에서 일측으로 편심이 되는 방향으로 상기 몸체에 희석가스 유입통로(12a)가 45도 이상 ~ 90도 이하의 각도를 가지도록 연설되며, 제1가스통로 삽입구와 희석가스 유입구에서 각각 유입되는 제1가스와 희석가스를 동시에 유출하는 와류챔버 출구가 형성되어 하나의 출구에서 제1가스와 제1가스 주변으로 와류를 형성하는 희석가스를 동시에 유출하는 와류챔버, 제1가스의 유입과 유출을 위한 제1가스 유입구와 제1가스 유출구를 형성하여 제1가스가 흐르는 통로를 형성하고 와류챔버의 제1가스통로 삽입구에 긴밀하게 삽입 및 지지되되 와류챔버의 내부를 길이방향으로 관통하여 제1가스 유출구가 와류챔버 출구까지 대응되게 내설되어 와류챔버 내부에서의 제1가스의 통로를 형성하며 와류챔버 출구의 내주면과 접촉되는 공간에 희석가스 통과공간이 마련될 수 있도록 와류챔버 출구의 내경보다 작은 직경으로 형성되는 제1가스통로, 및 입구는 폐쇄되고 출구는 개방되되 출구로 갈수록 직경이 축소되는 깔대기 형상의 몸체로 이루어지며 폐쇄된 입구의 단면 중앙부에 와류챔버 출구가 긴밀하게 삽입 및 지지될 수 있는 와류챔버 출구 삽입구가 형성되고 제1가스와 희석가스가 혼합된 가스가 유출될 수 있는 혼합챔버 출구가 형성되어 하나의 출구에서 제1가스와 제1가스 주변으로 와류를 형성하는 희석가스가 혼합된 가스를 유출하는 혼합챔버로 구성되는 가스희석장치이다.
상기 본 발명의 일 실시 형태에 따른 가스희석장치는, 혼합챔버가, 혼합챔버 출구의 종단면이 폐쇄되고 폐쇄된 출구의 종단면 중앙부에 혼합가스통로 삽입구가 형성되며, 혼합가스통로 삽입구에는 혼합챔버 내부에서 혼합된 가스의 통로를 형성하는 혼합가스 통로가 긴밀하게 삽입되되 혼합챔버 출구의 내측으로 일정 길이 만큼 내삽되고, 혼합가스 통로는 혼합챔버 출구를 통과하는 혼합 가스를 일부 분리하기 위한 우회 배기공간이 혼합챔버 출구의 내주면과의 사이에 마련될 수 있도록 혼합챔버 출구의 내경보다 작은 직경으로 형성되며, 혼합챔버 출구의 몸체 일측면에는 우회 배기공간에 의해 분리되는 혼합된 가스의 일부를 우회 배출하기 위한 우회 배기구가 형성되고 우회 배기구에 우회 배출되는 혼합 가스의 통로를 형성하는 우회 배기통로가 혼합챔버 출구에 연설되는 구성으로 하여 다른 실시 형태로 구현될 수도 있다.
또한 상기 본 발명의 각 실시 형태에 따른 가스희석장치에서, 와류챔버는, 둘 이상의 희석가스가 유입될 수 있도록 둘 이상의 희석가스 유입구가 형성되고, 상기 희석가스들은 다른 두 종류 이상의 가스로 이루어질 수 있다.
또한 상기 본 발명의 각 실시 형태에 따른 가스희석장치에서, 희석가스 유입구는 와류챔버의 몸체 중심을 기준으로 서로 반대되는 위치에 형성되는 것이 바람직하며, 희석가스 유입통로는 희석가스 유입구를 통해 와류챔버의 내부로 유입되는 희석가스가 와류챔버의 몸체 내부에서 시계방향 또는 반시계방향으로 회전하는 와류를 형성하도록 와류챔버의 몸체 중심에서 일측으로 편심되게 각각 형성되는 것이 바람직하다.
또한 상기 본 발명의 각 실시 형태에 따른 가스희석장치에서, 제1가스를 이젝터 원리로 흡입하면서 동시에 희석하기 위하여, 희석가스 유입통로로 공급되는 희석가스의 절대압력은 제1가스통로로 공급되는 제1가스의 절대압력의 1.2배 내지 11배인 것인 것을 사용할 수 있다.
또한 상기 본 발명의 각 실시 형태에 따른 가스희석장치에서, 제1가스통로는 제1가스 유출구의 단면적이 제1가스 유입구의 단면적보다 작은 노즐형태로 이루어질 수 있다.
본 발명에 의하면, 두 가지 이상의 가스가 혼합챔버 내에서 원활하게 혼합되게 함으로써, 혼합 챔버의 크기를 줄이고 빠른 응답특성을 얻을 수 있는 가스희석장치를 제공할 수 있게 되며, 또한 혼합챔버 출구의 우회배기공간 및 통로를 이용하여 희석가스에 포함된 입자들을 우회배기할 수 있게 되므로 연소가스 내에 포함된 입자형태의 불순물을 걸러내기 위한 필터가 사용되지 않아 번거로운 필터 교환 및 관리의 문제점을 해결할 수 있게 된다.
도 1은 종래 기술에 의한 가스희석장치의 작동원리를 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 가스희석장치의 개략적인 구성을 전체적으로 예시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 가스희석장치의 개략적인 구성을 전체적으로 예시한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 각 실시 형태에 따른 가스희석장치에서 와류챔버에 형성되는 희석가스 유입통로를 발췌하여 예시한 단면도이다.
도 5는 하나의 기체와 그 주위에 와류를 포함한 기체와의 열전달 현상을 알아보기 위해 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 획득한 선회수(S: swirl number)에 따른 제1가스의 분율의 수치결과 그래프이다.
도 6은 입자가 부유된 유동 주위로 와류기체가 흐르는 연소챔버 내의 유동과 입자의 궤적 관계를 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 획득한 결과 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 가스희석장치의 개략적인 구성을 전체적으로 예시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 가스희석장치의 개략적인 구성을 전체적으로 예시한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 각 실시 형태에 따른 가스희석장치에서 와류챔버에 형성되는 희석가스 유입통로를 발췌하여 예시한 단면도이다.
도 5는 하나의 기체와 그 주위에 와류를 포함한 기체와의 열전달 현상을 알아보기 위해 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 획득한 선회수(S: swirl number)에 따른 제1가스의 분율의 수치결과 그래프이다.
도 6은 입자가 부유된 유동 주위로 와류기체가 흐르는 연소챔버 내의 유동과 입자의 궤적 관계를 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 획득한 결과 그래프이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 형태에 따른 가스희석장치의 구성과 동작 및 그에 의한 작용 효과를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정 해석되지 아니하며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 가스희석장치의 개략적인 구성을 전체적으로 예시한 사시도이고, 도 3은 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 가스희석장치의 개략적인 구성을 전체적으로 예시한 사시도이며, 도 4는 본 발명의 각 실시 형태에 따른 가스희석장치에서 와류챔버에 형성되는 희석가스 유입통로를 발췌하여 예시한 단면도로서, 본 발명의 각 실시 형태에 따른 가스희석장치는, 와류챔버(10), 제1가스통로(20), 및 혼합챔버(30)를 포함하여 구성되며, 이러한 본 발명의 각 실시 형태에 따른 가스희석장치는 두 종류 이상의 가스를 혼합하여 희석하는 장치에 적용되어 구현될 수 있다.
와류챔버(10)는 도 2에 예시된 바와 같이, 입구는 폐쇄되고 출구는 개방되되 출구로 갈수록 직경이 축소되는 깔대기 형상의 몸체로 이루어지며, 이러한 와류챔버(10)의 폐쇄된 입구의 단면 중앙부에는 제1가스통로 삽입구(11)가 형성되어 제1가스통로(20)가 긴밀하게 삽입 및 지지된다. 또한 이러한 와류챔버(10)의 몸체 측면에는 와류챔버(10)의 몸체가 개구되는 형태로 희석가스 유입구(12)가 형성되어 와류 챔버(10)의 몸체 측면에서 희석가스가 유입될 수 있도록 구성되며, 제1가스통로 삽입구(11)와 희석가스 유입구(12)에서 각각 유입되는 제1가스와 희석가스를 동시에 유출하는 와류챔버 출구(13)가 후단부에 형성되어, 하나의 출구에서 제1가스와 제1가스 주변으로 와류(소용돌이; vortex)를 형성하는 희석가스를 동시에 유출할 수 있도록 구성된다.
이러한 와류챔버(10)는 도 2 및 도 3에 예시된 바와 같이 둘 이상의 희석가스가 유입될 수 있도록 둘 이상의 희석가스 유입구(12)가 형성될 수 있으며, 각각의 희석가스 유입구(12)에서 와류챔버(10)의 몸체와 45도 이상 ~ 90도 이하의 각도를 가지며 희석가스 유입통로(12a)가 각각 연설되어 구성될 수 있다. 이때 각 희석가스 유입구(12)에 유입되는 희석가스들은 각각 다른 두 종류 이상의 가스로 이루어질 수 있다.
또한 각각의 희석가스 유입구(12)는 도 2 및 도 3에 예시된 바와 같이, 와류챔버(10)의 몸체 중심을 기준으로 서로 반대되는 위치에 형성되며, 아울러 각각의 희석가스 유입통로(12a)는 희석가스 유입구(12)를 통해 와류챔버(10)의 내부로 유입되는 희석가스가 단면의 중심에서 벗어나 한쪽 방향으로 치우치게 유입되어 와류챔버(10)의 몸체 내부에서 시계방향 또는 반시계방향(도면상에는 반시계방향으로 회전하는 와류를 형성하는 경우만 예시되어 있으나 이에 한정되는 것은 아님)으로 회전하는 와류(소용돌이:vortex)를 발생시키도록 도 4에 예시된 바와 같이 와류챔버(10)의 몸체 중심에서 일측으로 편심되게 각각 연설되는 것이 바람직하다.
또한 희석가스 유입통로(12a)로 공급되는 희석가스는 제1가스를 이젝터 원리로 흡입하면서 동시에 희석하기 위하여, 그 절대압력이 제1가스통로(20)로 공급되는 제1가스의 절대압력의 1.2배 내지 11배인 것을 사용하는 것이 바람직하다.
제1가스통로(20)는 제1가스의 유입을 위한 제1가스 유입구(20a)와 제1가스의 유출을 위한 제1가스 유출구(20b)를 양단부에 형성하여 제1가스가 흐르는 통로를 형성한다. 여기서 제1가스통로(20)는 제1가스 유출구(20b)의 단면적이 제1가스 유입구(20a)의 단면적보다 작은 노즐형태로 이루어지는 것이 바람직하다.
이러한 제1가스통로(20)는 와류챔버(10)의 제1가스통로 삽입구(11)에 긴밀하게 삽입 및 지지되되 와류챔버(10)의 내부를 길이방향으로 관통하여 제1가스 유출구(20b)가 와류챔버 출구(13)까지 대응되게 내설되어 와류챔버(10) 내부에서의 제1가스의 통로를 형성하도록 구성된다. 또한 이러한 제1가스통로(20)는 와류챔버 출구(13)의 내경보다 작은 직경으로 형성되어 와류챔버 출구(13)의 내주면과 접촉되는 공간에 희석가스 통과공간(14)이 마련될 수 있도록 구성된다.
혼합챔버(30)는 도 2에 예시된 바와 같이, 입구는 폐쇄되고 출구는 개방되되 출구로 갈수록 직경이 축소되는 깔대기 형상의 몸체로 이루어지며, 이러한 혼합챔버(30)의 폐쇄된 입구의 단면 중앙부에는 와류챔버 출구 삽입구(31)가 형성되어 와류챔버 출구(13)가 긴밀하게 삽입 및 지지된다. 또한 이러한 혼합챔버(30)의 후단부에는 제1가스와 희석가스가 혼합된 가스가 유출될 수 있는 혼합챔버 출구(32)가 형성되어, 하나의 출구에서 제1가스와 제1가스 주변으로 와류를 형성하는 희석가스가 혼합된 가스를 유출할 수 있도록 구성된다.
또한 이러한 혼합챔버(30)는 도 3에 예시된 바와 같이 혼합챔버 출구(32)의 종단면이 폐쇄되고 그 폐쇄된 혼합챔버 출구(32)의 종단면 중앙부에 혼합가스통로 삽입구(32a)가 형성되어 구성될 수 있다. 이 경우 혼합챔버 출구(32)의 직경은 그 내부에 혼합가스통로의 내삽 및 우회 배기공간의 확보를 위해 우회 배기공간폭의 2배 길이와 혼합가스통로의 직경을 합한 길이보다 더 길게 형성되는 것이 바람직하고, 혼합가스통로 삽입구(32a)에는 혼합가스 통로(34)가 긴밀하게 삽입되되 혼합챔버 출구(32)의 내측으로 일정 길이(바람직하게는 혼합챔버의 몸체 직경이 출구와 동일한 직경으로 형성되는 위치에 대응하는 길이일 수 있음) 만큼 내삽되어 혼합챔버(30)의 내부에서 혼합된 가스의 배기통로를 형성하도록 구성하는 것이 바람직하다. 또한 이 경우 혼합가스 통로(34)는 혼합챔버 출구(32)의 내주면과의 사이에 우회 배기공간(33)이 마련될 수 있도록 혼합챔버 출구(32)의 내경보다 작은 직경으로 형성되어 혼합챔버 출구(32)를 통과하는 혼합 가스를 일부 분리할 수 있도록 구성되는 것이 바람직하다. 또한 이 경우 혼합챔버 출구(32)의 몸체 일측면에는 혼합챔버 출구(32)의 몸체가 개구되는 형태로 하여 우회 배기구(35)가 형성되고, 이러한 우회 배기구(35)에는 우회 배출되는 혼합 가스의 통로를 형성하는 우회 배기통로(36)가 혼합챔버 출구(32)에 연설되어, 우회 배기공간(33)에 의해 분리되는 혼합된 가스의 일부를 우회 배기구(35) 및 우회 배기통로(35)를 통해 우회 배출할 수 있도록 구성하여 본 발명의 다른 실시 형태를 구현할 수 있다.
이상과 같이 구성되는 본 발명에 의한 가스희석장치의 동작 및 그에 의한 작용 효과를 설명하면 다음과 같다.
먼저, 본 발명의 각 실시 형태에 의한 가스 희석장치는 두 종류 이상의 가스를 희석하는 장치로써, 도 2와 도 3에 예시된 바와 같이, 와류챔버(10) 입구의 제1가스통로 삽입구(11)에 긴밀하게 삽입 및 지지된 제1가스통로(20)의 제1가스 유입구(20a)로 제1가스가 유입되면서 와류챔버(10) 측면에 형성된 두 곳의 희석가스 유입통로(12a)로 희석가스가 유입되면, 이때 희석가스 유입통로(12a)는 도 4에 예시된 바와 같이 와류챔버(10)의 원형 단면의 중심에서 벗어나 어느 한쪽으로 치우치게 연설되어 있게 되므로, 희석가스 유입구(12)를 통해 유입되는 각각의 희석가스는 반시계방향으로 치우치게 와류챔버(10)의 내부로 유입될 수 있게 되며, 이로 인하여 와류챔버(10) 내부에 유입된 각각의 희석가스는 제1가스통로(20)의 주변을 반시계방향으로 회전하는 소용돌이(vortex)를 발생시키게 된다. 따라서 와류챔버(10)의 내부에서는 와류챔버 출구(13) 쪽으로 반시계방향으로 소용돌이치는 희석가스 흐름이 발생하게 되고 이러한 희석가스의 소용돌이로 인하여 와류챔버 출구(13)에서 희석가스는 제1가스 유출구(20b)로 유출되는 제1가스와 함께 혼합챔버(30) 내부로 공급되어 혼합챔버(30) 내부에서 원활하게 혼합이 이루어질 수 있게 된다.
이러한 본 발명의 가스희석장치와 유사한 유동에 대한 컴퓨터 시뮬레이션(참고문헌①)이 2015년 Teresa Parra 등에 의해서 이루어졌으며, 도 5에 예시된 상기 컴퓨터 시뮬레이션의 결과를 보면, 중앙으로 공급되는 가스의 분율은 선회수(S)가 0.14, 0.74, 0.95로 커짐에 따라 상기 가스 분율이 공간적으로 불균일한 혼합영역의 하류 방향 길이가 거리가 크게 줄어드는 것을 볼 수 있다. 따라서 참고문헌①과 유사한 유동의 현상인 본 발명의 가스 혼합장치는 도 1과 같은 종래의 구성에 비하여 훨씬 작은 혼합챔버의 공간 내에서 균일하게 혼합될 수 있어 가스 혼합장치의 크기를 줄일 뿐만 아니라, 빠른 응답 특성을 가지는 장점이 있다.
한편, 연소가스 내의 가스 농도 측정시, 오염입자를 포함하는 샘플링 가스(제1가스)를 희석하고자 본 발명에 의한 가스희석장치를 사용하게 되는 경우, 샘플링 가스(제1가스) 내의 오염입자들이 희석된 가스에 포함되지 않도록 하기 위해서는 오염입자를 분리하여야 할 필요성이 있게 된다.
따라서 이를 위하여 도 3에 예시된 바와 같이 본 발명 가스희석장치는 혼합챔버 출구(32)는 종단면을 폐쇄시키고 그 폐쇄된 혼합챔버 출구(32)의 종단면 중앙부에 혼합가스통로 삽입구(32a)를 형성한 후, 혼합가스통로 삽입구(32a)에 혼합가스 통로(34)를 긴밀하게 삽입 및 지지되게 한다. 이때 혼합가스 통로(34)는 혼합챔버 출구(32)의 내측으로 혼합챔버의 몸체 직경이 출구와 동일한 직경으로 형성되는 위치에 대응하는 길이까지 내삽하여, 혼합챔버(30)의 내부에서 혼합된 가스의 배기통로를 형성하게 한다.
그리고 혼합챔버 출구(32)의 몸체 일측면에 혼합챔버 출구(32)의 내부와 연통되는 우회 배기구(35)를 형성하고 이러한 우회 배기구(35)에 우회 배출되는 혼합 가스의 통로를 형성하는 우회 배기통로(36)를 혼합챔버 출구(32)에 연설하여, 우회 배기공간(33)에 의해 분리되는 혼합된 가스의 일부를 우회 배기구(35) 및 우회 배기통로(35)를 통해 우회 배출한다.
이 경우는 S.V. Apte 등이 수행한 수치해석 유동조건과 유사하며 이 수치해석 결과인 도 6(참고문헌②)에서와 같이 혼합된 가스가 하류로 갈수록 챔버의 벽면으로 이동하기 때문에 본 발명의 우회배기공간(33)과 우회배기구(35) 및 우회배기통로(36)로 제1가스와 희석가스가 혼합된 가스에 포함된 불순입자들을 용이하게 분리할 수 있게 되며, 이로써 입자가 제거된 혼합가스만을 혼합가스 통로(34)를 통해 가스측정장치로 보내어 측정하는 것이 가능하게 된다. 이러한 방법으로 종래의 경우와 같이 필터를 사용하지 않아도 되므로 필터의 교환 및 유지 관리 비용 등을 줄일 수 있게 된다.
한편, 희석가스 유입구가 둘 이상인 경우, 각각의 희석가스 유입구로 유입되는 희석가스들을 각각 다른 종류의 가스로 구성할 수 있어, 본 발명의 가스 희석장치를 이용하게 되면 혼합장치의 크기와 응답 특성 면에서 이점을 가지면서, 세가지 이상을 가스들을 혼합할 수 있는 장점이 있다.
한편, 본 발명에 의한 가스 희석장치는 희석가스 유입구(12)로 공급되는 희석가스의 절대압력이 제1가스통로(20)로 공급되는 제1가스의 절대압력의 1.2배 내지 11배 범위에 해당되는 것을 사용함으로써, 희석가스로 고압의 압축공기를 사용하여 이젝터의 원리로 상대적으로 낮은 대기압 수준의 제1가스를 흡입하며 희석하는 장치로도 이용이 가능하게 된다.
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 발명의 사상은 아래에 기재된 특허 청구 범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
10 : 와류챔버 11 : 제1가스통로 삽입구
12 : 희석가스 유입구 12a : 희석가스 유입통로
13 : 와류챔버 출구 14 : 희석가스 통과공간
20 : 제1가스 통로 20a : 제1가스 유입구
20b : 제1가스 유출구 30 : 혼합챔버
31 : 와류챔버출구 삽입구 32 : 혼합챔버 출구
32a : 혼합가스통로 삽입구 33 : 우회 배기공간
34 : 혼합가스 통로 35 : 우회 배기구
36 : 우회 배기통로
12 : 희석가스 유입구 12a : 희석가스 유입통로
13 : 와류챔버 출구 14 : 희석가스 통과공간
20 : 제1가스 통로 20a : 제1가스 유입구
20b : 제1가스 유출구 30 : 혼합챔버
31 : 와류챔버출구 삽입구 32 : 혼합챔버 출구
32a : 혼합가스통로 삽입구 33 : 우회 배기공간
34 : 혼합가스 통로 35 : 우회 배기구
36 : 우회 배기통로
Claims (5)
- 두 종류 이상의 가스를 혼합하는 가스희석장치에 있어서,
입구는 폐쇄되고 출구는 개방되되 출구로 갈수록 직경이 축소되는 깔대기 형상의 몸체로 이루어지며, 상기 폐쇄된 입구의 단면 중앙부에 제1가스통로(20)가 긴밀하게 삽입 및 지지될 수 있는 제1가스통로 삽입구(11)가 형성되고, 다른 두 종류 이상의 희석가스가 유입될 수 있도록 둘 이상의 희석가스 유입구(12)가 몸체의 측면에 서로 대향하게 형성되며, 상기 각 희석가스 유입구(12)에는 희석가스가 상기 몸체의 내주면을 따라 시계방향 또는 반시계방향으로 회전하여 와류를 형성할 수 있도록 상기 몸체의 중심에서 일측으로 편심되는 방향으로 희석가스 유입통로(12a)가 45도 이상 ~ 90도 이하의 각도를 가지도록 각각 연설되고, 상기 제1가스통로 삽입구와 희석가스 유입구에서 각각 유입되는 제1가스와 희석가스를 동시에 유출하는 와류챔버 출구(13)가 형성되어, 하나의 출구에서 제1가스와 제1가스 주변으로 와류를 형성하는 희석가스를 동시에 유출하는 와류챔버(10);
상기 제1가스의 유입과 유출을 위한 제1가스 유입구(20a)와 제1가스 유출구(20b)를 형성하되 상기 제1가스 유출구(20b)의 단면적이 상기 제1가스 유입구(20a)의 단면적보다 작은 노즐형태의 제1가스 통로를 형성하고, 상기 와류챔버(10)의 제1가스통로 삽입구(11)에 긴밀하게 삽입 및 지지되되 상기 와류챔버(10)의 내부를 길이방향으로 관통하여 제1가스 유출구(20b)가 상기 와류챔버 출구(13)까지 대응되게 내설되어 상기 와류챔버(10) 내부에서의 제1가스의 통로를 형성하며, 상기 와류챔버 출구(13)의 내주면과 접촉되는 공간에 희석가스 통과공간(14)이 마련될 수 있도록 와류챔버 출구(13)의 내경보다 작은 직경으로 형성되는 제1가스통로(20); 및,
입구는 폐쇄되고 출구는 개방되되 출구로 갈수록 직경이 축소되는 깔대기 형상의 몸체로 이루어지며, 상기 폐쇄된 입구의 단면 중앙부에 상기 와류챔버 출구(13)가 긴밀하게 삽입 및 지지될 수 있는 와류챔버 출구 삽입구(31)가 형성되고, 제1가스와 희석가스가 혼합된 가스가 유출될 수 있는 혼합챔버 출구(32)가 형성되어, 하나의 출구에서 제1가스와 제1가스 주변으로 와류를 형성하는 희석가스가 혼합된 가스를 유출하는 혼합챔버(30);로 구성되되,
상기 혼합챔버(30)는,
상기 혼합챔버 출구(32)의 종단면이 폐쇄되고 상기 폐쇄된 출구(32)의 종단면 중앙부에 혼합가스통로 삽입구(32a)가 형성되며,
상기 혼합가스통로 삽입구(32a)에는 혼합챔버(30)의 내부에서 혼합된 가스의 통로를 형성하는 혼합가스 통로(34)가 긴밀하게 삽입되되 상기 혼합챔버 출구(32)의 내측으로 일정 길이 만큼 내삽되고,
상기 혼합가스 통로(34)는 상기 혼합챔버 출구(32)를 통과하는 혼합 가스를 일부 분리하기 위한 우회 배기공간(33)이 상기 혼합챔버 출구(32)의 내주면과의 사이에 마련될 수 있도록 상기 혼합챔버 출구(32)의 내경보다 작은 직경으로 형성되며,
상기 혼합챔버 출구(32)의 몸체 일측면에는 상기 우회 배기공간(33)에 의해 분리되는 혼합된 가스의 일부를 우회 배출하기 위한 우회 배기구(35)가 형성되고, 상기 우회 배기구(35)에는 우회 배출되는 혼합 가스의 통로를 형성하는 우회 배기통로(36)가 혼합챔버 출구(32)에 대하여 수직하게 연설되는 것을 특징으로 하는 가스희석장치. - 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 제1가스를 이젝터 원리로 흡입하면서 동시에 희석하기 위하여, 상기 희석가스 유입통로(12a)로 공급되는 희석가스의 절대압력이 제1가스통로(20)로 공급되는 제1가스의 절대압력의 1.2배 내지 11배인 것을 특징으로 하는 가스희석장치. - 삭제
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