KR102016684B1 - 파울링 감소 기기 및 방법 - Google Patents

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마이클 제이 머시아
다니엘 이. 슈와츠
미타 샤토라즈
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Abstract

센서의 파울링을 감소시키고/시키거나 방지하기 위한 기기 및 방법이 개시된다. 본 방법은 파울링에 대한 원인이 되는 액체 매질 안으로 침지 또는 부분적으로 침지되는 초음파 장비를 작동하는 단계를 포함한다. 기기는 초음파 장비 자체를 포함한다. 초음파 장비는 고강도에서 연속적으로 작동하는 초음파 장비의 통상적인 단점들을 회피하면서, 유리하게는 액체 매질의 공동 현상을 제공하기 위해 고강도에서 간헐적으로 작동될 수 있다. 부가적으로, 상기 방법은 석영의 압전 특성의 이점을 취함으로써 실행될 수 있다.

Description

파울링 감소 기기 및 방법 {FOULING REDUCTION DEVICE AND METHOD}
본 발명은 센서에서의 파울링(fouling)을 감소 또는 방지하는 기기 및 방법에 관한 것이다. 더 구체적으로는, 본 발명은 센서를 통과하거나 지나가는 액체 매질 안으로 초음파 파형들을 방출함으로써 파울링을 감소 또는 방지하는 기기 및 방법에 관한 것이다.
Nalco 3D 형광계(fluorometer)와 같은 센서들은 수질을 측정하고 공업용수 처리 시스템들을 제어하기 위한 유용한 장비들이다. 하지만 물 내의 오염물들로 인한 센서의 파울링은 주지된 문제이다. 물의 파울링 잠재성이 충분히 클 때, 센서들은 매우 빠르게 파울링되어서 종종 이들은 실질적으로 쓸모없게 될 수 있다. 큰 파울링 잠재성을 갖는 물의 타입의 예는 폐수이다. 센서의 구성에 따라, 상이한 기계적 접근법들이 센서의 중요한 구역들 상의 파울링을 감소시키고/시키거나 제거하는데 사용되어 왔다.
기계적 파울링 방지 기술(technique)들을 이용하는 다양한 센서 디자인들이 업계에 공지된다. 예컨대, 측정 시스템이 탐침부의 하나의 편평한 단부에서 물에 노출되는 "탐침(probe)" 스타일 센서들에는 탐침부의 면으로부터 파울링 물질(foulant)들을 닦아내도록 디자인된 고무 와이퍼가 종종 구비된다. 이러한 기기들의 예들은 미국 특허 제 5,416,581 호 그리고 제 7,341,695 호에 예시된다. 와이퍼는 간헐적으로 작동하고 가끔 교체되어야만 한다. 게다가, 와이퍼를 구동하는 탐침부 내측의 모터는 때때로 고장날 수 있으며, 액체 매질로부터 전자 부품들을 분리시키는 밀봉부가 또한 고장의 포인트일 수 있다. 정상 작동 동안이더라도, 탐침부를 마주하는 다른 편평부 상의 와이퍼 메커니즘의 존재는 파울링 물질이 탐침부 상에 퇴적을 시작하는 부착 지점을 제공할 수 있다.
미국 특허 제 6,678,045 호에 예시된 것과 같이, 탐침 스타일 센서들에는 또한 특정 주파수에서, 또는 주파수들의 범위 전반에서 광센서를 진동시키도록 디자인된 초음파 변환기들이 구비되어 왔다. 초음파를 이용하는 유사한 접근법들이 흐르는 수류의 광 측정들을 위한 유리 큐벳(galss cuvette)(예컨대, 미국 특허 제 7,808,642 호), 광 플로우 셀(예컨대, 미국 특허 제 6,452,672 호), 자외선 살균 시스템(예컨대, 미국 특허 제 7,763,177 호), 스팀 발생기(예컨대, 미국 특허 제 6,572,709 호), 그리고 폐쇄 단부들을 갖는 유체 충전 튜브들(예컨대, 미국 특허 제 5,529,635 호)을 갖는 장비를 진동시키기 위해 적용되어 왔다. 이러한 예들에서, 초음파를 전달하는 기기들은 센서의 고체 표면과 접촉하고 일정하게 전력이 공급된다. 센서의 파손을 방지하기 위해, 이러한 적용들은 저전력 및 낮은 강도의 초음파를 이용하며, 이는 센서들의 파울링을 방지 또는 제거하기 위해 비효과적인 것으로 발견되었다. 또한, 초음파는 내부 표면들을 세척하기 위해 적용되었다( 미국 특허 제 7,799,146 호; 제 5,889,209 호; 제 6,977,015 호 참조).
센서들 상의 파울링 물질들의 방지 또는 제거를 위한 다른 기계적 기기들이 존재한다. 예컨대, 제트의 형태의 가압된 프로세스 유체들(예컨대, 미국 특허 제 7,803,323 호 및 제 4,385,936 호) 또는 가압된 공기 또는 물(예컨대, 미국 특허 제 7,250,302 호)은 파울링 물질들을 제거하기 위해 센서 표면의 중요한 구역에 간헐적으로 분사된다.
따라서, 센서들의 파울링을 방지 또는 제거하기 위한 기기 및/또는 방법이 필요하다. 바람직하게는, 그러한 기기 및/또는 방법은 가장 오염된 유체에서라도 사용하기에 효과적일 것이다. 더 바람직하게는, 그러한 기기 및/또는 방법은 작업자의 개입의 필요 없이 고강도 초음파 장비(technology)를 이용할 것이다.
본 발명은 장치에 작동식으로 부착되는 센서의 파울링을 감소시키고/시키거나 방지하는 방법에 관한 것이다. 센서는 장치의 액체 매질 내의 하나 이상의 파라미터를 측정한다. 상기 방법은 변환기 및 탐침부를 포함하는 초음파 장비를 제공하는 단계로서, 탐침부 및 변환기는 서로 작동식으로 연결되어서 변환기는 소스로부터 신호를 수신하고, 이 신호를 기계적 에너지로 전환하고, 기계적 에너지를 탐침부에 전송하는, 초음파 장비를 제공하는 단계; 액체 매질 안으로 탐침부의 적어도 일부를 침지시키는 단계; 및 신호를 변환기로 보냄으로써 탐침부가 주기적 음압 파형들을 액체 매질 안으로 전송하여 액체 매질 내의 공동 현상을 야기하며, 이 공동 현상은 센서의 파울링을 적어도 감소시키기에 충분한, 초음파 장비를 작동시키는 단계를 포함한다.
대안적으로는, 본 발명은 광센서의 파울링을 감소시키고/시키거나 방지하는 방법에 관한 것이다. 광센서는 석영 플로우 셀(quartz flow cell)을 포함한다. 상기 방법은, 액체 매질 내의 하나 이상의 파라미터를 측정하는 광센서를 제공하는 단계; 광센서에 전기 소스를 작동식으로 구비하는 단계; 및 반대 극성을 갖는 석영 플로우 셀에 전류를 인가하는 단계로서, 전류는 석영 플로우 셀이 공진하는 것을 야기하며, 공진은 액체 매질 내에 공동 현상을 야기하고, 공동 현상은 석영 플로우 셀의 파울링을 적어도 감소시키기에 충분한, 전류를 인가하는 단계를 포함한다.
본 발명의 이러한 그리고 다른 특징들 및 이점들은 첨부된 청구항과 연관된, 이후의 상세한 설명으로부터 자명하게 될 것이다.
본 발명의 이득들 및 이점들은 이후의 상세한 설명 및 첨부 도면들을 리뷰한 후에 당업자들에게 더 쉽게 자명하게 될 것이다.
도 1 은 본 발명의 몇몇의 실시예들 그리고 작동 중인 본 발명을 예시하는 하나의 적용을 예시하고;
도 2 는 본 발명의 통상적인 실시예의 개략도를 예시한다.
본 발명은 다양한 형태들의 실시예를 허용할 수 있지만, 실시예가 도면들에 도시되고 이후에 본 개시는 본 발명의 예시로서 간주되며 예시된 구체적인 실시예로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니라는 이해를 가지고 현재의 바람직한 실시예가 설명될 것이다.
본 명세서의 본 섹션의 타이틀, 즉 "발명을 실시하기 위한 구체적인 내용" 은 미국 특허청의 요건에 관한 것이고, 여기 개시된 요지를 제한하는 것을 암시하지 않으며 또한 그러한 것으로 추론되지 않아야 한다는 것이 추가로 이해되어야 한다.
파울링을 감소시키고/시키거나 방지하는, 및/또는 Nalco 3D 형광계와 같은 파울링된 센서들을 세척하는 새로운 시스템 및 방법이 개시된다. 본 발명은 종래의 세척 기기들에 대한 초음파 장비의 사용을 포함한다. 본 발명은 센서 파울링의 발생을 적어도 감소시키는 기계적 해결책을 제공한다.
현재의 바람직한 실시예에서, 초음파 파형들은 센서를 통과하여 또는 지나서 흐르는 액체 매질 안으로 방출된다. "센서" 라는 용어는 광센서 및 또한 투명 또는 반투명 센서 하우징들 등을 포함하도록 넓게 이해되어야 한다. 특히, "센서" 라는 용어는 형광계, 적외선 센서, 자외선 센서, 플로우 셀, pH 센서, ORP 센서, 온도 센서 및 임의의 유사한 기계를 포함하지만, 이에 제한되지 않는다.
고상(solid phase) 대신 액상(liquid phase)에 초음파 파형들을 가하는 것의 중요한 이점은 공동 현상의 징후, 또는 요동하는 초음파 음파들로 인한 액상 내의 소형의 파열 "버블(bubble)들" 을 생성하는 것이다. 파열 버블들은 주변 표면들을 세척하기에 충분한 흐름 및 열의 높은 에너지 힘들을 발생한다. 강한 공동 현상이 액체 매질 안으로 완전히 또는 부분적으로 침지되도록 디자인되는 탐침부들 및 초음파 변환기들의 사용을 통하여 달성될 수 있다.
본 발명의 실시예들의 몇몇 예들이 도 1 에 도시되며, 여기서 초음파 탐침부의 형태 및 높이는 변한다. 도 1 에 도시된 바닥 장착식 구성 외에, 정상부 장착이 또한 예상되는 것에 주의해야 한다.
본 발명의 다른 이점은 본 발명이 적은 노력에 의해 기존의 장비들 상에 용이하게 개장될 수 있다는 것이다. 전체의 초음파 기기는 센서와는 기능적으로 그리고 물리적으로 별개이기 때문에, 필드 내에 이미 설치된 장비는 초음파 장비에 의해 개장될 수 있다. 하지만, 센서 또는 장치는 개시된 것과 같은 초음파 장비가 구비되도록 최초에 제작될 수 있다.
다른 개선은 초음파 장비의 작동에 관련된다. 이전의 디자인들은 낮은 강도에서 연속적으로 작동된 것에 반해, 본 발명은 비교적 고강도에서 간헐적으로 작동하도록 디자인된다. 고강도 초음파 장비가 세척에 가장 효과적이지만, 이러한 작동은 단점들을 갖는다. 예컨대, 고강도 초음파 장비는 센서 측정들을 방해하는 액체 매질 내의 외란들을 생성할 수 있다. 부가적으로, 초음파 장비 기기는 시간이 흐름에 따라 부식될 수 있다. "고강도" 라는 용어는 초음파 탐침부의 선단에서 평방밀리미터 당 1 와트 초과의 강도를 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 초음파 탐침부에 인가되는 전력 강도는 탐침부의 선단에서의 운동의 진폭과 직접적으로 관련되며, 더 큰 진폭들은 더 많은 양의 공동 현상을 발생한다.
고강도 초음파의 이득들을 보존하면서 단점들을 최소화하기 위해, 정확한 타이밍, 주파수 및 초음파 장비에 의해 인가되는 전력이 특정 적용의 요구들을 충족하도록 변할 수 있다. 추가로 초음파 장비는 센서 판독들이, 파울링의 하한이 센서의 중요한 구역 상에 발생된 것을 나타낼 때 턴 온(turn on) 되도록 촉발될 수 있다.
간헐적인 작동의 결과로서, 측정들은 초음파 장비가 작동하지 않을 때의 기간들 동안 초음파의 효과들로부터의 방해 없이 작동할 수 있다. 게다가, 짧은 기간들 동안의 고강도 초음파의 사용은 센서 상의 더 강한 세척 작용을 제공할 수 있다. 통상적인 적용에서, 초음파 장비는 센서의 작동 시간의 5 % 이하 동안 작동될 수 있다.
본 발명의 세척 효율을 최대화하기 위해, 초음파 장비는 액체 매질이 흐를 수 있는 방향에 방출된 음파들이 대향하지 않는 방식으로 액체 매질 안으로 침지되어야 한다. 수용 가능한 배향들은 음파들 및 액체 흐름 벡터들이 평행한(하지만 대향하지 않음), 수직인 또는 180 도 외의 임의의 각도를 포함한다. 게다가, 공동 현상의 효과를 증가시키기 위해 탐침부 선단의 근처의 난류와 초음파 장비를 조합하는 것이 이로울 수 있다. 이러한 난류는 배플들, 고정 혼합기들, 또는 당업자에계 공지된 다른 기기들의 사용을 통하여 유도될 수 있다.
초음파 또는 화학 세척이 단독으로 불충분할 때 화학 세척제들과 초음파 장비를 조합하는 것이 또한 이로울 수 있다. 이러한 화학 세척제들은 초음파 장비의 간헐적 작동에 대응하는 때에 액체 매질 안으로 계량될 수 있다.
도 1 에 예시된 실시예들에서, 변환기(140)는 장치(110) 내측의 석영 플로우 셀(115)을 통하여 흐르는 액체 매질 안으로 적어도 부분적으로 침지되는 탐침부(130)에 연결된다. 장치(110)는 형광계 하우징일 수 있다. 초음파 파형(135)들은 변환기(140)에 의해 탐침부(130)에 전달되어 석영 플로우 셀(115) 내에 있는 액체 매질들 내측에 발생되고, 석영 플로우 셀(115) 내의 액체 매질들 안으로 지나간다. 초음파 파형(135)들은 액체 매질 내에 일정하게는 또는 간헐적으로든, 공동 현상(125)을 유도하기에 충분해야 한다. 측정 평면(120)은 통상적인 실시예에 대하여 예시된다. 이러한 그리고 모든 실시예들에 대하여, 신호는 전도 와이어(도시되었지만 번호가 매겨지지 않았음) 또는 임의의 적절한 전도 수단을 통하여 소스(도시되지 않음)로부터 변환기(140)로 보내진다.
공동 현상(125)은 파울링 물질들의 퇴적을 감소시키고/시키거나 방지하고 및/또는 이미 퇴적된 파울링 물질들을 제거한다. 변환기(140)는 Rozenberg 등의 미국 특허 제 7,763,177 호에 설명된 것과 같은 초음파 장비의 당업자에게 공지된 임의의 디자인일 수 있다. 바람직하게는, 변환기는 압전 효과를 나타내며 20 내지 200 ㎑ 범위로 출력하는 복합 재료이어야 한다. 더 바람직하게는, 출력은 약 40 내지 약 80 ㎑ 범위이며, 가장 바람직하게는 출력은 40 ㎑ 이다. 바람직한 복합 재료는 지르콘산 연이다.
본 발명에는 센서의 중요한 구역들 상에 압축된 공기, 물, 프로세스 유체 또는 화학 세척제들을 분사하기 위한 하나 또는 그 초과의 노즐들이 구비될 수 있다. 본 발명에는 부가적으로 또는 대안적으로 플로우 셀의 내부 벽들로부터 잔해를 스크래핑하기 위한 후퇴 가능한 브러시(brush) 또는 와이퍼가 구비될 수 있다. 이러한 비-초음파 기기들은 광센서로부터 떨어져 있거나 센서가 제작될 때에 통합을 위해 디자인될 수 있다.
도 2 는 프로세스 중에 있는 장착된 초음파 장비(4)의 통상적인 실시예를 예시한다. 장치(12)는 액체 매질(11)이 입구(15)를 통과하고, 플로우 셀(13)을 통과하며, 그리고 출구(17)를 통과하도록 장착된다(16). 장치(12)는 하나 이상의 센서(14)를 포함한다. 프로세스 스트림 내의 액체 매질(11)은 티(tee)(9) 안으로 들어가서 어댑터(10)를 통과하며, 이 어댑터는 초음파 장비(4)가 장치(12)에 장착되는 것을 가능하게 하여 탐침부(6)가 액체 매질(11) 안으로 침투한다.
초음파 장비(4)는 변환기(3), 호른(5) 및 탐침부(6)를 포함한다. 탐침부(6)는 하나 이상의 교점(nodal point)(8)을 포함하며, 탐침부(6)는 압축 피팅(7)을 통하여 하나 이상의 교점(8)에서 장치(12)에 장착되어야 한다. 초음파 장비(4)는 연통 케이블(2) 또는 소스로부터 변환기(3)로 신호를 보내는 임의의 다른 수단에 의해 소스(1)에 연결될 수 있다. 소스(1)는 신호를 변환기(3)에 보내는 초음파 전력 공급부일 수 있다. 초음파 전력 공급부는 신호의 진폭 및/또는 주파수를 자동적으로 제어할 수 있으며, 결과적으로 방출된 초음파 파형들의 진폭 및/또는 주파수를 제어할 수 있다.
실시예에서, 탐침부는 티타늄 합금을 포함한다.
다른 실시예에서, 석영의 중립 압전 특성들이 별개의 변환기의 사용 없이 진동들을 발생하는데 사용된다. 이러한 실시예에서, 전류는 석영 플로우 셀에 반대 극성이 인가된다. 바람직하게는, 전류는 주파수들의 범위에 걸쳐 스위핑(sweeping) 하는 동안 전류를 출력하도록 디자인되는 초음파 회로판에 의해 구동된다. 주파수들의 범위에 걸친 스위핑 작용은 접촉된 표면들을 손상시킬 수 있는 정상파(standing wave)들의 형성을 감소시키고/시키거나 방지한다. 전류는 간헐적으로 인가될 수 있다.
여기서 참조된 모든 특허들은, 본 개시의 내용 내에 구체적으로 참조되든 아니든 인용에 의해 본원에 포함된다.
본 개시에서, 단수 표현("a" 또는 "an")은 단수형 및 복수형 모두를 포함하기 위해 취해진다. 반대로, 복수의 항목들에 대한 임의의 참조는 적절하다면 단수를 포함해야 한다.
전술한 내용으로부터 수많은 수정들 및 변형들이 본 발명의 신규한 컨셉들의 진정한 사상 및 범주로부터 이탈함이 없이 실시될 수 있다는 것이 관찰될 것이다. 예시된 구체적인 실시예들 또는 예들에 대한 제한이 의도되거나 추론되지 않아야 하는 것이 이해되어야 한다. 개시는 청구항들의 범주 내에 속하는 것으로서 모든 이러한 수정들을 첨부된 청구항들에 의해 커버하는 것이 의도된다.

Claims (15)

  1. 프로세스를 위한 장치에 작동식으로 부착되는 플로우 셀의 파울링을 감소시키거나 방지하는 방법으로서,
    상기 플로우 셀은 상기 장치의 액체 매질 내의 하나 이상의 파라미터를 측정하기 위해 이용되는 광학 센서와 소통하며, 상기 방법은 :
    상기 프로세스에서 변환기 및 탐침부를 포함하는 초음파 장비를 장착하는 단계로서, 상기 탐침부는 작동시에 초음파 진동이 상기 탐침부로부터 외측으로 상기 플로우 셀의 내부 표면에 방사되도록 구성되며, 상기 변환기는 소스로부터 신호를 수신하고, 이 신호를 기계적 에너지로 전환하고, 이 기계적 에너지를 탐침부에 전송하도록 상기 탐침부 및 변환기가 서로 작동식으로 연결된, 초음파 장비를 장착하는 단계;
    상기 플로우 셀을 통과하는 상기 액체 매질 안으로 탐침부의 적어도 일부를 침지시키는 단계; 및
    신호를 변환기로 보냄으로써 탐침부가 초음파식으로 진동하여 상기 플로우 셀을 통과하는 상기 액체 매질 내에 공동 현상을 야기하도록 초음파 장비를 작동시키는 단계를 포함하는,
    플로우 셀의 파울링을 감소시키거나 방지하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 초음파 장비를 작동시키는 단계는 간헐적으로 수행되는,
    플로우 셀의 파울링을 감소시키거나 방지하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 초음파 장비는 상기 플로우 셀의 작동 시간의 5 % 이하 동안 작동되는,
    플로우 셀의 파울링을 감소시키거나 방지하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 초음파 장비는 20 ㎑ 초과의 주파수에서 작동되는,
    플로우 셀의 파울링을 감소시키거나 방지하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 초음파 장비는 20 ㎑ 내지 200 ㎑ 범위를 갖는 주파수에서 작동되는,
    플로우 셀의 파울링을 감소시키거나 방지하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 초음파 장비는 40 ㎑ 의 주파수에서 작동되는,
    플로우 셀의 파울링을 감소시키거나 방지하는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 플로우 셀은 석영으로 구성되는,
    플로우 셀의 파울링을 감소시키거나 방지하는 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 변환기는 복합 재료를 포함하는,
    플로우 셀의 파울링을 감소시키거나 방지하는 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 복합 재료는 지르콘산 연(lead zirconate)을 포함하는,
    플로우 셀의 파울링을 감소시키거나 방지하는 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 탐침부는 하나 이상의 교점을 포함하며, 상기 탐침부는 하나 이상의 교점에서 장치에 작동식으로 장착되는,
    플로우 셀의 파울링을 감소시키거나 방지하는 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 탐침부는 티타늄 합금을 포함하는,
    플로우 셀의 파울링을 감소시키거나 방지하는 방법.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 초음파 장비는 초음파 전력 공급부를 포함하고, 상기 초음파 전력 공급부는 신호를 변환기로 보내고 신호의 진폭 및 주파수 중 하나 이상을 자동적으로 제어하며, 결과적으로 방출되는 초음파 파형들의 진폭 및 주파수 중 하나 이상을 제어하는,
    플로우 셀의 파울링을 감소시키거나 방지하는 방법.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 탐침부는 상기 플로우 셀의 위쪽 부분에(upstream) 위치되는
    플로우 셀의 파울링을 감소시키거나 방지하는 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 플로우 셀의 위쪽 부분에서의 상기 탐침부의 초음파 진동은 상기 탐침부의 아래쪽 부분(downstream)의 액체 매질에서 공동을 야기하여서, 상기 플로우 셀의 파울링을 감소시키거나 방지하는,
    플로우 셀의 파울링을 감소시키거나 방지하는 방법.
  15. 삭제
KR1020147017944A 2012-01-19 2012-11-16 파울링 감소 기기 및 방법 KR102016684B1 (ko)

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