KR102262883B1 - 일정한 공간속도 제어가 가능한 필터 성능 실험장치 - Google Patents

일정한 공간속도 제어가 가능한 필터 성능 실험장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 실제 필터가 적용되는 다양한 외부 환경에 부합하는 실험조건을 설정하여, 필터의 포집 및 재생 과정에서의 특성 및 성능을 정확히 측정 및 산출할 수 있고, 이렇게 획득된 정보를 기초로 실제 환경에서 최적의 성능을 발휘할 수 있는 필터 제작이 가능한 일정한 공간속도 제어가 가능한 필터 성능 실험장치를 제공함에 있다. 이를 위한 본 발명은 필터의 전단부에 연결되며, 상기 필터에 로딩되는 입자상물질을 포함한 샘플링기체의 유동을 안내하기 위한 공급유로; 상기 필터의 후단부에 연결되며, 상기 필터를 통과하며 입자상물질이 제거된 샘플링기체의 유동을 안내하기 위한 배출유로; 상기 배출유로에 연결되며, 상기 공급유로 및 상기 배출유로에 부압을 발생시켜 상기 샘플링기체의 이송력을 제공하기 위한 진공펌프; 상기 배출유로에 연결되며, 상기 진공펌프에 의해 발생된 부압에 의해 외부의 제1기체가 상기 배출유로 측으로 유입되도록 안내하기 위한 제1기체 안내유로; 상기 제1기체 안내유로에 설치되며, 상기 제1기체가 통과하는 상기 제1기체 안내유로의 개도를 조절하기 위한 밸브; 및 상기 필터에 로딩되는 입자상물질의 로딩 정도에 따라 상기 공급유로 및 상기 배출유로 간에 압력차가 변경되더라도 상기 필터를 통과하는 상기 샘플링기체가 일정한 공간속도를 가지도록 상기 밸브를 제어하는 제어부;를 포함하는 특징을 개시한다.

Description

일정한 공간속도 제어가 가능한 필터 성능 실험장치{APPARATUS FOR FILTER TESTING CAPABLE OF CONSTANT SPACE VELOCITY CONTROL}
본 발명은 일정한 공간속도 제어가 가능한 필터 성능 실험장치에 관한 것으로, 상세하게는 엔진 배기시스템에 구비되는 미세먼지 후처리장치의 환경을 모사하여 미세먼지 후처리장치의 핵심 부품인 필터의 기초 특성 및 성능을 효과적으로 측정해낼 수 있는 일정한 공간속도 제어가 가능한 필터 성능 실험장치에 관한 것이다.
최근 차량, 선박, 플랜트 등 엔진 배기가스 규제의 강화 추세에 따라 관련 규제를 만족시키기 위해서는 엔진 배기시스템의 미세먼지 후처리장치로서 디젤 입자상 필터(Diesel Particulate Filter:DPF)의 장착이 필수적이다.
일반적으로 디젤 엔진용 DPF에 사용되는 필터는 엔진에서 배출되는 매연 즉, 입자상물질(Particulate Matter:PM)을 포집(Loading)하여 배출을 저감시킬 수 있다.
필터에 입자상물질이 다량 포집되면 엔진에 부하가 발생될 수 있는데, 이를 해소하기 위해 적정의 시간, 간격 및 주기마다 필터에 포집된 입자상물질을 산화 및 연소시켜 재생하게 된다.
입자상물질의 포집 및 재생을 위한 필터는 사용되는 필터의 소재, 형태, 구조 등 종류 뿐만 아니라, 엔진 종류, 엔진운전조건 등 필터가 설치되는 환경에 따라 최적의 성능을 발휘할 수 있도록 맞춤 설계가 이루어져야 하기 때문에, 실제 설치 및 사용에 앞서 시뮬레이션과 같은 실험 과정이 필수적으로 요구된다.
하지만, 차량, 선박, 플랜트 등 실제 사용되는 엔진의 배기시스템을 그대로 구현하기 위해서는 많은 비용과 넓은 작업 공간이 요구되고, 이로 인한 많은 비용과 시간이 소요되는 문제가 있다.
결국, 실제 필터에 상응하도록 다운사이징 설계된 필터를 대상으로, 실제 필터가 장착되는 엔진의 배기시스템과 상응하도록 다운사이징 설계된 시스템모듈을 마련하여, 실험실과 같이 상대적으로 작은 공간에서 저비용으로도 필터의 기초 특성 및 성능을 효율적으로 측정 및 평가할 수 있는 실험장치가 요구된다.
대한민국 공개특허공보 제2010-0050773호(2010.05.14.공개)
본 발명의 목적은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 실제 사용되는 필터와 상응하도록 다운사이징 설계된 필터를 마련하고, 실제 필터가 적용되는 다양한 외부 환경에 부합하는 실험조건을 설정하여, 필터의 포집 및 재생 과정에서의 특성 및 성능을 정확히 측정 및 산출할 수 있고, 이렇게 획득된 정보를 기초로 실제 환경에서 최적의 성능을 발휘할 수 있는 필터 제작이 가능한 일정한 공간속도 제어가 가능한 필터 성능 실험장치를 제공함에 있다.
상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 일정한 공간속도 제어가 가능한 필터 성능 실험장치는, 필터의 전단부에 연결되며, 상기 필터에 로딩되는 입자상물질을 포함한 샘플링기체의 유동을 안내하기 위한 공급유로; 상기 필터의 후단부에 연결되며, 상기 필터를 통과하며 입자상물질이 제거된 샘플링기체의 유동을 안내하기 위한 배출유로; 상기 배출유로에 연결되며, 상기 공급유로 및 상기 배출유로에 부압을 발생시켜 상기 샘플링기체의 이송력을 제공하기 위한 진공펌프; 상기 배출유로에 연결되며, 상기 진공펌프에 의해 발생된 부압에 의해 외부의 제1기체가 상기 배출유로 측으로 유입되도록 안내하기 위한 제1기체 안내유로; 상기 제1기체 안내유로에 설치되며, 상기 제1기체가 통과하는 상기 제1기체 안내유로의 개도를 조절하기 위한 밸브; 상기 필터에 로딩되는 입자상물질의 로딩 정도에 따라 상기 공급유로 및 상기 배출유로 간에 압력차가 변경되더라도 상기 필터를 통과하는 상기 샘플링기체가 일정한 공간속도를 가지도록 상기 밸브를 제어하는 제어부; 상기 공급유로에 연결되며, 입자상물질을 포함하지 않는 외부의 제2기체의 유동을 안내하기 위한 제2기체 안내유로; 상기 제2기체 안내유로에 설치되며, 상기 제2기체 안내유로를 통과하는 상기 제2기체의 유량을 측정하기 위한 제2기체 유량측정부; 및 상기 공급유로 및 상기 제2기체 안내유로의 연결부에 설치되며, 상기 필터를 향해 상기 샘플링기체 및 상기 제2기체가 선택적으로 유동되도록 하는 전환밸브;를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 공급유로 내에 유동하는 상기 샘플링기체의 유량을 측정하고자 할 때, 상기 전환밸브를 제어하여 상기 필터를 향하는 상기 샘플링기체의 유동을 차단하고 상기 필터를 향해 상기 제2기체를 유동시키며, 상기 제2기체 유량측정부에서 측정된 상기 제2기체의 유량을 기초로 하여 상기 밸브를 재차 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 일정한 공간속도 제어가 가능한 필터 성능 실험장치에 있어서, 상기 제어부는, 상기 공급유로 및 상기 배출유로 간에 압력차가 증가될수록 상기 밸브의 개도를 낮출 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 일정한 공간속도 제어가 가능한 필터 성능 실험장치에 있어서, 상기 공급유로에 연결되며, 입자상물질을 포함한 상기 샘플링기체가 저장되는 샘플링기체 저장부;를 더 포함하며, 상기 샘플링기체 저장부에 저장된 상기 샘플링기체는 상기 진공펌프로부터 발생된 부압에 의해 상기 공급유로 측으로 유입될 수 있다.
삭제
본 발명의 실시예에 따른 일정한 공간속도 제어가 가능한 필터 성능 실험장치에 있어서, 상기 공급유로에 설치되며, 상기 제2기체 안내유로 및 상기 제2기체 유량측정부를 통과하는 상기 제2기체의 압력 강하 값에 상응하도록 상기 공급유로를 통과하는 상기 샘플링기체의 압력 강하 값을 보상하기 위한 샘플링기체 유량조절부;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 일정한 공간속도 제어가 가능한 필터 성능 실험장치에 있어서, 상기 필터가 설치되는 내부공간을 구비하며, 상기 필터를 설정온도까지 가열하는 가열로(Heating Furnace);를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 일정한 공간속도 제어가 가능한 필터 성능 실험장치에 있어서, 상기 공급유로에 설치되며, 상기 필터를 향하는 상기 샘플링기체를 설정온도까지 예열하는 예열부;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 일정한 공간속도 제어가 가능한 필터 성능 실험장치에 있어서, 상기 공급유로에 연결되며, 상기 필터를 향해 유동하는 상기 샘플링기체에 산화제를 첨가하기 위한 산화제 공급부;를 더 포함할 수도 있다.
본 발명의 실시예에 따른 일정한 공간속도 제어가 가능한 필터 성능 실험장치에 있어서, 상기 배출유로 상에 설치되며, 상기 배출유로의 단면적보다 큰 단면적을 가지는 버퍼부; 및 상기 버퍼부에 연결되며, 상기 버퍼부를 통과하는 상기 샘플링기체의 일부를 채취하기 위한 기체채취용 프로브;를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 필터의 후단 영역에 샘플링기체의 이송력을 제공하기 위한 진공펌프를 배치하여, 필터를 향하는 입자성물질을 포함한 샘플링기체의 밀도 등 설정된 실험조건이 변화되는 것을 차단하고, 이로 인하여 필터의 로딩 및 재생 과정에서 정확한 성능 평가가 가능하다.
본 발명에 따르면, 필터에 입자상물질이 로딩 및 재생되는 과정에서 필터의 전단 영역과 후단 영역에서 발생되는 압력 차이에도 불구하고, 필터를 통과하는 샘플링기체의 공간속도를 능동적으로 제어할 수 있기 때문에, 필터가 적용되는 엔진 종류, 엔진운전조건 등 다양한 실험 조건에서도 필터의 로딩 및 재생 과정에서의 보다 정확한 성능 평가가 가능하다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 필터 성능 실험장치를 나타낸 예시도이다.
도 2는 도 1의 제1기체 및 샘플링기체의 유량 제어를 설명하기 위한 개념도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 필터 성능 실험장치를 나타낸 예시도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 필터 성능 실험장치를 나타낸 예시도이다.
이하 상술한 해결하고자 하는 과제가 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예들이 첨부된 도면을 참조하여 설명된다. 본 실시예들을 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용될 수 있으며 이에 따른 부가적인 설명은 생략될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 필터 성능 실험장치를 나타낸 예시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 필터 성능 실험장치는, 실제 사용되는 필터와 상응하도록 다운사이징되어 샘플링된 필터(10)를 대상으로, 엔진 배기시스템과 같이 실제 필터가 적용되는 다양한 환경에 부합하는 실험조건을 설정하여, 필터(10)의 포집(Loading:로딩) 및 재생 과정에서의 특성 및 성능을 정확히 측정 및 산출할 수 있고, 이를 통해, 실제 환경에서 최적의 성능을 발휘할 수 있는 필터를 제공할 수 있다.
이를 위한 본 발명의 일실시예에 따른 필터 성능 실험장치는, 공급유로(21), 배출유로(23), 샘플링기체 저장부(30), 진공펌프(40), 제1기체 안내유로(51), 밸브(53) 및 제어부를 포함할 수 있다.
먼저 본 발명에 따른 성능을 평가하기 위한 대상물인 필터(10)는 실제 사용되는 필터와 상응하도록 다운사이징 설계된 것일 수 있다.
예를 들어, 디젤 엔진 배기시스템의 후처리장치(DPF)에 사용되는 필터는 축방향으로 다공성 벽체를 압출하여 만든 벽면유량의 모노리스 형태로 이루어질 수 있으며, 입자상물질을 포함한 기체가 다공성 벽체를 통과하는 과정에서 입자상물질은 다공성 벽체의 표면에 로딩되고, 입자상물질이 제거된 기체만이 통과하게 된다. 그리고, 이러한 필터에는 효과적인 재생을 위해 입자상물질의 연소온도를 낮추어 주기 위한 촉매가 미리 코팅된 촉매필터일 수도 있다.
이처럼 필터(10)는 성능 평가가 요구되는 다양한 소재, 형태, 구조를 가지는 필터 세그먼트가 적용될 수 있고, 엔진 종류, 엔진운전조건 등 설치 환경에 따라 선택적으로 설정될 수 있다.
공급유로(21)는 필터(10) 측으로 공급되는 샘플링기체의 유동을 안내하는 것으로, 공급유로(21)의 후단부는 필터(10)의 전단부에 연결될 수 있다.
샘플링기체 저장부(30)는 샘플링기체가 저장될 수 있으며, 공급유로(21)의 전단부에 연결될 수 있다. 샘플링기체 저장부(30)에 저장된 샘플링기체는 후술되는 진공펌프(40)의 작동에 의해 공급유로(21)에 부압이 발생되면 샘플링기체 저장부(30)에서 공급유로(21) 측으로 유동될 수 있다.
샘플링기체는 필터(10)에 로딩되는 입자상물질을 포함할 수 있다.
그리고, 샘플링기체는 입자상물질을 제외한 다른 성분의 기체를 더 포함할 수 있는데, 이러한 입자상물질을 제외한 샘플링기체의 나머지 성분은 필터(10)가 실제 적용되는 환경에 따라서, 다양한 성분의 기체를 가지도록 마련될 수도 있다.
도시되진 않았지만, 필터 성능 실험장치는 샘플링기체 생성부를 더 포함할 수 있으며, 샘플링기체 생성부는 엔진에서 배출되는 배기가스와 상응하는 성분을 가지도록 샘플링기체를 현장에서 제조할 수 있고, 이렇게 제조된 샘플링기체는 샘플링기체 저장부(30)에 공급 및 저장될 수 있다.
배출유로(23)는 필터(10)를 통과하며 입자상물질이 제거된 샘플링기체의 유동을 안내하는 것으로, 배출유로(23)의 전단부는 필터(10)의 후단부에 연결될 수 있다.
진공펌프(40)는 샘플링기체의 이송력을 제공하기 위한 것으로, 배출유로(23)의 후단부에 연결 설치될 수 있다. 이러한 진공펌프(40)는 공급유로(21) 및 배출유로(23)에 부압을 발생시켜, 샘플링기체 저장부(30)에 저장된 샘플링기체에 이송력을 제공할 수 있다. 이러한 진공펌프(40)를 통해 형성되는 샘플링기체의 이송력은 실제 엔진 배기시스템의 배압에 부합될 수 있다.
그리고, 진공펌프(40)의 출력값 즉, 송출량은 필터(10)가 적용되는 다양한 환경을 반영할 수 있도록 변화될 수 있는데, 예를 들어, 엔진 종류, 엔진운전조건에 따른 배압에 부합될 수 있도록 진공펌프(40)의 송출량은 변화될 수 있다. 여기서, 필터(10) 및 필터(10)의 실험조건이 최종 설정된 이후 진공펌프(40)의 송출량은 일정한 값을 가지도록 설정될 수 있다.
예컨대, 본 실시예와 달리, 실제 엔진에서 배출되는 배압에 상응하도록 샘플링기체 공급부가 연결되는 공급유로에 공급펌프를 배치할 경우 필터를 향하는 샘플링기체에 양압을 발생시킬 수 있는데, 이 경우에는 입자상물질을 포함한 샘플링기체의 밀도 등 설정된 실험조건이 변화되어 필터에서의 로딩 및 재생에 대한 정확한 성능 평가가 불가할 수 있다. 왜냐하면, 필터에 로딩되는 입자상물질의 로딩 정도에 따라 필터를 통과하는 샘플링기체의 유량이 감소될 시 실제 엔진운전조건과 동일하도록 공급펌프의 출력을 높여 샘플링기체의 이송압력을 높여야 하는데, 이 과정에서 입자상물질을 포함한 샘플링기체의 밀도 등 설정된 실험조건이 변화될 수 있기 때문이다.
그리고, 본 실시예와 달리, 샘플링기체 공급부가 연결되는 공급유로에 공급펌프를 배치할 경우, 샘플링기체에 포함된 입자상물질의 종류에 따라서는 공급펌프의 양압만으로 필터를 통과하는 샘플링기체의 적정 유량 및 압력을 구현할 수 없는 문제가 발생될 수 있다.
따라서, 본 발명에서와 같이, 배출유로(23) 측에 샘플링기체의 이송력을 제공하기 위한 진공펌프(40)를 배치함으로써, 필터(10)를 향하는 입자성물질을 포함한 샘플링기체의 밀도 등 설정된 실험조건이 변화되는 것을 차단하여 정확한 성능 평가가 가능해진다.
또한, 샘플링기체 공급부가 연결되는 공급유로에 공급펌프를 배치할 경우에는 버너, 열분해로, 전기스파크 발생기와 같은 다양한 종류의 샘플링기체 생성부의 적용이 가능해지는 이점도 있다.
또한, 본 실시예와 달리, 샘플링기체 공급부가 연결되는 공급유로에 공급펌프를 배치할 경우, 샘플링기체가 공급펌프를 통과하는 과정에서 입자상물질의 일부가 걸러지게 되므로, 필터로 유입되는 입자상물질의 농도 및 크기분포가 변화될 가능성이 있고, 공급펌프로부터 배출되는 잠재적 오염물질(오일, 선행실험에서 퇴적된 입자상물질 등)에 의해 샘플링기체가 오염되는 문제가 발생될 수 있는데, 본 발명에서와 같이, 배출유로(23) 측에 샘플링기체의 이송력을 제공하기 위한 진공펌프(40)를 배치할 경우에는 이러한 문제를 근본적으로 차단할 수 있다.
제1기체 안내유로(51)는 필터(10)와 진공펌프(40)를 연결하는 배출유로(23)에 연결될 수 있으며, 배출유로(23) 측으로 외부의 제1기체의 유동을 안내할 수 있다.
제1기체는 진공펌프(40)의 기기 결합을 유발하지 않는 기체이면 어떠한 기체라도 사용될 수 있고, 제1기체는 외기일 수도 있다.
이러한 제1기체는 진공펌프(40)의 작동에 의해 배출유로(23)에 부압이 발생되면, 제1기체 안내유로(51)를 지나 배출유로(23) 측으로 유동될 수 있다.
밸브(53)는 제1기체 안내유로(51)에 설치될 수 있으며, 제1기체가 통과하는 제1기체 안내유로(51)의 개도를 조절할 수 있다. 밸브(53)는 제1기체 안내유로(51)의 단면적을 감소시키거나 확장시키는 통상의 밸브가 적용될 수 있다.
그리고, 필터 성능 실험장치는 차압센서(:도 4참조)를 포함할 수 있으며, 차압센서(15)는 공급유로(21)를 통과하는 샘플링기체의 압력 및 배출유로(23)를 통과하는 샘플링기체의 압력을 각각 측정하여, 필터(10)의 전단 영역 및 후단 영역의 압력 차이를 측정할 수 있다. 이렇게 측정된 압력 차이 값은 제어부로 전송될 수 있다.
제어부는 밸브(53)를 제어할 수 있으며, 밸브(53)의 개도 상태를 조절하여 필터(10)의 전단부 및 후단부에서 압력차가 발생되더라도 필터(10)를 통과하는 샘플링기체가 항상 일정한 공간속도(Space Velocity;SV)를 가지도록 할 수 있다.
공간속도는 공급되는 샘플링기체의 유량과 필터의 부피와의 관계를 나타내는 것이고, 촉매필터의 경우에는 공급되는 샘플링기체의 유량과 필터 촉매의 부피(촉매량)와의 관계를 나타내는 것이다. 즉, 공간속도는 샘플링기체의 시간당 처리 유량을 필터(촉매)의 부피로 나눈 수치를 말한다.
이처럼 다운사이징 설계된 필터(10)가 실물 크기의 필터의 로딩 및 재생 특성과 동일한 특성을 구현하기 위해서는 공간속도의 제어가 가능해야 하고, 실험을 위한 필터(10)의 크기 및 부피 사양이 결정된 후 이러한 공간속도는 실험 과정에서 일정 값이 유지되어야 한다.
다시 말해, 필터(10)에 로딩되는 입자상물질의 로딩 정도에 따라 필터(10)의 전단부에 연결되는 공급유로(21)와, 필터(10)의 후단부에 연결되는 배출유로(23)에는 압력차가 점점 변경되고, 이렇게 변경되는 압력차에 의해 필터(10)를 통과하는 샘플링기체의 유량이 점점 감소하게 되는데, 제어부는 필터(10)의 전단 영역 및 후단 영역에서 발생되는 압력차에도 불구하고, 필터(10)를 통과하는 샘플링기체의 공간속도를 항상 일정하게 유지시킬 수 있다.
도 2는 도 1의 제1기체 및 샘플링기체의 유량 제어를 설명하기 위한 개념도로서, 도 2 (a)는 실험 초기 상태를 나타낸 것이고, 도 2 (b)는 필터에 입자상물질이 로딩됨에 따른 샘플링기체의 유량을 제어하는 실험 과정을 나타낸 것이다.
도 2 (a)를 참조하면, 초기 설치 상태에서, 진공펌프(40)는 설정된 실험조건에 따라 일정한 송출량(Qo)을 가질 수 있고, 이때 밸브(53)는 완전 개방 상태를 유지할 수 있다. 이에 따라 초기 필터(10)를 통과하는 샘플링기체(SG)는 제1속도(V1) 및 제1유량(Q1)을 가질 수 있고, 제1기체 안내유로(51)를 통과하는 제1기체(G1)는 제2속도(V2) 및 제2유량(Q2)을 가질 수 있다. 결국, 제1유량(Q1) 및 제2유량(Q2)의 합은 진공펌프(40)의 송출량(Qo)과 동일하여 항상 일정한 값을 유지할 수 있다.
도 2 (b)를 참조하면, 이후 실험이 진행되는 과정에서 샘플링기체(SG)에 포함된 입자상물질(PM)은 필터(10)에 로딩되고, 입자상물질(PM)의 로딩 정도에 따라, 필터(10)를 중심으로 전단부 압력(P1)과 후단부 압력(P2) 간의 압력차가 점점 변화된다. 이로 인하여 필터(10)를 통과하는 제1유량(Q1)이 감소하게 되어 공간속도가 변화되는데, 이때 본 발명에 따른 제어부는 필터(10)를 중심으로 전단부 압력(P1)과 후단부 압력(P2) 간의 압력차를 기초로 하여 밸브(53)의 개도 상태를 조절하는 것으로, 필터(10)를 통과하는 샘플링기체의 제1유량(Q1) 및 공간속도를 항상 일정하게 유지할 수 있다.
보다 상세하게, 도 2 (b)에서와 같이, 필터(10)에 입자상물질(PM)의 로딩 정도를 기초로 하여, 밸브(53)의 개도를 조금씩 낮추게 되면 밸브(53)를 중심으로 한 전단 영역과 후단 영역 간에도 압력차가 발생하게 된다. 이때, 제1유량(Q1) 및 제2유량(Q2)의 합은 항상 일정하게 유지되어야 하기 때문에, 필터(10) 및 밸브(53)에서 발생되는 압력 강하에 의하여 필터(10)를 통과하는 샘플링기체(SG)의 제1속도(V3)와, 밸브(53)를 통과하는 제1기체(G1)의 제2속도(V4)가 모두 증가될 수 있다. 따라서, 필터(10)를 중심으로 전단부 압력(P1)과 후단부 압력(P2) 간의 압력차가 발생된 상태에서도 필터(10)를 통과하는 샘플링기체(SG)의 제1유량(Q1) 및 공간속도는 변화(감소)됨에 없이 일정하게 유지될 수 있다.
한편, 본 발명에 따르면, 필터(10)에 입자상물질(PM)이 다량 로딩된 상태에서 필터(10)의 전단부 압력(P1)과 후단부 압력(P2) 간의 압력차가 계속해서 증가되는 과정에서, 설정된 압력차를 초과할 경우 필터(10)에 로딩된 입자상물질(PM)은 강제 재생될 수도 있다.
이처럼 본 발명은 필터(10)에 입자상물질이 로딩 및 재생 작용에 의한 필터(10)의 전단 영역과 후단 영역에서 발생되는 압력차에도 불구하고, 필터(10)를 통과하는 샘플링기체의 유량 및 공간속도를 일정하게 유지할 수 있기 때문에, 필터의 로딩 및 재생의 정확한 성능 평가가 가능하다.
그리고, 본 발명은 필터(10)를 통과하는 샘플링기체의 유량 및 공간속도를 능동적으로 제어할 수도 있기 때문에, 필터(10)가 실제 적용되는 엔진 종류, 엔진운전조건 등을 고려한 다양한 실험조건에서의 로딩 및 재생 실험이 가능하다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 필터 성능 실험장치를 나타낸 예시도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 필터 성능 실험장치는 제2기체 안내유로(61), 제2기체 유량측정부(63), 전환밸브(70)를 더 포함할 수 있다.
제2기체 안내유로(61)는 샘플링기체 저장부(30) 및 필터(10)를 연결하는 공급유로(21)에 연결될 수 있으며, 공급유로(21) 측으로 외부의 제2기체의 유동을 안내할 수 있다.
제2기체는 입자상물질을 포함하지 않는다.
그리고, 제2기체는 제2기체 유량측정부(63), 필터(10) 및 진공펌프(40)의 기기 결합을 유발하지 않는 기체이면 어떠한 기체도 사용될 수 있고, 제2기체는 외기일 수 있다.
이러한 제2기체는 진공펌프(40)의 작동에 의해 공급유로(21)에 부압이 발생되면, 제2기체 안내유로(61)를 통하여 공급유로(21) 측으로 유동될 수 있다.
제2기체 유량측정부(63)는 제2기체 안내유로(61)에 설치될 수 있으며, 제2기체 안내유로(61)를 통과하는 제2기체의 유량을 측정할 수 있다. 이렇게 측정된 제2기체의 유량 정보는 제어부로 전송될 수 있다.
전환밸브(70)는 공급유로(21) 및 제2기체 안내유로(61)의 연결부에 설치될 수 있으며, 필터(10)를 향해 샘플링기체 및 제2기체가 선택적으로 유동할 수 있도록 할 수 있다. 전환밸브(70)는 통상의 삼방밸브(3way valve)가 사용될 수 있다.
이상과 같이, 전환밸브(70)를 매개로 공급유로(21)에서 분기되는 제2기체 안내유로(61) 및 제2기체 유량측정부(63)를 추가 구성하는 이유는 필터(10)를 향해 공급되는 샘플링기체의 유량 정보를 보다 정확하게 획득하고, 이를 기초로 하여 필터(10)를 통과하는 샘플링기체의 유량을 보다 정확하게 제어하기 위함이다.
만약 샘플링기체의 유량을 측정하기 위해 공급유로(21) 상에 유량측정계를 직접 설치할 경우에는 샘플링기체에 포함된 입자상물질로 인하여 샘플링기체의 유량 측정에 오차가 발생될 수 있다.
따라서, 공급유로(21) 내에 유동하는 샘플링기체의 유량을 측정하고자 할 때, 전환밸브(70)를 작동하여 필터(10)를 향하는 샘플링기체의 유동을 차단하고 필터(10)를 향해 입자상물질이 포함되지 않은 제2기체를 유동시키고, 이때의 제2기체의 유량을 측정함으로써, 필터(10) 측으로 공급되는 샘플링기체의 실제 유량을 정확하게 산출해낼 수 있다. 제2기체의 유량을 측정하기 위한 전환밸브(70)의 작동 설정은 미리 설정된 시간, 간격, 주기마다 이루어질 수도 있다.
보충 설명하면, 평상 시 전환밸브(70)는 필터(10) 측으로 입자상물질이 포함된 샘플링기체를 공급하면서 필터(10)의 로딩 및 재생 성능을 평가하게 되고, 이때 제어부는 필터(10)에 로딩되는 입자상물질의 로딩 정도에 따른 필터(10)의 전단 영역과 후단 영역 간의 압력차를 기초로 하여, 밸브(53)를 제어하여 필터(10)를 통과하는 샘플링기체의 유량 및 공간속도를 능동적으로 제어하게 된다.
여기서, 공급유로(21) 내에 유동하는 샘플링기체의 유량을 측정하고자 할 때, 전환밸브(70)는 필터(10)를 향하는 샘플링기체의 이송을 차단하고, 필터(10)를 향해 제2기체를 유동시키며, 제2기체 유량측정부(63)에 측정된 제2기체의 유량 정보를 제어부로 전송할 수 있다.
그러면, 제어부는 제2기체 유량측정부(63)에 측정된 제2기체의 유량 정보를 기초로 하여, 앞서 설정된 밸브(53)를 피드백 제어할 수 있다. 다시 말해, 제2기체의 유량 정보를 기초로 하여, 밸브(53)의 개도 상태를 재차 설정할 수 있고, 실제 필터(10)를 통과하는 샘플링기체의 유량 및 공간속도를 보다 정밀하게 제어할 수 있다.
이렇게 제2기체의 유량 정보를 기초로 한 밸브(53)의 개도 상태에 대한 피드백 제어가 완료되면, 전환밸브(70)는 다시 반대 동작되어, 필터(10)를 향하는 제2기체의 유동을 다시 차단하고 필터(10)를 향해 입자상물질이 포함된 샘플링기체를 계속해서 유동시키게 된다.
한편, 본 발명에 따른 필터 성능 실험장치는 샘플링기체 유량조절부(25)를 더 포함할 수 있다.
샘플링기체 유량조절부(25)는 샘플링기체 저장부(30) 및 전환밸브(70)를 연결하는 공급유로(21)에 설치될 수 있으며, 공급유로(21)를 통과하는 샘플링기체의 유량을 조절할 수 있다.
전술한 바와 같이, 전환밸브(70)를 매개로 공급유로(21)에서 분기되는 제2기체 안내유로(61) 및 제2기체 유량측정부(63)를 추가 구성할 경우, 제2기체는 제2기체 안내유로(61) 및 제2기체 유량측정부(63)를 통과하는 과정에서 압력 강하가 발생될 수 있는데, 샘플링기체 유량조절부(25)는 제2기체 안내유로(61) 및 제2기체 유량측정부(63)를 통과하는 제2기체의 압력 강하 값과 상응하는 값으로 샘플링기체의 압력 강하 값을 보상할 수 있다.
따라서, 샘플링기체 유량조절부(25)를 조절하여, 제2기체 유량측정부(63)를 통해 측정된 제2기체의 유량 정보와 동일하게 필터(10)를 향해 공급되는 샘플링기체의 압력 강하 값을 보상하여 유량을 보다 정확히 재설정할 수 있다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 필터 성능 실험장치를 나타낸 예시도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 필터 성능 실험장치는 강제 또는 자연 재생시킬 수 있는 실험조건을 더 포함할 수 있다. 즉, 필터(10)의 효과적인 재생을 위해 샘플링기체의 온도를 높이거나 입자상물질의 연소온도를 낮추어 주는 재생 실험조건을 포함할 수 있다.
우선, 본 발명에 따른 필터 성능 실험장치는 가열로(90:Heating Furnace)를 더 포함할 수도 있다.
가열로(90)는 필터(10)의 재생을 위한 내부공간을 가질 수 있으며, 내부공간에 필터(10)를 수용할 수 있다. 이러한 가열로(90)는 필터(10)를 설정 온도까지 가열할 수 있는데, 예를 들어, DPF에 사용되는 필터의 경우 가열로(90)는 엔진에서 발생되는 온도와 동일한 온도를 가지도록 필터(10)를 가열할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 필터 성능 실험장치는 필터(10)와 인접한 가열로(90)의 내부에는 필터(10) 및 필터(10)를 통과하는 샘플링기체의 온도를 측정하기 위한 온도센서(91)를 더 포함할 수 있으며, 실험 중 변화될 수 있는 필터(10) 및 필터(10)를 통과하는 샘플링기체의 온도를 실시간으로 확인할 수 있고, 이를 기초로 하여 가열로(90)를 다시 제어하여 실험 중 필터(10) 및 필터(10)를 통과하는 샘플링기체의 온도를 실시간으로 제어할 수도 있다.
그리고, 본 발명에 따른 필터 성능 실험장치는 예열부(27)를 더 포함할 수 있다.
예열부(27)는 필터(10)를 향하는 샘플링기체를 설정 온도까지 가열할 수 있으며, 전환밸브(70)와 필터(10)를 연결하는 공급유로(21)에 설치될 수 있다. 이러한 예열부(27)는 공급유로(21)를 통과하는 과정에서 열전달로 인하여 온도가 저하될 수 있는 샘플링기체를 예열하여 필터(10)를 통과할 시 실험조건에서 요구되는 적정의 온도를 유지할 수 있다.
여기서, 예열부(27)를 통해 예열되는 샘플링기체의 설정 온도는 상기 가열로(90) 내부의 온도보다 낮게 설정될 수 있다. 이처럼 예열부(27)를 가열로(90)와 함께 사용할 경우 가열로(90)의 효율을 높일 수 있는 이점도 발생된다.
그리고, 예열부(27)는 필터(10)에 로딩된 입자상물질의 연소 온도 이상으로 샘플링기체의 온도를 상승시킬 수도 있고, 또한 흔히 샘플링기체에는 소량의 수분이 함유될 수 있는데, 수분이 함유된 샘플링기체는 공급유로(21)를 통과하는 과정에서 열전달로 인하여 온도가 저하될 수 있으며, 이 경우 예열부(25)는 샘플링기체에 포함된 수분이 응축되는 현상을 방지할 수도 있다.
이와 같이, 예열부(27) 및 가열로(90)는 필터(10)가 설치되는 실제 환경에 상응하도록 필터(10) 및 필터(10)를 통과하는 샘플링기체의 온도를 다양하게 설정 및 변경 제어할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 필터 성능 실험장치는 산화제 공급부(80)를 더 포함할 수 있다.
산화제 공급부(80)는 필터(10)의 전단 영역에 산화제를 첨가하여 필터(10)에 로딩된 입자상물질의 연소온도를 낮출 수 있으며, 산화제 저장부(81), 산화제 유입부(83) 및 산화제 유량조절부(85)를 포함할 수 있다.
산화제 저장부(81)는 샘플링기체와 혼합되어 필터(10)에 로딩된 입자상물질의 재생을 위한 연소온도를 낮출 수 있다. 이러한 산화제로는 산소나 NO2 등이 이용될 수 있으며, 산화제의 종류에 대해 특별히 한정하진 않는다.
산화제 유입부(83)는 산화제 저장부(81) 및 공급유로(21)를 연결하며, 공급유로(21)를 향하는 산화제의 유동을 안내할 수 있다. 이러한 산화제 유입부(83)는 예열부(27)의 상류에 연결될 수 있다.
산화제 유량조절부(85)는 산화제 유입부(83)에 설치되며, 산화제 유입부(83)를 통과하는 산화제의 유량을 조절할 수 있다.
본 발명에 따르면, 산화제 저장부(81)에 저장된 산화제는 진공펌프(40)의 작동에 의해 공급유로(21)에 부압이 발생되면, 산화제 유입부(83)를 통해 공급유로(21) 측으로 유동될 수 있다. 그리고, 산화제 공급으로 인하여 필터(10)를 향하는 샘플링기체의 최종 유량은 산화제를 포함한 유량이 반영될 수 있다.
이상에서와 같이, 재생 실험은 필터(10)의 종류 및 필터(10)가 설치되는 환경에 따라 다양한 실험 조건이 선택적으로 적용될 수 있다. 즉, 필터(10)가 적용되는 엔진 환경을 고려하여 미리 설정된 시간, 간격 및 주기 등을 가지고 수행될 수 있고, 샘플링기체 또는 필터(10)의 온도를 상승시켜 강제 재생을 수행할 것인지 혹은 샘플링기체의 연소온도를 낮춰 자연 재생을 수행할 것인지는 필터(10)아 설치되는 엔진종류, 엔진운전조건 등 실제 설치 환경에 따라 적절히 선택될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 필터 성능 실험장치는 기체분석유닛(100)을 더 포함할 수 있다.
필터(10)의 성능은 필터(10)를 중심으로 전단 영역과 후단 영역 간의 압력차와 함께 필터(10)에 입자상물질이 로딩되는 정도를 나타내는 여과효율(또는 투과율)로 표시될 수 있다. 이러한 여과효율은 필터(10)를 중심으로 전단 영역을 통과하는 입자상물질의 용량(개수)과 후단 영역을 통과하는 입자상물질의 용량(개수)을 비교하여 나타낼 수 있고, 필터(10)가 제거된 상태에서 유로를 통과하는 입자상물질의 용량(개수)과 필터(10)를 설치하여 필터(10)를 통과하는 입자상물질의 용량(개수)를 비교하여 나타낼 수 있다.
실시예에 따른 기체분석유닛(100)은 배출유로(23) 상에 설치될 수 있으며, 배출유로(23)를 통과하는 입자상물질의 개수 또는 크기를 측정할 수 있는 입자계수기를 포함할 수 있다.
입자계수기를 통해 필터(10)가 설치되지 않은 상태에서 배출유로(23)를 통과하는 샘플링기체 내 입자상물질의 개수를 측정할 수 있고, 필터(10)가 설치된 상태에서 필터(10)를 통과한 입자상물질의 개수를 측정할 수 있다. 즉, 필터(10)에 로딩된 입자상물질의 개수를 산출하여 필터(10)의 여과효율 또는 투과율을 도출할 수 있으며, 이를 기반으로 입자상물질의 로딩 성능을 평가할 수 있다. 입자계수기는 통상적으로 광의 산란, 흡수 또는 전기저항을 이용한 센서가 사용될 수 있으며, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
그리고, 실시예에 따른 기체분석유닛(100)은 필터(10)를 통과하여 배출유로(23)를 지나는 샘플링기체에 포함된 기체의 성분을 분석할 수 있는 가스분석기를 더 포함할 수 있다.
가스분석기를 통해 입자상물질의 산화 과정에서 증가되는 일산화탄소나 이산화탄소의 농도를 측정할 수 있고, 입자상물질의 산화 과정에서 감소되는 산화제(산소나 질소산화물)의 농도를 측정할 수 있다. 즉, 필터(10)의 재생 과정에서 생성되거나 변화되는 특정 기체의 농도 변화를 산출할 수 있으며, 이를 기반으로 입자상물질의 재생 성능을 평가할 수 있다. 이러한 가스분석기는 재생 실험에 사용되는 샘플링기체 및 산화제의 종류에 따라 다양한 가스분석기가 사용될 수 있다.
한편, 입자계수기 및 가스분석기를 통해 배출유로(23)를 통과하는 입자상물질의 크기, 개수를 포함한 샘플링기체의 성분을 보다 정확하게 분석하기 위해서는 배출유로(23)를 통과하는 샘플링기체의 일부를 채취할 필요가 있다.
이에, 실시예에 따른 기체분석유닛(100)은 배출유로(23)를 통과하는 샘플링기체의 일부를 채취하기 위한 기체채취용 프로브(101)를 포함할 수 있다.
기체채취용 프로브(101)는 배출유로(23) 상에 연결될 수 있으며, 배출유로(23)를 통과하는 샘플링기체의 일부를 토출하여 입자계수기 및 가스분석기 측으로 유입되도록 할 수 있다. 이러한 기체채취용 프로브(101)는 배출유로(23)를 통과하는 샘플링기체의 일부를 토출하기 위한 토출펌프를 포함할 수 있다.
이에 따라, 배출유로(23)를 통과하는 샘플링기체 중 일부는 기체채취용 프로브(101)로 유입된 후 입자계수기 및 가스분석기를 통과하면서 입자상물질의 크기, 개수를 포함한 샘플링기체의 성분이 분석될 수 있다.
여기서, 본 발명의 실시예에서와 같이, 필터(10)의 후단 영역 즉, 배출유로(23) 상에 진공펌프(40)를 설치할 경우에는 진공펌프(40)에 의해 형성되는 유로 내 강한 부압으로 인하여, 기체채취용 프로브(101) 측으로 샘플링기체의 유입이 원활히 이루어지지 못할 수 있다.
이를 해소하기 위해, 본 발명의 실시예에 따른 필터 성능 실험장치는 버퍼부(29)를 더 포함할 수 있다.
버퍼부(29)는 배출유로(23) 상에 설치될 수 있으며, 필터부(10) 및 제1기체 안내유로(51) 사이에 배치될 수 있다. 그리고, 버퍼부(29)는 배출유로(23)의 단면적보다 큰 단면적을 가질 수 있다.
이때, 기체채취용 프로브(101)는 버퍼부(29)에 연결됨으로써, 버퍼부(29)에 채워진 샘플링기체의 일부를 효과적으로 채취할 수 있고, 채취하는 과정에서도 입자상물질을 포함한 샘플링기체의 조성이 균일한 상태에서 샘플링(표본 채취)이 가능할 수 있다.
그리고, 일반적으로 기체채취용 프로브(101)를 포함한 기체분석유닛(100)은 그 사용목적에 따라 모듈화를 이루게 되는데, 본 발명에 따른 버퍼부(29)에 기체분석유닛(100)의 기체채취용 프로브(101)를 설치함으로써, 모듈화된 기체분석유닛(100)의 사양 변경 없이 적용하더라도 배출유로(29)를 통과하는 샘플링기체를 효과적으로 채취할 수 있는 이점이 발생된다.
본 발명에 따른 필터 성능 실험장치는 실험 시간, 설정 온도, 설정 압력 등 필터가 실제 적용되는 환경에 상응하는 다양한 실험 조건에서 입자상물질의 로딩 및 재생에 대한 특성 및 성능을 정확히 산출할 수 있다.
상술한 바와 같이 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면, 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변경시킬 수 있다.
10: 필터
21: 공급유로
23: 배출유로
30: 샘플링기체 저장부
40: 진공펌프
51: 제1기체 안내유로
53: 밸브

Claims (9)

  1. 필터의 전단부에 연결되며, 상기 필터에 로딩되는 입자상물질을 포함한 샘플링기체의 유동을 안내하기 위한 공급유로;
    상기 필터의 후단부에 연결되며, 상기 필터를 통과하며 입자상물질이 제거된 샘플링기체의 유동을 안내하기 위한 배출유로;
    상기 배출유로에 연결되며, 상기 공급유로 및 상기 배출유로에 부압을 발생시켜 상기 샘플링기체의 이송력을 제공하기 위한 진공펌프;
    상기 배출유로에 연결되며, 상기 진공펌프에 의해 발생된 부압에 의해 외부의 제1기체가 상기 배출유로 측으로 유입되도록 안내하기 위한 제1기체 안내유로;
    상기 제1기체 안내유로에 설치되며, 상기 제1기체가 통과하는 상기 제1기체 안내유로의 개도를 조절하기 위한 밸브;
    상기 필터에 로딩되는 입자상물질의 로딩 정도에 따라 상기 공급유로 및 상기 배출유로 간에 압력차가 변경되더라도 상기 필터를 통과하는 상기 샘플링기체가 일정한 공간속도를 가지도록 상기 밸브를 제어하는 제어부;
    상기 공급유로에 연결되며, 입자상물질을 포함하지 않는 외부의 제2기체의 유동을 안내하기 위한 제2기체 안내유로;
    상기 제2기체 안내유로에 설치되며, 상기 제2기체 안내유로를 통과하는 상기 제2기체의 유량을 측정하기 위한 제2기체 유량측정부; 및
    상기 공급유로 및 상기 제2기체 안내유로의 연결부에 설치되며, 상기 필터를 향해 상기 샘플링기체 및 상기 제2기체가 선택적으로 유동되도록 하는 전환밸브;를 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 공급유로 내에 유동하는 상기 샘플링기체의 유량을 측정하고자 할 때, 상기 전환밸브를 제어하여 상기 필터를 향하는 상기 샘플링기체의 유동을 차단하고 상기 필터를 향해 상기 제2기체를 유동시키며, 상기 제2기체 유량측정부에서 측정된 상기 제2기체의 유량을 기초로 하여 상기 밸브를 재차 제어하는 것을 특징으로 하는 일정한 공간속도 제어가 가능한 필터 성능 실험장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 공급유로 및 상기 배출유로 간에 압력차가 증가될수록 상기 밸브의 개도를 낮추는 것을 특징으로 하는 일정한 공간속도 제어가 가능한 필터 성능 실험장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 공급유로에 연결되며, 입자상물질을 포함한 상기 샘플링기체가 저장되는 샘플링기체 저장부;를 더 포함하며,
    상기 샘플링기체 저장부에 저장된 상기 샘플링기체는 상기 진공펌프로부터 발생된 부압에 의해 상기 공급유로 측으로 유입되는 것을 특징으로 하는 일정한 공간속도 제어가 가능한 필터 성능 실험장치.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 공급유로에 설치되며, 상기 제2기체 안내유로 및 상기 제2기체 유량측정부를 통과하는 상기 제2기체의 압력 강하 값에 상응하도록 상기 공급유로를 통과하는 상기 샘플링기체의 압력 강하 값을 보상하기 위한 샘플링기체 유량조절부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 일정한 공간속도 제어가 가능한 필터 성능 실험장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 필터가 설치되는 내부공간을 구비하며, 상기 필터를 설정온도까지 가열하는 가열로(Heating Furnace);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 일정한 공간속도 제어가 가능한 필터 성능 실험장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 공급유로에 설치되며, 상기 필터를 향하는 상기 샘플링기체를 설정온도까지 예열하는 예열부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 일정한 공간속도 제어가 가능한 필터 성능 실험장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 공급유로에 연결되며, 상기 필터를 향해 유동하는 상기 샘플링기체에 산화제를 첨가하기 위한 산화제 공급부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 일정한 공간속도 제어가 가능한 필터 성능 실험장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 배출유로 상에 설치되며, 상기 배출유로의 단면적보다 큰 단면적을 가지는 버퍼부; 및
    상기 버퍼부에 연결되며, 상기 버퍼부를 통과하는 상기 샘플링기체의 일부를 채취하기 위한 기체채취용 프로브;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 일정한 공간속도 제어가 가능한 필터 성능 실험장치.
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