KR102397855B1

KR102397855B1 - 반응기 시료채취를 위한 냉각시스템

Info

Publication number: KR102397855B1
Application number: KR1020210027297A
Authority: KR
Inventors: 김재학
Original assignee: 김재학
Priority date: 2021-03-02
Filing date: 2021-03-02
Publication date: 2022-05-12

Abstract

본 발명은 시료 채취시 이용하는 불활성가스 일부를 볼텍스 튜브에서 냉기로 변환시킨 뒤 반응기와 연결된 밸브, 배관 및 용기를 냉각시킴으로써, 별도 냉매를 사용하는 냉동사이클장치 없이도 시료를 바로 채취할 수 있으므로 장치 구성이 간소화되는 반응기 시료채취를 위한 냉각시스템에 관한 것이다.
이를 위하여 본 발명 한 실시예는 한쪽 입구는 반응기와 연결되고 반대쪽 입구는 고압의 불활성가스가 흐르는 급기관과 연결되며, 출구는 샘플병이 탈착식으로 구비되어서 상기 불활성가스가 상기 샘플병으로 주입되게 하거나 또는 상기 반응기의 시료가 상기 샘플병으로 주입되게 하는 샘플링밸브; 상기 샘플링밸브의 외주연을 감싸는 중공상의 밸브하우징; 상기 급기관을 통하여 고압의 불활성가스가 주입되면 고속회전 과정에서 1차측으로 열가스가 배출되고 2차측으로 냉가스가 배출되는 볼텍스 튜브; 그리고 상기 밸브하우징은 상기 볼텍스 튜브의 2차측과 연결되어서 냉가스가 주입되면 상기 샘플링밸브를 직접 냉각시키고, 상기 반응기에서 상기 샘플링밸브로 주입되는 시료 온도가 내려가도록 한 특징이 있다.

Description

반응기 시료채취를 위한 냉각시스템{Cooling system for sample collection of reactor}

본 발명은 반응기 시료채취를 위한 냉각시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 시료채취시 이용하는 불활성가스 일부를 볼텍스 튜브에서 냉기로 변환시킨 뒤 반응기와 연결된 밸브, 배관 및 용기를 냉각시킴으로써, 별도 냉매를 사용하는 냉동사이클장치 없이도 시료를 바로 채취할 수 있으므로 장치 구성이 간소화되는 반응기 시료채취를 위한 냉각시스템에 관한 것이다.

일반적으로 반도체 및 디스플레이 등을 제조 하는데 필요한 용제들은 대부분 합성, 정제 및 농축 등의 과정에서 제품이 만들어지게 된다. 이러한 제조방법은 온도, 시간 및 압력 등 기타 여러 가지 조건등에 의하여 제품의 품질이 달라질수 있다. 하여 제조하는 과정 중 수시로 제품의 시료를 채취하여 제품이 원하는 품질로 제작되고 있는지 확인하게 된다. 또한 제품이 완성된 후에도 시료를 채취하여 원하는 품질에 제작이 완료 되었는지 확인한다.

이러한 시료채취 과정은 반응기 내부온도가 높기 때문에 대부분 고온에서 이루어진다. 현재 사용되고 있는 시료를 담는 용기는 유리, 스텐레스 스틸 또는 플라스틱 등으로 제작이 되어져 있다. 유리 또는 스텐레스 스틸로 되어진 용기는 고온의 시료를 바로 채취 할수 있으나 용기가 뜨거워져 취급시 용이 하지 못하며, 일정시간 식혀 온도를 떨어뜨리거나 또는 냉동사이클장치의 냉매로 용기의 온도를 떨어뜨린 후 성분 분석기에 투입이 가능하다.

플라스틱 용기는 고온 및 진공상태 에서 채취 자체가 불가능 하다. 이외 반응기와 성분 분석기를 배관으로 직접 연결하여 분석하는 방법이 있으나 배관을 일정온도 까지 낮추기 위하여 냉동사이클장치의 냉매를 사용해야 되므로 장치가 복잡해지는 등의 문제점이 있었다. 이러한 이유로 인하여 시료를 채취하는 과정이 번거로우며 많은 시간이 소모된다.

시료를 채취할시 제일 중요한 사항은 채취 된 시료가 공기 및 수분과 접촉하지 않는 것이다. 시료가 공기 및 수분과 접촉할시 이상반응이 생길 수 있는 용제들이 있으며, 또한 순도에 영향을 미칠수 있기 때문이다. 하여 시료를 채취할 시 샘플링밸브, 샘플링용기 및 샘플병 등의 내부를 불활성 가스인 질소(N) 또는 아르곤(Ar) 등으로 제거(purging)하여 수분 및 산소농도를 낮추어야 한다.

본 발명 한 실시예는 별도 냉매 사용없이 상기 불활성 가스를 이용하여 시료 채취에 필요한 밸브 및 용기를 냉각하는 기술을 제공하고자 한다.

본 발명은 종래의 문제점을 감안하여 개발한 것으로서, 본 발명의 목적은 시료 채취시 이용하는 불활성가스 일부를 볼텍스 튜브에서 냉기로 변환시킨 뒤 반응기와 연결된 밸브, 배관 및 용기를 냉각시킴으로써, 별도 냉매를 사용하는 냉동사이클장치 없이도 시료를 바로 채취할 수 있으므로 장치 구성이 간소화되는 반응기 시료채취를 위한 냉각시스템을 제공함에 있다.

이를 위하여 본 발명 한 실시예는 한쪽 입구는 반응기와 연결되고 반대쪽 입구는 고압의 불활성가스가 흐르는 급기관과 연결되며, 출구는 샘플병이 탈착식으로 구비되어서 상기 불활성가스가 상기 샘플병으로 주입되게 하거나 또는 상기 반응기의 시료가 상기 샘플병으로 주입되게 하는 샘플링밸브; 상기 샘플링밸브의 외주연을 감싸는 중공상의 밸브하우징; 상기 급기관을 통하여 고압의 불활성가스가 주입되면 고속회전 과정에서 1차측으로 열가스가 배출되고 2차측으로 냉가스가 배출되는 볼텍스 튜브; 그리고 상기 밸브하우징은 상기 볼텍스 튜브의 2차측과 연결되어서 냉가스가 주입되면 상기 샘플링밸브를 직접 냉각시키고, 상기 반응기에서 상기 샘플링밸브로 주입되는 시료 온도가 내려가도록 한 특징이 있다.

본 발명 한 실시예에 따르면 시료 채취시 사용하는 불활성 가스인 질소(N) 또는 아르곤(Ar)의 일부를 볼텍스 튜브(vortex tube)로 공급하여 냉가스(냉각된 가스) 와 열가스(가열된 가스)로 변환하고, 이때 발생되는 냉기로 반응기와 연결된 샘플링밸브, 샘플링용기 및 샘플링배관을 냉각하기 때문에 별도의 냉매가 불필요한 이점이 있다.

또한 냉매를 냉각시키는 냉동사이클장치는 압축기, 응축기 및 증발기 등의 부속물이 필요하지만 상기 볼텍스 튜브는 단일품으로 구성되어 구성이 간단하며, 시료 채취에 이용되는 불활성가스는 고압상태로 제공되기 때문에 볼텍스 튜브에 적합하게 이용할 수 있는 등의 이점이 있다.

도 1은 본 발명 제1실시예의 샘플링밸브에 적용된 냉각시스템의 개념도
도 2는 상기 제1실시예의 샘플링밸브의 확대도
도 3은 본 발명 제2실시예의 샘플링용기에 적용된 냉각시스템의 개념도
도 4는 상기 제2실시예의 샘플링용기의 확대도
도 5는 본 발명 제3실시예의 샘플링배관에 적용된 냉각시스템의 개념도

도 1 내지 도 2에서 본 발명 제1실시예의 냉각시스템은 삼방향밸브인 샘플링밸브(300)가 사용된다. 상기 샘플링밸브(300)의 한쪽 입구는 반응기(100)와 샘플링배관(101)으로 연결되고 반대쪽 입구는 불활성가스가 공급되는 급기관(102)과 연결되며, 출구는 샘플병(105)과 퀵커플러로 체결된다. 그리고 상기 샘플링밸브(300)의 출구에는 샘플링밸브(300) 및 샘플병(105)으로 투입된 가스를 배출시키는 배기관(103)이 구비된다.

상기 급기관(102)은 질소(N) 또는 아르곤(Ar)의 불활성가스가 고압으로 충진된 압력탱크와 연결되는데, 레귤레이터(104)를 통하여 압력이 조절된 상태에서 양쪽으로 분기되며, 한쪽은 샘플링밸브(300)로 향하고 다른 쪽은 볼텍스 튜브(200)로 향한다.

상기 볼텍스 튜브(200)는 압축된 질소 또는 아르곤의 불활성가스가 급기관(102)을 타고 공급되는데, 내부에서 회전을 하면서 와류를 형성하게 된다. 이때 회전속도는 음속에 가깝게 된다. 회전된 가스(1차 와류)는 튜브 내부를 이동하여 1차측 출구 쪽의 밸브를 통하여 열가스(따뜻한 가스)로 배출이 되며, 배출되지 못한 가스는 회송되어 2차 와류를 형성하고 1차측 내부로 이동한 뒤 2차측 출구로 냉가스(차가운 가스)를 배출하게 된다.

볼텍스 튜브(200)는 1차측 와류와 2차측 와류의 경계면에서 운동량 전달이 에너지 전달보다 커 벽면부의 온도가 상승하게 되고, 중심부의 온도가 강하 하게 되어 에너지 분리가 발생 하게 된다. 볼텍스 튜브 내에서 회전의 속도 차에 의해서 관의 중심부에서 벽면으로 운동량의 전달이 이루어 지며, 에너지의 균형을 위해서 열이 중심부로 이동하지만 운동량의 전달이 열 전달량 보다 커서 벽면부의 기체온도는 상승하고, 중심부는 냉각 되게 된다. 즉 운동에너지가 상실되지 않고 열에너지로 변환되어 튜브내에서 내부 흐름 과 외부 흐름의 온도차가 발생하는 원리를 이용한다.

상기 볼텍스 튜브(200)는 1차측에 열가스가 나오는 열기관(202)이 구비되고, 2차측에 냉가스가 나오는 냉기관(201)이 구비되는데, 상기 열기관(202)은 급기관(102)과 제어밸브를 통하여 배관되어서 샘플링밸브(300) 및 샘플병(105) 내부의 산소농도를 낮추는 과정에서 열가스가 일부 이용될 수 있다.

상기 볼텍스 튜브(200)의 2차측에서 나오는 냉가스는 냉기관(201)을 통하여 상기 샘플링밸브(300)를 감싸는 밸브하우징(301)과 연결된다. 상기 밸브하우징(301)은 상기 샘플링밸브(300)와 일정간격 떨어진 중공상태로 구비되며 상기 냉기관(201)과 연결되는 냉기입구(302) 및 냉기를 배출하는 냉기출구(303)를 갖는다. 따라서 상기 냉기관(201)으로 공급되는 냉가스가 상기 냉기입구(302)를 통하여 밸브하우징(301)으로 공급되면 샘플링밸브(300)의 외주면을 냉각시키므로 밸브 내부로 흐르는 시료의 온도를 낮출 수 있다.

이처럼 구성된 본 발명 제1실시예의 밸브 냉각과정은 다음과 같다. 먼저 고압의 불활성가스가 레귤레이터(104)를 거치면서 필요한 압력으로 낮춰진 뒤 급기관(102)을 통하여 볼텍스 튜브(200)와 샘플링밸브(300) 쪽에 각각 공급된다. 상기 볼텍스 튜브(200)로 공급되는 불활성가스는 냉가스와 열가스로 변환되는데, 냉가스는 냉기관(201) 및 냉기입구(302)를 통하여 밸브하우징(301) 내부로 공급된 뒤 냉기출구(303)를 따라 배출되는 과정에서 상기 샘플링밸브(300)가 냉각된다.

이후 상기 샘플링밸브(300)의 출구측에 퀵커플러를 통하여 샘플병(105)을 체결하여 샘플링밸브(300)와 연결하고, 상기 볼텍스 튜브(200)에서 나오는 열가스를 샘플링밸브(300) 및 샘플병(105) 내부로 공급하여 산소농도를 낮추고 습기를 제거하는 퍼징(purging)공정을 수행한다. 이때 배기관(103)을 진공펌프와 연결하여 샘플링밸브(300) 및 샘플병(105) 내부를 진공상태로 만들면 퍼징을 빠르고 확실하게 할 수 있다.

상기 퍼징공정에서 열가스로 인하여 샘플링밸브(300) 및 샘플병(105) 온도가 상승될 경우 볼텍스 튜브(200)를 거치지 않은 불활성가스를 직접 넣어 샘플링밸브(300) 및 샘플병(105) 내부를 충분히 퍼징한다.

상기 퍼징공정 후 샘플링배관(101)을 통하여 반응기(100)의 시료가 샘플병(105)으로 주입되도록 샘플링밸브(300)를 조작한다. 이때 배기관(103)의 제어밸브를 열어서 원활히 주입되도록 하고, 시료 채취가 완료되면 샘플링밸브(300)를 반대로 조작하여 급기관(102)으로부터 불활성가스를 투입하고 샘플링밸브(300) 및 샘플병(105) 내부를 추가로 퍼징한다.

상기 샘플링밸브(300) 및 샘플병(105) 내부의 추가 퍼징이 완료되면 볼텍스 튜브(200)로 공급되는 불활성가스를 차단하여 샘플링밸브(300)의 냉각을 멈추고, 샘플병(105)을 샘플링밸브(300)에서 분리한다.

도 3 내지 도 4는 본 발명 제2실시예로써, 반응기(100)와 샘플링용기(400)가 샘플링배관(101)으로 연결되고, 샘플링용기(400)는 샘플병(105)과 연결된다. 샘플링용기(400)는 상부가 개방된 용기 형태로써, 개방된 상부는 커버(404)를 통하여 밀폐되며, 상기 커버(404)는 상기 샘플링배관(101)과 연결되고, 불활성가스가 주입되는 급기관(102) 및 불활성가스가 배출되는 배기관(103)과 각각 연결된다.

상기 샘플링배관(101)은 중공상의 배관하우징(500)으로 감싸지는데, 상기 배관하우징(500)은 상기 볼텍스 튜브(200)의 냉기관(201)과 연결되는 냉기입구(501)가 상부에 구비되고, 냉기가 배출되는 냉기출구(502)가 하부에 구비된다. 그리고 상기 샘플링용기(400)는 중공상의 용기하우징(401)으로 감싸져 보호되는데, 상기 용기하우징(401) 역시 상기 볼텍스 튜브(200)의 냉기관(201)과 연결되는 냉기입구(402)가 하부에 구비되고, 냉기가 배출되는 냉기출구(403)가 상부에 구비된다.

이처럼 구성된 본 발명 제2실시예의 용기 및 배관 냉각과정은 다음과 같다. 먼저 압축된 불활성가스가 볼텍스 튜브(200)로 주입되면 불활성가스는 1차측에서 열가스가 토출되고 2차측에서 냉가스가 토출된다. 상기 2차측의 냉가스는 냉기입구(501)(402)를 통하여 배관하우징(500) 및 용기하우징(401) 내부에 주입되어서 샘플링배관(101) 및 샘플링용기(400)를 냉각한다.

이후 샘플링용기(400) 및 샘플병(105) 내부는 상기 볼텍스 튜브의 1차측에서 만들어진 열가스가 급기관(102)을 타고 주입되어 퍼징공정을 거친다. 이때 배기관(103)을 진공펌프와 연결하여 샘플링용기(400) 및 샘플병(105) 내부를 진공상태로 만들면 수분 및 산소농도를 빠르고 확실하게 낮출 수 있다. 또한 열가스로 인하여 샘플링용기(400) 및 샘플병(105) 온도가 상승할 경우 볼텍스 튜브(200)를 거치지 않은 불활성가스를 직접 넣어 샘플링용기(400) 및 샘플병(105) 내부를 충분히 퍼징한다.

퍼징공정 이후 샘플링용기(400)와 반응기(100)를 연결하는 샘플링배관(101)을 개방시켜 반응기(100) 내부의 시료를 채취한다. 이때 샘플병(105)은 밸브를 조작하여 샘플링용기(400)와 연결되지 않도록 한다. 또한 시료 채취과정에서 배기관(103)의 밸브를 열어서 시료가 샘플링용기(400) 내부로 원활히 공급되도록 한다.

시료 채취가 완료되면 상기 볼텍스 튜브(200)를 거치지 않은 불활성가스를 샘플링용기(400)에 직접 넣어 내부를 추가로 퍼징한다. 이후 샘플병(105)의 밸브를 조작하여 샘플링용기(400)와 연결하고, 시료를 샘플병(105)으로 주입한다. 그리고 시료 주입이 완료되면 샘플병(105)을 샘플링용기(400)에서 분리하고, 볼텍스 튜브(200)로 주입되는 불활성가스를 차단하여 샘플링용기(400) 및 샘플링배관(101)의 냉각을 멈춘다.

도 5는 본 발명 제3실시예로써, 반응기(100)와 분석기(600)가 샘플링배관(101)을 통하여 직접 연결된 형태이다. 따라서 상기 샘플링배관(101)을 중공상의 배관하우징(500)으로 감싸는 구조를 갖는다. 상기 배관하우징(500)은 상기 볼텍스 튜브(200)의 냉기관(201)과 연결되는 냉기입구(501)가 일측에 구비되고, 냉기가 배출되는 냉기출구(502)가 타측에 구비된다.

이처럼 구성된 본 발명 제3실시예는 압축된 불활성가스가 볼텍스 튜브(200)로 주입되면 불활성가스는 1차측에서 열가스가 토출되고 2차측에서 냉가스가 토출된다. 상기 2차측의 냉가스는 냉기입구(501)를 통하여 배관하우징(500)에 주입된 뒤 냉기출구(502)를 따라 배출되는 과정에서 상기 샘플링배관(101)을 직접 냉각시킨다.

따라서 샘플링배관(101)이 충분히 냉각되면 밸브를 조작하여 반응기(100)의 시료를 분석기(600)로 바로 보낼 수 있기 때문에 퍼징공정이 불필요하고 또한 실시간 분석이 가능한 이점이 있다.

100 : 반응기 101 : 샘플링배관
200 : 볼텍스 튜브 201 : 냉기관
202 : 열기관 300 : 샘플링밸브
301 : 밸브하우징 302 : 냉기입구
303 : 냉기출구 400 : 샘플링용기
401 : 용기하우징 402 : 냉기입구
403 : 냉기출구 500 : 배관하우징
501 : 냉기입구 502 : 냉기출구

Claims

한쪽 입구는 반응기와 연결되고 반대쪽 입구는 고압의 불활성가스가 흐르는 급기관과 연결되며, 출구는 샘플병이 탈착식으로 구비되어서 상기 불활성가스가 상기 샘플병으로 주입되게 하거나 또는 상기 반응기의 시료가 상기 샘플병으로 주입되게 하는 샘플링밸브;
상기 샘플링밸브의 외주연을 감싸는 중공상의 밸브하우징;
상기 급기관을 통하여 고압의 불활성가스가 주입되면 고속회전 과정에서 1차측으로 열가스가 배출되고 2차측으로 냉가스가 배출되는 볼텍스 튜브; 그리고
상기 밸브하우징은 상기 볼텍스 튜브의 2차측과 연결되어서 냉가스가 주입되면 상기 샘플링밸브를 직접 냉각시키고, 상기 반응기에서 상기 샘플링밸브로 주입되는 시료 온도가 내려가도록 한 것을 특징으로 하는 반응기 시료채취를 위한 냉각시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 밸브하우징은 상기 냉가스가 주입되는 냉기입구 및 냉가스를 배출하는 냉기출구가 구비되어서, 냉가스가 상기 밸브하우징 내부에서 샘플링밸브를 냉각시킨 뒤 배출되도록 한 것을 특징으로 하는 반응기 시료채취를 위한 냉각시스템.
반응기와 샘플링배관을 통하여 연결되는 샘플링용기;
상기 샘플링배관의 외주연을 감싸는 중공상의 배관하우징;
상기 샘플링용기의 외주연을 감싸는 중공상의 용기하우징;
고압의 불활성가스가 주입되면 고속회전 과정에서 1차측으로 열가스가 배출되고 2차측으로 냉가스가 배출되는 볼텍스 튜브; 그리고
상기 배관하우징 및 용기하우징은 상기 볼텍스 튜브의 2차측과 각각 연결되어서 냉가스가 주입되면 상기 샘플링배관 및 샘플링용기를 직접 냉각시키고, 상기 반응기에서 상기 샘플링용기로 주입되는 시료 온도가 내려가도록 한 것을 특징으로 하는 반응기 시료채취를 위한 냉각시스템.
제 3 항에 있어서,
상기 반응기는 시료를 담는 샘플병과 탈착식으로 연결되며;
상기 배관하우징 및 용기하우징에는 상기 냉가스가 주입되는 냉기입구 및 냉가스를 배출하는 냉기출구가 각각 구비되어서, 냉가스가 상기 샘플링배관 및 샘플링용기를 냉각시킨 뒤 배출되도록 한 것을 특징으로 하는 반응기 시료채취를 위한 냉각시스템.
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