KR200377249Y1 - 휘발성유기화합물 농도센서 - Google Patents
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Abstract
본 고안은, 휘발성유기화합물 촉매산화 분해에 의한 발열량을 이용하여 이와 비례적 관계가 있는 VOC 농도를 측정하기 위한, 간단하고 효율적인 농도센서를 제공하는 것이며, 휘발성유기화합물의 촉매산화 반응 후, 산화 발열정도를 나타내는 출력신호를 제공하는 센서에 관한 것이다.
Description
본 고안은 산업공정에서 배출되는 유기용제를 포함한 휘발성유기화합물 농도를 측정하기 위한 센서에 관한 것이고, 보다 상세하게는 도장공정, 코팅공정, 인쇄공정, 페인트 제조공정 등에서 발생되는 휘발성유기화합물을 촉매산화방식으로 연소 처리하는 시스템에서 요구되는 휘발성유기화합물 농도 측정장치에 있어서, 촉매산화열량을 이용하여 휘발성유기화합물 농도를 측정하기 위한 센서에 관한 것이다.
통상적으로 페인트 제조, 인쇄, 자동차 도장, 일반 도장 및 금속과 플라스틱의 코팅 공장과 같이 유기용제를 사용하는 공장 또는 휘발성 석유화합물을 정제하여 저장하는 생산시설에서는 필연적으로 유기용제를 포함한 휘발성유기화합물(volatile organic compound, VOC) 등의 오염물질이 발생한다. 상기 휘발성유기화합물은 대부분 낮은 농도로 존재하기는 하지만 암 유발과 같이 인체에 상당한 피해를 주며, 태양광선을 받아 질소산화물과 반응하여 광학적 스모그를 생성하고, 지구온난화와 오존층을 파괴하여 국제적인 환경문제로 인식되고 있다. 또한, 상기 휘발성유기화합물은 대부분 비점이 낮기 때문에 대기 중에 노출되면 휘발되어 악취를 발생할 뿐만 아니라, 밀폐된 공간에서는 화재 발생의 요인이 되기도 한다. 따라서 휘발성유기화합물을 처리하기 위하여, 직접연소방식 (Thermal oxidizer), 촉매연소방식(Catalytic Thermal Oxidizer)을 포함한 여러 기술적 발전이 있었으나, 상기 오염물질 처리를 위한 기술적 진보는 처리시스템에 국한되어, 상기 처리시스템에 부수적으로 장착되는 VOC 농도측정장치에 대한 연구는 상대적으로 소홀하였다. 종래 휘발성 유기화합물 감지센서는 산화물 반도체식 가스센서가 주류를 이루었으나 300℃ 이상의 고온에서 동작되기 때문에 동작 소비전력이 높은 단점이 있었으며, 수정진동자나 MOSFET(metal oxide semiconductor field effect transistor)을 이용한 센서는 제조공정이나 측정회로가 매우 복잡하기 때문에 장치의 가격 또한 고가일 수밖에 없다. 한편, 한국특허공개 제2002-38981호에는 전도성 고분자인 폴리피롤(polypyrrole), 폴리아닐린(polyaniline) 및 폴리티오펜(polythiopene)은 각종 휘발성 유기화합물의 흡착에 의해 전도도가 변하는 물질로서 합성조건 및 도펀트(dopant)에 따라 감도가 달라지기 때문에 감도가 다른 여러 개의 센서를 어레이로 제조하는 기술이 공개되어 있다.
본 고안의 목적은, 휘발성유기화합물 촉매산화 분해에 의한 발열량을 이용하여 이와 비례적 관계가 있는 VOC 농도를 측정하기 위한, 간단하고 효율적인 농도센서를 제공하는 것이다. 간단히 기술하면, 본 고안은 휘발성유기화합물의 촉매산화 반응 후, 산화 발열정도를 나타내는 출력신호를 제공하는 센서에 관한 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 휘발성유기화합물 농도센서는, 촉매지지체가 내장되며, 상기 촉매지지체 하부스트림에 제1 온도측정수단을 포함하는 산화공간부 ; 상기 산화공간부와 열적으로 격리되며, 제2 온도측정수단을 포함하는 기준공간부 ; 상기 산화공간부 및 기준공간부를 일체로 구성하며, 상기 각각 공간부에 입구부 및 출구을 제공하며 가열수단이 내부 장착된 하우징으로 이루어진, 휘발성유기화합물 농도센서에 의하여 달성된다.
도1에는 본 고안에 의한 휘발성유기화합물 농도센서 개략 단면도가 도시된다. 농도센서(10)는 원통 또는 정육면체 형상의 단열 하우징(15)으로 이루어지며, 상기 하우징(15) 내부는 격벽(17)으로 구획되어, 산화공간부(20) 및 기준공간부(30)로 구성된다. 상기 단열 하우징(15) 일면에는 휘발성유기화합물 시료가 상기 산화공간부(20) 및 기준공간부(30) 내부로 유도되는 입력부(23, 33)가 각각 형성된다. 상기 입력부(23, 33)는 오염원으로부터 연장되는 수송파이프(도시되지 않음)와 결착되어, 산화공간부 및 기준공간부 상부스트림에는 동일한 휘발성유기화합물을 포함한 오염물질이 전달된다. 따라서, 입력부는 수송파이프가 삽입될 수 있도록 상기 파이프와 동일 직경의 홀이 형성될 수 있다. 산화공간부(20) 내부에는 촉매지지체(21)가 내장되며, 상기 촉매지지체(21) 하부스트림에는 제1 온도측정수단(22)이 장착되어, 촉매지지체를 통과하여 산화반응이 완결된 산화 처리가스의 열량을 측정할 수 있다. 상기 촉매지지체에는 휘발성유기화합물을 산화시킬 수 있는 귀금속 촉매가 침적되며, 적합한 귀금속 산화촉매로는 로듐, 백금, 팔라듐, 이리듐, 금, 은, 루테늄, 오스뮴 및 이들의 혼합물로 구성된다. 귀금속 산화촉매는 휘발성유기화합물을 실질적으로 그리고 완벽하게 산화시키기 위한 충분한 양이 포함되나, 이는 공지된 기술이다. 또한, 상기 촉매 성분들을 촉매지지체에 침적시키는 다양한 기술이 공지 되어있다.
상기 촉매지지체(21)는 허니콤 바디(honeycomb body)이며, 바람직하게는, 예를들면 실리카(silica), 알루미나(alumina), 지르코니아(zirconia), 세리아(ceria), 티타니아(titania) 및 이들의 혼합물을 포함하는 세라믹(ceramic) 물질로 구성된다. 상기 촉매지지체는 산화공간부(20) 내측에 긴밀하게 삽입되어 입력부(23)로부터 도입된 휘발성유기화합물이 전적으로 촉매지지체를 통과하여 산화반응을 기대할 수 있다. 상기 긴밀한 삽입을 위하여 필요하다면 허니콤 바디 외면은 실링(sealing) 될 수 있다. 상기 바람직한 촉매지지체로 허니콤 바디의 형태인 것이 기술되었다고 하더라도, 기타 다양한 형태의 촉매지지체가 적용될 수 있다. 예를들면, 구(spheres), 링(ring), 홀로우 실린더(hollow cylinder), 비드(bead) 또는 펠렛(pellet) 등 다른 기하학적 형태 또는 입자형태일 수 있다. 한편, 상기 촉매지지체(21)는 간단히 다공성 기판 형태일 수 있다.
한편, 농도센서(10) 하우징(15) 내부에는 소망하는 촉매산화 반응이 일어나기에 효율적인, 즉 입력부(23)로부터 유동 진입되는 휘발성유기화합물의 산화반응을 실질적으로 완결시키기에 충분한 상승 온도를 유지하기 위해 가열수단(16)이 장착된다. 가열수단(16)은 히팅코일이 바람직하며, 도1에 도시된 바, 하우징(15) 내면에 장착되어 산화공간부(20) 및 기준공간부(30)에 소정 열에너지를 전달할 수 있으나, 장착 위치는 이에 한정되는 것은 아니고, 예를들면 격벽(17) 내면측에는 생략될 수 있거나, 촉매지지체(21) 및 기준지지체(31) 하부스트림측 하우징 내면에는 생략될 수 있다. 산화공간부(20) 하부스트림에는 제1 온도측정수단(22)이 삽입되며, 상기 측정수단은 산화 처리가스의 온도증가를 감지할 수 있는 열전기쌍(thermocouple), 열전퇴(thermopile) 또는 더미스터(thermistor)들과 같이 공지된 장치일 수 있다. 제1 온도측정수단(22)에서의 온도상승은 산화발열의 결과이다. 한편, 다른 실시예에서, 저항-온도 검출기(resistance-temperature detector, RTD)가 대체하여 삽입될 수 있으며, 상기 RTD는 실질적으로 완전한 산화반응을 일으키기에 충분한 온도에서 산화공간부 및 기준공간부 내부 온도를 유지시키면서 산화반응 후 일어나는 온도증가 측정을 수행하는 이중기능 역할이 가능하다. 특히, 상기 RTD는 전류를 통과시킨 후, 각각 공간부 온도를 유지시키는데 필요한 요구 전류 차이를 측정하여 온도차를 측정하는데, 상기 차이는 산화반응이 일어날 때 발생하는 결과에 의한 산화발열의 측정치이다. 상기 발열량은 제1 온도측정수단 또는 제2 온도측정수단에 의해 전기적으로 측정가능한 양(전압, 저항 또는 전류) 등으로 전환된 후, 휘발성유기화합물 농도를 측정하기 위하여 분석된다. 도시되지 아니한 제어부는 농도센서(10)로부터 전송되는 온도차(출력치)를 분석하여, 오염원으로부터 발생되는 휘발성유기화합물 농도를 산출할 수 있다. 농도센서(10)로부터 출력되는 신호, 즉 발열량과 오염원 중 휘발성유기화합물 농도 사이에 직접적인 비례 관계가 있다는 것은 공지된 것이다. 따라서, 측정되는 온도차에 의하여 VOC 농도를 구할 수 있다. 상기 온도차는 산화공간부(20) 하부스트림에 삽입된 제1 온도측정수단(22) 및 기준공간부(30)에 장착된 제2 온도측정수단(32)에서 측정된 온도차이다. 이하, 기준공간부(30)에 대하여 기술한다.
기준공간부(30)는 하우징(15) 내부에 구획 격벽(17)에 의하여 형성되며, 상기 격벽(17)에 의하여 분할되는 또 다른 산화공간부(20)와 열적으로 격리된 공간이다. 상기 기준공간부(30) 내부에는 상기 산화공간부(20)와 동일한 가열수단(16) 및 제2 온도측정수단(32)이 장착되며, 이들이 설정되는 위치 또한 산화공간부에서의 배열과 동일하다. 기준공간부(30)에는 덤미(dummy) 기준지지체(31)가 삽입될 수 있으나, 이는 필수적인 구성이 아님은 물론이다. 상기 기준지지체(31)는 촉매지지체(21)와 동일성분 및 조성의 지지체이나, 촉매가 침적되지 아니한 덤미 지지체이다.
상기 산화공간부(20) 및 기준공간부(30)를 통과한 가스유동은 각각 하우징 일면에 형성된 처리가스 출구(24) 및 바이패스가스 출구(34)로 방출된다. 상기 출구들은, 바람직하게는 상기 입력부(23, 33)와 반대면에 형성되나, 이에 국한되지는 않는다. 출구들은 바람직하게는 방출가스를 외부 또는 기타 용도로 적용될 수 있도록 목적지까지 연장되는 수송파이프(도시되지 아니함)가 삽설되도록 홀(hole)로 형성된다.
이하, 본 고안에 의한 휘발성유기화합물 농도센서(10)의 작동을 설명한다.
도시되지 아니한 수송파이프로부터 휘발성유기화합물을 포함한 오염가스가 입력부(23, 33)를 통하여 산화공간부(20) 및 기준공간부(30)로 유도된다. 상기 공간부들은 가열수단(16)에 의하여 촉매 산화반응이 일어나기에 충분한 온도, 예를들면, 400℃로 가열되어 있다. 기준공간부(30)로 진입된 오염가스는 덤미 기준지지체(31)를 통과하여 어떠한 반응을 일으키지 아니하고 바이패스가스 출구(34)를 통과하여 도시되지 아니한 수송파이프를 통하여 외부 또는 별도의 목적지로 방출된다. 한편, 산화공간부(20)로 유도된 오염가스는 산화촉매층이 침적된 촉매지지체(21)를 통과하면서 휘발성유기화합물의 산화반응이 진행된다. 상기 진행과정에서 VOC는 산화 발열되어, 산화공간부(20) 하부스트림에서의 온도는 기준공간부(30) 내부와 대비하여 상승된다. 처리가스, 산화미반응 휘발성유기화합물 또는 일산화탄소, 수증기는 출구(34)를 통하여 외부 또는 별도의 목적지로 방출된다. 가스유동과는 별도로 제1 온도측정수단(22) 및 제2 온도측정수단(32)은 연속적으로 온도 측정하며, 출력신호는 도시되지 아니한 제어부로 전송되어, 별도로 저장된 데이터와 비교하여 휘발성유기화합물 농도를 계산하여 표시할 수 있다.
상기 양호한 실시예에 근거하여 본 고안을 설명하였지만, 이러한 실시예는 본 고안을 제한하려는 것이 아니라 예시하려는 것이다. 본 고안이 속하는 분야의 숙련자에게는 본 고안의 기술사상을 벗어남이 없이 위 실시예에 대한 다양한 변화나 변경 또는 조절이 가능함이 자명할 것이다. 그러므로, 본 고안의 보호범위는 상기 실시예의 변화, 변경 또는 다양한 조절 모두 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다.
이상에서 설명한 본 고안에 따르면, 산화분해 고온반응열에 의한 온도변화를 적용함으로써 간단하고도 효율적인 휘발성유기화합물 농도센서를 제공할 수 있다.
도 1은 본 고안에 따른 농도센서 개략 단면도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
10: 농도센서, 15: 하우징, 16: 가열수단, 17: 격벽
20: 산화공간부, 30: 기준공간부, 21: 촉매지지체, 31: 기준지지체,
22: 제1 온도측정수단, 32: 제2 온도측정수단,
23, 33: 입력부, 24: 처리가스출구, 34: 바이패스가스출구
Claims (5)
- 촉매지지체가 내장되며, 상기 촉매지지체 하부스트림에 제1 온도측정수단을 포함하는 산화공간부 ; 상기 산화공간부와 열적으로 격리되며, 제2 온도측정수단을 포함하는 기준공간부 ; 상기 산화공간부 및 기준공간부를 일체로 구성하며, 상기 각각 공간부에 입구부 및 출구을 제공하며 가열수단이 장착된 하우징으로 이루어진, 휘발성유기화합물 농도센서.
- 제1항에 있어서, 상기 기준공간부에는 기준지지체가 더욱 포함된 것을 특징으로 하는, 휘발성유기화합물 농도센서.
- 제1항에 있어서, 상기 촉매지지체는 탄화수소(HC) 산화촉매가 침적된 것을 특징으로 하는, 휘발성유기화합물 농도센서.
- 제1항에 있어서, 상기 온도측정수단들은 열전대(thermocouple)인 것을 특징으로 하는, 휘발성유기화합물 농도센서.
- 제1항에 있어서, 상기 가열수단은 히팅 코일인 것을 특징으로 하는, 휘발성유기화합물 농도측정장치.
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