KR20080098951A - 조립입자를 포함하는 시료의 입도 분포 측정을 위한시료순환기 - Google Patents

조립입자를 포함하는 시료의 입도 분포 측정을 위한시료순환기 Download PDF

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KR20080098951A
KR20080098951A KR1020070044407A KR20070044407A KR20080098951A KR 20080098951 A KR20080098951 A KR 20080098951A KR 1020070044407 A KR1020070044407 A KR 1020070044407A KR 20070044407 A KR20070044407 A KR 20070044407A KR 20080098951 A KR20080098951 A KR 20080098951A
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한국지질자원연구원
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Abstract

조립 입자(수 백~수 천μm)를 포함하는 시료의 입도 분포 측정을 위한 습식계 시료순환기를 제공한다.
본 발명의 습식계 시료순환기는 혼합기와 입도 분포 측정장치사이에 단일한 순환라인이 아닌 두 개의 순환라인을 사용하여 혼합액을 순환시키며, 혼합기의 상부 투입부 쪽으로 상기 두 개의 순환라인이 혼합기와 접속되어 혼합액을 배출하게 되며, 혼합기 내부에 회전 가능한 배플을 부착하여 상기 두 개의 순환라인에서 배출되는 혼합액의 유압에 의해 상기 배플이 회전하며 와류가 형성되도록 하여, 수 μm의 미세 입자에서 수천 μm의 조립 입자를 모두 포함하는 퇴적물의 입도 측정 시, 시료가 균일하게 혼합된 혼합액을 얻을 수 있으며, 이러한 균일한 혼합액을 입도 분포 측정장치에 제공하여 신뢰성 있고 정확한 입도 분포 측정 결과를 얻을 수 있는 장점이 있다.
조립 입자(corse particle), 입도 측정장치(particle size analyzer), 순환기(recirculation system), 퇴적물(sediment)

Description

조립입자를 포함하는 시료의 입도 분포 측정을 위한 시료순환기{Automated Recirculation System for Large Particle Size Analysis}
도 1은 종래의 습식 시료혼합기와 입도 분석 장치의 장치도를 나타낸 도면이며,
도 2는 본 발명에 따른 습식 시료혼합기의 장치도를 나타낸 도면이며,
도 3은 본 발명에 따른 습식 시료혼합기의 순환경로를 나타낸 도면이며,
도 4는 본 발명에 따른 습식 시료혼합기의 혼합기 부분의 사시도이며,
도 5는 본 발명에 따른 습식 시료혼합기의 혼합기 부분의 측면을 도시한 도면이며,
도 6은 본 발명에 따른 습식 시료혼합기의 혼합기의 부분의 조감도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 도면 부호의 설명 *
100 ; 종래의 습식 시료혼합기, 110 ; 액 탱크,
120 ; 급액밸브, 130 ; 급액펌프,
140, 210 ; 혼합기, 150 ; 순환펌프,
170 ; 드레인밸브, 160 ; 입도 분석 장치,
180 ; 레벨센서, 211, 212 ; 배플,
퇴적물의 입자 크기는 퇴적물 운반매체에 의한 포획, 운반 및 집적에 영향을 미치는 기본적인 물리적 변수이다. 따라서 퇴적물의 입도는 퇴적물의 기원지, 운반경로 및 퇴적조건에 관해 유추할 수 있게 해주는 기본 자료가 된다.
퇴적학에서 일반적으로 언급하는 퇴적물의 입도는 자갈의 경우 자(calliper)로 직접 측정하며, 모래의 경우 체질(dry and wet sieving)을 통해 측정하고, 실트크기 이하(63 μm 이하)의 세립퇴적물은 스토크스의 법칙(Stokes law)에 근거한 침전속도차이를 이용하여 측정한다.
따라서 실제 시료들은 대부분 적어도 두 가지 이상의 방법으로 나누어 입도가 측정되고 있는 것이다. 이와 같이 입자등급별로 측정 방법이 다르기 때문에 실제로 이들이 나타내는 입자의 크기란 최대직경(maximum calliper diameter), 체의 크기(sieve diameter), 수력학적으로 동등한 석영(quartz) 구의 지름 등이 된다.
곧, 지질학적 퇴적물에 대한 입도분석의 문제는 측정의 근본문제인 측정값이 대표하는 물리적 성질의 모호성 및 불일치와 더불어 이질적인 측정값의 통계처리가 문제가 되어 왔다.
따라서 각 등급별 입자들의 중량(weight)이나 부피(volume)의 비율(%)로 표현되는 입도분석 결과는 등급별 측정방법이 동일하다면 현재보다 일관성 있는 통계처리 및 해석이 가능하게 될 것이다.
대부분의 퇴적물은 모래와 진흙으로 구성되므로, 모래와 진흙을 한꺼번에 측정할 수 있는 방법으로 만족할 만한 결과를 얻어 낸다면 퇴적물에 대한 입도분석의 모호성을 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 현재 일반적으로 사용하고 있는 체질과 침전법에 따른 입도측정 과정에 소모되는 시간과 노력을 줄일 수 있을 것이다.
사질퇴적물에 대해서는 체질로 63 μm(4φ)이상의 퇴적물을 분리해 낼 수 있다고는 하나, 건조시료의 경우 125 μm(3φ)이하의 입자들에 대해서는 비효율적이다.
이질퇴적물의 경우 스토크스의 법칙에 따라 Pipette method를 활용하려면 적어도 50 μm(silt) 이하의 입자들을 1 %이하로 분산시켜야 한다는 까다로운 조건을 충족시켜야 한다.
이러한 원리적인 제약요인 뿐만 아니라 이들 방법을 적용하기 위해서는 유기물을 제거해야 하는 등의 사전처리와 pipetting후 시료의 건조 및 중량측정과 같은 사후 처리에 많은 시간과 노력이 드는 문제점을 안고 있다.
따라서 최소한의 사전처리를 통해 사질과 니질 퇴적물의 입도를 한 번에 측정해냄으로써 실험자에 따른 오차를 제거할 뿐만 아니라 손쉽게 시료의 입도분석을 끝낼 수 있는 입도측정기기의 개발이 연구자들의 오랜 소망이었다.
수 μm의 미세 입자에서 수천 μm의 조립 입자를 모두 포함하는 퇴적물의 입도 측정에 있어, 신뢰성 있는 입도 분포 측정 결과를 위해 해결해야 할 가장 중요한 문제는 중력에 의해 조립 입자들이 가라앉는 것을 방지하며 입자들의 균일한 혼합을 얻는 것이다.
일반적인 습식 입도 분석 장치는 미세 입자의 분포 측정을 위한 것이 대부분이며, 따라서 시료의 혼합은 입도 분석 장치 내부에 있는 혼합용기에 마이크로웨이브(microwave) 진동과 입도 분석 장치 내부에 한하는 순환에 의해 혼합이 이루어지는 것이 통상적이다. 이러한 혼합방법은 입자의 크기가 미세한(수 μm 범위)경우에는 효과적이나, 조립 입자의 경우 균일한 혼합을 얻기 불가능하다.
시료 혼합부분이 습식 입도 분석 장치와 분리되어 시료순환기로 혼합액을 입도 분포 측정 장비로 공급할 때는, 좀 더 조대한 입자의 측정도 가능하나 퇴적물의 입자 범위를 포괄하여 측정하는 장비에 대한 연구가 거의 전무함에 따라 이러한 장비 또한 조립 입자를 다수 포함한 경우 균일한 혼합액을 입도 분석 장치에 공급할 수 없는 한계가 있다.
상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 습식 입도 분석 장치의 시료순환기에 있어서, 시료(혼합액)가 순환되는 경로를 추가하고, 혼합 용기로 배출되는 시료(혼합액)의 방향을 조절하고, 혼합용기 내에 회전 가능한 배플을 형성하여, 수백 μm 이상의 조립입자를 다수 포함한 퇴적물의 경우에도 입자들이 균일하게 혼합된 혼합액을 입도분석장치에 공급함으로써 조립 입자를 포함하는 시료의 입도 분포 측정의 신뢰성과 정확성을 향상시키고자 한다.
본 발명의 조립입자 분포 측정을 위한 시료순환기는 습식계 입도 분포 측정장치에 시료와 액(분산액)의 혼합액을 제공하기 위한 장치로, 액을 급액탱크(110) 로부터 혼합기(210)로 공급하기 위한 급액펌프(130)를 구비하고, 혼합기(210)내 입자와 혼합된 혼합액의 배출구(213)와 일 측이 연결된 순환펌프(150)의 타 측과 연결된 배관이 분기되어, 급액펌프(130)의 일 측과 연결되는 급액라인(L30), 상기 혼합액을 혼합기(210)로 배출하는 순환라인(L40), 입도 분포 측정장치(160)의 일 측과 연결되는 제 1분석라인(L50), 및 상기 혼합액이 시료순환기 외부로 배출되는 배출라인(L60)이 형성되고, 상기 혼합기(210)에 회전 가능한 배플(211, 212)이 하나 이상 부착되어 있는 특징을 가진다.
본 발명의 구성을 보다 명확하게 설명하기 위해 습식계 입도 분포 측정장치(160)에 혼합액을 제공하는 종래의 시료순환기(100)를 도 1에 도시하였다.
종래의 습식계 입자 분포 측정 시료순환기(100)는 시료와 액(분산액)을 혼합시키고 혼합액을 생성하는 혼합기(140) 바닥부에는 순환라인(L20)의 상류 측 단부가 연결되어 있으며, 상기 순환라인(L20)에는 순환 펌프(150)가 설치되고, 상기 순환펌프(150)의 하류 측에는 혼합액을 장치 외부로 배출하는 드레인밸브(170) 및 입도 분포 측정장치(160)가 접속되어 있다. 상기 입도 분포 측정장치(160)의 하류는 순환라인(L20)과 접속되어 상기 혼합기(140)의 상부 투입 부 쪽(도 1의 화살표)으로 혼합액을 배출하게 된다.
또한 상기 혼합기(140)에 급액라인(L10)을 통해 액이 공급되는데, 액탱크(110)에 담겨진 액은 급액라인(L10)과 연결되고, 급액라인(L10)에는 급액밸브(120)와 급액펌프(130)가 연결되어 상기 급액펌프(130)의 하류가 급액라인(L10)을 통해 상기 혼합기(140)의 상부 투입 부 쪽(도 1의 화살표)으로 혼합액을 배출한 다.
상기 혼합기(140)에는 액의 수위를 조절하는 레벨센서(180)가 부착되어 있는 것이 통상적이며, 상기 레벨센서(180), 드레인밸브(170), 순환펌프(150), 급액펌프(130) 및 급액밸브(120)는 제어부(190)과 전기적으로 연결되어 제어부(190)의 신호에 의해 그 동작이 제어되게 된다.
상기 도 1과 같은 종래의 시료순환기(100)는 순환라인(L20)에 의해 혼합액을 입도 분포 측정장치(160)에 공급 및 순환시키며, 혼합기(140)의 용기 형태를 경사기 지게(tapered)하거나, 혼합기(140)의 하부에 임펠러를 형성시키거나(일본공개특허 2006-133103), 혼합기(140)의 투입 부 쪽이 아닌 양 측면으로 순환된 혼합액이 배출되도록 하여(미국등록특허 6,394,642) 시료와 액의 균질한 혼합을 유도하나, 수백 μm 이상의 조립입자를 다수 포함한 퇴적물의 경우, 입자들이 균일하게 혼합된 혼합액을 입도분석장치에 공급할 수 없는 한계가 있다.
본 발명의 핵심적 특징은 혼합기(140)와 입도 분포 측정장치(160)사이에 단일한 순환라인이 아닌 두 개의 순환라인을 사용하여 혼합액을 순환시키며, 혼합기(140)의 상부 투입부 쪽으로 상기 두 개의 순환라인이 혼합기(140)와 접속되어 혼합액을 배출하게 되며, 혼합기(140)내부에 회전 가능한 배플을 부착하여 상기 두 개의 순환라인에서 배출되는 혼합액의 유압에 의해 상기 배플이 회전하며 와류가 형성되도록 하여, 조립 입자를 포함한 시료가 균일하게 혼합된 혼합액을 얻게 되는 것이다.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 특징을 상세히 설명하고자 하며, 설명의 명료함을 위해 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 구성요소들은 동일한 참조번호로 나타내며, 인식의 용이함을 위해 각 구성요소들의 크기와 형태는 과장되어 도시될 수 있다.
본 발명의 핵심 사상에 따른 조립입자 분포 측정을 위한 시료순환기(200)의 장치 구성도를 도 2에 도시하였다.
본 발명의 습식계 입자 분포 측정을 위한 시료순환기(200)는 습식계 입도 분포 측정장치(160)에 시료와 액(분산액)의 혼합액을 제공하기 위한 장치로, 액을 급액탱크(110)로부터 혼합기(210)로 공급하기 위한 급액밸브(120) 및 급액펌프(130)를 구비하고, 혼합기(210)내 입자와 혼합된 혼합액의 배출구(213)와 일 측이 연결된 순환펌프(150)의 타 측과 연결된 배관이 분기되어, 급액펌프(130)의 일 측과 연결되는 급액라인(L30), 상기 혼합액을 혼합기(210)로 배출하는 순환라인(L40), 입도 분포 측정장치(160)의 일 측과 연결되는 제 1분석라인(L50), 및 상기 혼합액이 시료순환기 외부로 배출되는 배출라인(L60)이 형성되고, 상기 혼합기(210)에 회전 가능한 배플(211, 212)이 하나 이상 부착되어 있는 특징을 가진다.
또한 도 1과 마찬가지로 상기 혼합기(210)에는 액의 수위를 조절하는 레벨센서(180)가 부착되어 있는 것이 통상적이며, 상기 레벨센서(180), 드레인밸브(170), 순환펌프(150), 급액펌프(130) 및 급액밸브(120)는 제어부(190)과 전기적으로 연결되어 제어부의 신호에 의해 그 동작이 제어되게 된다.
본 발명의 습식계 시료순환기(200)는 상기 입도 분포 측정장치(160)의 타 측과 연결되어 입도 분포 측정장치(160)로부터 혼합기(210)로 혼합액을 배출하는 제 2분석라인(L51) 및 상기 순환라인(L40)은 상기 혼합기(210)의 상부 투입부(도 2의 화살표로 도시)로 혼합액을 배출하여, 도 3의 점선으로 도시된 바와 같이 종래의 기술과 동일한 순환경로(A)를 가짐과 동시에 순수하게 입자의 순환 및 혼합기(210)내 와류형성에 의한 입자들의 혼합을 목적으로 한 또 다른 순환경로(B)가 형성되게 된다.
또한 도 4에 도시한 바와 같이 두 순환경로(A, B)를 형성하는 상기 순환라인(L40) 및 상기 제 2분석라인(L51)에서 혼합기(210) 상부의 투입구 쪽으로 배출되는 혼합액의 유속에 의해 상기 하나 이상의 배플(211, 212)이 회전하는 특징을 가진다. 따라서 조립 입자가 많이 포함되어 있는 시료일수록 배플의 회전이 빨라지며 혼합기(210) 내부의 와류를 더욱 커지게 한다.
혼합기(210)의 용기면에 부착되는 상기 배플(211, 212)은 사각형의 배플판 및 회전가능하며 배플판에 부착되는 배플회전축으로 구성되는 것이 바람직하여, 상기 사각형의 배플판은 혼합기(210)에서 배플이 부착된 부분에서 혼합기(210)의 단면적을 기준으로 10% 내지 40%의 넓이를 갖는 것이 바람직하다.
이때, 상기 배플이 혼합기(210)의 용기면에 하나 이상 부착되었을 때, 도 2 또는 도 3에 도시한 것과 같이 혼합기(210)의 배출구(213)를 기준으로 서로 다른 높이에 부착되어 있는 것이 와류형성의 측면에서 보다 효율적이다.
상기 배플은 도 5에 도시한 바와 같이 혼합기(210)에서 배플이 부착된 부분의 용기면을 기준으로 90도 이하 내지 지면을 기준으로 0도 이상의 각도(α또는 β)로 혼합기의 용기면에 부착될 수 있으며, 보다 바람직하게는 혼합기(210)에서 배플이 부착된 부분의 용기면을 기준으로 90도 이하 내지 지면을 기준으로 30도 이상의 각도로 부착되는 것이 바람직하다.
또한 상기 사각형의 배플판에는 시료의 입자 또는 군집체가 충분히 통과할 수 있을 정도로 큰 홀이 형성되어 있을 수 있다.
상술한 바와 같이 하나 이상의 배플은 상기 순환라인(L40) 및 상기 제 2분석라인(L51)에서 혼합기(210) 상부의 투입구 쪽으로 배출되는 혼합액의 유속에 의해 회전 되는데, 이때, 혼합기(210) 상부에서 상기 순환라인(L40) 및 상기 제 2 분석라인(L51)의 위치를 조절하여 상기 하나 이상의 배플이 서로 다른 방향으로 회전하게 하는 것이 바람직하다.
일 예로 도 6에 도시한 바와 같이 두 개의 회전 가능한 배플이 혼합기(210) 용기면에 부착되어 있을 때, 상기 순환라인(L40)에서 배출되는 혼합액의 유속에 의해 하나의 배플(212)이 회전하며, 상기 제 2분석라인(L51)에서 배출되는 혼합액의 유속에 의해 다른 하나의 배플(211)이 회전하며, 상기 두 배플(212, 211)의 회전 방향이 서로 반대로 회전하게 된다. 도 5의 배플판에 점선으로 도시된 원은 상기 순환라인(L40) 및 상기 제 2분석라인(L51)에서 배출된 혼합액이 배플판과 부딪히게 되는 중심점을 도시한 것이며, 도 5의 화살표는 혼합액의 유속 및 시료 입자들의 질량에 의한 힘에 의해 상기 배플판(211 및 212)이 각각 회전하게 되는 방향을 도시한 것이다.
따라서 본 발명의 습식계 시료순환기(200)는 혼합기(210)와 입도 분포 측정장치(160)사이에 단일한 순환라인이 아닌 두 개의 순환라인(A, B)을 사용하여 혼합 액을 순환시키며, 혼합기(140)의 상부 투입부 쪽으로 상기 두 개의 순환라인이 혼합기(210)와 접속되어 혼합액을 배출하게 되며, 혼합기(210)내부에 회전 가능한 배플을 부착하여 혼합기(210) 용기 내 수평 방향과 더불어 수직 방향의 와류를 형성시키며, 두 개의 순환라인에서 배출되는 혼합액의 유압에 의해 상기 배플이 회전하며 와류가 형성되도록 하여, 조립 입자를 포함한 시료가 균일하게 혼합된 혼합액을 입도 분포 측정장치(160)에 제공하여, 조립 입자를 포함하는 시료의 입도 분포 측정의 신뢰성과 정확성을 향상시키게 된다.
본 발명의 습식계 시료순환기는 두 개의 순환라인(A, B)을 사용하여 혼합액을 순환시키고, 혼합기 용기면에 수평 방향과 더불어 수직 방향의 와류를 형성시키는 회전 가능한 배플을 부착함으로써, 수 μm의 미세 입자에서 수천 μm의 조립 입자를 모두 포함하는 퇴적물의 입도 측정에 있어, 미세 입자와 조립 입자들이 서로 균일하게 혼합된 혼합액을 입도 분포 측정장치에 제공하여, 신뢰성 있고 정확한 입도 분포 측정 결과를 얻을 수 있다.

Claims (7)

  1. 습식계 입도 분포 측정장치의 시료순환기에 있어서,
    액을 급액탱크(110)로부터 혼합기(210)로 공급하기 위한 급액 펌프(130)를 구비하고,
    혼합기(210)내 입자와 혼합된 혼합액의 배출구(213)와 일 측이 연결된 순환펌프(150)의 타 측과 연결된 배관이 분기되어, 상기 분기된 배관이
    공급펌프(130)의 일 측과 연결되는 급액라인(L30),
    상기 혼합액을 혼합기(210)로 배출하는 순환라인(L40),
    입도 분포 측정장치(160)의 일 측과 연결되는 제 1분석라인(L50),
    및 상기 혼합액이 시료순환기 외부로 배출되는 배출라인(L60)과 결합되고,
    상기 혼합기(210)에 회전 가능한 배플(211, 212)이 하나 이상 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 조립입자 분포 측정을 위한 시료순환기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 입도 분포 측정장치(160)의 타 측과 연결되어 입도 분포 측정장치(160)로부터 혼합기(210)로 혼합액을 배출하는 제 2분석라인(L51)이 형성되고,
    상기 순환라인(L40) 및 상기 제 2분석라인(L51)이 상기 혼합기의 상부 투입부로 혼합액을 배출하며,
    상기 순환라인(L40) 및 상기 제 2분석라인(L51)에서 배출되는 혼합액의 유속 에 의해 상기 하나 이상의 배플(211, 212)이 회전하는 것을 특징으로 하는 조립입자 분포 측정을 위한 시료순환기.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 배플(211, 212)은 혼합기(210)에서 배플이 부착된 부분의 용기면을 기준으로 90도 이하 내지 지면을 기준으로 0도 이상의 각도로 혼합기의 용기면에 부착되는 것을 특징으로 하는 조립입자 분포 측정을 위한 시료순환기.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 배플(211, 212)은 사각형의 배플판 및 회전가능하며 배플판에 부착되는 배플회전축으로 구성되는 것을 특징으로 하는 조립입자 분포 측정을 위한 시료순환기.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 사각형의 배플판은 혼합기(210)에서 배플이 부착된 부분에서 혼합기(210)의 단면적을 기준으로 10% 내지 40%의 넓이를 갖는 것을 특징으로 하는 조립입자 분포 측정을 위한 시료순환기.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 혼합기(210)에 두 개의 회전 가능한 배플(211, 212)이 부착되며,
    상기 순환라인(L40)에서 배출되는 혼합액의 유속에 의해 하나의 배플이 회전하며,
    상기 제 2분석라인(L51)에서 배출되는 혼합액의 유속에 의해 다른 하나의 배플이 회전하며,
    상기 두 배플의 회전 방향이 반대인 것을 특징으로 하는 조립입자 분포 측정을 위한 시료순환기.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 두 배플은 혼합기(210)의 배출구(213)를 기준으로 서로 다른 높이에 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 조립입자 분포 측정을 위한 시료순환기.
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