KR20120088893A - 표준가스 희석장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 루프 방식을 적용하여 표준가스를 희석시키는 장치에 대한 것이며, 표준가스 및 희석가스가 유입되며, 표준가스 및 희석 혼합가스가 배출되는 제1 다중-경로 밸브 (100); 다양한 부피들을 가지는 하나 이상의 루프들을 포함하고, 가스유입 유로 및 가스유출 유로를 통하여 상기 제1 다중-경로 밸브와 연결되는 제2 다중-경로 밸브 (200); 및 상기 제1 및 제2 다중-경로 밸브 회전을 제어하는 제어부를 포함하여 구성되는 표준가스 희석장치 (10)에 관한 것이다.

Description

표준가스 희석장치{Dilution system for standard gas}

본 발명은 표준가스 희석장치에 관한 것으로, 고농도 표준가스를 원하는 농도로 자동 희석할 수 있는 장치에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 다양한 부피를 가지는 루프 (loop)를 적용하여 소망하는 배율로의 표준가스 희석을 가능하게 하는 표준가스 희석장치에 관한 것이다.

표준가스란 특정 성분의 정확한 농도가 알려진 기체 물질이며, 화학분석에 있어서, 검량선 작성 및 화학분석장치 성능 파악에 사용된다. 표준가스는 통상 고압 용기에 담겨 실험실로 운반되며, 이러한 표준가스는 적정한 농도로 희석된다.

표준가스는 희석장치를 통하여 희석되며, 희석된 표준가스를 채취하는 방법은 캐니스터(canister)방법, 흡착제 튜브 (absorbent tube) 방법, 및 백 (Bag) 방법으로 대별된다. 따라서 이러한 희석가스 취출방법에 따라 표준가스 희석장치가 구분될 수 있다. 이를 간단히 설명한다. 우선 캐니스터용 표준가스 희석장치는, 캐니스터라는 일정한 부피의 밀폐 용기에 고농도 표준가스를 일정량 주입한 후 질소 등의 희석가스로 일정한 압력까지 주입하여 원하는 농도를 제조하는 희석장치이다. 흡착제 튜브용 표준가스 희석장치에서는 채취 부피보다 채취된 표준물질의 절대량이 중요하므로, 고농도 표준가스를 희석하지 않고 미량 주입하는 방법 및 질소 등의 희석가스와 표준가스를 일정한 비율로 혼합한 가스 (희석 혼합가스)를 주입하여 원하는 절대량을 채취하는 방법이 있다. 또한, 백용 표준가스 희석장치는 테드라 백 또는 알루미늄 백 등에 희석 가스를 일정량 주입하는 방법으로 고농도 표준가스를 일정량 주입한 후 질소 등의 희석가스를 주입하여 백 내에서 희석하는 방법과 표준가스와 희석가스가 일정한 비율로 혼합된 혼합가스를 주입하는 방법이 있다.

종래 희석장치의 가장 큰 문제점은 일정량의 표준가스를 주입하기 위하여 MFC (Mass flow controller)를 사용한다는 점이다. MFC는 가스를 일정한 유속으로 흐르도록 만드는 장비이나, 안정화되기 까지 걸리는 시간이 짧게는 수초에서 길게는 수분까지 소요가 된다. 특히 높은 희석배율을 원하는 경우 canister 방법의 경우 주입되는 표준가스가 매우 소량이므로 수초 내에 MFC를 통하여 표준가스 주입이 종료되므로 이로 인한 결과 편차는 상당히 심하다. 또한, MFC를 이용하는 경우 1년에 1회 검정 및 교정이 필요하며, 이를 지키지 않을 경우 MFC 검량선이 틀어지게 되어 설정한 유량과 실제 흐르는 유량의 차이가 발생하게 된다. 이로 인하여 원하는 희석비율과 실제 희석비율의 차이가 발생하며, 이는 실험결과에 전반에 지대한 영향을 미치게 된다. MFC를 적용하는 경우 또 다른 문제점은 악취물질 중의 하나인 황화수소의 경우 스테인리스 (stainless) 재질을 통과할 경우 다른 물질로 변화되는 특징이 있는데, MFC 내부 유로가 상기 스테인리스 재질로 구성되어 MFC를 사용하는 희석장치들로는 원하는 결과를 얻을 수 없어 황화수소를 대상으로 하는 희석장치의 자동화가 불가능하다는 것이다. 한편, 종래 장치들은 Canister, Absorbent tube, Bag 채취방식 모두에 적용되지 않는다는 점이다. 특히 캐니스터 방식의 희석장치의 경우 캐니스터 내부 압력을 고압 (40psi 이하)까지 증가시키기 때문에 캐니스터를 지원하는 희석장치들은 내부 유로 상의 차이로 튜브 또는 백을 이용한 희석방법을 지원하지 못한다. 이로 인하여 사용자는 각각 그 용도에 맞는 희석장치를 구비하거나, manual 방식으로 실험을 해야 하는 불편함이 있었다.

본 발명은 루프 방식을 이용하여 표준가스를 희석하는 장치에 관한 것이다. 다양한 부피를 가지는 루프를 사용하여 사용자는 소망하는 배율로 표준가스를 희석할 수 있다.

본 발명은, 표준가스 및 희석가스가 유입되며, 표준가스 및 희석 혼합가스가 배출되는 제1 다중-경로 밸브; 다양한 부피들을 가지는 하나 이상의 루프들을 포함하고, 가스유입 유로 및 가스유출 유로를 통하여 상기 제1 다중-경로 밸브와 연결되는 제2 다중-경로 밸브; 및 상기 제1 및 제2 다중-경로 밸브 회전을 제어하는 제어부를 포함하여 구성되는 표준가스 희석장치에 관한 것이다. 제한적이지 않지만, 본 발명에 의한 표준가스 희석장치는 다음과 같은 특징을 포함한다.

제1 다중-경로 밸브에 유입되는 표준가스 유로 및 희석가스 유로에는 솔레노이드 밸브들이 장착되며, 선택적으로 제1 다중-경로 밸브에 유입되는 희석가스 유로에는 압력조절기가 더욱 장착된다. 제1 다중-경로에서 표준가스 및 희석 혼합가스가 배출되는 유로에는 압력센서가 더욱 장착된다. 상기 유로들은 화학적 비활성 재질로 구성되며, 예를들면 sulfinert®, silicosteel®, 또는 니켈 재질이 적용될 수 있다.

상기 구성에 의한 표준가스 희석장치는 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다. 본 발명은 온도 및 압력이 동일한 조건에서 부피가 일정한 루프를 적용하고 종래 오차의 요인인 MFC 사용을 배제하여 우수한 직선성과 재현성의 확보가 가능하다. 여러 부피를 가지는 하나 이상의 유로들을 채용함으로써 고농도의 표준가스를 고도의 배율 예를들면 10000배 이상 희석시키는 것이 가능하며, 이는 종래 표준가스 희석장치의 경우 1000~2000배 이상의 희석은 불가능한 문제점을 해결할 수 있다. 유로 재질을 특정하여 황화수소와 같이 stainless 재질에서 불안정한 물질들도 안정적인 희석이 가능하다. 종래 희석 혼합가스를 주입하는 백용 표준가스 희석장치에 비하여 본 발명인 loop 방식의 표준가스 희석장치는 고농도 표준가스를 일정 부피의 루프에 주입 후 희석가스를 신속하게 주입할 수 있어 상대적으로 신속한 희석 작업이 가능하다. 또한, 종래 흡착 튜브 방식의 경우 일정 유량 이상으로 시료를 주입할 경우 시료가 흡착되지 않으므로 희석 혼합가스를 저-유량 (50~150 ml/분)으로 채취하여야 하므로 작업시간이 많이 소모되는데 반하여, 본 발명인 loop 방식은 고농도 시료를 바로 주입 후 질소로 안정화시키기 때문에 상대적으로 빠른 희석이 가능하다.

부수적으로, 본 발명에서 적용되는 압력센서들로 인하여 사용자가 원하는 압력까지 캐니스터에 희석 혼합가스를 주입할 수 있고, 또한 loop에 채워진 가스를 대기압 조건에서 주입하게 하여 압력 차이로 인한 편차를 배제할 수 있다.

본 발명의 이점 및 특징은 하기 도면들을 참조하여 더욱 상세하게 설명될 것이나, 이는 단지 이해를 위한 것이지 이에 국한되지 아니한다. 본 발명이 속한 분야의 기술자들은 개시된 발명을 독해하여 본 분야 전문가가 통상 변경할 수 있는 다양한 예를 구현할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 예에 의한 루프 방식의 표준가스 희석장치 개략도이다.
도 2는 하나의 루프에 표준가스가 주입되는 과정을 설명한 개략도이다.
도 3은 루프에 주입된 표준가스가 대기압 조건에 이르도록 대기하는 과정을 설명한 개략도이다.
도 4는 표준가스가 주입된 하나의 루프에 희석가스가 주입되는 과정을 설명한 개략도이다.
도 5는 다른 예로 제안된, 표준가스가 주입된 하나의 루프에 희석가스가 주입되는 과정을 설명한 개략도이다.

이하 본 발명을 상세히 설명한다. 먼저, 본원에서 사용되는 용어는 다음과 같이 정의된다. 본원에 사용되는 ‘표준가스’란 특정 성분의 정확한 농도가 알려진 기체이며, 황화수소와 같은 스테인리스 재질의 유로 내에서 변질될 수 있는 불안정한 기체도 포함된다. 본원에서 사용되는 ‘희석가스’란 표준가스를 일정한 농도로 희석시키기 위한 불활성 기체를 언급하는 것이며, 통상 질소가 사용되나 이에 국한되지는 않는다. 본원에 의한 희석장치를 통하여 만 배율 이상으로 표준가스를 희석시킬 수 있다. ‘희석 혼합가스’란 표준가스 및 희석가스가 일정 비율로 혼합된 기체로 정의된다. ‘루프’란 통상 나선형 유로를 언급하며, 온도 및 압력에 무관하게 일정한 부피를 가지며 가스 상태의 물질을 일시적으로 보유(reserve)할 수 있다. 즉 본 발명에 의하면 다양한 부피를 가지는 루프가 하나 이상 적용되어 선택됨으로써 다양한 배율의 희석 혼합가스를 생성할 수 있다. 본원에서 ‘다중-경로 밸브’는 회전에 따라 여러 경로를 형성할 수 있는 밸브이며 유로들이 장착될 수 있다. 물론 상업적으로 입수될 수 있다. 기타 본원에서 언급되는 ‘압력센서’, ‘솔레노이드 밸브’, ‘3-웨이 솔레노이드 밸브’, ‘압력조절기 (레귤레이터)’ 부품들은 상업적으로 구입될 수 있다.

도 1을 참조하면 본 발명에 따른 루프 방식의 표준가스 희석장치(10)가 도시된다. 표준가스 희석장치 (10)는 제1 다중-경로 밸브 (100), 제2 다중-경로 밸브 (200) 및 밸브 회전에 의한 유로 선택을 제어하는 제어부 (미도시)를 포함한다.

제1 다중-경로 밸브 (100)에는 표준가스 (STD) 및 희석가스(N2)가 유입되며, 희석 과정에서 표준가스가 배출 (VENT) 되거나 희석 혼합가스가 취출용기 (미도시)로 채취될 수 있다. 도 1을 참조하면 6개의 포트가 구비된 제1 다중-경로 밸브가 도시되며, 1-2, 3-4, 5-6 포트들 간 경로가 연결되나, 밸브 회전에 따라 상기 경로는 1-6, 2-3, 4-5 포트들로 변경될 수 있다 (도 4 및 도 5 참조).

제2 다중-경로 밸브 (200)에는 다양한 부피들을 가지는 하나 이상의 루프들 (4개의 루프들이 도시됨)을 포함하고, 가스유입 유로 및 가스유출 유로를 통하여 상기 제1 다중-경로 밸브와 연결된다. 이해를 목적으로, 도 1에는 가스 유입 유로에 STD IN으로 표기되어 있으나, 하기 되는 바와 같이 희석 과정에서 STD IN을 통하여 희석가스가 유입된다. 또한 가스 유출 유로에 STD OUT으로 표기되어 있으나, 역시 희석과정에서 질소 등의 희석가스가 유출된다. 다양한 부피를 가지는 루프들은 여러 방식으로 구현될 수 있다. 예를들면 루프 길이를 연장 또는 축소하거나, 루프 직경을 변경시켜 구현될 수 있으나, 바람직하게는 루프 길이를 연장하여 보유 가능한 가스의 부피를 증가시킬 수 있다. 희석 프로세스에서 하나의 루프가 사용될 수 있지만, 여러 루프들을 조합하여 사용자가 원하는 다양한 희석배율을 형성할 수 있다. 예를들면, 100 배율의 루프를 이용하여 표준가스를 100 배 희석할 수 있고, 차별된 부피를 가지는 1000 배율의 루프를 적용하여 표준가스를 1000 배 희석할 수도 있지만, 100 배율 및 1000 배율의 루프를 동시에 사용하여 다른 배율의 희석 혼합가스를 생성할 수 있다.

본 발명에 의한 표준가스 희석장치 (10)는 제1 및 제2 다중-경로 밸브 회전을 제어하는 제어부를 포함한다. 본원에서 제어부는 특별히 언급되지 않으며, 본 분야의 기술자는 제어부 구성 및 이를 적용한 밸브 회전, 기타 솔레노이드 밸브 (Sol. valve)들 개폐 및 압력센서(PS)로부터의 반응에 따라 이하 설명되는 작동을 구현시킬 수 있다.

제1 다중-경로 밸브 (100)에 유입되는 표준가스 유로 및 희석가스 유로에는 솔레노이드 밸브들이 장착되어, 제어부 지시에 따라 개폐되어 표준가스 및 희석가스를 제1 다중-경로 밸브로 주입시킨다. 또한 선택적으로 제1 다중-경로 밸브에 유입되는 희석가스 유로에는 일정 압력, 예를들면 102-000 ml/분을 유지하기 위한 압력조절기 (restrictor)가 더욱 장착된다. 한편, 제1 다중-경로 밸브에 유입되는 희석가스 유로에는 3-웨이 솔레노이드 밸브가 더욱 포함될 수 있다. 이는 취출용기가 캐니스터를 이용한 방식인 경우 압력조절기를 거친 낮은 유량의 희석가스로는 canister에 원하는 압력까지 채우는데 상당한 시간이 소요되기 때문에 희석가스 봄베 (bomb)에서 직접 제1 다중-경로 밸브로 희석가스가 주입되도록 구성된다.

제1 다중-경로에서 표준가스 배출 (VENT) 유로에는 압력센서 (PS)가 포함될 수 있다. 구체적으로, 루프 부피는 고정되지만 , 표준가스 봄베에서 주입되는 압력은 대기압에 비하여 높기 때문에 실제 루프에 주입되는 표준가스량이 많아질 수 있다. 따라서 압력센서 (Pressure Sensor, PS)를 벤트 유로에 장착하여 loop 압력이 대기압과 같아지는 순간 제1 다중-경로 밸브를 회전시켜 취출용기로 시료를 주입하여 압력으로 인한 오차를 제거하는 것이다. 또한, 희석 혼합가스가 취출되는 유로에도 압력센서 (PS)가 포함되며, 취출용기 압력이 소망 압력에 이르는 것을 확인하여 유로를 변경시켜 더 이상의 혼합가스가 취출용기로 도입되는 것을 방지하기 위하여 구성된다. 상기 유로들은 화학적 비활성 재질로 구성되며, 예를들면 sulfinert®, silicosteel®, 또는 니켈 재질로 제조될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

이하 본 발명에 의한 루프방식의 표준가스 희석장치 작동과정을 설명한다. 도 1 내지 도 4는 희석 과정을 순차적으로 도시한 개략도이며, 도 5는 도 4의 다른 예로 도시된다.

도 1은 본 발명에 의한 표준희석장치 (10) 초기 상태를 도시한 것이다. 표준가스 (STD) 및 희석가스 (N2)와 연결된 유로는 솔레노이드 밸브에 의해 닫혀있다. 이때 3-웨이 솔레노이드 밸브는 압력조절기를 가지는 유로로 개방되어 있다고 가정한다. 즉 취출용기는 고압이 요구되는 캐니스터 방식이 아닌 경우 예를들면 백 또는 흡착튜브인 경우를 상정한다. 캐니스터 방식의 경우에는 도 5에서 별도로 설명한다.

표준가스가 4개의 루프들 중 하나에 주입되는 과정은 도 2에 도시된다. 먼저, STD 유로의 솔레노이드 밸브가 개방되어 표준가스는 제1 다중-경로 밸브의 1포트로 유입된다. 2 포트를 거쳐 표준가스는 제2 다중-경로 밸브에 장착된 하나의 루프에 채워진다. 이때 다른 루프들은 경로가 닫혀 있어 영향을 받지 않는다. 루프를 채운 표준가스는 다시 제1 다중-경로 밸브의 5포트를 통하여 배출된다 (VENT). 제2 다중-경로 밸브를 회전시켜 동일한 방법으로 차례로 루프들로 STD 가스를 주입한다. 물론 하나의 loop 만으로 희석하는 경우는 이러한 과정이 없이 필요한 loop에만 STD gas를 주입한다. 본 예에서는 하나의 루프에 주입하는 경우를 예정한다. 표준가스 주입이 종료되면 솔레노이드 밸브가 폐쇄된다.

도 3은 하나의 루프에 채워진 표준가스 압력을 대기압으로 유지하는 상태를 도시한 것이다. 즉 표준가스가 채워진 loop 내의 압력이 대기압으로 떨어질 때까지 대기하며 이때 루프 내의 압력은 VENT 유로에 장착된 압력센서에 의해 측정된다.

도 4는 희석가스가 루프 내에 채워진 표준가스를 희석시키는 과정을 도시한 것이다. 표준가스 충전 루프 내 압력이 대기압으로 떨어진 후 제1 다중-경로 밸브 (100)를 구동시켜 취출용기로 루프의 가스가 주입될 수 있도록 유로를 구성한 후 희석가스 (N2)가스로 루프 내의 표준가스를 취출용기로 주입한다. 즉 희석가스 유로 솔레노이드 밸브가 개방되면 희석가스가 제1 다중-경로 밸브로 유입되되, 이때 압력조절기를 통해 일정한 유량 (10~200 ml/분)으로 유입시킨다. 희석가스가 3포트로 유입되고 2포트를 통하여 루프에 채워진 표준가스를 밀어내어 취출용기로 주입하여 희석된다. 이때 취출용기 유로에 포함된 압력센서는 희석 혼합가스 압력을 확인하여 사용자가 원하는 압력까지 취출용기에 희석 혼합가스를 주입할 수 있다. 일정한 압력이 확인되면 제1 다중-경로 밸브 경로를 변경시켜 희석을 종료시킨다.

도 5는 캐니스터 채취방식을 사용하는 경우 압력조절기를 거치는 것이 아닌, 희석가스 봄베로부터 직접 제1 다중-경로 밸브 3 포트를 통하여 상대적으로 고압의 희석가스로 표준가스를 희석하는 방식을 설명한 것이다. 3-웨이 솔레노이드 밸브를 통하여 유로가 변경되어 희석가스가 직접 3 포트로 주입될 수 있다.

상기된 바와 같이 본 발명은 루프 방식을 적용하여 표준가스를 희석시키는 장치에 대한 것이다. 이러한 바람직한 예가 설명되었으나, 다양한 구성이 가능하다. 예를들면 도면들에는 4개의 루프들이 장착된 예가 도시되나 하나 이상의 루프가 장착되면 본 발명의 기본적인 착상이 구현될 수 있다는 것은 당업자에게 명백하다. 따라서 본 발명의 사상을 벗어나지 않는 다양한 구현이 가능할 수 있으며, 따라서 하기 특허청구범위에 따라 본 발명의 범위를 해석하여야 한다.

Claims (4)

1. 표준가스 및 희석가스가 유입되며, 표준가스 및 희석 혼합가스가 배출되는 제1 다중-경로 밸브 (100); 다양한 부피들을 가지는 하나 이상의 루프들을 포함하고, 가스유입 유로 및 가스유출 유로를 통하여 상기 제1 다중-경로 밸브와 연결되는 제2 다중-경로 밸브 (200); 및 상기 제1 및 제2 다중-경로 밸브 회전을 제어하는 제어부를 포함하여 구성되는, 표준가스 희석장치 (10).
2. 제1항에 있어서, 제1 다중-경로 밸브 (100)에 유입되는 표준가스 유로 및 희석가스 유로에는 솔레노이드 밸브들이 장착되며, 제1 다중-경로 밸브에 유입되는 희석가스 유로에는 압력조절기가 더욱 장착되는 것을 특징으로 하는, 표준가스 희석장치.
3. 제1항에 있어서, 제1 다중-경로 밸브에서 표준가스 및 희석 혼합가스가 배출되는 유로에는 압력센서가 더욱 장착되는 것을 특징으로 하는, 표준가스 희석장치.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 유로들은 화학적 비활성 재질로 구성되는 것을 특징으로 하는, 표준가스 희석장치.
   

Images