KR20130001780A - 배출가스의 입자상 물질 계측장치 - Google Patents

배출가스의 입자상 물질 계측장치 Download PDF

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Abstract

배출가스의 입자상 물질 계측장치가 개시된다. 본 발명의 희석터널식 입자상 물질 계측장치는 배출가스와 외부 공기가 희석된 희석 가스에 포함된 입자상 물질을 포집하는 여과지를 수용하는 필터 카트리지를 구비하되, 필터 카트리지는 희석 가스가 유동하는 계통상에 장착 또는 탈착 가능한 구조를 가진다. 나아가, 필터 카트리지의 하단에는 상기 필터 카트리지가 탈착 또는 장착 가능하도록 구부러지거나 길이가 가변되는 연결관, 예컨대 주름관을 연결함으로써 필터 카트리지를 손쉽게 장착 및 탈착할 수 있게 된다. 본 발명의 계측장치는 복수 개의 필터부를 구비할 수 있으며, 개폐밸브에 의해 복수 개의 필터부 중 하나만이 선택적으로 동작하도록 할 수 있다.

Description

배출가스의 입자상 물질 계측장치{Apparatus for Sampling and Measuring Particulate Matter from Exhaust Gases}
본 발명은, 희석터널 방식으로 배출가스에 포함된 입자상 물질을 양을 계측하기 위해 사용되는 필터 카트리지를 용이하게 교체할 수 있는 희석터널식 입자상 물질 계측장치에 관한 것이다.
자동차 등의 배기가스 중에는 인체에 해로운 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2), 탄화수소(HC), 질소산화물(NOX) 등이 많이 포함되어 있기 때문에, 환경 공해의 주요한 요인이 된다. 또한, 배출가스는 그 자체로 또는 대기와 반응하여 탄소(C), 탄화수소(HC), 황화물 등과 같은 입자상 물질(PM: Particulate Matter)이 포함되어 있으며, 입자상 물질은 인체의 호흡기 질환 등을 직접 유발시키는 물질로서 관리와 규제가 더욱 필요하다.
자동차 엔진의 배출가스에 포함된 입자상 물질을 계측하는 방법으로 널리 사용되는 것이 희석터널 방식이다. 희석터널 방식은, 먼저 배출 가스가 대기와 반응하는 실제 차량 운행 상태와 유사한 환경을 만들기 위해 엔진의 배기관으로부터 채취된 시료 배출가스에 외부 공기를 혼합하여 희석터널을 통과시킴으로써 실제 배출가스와 유사한 희석 배출가스를 구성하고, 그 희석 배출가스를 필터를 이용하여 여과시킨 다음, 필터에 걸러진 입자상 물질의 무게를 계량하는 방법으로 입자상 물질의 무게를 측정하게 된다.
희석터널식 입자상 물질 계측장치(이하, 간단히 '계측장치'라 함)에는 희석터널로 엔진의 배출가스 전체가 유입되는 전 유량 희석터널 시스템(Full Flow Dilution Tunnel System)과, 배출가스의 일부가 유입되는 부분 유량 희석터널 시스템(Partial Flow Dilution Tunnel System)이 있다.
종래의 계측장치는 배출가스의 입자상 물질의 측정에 사용할 필터가 설치되는 필터 홀더(Holder)를 구비한다. 필터는 매 회의 시험마다 교체하여야 하므로, 반복적으로 이루어지는 시험 중에 필터의 교체 작업도 반복적으로 이루어진다. 따라서, 필터의 반복적인 교체작업이 보다 손쉽게 이루어질 필요가 있으며, 그를 위해 필터 홀더의 분리도 손쉽게 이루어질 필요가 있다.
종래의 희석터널식 입자상 물질 계측장치는 필터 홀더를 분리하기 위해, 고무 호스관을 이용하였는데, 고무 호스관의 마모가 심하고, 배출가스의 이상 고온으로 인해 고무 호스관 연결부에서 열융착이 발생하여 분리 자체에 문제가 발생하기도 하였다.
본 발명의 목적은 희석터널 방식으로 배출가스에 포함된 입자상 물질을 양을 계측하기 위해 사용되는 필터 카트리지를 용이하게 교체할 수 있는 희석터널식 입자상 물질 계측장치를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 희석터널식 입자상 물질 계측장치는 검사대상이 되는 배출가스와 외부 공기가 유입되어 희석되는 희석터널; 상기 희석터널의 배출구에 연결된 연결하는 분배관; 상기 희석터널에서 배출되는 희석 가스의 유량을 측정하는 유량측정부; 상기 분배관과 유량측정부 사이에 장착 또는 탈착 가능하게 연결되어, 상기 희석터널에서 배출되는 희석 가스에 포함된 입자상 물질을 포집하는 여과지를 구비한 필터 카트리지; 및 상기 필터 카트리지와 상기 유량측정수단 사이에 마련되고 상기 필터 카트리지가 탈착 또는 장착 가능하도록 구부러지거나 길이가 가변되는 연결관을 포함한다. 상기 필터 카트리지와 연결관이 하나의 필터부를 형성한다.
여기서, 상기 필터 카트리지는, 상기 여과지를 지지하는 메쉬(Mesh) 필터; 상기 분배관에 연결되는 상부 커버; 상기 연결관에 연결되고, 상기 상부 커버와 함께 형성하는 내부 공간에 상기 메쉬 필터를 수용하는 하부 커버; 및 상기 상부 커버와 하부 커버의 연결 부분을 조여 밀폐시키는 클램프를 포함한다.
실시 예에 따라, 상기 연결관은, 자유롭게 움직일 수 있는 주름관으로 마련되어 상기 필터 카트리지의 장착 및 탈착이 용이하게 이루어지도록 할 수 있다.
다른 실시 예에 따라, 본 발명의 계측장치는 복수 개의 필터부를 포함할 수 있다. 이를 위해, 계측장치는 상기 희석터널과 복수 개의 필터부 사이에 각각 마련된 복수 개의 제1 개폐밸브와, 상기 유량측정부와 복수 개의 필터부 사이에 각각 마련된 복수 개의 제2 개폐밸브를 포함하게 된다. 이에 따라, 입자상 물질의 측정이 상기 복수 개의 필터부에 의해 교번적으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 측정장치는 상기 희석터널의 전단에 마련되어 상기 외부 공기의 유입을 제어하는 흡기밸브를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 유량측정부는 측정된 희석 가스의 유량을 기초로 상기 흡기밸브를 제어함으로써 상기 희석터널로 유입되는 외부 공기의 양을 피드백 제어하여, 상기 희석 가스의 희석 비율을 일정하게 유지할 수 있다.
본 발명에 따른 희석터널식 입자상 물질 계측장치는 배출가스가 대기 중에 방출될 때 포함되는 입자상 물질의 양을 희석터널을 이용하여 실제와 동일한 환경으로 계측할 수 있다.
본 발명에서, 입자상 물질의 포집에 사용되는 여과지를 수용하는 필터 카트리지는 간단한 나사 결합구조 및 신축 가능한 주름관 형태의 연결관 구조 등에 의해 계통에 손쉽게 장착 또는 탈착할 수 있는 있어서, 빈번하게 이루어지는 필터 카트리지의 장착 및 탈착에도 파손 등의 염려가 없다. 연결관은 불소계 고분자 수지를 소재로 사용함으로써, 고온의 희석 가스에 의한 열 융착 등이 발생하지 않는다.
또한, 본 발명의 계측장치는 교번적으로 사용할 수 있는 복수 개의 필터부를 구비할 수 있어서, 입자상 물질의 포집이 완료된 필터부의 교체와 무관하게 시료 측정을 계속 진행할 수 있다.
도 1은 본 발명의 희석터널식 입자상 물질 계측장치를 나타낸 개략도, 그리고
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 필터 카트리지의 분해 사시도이다.
<도면의 주요부에 대한 부호의 설명>
110: 희석터널 110a: 배출구
113: 공기흡입구 115: 흡기밸브
117: 가스유입구 119: 분배관
130a, 130b, 130c: 필터부
131a, 131b, 131c: 필터 카트리지
133a, 133b, 133c: 연결관
151a, 151b, 151c: 제1 개폐 밸브
153a, 153b, 153c: 제2 개폐 밸브
170: 유량측정부 201: 여과지
203: 메쉬 필터 205: 상부 커버
207: 하부 커버 209: 클램프
이하 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
본 발명의 희석터널식 입자상 물질 계측장치(이하, 간단히 '계측장치'라 함)는 외부로부터 시료가 되는 배출가스에 외부 공기를 희석시킨 희석 가스를 만든 다음, 희석 가스 내에 포함된 입자상 물질(PM: Particulate Matter)의 질량을 계측할 수 있다.
본 발명의 계측장치(100)는 희석터널 방식으로 입자상 물질을 포집하는 구성과, 포집된 입자상 물질의 무게 등을 측정하는 별도의 항온 항습 챔버(미도시)를 포함한다. 다만, 본 발명에서는 입자상 물질을 포집하는 구성에 특징이 있으므로, 그를 중심으로 설명하고 챔버에 대하여는 필요한 경우에 간단히 설명한다.
도 1 및 2를 참조하면, 본 발명의 계측장치(100)는 배출가스와 외부 공기가 유입되어 희석되는 희석터널(110)과, 희석터널(110)을 통과한 희석 가스로부터 입자상 물질을 포집하는 필터부(130a, 130b, 130c)와, 필터부(130a, 130b, 130c)를 통과한 희석 가스의 유량을 측정하는 유량측정부(170)를 포함한다.
희석터널(110)의 전단은 공기흡입구(113) 및 가스유입구(117)와 연결되어, 공기흡입구(113)를 통해 외부 공기가 희석터널(110)로 유입되고 가스유입구(117)를 통해 배출가스가 희석터널(110)로 유입된다. 공기흡입구(113)와 희석터널(110) 사이에는 유량측정부(170)에 의해 제어되어 유입되는 외부 공기의 양, 다시 말해 배출가스와 희석되는 외부 공기의 양을 제어하는 흡기밸브(115)가 마련된다.
유량측정부(170)는 흡기밸브(115)를 제어하여 관로 상의 희석 가스의 희석 비율을 일정하게 유지하는 역할을 수행한다. 이를 위해, 유량측정부(170)는 필터부를 통과한 희석 가스의 유량(L1, L1 = L2 + L3)을 계측하고, 계측된 희석 가스의 유량을 기초로 흡기밸브(115)를 개폐시킨다. 유량측정부(170)는 흡기밸브(115)를 통해 유입되는 외부 공기의 양(L2)을 제어함으로써, 배출가스의 양(L3)에 관계없이 희석터널(110)에서 희석된 희석 가스의 희석비율(L3/L1)을 설정된 값으로 일정하게 유지할 수 있게 된다.
필터부는 복수 개가 마련될 수 있으며, 도 1의 실시 예는 3개의 필터부(130a, 130b, 130c)가 마련되 예이다. 희석터널(110)의 배출구(110a)는 분배관(119)을 통해 각 필터부(130a, 130b, 130c)와 연결된다.
복수 개의 필터부(130a, 130b, 130c)는 교번적으로 사용되어, 복수 개의 필터부(130a, 130b, 130c) 중 선택된 하나만이 희석터널(110) 및 유량측정부(170)와 연결되어 입자상 물질의 계측에 제공된다. 이를 위해, 각 필터부(130a, 130b, 130c)의 전단과 후단에는 각각 제1 개폐밸브(151a, 151b, 151c)와 제2 개폐밸브(153a, 153b, 153c)가 마련된다. 제1 개폐밸브(151a, 151b, 151c)와 제2 개폐밸브(153a, 153b, 153c)는 복수 개의 필터부(130a, 130b, 130c) 중에서 시험에 제공될 필터부만을 개방하도록 제어된다. 예컨대, 제1-1 개폐밸브(151a)와 제2-1 개폐밸브(153a)가 개방되면서 제1 필터부(130a)가 개방된다. 제1 개폐밸브(151a, 151b, 151c)와 제2 개폐밸브(153a, 153b, 153c)는 별도로 마련된 제어스위치(미도시)를 관리자가 조작함으로써 제어될 수도 있고, 다른 제어장치에 의해 자동으로 제어될 수도 있다.
필터부(130a, 130b, 130c)는 희석 가스의 계통상에 마련되어, 여과지를 이용하여 희석 가스로부터 입자상 물질을 포집하는 수단이다. 입자상 물질의 포집이 완료되면, 해당 필터부의 필터 카트리지는 계통으로부터 분리되어 별도의 항온 항습 챔버(미도시)로 옮겨진다. 포집된 입자상 물질의 양이 매우 작기 때문에, 일반 대기 상태에서의 무게 측정 등이 원할하지 않을 수 있기 때문이다. 챔버(미도시) 내에서 필터부 내에 수용된 여과지(201)를 분리하여 입자상 물질의 무게를 측정하게 된다.
각 필터부(130a, 130b, 130c)는 여과지를 수용할 필터 카트리지(131a, 131b, 131c)를 구비하며, 각 필터 카트리지(131a, 131b, 131c)의 아래쪽에는 필터 카트리지(131a, 131b, 131c)의 손쉬운 장착 및 탈착을 위한 연결관(133a, 133b, 133c)이 각각 구비된다.
연결관(133a, 133b, 133c)은 쉽게 구부러지거나 그 길이가 가변되는 특징을 가짐으로써, 입자상 물질의 포집이 완료된 필터 카트리지(131a, 131b, 131c)가 계통으로부터 손쉽게 분리되도록 한다. 연결관(133a, 133b, 133c)은 불소계 고분자 수지를 소재로 사용함으로써, 고온의 희석 가스에 의한 열 융착 등이 발생하지 않도록 하는 것이 바람직하다. 도 1 및 도 2의 예는, 유동(遊動) 가능한 형태의 주름관을 연결관(133a, 133b, 133c)으로 적용한 예이나, 이에 한정되지 아니한다.
도 2를 참조하면, 필터 카트리지(131a)는 일정한 크기의 여과지(201)를 지지하는 메쉬 필터(Mesh Filter)(203)와, 내부 공간부를 형성하여 메쉬 필터(203)를 밀폐 수용하는 상부 커버(205) 및 하부 커버(207)를 포함한다. 나아가, 필터 카트리지(131a)는 상부 커버(205)와 하부 커버(207)의 연결 부분을 덮어 내부 공간부를 밀폐시키는 클램프(Clamp)(209)를 포함한다.
상부 커버(205)의 일측에는 분배관(119)과 결합되는 흡기구(205a)가 마련되고, 하부 커버(207)의 일측에도 제1 연결관(133a)과 결합되는 배기구(207a)가 마련되어, 필터 카트리지(131a)를 분배관(119)과 제1 연결관(133a) 사이에 장착한다. 필터 카트리지(131a)의 빠르고 용이한 장착 및 탈착을 위해, 흡기구(205a)와 배기구(207a)에 퀵 커플러(Quick Coupler) 등을 설치할 수 있다. 이에 따라, 희석터널(110)에서 배출되는 희석 가스는 분배관(119) → 상부 커버(205) → 여과지(201) → 메쉬 필터(203) → 하부 커버(207) → 제1 연결관(133a)을 통과하여 유량측정부(170)로 유입된다.
이하에서는, 본 발명의 계측장치(100)의 동작을 설명한다.
시료가 되는 배출가스가 가스유입구(117)를 통해 희석터널(110)로 유입되면, 유량측정부(170)는 흡기밸브(115)를 개방하여 외부 공기가 희석터널(110)로 유입되도록 하면서, 흡기밸브(115)를 계속 제어하여 희석 가스의 희석 비율이 일정하게 유지되도록 한다. 이때, 복수 개의 제1 개폐밸브(151a, 151b, 151c)와 제2 개폐밸브(153a, 153b, 153c)는 복수 개의 필터부(130a, 130b, 130c) 중 하나의 필터부만을 선택적으로 개방하도록 제어된다. 설명의 편리를 위해, 제1-1 개폐밸브(151a)와 제2-1 개폐밸브(153a)가 개방되어 제1 필터부(130a)가 동작한다고 가정한다.
희석터널(110)에서 희석된 희석 가스는 분배관(119) → 제1 필터부(130a)의 상부 커버(205) → 여과지(201) → 메쉬 필터(203) → 제1 필터부(130a)의 하부 커버(207) → 제1 연결관(133a)을 통과하여 유량측정부(170)로 유입된다. 이과정에서, 여과지(201)는 희석 가스 내에 포함된 입자상 물질을 포집한다.
유량측정부(170)는 제1 필터부(130a)를 통과한 희석 가스의 유량을 측정하고, 그 측정결과에 따라 흡기밸브(115)를 피드백 제어함으로써 희석비율을 일정하게 유지한다.
제1 필터부(130a)에서의 입자상 물질의 포집이 완료되면, 제1-1 개폐밸브(151a)와 제2-1 개폐밸브(153a)가 폐쇄되어 제1 필터부(130a)가 폐쇄된다. 이에 연동하여 제2 필터부(130b)가 개방될 수도 있고, 다음 준비를 위해 전체 필터부(130a, 130b, 130c)가 잠시동안 모두 폐쇄될 수도 있다.
관리자는 제1 필터부(130a)에서 분배관(119)과 제1 연결관(133a)에 결합된 퀵 커플러를 분리하여 필터 카트리지(131a)를 분리한 다음 별도의 항온 항습 챔버(미도시)로 옮긴다.
챔버 내에서, 관리자는 필터 카트리지(131a)의 클램프(209)를 열어 상부 커버(205)와 하부 커버(207)를 분리하고 메쉬 필터(203)에 놓여 있는 여과지(201)를 분리해 낸다. 관리자는 분리한 여과지(201)를 별도의 측정수단에게 제공함으로써 입자상 물질의 무게를 측정하도록 한다. 당연히, 이러한 동작 중에, 제2 필터부(130b) 또는 제3 필터부(130c)가 동작하여 교번적으로 시험을 중단없이 수행할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.

Claims (5)

  1. 검사대상이 되는 배출가스와 외부 공기가 유입되어 희석되는 희석터널;
    상기 희석터널의 배출구에 연결된 연결하는 분배관;
    상기 희석터널에서 배출되는 희석 가스의 유량을 측정하는 유량측정부;
    상기 분배관과 유량측정부 사이에 장착 또는 탈착 가능하게 연결되어, 상기 희석터널에서 배출되는 희석 가스에 포함된 입자상 물질을 포집하는 여과지를 구비한 필터 카트리지; 및
    상기 필터 카트리지와 상기 유량측정수단 사이에 마련되고, 상기 필터 카트리지가 탈착 또는 장착 가능하도록 구부러지거나 길이가 가변되는 연결관을 포함하는 것을 특징으로 하는 희석터널식 입자상 물질 계측장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 필터 카트리지는
    상기 여과지를 지지하는 메쉬(Mesh) 필터;
    상기 분배관에 결합되는 상부 커버;
    상기 연결관에 결합되고, 상기 상부 커버와 함께 상기 메쉬 필터를 수용할 내부 공간을 형성하는 하부 커버; 및
    상기 상부 커버와 하부 커버의 연결 부분을 조여 밀폐시키는 클램프를 포함하는 것을 특징으로 하는 희석터널식 입자상 물질 계측장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 연결관은, 자유롭게 움직일 수 있는 주름관인 것을 특징으로 하는 희석터널식 입자상 물질 계측장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 필터 카트리지와 연결관을 포함하는 필터부를 복수 개 포함하고,
    상기 희석터널과 복수 개의 필터부 사이에 각각 마련된 복수 개의 제1 개폐밸브와, 상기 유량측정부와 복수 개의 필터부 사이에 각각 마련된 복수 개의 제2 개폐밸브를 포함하여, 입자상 물질의 측정이 상기 복수 개의 필터부에 의해 교번적으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 희석터널식 입자상 물질 계측장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 희석터널의 전단에 마련되어 상기 외부 공기의 유입을 제어하는 흡기밸브를 더 포함하고,
    상기 유량측정부는 측정된 희석 가스의 유량을 기초로 상기 흡기밸브를 제어함으로써 상기 희석터널로 유입되는 외부 공기의 양을 피드백 제어하여, 상기 희석 가스의 희석 비율을 일정하게 유지하는 것을 특징으로 하는 희석터널식 입자상 물질 계측장치.


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