KR20220133589A - 압축성 유동 기반의 가상 임팩터의 설계 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 압축성 유동 기반의 가상 임팩터는, 압축성 유동을 발생시키도록 노즐의 반경에 대한 최적값을 도출하여 노즐을 설계함으로써, 컷 오프 직경을 1μm미만으로 감소시켜 보다 다양한 크기의 입자들을 충분히 농축하여 포집할 수 있기 때문에, 포집 효율은 향상될 수 있는 이점이 있다.

Description

압축성 유동 기반의 가상 임팩터의 설계 방법{Design method of virtual impactor based on compressed flow}
본 발명은 압축성 유동 기반의 가상 임팩터의 설계 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 압축성 유동을 발생시키도록 설계함으로써, 공기 중 바이오 에어로졸을 포함하는 입자들을 보다 효과적으로 포집할 수 있도록 하는 압축성 유동 기반의 가상 임팩터의 설계 방법에 관한 것이다.
일반적으로 관성 임팩터는 공기 중의 바이오 에어로졸을 포함하는 입자들을 관성에 의해 충돌판에 충돌시켜 포집하는 장치이다. 즉, 노즐의 기류 상에 충돌판을 놓고 흡입하면, 기류는 방향을 바꾸지만 입자들은 관성에 의해 충돌판에 충돌하여 포획되는 원리이다.
그러나, 상기 관성 임팩터는 충돌판에 샘플링된 입자들이 재비산하여 배출되는 입자 바운스 현상이 발생되는 문제점이 있다.
한편, 가상 임팩터는 공기 중의 입자들을 관성에 따라 서로 다른 2개의 유로로 이동시켜 크기별로 분리시켜 포집하는 장치이다. 가상 임팩터는 충돌판을 사용하지 않으므로 가상의 임팩터라고 한다. 가상 임팩터는 충돌판이 없기 때문에 입자 바운스가 발생하지 않으나, 마이너 유로로 배출된 관성이 큰 입자들만 샘플링할 수 있기 때문에 샘플링 유량이 적은 문제점이 있다. 이를 해결하기 위하여 유량을 늘릴 경우, 장치의 크기가 커지는 한계가 있다.
한국등록특허 제10-0571705호
본 발명의 목적은, 포집 효율을 향상시키면서 컴팩트화가 가능한 압축성 유동 기반의 가상 임팩터의 설계 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명에 따른 압축성 유동 기반의 가상 임팩터의 설계 방법은, 공기 중의 바이오 에어로졸을 포함하는 입자들이 유입되는 유입부와, 상기 유입부의 출구측에서 돌출되게 구비되어, 상기 유입부로 유입된 공기를 분출하는 원형 단면을 가지는 노즐과, 상기 노즐에서 분출된 입자들 중에서 미리 설정된 컷 오프 직경 미만으로 관성이 작은 제1입자들이 측방향으로 이동하도록 형성된 메이저 유로 채널과, 상기 노즐에서 분출된 입자들 중에서 상기 컷 오프 직경 이상으로 관성이 큰 제2입자들이 상기 노즐의 분출 방향으로 이동하도록 형성된 마이너 유로 채널과, 상기 마이너 유로 채널의 입구측에서 상기 노즐을 향해 돌출되게 구비되어, 상기 제2입자들을 포집하여 상기 마이너 유로 채널로 유입시키도록 형성된 포집 프로브를 포함하는 가상 임팩터의 설계 방법에 있어서, 상기 노즐의 반경(Rn)은, 공기를 고속으로 분사하여 압축성 유동을 발생시켜 상기 컷 오프 직경을 1.0μm보다 작은 설정값 이하로 설정가능하도록 시행착오 방식의 이터레이션을 통해 수렴된 최적값으로 결정하는 단계를 포함한다.
상기 노즐의 반경(Rn)을 결정하는 단계는, 수학식 1로부터 상기 이터레이션을 위한 상기 노즐의 반경의 초기값을 계산하는 과정을 포함하고, 상기 노즐의 반경(Rn)의 초기값은, 상기 수학식 1에 스톡스 수(stk), 입자의 직경(dp), 입자의 밀도(ρp) 및 유량(Q)은 미리 설정된 고정값으로 입력하고, 점성도(μ)는 미리 설정된 초기 점성도(μ0)를 입력하고, 커닝햄 슬립 팩터(cunning slip factor)(Cc)는 미리 설정된 초기값으로 입력하여 도출한다.
[수학식 1]
Figure pat00001
상기 노즐의 반경(Rn)을 결정하는 단계는, 수학식 2로부터 마하수(M)를 계산하는 과정을 더 포함하고, 상기 마하수(M)는, 상기 수학식 2에 상기 유량(Q)과 상기 수학식 1로부터 계산된 상기 노즐의 반경(Rn)을 입력하여 도출한다.
[수학식 2]
Figure pat00002
상기 노즐의 반경(Rn)을 결정하는 단계는, 수학식 3으로부터 온도(T)를 계산하는 과정을 더 포함하고, 상기 온도(T)는, 상기 수학식 3에 상기 수학식 2로부터 계산된 마하수(M), 미리 설정된 비열비(k), 미리 설정된 초기온도(T0)를 입력하여 도출한다.
[수학식 3]
Figure pat00003
상기 노즐의 반경(Rn)을 결정하는 단계는, 수학식 4로부터 압력(P)을 계산하는 과정을 더 포함하고, 상기 압력(P)은, 상기 수학식 4에 상기 수학식 2로부터 계산된 마하수(M), 상기 비열비(k), 미리 설정된 초기압력(P0)를 입력하여 도출한다.
[수학식 4]
Figure pat00004
상기 노즐의 반경(Rn)을 결정하는 단계는, 수학식 5로부터 상기 점성도(μ)를 계산하는 과정을 더 포함하고, 상기 점성도(μ)는, 상기 수학식 5에 상기 수학식 3으로부터 계산된 온도(T), 상기 초기 온도(T0), 상기 초기 점성도(μ0)를 입력하여 도출한다.
[수학식 5]
Figure pat00005
상기 노즐의 반경(Rn)을 결정하는 단계는, 수학식 6으로부터 상기 커닝햄 슬립 팩터(Cc)를 계산하는 과정을 더 포함하고, 상기 커닝햄 슬립 팩터(Cc)는, 상기 수학식 6에 상기 수학식 4로부터 계산된 계산된 압력(P), 상기 입자의 직경(dp)을 입력하여 도출한다.
[수학식 6]
Figure pat00006
상기 노즐의 반경(Rn)을 결정하는 단계에서는, 상기 수학식 1에 스톡스 수(stk), 입자의 직경(dp), 입자의 밀도(ρp) 및 유량(Q)은 미리 설정된 고정값으로 입력하고, 상기 수학식 5로부터 계산된 점성도(μ)와 상기 수학식 6으로부터 계산된 커닝햄 슬립 팩터(Cc)을 입력하여, 상기 수학식 1로부터 상기 노즐의 반경(Rn)을 신규값으로 도출하여, 상기 신규값과 기 도출된 노즐의 반경(Rn)과의 차이를 도출하고, 상기 차이가 미리 설정된 오차범위 이내이면, 상기 신규값을 상기 노즐의 반경(Rn)에 대한 최종값으로 결정한다.
상기 차이가 상기 오차범위를 초과하면, 상기 차이가 미리 설정된 오차범위 이내에 들때까지 상기 수학식 1 내지 상기 수학식 5을 이용하여 상기 노즐의 반경(Rn)을 도출하는 과정을 이터레이션한다.
상기 노즐의 반경(Rn)은, 0.53mm 내지 0.56mm 범위 내로 설정된다.
상기 노즐의 직경(Dn)에 대한 상기 포집 프로브의 직경(Dc)의 비율인 직경 비율(Dc/Dn)을 결정하는 단계를 더 포함하고, 상기 직경 비율(Dc/Dn)을 결정하는 단계는, 상기 입자의 직경(dp)에 따라 상기 직경 비율(Dc/Dn)을 변화시키면서 상기 마이너 유로 채널의 포집 효율을 측정하기 위한 시뮬레이션을 수행하여, 상기 입자의 직경(dp)이 상기 컷 오프 직경 미만일 때 상기 포집 효율이 가장 높은 직경 비율(Dc/Dn)을 최적값으로 결정한다.
상기 직경 비율(Dc/Dn)을 결정하는 단계에서는, 상기 입자의 직경을 0.1μm에서부터 10μm까지 변화시키고, 상기 직경 비율(Dc/Dn)을 1.0 내지 1.8 범위내에서 변화시키면서 상기 포집 효율을 측정하기 위한 시뮬레이션을 수행하여, 상기 직경 비율(Dc/Dn)은 1.3 내지 1.5 범위내로 결정된다.
상기 노즐의 직경(Dn)에 대한 상기 포집 프로브와 상기 노즐 사이의 직선 거리(S)의 거리 비율(S/Dn)을 결정하는 단계를 더 포함하고, 상기 거리 비율(S/Dn)을 결정하는 단계는, 상기 입자의 직경(dp)에 따라 상기 거리 비율(S/Dn)을 변화시키면서 상기 마이너 유로 채널의 포집 효율을 측정하기 위한 시뮬레이션을 수행하여, 상기 입자의 직경(dp)이 상기 컷 오프 직경 미만일 때 상기 포집 효율이 가장 높은 거리 비율(S/Dn)을 최적값으로 결정한다.
상기 거리 비율(S/Dn)을 결정하는 단계에서는, 상기 입자의 직경을 0.1μm에서부터 10μm까지 변화시키고, 상기 거리 비율(S/Dn)을 1.2 내지 2.0 범위내에서 변화시키면서 상기 포집 효율을 측정하기 위한 시뮬레이션을 수행하여, 상기 거리 비율(S/Dn)은 1.5 내지 1.7 범위 내로 결정된다.
상기 포집 프로브의 내주면은 상기 노즐을 향한 방향으로 갈수록 단면적이 축소되도록 경사 각도(θ)로 경사지게 설정되고, 상기 포집 프로브의 경사각도(θ)를 결정하는 단계를 더 포함하고, 상기 포집 프로브의 경사각도(θ)를 결정하는 단계는, 상기 입자의 직경(dp)에 따라 상기 포집 프로브의 경사각도(θ)을 변화시키면서 상기 마이너 유로 채널의 포집 효율을 측정하기 위한 시뮬레이션을 수행하여, 상기 입자의 직경(dp)이 상기 컷 오프 직경 미만일 때 상기 포집 효율이 가장 높은 상기 포집 프로브의 경사각도(θ)를 최적값으로 결정한다.
상기 포집 프로브의 경사각도(θ)를 결정하는 단계에서는, 상기 입자의 직경을 0.1μm에서부터 10μm까지 변화시키고, 상기 경사 각도를 5도 내지 30도 범위내에서 변화시키면서 상기 포집 효율을 측정하여, 상기 포집 프로브의 경사각도(θ)는, 5도 내지 15도 범위내로 결정된다.
본 발명의 다른 측면에 따른 압축성 유동 기반의 가상 임팩터의 설계 방법은, 공기 중의 바이오 에어로졸을 포함하는 입자들이 유입되는 유입부와, 상기 유입부의 출구측에서 돌출되게 구비되어, 상기 유입부로 유입된 공기를 분출하는 원형 단면의 노즐과, 상기 노즐에서 분출된 입자들 중에서 미리 설정된 컷 오프 직경 미만으로 관성이 작은 제1입자들이 측방향으로 이동하도록 형성된 메이저 유로 채널과, 상기 노즐에서 분출된 입자들 중에서 상기 컷 오프 직경 이상으로 관성이 큰 제2입자들이 상기 노즐의 분출 방향으로 이동하도록 형성된 마이너 유로 채널과, 상기 마이너 유로 채널의 입구측에서 상기 노즐을 향해 돌출되게 구비되어, 상기 제2입자들을 포집하여 상기 마이너 유로 채널로 유입시키도록 형성된 포집 프로브를 포함하는 가상 임팩터의 설계 방법에 있어서, 상기 노즐의 반경(Rn)은, 공기를 고속으로 분사하여 압축성 유동을 발생시켜 상기 컷 오프 직경을 1.0μm보다 작은 설정값 이하로 설정가능하도록 시행착오 방식의 이터레이션을 통해 수렴된 최적값으로 결정하는 단계와; 상기 입자의 직경에 따라 상기 노즐의 직경(Dn)에 대한 상기 포집 프로브의 직경(Dc)의 비율인 직경 비율(Dc/Dn)을 변화시키면서 상기 마이너 유로 채널의 포집 효율을 측정하기 위한 시뮬레이션을 수행하여, 상기 포집 효율이 가장 높은 직경 비율(Dc/Dn)을 결정하는 단계와; 상기 입자의 직경에 따라 상기 노즐의 직경(Dn)에 대한 상기 포집 프로브와 상기 노즐 사이의 직선 거리(S)의 비율을 변화시키면서 상기 마이너 유로 채널의 포집 효율을 측정하기 위한 시뮬레이션을 수행하여, 상기 포집 효율이 가장 높은 거리 비율(S/Dn)을 결정하는 단계와; 상기 입자의 직경에 따라 상기 포집 프로브의 경사각도(θ)를 변화시키면서 상기 마이너 유로 채널의 포집 효율을 측정하기 위한 시뮬레이션을 수행하여, 상기 포집 효율이 가장 높은 상기 포집 프로브의 경사각도(θ)를 결정하는 단계를 더 포함하고, 상기 노즐의 반경(Rn)은, 0.53mm 내지 0.56mm 범위 내로 설정되고, 상기 직경 비율(Dc/Dn)은 1.3 내지 1.5 범위내로 설정되고, 상기 거리 비율(S/Dn)은 1.5 내지 1.7 범위 내로 설정되고, 상기 포집 프로브의 경사각도(θ)는, 5도 내지 15도 범위내로 설정된다.
본 발명에 따른 압축성 유동 기반의 가상 임팩터는, 압축성 유동을 발생시키도록 노즐의 반경에 대한 최적값을 도출하여 노즐을 설계함으로써, 컷 오프 직경을 1μm미만으로 감소시켜 보다 다양한 크기의 입자들을 충분히 농축하여 포집할 수 있기 때문에, 포집 효율은 향상될 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 압축 유동 기반의 가상 임팩터를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 가상 임팩터에서 노즐의 직경에 대한 포집 프로브와 노즐 사이의 거리 비율에 따른 포집 효율에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 가상 임팩터에서 포집 프로브의 경사 각도에 대한 포집 프로브의 직경의 비율에 따른 포집 효율에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 가상 임팩터에서 노즐의 직경에 대한 포집 프로브의 직경의 비율에 따른 포집 효율에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 가상 임팩터에서 노즐의 직경에 대한 포집 프로브의 직경의 비율에 따른 포집 효율에 대해 실험 결과와 시뮬레이션 결과를 비교하여 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 설명하면, 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 압축 유동 기반의 가상 임팩터를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 압축 유동 기반의 가상 임팩터(Virtual impactor)(10)는, 공기 중 미세먼지 뿐만 아니라 바이러스나 박테리아와 같은 바이오 에어로졸을 포함하는 입자들을 채집하기 위한 채집기의 전처리 장치이다.
상기 가상 임팩터(10)는, 충돌판이 구비되어 있지 않고 관성을 이용하여 입자들의 크기에 따라 분류하는 장치이다.
상기 가상 임팩터(10)는, 유입부(11), 노즐(12), 메이저 유로 채널(major flow channel)(13), 마이너 유로 채널(minor flow channel)(14) 및 포집 프로브(collection probe)(15)를 포함한다.
상기 유입부(11)는, 공기 중의 바이오 에어로졸을 포함하는 입자들이 유입되는 유입구이다.
상기 노즐(12)은, 상기 유입부(11)의 출구측에서 돌출되게 구비되어, 상기 유입부(11)로 유입된 공기를 고속으로 분출한다. 상기 노즐(12)은 적어도 일부분이 원형 단면을 가지도록 형성되는 바, 본 실시예에서는 단부가 원형 단면을 가지는 것으로 설명한다.
상기 메이저 유로 채널(13)은, 상기 노즐(12)에서 분출된 입자들 중에서 미리 설정된 컷 오프 직경(cut-off diameter) 미만으로 관성이 작은 제1입자들이 측방향으로 이동하도록 형성된 채널이다. 상기 메이저 유로 채널(13)은, 상기 가상 임팩터(10)에서 좌측과 우측에 구비된다.
상기 마이너 유로 채널(14)은, 상기 노즐(12)에서 분출된 입자들 중에서 상기 컷 오프 직경 이상으로 관성이 큰 제2입자들이 상기 노즐(12)의 분출 방향인 하방향으로 이동하도록 형성된 채널이다. 즉, 상기 마이너 유로 채널(14)은, 상기 가상 임팩터(10)의 하부에 구비된다.
상기 컷 오프 직경은, 상기 입자들이 분류될 수 있는 분류 기준이 된다. 상기 컷 오프 직경이 작을수록 보다 작은 입자들의 포집이 가능하므로 바이오 에어로졸 등 다양한 크기의 입자들을 충분히 농축하여 포집할 수 있다. 상기 컷 오프 직경은, 상기 노즐(12)에서 분출되는 공기의 유량, 유속 등에 따라 달라지게 된다.
따라서 본 실시예에서는 상기 컷 오프 직경을 1.0μm보다 작은 설정값 이하로 설정가능하도록 상기 노즐(12)의 반경(Rn)이 설정된다. 여기서, 상기 노즐(12)의 반경(Rn)은 원형 단면부의 반경이다. 상기 노즐(12)의 반경(Rn)을 결정하는 방법은 뒤에서 상세히 설명하기로 한다.
상기 포집 프로브(15)는, 상기 마이너 유로 채널(14)의 입구측에서 상기 노즐(12)을 향해 돌출되게 형성되어, 상기 컷 오프 직경 이상으로 관성이 큰 제2입자들을 포집하여 상기 마이너 유로 채널(14)로 유입시키는 역할을 한다. 즉, 상기 포집 프로브(15)와 상기 노즐(12)은 상하방향으로 서로 대향되게 배치된다.
상기 포집 프로브(15)의 내주면은 상기 노즐(12)을 향한 상방향으로 갈수록 단면적이 축소되는 형상으로 형성된다. 즉, 상기 포집 프로브(15)의 내주면은 연직 방향에 대해 미리 설정된 경사 각도(θ)로 경사지게 형성된다.
상기 경사 각도(θ)는, 후술하는 상기 포집 프로브(15)의 경사 각도(θ)를 결정하는 단계에 의해 결정된다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 압축성 유동 기반의 가상 임팩터(10)의 설계 방법을 설명하면 다음과 같다.
상기 압축성 유동 기반의 가상 임팩터(10)를 설계하는 방법은, 상기 노즐(12)의 반경(Rn)을 결정하는 단계, 상기 노즐의 직경(Dn)에 대한 상기 포집 프로브의 직경(Dc)의 비율인 직경 비율(Dc/Dn)을 결정하는 단계와, 상기 노즐의 직경(Dn)에 대한 상기 포집 프로브와 상기 노즐 사이의 직선 거리(S)의 거리 비율(S/Dc)을 결정하는 단계와, 상기 포집 프로브의 경사각도(θ)를 결정하는 단계를 포함한다.
상기 노즐(12)의 반경(Rn)을 결정하는 단계를 설명하면, 다음과 같다.
상기 노즐(12)의 반경(Rn)은, 공기를 고속으로 분사하여 압축성 유동을 발생시켜 상기 컷 오프 직경을 1.0μm보다 작은 설정값 이하로 설정가능하도록 시행착오(trial and error) 방식의 이터레이션(iteration)을 통해 수렴된 최적값으로 결정한다.
상기 이터레이션을 통해 상기 노즐(12)의 반경(Rn)을 결정하는 방법은 다음과 같다.
먼저, 수학식 1로부터 상기 이터레이션을 위한 기본값인 상기 노즐의 반경(Rn)의 초기값을 계산하는 과정을 수행한다. 상기 수학식 1은 스톡스 수(Stoke's number, Stk)에 대한 식이다.
상기 노즐의 반경(Rn)의 초기값은, 상기 수학식 1에 스톡스 수(stk), 입자의 직경(dp)(μm), 입자의 밀도(ρp)(kg/m3) 및 유량(Q)(m3/s)은 미리 설정된 고정값으로 입력하고, 점성도(μ)(kg/m*sec)는 미리 설정된 초기 점성도(μ0)를 입력하고, 커닝햄 슬립 팩터(cunning slip factor)(Cc)는 미리 설정된 초기값으로 입력하여 도출한다.
이 때, 상기 노즐의 반경(Rn)의 초기값을 계산하기 위한 수학식 1에는 상기 초기 점성도(μ0)와 상기 커닝햄 슬립 팩터(cunning slip factor)(Cc)의 초기값은 비압축성 유동일 때의 값이 입력된다.
또한, 스톡스 수(stk)는 미리 설정된 무차원 수이다. 본 실시예에서는 스톡스 수는 0.63으로 입력하는 것으로 예를 들어 설명한다.
Figure pat00007
따라서, 상기 수학식 1에 상기 스톡스 수(stk), 입자의 직경(dp), 입자의 밀도(ρp), 유량(Q), 초기 점성도(μ0)와 커닝햄 슬립 팩터(cunning slip factor)(Cc)를 모두 입력하면, 상기 수학식 1로부터 상기 노즐(12)의 반경(Rn)의 초기값을 계산할 수 있다.
상기 수학식 1로부터 상기 노즐(12)의 반경(Rn)의 초기값이 계산되면, 수학식 2로부터 마하수(M)를 계산하는 과정을 수행한다.
상기 마하수(M)는, 상기 수학식 2에 상기 유량(Q)과 상기 수학식 1로부터 계산된 상기 노즐의 반경(Rn)을 입력하여 도출한다.
Figure pat00008
상기 수학식 2로부터 상기 마하수(M)가 도출되면, 수학식 3으로부터 온도(T)(K)를 계산하는 과정을 수행한다.
즉, 압축성 유동의 경우 온도와 압력이 변하기 때문에, 수학식 3으로부터 온도를 계산하고 수학식 4로부터 압력(P)(Pa)을 계산한다.
상기 온도(T)는, 상기 수학식 3에 상기 수학식 2로부터 계산된 마하수(M), 미리 설정된 비열비(k), 미리 설정된 초기온도(T0)를 입력하여 도출한다.
Figure pat00009
또한, 수학식 4로부터 압력(P)을 계산하는 과정을 수행한다.
상기 압력(P)은, 상기 수학식 4에 상기 수학식 2로부터 계산된 마하수(M), 상기 비열비(k), 미리 설정된 초기압력(P0)를 입력하여 도출한다.
Figure pat00010
상기 수학식 3과 상기 수학식 4로부터 각각 상기 온도(T)와 상기 압력(P)이 도출되면, 이를 이용하여 압축성 유동에서 온도의 변수인 점성도(μ)를 계산하고, 압력의 변수인 커닝햄 슬립 팩터(Cc)를 계산한다.
수학식 5로부터 상기 점성도(μ)를 계산하는 과정을 수행한다.
상기 점성도(μ)는, 상기 수학식 5에 상기 수학식 3으로부터 계산된 온도(T), 상기 초기 온도(T0), 상기 초기 점성도(μ0)를 입력하여 도출한다.
Figure pat00011
또한, 수학식 6으로부터 상기 커닝햄 슬립 팩터(Cc)를 계산하는 과정을 수행한다.
상기 커닝햄 슬립 팩터(Cc)는, 상기 수학식 6에 상기 수학식 4로부터 계산된 계산된 압력(P), 상기 입자의 직경(dp)을 입력하여 상기 커닝햄 슬립 팩터(Cc)를 계산하여 도출한다.
Figure pat00012
상기 수학식 5로부터 계산된 점성도(μ)와 상기 수학식 6으로부터 계산된 커닝햄 슬립 팩터(Cc)는 압축성 유동에 대한 값이다.
상기 수학식 5로부터 계산된 점성도(μ)가 이전의 점성도(μ)를 갱신하고, 상기 수학식 6으로부터 계산된 커닝햄 슬립 팩터(Cc)가 이전의 커닝햄 슬립 팩터(Cc)를 갱신하게 된다.
따라서, 상기 수학식 5로부터 계산된 점성도(μ)와 상기 수학식 6으로부터 계산된 커닝햄 슬립 팩터(Cc)를 상기 수학식 1에 새로 입력한다.
상기 수학식 1에 상기 스톡스 수(stk), 상기 입자의 직경(dp), 상기 입자의 밀도(ρp) 및 유량(Q)은 미리 설정된 고정값으로 입력하고, 상기 수학식 5로부터 계산된 점성도(μ)와 상기 수학식 6으로부터 계산된 커닝햄 슬립 팩터(Cc)를 입력하면, 상기 노즐(12)의 반경(Rn)이 신규값으로 새로 도출된다. 즉, 상기 수학식 1에 압축성 유동 기반의 값인 상기 점성도(μ)와 상기 커닝햄 슬립 팩터(Cc)가 입력된다.
상기 노즐(12)의 반경(Rn)의 신규값이 도출되면, 시행착오(trial and error) 방식에 따라 상기 신규값과 기 도출된 노즐(12)의 반경(Rn)인 이전값과의 차이를 계산한다.
상기 차이가 미리 설정된 오차 범위 이내이면, 상기 노즐(12)의 반경(Rn)의 신규값을 압축성 유동을 발생시킬 수 있는 상기 노즐의 반경(Rn)에 대한 최종값으로 결정한다.
한편, 상기 차이가 상기 오차범위를 초과하면, 상기 차이가 미리 설정된 오차범위 이내에 들때까지 상기 수학식 1 내지 상기 수학식 5를 이용하여 상기 노즐의 반경(Rn)을 도출하는 과정을 이터레이션한다.
상기와 같이, 상기 노즐(12)의 반경(Rn)이 변하면, 상기 마하수(M)가 변하고, 상기 마하수(M)에 따라 온도(T)와 압력(P)이 변하게 되고, 온도와 압력에 따라 상기 점성도(μ)와 상기 커닝햄 슬립 팩터(Cc)가 변하게 된다.
이러한 과정을 이터레이션함으로써, 압축성 유동을 발생시킬 수 있는 상기 노즐(12)의 반경(Rn)이 최적값으로 수렴하게 된다.
상기 이터레이션 과정을 통해 상기 노즐(12)의 반경(Rn)은 0.53mm 내지 0.56mm 범위 내로 수렴되어 설정되었다.
상기 노즐(12)의 반경(Rn)은 0.53mm 내지 0.56mm 범위 내로 설정되어 상기 노즐(12)이 설계되면, 상기 노즐(12)에서 분출되는 공기의 유동은 압축성 유동이 되며, 상기 컷 오프 직경을 0.4μm 내지 0.55μm 범위내로 감소될 수 있다.
여기서, 상기 컷 오프 직경은 0.45μm이고, 상기 노즐(12)의 반경(Rn)은 0.545mm인 것으로 예를 들어 설명한다. 상기 노즐(12)의 반경(Rn)이 0.545mm이므로 상기 노즐(12)의 직경(Dn)은 1.09mm로 설정된다.
따라서, 상기 노즐(12)에 의해 압축성 유동이 형성되고 상기 컷 오프 직경이 1μm 미만으로 설정됨으로써, 보다 작은 크기의 입자들을 충분히 농축하여 포집할 수 있다.
상기와 같은 방법으로 상기 노즐(12)의 직경(Dn)이 결정되면, 상기 노즐의 직경(Dn)에 대한 상기 포집 프로브의 직경(Dc)의 비율인 직경 비율(Dc/Dn)을 결정하는 단계를 수행한다.
상기 직경 비율(Dc/Dn)을 결정하는 단계는, 상기 입자의 직경(dp)에 따라 상기 직경 비율(Dc/Dn)을 변화시키면서 상기 마이너 유로 채널(14)의 포집 효율(Collection efficiency,%)을 측정하기 위한 시뮬레이션을 수행하여, 상기 입자의 직경(dp)이 상기 컷 오프 직경 미만일 때 상기 포집 효율이 가장 높은 직경 비율(Dc/Dn)을 최적값으로 결정한다.
여기서, 상기 시뮬레이션은 상용화되어 있는 유체역학 시뮬레이션 프로그램을 사용하였다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 가상 임팩터에서 노즐의 직경에 대한 포집 프로브의 직경의 비율에 따른 포집 효율에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4를 참조하면, 상기 입자의 직경을 0.1μm에서부터 10μm까지 변화시키고, 상기 직경 비율(Dc/Dn)을 1.0 내지 1.8 범위내에서 변화시키면서 상기 포집 효율을 측정하였다.
상기 입자의 직경(dp)이 1μm 이하에서 상기 직경 비율(Dc/Dn)이 1.4일 때 상기 포집 효율이 77%로 가장 높은 것을 알 수 있다.
따라서, 상기 직경 비율(Dc/Dn)이 1.4로 결정될 수 있다.
또한, 상기와 같은 방법으로 상기 노즐(12)의 직경(Dn)이 결정되면, 상기 노즐의 직경(Dn)에 대한 상기 포집 프로브와 상기 노즐 사이의 직선 거리(S)의 거리 비율(S/Dn)을 결정하는 단계를 수행한다.
상기 거리 비율(S/Dn)을 결정하는 단계는, 상기 입자의 직경(dp)에 따라 상기 거리 비율(S/Dn)을 변화시키면서 상기 마이너 유로 채널(14)의 포집 효율을 측정하기 위한 시뮬레이션을 수행하여, 상기 입자의 직경(dp)이 상기 컷 오프 직경 미만일 때 상기 포집 효율이 가장 높은 거리 비율(S/Dn)을 최적값으로 결정한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 가상 임팩터에서 노즐의 직경에 대한 포집 프로브와 노즐 사이의 거리 비율에 따른 포집 효율에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.
도 2를 참조하면, 상기 입자의 직경을 0.1μm에서부터 10μm까지 변화시키고, 상기 거리 비율(S/Dn)을 1.2 내지 2.0 범위내에서 변화시키면서 상기 포집 효율을 측정하였다.
상기 입자의 직경(dp)이 1μm 이하에서 상기 거리 비율(S/Dn)은 1.6일 때 상기 포집 효율이 최대인 것을 알 수 있다.
또한, 상기 포집 효율이 최대가 될 수 있도록 상기 포집 프로브의 경사각도(θ)를 결정하는 단계를 수행한다.
상기 포집 프로브의 경사각도(θ)를 결정하는 단계는, 상기 입자의 직경(dp)에 따라 상기 포집 프로브의 경사각도(θ)을 변화시키면서 상기 마이너 유로 채널의 포집 효율을 측정하기 위한 시뮬레이션을 수행하여, 상기 입자의 직경(dp)이 상기 컷 오프 직경 미만일 때 상기 포집 효율이 가장 높은 상기 포집 프로브의 경사각도(θ)를 최적값으로 결정한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 가상 임팩터에서 포집 프로브의 경사 각도에 대한 포집 프로브의 직경의 비율에 따른 포집 효율에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.
도 3을 참조하면, 상기 입자의 직경을 0.1μm에서부터 10μm까지 변화시키고, 상기 경사 각도를 5도 내지 30도 범위내에서 변화시키면서 상기 포집 효율을 측정하였다.
상기 입자의 직경(dp)이 1μm 이하에서 상기 포집 프로브의 경사각도(θ)가 5도일 때 상기 포집 효율이 가장 높고, 15도 이하일 때 상기 포집 효율이 크게 감소하지 않는 것을 알 수 있다.
따라서, 상기 포집 프로브의 경사각도(θ)는, 5도 내지 15도 범위 이내이며, 본 실시예에서는 5도를 최적값으로 결정하였다.
한편, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 가상 임팩터에서 노즐의 직경에 대한 포집 프로브의 직경의 비율에 따른 포집 효율에 대해 실험 결과와 시뮬레이션 결과를 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 5를 참조하면, 상기 거리 비율(S/Dn)은 1.6으로 설정하고, 상기 포집 프로브의 경사각도(θ)는 5도로 설정하고, 상기 직경 비율(Dc/Dn)은 변화시키면서 시뮬레이션 결과(Sim-com)와 실험 결과(Exp)를 비교하였다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 상기 직경 비율(Dc/Dn)이 상기 포집 효율에 가장 영향을 많이 주는 요소이기 때문에, 상기 직경 비율(Dc/Dn)은 변화시키면서 시뮬레이션 결과(Sim-com)와 실험 결과(Exp)를 비교하였다.
상기 시뮬레이션 결과(Sim-com)에서 상기 입자의 직경(dp)이 1μm 이하에서 상기 직경 비율(Dc/Dn)이 1.4일 때, 상기 포집 효율은 77%로 가장 높은 것으로 나타났다.
상기 실험 결과(Exp)에서도 상기 입자의 직경(dp)이 1μm 이하에서 상기 직경 비율(Dc/Dn)이 1.4일 때, 상기 포집 효율은 78.2%로 가장 높은 것으로 나타났다.
또한, 상기 시뮬레이션 결과(Sim-com)와 상기 실험 결과(Exp)가 거의 비슷한 결과를 나타낸 것을 알 수 있다.
따라서, 상기와 같이 압축성 유동을 발생시킬 수 있도록 상기 노즐(12)을 설계함으로써, 상기 컷 오프 직경을 0.45μm까지 낮출 수 있기 때문에, 보다 다양한 크기의 입자들을 충분히 농축하여 포집할 수 있는 이점이 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
10: 가상 임팩터 11: 유입부
12: 노즐 13: 메이저 유로 채널
14: 마이너 유로 채널 15: 포집 프로브

Claims (17)

  1. 공기 중의 바이오 에어로졸을 포함하는 입자들이 유입되는 유입부와,
    상기 유입부의 출구측에서 돌출되게 구비되어, 상기 유입부로 유입된 공기를 분출하는 원형 단면을 가지는 노즐과,
    상기 노즐에서 분출된 입자들 중에서 미리 설정된 컷 오프 직경 미만으로 관성이 작은 제1입자들이 측방향으로 이동하도록 형성된 메이저 유로 채널과,
    상기 노즐에서 분출된 입자들 중에서 상기 컷 오프 직경 이상으로 관성이 큰 제2입자들이 상기 노즐의 분출 방향으로 이동하도록 형성된 마이너 유로 채널과,
    상기 마이너 유로 채널의 입구측에서 상기 노즐을 향해 돌출되게 구비되어, 상기 제2입자들을 포집하여 상기 마이너 유로 채널로 유입시키도록 형성된 포집 프로브를 포함하는 가상 임팩터의 설계 방법에 있어서,
    상기 노즐의 반경(Rn)은, 공기를 고속으로 분사하여 압축성 유동을 발생시켜 상기 컷 오프 직경을 1.0μm보다 작은 설정값 이하로 설정가능하도록 시행착오 방식의 이터레이션을 통해 수렴된 최적값으로 결정하는 단계를 포함하는 압축성 유동 기반의 가상 임팩터의 설계 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 노즐의 반경(Rn)을 결정하는 단계는,
    수학식 1로부터 상기 이터레이션을 위한 상기 노즐의 반경의 초기값을 계산하는 과정을 포함하고,
    상기 노즐의 반경(Rn)의 초기값은,
    상기 수학식 1에 스톡스 수(stk), 입자의 직경(dp), 입자의 밀도(ρp) 및 유량(Q)은 미리 설정된 고정값으로 입력하고, 점성도(μ)는 미리 설정된 초기 점성도(μ0)를 입력하고, 커닝햄 슬립 팩터(cunning slip factor)(Cc)는 미리 설정된 초기값으로 입력하여 도출하는 압축성 유동 기반의 가상 임팩터의 설계 방법.
    [수학식 1]
    Figure pat00013
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 노즐의 반경(Rn)을 결정하는 단계는,
    수학식 2로부터 마하수(M)를 계산하는 과정을 더 포함하고,
    상기 마하수(M)는,
    상기 수학식 2에 상기 유량(Q)과 상기 수학식 1로부터 계산된 상기 노즐의 반경(Rn)을 입력하여 도출하는 압축성 유동 기반의 가상 임팩터의 설계 방법.
    [수학식 2]
    Figure pat00014
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 노즐의 반경(Rn)을 결정하는 단계는,
    수학식 3으로부터 온도(T)를 계산하는 과정을 더 포함하고,
    상기 온도(T)는,
    상기 수학식 3에 상기 수학식 2로부터 계산된 마하수(M), 미리 설정된 비열비(k), 미리 설정된 초기온도(T0)를 입력하여 도출하는 압축성 유동 기반의 가상 임팩터의 설계 방법.
    [수학식 3]
    Figure pat00015
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 노즐의 반경(Rn)을 결정하는 단계는,
    수학식 4로부터 압력(P)을 계산하는 과정을 더 포함하고,
    상기 압력(P)은,
    상기 수학식 4에 상기 수학식 2로부터 계산된 마하수(M), 상기 비열비(k), 미리 설정된 초기압력(P0)를 입력하여 도출하는 압축성 유동 기반의 가상 임팩터의 설계 방법.
    [수학식 4]
    Figure pat00016
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 노즐의 반경(Rn)을 결정하는 단계는,
    수학식 5로부터 상기 점성도(μ)를 계산하는 과정을 더 포함하고,
    상기 점성도(μ)는,
    상기 수학식 5에 상기 수학식 3으로부터 계산된 온도(T), 상기 초기 온도(T0), 상기 초기 점성도(μ0)를 입력하여 도출하는 압축성 유동 기반의 가상 임팩터의 설계 방법.
    [수학식 5]
    Figure pat00017
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 노즐의 반경(Rn)을 결정하는 단계는,
    수학식 6으로부터 상기 커닝햄 슬립 팩터(Cc)를 계산하는 과정을 더 포함하고,
    상기 커닝햄 슬립 팩터(Cc)는,
    상기 수학식 6에 상기 수학식 4로부터 계산된 계산된 압력(P), 상기 입자의 직경(dp)을 입력하여 도출하는 압축성 유동 기반의 가상 임팩터의 설계 방법.
    [수학식 6]
    Figure pat00018
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 노즐의 반경(Rn)을 결정하는 단계에서는,
    상기 수학식 1에 스톡스 수(stk), 입자의 직경(dp), 입자의 밀도(ρp) 및 유량(Q)은 미리 설정된 고정값으로 입력하고, 상기 수학식 5로부터 계산된 점성도(μ)와 상기 수학식 6으로부터 계산된 커닝햄 슬립 팩터(Cc)을 입력하여,
    상기 수학식 1로부터 상기 노즐의 반경(Rn)을 신규값으로 도출하여, 상기 신규값과 기 도출된 노즐의 반경(Rn)과의 차이를 도출하고,
    상기 차이가 미리 설정된 오차범위 이내이면, 상기 신규값을 상기 노즐의 반경(Rn)에 대한 최종값으로 결정하는 압축성 유동 기반의 가상 임팩터의 설계 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 차이가 상기 오차범위를 초과하면,
    상기 차이가 미리 설정된 오차범위 이내에 들때까지 상기 수학식 1 내지 상기 수학식 5을 이용하여 상기 노즐의 반경(Rn)을 도출하는 과정을 이터레이션하는 압축성 유동 기반의 가상 임팩터의 설계 방법.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 노즐의 반경(Rn)은, 0.53mm 내지 0.56mm 범위 내로 설정되는 압축성 유동 기반의 가상 임팩터의 설계 방법.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 노즐의 직경(Dn)에 대한 상기 포집 프로브의 직경(Dc)의 비율인 직경 비율(Dc/Dn)을 결정하는 단계를 더 포함하고,
    상기 직경 비율(Dc/Dn)을 결정하는 단계는,
    상기 입자의 직경(dp)에 따라 상기 직경 비율(Dc/Dn)을 변화시키면서 상기 마이너 유로 채널의 포집 효율을 측정하기 위한 시뮬레이션을 수행하여,
    상기 입자의 직경(dp)이 상기 컷 오프 직경 미만일 때 상기 포집 효율이 가장 높은 직경 비율(Dc/Dn)을 최적값으로 결정하는 압축성 유동 기반의 가상 임팩터의 설계 방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 직경 비율(Dc/Dn)을 결정하는 단계에서는,
    상기 입자의 직경을 0.1μm에서부터 10μm까지 변화시키고, 상기 직경 비율(Dc/Dn)을 1.0 내지 1.8 범위내에서 변화시키면서 상기 포집 효율을 측정하기 위한 시뮬레이션을 수행하여,
    상기 직경 비율(Dc/Dn)은 1.3 내지 1.5 범위내로 결정된 압축성 유동 기반의 가상 임팩터의 설계 방법.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 노즐의 직경(Dn)에 대한 상기 포집 프로브와 상기 노즐 사이의 직선 거리(S)의 거리 비율(S/Dn)을 결정하는 단계를 더 포함하고,
    상기 거리 비율(S/Dn)을 결정하는 단계는,
    상기 입자의 직경(dp)에 따라 상기 거리 비율(S/Dn)을 변화시키면서 상기 마이너 유로 채널의 포집 효율을 측정하기 위한 시뮬레이션을 수행하여,
    상기 입자의 직경(dp)이 상기 컷 오프 직경 미만일 때 상기 포집 효율이 가장 높은 거리 비율(S/Dn)을 최적값으로 결정하는 압축성 유동 기반의 가상 임팩터의 설계 방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 거리 비율(S/Dn)을 결정하는 단계에서는,
    상기 입자의 직경을 0.1μm에서부터 10μm까지 변화시키고, 상기 거리 비율(S/Dn)을 1.2 내지 2.0 범위내에서 변화시키면서 상기 포집 효율을 측정하기 위한 시뮬레이션을 수행하여,
    상기 거리 비율(S/Dn)은 1.5 내지 1.7 범위 내로 결정된 압축성 유동 기반의 가상 임팩터의 설계 방법.
  15. 청구항 1에 있어서,
    상기 포집 프로브의 내주면은 상기 노즐을 향한 방향으로 갈수록 단면적이 축소되도록 경사 각도(θ)로 경사지게 설정되고,
    상기 포집 프로브의 경사각도(θ)를 결정하는 단계를 더 포함하고,
    상기 포집 프로브의 경사각도(θ)를 결정하는 단계는,
    상기 입자의 직경(dp)에 따라 상기 포집 프로브의 경사각도(θ)을 변화시키면서 상기 마이너 유로 채널의 포집 효율을 측정하기 위한 시뮬레이션을 수행하여,
    상기 입자의 직경(dp)이 상기 컷 오프 직경 미만일 때 상기 포집 효율이 가장 높은 상기 포집 프로브의 경사각도(θ)를 최적값으로 결정하는 압축성 유동 기반의 가상 임팩터의 설계 방법.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 포집 프로브의 경사각도(θ)를 결정하는 단계에서는,
    상기 입자의 직경을 0.1μm에서부터 10μm까지 변화시키고, 상기 경사 각도를 5도 내지 30도 범위내에서 변화시키면서 상기 포집 효율을 측정하여,
    상기 포집 프로브의 경사각도(θ)는, 5도 내지 15도 범위내로 결정된 압축성 유동 기반의 가상 임팩터의 설계 방법.
  17. 공기 중의 바이오 에어로졸을 포함하는 입자들이 유입되는 유입부와,
    상기 유입부의 출구측에서 돌출되게 구비되어, 상기 유입부로 유입된 공기를 분출하는 원형 단면의 노즐과,
    상기 노즐에서 분출된 입자들 중에서 미리 설정된 컷 오프 직경 미만으로 관성이 작은 제1입자들이 측방향으로 이동하도록 형성된 메이저 유로 채널과,
    상기 노즐에서 분출된 입자들 중에서 상기 컷 오프 직경 이상으로 관성이 큰 제2입자들이 상기 노즐의 분출 방향으로 이동하도록 형성된 마이너 유로 채널과,
    상기 마이너 유로 채널의 입구측에서 상기 노즐을 향해 돌출되게 구비되어, 상기 제2입자들을 포집하여 상기 마이너 유로 채널로 유입시키도록 형성된 포집 프로브를 포함하는 가상 임팩터의 설계 방법에 있어서,
    상기 노즐의 반경(Rn)은, 공기를 고속으로 분사하여 압축성 유동을 발생시켜 상기 컷 오프 직경을 1.0μm보다 작은 설정값 이하로 설정가능하도록 시행착오 방식의 이터레이션을 통해 수렴된 최적값으로 결정하는 단계와;
    상기 입자의 직경에 따라 상기 노즐의 직경(Dn)에 대한 상기 포집 프로브의 직경(Dc)의 비율인 직경 비율(Dc/Dn)을 변화시키면서 상기 마이너 유로 채널의 포집 효율을 측정하기 위한 시뮬레이션을 수행하여, 상기 포집 효율이 가장 높은 직경 비율(Dc/Dn)을 결정하는 단계와;
    상기 입자의 직경에 따라 상기 노즐의 직경(Dn)에 대한 상기 포집 프로브와 상기 노즐 사이의 직선 거리(S)의 비율을 변화시키면서 상기 마이너 유로 채널의 포집 효율을 측정하기 위한 시뮬레이션을 수행하여, 상기 포집 효율이 가장 높은 거리 비율(S/Dn)을 결정하는 단계와;
    상기 입자의 직경에 따라 상기 포집 프로브의 경사각도(θ)를 변화시키면서 상기 마이너 유로 채널의 포집 효율을 측정하기 위한 시뮬레이션을 수행하여, 상기 포집 효율이 가장 높은 상기 포집 프로브의 경사각도(θ)를 결정하는 단계를 더 포함하고,
    상기 노즐의 반경(Rn)은, 0.53mm 내지 0.56mm 범위 내로 설정되고,
    상기 직경 비율(Dc/Dn)은 1.3 내지 1.5 범위내로 설정되고,
    상기 거리 비율(S/Dn)은 1.5 내지 1.7 범위 내로 설정되고,
    상기 포집 프로브의 경사각도(θ)는, 5도 내지 15도 범위내로 설정된 압축성 유동 기반의 가상 임팩터의 설계 방법.
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Citations (4)

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