KR100464161B1

KR100464161B1 - 호흡성 분진 포집장치

Info

Publication number: KR100464161B1
Application number: KR10-2003-0002140A
Authority: KR
Inventors: 배귀남; 김민철
Original assignee: 한국과학기술연구원
Priority date: 2003-01-13
Filing date: 2003-01-13
Publication date: 2005-01-03
Also published as: KR20040064501A

Abstract

본 발명은 서로 다른 분리입경을 가진 노즐공이 형성된 가속노즐판을 동일한 평면에 다수개 구비하고, 가속노즐판 각각의 하측에 충돌기판을 구비하여 호흡성 분진을 입자 크기별로 정확하게 포집할 수 있도록 된 호흡성 분진 포집장치에 관한 것으로, 가속노즐과 충돌기판이 구비된 하우징의 내부로 대기를 흡인시켜 에어로졸을 포집하는 분진 포집장치에 있어서, 상기 하우징 내부의 동일한 높이에 구비되되 5.3∼6.3㎛의 분리입경을 갖는 노즐공이 형성된 제 1가속노즐판과, 3.1∼4.1㎛의 분리입경을 갖는 노즐공이 형성된 제 2가속노즐판과, 1.7∼2.7㎛의 분리입경을 갖는 노즐공이 형성된 제 3가속노즐판과, 상기 제 1, 2, 3 가속노즐판의 하측에 구비된 충돌기판을 포함하여 이루어져 있어, 호흡성 분진을 보다 정확하고 편리하게 포집할 수 있으므로 이를 토대로 인체의 유해성을 판단하는 객관적이고 직접적인 자료를 제공할 수 있는 것이다.

Description

호흡성 분진 포집장치 {A Respirable Aerosol Sampler}

본 발명은 호흡성 분진 포집장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 서로 다른 분리입경을 가진 노즐공이 형성된 가속노즐판을 동일한 평면에 다수개 구비하고, 가속노즐판 각각의 하측에 충돌기판을 구비하여 호흡성 분진을 입자 크기별로 정확하게 포집할 수 있도록 된 호흡성 분진 포집장치에 관한 것이다.

주지하는 바와 같이, 대기 중에 부유하는 에어로졸(aerosol or particulate matter)은 호흡기관에 침착되어 폐와 관련된 질병을 유발할 뿐만 아니라, 대도시의 시정악화(visibility impairment)의 주요한 원인물질이다.

이러한 에어로졸을 포집하여 측정하는 방법은 크게 두 가지로 나뉜다.

첫 번째 방법은, 입자의 크기와 상관없이 총 에어로졸의 질량을 측정하는 방법이다. 그러나, 이 방법은 인체의 유해도와 환경에 대한 영향에서 에어로졸의 질량 뿐만 아니라 에어로졸의 크기가 더 영향을 미친다는 연구결과가 발표되면서 사용이 감소하는 추세이다.

두 번째 방법은, 에어로졸의 크기별 질량을 측정하는 방법으로서, 현재 상용화된 방법은 공기역학적 입자의 크기(aerodynamic diameter)가 10㎛ 이하인 입자를포집할 수 있는 PM₁₀과, 2.5㎛ 이하인 입자를 포집할 수 있는 PM_2.5를 이용하는 방법이다.

여기에서, 입자를 크기별로 분류하는 장치는 관성 임팩터(inertial impactor), 싸이클론(cyclone), 확산 분류기(diffusion battery), 전기적 이동도 분류기(differential mobility analyzer) 등이 있으나, 주로 관성 임팩터가 사용되고 있다.

상기 관성 임팩터는 입자를 포함한 공기가 가속노즐(acceleration nozzle)을 통과하여 충돌기판(impaction plate or substrate)으로 향할 때, 충분한 관성력을 갖는 큰 입자는 상기 충돌기판의 표면에 포집되고, 작은 입자는 공기와 함께 흐르는 구성을 가지고 있다. 따라서, 이러한 관성 임팩터를 사용하면 특정 크기의 입자를 분리시켜 포집된 입자를 성분 분석에 활용할 수 있는 것이다.

한편, 에어로졸의 호흡기관 침착(deposition)은 크기에 따라 다른 특성을 보인다. 즉, 크기가 10㎛ 이상의 큰 입자는 대부분 코 속의 코털에 의해 차단되며 일부만이 호흡기관에 침착되고, 크기가 2.5∼10㎛ 사이의 입자는 크기에 따라 일부는 호흡기관에 침착되고 일부는 다시 밖으로 배출되게 된다. 아울러, 크기가 2.5㎛ 이하인 입자는 대부분 호흡기관에 침착되는 것으로 알려져 있다.

이러한 사실을 근거로 미국 ACGIH(American Conference of Governmetal Industrial Hygienists)와 영국 BMRC(British Medical Reserch Council)에서는 도 1에 도시된 바와 같이, 5개의 입자 크기를 선정하여 각 입경별 통과율로 호흡성 분진을 정의하고 있다.

그러므로, 현재 10㎛ 이하인 입자만을 포집하여 측정하는 PM₁₀과, 2.5㎛ 이하인 입자를 포집하여 측정하는 PM_2.5는 호흡성 분진을 정확히 측정한다고 할 수 없는 것이다. 따라서, 이에 대한 대안으로 다단 임팩터를 사용하여 각 입자 크기별로 호흡기관에 침착되는 비율을 계산하여 호흡성 분진의 양을 추정하는 방법을 택하고 있다.

상기 다단 임팩터는 입자를 크기별로 분류하기 위해 각 단(stage)마다 특정 크기를 분류할 수 있도록 분리입경(cut size)이 서로 다른 가속노즐을 구비한 것이다. 그러나 상기 다단 임팩터는 에어로졸이 여러개의 단을 통과할 때 입자가 임팩터 내부의 벽면에 침착되어 측정값의 오차를 유발한다.

또한, 여러 단으로 구성되어 장비가 비대해지고 경량화 하기가 어려운 문제점이 있었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 감안하여 개발된 것으로서, 대기 중의 에어로졸을 간편하게 포집하여 호흡성 분진의 질량을 정확히 측정하고, 제작비가 저렴하며 운전 및 유지보수가 간단한 호흡성 분진 포집장치를 제공함에 발명의 목적이 있다.

도 1은 입경별 통과율에 따른 호흡성 분진을 도시한 그래프

도 2는 본 발명의 분진 포집장치의 내부를 개략적으로 도시한 정단면도

도 3는 본 발명의 가속노즐판을 도시한 평면도

도 4의 (a)는 본 발명의 충돌기판을 도시한 평면도, (b)는 (a)의 A-A'선 측단면도

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 하우징 11 : 입구

12, 16, 20 : 노즐공 14 : 제 1가속노즐판

18 : 제 2가속노즐판 22 : 제 3가속노즐판

24 : 최종필터 26, 38 : 지지대

30 : 충돌기판 32 : 포집판

34 : 포집판 덮개 36 : 둘레홈

39 : 간격유지대 40 : 가이드판

42 : 배출통로 44 : 출구

46 : 진공펌프 48 : 유량조절밸브

50 : 압력공 52 : 차압계

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 가속노즐과 충돌기판이 구비된 하우징의 내부로 대기를 흡인시켜 에어로졸을 포집하는 분진 포집장치에 있어서, 상기 하우징 내부의 동일한 높이에 구비되되 5.3∼6.3㎛의 분리입경을 갖는 노즐공이 형성된 제 1가속노즐판과, 3.1∼4.1㎛의 분리입경을 갖는 노즐공이 형성된 제 2가속노즐판과, 1.7∼2.7㎛의 분리입경을 갖는 노즐공이 형성된 제 3가속노즐판과, 상기 제 1, 2, 3 가속노즐판의 하측에 구비된 충돌기판을 포함하여 이루어진 것을 기술적 특징으로 한다.

상기 충돌기판은 상기 제 1, 2, 3 가속노즐판 하측에 각각 1개씩 구비된 것을 특징으로 한다.

상기 제 1가속노즐판에는 적어도 3개 이하의 노즐공이 형성되고, 제 2가속노즐판에는 5∼11개의 노즐공이 형성되고, 제 3가속노즐판에는 30∼50개의 노즐공이 형성된 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 예시도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명은 가속노즐과 충돌기판이 구비된 하우징의 내부로 대기를 흡인시켜 에어로졸을 포집하는 분진 포집장치에 있어서, 상기 하우징(10) 내부의 동일한 높이에 구비되되 5.3∼6.3㎛의 분리입경을 갖는 노즐공(12)이 형성된 제 1가속노즐판(14)과, 3.1∼4.1㎛의 분리입경을 갖는노즐공(16)이 형성된 제 2가속노즐판(18)과, 1.7∼2.7㎛의 분리입경을 갖는 노즐공(20)이 형성된 제 3가속노즐판(22)과, 상기 제 1, 2, 3 가속노즐판(14, 18, 22)의 하측에 구비된 충돌기판(30)을 포함하여 이루어져 있다.

상기 제 1, 2, 3 가속노즐판(14, 18, 22)은 소정의 지지대(26)에 고정되고, 하측에 충돌기판(30)이 구비된 지지대(38)와의 사이에는 일정간격을 유지하기 위해 간격유지대(39)가 구비되어, 결과적으로 상기 제 1, 2, 3 가속노즐판(14, 18, 22)과 충돌기판(30)은 한 개의 단(stage)으로 이루어져 있다.

상기 하우징(10)의 상면에는 공기가 유입되는 입구(11)가 구비되고, 하부 일측에는 유입된 공기가 배출되는 출구(44)가 형성되며, 출구(44)와 연결되어 공기를 흡인하는 진공펌프(46)가 구비된다.

상기 하우징(10)의 내부에는 내향 절곡된 가이드판(40)이 구비되어 공기의 흐름을 안내해주고, 안내된 공기는 최종필터(24) 하측의 배출통로(42)를 통해 출구(44)로 배출된다.

또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 가속노즐판(14, 18, 22)을 통과하는 공기의 속도와 유량을 일정하게 유지하도록 분리입경이 큰 노즐공이 형성된 제 1가속노즐판(14)에는 적어도 3개 이하의 노즐공(12)이 형성되고, 제 2가속노즐판(18)에는 5∼11개의 노즐공(16)이 형성되고, 분리입경이 가장 작은 노즐공이 형성된 제 3가속노즐판(22)에는 30∼50개의 노즐공(20)이 형성되도록 한다.

그리고, 상기 제 1, 2, 3 가속노즐판(14, 18, 22)과 후술하는 충돌기판(30)은 바람직하게 각각 120°간격을 이루도록 구비한다.

또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 충돌기판(30)은 상기 제 1, 2, 3 가속노즐판(14, 18, 22) 하측에 각각 1개씩 구비되도록 하여 포집 효율을 높이고, 바람직하게 각 가속노즐판(14, 18, 22)과 충돌기판(30)의 높이 간격을 다르게 하여 최고의 분리효율을 갖도록 한다.

그리고, 상기 충돌기판(30)이 구비된 지지대(38)는 손쉽게 탈착할 수 있도록 얇은 원판 모양으로 된 것을 사용한다.

또한, 상기 충돌기판(30)의 중앙부에는 포집판(32)이 구비되며, 바람직하게 상기 포집판(32)은 필터여지(filter media) 또는 금속박판으로 이루어져 있고, 상기 충돌기판(30)의 주변부에는 공기가 하측으로 이동시 압력강하 없이 빠져나갈 수 있도록 둘레홈(36)이 형성되어 있다. 그리고, 상기 포집판(32)의 유동을 방지하기 위해 포집판 덮개(34)를 포집판(32) 상면에 구비한다.

이와 같이 구성된 본 발명은 대기를 분리입경이 서로 다른 가속노즐판을 통과시켜 충돌기판의 상면에서 가속노즐판의 설정된 분리입경의 크기에 해당하는 입자를 포집할 수 있어 입자크기별 질량 및 성분 분석을 가능케하는 것이다.

즉, 상기 제 1가속노즐판(14)의 하측에 구비된 충돌기판(30)을 통해서는 5.3∼6.3㎛ 크기 이상인 입자를, 제 2가속노즐(18)의 하측에 구비된 충돌기판(30)을 통해서는 3.1∼4.1㎛ 크기 이상인 입자를, 제 3가속노즐판(22)의 하측에 구비된 충돌기판(30)을 통해서는 1.7∼2.7㎛ 크기 이상인 입자를 포집할 수 있는 것이다.

또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명은 가속노즐판(14, 18, 22)과 충돌기판(30)이 구비된 단을 기준으로 상측과 하측의 압력차를 측정할 수 있도록 압력공(50)을 형성하고, 각 압력공(50)은 차압계(52)와 연결되어 있으며, 상기 하우징(10)의 하부출구(46) 측에는 통과되는 공기 유량을 조절할 수 있는 유량조절밸브(48)가 구비된다.

따라서, 본 발명은 상기 차압계(52)를 통해 각 단의 압력차를 측정하고, 이에 맞춰 유량조절밸브(54)를 통해 흡입유량을 일정하게 조절할 수 있는 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 호흡성 분진을 보다 정확하고 편리하게 포집할 수 있어 이를 토대로 인체의 유해성을 판단하는 객관적이고 직접적인 자료를 제공할 수 있는 것이다.

Claims

가속노즐과 충돌기판이 구비된 하우징의 내부로 대기를 흡인시켜 에어로졸을 포집하는 분진 포집장치에 있어서,

상기 하우징 내부의 동일한 높이에 구비되되 5.3∼6.3㎛의 분리입경을 갖는 노즐공이 형성된 제 1가속노즐판과, 3.1∼4.1㎛의 분리입경을 갖는 노즐공이 형성된 제 2가속노즐판과, 1.7∼2.7㎛의 분리입경을 갖는 노즐공이 형성된 제 3가속노즐판과,

상기 제 1, 2, 3 가속노즐판의 하측에 구비된 충돌기판을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 호흡성 분진 포집장치.
제 1항에 있어서,

상기 충돌기판은 상기 제 1, 2, 3 가속노즐판 하측에 각각 1개씩 구비된 것을 특징으로 하는 호흡성 분진 포집장치.
제 1항에 있어서,

상기 제 1가속노즐판에는 적어도 3개 이하의 노즐공이 형성되고, 제 2가속노즐판에는 5∼11개의 노즐공이 형성되고, 제 3가속노즐판에는 30∼50개의 노즐공이형성된 것을 특징으로 하는 호흡성 분진 포집장치.