KR102001770B1 - 미세먼지 생성을 통한 대기질 환경 모사 시험장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 미세먼지 생성을 통한 대기질 환경 모사 실험장치에 관한 것으로, 시험조건에 따라 미세먼지의 농도와 크기를 조절하고, 공기와 함께 시험용 챔버내에 공급하여 유해물질이 생체에 미치는 영향을 연구하기 위한 미세먼지 생성을 통한 대기질 환경 모사 시험장치에 관한 기술이다.
즉, 본 발명은 공급된 압축공기를 정화하여 제1관로와 제2관로로 분기하여 공급하는 클린공기 공급부와, 상기 제1관로와 연결되어 공기가 공급되고 함께 연결된 화학용액이 미립자 상태로 분무되어 미세먼지를 생성하는 분사챔버와, 상기 제2관로의 공기와 분사챔버의 미세먼지공기가 유입되어 두 공기가 혼합되는 혼합챔버와, 상기 혼합챔버의 후단에는 혼합된 공기가 실험체에게 전달되는 실험챔버와, 상기 실험챔버의 미세먼지 농도를 측정하는 측정부와, 상기 측정부의 농도값에 따라 제1관로의 공기공급량을 제어하는 제어부;로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

미세먼지 생성을 통한 대기질 환경 모사 시험장치{Air quality environment simulator using fine dust generation}

본 발명은 미세먼지 생성을 통한 대기질 환경 모사 실험장치에 관한 것으로, 시험조건에 따라 미세먼지의 농도와 크기를 조절하고, 공기와 함께 시험용 챔버내에 공급하여 유해물질이 생체에 미치는 영향을 연구하기 위한 미세먼지 생성을 통한 대기질 환경 모사 시험장치에 관한 기술이다.

일반적으로 미세먼지는 대기중에 떠다니는 입경 10㎛ 이하의 미세한 오염물질로서, 근래에 들어 대기중 미세먼지의 농도가 증가함에 따라 인체의 건강을 악화시키고 있다.

미세먼지로 인한 문제로는 대기오염에 민감한 노인의 사망률이 증가하거나, 임산부와 태아에게 악영향을 줄 수 있고, 천식과 같은 호흡기질환, 두통, 아토피 등과 같은 다양한 질병을 유발하는 것을 대표적으로 예를 들 수 있다.

따라서, 이러한 미세먼지로 인한 문제점을 해결하기 위한 노력으로는 미세먼지를 생성하여 실험용 쥐의 비부흡입을 통해 미세먼지와 같은 유해물질이 생체에 미치는 영향을 연구하고 있다.

종래의 미세먼지를 이용한 시험장치의 경우, 고농도 미세먼지를 먼저 발생시킨 다음 희석장치를 통해 그 농도를 줄여나가는 방식으로 조절이 이루어져 왔었다. 그러나 이러한 미세먼지 생성 방식은 희석장치를 거치기 이전에 고농도 미세먼지의 입자끼리 충돌 및 결합에 의해 의도하지 않은 크기의 미세먼지가 생성되고 스크리닝과정에서 손실이 발생하기 때문에 이를 보완하기 위해 복잡한 설비가 필요하며, 미세먼지의 입자크기나 농도를 효율적이고 정밀하게 조절할 수 없는 문제점이 있었다.

아래에는 미세먼지를 이용한 시험장치와 관련된 선행기술들을 살펴보고자 한다.

① 등록특허 제10-0798149호(나노입자 유해성 실험장치)에는 압축공기를 발생하는 에어컴프레셔와. 상기 압축공기의 배출압력을 조절하는 레귤레이터와. 상기 압축공기에 포함된 미세먼지를 여과처리하는 헤파필터와. 상기 여과된 압축공기 분사력에 의해 에어로졸을 생성하는 입자발생기와. 상기 에어로졸에 포함된 용매를 제거하는 히팅드라이어와, 상기 용매가 제거된 에어로졸을 이온중화되게 하는 이온화장치와, 상기 중화된 에어로졸에 깨끗한 공기를 유입시켜 에어로졸을 희석되게 하는 다일루션챔버와, 상기 희석된 에어로졸에 포함된 물 입자를 건조시키는 디퓨션드라이어와, 상기 물 입자가 건조된 에어로졸을 유입시켜 동물실험을 행하도록 하는 비부폭로장치;를 포함하는 기술이 개시되어 있다.

상기 선행기술은 고농도의 에어로졸을 희석시키는 방식으로 이루어지기 때문에 앞서 설명한, 희석과정에서 미세먼지 입자의 손실문제가 발생하고 실험조건에 따라 미세먼지의 입자크기나 농도를 정밀하게 제어할 수 없는 문제점이 있다.

② 등록특허 제10-1237131호(개량된 액체 물질의 흡입에 의한 치료 또는 유해성 실험 장치)에는 실험 물질을 에어로졸 형태의 미세입자로 제조하는 네블라이저와, 미세 입자로 유입된 실험 물질이 실험체의 호흡기에 균등한 농도로 배분되어 노출되도록 설치된 실험 챔버와, 실험 챔버에 연결되어 챔버로 유입되는 공기의 유량을 조절하는 유량조절장치; 및 유량조절장치에 청정공기를 공급하기 위한 헤파필터;를 포함하는 구성이 개시되어 있다.

상기 선행기술은 액체 상태의 물질에 대한 유해성을 실험하기 위해 수분이 다량 포함된 입자를 분사시켜서 실험체의 호흡기로 보내는 기술로서, 본 발명에서 제시하고자 하는 미세먼지 실험에는 적용될 수 없는 기술이다.

③ 등록특허 제10-0803893호(혼합식 먼지시험장치)에는 하우징 내부에 실험체를 위치하고, 먼지공급탱크를 통해 먼지의 농도를 변경하면서 공급, 온도센서에 의한 내부 온도 조절도 함께 이루어지는 구성이 개시되어 있으나, 상기 선행기술은 자동차 부품의 신뢰성을 측정하기 위해 미세먼지가 포함된 공기를 터보팬에 의해 시험체(자동차부품)로 강하게 공급하는 기술이기 때문에 실험용 쥐와 같은 생체실험에는 적합하지 않고 미세먼지의 농도 및 크기를 정밀하게 조절하지 못하는 문제점이 있다.

등록특허 제10-0798149호 등록특허 제10-1237131호 등록특허 제10-0803893호 등록특허 제10-1620828호 등록특허 제10-1763403호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로, 주어진 시험 조건에 따라 미세먼지의 농도와 크기를 간편하고 정밀하게 조절함으로써 시험결과에 대한 신뢰성을 높이고, 종래의 미세먼지 희석방식의 시험장치에서 발생하였던 미세먼지 손실문제를 해결하고자 한다.

본 발명은 공급된 압축공기를 정화하여 제1관로와 제2관로로 분기하여 공급하는 클린공기 공급부와, 상기 제1관로와 연결되어 공기가 공급되고 함께 연결된 화학용액이 미립자 상태로 분무되어 미세먼지를 생성하는 분사챔버와, 상기 제2관로의 공기와 분사챔버의 미세먼지공기가 유입되어 두 공기가 혼합되는 혼합챔버와, 상기 혼합챔버의 후단에는 혼합된 공기가 실험체에게 전달되는 실험챔버와, 상기 실험챔버의 미세먼지 농도를 측정하는 측정부와, 상기 측정부의 농도값에 따라 제1관로의 공기공급량을 제어하는 제어부;로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 클린공기 공급부는; 대기의 압축공기를 공급하는 에어컴프레셔와, 상기 에어컴프레셔의 공기에 존재하는 이물질을 제거하는 활성탄소필터와, 상기 활성탄소필터의 후단에 설치되어 공기의 수분을 제거하는 제1수분제거부, 상기 제1수분제거부의 후단에 설치되어 미세 이물질을 여과하는 헤파필터;로 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 분사챔버는; 수용성 화학용액이 담겨있는 용액용기와, 상기 용액용기의 용액공급관로와 제1관로가 함께 연결되어 제1관로의 공급압력에 의해 용액분무가 이루어지는 이류체 분사노즐;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 혼합챔버의 후단부에는 배출된 공기의 수분을 제거하는 제2수분제거부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 측정부는;는 상기 실험챔버의 미세먼지 농도와 크기를 측정하여 전자신호로 제공하는 디지털측정부와, 상기 실험챔버의 배출되는 공기를 필터링하여 무게변화에 따른 미세먼지의 농도를 측정하는 샘플링측정부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 제어부는; 상기 측정부를 통해 제공받은 정보를 나타내는 모니터링장치와, 상기 모니터링장치의 제어신호에 따라 제1관로의 공급시간을 정밀제어하는 전자밸브;로 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 미세먼지의 농도은 이류체 분사노즐의 분사시간에 의해 조절하고, 미세먼지의 입자 크기는 용액용기에 담겨있는 수용성 화학용액의 농도비에 따라 조절함으로써, 미세먼지의 농도와 입자크기의 조절이 간편하고 정밀하게 조절할 수 있는 효과가 있다.

또한 본 발명은 종래의 미세먼지 시험장치에서 발생하였던 미세먼지 손실문제를 해결하고, 희석장치, 스크리닝 장치와 같은 복잡한 설비를 사용했던 종래의 시험장치에 비해 유지보수가 간편한 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 미세먼지 생성을 통한 대기질 환경 모사 시험장치의 전체구성을 나타낸 도면
도 2는 본 발명에 의한 클린공기 공급부의 구성을 나타낸 도면
도 3은 본 발명에 의한 분사챔버의 구성을 나타낸 도면

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

본 발명의 미세먼지 생성을 통한 대기질 환경 모사 시험장치는 도 1에 도시한 바와 같이 공급된 압축공기를 정화하여 제1관로(101)와 제2관로(102)로 분기하여 공급하는 클린공기 공급부(100)와, 상기 제1관로(101)와 연결되어 공기가 공급되고 함께 연결된 화학용액이 미립자 상태로 분무되어 미세먼지를 생성하는 분사챔버(200)와, 상기 제2관로(102)의 공기와 분사챔버(200)의 미세먼지공기가 유입되어 두 공기가 혼합되는 혼합챔버(300)와,상기 혼합챔버(300)의 후단에는 혼합된 공기가 실험체에게 전달되는 실험챔버(400)와, 상기 실험챔버(400)의 미세먼지 농도를 측정하는 측정부(500)와, 상기 측정부(500)의 농도값에 따라 제1관로(101)의 공기공급량을 제어하는 제어부(600);로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 클린공기 공급부(100)는 대기의 압축공기를 시험장치에 사용될 수 있도록 공기의 이물질을 제거하여 공급하는 구성으로서, 구체적인 구성은 도 2에 도시한 바와 같이 대기의 압축공기를 공급하는 에어컴프레셔(110)와, 상기 에어컴프레셔(110)의 공기에 존재하는 이물질을 제거하는 활성탄소필터(120)와, 상기 활성탄소필터(120)의 후단에 설치되어 공기의 수분을 제거하는 제1수분제거부(130), 상기 제1수분제거부(130)의 후단에 설치되어 미세 이물질을 여과하는 헤파필터(140);로 구성된다.

상기 에어컴프레셔(110)는 대기중의 공기를 압축하여 공급하는 구성으로서, 에어컴프레셔(110)의 후단에는 공급되는 공기의 압력이 적절하게 이루어지도록 한 레귤레이터(111)가 설치된다. 그리고 레귤레이터(111)를 거친 공기는 활성탄소필터(120)를 거쳐 질소산화물(NOx), 황산화물(SOx), 휘발성 유기화합물(VOC)를 제거하게 된다.

상기 활성탄소필터(120)를 통해 1차적으로 필터링된 공기는 제1수분제거부(130)를 통해 공기의 수분을 제거하게 된다. 상기 제1수분제거부(130)의 일반적으로 건조제의 용도로 사용되는 실리카겔, 알리노실리케이트 등으로 이루어질 수 있다.

그리고 나서 헤파필터(140)를 통해 미세 이물질을 제거하게 된다. 여기서 상기 헤파필터(140)가 제1수분제거부(130)의 후단에 설치되는 것이 바람직한데, 그 이유는 만일, 수분제거가 이루어지지 않은 공기를 헤파필터(140)로 공급할 경우 공기 중 수분에 의해 필터가 쉽게 막혀 필터링 성능이 원활하지 못하고 잦은 필터교체가 이루어져야 하기 때문이다.

상기 헤파필터(140)를 거쳐서 이물질이 제거된 청정공기는 제1관로(101)와 제2관로(102)로 분기되는데, 상기 제1관로(101)는 분사챔버(200)에 연결되고 제2관로(102)는 혼합챔버(300)로 연결되게 된다.

상기 분사챔버(200)는 미세먼지를 생성하는 구성으로서
도 3에 도시한 바와 같이 일측에 이류체 분사노즐(220)이 구비되어 있고, 수용성 화학용액이 담겨있는 용액용기(210)가 상기 이류체 분사노즐(220)로부터 용액공급관로(211)를 통해 연결되어 있다.
또한 상기 용액공급관로(211)는 상기 이류체 분사노즐(220)에서 상기 제1관로(101)와 함께 연결되어 제1관로(101)의 공급압력에 의해 용액용기(210)에 담겨진 용액이 딸려나오면서 미립자 상태로 분무가 이루어진다.
후술하는 바와 같이 상기 제1관로(101)에는 공급시간 제어용 전자밸브(620)가 설치되는바, 상기 전자밸브(620)는 제어부(600)의 제어신호에 따라 그 개폐시간이 밀리초 단위로 제어되며, 상기 제1관로(101) 내에 흐르는 유량은 일정하게 유지되되 전자밸브(620)의 개폐시간에 따라 상기 이류체 분사노즐(220)의 분사시간이 조절되어 분사챔버(200) 내부의 미세먼지 농도의 조절이 이루어진다.

본 발명의 분사챔버(200)에서 생성하는 미세먼지의 농도조절은 이류체 분사노즐(220)의 분사시간에 의해 조절되며, 미세먼지의 입자 크기는 용액용기(210)에 담겨있는 수용성 화학용액의 농도비에 따라 조절되는 것이다. 그리고 상기 이류체 분사노즐(220)의 분사시간은 제어부(600)에 의해 조절되며, 화학용액의 농도비 조절은 원액과 희석용액을 비율적으로 용액용기(210)에 첨가하는 형태가 될 수도 있고, 다양한 농도비로 이루어진 용액용기(210)를 다수 준비하여 교체하는 방식으로도 이루어질 수 있다.

상기 수용성 화학용액은 수용성[水溶性] 미세먼지 입자가 액체에 녹아있는 형태로서, 그 종류는 매우 다양할 것이며 시험조건에 따라 특정물질이 포함될 수 있다. 이러한 수용성 화학용액은 미세먼지 입자 역할을 할 수 있는 물질이 포함된 수용성 화학용액이라면 그 종류에 관계없이 사용가능하다.

이와 같이 미세먼지 농도조절이 제1관로(101)의 단위시간당 유량을 조절하는 방식이 아닌 분사시간의 조절을 통해 이루어지는 이유는, 유량이 변화함에 따라 용액공급관로(211)를 통해 배출되는 용액의 양이 급격히 변화하여 미세먼지의 농도조절이 정밀하게 이루어질 수 없기 때문이다. 따라서, 제1관로(101)의 공급유량을 일정하게 설정한 다음 이류체 분사노즐(220)의 분사시간을 조절하여 분사챔버(200) 내부의 미세먼지 농도를 조절하게 되는 것이다.

상기 혼합챔버(300)는 제2관로(102)의 청정공기와 분사챔버(200)에서 생성된 미세먼지공기가 혼합되어 실험챔버(400)로 보낼 수 있도록 한 구성으로서, 분사챔버(200)에서 생성된 미세먼지공기는 미세먼지 농도가 너무 높기 때문에 제2관로(102)의 청정공기를 통해 희석시키는 것이다.

그리고 상기 혼합챔버(300)의 후단에는 배출된 공기의 수분을 제거하는 제2수분제거부(310)가 더 마련되는데, 상기 제2수분제거부(310)를 통해 미세먼지 생성과정에서 용액의 수분이 공기 중에 포함되어 있으므로 수분을 완전히 제거하여 완전한 미세먼지 공기만을 실험챔버(400)로 공급할 수 있게 되는 것이다.

상기 실험챔버(400)는 내부에 실험용 쥐와 같은 실험체가 있는 것으로, 일정하고 많은양의 미세먼지공기를 생성할 수 있기 때문에 종래 방식에서 자주 사용되었던 비부흡입(Nose only inhalation)형태보다는 전신흡입(whole body inhalation) 형태로 구성되는 것이 바람직하다.

본 발명의 측정부(500)는 실험챔버(400)의 미세먼지 농도뿐만 아니라 입자크기를 함께 측정하는 구성으로서, 디지털측정부(510)와 샘플링측정부(520)로 구성된다. 상기 디지털측정부(510)는 OPC(Optical Particle Counters)와 같은 장치를 통해 미세먼지의 농도와 입자를 동시에 측정하여 그 값을 전자신호로 제공한다. 그러나 OPC와 같은 디지털 측정장치는 미세먼지 입자크기는 정확히 측정할 수 있는 반면, 농도측정이 정확하지 않기 때문에 샘플링측정부(520)를 통해 미세먼지 농도만을 측정하는 것이다.

상기 샘플링측정부(520)는 미세먼지만을 걸러질 수 있도록 한 필터가 설치되어 필터링 시간, 유량, 무게변화를 연산하여 미세먼지의 농도를 정확하게 측정하는 것이다.

아울러 본 발명의 측정부(500)는 이뿐만 아니라 실험체의 생존에 밀접한 산소량과 온도와 같은 실험 조건도 함께 측정할 수 있도록 산소센서(530)와 온도센서(540)도 함께 설치되는 것이 바람직하다.

본 발명의 제어부(600)는 측정부(500)의 농도값에 따라 제1관로(101)의 공기공급량을 조절하여 미세먼지 생성 농도를 조절하는 구성이다. 즉, 제어부(600)는 측정부(500)를 통해 제공받은 정보를 나타내는 모니터링장치(610)와, 상기 모니터링장치(610)의 제어신호에 따라 제1관로(101)의 공급시간을 정밀제어하는 전자밸브(620);로 구성된다.

이와 같이 본 발명의 제어부(600)는 공기공급량을 MFC(Mass Flow Control)와 같은 유량조절장치를 통해 단위 시간당 유량을 조절하는 방식으로 이루어지는 것 보다, 전자밸브(620)를 통해 공급시간을 제어하는 것이 바람직한데, 그 이유는 앞서 설명한 바와 같이 유량변화에 따른 변수를 최소화하고 정밀제어를 용이하게 하기 위함이다. 상기 전자밸브(620)는 정밀하게 제어하기 위해 밀리초(ms) 단위로 조절하게 된다.

상기 모니터링장치(610)는 노트북과 같은 컴퓨터로 구성될 수 있으며, 실험챔버(400)의 미세먼지 농도, 입자크기, 산소농도, 온도정보를 제공받게 되고, 그에 따른 전자밸브(620)의 개폐제어가 이루어진다.

이상에서 본 발명은 상기 실시예를 참고하여 설명하였지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형실시가 가능함은 물론이다.

100 : 클린공기 공급부 101 : 제1관로
102 : 제2관로 110 : 에어컴프레셔
111 : 레귤레이터 120 : 활성탄소필터
130 : 제1수분제거부 140 : 헤파필터
200 : 분사챔버 210 : 용액용기
211 : 용액공급관로 220 : 이류체 분사노즐
300 : 혼합챔버 310 : 제2수분제거부
400 : 실험챔버 500 : 측정부
510 : 디지털측정부 520 : 샘플링측정부
530 : 산소센서 540 : 온도센서
600 : 제어부 610 : 모니터링장치
620 : 전자밸브

Claims (6)

1. 공급된 압축공기를 정화하여 제1관로(101)와 제2관로(102)로 분기하여 공급하는 클린공기 공급부(100); 상기 제1관로(101)와 연결되어 공기가 공급되고 함께 연결된 화학용액이 미립자 상태로 분무되어 미세먼지를 생성하는 분사챔버(200); 상기 제2관로(102)의 공기와 분사챔버(200)의 미세먼지공기가 유입되어 두 공기가 혼합되며 후단부에 제2수분제거부(310)가 구비되는 혼합챔버(300); 상기 혼합챔버(300)의 후단에는 혼합된 공기가 실험체에게 전달되는 실험챔버(400); 상기 실험챔버(400)의 미세먼지 농도를 측정하는 측정부(500); 상기 측정부(500)의 농도값에 따라 제1관로(101)의 공기공급량을 제어하는 제어부(600);로 이루어지고,
   상기 분사챔버(200)는;
   일측에 이류체 분사노즐(220)이 구비되고,
   상기 이류체 분사노즐(220)로부터 용액공급관로(211)를 통해 연결되고 수용성 화학용액이 담겨있는 용액용기(210)가 구비되며,
   상기 용액공급관로(211)는 상기 이류체 분사노즐(220)에서 상기 제1관로(101)와 함께 연결되어 제1관로(101)의 공급압력에 의해 용액용기(210)에 담겨진 용액의 분무가 이루어지며,
   상기 측정부(500)는;
   상기 실험챔버(400)의 미세먼지 농도와 크기를 측정하여 전자신호로 제공하는 디지털측정부(510)와, 상기 실험챔버(400)의 배출되는 공기를 필터링하여 무게변화에 따른 미세먼지의 농도를 측정하는 샘플링측정부(520);를 포함하고,
   상기 제어부(600)는;
   상기 측정부(500)를 통해 제공받은 정보를 나타내는 모니터링장치(610)와,
   상기 모니터링장치(610)의 제어신호에 따라 제1관로(101)의 전자밸브(620) 개폐에 따른 공급시간을 정밀제어하되,
   상기 제1관로(101)에 흐르는 유량을 일정하게 유지하고,
   제1관로(101) 상에 구비된 공급시간 제어용 전자밸브(620)의 개폐시간을 밀리초 단위로 조절함에 따라 상기 이류체 분사노즐(220)의 분사시간을 조절하여 분사챔버(200) 내부의 미세먼지 농도를 조절하는 것을 특징으로 하는 미세먼지 생성을 통한 대기질 환경 모사 시험장치
   
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 클린공기 공급부(100)는;
   대기의 압축공기를 공급하는 에어컴프레셔(110)와, 상기 에어컴프레셔(110)의 공기에 존재하는 이물질을 제거하는 활성탄소필터(120)와, 상기 활성탄소필터(120)의 후단에 설치되어 공기의 수분을 제거하는 제1수분제거부(130), 상기 제1수분제거부(130)의 후단에 설치되어 미세 이물질을 여과하는 헤파필터(140);로 구성되는 것을 특징으로 하는 미세먼지 생성을 통한 대기질 환경 모사 시험장치
   
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제

Images