KR20200022885A - 가스 전농축기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가스 전농축기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 흡착 및 탈착 효율을 향상시키고, 가스 흡착 시간을 단축하며, 저소비전력으로 구동이 가능하고, 압력손실이 거의 없는 가스 전농축기에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 가스 흡착제가 충진된 다공성 금속 메쉬 전극을 구비한 열선층, 중앙 홀을 구비한 흡착제 충진 체임버 가이드에 대한 구성을 통하여 미세채널 형성을 위한 MEMS 공정이 불필요하고, 흡착소재가 충진된 열선층을 활용하여 다량의 가스를 저전력으로 신속하게 흡착 탈착이 가능하다.

Description

가스 전농축기{Preconcentrator}

본 발명은 가스 전농축기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 흡착 및 탈착 효율을 향상시키고, 가스 흡착 시간을 단축하며, 저소비전력으로 구동이 가능하고, 압력손실이 거의 없는 가스 전농축기에 관한 것이다.

종래에는 극미량의 가스분자를 검출하기 위해 가스분자를 흡착시켜 농축이 이루어지게 했다가 다시 탈착시키는 원리를 적용한 전농축기 기술로서 미세채널을 형성하고 그 내부에 가스 흡착이 잘 되는 흡착소재를 충진하는 구조가 일반적인 가스 전농축기 구조이다.

타겟 가스를 마이크로채널로 흘려보내기 위해 미세채널 주입구에 압력차이를 이용하며, 흡착된 가스분자의 탈착을 위해서 미세채널이 있는 기판 하부에 멤브레인 박막의 열선에 전류를 흘려 기판을 가열하여 가스를 탈착시킨 후 캐리어(carrier) 가스를 주입하여 회수하는 방식을 사용하였다.

한편, 한국등록특허 제1539560호는 농축성능, 압력강화 특성 및 흡착성능 개선을 위한 탄소나노튜브 폼, 이의 제조방법 및 이를 이용한 마이크로 전농축기 모듈을 개시하고 있다.

그러나, 여전히 종래의 가스 전농축기는 미세채널을 제작해야하고 미세채널 내에 가스흡착제를 충진해야 하는 등의 전농축기 제작의 어려움이 있고, 큰 볼륨의 가스를 처리하려면 미세채널에 흘러가는 가스량이 제한적이어서 흡착시간이 많이 소모되는 등의 단점이 있다.

대한민국 등록특허 제1539560호 (2015. 07. 21)

따라서 본 발명의 목적은 흡착 및 탈착 효율을 향상시키고, 가스 흡착 시간을 단축하며, 저소비전력으로 구동이 가능하고, 압력손실이 거의 없는 가스 전농축기를 제공하는데 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 가스 전농축기는, 가스 흡착제가 충진된 다공성 금속 메쉬 전극을 구비한 판상 메쉬형 발열체; 및 상기 판상 메쉬형 발열체의 상부 및 하부에 각각 접하여 형성되고, 중앙 홀을 구비한 제1 및 제2 흡착제 충진 체임버 가이드를 포함한다.

상기 가스 전농축기에 있어서, 상기 판상 메쉬형 발열체는 줄히팅으로 발열하는 것을 특징으로 한다.

상기 가스 전농축기는 상기 제1 흡착제 충진 체임버 가이드의 상부 및 상기 제2 흡착제 충진 체임버 가이드의 하부에 각각 접하여 형성되는 제1 및 제2 멤브레인을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 가스 전농축기는 상기 제1 멤브레인의 상부 및 상기 제2 멤브레인의 하부에 각각 접하여 형성되고, 복수의 가스 흡입 홀을 구비한 제1 및 제 2 가스 흡입용 덮개 커버를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 가스 전농축기는 상기 제2 가스 흡입용 덮개 커버의 하부에 형성된 공기흡입용 팬을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 가스 전농축기는 상기 제1 가스 흡입용 덮개 커버의 상부 및 제2 가스 흡입용 덮개 커버의 하부에 결속되는 수용홈이 구비된 어셈블 커버를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 가스 전농축기는 상기 판상형 메쉬형 발열체에 온도센서를 구비하여 발열 온도를 모니터링하고 제어하는 것을 특징으로 한다.

상기 가스 전농축기에 있어서, 상기 판상 메쉬형 발열체는 복수의 층으로 적층되어 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 가스 전농축기에 있어서, 상기 다공성 금속 메쉬 전극은 니켈 또는 스테인레스강의 재질의 열선인 것을 특징으로 한다.

상기 가스 전농축기에 있어서, 상기 가스 흡착제는 활성탄 분말, 제올라이트 또는 유기금속 복합체(Metal Organic Framework)인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 가스 전농축기에 따르면, 가스 흡착제가 충진된 다공성 금속 메쉬 전극을 구비한 열선층, 중앙 홀을 구비한 흡착제 충진 체임버 가이드에 대한 구성을 통하여 미세채널 형성을 위한 MEMS 공정이 불필요하다는 장점이 있다.

또한, 흡착소재가 충진된 열선층을 활용하여 다량의 가스를 저전력으로 신속하게 흡착 탈착이 가능하다.

또한, 기존의 GC(가스크로마토그래피) 형태의 가스 전농축기는 튜브나 마이크로채널형으로 전후단 압력손실이 큰 반면, 본 발명은 구조적으로 전후단의 압력손실이 거의 없고 단면이 크므로 가스처리율이 크다는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 전농축기의 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 전농축기에서 가스 주입부의 가스 주입 및 탈착가스 배출부의 탈착된 가스분자의 배출 흐름을 나타내는 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 전농축기의 패키징용 커버 구조를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 전농축기 내부 구조를 나타내는 분해도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스분자 탈착용 열선 금속 메쉬 전극의 구조를 나타내는 현미경 사진이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스분자 흡착/탈착을 위한 충진소재 및 금속 메쉬 전극상에 도포된 사진이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하기로 한다. 본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 전농축기의 모식도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 전농축기에서 가스 주입부의 가스 주입 및 탈착가스 배출부의 탈착된 가스분자의 배출 흐름을 나타내는 모식도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 전농축기의 패키징용 커버 구조이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 전농축기 내부 구조를 나타내는 분해도이다.

도 1 내지 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 가스 전농축기는 판상 메쉬형 발열체(10) 및 제1 및 제2 흡착제 충진 체임버 가이드(21, 22)를 포함한다.

판상 메쉬형 발열체(10)는 가스 흡착제가 충진된 다공성 금속 메쉬 전극을 구비한다.

가스 흡착제는 표면적이 넓은 활성탄 분말(activated carbon powder), 제올라이트 또는 유기금속 복합체(Metal Organic Framework)가 사용될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 판상 메쉬형 발열체(10)의 열선은 다공성 금속 메쉬 구조로 형성되어 있는 것을 특징으로 한다. 상기 열선은 니켈 또는 스테인레스강의 재질인 것이 바람직하다. 상기 판상 메쉬형 발열체는 줄히팅으로 발열하는 것을 특징으로 한다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스분자 탈착용 금속 메쉬 열선의 구조를 나타내는 현미경 사진이다.

본 발명의 일 실시예로서, 판상 메쉬형 발열체(10)가 다공성 금속 메쉬(mesh) 열선으로 구성된 경우 가스는 메쉬형의 판상 메쉬형 발열체(10)를 수직으로 통과할 수 있고, 그 내부를 채우고 있는 흡착소재 표면에 흡착된다.

이후 다공성 금속 메쉬 전극에 전류를 흘려 가열이 되면 가스분자는 빠르게 탈착이 이루어진다. 흡착소재는 열선으로부터 매우 가까운 거리(충진된 흡착소재의 두께에 해당하는 수 mm 이내)에 있고, 열전도율이 높아 가스분자는 줄 히팅(joule heating)됨과 동시에 열에너지를 받아 탈착이 이루어지므로 흡착소재로부터 동시에 가스 전농축기를 빠져나갈 수 있게 된다. 또한, 본 발명의 가스 전농축기의 흡착소재는 히터로부터의 열전달이 효과적으로 이루어지므로 탈착용 가열을 통해 빠르게 가스 전농축기를 빠져나갈 수 있는 장점이 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스분자 흡착/탈착을 위한 충진소재 및 금속 메쉬 전극상에 도포된 사진이다.

본 발명의 가스 전농축기는 다공성 열선층을 기준으로 위아래 대칭되는 형태로 가스흡착 소재의 충진이 이뤄지고 히터의 발열에 의해 탈착을 일으키는 구조로서, 극미량의 가스분자를 검출하기 위해 고농도로 농축했다가 히팅을 통해 탈착시킨다. 이때, 본 발명에 따른 가스 전농축기는 열선과 흡착제의 배치가 효율적이어서 열전도를 통한 탈착 효율이 우수하다.

한편, 본 발명에 따른 가스 전농축기는 상기 판상형 메쉬형 발열체에 온도센서를 구비하여 발열 온도를 모니터링하고 제어하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 일 실시예로서, 본 발명에 따른 가스 전농축기에 있어서, 상기 판상 메쉬형 발열체는 복수의 층으로 형성될 수 있다. 즉, 가스 흡착제와 가스 탈착을 위한 판상형 발열체가 복수의 층으로 적층되어 가스분자와 흡착제 간의 접촉 체류시간을 늘리고 탈착시 발열전극으로부터 빠르게 열을 전달받아 흡착제의 온도를 신속하고 효과적으로 올릴 수 있다.

제1 및 제2 흡착제 충진 체임버 가이드(21, 22)는 상기 판상 메쉬형 발열체(10)의 상부 및 하부에 각각 접하여 형성되고, 중앙에 홀을 구비한다.

본 발명의 가스 전농축기는, 상기 제1 흡착제 충진 체임버 가이드의 상부 및 상기 제2 흡착제 충진 체임버 가이드의 하부에 각각 접하여 형성되는 제1 및 제2 멤브레인(31, 32)을 더 포함할 수 있다.

상기 제1 및 제2 멤브레인(31, 32)은 충진된 흡착제의 유실을 방지하는 역할을 하는 것으로, 그 형상에는 제한이 없다.

본 발명의 가스 전농축기는, 상기 제1 글래스 멤브레인의 상부 및 상기 제2 글래스 멤브레인의 하부에 각각 접하여 형성되고, 복수의 가스 흡입 홀을 구비한 제1 및 제 2 가스 흡입용 덮개 커버(41, 42)를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 가스 전농축기는, 상기 제2 가스 흡입용 덮개 커버의 하부에 형성된 공기흡입용 팬(50)을 더 포함할 수 있다. 가스 분자는 상기 공기흡입용 팬(50)의 동작으로 만들어지는 플로우(flow)에 연동되어 탈착된 가스 분자의 이송이 가능하게 된다. 상기 공기흡입용 팬(50)을 이용하여 농축 효율과 가스 볼륨 처리 제어를 간단하게 구현할 수 있다.

본 발명의 가스 전농축기는, 상기 제1 가스 흡입용 덮개 커버의 상부 및 제2 가스 흡입용 덮개 커버의 하부에 결속되는 수용홈이 구비된 어셈블 커버(60)를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 가스 전농축기에 따르면, 가스 흡착제가 충진된 다공성 금속 메쉬 전극을 구비한 열선층, 중앙 홀을 구비한 흡착제 충진 체임버 가이드에 대한 구성을 통하여 미세채널 형성을 위한 MEMS 공정이 불필요하고 이로 인하여 기기 제작공정이 단순하고 간단하며 소형으로 제작이 가능하다는 장점이 있다.

또한, 흡착소재가 충진된 열선층을 활용하여 다량의 가스를 저전력으로 신속하게 흡착 탈착이 가능하다.

또한, 기존의 GC(가스크로마토그래피) 형태의 가스 전농축기는 튜브나 마이크로채널형으로 전후단 압력손실이 큰 반면, 본 발명은 구조적으로 전후단의 압력손실이 거의 없고 단면이 크므로 가스처리율이 크다는 장점이 있다.

한편, 이상의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

10: 판상 메쉬형 발열체
21, 22: 제1 및 제2 흡착제 충진 체임버 가이드
31, 32: 제1 및 제2 글래스 멤브레인
41, 42: 제1 및 제 2 가스 흡입용 덮개 커버
50: 공기흡입용 팬
60: 어셈블 커버

Claims (10)

1. 가스 흡착제가 충진된 다공성 금속 메쉬 전극을 구비한 판상 메쉬형 발열체; 및
   상기 판상 메쉬형 발열체의 상부 및 하부에 각각 접하여 형성되고, 중앙 홀을 구비한 제1 및 제2 흡착제 충진 체임버 가이드;
   를 포함하는 가스 전농축기.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 판상 메쉬형 발열체는 줄히팅으로 발열하는 것을 특징으로 하는 가스 전농축기.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 제1 흡착제 충진 체임버 가이드의 상부 및 상기 제2 흡착제 충진 체임버 가이드의 하부에 각각 접하여 형성되는 제1 및 제2 멤브레인;
   을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 전농축기.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 제1 멤브레인의 상부 및 상기 제2 멤브레인의 하부에 각각 접하여 형성되고, 복수의 가스 흡입 홀을 구비한 제1 및 제 2 가스 흡입용 덮개 커버;
   를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 전농축기.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 제2 가스 흡입용 덮개 커버의 하부에 형성된 공기흡입용 팬;
   을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 전농축기.
   
6. 제4항에 있어서,
   상기 제1 가스 흡입용 덮개 커버의 상부 및 제2 가스 흡입용 덮개 커버의 하부에 결속되는 수용홈이 구비된 어셈블 커버;
   를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 전농축기.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 판상형 메쉬형 발열체에 온도센서를 구비하여 발열 온도를 모니터링하고 제어하는 것을 특징으로 하는 가스 전농축기.
   
8. 제1항에 있어서,
   상기 판상 메쉬형 발열체는 복수의 층으로 적층되어 형성되는 것을 특징으로 하는 가스 전농축기.
   
9. 제1항에 있어서,
   상기 다공성 금속 메쉬 전극은 니켈 또는 스테인레스강의 재질의 열선인 것을 특징으로 하는 가스 전농축기.
   
10. 제1항에 있어서,
    상기 가스 흡착제는 활성탄 분말, 제올라이트 또는 유기금속 복합체(Metal Organic Framework)인 것을 특징으로 하는 가스 전농축기.

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