[논문]서브마이크론 입자 측정용 저압 임팩터의 설계 및 성능평가

지준호; 조명훈; 배귀남; 황정호

doi:10.3795/ksme-b.2004.28.3.349

서브마이크론 입자 측정용 저압 임팩터의 설계 및 성능평가
Design and Performance Evaluation of a Low Pressure Impactor for Sampling Submicron Aerosols 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.28 no.3 = no.222, 2004년, pp.349 - 358

지준호 (연세대학교 나노과학기술연구단) , 조명훈 (연세대학교 대학원 기계공학과) , 배귀남 (한국과학기술원 대기자원연구센터) , 황정호 (연세대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

A low pressure impactor is an impaction device to separate airborne particles into aerodynamic size classes at low pressure condition. We designed a two-stage low-pressure impactor to classify submicron sized environmental aerosols. Performance evaluation was carried out for stages 1 and 2 by using an electrical method. Monodisperse liquid dioctyl sebacate (DOS) particles were generated using evaporation-condensation process followed by electrostatic classification using a DMA (differential mobility analyzer). The test particles were in the range of 0.08∼0.8$\mu\textrm{m}$. For the evaluation of the impactor we used two electrometers; one was connected to the impaction plate of the impactor and the other was to the Faraday cage used as a backup filter. The effect of polydispersity of test aerosols on the performance was investigated. The results showed that the experimental 50-% cutoff diameters at each impactor's operation pressure were 0.53 and 0.187$\mu\textrm{m}$ for stages 1 and stage 2, respectively. The effects of operation pressure on the cutoff diameter and the steepness of collection efficiency curves were also investigated.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 단위 전기적 임팩터를 제작하여 성능을 평가하였다. 이 때, 각 단은 다중 노즐의 간격을 일정하게 배열하였다.
본 연구의 최종 목적은 실시간 3단 전기적 임팩터的를 개발하는 것이다. 이를 위한 기초 연구로 0.
저 압 다단 임팩터를 설계하는 목적은 원하는 분리 입경을 갖는 임팩터를 얻는 것이다. 단일 노즐과는 달리 다중 노즐인 경우 유동간의 간섭이임팩터의 입자채취효율에 영향을 미치므로 경험적 인 실험 결과가 중요하다.

가설 설정

이와같이 설계한 임팩터의 성능을 평가하면, 각 단의 성능 특성을 나타낼 수 있고, 각각 임팩터 단의 기하학적 구조에 대한 스톡스 수를 찾을 수 있다. 노즐 제트의 평균 속도(V)를 계산하기 위해 (식 (4) 참조) 노즐 출구의 압력(p)과 노즐 수(n)를 가정하였다. 식 (10)을 이용하여 노즐 출구의 밀도(P)를 계산하였고, 식 (11)에 의해 다시 노즐 출구의 압력을 얻었다.
이 때 가정한 노즐 출구의 압력과 계산한 노즐 출구의 압력이 같아지도록 계산을 반복하였다. 이번에는 가정한 노즐 수와 출구 압력을 식 (1)에 적용하여 임팩터의 분리 입경을 계산하였다. 계산한 분리입경 이 가정 한 분리 입경과 일치할 때까지 노즐 수를 변화시켜 반복하면 설계한 임팩터의 분리입경에 근접한 성능을 얻을 수 있는 노즐 수를 결정할 수 있다.

제안 방법

이와 같이 전기적 이동도가 같은 다중하전입자에 의한 영향을 줄이려면 크기분포의 폭이 좁은 입자가 DMA로 공급되어야 하고, 피크농도보다 큰 입자를 DMA로 분류하여 발생시켜야 한다."즈용질인 DOS와 용매인 이소프로필 알콜로 만들어진 용액의 DOS 농도에 따라, 발생되는 DOS 입자의 기하 평균 입경(geometric mean diameter)이 달라지므로, 용액의 농도를 변경하여 시험 입자의 크기 분포를 변경 하였다. 임팩 터 의 입 자채 취성능 실험을 시작하기 전에 SMPS(TSI 3936) 로크기분포를 측정하였고, 기하 평균 입경보다 큰 단 분산 입자를 DMA 전압을 바꾸며 분류하였다.
본 절에서는 Flagan, (14) Biswas 와 Flagan, (l5) Hering 등''句에 소개된 이론을 토대로 Hillamo와 Kauppinen'”에 서술된 내용을 중심으로 임팩터 설계 이론을 정리하였다. 임팩터의 중요한 설계변수로 스톡스 수(S加)와 레이놀즈 수(Re)를 계산해야 한다.
(1) 각 단의 작동압력이 101.3과 80.2 kPa에서 50% 분리입경 이 0.53과 0.187 pm인 2단 임팩터를 개발하였다.
이중, 전기 적 방법을 이용하면 임팩터 기판에 입자가 부착하는 순간 전하량을 측정할 수 있기 때문에, 성능평가 과정에서 임팩터의 기판과 최종필터에서 전하량을 측정하면 실시간으로 채취효율을 구할 수 있다. Hillamo와 Kauppinen'”은 DMA (differential mobility analyzer)로 분류한 1가로 대 전된 단분산 입 자를 사용하여 임팩 터 기 판과 최종필터로 사용되는 HEPA 필터에 포집되는하전 입 자의 전류를 측정 하여 저 압 임팩 터 각단의 입 자채 취효율을 구하였다. Keskinen 등仰 역시 DMA로 분류한 1가로 대전된 단분산 입자를 사용하였는더】, 다단 임팩터 각 단의 전하량을 동시에 측정할 수 있는 다채널 전류계를 사용하여 저 압 다단 임팩 터 의 성 능을 평 가하였 다.
465로 설계하였다.⑺ 첫 번째 단과 두번째단의 50% 분리입경(心)을 각각 0.5, 0.17 gm로 선택하였다. 1단의 경우 직경이 0.
5 岫의 분리입 경을 갖는 2단 저압 임팩터를 설계하였고 전기적 입자 계수 법을 이 용하여 각 임팩 터 단의 성 능을 평 가하였 다. 기화-응축 방법과 전기적 이동도 분류 방법을 사용하여 (+)1가로 하전된 0.06~0.8 um인 단 분산시험 입자를 발생시켰다. 시험 임팩터의 기판과 최종필터로 사용한 패러데이 케이지에서 하전입 자의 전하량을 측정하여 단위 임팩터의 성능을 평가하였다.
다르다. 단일 원 형 노즐을 사용하는 임팩 터와 달리 원형 노즐을 여러 개 사용하는 경우, 인접한 노즐에서 생성되는 제트 유동의 간섭에 의해 분리성능이 달라질 수 있으므로, 경험치를 사용하여 각 단마다 다른 스톡스(Stokes) 수를 사용하여 임팩터를 설계한다.(顷 특히, 저압 임팩터의 경우 단 수가 증가하면, 작동압력이 달라지므로 분리입경과 작동압력을 가정하여 반복적으로 계산하는 다소 복잡한 과정을 거쳐야 한다.
17 Rm 인 다분산 입자를 시험 입자로 사용할 때 DMA로 분류한 단분산 입자의 발생이 임팩터의 전기적 성능평가에 미치는 영향을 나타낸 것이다. 두 번째 단의 작동압력이 80.2, 70.0 kPa인 경우 채취효율을 비교하였다. 앞에서 설명한 것처럼 피크가 0.
시험 임팩터의 기판과 최종필터로 사용한 패러데이 케이지에서 하전입 자의 전하량을 측정하여 단위 임팩터의 성능을 평가하였다. 또한, 시험 입자의 다분산 정도가 전기적 성능평가 결과에 미치는 영향을 고찰하였고, 임팩 터 의 작동압력 에 따른 임팩 터 의 성능을 분리입경과 성능계수인 입자채취곡선의 경사도(steepness)로 평가하였다.
만약 DMA에서 분류되는 입자의 크기가 정확하게 단분산이 아니면 전기적입 자계수법 을 사용하는 임팩 터 성 능평 가 실험 에서는 오차가 증폭되어 나타날 수 있다. 먼저 발생 입자의 다분산성이 성능평가 결과에 미치는 영향을 알아보았다.
본 연구에서는 전기적 임팩터의 본체로 사용될 수 있고 서브 마이크론 입자상 물질의 크기분포의 측정에 적합한 저압에서 작동하는 2단 임팩터를 설계, 제작하였다. 각각 단위 임팩터의 성능을 전기적 방법으로 평가하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
따라서 각 단의 작동압력에 맞추어 임팩터의 성능을 평가하거나 시험 단 상류의 모든 단이 장착된 상태에서 수행되어야 한다. 본 연구에서는 첫 번째 단과 두 번째 단 사이에 압력강하용 오리피스를 설치하여 두 번째 단의 작동압력을 변화시킬 수 있도록 설계하였다. Table 1에 나타낸 것처럼 직경 0.
분무형 입자발생기에서 생성된 DOS(dioctyl sebacate) 액체 입자를 단분산으로 분류하기 위하여 기화응축기 (Aerosol conditioner, TSI 3702)오} DMA(TSI 3081)에 통과시켰다. DMA는 입자를 전기적 이동도에 따라 분리하므로, (+)1가인 입자와 (+)2가인 더 큰 입자가 같은 경로를 따라 이동할 수 있다.
3과 같이 실험장치를 구성하였다. 상용화된 전기적 임팩터의 경우 상류에 하전기를 설치하여 입자를 하전 시키지만, 본 연구에서는 DMA에서 (+)1가로 하전 된 단분산 입자를 성능평가에 이용하였다.
8 um인 단 분산시험 입자를 발생시켰다. 시험 임팩터의 기판과 최종필터로 사용한 패러데이 케이지에서 하전입 자의 전하량을 측정하여 단위 임팩터의 성능을 평가하였다. 또한, 시험 입자의 다분산 정도가 전기적 성능평가 결과에 미치는 영향을 고찰하였고, 임팩 터 의 작동압력 에 따른 임팩 터 의 성능을 분리입경과 성능계수인 입자채취곡선의 경사도(steepness)로 평가하였다.
3 sL/min)의 합이 임팩터의 작동유량인 10 sL/min이 되도록 했다. 시험 임팩터의 노즐 입구의 압력은 시험 임팩터 상류에 설치한 니들 밸브와 진공 게이지를 사용하여 조절하였다. 진공펌프 상류의 니들 밸브로 임팩터를 통과하는 유량을 조절하였고, 질량 유량계(TSI 3063)로 유량을 측정하였다.
6는 1단과 2단의 성능평가 결과를 나타낸 것이다. 앞절에서와 같이 다중하전 효과가 실험결과에 미치는 영향을 방지하기 위해 기하평균 입경보다 큰 입자를 인가전압을 바꾸며 DMA로 분류하였다. 임팩터는 공기역 학적 입경을 사용하므로 DMA 에서 전기적 이동 도로 분류한 입 자의 크기 에、J p [룰 곱흐H( p/particel density) 공기역 학적 입 경 으로 변환하였다.
개발하는 것이다. 이를 위한 기초 연구로 0.17과 0.5 岫의 분리입 경을 갖는 2단 저압 임팩터를 설계하였고 전기적 입자 계수 법을 이 용하여 각 임팩 터 단의 성 능을 평 가하였 다. 기화-응축 방법과 전기적 이동도 분류 방법을 사용하여 (+)1가로 하전된 0.
"즈용질인 DOS와 용매인 이소프로필 알콜로 만들어진 용액의 DOS 농도에 따라, 발생되는 DOS 입자의 기하 평균 입경(geometric mean diameter)이 달라지므로, 용액의 농도를 변경하여 시험 입자의 크기 분포를 변경 하였다. 임팩 터 의 입 자채 취성능 실험을 시작하기 전에 SMPS(TSI 3936) 로크기분포를 측정하였고, 기하 평균 입경보다 큰 단 분산 입자를 DMA 전압을 바꾸며 분류하였다.
앞절에서와 같이 다중하전 효과가 실험결과에 미치는 영향을 방지하기 위해 기하평균 입경보다 큰 입자를 인가전압을 바꾸며 DMA로 분류하였다. 임팩터는 공기역 학적 입경을 사용하므로 DMA 에서 전기적 이동 도로 분류한 입 자의 크기 에、J p [룰 곱흐H( p/particel density) 공기역 학적 입 경 으로 변환하였다. 이때 작동압력인 1단의 101.
시험 임팩터의 노즐 입구의 압력은 시험 임팩터 상류에 설치한 니들 밸브와 진공 게이지를 사용하여 조절하였다. 진공펌프 상류의 니들 밸브로 임팩터를 통과하는 유량을 조절하였고, 질량 유량계(TSI 3063)로 유량을 측정하였다. DMA■를 거쳐 분리된 단분산 입자들은 패 러 데 이 케 이 지 와 전위 계 (electrometer, Keithley 6517A)를 이용하여 임팩터의 기판과 패러데이 케이지의 전류를 측정한 후, 임팩터 각단의 채취효율(〃)을 식 (12)와 같이 계산하였다.

대상 데이터

17 gm로 선택하였다. 1단의 경우 직경이 0.6 mm인 노즐을 9개 사용하였고, 2단은 직경이 0.4 nun인 노즐을 10개 사용하였다. 임팩터의 흡인유량은 10 sL/min로 선정했다.

성능/효과

(2) DMA를 사용하여 입자를 분류할 때 정확한단분산 입자가 발생되지 않으면, 임팩터의 성능을 전기적으로 평가하는 경우 측정 오차가 증폭되어 크게 나타났다.
(3) 2단 저압 임팩터의 작동압력이 70.0-101.3 kPa에서 각 단의 S忱”2 는 0.47~0.52로 비슷하게 나타났다.
DOS를 용매인 이소프로필 알콜에 섞어 기화- 응축 방법으로 발생한 후, DMA로 유입되기 이전에 입자의 크기분포를 측정한 결과 기하평균 입경이 약 0.17 gm이고 기하표준편차가 1.3 정도인 대수 정규분포에 가까운 분포를 얻었다. 이 크기분포에 대해 Fig.

후속연구

05 11m의 분리입 경의 3단을 추가하여, 1 Um 이하 입자의 크기분포를 실시간으로 측정할 수 있는 3단 전기적 저압 임팩터를 제작하여 평가하려고 한다. 특호〕, 임팩터 노즐의 직경을 최소화하여 입자 채취 곡선의 기울기가 급한 분리 성능이 좋은 임팩터를 개발하고, 저압에서의 작동변수의 영향을 정량화하는 연구를 수행할 예정이다.
중요한 기술이다. 향후 연구로는 약 0.05 11m의 분리입 경의 3단을 추가하여, 1 Um 이하 입자의 크기분포를 실시간으로 측정할 수 있는 3단 전기적 저압 임팩터를 제작하여 평가하려고 한다. 특호〕, 임팩터 노즐의 직경을 최소화하여 입자 채취 곡선의 기울기가 급한 분리 성능이 좋은 임팩터를 개발하고, 저압에서의 작동변수의 영향을 정량화하는 연구를 수행할 예정이다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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