KR100418159B1 - 컴팩트형고온공기정화기 - Google Patents

Abstract

휘발성 유기 화학제 오염물과 풍매 유기 입자를 소각시키기 위한 아주 소형이며 에너지 효율이 좋은 본 발명의 공기 정화기는, 단위 질량 당 표면적이 아주 크며 실질적으로 동일한 축방향으로 평행한 다수의 유동 통로를 구비하는 원통형 세라믹제 열 전달 및 저장 요소와, 인입부 공기 유동을 세라믹제 요소의 사전 설정된 방사상 부분으로 안내하기 위한 회전 안내 부재를 포함한다. 사전 설정 방사상 부분으로부터 나오는 공기 유동은 반대 방향으로 나머지 부분에 보내진다. 나머지 부분으로부터 나오는 공기 유동은 공기 정화기로부터 배기된다. 시동 시에 세라믹 요소를 가열시키고 공기 유동을 안정된 소각 온도로 유지시키기 위한 예열기도 포함된다.

Description

컴팩트형 고온 공기 정화기{A Compact High Temperature Air Purifier}

본 발명은 공기 정화기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 가스상 유기 오염물과 풍매 입자용의 컴팩트형 고온 소각로에 관한 것이다.

난방 또는 냉방 에너지를 보존하기 위해 주택 및 작업장을 보다 더 기밀된 상태로 유지시켜야 함에 따라서 실내 공기의 질은 건강 상의 중대한 관심사가 되고 있다. 통상의 가스상 공기 오염물은 사무실과 가정의 가구 및 카페트로부터 나오거나 혹은 도장, 인쇄 및 세척과 같은 산업적 공정 및 공업적 처리로부터 나오는 VOC(휘발성 유기 화합물 또는 화학제: volatile organic compounds or chemicals)를 포함한다. 통상의 풍매 입자는 연기, 사람의 머리카락 및 동물의 털, 박테리아, 섬유 조각, 꽃가루, 그리고 먼지라고 하는 기타 다른 여러가지 미세 고형 입자 등을 포함한다.

종래 기술의 공기 정화기는 크기, 형상 및 용도에 있어서 폭 넓게 다양하다. 이러한 종래의 공기 정화기들은 운반형 실내 공기 정화기로부터 때로는 법적으로 요구되는 아주 대형인 일체형 산업용 공기 정화 시스템까지 다양하다. 대부분의 종래의 공기 정화기에 있어서, 가스상 오염물은 공기 정화기의 크기와는 무관하게 전체적인 소각이나 혹은 선택적인 흡수에 의해 제거되었다. 고형 입자는 매체에 의한 여과나 혹은 정전기장에 의해 제거되었다.

이러한 종래 기술의 공기 정화기에 있어서, 필터와 정전기 트랩은 모두가 규칙적으로 세척 또는 교체되어야 한다. 활성 목탄과 같은 흡수체는 재생 또는 교체되어야 한다. 필터와 그에 걸려 부착된 입자에 의하여 야기되는 압력 강하를 극복하기 위해서는 추가적인 동력이 필요하게 된다. 압력 강하는 때로는 표면적이 큰 주름형 필터에 의해서 최소화되기도 한다. 아주 미세한 미크론 단위 이하의 입자는 여과시키기가 아주 어려우므로 정전기 분리기 또는 특별한 미세 매체용의 동력이 더 필요하게 된다.

가스상 및 미세 풍매 유기 오염물을 소각시키기 위해서는 공기 스트림(stream)이 고온으로 가열 및 유지되어야 한다. 온도가 보다 높고 유량이 보다 많으면 시스템은 보다 밀집화되게 되고 추가적인 열이 보다 많이 요구되며 값비싼 건설용 고온 재료가 필요하게 된다. 추가되는 열은 정화된 공기가 현열로서 빠져나가거나 혹은 주위에 빼앗길 때에 소실된다.

현재까지는 공기 정화기의 일상적인 교체 부재 및 보수가 가격 면에서 비싸고 비용 면에서도 비싸기 때문에 보편화가 덜 되었다. 소각식 공기 정화기는 간단하고 효과적이며 완벽하기는 하지만 열 공급을 추가로 더하는 것을 필요로 한다.

본 발명은 추가되는 연료, 오염, 공간, 시간 및 노동을 최소로 하면서도 VOC와 미세 풍매 입자를 고온에서 소각시키는 것을 제공하기 위한 것이다.

도1은 본 발명의 구성 부재들 간의 상호 관계를 나타내기 위해 중간 면을 관통하여 절단한 개략 단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1: 인입구 2: 안내부

3: 배기 플리넘 4: 열 전달 및 저장 요소

5: 컵 6: 열 공급 장치

7: 단열재 10: 송풍기

11: 인입 덕트 12: 필터

21, 22: 베어링 23: 링 기어

24: 피니언 25: 기어 모터

26: 펠트 스커트 31, 32: 개구

33: 배기 출구 41: 냉각 단부

42: 고온 단부 51: 연소실

52: 내부 림 53: 개구

본 발명에 있어서, 반원형 개구를 구비하는 회전형 유동 안내 부재는 먼지가 사전에 여과된 공기 스트림을 원통형의 세라믹제 열 저장 및 전달 요소의 절반부로 보내는데, 상기 열 저장 및 전달 요소는 단위 질량 당 표면적이 아주 큰 실질적으로 동일하며 축방향으로 평행한 유동 통로를 다수 구비한다. 인입되는 오염 공기는세라믹제 요소의 전체 단부를 외기 온도와 근접하게 유지시킨다. 세라믹제 요소의 타 단부 상에서 기밀 세라믹제 컵이 연소실을 형성하며 모든 유기 오염물이 소각됨에 따라 세라믹제 요소의 나머지 절반부로 향하는 유동은 반대 방향의 냉각 단부로 반전된다.

컵의 중앙부의 개구는 조업 개시를 위해 연소실과 인접 세라믹제 요소를 예열하기 위하여 열을 가하는 데 이용되며 그리고 더 많은 열을 가하고 고온 가스의 일부를 제거함으로써 예비 설정 소각 온도를 유지하는 데 이용된다. 컵 벽과 그리고 고온 단부 근처의 공기 통로의 벽 상의 선택적 산화 촉매는 초기 예열과 저온 연소를 촉진시키지만 순수 열 산화는 871℃(1600℉) 이상의 온도에서는 촉매가 없이도 충분히 빠르다. 또한 VOC가 높은 대부분의 상용 소각에서는 추가의 열은 필요하지 않다.

정상 작동 하에서, 세라믹제 요소의 축 방향 온도 프로파일은 냉각 단부 상에서의 외기 온도에 근접한 평탄부, 고온 단부에서의 평탄한 소각 온도부 및 대부분의 열이 전달되는 중간부에서의 급강하부를 갖는다. 오염 공기 스트림 및 정화 공기 스트림의 온도 프로파일은 모두가 유사한 형상이다. 이러한 것은 단위 질량 당 표면적이 아주 큰 세라믹제 요소와 교대로 변동하는 유동 사이의 전이 열 전달 과정에서 통상적인 것이다. 평탄 영역은 거의 평형을 이루고 있음을 나타내는 것이다. 이와 가장 유사한 것이 사이펀이다.

예비 여과된 오염 공기는 세라믹으로부터 열을 받고 모든 유기 오염물이 소각되는 고온 단부를 향해 이동함에 따라 그 온도가 점진적으로 상승한다. 고온 정화 가스는 이 가스가 냉각 냉각 단부 쪽으로 이동함에 따라 그 현열을 세라믹 요소로 전달함으로써 점진적으로 냉각된다. 유동 안내부의 회전이 더 빨라지고 단위질량 당 표면적이 더 커지게 됨에 따라 공기 정화기의 용량이 증가한다.

추가 열량을 최소화하는 것은 전열 요소에 의하거나 혹은 고온의 예비 설정 연소 온도로 유지하는 화석 연료 연소에 의해 이루어지는데, 고온 부분은 단열된다.

도1을 참고하면, 외기의 오염 공기는 고정형 인입 덕트(11) 상에 견고하게 장착된 인입 송풍기(10)에 의해서 고정형 인입구(1)와 조대(coarse) 필터(12)를 통해서 흡입되어서, 고정형 인입 덕트(11)에 의하여 내부에 그리고 배기 플리넘(3)의 개구(31)에 의해 외부에 회전 가능하게 유지되는 회전형 유동 안내부(2)에 의해 원통형 세라믹제 열 전달 및 저장 요소(4)의 반원형 방사상 부분으로 보내진다. 유동 안내부(2)는 한 쌍의 나일론제 슬리브 베어링(21, 22)에 의해 지지되며 이들 베어링 사이에서 한 조의 짝결합 기어와, 안내부(2)의 상부 가장자리에 장착된 대형 링 기어(23)와, 기어 모터(25)에 장착되어 그 기어 모터에 의해 구동되는 소형 피니언(24)에 의해 회전한다. 상기 한 쌍의 베어링(21, 22)은 또한 2개의 환형 공간을 동시에 밀봉시킨다. 인입 공기의 누출을 방지하기 위해 안내부(2)의 반원형 하부 가장자리에 연성 펠트 스커트(25)를 마련한다. 배기 플리넘(3)은 배기 출구(33)와 그리고 세라믹제 요소(4)의 외벽 둘레에 부착되어서 기밀을 유지하는 바닥 개구(32)를 구비한다.

세라믹제 요소(4)는 실질적으로 평행한 유동 통로를 다수 구비하고 단위 질량 당 열 전달이 아주 큰 벽 면적을 갖는다. 일부 시중에서 입수 가능한 세라믹제 벌집형 부재는 4.54kg(10lb) 미만이며 3280m²/m³(1000ft²/ft³) 정도인 벌집형 부재를 제공한다. 세라믹제 요소(4)는 세라믹제 컵(5)에 의해 덮여져서 연소실(51)을 마련한다. 컵(5)의 내부 림(52)은 가스 누출을 방지하기 위해서 세라믹제 요소의 외벽과 정합되어야 한다. 컵(5)은 중앙부에 개구(53)를 구비하여서 전열 요소나 혹은 점화기와 연료 분사기의 조합체로 이루어질 수 있는 열 공급 장치(6)의 삽입을 가능하게 한다. 이러한 개구(53)는 연소실(51)로부터 고형 파편을 정화하는 데에도 사용된다. 단열재(7)는 고온 구역으로부터의 열 손실을 최소화한다.

작동에 있어서, 전체 냉각 단부(41) 즉, 상부 측면은 인입하는 오염 공기를 천천히 회전시킴으로써 연속적으로 냉각되고, 고온 단부 즉, 바닥 측면은 오염물을 연소시킴으로써 그리고 필요하다면 열을 추가함으로써 연속적으로 가열된다. 세라믹제 요소, 오염 공기 및 통로를 따라서 정화된 공기의 축 방향 온도 프로파일들은 아주 유사하며 평탄한 고온 단부, 평탄한 냉각 단부 및 중간부의 급강하부를 갖는다. 더 많은 가스가 통과함에 따라 급강하하는 중간부는 인입부로부터 멀리 이동하게 된다. 유동 안내부(2)는 평탄한 온도 프로파일이 양 단부에서 유지되기에 충분할 정도로 빠르게 회전해야 한다. 시중에서 입수 가능한 근청석(Cordierite) 또는 멀라이트(Mulrite)는 약 1093℃(2000℉)의 고온 단부 온도를 견뎌낼 수 있다. 이러한 연소 온도에서, 유기 오염물의 순수 열 소각이 산화 촉매가 없이도 완전하고 아주 신속하게 이루어지며 연소실의 체적도 최소로 요구된다. 유입되는 오염공기와배출되는 정화 가스의 온도 차가 열 소실의 대부분을 차지하는 것이다. 250 ppm의 탄화수소와 중량 단위로 등량인 VOC를 함유하는 오염 공기 스트림은 온도차가 -6.7℃(20℉)인 상태에서 소각을 스스로 유지할 수 있다.

이상의 설명은 많은 특이성을 가지고 있지만 본 발명의 범주를 한정하는 것으로 해석되어서는 안되고 다만 본 발명의 양호한 일 실시예의 예시로서 해석되어 야 한다. 기타 다른 여러가지 변경이 가능하다. 일례로, 회전축의 방향은 수직이 아닌 방향이나 혹은 그 역으로도 할 수 있다. 이와 유사하게, 유동 방향과 유동 변동 수단은 특정 적용예에 부합되도록 선택될 수 있다. 따라서, 본 발명의 범위는 예시된 실시예에 의해 한정되어서는 안되고 다만 특허 청구의 범위 및 이것의 법적 균등물에 의하여 결정되어야 한다.

본 발명에 의해서, 추가되는 연료, 오염, 공간, 시간 및 노동을 최소로 하면서 VOC와 미세 풍매 입자를 고온에서 소각시키는 공기 정화기가 제공된다. 이러한 연소 온도에서는 유기 오염물의 순수 열 소각이 산화 촉매가 없이도 완전하고 아주 신속하게 이루어지므로 연소실 체적을 최소화하는 것을 가능하게 한다.

Claims (8)

1. 축방향으로 평행한 다수의 유동 통로를 구비하는 원통형 세라믹제 열 전달 및 저장 요소와,

   인입 공기 유동을 확립시키는 수단과,

   상기 인입 공기 유동이 상기 유동 통로를 통과하여서 상기 세라믹제 요소의 대향 단부의 외부로 나가도록 세라믹제 요소의 제1 단부 상의 인입 방사상 부분으로 상기 인입 공기 유동을 안내하는 회전형 안내 수단과,

   상기 인입 방사상 부분으로부터 나오는 공기 유동을 상기 세라믹제 요소의 대향 단부에서 대향 유동 방향으로 또 다른 방사상 부분 안으로 반전시켜서 상기 공기 유동이 상기 통로를 통과하여서 상기 세라믹제 요소의 또 다른 방사상 부분의 제1 단부 밖으로 나가도록 하는 반전 수단과,

   상기 세라믹제 요소의 상기 제1 단부로부터 나오는 공기 유동을 배출시키는 배출 수단과,

   공기를 정화시키기 위하여 가스상 유기 오염물과 풍매 입자를 소각시키기에 충분하도록 공기 유동을 가열시키기 위하여 정화기 시동 시에 상기 세라믹제 요소를 가열하는 가열 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 정화기.
2. 제1항에 있어서, 상기 인입 방사상 부분은 세라믹제 원통의 절반 부분인 것을 특징으로 하는 공기 정화기.
3. 제2항에 있어서, 상기 회전형 안내 수단은, 한 단부에 링 기어와 한 쌍의 회전 가능한 지지 및 밀봉 슬리브 베어링을 구비하는 원형 개구와 타 단부에 연성의 공기 밀봉 확장부를 구비하는 반원형 개구를 갖는 도관과, 상기 요소에 대해 상기 도관을 회전시키는 기어 모터를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 정화기.
4. 제1항에 있어서, 상기 반전 수단은 상기 요소의 대향 고온 단부 둘레에서 밀봉되는 반구형 세라믹제 컵인 것을 특징으로 하는 공기 정화기.
5. 제3항에 있어서, 상기 배출 수단은, 하나의 개구가 상기 요소의 제1 냉각 단부 둘레를 기밀시키기 위한 것이고 또 다른 개구가 상기 한 쌍의 외부 슬리브 베어링을 지지하기 위한 것이고 제3의 개구가 배출 덕트용인 3개의 개구를 구비하는 플리넘인 것을 특징으로 하는 공기 정화기.
6. 제4항에 있어서, 상기 가열 수단은, 상기 세라믹제 컵 내의 개구와, 상기 세라믹제 컵의 내측으로 열을 제공하기 위한 상기 개구 내의 가열원을 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 정화기.
7. 제1항에 있어서, 상기 세라믹제 요소로부터 외기로의 열 손실을 감소시키기 위하여 상기 세라믹제 요소의 적어도 일부분 둘레에 단열재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 정화기.
8. 제4항에 있어서, 외기로의 열 손실을 감소시키기 위하여 상기 컵 둘레와 상기 세라믹제 요소의 인접 단부에 단열재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 정화기.