KR100878608B1 - 원심력을 이용한 양방향 공기정화장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공기정화장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 대기중의 오염된 공기를 흡입하여 분진 또는 먼지 등 유해물질을 제거한 후 정화된 공기를 배출하도록 한 양방향 공기정화장치에 관한 것이다.

이를 위해 본 발명은 내부가 중공되고, 양측 입/출구 내측으로 베인(vane)(12)이 각각 구비되며, 중앙부에 확대된 직경을 가지는 집진실(11)이 일체형으로 마련되고, 상기 집진실(11)의 하부에는 포집된 유해물질을 배출하기 위해 하부방향으로 향할수록 폭이 점차 작아지며 그 하단에 개폐밸브(21a)가 마련된 원뿔형의 배출구(21)가 구비된 외통(10),

상기 외통(10)의 집진실(11) 내부에는 소정의 길이를 가지며 외통을 통해 유입된 공기에 유속변화를 유발시켜 청정공기와 유해물질이 분리되도록 내부가 중공 된 내통(20)이 삽입되되 복수개의 지지편(20a)으로 고정된 것을 특징으로 한다.

유해물질, 집진, 외통, 내통, 공기정화장치

Description

원심력을 이용한 양방향 공기정화장치{Air-cleaner using centrifugal force}

본 발명은 원심분리를 이용한 축류유입식 직진형 공기정화장치에 대한 것으로 더욱 상세하게는 대기중의 오염된 공기가 유입될 때 와류와 함께 유속변화를 일으키도록 하여 공기중의 분진 등 유해물질을 분리한 후 정화된 공기를 배출하도록 한 원심력을 이용한 공기정화장치에 관한 것이다.

이에 따른 원심력을 이용한 공기정화장치는 교통수단으로 이용되는 모든 차량 및 열차와 특히, 지하의 폐쇄된 공간에서 운행되는 지하철 등에 설치함으로써 별도의 동력을 사용하지 않고 교통수단의 운행시 운행 속도에 따라 흡입되는 공기의 압력만으로 와류와 함께 유속변화를 일으키도록 하여 공기정화 효과를 기대할 수 있도록 한 것이다.

또한, 운행중 공기정화 과정에서 분리된 분진 및 유해물질은 공기정화장치의 집진실에 포집되고 이는 집진실에 마련된 배출구를 통해 배출되도록 하여 지속적인 공기정화 효과를 갖도록 한 원심력을 이용한 공기정화장치에 관한 것이다.

일반적으로 흡입된 공기로부터 이물질을 제거하는 공기정화장치 방식은 크게 필터식과 원심분리식으로 구분된다. 필터식은 공기의 유로 상에 필터를 설치함으로써 공기가 필터를 통과할 때 공기 중의 이물질이 필터에 의해 걸러지도록 하는 방식이며, 원심분리식은 소용돌이와 회오리 바람은 강한 회전력에 의하여 원심력이 증대되어 중앙부는 공동화 현상이 발생되고 원주방향으로 회전하며 전방으로 흐름이 형성되는바 이러한 현상을 응용한 것이다.

상기 원심분리식은 다시 분류방식에 따라 다음과 같이 세분화된다.

가. 유입방식에 따른 분류 : 접선유입식, 축류유입식

나. 배출방식에 따른 분류 : 반전형, 직진형

한편, 화석연료를 사용하는 교통수단이 포화상태에 이르면서 도심에서 운행되는 차량과 열차 및 지하철 등은 연료를 소모하며 운행되는 과정에서 수많은 유해물질이 발생하며 이는 대기중에 잔류하여 대기오염을 유발시켜왔다.

그 중 연료로 석유, 석탄 등을 연소하였을 경우 주로 발생 되는 대기오염의 대표적인 유해물질은 소정의 질량과 분자를 가지는 입자상의 분진(PM) 등을 예로 들 수 있으며 이와 함께 기체상태의 CO2(이산화탄소), 이산화탄소, 수증기, 일산화탄소(CO), 질소산화물(NOX), 탄화수소(HC) 등이 발생 된다.

상술 된 바와 같이 연료의 연소시 발생 되는 유해물질 중 분진은 사람이 흡입할 경우 기도나 폐에 심각한 손상을 주고 각종 환경호르몬을 유발시키며 더불어 폭발 및 화재의 위험을 내재하고 있다.

따라서, 대기중의 유해물질을 제거하기 위한 다양한 구조와 방식을 가지는 공기정화기가 개발되고 있는바 원심력을 이용한 공기정화장치에 대해 설명하고자 한다.

후술할 종래의 원심력을 이용한 공기정화장치는 접선유입식 반전형 공기정화장치이며, 접선유입식 반전형이란 함진기류를 접선방향으로 유입시켜, 분진은 원심력과 관성력에 의해 내부표면으로 이동되고, 사이클론(Cyclone) 내벽을 타고 하단의 분진 퇴적함으로 포집되며, 사이클론 하단부에서는 하향하던 가스의 나선형 흐름의 방향이 바뀌어 안쪽에 역류로 상승하는 나선 흐름을 만들며 정화 가스는 선회류 출구(Vortex - Finder)인 위로 배출되는 방식이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 종래기술을 설명하고자하며 이는 도 1로 도시하였다.

종래의 원심력을 이용한 공기정화장치는 사이클론(1)을 구비하고 있다.

이어서, 유입된 실내 공기는 사이클론(1) 내에서 회전 유동하게 되고, 이 과정에서 공기 중의 이물질은 원심력에 의해 공기로부터 분리된 다음 중력에 의해 사이클론(1) 하측의 포집상자(2)에 포집된다. 포집상자(2)에 포집된 이물질이 제거될 수 있도록 포집상자(2)는 사이클론(1)에 대해 분리가능하게 결합 되어있다. 사이클론(1)의 출구측에 설치된 후처리 필터(3)는 사이클론(1)에서 미처 분리되지 못한 미세입자를 추가로 제거한다.

참고로, 도면에서 미설명 부호 4는 실내 공기를 공기정화장치 내부로 흡입하고 다시 실내로 토출하기 위한 송풍 팬이고, 5는 사이클론(2)의 출구와 송풍팬(4)을 연결하는 출구관이다.

그러나, 상술한 종래의 공기정화장치는 사이클론(1)내로 흡입되는 오염된 공 기가 와류를 일으키며 포집상자(2)가 있는 하부로 향하게 되어있으나 밀폐된 포집상자(2)에 와류된 공기가 충돌하면서 와류가 와해 되어 원심력에 의한 이물질의 분리작용이 상쇄하게 된다.

따라서 다수의 이물질이 다시 혼합되어 오염된 공기가 출구관(5)을 통해 배출되게 되므로 와류를 일으켜 원심력을 이용한 공기중의 이물질의 제거 효과는 현저하게 낮아지고 필터에 의한 정화에만 의존하게 되는 단점이 있었다.

또한, 공기를 흡입하고 배출하기 위한 별도의 흡입장치 및 배출장치와 이를 가동하기 위한 에너지, 흡입된 공기를 여과하기 위한 각종필터를 필요로 하게 되었다.

그 결과 공기정화를 위해 많은 양의 에너지를 소모하게 되며 필터의 주기적인 교체와 청소 및 관리를 위한 유지비용이 가중되는 문제점이 있었다.

상기 문제점을 해소하기 위한 본 발명의 과제는 유입되는 공기의 와류가 토출될때까지 상쇄되지 않도록 하여 원심력에 의한 이물질 분리효과를 증대시키고, 별도의 동력 없이 공기정화가 가능하여 에너지의 소모를 절감시키고, 따라서 유지보수 및 제작단가의 절감효과가 큰 공기정화기를 제공하고자 한다.

본 발명의 과제 해결 수단은 대기중의 오염된 공기를 흡입하여 분진 또는 먼지 등 유해물질을 제거한 후 정화된 공기를 배출하도록 함에 있어서,

내부가 중공되고, 양측 입/출구 내측으로 베인(vane)이 각각 구비되며, 중앙부에 확대된 직경을 가지는 집진실이 일체형으로 마련되고, 상기 집진실의 하부에는 포집된 유해물질을 배출하기 위해 하부방향으로 향할수록 폭이 점차 작아지며 그 하단에 개폐밸브가 마련된 원뿔형의 배출구가 구비된 외통과,

상기 외통의 집진실 내부에 소정의 길이를 가지며 내부가 중공된 내통이 삽입되되 복수개의 지지편으로 고정됨으로서 이루어진다.

위와 같이 본 발명에 따른 원심력을 이용한 공지정화장치는 유입되는 공기의 와류가 토출 될 때까지 상쇄되지 않으므로 원심력에 의한 이물질 분리효과가 매우 크며, 별도의 동력 없이 공기정화가 가능하여 에너지의 소모를 절감시키고, 포집된 이물질의 배출이 용이하며 그 결과 유지보수 및 제작단가의 절감에 효과가 매우 크 다.

본 발명에 의한 원심력을 이용한 양방향 공기정화장치는 축류유입식 직진형 방식에 해당하는 것으로,

입구에 마련된 베인에 의해 유입되는 오염된 공기는 강한 회전력을 가지게 되고 상기 회전력에 의하여 원심력이 발생하며, 중앙부는 공동화현상(空洞化現象)이 발생 되고 원주방향으로 회전하며 후방으로 흐름이 형성된다.

이때 공기중에 포함된 입자상의 분진(PM) 및 이물질은 소정의 질량을 가지므로 원심력을 이용하면 그 회전속도에 따라 미세한 이물질까지 공기와 분리가 가능해지게 된다.

즉, 공기보다 무거운 분진 및 이물질은 외통의 내주면을 따라 회전하면서 후방으로 흐르고, 외통의 회전 중심부에는 이물질이 제거된 청정공기만이 후방으로 흐르게 된다.

이후, 후방을 향해 흐르던 이물질은 외통에 구비된 집진실에 포집되고 청정공기는 내통으로 유입되어 이물질이 재혼합되는 것을 방지하며 청정상태를 유지한 상태로 배출구로 토출 되도록 하기 위한 것이다.

이를 위하여 본 발명은 내부가 중공되고, 양측 입/출구 내측으로 베인(vane)이 각각 구비되며, 중앙부에 확대된 직경을 가지는 집진실이 일체형으로 마련되고, 상기 집진실의 하부에는 포집된 유해물질을 배출하기 위해 하부방향으로 향할수록 폭이 점차 작아지며 그 하단에 개폐밸브가 마련된 원뿔형의 배출구가 구비된 외통,

상기 외통의 집진실 내부에 소정의 길이를 가지며 내부가 중공된 내통이 삽입되어 복수개의 지지편으로 고정됨을 특징으로 한다.

이하, 본 발명인 원심력을 이용한 양방향 공기정화장치를 첨부도면을 참조하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명에 의한 원심력을 이용한 양방향 공기정화장치의 설계 계략도이고, 도 3은 본 발명에 의한 원심력을 이용한 양방향 공기정화장치의 사시도이며, 도 4는 본 발명에 의한 원심력을 이용한 양방향 공기정화장치의 구조를 나타낸 단면도이다.

첨부된 도면 도2 내지 도4를 참조하면, 본 발명의 외통(10) 양측 단부에는 외측으로 향할수록 점차 넓어지는 확장입/출구(10a)를 형성하고 그 내측으로 베인(12)을 각각 구비하여 외통(10) 내부로 유입되는 공기의 압력을 배가시키도록 한다.

즉, 확장된 입구로 유입되는 공기가 갑자기 좁아지는 통로를 지날 때 발생되는 공기의 압력을 이용하여 베인(12)을 통과한 공기가 강한 회전력의 와류를 일으키도록 한다.

여기서, 상기 베인(12)은 흡입되는 공기의 와류현상을 극대화시키기 위해 외통(10)의 내주연을 따라 나선형으로 선회하도록 형성된다.

또한, 외통(10)의 중앙부에는 확대된 직경을 가지는 집진실(11)을 일체형으로 마련하고 그 하부에 하부방향으로 향할수록 폭이 점차 작아지며 그 하단에 개폐밸브(13a)가 마련된 원뿔형의 배출구(13)를 마련한다.

즉, 강한 회전력을 가지며 유입된 오염된 공기중의 이물질은 원심력에 의해 외통(10)의 내주면을 따라 회전하면서 후방으로 흐르게 되고, 이후 집진실(11)에 포집 되게 된다. 아울러 이렇게 포집된 이물질은 집진실(11)에 구비된 배출구(13)에 모이게 되며, 간단한 개폐밸브(13a)의 조작으로 쉽게 이물질의 배출이 가능하게 된다.

한편, 상기 외통(10)의 집진실(11) 내부에는 내통(20)이 설치된다.

상기 내통(20)은 집진실(11)의 길이보다 다소 길게 형성하고 지지편(20a)을 이용하여 외통(10)의 집진실(11) 내부에 위치하도록 고정한다.

즉, 강한 회전력을 가지며 유입된 오염된 공기중의 이물질은 원심력에 의하여 외통(10)의 내주면을 따라 회전하면서 후방으로 흐르며 집질실(11)에 포집되고, 회전의 중심부에 남은 청정공기는 내통(20)을 통해 배출구로 토출 되도록 한다.

여기서, 내통(20)과 집진실(11) 사이에 형성된 통로(21)에는 공기의 유입속도에 의해 개방되었다가 공기의 유입이 중단되면 닫히는 가동판을 설치하는 것이 바람직하다.

그 이유는 접선유입속도(Vθ)가 3m/s 이하인 공기가 유입될 경우 유해물질의 분리 효율이 저하되며 집진실(11)에 포집된 유해물질이 배출되는 것을 방지하기 위함이다.

이하, 2007년 5월에 "인천대학교 대기환경 연구실"에서 실시한 테스트 결과를 참고하여 적정한 이물질 분리효율과 이에 따른 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하고자 한다.

1. 원심력을 받은 입자는 원통의 바깥쪽으로 나선형 고리를 형성하면서 앞으로 진행하고 공기의 주 흐름과 분리된다. 초기에 유입된 입자는 분리거리가 가장 먼곳에 위치(rp1)하고, 처리구간을 거친 후의 위치(rp2)에 도달하면 분진의 분리가 이루어진다. 입자의 초기 유입시 외통의 원주 방향에 가까울수록 더 효율적인 분리가 이루어진다.

2. 분리되는 입자의 크기는 접선유입속도가 증가할수록 작아진다. 접선유입속도가 3m/s 에 근접할 때 분리되는 입자의 크기는 0 에 근접한다. 접선유입속도(Vθ)가 3m/s를 초과하여도 분리효율은 크게 증가하지 않는다. 그러나, 3m/s이하일수록 입자의 분리효율은 크게 저하된다.

3. 내통과 외통 사이의 간극 d < 0.04 m일 때 분리입자의 크기는 감소하고,d > 0.04 m 일 때 분리입자의 크기는 증가한다. 따라서, 간극은 아주 작아야 분리효율이 증가하며, 실제적으로 0.04m 이하로 작아야 분리입자의 크기를 줄여 분리효율을 개선할 수 있다. 그러나, 간극이 실제적인 고려사항을 위해 0.04 m보다 더 커야 하는 경우에, 분리입자 크기는 간격의 크기에 대체로 비례하여 증가한다.

4. 입자의 분리가 이루어지는 구간 길이는 약 4Ra 로 0.6 m 보다는 길어야 분리효율이 좋아진다. 길이가 L > 4Ra 일 때 입자의 분리효율은 감소한다. 길이가 길어질수록 분리입자의 크기는 작아진다. 그러나 길이가 L > 4Ra로 길어져도 분리입자의 크기는 효율적으로 작아지지 않는다.

5. 내통과 외통의 평균반경에 관한 입자의 분리효율은 0-2m 구간전반에서 일정한 값을 가지지 않는다. 평균반경이 클 때 분리입자의 분리효율은 작아지며, 분 리입자의 크기는 평균반경의 크기에 비례하여 커진다. 평균반경은 작을 수록 분리 효율이 좋다.

6. 위와 같은 테스트 결과에 의한 본 발명의 바람직한 실시예는,

rp1 : 분리입자의 초기유입위치 rp2 : 분리입자의 최종위치

R1 : 내통의 반지름 R2 : 외통의 반지름

Ra : 평균반경 4Ra : 입자 분리구간

d : 분리간극 L : 처리구간 길이

Vθ : 접선유입속도

▶평균반경: Ra = (R1 + R2)/2

▶처리구간 길이: L > 4Ra

▶분리간극: d = R2 - R1

▶입자 분리구간 : 4Ra = Ra x 4

i)초기에 유입된 이물질이 입자 분리구간(4Ra)을 거친 후의 위치(rp2)에 도달할 때까지의 처리구간 거리(L)은 입자의 분리가 이루어지는 구간 길이 0.6 m 보다 커야한다. 따라서 처리구간 거리(L)은 0.6m ~ 1m가 적당하다.

ii)공기의 접선유입속도는 (Vθ) > 3m/s이 되도록 하고, 내통과 외통 사이의 분리간극(d) < 0.04 m가 되게 하여 미세한 크기의 입자까지 분리가 가능하도록 한다. 따라서 분리간극은 0.02 m가 적당하다.

iii)내통과 외통의 평균반경(Ra)에 관한 입자의 분리효율은 0 ~ 2m 구간전반에서 일정한 값을 가지지 않는다. 평균반경(Ra)이 클 때 분리입자의 분리효율은 작 아지며, 분리입자의 크기는 평균반경의 크기에 비례하여 커진다. 따라서 평균반경은 작을수록 분리 효율이 좋다. 따라서 평균반경은 0.15m정도가 되도록하는 것이 바람직하다.

위와 같은 데이터를 바탕으로 설계된 본 발명인 원심력을 이용한 공기정화장치는 차량, 선박, 항공기, 열차 등의 교통수단에 장착되며 상기 교통수단의 빠른 이동속도로 인해 외통 내로 공기가 유입된 후 정화된 청정공기가 배출되는 것이다.

즉, 유입된 공기가 내통(20)에 이르는 순간 와류와 유속변화에 의해 비중이 큰 유해물질과 청정공기가 분리되면서 청정공기는 내통(20)을 통과하여 배출되고, 유해물질은 내통(20)의 외측으로 유도되면서 집진실(11)에 포집된다.

실예로, 도로와 철도 같은 경우 운행중 구간에 따라 터널을 지나게 된다. 이때, 터널의 내부에는 공기의 순환이 정상적으로 이루어지지 않아 심각하게 오염된 공기가 잔류하게 된다.

이 경우 차량과 열차에 본 발명인 원심력을 이용한 공기정화장치를 장착하게 되면 터널내의 공기오염을 해소 및 방지할 수 있으며 아울러 대기중의 환경 개선에도 탁월한 효과가 있게 된다.

한편, 열차는 정해진 구간을 선회하지 않고 목적지를 직선왕복 운행하게 되는바 본 발명에 따른 원심력을 이용한 공기정화장치는 양방향으로 공기정화가 가능하므로 운행되는 방향에 맞추어 공기정화장치의 방향을 바꾸어 장착해야 하는 번거로움을 해소할 수 있는 것이다.

도 1은 종래의 원심력을 이용한 공기정화장치를 나타낸 도면.

도 2는 본 발명에 의한 원심력을 이용한 양방향 공기정화장치의 설계 계략도이고,

도 3은 본 발명에 의한 원심력을 이용한 양방향 공기정화장치의 사시도이며,

도 4는 본 발명에 의한 원심력을 이용한 양방향 공기정화장치의 구조를 나타낸 종,횡단면도이다.

<도면의 주요부호에 대한 부호의 설명>

10 : 외통 10a : 확장입/출구

11 : 집진실 12 : 베인

13 : 배출구 13a : 개폐밸브

20 : 내통 20a : 지지편

21 : 통로

rp1 : 분리입자의 초기유입위치 rp2 : 분리입자의 최종위치

R1 : 내통의 반지름 R2 : 외통의 반지름

Ra : 평균반경 4Ra : 입자 분리구간

d : 분리간극 L : 처리구간 길이

Vθ : 접선유입속도

Claims (6)

1. 대기중의 오염된 공기가 유입되어 그 공기중의 분진과 유해물질을 제거한 후 정화된 공기를 배출하게 된 것에 있어서,

   내부가 중공되고, 양측 입/출구 내측으로 베인(vane)(12)이 각각 구비되며, 중앙부에 확대된 직경을 가지는 집진실(11)이 일체형으로 마련되고, 상기 집진실(11)의 하부에는 포집된 유해물질을 배출하기 위해 하부방향으로 향할수록 폭이 점차 작아지며 그 하단에 개폐밸브(13a)가 마련된 원뿔형의 배출구(13)가 구비된 외통(10),

   상기 외통(10)의 집진실(11) 내부에는 소정의 길이를 가지며 외통을 통해 유입된 공기에 유속변화를 유발시켜 청정공기와 유해물질이 분리되도록 내부가 중공 된 내통(20)이 삽입되되 복수개의 지지편(20a)으로 고정된 것을 특징으로 하는 원심력을 이용한 양방향 공기정화장치.
2. 제 1항에 있어서,

   외통(10)의 양측 단부에는 외측으로 향할수록 점차 넓어지는 확장입/출구(10a)가 각각 형성된 것을 특징으로 하는 원심력을 이용한 양방향 공기정화장치.
3. 제1항에 또는 제2항에 있어서,

   상기 외통의 양측 입/출구 내측에 형성된 베인(vane)(12)은 흡입되는 공기의 와류현상을 극대화시키기 위해 외통(10)의 내주연을 따라 나선형으로 선회하도록 형성된 것을 특징으로 하는 원심력을 이용한 양방향 공기정화장치.
4. 제 1항에 있어서,

   처리구간 거리는 입자의 분리가 이루어지는 구간 길이인 0.6m보다 크고 1m이하인 것을 특징으로 하는 원심력을 이용한 양방향 공기정화장치.
5. 제 1항에 있어서,

   상기, 내통(20)과 외통(10) 사이의 분리간극은 0.04 m ~ 0.02 m인 것을 특징으로 하는 원심력을 이용한 양방향 공기정화장치.
6. 제 1항에 있어서,

   상기, 내통과(20) 외통(10)의 평균반경은 0.15m이상 인 것을 특징으로 하는 원심력을 이용한 양방향 공기정화장치.

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