KR100924063B1 - 물과 숯을 이용한 자동필터세척식 공기정화장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공기정화장치에 관한 것으로서, 특히 물을 이용한 워터필터 방식의 정화기이다.

다만 기존의 워터필터 방식의 공기청정기와 달리 숯의 입자를 이용, 물의 정화면적을 기존의 방식에 비해 비약적으로 넓히면서 아울러 숯에 의한 오염공기 정화효과도 거두어 황사 등 미세먼지의 집진능력과 유해 가스, 세균 등의 공기 오염원에 대한 탁월한 정화효과를 얻을 수 있도록 한 고안이다. 이를 위해 본 발명은 숯 입자가 내장된 원통형 하우징을 가지며, 이것이 수조내에서 회전하여 자동 세척되도록 고안하였으며 팬을 이용한 진공흡입방식으로 숯 입자의 무수한 기공에 얇은 물막을 형성하여 물에 의한 오염원 집진과, 숯에 의한 흡착 효과 모두를 극대화하고 아울러 세정도 용이하게 이루어지도록 고안하였다.

이런 효과 외에 본 고안은 숯 자체가 가지는 음이온 방출효과, 원적외선 방출효과, 탈취효과까지 부가적으로 얻을 수 있으며, 필터의 교환 및 세척이 필요 없는 고안이다.

백탄

Description

물과 숯을 이용한 자동필터세척식 공기정화장치 { The air cleaner using water and charcoal }

본 발명은 공기정화장치에 관한 것으로서, 물과 숯이 각기 가진 흡착력과 정화력을 결합하여 그 효율을 극대화하고, 아울러 그 정화장치가 자동 세척되도록 함으로써 필터 교환 및 세척이 필요 없게 한 공기정화장치에 관한 것이다.

그동안 오염된 공기를 정화하기 위해 많은 방식의 기술이 개발되어 왔다.

헤파필터(여과) 시스템을 가진 것부터 음이온 방식, 전기집진방식, 오존을 이용한 방식, 자외선 등 빛을 이용한 방식, 물을 필터로 이용한 방식, 그리고 이것들을 결합한 방식 등이 개발되어 왔다.

헤파필터로 대표되는 여과방식은 효율은 좋으나 주기적으로 고가의 필터를 교환해야 하므로 추가비용 및 2차 환경오염이라는 문제가 발생하고, 음이온 방식은 집진효율이 떨어지며 오존과 질소 산화물의 발생문제, 전기집진식은 집진판을 주기적으로 세척해야 하고 역시 오존발생 문제가 있다. 음이온과 전기집진식은 모두 유해가스 제거능력이 떨어지므로 필터방식과 결합한 복합방식도 있으나, 역시 양자가 가진 문제점을 모두 가지고 있다.

경제적이고 친 환경적이란 점에서 물을 필터로 사용하는 방식이 고안되어 독일 벤타사로 대표되는 디스크형태의 고안물을 이용, 물의 정화면적을 넓히는 방식부터 분사된 물방울(액적)을 이용하는 습식스크러버 방식과 그 아류들이 있다.

그러나 디스크를 이용한 장치는 필터가 되는 디스크간 간격이 4~5㎜에 이르러 사실 대부분의 오염공기는 디스크 사이로 통과하므로 장시간에 걸친 반복정화 없이는 효과가 미미하고, 세균이나 각종 가스류 제거를 위해서는 별도의 약품을 첨가해야 한다.

습식 스크러버방식과 그 아류들은 오염물질을 흡착한 물방울의 처리문제 때문에 너무 복잡하거나 실용적이지 못한 형태가 대부분이다.

최근에는 공기정화기의 성능에 실망하여 숯 자체의 놀랄만한 집진능력와 정화력에 주목, 아무런 기계장치 없이 숯 자체만으로 실내 공기정화에 사용하기도 하나, 역시 주기적이고 지속적인 세척이 없이는 그 효과를 보기 힘들다는 단점이 있다.

각각의 방식이 타 방식에 대해 나름대로의 장점과 비교우위를 가지고 있으나, 종합적으로 소비자가 만족을 느낄만한 성능에 이르지 못해 그나마 체감성능이 뛰어난 필터방식이 80%정도를 점유하고 있다.

본 발명은 상기 방식들의 문제점을 해결하기 위해 고안된 것으로서, 미세먼지를 효율적으로 집진하고 급격한 공기오염을 신속히 제거하며, 여러 종류의 오염원에 의한 광범위한 오염의 제거에 높은 효율을 보이면서도 필터의 교환이나 세척등의 추가 부담이 없는 공기정화장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 의한 공기정화장치는 숯 입자(백탄, 활성탄)가 내장된 원통형태의 하우징을 갖는다. 이 하우징은 미세한 구멍이 뚫린 이중의 원통벽면을 가지고 그 내/외벽 사이에 1~3mm 내외의 숯 입자(백탄, 활성탄)가 채워진 것이며, 이 원통형 하우징의 일면축이 공기 흡입통로가 되게 한 것이다.

공기흡입통로를 통해 소정의 팬으로 하우징 외부의 오염공기를 진공 강제 흡입하여 하우징 외부의 공기가 하우징 내/외벽 사이의 숯 입자에 의해 정화된 후 하우징 내부로 들어가고, 이어 흡입통로와 팬을 거쳐 배기구로 배출되는 구조를 갖는다.

이때 숯 입자가 채워진 원통형 하우징은 물이 채워진 수조내에 일부 담겨있고 팬을 회전시키는 모터의 동력을 이용해 감속기어로 서서히 회전하게 되어 하우징 내 숯 입자를 세정한다. 세정된 하우징 내의 숯 입자는 그 기공에 물이 채워져 있으나, 원통형 하우징의 회전에 의해 대기중으로 나온 후에는 진공흡입에 의해 차츰 기공이 열리며 기공면이 살짝 젖은 정도의 상태에서 오염공기를 정화한다.

이렇게 하여 숯의 무수한 기공을 이용, 오염된 공기와 닿는 물의 표면적을 비약적으로 증대시켜 오염물질을 흡착하고, 아울러 젖은 숯 입자도 오염원을 흡착한 후 회전하여 수조내에 들어가 자동 세정이 되는 구조를 갖는다.

물은 지구상에서 가장 광범위하고 저렴한 훌륭한 용제로 알려져 있다. 대다수의 물질이 물에 용해되거나 흡착되기에 물은 가장 훌륭한 정화필터가 될 수 있다.

이에 착안하여 물만을 이용한 공기정화장치가 보급되어 있다. 그러나 이는 팬을 이용한 바람으로 단순히 공기를 물의 표면에 부딪히게 하는 장치로서, 디스크 형태의 고안물을 촘촘히 배열하여 흡착에 쓰이는 물의 표면적을 넓히고자 하였으나, 물의 모세관 현상 때문에 일정 수준 이하로는 그 간격을 좁힐 수 없는 한계점이 있었다. 더구나 물 자체로는 미세먼지만 흡착시키고, 미생물과 유해가스 제거를 위해서는 별도의 약품을 물에 살포해야하는 문제점도 있다.

물자체를 분사하는 습식 스크러버의 분무방식은 기류에 포함된 분진이 관성력에 의해 물방울에 충돌하거나 물방울에 의해 직접차단, 혹은 냉각/확산등의 방법을 이용한 것이지만, 물방울(액적이라 부름)을 미세하게 하면 물방울이 공기와 섞여 나가게 되므로 결국 다시 필터를 사용하거나, 원심분리기 등 별도의 복잡한 장치를 갖추지 않고서는 만족스런 결과를 얻기 힘들다.

기타 숯 표면에 물을 뿌리고 여기에 공기를 순환시키는 고안이 있을 수 있으나, 이 방식도 모세관 현상에 따라 물이 숯의 미세공 속에 채워지므로 실제로는 오히려 숯의 정화력을 떨어뜨리는 결과를 초래한다.

그러나 본 발명은 진공을 이용한 강제흡기방식의 고안으로서, 위의 단점을 제거하고 보다 숯의 기공 내에 얇고 미세한 물막을 형성하여 흡착에 쓰이는 물의 표면적을 비약적으로 넓혀 정화 효과를 극대화 하고자 하였다.

본 고안의 원통형 하우징내 하면의 숯 입자가 수조내의 물에 의해 세정된 후, 회전에 의해 대기로 나오는 초기에는 역시 모세관 현상에 따라 미세공이 물에 의해 막혀 있으나, 느린 회전을 하며 동시에 진공흡입방식에 의해 공기가 강제 순환하면서 차츰 기공이 뚫리며 서서히 말라가게 된다. 하우징 내 다수의 격벽이 수면으로부터 대기중으로 올라온 부분의 모세관 현상을 차단한다.

기존의 물을 이용한 벤타류의 방식이 가정용 소형의 경우 필터면적이 4~50평에 불과하나, 본 발명에 쓰인 숯의 기공은 1g당 100여 평에 이르므로 동일한 크기 제품에 비해 최소 수백~수천배의 물의 정화 표면적을 갖게 된다.

이처럼 숯의 기공을 이용해 물의 정화 표면적을 비약적으로 넓힌 물을 이용한 정화방식에 더하여 방독면의 정화통처럼 살짝 젖은 숯 자체가 갖는 정화능력도 극대화 되게 된다.

담양군이 환경측정 전문기관인 코엔텍(Koentec)에 의뢰, 숯의 정화능력의 조사한 결과 숯을 평당 0.5 ~1kg씩 놓아두기만 해도 다중 이용시설에서 규제하는 대표적 오염물질인 휘발성유기화합물(VOC), 포름알데히드(HCHO)가 각각 51.9%, 36.9% 가 감소하는 효과를 보였으며, 특히 한번 사용한 숯이라도 세척 후, 응달에서 한시간 가량 말린 뒤 재활용할 경우도 효과가 매우 큰 것으로 조사되었다.

이와 같이 본 발명은 숯의 미세공을 이용해 물의 정화표면적을 비약적으로 넓혀 미 세 분진등 오염물을 흡착하고, 숯 자체의 정화력을 이용하여 오염물과 유해가스를 제거한다.

또한 숯 자체에 항균, 방부효과가 있음이 여러 경로로 입증되어 유해균 제거를 위해 별도의 약품을 섞을 필요가 없다.

본 발명은 숯 자체를 필터로 이용한 강제흡기방식으로 빠른 정화가 가능하도록 하였으며, 오염물질을 흡착한 반 건조상태의 숯입자가 회전하며 자동으로 수조 속에서 무한 세척되게 함으로써 오염된 물만 갈아주면 필터교환 및 세척이 필요 없게 하였다.

또한 부수적으로 가습효과를 거둘 수 있고, 숯 자체에서 방출하는 천연 음이온과 원적외선 방출 효과도 극대화되는 효과를 거둘 수 있다.

< 용어의 정의 >

원통(원기둥)이란 ‘밑면이 원이고 축인 고정선과 항상 평행인 직선의 회전으로 생긴 입체’ 를 말하므로, 밑면(혹은 윗면)에 해당하는 원 부분을 ‘축면’, 고정선과 평행인 직선의 회전으로 생긴 부분을 ‘원통 벽’, 원통 벽 중 지름이 큰 것을 ‘외벽’, 작은 것을 ‘내벽’ 이라 부르고,내벽부터 축인 고정선 사이의 부분을 ‘원통내부’ 로 부르기로 한다.

< 상세 설명 >

이하 본 발명의 구체적인 내용을 설명한다.

도-1은 본 발명의 기본원리를 나타낸 개념도이다.

이하 본 발명의 구체적인 내용을 설명한다.

소정의 모터(2)에 의해 팬(1)이 회전하여 공기를 토출구 방향으로 내보내면, 진공에 의한 기압차로 인해 외부의 오염공기는 원통형하우징(8)의 외부에서 원통내부로, 그리고 연결통로(4)를 거쳐 토출구를 통해 본 발명품 외부로 흘러 나가게 된다.

연결통로(4)의 하단부 끝부분에 체결되어있는 원통형하우징(8)은 (5)와 같은 방식, 내지는 이와 유사한 수단으로 일정 수준의 기밀을 유지하면서 회전이 가능하도록 되어있는 구조이다.

이 원통형 하우징(8)은 도-4 에서 보는 것처럼 그 원통 벽면이 내벽과 외벽의 이중의 벽으로 되어 1~3mm 내외의 숯 입자를 담을 수 있게 한 구조이며, 내/외 이중의 벽은 모두 1mm 미만의 미세 구멍이 다수 뚫려있는 구조이다.

이 원통형하우징(8)이 도-1,2에서 보는 것처럼 수조(9)에 채워진 물에 일부 잠겨 있는 상태로 다단계의 감속기어(7)에 의해 느린 회전을 하게 된다.

이때 원통형하우징(8)의 물속에 잠긴 부분에서는 내부 숯 입자에 흡착된 오염물질의 세정이 일어나게 되고, 수면위의 부분에서는 원통형하우징(8)의 외부에서 내부로 공기가 강제 흡입되면서 오염공기를 정화하게 된다.

도-3 은 원통형하우징(8)의 단면을 나타낸 단면도이다. 원통의 상부 약 3/5 지점이 만수위치(A)이고, 밑바닥에 살짝 닿는 정도의 표시 부분이 최저수위점(B)으로서 물 보충 지점이다.

원통형하우징(8) 내부는 그림( 도-3,4)과 같이 다수의 격벽(10)으로 나뉘어져 있는데, 격벽이 없이 실험해 본 결과, 풍압과 바람에 의해 숯의 기공은 차츰 열려가지만 그에 따라 수조내의 물이 모세관 현상에 의해 다시 숯의 기공을 메움으로서 숯의 기공을 충분히 활용할 수 없는 문제가 관찰되었다.

이 격벽(10)은 원통형 하우징(8) 내의 숯 입자가 수면 위로 올라왔을 때 물의 모세관 현상을 막아 숯의 기공을 충분히 확보할 수 있게 해 준다. 아울러 전원을 차단했을 경우에 과도한 물을 증발을 막아주는 역할도 한다. 이 원통형하우징(8)이 반드시 원형일 필요는 없으나, 다각형 형태의 다면체보다는 단위 용적이 가장 큰 원형이 바람직할 것이다.

숯은 보편적인 환경에서 완전 건조시 약 10%의 수분을 함유하는데 본 발명에서 공기정화에 사용되는 숯 입자의 수분 함유량은 수면 위 원통형하우징(8)의 회전하는 외부의 위치에 따라 차이가 있으나, 기공이 물에 막혀 통기조차 어려운 수면위로 막 나온 처음 부분을 제외하고 실제로 정화가 이루어지는 부분의 수분 함유량은 20~ 50% 정도로서 외부에서 관찰했을 경우 완전히 젖어 기공이 물에 막혀 있지도, 완전히 마르지도 않은 이른바 반 건조상태이다.

이 상태가 물의 정화면적이 극대화 되는 상태이며, 아울러 숯의 미세기공에 흡착된 오염물질이 다시 물속으로 들어갔을 때 쉽게 세척될 수 있는 상태가 된다.

원통형하우징(8)의 회전속도는 도-3에서 최저수위시(B)에 막 수면위로 올라온 부분(C)을 출발점으로 약 270도 지점(D)에 이르러 숯의 입자가 완전 건조되도록 다단계의 감속기어(7)를 통해 회전속도를 조절한다. 이는 수면이 최저점으로 내려간 시점에서 수면위로 올라온 부분(C)이 다시 수면으로 들어가기까지의 지점(D)까지의 각도로서 물 보충 직전까지 물에 의한 정화효과를 얻기 위함이다.

도-3 에서 원통형하우징 상부에 표시된 다수의 화살표는 만수시(A)에 흡입되는 공기의 양과 세기를 나타낸 것으로서, 회전에 따라 수분이 증발하여 세척 직전의 위치에서 가장 많은 양의 공기가 흡입됨을 알 수 있다.

한편 도-1 과 도-2에서 모터(2)와 팬(1)을 내장하고 있는 하우징(3)은 모터와 팬 사이에 격벽이 설치되어 있어, 다습한 공기로부터 모터를 보호한다.

아울러 모터(2)는 양축을 이용하는 것으로서 한쪽의 축은 팬(1)을 돌리게 되고, 반대쪽의 축에는 피니언 기어와 다단계의 감속기어를 이용해 원통형하우징(8)의 축면에 부착되어있는 기어를 회전시켜 원통형하우징(8)을 상기 기술한 속도로 회전시킨다.

도-5 는 본 발명에서 물이 숯의 기공을 이용해 비약적인 정화 면적을 얻게 되는 원리를 나타낸 개념도이다.

숯은 도-5의 현미경 사진(E-1)에서 보는 것처럼 미세한 기공으로 이루어져 있다.

여기 물이 채워지면 도 E-2 에서 보는 것처럼 모세관 현상에 의해 숯의 모든 미세 기공은 물로 가득 채워지게 된다. 이 상태에서는 숯의 미세기공 활용이 전혀 불가능하며 오히려 통기조차 원활치 못한 상태이므로 오염공기 정화에 적합한 상태가 아니다.

여기에 일부 디스크판을 사용한 타 공기정화기에서 채용하는 방식대로 인위적으로 외부에서 바람을 불어 건조시켜도 외부부터 시작해 차츰 말라갈 뿐이고, 본 발명처럼 숯 입자를 이용한 미세기공을 가진 경우에 있어서는 완전히 건조되기 이전에는 숯 입자 내부의 기공이 막혀있는 상태가 된다. 이렇게 되면 도 E-3에서 보는 것처럼 오염 공기가 숯 입자의 내부로 들어가지 못하고 외부에서 돌아 나가게 되므로 숯의 기공에 의한 흡착 효과를 기대하기 어렵게 된다. 아울러 숯 입자가 완전 건조되어 모든 통기공이 열리기까지의 시간도 오래 걸리게 된다.

그러나 본 발명의 진공흡입방식에 의하면 숯 입자의 기공 표면에 물이 얇게 도포된 상태로 모든 기공이 열리게 된다 (E-4). 이는 숯 입자내부의 기공을 채운 물과 숯의 흡착력보다 강한 힘으로 진공을 일으키기 때문이다. 이 경우 진공에 의해 상당량의 수분이 빠져나간 숯 입자 내부의 수분이 군데군데 물방울의 형태로 산재하지 않고, 기공의 표면에 엷게 퍼져있는 것은 물의 숯에 대한 부착력이 응집력보다 강하여 있어나는 현상으로,

『 물의 숯에 대한 부착력 > 물의 응집력 』 의 부등식으로 설명될 수 있다.

모세관 현상이 강했던 만큼, 역으로 적당히 숯 입자의 내부가 균일하게 건조되면 그 방대한 기공의 면적을 모두 정화면적으로 이용함이 가능하게 된다(E-5).

본 발명은 이렇게 방대한 숯 기공의 미세한 물막에 오염물질이 흡착되어 공기를 정화하는 원리이며, 이 물막이 완전 건조되어 숯의 기공에 오염물질이 점착, 누적되어 세정이 어려운 상태가 되기 이전에 다시 수조내의 물 속에 침수되도록 원통형 하우징의 회전속도를 풍량에 따라 조절하여 용이하게 세정이 되는 고안인 것이다.

본 발명은 실물 사용시 사용자의 편의를 위해 도-6 에서 보는 것처럼 모터(2), 팬(1), 연결통로(4), 원통형하우징(8), 감속기어(7) 등이 모두 결합하여 어셈블리(12)를 이루고 있는 구조이며, 이 어셈블리에는 직선형 기어(15)가 장착되어 있고, 제품 외관의 상부로 별도의 모터(17)가 피니언기어와 감속기어 시스템(16)을 통해 어셈블리(12)를 들어 올리는 구조를 통해 수조(9)내 물의 보충과 수조(9) 청소를 용이하게 하는 구조를 가지고 있다.

아울러 회전하는 팬의 소음 감소를 위해 도-7의 미로형 소음감소 공기배출로를 가진 형태를 취한 구조로 되어있다.(도-7의 우측평면도 B에서 배출구 (a) 부분에 장착)

그러나 이 어셈블리 구조와 소음감소 배출로는 오직 사용상의 편의 장치일 뿐이며, 이를 채택하지 않더라도 본 발명의 원리와 성능에는 전혀 영향을 주지 않음은 물론이다.

도-1은 본 발명의 기본원리를 나타낸 개념도.

도-2는 본 발명의 사시단면도.

도-3은 원통형 하우징(8)의 단면도.

도-4는 원통형 하우징(8)의 사시 구조도

도-5는 본 발명에서 숯의 기공을 이용한 워터필터가 비약적 정화면적을 얻게 되는 원리를 나타낸 원리개념도.

도-6은 어셈블리의 사시도.

도-7은 본 발명의 평면도.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

1. 송풍 팬 2. 구동 모터

3. 송풍 팬과 모터의 하우징 4. 흡입통로 (원통형 하우징과 팬 하우징간)

5. 체결부 6. 피니언 기어

7. 감속 기어 8. 원통형 하우징

9. 수조 10. 격벽(원통형 하우징내)

Claims (4)

1. 물이나 숯을 집진수단으로 이용하는 공기정화장치에 있어,

   1~3mm 내외의 숯 입자(백탄,활성탄)을 담을 수 있도록 그 벽면이 내/외의 이중벽 구조로 된 소정의 원통형, 혹은 이와 동일한 용도로 쓰일 수 있는 다면체의 하우징을 이용하되,

   그 하우징의 한쪽 축면, 또는 양쪽 축면을 공기의 진공흡입, 또는 배출통로로 이용하고, 그 통로와 하우징의 체결부는 일정한 수준의 기밀을 유지한 채 회전이 가능한 구조이며, 이중벽 각각에는 다수의 미세공이 뚫려있으며 이를 통한 공기, 내지는 물의 흡/배출이 자유로우며, 이중벽 사이에는 격벽이 있어 물의 모세관 현상을 막을 수 있게 한 구조의 하우징을 이용하여,

   이 하우징과 흡입통로를 수조 내에 일부 잠긴 채로 하우징을 회전시키되 원통의 회전속도를 팬의 풍량에 맞춰 약 270도 회전시 일반 대기중의 숯의 습도 함유율과 같아지도록 하여 팬의 진공흡입속도와 풍량에 따라 하우징 내의 숯입자도 건조시간이 이에 비례하도록 한 결과

   수면 위로 나온 부분에서는 숯 입자 내부의 미세기공에 미크론 단위로 얇게 점착된 물의 흡착성질을 이용해 오염공기를 정화하며, 수면 아래 잠긴 부분에서는 숯의 기공내 물막에 흡착된 오염물질이 물에 용해되어 지속적 세정이 가능하도록 한 고안
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