KR101003919B1 - 포인트 이온화 소스를 이용한 공기 여과 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 공기로부터 입자를 여과하기 위한 여과 시스템에 관한 것이다. 복수의 포인트 이온화 소스가 공기 유동 채널의 주연부 근방에 위치되고 각각의 포인트 이온화 소스에서 대체로 상류 방향으로 공기 유동 채널의 근방에 이온을 생성하도록 배향된다. 입자 수집면이 복수의 포인트 이온화 소스의 하류 방향으로 공기 유동 채널 내에 위치설정된다. 입자 수집면은 이온의 전하보다 접지에 대해 대향하는 방향으로 정전기적으로 대전된다. 이온 트랩이 복수의 이온화 소스와 입자 수집면 사이의 공기 유동 채널 내에 위치설정된다. 이온 트랩은 입자 수집면과 이온에 비해 상대적으로 전기적으로 중성이다.
여과 시스템, 포인트 이온화 소스, 공기 유동 채널, 입자 수집면, 이온 트랩

Description

포인트 이온화 소스를 이용한 공기 여과 장치{AIR FILTRATION DEVICE USING POINT IONIZATION SOURCES}
본 발명은 이온화된 공기를 이용한 공기 여과 시스템에 관한 것이며, 특히 실온에서 복수의 포인트 이온화 소스를 이용한 공기 청정 시스템에 관한 것이다.
종래의 청정 공기 여과 시스템의 하나의 유형은 먼지 및 오물 입자에 그들 자신을 부착시키는 이온을 생성하기 위해 이온화 장치를 이용한다. 그 후 대전된 입자는 필터 또는 정전 침전기(electrostatic precipitator) 등에서 수집된다. 이러한 시스템의 효율은, 이 후에 수집될 수 있는 대전된 입자를 생성하는 이온화 장치의 유효성에 크게 좌우된다.
통상, 이온화 장치의 2가지 유형은 먼지 및 오물 입자를 수집하는데 이용되는 필터의 성능을 향상시키기 위해 청정 공기 여과 시스템(실내 정화기)을 이용하였다.
이온화 장치의 하나의 유형은 복수의 와이어 및 접지 판으로 구성된다. 복수의 와이어에 고전압이 인가될 때, 와이어와 판 사이에 생성된 전기장은 공기 분자를 쪼개서, 다수의 이온들을 생성한다. 이온은 매우 높은 속도로 접지판으로 이동하며, 공기 내의 먼지 및 오물 입자와 충돌하여서, 먼지 및 오물 입자로 정전기 전하를 전달한다. 이들 와이어 판형의 이온화 장치는 필터 시스템 내의 수집을 위해 먼지 및 오물 입자가 예비 대전되도록 필터 시스템의 상류부에 통상 배치된다. 이러한 유형의 이온화 장치가 구성되기에 고가인, 입자를 대전하기 위한 효율적인 기구는 높은 작동 전류가 필요하므로, 작동되는데 비용이 많이 들며, 이용되는 매우 높은 전압 및 높은 전류로 인해 잠재적인 안전 위험성을 갖는다. 이 유형의 이온화 장치는 노 및 공기 조화 덕트 등의 제어된 공기 공간에 공통으로 이용된다.
실내 공기 청정기(cleaner) 또는 정화기(purifier)에 널리 이용되는 다른 유형의 이온화 장치는 포인트 이온화 장치이다. 포인트 이온화 장치에서, 와이어 판형 이온화 장치에 통상 이용되는 것보다 높은 전압이지만 매우 낮은 전류가 포인트 전극 또는 전극에 인가되어 이온을 생성한다. 또한, 이들 이온은 먼지 및 오물의 입자를 대전시켜서, 필터의 성능을 향상시킨다.
통상, 청정기 또는 정화기는 포인트 이온화 장치가 청정기 또는 정화기를 통과하는 공기의 출구 또는 출구 근처에 위치된다. 통상, 실내 도처에 이온화된 입자를 분산시키도록 행해진다. 그 후, 이들 이온화된 입자의 적어도 몇몇은 청정기 또는 정화기의 입구로 그 경로가 되돌아오며, 청정기 또는 정화기의 작동을 보조한다.
출구 포인트 이온화 장치의 일례는 베리티(Verity)의 미국 특허 제4,376,642호의 휴대용 공기 청정기 유닛(Portable Air Cleaner Unit)이며, 휴대용 공기 청정기 유닛을 서술한다. 팬 등의 공기 이동기(air mover)는 주 필터의 하류부에 배치되며, 노출된 음이온 소스은 공기 출구의 외부면 상에 팬의 하류부에 배치된다. 주 필터는 영구적으로 정전기적으로 대전된 비발암성(non-carcinogenic) 플라스틱 멤브레인으로부터 조각난 섬유로 구성된다. 음이온 소스은 캐비넷을 떠날 때 청정된 공기를 이온화한다.
출구 포인트 이온화 장치의 다른 일례는 톰슨(Thompson) 등의 미국 특허 제5,268,009호의 휴대용 공기 필터 시스템(Portable Air Filter System)이며, 공기로부터 공수 입자 물질을 제거하는 것이 요구되는 집, 사무실 또는 다른 장소에서 사용하기 위한 휴대용 공기 필터 시스템이다. 공기 필터 시스템은 출구를 통해 나가는 공기로 음이온을 공급하기 위한 이온화 장치를 포함한다. 이온은 공기 내의 이물질을 대전시킨다. 그 결과, 대전된 이물질이 시스템의 입구 내로 견인될 때, 입자들은 필터 매체에 보유된다.
출구 포인트 이온화 장치의 또 다른 일례는 후앙(Huang)의 미국 특허 제5,332,425호의 공기 정화기(Air Purifier)이며, 연장되고 테이퍼진 대전 동 니들을 갖는 공기 정화기가 정화기 하우징 내에 포함된 고전압 발전기에 전기적으로 결합되고 음이온을 생성하는 것을 개시한다. 대전 니들(discharging needle)은 외형이 뾰족하며, 공기 출구 개구에 인접하여 위치되는 정점 단부를 갖는다. 대전 니들은 대전 니들이 고압력 공기 유동에 응답하여 진동하게 하는 정화기 하우징으로부터의 고압 공기의 통과 방향으로 연장되며, 정화기 하우징으로부터 통과되는 공기와 혼합된 음이온량을 증가시킨다.
이들 출구 이온화 장치는 대전 입자들에 매우 효과적이며, 매우 저렴하고 안전 위험성이 거의 없다. 그러나, 포인트 이온화 장치 시스템은 통상 정화기의 공 기 출구, 즉 필터의 하류부에 위치 설정된다. 출구 공기 이온화 장치를 이용하여, 대전된 입자들은 실내 공기 내로 대전되며, 필터를 통해 재순환되기 전에 상당한 시간 동안 공기 내에 머무른다. 그 결과, 이들 대전된 입자의 상당한 수는 필터 대신에, 벽, 카페트, 신체, 가구 표면 등의 다른 외부면에 의해 제거된다.
다른 이온화 여과 시스템은 여과 시스템으로의 공기 입구에서 또는 공기 입구 근처에서 포인트 소스 이온화 장치를 이용한다. 통상, 이들 여과 시스템은 출구 이온화 장치와 같이 실내 도처에 이온을 분산시키도록 설계되거나, 여과 시스템의 공기 입구 내의 공기 스트림 내로 직접 이온을 주입하도록 설계된다.
실내 도처에 이온을 확산시키는 공기 청정 장치의 유형의 일례는 로레쓰(Loreth) 등의 미국 특허 제5,980,614호의 공기 청정 장치(Air Cleaning Apparatus)이며, 특히 실내 공기를 청정하기 위한 공기 청정 장치를 개시한다. 장치는 코로나 대전 전극에 의해 형성되는 단극 이온 소스과, 고 전압원에 연결되고 청정될 공기를 위한 유동 통로를 갖는 정전 침전기와, 하나의 군이 다른 군의 전극 소자와 이격되고 삽입(interleave)되는 다른 군과 상이한 포텐셜로 배열되는 2개 군의 전극 소자들을 갖는 이온화 장치를 포함한다. 코로나 대전 전극이 장치로의 공기 입구 근처에 위치되지만, 전극에서 생성된 이온이 전극으로부터 이격되어 본질적으로 자유롭게 확산될 수 있어서 이온화 장치가 위치 설정된 실내 도처에 실질적으로 자유롭게 확산되도록 코로나 대전 전극이 배열된다. 그 자체로, 로레쓰 등에서 개시된 장치는 전술된 출구 이온화 장치와 동일한 많은 단점을 가진다.
여과 시스템의 내부 공기 스트림으로, 또는 공기 여과 시스템의 공기 입구에 서 또는 공기 입구 근처에서 공기 스트림 내로 직접 이온을 주입하도록 설계되는 공기 여과 시스템은 공기 청정에 최적 효율을 통상 달성되지 못한다. 통상, 이들 시스템에 있어서, 먼지 및 오물의 입자에 부착하도록 생성된 이온의 능력 및 이온의 개수는 이온 수집기로의 이온 생성 소스의 근처까지 그리고 이온이 여과 시스템 내의 공기 유동 스트림 내의 먼지 및 오물의 입자에 부착하여야 하는 시간의 제한된 기간까지 제한된다.
따라서, 이온 발생기를 이용하고 포인트 소스 이온화 장치를 이용하는 많은 종래의 시스템이 존재하지만, 이러한 종래 시스템은 전술된 바와 같은 많은 단점을 가진다.
몇몇의 종래 기술의 공기 여과 시스템은 공기를 여과 시스템을 통해 이동시키도록 원심 팬을 이용한다. 이러한 팬이 효율적이고 압력 강하의 넓은 범위에 걸쳐 작동되지만, 원심 팬은 비교적 소음이 크다.
따라서, 원심형 팬은 휴대용 공간 공기 여과 시스템의 사용에 대해 상당한 단점을 갖는다. 축방향 팬은 소음이 상당히 덜하고, 균일한 직선 공기 유동을 제공하며, 매우 소형으로 제작될 수 있으나, 여과 시스템에의 사용이 제한되므로 압력 강하에 매우 민감하다.
몇몇 실시예에서, 본 발명은 종래 기술의 공기 여과 시스템의 많은 단점들을 극복한다. 본 발명의 공기 여과 시스템은 실내 전체를 대전된 이온으로 오염시켜 상당한 양의 먼지 및 오물 입자가 벽, 가구 및 심지어 사람 등의 공간 내의 표면상 의 어떤 위치에 축적되게 하는 단점을 현저하게 갖지 않고 작동 효율의 상당한 개선을 달성한다. 몇몇 실시예에서, 채널 필터 입자 수집면과 축방향 팬의 조합에 의해, 여과 시스템은, 휴대용 실내 공기 여과 시스템으로서 이온화에 의해 또는 이온화가 없이, 종래의 필터 매체에 있어서 입자의 축적으로 인해 연속적인 공기 유동이 부수적인 하강(attendant lowered) 없이 작동되도록 능력을 촉진하는 전력이 보다 작고 소음이 보다 적은 상태에서 작동될 수 있다.
바람직한 실시예에서, 복수의 포인트 이온화 소스가 공기 유동 채널의 주연부 근방에 위치설정되고, 복수의 포인트 이온화 소스 각각에서 대체로 상류 방향으로 공기 유동 채널의 근방에 이온을 생성하도록 배향된다. 입자 수집면이 복수의 포인트 이온화 소스로부터 하류 방향으로 위치설정된다. 입자 수집면은 이온의 전하보다 접지에 대해 대향하는 방향으로 정전기적으로 대전된다.
다른 실시예에서, 복수의 포인트 이온화 소스가 공기 유동 채널의 주연부 근방에 위치되고, 복수의 포인트 이온화 소스 각각에서 대체로 상류 방향으로 공기 유동 채널의 근방에 이온을 생성하도록 배향된다. 입자 수집면이 복수의 포인트 이온화 소스로부터 하류 방향으로 공기 유동 채널 내에 위치설정된다. 입자 수집면은 이온의 전하보다 접지에 대해 대향하는 방향으로 정전기적으로 대전된다. 이온 트랩이 복수의 이온화 소스와 입자 수집면 사이의 공기 유동 채널 내에 위치설정된다. 이온 트랩은 입자 수집면과 이온에 비해 상대적으로 전기적으로 중성이다.
바람직한 실시예에서, 이온화 헤드의 주된 종축은 상류에서 하류 방향에 대해 일정 지향 각도(orientation angle)로 배향되고, 상기 지향 각도는 공기 유동 채널쪽으로 내향으로 60도를 넘지 않으며 공기 유동 채널로부터 멀리 외향으로 90도를 넘지 않는다.
바람직한 실시예에서, 또한, 본 발명의 여과 시스템은 복수의 유동 채널을 포함하고, 상기 복수의 유동 채널 중 하나는 복수의 포인트 이온화 소스 중 하나의 적어도 일부를 적어도 부분적으로 둘러싼다.
바람직한 실시예에서, 입자 수집면의 하류에 있는 공기 유동의 일부는 상류에서 하류로의 방향과 대체로 대향되는 방향으로 이온화 헤드를 지나 지향된다.
바람직한 실시예에서, 공기 유동 부분은 복수의 유동 채널 중 적어도 하나를 통해 지향된다.
바람직한 실시예에서, 복수의 유동 채널 각각은 주된 종축을 가지고, 상기 복수의 유동 채널 각각의 주된 종축은 이온화 헤드의 주된 종축에 대체로 평행하다.
바람직한 실시예에서, 이온화 헤드는 멀티 포인트 이온화 헤드를 포함한다.
바람직한 실시예에서, 본 발명은 공기 유동 채널을 통해 상류에서 하류 방향으로 공기를 유동시키기 위해 공기 유동 채널과 함께 작동되도록 배열된 팬을 더 포함한다.
다른 실시예에서, 본 발명은 공기 유동 채널 내에서 상류에서 하류 방향으로 유동하는 공기로부터 입자를 여과하기 위한 여과 시스템을 제공한다. 포인트 이온화 소스가 공기 유동 채널의 근방에 이온을 생성하도록 배향되고, 이온은 주로 접지에 대한 전하를 갖는다. 입자 수집면이 포인트 이온화 소스로부터 하류 방향으로 공기 유동 채널 내에 위치설정되고, 입자 수집면은 이온의 전하보다 접지에 대해 대향하는 방향으로 정전기적으로 대전된다. 공기 유동의 일부가 안내된다.
바람직한 실시예에서, 상류에서 하류로의 방향과 대체로 대향되는 방향으로 이온화 소스를 지나 지향되는 공기 유동의 일부는 입자 수집면의 하류에 있는 공기 유동이다.
축방향 팬을 이용하는 다른 실시예에서, 여과 시스템은 공기 유동 채널 내에서 상류에서 하류 방향으로 유동하는 공기로부터 입자를 여과한다. 사용되는 경우, 포인트 이온화 소스가 공기 유동 채널의 근방에 이온을 생성하도록 배향되고, 이온은 주로 접지에 대한 전하를 갖는다. 채널 필터 입자 수집면이 선택적인 포인트 이온화 소스로부터 하류 방향으로 공기 유동 채널 내에 위치설정되고, 이온의 전하보다 접지에 대해 대향하는 방향으로 정전기적으로 대전된다. 축방향 팬이 공기 유동 채널을 통해 상류에서 하류 방향으로 공기를 이동시키도록 공기 유동 채널과 함께 작동되도록 배열된다.
바람직한 실시예에서, 축방향 팬은 공기 유동 채널 내에 위치된다.
도1은 청정기 부품은 (상류에서 하류로의 공기 유동 방향 순서로) 이온화 장치, 트랩, 필터 및 팬이 위치된 본 발명의 일 실시예의 단면도를 도시한다.
도2는 청정기 부품은 (상류에서 하류로의 공기 유동 방향 순서로) 이온화 장치, 트랩, 팬 및 필터가 위치된 본 발명의 다른 실시예의 단면도를 도시한다.
도3은 청정기 부품은 (상류에서 하류로의 공기 유동 방향 순서로) 이온화 장치, 트랩 및 필터가 위치된 본 발명의 다른 실시예의 단면도를 도시한다.
도4는 본 발명의 바람직한 실시예의 이온화 장치의 바람직한 배향 각도의 확대도이다.
도5는 본 발명의 일 실시예의 이온화 장치 팁부 공기 유동의 상세도이다.
도6은 본 발명의 바람직한 실시예의 분해 사시도이다.
본 발명은 생산이 비교적 저렴하고 (예를 들어, 데스크 톱 또는 벽걸이형인) 휴대 가능한 실내 공기 여과 시스템으로 사용될 수 있으며 실내 공기를 여과 및 정화하기 위해 소비자에 의해 용이하게 사용될 수 있는 공기 여과 시스템을 제공한다.
실시예에서, 필터의 상류에 위치된 복수의 이온화 소스가 공기 여과의 외측에 있지만 공기 여과 시스템의 입구의 상류에서 비교적 작은 영역 내에서 분산되는 이온을 발생시키도록 설계된다. 이것은 대부분이 여과 시스템의 공기 입구로 흡입된 후 수집 기구 내에 수집되는 공기 중의 먼지 및 오물 입자에 발생된 이온이 부착될 수 있게 한다. 따라서, 이온이 실내 전체에 분산되어 이온 대전 입자에 의한 벽 또는 가구와 같은 실내 표면의 오염 등의 역효과가 발생되지 않고 작업의 효율성이 달성될 수 있다.
본 발명의 여과 시스템은 입자 오염 기상 유체를 이온화 소스의 상류를 너머 하류 입자 수집면을 거치거나 또는 통과하여 이동하기 위해서 팬 또는 다른 공기 이동 장치나 방법에 의존한다. 따라서, 본 발명은 팬 또는 다른 공기 이동 장치를 포함하거나 또는 본 발명은 공기 이동 장치 등을 이미 포함하고 있는 환경에 설치되도록 설계된다. 두 경우에서, 기상 유체는 상류에서 하류 방향으로 공기 여과 시스템에 통과된다.
공기 이동 장치는 공기 여과 시스템의 입구 또는 배출구 중 하나, 또는 그 사이의 임의의 위치에 위치되는 반면에, 팬 블레이드와 같은 공기 이동 장치 상의 입자 오염물의 축적을 최소화하기 위해 공기 이동 장치는 입자 수집면의 하류에 배치에 배치되는 것이 바람직하다. 적절한 팬은 종래의 축방향 팬 또는 원심형 팬을 포함하지만, 이에 제한되지는 않는다. 또한, 입자 오염 공기는 오염된 공기를 통해 또는 간단한 대류에 의해 본 발명의 공기 여과 시스템을 통해 이동될 수 있다. 열원에 의해 생성된 대류 흐름에 의해 이동되는 공기는 임의의 기계적인 보조가 필요 없이 공기 여과 시스템을 통해 유도될 수 있다.
도1은 본 발명의 공기 여과 시스템(10)의 일 실시예의 단면도를 도시한다. 공기는 입구(12)로부터 배출구(14)까지 공기 여과 시스템(10)을 통해 유동된다. 공기 유동 챔버는 공기 여과 시스템(10)의 외벽(16) 또는 공기 여과 시스템(10)이 배치된 환경에 의해 형성된다. 후자의 경우, 공기 유동 챔버는 공기 조화 시스템 내의 것과 같은 종래의 공기 덕트일 수 있다. 통상, 공기는 입구(12)에서 배출구(14)까지 상류로부터 하류로 공기 여과 시스템(10)을 통과하여 유동된다.
이온이 통상 입구(12)로부터 상류에 발생하도록 유도된 복수의 포인트 이온화 소스(18)가 통상 입구(12)의 주연부 부근에 위치된다. 따라서, 포인트 이온화 소스(18)는 입구(12)의 전방에서 공기 여과 시스템(10)으로부터 외측으로 이온을 분산시킨다. 바람직한 실시예에서, 포인트 이온화 소스(18)는 순수 상류 방향의 내측 60도(β) 이하로 그리고 순수 상류 방향의 외측 90도(α) 이하로 경사진다. 이러한 방식에서, 포인트 이온화 소스(18)는 이러한 이온들이 공기 내의 먼지 및 오염물 입자에 부착될 수 있는 입구를 가로질러 그리고 입구의 전방에서 분산되는 이온을 발생시킬 수 있다.
바람직한 실시예에서, 포인트 이온화 소스(18)는 멀티 포인트 이온화 헤드와 고전압 전력 공급 장치를 포함한다. 사용될 수 있는 고전압 전력 공급 장치의 일 예는 텍사스주 달라스(Dallas, Texas)에 소재한 콜머 반도체(Cillmer Semiconductor)의 -14kV 전력 공급 장치로 음전하 이온을 발생한다. 멀티 포인트 이온화 헤드는 10㎛의 평균 섬유 직경을 갖는 전도성 섬유로 이루어질 수 있다. 사용될 수 있는 이러한 멀티 포인트 이온화 헤드의 일 예는 120V AC, 50 내지 60 Hz에서 작동되는 타이완 충-리시(Chung-Li City, Taiwan) 에 소재한 푸 퐁 엔터프라이즈사(Fu Fong Enterprises Co.)에 의해 제조되는 모델 FA1-7-2이며, 7 kV DC 부(negative)를 생산한다.
복수의 포인트 이온화 소스(18)의 조합, 복수의 이온화 소스(18)의 위치 설정 및 포인트 이온화 소스(18)의 방향성은 이온의 효과적인 발생과 공기 중의 먼지 또는 오염물 입자에 발생된 이온을 효과적으로 부착 가능하게 하며, 벽, 바닥, 지 붕 및 가구와 같은 실내 표면상에 필수적으로 적층되는 먼지 및 오염물 입자를 갖는 이온으로 실내 전체가 오염되는 것을 방지한다.
이온 트랩(20)이 통과하는 약간의 이온을 포획하고 포인트 이온화 소스(18)에 의해 발생된 이온의 구름이 공기 여과 시스템(10)의 입구(12)로부터 외측으로 너무 멀리 분산되는 것을 방지하는 것을 돕기 위해 공기 여과 시스템의 공기 유동 스트림 내에 위치될 수 있다. 이온 트랩(20)은 공기 스트림으로부터 과도한 이온을 제거하고 중화로부터 입자 수집면(22)을 보호한다. 이러한 방식에서, 포인트 이온화 소스(18)의 하류에서의 이온 트랩(20)의 사용은 전체 실내가 이온으로 오염되는 것을 방지하는 것을 추가로 돕는다.
포인트 이온화 소스(18)의 하류, 이 실시예에서는 이온 트랩(20)의 하류는 이 실시예에서는 필터로 도시된 입자 수집면(22)이다. 입자 수집면(22)은 모두 본 기술 분야에 공지된 양의 필터 매체, 대전된 수집면 또는 수집 그리드(grid)일 수 있다. 이 바람직한 실시예에서, 이온 트랩(20)은 5.58 mesh/㎠ (36 mesh/in2)이며 전기 접지에 작동식으로 결합된다. 입자 수집면(22)은 전기적으로 대전된 채널 유동 필터일 수 있다.
공기유동에 대한 낮은 저항성과, 오염물에 의해 쉽게 막히지 않는 특성으로 인해, 채널 필터는 본 발명의 용도로 사용하기에 바람직한 필터 매체이다. 채널 필터들은 공기가 채널을 통과할 때 입자 물질을 제거하는 상대적 개방 공기 유동 채널의 어레이를 제공하는 방식으로 구성된다. 공기가 필터의 채널을 통과할 때, 입자 물질은 채널 벽 상에 적층 및 포획된다. 채널 여과 매체들은 다수의 구성과 다양한 재료로 이루어 질 수 있다.
채널 여과 매체들은 개방 공기유동 통로를 갖는 벌집형 구조로 배치된 재료의 윤곽 층으로 직접 몰딩 또는 성형될 수 있다. 윤곽 층은 채널 필터를 형성하도록 함께 배열되었을 때, 매체를 통해 공기 통로로 유도되는 복수의 입구 개구를 형성한다. 유체 통로는 공기가 윤곽 층을 반드시 통과하지 않고 매체로, 매체를 통과하여, 매체로부터 유동 가능하게 하는 출구 개구를 추가로 구비한다. 벌집형 구조는 섬유 웨브, 필름 또는 그 조합으로 형성될 수 있다. 채널 필터들은 미세한 무기 섬유, 중합체 합성 섬유, 페이퍼 및 몇몇 구조적 필름과 같은 확장된 표면 영역 재료를 포함할 수 있다.
웨브계 채널 여과 매체의 예들이 1995년 6월 6일 공개된 일본 고까이 7-144108호에 도시된다. 이 공개는 (예를 들어, 물결형 카드보드와 유사한 주름진 물결형 필터 매체인) 벌집형 필터의 형성이 일렉트릿 대전 부직포 필터 매체로부터 공지된 것임을 나타낸다. 이 특허 출원은 (예를 들어, 미국 특허 RE 30,782호에 개시된 바와 유사하게) 대전된 초소형 섬유 필터 매체와 대전된 분열된 섬유 필터 매체의 필터 매체 적층물로 필터 구조를 형성함에 의한 이러한 필터 구조의 장기간의 효율 증가를 개시한다. 다른 구조는 위에서 언급한 바와 같이 주름진 벌집형 구조를 형성하는 평탄층 및 주름층이 일렉트릿(electret) 대전된 부직포 필터 매체 및 흡착제(sorbent) 필터 매체(활성 탄소가 대전된 시트 등)의 교번층인 벌집형 필터를 개시하는 일본 고까이 7-241491호(1995년 9월 19일 공개)에 개시되며, 활성 탄소층은 바람직하게는 일렉트릿 대전될 수 있는 라이너로 형성된다. 일본 고까이 10-174823호(1998년 6월 30일 공개)는 벌집형 구조를 형성하는 필터 재료가 일렉트릿 대전된 부직포 필터층 및 항균성 필터층의 적층물로 형성되는 또 다른 벌집형 필터를 개시한다. 이러한 벌집형 필터는, 예를 들어 본 발명의 용도에서 재순환형 필터와 같이 단일 통과 여과 효율보다는 낮은 공기 유동 저항이 더욱 중요한 용도에 유리하다.
중합체 필름으로 형성된 채널 여과 매체는 웨브 기반 구조에 비해 공기 유동 저항 감소면에서 더욱 향상된 기능을 제공할 수 있다. 이러한 필터의 예시는 대전된 여과 매체가 부직포 매체보다는 필름을 채용하는 미국 특허 제3,550,257호에 개시되어 있다. 대전된 필름은 유리 섬유의 개방 셀 발포체 웨브 또는 주름진 크라프트지(corrugated Kraft paper)로 개시된 스페이서 스트립(spacer strip)에 의해 분리된다. 압력 강하는 스페이서 및 대전된 유전체 필름 사이의 간극의 다공성에 의존하는 것으로 개시되어 있다.
일본 고까이 56-10314(1981년 2월 2일 공개)는 주름진 벌집형 구조가 대전된 (필름 또는 부직포로 기재된) 중합체 필름으로부터 형성된 층으로 형성된다고 개시한다. 필름은 절첩 공정에 의해 "주름"이 부여된다고 개시되어 있다. 대전된 필름으로부터 형성된 유사한 필름형 벌집 구조는 모두 1981년 2월 2일에 공개된 관련 일본 고까이 56-10312호 및 56-10313호에도 개시되어 있다.
본 발명의 용도로 특정한 실용성을 제공할 수 있는 채널 여과 매체는 일렉트릿 대전되고 표면 불소 첨가(flruorinate) 연장 표면 영역을 갖는 필름이다. 연장된 표면 영역 필름은 높은 종횡비와, 리브, 스템, 미소 섬유 또는 필름층의 적어도 일면의 표면 영역이 연장하는 다른 개별 돌기부와 같은 작은 치수 구조를 갖는다. 이들의 웨브 대응부와 같이, 연장된 표면 영역 필름은 일렉트릿 전하에 의해 제공된 입자 포획 효과를 감소시킬 수 있는 낮은 표면 장력 액체 에어졸에 의해 습윤되어 저항을 증진시키는 표면 불소 첨가 처리로부터 유리해질 수 있다. 이러한 형태의 채널 유동 필터는 인슬레이(Insley) 등에게 허여된 미국 특허 제6,280,824호에 예시되어 있다.
바람직한 실시예에서, 입자 수집면(22)은 해글런드(Hagglund) 등에게 허여되어 쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니(3M nnovative Properties Company)로 양도된, 미국 특허 출원 공개 제US2002/0005116 A1호의 전자여과 장치(Electrofiltration Apparatus)에 기재된 바와 같은 필터 매체이다. 해글런드 등에게 허여된 특허는 표면 구조를 갖는, 정전기적으로 대전된 중합체 필름층을 구비한 전자 여과 장치를 개시한다. 필름층은 수집 셀의 면을 통과하는 복수의 정렬된 유입 개구(inlet opening) 및 공기 통로를 형성하여 개구, 다공성 체적을 형성하는 필름층을 갖는 수집 셀로 구성될 수 있다. 공기 통로는 구성된 필름층에 의해 형성된 복수의 유동 채널에 의해 형성된다.
다른 실시예에서, 입자 수집면(22)은 미국 미네소타주 세인트 폴(St. Paul, Minnesota, USA)에 소재한 쓰리엠 컴파니에 의해 제조된 등록 상표 필트레이트 필터와 같은 섬유질 필름일 수 있다.
또한, 입자 수집면(22)은 다양한 통상의 공지된 필터 또는 당해 분야에서 공 지된 다른 입자 수집 장치일 수 있다.
입자 수집면(22)은 입자 수집을 향상시키기 위해 포인트 이온화 소스(18)에 의해 발생된 이온의 주요 전기 전하와 반대인 전기 포텐셜로 전기적으로 대전될 수 있다.
선택적으로, 입자 수집면(22)이 과다 오염되는 것을 부분적으로 방지하기 위해 입자 수집면(22)의 바로 상류에 예비 필터(24)를 배치할 수 있다. 예비 필터(24)는 활성 탄소 웨브를 포함하는 공지된 다양한 필터형 재료로 구성될 수 있다.
도1에 도시된 실시예에서, 팬(26)은 입자 수집면(22)의 공기 유동 채널 하류에 위치된다. 이러한 실시예에서, 팬(26)은 공기 여과 시스템(10)을 통해 입구(12)에서 출구(14)로, 상류에서 하류 방향으로 공기를 이동시킨다.
선택적으로, 공기 여과 시스템(10)은 입구(12)에 위치된 진입 그릴(28) 및 출구(14)에 위치된 배출 그릴(30)을 포함한다.
도2는 공기 여과 시스템(10)이 도1에 대해 기재된 공기 여과 시스템(10)에 관련되어 설명된 요소와 동일한 요소를 포함하지만, 약간 순서가 다른 본 발명의 다른 실시예를 도시한다. 도2에 도시된 다른 실시예에서, 팬(26)은 입자 수집면(22) 및 선택적인 예비 필터(24)의 상류로 이동된다. 이러한 방식으로 배치되지만, 팬(26)은 여전히 공기 여과 시스템(10)을 통해 입구(12)에서 출구(14)로, 상류에서 하류 방향으로 공기를 이동시킨다. 도1에 도시된 실시예만큼 유리하지는 않지만, 도2에 도시된 실시예는 여전히 작동 및 효율의 현저한 효과를 제공한다. 예비 필터(24) 및 입자 수집면(22)은 공기 유동에서 서로 다음에 위치되는 것으로 도 2에 도시되지만, 이는 입자 수집면(22)이 팬(26)의 하류에 위치되고 예비 필터가 팬(26)의 상류에 위치되는 것과 같이 공기 유동 내에서 다르게 위치될 수 있는 것으로 인지되고 이해될 것이다.
도3은 본 발명의 또 다른 실시예를 도시한다. 도3에서, 공기 여과 시스템(10)은 공기 여과 시스템(10)을 통해 공기 유동을 전달하기 위해 존재하는 기구에 의존된다. 따라서, 도3에 도시된 공기 여과 시스템(10)은 팬(26)과 같이 명백한 공기 유동 생성 장치 없이 존재하는 공기 유동 환경에 위치될 수 있다.
도3에 도시된 실시예에서, 공기 여과 시스템(10)은 존재하는 공기 유동 환경의 입구(12) 근처에 위치된다. 존재하는 공기 유동 환경의 예시는 빌딩과 같은 공기 조화 시스템이다. 이러한 환경에서, 공기 여과 시스템(10)은 공기 유동 채널 내로 공기의 입구(12) 근처 위치에 위치될 수 있다. 이러한 입구(12)는 빌딩 공기를 수집하여 공기 조화 시스템으로 이를 복귀시키는 공기 복귀 레지스터(air return register)일 수 있다. 이러한 실시예의 출구(14)는 단순히 공기 여과 시스템(10)으로부터 존재하는 공기 유동 환경의 잔여부 또는 존재하는 공기 조화 시스템의 존재하는 덕트로의 공기 통로일 수 있다. 이러한 실시예에서, 외부 벽(16)은 존재하는 공기 조화 시스템의 존재하는 덕트와 같은 공기 유동 환경의 존재하는 벽일 수 있다.
도4는 포인트 이온화 소스(18)의 바람직한 지향 각도를 도시한 포인트 이온화 소스(18)의 상세도이다. 위에서 언급한 바와 같이, 포인트 이온화 소스(18)는 공기 여과 시스템(10)의 입구(12)의 주연부 근처에 위치된다. 또한, 포인트 이온 화 소스(18)는 공기 여과 시스템(10)을 통과하는 공기 유동의 방향으로부터 결정되는 바와 같이 입구(12)로부터 입구(12) 상류의 인접부에 직접 이온을 주로 발생시키는 각도로 지향된다. 바람직한 지향 각도는 공기 여과 시스템(10)을 통해 공기 흐름의 상류로 직접 지향된 축 치수를 갖는 포인트 이온화 소스(18)를 갖는다. 이러한 지향은 상당한 수의 입구(12) 상류 측에서 발생된 이온을 유도시킨다. 다른 지향 각도로는 상류측 방향에 대해서 60도(β) 이하인 내향각을 포함한다. 내측으로 60도 이상으로 지향되면 공기 여과 시스템(10)에 먼지와 티끌이 수집되도록 통상적으로 입구(12)의 상류측으로 충분한 이온을 발생시키지 않는다. 특히, 지향 각도가 내향으로 90도(α)인 곳의 교차cross) 유동 이온화 장치는 이온을 불충분하게 발생시킨다.
또한, 포인트 이온화 소스(18)는 상류측 방향에 대해서 외측으로 90도 이하로 기울어질 수 있다. 90도 이상의 외향으로의 지향 각도로 인해 하류측 방향과 공기 여과 시스템(10)의 공기 유동 외측에 상당한 양의 이온이 발생되는 것이 밝혀졌다. 이로 인해 실내 환경이 이온으로 상당히 포화되며, 이러한 포화로 인해 단점이 생겨난다. 그러나, 최대 90도까지 외향으로의 지향 각도는 상류측 방향으로 상당한 이온을 발생시키는 것으로 밝혀졌는데, 특히 공기가 입구(12)를 통해 공기 여과 시스템(10)으로 들어가는 공기 여과 시스템(10)을 통해 공기 유동의 이동과 결부될 때 그렇다. 포인트 이온화 소스(18)가 상류측 방향에 대해서 외측으로 지향되는 것이 바람직하다.
물론, 복수의 포인트 이온화 소스(18) 중 하나의 지향 각도는 이러한 복수의 포인트 이온화 소스(18) 중 다른 것의 지향 각도와는 상이할 수 있다. 예를 들어, 복수의 포인트 이온화 소스(18) 중 하나는 상류측 방향으로 직접 지향(도4에 도시된 바와 같이 각도 0도)되는 반면에, 복수의 이온화 소스(18) 중 다른 것은 내향으로 45도 지향될 수 있다. 이러한 지향 각도의 혼합은 예를 들어 특정한 실내 구조에서 바람직하다.
도5는 공기 여과 시스템(0)의 다른 실시예의 단면도 일부를 도시한 근접도이다. 도5의 공기 여과 시스템(10)은 선택적인 입구 그릴(28)을 통해 하류측 방향으로 공기 여과 시스템(10)을 공기 유동이 통과하는 공기 여과 시스템(10)의 상류측 단부에서 입구(12)와, 포인트 이온화 소스(18)(도5에만 도시됨), 이온 트랩(20), 입자 수집면(22), 선택적인 팬(26) 및 선택적인 출구 그릴(30)을 가진다는 점에서 도5의 공기 여과 시스템(10)은 도1에 공기 여과 시스템(1)과 유사하다. 그러나, 도5에 도시된 공기 여과 시스템(10)의 실시예는 상류측 방향을 가로지르거나 포인트 이온화 소스(18)에 의해 공기를 유도하는 공기 유동 채널(32)을 추가적으로 포함한다. 이러한 공기 유동 채널은 공기 여과 시스템(0)의 공기 유동 채널에 대해서 외부 또는 내부의 임의의 방식으로 구성될 수 있다. 이러한 공기 유동 채널은 공기 여과 시스템(10)의 공기 유동 채널을 통과하는 공기를 이용할 수 있거나, 개별의 소스로부터 나오는 공기를 이용할 수 있다. 바람직한 실시예에서, 공기 여과 시스템(10)의 공기 유동 채널의 일부는 벽(34)에 의해 차단되어 공기 유동 채널을 통해 상류측으로 후방 유동하고 포인트 이온화 소스(18)를 직접 통과하는 공기의 일부를 한 곳으로 모은다. 입자 수집부(22)의 하류 측면으로부터 취해진 공기가 공기 여과 장치(10)가 놓인 실내의 대기압에 대한 압력 하에 있기 때문에, 추가적인 기계적 도움 없이 공기는 포인트 이온화 소스(18)를 지나 상류측을 통과할 수 있다. 물론, 상류측 방향으로 포인트 이온화 소스(18)에 공기를 통과시키는 다른 기구들이 기계적으로 돕는 개별적인 소스를 이용하는 것을 포함하여 고려될 수 있음을 알고 이해해야 한다. 포인트 이온화 소스(18) 위로 공기가 통과함으로써 입구(12)로부터 상류측 방향으로 이온을 분산시킬 뿐만 아니라, 보다 중요하게는 포인트 이온화 소스(18)를 청결하고 더욱 효율적으로 유지하도록 포인트 이온화 소스(18) 상에 입자 물질의 축적을 방지하도록 돕는다.
도6은 사시도로 도시된 도1의 공기 여과 시스템(10)을 도시한다. 공기 여과 시스템(10)을 통과하는 공기 유동은 입구 그릴(28)의 상류측 방향으로부터 출구 그릴(32)까지 통과한다. 포인트 이온화 소스(18)는 입구(12)의 주연부 근방에 위치하여 입구(12)로부터 이격된 상류측 방향으로 발생된 이온을 주로 유도한다. 이온 트랩(20)은 입구(12)의 하류측에 위치하여 실내를 통한 이온의 확산을 제한한다. 입자 수집면(22)은 이온 트랩(20)의 하류측에 위치하여 공기 여과 시스템(10)을 통과하는 이온에 부착되는 입자 물질을 수집한다. 팬(26)은 공기 여과 시스템(10)을 통과하는 공기 유동에 기계적인 도움을 제공한다.
공기 여과 시스템(10)이 두 개의 포인트 이온화 소스(18)를 가지는 것으로 상시 실시예에 도시되었지만, 두 개 이상의 복수의 포인트 이온화 소스(18)를 가지는 다른 실시예도 구현될 수 있음을 이해하여야 한다. 특히, 포인트 이온화 소스(18)의 개수는 두 개 또는 그 이상이 될 수 있다. 물론, 포인트 이온화 소스(18) 를 더 채용하여 추가적인 이점을 얻을 수 있지만, 하나의 포인트 이온화 소스(18)를 추가하여 얻어진 추가적인 이점은 포인트 이온화 소스(18)의 개수가 증가하면서 감소하게 된다. 그러므로, 결국 추가된 포인트 이온화 소스(18)의 비용 이득의 비율은 결국 포인트 이온화 소스(18)의 개수가 증가함에 따라 감소하게 된다.
바람직한 실시예에서, 포인트 이온화 소스(18)는 입구 그릴(28)의 외측 표면 뒤에서 5㎜로 만입된(recessed) 이온화 장치 헤드를 가진다. 다른 실시예에서, 포인트 이온화 소스(18)의 이온화 장치 헤드는 입구 그릴(28)의 외측 표면 뒤에 10㎜로 만입된다. 이온화 장치 헤드가 만입된 입구 그릴(28)의 구멍 직경이 8㎜인 것이 바람직하다. 다른 실시예에서, 이온화 장치 헤드가 만입되는 입구 그릴(28)의 구멍 직경은 20㎜이다.
바람직한 실시예에서, 공기 여과 시스템(10)은 메사추세츠주 밀포드(Milford, Massachusetts) 소재 홀메스 그룹(The Holmes Group)의 폴레넥스(Pollenex) 사에서 판매하는 폴레넥스 모델(Pollenex Model) PA115라고 하는 공기 여과기를 변형하여 구성된다. 원래의 팬(26)은 일리노이즈주 나일(Niles, Illinois) 소재의 데이톤 일렉트릭 매뉴팩쳐링(Dayton Electric Manufacturing) 사에서 판매하는 Dayton 105 CFM AC axial fan 4WT47로 대체된다. 포인트 이온화 소스(18)는 공기 여과기의 전방면, 즉 Z 축인 중심선에 대해서 대칭으로 장착된다. 포인트 이온화 소스(18)는 전기적으로 절연되며 이온 트랩(20)과 포인트 이온화 소스(18)는 전기적으로 분리된다. 이온 트랩(20)은 전기적으로 접지된다.
니들 포인트 전극과 섬유 전극의 두 가지 형태의 포인트 이온화 소스(18)가 바람직하다. 니들 포인트 전극은 끝부분 직경이 40㎛인 텅스텐 니들이다. 섬유 전극은 평균 섬유 직경이 10㎛인 전도성 섬유로 제조된다.
바람직한 입자 수집면(22)은 미네소타주 세인트 폴 소재의 3M 컴퍼니에서 제조된 AL 또는 FiltreteTM 섬유 매체로서 미국 특허 출원 공개 번호 제US2002/0005116호에 개시된 정전기적으로 대전된 필터 매체이다. 물론 다른 형태의 정전기적으로 대전된 필터 매체를 고찰하여 본 발명에 사용될 수 있다.
본 발명의 다양한 변경 및 변형은 본 발명의 사상 및 범주 내에서 당해 분야의 숙련자들에게 명확해질 것이다. 본 발명은 전술된 예시적인 실시예에 한정되는 것이 아님을 이해하여야 한다.

Claims (47)

  1. 공기 유동 채널 내에서 상류에서 하류 방향으로 유동하는 공기로부터 입자를 여과하기 위한 여과 장치이며,
    복수의 포인트 이온화 소스와,
    상기 복수의 포인트 이온화 소스로부터 하류 방향으로 상기 공기 유동 채널 내에 위치설정되는 입자 수집면을 포함하고,
    상기 복수의 포인트 이온화 소스 각각은 공기 유동 채널의 주연부 근방에 위치되고, 복수의 포인트 이온화 소스 각각에서 대체로 상류 방향으로 상기 공기 유동 채널의 근방에 이온을 생성하도록 배향되고, 상기 이온은 접지에 대한 전하를 가지며,
    상기 입자 수집면은 상기 이온의 전하보다 접지에 대해 대향하는 방향으로 영구적으로 일렉트릿 대전되는 여과 장치.
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  7. 공기 유동 채널 내에서 상류에서 하류 방향으로 유동하는 공기로부터 입자를 여과하기 위한 여과 장치이며,
    복수의 포인트 이온화 소스와,
    상기 복수의 포인트 이온화 소스로부터 하류 방향으로 상기 공기 유동 채널 내에 위치설정되는 입자 수집면과,
    상기 복수의 이온화 소스와 상기 입자 수집면 사이의 공기 유동 채널 내에 위치설정되는 이온 트랩을 포함하고,
    상기 복수의 포인트 이온화 소스 각각은 공기 유동 채널의 주연부 근방에 위치되고, 복수의 포인트 이온화 소스 각각에서 대체로 상류 방향으로 상기 공기 유동 채널의 근방에 이온을 생성하도록 배향되고, 상기 이온은 접지에 대한 전하를 가지며,
    상기 입자 수집면은 상기 이온의 전하보다 접지에 대해 대향하는 방향으로 영구적으로 일렉트릿 대전되고,
    상기 이온 트랩은 상기 입자 수집면과 상기 이온에 비해 상대적으로 전기적으로 중성인 여과 장치.
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  32. 공기 유동 채널 내에서 상류에서 하류 방향으로 유동하는 공기로부터 입자를 여과하는 여과 장치이며,
    상기 공기 유동 채널 근방에 이온을 생성하도록 배향되는 포인트 이온화 소스와,
    상기 포인트 이온화 소스로부터 하류 방향으로 상기 공기 유동 채널 내에 위치하는 입자 수집면을 포함하고,
    상기 이온은 접지에 대하여 전하를 갖고,
    상기 입자 수집면은 상기 이온의 전하보다 더욱 접지에 대하여 대향하는 방향으로 정전기적으로 대전되고,
    공기 유동의 일부는 상기 상류에서 하류 방향과 대체로 대향하는 방향으로 상기 이온화 소스를 지나게 안내되는 여과 장치.
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