KR101555814B1

KR101555814B1 - 공기살균장치

Info

Publication number: KR101555814B1
Application number: KR1020150098722A
Authority: KR
Inventors: 임노빈
Original assignee: 주식회사 웰리스
Priority date: 2015-07-11
Filing date: 2015-07-11
Publication date: 2015-09-25
Also published as: CN106334208A; CN106334208B; WO2017010616A1; US20180200401A1; US11191862B2; JP2018521770A

Abstract

오존 발생 소자와 그 제어부를 통해, 오존을 발생시키고, 이것을 공기 순환 팬을 통해 공급하며, 별도의 팬에 의한 공기 흐름을 만들고, 여기에 카트리지 형태로 공급되어 증산되는 과산화수소 또는 리모넨 용액(올레펜)을 공급한다. 이렇게 공급되는 오존의 공기흐름과 과산화수소 또는 리모넨 용액(올레펜)의 공기흐름은 발생된 각 입자의 원활한 공급을 위하여 층류 상태를 유지하도록 그 유로를 설계하고, 그 후 두 흐름의 순환이 만나서 난류를 만들기 쉽도록 난류 유발 유로를 별도로 만들고, 난류를 만드는 공기 섞임 공간을 별도로 만들어 이 공간에서 오존과 과산화수소, 오존과 리모넨 용액(올레펜)이 충분한 화학반응을 일으키도록 하며, 이때 생성하는 OH(히드록실) 라디칼을 만들고, 만들어진 라디칼 또는 음이온을 다시 층류 유로를 만들어 이를 통해 멀리 방출함으로써, 자연계의 정화 원리를 적용하여, 공기 중에 부유하는 세균 또는 실내 공기를 자연계와 같은 원리로 살균 정화하는 기기에 대한 것이다.

Description

공기살균장치 {APPARATUS FOR AIRBORNE DISINFECTION}

본 발명은 히드록실 라디칼 발생장치를 가진 공기 살균장치에 관한 것으로, 상세하게는 히드록실 라디칼(OH) 발생에 가장 적합한 조건을 가진 공기 살균장치를 구현하고 이를 통해 단위 시간당 최대의 히드록실 라디칼을 발생시킴으로써 공기 중에 있는 오염물질인 일산화탄소, 이산화황, 이산화질소 등 각종 공기 오염물질이나 세균들을 가장 효과적으로 제거해 주는 공기살균장치에 관한 것이다.

산업화가 진행되고 이와 더불어 도시화, 인구 밀집 현상이 가속화될수록 인간이 매일 숨 쉬는 데 필요한 공기의 오염 문제는 나날이 심각해 지고 있다. 인류가 매일 사용하는 화석연료는 필연적으로 인간에게 해로운 오염 물질을 공기 중에 방출하게 되어 있고 바이러스나 세균 같은 병원성 미세물질 등도 공기 중에 그 농도가 높아져 가고 있어 깨끗한 공기를 마시고 싶어하는 인간들의 욕구가 점점 강해지고 있다. 이러한 욕구 충족을 위해 사용되는 장치가 공기정화기 또는 공기 살균장치이다.

공기 중의 오염물질은 대부분 호흡을 통해 인간에게 흡입되어 각종 질병의 원인으로 작용하는데, 현재까지 밝혀진 바로는 오염물질의 자연정화 과정에서 가장 중요한 역할을 하는 것은 '히드록실 라디칼(OH)'이라고 알려져 있는데 히드록실 라디칼(OH)은 일산화탄소, 이산화황, 이산화질소 등 각종의 오염물질을 없애주는 대기의 주요 정화제(cleansing agent)이다. 자연계에 존재하는 OH(히드록실) 라디칼은 200~2000만개 (공기 1cc당, 매초 기준)의 밀도로 공기 중에 존재하는 것으로 알려져 있다.

일반적으로 현재 많이 사용되고 있는 공기 청정기 내지 살균장치는 크게 다음과 같이 나누어 볼 수 있다. 첫째로, 정화 대상 공간의 공기를 흡인하여 필터를 통과하게 하고 필터에 의해 공기 내의 오염 물질이 흡착 또는 분해되는 방식으로 가장 일반적으로 사용되는 방식에 해당한다. 이 방식은 오랫동안 사용할 경우에 정기적으로 새로운 필터로 교환해 주어야 하는 유지관리 행위가 반드시 수반되어야 하며, 필터의 특성이 완전하지 않기 때문에, 이 방식에 의한 공기 정화 능력에 관한 신뢰성도 높지 못한 실정이다.

두 번째로, 이온 발생 장치를 사용하여, 공기 중의 이온 농도를 증가시키는 방식으로 현재 이 방식을 사용하고 있는 공기정화기는 음이온만을 발생시키는 것으로, 음이온에 의한 정화 내지 살균 효과는 어느 정도 기대할 수 있지만, 음이온 방생 양을 정확히 알 수 없을 뿐 아니라 공기 중에 부유 세균의 적극적인 제거와 관련된 효과는 그리 높지 못하다는 문제점이 있다.

세 번째 방식은, 플라즈마 클러스트 이온 기술( :Plasma Cluster Ion, PCI)을 사용하는 것으로 여기에는 플라스마 전하를 이용하는 플라스마 이온 공기 정화 기술이 사용되는데 공기로 음이온과 양이온을 발생시켜 공기 중의 유해물질과의 화학반응을 통해 유해 물질을 분해 내지 불활성화하여 공기를 정화하게 된다. 그러나 이 방식에 의한 공기 정화 과정은 아직까지 PCI 거동의 화학적 메커니즘을 정확하게 밝혀내지 못하고 있을 뿐 아니라 이온 발생량에 대한 정확한 분석을 할 수 없으므로 살균효과에 대한 신뢰도가 낮기 때문에 아직까지는 미생물학적 관점에서 긍정적, 부정적 효과를 완벽하게 규명하지 못하고 있다.

공기 살균장치에 관한 대표적인 선행 기술 문헌은 다음과 같다.

- 영국 특허공개공보 공보번호 GB 2406275 A1 (2005.03.30)

- 일본 공개특허공보 공보번호 JP 2002-282346 A (2002.10.02)

통상적으로 공기살균장치는 오존을 발생시키고 리모넨 또는 과산화수소를 증산시켜서 이들의 화학반응을 통해 OH 라디칼을 발생시켜 이를 이용하여 공기를 살균하게 되는데 종래 기술에서는 OH 라디칼의 발생량이 최대가 되는 살균기 내에 설치되는 유로의 형상이나 오존과 리모넨의 유동형태 등에 관한 조건, 또한 이들의 결합으로부터 라디칼이 생성될 수 있는 최대량 그리고 최대량이 될 때의 오존과 리모넨의 결합비에 대해서 제대로 알려져 있지 않았다.

따라서 지금까지는 발생기를 통해 오존을 발생시키고 송풍기를 통해 발생한 오존을 적당히 이송시켜 이를 리모넨과 함께 반응시킴으로써 OH 라디칼을 만들어 내는 것으로 만족했을 뿐 라디칼의 발생량이 최대가 되는 조건이나 유로 형상에 대한 정확한 인식이 없이 제품 외관 디자인에만 치우친 설계를 통해 장치를 제작하여 제품으로 사용하여 왔던 것이다.

본 발명의 이온 발생 장치는 오존을 발생시키기 위한 직류 전압을 상기 발생 소자에 부여하는 고압 직류 전원과, 상기 발생 소자로부터 발생한 오존을 강제적으로 송풍하는 송풍기를 설치한 것을 특징으로 한다. 이 발생 장치에 따르면, 고압 직류 전원으로부터 직류 전압을 발생 소자에 부여하여 발생 소자로부터 발생한 오존과 증산시킨 리모넨 또는 과산화수소를 화학반응 시켜 OH라디칼을 발생시키고 OH라디칼을 송풍기에 의해 공기 중의 넓은 범위로 보낼 수 있다. 그리고, 이 OH라디칼의 작용에 의해 공기 중에 부유하는 세균을 살균할 수 있다.

또한, 본 발명의 공기 조절 장치는 공기를 흡입하기 위한 흡입구와, 상기 흡입구로부터 흡입한 공기와 함께 상기 발생 소자로부터 발생한 오존을 상기 송풍기에 의해 층류로 배출하기 위한 배출구와, 송풍기를 통해 리모넨(또는 과산화수소)을 증산시켜 층류로 배출하는 배출구와 상기 흡입구에서 상기 배출구에 이르는 송풍 경로에 배치되며 오존을 증산시킨 리모넨(또는 과산화수소)과 화학반응을 일으키기 쉽도록 난류를 만들며 반응을 일으키는 반응공간을 설치한 것, 반응공간 이후에는 발생한 OH라디칼을 실제 공기정화를 위해 사용공간으로 배출해주는 층류 송풍시스템을 가지는 것을 특징으로 한다.

상기 공기 조절 장치는 고압 직류 전원으로부터 직류 전압을 오존 발생 소자에 부여하여 발생 소자로부터 발생한 오존을 리모넨(또는 과산화수소)과 반응시켜 발생한 OH 라디칼을 송풍기에 의해 공기 중의 넓은 범위로 보낼 수 있게 하는 장치이다. 이 OH 라디칼의 작용에 의해 공기 중에 부유하는 세균을 살균할 수 있다. 또한, 공기가 순환됨으로써 공기 중에 포함되는 먼지나 티끌, 악취 성분이 OH 라디칼에 의해 제거된다. 이에 따라, 쾌적하고 청정한 주거 환경을 실현할 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 기존 방식을 사용하는 공기 살균장치들이 가지고 있는 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로 최대량의 OH 라디칼을 발생시킬 수 있는 가장 적합한 조건을 가진 공기 살균장치를 제공하는 것에 관한 것이다.

본 발명에 따른 공기 살균장치는 오존을 발생시키고 과산화수소 또는 리모넨 용액(올레펜)을 증산시켜 반응시키므로써, OH(히드록실) 라디칼을 만들고, 만들어진 라디칼을 멀리 방출함으로써, 자연계의 정화 원리를 적용하여, 공기 중에 부유하는 세균 또는 실내 공기를 살균 정화하는 장치이다. 본 발명에 따른 살균장치는 오존량을 그 발생 점으로부터 5cm 떨어진 위치에서 시간당 0.0001g~0.5g 범위로 발생시키며, 리모넨 또는 과산화수소를 공기 송풍을 통해 시간당 0.001~0.1g 범위로 증산시키며, 증산된 리모넨 또는 과산화수소가 오존과 화학반응을 함에 의해 생성하는 OH(히드록실) 라디칼을 초당 50만 ~ 2000 만개 / 개 이상 범위로 발생되도록 하며, 1몰의 오존과 1몰의 리모넨이 반응하여 OH(히드록실) 라디칼은 85.68% 부피(0.8568몰)로 생성되게 하는 공기살균장치로서 부피비(몰비, ppm비)를 기준으로 리모넨 증산량 1에 대해 오존 증산량0.3~5 정도의 비율 내에서 OH(히드록실) 라디칼을 유용하게 발생시키며, 최적의 비율은 리모넨과 오존의 비율(ppm 기준)은 1:0.8 일 경우 내지 질량 기준으로 3.55 : 1 로 반응되는 공기살균장치이며 리모넨은 분자량이 136.24이고 오존은 48이므로, 질량비로 볼 때는 리모넨 0.1~ 1.76 에 대해 오존 1의 비율로 반응시키는 공기 살균장치를 제공한다.

본 발명에 따른 공기 살균장치는 오존 발생 소자와 그 제어부를 통해, 오존을 발생시키고, 이것을 공기 순환 팬을 통해 공급하며, 별도의 팬에 의한 공기 흐름을 만들고, 여기에 카트리지 형태로 공급되어 증산되는 과산화수소 또는 리모넨 용액(올레펜)을 공급한다. 이렇게 공급되는 오존의 공기흐름과 과산화수소 또는 리모넨 용액(올레펜)의 공기흐름은 발생된 각 입자의 원활한 공급을 위하여 층류 상태를 유지하도록 그 유로를 설계하고, 그 후 두 흐름의 순환이 만나서 난류를 만들기 쉽도록 난류 유발 유로를 별도로 만들고, 난류를 만드는 공기 섞임 공간을 별도로 만들어 이 공간에서 오존과 과산화수소, 오존과 리모넨 용액(올레펜)이 충분한 화학반응을 일으키도록 하며, 이때 생성하는 OH(히드록실) 라디칼을 만들고, 만들어진 라디칼 또는 음이온을 다시 층류 유로를 만들어 이를 통해 멀리 방출함으로써, 자연계의 정화 원리를 적용하여, 공기 중에 부유하는 세균 또는 실내 공기를 자연계와 같은 원리로 살균 정화하는 기기에 대한 것이다.

또한 공기 유동 유로를 설계하여 그 유출 속도를 제어하며, 이를 통해 기기 밖으로 유출되는 지점에서 음이온은 5cm 떨어진 위치에서 10만~1000만개/ 이상과 오존량을 5cm 떨어진 위치에서 0.001~0.05ppm 이하로 발생시키며, 이에 의해 생성하는 히드록실(OH) 라디칼 또는 이온은 10만~2000만개/ 개 이상 범위로 발생되도록 하는 유로 설계 기술을 포함한다.

본 발명의 공기 살균 장치에 따르면, 고압 직류 전원으로부터 직류 전압을 오존 발생 소자에 부여하여 발생 소자로부터 발생한 오존을 리모넨(또는 과산화수소)과 반응시켜 발생한 OH 라디칼을 송풍기에 의해 공기 중의 넓은 범위로 보낼 수 있는 장치로서 리모넨과 반응하는 오존의 발생량을 정확히 제어하므로써 히드록실 라디칼의 생성량을 최대로 할 수 있고 이에 의해 공기의 정화 기능 내지 살균 기능효과적으로 수행할 수 있게 되어 쾌적하고 청정한 주거 환경을 실현할 수 있게 된다.

도 1과 2는 본 발명의 공기 살균장치의 단면을 보여주는 그림이다.
도 3은 본 발명의 공기 살균장치의 유로 형상을 나타내는 그림이다.
도 4, 5는 본 발명의 오존 발생부에 들어 있는 상하부 전극과 전극부 형상을 보여주는 그림이다.
도 6은 본 발명의 오존량 센서를 통해 리모넨 증산을 제어하는 알고리즘을 보여주는 그림이다.
도 7은 본 발명의 용액 잔량 감지 장치가 작동되는 알고리즘을 보여주는 그림이다.
도 8은 본 발명의 광학식 잔량 검지 장치의 일례를 보여주는 그림이다.
도 9는 본 발명의 전기식 잔량 검지 장치의 일례를 보여주는 그림이다.
도 10은 본 발명의 부유전극식 잔량 검지 장치의 일례를 보여주는 그림이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 이를 상세한 설명을 통해 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 본 명세서의 설명 과정에서 이용되는 숫자(예를 들어, 제1, 제2 등)는 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위한 식별기호에 불과하다. 또한, 본 명세서에서, 일 구성요소가 다른 구성요소와 "연결된다" 거나 "접속된다" 등으로 언급된 때에는, 일 구성요소가 다른 구성요소와 직접 연결되거나 또는 직접 접속될 수도 있지만, 특별히 반대되는 기재가 존재하지 않는 이상, 중간에 또 다른 구성요소를 매개하여 연결되거나 또는 접속될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

본 발명은 일실시 예에 의하면 도 1에 나타난 바와 같이 공기 살균장치(10)에서 오존 입자가 리모넨 또는 과산화수소의 증산 입자와 잘 섞이도록 하여 원활한 화학반응이 연속적으로 일어나도록 하게 하는 것으로 그 주요 구성은 전극을 통해오존 입자를 발생시키는 오존발생부(100), 고전압 전원 회로부 및 그 제어부로 이루어진 전자장치부(500);와 리모넨 또는 과산화수소를 공급하는 용액을 담는 용기 및 용액의 증산을 위한 커버 등으로 이루어진 용액 공급부(200); 용액의 증산과 화학반응을 위한 흡입팬(300) 및 유로부(400);로 이루어져 있다.

또한 본 발명은 도 2와 같이 공기살균장치에서 오존발생부(100)에서 발생한오존 입자가 용액공급부(200)에서 증산된 리모넨 또는 과산화수소의 증산 입자와 잘 섞이도록 하여 원활한 화학반응이 연속적으로 일어나도록 하는 구조로 형성되어 있다. 입자들이 오존발생부(500)로부터 일정한 흐름을 가지고 연속적으로 발생하도록 만들기 위해서는 층류 발생부(410)를 두어 입자의 유동이 층류(Laminar flow)가 되도록 유로 설계를 하는 것이 중요하다. 원활한 화학 반응을 위해서 반응이 일어나기 전에는 난류 발생부(420)을 두어 난류(turbulence flow)가 되도록 하는 것이 유리하며 상기 난류 발생부 후단에는 오존과 증산 입자가 반응하게 되는 반응공간(430)이 위치하게 된다.

유로 내부의 특정 공간에서 난류가 발생하는 구조(예를 들어, 에어로 포일 구조)와 난류 화학반응 공간을 만들며 화학반응이 일어나 OH 라디칼이 생성된 후에는 장치 외부로 생성된 OH 라디칼을 가능한 한 멀리 이송하는 것이 필요하므로 다시 층류 유동이 생기도록 유로를 설계하는 것이 필요하다. 그리고 유로의 공기 흐름을 위하여 복수개의 팬이 필요한데 리모넨 또는 과산화수소의 용액 증산을 위한 공기 유동을 일으키기 위해 흡입팬(300)이 필요하며 오존 입자, 리모넨 또는 과산화수소의 용액 증산 입자의 생성 후 층류 흐름이 되게 하는 것과 함께 화학반응에 의해 생성된 OH 라디칼을 기기 밖으로 가능한 한 멀리 도출시켜 장치의 최종 목적인 공기의 정화 작용을 달성하게 하기 위해 외부 분출팬(310)이 요구된다.

일반적으로 층류, 난류의 발생은 다음과 같은 레이놀즈 수라고 하는 무차원 변수에 의해 경계가 나누어지는데, 원형 파이프 내 유동의 경우 층류의 레이놀즈 수는 약 2,300 정도 이하이다.

(여기에서 vs는 유동의 평균 속도, L은 특성 길이(characteristic length), u는 유체의 [[점성 계수](Dynamic Viscosity)], v는 유체의 [[동점성 계수](Kinematic Viscosity)], 로 는 유체의 밀도)

따라서, 레이놀즈 수가 2000 이하가 되도록 유로를 설계하고 해석하는 것이 필요하며, 간단하게 실험적으로 유로의 직경을 D라 할 때, 유로 팬의 후방거리가 6D이상이 되도록 해야 층류가 발생한다고 알려져 있다. 이 기준에 의하면 층류의 발생을 가지는 유로의 설계 예는 다음과 같다.

유로의 직경 (mm)	층류 발생을 위한 유로의 최소길이(mm)
10	60
15	90
20	120

팬을 설치한 후 층류를 발생시키기 위해, 완만하게 유로의 직경을 줄이며, 최종적으로 결정된 유로 직경의 6배 거리 뒤에 오존을 발생시키는 전극부와 리모넨 또는 과산화수소의 용액 증산부를 위치시킨다. 또한 입자들이 원활하게 층류를 통해 공급된 이후에는 화학반응 위해서 난류로 흐름을 바꾸어야한다. 이를 위해서는 다음과 같은 에어로 포일 구조들을 유로 내에 설계하여 난류의 발생을 유도한다. 에어로 포일 형태에 따라서 양력과 항력이 발생할 수 있으므로 이를 고려하여 설계한다.

실제로 유로 내에 다음과 같은 유선형의 에어로 포일 구조를 넣으며, 이를 통해, 에어로 포일의 후단에서 각도에 따라 난류의 발생을 유도한다. 또는 난류의 발생을 위해, 별도의 공기를 유로에 일정각도로 불어 넣을 수도 있다.

화학반응에 의해 OH 라디칼이 생성된 후에는 생성된 OH 라디칼을 가능한 한 기기 외부로 멀리 배출하는 것이 효과적인 공기 살균 정화에 도움이 되므로, 다시 층류로 공기 흐름을 바꾸고 중심의 공기 속도를 빠르게 되도록 유로를 설계한다. 이를 위해서 별도의 팬을 설치하거나 공기 유동을 발생시킬 수도 있다. 설계된 유로와 그 기능은 도 3에 나타난 것과 같다.

또한 본 발명에 의한 오존 발생부에 있는 오존 발생 전극과 리모넨 (또는 과산화수소) 용액을 카트리지 내에 포함한 구조는 도 3 같은 단면을 가지고 있다. 즉 하부에 마련된 흡입팬(미도시)을 통하여 공기를 유입시키며, 이 유입된 공기는 크기가 D인 유로를 통하여 L1 = 6D의 거리만큼 떨어진 리모넨 (또는 과산화수소) 용액 증산 중심부를 통과하며 층류를 만들어 내, 증산이 원활히 일어나는 조건을 만족 시키게 된다. 또한 증산이 잘 일어난 후에는 L2 = 3~4D의 거리만큼 더 떨어진 위치(유로시작부터 총거리 9~10D)에서 난류가 발생하므로 이곳에 난류를 잘 발생시킬 수 있는 에어로 포일 구조를 설치하고, 이후에 난류로 용액과 오존이 잘 섞일 수 있도록 반응 공간 구조를 만들어 준다. 반응공간(430)에서 충분한 반응이 일어난 이후 생성된 OH 라디칼을 가능한 한 기기 외부로 멀리 배출하는 것이 공기 살균 정화에 도움이 되므로, 다시 층류로 공기 흐름을 바꾸고 중심의 공기 속도를 빠르게 되도록 별도의 팬을 설치하거나 공기 유동을 발생시킬 수도 있다.

또한 본 발명의 오존발생부(100)는 도 4와 같은 상 하부로 나뉜 세라믹 전극(110)을 포함하고 있다. 세라믹 전극(110)은 소형 사이즈와 동시에 긴 수명을 가지고 있으며, 오존 발생량은 0.1mg/h ~ 1g/h까지 가능하다. 발생량은 전극의 양단에 걸리는 전압과 전류, 전극의 면적 등에 의해서 결정되는데, 발생량의 정확한 제어와 관리를 위해 기계식 이동과 발생량 계측을 통한 제어를 한다. 전압의 제어는 2000~7000 V의 고전압을 사용하며 오존인 경우에는 주파수 1,000~100,000 Hz의 펄스파 형태로 공급한다.

오존 발생량 제어는 전압조절을 통해서도 가능한데 이 경우는 정밀 제어가 불가능하므로, 본 발명에 따른 실시 예에서는 사용되는 전압을 일정하게 유지하면서 세라믹 전극의 양면의 반응 길이나 면적을 제어하게 되면, 전류나 파워의 제어를 통해 발생하는 오존의 양을 정밀 제어하는 것이 가능해지므로 이 방법을 사용한다. 이러한 오존 발생량 제어는 도 5와 같은 전극 구조를 통해 이루어 진다.

미끄럼 기준판(130)에 대해 상하부에 세라믹 전극(110)이 놓이며, 한쪽 전극을 전극 위치 조정 기구부(120)를 통해 기계적으로 미세 이송시키며. 이에 따라, 발생하는 오존양 등을 계측기 또는 센서를 통해 정해진 거리에서 계측하며, 이에 따라 원하는 발생량에 도달할 경우, 위치 조정을 끝내고, 본딩 등의 방법으로 위치를 고정하여 추후 그 위치에서, 원하는 발생량을 반복적으로 얻을 수 있도록 하는 방법이다. 전극 위치의 조정기구는 다양한 방법이 있으나 가장 간단한 방법은 기계식 정밀 나사를 채용하고 나사 진행 반대방향에 스프링 구조를 채용하여, 나사의 회전에 의해 미세 거리의 이송이 가능하게 하는 방법이다. 전극은 판상의 형태로만 가능한 것이 아니고, 봉의 형태도 가능하며, 전극의 발생 면적을 제어함으로써 발생량을 미세하게 제어하는 것이 가능한 것이다.

또한 본 발명에 의하면 오존이 반응 증산 기체와 반응하지 않고 배출되는 오존량이 조금이라도 감지되면, 오존과 리모넨(또는 과산화수소)는 적합한 비율로 반응하지 않고 오존량이 과다하게 많다는 것을 의미한다. 따라서 미리 여러 가지 정해진 조건에 대해 실험을 하고 이를 데이터 테이블 화하여 조건을 제어하는 기준으로 적용하거나, 기기에서 OH(히드록실) 라디칼이 배출되는 출구에 오존 센서 또는 오존 검출기를 장착하여 출구에서의 오존 검출량이 0이 되도록 조건들을 변경하여 제어 적용한다. 이는 사전 실험을 통한 데이터에 의해 양산 제품의 조건(풍량, 오존발생량, 리모넨 증산량, 풍속 등)을 제어하는 방법과 동시에 센서 등을 통한 피드백으로 변하는 상황에 대한 조건 제어의 방법으로 사용되는 기준으로 오존이 반응에 따라 미량 검출되다가 완전한 반응이 이루어지는 순간 0이 되는 것을 능동적으로 이용하는 방법이다. 이에 대한 알고리즘은 도 6에 나타난 바와 같다.

도 6을 참조하여 과정을 설명하면 기기 배출구에 장착된 오존량 센서(또는 검출기)에서 오존량을 측정한다. 0인 경우에는 우선 오존량을 증가시키는 구동을 한다. 전극의 반응 면적을 늘리거나, 전압, 전류를 조절하는 방법 등을 사용한다. 오존량이 0 이상이 되면, 리모넨(또는 과산화수소)의 증산량을 증가시킨다. 오존은 반응에 따라 센서에서 검출되는 농도가 떨어진다. 농도가 0이 되는 순간의 각 조건 (오존 발생기의 전극 위치, 면적, 전압, 전류, 오존 발생량, 리모넨 증산량, 그때의 흡기팬의 풍량, 풍속, 온도, 습도 등)을 고정하며, 이를 기록하거나 기억해, 기기 제어 시 각 조건에 따른 제어 테이블로 사용하거나, 생산 공정중의 기준으로 사용하는 것이 가능하다.

오존량 발생 제어부는 오존발생기 구동 모듈 또는 팬 구동 모듈을 통해 생성되는 오존량을 증감하거나 바람의 발생량을 증감한다. 오존발생기로부터 발생되는 오존량은 예컨대 방전기의 두 전극의 발생면적을 조절하거나 전극 사이의 전압차를 조절하거나, 팬으로부터 유입되는 공기의 유량에 의해 적절히 제어될 수 있어 오존 센서 또는 오존 검출기로부터 감지되는 오존량이 0되는 순간을 기준으로 제어할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 용액 공급부(200)에서 가장 중요한 요소는 용액 카트리지 내에 남은 용액의 양을 측정하는 방법이다. 용액은 리모넨 또는 과산화수소인데, 전기적으로 또는 광학적으로 센싱을 하는 구조를 카트리지 구조 안에 포함하여 남은 용액의 양을 측정하고, 카트리지가 정상적으로 장착되었는지를 판단한다. 센싱 구조와 회로로부터 초기 장착할 때 일정 높이의 용액에 대해 발생하는 초기 신호에 의해 작동을 해도 좋다는 신호로 받고, 전원을 공급하는 기준으로 삼고, 최종으로는 용액이 일정 수준 이하가 되어 재공급을 해야 하는 레벨에 도달하면 전원을 끊는 기준으로 삼는다. 전원 공급을 중단해야 하는 이유는 오존 발생 장치가 리모넨 또는 과산화수소가 공급되지 않는 상황에서도 계속 작용하여 오존이 리모넨 또는 과산화수소와 반응없이 일정량 이상 배출되면, 주위 환경에 악영향을 미치기 때문이다. 이때 적용되는 알고리즘은 도 7과 같다.

즉, 장착되는 리모넨이나 과산화수소의 용액의 증산을 위한 전체 동작이나 전원의 인가는, 용액이 장착되고 그 잔량이 소정의 양 이상으로 확인된 경우에만 작동하며, 용액의 잔량이 일정량 이하이거나, 용액 장착이 이루어지지 않은 경우에는 경고 표시와 함께 작동이 되지 않는 구조이다. 따라서, 초기에 용액이 장착되었는가를 알려주고, 남은 용액이 일정량 이하가 될 경우에 남은 양이나, 교체 시기를 알려주는 방법이 필요한데 본 발명에서는 광학식과 전기식 두 가지 방법이 사용될 수 있다.

본 발명에 사용되는 광학식 잔량 검지 방식은 도 8에 나타난 것과 같은데 용액 카트리지 내부에 반사판, 반사부를 용액에 부유되도록 설치한 후 하부나 측면에 발광광학계와 수광 광학계를 설치하여, 용액의 높이를 알아내는 방법이다. 카트리지의 외형이 광의 투과에 장애가 되지 않는 재질로 해야하며, 발광 부와 수광부의 광학계 비용이 크다. 또한 사용 광원은 용액에 의해 적어도 반사부까지 왕복을 하는 데에 영향을 받지 않아야 하며, 적외선 광원을 주파수 변환을 하며 사용하는 것이 가능하다.

카트리지의 존재는 본체에 위치한 발광부에서 광이 나오고, 이것이 카트리지에 반사되어 나오는 광이 소광부에 얻어질 때, 카트리지가 존재하는 것이며, 용액 내를 광선이 왕복하여 지나가면, 광의 강도가 약화되는데, 용액이 줄어들면, 광의 약화 정도가 줄어들게 된다. 이에 따라 수광부에서의 광 강도를 검지하여, 용액의 잔량을 알게 된다. 수광부 광이 검지되면, 알고리즘에서 용액 카트리지가 장착된 것으로 파악하고, 광강도가 초기 상태에서 점점 커져 가는데, 용액이 원하는 수준 이하로 내려가 강도가 한계점 이상으로 커지면 용액이 부족하다고 파악하여 그때 오존의 발생을 제어하게 된다.

본 발명에 따른 전기식 잔량 검지 방법은 도 9에 나타나 있는데 용액 카트리지 내부에서 외부로 연결된 전극을 측면에 높이별로 다수 개 설치한 후, 측면에서 전극 사이에 전압을 인가하고, 전극사이의 전압을 측정하는 전기회로를 구성한다. 용액이 전극사이에 존재할 경우는 전류가 흐를 수 있다. 카트리지 측면의 전극1, 전극2에 본체에서 연결된 전기회로를 구성한다. 전기회로의 일부분은 전극1, 전극2의 상태에 따라서 연결되기도 하고, 단선이 되기도 하는 구조이다. 즉, 용액이 전류를 흘려주도록 전극1과 2 사이에 차 있으면 정상으로 전압(V2)이 나타난다, 이 경우에 용액이 정상인 것으로 판정하여 작동한다. 용액이 증산됨에 따라 레벨이 낮아지고 잔류 용액이 줄어들어 전극 하나의 아래로 내려와 전극1과 2 사이에 오는 경우 전극 사이에 용액이 존재하지 않게 되면서 저항은 급격히 증가하며, 이에 따라 전류가 흐르지 않게 된다. 이 경우에 비정상으로 판단하여 작동을 중지한다. 초기에 용액 카트리지가 장착되지 않은 경우도 저항이 크게 되므로 전류가 흐르지 않는다. 따라서 전압(V1)을 측정하여 전원과 동일하게 걸리면 용액에 통전이 안되는 것으로 보고 오존의 발생을 멈추는 방식이다.

또한 본 발명에 따른 용액 잔량 검지 방법에는 상기의 광학식 전기식 방법 외에 도 10에 나타난 것과 같은 부유 전극을 사용하는 방법이 있는데 전극을 측면 높이로 같은 높이(전극1 높이)에 2개 설치하고, 용액 위에 뜨는 부유전극(도체판)을 장치하며, 이 부유전극(도체판)이 용액 위에서 떠서 용액이 줄어들면 내려가며, 용액이 정해진 위치만큼 줄어들면 전극에 구멍위치에서 결합되어 닿으면, 그때 전극의 높이에 해당하는 위치에 용액이 위치한다고 판단하는 방식이다. 이때, 도체판이 쉽게 전극에 닿는 위치를 찾도록 가이드 구조(가이드봉)를 설치하는 것이 필요하다. 도 10에서는 다른 높이에 전극1, 전극2를 각각 2개씩 구성하고 각 높이에 맞게 용액의 상부면에 부유판에 붙어서 떠 있으면서, 용액의 증산이 계속됨에 따라 용액이 줄어들면 미리 구성된 가이드 봉을 따라 내려오다가, 해당 전극에 부유 전극이 끼워져 통전이 되면 이에 따라 용액의 높이를 알게 되는 방식이 도시되어 있다.

이하에서는 본 발명에서 사용할 수 있는 히드록실 라디칼의 생성이 이루어지기 위해 필요한 리모넨의 오존에 대한 몰수비의 범위를 산출하는 것에 대해 설명한다. 본 발명과 같은 공기 살균장치에서 OH 라디칼을 발생시키기 위해서는 Ozone-olefin의 화학 반응이 수반되어야 하는데 이때 대표적인 olefin으로서 Limonene이 사용되고 이에 대한 반응식은 다음과 같다.

Limonene + O3 → 0.85(0.65CI-CH3-OO*+0.35CI-OO*) + 0.15(0.68(CIx-OO* + HCHO)+ 0.32(keto-limonene + CH2OO*)) (여기서 O3는 오존을 말함)

이 반응으로 발생하는 물질들은 각각 다음의 반응을 거쳐 OH라디칼을 발생시킨다.

CI-CH3-OO* → 0.2(limononic_acid+ CH3-OH)+ 0.2*stabCI- CH3-OO + 0.1*7OH-lim + 0.5*(0.5*(oxy-lim + XO2+ HO2) + 0.5(limonic_acid-CO-OO+H-CO-H)) + 0.9OH+0.01O3P

CI-OO* → 0.2(C=C7-OO + H-CO-CO-H + XO2) + 0.3limononic_acid + 0.5stabCI-OO + 0.9OH + 0.01 O3P

CIx-OO* → 0.15(MCH-OO + CH3-CO-OO.) + 0.45(MCH-CH3+ CO2) + 0.35stabCIx-OO + 0.05(keto-limonene + O3P) + 0.9OH + 0.01* O3P

상기 식을 종합해보면 이론적으로 1몰의 오존과 1몰의 리모넨이 반응하게 되면 0.8568몰의 OH라디칼이 생성된다. 그러나 이는 이론상의 결과일 뿐 실제 공기살균장치에서의 결과는 풍속이나 유동의 형태, 주위 온도등의 조건에 따라 OH 라디칼의 생성량은 달라질 수밖에 없게 된다. 실험을 해본 결과 아래의 실험 데이터 표에서 알수 있는 바와 같이 리모넨과 오존의 비율(ppm 기준)은 1:0.8 일 경우 OH 라디칼의 생성량이 최대인 것으로 밝혀졌으며 리모넨의 양 1에 대해 오존 0.6~ 4.2 정도의 범위 내에서 본 발명과 같은 공기 살균장치에서 공기 살균의 효과를 가져올 수 있는 OH(히드록실) 라디칼 량을 발생시킬 수 있다는 것을 알아내었다. 리모넨은 분자량이 136.24이고 오존은 48이므로, 질량비로 볼 때는 리모넨 0.6~4.73에 대해 오존 1의 비율로 반응시키는 것이 유력한 비율이 되는 것으로 밝혀졌다. 실험적인 오차를 고려할 때, 리모넨 증산량 1에 대해 오존 증산량 0.15~6 정도의 비율 내에서 OH(히드록실) 라디칼을 유용한 갯수로 발생시키며 질량비로 볼 때는 리모넨 1 에 대해 오존 0.05~ 2.11의 비율로 반응시키면 실제 살균기 작동에서 살균에 유용한 라디칼을 발생시킬 수 있다고 판단된다.

	d-limonene(ppm)	O3(ppm)	Aerosol yield (OH 라디칼)	d-limonene/O3
1	0.65	0.81	94%	0.8
2	0.45	0.35	78%	1.3
3	0.48	0.18	77%	2.7
4	0.143	0.239	77%	0.6
5	0.296	0.251	72%	1.2
6	0.18	0.12	68%	1.5
7	0.63	0.3	63%	2.1
8	0.093	0.081	45%	1.1
9	0.093	0.022	43%	4.2

표: 리모넨과 오존의 반응량에 따른 OH 라디칼 발생량(실험결과)

공기 정화에 유용한 OH(히드록실) 라디칼의 발생기준을 자연 정화의 경우보다 약간 더 많은 천만개(공기 1cc당, 1초당)로 보고 시간당 공기 11m³을 정화하여 불어 넣어 주는 시스템을 예로 들어보면 1m³는 10⁶ 제곱 cc 이므로 10⁷ x 11 x 10⁶개x 3600 시간당 필요 개수로 계산하면 9.5 개 x 10¹⁸ 개 (하루 발생 개수) 가 된다.

이것이 60일이면 5.7 x 10 ²⁰개 이것은 9.46 x 10 ^-4몰 = 0.128 g 이다. 공급되는 양 중에 증산된 리모넨이 반응을 하여 OH 라디칼이 1%만 발생한다고 가정하면 두달간 12.8g (9.456 x 10 ^-2몰) 을 공급해서 사용된다고 추정된다. 오존발생양과 리모넨의 몰비율이 같아야하므로 오존분자량은 48을 고려 계산하면, 오존은 2개월에 4.8 g이 발생하면 되고 하루에 0.08g = 3.3 mg/hr = 1.54 x 10 -6 m³이 시간당 발생하면 된다. 오존이 시간당 3.3mg만 발생하면 된다. 또한 최적의 몰비인 1:0.8을 기준으로 하면 리모넨 12.8 g에 대해 오존은 2.5 mg/hr 발생하면 된다.

이처럼 대략적인 범위의 반응 예상을 통해, 최적 반응이 일어날 수 있는 송풍량과 이때의 오존 발생량, 리모넨 증산량(또는 과산화수소 증산량)을 예상할 수 있으나, 최적의 반응이 이루어지는 정확한 과정에 대해 아는 것은 쉽지 않다. 송풍량과 오존 발생량, 리모넨 증산량, 유로의 구조 등이 바뀌면, 다른 방법을 통해 계산을 하거나 실험치를 알아내야 한다. 따라서 본 발명에서는 최적의 OH(히드록실) 라디칼 발생 조건을 찾아서 기기를 제어함으로써, 변화하는 조건에 맞는 최적 조건을 결정하는 방법을 제시한다.

대략적인 범위에서 맞춰진 일정량의 송풍에 의해 증산되는 리모넨에 대해, 오존의 발생량을 가감하여, 반응 후 토출부에서 오존센서 또는 오존 검출기를 사용하여 오존의 발생량을 측정한다. 오존의 발생량이 반응 전, 리모넨의 증산이 없을 경우 일정량으로 검출되는 양에서, 리모넨의 증산이 늘어나면 리모넨과 반응함에 따라 OH(히드록실) 라디칼을 발생시키고 따라서 반응하는 양만큼 줄어듬으로써 오존의 검출량이 줄어들다가, 오존이 미량에서 0이 되는 순간이 된다. 이때가 오존 발생량, 리모넨의 증산량, 그때의 송풍량이 가장 최적의 OH(히드록실) 라디칼 발생 조건이 되는 것이다. 따라서 기기의 토출부에 장착된 오존센서 또는 오존 검출기의 피드백 데이터에 의해 최적의 조건을 선정하는 것이 가능해진다.

이와 같은 과정을 거쳐 실시 예의 경우에 발생시킨 오존이 반응 전의 경우 약 0.1ppm에서 반응을 시작한 후, 점차 줄어들다가 완전한 반응이 이루어지면 0.000 ppm이 되어 전량 반응하여 오존이 모두 반응하여 사라졌음을 확인할 수 있었다.

한편 본 발명에서는 리모넨 대신 과산화수소를 사용할 수도 있는데 과산화수소와 오존 반응을 통해 Hydroxyl Radical이 생성되는 반응식은 다음과 같이 얻어진다.

H₂O₂ + 2O₃→ 2OH + 3O₂

즉, 과산화수소 1몰(34g)에 대해 오존 2몰(96g)이 반응하면 Hydroxyl Radical 2몰이 생성된다. 따라서 이 경우에 대해서도 비슷한 양의 오존을 발생시키면 되며, 몰 기준(또는 부피, ppm기준)으로 과산화수소의 증산양이 오존양의 반이면 족하다. 리모넨의 경우와 마찬가지의 반응실험을 통해 과산화수소 증산량 1몰에 대해 오존 증산량 0.1~10 정도의 비율 내에서 OH(히드록실) 라디칼이 유용한 개수로 발생함을 확인할 수 있었다. 이처럼 과산화수소의 경우 역시 실내 공기 정화에 충분한 수량의 OH라디칼을 발생 시킬 수 있다. 기준이 되는 기기의 조건을 정하는 것은 위에서 전술한 리모넨을 통한 방법인 오존 검출량이 “0”되는 기준점을 통해 조건을 정하면 된다. 이에 따라 본 특허에 따라 구성된 기기에서는 가장 최적의 조건으로 충분히 많은 수의 OH(히드록실) 라디칼을 생성시키고, 만들어진 라디칼 또는 음이온을 층류 유로를 만들어 공기 순환 팬의 공기 유동에 의해 멀리 방출함으로써, 자연계의 정화 원리를 적용하며, 공기 중에 부유하는 세균 또는 실내 공기를 자연계의 정화 원리와 같은 원리로 살균 정화하는 것이 가능해지지는 것이다.

또한 본 발명의 일시예에 따르면 공기살균장치의 배출부에 음이온 발생장치를 추가로 설치하여 OH(히드록실) 라디칼과 음이온을 동시에 발생시켜서 공기중에 발산시킴으로써 공기 살균 효과와 정화 기능을 더욱 확실히 할 수 있도록 구성할 수도 있다.

10 공기살균장치 100 오존발생부
110 상, 하전극 120 전극위치 조정기구부
130 미끄럼 기준판 200 용액 공급부
300 흡입팬 310 외부 분출팬
400 유로부 410 층류 발생부
420 난류 발생부 430 반응공간
500 전자장치부

Claims

오존발생부에서 생성되는 오존과 리모넨 또는 과산화수소 용액으로부터 증산된 리모넨 또는 과산화수소 에어로졸과의 반응을 통해 히드록실 라디칼을 발생시켜 공기를 살균하는 공기살균장치에 있어서, 상기 오존 1몰 당 상기 리모넨의 몰 비는 0.16 에서 6.7 사이에 과산화수소 몰비는 0.1 에서 10 사이에 존재하도록 오존 발생량을 조절하는 것을 특징으로 하는 공기살균장치.
오존발생부에서 생성되는 오존과 리모넨 용액으로부터 증산된 리모넨 에어로졸과의 반응을 통해 히드록실 라디칼을 발생시켜 공기를 살균하는 공기살균장치에 있어서, 오존을 발생시키는 오존발생부;와 고전압 전원 회로부 및 장치 제어부로 이루어진 전자장치부;와 리모넨 용액을 공급하는 용액공급부;와 흡입팬;및 유로부; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기살균장치.
제2항에 있어서, 상기 오존발생부, 상기 전자장치부, 상기 용액공급부, 상기 흡입팬, 상기 유로부가 일체로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 공기살균장치.
제2항에 있어서, 상기 오존발생부와 상기 용액공급부는 상기 공기살균장치 본체와 착탈 가능하도록 별도로 이루어진 하나의 카트리지로 이루어진 것을 특징으로 하는 공기살균장치.
제2항에 있어서, 상기 용액공급부가 상기 공기살균장치 본체와 착탈 가능하도록 별도로 이루어진 하나의 카트리지로 이루어진 것을 특징으로 하는 공기살균장치.
제2항에 있어서, 상기 유로부는 층류 생성부의 유로 길이(L1)가 유로 단면 직경(D)의 6배가 되도록 하며 난류 생성부 유로길이(L2)가 유로단면 직경(D)의 3~4배가 되도록 하는 것을 특징으로 하는 공기살균장치.
제2항 내지 제6항의 어느 하나의 항에 있어서, 오존 발생량은 오존발생부에 설치된 전극 양면의 반응 길이나 면적의 조절을 통해 제어되도록 하며, 상기 공기살균장치의 운전조건인 오존 발생기의 전극 위치, 면적, 전압, 전류, 용액 증산량, 흡기팬의 풍량, 풍속, 온도, 습도 등이 배출구에 장착된 오존 검출기로부터 감지되는 오존량이 제로(0)가 되는 상태를 기준으로 결정되도록 하는 것을 특징으로 하는 공기살균장치.
제2항 내지 제6항의 어느 하나의 항에 있어서, 상기 용액공급부는 전기적 또는 광학적으로 용액의 잔량을 감지하여 상기 오존발생부의 동작 여부를 제어하는 것을 특징으로 하는 공기살균장치.
제1항 내지 제2항의 어느 하나의 항에 있어서, 공기살균장치의 배출부에 음이온 발생 장치를 두어 OH(히드록실) 라디칼과 음이온을 동시에 발생시키는 것을 특징으로 하는 공기살균장치.