KR101633086B1 - 미세입자 분리장치 - Google Patents

Abstract

미세입자 분리장치가 제공되며, 본 발명의 하나의 실시예에 따른 미세입자 분리장치는 미세입자가 포함되어 있는 공기가 이동하는 본체, 그리고 본체 내부에 위치하며, 공기로부터 미세입자를 분리하는 하나 이상의 전극층을 포함하는 미세입자 제거부를 포함하며, 미세입자 제거부는 유전영동에 기초하여 미세입자를 본체에서 배출시킨다.

Description

미세입자 분리장치{MICRO PARTICLE SEPARATOR}

본 발명은 미세입자 분리장치에 관한 것이다. 특히, 이동전계와 유전영동을 이용한 미세입자 분리장치에 관한 것이다.

최근 미세먼지가 호흡기 질환, 심혈관 질환 및 피부 질환의 주요 원인으로 밝혀짐에 따라 심각한 사회문제로 인식되고 있다. 미세먼지는 입자 지름이 약 10㎛ 이하인 '미세먼지(PM-10)'와 약 2.5㎛ 이하인 '초미세먼지(PM-2.5)'로 구분되며, 초미세먼지의 경우 인체 내 기관지 및 폐의 깊은 곳까지 침투하여 각종 질환을 유발한다. 이에 따라, 산업설비에서의 분진 제거뿐만 아니라 실내 오염물 중 미세입자를 제거하기 위한 집진기술에 대한 개발이 활발히 진행되고 있다.

종래 집진설비 중 전기 집진기(electrostatic precipitator, ESP)는 미세입자의 포집 및 집진 효율이 높고, 압력손실과 유지보수 비용이 적다는 점에서 발전소, 제철제강로, 또는 소각로와 같이 다량의 분진이 발생하는 대용량 설비의 집진설비로 사용되고 있다.

도 1은 종래 전기 집진기의 집진 원리를 나타내는 개념도이다.

도 1에서 보면, 전기 집진기는 미세입자를 이온화시키는 단계와 이온화된 미세입자를 집진전극 사이로 유도하여 집진판에 부착시키는 단계를 포함한다.

그러나, 도 1의 전기 집진기는 이온화 단계에서 코로나 방전을 통해 인체에 유해한 물질인 오존 또는 질소산화물을 생성하며, 미세입자의 처리 유속이 약 3m/s로 제한적이다. 또한, 미세입자의 이온화 단계와 포집 단계를 각각 수행하므로 집진 설비의 규모가 크고, 초기 투자비용이 매우 크다. 이로 인해, 대규모 산업설비에서는 경제성이 있으나, 가정용과 같은 소규모 설비에서는 경제성이 낮을 수 있다.

본 발명의 하나의 실시예가 해결하려는 과제는 미세입자 분리장치의 구조를 단순화하고, 초기 설치비용 및 유지보수비용을 절감하기 위한 것이다.

본 발명의 하나의 실시예가 해결하려는 과제는 유해물질이 발생하지 않는 미세입자 분리장치를 제공하기 위한 것이다.

상기 과제 이외에도 구체적으로 언급되지 않은 다른 과제를 달성하는 데 본 발명에 따른 실시예가 사용될 수 있다.

상기 과제를 해결하기 위해 본 발명의 하나의 실시예는, 미세입자가 포함되어 있는 공기가 이동하는 본체, 그리고 본체 내부에 위치하며, 공기로부터 미세입자를 분리하는 하나 이상의 전극층을 포함하는 미세입자 제거부를 포함하며, 미세입자 제거부는 유전영동에 기초하여 미세입자를 본체에서 배출시키는 미세입자 분리장치를 제안한다.

여기서, 전극층은, 제1 전계를 생성하는 제1 전극부, 그리고 제2 전계를 생성하는 제2 전극부를 포함하며, 순차적으로 생성되는 제1 전계와 제2 전계에 의해 형성되는 이동전계에서 유전영동에 기초하여 미세입자를 이동시킬 수 있다.

또한, 제1 전극부와 제2 전극부에 시간에 따른 가변 전압을 제공하는 전원 제어부를 포함할 수 있다.

또한, 전원제어부는 제1 전극부 또는 제2 전극부에 2상 전압을 제공할 수 있다.

또한, 전원제어부는 제1 전극부 또는 제2 전극부에 3상 전압을 제공할 수 있다.

또한, 전극층은 PCB(printed circuit board) 형태 또는 메시(mesh) 형태의 전극을 포함할 수 있다.

또한, 본체는 미세입자가 포함되어 있는 공기가 유입되는 유입부, 미세입자가 포함되어 있는 공기 또는 미세입자가 제거된 공기가 이동하는 통로부, 미세입자가 제거된 공기가 배출되는 제1 배출부, 그리고 미세입자 제거부를 포함하며, 미세입자 제거부를 통해 분리된 미세입자가 배출되는 하나 이상의 제2 배출부를 포함할 수 있다.

또한, 제2 배출부는 전계이동속도가 서로 다른 하나 이상의 미세입자 제거부를 포함할 수 있다.

본 발명의 하나의 실시예에 따르면 미세입자 분리장치의 구조를 단순화하고, 초기 설치비용 및 유지보수비용을 절감할 수 있다. 또한, 종래 전기 집진기의 유해물질 발생 문제를 해결하고, 전력 효율을 향상시킬 수 있다.

도 1은 종래 전기 집진기의 집진 원리를 나타내는 개념도이다.
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 미세입자 분리장치이다.
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 PCB 형태의 전극을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 메시(mesh) 형태의 전극을 나타낸다.
도 5는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 유전영동에 의한 미세입자의 이동을 나타내는 개념도이다.
도 6은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 3상 전압이 인가되어 있는 전극부를 나타내는 개념도이다.
도 7은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 3상 전압이 인가되는 전극부의 전계생성시간과 전계이동속도를 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 하나 이상의 미세입자 제거부를 포함하는 미세입자 분리장치이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체에서 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호가 사용되었다. 또한, 널리 알려져 있는 공지기술의 경우 그 구체적인 설명은 생략한다.

본 명세서에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

본 명세서에서, '미세입자'는 입자의 지름이 약 10㎛ 이하이며, 인체에 유해한 여러 가지 성분을 포함하는 공기 중 부유 물질(먼지)을 의미한다.

본 명세서에서, '유전영동(dielectrophoresis)'이란 불균일한 전계에 놓인 유전체가 전계 세기가 강한 곳으로 힘을 받아 이동하는 것을 의미한다. 예를 들어 대전된 풍선이나 막대를 종이조각 또는 수도꼭지에서 나오는 물에 가까이 가져가는 경우 종이조각이나 물이 딸려오는 현상을 들 수 있다.

본 명세서에서, '이동전계'는 공간적으로 분포된 전극에 전압을 인가하는 경우 복수의 전극 사이에서 발생하는 전계를 순차적으로 이동시켜 분극 미세입자를 이동시키는 것을 의미한다.

도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 미세입자 분리장치이다.

도 2에서 보면, 미세입자 분리장치는 본체(100), 미세입자 제거부(200), 그리고 전원제어부(300)를 포함한다.

본체(100)는 미세입자를 포함하는 공기가 유입되는 유입부(110), 미세입자를 포함하는 공기 또는 미세입자가 제거된 공기가 이동하는 통로부(120), 미세입자가 제거된 공기가 배출되는 제1 배출부(130), 그리고 미세입자 제거부(200)를 통해 포집된 미세입자가 배출되는 제2 배출부(140)를 포함한다.

미세입자 제거부(200)는 통로부(120) 내부에 위치하며, 일단이 제2 배출구(140)에 연결되어 있다.

미세입자 제거부(200)는 하나 이상의 전극층을 포함한다. 이때, 전극층은 PCB(printed circuit board) 형태의 전극 또는 메시(mesh) 형태의 전극을 포함한다.

도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 PCB 형태의 전극을 나타낸다.

도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 메시(mesh) 형태의 전극을 나타낸다.

다시 도 2의 설명으로 돌아가서, 미세입자 제거부(200)는 제1 전극층(210), 제2 전극층(220), 제3 전극층(230), … , 제6 전극층(260)을 포함한다. 이때, 제1 전극층(210) 내지 제6 전극층(260)은 도 2와 같이 서로 동일한 형태(PCB 형태)의 전극을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, PCB 형태의 전극과 메시(mesh) 형태의 전극 등 서로 다른 형태의 전극을 포함할 수 있다.

미세입자 제거부(200)는 포집된 미세입자의 재확산을 방지하는 구조를 더 포함할 수 있다.

전원제어부(300)는 하나 이상의 전극층에 전압을 제공한다. 이때, 각각의 전극층에 서로 다른 전압을 제공할 수 있다.

도 5는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 유전영동에 의한 미세입자의 이동을 나타내는 개념도이다.

도 5에서 보면, 전극층(210)은 하나 이상의 전극부를 포함하며, 하나 이상의 전극부에서 순차적으로 발생하는 전계를 통해 이동전계를 생성한다. 구체적으로, 전극층(210)은 제1 전계를 발생시키는 제1 전극부(211)와 제2 전계를 발생시키는 제2 전극부(212) 등을 포함하며, 순차적으로 제1 전계와 제2 전계를 발생시켜 이동전계를 생성하고, 이동전계에 의해 미세입자를 이동시킨다.

도 5에서 보면, 유입부(110)를 통해 유입된 공기 중 미세입자의 분극이 발생한다. 이후, 분극된 미세입자는 유전영동(dielectrophoresis)에 기초하여 제1 전극부(211)의 제1 전계, 제2 전극부(212)의 제2 전계, 그리고 제3 전극부(도 5에 도시하지 않음)의 제3 전계를 포함하는 이동전계를 통해 이동하여 제2 배출부(140)로 배출된다.

도 5에서 보면, 제1 전극부(211)의 전계와 제2 전극부(212)의 전계의 크기가 동일하나, 이에 한정되는 것은 아니며, 제1 전극부(211)의 전계와 제2 전극부(212)의 전계의 크기는 서로 다를 수 있다.

즉, 전원제어부(300)의 전압 제어를 통해 미세입자의 크기 및 특성에 따라 미세입자의 이동성을 향상시킬 수 있다.

도 5에서는 제1 전극부(211)와 제2 전극부(212) 등을 포함하는 전극부에 2상 전압을 인가하여 이동전계를 생성하나, 이에 한정되는 것은 아니며, 3상 전압을 인가하여 이동전계를 생성할 수도 있다.

도 6은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 3상 전압이 인가되어 있는 전극부를 나타내는 개념도이다.

도 7은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 3상 전압이 인가되는 전극부의 이동전계 생성시간과 이동속도를 나타내는 그래프이다.

도 6과 도 7에서 보면, 하나 이상의 전극을 포함하는 전극부 a와 b, 그리고 c에 각각 3상 전압을 인가하는 경우 시간에 따라 이동전계가 발생하는 것을 알 수 있다. 이때, 위상 제어를 통해 a, b, c 전극부의 전계생성시간을 제어할 수 있으며, 전계이동속도는 아래의 수학식 1 내지 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.

도 8은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 하나 이상의 미세입자 제거부를 포함하는 미세입자 분리장치이다.

도 8의 미세입자 분리장치는, 하나 이상의 제2 배출구(140-1, 140-2, 140-3)와 제2 배출구 각각의 내부에 위치하는 미세입자 제거부(200-1, 200-2, 200-3)를 포함한다.

도 8에서, 전원제어부(300)를 이용하여 제2-1 배출구(140-1) 내부에 위치하는 미세입자 제거부(200-1), 제2-2 배출구(140-2) 내부에 위치하는 미세입자 제거부(200-2), 그리고 제2-3 배출구(140-3) 내부에 위치하는 미세입자 제거부(200-3)에 전압을 인가한다.

도 8에서는, 각각의 미세입자 제거부(200-1, 200-2, 200-3)에서 순차적으로 발생되는 전계에 의해 이동전계를 생성할 수 있다. 이때, 각각의 미세입자 제거부(200-1, 200-2, 200-3)에서 발생되는 전계이동속도는 모두 동일하거나 일부가 동일하거나 모두 상이할 수 있다.

이로 인해, 미세입자의 크기 또는 특성에 따라 생성되는 이동전계를 이용하여 통로부(120) 내에서 미세입자의 포집 효율을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 하나의 실시예에 따르면 불평등 이동전계를 이용하여 미세 입자를 분리 및 이동시킨다는 점에서 코로나 발생으로 입자를 전자로 하전 시킨 후 전극 사이에 통과시켜 집진판에 시키는 종래 전기 집진기 대비 간단한 구조로 설치가 가능하며 제작비용이 적다. 또한, 코로나 발생에 따른 인체 유해성 문제, 소음 및 EMI(electro magnetic interference, 전자 방해 잡음) 또는 EMC(electro magnetic compatibility, 전자기적 양립성)와 같은 전자파 문제를 해결할 수 있다.

본 발명의 하나의 실시예에 따르면 수천V의 비교적 낮은 전압으로 불평등 이동전계를 발생시킨다는 점에서 수만V의 고전압을 사용하여 코로나와 집진전계를 발생시키는 종래 전기 집진기 대비 전력 사용량을 감소시킬 수 있다.

본 발명의 하나의 실시예에 따르면 입자의 분극현상을 이용한다는 점에서 입자의 저항율, 습도 및 온도 등의 입자특성 및 주위 환경의 영향을 크게 받는 종래 전기집진기 대비 환경의 영향을 적게 받으므로 집진 효율을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 하나의 실시예에 따르면 제2 배출부를 통해 배출된 미세입자를 제거한다는 점에서 극판 전체에 쌓인 미세입자를 제거해야 하는 종래 전기집진기 대비 간단한 방법으로 미세입자를 처리할 수 있다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것은 아니며 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지로 변형 및 개량한 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속한다.

100 : 본체 110 : 유입부
120 : 통로부 130 : 제1 배출부
140 : 제2 배출부 200 : 미세입자 제거부
210 : 제1 전극층 211 : 제1 전극부
212 : 제2 전극부 300 : 전원제어부

Claims (8)

1. 미세입자가 포함되어 있는 공기가 이동하는 본체, 그리고
   상기 본체 내부에 위치하며, 상기 공기로부터 상기 미세입자를 분리하는 하나 이상의 전극층을 포함하는 미세입자 제거부를 포함하며,
   상기 미세입자 제거부는 유전영동에 기초하여 상기 미세입자를 상기 본체에서 배출시키고,
   상기 본체는
   상기 미세입자가 포함되어 있는 공기가 유입되는 유입부,
   상기 미세입자가 포함되어 있는 공기 또는 상기 미세입자가 제거된 공기가 이동하는 통로부,
   상기 미세입자가 제거된 공기가 배출되는 제1 배출부, 그리고
   상기 미세입자 제거부를 포함하며, 상기 미세입자 제거부를 통해 분리된 미세입자가 배출되는 하나 이상의 제2 배출부
   를 포함하는 미세입자 분리장치.
2. 제1항에서,
   상기 전극층은,
   제1 전계를 생성하는 제1 전극부, 그리고
   제2 전계를 생성하는 제2 전극부를 포함하며,
   순차적으로 생성되는 상기 제1 전계와 상기 제2 전계에 의해 형성되는 이동전계에서 상기 유전영동에 기초하여 상기 미세입자를 이동시키는 미세입자 분리장치.
3. 제2항에서,
   상기 제1 전극부와 상기 제2 전극부에 시간에 따른 가변 전압을 제공하는 전원제어부를 포함하는 미세입자 분리장치.
4. 제3항에서,
   상기 전원제어부는 상기 제1 전극부 또는 상기 제2 전극부에 2상 전압을 제공하는 미세입자 분리장치.
5. 제3항에서,
   상기 전원제어부는 상기 제1 전극부 또는 상기 제2 전극부에 3상 전압을 제공하는 미세입자 분리장치.
6. 제1항에서,
   상기 전극층은 PCB(printed circuit board) 형태 또는 메시(mesh) 형태의 전극을 포함하는 미세입자 분리장치.
7. 삭제
8. 제1항에서,
   상기 제2 배출부는 전계이동속도가 서로 다른 하나 이상의 미세입자 제거부를 포함하는 미세입자 분리장치.

Images