KR101665092B1 - 자기력과 개방형 사이클론을 이용한 전동차 하부 부착형 터널 미세먼지 제거장치 - Google Patents

자기력과 개방형 사이클론을 이용한 전동차 하부 부착형 터널 미세먼지 제거장치 Download PDF

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박덕신
정우태
권순박
고상원
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한국철도기술연구원
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Abstract

본 발명은 자기력과 개방형 사이클론을 이용한 전동차 하부 부착형 터널 미세먼지 제거장치에 관한 것으로, 전동차의 하부에 장착되며 전방에 터널내 공기가 유입되는 유입구가 형성되고 후측에 미세먼지가 제거된 공기가 배출되는 배출구가 형성되는 본체와, 상기 본체 내측에 설치되어 상기 유입구를 통해 유입되는 공기중의 철계성분의 조대먼지를 자석의 자기력에 의해 제거하는 자석 필터(magnetic filter)와, 상기 본체 내측에 설치되어 상기 자석 필터를 통과한 공기중의 미세먼지와 초미세먼지를 개방형 사이클론의 원심력을 이용하여 제거하는 개방형 사이클론 필터(cyclone filter)로 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 자석필터와 개방형 사이클론을 동시에 사용하여 터널내 공기중에 부유하고 있는 조대먼지 뿐만 아니라 미세먼지까지 동시에 제거하여 터널 내 미세먼지의 농도를 현저히 낮출 수 있다.

Description

자기력과 개방형 사이클론을 이용한 전동차 하부 부착형 터널 미세먼지 제거장치 { Removal device of fine particulate matter for electric rolling stocks using magnetic force and open type cyclone }
본 발명은 자기력과 개방형 사이클론을 이용한 전동차 하부 부착형 터널 미세먼지 제거장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전동차의 운행 중 발생하는 미세먼지를 전동차의 하부에 설치되어 지하철 터널 내에서 운행중 자기력과 개방형 사이클론을 이용해 미세 먼지를 제거하는 자기력과 개방형 사이클론을 이용한 전동차 하부 부착형 터널 미세먼지 제거장치에 관한 것이다.
일반적으로 전동차는 차륜과 레일 사이의 마찰력을 이용하여 추진과 감속, 조향을 한다. 전동차가 정지할 때는 제륜자를 차륜답면이나 디스크에 강하게 마찰시켜 정지시킨다.
따라서, 전동차가 운행하게 되면 필연적으로 차륜과 레일 및 제륜자 사이에 발생하는 강한 면 마찰로 인하여 철 성분이 많이 포함된 (Ferrous related) 미세먼지가 많이 생성된다.
특히, 지하철의 경우 전동차 운행 시 발생되는 먼지의 비중이 커서 먼지의 일부만 외부로 배출되고 나머지는 터널 내에 쌓이게 되므로 터널의 공기질을 오염시킬 뿐 아니라 차량과 신호 장치를 비롯한 각종 전기·전자 기기의 수명단축과 장애유발의 원인이 된다.
이와 같은 터널 내 미세먼지의 측정결과에 의하면 지하철 터널의 미세먼지 구성요소 중 61 ~ 79%가 철성분으로서, 도시철도 터널의 경우 전동차가 수시로 운행하면서 레일과 휠의 마찰, 브레이크슈의 마모, 전차선의 마모 등으로 인해 예를 들어 서울도시철도 소속 5 ~ 8호선 4개 노선의 경우만 해도 연간 18,580kg의 금속성 미세먼지가 터널로 비산되어 터널의 공기 중 미세먼지 농도를 높이는 원인으로 작용한다.
물론, 최근에는 도시철도 터널에 비산된 미세먼지를 제거하기 위해 참고문헌 1(공개특허 제10-2011-0041608호)과 참고문헌 2(등록특허 제10-0982564호) 및 참고문헌 3(공개특허 제10-2007-0102981호) 등을 통해 도시철도 터널에 비산된 미세먼지를 환기팬에 의해서 터널 외부로 배기하거나, 분진 흡입열차 (dust suction car), 고압 살수차 (high pressure water car), 전기집진기 (electric precipitator) 등에 의해 제거하는 방식 등이 제안된 바 있다.
이때, 분진 흡입열차와 고압 살수차는 이동형으로 미세먼지로 오염된 터널 구간을 운행하면서 미세먼지를 포집 및 제거하는 방식이며, 전기집진기는 터널 내부에 설치하여 전기집진기 내부에 설치된 팬을 가동하여 터널에 부유하는 공기 중에 포함된 먼지를 제거하는 방식이다.
그런데, 분진 흡입열차 및 고압 살수차는 장비 구입비용이 고가이고, 운행속도가 2kph 이하로 느려서 수도권 및 각 광역시의 도시철도 구간의 미세먼지를 처리하기에는 부족한 실정이며, 전기집진기는 미세먼지 및 PM2.5를 포함한 초미세먼지의 처리에는 실효성이 있으나 전체 터널의 풍량을 감안하면 설치대수 및 유지비가 여전히 높은 문제점이 있다.
참고문헌 1 : 공개특허 제10-2011-0041608호 참고문헌 2 : 등록특허 제10-0982564호 참고문헌 3 : 공개특허 제10-2007-0102981호
따라서, 본 발명은 이러한 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 지하철 터널 내 미세 먼지를 자석의 자기력과 사이클론(cyclone)의 원심력을 이용해서 터널내 공기중의 미세 먼지를 제거하는 자기력과 개방형 사이클론을 이용한 전동차 하부 부착형 터널 미세먼지 제거장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
이와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명은;
전동차의 하부에 장착되며 전방에 터널내 공기가 유입되는 유입구가 형성되고 후측에 미세먼지가 제거된 공기가 배출되는 배출구가 형성되는 본체와, 상기 본체 내측에 설치되어 상기 유입구를 통해 유입되는 공기중의 철계성분의 조대먼지를 자석의 자기력에 의해 제거하는 자석 필터(magnetic filter)와, 상기 본체 내측에 설치되어 상기 자석 필터를 통과한 공기중의 미세먼지와 초미세먼지를 개방형 사이클론의 원심력을 이용하여 제거하는 개방형 사이클론 필터(cyclone filter)로 구성되는 것을 특징으로 하는 자기력과 개방형 사이클론을 이용한 전동차 하부 부착형 터널 미세먼지 제거장치를 제공한다.
이때, 상기 자석 필터는 전동차 진행방향에 직교하는 방향으로 배치되는 복수의 원형봉 형상의 자석과, 상기 자석의 양단을 지지하는 홀더로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
특히, 상기 자석은 영구자석 또는 전자석인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 본체의 일측에는 상기 자석 필터를 상기 본체 내에 삽입 및 분리할 수 있는 자석필터용 입출공이 형성되는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 자석 필터의 홀더 일측에 손잡이가 구비되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 자석 필터 하측에는 제1서랍공이 형성된 제1먼지보관함이 장착되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 자석 필터의 후단에는 상기 자석 필터를 통과한 공기가 안정된 유속으로 상기 개방형 사이클론 필터에 유입되도록 고르게 분산시키는 유속 안정부재가 더 구비되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 유속 안정부재는 원통형상의 몸체 표면에 다수의 통기공이 형성되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 유속 안정부재 하측에는 제2서랍공이 형성된 제2먼지보관함이 장착되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 개방형 사이클론 필터의 하부에는 제3서랍공이 형성된 제3먼지보관함이 장착되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 자석필터와 개방형 사이클론을 동시에 사용하여 터널내 공기중에 부유하고 있는 조대먼지 뿐만 아니라 미세먼지까지 동시에 제거하여 터널 내 미세먼지의 농도를 현저히 낮출 수 있다.
또한, 본 발명은 자석필터를 영구자석으로 사용하는 경우 별도의 추가 전력공급 없이 반영구적으로 금속성 먼지를 제거할 수 있다.
아울러, 본 발명은 본체의 하부에 먼지 보관함을 서랍식으로 구비하여 포집된 먼지의 처리가 용이하여 전체적인 유지보수에 유리하다.
도 1은 본 발명에 따른 자기력과 개방형 사이클론을 이용한 전동차 하부 부착형 터널 미세먼지 제거장치의 평면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 자기력과 개방형 사이클론을 이용한 전동차 하부 부착형 터널 미세먼지 제거장치의 측면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 자석 필터부를 도시한 상세 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 자기력과 개방형 사이클론 필터부를 도시한 상세 도면이다.
도 5는 도시철도 터널 미세먼지 성분분석 결과를 도시한 그래프이다.
도 6은 본 발명에 따른 개방형 사이클론 필터부의 미세 먼지 및 초미세먼지 제거 개념도이다.
도 7은 본 발명에 따른 미세먼지 제거장치의 내부 에서의 유동특성을 시뮬레이션한 상태를 도시한 도면이다.
이하, 본 발명에 따른 자기력과 개방형 사이클론을 이용한 전동차 하부 부착형 터널 미세먼지 제거장치를 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 기술되는 실시 예에 의하여 그 특징들을 이해할 수 있을 것이다.
이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들은 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1 내지 도 6에 의하면, 본 발명에 따른 자기력과 개방형 사이클론을 이용한 전동차 하부 부착형 터널 미세먼지 제거장치(100)는 영구자석 및 개방형 사이클론을 동시에 사용하여 도시철도의 터널 내에 존재하는 조대먼지와 미세먼지 및 초미세먼지를 동시에 제거하기 위한 집진기로서, 전동차의 하부에 구비설치되어 전동차의 운행 중 전동차 하부 부착형 터널 미세먼지 제거장치(100)를 통과하는 공기 중에 포함된 먼지의 포집효율을 높이기 위한 구조 및 크기로 설계된다.
이와 같은 본 발명에 따른 전동차 하부 부착형 터널 미세먼지 제거장치(100)는 터널 내 먼지를 효과적으로 제거하기 위해 노선을 운행하는 전동차의 전체 또는 일부에 한 대 이상 설치될 수 있는 것으로, 전동차의 하부에 장착되며 전방에 터널내 공기가 유입되는 유입구(112)가 형성되고 후측에 미세먼지가 제거된 공기가 배출되는 배출구(114)가 형성되는 본체(110)와, 상기 본체(110) 내측에 설치되어 상기 유입구(112)를 통해 유입되는 공기중의 철계성분의 조대먼지를 자석의 자기력에 의해 제거하는 자석 필터(magnetic filter)(120)와, 상기 본체(110) 내측에 설치되어 상기 자석 필터(120)를 통과한 공기중의 미세먼지와 초미세먼지를 개방형 사이클론의 원심력을 이용하여 제거하는 개방형 사이클론 필터(cyclone filter)(130)로 구성된다.
이때, 상기 자석 필터(120)의 후단에는 상기 자석 필터(120)를 통과한 공기가 안정된 유속으로 상기 개방형 사이클론 필터(130)에 유입되도록 고르게 분산시키는 유속 안정부재(140)가 더 구비된다.
이하, 본 발명의 각부 구성을 구체적으로 설명한다.
먼저, 터널 내부에 부유하는 미세먼지는 터널 내부를 운행하는 전동차가 일으킨 열차풍에 의해 비산하게 되며, 비산된 미세먼지는 공기와 함께 본 발명에 따른 전동차 하부 부착형 터널 미세먼지 제거장치(100)의 본체(110)의 유입구(112)를 통해 내부로 유입된다.
이때, 터널 내 미세먼지는 도 5에서와 같이 먼지의 약 69%는 철계 성분으로 질량이 비교적 큰 조대먼지는 자기력에 의해 제거가 가능하다.
이에 따라 상기 본체(110) 내부의 유입구(112) 후측에는 자석 필터(120)가 설치된다. 상기 자석 필터(120)는 전동차 진행방향에 직교하는 방향으로 배치되는 복수의 원형봉 형상의 자석(122)과, 상기 자석(122)의 양단을 지지하는 홀더(124)로 이루어진다.
이와 같은 자석 필터(120)에 의해 공기가 지나가면서 자기력에 의해 자석(122)의 표면에 부착되게 되어 공기중의 질량이 큰 조대먼지가 제거된다. 이 경우 자석 필터(120)에 의한 미세먼지의 처리 효율은 약 50% 정도이다.
이때, 상기 자석(122)은 영구자석 또는 전자석으로서, 전동차의 운행을 마친후 상기 자석(122) 표면에 달라붙은 조대먼지를 용이하게 제거할 수 있도록 하기 위해 상기 본체(110)의 일측에는 자석필터용 입출공(113)이 형성되어, 상기 자석 필터(120)를 상기 자석필터용 입출공(113)을 통해 본체(110) 내에 삽입하여 설치 및 분리할 수 있다. 이 경우 자석 필터(120)를 용이하게 분리할 수 있도록 상기 자석 필터(120)의 홀더(124) 일측에 손잡이(126)가 구비된다.
따라서, 상기 본체(110)의 측면에서 손잡이(126)를 잡아당기면 자석 필터(120)를 본체(110)에서 용이하게 분리할 수 있으며, 이후 분리된 자석 필터(120)의 자석(122) 표면에 달라붙은 조대먼지를 제거한 후 다시 본체(110)에 장착할 수 있다.
한편, 상기 자석(122)이 전자석인 경우 상기 전동차의 운행을 마친후 상기 전자석의 자성을 제거하면 자석에 달라붙은 먼지가 중력에 의해 떨어지게 되는데, 이 경우 상기 자석 필터(120) 하측에는 제1서랍공(115)이 형성된 제1먼지보관함(150)이 장착된다. 이를 통해 상기 제1먼지보관함(150)에 쌓인 먼지를 용이하게 제거할 수 있다.
한편, 상기 자석필터(120)의 후측에는 유속안정부재(140)가 더 장착되어 상기 자석필터(120)를 통과한 공기의 유속을 고르게 하여 사이클론 필터(130)로 유입되도록 한다.
상기 유속 안정부재(140)는 원통형상의 몸체 표면에 다수의 통기공(142)이 형성되어 전동차 진행방향에 직교하는 방향으로 자석(122)과 나란하게 배치되는 철재 필터로서, 유속 안정부재(140)는 원통형상의 몸체 표면에 부착된 먼지를 전동차 운행이 끝나고 검수고로 들어가면 검수원들이 미세한 충격을 줘서 하부로 떨어뜨린다.
이때, 상기 유속 안정부재(140) 하측에는 제2서랍공(116)이 형성된 제2먼지보관함(160)이 장착된다. 이를 통해 상기 제2먼지보관함(160)에 쌓인 먼지를 용이하게 제거할 수 있다.
이와 같은 유속 안정부재(140)를 통과한 공기는 미세먼지와 초미세먼지(PM2 .5)를 여전히 포함하고 있는 것으로, 사이클론 필터(130)로 유입되어 사이클론 필터(130)의 내부에 있는 나선형 홈(132)에 의해 와류가 형성되어, 중력에 의해 바깥쪽으로 밀린 미세먼지와 초미세먼지는 기류의 흐름에서 제거가 된다.
이와 같은 개방형 사이클론 필터(130)는 먼지를 포함한 공기에 선회 운동을 주어 입자의 원심력을 이용해서 분진 입자를 분리하는 사이클론 집진 원리를 이용한 것으로, 도 4 및 도 6에 나타낸 바와 같이, 상기 개방형 사이클론 필터(130)는 내부에 나선형 홈(132)이 형성되고, 공기의 진행방향으로 설치되는 다수 개의 개방형 사이클론 유닛(131)들의 조합으로 이루어진다.
따라서, 상기 개방형 사이클론 유닛(131)을 통과할 때 분리된 먼지는 밑으로 떨어져서 제3먼지보관함(170)에 쌓이게 되며 나중에 검수원들에 의해 제거된다.
이때, 상기 사이클론 필터(130)의 하부에는 제3서랍공(117)이 형성된 제3먼지보관함(170)이 장착된다. 이를 통해 상기 제3먼지보관함(170)에 쌓인 먼지를 용이하게 제거할 수 있다.
물론, 상기 제1 내지 제3먼지보관함(150,160,170)을 하나의 먼지보관함으로 형성함도 가능한 것으로, 모두 본 발명의 범주에 속한다.
이하, 도 1 내지 도 7을 참고로 본 발명에 따른 자기력과 개방형 사이클론을 이용한 전동차 하부 부착형 터널 미세먼지 제거장치의 작동 예를 설명한다.
전동차의 하부에 미세먼지 제거장치(100)가 장착된 상태에서 터널내를 운행하면 본체(110) 유입구(112)를 통해 터널내 공기가 유입된다.
이 경우 터널내 공기는 조대먼지, 미세먼지 및 초미세먼지와 같은 다양한 크기의 먼지가 존재하는데, 우선 자석 필터(120)를 통과하면서 조대먼지가 자석(122) 표면에 달라붙는다. 이후 유속 안정부재(140)를 통과하며 불규칙적인 유속을 갖는 공기의 유속이 안정적으로 흐르며 개방형 사이클론 필터(130)로 유입된다.
이후, 사이클론 필터(130)의 사이클론 유닛(131)의 내부에 있는 나선형 홈(132)에 의해 와류가 형성되어, 중력에 의해 미세먼지와 초미세먼지가 바깥쪽으로 밀리며 제거가 된다.
이때, 도 7에서와 같이 유동해석을 통해 자석(122)의 배치를 유입되는 공기와 자석(122)이 접촉이 잘 되도록 하여 보다 많은양의 미세먼지가 자석(122)에 부착되어 제거되도록 함이 바람직하다.
이상과 같은 작업이 완료된 후 검수원들이 본체(110)의 하측에 위치하는 제1 내지 제3먼지보관함(170)을 서랍식으로 분리하여 제거가 가능해 유지보수에 유리하다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형 가능한 것으로, 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 터널 미세먼지 제거장치 110: 본체
120: 자석 필터 130: 사이클론 필터
140: 유속 안정부재 150: 제1먼지보관함
160: 제2먼지보관함 170: 제3먼지보관함

Claims (10)

  1. 전동차의 하부에 장착되며 전방에 터널내 공기가 유입되는 유입구가 형성되고 후측에 미세먼지가 제거된 공기가 배출되는 배출구가 형성되는 본체와,
    상기 본체 내측에 설치되어 상기 유입구를 통해 유입되는 공기중의 철계성분의 조대먼지를 자석의 자기력에 의해 제거하는 자석 필터(magnetic filter)와,
    상기 본체 내측에 설치되어 상기 자석 필터를 통과한 공기중의 미세먼지와 초미세먼지를 개방형 사이클론의 원심력을 이용하여 제거하는 개방형 사이클론 필터(cyclone filter)와,
    상기 자석 필터의 후단에 구비되고 원통형상의 몸체 표면에 다수의 통기공이 형성되어 자석 필터를 통과한 공기가 안정된 유속으로 상기 개방형 사이클론 필터에 유입되도록 고르게 분산시키는 유속 안정부재를 포함하여 구성되되,
    상기 자석 필터는 전동차 진행방향에 직교하는 방향으로 배치되는 복수의 원형봉 형상의 자석과, 상기 자석의 양단을 지지하는 홀더로 이루어지고,
    상기 개방형 사이클론 필터는 내부에 나선형 홈이 형성되고, 공기의 진행방향으로 설치된 다수 개의 사이클론 유닛들의 조합으로 이루어진 것을 특징으로 하는 자기력과 개방형 사이클론을 이용한 전동차 하부 부착형 터널 미세먼지 제거장치.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 자석은 영구자석 또는 전자석인 것을 특징으로 하는 자기력과 개방형 사이클론을 이용한 전동차 하부 부착형 터널 미세먼지 제거장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 본체의 일측에는 상기 자석 필터를 상기 본체 내에 삽입 및 분리할 수 있는 자석필터용 입출공이 형성되는 것을 특징으로 하는 자기력과 개방형 사이클론을 이용한 전동차 하부 부착형 터널 미세먼지 제거장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 자석 필터의 홀더 일측에 손잡이가 구비되는 것을 특징으로 하는 자기력과 개방형 사이클론을 이용한 전동차 하부 부착형 터널 미세먼지 제거장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 자석 필터 하측에는 제1서랍공이 형성된 제1먼지보관함이 장착되는 것을 특징으로 하는 자기력과 개방형 사이클론을 이용한 전동차 하부 부착형 터널 미세먼지 제거장치.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 유속 안정부재 하측에는 제2서랍공이 형성된 제2먼지보관함이 장착되는 것을 특징으로 하는 자기력과 개방형 사이클론을 이용한 전동차 하부 부착형 터널 미세먼지 제거장치.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 개방형 사이클론 필터의 하부에는 제3서랍공이 형성된 제3먼지보관함이 장착되는 것을 특징으로 하는 자기력과 개방형 사이클론을 이용한 전동차 하부 부착형 터널 미세먼지 제거장치.
KR1020150047538A 2015-04-03 2015-04-03 자기력과 개방형 사이클론을 이용한 전동차 하부 부착형 터널 미세먼지 제거장치 KR101665092B1 (ko)

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