KR102027975B1 - 정전 탄소필터, 정전 탄소필터를 이용한 먼지 집진 장치 및 먼지 집진 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 정전필터의 정전력을 강화하여 미세먼지의 제거를 위한 정전 탄소필터, 정전 탄소필터를 이용한 먼지 집진 장치 및 먼지 집진 방법에 관한 것으로, 일측으로부터 공기를 유입받은 후 먼지가 집진된 공기를 다른 일측으로 배출하는 공기 덕트; +전압 또는 -전압이 집진면에 고르게 인가되며, 상기 공기 덕트로 유입되는 공기의 먼지를 집진할 수 있도록 상기 공기 덕트의 내부 공간에 장착 설치되는 정전 탄소필터; 및 상기 정전 탄소필터로 전압을 인가하는 전원 공급부를 포함한다.

Description

정전 탄소필터, 정전 탄소필터를 이용한 먼지 집진 장치 및 먼지 집진 방법{Electrostatic Carbon Filter, Dust Collecting Device and Dust Collecting Method thereof}

본 발명은 정전 탄소필터, 정전 탄소필터를 이용한 먼지 집진 장치 및 먼지 집진 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 정전필터의 정전력을 강화하여 미세먼지의 제거를 위한 정전 탄소필터, 정전 탄소필터를 이용한 먼지 집진 장치 및 먼지 집진 방법에 관한 것이다.

오늘날 인구의 대부분은 도시에서 거주하고 있으며, 일상생활의 대부분을 실내에서 하는 경우가 많다. 따라서 실내 공기의 질을 향상시키는 것은 인간의 삶의 질 개선에 있어 중요한 부분을 차지한다고 볼 수 있다. 공기의 청정성을 결정하는 요소는 세균, 곰팡이와 같은 생물적 요소와 다양한 분진의 무생물적 요소로 분리할 수 있다. 이중 분진은 인간의 폐, 안구, 피부 등에 집적 또는 부착되어 다양한 질병, 증상이 원인이 될 수 있다. 특히 입경이 작은 먼지일수록 건강에 미치는 위해성이 크다고 알려져 있다. 호흡기를 통해 급, 만성적으로 인체에 유해한 작용을 입힐 수 있는 호흡성 분진은 주로 PM10(입경이 10μm인 입자) 이하, 특히 PM2.5가 주요원인물질이다. 입경100μm 이내의TSP(Total Suspended Particles)는 기도에서 흡착되어 타액과 함께 체외로 방출되지만, PM10 이하의 분진은 폐에 까지 침입하여 침착되어 외부로 방출되기 어렵다. 호흡기를 통해 흡수되어 침착된 먼지에는 중금속과 유기화합물을 비롯한 수많은 유해 물질이 함유되어 있으며, 이에 대한 다양한 역학조사와 실험적 연구는 이러한 오염 물질이 호흡기와 심혈관 관련 질환을 유도하거나 악화시킬 수 있음을 보고하고 있다. 특히PM10 이하의 미세 먼지에 함유된 납, 카드뮴, 비소, 아연, 니켈, 크롬 등의 중금속이 인체에 흡수되면 다양한 기구를 통해 호흡기, 순환기계를 포함한 생체 전체에 심각한 문제를 일으킬 수 있다고 알려져 있다.

현재 실내 공기의 분진을 제거하기 위해서는 공기청정기를 이용하는 것이 일반적이며, 대부분의 공기청정기는 필터를 이용하여 공기 중의 미세먼지를 제거한다. 그러므로 필터의 집진성능을 향상시키는 것이 공기의 질 개선에 있어 중요 요소가 될 수 있으며 이를 위한 많은 연구가 수행되고 있다. 현재 필터에 정전력을 부여함으로써 필터에서의 압력손실은 증가시키지 않은 상태로 집진율을 향상시킬 수 있다고 알려져 있으며, 섬유재질의 필터의 정전력을 부가하기 위해서는 코로나 방전 처리를 하는 것이 일반적이다. 그러나 필터의 경우, 사용시간이 길어짐에 따라 먼지의 제거효율이 감소하므로 주기적인 교체가 요구된다.

한국공개특허 제10-2004-0092897호 한국공개특허 제10-2016-0047784호

본 발명의 일측면은 코로나방전을 이용하여 필터에 정전력을 부여하는 기존의 방법과 달리 도전성의 탄소필터에 전극을 부착하여 전압을 직접 인가하여 필터가 정전력을 상시적으로 유지할 수 있도록 구현한 정전 탄소필터, 정전 탄소필터를 이용한 먼지 집진 장치 및 먼지 집진 방법을 제공한다.

본 발명의 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 정전 탄소필터를 이용한 먼지 집진 장치는, 일측으로부터 공기를 유입받은 후 먼지가 집진된 공기를 다른 일측으로 배출하는 공기 덕트; +전압 또는 -전압이 집진면에 고르게 인가되며, 상기 공기 덕트로 유입되는 공기의 먼지를 집진할 수 있도록 상기 공기 덕트의 내부 공간에 장착 설치되는 정전 탄소필터; 및 상기 정전 탄소필터로 전압을 인가하는 전원 공급부를 포함한다.

일 실시 예에서, 상기 정전 탄소필터는, 상기 전원 공급부로부터 +전압이 인가되며, -전압으로 대전된 먼지 입자를 집진하는 제1필터; 및 상기 제1필터와 기 설정된 간격을 두고 평행하게 장착 설치되고, 상기 전원 공급부로부터 -전압이 인가되며, +전압으로 대전된 먼지 입자를 집진하는 제2필터를 포함할 수 있다.

일 실시 예에서, 상기 제1필터는, 먼지를 집진하는 집진필터; 상기 집진필터의 일측면에 탄소 소재로 코팅되는 탄소 코팅; 및 상기 전원 공급부로부터 +전압을 인가받아 상기 집진필터를 +전압으로 대전시킬 수 있도록 상기 집진필터의 외측면을 둘러싸고 장착 설치되는 전극을 포함할 수 있다.

일 실시 예에서, 상기 제1필터는, 먼지를 집진하는 다수 개의 집진필터; 상기 집진필터의 일측면에 탄소 소재로 코팅되는 탄소 코팅; 상기 전원 공급부로부터 +전압을 각각 인가받아 상기 집진필터를 +전압으로 대전시킬 수 있도록 상기 집진필터의 외측면을 각각 둘러싸고 장착 설치되는 다수 개의 전극 프레임; 및 절연체로 구획된 다수 개의 내부 공간에 상기 집진필터를 각각 장착 설치하며, 공기 덕트에 장착 설치되는 절연 프레임을 포함할 수 있다.

일 실시 예에서, 상기 절연 프레임은, 공기가 전후 방향으로 통과할 수 있도록 전후 방향으로 개방되며, 공기 덕트에 장착 설치되는 외측 프레임; 및 상기 집진필터를 장착 설치할 수 있도록 상기 외측 프레임의 내측을 전연체로 구획하는 내측 프레임을 포함할 수 있다.

일 실시 예에서, 상기 제1필터는, 상기 집진필터의 전압을 측정하여 이에 대응하는 전압정보를 생성시킬 수 있도록 상기 집진필터에 연결 설치되는 전압 측정부를 더 포함할 수 있다.

일 실시 예에서, 상기 제1필터는, 상기 전압 측정부로부터 전달되는 전압정보를 통해 상기 집진필터가 기 설정된 전압으로 대전되었는지를 확인하며, 기 설정된 전압 이하로 대전된 집진필터가 확인되면 기 설정된 전압 이하로 대전된 집진필터의 전압을 상승시켜 주기 위한 전압제어요청신호를 생성시켜 상기 전원 공급부로 전달하는 전압 제어부를 더 포함할 수 있다.

일 실시 예에서, 상기 전원 공급부는, 상기 전압 제어부로부터 전달되는 전압제어요청신호에 대응하여 기 설정된 전압 이하로 대전된 집진필터에 장착 설치된 전극 프레임으로 기 설정된 전압이 될 때까지 전압을 상승시켜 줄 수 있다.

일 실시 예에서, 상기 제1필터는, 상기 제2필터와 30.0mm 내지 50.0mm 간격으로 평행하게 대향하며 장착 설치될 수 있다.

일 실시 예에서, 상기 제1필터는, 필터의 주름 간격이 상기 제2필터와의 사이 간격의 0.10 내지 0.12 배로 형성될 수 있다.

일 실시 예에서, 상기 정전 탄소필터는, 450V 내지 550V가 인가될 수 있다.

일 실시 예에서, 상기 정전 탄소필터는,

의 표면 저항률(

)을 가질 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 정전 탄소필터는, 전원 공급부로부터 +전압이 인가되며, -전압으로 대전된 먼지 입자를 집진하는 제1필터; 및 상기 제1필터와 기 설정된 간격을 두고 장착 설치되며, 상기 전원 공급부로부터 -전압이 인가되며, +전압으로 대전된 먼지 입자를 집진하는 제2필터를 포함한다.

일 실시 예에서, 상기 제1필터는, 먼지를 집진하는 집진필터; 상기 집진필터의 일측면에 탄소 소재로 코팅되는 탄소 코팅; 및 상기 전원 공급부로부터 +전압을 인가받아 상기 집진필터를 +전압으로 대전시킬 수 있도록 상기 집진필터의 외측면을 둘러싸고 장착 설치되는 전극을 포함할 수 있다.

일 실시 예에서, 상기 제1필터는, 먼지를 집진하는 다수 개의 집진필터; 상기 집진필터의 일측면에 탄소 소재로 코팅되는 탄소 코팅; 상기 전원 공급부로부터 +전압을 인가받아 상기 집진필터를 +전압으로 대전시킬 수 있도록 상기 집진필터의 외측면에 각각 장착 설치되는 다수 개의 전극 프레임; 및 절연체로 구획된 다수 개의 내부 공간에 상기 집진필터를 각각 장착 설치하며, 공기 덕트에 장착 설치되는 절연 프레임을 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 정전 탄소필터를 이용한 먼지 집진 방법은, 공기 덕트의 내부 공간에 기 설정된 간격으로 장착 설치되는 제1필터 및 제2필터에서 전원 공급부로부터 +전압 또는 -전압을 각각 인가받는 단계; 상기 공기 덕트의 일측으로부터 공기를 유입받는 단계; +전압을 인가받은 제1필터에서 -전압으로 대전된 먼지 입자를 집진하는 단계; -전압을 인가받은 제2필터에서 +전압으로 대전된 먼지 입자를 집진하는 단계; 및 먼지가 집진된 공기를 상기 공기 덕트의 다른 일측으로 배출하는 단계를 포함한다.

상술한 본 발명의 일측면에 따르면, 기존의 코로나 방전을 이용하는 방식이 아닌 탄소로 코팅된 필터에 전극을 직접적으로 접속하여 직류 고전압을 인가함으로써 필터의 집진력을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 정전 탄소필터를 이용한 먼지 집진 장치의 개략적인 구성이 도시된 도면이다.
도 2는 도 1에 있는 제1필터의 제1실시예를 설명하는 도면이다.
도 3은 도 1에 있는 제1필터의 제2실시예를 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 정전 탄소필터를 이용한 먼지 집진 방법을 설명하는 순서도이다.
도 5는 본 발명에 사용된 공기 덕트 내에 장착 설치된 탄소필터의 사진이다.
도 6은 탄소필터를 나타낸 도면이다.
도 7은 전압이 인가된 탄소필터에 의한 집진기구를 나타낸 것이다.
도 8은 전압이 인가된 제1필터 및 제2필터 사이에 흐르는 전류를 측정한 그래프이다.
도 9는 공기 덕트(100) 내의 먼지 입자 수를 필터 통과 전, 후에 측정한 결과 그래프
도 10는 집진율을 계산하여 집진율 향상 특성을 나타낸 그래프이다.
도 11은 정전 탄소필터의 시간의 흐름에 따른 집진율의 감소 경향을 나타낸 그래프이다.

후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예와 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.

이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 정전 탄소필터를 이용한 먼지 집진 장치의 개략적인 구성이 도시된 도면이다.

구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 정전 탄소필터(200)를 이용한 먼지 집진 장치는, 공기 덕트(100), 정전 탄소필터(200) 및 정전 탄소필터(200)를 포함한다.

공기 덕트(100)는, 내부 공간에 정전 탄소필터(200)가 유입되는 공기 방향과 수직되게 장착 설치되며, 일측으로부터 공기를 유입받은 후 정전 탄소필터(200)에 의해 먼지가 집진된 공기를 다른 일측으로 배출한다.

일 실시 예에서, 공기 덕트(100)는, 일측으로 공기의 흡입을 유도하거나, 다른 일측으로 배출을 유도하기 위한 흡입팬 또는 배출팬을 일측 또는 양측 입구에 형성함으로써, 공기가 단방향으로 흐르는 것을 유도시켜 집진효율을 향상시키도록 함이 바람직하다.

도 5는 본 발명에 사용된 공기 덕트(100) 내에 장착 설치된 탄소필터(200)의 사진으로서, 정전 탄소필터(200)가 설치된 공기 덕트(100)는 아크릴로 제작되며, 내부 단면적은

이며, 상술한 바와 같이 공기 덕트(100)의 입구 또는 출구에 팬을 설치하여 공기가 단방향으로 흐를 수 있도록 구성되며, 공기의 유량이

로 제어되도록 구성된다.

정전 탄소필터(200)는, 정전 탄소필터(200)에 연결 설치되며, 정전 탄소필터(200)로부터 공급된 +전압 또는 -전압이 집진면에 고르게 인가되며, 공기 덕트(100)로 유입되는 공기의 먼지를 집진할 수 있도록 공기 덕트(100)의 내부 공간에 장착 설치된다.

일 실시 예에서, 제1필터(210) 및 제2필터(220)를 포함할 수 있다.

제1필터(210)는, 제2필터(220)와 기 설정된 간격(본 발명에 따른 실험에서는 s=40.0mm)을 두고 평행하게 장착 설치되고, 전원 공급부(300)로부터 +전압이 인가되며, -전압으로 대전된 먼지 입자를 집진한다.

제2필터(220)는, 제1필터(210)와 기 설정된 간격(본 발명에 따른 실험에서는 s=40.0mm)을 두고 평행하게 장착 설치되고, 전원 공급부(300)로부터 -전압이 인가되며, +전압으로 대전된 먼지 입자를 집진한다.

일 실시 예에서, 정전 탄소필터(200)는, 제1필터(210)와 제2필터(220)가 30.0mm 내지 50.0mm 간격으로 평행하게 대향하며 장착 설치되도록 하며, 바람직하게는 40.0mm 간격으로 장찰 설치할 수 있다.

일 실시 예에서, 정전 탄소필터(200)는, 제1필터(210)를 +전압이 아닌 -전압이 인가되어도 무방하며, 제1필터(210)가 -전압이 인가되면 제2필터(220)은 +전압이 인가되도록 하여야 한다.

일 실시 예에서, 정전 탄소필터(200)는, 공기의 흐름과 수직 방향으로 섬유 재질의 필터(예를 들어, 공기 청정기용 필터 등)로 형성되며, 제1필터(210) 및 제2필터(220)가

간격으로 평행하게 설치되며, 필터의 양면 중 한 면은 탄소(Carbon, atomic number 6)로 코팅되며, 필터의 옆면은 도 2에 도시된 바와 같이 금속 재질의 전극(213)으로 둘러싸인 형태로 접촉되어 있으며, 필터에 코팅되어 있는 탄소(즉, 후술할 탄소 코팅(212))를 통하여 필터 표면(표면 저항률,

)에 전압이 가해지도록 한다.

본 발명에 의할 경우, 도 6에서와 같이 전극을 통하여 필터에 시험 전압 500V를 인가한 후, 필터의 ⓐ 내지 ⓔ 지점의 전압을 측정하였을 때, 표 1과 같이 각 지점에서의 측정값을 동일하게 얻을 수 있다.

일 실시 예에서, 정전 탄소필터(200)는, 제1필터(210) 또는 제2필터(220)필터의 주름 간격이 제1필터(210)와 제2필터(220) 사이 간격의 0.10 내지 0.12 배로 형성될 수 있다.

이때, 필터의 주름 간격을 1필터(210)와 제2필터(220) 사이 간격의 0.11배인 4.5mm로 형성하도록 함이 바람직하다.

일 실시 예에서, 정전 탄소필터(200)는, 450V 내지 550V가 인가될 수 있다. 바람직하게는 500V로 형성.

일 실시 예에서, 정전 탄소필터(200)는,

의 표면 저항률(

)을 가질 수 있다. 이는, 상술한 바와 같이 필터 표면에 500V의 전압이 인가되도록 하기 위함이다.

전원 공급부(300)는, 정전 탄소필터(200)에 연결 설치되며, 정전 탄소필터(200)에서 필요로 하는 전압을 인가하여, 상술한 바와 같이 정전 탄소필터(200)에 500V가 항시 인가되도록 한다.

일 실시 예에서, 전원 공급부(300)는, 본 발명의 실험을 위해 최대출력 전압이

인 직류 정전압 전원장치로 형성될 수 있다. 또한, 전원 공급부(300)로부터 공급되는 전류를 측정하기 위해 측정저항(

) 서지 어레스터(Surge arrester, 500V), 디지털 멀티미터가 이용되었다.

또한, 공기 덕트(100) 내부의 먼지 입자 수를 측정하기 위해 부유입자측정기(Airborne particle counter, MET ONE, HHPC-6)가 이용되었으며, 입자계수기의 샘플링 속도는

이며, 공기 1000cc에 포함된 직경

인 먼지의 개수를 측정하였으며, 본 발명의 효과를 측정하기 위한 실험 시 공기 덕트(100) 내부의 공기 조건은 26℃, 23%RH이다.

본 발명에 의한 집진 성능을 위한 측정 방법은 다음과 같다.

도 7은 전압이 인가된 탄소필터에 의한 집진기구를 나타낸 것이다. 공기 중에 포함된 먼지의 상당수는 마찰이나 대전 등의 이유로 전하를 띠고 있는 경우가 많다. 따라서 필터가 정극성 또는 부극성의 전위를 가질 때 먼지의 흡착률이 증가하게 된다. 전기집진기의 경우 불평등 전극에 전압을 인가하여 코로나 방전을 통해 발생된 이온 중 한 종류의 이온만을 먼지에 부착시킨 후 쿨롱력(Coulomb's Force)으로 집진판에 부착시켜 먼지를 제거한다.

본 발명의 경우, 두 개의 제1필터(210) 및 제2필터(220)에 전극을 직접 접촉시켜 정전 탄소필터(200)도 전극 역할을 하도록 고전압을 인가하였지만, 이 두 제1필터(210) 및 제2필터(220)는 평등 전극구조로 볼 수 있으므로 코로나 방전처럼 낮은 전압에서 방전을 일으키지는 않는다.

그러나 이 두 탄소필터인 제1필터(210) 및 제2필터(220)는 각각 정극성, 부극성의 전위를 가지는 집진판처럼 동작하여 각각 반대 극성을 가진 먼지들을 흡착할 수 있도록 하였다. 제1필터(210) 및 제2필터(220)는 접속된 전극에 의해 전압이 인가되어 일정한 전위를 지속적으로 유지할 수 있다.

전극을 구비하는 제1필터(210) 및 제2필터(220)에 직류 고전압원의 출력부와 접지를 연결하여 전압을 인가하였으며, 음극이 연결된 전선에서 전류를 측정하였다

집진율을 계산하기 위하여 필터 전방 300mm, 후방 280mm인 지점에 부유입자 측정기를 설치하여 필터 통과 전, 후의 먼지 입자 수를 측정하였다. 본 발명에서는 인가전압이 0~28kV까지 증가함에 먼지 입자의 직경, 0.3, 0.5, 0.7, 1, 2, 5

의 6가지로 분류하여 입자수를 측정하였으며, 집진율,

은 수학식 1을 이용하여 계산하였다.

여기서,

은 정전 탄소필터(200)를 통과하기 전 공기에 포함된 먼지 입자 수,

은 정전 탄소필터(200)를 통과한 후 공기에 포함된 먼지 입자 수이다.

또한 향상된 집진율의 유지율을 확인하기 위해 전원 공급부(300)에서 정전 탄소필터(200)로 전압 28kV를 10분 동안 인가한 후, 정전 탄소필터(200)에서 전원 공급부(300)를 분리하고, 시간의 흐름에 따라 집진율의 감소량을 측정하였다.

도 8은 전압이 인가된 제1필터 및 제2필터 사이에 흐르는 전류를 측정한 그래프이다.

까지는 전류가 측정되지 않았으며, 그 이후부터 방전 잡음과 함께 전류가 선형적으로 증가하기 시작하는 것을 확인할 수 있다.

정전 탄소필터(200)의 탄소필터의 주름 간격은 4.5mm로 제1필터(210) 및 제2필터(220)의 거리보다 0.11배 정도 작기 때문에 필터의 주름이 불평등 전계를 형성해 코로나 방전을 일으키기 어렵도록 하였다. 그러나 제1필터(210) 및 제2필터(220)의 표면에는 잔 섬유가 다수 존재하기 때문에 이로 인한 부분 방전이 발생하여 방전 전류가 측정될 수 있다.

도 9는 공기 덕트(100) 내의 먼지 입자 수를 필터 통과 전, 후에 측정한 결과 그래프이며, 정전 탄소필터(200) 통과 후에 측정된 여섯 종류의 먼지 입자 모두 인가전압의 증가에 따라 감소함을 확인할 수 있다.

도 10는 집진율을 계산하여 집진율 향상 특성을 나타낸 그래프이다. 측정된 여섯 종류의 입자들의 집진율 증가량은 모두 유사하지만, 덕트 내의 주입된 공기에 포함된 먼지의 90% 가량은 직경

인 입자이며 이들의 집진율이 전체 집진율을 결정한다. 반면에 측정 가능한 가장 큰 입자인 직경

입자의 경우 측정된 값이 수 단위로서 매 측정마다 편차가 크게 발생하여 분석에서 제외되었다.

도 10를 살펴보면, 인가전압이 증가할수록 집진율도 선형적으로 증가하였으며, 전압 인가 전 약 90.8%의 집진율이 인가전압,

일 때까지 98.9%까지 증가함을 확인하였다. 정전필터의 집진력을 결정하는 것을 정전력의 세기이며, 이는 필터의 표면에 축적된 정전하(electrostatic charge)의 양에 의해 결정된다. 일반적으로 코로나 방전과 같은 비접촉식 대전 방식에 의해 전하를 축적하지만, 필터의 물리적 크기와 유전율 등에 의해 필터의 표면에 축적, 보존될 수 있는 전하량은 제한되어 있다. 또한 축적된 전하,

는 다시 전하가 공급되지 않으면 시간이 지남에 따라 그 양이 수학식 2와 같이 지수적으로 감소하게 되며, 이에 따른 집진력 도한 감소하게 된다.

여기서, q는 시간의 지남에 따른 전하량,

는 초기 축적된 전하량, R은 회로의 저항, C는 회로의 커패시턴스, τ는 저항(R)과 커패시턴스(C)를 곱한 시정수이다.

따라서, 전극과 탄소 코팅된 필터 표면에 의한 직접적인 정전력 부여 방식을 통하여 필터의 정전하량을 일정하게 유지하면, 집진력을 지속적으로 일정하게 유지하는 것이 가능하다. 또한 필터가 보존할 수 있는 전하에 의한 전위보다 높은 전위를 유지할 수 있으므로 기존의 정전필터보다 더 높은 집진율을 얻는 것이 가능할 수 있다.

표 2는 정전 탄소필터(200)에 전압을 인가함에 따른 소비 전력과 집진 성능의 향상 특성을 나타낸 것이다. 인가전압의 증가에 따른 필터 집진 능력의 향상률은 다음의 수학식 3을 이용하여 계산할 수 있다.

여거서,

는 x(kV)에서의 집진율이며,

는 전압인가 전의 집진율이다. 도 8에 나타난 것처럼 인가전압이 23.5kV 이상일 때부터 전류가 측정되며, 그 이전에는 전류가 측정되지 않는다. 그러나 집진율은 전압을 인가함과 동시에 증가하여 22kV까지 전류의 증가 없이 원래 집진율에 비해 6.5% 이상 증가하였으며, 전류가 측정되는 24kV 이후부터 28kV까지는 최대 8.8% 까지 증가하였다. 집진력 향상을 위해 필요로 하는 것은 높은 전위이며 공기의 절연한계 이내에서는 전류가 거의 흐르지 않는다. 결과적으로 전력의 소비 없이도 집진율의 향상이 가능할 수 있다.

도 11은 정전 탄소필터(200)에 28.0kV를 인가하여 대전시킨 다음, 정전 탄소필터(200)를 전원회로에서 분리한 이후 시간의 흐름에 따른 집진율의 감소 경향을 나타낸 것이다. 98% 이상 향상된 집진율은 지수적으로 감소하여 대략적으로 60분 이후에는 전압 인가 전의 집진율 91%에 수렴한다. 이는 인가된 전압에 의해 향상된 집진율이 인가전압 없이는 장시간 유지되지 못함을 의미하므로 향상된 집진율을 유지하기 위해서는 주기적으로 전압을 인가하거나, 또는 전류가 흐르지 않는 전압을 지속적으로 인가할 필요가 있다.

본 발명의 경우 22kV 이하의 전압을 계속 인가하면 기존의 집진율보다 향상된 집진율을 계속 유지할 수 있다.

정전 탄소필터(200)는 한 면만 탄소 코팅되어 있으며, 그 외의 부분은 유전체이며, 저항률

, 유전율

이므로, 이로 인한 시정수

이다. 그러므로 정전 탄소필터(200)와 전원 공급부(300)가 단절된 직후, 전원 공급부(300)의 유전체 부분에서의 전하량 변화는 극히 짧은 시간에 종료될 것이다. 따라서 시간에 따른 집진율의 지수적 감소는 제1필터(210)와 제2필터(220) 간의 공기 절연저항과 정전용량에 의한 전하 소실 즉 방전 형태를 따르는 것으로 사료된다.

일반적으로 섬유재질의 필터는 필터에서의 압력 손실 없이 집진율을 향상시키기 위해 정전력을 부여한다. 정전력은 필터의 표면에 축적된 정전하의 양에 의해 결정되며, 일반적으로 코로나 방전을 이용한 대전방식에 의해 전하를 축적하게 된다. 하지만 필터의 물리적 크기와 유전율 등에 의해 필터의 표면에 축적, 보존될 수 있는 양은 제한되어 있다. 그러나 전극과 탄소 코팅된 필터 표면에 의한 직접적인 정전력 부여 방식은 필터가 보존할 수 있는 전하에 의한 전위보다 높은 전위를 유지할 수 있으므로 기존의 필터보다 더 높은 98% 이상의 집진율을 얻는 것이 가능하였다. 또한 본 발명에서 제안한 도전성 카본필터에 전압을 인가하는 형태의 정전필터는 부가적인 전력의 소비 없이 정전력을 강하게 유지할 수 있어 기존의 필터보다 우수한 집진력을 경제적으로 유지할 수 있다.

상술한 바와 같은 구성을 가지는 정전 탄소필터를 이용한 먼지 집진 장치는, 두 개의 일반 공기청정기용 필터(도전성, 2차 필터)인 제1필터(210) 및 제2필터(220)에 전극을 직접 연결하여 +, - 정전력을 부여할 수 있으며, 이를 이용하여 미세먼지에 대한 집진력을 99 %까지 향상 시키는 것이 가능하다.

상술한 바와 같은 구성을 가지는 정전 탄소필터를 이용한 먼지 집진 장치는, 헤파필터(Hepa Filter, 가스 입자 여과기에 포함되어 공기 중의 방사성 미립자를 정화시키기 위해 개발된 공기 정화 장치)를 이용하여야 가능한 미세먼지의 집진 효과를 일반 필터의 정전력을 강화하여 달성할 수 있을 뿐만 아니라, 헤파필터보다 공기 처리 용량이 우수한 일반 필터를 이용하므로 보다 많은 실내 공기를 처리하는 것이 가능하도록 한다.

상술한 바와 같은 구성을 가지는 정전 탄소필터를 이용한 먼지 집진 장치는, 기존의 코로나 방전을 이용하는 방식이 아닌 탄소로 코팅된 필터에 전극을 직접적으로 접속하여 직류 고전압을 인가함으로써 필터의 집진력을 향상시킬 수 있다.

도 2는 도 1에 있는 제1필터의 제1실시예를 설명하는 도면이다.

도 2를 참조하면, 제1필터(210)는, 집진필터(211), 탄소 코팅(212) 및 전극(213)을 포함한다.

집진필터(211)는, 일측 면이 탄소 코팅(212)로 코팅되며, 외측면이 전극(213)에 의해 둘러싸여 전압을 인가받으며, 먼지를 집진한다.

탄소 코팅(212)은, 집진필터(211)의 일측면에 탄소 소재로 코팅된다.

전극(213)은, 전원 공급부(300)로부터 +전압을 인가받아 집진필터(211)를 +전압으로 대전시킬 수 있도록 집진필터(211)의 외측면을 둘러싸고 장착 설치된다.

도 3은 도 1에 있는 제1필터의 제2실시예를 설명하는 도면이다.

도 3을 참조하면, 제1필터(210)는, 다수 개의 집진필터(211), 탄소 코팅(212), 다수 개의 전극 프레임(214) 및 절연 프레임(215)을 포함한다.

집진필터(211)는, 일측 면이 탄소 코팅(212)로 코팅되며, 외측면에 전극 프레임(214)에 의해 둘러싸여 전압을 인가받으며, 먼지를 집진하며, 절연 프레임(215)에 형성된 내부 공간에 장착 설치된다.

탄소 코팅(212)은, 집진필터(211)의 일측면에 탄소 소재로 코팅된다.

전극 프레임(214)은, 전원 공급부(300)로부터 +전압을 각각 인가받아 집진필터(211)를 +전압으로 대전시킬 수 있도록 집진필터(211)의 외측면을 둘러싸고 장착 설치된다.

절연 프레임(215)은, 절연체로 구획된 다수 개의 내부 공간에 집진필터(211)를 각각 장착 설치하며, 공기 덕트(100)에 장착 설치된다.

일 실시 예에서, 절연 프레임(215)은, 외측 프레임(2151) 및 내측 프레임(2152)을 포함할 수 있다.

외측 프레임(2151)은, 내측 공간이 내측 프레임(2152)에 의해 다수 개의 공간으로 구획되며, 내측 프레임(2152)에 의해 구획된 공간 각각에 절연 프레임(215)이 장착 설치되며, 공기가 전후 방향으로 통과할 수 있도록 전후 방향으로 개방되며, 공기 덕트(100)에 장착 설치된다.

내측 프레임(2152)은, 집진필터(211)를 장착 설치할 수 있도록 외측 프레임(2151)의 내측을 전연체로 구획한다.

상술한 바와 같은 구성을 가지는 제1필터(210)는, 전압 측정부(216)를 더 포함할 수 있다.

전압 측정부(216)는, 집진필터(211)에 연결 설치에 연결 설치되어 집진필터(211)의 전압을 측정하여 이에 대응하는 전압정보를 생성시키며, 해당 생성시킨 전압정보를 전압 제어부(217)로 전달한다.

일 실시 예에서, 전압 측정부(216)는, 절연 프레임(215)에 장착 설치된 다수 개의 집진필터(211) 각각의 전압을 개별적으로 측정하며, 해당 측정한 각각의 전압에 따른 전압정보(집진필터식별정보를 포함함)를 역시 개별적으로 생성시켜 전압 제어부(217)로 전달할 수 있다.

상술한 바와 같은 구성을 가지는 제1필터(210)는, 전압 제어부(217)를 더 포함할 수 있다.

전압 제어부(217)는, 전압 측정부(216)로부터 전달되는 전압정보를 통해 집진필터(211)가 기 설정된 전압(예를 들어, 상술한 실험에서와 같이 500V 등)으로 대전되었는지를 확인하며, 기 설정된 전압 이하로 대전된 집진필터(211)가 확인되면 기 설정된 전압 이하로 대전된 집진필터(211)의 전압을 상승시켜 주기 위한 전압제어요청신호를 생성시켜 전원 공급부(300)로 전달한다.

일 실시 예에서, 전압 제어부(217)는, 전압 측정부(216)로부터 전달되는 전압정보 및 집진필터식별정보를 통해 기 설정된 전압 이하 또는 이상으로 대전된 집진필터(211)가 확인된 경우, 해당 확인된 집진필터(211)를 기 설정된 전압이 될 때까지 전압을 상승시켜 주기 위한 전압제어요청신호(집진필터식별정보를 포함함)를 생성하며, 해당 생성한 전압제어요청신호를 전원 공급부(300)로 전달할 수 있다.

일 실시 예에서, 전원 공급부(300)는, 전압 제어부(217)로부터 전달되는 전압제어요청신호에 대응하여 기 설정된 전압 이하(일 실시 예에서, 500V 등)로 대전된 집진필터(211)에 장착 설치된 전극 프레임(214)으로 기 설정된 전압이 될 때까지 전압을 상승시켜 줄 수 있다.

일 실시 예에서, 전원 공급부(300)는, 전압 제어부(217)로부터 전압제어요청신호를 전달받으며, 해당 전달받은 전압제어요청신호에서 집진필터식별정보를 확인하며, 해당 확인한 집진필터식별정보에 대응하는 집진필터(211)로 전원을 공급할 수 있다.

도 2에 도시된 제1실시예의 경우, 일체로서 형성된 전극(213) 및 집진필터(211)의 경우 모든 집진 면적을 동일한 전압으로 균등하게 유지시키기 힘들다는 단점이 있을 뿐만 아니라, 일부 구역의 전압이 다른 구역의 전압과 상이하게 인가될 경우 해당 구역만의 전압을 상승시켜 다른 구역과 균등하게 제어할 수 없다는 단점을 가지고 있다.

따라서, 상술한 바와 같은 구성을 가지는 제1필터(210)는, 제1실시예에 따른 전극(213) 및 집진필터(211)을 다수 개로 분할시킨 후 절연체로 구획된 절연 프레임(215)에 장착 설치함으로써, 각각의 구획에 장착 설치된 전극(213)의 전압을 독립적으로 측정 및 제어하여 일부 전극(213)의 전압 이상을 효율적으로 측정 및 제어함으로써 전극(213) 전체 구역을 동일하게 유지시켜 본 발명의 집진 성능이 저하되는 것을 방지할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 정전 탄소필터를 이용한 먼지 집진 방법을 설명하는 순서도이다.

도 4를 참조하면, 정전 탄소필터를 이용한 먼지 집진 방법은, 먼저 공기 덕트(100)의 내부 공간에 장착 설치되는 제1필터(210) 및 제2필터(220)에서 전원 공급부(300)로부터 +전압 또는 -전압을 각각 인가받는다(410).

상술한 단계 410에서 전압을 인가받은 경우, 공기 덕트(100)의 일측으로부터 공기를 유입받는다(420).

상술한 단계 420에서 공기를 유입받은 경우, +전압을 인가받은 제1필터(210)에서 -전압으로 대전된 먼지 입자를 집진하며(430), -전압으로 대전된 먼지 입자가 집진된 공기를 제2필터(220)로 전달한다.

상술한 단계 430에서 -전압으로 대전된 먼지 입자가 집진된 경우, -전압을 인가받은 제2필터(220)에서 +전압으로 대전된 먼지 입자를 집진한다(440).

상술한 단계 440에서 +전압으로 대전된 먼지 입자를 집진한 경우, +전압 및 -전압으로 대전된 먼지 입자 모두가 집진된 공기를 공기 덕트(100)의 다른 일측으로 배출한다(450).

이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

100: 공기 덕트
200: 정전 탄소필터
210: 제1필터
211: 집진필터
212: 탄소 코팅
213: 전극
214: 전극 프레임
215: 절연 프레임
2151: 외측 프레임
2132: 내측 프레임
216: 전압 측정부
217: 전압 제어부
220: 제2필터
300: 전원 공급부

Claims (16)

1. 일측으로부터 공기를 유입받은 후 먼지가 집진된 공기를 다른 일측으로 배출하는 공기 덕트;
   +전압 또는 -전압이 집진면에 고르게 인가되며, 상기 공기 덕트로 유입되는 공기의 먼지를 집진할 수 있도록 상기 공기 덕트의 내부 공간에 장착 설치되는 정전 탄소필터; 및
   상기 정전 탄소필터로 전압을 인가하는 전원 공급부를 포함하고,
   상기 정전 탄소필터는,
   상기 전원 공급부로부터 +전압이 인가되며, -전압으로 대전된 먼지 입자를 집진하는 제1필터; 및
   상기 제1필터와 기 설정된 간격을 두고 평행하게 장착 설치되고, 상기 전원 공급부로부터 -전압이 인가되며, +전압으로 대전된 먼지 입자를 집진하는 제2필터를 포함하고,
   상기 제1필터는,
   먼지를 집진하는 집진필터;
   상기 집진필터의 일측면에 탄소 소재로 코팅되는 탄소 코팅; 및
   상기 전원 공급부로부터 +전압을 인가받아 상기 집진필터를 +전압으로 대전시킬 수 있도록 상기 집진필터의 외측면을 둘러싸고 장착 설치되는 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 정전 탄소필터를 이용한 먼지 집진 장치.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서, 상기 제1필터는,
   먼지를 집진하는 다수 개의 집진필터;
   상기 집진필터의 일측면에 탄소 소재로 코팅되는 탄소 코팅;
   상기 전원 공급부로부터 +전압을 각각 인가받아 상기 집진필터를 +전압으로 대전시킬 수 있도록 상기 집진필터의 외측면을 각각 둘러싸고 장착 설치되는 다수 개의 전극 프레임; 및
   절연체로 구획된 다수 개의 내부 공간에 상기 집진필터를 각각 장착 설치하며, 공기 덕트에 장착 설치되는 절연 프레임을 포함하는 것을 특징으로 하는 정전 탄소필터를 이용한 먼지 집진 장치.
   
5. 제4항에 있어서, 상기 절연 프레임은,
   공기가 전후 방향으로 통과할 수 있도록 전후 방향으로 개방되며, 공기 덕트에 장착 설치되는 외측 프레임; 및
   상기 집진필터를 장착 설치할 수 있도록 상기 외측 프레임의 내측을 전연체로 구획하는 내측 프레임을 포함하는 것을 특징으로 하는 정전 탄소필터를 이용한 먼지 집진 장치.
   
6. 제4항에 있어서, 상기 제1필터는,
   상기 집진필터의 전압을 측정하여 이에 대응하는 전압정보를 생성시킬 수 있도록 상기 집진필터에 연결 설치되는 전압 측정부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 정전 탄소필터를 이용한 먼지 집진 장치.
   
7. 제6항에 있어서, 상기 제1필터는,
   상기 전압 측정부로부터 전달되는 전압정보를 통해 상기 집진필터가 기 설정된 전압으로 대전되었는지를 확인하며, 기 설정된 전압 이하로 대전된 집진필터가 확인되면 기 설정된 전압 이하로 대전된 집진필터의 전압을 상승시켜 주기 위한 전압제어요청신호를 생성시켜 상기 전원 공급부로 전달하는 전압 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 정전 탄소필터를 이용한 먼지 집진 장치.
   
8. 제7항에 있어서, 상기 전원 공급부는,
   상기 전압 제어부로부터 전달되는 전압제어요청신호에 대응하여 기 설정된 전압 이하로 대전된 집진필터에 장착 설치된 전극 프레임으로 기 설정된 전압이 될 때까지 전압을 상승시켜 주는 것을 특징으로 하는 정전 탄소필터를 이용한 먼지 집진 장치.
   
9. 제1항에 있어서, 상기 제1필터는,
   상기 제2필터와 30.0mm 내지 50.0mm 간격으로 평행하게 대향하며 장착 설치되는 것을 특징으로 하는 정전 탄소필터를 이용한 먼지 집진 장치.
   
10. 제9항에 있어서, 상기 제1필터는,
    필터의 주름 간격이 상기 제2필터와의 사이 간격의 0.10 내지 0.12 배로 형성되는 것을 특징으로 하는 정전 탄소필터를 이용한 먼지 집진 장치.
    
11. 제1항에 있어서, 상기 정전 탄소필터는,
    450V 내지 550V가 인가되는 것을 특징으로 하는 정전 탄소필터를 이용한 먼지 집진 장치.
    
12. 제1항에 있어서, 상기 정전 탄소필터는,
    

    

    의 표면 저항률(

    

    )을 가지는 것을 특징으로 하는 정전 탄소필터를 이용한 먼지 집진 장치.
    
13. 전원 공급부로부터 +전압이 인가되며, -전압으로 대전된 먼지 입자를 집진하는 제1필터; 및
    상기 제1필터와 기 설정된 간격을 두고 장착 설치되며, 상기 전원 공급부로부터 -전압이 인가되며, +전압으로 대전된 먼지 입자를 집진하는 제2필터를 포함하고,
    상기 제1필터는,
    먼지를 집진하는 집진필터;
    상기 집진필터의 일측면에 탄소 소재로 코팅되는 탄소 코팅; 및
    상기 전원 공급부로부터 +전압을 인가받아 상기 집진필터를 +전압으로 대전시킬 수 있도록 상기 집진필터의 외측면을 둘러싸고 장착 설치되는 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 정전 탄소필터.
    
14. 삭제
15. 제13항에 있어서, 상기 제1필터는,
    먼지를 집진하는 다수 개의 집진필터;
    상기 집진필터의 일측면에 탄소 소재로 코팅되는 탄소 코팅;
    상기 전원 공급부로부터 +전압을 인가받아 상기 집진필터를 +전압으로 대전시킬 수 있도록 상기 집진필터의 외측면에 각각 장착 설치되는 다수 개의 전극 프레임; 및
    절연체로 구획된 다수 개의 내부 공간에 상기 집진필터를 각각 장착 설치하며, 공기 덕트에 장착 설치되는 절연 프레임을 포함하는 것을 특징으로 하는 정전 탄소필터.
    
16. 공기 덕트의 내부 공간에 기 설정된 간격으로 장착 설치되는 제1필터 및 제2필터에서 전원 공급부로부터 +전압 또는 -전압을 각각 인가받는 단계;
    상기 공기 덕트의 일측으로부터 공기를 유입받는 단계;
    +전압을 인가받은 제1필터에서 -전압으로 대전된 먼지 입자를 집진하는 단계;
    -전압을 인가받은 제2필터에서 +전압으로 대전된 먼지 입자를 집진하는 단계; 및
    먼지가 집진된 공기를 상기 공기 덕트의 다른 일측으로 배출하는 단계를 포함하고,
    상기 제1필터는,
    먼지를 집진하는 집진필터;
    상기 집진필터의 일측면에 탄소 소재로 코팅되는 탄소 코팅; 및
    상기 전원 공급부로부터 +전압을 인가받아 상기 집진필터를 +전압으로 대전시킬 수 있도록 상기 집진필터의 외측면을 둘러싸고 장착 설치되는 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 정전 탄소필터를 이용한 먼지 집진 방법.

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