KR102064043B1 - 전기집진장치 및 이를 채용한 공기정화장치 - Google Patents

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Abstract

전기집진장치는 이온생성부, 대전제어부 및 집진부를 포함한다. 이온생성부는 이온들을 생성시킨다. 대전제어부는 제1 전계를 형성하고, 이온생성부에 의해 생성된 이온들에 의해 외부로부터 유입된 입자들을 제1 전계 내에서 대전시키되, 제1 전계를 변화시킴에 의해서 이온들의 경로가 증가되도록 이온들의 거동을 제어하여, 이온들 및 입자들 사이의 충돌률을 증가시킨다. 집진부는 제2 전계가 형성되며, 제2 전계 내로 대전된 입자들을 제공받아서, 제2 전계를 형성하는 전극의 표면에서 대전된 입자들을 포집한다. 이에 따라, 오존 발생량을 감소시키면서 집진효율의 저하를 방지할 수 있다.

Description

전기집진장치 및 이를 채용한 공기정화장치{ELECTRIC DUST COLLECT DEVICE AND AIR CLEANER EMPLOYING THE SAME}
본 발명은 전기집진장치 및 이를 채용한 공기정화장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 오존 발생량을 감소시킬 수 있는 전기집진장치 및 이를 채용한 공기정화장치에 관한 것이다.
일반적으로, 공기정화장치는 먼지, 미세먼지, 초미세먼지 등과 같은 입자들을 포함하는 공기를 흡입하여 깨끗한 공기로 정화한 후 배출하는 장치이다.
종래의 공기정화장치는 가정용 및 산업용으로 활용되는데, 주로 헤파(HEPA) 필터와 같은 집진용 필터를 이용하거나 전기집진장치를 이용한다. 상기 집진용 필터를 이용한 공기정화장치는 주기적으로 필터를 교체하여야 하므로 유지보수 비용이 높은 문제가 있다.
상기 전기집진장치를 이용한 공기정화장치는 통상 코로나 방전과 같은 방전에 의해 이온을 생성하는 방전부 및 생성된 이온에 의해 대전된 입자를 포집하는 집진부를 포함한다. 상기 방전부에서 생성된 이온의 양이 많을수록 많은 입자를 대전시킬 수 있고 많은 양의 이온을 생성하기 위해서는 방전전압이 높아야 하므로, 집진효율을 증가시키기 위해서는 높은 방전전압을 이용하여야 한다. 그러나, 높은 방전전압을 이용하는 경우, 이온이 많이 생성되는 반면 인체에 유해한 오존 또한 많이 발생한다. 이는 낮은 방전전압을 이용할 수밖에 없어 결국 집진효율의 저하를 야기한다.
이와 같이, 다량의 이온 생성과 오존 발생 감소는 서로 트레이드-오프(trade-off) 관계에 있으므로, 높은 집진효율을 위한 다량의 이온 생성을 위해서는 오존 발생을 감수해야 하고, 오존 발생을 감소시키기 위해서는 소량의 이온 생성에 따른 낮은 집진효율을 감수해야 하는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 오존 발생량을 감소시키면서 집진효율의 저하를 방지할 수 있는 전기집진장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 상기한 전기집진장치를 채용한 공기정화장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 예시적인 일 실시예에 따른 전기집진장치는 이온생성부, 대전제어부 및 집진부를 포함한다. 상기 이온생성부는 이온들을 생성시킨다. 상기 대전제어부는 제1 전계(electric field)를 형성하고, 상기 이온생성부에 의해 생성된 이온들에 의해 외부로부터 유입된 입자들을 상기 제1 전계 내에서 대전시키되, 상기 제1 전계를 변화시킴에 의해서 상기 이온들의 경로가 증가되도록 상기 이온들의 거동을 제어하여, 상기 이온들 및 상기 입자들 사이의 충돌률을 증가시킨다. 상기 집진부는 제2 전계가 형성되며, 상기 제2 전계 내로 상기 대전된 입자들을 제공받아서, 상기 제2 전계를 형성하는 전극의 표면에서 상기 대전된 입자들을 포집한다.
일 실시예로, 상기 대전제어부는 상기 제1 전계를 형성하는 전극에 교류를 인가하여 상기 제1 전계를 변화시킬 수 있다.
상기 대전제어부는, 상기 전극에 인가되는 전압을 제어하는 전압제어부 및 상기 교류의 주파수를 제어하는 주파수제어부를 포함할 수 있다.
일 실시예로, 상기 전압제어부 및 상기 주파수제어부는 각각 일정한 전압 및 일정한 주파수로 상기 교류의 형성을 제어할 수 있고, 상기 이온들은 상기 일정하게 형성된 교류에 의해 사인파(sine wave) 형태의 거동을 형성할 수 있다.
일 실시예로, 상기 대전제어부는 상기 제1 전계를 형성하도록 마주보는 적어도 2개의 전극플레이트들을 포함할 수 있고, 상기 대전제어부는 상기 이온들이 상기 전극 플레이트들 사이를 왕복하면서 전방으로 진행하도록 상기 이온들의 거동을 제어할 수 있다.
일 실시예로, 상기 집진부는 상기 제2 전계를 형성하도록 마주보는 적어도 2개의 전극 플레이트들을 포함할 수 있고, 상기 대전제어부의 전극 플레이트들 및 상기 집진부의 전극 플레이트들은 서로 동일한 개수로 형성되어서 서로 대응하도록 배치될 수 있다.
일 실시예로, 상기 이온생성부는, 코로나(corona) 방전에 의해 상기 이온들을 생성할 수 있다.
일 실시예로, 상기 이온생성부는, 전압이 인가되는 전극와이어 및 상기 전극와이어를 둘러싸도록 형성된 챔버를 포함할 수 있고, 상기 전극와이어의 길이 방향, 상기 외부로부터 유입된 입자들의 진행방향 및 상기 제1 전계의 방향은 서로 수직일 수 있다.
본 발명의 예시적인 일 실시예에 따른 공기정화장치는 공기유입부, 전기집진장치 및 공기배출부를 포함한다. 상기 공기유입부는 외부로부터 공기가 유입된다. 상기 전기집진장치는 이온생성부, 대전제어부 및 집진부를 포함한다. 상기 이온생성부는 이온들을 생성시킨다. 상기 대전제어부는 제1 전계를 형성하고, 상기 이온생성부에 의해 생성된 이온들에 의해 상기 외부로부터 유입된 공기 내의 입자들을 상기 제1 전계 내에서 대전시키되, 상기 제1 전계를 변화시킴에 의해서 상기 이온들의 경로가 증가되도록 상기 이온들의 거동을 제어하여, 상기 이온들 및 상기 입자들 사이의 충돌률을 증가시킨다. 상기 집진부는 제2 전계가 형성되며, 상기 제2 전계 내로 상기 대전된 입자들을 제공받아서, 상기 제2 전계를 형성하는 전극의 표면에서 상기 대전된 입자들을 포집한다. 상기 공기배출부는 상기 전기집진장치를 통과한 공기를 외부로 배출한다.
본 발명에 따르면, 전기집진장치가 이온생성부 및 집진부에 더하여 대전제어부를 구비하고, 상기 대전제어부는 제1 전계를 변화시킴에 의해서 이온들의 경로가 증가되도록 이온들의 거동을 제어하여, 이온들 및 입자들 사이의 충돌률을 증가시킴으로써, 방전전압을 충분히 낮게 유지하면서도 이온들의 대전 확률을 증가시킬 수 있으므로, 충분히 낮은 방전전압에 의해 오존 발생량을 감소시키면서도, 대전 확률의 증가에 의해 집진효율의 저하를 방지할 수 있다.
또한, 상기 제1 전계를 형성하는 전극에 교류를 인가함으로써, 상기 충돌률을 증가시키기 위해 이온들이 왕복운동을 하도록 상기 이온들의 거동을 제어할 수 있다.
또한, 상기 교류를 형성하기 위한 인가 전압 및 주파수를 조절함으로써, 다양한 형태의 제1 전계를 형성할 수 있고, 최적화된 전압 및 주파수를 실험적으로 획득하는 경우 오존발생 저감을 위한 최적화된 집진효율을 실현할 수 있다.
또한, 상기 전기집진장치를 채용한 공기정화장치는 높은 집진효율을 가져서 정화된 공기를 공급하면서도, 비교적 낮은 전압으로 방전하는 이온생성부를 갖는 전기집진장치를 채용하여 오존의 생성을 크게 감소시킬 수 있으므로, 산업용 공기정화장치뿐만 아니라 가정용 공기정화장치로 활용이 가능할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 전기집진장치를 나타낸 개념도이다.
도 2는 도 1의 전기집진장치의 대전제어부에서 이온의 거동을 설명하기 위한 개념도이다.
도 3 및 도 4는 도 1의 전기집진장치의 집진효율을 설명하기 위한 그래프들이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 공기정화장치를 나타낸 개념도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 전기집진장치를 나타낸 개념도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 전기집진장치(100)는 이온생성부(110), 대전제어부(120) 및 집진부(130)를 포함한다.
상기 이온생성부(110)는 이온들을 생성시킨다. 상기 생성된 이온은 이온 생성 방식에 따라 양이온 및 음이온이 모두 가능할 수 있다.
일 실시예로, 상기 이온생성부(110)는, 코로나(corona) 방전에 의해 상기 이온들을 생성할 수 있다. 구체적인 일 실시예로, 상기 이온생성부(110)는 전압이 인가되는 전극와이어(112) 및 상기 전극와이어를 둘러싸도록 형성된 챔버(114)를 포함할 수 있다.
상기 전극와이어(112)에는. 예를 들면, 상기 전압은 비교적 높은 값을 가질 수 있다. 상기 전압이 높은 값을 갖는 경우, 상기 코로나 방전에 의한 이온들은 다량 생성될 수 있다. 다만, 이와 같이 다량의 이온들을 생성하기 위해 상기 전극와이어(112)에 높은 전압을 인가하는 경우, 상기 다량의 이온들 이외에도 다수의 오존들이 발생할 수 있다.
즉, 산소분자(O2)는 전자와 충돌하여 산소원자(O)로 해리되고(O2+e-→e-+O+O), 산소분자(O2)는 산소원자(O) 및 방전 전극과 같은 고체 표면을 포함하는 임의의 종(M)과 반응하여 오존(O3)을 형성한다(O2+O+M→O3+M).
따라서, 많은 이온들을 생성하기 위하여 상기 전압을 제한 없이 높이는 경우, 인체에 유해한 다량의 오존들이 발생하므로, 상기 전압은 미리 설정된 기준값을 초과하지 않도록 제한할 수 있다.
상기와 같이 상기 이온생성부(110)에 코로나 방전을 채용하는 경우, 오존이 소정의 기준값 이하로 생성되는 대략 5kV 이하의 전압이 인가되는 종래의 코로나 방전기를 채용할 수 있다.
한편 이와는 다르게, 상기 이온생성부(110)는 다수의 이온들을 생성할 수 있다면, 코로나 방전 이외의 다른 다양한 방법으로도 이온을 생성할 수 있다. 예를 들면, 광촉매 및 자외선을 이용한 방전 방법을 이용하여 이온을 생성할 수도 있다.
또한, 상기 이온생성부(110)는 상기 전극와이어(112)를 이용하는 코로나 방전 이외의 다른 다양한 코로나 방전 방식을 이용하여 이온을 생성할 수도 있다. 예를 들면, 상기 이온생성부(110)는, 탐침형, 카본브러시형 등을 이용한 코로나 방전 방식이 채용될 수 있다.
상기 대전제어부(120)는 제1 전계(electric field)를 형성하고, 상기 이온생성부(110)에 의해 생성된 이온들에 의해 외부로부터 유입된 입자들을 상기 제1 전계 내에서 대전시킨다.
일 실시예로, 상기 대전제어부(120)는 상기 제1 전계를 형성하도록 마주보는 적어도 2개의 전극플레이트(122)들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 대전제어부(120)는 도 1에 도시된 바와 같이, 4개의 전극 플레이트들(122a, 122b, 122c, 122d)을 포함할 수 있다.
상기 전극플레이트(122)들 사이에서는 상기 제1 전계가 형성되며, 상기 이온생성부(110)에 의해 생성된 이온(IO)들 및 외부로부터 유입된 입자(PT)들은 상기 제1 전계 내에서 충돌하고, 이로써 상기 입자(PT)들이 상기 이온(IO)들에 의해 대전될 수 있다.
상기 대전제어부(120)는 상기 제1 전계를 변화시킴에 의해서 상기 이온(IO)들의 경로가 증가되도록 상기 이온(IO)들의 거동을 제어하여, 상기 이온(IO)들 및 상기 입자(PT)들 사이의 충돌률을 증가시킨다.
앞서 설명한 바와 같이, 상기 이온생성부(110)에서 상기 이온(IO)들을 생성시키기 위해 인가되는 전압은 미리 설정된 기준값을 초과하지 않도록 제한할 수 있다. 이 경우, 전압을 상대적으로 낮게 설정함에 의해 인체에 유해한 오존의 생성은 감소시킬 수 있지만, 상기 이온(IO)들의 생성 또한 감소되므로, 결과적으로 상기 외부로부터 유입된 입자(PT)들이 많이 대전되기 어렵다. 따라서, 비록 생성된 이온(IO)들의 양이 적더라도 상기 입자(PT)들이 가급적 많이 대전될 수 있도록, 상기 대전제어부(120)에서는 상기 입자(PT)들과 상기 이온(IO)들의 충돌률을 증가시킨다.
즉, 상기 대전제어부(120)는 상기 이온(IO)들의 경로가 증가되도록 상기 이온(IO)들의 거동을 제어한다. 구체적으로, 상기 이온(IO)들은 전기적 성질을 가지므로, 상기 제1 전계가 일정할 때, 상기 제1 전계 내에 형성된 전기력의 방향에 따라 이동하여 상기 제1 전계를 형성하는 전극, 일 실시예로, 상기 전극플레이트(122)에 충돌하여 소멸한다. 이에 따라, 상기 이온(IO)들이 상기 전극플레이트(122)에 충돌하여 소멸하기 전에 어느 한 입자(PT)와 충돌하면 상기 충돌한 입자(PT)가 대전되어 상기 충돌한 이온(IO)들은 입자의 대전에 기여하지만, 상기 이온(IO)들이 상기 전극플레이트(122)에 충돌하여 소멸하기 전에 어느 한 입자(PT)와 충돌하지 못하면 상기 충돌하지 못한 이온(IO)들은 입자의 대전에 기여하지 못한다.
따라서, 상기 대전제어부(120)는 상기 이온(IO)들 및 상기 입자(PT)들이 유입되는 소정의 공간 내에 상기 제1 전계를 형성하고, 상기 제1 전계를 변화시켜 상기 이온(IO)들이 상기 전극플레이트(122)에 충돌하여 소멸하기 전에 상기 이온(IO)들의 운동 방향을 변화시킴으로써 상기 이온(IO)들의 경로를 증가시킬 수 있다. 상기 입자(PT)들은 전기적 성질을 갖지 않고 대체로 전방, 예를 들면 도 1에 도시된 유동방향(FD)으로 진행하고, 상기 이온(IO)들의 경로가 증가될수록 상기 이온(IO)들이 상기 입자(PT)들과 충돌할 확률은 증가되므로, 상기 대전제어부(120)는 상기 제1 전계를 변화시킴에 의해서 상기 이온(IO)들의 경로가 증가되도록 상기 이온(IO)들의 거동을 제어한다.
일 실시예로, 상기 대전제어부(120)는 상기 이온(IO)들이 상기 전극 플레이트(122)들 사이를 왕복하면서 전방으로 진행하도록 상기 이온(IO)들의 거동을 제어할 수 있다. 예를 들면, 상기 대전제어부(120)는 상기 이온(IO)들이 상기 전극 플레이트(122)들 사이를 왕복하면서 상기 유동방향(FD)으로 진행하도록 상기 이온(IO)들의 거동을 제어할 수 있으며, 이를 위해 일 실시예로, 상기 대전제어부(120)는 상기 제1 전계를 형성하는 전극에 교류를 인가하여 상기 제1 전계를 변화시킬 수 있다.
일 실시예로, 도 1에 도시된 상기 4개의 전극 플레이트들(122a, 122b, 122c, 122d)에는 각각 +500V, -500V, +500V, -500V를 인가하고 이어서 각각 -500V, +500V, -500V, +500V로 변화시켜 인가함으로써, 교류에 의해 상기 제1 전계를 변화시킬 수 있다.
도 2는 도 1의 전기집진장치의 대전제어부에서 이온의 거동을 설명하기 위한 개념도이다.
도 2를 참조하면, 상기 대전제어부(120)는 상기 제1 전계를 형성하는 상기 전극 플레이트(122)들에 교류를 인가하여 상기 제1 전계를 +E 방향 및 -E 방향으로 주기적으로 변화시킬 수 있다.
이에 따라, 상기 제1 전계의 전기력의 방향이 지속적으로 반대로 변화되므로(+E, -E), 상기 이온(IO)들은 관성 또는 외력에 의해 상기 유동방향(FD)으로 대체로 직진운동을 하고, 상기 제1 전계의 전기력에 의해 위, 아래로 왕복운동(+E, -E)을 하게 된다. 상기 직진운동은 엄밀한 의미의 직진운동을 의미하는 것이 아니며, 좌우로 큰 움직임 없이 대체로 상기 유동방향(FD)으로 진행하는 운동을 의미한다.
따라서, 상기 이온(IO)들은 상기 직진운동 및 상기 왕복운동의 합성운동을 하게 되므로, 대체로 도 2에 도시된 바와 같이 사인파(sine wave) 형태의 거동을 형성할 수 있다. 한편 본 발명에서, 상기 사인파는 단일 형태의 사인파를 포함함은 물론, 다양한 사인파들의 합성 형태를 포함하는 개념으로 정의된다.
이때, 상기 사인파는 상기 직진운동의 속도가 대체로 일정할 때, 상기 왕복운동을 야기하는 전기력의 세기 및 전기력의 방향을 변화시키는 주기에 따라 다양한 진폭을 가질 수 있다. 예를 들면, 상기 전기력의 세기는 상기 전극에 인가되는 전압에 의해 결정될 수 있고, 상기 전기력의 방향을 변화시키는 주기는 상기 교류의 주파수에 의해 결정될 수 있다. 따라서, 상기 전극에 인가되는 전압과 상기 교류의 주파수를 제어함으로써, 상기 이온(IO)의 거동을 제어할 수 있다.
상기 대전제어부(120)는, 상기 전극에 인가되는 전압을 제어하는 전압제어부(124) 및 상기 교류의 주파수를 제어하는 주파수제어부(126)를 포함할 수 있다.
상기 전압제어부(124) 및 상기 주파수제어부(126)는 각각 상기 전극에 인가되는 전압 및 상기 교류의 주파수를 제어함으로써, 상기 제1 전계를 형성하는 교류를 다양한 방식으로 조절할 수 있고, 상기 교류가 일정한 형태를 갖거나 가변적인 형태를 갖도록 조절할 수 있다.
일 실시예로, 상기 전압제어부(124) 및 상기 주파수제어부(126)는 각각 일정한 전압 및 일정한 주파수를 갖도록 상기 교류의 형성을 제어할 수 있고, 이에 따라 상기 교류는 일정한 형태를 갖는다. 이 경우, 상기 이온들은 상기 일정하게 형성된 교류에 의해 도 2에 도시된 바와 같이 다양한 사인파 형태의 거동을 형성할 수 있다. 이때의 사인파도 앞서 설명한 바와 같이, 엄밀한 의미의 사인파는 물론 여러 사인파들의 합성 형태를 포함하는 개념일 수 있다.
한편 앞서 설명한 바와 같이, 상기 전극에 인가되는 전압과 상기 교류의 주파수를 제어함으로써 상기 이온(IO)의 거동을 제어할 수 있으며, 도 2에 도시된 바와 같이 상기 이온(IO)의 경로가 상기 마주보는 전극 플레이트들(122a, 122b) 사이에서 다양한 진폭들(A1, A2, A3)을 갖도록 경로를 형성할 수 있다.
상기 입자(PT)들이 상기 대전제어부(120) 내에 고르게 분포한다고 가정할 수 있으므로, 상기 입자(PT)의 거동이 비교적 작은 제1 진폭(A1)을 갖는 경우 상기 이온(IO)은 상기 마주보는 전극 플레이트들(122a, 122b) 부근까지 진행하지 않으므로 입자(PT)와의 충돌률이 낮을 수 있다. 또한, 상기 입자(PT)의 거동이 비교적 높은 제2 진폭(A2)을 갖는 경우 상기 이온(IO)은 상기 마주보는 전극 플레이트들(122a, 122b)와 충돌하여, 일 예로 도 2에 도시된 충돌점(CP)에서 소멸하게 되므로, 입자(PT)와의 충돌이 발생하지 않을 가능성이 높으며, 이 경우 상기 이온(IO)의 경로는 전극 플레이트들(122a, 122b)와의 충돌 이후의 점선 부분을 제외한 실선 부분만으로 감소된다. 따라서, 상기 입자(PT)의 거동은 상기 제1 진폭(A1)과 상기 제2 진폭(A2) 사이의 제3 진폭(A3)을 갖는 경우, 보다 효과적일 수 있다. 즉, 상기 입자(PT)의 거동은 상기 마주보는 전극 플레이트들(122a, 122b) 사이의 거리의 대략 1/4 이상 대략 1/2 이하의 진폭을 갖는 경우 높은 충돌률을 가질 수 있다. 이와 같은 높은 충돌률을 갖도록 하는 인가 전압과 주파수는 실험적 방법을 통해 최적화된 값을 설정할 수도 있다.
한편, 상기 전압제어부(124) 및 상기 주파수제어부(126)는 서로 독립된 제어장치일 수도 있지만, 일체로 형성된 하나의 제어장치로서 제공될 수도 있음은 물론이다.
다시 도 1을 참조하면, 상기 집진부(130)는 제2 전계가 형성되며, 상기 제2 전계 내로 상기 대전된 입자들을 제공받아서, 상기 제2 전계를 형성하는 전극의 표면에서 상기 대전된 입자들을 포집한다.
상기 집진부(130)는 상기 대전된 입자(PT)가 상기 제2 전계에 따른 전기력에 의해 이동하여 전극의 표면에서 포집되는 주지의 메커니즘을 채용한다.
일 실시예로, 상기 집진부(130)는 상기 제2 전계를 형성하도록 마주보는 적어도 2개의 전극 플레이트(132)들을 포함할 수 있다.
한편, 상기 대전제어부(120)의 전극 플레이트(122)들 및 상기 집진부(130)의 전극 플레이트(132)들은 서로 동일한 개수로 형성되어서 서로 대응하도록 배치될 수 있다. 이 경우, 상기 대전제어부(120)의 전극 플레이트(122)들에 의해 형성된 공간과 상기 집진부(130)의 전극 플레이트(132)들에 의해 형성된 공간이 서로 대응되므로, 상기 대전제어부(120)에서 대전된 입자(PT)들이 상기 집진부(130)의 전극 플레이트(132)들로 효과적으로 이동되어 포집될 수 있다.
도 1에서, 일 실시예로, 상기 집진부(130)는 4개의 전극 플레이트들(132a, 132b, 132c, 132d)을 포함하며, 각각 상기 대전제어부(120)의 4개의 전극 플레이트들(122a, 122b, 122c, 122d)과 대응된다. 이 경우, 상기 이온(IO)이 양이온이고 상기 4개의 전극 플레이트들(132a, 132b, 132c, 132d)의 극성이 각각 양, 음(또는 그라운드), 양, 음(또는 그라운드)으로 교호적으로 배치될 때, 상기 이온(IO)들에 의해 대전된 상기 입자(PT)들은 상기 제2 전계에 따른 전기력에 의해 이동하여 2개의 전극 플레이트들(132b, 132d)에 포집될 수 있다. 이때, 상기 이온(IO)이 음이온인 경우에, 상기 입자(PT)들은 이와는 반대 방향으로 이동하여 다른 2개의 전극 플레이트들(132a, 132c)에 포집될 수 있다.
일 실시예로, 상기 이온생성부(110)의 전극와이어(112)는 도 1에 도시된 바와 같이 지면의 전후 방향(z 방향)으로 연장될 수 있다. 이때, 상기 전극와이어(112)에 방전을 위한 고전압, 예를 들면, 대략 4kV 내지 5kV가 인가될 수 있는데, 상기 이온생성부(110)의 구조를 컴팩트하게 만들고 방전에 의해 생성된 상기 이온(IO)들이 상기 대전제어부(120)로 균일하게 전달되도록, 상기 전극와이어(112)의 길이 방향(z 방향)은 상기 외부로부터 유입된 입자(PT)들의 진행방향(x 방향)과 실질적으로 수직일 수 있다. 또한, 상기 입자(PT)들 및 상기 이온(IO)들은 상기 진행방향으로 진행하므로, 충돌률을 증가시키도록 상기 제1 전계의 방향(y 방향)은 상기 진행방향(x 방향)과 실질적으로 수직일 수 있으며, 상기 전극와이어(112)의 길이 방향과 평행하게 많은 이온(IO)들이 생성될 수 있으므로 상기 제1 전계의 방향(y 방향)은 상기 전극와이어(112)의 길이 방향(z 방향)과도 실질적으로 수직일 수 있다.
따라서, 상기 전극와이어(112)의 길이 방향(z 방향), 상기 외부로부터 유입된 입자(PT)들의 진행방향(x 방향) 및 상기 제1 전계의 방향(y 방향)은 모두 서로 실질적으로 수직일 수 있다.
도 3 및 도 4는 도 1의 전기집진장치의 집진효율을 설명하기 위한 그래프들이다. 도 3 및 도 4는 도 1의 전기집진장치를 실제로 제작하여 실험한 결과를 나타낸 그래프들로서, 도 3은 상기 이온생성부(110)의 전극와이어(112)에 5.0kV의 전압을 인가하였을 때, 상기 대전제어부(120)의 인가 전압 및 주파수를 변화시키면서 상기 집진부(130)에서 포집된 입자들을 측정하여 산출한 집진효율을 나타내고, 도 4는 상기 이온생성부(110)의 전극와이어(112)에 4.2kV의 전압을 인가하였을 때, 상기 대전제어부(120)의 인가 전압 및 주파수를 변화시키면서 상기 집진부(130)에서 포집된 입자들을 측정하여 산출한 집진효율을 나타낸다.
한편, 여기서 사용된 집진효율은 수학식 1에 의해 정의된다.
Figure 112017127998132-pat00001
여기서, ηc는 집진효율(%), Nncp는 비대전(non-charged)되어 상기 집진부(130)를 통과하여 측정된 입자의 수농도(number concentration)(개수/cc), Ntot는 유입된 총 입자들의 수농도(개수/cc)이다.
도 3을 참조하면, 상기 이온생성부(110)의 전극와이어(112)에 고전압에 해당하는 5.0kV를 인가하였을 때, 상기 대전제어부(120)의 인가 전압을 100V, 500V, 1000V로 상승시킴에 따라, 그리고 상기 대전제어부(120)의 주파수를 0(동작시키지 않은 경우), 10Hz, 100Hz, 1000Hz, 10000Hz, 100000Hz로 상승시킴에 따라, 집진효율은 소폭 상승하는 경향을 나타내었지만, 그 차이는 2% 이내로 미미한 것으로 나타났다. 또한, 모든 경우에 대해 집진효율도 97% 이상으로 상당히 높게 나타났다.
이는 상기 이온생성부(110)의 방전전압을 5.0kV로 높게 설정하였기 때문인데, 이 경우 집진효율이 높게 나타나는 점은 바람직하지만 상당히 많은 오존을 생성시킴을 확인하였다.
도 4를 참조하면, 상기 이온생성부(110)의 전극와이어(112)에 4.2kV를 인가하였을 때, 상기 대전제어부(120)의 인가 전압을 100V, 500V, 1000V로 상승시킴에 따라, 그리고 상기 대전제어부(120)의 주파수를 0(동작시키지 않은 경우), 10Hz, 100Hz, 1000Hz, 10000Hz, 100000Hz로 상승시킴에 따라, 집진효율은 급격히 상승하는 경향을 나타내었고, 특히 상기 대전제어부(120)의 미동작 시 대략 30% 정도의 효율에 불과하던 집진효율이 인가 전압 1000V, 주파수 10000Hz에서는 대략 90% 정도까지 상승하였다.
이는 상기 대전제어부(120)를 채용함에 의해 집진효율이 크게 상승하는 점을 시사하고 있는데, 이 경우 비교적 높은 집진효율에도 불구하고 오존의 생성은 거의 없음을 확인하였다.
상기 이온생성부(110)는 앞선 경우에 비해 낮은 방전전압 4.2kV를 채용하여 오존의 생성을 크게 감소시킨 반면, 이로 인해 많은 이온들을 생성시키지 못하였으므로, 상기 대전제어부(120)를 동작시키지 않은 경우 집진효율이 대략 30% 정도밖에 되지 못했지만, 상기 대전제어부(120)를 동작시킨 경우 집진효율은 대략 40%부터 대략 90% 정도까지 상승시키면서도 오존의 생성을 낮은 채로 유지시켰다. 한편, 상기 대전제어부(120)에 인가되는 인가 전압은, 1000V인 경우에도 상기 이온생성부(110)의 방전전압을 4.2kV에 비해 매우 낮으므로 추가적인 오존의 생성은 극히 미미하였다고 해석할 수 있다.
도 4에서와 같은 긍정적인 결과는, 상기 대전제어부(120)의 구성을 추가함에 의해 달성되었음을 미동작 시와 동작 시의 결과를 비교하면 확연히 드러남을 알 수 있다.
상기와 같은 전기집진장치에 따르면, 전기집진장치가 이온생성부 및 집진부에 더하여 대전제어부를 구비하고, 상기 대전제어부는 제1 전계를 변화시킴에 의해서 이온들의 경로가 증가되도록 이온들의 거동을 제어하여, 이온들 및 입자들 사이의 충돌률을 증가시킴으로써, 방전전압을 충분히 낮게 유지하면서도 이온들의 대전 확률을 증가시킬 수 있으므로, 충분히 낮은 방전전압에 의해 오존 발생량을 감소시키면서도, 대전 확률의 증가에 의해 집진효율의 저하를 방지할 수 있다.
또한, 상기 제1 전계를 형성하는 전극에 교류를 인가함으로써, 상기 충돌률을 증가시키기 위해 이온들이 왕복운동을 하도록 상기 이온들의 거동을 제어할 수 있다.
또한, 상기 교류를 형성하기 위한 인가 전압 및 주파수를 조절함으로써, 다양한 형태의 제1 전계를 형성할 수 있고, 최적화된 전압 및 주파수를 실험적으로 획득하는 경우 오존발생 저감을 위한 최적화된 집진효율을 실현할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 공기정화장치를 나타낸 개념도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 공기정화장치(1000)는 공기유입부(200), 전기집진장치(100) 및 공기배출부(300)를 포함한다.
상기 공기유입부(100)는 외부로부터 공기가 유입된다. 즉, 상기 공기유입부(100)는 외부의 먼지와 같은 유해한 입자들을 포함하는 공기가 내부로 유입된다.
상기 전기집진장치(100)는 도 1에 도시된 이온생성부(110), 대전제어부(120) 및 집진부(130)를 포함한다. 상기 전기집진장치(100)는 도 1 내지 도 4에서 설명된 전기집진장치(100)와 실질적으로 동일하므로, 중복되는 상세한 설명은 생략한다.
상기 공기배출부(300)는 상기 전기집진장치(100)를 통과한 공기를 외부로 배출한다. 즉, 상기 공기유입부(100)는 먼지와 같은 유해한 입자들이 상기 전기집진장치(100)에 의해 제거된 깨끗한 공기를 외부로 배출한다.
상기 공기정화장치(1000)는 도 1 내지 도 4에서 설명한 바와 같이, 높은 집진효율을 가져서 정화된 공기를 공급하면서도, 비교적 낮은 전압으로 방전하는 이온생성부(110)를 갖는 전기집진장치(100)를 채용하여 오존의 생성을 크게 감소시킬 수 있으므로, 산업용 공기정화장치뿐만 아니라 가정용 공기정화장치로 활용이 가능할 수 있다.
앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이다.　 따라서, 전술한 설명 및 아래의 도면은 본 발명의 기술사상을 한정하는 것이 아닌 본 발명을 예시하는 것으로 해석되어야 한다.
100 : 전기집진장치 110 : 이온생성부
120 : 대전제어부 130 : 집진부
200 : 공기유입부 300 : 공기배출부
1000 : 공기정화장치 PT : 입자
IO : 이온

Claims (9)

  1. 기 설정된 기준값을 초과하지 않는 전압을 인가함에 의해 전계(electric field)를 형성하여 이온들을 생성시키는 이온생성부;
    상기 이온생성부에서 생성된 이온들과 외부의 입자들이 유입되며, 제1 전계를 형성하여 상기 이온들에 의해 상기 입자들을 상기 제1 전계 내에서 대전시키되, 상기 제1 전계를 변화시킴에 의해서 상기 이온들의 경로가 증가되도록 상기 이온들의 거동을 제어하여, 상기 이온들 및 상기 입자들 사이의 충돌률을 증가시키는 대전제어부; 및
    제2 전계가 형성되며, 상기 제2 전계 내로 상기 대전된 입자들을 제공받아서, 상기 제2 전계를 형성하는 전극의 표면에서 상기 대전된 입자들을 포집하는 집진부;를 포함하는,
    전기집진장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 대전제어부는 상기 제1 전계를 형성하는 전극에 교류를 인가하여 상기 제1 전계를 변화시키는 것을 특징으로 하는,
    전기집진장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 대전제어부는,
    상기 전극에 인가되는 전압을 제어하는 전압제어부; 및
    상기 교류의 주파수를 제어하는 주파수제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    전기집진장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 전압제어부 및 상기 주파수제어부는 각각 일정한 전압 및 일정한 주파수로 상기 교류의 형성을 제어하고,
    상기 대전된 이온들은 상기 일정하게 형성된 교류에 의해 사인파(sine wave) 형태의 거동을 형성하는 것을 특징으로 하는,
    전기집진장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 대전제어부는 상기 제1 전계를 형성하도록 마주보는 적어도 2개의 전극플레이트들을 포함하고,
    상기 대전제어부는 상기 이온들이 상기 전극 플레이트들 사이를 왕복하면서 전방으로 진행하도록 상기 이온들의 거동을 제어하는 것을 특징으로 하는,
    전기집진장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 집진부는 상기 제2 전계를 형성하도록 마주보는 적어도 2개의 전극 플레이트들을 포함하며,
    상기 대전제어부의 전극 플레이트 및 상기 집진부의 전극 플레이트는 서로 동일한 개수로 형성되어 서로 대응하도록 배치된 것을 특징으로 하는,
    전기집진장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 이온생성부는,
    코로나(corona) 방전에 의해 상기 이온들을 생성하는 것을 특징으로 하는,
    전기집진장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 이온생성부는,
    전압이 인가되는 전극와이어; 및
    상기 전극와이어를 둘러싸도록 형성된 챔버;를 포함하고,
    상기 전극와이어의 길이 방향, 상기 외부로부터 유입된 입자들의 진행방향 및 상기 제1 전계의 방향은 서로 수직인 것을 특징으로 하는,
    전기집진장치.
  9. 외부로부터 공기가 유입되는 공기유입부;
    기 설정된 기준값을 초과하지 않는 전압을 인가함에 의해 전계를 형성하여 이온들을 생성시키는 이온생성부; 상기 이온생성부에서 생성된 이온들과 외부의 입자들이 유입되며, 제1 전계를 형성하여 상기 이온들에 의해 상기 입자들을 상기 제1 전계 내에서 대전시키되, 상기 제1 전계를 변화시킴에 의해서 상기 이온들의 경로가 증가되도록 상기 이온들의 거동을 제어하여, 상기 이온들 및 상기 입자들 사이의 충돌률을 증가시키는 대전제어부; 및 제2 전계가 형성되며, 상기 제2 전계 내로 상기 대전된 입자들을 제공받아서, 상기 제2 전계를 형성하는 전극의 표면에서 상기 대전된 입자들을 포집하는 집진부;를 포함하는 전기집진장치; 및
    상기 전기집진장치를 통과한 공기를 외부로 배출하는 공기배출부;를 포함하는,
    공기정화장치.
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