KR102172687B1 - 국소배기장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 공장이나 기타 작업장 등 분진과 유해 물질이 공기중에 다량 존재하는 공간의 공기를 정화시키기 위한 국소배기장치에 관한 것으로서, 함체(20)와, 함체(20)의 일부로부터 연장되어 뻗어 나오는 덕트와, 덕트의 소정 부위에 설치되는 팬 유닛(30)으로 이루어지는 집진부와, 함체(20) 또는 집진부 중 어느 하나에 내장되어 집진부가 집진시키는 공기를 걸러내는 광촉매 허니컴 필터(10)와, 함체(20) 또는 집진부에 내장되며, 팬 유닛(30)을 구동시키는 구동부 및, 함체(20)에 내장되어 구동부에 전원을 인가시키는 전원부로 구성됨으로써, 장기간 사용되더라도 균일한 성능을 보여주면서, 또한 필터의 잦은 교체가 필요 없을 뿐만 아니라 한 번에 다량의 분진이나 이물질이 발생되더라도 모두 처리 가능할 수 있는 국소배기장치(1)를 제공하고자 한다.

Description

국소배기장치{Local ventilation equipment}
본 발명은 공장이나 기타 작업장 등 분진과 유해 물질이 공기 중에 다량 존재하는 공간의 공기를 정화시키기 위한 국소배기장치에 관한 것이다.
공장이나 기타 작업장 중에는 물건의 제조나 가공 과정에서 다량의 유해한 분진, 미립자 또는 휘발성 물질이 부유하는 경우가 많다. 이런 경우에는 작업자에게 무해한 작업 환경과 제품의 불량 방지를 위해 유해한 분진이나 가스가 제거되거나 배출되어야만 한다.
그러나 종래의 국소배기장치는 유해가스가 일시적으로 다량 발생할 경우에는 처리되지 못하고 통과시켜 버리는 경우가 종종 있었다. 또한 필터의 기공이 가스나 세균 등으로 가득한 경우 필터를 교체해 주어야 하는데, 이때 필터 교체시까지 공기의 정화가 이루어지지 못해 많은 문제가 발생될 수 있고, 국소배기장치의 유지 보수에도 많은 비용이 소모되는 문제가 있다.
따라서 장기간 사용되더라도 균일한 성능을 보여주면서, 또한 필터의 잦은 교체가 필요 없을 뿐만 아니라 한 번에 다량의 분진이나 이물질이 발생되더라도 모두 처리 가능한 국소배기장치가 개발될 필요가 있다.
특허등록 제10-1740675호(공고일자: 2017. 05. 26)
이에 본 발명은 장기간 사용되더라도 균일한 성능을 보여주면서, 또한 필터의 잦은 교체가 필요 없을 뿐만 아니라 한 번에 다량의 분진이나 이물질이 발생되더라도 모두 처리할 수 있는 국소배기장치를 제공하고자 한다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 국소배기장치(1)는 함체(20)와, 함체(20)의 일부로부터 연장되어 뻗어 나오는 덕트와, 덕트의 소정 부위에 설치되는 팬 유닛(30)으로 이루어지는 집진부와, 함체(20) 또는 집진부 중 어느 하나에 내장되어 집진부가 집진시키는 공기를 걸러내는 광촉매 허니컴 필터(10)와, 함체(20) 또는 집진부에 내장되며, 팬 유닛(30)을 구동시키는 구동부 및, 함체(20)에 내장되어 구동부에 전원을 인가시키는 전원부;로 구성되되, 광촉매 허니컴 필터(10)는 활성탄에 광촉매가 결합된 것을 특징으로 한다.
여기서 활성탄에는 바람직하게는 제올라이트가 첨가된다.
또한 광촉매 허니컴 필터(10)는 바람직하게는 활성탄과 제올라이트에 광촉매가 결합된 조성물에 한지사 및 세라믹 화이버가 첨가되어 제조된 초지가 제단되어 제작된다.
이때 광촉매 허니컴 필터(10)는 바람직하게는 상기 초지가 평면 형태의 평면 격벽(11)이 일정 간격으로 복수개가 배치된 상태에서 평면 격벽(11) 사이 마다 너울 형태의 너울 격벽(12)이 삽입되어 형성되며, 너울 격벽(12)은 너울 격벽(12) 양 측에 배치된 평면 격벽(11)에 동시에 접촉됨으로써 너울 격벽(12)이 이루는 너울 형상의 굴곡 마다 하나의 통기구로 형성되며, 각 통기구를 지나는 공기에 포함된 유해물질은 통기구를 통과하는 과정에서 흡착된 후 분해된다.
그리고 팬 유닛(30)은 바람직하게는 회전축이 삽입되는 중심 슬리브(31)와, 중심 슬리브(31) 주변에 방사상으로 복수개가 형성되어 중심 슬리브(31)의 중심을 기준으로 회전되면서 외부 공기를 상기 덕트 내부로 흡입시키는 방향으로 공기를 유동시키는 중심 블레이드(33)와, 중심 블레이드(33)의 외곽에 복수개가 방사상으로 배치되어 회전 과정에서 중심 블레이드(33)의 외곽 부위의 공기를 방사 방향으로 밀어주는 방사 블레이드(35)로 구성된다.
여기서 방사 블레이드(35)는 바람직하게는 중심 슬리브(31) 보다 큰 직경을 가지면서 중심 슬리브(31)로부터 방사 방향으로 형성되는 복수개의 커넥팅 암(32)으로 중심 슬리브(31)와 연결되는 외곽 슬리브(34)의 외주면으로부터 방사 방향으로 돌출되는 형태로 형성되며, 중심 블레이드(33)는 커넥팅 암(32) 마다 하나씩 설치된다.
본 발명에 따른 국소배기장치(1)는 장기간 사용되더라도 균일한 성능을 보여주면서, 또한 필터의 잦은 교체가 필요 없을 뿐만 아니라 한 번에 다량의 분진이나 이물질이 발생되더라도 모두 처리 가능할 수 있는 효과가 있다.
도 1a는 본 발명에 따른 국소배기장치의 필터 구성의 일 실시예,
도 1b는 본 발명에 따른 국소배기장치에서 광촉매 허니컴 필터의 미세조직을 단계적으로 확대한 사진,
도 2는 본 발명에 따른 국소배기장치에서 광촉매 허니컴 필터의 일 실시예를 나타낸 사시도,
도 3은 본 발명에 따른 국소배기장치에서 광촉매 허니컴 필터의 제조과정을 나타낸 공정도,
도 4a 내지 도 4c는 본 발명에 따른 국소배기장치의 각 실시예를 나타내는 사시도,
도 5는 도 4a 내지 도 4c에서 사용되는 팬 유닛의 저면 사시도,
도 6a는 도 5의 팬 유닛의 작용 원리를 나타낸 개념도,
도 6b 내지 도 6d는 도 5의 팬 유닛의 작용을 유한요소해석으로 나타낸 도면,
본 발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 국소배기장치(1)는 도 1 및 도 4c에 도시된 바와 같이 함체(20)와, 함체(20)의 일부로부터 연장되어 뻗어 나오는 덕트와, 덕트의 소정 부위에 설치되는 팬 유닛(30)으로 이루어지는 집진부와, 함체(20) 또는 집진부 중 어느 하나에 내장되어 집진부가 집진시키는 공기를 걸러내는 광촉매 허니컴 필터(10)와, 함체(20) 또는 집진부에 내장되며, 팬 유닛(30)을 구동시키는 구동부 및, 함체(20)에 내장되어 구동부에 전원을 인가시키는 전원부;로 구성되되, 광촉매 허니컴 필터(10)는 활성탄에 광촉매가 결합된 것을 특징으로 한다.
여기서 활성탄에는 제올라이트가 첨가된다. 보다 구체적으로 광촉매 허니컴 필터(10)는 활성탄과 제올라이트에 광촉매가 결합된 조성물에 한지사 및 세라믹 화이버가 첨가되어 제조된 초지가 제단되어 제작된다.
이와 같이 활성탄과 광촉매가 결합된 경우에는 각각 별도로 사용되는 경우에 비해 다음의 네 가지 상승 작용이 있다.
첫 번째 활성탄과 광촉매의 결합의 효과는 흡착력의 보완이다. 광촉매는 표면에 접촉하는 유해가사나 유기물만을 분해하는 성질을 가지고 있으며 유해가스가 한 번에 많은 양이 배출되면 처리를 하지 못하고 그냥 통과시켜 버리게 된다. 이러한 단점을 활성탄이 보완해 준다. 활성탄은 지나가는 유기물이나 유해가스를 강한 흡착력으로 끌어 당겨 기공에 담지하게 된다.
두 번째 활성탄과 광촉매의 결합의 효과는 활성탄의 기공을 광촉매가 재생 해 줌으로써 필터 교환 없이도 반영구적인 수명을 갖게 되는 점이다. 활성탄의 기공이 막히면 교환해 주어야 하나 활성탄 주위에 붙어있는 광촉매가 흡착된 유기물과 유해가스를 분해하여 주므로 기공이 항상 재생되어 필터를 교환할 필요가 없이 반영구적인 수명을 갖는다.
세 번째 활성탄과 광촉매의 결합의 효과는 우수한 처리능력이다.
네 번째 활성탄과 광촉매의 결합의 효과는 한 번에 많은 양의 유해물질이 유입될 때의 처리능력이다. 금속에 광촉매를 코팅한 필터는 흡착능력이 없기 때문에 유해가스가 갑자기 많이 유입되면 처리를 못하고 그냥 배출한다. 그러나 허니컴 필터는 펄프와 활성탄을 섞어서 모체를 만들기 때문에 흡착력이 아주 뛰어나 많은 양을 처리한다.
광촉매 허니컴 필터(10)의 제조 공정은 도 3에 도시된 바와 같이 먼저 흡착제인 제올라이트 및 활성탄에 광촉매를 결합시킨 후에, 한지사와 세라믹 화이버와 같은 첨가제를 혼합시켜 믹싱한 다음 이 조성물을 초지로 제조한 후에, 절단과 적층 과정을 거쳐 성형이 이루어지고 나면, 마지막으로 광촉매 코팅을 거친다. 즉 광촉매는 필터의 원료가 되는 조성물에도 혼합될 뿐만 아니라 필터 자체의 표면에도 다시 2차적으로 코팅이 이루어지는 것이다.
따라서 흡착력은 제올라이트와 활성탄이 강화시키고 제올라이트나 활성탄의 기공이 가스나 세균 등으로 가득한 경우 그 분해는 광촉매가 담당하여 기공을 다시 비워줌으로써 필터가 스스로 재생되는 메커니즘을 가지게 된다.
또한 광촉매 허니컴 필터(10)는 도 2에 도시된 바와 같이 상기 초지가 평면 형태로 성형된 평면 격벽(11)이 일정 간격으로 복수개가 배치된 상태에서 평면 격벽(11) 사이마다 상기 초지로 성형되는 너울 형태의 너울 격벽(12)이 삽입되어 형성되며, 너울 격벽(12)은 너울 격벽(12) 양 측에 배치된 평면 격벽(11)에 동시에 접촉됨으로써 너울 격벽(12)이 이루는 너울 형상의 굴곡 마다 하나의 통기구로 형성되며, 각 통기구를 지나는 공기에 포함된 유해물질은 통기구를 통과하는 과정에서 흡착된 후 분해될 수 있다.
한편, 도 5에 도시된 바와 같이 팬 유닛(30)은 회전축이 삽입되는 중심 슬리브(31)와, 중심 슬리브(31) 주변에 방사상으로 복수개가 형성되어 중심 슬리브(31)의 중심을 기준으로 회전되면서 외부 공기를 상기 덕트 내부로 흡입시키는 방향으로 공기를 유동시키는 중심 블레이드(33)와, 중심 블레이드(33)의 외곽에 복수개가 방사상으로 배치되어 회전 과정에서 중심 블레이드(33)의 외곽 부위의 공기를 방사 방향으로 밀어주는 방사 블레이드(35)로 구성된다.
이때 방사 블레이드(35)는 중심 슬리브(31) 보다 큰 직경을 가지면서 중심 슬리브(31)로부터 방사 방향으로 형성되는 복수개의 커넥팅 암(32)으로 중심 슬리브(31)와 연결되는 외곽 슬리브(34)의 외주면으로부터 방사 방향으로 돌출되는 형태로 형성되며, 중심 블레이드(33)는 커넥팅 암(32) 마다 하나씩 설치된다.
이러한 팬 유닛(30)의 형태는 국소배기장치의 핵심적인 작용과 관련이 있다. 국소배기장치는 어느 공간에서나 국부적으로 또는 간헐적으로 발생하는 가스, 분진, 악취 등의 오염물질을 제거하기 위해 사용된다.
일반적으로 국소배기장치는 배기구의 부압(負壓)에 의한 공기유동을 이용한다. 오염물질이 부유되어 있는 공기를 배기구 쪽으로 흡입하면, 그 공기 중에 부유된 물질도 배기구로 오게 되는데, 기체의 경우에는 공기와 거의 같은 움직임을 나타내므로 오염물질이 있는 부분의 공기를 배기구로 빨아들이기만 하면 되지만, 분진과 같이 관성이 큰 오염물질은 공기 유동으로부터 이탈된다. 게다가 횡풍이나 사람의 움직임으로 인하여 공간 중에 별도의 유동이 가해지면, 어떤 위치의 공기는 배기구에 절대 도달하지 못하고 계속 재회전하게 되어, 이 위치의 공기는 환기효과가 없으며, 이 위치에는 계속 오염물질이 쌓이게 된다. 따라서 가급적 많은 위치에서 효과를 나타나게 하려면 배기구 방향으로의 흡입 유동속도를 높여야 하며, 결국 배기구에서의 흡입 유속을 높여야 한다.
또한, 횡풍이 없더라도 기체가 아닌 입자들은 중력에 의해 아래로 가라앉게 되는데, 이 입자들을 배기구로 움직이게 하려면 배기구 방향으로의 유동속도가 입자의 강하속도보다 충분히 커야 한다.
통상적으로 배기팬의 유량만 크면 충분하다고 생각하지만 실제로 환기가 잘 안 되는 것은 바로 배기팬이 충분한 유속을 만들어 내지 못하기 때문이다.
실례로 3CMM(분당 3mㅃ)의 유량을 갖고 있는 배기팬을 3평 정도의 실내에 튼다면 약 3분이면 실내의 모든 오염물질이 제거되어야 하지만 실제로는 30분을 틀어도 깨끗해 지지 않는다고 느끼는 것은 바로 유속저하 때문이다.
근본적으로 이러한 문제점은 유속이 배기구로부터의 거리에 따라 급격히 감소하기 때문이다. 일반적인 실내 조건에서 오염물질을 배기구 방향으로 보내기 위해 필요한 유동속도(포집속도, capture velocity)는 0.25~1.3m/s이다. 이 포집속도는 배기구에서의 속도가 아니라 오염물질이 떠있는 위치에서 필요한 유동속도이다.
Dalla Valle 방정식에 따르면 이 유동속도는 거리의 제곱에 반비례한다. 즉 배기 후드의 입구에서 후드 직경의 1배(1D) 만큼만 떨어져도 포집속도가 배기구 속도의 10% 이하가 되고, 2배(2D) 떨어지면 2% 수준으로 격감한다.
그럼에도 불구하고 오염물질의 포집효율(capture efficacy)을 높이기 위해서는 어쩔 수 없이 배기 유량을 늘려야 하는 것이 현재까지의 배기 기술의 한계이다.
Dalla Valle 방정식은 Vx = Vf/{12.7 X (x/d)2 + 0.75}
여기서 Vx는 x지점에서의 유속, Vf는 배기구 입구 유속 x는 배기구로부터의 거리, d는 배기구의 직경(diameter)을 나타낸다.
따라서 배기구 직경(d)의 1배, 즉 x=d인 지점에서의 유속은 상기 식에 대입하면, Vx = 0.074Vf, 즉 배기구 입구 유속(Vf)의 7.4%가 된다.
이러한 문제점을 극복하기 위해서 일반적으로 배기 유량을 늘려 포집속도를 늘리려 한다. 그러나 유동에 필요한 에너지는 유동속도의 세제곱에 비례한다. 즉 배기구 유속을 2배로 증가시키려면 배기에 필요한 에너지를 8배 소모하여야 한다.
이는 포집속도를 높이기 위해 팬이나 블로어의 용량을 증대시키는 것은 경제적으로 막대한 부담이 된다는 것을 의미한다.
현재 대부분의 선도 업체들은 고가의 BLDC 모터를 사용하여 적은 에너지 소모로 배기장치의 유량을 증대 시키는 소위 고효율 에너지 배기장치를 개발하는데 집중하고 있다. 그러나 이러한 개선에도 불구하고 여전히 장치의 소음, 에너지 비용의 과다 등의 문제로 인해 유량(풍량)을 늘려 포집속도를 높이는 데는 한계가 있다.
또한 산업현장에서는 포집속도를 높이기 위해 국소배기장치의 후드를 가능한 한 오염원 가까이 설치하여야 하고, 이는 작업자의 움직임이나 설비의 유연한 배치에 저해 요인이 되어 국소배기장치의 사용이 제한되고 있다.
물론 이러한 한계는 아직까지 전세계의 어느 업체도 극복하지 못하고 있는 산업계의 과제이다.
일반 환기구에서는 배기구에 음압이 형성되면 공간중의 모든 방향에서 배기구를 향하여 유동이 형성된다. 따라서 유동 면적이 매우 크고, 거리에 따라 제곱에 비례하여 유동단면적이 늘어나면서 유동속도가 거리의 제곱에 반비례하여 감소한다.
여기서 포집깊이와 포집영역을 증대시키기 위해서는 강력한 보텍스(와류)가 요구된다.
본 발명에서의 팬 유닛(30)은 돌리기 시작하면 도 5에 도시된 바와 같이 방사 블레이드(35)가 공기를 반경방향으로 강하게 밀어내며, 밀려나간 공기가 배기구의 흡입력에 의해 배기구 쪽으로 돌아오면서, 도넛모양의 와류 띠가 도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이 하단에 형성되기 시작한다. 이 와류 띠가 에어커튼의 역할을 한다. 와류가 더욱 강해지면 팬 유닛(30) 하단에 형성 되었던 와류 띠가 점차 바깥쪽으로 이동하여 팬 유닛(30) 끝부분에 자리 잡는다. 이 와류로 인해 팬 유닛(30)으로 유입되는 유동이 공기를 배기구의 중앙 부분으로 밀어 올려 포집영역이 도 6a에 도시된 바와 같이 축 방향으로 넓어지게 된다.
회전속도가 더욱 커지면 커다란 와류 띠가 팬 유닛(30) 외부에 안정되게 자리를 잡으면서 측면에서 배기구 방향으로 들어오는 유동을 차단하는 역할을 하게 된다. 따라서, 배기구 방향으로의 유동은 배기구 하단부에서만 집중적으로 형성되고, 이로 인하여 유동단면적이 작아지면서 유동속도가 높게 유지되는 것이다.
즉, 기존의 배기장치로는 포집속도를 2배로 늘리기 위해서는 8배의 추가적인 에너지를 소모하여 유량을 늘려야 하지만, 본 발명에 따른 국소배기장치(1)는 추가적인 에너지 소모 없이, 즉 기존 유량을 늘리지 않고도 포집속도를 2배 이상 늘릴 수 있는 혁신적인 기술이다.
특히 본 발명에 따른 국소배기장치(1)를 지하상가, 지하철 역사, 병원 등 기존의 중앙집중식 배기 시스템에 적용할 경우, 오염물질의 포집효율은 6배 이상 높이면서 중앙 터보팬의 운전을 1/3 이하로 줄일 수 있고, 국부적 운영이 가능해져 막대한 에너지 절약 및 공기질 개선을 이룰 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.
1 : 국소배기장치 10 : 광촉매 허니컴 필터
11 : 평면 격벽 12 : 너울 격벽
20 : 함체 30 : 팬 유닛
31 : 중심 슬리브 32 : 커넥팅 암
33 : 중심 블레이드 34 : 외곽 슬리브
35 : 방사 블레이드 36 : 외곽 디스크
37 : 보호 스크린 40 : 글러브 박스
41 : 글러브 홀 42 : 측면 도어

Claims (6)

  1. 함체(20)와;
    함체(20)의 일부로부터 연장되어 뻗어나오는 덕트와, 덕트의 소정 부위에 설치되는 팬 유닛(30)으로 이루어지는 집진부와;
    상기 함체(20) 또는 집진부 중 어느 하나에 내장되어 집진부가 집진시키는 공기를 걸러내는 필터(10)와;
    상기 함체(20) 또는 집진부에 내장되며, 팬 유닛(30)을 구동시키는 구동부; 및,
    상기 함체(20)에 내장되어 구동부에 전원을 인가시키는 전원부;로 구성되되,
    상기 팬 유닛(30)은 회전축이 삽입되는 중심 슬리브(31)와, 중심 슬리브(31) 주변에 방사상으로 복수개가 형성되어 중심 슬리브(31)의 중심을 기준으로 회전되면서 외부 공기를 상기 덕트 내부로 흡입시키는 방향으로 공기를 유동시키는 중심 블레이드(33)와, 중심 블레이드(33)의 외곽에 복수개가 방사상으로 배치되어 회전 과정에서 중심 블레이드(33)의 외곽 부위의 공기를 방사 방향으로 밀어주는 방사 블레이드(35)로 구성되고,
    상기 방사 블레이드(35)는 중심 슬리브(31) 보다 큰 직경을 가지면서 중심 슬리브(31)로부터 방사 방향으로 형성되는 복수개의 커넥팅 암(32)으로 중심 슬리브(31)와 연결되는 외곽 슬리브(34)의 외주면으로부터 방사 방향으로 돌출되는 형태로 형성되며,
    상기 중심 블레이드(33)는 커넥팅 암(32) 마다 하나씩 설치되고,
    상기 팬 유닛(30)은 중심 슬리브(31)에 삽입된 회전축의 회전에 의해서, 중심 블레이드(33)에 의한 흡기 동작과 방사 블레이드(35)에 의한 와류 형성이 동시에 수행되는 것을 특징으로 하는 국소배기장치(1).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 필터(10)는 활성탄에 광촉매가 결합되고, 상기 활성탄에는 제올라이트가 첨가된 것을 특징으로 하는 국소배기장치(1).
  3. 제2항에 있어서,
    상기 필터(10)는 활성탄과 제올라이트에 광촉매가 결합된 조성물에 한지사 및 세라믹 화이버가 첨가되어 제조된 초지가 제단되어 제작되는 것을 특징으로 하는 국소배기장치(1).
  4. 제3항에 있어서, 상기 필터(10)는 상기 초지가 평면 형태로 성형된 평면 격벽(11)이 일정 간격으로 복수개가 배치된 상태에서 평면 격벽(11) 사이 마다 상기 초지로 성형되는 너울 형태의 너울 격벽(12)이 삽입되어 형성되며,
    상기 너울 격벽(12)은 너울 격벽(12) 양 측에 배치된 평면 격벽(11)에 동시에 접촉됨으로써 너울 격벽(12)이 이루는 너울 형상의 굴곡 마다 하나의 통기구로 형성되며, 각 통기구를 지나는 공기에 포함된 유해물질은 통기구를 통과하는 과정에서 흡착된 후 분해되는 것을 특징으로 하는 국소배기장치(1).
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