KR102206354B1 - 미세먼지 제거 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 미세먼지 제거 장치는, 공기가 통과할 수 있는 관 형상으로 이루어지진 절연체 파이프와, 상기 절연체 파이프 내측에 배치되는 제 1 도전망과, 상기 절연체 파이프 내측에서 상기 제 1 도전망 보다 높은 위치에 배치되는 제 2 도전망과, 상기 제 1 도전망과 제 2 도전망 사이에 배치되고, 회전되는 적어도 하나 이상의 송풍팬을 포함하는 송풍 수단과, 상기 제 1 도전망 또는 제 2 도전망은 적어도 하나 이상의 도전체로 이루어지고, 상기 제 1 도전망 또는 제 2 도전망에는 AC 전압이 인가되고, 상기 송풍 수단의 송풍팬에는 그라운드 전압이 인가되는 것을 특징으로 한다.

Description

미세먼지 제거 장치{Apparatus for removing fine dust}

본 발명은 미세먼지를 효과적으로 제거할 수 있는 장치에 대한 것이다.

미세먼지는 크기가 작아 인체 호흡 시 입이나 코 기관지 등에 걸리지 않고 폐포 깊숙한 곳까지 침투하는 특성이 있으며, 빛의 굴절 및 산란과 같은 광학적 특성을 지니고 있어 시야확보에도 많은 지장을 초래한다.

또한 미세 먼지는 많은 유기 무기 유해물질을 함유하고 있어 폐까지 침투한 미세먼지는 폐 속에 잔류하며 포함하고 함유하 고 있는 다양한 유기 무기 유해물질을 인체에 전달하여 폐렴, 폐암, 기관지염 등과 같은 매우 심각한 호흡기 질환을 유발한다.

미세먼지는 우리 나라의 자동차 등과 같은 이동오염원뿐만 아니라 가정용 난방, 산업용 에너지 소비 등에 의해 발생되는 고정오염원에 더불어 중국의 고비 사막으로부터 발생되어 넘어오는 황사 그리고 최근 중국의 대규모 산업화로 인해 동아시아 전체가 심각한 수준에 놓여있어 실외뿐만 아니라 실내에서도 미세먼지 때문에 많은 어려움을 겪고 있다.

실내의 미세먼지를 제거하는 공기여과 장치는 대부분 필터를 이용한 방식이 활용되고 있다. 미세먼지를 제거하 기 위해서 사용되고 있는 필터 중, 헤파(HEPA) 필터는 직경이 0.3 ㎛ 급의 미세먼지를 99.97% 포집할 수 있는 높은 미세먼지 여과율을 보인다.

그러나 헤파 필터는 미세먼지를 제거하는 데는 매우 효과적이지만 나노크기의 미세 폴리머 또는 유리섬유가 매 우 조밀하게 얽혀있어 공기의 필터 투과효율이 매우 낮다. 즉 압력손실이 매우 크다. 그로 인해 HEPA 필터를 미 세먼지를 제거하는 공기청정 시스템에 활용할 경우, 대용량 송풍기가 필요하며 그로 인한 동력 소비량이 크고 그로 인한 소음과 진동이 심해 방음 및 방진을 위한 설비도 추가적으로 요구되는 단점이 있다.

또한 한번 사용된 헤파필터는 재사용이 불가능하여 6~12개월 간격으로 교체를 해줘야 하는 번거로움이 존재한다.

근래에 들어와서는 이러한 헤파필터의 단점을 보완하고자 다양한 기능성 필터소재들이 소개되고 있다. 대표적인 필터소재로는 필터소재 자체가 양(positive) 또는 음(negative)의 하전을 띠고 있어 정전기력을 통해 공기 중의 미세먼지를 효과적으로 포집하는 정전필터(electret filter)가 있다. 그러나 정전필터의 전기적 하전특성은 먼 지가 포집되어 쌓일수록 없어지며, 입자상 오염물질 포집에 사용되지 않고 오랜 시간 보관만 되도 전기적 하전 특성이 쉽게 사라진다. 정전필터 표면이 물이나 알콜 등에 노출될 경우에도 하전특성이 매우 쉽게 제거되어 미세먼지 제거 능력이 현저히 저하되는 단점이 있다.

정전필터의 하전특성이 시간이 지남에 따라 자연적으로 또는 외부 손상에 의해 쉽게 소멸 내지 저하되는 문제를 해결하기 위해, 유전특성을 갖는 필터의 상,하부에 전도성 필터를 겹쳐놓고 각각 양과 음 또는 음과 양의 고전 압을 인가하여 유전체 여과제를 전기적으로 분극하여 정전기적으로 활성화시킨 공기정화용 필터가 개발된 바 있다 (공개특허 10-2011-0128465). 그러나 해당 필터는 필터를 총 3겹으로 만들어야 하는 공정상 번거로움과 겹겹 의 필터로 인한 높은 압력손실의 문제가 여전히 존재한다.

압력손실이 일반 헤파필터의 1/5 ~ 1/20 수준인 일반 부직포 필터에 금속을 코팅하여 전도성 필터를 전기집진 방식의 시스템에 적용하여 미세먼지를 매우 효과적으로 제거할 수 있는 방법도 소개된 바 있다. 헤파필터의 높은 압력손실문제를 해결하기 위해 낮은 압력손실을 지닌 필터소재에 금속을 코팅하는 방법으로 높은 전기전도성 을 부여하여 하전된 미세입자와의 전기장을 극대화하는 방법으로 압력손실은 헤파필터의 1/10 수준이지만 미세 먼지는 헤파필터와 동등한 수준으로 제거할 수 있었다.

하지만 일정한 부피의 공간에 많은 양의 공기를 제거하기 위해 일반적으로 적용되는 필터 절곡법을 금속이 코팅된 전도성 필터에 적용할 경우 균일한 전기장 형성이 이루어지지 않아 전기적으로 하전된 미세먼지와 전도성 필터 사이의 전기적 인력이 제대로 발생하지 않아 미세먼지 제거가 거의 이루어지지 않는다.

다양한 종류로 미세먼지를 제거할 수 있는 장치들이 개발되고 있으나, 미세먼지 제거를 위한 가장 효율적인 동작을 갖는 장치의 개발이 필요하다.

본 발명은 미세먼지를 제거하거나, 오존을 효과적으로 제거할 수 있는 장치를 제안하고자 한다.

본 발명의 미세먼지 제거 장치는, 공기가 통과할 수 있는 관 형상으로 이루어지진 절연체 파이프와, 상기 절연체 파이프 내측에 배치되는 제 1 도전망과, 상기 절연체 파이프 내측에서 상기 제 1 도전망 보다 높은 위치에 배치되는 제 2 도전망과, 상기 제 1 도전망과 제 2 도전망 사이에 배치되고, 회전되는 적어도 하나 이상의 송풍팬을 포함하는 송풍 수단과, 상기 제 1 도전망 또는 제 2 도전망은 적어도 하나 이상의 도전체로 이루어지고, 상기 제 1 도전망 또는 제 2 도전망에는 AC 전압이 인가되고, 상기 송풍 수단의 송풍팬에는 그라운드 전압이 인가되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 장치에 의해서, 공기 중의 미세먼지를 연소시켜 제거할 수 있을 뿐만 아니라, 오존을 제거하여 산소로 변화시키는 것도 가능한 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 미세먼지 제거 장치에 있어서의 전원 수단을 보여주는 도면이다.
도 2과 도 3은 본 발명의 전원 수단에 의해서 출력되는 전압 레벨을 테스트한 사진이다.
도 4와 도 5는 본 실시예의 먼지 제거 수단의 전체 구성을 보여주는 도면이다.
도 6은 본 실시예의 먼지 제거 수단을 상측에서 바라본 모습을 보여주는 도면이다.
도 7은 본 실시예의 먼지 제거 수단을 구성하는 회전 팬의 모습을 보여주는 도면이다.

이하에서는, 본 실시예에 대하여 첨부되는 도면을 참조하여 상세하게 살펴보도록 한다. 다만, 본 실시예가 개시하는 사항으로부터 본 실시예가 갖는 발명의 사상의 범위가 정해질 수 있을 것이며, 본 실시예가 갖는 발명의 사상은 제안되는 실시예에 대하여 구성요소의 추가, 삭제, 변경 등의 실시변형을 포함한다고 할 것이다.

본 발명과 관련되는 설명에 사용되는 접미어 "부", "수단"은 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 미세먼지 제거 장치에 있어서의 전원 수단을 보여주는 도면이고, 도 2과 도 3은 본 발명의 전원 수단에 의해서 출력되는 전압 레벨을 테스트한 사진이다.

도 2는 먼지 제거 수단으로 전원을 공급하는 고전압 변압기(13)의 1차측 전압을 낮추는 경우를 순서대로 나타낸 것이며, 최상측의 사진에서 최하측의 사진으로 갈수록 점차 1차측 전압을 낮추는 경우이고, 도 3은 고전압 변압기(13)의 1차측 전압을 점차 높이는 경우를 순서대로 나타낸 것이다.

먼저, 도 1을 참조하면, 본 실시예의 먼지 제거 수단으로 전달되는 AC 전원을 공급하기 위한 전원 공급수단(1)에 대해서 상세히 설명하여 본다.

알려진 바와 같이, IGBT(wjfdus 게이트 바이폴라 트랜지스터, Insulated Gate Bipolar Transistor)는 BJT 트랜지스터에 MOS FET 기술을 사용하여 베이스 단자를 MOS 절연시킨 것으로, 대용량의 전류를 흘리기에 적합하다. 다만, 이러한 대용량의 전류를 흘리는데 있어 고전압 변압기(13)의 1차측으로 높은 피크 전압이 전달된다면, 2차측으로 더욱 큰 전압이 전달되기 때문에 이러한 피크 전압의 제어는 반드시 필요하다.

사진에서 고전압 변압기(13)의 1차측 전압을 좁게한다는 것은 전압을 내린다는 것을 나타낸다. 특히, 본 실시예에서는 불규칙적으로 발생할 수 있는 피크 전압을 억제하기 위하여, 전압의 크기를 조절함에 따라 전압 펄스의 폭 뿐만 아니라 펄스 높이도 함께 조절된다.

인버터 브릿지 IGBT(12)를 구성하는 트랜지스터의 특성상, 1차측에서 전원을 낮추더라도 피크 전압이 발생할 수 있으며, 이 경우, 2차측으로 매우 높은 고전압의 피크 전압이 발생하게 되고, 이러한 경우에 먼지 제거 수단의 오작동 뿐만 아니라 고장을 유발하는 등의 위험이 있다.

본 실시예에 따를 경우에는, 쵸퍼 IGBT(11)를 AC 전원 입력단(10)과 인버터 브릿지 IGBT(12) 사이에 구성시켜, 고전압 변압기(13)의 1차측으로 전달되는 전압의 가변범위가 인버터 브릿지 IGBT(12) 가용범위 전부를 사용할 수 있게 된다.

상기 인버터 브릿지 IGBT(12)는 풀 브릿지로 배열된 4개의 트랜지스터로 구성되고, 4개의 트랜지스터는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)로 구성된다.

상기 인버터 브릿지 IGBT(12)로 공급되는 전류를 제어하기 위하여 온/오프 상태로 되는 양극성 트랜지스터인 쵸퍼 IGBT(11)가 AD 전원 입력단과 인버터 브릿지 IGBT(12) 사이에 구성되며, 상기 쵸퍼 IGBT(11)는 턴온 특성과 도통 특성이 우수하므로 상기 인버터 브릿지 IGBT(12)와 병렬로 구성되어 있다.

쵸퍼 IGBT(11)가 만약 구성되지 않는다면, 고전압 변압기(13)의 1차측 전압 크기를 낮추거나 높이는 경우에는 펄스의 높이는 고정되면서 펄스폭만이 좁아지거나 넓어지게 된다.

그러나, 본 실시예의 경우처럼, 상기 쵸퍼 IGBT(11)가 구성되면, 고전압 변압기(13)의 1차측 전압 크기를 변경시키는 경우에, 펄스폭이 좁아지거나 넓어지는 것과 함께, 펄스의 높이 역시 점차 낮아지거나 높아지게 되는 특성을 나타낸다. 즉, 펄스폭 변조와 함께 펄스 높이변조가 함께 이루어지는 특징을 갖는다.

이로 인해, 고전압 변압기(13)의 1차측 전압을 크게 높이는 경우에도, 펄스 높이만이 상승하는 것이 아니라 펄스폭 역시 함께 넓어지기 때문에, 펄스 높이가 과도하게 높아져서 피크 전압 발생시 매우 높은 전압이 고전압 변압기로 전달되어 버리는 경우를 방지할 수 있다. 변압기 특성상 2차측 전압 파형 역시 동일하게 나타나게 된다.

도 3에는 본 실시예에 따라 전원 수단에서 고전압 변압기의 전압을 높이는 경우의 오실로스코프 전압 측정 사진이다. 도 3의 윗사진에 나타난 전압에서 더욱 크게 전압을 높이면, 펄스 높이도 일부 높아지기는 하지만 펄스 폭 역시 넓어져서 피크 전압에 대응하기 유리한 특성을 갖는다.

상기 인버터 브릿지 IGBT(12)의 양단 전압은 쵸퍼 IGBT(11)에 의해 결정되고, 고전압 변압기(13)의 양단 전압을 낮추는 경우에 쵸퍼 IGBT(11) 양단 전압과 인버터 브릿지 IGBT(12) 양단 전압이 같이 내려가게 된다.

상기 전원 공급 수단(1)의 고전압 변압기의 2차측을 전원을 인가받아 미세먼지를 제거하는 먼지 제거 수단(100)에 대해서 도면을 참조하여 설명하여 본다.

도 4와 도 5는 본 실시예의 먼지 제거 수단의 전체 구성을 보여주는 도면이고, 도 6은 본 실시예의 먼지 제거 수단을 상측에서 바라본 모습을 보여주는 도면이고, 도 7은 본 실시예의 먼지 제거 수단을 구성하는 회전 팬의 모습을 보여주는 도면이다.

도 8과 도 9는 본 실시예의 먼지 제거 수단에서 송풍팬으로 그라운드 전압을 인가하고, 도전망으로 고전압을 인가하는 것을 설명하기 위한 도면이고, 도 10과 도 11은 본 실시예의 먼지 제거 수단의 제 1 도전망과 송풍팬 각각에 고전압과 그라운드 전압을 인가했을 때 발생하는 스파크 내지는 불꽃을 보여주는 사진이다.

본 실시예의 먼지 제거 수단(100)은 전술한 전원 공급 수단(1)에 의하여 불규칙적인 높은 피크 전압이 전달되는 경우가 억제되고, 고전압이 먼지 제거 수단(100)으로 전달되도록 설계된다.

먼지 제거 수단(100)은 외형을 형성하는 절연체 파이프(110)와, 상기 절연체 파이프(110) 내측에 배치되는 제 1 도전망(120)과 제 2 도전망(130)과, 상기 제 1 도전망(120)과 제 2 도전망(130) 사이에 배치되어 공기를 하측에서 상측으로 송풍시키는 송풍 수단(150)을 포함한다.

상기 송풍 수단(150)은 구조를 간단히 설명하기 위하여 단순화된 상태로 도시되어 있으나, 송풍 수단(150)을 구성하는 중심축(157)을 지지하기 위한 부재와, 상기 중심축(157)을 회전시키는 동력수단이 별도로 구성된다. 예를 들어, 상기 중심축(157)은 상기 제 2 도전망(130) 아래로 연장되고, 실시예에 따라서는 중심축(157)을 별도의 모터로 회전시킬 필요없이 외부에서 불어오는 바람에 따라 자연스럽게 상기 송풍팬(152)과 중심축(157)이 회전되도록 한다.

상기 중심축(157)과 송풍팬(152) 사이에는 별도의 커넥터(153)에 의해 연결된다. 본 실시예에 따르면, AC 전력을 출력시키는 고전압 변압기(13)의 2차측의 그라운드 전압은 상기 송풍팬(152)으로 인가되고, 상기 고전압 변압기(13)의 2차측 고전압은 상기 제 1 도전망(120) 및/또는 제 2 도전망(130)으로 인가된다.

도전망과 송풍팬 사이의 높은 전압차에 의하여 스파크가 발생되고, 그러한 스파크들은 높은 온도의 불꽃이 되어 주변 공기에 포함된 미세먼지를 연소시키게 된다.

한편, 상기 먼지 제거 수단(100)은 상기 절연체 파이프(110)의 길이방향(도 1에서 세로 방향)을 따라 상기 도전망들에서 매우 높은 온도의 불꽃이 발생하게 되고, 이러한 고온의 연소불을 이용하여 공기 중에 포함된 미세먼지를 연소시키는 역할을 수행한다. 이러한 고온을 이용한 연소를 통해 공기 중에 포함된 오존을 분해하여 산소로 변환시키는 것도 가능하다.

상세히, 상기 먼지 제거 수단(100)의 절연체 파이프(110)의 상측과 하측은 개방된 구조로 이루어지고, 상기 절연체 파이프(110) 내측에 제 1 도전망(120)과 제 2 도전망(130)이 간격을 두고 배치된다.

이들 제 1 도전망(120)과 제 2 도전망(130)은 전도가 가능한 철 등의 금속으로 이루어지고, 전원 공급 수단(1)의 고전압 변압기 2차측과 연결되어 전원이 공급되며, 전원이 공급되는 케이블은 도 9에 도시되어 있으며, 고전압 변압기(13)의 2차측 제 2 케이블(13B)이 상기 제 1 도전망(120) 및/또는 제 2 도전망(130)에 연결된다.

상기 고전압 변압기(13)의 2차측의 그라운드 전압은 송풍 수단(150)의 송풍팬(152)으로 연결되고, 높은 AC 전압은 상기 제 1 도전망(120) 및/또는 제 2 도전망(130)에 연결된다. 만약, 고전압을 제 1 도전망(120)과 제 2 도전망(130) 모두에 공급하는 경우에는 이들 도전망들은 전기적으로 병렬연결된 것으로 볼 수 있으며, 제 1 도전망(120)과 제 2 도전망(130)을 구성하는 복수의 도전체들 역시 상호간에 병렬로 연결된 것으로 볼 수 있다.

도면에는 제 1 도전망(120)과 제 2 도전망(130) 모두 4개의 도전체들로 이루어진 것으로 도시되어 있으나, 실시예에 따라서는 제 1 도전망(120)과 제 2 도전망(130) 각각이 하나의 도전체로 구성될 수도 있을 것이며, 2개 이상의 복수의 도전체들로 각각 구성될 수 있을 것이다. 도 10과 도 11에는 제 2 도전망(130)이 6개의 도전체들로 구성되는 경우를 제작한 것이며, 각각의 도전체들은 상호간에 절연되어 있으며, 볼트(140)를 이용하여 절연체 파이프(110)에 고정된 상태이고, 제 1 도전망(120)은 사용하지 않았다.

이 경우, 도 11에서와 같이, 그라운드 전압의 송풍팬과 높은 AC 전압이 인가된 제 2 도전망 사이에 스파크로 인한 높은 온도의 불꽃이 발생된다.

한편, 상기 제 1 도전망(130)과 제 2 도전망(140) 사이에는 전술한 송풍 수단(150)이 구성되고, 예를 들어, 상기 송풍 수단(150)은 공기의 이동시키기 위한 역할을 수행하면서 도전망을 구성하는 도전체와의 전압차가 발생하여 도전체에서 불꽃이 발생되도록 한다.

상기 송풍 수단(150)은 바람을 이동시키기 위한 역할을 수행하지만, 고전압 변압기(13)의 2차측의 그라운드 전압이 연결되는데, 상기 중심축(157)으로 그라운드 전압을 인가하고, 중심축(157)과 커텍터(153) 및 송풍팬(152) 모두 도전체로 이루어져 그라운드 전압이 송풍팬(152)에 인가된다.

철망과 같은 도전체로 이루어진 도전망으로 3,000V 이상의 높은 전압을 인가하게 되면, 철망의 고르지 않은 표면때문에 특정 부위에만 강한 스파크/불꽃이 일어날 수 있으며, 이 경우 철망(도전망)의 일부가 녹아내리는 등의 문제가 발생할 수 있다. 그러나, 도전망이 서로 간격을 두고 배치된 복수의 도전체로 이루어지고, 그라운드 전압이 인가된 송풍팬이 회전하는 것에 의해서, 도전망의 특정 부위에 집중적으로 스파크가 발생하는 것을 억제할 수 있다.

Claims (5)

1. 공기가 통과할 수 있는 관 형상으로 이루어지진 절연체 파이프와,
   상기 절연체 파이프 내측에 배치되는 제 1 도전망과,
   상기 절연체 파이프 내측에서 상기 제 1 도전망 보다 높은 위치에 배치되는 제 2 도전망과,
   상기 제 1 도전망과 제 2 도전망 사이에 배치되고, 회전되는 적어도 하나 이상의 송풍팬을 포함하는 송풍 수단과,
   상기 제 1 및 제 2 도전망과, 상기 송풍팬으로 전압을 인가하기 위한 전원 공급수단을 포함하고,
   상기 송풍 수단은 적어도 하나 이상의 송풍팬과, 상기 송풍팬과 함께 회전하는 중심축과, 상기 중심축과 송풍팬을 연결하는 커넥터를 포함하고,
   상기 송풍팬, 중심축 및 커넥터는 도전체로 이루어지고,
   상기 제 1 도전망과 제 2 도전망은 도전체로 이루어지고, 상기 전원 공급수단에 의하여 상기 제 1 도전망과 제 2 도전망으로는 AC 전압이 인가되고, 상기 송풍 수단의 송풍팬으로는 그라운드 전압이 인가되도록 구성되고,
   상기 제 1 도전망과 제 2 도전망 각각은 복수 개의 도전체들로 이루어지고, 각각의 도전체들은 상호간에 기설정된 간격만큼 이격된 상태로 배치되고,
   상기 전원 공급수단은, 상기 중심축과 제 1 및 제 2 도전망으로 고압 전압을 전달하기 위한 고전압 변압기와, 상기 고전압 변압기의 1차측 전압을 조절하기 위한 인버터 브릿지 IGBT와, 외부와 연결되는 AC 전원입력단과, 상기 인버터 브릿지 IGBT 사이에 구성되어 상기 인버터 브릿지 IGBT로 공급되는 전류를 제어하는 쵸퍼 IGBT를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세먼지 제거 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 인버터 브릿지 IGBT는 풀 브릿지로 배열된 4개의 트랜지스터로 구성되는 것을 특징으로 하는 미세먼지 제거 장치.
   
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