KR102247750B1 - 창문용 미세 먼지 정화 시스템과, 이를 구비한 창문 - Google Patents

Abstract

창문을 통과하는 바람에 실린 미세 먼지를 정화하는 미세 먼지 정화 시스템은 물 공급관으로 공급되는 물로 미세 액적을 형성하여 분사하는 분사 노즐 및 상기 분사 노즐의 동작을 제어하는 제어 장치를 포함하고, 상기 분사 노즐은 상기 미세 액적을 창문을 통과하는 바람에 간섭하도록 분사하고, 상기 미세 액적에 의해 바람에 실린 미세 먼지가 집진되어, 정화된 바람이 상기 창문을 통과하도록 한다.

Description

창문용 미세 먼지 정화 시스템과, 이를 구비한 창문{Micro dust cleaning system for window and Window having the same}

본 발명은 창문용 미세 먼지 정화 시스템과 이를 구비한 창문에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 창문을 통과하는 바람에 실린 미세 먼지를 정화하는 미세 먼지 정화 시스템과 이를 구비한 창문에 관한 것이다.

미세 먼지란 아황산가스, 질소 산화물, 납, 오존, 일산화탄소 등과 함께 오염물질을 포함하고 있는 대기 오염 물질로서 주로 화석연료를 사용하는 자동차, 난방시설 및 각종 산업시설로부터 배출된다. 입자의 크기에 따라 무거워서 침강하기 쉬운 것을 강하분진이라 하고, 입자가 미세하고 가벼워서 좀처럼 침강하기 어려워 장기간 대기 중에 떠다니는 것을 부유분진이라고 한다.

미세 먼지의 입경은 10㎛이하이며 특히 2.5㎛ 이하의 미세 먼지는 '초미세먼지' 또는 '극 미세먼지'로 칭하기도 한다. 10㎛의 입경을 가진 미세 먼지는 PM10 (Particulate Matter with a diameter than 10㎛)로 2.5㎛인 경우에는 PM2.5로 분류한다.

미세 먼지의 크기가 10㎛, 더 작게는 2.5㎛로 매우 작은 입경을 갖고 있기 때문에 인체 폐의 내부에 침착하여 호흡기 질환을 유발한다. 미세 먼지는 먼지 자체뿐만 아니라 질소 산화물, 납, 오존, 일산화탄소, 1급 발암 물질로 분류되어 있는 중금속 등을 내포하기 있기 때문에 미세 먼지가 부유하고 있는 대기 중에서 호흡을 하게 될 시 폐암, 후두암과 같은 심각한 질병을 초래할 수 있다.

한반도의 미세 먼지 농도는 해를 거듭할수록 최대치를 기록하고 있다. 국가별 미세 먼지 PM2.5 기준치를 비교해보면 WHO에서는 24시간 평균치를 25로 연간평균치를 10으로 두고 있으나 한국은 각각 50, 25로 약 2 ~ 2.5배 이상의 미세먼지 기준치를 갖고 있어 한국 내의 미세먼지가 심해지고 있음을 알 수 있다. 특히 높은 빌딩이 주를 이루고 있는 도심 지역에서의 미세먼지 농도는 더욱 더 심각해지고 있다.

미세 먼지가 심한 날에는 많은 사람들이 건물의 창문을 닫고 생활하는 경우가 많다. 하지만, 환기가 이루어지지 않아서 실내에는 톨루엔이나 아세톤 등 실내 오염 물질의 농도가 증가하는 부작용이 발생한다. 이에 따라서, 공기 청정기를 이용해 공기 정화를 하는 일이 늘고 있다. 하지만, 창문을 닫고 공기 청정기를 이용하는 경우, 실내의 미세 먼지를 감소하는 현상을 보이지만 사람들의 호흡에 따라 이산화탄소 농도가 크게 증가하는 현상이 발생한다.

밀폐되어 나빠진 실내 공기는 오히려 미세 먼지보다 인체에 해로울 수 있음이 여러 연구를 통해 경고되고 있다. 따라서, 미세 먼지가 있는 날에도 창문을 개방하여 환기하는 것이 필수적이다.

특허문헌 1에는 부직포와 황토 등을 이용한 특수 필터를 창문에 설치하여 외부 공기에 포함된 먼지를 필터로 거르고 공기만 창문을 통과하도록 하는 장치가 개시되어 있다.

하지만, 이러한 장치는 필터로 인해 창문의 가시성 및 통기성을 크게 저해하고, 필터의 교환에 많은 비용이 소요된다는 문제점이 있다.

대한민국 등록특허공보 제0902481호

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 창문의 가시성과 통기성을 확보하면서도 바람에 실린 미세 먼지를 크게 저감시킬 수 있는 창문용 미세 먼지 정화 시스템과 이를 구비한 창문을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 창문을 통과하는 바람에 실린 미세 먼지를 정화하는 미세 먼지 정화 시스템으로서, 물 공급관으로 공급되는 물로 미세 액적을 형성하여 분사하는 분사 노즐 및 상기 분사 노즐의 동작을 제어하는 제어 장치를 포함하고, 상기 분사 노즐은 상기 미세 액적을 창문을 통과하는 바람에 간섭하도록 분사하고, 상기 미세 액적에 의해 바람에 실린 미세 먼지가 집진되어, 정화된 바람이 상기 창문을 통과하도록 미세 먼지 정화 시스템이 제공된다.

일 실시예에 따르면, 미세 먼지 정화 시스템은 상기 미세 액적을 전기적으로 극성을 가지도록 하전시켜 하전된 미세 액적을 형성하는 하전 장치를 더 포함하고, 상기 하전된 미세 액적의 전기적 인력이 집진 작용력으로 추가되어 미세 먼지가 상기 하전된 미세 액적의 표면에 흡착되도록 할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 분사 노즐은 상기 창문의 외측에 설치되어, 상기 창문을 통해 건물의 내외부로 유통하는 바람을 정화할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 미세 먼지 정화 시스템은 건물의 외부에서 상기 창문을 통해 건물의 내부로 유입되는 바람의 세기를 측정하는 풍속 센서를 더 포함하고, 상기 제어 장치는 건물의 외부에서 상기 창문을 통해 건물의 내부로 유입되는 바람이 감지되는 경우, 상기 분사 노즐을 가동할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 미세 먼지 정화 시스템은 건물의 외부에서 상기 창문을 통해 건물의 내부로 유입되는 바람의 세기를 측정하는 풍속 센서를 더 포함하고, 상기 분사 노즐은 상기 창문에 대한 상기 미세 액적의 분사 각도의 조정이 가능하도록 형성되고, 상기 제어 장치는 건물의 외부에서 상기 창문을 통해 건물의 내부로 유입되는 바람의 세기에 따라 상기 분사 노즐의 분사 속도 내지 분사 각도를 조정할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 분사 속도 내지 분사 각도는 상기 미세 액적이 바람에 밀려 건물의 내부로 유입되지 않도록, 상기 바람의 세기에 따른 상기 미세 액적의 수평 이동 거리를 기초로 결정될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 하전된 미세 액적과 반대되는 극성을 가져 상기 하전된 미세 액적을 끌어들이는 미세 액적 포집기가 상기 창문에 탈부착 가능하게 결합될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 미세 먼지 정화 시스템은 건물의 외부의 미세 먼지의 농도 정보를 수집하는 먼지 정보 수집 장치를 포함하고, 상기 제어 장치는 건물의 외부의 미세 먼지의 농도가 소정 값 이상인 경우 상기 분사 노즐을 가동할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 미세 먼지 정화 시스템은 건물의 내부의 미세 먼지의 농도 정보를 수집하는 먼지 정보 수집 장치를 포함하고, 상기 제어 장치는 건물의 내부의 미세 먼지의 농도가 소정 값 이상인 경우 상기 분사 노즐을 가동할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 미세 먼지 정화 시스템은 상기 창문의 프레임에 지지된 도어의 개폐 여부를 감지하는 개폐 감지 센서를 더 포함하고, 상기 도어의 개방이 감지되면, 상기 제어 장치가 상기 분사 노즐을 작동시킬 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 건물의 개구에 설치되는 프레임과, 상기 프레임에 지지되는 도어와, 상기 미세 먼지 정화 시스템을 포함하고, 상기 미세 먼지 정화 시스템은 복수의 분사 노즐을 포함하고, 상기 복수의 분사 노즐은 상기 프레임을 따라 열을 지어 설치되는 창문이 제공된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 먼지 정화 시스템이 설치된 건물의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 먼지 정화 시스템이 설치된 건물의 부분 사시도이다.
도 3은 도 1 및 도 2의 미세 먼지 정화 시스템에 의해 형성된 미세 액적에 의한 미세 먼지의 집진에 작용하는 작용력을 설명하는 도면이다.
도 4는 도 1 및 도 2의 미세 먼지 정화 시스템에 적용되는 일례에 따른 하전 장치의 구성 개념도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 먼지 정화 시스템의 개념도이다.
도 6은 도 5의 미세 먼지 정화 시스템에서 분사 노즐의 분사 각도가 조정되는 상태를 도시한 것이다

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용은 제한되지 않는다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 먼지 정화 시스템(3)이 설치된 건물(1)의 개략도이고, 도 2는 본 실시예에 따른 미세 먼지 정화 시스템(3)이 설치된 건물(1)의 상세도이다.

본 실시예에 따른 미세 먼지 정화 시스템(3)은 건물(1)의 창문(4)을 통과하는 바람에 실린 미세 먼지(70)를 정화한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 미세 먼지 정화 시스템(3)은 건물(1)의 복수의 창문(4)마다 구비될 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 창문(4)은 건물(1)의 개구에 고정되는 프레임(41)과, 프레임(41)에 대해 좌우로 슬라이딩 가능하게 지지되는 두 개의 도어(42, 43)를 포함하는 미닫이형 창문이다.

미세 먼지 정화 시스템(3)은 건물(1)의 외측에서 프레임(41)에 부착되는 인클로저(31)와, 상기 인클로저(31) 내부에 형성되는 복수의 분사 노즐(30)을 포함한다. 분사 노즐(30)은 창문(4)의 상부 프레임의 길이 방향을 따라 열을 지어 배치되어 있다. 인클로저(31) 내부에는 분사 노즐(30) 외에도 분사 노즐(30)의 각도를 조정할 수 있는 모터와 기어, 하전 장치, 전선, 물 공급관 등이 설치된다.

인클로저(31)는 환기시 주로 개방하는 도어(42)의 상방에 설치되고, 대략 도어(42)의 길이와 동일한 길이로 형성된다. 분사 노즐(30)은 창문(4)의 하방을 향해 미세 액적을 분사하도록 배향되어 있다.

본 실시예에 따르면, 두 개의 분사 노즐(30)이 형성되어 있지만, 분사 노즐(30)의 수는 창문(4)의 크기 및 형태에 따라 적절히 조정될 수 있다. 또한, 분사 노즐(30)은 상부 프레임을 따라서만 설치되어 있지만, 창문(4)이 형성하는 개구의 크기에 따라서 좌우 및 하부 프레임을 따라서도 분사 노즐(30)이 형성되어도 좋다.

또한, 인클로저(31)는 창문(4)의 프레임(41)에 부착되도록 되어 있지만, 창문(4)의 크기 및 구조에 따라서 인클로저(31)는 건물(1)의 외벽에 설치될 수도 있다.

나아가, 본 실시예에 따르면, 기존의 건물(1)에 미세 먼지 정화 시스템(3)을 추가로 손쉽게 설치할 수 있도록 별도의 인클로저(31)가 구비되지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 창문(4)의 프레임(41)의 상단 프레임 자체가 분사 노즐(30) 등이 수용될 수 있는 형태로 형성되어, 별도의 인클로저(31)를 생략하고 창문(4)과 일체형인 미세 먼지 정화 시스템(3)을 형성할 수도 있다.

본 실시예에 따른 미세 먼지 정화 시스템(3)은 물을 이용해 미세 먼지의 정화를 실시한다.

본 실시예에 따른 분사 노즐(30)은 물을 미세하게 쪼개서 미세 액적을 형성한다.

본 실시예에 따른 분사 노즐(30)은 플랫 팬 노즐(Flat Fan nozzle), 풀 콘 노즐(Full Cone nozzle), 할로우 콘 노즐(Hollow Cone nozzle), 에어 아토밍 노즐(Air Atoming nozzle) 등 알려진 형태의 노즐일 수 있다.

이 중, 이류체 노즐인 에어 아토밍 노즐은 기체와 액체를 각각 내부 혹은 외부에서 혼합하여, 압축 공기의 힘으로 액체를 분무하는 방식이다. 물은 물과 함께 분사되는 고속의 공기로 인해 매우 미세하게 쪼개진다. 에어 아토밍 노즐물이 매우 느린 속도로 분무되며 미세한 입자를 분무한다.

미세 먼지의 정화 효율은 노즐로부터 분사되는 액적의 입자경의 크기가 미세 먼지와 유사할수록 효율은 증가할 수 있으므로, 본 실시예에 따르면 입자경의 크기가 가장 작은 에어 아토밍 노즐을 분사 노즐(30)로 이용한다.

본 실시예에 따르면, 분사 노즐(30)이 생성하는 미세 액적(51)은 그 입경이 100 ㎛ 이하이다.

100 ㎛ 이하의 입경을 가지는 미세 액적을 형성함으로써, 미세 액적이 부유하지 않고 낙하하면서도, 미세 먼지와 직경이 최대한 유사하며, 미세 먼지가 흡착될 수 있는 표면적이 최대로 증가할 수 있게 된다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따르면, 분사 노즐(30)은 미세 액적(51)이 형성하는 스트림(52)을 창문(4)을 통과하는 바람(73)에 간섭하도록 분사한다.

본 실시예에서는 분사 노즐(30)이 창문(4)의 상단에 설치되므로 스트림(52)의 분사 방향은 아래쪽이 된다. 다만, 창문(4)의 형태에 따라 바람의 유동 방향은 다양할 수 있고, 분사 노즐(30)은 해당 바람의 유동 방향을 가로질러 미세 액적의 스트림(52)이 분사되도록 분사 방향이 결정될 수 있다.

미세 액적의 스트림(52)은 도어가 개방된 창문(4)의 개구의 면적을 실질적으로 커버한다. 창문(4)의 크기로 인해 상단 프레임에 설치된 분사 노즐(30)로 창문(4)의 개구를 모두 커버하기 어려울 때는 창문(4)의 좌우 내지 하단 프레임에도 분사 노즐(30)을 추가로 설치하여도 좋다.

바람의 유동 방향에 간섭한 미세 액적(51)에 의해 바람에 실린 미세 먼지(70)가 집진되고, 미세 먼지(70)가 정화된 바람(74)이 창문(4)을 통과하게 된다.

도 3은 미세 액적(51)에 의한 미세 먼지(70)의 집진에 작용하는 작용력을 설명하는 도면이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 미세 액적(51)이 바람의 유동 방향에 침투하면, 미세 액적(51)과 미세 먼지(70) 사이에는 관성력, 확산력, 열확산, 응집력, 중력이 작용하여 미세 먼지의 집진이 일어난다.

이때, 관성력과 중력은 미세 액적(51)의 입경이 클수록, 확산력, 응집력은 입경이 작을수록 큰 집진 작용력을 발휘하게 된다. 따라서, 최고의 효율을 가지는 미세 액적(51)의 크기를 대략 설정할 필요가 있다.

입자 지름이 1 ㎛ 이상(미세먼지의 대부분)의 미세 먼지의 경우에는 관성 충돌이 지배적인 집진작용력으로서 작용한다.

최고의 효율을 가지는 미세 액적(51)의 크기의 이론적 계산을 위해 미세 먼지의 입자가 유선을 따라 흐를 때 입자가 유선을 벗어나는 정도를 나타내는 무차원수인 아래 [수학식 1]의 스토크 수(Stk)에 따른 아래 [수학식 2]의 제거 효율을 계산하여 미세 액적(51)의 직경을 구하였다.

미세 먼지(70)는 대기 중 많이 존재하는 PM25의 질산 암모늄, 대기 풍속은 봄철 평균 풍속인 2m/s로 가정하였다.

[수학식 1]

[수학식 2]

여기서, η은 효율, d_p는 입자 밀도, U는 유동 속도, μ_d는 공기 점성(viscosity), D_d는 미세 액적의 직경이다.

본 실시예에 따른 미세 먼지 정화 시스템(3)은 일반적으로 가정용으로 적용되는 경우가 많을 것이므로, 미세 액적의 크기가 보행자 등 주변이 피해가 가지 않아야 하고, 노즐 작동을 위한 에어 컴프레서의 소음이나 부피가 크지 않아야 하므로, 정화 효율은 80%로 설정하였다.

상기 [수학식 1] 및 [수학식 2]를 통해 계산한 결과, 미세 액적(51)의 직경(D_d)이 51.04 ㎛ 일 때, 목표 효율인 80%에 도달하는 것으로 나타났다. 물론 산출되는 미세 액적(51)의 직경은 목표 효율의 조정을 통해 조정가능할 것이다.

이와 같이, 적정한 크기의 미세 액적(51)을 형성하는 것만으로도 높은 효율의 미세 먼지 정화 효율을 가지는 미세 먼지 정화 시스템(3)을 형성할 수 있다.

다만, 관성 충돌 등에 의한 세정 집진은 미세 먼지(70) 중에서 1 ㎛ 이상의 지름을 가지는 미세 먼지(71)에는 효과적이지만, 1 ㎛ 보다 작은 지름을 가지는 초미세 먼지(72)의 경우 제거가 어렵다는 문제가 있다.

따라서, 본 실시예에 따른 미세 먼지 정화 사스템(3)은 미세 액적(51)과 미세 먼지(70) 사이에 전기적 인력을 발생시키고 이를 집진 작용력으로 추가함으로써, 미세 먼지 저감(집진) 효율을 극대화한다(도 3 참조).

이를 위해, 본 실시예에 따른 미세 먼지 정화 시스템(3)은 미세 액적(51)이 전기적으로 극성을 가지도록 하전시켜 "하전된 미세 액적(50)"을 형성하는 하전 장치(20)를 포함한다.

미세 먼지 정화 시스템(3)의 분사 노즐(30)은 하전 장치(20)에 의해 하전되어 전기적으로 극성을 가지는 하전된 미세 액적(50)을 공기 중으로 분사하고, 하전된 미세 액적(50)의 전기적 인력이 집진 작용력으로 추가되어 더 많은 수의 미세 먼지가 하전 액적의 표면에 흡착될 수 있다.

예를 들어, 하전된 미세 액적(50)이 100㎛의 직경을 가진다고 하고, 0.42L/h의 물이 공급된다고 한다면, 약 8천만 개의 하전된 미세 액적(50)을 생성할 수 있다.

미세 먼지의 직경이 2.5㎛ 이고, 밀도가 1000kg/m³라고 가정하면, 액적 하나당 최대 6,700개의 미세 먼지가 붙을 수 있다.

미세 먼지의 흡착율은 수액적이 하전되어 전기적인 인력이 추가되는 경우 더 증가하게 되며, 하전된 미세 액적(50) 하나당 미세 먼지가 10개씩만 더 붙는다고 가정하여도, 65,600㎍의 미세 먼지가 추가로 흡착되는 효과를 기대할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 하전 장치(20)는 전기 에너지를 인가하여 하전된 미세 액적(50)을 생성하는 전기적 하전 장치이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 하전 장치(20)의 구성 개념도이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 하전 장치(20)는 전도체인 분사 노즐(30)의 노즐 랜스에 직접 고전압을 인가하는 전압 인가 장치(201)를 포함한다.

전압 인가 장치(201)를 통해 고전압을 인가하여 발생하는 플라즈마에 의해 랜스를 지나는 물(103)에 전자를 주입하거나 추출함으로써, 하전된 미세 액적(50)을 생성한다.

도 4를 참조하면, 노즐 랜스에 높은 플러스(+) 전압을 인가하면, 노즐을 통과하는 물(103)로부터 전자가 추출되고, 전압 인가 장치(201)의 회로를 통해 접지로 흘려보낸다. 그 결과로, 노즐 랜스를 통과하는 물(103)은 전자의 부족으로 양극성으로 하전되고, 하전된 물을 분사 노즐(30)을 통해 분사하여 액적화함으로써, 전기적으로 극성을 가지는 하전된 미세 액적(50)이 생성된다.

본 실시예에서는 양극으로 하전된 미세 액적(50)을 예로 들고 있지만, 이에 한정되지 않는다.

위와 반대로 노즐 랜스에 높은 마이너스(-) 전압을 인가하면, 음극이 연결된 도체에 전자가 생성되기 시작하고 이 전자들이 전극을 따라 양극으로 움직이게 되면서 노즐 내에 존재하는 물과 충돌을 일으키게 된다. 결과적으로, 물이 음극으로 하전되고, 음극으로 하전된 미세 액적을 분사할 수 있다.

대기 중에는 양극을 띠는 미세 먼지, 음극을 띠는 미세 먼지 및 극성이 없는 미세 먼지가 존재하며, 그 비율은 일정하지가 않다.

미세 액적(50)의 극성은 실험을 통해 미세 먼지가 포함된 일반적인 대기에 대해 양 극성 중에서 집진 효율이 더 우수한 것을 선택할 수 있다.

다만, 일 실시예에 따르면, 선택적으로 미세 액적(50)을 양극 또는 음극으로 하전시킬 수 있도록 하전 장치(20)가 플러스 전압 또는 마이너스 전압을 선택적으로 분사 전극에 인가할 수 있도록 회로가 구성된다.

예를 들어, 후술하는 외부 먼지 측정 센서(62) 등에 의해 대기 중의 미세 먼지의 극성 분포를 검출할 수 있으며, 하전 장치(20)는 검출된 미세 먼지의 지배적인 극성의 반대되는 극성으로 하전된 미세 액적(50)을 형성하도록 할 수도 있다.

나아가, 각각의 분사 노즐(30) 마다 독립된 하전 장치(20)를 연결하여, 각각의 분사 노즐(30)이 서로 다른 극성으로 하전된 미세 액적(50)을 분사하도록 할 수도 있다.

이와 같이, 미세 액적(50)을 전기적으로 극성을 가지도록 하전시킴으로써, 미세 먼지 정화 효율이 증가하며, 지름이 1㎛ 이하 수준의 초미세 먼지(71)의 제거할 수 있게 된다.

본 실시예에 따른 미세 먼지 정화 시스템(3)은 분사 노즐(30)의 효율적인 동작 및 제어를 위해 추가적인 장치를 구비한다.

도 5는 본 실시예에 따른 미세 먼지 정화 시스템(3)의 개념도이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 미세 먼지 정화 시스템(3)은 분사 노즐(30)에 필요한 물을 저장하는 용기(33)와, 용기(33)로부터 분사 노즐(30)에 물을 공급하는 물 공급관(32)을 포함한다.

용기(33)는 물이 소진되면 사용자가 물을 충전할 수 있도록 건물(1)의 내부(5)에 설치된다. 물 공급관(32)은 창문(4)의 프레임(41)을 관통하여 용기(33)와 분사 노즐(30)에 연결된다(도 2 참조).

물 공급관(32)은 인클로저(31) 내부에 분기되어 각각의 분사 노즐(30)로 연결된다.

본 실시예에 따르면, 물 공급관(32)의 경로를 단순화하기 위하여 별도의 용기(33)를 형성하고 있지만, 물 공급관(32)은 별도의 용기와 연결되지 않고 건물(1)의 상수원과 연결되어도 좋다.

미세 먼지 정화 시스템(3)은 분사 노즐(30)과 전기적으로 연결되어 분사 노즐(30)의 동작을 제어하는 제어 장치(34)를 포함한다.

미세 먼지 정화 시스템(3)은 창문을 개방하여 환기할 때만 동작하는 것이 바람직하므로, 본 실시예에 따른 미세 먼지 정화 시스템(3)은 창문(4)의 도어(42)의 개폐 여부를 감지하는 개폐 감지 센서(64)를 포함한다.

개폐 감지 센서(64)는 제어 장치(34)와 전기적으로 연결되어 있으며, 개폐 감지 센서(64)에 의해 도어(42)의 개방이 감지되면, 제어 장치(34)는 분사 노즐(60)을 작동시킨다.

한편, 제어 장치(34)에는 먼지 농도 수집 장치(35)가 전기적으로 연결된다.

먼지 농도 수집 장치(35)는 건물(1)의 외부(6)의 미세 먼지의 농도 정보를 수집하고, 제어 장치(34)는 건물(1)의 외부(6)의 미세 먼지의 농도가 소정 값 이상인 경우 분사 노즐(30)을 가동하도록 구성될 수 있다.

건물(1)의 외부(6)의 미세 먼지의 농도 정보는 건물(1)의 외부(6)에 설치된 외부 먼지 측정 센서(62)로 직접 측정한 정보이거나, 통신망(미도시)를 통해 얻은 정부 등 각종 기관에서 발표한 미세 먼지 농도 정보일 수 있다.

도 5에서는 설명과 도시의 편의를 위하여 외부 먼지 측정 센서(62)의 위치를 임의로 부여하여 도시하였으나, 건물(1)의 외부(6)의 미세 먼지를 가장 잘 측정할 수 있는 위치에 외부 먼지 측정 센서(62)가 설치된다. 외부 먼지 측정 센서(62)는 먼지의 농도뿐 아니라 미세 먼지의 극성 분포를 측정할 수 있다.

한편, 먼지 농도 수집 장치(35)는 건물(1)의 외부(5)의 미세 먼지의 농도 정보를 수집하고, 제어 장치(34)는 건물(1)의 내부(5)의 미세 먼지의 농도가 소정 값 이상인 경우 분사 노즐(30)을 가동하도록 구성될 수 있다.

건물(1)의 내부(5)의 미세 먼지의 농도 정보는 건물(1)의 내부(5)에 설치된 별도의 내부 먼지 측정 센서(61)로 측정한 정보이거나, 공기 청정기 등의 다른 제품의 먼지 측정 센서로 측정되어 해당 제품으로부터 통신을 통해 얻은 정보일 수 있다.

마찬가지로 도 5에서는 설명과 도시의 편의를 위하여 내부 먼지 측정 센서(63)의 위치를 임의로 부여한 것이다.

먼지 농도 수집 장치(35)를 통해 수집된 건물의 내외부의 미세 먼지 농도 정보는 사용자 인터페이스(37)의 디스플레이를 통해 사용자에게 육안으로 제공될 수 있다. 사용자는 사용자 인터페이스(37)를 통해 미세 먼지 정화 시스템(3)을 온-오프하거나 기능 설정할 수 있다.

한편, 본 실시예에 따른 미세 먼지 정화 시스템(3)은 미세 먼지 정화 시스템(3)은 건물(1)의 외부(6)에서 창문(4)을 통해 건물(1)의 내부(5)로 유입되는 바람의 세기를 측정하는 풍속 센서(63)를 포함한다. 풍속 센서(63)는 제어 장치(34)와 통신하여 풍속 정보를 제어 장치(34)로 송신한다.

도 5에서는 설명과 도시의 편의를 위하여 풍속 센서(63)의 위치를 임의로 설정한 것이며, 당해 창문(4)을 통해 유입되는 바람의 세기를 가장 잘 측정할 수 있는 위치에 풍속 센서(63)가 부착된다. 또한, 풍속 센서(63)는 하나일 필요가 없고, 복수의 풍속 센서(63)를 통해 창문(4)을 통해 유입되는 바람의 세기를 위치별 또는 종합적으로 측정할 수 있다.

제어 장치(34)는 시스템의 불필요한 동작을 피하기 위해 풍속 센서(63)에 의해 건물(1)의 외부(6)에서 건물(1)의 내부(5)로 유입되는 바람이 감지되는 경우, 분사 노즐(30)을 가동하도록 분사 노즐(30)을 제어할 수 있다.

위와 같은 먼지 농도 수집 장치(35)와 풍속 센서(63)를 이용하면 복수의 창문(4)마다 설치된 분사 노즐(30)(도 1 참조)을 일괄적으로 제어하여, 건물(1)에 적용된 미세 먼지 정화 시스템(3)을 효과적으로 운용할 수 있다.

사용자가 환기를 위해 건물(1)의 모든 창문을 개방하면 창문(4)마다 설치된 분사 노즐(30)은 사용 상태로 준비된다. 다만, 건물(1)의 내외부의 미세 먼지의 농도가 낮은 청명한 날씨의 경우, 분사 노즐(30)은 가동하지 않는다.

건물(1)의 외부(6)의 미세 먼지의 농도가 소정 값 이상이 되면, 제어 장치(34)는 풍속 센서(63)의 정보를 통해 바람의 방향을 확인한다. 예를 들어, 바람(73)의 방향이 도 1의 좌측에서 우측으로 형성되면, 제어 장치(34)는 도 1의 좌측에 위치한 분사 노즐(30)을 가동시키고 우측에 위치한 분사 노즐(30)은 가동하지 않는다.

도 1의 좌측에서 우측으로 불어들어오는 바람에 포함된 미세 먼지는 좌측의 분사 노즐(30)이 형성하는 하전된 미세 액적(50)에 의해 집진되고, 정화된 바람(74)만이 건물의 내부(5)를 거쳐 우측 창문(4)으로 빠져나간다.

이와 같이, 바람의 방향에 따라 건물(1)의 창문(4)마다 적용된 분사 노즐(30)을 선택적으로 가동시킴으로써, 불필요한 전력 내지 물의 소비를 방지할 수 있다.

한편, 건물(1)의 내부(5)의 미세 먼지의 농도가 요리나 청소 등에 의해 소정 값 이상이 되면, 제어 장치(34)는 풍속 센서(63)의 정보를 통해 바람의 방향을 확인한다. 예를 들어, 바람(73)의 방향이 도 1의 좌측에서 우측으로 형성되면, 제어 장치(34)는 도 1의 우측에 위치한 분사 노즐(30)을 가동시키고 좌측에 위치한 분사 노즐(30)은 가동하지 않는다.

도 1의 좌측에서 우측으로 불어나가는 실내 공기에 포함된 미세 먼지는 우측의 분사 노즐(30)이 형성하는 하전된 미세 액적(50)에 의해 집진되고, 정화된 공기가 우측 창문(4)으로 빠져나간다. 이에 따라서, 건물 내부에서 생성된 먼지가 공기 중으로 배출되어 공기 오염을 일으키는 것을 방지할 수 있다.

건물(1)을 통과하는 바람의 하류측에 위치한 분사 노즐에서 미세 액적을 분사하는 경우 미세 액적은 바람에 실려 건물(1)과 멀어지는 방향으로 이동하므로, 미세 액적에 의한 실내 오염은 고려하지 않아도 된다.

하지만, 반대로 건물(1)을 통과하는 바람의 상류측에 위치한 분사 노즐에서 미세 액적을 분사하는 경우 미세 액적은 바람에 실려 건물(1) 쪽으로 이동하므로 자칫하면 미세 먼지와 부착한 오염된 액적이 건물(1)의 내부로 유입될 수 있다. 아울러, 바람이 강하면 자칫 하전된 미세 액적(50)이 창문(4)의 개구를 다 커버하지 못하고 바람에 날려 버릴 수도 있다.

이에 따라서, 본 실시예에 따른 분사 노즐(30)은 창문(4)에 대한 미세 액적의 분사 각도의 조정이 가능하도록 형성된다.

도 6은 본 실시예에 따른 분사 노즐(30)의 분사 각도가 조정되는 상태를 도시한 것이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 분사 노즐(30)에는 모터 및 링크로 이루어진 구동 장치(38)가 연결된다. 구동 장치(38)는 창문(4)에 대한 분사 노즐(30)의 배향 방향을 조정하여, 미세 액적의 스트림(52)의 배향 각도를 조정한다.

미세 액적과 미세 먼지 입자 사이에는 다양한 힘들이 상호 작용하여 입자들의 거동에 영향을 주게 된다. 이를 분석하면 미세 액적의 거동을 다양한 분사 조건(압력,속도,전압)에 따라 미리 예상하여 통제할 수 있다.

몇 가지 가정을 바탕으로 미세 액적과 미세 먼지에 작용하는 합력을 다음과 같이 계산할 수 있다. 외부 풍속은 20 m/s로 가정하고, 미세 액적의 직경은 51.04 ㎛, 미세 먼지의 직경은 2.5 ㎛로 가정하였다.

미세 액적과 미세 먼지의 두 입자는 모두 구형으로 가정하였고 입자 크기가 매우 작기 때문에 미세 액적과 미세먼지는 크리핑 유동(Re<1)을 한다고 볼 수 있다.

세부적으로 미세 액적과 미세먼지에는 각각 두 입자 사이의 정전기적 인력(쿨롱의 법칙)(Fc), 입자 질량에 의한 중력, 부력, 바람에 의한 항력이 작용하며 계산 결과는 하기 [수학식 3] 및 [수학식 4]와 같다.

[수학식 3]

(미세 액적)

[수학식 4]

(미세 먼지)

이를 바탕으로 분사 후 미세 액적의 도달거리는 하기 [수학식 5]와 같이 정리될 수 있다.

[수학식 5]

상기 [수학식 3] 내지 [수학식 5]에서 수식의 의미는 아래 표와 같다.

창문(4)의 높이를 목표 높이(예를 들어, 2m)로 하고, 미세 액적이 목표 높이를 도달하는 시간을 t1이라고 하면 그때의 미세 액적이 분사 위치로부터 x방향으로 얼마나 이동했는지 알 수 있다. 예를 들어, 분사 노즐(30)과 창문(4) 사이의 거리를 15cm라고 하면, Sx의 값이 0.15m 보다 작은 분사 노즐(30)? 분사속도(U_w) 및 분사각도(γ)를 설정할 수 있다. 따라서, 분사 노즐(30)의 각도, 분사 속도 등을 제어하면 액적이 실내로 유입되는 현상을 방지할 수 있다.

이와 같이, 제어 장치(34)는 풍속 센서(63)에서 측정되는 바람의 세기에 따른 미세 액적의 수평 이동 거리(S_x)를 기초로, 다시 말해서 미세 액적의 수평 이동 거리가 분사 노즐에서 창문(4)까지의 거리에 미치지 못하도록 분사 노즐(30)의 분사 각도 및/또는 분사 속도를 조정하여, 미세 액적이 창문(4)을 통해 건물(1)의 내부로 유입되지 않도록 제어한다.

본 실시예에 따르면, 위와 같은 분사 각도의 제어 외에도 미세 먼지가 부착된 미세 액적이 건물(1) 내외부로 날리지 않도록 하기 위해 전기 인력을 이용해 미세 액적을 포집하는 미세 액적 포집기를 구비할 수 있다.

본 실시예에 따른 미세 액적 포집기는 금속 재질의 전극판에 의해 이루어진다.

다시 도 5를 참조하면, 창문(4)의 프레임의 하단에는 미세 액적 포집기로서 금속 재질의 전극판(65)이 설치된다. 전극판(65)은 전압 인가 장치(201) 또는 도시하지 않은 별도의 전압 인가 장치와 연결되고, 전압 인가 장치에 의해 하전된 미세 액적(50)과 반대 극성으로 하전된다.

예를 들어, 미세 액적이 음극으로 하전되는 경우 전극판(65)은 양극으로 하전된다. 음극의 하전된 미세 액적(50)에는 양극을 띠는 미세 먼지가 주로 포집되지만, 미세 액적(50)에는 포집된 미세 먼지들이 가지는 양이온 보다 많은 수의 전자가 존재하기 때문에 미세 먼지가 부착된 하전된 미세 액적(50)은 전체적으로 여전히 음극을 띠게 된다.

음극으로 하전된 미세 액적(50)은 양극의 전극판(65)에 의한 인력으로 전극판(65)으로 당겨지는 힘을 받게 되므로, 낙하한 미세 액적(50)은 전극판(65)에 부착된다. 따라서, 바람 등의 영향으로 창문(4)의 내외부로 날리는 현상이 최소화된다.

본 실시예에 따르면 전극판(65)은 창문(4)의 프레임에 대해 착탈 가능하게 형성된다. 사용자는 미세 먼지가 부착된 미세 액적(50)이 떨어져 더러워진 전극판(65)을 분리해 세척하여 미세 먼지를 제거할 수 있다.

도 5에서는 전극판(65)이 프레임의 하부에 부착된 것으로 도시하였지만, 이에 한정되지 않고 필요에 따라 전극판(65)은 프레임의 측면부에도 부착될 수 있다.

본 실시예에 따른 미세 먼지 정화 시스템(3)에 따르면, 창문(4)에 별도의 필터를 덧대거나 할 필요가 없어 창문(4)의 가시성과 통기성을 해치지 않고 미세 먼지를 정화할 수 있다. 나아가, 미세 액적을 하전시켜 초미세 먼지에 대한 집진 효율도 크게 증가시킬 수 있다.

또한, 본 실시예에 따른 미세 먼지 정화 시스템(3)은 기존의 건물에도 손쉽게 설치할 수 있어, 시스템 설치에 따른 비용을 최소화할 수 있다.

Claims (11)

1. 창문을 통과하는 바람에 실린 미세 먼지를 정화하는 미세 먼지 정화 시스템으로서,
   물 공급관으로 공급되는 물로 미세 액적을 형성하여 분사하며, 상기 창문의 외측에 설치되어, 상기 미세 액적을 창문을 통과하는 바람에 간섭하도록 분사하는 분사 노즐; 및
   상기 분사 노즐의 동작을 제어하는 제어 장치;
   건물의 외부에서 상기 창문을 통해 건물의 내부로 유입되는 바람의 세기를 측정하는 풍속 센서를 포함하고,
   상기 미세 액적을 전기적으로 극성을 가지도록 하전시켜 하전된 미세 액적을 형성하는 하전 장치를 더 포함하고,
   상기 미세 먼지가 상기 하전된 미세 액적의 표면에 흡착되도록 하는 상기 하전된 미세 액적의 전기적 인력이 집진 작용력으로 추가되고, 상기 하전된 미세 액적에 의해 바람에 실린 미세 먼지가 집진되어, 상기 창문을 통해 건물의 내외부로 유통하는 바람을 정화하고, 정화된 바람이 상기 창문을 통과하도록 하고,
   상기 분사 노즐은 상기 창문에 대한 상기 미세 액적의 분사 각도와 분사 속도의 조정이 가능하도록 형성되고,
   상기 제어 장치는 상기 분사 노즐의 분사 속도, 분사 각도 또는 분사 속도 및 분사 각도를 조정하여, 상기 하전된 미세 액적이 바람에 밀려 건물의 내부로 유입되지 않도록 하고,
   상기 분사 속도와 분사 각도는, 상기 하전된 미세 액적이 바람에 밀려 건물의 내부로 유입되지 않도록, 건물의 외부에서 상기 창문을 통해 건물의 내부로 유입되는 바람의 세기, 및 상기 하전된 미세 액적과 상기 미세 먼지의 두 입자 사이의 정전기적 인력에 따른 상기 하전된 미세 액적의 수평 이동 거리를 기초로 결정되는 것을 특징으로 하는 미세 먼지 정화 시스템.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 제어 장치는 건물의 외부에서 상기 창문을 통해 건물의 내부로 유입되는 바람이 감지되는 경우, 상기 분사 노즐을 가동하는 것을 특징으로 하는 미세 먼지 정화 시스템.
5. 삭제
6. 삭제
7. 제1항에 있어서,
   상기 하전된 미세 액적과 반대되는 극성을 가져 상기 하전된 미세 액적을 끌어들이는 미세 액적 포집기가 상기 창문에 탈부착 가능하게 결합되는 것을 특징으로 하는 미세 먼지 정화 시스템.
8. 제1항에 있어서,
   건물의 외부의 미세 먼지의 농도 정보를 수집하는 먼지 정보 수집 장치를 포함하고,
   상기 제어 장치는 건물의 외부의 미세 먼지의 농도가 소정 값 이상인 경우 상기 분사 노즐을 가동하는 것을 특징으로 하는 미세 먼지 정화 시스템.
9. 제8항에 있어서,
   건물의 내부의 미세 먼지의 농도 정보를 수집하는 먼지 정보 수집 장치를 포함하고,
   상기 제어 장치는 건물의 내부의 미세 먼지의 농도가 소정 값 이상인 경우 상기 분사 노즐을 가동하는 것을 특징으로 하는 미세 먼지 정화 시스템.
10. 제1항에 있어서,
    상기 창문의 프레임에 지지된 도어의 개폐 여부를 감지하는 개폐 감지 센서를 더 포함하고,
    상기 도어의 개방이 감지되면, 상기 제어 장치가 상기 분사 노즐을 작동시키는 것을 특징으로 하는 미세 먼지 정화 시스템.
11. 건물의 개구에 설치되는 프레임과,
    상기 프레임에 지지되는 도어와,
    제1항, 제4항, 제7항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 미세 먼지 정화 시스템을 포함하고,
    상기 미세 먼지 정화 시스템은 복수의 분사 노즐을 포함하고,
    상기 복수의 분사 노즐은 상기 프레임을 따라 열을 지어 설치되는 것을 특징으로 하는 창문.

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