KR102291529B1 - 이온풍 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이온풍 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 코로나 방전 발생부와 이온 수집부 사이에 제 1 전기장 집속부와 제 2 전기장 집속부가 형성되어 코로나 방전 발생부와 이온 수집부 사이에 흐르는 이온을 제 1 전기장 집속부와 제 2 전기장 집속부에서 발생하는 전기장에 의해 가속시켜 이온풍의 속도와 효율을 획기적으로 증가시키고, 상기 제 1 전기장 집속부와 제 2 전기장 집속부에 의해 이온이 가속되는 구간에 코안다 효과 발생부가 형성됨으로써, 코안다 효과에 의해 가속화된 이온풍을 송풍력으로 변환하여 저소음에 고효율의 송풍력을 얻을 수 있는 특징이 있다.

Description

이온풍 장치{Ion wind device}

본 발명은 이온풍 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 코로나 방전 발생부와 이온 수집부 사이에 제 1 전기장 집속부와 제 2 전기장 집속부가 형성되어 코로나 방전 발생부와 이온 수집부 사이에 흐르는 이온을 제 1 전기장 집속부와 제 2 전기장 집속부에서 발생하는 전기장에 의해 가속시켜 이온풍의 속도와 효율을 획기적으로 증가시키고, 상기 제 1 전기장 집속부와 제 2 전기장 집속부에 의해 이온이 가속되는 구간에 코안다 효과 발생부가 형성됨으로써, 코안다 효과에 의해 가속화된 이온풍을 송풍력으로 변환하여 저소음에 고효율의 송풍력을 얻을 수 있는 이온풍 장치에 관한 것이다.

종래의 제트엔진, 프로펠러엔진 등은 화석연료를 연소 또는 폭발시켜 회전장치를 회전시킴으로 송풍력을 얻었는데, 이런 제트엔진 또는 프로펠러엔진 등은 고소음이 발생하고, 화석연료의 연소에 비해 송풍력이 약해 저효율이 발생한다.

또한, 전자소자들의 고집적화는 필연적으로 전자소자의 높은 단위 면적당 발열을 야기하게 되고, 따라서 고집적 전자소자의 효과적인 냉각은 매우 중요하다. 현재 주로 적용되고 있는 전기 송풍 팬은 기계적인 회전에 의한 마모와 소음이 발생하며 초소형화가 어려워 실제 적용이 어렵다는 문제가 있었다.

이에 반해, 코로나 방전을 이용한 이온풍은 풍속의 발생과 제어가 용이하고, 기계적인 가동 부분이 없으므로 마모와 소음이 발생하지 않으며 소형화가 가능하다는 장점이 있다.

이온풍은 Hauksbee가 1719년에 최초로 대전된 튜브에서 약한 바람이 생성되는 것을 발견한 이후로 Chattock이 이온풍의 현상을 정량적으로 분석하였으며, 이어 Robinson에 의해 역학적으로 규명이 되었다. 특히 Robinson은 이온풍의 속도가 전류의 함수로 표현된다는 것과, 공기 중에서 코로나 방전시 공급되는 전기에너지의 1~2% 만이 기체입자의 운동에너지로 변환된다는 것을 증명하였다. 한편 Christenson 등은 이온풍이 항공기의 추진에 이용될 수 있다는 제안을 하였다.

코로나 방전을 이용한 송풍장치의 원리를 살펴보면, 코로나 방전 전극에서 발생된 이온들이 전극간의 전계, 즉 쿨롱 힘에 의하여 방전전극(에미터 전극)에서 접지전극(콜렉터 전극)으로 이동하게 된다. 이렇게 이동하는 이온들이 공기분자의 충돌을 통하여 공기 분자들을 같은 방향으로 이동시키게 되고, 이러한 공기분자들의 운동이 모여 최종적으로 송풍력으로 이용되는 것이다.

따라서, 이온풍을 효과적으로 발생시키기 위해서는 코로나 방전에 의한 많은 이온들의 발생과, 이들 이온들을 강하게 가속시키기 위한 높은 인가전압(전계)의 생성이 필수적이다.

한편, 이온풍의 속도 및 전기에너지로부터 운동에너지로의 변환 효율을 증가시키기 위해서는 전기장에 의한 힘의 방향과 유동 방향을 일치시키고, 전극의 유체항력을 최소로 하며, 스파크 발생전압을 높이는 구조이어야 한다. 그리고 기존 이온풍 발생기는 전극 및 유로(덕트)에 의한 압력 강하가 상대적으로 큰 것이 약점으로 지적되어 왔다.

그리고, 종래의 이온풍 발생 장치는 이온은 가속시키는데 한계가 있어 송풍력이 부족해 이온을 가속시키는 장치 개발이 요구되고 있다.

한국등록특허 제10-0905722호

본 발명은 상기 종래의 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로서,

코로나 방전 발생부와 이온 수집부 사이에 제 1 전기장 집속부와 제 2 전기장 집속부가 형성되어 코로나 방전 발생부와 이온 수집부 사이에 흐르는 이온을 제 1 전기장 집속부와 제 2 전기장 집속부에서 발생하는 전기장에 의해 가속시켜 이온풍의 속도와 효율을 획기적으로 증가시키는 이온풍 장치를 제공하는데 목적이 있다.

또한, 상기 제 1 전기장 집속부와 제 2 전기장 집속부에 의해 이온이 가속되는 구간에 코안다 효과 발생부가 형성됨으로써, 코안다 효과에 의해 가속화된 이온풍을 송풍력으로 변환하여 저소음에 고효율의 송풍력을 얻을 수 있는 이온풍 장치를 제공하는데 목적이 있다.

상기 목적을 달성하고자, 본 발명은 코로나 방전에 의해 이온을 발생시키는 코로나 방전 발생부와;

상기 코로나 방전 발생부에서 발생한 이온을 전달받으면서 이온의 흐름에 의해 이온풍이 발생하는 이온 수집부와;

상기 코로나 방전 발생부와 이온 수집부 사이에 형성되어 이동하는 이온을 가속시키도록 전기장을 발생시키는 제 1 전기장 집속부와;

상기 제 1 전기장 집속부와 대칭되도록 형성되어 이동하는 이온을 가속시키도록 전기장을 발생시키는 제 2 전기장 집속부와;

상기 제 1 전기장 집속부와 제 2 전기장 집속부에 의해 이온이 가속되는 구간에 형성되어 가속화된 이온풍을 코안다 효과(Coanda effect)에 의해 송풍력으로 발생시키는 코안다 효과 발생부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 이온풍 장치에 관한 것이다.

또한, 본 발명의 코안다 효과 발생부는 이온이 가속되는 구간에서 발생하는 공기의 흐름에 의해 코안다 효과가 발생하도록 곡선부로 형성되는 것을 특징으로 하는 이온풍 장치에 관한 것이다.

또한, 본 발명의 코안다 효과 발생부는 곡선부가 송풍력 방향으로 곡선지게 형성되고, 상기 송풍력 방향의 반대측에는 외부 공기가 유입되도록 유입부가 형성되는 것을 특징으로 하는 이온풍 장치에 관한 것이다.

이상에서 살펴 본 바와 같이, 본 발명의 이온풍 장치는 코로나 방전 발생부와 이온 수집부 사이에 제 1 전기장 집속부와 제 2 전기장 집속부가 형성되어 코로나 방전 발생부와 이온 수집부 사이에 흐르는 이온을 제 1 전기장 집속부와 제 2 전기장 집속부에서 발생하는 전기장에 의해 가속시켜 이온풍의 속도와 효율을 획기적으로 증가시키는 효과가 있다.

또한, 상기 제 1 전기장 집속부와 제 2 전기장 집속부에 의해 이온이 가속되는 구간에 코안다 효과 발생부가 형성됨으로써, 코안다 효과에 의해 가속화된 이온풍을 송풍력으로 변환하여 저소음에 고효율의 송풍력을 얻을 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 이온풍 장치를 나타낸 개략도이고,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 이온풍 장치를 나타낸 단면도이고,
도 3은 도 2의 A부분을 나타낸 확대도이다.

이와 같은 특징을 갖는 본 발명은 그에 따른 바람직한 실시예를 통해 더욱 명확히 설명될 수 있을 것이다.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 여러 실시예들을 상세히 설명하기 전에, 다음의 상세한 설명에 기재되거나 도면에 도시된 구성요소들의 구성 및 배열들의 상세로 그 응용이 제한되는 것이 아니라는 것을 알 수 있을 것이다. 본 발명은 다른 실시예들로 구현되고 실시될 수 있고 다양한 방법으로 수행될 수 있다. 또, 장치 또는 요소 방향(예를 들어 "전(front)", "후(back)", "위(up)", "아래(down)", "상(top)", "하(bottom)", "좌(left)", "우(right)", "횡(lateral)")등과 같은 용어들에 관하여 본원에 사용된 표현 및 술어는 단지 본 발명의 설명을 단순화하기 위해 사용되고, 관련된 장치 또는 요소가 단순히 특정 방향을 가져야 함을 나타내거나 의미하지 않는다는 것을 알 수 있을 것이다. 또한, "제 1(first)", "제 2(second)"와 같은 용어는 설명을 위해 본원 및 첨부 청구항들에 사용되고 상대적인 중요성 또는 취지를 나타내거나 의미하는 것으로 의도되지 않는다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 이온풍 장치를 나타낸 개략도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 이온풍 장치를 나타낸 단면도이고, 도 3은 도 2의 A부분을 나타낸 확대도이다.

도 1 내지 도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 이온풍 장치는 회전장치 없이 전기에너지를 운동에너지로 직접 변환시켜 송풍력을 발생하는 이온풍 장치로써, 코로나 방전 발생부(10)와, 이온 수집부(20)와, 제 1 전기장 집속부(30)와, 제 2 전기장 집속부(40)와, 코안다 효과 발생부(50)로 구성된다.

상기 코로나 방전 발생부(10)는 도 1 내지 도 3에 도시한 바와 같이, 코로나(corona) 방전에 의해 이온을 발생시키는 에미터(emitter) 전극으로 양극에 해당되어 양이온이 발생하는 것이다.

여기서, 상기 코로나 방전 발생부(10)는 수십kV 양극에서 코르나 방전으로 양이온이 형성되나, 본 발명에서는 20~50kV 양극이 발생한다.

상기 이온 수집부(20)는 도 1 내지 도 3에 도시한 바와 같이, 코로나 방전 발생부(10)에서 발생한 이온을 전달받는 수집부로써, 콜렉터(collector) 전극으로 음극에 해당되고, 상기 코로나 방전 발생부(10)에서 이온 수집부(20)로 이온이 흐르고, 그 구간을 이온 이동 구간이라 한다. 이때, 주변의 공기도 이온과 같이 이동되면서 이온풍이 발생하는 것이다.

상기 제 1 전기장 집속부(30)는 도 1 내지 도 3에 도시한 바와 같이, 양극 전극과 음극 전극으로 이루어져 양극 전극과 음극 전극 사이에 수십 kV의 전기장이 발생되고, 상기 전기장이 이온 이동 구간의 이온에 인가하여 이온을 가속시킨다. 이때, 상기 양극 전극과 음극 전극 사이에 5~25kV의 전기장이 발생한다.

여기서, 상기 제 1 전기장 집속부(30)는 코로나 방전 발생부(10)와 이온 수집부(20) 사이인 이온 이동 구간에 형성되어 이온을 가속시켜 이온 가속 구간(60)을 형성한다.

상기 제 2 전기장 집속부(40)는 도 1 내지 도 3에 도시한 바와 같이, 제 1 전기장 집속부(30)와 동일한 구성과 원리로 형성되는데, 상기 제 2 전기장 집속부(40)는 제 1 전기장 집속부(30)와 대칭되도록 형성되어 이동하는 이온을 가속시키도록 전기장을 발생시키는 것이다.

여기서, 상기 제 1 전기장 집속부(30) 및 제 2 전기장 집속부(40)는 이온 가속 구간(60)의 이온은 더욱 가속시키고, 그에 따라 이온풍의 속도도 약 10²m/s 이상으로 가속된다.

상기 코안다 효과 발생부(50)는 도 1 내지 도 3에 도시한 바와 같이, 제 1 전기장 집속부(30)와 제 2 전기장 집속부(40)에 의해 이온이 가속되는 구간(60)에 형성되어 가속화된 이온풍을 코안다 효과(Coanda effect)에 의해 송풍력으로 발생시킨다.

여기서, 코안다 효과란, 벽면이나 천장면에 접근하여 분출된 기류가 그 면에 부착하여 흐르는 경향을 갖는 것을 말한다. 즉, 유동이 곡면을 따라서 흐르는 현상을 코안다 효과(coanda effect)라고 한다.

그리고, 상기 코안다 효과 발생부(50)는 도 3에서처럼, 이온 가속 구간(60)에서 발생하는 공기의 흐름에 의해 코안다 효과가 발생하도록 곡선부(51)로 형성되고, 상기 곡선부(51)가 송풍력 방향으로 곡선지게 형성되며, 상기 송풍력 방향의 반대측에는 외부 공기가 유입되도록 유입부(52)가 형성된다. 즉, 상기 곡선부(51)를 통해 약 10²m/s 속도의 공기가 배출되면서 유입부(52)를 통해 외부의 공기도 끌어들여 송풍력이 발생되는 것이다.

또한, 상기 곡선부(51)는 코안다 효과를 극대화시킬 수 있도록 공기가 배출되는 방향으로 길게 형성된 노즐 형태도 가능하지만 설치위치나 환경에 따라 설계 변경이 가능하다.

여기서, 상기 코안다 효과 발생부(50)는 도 2 내지 도 3에서처럼, 상측은 유입부(52)로 형성되고, 상기 유입부(52)의 하측에 곡선부(51)가 연결 설치되며, 상기 유입부(52)와 곡선부(51) 사이에 상기에서 기술한 코로나 방전 발생부(10), 이온 수집부(20), 제 1 전기장 집속부(30), 제 2 전기장 집속부(40)가 설치된다. 이때, 상기 제 1 전기장 집속부(30), 제 2 전기장 집속부(40)는 병렬로 상호 대칭되어 형성되는데, 상기 제 1 전기장 집속부(30)는 유입부(52) 측에 설치되고, 상기 제 2 전기장 집속부(40)는 곡선부(51) 측에 설치되어 제 1 전기장 집속부(30)와의 사이에 이온 가속 구간(60)이 형성되는 것이다.

그리고, 상기 제 1 전기장 집속부(30), 제 2 전기장 집속부(40)가 설치된 코안다 효과 발생부(50)의 부위는 점점 좁아지다 넓어지는 형태로 형성되어 공기의 흐름을 가속시킨다.

10 : 코로나 방전 발생부 20 : 이온 수집부
30 : 제 1 전기장 집속부 40 : 제 2 전기장 집속부
50 : 코안다 효과 발생부 51 : 곡선부
52 : 유입부 60 : 이온 가속 구간

Claims (3)

1. 코로나 방전에 의해 이온을 발생시키는 코로나 방전 발생부(10)와;
   상기 코로나 방전 발생부(10)에서 발생한 이온을 전달받으면서 이온의 흐름에 의해 이온풍이 발생하는 이온 수집부(20)와;
   상기 코로나 방전 발생부(10)와 이온 수집부(20) 사이에 형성되어 이동하는 이온을 가속시키도록 전기장을 발생시키는 제 1 전기장 집속부(30)와;
   상기 제 1 전기장 집속부(30)와 대칭되도록 형성되어 이동하는 이온을 가속시키도록 전기장을 발생시키는 제 2 전기장 집속부(40)와;
   상기 제 1 전기장 집속부(30)와 제 2 전기장 집속부(40)에 의해 이온이 가속되는 구간(60)에 형성되어 가속화된 이온풍을 코안다 효과(Coanda effect)에 의해 송풍력으로 발생시키는 코안다 효과 발생부(50);를 포함하여 구성되고,
   상기 코안다 효과 발생부(50)는 이온이 가속되는 구간에서 발생하는 공기의 흐름에 의해 코안다 효과가 발생하도록 곡선부(51)로 형성되며, 상기 코안다 효과 발생부(50)는 곡선부(51)가 송풍력 방향으로 곡선지게 형성되고, 상기 송풍력 방향의 반대측에는 외부 공기가 유입되도록 유입부(52)가 형성되며,
   상기 제 1 전기장 집속부(30), 제 2 전기장 집속부(40)는 병렬로 상호 대칭되어 형성되는데, 상기 제 1 전기장 집속부(30)는 유입부(52) 측에 설치되고, 상기 제 2 전기장 집속부(40)는 곡선부(51) 측에 설치되어 제 1 전기장 집속부(30)와의 사이에 이온 가속 구간(60)이 형성되는 것을 특징으로 하는 이온풍 장치.
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