KR102392185B1 - 공기청정기 - Google Patents

Abstract

바닥에 세워서 사용가능한 타워형 공기청정기가 개시된다. 본 발명의 공기청정기는, 적어도 저면에 공기가 유통가능한 다수의 통공이 형성된 저면 흡입부를 포함하는 원기둥 또는 다각기둥 형상의 케이스; 케이스의 내부에서 저면 흡입부에 대향하여 배치된 제1필터; 케이스의 내부에서 제1필터의 상부에 배치된 팬 모듈; 케이스의 상부에 결합되어 정화된 공기를 토출하는 토출부; 및 케이스의 저면에서 하방으로 연장되어 형성된 다리를 구비하여, 다리에 의해 케이스의 저면과 바닥이 소정 거리 이격되도록 세울 수 있게 구성된다. 본 발명에 따르면, 공기청정기가 설치되는 바닥면에 가까운 하부공간의 공기도 효율적으로 정화할 수 있다.

Description

공기청정기{Air Purifier}

본 발명은 공기청정기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전형적으로 실내의 바닥에 세워서 사용하는 타워형 공기청정기에 관한 것이다.

근래에 미세먼지, 초미세먼지 등으로 대표되는 대기오염이 심각해지면서, 가정이나 직장에서 공기청정기를 많이 사용하고 있다.

공기청정기는 벽에 걸어서 사용하는 벽걸이형도 있지만, 대부분 바닥에 세워놓고 사용하는 타워형으로 이루어진다. 타워형 공기청정기는 사각 기둥이나 원기둥 형태의 케이스 안에 필터와 팬(fan)을 내장하고, 일반적으로 케이스 측면에 주변 공기를 흡입하는 흡입부가 형성되고 케이스 상부에 정화된 공기를 토출하는 그릴 형태의 토출부를 가진다.

최근에는, 흡입부가 공기청정기의 측면 전방향, 즉 360도에 걸쳐 주변 공기를 흡입하는 구조로 이루어지는 공기청정기가 출시되고 있다. 이렇게 전방향 흡입방식의 공기청정기는 흡입부를 통해 흡입된 공기가 통과하는 필터도 360도에 걸쳐 공기를 통과시키도록 원통형 필터를 사용하게 된다.

그런데, 일반적인 원통형 필터는 상하치수가 작아 흡입 및 정화용량이 제한적일 수밖에 없다. 또한, 종래의 흡입부 구조로는 실내의 바닥면에 가까운 하부공간의 먼지 제거가 어렵고, 따라서, 사용자가 바닥에 누웠을 때나 주로 바닥에서 생활하는 영유아에게는 공기청정기의 효용성이 떨어지게 된다.

한편, 토출부는 공기를 상방으로 토출하거나 경사 상방으로 토출하는 구조가 일반적인데, 최근에는 공기를 상방만이 아니라 측방으로도 토출할 수 있고, 나아가 회전함으로써 정화된 공기를 실내 전체에 고르게 토출할 수 있는 구조의 제품이 출시되고 있다.

그런데, 토출부가 공기를 상방만이 아닌 측방으로도 토출하는 경우, 공기의 유로가 꺾임으로 인한 저항에 따라 소음이 증가하고 송풍효율(정화효율)이 저하될 뿐만 아니라, 토출부를 형성하는 그릴 내부 구석에, 필터에 의해 미처 걸러지지 않은 미세먼지나 공기청정기의 동작 정지중에 그릴 내부에 들어가 있던 오염된 공기에 포함된 먼지 등이 부착되는 문제가 있다.

또한, 타워형 공기청정기는 케이스 내부에서 상방으로 흐르는 공기 흐름을 만들어내기 위해, 송풍팬으로서 일반적으로 축류팬(axial fan), 사류팬(mixed flow fan) 또는 터보팬(turbo fan)을 사용한다. 이들 축류팬, 사류팬 또는 터보팬은 기본적으로 회전축을 따라 상방을 향하는 축류의 공기 흐름을 만들어 내지만, 이 축류의 공기 흐름에는 축방향 성분 이외에도 팬의 회전에 의해 생성되는 회전성분이 존재한다. 이러한 회전성분은 공기의 흐름 경로상에 존재하는 구조물(케이스, 덕트, 하우징, 그릴 등)에 대한 유동저항으로 작용하여 송풍 효율의 저하를 초래할 뿐만 아니라, 작동 소음의 증가를 초래할 수 있다.

본 발명은 전술한 문제점을 감안하여, 바닥면에 가까운 하부공간의 공기도 효율적으로 정화할 수 있는 구조의 타워형 공기청정기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 사용자가 손쉽게 토출부를 분해하여 청소할 수 있는 구조의 타워형 공기청정기를 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 송풍 효율이 개선되고 소음이 저감된 타워형 공기청정기를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.

본 발명의 일 측면에 따른 공기청정기는, 바닥에 세워서 사용가능한 타워형 공기청정기로서, 적어도 저면에 공기가 유통가능한 다수의 통공이 형성된 저면 흡입부를 포함하는 원기둥 또는 다각기둥 형상의 케이스; 상기 케이스의 내부에서 상기 저면 흡입부에 대향하여 배치된 제1필터; 상기 케이스의 내부에서 상기 제1필터의 상부에 배치된 팬 모듈; 상기 케이스의 상부에 결합되어 정화된 공기를 토출하는 토출부; 및 상기 케이스의 저면에서 하방으로 연장되어 형성된 다리를 구비하여, 상기 다리에 의해 상기 케이스의 저면과 상기 바닥이 소정 거리 이격되도록 세울 수 있게 구성된다.

여기서, 상기 공기청정기를 상기 바닥에 세웠을 때, 상기 케이스의 저면이 상기 바닥에 대해 일방향으로 경사지도록 구성될 수 있다.

또한, 공기청정기는, 상기 케이스의 내부에서 상기 저면 흡입부와 상기 제1필터의 사이에 배치되는 프리 필터(pre-filter)를 더 구비할 수 있다.

상기 프리 필터는 상기 케이스의 일측에서 인입/인출하여 착탈가능하게 구성될 수 있다.

또한, 상기 케이스는 상기 케이스의 측면에 공기가 유통가능한 다수의 통공이 형성된 측면 흡입부를 더 포함하고, 공기청정기는 상기 케이스의 내부에서 상기 측면 흡입부에 대향하여 배치된 제2필터를 더 구비할 수 있다.

여기서, 상기 케이스의 측면에 형성된 다수의 통공은 상기 케이스의 둘레방향을 따라 측면 전체에 걸쳐 형성되어 있고, 상기 제2필터는 원통형 전방향 필터일 수 있다.

또한, 상기 토출부는, 적어도 측방을 포함하는 토출방향으로 공기의 토출을 가이드하는 토출 가이드와, 상기 토출 가이드의 상부에 결합되고 적어도 상기 토출 가이드의 토출방향에 대응되는 위치에 통공이 형성된 토출 그릴을 포함할 수 있다.

여기서, 상기 토출 그릴은 상기 토출 가이드에 자석의 인력에 의해 착탈가능하게 결합될 수 있다.

또한, 상기 토출 가이드 및 상기 토출 그릴은 상기 바닥에 수직한 축을 회동축으로 하여 회동가능하게 구성될 수 있다.

또한, 상기 팬 모듈은 송풍팬 및 상기 송풍팬을 회전시키는 팬 모터를 포함하고, 상기 송풍팬은 축류팬, 사류팬 또는 터보팬이고, 상기 팬 모듈과 상기 토출부 사이에 배치되어, 상기 팬 모듈에 의해 생성되는 회전하는 축류의 공기 흐름에서 회전성분을 축방향 성분으로 변환하는 가이드 베인(guide vane)을 더 구비할 수 있다.

본 발명에 따르면, 공기청정기의 저면에 저면 흡입부를 포함하고 다리에 의해 공기청정기의 저면과 바닥을 이격시켜 세울 수 있어, 바닥면에 가까운 하부공간의 공기도 효율적으로 정화할 수 있다.

또한, 실시예에 따르면, 토출 가이드에 착탈가능하게 결합되는 토출 그릴을 구비하므로, 사용자가 손쉽게 토출 그릴을 분해하여 청소할 수 있다.

또한, 실시예에 따르면, 정화되어 토출되는 축류의 공기 흐름에서 회전성분을 축방향 성분으로 변환하는 가이드 베인을 구비하므로, 공기청정기의 송풍 효율이 개선되고 소음이 저감된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공기청정기를 도시한 사시도(a) 및 측면도(b)이다.
도 2는 도 1에 도시된 공기청정기의 분해 사시도이다.
도 3은 도 1의 (a)의 III-III선에 따른 단면도이다.
도 4는 도 1에 도시된 공기청정기에 구비된 가이드 베인을 도시한 평면도이다.
도 5는 도 4에 도시된 점 P를 지나는 공기의 흐름을, 도 4의 V-V선에 따른 가이드 베인의 일부 단면과 함께 나타낸 도면이다.
도 6은 가이드 베인의 날개의 단면 형상에 따른 와류도(vorticity) 분포를 유동해석(Computational Fluid Dynamics)에 의해 시뮬레이션한 결과를 도시한 것으로서, (a)는 일반적인 유선형 날개에 대한 와류도 분포 시뮬레이션 결과이고, (b)는 본 발명의 실시예에 따른 익형의 날개에 대한 와류도 분포 시뮬레이션 결과이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 공기청정기의 송풍팬과 가이드 베인 주위의 공기 흐름(와류도 분포)을 유동해석에 의해 시뮬레이션한 결과의 도면이다.
도 8은 공기청정기의 작동 소음을 측정하여 도시한 그래프로서, (a)는 날개간 사이각이 균등한 가이드 베인을 구비한 경우, (b)는 날개간 사이각이 불균등한 가이드 베인을 구비한 경우의 작동 소음을 측정한 결과이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과하고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도면에서 각 구성요소 또는 그 구성요소를 이루는 특정 부분의 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 따라서, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다. 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 도시 또는 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그러한 도시 또는 설명은 생략하도록 한다.

한편, 본 명세서에서 상, 하, 좌, 우, 전, 후와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용되나, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 놓여진 방향, 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있음은 통상의 기술자에게 자명하다. 본 명세서에서 이러한 용어들은 도면에 나타낸 x, y, z축과 다음과 같이 대응된다. 상: z축 방향, 하: -z축 방향, 좌: -x축 방향, 우: x축 방향, 전: -y축 방향, 후: y축 방향. 다만, 본 명세서에서 사용되는 '전단' 또는 '후단'이라는 용어는, 위의 '전' 또는 '후'와는 달리, 공기의 흐름 방향을 기준으로 부재간의 배치 선후관계를 나타내는 의미로 사용된다.

본 명세서에서 사용되는 '결합' 또는 '연결'이라는 용어는, 하나의 부재와 다른 부재가 직접 결합되거나, 직접 연결되는 경우뿐만 아니라 하나의 부재가 이음부재를 통해 다른 부재에 간접적으로 결합되거나, 간접적으로 연결되는 경우도 포함한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공기청정기를 도시한 사시도(a) 및 측면도(b)이고, 도 2는 그 분해 사시도이며, 도 3은 도 1의 (a)의 III-III선에 따른 단면도이다.

이하, 도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 공기청정기(1)에 대해 상세히 설명한다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 공기청정기(1)는 전형적으로 가정이나 사무실 등 실내에서 바닥에 세워서 사용할 수 있는 타워형 공기청정기이다. 본 발명이 이에 한정되지는 않지만, 본 실시예의 타워형 공기청정기(1)는 사용자가 들어서 설치 장소를 바꾸거나 방향을 틀 수 있는 정도의 중형 공기청정기일 수 있다.

본 실시예의 공기청정기(1)는, 케이스(10,20,31), 프레임(50), 필터(41,45), 팬 모듈(60), 토출부(30) 및 다리(15)를 구비한다.

케이스는 본 실시예에 따른 공기청정기(1)의 구성부품들을 내부에 수용하고 공기청정기의 외관을 형성하는 부재로서, 원기둥 또는 다각기둥 형상(본 실시예에서는 원기둥 형상)으로 이루어진다. 또한, 케이스에는, 주변 공기를 흡입하기 위해, 공기가 유통가능한 다수의 통공이 형성된 흡입부가 형성된다. 본 실시예에 따른 공기청정기(1)의 케이스는, 공기청정기의 측방에서 주변 공기를 흡입하는 측면 흡입부(21)와, 공기청정기의 하방에서 주변 공기를 흡입하는 저면 흡입부(11)를 포함할 수 있다.

구체적으로, 케이스는 하부 케이스(10), 측면 커버(20) 및 상부 커버(31)를 포함할 수 있다.

하부 케이스(10)는, 다리(15)와 함께 공기청정기(1)의 하부 구조를 형성하며, 그 위쪽의 구성부품들을 지지한다. 하부 케이스(10)는 대략 원통형으로 이루어진다. 또한, 하부 케이스(10)의 저면에는 공기가 유통가능한 다수의 통공이 형성된 저면 흡입부(11)가 형성되어 있다.

다리(15)는 복수개(본 실시예에서는 3개이지만 다리의 개수가 이에 한정되지는 않는다)가 구비되어 각각 하부 케이스(10)의 저면에서 하방으로 연장되어 형성되고, 이 다리(15)에 의해 하부 케이스(10)의 저면과 바닥이 소정 거리 이격되도록 공기청정기를 바닥에 세울 수 있다. 이와 같이 다리(15)에 의해 하부 케이스(10)의 저면이 바닥과 밀착되지 않고 이격됨으로써, 하부 케이스(10)의 저면에 형성된 저면 흡입부(11)가 노출되어 공기청정기의 저면 하방에 있는 공기를 흡입하여 정화할 수 있다.

특히, 본 실시예서는 하부 케이스(10)의 저면이 바닥에 대해 일방향으로 경사지도록 구성될 수 있다(도 1의 (b) 및 도 3 참조). 이에 따라, 복수개의 다리(15)도 하부 케이스(10)의 저면 경사를 실현하기 위해 그 길이를 다르게 형성할 수 있다. 이와 같이 저면 흡입부(11)가 형성된 하부 케이스(10)의 저면을 바닥에 대해 일방향으로 경사지게 함으로써, 공기청정기가 설치된 바닥면에 가까운 주변 공기의 흡입에 방향성을 갖게 할 수 있다. 즉, 하부 케이스(10)의 저면과 바닥면 사이의 이격 거리가 가장 큰 쪽이 일방향(도면에서 -y 방향)을 향하도록 공기청정기(1)를 세우면, 바닥면에 가까운 주변 공기 중에서도 이 일방향에 있는 주변 공기를 더 집중적으로 흡입하여 정화할 수 있다.

한편, 다리(15)의 하부에는 공기청정기(1)의 보다 안정적인 지지를 위해, 다리(15)에 비해 바닥면과의 접촉면적이 더 넓은 받침(19)이 결합될 수 있다.

다시 도 2 및 도 3을 참조하면, 하부 케이스(10)는 하부 필터 장착부(13)와 프리 필터(pre-filter) 장착부(17)를 구비할 수 있다.

하부 필터 장착부(13)는 상술한 저면 흡입부(11)를 통해 흡입된 공기를 정화하는 하부 필터(제1필터)(41)를 장착하기 위한 공간으로서, 하부 케이스(10)의 상면에서 하부 필터(41)의 형상에 맞추어 하방으로 움푹 들어가고 중앙이 상하로 관통된 형태로 구현될 수 있다.

한편, 공기청정기를 이용하여 공기를 정화하고자 하는 공간에 존재하는 먼지는, 그 크기에 따라 상하 분포가 달라진다. 즉, 비교적 큰 먼지는 바닥면 또는 바닥면에 가까운 낮은 곳에 주로 분포하고 작은 먼지는 바닥면으로부터 더 높은 곳에 분포한다. 따라서, 상술한 저면 흡입부(11)를 통해 흡입되는 공기는, 후술하는 측면 흡입부(21)를 통해 흡입되는 공기에 비해, 보다 큰 먼지를 많이 포함하게 되고, 하부 필터(제1필터)(41)는 후술하는 측면 필터(제2필터)(45)에 비해 빨리 막혀 수명이 단축될 수 있다.

이에, 본 실시예의 공기청정기(1)는 저면 흡입부(11)와 하부 필터(41)의 사이에 프리 필터(43)를 더 구비할 수 있다. 프리 필터(43)는 크기가 큰 먼지를 필터링할 수 있는 필터로서, 사용자가 청소하여 다시 사용할 수 있는 형태인 것이 바람직하다. 이렇게 수시로 청소하여 재사용할 수 있는 프리 필터(43)를 구비함에 따라 하부 필터(41)의 수명을 연장할 수 있다.

하부 케이스(10)에 구비되는 프리 필터 장착부(17)는 이러한 프리 필터(43)를 장착하기 위한 공간으로서, 하부 필터 장착부(13)의 하부에 마련된다. 프리 필터 장착부(17)는 사용자가 손쉽게 프리 필터(43)를 분해/조립 가능하게 구성되는 것이 바람직하다. 이를 위해, 본 실시예에서 프리 필터 장착부(17)는 프리 필터(43)를 하부 케이스(10)의 일측에서 인입/인출하여 착탈가능하게 마련될 수 있다.

구체적으로, 프리 필터 장착부(17)는, 하부 케이스(10)의 일측에 프리 필터(43)를 삽입할 수 있는 프리 필터 삽입홈(17a)과, 이 프리 필터 삽입홈(17a)으로 삽입되는 프리 필터(43)의 양측 단부를 슬라이딩 가능하게 지지하는 지지턱(17b)을 구비하는 형태로 구현될 수 있다. 나아가, 프리 필터 장착부(17)에서 프리 필터 삽입홈(17a)의 반대쪽인 프리 필터(43)의 선단부가 맞닿는 부위에 토글 방식으로 작동하는 래치(17c)를 장착하여, 사용자가 프리 필터(43)의 후단부를 푸쉬 버튼식으로 눌러 더욱 손쉽게 착탈가능하게 구성할 수도 있다.

측면 커버(20)는 하부 케이스(10)의 상부에 장착되며, 내부에 프레임(50), 측면 필터(제2필터)(45) 등의 부품을 수용하고 공기청정기(1)의 측면 외관을 형성한다. 또한, 측면 커버(20)에는 공기가 유통가능한 다수의 통공이 형성되어 측면 흡입부(21)를 형성할 수 있다. 다수의 통공은 측면 커버(20)의 둘레방향을 따라 측면 전체에 걸쳐 형성되어, 측면 흡입부(21)는 공기청정기의 측면 전체에 걸쳐 주변 공기를 흡입할 수 있다.

한편, 측면 커버(20)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 서로 대칭인 2개의 반원통형체(20a,20b)로 이루어질 수 있으며, 2개의 반원통형체 중 적어도 하나(20a)는 하부 필터(제1필터)(41)와 측면 필터(제2필터)(45)의 교체를 위해 하부 케이스(10) 및 프레임(50)에 착탈가능하게 결합될 수 있다.

또는, 측면 커버(20)는 단일 원통형체로 이루어지고 공기청정기(1)의 상하방향으로 착탈가능하게 결합될 수도 있다.

상부 커버(31)는 측면 커버(20)의 상부에 장착되며, 후술하는 조작 패널(90)과 함께 공기청정기(1)의 상부 외관을 형성한다. 또한, 본 실시예에서 상부 커버(31)는, 공기청정기에 의해 정화된 공기를 토출하는 통공이 형성된 토출 그릴을 겸한다. 따라서, 상부 커버(31)의 상세 구조에 대해서는 토출부(30)와 함께 후술한다.

프레임(50)은 하부 케이스(10) 상부에 결합되며, 내부에 측면 필터(제2필터)(45), 후술하는 팬 모듈(60) 및 가이드 베인(70)을 수용하여 지지하는 구조물이다. 프레임(50)은 하부 프레임(51), 기둥(53) 및 상부 프레임(55)을 포함할 수 있다.

하부 프레임(51)은 전술한 하부 필터(41)가 노출되도록 중공 환상의 형태를 가지며 하부 케이스(10) 상부에 결합될 수 있다. 상부 프레임(55)은 내부에 팬 모듈(60) 및 가이드 베인(70)을 수용하며 상하 개방된 원통형으로 이루어질 수 있으며, 기둥(53)을 통해 하부 프레임(51)과 소정 높이 이격되어 연결된다.

기둥(53)은 상하부 프레임(51,55)의 외주부를 따라 복수개(본 실시예에서는 3개)로 이루어지지만, 상부 프레임(55) 및 프레임(50) 상부의 토출부(30)를 구성하는 부품들을 안정적으로 지지할 수 있다면 하나로 이루어질 수도 있다.

한편, 하부 프레임(51)의 상단, 기둥(53) 및 상부 프레임(55)의 하단에 의해 한정되는 공간에는 측면 필터(제2필터)(45)가 수용된다. 본 실시예에서 측면 필터(45)는 중공 원통형의 전방향 필터로 이루어질 수 있다. 따라서, 전술한 측면 커버(20)의 둘레방향 전체에 걸쳐 형성된 측면 흡입부(21)를 통해 흡입된 공기는, 전방향 측면 필터(45)를 통과하면서 정화되어 측면 필터(45)의 내부 중공으로 모이고, 후술하는 송풍팬(61)에 의해 상방으로 흐르게 된다.

여기서, 기둥(53)은 측면 흡입부(21)에 의한 전방향 공기 흡입을 방해하지 않도록 되도록 적은 수로 이루어지는 것이 바람직하고, 또한 측면 커버(20)를 분해한 다음 측면 필터(45)를 측방에서 인입/인출하여 교체가능하도록 적어도 2개의 기둥(53)은 그 사이에 다른 기둥이 배치되지 않으면서 180도 이상의 간격을 두고 배치되는 것이 바람직하다.

한편, 하부 필터(41)와 측면 필터(45)는, 공기청정기의 원하는 공기 정화 성능에 따라 적절한 사양의 것을 사용할 수 있다. 예를 들어, HEPA(High Efficiency Particulate Air) 필터나 ULPA(Ultra-Low Penetration Air) 필터를 하부 필터(41)와 측면 필터(45)로 사용할 수 있는데, 전술한 바와 같은 공기청정기 주변 공기 중 먼지의 높이에 따른 분포를 감안하여, 하부 필터(41)보다는 측면 필터(45)에 상대적으로 더 고성능의 것을 사용하는 것이 바람직하다.

팬 모듈(60)은 주변 공기의 흡입, 필터에 의한 정화, 정화된 공기의 토출로 이어지는 공기의 흐름을 발생시키는 부품으로서, 공기의 흐름에서 필터(41,45)의 후단, 즉 하부 필터(41) 및 측면 필터(45)의 상부에 배치된다.

구체적으로, 팬 모듈(60)은 상부 프레임(55) 내부에 장착되고, 송풍팬(61) 및 송풍팬(61)을 회전시키는 팬 모터(65)를 포함한다. 팬 모터(65)는 회전축이 상하방향을 향하도록 상부 프레임(55) 내부, 보다 구체적으로는 후술하는 가이드 베인(70)을 개재하여 상부 프레임(55)에 고정되고, 송풍팬(61)은 팬 모터(65)의 하방으로 노출되는 회전축에 결합된다.

송풍팬(61)은 축류팬(axial fan), 사류팬(mixed flow fan) 또는 터보팬(turbo fan)으로 이루어질 수 있다. 이들 축류팬, 사류팬 또는 터보팬은 기본적으로 회전축 방향, 본 실시예에서는 측면 필터(45)의 내부 중공에서 상방을 향하는 축류의 공기 흐름을 만들어 내지만, 이 축류의 공기 흐름에는 축방향 성분 이외에도 팬의 회전에 의해 생성되는 회전성분이 존재한다. 이러한 회전성분은 유동저항의 형태로 송풍 효율의 저하를 초래할 뿐만 아니라, 작동 소음의 증가를 초래할 수 있다. 이에 본 실시예에서는 공기 흐름의 회전성분을 축방향 성분으로 변환시키는 가이드 베인(guide vane)(70)을 구비한다. 가이드 베인(70)은 송풍팬(61)의 후단, 즉 상부 프레임(55) 내부에서 송풍팬(61)의 상부에 고정될 수 있다. 가이드 베인(70)의 상세 구조와 작동에 대해서는 후술한다.

토출부(30)는 케이스, 특히 측면 커버(20) 상부에 결합되어 정화된 공기를 토출하는 부재로서, 토출 가이드(35)와 토출 그릴(31)을 포함할 수 있다.

토출 가이드(35)는, 가이드 베인(70)의 후단, 즉 상부에 결합되어, 가이드 베인(70)을 통과하여 상방으로 토출되는 정화된 공기의 토출방향을 변경하거나, 정화된 공기가 적절히 분배되어 토출되도록 가이드한다. 본 실시예에서 토출 가이드(35)는 정화된 공기의 일부를 적어도 측방으로 토출가능하게 측방 토출구(35a)를 포함한다. 또한, 본 실시예에서 토출 가이드(35)는 정화된 공기의 나머지 일부를 상방으로 토출가능하게 상방 토출구(35b)를 포함할 수 있다. 구체적으로, 토출 가이드(35)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 서로 대칭되는 위치에 2개의 측방 토출구(35a)와 2개의 상방 토출구(35b)를 포함할 수 있다.

토출 그릴(31)은 토출 가이드의 상부에 결합되어 공기청정기의 상부 외관을 형성한다. 즉, 전술한 바와 같이 토출 그릴(31)은 상부 커버를 겸한다. 한편, 토출 그릴(31)에는 토출 가이드(35)의 각 토출구(35a,35b)에 대응되는 위치에 통공(31a,31b)이 형성되어 있어, 토출 가이드(35)의 각 토출구(35a,35b)를 통해 토출되는 정화된 공기가 공기청정기의 외부로 원활하게 토출되도록 한다.

한편, 토출 가이드(35)가 측방 토출구(35a)를 포함하여 정화된 공기가 측방으로 토출되는 경우, 전단의 가이드 베인(70)을 통과하여 상방으로 토출되는 공기의 유로가 꺾이게 된다. 이 경우, 토출 가이드(35)의 측방 토출구(35a) 구석진 곳에는, 필터에 의해 미처 걸러지지 않은 미세먼지나 공기청정기의 동작 정지중에 토출 가이드(35)나 토출 그릴(31) 내부에 들어가 있던 오염된 공기에 포함된 먼지 등이 부착되는 문제가 발생할 수 있다. 이에 본 실시예에서는, 사용자가 토출 그릴(31)을 손쉽게 분해하여 토출 그릴(31)과 토출 가이드(35)의 구석진 곳에 부착된 먼지를 제거하고 다시 토출 가이드(35)에 조립할 수 있도록 구성한다.

구체적으로, 조립하였을 때 서로 대면하는 토출 가이드(35)의 상면과 토출 그릴(31)의 저면의 소정 위치에 자석(32,36)을 마련함으로써, 이 자석(32,36)의 인력에 의해 토출 그릴(31)은 토출 가이드(35)에 착탈가능하게 결합된다. 이때, 자석(32,36)은, 토출 가이드(35)와 토출 그릴(31)이 자석(32,36)의 인력에 의해 부착 결합되었을 때, 토출 가이드(35)의 토출구(35a,35b)와 토출 그릴(31)의 통공(31a,31b)이 서로 일치하는 위치로 결합되도록 위치결정되어 마련되는 것이 바람직하다.

한편, 도시된 예에서는 토출 가이드(35)의 상면과 토출 그릴(31)의 저면에 서로 반대되는 극성의 자석(32,36)을 마련하는 것으로 되어 있으나, 자석은 토출 가이드(35)의 상면과 토출 그릴(31)의 저면 중 어느 일방에만 마련하고 타방에는 이 자석의 자력에 의해 부착될 수 있는 물체를 배치해도 된다.

본 실시예에서 토출 가이드(35) 및 토출 그릴(31)은 바닥에 수직한 축을 회동축으로 하여 회동가능하게 구성될 수 있다. 이를 위해, 공기청정기는 토출 가이드(35)와 토출 그릴(31)을 회동 구동하기 위한 회동 구동부(80를 구비한다. 구체적으로, 회동 구동부(80)는 회동부 하우징(81)과 회동 기구(85)를 포함할 수 있다.

회동부 하우징(81)은 하면이 가이드 베인(70) 상부에 고정되고 상면에 원호 형상의 가이드 홀(81a)이 형성된 원통형으로 이루어질 수 있다.

회동 기구(85)는 회동 모터(85a)와 기어 블록으로 구현될 수 있다. 구체적으로, 회동 모터(85a)는 정역 회전 가능한 모터로서, 회동부 하우징(81)의 내벽 일측에 고정된다. 기어 블록은 회동 모터(85a)의 회전축에 결합된 피니언 기어(85b)와, 회동부 하우징(81)의 내벽에서 이격되어 피니언 기어(85b)와 맞물려 회전하는 원형 내접 기어(85c)를 포함한다. 또한, 원형 내접 기어(85c)의 상면에는 상방으로 돌출 연장되는 연결봉(85d)이 형성되어 있다. 이 연결봉(85d)은 회동부 하우징(81)의 상면에 형성된 가이드 홀(81a)을 관통하고, 연결봉(85d)의 상단부가 토출 가이드(35)에 결합됨으로써, 토출 가이드(35) 및 토출 가이드(35)에 결합된 토출 그릴(31)이 원형 내접 기어(85c)의 회전에 따라 회동하게 된다. 이때, 회동 모터(85a)는 연결봉(85d)이 원호 형상의 가이드 홀(81a)의 내부에서 왕복 회동가능하게 정역 회전하도록 구성된다.

본 실시예의 공기청정기(1)는 조작 패널(90)을 구비할 수 있다. 조작 패널(90)은 공기청정기의 전원을 온/오프하거나 구동 세기(강/약), 구동 모드 등을 조작하기 위한 각종 버튼이나 스위치, 나아가 먼지 센서(미도시)에 의한 주변 공기질이나 필터 교체 시기 등을 표시하는 각종 램프나 비퍼 등의 표시/알람 수단을 포함할 수 있다. 조작 패널(90)은 회동부 하우징(81)의 상면 중앙에, 토출 가이드(35) 및 토출 그릴(31)의 회동 동작이나 토출 그릴(31)의 착탈 동작에 방해되지 않는 위치에 결합될 수 있다.

이와 같이, 본 실시예에 따른 공기청정기(1)는, 저면 흡입부(11)와 전방향 측면 흡입부(21)를 포함하고, 토출부(30)가 측방 토출구(35a)와 상방 토출구(35b)를 포함함으로써, 도 3의 화살표와 같이, 공기청정기(1)의 하방 및 측방으로부터 주변 공기를 흡입하여 정화한 다음, 상방 및 측방으로 정화된 공기를 토출할 수 있다.

이어서, 도 4 내지 도 8을 참조하여 가이드 베인(70)의 상세 구조와 그 효과에 대해서 설명한다.

도 4는 가이드 베인(70)의 평면도이고, 도 5는 도 4에 도시된 점 P를 지나는 공기의 흐름을, 도 4의 V-V선에 따른 가이드 베인(70)의 일부 단면과 함께 나타낸 도면이며, 도 6은 가이드 베인의 날개의 단면 형상에 따른 와류도 분포를 유동해석에 의해 시뮬레이션한 결과를 도시한 도면이다. 또한, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 공기청정기의 송풍팬과 가이드 베인 주위의 공기 흐름(와류도 분포)을 유동해석에 의해 시뮬레이션한 결과의 도면이다.

가이드 베인(70)은 필터(41,45) 및 송풍팬(61)을 통과하여 상방을 향하는 공기 흐름에서 회전성분을 축방향 성분으로 변환하는 부재이다. 가이드 베인(70)은 상부 프레임(55) 내부에서 송풍팬(61)의 후단, 즉 상부에 고정될 수 있다. 가이드 베인(70)은 중앙의 허브부(71)와, 허브부(71)로부터 방사상으로 연장되는 복수의 날개(73)를 포함할 수 있다.

허브부(71)는 상단이 개방되어 있고 하단 중심부에 관통홀(71a)이 형성된 원통형으로서, 허브부(71)에는 송풍팬(61)을 회전시키는 팬모터(65)가 장착되고, 팬모터(65)의 회전축이 하단의 관통흘(71a)을 통해 허브부(71) 아래로 노출될 수 있다. 허브부(71) 아래로 노출된 팬모터(65)의 회전축에 송풍팬(61)이 결합됨으로써 공기청정기의 수직방향 중심축을 중심으로 회전가능하게 장착될 수 있다. 즉, 허브부(71)는 팬모터 하우징으로서도 기능한다.

가이드 베인(70)의 날개(73)는, 도 3에서 보듯이, 허브부(71)의 외주에 방사상으로 배치되며, 그 아래의 송풍팬(61)의 날개(61a) 형상에 맞추어 허브부(71)로부터 멀어질수록 익현(chord)(도 5에서 CL)의 길이가 증가하는 형태로 형성될 수 있다. 또한, 가이드 베인(70)의 각 날개(73)는 송풍팬(61)의 회전에 의해 생기는 공기 흐름의 회전성분을 상쇄하도록 만곡되어 있다. 즉, 예컨대 송풍팬(61)의 회전방향이, 도 4 및 도 5의 화살표 R과 같이, 공기청정기의 상방에서 보았을 때(도 4 참조) 시계방향이라 하면, 송풍팬(61)에서 출사되어 가이드 베인(70)의 날개(73)에 입사할 때의 공기 흐름 Ai는, 도 5에 도시된 바와 같이, 축방향 성분 Aa과 회전성분 Ar을 포함하게 된다. 이러한 공기 흐름 Ai는 가이드 베인(70)을 통과하면서 만곡된 날개(73)에 가이드되어 회전성분 Ar이 축방향 성분 Aa로 변환되어, 가이드 베인(70)의 날개(73)에서 출사할 때에는 회전성분이 없고 축방향 성분만을 가지는 흐름 Ao로 된다.

한편, 가이드 베인(70)의 날개(73)로는 일반적으로 단면 형상이 단순 직선형 또는 단순 유선형의 익형을 가지는 것이 이용되어 왔다. 즉, 종래의 일반적인 단순 유선형의 익형을 가지는 날개는, 도 6의 (a)에 도시된 바와 같이, 전체적으로 날개 두께가 증가하다가 서서히 감소하는 유선형으로 이루어지나, 날개 단면에서 전연(leading edge)과 후연(trailing edge)을 잇는 직선인 익현(CL)이 날개 단면의 윤곽선으로 이루어지는 영역 내부에 포함되는 형태를 가진다. 그러나, 이러한 단순 유선형의 날개는, 도 6의 (a)에 도시된 바와 같이, 공기가 날개의 전연으로 입사하여 후연에서 출사하는 과정에서 와류(eddy) 내지 난류(turbulence)의 흐름을 보인다. 이러한 와류 내지 난류는 유동저항의 형태로 에너지의 손실(송풍 효율의 저하)을 초래하고, 소음을 증가시킨다.

이에 대해, 본 실시예에서는, 도 5에 도시된 바와 같이, 전체적으로 날개 두께가 증가하다가 서서히 감소하는 점은 도 6의 (a)와 같지만, 날개 단면에서 전연과 후연을 잇는 직선인 익현의 적어도 일부가 날개 단면의 윤곽선으로 이루어지는 영역 바깥에 존재하는, 즉 날개 단면의 윤곽선이 일면은 볼록하고 타면은 오목한 형태를 가진다. 이러한 익형의 날개는, 도 6의 (b)에 도시된 바와 같이, 공기가 날개의 전연으로 입사하여 후연에서 출사하는 과정에서 와류 내지 난류가 거의 발생하지 않고 층류를 유지한다. 따라서, 본 실시예에 따른 익형의 날개를 가지는 가이드 베인(70)에서는 일반적인 유선형 날개를 가진 가이드 베인에 비해 에너지의 손실(송풍 효율의 저하)이 거의 없고 소음도 훨씬 적다.

이러한 점은 도 7을 보아도 알 수 있다. 즉, 본 실시예에 따른 익형의 날개(73)를 구비한 가이드 베인(70)을 송풍팬(61)의 후단(상부)에 설치한 경우에는, 공기의 흐름이 송풍팬(61)의 날개(61a) 주위에서는 높은 와류도(vorticity)를 보이지만, 가이드 베인(70)의 날개(73)를 지나면서 회전성분이 축방향 성분으로 변환됨과 함께 와류도도 현저하게 감소한다.

한편, 송풍팬(61)의 날개수와 가이드 베인(70)의 날개수가 동일하면, 송풍팬(61)의 회전에 따라 송풍팬(61)의 날개(61a)와 가이드 베인(70)의 날개(73) 간의 주기적인 상호작용 소음이 발생할 수 있다. 이에, 본 실시예에서는 송풍팬(61)의 날개수와 가이드 베인(70)의 날개수를 서로 다르게 한다. 이때, 송풍팬(61)의 날개수와 가이드 베인(70)의 날개수가 서로 다르더라도, 예컨대 송풍팬(61)의 날개수 a=4이고 가이드 베인(70)의 날개수 b=8인 경우와 같이 배수 관계가 되거나, 나아가 a=4이고 b=6인 경우와 같이 a와 b의 최소 공배수(=12)가 a와 b의 곱(=24)보다 작은 경우에는, 날개수 a와 b를 다르게 함으로써 얻어지는 주기적 소음 저감 효과가 덜할 수 있다. 따라서, 날개수 a와 b를 다르게 하는 경우에는, 그 차이를 작게 하여(예컨대 a=14, b=13) a와 b의 최소 공배수(=182)가 a와 b의 곱(=182)과 동일하게 설정하는 것이 더욱 바람직하다.

나아가, 반복 소음을 저감하는 다른 방안으로서, 송풍팬(61) 및/또는 가이드 베인(70)의 날개 피치(인접하는 날개간의 사이각)를 불균등하게 하는 방안을 생각해 볼 수 있다. 이때, 송풍팬(61)은 회전하는 요소이므로 안정적인 회전을 위해 송풍팬(61)의 날개에 불균등 피치를 적용하는 것보다는, 회전하지 않고 고정된 가이드 베인(70)의 날개에 불균등 피치를 적용하는 것이 더 바람직하다.

구체적으로 예를 들면, 상술한 예, 즉 가이드 베인(70)의 날개수를 13으로 한 경우에, 이 13개의 날개를 균등하게 배치한다면, 날개 피치(인접한 날개간의 사이각)는 약 27.69도(=360도/13)가 되지만, 본 실시예에서는 도 4에 도시된 바와 같이, 날개 피치를 불균등하게(랜덤하게) 하여 날개들(73)을 배치한다. 이와 같이 불균등 피치가 적용된 가이드 베인(70)을 통과하는 공기 흐름은, 균등 피치의 가이드 베인을 통과하는 공기 흐름 대비 위상에 변화가 발생하고 피크 소음 에너지를 분산시켜, 궁극적으로 전체 소음 저감 효과를 얻을 수 있다.

도 8은 불균등 피치를 적용했을 때의 피크 소음 저감 효과를 확인한 결과를 도시한 그래프로서, 도 8에서 (a)는 균등 피치를 적용한 경우, (b)는 불균등 피치를 적용한 경우의 소음을 측정한 결과이다.

구체적으로, 가로×세로×높이가 330mm×330mm×920mm인 사각 기둥 형태의 케이스를 마련하여, 그 안에 직경이 290mm이고 날개수가 14개인 송풍팬을 설치하고, 송풍팬 상부에 날개수가 13개인 가이드 베인을 설치하였다. 이때, (a)는 가이드 베인의 각 날개간 사이각(날개 피치)이 27.69도로 균등하게 하였고, (b)는 도 4에 도시된 바와 같은 불균등 피치가 적용된 가이드 베인을 설치하였다. 이어서, 송풍팬을 1075rpm으로 회전시키고, 케이스 상단 정중앙에서 전방, 후방, 좌측방, 우측방, 상방으로 각각 1m씩 이격된 5개의 지점에서 소음을 측정하여, 제곱평균제곱근(rms) 값으로 나타내었다.

그 결과, 도 8에 도시된 바와 같이, (a)의 균등 피치와 (b)의 불균등 피치 모두 약 300Hz의 주파수 영역에서 피크 소음이 관측되었으나, 그 피크값은 (a)의 경우 약 64.5dB, (b)의 경우 약 48.9dB로 피크 소음이 현저하게 감소하였다.

이와 같이, 본 실시예에 따르면, 가이드 베인의 날개 단면 형상을 단순 유선형으로 하지 않고 특정한 익형으로 하고, 송풍팬(61)의 날개수와 가이드 베인(70)의 날개수를 서로 다르게 하며, 나아가 가이드 베인(70)의 날개 피치를 불균등하게 함으로써, 송풍팬에 의해 발생된 공기 흐름에서 회전성분을 축방향 성분으로 변환됨과 함께, 와류도가 현저하게 감소함은 물론, 작동 소음도 현저하게 감소시킬 수 있다.

한편, 위와 같이 불균등 피치를 적용할 때 각 날개의 구체적인 배치 각도는 0에서 360 사이의 난수(random number)를 날개수만큼 발생시켜 결정할 수 있다. 이때, 불균등 피치를 적용함에 따른 송풍팬의 날개에 걸리는 반작용 힘의 합이 최소가 되도록 하는 것이, 에너지 손실을 최소화한다는 점에서 바람직하다. 송풍팬의 날개에 걸리는 반작용 힘은, 고정된 가이드 베인의 각 날개에 전달되는 힘(양력) F로 나타낼 수 있다. 또한, 이 F는 x방향 성분인 Fx와 y방향 성분인 Fy로 나누어 표현할 수 있고, 각 날개의 Fx 값과 Fy 값은, 임의의 한 날개(예컨대, 도 4에서 3시 방향에 위치한 날개)를 기준으로 한 각 날개의 배치 각도(반시계 방향 각도)를 θ라 했을 때, Fx = F×cosθ, Fy = F×sinθ로 나타낼 수 있다. 이렇게 하여 구한 각 날개의 Fx 값의 총합과 Fy 값의 총합이 각각 0에 가까워지도록 하면, 불균등 피치를 적용함에 따른 송풍팬의 날개에 걸리는 반작용 힘의 합을 최소화할 수 있다.

이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

1: 공기청정기
10: 하부 케이스
11: 저면 흡입부
13: 하부 필터 장착부
15: 다리
17: 프리 필터 장착부
19: 받침
20: 측면 커버
21: 측면 흡입부
30: 토출부
31: 상부 커버(토출 그릴)
32: 자석
35: 토출 가이드
36: 자석
41: 하부 필터(제1필터)
43: 프리 필터
45: 측면 필터(제2필터)
50: 프레임
51: 하부 프레임
53: 기둥
55: 상부 프레임
60: 팬 모듈
61: 송풍팬
61a: 날개
65: 팬 모터
70: 가이드 베인
71: 허브부
73: 날개
80: 회동 구동부
81: 회동부 하우징
81a: 가이드 홀
85: 회동 기구
85a: 회동 모터
85b: 피니언 기어
85c: 원형 내접 기어
85d: 연결봉
90: 조작 패널

Claims (10)

1. 실내의 바닥에 세워서 사용가능하고, 상기 실내의 공기를 흡입하여 정화한 후 상기 실내로 토출하는 타워형 공기청정기로서,
   적어도 저면에 공기가 유통가능한 다수의 통공이 형성된 저면 흡입부를 포함하는 원기둥 또는 다각기둥 형상의 케이스;
   상기 케이스의 내부에서 상기 저면 흡입부에 대향하여 배치된 제1필터;
   상기 케이스의 내부에서 상기 제1필터의 상부에 배치된 팬 모듈;
   상기 케이스의 상부에 결합되어 정화된 공기를 토출하는 토출부; 및
   상기 케이스의 저면에서 하방으로 연장되어 형성된 다리를 구비하여,
   상기 다리에 의해 상기 케이스의 저면과 상기 바닥이 소정 거리 이격되도록 세울 수 있게 구성되고,
   상기 제1필터가 HEPA 필터 또는 ULPA 필터인 타워형 공기청정기.
2. 제1항에 있어서,
   상기 공기청정기를 상기 바닥에 세웠을 때, 상기 케이스의 저면이 상기 바닥에 대해 일방향으로 경사지도록 구성된 타워형 공기청정기.
3. 제1항에 있어서,
   상기 케이스의 내부에서 상기 저면 흡입부와 상기 제1필터의 사이에 배치되는 프리 필터를 더 구비하는 타워형 공기청정기.
4. 제3항에 있어서,
   상기 프리 필터는 상기 케이스의 일측에서 인입/인출하여 착탈가능한 타워형 공기청정기.
5. 제1항에 있어서,
   상기 케이스는 상기 케이스의 측면에 공기가 유통가능한 다수의 통공이 형성된 측면 흡입부를 더 포함하고,
   상기 케이스의 내부에서 상기 측면 흡입부에 대향하여 배치된 제2필터를 더 구비하는 타워형 공기청정기.
6. 제5항에 있어서,
   상기 케이스의 측면에 형성된 다수의 통공은 상기 케이스의 둘레방향을 따라 측면 전체에 걸쳐 형성되어 있고,
   상기 제2필터는 원통형 전방향 필터인 타워형 공기청정기.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 토출부는,
   적어도 측방을 포함하는 토출방향으로 공기의 토출을 가이드하는 토출 가이드와,
   상기 토출 가이드의 상부에 결합되고 적어도 상기 토출 가이드의 토출방향에 대응되는 위치에 통공이 형성된 토출 그릴을 포함하는 타워형 공기청정기.
8. 제7항에 있어서,
   상기 토출 그릴은 상기 토출 가이드에 자석의 인력에 의해 착탈가능하게 결합되는 타워형 공기청정기.
9. 제7항에 있어서,
   상기 토출 가이드 및 상기 토출 그릴은 상기 바닥에 수직한 축을 회동축으로 하여 회동가능한 타워형 공기청정기.
10. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 팬 모듈은 송풍팬 및 상기 송풍팬을 회전시키는 팬 모터를 포함하고,
    상기 송풍팬은 축류팬, 사류팬 또는 터보팬이고,
    상기 팬 모듈과 상기 토출부 사이에 배치되어, 상기 팬 모듈에 의해 생성되는 회전하는 축류의 공기 흐름에서 회전성분을 축방향 성분으로 변환하는 가이드 베인을 더 구비하는 타워형 공기청정기.

Images