KR102593186B1 - 음압병실 내부의 공기 살균 효율을 향상시키기 위한 감염병 예방용 저온 대기압 플라즈마 살균기의 배치방법 - Google Patents

음압병실 내부의 공기 살균 효율을 향상시키기 위한 감염병 예방용 저온 대기압 플라즈마 살균기의 배치방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 음압병실 내부의 공기 살균 효율을 향상시키기 위한 감염병 예방용 저온 대기압 플라즈마 살균기의 배치방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 음압병실 내부의 공기 살균 효율을 향상시키기 위한 감염병 예방용 저온 대기압 플라즈마 살균기의 배치방법은 음압병실 내부의 공기 살균 효율을 향상시킬 수 있도록 플라즈마 살균기의 배치를 최적화시킬 수 있는 배치 방법으로써, 상기 음압병실 및 플라즈마 살균기의 형상을 고려하여 목적함수 및 설계 변수 결정 단계; 상기 설계 변수의 상한 및 하한값을 결정하는 설계 영역 선정단계; 상기 선정된 설계 영역에서 상기 설계 변수를 조합하는 단계; 상기 조합된 설계 변수 중에서 2k 요인실험법에 의해 상기 목적함수에 주요한 영향을 미치는 주요 설계 변수 결정 단계; 상기 선정된 설계영역에서 수치해석 단계; 및 상기 수치해석 결과를 통해 상기 설계영역에서 목적함수를 최소화하는 상기 설계 변수의 값을 탐색하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

음압병실 내부의 공기 살균 효율을 향상시키기 위한 감염병 예방용 저온 대기압 플라즈마 살균기의 배치방법{Optimized arrangement method of low-temperature atmospheric pressure plasma sterilizer for preventing infectious diseases to improve air sterilization efficiency inside negative pressure room}
본 발명은 음압병실 내부의 공기 살균 효율을 향상시키기 위한 감염병 예방용 저온 대기압 플라즈마 살균기의 배치방법에 관한 것이다.
일반적으로 음압병실은 전염병 확산 방지 등의 이유로 환자를 외부 및 일반 환자들과 분리하여 수용하고 치료하기 위한 특별 병실로서, 내부압을 외부압보다 낮게 유지하여 병실 내의 공기 또는 에어로졸(aerosol)이나 비말 중에 포함된 병원체가 병실 외부로 배출되지 않도록 하고 있다.
또한, 병실 내의 공기는 병원체가 통과하지 못하도록 HEPA(highly Efficient Particular Air Filter) 필터가 적용된 배기 시설을 경유하여 외부로 배기하도록 되어 있다.
이러한 음압병실은 중동 호흡기 증후군(MERS: Middle East Respiratory Syndrome), 중증 급성 호흡기 증후군(SARS: Severe Acute Respiratory Syndrom), 조류인플루엔자 인체감염증(AIHI: Avian Influenza Human Infection), 신종인플루엔자(Novel swine-origin influenza A (H1N1)), 에볼라 출열혈(Ebola hemorrhagicfever), 신종코로나 바이러스 등과 같은 병원균의 확산을 차단할 목적으로 사용되고 있다.
이와 같은 종래의 음압병실로는 대한민국 등록특허 제10-2164518호 '음압병실 컨테이너'가 있다.
그리고, 음압병실에는 환자를 돌보는 병원 직원들의 감염 방지를 위하여, 음압병실 내부의 공기를 살균하는 살균기가 설치된다.
종래기술을 비롯한 기존의 음압병실의 경우, 음압병실 내부의 공기가 살균기로 원활하게 순환되지 않아, 음압병실 내부의 공기에 병원균이 잔류하여 음압병실에 출입하는 직원들이 병원균의 감염에 노출될 수 있는 문제점이 있었다.
상기와 같은 기술적 배경을 바탕으로 안출된 것으로, 본 발명의 일실시예는 살균기의 위치를 최적화시켜 음압병실 내부의 공기가 살균기로 원활하게 순환되도록 하여 음압병실 내부의 공기 살균 효율을 향상시키고, 음압병실 내부의 전체 공기를 살균할 수 있는 음압병실 내부의 공기 살균 효율을 향상시키기 위한 감염병 예방용 저온 대기압 플라즈마 살균기의 배치방법을 제공하고자 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 음압병실 내부의 공기 살균 효율을 향상시키기 위한 감염병 예방용 저온 대기압 플라즈마 살균기의 배치방법은 음압병실 내부의 공기 살균 효율을 향상시킬 수 있도록 플라즈마 살균기의 배치를 최적화시킬 수 있는 배치 방법으로, 상기 음압병실 및 플라즈마 살균기의 형상을 고려하여 목적함수 및 설계 변수 결정 단계; 상기 설계 변수의 상한 및 하한값을 결정하는 설계 영역 선정단계; 상기 선정된 설계 영역에서 상기 설계 변수를 조합하는 단계; 상기 조합된 설계 변수 중에서 2k 요인실험법에 의해 상기 목적함수에 주요한 영향을 미치는 주요 설계 변수 결정 단계; 상기 선정된 설계영역에서 수치해석 단계; 및 상기 수치해석 결과를 통해 상기 설계영역에서 최적점을 탐색하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 목적함수는 전체 유량범위에서 상기 음압병실 내의 수직면에서의 공기의 속도편차(SD1) 및 수평면에서의 공기의 속도편차(SD2)이고, 상기 설계 변수는 상기 목적함수에 영향을 미칠 수 있는 기준위치로부터의 좌우거리, 전후거리, 높이, 회전각도이며, 상기 기준위치는 상기 음압병실의 전방측의 우측 하부 꼭지점으로부터 좌측방향으로 0.69m 이동되고 상측방향으로 0.1m 이동된 위치일 수 있다.
또한, 상기 설계 변수의 상한 및 하한값을 결정하는 설계 영역 선정단계에서 상기 좌우거리는 -0.05m 이상 0.69m 이하이고, 상기 전후거리는 0m 이상 0.6m 이하이며, 상기 높이는 -0.1m 이상 2.5m 이하이고, 상기 회전각도는 -45도 이상 45도 이하일 수 있다.
또한, 상기 조합된 설계 변수 중에서 2k 요인실험법에 의해 상기 목적함수에 주요한 영향을 미치는 주요 설계 변수 결정 단계에서는 상기 좌우거리, 전후거리, 높이, 회전각도를 조합하여 상기 목적함수의 민감도를 파악할 수 있다.
또한, 상기 목적함수에 주요한 영향을 미치는 주요 설계 변수는 상기 높이 및 회전각도일 수 있다.
또한, 상기 수치해석결과를 통해 설계영역에서 최적점을 탐색하는 단계는 수치해석을 통해 최적의 설계 변수 값을 결정하고 최적의 형상을 결정할 수 있다.
또한, 상기 설계 영역 선정단계는 상기 설계 변수에 대한 목적함수를 결정하기 위해 경계 조건을 고정하는 경계 조건 고정단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 최적점에서 상기 좌우거리는 -0.05m, 상기 전후거리는 0m, 상기 높이는 2.5m, 상기 회전각도는 45도일 수 있다.
또한, 상기 플라즈마 살균기의 유량은 0.8 m3/min 내지 1.0 m3/min이고, 배출 속도는 2.3 m/s 내지 2.4 m/s일 수 있다.
또한, 상기 플라즈마 살균기는 전방측에 공기가 유입되는 유입구가 형성되고, 후방측에 공기가 배출되는 배출구가 형성될 수 있다.
또한, 상기 음압병실의 내부에는 침대가 배치되고, 상기 음압병실의 전방측 좌측 모서리에는 음압장치가 배치될 수 있다.
또한, 상기 음압장치는 우측부에 공기가 흡입되는 흡입구가 형성될 수 있다.
또한, 상기 음압장치의 흡입구에서 질량 유량은 -0.0559202kg/s일 수 있다.
또한, 상기 음압병실 내의 수직면에서의 공기의 속도편차(SD1)는 상기 음압병실의 내부에 좌우방향으로 일정 간격 이격된 10개의 수직면을 설정하여 산출된 것이고, 상기 음압병실 내의 수평면에서의 공기의 속도편차(SD2)는 상기 음압병실의 내부에 상하방향으로 일정 간격 이격된 10개의 수직면을 설정하여 산출된 것일 수 있다.
또한, 상기 음압병실은 직육면체 형상으로 마련되고, 좌우길이가 2.1m 이상 2.5m 이하로 마련되고, 전후길이가 3.1m 이상 3.5m 이하로 마련되며, 높이가 2.1m 이상 2.5m 이하로 마련될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 음압병실 내부의 공기 살균 효율을 향상시키기 위한 감염병 예방용 저온 대기압 플라즈마 살균기의 배치방법은 살균기의 위치를 최적화시켜 음압병실 내부의 공기가 살균기로 원활하게 순환되도록 하여 음압병실 내부의 공기 살균 효율을 향상시키고, 음압병실 내부의 전체 공기를 살균할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 프로펠러형 마이크로 수차의 설계 방법을 나타낸 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 음압병실 내부를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 음압병실 내부에 수직면을 설정한 것을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 음압병실 내부에 수평면을 설정한 것을 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 살균기의 설계 변수 변화에 따른 10개의 수직면에서의 공기의 평균 속도 변화를 주 효과 도포(Main effects plot)를 이용하여 나타낸 그래프이다.
도 6은 설계 변수가 10개의 수직면에서의 공기의 평균 속도에 미치는 정도를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 살균기의 배치의 설계 변수 변화에 따른 10개의 수평면에서의 공기의 평균 속도 변화를 주 효과 도포(Main effects plot)를 이용하여 나타낸 그래프이다.
도 8은 설계 변수가 10개의 수평면에서의 공기의 평균 속도에 미치는 정도를 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 살균기의 배치의 설계 변수 변화에 따른 음압병실 내의 수직면에서의 공기의 속도편차 변화를 주 효과 도포(Main effects plot)를 이용하여 나타낸 그래프이다.
도 10은 설계 변수가 음압병실 내의 수직면에서의 공기의 속도편차에 미치는 정도를 나타낸 것이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 살균기의 배치의 설계 변수 변화에 따른 음압병실 내의 수평면에서의 공기의 속도편차 변화를 주 효과 도포(Main effects plot)를 이용하여 나타낸 그래프이다.
도 12는 설계 변수가 음압병실 내의 수평면에서의 공기의 속도편차에 미치는 정도를 나타낸 것이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 살균기의 배치를 통해 음압병실 내부의 공기 살균 효율을 최대화하기 위한 것을 나타낸 것이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 음압병실 내부의 공기 살균 효율을 향상시키기 위한 감염병 예방용 저온 대기압 플라즈마 살균기의 배치방법을 나타낸 순서도이다.
도 1을 참조하여 설명하면, 본 발명은 음압병실 내부의 공기 살균 효율을 향상시키기 위한 감염병 예방용 저온 대기압 플라즈마 살균기의 배치방법(S100)이다. 그리고, 본 발명의 일 실시예에 따른 음압병실 내부의 공기 살균 효율을 향상시키기 위한 감염병 예방용 저온 대기압 플라즈마 살균기의 배치방법(S100)은 음압병실 및 플라즈마 살균기의 형상을 고려하여 목적함수 및 설계 변수 결정 단계(S110), 설계 변수의 상한 및 하한값을 결정하는 설계 영역 선정단계(S120), 선정된 설계 영역에서 설계 변수를 조합하는 단계(S130), 조합된 설계 변수 중에서 2k 요인실험법에 의해 목적함수에 주요한 영향을 미치는 주요 설계 변수 결정 단계(S140), 선정된 설계영역에서 수치해석 단계(S150), 수치해석결과를 통해 설계영역에서 최적점을 탐색하는 단계(S160)를 포함할 수 있다.
먼저, 도2를 참고하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 음압병실(10)에 대해 설명한 후, 본 발명의 일 실시예에 따른 음압병실 내부의 공기 살균 효율을 향상시키기 위한 감염병 예방용 저온 대기압 플라즈마 살균기의 배치방법(S100)에 대해 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 음압병실(10)을 나타낸 것이다.
도 2를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 음압병실(10)의 내부에는 플라즈마 살균기(100), 음압장치(200), 침대(300)가 배치될 수 있다.
그리고, 음압병실(10)은 음압장치(200)를 통해 내부압이 외부압보다 낮게 유지됨으로써, 병실 내의 공기 또는 에어로졸(aerosol)이나 비말 중에 포함된 병원체가 병실 외부로 배출되는 것이 방지될 수 있다.
여기서, 음압병실(10)은 1인용으로 직육면체 형상으로 마련되고, 좌우길이가 2.1m 이상 2.5m 이하로 마련되고, 전후길이가 3.1m 이상 3.5m 이하로 마련되며, 높이가 2.1m 이상 2.5m 이하로 마련될 수 있다. 좀 더 자세히 말하자면, 음압병실(10)은 좌우길이 2.236m, 전후길이 3.385m, 높이 2.4m로 마련될 수 있다. 그리고, 1인용 음압병실(10)의 경우, 병원마다 유사한 크기로 마련되므로, 본 발명의 일 실시예에 따른 음압병실 내부의 공기 살균 효율을 향상시키기 위한 감염병 예방용 저온 대기압 플라즈마 살균기의 배치방법이 1인용 음압병실(10)마다 적용될 수 있다.
또한, 음압병실(10)은 전방측에 입구(IL)가 형성될 수 있고, 측부에 창(WD)이 형성될 수 있다. 그리고, 음압병실(10)의 내부에는 좌측 후방측에 침대(300)가 밀착되어 배치될 수 있다.
플라즈마 살균기(100)는 직육면체 형상으로 마련되고, 전방측에 공기가 유입되는 유입구(100a)가 형성되고, 후방측에 공기가 배출되는 배출구(100b)가 형성될 수 있다. 그리고, 플라즈마 살균기(100)는 플라즈마 이온을 발생시켜 유입되는 공기에 포함된 병원균을 사멸시킬 수 있다.
그리고, 플라즈마 살균기(100)는 아래 표1에서와 같이, 단계별로 배출되는 공기의 유량 및 속도를 변경시킬 수 있다.
단계 유량[m3/min] 평균속도[m/s]
1 0.63 1.67
2 0.72 1.90
3 0.81 2.14
4 0.90 2.38
본 발명에서 플라즈마 살균기(100)의 유량은 0.8 m3/min 내지 1.0 m3/min이고, 배출 속도는 2.3 m/s 내지 2.4 m/s일 수 있다. 좀 더 자세히 말하자면, 본 발명에서 플라즈마 살균기(100)는 4단계인 유량 0.9 m3/min, 평균속도 2.38m/s로 작동시를 기준으로, 플라즈마 살균기(100)의 배치위치를 실험하였다.
음압장치(200)에는 흡입구(200a)가 형성될 수 있다. 그리고, 음압장치(200)는 흡입구(200a)를 통해 음압병실(10) 내부의 공기를 흡입하여 외부로 배출함으로써, 음압병실(10) 내부압을 외부압부다 낮게 유지시킬 수 있다.
그리고, 음압장치(200)는 음압병실(10)의 입구(IL)쪽 좌측 모서리에 배치될 수 있다.
이하에서는 음압병실(10) 내부의 공기가 플라즈마 살균기(100)로 원활하게 순환되도록 하여 음압병실 내부의 공기 살균 효율을 향상시키기 위해서 본 발명의 일 실시예에 따른 음압병실 내부의 공기 살균 효율을 향상시키기 위한 감염병 예방용 저온 대기압 플라즈마 살균기의 배치방법(S100)에 대해 설명한다. 부가적으로, 음압병실 내부의 공기 살균 효율을 향상시키기 위한 감염병 예방용 저온 대기압 플라즈마 살균기의 배치방법에서 플라즈마 살균기의 배출구(100b)에서 질량 유량은 0.019037kg/s이고, 플라즈마 살균기의 유입구(100a)에서 질량 유량은 -0.0152056kg/s이고, 음압장치(200)의 흡입구(200a)에서 질량 유량은 -0.0559202kg/s이고, 음압병실의 창(WD)에서 질량 유량은 0.0520852kg/s이다. 여기서, 공기가 배출되는 곳에서는 질량 유량이 양수값으로 나타내고, 공기가 흡입되는 곳에서는 질량 유량을 음수값으로 나타낼 수 있다.
도1을 참조하여 설명하면, 본 발명은 음압병실 내부의 공기 살균 효율을 향상시키기 위한 감염병 예방용 저온 대기압 플라즈마 살균기의 배치방법(S100)이다. 그리고, 본 발명의 일 실시예에 따른 음압병실 내부의 공기 살균 효율을 향상시키기 위한 감염병 예방용 저온 대기압 플라즈마 살균기의 배치방법(S100)은 음압병실 및 플라즈마 살균기의 형상을 고려하여 목적함수 및 설계 변수 결정 단계(S110), 설계 변수의 상한 및 하한값을 결정하는 설계 영역 선정단계(S120), 선정된 설계 영역에서 설계 변수를 조합하는 단계(S130), 조합된 설계 변수 중에서 2k 요인실험법에 의해 목적함수에 주요한 영향을 미치는 주요 설계 변수 결정 단계(S140), 선정된 설계영역에서 수치해석 단계(S150), 수치해석결과를 통해 설계영역에서 최적점을 탐색하는 단계(S160)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 목적함수 및 설계 변수 결정단계(S110)는 음압병실 및 플라즈마 살균기의 형상을 고려하여 목적함수 및 설계 변수 결정할 수 있다. 그리고, 목적함수 및 설계 변수 결정단계(S110)에서는 목적함수를 최대화하기 위하여 플라즈마 살균기의 배치를 결정하는 설계 변수를 선택할 수 있다.
이때, 목적함수는 전체 유량범위에서 음압병실 내의 수직면에서의 공기의 속도편차(SD1) 및 수평면에서의 공기의 속도편차(SD2)일 수 있다. 수직면에서의 공기의 속도편차(SD1) 및 수평면에서의 공기의 속도편차(SD2)가 낮아질수록 음압병실 내의 공기가 원활하게 순환되므로, 음압병실 내부의 공기 살균 효율을 향상시킬 수 있다.
그리고, 음압병실 내의 수직면에서의 공기의 속도편차(SD1)는 음압병실의 내부에 좌우방향으로 일정 간격 이격된 10개의 수직면(P1~P10)을 설정하여 산출된 것이다. 또한, 음압병실 내의 수평면에서의 공기의 속도 편차는 음압병실의 내부에 상하방향으로 일정 간격 이격된 10개의 수평면(P11~P20)을 설정하여 산출된 것이다.
좀 더 자세히 말하자면, 음압병실 내의 수직면에서의 공기의 속도편차(SD1)는 각각의 수직면에서의 평균속도(Mean1)를 측정하고, 각각의 수직면에서의 평균속도(Mean1)의 속도편차를 산출한 것이고, 음압병실 내의 수평면에서의 공기의 속도편차(SD2)는 각각의 수평면에서의 평균속도(Mean2)를 측정하고, 각각의 수평면에서의 평균속도(Mean2)의 속도편차를 산출한 것이다.
도 2 내지 도 4를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에서 목적함수인 음압병실 내의 수직면에서의 공기의 속도편차(SD1) 및 수평면에서의 공기의 속도편차(SD2)에 영향을 미칠 것이라 인식되는 설계 변수들은 기준위치로부터의 좌우거리, 전후거리, 높이, 회전각도이다. 그리고, 기준위치는 음압병실의 전방측의 우측 하부 꼭지점으로부터 좌측방향으로 0.69m 이동되고 상측방향으로 0.1m 이동된 위치이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 설계 변수의 상한 및 하한값을 결정하는 설계 영역 선정단계(S120)에서는 음압병실 내의 수직면에서의 공기의 속도편차(SD1) 및 수평면에서의 공기의 속도편차(SD2)를 최소화하기 위해 설계 변수의 범위를 한정함으로써 적절한 설계영역을 설정할 수 있다.
설계 변수의 상한 및 하한값을 결정하는 설계 영역 선정 단계(S120)에서는 좌우거리는 -0.05m 이상 0.69m 이하이다. 그리고, 전후거리는 0m 이상 0.6m 이하이다. 또한, 높이는 -0.1m 이상 2.5m 이하이다. 그리고, 회전각도는 -45도 이상 45도 이하이다.
이와 같이 설계 변수와 설계영역이 결정되면 해석을 위한 최적의 격자계를 구성하게 되는데 본 발명에서는 격자의존성을 제거하기 위한 테스트를 실행할 수 있다. 또한, 격자계는 ANSYS TurboGrid를 사용하여 정렬격자계(structured grid)로 생성하였다. 본 발명의 일 실시예에 따른 고정변수를 선정하는 단계(S120)에서는 수치해석결과의 신뢰성을 높이기 위해 격자테스트를 수행하고, 플라즈마 살균기의 배치의 경계조건을 나타낼 수 있다.
또한, 음압병실 내부의 공기의 흐름 분석을 위해 3차원 Reynolds-averaged Navier-Stokes 방정식을 이용할 수 있다. 흐름을 분석하기 위해 난류모델(turbulent model)은 유동박리(flow separation)의 예측에 유리한 Shear Stress Transport model을 사용할 수 있다.
그리고, 설계 영역 선정단계는 설계 변수에 대한 목적함수를 결정하기 위해 경계 조건을 고정하는 경계 조건 고정단계를 더 포함할 수 있다.
여기서, 플라즈마 살균기의 배출구에서 질량 유량은 0.019037kg/s이고, 플라즈마 살균기의 유입구에서 질량 유량은 -0.0152056kg/s이고, 음압장치의 흡입구에서 질량 유량은 -0.0559202kg/s이고, 음압병실의 창에서 질량 유량은 0.0520852kg/s이다. 그리고, 플라즈마 살균기의 배출구에서 유량은 0.9 m3/min, 평균속도는 2.38m/s이다.
부가적으로, 병원 내부 유동해석에 대한 성능평가 수행을 위해, 상용 유동해석 프로그램인 ANSYS ICEM CFD ver. 19.1을 이용하여 내부 유동장 분석을 위한 검사체적 영역을 선정할 수 있다. 그리고, 병원 내부 유동해석을 위해, ANSYS CFX ver. 19.1을 이용하여 분진흡입 장치 해석을 위한 경계조건을 부여하고, 살균 시스템 입구부에는 대기압 조건을 부여하고, 출구부에는 유량조건을 부여할 수 있다. 또한, 난류모델로는 벽면 근처에서 발생하는 유동박리현상 예측에 서 발생하는 유동박리현상 예측에 적절한 k-
Figure 112021119706753-pat00001
기반의 전단이송모델(Shear Stress Transport)을 사용할 수 있다. 그리고, 이산화방법으로 오일러 기술법 기반의 근사해석 기법인 유한체적법(FVM)을 적용할 수 있으며, 해당 수치해석 결과분석을 위해 ANSYS CFX-Post ver. 19.1을 이용하여 후처리 작업을 수행할 수 있다. 또한, 수치해석 형상에 적용할 난류 모델을 고려하여 벽면 근처 첫 번째 격자의 높이를 무차원해 나타낸 값인 y+값을 2 이하가 되도록 격자를 생성할 수 있다. 이때, 격자수는 격자의존도 테스트를 통해 해석의 효율성(시간, 메모리, 수렴성 등)을 고려하여 적정 격자계를 선정할 수 있다. 그리고, 수치해석 형상에 대한 격자의존도 테스트 결과, 약 600만개에서 수치해석 결과가 변화하지 않음을 확인할 수 있었다. 그리고, 예방시스템을 적용한 내부 유동흐름은 매우 복잡하게 흐르므로 정밀하고 체계적인 분석이 요구된다. 수치해석이나 실험 결과의 경우, 자료가 많을 때 자료를 대표하는 하나의 값, 즉 대표값으로 평균을 많이 사용한다. 그리고, 산포도의 하나인 표준편차는 자료가 평균을 중심으로 얼마나 퍼져 있는지를 나타내는 대표적인 수치로, 표준편차에 가까우면 자료 값들이 평균 근처에 집중되어 있음을 의미하며, 표준편차가 클수록 자료 값들이 널리 퍼져 있음을 의미한다. 이에 본 발명에서는 표준편차를 최소화시켜 병실 내부의 유동 흐름이 최대한 균일하게 이루어질 수 있도록 하여 음압병실 내부의 공기 살균 효율을 향상시키고, 음압병실 내부의 전체 공기를 살균할 수 있도록 할 수 있다.
상기 선정된 설계 영역에서 설계 변수를 조합하는 단계(S130)에서 설계 변수인 좌우거리, 전후거리, 높이, 회전각도를 제어하여 목적함수가 최대가 될 수 있는 좌우거리, 전후거리, 높이, 회전각도를 조합할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 선정된 설계 영역에서 상기 설계 변수 중에서 2k 요인실험법에 의해 상기 목적함수에 주요한 영향을 미치는 주요 설계 변수 결정 단계(S140)에서는 상기 선정된 설계 영역에서 설계 변수를 조합하기 위해 실험계획법을 사용할 수 있다. 실험계획법은 이상변동을 가져오는 원인 중에서 중요한 원인을 적은 비용으로 선정하고 효과를 수량적으로 측정하기 위한 방법으로, 두 종류의 인자를 대상으로 하여 인자들의 효과를 개별적으로 측정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 살균기의 배치의 설계 변수에 의한 유동특성을 알아보기 위해 실험계획법 중 하나인 2k 요인실험법을 사용할 수 있고, 분석은 상용프로그램인 Minitab 14를 사용할 수 있다. 다시 말해, 설계 변수를 조합하는 단계는 2k 요인실험법을 통해 플라즈마 살균기의 배치의 설계 변수에 의한 음압병실 내의 수직면에서의 공기의 속도편차(SD1) 및 수평면에서의 공기의 속도편차(SD2)의 변화를 알아볼 수 있다. 이를 통해 좌우거리, 전후거리, 높이, 회전각도를 조합하여 목적함수의 민감도를 파악할 수 있다.
선정된 설계 변수는 2k 요인실험 및 CFD를 활용하여 설계 변수 변화에 따른 음압병실 내의 수직면에서의 공기의 속도편차(SD1) 및 수평면에서의 공기의 속도편차(SD2) 변화를 분석할 수 있다.
2k 요인실험법에 적용된 실험조건은 하기 표 2와 같다.
X1 Y1 Z1 Theta
1 -0.05 0 -0.1 -45
2 0.69 0 -0.1 45
3 -0.05 0.6 -0.1 45
4 0.69 0.6 -0.1 -45
5 -0.05 0 2.5 45
6 0.69 0 2.5 -45
7 -0.05 0.6 2.5 -45
8 0.69 0.6 2.5 45
Center 0.32 0.3 1.2 0
여기서, X1은 좌우거리, Y1은 전후거리, Z1은 높이, Theta는 회전각도이다.
그리고, 기준위치에서 좌측으로의 거리를 -, 우측으로의 거리를 +로 표현하였다. 또한, 기준위치에서 전방측으로의 거리를 -, 후방측으로의 거리를 +로 표현하였다. 그리고, 기준위치에서 좌측방향으로 회전되는 것을 -, 우측방향으로 회전되는 것을 +로 표현하였다.
2k 요인실험법이란 k개의 인자에 대해 각각의 인자의 수준을 실험을 수행하여 각 인자의 유의성을 판정하는 방식이다. 이때, 4가지 인자의 모든 효과를 구하려면 실험의 크기를 24 = 16회로 하여 인자들의 주 효과와 교호 작용을 구해야 한다.
본 발명의 일 실시예에서 관심 있는 인자의 수, 실행할 수 있는 실험의 수, 비용, 시간 등을 고려하여 의미가 적은 고차의 상호작용을 교락시켜서 실험의 횟수를 적게 하는 일부실시법(fractional factorial designs)으로 2k 요인실험을 수행하였다. 본 발명의 일 실시예에서 조합된 설계 변수 중에서 2k 요인실험법에 의해 목적함수에 주요한 영향을 미치는 설계 변수 조합 결정 단계(S130)에서는 8개의 조합된 실험점 중에서 2k 요인실험법에 의해 목적함수에 주요한 영향을 미치는 설계 변수 조합을 결정한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 살균기의 설계 변수 변화에 따른 10개의 수직면에서의 공기의 평균속도 변화를 주 효과 도포(Main effects plot)를 이용하여 나타낸 그래프이다.
도 6은 설계 변수가 10개의 수직면에서의 공기의 평균속도에 미치는 정도를 나타낸 차트(Pareto Chart)이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 살균기의 배치의 설계 변수 변화에 따른 10개의 수평면에서의 공기의 평균속도 변화를 주 효과 도포(Main effects plot)를 이용하여 나타낸 그래프이다.
도 8은 설계 변수가 10개의 수평면에서의 공기의 평균속도에 미치는 정도를 나타낸 차트(Pareto Chart)이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 살균기의 배치의 설계 변수 변화에 따른 음압병실 내의 수직면에서의 공기의 속도편차 변화를 주 효과 도포(Main effects plot)를 이용하여 나타낸 그래프이다.
도 10은 설계 변수가 음압병실 내의 수직면에서의 공기의 속도편차에 미치는 정도를 나타낸 차트(Pareto Chart)이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 살균기의 배치의 설계 변수 변화에 따른 음압병실 내의 수평면에서의 공기의 속도편차(SD2) 변화를 주 효과 도포(Main effects plot)를 이용하여 나타낸 그래프이다.
도 12는 설계 변수가 음압병실 내의 수평면에서의 공기의 속도편차(SD2)에 미치는 정도를 나타낸 차트(Pareto Chart)이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 살균기의 배치를 통해 음압병실 내부의 공기 살균 효율을 최대화하기 위한 것을 나타낸 것이다.
설계 변수가 압력 손실에 미치는 영향을 주 효과도표(Main effects plot)를 이용하여 4개 인자의 주 영향력을 분석하였다. 주 효과도표의 분석결과를 종합하면, 설계 변수가 음압병실 내의 수직면에서의 공기의 속도편차(SD1) 및 수평면에서의 공기의 속도편차(SD2)에 영향을 주는 정도를 알 수 있다. 그리고, 회전각도, 높이, 좌우거리, 전후거리 순으로 음압병실 내의 수직면에서의 공기의 속도편차(SD1) 및 수평면에서의 공기의 속도편차(SD2)에 영향을 줄 수 있다.
특히, 회전각도 및 높이가 음압병실 내의 수직면에서의 공기의 속도편차(SD1) 및 수평면에서의 공기의 속도편차(SD2)에 큰 영향을 준다.
즉, 플라즈마 살균기의 회전각도 및 높이를 제어함으로써, 음압병실 내의 수직면에서의 공기의 속도편차(SD1) 및 수평면에서의 공기의 속도편차(SD2)를 최소화시킬 수 있다.
이때, 회전각도 및 높이는 증가할수록 음압병실 내의 수직면에서의 공기의 속도편차(SD1) 및 수평면에서의 공기의 속도편차(SD2)를 최소화시켜, 음압병실 내부의 공기 살균 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 선정된 설계 영역에서 수치해석 단계(S150)는 복수개의 실험점에서 수치 해석을 통해 목적함수 값을 얻을 수 있다. 또한, 음압병실의 내부 유동특성은 수치해석(Computational fluid dynamics)을 활용하여 분석할 수 있다. 이때 음압병실의 내부 유동해석은 상용 3차원 점섬유체 해석 프로그램인 ANSYS CFX-17.1를 통해 해석할 수 있다. 부가적으로, 상기 설계 변수들에 따른 10개의 수직면에서의 공기의 평균속도, 10개의 수평면에서의 공기의 평균속도, 수직면에서의 공기의 속도편차(SD1), 수평면에서의 공기의 속도편차(SD2)는 다음과 같이 도출될 수 있다.
(1) Mean1 = 0.0860 - 0.0012X1 + 0.0146Y1 + 0.00087Z1 + 0.000062Theta
(2) Mean2 = 0.0892 - 0.0033X1 + 0.0158Y1 + 0.00045Z1 + 0.000051Theta
(3) SD1 = 0.0146 + 0.00921X1 - 0.00213Y1 - 0.00180Z1 - 0.000081Theta
(4) SD2 = 0.00791 + 0.00275X1 + 0.0075Y1 + 0.00173Z1 + 0.000030Theta
본 발명의 일 실시예에서 수치해석결과를 통해 설계영역에서 최적점을 탐색하는 단계(S160)에서는 수치해석단계에서 얻어진 결과를 토대로 하여 설계영역에서 최적점을 탐색한다.
그리고, 최적점에서 좌우거리는 -0.05m, 전후거리는 0m, 높이는 2.5m, 회전각도는 45도이다.
또한, 플라즈마 살균기가 최적점에 배치되었을 때, 전체 유량범위에서 음압병실 내부의 수평면에서의 공기의 속도편차(SD2) 및 수직면에서의 공기의 속도편차(SD1)가 최소화되어, 음압병실 내부의 공기 살균 효율이 향상될 수 있다.
본 발명을 앞서 기재한 바에 따라 바람직한 실시예를 통해 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 다음에 기재하는 특허청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한, 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에 종사하는 자들은 쉽게 이해할 것이다.
10 : 음압병실
WD : 창 100 : 플라즈마 살균기
100a : 유입구 100b : 배출구
200 : 음압장치 200a : 흡입구
300 : 침대

Claims (15)

  1. 음압병실 내부의 공기 살균 효율을 향상시킬 수 있도록 플라즈마 살균기의 배치 방법으로써,
    상기 음압병실 및 플라즈마 살균기에 따른 목적함수 및 설계 변수 결정 단계;
    상기 설계 변수의 상한 및 하한값을 결정하는 설계 영역 선정단계;
    상기 선정된 설계 영역에서 상기 설계 변수를 조합하는 단계;
    상기 조합된 설계 변수 중에서 2k 요인실험법에 의해 상기 목적함수에 주요한 영향을 미치는 주요 설계 변수 결정 단계;
    상기 선정된 설계영역에서 수치해석 단계; 및
    상기 수치해석 결과를 통해 상기 설계영역에서 상기 목적함수를 최소화하는 상기 설계 변수의 값을 탐색하는 단계를 포함하고,
    상기 목적함수는 전체 유량범위에서 상기 음압병실 내의 수직면에서의 공기의 속도편차(SD1) 및 수평면에서의 공기의 속도편차(SD2)이고,
    상기 설계 변수는 상기 목적함수에 영향을 미칠 수 있는 기준위치로부터의 좌우거리, 전후거리, 높이, 회전각도이며,
    상기 기준위치는 상기 음압병실의 전방측의 우측 하부 꼭지점으로부터 좌측방향으로 0.69m 이동되고 상측방향으로 0.1m 이동된 위치이고,
    상기 조합된 설계 변수 중에서 2k 요인실험법에 의해 상기 목적함수에 주요한 영향을 미치는 주요 설계 변수 결정 단계에서는 상기 좌우거리, 전후거리, 높이, 회전각도를 조합하여 상기 목적함수의 민감도를 파악하고,
    상기 목적함수에 주요한 영향을 미치는 주요 설계 변수는 상기 높이 및 회전각도이며
    상기 음압병실 내의 수직면에서의 공기의 속도편차(SD1) 및 수평면에서의 공기의 속도편차(SD2)를 최소화하도록 상기 플라즈마 살균기의 상기 높이 및 상기 회전각도가 결정되며
    상기 플라즈마 살균기는 플라즈마 이온을 발생시키며 유량은 0.8 m3/min 내지 1.0 m3/min이고, 배출 속도는 2.3 m/s 내지 2.4 m/s이고,
    상기 음압병실의 전방측 좌측 모서리에는 음압장치가 배치되며,
    상기 음압장치의 흡입구에서 질량 유량은 -0.0559202kg/s인 음압병실 내부의 공기 살균 효율을 향상시키기 위한 감염병 예방용 저온 대기압 플라즈마 살균기의 배치방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 설계 변수의 상한 및 하한값을 결정하는 설계 영역 선정단계에서 상기 좌우거리는 -0.05m 이상 0.69m 이하이고, 상기 전후거리는 0m 이상 0.6m 이하이며, 상기 높이는 -0.1m 이상 2.5m 이하이고, 상기 회전각도는 -45도 이상 45도 이하인 음압병실 내부의 공기 살균 효율을 향상시키기 위한 감염병 예방용 저온 대기압 플라즈마 살균기의 배치방법.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 설계 영역 선정단계는 상기 설계 변수에 대한 목적함수를 결정하기 위해 경계 조건을 고정하는 경계 조건 고정단계를 더 포함하는 음압병실 내부의 공기 살균 효율을 향상시키기 위한 감염병 예방용 저온 대기압 플라즈마 살균기의 배치방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 목적함수를 최소화하는 상기 설계 변수의 값에서 상기 좌우거리는 -0.05m, 상기 전후거리는 0m, 상기 높이는 2.5m, 상기 회전각도는 45도인 음압병실 내부의 공기 살균 효율을 향상시키기 위한 감염병 예방용 저온 대기압 플라즈마 살균기의 배치방법.
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈마 살균기는 전방측에 공기가 유입되는 유입구가 형성되고, 후방측에 공기가 배출되는 배출구가 형성되는 음압병실 내부의 공기 살균 효율을 향상시키기 위한 감염병 예방용 저온 대기압 플라즈마 살균기의 배치방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 음압병실의 내부에는 침대가 배치되는 음압병실 내부의 공기 살균 효율을 향상시키기 위한 감염병 예방용 저온 대기압 플라즈마 살균기의 배치방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 음압장치는 우측부에 공기가 흡입되는 흡입구가 형성된 음압병실 내부의 공기 살균 효율을 향상시키기 위한 감염병 예방용 저온 대기압 플라즈마 살균기의 배치방법.
  13. 삭제
  14. 제1항에 있어서,
    상기 음압병실 내의 수직면에서의 공기의 속도편차(SD1)는 상기 음압병실의 내부에 좌우방향으로 일정 간격 이격된 10개의 수직면을 설정하여 산출된 것이고,
    상기 음압병실 내의 수평면에서의 공기의 속도편차(SD2)는 상기 음압병실의 내부에 상하방향으로 일정 간격 이격된 10개의 수직면을 설정하여 산출된 것인 음압병실 내부의 공기 살균 효율을 향상시키기 위한 감염병 예방용 저온 대기압 플라즈마 살균기의 배치방법.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 음압병실은 직육면체 형상으로 마련되고, 좌우길이가 2.1m 이상 2.5m 이하로 마련되고, 전후길이가 3.1m 이상 3.5m 이하로 마련되며, 높이가 2.1m 이상 2.5m 이하로 마련되는 음압병실 내부의 공기 살균 효율을 향상시키기 위한 감염병 예방용 저온 대기압 플라즈마 살균기의 배치방법.
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