KR102616931B1 - 음파 파동을 이용한 시정장애입자 제거 장치 및 제거 방법 - Google Patents

음파 파동을 이용한 시정장애입자 제거 장치 및 제거 방법 Download PDF

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한국생산기술연구원
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01D49/00—Separating dispersed particles from gases, air or vapours by other methods
    • B01D49/006—Separating dispersed particles from gases, air or vapours by other methods by sonic or ultrasonic techniques

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Abstract

본 발명의 일 실시예는 시정장애입자가 포함되는 공기의 이동 경로를 형성하는 응집채널부; 상기 시정장애입자 응집을 위해 상기 응집채널부 내부에서 흐르는 공기를 진동시키기 위한 음파를 상기 응집채널부의 내부로 방출하는 음파발생부; 및 다공성 소재로 상기 응집채널부의 내부 중공 상에 설치되어 응집된 시정장애입자 응집체인 응집된 미세입자 또는 응축수 중 하나 이상을 포집하는 포집부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 음파 파동을 이용한 시정장애입자 제거 장치를 제공한다.

Description

음파 파동을 이용한 시정장애입자 제거 장치 및 제거 방법{Apparatus and method for removing particles obstructing visibility using sound waves}
본 발명은 공기 중에 포함된 시정장애입자 제거에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 공기를 진동시켜 공기 중에 포함된 시정장애입자를 응집한 후 포집하여 제거할 수 있도록 하는 음파 파동을 이용한 시정장애입자 제거 장치 및 제거 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 안개, 박무 또는 연무는 시정장애를 일으키는 기상현상으로 빈번하게 발생한다.
안개는 매우 작은 물방울이 대기 중에 떠다니고 있는 현상으로 가시거리가 1 Km 미만이며 상대습도가 거의 100%에 가까운 기상현상이다. 그리고 박무는 엷은 안개로서 가시거리가 1 Km 이상 10 Km 이하이고 상대습도는 80% 이상의 기상현상이다. 연무는 박무와 같이 가시거리가 1 Km 이상 10 Km 이하이나, 박무와 달리 상대습도가 70% 이하로 습도가 비교적 낮으며, 대기 중에 먼지, 연기 등 미세한 입자가 떠 있어서 가시 거리가 나빠지는 기상현상을 말한다. 또한, 가시거리가 1 Km 이하로 상대습도가 70 ~ 80% 사이인 경우에는, 물방울 현상이 관측되는 경우 박무로 판단하고, 황사 같은 먼지 현상이 관측된 경우에는 연무로 판단한다.
상기 안개와 박무의 경우의 시정장애입자는 작은 물방울이 된다. 그리고 상기 연무의 시정장애입자는 미세입자가 된다.
이러한 시정장애를 일으키는 기상현상은 교통사고 등의 원인으로 작용할 수 있다. 또한, 미세입자가 인체에 유해하게 작용하므로 가능한 신속하게 제거할 것이 요구되고 있다.
이에 따라, 종래기술의 경우 흡입된 공기를 열 또는 이온 입자로 증발 또는 응축시키는 기술이 제안되고 있으나, 대면적 적용 시 고 에너지 비용이 소요되고 제거효율이 낮은 문제점이 있다.
대한민국 공개특허 제2017-0048814호(2017. 05. 10. 공개)
상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 본원 발명의 일 실시예는, 공기 내부에 음파를 발생시켜 공기를 진동시키는 것에 의해 공기에 포함된 안개, 박무, 연무 등의 시정장애입자를 응집한 후 포집하여 제거할 수 있도록 하는 음파 파동을 이용한 시정장애입자 제거 장치 및 제거 방법을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
상술한 본 발명의 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예는, 시정장애입자가 포함되는 공기의 이동 경로를 형성하는 응집채널부; 상기 시정장애입자 응집을 위해 상기 응집채널부 내부에서 흐르는 공기를 진동시키기 위한 음파를 상기 응집채널부의 내부로 방출하는 음파발생부; 및 다공성 소재로 상기 응집채널부의 내부 중공 상에 설치되어 응집된 시정장애입자 응집체인 응집된 미세입자 또는 응축수 중 하나 이상을 포집하는 포집부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 음파 파동을 이용한 시정장애입자 제거 장치를 제공한다.
상기 응집채널부는 상기 공기의 강제 흐름을 유발하는 팬부를 더 포함하여 구성될 수 있다.
상기 응집채널부는 시정장애입자의 응집에서 발생하는 응축수를 저장하는 응축수저장조; 및 상기 응축수저장조에 저장된 응축수를 외부로 배출하는 웅축수배기관;을 더 포함하여 구성될 수 있다.
상기 음파발생부는, 상기 응집채널부의 내부에 설치되어, 상기 음파에 의한 진동을 발생시키는 하나 이상의 엑추에이터를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 음파 파동을 이용한 시정장애입자 제거 장치는, 상기 응집채널부로 유입되는 공기를 측정하여 시정장애입자 측정데이터를 생성하여 출력하는 시정장애입자측정부;를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 음파 파동을 이용한 시정장애입자 제거 장치는, 상기 시정장애입자 측정데이터에 대응하여 시정장애입자 응집을 위한 주파수 또는 음압을 가지는 음원을 생성하여 상기 음파발생부로 출력하는 제어부;를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 제어부는, 시정장애입자 응집을 위한 시정장애입자 오염도별 주파수 또는 음압 데이터를 저장하는 저장부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 음원은, 주파수가 20㎐ 내지 20㎑ 범위이고, 음압이 0㏈ 내지 100㏈ 범위인 것을 특징으로 한다.
상기 음파 파동을 이용한 시정장애입자 제거 장치는, 상기 응집채널부 내부의 음파의 주파수 또는 음압을 검출한 후, 상기 제어부로 전송하는 측정센서부; 및
상기 응집채널부에서 배출되는 공기에 포함된 잔류 시정장애입자를 측정하여 상기 제어부로 전송하는 잔류시정장애입자측정부;를 더 포함하고, 상기 제어부는 응집채널부 내부의 음파의 주파수 또는 음압과 상기 잔류시정장애입자 측정 정보를 수신하여 음원의 주파수 또는 음압 중 하나 이상을 가변하여 출력하는 음원 피드백 제어 조정을 수행하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 음파 파동을 이용한 시정장애입자 제거 장치는, 상기 제어부에서 출력된 상기 음원을 상기 음파발생부로 입력되기 이전에 입력 받아 증폭하여 출력하는 음원증폭부;를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상술한 본 발명의 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예는, 시정장애입자측정부를 이용하여 응집채널부로 유입되는 공기의 시정장애입자 측정데이터를 생성하여 제어부로 출력하는 초기 시정장애입자 측정단계; 상기 제어부가 상기 시정장애입자 측정데이터에 따라, 저장부에 저장된 시정장애입자 응집을 위한 음원의 주파수 또는 음압을 하나 이상을 추출하여 음원을 생성하여 출력하는 음원생성단계; 음파발생부가 상기 음원에 대응하는 음파를 상기 응집채널부의 내부로 출력하여 공기를 진동시키는 것에 의해 시정장애입자를 응집시키는 시정장애입자 응집단계; 및 다공성 소재로 제작된 포집부로 응집된 시정장애입자 응집체인 응집된 미세입자 또는 응축수 중 하나 이상을 포집하여 제거하는 응집된 시정장애입자 포집단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 음파 파동을 이용한 시정장애입자 제거 방법을 제공한다.
상기 음파 파동을 이용한 시정장애입자 제거 방법은, 상기 초기 시정장애입자 측정 단계 이전에 공기 흐름을 강제로 일으키는 공기 흐름 발생 단계;를 더 포함하여 구성될 수 있다.
상기 음원생성단계는, 20㎐ 내지 20㎑ 범위의 주파수와, 0㏈ 내지 100㏈ 범위의 음압을 가지도록 상기 음원을 생성하는 단계인 것을 특징으로 한다.
상기 시정장애입자 응집단계는, 상기 응집채널부에 설치된 하나 이상의 엑추에이터를 통해 상기 음파를 출력하는 단계인 것을 특징으로 한다.
상기 시정장애입자 포집단계는, 상기 포집부가 상기 음파를 흡수하여 제거하는 단계를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 음파 파동을 이용한 시정장애입자 제거 방법은, 상기 음원생성단계 이후, 음원증폭부가 상기 제어부에서 출력되는 상기 음원을 수신하여 증폭한 후, 상기 음파발생부로 출력하는 음원증폭단계;를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 음파 파동을 이용한 시정장애입자 제거 방법은, 음원에 대한 피드백 제어를 위해 상기 응집채널부 내부의 음파의 주파수와 음압 또는 배출되는 공기에 포함된 잔류 시정장애입자를 측정하여 생성된 피드백 제어 데이터를 상기 제어부로 출력하는 피드백 제어 데이터 측정단계; 상기 제어부가 상기 수신된 피드백 제어 데이터를 이용하여 시정장애입자 제거 목표의 달성 여부를 판단하는 시정장애입자 제거 효율 달성 판단 단계; 및 상기 시정장애입자 제거 효율 달성 판단 단계의 판단 결과 시정장애입자 제거 목표 효율이 달성되지 않은 경우, 응집 효율을 높이도록 음원의 주파수와 음압을 조절하여 음원을 재생성하여 출력하는 음원 피드백 조정 단계;를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 음파 파동을 이용한 시정장애입자 제거 방법은, 상기 시정장애입자 제거 효율 달성 판단 단계의 판단 결과 시정장애입자 제거 목표 효율이 달성된 경우로서, 시정장애입자 제거 작업이 종료되지 않은 경우 시정장애입자 응집단계로 복귀하여 처리과정을 반복 수행하고, 시정장애입자 제거 작업이 종료된 경우 처리 과정을 종료하는 시정장애입자 제거 작업 종료 판단단계;를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상술한 본 발명의 일 실시예의 음파 파동을 이용한 시정장애입자 제거 장치 및 제거 방법은, 열 또는 이온 입자 등을 사용함이 없이, 공기에 포함된 안개, 박무, 연무 등의 시정장애입자를 음파를 이용하여 저비용으로 효과적으로 제거할 수 있도록 하는 효과를 제공한다.
또한, 상술한 본 발명의 일 실시예의 음파 파동을 이용한 시정장애입자 제거 장치 및 제거 방법은 시정장애입자 제거 시 환경 및 인체에 악영향을 주지 않으면서 용이하게 시정장애입자를 제거할 수 있도록 하는 효과를 제공한다.
또한, 상술한 본 발명의 일 실시예의 음파 파동을 이용한 시정장애입자 제거 장치 및 제거 방법은 시정장애입자 하이브리드 응집 포집을 위해 사용되는 음파를 흡수하여 제거하는 것에 음파의 간섭을 제거하여 시정장애입자 응집 효율을 높이는 것은 물론 시정장애입자 응집 포집 시 소음 발생을 최소화시키는 효과를 제공한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예의 시정장애입자 응집을 위한 음파 파동을 이용한 시정장애입자 제거 장치(100)의 기능 블록도.
도 2는 본 발명의 일 실시예의 시정장애입자 응집을 위한 음원에 대응하여 출력된 음파에 의해 시정장애입자가 응집되는 메커니즘을 나타내는 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예의 서로 대향하는 엑추에이터(141)를 갖는 다중 엑추에이터로 구성된 음파발생부(140)의 개략적인 설치 상태도.
도 4는 본 발명의 일 실시예의 시정장애입자 응집을 위한 음원을 서로 쌍을 이루는 엑추에이터 쌍들을 포함하는 다중 엑추에이터로 구성되는 음파발생부를 통해 생성된 음파의 중첩을 나타내는 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시예의 시정장애입자 응집을 위한 서로 대향하는 엑추에이터 쌍으로 구성되는 엑추에이터부에서 출력된 진동에 의한 음파의 강도와 단일 엑추에이터에서 출력된 진동에 의한 음파의 강도 차이를 나타내는 그래프.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 음파 발생부인 엑추에이터(141)의 이격 간격(d)에 따른 음압 분포를 나타내는 도면.
도 7은 음원을 재생하지 않은 경우와, 음원을 주파수와 음압을 가변하여 출력한 경우들에서의 미세먼지 농도 측정 값을 나타내는 그래프.
도 8은 본 발명의 일 실시예의 음파 파동을 이용한 시정장애입자 제거 방법의 처리과정을 나타내는 순서도.
이하에서는 첨부한 도면을 참고하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예의 시정장애입자 응집을 위한 음파 파동을 이용한 시정장애입자 제거 장치(100)의 기능 블록도이다.
도 1과 같이, 상기 음파 파동을 이용한 시정장애입자 제거 장치(100)는, 정화 영역인 응집채널부(160) 내로 유입되는 공기에 포함된 시정장애입자의 농도, 크기와 온도, 습도, 가시 거리 등의 시정장애입자 측정 데이터를 생성하여 출력하는 시정장애입자측정부(110), 상기 시정장애입자측정부(110)에서 측정된 시정장애입자 측정 데이터를 기초로 하여, 시정장애입자 응집을 위한 음원을 생성하여 출력하는 제어부(120), 상기 제어부(120)에서 출력되는 음원을 증폭하여 출력하는 음원증폭부(130), 상기 시정장애입자 응집을 위한 음원을 음파로 출력하는 음파발생부(140), 상기 음파발생부(140)와 측정센서(151)가 장착되고, 내부로 시정장애입자를 포함하는 공기가 지나면서 출력된 음파의 진동에 의해 시정장애입자가 응집 및 포집되어 제거되는 응집채널부(160), 상기 응집채널부(160)에서 배출되는 공기 내의 잔류시정장애입자를 측정하여 상기 제어부(120)로 출력하는 잔류시정장애입자측정부(170) 및 상기 응집채널부(160)에서 배출되는 응집된 시정장애입자 응집체(167)로서의 응집된 미세입자 또는 응축수를 포집하는 포집부(200)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 시정장애입자측정부(110)는 시정장애입자를 응집하여 제거할 응집채널부(160)로 유입되는 공기에 포함되는 시정장애입자들의 시정장애입자의 농도, 크기와 온도, 습도, 가시 거리 등을 측정한 후 시정장애입자 측정데이터로 상기 제어부(120)로 출력하도록 구성된다.
상기 제어부(120)는 상기 시정장애입자측정부(110)에서 출력된 시정장애입자의 농도, 크기와 온도, 습도, 가시 거리 등을 포함하는 시정장애입자 측정 데이터를 수신한 후, 시정장애입자 응집을 위한 주파수 또는 음압을 가지는 음원을 생성하여 출력하도록 구성된다.
상기 제어부(120)는 상기 음원의 생성을 위해, 시정장애입자의 농도, 크기와 온도, 습도, 가시 거리 등의 시정장애입자 측정 데이터별로 음원의 주파수 또는 음압 정보 및 음원 변환을 위한 함수들을 포함하는 프로그램 정보 등을 저장하는 저장부(121)를 포함하여 구성될 수 있다.
이때, 상기 음원의 주파수는 가청주파수 내에서 인체에 무해하도록 20㎐ 내지 20㎑ 범위 이고, 음압은 0㏈ 내지 100㏈일 수 있다.
또한, 상기 제어부(120)는 상기 측정센서부(150)로부터 입력된 응집채널부(160) 내부의 음파 측정데이터 및 잔류시정장애입자측정부(170)에서 전송된 잔류 시정장애입자 측정 데이터를 수신한 후, 시정장애입자 응집 효율을 높이기 위해 음원의 주파수 또는 음압을 가변하는 음원 피드백 제어를 수행하도록 구성될 수 있다.
상기 음원증폭부(130)는 상기 음원을 증폭하는 증폭소자들을 포함하여 구성되어, 필요한 경우 상기 제어부(120)에서 출력되는 음원을 증폭하여 출력한다.
상기 음파발생부(140)는 상기 제어부(120)에서 출력되는 상기 음원을 재생하여 응집채널부(160)의 내부에서 음파를 발생시켜 응집채널부(160)의 내부를 흐르는 공기를 음파의 주파수에 대응하여 진동시킨다. 이를 위해, 상기 음파발생부(140)는 상기 응집채널부(160)에 설치되는 하나 이상의 엑추에이터(141)를 포함하여 구성된다. 또한, 상기 엑추에이터(141)는 상기 음원에 대응하여 출력된 음파를 중첩시킴으로써, 상기 시정장애입자의 충돌력 및 충돌 빈도를 높여 응집 효율을 높이기 위해, 상기 응집채널부(160)(160)에서 서로 대향하도록 쌍을 이루며 설치될 수 있다. 그리고 상기 응집채널부(160)(160)의 면적 또는 체적에 따라 엑추에이터 쌍들의 수가 증가될 수 있다.
상기 측정센서부(150)는 상기 응집채널부(160) 내부에서 발생된 음파의 주파수 또는 음압과 상기 응집채널부(160)의 내부를 흐르는 공기의 진동속도를 측정하여 상기 제어부(120)로 출력하도록 구성된다. 따라서 상기 측정센서(151)들은 주파수 측정을 위한 음파 측정기, 음압 측정을 위한 dB 측정기, 공기 매질의 진동 속도 측정을 위한 속도계 등을 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 상기 측정센서(151)들은 시정장애입자에 대한 농도, 크기와 온도, 습도, 가시 거리 등의 측정을 위한 농도 측정기, 시정입자 크기 측정, 온도 측정기, 습도계, 가시 거리 측정기 등으로 구성될 수도 있다.
상기 응집채널부(160)는 공기가 유동하는 관 또는 실내 공간을 구획하는 벽체일 수 있다.
또한, 상기 응집채널부(160)는 공기 중에 포함된 시정장애입자 제거 효율을 높이기 위해 공기의 강제 흐름을 일으키기 위한 팬부(162)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 상기 응집채널부(160)는 응집된 시정장애입자(167) 중 응축수를 저장하는 응축수저장조(220)와 응축수저장조(220)에 저장된 응축수를 외부로 배출하는 응축부배수관(230)을 더 포함하여 구성될 수 있다.
그리고 상기 음파발생부(140)를 구성하는 엑추에이터(141)들은 응집채널부(160)의 내부에 하나 이상 설치되며, 또한 서로 대향하도록 설치될 수도 있다.
상기 잔류시정장애입자측정부(170)는 응집채널부(160)에서 배출되는 공기 내의 잔류시정장애입자를 측정하여 시정장애입자 응집을 위한 피드백 제어를 수행하기 위해, 상기 응집채널부(160)의 공기 배출로에 설치되는 잔류시정장애입자 측정을 위한 측정센서(151)를 포함하여, 상기 응집채널부(160)에서 배출되는 공기 내에 포함되는 시정장애입자의 농도, 크기와 온도, 습도, 가시 거리 등을 측정한 후 잔류시정장애입자 측정 데이터를 생성하여 상기 제어부(120)로 출력하도록 구성된다.
상기 포집부(200)는 미세입자 응집체 또는 응축수 등의 포집이 가능한 금속, 섬유, 고분자, 세라믹 등의 소재의 다공성구조로 제작될 수 있으며, 특히, 음파의 반사파를 흡수하여 음파를 제거하는 것에 의해 음파에 의한 진동의 간섭을 없애 시정장애입자의 응집 효율을 높이는 것은 물론, 시정장애입자 응집 포집을 위한 음파에 의한 소음을 제거하도록 구성되는 것을 특징으로 한다. 상기 포집부(200)의 다공성구조를 이루는 기공의 크기는 부유 먼지가 낙하하는 응집 크기인 250㎛ 이상인 것이 바람직하다. 또한 포집된 응집체의 배출을 방지하기 위해 상기 포집부(200)의 기공의 크기는 250㎛ 내지 500㎛인 것이 바람직하다.
상기 포집부(200)는 사이클로트론에 의한 분리 등의 여과를 수행하여 시정장애입자 응집체를 포집하는 정화장치들로 구성될 수도 있다.
상술한 구성을 가지는 상기 음파 파동을 이용한 시정장애입자 제거 장치(100)는 음파를 이용하여 공기 내의 안개, 박무, 연무 등의 시정장애입자를 응집한 후 포집하여 제거하도록 설치되는 음파청정기로 구현될 수 있다. 즉, 본원 발명의 일 실시예의 음파 파동을 이용한 시정장애입자 제거 장치(100)는 공기 중에 적용되어 공기 중의 시정장애입자를 모두 응집하여 포집할 수 있게 된다. 이를 위해 상기 포집부(200)는 정전기제어, 비표면적제어, 온도구배제어가 가능하고, 부식특성이 우수한 고표면적 포집구조로 제작될 수 있다.
상기 포집부(200)는 또한, 전기를 공급하여 전기장을 형성하도록 하는 것에 의해 상기 미세입자를 정전기에 의해 포집하도록 구성될 수도 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예의 시정장애입자 응집을 위한 음원에 대응하여 출력된 음파에 의해 시정장애입자가 응집되는 매커니즘을 나타내는 도면으로서, 도 2의 (a)는 음파에 의한 공기의 진동에 의해 시정장애입자(p1, p2)들이 충돌에 의해 응집하는 것을 나타내며, 도 2의 (b)는 공기와 시정장애입자(p1, p2)들의 음파 진동에 의한 진동 파형을 나타낸다.
도 2에서 U0는 음파의 진동 속도(the velocity amplitude of sound wave), el은 유효 응집거리(effective agglomeration length), y는 시정장애입자의 진동 속도 함수, d는 시정장애입자의 크기, y`는 매질(공기)의 진동 속도 함수, φ(=ωt±α)는 시정장애입자의 진동 속도와 매질 속도의 위상차, ω는 음파의 각속도, α는 음파의 초기 위상, τ(τ1, τ2)는 두 시정장애입자들의 충돌까지의 시간인 시정장애입자들의 완화시간(particle relaxation time), η는 시정장애입자들의 상대적인 동반시간(the relative entrainment between the two particles), 첨자 1은 작은 시정장애입자 및 관련 변수들을, 첨자 2는 큰 시정장애입자 및 관련 변수들을 나타낸다.
본 발명에 적용되는 시정장애입자 응집을 위한 파동 간섭에 의한 공기(매질 내 초시정장애입자의 응집 거동은 Ortho-kinetic collision mechanism을 기반으로 매질 내 입자 간 이동속도 차이에 의한 충돌로 응집되는 현상이다.
가청 주파수(Acoustic Wave, Hz) 및 임의의 SPL(Sound Pressure Level, dB) 조건으로 시정장애입자의 응집 거동을 개발하여, 1㎛ 이하의 시정장애입자가 수 Hz 및 수 dB 조건에서 짧은 시간 내에 10㎛ 이상으로 조대화되는 응집 거동을 확인하였다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 음파 파동을 이용한 시정장애입자 제거 장치(100)의 응집기술은 Ortho-kinetic Collision 거동을 응용한 것으로, 공기(매질) 내에서 시정장애입자가 음파에 의하여 충돌되고 반데르발스힘(van der Waals force)에 의한 표면 인력으로 응집화되는 거동이다.
이때, 음파에 의한 공기(매질) 내 시정장애입자 응집효율(β)은 시정장애입자크기(d), 음파의 진동 속도(U0), 두 시정장애입자들의 충돌까지의 시간인 시정장애입자들의 완화시간(τ), 시정장애입자들의 상대적인 동반시간(η)의 변수로 하여 제어가 가능하며, 하기 [수학식 1]은 응집효율(β)을 산출하는 식이고, [수학식 2]는 상대적인 동반시간(η)을 산출하는 식이다.
[수학식 1]
또한, 하기 수학식 2를 통해 시정장애입자간 속도 차를 계산할 수 있다.
[수학식 2]
도 2와 같이, 상기 음파발생부(140)를 통해 음원에 대응하는 음파가 출력되면, 상기 응집채널부(160) 내의 시정장애입자(p1, p2)들과 공기(매질)는 도 2의 (b)와 같이 음파의 주파수와 음압에 대응하여 진동하게 된다.
이때, 상대적으로 크기가 작은 시정장애입자(p1)의 진동 진폭이 상대적으로 큰 시정장애입자(p2)의 진동 진폭보다 크게 되어, 상대적으로 크기가 작은 시정장애입자(p1)와 상대적으로 큰 시정장애입자(p2)들이 이동 거리의 차이가 생겨 서로 충돌하는 것에 의해 반데르발스힘에 의해 상대적으로 크기가 작은 시정장애입자(p1)와 상대적으로 큰 시정장애입자(p2)들이 서로 응집되어 시정장애입자 응집체(167)로 형성된 후 응집체배출유로(163)를 통해 배출되어 포집부(200)에 의해 제거된다. 그리고 상기 음원의 주파수와 음압을 제어하는 것에 의해, [수학식 1]을 적용하여 응집효율(β)을 조절할 수 있게 되므로, 응집효율 향상을 위한 피드백 음원 제어를 가능하게 한다. 또한, 상기 포집부(200)는 상기 공기 진동을 수행한 음파를 흡수하여 제거하는 것에 의해 음파를 이용한 시정장애입자 제거 시 음파에 의한 소음을 최소화한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예의 시정장애입자 응집을 위한 음원의 출력 진동에 의해 시정장애입자가 응집되는 것을 보이는 도면이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예의 시정장애입자 응집을 위한 음원을 서로 쌍을 이루는 엑추에이터 쌍들을 포함하는 다중 엑추에이터로 구성되는 음파발생부(140)를 통해 생성된 음파의 중첩을 나타내는 도면이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예의 시정장애입자 응집을 위한 서로 대향하는 엑추에이터 쌍으로 구성되는 엑추에이터부에서 출력된 음파의 강도와 단일 엑추에이터에서 출력된 음파의 강도 차이를 나타내는 그래프이다.
상기 음파발생부(140)를 구성하는 엑추에이터(141)들은 서로 대향하는 쌍으로 설치되는 것에 의해 시정장애입자들의 응집 효율을 향상시킬 수 있게 된다. 이때, 상기 엑추에이터(141) 쌍들은 도 3과는 달리 응집채널부(160)의 내부에서 상하 방향으로 서로 대향하도록 설치되는 등 다양한 방향으로 설치될 수 있다.
구체적으로, 도 3 내지 도 5와 같이, 엑추에이터(141)들이 서로 대향하는 쌍으로 설치되어 음파(w)가 서로 중첩되는 것에 의해 강도가 세지고, 이에 의해, 상대적으로 크기가 작은 시정장애입자(p1)와 상대적으로 큰 시정장애입자(p2)들의 진동 속도 및 충돌 시의 충격량이 커지게 되어 응집 효율이 높아진다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 음파 발생부인 엑추에이터(141)의 위치에 따른 음압 분포를 확인할 수 있는 실험데이터이고, 도 7은 음원을 재생하지 않은 경우와, 음원을 주파수와 음압을 가변하여 출력한 경우들에서의 미세먼지 농도 측정 값을 나타내는 그래프이다.
도7의 (a)는 하나의 엑추에이터를 구비한 단일 소스 음파발생부(140)의 설치 위치별(s1, s2, s3) 응집채절부(160) 내부의 음압 분포를 나타내는 도면이고, 도 6의 (b)는 다중 엑추에이터로서 두 개의 엑추에이터인 두 개의 음파원(ms1, ms2) 의 이격 간격별(l) 음압 분포를 나타내는 도면이다.
그리고 도 7에 의해 음파의 주파수 또는 음압에 따라 서로 다른 시정장애입자정화 효율을 가지며, 음압이 높은 경우 미세먼지의 제거 효율이 높은 것을 확인하였다.
도 8은 본 발명의 일 실시예의 음파 파동을 이용한 시정장애입자 제거 방법의 처리과정을 나타내는 순서도이다.
도 8과 같이, 상기 음파 파동을 이용한 시정장애입자 제거 방법은, 먼저, 시정장애입자측정부(110)를 이용하여 정화 영역 또는 상기 응집채널부(160) 내부의 시정장애입자의 오염도를 측정하여 생성된 시정장애입자 측정데이터를 상기 제어부(120)로 출력하는 초기 시정장애입자 측정단계(S10)를 수행한다. 이때, 상기 시정장애입자 측정데이터는, 시정장애입자의 농도, 크기와 온도, 습도, 가시 거리 또는 상기 응집채널부(160)가 설치된 정화 영역의 면적 또는 체적 데이터를 포함할 수 있다.
상기 제어부(120)는 상기 시정장애입자 측정데이터에 따라, 저장부(121)에 저장된 시정장애입자 응집을 위한 음원의 주파수 또는 음압을 추출하는 주파수 또는 음압 데이터 추출 단계(S20)를 수행한다. 이때 추출되는 주파수 또는 음압은 시정장애입자의 농도, 크기와 온도, 습도, 가시 거리 또는 상기 응집채널부(160)가 설치된 정화 영역의 면적 또는 체적 분포에 따라 분류된 후 시정장애입자 DB로 구조화되어 제어부(120) 내부의 저장부(121)에 저장될 수 있다. 이때, 상기 음원의 주파수는 20㎐ 내지 20㎑ 범위 이고, 음압은 0㏈ 내지 100㏈일 수 있으며, 상기 주파수와 음압은 상기 시정장애입자의 크기, 농도, 실내 온도, 실내 습도, 정화 영역의 면적 또는 체적에 대응하도록 추출될 수 있다.
다음으로, 상기 제어부(120)가 추출된 상기 주파수 또는 음압 데이터를 갖는 음원으로 생성하여 출력하는 음원생성단계(S30)를 수행한다.
다음으로, 상기 음원의 증폭이 필요한 경우 상기 음원생성단계(S30)가 수행된 후 출력되는 음원을 수신하여 증폭한 후, 상기 음파발생부(140)로 출력하는 음원증폭단계(S40)가 수행될 수 있다.
다음으로, 음파발생부(140)가 상기 음원을 수신하여 상기 응집챔버(162)들의 내부로 음파를 출력하는 것에 의해, 정화영역 또는 응집채널부(160) 내를 흐르는 공기에 포함된 시정장애입자들을 진동시켜 서로 응집시키는 시정장애입자응집단계(S50)를 수행한다.
이 후, 상기 포집부(200)는 상기 응집채널부(160)(160) 내의 공기 또는 공기를 대류시키거나 유입 받은 후 응집되어 크기가 커진 시정장애입자 응집체(167)인 응집된 미세입자 또는 응축수 중 하나 이상을 포집하여 제거하는 응집된 시정장애입자 포집단계(S60)를 수행한다.
이때, 상기 응집된 시정장애입자 포집단계(S60)의 수행 시, 상기 포집부(200)에 의해 음파 및 음파의 반사파들이 흡수되어, 음파들 사이의 간섭을 제거하여 시정장애입자의 응집효율을 향상시킴은 물론 시정장애입자 제거 시의 음파에 의한 소음을 최소화한다.
그리고 상술한 응집된 시정장애입자 포집단계(S60)의 수행 후에는 기 설정된 주기 또는 사용자의 제어 명령에 따라, 측정센서부(150)가 상기 음원에 대응하여 출력되는 상기 음파의 주파수와 음압을 검출한 후 상기 제어부(120)로 전송하고, 잔류시정장애입자측정부(170)가 배출되는 공기 내에 포함되는 시정장애입자의 농도, 크기와 온도, 습도, 가시 거리 등을 검출하여 상기 제어부(120)로 전송하는 피드백 제어 측정 단계(S70)가 수행될 수 있다.
상기 피드백 제어 측정 단계(S70)가 수행되면, 상기 제어부(120)는 상기 수신된 주파수와 음압을 상기 추출된 주파수와 음압과 비교하여 일치 여부를 판단하고, 시정장애입자 제거효율을 산출하여 시정장애입자 제거 효율이 목표치에 도달했는지를 판단하는 시정장애입자 제거 효율 달성 판단 단계(S80)를 수행한다.
상술한 시정장애입자 제거 효율 달성 판단 단계(S80)의 판단 결과, 시정장애입자 제거 효율이 목표치에 도달하지 않은 경우, 제어부(120)는 [수학식 1] 및 [수학식 2]을 적용하여 시정장애입자 응집 효율을 높이는 주파수를 가지는 주파수와 음압을 도출하여 음원을 재생성하는 음원 피드백 조정 단계 (S90)를 수행한다.
그리고 상술한 시정장애입자 제거 효율 달성 판단 단계(S80)의 판단 결과, 시정장애입자 제거 효율이 목표 치에 도달한 경우에, 상기 제어부(120)가 시정장애입자 제거 작업의 종료 여부를 판단하는 시정장애입자 응집 정화 종료 판단 단계(S100)를 수행하여, 작업이 종료되지 않은 경우에는 시정장애입자 응집단계(S50)로 복귀하여 처리과정을 다시 수행하고, 작업이 종료된 경우에는 시정장애입자 응집 정화 작업을 종료한다.
상기에서 설명한 본 발명의 기술적 사상은 바람직한 실시예에서 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술적 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
100: 시정장애입자 제거 장치
110: 시정장애입자측정부
120: 제어부
121: 저장부
130: 음원증폭부
140: 음파발생부
141: 엑추에이터
150: 측정센서부(저주파음파 측정(주파수, 음압 측정-db측정기), 매질 진동 속도 측정)
151: 측정센서
160: 응집채널부
162: 팬부
166: 시정장애입자
167: 시정장애입자 응집체
170: 잔류시정장애입자측정부
200: 포집부
210: 포집관
220: 응축수저장조
230: 응축수배수관
x: 시정장애입자 진동 진폭
U0: 음파의 진동 속도(the velocity amplitude of sound wave)
τ: 시정장애입자 완화시간-충돌하기까지의 시간
η: 두 시정장애입자들의 상대적인 동반 시간(the relative entrainment between the two particles)

Claims (14)

  1. 시정장애입자가 포함되는 공기의 이동 경로를 형성하는 응집채널부;
    상기 시정장애입자의 응집을 위해 상기 응집채널부 내부에서 흐르는 공기를 진동시키기 위한 음파를 상기 응집채널부의 내부로 방출하는 음파발생부; 및
    상기 응집채널부의 내부 중공 상에 설치되어 응집된 시정장애입자 응집체인 응집된 미세입자 또는 응축수 중 하나 이상을 포집하는 포집부;를 포함하여 구성되고,
    상기 포집부는 250μm 내지 500μm의 직경을 가지는 기공으로 구성된 다공성 구조이고,
    상기 포집부는 상기 음파발생부에서 방출된 음파 및 상기 음파의 반사파를 흡수하여 상기 음파 및 상기 음파의 반사파에 의한 진동의 간섭 및 소음을 제거하는 것을 특징으로 하는 음파 파동을 이용한 시정장애입자 제거 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 음파발생부는,
    상기 응집채널부의 내부에 설치되어, 상기 음파에 의한 진동을 발생시키는 하나 이상의 엑추에이터를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 음파 파동을 이용한 시정장애입자 제거 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 응집채널부로 유입되는 공기를 측정하여 시정장애입자 측정데이터를 생성하여 출력하는 시정장애입자측정부;를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 음파 파동을 이용한 시정장애입자 제거 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 시정장애입자 측정데이터에 대응하여 시정장애입자 응집을 위한 주파수 또는 음압을 가지는 음원을 생성하여 상기 음파발생부로 출력하는 제어부;를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 음파 파동을 이용한 시정장애입자 제거 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제어부는,
    시정장애입자 응집을 위한 시정장애입자 오염도별 주파수 또는 음압 데이터를 저장하는 저장부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 음파 파동을 이용한 시정장애입자 제거 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 음파발생부에서 생성된 음원은,
    주파수가 20㎐ 내지 20㎑ 범위이고, 음압이 0㏈ 내지 100㏈ 범위인 것을 특징으로 하는 음파 파동을 이용한 시정장애입자 제거 장치.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 응집채널부 내부의 음파의 주파수 또는 음압을 검출한 후, 상기 제어부로 전송하는 측정센서부; 및
    상기 응집채널부에서 배출되는 공기에 포함된 잔류시정장애입자를 측정하여 상기 제어부로 전송하는 잔류시정장애입자측정부;를 더 포함하고,
    상기 제어부는 응집채널부 내부의 음파의 주파수 또는 음압과 상기 잔류시정장애입자 측정 정보를 수신하여 음원의 주파수 또는 음압 중 하나 이상을 가변하여 출력하는 음원 피드백 제어 조정을 수행하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 음파 파동을 이용한 시정장애입자 제거 장치.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 제어부에서 출력된 상기 음원을 상기 음파발생부로 입력되기 이전에 입력 받아 증폭하여 출력하는 음원증폭부;를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 음파 파동을 이용한 시정장애입자 제거 장치.
  9. 시정장애입자측정부를 이용하여 응집채널부로 유입되는 공기의 시정장애입자 측정데이터를 생성하여 제어부로 출력하는 초기 시정장애입자 측정단계;
    상기 제어부가 상기 시정장애입자 측정데이터에 따라, 저장부에 저장된 시정장애입자 응집을 위한 음원의 주파수 또는 음압을 하나 이상을 추출하여 음원을 생성하여 출력하는 음원생성단계;
    음파발생부가 상기 음원에 대응하는 음파를 상기 응집채널부의 내부로 출력하여 공기를 진동시키는 것에 의해 시정장애입자를 응집시키는 시정장애입자 응집단계; 및
    포집부로 응집된 시정장애입자 응집체인 응집된 미세입자 또는 응축수 중 하나 이상을 포집하여 제거하는 응집된 시정장애입자 포집단계;를 포함하여 구성되고,
    상기 포집부는 250μm 내지 500μm의 직경을 가지는 기공으로 구성된 다공성 구조이고,
    상기 포집부는 상기 음파발생부에서 방출된 음파 및 상기 음파의 반사파를 흡수하여 상기 음파 및 상기 음파의 반사파에 의한 진동의 간섭 및 소음을 제거하는 것을 특징으로 하는 음파 파동을 이용한 시정장애입자 제거 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 초기 시정장애입자 측정단계 이전에 공기 흐름을 강제로 일으키는 공기 흐름 발생 단계;를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 음파 파동을 이용한 시정장애입자 제거 방법.
  11. 제9항에 있어서, 상기 음원생성단계는,
    20㎐ 내지 20㎑ 범위의 주파수와, 0㏈ 내지 100㏈ 범위의 음압을 가지도록 상기 음원을 생성하는 단계인 것을 특징으로 하는 음파 파동을 이용한 시정장애입자 제거 방법.
  12. 제9항에 있어서, 상기 시정장애입자 응집단계는,
    상기 응집채널부에 설치된 하나 이상의 엑추에이터를 통해 상기 음파를 출력하는 단계인 것을 특징으로 하는 음파 파동을 이용한 시정장애입자 제거 방법.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 음원생성단계 이후, 음원증폭부가 상기 제어부에서 출력되는 상기 음원을 수신하여 증폭한 후, 상기 음파발생부로 출력하는 음원증폭단계;를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 음파 파동을 이용한 시정장애입자 제거 방법.
  14. 제9항에 있어서,
    음원에 대한 피드백 제어를 위해 상기 응집채널부 내부의 음파의 주파수와 음압 또는 배출되는 공기에 포함된 잔류 시정장애입자를 측정하여 생성된 피드백 제어 데이터를 상기 제어부로 출력하는 피드백 제어 데이터 측정단계;
    상기 제어부가 상기 수신된 피드백 제어 데이터를 이용하여 시정장애입자 제거 목표의 달성 여부를 판단하는 시정장애입자 제거 효율 달성 판단 단계; 및
    상기 시정장애입자 제거 효율 달성 판단 단계의 판단 결과 시정장애입자 제거 목표 효율이 달성되지 않은 경우, 응집 효율을 높이도록 음원의 주파수와 음압을 조절하여 음원을 재생성하여 출력하는 음원 피드백 조정 단계;를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 음파 파동을 이용한 시정장애입자 제거 방법.
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