KR102616956B1 - 미세입자 저감을 위한 공기 진동 미세입자 응집 포집 하이브리드 시스템 및 미세입자 하이브리드 응집 포집 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예는 미세입자가 포함되는 공기의 이동 경로를 형성하는 응집채널부; 상기 미세입자 응집을 위해 상기 응집채널부 내부에서 흐르는 공기를 진동시키기 위한 음파를 상기 응집채널부의 내부로 방출하는 음파발생부; 및 다공성 소재로 상기 응집채널부의 내부 하부에 장착되어 낙하하는 응집된 미세입자 응집체를 포집하는 포집부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 공기 진동 미세입자 응집 포집 하이브리드 시스템을 제공한다.
Description
본 발명은 공기 중에 포함된 유해한 미세입자 제거에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 공기를 진동시켜 공기 중에 포함된 미세입자를 응집한 후 포집하여 제거할 수 있도록 하는 미세입자 저감을 위한 공기 진동 미세입자 응집 포집 하이브리드 시스템 및 미세입자 하이브리드 응집 포집 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 미세먼지 또는 초미세먼지 등의 미세입자는 자연적 요인보다는 화석 연료의 연소. 도로, 철로 등의 먼지 등에 의한 인위적 요인에 의해 주로 발생한다. 최근에는 0.1 μm 이하의 입자상 물질을 초미세먼지로 분류하여 별도로 관리하고 있으며, 이러한 미세 먼지가 기관지의 염증반응, 천식, 만성기관지염, 기도 폐쇄를 일으키거나, 폐 조직에서 박테리아의 불활성화 또는 제거작용을 방해하여 호흡기계 감염을 일으키기도 하며, 심근경색, 뇌졸중, 심 박동수 이상, 급사 등 심혈관계질환의 중요한 위험요인으로도 작용하기도 하는 위험성 때문이다.
미세플라스틱 등의 미세입자는 치약, 세정제, 스크럽 등에 첨가되기 위해 플라스틱 가공 중에 5mm 미만의 크기로 제조되거나, 사용하고 버려진 플라스틱 제품들의 파괴 분쇄 과정에서 미립화되어 생성되며, 인간이 도달할 수 있는 가장 깊은 심해에서, 생수나 수돗물, 생선의 아가미나 비늘, 심해 플랑크톤 등에서 전세계적으로 모두 검출되고 있는 것으로 조사되었다. 이러한 미세플라스틱은 유해한 화학물질을 흡착하는 것에 의해 독성 물질을 옮기는 매개체가 될 수 있고, 해양생물이 섭취할 경우 장폐색이나 섭식 장애 등을 일으킬 수 있고, 인체에 누적되는 경우, 호르몬 교란, 면역체계 교란 등이 발생할 수 있다.
이에 따라, 미세먼지, 초미세먼지, 미세플라스틱 또는 초미세플라스틱 등의 미세입자에 의한 피해를 줄이기 위해 국가적인 차원에서 여러 가지 노력이 이루어지고 있으나, 실외에서 유입되는 초미세먼지나 미세플라스틱을 차단하기 위해 개인이 손쉽게 실시할 수 있는 방안은 아직 미흡한 실정이다.
따라서 정전필터 등의 고가의 필터나 환경에 유해한 공기 정화 처리제 또는 인체에 유해할 수 있는 초음파 등을 사용함이 없이, 공기에 포함된 미세먼지, 초미세먼지, 미세플라스틱 또는 초미세플라스틱 등의 미세입자를 인체에 무해하고 저비용이면서도 효율적으로 제거할 수 있도록 하는 기술의 개발이 요구된다.
상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 본원 발명의 일 실시예는, 공기 내부에 음파를 발생시켜 공기를 진동시키는 것에 의해 공기에 포함된 미세먼지, 초미세먼지, 미세플라스틱 또는 초미세플라스틱 등의 미세입자를 응집한 후 포집하여 제거할 수 있도록 하는 공기 진동 미세입자 응집 포집 하이브리드 시스템 및 미세입자 하이브리드 응집 포집 방법을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
상술한 본 발명의 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예는, 미세입자가 포함되는 공기의 이동 경로를 형성하는 응집채널부; 상기 미세입자 응집을 위해 상기 응집채널부 내부에서 흐르는 공기를 진동시키기 위한 음파를 상기 응집채널부의 내부로 방출하는 음파발생부; 및 다공성 소재로 상기 응집채널부의 내부 하부에 장착되어 낙하하는 응집된 미세입자 응집체를 포집하는 포집부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 공기 진동 미세입자 응집 포집 하이브리드 시스템을 제공한다.
상기 음파발생부는, 상기 응집채널부의 내부에 설치되어, 상기 음파에 의한 진동을 발생시키는 하나 이상의 액추에이터를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 미세입자 응집 포집 하이브리드 시스템은, 상기 응집채널부로 유입되는 공기를 측정하여 미세입자측정데이터를 생성하여 출력하는 미세입자측정부;를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 미세입자 응집 포집 하이브리드 시스템은, 상기 미세입자 측정데이터에 대응하여 미세입자 응집을 위한 주파수 및 음압을 가지는 음원을 생성하여 상기 음파발생부로 출력하는 제어부;를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 제어부는, 미세입자 응집을 위한 미세입자 오염도별 주파수 및 음압 데이터를 저장하는 저장부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 주파수는 20㎐ 내지 20㎑ 범위인 것을 특징으로 한다.
상기 음압은 0㏈ 내지 100㏈ 범위인 것을 특징으로 한다.
상기 미세입자 응집 포집 하이브리드 시스템은, 상기 응집채널부 내부의 음파의 주파수 및 음압을 검출한 후, 상기 제어부로 전송하는 측정센서부; 및 상기 응집채널부에서 배출되는 공기에 포함된 잔류 미세입자를 측정하여 상기 제어부로 전송하는 잔류미세입자 측정부;를 더 포함하고, 상기 제어부는 응집채널부 내부의 음파의 주파수 및 음압과 상기 잔류미세입자 측정 정보를 수신하여 음원의 주파수 및 음압을 가변하여 출력하는 음원 피드백 제어 조정을 수행하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 미세입자 응집 포집 하이브리드 시스템은, 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, 미세입자측정부를 이용하여 응집채널부로 유입되는 공기의 미세입자측정데이터를 생성하여 제어부로 출력하는 초기 미세입자 측정단계; 상기 제어부가 상기 미세입자측정데이터에 따라, 저장부에 저장된 미세입자 응집을 위한 음원의 주파수 및 음압을 추출하여 음원을 생성하여 출력하는 음원생성단계; 음파발생부가 상기 음원에 대응하는 음파를 상기 응집채널부의 내부로 출력하여 공기를 진동시키는 것에 의해 미세입자를 응집시키는 미세입자 응집단계; 및 다공성 소재로 제작된 포집부로 응집된 미세입자 응집체를 포집하여 제거하는 응집된 미세입자 포집단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 공기 내 미세입자 하이브리드 응집 포집 방법을 제공한다.
상기 음원생성단계는, 20㎐ 내지 20㎑ 범위의 주파수를 가지도록 상기 음원을 생성하는 단계인 것을 특징으로 한다.
상기 음원생성단계는, 0㏈ 내지 100㏈ 범위의 음압을 가지도록 상기 음원을 생성하는 단계인 것을 특징으로 한다.
상기 미세입자 응집단계는, 상기 응집채널부에 설치된 하나 이상의 액추에이터를 통해 상기 음파를 출력하는 단계인 것을 특징으로 한다.
상기 미세입자 포집단계는, 상기 포집부가 상기 음파를 흡수하여 제거하는 단계를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 공기 내 미세입자 하이브리드 응집 포집 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 공기 내 미세입자 하이브리드 응집 포집 방법은, 음원에 대한 피드백 제어를 위해 상기 응집채널부 내부의 음파의 주파수와 음압 또는 배출되는 공기에 포함된 잔류 미세입자를 측정하여 생성된 피드백 제어 데이터를 상기 제어부로 출력하는 피드백 제어 데이터 측정단계; 상기 제어부가 상기 수신된 피드백 제어 데이터를 이용하여 미세입자 제거 목표의 달성 여부를 판단하는 미세입자 제거 효율 달성 판단 단계; 및 상기 미세입자 제거 효율 달성 판단 단계의 판단 결과 미세입자 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 공기 내 미세입자 하이브리드 응집 포집 방법은, 상기 미세입자 제거 효율 달성 판단 단계의 판단 결과 미세입자 제거 목표 효율이 달성된 경우로서, 미세입자 제거 작업이 종료되지 않은 경우 미세입자 응집단계로 복귀하여 처리과정을 반복 수행하고, 미세입자 제거 작업이 종료된 경우 처리 과정을 종료하는 미세입자 제거 작업 종료 판단단계;를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상술한 본 발명의 일 실시예의 미세입자 응집 포집 하이브리드 시스템 및 미세입자 하이브리드 응집 포집 방법은, 정전필터 등의 고가의 필터, 환경에 유해한 수 처리제를 사용함이 없이, 공기에 포함된 초미세먼지, 초미세플라스틱, 미세먼지 또는 미세플라스틱 등의 미세입자를 음파를 이용하여 저비용으로 효과적으로 제거할 수 있도록 하는 효과를 제공한다.
또한, 상술한 본 발명의 일 실시예의 미세입자 응집 포집 하이브리드 시스템 및 미세입자 하이브리드 응집 포집 방법은 미세입자 제거를 위해 환경에 유해한 수 처리제 등의 유해물질을 사용하지 않고 음파를 이용함으로써, 미세입자 제거 시 환경 및 인체에 악영향을 주지 않으면서 용이하게 미세입자를 제거할 수 있도록 하는 효과를 제공한다.
또한, 상술한 본 발명의 일 실시예의 미세입자 응집 포집 하이브리드 시스템 및 미세입자 하이브리드 응집 포집 방법은 미세입자 하이브리드 응집 포집을 위해 사용되는 음파를 흡수하여 제거하는 것에 음파의 간섭을 제거하여 미세입자 응집 효율을 높이는 것은 물론 미세입자 응집 포집 시 소음 발생을 최소화시키는 효과를 제공한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예의 미세입자 응집을 위한 미세입자 응집 포집 하이브리드 시스템(100)의 기능 블록도.
도 2는 본 발명의 일 실시예의 미세입자 응집을 위한 음원에 대응하여 출력된 음파에 의해 미세입자가 응집되는 메커니즘을 나타내는 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예의 서로 대향하는 액추에이터(141)를 갖는 다중 액추에이터로 구성된 음파발생부(140)의 개략적인 설치 상태도.
도 4는 본 발명의 일 실시예의 미세입자 응집을 위한 음원을 서로 쌍을 이루는 액추에이터 쌍들을 포함하는 다중 액추에이터로 구성되는 음파발생부를 통해 생성된 음파의 중첩을 나타내는 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시예의 미세입자 응집을 위한 서로 대향하는 액추에이터 쌍으로 구성되는 액추에이터부에서 출력된 진동에 의한 음파의 강도와 단일 액추에이터에서 출력된 진동에 의한 음파의 강도 차이를 나타내는 그래프.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 음파 발생부인 액추에이터(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 공기 내 미세입자 하이브리드 응집 포집 방법의 처리과정을 나타내는 순서도.
도 2는 본 발명의 일 실시예의 미세입자 응집을 위한 음원에 대응하여 출력된 음파에 의해 미세입자가 응집되는 메커니즘을 나타내는 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예의 서로 대향하는 액추에이터(141)를 갖는 다중 액추에이터로 구성된 음파발생부(140)의 개략적인 설치 상태도.
도 4는 본 발명의 일 실시예의 미세입자 응집을 위한 음원을 서로 쌍을 이루는 액추에이터 쌍들을 포함하는 다중 액추에이터로 구성되는 음파발생부를 통해 생성된 음파의 중첩을 나타내는 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시예의 미세입자 응집을 위한 서로 대향하는 액추에이터 쌍으로 구성되는 액추에이터부에서 출력된 진동에 의한 음파의 강도와 단일 액추에이터에서 출력된 진동에 의한 음파의 강도 차이를 나타내는 그래프.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 음파 발생부인 액추에이터(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 공기 내 미세입자 하이브리드 응집 포집 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 명세서상에 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 미세입자 응집을 위한 미세입자 응집 포집 하이브리드 시스템(100)의 기능 블록도이다.
도 1과 같이, 상기 미세입자 응집 포집 하이브리드 시스템(100)은, 정화 영역인 응집채널부(160) 내로 유입되는 공기에 포함된 미세입자의 농도, 크기와 온도, 습도 등의 미세입자 측정 데이터를 생성하여 출력하는 미세입자측정부(110), 상기 미세입자측정부(110)에서 측정된 미세입자 측정 데이터를 기초로 하여, 미세입자 응집을 위한 음원을 생성하여 출력하는 제어부(120), 상기 제어부(120)에서 출력되는 음원을 증폭하여 출력하는 음원증폭부(130), 상기 미세입자 응집을 위한 음원을 음파로 출력하는 음파발생부(140), 상기 음파발생부(140)와 측정센서(151)가 장착되고, 내부로 미세입자를 포함하는 공기가 지나면서 출력된 음파의 진동에 의해 미세입자가 응집 및 포집되어 제거되는 응집채널부(160), 상기 응집채널부(160)에서 배출되는 공기 내의 잔류미세입자를 측정하여 상기 제어부(120)로 출력하는 잔류미세입자측정부(170) 및 상기 응집채널부(160)에서 배출되는 응집된 미세입자 응집체(167)를 포집하는 포집부(200)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 미세입자측정부(110)는 미세입자를 응집하여 제거할 응집채널부(160)로 유입되는 공기에 포함되는 미세입자들의 개수, 크기, 농도, 체적, 온도 등을 측정한 후 미세입자측정데이터로 상기 제어부(120)로 출력하도록 구성된다.
상기 제어부(120)는 상기 미세입자측정부(110)에서 출력된 개수, 크기, 농도, 체적, 온도 등을 포함하는 미세입자 측정 데이터를 수신한 후, 미세입자 응집을 위한 주파수 및 음압을 가지는 음원을 생성하여 출력하도록 구성된다.
상기 제어부(120)는 상기 음원의 생성을 위해, 미세입자의 개수, 크기, 농도, 체적, 온도 등의 미세입자 측정 데이터별로 음원의 주파수 및 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 잔류미세입자 측정부(170)에서 전송된 잔류 미세입자 측정 데이터를 수신한 후, 미세입자 응집 효율을 높이기 위해 음원의 주파수 및 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 액추에이터(141)를 포함하여 구성된다. 또한, 상기 액추에이터(141)는 상기 음원에 대응하여 출력된 음파를 중첩시킴으로써, 상기 미세입자의 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 액추에이터 쌍들의 수가 증가될 수 있다.
상기 측정센서부(150)는 상기 응집채널부(160) 내부에서 발생된 음파의 주파수 및 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.
상기 응집채널부(160)는 공기가 유동하는 관 또는 실내 공간을 구획하는 벽체일 수 있다.
그리고 상기 음파발생부(140)를 구성하는 액추에이터(141)들은 응집채널부(160)의 내부에 하나 이상 설치되며, 또한 서로 대향하도록 설치될 수도 있다.
상기 잔류미세입자측정부(170)는 응집채널부(160)에서 배출되는 공기 내의 잔류미세입자를 측정하여 미세입자 응집을 위한 피드백 제어를 수행하기 위해, 상기 응집채널부(160)의 공기 배출로에 설치되는 잔류미세입자측정기(171)를 포함하여, 상기 응집채널부(160)에서 배출되는 공기 내에 포함되는 미세입자의 크기, 농도, 개수 등을 포함하는 잔류미세입자 측정 데이터를 생성하여 상기 제어부(120)로 출력하도록 구성된다.
상기 포집부(200)는 미세입자 응집체의 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 미세입자의 응집 효율을 높이는 것은 물론, 미세입자 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 구성의 본 발명의 일 실시예의 미세입자 응집 포집 하이브리드 시스템(100)은 음파진동에 의해 미세 입자를 응집시켜 포집할 수 있도록 하는 것에 의해 필터가 필요 없는 음파청정기를 만들 수 있도록 하는 기술적 특징을 가진다. 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.
상술한 구성을 가지는 상기 미세입자 응집 포집 하이브리드 시스템(100)은 공기 내의 미세먼지, 초미세먼지, 미세플라스틱 또는 초미세플라스틱 등의 미세입자를 응집한 후 포집하여 제거하도록 설치될 수 있다. 즉, 본원 발명의 일 실시예의 미세입자 응집 포집 하이브리드 시스템(100)은 공기 중에 적용되어 공기 중의 미세입자를 모두 응집하여 포집할 수 있게 된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예의 미세입자 응집을 위한 음원에 대응하여 출력된 음파에 의해 미세입자가 응집되는 매커니즘을 나타내는 도면으로서, 도 2의 (a)는 음파에 의한 공기의 진동에 의해 미세입자(p1, p2)들이 충돌에 의해 응집하는 것을 나타내며, 도 2의 (b)는 공기와 미세입자(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 미세입자의 진동 속도 함수, d는 미세입자의 크기, y`는 매질(공기)의 진동 속도 함수, φ(=ωt±α)는 미세입자의 진동 속도와 매질 속도의 위상차, ω 음파의 각속도, α는 음파의 초기 위상, τ(τ1, τ2)는 두 미세입자들의 충돌까지의 시간인 미세입자들의 완화시간(particle relaxation time), η는 미세입자들의 상대적인 동반시간(the relative entrainment between the two particles), 첨자 1은 작은 미세입자 및 관련 변수들을, 첨자 2는 큰 미세입자 및 관련 변수들을 나타낸다.
본 발명에 적용되는 미세입자 응집을 위한 파동 간섭에 의한 공기(매질 내 초미세입자의 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 초미세입자의 응집 거동을 개발하여, 1㎛ 이하의 초미세입자가 수 Hz 및 수 dB 조건에서 짧은 시간 내에 10㎛ 이상으로 조대화되는 응집 거동을 확인하였다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 미세입자 응집 포집 하이브리드 시스템 (100)의 응집기술은 Ortho-kinetic Collision 거동을 응용한 것으로, 공기(매질) 내에서 미세입자가 음파에 의하여 충돌되고 반데르발스힘(van der Waals force)에 의한 표면 인력으로 응집화되는 거동이다.
이때, 음파에 의한 공기(매질) 내 미세입자 응집효율(β)은 미세입자크기(d), 음파의 진동 속도(U0), 두 미세입자들의 충돌까지의 시간인 미세입자들의 완화시간(τ), 미세입자들의 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 미세입자간 속도 차를 계산할 수 있다.
[수학식 2]
도 2와 같이, 상기 음파발생부(140)를 통해 음원에 대응하는 음파가 출력되면, 상기 응집채널부(160) 내의 미세입자(p1, p2)들과 공기(매질)은 도 2의 (b)와 같이 음파의 주파수와 음압에 대응하여 진동하게 된다.
이때, 상대적으로 크기가 작은 미세입자(p1)의 진동 진폭이 상대적으로 큰 미세입자(p2)의 진동 진폭보다 크게 되어, 상대적으로 크기가 작은 미세입자(p1)와 상대적으로 큰 미세입자(p2)들이 이동 거리의 차이가 생겨 서로 충돌하는 것에 의해 반데르발스힘에 의해 상대적으로 크기가 작은 미세입자(p1)와 상대적으로 큰 미세입자(p2)들이 서로 응집되어 미세입자 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.
도 3은 본 발명의 일 실시예의 미세입자 응집을 위한 음원의 출력 진동에 의해 미세입자가 응집되는 것을 보이는 도면이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예의 미세입자 응집을 위한 음원을 서로 쌍을 이루는 액추에이터 쌍들을 포함하는 다중 액추에이터로 구성되는 음파발생부(140)를 통해 생성된 음파의 중첩을 나타내는 도면이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예의 미세입자 응집을 위한 서로 대향하는 액추에이터 쌍으로 구성되는 액추에이터부에서 출력된 음파의 강도와 단일 액추에이터에서 출력된 음파의 강도 차이를 나타내는 그래프이다.
상기 음파발생부(140)를 구성하는 액추에이터(141)들은 서로 대향하는 쌍으로 설치되는 것에 의해 미세입자들의 응집 효율을 향상시킬 수 있게 된다. 이때, 상기 액추에이터(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, 액추에이터(141)들이 서로 대향하는 쌍으로 설치되어 음파(w)가 서로 중첩되는 것에 의해 강도가 세지고, 이에 의해, 상대적으로 크기가 작은 미세입자(p1)와 상대적으로 큰 미세입자(p2)들의 진동 속도 및 충돌 시의 충격량이 커지게 되어 응집 효율이 높아진다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 음파 발생부인 액추에이터(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 액추에이터를 구비한 단일 소스 음파발생부(140)의 설치 위치별(s1, s2, s3) 응집채절부(160) 내부의 음압 분포를 나타내는 도면이고, 도 6의 (b)는 다중 액추에이터로서 두 개의 액추에이터인 두 개의 음파원(ms1, ms2) 의 이격 간격별(l) 음압 분포를 나타내는 도면이다.
그리고 도 7에 의해 음파의 주파수 및 음압에 따라 서로 다른 미세입자정화 효율을 가지며, 음압이 높은 경우 미세먼지의 제거 효율이 높은 것을 확인하였다.
도 8은 본 발명의 일 실시예의 미세입자 하이브리드 응집 포집 방법의 처리과정을 나타내는 순서도이다.
도 8과 같이, 상기 미세입자 하이브리드 응집 포집 방법은, 먼저, 미세입자측정부(110)를 이용하여 정화 영역 또는 상기 응집채널부(160) 내부의 미세입자의 오염도를 측정하여 생성된 미세입자측정데이터를 상기 제어부(120)로 출력하는 초기 미세입자 측정단계(S10)를 수행한다. 이때, 상기 미세입자측정데이터는, 미세입자의 개수, 크기, 농도, 공기(매질)의 온도, 습도 또는 상기 응집채널부(160)가 설치된 정화 영역의 면적 또는 체적 데이터를 포함할 수 있다.
상기 제어부(120)는 상기 미세입자 측정데이터에 따라, 저장부(121)에 저장된 미세입자 응집을 위한 음원의 주파수 및 음압을 추출하는 주파수 및 음압 데이터 추출 단계(S20)를 수행한다. 이때 추출되는 주파수 및 음압은 미세입자의 개수, 크기, 농도, 공기(매질)의 온도, 습도 또는 상기 응집채널부(160)가 설치된 정화 영역의 면적 또는 체적 분포에 따라 분류된 후 미세입자 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 미세입자의 크기, 농도, 실내 온도, 실내 습도, 정화 영역의 면적 또는 체적에 대응하도록 추출될 수 있다.
다음으로, 상기 제어부(120)가 추출된 상기 주파수 및 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 미세입자들을 진동시켜 서로 응집시키는 미세입자응집단계(S50)를 수행한다.
이 후, 상기 포집부(200)는 상기 응집채널부(160)(160) 내의 공기 또는 공기를 대류시키거나 유입 받은 후 응집되어 크기가 커진 미세입자 응집체(167)들을 포집하여 제거하는 응집된 미세입자 포집단계(S60)를 수행한다.
이때, 상기 응집된 미세입자 포집단계(S60)의 수행 시, 상기 포집부(200)에 의해 음파 및 음파의 반사파들이 흡수되어, 음파들 사이의 간섭을 제거하여 미세입자의 응집효율을 향상시킴은 물론 미세입자 제거 시의 음파에 의한 소음을 최소화한다.
그리고 상술한 응집된 미세입자 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, 잔류미세입자 측정부(170)가 배출되는 공기 내에 포함되는 미세입자의 개수, 농도, 크기 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, 미세입자 제거효율을 산출하여 미세입자 제거 효율이 목표치에 도달했는지를 판단하는 미세입자 제거 효율 달성 판단 단계(S80)를 수행한다.
상술한 미세입자 제거 효율 달성 판단 단계(S80)의 판단 결과, 미세입자 제거 효율이 목표치에 도달하지 않은 경우, 제어부(120)는 [수학식 1] 및 [수학식 2]을 적용하여 미세입자 응집 효율을 높이는 주파수를 가지는 주파수와 음압을 도출하여 음원을 재생성하는 음원 피드백 조정 단계 (S90)를 수행한다.
그리고 상술한 미세입자 제거 효율 달성 판단 단계(S80)의 판단 결과, 미세입자 제거 효율이 목표 치에 도달한 경우에, 상기 제어부(120)가 미세입자 제거 작업의 종료 여부를 판단하는 미세입자 응집 정화 종료 판단 단계(S100)를 수행하여, 작업이 종료되지 않은 경우에는 미세입자 응집단계(S50)로 복귀하여 처리과정을 다시 수행하고, 작업이 종료된 경우에는 미세입자 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: 미세입자 응집 포집 하이브리드 시스템
110: 미세입자측정부
120: 제어부
121: 저장부
130: 음원증폭부
140: 음파발생부
141: 액추에이터
150: 측정센서부
151: 측정센서
160: 응집채널부
167: 미세입자 응집체
170: 잔류미세입자측정부
200: 포집부
x: 미세입자 진동 진폭
U0: 음파의 진동 속도(the velocity amplitude of sound wave)
τ: 미세입자 완화시간-충돌하기까지의 시간
η: 두 미세입자들의 상대적인 동반 시간(the relative entrainment between the two particles
110: 미세입자측정부
120: 제어부
121: 저장부
130: 음원증폭부
140: 음파발생부
141: 액추에이터
150: 측정센서부
151: 측정센서
160: 응집채널부
167: 미세입자 응집체
170: 잔류미세입자측정부
200: 포집부
x: 미세입자 진동 진폭
U0: 음파의 진동 속도(the velocity amplitude of sound wave)
τ: 미세입자 완화시간-충돌하기까지의 시간
η: 두 미세입자들의 상대적인 동반 시간(the relative entrainment between the two particles
Claims (14)
- 미세입자가 포함되는 공기의 이동 경로를 형성하는 응집채널부;
상기 미세입자 응집을 위해 상기 응집채널부 내부에서 흐르는 공기를 진동시키기 위한 음파를 상기 응집채널부의 내부로 방출하는 음파발생부; 및
다공성 소재로 상기 응집채널부의 내부 하부에 장착되어 낙하하는 응집된 미세입자 응집체를 포집하는 포집부;를 포함하여 구성되고,
상기 포집부의 기공의 크기는 250㎛ 내지 500㎛인 것을 특징으로 하는 미세입자 응집 포집 하이브리드 시스템. - 제1항에 있어서, 상기 음파발생부는,
상기 응집채널부의 내부에 설치되어, 상기 음파에 의한 진동을 발생시키는 하나 이상의 액추에이터를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 미세입자 응집 포집 하이브리드 시스템. - 제1항에 있어서
상기 응집채널부로 유입되는 공기를 측정하여 미세입자측정데이터를 생성하여 출력하는 미세입자측정부;를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 미세입자 응집 포집 하이브리드 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 미세입자 측정데이터에 대응하여 미세입자 응집을 위한 주파수 및 음압을 가지는 음원을 생성하여 상기 음파발생부로 출력하는 제어부;를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 미세입자 응집 포집 하이브리드 시스템. - 제4항에 있어서, 상기 제어부는,
미세입자 응집을 위한 미세입자 오염도별 주파수 및 음압 데이터를 저장하는 저장부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 미세입자 응집 포집 하이브리드 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 주파수는 20㎐ 내지 20㎑ 범위이고,
상기 음압은 0㏈ 내지 100㏈ 범위인 것을 특징으로 하는 미세입자 응집 포집 하이브리드 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 응집채널부 내부의 음파의 주파수 및 음압을 검출한 후, 상기 제어부로 전송하는 측정센서부; 및
상기 응집채널부에서 배출되는 공기에 포함된 잔류 미세입자를 측정하여 상기 제어부로 전송하는 잔류미세입자 측정부;를 더 포함하고,
상기 제어부는 응집채널부 내부의 음파의 주파수 및 음압과 상기 잔류미세입자 측정 정보를 수신하여 음원의 주파수 및 음압을 가변하여 출력하는 음원 피드백 제어 조정을 수행하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 미세입자 응집 포집 하이브리드 시스템. - 제7항에 있어서,
상기 제어부에서 출력된 상기 음원을 상기 음파발생부로 입력되기 이전에 입력 받아 증폭하여 출력하는 음원증폭부;를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 미세입자 응집 포집 하이브리드 시스템. - 미세입자측정부를 이용하여 응집채널부로 유입되는 공기의 미세입자측정데이터를 생성하여 제어부로 출력하는 초기 미세입자 측정단계;
상기 제어부가 상기 미세입자측정데이터에 따라, 저장부에 저장된 미세입자 응집을 위한 음원의 주파수 및 음압을 추출하여 음원을 생성하여 출력하는 음원생성단계;
음파발생부가 상기 음원에 대응하는 음파를 상기 응집채널부의 내부로 출력하여 공기를 진동시키는 것에 의해 미세입자를 응집시키는 미세입자 응집단계; 및
다공성 소재로 제작된 포집부로 응집된 미세입자 응집체를 포집하여 제거하는 응집된 미세입자 포집단계;를 포함하여 구성되고,
상기 포집부의 기공의 크기는 250㎛ 내지 500㎛인 것을 특징으로 하는 공기 내 미세입자 하이브리드 응집 포집 방법. - 제9항에 있어서, 상기 음원생성단계는,
20㎐ 내지 20㎑ 범위의 주파수와 0㏈ 내지 100㏈ 범위의 음압을 가지는 음원을 생성하는 단계인 것을 특징으로 하는 공기 내 미세입자 하이브리드 응집 포집 방법. - 제9항에 있어서, 상기 미세입자 응집단계는,
상기 응집채널부에 설치된 하나 이상의 액추에이터를 통해 상기 음파를 출력하는 단계인 것을 특징으로 하는 공기 내 미세입자 하이브리드 응집 포집 방법. - 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 공기 내 미세입자 하이브리드 응집 포집 방법. - 제9항에 있어서,
음원에 대한 피드백 제어를 위해 상기 응집채널부 내부의 음파의 주파수와 음압 또는 배출되는 공기에 포함된 잔류 미세입자를 측정하여 생성된 피드백 제어 데이터를 상기 제어부로 출력하는 피드백 제어 데이터 측정단계;
상기 제어부가 상기 수신된 피드백 제어 데이터를 이용하여 미세입자 제거 목표의 달성 여부를 판단하는 미세입자 제거 효율 달성 판단 단계; 및
상기 미세입자 제거 효율 달성 판단 단계의 판단 결과 미세입자 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 공기 내 미세입자 하이브리드 응집 포집 방법. - 제13항에 있어서,
상기 미세입자 제거 효율 달성 판단 단계의 판단 결과 미세입자 제거 목표 효율이 달성된 경우로서, 미세입자 제거 작업이 종료되지 않은 경우 미세입자 응집단계로 복귀하여 처리과정을 반복 수행하고, 미세입자 제거 작업이 종료된 경우 처리 과정을 종료하는 미세입자 제거 작업 종료 판단단계;를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 공기 내 미세입자 하이브리드 응집 포집 방법.
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