KR102632715B1 - 공기 정화 디바이스 및 장치 - Google Patents

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Abstract

공기 스트림에서 에어로졸 입자들을 제거하기 위한 공기 정화 디바이스는 : 공기 스트림에서 공기 이온들 생성하기 위해 그 안에 전극 배열 구조와 하우징을 포함하는 입자 대전기, 입자 대전기는 그 내부에, 이용 시 공기 스트림 내의 에어로졸 입자들이 공기 이온들과의 충돌을 통해 전기적으로 대전되는 입자 대전 존을 갖고; 상기 디바이스를 통해 이동하는 공기 스트림으로부터 전기적으로 대전된 에어로졸 입자들을 집진시키는 필터; 및 디바이스를 통해 공기 스트림을 이동시키기 위한, 케이싱을 포함하는, 공기 이동기;를 포함하고, 입자 대전기와 공기 이동기는 필터의 상류에 제공되고, 입자 대전기의 하우징은, 입자 대전기와 공기 이동기가 함께 직접적으로 결합되도록, 디바이스를 통해 공기 유동의 방향으로 공기 이동기의 케이싱에 밀폐되게 밀봉되며, 이에 의해 디바이스에 들어가는 모든 공기는 공기 이동기 및 입자 대전기 둘 모두를 통과하여야 한다.

Description

공기 정화 디바이스 및 장치
본 발명은 공기 정화 디바이스(air cleaning device)와 공기 정화 장치(air cleaning apparatus)에 관한 것이다. 본 발명은 특히, 정전기적 집진 디바이스(electrostatic precipitation device)와 정전기적 공기 정화 장치(electrostatic air cleaning apparatus)에 관한 것이며, 둘 모두는 공기 정화(cleaning) 및 여과(filtration)에서 이용되지만, 반드시 배타적인(exclusively) 것은 아니다.
공기 정화 및 다른 공기 여과 디바이스들과 장치들은 공기로부터 원치 않는 에어로졸 입자들(unwanted aerosol particles)을 제거하기 위해 이용된다. 일반적으로, 공기 여과는 필터(filter)를 통과함으로써 공기로부터 에어로졸 입자들을 잡아내도록(entrap) 구성되는 필터 구성요소를 이용하여 달성된다.
정전기적 집진 공기 정화 디바이스들과 장치들은 필터 또는 그것의 입자 콜렉터(particle collector) 구성요소(이하에서 간단하게 "필터"로 총칭함)를 통과하기 전에 공기 중의 에어로졸 입자들에 전기적 대전(electric charge)를 가함으로써 작동한다. 전기장(electric field)은, 상기 대전된 입자들(electrically charged particles)이 디바이스/장치를 통화하는 동안 필터의 표면에 부착되고, 상으로 집진되도록, 필터에 적용될 수 있고, 이에 의해 비 대전된 에어로졸 입자들(uncharged aerosol particles)의 제거와 비교하여 통과하는 공기 스트림(air stream)으로부터 입자들을 제거하는 효과가 더 크다.
입자들의 전기적 대전(Electric charging)은 많은 방식으로 달성될 수 있다. "필드 대전기(field charger)"를 이용하는, 하나의 이러한 방식은 일반적으로 여과 어플리케이션(filtration applications)으로 이용된다. 필드 대전기는 입자 대전 존(particle charging zone)을 형성하도록 함께 작동 가능한 방출 전극(emission electrode)과 반대-전극(counter-electrode)을 포함하는 입자 대전기(particle charger)를 포함한다. 이용 시, 전기장은 그것들 개별적인 전위(electrical potentials)의 차이에 의해 방출 전극과 그것의 반대-전극 사이에 생성(established)된다 : 방출 전극은 예를 들어, 방출 전극은 일반적으로 작은 곡률반경(radius of curvature)이 있고, 그것이 미세한 전도성 와이어(fine conducting wire) 또는 날카로운 전도성 핀(sharp conducting pin)의 형상일 수 있고, 반대-전극에 비교하여 대게 높은 전압으로 상승되며, 이는 일반적으로 접지 전위(earthed potential)로 유지된다. 이러한 배열 구조는 필드 대전기(field charger) 내부의 방출 전극에서 코로나 방전(corona discharge)이끈다(전극들 사이의 전압 차이(voltage difference)가 전극들 사이의 전기적인 아크(electrical arcing)를 야기하고 전기적인 고장(electrical breakdown)을 초래하지 않게 보장하도록 주의를 기울여야 함). 코로나 방전에 의해 생성되는 공기 이온(Air ions)은 전기장에 의해 가속되고, 이러한 입자들이 전기적으로 대전되는 것의 결과로, 입자 대전 존을 통과하는 에어로졸 입자들과 충돌한다.
이전 기술의 정전기적 공기 여과 디바이스들 및 장치들은 가장 일반적으로 그 안에 필드 대전기 내의 방출 전극들로써 (직경이 밀리미터 정도인)얇은 와이어들의 어레이(array of thin wires)를 포함한다. 이러한 와이어 어레이들은 어레이 내의 모든 와이어들 주위에서 코로나 방전을 형성하고, 따라서 수많은 적용들에 맞도록 성형될(shaped) 수 있다. 그러나, 와이어 어레이들은 대전에 효과적인 영향을 주는, 와이어들 상에 원치 않는 유해 물질(deleterious substances)의 퇴적(deposition)에 의해 방해 받을(hindered) 수 있다. 또한, 오존(ozone)의 방출은 와이어들 상에 지지되는 코로나들(coronas)로부터 바람직하지 않게 높을 수 있다. 또한, 와이어들이 지지 프레임워크(supporting framework)에 부착되어야 하기 때문에, 부착이 발생하는 와이어들의 단부들 영역(regions)에서, 코로나 방출은 와이어들의 단부들을 지나 흐르는 공기에서 에어로졸 입자들이 효과적으로 대전되지 않는 범위(extent)로 감소되며, 이는 궁극적으로 감소된 에어로졸 입자 수집 효율(reduced aerosol particle collection efficiency)을 야기한다. 이러한 "대전 우회(charge bypass)" 효과는 디바이스나 장치를 통과하는 여과되는 공기의 유동경로(flow path)를 정의하는 주변 하우징(surrounding housing) 내로 와이어 어레이를 수용하는 프레임 워크의 상대적으로 느슨한-피팅(relative loose-fitting)에 의해 대게 악화된(exacerbated)다.
필드 대전기용으로의 사용이 알려져 있지만, (실제로 본 출원인에 의해서만 가능 할지라도) 훨씬 덜 보편적인 "핀-타입" 방출 전극이 있다. 와이어 어레이 전극과 비교하여, 핀-타입 전극은 그것의 날카로운 팁 주위의 상대적으로 작은 체적으로만 코로나를 형성한다. 핀-타입 전극의 팁에서 코로나 강도(corona intensity)는 둘 사이의 물리적인 차이(physical differences) 때문에 주어진 적용된 전류(given applied current)에 대한 와이어 어레이 전극의 코로나 강도와 비교하여 더 높고, - 날카로운(감소하는) 지점에서의 전자 농도(electron concentration)는 실질적으로 일정한 단명의 와이어에서의 전자 농도 보다 크며, 이는 입자 대전 효과(particle charging effectiveness)를 개선한다. 또한, 핀-타입 방출 전극은 와이어에 따라 분포되는(distributed) 코로나가 핀-타입 코로나 보다 많은 전류를 필요로 하고, 오존 생성(ozone production)이 상기 전류에 비례하기 때문에 와이어 어레이 등가물(wire array equivalent)에 비해 주어진 입자 대전 용량(given particle charging capacity)을 위해 더 적은 오존을 제공한다. 또한, 와이어 어레이 전극들과 비교하여, 핀-타입 전극들은 코로나 방전을 방해할 수 있는 물질의 퇴적에 영향을 덜 받으며, 이것의 이유는 두 가지다 : 첫째로, 핀의 날카로운 팁의 표면적(surface area)은 와이어의 표면보다 많이 적고 따라서 적은 코로나-방해 물질들(corona-hindering substances)의 퇴적이 발생하고, 두 번째로, 와이어의 길이를 따르는 코로나와 비교하여 핀 팁에서 코로나의 더 높은 강도는 코로나-방해 물질의, 또한, 핀-타입 전극은 와이어 어레이 전극의 와이어들을 위해 필요한 것과 동일한 방법으로 주변 프레임워크에 부착될 필요가 없기 때문에, 핀-타입 전극들로 감소된 코로나 방출의 영역은 없으며, 이는 (와이어 어레이 전극과 비교하여)대전되는 에어로졸 입자들의 비율이 더 높아진다. 따라서, 알려진 필드 대전기들에서 와이어 어레이 방출 전극들의 더 큰 보급(prevalence)에도 불구하고, 필드 대전기 내의 핀-타입 방출 전극의 이용은 와이어 어레이 방출 전극들을 통합하는 등가 필드 대전기들(equivalent field chargers)로 달성할 수 있는 것 이상 또는 초과하는 많은 이점들을 제공한다.
어느 타입의 공기 정화 디바이스(즉, 필드 대전기 내의 핀-타입 전극 또는 와이어 어레이 전극을 이용하는)에서, 예를 들어 팬과 같은, 공기 이동기(air mover)는 일반적으로 디바이스를 통과하게 오염된 공기(uncleaned air)를 촉구(urge)하도록 통합된다. 공기 정화기 내 구성요소들의 일반적인 배열 구조(arrangement)는 공기 유동의 방향으로, 입자 대전기, 필터, 공기 이동기이다. 이러한 이전의 배열 구조는 첨부된 도면 중 도 1 내지 도 3에서 개략적으로 도시되며, 이는 이전의 휴대용 공기 정화 디바이스(portable air cleaning device)에서 공기 정화 배열 구조의 전형(typical)이다.
본 명세서에 개시되어 있음.
도 1 내지 도 3을 참조하여, 본원에서 공기 스트림으로부터 원치 않는 에어로졸 입자들을 제거하기 위한 이전의 휴대용 정전기적 집진 디바이스(10)가 도시되어 있다. 정전기적 집진 공기 정화 디바이스(10)는 입자 대전기(12), 기계적인 팬(mechanical fan)의 형상인 공기 이동기(15), 및 팬(15)의 하류(downstream) 배출구(outlet; 18)로, 필터(16)를 통해, 화살표A의 방향으로, 입자 대전기로 입구(entrance)에서 유입구(inlet; 17)를 통해 디바이스(10)에 의해 유동으로서 공기 스트림("더러운 공기(dirty air)"; 미 도시된)로부터 대전된 에어로졸 입자들을 제거하기 위한 필터(16)를 포함한다. 도 2 및 도 3은 유입구 그릴(inlet grille; 19a)과 배출구 그릴(outlet grille; 19b)을 도시하고, 이는 디바이스(10)의 위에서 언급된 모든 구성요소들을 둘러싸고 수용하는 하우징(101) 안에 개별적으로 형성되는 유입구(17)와 배출구(18)에 맞춰진다.
입자 대전기(12)는 이러한 명세서에서 더 쉽게 논의되는 방법으로 공기 스트림 내의 에어로졸 입자들을 대전시키기 위한 공기 이온들의 생성과 핀의 팁으로부터 코로나 방전을 가능하게 하기 위해 반대-전극(14)에 대하여 (도 2 및 도 3에서만 도시되는) 직경 바아(13a)의 길이를 따라서 중심 방향으로 장착되는 핀(13)의 형상(머리가 핀의 팁을 나타내도록 상류의 지점인, 화살표로 표시됨)인 핀-타입 전극을 포함한다. 도 1 및 도2에서 명확하게 도시되는 바와 같이, 입자 대전기(12)와 필터(16)는 이러한 각각의 구성요소들 사이에, 상당한 공간 분리(spatial separation) 또는 G로 명시되는(labelled) 갭을 구비하는 팬(15)의 상류에 제공된다. 2개 이상의 핀-타입 전극은 공통 도체 로드 상에서 지지될 수 있다.
도 1 내지 도 3은 디바이스(10)가, 첫 번째로 입자 대전기(12)를 필터(16)에, 두 번째로, 필터(16)를 팬(15)으로 연결하는 것을 보여주는 점선들에 의해 도시되는, 갭(G)의 영역에서, 유입구(17)와 배출구(18) 사이에 그것의 단면에서 두 가지 변화를 겪는 것을 도시한다. 정화된 더러운 공기가 입자 대전기(12)를 통과하면, 이는 필터(16)에 도달할 때까지 통해서 유동할 수 있는 단면적의 팽창(expansion)을 경험하며, 이는 입자 대전기(12)보다 더 큰 단면(공기 유동에 수직한)을 갖는다. 필터(16)의 하류(Downstream)에서, 정화된 공기는 팬(15)을 수용하도록 흐를 수 있는 단면적에서 수축(contraction)을 경험하고, 이는 필터(16)보다 더 작은 단면(다시 공기 유동에 수직한)을 갖는다. 필터(16)와 팬(15) 사이 및, 입자 대전기(12)와 필터(16)사이의 갭(G)에서 단면적의 변화는 원치 않는 공기 난류(air turbulence), 더 큰 공기 저항(air resistance), 높은 에너지 소비(high energy consumption) 및 소음을 초래한다.
단면적의 적어도 하나의 논의된 미스-매치(mis-matches)를 극복하기 위해, 입자 대전기의 에어리어에 실질적으로 매칭하도록, 접지된 반대-전극(earthed counter-electrode)에 의해 각각 둘러싸이는, 다중 핀-타입 전극들의 어레이로 단일 핀-타입 전극을 대체하는 종래 기술은 알려져 있고, 팬은(도 1 내지 도 3에서 도시되는 것과 동일한 방식으로) 입자 대전기로 필터의 반대 측면 상에 있다.
이러한 배열 구조는, 예를 들어 WO2005/102534에 개시된다. 그러나, 단일 핀-타입 전극보다 제조하기에 더 비싸고 단일 핀-타입 전극에 비교되는 더 많은 오존의 생성을 야기하는 핀 어레이 전극의 단점에 더하여, 도 1 내지 도 3에서 도시되는 디바이스에 대하여 논의되는 세 구성요소들(입자 대전기, 필터 및 팬) 사이의 공간 분리 또는 갭은 여전히 존재하고, 원치 않는 공기 난류, 더 큰 공기 저항, 높은 에너지 소모, 소음 및 테이퍼된 카울링/덕팅(tapered cowling/ducting)을 위한 필요의 문제들은 남아있다. 사실, 이러한 다중의 필-타입 전극들의 어레이는, 필터에 너무 가까이 배치되면, 필드 대전기의 접지된 반대-전극보다 필터 상에 가까운 임의의 공기 이온 플럭스(any air ion flux)가 그것의 효율성을 상당히 저감시키는, 필터 작동을 방해할 수 있기 때문에, 디바이스 내의 필터로부터 공간적으로 분리되어야 한다. 또한, 필드 대전기와 필터 사이의 영역이 디바이스가 사용중일 때 주변 공기에 대하여 음의 압력(negative pressure)하에 있어서, 공기가 필터로부터 어레이를 분리하는 영역 내로 누출하게, 핀-타입 전극들을 우회할 수 있는 가능성이 증가된다. 이러한 "대전 우회"는 일반적으로, 필터를 인입하는 공기 중 비 대전된 에어로졸 입자들(uncharged aerosol particles)을 야기하기 때문에 바람직하기 않(detrimental)고, 이에 의해 입자 포집 효율(particle capture efficiency)을 감소시킨다.
또한, 입자 대전기(12)와 필터(16) 사이, 및 필터(16)와 공기 이동기(15) 사이의 갭들(G)을 가교하는(bridging) 수단이 요구된다 : 대게 비싸고, 테이퍼된 카울링 또는 덕팅은 예를 들어 하우징의 형상인, 구성요소들의 공간분리와 단면적에서의 미스매치를 극복하도록 제공되어야 한다. 도 2와 도 3에서 명확하게 보이는 바와 같이, 디바이스는 100%의 입자 포집 효율을 나타내지 않으며, 또한, 디바이스(10)의 효율은 도시되는 배열 구조와 함께 존재하는 우회의 두 주요 에어리어들 때문에 필터(16)의 고유 효율(intrinsic efficiency)과 매칭할 수 없다. 특히, 몇몇 더러운 공기는 B1으로 명시되는 화살표에 의해 도시되는 바와 같이 입자 대전기(12; "대전 우회")를 우회할 수 있으며, 따라서 에어로졸 입자들이 대전되지 않기 때문에, 그것들은 필터(16)에 의해 공기 스트림으로부터 제거되지 않는다. 두 번째로, 대전된 에어로졸 입자들을 수용여부를 불문하고, 더러운 공기는 B2로 명시된 화살표에 의해 고시되는 바와 같이 필터(16; "여과 우회")를 우회할 수 있고, 따라서 정화되지 않는다.
필터(16) 안에 입자 수집의 높을 효율을 달성하기 위해, 입자 대전기(12) 주위의 대전 우회 공기 유동은 디바이스(10)를 통해 전체 공기 유동의 작은 비율(small proportion)이어야 한다. 대전을 피하는 임의의 에어로졸 입자들은 낮은 효율에서 정전기적 필터(18)를 통과하도록 의도될 것이다. 예를 들어, 99.99% 이상의 입자 수집 효율(particle collection efficiency; 매우 높은 효율)에서 작동하는 공기 정화 디바이스에서, 전체 공기 유동의 100,000분의 1 보다 작은 것이 입자 대전기를 우회하도록 허용될 수 있다.
쉽게 언급된 바와 같이, 이러한 대전 우회와 여과 우회의 효과는, 팬(15)이 입자 대전기(12)와 필터(16) 둘 모두의 하류에 위치될 때, 공기가 주변 대기에 비교하여 음의 공기 압력을 받기 때문에, 악화된다. 그러나, 공기 필터(16)가 대체(replacement) 또는 정화를 위해 디바이스(10)에서 제거되도록 설계되고 따라서 주변 하우징(101)과 필터(16)의 프레임(frame) 사이의 맞춤은 슬라이딩 맞춤이기 때문에, 여과 우회는 종종 필연적(inevitably)으로 발생한다. 결과적으로, (보다 얇은 화살표 B2로 표시되는)비 여과된 우회 공기 유동(unfiltered bypass air flow)은 팬(15), 주위 및, 상류에서 발견되는 난류 공기 유동 영역(T)에서 여과된 공기(두꺼운 화살표로 표시되는)와 혼합할 수 있다. 이는 도 3에서 도시된 바와 같이 전체 유출(outflow) 단면적를 가로지르는 디바이스(10)의 배출구(18)와 배출구 그릴(19b)로부터 나오는 공기(혼합된 두께의 화살표 M에 의해 표시된)의 순도(purity)를 저감시킨다.
일반적으로, 공기 정화 장치 이전의, 일반적으로 발견될 수 있는 구성요소들의 일반적인 배열 구조(usual arrangement)은 첨부된 도면들 중 도4 내지 도7에서 개략적으로 도시된다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 공기 스트림으로부터 원치 않는 에어로졸 입자들을 제거하기 위한 이전 기술의 정전기적 집진 장치(100)가 도시된다. 정전기적 집진 공기 정화 디바이스(100)는 기계적인 팬의 형태인 공기 이동기(115), 입자 대전기(112) 및 팬(115)의 하류 배출구(미 도시된)으로, 필터(116)를 통해, 화살표 A 방향으로, 덕트워크(ductwork; 119)에 의해 정의되는 체적 내의 장치(100)를 통해 흐르는 바와 같은 공기 스트림("더러운 공기"; 비 도시된)으로부터 대전된 에어로졸 입자들을 제고하기 위한 필터(116)를 포함한다.
입자 대전기(112)는 인접 플레이트(adjacent plate; 113c) 내에 형성되는 원형 반대-전극들(circular counter-electrodes; 113b)의 어레이에 결합되는 프레임(113a) 내에 장착되는 핀들(133)의 어레이의 형태인 핀-타입 전극들의 어레이를 포함하여서, 본 명세서에서 더 쉽게 논의되는 방법으로 공기 스트림 내의 에어로졸 입자들을 대전시키기 위한 공기 이온들의 생성과 핀들(113) 각각의 팁으로부터 코로나 방전을 가능하게 한다. 도 4 및 도 5에서 명확하게 도시되는 바와 같이, 입자 대전기(112) 및 필터(116)는 팬(115)의 하류에 제공된다. 입자 충전기(112)와 필터(116) 각각으로 디자인되는 고유 공간 오차로 인해, 상기 구성요소들이 서로 이격되었는지 또는 직접적으로 결합되었는 지에 관계없이 덕트워크(110) 내로 제거 가능하게 맞춰지도록 각각을 허용하도록, 비싼 가스켓과 같은, 임의의 특정 고 성능 밀봉 수단이 없으면, 입자 대전기(112)와 필터(116) 각각의 주위를 여과 우회 및 대전 우회 둘 모두를 위한 경로가 필연적으로 필요하다.
도 5에서 명확하게 도시될 수 있는 바와 같이, 장치(100)는 100% 입자 포집 효율을 나타내지 않으며, 오히려 장치(100)의 효율은 이러한 우회의 두 주요 에어리어들 때문에 필터(116)의 고유 효율(intrinsic efficiency)과 매칭할 수 없다. 특히, 몇몇 더러운 공기는 B1으로 표시되는 화살표에 의해 도시되는 바와 같은 입자 대전기를 우회하게(112; "대전 우회")할 수 있으며, 따라서, 에어로졸 입자는 이곳에서 대전되지 않기 때문에, 그것들은 필터(116)에 의한 공기 스트림으로부터 제거되지 않는다. 두 번째로, 대전된 에어로졸 입자들을 수용하고 있는 더러운 공기는 B2로 표시된 화살표에 의해 도시되는 바와 같이 필터(116)를 우회시킬 수("여과 우회") 있다.
도 6과 도 7에서 도시되는 바와 같은 이전의 배열 구조는, 공기 유동의 방향으로 공기 이동기, 필터 및 입자 대전기의 상대적인 순서를 제외하고, 도 4와 도 5에서 도시되는 이전의 배열 구조와 동일하다. 따라서 도 6 및 도 7에서 모든 유사한 구성요소들에는 도 4 및 도 5에서 이용되는 것과 동일한 참조번호들이 제공되지만, 100씩 증가된다. 특히, 입자 대전기(212)와 필터(216)가 화살표 A로 정의되는, 공기 유동의 방향과 비해, 공기 이동기(215)의 상류에 둘다 제공된다.
입자 충전기(212)와 필터(216) 각각으로 디자인되는 고유 공간 오차로 인해, 상기 구성요소들이 서로 이격 되었는지 또는 직접적으로 결합 되었는지에 관계없이 덕트워크(219) 내로 제거 가능하게 맞춰지도록 각각을 허용하도록, 비싼 가스켓과 같은, 임의의 특정 고 성능 밀봉 수단이 없으면, 입자 대전기(212)와 필터(216) 각각의 주위를 여과 우회 및 대전 우회 둘 모두를 위한 경로가 필연적으로 필요하다.
도 7에서 명확하게 도시되는 바와 같이, 장치(200)는 100%입자 포집 효율을 나타내지 않으며, 오히려 이러한 두 충분한 우회의 에어리어에 의해 장치의 효율(200)은 필터(216)의 고유 효율과 매칭할 수 없다. 특히, 몇몇 더러운 공기는 B1으로 표시되는 화살표로 도시되는 바와 같은 입자 대전기(212; "대전 우회")를 우회시킬 수 있고, 따라서, 에어로졸 에어로졸 입자들이 여기서 대전되지 않기 때문에, 그것들은 필터(216)에 의해 공기 스트림으로부터 제거되지 않는다. 두번째로, 대전된 에어로졸 입자들을 수용하던 아니던 간에, 더러운 공기는 B2로 표시되는 화살표에 의해 도시되는 바와 같이 필터(216)를 우회할 수("여과 우회") 있으며, 따라서 정화되지 않는다.
이러한 장치의 공기 정화 효율은 다음의 가정과 기준에 따라 계산되었다.
예를 들어, HVAC설비들(HVAC installations)에서 이용되는 일반적인 덕트워크는 시트 메탈(sheet metal)로 제작되고, 불가피하게 유연하다. 덕트 사이드-벽(duct side-wall)의 중심으로 외부에 적용되는 2.3 내지 6.8 kg 범위의 무게에서 손가락-압력(finger-pressures) 하에서, 편향(deflection)의 측정은 세 개의 일반적인 가정용 HVAC 설비들(three typical domestic HVAC installations)에서 측정된다. 또한, 편향 하에서 각각의 덕트 벽을 위한 대전 우회 에어리어는 전체 비-편향된 에어리어의 %로서 계산되고 표현된다. 그 결과는 아래의 표 1에서 도시된다.
HVAC 1 Duct Width Duct Depth Duct Area (mm2) Bypass Area (mm2) % Bypass
Duct 1 - Dimensions (mm) 254 609.6 154838.4
Duct 1 - Deflection (mm) 3 7 5029.2 3.25
Duct 1 - Force (kg) 6.8 6.8
Duct 2 - Dimensions (mm) 254 254 64516
Duct 2 - Deflection (mm) 5 5 2540 3.94
Duct 2 - Force (kg) 6.8 6.8
HVAC 2
Duct 1 - Dimensions (mm) 254 254 64516
Duct 1 - Deflection (mm) 3 2032 3.15
Duct 1 - Force (kg) 4.5 4.5
Duct 2 - Dimensions (mm) 254 254 64516
Duct 2 - Deflection (mm) 5 6 2794 4.33
Duct 2 - Force (kg) 6.8 6.8
HVAC 3
Duct 1 - Dimensions (mm) 254 254 64516
Duct 1 - Deflection (mm) 5 5 2540 3.94
Duct 1 - Force (kg) 4.5 4.5
Duct 2 - Dimensions (mm) 254 254 64516
Duct 2 - Deflection (mm) 5 7 3048 4.72
Duct 2 - Force (kg) 2.3 4.5
Duct 3 - Dimensions (mm) 254 254 64516
Duct 3 - Deflection (mm) 7 3 2540 3.94
Duct 3 - Force (kg) 4.5 6.8
결과적인 편향은 3mm 내지 7mm 에어리어에 있는 것을 볼 수 있다. 각각의 편향을 취하고(Taking) 편향의 50% 의 각 프레임 길이를 따라 평균 우회 갭을 가정하여, 전체 단면 에어리어에 비교될 시 전체 직사각형 덕트(entire rectangular duct)의 네 측면들에 대한 결과 우회 에어리어는 계산될 수 있다.
공기 유동이 비-편향된 덕트와 우회의 단면적에 비례하여 분배하는 것을 가정하여, 우회는 위의 예시에 보다 평균 3.9%의으로 흐른다. 이는 전체 공기 유동의 100,000 당 3,900 개 부품들의 우회를 나타내며 96.1%로 최대 달성 가능한 효율을 줄이며, 이는 원하는 것보다 훨씬 낮다.
물론 덕트워크는 리브들(ribs)과 브라켓들(brackets)로 강화되거나 심지어 퍼포스 메이드 케비넷의 삽입(insertion of a purpose made cabinet)으로 강화되지만, 이러한 변형은 어렵고 비싸며, 여전히 주변 덕트의 내부 벽들로 입자 대전 프레임 주위의 높은 수준의 밀봉(high quality sealing)을 요구한다.
본 발명은 목적은 위에서 언급된 단점들의 몇몇, 또는 바람직하게 모두를, 특히 대전 우회를, 회피하거나 완화시키는 것이다.
또한, 바로 사용자의 즉각적인 통기성 대기(immediate breathable atmosphere) 내로, 본질적으로 모든 입자가 없는(99.1%의 일반적인 공기 정화 효율을 의미함), 깨끗한 공기를 전달할 수 있는 개인 공기 정화기(공기 정화 디바이스)가 필요하다. 일부 개인(individuals)은 입자의 특정 타입들로 노출될 때 건강에 안 좋고(suffer ill-health) 에어로졸 입자들(더러운 입자들과 다른 알러지 항원(allergens)을 포함함)에 매우 민감하다는 것은 알려져 있다. 예를 들어, 단일 꽃가루 입자(single pollen particle)는 몇몇 개인들에게 심한 알러지 반응(severe allergic response)을 촉발(trigger)할 수 있다. 공기 정화기 배출구에서, 99.9% 입자 제거 효율을 갖는 깨끗한 공기를 전달하도록 설계되는 공기 정화기에서, 사용자는 오염물질-입자-프리 공기(contaminant-particle-free air)를 호흡하는 모든 이점들을 얻을 수 있다.
따라서, 본 발명의 다른 목적은 이전의 공기 정화기, 특히 개인용 공기 정화기들의 단점을 배제하는 것이다.
본 발명의 제1 양태에 따라 공기 스트림으로부터 에어로졸 입자들을 제고하기 위한 공기 정화 디바이스가 제공되며, 디바이스는 다음을 포함한다.
(a) 사용 시, 하우징과 공기 스프임 내의 거기에 공기 이온들을 생성하기 위한 전극 배열 구조를 포함하고, 입자 대전기는 내부에서 공기 스트림 내의 에어로졸 입자들이 공기 이온과의 충돌을 통해 전기적으로 대전되는 입자 대전 존을 갖음;
(b) 디바이스를 통해 이동하는 공기 스트림으로부터 전기적으로 대전된 에어로졸 입자들을 집진시키기 위한 필터; 및
디바이스를 통해 공기 스프링을 이동시키기 위한, 케이싱(casing)을 포함하는 공기 이동기;
여기서 입자 대전기와 공기 이동기는 필터의 상류에 제공되고,
여기서, 입자 대전기의 하우징은 디바이스를 통해 공기 유동의 방향으로 공기 이동기의 케이싱에 밀폐되게 밀봉되어서, 입자 대전기와 공기 이동기는 직접적으로(intimately)함께 결합되며, 이에 의해 디바이스로 인입하는 모든 공기(air entering the device)는 공기 이동기와 입자 대전기 둘 모두를 통과해야 한다.
이러한 디바이스는 대전 우회가, 공기 이온들과의 충돌을 통해 전기적인 대전이 발생하는, 입자 대전 존도 만드시 통과하는 공기 스트립 내의 모든 에어로졸 입자들을 의미하는 입자 대전 존을 디바이스로 인입하는 '모든' 공기가 '반드시' 통과하기 때문에 배제되는 것을 보장한다. 이는 공기 이동기의 케이싱과 입자 대전기의 하우징이 공기 스트림이 함께 필터를 통과하기 위하여 반드시 흐르는 체적을 정의하 기 때문에 가능하게 하고 - 추가적으로 주변 하우징, 카울링 또는 덕트워크가 필요하지 않다. 또한, 이러한 디바이스에서, 99.9% 입자 제거 효율을 구비하는 깨끗한 공기가 디바이스 배출구에서 전달될 수 있어서, 사용자는 오염물질-입자-프리 공기를 호흡할 수 있는 완전한 이점을 얻을 수 있다.
어떠한 의심(doubt)의 여지도 피하기 위해, "디바이스를 통과하는 공기 유동의 방향으로" 공기 이동기의 케이싱에 밀폐되게 밀봉되는 입자 대전기의 하우징에 대한 참조번호(reference)는 공기 이동기와 입자 대전기 사이의 밀폐 밀봉의 순서(sequence)를 표시하며, 즉, 디바이스를 통해 공기 유동의 방향에서 볼 때, 입자 대전기는 공기 이동기의, 하류에 위치되고, 밀폐되게 밀봉되거나, 입자 대전기는 공기 이동기의 상류에 위치되고, 밀폐되게 밀봉된다.
상기 디바이스는 휴대용이 바람직하며 따라서 독립형 공기 정화기(standalone air cleaner)로서 기능할 수 있다.
본 발명의 제2 양태에 따라, 공기 스트림으로부터 에어로졸 입자들을 제거하기 위한 대안적인 공기 정화 디바이스가 제공된다. 디바이스는 아래를 포함함.
(a) 디바이스를 통해 공기 스트림을 이동시키기 위한, 케이싱을 포함하는, 공기 이동기, 여기서 케이싱은 공기 유입구 부분(air inlet portion)과 공기 배출구 부분(air outlet portion)을 갖고, 그 중 하나는 공기 스트림 내의 공기 이온들을 생성하는 전극 배열 구조 중 제1 부분을 포함함;
(b) 공기 스트림 내의 공기 이온들의 생성을 위한 전극 배열 구조의 제2 부분을 포함하는 입자 대전기, 여기서, 함께, 전극 배열 구조 중 제1 부분을 포함하는 공기 이동기의 케이싱의 공기 배출구 부분과 공기 유입구 부분 중 어느 하나는, 사용 시, 내부에서 공기 스트림의 에어로졸 입자들이 공기 이온들과의 충돌을 통해 전기적으로 대전되는 입자 대전 존을 정의함; 및
(c) 디바이스를 통해 이동하는 공기 스트림에서 전기적으로 대전된 에어로졸 입자들을 집진시키기 위한 필터;
여기서 입자 대전기와 공기 이동기는 필터의 상류에 제공됨, 및
여기서 입자 대전기는 디바이스를 통해 공기 유동의 방향으로 공기 이동기의 케이싱의 공기 유입구/배출구 부분, 에 밀폐되게 밀봉되고, 에 의해 수용되어서, 입자 대전기와 공기 이동기는 모두 함께 직접적으로 결합되고, 이에 의해 디바이스로 인입하는 모든 공기는 공기 이동기와 입자 대전기 둘 모두를 통과하여야 한다.
다시, 이러한 디바이스는 공기 이온들과의 충돌을 통해 전기적인 대전기 발생하는, 입자 대전 존을 반드시 통과하는 공기 스트림 내의 모든 에어로졸 입자들을 의미하는, 입자 대전 존을 디바이스로 인입하는 '모든' 공기가 '반드시' 통과하기 때문에 대전 우회가 배제되는 것을 보장한다. 이는 내부에 입자 대전기가 수용되는, 공기 이동기의 공기 유입구/배출구 부분이 공기 스트림이 필터를 통과하도록 반드시 흐르는 체적을 정의하기 때문에 가능해지고 - 추가적인 주변 하우징, 카울링 또는 덕트 워크가 필요하지 않다.
어떠한 의심의 여지도 피하기 이해, "디바이스를 통과하는 공기 유동의 방향으로" 공기 이동기의 공기 유입구/배출구 부분, 에 밀폐되게 밀봉되고, 에 의해 수용되는 입자 대전기에 대한 참조번호는 공기 이동기와 입자 차단기 사이의 밀폐 밀봉의 순서를 표시하며, 즉, 디바이스를 통과하는 공기 유동의 방향에서 볼 때, 입자 대전기는 공기 이동기의, 상류 단부에 위치되고, 밀폐되게 밀봉되거나, 입자 대전기는 공기 이동기의, 하류 단부에 위치되고, 밀폐되게 밀봉된다.
본 발명의 제3 양태에 따르면 공기 스트림으로부터 에어로졸 입자들을 제거하기 위한 공기 정화 장치가 제공되고, 장치는 아래를 포함함.
(a) 공기 스트림 내의 공기 이온들을 생성하기 위한 전극 배열 구조의 제1 부분을 포함하는 하우징.
(b) 공기 스트림 내의 공기 이온들을 생성하기 위한 전극 배열 구조의 제2 부분을 포함하고, 하우징 내에 위치되며, 여기서, 함께 입자 대전기와 하우징은, 사용 시, 내부에 공기 스트림 내의 에어로졸 입자들이 공기 이온들과의 충돌을 통해 전기적으로 대전되는 입자 대전 존을 정의함;
(c) 장치를 통해 이동하는 공기 스트림으로부터 전기적으로 대전된 에어로졸 입자들을 집진시키기 위한, 하우징 내에 위치되는 필터;
(d) 장치를 통해 공기 스트림을 이동시기키 위한, 하우징 내에 위치되는, 공기 이동기;
여기서, 입자 대전기와 공기 이동기는 필터의 상류에 제공됨; 및
여기서 하우징은 장치를 통해 공기 유동의 방향으로 공기 이동기와 입자 대전기 사이의 밀폐 밀봉을 제공하여서, 입자 대전기와 공기 이동기는 함께 직접적으로 결합되고, 이에 의해 장치로 인입하는 모든 공기는 공기 이동기와 입자 대전기 둘 모두를 통과하여야 한다.
이러한 장치는, 공기 이온들과의 충돌을 통해 전기적인 대전이 발생하는, 입자 대전 존도 반드시 통과하는 공기 스트림 내의 모든 에어로졸 입자들을 의미하는, 입자 대전 존을 장치로 인입하는 공기가 반드시 통과하기 때문에 배제되는 대전 우회를 보장한다. 이는 장치, 입자 대전기 및 공기 이동기들 모두의 하우징이 공기 스트림이 필터를 통과하도록 반드시 흐르는 체적을 정의하기 때문에 가능해지고 - 추가적인 하우징, 카울링 또는 덕트워크가 필요치 않다.
어떠한 의심의 여지도 피하기 위해, "장치를 통과하는 공기 유동의 방향으로" 공기 이동기와 입자 대전기 사이의 밀폐 밀봉을 제공하는 하우징의 참조번호는 공기 이동기와 공기 대전기 사이의 밀폐 밀봉의 순서를 표시하고, 즉, 디바이스를 통해 공기 유동의 방향에서 볼 때, 입자 대전기는 공기 이동기의, 상류에 위치되고, 밀폐 밀봉되거나, 입자 대전기는 공기 이동기의, 하류에 위치되고, 밀폐 밀봉된다.
본 발명의 위에서 언급된 양태들의 각각에서, 입자 대전기와 공기 이동기는 직접적으로 결합될 수 있으며, 즉 공기 이동기/입자 대전기(공기 이동기는 입자 대전기의 상류에 있도록) 또는 공기 유동의 방향에서 입자 대전기/공기 이동기로서(입자 대전기가 공기 이동기의 상류에 있도록), 밀폐되게 밀봉되며 - 두 예시에서, "결합부(couple)"는 필터의 상류이다.
본 발명의 제1 양태에 따른 공기 정화 디바이스에서, 입자 대전기의 하우징은 유입구와 배출구를 가지고, 공기 이동기의 케이싱은 유입구와 배출구를 가져서, 직접 결합부(intimate couple)는 공기 이동기의 케이싱의 유입구에 입자 대전기의 하우징의 배출루의 밀폐 밀봉에 의해 달성될 수 있고, 이는 입자 대전기의 하우징의 유입구에 공기 이동기의 케이싱의 배출구의 밀폐 밀봉에 의해 달성될 수 있다. 이는 실제적으로 높은 정확도를 구비하는 표준 단면적(common cross-sectional area)이 상기 "밀봉 부분들"에 제공됨에 의해 달성된다(대게 ± 0.127 to 0.508 mm (천분의(thousandths) ± 5 to 20 인치)). 비록 실린더형, 또는 실질적으로 실린더형, 표준 단면적들은 바람직할 수 있지만, 표준 단면적이 예를 들어, 타원(oval), 또는, 8각형(octagonal), 또는 6각형(hexagonal)같은 다각형(polygonal)인, 임의의 형성들이라는 것은 본 발명의 에어리어 내에 있다.
본 발명의 제2 양태에 따른 공기 정화 디바이스에서, 공기 이동기는 입자 대전기가 밀폐 밀봉에 의해, 직접적으로 결합되는 것들 중 하나의 내부에, 공기 유입구 부분과 공기 배출구 부분을 가진다.
본 발명의 제3 양태의 공기 정화 장치에서, 하우징은 모든 구성요소들을 수용하여서, 입자 대전 존은 그것에 의해 정의되고 입자 대전은, 공기 이동기가 입자 대전기의 하류 또는 상류에 제공되던지 여부에 상관 없이, 공기 이동기에 효과적으로 밀폐되게 밀봉된다.
사용 시, 공기 정화 디바이스와 공기 정화 장치를 통해 공기가 흐르는 것은 장치 또는 디바이스의 공기 유입구로부터 디바이스 또는 장치의 공기 배출구로 체적을 통해 및 공기 스트림 통로를 따라 흐른다. 디바이스/장치의 공기 유입구는 직접 결합부의 유입구 단부에서 제공될 수 있으며, 즉, 입자 대전기와 공기 이동기의 어느 것이든 결합부의 상류에 있다. 디바이스/장치의 공기 배출구는 필터의 하류 단부에서 제공될 수 있다.
본 명세서의 전반에 걸쳐서, 제1 구성요소는 제2 구성요소의 "상류"인 것으로 기술될 때, 이는 제1 구성요소가 제2 구성요소보다 디바이스/장치의 공기 유입구 방향으로 더 제공되는 것을 의미한다. 즉, 사용기 공기는 제1 구성요소가 제2 구성요소의 상류에 있다면 공기는 제2 구성요소 이전에 제1 구성요소를 지나서 흐를 것이다. 용어 "하류"는 그에 따라 해석되어야 한다.
본 발명의 다른 이점은 이러한 구성요소들의 종래의 순서(ordering)와 비교하여 다른 하나에 대하여 구성요소들의 변경된 배치에 있다. 특히, 본 발명의 제1 및 제2 양태들과 관련하여, 공기 이동기와 입자 대전기 둘 모두가 필터의 상류에 제공되기 때문에, 그것으로(to one) 공기 스트림의 단면에서 변화의 수(the number of changes)를 저감하거나 잠재적으로 단면의 변화를 완전히 배제하는 것은 가능하다.
위에서 언급되는 구성요소들의 비 일반적인 순서를 구비하는 공기 이동기와 입자 대전기의 직접 결합 둘 모두의 결과로, 본 발명은 난류, 더 높은 공기 저항, 큰 에너지 소모, 소음 및 특히 누출 또는 대전 우회의 문제에 관해서 위에서 언급된 단점을 개선하거나 완화시킬 수 있다. 또한, 확장하여, 공기 정화 디바이스들에서 이용되는 필드 대전기들 내의 핀-타입 방출 전극들(와이어 어레이 방출 전극들에 반대되는)을 이용하는 것에 대한 업계의 편견(industry bias)으로 보이는 것을 제거하거나 줄일 수 있다. 이는 와이어 어레이들이 필드 대전기들 내에서 이용될 때, 오존 생성과 관찰되는 와이어 방출 전극들 상의 물질의 퇴적에 대한 문제를 개선할 수 있는 반면에, 와이어 어레이 전극(주어진 적용 전류에 대해)으로 달성할 수 있는 것과 비교하여 핀-타입 방출 전극에서 코로나 전류의 유닛당 입자 대전의 더 높은 효율을 제공한다.
대전된 에어로졸 입자들을 포집하기 위해 임의의 적절한 필터들이 본 발명의 공기 정화 디바이스 내에서 이용될 수 있다. 바람직한 일 실시예에서, 필터는 정전기적 필터일 수 있고, 이는 이러한 입자들이 필터 표면 상으로 집진되도록 야기하기 위해 그것을 통과하는 대전된 에어로졸 입자들을 편향시키도록(deflect) 전기장(electric field)을 이용하여 작동한다. 또 다른 바람직한 실시예에서 필터는 일렉트릿 필터(electret filter)일 수 있다. 본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에서, 필터는 정전기적 집진기(electrostatic precipitator)일 수 있다. 이러한 필터들은 당업자들에게 잘 알려져 있다.
국제 특허번호 WO00/61293에서 개시된 바와 같이, 예를 들어, 정전기적 필터는 정전기적 집진 디바이스를 통한 유체 통로(fluid passage)의 일부를 형성하고, 가스 스트림이 상대적으로 자유롭게 통과하는 통로들(passages; 통로들은 그것과 접촉하는 전도성 재료들의 에어리어들을 갖는 플라스틱 벽들과 플라스틱 벽들 사이에 제공되는 통로)의 어레이를 포함할 수 있으며, 가스 스트림으로부터 입자들을 수집하기 위한 어레이 내에서 대전된 사이트(sites)를 제공하기 위한 전도성 재료의 격리 에어리어(isolated areas)에 대안적으로 높고 낮은 전위(electrical potentials)를 적용하기 위한 수단이다. 본 발명의 제1 양태의 공기 정화 디바이스를 구비하는 이러한 정 타입의 필터를 이용하는 것은 이러한 필터가 그것들을 통해 공기 유동을 평행하게 의도하여서 특정 이점을 제공할 수 있고, 따라서, 필터를 나가는 공기가 혼합 및 오염이 정화(contaminate purified)되지 않도록, 디바이스를 나가는 공기의 전체 유동의 주변 영역에 국한됨으로써 여과 우회를 거친 임의의 공기를 구비하여, 사용자에게 디바이스를 나가는 층류 공기 유동의 가용성을 극대화시킬 수 있다.
일렉트릿 필터는 홈이 있는 플라스틱 시트 재료(fluted plastics sheet material)의 레이어(layers)들의 어레이를 포함할 수 있고, 이는 섬유가 필터의 제작 동안 또는 필터 내의 전극들에 의해 대전될 수 있는 섬유질(fibrous media)로 형성될 수 있다.
필터 구성요소를 위한 대안적인 구성요소들은 당 업자에게 잘 알려져 있으며, 임의의 적합한 필터는 본 발명에 따른 정전기적 집진 공기 정화 디바이스의 일부를 형성할 수 있다.
공기 이동기는 바람직한 방향으로 공기의 가압하는(urging; 또는 이동) 효과를 위해 당업자들에게 잘 알려진 임의의 종래 구성요소들의 형태를 취할 수 있다. 공기 이동기는 예를 들어, 기계적인 팬, 벨로우즈(bellows) 또는 대류식 공기 유동 디바이스(convective airflow device)의 형태를 취할 수 있다. 이러한 공기 이동기는 본 발명의 제1 및 제3 양태들에서 특히 유용하다. 대안적으로, 공기 이동기는 "송풍기"로도 알려진, 원심형 팬(centrifugal fan)의 형태를 취할 수 있다. 이러한 공기 이동기는 본 발명의 제2 양태에서 특히 유용하다. 많은 다른 적합한 구성요소들은 당업자들에게 잘 알려져 있고 임의의 적절한 공기 이동기는 본 발명에 따른 정전기적 집진 공기 정화 디바이스의 일부를 형성할 수 있다.
전극 배열 구조에는 공기 정화 디바이스들 각각이 포함되고, 본 발명에 따른 공기 정화 장치는, 전극과 반대-전극 두 부분들을 포함한다. 제1 양태의 공기 정화 디바이스에서, 입자 대전기는 전극과 반대-전극 둘 모두를 포함한다. 제2 양태의 공기 정화 디바이스에서, 공기 이동기의 케이싱의 공기 유입구/배출구 부분 내에 포함되는 전극 배열 구조의 제1 부분은 바람직하게 반대-전극일 수 있고, 반면에 입자 대전기 내에 포함되는 전극 배열구조의 제2 부분은 바람직하게 전극일 수 있다. 제3 양태의 공기 정화 장치에서, 하우징 내에 포함되는 전극 배열 구조의 제1 부분은 바람직하게 반대-전극일 수 있고, 반면에 전극 배열 구조의 제2 부분은 전극일 수 있다.
전극은 -각각 팁 또는 단부를 갖는- 핀 또는 긴 와이어(pin or elongate wire)의 형태일 수 있고 지지 로드(support rod) 상에서 지지될 수 있으며, 이는 추가적으로 전도성일 수 있다. 둘 이상의 전극들은 지지 로드 상에 지지될 수 있다. 모든 경우에, 전극은 이러한 명세서에서 쉽게 기술되는 바와 같이 코로나 방전을 가능하게 한다. 반대-전극(비-코로나)은 전극 배열 구조에서 (코로나) 전극의 것과 다른 전위에서 작동할 수 있도록 구성될 수 있다. 디바이스와 장치 둘 모두에서, 반대-전극은 전극의 팁/단부를 둘러쌀 것이지만 간격(clearance)으로 그것으로부터 분리될 것이다. 반대-전극은 접지(earthed)될 수 있다. 반대-전극의 제공은 공기 이온들을 생성하도록 요구되는 코로나 방전을 점화(ignite)시킬 수 있는 충분한 강도의 전위 구배(potential gradient)를 제공한다. 또한, 결과적인 전기장은 생성되는 공기 이온들을 가속하여서, 그것들이 공기가 통과(월치 않는 에어로졸 입자들을 수용하는)하여 정화되는 필드 대전기 내의 공간을 가로지르고, 상기 에어로졸 입자들이 공기 이온들과 충돌하여, 대전이 에어로졸 입자들에 공기 이온들로부터 전달되고, 따라서 필터에 의해 에어로졸 입자들의 추후 수집을 가능하게 한다.
반대 전극은 주변 반대-전극의 표면으로 전극의 팁/단부로부터의 거리가 팁/단부의 주위에서 대략적으로 일정하도록 형성될 수 있고; 따라서, 팁/단부에서 생성되는 공기 이온 플럭스(air ion flux)는 실질적으로 대칭(symmetrical)이고 방사형(radial)일 것이며, 공기 이온과 충돌하는 공기 내의 원치 않는 에어로졸 입자들의 매우 높은 비율(99.99%가 규칙적으로 달성 가능함)을 보장하고, 원하는 대전 이동(charge transfer)을 이끌고 그후 입자를 포집한다.
본 발명의 제1 양태의 공기 정화 디바이스에서, 반대-전극은 그것들 내의 구멍을 갖는 전도성 플레이트(바람직하지만, 필수적이지는 않은, 실질적으로 평평한 플레이트)를 포함할 수 있다. 대안적으로, 반대-전극은 속이 빈 실린더(hollow cylinder)를 포함할 수 있고, 이는 전도성 물질로 형성될 수 있거나, 전도성 내부 표면이 제공될 수 있다. 실린더의 단면 또는 플레이트 내의 구멍은 직사각형, 사각형, 원형 도는 타원형일 수 있으며, 실린더와 함께-연장하거나(co-extensive) 플레이트에 직각으로 연장하는 중심 길이방향 축(central longitudinal axis)을 가질 것이다. 임의의 이러한 실시예들에서, 전극의 팁/단부 구멍/실린더의 축과 실질적으로 동-축으로(co-axial) 바람직하게 놓이고, 간격이 전극의 팁/단부의 주변 주위로 대략적으로 일정한 것을 보장하도록 실린더 내부에 또는 플레이트 내의 구멍 내부에 바람직하게 중앙에 배치된다.
더 바람직하게, 본 발명의 제1 및 제2 양태들의 공기 정화 디바이스의 반대-전극은 일반적으로 환형(annular)일 수 있고, 즉, 전도성 플레이트 내의 구멍은 원형일 수 있으며, 속이 빈 실린더는 원형 단면을 가질 수 있다. 가장 바람직하게, 본 발명의 제1 양태에서, 공기 정화 디바이스의 입자 대전기의 하우징은 반대-전극을 포함할 수 있거나 대안적으로 반대-전극을 형성할 수 있다. 입자 대전기의 하우징의 내부 표면, 바람직하게 전극에 인접한 내부표면에는 반대-전극으로써 기능하는 전기적으로 전도성 코팅(electrically conductive coating) 또는 레이어가 제공될 수 있다. 대안적으로 하우징은 외부 구성요소로부터 적절하게 절연되는, 적합하게 전기적으로 전도성인 재료로 형성될 수 있다. 전극의 팁/단부는 반대-전극과 실질적으로 동심(concentric)일 수 있다. 본 발명의 제2 양태에서, 특히 공기 이동기가 공기 흡입구(air intake)와 흡입구에 수직한 공기 배출구를 갖는 송풍기의 형태를 취할 때, (코로나) 방출 전극은 송풍기의 공기 흡입구에서 제공될 수 있다. 반대-전극(비-코로나)는 또한 송풍기의 공기 흡입구 내에 위치될 수 있다. 이러한 실시예에서, 공기 흡입구는, 예를 들어 반대-전극을 형성하는, 전도성 내부 표면 또는 전도성 링인, 전도성 부분을 포함할 수 있다. 이러한 방식으로 반대-전극의 위치는 본 발명의 디바이스의 특히 소형 설계(compact design)를 용이하게 할 수 있다. 이러한 위치는 필터 구성요소가 공기 이동기와 입자 대전기 사이에 위치되지 않기 때문에 가능하며, 실제로 대게 송풍기의, 외부에 있거나, 멀리 떨어져 있을 수 있다.
공기 정화 장치에서, 하우징은 반대-전극을 포함할 수 있거나, 대안적으로 반대-전극을 형성할 수 있는 덕팅 또는 덕트워크의 형태를 할 수 있다. 장치의 하우징의 내부 표면에는, 바람직하게 입자 대전기의 전극 근처의 내부 표면에는, 반대-전극으로 기능하는 전기적으로 전도성인 코팅 또는 레이어가 제공될 수 있다. 대안적으로, 장치의 하우징은 외부 구성요소들로부터 적절하게 절연되는, 적절하게 전기적으로 전도성 재료로 형성될 수 있다. 전극의 팁/단부는 장치의 하우징의 길이방향 축과 실질적으로 동-축일 수 있고, 즉 공기 유동의 전체 방향으로 연장하는 덕트워크의 길이 방향 축과 동축일 수 있다.
선택으로서(option) 본 원에서 기술된 바와 같은 반대-전극의 전도성 내부 표면에는 전도성 잉크 또는 페인트가 포함될 수 있다. 전도성 잉크들과 페인트들은 다른 비-전도성 표면들로 반대-전극을 적용하는 종래 방식을 제시한다.
본 발명의 제1 양태에 따른 디바이스는 둘 이상의 공기 이동기들 및/또는 둘 이상의 입자 대전기들을 포함할 수 있고, 후자의 각각은 공기 스트림 내에 공기 이온들을 생성하기 위해 전극 배열 구조를 갖고, 즉 하나의 입자 대전기의 하우징이 하나의 공기 이동기의 케이싱에 밀폐되게 밀봉되게 둘 이상의 직접 결합부를 가지며, 이는 정화되는 공기가 통과하게 이동할 수 있는 단면적을 효과적으로 두 배가 되게 하도록 나란한 배열구조(side-by-side arrangement)로 제공될 수 있다. 이러한 배열구조에서, 두(또는 그 이상) 직접 결합부는 일반적인 필터로, 또는 각각의 필터로 이용될 수 있다.
본 발명의 네 번째 양태에 따라, 대전 우회를 배제하고 공기 스트림으로부터 에어로졸 입자들을 제거하는 방법이 제공되며, 방법은 다음을 포함한다 :
하우징과 그 안의 전극 배열구조를 포함하는 입자 대전기를 이용하여 공기 스트림 내의 공기 이온들을 생성하는 단계;
입자 대전기의 입자 대전 존 내에 공기 이온들과 그것의 충돌을 통해 공기 스트림 내에 에어로졸 입자들을 전기적으로 대전시키는 단계;
케이싱을 포함하는 공기 이동기를 이용하는 필터 방향으로 공기 스트림을 이동시키는 단계, 이에 의해 공기 스트림에서 전기적으로 대전되는 에어로졸 입자들은 필터 상으로 집진됨,
여기서 입자 대전기의 하우징은 공기 유동의 방향으로 공기 이동기의 케이싱에 밀폐되게 밀봉되어서, 공기 스트림은 공기 이동기와 입자 대전기의 직접 결합부를 통해 이동되고, 정화되는 모든 공기는 필터에 그것 도달하기 전에 공기 이동기와 입자 대전기 둘 모두를 통과해야한다.
본 발명의 제 4 양태의 방법은 본 발명의 제1 양태에 따른 공기 정화 디바이스를 이용하여 바람직하게 달성된다.
본 발명의 제5 양태에 따라서, 대전 우회를 제거하고 공기 스트림으로부터 에어로졸 입자들을 배제하는 방법이 제공되고, 방법은 :
전극 배열 구조의 제2 부분을 포함하는, 하우징 내에 위치되는, 입자 대전기와 전극 배열 구조의 제1 부분을 포함하는 하우징을 이용하는 공기 스트림 내로 공기 이온들을 생성하는 단계;
하우징과 함께 입자 대전기에 의해 정의되는 입자 대전 존 내의 공기 이온들과의 그걸들의 충돌을 통해 공기 스트림 내의 에어로졸 입자들을 전기적으로 대전시키는 단계;
하우징 내에 위치되는 케이신을 포함하는 공기 이동기를 이용하여, 하우징 내에 위치되는 필터 방향으로 공기 스트림을 이동시키고, 이에 의해 공기 스트림 내에서 전기적으로 대전된 에어로졸 입자들은 필터 상으로 집진된다.
하우징은 공기 유동의 방향으로 공기 이동기와 입자 대전기 사이의 밀폐 밀봉을 제공하여서, 공기 스트림은 공기 이동기와 입자 대전기의 직접 결합부를 통해 이동되며, 이에 의해 정화되는 모든 공기는 필터에 그것이 도달하기 전에, 공기 이동기와 입자 대전기 둘 모두를 통과하여야 한다.
본 발명의 제 5 양태의 방법은 본 발명의 제3 양태에 따른 공기 정화 장치를 이용하여 바람직하게 달성될 수 있다.
또한, 본 발명의 제1 및 제2 양태들에 대하여 위에서 기술된 바람직한 특징들은 이러한 바람직한 특징들의 조합을 반지하는 기술적인 비 호환성(technical incompatibility)으로 하여금 본 발명의 상기 제3 및 제4 양태들의 바람직한 특징들을 표시한다. 또한, 본 발명의 제1 및 제2 양태에 대하여 위에서 시작되는 이점들이 본 발명의 제3 및 제4 양태들에 의해 제시되는 것은 당업자들에게 명백할 것이다.
임의의 의심을 피하기 위해, 위에서 기술된 본 발명의 다양한 특징들이, 바람직한 특징들의 이러한 조합을 방지하는 기술적인 비 호환성으로 하여금, 조합에서 이용될 수 있다는 것은 주목하여야 한다. 그래서, 예를 들어, 본 발명의 특정 실시예에서 공기 이동기는 송풍기의 형태에 있고 전도성 재료로 형성되는 실린더형 흡입구를 포함하며, 전도성 재료는 입자 대전기를 위한 원형 반대-전극을 형성하고 접지된다. 이러한 실시예에서, 방출전극의 팁/단부는 실린더형 흡입구 내에 공-축으로 제공될 수 있지만 간격에 의해 반대-전극과 분리된다.
본 발명은 이제 첨부된 도면들(스케일이 고려되지 않음)을 참조하여, 단지 예시로써, 더 설명될 것이다.
본 명세서에 개시되어 있음.
도 1 내지 도 3은 본 명세서에서 쉽게 설명되는, 종래의 정전기적 집진 디바이스의 개략적인 측 단면도이다.
도 4 및 도 6은 본 명세서에서 쉽게 설명되는, 두 개의 대안적인 종래의 정전기적 집진 장치의 개략적인 사시도이다.
도 5 및 도 7은 도 4 및 도 6에서 각각 도시된 두 개의 대안적인 종래의 정전기적 집진 장치들 각각의 개략적인 측 단면도들이다.
도 8 및 도 9는 본 발명에 따른 정전기적 집진 공기 정화 디바이스의 일 실시예의 개략적인 측 단면도이다.
도 10, 도 11 및 도 12는 본 발명에 따른 정전기적 집진 공기 정화 디바이스의 제2 실시예의 개략적인 측 단면도이다.
도 13 및 도 14는 본 발명에 따른 정전기적 집진 공기 정화 디바이스의 제3 실시예의 개략적인 측 단면도이다.
도 15 및 도 16은 본 발명에 따른 정전기적 집진 공기 정화 디바이스의 제4 실시예의 개략적인 사시도이다.
도 17은 본 발명에 따른 정전기적 집진 장치의 일 실시예의 개략적인 사시도이다.
도 18은 도 17에서 도시되는 정전기적 집진 장치의 개략적인 단면도이다.
도 8 및 도 9를 참조하여, 둘 모두는 본 발명의 제1 실시예를 도시하고, 공기 스트림으로부터 원치 않는 에어로졸 입자들을 제거하기 위한 정전기적 집진 공기 정화 디바이스(20)가 도시된다. 도 1 내지 도 3에서 도시되는 종래 디바이스와 유사한 방식으로, 도 8과 도 9의 공기 정화 디바이스(20)는 입자 대전기(22), 기계적인 팬의 형태인 공기 이동기(25), 및 디바이스(20)를 통해 흐름으로써 공기 스트림(미 도시된)에서 대전된 에어로졸 입자들을 제거하기 위한 필터(26)를 포함한다.
입자 대전기(22)는 공기 스트림 내의 공기 이온들을 생성하기 위해 그 안에 전극 배열구조를 같는 실린더형 하우징(22a)를 포함한다. 하우징(22a)은 공기 스트림이 통과하는 것을 허용하기 위한 각각의 그것의 공기 유동 단부들(22b, 22c)에서 개방된다. 전극 배열 구조는 하우징(22a) 내에 장착되는 직경 바아(diametric bar; 23a) 상에 중심 방향으로 (길게; lengthways) 장착되는 핀의 형태인 전극(23) (화살표로 표시되며, 그것의 머리는 핀의 팁을 표시하도록 상류를 가리킴)과, 동심 방식으로(concentric manner) 전극(23)을 둘러싸는, 하우징(22a)의 내부 표면 상에 제공되는 환형 전도성 코팅의 형태인 반대-전극(24)를 포함한다. 입자 대전 존은, 내부에서, 사용 시, 에어 스트림 내의 에어로졸 입자들이 공기 이온들과의 충돌을 통해 전기적으로 대전되는 전극(23)과 반대-전극(24) 사이의 전기적인 통신(electrical communication)의 범위에 의해 정의되는 체적이다.
팬 블레이드들(25b)이 내부에 장착되는(두 개가 단지 명확하게 도시되는) 실린더형 케이싱(25a)를 포함한다. 입자 대전기(22)의 실린더형 하우징(22a)과 팬(25)의 실린더형 케이싱(25a)은 기계 가공(machined), 사출 성형(injection-moulded) 또는 다른 높은 치수 정밀도로 형성될 수 잇는, 예를 들어 PVC 또는 다이-캐스트 금속(die-cast metal)과 같은 플라스틱 재료인, 재료로 둘 다 제조된다.팬(25)의 실린더형 케이싱(25a)는 공기 유동의 방향으로 입자 대전기(22)의 실린더형 하우징(22a) 밀폐되게 밀봉되며, 이에 의해 디바이스(20)로 인입하는 모든 공기는, 대전 우회가 배제되도록, 공기 이동기(25)와 입자 대전기(22) 둘 모두를 통과하여야 한다.
도 1 내지 도 3에서 도시된 디바이스(10)는 다르게, 도 8 및 도9에서 도시되는 디바이스(20)의 구성요소들의 상대적인 공간 방향(relative spatial orientation) 및 구성요소들의 순서는 상당히 다르다 : 입자 대전기(22)와 팬(25)은 팬(25)의 상류에 입자 대전기(22)를 구비하는 직접 결합부(intimate couple; 29)로서의 기밀 방식으로(airtight manner) 함께 연결(joined)된다. 공기 스트림은 배출구 상으로 및 그것들 사이의 갭(G)을 통해 필터(26)로, 팬(25)과 입자 대전기(22)의 직접 결합부를 통해, 화살표 A의 방향으로, 입자 대전기(22)로 입구에서 유입구(27)를 통해 흐른다. 실제로, 이 갭(G)은 도 9에서 도시되는 바와 같은 테이퍼된 카울링(21) 떠는 다른 이러한 적합한 덕팅에 의해 수용될 것이다.
도 8 및 도 9에서 디바이스(20)는 입자 대전기(22)는 핀 (코로나) 전극(23)을 포함하고, 이는 본 명세서에서 보다 쉽게 설명되는 방식으로 공기 스트림에서 에어로졸 입자들을 대전시키기 위해 공기 이온들의 생성과 핀의 팁으로부터 고로나 방전을 가능하게 하도록 주변 반대-전극(24)에 대하여 중심방향으로 장착된다.
도 8 및 도 9에서 명확하게 도시되는 바와 같이, 입자 대전기(22)와 팬(25)은 필터(26)의 상류로 직접 결합부(29)를 형성하는 기밀 방식(밀폐 밀봉이 형성됨)으로 함께 연결되고; 입자 대전기(22)와 팬(25) 사이에 갭이 없고, 비록 갭(G)이 직접 결합부(29)와 필터(26) 사이에 존재하는 것으로 도시되었지만, 그것은 주변공기에 대하여 양의 압력 하에 있고 따라서 필터(26)로 비 대전된 에어로졸 입자들의 갭(G)으로 어떠한 우회 또는 누출이(카울링(21) 내 임의의 불완전의 결과로), 완전히 배제되지 않는다면 최소화된다.
즉, 도 1 내지 도 3에서 도시되는 종래 디바이스(10)와는 달리, 도 8 및 도 9에서 디바이스(20) 내의 공기 스트림 연결통로(passageway)는 유입구(27)에서 배출구(28)로 단면적(공기 유동의 방향에 수직한) 내에 단일 변화 만을 겪는다. 연결통로는 대전 이동(charge transfer)을 위해 공기 이온들 마주치는 그곳을 통과하여 공기 유동으로 거의 모든 에어로졸 입자들을 보장하기 위해 디바이스(20)의 유입구(27)에서 상대적으로 좁다(즉, 작은 단면적을 가짐). 입자 대전기의 하류는 팬(25)이 제공되고 연결통로는 직접 결합부(29)의 형태를 보조하는, 입자 대전기(22)에서 팬(25)으로의 단면에서 실질적으로 일정하게 남는다. 팬(25)의 하류에서, 연결통로는 상대적으로 큰 필터(26)를 수용하도록 단면적으로 팽창을 겪는다.
공기 스트림 연결통로의 단면적에서 단일 변화만 있기 때문에, 도 8 및 도 9에서의 디바이스(20)를 통과하는 공기는 더 적은 난류, 공기 저항에 부딪히고(encounters), 더 적은 에너지를 필요로 하며, 더 적은 소음을 생성하고; 도 1 내지 도 3에서(이는 가스 연결통로의 단면적에서 두 대전들을 포함함)의 종래 디바이스(1)와 비교하여 다른 단면을 매칭하는데 요구되는 상대적으로 값 비싼 카울링/덕트의 필요성은 감소된다.
팬(25)과 입자 대전기(22)의 직접 결합부는 카울링(21)에 의해 필터(26)로 결합되고, 이는 필터(26)로 팬 케이싱(25a)의 배출구로부터 연장한다. 위에서 기술된 기능이 있는 구성요소들에 중요치 않은, 디바이스(20)의 다른 외부 구조는 도 9에서 도시되는 점선들에 의해 개략적으로 표시된다.
이제 도 10, 11, 12를 참고하여, 본원에서 공기 스트림으로부터 에어로졸 입자들을 제거하기 위한 본 발명에 따른 정전기적 집진 공기 정화 디바이스(30)의 제2 실시예가 도시된다. 제2 실시예의 디바이스(30)는 도 8 및 도 9에서 도시되는 제1 실시예와 유사하고, 디바이스들(20, 30) 사이의 차이는 단지 아래에서 상세하게 기술될 것이다. 도 10, 도 11 및 도 12에서, 도 8 및 도 9에 대하여 위에서 기술된 것에 대응하는 구성요소들은 도 9 및 9에서 이용되는 참조번호들을 취하지만, 10이 증가된다.
도 8 및 도9 에서의 디바이스(20)와는 달리, 필터(36)는 그것의 단면이 직접 결합부(39)의 단면적과 동일하도록 크기 정해지기(sized) 때문에(팬(35)의 형태인 공기 이동기와 입자 대전기(32)의 기밀 방식으로 연결함으로써 형성되어서, 포머(former)의 하우징은 공기 이동기의 케이싱에 밀폐되고 밀봉됨), 도 10, 도 11 및 도 12에서의 디바이스(30) 내의 공기 스트림 연결통로는 유입구(37)로부터 배출구(38)로 단면적에서 변화를 겪지 않는다. 단면적에서 변화가 없으므로, 도 10, 도 11 및 도 12에서의 디바이스를 통해 흐르는 공기는 적은 난류, 공기 저항에 부딪히고, 적은 에너지를 필요로 하며 적은 소음을 생성하고; 도 1 내지 도 3에서 도시되는 종래의 디바이스(10)와 도 8 및 도 9에서 도시되는 본 발명에 따른 디바이스(20)를 비교하여 다른 단면을 매치시키기 위해 임의의 상대적으로 값 비싼 카울링/덕팅이 필요 없다. 대전 우회는 배제되고, 또한 여과 우회 및/또는 누출이 저감되고 입자 대전 효율과 따라서 포집은 도 8 및 도9 내에서 도시되는 본 발명의 실시예로 이미 달성된 것 이상 또는 초과하여 증가된다.
도 12는 여전히 많은 여과 우회가 있을 수 있지만(공기 필터들이 정화 또는 대체를 위한 공기 정화기로부터 제거되도록 설계되어야 하고 따라서 덕트워크 또는 주변 하우징과 필터 프레임 사이의 맞춤은 불가피한 우회로 슬라이딩 맞춤이 필수적임), 대전 우회가 배제될 때 본 발명으로 달성될 수 있는 특별한 효과를 도시한다. 공기는 에어로졸 입자들의 대전이 그곳에서 발생하도록 입자 대전 존을 통해 끌린다(drawn). 팬(35)을 통과한 후에, 공기는 정압 영역(positive pressure region)에 있고, 화살표 L에 의해 표시되는, 공기의 부드러운 층류 유동(smooth laminar flow)을 생성하도록 필터(36; 및 배출구 그릴, 미 도시된)를 통해 송풍되며, 이는 그것이 사용자의 얼굴 방향을 향할 때 특히 이용된다. 효과는 특히 국제 특허 출원 번호 제WO00/61293호에서 기술된 바와 같이, 필터(36)가 정전기적 필터일 때 명백하다. 필터를 통과하는 대전된 입자들 모두는 여과되어지고 필터(36)의 측면들의 주위에 우회 공기(화살표 B로 도시되는)의 임의의 작은 누출이 있다면, 이는 필터(36)를 나가는 공기의, 층류 유동에 영향을 주지 않고, 섞이지 않는다. 사용자는 필터(36)로부터 나가는(issuing) 입자-프리 공기의 완전한 이점을 누릴 수 있다. 이러한 효과는 도 1 내지 도 3에서 예시된 바와 같이, 대부분 종래의 휴대용 공기 정화기들과 직접적인 대조를 이루며, 이는 여과 수단의 하류에 팬으로 설계된다(그것이 이온 대전기와 필터 조합 또는 단지 필터임). 이는 주위 공기에 대하여 음의 압력 하에 있는 여과 수단을 초래하며, 이는 비 대전되고, 비 여과된 공기(우회 공기)는 임의의 또는 모든 결합 지점들에서 공기 정화기 내에 갭들 또는 조인트들을 통해 끌린다. 우회 공기(예를 들어 제거 가능한 필터 주위에서 발생함)는 필터를 통해 끌리는 정화 공기와 섞이는 팬의 하류의 난류(음의 압력) 영역 내로 끌린다. 종래의 공기 정화기의 이러한 일반적인 설계에서, 팬에 의해 송풍되는(blown out) 공기는, 종종 높은 속도이고, 비 층류이며, 개인 사용자들로 송풍될 때 불편하며(uncomfortable), 이러한 비 여과된 공기에 의해 더러워진다(contaminated). 공기 정화기의 내 팬의 바깥 공기 사이에서 측정되는 바와 같은 전체 입자 제거 효율은 종종 상당히 저감된다. 도 10, 도 11 및 도 12에서 도시되는 본 발명의 실시예는 이러한 종래의 단점들을 극복한다.
이제 도 13 및 도 14를 참조하여, 공기 스트림에서 에어로졸 입자들을 제거하기 위한 본 발명에 따른 다른 정전기적 집진 공기 정화 디바이스(40)가 본 원에서 도시된다. 제3 실시예의 디바이스(40)는 도 10, 도 11 및 도 12에서 도시되는 세 개의 디바이스들(30)의 효율적인 적층(stack)이고 도 10, 도 11 및 도 12에서 표현되도록 이용되는 바와 같은 동일한 참조 번호로 도 13 및 도 14에서 이용될 수 있다.
각각의 핀 전극(33)을 갖는, 세 입자 대전기들(32)과 기계적인 팬들(35)의 형태인 공기 이동기들은 도 13 및 도 14에서의디바이스로 단일 필터(36)의 상류에 제공되고(참조로, 도 8 및 도 9와 도 10, 도 11 및 도 12에서 디바이스들(20, 30)에서의 각 개별적인 구성요소 중 하나), 즉 세 직접 결합부들(39)은 단일 필터(36)의 상류에 제공된다. 3개의 개별적인 필터들(결합부 당 하나)보다, 3개의 직접 결합부들(39)에 걸친, 단일 필터의 존재는 도 10, 도 11 및 도 12에서 도시되는 세 개의 디바이스들(30)의 정확한 적층(exact stack)과 비교하여 이루어지는 유일한 변경이다. 물론, 도 13 및 도 14에서 도시되는 실시예는 필터(36)가 두 개의 직접 결합부들(39)에만 걸쳐(spanned)지도록(그것 자체 필터에서 제공되는 세 개의 결합부들을 구비함), 또는 각각의 직접 결합부가 그것 자체 필터로 제공되도록 변형될 수 있다. 이러한 모든 조합들은 본 발명의 범위 내에 있다.
세 개의 입자 대전기들(32)은, 디바이스를 통해 흐르는 공기가 하나 또는 다른 두 개의 입자 대전기들(32)에 부딪히도록, 나란한 배열구조(이러한 경우에 다른 것의 상단 상에 하나가 적층됨) 내의 공기 스트림 연결통로 내에 제공된다. 유사하게, 세개의 팬들(35)은 또한, 디바이스(40)를 통해 흐르는 공기는 하나 또는 다른 두 개의 팬들(35)을 통해 끌리도록, 나란한 배열 구조(다른 것의 상단 상에 하나가 다시 적층되고 개별적인 입자 대전기(32)와 실질적으로 각각 동-동축인)로 제공된다.
이용 시, 공기 스트림 연결통로를 통해 흐르는 몇몇 공기는 표준 필터(36)로 최상위 팬(35)과 최상위 입자 대전기(32)를 통해, 몇몇이 표준 필터(36)로 중앙 팬(middle fan)과 중앙 입자 대전기(32)를 통해, 및 몇몇이 표준 필터(36)로 최하위 팬(36)과 최하위 입자 대전기(32)를 통해 흐른다.
각각의 세 개의 입자 대전기들(32)은 각각의 3 개의 팬들(35)에 유사한 단면적을 갖고, 그래서 그 사이의 전체 공기 스트림 연결통로는 단면적에 실질적으로 일정하게 유지된다. 세 개의 입자 대전기들(32)과 세 개의 팬들(35)의 공통 단면적(collective cross-sectional area)은 단일 필터(36)의 것과 유사하다(즉, 필터(36)는 각각의 직접 결합부(39)의 것의 대략 세 배인 단면적을 갖음). 단면 영역의 유사성 때문에, 팬들(35)과 필터(36) 사이의 공기 스트림 연결통로는 단면에 실질적으로 일정하게 유지된다.
상기에 비추어서, 도 10, 도 11 및 도 12에서의 디바이스에서와 같이, 공기 도 13 및 도 14에서의 디바이스에서 공기 스트림 연결통로는 그것의 유입구들(37)에서 그것의 배출구들(39)로 단면적에서 실질적으로 변화되지 않음을 겪는다. 단면적에서 실질적으로 변화되지 않음으로써, 도 13 및 도 14에서의 디바이스(40)을 통과하는 공기는 적은 난류, 공기 저항에 부딪히고, 적은 에너지를 필요로 하며 적은 소음을 생성하고; 도 8 과 도9, 및 도 10, 도 11 및 도 12에서의 디바이스들(20, 30)과 비교하여 다른 단면들을 매칭시키기에 요구되는 상대적으로 값 비싼 연결 튜브들(connecting tubes)이 필요 없다. 도시된 바와 같이 표준 필터(36)는 직선 하우징(미 도시된)에 의해 세 개의 직접 결합부들(39)의 하류 단부에 맞춰진다. 따라서, 대전 우회는 배제되고, 여과 우회 및/또는 누출도 감소되며 입자 대전 효율과 따라서 포집은 도 8 및 도 9에서 도시되는 본 발명의 실시예로 이미 달성되는 것 이상 또는 초과하여 증가된다.
이제 도 15 및 도 16을 참조하여, 공기 스트림으로부터 에어로졸 입자들을 제거하기 위한 본 발명에 따른 다른 정전기적 집진 공기 정화 디바이스(50)가 본 원에서 도시된다. 디바이스(50)는 입자 대전기(52), 송풍기 형태의 공기 이동기(55) 및 필터를 포함하고, 이는 비록 본원에서 명시적으로 도시되지는 않았지만, 송풍기(55)를 나가는 공기 유동의 하류에 위치될 수 있고, 이러한 공기 유동은 화살표 F로 표시된다.
입자 대전기(52)와 송풍기(55)는 송풍기(55)의 상류에 있는 입자 대전기(52)와의, 직접 결합부(59)로서 기밀 방식으로 함께(밀폐되게 함께 밀봉됨) 연결된다. 공기 스트림은 배출구(미 도시된) 상으로 및 필터로(화살표 F로 도시된 공기 유동의 하류 어딘가), 송풍기(55)과 입자 대전기(52)의 직접 결합부(59)를 통해, 입자 대전기(52)의 입구에서 유입구(57)를 통해 흐른다. 실제로, 카울링 또는 다른 이러한 적합한 덕팅은 송풍기(55)의 외부에 필터를 위치시키도록 제공될 것이다.
도 15 및 도 16에서 더 구체적으로, 입자 대전기(52)는 송풍기(55)의 흡입구(공기 유입구 섹션(air inlet section); 51) 내에 장착되는 직경 로드(diametric rod; 53a) 상에 중심으로 장착되는 핀 (코로나) 전극(53)을 포함한다. 흡입구(51)는 전도성이고 접지되며, 결과적으로 흡입구(51)는 핀 전극(53)을 위한 반대-전극(또한 이하에서 54로 표시되는)으로서 작용하며(behaves), 이에 의해 입자 대전 효율을 개선한다. 흡입구(51)는 도 5에서 돌출부재(protruding member)로서 도시되지만, 이는 쉽게 송풍기(55)의 측면 상의 다른 평평한 외측 표면에서 개구의 형태일 수 있다. 돌출부(도시된 바와 같이)의 형태이거나 플러쉬 개구(대안적인 것으로써)인, 흡입구(51)는 그 스스로 전도성(위에서 기술된 바와 같이)이거나, 만약 예를 들어 플라스틱 재료와 같이 비-전도성 재료로 형성되면, 예를 들어 반대-전극을 형성하도록 전도성 잉크 또는 페인트의, 바람직하게 링인(ring), 에어리어인, 전도성 내부 표면이 제공된다. 송풍기(55)의 흡입구(51)는 실질적으로 실린더형이고, 반대-전극(54)이 유사하게 실린더형인 것을 의미하는 반면에, 핀 전극(53)의 팁은 실질적으로 지점(point)이다. 따라서, 실린더형 반대-전극(54)과 핀 전극의 팁은 대칭으로 배열되고, 이는 동심인 핀 전극(53)과 반대-전극(54)의 조합에서, 핀 팁에서 주변 전극의 내부 표면으로의 거리가 대략적으로 일정하다는 것을 의미한다. 이는 핀 전극(53)과 주변 반대-전극(54) 사이의 공기 이온 플럭스가 방사 방향(radial)임을 의미하고, 이에 의해 공기 이온-에어로졸 입자 충돌의 가능성을 증가시키고, 이는 코로나 전극(53)에 의해 입자 대전 효과를 더욱 개선시키고 대전 우회를 배제한다.
테스트 데이터
첨부된 도면들 중 도 10, 도 11 및 도 12에서 개략적으로 도시되는 타입의 정전기적 공기 집진 디바이스는 포집된 입자 크기의 함수(function)로서 입자 대전기의 핀 방출 전극으로 공급되는 전류를 변화시킴으로써 그것의 에어로졸 입자 포집 효율을 위해 테스트되었다. 디바이스로의 공기 유동은 모든 테스트에서 초당 1,2미터의 필터 면 속도(filter face velocity)로 제어되었다. 이용되는 필터는 Darwin Technology International Limited (www.ifdair.com)에서 제공되는 3인치 깊이(76.2mm)의 정적기적 플루트형(fluted) "ifD 필터"이고; ifD필터는 주변 전극들 사이에서 10kV로 작동되었다. 입자들의 수는 입자 포집 효율 %를 계산할 수 있도록 지속적으로 작동되는 레이저 입자 카운터(laser particle counter; Lighthouse Handheld Model No. 3016)를 이용하여 측정된다. 결과는 표 2로 아래에서 도시된다.
Current Supplied (μA) 포집된 입자들의 크기 (μm)
0.3 0.5 0.7 1.0 2.0 5.0
1.0 99.35 99.46 99.26 99.59 99.03 100.00
2.0 99.88 99.92 99.94 99.88 100.00 100.00
3.0 99.95 100.00 100.00 100.00 100.00 100.00
4.0 99.99 100.00 100.00 100.00 100.00 100.00
5.0 100.00 100.00 100.00 100.00 100.00 100.00
위의 테이블 2에서 언급된 입자 포획 효율들의 백분율(percentage particle capture efficiencies)은 포집된 입자 각각의 크기를 위해 공급되는 증가된 전류화 증가하는 효율의 증가, 및 증가되게 큰 입자들의 효율이 공급된 주어진 전류에서 포집되는 (실험 오류) 효율 증가의 일반적인 경향을 명확하게 보여준다.
더 큰 에어로졸 입자들은 더 작은 입자들보다 포집하기에 일반적으로 더 쉽다(어느 정도 공기 이온들과 더 큰 입자들의 충돌하여 캡처하기에 더 큰 대전된 입자들이 충돌의 더 큰 가능성이 있기 때문에). 그러나, 심지어 핀-타입 전극에 공급되는 1.0 μA의 전류와, 0.3 μm만큼 작은 에어로졸 입자 크기들로, 99%보다 더 큰(99.35%) 효율은 달성되고, 이는 공급되는 4.0 μA의 전류로 99.99%로 상승한다.
물론, 인용된 모든 효율들이 입자 계수기(particle counter)의 작동 측정 한계들(operational measurement limitations)을 조건으로 하는 것은 주목되어야 한다.
이제 도 17 및 도 18을 참조하여, 본 발명에 따른 공기 정화 장치의 일 실시예가 도시되며, 이는 HVAC 시스템의 일부를 형성할 수 있다.
정전기적 집진 장치(60)는 높은 효율(일반적으로 99.99%)로 공기 스트림으로부터 원치 않은 에어로졸 입자들을 제거하도록 설계되고, 기계적인 팬 형태인 공기 이동기(65), 입자 대전기(62) 및 공기 스트림("더러운 공기"; 미 도시된)으로부터 대전된 에어로졸 입자들을 제거하기 위한 필터(66)를 포함하고, 이는 필터(66)의 하류의 배출구(미 도시된)로, 필터(66)를 통해, 화살표 A의 방향으로 덕트워크에 의해 정의되는 체적 내로 장치(60)를 통해 흐른다. 입자 대전기(62), 팬(65) 및 필터(66) 각각은 덕트워크(69) 내부, 즉 상기 구성요소들을 수용하는 하우징 내부에 제공된다.
입자 대전기(62)는 이러한 명세서에서 쉽게 논의된 방식으로 공기 스트림으로 에어로졸 입자들을 대전시키기 위한 공기 이온들의 생성 및 핀(63)의 팁으로부터 고로나 방전을 가능하게 하기 위해 핀(63)의 영역에 덕트워크(69)의 일부분의 내부 표면 상에 형성되는 주변 반대-전극(63b)에 전기적으로 결합되는 로드(63a)의 길이를 따라서 중심 방향으로 장착되는 단일 핀(63)의 형태인 전극을 포함한다. 핀(63)은 화살표머리(arrowhead)가 핀의 팁을 표시하는 화살표로 표시된다. 반대-전극(63b)은 덕트워크(69)의 내부 표면에 직접 적용되는 전도성 잉크 또는 페인트로 형성되고 점선 외부선(outline)으로 도시된다. 대안적으로 덕트워크(69)는 그 스스로 적합한 전도성 재료로 제작될 수 있다. 위에 핀(63)이 장착되는 로드(63a)는 예를 들어 접착(gluing), 납땜(soldering), 용접(welding) 들을 포함하는, 임의의 종래의 고정 수단에 의해 덕트워크(69) 내에 맞춰진다.
도 17과 도 18에서 명확하게 도시된 바와 같이, 입자 대전기(62)와 팬(65)은 필터(66)의 상류에 제공된다. 입자 대전기(62)와 덕트워크(69)가 함께 내부에서 에어로졸 입자들이 전기적으로 대전될 것인 입자 대전 존(도 18에서 점선 화살표에 의해 도시되는 공기 이동 유동을 갖는)을 형성하기 때문에, 및 덕트워크(69)가 공기 유동의 방향으로 팬(65)과 입자 대전기(62) 사이의 밀폐 밀봉을 제공하기 때문에, 덕트 워크(69)를 통하는 장치(60)에 인입하는 모든 공기는 대전 우회가 배제되도록 팬(65)과 입자 대전기(62) 물 모두를 통과하여야 한다.
물론, 팬(65)이 입자 대전기(62)의 하류에 있을 수 있도록(하지만 여전히 필터(66)의 상류) 입자 대전기(62)와 팬(65)의 상대적인 위치들은 교환될 수 있어서, 도시된 구성요소들의 순서는 변할 수 있다. 또한, 반대-전극(63b)의 위치는 덕트워크(69)의 내부 표면의 가장 큰 돌출부가 전도성으로 이루어져 있지 않는 한 또는 덕트워크(69) 자체가 전도성이라면, 입자 대전기(62)의 위치에 매칭하도록 이동될 필요가 있다. 대전 우회의 배제의 효과는 그럼에도 불구하고 동일하다.
개별적으로 명확하게 설명되기 위해, 본 발명의 특정 특징들은, 특히 대안적인 실시예들의 이러한 문맥에서, 단일 실시예에서 조합하여 제공될 수 있다는 것은 이해될 것이다. 대조적으로, 단일 실시예의 문맥에서, 조합으로 기술되는 본 발명의 다양한 특징들도 개별적으로 제공될 수 있거나 적합한 임의의 조합에서 제공될 수 있다.
기술된 실시예들에 대한 다양한 변경, 수정 및/또는 추가가, 다음의 청구범위에서 정의되는 바와 같은, 본 발명의 범위를 벗어남 없이 소개될 수 있는 것은 이해될 것이다. 많은 다른 가능한 변형들은 이러한 설명에서 가르치며 다음 당업자들에 의해 이해되어질 것이다.
10 : 디바이스
20 : 공기 정화 디바이스
21 : 카울링
22 : 입자 대전기
22a : 하우징
22b : 공기 유동 단부
22c : 공기 유동 단부
23 : 핀 형태 전극
23a : 직경 바아
24 : 반대-전극
25 : 공기 이동기
25a : 실린더형 케이싱
25b : 팬 블레이드
26 : 필터
27 : 유입구
28 : 배출구
29 : 직접 결합부
30 : 디바이스
32 : 입자 대전기
33 : 핀 전극
35 : 팬
36 : 필터
37 : 유입구
38 : 배출구
39 : 직접 결합부
40 : 디바이스
50 : 디바이스
51 : 흡입구
52 : 입자대전기
53a : 직경로드
55 : 공기 이동기
59 : 직접결합부
60 : 집진 장치
62 : 입자 대전기
63 : 핀
63a : 로드
63b : 반대-전극
65 : 공기 이동기
66 : 필터
69 : 덕트워크

Claims (21)

  1. 공기 스트림으로부터 에어로졸 입자들을 제거하기 위한 공기 정화 디바이스에 있어서,
    (a) 상기 공기 스트림에서 공기 이온들을 생성하기 위해 입자 대전기에서 하우징 및 전극 배열 구조를 포함하는 상기 입자 대전기로서, 상기 입자 대전기는 입자 대전 존을 갖고, 사용 시, 상기 입자 대전 존 내부에서, 상기 공기 스트림에서 에어로졸 입자들은 상기 공기 이온들과 충돌을 통해 전기적으로 대전되는, 상기 입자 대전기;
    (b) 상기 디바이스를 통해 이동하는 상기 공기 스트림으로부터 전기적으로 대전된 에어로졸 입자들을 집진하기 위한 필터; 및
    (c) 상기 입자 대전기의 하우징과 별도 컴포넌트로서 케이싱을 포함하고, 상기 디바이스를 통해 상기 공기 스트림을 이동시키기 위한 공기 이동기를 포함하고,
    상기 입자 대전기 및 상기 공기 이동기는 상기 필터의 상류에 제공되고;
    상기 입자 대전기 및 상기 공기 이동기가 함께 직접적으로 결합되도록 상기 입자 대전기의 하우징은 상기 디바이스를 통해 공기 유동 방향으로 상기 공기 이동기의 케이싱에 밀폐되게 밀봉되고, 이에 의해 상기 디바이스를 진입하는 모든 공기는 상기 입자 대전기 및 상기 공기 이동기 모두를 통과해야 하는 공기 정화 디바이스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 입자 대전기가 공기 유동 방향으로 상기 공기 이동기의 상류에 있도록 상기 입자 대전기 및 상기 공기 이동기는 직접적으로 결합되는 공기 정화 디바이스.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 공기 이동기가 공기 유동 방향으로 상기 입자 대전기의 상류에 있도록 상기 입자 대전기 및 상기 공기 이동기는 직접적으로 결합되는 공기 정화 디바이스.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 필터는, 정전기적 필터, 정전기적 집진기, 섬유질 필터 또는 일렉트릿 필터인 공기 정화 디바이스.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 공기 이동기는, 기계적인 팬, 벨로우즈, 대류식 공기유동 디바이스 또는 원심형 팬("송풍기")인 공기 정화 디바이스.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극 배열 구조는 전극 및 반대-전극인 2개의 파트들을 포함하는 공기 정화 디바이스.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 입자 대전기는 상기 전극 및 상기 반대-전극 모두를 포함하는 공기 정화 디바이스.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 전극은 핀 또는 긴 와이어(pin or elongate wire)의 형태이고 팁 또는 단부를 갖는 공기 정화 디바이스.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 입자 대전기의 전극은 지지 로드 상에서 지지되는 공기 정화 디바이스.
  10. 제 9 항에 있어서,
    2개 이상의 핀-타입 전극은 공통 도체 로드 상에서 지지되는 공기 정화 디바이스.
  11. 제 6 항에 있어서,
    상기 반대-전극은 상기 전극을 둘러싸지만 간격을 두고 상기 전극으로부터 분리되는 공기 정화 디바이스.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 전극은 상기 반대-전극과 동심인 공기 정화 디바이스.
  13. 제 6 항에 있어서,
    상기 반대-전극은 플레이트로 구성되고, 상기 플레이트는 상기 플레이트에 구멍을 갖는 공기 정화 디바이스.
  14. 제 6 항에 있어서,
    상기 반대-전극은 전도성 재료로 형성되거나 전도성 내부 표면을 갖는 중공 실린더를 포함하는 공기 정화 디바이스.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 전도성 내부 표면은 전도성 잉크 또는 페인트로 구성되는 공기 정화 디바이스.
  16. 공기 스트림으로부터 에어로졸 입자들을 제거하고 대전 우회를 제거하기 위한 공기 정화 방법에 있어서,
    입자 대전기에서 하우징 및 전극 배열 구조를 포함하는 상기 입자 대전기를 사용하여 상기 공기 스트림에서 공기 이온들을 생성하는 단계;
    상기 입자 대전기의 입자 대전 존에서 공기 이온들과 충돌을 통해 상기 공기 스트림에서 에어로졸 입자들을 전기적으로 대전시키는 단계; 및
    상기 입자 대전기의 하우징과 별도 컴포넌트로서 케이싱을 포함하는 공기 이동기를 사용하여 필터를 향해 상기 공기 스트림을 이동시키는 단계 - 이에 의해 상기 공기 스트림에서 전기적으로 대전된 입자들은 필터 상으로 집진됨 -;
    를 포함하고, 상기 공기 스트림이 상기 입자 대전기 및 상기 공기 이동기의 직접적인 결합을 통해 이동되도록 상기 입자 대전기의 하우징은 공기 유동 방향으로 상기 공기 이동기의 케이싱에 밀폐되게 밀봉되고, 이에 의해 정화되는 모든 공기는 상기 필터에 도달하기 전에 상기 입자 대전기 및 상기 공기 이동기 모두를 통과해야 하는 공기 정화 방법.
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