KR20050057187A - 공기청정기 - Google Patents

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KR20050057187A
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discharge electrode
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다스쿠 오사다
도루 고마츠
류스케 니시마키
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산에이 겐세츠 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 고도의 공기정화력, 구체적으로는, 공기중에 부유하는 먼지, 담배연기 및 유해가스 등을 효율적으로 제거할 수 있는 공기청정기에 관한 것이다. 이 공기청정기는 방전시 이온을 생성할 수 있는 방전전극(1), 상기 방전전극에 대향하는 대향전극(2), 및 상기 방전전극에서 이온을 생성하기 위해 방전을 유도하도록 상기 방전전극과 상기 대향전극 사이에 전압을 인가할 수 있는 전원(3)을 구비한다. 상기 대향전극(2)은 약 800℃ 이상의 온도에서 탄화된 고온탄; 약 500℃ 이하의 온도에서 탄화된 저온탄; 및 알긴산(alginic acid) 또는 그 염 또는 산화칼슘(calcium oxide)을 포함하는 가스 흡수재를 구비한다.

Description

공기청정기{Air Purifier}
본 발명은 공기청정기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 공기중에 부유하는 먼지, 담배연기 및 유해가스 등을 제거할 수 있는 이온풍 방식(ionic wind type)의 공기청정기에 관한 것이다.
이온풍 방식의 공기청정기는 미세 입자들을 이온화시키기 위해 코로나 방전(corona discarge)용 전극들 사이에 약 5 내지 10kV의 고전압을 인가함으로써 생성되는 이온풍을 사용한다. 보다 상세하게, 이온화된 입자들은 전극 사이의 전기장에 의해 이동되어 공기중에 있는 먼지 또는 담배연기가 집진전극(dust collecting electrode)에 흡착되게 하여 공기를 정화시키는 이온풍을 생성한다. 이런 방식의 공기청정기는, 예를 들어, 일본특허공개공보 제172190/1985호 및 제140657/1987호에 개시되어 있다.
알루미늄과 같은 금속이 이러한 공기청정기에서 집진전극으로 사용되는 반면에, 일본특허공개공보 제199653/1998호는 코로나 방전전극에 대향하는 전극표면으로서 활성탄(activated carbon)을 도포한 것을 사용한 것이 개시되어 있다. 그러나, 이 공개공보에 개시된 장치는 활성탄을 사용함으로써 코로나 방전에 수반된 오존이 제거되는 음이온을 이용하는 이온풍 발생기이다.
활성탄과 같은 탄(charcoal)은 물질흡수성을 갖는 것으로 잘 알려져 있다. 또한, 일본특허공개공보 제226207/2000호는 저온 탄화부분과 고온 탄화부분 모두를 갖는 활성화 목탄의 제조방법을 개시하고 있다. 이 제조방법은 목재 조각을 탄화시키기 위해 450 내지 550℃로 가열처리하는 단계(저온 탄화단계); 및 연이어 상기 목재 조각을 더 탄화시키기 위해 800 내지 900℃로 가열처리하는 단계(고온 탄화단계)를 포함한다. 그러나, 이 공개공보에는, 이러한 활성화 목탄을 사용하는 어떠한 성형물에 대한 구체적 개시가 없다. 또한, 이 공개공보는 성형을 위한 어떠한 유용한 결합제를 제안하거나 개시한 바도 없다.
도 1은 본 발명에 따른 공기청정기의 기본구조를 도시한 도면이다;
도 2는 실시예에 사용된 공기청정기를 도시한 도면이다; 그리고,
도 3은 실시예에 사용된 실험장치의 기본구조를 도시한 도면이다.
본 발명자는, 이온풍 방식의 공기청정기에서의 집진전극으로서, 특정 온도에서 탄화된 탄소 성형물을 사용함으로써 고도의 공기정화력을 갖는 공기청정기를 구현할 수 있음을 알았다. 더 구체적으로, 약 800℃ 이상의 온도에서 탄화된 고온탄(high-temperature carbonized charcoal); 약 500℃ 이하의 온도에서 탄화된 저온탄(low-temperature carbonized charcoal); 및 알긴산(alginic acid) 또는 산화칼슘(calcium oxide)을 조합함으로써 얻은 가스 흡수재(gas absorbent)가 전극으로서 사용될 때, 공기중에 부유하는 먼지, 담배연기 및 유해가스 등을 효율적으로 제거할 수 있는 공기청정기가 구현될 수 있음을 알았다.
따라서, 본 발명의 목적은 고도의 공기정화력을 갖는 공기청정기를 제공하는 것이다.
상기 목적은 방전시 이온을 생성할 수 있는 방전전극, 상기 방전전극에 대향하는 대향전극, 및 상기 방전전극에서 이온을 생성하기 위해 방전을 유도하도록 상기 방전전극과 상기 대향전극 사이에 전압을 인가할 수 있는 전원을 구비하고, 상기 대향전극은 약 800℃ 이상의 온도에서 탄화된 고온탄; 약 500℃ 이하의 온도에서 탄화된 저온탄; 및 알긴산 또는 그 염 또는 산화칼슘을 포함하는 가스 흡수재를 구비하는 공기청정기에 의해 달성될 수 있다.
공기청정기의 기본구조
본 발명에 따른 공기청정기는 기본적으로 방전시에 이온을 생성할 수 있는 방전전극, 상기 방전전극에 대향하는 대향전극 및 상기 방전전극에서 이온을 생성하기 위해 방전을 유도하도록 상기 방전전극과 상기 대향전극 사이에 전압을 인가할 수 있는 전원(power supply)을 구비한다. 도 1은 이러한 기본구조를 도시한 모식도이다. 이 도면에서, 방전전극(1)은, 예를 들어, 탄소(carbon), 백금(platinum), 텅스텐(tungsten), 금, 은, 티타늄(titanium), 스테인리스강(stainless steels), 니켈(nickel), 탄탈륨(tantalum), 구리, 인청동(phosphor bronze), 금속도금 와이어 또는 니켈 도금 와이어로 형성된 바늘형태이다. 이러한 방전전극에서, 이온을 생성할 수 있는 방전이 수행된다. 본 발명에서, 방전전극에서의 방전을 코로나 방전, 글루방전(glow discharge) 및 아크방전(arc discharge)을 포함하는 "가스방전(gaseous discharge)"이라 한다.
전극(2)이 상기 방전전극(1)에 대향하여 제공된다. 대향전극(2)은 아래에 기술되는 가스 흡수재를 포함한다. 방전전극에서 방전을 유도하기 위한 전압이 전원(3)으로부터 2개의 전극에 걸쳐 인가된다. 전압은 적절히 결정될 수 있다. 그러나, 방전이 코로나 방전인 경우, 전압은 일반적으로 약 4000 내지 10000V이다.
전기장은 음전압이 인가되었던 방전전극(1)의 전단부상에 수렴된다. 그 결과, 예를 들어, 코로나 방전이 발생한다. 이 방전은 이온들을 생성한다. 양전하를 갖는 이온들이 방전전극(1)에 흡수되는 반면에, 음전하를 갖는 이온들(4)은 대향전극(2)에 의해 끌어당겨진다. 그 결과, 이온풍이 발생한다. 대향전극(2)에 의해 음이온들이 잡아당겨지는 동안, 음이온들은 공기중에 부유하는 먼지, 담배연기, 및 유해가스와 같은 부유물(5)과 충돌하거나 결착하여 상기 부유물들을 대향전극(2)으로 운반한다.
아래에 기술되는 바와 같이, 대향전극(2)은 우수한 가스 흡수재이며, 운반된 부유물(5)은 이러한 가스 흡수재상에 효율적으로 흡수되어, 이로 인해 공기정화가 이루어진다.
본 발명에서, 복수의 방전전극(1)과 복수의 대향전극(2)이 제공될 수 있다. 복수의 방전전극(1) 및/또는 복수의 대향전극(2)을 사용하는 것이 때때로 정화효율의 면에서 유리하다.
가스 흡수재
본 발명에 따른 공기청정기에서, 대향전극을 구성하는 가스 흡수재는 약 800℃ 이상의 온도에서 탄화된 고온탄; 약 500℃ 이하의 온도에서 탄화된 저온탄; 및 알긴산 (alginic acid)또는 산화칼슘(calcium oxide)을 포함한다.
(1) 고온탄과 저온탄
본 발명에서, 고온탄은 약 800℃ 이상의 온도에서 탄화하여 얻은 탄을 의미한다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 고온탄은 약 800 내지 1300℃, 더 바람직하게는 900 내지 1000℃의 온도에서 탄화하여 얻은 탄을 의미한다. 고온탄의 제조에 수반되는 정제과정에서 활성화(activation), 예를 들어, 공기 또는 스팀에 의한 활성화가 수행될 수 있다.
또한, 본 발명에서, 저온탄은 약 550℃ 이하의 온도에서 탄화하여 얻은 탄을 의미한다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 저온탄은 약 300 내지 550℃, 더 바람직하게는 450 내지 500℃의 온도에서 탄화하여 얻은 탄을 의미한다.
본 발명에서, 탄의 원료로서 사용가능한 목재는 특별히 한정되지는 않으나 삼나무(cryptomeria), 노송나무(Japanese cypress), 소나무, 및 낙엽송(Japanese larches) 등과 같은 침엽수, 대나무 및, 이외에, 건축폐자재를 포함한다.
고온탄과 저온탄은 흡수성에 있어 서로 다르다. 특히, 고온탄은 포름알데히드(formaldehyde), 벤젠(benzene), 톨루엔(toluene), 크실렌(xylene), 에틸벤젠(ethylbenzene), 클로로벤젠(chlorobenzene) 등에 대하여 고흡수성을 갖는다. 한편, 저온탄은 암모니아, 아민(amine)등에 대하여 고흡수성을 갖는다. 고온탄과 저온탄의 혼합물은 여러 물질들에 대하여 양호한 흡수성을 갖는다.
고온탄 대 저온탄의 혼합비는 본 발명에 따른 공기청정기에 의해 포착되는 가스 유형을 고려함으로서 적절히 결정될 수 있다. 그러나, 고온탄 대 저온탄의 혼합비는 중량기준으로 바람직하게는 30:70 내지 60: 40, 더 바람직하게는 40:60 내지 50:50이다.
바람직하기로, 고온탄과 저온탄은 분말로 분쇄되어 고려되는 적용들에 사용된다. 입자 직경은 적절히 정해질 수 있다. 그러나, 입자직경은 바람직하게는 약 0.3 내지 9.5㎜, 더 바람직하게는 약 0.6 내지 1.18㎜이다.
고온탄은 체적저항(Volume resistivity) 면에서 많아야 10Ω㎝3의 전기 전도도를 가지므로, 본 발명에 따른 흡수재는 또한 유리하게 정전기방지효과 및 전자기복사 차폐효과를 가질 수 있다. 저온탄은 일반적으로 약 109 내지 1012Ω㎝3의 체적저항을 갖는다.
(2) 알긴산 및 산화칼슘
본 발명에서, 알긴산 또는 그 염, 예를 들어, 나트륨(sodium), 칼륨(potassium), 또는 칼슘염(calcium salt)은 탄 입자들을 서로 결착시키고, 동시에, 탄의 가스 흡수성을 향상시키는 효과를 갖는다. 이들 알긴산이 단독으로 사용되는 경우에는, 탄과 비교하여, 알긴산의 가스 흡수성은 물론 0이 되거나, 있다 하더라도 낮아진다. 따라서, 탄과 알긴산의 공존은 고온탄과 저온탄의 혼합물의 가스 흡수활성을 크게 향상시킬 수 있다 것이 의외의 사실이다.
본 발명에서, 알긴산 또는 그 염은 정제된 알긴산 또는 그 염 및, 게다가, 알긴산을 주성분으로 하는 물질, 예를 들어, 카라기난(carrageenan) 및 진두발(chondrus)을 말한다.
또한, 본 발명에 사용된 가스 흡수재에서, 첨가된 알긴산 또는 그 염의 양은 결힙제로서의 기능과 가스 흡수활성에 있어 향상의 관점에서 적절히 결정될 수 있다. 그러나, 첨가된 알긴산 또는 그 염의 양의 하한은 바람직하게는 약 5중량%, 더 바람직하게는 10중량%이다. 한편, 첨가된 알긴산 또는 그 염의 양의 상한은 바람직하게는 약 25중량%, 더 바람직하게는 15중량%이다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 본 발명에 사용된 가스 흡수재는 산화칼슘 뿐만 아니라 고온탄과 저온탄을 포함한다. 알긴산과 마찬가지로, 이 산화칼슘은 고온탄과 저온탄의 가스 흡수능을 향상시키게 기능한다. 또한, 산화칼슘이 있음으로써, 가스 흡수재의 내화성능을 이점적으로 향상시킬 수 있다. 구체적으로, 조개껍질을 소성함으로써 얻은 조개껍질을 소성한 칼슘과 생석회(quick lime)가 산화칼슘으로서 사용될 수도 있다.
또한, 본 발명에 사용된 가스 흡수재에서, 첨가된 산화칼슘의 양은 가스 흡수활성을 향상시키는 관점에서 적절히 결정될 수 있다. 첨가된 산화칼슘 양의 하한은 바람직하게는 약 5중량%이고, 첨가된 산화칼슘 양의 상한은 바람직하게는 약 15중량%, 더 바람직하게는 약 7중량%이다.
더욱이, 본 발명의 또 다른 실시예에서, 본 발명에 사용된 가스 흡수재는 알긴산과 산화칼슘 모두를 포함할 수 있다. 알긴산과 산화칼슘 조합의 추가는 고온탄과 저온탄의 가스 흡수활성을 더 향상시킬 수 있다.
본 발명에서, 본 발명에 사용된 가스 흡수재는 상기 알긴산이 포함되는 조건으로 결합제를 포함할 수 있다. 본 명세서에서 사용가능한 결합제로는 규조토(diatomaceous earth), 시멘트(cement), 아이소시아네이트 수지 이멀젼(isocyanate resin emulsions)과 같은 고분자 결합제(polymeric binders) 및 녹말 페이스트(starch pastes)를 포함한다. 예를 들어, 시멘트로서 보통 포틀랜드시멘트(normal portland cement), 중용열포틀랜드시멘트(moderate-heat potland cement), 조강포틀랜드시멘트(high early strength portland cement), 고로시멘트(blast furnace cement) 및 실리카시멘트(silica cement)가 사용될 수 있다. 규조토 또는 시멘트의 사용으로 가스 흡수재의 내화성능이 향상될 수 있다는 점에서 유리하다. 또한, 규조토 또는 시멘트가 사용되는 경우, 결합제로서 고분자 결합제와 조합한 규조토 또는 시멘트의 사용이 바람직하다. 첨가된 결합제의 양은 적절히 결정될 수 있다. 그러나, 첨가된 결합제의 양이 과도하게 많으면, 가스 흡수재의 가스 흡수활성이 때때로 악화된다. 따라서, 바람직하기로는, 첨가된 결합제의 양이 주의깊게 정해진다. 본 발명에 따른 가스 흡수재에 첨가된 결합제의 양은 바람직하기로 약 10 내지 40중량%이다.
(3) 제조방법
본 발명에서, 가스 흡수재는 고온탄, 저온탄, 알긴산 또는 산화칼슘, 선택적으로 결합제, 및 기타 성분들을 함께 혼합함으로써 제조된 혼합물을 성형용 틀에 붓고, 상기 성형물을 (실온에서 60℃ 이하로 3 내지 5시간 동안) 건조시킴으로서 용이하게 얻을 수 있다.
또한, 가스 흡수재의 제조에 있어, 충진제(filler) 또는 강화제(reinforcement)의 사용은 강도를 강화시키는 면에서 바람직하다. 본 명세서에서 사용될 수 있는 충진제 또는 강화제의 바람직한 예로는 마닐라삼(Manila hemps)과 우드플러스(wood plus)와 같은 섬유재, 철망(wire gauzes) 및 격자구조 또는 벌집구조(lattice honeycomb structure)를 포함한다.
본 발명에 사용된 가스 흡수재는 특별히 한정되지 않는 임의의 형태일 수 있다. 그러나, 바람직하기로, 가스 흡수재는 보드형태이다. 보드형의 대향전극은 실내 건축재, 예를 들어, 벽재 또는 천장재로서 사용될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 장식지(decorative paper)는 보드형태의 가스 흡수재 표면에 붙을 수 있어 외관을 개선시킨다. 장식지는 가스 흡수재의 기능을 훼손시키지 않는 정도의 통기성을 갖는 한 한정되지 않는다.
가스 흡수재는 기본적으로 전기 도전성이 있으며, 전원에 직접 연결될 수 있다.
실시예
실시예 1: 고온탄과 저온탄의 제조
다음 예에서 사용된 고온탄과 저온탄을 하기와 같이 제조하였다. 전면에 화염부가 있고, 배면하부에 배기부가 있으며, 내부를 내화벽돌로 덮은 내부체적이 16㎥인 콘크리트 오븐(concrete oven)을 사용하였다. 목재를 오븐에 넣고, 화염부로부터 초기점화를 실행하였다. 초기점화로부터 약 24시간 경과한 후에, 분해 및 탄화가 시작되었고, 약 300 내지 400℃의 온도에서 약 48시간을 추가로 계속하였다. 그런 후, 온도를 400 에서 550℃로 상승시켰다. 이러한 온도상승은 탄화의 종료와 정제과정의 개시를 지시하기 위해 판단되었다. 정제과정의 개시로부터 5 내지 10시간 경과후에, 오븐을 완전히 밀봉하고 냉각시켰다. 이에 따라 얻은 탄은 저온탄으로서 사용되었다. 정제과정에서, 공기활성화 및 스팀활성화를 수행하였고, 탄화온도는 900 내지 1100℃였으며, 이 온도를 3시간 동안 유지하였다. 이에 따라 얻은 탄은 고온탄으로서 사용되었다. 온도가 약 900 내지 1000℃에 도달할 때까지 10 내지 20㎥/분의 풍량으로 오븐에 공기를 강제송풍함으로써 공기활성화를 수행하였다. 한편, 0.5 내지 2ℓ/분의 양으로 강제송풍과 동시에 강제로 스팀을 공급함으로써 스팀활성화를 수행하였다.
실시예 2: 가스 흡수재의 제조
혼합물을 제조하기 위해 실시예 1에서 제조된 고온탄과 저온탄으로 구성된 혼합탄 분말(1000g)을 마닐라삼(100g)과 혼합하였다. 상기 혼합물에 (비닐아세테이트(vinyl acetate)의 고형분 60g, 녹말 페이스트 80g, 소듐 아르기네이트(sodium alginate) 80g으로 구성된) 압력 민감성 점착제(220g)와 조개껍질을 소성한 칼슘 (200g)을 첨가하였다.
다음으로, 이로써 얻은 혼합물을 프레임에 붓고 일정 두께로 가압성형을 하였다. 그런 후, 프레임을 포함한 전체 어셈블리를 건조오븐에 넣고, 실온에서 또는 60℃ 이하에서 약 3 내지 5시간 동안 건조시켰다. 전체 어셈블리를 건조오븐에서 꺼내고 나서, 프레임을 제거하여 300×400×15㎜ 크기의 보드를 얻은 후에, 가스 흡수재로서 사용하기 위한 크기 200×150×15㎜로 잘랐다.
실시예 3: 공기청정기와 그 성능실험
실시예 2에서 얻은 가스 흡수재를 사용하여, 도 2에 도시된 장치(10)를 구성하였다. 구체적으로는, 용이한 시각적 관찰을 위해 투명 플라스틱 재료의 형성된 박스(180×210×120㎜)를 사용하였다. 가스 흡수재를 박스의 바닥에 두었고 대향전극(2)으로서 사용하였다. 금속 바늘 형태의 방전전극(1)을 이 박스의 벽면에 설치하였다. 상기 방전전극(1)과 상기 대향전극(2) 사이에 직류고전압원(3)을 접속시켰다. 방전전극(1)에 직류고전압원(3)의 마이너스면을 접속시켰고, 대향전극(2) 면에는 상기 전압원의 플러스면을 접속시켰다.
또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 담배연기가 도입관(6)을 통해 들어오도록 장치(10)를 구성하였다. 부압 발생기(negative pressure generator)(7)가 상기 도입관(6)에 연결되고, 상기 부압 발생기(7)는 담배(8)가 상기 부압 발생기(7)로 삽입될 수 있도록 구성된다. 공기가 압축 공기원(9)으로부터 상기 부압 발생기(7)로 안내되므로, 상기 공기와 함께, 담배(8) 연기가 도입관(6)을 통해 장치(10)로 도입된다. 이 장치 구조를 사용하여 다음 실험을 수행하였다.
필터를 제거한 담배 한개피(약 0.7g)를 상기 부압 발생기(7)에 삽입하였고, 압축된 공기원(9)으로부터 공기를 송풍하여 담배 한개피 전부의 연기가 도입관(6)을 통해 장치(10)로 들어가게 하였다. 그런 후 즉시, 8000V의 직류전압을 상기 방전전극(1)과 상기 대향전극(2)에 걸쳐 인가하여 담배연기가 사라지는데 걸리는 시간을 시각적으로(visually) 측정하였다. 이 실험에서, 상기 과정을 5회 반복하였다. 5회째 전후로, 가스 흡수재가 제거된 장치(10)의 무게를 정밀하게 측정하였고 실험 전후의 무게간의 차를 플라스틱 벽면에 증착된 타르의 양으로서 측정하였다. 그 결과는 아래 표 1에 도시된 바와 같다.
가스 흡수재를 상기 가스 흡수재와 동일한 크기의 알루미늄판으로 대체한 것을 제외하고 상기 실험과정을 반복하였다. 그 결과는 아래 표 1에 도시된 바와 같다.
별개로, 장치내에 가스 흡수재와 알루미늄판을 두지 않고 담배 한개피 전부의 연기를 장치(10)에 도입하였다. 그 결과, 연기의 도입으로부터 40분 경과후에도 담배연기가 사라지지 않았다.
담배연기 소멸시간 및 대향전극의 타르 물질양
가스 흡수재 알루미늄판
1회 63초 97초
2회 66초 90초
3회 66초 111초
4회 55초 100초
5회 59초 99초
평균 61.8초 99.4초
타르 양 0.009g 0.030g

Claims (7)

  1. 방전시 이온을 생성할 수 있는 방전전극, 상기 방전전극에 대향하는 대향전극, 및 상기 방전전극에서 이온을 생성하기 위해 방전을 유도하도록 상기 방전전극과 상기 대향전극 사이에 전압을 인가할 수 있는 전원을 구비하고,
    상기 대향전극은 약 800℃ 이상의 온도에서 탄화된 고온탄; 약 500℃ 이하의 온도에서 탄화된 저온탄; 및 알긴산(alginic acid) 또는 그 염 또는 산화칼슘(calcium oxide)을 포함하는 가스 흡수재를 구비하는 공기청정기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 방전전극상에서의 방전이 코로나 방전(corona discharge)인 공기청정기.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 가스 흡수재는 알긴산 또는 그 염 및 산화칼슘 둘 다를 포함하는 공기청정기.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스 흡수재에서 고온탄 대 저온탄의 혼합비는 중량기준으로 30:70 내지 60:40인 공기청정기.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고온탄은 약 800 내지 1300℃ 온도에서 탄화하여 얻은 공기청정기.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 저온탄은 약 300 내지 550℃의 온도에서 탄화하여 얻은 공기청정기.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스 흡수재는 또한 실내 건축재로서의 기능을 하는 공기청정기.
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