KR20060126453A

KR20060126453A - 공기 정화벽

Info

Publication number: KR20060126453A
Application number: KR1020067006429A
Authority: KR
Inventors: 로랑 제롱; 르네 위낭; 레이라 드비
Original assignee: 아르셀러 프랑스
Priority date: 2003-10-01
Filing date: 2004-09-30
Publication date: 2006-12-07
Also published as: CN1867390A; DE602004013349T2; WO2005030372A1; ES2305811T3; ATE392943T1; MXPA06003735A; SI1667785T1; EP1667785B8; CA2540291A1; BRPI0415144A; CN100525888C; JP2007507259A; EP1520615A1; PT1667785E; US7582256B1; DK1667785T3; EP1667785A1; DE602004013349D1; EP1667785B1; PL1667785T3

Abstract

본 발명은 실내의 공기의 연속적 광 촉매 정화를 위한 장치에 관한 것으로, 상기 장치는 바람직하게 벽 (1) 을 형성하고, 외부 강 구조, 처리될 공기의 유입을 위한 개구 (11), 다수의 UVA 램프 (3) 가 고정되는 내부 금속 프레임 (4), 광 촉매 필터 (2), 및 정화된 공기를 유출하기 위한 개구 (12) 를 포함한다. 본 발명의 장치는, UVA 광에 의해 조명된 광 촉매의 표면을 최대화하기 위해서, 광 촉매 필터가 주로 아나타스 상인 이산화 티타늄 (TiO₂) 을 포함한 막으로 덮힌 1 개 이상의 금속 격자 (2) 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

공기 정화벽 {AIR PURIFICATION WALL}

본 발명은 이산화 티타늄과 접촉할 때 불균질 광촉매 작용의 원리로 작동하며, 바람직하게는 벽 패널의 형태로 된 공기 정화 장치에 관한 것이다.

본 발명은 또한 상기 장치에 의해 실시되는 공기 정화 방법에 관한 것이다.

70년대 이후로 광 유도 해리에 대한 연구 결과로서 불균질 광촉매 작용이 공지되어 있다. 이 기술은 보통 자연 태양광 또는 인공 자외선 조도 (λ < 400 nm) 를 사용하여 이산화 티타늄의 반도체를 조사하는 데 있다. 이 재료는 가전자대의 전자 (e-) 가 반도체의 전도대에서 제거되도록 하는 들뜸을 겪는다 (환원). 대응하는 정공 (h+)(산화) 은 고산화성 수산기 (OH) 를 형성하기 위해서 반도체의 표면에 흡수되는 수산화군 (OH group) 과 반응할 수 있다. 이들 수산기는 유기 분자, 예컨대 오염 물질과 반응할 수 있는데, 이는 물과 이산화탄소를 형성함으로 유기 분자의 광화 작용을 일으킨다. 촉매의 출현으로 인하여 광 촉매 작용이 광반응을 가속화시킨다. 광 촉매 작용은 광반응이 촉매 표면에서 다른 상태로 존재하는 두 환경 사이의 경계면에 발생되기 때문에 불균질적이다.

이산화 티타늄 (TiO₂) 이 다양한 결정체 형태, 즉 아나타스 상, 브루카이트 상 및 고압으로 얻어지는 다수의 상으로 존재한다. 단지 루틸 및 아타나스 결정체 형태만이 광 촉매성 활성도를 나타낸다. 특히, 본 발명의 구성에 사용되었던 대부분 활성 형태인 아타나스가 산소의 불규칙한 팔면체를 갖는 긴 사면체 구조를 갖는다.

페인트, 화장품, 식료품 등에 많은 양의 이산화 티타늄이 존재한다. 따라서, 이산화 티타늄의 광활성도는 그 표면에 흡수되는 유기 분자를 분해하기 위해서 사용하게 된다. 따라서, 이산화 티타늄과의 접촉에 대한 불균질 광 촉매 작용이 특히 물의 정화, 오염 물질, 살충제, 염료, 박테리아의 제거, 농업 및 공업용 린싱 물의 제독, 공기 정화(탈취, 유해 가스 제거) 를 위해 및 야외에서 상기 요소들에 노출된 물건 또는 건물을 위한 자가 세척제로서 사용되었다.

TiO₂ 에 의한 광 촉매 필터를 갖춘 상당수의 공기 정화 및/또는 탈취 장치가 제안되었으며, 그 중 일부는 또한 구조적 또는 구성적 기능을 갖는다. 대부분의 경우에서, 이들 발명에 의해 해결된 문제는.

- 예컨대, 광 촉매 지지부와 램프 사이의 기하학적 형상 및 배치의 최적화의 결과로서 또는 반사기의 추가로 광 촉매 효과에 대한 UV 램프의 유효성을 증가시킴으로써 UV 조사 사용의 최적화 (예컨대, JP 09 084866, EP 993859, JP 2000 334448, JP 10 249166, JP 2001 293336, JP 2002 295874, JP 2001 218820 참조),

- 촉매 활성을 위해 사용될 수 있는 스펙트럼 광 범위에서 예컨대, 광 촉매성 광 형태를 적용함에 있어 가시광 사용의 증가 (예컨대, JP 2002 083511, JP 2002 035599 참조),

- 램프의 더 용이해진 교체로 인한 장치의 보수 관리에서의 개선,

- 종래의 UV 램프보다 평면 램프 또는 발광 소자 (LEDs) 의 사용에 따른 소형화 증가 (예컨대, JP 2000 051332, JP 09 000941 참조) 이다.

대부분 경우에서, 특허된 장치에는 공기를 순환시키기 위한 팬이 구비되어 있으며, 그 기류는 난류 유동이 형성될 것이다.

그러나, 종래 기술에 따른 장치는 다음 요구 조건을 거의 충족시키지 못하거나 충족시키는데 전혀 도움이 되지 않는다.

- 우선, 만족스러운 어셈블리의 구조적 기계 특성을 필요로 하고, 또한 깊이에 대하여 올바른 방향으로 UV 램프를 배치할 필요를 이루기가 어려운 초소형화를 필요로 하는, 구성적 요소로서 공기 정화기의 구현,

- UV 조명에 의해 실시되는 광 촉매 필터 표면의 최대화,

- 장치 내부의 공기 순환의 최적화,

- 장치의 외벽의 온도 조절.

도 1 은 본 발명에 따른 공기 정화벽의 입체도를 개략적으로 나타내고,

도 2 는 본 발명에 따른 활성벽의 분해도를 개략적으로 나타내며,

도 3 은 메시를 개략적으로 나타내고, 요소의 기초 유닛은 익스팬디드 금속으로 제조되며, 그 유닛에 이산화 티타늄이 증착되고,

도 4 는 90˚ 로 설치된 접선 방향 팬에서 기류의 변형을 개략적으로 나타내며,

도 5a 는 본 발명에 따른 공기 정화기에 속하는 익스팬디드 금속 격자에 대해 계산된 생조명 차트를 나타내고,

도 5b 는 직접 및 간접적 조명에 의해서 익스팬디드 금속의 격자에 이르는 생 빛의 세기를 갖는 프로파일의 예를 나타내며,

도 6 은 본 발명에 관련된 정화 모델에 사용된 빛의 세기의 차트를 나타내고,

도 7 은 본 발명에 따른 정화벽의 크기 결정을 최적화하기 위한 알고리즘을 나타내며,

도 8 은 하나의 격자 및 세 개의 램프를 포함하는 정화벽의 2 차원 모델의 일 예를 개략적으로 나타내고,

도 9 는 격자의 수, 램프 열의 수 및 공기 순환 형태 (자연 또는 강제) 의 기능으로서 본 발명에 따른 정화벽의 효율을 그래픽적으로 나타내며,

도 10 은 가정된 UVA 램프의 수 및 기류의 형태의 기능으로서 정화벽의 외부면에 대한 온도의 프로파일을 나타낸다.

본 발명의 목적

본 발명의 목적은 종래 발명의 결함을 극복하는 해법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 목적은 벽 패널의 높이에서 건물 구성 요소로 구현되는 공기 정화기를 제공하는 데 있다.

특히, 본 발명의 목적은 또한 주거 공간의 공기로부터 오염물질을 끊임없이 제거하기 위해 개방 루프로서 작동하는 공기 정화기를 제공하는 데 있다.

본 발명의 주 특성 요소

본 발명의 제 1 목적은 바람직하게 벽 패널 형태를 취하는 주거실의 공기를 위한 연속적인 광촉매 정화 장치에 관한 것으로서,

- 바람직하게, 강으로 구성되는 외부 금속 구조물,

- 벽의 정면부의 하부에 위치되는 처리될 공기의 유입을 위한 개구,

- 315 ~ 400 nm 의 범위에서 자외선을 방출하는 일련의 UVA 램프가 부착되는 내부 금속 프레임,

- 광 촉매성 이산화 티타늄 (TiO₂) 을 갖추면서 막으로 덮힌 지지부를 포함하는 필터,

- 벽의 정면부의 상부에 위치되는 정화된 공기의 유출을 위한 개구를 포함하고, 상기 장치 내부의 기류는 1 개 이상의 팬으로 자연 순환 또는 강제 순환에 의해 일어나며, 상기 장치는 UVA 광에 의해 조명되는 광촉매의 표면을 최대화하기 위해서 주로 아나타스 위상에서 이산화 티타늄 (TiO₂) 을 갖추면서 막으로 덮여지는 익스팬디드 금속으로 구성되는 1 이상의 격자를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 광 촉매성 필터의 지지부가 금속으로 제조되어서 종이 지지부가 보통 사용되는 것과는 반대로 무제한 작업 수명을 갖는다는 점에서 종래 기술에 대한 잇점을 갖는다.

본 발명에 따른 공기 정화 장치는 바람직하게 알칸, 알코올, 알데히드, 케톤, 방향족 화합물 및 테르펜과 같은 휘발성 유기 화합물을 이산화 티타늄의 광 촉매 작용으로 파괴하는데 사용된다.

이 장치는, 예컨대 벽 패널, 분할용 벽, 마루, 천장, 가천장(false ceiling) 등과 같은 구조용 또는 장식용 요소 형태로 건축 산업에서 더욱 일반적으로 사용되어 진다. 외부 금속 표면을 가지는 상기 구조용 요소는 플라스터, 페인트, 벽지 등과 같은 모든 형태의 커버용 마무리재와 서로 어울린다.

유익하게, 외부 금속 구조물은 밝게 어닐링된 스테인레스강과 같은 강으로 제조되거나 400 nm 보다 짧은 파장에 대하여 90 % 보다 큰 반사율을 가지는 얇은 층으로 덮힌 내면을 갖는다.

우선, 조명된 전체 표면을 최대화하고, 또한 필터의 단위 표면적 당 흡수된 전력을 최대화하는 것은 요구되는 조명 전력의 상당한 감소를 허용하므로 전기비 및 운용비의 감소를 허용하여, 최종 분석에서는 효율을 최적화하는 잇점을 갖는다.

본 발명의 바람직한 실시형태에 따르면, 외부 구조의 정면부는 1.5 m 이상, 바람직하게는 2 m 의 폭을 가지며, 공기의 유입 및 유출을 위한 개구는 동일하거나 상기 정면부의 폭보다 약간 작은 폭 및 3 cm 보다 크거나, 바람직하게는 5 cm 와 동일한 높이의 슬릿 형태로 되어 있다.

상기 개구는 상기 정면부의 하단부 및 상단부 각각으로부터 바람직하게 10 cm 이상, 더 바람직하게는 5 cm 인 곳에 위치된다.

본 발명의 일 중요한 특징은 광 촉매로 덮혀진 익스팬디드 금속, 바람직하게는 익스팬디드 강의 표면을 최대화하는 것이고, 이 익스팬디드 강의 전체 메시 표면 (S_steel) 은 메시 두께의 표면을 제외하고 TiO₂ 막으로 덮혀지는데, 즉

이며, 여기서 LD_mesh 은 긴 대각선이고 SD_mesh 은 짧은 대각선이며 st_mesh 는 메시의 스트립이다.

이러한 잇점을 더욱 높이기 위해서, 메시는 그의 물리적 표면 (S_steel) 과 전체 표면 (S_mesh) 사이의 비 (s_steel) 를 최소화하기 위해서 선택되며,

이고, 상기 비는 바람직하게 1/3 이다.

본 발명의 바람직한 실시형태에 따르면, 격자는 격자의 주변에만 위치되는 고정물로 수직하게 유지되고, UVA 램프는 벽의 폭을 가로질러 세 열로 배치되며, 팬은 접선 형태로 90˚로 설치되고 벽의 상부에 위치되고, 팬의 수는 주거실 안에서 적어도 30 ㎥/시간/개인의 공기가 재생되는 것을 보장하도록 선택된다.

또한, 본 발명의 바람직한 실시형태에 따르면, 공기 정화 장치는 원형, 직사각형 또는 정사각형 단면의 실린더 형태를 가지고, 이 실린더 축을 따라 1 개 이상의 UVA 조명 관을 가지며 광 촉매 (TiO₂) 로 덮힌 익스팬디드 금속 격자로 둘러싸여지며, 상기 실린더의 내면은 90 % 보다 더 큰 반사율을 갖는다. 이 실시형태는 특히 공기 정화 또는 덕트 내 공기로부터의 오염물질의 제거에 목적이 있다.

본 발명의 제 2 목적은 상기에서 설명된 공기 정화 요소의 크기 결정을 최적화하기 위한 방법에 관한 것이며, 이 방법은 다음의 단계를 특징으로 한다.

a) 공기 정화 장치의 외부 기학 구조의 정의,

b) 익스팬디드 강 격자 및 조명 장치의 수의 정의,

c) 상기 격자의 조도의 계산; 만일, 빛의 세기가 설정된 한계치보다 크지 않으면 b) 단계로 돌아가라,

d) 기류 및 온도 분포의 계산; 만일 강 벽이 온도 상승되면 b) 단계로 돌아가라,

e) 오염 물질의 농도 변화 계산; 만일, 전체 정화 효율이 미리 정해진 한계치보다 크지 않다면, b) 단계로 돌아가라,

f) 최적 치수를 갖는 정화 또는 오염 물질 제거 요소를 얻는다.

도 1 및 도 2 에 도시되는 공기 정화벽 (1) 은 이산화 티타늄과 접촉할 때 공지된 불균질 광 촉매 작용의 원리로 작동한다. 이 장치는 개방 루프로서 작동하는 활성벽 (1) 을 포함하며, 상기 활성벽은

- 상기 활성벽의 정면부 (10) 의 하부에 위치되는 공기 유입부 (11)(이를 통하여, 공기와 존재할 수 있는 오염물질의 혼합물이 정화 장치 내로 들어옴) 와,

- 상기 벽 내부에 익스팬디드 강으로 제조된 1 이상의 격자 (2)(이 격자 위에, 이산화 티타늄이 증착되어 있고, TiO₂ 막의 활성화를 위한 UVA 램프 (3) 를 갖는 조명장치에 의해 조명됨), 및

- 상기 벽의 정면부 (10) 의 상부에 위치되는 개구 (12)(이를 통하여, 오염물질로부터 정화된 공기가 배출됨) 를 포함하고, 기류는 팬 (대류 또는 강제 순환) 이나 조명장치로 인한 온도 상승 (자연 순환) 에 의해 발생된다.

본 발명에 따른 공기 정화 장치를 최적의 크기로 만들기 위해서, 특히 상기 벽 내에서 오염물질의 순환을 발생시키는 열적 및 난류성 대류 유동을 설명하기 위해 수학적 및 수치적 모델이 사용되었다. 이런 특정한 경우에 전개되고 실험 결과에 의해 검사되는 이론적 정화 모델이 오염 제거에 관하여 정화 장치의 효율을 측정하기 위한 제한 조건 차원에서 소개되었다.

따라서, 상기 벽의 설계 및 크기 결정에 관한 전반적인 연구는 열적, 음향적, 구조적 제약 및 정화 현상을 고려해야 한다. 수행되는 연구는 주로 열적 양상 및 오염 제거에 주로 초점을 맞추고 있다.

상기 벽 크기 결정과 관련하여, 유동 및 온도 분포의 계산 그리고 정화 과정이 분리되지 않으면서 전반적인 최적화 알고리즘에서 소개되어야 한다. 이 커플링의 이유는 크기 결정 기준의 규정에 의해 명백해진다.

정화벽 (1) 은 사무실, 회의실 등과 같은 한정된 공간에 배치된다. 따라서, 이 공간의 주위 온도는 제한 조건으로 작용하는 강 벽의 온도와 연결된다. 또한, 공간을 차지하는 사람들과 벽 사이에 가능한 직접 접촉은 강의 표면 온도를 조절할 것을 요한다. 결과적으로, 제 1 최적화 기준은 벽의 온도 상승의 최소화이다.

제 2 최적화 기준은 정화 과정의 효율이다. 광 촉매 작용의 전체 효율은 고려하에 있는 주거 공간을 정화시키는데 요구되는 시간을 줄이기 위해서 최대화되어야 한다.

상기 두 기준은 극값을 갖는 최적화 기능을 발생시킨다. 실제로, 제 1 기준을 만족시키기 위해서는 조명 장치에 의한 벽의 온도를 줄이는 것이 필요하고, 가능하다면 그 온도를 0 에 이르게 하는 노력이 필요하다. 제 2 기준에 대해서는, 정화 과정의 전체 효율을 최대화하여 조명 장치를 강화하기에 충분한 포톤 플럭스 (photon flux) 가 있어야 한다. 최적 조건은 최대 정화 효율을 유지하면서 최소 온도를 발생시키는 조명 장치를 결정하는 데 있다.

계산을 위하여, 상기 벽 (1) 의 외부 치수는 2 m 높이 (H_wall), 2 m 폭 (W_wall) 및 10 cm 두께 (t_wall) 로 정해지며, 크기 결정을 최적화할 수 있는 세 파라미터는 익스팬디드 금속의 격자 (2) 의 수이고, 조명 장치에서 사용되는 UVA 램프 (3) 의 수이며, 유동을 발생시키기 위한 팬 (5) 의 사용이다 (예컨대 도 5 를 참조).

도 2 에 도시되는 바와 같이, 사용되는 활성강 벽은 광 촉매 작용에 의해 공기 정화의 최적 시스템을 얻도록 특별한 기능을 각각 가지는 요소의 어셈블리, 즉 외부강 구조, 기본적으로 정면부 (10) 및 뒷면부 (15), TiO₂ 막이 증착되는 익스팬디드 금속 격자 (2), 금속 프레임 (4) 에 부착된 UVA 램프 (3) 을 갖는 조명 장치를 포함한다. 상기 어셈블리는 팬 (5) 및 벽 전체에 전력을 공급하는 전기함 (도시되지 않음) 에 의해 완성된다.

1. 외부 구조

활성벽 (1) 의 외부 구조는 강재 판을 포함한다. 이들 판의 표면 특성은 이산화 티타늄을 조명함으로써 주요 역할을 갖는다.

이산화 티타늄과의 접촉에 대한 광 촉매 작용의 최적 효율을 얻기 위하여, 모든 익스팬디드 금속 격자는 조명 장치를 구성하는 다양한 램프로부터 나오는 자외선으로 조명되어야 한다. 그렇게 하기 위해서는, 외부 구조의 강 외장의 내면이 아나타스 이산화 티타늄의 기준 파장보다 짧은 파장, 즉 387 nm 에 대하여 최대 반사율을 갖아야 한다. 따라서, 자외선에서 높은 (90 % 보다 높은) 반사율을 갖는 강, 예컨대 밝게 어닐링된 스테인레스강이 사용되어야 한다.

실시된 바람직한 실시형태에 따르면, 외부 구조의 정면부 (10) 는 1.9 m 길이와 5 cm 높이의 두 개구를 갖는다. 정면부 (10) 의 하부에 위치되는 개구 (11) 는 공기가 벽 안으로 들어가게 하여 이산화 티타늄과의 접촉에 대한 불균질 광 촉매 작용을 받게 되기 때문에 정화되게 만든다.

상기 정면부 (10) 의 상부에 위치되는 개구 (12) 는 그 정화된 공기가 처리되어질 공간으로 다시 보내지도록 만든다.

상기 개구의 치수는 여러 파라미터, 즉 처리되는 공기의 양, 공기가 벽 안에 유지되는 시간 및 벽의 유입부에서 유출부로의 공기의 속도에 따라 결정된다.

활성벽에 의해 처리되는 공기의 양을 최대화하기 위해서, 정면부의 하부에 위치되는 유입 개구 (11) 의 표면은 가능한 한 커야한다. 따라서, 정면부의 강도에 관한 기계적 제약 및 처리될 공기의 양에 관한 제약을 충족시키는 1.9 m 의 길이가 선택되었다. 유출 개구 (12) 의 길이는, 최대 정화 효율을 얻기 위해서 벽 안에서의 기류가 수평하게 일정해야 하기 때문에, 동일한 유입부 및 유출부 길이가 정확히 얻어지는 유입 개구 (11) 의 길이와 같다.

공기가 활성벽 안에 유지되는 시간을 최대화하기 위해서, 유입부와 유출부를 가능한 한 멀리 떨어져 배치시키는 것이 필요하다. 따라서, 유입 개구는 활성벽의 하부로부터 5 cm 떨어져 배치되었고, 유출 개구는 그의 상부로부터 5 cm 떨어져 배치되었다.

IAQ 표준에 따르면, 건물 내에 받아들일 수 있는 평균 공기 속도는 20 ~ 30 cm/s 정도이다. 또한, 한 사람을 위한 공기 재생율은 30 ㎥/hr 정도이다. 이들 두 조건을 충족시키기 위해서, 개구 (11, 12) 의 높이는 5 cm 로 정해진다.

2. 익스팬디드 금속 격자

익스팬디드 금속 격자 (2) 는 불균질 광 촉매 작용 과정을 위해 사용되는 반도체의 지지부를 형성한다. 실시되는 연구에서, 주로 아나타스 상태로 이산화 티타늄이 고려되었다.

상기 익스팬디드 금속은 기본 요소로서 메시 (6) 을 갖는 메트릭스로 정의된다 (도 3).

이 메시 (6) 는 4 개의 파라미터, 즉 긴 대각선 (LD_mesh), 짧은 대각선 (SD_mesh), 스트립의 폭 (WS_mesh) 및 두께 (th_mesh) 로 정의된다. 제 1 세 파라미터를 근거하여, 메시의 금속 표면 (S_steel) 은

로 나타낼 수 있다.

익스팬디드 금속의 4 개의 파라미터를 나타내기 위해서, 여러 파라미터, 즉 이산화 티타늄 막의 전체 표면 및 조명 장치에 의한 이 표면의 조도가 고려되어야 한다.

최적의 정화 효율을 얻기 위해서, TiO₂ 막의 전체 표면은 최대화되어야 한다. TiO₂ 가 익스팬디드 금속에 증착될 때, TiO₂ 로 덮힌 표면은 금속 표면 (S_steel) 과 동일하다. 이산화 티타늄이 메시 (6) 의 가장 두꺼운 부분에 증착되지 않는다면, 양 표면의 상기 동일성은 올바르다. 사용되어질 산업용 증착 방법에 근거하면, 상기 가정은 유효하게 고려될 것이다. 실제로, 산업상 적용에 있어서, 연속적 강 시트가 신장되기 전에 이산화 티타늄의 증착은 연속적 강 시트에 이루어지는데, 이는 메시의 가장 두꺼운 부분에는 이산화 티타늄이 결핍되어짐을 의미한다.

또한, 이산화 티타늄과의 접촉에 대한 불균질 광 촉매 작용 과정을 최대화하기 위해서, 반도체의 전체 표면에는 조명 장치로부터 나오는 UVA 광으로 조명되어야 한다. 활성벽이 여러 익스팬디드 금속 격자를 가질 수 있다면, 상기 광은 각 격자의 양 표면에 이를 수 있다. 그렇게 하기 위해서, 메시의 실제 표면 (S_steel) 과 메시의 표면 (S_mesh) 사이의 비는 최소가 되어야 한다.

이들 두 요구 조건을 충족시키기 위해서는, 1/3 정도의 S_steel 의 비가 적합하다.

MDB (Metal Deploye Belge S.A., Arcelor 그룹) 사에 의해 발간된 익스팬디드 금속의 카탈로그에 근거하면, 받아들일 수 있는 3 가지 금속이 선택되었고, 그들의 참조는 62.25.43.30, A28.15.21.10 및 A28.15.25.15 이며, 그 각각은 다음 치수들, 즉 (LD_mesh = 62 mm, SD_mesh = 25 mm, ws_mesh = 4.3 mm, th_mesh = 3 mm), (LD_mesh = 28 mm, SD_mesh = 15 mm, ws_mesh = 2.5 mm, th_mesh = 1 mm), (LD_mesh = 28 mm, SD_mesh = 15 mm, ws_mesh = 2.5 mm, th_mesh = 1 mm) 에 상응한다.

익스팬디드 금속형에 대한 최종 선택 기준은 그의 구조적 강성에 따른다. 익스팬디드 금속 격자는 활성벽에서 수직하게 배치된다. 내부 보강재를 포함한 벽을 반사 산란하는 것을 방지하기 위해서, 사용되는 익스팬디드 금속은 격자 주변에만 고정물로 수직하게 유지될 수 있어야 한다.

이 기준으로, 강성 기준을 충족시키기 위한 충분한 두께를 가지기 때문에 익스팬디드 금속으로서 62.25.43.30 을 최종 선택하게 된다.

3. 조명 장치

조명 장치는 일련의 CLEO 2 형의 25W UVA 램프 (필립스) 를 포함한다. 이러한 형태의 램프는, 즉 320 ~ 400 nm 에서의 파장에 대해 UVA 로 4.3 W 의 최대 출력을 갖는다. 이들 램프는 또한 UVA 에 대해 1.2 % 의 비를 갖는 UVB 복사선을 생성한다. 상기 램프의 크기는 516.9 mm 길이 및 16 mm 직경으로 되어 있다.

램프는 벽의 폭 (W_wall) 을 따라 세 열로 배열된다. 열의 수는 벽 크기를 계산하면서 결정된다. 열의 수를 결정하게 하는 조건은 공기 및 벽의 외부 구조의 최소 온도를 얻는 것이고, 이산화 티타늄이 증착되는 익스팬디드 금속 격자의 모든 표면의 최소 조명역 (minimum illumination threshold) 을 얻는 것이다.

4. 팬

팬 (5) 은 활성벽을 통해 공기의 순환을 일으킨다. 팬에 의해 발생되는 기류는 공기 재생을 위한 기준을 충족시켜야 한다. 그 기준은 주거 공간에 대해 30 ㎥/hour/person 정도의 공기 재생을 권장한다.

정화될 공간의 형태에 따라 기류의 조정이 관찰될 수 있다.

90˚ 로 설정된 접선 방향 팬, 즉 90˚ 까지 유동 방향을 바꿀 수 있는 Ziehl-Abegg 제품 및 QR 06-GKM70PB 형의 팬이 사용된다. 이러한 형태의 팬은 550 ㎥/hr 정도의 상당한 유동을 제공한다.

그 유동율은 엔진에 제공되는 전력을 제어하는 분압기(potentiometer)에 의해 조절된다.

도 4 는 90˚ 로 설정된 접선 방향 팬에서 유동 방향의 변형을 나타내고 있

다.

상기 팬은 활성벽의 상부에 배치되어, 그 벽을 통해 일정한 유동을 얻게 한다.

5. 전기함

활성벽의 작동은 조명 장치 및 팬에 공급하기 위한 전력원을 필요로 한다. 각각의 램프 및 팬을 위한 전기 플러그에 대한 요구를 피하기 위해서는, 전기함이 하부 코너에 설치되어야 한다. 이 전기함은 단일 전기 플러그에 의해 외부에서 공급되어, 상기 벽의 모든 전기적 요소에 필요한 에너지를 제공한다.

6. 유동 및 제한 조건

유동을 모델화하기 위해서는, 비압축성 및 정상 나비어-스톡 식이 사용된다. 유동에 대한 열 효과는 또한 보시네스크 근사법에 의한 모델로 소개된다. 상기 벽 및 유입 표면 내의 공기 유동율로 정의되는 레이놀드 수는 난류 모델의 사용을 정당화하기에 충분히 크다.

1 m/s 정도의 낮은 유동 속도 및 상기 벽의 낮은 온도의 레벨은 비압축성 접근법 및 보시네스크 근사법의 사용에 필요한 가설을 정당화시킨다.

6.1 역학적 제한 조건

공기 유량은 정화 장치의 유입부에 적용되어야 한다.

두 역학적 제한 조건은 공기 유입부에 적용되어야 한다. 수치 연구 중에 변화될 공기의 유량 (Q_air) 및 유입 표면에 수직일 유동 방향이 소개된다.

유출부에서는, 하나의 제한 조건만이 요구된다. 참조 압력 값이 적용된다.

6.2 난류 제한 조건

정화 장치의 유입부에는, 난류 운동 에너지 (k) 및 난류 운동 에너지의 소산 (ε) 에 대한 조건이 적용되어야 한다. 이들 조건은 상기 장치의 유입부로부터 상류로의 유동에 따르고, 이 유동이 수치적 시뮬레이션으로 모델화되지 않기 때문에 측정하기가 매우 어렵다.

상기 제한 조건을 나타내기 위해서, 본 발명의 목적에 관해서 설명할 것이다. 정화벽의 크기 결정에 관련한 본 발명에서, 장치의 효율은 공기 정화에 의하여 측정되어야 한다. 공기의 혼합이 반도체의 표면으로 오염물질의 최적 운반을 보장하기 때문에 정화 과정을 촉진하는 것으로 나타날 수 있다. 이 공기 혼합은 난류의 수준을 주로 특징으로 하는데, 즉 난류가 크면 클수록 오염 물질이 더 균질화된다.

가장 특이한 경우, 즉 혼합이 최소가 되는 경우를 연구하기 위해서, 정화 장치의 유입부에서의 유동을 층류 유동이라 가정한다. 벽 내부에서만 난류가 발생된다. 따라서, 난류성 운동 에너지 및 그의 소산을 위한 유입부에 적용될 제한 조건은 매우 간단해진다. 상기 난류성 운동에너지 및 그의 소산은 없는 것으로 할 수 있다.

6.3 열적 제한 조건

열적 제한 조건에 대하여, 4 개의 다른 조건, 즉 정화 장치의 유입부에서의 제한 조건, 램프에 대한 제한 조건, 벽의 내부 요소에 대한 제한 조건 및 이산화 티타늄을 갖는 익스팬디드 금속 격자의 많은 파트에 대한 제한 조건이 정의된다.

열적 제한 조건의 일반적인 식은 대류 유동, 복사 유동, 전도 유동 및 외부 유동을 통합하여 나타난다. 이러한 일반적인 식은 고려되는 표면의 함수로 간단해진다.

A) 정화 장치의 유입부

이 제한 조건은 가장 간단하다. 그 조건은 정화벽에서 평균 온도 수준을 결정하도록 만들 것이다. 그렇게 하기 위해서는, 20℃ 의 온도가 적용되어야 한다.

T_intake = 20℃ (1.3)

B) 램프

에너지 입력은 4.3W 의 조명 전력을 보장하는 CLEO 형 25W 램프의 장치에 의해 수행된다. 각 램프에 대한 제한 조건은

이고, 램프의 열 유동은

이며, 여기서 R_lamp 는 램프의 반경 (8mm) 이고, L_lamp 는 램프의 길이 (517mm) 이다.

C) 벽의 내부 요소

벽에 대한 열적 제한 조건은 밝게 어닐링된 스테인레스강의 판 내부에서의 전도 교환과 벽 외부에서의 대류 및 복사 교환이 고려되어야 하기 때문에 매우 복잡하다. 이러한 유형의 데이터는 정확하게 나타나지 않을 수 있다.

2 가지 해법을 생각해 볼 수 있는데, 제 1 해법은 평균 외부 대류 및 복사 교환 계수를 사용하는 것이고, 제 2 해법은 정화 장치의 크기를 결정하는데 적어도 유리한 경우를 가정하는 것이다. 여기서는, 제 2 해법을 선택한다. 실제로, 정화벽이 적어도 유리한 조건에서 최소의 온도로 얻어질 수 있다면, 모든 경우에도 확실히 적용될 수 있다.

적어도 유리한 경우를 분석해 보기로 하자. CLEO 형의 UV 램프를 갖는 조명 장치가 벽에 작동되면, 익스팬디드 금속 격자 및 밝게 어닐링된 스테인레스강의 판은 가열될 것이다. 벽의 정면부는 인접 공간의 공기 온도와 직접 접촉하게 된다. 이에 따라, 상기 정면부에서 인접 공간으로 열 전달을 하게 된다. 따라서, 상기 인접 공간은 정면부의 온도를 내리는 경향이 있다. 상기 유리한 경우는 인접 공간의 공기가 바로 정면부의 온도 값에 이른다고 가정할 수 있는데, 이 조건이 단열성 조건이다. 국부적으로 온도를 상승시킬 수 있는 정면부의 외부 조도의 가능성은 고려되지 않는다.

정면부의 전도 유동과 외부 대류 및 복사 유동과의 합이 제로라면, 단열성 조건이 사용된다.

따라서, 제한 조건은

이고, 여기서 q〃_light 는 램프로부터 표면에 이르는 광속 (light flux) 이고, α_stainless 는 밝게 어닐링된 스테인레스강의 흡수 계수이다.

밝게 어닐링된 스테인레스강의 흡수 계수는 적외선에서 0.15 정도이고, 자외선에서 0.3 정도의 값을 갖는다.

D) 익스팬디드 금속 격자

익스팬디드 금속 격자는 계산으로 완전하게 구현될 수 있다. 따라서, 조명 장치로부터 에너지 입력으로 인한 추가 입력을 갖는 제한 조건의 연결형이 사용된다.

7. 오염 물질 및 이론적 정화 모델

정화 장치, 정화벽은 광범위한 오염 물질로 구성된 복합 혼합물에 대해서 작용되어야 한다. 오염 물질은 휘발성 유기 화합물 (VOCs) 의 일반 명칭 하에 집단화되어 있다. 건물 내의 오염 수치를 조절하는 기준은 각 오염 물질 뿐만 아니라 휘발성 유기 화합물의 전체양 (TVOC) 에 대해 제한을 부과한다. 허용되는 평균 농도는 200 ~ 500 ㎍/㎥ 정도이다. 이 농도 수준은 각 오염 물질에 대한 ppm_volume 이하의 값과 일치한다.

주요 오염 물질은 6 개의 카테고리, 즉 알칸, 알콜, 알데히드, 케톤, 방향족 화합물 및 테르펜으로 분류된다.

오염 물질의 제 1 카테고리는 알칸의 카테고리이다. 알칸은 수소 원자가 결합되는 탄소 체인으로만 구성되는 분자이다 (표 1).

각 화합물의 평균 농도를 합함으로써 얻어지는 알칸의 전체 농도는 103 ㎍/㎥ 이다.

알칸의 일반적인 카테고리에서는 환식 탄소 체인을 갖는 화합물이 있다. 이들 화합물에는 사이클로알칸이 있다 (표 2).

사이클로알칸은 이 알칸의 카테고리에 속하는 화합물의 작은 일부를 나타낸다. 상기 사이클로알칸의 총 농도는 14 ㎍/㎥ 이다.

열거된 휘발성 유기 화합물의 제 2 카테고리는 알콜의 카테고리이다 (표 3).

이 카테고리에 속하는 4 개의 주요 오염 물질은 각각 농도를 가지며, 그 총 농도는 69 ㎍/㎥ 이다.

제 3 카테고리는 알데히드 화합물을 특징으로 한다. 이들 화합물은 각각의 농도를 가지며, 특히 이들 화합물 중 포름알데히드와 아세트알데히드의 농도가 가장 높다 (표 4).

이 카테고리의 각 화합물의 농도의 총 합은 116 ㎍/㎥ 이다.

제 4 카테고리는 케톤의 카테고리이다. 도 5 에 열거된 세 화합물은 30.8 ㎍/㎥ 의 총 농도를 갖는다.

제 5 카테고리에 속하는 화합물로 방향족 화합물이 있다. 이 카테고리는 또한 고농도를 갖는 화합물, 즉 톨루엔을 포함한다 (표 6).

방향족 화합물의 총 농도는 86 ㎍/㎥ 이다.

최종 카테고리는 테르펜 화합물을 포함한다 (표 7). 그 화합물의 농도는 76.8 ㎍/㎥ 이다.

휘발성 유기 화합물의 총 농도는 420 ㎍/㎥ 이다.

오염 물질들의 이러한 비소모성 표는 그 오염 물질의 평균 농도가 ppm_volume 보다 낮음을 나타내고 있다. 복합 혼합물에 대한 실험 분석이 저농도를 나타내는 동안에, 각 오염 물질은 마치 실험 챔버 내의 단지 오염 물질이었던 것처럼 이산화 티타늄과의 접촉에 대한 광 촉매 작용에 의해 정화 과정을 겪는 것을 볼 수 있었다. 이 특성은 상기 언급된 모든 화합물을 정화 장치를 크기 결정하기 위한 알고리즘으로 나타내기 위해 사용된다. 상기 특성을 사용할 때, VOCs 의 총 농도, 즉 420 ㎍/㎥ 인 초기 농도를 갖는 실험 오염 물질 (A) 이 정의된다.

상기 언급된 정화 모델의 파라미터는 아세트알데히드 정화의 경우에 정확히 정의된다. 이들 파라미터, 즉 양자 효율 및 참조 농도는 이산화 티타늄에 이르는 포톤 플럭스에 따른다. 포톤 플럭스에 대해 결정된 1.66*10^-4, 7.26*10^-4 및 2.56*10^-4 einstein/㎡/s 의 파라미터의 세 값을 각각 근거로 하여, 양자 효율 및 참조 농도를 위해 보간 함수가 정의된다. 이들 보간 함수는 포톤 플럭스의 함수로서 정화 파라미터의 값을 얻게 한다. 그 값의 정확성은 입사 포톤 플럭스가 1.66*10^-4 와 2.56*10^-4 einstein/㎡/s 사이에 있는 한 보장된다.

아세트알데히드에 대한 정화 파라미터의 정확한 지식은 이 화합물을 상기 표에서 언급된 모든 VOC 화합물을 나타내는 실험 오염 물질로 만든다.

따라서, 발명에 따른 정화 장치는 213 ppb_volume 에 상응하는 420 ㎍/㎥ 의 농도의 아세트알데히드로 단지 오염되는 공기라고 가정하여 크기 결정된다. 크기 결정을 위한 안정성 허용 범위를 보장하기 위해서, 아세트알데히드의 농도는 아마 1 ppm_volume 일 것이다.

실험 결과를 분석하는 동안에, 어떠한 중간 생성물도 분무 증착된 이산화 티타늄의 막과 접촉에 대한 아세트알데히드의 분해 과정에서 나타나지 않았다. 따라서, 고려되는 분해 반응만이 수산기에 의한 아세트알데히드의 분해 반응이다.

제한 조건으로서 정화벽에서 아세트알데히드의 분산의 전체 계산으로 본 발명의 이론적 정화 모델의 사용은, 다른 경우에 결정된 값에 대한 보간 함수에 의해 얻어지는 정화 파라미터 (도시되지 않음) 의 결정, 아세트알데히드 분해에 대한 함수에 의해 얻어지는 화학 양론 계수의 결정 및 이산화 티타늄 표면에 이르는 포톤 플럭스의 결정을 요구한다.

7.1 포톤 플럭스

포톤 플럭스의 측정은 최적화 알고리즘에서 중요한 단계이다. 이 계산을 위해, 시각적 계산 소프트웨어, 예컨대 SPEOS 소프트웨어 (프랑스, Optis 사) 가 사용된다. 이 소프트웨어는 물리 법칙에 따른 광선의 전파를 계산함으로써 조명 차트 및 광 플럭스 차트를 결정한다. 이들 차트는 소정의 표면에 대하여 빛의 세기 분포의 공간 함수 (F_SPEOS) 를 정의한다.

여기서, x, y 는 표면 상의 한 점에 제공되는 공간 좌표이고, total_spectrum 은 사용된 램프의 전체 방출 스펙트럼이며, I 는 빛의 세기 (W/㎡/nm) 이고, λ 는 복사 파장 (nm) 이다.

본 발명의 이론적 정화 모델에 대해, 포톤 플럭스, 즉 단위 시간당 한 좌표점 (x, y) 의 조사된 표면에 이르는 포톤의 수가 결정되어야 한다.

조명 차트 및 포톤의 수 (N_hv) 로부터 얻어진 데이터를 결합시키기 위해서, 다음의 가설이 따를 것이다. 빛의 세기 (I)(λ, x, y) 는 3 개의 기여 요소로 나뉠 수 있는데, 제 1 기여 요소는 빛의 세기의 기준 ()이고, 제 2 기여 요소는 단지 고려되는 표면 상의 점의 공간 위치 ((x,y))에 따르며, 제 3 기여 요소는 스펙트럼 의존도 ((λ)) 를 나타낸다. 최종 두 값은 정상화된다.

빛의 세기의 이 정의 (1.8) 를 소개함으로써, 조명되는 표면의 점 (x, y) 에 이르는 포톤 플럭스의 식은

으로 다시 쓰여지고, 여기서 E(hv)=hv=h.c/λ 이다.

반도체에 의해 흡수될 수 있는 파장에 대한 적분은 공급원의 방출 스펙트럼이 알려지면 계산될 수 있다 (일반적으로 램프 제조 회사에 의해 제공됨). 필립스 사로부터 제조된 CLEO 형 램프에 대해, 조명 장치와 조명된 표면 사이의 거리에 따라 빛의 세기가 감소되었다. 스펙트라가 정상화되면, 제조자에 의해 제공되는 램프에 대한 방출 스펙트럼을 얻을 수 있다.

제조자에 의해 공급되는 데이터로부터만 계산될 수 있고 전체 조명된 표면에 대해 일정한 정상화된 포톤 플럭스 (F_hv _,0) 는 따라서

으로 정의된다.

만일, 상기 비 (1.8) 이 또한 식 (1.7) 으로 나타내어 진다면, 함수 (F_SPEOS) 의 다음 식이 얻어진다.

이 식 (1.11) 에서, 광원의 제조자의 데이터로부터 직접 계산될 수 있는 항목은 또 다시 얻어진다.

식 (1.10, 1.11, 1.12) 을 단위 시간당 조명된 표면에 이르는 포톤의 수 (1.9) 의 계산으로 나타낼 때, 식은 다음과 같다.

(여기서, / = 2.48*10^-6)

이 식 (1.13) 을 사용할 때, SPEOS 소프트웨어 (F_SPEOS(x, y)) 에 의해 제공되는 조명 차트 및 광원에 대한 스펙트럼 데이터, 촉매의 표면 상의 각 점에 이르는 포톤 플럭스는 계산될 수 있다.

7.2 조명 차트

앞선 단락에서, SPEOS 소프트웨어에 의해 얻어진 조명 차트 및 광원의 스펙트럼 특성를 근거하여 본 발명의 정화 모델을 위한 유용한 모든 데이터가 사용될 수 있었다.

조명 차트를 얻기 위해서, 정화 벽의 3차원 모델이 SPEOS 소프트웨어에서 소개된다. 유동 시뮬레이션에 사용되는 기하학적 모델에 관해서는, 필수 요소, 중요 요소 및 무시해도 좋은 요소가 결정된다. 그럼에도 불구하고, 세 카테고리 중 각각에 정의되는 요소는 CFD(전산 유체 동역학) 의 자료 내에 정의되는 요소와는 다르다. CFD 시뮬레이션의 목적과 SPEOS 소프트웨어의 목적은 다르기 때문에, 세 카테고리의 요소를 다르게 열거하는 것이 일반적이다.

CLEO 형 25W UVA 램프 및 정화 장치의 정면부 및 후방부는 필수 요소, 즉 기하학적 특성 및 실재와 동일할 수 있는 공간 위치를 갖는 요소에 포함된다.

정화 격자는 중요 요소, 즉 기하학적 모델에서 고려되어야 하지만 실재와는 다른 기하학적 및 공간적 위치로 설명될 수 있는 요소에 포함된다. 3 mm 의 격자 두께는 조명 계산에서 중요 역할을 하지 못한다. 격자의 두께에 의해 야기될 수 있는 그림자는 무시될 수 있다. 상기 격자는 2차원 평면일 것이다.

팬, 벽의 수직 측면 뿐만 아니라 상부 및 하부, 다른 전기 장치를 위해 서플라이를 갖는 전기함, … 은 무시해도 좋은 요소에 포함되는데, 즉 시뮬레이션의 목적에 대한 그 요소의 영향은 무시될 수 있다. 팬, 전기함, … 은 이들을 만드는 재료가 UVAs 의 범위에서 매우 짧은 반사율을 가지기 때문에 무시되는데, 이는 이산화 티타늄으로 덮힌 격자의 표면 뒤로 반사되는 에너지의 양이 무시될 수 있다는 것을 의미한다. 벽의 상부, 하부 및 측면부에 대하여, 그들과 수직인 격자의 조명에 대한 그 효과는 또한 무시될 수 있다.

본 발명의 기하학적 모델의 요소가 정의될 때, 시뮬레이션에 필요한 파라미터는 소개된다. 모든 표면은 빛에 관련한 물리적 특성, 즉 고려될 반사광의 형태, 람베르시안, 가우시안 또는 다른 특성,…을 특징으로 하며, 이는 재료의 표면 상태, 반사성의 스펙트럼 의존도 등에 따른다. 광원에 대하여, 그들의 방출 스펙트라 및 그들의 전력이 소개된다.

SPEOS 소프트웨어를 사용한 시뮬레이션은 각각의 익스팬디드 금속 격자 상의 각 점에 이르는 에너지의 양을 제공해야 한다. 이러한 정보를 얻기 위해서, 또한 조명 차트에 대한 처리를 수행해야 한다. 실제로, 조명 차트는 고려되는 점의 에너지의 양을 알아내기 위해서 한 점에서 상기 차트를 가로지르는 광선의 수를 "카운트(count)" 하는 단순히 평평한 2차원 표면이다 (도 5a). 유사하게, SPEOS 소프트웨어는 직접 및 간접 조명에 의해 격자에 이르는 빛의 세기의 프로파일을 그리게 한다 (도 5b 의 예를 참조).

또 다른 처리로는 익스팬디드 금속 격자의 실제 표면에 생조명 차트를 투사하는 데 있다. 이 연산은 익스팬디드 금속이 위치되는 곳을 제외하는 모든 곳에서 0 인 함수 Г(x, y) 와 상기 생조명 차트를 곱함으로써 간단히 수행되는데, 이 경우에는 상기 연산은 1 과 같다. 본 발명의 정화 모델로 나타내기 위한 빛의 세기의 차트가 얻어진다 (도 6).

이들 빛의 세기 차트를 나타내기 위한 두가지 방법으로,

1) 모든 데이터를 계산 코드로 사용될 파일로 나타내는 것,

2) 빛의 세기의 공간적 분포를 나타내는 수학적 함수를 정의하는 것이 유용하다.

상기 두 번째 방법이 특정 조건에서 분석적인 해법을 얻게 만들기 때문에 선택된다. 수학적 함수는 다음 형태를 갖는다.

여기서, F_SPEOS 는 고려되는 표면 상의 빛의 세기의 분포를 나타내는 공간 함수이고, x, y 는 조명된 표면 상에 고려되는 점의 좌표이며, g(k_x, k_y) 는 함수 F_SPEOS 의 퓨리에 변환이고, k_x, k_y 는 각각 x, y (2π/λ_x, 2π/λ_y) 에 따른 파동수이며, R 은 적분의 실수 부분이고, Г(x, y) 은 익스팬디드의 실제 표면에 대한 생조명 차트의 투사 함수이다.

이것은 퓨리에 적분이다. 이 함수 F_SPEOS (x, y) 는 본 발명의 정화 모델에 사용된다. 빛의 세기의 어떤 분포에 대하여, 진폭 g(k_x, k_y) 의 평면 파동은 파동의 전체수 (0, ∞) 에 대하여 적분되어야 한다. 관찰해보면, 이 퓨리에 적분은 고려되는 장치의 기하학적 특성이 주기성을 나타내고 있기 때문에 퓨리에 급수로 간단해질 수 있다.

제 1 접근법으로, 빛의 세기가 수평으로 일정하여, 퓨리에 적분에서 x 에 대한 종속항을 제거할 수 있다. 또한, y 에 따른 램프의 주기성은 상기 적분을 두 램프 사이의 거리의 파장 배수의 합으로 대체하도록 만든다.

여기서, A_j 는 파동 (j) 의 진폭이고, d_lamp 는 두 램프 열 사이의 거리이다.

일반적으로, 이 총합은 무한수의 기여요소를 나타낸다. 어떤 경우에는, 무한개의 식의 합을 유한개의 식의 합으로 줄이는 일부 제 1 모드의 기여요소만이 중요하다.

따라서, ㅊ함수 (F_SPEOS) 를 얻기 위해서는, SPEOS 소프트웨어를 통한 시뮬레이션에 의해 제공되는 생조명 차트에 대한 퓨리에 해석이 이루어진다.

이 해석은 식 (1.15) 에서 정의되지 않는 파라미터, 즉 퓨리에 분해 계수 (A_j) 만을 제공한다.

7.3 전개 방정식 및 제한 조건

정화 장치의 목적은 고려되는 공간의 공기의 볼륨을 연속적으로 정화하는 데 있다. 따라서, 정화 장치의 효율은 정상 모드에서 고려되어야 한다. 따라서, 아세트알데히드의 농도에 대한 전개 방정식은 정상 전개 방정식 (이류 확산 방정식) 이다.

여기서, (m/s) 는 공기 속도의 범위이고, C_A (kg/㎥) 은 오염 물질 (A) 의 농도이며, D_A 는 오염 물질 (A) 의 확산 계수이고, 이 확산 계수는 분자 기여요소와 난류 기여요소로 구성되고, 공기 온도 (T(K)), 전체 압력 (p^tot) 및 난류 점도 (μ^t) 를 갖는다.

정화벽의 외부 프레임의 내부 요소에 대해, 제한 조건으로서 질량 유동의 제거가 유지된다. 엑스펜디드 금속 격자에 대해, 본 발명의 정화 모델이 아세트알데히드에 대하여 소개되고 있다. SPEOS 소프트웨어 및 정화 파라미터의 보간 함수로부터 얻은 데이터의 소개는 시간에 따른 아세트알데히드의 감소에 대한 식을 나타내게 한다.

정화벽의 크기 결정을 알아내기 위해서는, 벽 유입부의 농도가 적용되어야 한다. 정상 모드에서 정화 장치의 효율이 계산될 수 있기 때문에, 1 ppm_volume 과 동일한 일정한 농도가 적용된다. 벽 유출부에서는, 어떠한 조건도 적용되지 않는다.

7.4 정화 장치 효율의 정의

정화 장치의 크기를 결정하기 위해서, 정화 성능을 측정하기 위한 기준이 정의되어야 한다. 그러하기 위해서, 장치로 유입되어 나오는 오염 물질 유속은

여기서, Q_A _{,intake-outlet} 은 정화 장치의 유입부 또는 유출부에서의 오염 물질의 유량이고, C_A 는 정화 장치의 유입부 또는 유출부에서의 오염 물질의 농도이며, 는 정화 장치의 유입부 또는 유출부에서의 속도 범위이고, 은 유입부에서 정화 장치의 내부로부터 유출부 외부를 향하는 고려되는 표면의 법선이다.

오염 물질의 유량에 근거하여, 오염 물질 (A) 에 대한 정화벽의 효율 (μ_A,wall) 은 다음과 같이 정의된다.

이 정의 (1.18) 는 시스템이 전부 작동하지 않으면, 0 과 시스템이 완벽히 작동하면, 1 사이에서 변하는 값을 가지게 하며, 1 값을 갖는 시스템은 어떠한 오염 물질도 정화될 공간으로 들어가지 못하게 하는 정화 장치와 일치한다.

도 7 은 정화 장치의 최적화 알고리즘을 요약하여 나타내고 있다.

7.5 2차원 접근법

정화벽의 기하학적 형상은 완전 3차원 접근법 대신 2차원 접근법으로 문제를 다루게 한다. 축을 따르는 속도 성분 (도 1) 은 축을 따르는 수직 및 수평 속도에 비해 무시될 수 있다. 정화 장치의 연구는 수직 단면에 대해 수행된다. 3차원 효과는 두 수직 측벽의 효과가 감지될 수 있는 두 단부를 제외한 벽의 전체 폭에 대해서는 무시될 수 있다. 제 1 연구에서, 이들 3D 효과는 전체 벽의 2차원 유동을 가정하기 위해서 무시된다.

이 2차원 접근법에서는 2D 경우를 위해 계발된 계산 코드를 사용하게 된다.

벽의 설명으로, 촉매 (TiO₂) 가 증착되는 익스팬디드 금속 메시의 크기가 정의되었다. 익스팬디드 금속 격자는 유동에 대한 2차원 접근법을 제공하기 위해 정의되는 수직 단면에 수직한 평면 (0, , ) 에 위치된다. 익스팬디드 금속을 모델화하기 위해서, 그의 주요 효과가 다루어져야 한다. 상기 익스팬디드 금속은 이산화 티타늄을 증착하는데 사용된다. 상기 모델에서 유지되어야 하는 주요 특성은 익스팬디드 금속의 표면과 격자의 전체 표면 사이의 비 (S_steel) 이다.

익스팬디드 금속은 표면 비가 유지되도록 하는 구멍 크기를 갖는 관통 벽으로서 모델화된다 (도 8 : 1 개의 격자 및 3 개의 램프). n_grates 개의 익스팬디드 금속 격자를 갖는 활성벽에 대하여, 이산화 티타늄의 전체 표면이 다음과 같이 얻어진다.

S_TiO2 = 2 n_grate S_steel H_wall L_wall (1.19)

인자 2 는 이산화 티타늄이 격자의 양면에 증착되는 것을 나타낸다.

도 9 는 1 개 격자가 사용되는지 또는 2 개의 격자가 사용되는지에 따라 및 자연 통풍 또는 강제 통풍이 있는지에 따라 UVA 램프 열의 수의 함수로서 정화벽의 효율 곡선을 나타낸다. 램프의 열의 수가 가장 많고 (4 개의 램프), 2 개의 격자 및 자연 통풍일 때, 가장 높은 효율을 얻는다.

TiO₂ 막의 활성체로서 UVA 플럭스의 사용은 정화벽 내부에서의 온도 상승을 야기한다. 외부면에 대한 온도 증가의 프로파일을 결정하기 위해서, 복사열, 대류열, 전도열의 유동을 고려하면서 유동 및 온도 범위를 계산할 수 있는 CFD 소프트웨어가 사용되었다. 도 10 은 램프의 수 및 자연 또는 강제 대류에 따라 벽의 높이 (y) 의 함수로서 온도 증가 (△T = T - T0) 의 예를 제공한다.

Claims

바람직하게는 벽 패널 (1) 형태로 되어 주거실의 공기의 연속적 광 촉매 정화용 장치로서,

- 바람직하게 강으로 제조된 외부 금속 구조물,

- 벽의 정면부 (10) 의 하부에 위치되고 처리될 공기의 유입을 위한 개구 (11),

- 일련의 UVA 램프 (3) 가 부착되는 내부 금속 프레임 (4),

- 광 촉매 이산화 티타늄 (TiO₂) 을 갖는 막에 의해 덮힌 지지부를 포함하는 필터 (2),

- 벽의 정면부 (10) 의 상부에 위치되며 정화된 공기의 유출을 위한 개구 (12) 를 포함하고, 상기 장치의 내부의 기류가 1 개 이상의 팬 (5) 을 통한 강제 순환 또는 자연 순환에 의해 일어나는 광 촉매 정화용 장치에 있어서,

UVA 광에 의해 조명되는 광 촉매의 표면을 최대화하기 위해서, 주로 아나타스 상 (anatase phase) 인 이산화 티타늄 (TiO₂) 을 갖는 막에 의해 덮힌 익스팬디드 금속으로 제조된 1 개 이상의 격자 (2) 를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 촉매 정화용 장치.
제 1 항에 있어서, 외부 금속 구조물은 강으로 제조되거나, 400 nm 보다 짧은 파장에 대해 90 % 보다 큰 반사율을 가지는 얇은 층으로 덮힌 내부 표면을 갖는 것을 특징으로 하는 광 촉매 정화용 장치.
제 2 항에 있어서, 외부 금속 구조물은 밝게 어닐링된 스테인레스강으로 제조되는 것을 특징으로 하는 광 촉매 정화용 장치.
제 1 항, 제 2 항 또는 제 3 항 중 한 항에 있어서, 외부 구조물의 정면부 (10) 는 1.5 m 이상, 바람직하게는 2 m 의 폭을 가지며, 공기를 위한 유입 및 유출 개구 (11, 12) 는 상기 정면부 (10) 의 길이보다 약간 짧은 길이를 가지며 3 cm 보다 큰, 바람직하게는 5 cm 의 높이를 갖는 동일한 폭의 슬릿의 형태로 되어 있는 것을 특징으로 하는 광 촉매 정화용 장치.
제 4 항에 있어서, 상기 개구 (11, 12) 는 상기 정면부 (10) 의 상단부 및 하단부로부터 각각 10 cm 미만, 바람직하게는 5 cm 떨어져 위치되는 것을 특징으로 하는 광 촉매 정화용 장치.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 익스팬디드 금속은 익스팬디드 강이고, 메시 (6) 의 가장 두꺼운 부분의 표면을 제외하고 이 익스팬디드 강의 메시 전체 표면 (S_steel) 은,

이며, 여기서 LD_mesh 는 긴 대각선이고, SD_mesh 는 짧은 대각선이며, ws_mesh 는 메시의 스트립이고, 상기 표면은 TiO₂ 막으로 덮히는 것을 특징으로 하는 광 촉매 정화용 장치.
제 6 항에 있어서, 메시 (6) 는 물리적 표면 (S_steel) 과 전체 표면 (S_mesh) 사이의 비 (s_steel), 즉

을 최소화하도록 선택되고, 상기 비는 바람직하게는 1/3 인 것을 특징으로 하는 광 촉매 정화용 장치.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 격자 (2) 는 격자의 주변에만 위치되는 고정물로 수직하게 유지되는 것을 특징으로 하는 광 촉매 정화용 장치.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, UVA 램프 (3) 는 벽의 폭을 가로질러 세 열로 배치되는 것을 특징으로 하는 광 촉매 정화용 장치.
제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 팬 (5) 은 접선 형태로 90˚로 설치되고 벽의 상부에 위치되며, 팬의 수는 주거실 안에서 적어도 30 ㎥/시간/개인의 공기가 재생되는 것을 보장하도록 선택되는 것을 특징으로 하는 광 촉매 정화용 장치.
제 1 항, 제 2 항 또는 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 원형, 직사각형 또는 정사각형 단면의 실린더 형태를 가지고 이 실린더 축을 따라 1 개 이상의 UVA 조명 관을 가지며 광 촉매 (TiO₂) 로 덮힌 익스팬디드 금속 격자로 둘러싸여지며, 상기 실린더의 내면은 90 % 보다 큰 반사율을 갖는 것을 특징으로 하는 광 촉매 정화용 장치.
알칸, 알코올, 알데히드, 케톤, 방향족 화합물 및 테르펜과 같은 휘발성 유기 화합물을 이산화 티타늄의 광 촉매 작용으로 파괴하는데 사용되는 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따른 정화 장치의 용도.
플라스터, 페인트 또는 벽지와 같은 마무리재로 덮힌 외부 금속 표면을 가지는 벽 패널, 분할 벽, 마루, 천장, 가천장(false ceiling) 등과 같은 구조용 또는 장식용 요소의 형태로 건축 분야에서 사용되는 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 정화 장치의 용도.
공기 덕트의 형태로 사용되는 제 11 항에 따른 정화 장치의 용도.
제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 공기 정화 요소의 크기 결정을 최적화하기 위한 방법에 있어서,

a) 장치의 외부 기하학적 형상을 정하는 단계와,

b) 익스팬디드 강으로 제조된 격자 (2) 및 조명 장치 (3) 의 수를 정하는 단계와,

c) 격자의 조도 (illumination) 를 계산하는 단계 (만일, 빛의 세기가 설정된 한계치보다 크지 않다면 단계 b) 로 돌아간다),

d) 기류 및 온도 분포를 계산하는 단계 (만일, 강 벽 (11, 15) 이 온도 상승되면 단계 b) 로 돌아간다),

e) 오염 물질의 농도 변화를 계산하는 단계 (만일, 전체 정화 효율이 미리 정해진 한계치보다 크지 않다면 단계 b) 로 돌아간다), 및

f) 최적 치수를 갖는 정화 또는 오염 물질 제거 요소를 얻는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.