KR20090039721A - 정전기 입자 필터 - Google Patents

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KR20090039721A
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요한 마라
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코닌클리케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
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Abstract

본 발명은 공기로부터 입자를 제거하는 정전기 입자 필터에 관한 것이다. 이 정전기 입자 필터는 제 1 및 제 2 반대면을 구비하는 필터 매체(3), 각기 필터 매체(3)의 제 1 및 제 2 면상에 공형으로 제공되는 제 1 전극(1)과 제 2 전극(2)을 포함한다. 제 1 전극(1), 제 2 전극(2) 및 필터 매체(3)는 이 필터 매체를 통과하는 전기적 전도 전류를 허용하도록 배열된다. 제 1 전극(1)은, 30%의 상대 습도에서, 스퀘어(square)당 약 106옴의 하한값과 스퀘어당 약 1012옴의 상한값 범위 내의 시트 저항을 갖는 중간 정도의 전도성 전극이다. 본 발명은 또한 정전기 입자 필터, 및 입자 충전부(6)를 포함하는 정전기 여과 시스템에 대한 것이다.
여과기, 필터, 정전기, 여과시스템, 공기청정기

Description

정전기 입자 필터{ELECTROSTATIC PARTICLE FILTER}
본 발명은 공기로부터 입자를 제거하기 위한 정전기 입자 필터에 관한 것으로서, 이 정전기 입자 필터는 제 1 및 제 2 반대면을 갖는 필터 매체, 입자를 포함하는 대기 흐름을 위해 투과성이 있고, 각기 필터 매체의 반대면상에 공형(共形)으로 제공되는 제 1 전극 및 제 2 전극을 포함한다. 또한, 본 발명은 정전기 입자 필터, 및 입자 충전부를 포함하는 정전기 여과(filtration) 시스템에 대한 것이다.
공기로부터 입자를 제거시 사용을 위한 정전기 공기 필터는 미국특허번호 제US5549735호로부터 알려져 있다. 알려진 정전기 공기 필터는 필터 매체, 필터 매체의 반대면에 위치된 절연 전극 및 비절연 전극을 포함하는 전극쌍을 포함한다. 필터 효율성의 정전기적 증가는 필터 매체의 반대면에 위치된 전극 사이의 전위치를 인가함으로써 실현된다. 절연 전극은 전선 또는 압연 띠를 침액(dipping) 또는 스프레이하기, 전선과 동시에 절연체를 압출 성형 또는 사출 성형하기, 및 전선 주위에 사출 성형된 절연체 절반을 접합시키기와 같은 당업계에 알려진 방법에 의해 준비된다. 절연 전극의 목적은 높은 전기장이 필터 매체 내에 만들어지는 경우 전극 사이의 전기적 아크를 예방하는 것과 같은, 필터 매체를 관통하는 절연 전극과 비절연 전극 사이의 전도성 경로의 성립을 방지하는 것이다.
본 발명의 발명자는 알려진 정전기 공기 필터가 동작 동안 여과 효율성에서 급격한 감소를 보일 수 있음을 깨달았다.
본 발명의 목적은, 특히 동작중 연장된 시간 기간 동안 효율적이고, 그 효율성을 유지 또는 적어도 실질적으로 유지하는 서문에 설명된 종류의 정전기 입자 필터를 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 이 목적은 상기 제 1 전극, 제 2 전극 및 필터 매체는 전기적 전도 전류가 상기 필터 매체를 통과하는 것을 허용하도록 배열되고, 상기 제 1 전극은, 30%의 상대 습도에서, 스퀘어(square)당 약 106옴의 하한값과 스퀘어당 약 1012옴의 상한값 범위 내의 시트 저항을 갖는 중간 정도의 전도성 전극이라는 점에서 실현된다.
일반적으로, 정전기 입자 필터는, 예를 들면 빌딩 또는 자동차 안에 사용될 수 있는 공기 청정기, 공기 취급 시스템, 또는 에어콘 시스템의 일부이다. 대안적으로는, 이러한 정전기 입자 필터는 또한 정전기 입자 필터, 및 사용자의 입과 코를 둘러싸기 위한 흡입 마스크를 포함하는 예를 들면 공기 청정 유닛으로 구성된 휴대용 개인 공기 청정기의 일부가 될 수 있으며, 이 마스크는 공기 청정 유닛에 연결된다.
제 1 전극, 제 2 전극, 및 필터 매체를 포함하는 정전기 입자 필터의 여과 효율성은 절대적으로 필터 매체 내에 존재하는 전기장의 크기에 의존한다. 이 전기장은 제 1 전극과 제 2 전극 사이의 전위차 인가로부터 발생된다. 알려진 정전기 입자 필터는 전기적으로 절연 전극을 포함하므로, 제 1 전극과 제 2 전극 사이의 전위차는 절연 물질과 필터 매체상으로 분할될 것이다. 필터 매체가 실질적으로 절연 물질의 전기적 저항보다 더 작은 전기적 저항을 갖는 경우, 제 1 전극과 제 2 전극 사이의 전위차는 절연 물질 보다 현저하게 떨어질 것이고, 필터 매체 내의 전기장 크기는 낮아지게 되므로, 이는 결국 여과 효율성의 불량한 정전기적 증대를 야기한다. 필터 매체의 전기적 저항은 특히 담배 연기 또는 매연으로부터의 입자와 같은 전기적 전도성 입자의 더미로 인해, 또는 환경으로부터 물의 흡수로 인해 동작 동안 감소할 수 있다. 본 발명에 따른 정전기 입자 필터에서, 제 1 전극, 제 2 전극, 및 필터 매체는 전기적 전도성 기류(electrically-conduction current)가 필터 매체를 통과하는 것을 허용하도록 배열된다. 존재하면, 전기적 전도성 기류는 필터 매체(3)를 통하여, 제 1 전극(1)으로부터 제 2 전극(2)으로 흐르며, 또는 역으로 제 2 전극으로부터 제 1 전극으로 흐른다. 따라서, 제 1 전극과 제 2 전극 사이의 전위차는 항상 필터 매체 보다 현저하게 강하될 것이며, 비록 필터 매체가 유한의 전기 전도성을 유지할지라도 필터 매체 내에서 전기장의 충분한 크기를 유지할 것이다. 결과적으로, 본 발명에 따른 정전기 입자 필터는, 동작중 연장 시간 기간 동안 효율적이고, 그 효율성을 유지 또는 적어도 실질적으로 유지한다.
제 1 전극, 제 2 전극, 및 필터 매체가 전기 전도 전류가 필터 매체를 통과하는 것을 허용하도록 배열되고, 제 1 전극 및 제 2 전극 둘 다가 비교적 높은 전기 전도성을 갖는 경우, 비교적 큰 전도 전류는 필터 매체가 유한 전기 전도성을 소유하는 경우 이 매체를 흐를 것이며, 이는 결국 전기적 아크의 증가된 위험을 야기한다. 전기 아크는 필터 매체를 파괴하고 안전성 위험을 야기한다. 본 발명에 따른 정전기 입자 필터에서, 제 1 전극이 중간 정도의 전도성 전극이고, 이 전극은 본 발명과 관련하여 제 1 전극이 30%의 상대 습도에서, 스퀘어(square)당 약 106옴의 하한값과 스퀘어당 약 1012옴의 상한값 범위 내의 시트 저항을 갖는 다는 것을 의미하는 중간 정도의 전도성 전극이다. 상한값은 이 중간 정도의 전도성 전극이 제 1 전극과 제 2 전극 사이의 전위차 인가 이후 충분하게 짧은 시간 간격 내에서 전기적으로 충전될 수 있음을 보장한다. 하한값은 필터 매체가 유한의 전기적 전도성을 소유하는 경우 동작중 필터 매체를 흐르게 될 전기 전도성 전류의 충분하게 낮은 크기를 보장한다. 따라서, 본 발명에 따른 정전기 입자 필터는 전기 아크에 대한 위험이 낮으며, 그러므로 안전성 위험성이 낮다.
본 발명에 따른 정전기 입자 필터의 실시예가 청구항 2에서 한정된다. 이 실시예에서, 제 1 전극과 제 2 전극 둘 다는 30%의 상대 습도에서, 스퀘어(square)당 약 106옴의 하한값과 스퀘어당 약 1012옴의 상한값 범위 내의 시트 저항을 갖는 중간 정도의 전도성 전극이다. 이 실시예는 심지어 동작중 필터 매체 양단의 전기적 전도성 경로를 흐르게 될 전기적 전도성 기류를 더 감소시키며, 이에 의해 동작 수명을 연장시키고 안전성 위험을 훨씬 더 감소시킨다.
본 발명에 따른 정전기 입자 필터의 실시예는 청구항 3에서 한정된다. 본 실시예에서, 중간 정도의 전도성 전극의 시트 저항의 하한값은 30%의 상대습도에서 스퀘어당 약 107옴이고/이거나, 또는 중간 정도의 전도성 전극의 시트 저항의 상한값은 스퀘어당 약 1011옴이다. 이 실시예는 중간 정도의 전도성 전극이 제 1 전극과 제 2 전극 사이의 전위차 인가 이후 충분하게 짧은 시간 간격내에서 전기적으로 충전되는 것을 더 잘 보장하고/하거나, 또는 동작중 필터 매체 양단의 전기적 전도성 경로를 흐르게 될 전기적 전도성 전류의 크기는 충분히 작음을 더 잘 보장하며, 이에 의해 동작 수명을 연장하고 안전성 위험을 훨씬 더 감소시킨다.
본 발명에 따른 정전기 입자 필터의 실시예는 청구항 4에서 한정된다. 이 실시예에서, 중간 정도의 전도성 전극의 시트 저항의 하한값은 30%의 상대적 습도에서, 스퀘어당 약108옴이고/이거나, 또는 중간 정도의 전도성 전극의 시트 저항의 상한값은 스퀘어당 약1010옴이다. 이 실시예는 중간 정도의 전도성 전극은 제 1 전극과 제 2 전극 사이의 전위차 인가 이후 충분하게 짧은 시간 간격 내에서 전기적으로 충전되는 것을 훨씬 더 잘 보장하고/하거나, 또는 동작중 필터 매체 양단의 전기적 전도성 경로를 흐르게 될 전기적 전도성 기류의 크기는 충분하게 작음을 훨씬 더 잘 보장하며, 이에 의해 동작 수명을 연장하고 안전성 위험을 훨씬 더 감소시킨다.
본 발명에 따른 정전기 입자 필터의 실시예는 청구항 5에서 한정된다. 이 실시예에서, 중간 정도의 전도성 전극은 유기 화합물을 포함한다. 유기 화합물은 본 발명과 관련하여 특히 매력적인데, 왜냐하면 이는 저렴한 중간 정도의 전도성 전극의 편리한 제조를 가능하게 한다. 유기 화합물을 포함하는 전극은 유연성, 연성(ductility), 및 내구력(strength)과 같은 우수한 기계적 성질을 가지며, 이에 의해 전극이 필터 매체와 함께 성형되는 것을 가능하게 한다. 더욱이, 기계적 견고성(mechanical robustness)을 필터 매체에 제공함으로써, 유기 화합물을 포함하는 전극은 폴리오레핀(polyolefin)을 포함하는 필터 매체와 같은, 단독으로 성형되기 어려운 필터 매체의 사용을 허용한다.
본 발명에 따른 정전기 입자 필터의 실시예는 청구항 6에서 한정된다. 이 실시예에서, 유기 화합물은 친수성 유기 화합물이다. 친수성 유기 화합물은 특히 도핑제의 결합된 사용에 의해 결정되어야 하는 전기적 성질의 전극을 제조하기 위해 특히 매력적이다.
본 발명에 따른 정전기 입자 필터의 실시예는 청구항 7에서 한정된다. 이 실시예에서, 중간 정도의 전도성 전극은 도핑제를 포함한다. 이 실시예는 독립적으로 그 기계적 성질 및 그 전기적 성질을 최적화하는 가능성을 중간 정도의 전도성 전극에 제공한다.
본 발명에 따른 정전기 입자 필터의 실시예는 청구항 8에서 한정된다. 이 실시예에서, 도핑제는 친수성 도핑제이거나, 또는 흡습성 도핑제이다. 유기 화합물과 결합하는 친수성 도핑제 또는 흡습성 도핑제의 사용은 특히 본 발명과 관련하여 매력적인데, 왜냐하면 이는 중간 정도의 전도성 전극의 편리한 제조를 가능하게 한다.
본 발명에 따른 정전기 입자 필터의 실시예는 청구항 9에서 한정된다. 이 실시예에서, 필터 매체는 소수성 물질을 포함한다. 소수성 물질을 포함하는 필터 매체는 또한 높은 상대 습도에서, 이것이 높은 전기 저항성을 가지므로 매우 매력적이다. 폴리오레핀과 같은, 소수성 물질을 포함하는 필터 매체는 그 매우 낮은 강도때문에 단독으로 성형되기에 어려울 수 있다. 이 실시예에서, 중간 정도의 전도성 전극은 유기 화합물을 포함한다. 결과적으로, 중간 정도의 전도성 전극은 유연성, 연성, 및 내구력과 같은 우수한 기계적 성질을 갖고, 필터 매체의 기계적 견고성을 향상시키며, 이에 의해 필터 매체가 중간 정도의 전도성 전극과 함께 성형되는 것을 가능하게 한다.
청구항 10은, 입자 충전부와, 정전기 입자 필터를 포함하는 정전기 여과 시스템을 한정하되, 이 정전기 입자 필터는, 제 1 및 제 2 반대면을 구비하는 필터 매체와, 입자를 포함하는 공기 흐름을 위해 투과성이 있고, 각기 상기 필터 매체의 제 1 및 제 2 반대면상에 공형(共形)으로 제공되는 제 1 전극 및 제 2 전극을 포함하고, 이 정전기 입자 필터에 있어서, 상기 제 1 전극, 제 2 전극 및 필터 매체는 전기적 전도 전류가 상기 필터 매체를 통과하는 것을 허용하도록 배열되고, 상기 제 1 전극은, 30%의 상대 습도에서, 스퀘어(square)당 약 106옴의 하한값과 스퀘어당 약 1012옴의 상한값 범위 내의 시트 저항을 갖는 중간 정도의 전도성 전극인 것에 특징이 있다.
본 발명에 따른 정전기 입자 필터의 실시예는 청구항 11에서 한정된다. 이 실시예에서, 도핑제는 광촉매제이다. 자외선 광으로 조사시, 광촉매제를 포함하는 중간 정도의 전도성 전극은 필터를 통과하는 독성 가스 화합물을 광촉매적으로 산화시킬 수 있으며, 이에 의해 정전기 입자 필터의 공기 청정 효율을 증가시킨다.
청구항 12는 입자 충전부, 정전기 입자 필터, 및 광원을 포함하는 정전기 여과 시스템을 한정한다. 정전기 입자 필터는, 제 1 및 제 2 반대면을 구비하는 필터 매체와, 입자를 포함하는 공기 흐름을 위해 투과성이 있고, 각기 상기 필터 매체의 제 1 및 제 2 반대면상에 공형(共形)으로 제공되는 제 1 전극 및 제 2 전극을 포함하고, 이 정전기 입자 필터에 있어서, 상기 제 1 전극, 제 2 전극 및 필터 매체는 전기적 전도 전류가 상기 필터 매체를 통과하는 것을 허용하도록 배열되고, 상기 제 1 전극은, 30%의 상대 습도에서, 스퀘어(square)당 약 106옴의 하한값과 스퀘어당 약 1012옴의 상한값 범위 내의 시트 저항을 갖는 중간 정도의 전도성 전극인 것에 특징이 있다. 중간 정도의 전도성 전극은 광촉매제인 도핑제를 포함하고, 광원은 이 광촉매제를 조사하기 위한 자외선 조사를 생성하도록 배열된다.
본 발명의 정전기 입자 필터의 이들 및 다른 측면은 도면을 참조하여 더 명료하게 되고 기술될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 정전기 입자 필터의 분해도.
도 2는 본 발명에 따른 입자 충전부, 및 정전기 입자 필터를 포함하는 입자 집진부를 포함하는 정전기 여과 시스템의 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 입자 충전부, 및 정전기 입자 필터를 포함하는 입자 집진부를 포함하는 정전기 여과 시스템의 단면도.
도 4는 본 발명에 따른 정전기 입자 필터를 위해 입자 지름 d(nm 단위임)의 함수로서 분수적 여과 효율성 η의 0% 상대 습도에서 수행된 측정 결과를 포함하되, 이 필터의 필터 매체는 담배 연기로부터의 전기적 전도성 입자로 심하게 오염됨을 도시한 도면.
도 5는 본 발명에 따른 정전기 입자 필터를 위해 입자 지름 d(nm 단위임)의 함수로서 분수적 여과 효율성 η의 50% 상대 습도에서 수행된 측정 결과를 포함하되, 이중 필터 매체는 담배 연기로부터의 전기적 전도성 입자로 심하게 오염됨을 도시한 도면.
도 1의 정전기 입자 필터는 제 1 전극(1), 제 2 전극(2) 및 필터 매체(3)를 포함한다. 또한, 도 1은 정전기 입자 필터에 연결된 파워 서플라이(4)를 보여준다. 제 1 전극(1)과 제 2 전극(2)은 일반적으로 0.01mm와 5mm사이의 두께를 가지거나, 또는 더 상세하게는 0.5mm와 2mm사이의 두께를 갖는다. 필터 매체(3)는 일반적으로 1mm와 5mm사이의 두께를 가지거나, 또는 더 상세하게는 2mm와 4mm사이의 두께를 갖는다.
제 1 전극(1) 및 제 2 전극(2)은 입자, 특히 초미립자를 포함하는 공기 흐름에 대해 투과성이 있다. 본 발명과 관련하여, 초미립자는 약 10nm과 약 2500nm사이의 등가 지름을 갖는 입자이다. 제 1 전극 및 제 2 전극에 관해, 당업자라도 입자를 포함하는 공기 흐름에 대한 투과성이 예를 들면, 관통된 구조, 다공성 구조, 병 렬 트랙 세트, 격자, 그물(mesh), 또는 거즈(gauze)를 사용함으로써, 다양한 방식으로 획득될 수 있음을 이해할 것이다. 필터 매체(3)에 관하여, 다양한 필터 매체, 예를 들면 섬유를 포함하는 필터 매체, 또는 열린 거품 셀(open foam cells)을 포함하는 필터 매체가 당업계에 알려져 있다.
30%의 상대 습도에서, 그 원래 상태에서의 필터 매체(3)는 108Ohmㆍm 이상 그러나 바람직하게는 109Ohmㆍm 이상의 표면 법선에 평행한 방향으로 측정되는 전기 저항성을 갖는다. 예를 들면, 필터 매체(3)는 소수성 물질을 포함하는 3mm 두께의 섬유성 필터 매체이다. 이 소수성 물질은 폴리에스터, 또는 폴리오레핀(polyolefin)과 같은 소수성 합성 수지일 수 있거나, 또는 소수성화된 유리일 수 있다. 소수성 물질로부터 필터 매체의 제조는 매우 매력적인데, 왜냐하면 소수성 물질이 물 흡습성에 저항함으로써 심지어는 높은 상대 습도에서도, 필터 매체의 높은 전기 저항성을 보장하기 때문이다.
제 1 전극(1) 및 제 2 전극(2)은 각각 필터 매체(3)의 반대면상에 공형(共形)으로 제공된다. 이 조건이 성취된다고 가정하면, 정전기 입자 필터는 전체로서 임의 형상, 예를 들면 습곡(folded) 형상 또는 주름(pleated) 형상을 가질 수 있다. 습곡 형상 또는 주름 형상을 갖는 정전기 입자 필터에 대하여, 제 1 전극(1)과 제 2 전극(2)은 유연성, 연성(ductility), 및 내구력(strength)과 같은 우수한 기계적 성질을 갖는 것이 바람직하다. 이는 필터 매체(3)와 접촉상태에 있으면서, 제 1 전극(1)과 제 2 전극(2)이 필터 매체(3)와 함께 성형되는 것을 허용한다. 추가적 으로는, 이는 제 1 전극(1)과 제 2 전극(2)이 기계적 견고성을 필터 매체(3)에 제공하므로, 단독으로 성형하기에 어려운 필터 매체의 사용을 허용한다.
제 1 전극(1)은 중간 정도의 전도성 전극이다. 본 발명에 관련하여, 중간 정도의 전도성 전극은 30%의 상대 습도에서 스퀘어(square)당 약 106 옴의 하한값과 스퀘어당 약 1012 옴의 상한값 범위 내에서의 시트 저항을 갖는 전극을 지칭한다. 전극의 시트 저항은 스퀘어의 2개 반대면 사이에서 측정되는 전기 저항이며, 이 스퀘어는 전극 표면에 평행하게 배향된다. 전극의 시트 저항은 스퀘어의 사이즈와 무관하고, 전극의 두께 및 전극이 제조되는 물질의 저항성에만 의존한다. 상한값은 30%보다 더 낮은 상대 습도에서조차, 중간 정도의 전도성 전극의 전체 표면 면적에 대한 충분하게 급속한 전기적 충전을 보장한다. 전기적 충전은 바람직하게는 10초내로 완료된다. 하한값은 필터 매체(3)가 유한의 전기적 전도성을 갖는 경우 동작중 필터 매체(3)를 흐르게 되는 전기적 전도성 기류의 충분하게 낮은 크기를 보장하며, 이에 의해 전기적 전력 소비를 제한하고, 전극(1)과 전극(2) 사이의 국소적 단락 회로의 존재와 연관된 결과를 제한한다. 이러한 결과의 예시는 안전성 위험이고, 전극 표면의 실질적 부분 양단의 전기적 전위에 대한 중대한 강하이다. 따라서, 하한값은 필터 면적의 실질적 부분 양단의 여과 효율성에 대한 충분한 정전기 증대가 다양한 불리한 상태에서 유지되는 것을 보장한다.
제 1 전극(1)이 입자를 포함하는 공기 흐름에 대하여 투과성이 있는 중간 정도의 전도성 전극이라고 가정하면, 제 1 전극(1)은 임의 물질을 포함할 수 있다. 적당한 물질은 유기 화합물이고, 특히 폴리머와 같은 고분자량을 갖는 유기 화합물이다. 유기 화합물은 유연성, 연성 및 내구력과 같은 우수한 기계적 성질을 갖는 저렴한 물질이다. 더욱이, 중가 정도의 전도성 전극은 유기 화합물로부터 용이하게 제조될 수 있다. 이러한 목적을 위해, 고유한 중간 정도의 전도성 유기 화합물을 사용하거나, 또는 임의의 화합물을 사용하고 전기적 성질을 조정하기 위해 첨가제를 사용할 수 있다. 이러한 첨가제는 사용된 첨가제의 상대적 양에 관해 어떤 제한도 암시함이 없이, 도핑제로 언급될 수 있다. 중간 정도의 전도성 전극을 제조하기 위해 사용될 수 있는 유기 화합물의 예는 합성 수지이다. 고유한 중간 정도의 전도성 합성 수지는 당업계에서 알려져 있다. 고유한 중간 정도의 전도성 합성 수지의 예는 고유한 전도성 폴리머이다.
도핑제는 또는 당업계에서 알려져 있다. 유기 화합물에 도핑제를 첨가하기 위해, 당업자라도 가능하게는 주입 또는 코팅 프로세스를 향상시키기 위해 고착제 및/또는 계면 활성제를 이용하여, 주입 또는 코팅과 같은 표준 방법을 사용할 수 있다.
유기 화합물을 포함하는 전극의 전기적 성질을 조정하기 위해 도핑제를 사용하는 이점은 전극의 기계적 성질과 전기적 성질이 독립적으로 최적화될 수 있다는 점이다. 유기 화합물을 포함하는 전극은 2개 타입 이상의 도핑제를 포함할 수 있다.
도핑제의 예는 전도성 잉크와 같은 혼합물의 일부일 수 있는 카본 블랙과 같은 고유한 전도성 화합물이다. 도핑제의 또 다른 예는 황화아연(ZnS)과 같은 반도 체 화합물이다.
선호되는 도핑제는 친수성 도핑제이다. 친수성 도핑제의 예는 산화물(가령 이산화 실리콘(SiO2), 산화 알루미늄(Al2O3), 이산화 티타늄(TiO2), 또는 산화 인듐 주석(ITO: Indium Tin Oxide)을 들 수 있음), 질소화물(가령, 질화 규소(Si3N4)를 들 수 있음), 수산화물(가령 수산화 마그네슘(Mg(OH)2)을 들 수 있음), 탄산염(가령 탄산 마그네슘(MgCo3)을 들 수 있음), 옥살산염(가령 옥살산 칼슘(CaC204)을 들 수 있음), 황화물, 황산염(가령 황산 칼슘(CaSO4)을 들 수 있음), 인산염(가령 인산 칼슘(Ca3(PO4)2), 또는 아인산염(phosphonate)이다. 친수성 도핑제로서 이산화 티타늄(Ti02), 더 상세하게는 결정질 아나타스형(anatase) 이산화 티타늄은 또한 광촉매제이고, 이산화 티타늄을 포함하는 전극에는 약 450nm 이하의 파장을 갖는 자외선 광으로 조사시 광촉매 활성의 부가 기능성이 부여된다. 광촉매 활성은 필터를 통과하는 독성 가스 화합물의 산화를 수반하며, 이는 정전기 입자 필터가 공기로부터 입자와 가스성 화합물의 결합된 제거를 가능하게 하므로 이 필터의 공기 청정 효율성을 증가시킨다. 친수성 도핑제인 이산화 티타늄은 바람직하게는 공기 흐름으로부터 가라앉은 입자로 이산화 티타늄의 급속한 적용 범위를 방지하기 위해 필터 매체(3)의 하류 면에 위치된 전극상에 적어도 존재한다.
또 다른 바람직한 도핑제는 흡습성 도핑제이다. 무기 흡습성 도핑제의 예는 탄산나트륨(Na2CO3), 중탄산나트륨(NaHCO3), 탄산칼륨(K2CO3), 중탄산칼륨(KHCO3), 및 포름산칼륨(KHCO2)이다. 유기 흡습성 도핑제의 예는 요소(CO(NH2)2), 구연산(COH(CH2COOH)2COOH), 3중 (히드록시메틸) 아미노메탄(C(CH2OH)3NH2), 및 폴리비닐 알콜((CH2CHOH)n)이다.
유기 화합물과 친수성 도핑제 또는 흡습성 도핑제를 포함하는 전극의 시트 저항은 그 주위 환경으로부터 물을 고착시키기 위해 친수성 도핑제 또는 흡습성 도핑제의 능력에 의존한다. 유기 화합물 및 친수성 도핑제 또는 흡습성 도핑제의 선호되는 조합은 폴리에스터 또는 폴리아미드와 같은 친수성 합성 수지를 포함한다.
알칼리성 도핑제를 포함하는 전극은 주변환경으로부터 이산화황(SO2), 아질산(HNO2), 질산(HNO3) 및 카르복실산과 같은 유독 산성 가스 화합물을 제거하는 추가된 기능성을 가지며, 이에 의해 정전기 입자 필터가 공기로부터 입자 및 가스 독성 화합물의 결합된 제거를 가능하게 하므로 이 필터의 공기 청정 효율성을 증가시킨다. 산성 도핑제를 포함하는 전극은 주위환경으로부터 암모니아(NH3) 및 다른 아민류와 같은 유독 알칼리성 가스 화합물을 제거하는 추가된 기능성을 가지며, 이에 의해 정전기 입자 필터가 공기로부터 입자 및 가스 독성 화합물의 결합된 제거를 가능하게 하므로 이 필터의 공기 청정 효율성을 증가시킨다. 유기 흡습성 도핑제인 요소 및/또는 3중 (히드록시메틸) 아미노메탄을 포함하는 전극은 주위환경으로부터 포름알데히드(CH2O)를 제거하는 추가된 기능성을 가지며, 이에 의해 이 필터의 여과 효율성을 증가시킨다. 도핑제로서 폴리비닐 알콜의 사용은 주입 프로세스 내에서 고착제로서 동작하도록 폴리비닐 알콜의 알려진 품질로부터 이익을 얻으며, 이는 주입의 총량을 증가시키고 결국 주입물의 더 좋은 접착을 야기한다.
도핑제의 사용에 더하여, 또한 정전기 입자 필터의 성능을 향상시키기 위한 당업계에 알려진 다른 첨가물을 사용할 수 있다. 이러한 첨가물의 예는 활성화된 탄소이다. 제 1 전극(1), 제 2 전극(2), 및/또는 필터 매체(3)는 활성화된 탄소를 포함할 수 있다. 활성화된 탄소의 사용은 탄화수소 및 오존과 같은 독성 가스 화합물을 주위환경으로부터 제거하는 기능성을 추가하며, 이에 의해 정전기 입자 필터가 공기로 운바되는 입자 및 독성 화합물의 결합된 제거를 가능하게 하므로 이 필터의 공기 청정 효율성을 증가시킨다.
도핑제를 갖는 유기 화합물을 포함하는 전극을 주입하는 방법은 도핑제를 포함하는 수용액을 이용하여 전극을 침액식 코팅(dip-coating)이다. 전극을 수용액에 담근 이후, 전극은 약 2cm/s 내지 약 20cm/s의 속도로 이 수용액으로부터 회수된다. 수용액으로부터 전극의 회수 이후, 전극은 강제 대류로 주위 공기 또는 가열된 공기 내에서 건조된다. 수용액의 제 1 예는 중탄산 칼륨(0.01 g/ml 내지 0.3g/ml) 및 포름산 칼륨(0.001 g/ml 내지 0.05 g/ml)을 포함한다. 이 수용액은 또한 3중 (히드록시메틸)-아미노메탄(0.01g/ml 내지 0.1g/ml) 및/또는 요소(0.01g/ml 내지 0.1g/ml)를 포함한다. 수용액의 제 2 예는 구연산(0.01g/ml 내지 0.4g/ml) 및/또는 인산(0.01g/ml 내지 0.25g/ml)를 포함한다. 이 수용액은 또한 요소(0.05g/ml 내지 0.15g/ml)을 포함한다. 수용액의 제 1 예 및 수용액의 제 2 예 둘 다는 코팅 프로세스를 개선하기 위해 폴리비닐 알콜(0.005g/ml 내지 0.05g/ml) 및/또는 계면 활성 제를 추가로 포함한다.
제 1 전극, 제 2 전극, 필터 매체(3), 및 파워 서플라이(4)는 전기적 전도성 기류가 이 파워 서플라이(4)에 의해 공급된 전압으로부터 발생한 제 1 전극(1)과 제 2 전극(2) 사이의 전위차에 응답하여 필터 매체(3)를 통과하는 것을 허용하도록 배열되는 전기 회로의 일부이다. 존재하는 경우, 전기 전도성 전류는 필터 매체(3)를 통하여 제 1 전극(1)으로부터 제 2 전극(2)으로 흐르거나, 또는 역으로 제 2 전극(2)으로부터 제 1 전극(1)으로 흐른다. 오염 정도, 상대 습도, 및 파워 서플라이(4)에 의해 공급된 전압으로부터 발생한 제 1 전극(1) 및 제 전극(2) 사이의 전위차에 따라, 전기 전도성 전류는 mA 범위 내에 있을 수 있다. 그러나, 안전성 고려 및 파워 서플라이(4)의 능력에 기초하여, 전기 회로로 흘러 들어가도록 허용된 전기적 전도성 기류는 설정된 최대값, 예를 들면 0.1mA으로 제한된다. 전기적 전도성 기류가 설정된 최대값을 초과하지 않는 한, 본 발명에 따른 정전기 입자 필터의 여과 효율성은 바람직한 정도까지 정전기적으로 증대될 것이다. 매우 높은 상대 습도에서, 전기적 전도성 기류는 이 설정된 최대값에 도달할 수 있으며, 이에 의해 설정된 최대값에 이 전기적 전도성 기류를 제한하기 위해 파워 서플라이(4)에 의해 공급된 전압의 감소를 유발한다. 이들 상황하에서, 여과 효율성의 정전기적 증대 정도는 감소될 것이다.
공기 흐름 속에 존재하는 입자가 필터 매체(3)으로 침투할 수 있음을 가정하면, 제 1 전극(1)과 제 2 전극(2)은 당업자에게 알려진 다양한 방식으로 파워 서플라이(4)에 각각 연결될 수 있다. 예를 들면, 금속화 층 또는 금속 구조와 같은 상 호연결이 사용될 수 있다. 이 금속 구조는 각기 제 1 전극(1) 또는 제 2 전극(2)의 표면에 따라 하나 이상의 포인트에서 제 1 전극(1) 또는 제 2 전극(2)과 접촉상태에 있어야 한다. 공기 흐름 속에 존재하는 입자가 필터 매체(3)으로 침투할 수 있고, 전기적 전도성 기류가 필터 매체(3)을 통과하는 것을 허용하도록 전기적 회로가 배열된다면, 제 1 전극(1)과 제 2 전극(2)은 각각 당업자에게 알려진 다양한 방식으로 필터 매체(3)에 연결될 수 있다. 후자의 선결조건은, 예를 들면 제 1 전극(1) 또는 제 2 전극(2)이 전선 또는 압연 띠를 침액(dipping) 또는 스프레이하기, 전선과 함께 동시에 절연체를 압출 성형 또는 사출 성형하기, 및 전선 주위에 사출 성형된 절연체 절반을 접합시키기에 의해 제조되는 경우, 제 1 전극(1) 또는 제 2 전극(2)이 완전하게 전기적 회로내에서 절연되는 가능성을 배제한다. 이 후자의 선결조건은 필터 매체(3)에 제 1 전극(1) 또는 제 2 전극(2)을 연결하기 위해 접착제의 사용을 허용한다. 접착제의 예는 수지 아교가 되며, 이 아교는 휘발성 용매 내에서 용해될 수 있으며, 그 후, 이 수지 아교를 포함하는 필터 매체(3)의 측면상에 제 1 전극(1) 또는 제 2 전극(2)을 적층판으로 만들기에(laminating) 앞서 필터 매체(3)의 한 측면상에 가해질 수 있다.
본 발명에 따른 정전기 입자 필터의 추가 이점은 편리하게 여과 효율성의 원하는 정전기적 증대를 실현하기 위해 정전기 입자 필터의 능력에 대한 모니터링을 가능하게 하는 점이다. 본 발명에 따른 정전기 입자 필터에서, 제 1 전극(1), 제 2 전극(2), 및 필터 매체(3)는 전기적 전도성 전류가 필터 매체(3)를 통과하는 것을 허용하도록 배열된다. 전기적 전도성 기류의 크기는 절대적으로 필터 매체(3) 내부 의 가라앉은 입자의 양에 의존하고, 특히 담배 연기 또는 검댕(soot)으로 인한 입자와 같은 가라앉은 전기적으로 전도성 입자의 양에 의존한다. 전기적 전도성 기류의 크기는 또한 절대적으로 상대 습도에 의존하고, 파워 서플라이(4)에 의해 공급된 전압으로부터 발생한 제 1 전극(1)과 제 2 전극(2) 사이의 전위차에 의존한다. 정전기 입자 필터의 안전한 동작을 보장하고 전력 소모를 제한하기 위해, 전기적 전도성 기류는 설정된 최대값을 초과하는 것이 허용되지 않는다. 여과 효율성의 원하는 정전기적 증대를 실현하기 위한 정전기 입자 필터의 능력은 전기적 전도성 기류의 크기를 측정함으로써 모니터링될 수 있다. 이 전기적 전도성 기류가 설정된 최대값을 초과하는 경우, 원하는 여과 효율성의 정전기적 증대는 안전한 동작 상황에서는 실현되지 않을 수 있고, 파워 서플라이(4)에 의해 공급된 전압은 이 설정된 최대값에서 전기적 전도성 기류를 유지하기 위해 감소되어야 하며, 이는 결국 여과 효율성의 정전기적 증대의 감소를 야기한다. 이는 필터 수명의 끝이 필터 매체(3) 내에 가라앉은 다량의 입자로 인해 도달되거나, 또는 상대 습도가 너무 높다는 것을 의미할 수 있다. 상대 습도, 및 이 상대 습도와 전압 서플라이(4)에 의해 공급된 전압과 관련한 전기적 전도성 기류를 모니터링함으로써, 필터 수명의 끝이 편리하게 검출될 수 있다. 필터 수명의 끝에 대한 검출은 예를 들면 결국 경고 신호를 릴레이하는 것을 야기할 수 있다.
제 1 전극(1)과 제 2 전극(2)이 각각 필터 매체(3)의 반대면상에 공형으로 제공되고, 제 1전극(1), 제 2 전극(2), 필터 매체(3), 및 파워 서플라이(4)는 전기적 전도성 기류가 필터 매체(3)를 통과하는 것을 허용하도록 배열되는 전기적 회로 의 일부인 경우, 제 1 전극(1)과 제 2 전극(2) 사이의 비교적 작은 전위차는 필터 매체(3) 내에 충분히 강한 전기장을 생성하기에 충분하다. 예를 들면, 필터 매체(3)가 3mm의 두께를 갖는 경우, 제 1 전극(1)과 제 2 전극(2) 사이의 3kV의 전위차는 결국 필터 매체(3) 내에서의 1kV/mm의 전기장을 야기하며, 이 전기장은 공기의 유전성 항복이 발생하는 전기장의 크기인 3kV 훨씬 미만이다. 제 1 전극(1)과 제 2 전극(2) 사이의 전위차는 공기의 유전성 항복이 발생하는 크기 미만으로 필터 매체(3) 내에서의 전기장을 여전히 유지시키면서도 심지어 6kV까지 증가할 수 있다. 따라서, 파워 서플라이(4)는 0.1kV와 10kV 사이의 전압, 또는 더 상세하게는 1kV와 5kV사이의 전압을 공급하도록 배열된다. 이는 본 발명에 따른 정전기 입자 필터가 비교적 저렴한 파워 서플라이(4)의 사용을 가능하게 하고, 어떤 고전압 안전성 위험도 감소키는 것을 의미한다.
도 2의 정전기 여과 시스템은 입자 충전부(6), 입자 집진부(7)를 포함한다. 도 2에서의 화살표(8)는 정전기 여과 시스템을 통과하는 공기 흐름의 방향을 나타내며, 입자 충전부(6)는 입자 집진부(7)의 상류면 상에 위치됨을 나타내기 위해 이용된다. 입자 충전부(6)는 필터 효율성을 향상시키기 위해 공기 흐름속에 존재하는 입자에 전기적 충전을 나누어 주기 위해 배열된다. 전기적으로 충전된 입자는 그 다음에 입자 집진부(7)로 끌려 들어간다. 입자 집진부는 도 1을 참조하여 기술된 바와 같이, 제 1 전극(1), 제 2 전극(2), 필터 매체(3) 및 파워 서플라이(4)를 포함한다. 극성화된 필터 매체(3)와의 정전기적 상호작용으로 인해, 전기적으로 충전된 입자는 입자 집진부(7) 내로 집진된다.
제 1 전극(1), 제 2 전극(2), 및 필터 매체(3)는 케이스(5) 내에 둘러싸인다. 케이스(5)는 입자를 포함하고 있는 공기 흐름에 대하여 침투성있고, 제 1 전극(1)과 제 2 전극(2)이 파워 서플라이(4)에 연결되는 것을 허용하도록 구성된다. 정전기 입자 필터의 동작 수명의 끝에서, 이 정전기 입자 필터를 포함하는 케이스(5)는 정전기 여과 시스템으로부터 제거되고, 폐기되며, 그리고 새로운 정전기 입자 필터를 포함하는 새로운 케이스로 대체된다. 정전기 입자 필터가 폐기 가능하므로, 바람직하게는 제 1 전극(1), 제 2 전극(2) 및 필터 매체(3)는 저렴한 물질로부터 제조되어야 한다.
도 3은 도 2에 도시된 실시예의 수정된 버전을 도시하며, 이 도면에서 입자 집진부(7)는 제 3 전극(9)과 제 4 전극(10)을 포함한다. 제 3 전극(9)과 제 4 전극(10)은 정전기 입자 필터를 포함하는 케이스(5) 내에 둘러싸이지 않는다. 이러한 구성에서, 제 3 전극(9)과 제 4 전극(10)은 각기 파워 서플라이(4)와 제 1 전극(1) 및 제 2 전극(2) 사이의 상호 연결로서 이용된다. 예를 들면, 예를 들면 정전기 입자 필터는 주름(pleated) 형상을 갖고, 제 3 전극(9)과 제 4 전극(10)은 주름의 각 돌출부 끝단에서 제 1 전극(1)과 제 2 전극(2)과 접촉하는 평면 금속 격자이다.
예시 1
본 발명에 따른 정전기 입자 필터는 다음과 같이 제조된다. 약 50%의 공극율, 160㎛의 두께, 및 200㎛ x 200㎛의 흡수공 사이즈를 갖는 2개 폴리에스터 거즈 는 포름산 칼륨(KHCO2, 0.01g/ml), 중탄산 칼륨(KHCO3, 0.04g/ml), 폴리비닐 알콜(0.01g/ml), 및 Alconox(Alconox사에 의해 제조된 계면 활성제 0.01g/ml)을 포함하는 수용액을 이용하여 침액식 코팅된 이후, 공기중에 건조되며, 이는 결국 30%의 상대 습도에서 스퀘어당 5ㆍ109 옴의 시트 저항을 가지는 각 폴리에스터 거즈(gauze)가 되게 한다. 따라서, 침액식 코팅 이후, 폴리에스터 거즈의 각각은 중간 정도의 전도성 전극이다. 폴리에스터 거즈 전극은 필터 매체의 반대면 적층판으로 만들어진다. 이 필터 매체는 20㎛의 평균 섬유 지름을 갖는 폴리프로필렌 섬유를 포함한다. 이 필터 매체는 약 3mm의 두께, 약 625 mm2의 면적, 및 115g/m2의 표면 질량 밀도를 갖는다.
앞서 기술된 바와 같이 정전기 입자 필터를 제조한 이후, 필터 매체는 담배 연기로부터의 전기적으로 전도성 입자로 심하게 오염된다. 2개의 폴리에스터 거즈 전극 사이에 3kV 또는 6kV의 전위차 인가시, 1kV/mm 또는 2kV/mm의 전기장은 각기 오염된 필터 매체 내에 만들어진다. 50%의 상대 습도에서, 0.01mA 또는 0.02mA의 전기적 전도성 기류는 각각 2개 폴리에스터 거즈 전극 사이에 3kV 또는 6kV의 전위차 인가시 오염된 필터 매체를 흐르도록 조정된다.
다음으로, 0.6m/s의 속도를 갖고 충전된 염화 나트륨(NaCl) 입자를 포함하는 공기 흐름은 오염된 정전기 입자 필터를 통과하게 된다. 정전기 입자 필터의 여과 효율성은 입자 지름과 필터내의 전기장 크기의 함수로서 측정된다.
도 4 및 5는 각기 0% 및 50%의 상대 습도에서 수행되ㅏㄴ 측정의 결과를 포 함한다. 분수적 여과 능률(η)은 0kV/mm(사각형에 의해 표현된 데이터 세트 A), 1kV/mm(동그라미에 의해 표현된 데이터 세트 B), 및 2kV/mm(삼각형에 의해 표현된 데이터 세트 C)의 전기장 크기에서 측정된다. 도 4 및 도 5에서, 분수적 여과 효율(η)은 nm단위의 입자 지름(d)의 함수로서 도식된다.
영이 아닌 전기장(데이터 세트 B 및 C)에서 획득된 여과 효율성과 영 전기장(데이터 세트 A)에서 획득된 여과 효율성을 비교함으로써, 오염된 정전기 입자 필터의 여과 효율성은 50%의 상대 습도에서 조차 정전기적으로 증대되는 것이 뚜렷하다.
50%의 상대 습도에서, 전기적으로 전도성 입자로 심하게 오염된 정전기 입자 필터의 여과 효율성의 정전기적 증대는, 이 정전기 입자 필터가 전기적 전도성 기류가 필터 매체를 통과하는 것을 허용하도록 배열되지 않는 때, 발생하지 않는다.
본 발명은 공기로부터 입자를 제거하기 위한 정전기 입자 필터에 이용가능하다. 이 경우, 이 정전기 입자 필터는 제 1 및 제 2 반대면을 갖는 필터 매체, 입자를 포함하는 대기 흐름을 위해 투과성이 있고, 각기 필터 매체의 반대면상에 공형(共形)으로 제공되는 제 1 전극 및 제 2 전극을 포함한다.
또한, 본 발명은 정전기 입자 필터, 및 입자 충전부를 포함하는 정전기 여과 시스템에 이용가능하다.

Claims (12)

  1. 공기로부터 입자를 제거하는 정전기 입자 필터로서,
    제 1 및 제 2 반대면을 구비하는 필터 매체와,
    입자를 포함하는 공기 흐름을 위해 투과성이 있고, 각기 상기 필터 매체의 제 1 및 제 2 반대면상에 공형(共形)으로 제공되는 제 1 전극 및 제 2 전극을 포함하는, 정전기 입자 필터에 있어서,
    상기 제 1 전극, 제 2 전극 및 필터 매체는 전기적 전도 전류가 상기 필터 매체를 통과하는 것을 허용하도록 배열되고, 상기 제 1 전극은, 30%의 상대 습도에서, 스퀘어(square)당 약 106옴의 하한값과 스퀘어당 약 1012옴의 상한값 범위 내의 시트 저항을 갖는 중간 정도의 전도성 전극인 것을 특징으로 하는, 정전기 입자 필터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 전극은, 30%의 상대 습도에서, 스퀘어당 약 106옴의 하한값과 스퀘어당 약 1012옴의 상한값 범위 내의 시트 저항을 갖는 중간 정도의 전도성 전극인, 정전기 입자 필터.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 하한값은 스퀘어당 약 107옴이고/이거나, 상기 상한값은 약 스퀘어당 1011옴인, 정전기 입자 필터.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 하한값은 약 스퀘어당 약 108옴이고/이거나, 또는 상기 상한값은 약 스퀘어당 1010옴인, 정전기 입자 필터.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중간 정도의 전도성 전극은 유기 화합물을 포함하는, 정전기 입자 필터.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 유기 화합물은 친수성 유기 화합물인, 정전기 입자 필터.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중간 정도의 전도성 전극은 도핑제를 포함하는, 정전기 입자 필터.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 도핑제는 친수성 도핑제 또는 흡습성 도핑제인, 정전기 입자 필터.
  9. 제 5 항에 있어서,
    상기 필터 매체는 소수성 물질을 포함하는, 정전기 입자 필터.
  10. 정전기 여과 시스템으로서,
    입자 충전부와,
    제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에서 청구된 정전기 입자 필터
    를 포함하는, 정전기 여과 시스템.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 도핑제는 광촉매제인, 정전기 입자 필터.
  12. 정전기 여과 시스템으로서,
    입자 충전부와,
    제 11 항에 청구된 정전기 입자 필터와,
    광촉매제를 활성화하기 위해 자외선 조사를 생성하도록 배열되는 광원
    을 포함하는, 정전기 여과 시스템.
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