KR20170130192A - 전기장을 이용한 공기청정기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기장을 이용하는 싸이클론을 구비하는 공기청정기를 제안한다. 본 발명의 공기청정기는, 이물질이 포함된 공기가 유입되는 입구(6)와, 상기 입구(6)를 통하여 유입된 공기 중에 포함된 이물질을 싸이클론 방식으로 필터링하여 상부 중앙의 출구로 배출하는 제1싸이클론바디(10A)와; 상기 제1싸이클론바디(10A)의 출구를 통하여 배출되는 공기가 유입되어 미세 이물질을 필터링하기 위한 제2싸이클론바디(10B)로 구성된다. 여기서 상기 제2싸이클론바디(10B)는, 유입되는 공기가 내부에서 선회류가 형성되도록 공기가 유입되는 입구(6)와 막힌 상면(10a)을 구비하는 원통부분(2)과, 상기 원통부분(2)의 하부에서 연장 성형되고 하단부분에서 집진부가 형성되는 집진부 지름(Do)를 가지는 원추부분(4), 상기 원통부분(2)의 중앙부분에서, 외부와 연결되도록 일정한 길이(S) 및 지름(De)를 가지고 설치되는 원통 형상의 볼텍스파인더(8), 상기 볼텍스파인더(8)의 외측면에 원통형상으로 형성되고, 양극이 인가되는 제1전도체(12)로 구성된다. 그리고 상기 제2싸이클론바디(10B)는, 상기 원통부분(2)의 내측면에 원통형상으로 형성되고, 음극이 인가되어 상기 제1전도체(12)와의 사이에서 전기장을 형성하는 제2전도체(14)가 구비된다. 상기 제1전도체(12)와 제2전도체(14) 사이에는 전기장이 형성되어, 양이온화된 미세 이물질은 전기적 인력에 의하여 더욱 쉽게 분리된다.

Description

전기장을 이용한 공기청정기{Air cleaner using electric field}

본 발명은 공기청정기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 원심력을 이용하는 싸이클론 집진방식에 대하여 전기장을 이용하여 양이온을 띠는 미세한 이물질이 하방으로 침강할 수 있도록 함으로써, 미세한 이물질까지 효율적으로 포집할 수 있도록 구성되는 공기청정기에 관한 것이다.

현재 싸이클론 방식을 이용하여 이물질을 필터링하는 장치는, 공기청정기 또는 청소기 등과 같은 여러 가지 제품에 적용되고 있다. 이와 같이 공기 중의 이물질을 포집하는 장치로써 널리 사용되는 싸이클론 집진장치는, 공기가 통과하는 별도의 필터 없이 이물질을 필터링할 수 있는 것이어서, 상술한 바와 같은 가전 제품 뿐만 아니라 집진을 위한 큰 장치로써 산업 분야에 있어서도 아주 유용하게 널리 사용되고 있는 것은 사실이다.

이와 같은 싸이클론 집진장치의 기본적인 원리는, 대략 원통 형상의 싸이클론 바디의 내부에서 선회류가 형성되면, 투입되는 공기에 포함된 이물질이 공기와 같이 싸이클론 바디의 내부에서 회전하게 된다. 이러한 공기 중에 포함된 이물질은, 선회류에 의하여 받는 원심력에 의하여 싸이클론 바디의 내측벽으로 이동하고, 중력에 의하여 밑으로 떨어져서 결국 싸이클론 바디의 하부에서 포집된다.

그러나 이와 같은 원리의 싸이클론 집진장치는, 일정 크기까지의 이물질은 비교적 쉽게 필터링된다고 할 수 있으나, 미세한 이물질에 대한 필터링 능력에 대해서는 일정한 한계가 지적되고 있다. 예를 들면 5㎛ 이하의 이물질은 단순한 싸이클론 원리를 가지는 집진 장치에서는 필터링하기 힘들다고 알려져 있는 것 또한 사실이다. 즉, 기존의 싸이클론 집진장치는 일정 크기 이상의 이물질에 대한 필터링은 효과적인 것은 사실이다 미세한 이물질에 대한 필터링에는 한계를 가지는 단점이 지적되고 있는 것이다.

이러한 단점을 보완하기 위하여, 코로나 방전을 이용하는 전기 집진 방식을 싸이클론 집진 방식에 부가함으로써, 미세 이물질에 대한 집진 효율을 높이고자 하는 다양한 제안이 알려져 있다. 예를 들면 미합중국 특허 제7,497,899호에서도 이와 같은 코로나 방전을 이용하는 싸이클론 집진장치(Cyclone dust collecting apparatus)가 제안된 바 있다.

이러한 선행 기술에 의하여 제안되는 집진장치는, 싸이클론 방식에 대하여, 코로나 방전을 이용하여 미세 이물질을 포집하도록 구성되고 있다. 이와 같이 코로나 방전을 이용하는 집진 장치의 개략적인 구성을 살펴보면 다음과 같다. 먼저, 내부에서 선회류를 형성하는 싸이클론 바디의 중앙에 상하 방향으로 배치되는 일자형의 방전전극(Discharge electrode)을 설치하고, 대략적으로 원통 형상을 이루는 싸이클론 바디의 내측면에는 집진전극(Collective electrode)를 설치한다.

상기 방전전극에는 음극을 인가하고, 집진전극에는 양극을 인가하고 있다. 그리고 코로나 방전에 필요한 개시 전압 이상의 전압을 상기 방전전극과 집진전극 사이에 인가하게 되면, 상기 방전전극에서는 코로나 방전이 일어나게 된다. 즉, 방전전극 주위에서 형성되는 강한 전기장이 형성되어 주위의 공기분자를 이온화시키면서 코로나 방전이 발생하는 것이다. 그리고 이러한 이온들이 전기장을 따라 벽면으로 이동하다가 입자에 부착되어 입자를 하전(charging) 시키고, 이렇게 하전된 입자는 원심력과 정전기력에 의하여 벽쪽으로 이동하여 집진전극에 부착되는 것이다.

이러한 경우 입자에 작용하는 원심력은 대략 입경의 3제곱에 비례하고 전기력은 입경의 제곱에 비례하므로, 작은 입자일수록 원심력에 대한 전기력의 영향이 상대적으로 크게 된다고 알려져 있다. 따라서 전기력에 의한 집진 효율의 증가는 미세한 입자에서 더욱 현저하게 나타나게 되기 때문에, 실질적으로 큰 입자의 포집에 유리한 일반 싸이클론 방식을 크게 보완할 수 있는 것으로 알려져 있다.

상술한 미국 특허에 의하면, 방전전극의 기능에 대하여, "고압발생기(105)에 의하여 제1 및 제2전극부재(101,103)으로 고압이 인가되면, 제1전극 및 제2전극 부재 주위에 강한 마그네틱 필드가 형성되어, 코로나 방전이 일어난다. 그리고 제1 및 제2전극부재(101,103) 주위에 있는 공기 분자는 음이온으로 변하게 된다"고 설명하고 있다. 물론 이러한 설명도 상술한 입자의 하전과 동일한 것이라고 할 수 있을 것이다.

그러나 이러한 선행 기술을 포함하여 현재까지의 전기 싸이클론 집진장치는 정전기력을 유발시키는 방전극이 싸이클론 몸통 내에 설치되는 내부 하전방식으로 설치가 용이하지 않고, 내부에서 발생하는 강한 선회류로 인하여 방전극의 떨림 및 치탈 현상 등으로 코로나 방전시 불안정한 전계를 형성할 수 있어서 스파크 발생이 우려가 높고 구조 상 실제 현장에서 적용하기 어려운 단점이 있다.

본 발명은 이와 같은 단점을 해결하기 위한 것으로, 미세한 이물질, 즉 미세 입자의 포집에 더욱 유리한 전기장을 같이 이용하는 공기청정기를 제공하는 것을 주된 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은, 원심력에 대하여 전기장을 더 이용하여 이물질을 필터링하는 싸이클론 집진장치 중에서, 가장 효율적인 집진이 가능한 싸이클론 바디를 제공하는 것에 있다.

그리고 이와 같은 본 발명의 목적은 실질적으로 공기청정기의 집진 효율을 최대화시킴으로써, 공기 정화의 효율을 최대화시킬 수 있도록 구성되는 공기청정기를 제공하는 것과 같은 의미를 가지고 있다고 할 수 있을 것이다.

본 발명의 공기청정기는, 이물질이 포함된 공기가 유입되는 입구와, 상기 입구를 통하여 유입된 공기 중에 포함된 이물질을 싸이클론 방식으로 필터링하여 상부 중앙의 출구로 배출하는 제1싸이클론바디와; 상기 제1싸이클론바디의 출구를 통하여 배출되는 공기가 유입되어 미세 이물질을 필터링하기 위한 제2싸이클론바디로 구성된다.

여기서 제2싸이클론바디는, 유입되는 공기가 내부에서 선회류가 형성되도록 공기가 유입되는 입구와 막힌 상면을 구비하는 원통부분과; 상기 원통부분의 하부에서 연장 성형되고, 하단부분에서 집진부가 형성되는 집진부 지름를 가지는 원추부분; 상기 원통부분의 중앙부분에서, 외부와 연결되도록 일정한 길이 및 지름를 가지고 설치되는 원통 형상의 볼텍스파인더; 상기 볼텍스파인더의 외측면에 원통형상으로 형성되고, 양극이 인가되는 제1전도체; 그리고 상기 원통부분의 내측면에 원통형상으로 형성되고, 음극이 인가되어 상기 제1전도체와의 사이에서 전기장을 형성하는 제2전도체로 구성되고 있다.

본 발명에 의하면, 제1싸이클론바디는 제2싸이클론바디에 비하여 큰 용량을 가지도록 설계하는 것이 바람직하다. 그리고 전기장 형성을 위한 제1전도체 및 제2전도체는 금속제 메쉬망으로 구성되는 것이 바람직하다.

그리고 본 발명의 싸이클론 원통부분의 지름에 대한 볼텍스파인더의 출구지름의 비(De/D)는 0.4~0.65의 범위 내에서 설정되는 것이 바람직하다. 여기서 원통부분의 지름(D)에 대한 볼텍스파인더의 길이의 비(S/D)는 0.8~1.1의 범위 내에서 설정되는 것이 바람직하다. 그리고 원통부분의 지름에 대한 전체높이의 비(H/D)는 2~3.5의 범위 내에서 설정되는 것이 더욱 바람직하다.

이와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의하면, 기본적으로 싸이클론 집진 방식에 더하여 전기장을 형성함으로써, 양이온화되어 있는 미세이물질을 더욱 신속하면서도 정확하게 분리하는 것이 가능하게 됨을 알 수 있다. 즉, 양이온화된 미세한 이물질은, 자체 중량에 더하여 전기장에 의하여 외측에 형성되어 있는 (-)극으로 효율적으로 끌리기 때문에, 싸이클론 바디 내에서 외측으로 더욱 쉽게 분리됨으로써, 효율적인 필터링이 가능하게 되는 장점이 기대된다고 할 수 있다.

그리고 본 발명에 의하면, 싸이클론 바디의 원통부분의 지름에 대하여, 볼텍스 파인더의 출구 지름, 볼텍스 파인더의 내부 높이(출구 높이), 그리고 전체 높이의 각각의 비율을 가장 효율적으로 설계하고 있기 때문에, 선회류의 형성에 의한 이물질의 집진에 가장 효율이 높은 장점도 기대된다고 할 수 있다.

여기서 본 발명에서는, 전기장을 이용하는 싸이클론 바디를 다수 개로 구성하고 있는데, 이는 실질적으로 실용성을 고려한 것이다. 즉 보다 낮은 전압을 이용하여 구동가능한 것으로 구현하기 위하여, 크기가 작은 다수 개로 구성하고 있는 것이다. 따라서 실용적으로 적용하는데 더욱 용이함은 물론이고, 가전 제품에 적용 및 설계 변경 등의 측면에서 더욱 유리한 장점을 가질 수 있게 된다.

본 발명에서, 제1싸이클론 바디와 제2싸이클론 바디로 구성되는 실시례에서는, 기본적으로 큰 이물질은 용량이 큰 제1싸이클론바디에서 제거되고, 0.1부터 5㎛까지의 미세 이물질은 전기장을 이용하는 제2싸이클론바디에서 제거되도록 구성되고 있다. 따라서 전체적으로 효율이 뛰어남은 물론이고, 가전제품으로써의 적용 가능성을 한층 높게 하는 장점도 기대된다.

도 1은 본 발명의 싸이클론 바디의 예시도.
도 2는 본 발명의 싸이클론 바디의 예시 단면도.
도 3은 본 발명에서 원통지름(D)에 대한 입구 높이(a)의 관계 변화 조건 및 결과를 보인 예시 및 그래프.
도 4는 본 발명에서 원통지름(D)에 대한 입구 가로(b)의 관계 변화 조건 및 결과를 보인 예시 및 그래프.
도 5는 본 발명에서 원통지름(D)에 대한 출구지름(De)의 관계 변화 조건 및 결과를 보인 예시 및 그래프.
도 6은 본 발명에서 원통지름(D)에 대한 출구 내부 길이(S)의 관계 변화 조건 및 결과를 보인 예시 및 그래프.
도 7은 본 발명에서 원통지름(D)에 대한 원통부분(h)의 관계 변화 조건 및 결과를 보인 예시 및 그래프.
도 8은 본 발명에서 원통지름(D)에 대한 전체높이(H)의 관계 변화 조건 및 결과를 보인 예시 및 그래프.
도 9는 본 발명에서 원통지름(D)에 대한 집진부 지름(Do)의 관계 변화 조건 및 결과를 보인 예시 및 그래프.
도 10은 본 발명의 다른 실시례를 보인 예시도.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시례를 보인 예시도.

다음에는 도면에 도시한 본 발명의 실시례에 기초하면서 본 발명에 대하여 더욱 상세하게 살펴보기로 한다.

도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 싸이클론 집진장치의 싸이클론 바디(10)는, 정해진 지름이 상하 방향으로 일정 구간 형성되는 원통 부분(2)과, 상기 원통부분(2)의 하부에서 연속하여 성형되는 부분적인 원추 형상으로 형성되는 원추부분(4)을 구비하고 있다. 물론 이와 같은 원통부분(2)과 원추부분(4) 자체의 구성은 실질적으로 일반적인 것임은 당연하다.

그리고 상기 원통부분(2)의 상단부 측면에는, 외부에서 내부로 공기가 유입되는 입구(6)를 구비하고 있다. 도시한 실시례에서 상기 입구(6)는 직사각형 단면을 가지는 것으로 예시되고 있으며, 이러한 입구(6)를 통하여 바디(10) 내부로 유입되는 공기는 바디(10)의 내부에서 선회류를 형성하게 된다. 상기 입구(6)를 통하여 유입된 공기는, 바디(10)의 내부에서 선회류를 형성하면서 비중이 무거운 이물질은 선회 도중 하방으로 자중에 의하여 하방으로 떨어진다.

이렇게 하여 이물질이 제거된 공기는 중앙부분을 통하여 상승하게 되는데, 이는 상면(천정)의 중앙부분에 출구(9)가 형성되어 있기 때문에, 이러한 출구(9)를 형성하는 볼텍스파인더(8)는, 바디(10)의 상면을 기준으로 하방으로 연장되어 일정한 길이(s)를 가지고 있음을 알 수 있다. 그리고 도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 바디(10) 내부에는, 상기 볼텍스 파인더(8)의 외측과 바디(10)의 내부 사이에서 전기장을 형성하기 위한 전기장 형성 유니트가 설치된다.

본 발명에서, 볼텍스 파인더(8)와 바디(10) 사이에 전기장을 형성하는 것은, 오염된 미세 이물질을 바디(10)측으로 더욱 손쉽게 잡아 당길 수 있다는 것과 동일한 의미이다. 여기서 오염된 이물질에 대하여 살펴보면, 현대 산업 사회에서는 다양한 오염원에 의하여 실질적으로 오염된 미세 이물질의 분포가 생각보다 많다고 알려져 있다. 이러한 오염된 물질은 양(+)의 전기가 대전되어 눈에 보이지 않을 정도의 분진 하나 하나를 각각 양이온화시킨다. 이러한 양이온은 비록 미세하지만 크기 및 질량을 가지고 있음은 분명하다. 본 발명에서는 이렇게 오염되고 양이온화된 미세 오염물질을, 원심력 및 전기장의 힘을 더하여 필터링하는데 착안하고 있다.

이렇게 양이온화된 오염된 미세 이물질은 (-)전극으로 인력이 작용하게 되는 것은 당연하다. 따라서 본 발명에서는, 도 2에 도시한 바와 같이, 상기 볼텍스 파인더(8)와 바디(10) 사이에서 전기장을 형성하기 위하여, 볼텍스 파인더(8)의 외측면에는 원통형상의 제1전도체(12)를 구비하도록 하고, 바디(10)의 원통부분(2)의 내측면에는 원통형상의 제2전도체(14)를 구비하도록 한다.

본 발명에 의하면 상기 전도체(12,14)는, 각각 원통 형상을 가지고 만들어지면서, 볼텍스 파인더(8)의 외측면에 그리고 원통부분(2)의 내측면에 설치되는 것이라고 할 수 있다. 그리고 상기 각각의 전도체(12,14)에는, 각각 (-)극 및 (+)이 인가된다. 따라서 상기 각각의 전도체(12,14)에 (-)극 및 (+)극이 각각 인가되면, 그 사이에서는 전기장(Electric field)이 형성됨을 알 수 있다.

여기서 상기 각각의 전도체(12,14)는, 전도성 물질로 만들어져서 전기의 인가에 의하여 그 사이에서 전기장이 형성될 수 있는 원통 형상의 것이면 충분하다. 예를 들면 전기가 통하는 원통 형상의 부재를 볼텍스 파인더(8)의 외측 및 원통부분(2)의 내측에 각각 설치하는 것도 가능하다. 다른 실시례로써, 도전성 물질을 이용하여, 볼텍스 파인더(8)의 외측면 및 원통부분(2)의 내측면에 각각 소정의 두께로 도전성 코팅층을 형성함으로써, 소정의 전압을 인가할 수 있도록 구성하는 것도 가능하다.

본 발명의 또 다른 실시례로써, 제1전도체(12) 및 제2전도체(14)는, 각각 볼텍스 파인더(8)의 외측면 및 원통부분(2)의 내측면에 각각 밀착 상태로 설치될 수 있는 금속제로 만들어지는 원통 형상의 메쉬망으로 형성되는 것도 가능하다. 이와 같이 금속제로 만들어지는 원통형 메쉬로 전도체(12,14)를 성형하면, 그 사이에 전기장의 형성이 더욱 바람직할 것으로 기대된다.

이와 같은 본 발명의 싸이클론 바디(10) 내부에서의 집진 기능을 살펴본다. 입구(6)를 통하여 유입된 공기는 바디(10)의 내부에서 선회류를 형성하게 되는데, 이러한 기본적인 기능은 실제 공지된 것이라고 할 수 있다. 바디(10)의 내부에서 형성되는 선회류에 의하여, 1차적으로 무거운 질량의 이물질이 원심력에 의하여 바디(10)의 내측면에 근접하게 되면서 자중에 의하여 하방으로 떨어지게 된다. 이러한 것은 실질적으로 기본적인 싸이클론 방식의 필터링 기능에 해당한다고 할 수 있다.

그리고 본 발명에 따라서 상기 제1전도체(12)에 양극이 그리고 제2전도체(14)에 음극이 인가되면, 볼텍스파인더(8)와 원통부분(2) 사이에는 전기장이 형성된다. 이러한 전기장은 실질적으로 미세한 이물질의 필터링에 더욱 효율적으로 작용하게 되는데, 예를 들면 5㎛ 이하의 미세 이물질은 위에서 언급한 바와 같이 양이온화된 오염된 것이라고 할 수 있다.

따라서 제1전도체(12)와 제2전도체(14) 사이의 전기장 분위기 하에서, 선회류에 포함된 양이온화된 미세 이물질은 음극을 띠고 있는 외측의 제2전도체(14)에 더욱 빨리 근접할 수 있게 된다. 즉, 도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 전기장이 없는 경우 미세 이물질이 바디(10)의 내측면으로 향하는 힘(Fd)은 실질적으로 미세 이물질의 원심력(Fc) 뿐이다. 그러나 제1전도체(12)와 제2전도체(14) 사이에 전기장이 형성된 상황 하에서, 미세 이물질이 바디(10)의 내측면으로 향하는 힘은, 선회류에 의한 원심력(Fc)과 양이온이 제2전도체(14)를 향하여 끌리는 전기장에 의한 인력(Fe)의 합이라고 할 수 있다.

즉, 오염되어 양이온화된 미세 이물질은, 선회류가 형성되는 싸이클론 공간부분(볼텍스 파인더와 바디 사이의 공간)에서, 선회류에 의한 기본적으로 원심력과, 여기에 전기적 인력이 더해진 힘으로 제2전도체(14) 측(외측)으로 밀려나기 때문에, 실질적으로 보다 신속하면서도 정확하게 바디(10)에 근접하게 됨을 알 수 있다. 그리고 미세 이물질이 보다 작은 회전각의 범위 내에서 바디(10)의 내측면에 근접한다는 것은, 실질적으로는 가장 강한 선회류가 형성되고 있는 지점에서 외측으로 벗어난다는 것을 의미하고, 따라서 자중에 의하여 하방으로 떨어지게 되는 것이다. 즉, 볼텍스 파인더(8)과 바디(10) 사이에 형성된 전기장에 의하여 양이온화된 이물질은 보다 빠른 시간 내에 또는 보다 빠른 경로로 외측으로 이동하게 됨을 알 수 있을 것이고, 이러한 현상은 실제로는 보다 빠른 필터링을 가능하게 하거나 보다 효율적인 필터링을 수행하는 것이라고 해석될 수 있다.

다음에는 본 발명의 싸이클론 바디(10)의 각 부분의 치수와 실제 효율과의 관계를 살펴보기로 한다. 이하의 설명은, 기본적으로 제시된 조건 하에서의 시뮬레이션에 기초한 것이라고 할 수 있고, 위에서 설명한 바와 같이 입구(6)를 통하여 유입되는 공기의 선회류에 형성 시, 집진 효율에 대하여 중요한 영향을 미치는 공기의 유동라인의 형성 상태와 압력손실의 결과를, 싸이클론 바디(10)의 각 부분의 치수 조건에 따라서 시험한 것이라고 할 수 있다.

각 조건에 대한 설명에 앞서, 시뮬레이션 결과에 기초한 싸이클론 바디(10)의 각 부분의 최적의 수치는 다음의 표 1과 같다.

구분	최소값	최대값
D/D	1
a/D	0.5	0.8
b/D	0.1	0.4
De/D	0.4	0.65
S/D	0.8	1.1
h/D	0.8	1.2
H/D	2	3.5
Do/D	0.4	0.7

여기서 이러한 수치 결정에서 가장 기본이 되는 것은 싸이클론 바디(10)의 지름(D)임을 알 수 있다. 그리고 각 부분의 명칭은, 도 1을 참조하면 알 수 있는 바와 같이, 입구(6)을 직사각형으로 할 때 a는 입구 세로(높이), b는 입구 가로를 의미한다. 그리고 De는 출구 직경을, S는 바디(10)의 상면(10a) 밑에 있는 볼텍스 파인더의 높이(또는 출구 높이)를, h는 원통부분의 높이를, H는 바디(10)의 전체 높이를, 그리고 Do는 집진부 지름을 의미한다.

상기 표 1에 기재된 순서에 따라서, 각 부분의 치수에 대한 효율을 살펴보기로 한다. 먼저 바디의 지름(D)에 대한 입구(6)의 세로 길이(a) 변화의 시험 조건 및 결과가 도 3에 도시되고 있는데, 여기서 (a)는 각 부분의 치수를, (b)는 공기 유동의 패스라인을, 그리고 (c)는 압력 손실을 보이고 있다.

이러한 도 3에서 알 수 있는 바와 같이, a/D가 일정한 범위 내에서(0.5~0.8) 싸이클론 입구 높이(a)가 증가함에 따라서, 공기의 유동에 대한 패스 라인의 선회 유동성이 일정 범위까지는 안정됨을 알 수 있었다. 여기서 선회 유동성이 향상된다는 것은 실질적으로 바디(10)의 저부까지 선회류의 형성이 원활하다는 것을 의미하고, 이는 실질적으로 미량이지만 자중을 가지는 이물질이 싸이클론 바디의 저부까지 도달할 수 있다는 것을 의미한다고 해석된다. 이러한 선회 유동의 안전성은 a/D가 0.5 정도에서 상승하기 시작하여 0.8 부근을 정점으로 감소하는 것으로 나타났다.

그리고 입구 높이(a)의 감소 시 압력 손실이 현저하게 커지는 단점이 나타나고 있다. 여기서 압력 손실이 크다는 것은, 실질적으로 제품화 할 경우 소형화에 상당히 불리하게 작용하게 되는 것은 당연하다고 할 수 있어서, 실질적인 가전 제품으로써의 가져야 하는 기능에 대한 최적의 수치를 반영해야 할 것으로 판단된다. 더욱이 a/D가 0.8 이상이 되면 압력 손실이 커서 실제 반영 가능한 설계에 문제가 예상된다. 따라서 입자의 선회 유동의 안정성의 측면 및 압력 손실의 측면을 고려하면, a/D는 0.5 내지 0.8의 범위 내에서 설정되는 것이 바람직하다고 판단된다.

도 4에는 전체지름(D)에 대한 입구(6)의 가로(폭)에 변화에 대한 시험 조건 및 결과가 나타나 있다. (a)에서 알 수 있는 바와 같이 바디(10)의 다른 부분의 치수 조건은 동일하게 하고, 입구 가로의 변화에 대해서 패스라인의 흐름이 (b)에 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 입구 가로(폭)(b)는, 0.1~0.4의 범위 내에서 가장 양호한 선회 유동이 안정적임을 알 수 있는데, 선회 유동이 안정적이라고 함은 실질적으로 이물질이 바디(10)의 하단부(포집 부분)까지 양호하게 내려 간다는 것을 의미한다.

0.1 이하의 범위에서는 입구(6)를 통하여 유입되는 양이 충분하지 않기 때문에 선회 유동의 형성이 바람직하지 않고, 0.4를 초과하는 크기 즉 0.5 이상이 되면 선회 유동이 불안정해짐을 알 수 있다. 그리고 이러한 b/D에 대한 실험에서 b의 변화에 대한 압력 손실은 결과에 큰 영향을 미칠 만큼 크게 나타나지 않는 것으로 나타났다. 따라서 b/D는 0.1~0.4의 범위 내에서 가장 바람직한 것으로 판단된다.

도 5에는 전체 지름(D)에 대한 출구지름(De)의 변화에 대한 결과가 도시되어 있다. (a)에서와 같은 조건 변화에 대하여, 패스라인의 경과가 (b)에 도시되어 있다. 이러한 결과에서 알 수 있는 바와 같이, 출구지름(De)이 일정한 범위 내에서 증가하게 되면, 패스라인의 선회 유동이 안정적으로 이루어지는 장점이 있음을 알 수 있다. 그러나 출구(9)의 지름이 더 이상 커지게 되면 입구(6)와 겹치게 되어 선회류의 형성 자체에 영향을 미치게 된다.

그리고 압력 손실에 대한 시험 결과, 출구지름(De)이 작아지면 압력 손실이 크게 되는 단점이 나타나고 있었다. 따라서 허용 가능한 압력 손실의 범위와, 패스라인의 선회 유동의 안정성을 고려하면, 시험 결과에서 알 수 있는 바와 같이 0.4~0.65의 범위가 가장 바람직하다고 판단된다.

도 6에는 전체지름(D)에 대한 출구 내부 높이(볼텍스 파인더의 내부 높이)(S) 변화에 대한 시험 조건 및 결과가 나타나 있다. (a)에서 알 수 있는 바와 같이 바디(10)의 다른 부분의 치수 조건은 동일하게 하고, 출구 내부 길이(S)의 변화에 대한 패스라인의 흐름이 (b)에 도시되어 있다. 이러한 결과에서 알 수 있는 바와 같이, 출구 내부 길이(S)의 조건이 0.7 이하가 되면 패스라인의 형성이 어려워서 이물질이 하단부까지 도달하지 않는 경우가 발생함을 알 수 있고, 적어도 출구 길이(S)의 조건이 0.8 이상이 되어야 패스라인의 안정성이 확보되면서 미세 이물질이 분리될 수 있을 것으로 기대된다.

그리고 출구 내부 길이(S)의 조건이 1.1 이상이 되면, 패스라인의 형성에 문제가 생기면서 이물질이 집진부(하단부)까지 도달하지 않을 것으로 나타났다. 또한 압력 손실에 대한 시험에서는, 위와 같은 시험 범위 내에서는 압력 손실의 변화는 미미한 것으로 나타났다. 따라서 전체지름(D)에 대한 출구 길이(S)의 비율(S/D)은 0.8~1.1의 범위 내에서 설정되는 것이 바람직함을 알 수 있다.

도 7에는 전체지름(D)에 대한 원통부분(2)의 높이(h) 변화에 대한 시험 조건 및 결과가 나타나 있다. (a)에서 알 수 있는 바와 같이 바디(10)의 다른 부분의 치수 조건은 동일하게 한 상태에서, 원통부분의 높이(h)의 변화에 대한 패스라인의 흐름이 (b)에 도시되어 있다. 이러한 결과에서 알 수 있는 바와 같이, h/D의 비율이, 0.8~1.2의 범위 내에서, 증가함에 따라서 선회유동이 집진부(하단부) 도달이 미미하게 감소되는 것을 알 수 있다.

여기서 이러한 범위 내에서의 성능 변화는 실질적으로 크지는 않다고 할 수 있으나, 0.8 이하에서는 상대적으로 선회 유동의 안정성이 상대적으로 떨어짐과 동시에 입구(6) 높이와 중첩될 수 있어서 선회류의 형성에 좋지 않은 영향을 미칠 수 있다. 그리고 1.2 이상이 되면 원추부분(4)의 높이가 줄어들 수밖에 없기 때문에, 선회력이 작아질 수 있는 단점이 나타나게 된다.

그리고 원통부분(2)의 높이(h) 변화에 대한 압력 손실의 시험에 의하면, 실질적인 압력 손실은 극히 미미하고 집진 성능에 영향을 미칠 정도는 아닌 것으로 판단되었다. 따라서 원통부분의 높이(h)와 전체지름(D)의 비율(h/D)는 0.8~1.2의 범위에서 결정되는 것이, 패스라인이 안정적으로 형성되어 미세 이물질(예를 들면 0.3㎛ 정도)의 포집 효율이 높아질 것으로 예상된다.

도 8에는 전체지름(D)에 대한 원통부분(2)의 전체높이(H)의 변화에 대한 시험 조건 및 결과가 나타나 있다. (a)에서 알 수 있는 바와 같이 바디(10)의 다른 부분의 치수 조건은 동일하게 한 상태에서, 전체 높이(H)의 변화에 대한 패스라인의 흐름이 (b)에 도시되어 있고, (c)에는 압력 손실을 보이는 그래프가 도시되어 있다.

도시한 바와 같이 H/D가 2~2.7의 범위 내에서, 전체 높이(H)가 증가함에 따라서 패스라인 성능은 큰 변화는 없음을 알 수 있다. 여기서 전체 높이(H)가 증가한다는 것은 실질적으로 용적이 커지는 것이어서 압력손실은 감소하게 되는 장점이있다고 할 수 있으나, 제품화를 전제로 고려하면 크기는 일정한 범위 내에서 정해져야 할 것이다. 그리고 H/D가 2.7 이상인 경우에는 압력 손실의 감소 비율이 큰 의미가 없을 정도로 나타나고, H/D가 2보다 작아지면, 선회류 자체의 형성도 문제 시 될 수 있을 뿐만 아니라, 패스라인이 집진부(하단부)까지 치밀하게 형성되지 않게 되는 현상을 보인다. 따라서 H/D의 범위는, 2~2.7의 범위에서 가장 안정적인 패스라인의 형성 및 집진 효율을 보일 것으로 기대된다.

도 9에는 전체지름(D)에 대한 집진부지름(Do)의 변화에 대한 시험 조건 및 결과가 나타나 있다. (a)에서 알 수 있는 바와 같이 바디(10)의 다른 부분의 치수 조건은 동일하게 한 상태에서, 집진부지름(Do)의 변화에 대한 패스라인의 흐름이 (b)에 도시되어 있고, (c)에는 압력 손실을 보이는 그래프가 도시되어 있다.

이러한 결과에서 알 수 있는 바와 같이, 바람직하다고 설정된 범위 내에서는 압력 손실이 크게 나타나지는 않고 있으나, 0.4 이하의 범위에서는 압력 손실이 상대적으로 커지게 된다. 그리고 집진부 지름(Do)이 커지게 되면 이물질의 선회 회수가 저하되는데, 특히 0.7 이상에서는 선회 회수의 감소 비율이 상대적으로 높아지게 된다. 따라서 이물질 집진장치로써, 중요한 인자에 포함되는 압력손실의 측면 및 선회 회수의 측면에서 0.4~0.7의 범위가 가장 바람직할 것으로 판단된다.

이상에서 살펴본 바와 같이 싸이클론 바디(10)의 형상 설계에 있어서는 아주 많은 변수가 작용하고 있음을 알 수 있다. 이와 같은 많은 변수 중에서도, 실질적인 이물질 포집에 상대적으로 큰 영향을 미치는 변수가 있음은 당연하고, 상술한 바와 같은 결과를 참조하면, 출구지름(De), 출구길이(S), 그리고 전체 높이(H)를 들 수 있다.

도 5에 도시한 바와 같이, 출구지름(De)의 크기 변화는, 입구와의 관계에서 선회류의 형성과 밀접한 관련이 있음은 물론이고, 이물질을 집진부(하단부)로 포집하기 위한 패스라인의 안정적 형성, 그리고 압력 손실이라는 측면에서 상당한 영향을 미치고 있음은 상술한 바와 같다. 그리고 도 6에 도시한 바와 같이, 출구 길이(S)도 입구를 통하여 유입되는 공기의 선회류 형성은 물론이고, 이물질이 유동하는 패스라인의 형성에 상당한 영향을 미치고 있음을 알 수 있다. 또한 도 8에 도시한 전체 높이(H)도 압력손실 및 패스라인에 비교적 많은 영향을 미친다고 할 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의한 전기장을 이용한 싸이클론 집진장치의 최대 효율은 상술한 바와 같은 범위에서 나올 수 있음을 알 수 있다. 다음에는 이와 같은 구성을 가지는 하나의 싸이클론을 이용하여 공기청정기를 만들 때 가장 효율적인 싸이클론의 배치에 대하여 살펴보기로 한다.

위에서 설명한 싸이클론 바디(10)를 이용하여 공기청정기를 설계하는 경우, 싸이클론 바디(10)를 하나로 구성하게 되면, 충분한 집진 효과를 낼 수 있도록 하기 위해서는 충분하고 강한 에어플로가 확보되어야 할 뿐만 아니라, 이를 위하여 실질적으로 전기장의 형성에 높은 고전압이 필요하게 된다. 따라서 여러 가지 측면에서, 하나의 대형 싸이클론 바디로 구현하는 것 보다는, 상대적으로 작은 싸이클론 바디를 다수개로 구성하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.

예를 들면 도 10을 참조하면 알 수 있는 바와 같이, (a)에는 3개의 싸이클론 바디(10)로 구성되는 공기청정기가 예시되어 있으며, (b)에는 4개의 싸이클론 바디(10)로 구성되는 공기청정기가 예시적으로 도시되어 있다. 이와 같이, 다수의 싸이클론 바디(10)를 이용하여 공기청정기를 구성함으로써, 전기장의 형성을 위한 구동 전압을 최적으로 낮출 수 있음은 물론이고, 적절한 용량의 설계가 보다 간편하고 더욱이 다양한 설계 변경이 가능한 등 여러 가지 잇점이 기대될 수 있다.

그리고 이와 같이 다수 개의 싸이클론 바디로 공기청정기를 구성하는 경우에도, 상술한 바와 같은 전기장을 이용한 싸이클론과 일반 싸이클론을 공존시킴으로써, 효율적인 집진이 가능하도록 구성할 수 있다. 도 11에는, 하나의 제1싸이클론 바디(10A)와 다수의 제2싸이클론바디(10B)로 구성되는 공기청정기가 예시적으로 도시되어 있다.

이러한 공기청정기에서, 제1싸이클론바디(10A)는 상대적으로 큰 이물질을 필터링하기 위한 것으로, 단순히 선회류를 이용하여 무거운 이물질(예를 들면 5㎛ 이상)을 필터링한다. 따라서 제1싸이클론바디(10A)는 상대적으로 큰 용량으로 설계하는 것이 바람직할 것으로 기대된다. 그리고 제1싸이클론 바디(10A)에는, 상술한 바와 같은 제1전도체(12) 및 제2전도체(14)로 구성되는 전기장 발생장치가 내부에 구비되어 있지 않다.

그리고 입구를 통하여 유입된 공기는 제1싸이클론바디(10A)를 통하여 1차적으로 큰 이물질이 필터링된 후, 다수의 제2싸이클론 바디(10B)를 통하여 미세 이물질이 필터링되도록 설계되어 있다. 즉 제1싸이클론바디(10A)의 출구를 통하여 나온 공기는, 상기 제2싸이클론바디(10B)로 유입되도록 구성되고 있다. 여기서 상기 제1싸이클론바디(10A)는 제2싸이클론바디(10B)에 비하여 상대적으로 크게 성형되는 것이 바람직하다. 1차 싸이클론바디에서는, 전기장이 이용되지 않고 원심력에 기초하여 비교적 큰(무거운) 이물질을 제거하기 위한 것이기 때문에, 용량이 큰 것으로 구성하는 것이 바람직한 것이다.

여기서 제2싸이클론바디(10B)는, 도 2에서 도시한 바와 같이, 제1전도체(12) 및 제2전도체(14)가 내장되어 있다. 따라서 제2싸이클론 바디(10B)에서는, 선회류에 의한 원심력을 이용하는 필터링 및 전기장을 이용하는 미세 이물질의 필터링이 가능하게 된다. 그리고 이와 같은 제2싸이클론바디(10B)는 다수 개로 설계함으로써, 상술한 바와 같이 구동 전압을 최적으로 낮출 수 있을 것으로 기대된다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 실시례에 의한 공기청정기는, 상대적으로 크게 형성되고 원심력에 의한 필터링만을 수행하는 제1싸이클론바디(10A)와, 상기 제1싸이클론바디(10A)의 출구를 통하여 나오는 공기를 입구로 흡입하고 전기장을 이용한 필터링을 같이 수행하는 다수의 제2싸이클론바디(10B)로 구성되고 있음을 알 수 있다. 도시한 실시례에서, 상기 제2싸이클론바디(10B)는 제1싸이클론바디(10A)의 상부에서 원형으로 배열되어 있으나, 이러한 구성에 한정될 수 없음은 자명하다.

이상에서 살펴본 바와 같은 본 발명의 기본적인 기술적 사상의 범주 내에서 당업계의 통상의 기술자에게 있어서는 다른 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그리고 본 발명의 보호범위는 특허청구의 범위에 기재된 바에 기초하여 해석되어야 할 것임도 특허법의 법리 상 당연하다고 할 수 있다.

2 ..... 원통부분
4 ..... 원추부분
6 ..... 입구
8 ..... 볼텍스 파인더
9 ..... 출구
10 ..... 싸이클론 바디
a ..... 입구세로
b ..... 입구가로
h ..... 원통부분 높이
S ..... 출구(볼텍스파인더) 내부 길이
D ..... 전체직경
De ..... 출구직경
H ..... 전체높이

Claims (6)

1. 이물질이 포함된 공기가 유입되는 입구(6)와, 상기 입구(6)를 통하여 유입된 공기 중에 포함된 이물질을 싸이클론 방식으로 필터링하여 상부 중앙의 출구로 배출하는 제1싸이클론바디(10A)와;
   상기 제1싸이클론바디(10A)의 출구를 통하여 배출되는 공기가 유입되어 미세 이물질을 필터링하기 위한 제2싸이클론바디(10B)로 구성되고;
   상기 제2싸이클론바디(10B)는,
   유입되는 공기가 내부에서 선회류가 형성되도록 공기가 유입되는 입구(6)와 막힌 상면(10a)을 구비하는 원통부분(2)과;
   상기 원통부분(2)의 하부에서 연장 성형되고, 하단부분에서 집진부가 형성되는 집진부 지름(Do)를 가지는 원추부분(4);
   상기 원통부분의 중앙부분에서, 외부와 연결되도록 일정한 길이(S) 및 지름(De)를 가지고 설치되는 원통 형상의 볼텍스파인더(8);
   상기 볼텍스파인더(8)의 외측면에 원통형상으로 형성되고, 양극이 인가되는 제1전도체(12); 그리고
   상기 원통부분(2)의 내측면에 원통형상으로 형성되고, 음극이 인가되어 상기 제1전도체(12)와의 사이에서 전기장을 형성하는 제2전도체(14)로 구성되는 것을 특징으로 하는 전기장을 이용하는 싸이클론을 구비하는 공기청정기.
   
2. 제 1 항에 있어서, 상기 제1싸이클론바디(10A)는 제2싸이클론바디(10B)에 비하여 큰 용량을 가지는 전기장을 이용하는 싸이클론을 구비하는 공기청정기.
   
3. 제 1 항에 있어서, 상기 제1전도체(12) 및 제2전도체(14)는 금속제 메쉬망으로 구성되는 전기장을 이용하는 싸이클론을 구비하는 공기청정기.
   
4. 제 1 항에 있어서, 상기 원통부분의 지름(D)에 대한 볼텍스파인더의 출구지름(De)의 비(De/D)는 0.4~0.65의 범위 내에서 설정되는 전기장을 이용하는 싸이클론을 구비하는 공기청정기.
   
5. 제 4 항에 있어서, 상기 원통부분(2)의 지름(D)에 대한 볼텍스파인더(8)의 길이(S)의 비(S/D)는 0.8~1.1의 범위 내에서 설정되는 전기장을 이용하는 싸이클론을 구비하는 공기청정기.
   
6. 제 5 항에 있어서, 상기 원통부분(2)의 지름(D)에 대한 전체높이(H)의 비(H/D)는 2~3.5의 범위 내에서 설정되는 전기장을 이용하는 싸이클론의 구비하는 공기청정기.
   

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