KR20180131774A - 전기장을 이용한 싸이클론 방식의 공기청정기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 싸이클론 방식의 집진에 더하여 전기장을 이용하여 양이온화된 미세이물질을 효과적으로 여과시키고자 한다. 싸이클론 바디(10)는 볼텍스파인더(8)의 외측면에 원통형상으로 형성되고 양극이 인가되는 제1전극(12)과 싸이클론 바디의 내측면에 원통형상으로 형성되고 음극이 인가되어 상기 제1전극(12)와의 사이에서 전기장을 형성하는 제2전극(14)을 각각 구비하는 다수로 구성된다. 전체적인 토출 풍량 제어를 위하여, 각 싸이클론 바디의 배출관(30), 입구(6), 출구(9) 중의 어느 일측에 다수의 밸브(130)를 설치한다. 그리고 사용자가 동작 모드를 입력할 수 있도록 설치되는 입력부의 신호에 대응하여, 제어부(100)는, 상기 다수 개의 밸브(130) 중에서 일부를 개폐 제어함과 동시에 상기 에어플로 형성수단(송풍팬 또는 흡입팬)의 회전수를 제어하여 전체 풍량을 제어한다.

Description

전기장을 이용한 싸이클론 방식의 공기청정기{Air cleaner using electric field}

본 발명은 공기청정기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 원심력을 이용하는 다수의 싸이클론 용기 내부에 전기장을 인가함으로써 양이온을 띠는 미세한 이물질을 효율적으로 필터링할 수 있음과 같이 풍량 제어시에도 최선의 성능을 유지할 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 구조상 실제 현장에서 적용하기 어려운 단점이 있으며, 더욱이 가정용 전기 제품으로써는 다소 부족하다고 할 수 있다.

본 발명은 이와 같은 단점을 해결하기 위한 것으로, 싸이클론 방식의 집진 방식에 대하여, 전기장을 이용하여 양이온을 띠는 미세 이물질을 효율적으로 필터링하는 공기청정기를 제공하는 것을 주된 목적으로 한다.

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

본 발명의 또 다른 목적은, 양이온화된 미세 이물질의 집진 효율이 우수한 공기청정기를 제공하는데 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 공기청정기에 사용되는 싸이클론 바디는, 필터링할 공기가 유입되도록 상부에 형성되는 입구, 상기 입구를 통하여 유입된 공기를 필터링하여 배출하는 상면 중앙의 출구를 형성하고 상면에서 하방으로 일정한 길이를 가지도록 구비되는 원통 형상의 볼텍스파인더, 상기 볼텍스파인더의 외측면에 원통형상으로 형성되고 양극이 인가되는 제1전극, 그리고 상기 싸이클론 바디의 내측면에 원통형상으로 형성되고 음극이 인가되어 상기 제1전극와의 사이에서 전기장을 형성하는 제2전극을 각각 구비하는 다수 개로 형성된다.

본 발명의 공기청정기는, 이러한 싸이클론 바디와, 상기 싸이클론 바디의 출구와 각각 연결되어, 싸이클론 바디의 내부에서 정화된 공기를 외부로 배출시키기 위한 다수의 배출관; 상기 싸이클론 바디의 입구, 출구 또는 배출관의 어느 일측에 설치되어, 그 내부를 통과하는 유체를 단속할 수 있는 다수의 밸브; 필터링할 실내 공기를 싸이클론 바디, 배출관, 그리고 출구부를 통하는 공기 흐름으로 만드는 에어플로 형성수단; 그리고 사용자가 동작 모드를 입력할 수 있도록 설치되는 입력부로 구성된다.

입력부를 통한 토출 풍량 변경 신호에 대하여, 상기 제어부는, 상기 다수 개의 밸브 중에서 일부를 개폐 제어함과 동시에 상기 에어플로 형성수단의 회전수를 제어하여 전체 풍량을 제어하는 것을 특징으로 한다. 즉, 하나의 싸이클론 바디에 공급되거나 토출되는 단위 시간 당 풍량은 최적으로 설정된 상태를 유지하면서 싸이클론 바디 자체를 열거나 닫음으로써 전체 토출 풍량을 제어하고자 하는 것이다.

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, 전기장을 이용하는 싸이클론 바디를 다수 개로 구성하고 있는데, 이는 실질적으로 실용성을 고려한 것이다. 즉, 상대적으로 낮은 전압을 이용하여 구동 가능하도록 하기 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 발명에 의하면, 하나의 큰 싸이클론 바디가 아닌 상대적으로 작은 싸이클론 바디를 다수개 형성함으로써, 전체적인 압력 손실을 최소화할 수 있고, 상대적으로 낮은 구동 전압을 이용하여 전기장 형성을 보다 효율적으로 할 수 있으며, 선회류에 포함된 미세 이물질을 외측으로 손쉽게 끌어당길 수 있다.

그리고 본 발명의 공기청정기는, 사용자가 선택한 풍량으로 제어할 때, 선택된 풍량에 대응하는 싸이클론 바디의 갯수를 제어하게 된다. 즉, 모든 싸이클론 바디로 유입되거나 모든 싸이클론 바디에서 토출되는 풍량을 작아지거나 커지도록 제어하는 것이 아니라, 일부의 싸이클론 바디는 정상적인 운전을 수행하도록 제어하고 나머지 일부의 싸이클론 바디는 공기의 공급 또는 배기를 차단함으로써 토출 풍량을 제어하고 있다. 따라서 가장 효율적인 운전 조건을 가질 수 있는 풍량을 가지는 선택된 싸이클론 바디만 운용함으로써 사용자가 원하는 풍량으로 제어하면서, 싸이클론 바디의 동작 효율도 최대화시키고 있는 장점도 기대된다.

도 1은 본 발명의 싸이클론 바디의 예시도.
도 2는 본 발명의 싸이클론 바디의 예시 단면도.
도 3은 본 발명 공기청정기의 예시 사시도.
도 4는 본 발명 공기청정기의 예시 사시도.
도 5는 본 발명 공기청정기의 풍량 제어를 설명하기 위한 블럭도.
도 6은 본 발명의 다른 실시 예의 공기청정기의 예시 사시도.

본 발명의 실시 예에 대한 구체적인 설명에 앞서, 본 발명의 전체적인 원리부터 설명하고자 한다. 싸이클론 방식의 집진 원리는 이미 널리 알려진 바와 같기 때문에 간단하게 설명하면 다음과 같다. 원통 형상의 싸이클론 바디 내부로 공기가 유입되면서 선회류가 생성된다. 이렇게 생성되는 선회류는 용기의 중심선에서 외벽 사이 중에서 중간부분에서 최고의 회전 속도를 가지고 있고, 그 보다 외측으로 갈수록 회전 속도는 느리게 형성된다.

상부의 입구를 통하여 들어오면서 생성되는 선회류는 싸이클론 바디의 하부까지 하강하면서 선회류를 형성하고, 하부에서는 싸이클론 바디의 중앙에서 직선 형태의 상승 기류로 변화하면서 상면 중앙에 형성된 출구를 통하여 외부로 배출된다. 이러한 과정에서 이물질이 분리되는 것은, 이물질의 무게를 전제로 하는 관성과 관련된 것이라고 할 수 있는데, 자중을 가지는 이물질은 하부에서 관성에 의하여 계속 선회하는 반면 상대적으로 가벼운 공기는 중앙의 상승 기류를 따라 배출되는 것에 기초하고 있다. 따라서 이하의 설명에서 이물질의 분리를 설명하면서 자중이라고 칭하는 것은 관성이라는 의미가 내포된 것이라고 할 수 있고, 관성이라고 칭하는 것은 자중을 전제로 하는 것이라고 이해되어야 할 것이다.

이와 같은 선회류에 포함된 이물질은 원심력에 의하여 용기 내부에서 외측으로 밀려나가게 된다. 그리고 이러한 싸이클론 용기의 내부 외측은 실질적으로 선회류의 회전 속도가 상대적으로 낮기 때문에, 하강한 선회류 중의 이물질은 관성에 의하여 중앙의 상승 기류에서 분리되어 용기의 하부에 모이게 된다.

그리고 싸이클론 바디의 상면 중앙에는 출구가 형성되어 있기 때문에, 이러한 싸이클론 바디의 내부에서 선회류가 생성되면, 선회류의 중심선 상하 방향으로는 출구를 향하는 상승기류가 직선 형상으로 만들어지고, 상술한 출구를 통하여 배출된다. 본 발명에서는 이러한 싸이클론 집진 원리에 더하여, 싸이클론 내부에 전기장을 형성하고, 이러한 전기장에 의하여 양이온을 띠는 미세 이물질이 용기 내부에서 외측으로 보다 쉽게 밀려나가도록 구성하는데 착안하고 있다.

아주 가벼운 미세 이물질은 너무나 작은 무게를 가지고 있기 때문에, 용기 내부에서 선회류 속에서 지속적으로 선회하다가, 용기 중앙에서 만들어지는 상승 기류를 따라 배출될 수 있다. 그러나 미세 이물질도 용기 내부에서 형성된 선회류 중에서 속도가 낮은 외측(싸이클론 용기의 내벽에 가까운 외측) 부분으로 쉽게 이동할 수 있다면, 하방으로 가라앉음으로써 효과적으로 여과될 수 있을 것이고, 본 발명에서는 이러한 점에 주목하고 있는 것이다. 이와 같은 본 발명의 기본적인 착상은, 위에서 언급한 종래기술에서 이물질을 태우는 방전 등과는 전혀 상이한 개념이라고 할 수 있다.

다음에는 도면에 도시한 본 발명의 실시 예에 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 것이다.

그리고 상기 원통부분(2)의 상단부 측면에는, 외부에서 내부로 공기가 유입되는 입구(6)를 구비하고 있다. 도시한 실시 예에서 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. 즉, 입구(6)는, 그것을 통하여 유입된 공기가 선회류로 형성되도록 일측으로 편심된 위치에 성형되는 것이고, 현재 상용화되어 있는 싸이클론 집진장치에서도 널리 이용하고 있는 구성이다. 그리고 이러한 입구(6)를 통하여 유입된 공기는, 바디(10)의 내부에서 선회류를 형성하면서 비중이 무거운 이물질은 선회 도중 하방으로 자중에 의하여 하방으로 떨어지거나, 하강한 선회류에서 변하는 상승 기류에서 분리된다.

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)의 내벽측으로 더욱 손쉽게 이동시키기 위한 것이다. 즉 바디(10)의 내부에서 형성된 선회류는 중앙의 특정한 부분에서 최대 속도를 가지고 있는데, 이렇게 유속이 쎈 선회류에서 유속이 상대적으로 약한 외측 부분으로 미세 이물질을 유도함으로써, 관성에 의하여 쉽게 분리될 수 있도록 구성하는 것이라고 할 수 있다

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 유속이 약한 외측으로 이동시킨 후 하강한 선회류가 상승기류로 형성될 때 관성에 의하여 분리될 수 있도록 구성하고 있다.

그리고 양이온화 된 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 제1전극(12)를 구비하도록 하고, 바디(10)의 원통부분(2)의 내측면에는 원통형상의 제2전극(14)를 구비하도록 한다.

본 발명에 의하면 상기 전극(12,14)는, 원통 형상을 가지고 만들어지면서, 볼텍스 파인더(8)의 외측면에 그리고 원통부분(2)의 내측면에 각각 설치되는 것이라고 할 수 있다. 그리고 상기 제1전극(12)에 (+)이 인가되고 제2전극(14)에는 (-)극이 인가된다. 따라서 전류가 인가되면, 각각의 전극(12,14) 사이에서는 전기장(Electric field)이 형성됨을 알 수 있다.

여기서 상기 각각의 전극(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 실시 예로써, 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 실시 예로써, 제1전극(12) 및 제2전극(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 전극(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 또는 하강하는 선회류와 같이 하방으로 떨어지게 된다. 이러한 것은 실질적으로 기본적인 싸이클론 방식의 필터링 기능에 해당한다고 할 수 있다.

그리고 본 발명에 따라서 상기 제1전극(12)에 양극이 그리고 제2전극(14)에 음극이 인가되어, 볼텍스파인더(8)와 원통부분(2) 사이에는 전기장이 형성되면, 이러한 전기장은 실질적으로 미세한 이물질의 필터링에 더욱 효율적으로 작용하게 되는데, 양이온화된 미세 이물질은 (-)극이 인가된 제2전극(14) 측으로 당겨지게 된다.

즉, 제1전극(12)와 제2전극(14) 사이의 전기장 분위기에서, 선회류에 포함된 양이온화된 미세 이물질은 음극을 띠고 있는 외측의 제2전극(14)으로 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 제1전극(12)와 제2전극(14) 사이에 전기장이 형성된 상황 하에서, 미세 이물질이 바디(10)의 내측면으로 향하는 힘은, 선회류에 의한 원심력(Fc)과 양이온이 제2전극(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 제2전극(14) 측(외측)으로 밀려나기 때문에, 실질적으로 보다 신속하면서도 정확하게 바디(10)의 내벽에 근접하게 됨을 알 수 있다.

이와 같이 미세 이물질이 상대적으로 작은 회전각의 범위 내에서 바디(10)의 내측면에 근접한다는 것은, 실질적으로는 가장 강한 선회류가 형성되고 있는 지점에서 외측으로 벗어난다는 것을 의미하고, 따라서 하강하는 선회류에서 외측으로 분리된 후, 하단부에서 관성에 기초하여 상승기류에서 분리될 수 있는 것이다. 즉, 볼텍스 파인더(8)과 바디(10) 사이에 형성된 전기장에 의하여, 양이온화된 이물질은 보다 빠른 시간 및 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.

위에서 설명한 싸이클론 바디(10)를 이용하여 공기청정기를 설계하는 경우, 싸이클론 바디(10)를 하나로 구성하는 것에 비하여, 다수개로 구성하는 것이 여러 가지 측면에 유리한 것으로 연구되었다. 예를 들면 용량이 큰 하나의 싸이클론 바디를 이용하여 공기청정기를 구현하게 되면, 많은 양의 공기를 하나의 바디 내부에서 필터링하는 과정에서 압력 부하가 높게 걸리게 되어 실질적으로 큰 압력 손실을 일으키게 되는 단점이 있다. 여기서 압력손실이 크다는 것은 공기 흐름이 효율적으로 이루어지지 않는다는 것과 동일한 의미를 가지는 것은 당연하다.

그리고 하나의 싸이클론 바디를 이용하게 되면 상대적으로 크기가 커질 수밖에 없기 때문에, 위에서 설명한 제1전극과 제2전극 사이의 간격이 멀게 구성되는 것은 당연하다. 이와 같이 상대적으로 전극 사이의 거리가 길게 구성되면, 동일한 전기장 효과를 내기 위해서는 더 높은 전압이 필요하게 되기 때문에 인가 전압이 높아질 수밖에 없는 단점이 우려된다.

또한 미세 먼지의 여과 측면에서도 다수의 싸이클론바디로 구성하는 것이 더욱 효율적이다. 다수의 싸이클론 바디로 구성하게 되면 전체적인 에어플로의 속도를 상대적으로 천천히 흐르도록 구성하는 것이 가능하게 되고, 이와 동시에 전극 사이의 거리가 짧아져서 충분한 전기장 형성에 더욱 유리하다. 따라서 상대적으로 천천히 흐르는 공기 중의 미세 입자는 원심력 및 전기장에 의한 인력에 대하여 더욱 쉽게 반응하게 되어, 싸이클론 바디의 내측면을 향한 이동이 더욱 손쉽게 일어나서, 실질적으로는 미세 이물질의 집진 효율이 높아지는 것으로 된다.

이상에서와 같은 작용 효과 이외에도, 하나의 싸이클론 바디를 이용하는 경우 빠르고 강한 에어플로에 기인하여 발생하는 압력부하 및 소음 등의 측면에서도 불리함은 당연하다. 그리고 다수의 싸이클론 용기로 구성하게 되면, 디자인적인 측면에서도 다양한 변화를 추구할 수 있는 등 디자인적인 측면에서도 아주 유리하다고 할 수 있다.

도 3에 도시한 실시 예의 공기청정기는, 다수의 싸이클론 바디(10)를 이용함으로써 실질적으로 위에서 설명한 바와 같은 작용 효과를 가질 수 있도록 한 것이다. 도시한 바와 같이, 다수개의 싸이클론 바디(10:10A,10B,10C,10D,10E)가 병렬로 배열되어 있음을 알 수 있다. 도시한 실시 예에서는 10개의 싸이클론 바디(10)가 원형을 이루도록 배열되어 있다. 이러한 각각의 싸이클론 바디(10)의 내부 구성은 위에서 설명한 바와 같다.

본 실시 예의 공기청정기는, 예를 들면 원형으로 배열된 다수의 싸이클론 바디(10)의 내부에 각각의 싸이클론 바디(10) 내부로 공기를 공급하기 위한 하나의 내부공급관(20)을 구비하고 있다. 즉, 본 발명에 있어서는 다수의 싸이클론 바디(10)를 이용하여 집진을 수행하는데, 이러한 다수의 싸이클론 바디(10)에 공기를 공급하기 위하여 하나의 내부공급관(20)을 이용하고 있는 것이다. 그리고 배치에 있어서는, 내부공급관(20)의 외부에 다수의 싸이클론 바디(10)를 배치하고 있다.

이와 같이 다수의 싸이클론 바디(10)의 내부에 내부공곱관(20)을 배치하게 되면, 정해진 단면적을 가지는 내부공급관(20)에서 다수의 싸이클론 바디(10)를 거치면서, 필터링이 진행되는 경우, 압력손실을 최소화할 수 있을 것으로 기대된다. 그리고 내부공급관(20)은 실질적으로 정해진 단면적을 가지고 있음은 물론이고, 설계 시 정해진 위치를 유지하고 있기 때문에, 내부공급관(20) 내부를 흐르는 유체를 컨트롤하는 것이 상대적으로 용이하게 되는 장점도 기대된다.

예를 들면 상기 내부공급관(20)의 내부에 특정 이물질을 필터링할 수 있는 별도의 필터를 설치하는 것도 가능한 것이다. 이와 같이 다수의 싸이클론 바디(10)를 외측에 배열하고 그 중앙부분에 내부공급관(20)을 배치하게 되면, 효과적인 에어플로의 형성과, 압력손실의 최소화, 그리고 내부공급관(20) 내부의 에어플로에 대한 별도의 제어가 가능하다는 등의 작용 효과를 기대할 수 있을 것이다. 그리고 구조적으로도 싸이클론 바디(10) 및 내부공급관(20)을 가장 컴팩트하게 배치하거나 효율적으로 설계하는 것도 가능할 것으로 기대된다.

그리고 도 4에서 확인할 수 있는 바와 같이, 상기 내부공급관(20)의 상단부(20A)에 형성되는 연결관(24)을 통하여 사이클론 바디(10)의 내부로 공기를 공급할 수 있게 된다. 그리고 연결관(24)을 경유하면서 내부공급관(20)에서 싸이클론 바디(10) 내부로 유입된 공기는, 그 내부에서 선회류로 생성되고, 양이온을 띠는 미세 이물질을 전기장을 이용하여 분리하는 싸이클론 집진 원리에 의하여 소정의 공기 청정이 진행됨은 상술한 바와 같다.

싸이클론 바디(10)의 내부에서 정화된 공기는 다수의 싸이클론 바디(10)의 출구(9)를 통하여 외부로 배출된다. 본 발명의 공기청정기는, 싸이클론 바디(10)의 출구와 연결된 다수의 배출관(30)을 포함한다. 상기 배출관(30)은 싸이클론 바디(10)의 갯수에 대응하는 다수의 배출관(30A,30B,30C,30D,30E,...)으로 구성되는 것은 당연하다. 그리고 다수의 배출관(30)은 다시 하나의 출구부(40)와 연결된다. 이러한 출구부(40)를 통하여 나오는 공기는 실질적으로 이물질은 물론이고 양이온화 된 미세 이물질까지 걸러진 깨끗한 공기라고 할 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 공기 청정기에서는 내부공급관(20)에서 다수의 싸이클론 바디(10)를 거치면서, 상술한 바와 같은 전기장 및 싸이클론 집진 원리에 기초하여 공기 중의 이물질이 필터링된다. 그리고 내부공급관(20)에서 출구부(40)를 따라 흐르는 공기의 흐름을 형성하기 위한 팬이 본 발명 공기 청정기의 적절한 부분에 설치되어야 한다. 공기의 흐름을 형성하기 위한 팬은 상기 출구부(40)에 설치되는 흡입식의 팬으로 구성하는 것도 가능하고, 내부공급관(20)의 하단부에 설치되는 송풍 팬으로 구성하는 것도 가능할 것으로 판단된다.

그리고 이와 같은 에어플로 형성수단(송풍팬 또는 흡입팬)이 동작하게 되면, 내부공급관(20)에서 연결관(24)을 통하여 싸이클론 바디(10)의 입구(6)로 외부 공기가 유입된다. 싸이클론 바디(10)의 내부로 유입된 공기는 선회류로 형성되면서 공기 중에서 포함된 이물질이 필터링된다.

이물질 필터링의 주요 원리를 정리하면, 싸이클론바디(10) 내부의 선회류 중에 포함된 상대적으로 무거운 이물질은 원심력에 의하여 싸이클론 바디의 내측면(제2전극)에 근접하게 되면서 자중에 의하여 일차적으로 하방으로 떨어진다. 그리고 싸이클론 바디(10) 내부의 선회류 중에 포함된 가볍고 양이온화된 미세 이물질은, 선회류에 의한 원심력(Fc) 및 전기장에 의한 인력(Fe)에 의하여 싸이클론 바디의 내측면(제2전극)으로 이동함으로써 바디(10)의 내부에서 가장 강한 선회류가 형성되고 있는 지점에서 외측으로 벗어난 후, 상승기류에서 분리됨으로써 외부로 배기되는 공기에 분리된다. 본 발명에서는 제1전극(12) 및 제2전극(14)를 이용하여 선회류가 생성되는 공간에 전기장을 형성함으로써, 양이온화된 미세 이물질을 더욱 신속하게 외측으로 이동시키도록 하고 있음을 알 수 있다.

이상에서와 같은 본 발명에서 싸이클론 바디(10)의 체적 및 갯수는 전체적인 공기 청정 능력과 직접 관련된다. 위에서 설명한 바와 같이 동일한 체적의 싸이클론 바디(10)로 구성하게 되면, 공기청정기 전체로는 싸이클론 바디의 갯수에 대응하는 양에 대응하는 공기 정화 능력을 가지게 된다. 그리고 본 발명에서 각각의 싸이클론 바디(10)는, 입구(6)와, 출구(9), 그리고 배출관(30)을 독립적으로 구비하고 있다.

이와 같은 입구(6), 출구(9), 그리고 배출관(30)은, 실질적으로 각각의 싸이클론 바디(10)를 작동시키기 위한 독립된 통로라고 할 수 있다. 이하 본 발명의 설명에서, 각각의 싸이클론 바디(10)에 대하여 독립적으로 공기 흐름 경로를 구성하는 입구(6), 출구(9), 그리고 배출관(30)을 '독립 경로'라고 칭하기로 한다. 따라서 본 명세서에서 독립 경로라고 함은, 각각의 싸이클론 바디를 경유하면서 이물질을 제거하기 위한 각 싸이클론 바디에 구비되는 독립된 에어 플로의 경로를 총칭하는 것임을 알 수 있다.

그리고 다수로 구성되는 싸이클론 바디(10)가 각각 정상적으로 동작하기 위해서는, 각각의 싸이클론 바디(10)의 입구 및 출구, 그리고 배출관을 포함하는 독립 경로가 모두 개방되어야 함을 알 수 있다. 만일 어느 하나의 입구(6) 또는 출구(9)가 닫히게 되면, 그에 대응하는 싸이클론 바디(10)는 동작할 수 없게 된다.

공기청정기는 공기를 정화하는 풍량을 다단계로 설정하는 것이 일반적이다. 즉 공기청정기는 사용자가 자신의 사용 환경에 따라서 원하는 풍량을 입력할 수 있는 입력부를 설치하게 된다. 이러한 입력부를 통하여 사용자가 원하는 풍량을 선택하게 되면, 전체적으로 토출 풍량을 제어하는 방법에는 두 가지를 고려할 수 있다. 제1방법은 팬의 회전수를 통하여 풍량을 제어하는 것이고, 제2방법은 동작하는 싸이클론 바디(10)의 갯수를 제어하는 것이다.

위에서 설명한 바와 같이 정해진 체적을 가지는 싸이클론 바디는 최적의 동작 효율을 가지는 단위 시간 당 에어플로의 양이 정해져 있다. 즉, 정해진 크기를 가지고 있는 각각의 싸이클론 바디가 가장 효율적으로 동작할 수 있는 단위 시간당 공기량은 설계 시 이미 정해져 있는 것이다.

본 발명에서는, 이와 같이 최적의 효율을 보여주는 각 싸이클론 바디(10)의 처리 용량을 변화시키지 않으면서 전체적인 토출 용량을 조절하고자 한다. 즉, 본 발명은, 각 싸이클론 바디(10)의 최적 처리 용량(단위 시간당 최적의 필터링 효율을 가지는 용량)을 그대로 유지함으로써, 전체적인 필터링 효율을 최대한 높임과 동시에, 사용자가 원하는 최종 풍량을 가질 수 있도록 제어되도록 구성하고 있다.

다수로 구성되는 싸이클론 바디(10)는 각각의 독립 경로를 가지고 있음은 상술한 바와 같다. 이러한 독립 통로는 각각의 싸이클론 바디(10)에 대하여 독립적으로 설치되어 있고, 위의 설명에서도 알 수 있는 바와 같이, 각 싸이클론 바디(10)의 입구(6), 출구(9) 또는 배출관(30) 등을 포함한다. 다음에는 도 5를 참조하면서 본 발명에 의한 공기청정기에서 전체적인 토출 용량의 제어에 대하여 살펴보기로 한다.

상술한 바와 같은 각각의 싸이클론 바디(10)의 독립 경로(입구, 출구, 배출관)에는 유체의 흐름을 단속할 수 있는 밸브(130)(도 5 참조)가 설치된다. 이러한 밸브는 제어부(100)에서의 전기적 신호에 의하여 독립 경로의 내부를 개폐하는 것이면 어떠한 형태의 밸브를 사용하는 것도 가능하다.

그리고 본 발명의 공기청정기는, 사용자가 원하는 모드를 입력할 수 있는 입력부(110)가 구비되어 있다. 이러한 입력부(110)에는 공기청정기의 제어를 위한 다양한 입력 버튼이 설치되어 있고, 더욱이 토출 풍량을 다단계로 제어하기 위한 풍량 선택 스위치(또는 모드 스위치)가 설치되어 있다.

이러한 입력부(110)가 조작되면 공기청정기는 제어부(100)의 제어에 따라서 원하는 또는 입력된 토출량을 가지도록 동작하게 된다. 본 발명에서는 토출량의 변경을 위하여 제어부(100)가 에어플로 발생수단[출구부(40)에 설치되는 흡입 팬 또는 내부공급관(20)에 설치되는 송풍 팬]의 회전수를 변경함과 동시에 상술한 독립 경로에 설치되어 있는 밸브(130)도 같이 제어하는 것을 특징으로 한다.

예를 들어 최대 상태에서 100이라는 토출 용량을 가지고 있다고 가정하고, 사용자가 60의 토출 용량을 가지도록 입력부(110)를 조작한 경우에는, 에어플로 발생장치(120)의 회전수를 60의 토출량에 대응하도록 감속시킴과 동시에 10개의 싸이클론 바디(10) 중에서 4개의 싸이클론 바디(10)가 닫히도록 밸브(130)를 제어한다. 따라서 동작 중인 6개의 싸이클론 바디(10)는 각각 최고 효율을 가지는 처리 용량을 가지고 동작하게 된다. 이와 같은 제어를 통하여, 각각의 싸이클론 바디가 가장 효율적으로 이물질을 필터링하도록 함과 동시에 원하는 전체적인 토출용량도 정확하게 제어할 수 있는 것이다. 이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명의 공기청정기는, 다수 개로 구성되는 싸이클론 바디가 항상 최적의 필터링 효율을 가질 수 있는 상태로 구동시키고 있음을 알 수 있다.

다음에는 도 6을 참조하면서 본 발명의 다른 실시 예에 대하여 살펴보기로 한다. 이하 동일한 구성 요소에 대해서는 동일한 도면 부호를 부여하면서 설명하기로 한다. 본 실시 예는 독립통로(입구 및 출구, 그리고 배출관)의 구성이 다소 상이하게 구성되는 것이라고 할 수 있다.

도 6에 도시한 공기청정기는, 다수개의 싸이클론 바디(10:10A,10B,10C,10D,10E)가 원형을 이루면서 병렬로 배열되어 있음을 알 수 있다. 그리고 각각의 싸이클론 바디(10)의 내부 구성은 위에서 설명한 바와 같다. 상기 다수의 싸이클론 바디(10)는, 그 하단부가 지지체(60)에 의하여 지지되고 있다. 그리고 상기 각각의 싸이클론 바디(10;10A,10B,10C,10D,10E)에서 공기를 받아들이는 입구(6;6A,6B,6C,6D,6E)는 외부 공기를 내부로 흡입할 수 있도록 외기 중에 노출되도록 설치되어 있다. 즉 입구(6)를 통하여 외부에서 싸이클론 바디(10) 내부로 흡입력이 발생하면, 외부의 공기가 입구(6)로 유입되는 것이다. 그리고 위에서 설명한 바와 같이 상기 입구(6)를 통하여 공기가 유입되면, 싸이클론 바디(10)의 내부에서는 선회류가 형성되도록 입구(6)의 위치 및 형상이 설정되어 있다.

본 실시 예에서는, 다수의 외부 싸이클론 바디(10A,10B,10C,10D,10E)가 원형으로 배열되어 있고, 그 내부에도 다수의 내부 싸이클론 바디(10M,10N)가 설치되어 있음을 확인할 수 있다. 도시한 실시 예에서 내부의 싸이클론 바디(10M,10N)는 4개로 구성되고 있음을 확인할 수 있을 것이다. 그리고 내부의 싸이클론 바디(10M,10N)의 입구(6N,6M) 역시 외부를 향하도록 배치되고 있음을 알 수 있다. 여기서 내부 싸이클론 바디(10M,10N)의 입구(6M,6N)는 공기 흐름의 방해를 받지 않도록 배출관(30) 사이에 배치되는 것이 바람직하고, 배출관(30) 사이에서 외부로 배출관 이상으로 돌출되도록 성형되는 것이 더욱 바람직하다.

이상에서와 같이, 다수의 싸이클론 바디(10A,10B,10C,10D,10E)를 원형으로 배치하고, 그 내부 공간에 또 다수의 싸이클론 바디(10M,10N)를 배치하게 되면 실질적으로 싸이클론 바디(10)의 수를 충분히 확보할 수 있는 배치가 된다. 여기서 싸이클론 바디(10)의 수가 많다는 것은, 위에서 언급한 바와 같이 압력손실을 최소화할 수 있음은 물론이고, 전기장의 형성 및 에어플로의 유속 등과 관련하여 충분한 장점이 있음은 상술한 바와 같다.

그리고 이와 같이 다수 개로 구성되는 싸이클론 바디(10)의 상면 중앙의 출구(9)(도 1 참조)는 각각 배출관(30:30A,30B,30C,30D,30E)과 연결되어, 필터링이 완료된 공기를 배출관으로 안내한다. 이러한 다수의 배출관(30)의 하류측에는 하나의 출구부(40)가 연결되어 있다. 도시한 실시 예에서 상기 출구부(40)는 공기청정기의 상부에 설치되고, 이러한 출구부(40)는 싸이클론 바디(10)의 내부를 통과하면서 미세 이물질까지 여과된 깨끗한 공기를 외부로 배출하는 부분이다.

본 발명의 싸이클론 바디(10)는 각각 외부 공기를 직접 흡입할 수 있는 입구(6:6A,6B,6C,6D,6E,6M,6N)를 각각 구비하고 있음은 상술한 바와 같다. 이러한 입구(6)는 실질적으로 외기(실내의 공기)를 싸이클론 바디(10)의 내부로 유입시키는 부분이고, 이러한 입구(6)를 통하여 유입되는 공기가 싸이클론 바디(10)의 내부에서 선회류로 생성됨은 상술한 바와 같다.

상기 싸이클론 바디(10)의 내부에서 이물질이 필터링된 공기는 다수의 배출관(30)과 출구부(40)의 순으로 흐르게 된다. 이와 같이 싸이클론 바디(10)에서 출구부(40)를 나오는 공기 흐름이 형성되어야 한다. 본 발명에서는 싸이클론 바디(10)의 입구(6)는 실내에 노출되는 상태로 설치되어 있기 때문에, 싸이클론 바디(10)에서 출구부(40)로의 공기 흐름은 출구부(40)의 하류 측에 설치되는 흡입팬(도시 생략)에 의하여 형성되도록 구성하는 것이 바람직하다.

이와 같은 실시 예에 있어서, 각각의 싸이클론 바디(10)의 입구(6)와 출구(9), 그리고 배출관(30)이 상술한 바와 같은 독립 경로를 형성하고 있음을 알 수 있다. 그리고 본 실시 예에 있어서도 이러한 독립 경로(입구, 출구, 그리고 배출관)에 밸브(130)를 설치하는 것은 도 5를 통하여 설명한 바와 같다. 또한 제어부(100)는 공기청정기의 토출풍량의 선택에 대응하여, 다수의 밸브(130) 중에서 일부의 제어 및 에어플로 발생장치(120)의 회전수 제어를 실시함은 위에서 설명한 바와 동일하다.

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
20 ..... 내부공급관
20A ..... 내부공급관의 상단부
24 ..... 연결관
30 ..... 배출관
40 .... 출구부
100 ..... 제어부
110 ..... 입력부
120 ..... 에어플로 발생장치
130 ..... 밸브

Claims (1)

1. 필터링할 공기가 유입되도록 상부에 형성되는 입구(6)와, 상기 입구(6)를 통하여 유입된 공기를 필터링하여 배출하는 상면 중앙의 출구(9)를 형성하고 상면에서 하방으로 일정한 길이를 가지도록 구비되는 원통 형상의 볼텍스파인더(8), 상기 볼텍스파인더(8)의 외측면에 원통형상으로 형성되고 양극이 인가되는 제1전극(12), 그리고 상기 싸이클론 바디의 내측면에 원통형상으로 형성되고 음극이 인가되어 상기 제1전극(12)와의 사이에서 전기장을 형성하는 제2전극(14)을 각각 구비하는 다수의 싸이클론 바디(10)와;
   상기 싸이클론 바디의 출구와 각각 연결되어, 싸이클론 바디의 내부에서 정화된 공기를 외부로 배출시키기 위한 다수의 배출관(30);
   상기 싸이클론 바디의 입구, 출구 또는 배출관의 어느 일측에 설치되어, 그 내부를 통과하는 유체를 단속할 수 있는 다수의 밸브(130);
   필터링할 실내 공기를 싸이클론 바디(10), 배출관(30), 그리고 출구부(40)를 통하는 공기 흐름으로 만드는 에어플로 형성수단; 그리고
   사용자가 동작 모드를 입력할 수 있도록 설치되는 입력부로 구성되고;
   상기 입력부를 통한 토출 풍량 변경 신호에 대하여, 상기 제어부는, 상기 다수 개의 밸브 중에서 일부를 개폐 제어함과 동시에 상기 에어플로 형성수단의 회전수를 제어하여 전체 풍량을 제어하는 것을 특징으로 하는 전기장을 이용한 싸이클론 방식의 공기청정기.
   
   

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