KR20210131831A - 정화된 공기를 이용한 미세먼지 저감장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 ‘정화된 공기’를 만들어 미세먼지를 함유한 ‘오염된 공기’와 충돌시켜 작은 회오리 바람과 난류를 만들어 미세먼지에 수증기를 부착시키고 미세먼지의 크기와 무게를 증가시켜 실내 바닥에 떨어뜨려 제거하는 미세먼지 저감장치에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 ‘정화된 공기’는 순환팬을 사용하여 분무장치가 발생하는 물입자내지 스팀과 실내 공기를 필터박스의 아래 돌출구를 통해 필터박스에 내장되는 극세사물을 통과시켜 생성한다. 그리고 필터박스를 통해 올라온 ‘정화된 공기’는 라멘구조물의 최상단에 설치된 배출팬을 통해 외부로 분출되어 ‘오염된 공기’와 충돌시켜 미세먼지를 제거한다.

Description

정화된 공기를 이용한 미세먼지 저감장치{Fine dust reduction device using purified air}

본 발명은 실내 미세먼지를 제거하는 장치에 관한 것이다.

미세먼지는 크기가 PM10(직경 10㎛)과 PM2.5(직경 2.5㎛)처럼 너무 작기 때문에 사람에게 폐질환이나 뇌질환을 유발하는 원인이 된다. 사람의 머리카락의 지름은 50㎛ ~ 70㎛이다. ㎛ 단위는 마이크로미터(micrometer)라하여 10^-6 m의 크기를 가리킨다.

PM10 미세먼지는 꽃가루, 곰팡이, 먼지, 음식 조리시 발생하는 각종 기름, 자동차 이동 시 발생하는 타이어 가루, 공장 내 생산 공정에서 발생하는 가루 등으로 이루어져 있으며, PM2.5 미세먼지는 바이러스, 화석연료를 태울 때 나오는 유기화합물, 중금속 등으로 구성되어 있다.

공기조화기 또는 공기청정기는 미세먼지의 제거 방법에 따라 크게 전기 집진식(또는 이온식)과 기계식(또는 필터링 방식)으로 나누어진다. 전기 집진식은 음이온을 발생시켜 미세먼지에 부착시켜 제거하는 방식이고, 기계식은 팬을 사용하여 공기를 빨아들여 미세먼지를 여과지에 필터링하여 제거하는 방식이다. 전기 집진식은 효율이 떨어지고 또한 인체에 해로운 오존 발생이란 부작용이 있어, 보통 공기청정기는 필터링 방식을 사용한다.

현재 미세먼지를 포집하는 데 사용하는 필터는 주로 헤파필터(가장 낮은 H13 등급은 0.3㎛ 크기의 미세먼지에 대해 99.75% 포집률을 나타낸다.)와 울파필터(가장 낮은 U15 등급은 0.3㎛ 크기의 미세먼지에 대해 99.9975% 포집률을 나타낸다.)를 사용한다. 그 밖에 세미헤파필터(가장 낮은 E10 등급은 1㎛ 크기의 미세먼지에 대해 85% 포집률을 나타낸다.)와 미디엄필터(가장 낮은 M5 등급은 5㎛ 크기의 미세먼지에 대해 40~60% 포집률을 나타낸다. M6 등급의 미디엄필터는 2㎛ 크기의 미세먼지에 대해 60~80%의 포집률을 나타낸다.)가 존재한다. 결론을 이야기하면, 필터는 섬유사이의 간극이 작을수록 더 작은 크기의 미세먼지를 많이 포집할 수 있다.

해파필터는 간극이 0.3㎛ 내외의 유리 섬유나 폴리플로필렌(poly propylene) 재질로 제작된다. 울파필터는 섬유 간극이 0.1㎛ 내외로 반도체 연구실이나 생명공학의 크린룸에서 많이 사용한다. 헤파필터와 울파필터는 세척 등의 재사용 작업 시 섬유의 손상을 입어 간극이 벌어지거나 또는 수분에 의한 정전기 필터의 기능 저하 등으로 포집 효율이 떨어져 일반적으로 재사용하지 않는다.

필터를 사용하는 데 있어, 제품에 따라 다소 차이가 있지만 일반적으로 필터 등급이 높을수록 풍량은 감소하고 압력손실이 높아진다. 따라서 많은 량의 공기를 케이스 내부로 빨아드리고 처리하기 위해서는 역으로 필터 등급이 낮은 필터(풍량이 높고 압력 손실이 적은 필터)를 사용한다. 따라서 빌딩 내부에 공기를 공급하는 대부분의 공기조화기는 E10 등급 이하의 필터를 사용한다.

헤파필터를 사용하는 공기청정기는 압력과 풍량이 적어 장치가 처리할 수 있는 용량에 제한이 있으며, 또한 주기적으로 필터를 교체해주기 때문에 높은 유지보수의 비용이 발생한다. 그리고 밀폐된 공간에서 공기청정기를 사용하다 보면, 산소 부족이나 이산화탄소및 오존 발생과 같은 부작용 역시 발생하여 실내 공기를 자주 환기를 시켜주어야 한다.

필터링 방식이외에 미세먼지를 제거하는 방법으로 물을 사용한다. 1976년 4월 미국 콜로라도 광산 학교의 연구 자료에 따르면, 미세먼지를 포집하는 효과는 습도와 온도, 압력 그리고 미세먼지의 전하량 등에 따라 다소 다르지만 일반적으로 "미세먼지(dust particle)와 비슷한 크기의 물입자(droplets)는 미세먼지를 포집하는 효과가 있다"고 발표하였다. 미세먼지와 비슷한 크기의 물입자를 드라이포그(Dry Fog)라 한다. 드라이포그는 보통 물입자의 크기가 5㎛ ~ 20 ㎛ 인 경우를 말한다. 물안개(Wet Fog)는 20㎛ ~ 50㎛의 크기인 물입자를 말한다.

미세먼지를 포집하는데 사용하는 드라이포그는 미세먼지의 크기와 비슷한 10 ㎛의 크기를 갖는 물입자를 사용한다. 이러한 드라이포그는 물체에 부딪쳐도 쉽게 액화되지 않을 뿐만 아니라 전기 합선이나 주변 사람과 기계를 적시는 현상이 없으며 또한 비교적 먼 거리까지 수분 전달에 유리하다.

드라이포그는 2.5㎛ 이하의 크기를 갖는 초미세먼지를 포집하는 데 한계가 있다. 그리고 드라이포그를 생성하여 주변에 분사시킬 때, 사용하는 물은 반드시 정제수 또는 증류수이어야 한다. 만약 정제수가 아닌 수도물을 사용한다면, 물속에 함유한 미네럴과 염소 성분에 의해 미세먼지의 농도가 증가되는 ‘백분현상’이 발생한다. 또한 대기가 정체된 상태에서 이산화황과 드라이포그가 만나면, 스모그를 발생시키는 주요 원인이 된다. 그리고 감염병의 원인이 되는 비말 역시 드라이포그와 유사한 크기를 갖는다. 결과적으로 드라이포그를 실내에서 사용하는데 있어 많은 어려움이 따른다.

미세먼지의 크기는 0.1㎛ ~ 10㎛이지만, ‘수증기’라고 부르는 물 분자(H₂O)의 크기는 2.8Å(Å는 옹스트롬이라 부르고 10^-10m의 크기를 갖는다.)이다. 수증기와 미세먼지는 반데르발스 힘(Van der Waals force)과 수소결합(Hydrogen bond)을 통해 결합된다. 반데르발스 힘은 모든 분자들 사이에서 작용하는 힘으로써 한 분자핵의 양전하와 이웃한 다른 분자의 최외각 전자의 음전하가 서로 당기는 정전기력을 말한다. 수소결합은 물이 뭉치는 힘으로 작동한다.

수증기는 드라이포그와 물안개와 달리 오염되지 않은 순수한 물분자이다. 따라서 사우나나 증기탕에서 사람들이 수증기를 들려마시더라도 인체에 해롭지 않다. 액체 상태의 물이 수증기로 변화하는 현상을 기화 또는 증발이라 한다. 물 분자가 수증기로 될 때에 열을 가지고 떠나게 된다. 물 분자가 흡수하는 열을 기화열 또는 증발열이라 한다. 그리고 물 분자가 농도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하는 현상을 확산이라 한다.

기화는 다음과 같이 3가지 조건이 맞았을 때 잘 발생한다.

① 물의 온도가 높을수록 잘 발생한다. 물의 온도는 물 분자가 기화에 필요한 에너지를 공급한다.

② 공기와 닿아 있는 물표면적이 넓을수록 잘 발생한다.

③ 물과 맞닿은 공기의 상대습도를 낮을 때 잘 발생한다.

그리고 토네이도는 차갑고 건조한 공기와 따뜻하고 습한 공기가 충돌하면, 따뜻한 공기는 위쪽으로 올라가고 차가운 공기는 아래쪽으로 내려가면서 중간 부분에서 '회오리'가 생성된다. 회오리 바람이 발전하여 주변에서 공기를 끌어들여 상승하면, 높은 고도에서 기압이 줄어들어 평창하게 되어 수증기와 함께 올라온 미세먼지를 응결핵으로 작용하여 뭉쳐서 적란운 또는 적운으로 부르는 구름을 형성하고 계속 올라오는 수증기에 의해 작은 물입자가 되어 찬 공기의 하강 기류와 함께 비가 되어 내리게 된다.

공기 1m³ 안에 포함될 수 있는 최대의 수증기량을 ‘포화 수증기량’이라고 한다. 포화 수증기량은 온도가 높을수록 증가하고 공기의 온도가 낮아지면 포함할 수 있는 수증기량이 줄어들게 된다. 따라서 공기의 온도가 낮아지다가 어떤 온도에서 공기가 포화 상태가 되면 더는 수증기를 포함할 수 없으므로 수증기가 물방울이 된다. 이때의 온도를 ‘이슬점’이라고 한다. 연구 자료에 의하면 “비가 2㎜ 내리면 미세먼지 양이 6%가 줄고, 6㎜ 내리면 20%가 줄어든다.”라고 보고되고 있다.

본 발명은 ‘정화된 공기’를 만들어 ‘오염된 공기’와 충돌시켜 작은 회오리 바람과 난류를 일으키고 미세먼지에 수증기를 흡착시켜 미세먼지의 크기를 증가시키고 무겁게 만들어 중력에 의해 실내 바닥에 떨어뜨려 제거하는 미세먼지 저감장치에 관한 것이다.

본 발명은 지하철이나 다중이용시설처럼 사람이 웅집하고 출입문이 수시로 열고 닫혀지는 환경에서 사람을 따라 들어오는 미세먼지의 확산을 막는 미세먼지 저감장치에 관한 것이다.

본 발명은 수분의 흡착에 의거하여 다중이용시설 내부에서 사람이나 화물의 이동에 의해 비산되는 미세먼지를 막는 미세먼지 저감장치에 관한 것이다.

본 발명은 재활용이 가능한 직물이나 부직포를 사용하여 유지보수의 비용을 줄일 수 있는 미세먼지 저감장치에 관한 것이다.

본 발명은 열온수공급장치와 열풍공급장치를 사용하여 실내 온도와 습도를 조절하여 쾌적한 환경을 만들어 주는 미세먼지 저감장치에 관한 것이다.

미세먼지는 주로 에너지 소모가 많은 겨울철과 봄철에 발생한다. 그리고 실내 미세먼지는 주로 건물 외부에서 창문이나 출입문을 통해 건조한 찬바람에 부유되어 들어오거나 사람의 옷에 묻어 들어온다.

이제까지 공기중의 미세먼지를 제거하는 방식은 케이스 내부에 필터를 설치하고 여과하는 방법 또는 물이나 정전기를 이용한 흡착하는 방법을 사용하였다. 이러한 방식의 공통점은 특정 장치 내부를 바람이 통과하는 과정에서 미세먼지를 제거한다는 점이다. 반면에 본 발명의 핵심 은 ‘정화된 공기’를 만들어 ‘오염된 공기’와 충돌을 일으켜 작은 소용돌이와 난류(Turbulence)를 일으키고 그 과정에서 차가운 미세먼지와 부딪힌 수증기가 기화열을 잃고 미세먼지에 부착되어 무게와 크기가 증가하여 중력에 의해 바닥에 떨어져 제거하는 기술이다. 즉, 본 발명은 미세먼지가 일종의 냉각핀이 되는 제습 기술로 수증기가 바람을 타고 이동하면서 미세먼지를 제거한다.

‘오염된 공기’는 실외 초미세먼지의 농도가 보통 이상인 차갑고 건조한 공기를 말한다. 반면에 ‘정화된 공기’는 ‘오염된 공기’가 함유한 초미세먼지의 농도보다 한단계 좋음(오염된 공기의 미세먼지 농도가 나쁨이면, 정화된 공기의 미세먼지 농도는 보통내지 좋음을 뜻한다.) 이하를 나타내는 따뜻하고 습한 공기를 말한다. WHO에서 발표한 미세먼지의 농도를 기준으로 초미세먼지의 좋음은 0 ~ 15 ㎍/㎥이고 보통은 16 ~ 35 ㎍/㎥이며, 나쁨은 36 ~ 75㎍/㎥, 매우나쁨은 76㎍/㎥이상을 나타낸다. 미세먼지보다 초미세먼지가 포집하기 어렵기 때문에 초미세먼지 위주로 언급하였다.

‘정화된 공기’를 만들기 위해 본 발명의 일 실시 예에 따라 미세먼지 저감장치는 도 1 또는 도 2처럼 결합부재로 연결된 격자 모양의 라멘구조물에 기본세트가 설치된다. 라멘구조물은 사방이 틔어있어 바람의 이동이 자유롭다는 특징을 갖는다.

기본세트는 도 5의 형태로 필터박스에 내장되는 극세사(MicroFiber)로 제작한 직물이나 부직포(이하 ‘극세사물’이라 하겠다.),와 물을 이용하여 물입자를 생성하도록 상기 필터박스의 하부에 구비되는 분무장치 및 상기 물입자들을 상기 극세사물에 부착하기 위하여 미세먼지가 포함된 공기와 상기 물입자를 상기 필터박스의 아래에서 위로 유통시키도록 상기 필터박스의 상부에 구비되는 순환팬으로 구성된다. 도 9 역시 도 5의 모양을 변형시킨 기본세트로 피라미드의 모습을 가지고 있는 필터박스가 서로 대칭적으로 이격된 형태로 맞물리는 구조로 이루어져 있다.

극세사는 실의 굵기가 2㎛ ~ 10㎛으로 다음과 같은 장점을 제공한다.

● 흡수력과 탈수력이 뛰어나다 : 면에 비해 2~5배가 높다.

● 피부에 자극이 없다.

● 친환경적이다 : 세재없이 물만으로도 세척이 가능하다.

● 열(Heat Resistance)에 강하다.

그 밖에 0.1㎛ ~ 1㎛ 굵기를 갖는 초극세사와 10㎛ ~ 20㎛ 굵기를 갖는 세미극세사가 있다. 그리고 본 발명에서 사용하는 극세사물은 극세사 또는 세미극세사 위주로 제작한 2㎛ ~ 20㎛의 간극을 가지는 직물이나 부직포로 주로 미세먼지와 물입자를 흡착하고 동시에 물을 공기중으로 기화시키기 위해 사용한다.

미세먼지 저감장치가 일반 가정의 방처럼 소규모 공간 내 설치된다면, 기본세트 하나만으로도 충분하다. 그러나 만약 미세먼지 저감장치가 강당이나 실내 체육관처럼 최소 100명이상이 모일 수 있는 공간에 설치된다면, 라멘구조물 내 복수의 기본세트가 설치될 수 있다.

도 6은 기본세트 이외의 추가 구성요소로 분무장치에서 분사되는 물입자 내지 수증기가 응결되어 생성되는 물을 받을 수 있는 물받이가 추가로 구비되어 있다. 반면에 도 8내지 도 9의 기본세트는 폐쇄형이므로 피라미드형의 필터박스만으로도 물받이를 대처할 수 있다.

라멘구조물 내부에 뿌려지는 물입자는 5㎛ ~ 30㎛의 크기를 갖는 입자로 분무장치를 통해 공급한다. 분무장치는 다음과 같은 구성 요소로 제작할 수 있다.

① 초음파의 진동을 이용하여 물안개를 생성하는 초음파 가습기 모듈(Water Atomizer)과 호스 그리고 팬으로 제작한다.

② 물입자를 분사할 수 있는 노즐과 물펌프 그리고 호스 등으로 제작한다.

그리고 분무장치의 분사 방향은 분사된 물입자가 라멘구조물 외부로 나가지 못하도록 안쪽으로 설치된 필터박스를 향하도록 배치된다. 만약 필터박스이외에 물받이를 사용한다면, 분무장치는 도 3과 같이 넓은 범위에서 분무되도록 필터박스가 아닌 라멘구조물의 결합부재 주변에 부착한다. 그리고 분무장치의 분사 방향 역시 앞에서 언급한 것처럼 필터박스와 물받이 바닥이 접합되는 위치을 향해서 라멘구조물의 밖으로 분무되지 않도록 만든다.

상기 순환팬이 가동되면, 라멘구조물 주변의 공기는 다음과 같은 과정을 거치면서 ‘정화된 공기’가 된다.

① 분무장치에서 분사한 물입자와 충돌한 미세먼지는 크기와 무게를 늘려 중력에 의해 물받이 또는 필터박스 안으로 떨어진다.

② 물입자와 충돌없는 미세먼지는 공기중에 부유되어 물입자와 함께 상기 필터박스 안으로 흡입되어 2㎛ ~ 20㎛의 간극을 가지는 극세사물에 흡착된다.

③ 물입자를 흡착한 극세사물은 모세관 현상에 의하여 섬유의 간극이 2㎛ ~ 20㎛에서 0.01㎛ ~ 10㎛으로 변경되어 미세한 미세먼지를 추가 흡착하게 된다.

④ 앞의 과정(①과 ②와 ③)에서 흡착되지 못한 미세먼지는 라멘구조물의 상층에 있는 기본세트들을 다시 거치면서 재차 흡착된다.

‘정화된 공기’를 만드는 이유는 "에너지를 흡수하여 뜨거워진 미세먼지는 차갑고 건조한 미세먼지와 서로 충돌함으로써 에너지를 전달하기 때문에 미세먼지가 응결핵으로 작동하는 것을 방해한다." 따라서 뜨거워진 미세먼지 주변에 수증기가 부착되지 않음으로써 저감 효과가 떨어지게 된다.

위와 같은 과정을 통해 극세사물에 부착된 물입자는 기화를 촉진하는 아래 두가지 조건을 만족시킨다.

① 극세사물에 흡착된 물입자는 대기와 맞닿는 물의 표면적을 증가시킨다.

② 순환팬에 의해 불어주는 바람은 수증기를 이동시켜 극세사물 주변의 상대습도를 낮춘다.

앞에서 언급하지 않은 기화를 촉진하는 또다른 핵심 조건은 온도이다 . 도 2는 기본세트가 밀폐형이므로 기본세트 내 설치된 분무장치 가운데 일부 분무장치에 스팀을 공급할 수 있다. 분무장치 전체에 스팀을 공급하지 않는 것은 장치 외부로 배출된 공기 내 스팀에 의해 사람이 화상을 입을 수 있기 때문이다.

또다른 방법으로 도 1처럼 밀폐형이 아닌 오픈형 미세먼지 저감장치는 사람이 화상을 입지 않도록 일정 온도로 맞춘 온수(25℃ ~ 35℃ 온도의 물)로 분무장치에 제공하거나 또는 라멘구조물 아래에 설치된 송풍구와 히터 및 히트펌프와 같은 열풍공급장치를 추가로 사용하여 공기를 60℃~100℃로 가열하여 필터박스 안으로 불어 넣어 필터박스 내 온도를 높일 수 있다. 열풍과 스팀은 수분 증발이외에 곰팡이균이나 박테리아를 제거하는데 도움이 될 뿐만아니라 겨울철에 관로와 호스의 동파를 방지하는 역할도 한다.

그리고 여름철의 실내 온도를 조절할 목적으로 온수나 스팀이 아닌 수도물이나 정수한 정화수(이하 ‘자연수’라 하겠다.)를 분무장치에 공급하여 기화열로 주변의 온도를 낮출 필요가 있다.

즉, 분무장치는 주변의 온도와 상대습도 그리고 미세먼지의 농도에 맞추어 스팀(80℃ ~ 100℃ 온도의 물), 온수(25℃ ~ 35℃ 온도의 물), 자연수로 형성된 물입자를 분사한다.

분무장치에 온수와 스팀 그리고 자연수를 공급하는 열온수공급장치는 저수조에 히팅롤이나 전열선 등을 넣어 가열하는 장치(일종의 전기포트), 분무장치와 배관이 직접 연결되어 있다면, 연결된 배관에 전열선을 감아 가열하는 장치, 및 화석 연료나 사업 폐기물을 태운 에너지로 하여 물을 가열하는 보일러 등 여러 종류의 장치들을 포함한다.

그리고 열풍과 스팀 그리고 수증기는 찬공기보다 가볍기 때문에 북반구의 경우, 위에서 아래를 보았을 때 반시계 방향(지구 자전 방향)으로 회전하면서 아래에서 위로 밀고 올라가게 된다. 남반구는 시계 방향으로 공기가 회전한다. 공기가 뜨거워져 상승하면 라멘구조물 내 개별 층의 기압이 낮아지게 되고 그로 인해 주변의 공기가 미세먼지 저감장치안으로 빨려들어간다. 따라서 북반구의 경우, 미세먼지 저감장치 내부에서 사용하는 모든 순환팬의 회전 방향은 위에서 아래를 보았을 때 반시계 방향으로 회전시켜 상승 기류를 증폭시킨다. 역으로 남반구의 경우 순환팬의 회전 방향은 시계방향으로 회전시킨다.

라멘구조물 위로 올라온 정화된 공기는 압력과 농도가 높아지므로 주변 공기를 밖으로 밀어내게 된다. 그에 따라 정화된 공기는 가벼워 실내 천장 부분에 머물게 되고 역으로 출입문을 통해 바닥에서 들어온 오염된 공기는 무거워 서로 순환되지 못하고 정체되는 현상이 발생한다. 그러므로 ‘정화된 공기’와 ‘오염된 공기’를 충돌시키기 위해 또다른 강력한 바람이 필요하다. 바람은 끊인 물에 커피와 프림을 넣고 휘졌는 것처럼 고체를 빨리 녹일 때 사용하는 수저와 같은 역할을 한다.

그에 따라 도 1과 도 2와 같이 라멘구조물 내 최상단에 설치되는 배출팬은 상기 라멘구조물 내부 상기 필터박스와 연결되어 순환팬이 아래로부터 밀어올리는 ‘정화된 공기’를 다시 라멘구조물의 앞쪽 또는 좌우쪽의 위와 아래방향으로 주기적으로 회전하면서 실내 공기를 순환시켜 주는 역할을 수행한다. 일반적으로 배출팬은 일반 쿨링 팬이나 선풍기 또는 서큘레이터와 같은 팬을 사용한다. 그리고 배출팬의 회전 방향은 순환팬의 팬 회전 방향과 같은 방향으로 만든다. 이는 아래 방향으로 내려간 ‘정화된 공기’가 재 상승 시 충돌을 만들어 무질서도(entropy)를 증가시키기 위한 방안이다.

결과적으로 ‘정화된 공기’와 중돌한 ‘오염된 공기’속의 미세먼지는 하나의 응결핵이 되어 수증기와 함께 무게와 크기를 증가시킨다. 그리고 무게가 증가된 미세먼지는 중력에 의해 바닥에 떨어지게 된다. 떨어진 미세먼지는 수분이 증발하기 전까지 물의 흡착력(반데르발스 힘과 수소결합)을 통해 바닥에 부착된 상태에서 유지되며, 주기적인 바닥 청소로 제거하게 된다.

추가적으로 배출팬의 바람 속도와 회전 속도를 높이는 방법으로 도 10과 같이 바람의 회전을 돕기 위한 팬의 회전 방향과 같은 방향의 강선을 넣은 원통형 가이드를 배출팬에 부착할 수 있다. 강선은 총이나 대포에서 사용하는 나선형으로 파혀진 홈을 말한다. 강선을 넣은 원통형 가이드는 바람의 회전 속도를 높여 바람의 직진성을 높여주는 역할을 제공한다. 그리고 위에서 올라온 공기와 배출팬의 뒤쪽의 공기와 혼합하여 다시 앞으로 배출한다. 그로인해 뒤에 설치된 미세먼지 저감장치에서 부는 바람을 증폭시키게 된다.

대기가 역학적인 평형(Equilibrium)을 찾는 과정에서 미세먼지의 저감 효과는 ‘정화된 공기’와 ‘오염된 공기’의 온도와 상대습도, 및 미세먼지 농도의 차이가 크면 클수록 그리고 바람의 풍속이 빠르면 빠를수록 높아진다.

본 발명은 공기청정기와 공기조화기로 처리할 수 없는 다중이용시설 내 공기속 미세먼지를 제거하여 깨끗한 공기로 만든다.

본 발명은 실내 미세먼지를 제거하고 온도와 습도를 조절하여 사람들이 활동하기에 좋은 환경을 만든다.

본 발명은 재활용이 가능한 극세사로 제작한 직물이나 부직포를 사용함으로써 환경을 보전하고 유지보수의 비용을 절약할 수 있다.

도 1은 오픈형 미세먼지 저감장치의 사시도이다.
도 2는 폐쇄형 미세먼지 저감장치의 사시도이다.
도 3은 오픈형 미세먼지 저감장치의 정면도이다.
도 4은 폐쇄형 미세먼지 저감장치의 정면도이다.
도 5는 오픈형 기본세트의 정면도이다.
도 6는 물받이를 추가 구비한 오픈형 기본세트의 사시도이다.
도 7는 물받이를 추가 구비한 오픈형 기본세트의 정면도이다.
도 8은 폐쇄형 기본세트의 사시도이다.
도 9은 폐쇄형 기본세트의 정면도이다.
도 10은 원통형 가이드를 장착한 배출팬의 사시도이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 기술하였다. 그러나 본 발명은 실시된 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수 있다.

미세먼지 저감장치의 핵심은 ‘정화된 공기’를 인위적으로 만들어 ‘오염된 공기’와 충돌을 일으켜 작은 회오리 바람과 난류를 일으켜 미세먼지를 제거하는 기술에 있다. ‘오염된 공기’는 실외 초미세먼지의 농도가 보통 이상인 차갑고 건조한 공기를 말한다. 반면에 ‘정화된 공기’는 ‘오염된 공기’가 함유한 미세먼지의 농도보다 한단계 좋음 이하를 나타내는 따뜻하고 습한 공기를 말한다.

도 1은 오픈형 미세먼지 저감장치이며, 도 2는 폐쇄형 미세먼지 저감장치이다. 장치의 모양은 서로 다르지만 같은 기능을 수행하므로 도 1과 같이 오픈형 미세먼지 저감장치 위주로 언급하고 장치에 있어 차이나는 부분만을 별도 도 2와 도 4, 도 8 그리고 도 9과 함께 폐쇄형 미세먼지 저감장치에 대해 언급하겠다.

도 3에서 보는 바와 같이, 본 발명은 장치 외부의 ‘오염된 공기’를 흡입하고 물입자에 의해 공기를 정화하여 장치 내부에서 생성한 수증기와 함께 ‘정화된 공기’를 장치 외부로 배출시키는 미세먼지 저감장치로서, 라멘구조물(200) 내부 아래에 위치한 열온수공급장치(600); 상기 열온수공급장치와 연결된 호스나 파이프로부터 물을 공급받아 물입자를 분사하는 하나 이상의 분무장치(601); 미세먼지 및 상기 물입자를 흡착하는 극세사로 제작된 직물이나 부직포(이하 ‘극세사물’이라 하겠다.)를 내부에 구비한 필터박스(310); 상기 미세먼지와 상기 물입자를 상기 필터박스(310) 아래 돌출구로부터 흡입하고 상기 극세사물(311)에 흡착시킨 상기 물입자를 수증기로 기화시키는 순환팬(301); 상기 라멘구조물(200)의 최상단에 구비되고 상기 필터박스와 연결되어 상기 순환팬(301)이 밀어 올려주는 ‘정화된 공기’를 상기 라멘구조물(200)의 외부로 배출하는 배출팬(302);를 포함하는 것을 특징으로 한다.

참고로 도 3에 도시된 열온수공급장치(600)는 이해를 돕기 위해 표시한 설치 예이다. 실제 사용에 있어서 도 4처럼 열온수공급장치(미도시)는 상기 라멘구조물(200)의 외부에 위치할 수 있다.

상기 라멘구조물(200)은 바람의 이동이 자유로운 구조물 형태의 단순입방격자, 체심입방격자, 면심입방격자, 육방밀집격자 그리고 원통형격자구조물 모두를 포함한다. 라멘구조물이 벽면이나 기둥에 밀착되어 설치된다면, 필요에 따라 바람의 이동을 차단하기 위해 라멘구조물의 한 면 이상을 막을 수 있다. 도 1내지 도 3의 오픈형 미세먼지 저감장치 내 상기 분무장치(601)는 물입자만을 발생시킨다. 그러나 도 2내지 도 4의 폐쇄형 미세먼지 저감장치 내 분무장치(601)는 물입자이외에 스팀을 추가로 발생시킨다. 상기 물입자와 상기 스팀은 단지 물의 온도에 따른 물입자의 분류이다.

상기 필터박스; 상기 극세사물; 상기 분무장치; 상기 순환팬;은 수증기를 발생시키는 기본세트이다. 만약 미세먼지 저감장치가 가정용 방처럼 소규모 공간 내 설치된다면, 라멘구조물 내 하나의 상기 기본세트만으로도 충분하다. 그러나 미세먼지 저감장치가 강당이나 실내 체육관처럼 최소 100명이상이 모일 수 있는 공간에 설치된다면, 복수의 상기 기본세트가 층층이 설치될 수 있다.

라멘구조물 내부에 기본세트를 층층이 쌓아올리면, 사람의 키 높이에 따라 다양한 위치의 공기를 정화시킬 수 있을 뿐만 아니라 기본세트마다 설치된 순환팬(301)이 공기를 아래에서 밀어주고 위에서 끌어주기 때문에 라멘구조물(200) 내부의 대기압력을 낮추어 도 3과 도 4처럼 주변 공기를 빨아드리는 효과도 나타낼 수 있다.

상기 기본세트는 도 5와 같이 필터박스를 기준으로 상기 필터박스(310)의 하부에 하나 이상의 상기 분무장치(601)가 부착되며, 상기 필터박스(310) 내부에 상기 극세사물(311) 그리고 상기 필터박스(310)의 상부에 상기 순환팬(301)이 배치되는 형태로 구성된다. 상기 순환팬(301)은 아래에 위치한 상기 필터박스(310) 내부를 순간적으로 진공(Vacuum)으로 만들어 상기 필터박스(310)의 아래 공기와 상기 분무장치(601)에서 분사한 상기 물입자를 상기 필터박스(310) 안으로 빨아드리고 상기 극세사물(311)를 거쳐 위로 올려보내는 역할을 한다.

도 1 과 도 3처럼 오픈형 미세먼지 저감장치는 기본세트이외에 물받이(300)가 추가로 구비할 수 있다. 상기 물받이(300)은 도 6내지 도 7처럼 오픈형 미세먼지 저감장치 내 존재하는 구비물로 상기 필터박스(310)가 상기 물받이(300) 아래로 돌출된 상태에서 정사각형 또는 정육면체 또는 필요시 원형으로 상기 필터박스의 주변을 둘러싸는 구조로 형성된다. 상기 물받이(300)는 분사되는 물입자가 상기 라멘구조물(200)의 외부로 나가지 못하게 하는 역할과 함께 추가로 수증기가 응결되어 떨어지는 물을 받는 역할을 한다.

상기 물받이(300)의 또다른 목적은 라멘구조물(200)의 외부에서 흡입되는 5㎛ ~ 10㎛의 크기를 갖는 미세먼지와 상기 물입자를 충돌시켜 크기와 무게를 계속 늘려 중력에 의해 떨어지는 미세먼지를 받는 그릇 역할을 수행한다. 반면에 도 4내지 도9의 예는 별도 상기 물받이없이 피라미드형처럼 생긴 상하 필터박스(310)가 상기 물받이의 역할을 수행한다. 미세먼지의 농도에 따라 다르지만 일반적으로 분사되는 물의 량에 대비 1.0% ~ 0.5%정도가 상기 미세먼지와의 충돌이 발생된다. 그러므로 상기 물받이는 필요에 따라 식물이 식재된 화분으로 사용하거나 또는 분수대 또는 물고기를 키우는 수족관 등으로 사용할 수 있다.

상기 분무장치(601)는 도 5와 같이 분무한 물입자가 필터박스(310)의 아래 돌출구를 통해 상기 극세사물(311)로 흡입될 수 있도록 필터박스(310) 아래에 배치된다. 그러나 도 3의 예와 같이 물받이(300)를 사용한다면, 상기 분무장치(601)는 상기 물받이(300)와 결합부재(201)가 서로 연결되는 위치에 부착한다.

상기 필터박스(310) 안에 들어가는 극세사물(311)는 도 5내지 도 7과 같이 프레임, 나사 및 고리없이 필터박스(310)에 고정된 하부프리필터(313)와 상기 필터박스(310) 내부에서 상하 이동이 자유롭고 쌀의 도량이나 부피을 잴 때 사용하는 '홉'이나 '되'처럼 위에서 보았을 때 'ㅁ'자 또는 'ㄷ'자 모양의 홈이 위를 향하도록 만들어진 상부프리필터(312)와의 사이에 위치하여 상기 상부프리필터(312)와 상기 순환팬(301)의 무게에 의해 자연 고정되도록 구성된다. 상기 극세사물은 일반 필터처럼 특정 프레임(또는 형틀)에 넣어 사용하기보다 직물이나 부직포 자체를 그대로 사용한다. 이를 통해 유지보수 시 쉽게 상기 극세사물을 교체할 수 있으며, 또한 상기 극세사물의 높이 역시 마음대로 조정할 수 있다.

반면에 폐쇄형 미세먼지 저감장치는 오픈형 미세먼지 저감장치와 달리 필터박스를 제거하지 않는다면, 극세사물을 제거할 수 없다. 따라서 상부프리필터(312)와 하부프리필터(313)는 도 9와 같이 모두 나사 또는 볼트와 너트로 필터박스(310)에 고정시킨다. 그리고 폐쇄형 미세먼지 저감장치는 순환팬(301)의 주변 모두가 밀폐되어 있어 팬의 소음이 적다는 특징을 지니고 있다.

상부프리필터와 하부프리필터는 머리카락이나 황사처럼 크기가 큰 입자를 거르는데 사용하기 위해 스탠레스처럼 녹이 슬지 않는 철이나 알루미늄으로 만들어진 매쉬 모양의 필터(Mesh Filter)를 말한다. 상기 극세사물(311)은 M5내지 M6 등급의 미디엄필터의 역할을 수행할 수 있는 극세사로 제작한 직물 또는 부직포이어야 한다. 물입자를 흡입한 상기 극세사물은 물의 모세관 현상에 의하여 2㎛ ~ 20㎛의 섬유 간극을 0.01㎛ ~ 10㎛의 간극으로 만들어 0.1㎛ ~ 5㎛의 크기를 갖는 초미세먼지를 포집하는 효과가 나타난다. 또한 상기 순환팬에 의해 아래에서 위로 부는 바람에 의해 극세사 섬유가 함유한 물을 기화시켜 수증기로 만드는 기능을 수행한다.

분무장치는 물입자를 생성하고 분사하는 방식에 따라 다음과 같이 나눌 수 있다.

① 도 3 처럼 분무장치(601)는 노즐과 물펌프 그리고 파이프(또는 호스)를 사용한다. 상기 물펌프는 가압펌프 또는 수중펌프 가운데 선택하여 사용할 수 있으며, 필요에 따라 미세한 물입자를 만들기 위해 에어펌프를 추가 사용할 수 있다. 그리고 분사되는 물의 량과 압력의 세기에 맞추어 층마다 설치되는 노즐의 개수를 조절한다.

② 초음파 가습기 모듈(미도시)과 연결된 호스 그리고 팬을 사용한다. 상기 호스는 상기 노즐과 호스의 역할을 동시에 수행한다.

상기 물입자가 상기 라멘구조물(200)의 외부로 나가지 않도록 상기 기본세트 내 상기 분무장치(601)의 분출 방향과 분출 압력 그리고 설치 개수를 조절한다. 예를 들어 분출되는 분무장치의 압력이 너무 높다면, 분사된 물입자는 필터박스 안으로 빨려들어가지 않게 된다. 또한 물펌프의 압력을 라멘구조물 내 층별로 설치된 기본세트 내 분무장치의 압력을 골고루 배분하기 위해 개수 조절도 필요하다.

따라서 상기 물입자가 바람에 흩날리도록 약하게 분사하는 동시에 자연적으로 물방울이 상기 노즐에 맺혀 떨어지는 방향과 물입자가 분사되는 방향을 아래와 같이 조절한다.

● 도 5의 기본 세트가 상기 라멘구조물 내 복수로 설치된다면, 분무장치에서 분사한 물입자가 필터박스 안으로 들어가도록 아래로에 위치한 상기 기본세트의 상기 필터박스를 향하도록 설치한다. 실제 분사된 물입자는 아래에 위치한 순환팬에 의해 아래 필터박스가 아닌 자체 기본세트 내 필터박스 안으로 빨려 들어간다.

● 도 3과 같이 물받기(300)가 존재 시 결합부재(201)에 설치되는 상기 분무장치의 분사 방향은 필터박스(310)와 물받이(300)가 접합되는 부분을 향하도록 한다. 그리고 상기 기본세트가 라멘구조물(200) 내 열풍공급장치(402) 바로 위에 설치된다면, 상기 분무장치(601)는 송풍구(401)에 상기 물입자가 들어가지 않도록 설치한다.

● 도 2와 같이 폐쇄형 미세먼지 저감장치의 경우, 상기 분무장치(601)는 외부로 분출될 가능성이 없으므로 도 9처럼 아래 방향으로 약하게 분사한다.

도 4 내 분무장치(601)는 폐쇄형이라 도 9와 같이 필터박스(310) 안에 장착되어 물입자 또는 스팀(Steam)을 선택적으로 분사하도록 한다. 본 발명에서 사용하는 스팀은 기체인 물 분자(Gaseous state of water)가 아닌 80℃ ~ 100℃ 온도로 가열된 물입자를 말한다. 상기 분무장치 전체에 스팀을 공급하지 않는 것은 배출팬에 의해 부는 바람 내 스팀에 의해 사람이 화상을 입을 수 있기 때문이다. 자연수를 사용하여 형성된 물입자와 스팀이 극세사물(311)에서 섞여서 적당한 온도가 되어 기화하게 된다.

또다른 방법으로 도 1처럼 밀폐형이 아닌 오픈형 미세먼지 저감장치는 상기 분무장치(601)에 공급되는 물에 사람이 화상을 입지 않도록 일정 온도로 맞춘 온수(25℃ ~ 30℃ 온도의 물) 또는 자연수(자연 그대로의 물)로 제공된다. 상기 분무장치(601)에서 분사한 물입자는 화상의 위험없이 극세사물(311)에 흡착되어 작은 바람이라도 쉽게 수증기로 기화된다. 그리고 상기 자연수는 수도물이나 정수한 정화수 또는 수조에서 사용하는 물로 겨울철 미세먼지 저감 목적이외에 여름철에 기화열로 실내 온도를 낮출 때 사용한다.

분무장치(601)에 온수와 스팀 그리고 자연수를 공급하는 상기 열온수공급장치(600)는 하나 이상의 장치로 솔레노이드 밸브(602)를 사용하여 수도물이나 정수한 정화수, 또는 수조, 또는 전기포트처럼 저수조에 히팅롤이나 전열선 등을 넣고 일정량씩 주기적으로 공급되는 물을 가열하여 펌프로 공급하는 장치, 또는 별도 저수조없이 수도관(미도시)이 분무장치와 직접 연결되어 있다면, 연결된 배선(미도시)에 전열선을 감아 가열시키는 장치, 및 화석 연료나 사업 폐기물을 태운 에너지로 하여 물을 가열하는 보일러(미도시) 등 여러 종류의 장치들과 연결되어 사용할 수 있다. 솔레노이드 밸브는 전기적 신호로 밸브를 열고 닫을 수 있는 기능을 제공한다.

도 1과 같이 오픈형 미세먼지 저감장치의 경우, 물입자의 빠른 기화를 위해 히트펌프 또는 가열 히터와 같은 열풍공급장치(402)를 추가적으로 사용하여 60℃ ~ 100℃로 가열된 공기(이하 ‘열풍’이라 하겠다.)를 필터박스 안으로 불어 넣어 줄 수 있다. 상기 열풍공급장치(402)가 발생하는 열풍의 온도는 120℃를 넘지 않아야 극세사의 손상을 방지할 수 있다. 반면에 도 4처럼 폐쇄형 미세먼지 저감장치는 열온수공급장치(미도시)가 제공하는 스팀을 사용하므로 별도 열풍공급장치가 필요하지 않는다.

그리고 열풍과 수증기는 찬공기보다 가볍기 때문에 북반구의 경우 위에서 아래를 보았을 때 반시계 방향(지구 자전 방향)으로 회전하면서 아래에서 위로 올라가게 된다. 남반구는 시계 방향으로 공기가 회전하며 올라간다. 따라서 미세먼지 저감장치 내부에서 사용하는 모든 순환팬(301)의 회전 방향은 북반구의 경우 위에서 보았을 때 반시계 방향으로 회전시켜 더운 공기의 상승 속도를 높여주는 역할을 한다. 역으로 남반구의 경우, 순환팬의 회전 방향은 시계방향으로 회전시킨다. 열풍과 수증기 그리고 순환팬(301)이 하나로 결합되어 빠른 속도로 뜨거워진 공기를 상층부로 올려주면, 라멘구조물(200) 내 개별 층의 기압이 낮아지게 되고 그로 인해 주변의 공기가 필터박스(310)안으로 빨려들어간다.

이 과정에서 미세먼지와 물입자는 상기 극세사물(311)에 부착되고 상기 물입자는 다시 기화되어 수증기가 되어 가열된 공기와 함께 ‘정화된 공기’가 된다. 상기 라멘구조물 위로 올라온 상기 ‘정화된 공기’는 압력과 농도가 높아져 주변 공기를 밖으로 밀어내게 된다. 상기 라멘구조물(200) 아래로부터 올라온 ‘정화된 공기’는 라멘구조물(200)의 주변에 있는 ‘오염된 공기’를 충돌시키고 혼합하기 위해 다시 배출팬(302)을 사용하여 상기 라멘구조물(200) 앞면의 위와 아래 방향(또는 측면의 위와 아래 방향 등을 선택)으로 주기적으로 회전하면서 실내 공기를 순환시켜 준다. 상기 배출팬은 일반 쿨링 팬이나 선풍기 또는 서큘레이터와 같은 팬을 사용한다. 그리고 상기 배출팬(302)의 회전 방향은 순환팬(301)의 회전 방향과 같은 방향으로 만든다. 이는 아래 방향으로 내려간 상기 ‘정화된 공기’가 다시 상승하면서 또다른 충돌을 만들기 위한 방안이다.

그리고 배출팬(302)에 의해 부는 바람의 풍속과 회전 속도는 도 10과 같이 팬과 같은 방향으로 회전하는 강선(307)을 넣은 ‘원통형 가이드’(303)를 배출팬(302)에 부착하여 높일 수 있다. 상기 강선(307)을 넣은 상기 원통형 가이드(303)은 바람의 직진성을 높여주는 동시에 바람의 회전 속도를 증강시키는 기능을 제공한다. 그리고 위에서 올라온 ‘정화된 공기’와 배출팬의 뒤의 공기를 혼합하여 다시 앞으로 배출한다. 그로인해 뒤에 설치된 미세먼지 저감장치에서 부는 바람을 증폭시켜 줄 수 있다.

‘정화된 공기’와 ‘오염된 공기’는 서로 충돌이 발생하고 실내로 들어온 차갑고 건조한 공기속의 미세먼지를 하나의 응결핵으로 작동하여 미세먼지의 무게와 크기를 증가시킨다. 결과적으로 수증기의 부착으로 크기와 무게가 증가된 미세먼지는 중력에 의해 바닥에 떨어지게 된다. 떨어진 미세먼지는 수증기의 반데르발스 힘과 수소결합을 통해 바닥에 부착된 상태에서 유지되며, 주기적인 바닥 청소로 제거한다.

추가적으로 도 1과 도 2는 이해를 돕기 위해 상기 열온수공급장치(600), 상기 열풍공급장치(402),와 상기 기본세트 그리고 상기 배출팬을 배치하였지만, 실제 운용시 주변 환경에 따라 분수대나 수조관 등의 조경시설 속에 라멘구조물(200)을 설치한다면, 사람들의 안전을 위해 상기 기본세트와 상기 배출팬을 제외하고 상기 열온수공급장치와 상기 열풍공급장치는 별도 장소에 설치하고 필요한 배관이나 호스 등을 타설 또는 연결하여 사용할 수 있다.

100 : 중앙처리장치 200 : 라멘구조물 201 : 결합부재
300 : 물받이 301 : 순환팬 302 : 배출팬
303 : 원통형 가이드
304 : 물받이 배수구멍 305 : 좌우회전판 306 : 상하회전구
307 : 강선
310 : 필터박스 311 : 극세사물 312 : 상부프리필터
313 : 하부프리필터
401 : 송풍구 402 : 열풍공급장치
600 : 열온수공급장치 601 : 분무장치 602 : 솔레노이드 밸브
603 : 펌프 604 : 물호스

Claims (7)

1. 필터박스에 내장되는 극세사물;
   상기 필터박스의 하부에 구비되고 물입자를 생성하는 하나 이상의 분무장치;
   미세먼지를 함유한 공기와 상기 물입자를 상기 필터박스의 아래로부터 흡입하여 위로 유통시켜 상기 극세사물에 흡착되도록 상기 필터박스의 상부에 구비되는 순환팬;을 포함하는 기본세트; 및
   결합부재를 사용하여 상기 기본세트를 장착한 라멘구조물;을 포함하며,
   스팀 또는 온수 또는 자연수중 어느 하나 이상을 선택하여 상기 분무장치에 공급하는 열온수공급장치;를 포함하며,
   상기 라멘구조물의 최상단에 설치되고 상기 필터박스와 연결되어 상기 순환팬이 밀어올리는 공기를 상기 라멘구조물의 외부로 배출하는 배출팬;
   을 포함하는 것을 특징으로 하는 정화된 공기를 이용한 미세먼지 저감장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 필터박스 안으로 열풍을 공급하기 위하여 공기를 가열하는 열풍공급장치;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 정화된 공기를 이용한 미세먼지 저감장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 극세사물은 필터박스에 고정된 하부프리필터와 상기 필터박스 내부에서 상하 이동이 자유로운 상부프리필터와의 사이에 위치하고 상기 상부프리필터와 상기 순환팬의 무게에 의해 고정되도록 구성하는 것을 특징으로 하는 정화된 공기를 이용한 미세먼지 저감장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 배출팬은 강선을 가진 원통형 가이드를 전면에 추가 장착한 것을 특징으로 하는 정화된 공기를 이용한 미세먼지 저감장치.
5. 제1항에 있어서,
   상기 필터박스가 아래로 돌출되고, 상기 필터박스의 주변을 둘러싸며, 수증기가 응결되어 발생하는 물과 상기 분무장치로부터 분사되는 상기 물입자를 받는 물받이;를 상기 기본세트에 더 포함하는 것을 특징으로 하는 정화된 공기를 이용한 미세먼지 저감장치.
6. 제1항에 있어서,
   북반구 또는 남반구의 설치 지역에 따라 상기 순환팬과 상기 배출팬의 회전 방향을 결정하는 것을 특징으로 하는 정화된 공기를 이용한 미세먼지 저감장치.
7. 제1항에 있어서,
   상기 물입자가 상기 라멘구조물의 외부로 나가지 않도록 상기 분무장치의 분출 방향과 분출 압력과 설치 개수를 조절하는 것을 특징으로 하는 정화된 공기를 이용한 미세먼지 저감장치.

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