KR20230162872A - 광열헤파필터와 면발광시스템을 적용한 환기장치 - Google Patents
광열헤파필터와 면발광시스템을 적용한 환기장치 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명의 일 실시예는, 표면플라즈몬 공명 기반의 광열효과로 열에너지를 발생시켜 살균을 수행하는 환기장치로서, 복수의 엘이디가 설치되고, 상기 엘이디를 통해 광을 전달하는 엘이디기판; 상기 엘이디기판에서 전달하는 광을 면발광 형태로 전달받고 표면플라스몬 공명 기반의 광열효과를 발생시키는 광열헤파필터; 상기 환기장치의 공기흡입구에 배치되어 1차적으로 공기 중의 불순물을 필터링하는 프리필터; 및 상기 엘이디기판, 상기 광열헤파필터, 상기 프리필터를 둘러싸고, 결합된 상태로 유지하는 프레임을 포함하고, 상기 광열헤파필터는 헤파필터의 표면에 나노물질을 포함하고, 상기 나노물질은 상기 엘이디에서 전달되는 광을 전달받아 광열효과를 발생시키는, 환기장치를 제공할 수 있다.
Description
본 실시예는 가시광 또는 근적외선이 조사된 나노물질이 발생시키는 열에 의해 살균이 가능한 광열헤파필터를 내장하는 환기장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로 발광다이오드(LED)에서 발생하는 광에너지와 열에너지를 모두 활용하여 박테리아 및 바이러스를 사멸시킴과 동시에 열에너지를 재활용할 수 있는 환기장치 및 이를 활용한 결로방지 기술에 관한 것이다.
실내 공기질 향상을 위한 다양한 필터 기술은 일반적으로 공기 중에 떠다니는 미세먼지 등의 미립자를 여과 기능을 가지는 필터를 통해 제거하며, 일례로 종이 필터, 부직포 필터는 미세먼지 입자보다 작은 여과망을 사용하여 미세먼지를 포집하고 있다.
종래의 공기청정필터는 세균 및 바이러스를 사멸시키지 않고 단순히 필터의 집진효과로 필터에 포집된 상태로 존재하여 세균의 번식 위험, 결로에 의한 곰팡이 증식과 이를 기반으로 한 바이러스의 증식 등의 문제를 발생할 수 있다. 예를 들어, 공기청정필터에 주로 사용되는 헤파(HEPA, High Efficiency Particulate Air) 필터는 섬유로 제작되어 세균 번식의 위험성이 높으며, 바이러스의 제거가 쉽지 않다.
이를 위하여 자외선(UV)를 이용한 세균 및 바이러스 제거하는 시도들이 제안되고 있지만, 자외선(UV)의 물리적 특성의 한계로 인하여 필터의 표면이 아닌 필터의 내부(크레바스, Crevasse)에서는 세균, 바이러스 등의 제거가 사실상 불가능하다는 한계점이 있다.
필터를 포함하는 환기장치는 다양한 공조장치 등에서 널리 활용되고 있다. 특히, 열회수 환기장치는 배기되는 공기의 폐열을 외부 공기와 열교환하는 방식을 채택하고 있으며, 외부에서 유입되는 저온의 공기에 의해 환기장치의 표면에서 발생하는 결로를 방지하기 위해 별도의 히터를 통해 유입되는 저온의 공기를 사전에 가열하여야 한다.
별도의 히터를 통해 저온의 공기를 사전에 가열하는 과정에서 열효율이 감소하게 되고, 별도의 히터 및 방열장치를 설치하여야 하므로 필터 시스템의 부피가 증가하게 되고, 필터를 배치하기 위한 내부 구조의 복잡성이 증가하게 된다.
종래의 환기장치 필터와 열회수 환기장치를 연계하여 열경로를 형성하지 않고, 필터에 존재하는 박테리아 및 바이러스 제거를 고려하지 않는다는 한계점이 있다. 특히, 필터에 포집된 박테리아, 바이러스 등이 완전히 사멸되지 않고 유지되는 경우 박테리아, 바이러스의 증식으로 인해 발생하는 필터의 2차 오염 문제는 사용자의 건강에 심각한 위협으로 작용하게 된다.
또한, 환기장치 내부에 사용되는 광열헤파필터가 사용되는 경우에도 다른 필터의 종류나 배치 등을 고려하여 최적의 광열효과를 발생시킬 수 있는 구조체를 설계하여야 한다.
이러한 배경에서, 본 실시예의 목적은, 일 측면에서, 엘이디에서 발생하는 광을 나노물질로 전달하고, 표면플라스몬 공명 및 광열효과에 의해 발생한 열로 잔존하는 세균, 바이러스 등을 제거하는 환기장치와 그 동작 방법을 제공하는 것이다.
본 실시예의 목적은, 또 다른 측면에서, 발광다이오드(LED)에서 발생하는 광에너지와 열에너지를 모두 활용할 수 있는 환기장치를 제공하고, 광열헤파필터에서 발생하는 열에너지를 재활용하여 열효율을 개선시킬 수 있는 환기장치와 그 동작 방법을 제공하는 것이다.
본 실시예의 목적은, 또 다른 측면에서, 별도의 히터를 구비하지 않고 외부에서 공급되는 공기에 의한 결로 발생을 방지함과 동시에, 엘이디의 에너지 효율 저하를 개선할 수 있는 환기장치 및 그 동작 방법을 제공하는 것이다.
본 실시예의 목적은, 또 다른 측면에서, 프리필터의 종류가 부직포 또는 메쉬 형태인지에 따라 엘이디기판의 배치 순서를 변경함으로써 광의 조사각과 광경로를 고려하여 최적의 효율로 광열효과를 발생시킬 수 있는 환기장치 및 그 동작 방법을 제공하는 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위하여, 본 실시예는 일 측면에서, 표면플라즈몬 공명 기반의 광열효과로 열에너지를 발생시켜 살균을 수행하는 환기장치로서, 복수의 엘이디가 설치되고, 상기 엘이디를 통해 광을 전달하는 엘이디기판; 상기 엘이디기판에서 전달하는 광을 면발광 형태로 전달받고 표면플라스몬 공명 기반의 광열효과를 발생시키는 광열헤파필터; 상기 환기장치의 공기흡입구에 배치되어 1차적으로 공기 중의 불순물을 필터링하는 프리필터; 및 상기 엘이디기판, 상기 광열헤파필터, 상기 프리필터를 둘러싸고, 결합된 상태로 유지하는 프레임을 포함하고, 상기 광열헤파필터는 헤파필터의 표면에 나노물질을 포함하고, 상기 나노물질은 상기 엘이디에서 전달되는 광을 전달받아 광열효과를 발생시키는, 환기장치를 제공할 수 있다.
환기장치에서 상기 광열헤파필터에서 발생하는 열에너지를 상기 프레임으로 열전도 방식으로 전달하여 상기 프레임상에 형성되는 결로를 방지할 수 있다.
상기 환기장치는 별도의 히터를 포함하지 않을 수 있다.
환기장치에서 상기 엘이디는 전기 에너지를 열에너지 및 광에너지로 변환시키고, 상기 광에너지는 상기 광열헤파필터로 전달하고, 상기 열 에너지는 상기 프레임으로 전달할 수 있다.
환기장치에서 상기 광열헤파필터는 상기 헤파필터에 의해 외부에서 전달되는 공기의 불순물을 제거하고, 상기 헤파필터는 상기 엘이디에서 전달하는 광을 전달받아 광열효과 기반의 열에너지를 생성하여 상기 헤파필터상의 세균, 박테리아, 바이러스를 제거하고, 상기 공기흡입구에서 전달되는 저온의 외부공기를 가열할 수 있다.
환기장치에서 상기 엘이디기판은 복수 개의 필터 사이에 배치되고, 상기 복수 개의 필터로 인해 생성되는 열경로를 통해 상기 프레임으로 열을 전달할 수 있다.
환기장치에서 상기 프리필터는 부직포 형태로 형성되고, 상기 공기흡입구를 통과한 공기는, 상기 프리필터, 상기 엘이디기판, 및 상기 광열헤파필터로 순차적으로 전달되도록 각 구조체가 정렬될 수 있다.
환기장치에서 상기 프리필터는 메쉬 형태로 형성되고, 상기 공기흡입구를 통과한 공기는 상기 엘이디기판, 상기 프리필터, 및 상기 광열헤파필터로 순차적으로 전달되도록 각 구조체가 정렬될 수 있다.
환기장치에서 상기 광열헤파필터의 주변에 형성되는 온도분포 데이터를 획득하고, 상기 공기의 온도 변화를 측정하여 상기 광열헤파필터의 상기 나노물질에 전달하는 열에너지를 조절할 수 있다.
환기장치에서 상기 나노물질은, (1) 금속 계열의 금, 은, 구리, 철 중 하나 이상, (2) 금속-절연체 계열의 SiO2-금속, SiN-금속 중 하나 이상, (3) 금속-반도체 계열의 TiO2-금속, ZnO-금속, SnO2-금속 중 하나 이상, (4) 반도체 계열의 Ge-Te, (5) 탄소나노파이버, 탄소나노튜브, 이들의 파생물질, 및 이들을 포함하는 복합체 중 하나 이상, 또는 (6) 폴리피롤(PPy: Polypyrrole)을 포함하는 전도성 고분자를 포함할 수 있다.
환기장치에서 상기 광열헤파필터는, 전기방사에 의해 형성되고 불규칙적으로 배치되는 나노파이버; 및 상기 나노파이버 표면에 도포된 형광물질을 더 포함하고, 상기 광열헤파필터의 상기 나노물질은 상기 엘이디에서 전달되는 가시광에 반응하여 열을 발생시키고, 이와 동시에 상기 형광물질에 의해 변환된 가시광에 반응하여 열을 발생시킬 수 있다.
전술한 목적을 달성하기 위하여, 본 실시예는 일 측면에서, 표면플라즈몬 공명 기반으로 열에너지를 발생시켜 살균을 수행하는 환기장치로서, 복수의 엘이디를 포함하고, 상기 엘이디를 통해 광을 전달하는 엘이디기판; 상기 엘이디기판에서 전달하는 광을 면발광 방식으로 전달받고 표면플라스몬 공명 기반의 광열효과를 발생시키는 광열헤파필터; 상기 환기장치의 공기흡입구에 배치되어 1차적으로 공기 중의 불순물을 필터링하는 프리필터; 상기 엘이디기판, 상기 광열헤파필터, 상기 프리필터를 둘러싸고, 결합된 상태로 유지하는 프레임; 및 상기 프레임과 연결되고, 상기 프레임 내부로 공기를 유입시키는 흡기팬을 포함하고, 상기 광열헤파필터는 헤파필터의 표면에 나노물질을 포함하고, 상기 엘이디에서 전달되는 광을 전달받아 광열효과를 발생시키는, 환기장치를 제공할 수 있다.
환기장치에서 상기 프레임은 박스 형태의 모양을 가지고, 공기흡입구 및 공기배출구를 통해 공기를 순환시키며, 상기 공기흡입구에는 상기 프리필터, 상기 엘이디기판, 상기 광열헤파필터가 배치되고, 상기 공기배출구에는 상기 흡기팬이 배치될 수 있다.
환기장치에서 상기 프레임은, 상기 공기흡입구에 인접한 위치에서 상기 프리필터, 상기 엘이디기판, 상기 광열헤파필터의 교체를 위한 필터교체커버를 더 포함할 수 있다.
환기장치에서 상기 엘이디기판상에 상기 엘이디는 면광원을 발생시키도록 일정한 간격을 가지고 배치되며, 상기 엘이디가 전달하는 광은 상기 광열헤파필터의 표면으로 균일한 세기의 광을 전달시킬 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 실시예에 따르면, 별도의 히터를 포함하지 않고, 내부의 엘이디 및 광열헤파필터에서 발생하는 열에너지를 재활용하는 환기장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 실시예에 따르면, 나노물질에 의해 발생한 열로 헤파필터에 존재하는 박테리아, 세균, 및 바이러스를 제거하는 필터 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 본 실시예에 따르면, 엘이디에서 발생하는 광을 활용하여 나노입자를 통한 광열효과에 의한 박테리아(세균), 바이러스 등의 살균을 도모할 수 있고, 엘이디에서 발생하는 열을 활용하여 내부의 열경로 형성을 통해 별도의 히터를 포함하지 않고 결로 발생을 방지할 수 있으므로, 전체 필터 시스템의 에너지 효율을 개선할 수 있다.
또한, 본 실시예에 따르면, 프리필터의 종류가 부직포 또는 메쉬 형태인지에 따라 엘이디기판의 배치 순서를 변경함으로써 광의 조사각과 광경로를 고려하여 최적의 효율로 광열효과를 발생시킬 수 있다.
또한, 본 실시예에 따르면, 엘이디기판에서 면발광에 의한 광의 세기와 분포를 고려하여 적절한 간격으로 엘이디를 배치할 수 있고, 필요에 따라서는 온도 분포를 확인하고 최적의 광 출력을 제어할 수 있어 에너지 효율을 개선할 수 있다.
도 1은 본 실시예에 따른 환기장치의 좌측 사시도이다.
도 2는 본 실시예에 따른 환기장치의 우측 사시도이다.
도 3은 본 실시예에 따른 환기장치의 내부 구성도이다.
도 4는 본 실시예에 따른 환기장치의 내부 구성을 분해 및 확대한 도면이다.
도 5는 본 실시예에 따른 환기장치의 내부 구성의 상면도이다.
도 6은 본 실시예에 따른 환기장치의 필터 배치 순서를 예시한 제1 예시 도면이다.
도 7은 본 실시예에 따른 환기장치의 필터 배치 순서를 예시한 제2 예시 도면이다.
도 8은 본 실시예에 따른 면발광을 위한 실험조건을 설명하는 도면이다.
도 9는 본 실시예에 따른 면발광 전달 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 10은 본 실시예에 따른 면발광 전달 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 11은 본 실시예에 따른 면발광 전달 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 12는 본 실시예에 따른 면발광 전달 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 13은 본 실시예에 따른 광열헤파필터에서 발생한 열에너지에 기초한 온도 변화 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 실시예에 따른 환기장치의 우측 사시도이다.
도 3은 본 실시예에 따른 환기장치의 내부 구성도이다.
도 4는 본 실시예에 따른 환기장치의 내부 구성을 분해 및 확대한 도면이다.
도 5는 본 실시예에 따른 환기장치의 내부 구성의 상면도이다.
도 6은 본 실시예에 따른 환기장치의 필터 배치 순서를 예시한 제1 예시 도면이다.
도 7은 본 실시예에 따른 환기장치의 필터 배치 순서를 예시한 제2 예시 도면이다.
도 8은 본 실시예에 따른 면발광을 위한 실험조건을 설명하는 도면이다.
도 9는 본 실시예에 따른 면발광 전달 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 10은 본 실시예에 따른 면발광 전달 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 11은 본 실시예에 따른 면발광 전달 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 12는 본 실시예에 따른 면발광 전달 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 13은 본 실시예에 따른 광열헤파필터에서 발생한 열에너지에 기초한 온도 변화 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 본 발명의 구성요소를 설명하는데 있어서, 제1, 제2, a, b 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 또 다른 구성요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
본 발명의 구성요소 중 필터 시스템, 환기장치로 정의되는 용어는, 환기 및 필터 시스템의 의미로 혼용될 수 있으며, 본 발명의 기술적 사상으로 설명되는 필터를 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
도 1은 본 실시예에 따른 환기장치의 좌측 사시도이다.
도 2는 본 실시예에 따른 환기장치의 우측 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 환기장치는 필터박스의 형태로 외부의 공기를 전달받고, 공기 중의 유해물질 및 이물질을 동시에 제거하는 기능을 수행할 수 있다.
환기장치는 공기유입구 및 공기유출구를 포함하여, 공기의 지속적인 순환을 통해 실내의 공기질을 향상시킬 수 있다. 특히, 본 실시예에 따른 환기장치는 광에너지를 열에너지로 변환하여 필터에 포집된 박테리아 및 바이러스를 수분 내에 사멸할 수 있는 표면플라즈몬 공명 기반의 광열효과를 통해 공기 중의 유해물질 및 이물질을 제거할 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 환기장치는 열회수환기장치에 엘이디 모듈을 적용하여 실내 공기에 부유하고 있는 박테리아 및 바이러스를 포집하고 사멸하는 기능을 구현할 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 환기장치는 박테리아 및 바이러스를 사명시키는 과정에서 엘이디 및 광열헤파필터에서 발생하는 열에너지를 재활용하여 에너지 효율을 향상시키는 기능을 구현할 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 환기장치는 엘이디 및 광열헤파필터에서 발생하는 열에너지를 수집하여 외부공기의 온도를 높여 전열교환장치의 결로를 방지할 수 있으며, 프리히터를 대체할 수 있다.
도 3은 본 실시예에 따른 환기장치의 내부 구성도이다.
도 4는 본 실시예에 따른 환기장치의 내부 구성을 분해 및 확대한 도면이다.
도 5는 본 실시예에 따른 환기장치의 내부 구성의 상면도이다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 환기장치(100)은 프리필터(110), 엘이디기판(120), 광열헤파필터(130), 흡입팬(140), 프레임(150) 등을 포함할 수 있다.
프리필터(110)는 환기장치(100)의 공기흡입구에 배치되어 1차적으로 공기 중의 불순물을 필터링하여 포집 및 제거할 수 있다.
엘이디기판(120)은 복수의 엘이디(LED)가 설치되고, 엘이디(LED)를 통해 광을 전달할 수 있다. 엘이디기판(120)은 공기 순환 기능을 수행하기 위해, 공기의 통로로서 복수의 홀을 형성할 수 있고, 또는 엘이디기판(120)은 메쉬 형태의 구조를 가질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
엘이디(LED)는 엘이디기판(120)의 일 표면에 배치될 수 있고, 광열헤파필터(130)의 방향을 향해 설치될 수 있다. 복수의 엘이디(LED)는 일정한 간격을 가지고 엘이디기판(120)의 표면에 설치될 수 있으며, 이로 인해 면발광 형태로 균일한 세기의 광을 광열헤파필터(130)의 표면으로 전달할 수 있다.
엘이디(ELD)는 전기에너지를 열에너지 및 광에너지로 변환시키고, 광에너지는 광열헤파필터(130)로 전달하고, 열 에너지는 프레임(150)으로 전달할 수 있다.
엘이디기판(120)은 복수 개의 필터-예를 들어, 프리필터(110) 및 광열헤파필터(130)-의 사이에 배치되고, 복수 개의 필터로 인해 생성되는 열경로를 통해 프레임(150)으로 열을 전달할 수 있다.
광열헤파필터(130)는 헤파필터에 의해 외부에서 전달되는 공기의 불순물을 제거할 수 있으며, 헤파필터의 나노물질은 엘이디(LED)에서 전달하는 광을 전달받아 광열효과 기반의 열에너지를 생성하여 헤파필터상의 세균, 박테리아, 바이러스 등을 제거할 수 있다. 광열헤파필터(130)는 발생한 열에너지를 통해 공기흡입구에서 전달되는 저온의 외부공기를 가열할 수 있다.
광열헤파필터(130)는 엘이디기판(120)에서 전달하는 광을 전달받고, 광의 파장보다 작은 크기의 나노물질의 표면에서 빛과 상호작용에 의해 발생 국소 표면 플라즈몬 공명 현상(Localized Surface Plasmon Resonance)을 발생시킬 수 있다.
표면 플라스몬 공명(SPR)은 전달되는 광에 의해 금속 표면의 전하 분포에 상호작용이 일어나고, 금속 표면에 형성되는 근접장을 발생시키는 현상을 말한다. 전달되는 광의 특성, 금속 표면의 특성에 따라 발생되는 근접장을 조절할 수 있다.
광열헤파필터(130)에서 발생하는 열에너지를 프레임(150)으로 열전도 방식으로 전달하여 프레임(150)에 형성되는 결로를 방지할 수 있다. 이로 인해, 환기장치(100)은 별도의 히터를 포함하지 않도록 설계될 수 있다.
표면 플라스몬 공명을 발생시키는 나노물질은, (1) 금속 계열의 금, 은, 구리, 철 중 하나 이상, (2) 금속-절연체 계열의 SiO2-금속, SiN-금속 중 하나 이상, (3) 금속-반도체 계열의 TiO2-금속, ZnO-금속, SnO2-금속 중 하나 이상, (4) 반도체 계열의 Ge-Te, (5) 탄소나노파이버, 탄소나노튜브, 이들의 파생물질, 및 이들을 포함하는 복합체 중 하나 이상, 또는 (6) 폴리피롤(PPy: Polypyrrole)을 포함하는 전도성 고분자를 포함할 수 있다.
광열헤파필터(130)의 나노물질은 (1) 탄소나노파이버, 탄소나노튜브 등의 탄소중합체 (2) 폴리피롤(PPy: Polypyrrole) 등의 유기복합체 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
광열헤파필터(130)의 나노물질은 금속 그 자체에 의한 광열 효과를 발생시킬 수 있고, 금속의 절연체에 의한 광열 효과를 발생시킬 수 있다. 또한, 광열헤파필터(130)의 나노물질은 금속-반도체 계열에 의한 광열 효과를 발생시킬 수 있고, 반도체 그 자체에 의한 광열 효과를 발생시킬 수 있다.
광열헤파필터(130)의 나노물질에 가시광선 또는 근적외선이 전달되는 경우 나노물질은 표면 플라스몬 공명(SPR)에 의해 열을 발생시킬 수 있다. 이 경우 발생하는 열에 의해 세균, 박테리아, 바이러스를 제거할 수 있다. 박테리아 등이 일정 온도 이상으로 일정 시간 이상 노출될 경우 파괴되거나 탈(burning) 수 있다. 이러한 현상을 광열효과(photo-thermal effect)로 정의될 수 있다.
광열헤파필터(130)의 나노물질에 의한 광열효과는 자외선의 조사 없이 가시광선 또는 근적외선이 직접적으로 나노물질에 조사되거나 자외선의 조사 후 형광체에 의한 가시광선 또는 근적외선 발생(emission)에 의해 나노물질에 가시광이 전달될 수 있다. 자외선, 가시광선, 근적외선은 외부의 자연광일 수 있고, 필요에 따라 설치된 광원에 의해 조사될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
예시적으로, 자연광에 포함된 가시광이 광열헤파필터(130)에 전달되어 광열 효과(photo-thermal effect)를 발생시킬 수 있다. 또 다른 예시적으로, 광원 등에 의해 인공광이 광열헤파필터(130)에 전달되어 광열효과를 발생시킬 수 있다.
광열헤파필터(130)에 가시광선 또는 근적외선이 조사될 수 있고, 나노물질이 가시광선 또는 근적외선과 직접 반응하여 표면 플라스몬 공명(SPR) 또는 이와 유사한 효과를 발생시키는 다양한 기전에 의해 열을 발생시킬 수 있다.
예시적으로, 나노물질은 금속 나노물질로서 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu)일 수 있다. 금속 나노물질은 시드(seed)로부터 크기를 키우는 과정을 통해 적절한 크기를 설정할 수 있다. 예를 들어, 금(Au) 나노물질의 시드(seed)는 10nm에서 최종 사이즈를 100nm로 키울 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
광열헤파필터(130)는 전기방사에 의해 형성되고 불규칙적으로 배치되는 나노파이버, 및 나노파이버 표면에 도포된 형광물질을 더 포함할 수 있다.
광열헤파필터(130)의 나노물질은 엘이디(LED)에서 전달되는 가시광에 반응하여 열을 발생시키고, 이와 동시에 형광물질에 의해 변환된 가시광에 반응하여 열을 발생시킬 수 있고, 이로 인해 살균 성능 및 열에너지 생성 능력이 증가될 수 있다.
흡기팬(140)은 공기배출구에 연결되도록 프레임(150)상에 설치되어 모터 등의 동력을 기초로 프레임(150) 내부로 공기를 순환 및 배출하는 역할을 수행할 수 있다.
프레임(150)은 프리필터(110), 엘이디기판(120), 광열헤파필터(130)를 둘러싸고, 결합된 상태로 유지할 수 있다. 프레임(150)은 필터(110, 130) 및 기판(120)을 이격된 상태로 유지할 수 있으며, 간격은 열전달 효율 및 엘이디 광원의 특성 등에 따라 다르게 조절될 수 있다.
프레임(150)은 박스 형태의 직육면체 모양을 가지고, 공기흡입구(151) 및 공기배출구(152)를 통해 공기를 순환시킬 수 있다.
프레임(150)에 형성된 공기흡입구(151)에는 프리필터(110), 엘이디기판(120), 광열헤파필터(130)가 배치되고, 공기배출구(152)에는 흡기팬(140)이 배치될 수 있다. 또한, 프레임(150)은 공기흡입구(151)에 인접한 위치에서 프리필터(110), 엘이디기판(120), 광열헤파필터(130)의 교체를 위한 필터교체커버(153)를 더 포함할 수 있다. 필요에 따라, 프레임(150)은 흡기팬교체커버(154)를 더 포함할 수 있다.
환기장치는 데이터 처리 및 연산 기능을 수행할 수 있는 제어장치(미도시)를 더 포함할 수 있다. 제어장치(미도시)는 광열헤파필터(130)의 주변 또는 표면에 형성되는 온도분포 데이터를 획득하고, 공기 또는 필터의 온도 변화를 측정하여 필터의 나노물질에 전달하는 열에너지를 조절할 수 있다.
도 6은 본 실시예에 따른 환기장치의 필터 배치 순서를 예시한 제1 예시 도면이다.
도 7은 본 실시예에 따른 환기장치의 필터 배치 순서를 예시한 제2 예시 도면이다.
도 6 및 7을 참조하면, 필터(110, 130) 및 기판(120)은 다양한 형태 및 순서로 설계될 수 있다.
예를 들어, 프리필터(110)가 부직포 형태로 형성되는 경우에는 공기흡입구를 통과한 공기는, 프리필터(110), 엘이디기판(120), 및 광열헤파필터(130)로 순차적으로 전달되도록 각 구조체가 정렬될 수 있다. 위와 같은 배치를 통해 엘이디기판(120)에서 전달되는 광을 광열헤파필터(130)로 직접 전달할 수 있다.
다른 예시적으로, 프리필터(110)가 메쉬 형태로 형성되는 경우에는, 상기 공기흡입구를 통과한 공기는 엘이디기판(120), 프리필터(110), 및 광열헤파필터(130)로 순차적으로 전달되도록 각 구조체가 정렬될 수 있다. 위와 같은 배치를 통해 엘이디기판(120)에서 전달되는 광이 차단되지 않고 프리필터(110)를 관통하여 광열헤파필터(130)로 전달될 수 있다. 이 경우, 광 전달 세기 및 효율을 고려하여, 엘이디의 종류를 변경하거나, 개수를 증가시킬 수 있다.
도 8은 본 실시예에 따른 면발광을 위한 실험조건을 설명하는 도면이다.
도 8을 참조하면, 복수의 엘이디의 조합으로 면광원을 형성하여 광열헤파필터로 균일한 세기의 광을 전달할 수 있다.
LED 어레이는 2차원 어레이를 형성하고, 광열헤파필터와 일정한 간격을 이격하여 배치될 수 있다.
도 9는 본 실시예에 따른 면발광 전달 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 10은 본 실시예에 따른 면발광 전달 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 11은 본 실시예에 따른 면발광 전달 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 12는 본 실시예에 따른 면발광 전달 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 9 내지 12를 참조하면, LED 어레이에 배치된 엘이디의 개수를 변경하여 위치별 광의 세기를 시뮬레이션한 결과를 확인할 수 있다.
중심을 기준으로 일정한 균일성을 가지는 영역을 획득하고, 해당 영역에 대응하도록 광열해파필터를 배치시킬 수 있다.
또한, 중심으로부터의 거리 및 LED 어레이와 광열헤파필터의 거리를 고려하여 엘이디기판 및 광열헤파필터를 설치할 수 있다.
도 13은 본 실시예에 따른 광열헤파필터에서 발생한 열에너지에 기초한 온도 변화 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 13을 참조하면, 환기장치(1000)은 LED 모듈(1020), 광열헤파필터(1030), 프레임(1050) 등을 포함할 수 있고, 환기장치(1000)의 입구(1051)에서 출구(1052)까지 온도 변화에 관한 데이터를 획득할 수 있다.
LED 모듈(1020)은 다양한 파장의 광을 생성하기 위한 모듈일 수 있으며, 발광다이오드(LED: Light Emitting Diode) 등을 포함하는 모듈일 수 있다.
LED 모듈(1020)이 적외선, 자외선, 자외선 등의 다양한 파장의 광을 개별적으로 또는 동시에 발생시킬 수 있다.
LED 모듈(1020)에 의해 발생하는 광을 광열헤파필터(1030)으로 전달하여, 전술한 필터에서 각 파장대의 광에 의해 발생하는 다양한 효과들을 발생시킬 수 있다.
LED 모듈(1020)은 환기장치(1000)의 동작-예를 들어, 제습모드, 살균모드 등의 다양한 동작 모드-에 따라 LED를 선택적으로 온/오프 시키거나, 광 출력을 조절할 수 있다.
살균필터(1030)는 LED 모듈(1020)으로부터 가시광선, 근적외선 등의 광을 전달받고, 광열헤파필터(1030)의 나노물질은 광열효과에 의해 전달받은 광에 따라 발열반응을 발생시켜 세균, 박테리아, 바이러스를 제거할 수 있다.
LED 모듈(1020)은 전기적 에너지를 빛 에너지 또는 열 에너지로 변환시키므로, 열 에너지가 프레임(1050)으로 전달되어 환기장치(1000)에 발생하는 결로를 발생시킬 수 있다.
LED 모듈(1020)은 프레임(1050)의 입구(1051)에 배치되어 입구(1051)로 전달되는 저온의 외부공기를 가열함으로써 가열 효율을 향상시킬 수 있다.
LED 모듈(1020)은 열경로를 통해 프레임(1050)으로 열을 전달할 수 있고, 환기장치(1000)이 복수 개의 필터를 포함하는 경우, 복수 개의 필터로 인해 생성되는 열경로를 통해 프레임(1050)으로 열을 전달할 수 있다.
프레임(1050)은 환기장치(1000)의 구조를 형성하기 위한 구조체일 수 있고, LED 모듈(1020), 광열헤파필터(1030) 등의 내부 구성을 둘러싸는 형상을 가질 수 있다.
프레임(1050)은 외부의 공기를 필터 시스템(1000)의 내부로 전달하는 입구(1051) 및 내부의 공기를 필터 시스템(1000)의 외부로 전달하는 출구(1052) 등을 포함할 수 있다.
환기장치(1000)은 LED 모듈(1020)에서 발생하는 빛과 열을 동시에 활용하여, 박테리아, 박테리아 등을 박멸함과 동시에 에너지 효율을 개선할 수 있다.
환기장치(1000)은 시스템 내부의 온도보다 낮은 외부의 공기가 유입되어 발생하기 위해 유입구에 별도의 히터를 설치하지 않고, 내부에 배치된 LED 모듈(1020)에 의해 열 에너지를 재활용할 수 있으므로 추가적인 장치의 설치 없이도 외부의 공기 유입으로 인한 결로를 효과적으로 방지할 수 있다.
환기장치(1000)은 히터의 구동에 발생하는 연료 및 전력 소비량을 감소시킬 수 있으므로, 보다 친환경적인 열회수 환기 시스템을 구현할 수 있다.
만약, LED 모듈(1020)에 의한 공기의 가열 속도를 증가시키거나 충분한 발열량을 발생하기 위하여, 히터(미도시)를 보조적으로 사용하여 공기의 가열 상태를 개선할 수 있다.
환기장치(1000)은 실내에 설치되어 오염된 공기를 외부의 신선한 공기로 교체하는 제1 기능과, 폐열 회수기능을 통해 에너지 효율을 향상시키는 제2 기능을 동시에 구현하는 스마트 필터 시스템으로 정의될 수 있다.
환기장치(1000) 내부의 온도 데이터를 획득하고, 유입되는 공기의 온도 변화 또는 내부 구성요소의 온도 변화를 측정하여 광열헤파필터(1030)의 나노물질에 전달하는 열 에너지를 조절할 수 있다. 이 경우, LED 모듈(1020)의 발열량 또는 유입공기의 온도 등의 다양한 지표를 변수로 활용하여 시스템 제어의 정확성을 향상시킬 수 있다.
환기장치(1000)의 LED 모듈(1020)에서 발생하는 광은 살균필터(1030)으로 전달될 수 있고, LED 모듈(1020)에서 발생하는 열은 프레임(1050) 내부의 공간으로 전달될 수 있다.
LED 모듈(1020)에서 발생하는 열의 전달을 원활하게 하고, 열 효율을 향상시키기 위하여 열경로를 형성할 수 있다. 예를 들어, 환기장치(1000)이 하나 이상의 필터 또는 필터의 구성(1041, 1042)을 포함하는 경우, 이들에 의해 프레임(1010)의 표면의 방향-예를 들어, 공기의 순환방향과 수직의 방향-으로 열이 전달되어 프레임(1050)에서 발생하는 결로를 방지할 수 있다.
또한, LED 모듈(1020)의 표면에 방열을 위한 핀(fin) 구조체를 형성하여, 열 전달의 방향 또는 효율을 조절할 수 있다. 예를 들어, 핀(fin) 구조체는 시스템 내부의 공기에 열을 효과적으로 전달하는 구조체일 수 있다.
즉, LED 모듈(1020)에서 발생하는 빛 에너지-예를 들어, 가시광 또는 자외선 등-를 광열헤파필터(1030)으로 전달함과 동시에 LED 모듈(1020)에서 발생하는 열 에너지를 프레임(1050) 또는 환기장치(1000)의 내부의 공간으로 전달하여 살균 효과와 열효율 개선 효과를 동시에 얻을 수 있다.
Claims (15)
- 표면플라즈몬 공명 기반의 광열효과로 열에너지를 발생시켜 살균을 수행하는 환기장치로서,
복수의 엘이디가 설치되고, 상기 엘이디를 통해 광을 전달하는 엘이디기판;
상기 엘이디기판에서 전달하는 광을 면발광 형태로 전달받고 표면플라스몬 공명 기반의 광열효과를 발생시키는 광열헤파필터;
상기 환기장치의 공기흡입구에 배치되어 1차적으로 공기 중의 불순물을 필터링하는 프리필터; 및
상기 엘이디기판, 상기 광열헤파필터, 상기 프리필터를 둘러싸고, 결합된 상태로 유지하는 프레임을 포함하고,
상기 광열헤파필터는 헤파필터의 표면에 나노물질을 포함하고, 상기 나노물질은 상기 엘이디에서 전달되는 광을 전달받아 광열효과를 발생시키는, 환기장치. - 제1항에 있어서,
상기 광열헤파필터에서 발생하는 열에너지를 상기 프레임으로 열전도 방식으로 전달하여 상기 프레임상에 형성되는 결로를 방지하는, 환기장치. - 제1항에 있어서,
상기 환기장치는 별도의 히터를 포함하지 않는, 환기장치. - 제1항에 있어서,
상기 엘이디는 전기 에너지를 열에너지 및 광에너지로 변환시키고, 상기 광에너지는 상기 광열헤파필터로 전달하고, 상기 열 에너지는 상기 프레임으로 전달하는, 환기장치. - 제1항에 있어서,
상기 광열헤파필터는 상기 헤파필터에 의해 외부에서 전달되는 공기의 불순물을 제거하고,
상기 헤파필터는 상기 엘이디에서 전달하는 광을 전달받아 광열효과 기반의 열에너지를 생성하여 상기 헤파필터상의 세균, 박테리아, 바이러스를 제거하고, 상기 공기흡입구에서 전달되는 저온의 외부공기를 가열하는, 환기장치. - 제1항에 있어서,
상기 엘이디기판은 복수 개의 필터 사이에 배치되고, 상기 복수 개의 필터로 인해 생성되는 열경로를 통해 상기 프레임으로 열을 전달하는, 환기장치. - 제1항에 있어서,
상기 프리필터는 부직포 형태로 형성되고,
상기 공기흡입구를 통과한 공기는, 상기 프리필터, 상기 엘이디기판, 및 상기 광열헤파필터로 순차적으로 전달되도록 각 구조체가 정렬되는, 환기장치. - 제1항에 있어서,
상기 프리필터는 메쉬 형태로 형성되고,
상기 공기흡입구를 통과한 공기는 상기 엘이디기판, 상기 프리필터, 및 상기 광열헤파필터로 순차적으로 전달되도록 각 구조체가 정렬되는, 환기장치. - 제1항에 있어서,
상기 광열헤파필터의 주변에 형성되는 온도분포 데이터를 획득하고, 상기 공기의 온도 변화를 측정하여 상기 광열헤파필터의 상기 나노물질에 전달하는 열에너지를 조절하는, 환기장치. - 제1항에 있어서,
상기 나노물질은, (1) 금속 계열의 금, 은, 구리, 철 중 하나 이상, (2) 금속-절연체 계열의 SiO2-금속, SiN-금속 중 하나 이상, (3) 금속-반도체 계열의 TiO2-금속, ZnO-금속, SnO2-금속 중 하나 이상, (4) 반도체 계열의 Ge-Te, (5) 탄소나노파이버, 탄소나노튜브, 이들의 파생물질, 및 이들을 포함하는 복합체 중 하나 이상, 또는 (6) 폴리피롤(PPy: Polypyrrole)을 포함하는 전도성 고분자를 포함하는, 환기장치. - 제1항에 있어서,
상기 광열헤파필터는, 전기방사에 의해 형성되고 불규칙적으로 배치되는 나노파이버; 및
상기 나노파이버 표면에 도포된 형광물질을 더 포함하고,
상기 광열헤파필터의 상기 나노물질은 상기 엘이디에서 전달되는 가시광에 반응하여 열을 발생시키고, 이와 동시에 상기 형광물질에 의해 변환된 가시광에 반응하여 열을 발생시키는, 환기장치. - 표면플라즈몬 공명 기반으로 열에너지를 발생시켜 살균을 수행하는 환기장치로서,
복수의 엘이디를 포함하고, 상기 엘이디를 통해 광을 전달하는 엘이디기판;
상기 엘이디기판에서 전달하는 광을 면발광 방식으로 전달받고 표면플라스몬 공명 기반의 광열효과를 발생시키는 광열헤파필터;
상기 환기장치의 공기흡입구에 배치되어 1차적으로 공기 중의 불순물을 필터링하는 프리필터;
상기 엘이디기판, 상기 광열헤파필터, 상기 프리필터를 둘러싸고, 결합된 상태로 유지하는 프레임; 및
상기 프레임과 연결되고, 상기 프레임 내부로 공기를 유입시키는 흡기팬을 포함하고,
상기 광열헤파필터는 헤파필터의 표면에 나노물질을 포함하고, 상기 엘이디에서 전달되는 광을 전달받아 광열효과를 발생시키는, 환기장치. - 제1항에 있어서,
상기 프레임은 박스 형태의 모양을 가지고, 공기흡입구 및 공기배출구를 통해 공기를 순환시키며,
상기 공기흡입구에는 상기 프리필터, 상기 엘이디기판, 상기 광열헤파필터가 배치되고, 상기 공기배출구에는 상기 흡기팬이 배치되는, 환기장치. - 제13항에 있어서,
상기 프레임은, 상기 공기흡입구에 인접한 위치에서 상기 프리필터, 상기 엘이디기판, 상기 광열헤파필터의 교체를 위한 필터교체커버를 더 포함하는, 환기장치. - 제12항에 있어서,
상기 엘이디기판상에 상기 엘이디는 면광원을 발생시키도록 일정한 간격을 가지고 배치되며, 상기 엘이디가 전달하는 광은 상기 광열헤파필터의 표면으로 균일한 세기의 광을 전달시키는, 환기장치.
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2022
- 2022-05-20 KR KR1020220062132A patent/KR102647172B1/ko active IP Right Grant
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