KR101959980B1 - 필터 없는 미세먼지 제거기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 필터를 사용하지 않고 물을 이용하여 기체 내 분진을 포집하는 필터 없는 미세먼지 제거기에 관한 것으로, 가스를 흡입하여 토출하는 송풍부; 상기 송풍부에서 토출된 가스가 통과하는 수렴형 유입부, 목부 및 확산형 유출부를 구비하는 벤츄리부; 세정액을 저장하는 저장부 및 가스를 배출하는 배출구를 구비하고, 상기 벤츄리부에서 유출된 가스를 상기 배출구로 배출시키는 플레넘부; 상기 플레넘부 내부에 배치되어, 상기 배출구로 유출되는 가스 내 물방울을 포집하는 데미스터부; 상기 저장부 내 세정액을 상기 벤츄리부 내에 분사하는 분사부; 및 상기 송풍부의 송풍량 및 상기 분사부의 분사량을 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 저장부는, 상기 벤츄리부에서 생성된 액체 및 상기 데미스터부에서 발생한 생성된 액체가 저장된 세정액에 더해지도록 구비된다.

Description

필터 없는 미세먼지 제거기{FILTER-LESS FINE DUST ELIMINATOR}

본 발명은 필터 없는 미세먼지 제거기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 필터를 사용하지 않고 물을 이용하여 기체 내 분진을 포집하는 필터 없는 미세먼지 제거기에 관한 것이다.

일반적으로 공기 청정기는 공기에 포함되어 있는 오염 물질, 즉, 분진을 제거하여 오염된 공기를 신선한 공기로 바꾸는 장치로, 공기 청정 방식으로는, 필터식, 이온식 및 전기집진식이 있다.

이온식 공기청정기는, 일정한 거리를 띄워둔 전극에 고전압을 흘려 공중에 이온을 방전시킴으로써 이온을 공기 중의 미립자에 부착시키고, 플러스(+)극의 집진 수단에 끌어당겨 미립자를 제거하는 방식을 사용한다. 이와 같은 이온식 공기청정기는 소비 전력이 적고 조용하다는 장점이 있으나 기본적으로 송풍팬이 없기 때문에 일정한 수준까지 공기를 정화하는 데 소요되는 시간이 비교적 길고 정화 공간이 넓을수록 정화 효과가 떨어진다는 문제점이 있다. 더욱이, 이온식 공기청정기는 오존을 발생시키는 바, 발생된 이온이 높은 농도, 예를 들면 오존도 기준치 0.05ppm를 초과하는 농도인 경우에 인체에 유해한 문제점이 있다.

또한, 전기집진식 공기청정기는, 이온식과 같이 전기적인 방전 원리를 이용하여 강력한 집진력을 가진 집진판으로 오염된 공기 내 분진을 제거하는 방식으로 상술한 이온식 공기청정기와는 달리 송풍팬을 사용하기 때문에 이온식 공기청정기에 비해서는 분진 제거 효과가 높으나 헤파(HEPA) 등의 필터를 이용하는 공기청정기에 비해서는 분진 제거 효율이 낮고 본체 내부가 쉽게 더러워지므로 주기적인 청소가 필요한 문제점이 있다.

가장 주류를 이루고 있는 공기청정기는 필터식 공기청정기로, 송풍팬을 이용하여 공기를 흡입한 후 필터로 정화하여 정화된 공기를 다시 배출하는 방식을 사용한다. 이와 같은 필터식 공기청정기는 헤파 필터 등 부직포의 필터로 분진을 걸러내며, 냄새의 경우는 활성탄을 이용하여 흡착하게 되는데 일정한 주기로 필터를 교체해야 하므로 번거로울 뿐만 아니라 필터 구입을 위한 부가 비용이 발생하는 문제점이 있다.

대한민국 등록특허공보 제10-1602112호

본 발명은 상기와 같은 제반 문제점을 해결하기 위하여, 물로써 분진을 제거하는 벤츄리 스크러버(Venturi Scrubber)의 원리를 이용하여 분진을 포집함으로써 필터를 제거함과 아울러, 기체 내 분진의 제거 효율을 향상시키는 필터 없는 미세먼지 제거기를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은, 물 사용으로 인하여 유입되는 기체의 습도 및 온도가 높은 경우 점착성 분진에 대해서도 정화 능력이 뛰어나고, 분진과 냄새를 동시에 제거할 수 있는 필터 없는 미세먼지 제거기를 제공하는데 그 목적이 있다.

한편, 본 발명은, 분진이 기기 내부에 축적되지 않으므로 기로의 막힘이 없고 내부 청소를 위한 비용을 절감할 수 있는 필터 없는 미세먼지 제거기를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예는, 가스를 흡입하여 토출하는 송풍부; 상기 송풍부에서 토출된 가스가 통과하는 수렴형 유입부, 목부 및 확산형 유출부를 구비하는 벤츄리부; 세정액을 저장하는 저장부 및 가스를 배출하는 배출구를 구비하고, 상기 벤츄리부에서 유출된 가스를 상기 배출구로 배출시키는 플레넘부; 상기 플레넘부 내부에 배치되어, 상기 배출구로 유출되는 가스 내 물방울을 포집하는 데미스터부; 상기 저장부 내 세정액을 상기 벤츄리부 내에 분사하는 분사부; 및 상기 송풍부의 송풍량 및 상기 분사부의 분사량을 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 저장부는, 상기 벤츄리부에서 생성된 액체 및 상기 데미스터부에서 생성된 액체가 저장된 세정액에 더해지도록 구비된다.

여기서, 상기 플레넘부는, 내부 가스의 이동 속도를 조정하는 유속 조정부를 더 포함하고, 상기 제어부는, 상기 유속 조정부를 제어하여 상기 배출구를 향한 가스의 속도를 조정할 수 있다.

또한, 상기 제어부는, 하기 수학식 1 내지 수학식 3에 기초하여 상기 벤츄리부를 통과한 가스 내 분진 입자의 제거율인 하기 수학식 4의 효율이 0.985 이상 0.995 이하가 되도록 상기 송풍부의 송풍량 및 상기 분사부의 분사량을 정할 수 있다.

[수학식 1]

- 여기서,

은 상기 분사부의 분사량,

는 상기 송풍부의 송풍량,

는 상기 목부로 흐르는 가스 유속,

은 상기 분사부가 분사하는 세정액의 밀도,

는 상기 분사부가 분사하는 세정액 물방울의 평균 직경, μ는 상기 벤츄리부로 유입되는 가스의 점도, f는 실험 상수임 -

[수학식 2]

- 여기서,

는 상기 벤츄리부로 유입되는 가스 내 분진 입자의 직경,

는 상기 벤츄리부로 유입되는 가스 내 분진 입자의 속도,

는 물의 밀도임 -

[수학식 3]

- 여기서, σ는 상기 분사부가 분사하는 세정액 물방울의 표면 장력,

는 상기 분사부가 분사하는 세정액의 점도임 -

[수학식 4]

한편, 상기 제어부는, 상기 배출구를 향한 가스의 속도가 0.8m/s 이상 1.2m/s 이하로 되도록 상기 유속 조정부를 제어할 수 있다.

또한, 상기 확산형 유출부의 길이는 상기 목부 직경의 3.5배 이상 4.5배 이하일 수 있다.

한편, 상기 목부의 길이는, 하기 수학식 5 내지 수학식 8에 기초하여

[수학식 5]

- 여기서,

는 압력 손실임 -

[수학식 6]

- 여기서,

는 상기 목부의 길이임 -

[수학식 7]

[수학식 8]

- 여기서,

는 상기 목부를 통과하는 가스의 밀도,

는 상기 목부를 통과하는 가스의 점도임 -

상기 압력 손실이 500

미만이 되도록 정해질 수 있다.

또한, 상기 제어부는, 하기 수학식 13에 기초하여 상기 송풍부의 송풍량을 정할 수 있다.

[수학식 13]

- 여기서, Q는 상기 송풍부의 송풍량, D는 시간당 오염 물질 생성량에 비례하는 상수, 초기몰은 액체 상태의 오염 물질이 정화 공간 내에 포화 상태에 이르기까지 증발된 경우 공기 내 오염 물질의 몰수(mol), 해당몰은 공기 정화를 통하여 도달해야 하는 목표값에 해당하는 공기 내 오염 물질의 몰수, t는 상기 목표값에 도달하는 시간임 -

또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 다른 실시예는, 가스를 흡입하여 토출하는 송풍부; 상기 송풍부에서 토출된 가스가 통과하는 수렴형 유입부, 목부 및 확산형 유출부를 구비하는 벤츄리부; 세정액을 저장하는 저장부 및 가스를 배출하는 배출구를 구비하고, 상기 벤츄리부에서 유출된 가스를 상기 배출구로 배출시키는 플레넘부; 상기 플레넘부 내부에 배치되어, 상기 배출구로 유출되는 가스 내 물방울을 포집하는 데미스터부; 및 상기 저장부 내 세정액을 상기 벤츄리부 내에 분사하는 분사부를 포함하고, 상기 저장부는, 상기 벤츄리부에서 생성된 액체 및 상기 데미스터부에서 생성된 액체가 저장된 세정액에 더해지도록 구비되며, 상기 송풍부의 송풍량 및 상기 분사부의 분사량은, 하기 수학식 1 내지 수학식 3에 기초하여 상기 벤츄리부를 통과한 가스 내 분진 입자의 제거율인 하기 수학식 4의 효율이 0.985 이상 0.995 이하가 되도록 정한다.

[수학식 1]

- 여기서,

은 상기 분사부의 분사량,

는 상기 송풍부의 송풍량,

는 상기 목부로 흐르는 가스 유속,

은 상기 분사부가 분사하는 세정액의 밀도,

는 상기 분사부가 분사하는 세정액 물방울의 평균 직경, μ는 상기 벤츄리부로 유입되는 가스의 점도, f는 실험 상수임 -

[수학식 2]

- 여기서,

는 상기 벤츄리부로 유입되는 가스 내 분진 입자의 직경,

는 상기 벤츄리부로 유입되는 가스 내 분진 입자의 속도,

는 물의 밀도임 -

[수학식 3]

- 여기서, σ는 상기 분사부가 분사하는 세정액 물방울의 표면 장력,

는 상기 분사부가 분사하는 세정액의 점도임 -

[수학식 4]

한편, 상기 목부의 길이는, 하기 수학식 5 내지 수학식 8에 기초하여

[수학식 5]

- 여기서,

는 압력 손실임 -

[수학식 6]

- 여기서,

는 상기 목부의 길이임 -

[수학식 7]

[수학식 8]

- 여기서,

는 상기 목부를 통과하는 가스의 밀도,

는 상기 목부를 통과하는 가스의 점도임 -

상기 압력 손실이 500

미만이 되도록 정해질 수 있다.

또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 또 다른 실시예는, 가스를 흡입하여 토출하는 송풍부; 상기 송풍부에서 토출된 가스가 통과하는 수렴형 유입부, 목부 및 확산형 유출부를 구비하는 벤츄리부; 세정액을 저장하는 저장부 및 가스를 배출하는 배출구를 구비하고, 상기 벤츄리부에서 유출된 가스를 상기 배출구로 배출시키는 플레넘부; 상기 플레넘부 내부에 배치되어, 상기 배출구로 유출되는 가스 내 물방울을 포집하는 데미스터부; 및 상기 저장부 내 세정액을 상기 벤츄리부 내에 분사하는 분사부를 포함하고, 상기 저장부는, 상기 벤츄리부에서 생성된 액체 및 상기 데미스터부에서 생성된 액체가 저장된 세정액에 더해지도록 구비되며, 상기 송풍부의 송풍량은, 하기 수학식 13에 의해 정해질 수 있다.

[수학식 13]

- 여기서, Q는 상기 송풍부의 송풍량, D는 시간당 오염 물질 생성량에 비례하는 상수, 초기몰은 액체 상태의 오염 물질이 정화 공간 내에 포화 상태에 이르기까지 증발된 경우 공기 내 오염 물질의 몰수(mol), 해당몰은 공기 정화를 통하여 도달해야 하는 목표값에 해당하는 공기 내 오염 물질의 몰수, t는 상기 목표값에 도달하는 시간임 -

전술한 본 발명에 따르면, 오염된 공기의 온도 및 습도에 무관하게 오염된 공기 내 분진 및 악취를 높은 효율로 제거할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 분진을 포집하기 위한 필터를 사용할 필요가 없으므로, 기로의 막힘 현상에 따른 수리 비용 및 필터 교환, 내부 청소 등으로 소요되는 유지 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 필터 없는 미세먼지 제거기를 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 필터 없는 미세먼지 제거기를 나타낸 구조도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 필터 없는 미세먼지 제거기 중 벤츄리부를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 필터 없는 미세먼지 제거기의 동작을 나타낸 그래프이다.
도 5는 목부로 흐르는 가스의 속도별 분사부가 분사하는 세정액의 유량의 증가에 따른 계면면적의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 6은 분사부가 분사하는 세정액의 유량별 목부로 흐르는 가스의 속도의 증가에 따른 계면면적의 변화를 나타낸 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다. 그러나 본 발명의 실시형태는 여러 가지의 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로만 한정되는 것은 아니다. 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.

한편, 본 출원에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.

"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.

그리고 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 또는 "구비"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함하거나 구비할 수 있는 것을 의미한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 필터 없는 미세먼지 제거기를 나타낸 블록도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 필터 없는 미세먼지 제거기를 나타낸 구조도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 필터 없는 미세먼지 제거기 중 벤츄리부(200)를 나타낸 도면으로, 본 발명의 필터 없는 미세먼지 제거기는, 송풍부(100), 벤츄리부(200), 플레넘부(300), 분사부(400) 및 제어부(500)를 포함할 수 있다.

송풍부(100)는, 오염을 제거하고자 하는 공간 내 가스(Gas)를 흡입(G1)하여 벤츄리부(200) 내부로 토출(G2)한다. 이때, 송풍부(100)는, 벤츄리부(200)의 수렴형 유입부(210)의 전단에 설치될 수도 있으나, 수렴형 유입부(210)의 내부에 설치될 수도 있으며 이에 한정되지 않는다. 또한, 송풍부(100)는 가스의 유속에 대응하는 송풍 속도를 조절하기 위한 인버터 모터(도시되지 않음)를 구비할 수 있으며, 인버터 모터는 제어부(500)의 제어 신호에 따라 송풍부(100) 내 송풍팬의 회전수를 제어함으로써 송풍 속도를 조절할 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 한편, 송풍부(100)는, 별도의 제어부(500)의 제어 없이 오염 효율 최적화 기법에 따라 결정된 송풍 속도로 가스를 흡입하여 토출할 수도 있다.

벤츄리부(200)는, 송풍부(100)에서 토출된 가스가 유입되어 통과하는 수렴형 유입부(Converging section)(210), 목(Throat)부(220) 및 확산형 유출부(Diverging section)(230)를 구비하고, 통과된 가스를 플레넘부(300)로 유출(G3)한다. 이때, 벤츄리부(200)는, 다양한 단면 형상, 예를 들면, 원형, 직사각형, 정사각형 등으로 제조될 수 있고, 소정의 직경을 갖는 원형인 것이 바람직하나 이에 한정되지 않는다. 여기서, 수렴형 유입부(210)의 길이는 설치 공간의 규모를 고려하여 결정될 수 있으며, 목부(220)의 길이는 벤츄리 효과를 얻을 수 있도록 목부 직경의 약 2.5배 내지 약 3.5배, 바람직하게는 약 3배인 것이 바람직하나 이에 한정되지 않는다.

아울러, 확산형 유출부(230)의 길이는 목부 직경의 약 3.5배 내지 약 4.5배, 바람직하게는 약 4배인 것이 바람직하다. 소정 면적의 단면을 갖는 목부(220)에서 비교적 빠른 속도로 진행하던 가스는, 점진적으로 단면의 면적이 증가하는 형태인 확산형 유출부(230)를 통과하는 중에 그 진행 속도가 감소하면서 압력이 회복된다. 이때, 확산형 유출부(230)에서 배출되는 가스의 압력을 벤츄리부(200) 내 유입될 당시의 압력 수준까지 회복시키기 위하여 확산형 유출부(230)가 상술한 길이를 갖도록 설계하는 것이 바람직하다.

플레넘(Plenum)부(300)는, 세정액, 예를 들면 물(Water)을 저장하는 저장부(310) 및 가스를 배출(G4)하는 배출구(320)를 구비하고, 벤츄리부(200)에서 유출된 가스가 배출구(320)를 향하도록 가스의 흐름을 유발하게 된다. 여기서, 플레넘부(300)는, 내부 가스의 이동 속도를 조정하기 위하여 유속 조정부(도시되지 않음)를 구비할 수 있으며, 유속 조정부는 제어부(500)에 의하여 제어되는 진공 펌프 또는 사이클론(Cyclone) 분리기일 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 또한, 플레넘부(300) 내 배출구(320)를 향해 흐르는 가스의 이동 속도는 약 0.8m/s 이상 1.2m/s 이하, 바람직하게는 약 0.8m/s 이상 1m/s 이하일 수 있으며, 이와 같이 이동 속도를 소정의 속도 범위 내로 조절함으로써 공기 청정 효율을 감소시키지 않으면서도 가스 내 작은 물방울이 충분히 분리될 수 있도록 한다. 한편, 플레넘부(300)는, 최적화된 내부 가스의 이동 속도에 따라 고정된 구조일 수 있으며, 이 경우, 유속 조정부가 제어부(500)에 의하여 제어되는 방식을 채용하지 않을 수 있다.

또한, 저장부(310) 내 세정액의 양 조절 및 교환을 위하여 저장부(310) 하우징 하단에 드레인 밸브(Drain valve)(311)를 구비하는 것이 바람직하다.

여기서, 벤츄리부(200)와 플레넘부(300) 사이의 기밀성을 유지하기 위하여 가스켓(Gasket)(340)을 설치할 수 있다.

데미스터(Demister)부(330)는, 플레넘부(300) 내부에 배치되어 배출구(320)로 유출되는 가스 내 물방울을 포집하고, 포집된 물방울을 저장부(310) 내로 낙하시키는 역할을 한다. 여기서, 데미스터부(330)는, 배출구(320)로 유출되는 가스의 유로에 대하여 수직으로 설치되는 것이 바람직하며, 비교적 작은 크기의 물방울과 먼지의 혼합 입자가 배출되는 것을 차단하고 청정 가스만을 배출할 수 있도록 한다.

분사부(400)는, 저장부(310) 내 세정액(L)을 벤츄리부(200) 내에 분사한다. 이때, 분사부(400)는, 세정액의 공급 경로가 되는 유로관(410), 저장부(310) 내 세정액을 끌어올리는 펌프(420) 및 벤츄리부(200)로 유입된 가스에 세정액을 분사하기 위한 복수개의 노즐(430)을 포함할 수 있으며, 특히, 분사부(400)는 노즐(430)을 통하여 목부(220)에 유입된 가스에 세정액을 분사하게 된다. 이때, 분사부(400)는, 분사되는 세정액의 분사량을 조절하기 위한 조절 밸브(도시되지 않음)를 구비할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.

복수개의 노즐(430)은, 분진 입자의 직경의 약 120배 내지 180배의 크기, 바람직하게는, 약 150배의 크기를 갖는 분리 입경을 구비한 노즐공이 형성될 수 있다. 복수개의 노즐(430)에서 분사하는 세정액의 입경이 작을수록 세정액 물방울의 표면적의 합이 증가하므로 분진 입자가 효과적으로 제거될 수 있으나, 노즐 구동 에너지 효율을 고려하여 분진 크기 대비 세정액 물방울의 크기를 약 150배로 하면 제거 효율이 높으면서도 에너지 소모를 절감할 수 있다.

여기서, 벤츄리부(200)로 유입된 가스와 분사부(400)에서 분사된 세정액이 작용하여 분진을 포집한 물방울이 생성되고, 생성된 물방울은 낙하 등의 방식으로 저장부(310)에 회수된다.

벤츄리부(200) 내에서 분진을 포집한 물방울이 생성되는 원리를 상술하면 다음과 같다. 먼저, 관성 충돌(Impaction)에 의한 포집은, 가스 내 함유된 분진 입자가 물방울에 근접하면서 물방울과 충돌하여 가스로부터 분리되는 것이고, 확산(Diffusion)에 의한 포집은, 가스의 흐름과는 무관하게 약 0.1㎛ 이하의 미세한 분진 입자가 불규칙한 브라운(Brown) 운동을 하다가 물방울과 충돌하여 가스로부터 분리되는 것이며, 차단(Interception)에 의한 포집은, 분진 입자가 가스의 흐름을 따라 물방울 주위를 흐르는 경우에 물방울의 표면과 분진 입자의 거리가 분진 입자 직경의 약 0.5배가 되면 가스로부터 분리되는 것이다. 이때, 차단에 의한 포집은, 분진 입자의 질량 보다는 분진 입자의 크기에 포집 여부가 좌우된다.

제어부(500)는, 송풍부(100)의 송풍량 및 분사부(400)의 세정액의 분사량을 제어한다. 이때, 제어부(500)는, 하기 수학식 1의 칼버트(Calvert) 투과 방정식을 이용하여 하기 수학식 4에 따른 분진 제거 효율이 약 0.985 이상 0.995 이하, 바람직하게는 약 0.99가 되도록 송풍부(100)의 송풍량 및 분사부(400)의 세정액의 분사량을 정할 수 있으며, 이에 대하여 상술하면 다음과 같다. 또한, 다음과 같은 방식으로 송풍부(100)의 송풍량 및 분사부(400)의 세정액의 분사량이 결정되면, 제어부(500)의 제어 없이 직접 이 수치를 적용하여 송풍부(100) 및 분사부(400)를 설계할 수도 있다.

먼저, 분진 입경 별 투과율(

)을 계산하기 위한 칼버트 투과 방정식은 하기와 같다.

여기서,

는 벤츄리부(200)로 유입되는 가스 내 포집되지 않은 소정의 입경(d)을 갖는 분진 입자의 분율을 의미하며,

은 분사부(400)가 분사하는 세정액의 유량(㎥/s),

는 벤츄리부(200)로 유입되는 가스의 유량(㎥/s), 즉, 송풍부(100)의 송풍량이 되고,

는 목부(220)로 흐르는 가스의 속도(cm/s)이다. 또한,

은 분사부(400)가 분사하는 세정액의 밀도(g/㎤)이고,

는 분사부(400)가 분사하는 세정액 물방울의 평균 직경을 의미한다. 이때, 분사부(400)가 분사하는 세정액 물방울은, 노즐로부터 분사된 이후에 목부(220)를 통과하면서 깨지는 과정을 거져 점차 직경이 감소하게 되는데,

는 최초 노즐 분사 후 목부(220)의 말단에 이르기까지 변화하는 물방울의 직경에 대한 평균을 의미할 수 있다. 한편, μ는 벤츄리부(200)로 유입되는 가스의 점도(poise)이고, f는 실험 상수로 벤츄리부(200)로 유입되는 가스 내 분진 입자가 친유성 입자인 경우에는 0.25, 친수성 입자인 경우에는 0.5가 된다.

이때,

는 목부(220)로 흐르는 가스의 속도에 대해 계산된 관성 충돌 변수로서, 아래와 같이 계산될 수 있다.

여기서,

는 벤츄리부(200)로 유입되는 가스 내 분진 입자의 직경(cm)이고,

는 벤츄리부(200)로 유입되는 가스 내 분진 입자의 속도(cm/s)이며,

는 물의 밀도(g/㎤)이다.

또한, 세정액 물방울의 평균 직경(

)은 아래와 같이 계산될 수 있다.

여기서, σ는 분사부(400)가 분사하는 세정액 물방울의 표면 장력(dyne/cm)이고,

는 분사부(400)가 분사하는 세정액의 점도(poise)이다.

또한, 공기청정기의 효율은 하기와 같이 계산될 수 있다.

만약, 소정의 입경(d)을 갖는 분진을 99% 제거하고자 하는 경우에는, 수학식 1 내지 수학식 3을 이용하여 위 수학식 4의 효율이 0.99가 되는 목부(220)로 흐르는 가스의 속도(

) 및 분사부(400)가 분사하는 세정액의 분사량, 즉, 오염을 제거하고자 하는 가스의 양에 대비하여 필요한 세정액의 분사량(

)을 계산할 수 있다.

다시 말하면, 제어부(500)는, 칼버트 투과 방정식으로 알려진 위와 같은 공식을 이용하여 결정된 세정액의 분사량에 따라 분사부(400)의 분사량을 제어하게 되고, 아울러, 같은 방법으로 결정된 목부(220)의 가스 유속에 따라 송풍부(100)의 송풍량을 제어하게 된다. 여기서, 제어부(500)는, 위와 같이 결정된 목부(220)의 가스 유속을 유지하기 위하여 목부(220) 부근에 설치된 유속 측정 수단(도시되지 않음)을 이용하여 원하는 목부(220)의 가스 유속에 적합한 송풍부(100)의 송풍량을 결정할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.

앞서 기술한 바와 같이 칼버트 투과 방정식으로 알려진 위와 같은 공식을 이용하여 결정된 세정액의 분사량 및 송풍부(100)의 송풍량에 따라 직접 송풍부(100) 및 분사부(400)를 고정된 수치로 설계할 수 있으며, 이 경우 제어부(500)는 생략 가능하다.

목부(220)의 가스 유속이 증가하면, 분진 입자가 제거되는 비율이 증가하는 반면 에너지 비용도 따라서 증가되므로 칼버트 투과 방정식을 적용하여 최적화된 가스 유속을 결정하고, 이에 따라 제어부(500)에서 송풍부(100)의 송풍량을 제어함으로써 분진 제거 효율을 높게 유지하면서도 에너지 소모를 감소시킬 수 있다.

이와 마찬가지로, 분사부(400)의 세정액 분사량이 증가할수록 분진 입자가 제거되는 비율이 증가하나, 분사량의 증가를 위한 분사부(400)의 운전 비용 및 세정액을 저장하는 공간인 저장부(310)의 부피, 즉, 공기청정기 부피가 증가되므로 칼버트 투과 방정식을 적용하여 최적화된 분사량을 결정하고, 이에 따라 제어부(500)에서 분사부(400)의 세정액 분사량을 제어할 수 있다.

위의 수학식에 따라 직경이 2.5㎛ 미만인 분진 입자를 0.99의 효율로 제거하기 위한 목부(220)의 가스 유속에 대응하는 분사부(400)의 세정액 분사량을 산출하면 하기 표 1과 같다.

여기서, 송풍부(100)의 송풍 속도, 즉, 정화해야 하는 가스의 유량은 5㎥/min(CMM)으로 가정하였다.

또한, 위의 수학식에 따라 직경이 2.5㎛ 미만인 분진 입자를 0.99의 효율로 제거하기 위한 목부(220)의 가스 유속에 대응하는 분사부(400)의 세정액 분사량을 정화해야 하는 가스의 유량에 따라 산출하면 하기 표 2와 같다.

PM 2.5 기준 세정액 분사량(l/min)		가스 유속(m/s)
		50	60	70	80	90
가스 유량 CMM	50	94	83	75	70	66
	100	188	165	150	139	131
	150	282	247	225	209	197
	200	376	330	300	278	263
	250	470	412	375	348	328
	300	563	495	450	418	394
	350	660	577	525	487	460
	400	756	659	600	557	525
	450	846	744	674	626	590
	500	942	828	749	696	660

한편, 도 4는 분사부(400)의 세정액 분사량(3.756 l/min)을 고정한 경우에 위의 수학식에 따라 계산한 직경이 2.5㎛ 미만인 분진 입자의 제거 효율을 나타낸 그래프로, 제거 효율이 0.99 이상이 되기 위해서는 목부(220)의 가스 유속이 50m/s가 될 수 있는 구조 내에서 송풍부(100)의 송풍 속도, 즉, 정화해야 하는 가스의 유량을 2㎥/min(CMM)으로 조정해야 하는 것을 알 수 있다.

또한, 벤츄리부(200) 내 분진 입자 제거 효율은 목부(220)를 흐르는 가스의 압력 손실에 따라 영향을 받는다. 즉, 압력 손실이 500

이상이면 분진 입자 제거 효율이 더 이상 크게 증가하지 않게 된다.

따라서, 목부(220)가 적정한 압력 손실을 유지하기 위한 길이를 가지도록 설계할 필요가 있는 바, 하기 수학식 5와 같은 영(Yung)의 방정식을 이용하여 목부(220)의 길이를 결정할 수 있다.

여기서,

는 압력 손실(dyne/㎠)이고, X는 하기 수학식 6에 의해 계산될 수 있다.

여기서,

는 목부(220)의 길이(cm)이고, 이며,

는 목부(220)를 통과하는 가스의 밀도(g/㎤)이며,

는 분사부(400)가 분사하는 평균 직경을 갖는 세정액 물방울의 항력 계수(무차원)로 하기 수학식 7에 의하여 계산될 수 있다.

여기서, Re는 레이놀즈(Reynolds) 수로, 하기 수학식 8에 의하여 계산될 수 있다.

여기서,

는 목부(220)를 통과하는 가스의 점도(poise)이다.

상술한 수학식에 따라, 압력 손실(

)이 500

미만이 되도록 목부(220)의 길이(

)를 결정할 수 있다. 이때, 1

는 98.0665 dyne/㎠로 환산된다.

또한, 제어부(500)는, 송풍부(100)의 송풍량을 하기 수학식 9의 물질 수지(Mass balance) 방정식을 이용하여 도출된 하기 수학식 13에 따라 원하는 시간 내에 오염물질의 양이 소정 수준에 이를 수 있도록 정할 수 있다. 여기서, 하기와 같은 방식으로 송풍부(100)의 송풍량이 결정되면, 제어부(500)의 제어 없이 직접 이 수치를 적용하여 송풍부(100)를 설계할 수 있다.

먼저, 정화하고자 하는 공간의 오염물질의 시간당 변화량(

)은 하기 수학식 9와 같다.

여기서, Q는 정화하고자 하는 공간(System) 내 유입되는 풍량으로, 송풍부(100)의 송풍량에 대응하는 수치, 상술한 수학식 1의

, 즉, 벤츄리부(200)로 유입되는 가스의 유량(㎥/s)과 동일한 수치이다.

는 정화하고자 하는 공간에 유입되는 오염물질의 농도이며,

은 정화하고자 하는 공간에서 유출되는 오염물질의 농도를 의미한다.

는 정화하고자 하는 공간 내에서 액체상태의 오염물질이 기체로 증발하는 양 및 기체상태의 오염물질이 액체로 응축되는 양에 의하여 공기 내에 생성되는 오염 물질의 양이고,

는 정화하고자 하는 공간 내에서 액체상태의 오염물질이 기체로 증발하는 양 및 기체상태의 오염물질이 액체로 응축되는 양에 의하여 공기 내에 소비되는 오염 물질의 양을 의미한다. 이때, 상술한 응축 및 증발에 의해 생성 또는 소비되는 오염 물질은 물리적 반응에 의한 생성 및 소비뿐 아니라 화학적 반응에 의한 생성 및 소비를 포함할 수 있다.

따라서, 상술한 수학식 9의 좌변 첫 번째 항은 공간 내로 유입되는 오염 물질량이 되고, 좌변 두 번째 항은 공간 밖으로 유출되는 오염 물질량이 된다.

이때, 정화하고자 하는 공간이 정상 상태에 도달한 이후에, 공간 내에 오염 물질이 포함되지 않은 깨끗한 공기를 넣어주는 경우, 깨끗한 공기만이 공간 내에 유입되므로, 유입되는 오염 물질의 농도인

은 0이 되고, 공기 내에서 소비되는 오염 물질의 양인

도 0이 되므로, 수학식 9에 의하여 하기 수학식 10과 같은 식이 도출된다.

이때, 정상 상태란 정화하고자 하는 공간 내에서 액체 상태의 오염 물질이 기체로 증발하는 양과 기체 상태의 오염 물질이 액체로 응축되는 양이 동일한 상태로, 정화하고자 하는 공간 내 오염 물질이 최대치까지 증발된 상태를 의미한다.

즉, 수학식 10에 의하면, 오염 물질의 유출량 및 오염 물질의 생성량만 고려하게 된다.

시간당 오염 물질의 생성량(

)은 오염물질의 증발 속도(v)와 오염물질이 외부에 접하는 면적인 증발 면적(A)을 곱한 값으로 산출할 수 있고, 배출 농도는 공간의 부피(V) 내에 포함되어 있는 오염 물질의 양(m)으로 표현할 수 있으므로, 수학식 10은 하기 수학식 11과 같이 나타낼 수 있다.

위와 같은 수학식 11은 하기 수학식 12와 같이 정리될 수 있다.

위 수학식 12의

를 시간당 오염 물질 생성량 등에 비례하여 결정되는 상수 D로 정하고, 변수 분리를 통해 양변을 적분하면 하기 수학식 13이 도출될 수 있다.

여기서, '초기몰'은 액체 상태의 오염 물질이 정화 공간 내에 포화 상태가 되었을때의 공기 내 오염 물질의 몰수(mol)를 의미하고, '해당몰'은 공기 정화를 통하여 도달해야 하는 목표값에 해당하는 공기 내 오염 물질의 몰수를 의미한다.

즉, 위 수학식 13에 의하여, 공기 정화를 통하여 도달해야 하는 목표값(해당몰) 및 목표값에 도달하기 위해 정해진 시간(t)에 따른 송풍부(100)의 송풍량(Q)을 결정할 수 있다.

도 5는 목부(220)로 흐르는 가스의 속도(m/sec)별 분사부(400)가 분사하는 세정액의 유량(ml/sec)의 증가에 따른 계면면적(a)(㎠/㎤)의 변화를 나타낸 그래프로서, 세정액의 유량이 증가할수록 계면면적이 증가, 즉, 분사부(400)가 분사하는 세정액 물방울의 평균 직경이 감소하는 것을 나타낸다. 또한, 도 6은 분사부(400)가 분사하는 세정액의 유량(ml/sec)별 목부(220)로 흐르는 가스의 속도(V)(m/sec)의 증가에 따른 계면면적(a)(㎠/㎤)의 변화를 나타낸 그래프로서, 목부로 흐르는 가스의 속도가 증가할수록 계면면적이 증가, 즉, 분사부(400)가 분사하는 세정액 물방울의 평균 직경이 감소하는 것을 나타낸다. 다시 말하면, 가스의 속도가 크고 유량이 증가할수록 쪼개지는 물방울의 개수가 많아지는 바, 계면 면적이 증가함을 알 수 있다.

도 7은 목부(220)로 흐르는 가스의 속도(m/sec)별 오염을 제거하고자 하는 가스의 양에 대비하여 필요한 분사부(400)가 분사하는 세정액의 유량, 즉, 액가스비(q)(l/m)의 증가에 따른 계면면적(a)(㎠/㎤)의 변화를 나타낸 그래프로서, 액가스비가 증가할수록 계면면적이 증가, 즉, 분사부(400)가 분사하는 세정액 물방울의 평균 직경이 감소하는 것을 나타낸다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 얼마든지, 치환, 변경 및 변형이 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.

100: 송풍부
200: 벤츄리부
300: 플레넘부
400: 분사부
500: 제어부

Claims (10)

1. 가스를 흡입하여 토출하는 송풍부;
   상기 송풍부에서 토출된 가스가 통과하는 수렴형 유입부, 목부 및 확산형 유출부를 구비하는 벤츄리부;
   세정액을 저장하는 저장부 및 가스를 배출하는 배출구를 구비하고, 상기 벤츄리부에서 유출된 가스를 상기 배출구로 배출시키는 플레넘부;
   상기 플레넘부 내부에 배치되어, 상기 배출구로 유출되는 가스 내 물방울을 포집하는 데미스터부;
   상기 저장부 내 세정액을 상기 벤츄리부 내에 분사하는 분사부; 및
   상기 송풍부의 송풍량 및 상기 분사부의 분사량을 제어하는 제어부를 포함하고,
   상기 저장부는, 상기 벤츄리부에서 생성된 액체 및 상기 데미스터부에서 생성된 액체가 저장된 세정액에 더해지도록 구비되되,
   상기 확산형 유출부의 길이는 상기 목부 직경의 3.5배 이상 4.5배 이하인 필터 없는 미세먼지 제거기.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 플레넘부는,
   내부 가스의 이동 속도를 조정하는 유속 조정부를 더 포함하고,
   상기 제어부는, 상기 유속 조정부를 제어하여 상기 배출구를 향한 가스의 속도를 조정하는 필터 없는 미세먼지 제거기.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 제어부는, 하기 수학식 1 내지 수학식 3에 기초하여 상기 벤츄리부를 통과한 가스 내 분진 입자의 제거율인 하기 수학식 4의 효율이 0.985 이상 0.995 이하가 되도록 상기 송풍부의 송풍량 및 상기 분사부의 분사량을 정하는
   [수학식 1]
   

   

   
   - 여기서,

   

   은 상기 분사부의 분사량,

   

   는 상기 송풍부의 송풍량,

   

   는 상기 목부로 흐르는 가스 유속,

   

   은 상기 분사부가 분사하는 세정액의 밀도,

   

   는 상기 분사부가 분사하는 세정액 물방울의 평균 직경, μ는 상기 벤츄리부로 유입되는 가스의 점도, f는 실험 상수임 -
   [수학식 2]
   

   

   
   - 여기서,

   

   는 상기 벤츄리부로 유입되는 가스 내 분진 입자의 직경,

   

   는 상기 벤츄리부로 유입되는 가스 내 분진 입자의 속도,

   

   는 물의 밀도임 -
   [수학식 3]
   

   

   
   - 여기서, σ는 상기 분사부가 분사하는 세정액 물방울의 표면 장력,

   

   는 상기 분사부가 분사하는 세정액의 점도임 -
   [수학식 4]
   

   

   
   필터 없는 미세먼지 제거기.
   
4. 청구항 2에 있어서,
   상기 제어부는, 상기 배출구를 향한 가스의 속도가 0.8m/s 이상 1.2m/s 이하로 되도록 상기 유속 조정부를 제어하는 필터 없는 미세먼지 제거기.
   
5. 삭제
6. 청구항 3에 있어서,
   상기 목부의 길이는, 하기 수학식 5 내지 수학식 8에 기초하여
   [수학식 5]
   

   

   
   - 여기서,

   

   는 압력 손실임 -
   [수학식 6]
   

   

   
   - 여기서,

   

   는 상기 목부의 길이임 -
   [수학식 7]
   

   

   
   [수학식 8]
   

   

   
   - 여기서,

   

   는 상기 목부를 통과하는 가스의 밀도,

   

   는 상기 목부를 통과하는 가스의 점도임 -
   상기 압력 손실이

   

   미만이 되도록 정해지는 필터 없는 미세먼지 제거기.
   
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 제어부는, 하기 수학식 13에 기초하여 상기 송풍부의 송풍량을 정하는
   [수학식 13]
   

   

   
   - 여기서, Q는 상기 송풍부의 송풍량, D는 시간당 오염 물질 생성량에 비례하는 상수, 초기몰은 액체 상태의 오염 물질이 정화 공간 내에 포화 상태에 이르기까지 증발된 경우 공기 내 오염 물질의 몰수(mol), 해당몰은 공기 정화를 통하여 도달해야 하는 목표값에 해당하는 공기 내 오염 물질의 몰수, t는 상기 목표값에 도달하는 시간, m은 상기 오염 물질의 양, V는 상기 오염 물질이 퍼진 공간의 부피임 -
   필터 없는 미세먼지 제거기.
   
8. 가스를 흡입하여 토출하는 송풍부;
   상기 송풍부에서 토출된 가스가 통과하는 수렴형 유입부, 목부 및 확산형 유출부를 구비하는 벤츄리부;
   세정액을 저장하는 저장부 및 가스를 배출하는 배출구를 구비하고, 상기 벤츄리부에서 유출된 가스를 상기 배출구로 배출시키는 플레넘부;
   상기 플레넘부 내부에 배치되어, 상기 배출구로 유출되는 가스 내 물방울을 포집하는 데미스터부; 및
   상기 저장부 내 세정액을 상기 벤츄리부 내에 분사하는 분사부를 포함하고,
   상기 저장부는, 상기 벤츄리부에서 생성된 액체 및 상기 데미스터부에서 생성된 액체가 저장된 세정액에 더해지도록 구비되며,
   상기 송풍부의 송풍량 및 상기 분사부의 분사량은,
   하기 수학식 1 내지 수학식 3에 기초하여 상기 벤츄리부를 통과한 가스 내 분진 입자의 제거율인 하기 수학식 4의 효율이 0.985 이상 0.995 이하가 되도록 정하되,
   상기 확산형 유출부의 길이는 상기 목부 직경의 3.5배 이상 4.5배 이하인
   [수학식 1]
   

   

   
   - 여기서,

   

   은 상기 분사부의 분사량,

   

   는 상기 송풍부의 송풍량,

   

   는 상기 목부로 흐르는 가스 유속,

   

   은 상기 분사부가 분사하는 세정액의 밀도,

   

   는 상기 분사부가 분사하는 세정액 물방울의 평균 직경, μ는 상기 벤츄리부로 유입되는 가스의 점도, f는 실험 상수임 -
   [수학식 2]
   

   

   
   - 여기서,

   

   는 상기 벤츄리부로 유입되는 가스 내 분진 입자의 직경,

   

   는 상기 벤츄리부로 유입되는 가스 내 분진 입자의 속도,

   

   는 물의 밀도임 -
   [수학식 3]
   

   

   
   - 여기서, σ는 상기 분사부가 분사하는 세정액 물방울의 표면 장력,

   

   는 상기 분사부가 분사하는 세정액의 점도임 -
   [수학식 4]
   

   

   
   필터 없는 미세먼지 제거기.
   
9. 청구항 8에 있어서,
   상기 목부의 길이는, 하기 수학식 5 내지 수학식 8에 기초하여
   [수학식 5]
   

   

   
   - 여기서,

   

   는 압력 손실임 -
   [수학식 6]
   

   

   
   - 여기서,

   

   는 상기 목부의 길이임 -
   [수학식 7]
   

   

   
   [수학식 8]
   

   

   
   - 여기서,

   

   는 상기 목부를 통과하는 가스의 밀도,

   

   는 상기 목부를 통과하는 가스의 점도임 -
   상기 압력 손실이

   

   미만이 되도록 정해지는 필터 없는 미세먼지 제거기.
   
10. 가스를 흡입하여 토출하는 송풍부;
    상기 송풍부에서 토출된 가스가 통과하는 수렴형 유입부, 목부 및 확산형 유출부를 구비하는 벤츄리부;
    세정액을 저장하는 저장부 및 가스를 배출하는 배출구를 구비하고, 상기 벤츄리부에서 유출된 가스를 상기 배출구로 배출시키는 플레넘부;
    상기 플레넘부 내부에 배치되어, 상기 배출구로 유출되는 가스 내 물방울을 포집하는 데미스터부; 및
    상기 저장부 내 세정액을 상기 벤츄리부 내에 분사하는 분사부를 포함하고,
    상기 저장부는, 상기 벤츄리부에서 생성된 액체 및 상기 데미스터부에서 생성된 액체가 저장된 세정액에 더해지도록 구비되며,
    상기 확산형 유출부의 길이는 상기 목부 직경의 3.5배 이상 4.5배 이하이고,
    상기 송풍부의 송풍량은, 하기 수학식 13에 의해 정해지는
    [수학식 13]
    

    

    
    - 여기서, Q는 상기 송풍부의 송풍량, D는 시간당 오염 물질 생성량에 비례하는 상수, 초기몰은 액체 상태의 오염 물질이 정화 공간 내에 포화 상태에 이르기까지 증발된 경우 공기 내 오염 물질의 몰수(mol), 해당몰은 공기 정화를 통하여 도달해야 하는 목표값에 해당하는 공기 내 오염 물질의 몰수, t는 상기 목표값에 도달하는 시간, m은 상기 오염 물질의 양, V는 상기 오염 물질이 퍼진 공간의 부피 임 -
    필터 없는 미세먼지 제거기.

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