KR20010095359A - 압전체 변압기를 이용한 정전기식 공기 청정기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 압전체 변압기를 이용하여 고출력 전압을 출력하는 전원 공급 장치로 구성된 정전기식 공기 청정기에 관한 것으로, 공기 청정기 박스(1)의 입구 부분에 설치되어 입자 크기가 상대적으로 큰 오염 물질을 여과시켜 주는 선 필터(2)와; 교류 전압을 직류 전압으로 변환시켜 출력하는 AC-DC 아답터(9)와; 상기 AC-DC 아답터(9)의 출력 전압을 공급받아 압전체 변압기를 기반으로 고전압을 출력하는 고전압 공급 장치(6)와; 상기 고전압 공급 장치(6)의 고전압 출력을 공급받아 코로나 방전을 일으켜서 선 필터(2)를 통하여 유입되는 오염된 공기를 이온화시켜서 하전시켜 주는 그리드(3) 및 이온화 판(4)과; 상기 그리드(3) 및 이온화 판(4)에 의하여 이온화되어 하전된 오염된 공기의 먼지 입자를 포집하기 위하여 정전기를 발생하는 정전기 발생판(5)과; 상기 정전기 발생판(5)을 통하면서 하전된 먼지 입자가 여과된 공기 중에 잔류하고 있는 오염 물질을 최종적으로 여과시켜 주는 후 필터(12)로 이루어진다.

Description

압전체 변압기를 이용한 정전기식 공기 청정기{A Electrostatic Air Cleaner}

본 발명은 압전체 변압기를 이용한 정전기식 공기 청정기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 압전체 변압기를 이용하여 고출력 전압을 출력하는 전원 공급 장치로 구성된 정전기식 공기 청정기에 관한 것이다.

일반적으로, 정전기식 공기 청정기는 입구를 통해 들어 온 오염된 공기를 이온화 영역에서 하전시키고, 이 먼지 입자를 집진 영역에서 집진하고, 음이온을 발생시켜 깨끗이 정화된 공기와 함께 배출하는 것으로, 주로 공기 유통이 잘되지 않아서 쉽게 오염되는 실내 공기를 정화하는데 주로 많이 이용된다.

정전기식 공기 청정기는 전하를 띈 먼지 입자를 집진함으로써 공기를 정화시켜 주는 것으로, 이를 위하여 공기 청정기 내에 두 전극을 설치하고, 이 전극을 이용하여 코로나 방전을 일으켜서 전자를 만들어, 먼지 입자를 하전시킨다.

이 코로나 방전을 일으키기 위해서는 서로 대향하는 전극 사이에 약 수 kV 정도의 매우 높은 전압을 필요로 한다.

이는 공기 청정기에서 가장 중요한 장치 중 하나인 전원 공급 장치가 이 전압을 생성하여 공급한다.

전원 공급 장치에는 승압을 위한 변압기가 사용되는데, 이 변압기는 규소 강판을 코어로 하고, 그 주변에 코일을 감은 권선형 변압기이다.

공기 청정기의 전원 공급 장치에 주로 이용되는 권선형 변압기를 이용할 때에 발생하는 단점은 아래와 같다.

1. 권선형 변압기의 규소 강판과 구리선의 불완전한 절연 상태로 인해 열이 발생하며, 이로 인해 승압 효율이 떨어지고, 외부로부터 흡수되는 수분으로 인하여 절연 상태가 더 악화되는 문제점이 있다.

2. 외부 혹은 공기 청정기의 임의의 부위에서 발생하는 쇼크로 인한 단락으로 전원 공급 장치 내 변압기가 발화할 위험성이 있다.

이는 권선형 변압기가 연소하기 쉬운 특성이 있기 때문이다.

3. 권선형 변압기는 종종 전자파 장애를 일으키는 문제점이 있다.

4. 열 발생으로 인한 승압 전압의 제한으로 높은 소비 전력을 필요로 한다.

5. 권선형 변압기는 낮은 입력 전압에서 높은 출력으로 변환하기 위해 큰 부피를 필요로 한다.

이는 자동차용 공기 청정기와 같은 휴대용 응용품에는 적합하지 않다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 정전기식 공기 청정기에서 코로나 방전을 위한 고전압을 공급해 주는 전원 공급 장치 변환 효율을 높여서 소비 전력을 줄이고, 강한 내식성, 낮은 열 발생과 전자파 장애를 발생하지 않으며, 단락으로 인한 발화 위험을 제거하고, 그 크기를 줄임으로써 작고 가벼운 압전체 변압기를 이용한 정전기식 공기 청정기를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 압전체 변압기를 이용한 정전기식 공기 청정기의 전체 구성을 나타낸 구성도.

도 2는 본 발명에 따른 압전체 변압기를 이용한 정전기식 공기 청정기의 전기 회로 부분의 구성을 나타낸 블록도.

도 3은 본 발명에 따른 압전체 변압기를 이용한 정전기식 공기 청정기의 전기 회로 부분의 회로를 나타낸 회로도.

도 4는 본 발명의 다른 실시예의 구성을 나타낸 구성도.

도 5는 도 4의 다른 실시예 부분을 상세하게 나타낸 구성도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 *

1 : 박스 2 : 선 필터

3 : 그리드 4 : 이온화 판

5 : 정전기 발생판 6 : 고전압 공급 장치

7, 8 : 도체 9 : AC-DC 아답터

10 : 도체 11 : 오염된 공기

12 : 후 필터 13 : 정화된 공기

14 : 압전체 변압기 15 : 입력측 구동부

16 : 출력측 발생부 17 : 제한 증폭기

18, 19 : 전치 증폭기 20, 21 : 전력 증폭기

22 : 피드백 루프 23 : 안테나

24 : 정류기 25 : 방전 전극

본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위하여, 공기 청정기 박스의 입구 부분에 설치되어 입자 크기가 상대적으로 큰 오염 물질을 여과시켜 주는 선 필터와; 교류 전압을 직류 전압으로 변환시켜 출력하는 AC-DC 아답터와; 상기 AC-DC 아답터의 출력 전압을 공급받아 압전체 변압기를 기반으로 고전압을 출력하는 고전압 공급 장치와; 상기 고전압 공급 장치의 고전압 출력을 공급받아 코로나 방전을 일으켜서 선 필터를 통하여 유입되는 오염된 공기를 이온화시켜서 하전시켜 주는 그리드 및 이온화 판과; 상기 그리드 및 이온화 판에 의하여 이온화되어 하전된 오염된 공기의 먼지 입자를 포집하기 위하여 정전기를 발생하는 정전기 발생판과; 상기 정전기 발생판을 통하면서 하전된 먼지 입자가 여과된 공기 중에 잔류하고 있는 오염 물질을 최종적으로 여과시켜 주는 후 필터로 구성되는 것을 특징으로 하는 압전체 변압기를 이용한 정전기식 공기 청정기를 제공한다.

(실시예)

본 발명에 따른 압전체 변압기를 이용한 정전기식 공기 청정기의 구성 및 작용을 본 발명의 실시예를 통하여 상세하게 설명한다.

첨부한 도면, 도 1은 본 발명에 따른 압전체 변압기를 이용한 정전기식 공기청정기의 전체 구성을 나타낸 구성도, 도 2는 본 발명에 따른 압전체 변압기를 이용한 정전기식 공기 청정기의 전기 회로 부분의 구성을 나타낸 블록도, 도 3은 본 발명에 따른 압전체 변압기를 이용한 정전기식 공기 청정기의 전기 회로 부분의 회로를 나타낸 회로도, 도 4는 본 발명의 다른 실시예의 구성을 나타낸 구성도, 도 5는 도 4의 다른 실시예 부분을 상세하게 나타낸 구성도이다.

본 발명에 따른 압전체 변압기를 이용한 정전기식 공기 청정기의 개략적인 구성은 도 1에 나타낸 바와 같이, 공기 청정기 박스(1)의 입구 부분에 설치되어 입자 크기가 상대적으로 큰 오염 물질을 여과시켜 주는 선 필터(2)와; 교류 전압을 직류 전압으로 변환시켜 출력하는 AC-DC 아답터(9)와; 상기 AC-DC 아답터(9)의 출력 전압을 공급받아 압전체 변압기(14)를 기반으로 고전압 공급 장치(6)와; 상기 고전압 공급 장치(6)의 고전압 출력을 공급받아 코로나 방전을 일으켜서 선 필터(2)를 통하여 유입되는 오염된 공기를 이온화시켜서 하전시켜 주는 그리드(3) 및 이온화 판(4)과; 상기 그리드(3) 및 이온화 판(4)에 의하여 이온화되어 하전된 오염된 공기의 먼지 입자를 포집하기 위하여 정전기를 발생하는 정전기 발생판(5)과; 상기 정전기 발생판(5)을 통하면서 하전된 먼지 입자가 여과된 공기 중에 잔류하고 있는 오염 물질을 최종적으로 여과시켜 주는 후 필터(12)로 이루어진다.

여기서, 상기 고전압 공급 장치(6) 출력부의 A+ 부분은 그리드와 집진 영역의 짝수째 정전기 발생판과 연결되고, 이온화 발생판은 집진 영역의 홀수번째 정전기 발생판과 연결 접지된다.

도 1에서 미 설명 부호 7, 8은 고전압 공급 장치(6)에서 출력되는 전압을 그리드(3) 및 이온화 판(4)과 정전기 발생판(5)에 공급해 주는 도체이며, 부호 10은 AC-DC 아답터(9)와 고전압 공급 장치(6)간의 도선이다.

부호 11은 선 필터(2)에 유입되는 오염된 공기의 흐름을 나타낸 것이며, 부호 13은 후 필터(12)를 통과한 정화된 공기의 흐름을 나타낸 것이다.

상기 고전압 공급 장치(6)는 도 2에 나타낸 바와 같이, 압전체 변압기(14), 제한 증폭기(17), 전치 증폭기(18, 19), 전력 증폭기(20, 21), 피드백 루프(22), 정류기(24)로 구성된다.

고전압 공급 장치(6)의 입력부(DC)는 AC-DC 아답터(9)의 출력부와 연결된다.

정류기(24)의 출력부는 고전압 공급 장치(6)의 양극(+) 출력부이며, 이 출력부는 정전기 발생판(5)과 그리드(3)에 연결된다.

그리고, 피드백 루프(22)와 증폭기(17∼21), 압전체 변압기(14)를 이용하여 발진 회로를 구성한다.

제한 증폭기(17)는 도 3에 나타낸 바와 같이, CMOS 소자 U1과 저항 R2가 피드백 루프로 이루어져 있으며, 두 개의 다이오드 D1, D2는 둘 다 상기 U1의 입력부와 연결되어 있다.

그리고, 다이오드 D1은 DC 입력부 B+ 지점과 다이오드 D2와 연결되며, 다이오드 D2는 접지된다.

CMOS 소자 U2로 이루어진 전치 증폭기(18)는 입력부가 U1의 출력부와 연결되고, 출력부가 저항 R3를 통해 전력 증폭기(20)의 입력부와 연결된다.

전치 증폭기(19)는 두 개의 CMOS 소자 U3, 4와 직렬로 연결되어 이루어진다.

이 증폭기의 입력부는 U1의 출력부와 연결되며, 저항 R4를 통해 전력 증폭기(21)의 입력부에 연결된다.

전력 증폭기(20)는 MOSFET 소자 Q1, 인덕터 L1으로 이루어지며, 인덕터 L1은 입력 DC의 B+ 지점과 연결되며, 또한 Q1의 드레인과 연결된다.

Q1의 소스는 접지된다. Q1의 게이트는 전력 증폭기(20)의 입력부이고, Q1의 드레인과 L1의 연결점이 출력부가 된다.

전력 증폭기(21)는 Q2와 인턱터 L2로 구성된다.

Q2와 L2는 상기 Q1 및 L1과 동일하며, 같은 방식으로 연결된다.

피드백 루프(22)는 안테나(23)와 저항 R1으로 이루어지며, 안테나(23)는 저항 R1을 통해 U1의 입력부와 연결된다.

캐패시터 C1은 압전체 변압기(14)의 입력측 구동부에 병렬로 연결된다.

압전체 변압기(14)의 출력측 발생부(16)는 정류기(24)의 입력부와 연결된다.

정류기(24)는 다이오드 D3, D4, 캐패시터 C2로 구성된다.

다이오드 D4의 캐소드는 접지되고, 애노드는 D3의 캐소드와 연결된다.

캐패시터 C2는 D3의 애노드와 연결되며 접지된다.

D3,4의 연결 부분이 정류기(24)의 입력부가 되며, D3, C2의 연결 부분이 정류기(24)의 출력부 A+ 부분이 된다.

공기 청정기는 아답터를 통해 AC 전원과 연결 작동한다.

도 1에서 환기 장치로 인해 혹은 자연적 흐름으로 인해 오염된 공기(11)가 공기 청정기의 입구를 통해 선 필터(2), 이온화 영역, 집진 영역을 연속적으로 지나 후 필터(12)를 통해 빠져나간다.

인가된 DC 전기는 B+ 지점을 지나 인덕터 L1, 2를 통해 압전체 변압기(14)의 발생부(16)에서 출력 전압을 발생시키며, 이 때 안테나(23)에서도 AC 전압이 나타난다. 안테나 신호의 극성에 따라 정류기 U1은 음 또는 양의 출력 전압을 발생시키며, 이에 따라 전치 증폭기의 U2를 통해 트랜지스터 Q1으로 혹은, U3, 4를 통해 트랜지스터 Q2로의 흐름을 조정하며, 트랜지스터는 안테나 신호값을 매번 증폭한다.

이는 피드백이 정의 방향으로 움직임을 의미한다.

이를 고려할 때 압전체 변압기(14)는 공진 장치로써 압전체 변압기(14), 정류기 U1, U2 그리고 트랜지스터 Q1(혹은 U1, U3, U4 그리고 트랜지스터 Q2)로 연결, 공진 주파수에 의해 발진, 작동한다.

안테나의 사인파형을 인버터 U1이 직사각형의 파형 신호로 바꿔 안정한 상태로 만드는 발진 단계와 인버터 U3으로 U1의 출력 신호를 180도 회전시킨 후 U2의 입력과 비교, Q1, Q2 트랜지스터를 작동하는 푸쉬-풀(push-pull) 단계를 제공한다.

압전체 변압기(14)가 안정화 상태에서 작동하는 동안 발생부(16)의 출력측에서 고전압 AC가 발생한다. 고전압 AC는 정류기(24)에 의해 5,000∼6,000V DC로 변환된다.

변환된 고전압이 이온화 영역의 이온화 판(4)과 그리드(3) 사이에 인가되고, 그리드 주변의 밀도가 높아지며 코로나 방전이 생성된다.

오염된 공기 속의 먼지 입자는 양전하에 의해 코로나 지역에서 하전된다.

하전 입자는 정전기판(5) 전기장의 집진 영역으로 흘러가고 집진판의 표면에모이게 된다.

후 필터(12)를 통해 나머지 오염된 입자는 제거되고 정화된 깨끗한 공기(13)가 밖으로 나간다.

장치 내 습도, 혹은 집진 영역에서 집진된 먼지 입자가 함유하고 있는 수분은 고전압 공급 장치의 휴효 부하치를 변화시켜 5,000∼6,000V인 출력 전압 범위르르 벗어나는 결과를 나타낸다.

중형 또는 휴대용 정전기식 공기 청정기는 4,500∼7,500V 범위의 출력 전압에서 최적의 작동을 한다.

이 범위는 이온화 영역의 전극 사이의 간격이 너무 좁지 않고, 위험한 수준의 오존을 발생시키지 않는다.

고전압 공급 장치(6)의 작동 주파수와 압전체 변압기(14)의 공진 주파수가 일치할 때 최고의 효율을 갖는다.

작동 주파수의 조정은 인덕터 L2의 값과 같은 L1 값을 선택함으로써 만든다.

즉, 수정 발진자인 인덕터 L1(또는 L2)과 압전체 변압기(14) 구동부(15)의 캐패시턴스와 병렬로 연결된 캐패시터 C1에 대한 적절한 선택을 고려해야 한다.

L1=L2 값의 선택 후 캐패시터 C1 값의 변화에 의해 압전체 변압기(14)의 출력부에서 최고의 출력 전압이 만들어진다.

다음 단계는 피드백 루프에서의 최적의 위상 이동이다.

이는 발생부의 길이에 따른 안테나 위치의 선택과 저항 R1의 선택에 의해 얻을 수 있다.

2차 모드에서 작동하는 압전체 변압기(14)의 발생부 중심 근처가 최적의 안테나 위치이다.

증폭기 U1의 증폭값은 R2/R1의 비율에 의하여 결정된다.

위상 이동과 U1 증폭값의 조정으로 압전체 변압기(14)가 최대의 출력 전압값을 가진다.

다이오드 D1과 D2는 DC 입력(B+)과 접지점으로부터 U1을 보호한다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예를 나타낸 도면으로, 신선한 공기가 배출되는 출구 부위에 방전 전극(25)을 추가 배열한다.

이 전극은 고전압 공급 장치(6)의 출력 A-와 연결된다.

도 5는 추가된 고전압 출력 장치에 관한 회로도이다.

추가된 정류기(28)는 저항 R5를 통해 압전체 변압기(14)의 발생부(16) 출력측과 연결된다.

정류기는 잘 알려진 복수 정류기로 이를 6개 추가로 연결 배열한다. 이 정류기의 D5∼D10과 캐패시터 C3∼C8은 비대칭적으로 연결한다. 이 정류기의 출력점 A-는 음의 극성을 가진다.

위에서 서술한 방법으로 정전기식 공기 청정기가 작동되며 출구쪽 후 필터(12)를 통해 깨끗한 공기(13)가 흐르고, 추가된 정류기의 음극에서 14,000∼17,000V 범위의 DC 전압을 발생시킨다.

이 전압은 방전 전극(25)에서 생성된 코로나 방전으로 음이온(27)을 발생시킨다.

음이온은 오염이 제거된 깨끗한 공기와 함께 밖으로 배출된다. 필요로 하는 출력 전압 14,000∼17,000V는 R5값을 변화하여 얻는다.

보통 14,000∼17,000V의 전압에서 최대의 음이온이 발생함을 알 수 있다.

이 전압보다 낮을 경우에 생성되는 음이온의 수는 급격하게 줄어 들고, 반대로 전압이 높을 경우 오존 분자가 급격하게 늘어난다.

오존 분자는 인간에게 매우 해로운 물질로 알려져 있으며, 이를 발생시키는 장치는 오존 농도를 가능한 한 적게 만드는 것이 좋다.

한편, 먼지 입자를 충분하게 하전시키기 위해서는 이온화 영역에서 0.02∼0.2초 정도는 머물러야 한다.

그러므로 이온화 영역의 길이는 0.2V보다 길어야 한다. 여기서 V는 공기 청정기 내의 유속을 나타낸다.

집진 영역에서 공기 흐름 방향으로의 집진판의 길이 또한 중요하다. 이 판의 길이는 공기 청정기의 청정 범위, 먼지의 농도, 얼마나 자주 사용되는지 등의 작동 조건에 따라 달라진다.

음이온 발생을 위한 추가 방전 전극(25)은 어떠한 재질로 만들어지는가가 중요하며, 강한 내식성과 작은 크기를 가져야 하며, 텅스텐, 탈탄늄, 몰리브데늄의 재질이면 가능하다.

전극선의 직경은 0.2∼0.5mm 정도가 바람직하다.

위에서 설명한 바를 토대로 도 4와 도 5를 참조하여 실제 공기 청정기를 제작하면, 이온화 영역과 집진 영역을 위에서 언급한 방식에 따라 배치한다.

다이오드 D1, D2를 포함한 증폭기 U1, U2, U3, U4는 4069형 논리 집적 회로(Logic Integrated Circuit Hex Buffer Inverter)로써 제어한다.

압전체 변압기는 PZT(납-지르코늄-티타늄) 세라믹으로 만들어진 두께 1.4mm, 폭 14mm, 길이 80mm의 2차 진동 모드의 2단 구조를 가진다.

이 변압기의 공진 주파수는 모든 고전압 공급 장치의 작동 주파수인 42.3kHz이며, 입력 DC 전압은 12V이다. A+점에서 출력 DC 전압은 5,000V이고, 전류는 0.1mA이다.

이는 매우 오염된 공기 조건에서 작동할 때의 전류값이다. A-점에서 출력 DC 전압은 16,000V이고, 방전 전극(25)을 흐르는 전류는 30㎂이다.

이 조건에서 입력되는 DC 전류는 98mA로 총 전력 변환 효율은 83%이고, 이 때 압전체 변압기의 변환 효율은 91%이다.

장 시간 작동시 압전체 변압기의 표면 온도는 5℃ 정도 올라간다.

장치로부터 1m 떨어진 거리에서 측정시, 발생하는 음이온의 농도는 1cm³당 1,200,000개이고, 이 때 오존 농도는 0.03ppm보다 낮다.

본 발명에 따른 공기 청정기는 위에서 서술한 바와 같은 내용을 통해 잘 알려진 휴대 장치와 비교해 볼 때 오존이나 음이온 농도 등의 출력 특성이 보다 더 나음을 알 수 있다.

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명에 따른 압전체 변압기를 이용한 정전기식 공기 청정기는 고전압 공급 장치의 높은 절연성과 내식, 내습성을 갖고 있으며, 변압기에 구리선 코일을 사용하지 않으므로 전자파 장애가 발생하지 않고, 낮은 온도에서 작동하므로 높은 변환 효율을 가지며, 소비 전력이 적다.

또한, 단락시 발화 위험이 없다. 결론적으로 얇고 가벼운 무게를 가지므로 전기 제품의 요구 사항에 적합한 특성을 가진다.

Claims (4)

1. 정전기식 공기 청정기에 있어서,

   공기 청정기 박스의 입구 부분에 설치되어 입자 크기가 상대적으로 큰 오염 물질을 여과시켜 주는 선 필터와; 교류 전압을 직류 전압으로 변환시켜 출력하는 AC-DC 아답터와; 상기 AC-DC 아답터의 출력 전압을 공급받아 압전체 변압기를 기반으로 고전압을 출력하는 고전압 공급 장치와; 상기 고전압 공급 장치의 고전압 출력을 공급받아 코로나 방전을 일으켜서 선 필터를 통하여 유입되는 오염된 공기를 이온화시켜서 하전시켜 주는 그리드 및 이온화 판과; 상기 그리드 및 이온화 판에 의하여 이온화되어 하전된 오염된 공기의 먼지 입자를 포집하기 위하여 정전기를 발생하는 정전기 발생판과; 상기 정전기 발생판을 통하면서 하전된 먼지 입자가 여과된 공기 중에 잔류하고 있는 오염 물질을 최종적으로 여과시켜 주는 후 필터로 구성되는 것을 특징으로 하는 압전체 변압기를 이용한 정전기식 공기 청정기.
2. 제 1항에 있어서, 상기 그리드와 이온화 판에 의한 이온화 영역의 길이는 0.2V(공기 청정기내 공기 유속)보다 길어야 하는 것을 특징으로 하는 압전체 변압기를 이용한 정전기식 공기 청정기.
3. 제 1항에 있어서, 상기 고전압 공급 장치는 압전체 변압기, 제한 증폭기, 전치 증폭기, 전력 증폭기, 피드백 루프, 정류기로 구성되는 것을 특징으로 하는 압전체 변압기를 이용한 정전기식 공기 청정기.
4. 제 1항에 있어서, 상기 압전체 변압기의 출력부에는 추가로 6개의 정류기가 연결되어 14,000∼17,000V의 DC 전압을 생성하며, 상기 후 필터를 통과한 깨끗한 공기가 나오는 공기 출구에 방전 전극이 상기 정류기에 연결되어, 상기 방전 전극 주위에 코로나 방전을 일으켜 음이온을 생성하여 깨끗한 공기와 함께 배출되는 것을 특징으로 하는 압전체 변압기를 이용한 정전기식 공기 청정기.