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[Study] 3. 공기청정기 (기계식 필터를 중심으로)H.A. ( Home Appliances )/H.A. Tech. 2020. 8. 29. 15:44반응형
2020.08.29 Mechanical Design Story
-3- Air purifier
2020/08/23 - [Mechanical Design] - [Study] 2. 공기조화설비 배경지식 (for HVAC &공기청정기)
이전 글에서 언급한 바와 같이, 기계공학 전공자로서 기계식 필터의 성능을 개선하는 것에 관심이 많았다.
아무래도 내가 할 수 있는 일과 관심이 있는 일의 접점을 찾는 과정에서 기계식 필터에 초점이 맞춰진 경향이 있다.
그래서 이번 포스팅 역시 기계공학 전공자 답게 기계식 필터를 집중적으로 알아봤다.
배경지식은 한국공기청정협회에서 발간한 '학교 미세먼지 해결을 위한 공기청정기 구매 가이드' 내용을 따왔다.
공기 중에는 건강에 해로운 여러 가지 오염물질이 존재하며 공기청정기는 이러한 오염물질을 제거하기 위한 수단이다.
오염물질을 제거하는 원리는 필터를 사용하여 여과/흡착하여 걸러내는 방식과 전기적으로 오염물질을 제거하는 방식이 존재한다.
(상기 두 가지 방식이 대표적이라는 얘기)보통, 필터를 이용하여 불순물을 걸러내는 방식을 기계식 공기청정 방식이라 하며 공기청정기 중 가장 보편적인 방식이다.
2. 원리(General Mechanism)
필터는 초미세먼지 제거가 가능한 공기청정기 헤파필터와 유해가스 제거용인 탈취필터로 기분 구성을 이루고 있으며, 제품에 따라 다양한 기능이 있는 필터가 장착되는 것이 일반적이다.
공기청정기의 에어필터는 섬유필터(Fibrous filter)를 주로 사용하며 불규칙하게 배열된 섬유들로 구성되어 공기청정기로 유입되는 공기중 오염물질이 이 필터에 의해 걸러진다.
1) 기계식 공기청정기의 원리
앞서 설명했듯, 기계식 공기청정기는 보통 필터를 이용하여 공기의 먼지나 불순물을 걸러서 정화하는 방식이다. 공기청정기 가운데 가장 보편적인 방식이다.
필터는 초미세먼지가 제거 가능한 공기청정기 헤파필터와 유해가스 제거용인 탈취필터가 기본구성을 이루고 있으며, 업체에 따라 다양한 기능성 필터가 장착되어 있다.
2) 전기식 공기청정기의 원리
전기식 공기청정기는 전기적 방전 원리를 이용한 방식으로 강력한 집진력을 가진 집진판으로 오염된 공기를 정화하는 방식이다. 집진판의 방전사에 고압의 직류전압이 흘러 흡입된 공기가 전위계를 통과하면서 부유 물질을 순간적으로 소각하는 방식이다.
집진판에 고전압 볼트를 걸어 전극 자체에서 전자가 생성되어 전극 주위로 플라즈마가 형성된다. 공기 청정기로 유입된 오염물질 입자들이 전하를 띠게 되고 전하를 띤 오염입자는 집진판으로 들러붙어 제거된다.
2-(1) 필터식 공기청정기
필터식 공기청정기는 크게 두 가지로 나뉘어진다.
첫째는 화학필터식 공기청정기로서 활성탄 필터 (Activated Carbon Filter),화학반응필터(Purelite Chemical Filter) 및 화학 첨착 특수탄소섬유필터(Honeycomb Chemical Filter)를 이용한 공기청정기로 분류된다.
둘째는 에어필터식 공기청정기로서 역학적 포집필터(Mechanism Filter) 및 정전기적 포집필터(Electrostatic Induction Force Filter)를 이용한 공기청정기로 분류된다.
1) 화학필터식 공기청정기
활성탄필터(Activated Carbon Filter)식 공기청정기의 원리 및 종류
원리 : 활성탄필터의 원리는 물리적흡착과 화학적 흡착으로 분류된다.
물리적흡착
-관계되는 힘이 분자상호간의 인력, 즉 응축등에 관계되는 힘 (반데르 발스)과 동일한 물리적 힘에 의하여 이루어지며, 일반적으로 응축이 일어나기 쉬운 물질간에는 흡착이 쉽다.
화학적흡착
화학반응과 같은 동일한 특정 흡착제와 피흡착질의 조합에 의해 일어난다.
즉 화학적 흡착은 화학결합에 관계되는 힘을 동반해 일어나기에 활성화 에너지를 필요로 하며, 어떤 일정온도 이상에서만 일어난다. 활성탄의 흡착성능에는 평형흡착량과 파과흡착량의 양자를 포함한다.
평형 흡착량은 포화흡착량이라고도 하며, 일정 조건하에서의 최대흡착량인데 대해서, 파과흡착량은 고정층으로 사용하는 경우의 활성탄의 실제적인 성능의 평가기준이고, 시험조건에 따라서 크게 변동하는 값이다.
흡착량의 측정법은 정지된 계내의 확산에 의한 흡착을 측정하는 정적흡착법과 공기 등의 기체를 보내서 피흡착물질을 유동시켜 흡착량을 구하는 동적 흡착법이 있다.
3. 에어필터식 공기청정기의 기술적 원리
역학적 포집필터 (Mechanisms Filter) 식 공기청정기의 원리 및 종류
원리 : HEPA 및 ULPA 등의 섬유층필터의 포집은 메디아(media)에 공기를 통과시켜 미세 그라스섬유에 미립자를 포집하는 원리.
입자는 Glassfiber같은 다공성 필터를 구성하는 섬유(Figure 1) 사이에 흡착된 것이 아니라 섬유표면에(그림 1) 포집되어 있다.
섬유와 공기의 흐름방향에 대하여 직각방향으로 배열되어있고 인접한 섬유간 거리가 섬유경에 비해 수배나 크다.
1) 입자가 필터의 섬유에 포집되는 원리
1. 관성효과(Inertia) : 공기의 흐름을 타고 섬유에 접근한 입자는 자신의 관성에 의해 기류로부터 벗어나 Filter의 섬유에 충돌하여 포집된다.
*입경, 여과속도가 클 때 이 효과는 나타난다.
2. 확산효과(Brownian Diffusion)
작은 입자는 공기의 흐름과 관계없이 *BROWN 운동을 하고 있다.
따라서 기류를 타고 여지사이를 통과하는 큰 입자까지도 여지사이에서의 이동거리가 길고 방향성이 없기 때문에
섬유에 걸려 포집된다. 입경 여과속도가 작을 때 효과가 크다.
(*브라운 운동 : 1827년 스코틀랜드 식물학자 로버트 브라운이 발견한 액체나 기체 속에서 미소입자들이 불규칙하게 운동하는 현상이라고 위키백과 설명에 나와있다.
열역학적으로 에너지를 받는, 온도를 가지는 액체나 기체의 분자는 빠르게 분자운동을 하는데 액체나 기체의 빠른 분자운동으로 꽃가루, 쇳가루의 작은 입자에 지속적 충격을 가하고 마치 살아있는 것처럼 움직이게 하는 현상이다.)
3.* 차단효과(Interception)
입자가 공기의 흐름을 타고 운동을 하고 있어도 입자에는 크기가 있기 때문에 Filter의 섬유에 부딪혀 포집된다.
입경과 섬유경의 비가 클 때 이 효과가 나타난다.
4. 중력효과(Gravitational Settling)
공기의 흐름을 타고 섬유에 접근한 입자가 자신의 중력 때문에 기류로부터 벗어나 Filter의 섬유상에 침강되어 포집된다.
입경이 크고 여과 속도가 작을 때 이 효과는 나타난다.
각 포집효과의 경향을 종합하여 입경 크기별 포집효율과 풍속별 포집효율을 그래프로 나타내면 그림과 같다.
실제의 현상으로서 나타나는 Filter 포집효과율도 그림 2와 같은 경향이 된다.
2) 종류
역학적 포집필터(Mechanisms Filter)를 이용한 공기청정기의 종류는 대단히 많다.
포집필터의 효율을 Grade별로 대별한 공기청정기의 종류는 상기 첨부한 .표 7 참조.
*참고
정전기적 포집필터식 공기청정기의 원리 및 종류
원리
폴리프로필렌 부직포의 다공막을 사용하여 섬유 파이버가 가지고 있는 정전기적인 힘 (Electrostatic Induction Force)과 쿨롱힘(Coulombic Force)으로 분진입자를 끌어당겨 흡착하는 원리이다.
종류
정전기적 포집필터의 종류는 공조기에 장착되는 판넬 유니트형(Panel Unit Type)과 하드디스크 드라이브 (Hard Disk Driver)에 장착되는 미니 판넬 유니트형으로 구분된다.
(정전기식 포집필터는 분석자료가 많은 듯해서 개별 포스팅해야할 것 같다. 이번에는 간단히 소개만 ㅋㅋ)
4. Patent
기계식 필터에 관한 공개특허를 살펴보려다가.. 눈에 띄는 제품의 공개특허가 있길래 가져왔다.
상기 제품은 LG전자의 오브제 가습 공기청정기이다.
공기청정기의 경우, 기본적인 작동원리와 성능은 어느정도 고정되어 있다고 생각한다.
(왜냐하면 포집 성능의 경우 필터의 성능이 좌우하며, 일정 출력 이상에서는 공기청정기의 효과에 큰 차이가 없다.)
그렇기에 공기청정기에 관해 Kano 이원 품질인식 모델과 Timko 고객만족계수에 의거, 소비자 속성중요도 인식에 따른 향후 공기청정기 개발 트렌드를 분석한
'A Study on the Classification and Trend Analysis of Quality Attributes of Air Purifiers : Based on Kano’s
Model, Which Uses Timko’s Customer Satisfaction,CHOI, E.; LIM, H.; LEE, J. (A,Archives of Design Research, 2018, 31.3: 69-87.) 에 따르면, 차별화된 형태와 개념의 제품으로 공간 활용성과 인테리어 가전으로써의 경쟁력 강화가 필요한 상황이다.엘지전자의 공개특허인 가습공기청정기(공개특허 번호 10-2019-0088869) 의 과제 해결수단을 참고하면, 가습기를 사용할 때 인접한 벽면에 습기가 차는 점과 외적으로 단일한 제품이 많은 가습기에 사용 환경과의 조화를 염두하여 제품을 개발한 것을 알 수 있다.
이런 점에서 엘지전자의 가습 공기
청정기는 사용 공간에서의 가전제품의 정체성에 관한 엘지전자의 고민이 담겨있다고 생각이 들었다.
엘지전자의 제품 특허를 살펴볼 때면, 제품 사용성 측면에서 사용자 경험 디자인을 개발단계와 설계단계에 많이 적용했다는 것을 알 수 있다.
범인에게 익숙할 수 있는 자세(Motion 및 이에 상응하는 모든 신체활동)가 때로는 불편할 수 있다는 것을 알고, 제품의 설계에 반영할 수 있다는 것은 기업의 고객중심적 가치가 드러나는 부분이라 생각한다.
(물론 나는 엘지전자 삼성전자 둘 다 좋아한다.)
4. References
1. 학교 미세먼지 해결을 위한 공기청정기 구매 가이드, 한국공기청정협회
2. TRONVILLE, P.; RIVERS, R. D. CFD analysis of flow patterns and resistance of air filter media having random fiber diameters. In: Proc. 19th Annual Conference of the American Filtration Society, Rosemont (USA) . 2006.
3. 필터식 공기청정기의 기술적 원리, 김정호, 한국캠브리지필터(주),공기청정기술 제8권 11호,1995
4. 엘지전자 가습 공기청정기 사진
(www.lge.co.kr/lgekor/product/aircare/air-cleaner/productDetail.do?cateId=6260&prdId=EPRD.327961)
5. 엘지전자 가습공기청정기 (공개특허 번호 10-2019-0088869)
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