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KR100865152B1 - 원심력과 정전기력을 이용한 매연저감장치 및 이를 이용한매연저감방법 - Google Patents

원심력과 정전기력을 이용한 매연저감장치 및 이를 이용한매연저감방법 Download PDF

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KR100865152B1
KR100865152B1 KR1020070075595A KR20070075595A KR100865152B1 KR 100865152 B1 KR100865152 B1 KR 100865152B1 KR 1020070075595 A KR1020070075595 A KR 1020070075595A KR 20070075595 A KR20070075595 A KR 20070075595A KR 100865152 B1 KR100865152 B1 KR 100865152B1
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KR
South Korea
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dust collector
centrifugal force
soot
force
electrostatic force
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Inventor
김용진
한방우
김학준
Original Assignee
한국기계연구원
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Abstract

본 발명은 차량 등에 장착되어 배출되는 입자상물질(PM, Particulate Matter)을 원심력과 정전기력을 이용하여 PM의 집진 효율을 향상시키는 원심력과 정전기력을 이용한 매연저감장치 및 이를 이용한 매연저감방법에 관한 것으로, 본 발명에 의한 매연저감장치는 일측에 구비된 유입구와, 하부에 호퍼구멍이 형성된 호퍼부를 구비한 원통형 하우징과; 내부에 나노 PM 집진장치를 구비하고, 상기 원통형 하우징과 동심이며, 원통형 하우징의 상부에 돌출된 형태로 수용된 집진부와; 상기 집진부의 상부 일측에 구비된 유출구; 및 상기 나노 PM 집진장치에 전원을 공급하는 고전압인가장치;를 포함하여 구성되는 것이 특징이다.
입자상물질, 관성, 방전극, 금속필터, 코로나방전

Description

원심력과 정전기력을 이용한 매연저감장치 및 이를 이용한 매연저감방법{Matal Filter Particulate Matter Removal System using Centrifugal and Electrostatic Forces}
본 발명은 차량 등에 장착되어 배출되는 입자상물질(PM, Particulate Matter)을 원심력과 정전기력을 이용하여 PM의 집진 효율을 향상시키는 원심력과 정전기력을 이용한 매연저감장치 및 이를 이용한 매연저감방법에 관한 것이다.
국내 및 유럽 등의 선진국은 첨단의 후처리 기술을 적용하지 않고서는 PM 및 NOx 등의 배출규제를 만족시킬 수 없을 정도로 배출규제를 강화하고 있다.
이는 자동차 엔진에서 배출되는 입자상 물질(PM)이 인체에 유해하다는 연구결과에 기인한 것으로, 특히, 극미세 입자를 다량 포함하는 디젤 입자는 발암물질로 분류되었기 때문이다.
이러한 연유로 최근 경유를 연료로 사용하는 디젤 엔진 차량에는 유해 가스를 정화하고 배출가스 중의 유해한 입자상 물질(PM)을 포집하기 위한 매연저감장치(DPF, Diesel Particulate Filter)가 장착된다.
이러한 매연저감장치(100)는 통상적으로 도 1에 도시한 바와 같이 디젤산화 촉매 및 촉매코팅필터를 구비한 머플러 대체형의 어셈블리로서, 경유차량 배출가스 중의 유해한 CO, HC와 입자상물질(PM)이 산화촉매와 촉매가 코팅된 세라믹필터를 통과하며 코팅된 촉매와 반응하여 무해한 CO2, H2O로 정화되고, 저온활성 백금계 촉매를 이용하여 필터에 포집된 PM을 차량의 운행 중에 발생하는 배기열에 의해 연속적으로 산화시켜 필터를 재생하는 구조이다.
한편, 경유 차량의 내연기관은 엔진오일이 극소량씩 포함되어 배기되는데, 이러한 엔진오일에는 첨가제로 칼슘, 아연과 같은 성분이 포함되어 있어, 엔진오일과 경유연료 중의 중금속, 무기질 및 재(Ash)성분은 정화되지 않고 필터 내에 계속 축적되므로, 내연기관의 배압이 증가되지 않도록 차량마다 매연저감장치(100)를 주기적인 청소를 해 줘야 하거나 교체해야 하는 단점이 있었고, 열 충격, 또는 외부 충격 및 온도차에 의한 필터의 균열, 파손 또는 이상연소에 따른 용융 등으로 필터의 수명이 단축되기 때문에 이를 줄이기 위한 제어기술을 필요로 한다.
본 발명의 목적은 원심분리 및 전기집진의 원리를 적용하여 압력손실은 최소화하면서도 PM은 효율적으로 포집하는 원심력과 정전기력을 이용한 매연저감장치 및 이를 이용한 매연저감방법을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 본 발명의 목적은 일측에 구비된 유입구와, 하부에 호퍼구멍이 형성된 호퍼부를 구비한 원통형 하우징과; 내부에 나노 PM 집진장치를 구비하고, 상기 원통형 하우징과 동심이며, 원통형 하우징의 상부에 돌출된 형태로 수용된 집진부와; 상기 집진부의 상부 일측에 구비된 유출구; 및 상기 나노 PM 집진장치에 전원을 공급하는 고전압인가장치;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 원심력과 정전기력을 이용한 매연저감장치에 의해 달성되거나,
자동차에서 발생하는 매연을 저감하는 방법에서 상기 매연의 배출 이동로 선상에 유입구와, 하부에 호퍼구멍이 형성된 호퍼부를 구비한 원통형 하우징을 설치하여 매연의 배출력을 원심력으로 전환하고 상기 원심력으로 매연에 포함된 큰 매연입자를 호퍼에 포집하는 1차포집 단계와; 상기 단계를 거친 매연입자가 배출되기 전, 내부에 나노 PM 집진장치가 구비되고, 상기 원통형 하우징과 동심이며, 원통형 하우징의 상부에 돌출된 형태로 수용된 집진부와 매연의 배출력으로 입자의 충돌(impaction), 차단(interception) 및 확산(diffusion)작용을 유도하여 매연입자 를 포집하는 2차포집 단계; 및 상기 나노 PM 집진장치로 코로나 방전을 일으키고, 배출되는 매연입자를 하전시켜 정전기력으로 집진하는 3차포집 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 원심력과 정전기력을 이용한 매연저감방법에 의해 달성된다.
상기와 같은 본 발명은 일반적인 금속필터에 원심력과 정전기력을 배가시킴으로써 오염입자를 고효율로 포집할 수 있고, 종래 고가의 세라믹필터가 불필요하며, 이로 인한 매연저감장치의 유지비용을 현저히 절감시키는 효과를 이룬다.
또한, 본 발명은 고온에서 운전이 가능하여 고온 재생이 용이하고 장시간 사용시 분리하여 수세정이 가능하므로 간단한 물세척만 하면 언제든 금속필터를 다시 재활용할 수 있기 때문에 반 영구적으로 사용할 수 있어, 매연저감장치의 유지비용을 절감하는데 기여한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표기되었음에 유의하여야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명을 생략한다.
본 발명은 일측에 구비된 유입구(11)와, 하부에 호퍼구멍(12a)이 형성된 호 퍼부(12)를 구비한 원통형 하우징(10)과; 내부에 나노 PM 집진장치를 구비하고, 상기 원통형 하우징(10)과 동심이며, 원통형 하우징(10)의 상부에 돌출된 형태로 수용된 집진부(20)와; 상기 집진부(20)의 상부 일측에 구비된 유출구(21); 및 상기 나노 PM 집진장치에 전원을 공급하는 고전압인가장치(40)를 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 나노 PM 집진장치는 원통형 금속필터(22)와, 상기 집진부(20)의 상부와 하부를 잇는 코로나 방전부로 구성되며, 상기 원통형 금속필터(22)와 코로나 방전부는 상기 집진부(20)와 동심인 것이 특징이다.
또한, 상기 코로나 방전부는 직경이 0.1 ~ 1mm인 방전와이어(30)이거나, 원기둥(31)과, 상기 원기둥(31)의 둘레에서 외향되게 돌출된 다수개의 에지(edge)(32)를 상기 원기둥(31)의 길이방향 등간격으로 다수개 배치하여 구성된 것이거나, 직사각 플레이트(33)와, 상기 직사각 플레이트(33)의 폭 방향 양단으로부터 외향되게 연장한 방전핀(34)을 상기 직사각 플레이트(33)의 길이방향 등간격으로 다수개 배치하여 구성된 것일 수 있다.
그리고 본 발명의 하부 세라믹판(20a,22b)과 상부 세라믹판(22a,23)은 절연을 위한 구성이다.
이와 같은 구성을 더욱 상세히 설명하면,
원통형 하우징(10)은 매연입자가 유입구(11)를 통해 유입되면 원심력이 발생되도록 원통형으로 형성되었으며, 내부에는 하부의 일측이 개방된 집진부(20)를 구비함으로써 원심력의 작용을 배가시키는 구성이다. 여기서 유입구(11)의 바람직한 위치는 원통형 하우징(10)의 상부의 접선방향측이다.
이와 같은 구성에 매연입자가 유입되면 매연입자는 원통형 하우징(10)의 내주면을 따라 회전하게되고, 회전되는 매연입자 중 상대적으로 큰 매연입자는 상기 원통형 하우징(10)의 하부로 하강하게 된다. 이때 하강된 큰 매연입자는 원통형 하우징(10)의 하부에 형성된 호퍼부(12)에 수용되는데, 이러한 호퍼부(12)는 일측에 호퍼구멍(12a)이 형성되어 있어 호퍼부(12)에 수용된 큰 매연입자가 호퍼부(12)를 제외한 원통형 하우징(10)의 공간에 넘나드는 것을 간섭하여 큰 매연입자가 호퍼부(12)에서 이탈하지 않도록 한다. 한편, 상기 호퍼부(12)의 상부는 도 3에 도시된 바와 같이 수평으로 구성할 수 있으나, 호퍼구멍(12a)을 중심으로 상향 경사지게 구성할 수도 있다.
집진부(20)는 도 2와 같이 원통형 하우징(10)과 동심이며, 원통형으로써 상기 호퍼부(12)의 상부와 이격되고 상기 원통형 하우징(10)의 상부에 돌출된 형태로 구성되어 있다. 또한, 집진부(20)의 하부는 일측이 개방된 하부 세라믹판(20a)이 설치되어 있고, 상기 하부 세라믹판(20a)의 상부는 하부 세라믹판(20a)의 개방된 부위보다 직경이 크고 집진부(20)의 상부와 이격된 원통형 금속필터(22)가 설치된다. 또한, 상기 원통형 금속필터(22)의 상부는 상부 세라믹판(22a)으로 폐쇄되고, 집진부(20)의 상부는 상부 세라믹판(23)이 설치되며, 하부 세라믹판(20a)과 상부 세라믹판(23)을 잇는 코로나 방전부가 설치된다.
한편, 이와 같은 구성에서 원통형 금속필터(22)의 직경이 하부 세라믹판(20a)의 개방된 부위보다 큰 것은 하부 세라믹판(20a)의 개방된 부위로 유입된 매연입자가 원통형 금속필터(22)를 통과하게 하여 매연입자를 포집하기 위함이다.
한편, 본 발명은 고전압인가장치(40)로 코로나 방전부와 원통형 금속필터(22)에 고전압을 인가하여 코로나 방전부에 코로나를 발생시키면 매연입자는 하전되고, 하전된 입자는 원통형 금속필터(22)에 포집될 수 있다.
이와 같이 코로나가 발생되는 코로나 방전부는 도 3과 같이 상부 세라믹판(23)과 하부 세라믹판(20a)을 잇는 방전와이어(30)일 수 있는데 이와 같은 방전와이어(30)는 직경이 0.1 ~ 1 mm 정도의 와이어로서, 전도성을 갖는 재질이며 텅스텐 와이어나 SUS(스테인리스 강) 와이어일 수 있다.
또한, 코로나 방전부는 도 5와 같이 원기둥(31)의 형상을 갖추고 있고 원의 둘레의 중심으로부터 반경방향으로 다수개 형성시킨 에지(edge)(32)를 상기 원기둥(31)의 길이방향 등간격으로 다수개 배치한 것으로도 구성된다.
또한, 코로나 방전부는 도 7과 같이 직사각 플레이트(33)의 폭 방향 양단에 방전핀(34)을 외향되게 연장하고, 상기 외향 연장된 방전핀(34)을 직사각 플레이트(33)의 길이방향 등간격으로 다수개 구비한 것으로도 구성된다.
또한, 코로나 방전부는 비록 도시되진 않았지만 상기 도 7과 같은 구성을 나선형으로 꼬아 이루어진 것으로도 구성될 수 있다.
한편, 본 발명은 자동차에서 발생하는 매연을 저감하는 방법의 하나로서, 상기 매연의 배출 이동로 선상에 유입구(11)와, 하부에 호퍼구멍(12a)이 형성된 호퍼부(12)를 구비한 원통형 하우징(10)을 설치하여 매연의 배출력을 원심력으로 전환하고 상기 원심력으로 매연에 포함된 큰 매연입자를 호퍼부(12)에 포집하는 1차포 집 단계와; 상기 단계를 거친 매연입자가 배출되기 전, 내부에 나노 PM 집진장치가 구비되고, 상기 원통형 하우징(10)과 동심이며, 원통형 하우징(10)의 상부에 돌출된 형태로 수용된 집진부(20)와 매연의 배출력으로 입자의 충돌(impaction), 차단(interception) 및 확산(diffusion)작용을 유도하여 매연입자를 포집하는 2차포집 단계; 및 상기 나노 PM 집진장치로 코로나 방전을 일으키고, 배출되는 매연입자를 하전시켜 정전기력으로 집진하는 3차포집 단계;를 포함하여 이루어진다.
여기서, 상기 2차포집 및 3차포집 단계는 원통형 금속필터(22)와, 상기 집진부(20)의 상부와 하부를 잇는 코로나 방전부로 구성되며, 상기 원통형 금속필터(22)와 코로나 방전부는 상기 집진부(20)와 동심인 나노 PM 집진장치에 의해 이루어지는 것이 특징이며, 상기 코로나 방전부는 직경이 0.1 ~ 1mm인 방전와이어(30)일 수 있다.
이와 같은 본 발명에 따른 매연저감방법은 매연입자가 유입구(11)로 통하여 유입되면서 큰 입자의 경우 원심력에 의해 원통형 하우징(10)의 안쪽 벽면에 충돌하여 하단부 호퍼구멍(12a)을 통하여 최종 호퍼부(12)에 포집되는 것으로 1차 포집단계를 이루고, 원심력에 의해 포집되지 못한 미세 매연입자의 경우는 매연입자의 충돌(impaction), 차단(interception) 및 확산(diffusion)작용을 이용하여 원통형 금속필터(22)에 포집하는 2차 포집단계를 거친 후 미세한 매연입자의 경우는 방전와이어(30)와 원통형 금속필터(22)에 고전압을 인가하여 방전와이어(30)에서 생성된 코로나 방전에 의한 하전된 미세한 매연입자를 재차 원통형 금속필터(22)로 포집하는 3차 포집단계로 마무리 된다. 따라서 본 발명은 최초 원통형 하우징(10)에 유입된 공기보다 상대적으로 청정한 공기를 대기 밖으로 배출할 수 있게 된다.
도 1은 종래의 매연저감장치를 나타낸 개략도이고,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 원심력과 정전기력을 이용한 매연저감장치의 평면도이고,
도 3은 도 2의 A-A 단면도의 일실시예를 나타낸 도면이고,
도 4는 도 2의 A-A 단면도의 다른 실시예를 나타낸 도면이고,
도 5는 도 4의 코로나 방전부의 평면도와 정면도를 나타낸 도면이고,
도 6은 도 2의 A-A 단면도의 또 다른 실시예를 나타낸 도면이고,
도 7은 도 6의 코로나 방전부의 평면도와 정면도를 나타낸 도면이고,
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 원심력과 정전기력을 이용한 매연저감장치의 평면도이고,
도 9는 도 8의 A-A 단면도를 나타낸 도면이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
10: 원통형 하우징 11: 유입구
12: 호퍼부 12a: 호퍼구멍
20: 집진부 20a,22b: 하부 세라믹판
21: 유출구 22: 원통형 금속필터
22a,23: 상부 세라믹판 30: 방전와이어
31: 원기둥 32: 에지(edge)
33: 직사각 플레이트 34: 방전핀
40: 고전압인가장치

Claims (10)

  1. 일측에 구비된 유입구(11)와, 하부에 호퍼구멍(12a)이 형성된 호퍼부(12)를 구비한 원통형 하우징(10)과;
    내부에 나노 PM 집진장치를 구비하고, 상기 원통형 하우징(10)과 동심이며, 원통형 하우징(10)의 상부에 돌출된 형태로 수용된 집진부(20)와;
    상기 집진부(20)의 상부 일측에 구비된 유출구(21); 및
    상기 나노 PM 집진장치에 전원을 공급하는 고전압인가장치(40);를 포함하여 구성하되,
    상기 나노 PM 집진장치는 원통형 금속필터(22)와, 상기 집진부(20)의 상부와 하부를 잇는 코로나 방전부로 구성되며, 상기 원통형 금속필터(22)와 코로나 방전부는 상기 집진부(20)와 동심인 것을 특징으로 하는 원심력과 정전기력을 이용한 매연저감장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 코로나 방전부는 방전와이어(30)인 것을 특징으로 하는 원심력과 정전기력을 이용한 매연저감장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 방전와이어(30)의 직경은 0.1 ~ 1mm인 것을 특징으로 하는 원심력과 정전기력을 이용한 매연저감장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 코로나 방전부는 원기둥(31)과, 상기 원기둥(31)의 둘레에서 외향되게 돌출된 다수개의 에지(edge)(32)를 상기 원기둥(31)의 길이방향 등간격으로 다수개 배치하여 구성되는 것을 특징으로 하는 원심력과 정전기력을 이용한 매연저감장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 코로나 방전부는 직사각 플레이트(33)와, 상기 직사각 플레이트(33)의 폭 방향 양단으로부터 외향되게 연장한 방전핀(34)을 상기 직사각 플레이트(33)의 길이방향 등간격으로 다수개 배치하여 구성되는 것을 특징으로 하는 원심력과 정전기력을 이용한 매연저감장치.
  6. 자동차에서 발생하는 매연을 저감하는 방법에 있어서,
    상기 매연의 배출 이동로 선상에 유입구(11)와, 하부에 호퍼구멍(12a)이 형성된 호퍼부(12)를 구비한 원통형 하우징(10)을 설치하여 매연의 배출력을 원심력으로 전환하고 상기 원심력으로 매연에 포함된 큰 매연입자를 호퍼부(12)에 포집하는 1차포집 단계와;
    상기 단계를 거친 매연입자가 배출되기 전, 내부에 나노 PM 집진장치가 구비되고, 상기 원통형 하우징(10)과 동심이며, 원통형 하우징(10)의 상부에 돌출된 형태로 수용된 집진부(20)와 매연의 배출력으로 입자의 충돌(impaction), 차단(interception) 및 확산(diffusion)작용을 유도하여 매연입자를 포집하는 2차포집 단계; 및
    상기 나노 PM 집진장치로 코로나 방전을 일으키고, 배출되는 매연입자를 하전시켜 정전기력으로 집진하는 3차포집 단계;
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 원심력과 정전기력을 이용한 매연저감방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 2차포집 단계는 원통형 금속필터(22)와,
    상기 집진부(20)의 상부와 하부를 잇는 코로나 방전부로 구성되며,
    상기 원통형 금속필터(22)와 코로나 방전부는 상기 집진부(20)와 동심인 나노 PM 집진장치에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 원심력과 정전기력을 이용한 매연저감방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 코로나 방전부는 방전와이어(30)인 것을 특징으로 하는 원심력과 정전기력을 이용한 매연저감방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 방전와이어(30)의 직경은 0.1 ~ 1mm인 것을 특징으로 하는 원심력과 정전기력을 이용한 매연저감방법.
  10. 삭제
KR1020070075595A 2007-07-27 2007-07-27 원심력과 정전기력을 이용한 매연저감장치 및 이를 이용한매연저감방법 Active KR100865152B1 (ko)

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