3.1 공기청정기와 공기정화용 필터

본 연구에 사용된 공기청정기는 Brushless Direct Current motor(BLDC) 모터와 Sirocco 타입의 팬을 가지는 정격 풍량 5.5 $\mathrm{m}^{3} / \mathrm{min}$의 제품을 사용하였으며, H13 등급의 헤파 필터가 장착되어 있다. 본 연구에 사용한 헤파 필터의 사이즈 및 규격은 Table 1 및 Fig. 1에 정리되어 있다. 본 공기청정기의 팬은 일정한 회전 속도로 제어되는 BLDC 모터에 의하여 구동되며, 정격 조건에서 소요 동력은 약 28 W이다.

3.2 오염 물질의 선정

다양한 환경을 모사하기 위하여 본 연구에서는 실험용으로 제작된 5가지의 표준 먼지를 사용하였다. 각 시험용 먼지는 ISO,⁽¹⁷⁾ JIS⁽¹⁸⁾ 및 ASHRAE⁽¹⁹⁾ 규격을 만족하며, 사용된 시험용 먼지의 종류, 조성 그리고 입자크기를 Table 2에 정리하여 나타내었다. 추가적으로, 주방의 환경을 모사하기 위해 ISO A1 먼지와 유증기가 혼합된 상태에 대하여 실험을 수행하였으며, 유증기는 일반 식용유를 가열하여 발생시켰다.

Fig. 2 Dust environmental test chamber.

3.3 오염 환경 챔버

시험용 먼지는 Material Safety Data Sheet(MSDS)를 고려하여 외부와 엄격히 격리된 환경에서 사용되어야 한다. 본 연구에서는 단 시간에 정량적인 먼지 누적을 위하여 Fig. 2와 같이 밀폐된 공간에 먼지를 분사할 수 있는 오염 환경 챔버를 제작하여 사용하였다. 챔버 내부의 중앙에 공기정화용 필터를 장착한 공기청정기를 위치시켜 가동시킨 상태에서, 별도로 제작된 먼지 분사 장치와 공기 압축기를 이용하여 일정량의 먼지를 챔버 내로 분사하고, 일정 시간 공기청정기를 가동시켜 필터에 시험용 먼지가 누적되도록 하였다. 각 시험용 먼지에 대한 실험이 끝난 이후에는 세척한 뒤 정전 방지 스프레이를 도포하여 균일한 실험 환경을 유지 하였다.

3.4 실험 장치

단순 먼지 누적의 경우 회당 10 g의 먼지를 10분 간격으로 총 12회에 걸쳐 분사하였으며, 먼지와 유증기를 동시에 사용하는 경우 매 회당 10분 간격으로 먼지 10 g, 유증기 5.5 g을 투입하였다. 분사 되는 먼지의 양은 국립환경과학원에서 추산한 가정집 PM10 먼지의 농도(58.78 ㎍/$\mathrm{m}^{3}$)에서, 4.5 $\mathrm{m}^{3} / \mathrm{min}$의 분진청정화 능력을 가지는 공기정화기가 하루에 12시간씩 1년 동안 가동되는 경우 누적되는 먼지량을 기준으로 하여 결정되었다. 유증기는 약 180°C로 유지하고 있는 유증기 발생장치 내부로 일정량(5.5 g)의 가정용 식용유를 투입하여 발생 시켰다.

오염 챔버 내부의 공기청정기는 시험용 먼지의 1회 투입 당 10분 동안 공기청정기를 가동시켜 먼지를 필터에 누적시켰다. 먼지 투입 매 3회 마다 필터의 무게 증가, 공기청정기의 분진청정화 능력, 풍량, 압력 손실 및 팬 모터의 소비동력을 측정하였다. 분진청정화 능력 측정에 사용되는 입자계수기는 실내공기청정기 규격⁽¹⁵⁾에 규정된 성능을 갖는 Grimm사의 aerosol spectrometer model 1.108 광산란식 자동입자계수기를 사용하였다. 풍량과 공기 정화용 필터의 압력손실은 한국표준심의회에서 제정한 KS B 6311 송풍기의 시험 및 검사방법⁽²⁰⁾ 규격에 준하여 설계된 노즐타입 풍동을 사용하여 측정하였다. 압력손실의 경우, 공기청정기의 압력손실을 5 m3/min 풍량에서 측정한 후 공기정화용 필터가 장착되지 않은 공기청정기의 압력손실을 제외하여 기록하였다. 본 연구에서 사용된 차압계는 Furness Control의 Model 332, 팬 소비 동력은 YOKOGAWA의 WT-310 전력측정기를 사용하여 측정하였다. 공기정화용 필터의 중량 변화는 10 mg의 계측 오차를 가지는 Sartorius의 BT 4202S를 사용하여 측정하였다.

4.1 먼지 누적량에 따른 각종 변수의 변화

Fig. 3(a)~Fig. 3(d)이 없는 상태의 상태량을 기준으로 무차원화하였다. Fig. 3(a)에서 확인할 수 있는 것과 같이, 공기정화용 필터에 누적되는 오염물의 양이 증가함에 따라 필터의 유동 저항이 크게 증가하여 압력손실의 증가로 나타났다. 유증기가 포함된 시험용 먼지의 결과를

Fig. 3 The change of variables with the weight of the filter (a) pressure drop of the filter, (b) flow rate of the air purifier, (c) power consumption of the air purifier, (d) clean air delivery rate of the air purifier.

Fig. 4 Pressure drop of the filter various density of test dust.

제외하였을 때, 단순 시험용 먼지의 결과는 Table 2에 정리된 밀도와 상관관계가 있는 것으로 나타났다. Fig. 4 에서 확인할 수 있듯이, 시험용 먼지의 밀도가 낮을수록 동일한 먼지 누적량에서 압력손실이 증가하는 경향이 나타났다. 먼지의 밀도가 낮다는 것은 중량 대비 부피가 큰 것을 의미하며, 부피가 큰 먼지는 상대적으로 필터 내부의 유로를 차단하는 면적이 커지기 때문이다.

Fig. 5 Microscopic images of the filter without and with pollutant deposition (a) clean filter, (b) with 70g of ISO A1 dust, (c) with 100g of ISO A1 dust and oil mist.

Fig. 5를 통해 연구에 사용된 공기정화용 필터의 먼지누적 전 상태, 시험용 ISO A1 먼지가 70 g 누적된 상태 그리고 시험용 ISO A1 먼지와 유증기가 혼합된 먼지가 100 g 누적된 상태의 확대 사진을 확인할 수 있다. 유증기와 혼합된 먼지의 누적량이 30 g 높음에도 불구하고, 유증기와 시험용 먼지의 응집으로 인해 상대적으로 필터 내부 유로가 개방되어 있는 것을 알 수 있다. 따라서 이러한 현상으로 인해 공기정화용 필터에 유증기가 혼합된 시험용 먼지가 고중량 누적되더라도 유동에 대한 저항이 낮은 것이다. 이러한 중량 변화에 따른 필터 압력손실의 변화 경향은 Fig. 3(b)와 같이 공기청정기의 풍량에 영향을 미친다. 또한 공기청정기 풍량의 감소는 분진청정화 능력의 감소로 이어지며, 시험용 먼지 누적 증가로 인한 풍량 감소의 경향과 유사하게 분진청정화 능력이 감소하는 것을 Fig. 3(c)를 통해 확인할 수 있다. 이러한 경향은 Fig. 3(d)에 나타낸 필터의 먼지 누적량 변화에 따른 팬 모터의 소비 동력 변화에서도 동일하게 나타났다. 일반적으로 모터 회전수 조절 장치가 부착되지 않은 팬-모터 유닛의 경우, 유로의 압력 손실 증가에 의해 모터의 부하가 상승하며 이는 소비 동력의 증가로 나타난다. 하지만, 본 연구에 사용된 공기청정기는 모터의 회전수를 자동으로 조절하는 알고리즘을 탑재하고 있어 모터의 부하가 변화해도 회전수를 항상 일정하게 조절하도록 되어 있다. 필터의 먼지 누적량이 증가함에 따라 압력 손실이 증가하고 유량은 감소하므로, 동일 회전수에서 모터 부하가 증가하여 소비 동력이 감소하게 된다.

4.2 분진청정화 능력과의 상관관계

Fig. 6에 필터의 압력손실, 공기청정기의 풍량 그리고 팬 모터의 소비 동력과 분진청정화 능력 사이의 관계를 나타내었다. 필터의 압력 손실과 공기청정기의 분진청정화 능력 간의 관계를 살펴보면(Fig. 6(a) 참조), 시험용 먼지의 종류에 관계없이 유사한 경향을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 이를 통해 필터에 누적되는 오염 물질의 종류와는 관계없이 필터 내부 유로의 막힘 정도(압력손실)가 분진청정화 능력을 측정함에 있어 결정적인 변수임을 알 수 있다. 본 연구에서는 특정한 공기청정기를 사용하여 실험을 행하였으나, 본 결과는 헤파 필터를 사용하는 모든 종류의 공기청정기에 일반적으로 적용될 수 있을 것으로 생각된다.

Fig. 6(b)를 보면 공기청정기의 풍량과 분진청정화능력이 거의 비례적으로 나타나고 기울기가 1에 가까운 것을 알 수 있다. 이를 통하여 오염물의 종류와 누적량에 상관없이 필터의 효율은 1에 가깝게 유지되고, 공기정화기의 풍량이 분진청정화 능력과 같다는 것을 유추할 수 있다. 누적량에 상관없이 필터의 효율이 1에 가깝게 유지되는 것은 Fig. 7을 통해서도 확인할 수 있다. ISO A2 먼지를 사용하여 먼지가 누적됨에 따른 필터의 집진효율을 측정하였을 때, 누적량과 관계없이 필터의 집진효율이 균일하게 유지되는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 6(c)를 보면 팬 모터의 소비 동력 또한 시험용 먼지의 종류에 관계없이 분진청정화 능력과 일정한 상관관계를 갖는 것을 확인할 수 있다. 이는 물론 팬 및 모터의 특성과 관련되어 나타나기 때문에 모든 경우에 일반적으로 적용할 수 있는 결과라고 할 수 없지만, 대체적인 경향성은 모든 경우에 유사하게 나타나리라 생각된다. 본 결과로부터 필터를 통과하는 공기의 압력 손실 및 팬 모터의 소비 동력은 오염물의 종류에 상관없이 공기청정기의 성능을 예측할 수 있는 중요한 변수라는 것을 알 수 있으며, 이를 공기청정기 필터의 교체시기를 나타내는 중요한 지표로 활용할 수 있을 것으로 생각된다.

Fig. 6 The change of clean air delivery rate with the various variable (a) pressure drop of the filter, (b) flow rate of the air purifier, (c) power consumption of the air purifier.

Fig. 7 Filtration efficiency of filter with weight change of the filter.