HEPA급 필터 등급에 따른 가정용 진공청소기의 미세먼지방출량 연구

2.1 공기정보시험 장치 및 방법

공기정보는 진공청소기의 공기유량(㎥/s), 진공도(Pa), 소비전력(W), 흡입력(W), 청소효율(%) 등을 구하여 에너지소비량 지정 등 청소기의 성능 근거가 되거나 여러 가지 상황에서 요구되는 공기 데이터를 결정하는데 이용된다.

본 연구에서는 KS C 9101 및 KS C IEC 60312에 근거하여 Fig. 1과 같이 장치를 제작 후 Table 1의 조건하에 시험을 실시하였다. 공기정보를 측정하기 위하여, 시험 전 항온항습실 내부의 표준공기 밀도(1.20 ㎏/㎥) 및 표준대기 조건(20℃, 101.3 kPa, 50％ 상대습도)을 설정하였으며, 초음파유량계, 지시형 진공계, 교축밸브, 강판으로 만들어진 시험장치를 사용하였다. 본 연구에서 사용한 샘플은 한국형 진공청소기로 전압 및 주파수는 220 V, 60 Hz이며, 주파수 변환이 가능한 AC Power Supply를 사용하였다.

Fig. 1

Schematic diagram of the suction power test equipment

Table 1

Test conditions

처음 시험을 실시하기 전 진공청소기 및 이의 부착장치를 적절히 길들이기 위해 공기흐름이 방해받지 않도록 하여 적어도 2시간 동안 작동시킨다. 호스와 연장관은 정상사용 때처럼 장착하며 노즐이나 브러시는 부착하지 않고 공기정보 시험장치에 설치한다.

공기정보 데이터는 공기유량, 진공도, 소비전력, 흡입력, 청소효율을 나타내며, 이는 풍량 측정 제어밸브의 풍량에 따라 결정된다. 측정 방법으로 풍량 측정 제어 밸브의 풍량을 다르게 하여 10회를 측정하며 각 풍량별 측정점에 대해서는 공기유량, 진공도 및 소비전력을 교축 1분 후 기록한다. 풍량 측정 제어밸브가 닫힐수록 진공도는 높아지고 유량은 줄어든다. 이러한 순서로 마지막 최대진공도의 측정점으로 곡선이 완성될 때까지 계속 진행한다.

여기에서 청소기에 적용되는 청소효율은 흡입력이 최대가 되었을 때의 흡입력과 소비전력의 비로서 나타나게 된다.

2.2 미세먼지방출량시험 장치 및 방법

이 시험의 목적은 청소기를 최대공기유량으로 운전하면서 지정된 비율로 시험먼지를 흡입시킬 때 배기에서 방출되는 평균 먼지 농도를 측정하기 위한 것이다.

Fig. 2는 미세먼지 방출량 측정 장치의 개략도이며, 샘플링 프로브가 붙은 시험용 후드, 먼지 분배기 및 입자개수기로 구성된다. 시험을 진행하기 위하여, 먼저 시험 동안 사용할 부속품, 부착장치, 일회용 먼지받이 및 여분의 필터들을 Table 1과 같이 표준대기 조건((23 ± 2)℃, (50 ± 5)% 상대습도)에서 24시간 이상 두고 시험을 실시하기 전 10분 이상 동작시켜 안정화 시킨 후, 진공청소기를 시험 후드 내에 설치하였다. 이때, 시험실 내의 오염됨 공기는 시험결과에 영향을 주기 때문에 충분히 깨끗한 환경 조건에서 측정을 실시한다.

Fig. 2

Schematic diagram of dust emission test equipment

본 연구에서 사용된 청소기는 일반 가정에서 보편적으로 사용하는 이동형 진공청소기를 사용하였으며, 청소기의 호스와 전원코드가 통과하는 슬롯은 청소기의 배기가 시험후드의 배기관으로만 통과할 수 있도록 발포고무나 유사 재질로 주의해서 밀폐하였다.

최대공기유량에 따라 먼지양이 구해지면 먼지 분배기 홈에 시험 먼지를 균일하게 채우고, 먼지 분배기 공급 관에 흡입소스를 약 100 mm 정도의 깊이로 중앙에 확실하게 삽입한다. 측정에 앞서 청소기는 새로운 먼지받이와 필터를 장착하여야 하며, 시험 후드 내에서 초기 조건을 안정화하기 위해 10분 동안 작동시킨 다음 청소기를 계속 작동시키면서 먼지 분배기를 작동 시키는 동시에 2분 동안 입자 계수기를 작동시킨다. 또한, 청소기 배기의 평균 먼지 농도를 구하기 위하여 독립된 다섯 번의 측정을 실시한다.

3.1 필터 효율시험 결과

현재 국내 산업현장 및 일반적으로 HEPA필터를 구분할 때에는 EN 1822 규격에 따라 H11, H12, H13, H14 등으로 구분된다.

Fig. 3은 본 연구에서 사용된 Melt blown 방식으로 제조된 H11, H12, H13, H14 필터의 전자현미경 사진을 비교하여 나타내었다. H11에서 H14 필터까지 다양한 굵기의 섬유들이 얽혀 있는 모습을 볼 수 있으며 비교적 비슷한 직경의 섬유들로 구성되어 있음을 확인할 수 있다.

Fig. 3

Scanning electron micrographs of the H11, H12, H13 and H14 filters

또한 청소효율 및 미세먼지방출량을 측정하기 전, 필터의 효율시험을 실시하였다. 그 결과, Table 2에서 보듯이 효율과 압력손실은 14등급이 가장 높았고 H11등급이 가장 낮았다. 공기통기도는 125 Pa에서 측정3)하였으며, H11 등급이 가장 높게 나타났고 H14 등급이 가장 낮게 나타났다.

Table 2

Filter grade of efficiency and pressure loss and air permeability

3.2 청소효율 측정결과

Fig. 4는 필터 등급에 따른 청소기의 최대유량 변화를 보여주고 있으며 Fig. 5에서는 그에 따른 청소기 소비전력의 변화를 보여주고 있다. 필터의 압력손실이 작고 통기도가 큰 순서대로 유량이 크게 형성 되었다. 유량이 크다는 것은 같은 시간에 더 많은 공기를 흡입 하면서 흡입 모터의 부하는 적어지지만 모터회전수는 많아지게 되어 결과적으로 소비전력이 상승하는 결과를 초래한다.

Fig. 4

Max. flow rate as a function of filter grade

Fig. 5

Power consumption as a function of filter grade

Fig. 6은 등급에 따른 청소기의 흡입력 변화를 보여주는 그래프이다. 필터 등급이 낮을수록 효율이 올라가는 것을 볼 수 있다. 여기서 유량과 소비전력과 흡입력의 관계는 유량이 많을수록 소비전력은 상승하고 따라서 흡입력도 상승하는 것을 알 수 있다.

Fig. 6

Suction power as a function of filter grade

Fig. 7은 필터 등급에 따른 청소기의 청소효율의 변화를 보여주는 그래프이다. 청소효율은 에너지 효율의 지표가 되는 항목으로 소비전력과 흡입력의 비율로서 나타내는데, H11부터 H14 등급까지의 효율은 34.34%, 33.72%, 33.4%, 32.71% 같이 필터 등급이 낮을수록 높게 나타났다. 즉, 낮은 필터 등급일수록 유량, 소비전력, 흡입력, 청소효율 모두 상승하였다.

Fig. 7

Dust collection efficiency as a function of filter grade

3.3 미세먼지방출량 측정결과

미세먼지방출량은 입자 사이즈의 상하한 평균값, 먼지의 밀도, 입자계수기의 공기유량, 입자개수의 측정값을 분석하여, 1 ㎥ 공간에 미세먼지의 방출량을 질량(㎎)으로 나타내며 본 연구에서는 5회 반복시험 결과를 평균하여 나타내었다.

3.4 청소효율과 미세먼지방출량과의 상관관계

Fig. 8

Dust emissions as a function of filter grade

Fig. 9

Number distributions of particles as a function of filter grade

Fig. 10

Vacuum cleaner efficiency and dust emission as a function of filter grade