도 1은 일반적인 오일 제거용 필터 장치를 나타내는 구성도.
도 2는 일반적인 오일 제거용 필터 장치의 유동장을 나타내는 구성도.
도 3은 본 발명에 따른 고효율 오일 제거용 필터의 실시예를 나타내는 개념도.
도 4는 본 발명에 따른 고효율 오일 제거용 필터의 부분 확대도.
도 5는 본 발명에 따른 고효율 오일 제거용 필터의 입구측에 설치된 가이드 베인의 부분 확대도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 유입구 2 : 유출구 3 : 핸들 지지대
4 : 핸들 5 : 오일 제거용 필터 6 : 필터 뚜껑
7 : 필터 하우징(Housing) 8 : 필터 엘러멘트 9 : 필터 플레이트
10 : 필터홀(Hole) 11 : 필터 플레이트 지지대 12 : 가이드 베인
13 : 가이드 베인 지지대 14 : 가이드 베인 구멍 15 : 고정 볼트
Q1 : 1차 유체 Q2 : 2차 유체
D : 오일 제거용 필터 직경 H : 오일 제거용 필터 높이
본 발명은 다공성 형태의 가이드 베인을 장착한 고효율 오일 제거용 필터 {High Efficiency Oil Removing Filter with Guide Vane of Porosity shape}에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 오일 제거용 필터 입구측에 다공성 형태의 가이드 베인을 설치함으로써 유선(Stream Line)의 불안정성으로 인한 유동 분배의 불균일성 또는 유동 박리영역, 차압(1차 유체와 2체 유체와의 압력차이)증가원인을 최소화 시킬 수 있다. 즉 오일 제거용 필터 내부의 유동을 본 발명한 고효율 오일 제거용 필터[도 3]에서와 같이 유입구 좌 ·우측 부분과 필터 하우징 내의 전 영역에 유동을 균일하게 흐르게 함으로써 오일 제거용 필터의 완벽한 오일과 수분제거 및 압축 공기의 청정도를 크게 향상시켜 필터의 수명을 기존 보다 2배가량 증가시키고 생산제품 또한 불량률을 0%에 가깝게 필터 효율을 크게 증가시킬 수 있도록 한 고효율 오일 제거용 필터에 관한 장치이다.
일반적으로 오일 제거용 필터의 경우 필터 하우징 입구를 지나는 유동은 급격한 단면적 증가와 유동이 중심부분으로만 흐르는 채널 유동(Channel Flow)으로 인하여 입구 부분의 좌 ·우측부에 매우 큰 박리유동과 유동이 흐르지 않는 데드존(Dead Zone) 영역이 발생할 뿐만 아니라 필터 하우징 내부에서도 큰 박리유동이 발생한다. 이것은 오일 제거용 필터의 효율이 저하시 되는 가장 큰 원인으로 필터 직경(D)이 크면 클수록 좌 ·우측부에서 발생하는 박리 유동 또한 크게 형성되고, 불안정성한 유선이 형성되어 필터 하우징 내에서도 박리 유동이 크게 발생되는 문제가 생기며, 이로 인하여 필터의 차압이 크게 증가되는 현상이 일어난다. 이 오일 제거용 필터 내부에서 발생하는 유동의 박리 및 필터 하우징 내 전 영역에 도달하지 못하는 유동분배의 불균일성에 의하여 필터의 효율이 감소되는 큰 문제를 수반하고 있다. 즉 오일 제거용 필터의 가장 중요한 것이 오일과 수분 등의 불순물을 제거하는 것인데 이러한 불순물들의 제거 효율 및 필터 수명이 저하되는 동시에 압축 공기의 청정도가 떨어져 생산제품의 불량이 증가하게 되고, 모든 공정 시스템의 효율이 저하되는 원인이 된다. 일반적으로 오일 제거용 필터는 보통 에어 필터로 얻을 수 있는 제거 성보다 더 완전한 오일과 수분 등 미세한 불순물들을 제거할 수 있어 압축공기 라인에서 필수적이며, 대부분 산업 현장에서 가장 널리 사용되고 있다. 또한 적용범위가 매우 넓고, 압축공기의 많은 양의 오일 및 수분 등을 제거할 수 있어서 그 신뢰성 또한 높으며, 보수 설치가 용이하고 필터 엘러멘트만 교환하면 반영구적으로 사용가능하여, 미세한 불순물으로도 제품 및 고가의 치명적 문제를 일으킬 수 있는 전자 PDP, LCD, 반도체 관련 산업등과 같이 산업현장에서 없어서는 안 될 필수 장비로서 오래전부터 산업용 에어 필터로 광범위하게 사용할 수 있는 특징을 가지고 있다. 하지만 대부분의 기존 오일 제거용 필터 내부의 유동이 불안정한 형태로 지속되어 유동 박리가 계속해서 발생함으로써 필터 효율이 저하하고, 불순물이 제거되지 않는 현상이 계속해서 발생하여 이에 따른 압축공기 오염이 크게 증가하는 문제가 있기 때문에 현재 오일 제거용 필터는 한계점이 이르렀다고 볼 수 있다. 따라서 본 발명은 고효율 오일 제거용 필터를 사용하는 경우, 기존의 오일 제거용 필터의 효율에 비하여 불순물 제거 효율 및 필터 성능을 2배 가까이 향상시켰다. 이것은 필터 내부의 유동이 균일한 흐름으로 전체 필터 엘러멘트를 통과할 수 있도록 오일 제거용 필터 입구 부분에 다공성 형태의 가이드 베인을 구성하여 좌 ·우측부에 발생되는 유동의 박리영역을 크게 감소시키고, 유선의 형태를 기존 보다 매끄럽게 하여 기존의 오일 제거용 필터의 효율이 현저하게 향상된다. 이로 인하여 오일과 수분 제거량을 최대로 하여 오일 제거용 필터의 압축공기 청정도 및 필터 여과능력을 높이고자 다공성 형태의 가이드 베인을 장착한 고효율 오일 제거용 필터에 관한 것이다.
일반적으로 오일 제거용 필터(Oil Removing Filter)는 압축공기 속에 포함되어 있는 오일과 수분을 제거하여 0.003 PPMw이하로 유지하여 주는 역할을 한다. 압축공기에는 수분, 오일, 먼지등 공정에서 필요로 하지 않는 오염물질이 다량 포함되어 있다. 현재까지는 일반계장용 압축공기용 공기청정 시스템이 주로 적용되어 왔으나, 전자 PDP, LCD, 반도체 관련 제품 생산시에는 탄화수소(Hydrocarbon)류가 제품 수율과 불량률에 치명적인 영향을 초래하며, 이러한 탄화수소류를 제거하기 위하여 오일 제거용 필터가 사용된다. 그리고 오일 제거용 필터의 가장 중요한 사항으로서 일반 계장 에어용 필터에서 제거하지 못하는 오일을 0.001 PPMw(99.999%)까지 완벽하게 제거하므로 오일로 인해 생산에 문제를 일으키는 전자 PDP, LCD, 반도체 관련 제품 생산시에 주로 적합한 필터이다. 보통 압축공기용 에어필터(Air Filter)는 압축기를 사용하여 압축공기를 만들 때 압축기가 설치된 주변 대기중에 는 수증기, 먼지와 같은 미립자 또는 각종 오염물질들이 부유물로 존재하고 이와같이 오염된 공기를 흡입하여 압축하는 과정에서 불순물들은 더욱 농축되게 된다. 압축기 내부에서는 급유식인 경우 윤활과 냉각을 위하여 오일을 사용하는데 압축시 발생하는 고온의 마찰열에 의하여 산화 또는 탄화와 같은 화학적 반응으로 고형물이 생성되고 다량의 오일 미스트가 발생한다. 또한 배관 내부에서는 압축공기중의 수분에 의하여 녹과 같은 부식물이 자연 발생하게 된다. 그리고 탄화수소류(Hydrocarbon) 및 가연소성 탄화물 등에 의한 원인으로 발생되는 경우가 많다. 이와 같은 모든 불순물들은 압축공기를 이용하는 기기 공구 및 자동화 설비의 고장원인이 될 뿐만 아니라 수명을 단축하고 제품 불량의 원인이 되므로 용도에 맞는 깨끗한 압축공기를 사용하기 위하여 에어 필터의 사용은 필수적이다. 압축 공기중의 오일 및 수분, 먼지등을 제거하기 위하여 사용되는 에어 필터로 크게 40 ㎛이상 입자(고형 불순물 및 응축수, 유분등)을 제거하는 메인 필터(Main Filter), 5 ㎛이상의 입자를 제거하는 프리 필터(Pre Filter), 1 ㎛이상의 입자를 제거하는 라인 필터(Line Filter), 0.01 ㎛이상 입자를 제거하는 코월레센트 필터(Coalescent Filter), 코월레센트 필터후에 설치하여 압축 공기의 큰 입자의 유분제거를 위한 에드솔벤트 필터(Adsorbent Filter), 그리고 오일을 0.001 PPMw(99.999%)까지 완벽하게 제거할 목적으로 사용되는 오일 제거용 필터(Oil Removing Filter)등이 있다. 메인 필터는 공장 배관의 메인 라인(Main Line) 또는 냉동식 에어 드라이어 라인 앞에 설치하여 다량의 응축수 제거를 한다. 프리 필터는 초미립 에어 필터앞에 설치하여 초미립 필터의 수명연장과 여과 효율울 높여준다. 라인 필터는 흡착식 에어 드라이어 후단에 설치하여 흡착제 분말을 포집하여 제거한다. 코월레센트 필터는 불순물이 완전 제거된 라인에 설치하여 초미립자를 제거하며 주로 흡착식 에어 드라이어 앞에 설치하여 흡착제 수명연장과 제습효율 증대 목적으로 사용된다. 에드솔벤트 필터는 흡착식 에어 드라이어나 호흡용 공기를 위한 정화장치 후에 설치하는 것으로 흡착제 파편제거에 주로 쓰인다.
상기와 같이 압축공기 속의 수분 및 오일, 먼지등 여러 불순물들을 제거하기 위하여 에어 필터가 사용되고 있으며, 그 중에서도 오일 제거용 필터는 아주 미세한 오일과 수분을 근본적으로 제거할 수 없는 일반 에어필터에 비해, 일반 에어 필터에서 제거하지 못하는 오일을 0.001PPMw까지 완벽하게 제거하므로 전자 PDP, LCD, 반도체 공정 등의 아주 미세한 수분과 오일으로도 제품에 치명적인 문제가 될 수 있는 곳에서는 반드시 사용해야 하는 필수 장비이다. 대부분 산업 현장에서 가장 널리 사용되고 있으며, 적용범위가 매우 넓고, 압축공기의 많은 양의 오일 및 수분 등을 제거할 수 있어서 그 신뢰성 또한 높다. 그리고 보수 설치가 용이하고 필터 엘러멘트만 교환하면 반영구적으로 사용가능하여, 오래 전부터 산업용 오일 제거용 필터로 광범위하게 사용할 수 있는 특징을 가지고 있다.
상기와 같은 기존 오일 제거용 필터(5) 장치의 가장 일반적인 구조는 도 1과 필터 내부 유동장을 나타낸 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 크게 필터 유입구(1), 1차 유체(Q1)가 필터내 필터 엘러멘트(8)를 통과하여 수분 및 오일제거가 일어나는 필터 하우징측(7), 그리고 유출구(2) 부분으로 이루어져 있다. 필터 하우징(7) 상부에는 필터 엘러멘트(8)를 교체할 수 있도록 필터 뚜껑(6)이 설치되어 있으며, 이 필터 뚜껑(6)을 열고 닫을 수 있도록 할 수 있는 핸들(4) 부분과 이 핸들(4)을 지지할 수 있는 핸들 지지대(3)가 구성되어 있다. 1차 유체(Q1)는 오일 제거용 필터(5)의 유입구(1)를 통하여 필터 엘러멘트(8)가 지지될 수 있도록 고정형태로 되어 있는 필터 플레이트(9)와 필터 플레이트(9)를 지지할 수 있는 필터 플레이트 지지대(11)및 필터홀(10)을 지나 하우징(7)내의 필터 엘러멘트(8)를 통과하는 동안 오일과 수분등 미세한 불순물 미립자가 제거되어 청정도가 99.999% 상태의 압축공기가 유출구(2)로 토출 된다.
상기의 오일 제거용 필터 장치의 가장 주된 목적은 1차 유체(Q1)가 필터 하우징(6)내의 필터 엘러멘트(8)를 통과함으로써 아주 미세한 불순물이 엘러멘트(8) 표면에 붙어 버리는 상태를 이용하여 99.999% 이상의 오일미스트를 제거하는 여과 능력을 가지고 공정상에서 필요로 하는 압축 공기의 청정도와 필터의 성능을 향상시킬 수 있도록 한 것이다. 하지만 오일 제거용 필터 입구를 지나는 유동은 급격한 단면적 증가와 유동이 중심부분으로만 흐르는 채널 유동(Channel Flow)으로 인하여 좌 ·우측부에서 매우 큰 박리영역이 발생하며, 필터 플레이트(9)의 필터홀(10)을 통과하는 유동 분포가 불안정하여 필터 하우징(7)내에서도 유동 박리가 발생하여 불균일한 유동이 형성되어 필터의 제거 효율 저하와 필터의 차압이 크게 증가하는 현상이 생기는 중요한 원인으로 된다. 따라서 오일 제거용 필터의 오일 미스트 제거 효율 감소 및 필터 수명이 단축되어 압축공기의 청정도가 저하되는 문제가 제시되고 있고, 전체 산업 공정 시스템상의 효율을 크게 감소시키는 원인이 야기된다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 본 발명에 의한 고효율 오일 제거용 필터는 필터 입구측에 다공성 형태의 가이드 베인을 설치함으로써 필터 입구 좌 ·우측부에 발생되는 유동의 박리영역을 크게 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라 필터 플레이트(9)의 필터홀(10)을 통과하는 불안정한 유동분포로 인해 필터 하우징(7)내에서도 유동 박리가 발생하여 불균일한 유동이 형성되어 필터의 제거 효율 저하와 필터의 차압이 크게 증가하는 현상을 최소화 시킬 수 있다. 따라서 기존의 오일 제거용 필터의 오일과 수분 제거량을 최대로 하여 오일 제거용 필터의 압축공기 청정도 및 필터 여과능력을 높이고, 오일 제거용 필터에 있어서 최적의 필터 성능을 얻을 수 있도록 하는 것을 그 기술적 과제로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명에 따른 다공성 형태의 가이드 베인을 가진 고효율 오일 제거용 필터 장치의 실시예를 나타내는 개념도 이며, 도 4는 본 발명에 따른 고효율 오일 제거용 필터의 부분 확대도이다. 도 5는 본 발명에 따른 고효율 오일 제거용 필터 입구측에 설치된 다공성 가이드 베인의 부분 확대도이다.
본 발명에 따른 다공성 형태의 가이드 베인을 장착한 고효율 오일 제거용 필 터의 실시예는 도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 크게 필터 유입구(1), 1차 유체(Q1)가 필터내 필터 엘러멘트(8)를 통과하여 수분 및 오일제거가 일어나는 필터 하우징측(7), 그리고 유출구(2) 부분으로 이루어져 있다. 필터 하우징(7) 상부에는 필터 엘러멘트(8)를 교체할 수 있도록 필터 뚜껑(6)이 설치되어 있으며, 이 필터 뚜껑(6)을 열고 닫을 수 있도록 할 수 있는 핸들(4) 부분과 이 핸들(4)을 지지할 수 있는 핸들 지지대(3)가 구성되어 있다. 필터 입구(1)측에는 곡률 형상인 다공성 형태의 가이드 베인(12)이 설치되어 있어서 유동의 균등 분배를 위해 다음과 같이 고려하였다. 첫째, 유입구(1)와 가이드 베인 구멍(14)과의 거리를 고려하였으며 둘째, 필터 플레이트(9)의 필터홀(10)과의 거리 및 위치등을 고려하였고 셋째, 필터홀(10) 구멍 크기와 1차 유동 조건을 고려하여 가이드 베인(12)을 설계하였으며, 가이드 베인(12) 형상 또한 평판이 아닌 곡률을 가지는 접시 형태처럼 형성하였다. 곡률 형상의 가이드 베인(12)을 형성시키는 이유는 평판 가이드 베인에서 얻을 수 없는 최적의 유동의 유선 형상을 얻고, 유동 분배를 더 매끄럽게 하기 위한 것이다. 1차 유체(Q1)는 오일 제거용 필터(5)의 유입구(1)의 가이드 베인(12)을 통하여 필터 플레이트(9)와 필터 플레이트(9)를 지지할 수 있는 필터 플레이트 지지대(11) 및 필터홀(10)을 지나 하우징(7)내의 필터 엘러멘트(8)를 통과하는 동안 오일과 수분등 미세한 불순물 미립자가 제거되어 청정도가 99.999% 상태의 압축공기가 유출구(2)로 토출 된다.
상기의 오일 제거용 필터 입구측에 다공성 형태의 가이드 베인(12)을 형성시 키는 이유는, 유동의 유선을 매끄럽게 하여 필터내의 전 영역에 유동 분배를 균등히 하기 위한 것이다. 그리고 오일 제거용 필터(5)의 목적중에서 오일 및 수분 등의 불순물을 제거하는 것이 주요인 이지만 필터 내에서 발생되는 차압을 감소시키는 것도 중요한 사항이다. 즉 가이드 베인(12)을 설치함으로써 필터 하우징(7)내에서의 유동의 박리가 감소되며, 모든 영역에 유동이 균등하게 분배되어 필터 차압이 크게 증가하는 현상을 저하시켜 최적의 오일 제거용 필터의 성능을 얻을 수 있게 된다.
도 4는 본 발명에 따른 고효율 오일 제거용 필터의 의 내부구조를 개략적으로 나타내었다. 그림에서 필터 유입구(1)로부터 1차 유체(Q1)가 유입되어 다공성 형태의 가이드 베인(12)을 지나 필터 플레이트(9)의 필터홀(10)을 통과하여 필터 하우징내(7) 전체 영역을 통과하게 되며, 이 곡률 형상을 가지는 다공성 형태의 가이드 베인(12)에 의하여 필터 입구에서의 좌 ·우측부에서 발생하는 박리유동의 규모를 크게 저감시키게 되고, 이와 동시에 필터 하우징내(7)에 발생되는 박리유동 및 차압증가를 또한 감소시키게 된다. 필터 입구에서의 유동은 일정 구멍(14)으로 이루어진 다공성 형태의 가이드 베인(12)을 통과하게 되며, 가이드 베인(12)에 의하여 균일한 유동이 필터홀(10)을 따라 필터 하우징내(7) 전체 영역에 유동분배가 균일하게 진행되어 필터 유출구(2)로 흐르게 된다. 따라서 기존의 불균일한 유동을 필터 전 영역에 걸쳐 균일한 유동을 얻을 있고, 다공성 형태의 가이드 베인(12)에 의해 편중되어 있던 유동을 필터 전 영역내로 고루 분포시킴으로서 필터 성능과 제 거 효율을 크게 높일 수 있다.
도 5는 본 발명에 적용된 입구측 가이드 베인(12)을 개략적으로 나타내었다. 그림에서 가이드 베인의 구멍(14)은 필터 전 영역에 균일한 유동 분포를 얻기 위하여 일정 간격으로 유지시켰으며, 구멍 크기 또한 유동과의 저항손실 및 차압을 최소화하기 위하여 최적으로 고려하였다. 그리고 가이드 베인(12)을 지지할 수 있도록 각각의 고정 볼트(15)로 이루어져 있다.
위 내용에서 알 수 있는 바와 같이, 오일 제거용 필터 유동손실은 입구측 다공성 형태의 가이드 베인(12) 장치에 의해 확실히 감소 될 수 있는데, 이것은 본 발명의 가이드 베인(12)에 의하여 필터 입구측의 좌 ·우측부 및 하우징내(7) 전 영역에 발생되는 박리유동이 감소되고, 이에 따른 차압손실이 감소되어 유동은 필터 전체로 균일하게 흐르게 되어 오일 제거용 필터의 성능과 제거 효율을 크게 향상시켰기 때문이다. 위에서 언급되어진 바와 같이 기존의 오일 제거용 필터 내부 입구측에 가이드 베인(12)을 설치할 경우 필터의 성능 향상이 크게 기여됨을 알 수 있다.
상기와 같이 본 발명에 의한 고효율 오일 제거용 필터는 필터 입구부분에 구멍 크기가 일정한 다공성 형태의 가이드 베인(12)을 설치하여, 필터 입구부분의 좌 ·우측부 및 필터 하우징내(7) 전 영역에서 발생하는 주위 유동의 박리와 유동 분배의 불균일성을 최소화 시키므로서, 유동 및 차압손실을 크게 감소시킬 수 있다.
또 기존의 오일 제거용 필터의 효율에 비하여 오일과 수분등의 불순물 제거 효율 및 필터 성능을 2배 가까이 향상시켜 최적의 오일 제거용 필터 조건이 되도록 함으로서 유동의 손실로 인한 필터 수명 단축과 차압을 크게 감소시키는데 가능하며, 필터내 전 영역에 걸쳐 균일한 유동이 흐를 수 있게 하고, 이로 인하여 압축공기의 청정도를 최대화하여 오일 제거용 필터의 제거효율을 높이고자 입구측에 다공성 형태의 가이드 베인(12)을 장착한 고효율 오일 제거용 필터의 효율을 보다 증대시킬 수 있는 효과가 있다.