KR100811569B1 - 골진 매체 구조물을 갖는 필터 여과재 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 필터 장치는 미세 섬유의 침착물로 처리된 골진 매체 형태의 차단 매체를 포함한다. 매체는 고온(60℃ 초과 내지 115.6℃) 시스템에 특히 유용하다. 이러한 시스템은 엔진 시스템, 가스 터빈 시스템 및 연료 전지 시스템을 포함할 수 있다. 필터 장치는 환상 단면 또는 타원형상 단면을 갖는 매체 팩 형태 또는 패널 배열로 형성된 매체 팩 형태일 수 있다.
미세 섬유, 필터 장치, 엔진 시스템, 매체 팩, 가스 터빈 시스템.

Description

골진 매체 구조물을 갖는 필터 여과재{A filter element arrangement having fluted media constructions}
본 출원은, 미국을 제외한 모든 국가를 지정하고 미국 특허원 제60/230,138호(2000년 9월 5일자 출원)과 미국 특허원 제09/871,590호(2001년 5월 31일자 출원)의 우선권을 주장하는, 미국 법인으로 미국에 소재하는 도널드선 컴파니 인코포레이티드(Donaldson Company, Inc.)의 명의로 PCT 국제 특허원으로서 2001년 8월 10일자로 출원중이다.
본 발명은 필터 장치 및 여과방법에 관한 것이다. 보다 특히, 본 발명은 기체 유동 스트림, 예를 들면, 공기 스트림으로부터 입상 물질을 여과하는 장치에 관한 것이다. 본 발명은 또한 상기의 기체 유동 스트림으로부터 입상 물질의 바람직한 제거를 달성하는 방법에 관한 것이다.
본 발명은 본 발명의 양수인인, 미국 미네소타주 미네아폴리스에 소재하는 도널드선 컴파니 인코포레이티드가 계속 개발중이다. 당해 공개 내용은 부분적으로, 미국 특허 제B2 4,720,292호, Des 제416,308호; 제5,613,992호, 제4,020,783호 및 제5,112,372호에서 특징화된 과제에 관련된 지속적인 기술 개발에 관한 것이다. 전술한 문장에서 언급된 특허들도 각각 또한 미국 미네소타주 미네아폴리스에 소재하는 도널드선 컴파니 인코포레이티드의 소유이며, 각 기술은 본 발명에 참조로 인용된다.
본 발명은 또한 열, 습기, 반응성 물질 및 기계적 응력에 대한 개선된 환경적 안정성을 갖도록 제조될 수 있는 중합체 물질로 이루어진 미세 섬유 층을 갖는 기판을 포함하는 필터에 관한 것이다. 이러한 물질은 개선된 안정성 및 강도를 갖는 마이크로 섬유 및 나노 섬유 등의 미세 섬유의 형성에 사용될 수 있다. 섬유의 크기가 감소됨에 따라, 물질의 잔존성이 점차 더욱 문제가 된다. 이러한 미세 섬유는 다양한 용도에 유용하다. 한 용도로, 필터 구조부재가 이러한 미세 섬유 기술을 사용하여 제조될 수 있다. 본 발명은 중합체, 중합체성 조성물, 섬유, 필터, 필터 구조물 및 여과방법에 관한 것이다. 본 발명의 용도는 특히 유체 스트림, 예를 들면, 공기 스트림 및 액체(예: 비수성 및 수성) 스트림으로부터 미립자를 여과하는 데 대한 것이다. 기재된 기술은 하나 이상의 미세 섬유 층을 필터 매체에 갖는 구조부재에 관한 것이다. 조성 및 섬유 크기는 특성 및 잔존성의 조합에 따라 선택한다.
기체 스트림은 종종 내부에 입상 물질을 포함한다. 많은 경우, 기체 유동 스트림으로부터 입상 물질을 일부 또는 전부 제거하는 것이 필수적이다. 예를 들면, 전동 차량 또는 발전 장치용 엔진으로의 공기 흡입 스트림, 가스 터빈으로 들어가는 기체 스트림 및 다양한 연소 노로 들어가는 공기 스트림은 종종 입상 물질을 포함한다. 각종 기계의 내부 작동에 도달되는 입상 물질은 작동하는 장치에 대해 실질적인 손상을 유발할 수 있다. 엔진, 터빈, 노 또는 수반된 기타 장치의 기체 유동 업스트림(upstream)으로부터 입상 물질의 제거가 종종 요구된다.
본 발명은 또한 섬유, 마이크로 섬유, 나노 섬유, 섬유 웹, 섬유상 매트, 투과 구조부재(예: 막), 피막 또는 필름의 형성을 포함하는 다양한 관련 용도에 사용될 수 있는 개선된 특성을 갖는 중합체성 조성물에 관한 것이다. 본 발명의 중합체성 물질은 다양한 물리적 형태 또는 모양의 중합체성 물질이 습기, 열, 공기 유동, 화학적 및 기계적 응력 또는 충격의 저하 영향에 대해 내성을 갖도록 할 수 있는 물리적 특성을 갖는 조성물이다.
미세 섬유 필터 매체의 제조에, 유리섬유, 금속, 세라믹 및 광범위한 중합체성 조성물을 포함하는 다양한 물질이 사용되어 왔다. 직경이 작은 마이크로 섬유 및 나노 섬유를 제조하기 위한 다양한 섬유 형성 방법 또는 기술이 사용되어 왔다. 한 방법은 물질을 용융 물질로서 또는 용액으로 미세한 모세관 또는 개구를 통해 통과시킨 다음 증발시키는 단계를 포함한다. 섬유는 또한 합성 섬유(예: 나일론)의 제조시 통상적인 "방사구금"을 사용하여 제조할 수 있다. 정전 방사가 또한 공지되어 있다. 이러한 기술은 피하주사용 바늘, 노즐, 모세관 또는 이동식 방출기의 사용을 포함한다. 이들 구조부재는 중합체의 액체 용액을 제공하며, 이는 이후 고압 정전기장에 의해 회수 영역으로 이끌리게 된다. 물질이 방출기로부터 당겨져 정전 영역을 통해 가속화되는 경우, 섬유는 매우 가늘게 되고, 용매 증발에 의해 섬유 구조부재로 성형될 수 있다.
보다 요구되는 적용을 여과 매체에 대해 구상하는 경우, 37.8 내지 121.1℃, 종종 60 내지 115.6℃, 및 148.9℃ 이하의 고온, 10 내지 90%, 100% RH 이하의 고습, 기체 및 액체 모두의 고유량, 마이크론 및 서브마이크론 크기의 미립자(약 0.01 내지 10㎛)의 여과 및 유체 스트림으로부터 마멸성 및 비마멸성이고 반응성 및 비반응성인 미립자를 모두 제거하는 어려움을 견딜 수 있는 상당히 개선된 물질이 요구된다.
따라서, 고온, 고습, 고유량과 마이크론 및 서브마이크론 크기의 입상 물질을 갖는 스트림을 여과하기 위한 개선된 특성을 제공하는 중합체성 물질, 마이크로섬유 및 나노 섬유 물질과 필터 구조부재에 대한 실질적인 요구가 존재한다.
다양한 공기 필터 또는 기체 필터 장치가 미립자 제거용으로 개발되어 있다. 그러나, 일반적으로, 개선 방법이 지속적으로 요구된다.
발명의 요약
본 발명에서는, 공기 정화기 장치의 디자인 및 적용에 대한 일반적인 기술이 제공된다. 본 기술은 바람직한 필터 여과재 디자인과, 바람직한 적용 및 여과방법을 포함한다.
일반적으로, 바람직한 적용은 공기 필터내에서 기판과 미세 섬유와의 복합체를 포함하는 Z형 매체의 유리한 사용에 관한 것이다.
필터 매체는 기계적으로 안정한 필터 구조부재 내에 기판 물질과 함께 하나 이상의 마이크로 섬유 또는 나노 섬유 웹 층을 포함한다. 이들 층은 함께 유체(예: 기체 또는 액체)가 필터 매체를 통과하는 경우 우수한 여과율, 높은 입자 포획능, 최소 유량 제한에 대한 효율성을 제공한다. 기판은 유체 스트림중 업스트림, 다운스트림(downstream) 또는 내부 층에 위치할 수 있다. 섬유는 필터 기하와 관계 없이 업스트림, 다운스트림 또는 필터 기판의 양면에 위치할 수 있다. 섬유는 일반적으로 업스트림 면에 위치된다. 그러나, 어떤 분야에서는 다운스트림 위치가 유용할 수 있다. 어떤 분야에서는 양면 구조부재가 유용하다. 다양한 산업계에서 여과, 즉 유체(예: 기체 또는 액체)로부터 원치않는 입자의 제거를 위한 필터 매체의 사용에 대해 최근 몇년 동안 상당한 관심이 기울여져 왔다. 통상의 여과방법은 공기 스트림 또는 다른 기체상 스트림을 포함하는 유체로부터 또는 액체 스트림(예: 수압 유체, 윤활유, 연료, 물 스트림 또는 다른 유체)으로부터 미립자를 제거한다. 이러한 여과방법은 마이크로 섬유 및 기판 물질의 기계적 강도, 화학적 및 물리적 안정성을 필요로 한다. 필터 매체는 광범위한 온도 조건, 습도, 기계적 진동 및 충격과 유체 유동에 포함되는 반응성 및 비반응성이고 마멸성 또는 비마멸성인 미립자에 모두 노출될 수 있다. 통상의 작업에서는 필터가 일반적으로 주위 조건 또는 주위 조건 부근에서 또는 약간 승온에서 공기에 노출된다. 필터는, 당해 엔진이 비정상적으로 작동되거나 당해 엔진이 장시간 작동 후에 중단될 때에 보다 고온에 노출될 수 있다. 엔진이 작동 중지되는 경우, 공기는 필터를 통과하지 않는다. 필터는 후드 온도에 신속하게 도달한다. 또한, 여과 매체는 종종 필터 매체를 역압 펄스에 노출시키는 자체 세정능(미립자의 표면 피복물을 제거하기 위한 유체 유동의 단기적 반전) 또는 필터 매체 표면으로부터 포함된 미립자를 제거할 수 있는 다른 세정 메카니즘을 필요로 한다. 이러한 반전 세정으로 펄스 세정후 실질적으로 개선된(즉) 압력 강하의 감소를 성취할 수 있다. 입자 포획 효율은 통상 펄스 세정후 개선되지 않지만, 펄스 세정은 압력 강하를 감소시켜, 여과 작동을 위한 에너지를 절약할 수 있다. 이러한 필터는 종종 수성 또는 비수성 세정 조성물로 제거하고 세정할 수 있다. 이러한 매체는 종종 미세 섬유를 방사한 다음, 다공성 기판 위에 마이크로 섬유의 연동 웹을 형성하여 제조한다. 방사 공정시, 섬유는 섬유 사이에 물리적 결합을 형성하여 섬유 매트를 일체화된 층으로 연동시킬 수 있다. 이어서, 이러한 물질을 원하는 필터 형태(예: 카트리지, 평평한 디스크, 깡통, 패널, 백 및 파우치)로 제조할 수 있다. 이러한 구조부재 내에서, 매체는 지지체 구조부재 위에 실질적으로 주름지거나, 로울링되거나, 다른 방식으로 배치될 수 있다.
본 명세서에 기재된 필터 장치는, 예를 들면, 분진 수집기, 공기 압축기, 온-로드 및 오프-로드 엔진, 가스 터빈 시스템, 발전기(예: 연료 전지) 등을 포함하는 다양한 용도로 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 미세 섬유의 제조를 위한 통상의 정전식 방출기 구동 장치를 도시한 것이다.
도 2는 도 1에 도시된 미세 섬유 형성 공정으로 필터 기판 위에 미세 섬유를 유입시키는 데 사용되는 장치를 도시한 것이다.
도 3은 지지체 물질의 통상의 내부 구조를 도시한 것이고, 작은, 즉 2 및 5㎛의 입상 물질에 비하여, 본 발명의 미세 섬유 물질을 별도로 도시한 것이다.
도 4 내지 도 11은 실시예 13과 관련된 ESCA 분석 스펙트럼이다.
도 12는 실시예 5로부터의 본 발명의 0.23 및 0.45㎛ 섬유 물질의 안정성을 나타낸 것이다.
도 13 내지 도 16은, 개질되지 않은 나일론 공중합체 용매 가용성 폴리아미드와 비교시, 실시예 5 및 6의 물질의 개선된 온도 및 습도 안정성을 도시한 것이다.
도 17 내지 도 20은, 열처리하고 부가제와 혼합한, 두 공중합체인, 나일론 단독중합체 및 나일론 공중합체의 블렌드가 별도의 두 중합체 물질의 독특한 특성을 나타내지 않지만, 가교결합되거나 그렇지 않으면 화학적으로 결합된 단일상을 나타내는 단일 성분 물질을 형성함을 나타내는 것이다.
도 21은 본 발명에 따르는 공기 정화기가 사용될 수 있는 엔진 시스템의 개략도이다.
도 22는 도 21에 도시된 시스템에서 사용될 수 있는 필터 여과재의 한가지 양태의 개략 투시도이다.
도 23은 도 22의 장치에 유용한 필터 매체(Z-매체)의 일부분의 개략 투시도이다.
도 24는 하우징 속에 설치된 도 22에 도시된 필터 여과재의 개략 단면도이다.
도 25는 도 22의 필터 여과재에 대한 밀봉 시스템에 사용된 압축가능한 밀봉 부재의 한 가지 양태의 부분 확대 개략도이다.
도 26은 도 21의 엔진 시스템에 사용될 수 있는 필터 여과재의 또 다른 양태의 개략 투시도이다.
도 27은 하우징 속에 설치된 도 26의 필터 여과재의 개략 단면도이다.
도 28은 도 21의 엔진 시스템에 사용될 수 있는 필터 여과재와 하우징의 또 다른 양태의 개략 분해 투시도이다.
도 29는 본 발명에 따르는 필터 여과재가 사용될 수 있는 가스 터빈 시스템의 개략도이다.
도 30은 도 29에 도시된 가스 터빈 공기 흡입 시스템에 사용될 수 있는 필터 여과재의 한 가지 양태의 개략 투시도이다.
도 31은 관형 시트 속에 설치되고 도 30의 필터 매체의 업스트림에 설치된 예비 필터를 갖는 도 30에 도시된 필터 여과재의 후입면도이다.
도 32는 도 31의 라인 12-12를 따라 조립된 도 31의 공기 필터 장치의 확대된 개략 부분 단면도이다.
도 33은 본 발명의 필터 여과재가 사용될 수 있는 마이크로 터빈 시스템을 위한 공기 흡입 시스템의 개략도이다.
도 34는 도 35의 라인 14-14를 따라 조립된 상태에서 가스 터빈 시스템에서 흡수 공기를 정화시키기 위해 작동 가능하게 설치된 필터 여과재의 개략 단면도이다.
도 35는 조립되지 않은 상태의 도 34의 필터 장치의 분해 측면 입면도이다.
도 36은 필터 하우징 속에 밀봉된 필터 여과재를 나타내는 부분 개략 단면도이다.
도 37은 본원에 기재된 필터 여과재를 사용할 수 있는 연료 전지 시스템에 대한 공기 흡입의 개략도이다.
도 38은 도 37의 연료 전지 공기 흡입 시스템에 사용될 수 있는 필터 어셈블리의 개략 단면도이다.
도 39는 연료 전지 시스템에 대한 공기 흡입에 사용될 수 있는 필터 어셈블리의 또 다른 양태의 개략 단면도이다.
A. 마이크로 섬유 또는 미세 섬유 중합체성 물질
본 발명은 개선된 중합체성 물질을 제공한다. 이 중합체는 개선된 물리적 및 화학적 안정성을 갖는다. 중합체 미세 섬유(마이크로 섬유 및 나노 섬유)는 유용한 제품 형태로 제조할 수 있다. 당해 섬유는 직경이 약 0.001 내지 10㎛, 약 0.005 내지 5㎛, 약 0.01 내지 약 0.5㎛일 수 있다. 나노 섬유는 200㎚ 미만 또는 0.2㎛인 섬유이다. 마이크로 섬유는 직경이 0.2㎛ 보다 크지만, 10㎛ 이하인 섬유이다.
이러한 미세 섬유는 개선된 다층 미세여과 매체 구조의 형태로 제조할 수 있다. 본 발명의 미세 섬유 층은 연동 네트를 형성하도록 결합될 수 있는 미세 섬유의 랜덤한 분포를 포함한다. 여과 성능은 미립자의 통과에 대한 미세 섬유 차단의 결과로서 대부분 수득된다. 강성도, 강도 및 주름성(pleatability)의 구조적 특성은 미세 섬유가 부착되는 기판에 의해 제공된다. 미세 섬유 연동 네트워크는 중요한 특징으로서, 마이크로 섬유 또는 나노 섬유의 형태인 미세 섬유 및 섬유 사이에 비교적 작은 공간을 갖는다. 층에서의 이러한 섬유간 공간은 통상 약 0.01 내지 약 25㎛ 또는 종종 약 0.1 내지 약 10㎛의 범위이다. 필터 제품은 합성 층, 천연 층 또는 혼합된 천연/합성 기판 등의 적절한 기판의 선택에 따라 미세 섬유 층을 포함한다. 미세 섬유는 두께가 5㎛ 미만, 종종 3㎛ 미만이다. 특정 용도에서의 미세 섬유는 미세 섬유 두께 대 (총 미세 섬유 + 기판 필터 매체)의 두께가 약 1 대 10 또는 1 대 5이다. 사용시, 필터는 우발적인 미립자가 기판 또는 미세 섬유 층을 통과하지 못하도록 할 수 있으며, 걸러진 입자의 실질적인 표면 부하를 성취할 수 있다. 분진 또는 다른 우발적인 미립자를 포함하는 입자는 신속히 미세 섬유 표면 위에 분진 케이크를 형성하고, 미립자 제거의 높은 초기 및 전체적인 효율을 유지한다. 심지어 입자 크기가 약 0.01 내지 약 1㎛인 비교적 미세한 오물의 경우에도, 미세 섬유를 포함하는 필터 매체는 매우 높은 분진 용량을 갖는다.
본 명세서에 기재된 바와 같은 중합체 물질은 실질적으로 사용시 및 다른 요구되는 조건에서 필터의 열, 습도, 높은 유량, 반전 펄스 세정, 작동상 마멸, 서브마이크론 미립자, 세정의 바람직하지 못한 효과에 대해 개선된 내성을 갖는다. 개선된 마이크로 섬유 및 나노 섬유 성능은 마이크로 섬유 또는 나노 섬유를 형성하는 중합체성 물질의 개선된 특성의 결과이다. 또한, 개선된 본 발명의 중합체성 물질을 사용하는 본 발명의 필터 매체는 마멸성 미립자 및 느슨한 섬유 또는 피브릴이 없는 매끄러운 외부 표면의 존재하에 높은 효율, 낮은 유동 제한 및 높은 내구성(응력 관련 또는 환경적 관련)을 포함하는 수많은 유리한 특성을 제공한다. 필터 물질의 전반적인 구조는 전반적으로 보다 얇은 매체를 제공하여, 단위 용적당 개선된 매체 면적, 매체를 통한 감소된 속도, 개선된 매체 효율 및 감소된 유동 제한을 허용한다.
당해 중합체는 부가 중합체, 축합 중합체 또는 이들의 혼합물 또는 블렌드일 수 있다. 본 발명의 한 바람직한 양태는 제1 중합체 및 제2의 상이한 중합체(중합체 형태, 분자량 또는 물리적 특성이 상이함)를 포함하고, 승온에서 조건화되거나 처리되는 중합체 블렌드이다. 중합체 블렌드는 반응하여 단일 화학 그룹으로 형성되거나, 어닐링 공정에 의해 블렌딩된 조성물로 물리적으로 혼합될 수 있다. 어닐링은 결정성, 응력 이완 또는 배향 등의 물리적 변화를 포함한다. 바람직한 물질은 시차 주사 열량계 분석으로 단일 중합체성 물질임이 확인될 수 있도록, 화학적으로 반응하여 단일 중합체 종을 형성한다. 이러한 물질은, 바람직한 부가 물질과 배합시, 고온, 높은 습도 및 상이한 작동 조건과 접하는 경우, 소유성(oleophobicity), 소수성 또는 다른 관련된 개선된 안정성을 제공하는 부가제의 표면 피복물을 마이크로 섬유 위에 형성할 수 있다. 이러한 물질 그룹의 미세 섬유는 직경이 약 0.001 내지 10㎛일 수 있다. 유용한 크기는 결합, 기판 및 적용에 따라 0.001 내지 2㎛, 0.005 내지 5㎛, 0.01 내지 5㎛이다. 이러한 마이크로 섬유는 중합체 표면에서 부분적으로 용해되거나 합금화되거나, 용해되고 합금화된 부가 물질의 불연속층 또는 부가 물질의 외부 피막을 포함하는 매끄러운 표면을 가질 수 있다. 블렌딩된 중합체성 시스템에 사용하기 위한 바람직한 물질은 나일론 6, 나일론 66, 나일론 6-10, 나일론(6-66-610) 공중합체 및 기타 선형의 일반적으로 지방족인 나일론 조성물을 포함한다. 바람직한 나일론 공중합체 수지(SVP-651)는 말단 그룹 적정법에 의해 분자량에 대해 분석한다[참조: J.E. Walz and G.B. Taylor, determination of the molecular weight of nylon, Anal. Chem. Vol. 19, Number 7, pp 448-450 (1947)]. 수평균 분자량(Mn)은 21,500 내지 24,800이다. 조성은 3성분 나일론의 융점 상 다이아그램에 의해 약 45%의 나일론 6, 약 20%의 나일론 66 및 약 25%의 나일론 610으로 예상된다[참조: Page 286, Nylon Plastics Handbooks, Melvin Kohan ed. Hanser Publisher, New York (1995)].
보고된 SVP 651 수지의 물리적 특성은 다음과 같다:
특성 ASTM 방법 단위 통상의 값
비중 D-792 -- 1.08
물 흡수 (24시간 침지) D-570 % 2.5
경도 D-240 쇼어 D 65
융점 DSC ℃(℉) 154(309)
인장 강도 D-638 MPa(kpsi) 50(7.3)
@수율
파단 신도 D-638 % 350
굴곡 탄성률 D-790 MPa(kpsi) 180(26)
용적 저항 D-257 ohm-cm 1012

가수분해도가 87 내지 99.9+%인 폴리비닐알콜이 이러한 중합체 시스템에 사용될 수 있다. 이들은 바람직하게는 가교결합된다. 또한, 이들은 가장 바람직하게는 가교결합되며, 상당량의 소유성 및 소수성 부가 물질과 혼합된다.
본 발명의 다른 바람직한 형태는 섬유 수명 또는 작동상 특성을 개선하기 위하여 부가 조성물과 혼합된 단일 중합체성 물질을 포함한다. 본 발명의 이러한 측면에 유용한 바람직한 중합체는 나일론 중합체, 폴리비닐리덴 클로라이드 중합체, 폴리비닐리덴 플루오라이드 중합체, 폴리비닐알콜 중합체 및 특히, 강하게 소유성 및 소수성 부가제와 혼합시, 미세 섬유 표면에 부가 물질이 피막을 형성하는 마이크로 섬유 또는 나노 섬유를 생성시킬 수 있는 제시된 물질을 모두 포함한다. 또한, 유사한 나일론, 유사한 폴리비닐클로라이드 중합체의 블렌드, 폴리비닐리덴 클로라이드 중합체의 블렌드와 같은 유사 중합체의 블렌드가 본 발명에 유용하다. 또한, 중합체성 블렌드 또는 상이한 중합체들의 합금이 또한 본 발명에 의해 시도된다. 이와 관련하여, 중합체의 혼화성 혼합물이 본 발명의 마이크로 섬유 물질의 형성에 유용하다. 플루오로-계면활성제, 비이온성 계면활성제 및 저분자량 수지(예: 분자량이 약 3000 미만인 3급 부틸페놀 수지) 등의 부가 조성물이 사용될 수 있다. 수지는 메틸렌 브릿지 그룹의 부재하에 페놀 핵 사이의 올리고머성 결합을 특징으로 한다. 하이드록실 및 3급 부틸 그룹의 위치는 환 주위에 랜덤하게 위치할 수 있다. 페놀성 핵 사이의 결합은 랜덤하지 않게 항상 하이드록시 그룹 옆에 생성된다. 유사하게, 중합체성 물질은 비스페놀 A로부터 형성되는 알콜 가용성의 비선형 중합 수지와 혼합될 수 있다. 이러한 물질은 특정 브릿지 그룹(예: 알킬렌 또는 메틸렌 그룹)의 부재하에 방향족 환과 방향족 환을 직접 결합하는 올리고머성 결합을 사용하여 형성되는 것으로 상기 기술한 3급 부틸페놀 수지와 유사하다.
본 발명의 바람직한 중합체 시스템은, 셀룰로즈 기판과 접촉하는 경우, 기판에 안전하게 결합되고 반전 펄스 세정 기술 및 다른 기계적 응력의 박리 효과를 견딜 수 있기에 충분한 강도로 기판에 부착되는 부착 특성을 갖는다. 이러한 형태에 있어서, 중합체 물질은 기판에 부착되는 한편, 단 필터 구조부재에 대한 역방향을 제외한, 통상의 여과 조건과 실질적으로 동일한 펄스 세정 투입을 수행해야 한다. 이러한 부착은 섬유가 기판과 접촉하거나, 기판상의 섬유를 열 또는 압력으로 후처리하는 경우 섬유 형성의 용매 영향으로부터 유발될 수 있다. 그러나, 중합체 특성은 수소 결합과 같은 특정의 화학적 상호작용 등의 부착, Tg 이상 또는 미만에서 유발되는 중합체와 기판간의 접촉 및 부가제를 포함하는 중합체 형태를 결정하는 데 중요한 역할을 하는 것으로 나타났다. 부착시 용매 또는 증기에 의해 가소화된 중합체는 증가된 부착력을 가질 수 있다.
본 발명의 중요한 측면은 필터 구조부재로 형성되는 마이크로 섬유 또는 나노 섬유 물질의 유용성이다. 이러한 구조부재에 있어서, 본 발명의 미세 섬유 물질은 필터 기판 위에 형성되어 부착된다. 방사 결합 직물, 합성 섬유의 부직물 및 셀룰로즈, 합성 및 유리 섬유의 블렌드로부터 제조되는 부직포, 부직 및 제직 유리 직물, 압출되고 구멍 천공된 물질과 같은 플라스틱 스크린, 유기 중합체의 UF 및 MF 막과 같은, 천연 섬유 및 합성 섬유 기판이 사용될 수 있다. 그 다음, 시트 형 기판 또는 셀룰로즈성 부직 웹을 스트림으로부터 현탁되거나 포획된 미립자를 제거하기 위하여 공기 스트림 또는 액체 스트림을 포함하는 유체 스트림에 위치하는 필터 구조부재로 형성할 수 있다. 필터 물질의 형태 및 구조는 디자인 엔지니어의 몫이다. 형성후 필터 여과재의 한 가지 중요한 파라미터는 열, 습도 또는 이 둘 모두의 영향에 대한 이의 내성이다. 본 발명의 필터 매체의 한 측면은 상당 기간 동안 온수에서의 침지를 견디는 필터 매체의 능력 시험이다. 침지 시험은 뜨겁고 습한 조건을 견디고, 상당량의 강한 세정 계면활성제 및 강알칼리성 물질을 함유할 수 있는 수용액에서의 필터 여과재의 세정을 견디는 미세 섬유의 능력에 대한 유용한 정보를 제공할 수 있다. 바람직하게는, 본 발명의 미세 섬유 물질은 기판 표면에 형성된 미세 섬유의 30% 이상, 바람직하게는 50% 이상을 유지하면서, 뜨거운 물에서의 침지를 견딜 수 있다. 미세 섬유의 30% 이상, 바람직하게는 50% 이상의 보유는 여과율의 손실 또는 증가된 역압 없이 실질적인 섬유 효율을 유지할 수 있다. 가장 바람직하게는, 75% 이상을 유지하는 것이다. 통상 미세 섬유 여과 층의 두께는 기본 중량이 약 0.01 내지 240㎍-㎝-2의 범위인 섬유 직경의 약 1 내지 100배의 범위이다.
유체 스트림(예: 공기 및 기체 스트림)은 종종 그 안에 입상 물질을 포함한다. 유체 스트림으로부터 입상 물질의 일부 또는 전부를 제거해야 한다. 예를 들면, 전동 차량 객실의 공기 흡입 스트림, 컴퓨터 디스크 드라이브의 공기, HVAC 공기, 항공기 객실 통풍, 클린 룸(clean room)의 통풍 및 필터 백, 차단 직물, 직조 물질을 사용하는 용도, 전동 차량용 엔진 또는 발전 장치에 대한 공기; 가스 터빈으로 향하는 기체 스트림 및 다양한 연소 노로 향하는 공기 스트림이 종종 입상 물질을 포함한다. 객실 공기 필터의 경우, 승객의 안락함 및/또는 미적인 측면을 위해 입상 물질을 제거하는 것이 바람직하다. 엔진, 가스 터빈 및 연소 노에 대한 공기 및 기체 흡입 스트림에 있어서, 미립자가 다양한 관련 메카니즘에 대한 내부 작업에 실질적인 손상을 유발할 수 있기 때문에, 입상 물질을 제거하는 것이 요구된다. 다른 경우, 공업 공정 또는 엔진으로부터의 생성 기체 또는 배출 기체는 그 안에 입상 물질을 함유할 수 있다. 이러한 기체를 다양한 다운스트림 장치를 통해 대기로 배출할 수 있거나 배출해야 하기 전에, 이들 스트림으로부터 입상 물질의 실질적인 제거를 수득하는 것이 바람직할 수 있다.
공기 필터 디자인의 일부 기본적인 원리 및 문제점의 일반적인 이해는 다음과 같은 형태의 필터 매체를 고려하여 이해할 수 있다: 표면 부하 매체 및 깊이 매체. 이들 형태의 매체는 각각 잘 연구되었고, 각각이 광범위하게 사용되어 왔다. 이들에 관한 특정 원리가, 예를 들면, 미국 특허 제5,082,476호, 제5,238,474호 및 제5,364,456호에 기술되어 있다. 이들 3개 특허의 전체 기술내용은 본 명세서에 참조로 인용된다.
필터의 "수명"은 통상 필터에 대한 선택된 제한 압력 강하에 따라 한정된다. 필터에 대한 압력 증강은 적용 또는 디자인을 위해 한정된 수준의 수명을 한정한다. 이러한 압력의 증강은 동일한 효율의 시스템에 대한 부하의 결과이므로, 보다 긴 수명은 통상 보다 큰 용량과 직접 관련이 있다. 효율은 미립자를 통과하기 보다는 미립자를 포획하게 하는 매체의 성질이다. 통상, 필터 매체가 기체 유동 스트림으로부터 미립자를 제거하는 데 보다 효율적이며, 일반적으로 필터 매체는 "수명" 압력차에 보다 신속히 근접(다른 변수가 일정하다고 가정할 때)한다는 것이 명백하다.
특정 도면의 상세한 설명
유닛의 마이크로 섬유 또는 나노 섬유는 정전 방사 공정으로 형성할 수 있다. 섬유를 형성하는 적절한 장치가 도 1에 도시되어 있다. 이 장치는 미세 섬유 형성 중합체 용액을 함유하는 저장소(80), 펌프(81) 및 중합체 용액이 펌핑되는 회전형 방출 장치 또는 방출기(40)를 포함한다. 방출기(40)는 일반적으로 회전식 유니온(41), 복수의 오프셋 구멍(44)을 포함하는 회전 부분(42) 및 전면 부분과 회전식 유니온을 연결하는 샤프트(43)로 이루어진다. 회전식 유니온(41)은 중합체 용액을 중공 샤프트(43)를 통해 전면 부분(42)으로 유입시키기 위해 제공된다. 구멍(44)은 전면 부분(42)의 주변 주위에 위치한다. 또한, 회전 부분(42)은 저장소(80) 및 펌프(81)에 의해 공급되는 중합체의 저장소로 침지시킬 수 있다. 그 다음, 회전 부분(42)은 저장소로부터의 중합체 용액을 얻게 되고, 정전기장에서 회전하는 경우, 용액의 소적이 정전기장에 의해 하기 논의되는 회수 매체(70) 방향으로 가속화된다.
회수 매체(70)(즉, 기판 또는 조합된 기판)가 그 위에 위치하는 실질적으로 평면형인 그리드(60)가 방출기(40)에 대향하지만, 이로부터 이격되어 있다. 공기는 그리드를 통해 배출시킬 수 있다. 회수 매체(70)는 그리드(60)의 인접한 반대측 말단에 위치하는 로울러(71 및 72) 주위를 통과한다. 고압 정전기 전위는 적절한 정전기 전압 공급원(61)과, 그리드(60) 및 방출기(40)를 각각 연결하는 접속부(62 및 63)에 의해 방출기(40) 및 그리드(60) 사이에 유지된다.
사용시, 중합체 용액은 저장소(80)로부터 회전식 유니온(41) 또는 저장소로 펌핑된다. 전면 부분(42)은 액체를 구멍(44)으로부터 배출하면서 회전하거나, 저장소로부터 회수되어 방출기의 외부 말단으로부터 그리드(60) 위에 위치하는 회수 매체(70) 방향으로 이동한다. 특히, 그리드(60)와 방출기(40) 사이의 정전기 전위는 이들이 도착하는 그리드(60) 방향으로 연신되어 기판(12) 및 효율 층(14) 위에 수집되는 얇은 섬유로서 이로부터 액체를 방출하는 물질에 전하를 부여한다. 용액인 중합체의 경우, 용매는 그리드(60)로 이동하는 동안에 섬유로부터 증발되고, 따라서 섬유는 기판(12) 또는 효율 층(14)에 도달한다. 미세 섬유는 그리드(60)에서 처음 직면하는 기판 섬유에 결합된다. 정전기장 세기는 중합체 물질 자체가 방출기로부터 회수 매체(70)로 가속화되고, 가속화는 물질이 매우 얇은 마이크로 섬유 또는 나노 섬유 구조로 되도록 하기에 충분함을 보장하도록 선택한다. 회수 매체의 진행 속도를 증가시키거나 감소시키면, 방출되는 섬유를 형성 매체 위에 다소 침착시킴으로써 침착되는 각 층의 두께를 조절할 수 있다. 회전 부분(42)은 다양한 유용한 위치를 가질 수 있다. 회전 부분(42)은 평면이 회수 매체(70) 표면에 수직이거나 임의의 각도로 위치하도록 회전면에 위치할 수 있다. 회전 매체는 평행으로 또는 평행 배향으로부터 다소 상쇄되어 위치할 수 있다.
도 2는 시트 형 기판 또는 매체 위에 미세 섬유 층을 형성하는 방법 및 장치의 일반적인 개략적 다이아그램이다. 도 2에서, 시트 형 기판은 스테이션(20)에서는 권취되지 않는다. 그 다음, 시트 형 기판(20a)은 접속 스테이션(21)으로 이동시키며, 여기서 여러 길이의 기판은 연속 작동을 위해 접속될 수 있다. 연속 길이의 시트 형 기판은, 방사 장치가 미세 섬유를 형성하고, 시트 형 기판상의 여과 층에 미세 섬유를 놓이게 하는, 도 1의 방사 공정을 포함하는 미세 섬유 공정 스테이션(22)으로 이동시킨다. 미세 섬유 층을 형성 영역(22)에서 시트 형 기판 위에 형성한 후에, 미세 섬유 층 및 기판은 적절한 처리를 위해 열처리 스테이션(23)으로 이동시킨다. 그 다음, 시트 형 기판 및 미세 섬유 층을 효율 모니터(24)에서 시험하고, 경우에 따라, 닙(nip) 스테이션(25)에서 집는다. 이어서, 시트 형 기판 및 섬유 층은 추가의 공정(26 및 27)을 위해 적절한 스핀들 상에 권취되도록 적절한 권취 스테이션으로 이동시킨다.
도 3은 통상의 셀룰로즈 매체 및 통상의 미세 섬유 구조중 기공 크기에 대한 직경이 약 2 내지 약 5㎛인 통상의 분진 입자의 관계를 나타내는 주사 전자현미경 이미지이다. 도 3A에서, 2㎛인 입자(31) 및 5㎛인 입자(32)가 통상의 입자 직경보다 다소 큰 것으로 나타난 기공 크기를 갖는 셀룰로즈 매체(33)에 도시되어 있다. 대조적인 형태로, 도 3B에서, 2㎛인 입자(31)는 섬유 웹(35)의 섬유 사이의 통상의 개구부와 대략 동일하거나 이보다 큰 것으로 나타난 반면에, 5㎛인 입자(32)는 미세 섬유 웹(35)의 개구부보다 큰 것으로 나타났다.
본 발명의 중합체성 물질, 마이크로 섬유 및 나노 섬유를 모두 포함하는 미세 섬유 물질 및 본 발명의 미세 섬유 물질로부터 유용한 필터 구조부재의 구조물에 대한 다양한 측면에 대한 전술한 일반적인 기술은 본 발명의 일반적인 작동 기술 원리의 이해를 제공한다. 하기 제시되는 특정의 예시적 물질은 본 발명의 미세 섬유 물질의 형성에 사용될 수 있는 물질의 예이며, 하기 물질들은 최상의 방식을 개시한다. 이들 예시적 물질은 하기의 특성 및 공정 조건을 사용하여 임의로 제조한다. 정전방사된 직경이 작은 10㎛ 미만의 섬유는 매우 미세한 필라멘트로 중합체 제트를 연신시키기 위한 견인력으로서 작용하는 강한 전기장으로부터 정전기력을 사용하여 수득한다. 중합체 용융물이 정전방사 공정에 사용될 수 있지만, 1㎛보다 작은 섬유가 중합체 용액으로부터 최상으로 제조된다. 중합체 매스(mass)를 보다 작은 직경으로 연신시키는 경우, 용매를 증발시키며, 이는 섬유 크기의 감소에 기여한다. 용매의 선택은 몇몇 이유로 엄격하다. 용매가 너무 빨리 건조되면, 섬유는 평평하고 직경이 커지게 된다. 용매가 너무 느리게 건조되면, 용매는 형성된 섬유를 다시 용해시킬 것이다. 따라서, 건조 속도 및 섬유 형성을 조화시키는 것이 중요하다. 높은 생산 속도에서는, 다량의 배기 공기 유동이 가연성 대기를 방지하고, 화재의 위험을 감소시키는 것을 돕는다. 비연소성인 용매가 유용하다. 제조 환경에서, 공정 장치는 임의의 세정을 필요로 한다. 안전한 저독성 용매는 위험한 약품에 대한 작업자의 노출을 감소시킨다. 정전방사는 방출기당 1.5㎖/min의 유량, 8in의 목표 거리, 88㎸의 방출기 전압, 200의 방출기 rpm 및 45%의 상대습도에서 수행할 수 있다.
중합체 시스템의 선택은 주어지는 용도에 있어서 중요하다. 펄스 세정 적용시, 마이크로 섬유의 상당히 얇은 층은 압력 손실을 최소화하고 입자 포착 및 방출을 위한 외부 표면을 제공하는 것을 도울 수 있다. 직경이 2㎛ 미만, 바람직하게는 0.3㎛ 미만인 얇은 섬유 층이 바람직하다. 마이크로 섬유 또는 나노 섬유와 마이크로 섬유 또는 나노 섬유가 침착되는 기판간의 양호한 부착력이 중요하다. 필터가 기판과 마이크로 섬유 및 나노 섬유의 얇은 층과의 복합체로부터 제조되는 경우, 이러한 복합체는 자체 세정 적용을 위해 우수한 필터 매체를 만든다. 역 펄스화에 의한 반복적인 표면의 세정은 필터 매체를 회복시킨다. 강한 힘이 표면에 적용되는 경우, 기판에 대한 불량한 부착력을 갖는 미세 섬유는 필터의 내부로부터 기판을 통해 마이크로 섬유로 통과하는 역 펄스 공정시 박리될 수 있다. 따라서, 마이크로 섬유간의 양호한 응집력 및 기판 섬유와 전기방사 섬유간의 부착력은 성공적인 사용을 위해 중요하다.
상기 요건에 부합되는 제품은 상이한 중합체 물질로부터 제조된 섬유를 사용하여 수득할 수 있다. 양호한 부착 특성을 갖는 작은 섬유는 폴리비닐리덴 클로라이드, 폴리비닐 알콜 및 다양한 나일론(예: 나일론 6, 나일론 4,6; 나일론 6,6; 나일론 6,10 및 이들의 공중합체)을 포함하는 중합체와 공중합체 등의 중합체로부터 제조할 수 있다. 우수한 섬유는 PVDF로부터 제조할 수 있지만, 충분히 작은 섬유 직경을 만드는 것은 염소화 용매를 필요로 한다. 나일론 6, 나일론 6,6 및 나일론 6,10은 전기방사할 수 있다. 그러나, 용매(예: 포름산, m-크레졸, 트리-플루오로 에탄올, 헥사플루오로 이소프로판올)는 취급하기가 어렵거나 매우 값이 비싸다. 바람직한 용매에는, 이들의 저독성으로 인하여, 물, 에탄올, 이소프로판올, 아세톤 및 N-메틸 피롤리돈이 포함된다. 이러한 용매 시스템과 혼화성인 중합체가 집중적으로 평가되어 왔다. 본 발명자는 PVC, PVDC, 폴리스티렌, 폴리아크릴로니트릴, PMMA 및 PVDF로부터 제조되는 섬유는 구조적 특성을 수득하기 위하여 추가의 부착 수단을 필요로 함을 발견하였다. 또한, 중합체를 물, 에탄올, 이소프로판올, 아세톤, 메탄올 및 이들의 혼합물에 용해시키고 섬유로 성공적으로 제조하는 경우, 이들은 기판에 대한 우수한 부착력을 갖게 되어, 자체 세정 적용을 위한 우수한 필터 매체를 제조할 수 있게 됨을 발견하였다. 역 공기 펄스 또는 꼬임을 통한 자체 세정은 필터 매체가 매우 높은 분진 농도에 대해 사용되는 경우에 유용하다. 알콜 가용성 폴리아미드 및 폴리(비닐 알콜)로부터 제조된 섬유가 이러한 용도에 성공적으로 사용되어 왔다. 알콜 가용성 폴리아미드의 예로는 매크로멜트(Macromelt) 6238, 6239 및 6900[제조원: 헨켈(Henkel)], 엘브아미드(Elvamide) 8061 및 8063[제조원: 듀폰(duPont)] 및, SVP 637과 651[제조원: 세익스피어 모노필라멘트 캄파니(Shakespeare Monofilament Company)]이 포함된다. 다른 그룹의 알콜 가용성 폴리아미드에는 형태 8 나일론, 알콕시 알킬 개질 나일론 66[참조: Page 447, Nylon Plastics handbook, Melvin Kohan ed. Hanser Publisher, New York, 1995]이 있다. 폴리(비닐 알콜)의 예로는 PVA-217, 224[제조원: 구라레(Kuraray, 일본)] 및 비놀(Vinol) 540[제조원: 에어 프로덕츠 앤드 케미칼 캄파니(Air Products and Chemical Company)]이 포함된다.
본 발명자들은 당해 필터가 극도의 환경 조건에 노출될 수 있음을 발견하였다. 사우디 아라비아 사막에서의 필터는 65.6℃ 이상 만큼 높은 온도에 노출될 수 있다. 인도네시아 또는 US의 걸프 코스트(Gulf Coast)에 설치되는 필터들은 90% RH 이상의 높은 습도 및 37.8℃의 고온에 노출될 수 있다. 또는, 이들은 비에 노출될 수 있다. 본 발명자들은 자동차, 트럭, 버스, 트랙터 및 건설 장비와 같은 이동식 장치의 후드 아래 사용되는 필터가 고온(+93.3℃), 높은 상대 습도 및 다른 화학적 환경에 노출될 수 있음을 발견하였다. 본 발명자들은 거친 조건하에 마이크로 섬유 시스템의 잔존성을 평가하기 위한 시험 방법을 개발하였다. 필터 매체 샘플을 열수(60℃)에 5분간 침지시키거나, 높은 습도, 고온 및 공기 유동에 노출시킨다.
B. 공기 정화기 디자인에 관한 일반적인 원리
본 명세서에서, 용어 "공기 정화기(air cleaner)"는 공기 유동 스트림으로부터 입상 물질을 제거하는 역할을 하는 시스템에 대해서 사용될 것이다. 용어 "공기 필터"는 필터 매체를 통해 그 안에 미립자를 포함하는 공기의 통과에 의해 제거되는 시스템을 언급한다. 용어 "필터 매체(filter media)" 또는 "매체(media)"는 공기가 통과하는 물질 또는 물질의 집합체를 의미하며, 매체내 또는 그 위에 입자의 침착을 수반한다. 용어 "표면 부하 매체(surface loading media)" 또는 "차단 매체(barrier media)"는, 매체의 깊이로 또는 이를 통하는 것과 반대되는, 매체를 통해 공기가 통과하는 경우, 입상 물질이 주로 매체의 표면에 침착되어 필터 케이크를 형성하는 시스템을 의미한다.
본 명세서에서, 용어 "필터 여과재(filter element)"는 일반적으로 필터 매체를 그 내부에 포함하는 공기 정화기의 일부를 칭한다. 일반적으로, 필터 여과재는 제거 가능하고 교환 가능한, 즉 편리한 공기 정화기의 일부로서 고안될 것이다. 즉, 필터 매체는 필터 여과재에 의해 운반되고, 공기 정화기의 나머지 부분으로부터 분리될 수 있어서, 주기적으로, 공기 정화기는 부하되거나 부분적으로 부하된 필터 여과재를 제거하여 이를 새롭거나 깨끗한 필터 여과재로 교환함으로써 회복시킬 수 있도록 한다. 바람직하게는, 공기 정화기는 제거 및 교환이 손으로 수행할 수 있도록 고안된다. 본 명세서에서, 용어 "부하된(loaded)" 또는 당해 맥락에서의 이의 변형태에 의해서, 공기 정화기가 그 위에 포획된 입자 또는 미립자의 상당량을 함유하기에 충분한 기간 동안 작동됨을 나타낸다. 많은 경우, 통상의 작동 동안, 필터 여과재는 내부의 미립자 부하로 인하여 이의 본래 중량의 2 또는 3배(또는 그 이상)로 중량이 증가된다.
일반적으로, 공기 정화기 시스템의 성능에 대한 사양은 포함된 엔진에 대한 본래 장치 제조업자(OEM) 및/또는 트럭이나 다른 관련 장치의 OEM의 선호도에 의해 생성된다. 광범위한 사양이 포함될 수 있지만, 중요한 것중 일부는 다음과 같다:
1. 엔진 공기 흡입 필요성(정격 유동)
2. 초기 제한
3. 초기 효율
4. 평균 또는 전체적인 작동 제한
5. 전반적인 효율
6. 필터 사용 수명
엔진 공기 흡입 필요성은 엔진 크기, 즉 변위 및 최대 rpm, 완전 또는 "정격(rated)" 부하의 함수이다. 일반적으로, 이는 터보 효율, 덕 효율 등을 반영하는 인자인, 용적 효율에 의해 변형된 변위 및 정격 rpm의 산물이다. 일반적으로, 이는 정격 작동 또는 완전 부하 동안 관여되는 엔진 또는 다른 시스템에 의해 요구되는 단위 시간당 공기 용적의 측정치이다. 공기 흡입 필요성은 rpm에 따라 변할 수 있지만, 공기 흡입 요건은 정격 rpm으로, 종종 많은 통상의 트럭 엔진의 경우에 1800rpm 또는 2100rpm으로 한정된다. 이때, 이는 "정격 공기 유동"으로서 또는 유사한 용어에 의해 특성화된다. 일반적으로, 본 명세서에 특성화된 원리는, 예를 들면, 약 3 내지 10,000ft3/min(cfm), 종종 50 내지 500cfm의 범위인 것을 포함하는 광범위한 정격 또는 요구 범위에 대해 작동을 위해 구체화된 시스템과 함께 사용되는 공기 정화기 장치에 적용시킬 수 있다. 이러한 장치에는, 예를 들면, 소형 유틸리티 엔진(오토바이, 잔디 깍는 기계 등), 자동차 엔진, 견인 트럭 및 스포츠용 차량 엔진, 소형 트럭 및 운반 차량, 버스, 고속도로용 트럭, 농업용 장치(예: 트랙터), 건설 장비, 광산 장비, 선박용 엔진, 다양한 발전기 엔진 및 일부 경우, 가스 터빈 및 공기 압축기가 포함된다.
공기 정화기의 총 효율은 일반적으로 사용 동안 공기 정화기로 통과되어 공기 정화기에 의해 유지되는 "여과 가능한(filterable)" 고체량의 반영이다. 통상, 이는 통상의 사용시 공기 정화기에 의해 유지되는 공기 정화기로 통과되는 기본 중량에 대한 고체 %로서 표시된다. 이는 기술이 일반적으로 미국 특허 제5,423,892호(칼럼 25, 라인 60 내지 칼럼 26, 라인 59; 칼럼 27, 라인 1-40)에서 확인되는, SAE 표준을 사용함으로써 많은 시스템에 대해 평가되고 보고되었다. 사용되는 통상의 표준은 본 명세서에 참조로 인용된 SAE J726이다.
효율에 있어서, 엔진 제조업자 및/또는 장치 제조업자의 사양은 많은 경우에 효율 요건(SAE J726 또는 필드 시험을 기준으로 함)에 따라 변하며, 전체 작동은 종종 99.5% 이상, 통상 99.8% 이상으로 조절된다. 공기 유동 요건이 500cfm 또는 그 이상인 통상의 차량 엔진에 있어서, 99.8% 전체 평균 또는 그 이상의 사양은 일반적인 것이다.
초기 효율은 처음 라인에 장착시키는 경우에 필터의 측정 가능한 효율이다. 미국 특허 제5,423,892호의 27 칼럼, 1 내지 40행에서 설명한 바와 같이, 특히 통상의 주름지(차단형 또는 표면 부하) 필터를 사용하면, 초기 효율은 실질적으로 사용 동안 전반적인 평균 효율보다 낮아진다. 이는 작동 동안 필터 표면에서의 "분진 케이크" 또는 오물 침착이 필터의 효율을 증가시키기 때문이다. 초기 효율은 또한 종종 엔진 제조업자 및/또는 차량 제조업자에 의해 명시된다. 공기 유동 요건이 500cfm 또는 그 이상인 통상의 차량 엔진에 있어서, 98% 이상(통상 98.5% 또는 그 이상)의 사양이 통상적이다.
제한은 작동 동안 공기 정화기 또는 공기 정화기 시스템에 대한 압력 차이다. 제한에 대한 기여인자에는 다음이 포함된다: 공기가 이동되는 필터 매체; 공기가 이동되는 통로 크기 및 공기 정화기를 통해 엔진으로 유동하는 경우에 이에 대해 또는 이 주변으로 공기가 이동되는 구조적 특징. 공기 정화기에 있어서, 초기 제한 범위는 종종 엔진 제조업자 및/또는 장치 제조업자의 사양 및 요건의 일부이다. 이러한 초기 제한은, 시스템이 그 내부에 깨끗한 공기 필터와 함께 라인에 설치되는 경우 및 상당한 부하가 발생하기 전에, 공기 정화기에 대해 측정된 압력차이다. 통상, 제시된 시스템에 대한 사양은 최대 초기 제한 요건을 갖는다.
일반적으로, 엔진 및 장치 제조업자는 최대 제한치까지 공기 정화기 효율에 대한 사양을 갖는 장치를 디자인한다. 미국 특허 제5,423,892호의 칼럼 2, 19 내지 29행 및 칼럼 6, 47행, 칼럼 7, 3행에 보고된 바와 같이, 한계 제한은: 통상의 트럭 엔진인 경우에 압력 강하는 약 20 내지 30in의 물이고, 종종 약 25in의 물이며; 자동차 내부 연소 엔진의 경우에는 약 20 내지 25in의 물이며; 가스 터빈의 경우에는 통상 약 5in의 물이고; 공업용 통풍 시스템의 경우에는 통상 약 3in의 물이다.
일반적으로, 앞의 부분에서 확인된 사양의 형태에 부합되도록 시스템을 개발하기 위하여 공기 정화기 디자인에서 관심이 있는 일부 주요 변수는 다음과 같다:
1. 필터 매체 형태, 기하 및 효율,
2. 공기 정화기 형태 및 구조 및
3. 필터 여과재 크기.
예를 들면, 통상의 셀룰로즈 섬유 매체 또는 유사한 매체는 일반적으로 "차단(barrier)" 필터이다. 종이 매체가 한 예이다. 일반적으로, 이러한 매체의 작동은 표면 부하를 통해서인데, 즉 공기가 매체를 통해 이동하는 경우, 매체의 표면은 차단재 또는 체로서 작용하여, 입상 물질이 이를 통과하는 것을 막는다. 그 때, 분진 케이크가 매체 표면에 형성되어 매체 효율을 증가시킨다. 일반적으로, 섬유 구조물의 "치밀성(tightness)" 또는 "다공성"이 시스템의 효율, 특히 초기 효율을 결정한다. 이때, 필터 케이크는 효율에 영향을 준다(효율을 증가시킨다).
일반적으로, 이러한 매체는 종종 이의 투과성에 의해 한정되거나 구체화된다. 매체에 대한 투과성 시험은 일반적으로 미국 특허 제5,672,399호의 칼럼 19, 27 내지 39행에서 확인된다. 일반적으로, 이는 기준 물질, 매체 또는 복합체의 평평한 시트에 대해 0.50in의 물 제한을 유도시키는데 필요한 매체 면속도(공기)이다. 본 명세서에 사용된 바와 같은 투과성은, 예를 들면, 프래지어 펌 시험기[제조원: 미국 미들랜드주 게이터스버그에 소재하는 프래지어 프레시젼 인스트루먼트 캄파니 인코포레이티드(Frazier Precision Instrument Co., Inc.)]를 사용하는 본 명세서에 참조로 인용된 ASTM D737에 따르는 프래지어 펌 시험(Frazier Perm Test)에 의해 또는 일부 유사한 시험에 의해 평가한다.
도널드선 캄파니에서 제조한 50cfm 이상의 정격 공기 유동을 갖는 많은 형태의 트럭용 엔진 필터에서 사용되는 셀룰로즈 섬유 매체의 투과성은 약 15fpm 미만, 통상 13fpm 근처의 투과성을 갖는 매체이다. 일반적으로, 엔진 여과 시장에서, 이러한 장치에 대해, 투과율이 약 25fpm 미만, 통상 10 내지 25fpm의 범위인 다양한 차단 매체(주름형 매체)가 다양한 여과재 제조업자에 의해 광범위하게 사용되어 왔다.
효율에 있어서, 원칙은 포함되는 매체의 형태에 따라 변한다. 예를 들면, 셀룰로즈 섬유 또는 유사한 차단 매체는 일반적으로 전반적인 일반적 다공성 또는 투과성을 변화시킴으로써 효율에 있어서 변화된다.
C. 통상의 시스템: 엔진 공기 흡입
도 21에, 시스템(130)의 개략도를 도시한다. 시스템(130)은 본 명세서에 기재된 공기 정화기 장치 및 구조물이 사용 가능한 시스템 형태의 일례이다. 도 21에서, 일부 한정된 정격 공기 유동 요건, 예를 들면, 370cfm 이상을 갖는 엔진(132)을 갖는 차량과 같은 장치(131)가 개략적으로 제시되어 있다. 장치(131)는 버스, 고속도로 트럭, 오프로드 차량, 트랙터 또는 선박(예: 전동 보우트)을 포함할 수 있다. 엔진(132)은 공기, 연료 혼합물을 사용하여 장치(131)에 동력을 공급한다. 도 21에서, 공기 유동은 흡입 영역(133)에서 엔진(132)으로 향하는 것으로 제시되어 있다. 임의의 터보(134)가 엔진(132)으로의 공기 흡입을 임의로 증가시키는 것으로 예상하여 제시하였다. 매체 팩(136)을 갖는 공기 정화기(135)는 엔진(132) 및 터보(134)의 업스트림이다. 일반적으로, 작동시, 공기는 화살표(137) 방향으로 공기 정화기(135)로 유입되어, 매체 팩(136)을 통과한다. 거기에서, 입자 및 오물이 공기로부터 제거된다. 깨끗한 공기는 흡입구(133)로 화살표(137) 방향으로 유동한다. 그 곳으로부터, 공기는 엔진(132)으로 유동하여 차량(131)에 동력을 공급한다.
엔진 시스템에서, 엔진의 작동 동안 후드 아래의 온도는 통상 48.9℃ 이상이고, 종종 작동 조건에 따라 60 내지 104.4℃의 범위이다. 이러한 온도는 필터 여과재의 작동 효율에 역효과를 줄 수 있다. 방출에 대한 조절은 엔진 배기에 대한 제한을 증가시켜, 다시 온도를 증가시킬 수 있다. 하기 설명한 바와 같이, 차단 매체 및 1층 이상, 및 어떤 경우에는, 다층의 "미세 섬유"의 복합체 형태인 필터 매체를 제조하는 것이 이러한 매체 복합체로부터 제조되지 않는 선행 기술분야의 필터 여과재에 비하여, 필터 여과재의 성능(특히, 작동 효율)을 개선시킬 수 있다.
D. 예시적 공기 정화기
도 22에 주목하면, 도 22는 매체 팩(140)의 제1 양태의 투시도이다. 도시된 바람직한 매체 팩(140)은 필터 매체(142)와 밀봉 시스템(144)을 포함한다. 바람직한 구조물에 있어서, 필터 매체(142)는 필터 매체(142)를 통과하는 유체(예: 공기)로부터 미립자를 제거하도록 디자인되고, 밀봉 시스템(144)은 도 24에 도시된 바와 같이 하우징 또는 통로의 측벽으로부터 매체 팩(140)을 밀봉하기 위해 디자인된다.
도 22 내지 도 25의 이러한 매체 팩(140)은 일반적으로 본원에서 참조로서 인용되는 미국 특허 제6,190,432호에 기재되어 있다.
바람직한 특정 장치에 있어서, 필터 매체(142)는 직접 유동을 위해 배열될 것이다. "직접 유동"이란, 필터 매체(142)가 제1 유동면(148)(설명된 양태에서 입구 말단에 상응함) 및 반대측의 제2 유동면(150)(도시된 양태에서 출구 말단에 상응함)과 함께 구조물(146)에 배열됨을 의미하며, 여기서 유체 유동은 제1 유동면(148)을 통해 소정 방향(152)으로 유입되어 제2 유동면(150)으로부터 동일한 방향(154)으로 배출된다. 인라인-유동 하우징에 사용되는 경우, 일반적으로, 유체는 하우징의 입구를 통해 소정 방향으로 유입되고, 제1 유동면(148)을 통해 동일한 방향으로 필터 구조물(146)에서 배출되며, 제2 유동면(150)으로부터 동일한 방향으로 필터 구조물(146)에서 배출되며, 또한 동일한 방향으로 하우징 출구를 통해 하우징에서 배출될 것이다.
도 22에서, 제1 유동면(148) 및 제2 유동면(150)은 편평하게 및 평행하게 도시되어 있다. 다른 양태에서, 제1 유동면(148) 및 제2 유동면(150)은 편평하지 않은, 예를 들면, 원뿔형일 수 있다. 추가로, 제1 유동면(148) 및 제2 유동면(150)은 서로 평행할 필요는 없다.
일반적으로, 필터 구조물(146)은 굴곡된 구조물일 것이다. 즉, 구조물(146)은 통상적으로 중심점에서 완전히 또는 반복적으로 회전하는 필터 매체 층을 포함할 것이다. 전형적으로, 굴곡 구조물은 필터 매체 층이 중심점 주변을 회전한다는 점에서 나선형일 것이다. 굴곡 나선형 구조물이 사용되는 장치에 있어서, 필터 구조물(146)은 필터 매체의 회전, 통상적으로 투과가능한 골진 필터 매체일 것이다.
이제 도 23에 주목한다. 도 23은 본원의 필터 구조물에서 유용한 특정의 바람직한 매체의 작동 원리를 입증하는 개략 투시도이다. 도 23에는 Z 매체의 골진 구조물(156)이 도시되어 있다. 바람직하게는, 골진 구조물(156)은 복수 개의 골(158) 및 면 시트(160)를 갖는 물결모양의 층(157)을 포함한다. 도 22의 양태는 참조번호(160A)(주름 층(157)의 상부에 도시됨) 및 참조번호(160B)(주름 층(157)의 하부에 도시됨)에서 면 시트(160)의 2개 절단부를 나타낸다. 전형적으로, 본원에 기재된 장치에서 사용된 바람직한 매체 구조물(162)은 하부 면 시트(160B)에 고정된 주름 층(157)을 포함할 것이다. 이러한 매체 구조물(162)을 회전 구조물에 사용하는 경우, 전형적으로 이는 자체로 굴곡되어 하부 면 시트(160B)가 주름 층(157)의 상부를 덮을 것이다. 주름 층의 상부를 덮는 면 시트(160)은 참조번호(160A)로서 도시된다. 이는 면 시트(160A 및 160B)가 동일한 시트(160)인 것으로 이해해야 한다.
이러한 형태의 매체 구조물(162)을 사용하는 경우, 골 챔버(158)는 바람직하게는 교호 피크(164) 및 트로프(trough)(166)를 형성한다. 트로프(166) 및 피크(164)는 골을 상부 열 및 하부 열(row)로 나눈다. 도 23에 도시된 특정한 구조물에 있어서, 상부 골은 다운스트림 말단부(178)에서 밀폐된 골 챔버(168)를 형성하고, 업스트림 말단부(181)을 갖는 골 챔버(170)는 골의 하부 열을 형성한다. 골 챔버(170)는 골의 업스트림 말단부(181)의 일부분을 골형성 시트(171)와 제2 대면 시트(160B)의 사이에 충전시키는 제1 말단 비드(172)에 의해 밀폐된다. 유사하게는, 제2 말단 비드(174)는 교호 골(168)의 다운스트림 말단부(178)를 밀폐시킨다.
매체 구조물(162)의 형태로 구성된 매체를 사용하는 경우, 사용시 공기 등의 미여과 유체는 짙은 화살표(176)로 도시된 바와 같이 골 챔버(168)에 유입된다. 골 챔버(168)는 업스트림 말단부(169)가 개방되어 있다. 미여과 유체 유동은 골 챔버(168)의 다운스트림 말단부(178)를 통과하지 못하는데, 이는 다운스트림 말단부(178)이 제2 말단 비드(174)로 밀폐되어 있기 때문이다. 따라서, 유체는 골형성 시트(171) 또는 면 시트(160)를 통해 진행하게 된다. 미여과 유체가 골형성 시트(171) 또는 면 시트(160)를 통과함에 따라서, 당해 유체는 세정 또는 여과된다. 세정된 유체는 밝은 화살표(180)로 도시되어 있다. 이어서, 유체는 골 챔버(170)(이는 밀폐된 업스트림 말단부(181)을 갖는다)를 통과하여 골 구조물(156) 외부의 개방 다운스트림 말단부(184)를 통해 유동한다. 도시된 배열에 있어서, 미여과 유체는 골형성 시트(171), 상부 대면 시트(160A) 또는 하부 대면 시트(160B)를 통해 골 챔버(170)으로 유동할 것이다.
전형적으로, 매체 구조물(162)을 제조한 다음, 굴곡시켜 필터 매체의 회전 구조물(146)을 형성한다. 이러한 형태의 매체가 사용을 위해 선택되는 경우, 제조된 매체 구조물(162)은 하부 면 시트(160B)(도 23에 도시된 바와 같지만, 상부 면 시트(160A)가 매체함)에 대한 말단 비드(172)에 고정된 주름(157) 시트를 포함한다.
도 22를 다시 참조한다. 도 22에서는 제2 유동 면(150)이 개략적으로 도시되어 있다. 개방 말단부(184)와 밀폐 말단부(178)를 포함하는 골이 도시되어 있는부분(182)이 있다. 이러한 부분(182)은 대표적인 전체 유동 면(50)이다. 명료함과 간결함을 위해, 골은 유동 면(150)의 다른 나머지 부분(183)에는 도시되지 않는다. 본원에 기재된 시스템 및 장치에 유용한 매체 팩(140)의 측면 입면도 뿐만 아니라 상부 및 하부 평면도는, 본원에 참조로 인용된, 1999년 2월 26일자로 출원된, 공동 계류중이고 일반적으로 양도된 미국 특허원 제29/101,193호[발명의 명칭: "밀봉 시스템을 갖는 필터 여과재"]에 도시되어 있다.
이제 도 24를 보면, 하우징(186)(이는 공기 정화기(179)의 엔진 또는 터빈 속의 공기 흡입 통로 부분일 수 있다)에 설치된 필터 구조물(146)이 도시되어 있다. 나타낸 장치에 있어서, 공기는 필터 구조물(146)을 통해 화살표(187)에서 하우징(186)으로 유동하고, 화살표(188)에서 하우징(186) 밖으로 배출된다. 도시된 형태의 필터 구조물(46) 등의 매체 구조물이 통로 또는 하우징(186)에 사용되는 경우, 공기가 매체 구조물(146)를 우회하지 않고 유동하도록 하는 밀봉 시스템(144)이 요구될 것이다.
도시된 특정 밀봉 시스템(144)은 프레임 구조물(190) 및 밀봉 매체(192)를 포함한다. 이러한 형태의 밀봉 시스템(144)이 사용되는 경우, 프레임 구조물(192)은 지지체 구조부재를 제공하거나, 밀봉 매체(192)를 압축시켜 통로 또는 하우징(186)에서 방사상 밀봉(194)을 형성할 수 있는 후막을 제공한다.
도 24를 참조하면, 도시된 특정 양태에서 프레임 구조물(190)은 필터 구조물(146)의 제1 및 제2 유동 면(148 및 150)의 적어도 한 부분으로부터 돌출하거나 연장되는 경질 돌출부(196)를 포함한다. 경질 돌출부(196)는 도 24에 도시된 특정 장치에 있어서 필터 구조물(146)의 제2 유동 면(150)으로부터 축 방향으로 연장한다.
도시된 돌출부(196)는 말단 선단(104)에 의해 결합된 한 쌍의 반대측 면(198 및 102)을 갖는다. 바람직한 장치에서, 제1 및 제2 면(198 및 102) 중의 하나는 밀봉(194)이 선택된 면(198 또는 102)과 하우징 또는 통로의 적절한 표면 사이에 및 이에 대해 형성될 수 있도록 밀봉 매체(192)에 지지체 또는 후막을 제공할 것이다. 이러한 형태의 구조물이 사용되는 경우, 돌출부(196)는 밀폐된 후프 구조부재(106)(도 22)를 형성하는 연속 부재이다.
이러한 형태의 구조물이 사용되는 경우, 하우징 또는 통로는 밀봉 매체(192)를 포함하는 돌출부(196)와 후프 구조부재(106)를 둘러쌈으로써 돌출부(196)의 외부 면(102)과 하우징 또는 통로의 내부 표면(110)의 사이 또는 이에 대해 밀봉(194)을 형성한다.
도 24에 도시된 특정 양태에 있어서, 밀봉 매체(192)는 돌출부(196)의 말단 선단(104)을 포함하여, 밀봉 매체(192)가 말단 선단(104) 위의 외부 면(102)으로부터 내부 면(198)까지 돌출부(196)를 덮도록 한다.
이제 도 22 및 도 24를 참조하면, 프레임(190)은 밴드, 스커트, 또는 매체 구조물(146)에 프레임(190)을 고정시키는 데 사용되는 의존성 립(107)을 갖는다. 의존성 립(107)은 가교 보강재(108)로부터의 제1 거리를 의존하거나 이의 하부로 연장한다.
본원에 도시된 형태의 프레임(190)의 사용 동안, 내부 힘은 프레임(190)의 주변에서 발휘된다. 가교 보강재(108)는 프레임(190)을 지지한다. 용어 "지지한다"라는 것은, 가교 보강재(108)가 프레임(190)의 주변에서 발휘된 힘 하에 프레임(190)이 방사상으로 붕괴되는 것을 방지한다는 것을 의미한다.
선단부(104)는 압축가능한 밀봉 매체(192)에 대한 지지체를 제공한다. 압축가능한 밀봉 매체(192)는 바람직하게는 프레임(190)의 선단부(104)와 하우징 또는 통로의 측벽(110) 사이에서 충분히 압축 가능하도록 구성되어 배열된다. 선단부(104)와 측벽(110) 사이에서 충분히 압축된 경우에는 방사상 밀봉(194)이 매체 팩(140)과 측벽(110)의 사이에 형성된다.
밀봉 매체(192)에 대한 한 가지 바람직한 형태가 도 25에 도시되어 있다. 프레임(190)의 선단부(104)는 벽 또는 지지체 구조부재를 규정하여 방사상 밀봉(194)이 압축가능한 밀봉 매체(192)에 의해 형성될 수 있게 한다. 밀봉 시스템(144)에서 압축가능한 밀봉 매체(192)의 압축은 바람직하게는 80lbs 이하, 통상적으로 50lbs 이하, 예를 들면, 20 내지 40lbs의 삽입 압력과 수동으로 편리하고 용이하게 변화시킬 수 있는 광하에 방사상 밀봉을 형성하기에 충분하다.
도 25에 도시된 바람직한 양태에 있어서, 밀봉 매체(192)는 목적하는 밀봉을 달성하기 위해 제1 말단부(112)로부터 제2 말단부(113)까지 최외각 치수(환상일 때에는 직경)을 감소시키는 단계적 단면 배치이다. 도 25에 도시된 특정한 장치 프로파일에 대한 바람직한 명세는 다음과 같다: 측벽(110)과의 계면에 배치된 복수 개(바람직하게는 3개 이상)의 점증하는 단계를 갖고 유체 밀착 밀봉을 제공하는 폴리우레탄 발포 물질.
압축가능한 밀봉 매체(192)는 측벽(110)과 접하는 표면의 내부 직경 증가의 구배를 규정한다. 구체적으로, 도 25에 제시된 예에 있어서, 압축가능한 밀봉 매체(192)는 3단계(114, 115 및 116)를 규정한다. 단계(114, 115 및 116)의 단면 치수 또는 폭은 압축가능한 밀봉 매체(192)의 제2 말단부(113)로부터 단계(114, 115 및 116)를 추가로 증가시킨다. 제2 말단부(113)에서의 보다 작은 직경은 통로 또는 하우징으로의 용이한 삽입을 가능하게 한다. 제1 말단부(112)에서의 보다 큰 직경은 밀착 밀봉을 보장한다.
일반적으로, 매체 팩(140)은 하우징(186) 또는 통로의 측벽(110)에 대해 압 입되도록 배열 및 배치될 수 있다. 도 24에 도시된 특정한 양태에 있어서, 압축가능한 밀봉 매체(192)는 프레임(190)의 측벽(110)과 선단부((104) 사이에서 압축된다. 압축시킨 후, 압축가능한 밀봉 매체(192)는, 압축가능한 밀봉 매체(192)가 이의 천연 상태로 외부 방향으로 연장되어 선단부(104)와 측벽(110) 사이에 및 이에 대해 방사상 밀봉(94)을 형성하려고 하기 때문에 측벽(110)에 대해 힘을 발휘한다.
다양한 하우징이 매체 팩(140)에 유용하다. 도 24에 도시된 특정한 양태에 있어서, 하우징(86)은 바디 매체 또는 제1 하우징 구역(118) 및 제거가능한 커버 또는 제2 하우징 구역(120)을 포함한다. 일부 장치에 있어서, 제1 하우징 구역(118)은 소정 객체, 예를 들면, 트럭에 고정된다. 제2 하우징 구역(120)은 고정 장치(122)에 의해 제1 하우징 구역에 제거가능하게 고정된다.
도 24에 설명된 양태에 있어서, 부착된 프레임(190)과 압축가능한 밀봉 매체(192)를 갖는 매체 팩(140)의 제2 말단부(150)를 제1 하우징 구역(118)에 삽입한다. 매체 팩(140)은 압축가능한 밀봉 매체(192)가 프레임(190)의 선단부(104)와 제1 하우징 구역(118)의 측벽(110) 사이에서 및 이에 대해 압축되어 그들 사이에 방사상 밀봉(194)을 형성하도록 제1 하우징 구역(118)에 압입된다.
도 24에 도시된 장치의 사용 동안, 유체는 제2 하우징 구역(120)의 입구 영역(124)에서 화살표(187)로 도시된 방향으로 하우징 어셈블리(185)에 유입된다. 당해 유체는 필터 구조물(146)을 통과한다. 유체가 필터 구조물(146)을 통과함에 따라, 오물이 유체로부터 제거된다. 유체는 출구 영역(128)에서 하우징 어셈블리(195)로부터 화살표(188) 방향으로 배출된다. 밀봉 시스템(144)의 압축가능한 밀봉 매체(192)는, 필터 구조물(146)을 먼저 통과하지 않으면서 오염된 유체가 하우징 어셈블리(185)로부터 배출되는 것을 방지하기 위해 방사상 밀봉(194)을 형성한다.
도 26은 매체 팩(130)의 또 다른 양태의 투시도이다. 도시된 구조물에서, 매체 팩(130)은 필터 매체(132) 및 밀봉 시스템(134)을 포함한다. 필터 매체(132)는 공기 등의 유체로부터 오물이 제거되어 필터 매체(132)를 통과하도록 디자인된다. 밀봉 시스템(132)은 필터 매체(134)가 하우징 또는 통로에 밀봉되도록 디자인된다.
하기의 섹션 H에 제시된 바람직한 매체 형태를 제외한, 도 26 및 도 27의 매체 팩(130)의 구조 및 기하는 본원에 참조로 인용된 미국 특허 제6,190,432호에 기재되어 있다.
특정한 바람직한 장치에 있어서, 필터 매체(132)는 제1 유동 면(138) 및 반대측의 제2 유동 면(140)과 함께 필터 구조물(136) 속에 배치된다.
필터 구조물(136)은 다양한 배치 및 단면 형상을 가질 수 있다. 도 26에 예시된 특정 양태에 있어서, 필터 구조물(136)은 비환상 단면을 갖는다. 특히, 필터 구조물(136)의 도 26의 양태는 역 환형 또는 "타원형" 단면 형상을 갖는다. "타원형" 단면 형상이란, 필터 구조물(136)이 한 쌍의 선형 단편(143 및 144)에 의해 결합된 제1 및 제2 반환상 말단부(141 및 142)를 포함함을 의미한다.
도 26에서, 특정 부분(146)은 개방 및 폐쇄 말단을 포함하는 골을 나타낸다. 이러한 부분 또는 단편(146)은 전체 유동 면(140)(또한 제1 유동 면(138))의 대표적인 예인 것으로 이해해야 한다. 명료함 및 간결함을 위해, 골은 유동 면(140)의 다른 나머지 부분(149)에는 도시하지 않는다. 본원에 기재된 시스템 및 장치에 유용한 매체 팩(130)의 측면 입면도 뿐만 아니라 상부 및 하부 평면도는, 본원에 참조로 인용된, 1999년 2월 26일자로 출원된, 공동 계류중이고 통상적으로 양도된 미국 특허원 제29/101,193호[발명의 명칭: "밀봉 시스템을 갖는 필터 여과재"]에 도시되어 있다.
도 22의 양태와 마찬가지로, 매체 팩(130)은 밀봉 시스템(134)을 포함한다. 바람직한 구조물에서, 밀봉 시스템(134)은 프레임(148) 및 밀봉 매체(150)를 포함한다.
프레임(148)은 비환상, 예를 들면, 역 환형 및 특히 타원형 형상이고, 필터 매체(132)의 말단에 부착시키기 위해 구성되어 배치된다. 특히, 프레임(148)은 일반적으로 타원형 형상인 밴드 또는 스커트 또는 의존성 립(151)을 갖는다. 의존성 립(151)은 가교 보강재(152)에 의존하거나 이의 하부로 소정 거리로 연장하고, 매체 팩(130)에 프레임(140)을 고정시키기 위해 사용된다.
도시된 장치의 사용 동안, 내부 힘이 프레임(148)의 주변에서 발휘된다. 반환상 말단부(141 및 142)에 대해 발휘된 내부 힘은 선형 단편(143 및 144)의 굽힘 또는 굴곡을 유발할 수 있다. 가교 보강재(152)는 선형 단편(143 및 144)에 구조적 강성을 제공하고 이를 지지하기 위해 제공된다. 도 26에서 볼 수 있는 바와 같이, 도시된 특정 가교 보강재(152)는 반대측의 선형 단편(143 및 144) 사이에 트러스(truss) 시스템(154)을 형성한다. 트러스 시스템(154)은 프레임(148)의 나머지 부분과 함께 단일 조각으로서 바람직하게 성형된 복수 개의 경질 스트럿(strut)(156)을 포함한다.
프레임(148)은 프레임(90)과 유사하게 구성된다. 마찬가지로, 프레임(148)은 선단부(158)(도 27)를 포함한다. 바람직한 장치에 있어서, 선단부(158)는 환상 밀봉 지지체로서 작용한다. 바람직한 시스템에 있어서, 압축가능한 밀봉 매체(150)는 도 5의 압축가능한 밀봉 매체(92)의 구조와 유사한 구조를 갖는다.
바람직하게는, 매체 팩(130)은 통로 또는 공기 정화기 하우징 속에 설치된다. 도 27에서, 도시된 하우징은 커버(160) 및 바디 매체(162)를 포함하는 2조각 하우징이다. 커버(160)는 공기 유동 입구(164)를 규정한다. 바디 매체(162)는 공기 유동 출구(166)를 규정한다. 하우징은 또한, 본원에 참조로 인용된 미국 특허 제2,887,177호 및 제4,162,906호에 기재된 바와 같이, 매체 팩(130)의 업스트림에 예비 정화기 장치(167)을 포함한다. 도시된 구조부재에서, 예비 정화기 장치(167)은 커버(160) 속에 존재한다. 커버(160)는 예비 정화기(167) 속에 수집된 분진 및 파편을 방출하는 분진 사출기(168)를 포함한다.
압축 가능한 밀봉 매체(150)는 프레임(150)의 측벽(170) 및 선단부(158) 사이에서 압축된다. 매체 팩(130)을 압입시킴에 따라, 압축가능한 밀봉 매체(150)는 프레임(148)(구체적으로, 도시된 특정 양태에 있어서 선단부(158))와 측벽(170) 사이에서 압축된다. 압축된 후, 압축가능한 밀봉 매체(150)는 측벽(170)에 대해 힘을 발휘하는데, 이는 압축가능한 밀봉 매체(150)가 이의 천연 상태로 외부 방향으로 연장하여 측벽(170)을 갖는 방사상 밀봉(171)을 형성하려고 하기 때문이다.
매체(132)에 대한 바람직한 형태는 하기의 섹션 H에 기재되어 있다.
또 다른 필터 장치(174)가 도 28에 도시되어 있다. 하기 섹션 H에 기재된 바람직한 매체 형태를 제외한 필터 장치(174)는 본원에 참조로 인용된 미국 특허 제5,820,646호에 기재되어 있다.
필터 장치(174)은 패널 구조물(178) 속에 배치되고 이에 의해 보유되며 이에 의해 지지된 매체 팩(176)을 포함한다. 필터 장치(174)은 또한 하우징(180)을 포함하는데, 이는 바디(181) 및 제거가능한 커버 매체(182)를 포함한다. 매체 팩(176)을 보유하는 패널 구조물(178)는 하우징(180) 속에서 밀봉되고, 이로부터 제거 가능하고 교환 가능하다.
매체 팩(176)은 도 23과 관련하여 위에 기재된 바와 같이 구성된 골 필터 매체(184)를 포함한다.
E. 전형적인 시스템; 가스 터빈 공기 흡입
도 29에는 가스 터빈 시스템의 공기 흡입(200)이 도시되어 있다. 공기 흡입 시스템(200)으로 화살표(201)로 배출되는 공기 유동이 제시되어 있다. 공기 흡입 시스템(200)은 일반적으로 관형 시트(203) 속에 보유된 복수 개의 공기 필터 장치(202)를 포함한다. 바람직한 시스템에 있어서, 관형 시트(203)는 수직 축 방향에 대해 소정 각도로 필터 장치(202)을 보유하도록 구성된다. 바람직한 각은 5 내지 25°, 예를 들면, 약 7°이다. 이는 당해 시스템(200)이 작동하지 않는 경우, 액체가 필터 장치(202)로부터 배출되게 한다.
공기는 공기 필터 장치(202)에서 세정된 다음, 가스 터빈 발생기(205)로 화살표(204) 방향의 다운스트림으로 유동하고, 이를 사용하여 동력을 발생시킨다.
도 33에는 마이크로 터빈의 공기 흡입의 예(210)가 예시되어 있다. 일반적으로, 마이크로 터빈은 직립 발생기로서 통상 사용되는 보다 소형의 가스 터빈이다. 일부 예에서, 이러한 마이크로 터빈은 대략 24in×18in이고, 전력 출력이 통상 30KW 내지 100KW이다. 이들 시스템은 통상 1000cfm 내지 10,000cfm의 공기 유동을 갖는다.
도 33에서, 공기 흐름은 공기 흡입 시스템(211)으로 화살표(212)로 배출되는 것을 도시한다. 공기 흡입 시스템(211)은 필터 장치(213)을 포함한다. 공기가 필터 장치(213)을 통해 배출됨에 따라, 공기는 공기 필터 장치(213)에서 세정된 다음, 가스 터빈(215)로 화살표(214) 방향의 다운스트림으로 유동한다. 이어서, 가스 터빈은 통상 전기 발생기, 유체 압축기 또는 유체 펌프에 동력을 제공한다. 아래에 설명된 바와 같이, 차단 매체와 단일 층 하나 이상, 및 몇몇 경우에는 다층의 "미세 섬유"의 복합체 형태로 필터 장치를 구성하는 것은 이러한 매체 복합체로 구성되지 않은 종래 필터에 비해 필터 장치의 성능(특히, 작동 효율)을 향상시킬 수 있다.
F. 가스 터빈 시스템을 위한 예시적인 필터 장치
시스템(200) 또는 시스템(210)에 유용한 공기 필터 장치(202)의 한 가지 예가 도 30 내지 도 32에 도시되어 있다. 섹션 H에 제시된 바람직한 매체 형태를 제외한 공기 필터 장치(202)은 본원에 참조로 인용된, 1999년 11월 10자로 출원된 통상적으로 양도된 미국 특허원 제09/437,867호에 기재되어 있다. 일반적으로, 공기 필터 장치(202)은 제1 또는 1차 필터 여과재(220)(도 30 및 도 32) 및 제2 필터 여과재(222)(도 31 및 도 32)를 포함하며, 이들은 예비 필터로서 작용한다. 용어 "예비 필터"란, 분리기가 주요 1차 필터 여과재(220)의 업스트림에 위치되어 있고 기체 스트림으로부터 거대한 입자를 제거하는 기능을 한다는 것을 의미한다. 1차 필터 여과재(220) 및 예비 필터 여과재(222)는 바람직하게는, 관형 시트(203) 속의 장치(226)에서 제거 가능하게 배치될 수 있는 슬리브 부재(224) 속에 고정된다. 일반적으로, 공기는 당해 시스템(200)으로 유동하고, 먼저 예비 필터 여과재(222)를 통해 유동한 다음, 1차 필터 여과재(220)를 통해 유동한다. 1차 필터 여과재(220)으로부터 배출된 후, 공기는 발생기(205)로 이동된다.
일반적으로, 여과재(220)는, 도 2 및 도 3과 관련하여 위에 기재된 바와 같이, 골진 또는 Z형 매체(230)로부터 구성된다. 도 30에서는 출구 면(228)이 개략적으로 제시된 것으로 이해된다. 즉, 당해 면(228)의 일부분만이 골로 제시된다. 통상의 시스템에서는 전체 면(228)이 골진 것으로 이해되어야 한다.
필터 여과재(220)는 제1 말단부(232) 및 반대측의 제2 말단부(234)를 갖는다. 도 30에 나타낸 장치에 있어서, 제1 말단부(232)는 업스트림 말단 입구 면(227)에 상응하고, 제2 말단부(234)는 다운스트림 말단 출구 면(228)에 상응한다. 유동을 통한 선형은 기체가 제1 말단부(232)로 유동하여 제2 말단부(234)으로 배출되게 하고, 제1 말단부(232)로의 공기 유동 방향은 제2 말단부(234)로 배출되는 공기 유동 방향과 동일한 방향이다. 선형 관통 유동 패턴은 기체 유동시에 난류의 양을 감소시킬 수 있다.
매체(230)는 폴리에스테르 합성 매체, 셀룰로즈, 또는 이들 종류의 재료의 블렌드로부터 제조되어 미세 섬유로 처리된 매체일 수 있다.
바람직하게는, 예비 필터 여과재(222)는 복수 개의 개개 주름(237)을 포함하는 주름진 구조물(236)이다. 주름(237)은 지그-재그 방식으로 정렬된다. 바람직한 예비 필터 여과재(222)는 일반적으로 환상 단면을 가질 수 있다.
예비 필터 여과재(222)는 선형 관통 유동을 가능하게 하도록 배열된다. 달리 말하면, 공기는 입구 면(238)에서 유입되어 반대측에 배치된 출구 면(239)로 배출되는 예비 필터 여과재(222)를 통해 직접 유동하고, 여기서 입구 면(238)에 유입되는 액체 유동 방향은 출구 면(239)으로 배출되는 액체 유동 방향과 동일한 방향이다.
특정한 바람직한 양태에 있어서는 15 내지 80개의 주름(237), 및 통상적으로 30 내지 50개의 주름(237)이 존재한다. 주름 구조물(236)는 중심 코어(241) 주위에 중심이 있는 주름(237) 형태로 접혀 있는 매체(240)로부터 제조된다. 유용한 형태의 매체(240)는 섬유 유리 또는 공기 적재 매체를 포함한다. 유용한 매체(240)의 구체적인 특성은 중량이 2.7 내지 3.3oz/yd3(92 내지 112g/m3)이고 자유 두께(즉, 0.002psi 압축하의 두께)가 0.25 내지 0.40in(6.4 내지 10.2mm)이며 투과성이 400ft./분(122m/분) 이상인 웹을 형성하기 위해 랜덤으로 배향된 폴리에스테르 섬유로 제조된 무수 적재 필터 매체를 포함한다.
일반적으로, 예비 필터 여과재(222)는 슬리브 부재(224) 속에 제거 가능하게 및 교환 가능하게 배치될 수 있다. 슬리브 부재(224)는 이하에 추가로 상세히 기재되어 있다. 특정한 시스템에서, 예비 필터 여과재(222)는 슬리브 부재(224)의 내벽에 대해 매체(240)의 말단 선단을 압착 또는 압축함으로써 슬리브 부재(224) 속에 보유된다.
본원의 원리에 따라 구성된 바람직한 필터 장치(202)는 제1 필터 여과재(220)에 고정되고 이를 둘러싸는 슬리브 부재(224)를 갖는다. 일반적으로, 슬리브 부재(224)는 시스템(200)에서 제1 여과재(220)를 보유하는 기능을 한다. 바람직한 슬리브 부재(224)는 또한 제1 여과재(220)의 업스트림 위치에 예비 필터 여과재(222)를 보유한다.
도 30 및 도 31에서 볼 수 있는 바와 같이, 슬리브 부재(224)는 바람직하게는 제1 필터 여과재의 단면에 부합하는 단면을 갖는다. 슬리브 부재(224)는 주변 환(245)을 생성하는 형태로 굴곡되어 있는 주변 벽(244)을 포함한다. 슬리브 부재(224)는 바람직하게는 제1 필터 여과재(220)의 축 방향 길이를 30% 이상 연장시키도록 제1 필터 여과재(220)에 대해 배향된다. 다수의 전형적인 장치에 있어서, 슬리브 부재(224)는 제1 필터 여과재(220)의 축 방향 길이를 50% 이상 연장시킬 것이다. 실제로, 가장 바람직한 장치에 있어서, 슬리브 부재(224)는 제1 필터 여과재(220)의 축 방향 길이를 전체 길이(즉 100%) 이상 연장시킬 것이다. 다수의 전형적인 분야에 있어서, 슬리브 부재(224)는 반지름이 10in 이상, 전형적으로 15 내지 30in, 몇몇 경우에는 50in 이상이다.
슬리브 부재(224)는 바람직하게는 밀봉 시스템과 함께 구성 및 배열되어, 제1 필터 여과재(220)를 관형 시트(203)에 고정시킴으로써 공기가 제1 여과재(220)를 우회하지 못하게 한다. 설명된 양태에 있어서, 슬리브 부재(224)는 밀봉 매체 압력 플랜지(246)를 포함한다. 플랜지(246)는 적어도 부분적으로 및 다수의 양태에서는 완전히 슬리브 부재(224)의 벽(244)을 둘러싸고 있다. 밀봉 매체 압력 플랜지(246)는 플랜지(246)와 관형 시트(203)의 사이에 및 이들에 대해 밀봉(250)이 발생하도록 밀봉 매체(248)를 지지하는 안전 장치로서 작동한다. 플랜지(246)는 슬리브 부재(224)의 벽(244)으로부터 방사상으로 연장하고, 밀봉 부재(224)를 완전히 둘러싸고 있다. 플랜지(246)는 밀봉 매체(248)를 지지하기에 충분한 거리에서 벽(244)으로부터 방사상으로 연장할 것이다.
팻치 또는 보유 클립(252)(도 30)은 최종 배열로 슬리브 부재(224)를 고정하도록 결합부(254) 위로 연장한다. 바람직하게는, 보유 클립(252)은, 예를 들면, 초음파 용접에 의해 영구 방식으로 슬리브 부재(224)에 고정된다.
도 32를 참조하면, 플랜지(246)가 축 방향 면(256)에서 밀봉 매체(248)를 지지함을 알 수 있다. 밀봉 매체(248)는 일반적으로 환상 가스켓(258)을 포함한다. 가스켓(258)은 바람직하게는 당해 가스켓(258)과 플랜지(246)의 면(256)과의 부착에 의해 플랜지(246)에 고정된다. 가스켓(258)은, 가스켓(258)이 벽(244) 및 제1 여과재(220)를 둘러싸도록 플랜지(246) 위에 위치된다.
도시된 장치는 또한 슬리브 부재(224)를 관형 시트(203)에 고정시키기 위한 시스템을 포함한다. 도시된 양태에 있어서, 고정 시스템은 복수 개의 래칫 또는 클램프(260)를 포함한다. 슬리브 부재(224)가 관형 시트(203)에 작동 가능하게 설치(예를 들면, 4개의 클램프(260)가 설명된다)되는 경우, 플랜지(246)와 관형 시트(203)의 사이에 양호한 밀착 밀봉(250)을 형성하기 위해서는 래칫 또는 클램프(260)가 충분해야 한다. 도 32에는, 클램프(260)의 단면이 도시되어 있다. 클램프(260) 각각은 레버(261), 노즈(262) 및 플레이트(263)를 포함한다. 플레이트(263)는 클램프(260)를 관형 시트(203)에 고정시키기 위해 볼트(264) 등의 보다 신속히 취급하기 위한 장치를 포함한다. 노즈(262)는 압력을 플랜지(246)에 인가하고 밀봉 매체(248)를 관형 시트(203)에 대해 압축하도록 작동한다. 레버(261)는 관형 시트(203)를 향해서 및 관형 시트(203)와 떨어지도록 노즈(262)를 선택적으로 작동한다. 다른 양태에 있어서, 클램프(260)는 나비 너트 등을 사용하여 수동으로 밀착시킬 수 있다.
통상의 작동에 있어서는 필터 장치(202)을 가로질러 약 0.6 내지 1.6in의 물의 전체 압력 강하가 있다. 이는 제1 필터 여과재(220) 및 예비 필터(222)를 포함한다. 전형적으로, 예비 필터(222) 단독의 압력 강하는 약 0.2 내지 0.6in의 물일 수 있고, 제1 여과재(220) 단독의 압력 강하는 약 0.4 내지 1in의 물일 수 있다.
시스템(304) 또는 시스템(302)에 유용한 공기 필터 장치(213)의 또 다른 예가 도 34 내지 도 36에 도시되어 있다. 하기 섹션 H에 제공된 바람직한 매체 형태를 제외한 공기 필터 장치는, 본원에 참조로 인용된, 2000년 6월 13일자로 출원된, 통상적으로 양도된 미국 특허원 제09/593,257호에 기재되어 있다.
도 35는 분해된 비조립 형태의 필터 장치(213)을 도시하는 반면, 도 14는 사용을 위해 조립된 필터 장치(213)를 도시한다. 일반적으로, 공기 필터 장치(213)은 수분 분리기(270), 필터 어셈블리(272) 및 필터 하우징(274)을 포함한다. 필터 하우징(274)은 전형적으로, 사용을 위해 조립되는 경우, 관형 시트(276) 속에 고정된다. 바람직하게는, 필터 하우징(274)은 하우징(274)를 관형 시트(276)에 용접하거나 하우징(274)를 관형 시트(276)에 볼트로 죔으로써 관형 시트(276) 속에 고정된다.
접근 도어(278)는, 조립되는 경우, 필터 장치(213)에의 접근을 제공하고, 공기가 시스템(302)으로 취입되도록 한다. 일반적으로, 접근 도어(278)는 도 33의 시스템(예: 시스템(302))의 특정 하우징에 부합되도록 디자인되어 구성되고, 이는, 조립되는 경우, 필터 장치(213)에의 접근을 제공하도록 설치되어야 한다. 접근 도어(278)는 또한 공기가 도 33의 시스템(210)으로 유입되도록 디자인되어 구성된다.
접근 도어(278)는 바람직하게는 공기 유동 저항 장치(280)을 포함한다. 일반적으로, 공기 유동 저항 장치(280)은 시스템(302)를 통해 내성을 감소시키기 위해 특정한 방향으로 필터 장치(213)로의 공기 유동을 유도한다. 또한, 공기 유동 저항 장치(280)은 소음 약화를 보조한다. 도 34에 도시된 양태에 있어서, 공기 유동 저항 장치는 루버(louver)(282)로서 도시되어 있다. 루버(282)는 또한 거대한 물체 또는 수분의 도 33의 시스템(302)으로의 유입으로부터 시스템(210)을 보호한다.
유입 공기 스트림 속의 수분은 필터 어셈블리(272)의 완전성을 손상시키고, 시스템(302)의 내부 기계를 손상(즉, 열화에 기여)시킬 것이다. 이를 해결하기 위해, 필터 장치는 수분 분리기(270)를 포함한다. 일반적으로, 수분 분리기(270)는 필터 어셈블리(272)에 도달하기 전에 유입 공기 스트림으로부터 수분을 분리하고 수집한다. 한 가지 양태에 있어서, 수분 분리기(270)는 복수 개의 편평한 스크린, 즉 와이어 메쉬를 포함한다.
일반적으로, 필터 어셈블리(272)는 시스템(302)의 내부 기계로 유입되기 전에 도 33의 유입 공기 스트림(212)로부터 오물을 제거한다. 바람직하게는, 필터 어셈블리(272)는, 입구 면(284)에 유입되어 반대측에 배치된 출구 면(285)로 배출되는, 필터 어셈블리(272)를 통해 직접 유동하도록 배열되고, 여기서 입구 면(284)에 유입되는 유체 유동 방향은 출구 면(285)으로 배출되는 유체 유동 방향과 동일한 방향이다.
필터 어셈블리(272)는 도 22 및 도 23과 관련하여 위에서 설명된 바와 같은 실리더에 감긴 골진 매체(288)로부터 형성된 매체 팩(286)을 포함한다. 매체(288)는 폴리에스테르 합성 매체, 셀룰로즈 또는 이들 재료 종류의 블렌드로 제조되어 미세 섬유의 피막 또는 층으로 처리된 매체일 수 있다. 바람직한 매체 형태는 하기 섹션 H에 제공되어 있다.
도시된 필터 어셈블리(272)는 인취 기계(290)를 포함한다. 인취 기계(290)는 사용자가 필터 하우징(274)로부터 필터 어셈블리(272)를 용이하게 제거하도록 구성된다. 도시된 것에 있어서, 인취 기계(290)는 핸들(292) 및 보유 기계(294)(도 34)를 포함한다. 전형적으로, 핸들(292)은 손잡이(296)이다. 도 34에 도시된 것에 있어서, 체류 기계(294)는 손잡이(296)와 볼트의 다른 말단에 있는 너트(299)에 부착된 볼트(298)을 포함한다. 또는, 필터 매체의 인취 기계 및 코어는 하나의 일체화된 유닛일 수 있다.
일반적으로, 필터 하우징(274)은 필터 어셈블리(272)를 수용하여 보유하고 필터 어셈블리(272)에 의한 밀봉을 용이하게 하도록 구성된다. 도 16에 도시된 것에 있어서, 필터 하우징(274)은 외벽(304)과 10°이상, 바람직하게는 10 내지 210°, 가장 바람직하게는 약 15°의 각도로 각을 이룬 전환부(302)를 포함한다. 전환부(302)는 하기에 보다 상세히 설명되는 바와 같이 필터 어셈블리(272)의 밀봉을 보조한다.
필터 하우징(274)은 추가로 적재 플랜지(306)를 포함한다. 적재 플랜지(306)는 필터 하우징(274)을 죔 장치(예: 볼트)에 의해 관형 시트(276)에 고정시킨다. 하우징(274)은 또한 정지 장치(308)을 포함한다. 정지 장치(308)은 하우징(274) 속에 배치되어 필터 어셈블리(272)가 하우징(274)으로 너무 멀리 밀리는 것을 방지한다. 정지 장치(308)는 또한 필터 어셈블리(272)와 하우징(274) 사이의 적절한 밀봉을 보조한다.
정지 장치(308)는 스톱(310)을 포함한다. 바람직하게는, 스톱(310)은 필터 어셈블리(272)가 스톱(310)을 우회하지 못하게 하기에 충분한 거리로 외벽(304)으로부터 돌출한다. 사용 동안, 필터 어셈블리(272)는 스톱(310)의 상부 표면(311)에 존재한다.
필터 어셈블리(272)는 밀봉 가스켓(312)을 포함한다. 밀봉 가스켓(312)은 공기가 필터 어셈블리(272)와 필터 하우징(274) 사이의 당해 시스템(302)으로 유입되지 못하게 하여 필터 어셈블리(272)를 우회하는, 필터 하우징(274) 속에서 필터 어셈블리(272)를 밀봉시킨다. 이는 공기 스트림이 실질적으로 필터 어셈블리(272)를 통해 진행하도록 한다. 설명된 양태에 있어서, 밀봉 가스켓(312)은 필터 어셈블리(272)의 방사상 엣지 주변 둘레로 연장한다. 한 가지 양태에 있어서, 밀봉 가스켓(312)은 밀폐된 전지 발포체를 포함하고, 물론 밀봉 가스켓(312)은 다른 적합한 재료를 포함할 수 있다.
사용 동안, 밀봉 가스켓(312)는 필터 어셈블리(272)와 필터 하우징(274) 사이의 결합부(314)를 밀봉시킨다. 설치 동안, 필터 어셈블리(272)는 말단부(315)가 스톱(310)에 대해 정지할 때까지 하우징(274)으로 삽입된다. 필터 어셈블리(272)가 설치됨에 따라, 밀봉 가스켓(312)은 필터 어셈블리(272)와 하우징(274) 사이의 전환부(302)에서 압축되어 결합부(314)를 밀봉한다.
조립 동안, 필터 하우징(274)은 필터 하우징(274)의 적재 플랜지(306)가 관형 시트(276)에 대해 배치될 때까지 관형 시트(276)로 활주된다. 이어서, 필터 어셈블리(272)가 필터 하우징(274) 속에 배치된다. 필터 어셈블리(272)는 필터 어셈블리(272)의 말단부(315)가 스톱(310)에 대해 중단될 때까지 필터 하우징(274)으로 활주된다. 밀봉 가스켓(312)은 부분적으로 압축되고, 필터 어셈블리(272)는 필터 하우징(274)과 함께 편안하게 유지된다.
작동 중에, 필터 장치(213)는 다음과 같이 사용된다. 시스템(302)에서 여과되는 공기는 화살표(212) 방향으로 흡입 시스템(211)으로 유도된다. 공기는 필터 어셈블리(272)를 통해 유동한다. 공기는 입구 면(284)에서 유입되고, 골 구조물(288)을 통과하며, 출구 면(285)을 통해 배출된다. 이로부터, 공기는 터빈 또는 발생기(215)로 흡수된다.
G. 전형적인 시스템; 연료 전지 공기 흡입
연료 전지 공기 흡입(330)이 도 37에 개략적으로 도시되어 있다. 도 37에 도시된 바와 같이, 대기 또는 주위 공기(331)는 입구(333)을 통해 필터 어셈블리(332)로 유입된다. 필터 어셈블리(332)로 유입되기 전에, 대기 공기(331)는 다양한 물리적(예: 미립자) 및 화학적 오물을 갖는 오염된 공기이다. 필터 어셈블리(332)는 오염된 공기로부터 다양한 오물을 제거하여 필터 어셈블리(332)로부터 배출되는 깨끗한 공기(334)를 제공하도록 구성된다. 깨끗한 공기(334)는 동력의 생성에 사용된 연료 전지(335)를 위한 흡입 공기이다.
도 37을 참조하면, 대기 공기(331)는 하우징(336) 속의 입구(336)를 통해 오염된 공기로서 필터 어셈블리(332)로 유입되고, 필터 여과재(338)의 오염된 공기 측(337)으로 진행한다. 공기가 필터 여과재(338)로부터 세정 공기 측(339)으로 통과함에 따라, 오물은 필터 여과재(338)에 의해 제거되어 여과된 공기(334)를 제공한다. 여과된 공기(334)는 하우징(336)의 출구(340)를 통해 필터 어셈블리(332)로 배출되고, 장치(341)에 의해 사용된다.
필터 어셈블리(332)는 또한 장치(341)로부터 발생하는 소음 또는 소리의 수준을 감소시키거나 억제하기 위해 소음 억제 소자(342)를 임의로 포함한다. 소음 억제 소자(342)는 하우징(336) 속에 위치될 수 있고, 몇몇 양태에서는 소음 억제 소자(342)는 하우징(336)에 의해 규정된다.
장치(341)는 공기를 연료 전지(335)에 제공하여 이의 촉매 반응에 사용되는 압축기(343)을 포함한다. 압축기(343)는 1미터에서 85 내지 110dB의 수준에서 통상적으로 3Hz 내지 30,000Hz, 때때로 50,000Hz의 소음을 방출한다. 소음 억제 소자(342)는 압축기(343)로부터 업스트림으로 이동하는 소리의 수준을 3dB 이상, 통상적으로 6dB 이상, 바람직하게는 25dB 이상까지 감소시킨다.
연료 전지(335)는 수소 연료(345)에 흡수하고, 물과 이산화탄소(346)의 부산물을 배출하며, 동력(347)을 발생시킨다. 일반적으로, 연료 전지는 전해질 사이에 삽입되는 2개의 전극(애노드 및 캐소드)로 이루어진 장치이다. 수소를 함유하는 연료는 애노드로 유동하고, 이 때 수소 전자가 유리되어 양으로 하전된 이온을 잔류시킨다. 전자는 이온이 전해질을 통해 확산하는 외부 회로를 통해 이동한다. 캐소드에서, 전자는 수소 이온과 산소와 조합되어 물과 이산화탄소를 부산물로서 형성한다. 통상의 산소 공급원은 공기이다. 캐소드 반응을 촉진하기 위해, 촉매가 종종 사용된다. 연료 전지 반응에 종종 사용되는 촉매의 예는 니켈, 백금, 팔라듐, 코발트, 세슘, 네오디뮴 및 기타 희토류 금속이 포함된다. 연료 전지 속의 반응물은 수소 연료 및 산화제이다.
전형적으로, "저온 연료 전지"는 통상적으로 약 70 내지 100℃의 온도, 때때로 200℃와 같은 고온에서 작동한다. 고온 연료 전지는 통상적으로 보다 높은 이들의 작동 온도로 인해 화학적 오염에 대해 예민하지 않다. 그러나, 고온 연료 전지는 미립자 오염 및 몇몇 형태의 화학적 오염에 대해 예민하고, 따라서 고온 연료 전지가 본원에 기재된 바와 같은 여과 특징으로부터 이익을 얻는다. 한 가지 형태의 저온 연료 전지를 양성자 교환 매체의 사용을 위해 명명된 "PEM"으로서 언급된다. 본 발명의 필터 어셈블리와 함께 사용될 수 있는 다른 다양한 형태의 연료 전지의 예는, 예를 들면, 본원에 참조로 인용된, 미국 특허 제 6,110,611호, 제6,117,579호, 제6,103,415호 및 제6,083,637호의 기재 내용을 포함한다. 다양한 연료 전지는, 예를 들면, 캐나다 밴쿠버 소재의 발라드 파워 시스템즈 인코포레이티드(Ballard Power Systems, Inc.); 코네티컷 소재의 인터내셔날 퓨얼 셀(International Fuel Cells); 코네티컷주 록키 힐 소재의 프로톤 에너지 시스템즈 인코포레이티드(Proton Energy Systems, Inc.); 메사츄세츠주 소재의 아메리칸 퓨얼 셀 코포레이션(American Fuel Cell Corp.); 독일 엘레겐 소재의 지멘스 아게(Siemans AG); 플로리다주 소재의 에너지 파트너스 엘.씨.(Energy Partners, L.C.); 미시간주 디트로이트 소재의 제너럴 모터스(General Motors) 및 일본 소재의 토요타 모터 코포레이션(Toyota Motor Corporation)으로부터 시판되고 있다.
아래에 기재된 필터 어셈블리는 공기를 연료 전지 작동에 사용하기 전에 대기 공기로부터 오물을 제거한다. 아래에 설명한 바와 같이, 차단 매체 및 "미세 섬유"의 하나 이상의 단일 층 및 몇몇 경우에는 복수층의 복합체 형태로 필터 어셈블리를 구성하는 것은 필터 어셈블리의 성능(특히, 작동 효율)을 향상시킬 수 있다. 미세 섬유 처리는 대부분의 필터 기하 및 환경하에 필터 효율을 향상시키는 데 유리하다. 저온 및 고온 연료 전지 둘 다를 포함하는, 필터 온도가 48.9℃를 초과하는 특정의 가혹한 환경에서도 미세 섬유는 종종 잘 견디어 연장된 수명의 여과를 제공할 수 있다.
H. 연료 전지 공기 흡입 시스템을 위한 예시적인 필터 장치
도 38은 도 37의 시스템에 유용한 필터 어셈블리(350)를 설명한다. 필터 어셈블리(350)는 입구(354) 및 출구(356)를 규정하는 하우징(352)을 포함한다. 오염 공기는 입구(354)를 통해 필터 어셈블리(350)로 유입되고, 깨끗한 공기는 출구(356)를 통해 배출된다.
하우징(352) 속에는 필터 여과재(358) 및 소음 억제 소자(360)가 위치된다. 소음 억제 소자(360)는 제1 공명기(361) 및 제2 공명기(362)를 포함한다. 제1 공명기(361)는 약 900Hz의 피크를 약화시키도록 구성되고, 제2 공명기(362)는 약 550Hz의 피크를 약화시키도록 구성된다.
도 38의 필터 여과재(358)는 일반적으로 필터 여과재 구조물(40)(도 22)과 유사하게 구성된다. 자체로서, 이는 필터 여과재(358)로 감긴 골진 매체(366)(도 3과 관련하여 기재된 바와 같음)의 매체 팩(364)을 포함한다.
필터 여과재(358)를 인라인 유동 하우징(352)과 함께 사용하는 경우, 공기는 하우징(352)의 입구(354)를 통해 소정 방향으로 유입되고, 필터 여과재(358)로 동일한 방향에서 제1 유동 면(368)을 통해 유입되며, 필터 여과재(358)로 동일한 방향에서 제2 유동 면(370)으로부터 배출되고, 하우징(352)으로 동일한 방향에서 출구(356)로부터 배출된다.
도 22 및 도 24의 양태와 관련하여, 방사상 밀봉(372)은 하우징의 프레임(376)과 내부 밀봉 표면(378) 사이에 및 이들에 대해 밀봉 가스켓(374)을 압축시켜 형성한다.
필터 어셈블리(350)는 바람직하게는 또한 흡착 또는 흡수에 의해 대기로부터 오물을 제거하도록 디자인된 부분을 포함한다. 본원에서 사용된 바와 같이, 용어 "흡착하다", "흡착", "흡착제" 등은 흡착 및 흡수 기작을 또한 포함하는 것으로 의도된다.
화학적 제거 부분은 전형적으로 물리적 흡수 재료 또는 화학적 흡수 재료, 예를 들면, 건조제(즉, 물 또는 수증기를 흡착하거나 흡수하는 재료) 또는 휘발성 유기 화합물 및/또는 산성 기체 및/또는 염기성 기체를 흡착 또는 흡수하는 재료를 포함한다. 용어 "흡착성 재료", "흡착 재료", "흡착제 재료", "흡수성 재료", "흡수 재료" 및 이들의 임의의 변화는 흡착 또는 흡수에 의해 화학적 오물을 제거하는 모든 재료를 포괄하는 것으로 이해된다. 적합한 흡착제 재료에는, 예를 들면, 활성탄, 활성탄 섬유, 함침 탄소, 활성 알루미나, 분자체, 이온 교환 수지, 이온 교환 섬유, 실리카 겔, 알루미나 등이 포함된다. 임의의 이들 재료를 과망간산칼륨, 탄산칼슘, 탄산칼륨, 탄산나트륨, 황산칼슘, 시트르산 또는 이들의 혼합물과 배합하거나, 이들로 피복하거나 이들로 함침시킬 수 있다. 몇몇 양태에 있어서, 흡착제 재료는 제2 재료와 배합하거나 이들로 함침시킬 수 있다.
흡착제 재료는 통상적으로 미립자 또는 과립화 재료를 포함하고, 과립, 비드, 섬유, 미세 분말, 나노 구조부재, 나노 튜브 및 에어로겔로서 존재하거나 세라믹 비드, 모노리틱(monolithic) 구조부재, 종이 매체 또는 금속성 표면 등의 기본 재료 위의 피막으로서 존재할 수 있다. 전형적으로, 흡착제 재료, 특히 미립자 또는 과립화 재료는 재료의 소정 층으로서 제공된다.
또는, 흡착제 재료는 거대 정제, 과립, 비드 등의 모노리틱 또는 단일 형태, 또는 임의로 추가로 성형될 수 있는 주름형 또는 벌집형 구조부재로 성형시킬 수 있다. 적어도 몇몇 예에 있어서, 성형된 흡착제 재료는 실질적으로 필터 어셈블리의 정상 또는 예상 수명 동안 이의 형상을 유지한다. 성형된 흡착제 재료는 고체 또는 액체 결합제와 배합된 자유 유동 미립자 재료로부터 형성된 다음, 비자유 유동 제품으로 성형될 수 있다. 성형된 흡착제 재료는, 예를 들면, 성형, 압축 성형 또는 압출 공정에 의해 형성할 수 있다. 성형된 흡착제 재료는, 예를 들면, 본원에 참조로 인용된 미국 특허 제5,189,092호[코스로우(Koslow)] 및 제5,331,037호(코스로우)에 기재되어 있다.
성형품을 제공하는 데 사용된 결합제는 무수, 즉 분말 형태 및/또는 과립 형태이거나, 당해 결합제는 액체, 용매화 또는 분산화 결합제일 수 있다. "고온 용융물"로서 통상 명명되는 수분 경화성 우레탄 및 재료 등의 특정한 결합제를 분무 공정에 의해 직접 흡착제 재료에 적용할 수 있다. 몇몇 양태에 있어서는, 성형 공정 동안 제거될 수 있는 용매 또는 분산제를 포함하는 임시 액체 결합제가 사용된다. 적합한 결합제에는, 예를 들면, 라텍스, 미세결정질 셀룰로즈, 폴리비닐 알콜, 에틸렌-비닐 아세테이트, 전분, 카복실 메틸 셀룰로즈, 폴리비닐피롤리돈, 인산이칼슘 2수화물 및 규산나트륨이 포함된다. 바람직하게는, 성형된 재료의 조성물은 흡착제 재료를 약 70중량% 이상, 통상적으로 약 98중량% 이하로 포함한다. 몇몇 예에 있어서는, 성형된 흡착제는 85 내지 95중량%, 바람직하게는 대략 90중량%의 흡착제 재료를 포함한다. 성형된 흡착제는 통상 약 2중량% 이상의 결합제 및 약 30중량% 이하의 결합제를 포함한다.
화학적 제거 부분에 사용하기에 적합한 흡착제 재료의 또 다른 양태는 캐리어를 포함하는 흡착제 재료이다. 예를 들면, 메쉬 또는 스크림(scrim)을 사용하여 흡착제 재료 및 결합제를 유지시킬 수 있다. 폴리에스테르 및 다른 적합한 재료가 메쉬 또는 스크림으로서 사용될 수 있다. 전형적으로, 임의의 캐리어는 흡착제 재료의 약 50중량% 이하이고, 보다 종종 전체 흡착제 중량의 약 20 내지 40%이다. 캐리어와 함께 성형된 흡착 제품 중의 결합제의 양은 전형적으로 전체 흡착제 중량의 약 10 내지 50% 범위이고, 흡착제 재료의 양은 전형적으로 전체 흡착제 중량의 약 20 내지 약 60% 범위이다.
화학적 제거 부분은 공기로부터 산성 오물을 제거하기 위한 강염기성 재료 또는 공기로부터 염기성 오물을 제거하기 위한 강산성 재료 또는 이들 둘 다를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 염기성 재료 및 산성 재료는 이들이 서로 상쇄되지 않도록 서로로부터 제거된다. 몇몇 양태에 있어서, 흡착제 재료 자체는 강산성 또는 강염기성 재료일 수 있다. 이러한 재료의 예는 중합체 미립자, 활성탄 매체, 제올라이트, 점토, 실리카 겔 및 금속 산화물 등의 재료를 포함한다. 다른 양태에 있어서, 강산성 재료 및 강염기성 재료는 과립 미립자, 비드, 섬유, 미세 분말, 나노 튜브 및 에어로겔 등의 캐리어 위의 표면 피복물로서 제공될 수 있다. 달리는 또는 부가적으로, 산성 및 염기성 표면을 형성하는 산성 및 염기성 재료는 캐리어의 적어도 일부분 전체에 존재할 수 있고, 이는, 예를 들면, 캐리어 재료를 산성 또는 염기성 재료로 피복 또는 함침시켜 실시할 수 있다.
산성 및 염기성 재료 둘 다는 필터 여과재의 화학적 제거 부분에 존재하지만, 이들 2가지 유형의 재료는 이들이 서로 반응하여 중화되지 않도록 서로로부터 분리되어 있는 것이 바람직하다. 몇몇 양태에 있어서, 염기성 재료, 산성 재료 또는 이들 둘 다는 활성탄 등의 흡착제 재료로부터 분리될 수 있다.
대기 공기 속에 종종 존재하고 연료 전지용 오물로서 고려되는 산성 화합물의 예는 황 산화물, 질소 산화물, 황화수소, 염화수소 및 휘발성 유기 산 및 비휘발성 유기 산을 포함한다. 대기 공기에 종종 존재하고 연료 전지용 오물로서 고려되는 염기성 화합물의 예는 암모늄, 아민, 아미드, 수산화나트륨, 수산화리튬, 수산화칼륨, 휘발성 유기 염기 및 비휘발성 유기 염기를 포함한다.
PEM 연료 전지에 있어서, 애노드 반응은 산성 조건하에 일어나며, 따라서 염기성 오물이 존재하는 것은 바람직하지 않다. 암모니아 등의 염기성 오물을 제거하기 위한 바람직한 재료의 예는 시트르산과 함께 함침된 활성탄 과립의 층이다.
도 37의 시스템에 유용한 필터 어셈블리의 제2의 예는 필터 어셈블리(380)로서 부분 단면도로 도 39에 도시되어 있다. 필터 어셈블리(380)는 입구(384) 및 출구(386)를 규정하는 하우징(382)을 포함한다. 오염 공기는 입구(384)를 통해 필터 어셈블리(380)에 유입되고, 깨끗한 공기는 출구(386)를 통해 배출된다. 소음 억제 소자(388)는 공명기(390)를 포함한다. 필터 여과재(391)는 하우징(382) 속에 배치되고, 필터 여과재(358)와 유사하다.
또한, 필터 어셈블리(380)는 흡착 부재(392)를 포함한다. 흡착제 여과재(392)는 말단부들(394 및 395) 사이에 탄소(393)의 원통형 매스를 포함한다. 도시된 구조에 있어서, 탄소(393)의 매스는 중공 형상이고, 활성탄의 환상 연장(397)은 열가소성 결합제에 의해 결합된다. 탄소(393)는, 예를 들면, 미국 특허 제5,189,092호(코스로우) 및 제5,331,037호(코스로우)의 기재에 따라 제조할 수 있다. 제1 말단부(394)에는 밀봉 시스템(396)이 위치하고 있고, 제2 말단부(395)에는 캡(398)이 위치하고 있다.
밀봉 시스템(396)은 흡착제 여과재(392)와 배플(401) 사이에 기밀 밀봉을 제공한다. 밀봉 시스템(396)은 배플(401)에 대해 흡착제 여과재(392)를 밀봉하도록 디자인되고, 정상 조건하에 공기가 흡착제 여과재(392)와 하우징(382)의 측벽 사이의 영역을 통과하지 못하도록 억제한다. 밀봉 시스템(396)은 공기 유동이 흡착제 여과재(392)의 탄소(393)를 통과하지 못하도록 억제한다. 밀봉 시스템(396)은 전형적으로 폴리우레탄 등의 압축 가능한 가요성 재료로 제조된다.
캡(398)은 공기 배출 필터 여과재(358)를 탄소(393)의 원통형 연장을 통해 축 방향으로 통과하기보다는 탄소(393)를 통해 흡착제 여과재(392)로 유입되도록 전환시킨다. 필터 여과재(391)로부터의 공기는 캡(398)의 노출 표면(402) 위에 충돌하고, "선형" 유동으로부터 방사상 성분을 갖는 유동으로 변경시킨다. 캡(398)은 공기가 탄소(393)에 도달할 수 있도록 공기를 캡(398)으로 통과시키기 위한 장치(404)를 포함한다. 공기 유동을 조정하는 이외에, 캡(398)은 흡착 부재(392)를 필터 여과재(391)에 고정시킨다.
흡착 부재(392)는 화학적 제거 부분으로서 및 소리 억제 소자(399)의 성분으로서 작용한다. 흡착 부재 및 흡착 재료의 다른 종류도 화학적 제거 성질 및 소리 억제 성질 둘 다를 가질 것이다.
I. 위에 기재된 필터 여과재를 위한 바람직한 매체 구조물
미세 섬유 필터 구조부재는, 필터가 하나 이상의 합성 셀룰로즈 또는 블렌딩된 웹과 혼방되거나 이에 의해 분리된 하나 이상의 미세 섬유 층을 갖는 이층 또는 다층 구조부재를 포함한다. 또 다른 바람직한 특색은 매트릭스 또는 다른 섬유의 블렌드 속에 미세 섬유를 포함하는 구조부재이다.
본 발명자들은 필터 구조부재에서 섬유 및 마이크로 섬유 층의 중요한 특성이, 당해 마이크로 섬유가 승온에서 습도, 수분 또는 용매와 접촉하는 경우, 내온도성, 내습성 또는 내수분성 및 내용매성과 관련되는 것으로 생각한다. 추가로, 본 발명의 재료의 제2의 중요한 특성은 당해 재료의 기판 구조부재로의 부착에 관한 것이다. 마이크로 섬유 층 부착은, 당해 재료가 기판으로부터 마이크로 섬유 층을 분리시키지 않고 제조될 수 있고 마이크로 섬유 층과 기판이 현저한 분리 없이 주름, 회전 재료 및 기타 구조부재를 포함하는 필터 구조부재로 가공될 수 있도록 하는 필터 재료의 중요한 특성이다. 본 발명자들은, 온도를 중합체 재료의 융점 또는 융점 부근, 통상적으로는 최저 융점보다 낮은 온도로 상승시키는 제조 공정의 가열 단계가 섬유 서로간의 부착 및 섬유와 기판과의 부착을 실질적으로 향상시킴을 발견하였다. 융점에서 또는 융점 이상에서, 미세 섬유는 이의 섬유상 구조를 상실할 수 있다. 또한, 가열 속도를 조절하는 것이 중요하다. 섬유가 연장된 기간 동안 이의 결정화 온도에 노출되는 경우, 이는 또한 섬유상 구조를 상실할 수 있다. 주의 깊은 가열 처리는 또한, 부가 재료가 표면으로 이동하여 섬유 표면 위의 소수성 또는 소유성 그룹을 노출시키기 때문에 외부 부가물 층을 형성시킴으로써 중합체 특성을 개선시킨다.
표준 성능은 당해 재료가 최종 용도에 따라 다양한 작동 온도, 즉 60℃, 71.1℃, 132.2℃, 148.9℃의 온도에서 1 또는 3시간 동안 온전하게 잔존하면서 필터 효율을 30%, 50%, 80% 또는 90% 보유할 수 있다는 것이다. 또 다른 표준 성능은 당해 재료가 최종 용도에 따라 다양한 작동 온도, 즉 60℃, 71.1℃, 132.2℃, 148.9℃의 온도에서 1 또는 3시간 동안 온전하게 잔존하면서 최종 용도에 따라 필터 층의 유효 미세 섬유를 30%, 50%, 80% 또는 90% 보유할 수 있다는 것이다. 이들 온도에서의 잔존은 낮은 습도, 높은 습도 및 수 포화 공기에서 중요하다. 본 발명의 마이크로 섬유 및 필터 재료는 당해 재료를 71.1℃ 초과의 온도에서 침지시키는 경우 약 5분 이상의 시간 동안 효율을 유지하면서 잔존할 수 있는 내습성인 것으로 생각된다. 유사하게는, 본 발명의 마이크로 섬유 재료 및 필터 재료의 내용매성은, 에탄올, 탄화수소, 수력 유체 또는 방향족 용매 등의 용매와 약 5분 이상 동안 21.1℃에서 접촉시키는 경우, 효율을 50% 유지시키면서 잔존할 수 있는 재료로부터 수득된다.
본 발명의 미세 섬유 재료는, 분진 수집, 가스 터빈 및 엔진 공기 흡입 또는 유도 시스템을 위한 펄스 세정 및 비펄스 세정된 필터; 가스 터빈 흡입 또는 유도 시스템, 강력한 엔진 흡입 또는 유도 시스템, 경차 엔진 흡입 또는 유도 시스템; 차량 객실 공기, 오프 로드 차량 객실 공기, 디스크 구동 공기, 복사기 토너 제거; 상업용 또는 주택용 여과 분야에서의 HVAC 필터를 포함하는 다양한 분야에서 사용될 수 있다. 종이 필터 여과재는 표면 부하 매체의 형태를 광범위하게 사용한다. 일반적으로, 종이 여과재는 입상 물질을 포함하는 기체 스트림에 대해 배향된 셀룰로즈, 합성 또는 다른 섬유의 치밀한 매트를 포함한다. 종이는 일반적으로 기체 유동에 대해 투과성이 되도록, 또한 이를 통한 선택된 크기보다 큰 입자의 통과를 억제하기 위하여 충분히 미세한 기공 크기 및 적절한 다공성을 갖도록 제조된다. 기체(유체)가 필터 페이퍼를 통과하는 경우, 필터 페이퍼의 업스트림 면은 확산 및 포착 차단을 통해 작동하고, 기체(유체) 스트림으로부터 선택된 크기의 입자를 유지한다. 입자는 필터 페이퍼의 업스트림 면 위에 분진 케이크로서 수거된다. 이때, 분진 케이크는 또한 필터로서 작동하기 시작하여 효율을 증가시킨다. 이는 종종 "시즈닝(seasoning)", 즉 초기 효율보다 큰 효율의 발전으로서 언급된다.
상기 기술한 바와 같은 간단한 필터 디자인은 두 형태 이상의 문제점이 있다. 먼저, 비교적 간단한 플로오(flaw), 즉 종이의 파괴가 시스템의 손상을 유발한다. 둘째로, 입상 물질은 필터의 업스트림 면 위에 얇은 먼지 케이크 또는 층으로서 신속히 생성되어, 압력 강하를 증가시킨다. 다양한 방법이 표면 부하 필터 시스템(예: 종이 필터)의 "수명"을 증가시키기 위하여 적용되어 왔다. 한 방법은 주름 구조물로 매체를 제공함으로써, 기체 유동 스트림이 접하게 되는 매체의 표면적이 평평하고 주름이 없는 구조물에 비하여 증가될 수 있도록 하는 것이다. 이것은 필터 수명을 증가시키지만, 여전히 실질적으로 한계가 있다. 이러한 이유로, 표면 부하 매체는 주로 필터 매체를 통해 비교적 낮은 속도, 일반적으로 약 20 내지 30ft/min 이하 및 통상, 약 10ft/min 이하로 관여되는 적용에서의 용도를 발견하였다. 이와 관련하여, 용어 "속도"는 매체를 통한 평균 속도(즉, 매체 면적당 유동 용적)이다.
일반적으로, 공기 유동 속도가 주름진 종이 매체를 통해 증가함에 따라, 필터 수명은 속도의 제곱에 비례하는 요인에 의해 감소된다. 따라서, 주름지, 표면 부하 필터 시스템을 공기의 실질적인 유동을 필요로 하는 시스템을 위한 미립자 필터로서 사용하는 경우, 필터 매체에 대해 비교적 큰 표면적이 필요하다. 예를 들면, 고속도로용 디젤 트럭의 통상의 원통형인 주름지 필터 여과재는, 직경이 약 9 내지 15in이고, 길이는 약 12 내지 24in이며, 주름은 약 1 내지 2in인 깊이를 갖는다. 따라서, 매체(한 면)의 여과 표면적은 통상 30 내지 300ft2이다.
많은 적용시, 특히 비교적 높은 유량을 포함하는 적용시, 종종 일반적으로 "깊이(depth)" 매체로서 언급되는 다른 형태의 필터 매체가 사용된다. 통상의 깊이 매체는 비교적 두꺼운 엉킴의 섬유상 물질을 포함한다. 깊이 매체는 일반적으로 이의 다공성, 밀도 또는 고체 함량(%)으로 정의된다. 예를 들면, 2 내지 3% 고형성 매체는 전체 용적의 대략 2 내지 3%가 섬유상 물질(고체)을 포함하고 나머지는 공기 또는 기체 공간이 되도록 배열된 섬유의 깊이 매체 매트이다.
깊이 매체를 한정하는 다른 유용한 파라미터는 섬유 직경이다. 고형성(%)은 일정하게 유지되지만 섬유 직경(크기)이 감소하면, 기공 크기 또는 섬유간 공간은 감소한다, 즉 필터가 보다 효율적으로 되고, 보다 효과적으로 보다 작은 입자를 포획한다.
대표적인 통상의 깊이 매체 필터는 깊고 비교적 일정(또는 균일)한 밀도의 매체, 즉 깊이 매체의 고형성이 이의 두께를 통해 실질적으로 일정하게 유지되는 시스템이다. 이와 관련하여, "실질적으로 일정함"은, 존재하는 경우, 단지 비교적 작은 밀도의 변동만이 매체 깊이를 통해 발견됨을 의미한다. 이러한 변동은, 예를 들면, 필터 매체가 위치하는 용기에 의한 외부 결합 표면의 경미한 압축으로부터 유발될 수 있다.
구배 밀도 깊이 매체 장치가 개발되어 왔다. 이러한 장치는, 예를 들면, 미국 특허 제4,082,476호, 제5,238,474호 및 제5,364,456호에 기재되어 있다. 일반적으로, 깊이 매체 장치는 실질적으로 이의 용적 또는 깊이를 통해 입상 물질의 "부하(loading)"를 제공하도록 고안될 수 있다. 따라서, 이러한 장치는, 완전한 필터 수명에 도달되는 경우, 표면 부하 시스템에 비하여, 보다 다량의 입상 물질이 부하되도록 고안될 수 있다. 그러나, 일반적으로, 이러한 장치를 위한 교섭이 효율적인데, 이는 실질적인 부하를 위해, 비교적 낮은 경도의 매체가 바람직하기 때문이다. 상기 언급된 특허의 시스템과 같은 구배 밀도 시스템은 실질적인 효율 및 보다 긴 수명을 제공하도록 고안되었다. 어떤 경우, 표면 부하 매체는 이러한 장치에서 "연마(polish)" 필터로서 사용된다.
본 발명에 따르는 필터 매체 구조물은 투과성의 거친 섬유상 매체의 제1 층 또는 제1 표면을 갖는 기판을 포함한다. 미세 섬유 매체의 제1 층은 투과성의 거친 섬유상 매체의 제1 층의 제1 표면에 고정된다. 바람직하게는, 투과성의 거친 섬유상 물질의 제1 층은 평균 직경이 통상 10㎛ 이상, 바람직하게는 약 12(또는 14) 내지 30㎛인 섬유를 포함한다. 또한 바람직하게는, 투과성의 거친 섬유상 물질의 제1 층은 기본 중량이 약 200g/m2 이하, 바람직하게는 약 0.50 내지 150g/m2, 가장 바람직하게는 8g/m2 이상인 매체를 포함한다. 바람직하게는, 투과성의 거친 섬유상 매체의 제1 층은 두께가 0.0005in(12㎛) 이상, 통상 0.0006 내지 0.02in(15 내지 500㎛)이고, 바람직하게는 약 0.001 내지 0.030in(25 내지 800㎛)이다.
바람직한 장치에서, 투과성의 거친 섬유상 물질의 제1 층은, 프래지어 투과성 시험(Frazier permeability test)에 의해 구조물의 나머지와 별도로 평가하는 경우, 투과성이 1m/min 이상, 통상 바람직하게는 약 2 내지 900m/min인 물질을 포함한다. 이때, 효율이 언급되는 경우, 달리 제시되지 않는 한, 0.78㎛의 단순 분산 폴리스티렌 구형 입자를 사용하여 본 명세서에 기재된 바와 같이 20fpm(6.1m/min)으로 ASTM-1215-89에 따라 측정하는 경우의 효율을 의미한다.
바람직하게는, 투과성의 거친 섬유상 매체 층의 제1 표면에 결합된 미세 섬유 물질 층은 나노 섬유 및 마이크로 섬유 매체 층이며, 이때 섬유는 평균 섬유 직경이 일반적으로 약 2㎛ 이하, 바람직하게는 약 1㎛ 이하이며, 통상 바람직하게는 섬유 직경이 0.5㎛보다 작고, 약 0.05 내지 0.5㎛의 범위 이내이다. 또한, 바람직하게는, 투과성의 거친 섬유상 재료의 제1 층의 제1 표면에 결합된 미세 섬유 물질의 제1 층은 전체 두께가 약 30㎛ 이하, 보다 바람직하게는 20㎛ 이하이며, 가장 바람직하게는 약 10㎛ 이하이고, 통상 바람직하게는 층의 미세 섬유 평균 직경의 약 1 내지 8배(및 보다 바람직하게는, 5배 이하)의 두께 이내이다.
본 발명에 따르는 특정의 바람직한 장치는 일반적으로 정의된 바와 같은 필터 매체를 전체 필터 구조물에 포함한다. 이러한 용도를 위한 바람직한 장치는 일반적으로 세로 방향으로, 즉 원통형 패턴의 세로방향 축과 동일한 방향으로 연장된 주름을 갖는 원통형의 주름 형태로 배열된 매체를 포함한다. 이러한 장치에 있어서, 매체는 통상의 필터에서와 같이, 말단 캡에 삽입시킬 수 있다. 이러한 장치는, 경우에 따라, 통상의 목적을 위해 업스트림 라이너 및 다운스트림 라이너를 포함할 수 있다.
일부 적용시, 본 발명에 따르는 매체는 다른 형태의 매체, 예를 들면, 통상의 매체과 함께 사용되어 전체적인 여과 성능 또는 수명을 개선시킬 수 있다. 예를 들면, 본 발명에 따르는 매체는 통상의 매체에 적층될 수 있고, 스택 장치로 사용되거나, 통상의 매체의 하나 이상의 영역을 포함하는 매체 구조로 혼입(통합적 특징)시킬 수 있다. 양호한 부하를 위해 이러한 매체의 업스트림에 사용되고/되거나, 높은 효율의 연마용 필터로서 통상의 매체로부터 다운스트림에 사용될 수 있다.
본 발명에 따르는 특정 장치는 또한 액체 필터 시스템에, 즉 여과되는 입상 물질이 액체에 포함되는 시스템에 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따르는 특정 장치는 안개 수거기에, 예를 들면, 공기로부터 미세한 안개를 여과하기 위한 장치에 사용될 수 있다.
본 발명에 따라, 여과방법이 제공된다. 본 방법은 일반적으로 여과를 위해 유용한 것으로 기재된 바와 같은 매체의 사용을 포함한다. 하기 설명 및 실시예로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따르는 매체는 유용하게 비교적 효율적인 시스템에서 비교적 긴 수명을 제공하도록 특별히 제조되고 구성될 수 있다.
다양한 필터 디자인이 필터 물질과 함께 사용되는 필터 구조 및 구조부재의 다양한 측면을 기술하고 청구한 특허에 제시되어 있다. 미국 특허 제4,720,292호(Engel 등)는 일반적으로 원통형인 필터 여과재 디자인을 갖는 필터 어셈블리용의 방사상 밀봉 디자인을 기술하고 있는데, 이때 필터 여과재는 원통형의 방사상 내부로 향하는 표면을 갖는 비교적 부드러운 고무형 말단 캡에 의해 밀봉된다. 미국 특허 제5,082,476호(Kahlbaugh 등)는 본 발명의 마이크로 섬유 물질과 배합된 주름 성분을 갖는 발포체 기판을 포함하는 깊이 매체를 사용하는 필터 디자인을 기술하고 있다. 미국 특허 제5,104,537호(Stifelman 등)는 액체 매체를 여과하는 데 유용한 필터 구조부재에 관한 것이다. 액체가 필터 하우징으로 연행되고, 필터의 외부를 통해 내부의 환상 코어로 통과된 다음, 구조부재에서의 활동적인 사용을 위해 반송된다. 이러한 필터는 수압 유체를 여과하는 데 상당히 유용하다. 미국 특허 제5,613,992호(Engel 등)는 통상의 디젤 엔진 공기 흡입 필터 구조부재를 제시하고 있다. 당해 구조부재는 동반된 습기를 함유하거나 함유하지 않을 수 있는 하우징의 외부 측면으로부터 공기를 수득한다. 공기는 필터를 통과하는 반면에, 습기는 하우징의 기저로 통과되어, 하우징으로부터 배수될 수 있다. 미국 특허 제5,820,646호(Gillingham 등)는 적절한 여과 성능을 수득하기 위하여 유체 스트림이 "Z" 형 통로중 하나 이상의 필터 매체 층을 통과해야 하는 플러깅된 통로를 포함하는 특정한 주름형 필터 디자인을 사용하는 Z 필터 구조부재를 기술하고 있다. 주름진 Z형 형태로 형성되는 필터 매체는 본 발명의 미세 섬유 매체를 함유할 수 있다. 미국 특허 제5,853,442호(Glen 등)는 본 발명의 미세 섬유 구조부재를 함유할 수 있는 필터 여과재를 갖는 백 하우스 구조부재를 기술하고 있다. 미국 특허 제5,954,849호(Berkhoel 등)는, 제조 공정중인 제품의 가공으로 환경적 공기중 상당한 분진 부하를 생성한 후에 공기 스트림으로부터 분진을 여과하기 위하여, 많은 분진이 부하된 통상의 공기를 처리하는 데 유용한 분진 수거기 구조부재를 제시하고 있다.
하기 재료들은 다음 전자방사 공정 조건을 사용하여 제조한다.
다음 재료들은 회전 방출기 시스템 또는 모세관 침상 시스템을 사용하여 방사한다. 이들 둘 다는 동일한 섬유상 재료를 실질적으로 생성하는 것으로 밝혀졌다.
당해 장치를 사용하여 일반적으로 섬유를 제조한다. 유량은 방출기당 1.5mil/분이고, 목표 거리는 8in이며, 방사기 전압은 88kV이고, 상대 습도는 45%이며, 회전 방사기의 경우 rpm은 35이다.
실시예 1:
섬유 크기의 효과
미세 섬유 샘플을 나일론 6, 66, 610의 공중합체로부터 제조한다. 나일론 공중합체 수지(SVP-651)를 말단 그룹 적정법에 의해 분자량에 대해 분석한다[참조: J.E. Walz and G.B. Taylor, determination of the molecular weight of nylon, Anal. Chem. Vol. 19, Number 7, pp 448-450 (1947)]. 수평균 분자량(Mn)은 21,500 내지 24,800이다. 조성은 3성분 나일론의 융점 상 다이아그램에 의해, 약 45%의 나일론 6, 약 20%의 나일론 66 및 약 25%의 나일론 610으로 예상된다[참조: Page 286, Nylon Plastics Handbooks, Melvin Kohan ed. Hanser Publisher, New York (1995)].
직경이 0.23 및 0.45㎛인 섬유를 제조하기 위한 SVP 651 수지의 보고된 물리적 특성은 다음과 같다:
특성 ASTM 방법 단위 통상의 값
비중 D-792 -- 1.08
물 흡수 (24시간 침지) D-570 % 2.5
경도 D-240 쇼어 D 65
융점 DSC ℃(℉) 154(309)
수율에서의 인장 강도 D-638 MPa(kpsi) 50(7.3)
파단 신도 D-638 % 350
굴곡 탄성률 D-790 MPa(kpsi) 180(26)
용적 저항률 D-257 ohm-cm 1012

샘플을 실온의 물에 침지시키고, 공기 건조시켜, 이의 효율을 측정한다. 섬유가 보다 크면, 분해되는데 보다 긴 시간이 소요되고, 분해 수준은 도 12의 플롯에서 알 수 있는 것처럼 낮다. 특정 이론에 의해 제한하고자 하는 것은 아니지만, 보다 큰 표면/용적 비를 갖는 보다 작은 섬유는 환경적 영향으로 인해 분해되기가 보다 쉬움을 알 수 있다. 그러나, 섬유가 보다 크면 효율적인 필터 매체로서 제조되지 못한다.
실시예 2:
페놀성 수지 및 에폭시 수지와 나일론 섬유의 가교결합
섬유의 내약품성을 개선하기 위하여, 나일론 섬유의 화학적 가교결합을 수행한다. 앞서 기재된 코폴리아미드(나일론 6, 66, 610)를 조지아 퍼시픽(Georgia Pacific) 5137로서 확인된 페놀성 수지와 혼합하고, 섬유로 방사한다. 혼합물의 나일론:페놀성 수지의 비 및 이의 블렌드의 융점이 본 명세서에 제시되어 있다:
조성 융점(℃)
폴리아미드:페놀성 수지 = 100:0 65.6
폴리아미드:페놀성 수지 = 80:20 43.3
폴리아미드:페놀성 수지 = 65:35 34.4
폴리아미드:페놀성 수지 = 50:50 18.3
블렌드로부터 비교가능한 섬유를 제조할 수 있다. 50:50 블렌드는 섬유상 구조가 파괴되기 때문에 열에 의해 가교결합될 수 없다. 90℃ 미만에서 65:35 블렌드를 12시간 동안 가열하면, 생성된 섬유의 내약품성이 개선되어 알콜중 용해를 견딘다. 폴리아미드와 에폭시 수지[예: Epon 828(제조원: Shell) 및 Epi-Rez 510]의 블렌드를 사용할 수 있다.
실시예 3:
플루오로 부가제(Scotchgard
Figure 112006056866708-pct00043
) 반발제(repellant)를 통한 표면 개질
알콜 혼화성 스코치가드(ScotchgardR) FC-430 및 431(제조원: 3M Company)을 방사 전에 폴리아미드에 가한다. 부가량은 고체의 10%이다. 스코치가드의 부가는 섬유 형성을 방해하지 않는다. THC 벤치는 스코치가드 형 고분자량의 반발제를 공급하면 내수성이 개선되지 않음을 알 수 있다. 스코치가드 부가 샘플은 제조업자가 제안한 바와 같이 148.9℃에서 10분 동안 가열한다.
실시예 4:
커플링제에 의한 개질
중합체성 필름을 티네네이트 커플링제(제조원: Kenrich Petrochemicals, Inc.)와 함께 폴리아미드로부터 주조한다. 이들은 이소프로필 트리이소스테아로일 티타네이트(KR TTS), 네오펜틸(디알릴)옥시트리(디옥틸)포스페이토 티타네이트(LICA12), 네오펜틸(디알릴)옥시, 트리(N-에틸렌 디아미노)에틸 지르코네이트(NZ44)를 포함한다. 캐스팅 필름을 비등하는 물에 침지시킨다. 커플링제가 없는 대조용 샘플은 이의 강도를 즉시 손실하는 반면에, 커플링제 부가 샘플은 이의 형태를 10분까지 유지한다. 이들 커플링제 부가 샘플을 섬유로 방사한다(0.2㎛ 섬유).
실시예 5:
저분자량의 p-3급 부틸 페놀 중합체에 의한 개질
분자량이 400 내지 1100의 범위인 p-3급 부틸 페놀의 올리고머는 미국 오하이오주 콜롬버스에 소재하는 엔자이몰 인터내셔널(Enzymol International)에서 입수한다. 이들 저분자량의 중합체는 저급 알콜(예: 에탄올, 이소프로판올 및 부탄올)에 가용성이다. 이들 중합체를 앞서 기술한 코-폴리아미드에 부가하고, 악영향 없이 0.2㎛의 섬유로 전기방사한다. 일부 중합체 및 부가제는 전기방사 공정을 방해한다. 실시예 2에 기재된 통상의 페놀성 수지와 달리, 이러한 그룹의 중합체는 섬유 형성 공정을 방해하지 않는 것으로 밝혀졌다.
이러한 그룹의 부가제는, 플롯에서 알 수 있는 바와 같이, 습윤 환경으로부터 미세 섬유를 보호한다. 도 13 내지 도 16으로부터 올리고머가 60℃ 및 100% 습도에서 매우 양호한 보호를 제공하며, 성능은 71.1℃에서 매우 양호하지 않음을 알 수 있다. 이러한 부가제는 사용되는 중합체의 5 내지 15%로 가한다. 이들은 60℃에서 높은 습도에 노출시키는 경우 섬유를 동일하게 효과적으로 보호하는 것으로 밝혀졌다. 또한, 성능은 섬유를 단기간 동안 150℃에 적용시키는 경우에 증진되는 것으로 밝혀졌다.
표 1은 폴리아미드 섬유에 대한 10% 부가의 온도 및 시간 노출의 효과를 나타낸 것이다.
60℃에서 침지후 유지되는 효율(%)
가열 시간
온도 1분 3분 10분
150℃ 98.9 98.8 98.8 98.9 98.5 98.8
130℃ 95.4 96.7 98.7 98.6 99.8 99.6
110℃ 82.8 86.2 90.5 90.9 91.7 85.7
이는 놀라운 결과이다. 이러한 그룹의 부가제를 사용하면 내수성이 상당히 개선됨을 알 수 있다. 이러한 그룹의 부가제가 어떻게 작용하는지를 이해하기 위하여, 미세 섬유 매트를 ESCA로 불리우는 표면 분석 기술을 사용하여 분석한다. 표 1에 제시된 10% 부가 샘플을 미네소타 대학에서 ESCA로 분석하며, 그 결과는 표 2에 제시되어 있다.
표면 조성(중합체:부가제 비)
가열 시간
온도 1분 3분 10분
150℃ 40:60 40:60 50:50
130℃ 60:40 56:44 62:82
110℃ 63:37 64:36 59:41
가열하지 않음 77:23
먼저, 부피 농도의 2배 이상인 부가제의 표면 농도를 찾는 것이 이해되지 않을 수 있다. 그러나, 이는 부가제의 분자량에 의해 설명될 수 있음을 알 수 있다. 약 600인 부가제의 분자량은 호스트 섬유 형성 중합체의 분자량보다 훨씬 작다. 이들은 크기가 더 작기 때문에, 이들은 증발하는 용매 분자와 함께 이동될 수 있다. 따라서, 부가제의 보다 높은 표면 농도를 성취하였다. 추가의 처리로 보호성 부가제의 표면 농도가 증가된다. 그러나, 150℃에서 10분 노출시, 농도는 증가하지 않는다. 이는 코폴리아미드 및 올리고머 분자인 두 성분의 혼합이 장쇄 중합체가 주위로 이동될 시간을 갖는 경우 발생됨을 나타낼 수 있다. 이러한 분석이 교시하는 것은 후처리 시간 및 온도의 적절한 선택이 성능을 증진시킬 수 있는 반면에, 너무 긴 노출은 부정적인 영향을 줄 수 있다는 것이다.
또한, 이들 부가제의 표면에 플라이트 SIMS의 Time(Time of Flight SIMS)으로 불리우는 기술을 사용하여 마이크로 섬유를 부하하는 것을 연구하였다. 이 기술은 대상을 전자에 의해 충격을 가하는 단계를 포함하며, 표면으로부터 무엇이 생성되는지를 관찰한다. 부가제가 없는 샘플은 유기 질소 그룹이 전자에 의한 충격시 방출됨을 보여준다. 이는 폴리아미드 그룹이 파괴됨을 나타낸다. 이것은 또한 소량의 불순물(예: 나트륨 및 실리콘)의 존재를 나타낸다. 열처리 없이 부가제를 함유하는 샘플(표면 상에 23% 부가제 농도)은 압도적인 3급 부틸 단편 그룹을 나타내며, 작지만 명확한 피크가 폴리아미드에 대해 관찰되는 피크이다. 3급 부틸 페놀에 상응하는, 질량차가 148amu인 높은 매스 피크가 또한 관찰된다. 150℃에서 10분 동안 처리한 샘플(ESCA 분석에 의한 50% 표면 부가제 농도)의 경우, 검사는 3급 부틸 단편의 우세함 및 미량의 폴리아미드에 대한 피크를 나타낸다. 전체 3급 부틸 페놀 및 이의 중합체와 관련된 피크는 나타내지 않는다. C2H3O 단편과 관련된 피크를 또한 나타낸다.
ToF SIMS 분석으로 폴리아미드 섬유는 이온 충격에 의해 표면상에 노출된 중합체 쇄 및 오물로부터 파괴된 질소 단편이 방출됨을 알 수 있다. 열처리 없는 부가제는 불완전한 도포를 나타내며, 이는 부가제가 표면의 일부를 덮지 못하였음을 나타내는 것이다. 3급 부틸 올리고머는 표면상에서 느슨히 유기화된다. 이온 비임이 표면을 때릴 경우, 전체 분자는 불안정한 3급 부틸 단편과 함께 방출될 수 있다. 열처리된 부가제는 표면 위에 완전한 도포를 촉진한다. 또한, 분자는 조밀하게 배열되어, 단지 불안정한 단편(예: 3급 부틸-) 및 아마도 CH=CH-OH가 방출되고, 3급 부틸 페놀의 전체 분자는 방출되지 않도록 한다. ESCA 및 ToF SIMS는 상이한 깊이의 표면으로 보인다. ESCA는 100Å 이하의 보다 깊은 표면으로 보이지만, Tof SIMS는 단지 10Å 깊이로 보인다. 이들 분석은 일치한다.
실시예 6:
표면 피복된 인터폴리머의 개발
형태 8 나일론은 피복 및 부착 적용을 위한 본래 가용성이고 가교결합 가능한 수지를 제조하기 위하여 개발되었다. 이러한 형태의 중합체는 폴리아미드 66과 포름알데히드 및 알콜을 산의 존재하에 반응시켜 제조한다[참조: Cairns, T.L.; Foster, H.D.; Larcher, A.W.; Schneider, A.K.; Schreiber, R.S. J. Am. Chem. Soc. 1949, 71, 651]. 이러한 형태의 중합체는 전기방사하여, 가교결합시킬 수 있다. 그러나, 이러한 중합체로부터 섬유의 형성은 고폴리아미드보다 열등하며, 가교결합은 복잡할 수 있다.
형태 8 나일론을 제조하기 위하여, 10-gallon의 고압 반응기에 다음의 비로 충전시킨다:
나일론 66(듀폰 지텔 101) 10 pounds
메탄올 15.1 pounds
물 2.0 pounds
포름알데히드 12.0 pounds
그 다음, 반응기를 질소로 플러싱하고, 압력하에 135℃ 이상으로 가열한다. 원하는 온도에 이르면, 소량의 산을 촉매로서 가한다. 산성 촉매에는 트리플루오로아세트산, 포름산, 톨루엔 설폰산, 말레산, 말레산 무수물, 프탈산, 프탈산 무수물, 인산, 시트르산 및 이들의 혼합물이 포함된다. 나피온(Nafion
Figure 112007055119260-pct00044
) 중합체가 촉매로서 사용된다. 촉매의 부가후, 반응을 30분까지 진행시킨다. 점성의 균질한 중합체 용액이 이 단계에서 형성된다. 명시된 반응 시간이 경과한 후에, 고압 용기의 내용물을 메탄올, 물 및 염기(예: 수산화암모늄 또는 수산화나트륨)를 함유하는 욕으로 옮겨서 반응을 잠시 정지시킨다. 용액을 충분히 급냉시킨 후, 용액을 탈이온수로 침전시킨다. 중합체의 보풀이 있는 과립이 형성된다. 그 다음에, 중합체 과립을 원심분리하고, 진공 건조시킨다. 이 중합체는 변화량의 물과 함께 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올 및 이들의 혼합물에 가용성이다. 이들은 또한 상이한 알콜의 블렌드에 가용성이다.
이렇게 형성된 알콕시 알킬 개질된 형태 8 폴리아미드를 에탄올/물 혼합물에 용해시킨다. 중합체 용액은 바리스(Barris)의 미국 특허 제4,650,516호에 기재된 방식으로 전기방사한다. 중합체 용액 점도는 시간이 경과함에 따라 증가된다. 이는 일반적으로 중합체 점도가 섬유 크기를 결정하는 데 상당한 영향을 주는 것으로 알려지고 있다. 따라서, 상업적 규모의 연속 생산으로 공정을 조절하기 어렵다. 더욱이, 동일한 조건하에, 형태 8 폴리아미드는 코폴리아미드만큼 효율적으로 마이크로 섬유를 형성하지 못한다. 그러나, 용액을 산성 촉매(예: 톨루엔 설폰산, 말레산 무수물, 트리플루오로 메탄설폰산, 시트르산 및 아스코르브산 등)의 부가와 함께 제조하고 섬유 매트를 주의해서 섬유 형성후 열처리하는 경우, 생성된 섬유는 매우 양호한 내약품성을 갖는다(도 13). 섬유상 구조부재를 파과하지 않도록 가교결합 단계 동안 주의해야 한다.
형태 8 폴리아미드(중합체 B)를 알콜 가용성 코폴리아미드와 블렌딩하는 경우에 놀라운 결과를 발견하였다. 알콕시 알킬 개질된 폴리아미드 66의 30중량%를 SVP 637 또는 651(중합체 A), 엘브아미드 8061과 같은 알콜 가용성 코폴리아미드로 교환함으로써, 상승 효과가 확인된다. 블렌드의 섬유 형성은 단독 성분인 경우보다 효율적이다. 에탄올에 침지시키고, 여과 효율을 측정하면 98%보다 양호한 여과 효율 보유를 나타내며, THC 벤치 시험은 단독의 형태 8 폴리아미드와 견줄만한 결과를 나타낸다. 이러한 형태의 블렌드는 가교결합된 형태 8 폴리아미드의 우수한 내약품성의 잇점과 함께 코폴리아미드의 효율적인 섬유 형성 및 우수한 여과 특성의 잇점을 수득할 수 있음을 보여주고 있다. 알콜 침지 시험은 가교결합될 수 없는 코폴리아미드가 가교결합에 참여하여 여과 효율의 98%를 유지한다고 강력히 제안하고 있다.
중합체 A 및 B의 블렌드의 DSC(참조: 도 17 내지 20)는, 구별되는 융점없이 이들을 250℃로 가열한 후, 중합체 A 단독의 것과 구별되지 않게 된다(완전 가교결합). 이는 중합체 A 및 B의 혼합물이 중합체 A와의 가교결합된 중합체 B에 의해 완전 통합된 중합체임을 강력히 제시하고 있다. 이는 완전히 신규 그룹의 폴리아미드이다.
유사하게, 폴리(부틸렌 테레프탈레이트)와 폴리(에틸렌 테레프탈레이트)의 용융 블렌드가 유사한 특성을 가질 수 있다. 각 성분의 융점보다 높은 온도에서 용융 가공하는 동안, 에스테르 그룹 교환이 일어나고, PET 및 PBT의 인터폴리머가 형성된다. 더욱이, 가교결합 온도는 단독 성분의 것보다 낮다. 이러한 그룹 교환은 이 온도에서 일어나리라 예상되지 않는다. 따라서, 형태 A 및 형태 B 폴리아미드의 용액 블렌딩 및 각 성분의 융점보다 낮은 온도에서 가교결합에 의해 수득되는 신규 그룹의 폴리아미드를 발견한 것으로 여겨진다.
10중량%의 3급 부틸 페놀 올리고머(부가제 7)를 가하고 가교결합 온도에 필요한 온도에서 열처리하는 경우에도, 심지어 양호한 결과가 확인되었다. 본 발명자는 3급 부틸 페놀 올리고머의 하이드록시 작용기가 형태 8 나일론의 작용기와의 반응에 참여한다고 이론화하였다. 본 발명자가 밝혀낸 것은 당해 성분 시스템이 양호한 섬유 형성, 개선된 고온 및 다습에 대한 내성 및 미세 섬유층의 표면에 대한 소수성을 제공한다는 것이다.
중합체 A와 중합체 B의 혼합물의 샘플(샘플 6A) 및 중합체 A, 중합체 B 및 부가제의 혼합물의 다른 샘플(샘플 6B)을 제조한다. 그 다음에, 전기방사 공정에 의해 섬유를 형성하고, 섬유 매트를 148.9℃에 10분 동안 노출시킨 다음, ESCA 표면 분석에 의해 표면 조성을 평가한다.
샘플 6A 및 6B의 ESCA 분석
조성(%) 샘플 6A 샘플 6B
중합체 A 30 30
중합체 B 70 70
부가제 7 0 10
표면 조성 W/O 가열 W/가열 W/O 가열 W/가열
중합체 A&B(%) 100 100 68.9 43.0
부가제 7 0 0 31.1 57.0
ESCA는, 수소의 농도를 제외한, 표면 조성물에 대한 정보를 제공한다. 이는 탄소, 질소 및 산소에 대한 정보를 제공한다. 부가제 7은 질소를 함유하지 않으므로, 질소 농도를 비교함으로써 질소 함유 폴리아미드 및 질소를 함유하지 않는 부가제의 비를 평가할 수 있다. 부가의 특성 정보는 535 내지 527eV의 결합 에너지의 O 1s 스펙트럼을 검사함으로써 가능하다. C=O 결합은 결합 에너지가 531eV 근처이고, C-O 결합은 533eV에서 결합 에너지를 갖는다. 이들 두 피크의 피크 높이를 비교함으로써, 주로 C=O를 갖는 폴리아미드 및 유일한 C-O 그룹만을 갖는 부가제의 상대적인 농도를 평가할 수 있다. 중합체 B는 개질로 인하여 C-O 결합을 가지며, 가교결합시 C-O의 농도는 감소된다. C-O 결합의 상대적인 감소를 나타내므로, ESCA로 이러한 반응이 실제로 일어남이 확인되었다(도 4는 열처리되지 않은 중합체 A 및 중합체 B의 혼합물 섬유에 대한 것이고, 도 5는 열처리된 중합체 A 및 중합체 B의 혼합물 섬유에 대한 것이다). 부가제 7 분자가 표면에 존재하는 경우, 보다 많은 C-O 결합이 제외될 수 있다. 이는 실제로 도 6 및 7에서 알 수 있는 바와 같은 경우이다(도 6은 중합체 A, 중합체 B 및 부가제 7의 방사 혼합물 섬유에 대한 것이고, 도 7은 열처리된 중합체 A, 중합체 B 및 부가제 7의 혼합물 섬유에 대한 것이다). 도 6은 C-O 결합의 농도가 실시예 7에서는 증가됨을 나타낸다. 발견은 도 8 내지 도 11의 XPS 멀티플렉스 스펙트럼을 근거로 하는 표면 농도와 일치한다.
3급 부틸 올리고머 분자는 미세 섬유 표면으로 이동하여, 약 50Å의 소수성 피복물을 형성한다. 형태 8 나일론은, 3급 부틸 페놀의 -OH 그룹과 반응하리라 예상되는, -CH2OH 및 -CH2OCH3 등의 작용기를 갖는다. 따라서, 섬유 표면에 보다 적은 올리고머 분자를 나타내리라 예상된다. 본 발명자의 가설은 정확하지 않은 것으로 밝혀졌고, 인터폴리머의 표면은 얇은 피막을 갖는 것으로 밝혀졌다.
샘플 6A, 6B 및 섹션 5에 기재된 반복 샘플을 71.1℃ 및 100% RH에서 THC 벤치에 노출시킨다. 전술한 섹션에서, 샘플은 60℃ 및 100% RH에 노출시킨다. 이러한 상황하에, 3급 부틸 페놀은 분해로부터 삼원공중합체 코폴리아미드를 보호한다. 그러나, 온도가 71.1℃ 및 100% RH로 상승되면, 3급 부틸 페놀 올리고머는 제시되는 삼원공중합체 코폴리아미드 섬유의 보호시 양호하지 못하다. 71.1℃ 및 100% RH에서 샘플을 비교한다.
71.1℃ 및 100% RH에 노출후 유지되는 미세 섬유 효율
샘플 1시간 후 2시간 후 3시간 후
샘플 6A 82.6 82.6 85.9
샘플 6B 82.4 88.4 91.6
샘플 5 10.1
표로부터, 샘플 6B는 고온 및 높은 습도에 대한 노출시 보호를 도울 수 있음을 알 수 있다.
보다 놀라운 차이는 섬유 매트상에 물방울에 노출시키는 경우에 나타난다. 샘플 6A 표면에 탈이온수 한 방울을 가하면, 물방울은 즉시 섬유 매트로 퍼지고, 이들은 마찬가지로 종이 기판을 습윤시킨다. 한편, 물 한 방울을 샘플 6B 표면에 가하면, 물방울은 비이드를 형성하여, 매트 표면에 퍼지지 않는다. 샘플 16의 표면을 p-3급 부틸 페놀의 올리고머를 가하여 소수성이 되도록 개질시킨다. 이러한 형태의 생성물은 물방울이 샘플 6B의 미세 섬유 표면 층을 통과하지 않으므로 물안개 제거제로서 사용될 수 있다.
샘플 6A, 6B 및 섹션 5의 반복 샘플을 온도가 154.4℃로 조절된 오븐에 가한다. 표로부터 샘플 6A 및 6B는 완전히 잔류하는 반면, 섹션 5의 샘플은 심하게 손상됨을 알 수 있다.
154.4℃에 노출후 유지되는 미세 섬유 효율
샘플 6시간 후 77시간 후
샘플 6A 100% 100%
샘플 6B 100% 100%
샘플 5 34% 33%
중합체 A에 대한 올리고머의 부가로 미세 섬유 층의 고온 내성이 개선되지만, 부가제 7의 부가는 고온 노출시 중성 효과를 갖는다.
삼원공중합체 코폴리아미드, 알콕시 알킬 개질된 나일론 66 및 3급 부틸 페놀의 올리고머의 혼합물이 삼원공중합체 코폴리아미드 및 3급 부틸 페놀 올리고머의 혼합물 또는 삼원공중합체 코폴리아미드와 알콕시 알킬 개질된 나일론 66의 혼합물에 비하여 제조시 개선된 생산성과 함께 심한 환경하에서도 미세 섬유를 돕는 우수한 제품을 제공함을 확실히 알 수 있다. 이들 2성분 혼합물도 단일 성분 시스템에 비하여 개선점을 갖는다.
실시예 7:
폴리아미드 및 비스페놀 A 중합체의 혼화성 블렌드
신규 그룹의 중합체는 페놀성 환의 산화적 커플링에 의해 제조할 수 있다[참조: Pecora, A; Cyrus, W. 미국 특허 제4,900,671호(1990) 및 Pecora, A; Cyrus, W.; Johnson, M. 미국 특허 제5,153,298호(1992)]. 엔자이몰 코포레이션이 시판중인 비스페놀 A로 제조된 중합체에 특히 관심이 있다. 비스페놀 A의 대두 퍼옥시다제 촉매화된 산화는 비스페놀 A의 두 -OH 그룹의 측면으로부터 개시할 수 있다. 선형인, 폴리카보네이트를 기본으로 하는 비스페놀 A와 달리, 이러한 형태의 비스페놀 A 중합체는 과측쇄화 중합체를 형성한다. 이러한 중합체의 과측쇄화 특성으로 인하여, 이들은 중합체 블렌드의 점도를 보다 저하시킬 수 있다.
이러한 형태의 비스페놀 A 중합체는 폴리아미드와 용액 블렌딩될 수 있음을 밝혀내었다. 나일론에 대해 보고된 한젠 용해도 파라미터(Hansen's solubility parameter)는 18.6이다[참조: Page 317, Handbook of Solubility Parameters and other cohesion parameters, A. Barton ed., CRC Press, Boca Raton Florida, 1985]. 용해도 파라미터를 계산하는 경우에[참조: Page 61, Handbook of Solubility Parameters], 계산된 용해도 파라미터는 28.0이다. 용해도 파라미터의 차로 인하여, 이들은 서로 혼화성이 될 수 있음을 예상할 수 없다. 그러나, 이들은 아주 혼화성이고, 예상밖의 특성을 제공함을 밝혀내었다.
분자량이 3,000인 비스페놀 A 수지와 코폴리아미드의 50:50 블렌드를 에탄올 용액에서 제조한다. 용액의 전체 농도는 10%이다. 코폴리아미드 단독은 직경이 0.2㎛인 섬유를 생성한다. 블렌드는 1㎛ 근처의 높은 섬유 층을 생성한다. 분자량이 7,000인 비스페놀 A는 코폴리아미드와 안정하지 못하고, 침전되는 경향이 있다.
50:50 블렌드의 DSC로부터 융점의 결여를 알 수 있다. 코폴리아미드는 융점이 150℃ 근처이고, 비스페놀 A 수지는 Tg가 약 100인 유리질 중합체이다. 블렌드는 독특한 융점의 결여를 보인다. 섬유 매트를 100℃로 노출시키는 경우, 섬유 매트는 사라진다. 당해 블렌드는 우수한 필터 매체를 제조하며, 이때 상부 사용 온도는 매우 높지 않지만, 낮은 압력 강하가 요구된다. 당해 중합체 시스템은 적합한 방법으로 가교결합될 수 없다.
실시예 8:
블렌드중 용매 및 고체로서의 비스페놀 A 중합체의 이중 역할
비스페놀 A 중합체 블렌드의 놀라운 특징은 용액 형태에서 비스페놀 A 중합체가 용매처럼 작용하고, 고체 형태에서는 중합체가 고체로서 작용한다는 것이다. 본 발명자는 실제로 독특한 비스페놀 A 중합체의 이중 역할을 발견하였다.
하기 배합물을 제조한다:
알콕시 알킬 개질된 PA 66: 중합체 B 180g
비스페놀 A 수지(분자량 3,000): 중합체 C 108g
에탄올 190 등급 827g
아세톤 218g
탈이온수 167g
촉매 9.3g
이 블렌드의 점도는 브룩필드 점도계로 측정시 32.6센티포이즈이다. 전체 중합체 농도는 19.2%이다. 19.2%인 중합체 B의 점도는 200센티포이즈보다 크다. 유사한 용매중 12% 중합체 B 단독의 점도는 60센티포이즈 근처이다. 이는, 전체 용액의 점도가 예상되는 것보다 낮기 때문에, 비스페놀 A 수지가 용매로서 작용하는 확실한 예가 된다. 생성된 섬유 직경은 0.157㎛이다. 섬유 형성시 단독으로 중합체 B만이 참여하는 경우, 예상되는 섬유 크기는 0.1㎛ 미만이다. 환언하면, 중합체 C가 섬유 형성에 참여한다. 이러한 1성분의 극적인 이중 역할의 다른 경우를 알지 못한다. 샘플을 에탄올에 침지시킨 후에, 여과 효율 및 섬유 크기를 측정한다. 알콜 침지 후에, 85.6%의 여과 효율이 유지되며, 섬유 크기는 변하지 않는다. 이는 중합체 C가 중합체 고체처럼 가교결합 작용에 참여함을 의미한다.
다른 중합체 용액은 하기의 방식으로 제조한다:
알콕시 알킬 개질된 PA 66: 중합체 B 225g
비스페놀 A 수지(분자량 3,000): 중합체 C 135g
에탄올 190 등급 778g
아세톤 205g
탈이온수 157g
촉매 11.6g
이 블렌드의 점도는 90.2센티포이즈이다. 이는 24% 고체에 대한 매우 낮은 점도값이다. 또한, 이는 중합체 C가 용액중 용매처럼 작용함을 나타낸다. 그러나, 이들이 섬유로 전기방사되는 경우, 섬유 직경은 0.438㎛이다. 중합체 B 단독의 15% 용액은 0.2㎛ 근처의 섬유를 생성한다. 마지막 상태에서, 중합체 C는 섬유 크기를 확대하는 데 기여한다. 또한, 본 실시예는 이러한 형태의 측쇄형 중합체가 용액중 용매로서 작용하고, 최종 상태에서 고체로서 작용함을 나타내는 것이다. 에탄올 용액에 침지시킨 후에, 77.9%의 여과 효율이 유지되며, 섬유 크기는 변하지 않는다.
실시예 9:
가교결합된 폴리아미드/비스페놀 A 중합체 블렌드의 개발
3개의 상이한 샘플은 수지, 알콜 및 물을 혼합하고, 60℃에서 2시간 동안 교반하여 제조한다. 용액을 실온으로 냉각시키고, 촉매를 용액에 가하여, 혼합물을 다시 15분 동안 교반한다. 그 다음, 용액의 점도를 측정하고, 섬유로 방사한다.
하기 표는 이들 실시예를 나타내는 것이다:
재료(g) 샘플 9A 샘플 9B 샘플 9C
중합체 B 8.4 12.6 14.7
중합체 A 3.6 5.4 6.3
중합체 C 7.2 10.8 12.6
에탄올 190 등급 89.3 82.7 79.5
이소프로판올 23.5 21.8 21.0
탈이온수 18.0 16.7 15.9
촉매 .45 0.58 0.79
점도(cP) 22.5 73.5 134.2
섬유 크기(㎛) 0.14 0.258 0.496
이러한 블렌드는 섬유를 효율적으로 생성하고, 중합체 A에 비하여, 약 50% 이상인 매스의 섬유를 제조함을 밝혀내었다. 또한, 생성된 중합체성 마이크로 섬유는 내약품성이 보다 우수한 섬유를 생성한다. 알콜 침지후, 이들 섬유로부터 제조된 필터는 90% 이상의 여과 효율을 유지하고, 심지어 본래 가교결합 가능한 중합체가 단지 고체 조성물의 44%일지라도, 섬유 직경은 변하지 않는다. 이러한 코폴리아미드, 알콕시 알킬 개질된 나일론 66 및 비스페놀 A의 3개 중합체로 이루어진 조성물은 우수한 섬유 형성용 내약품성 물질을 생성한다.
실시예 10:
나일론 66 및 나일론 46의 알콕시 알킬 개질된 공중합체
10갤론의 고압 반응기에서, 하기의 반응을 수행하고, 생성된 중합체를 분석한다. 반응 온도에 이른 후, 촉매를 가하고, 15분 동안 반응시킨다. 그 후에, 중합체 용액을 급냉시키고, 침전시켜 세척한 다음, 건조시킨다.
반응기 충전(LB) 수행 10A 수행 10B 수행 10C 수행 10D 수행 10E
나일론 4,6(듀폰 지텔 101) 10 5 5 5 5
나일론 6,6(DSM 스타닐 300) 0 5 5 5 5
포름알데히드 8 10 8 10 8
탈이온수 0.2 0.2 2 0.2 2
메탄올 22 20 20 20 20
반응 온도(℃) 140 140 140 150 150
Tg(℃) 56.7 38.8 37.7 38.5 31.8
Tm(℃) 241.1 162.3 184.9 175.4 189.5
치환 수준
알콕시(중량%) 11.9 11.7 7.1 11.1 8.4
메틸올(중량%) 0.14 0.13 0.14 0.26 0.24
나일론 46 및 나일론 66에 의해 제조된 중합체의 DSC는 개질된 나일론 46(241℃) 또는 개질된 나일론 66(210℃)의 융점보다 낮은 광범위한 단일 융점을 나타낸다. 이는 반응 동안, 두 성분이 중합체 쇄를 따라 랜덤하게 분포된다는 표시이다. 따라서, 본 발명자는 알콕시 알킬 개질에 의해 나일론 46 및 나일론 66의 랜덤 공중합체를 성취하리라 여기고 있다. 이들 중합체는 알콜 및 알콜과 물의 혼합물에 가용성이다.
특성 ASTM 나일론 6.6 나일론 4.6
Tm 265℃ 195℃
인장 강도 D638 13.700 8.500
파단 신도 D638 15-80 60
인장 회복 강도 D638 8000-12,000
굴곡 강도 D790 17,8000 11,500
인장 탄성률 ×103psi D638 230-550 250
노치의 이조드 충격 (ft-lb/in) D256A 0.55-1.0 17
굴곡 하중 264psi하의 편향 온도 D648 158 194
모두는 상당히 결정성이고, 통상의 알콜에 가용성이 아니다.
공급원: 모던 플라스틱스 엔사이클로피디아(Modern Plastics Encyclopedia) 1988
실시예 11:
코폴리아미드 및 알콕시알킬 개질된 나일론 46/66 공중합체의 인터폴리머 개발 및 전기방사 섬유의 형성
수행 10B 및 10D 샘플을 상기 기재된 방법에 의해 섬유로 제조한다. 알콕시 알킬 개질된 나일론 46/66(중합체 D) 만이 성공적으로 전기방사된다. 중합체 D와 중합체 A를 블렌딩하면, 하기 표에서 알 수 있는 바와 같이 중합체 D의 가교결합성에 영향없이, 보다 효율적인 섬유 형성 및 보다 큰 섬유를 제조하는 능력의 부가적인 잇점을 갖게 된다:
중합체 10B 중합체 10D
단독 w/30% 단독 w/30%
중합체 A 중합체 A
섬유 크기(㎛) 0.183 0.464 0.19 0.3
섬유 매스 비율 1 3 1 2
여과 효율 보유율(%) 87 90 92 90
섬유 매스 비를 계산한다(단면적의 전체 섬유 길이의 배). 여과 효율 보유 율은 에탄올에 필터 샘플을 침지시켜 측정한다. 섬유 크기는 알콜 침지에 의해 변하지 않는다.
실시예 12:
가교결합된 전기방사 PVA
PVA 분말을 알드리히 케미칼즈(Aldrich Chemicals)에서 구입한다. 이들을 물 또는 메탄올과 물의 50/50 혼합물에 용해시킨다. 이들을 전기방사 전에 가교결합제 및 톨루엔 설폰산 촉매와 혼합한다. 생성된 섬유 매트는 THC 벤치에 노출시키기 전에 오븐에서 150℃로 10분 동안 가교결합시킨다.
샘플 12A 샘플 12B 샘플 12C 샘플 12D
PVA
가수분해 98-99 87-89 87-89 87-89
분자량 31,500-50,000 31,500-50,000 31,500-50,000 31,500-50,000
PVA 농도(%) 10 10 10 10
용매 물 혼합물 혼합물(c) 혼합물(d)
기타 중합체 없음 없음 아크릴산 시멜 385
기타 중합체/PVA(%) 0 0 30 30
THC에 1시간 동안 유지된 섬유(%) 0(a) 0(a,b) 95(b) 20(b)
THC에 3시간 동안 보유된 섬유(%) 90(a)
(a): 온도 71.1℃ 및 100% 습도
(b): 온도 60℃ 및 100% 습도
(c): 분자량 2000
(d): 사이텍(cytec)사의 멜라민 포름알데히드 수지
실시예 13:
통상의 셀룰로즈 공기 필터 매체를 기판으로서 사용한다. 이 기판은 기본 중량이 67pound/3000ft2이고, 프레지어 투과성은 0.5in의 수압 강하에서 16ft/min이며, 두께는 0.012in이고, LEFS 효율은 41.6%이다. 실시예 1의 미세 섬유 층은 0.2㎛의 공칭 섬유 직경을 사용하여 기술한 공정을 사용하여 표면에 가한다. 생성된 복합체는 LEFS 효율이 63.7%이다. 100% 상대 습도에서 60℃의 공기에 1시간 동안 노출시킨 후에, 기판만의 샘플을 냉각시키고 건조시킨 다음, LEFS 효율은 36.5%이다. 100% 상대 습도에서 60℃의 공기에 1시간 동안 노출시킨 후에, 복합체 샘플을 냉각시키고 건조시킨 다음, LEFS 효율은 39.7%이다. 기술되는 수학식을 사용하면, 1시간의 노출 후에 보유되는 미세 섬유 층의 효율은 13%이고, 보유되는 유효 미세 섬유의 수는 11%이다.
실시예 14:
통상의 셀룰로즈 공기 필터 매체를 기판으로서 사용한다. 이 기판은 기본 중량이 67pound/3000ft2이고, 프레지어 투과성은 0.5in의 수압 강하에서 16ft/min이며, 두께는 0.012in이고, LEFS 효율은 41.6%이다. 실시예 5의 미세 섬유 층은 0.2㎛의 공칭 섬유 직경을 사용하여 기술한 공정을 사용하여 표면에 가한다. 생성된 복합체는 LEFS 효율이 96.0%이다. 100% 상대 습도에서 71.1℃의 공기에 3시간 동안 노출시킨 후에, 기판만의 샘플을 냉각시키고 건조시킨 다음, LEFS 효율은 35.3%이다. 100% 상대 습도에서 71.1℃의 공기에 3시간 동안 노출시킨 후에, 복합체 샘플을 냉각시키고 건조시킨 다음, LEFS 효율은 68.0%이다. 기술되는 수학식을 사용하면, 3시간의 노출 후에 보유되는 미세 섬유 층의 효율은 58%이고, 보유되는 유효 미세 섬유의 수는 29%이다.
실시예 15:
통상의 셀룰로즈 공기 필터 매체를 기판으로서 사용한다. 이 기판은 기본 중량이 67pound/3000ft2이고, 프레지어 투과성은 0.5in의 수압 강하에서 16ft/min이며, 두께는 0.012in이고, LEFS 효율은 41.6%이다. 실시예 6에 기재된 바와 같은 중합체 A 및 중합체 B의 블렌드의 미세 섬유 층은 0.2㎛의 공칭 섬유 직경을 사용하여 기술한 공정을 사용하여 표면에 가한다. 생성된 복합체는 LEFS 효율이 92.9%이다. 100% 상대 습도에서 71.1℃의 공기에 3시간 동안 노출시킨 후에, 기판만의 샘플을 냉각시키고 건조시킨 다음, LEFS 효율은 35.3%이다. 100% 상대 습도에서 71.1℃의 공기에 3시간 동안 노출시킨 후에, 복합체 샘플을 냉각시키고 건조시킨 다음, LEFS 효율은 86.0%이다. 기술되는 수학식을 사용하면, 3시간의 노출 후에 보유되는 미세 섬유 층의 효율은 96%이고, 보유되는 유효 미세 섬유의 수는 89%이다.
실시예 16:
통상의 셀룰로즈 공기 필터 매체를 기판으로서 사용한다. 이 기판은 기본 중량이 67pound/3000ft2이고, 프레지어 투과성은 0.5in의 수압 강하에서 16ft/min이며, 두께는 0.012in이고, LEFS 효율은 41.6%이다. 실시예 6에서 기술한 바와 같은 중합체 A, 중합체 B 및 3급 부틸 페놀 올리고머의 미세 섬유 층은 0.2㎛의 공칭 섬유 직경을 사용하여 기술한 공정을 사용하여 표면에 가한다. 생성된 복합체는 LEFS 효율이 90.4%이다. 100% 상대 습도에서 71.1℃의 공기에 3시간 동안 노출시킨 후에, 기판만의 샘플을 냉각시키고 건조시킨 다음, LEFS 효율은 35.3%이다. 100% 상대 습도에서 71.1℃의 공기에 3시간 동안 노출시킨 후에, 복합체 샘플을 냉각시키고 건조시킨 다음, LEFS 효율은 87.3%이다. 기술되는 수학식을 사용하면, 3시간의 노출 후에 보유되는 미세 섬유 층의 효율은 97%이고, 보유되는 유효 미세 섬유의 수는 92%이다.
실시예 17:
통상의 셀룰로즈 공기 필터 매체를 기판으로서 사용한다. 이 기판은 기본 중량이 67pound/3000ft2이고, 프레지어 투과성은 0.5in의 수압 강하에서 16ft/min이며, 두께는 0.012in이고, LEFS 효율은 41.6%이다. 실시예 12의 폴리아크릴산과 가교결합된 PVA의 미세 섬유 층은 0.2㎛의 공칭 섬유 직경을 사용하여 기술한 공정을 사용하여 표면에 가한다. 생성된 복합체는 LEFS 효율이 92.9%이다. 100% 상대 습도에서 71.1℃의 공기에 2시간 동안 노출시킨 후에, 기판만의 샘플을 냉각시키고 건조시킨 다음, LEFS 효율은 35.3%이다. 100% 상대 습도에서 71.1℃의 공기에 2시간 동안 노출시킨 후에, 복합체 샘플을 냉각시키고 건조시킨 다음, LEFS 효율은 83.1%이다. 기술되는 수학식을 사용하면, 2시간의 노출 후에 보유되는 미세 섬유 층의 효율은 89%이고, 보유되는 유효 미세 섬유의 수는 76%이다.
실시예 18:
하기의 필터 매체는 실시예 1 내지 17에 기재된 방법을 사용하여 제조한다.
필터 매체 실시예
기판 기판 투과성 (프래지어) 기판 기본 중량 (lbs/3000ft2) 기판 두께 (in) 기판 효율 (LEFS) 복합체 효율 (LEFS)
단일 기판 위의 단일 미세 섬유 층(매체를 통해 소정 방향으로 유동) (+/-10%) (+/-10%) (+/-25%) (+/-5%) (+/-5%)
셀룰로즈 공기 필터 매체 58 67 0.012 11% 50%
셀룰로즈 공기 필터 매체 16 67 0.012 43% 58%
셀룰로즈 공기 필터 매체 58 67 0.012 11% 65%
셀룰로즈 공기 필터 매체 16 67 0.012 43% 70%
셀룰로즈 공기 필터 매체 22 52 0.010 17% 70%
셀룰로즈 공기 필터 매체 16 67 0.012 43% 72%
셀룰로즈/내습성 수지와의 합성 블렌드 14 70 0.012 30% 70%
난연제 셀룰로즈 공기 필터 매체 17 77 0.012 31% 58%
난연제 셀룰로즈 공기 필터 매체 17 77 0.012 31% 72%
난연제 합성 공기 필터 매체 27 83 0.012 77%
방사결합 리메이 (폴리에스테르) 1200 15 0.007 5% 55%
합성/셀룰로즈 공기 필터 매체 260 76 0.015 6% 17%
합성/유리 공기 필터 매체 31 70 0.012 55% 77%
합성/유리 공기 필터 매체 31 70 0.012 50% 90%
기판 위의 단일 미세 섬유 층. 이어서, 2개 층의 복합체를 함께 적층시킨다(외부의 내부 기판 위의 미세 섬유 층)
합성(루트라도르-폴리에스테르) 300 25 0.008 3% 65%
합성(루트라도르-폴리에스테르) 0.016 90%
매체는 평평하고, 파형 및 주름지고, 평평한 시트, 주름진 평평한 패널, 주름진 둥근 필터 및 지(Zee) 필터를 사용하여 왔다.
시험 방법
열수 침지 시험
구조부재에 효과적으로 및 기능적으로 보유되는 미세 섬유의 수의 척도로서 여과 효율을 사용하면 SEM 평가와 같은 다른 가능한 방법에 비하여 수많은 잇점을 갖게 된다.
- 여과 척도는 매체의 수 in2를 평가하여 SEM 광현미경 사진(대개는 0.0001in2 미만임)에서 보여지는 작은 면적보다 양호한 평균을 수득한다.
- 여과 측정은 구조부재에서 기능하는 잔류 섬유의 수를 정량화한다. 잔류하지만, 함께 덩어리가 되거나 달리 변화된 구조로 존재하는 섬유들은 측정되는 이들의 유효성 및 기능성에 의해서만 포함된다.
그럼에도 불구하고, 여과 효율이 용이하게 측정되지 않는 섬유상 구조부재에서, 다른 방법이 잔류하는 섬유(%)를 측정하기 위하여 사용될 수 있고, 50% 보유 범위에 대해 평가한다.
설명: 본 시험은 필터 매체의 내습성의 가속화된 척도이다. 시험은 물에 침지시 필터 매체 성능 변화를 측정하기 위하여 LEFS 시험 벤치를 사용한다. 수온은 중요한 파라미터이며, 조사중인 매체의 잔존성 히스토리, 시험 시간을 최소화하려는 목적 및 매체 형태간에 구별하는 시험의 능력을 근거로 선택된다. 통상의 수온은 21.1℃, 60℃ 또는 71.1℃이다.
방법:
4" 직경의 샘플을 매체로부터 절단한다. 시험편의 입자 포착 효율은 20FPM에서 작동하는 LEFS(LEFS 시험의 설명을 위해, 참조: ASTM 표준 F1215-89) 벤치의 시험 수행 오물로서 0.8㎛의 라텍스 구를 사용하여 계산한다. 그 다음에, 샘플을 (통상 60℃) 증류수에 5분 동안 침지시킨다. 이어서, 샘플을 건조 랙에 놓고, 실온(통상 밤새)에서 건조시킨다. 건조되면, 샘플은 초기 계산시와 동일한 조건을 사용하여 LEFS 벤치에 대한 효율을 위해 다시 시험한다. 전술한 단계는 미세 섬유가 없는 미세 섬유 지지 기판에 대해 반복한다.
상기 정보로부터, 미세 섬유 및 물 손상으로 인한 생성된 효율 손실에 단지 기인하는 성분 효율을 계산할 수 있다. 미세 섬유로 인한 효율 손실을 측정하는 경우, 보유되는 효율량을 계산할 수 있다.
계산:
미세 섬유 층 효율: Ei = 초기 복합체 효율;
Es = 초기 기판 효율;
Fe = 미세 섬유 층
Fe = 1-EXP(Ln(1-Ei)-Ln(1-Ex))
보유되는 미세 섬유 층 효율: Fi = 초기 미세 섬유 층 효율;
Fx = 침지후 미세 섬유 층 효율;
Fr = 보유되는 미세 섬유
Fr = Fx/Fi
효과적인 작용성을 갖고 보유되는 미세 섬유의 %를 또한 하기 수학식에 의해 계산할 수 있다:
% = log(1-Fx)/log(1-Fi)
합격/불합격 기준: > 50% 효율 유지
가장 공업적인 펄스 세정 필터 적용시, 필터는 미세 섬유 효율 50% 이상이 유지된다면 적절히 수행한다.
THC 벤치(온도, 습도)
설명: 당해 벤치의 목적은 동적 유동 조건하에 승온 및 높은 습도의 영향에 대한 미세 섬유 매체의 내성을 평가하는 것이다. 시험은 공업용 여과 적용, 가스 터빈 입구 적용 또는 중기 엔진 공기 흡입 환경의 극단적인 작동 조건을 모의하고자 한다. 샘플을 회수하고, 건조시켜 간격적으로 LEFS 시험한다. 이 시스템은 뜨겁고 습한 조건을 모의하는데 대부분 사용되지만, 또한 뜨겁고/찬 건조 상태를 모의하는데 사용될 수 있다.
온도: -35 내지 198.9℃
습도: 0 내지 100% RH(100% RH에 대한 최대 온도 및 이 상태에서 최대 연속 지속 시간은 16시간임)
유량: 1 내지 35 FPM
방법:
4" 직경의 샘플을 매체로부터 절단한다.
시험편에 대한 입자 포착 효율은 20FPM에서 작동하는 LEFS 벤치에서 시험 수행 오물로서 0.8㎛의 라텍스 구를 사용하여 계산한다.
그 다음에, 샘플을 THC 매체 척(chuck)으로 삽입한다.
시험 시간은 시험 조건에 따라 수 분 내지 수 일일 수 있다.
이어서, 샘플을 건조 랙에 놓고, 실온(통상 밤새)에서 건조시킨다. 건조되면, 샘플은 초기 계산시와 동일한 조건을 사용하여 LEFS 벤치에 대한 효율을 위해 다시 시험한다.
전술한 단계는 미세 섬유가 없는 미세 섬유 지지 기판에 대해 반복한다.
상기 정보로부터, 미세 섬유 및 알콜 손상으로 인한 생성된 효율 손실에 단지 기인하는 성분 효율을 계산할 수 있다.
미세 섬유로 인한 효율 손실을 측정하는 경우, 유지되는 효율량을 계산할 수 있다.
합격/불합격 기준: > 50% 효율 유지
가장 공업적인 펄스 세정 필터 적용시, 필터는 미세 섬유 효율 50% 이상이 유지된다면 적절히 수행한다.
알콜(에탄올) 침지 시험
설명: 시험은 실온의 에탄올에 침지시 필터 매체 성능 변화를 측정하기 위해 LEFS 시험 벤치를 사용한다.
방법:
4" 직경의 샘플을 매체로부터 절단한다. 시험편에 대한 입자 포착 효율은 20FPM에서 작동하는 LEFS 벤치에서 시험 수행 오물로서 0.8㎛의 라텍스 구를 사용하여 계산한다. 그 다음에, 샘플을 1분 동안 알콜에 침지시킨다.
이어서, 샘플을 건조 랙에 놓고, 실온(통상 밤새)에서 건조시킨다. 건조되면, 샘플은 초기 계산시와 동일한 조건을 사용하여 LEFS 벤치에 대한 효율을 위해 다시 시험한다. 전술한 단계는 미세 섬유가 없는 미세 섬유 지지 기판에 대해 반복한다. 상기 정보로부터, 미세 섬유 및 알콜 손상으로 인한 생성된 효율 손실에 단지 기인하는 성분 효율을 계산할 수 있다. 미세 섬유로 인한 효율 손실을 측정하는 경우, 유지되는 효율량을 계산할 수 있다.
합격/불합격 기준: > 50% 효율 유지
상기의 명세서, 실시예 및 데이터는 본 발명의 설명을 제공한다. 그러나, 많은 변화 및 양태가 기술된 본 발명에 대해 수행될 수 있다. 본 발명은 첨부되는 본 명세서의 청구의 범위에서 구체화된다.

Claims (60)

  1. 제1 대향 유동면과 제2 대향 유동면 및 복수의 골(flute)을 포함하는 기판을 갖는 매체 팩(media pack)(a)을 포함하는 필터 여과재 장치로서,
    매체 팩에서,
    (i) 복수의 골 각각이 제1 유동면에 인접한 제1 말단부와 제2 유동면에 인접한 제2 말단부를 갖고,
    (ii) 복수의 골 중의 소정의 골이 제1 말단부에서는 개방되어 있고 제2 말단부에서는 밀폐되어 있으며, 복수의 골 중의 소정의 골이 제1 말단부에서는 밀폐되어 있고 제2 말단부에서는 개방되어 있으며,
    (iii) 기판이 직경 0.01 내지 0.5㎛의 섬유를 포함하는 미세 섬유를 포함하는 층에 의해 적어도 부분적으로 피복되어 있으며, 60℃의 공기 및 100% 상대습도의 시험 조건하에 16시간의 시험 기간 동안 노출시키는 조건하에 시험하는 경우, 섬유의 30% 이상이 여과에 대해 변하지 않은 상태로 유지됨을 특징으로 하는, 필터 여과재 장치.
  2. 제1항에 있어서, 섬유가 부가 중합체를 포함하는, 필터 여과재 장치.
  3. 제2항에 있어서, 부가 중합체가 폴리비닐 할라이드 중합체, 폴리비닐리덴 할라이드 중합체 또는 이들의 혼합물을 포함하는, 필터 여과재 장치.
  4. 삭제
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  6. 제2항에 있어서, 부가 중합체가 폴리비닐알콜을 포함하는, 필터 여과재 장치.
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  8. 제6항에 있어서, 폴리비닐알콜이 1 내지 40중량%의 가교결합제로 가교결합되는, 필터 여과재 장치.
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  12. 제1항에 있어서, 섬유가 축합 중합체를 포함하는, 필터 여과재 장치.
  13. 제8항에 있어서, 섬유가 나일론 중합체를 포함하는, 필터 여과재 장치.
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  36. 제12항에 있어서, 축합 중합체가 폴리우레탄 중합체를 포함하는, 필터 여과재 장치.
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