KR100854171B1 - 구조화된 표면 정전기적 여과재 어레이 - Google Patents

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Abstract

적어도 부분적으로 유동 채널을 형성하는 각각의 구조화된 필름층의 적어도 한 면 상에 정의된 구조화된 표면을 갖는 다수의 중합체 구조화된 중합체 필름 층을 포함하는 정전기적으로 충전된 여과재가 제공되는 바, 상기 다수의 구조화된 필름 층은 스택으로 배열되고, 상기 구조화된 표면은 정돈된 유체 경로와 유체 소통하는 스택의 전면을 통하여 개방된 다수의 정돈된 입구를 정의하며, 각각의 유체 경로는 상기 유체가 하나의 입구로부터 스택의 또 다른 면을 통하는 출구 구멍까지 실질적으로 방해되지 않고 유동될 수 있도록 적어도 부분적으로 하나 이상의 불연속적 유동 채널을 정의하며, 여기에서 유체 경로의 층은 두 개의 대향하는 충전된 필름 층에 의해 정의되고, 그 중 적어도 하나는 0.1 mm 내지 5 mm의 평균 높이 및 0.05 mm 내지 50 mm의 평균 폭 및 0.5 내지 10의 평균 종횡비를 갖는 유동 채널을 갖는 구조화된 필름 층이다.
정전기적 여과, 집진기 셀, 여과재, 유동 채널, 종횡비

Description

구조화된 표면 정전기적 여과재 어레이{Structured Surface Electrostatic Filtration Media Array}
본 발명은 고도로 정돈된 유체 경로를 정의하는 구조화된 표면을 갖는 적어도 하나의 층을 포함하는 여과재 및 장치에 관한 것이다.
먼지 입자, 안개, 연기 입자 등을 포함하는 미립자 오염물을 기체상 담체 물질, 특히 공기(이하, 총괄하여 "공기"라 일컫는다)로부터 제거하기 위해 다양한 여과 장치가 사용된다. 이들 여과 장치의 어떤 것은 입자들 상에 고유하게 또는 능동적으로 유도된 전하에 근거하는 입자 포획에 의존한다. 능동적 충전 장치 또는 전자필터와 함께, 전하를 능동적으로 입자에 전이시키는 전하 방출기 또는 이온화기가 일반적으로 존재한다. 역시 전형적으로 능동적 충전되거나 전위를 가진 포집 셀 또는 장치가 충전 장치와 결합되어 충전된 입자를 포획한다. 이들 정전기적 공기 필터는 종래의 기계적 여과 장치에 비하여 작은 미립자 물질에 대한 개선된 포집 효능을 나타내었다.
전자필터는 20 미크론보다 작은 입자의 제거에서 산업적 기체 청정용으로 오늘날 널리 사용된다. 전자필터는 이온화 또는 다른 전하 방출원을 사용하며, 전기장으로부터, 높은 유통(flow-through)과 낮은 압력 강하 계에서 입자의 포획을 촉 진하게 한다. 전자필터는, 이온화원 및 포집 전극이 하나의 요소로 조합된 1-단계 장치이거나, 더욱 일반적으로는 하류 입자 포집 단계와는 독립적인 상류 이온화원을 사용하는 2-단계 장치일 수 있다. 비교적 높은 효율 및 낮은 압력 강하와 같은 기능적 특성들이 2-단계 전자필터를 실내 공기의 질 향상을 위한 응용에 특히 적합하도록 만든다. 그러나 상기 장치들은 비교적 고가이고 주기적인 청소(이는 종종 어렵다)가 필요하며, 시간이 경과함에 따라 냄새가 나게될 수 있다. 집진기 성능 또한 침착된 입자에 의해 부정적인 영향을 받을 수 있고 시간에 따라 열화될 수 있다.
2-단계 전자필터 장치에서, 미립자들은 미립자를 지닌 기류가 고전압 전극과 접지 사이를 통과할 때 일반적으로 충전되며, 이는 전극들 사이의 백열 방전 또는 코로나를 이룰 수 있도록 충분한 전계 강도(field strength)에서 유지된다. 방전된 기체 이온 및 코로나에서 생성된 전자들은 유동 기류를 가로질러 이동하며, 기류 중의 미립자 오염물과 충돌하고 이를 충전시킨다. 충격(bombardment) 또는 전계충전으로 알려진 상기 메카니즘은 주로 크기가 1 미크론보다 큰 입자의 충전을 초래한다. 약 0.2 미크론 미만의 작은 미립자들은 확산충전으로 알려진 두번째 메카니즘에 의해 충전되는데, 이는 이온의 열적 운동 및 입자들의 브라운 운동을 통해 기체 이온을 입자들 위에 포집하는 것으로부터 초래된다.
유전체 또는 전도성 입자가 이동성 이온의 경로에 위치할 경우, 각 입자 표면의 일부는 강한 전기 전하를 받게 될 것이다. 그러한 전하는 전도성 입자의 표면에 걸쳐 거의 순간적으로 재분포되는 한편, 비-전도성 입자의 표면에 걸쳐서는 단지 매우 느리게 재분포된다. 일단 충전되면, 미립자 오염물은 그들이 입자 포집 단계로 들어갈 때 집진기 표면을 향하여 이동한다. 이동성 이온이 없으면, 집진기 표면 상에 포획된 전도성 입자들은 그들의 전하를 상기 표면과 공유하였으므로 자유롭게 표면을 이탈한다. 한편, 전하를 쉽게 상실하지 않는 유전성 및/또는 비-전도성 입자는 집진기 표면 상에 유지된다. 그러나, 입자의 층이 형성되고, 입자와 집진기 표면 사이에 전기적 절연 경계가 사실상 만들어짐에 따라 상기 인력은 약해진다. 집진기 표면에서 유동-흐름 유도된 동력학적 운동과 조합된 상기 충전 분리 메카니즘은 집진기로부터 미립자 물질의 해리를 선도할 수 있다. 일단 집진기 표면으로부터의 해리가 일어나면, 입자는 스스로를 자유롭게 기류에 다시 싣는다.
오염물 입자와 충전된 집진기 표면 사이의 정전기적 인력에 의존하는 전자여과 장치는 일반적으로, 미국 특허 제 4,234,324 호(Dodge, Jr.) 또는 4,313,741 호(Masuda 등)에 기재된 것과 같은 유전성 절연체에 의해 분리된 능동적으로 충전된 전도성(금속성 또는 금속화된) 평면 전극판으로부터 형성된 집진기로 예시된다. 상기 장치, 고유 전하 입자들, 또는 전술한 이온화기 또는 전하 방출기 등에 의해 전하로 유도된 입자들이 편평한 충전된 전극 집진기 판 사이로 통과된다. 더지(Dodge)는 시트의 말단 상의 절연 스페이서(spacer)에 의해 분리되어 롤 형태로 감긴 얇은 금속화된 Mylar 시트의 사용을 제안한다. 상기 구조는 종래의 금속 판보다 낮은 가격으로서 낮은 전압원에 의해 전력공급될 수 있는 것으로 기재되어 있으나, 이는 금속화된 시트의 보다 조밀한 간격을 필요로 한다. 상기 구조는 집진기의 주기적 청소를 필요로 하기보다는 폐기하는 것이 허용될 정도의 가격인 것 으로 알려진다. 또한, 상기 구조는 냄새의 문제를 없애줄 것이다. 마스다(Masuda) 등은 또한 통상의 금속 판이 가진 상기 문제점을 기재하고, 스파크의 문제 및 효능에 있어서 약간의 상실을 갖는 문제를 처리하기 위한 특이적인 판의 디자인을 제안하였으나, 주기적인 청소가 여전히 필요하며 냄새도 여전히 문제로 남는다.
주기적 청소를 필요로 하지 않는 사용가능한 전자여과 장치를 제공하기 위한 노력으로, 미국 특허 제 3,783,588 호(Hudis)는 롤 상에서 집진기 안팎으로 이동하는 영구적으로 전기 충전된 중합체의 필름을 사용하는 것을 기재한다. 상기 구조에서는, 신규의 오염되지 않은 충전된 필름이 하나의 롤에서부터 집진기 공간으로 일정하게 이동하고, 더러운 필름은 집진기 공간으로부터 나와 집진기 롤 상으로 이동한다. 필름 롤은 주기적으로 교체되어야 하고, 이것은 특히 많은 수의 필름 롤이 사용되는 경우 시간 소모적일 것이다.
여과재(filter media)가 충전되어 있는, 수동적으로 충전된 일회용 필터도 사용된다. 이들은 비교적 낮은 압력 강하에서 약간의 전하 또는 극성을 갖는 입자에 대하여 향상된 여과 성능을 제공한다. 상기 충전된 여과재는 일반적으로, 입자들이 매체의 면을 공격하여 섬유성 매체를 통과하는 직포 또는 부직포의 섬유성 필터이다. 효율 및 수명 입자 성능은 일반적으로 매체의 기초 중량을 증가시킴으로써 증가되며, 이는 따라서 압력 강하를 증가시킨다. 상기 압력 강하의 증가는, 특정의 전자 장치, 에어컨 및 자동차 환경과 같은 아주 일정한 공기 흐름이 중요한 상황에서 심각한 문제를 일으킬 수 있다.
이와 같은 유동 저항 및 관련된 압력 강하의 증가를 감소시키는 방법으로서, 유체가 여과재의 면 위에는 유동되나 매체를 통과하여 유동하지는 않는 필터를 사용하는 것이 제안되었다. 이는 유동 채널 측벽이 달리 종래의 미립자 또는 흡수제 여과재에 의해 형성된 채널 필터를 통해 유동을 창출함으로써 수행된다. 입자들이 상기 여과재 측벽에 접촉하게 될 때 입자들은 포획된다. 여과재를 통과하기 보다는 필터의 면을 따라 공기가 흐르므로, 필터의 유용한 수명에 걸쳐 압력 강하의 심한 증가는 일반적으로 없다. 그 증가된 입자 포획성능의 관점에서, 일반적으로 상기 구조에 사용되는 미립자 여과재는 일렉트렛(electret) 충전된 섬유성 매체, 일반적으로 충전된 섬유로 형성된 부직포 여과재이다. 예를 들면, 일본 특허 공개 제 7-144108 호(1995년 6월 6일 발행)는 일렉트렛 충전된 부직포 여과재로부터 벌집 모양의 필터(예를 들면, 골판지와 유사한 주름 잡힌 골진 여과재)를 형성하는 것이 공지되었음을 나타낸다. 상기 특허 출원은 충전된 용융취입 섬유 여과재 및 충전된 스플릿 섬유 여과재의 여과재 라미네이트(예, 미국 특허 제 RE 30,782 호에 기재된 것과 유사한)로부터 필터 구조를 형성함으로써 그러한 필터 구조의 장기간 효율을 증가시키는 것을 제안한다. 일본 특허 공개 제 7-241491 호(1995년 9월 19일 발행)는 상기와 같은 벌집형 필터를 제안하는 바, 여기에서 골진 벌집 구조를 형성하는 주름진 층 및 편평한 층은 일렉트렛 충전된 부직포 여과재 및 흡수제 여과재(활성 탄소 부하된 시트 등)의 교대되는 층이고, 활성 탄소 층이 바람직하게는 역시 일렉트렛 충전될 수 있는 라이너(예, 부직포)와 함께 형성되어 있다. 일본 특허 공개 제 10-174823 호(1998년 6월 30일 발행)은 상기와 같은 또 다른 벌집형 필터를 개시하는 바, 여기에서 벌집 구조를 형성하는 필터 재료는 일렉트렛 충전된 부직포 필터 층 및 항균성 필터 층의 라미네이트로부터 형성된다. 상기 벌집형 필터들은, 예를 들면 에어컨, 실내 공기 청정기 등에 사용되는 것과 같은 재순환 타입의 필터와 같이, 낮은 압력 강하가 결정적이고 단일 통과 여과 효율이 덜 중요한 경우에 사용하기에 유리한 것으로 기재되었다. 일반적으로, 상기 벌집형 필터는 하나의 여과재가 주름잡히고 그 돌출부(peak)들에서 편평한 층에 접착되는 골판지 형성에 사용되는 것과 유사한 방법에 의해 형성된다. 다음 어셈블리를, 인접하는 라미네이트 층이 풀 또는 고온 용융 접착제에 의해 결합될 수 있도록 쌓거나 권취한다. 벌집 구조를 형성하기 전에 여과재를 통상의 기술로 충전시킨다.
유동 통과형(flow through type) 필터의 다른 접근은 미국 특허 제 3,550,257 호에 제안되어 있으며, 여기에서 충전된 여과재는 부직포 필름 매체보다는 필름이다. 상기 특허의 충전된 편평한 필름은 유리 섬유의 개방 셀 발포체 웹 또는 크라프트 골판지로 기재된 스페이서 스트립에 의해 분리되어 있다. 압력 강하는 스페이서의 다공성 및 충전된 유전성 필름 사이의 공간에 의존하는 것으로 기재되어 있다. 일본 특허 공개 제 56-10314 호(1981년 2월 2일 발행)는 유사한 구조를 개시하는 바, 여기에서 주름진 벌집 구조는 충전된 중합체 필름(필름은 필름 또는 부직포의 하나로 정의됨)으로부터 형성되는 주름진 층 또는 편평한 층의 하나 또는 양자로 형성된다. 층들은 다층 구조의 전면 연부를 용융시킴으로써 접착된다. 필름은 접는 공정에 의해 "주름"을 부여받는 것으로 개시되어 있다. 충전된 "필름"으로부터 형성된 유사한 "필름" 형 벌집 구조가 관련된 일본 특허 공개 제 56-10312 및 56-10313 호(둘 다 1981년 2월 2일자 발행)에 더 개시되어 있다.
상기 유동 통과 채널 필터의 향상된 변형이 필름 기재의 채널 필터를 이용하는 PCT 공개 WO99/65593 및 WO00/44472 호에 제안된 바, 여기에서 필름은 크거나 높은 종횡비의 표면 구조를 갖는다. 상기 표면 구조는 채널(WO99/65593)을 정의하거나 주름지거나 골진 필름(WO00/44472)에 의해 형성된 채널 필터에서 향상된 성능을 제공한다.
발명의 요약
본 발명은 구조가 특정의 정돈된 유체 경로를 정의하는 구조화된 표면을 갖는 다수의 필름 층을 포함하는 전자여과 장치를 위한 개선된 여과재 또는 입자 포집 요소를 제공한다. 본 발명의 여과재는 일반적으로 상기 구조화된 필름 층의 스택(stack)을 포함한다. 상기 구조화된 표면들은 조립된 여과재를 통하여 여과 층의 필터 구멍 및 유체 경로의 고도로 정돈된 배열을 정의한다.
필름 층의 구조화된 표면은 유체 경로를 형성하는 체널을 정의하는 모양을 포함하거나, 다른 요소들과 함께 유체 경로를 형성하는 불연속의 돌기와 같은 모양을 포함할 수 있다. 상기 여과재는 주어진 응용의 여과 요건에 부합하도록 매우 다양한 배열로 제조될 수 있다. 이러한 다양성은 구조화된 표면 모양 가능성- 불연속의 채널, 개방 채널, 또는 돌기; 채널 배열 - 넓은, 좁은, 'V' 모양, 및/또는 하부-채널; 스택 배열 - 접착되거나 접착되지 않은, 마주보는 층, 마주보지 않는 층, 부가된 층, 정렬된 채널, 오프셋(offset) 채널, 및/또는 채널 패턴; 및 필터 구멍 - 세공 크기, 세공 배열, 또는 세공 패턴에서 나타난다. 또한, 층들은 향상된 여과 또는 다른 목적을 위해 처리될 수 있다. 일반적으로 형성된 채널은 0.1 내지 5 mm의 평균 채널 높이 및 0.5 내지 10의 평균 채널 종횡비(상기 종횡비는 평균 채널 폭 대 높이의 비율임)를 갖는 직선으로 둘러싸인 단면을 갖는다.
여과재는 그 안에 또는 그 위에 정의된 구조화된 표면을 갖는 적어도 하나의 중합체 층으로부터 형성된다. 필름 층은 스택의 전면을 통하여 다수의 정돈된 입구 구멍을 정의하며 정돈된 유체 경로에 상응하는 층들의 구조화된 표면을 갖는 스택으로서 배열된다. 입구 및 유체 경로는 덮개(cap) 층을 갖는 구조화된 표면에 의해 형성된다. 덮개 층은 비구조화된 층이거나 구조화된 표면을 갖는 층일 수 있다.
바람직한 구현예에서, 주된 유동 채널은 바람직하게는 각각이 필름 층 위에 적어도 두 개의 측벽을 갖는 일련의 돌출부에 의해 정의된다. 돌출부는 바닥에 의해 분리되며, 이는 상기 주된 유동 채널 내에 구조를 형성할 수 있는 하부-돌출부 또는 다른 하부-구조를 가질 수 있다. 여과재 내 층의 유동 경로는 구조화된 표면에 의해 적어도 부분적으로 형성되며, 모두 같거나 상이할 수 있다. 여과재의 각각의 여과 층은 동일한 유동 채널 배열을 갖거나 이들은 상이할 수도 있다. 인접한 여과 층 위의 유체 경로는 정렬되거나 오프셋(offset)일 수 있다.
필름 층의 스택에 추가의 층이 가해질 수도 있다. 덮개 층이 구조화된 필름 층의 상단 부분을 덮을 수 있고, 추가의 기능성 층이 상기 스택의 인접한 층들 사이에 놓여질 수 있다. 스택의 층들은 함께 접착될 수 있다. 필름 층들은 동일하거나 상이한 중합체 물질로부터 형성될 수 있다. 여과재의 개개의 필름 또는 다른 층들은 입자 제거를 향상시키기 위해, 또는 발유 및 발수성, 냄새 제거, 유기 물질 제거, 오존 제거, 살균, 건조 및 방향 도입과 같은 기타 장점을 제공하기 위해 처리될 수 있다. 처리는 일반적으로 특정 층의 선택적인 표면 피복을 갖는 일렉트렛을 형성하기 위해 필름 층을 충전시키는 것, 또는 처리된 층을 부가하는 것을 포함한다.
본 발명의 여과재는 일회용 입자 포집 셀 또는 이온화기 단계를 갖는 전자여과 장치의 단계로서 특히 유용하다. 상기 구조화된 필름 층은 제1 면과 제2 면을 가지며, 상기 구조화된 필름의 적어도 하나의 면은 적어도 부분적으로 유동 채널을 형성하며, 상기 유동 채널을 형성하는 면의 적어도 일부에 걸쳐 높은 종횡비의 구조를 가지며, 상기 구조가 유동 채널을 적어도 부분적으로 구조화하고 그 유동화 채널이 다시 유체 경로를 정의한다. 두번째 필름 층(유동 채널 층 두번째 층을 포함하는), 또는 추가의 층의 적어도 일부는 또한, 상기 구조화된 필름 층의 유동 채널을 갖는 상기 정돈된 유체 경로를 정의한다. 상기 유동 채널 층 및 유체 경로를 형성하는 대향하는 필름 층은 일렉트렛 충전된다.
도 1은 본 발명에 따르는 집진기 셀을 형성하는 데 유용한 첫번째 구조화된 필름 유동 채널 층의 측면도이다.
도 2는 본 발명에 따르는 구조화된 필름 유동 채널 층의 두번째 구현예의 측면도이다.
도 3은 본 발명에 따르는 여과재를 형성하는 구조화된 표면을 갖는 층들의 스택의 투시도이다.
도 4는 본 발명에 따르는 여과재로 사용될 수 있는 교대하는 층 배열을 나타내는 구조화된 표면을 갖는 스택 형성 필름 층들의 단부를 나타내는 도이다.
도 5는 본 발명에 따르는 여과재로 사용될 수 있는 또 다른 교대하는 층 배열을 나타내는 구조화된 표면을 갖는 스택 형성 층들의 단부를 나타내는 도이다.
도 6은 본 발명에 따르는 여과재로 사용될 수 있는 또 다른 채널 배열을 나타내는 구조화된 표면을 갖는 층의 단부를 나타내는 도이다.
도 7은 본 발명에 따르는 여과재로 사용될 수 있는 또 다른 채널 배열을 나타내는 구조화된 표면을 갖는 층의 단부를 나타내는 도이다.
도 8은 마주보는 및 마주보지 않는 층들 사이에 삽입된 추가의 층을 갖는 구조화된 표면을 갖는 층들의 스택의 단부를 나타내는 도이다.
도 9는 집진기 셀로서 본 발명 여과재 배열을 이용하는 이온화기 보조된 필터 시스템을 도시하는 도이다.
도 10은 본 발명에 따르는 구조화된 표면을 갖는 필름 층의 단부를 나타내는 도이다.
도 11은 본 발명에 따르는 구조화된 표면을 갖는 필름 층의 단부를 나타내는 도이다.
바람직한 구현예의 상세한 설명
본 발명은 정돈된 유체 유동 경로를 형성하기 위해 스택의 구조로 배열된 바람직하게는 일렉트렛 충전된 구조화된 필름을 포함하는 여과재 어레이 또는 집진기 셀을 제공한다. 상기 구조화된 필름 층은, 적어도 부분적으로 유체 유동 경로를 더 정의하는 유동 채널을 적어도 부분적으로 형성하는 골(ribs), 기둥, 세섬유 또는 다른 불연속적 돌기와 같은 높은 종횡비의 구조를 갖는다.
구조화된 필름층들은 여과재 또는 집진기 어레이의 면을 통하여 유체 경로 내로 다수의 입구 구멍을 정의하는 필름 층을 갖는 여과재 어레이로 배열된다. 상기 유체 경로는 덮개 필름 층을 갖는 유동 채널을 갖는 단일의 구조화된 필름 층, 또는 인접한 구조화된 필름 층에 의해 정의될 수 있다. 상기 유체 경로는 또한 유체가 유동 저항을 갖는 필터 층을 반드시 통과할 필요 없이 유체 경로 내로 및 유체 경로를 통하여 통과되도록 허용하는 출구 구멍을 갖는다. 이러한 유체 경로 및 여과재 어레이의 구멍은 상기 구조화된 필름 층에 의해 적어도 부분적으로 형성된 하나 이상의 유동 채널에 의해 정의된다. 상기 유동 채널은 상기 구조화된 필름 층에서 돌출부 또는 봉우리 구조에 의해 일반적으로 만들어지며, 상기 여과재 어레이를 통하여 인접한 층과 연결된 유체 경로를 만들도록 배열되기만 한다면 임의의 적절한 형태일 수 있다. 예를 들면, 상기 유동 채널은 반복하는 봉우리에 의해 형성된 별도의 불연속적 채널 또는 돌출부 구조에 의해 형성된 상호연결된 채널일 수 있다. 유동 채널은 또한, 또 다른 구조화된 필름 층과 함께 유체 경로를 정의하는 고립된 채널(예, 돌출부 또는 봉우리에 의해 둘러싸인 폐쇄된 골짜기)일 수도 있었다.
별도의 또는 상호연결된 다수의 인접한 유동 채널은 단일의 구조화된 필름 층에 의해 형성된 일련의 돌출부 또는 봉우리에 의해 바람직하게 정의된다. 상기 인접한 유동 채널은 유동 채널 층을 정의한다. 구조화된 필름 층의 상기 돌출부 또는 봉우리는 덮개(cap) 층에 의해 안정화 또는 분리될 수 있다. 덮개 층은 상기 구조화된 필름 층의 한 면 상에서 돌출부 또는 봉우리들과 관계되거나 접촉하는 층이다. 덮개 층은 구조화된 필름 층의 전부 또는 단지 일부만을 덮을 수 있다. 덮개 층이 평면의 필름 층인 경우, 상기 덮개 필름 층 및 연관된 구조화된 필름 층은, 필름 덮개 층과 접촉하거나 연관이 있는 구조화된 필름 층의 인접한 돌출부 또는 봉우리들 사이에 유체 경로를 정의한다.
상기 구조화된 필름 층 및 선택적으로 상기 덮개 필름 층은 하나 또는 양 면 위에 정의된 구조화된 표면을 가질 수 있다. 상기 구조화된 필름 및/또는 상기 바람직한 구현예의 덮개 필름 층 위에 사용된 도 1 및 도 2에 도시된 높은 종횡비의 구조는 일반적으로 채널 바닥에서 폭(8)의 최소 직경 또는 높이(6)에 대한 비가 0.5를 넘는, 바람직하게는 1.0을 넘는, 바람직하게는 6 이하인 유동 채널을 정의하며, 여기에서 상기 구조는 적어도 약 0.1 mm 및 바람직하게는 적어도 0.5 mm의 높이를 갖는다. 상기 유동 채널에 의해 형성된 유체 경로는 선택적 성능에 대하여 일반적으로 0.5 내지 10, 바람직하게는 1 내지 6의 평균 종횡비를 갖는다. 필름층(1) 상의 구조는 꼿꼿한 기둥 또는 돌기, 예를 들면 사각 기둥, 입방체 모서리의 형태일 수 있고, J-고리, 버섯형 헤드 등일 수 있으며; 연속적 또는 간헐적 봉우리; 예를 들면 중간에 채널(5)이 개입된 직사각(3) 또는 v-모양 봉우리(2); 또는 이들의 조합의 모양일 수 있다. 상기 구조는 규칙적, 랜덤 또는 간헐적이거나 다른 구조와 조합될 수 있다. 봉우리 형 구조는 규칙적, 랜덤 간헐적일 수 있고 서로에 대하여 평행하게 연장되거나, 둥지 모양 봉우리(4) 또는 돌출부와 같이 교차 또는 비-교차 각에 있어 봉우리들 사이의 다른 구조와 조합될 수 있다. 일반적으로, 높은 종횡비의 구조는 구조화된 필름(1)의 모든 또는 단지 일부 영역에 걸쳐 연장될 수 있다. 필름 영역에 존재할 때, 구조들은 상응하는 평면 필름보다 적어도 50% 더 높은, 바람직하게는 적어도 100% 더 높은, 일반적으로 1000%까지 또는 더 높은 표면적을 제공한다. 바람직한 구현예에서, 높은 종횡비의 구조는 필름 층의 실질적인 부분을 가로질러 연장되는 연속적인 또는 간헐적인 봉우리이다.
상기 구조화된 표면은 미국 특허 제 5,069,403 호 및 5,133,516 호(두 특허 모두 Marantic 등); 5,691,846 호(Benson 등); 5,514,120 호(Johnston 등); 5,175,030 호(Lu 등); 4,668,558 호(Barber); 4,775,310 호(Fisher); 3,594,863 호(Erb) 또는 5,077,870 호(Melbye 등)에 개시된 방법과 같은 구조화된 필름을 형성하는 임의의 공지 방법에 의해 제조될 수 있다. 미국 특허 제 4,894,060 호는 본 발명에 따라 연속적으로 세로로 연장되는 구조를 형성하는 바람직한 방법인 연속적 골(rib) 구조의 이형압출 방법을 기재한다. 상기 이형압출된 구조화된 필름은 필름 기초 중량 또는 필름 및 그 구조의 치수를 감소시키기 위해 기계 방향으로 배향될 수 있었다. 그렇지 않으면, 상기 특허에 개시된 대로, 골은 돌출부 또는 줄기를 형성하는 배향에 앞서 절단될 수 있다.
도 3 및 도 4는 여과재 또는 집진기 셀(10)을 도시하는 바, 이는 스택으로 형성된 구조화된 필름 층(12)을 포함한다. 각 층(12)은 그 두 주요 표면의 적어도 하나 위에 구조화된 표면(13)을 가지며, 여기에서 구조화된 표면(13)은 지형학(물 체, 장소 또는 그 영역의 표면 특징)을 갖는 표면을 포함한다. 상기 구현예에서, 상기 구조화된 표면(13)은 바람직하게는 도시된 바와 같이 일정한 정돈된 방식인 층들(12) 내에 형성된 다수의 채널(25)을 포함한다. 상기 유동 채널(25)은 그들 중간에 평면의 바닥(30)을 갖거나 갖지 않는 측벽(26)을 형성하는 일련의 돌출부(28)에 의해 정의된다. 상기 스택을 형성하는 층들(12)은 함께 3차원의, 고도로 정돈된, 다공성의 여과재(10)를 형성하고, 거기에서 공기와 같은 유체는 유동 채널(25)에 의해 정의되듯이 정돈된 유체 경로를 경유하는 매체(10)를 통하여 유동되어, 미립자 또는 다른 물질이 필름 표면에 접착됨으로써 유체로부터 제거될 수 있다. 정돈되었다는 말은 매체를 통하여 정의된 경로가 미리 정해져 있다는 의미이다. 각 경로는 같은 층 또는 상이한 층의 또 다른 것과 동일해야 할 필요는 없다. 그러나 각 경로는, 경로의 실질적으로 동일하고 재현가능한 배열이 다수의 여과재 어레이 상에 형성될 수 있도록, 각 경로가 각 층(12)의 구조화된 표면(13)의 소정 디자인(즉, 섬유성 필터의 경우와 같이 랜덤하지 않음)에 의해 고정된 의미에서 미리 정해진다.
층(12)은 전하 유도될 수 있거나 충전가능한, 유사하거나 상이한 굴곡성, 반-강성(semi-rigid) 또는 강성의 재료를 각각 포함한다. 층들은 여과재(10)의 특별한 응용에 의존하여 선택된다. 바람직하게는 층(12)의 각각은 충전가능한 중합체 물질을 포함하는데, 그 이유는 그러한 물질이 전형적으로 저가이며 그러한 중합체 물질은 구조화된 표면(13)으로 정확하게 형성될 수 있기 때문이다. 예를 들면 필름 층의 형태인 중합체 층(12)의 사용은 그 주요 표면 상에 다수 및 고밀도의 유 체 유동 채널(25)을 정의하는 구조화된 표면을 제공할 수 있다. 따라서, 본 발명의 고도로 정돈된 다공성 여과재는 높은 수준의 정확성 및 경제성으로 제조될 여지가 있다.
도 3 및 도 4에 나타나듯이, 상기 여과재 또는 집진기 셀(10)은 층들(12)을, 하나를 다른 하나의 상단에 쌓음으로써 형성된다. 이러한 방식으로, 임의의 수의 층들(12)을 한데 쌓아, 특별한 응용을 위한 적절한 높이 및 여과 면적을 갖는 여과재(10)를 형성할 수 있다. 구조화된 필름 층(12)을 서로의 위에 직접 쌓는 것의 하나의 장점은 각 층(12)의 제2 주요 표면(11)이 보다 낮은 인접한 구조화된 필름 층(12)의 채널(25)에 대한 덮개 층으로 작용한다는 것이다. 그러므로, 각 채널(25)은 상기 여과재(10)를 통과하는 유체 유동을 위한 불연속적 경로가 될 수 있다.
구조화된 필름 층(12) 표면(11)은 인접한 층의 구조화된 표면(13)의 일부 또는 전부의 돌출부(28)에 접착되어 채널(25)로부터의 불연속적 경로의 생성을 향상시킬 수 있다. 이는, 층(12)의 재료와 상용성인 통상의 접착제를 사용하여 수행될 수 있거나, 가열 접착, 초음파 접착, 기계적 장치 등을 이용하여 수행될 수 있다. 접착은 전체적으로 돌출부(28)를 따라 인접한 표면(11)까지 제공되거나, 규칙적인 패턴을 따라 또는 랜덤하게 제공되는 점 접착일 수 있다. 그렇지 않으면, 층들(12)은 서로의 위에 단순히 쌓임으로써, 스택의 구조적 일체성이 불연속의 유동 채널(25)의 생성을 적절히 향상시킬 수도 있다.
최상단 층(12)의 채널(25)의 일부, 바람직하게는 모두를 차단하기 위해, 도 3에 나타낸 것과 같은 덮개 층(20)이 제공될 수 있다. 상기 덮개 층(20)은 전술한 층-간 접착과 동일하거나 상이한 방식으로 접착 또는 비접착될 수 있다. 덮개 층(20)의 재료는 층(12)의 재료와 동일 또는 상이할 수 있다.
도 3에 나타낸 여과재 또는 집진기 셀(10)의 구현예는 정돈된 선형 채널을 포함한다. 이들 채널은 정확한 배열로 정렬될 수 있는데, 즉 각 층의 채널이 다른 층의 채널과 줄을 맞추어, 규칙적이며 정렬된 세공 패턴을 나타낼 수 있다. 그렇지 않으면, 상기 채널들은 규칙적인 반복되는 방식으로 오프셋되거나, 도 4 또는 도 5에 나타낸 바와 같이 제어된 방식으로 오프셋될 수 있다. 또한, 다른 채널 및 층 배열이 고려될 수 있다.
도 4는 집진기 셀(40)의 여과재의 각 층(41 내지 44)이 상이한 채널 배열을 가지며, 층(41 내지 44)이 서로에 대하여 변화하는 반복 단위로 배열된 구현예를 도시한다. 알 수 있듯이, 층(41)은 일치하는 넓은 채널(47)을 포함하고, 층(42)은 보다 좁은 일치하는 채널(48)을 포함하며, 층(43)은 넓은(47) 채널 다음 좁은(48) 채널의 반복 패턴을 포함하고, 층(44)은 두 개의 좁은(48) 채널 다음 넓은 (47) 채널의 반복 패턴을 포함한다. 채널 반복 패턴은 또한 랜덤이거나, 스택을 포함하는 층의 선택이 패턴 또는 랜덤 방식으로 수행될 수도 있었다. 어떠한 경우에도, 상기 배열들은 여전히 정돈된 경로를 생성하는 데, 그 이유는 상기 구멍 크기 및 형성된 채널 구조가 예상되거나 고안될 것이고 랜덤이 아닐 것이기 때문이다. 도 5는 각 층(46)의 채널(49)이 일치하는 여과재(45)의 구현예를 도시하나, 층들(46)의 서로에 대한 관계는 교대되는 방식이다. 채널 배열의 선택, 채널의 수 및 또는 층 의 관계는 상기 여과재가 원하는 특정 응용에 의존한다.
도 8은 여과재 또는 집진기(60)가 구조화된 표면(61) 내의 돌출부(65)에 의해 정의된 채널(64)을 갖는 유사한 층들(62,63 및 70)을 포함하는 구현예를 도시한다. 그러나, 층들(62 ,63 및 70)은 서로에 대하여 그 방향 및 반복 패턴이 상이하다. 층(62)은 위를 향하여 마주보는 층인 반면, 층(63 및 70)은 아래를 향하여 마주보는 층이다. 상기 층들(62, 63 및 70)은 모두, 추가의 층들(66, 68 및 69)을 포함하여 다양한 스택 배열로 배열된다. 도시된 바와 같이, 층들은 서로 마주보게 배열되거나, 배면-대-배면이거나, 또는 같은 방향으로 쌓일 수 있다. 또한, 서로에 대한 반복 패턴은 다양한 정렬된 채널 또는 오프셋 채널으로 제공될 수 있다. 도 4, 5 및 도 8로부터 명백하듯이, 본 발명에서 수득가능한 채널 및 층 배열은 어떠한 여과 요건에도 부합하는 융통성 및 적용성을 제공한다.
도 3의 구현예는 한쪽 연부(14)로부터 다른 쪽 연부(15)로 연속적으로 제공되는 다수의 돌출부(28)와 넓은 바닥(30)을 포함하는 구조화된 표면(13)을 나타내지만, 다른 채널 배열들이 고려될 수 있다. 대부분의 경우에, 층(12)의 한 연부(14)로부터 다른 연부(15)까지 전체적으로 일련의 돌출부(28)를 제공하는 것이 바람직할 것이다; 그러나, 어떤 응용에서는 돌출부(28)를 임의의 주어진 층(12) 상의 구조화된 표면(13)의 일부를 따라서만 연장시키는 것이 바람직할 수도 있다. 또한, 여과재(10)를 위한 구체적인 응용이 여과 요건에 부합되도록 구비되는 채널(25)의 수, 종류 및 크기를 결정할 수 있다.
도 6에서, 채널(25)은 넓고 편평한 바닥(30)에 의해 분리된 연속적인 일련의 돌출부(27)에 의해 정의된다. 각 돌출부(27)는 상단에서 평평하게 되어, 인접한 층에의 접착을 용이하게 한다. 도 7에서, 넓은 채널(32)이 돌출부들(29) 사이에 정의되지만, 채널 측벽(31) 사이의 편평한 바닥을 제공하는 대신, 보다 작은 다수의 하부-돌출부들(33)이 제공된다. 따라서 상기 하부-돌출부들(33)은 그들 사이의 2차적 채널(34)을 정의한다. 돌출부(29) 및 하부-돌출부(33)는 그들 자체에 대하여 또는 서로에 대하여 균일하게 분포될 필요는 없다. 상기 배열은 여과 도중 미립자 물질이 그 위에 충돌하는 채널 표면의 양을 증가시키는 추가의 장점을 갖는다. 더욱이, 보다 작은 채널(34)이 더 넓은 채널(32)를 통하여 유체 유량을 제어하기 위해 사용될 수 있다.
도면은 신장된, 선형-배열의 채널을 도시하지만, 채널은 다양한 다른 배열로 제공될 수 있다. 예를 들면, 채널은 채널 길이에 따라 변화하는 단면 폭을 가질 수 있었다; 즉, 채널은 채널의 길이를 따라 발산 및/또는 수렴할 수 있었다. 채널 측벽은 또한 채널의 연장 방향으로, 또는 채널 높이에서 똑바르기 보다는 윤곽을 가질 수도 있었다. 일반적으로, 여과재 내에 첫번째 점에서 두번째 점으로 연장하는 적어도 다수의 불연속 채널 부분을 제공할 수 있는 임의의 채널 배열이 고려된다.
도 3을 다시 참고하면, 채널(25)의 전부가 아닐지라도 적어도 일부가 여과재 또는 집진기 셀(10)의 전면 측(22) 상에서 열려 있어, 전면 표면(24)에 세공을 형성한다. 유체는 전면 표면(24)에서 여과재(10) 내로 통과하고, 바람직하게는 채널(25)을 통해 이동하여 여과재(10)의 배면(23)에서 배출된다. 최소한, 본 발명 의 구조화된 표면은 여과재를 통하여 제어되고 정돈된 유체 경로를 제공한다. 따라서 여과 목적으로 사용가능한 표면적의 양은 여과재의 부피에 의해 결정된다. 달리 말하면, 채널의 길이 및 채널 배열과 같은 여과재 층의 구조화된 표면 모양이, 전면 표면 뿐만이 아닌 사용가능한 표면적을 정의한다.
여과 성능을 향상시키거나 원하는 결과를 이행하기 위해, 본 발명의 여과재 또는 집진기 셀은 여러가지 방법으로 처리될 수 있다. 하나의 처리 예를 도 8에 나타낸다. 여과재(60)는 층(62, 63 및 70)의 스택을 포함한다. 마주보는 층들(62 및 63) 사이에, 각 층(62 및 63)의 채널(64)의 적어도 일부에 대한 덮개 층으로 작용하는 추가의 층(66)이 삽입된다. 추가의 층(66 및 68)에 의해 나타낸 바와 같이 마주보는 층들의 이어지는 그룹들 사이에 2종 이상의 추가의 층이 제공될 수 있다. 또한, 동일 또는 상이한 추가의 층들(69)이 입자 제거를 향상시키거나 다른 장점을 제공하기 위해 마주보지 않는 층들(70) 사이에 제공될 수 있다. 구조화된 표면 모양의 임의의 종류, 크기, 배열 및 관계가 추가의 층들(66,68 또는 69)과 함께 사용되도록 고려된다. 상기 추가의 층들(66, 68 및 69)은 다른 구조화된 층들(62,63 또는 70)과 동일 또는 유사한 재료로 형성되거나, 그들은 향상된 입자 제거 또는 다른 바람직한 장점을 제공할 수 있거나 고려되는 목적에 효과적인 다른 재료를 포함할 수 있다.
입자 제거를 향상시키거나 다른 바람직한 장점들을 이루는 물질들은 단독으로 또는 기질에 고정되어, 유기 분자 제거 또는 탈취를 위한 활성 탄소, 제올라이트 또는 알루미노실리케이트와 같은 흡착제; 악취성 물질의 분해를 위한 구리-아스 코르브산과 같은 탈취 촉매; 실리카 겔, 제올라이트, 염화 칼슘 또는 활성 알루미나와 같은 건조제; UV 살균계와 같은 소독제; 글록살, 메타크릴산 에스테르 또는 향과 같은 방향; 또는 Mg, Ag, Fe, Co, Ni, Pt, Pd 또는 Rn과 같은 금속, 또는 알루미나, 실리카-알루미나, 지르코니아, 규조토, 실리카-지르코늄 또는 티타니아와 같은 담체 상에 지지된 산화물을 포함하는 오존 제거제를 포함할 수 있다. 상기 나열된 물질 중 임의의 것, 및 원하는 목적에 부합되도록 적절하고 본 발명에 있어서 효과적일, 나열되지 않은 다른 물질이 임의의 조합으로 사용될 수 있다.
본 발명의 여과재 또는 집진기 셀 층은 정전기적으로 충전되는데, 이는 수동적 정전기적 충전된 필름 또는 필름 층 또는 능동적 정전기적 충전된 층을 포함한다. 정전기적 충전은 입자와 상기 구조화된 표면의 표면 사이의 인력을 증가시킴으로써 유체 흐름으로부터 미립자 물질을 제거하는 여과재의 능력을 향상시키고, 따라서 입자 제거를 위한 세번째 메카니즘을 향상시킨다. 측벽에 근접하여 통과하는 비-충돌 입자가 유체 흐름으로부터 더욱 쉽게 당겨지고, 충돌하는 입자들은 더욱 강하게 접착된다. 수동적 정전기적 충전은 일렉트렛에 의해 제공되는데, 이는 연장된 시간 동안 유지되는 전기적 전하를 나타내는 유전 물질이다. 일렉트렛 충전가능한 중합체 물질은 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 및 폴리프로필렌과 같은 비극성 중합체를 포함한다. 일반적으로, 일렉트렛 상의 총 전하는 0이거나 0에 근접하고, 그 장은 전하 분리로 인하나 총 전하에 의해 생기는 것은 아니다. 재료 및 처리의 적절한 선택을 통하여, 일렉트렛은 외부 정전기장을 생성하도록 배열될 수 있다.
유전 물질을 충전시키기 위해, 코로나 방전, 충전된 장의 존재 하에 물질의 가열 및 냉각, 접촉 대전, 웹을 충전된 입자로 분무함, 및 표면을 물 분사 또는 물 방울 흐름으로 충돌시킴을 포함하는 여러 방법이 사용될 수 있고, 본 발명의 여과재를 충전시키기 위해 그중 임의의 것이 사용될 수 있다. 또한, 표면의 충전가능성은 배합된 물질의 사용에 의해 향상될 수 있다. 충전 방법의 예는 다음 특허에 개시되어 있다: 미국 특허 제 RE30,782 호(van Turnhout 등), 미국 특허 제 RE31,285 호(van Turnhout 등), 미국 특허 제 5,496,507 호(Angadjivand 등), 미국 특허 제 5,472,481 호(Jones 등), 미국 특허 제 4,215,682 호(Kubik 등), 미국 특허 제 5,057,710 호(Nishiura 등) 및 미국 특허 제 4,592,815 호(Nakao).
능동적 충전의 유형은 높은 전압이 적용되는 한쪽 면 위에 금속화된 표면을 갖는 필름을 사용하거나 여과재 어레이의 구조화된 필름 층 사이에 충전가능한 전도성 물질을 위치시키는 것을 포함한다. 필름 상의 금속화된 표면은, 구조화된 층에 인접한 그러한 금속화된 층을 가하거나, 구조화된 층의 비구조화된 표면 상에 금속 피복을 적용함으로써 본 발명에서 수행될 수 있었다. 다음, 그러한 금속화된 층 또는 인접한 전도성 층을 포함하는 여과재를 전기 전압원과 접촉하게 놓아 인접하는 전도성 물질 층 사이에 전위를 형성하는 결과를 가져올 수 있었다. 그러한 능동적 충전의 예는 미국 특허 제 5,405,434 호(Inculet)에 개시되어 있다.
본 발명의 모든 구현예의 경우 여과재 층은 다양한, 바람직하게는 정전기적으로 충전된, 열가소성, 열경화성 및 경화성 중합체 배합물과 같은 중합체 또는 공중합체 또는 이들 중합체를 함유하는 층들로부터 형성될 수 있다. 여기에서 사용 되는, 열경화성으로부터 차별화되는 열가소성은 열에 노출될 때 연화 및 용융되고 냉각되면 다시 고체화되며, 여러 차례 용융 및 고체화될 수 있는 중합체를 의미한다. 반면에, 열경화성 중합체는 가열 및 냉각될 때에 비가역적으로 고체화된다. 중합체 사슬이 상호연결 또는 가교된, 경화된 중합체 계는 화학 약품 또는 이온화 방사를 이용하여 실온에서 형성될 수 있다. 본 발명의 구조화된 층 또는 물품 중 임의의 것을 형성하기에 유용한 충전가능한 중합체는 폴리에틸렌 및 폴리에틸렌 공중합체 같은 폴리올레핀, 폴리비닐리덴 디플루오라이드(PVDF), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 폴리에스테르 및/또는 폴리스티렌 또는 상기 중합체를 함유하는 배합물 또는 층들을 포함하지만 이에 한정되지는 않는다. 구조화된 층들은 경화성 수지 재료로부터 성형되고, 열, UV 또는 전자 빔 방사에 노출시킴으로써 화학적으로 촉진되는 자유 라디칼 경로를 통하여 경화될 수 있다.
굴곡성 여과재가 바람직한 응용들이 있다. 굴곡성은 미국 특허 제 5,450,235 호(Smith 등) 및 5,691,846 호(Benson, Jr. 등)에 기재된 중합체를 사용하여 구조화된 중합체 층에 부여될 수 있다. 전체 중합체 층이 굴곡성 중합체 물질로부터 만들어져야 할 필요는 없다. 예를 들면 층의 일부가 굴곡성 중합체를 포함하는 한편, 구조화된 부분 또는 그 일부는 더 강성의 중합체를 포함할 수 있었다. 이 문단에 인용된 특허들은 미세구조화된 표면을 갖는 굴곡성 생성물을 제조하기 위해 이러한 방식으로 중합체를 사용하는 것을 기재한다.
중합체 배합물을 포함하는 중합체 물질은 계면활성제 또는 항균제 같은 가소화 활성 물질의 용융 배합을 통해 개질될 수 있으나, 상기 첨가제들은 그들이 충전 가능성에 영향을 준다면 비충전된 층에 제한되어야 한다. 구조화된 표면의 표면 개질은 증기 침착 또는 이온화 방사를 이용하는 작용기의 공유적 그래프트화를 통하여 수행될 수 있다. 단량체를 예를 들면 이온화 방사에 의해 폴리프로필렌 상에 그래프트-중합시키기 위한 방법 및 기술은 미국 특허 제 4,950,549 호 및 5,078,925 호에 개시되어 있다. 중합체는 중합체 구조화된 층 내에 여러가지 성질을 부여하는 첨가제를 또한 함유할 수 있다. 예를 들면, 탄성율을 감소시켜 굴곡성을 개선하기 위해 가소제가 첨가될 수 있다.
본 발명의 집진기 셀은 장치를 통해 기체성 유체를 이동시키기 위한 팬이나 다른 장치, 이온화 단계 및 집진기 셀의 유동 채널 층으로 형성된 집진기 단계를 포함하는 전자여과 장치에서 제공된다.
전자여과 장치는 팬(fan) 또는 기타 공기 이동 장치 또는 미립자 오염된 기체성 유체를 상류 이온화 단계 및/또는 하류 입자 포집 단계를 경유하여 이동시키는 방법에 의존한다. 공기 이동 요소가 전자여과 장치의 흡입 또는 배출 포트 중 어느 하나에 위치할 수 있거나 먼 위치로부터 전자여과 장치에 연결될 수 있지만, 공기 이동 요소가 팬 요소 상에 미립자 오염물의 축적을 최소화하기 위해 집진기 단계의 하류에 위치하는 것이 바람직하다. 적절한 팬은 통상의 축성 팬 또는 원심분리 팬을 포함하나 이에 국한되지는 않는다. 그렇지 않으면, 미립자 오염된 기체는 오염된 기체의 부피 중의 요소를 회전시킴으로써 기체를 통하여 이온화 및 포집 요소를 움직여서 상류 이온화 단계를 거쳐서 및 하류 입자 포집 단계를 거쳐 이동될 수 있었다. 특정 오염된 기체상 유체를 이온화기를 거쳐서 및 포집 단계를 통 하여 이동시키는 또 다른 방법은 단순 대류일 것이다. 램프나 방사기에 의해 만들어진 대류 흐름에 의해 이동된 공기는 어떠한 기계적 도움의 필요 없이도 본 발명의 장치를 통해 보내질 수 있었다. 본 발명의 집진기 셀의 낮은 유동 저항은 이러한 응용을 위해 제공되며, 이것은 만일 사용된다면 램프 설치물 및 방사기 표면을 청결하게 유지하는 장점을 더할 것이다.
본 발명의 여과 장치를 위한 전형적인 상류 이온화 단계는 두 개의 전극, 충전 전극 및 접지 전극으로 구성되며, 이것이 고 전압 전력원에 연결된다. 작동 시, 고전압원은 두 전극 사이에서 충분히 높은 전압을 유지하여 전극들 사이에 백열 방전 또는 코로나를 생성한다. 이온화 단계는 백열 방전 조건을 생성하는 당 분야에 공지된 많은 상이한 배열의 하나를 취할 수 있다. 충전 전극은 바늘, 평행선 그리드, 직포 체 그리드 등일 수 있고, 상기 접지 전극은 고리, 전도성 벌집 코어 또는 유사한 배열과 같은 주변(perimeter) 전극일 수 있다. 이온화 단계의 위치도, 그것이 팬 및 포집 단계와 일체이거나 포집 단계 및 팬으로부터 떨어져 위치할 수 있는 점에서 유연성이 있다. 실내 공기 정화기와 같은 공기 재순환 응용에서 사용될 경우, 이온화 단계는 포집 셀의 상류 또는 하류에 위치할 수 있다.
전자여과 장치의 포집 단계는 셀의 전면을 통하여 유체 경로 내에 다수의 입구를 정의하는 필름 층을 갖는 집진기 셀로서 배열된 본 발명의 여과재 어레이를 포함한다.
본 발명의 집진기 셀 또는 여과재는, 그로부터 층이 형성될 원하는 물질로써 출발한다. 필요한 두께(들)를 갖는 이러한 물질의 적절한 시트들이 바람직한 높은 종횡비의 구조화된 표면으로써 일반적으로 형성된다. 상기 구조화된 필름 층들의 적어도 하나는 또 다른 층에 접합되어 유동 채널 층을 형성한다. 집진기 셀을 형성하는 유동 채널 층은 안정한 집진기 셀 내에 함께 접착되거나, 기계적으로 포함되거나 달리 고정될 수 있다. 필름 층은 미국 특허 제 5,256,231 호(필름 층을 골진 층에 압출 접착하거나 아래에 있는 층에 돌출부를 접착제 또는 초음파 접착에 의해 접착시킴)에 개시된 바와 같이 함께 접착되거나, 외부 연부를 용융 접착시켜 입구 및/또는 출구 구멍을 형성할 수 있다. 다음, 상기 유동 채널 층(20)의 하나 이상을 쌓거나 달리 적층하고, 도 3에 나타낸 바와 같이 집진기 셀(30) 내에 유동 채널 층(20)의 적절한 부피를 이루도록 선택적으로 추가의 층과 함께, 소정의 패턴 또는 관계로 배향시킨다. 다음, 예를 들면 원하는 두께 및 모양을 갖는 마무리된 집진기 셀로 얇게 저밈으로써 수득되는 유동 채널 층(20)의 부피를 변환시킨다. 다음, 상기 집진기 셀(30)을 그대로 사용하거나 최종 사용가능한 포맷으로 올려놓거나 달리 조립한다. 전술한 임의의 바람직한 처리는 제조 방법의 임의의 적절한 단계에서 적용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따르는 집진기 셀은 전면 표면에 걸쳐 부직포 섬유성 물질의 층과 같은 다른 여과 재료와 조합되거나, 취급, 설치, 조립 또는 사용 등을 쉽게 하기 위해 다른 비-여과성 재료와 조합될 수 있다.
집진기 셀 또는 여과재 어레이는 바람직하게는, 상기 셀을 열선으로 얇게 저밈으로써 그 최종 형태로 형성된다. 최종 필터 형태가 절단될 때 열선은 각각의 층을 한데 융합시킨다. 이러한 층의 융합은 최종 필터의 가장 바깥 면(들)에서 일어난다. 이와 같이 여과재의 인접한 층들의 적어도 일부가 열선 절단에 앞서 한데 결합되어야 할 필요는 없다. 열선 절단기 속도는 각 층의 더 많거나 적은 용융 또는 융합을 일으키도록 조절될 수 있다. 예를 들면, 열선 속도는 보다 높거나 보다 낮은 융합된 영역을 만들도록 변화될 수 있었다. 열선은 직사각형, 곡선, 난형 등을 포함하는 무한한 수의 가능한 모양의 필터를 만들기 위해 직선 또는 곡선일 수 있었다. 또한, 열선은 필터를 절단하거나 분리하지 않고 집진기 셀의 각 층을 융합시키는 데 사용될 수도 있었다. 예를 들면, 열선은 조각들을 열선의 어느 한쪽에 함께 유지하면서, 집진기 셀을 통해 절단하여 층들을 한데 융합시킬 수 있었다. 조각들은 그들이 냉각될 때 함께 재-융합되어 안정한 집진기 셀을 만든다.
본 발명의 바람직한 구현예는 300 미크론 미만, 바람직하게는 200 미크론 미만 내지 약 50 미크론까지의 두께를 갖는 얇은 굴곡성 중합체 필름을 사용한다. 보다 두꺼운 필름이 가능하지만 이들은 일반적으로 여과 성능이나 기계적 안정성에 어떠한 장점도 추가하지 않으면서 필터의 압력 강하를 증가시킨다. 다른 층들의 두께는 바람직하게는 200 미크론 미만, 가장 바람직하게는 100 미크론 미만이다. 집진기 셀을 형성하는 층들의 두께는 입구에서 일반적으로 누적하여 집진기 셀의 단면적의 50% 미만이거나, 출구 구멍은 바람직하게는 25% 미만, 더욱 바람직하게는 20% 미만, 가장 바람직하게는 15% 미만의 층 재료에 의해 형성된다. 단면적의 남은 부분은 입구 구멍 또는 출구 구멍을 형성한다. 유동 채널을 형성하는 윤곽을 가진 또는 구조화된 필름의 돌출부, 봉우리 또는 구조는 일반적으로 약 0.1 mm, 바람직하게는 0.5 mm 이상, 가장 바람직하게는 1.0 mm 이상의 최소 높이를 갖는다.
시험 방법
여과 성능
도 9에 나타낸 시험 장치를 사용하여 이온화 장치에서 여과재를 평가하였다. 상기 장치는 고전압 전력공급장치(92, HIPOTRONICS, Brewster, New York으로부터 모델 R20-B로 시판됨), 이온화기(94, 텅스텐 전선-막대 이온화기, 0.1 mm 직경 전선; 5 mm 막대 직경; 11 mm 막대 사이 간격), 필터(96), 유동 덕트(98), 송풍기(100), 압력 강하 측정 장치(102, MKS Instruments, Inc., Richardson, Texas로부터 모델 MKS 698A11TRB로 시판) 및 입자 계수기(104, HIAC/ROYCO, Silver Spring, Maryland로부터 시판)로 구성되었다. 시험 계는 챌린지 에어로졸(challenge aerosol)로서 주위 에어로졸을 사용하였다. 이온화기를 +7000V까지 충전시켰고, 이것은 입자들이 이온화기를 통과할 때 입자들에 양 전하를 부여하였다. 이와 같이 충전된 입자를 시험 덕트 내로 여과재(공기 유동 방향 106)를 통해 도입하였다. 필터의 상류 및 하류에서 입자 농도를 측정하였다. 모든 시험은 200 cm/s의 개굽면 유속(face velocity)에서 수행하였다.
필터의 상류 및 하류 측 사이의 압력 차이로서 압력 강하를 기록하며, mm H2O의 단위로 보고한다.
필터를 통한 입자 투과율은 다음 수학식에 의해 계산된다:
투과율 = { (상류 입자 개념) / (하류 입자 농도) } x 100%
필터 효율은 다음 수학식에 의해 계산된다:
효율 = 100 - 투과율
그리고 품질 계수(Qfactor)는 다음 수학식에 의해 계산된다:
Qfactor = {- ln (투과율/100)} / (압력 강하)
식 중, 투과율 및 압력 강하는 상기 정의된 바와 같다.
실시예 1-18 및 비교예 C1-C3
이형압출(profile extrusion) 제조
폴리프로필렌(PP) 단독중합체를, 64 mm의 나사 직경 및 24/1의 나사 길이/직경 비(L/D)를 갖는 단일 나사 압출기(Killion Corporation, Cedar Grove, New Jersey로부터 시판)를 이용하여 미국 특허 제 4,894,060 호에 기재된 것과 유사한 이형압출로 압출하였다. 필터 구조를 제조하기 위해 사용되는 골진(ribbed) 필름을 제조하는 데 사용된 구체적 PP 중합체 및 중합체/첨가제 조성을 표 1에 상세히 나타낸다.
실시예 시행에 사용된 수지
시료 번호 수지 첨가제
1 FINA 32761
2 FINA 3276
3 FINA 3276
4 FINA 3276
5 FINA 3276
6 FINA 3276
7 FINA 3276
8 FINA 3276
9 FINA 3276
10 FINA 3276
11 FINA 3276
12 FINA 3276 0.15% TK1002
13 FINA 3276 & 5% U/C 7C063
14 FINA 97044 0.1% IRGANOX 14255
15 FINA 9704 0.5% RTP
16 FINA 9704 0.5% RTP
17 FINA 3276 0.5% RTP
C1 FINA 3276
C2 FINA 3276
C3 FINA 33786
1) ATOFINA Petrochemical(Houston, Texas)로부터 시판되는 용융 유동 지수 2의 폴리프로필렌 단독중합체 2) Calgon Corporation(Pittsburg, Pennsylvania)로부터 시판되는 충전 안정화제 및 살생물 첨가제 3) Union Carbide, Corp.(Danbury, CT)로부터 시판되는 폴리프로필렌 공중합체 4) ATOFINA Petrochemicals로부터 시판되는 용융 유동 지수 2의 폴리프로필렌 단독중합체 5) CIBA GEIGY(Hawthone, New Jersey)로부터 시판되는 충전 안정화 첨가제 6) ATOFINA Petrochemicals로부터 시판되는 용융 유동 지수 2.8의 폴리프로필렌 단독중합체

압출기 배럴의 온도 프로파일은 표 2에 상세히 나타내는 바와 같이 배럴의 길이를 따라 약 177℃부터 246℃까지 증가하도록 조정되었다.
이형압출 공정 조건
°F ℃ PSI N/m2 ft/min m/s RPM
영역 1 온도 350 177
영역 2 온도 450 232
영역 3 온도 475 246
게이트 온도 455 235
어댑터 1 온도 455 235
어댑터 2 온도 455 235
다이 온도 (서쪽) 450 232
다이 온도 (중심) 455 235
다이 온도 (동쪽) 450 232
나사 속도 25-38
용융 온도 474 246
배럴 압력 3,100 21,373,673
다이 압력 2,100 14,478,940
선 속도 20 0.1016
냉각기 온도 40 4

232 내지 235℃로 가열된 입구 관을 통하여 약 1.38 x 107 Pa의 압력에서 약 232℃의 온도로 유지된 MasterFlexTM 203 mm 폭 필름 다이(EDI Extrusion Die, Inc., Chippewa Falls, Wisconsin으로부터 시판) 내로 상기 중합체를 연속적으로 방출하였다. 다이는 표 3에 기재된 바와 같은 소정 높이 및 간격에서 골(rib) 윤곽을 갖는 중합체 기재 시트를 형성하기 위해 배열된 다이 립(lip)을 가졌다.
이형압출된 골진 필름의 치수
시료 번호 채널 폭 (μm) 골 높이 (μm) 종횡비 고형성1
1 2,667 889 3.0 23.0%
2 2,032 1,016 2.0 21.4%
3 3,810 1,016 3.8 18.3%
4 3,886 1,219 3.2 16.2%
5 3,886 1,245 3.1 14.3%
62 5,613 1,448 3.9 16.8%
7 7,620 1,524 5.0 12.2%
83 8,382 1,524 5.5 25.7%
9 2,540 1,651 1.5 15.4%
10 3,759 1,778 2.1 13.1%
11 8,128 2,032 4.0 10.5%
12 3,810 1,219 3.1 20.6%
13 3,759 1,118 3.4 21.3%
14 3,810 1,016 3.8 18.3%
15 4,699 1,016 4.6 17.6%
16 5,969 1,016 5.9 17.0%
17 2,667 889 3.0 21.5%
C1 1,016 1,016 1.0 27.3%
C2 508 508 1.0 26.4%
C3 228 190 1.2 50.5%
1) 시료 고형성은 시료를 칭량하고, 시료의 치수(길이, 폭 및 두께)로부터 시료 부피를 계산한 다음, 시료 중량을 중합체 밀도와 시료 부피의 곱으로 나눈 다음 100을 곱하여 % 고형성을 수득함으로써 결정된다. %고형성 = [(시료 중량(gm)) / {중합체 밀도 (gm/cm3) x 시료 부피(cm3)}] x 100 2) 필름(110)의 골 윤곽을 도 10에 나타내며, 여기에서 돌기 또는 돌출부는 폭(113)을 갖는 기둥 및 78.2 미크론의 폭(114)을 갖는 헤드를 가지며, 141.7 미크론의 총 높이(111)를 갖는다. 두 돌출부 사이의 채널 폭(112)은 571 미크론이다. 3) 상기 필름의 골 윤곽을 도 11에 나타나며, 여기에서 주요 돌출부 또는 돌출부는 35.8 미크론의 기둥 폭(113) 및 채널 높이에 해당하는 125.5 미크론의 높이(121)를 갖는다. 789 미크론의 채널 폭(122)은 두 인접한 주요 돌출부 사이이며; 여기에서 61 미크론의 높이(125) 및 28.4 미크론의 폭(125)을 갖는 종속돌출부는 약 178 미크론의 폭(126)을 갖는 종속 채널을 형성한다.

상기 골을 가진 필름 배열의 치수가 필터 배열을 제조하는 데 사용되었다. 압출된 골진-표면 필름은 4.4 내지 7.2℃로 유지된 물로 채워진 급냉(quench) 탱크 내로 약 10-30 피트/분의 속도에서 강하-성형(drop-cast)되고 상기 탱크 내에서 10 초 이상 유지되었다. 급냉 탱크로부터 제거하여, 골진-표면의 필름을 송풍-건조하고 와인더 상에서 수거하였다.
압출된 골진 필름의 충전
압출된 골진 필름을 표준 일렉트렛(electret) 충전 기술을 이용하여 충전하였다.
채널 여과재 형성
압출된 골진 필름(0.1 cm x 0.38 cm)의 층을 서로의 상단에 (골진 면이 두꺼운 필름면에 대하도록) 쌓고, 상기 골이 여과재 어레이의 입구 구멍 면에 의해 정의된 평면과 90°각을 형성하도록(90°입사각) 상기 채널 층을 평형 배열로 유지함으로써 도 2에 도시된 것과 유사한 채널 유동 필터 구조를 제조하였다. 골진 필름 스택을 열선 절단에 의해 깊이 5 mm의 필터로 생성함으로써 안정한 여과재 어레이 구조로 변환시켰다. 절단은 상기 채널 어셈블리 스택을 전기저항 가열된 0.51 mm 직경의 연질-합금 니켈 크롬 전선(Consolidated Electric Wire & Cable, Franklin Park, IL로부터 시판)을 가로질러 약 0.5 cm/초의 횡단 속도로 횡단시킴으로써 수행되었다. 상기 열선에 의해 유도된 용융의 양 및 상기 용융된 수지의 바르는 정도는 상기 여과재 어레이의 입구 또는 출구 구멍을 방해하지 않도록 조심스럽게 제어되었다. 열선 절단 작업은, 상기 골진 필름 스택의 입구 및 출구 면을 함께 융합시킴으로써 상기 여과재 어레이를 튼튼하고 파괴에 견디는 구조로 변환시킨다. 기능성 여과재 구조를 수득하기 위해 추가의 틀 또는 지지체 성분이 필요하지 않았다.
입자 포획 효율, 압력 강하 및 여과재 구조의 품질 계수는 전술한 여과 성능을 이용하여 특징되었으며, 그 결과를 표 4에 보고한다.
이온화기-보조를 갖는 이형압출된 채널 필터의 성능
Ex. 채널 폭 (μm) 골 높이 (μm) 고형성 채널 모양 Pen,% (@0.5μm) 효율 (@0.5μm) 압력 강하 (mmH2O) Qfactor
1 2667 889 23.00% 직사각 0.03% 99.97% 2.62 3.2
2 2032 1016 21.40% 직사각 0.13% 99.87% 1.68 4
3 3810 1016 18.30% 직사각 0.03% 99.97% 1.35 6.01
4 3886 1219 16.20% 직사각 0.10% 99.90% 1.28 5.4
5 3886 1245 14.30% 직사각 0.04% 99.96% 1.75 4.5
6 5613 1448 16.80% T-골 0.14% 99.86% 1.06 6.2
7 7620 1524 12.20% 직사각 0.17% 99.83% 0.8 7.97
8 8382 1524 25.70% H-LLL-H 0.09% 99.91% 2.53 2.8
9 2540 1651 15.40% 직사각 0.62% 99.38% 1 5.1
10 3759 1778 13.10% 직사각 0.35% 99.65% 1 5.7
11 8128 2032 10.50% 직사각 18.60% 81.40% 0.5 3.4
12 3810 1219 20.60% 직사각 0.09% 99.91% 1.37 5.1
13 3759 1118 21.30% 직사각 0.36% 99.64% 1.78 3.2
14 3810 1016 18.30% 직사각 0.07% 99.93% 1.7 4.3
15 4699 1016 17.60% 직사각 0.88% 99.12% 1.76 2.7
16 5969 1016 17.00% 직사각 0.46% 99.54% 1.57 3.4
17 2667 889 21.50% 직사각 0.02% 99.98% 2.48 3.5
C1 1016 1016 27.30% 직사각 0.38% 99.62% 3.5 1.6
C2 508 508 33.20% 직사각 0.45% 99.55% 5.2 1.03
C3 228 190 50.50% 직사각 0.05% 99.95% 75.1 0.101

비교예 C4
비교예 C4는 부직포 일렉트렛 스플릿 섬유 웹을 기재로 하는 시판되는 주름진 채널 유동 여과재였다. 상기 주름진 채널은 1.6 mm 높이 및 바닥에서 2.5 mm인 정확한 모양이었다. 시험된 여과재는 100 mm x 100 mm x 25 mm (W x L x H) 였다. 상기 매체의 여과 성능은 전술한 여과 성능 시험을 이용하여 특징되었고, 그 결과를 표 5에 보고한다.
비교예 C5
비교예 C5는 30 g/m2 기본 중량의 부직포 일렉트렛 스플릿 섬유 웹을 기재로 하는 시판되는 주름 잡힌 충전된 여과재였다. 상기 주름의 높이 및 간격은 각각 25 mm 및 12.5 mm였고, 100 mm x 100 mm x 25 mm (W x L x H)로 측정된 시험된 필터의 경우 약 400 cm2의 총 필터 면적을 제공한다. 상기 매체의 여과 성능은 전술한 여과 성능 시험을 이용하여 특징되었고, 그 결과를 표 5에 보고한다.
비교예 C6
ATOFINA Petrochemicals로부터 공급되는 폴리프로필렌 수지, 타입 2.8 MFI를 미세-홈의 표면을 갖는 성형 롤 상에 압출함으로써 표준 압출 기술을 이용하여 미세구조화된 구조화 필름으로 형성하였다. 수득되는 성형 필름은 제1 평활한 주 표면 및 성형 롤로부터 세로로 배열된 연속적인 미세구조화된 모양을 갖는 제2 구조화 주 표면을 가졌다. 필름 상의 미세구조화된 모양은 일정한 간격의 제1 기본 구조 및 서로 얽힌 2차적 구조로 구성되었다. 기본 구조는 182 μm 떨어져 위치하고, 5°의 측벽 설계를 갖는 바닥에서 76 μm 높이 및 55 μm 폭의 (약 1.4의 높이/폭 비) 실질적으로 직사각형인 단면을 가졌다. 22°의 측벽 설계를 갖는 바닥에서 25 μm 높이 및 26 μm 폭의 (약 1의 높이/폭 비) 실질적으로 직사각형인 단면을 갖는 세 개의 2차적 구조를 상기 기본 구조들 사이에 26 μm 간격에서 고르게 배치하였다. 미세구조화된 모양들이 연장되어 나오는 기재 필름 층은 50 μm 두께를 가졌다.
구조화된 필름의 첫번째 층은 윤곽을 가진 모양으로 주름졌고, 그 아치형 돌출부에서 두번째 구조화된 필름에 부착되어 유동 채널 라미네이트 층 어셈블리를 형성한다. 상기 방법은 첫번째 구조화된 필름을 윤곽을 가진 시트 내에 형성시키고, 상기 필름을, 그것이 간격을 가지고 놓여진 일반적으로 평행인 앵커 부위로부터 같은 방향으로 돌출되는 아치형 부위를 갖도록 형성하고, 상기 윤곽을 가진 필름의, 간격을 가지고 일반적으로 평행한 앵커 부위를 안감 층으로부터 돌출되는 윤곽을 가진 필름의 아치형 부분을 갖는 두번째 구조화된 필름 안감 층에 접착시키는 것을 포함한다. 상기 방법은 제1 및 제2 가열된 골형성(corrugating) 요소 또는 롤러를 제공함으로써 수행되는데, 이들 각각은 축을 가지고 다수의 원주를 따라 간격을 가진 일반적으로 축 방향으로 주변에 연장되고 그 주변을 정의하는 봉우리를 포함하며, 외부 표면을 가지며 봉우리들 사이의 공간을 정의하는 그 봉우리는 맞물리는 관계로 다른 골형성 요소의 봉우리 부분을 수용하도록 맞추어져 있다. 첫번째 구조화된 필름이 맞물린 봉우리들 사이에 공급되는 한편, 상기 골형성 요소는 반대-회전한다. 양 골형성 요소의 기어 이빨을 형성하는 봉우리는 2.8 mm 높이였고, 0.64 mm 폭의 편평한 상단면에 수렴하는 그 바닥으로부터 8.5°의 테이퍼를 가졌다. 상기 이빨 사이의 간격은 0.5 mm였다. 기어 이빨의 편평한 상단면에 대하여 골형성 요소의 외경은 228 mm였다. 골형성 요소는 상단롤을 21℃의 온도로 가열하고 바닥 롤을 65℃의 온도로 유지하여 스택 형태로 배열되었다. 두 롤 사이의 맞물림 힘은 이빨 폭 직선 1 cm 당 262 뉴턴이었다. 이러한 방식으로 배열된 골형성 장치를 이용하여, 상기 구조 필름은, 21 RPM의 롤 속도에서 골형성 요소의 상호 맞물리는 이빨을 통과할 때, 하부 골형성 요소의 기아 이빨 사이 내로 압축되어 그 사이에서 유지된다. 첫번째 필름이 하부 골형성 요소의 이빨 내에 맞춰지고 두번 째 구조화 필름이 롤의 주위 상에 놓이고, 멀티-오리피스(multi-orifice) 다이로부터 압출되는 타입 7C50 수지의 폴리프로필렌 가닥(Union Carbide Corp. Danbury, CT로부터 시판)과 함께 하부 골형성 요소의 이빨에 유지된 층에 함께 접착되었다. 접착은 상기 재료의 층을 평활 롤러와 기어 이빨의 상단 사이로 통과시켜 상기 골형성 요소의 이빨의 상단면에서 첫번째 필름과 두번째 필름 사이에 수행되었다. 이와 같이 형성된 골형성 유동 채널은 높이 1.7 mm , 바닥 폭 1.8 mm 및 골간 간격 0.77mm를 가졌다. 골들은 일반적으로 아치형 돌출부를 갖는 0.7 mm 높이의 일반적으로 직선인 측벽을 가졌다. 덮개(cap) 층을 포함하는 채널 어셈블리의 총 높이는 2.4 mm였다.
채널 층 어셈블리를 표준 코로나 방전 기술을 이용하여, 골진 면이 양의 극성(positive polarity)을 갖고 편평한 면이 음의 극성(negative polarity)을 갖도록 3 kV의 공칭 표면 전압까지 코로나 충전 기술을 이용하여 코로나 충전하였다.
상기 매체의 100 mm x 100 mm x 25 mm (W x L x H)의 여과 성능은 전술한 여과 성능 시험을 이용하여 특징되었고, 그 결과를 표 5에 보고한다.
비교예 C7
무광택-마무리 편평한 필름을 미세구조화된 필름 대신 사용한 것을 제외하고는 실질적으로 비교예 C6에 기재된 것과 같이 충전된 채널 구조를 제조하고 시험하였다. 60 μm의 공칭 필름 두께를 생성하는 무광택-마무리 성형 롤을 이용하여 편평한 필름을 제조하였다.
상기 매체 100 mm x 100 mm x 25 mm (W x L x H)의 여과 성능은 전술한 여과 성능 시험을 이용하여 특징되었고, 그 결과는 표 5에 보고한다.
필터 성능의 비교
실시예 투과율, % 압력 강하 (mm H2O) 품질 계수
C4 56.6 3.3 0.17
C5 24.5 1.8 0.78
C6 0.78 2.9 1.67
C7 6.28 2.8 0.99
3 0.03 1.35 6.01

표 5에 나타난 데이터를 검토해보면, 본 발명의 여과재 구조의 다른 시판되는 및 실험적으로 제조된 여과재 구조에 비하여 우수한 여과 성능을 명백하게 보여준다. 실시예 6의 여과재는 4 개의 비교예 여과재에 비하여 더 낮은 입자 투과율 및 압력 강하를 나타내어 가장 근접한 비교예 여과재의 3배 및 나머지 세 개의 여과재의 그것에 비하여 6배가 넘는 품질 계수의 결과를 가져왔다.
채널 높이 최적화
표 4에 나타난 데이터를 검토해보면, 채널 높이가 여과 효율, 압력 강하, 뿐만 아니라 여과재 구조의 품질 계수에도 직접적인 영향을 준다는 것을 시사한다. 표 6은 표 4의 데이터의 일부를 발췌하여, 채널 높이의 함수로서의 여과 성능을 구체적으로 보여 준다.
채널 높이의 영향
Ex. 채널 폭 (μm) 골 높이 (μm) 종횡비 (W/H) 고형성 (%) 효율 (%) 압력 강하 (mm H2O) 품질 계수 (%)
3 3,810 1,016 3.8 18.3% 99.97% 1.35 6.01
7 7,620 1,524 5.0 12.2% 99.83% 0.8 7.97
11 8,128 2,032 4.0 10.5% 81.40% 0.5 3.36

본 발명의 이온화기-보조의 구조화된 표면 여과재 어레이의 전체적인 성능은, 품질 계수에 의해 판단되듯이, 약 1500 μm 또는 1.5 mm의 채널 높이에서 적정값에 도달하였다.
채널 종횡비(W/H)의 최적화
표 4의 데이터를 검토해보면, 본 발명의 이온화기-보조된 PEF 필터의 필터 성능은 채널 종횡비에 의해 영향받는 것이 시사된다. 표 7은 표 4의 데이터의 일부를 발췌한 것으로, 채널 종횡비의 함수로서의 여과 성능을 구체적으로 보여준다.
여과 성능에 대한 채널 종횡비의 영향
Ex. 채널 폭 (μm) 골 높이 (μm) 종횡비 (W/H) 고형성 (%) 효율 (%) 압력 강하 (mm H2O) 품질 계수 (%)
C1 1,016 1,016 1.0 27.3% 99.62% 3.5 1.59
2 2,032 1,016 2.0 21.4% 99.87% 1.68 3.95
3 3,810 1,016 3.8 18.3% 99.97% 1.35 6.01

표 7에 나타난 데이터를 분석해보면, 채널 종횡비가 증가하는 것은 보다 높은 효율, 낮은 압력 강하 및 더 큰 품질 계수와 함께 개선된 성능의 결과를 가져옴을 알 수 있다. 더 큰 종횡비의 한가지 제한은 채널의 물리적 강도이다. 실시예의 제조에 있어서, 종횡비가 채널 높이에 따라 4 내지 6보다 클 경우에는 인접한 채널 층이 붕괴되는 경향이 있음이 발견되었다. 바람직하게는 필터 채널의 종횡비는 1 내지 4의 범위이다.
채널 모양 최적화
유동 채널의 모양도 본 발명의 이온화기-보조된 미세구조화된 표면 여과재 필터에 영향을 주는 것으로 나타난다. 표 8은 표 4 및 표 5의 부분의 발췌로, 채널 모양의 함수로서의 여과 성능을 구체적으로 보여준다.
유동 채널 모양의 영향
Ex. 모양 채널 폭 (μm) 골 높이 (μm) 종횡비 (W/H) 투과율 (%) 압력 강하 (mm H2O) 품질 계수 (%)
C4 아치 2,300 1,650 1.4 6.28% 2.8 0.99
9 직사각 2,540 1,651 1.5 0.62% 1 5.10

표 8의 데이터는 직사각 모양의 유동 채널이 아치 모양 유동 채널보다 바람직함을 시사한다. 직사각 모양의 유동 채널을 갖는 실시예 9의 필터가 10배 더 낮은 투과율, 약 3배 더 낮은 압력 강하 및 5배의 더 나은 품질 계수와 함께 월등한 여과 성능을 제공하였다.







Claims (48)

  1. 제1 및 제2 주 표면을 갖는 다수의 중합체 구조화된 중합체 필름 층을 포함하는 여과재로서,
    적어도 상기 제1 주 표면이, 적어도 부분적으로 유동 채널을 형성하게 되는 구조화된 표면을 포함하고, 상기 다수의 구조화된 필름 층은 제1 및 제2 면을 갖는 스택(stack)으로서 배열되는데, 그 스택은 상기 구조화된 표면들에 의해 상기 스택의 제1 면을 통과하는 구멍인 다수의 정돈된 입구가 정해지게 되고, 상기 입구는 유체가 유체 경로의 입구로부터 스택의 제2 면을 통과하는 구멍인 출구까지 실질적으로 방해받지 않고 유동될 수 있도록, 각각의 유체 경로가 하나 이상의 불연속적 유동 채널에 의해 적어도 부분적으로 정해지는 정돈된 유체 경로들과 유체 소통하며, 여기에서 유체 경로의 각 층은 두 개의 대향하는 충전된 필름 층에 의해 정해지게 되고 그 중의 적어도 하나는 0.1 mm 내지 5 mm의 평균 높이 및 0.05 mm 내지 50 mm의 평균 폭 및 0.5 내지 10의 평균 종횡비를 갖는 유동 채널을 갖는 구조화된 필름 층인, 정전기적으로 충전된 여과재.
  2. 제1항에 있어서, 상기 정돈된 유체 경로가, 상기 구조화된 필름 층의 구조화된 표면 위에 형성된 다수의 유동 채널에 의해 정해지는 정전기적으로 충전된 여과재.
  3. 제2항에 있어서, 상기 다수의 유동 채널이, 바닥에 의해 분리된 두 측벽을 갖는 일련의 돌출부에 의해 정해지는 정전기적으로 충전된 여과재.
  4. 제3항에 있어서, 상기 유동 채널의 인접한 돌출부의 측벽들이 적어도 하나의 하부-돌출부에 의해 분리되며, 상기 하부-돌출부에 의해 바닥 상에 다수의 하부-구조가 정해지는 정전기적으로 충전된 여과재.
  5. 제1항에 있어서, 상기 대향하는 충전된 필름 층들이 수동적으로 정전기적 충전된, 정전기적으로 충전된 여과재.
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