KR100900818B1 - 3차원 미세기공을 갖는 공조용 프리필터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 3차원 미세기공을 갖는 공조용 프리필터(pre-filter)에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 내부에 많은 공극이 형성되며, 점증적으로 증가하는 밀도 분포를 나타내어 벌키한 특성을 가지는 부직포층 외면에 미세한 기공을 가지는 거품(foam)상의 수지를 도포하여 겔화 및 건조시켜 이루어진 폼층이 적층된 공조용 프리필터에 관한 것이다.

본 발명에 의하면, 미세분진이 포함된 외기가 필터를 구성하는 부직포층과 폼층을 순차적으로 통과하면서 미세분진을 심층여과 방식에 의해 빠르고 효과적으로 제거할 수 있어 미세분진 제거 효율이 높고, 경제적으로 저렴하며, 동시에 점차 강화되고 있는 대기환경기준에 적극 대처할 수 있는 3차원의 미세기공을 갖는 공조용 프리필터를 제공할 수 있다.

미세분진, 공조용 필터, 미세기공, 부직포, 폼

Description

3차원 미세기공을 갖는 공조용 프리필터{A/C pre-filter with micro-pores}

도 1는 기존의 미디움 필터의 슬림 구조를 나타내는 모식도(a)와 미디움 필터의 미세분진 여과 방식을 나타내는 모식도(b), 본 발명의 공조용 프리필터의 부직포층을 나타내는 단면사진(c) 및 본 발명의 공조용 프리필터 부직포층의 단계적 여과 방식을 나타내는 사진(d)을 나타낸 것이다.

도 2는 본 발명에 따른 3차원 미세기공을 갖는 공조용 프리필터의 단면 구조를 보여주는 개략도이다.

도 3은 본 발명의 공조용 프리필터(a)와 기존의 집진 프리필터(b)의 단면 구조 및 여과방식을 보여주는 개략도이다.

도 4은 본 발명에 따른 3차원 미세기공을 갖는 공조용 프리필터의 제조 과정을 보여주는 개략도이다.

도 5는 본 발명의 실시예 2 에 의하여 제조된 공조용 프리필터의 (a)폼 코팅면, (b)측단면 및 (c)비코팅된 부직포면을 전자 현미경으로 관찰한 사진이다.

도 6는 본 발명의 실시예 2에 의하여 제조된 공조용 프리필터(a)와, 비교예 1의 수지 코팅전 공조용 프리필터의 미세분진 제거 효율변화를 보여주는 그래프이다.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

10 : 거품 발생기 11 : 거품 코팅기

12 : 거품공급 노즐 13 : 수지거품

14 : 여재 15 : 롤러

16 : 스테이터 17 : 로터

18 : 에멀젼 용액 공급관 19 : 공기압 공급관

20 : 가교제 공급관

본 발명은 3차원 미세기공을 갖는 공조용 프리필터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 내부에 많은 공극이 형성되며 점진적으로 커지는 밀도 분포를 갖는 부직포층 외면에 미세한 기공을 가지는 거품(foam)상의 수지를 도포하여 겔화 및 건조시켜 이루어진 폼층이 적층된 공조용 프리필터에 관한 것이다.

일반적으로 철강공업, 시멘트공업, 분체를 원료로 하거나 분체 형태의 제품을 생산하는 공업현장 등에서는 많은 공정에서 다량의 분진을 포함하는 오염된 공기가 배출되며, 이러한 오염된 공기가 그대로 대기 중으로 배출되면 심각한 대기오염을 초래할 수 있기 때문에 모든 업체에서는 오염된 공기를 정화하여 대기 중으로 방출하는 것을 의무화하고 있다.

보통 공기정화수단으로서 필터의 종류는 집진용 필터와 공조용 필터가 있는데, 이들의 특성은 다음 표 1로 나타낼 수 있다.

구분	집진용 필터	공조용 필터
용도	고농도 거대분진 제거[공정분진]	저농도 미세분진 제거[대기분진]
임계차압	도달시간이 짧음 임계차압 도달시 탈진 후 가동	도달시간이 김 임계차압 도달시 필터 교체
여과방식	표면여과방식	심층여과방식
여과속도	느림(평균 1m/min)	빠름(평균 2.5m/min)
여재	집진조건 및 분진 종류에 따라 다양	실내공기 품질따라 다단계의 여재 설정

즉, 상기 표 1에 나타낸 바와 같이 집진용 필터의 경우 주로 제조 공정 중에 발생하는 고농도 거대 분진을 필터링하는데 많이 적용되며, 임계차압에 도달하는 시간이 짧고 여과속도가 느린 특징이 있다.

반면, 공조용 필터의 경우 대기 분진에 의한 저농도 미세 분진을 필터링하는데 많이 적용되며, 임계차압에 도달하는 시간이 길고 여과속도가 빠른 특징이 있다. 이러한 공조용 필터는 요구되는 실내공기품질(IAQ)에 따라 PRE, MEDIUM, HEPA, ULPA 등과 같이 다단계로 필터 여재가 설정된다.

상기 다단계로 성립되는 필터 여재 중 프리(PRE) 필터가 갖추어야 할 성능으로 가장 중요한 것은 우수한 통기성과 공극이 미세하고 균일하여 공기만을 잘 통과시키면서도 분진 등은 통과시키지 않는 고여과능이라 할 수 있다.

이와 같은 성능을 가장 잘 나타낼 수 있는 것이 부직포로서 대부분의 프리(PRE) 필터는 부직포로 만들어 진다. 이 외에도 필터는 내열성, 방염성, 투습성, 방수성, 발수성 등의 특성이 요구된다.

그러나, 산업의 발달로 점점 더 미세한 분진들이 더욱 다량으로 발생되고, 환경보호 및 작업환경 등의 개선을 위해서는 점점 더 미세해지는 분진들을 효율적으로 포집하여 제거해야 하는 과제를 남기고 있다.

상기 다단계로 성립되는 필터 여재 중 미디움 필터는 HVAC(Heating, Ventilating and Air Conditioning) 시스템[PRE-MEDIUM-HEPA filter] 구조 중 중간 정도의 여과 성능을 나타내는 필터로서, 저농도의 미세분진(0.3 ∼ 3 ㎛)[대기분진]을 제거하는 용도로 사용되며, 임계차압에 도달하는 시간이 길고, 임계차압에 도달시에는 필터를 교체하는 공조용 필터의 특성을 나타낸다. 미디움 필터의 분진 여과 효율은 0.3 ∼ 1 ㎛ 범위의 분진의 경우 75 % 이상이고, 1 ∼ 3 ㎛ 범위의 분진의 경우 90 % 이상이다.

그러나, 기존의 이러한 공조용 필터는 분진의 여과 효율이 높을수록 필터의 차압이 크고, 여과재가 얇아 표면의 먼지 부하율이 높으며, 다단계 HAVC 시스템으로 넓은 공간을 확보해야 하거나, 높은 풍량의 동력이 필요한 문제점이 잔존한다. 또한, 낮은 등급의 프리필터를 사용하기 때문에 고가의 미디움 필터어 1 ∼ 3 ㎛의 분진이 50 %이상 노출되어 필터 수명이 단축되는 현상이 발생한다.

따라서, 분진의 높은 여과 효율을 유지하는 동시에 낮은 차압에서 운전 가능하며, 표면 먼지 부하율이 낮고, 넓은 공간 확보를 요구하지 않으며, 낮은 풍량으로 운전 가능한 필터의 개발이 요구되었다.

한편, 종래의 경우 실리콘이나 요철 등이 처리된 종이 위에 유기용제를 사용한 아크릴 수지나 우레탄 수지 용액을 코팅한 후, 이를 부직포와 함께 적층하고, 캘린더 가공하여 종이상의 필름을 부직포 표면에 부착하는 방법으로 필터를 제조하여 왔다.

그러나, 상기한 방법은 기공크기가 매우 크게 형성되어 미세분진을 효과적으로 제거하지 못하며, 유기용제의 사용으로 작업환경이 열악하고 화재의 위험성을 내포한다는 문제점이 있다.

또한, 아크릴 수지 용액과 공기를 혼합하여 거품을 제조한 후, 패드나 나이프를 사용하여 거품을 부직포상에 패딩처리하는 방법이 많이 적용되고 있으나, 이러한 방법은 나이프나 패드 자체의 물리적인 힘에 의하여 거품구조가 깨지기 때문에 부직포의 표면에 입체적인 거품구조를 형성하지 못하고 단순히 부직포 섬유 간의 강도를 부여하는 것에 그치는 단점이 있다.

또한, 최근에는 에멀젼 용액에 공기를 주입하여 수지거품을 발생시키고, 이를 거품코팅기로 부직포의 표면에 코팅하는 방법이 소개되고 있으나, 이러한 방법은 25 ㎛ 이상의 평균직경을 갖는 거품을 형성함으로써 좀더 미세한 분진을 여과시킬 수 없는 단점이 있다.

더구나, 현재까지의 필터는 주로 집진용 필터의 개발에 치중되어 있으며, 공조용 필터에 대한 개발은 그리 활발하지 못 하였다.

한편, 요즘은 미세 분진의 유해성에 대한 인식과 대기환경기준의 강화로 고효율의 필터가 선호되고 있다. 따라서, 일반적으로 사용하고 있는 프리(PRE) 필터의 경우 미국공조협회(ASHRAE) 스탠더드 MERV(Minimum Efficiency Reporting Value)값이 7 또는 8이지만, 선진국에서는 프리(PRE) 필터로 미세분진도 포집할 수 있는 MERV 11로 전환하는 추세이다.

미국냉공조기 협회(ASHRAE) 스탠더드52.2테스트 차트를 다음 표 2에 간단하게 소개한다.

ASHRAE 52.2				적용
MERV	종합평균효율(분진크기 범위별), %
	Range 1 0.3∼1.0㎛	Range 2 1.0∼3.0㎛	Range 3 3.0∼10.0㎛
2 그룹[저효율 프리필터]: 상업용빌딩, 상급주택용, 산업작업장, 도장부스인입공기 등
5	-	-	20∼35%	3.0∼10.0㎛의 분진: 곰팡이, 포자, 헤어스프레이, 직물보호장치, 시멘트분진, 푸딩가루, 분유
6	-	-	35∼50%
7	-	-	50∼70%
8	-	-	>70%
3 그룹[고효율 프리필터]: 최상주택용, 상급상업용빌딩, 병원사무실, 연구실 등
9	-	<50%	>85%	1.0∼3.0㎛의 분진: 레이오넬라균, 가습기분진, 납분진, 밀가루, 탄분진, 자동차배기, 분무액방울, 용접가스
10	-	50∼65%	>85%
11	-	65∼80%	>85%
12	-	>80%	>90%
4 그룹[미디움 필터]: 병원환자간호, 일반외과수술, 흡연실, 최상상업용빌딩 등
13	<75%	>90%	>90%	0.3∼1.0㎛의 분진: 모든박테리아, 대부분의 담배연기, 작은 물파편[재채기], 살충제분진, 토너, 대부분의 화장분, 대부분의 안료
14	75∼85%	>90%	>90%
15	85∼95%	>90%	>90%
16	>95%	>95%	>95%
5 그룹[HEPA/ULPA 필터]: 크린룸, 방사능물질, 약제조, 발암물질, 정형외과수술 등
17	≥99.97%	-	-	≤0.3㎛의 분진: 뭉치지 않은 바이러스, 카본분진, 바다소금, 모든 매연, 라돈 소산물
18	≥99.99%	-	-
19	≥99.999%	-	-
20	≥99.9999%	-	-
MERV(Minimum Efficiency Reporting Value)

그런데, 현재 시판되고 있는 고효율의 프리(PRE) 필터들은 가격이 높고 제조공정이 복잡하여 기업이나 가정에서 고효율 필터 사용을 꺼리게 되는 문제점으로 인식되어 왔다.

이에, 본 발명의 발명자들은 상기와 같은 요구에 부응하는 특성을 가지는 새로운 공조용 필터를 개발하기 위하여 연구노력한 결과, 외기 접촉면을 기점으로 하 여 외기 진행 방향[부직포층→폼층]으로 점진적으로 높아지는 밀도 분포를 나타내는 벌키한 특성을 가지며 내부에 다량의 공극이 형성된 부직포에 미세기공을 갖는 수지의 거품을 코팅한 후 겔화 및 건조시키는 간단한 방법으로, 심층여과방식에 적절하고, 미디움 필터에 필적하는 성능을 가지며, 1 ∼ 3㎛ 범위의 미세분진을 효과적으로 제거할 수 있는 높은 효율성을 가지고, 저차압 특성을 나타내는 공조용 프리필터를 제조할 수 있음을 알게 되어 본 발명을 완성하였다.

따라서, 본 발명은 가격이 매우 저렴하면서도, 효율이 높으며, 한편으로는 점차 강화되고 있는 대기환경기준에 적극 대처할 수 있는 3차원 미세기공을 갖는 공조용 프리필터를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 일 실시예로서 본 발명의 공조용 프리필터는,
유입되는 외기와 접하는 일측에 형성된 것으로, 외기가 유입되는 접촉면을 기점으로 하여 외기가 배출되는 방향을 따라 점진적으로 밀도가 높아지되, 최저 밀도가 50 g/㎡*1mmT 이고 최고 밀도가 200 g/㎡*1mmT 에 달하는 밀도 분포를 나타내는 벌키한 부직포층과; 상기 부직포층의 외측면에 형성되며 평균 10 ~ 15 ㎛ 범위의 기공이 입체 망상구조를 형성하는 폼층이 적층된 구조로 이루어진 것을 특징으로 하며; 상기 부직포층과 폼층의 조합형태로 된 필터는 MERV(Minimum Efficiency Reporting Value) 9 ~ 12를 가지는 것을 특징으로 하는 3차원 미세기공을 갖는 공조용 프리필터(pre-filter)를 특징으로 한다.

삭제

이하, 본 발명을 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 내부에 많은 공극이 형성되며 밀도 구배가 형성된 부직포층 외면 에 미세한 기공을 가지는 거품(foam)상의 수지를 도포하여 겔화 및 건조시켜 이루어진 폼층이 적층된 공조용 필터에 관한 것으로서, 미세분진이 포함된 외기가 공조용 프리필터를 구성하는 부직포층과 폼층을 순차적으로 통과하면서 미세분진을 심층여과 방식에 의해 빠르고 효과적으로 제거할 수 있어 미세분진 제거 효율이 높고, 경제적으로 저렴하며, 동시에 점차 강화되고 있는 대기환경기준에 적극 대처할 수 있는 3차원의 미세기공을 갖는 공조용 프리필터를, 단순하고 경제적인 공정으로 제조할 수 있는 방법을 제공한다.

이하, 본 발명의 공조용 프리필터를 구체적으로 설명한다.

먼저, 본 발명의 공조용 필터는 미세분진을 포함하는 외기와 접하는 일측에 형성되는 부직포층을 포함한다.

상기 기본여과재인 부직포층은 유입되는 외기와 접하는 일측에 형성된 것으로, 외기가 유입되는 접촉면을 기점으로 하여 외기가 배출되는 방향을 따라 점진적으로 밀도가 높아지는 벌키(bulky)한 특성을 나타낸다. 이때 부직포층의 최저 밀도가 50 g/㎡×1mmT, 바람직하기로는50 g/㎡×1mmT 이상이고, 최고 밀도가 200 g/㎡×1mmT, 바람직하기로는 200 g/㎡×1mmT 이하에 달하는 밀도 구배를 나타내면서 점진적으로 밀도가 높아지도록 구성된다.

상기 부직포층의 전체 두께는 1.5 ∼ 5 ㎜ 범위, 바람직하기로는 2 ∼ 3 ㎜ 범위가 되는 것이 좋으며, 부직포층의 전체 두께가 상기 범위 미만으로 작으면 분진 포집 효율이 낮아지고, 상기 범위를 초과하여 크면 절곡하여 사용되는 구조에 많은 여과면적을 투입하지 못하게 되어 여과성능이 낮아지는 경향이 있다.

상기 부직포층은 최저 밀도를 나타내는 부분의 두께가 전체 두께 중 25 ∼ 50 % 범위가 되도록 구성하는 것이 좋고, 최대 밀도를 나타내는 부분의 두께는 전체 두께 중 10 ∼ 50 % 범위가 되도록 구성하는 것이 좋다. 나머지 부분은 최저 밀도와 최대 밀도의 중간 정도의 범위로 구성되도록 한다.

과거에는 1 ∼ 3 ㎛의 분진을 여과하기 위하여 저데니아 고밀도 여과재를 사용하였으나, 본 발명은 상기한 특성을 가지는 부직포층에 수지 거품 코팅을 적용하여 통기성과 여과성능을 높였다.

이 구조는 최초 거대분진부터 크기가 작은 분진(10 ㎛이상 → 3 ∼ 10 ㎛ → 1 ∼ 3 ㎛ )까지 단계적 여과성능을 나타낸다. 이중 최대밀도층은 섬유밀도층(Pore size: 40 ∼ 80 ㎛)과 수지거품층(Pore size: 10 ∼ 15 ㎛)이 공존하게 되어 1 ∼ 3 ㎛의 미세먼지까지 여과하는 기능을 얻을 수 있다.

이때, 최저 밀도를 나타내는 부분의 두께가 상기 범위보다 작게 되면 분진포집효율(Dust Holding Caphacity, DHC)이 낮아지는 경향이 있고, 최대 밀도를 나타내는 부분의 두께가 상기 범위보다 클 경우 시스템 차압(Δ P)이 증가하여 효율은 증가하나 필터 수명을 단축시키는 하는 문제점이 있다.

일반적인 부직포의 경우 다른 밀도를 나타내는 밀도 구배를 형성을 하여도 섬유 굵기 및 조밀도 등의 차이로 불균일한 기공크기(40 ∼ 80 ㎛)를 보이기 때문에 2차 고밀도 여과재 (M,B: melt brown, Membrane)를 이용하여 라미네이팅을 하게 된다. 그러나, 이 두 층의 경계면은 급격한 기공층간격이 형성되어 차압급상승 및 외부 풍량으로 인하여 접촉면이 떨어지는 현상이 발생된다. 균일하게 밀도 분포가 형성되는 것과 비교하면 본 발명의 경우 필터의 부분에 따라 다른 밀도를 나타내는 밀도 구배를 형성함에 그 특징적인 기술구성이 있다고 할 수 있다. 즉, 본 발명의 공조용 프리필터는 밀도 구배에 따라 다층구조를 가지는 부직포층으로 구성되므로 차압의 급상승을 방지할 수 있다.

이와 같이 외기의 흐름 방향을 따라 점진적으로 증가하는 밀도 구배를 가지도록 형성됨으로써, 도 1의 (c)에 나타낸 바와 같이 벌키한 특성이 부여되고, 도 1의 (d)에 나타낸 바와 같이 저밀도 영역의 부직포층에는 직경이 큰 분진이 여과되고 밀도가 증가함에 따라 상대적으로 직경이 작은 분진이 여과되므로, 여과재 내부에 분진이 크기별로 단계적으로 여과되기 때문에 분진의 포집량이 높은 것과 비교하여 차압의 상승이 상대적으로 낮아 필터의 수명 연장의 효과를 더불어 얻을 수 있게 된다.

본 발명의 프리필터와 유사한 여과 효율을 나타내는 기존의 미디움 필터의 경우 도 1의 (a)에 나타낸 바와 같이 두께 약 1 ㎜ 정도의 슬림형 부직포로 구성되며, 도 1의 (b)에 나타낸 바와 같이 표면에 분진이 집중적으로 분포되기 때문에 분진의 포집량은 매우 낮게 되고, 차압이 급상승하여 필터의 수명이 단축되는 문제점이 지적된다.

참고적으로 당분야에서 일반적으로 사용되는 부직포의 경우 균일한 밀도를 나타내는데, 예를 들어 두께 0.8 ∼ 1.5 ㎜ 범위의 작은 영역에서 약 300 ∼ 350 g/㎥ 범위의 균일한 밀도를 나타낸다.

상기 부직포를 구성하는 섬유는 필터에 적용되는 다양한 섬유를 사용할 수 있으며 그 종류를 특별히 한정하는 것은 아니나, 바람직하기로는 절곡(Pleatable), 및 거품 코팅 특성을 고려하여 저융점섬유(Low Melting Fiber), 저 데니아(denia) 폴리에틸렌테레프탈레이트 (PET) 섬유를 사용하는 것이 좋다.

본 발명의 공조용 프리필터는 기존의 집진용 필터 등에 사용되던 부직포와는 달리 점진적으로 증가하는 밀도 구배가 부여된 다층구조의 부직포를 사용함에 특징이 있는 것으로, 이러한 밀도 특성을 가지는 부직포를 사용함으로써, 높은 공기 투과율과 높은 분진포집효율 특성이라는 이점을 얻을 수 있다.

상기와 같이 밀도 특성이 부여된 부직포를 사용하는 본 발명의 공조용 프리필터는 도 3에 나타낸 바와 같이, 미세분진을 함유한 외기가 부직포층을 통과할 경우 미세분진이 부직포층에 형성된 공극에 포집되는데, 상기 공극에 의해 3 ㎛ 이상의 분진이 높은 정도로 제거될 수 있는 효과를 기대할 수 있다,

즉, 기존의 집진용 필터는 도 3(b)에 제시하는 바와 같이 표면여과방식에 의하여 분진을 제거하는 원리를 채택하고 있어, 분진이 폼층에 의해 여과되는 것과는 달리, 본 발명의 공조용 프리필터는 도 3(a)에 제시하는 바와 같이 심층여과방식에 의하여 분진을 제거하므로 3 ㎛ 이상의 분진은 크기에 따라 밀도가 점점 커지도록 구성된 부직포층의 심층에 순차적으로 적층되고, 이보다 적은 1 ∼ 3 ㎛ 범위의 직경을 가지는 미세분진의 경우 폼층을 통과하면서 여과되는 것이다.

따라서, 기존의 고농도의 분진을 제거하는데 유효하던 집진용 필터와는 전혀 다른 여과방식으로 미세분진을 제거하게 되고, 임계차압에 도달할 경우 필터를 탈진하여 사용하는 집진용 필터와는 달리 공조용 필터의 경우 필터를 교환한다.

다음으로 본 발명의 공조용 프리필터는 폼층을 포함한다.

폼층은 상기 부직포층의 외면에 형성되며 평균 10 ∼ 15 ㎛ 범위의 기공을 가지도록 구성되며, 입체 망상 구조를 띠면서 부직포 층에 적층된다.

상기 폼층은 수지 에멀젼을 교반하여 거품을 형성한 후 저밀도의 부직포에 도포하여 이루어지는 것으로서, 부직포층의 일부를 포함하는 경계면과 순수한 수지 거품으로 구성되는 이중층 구조를 나타내게 된다.

즉, 상기 거품상의 수지는 많은 공극이 형성된 저밀도의 부직포 내부로 자연스럽게 인입되기 때문에, 부직포층과 폼층의 경계면에는 부직포를 구성하는 섬유 간의 공극이 수지의 폼으로 채워지게 된다. 이때, 부직포 내부로 채워지는 수지의 폼은 그 두께가 0.2 ∼ 0.5㎜, 바람직하기로는 0.4 ∼ 0.5㎜ 범위가 되도록 조절하는 것이 좋다. 상기한 부직포 섬유 간에 인입되는 수지의 폼 두께가 상기 범위보다 클 경우에는 망상 구조의 층이 높아져 공기투과도를 저해하는 경향이 있으므로 조절하는 것이 바람직하다.

이와는 달리, 순수하게 수지로만 이루어지는 폼층은 0.1 ∼ 0.3 ㎜ 범위, 바람직하기로는 0.2 ㎜ 범위로 조절하는 것이 좋다.

즉, 상기한 부직포 섬유 간에 인입되는 수지의 폼 두께를 포함하여, 본 발명의 공조용 필터를 구성하는 전체 폼층은 두께가 0.5 ∼ 1 ㎜ 범위, 바람직하기로는 0.7 ∼ 0.8 ㎜ 범위로 조절하는 것이 좋다. 이때, 폼층의 두께가 상기 범위 미만으로 적을 경우 균일한 기공크기를 유지할 수 없고, 상기 범위를 초과하여 두꺼울 경 우에는 요구 공기투과도에 미치지 못하는 경향이 있을 수 있다.

상기한 본 발명의 공조용 프리필터를 구성하는 부직포층은 도 3(a)에 도시한 바와 같이 미세분진을 함유하는 외기가 유입되는 일측에 형성되며, 폼층은 이와는 반대 방향인 미세분진이 여과되어 정화된 공기가 통과하는 외측면에 형성되게 된다.

상기와 같이 밀도 분포를 가지는 부직포층과 폼층의 조합형태로 된 본 발명의 공조용 필터는 상기 표 2에서 제시한 ASHRAE 스탠더드 52.2 테스트 차트에서 제시하는 MERV 9 ∼ 12를 만족시키면서, 최상 주택용, 상급 상업용 빌딩, 병원, 사무실, 연구실 등에 사용가능한 고효율의 프리필터의 기능을 가진다.

본 발명에서 제공하는 공조용 필터는, 도 3(a)에 도시한 바와 같이, 부직포 등과 같은 소재로 여재를 구성하고, 그 위에 일정두께의 수지거품으로 이루어진 폼층을 적층 조합한 고효율의 프리 필터 형태로 이루어져 있다.

특히, 상기 폼층의 경우 3차원 미세기공을 갖는 수지거품으로 구성되고, 또 수지거품의 입체적 구조가 잘 조성됨에 따라 전체적인 형태가 단순하면서도 거대분진 뿐만 아니라 미세분진 까지도 동시에 제거할 수 있는 등 뛰어난 기능을 발휘할 수 있게 된다.

예를 들면, 여재를 구성하는 부직포층의 경우 3 ㎛ 이상의 분진 제거가 가능하고, 3차원 입체 구조의 수지거품으로 이루어진 부직포층의 경우 1 ∼ 3 ㎛ 범위의 분진 제거가 가능하다.

또한, 상기 폼층에 별도의 부직포를 하나 더 적층시켜 조합한 형태를 제공함 으로써, 1 ∼ 3 ㎛ 범위의 미세분진 제거에 더욱 뛰어난 기능을 발휘할 수 있게 된다.

한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 공조용 프리필터의 제조방법을 각 단계별로 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

상기와 같은 3차원 미세기공을 갖는 공조용 필터는 1) 수지거품(foam) 준비단계, 2) 수지거품 코팅단계, 및 3) 건조단계를 거쳐 제조된다.

1) 수지거품 준비단계

먼저, 에멀젼 용액을 준비한다. 상기 수지거품의 제조를 위한 에멀젼 용액은 수용성 수지를 주재로 하고, 여기에 충진제, 거품제, 거품 안정제, 분산제 등을 포함하여 균일하게 혼합한 후, 이를 증점제로 증점한 것을 사용하는 것이 바람직하다.

이때 상기 수용성 수지로는 아크릴 수지, NBR 라텍스, 천연 라텍스, 실리콘 고무, 수용성 우레탄 및 불소계 수지 등 중에서 선택된 1 종 또는 2 종 이상의 혼합물을 사용할 수 있다.

상기 충진제는 당업계에서 통상적으로 사용가능한 충진제를 사용할 수 있으며, 예를 들면 탈크, 실리카, 수산화알루미늄 등을 사용할 수 있다. 상기 거품제로는 계면 활성제를 선택사용할 수 있으며, 탄소수 12인 선상 알킬 유도체의 계면 활성제인 소듐 라우릴 설페이트(SLS) 등을 사용할 수 있다. 상기 거품 안정제는 암모늄 스테아레이트계나 실리콘계를 사용할 수 있고, 바람직하게는 미세거품 발생, 거 품유지 능력, 유동성, 피막강도 등을 확보하기 위하여 위의 암모늄 스테아레이트계와 실리콘계를 함께 사용하는 것이 좋다. 상기 분산제로는 폴리카르복실산 소다염을 주성분으로 하는 분산제 등을 사용할 수 있고, 상기 증점제는 아크릴계 증점제를 사용하는 것이 바람직하다.

에멀젼 용액을 균일하게 혼합하기 위해서는 교반이 필수적인데, 교반시 에멀젼 용액에서 열이 발생하게 되고, 이때의 열에 의해 가교제 등이 혼합과정에서 에멀젼 용액의 가교를 진행시키므로, 에멀젼 용액의 유동성을 떨어뜨리게 된다. 따라서, 본 발명에서는 가교제 등을 에멀젼 용액 혼합시 투입하지 않고, 수지거품 제조시 별도의 공급관을 통해 투입한다. 상기한 가교제로는 아마이드계, 에폭시계 것을 사용할 수 있다.

상기 에멀젼 용액을 거품 발생기에서 교반하여 수지거품을 만든다.

예를 들면, 거품발생기에 에멀젼 용액을 투입한 상태에서 공기를 블로잉한 후, 교반하여 수지거품을 만드는데, 이때 생성되는 수지거품은 직경이 10 ∼ 15 ㎛ 범위, 바람직하기로는 13 ∼ 14㎛ 범위를 유지하도록 조절하는 것이 거품안정성 및 기공도 측면에서 좋다.

상기 에멀젼 용액의 공급은 통상의 펌프를 사용할 수 있으며, 바람직하게는 설비의 조건에 관계없이 항상 일정한 양을 균일하게 공급할 수 있는 모노펌프를 사용하는 것이 좋다.

상기 거품발생기에 공급되는 공기압은 거품발생기 내부의 압력보다 높아야 하며, 이에 따라 거품발생기의 내부에서 공기가 에멀젼 용액에 균일하게 확산될 수 있다.

상기 거품발생기는 교반속도가 빠를수록 수지거품의 크기를 작게 형성할 수 있으나, 교반속도가 너무 빠를 경우에는 형성된 거품끼리 뭉쳐서 거품이 커져버릴 수 있으므로, 속도의 조절이 필요하며 본 발명의 경우 교반속도는 100 ∼ 500 rpm, 바람직하기로는 250 ∼ 350 rpm으로 조절하는 것이 좋다. 또한 수지거품의 크기는 거품발생기의 핀의 개수로도 조절가능한데 미세한 핀의 갯수가 많을수록 거품의 크기를 작게 형성할 수 있으므로, 핀의 개수가 200 ∼ 300개, 바람직하기로는 250 ∼ 300개인 거품발생기를 사용하는 것이 좋다.

2) 수지거품 코팅단계

본 단계에서는 상기 부직포(여재)층 위에 수지거품을 코팅하는 단계를 수행한다. 코팅 나이프로 수지거품이 고르게 코팅될 수 있도록 하고, 거품공급 노즐을 여재 진행방향의 횡방향으로 하여 분당 10～30회 왕복시키는 방식으로 거품을 토출한다.

본 단계에서는 일단 생성된 수지거품을 거품상이 그대로 유지되는 상태로 여재의 표면에 적용시켜 여재 표면상에 수지거품이 망상구조(network structure) 그대로 적층되도록 하는 것으로, 수지거품이 부직포의 표면에 0.1 ∼ 0.3 ㎜의 두께로 적층되도록 하는 것이 좋다.

상기 거품코팅기의 거품공급 노즐을 여재 진행방향의 횡방향으로 하여 분당 10∼30회 왕복의 빠른 속도로 거품을 토출함으로써, 종래의 거품코팅기의 구조상 발포된 거품이 여재에 코팅되기까지 소요되는 시간을 단축할 수 있고, 이에 따라 미세한 거품을 유지할 수 있는 장점이 있다.

이와 같이, 빠르게 왕복하는 거품공급 노즐을 사용하여 수지 거품을 신속하게 공급함으로써, 미세거품의 평균직경이 시간이 경과함에 따라 커지는 현상을 방지할 수 있다. 본 단계를 거쳐 생산된 공조용 필터는 거품의 평균직경이 1 ∼ 3㎛ 범위로 형성된다.

특히, 수지거품 코팅시 여재 위에 별도의 부직포를 배치한 후 그 위에 수지거품을 토출함으로써, 수지거품으로 된 폼층과 부직포 간의 조합을 통해 보다 향상된 분진 제거 기능을 발휘할 수 있게 된다.

3) 건조단계

본 단계는 수지거품이 코팅된 여재를 건조시키는 단계로서, 아래와 같이 과정으로 구분하여 실시한다.

거품이 코팅된 여재를 급격한 건조시 거품이 커지고, 파괴되는 것을 방지하기 위하여, 85 ∼ 95 ℃의 약풍(풍속 1 m/sec이하)으로 30초 내지 1분 동안 코팅표면을 겔화시킨다(겔화 과정). 상기 겔화시킨 여재를 120 ∼ 150 ℃의 온도로 1 분 내지 3 분 동안 건조한다(건조과정). 상기와 같이 건조한 여재의 코팅피막을 150 ∼ 160 ℃의 온도로 20초 내지 2분 동안 열처리시킨다(열처리 과정).

이와 같은 과정을 건조된 여재는 평균직경 10 ∼ 15 ㎛ 범위의 미세한 거품을 유지할 수 있다.

한편, 상기와 같은 공조용 프리필터의 제조를 위한 장치에 대해 설명하면 다음과 같다.

도 4에 도시한 바와 같이, 거품발생기(10)는 외벽을 형성하는 스테이터(16), 중심부에 로터(17), 상기 로터(17)에 수직으로 고정되어 세워져 있으며 핀의 굵기가 4 ∼ 5 ㎜인 로터측 핀, 상기 스테이터(16)에 고정되어 세워져 있으며 핀의 굵기가 4 ∼ 5 ㎜인 스테이터측 핀, 상기 스테이터(16) 내로 원료를 투입하기 위하여 스테이터(16) 상단부에 설치된 에멀젼액 공급관(18), 공기압 공급관(19), 가교제 공급관(20) 등으로 구성된다.

따라서, 상기 로터(17)가 100 ∼ 500 rpm의 속도로 회전하면서 스테이터(16) 상단부에 설치된 에멀젼액 공급관(18), 공기압 공급관(19), 가교제 공급관(20)을 통해 공급된 원료가 혼합하여 수지 거품을 발생하게 된다.

또한, 상기 거품코팅기(11)는 거품발생기(10)에서 생성된 수지거품(13)을 여재(14)에 공급하기 위한 거품공급 노즐(12), 상기 여재(14)를 이송하기 위한 롤러(15), 상기 여재(14)에 코팅된 수지거품(13)을 균일하게 코팅하기 위하여 여재 상부에 수직 방향으로 위치하는 코팅 나이프(미도시) 등으로 구성된다.

상기 거품공급 노즐(12)은 여재(14) 진행방향의 횡방향으로 설치되며, 분당 10 ∼ 30회 왕복의 속도로 여재(14)에 수지거품을 토출한다.

따라서, 상기 거품공급 노즐(12)을 통하여 여재(14)에 공급된 수지거품(13)은 거품코팅기(11) 외부에 위치하는 코팅 나이프에 의하여 균일하게 여재 위에 코 팅된다.

이와 같은 장치를 통해 제조된 본 발명의 필터는 여재인 부직포의 표면에 평균직경 10 ∼ 15㎛ 범위의 수지거품을 코팅시키고, 이렇게 코팅된 수지거품을 건조시킴으로써, 3차원 미세기공을 포함하는 입체적인 구조를 갖게 되고, 이에 따라 공조용 프리필터로 사용시 거대분진 및 미세분진을 보다 효과적으로 포집할 수 있게 된다.

이하, 실시예에 의거하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하겠는바, 본 발명이 다음 실시예에 의하여 한정되는 것이 아님은 자명하다.

실시예 1 ∼ 3 및 비교예 1 ∼ 2

1) 수지거품준비

수용성 수지로서 아크릴 수지 80 중량부, 충진제로 탈크 10 중량부, 거품제로 소듐라우릴설페이트 2 중량부, 거품안정제로 암모늄 스테아레이트계 거품안정제 5 중량부와 실리콘계 거품안정제 1 중량부, 분산제로 폴리카르복실산소다염(50 %) 0.5 중량부를 균일하게 혼합하고, 여기에 증점제로서 알긴산 소다 1 중량부를 가하여 에멀젼 액을 준비하였다.

상기 에멀젼 액을 60 ㎏/h의 속도로 도 1에 제시한 장치에 의해 거품발생기에 공급하고, 가교제로서 이소시아네이트계 1 중량부를 이와 별도의 공급관을 통하여 주입하였다. 이때 거품발생기의 압축공기(6 ㎏/)를 유량계(flow meter) 수치가 10 cc/min 이 되도록 하고, 250 rpm 속도로 교반하여 수지의 거품을 생산하였다.

2) 수지거품 코팅단계

상기와 같이 도 4의 장치를 통하여 생산된 수지거품을 거품코팅기에 투입한 후, 왕복속도가 30회/min 이고 거품기로부터 공급노즐까지의 거리가 6 m인 공급노즐을 통하여 발포하여 부직포층에 코팅하였다. 이때 부직포의 속도는 6m/min 으로 하였다. 발포 후 코팅까지의 시간은 30초가 소요되었다.

3) 건조단계

상기와 같이 거품이 코팅된 저밀도 부직포를 90 ℃의 약풍(10 m/sec 이내)으로 1 분간 처리하여 코팅 표면의 거품을 겔화시키고, 130℃의 강풍( 30 m/sec 이내)으로 2분간 건조시키고, 160 ℃에서 2분간 열처리시켜 공조용 필터를 제조하였다.

실험예 1

상기 실시예 1, 2 및 3에 의하여 제조된 공조용 프리필터를 구성하는 부직포층 및 폼층의 특성과, 시판중인 공조용 프리필터[비교예 1]와 시판중인 미디움 필터[비교예 2]의 특성을 다음 표 3에 나타내었다.

또한, 상기 실시예 1, 2 및 3과 비교예 1 및 2의 시판 필터의 수지거품 코팅 전후의 평균통기도 및 1 ∼ 3 ㎛ 분진의 여과효율을 당업계에 공지된 방법으로 측정한 결과를 다음 표 3에 나타내었다.

부직포층은 밀도 50 ∼ 200 g/㎡×1mmT 의 경우 저융점(LM)사와 폴리에틸렌 테레프탈레이트사를 사용하였고, 밀도 300 g/㎡×1mmT 의 경우 폴리에틸렌테레프탈레이트사(PET)로 이루어진 것을 사용하였다.

구분		실시예1	실시예2	실시예3	비교예 1 (기존프리필터)		비교예 2 (기존미디움필터)2)
					코팅전	코팅후	코팅전	코팅후
부직포밀도 (g/㎡×1mmT)	최저밀도층	50	50	50	80	80	300	300
	최고밀도층	200	200	200	250	250
부직포두께3 ) (mm)	최저밀도층	0.5	1	1.5	1	1	1.0	1.0
	최고밀도층	0.2	0.4	0.6	0.5	0.5
	전체	1.5	3	4	2	2
거품평균직경(㎛)		12	12	12	-	12	-	12
폼층두께(mm)		0.2	0.2	0.2	-	0.2	-	0.2
경계면두께1 )(mm)		0.2	0.4	0.6	-	0.1	-	0.05
평균 통기도(㎤/㎠/sec)		120	80	50	120	50	30	15
여과재 총중량(g/㎥)		180	230	270	200	230	300	320
1∼3㎛ 분진여과효율		68%	77%	90%	58%	77%	90%↑	-
1)폼층 중 부직포층의 공극에 수지거품이 인입된 두께를 의미 2)균일한 밀도 분포 3)부직포밀도는 점차적으로 조밀한 분포를 갖는다.

평균통기도는 여과재의 분진포집량(D,H,C)과 여과효율에 많은 영향을 주는 요소이다. 상기 실시예 2와 비교예 1을 비교하면 코팅 후 통기도가 각각 80 cc, 50 cc로 많은 차이를 보이나 분진여과효율은 77%로 동일함을 알 수 있다. 이는 실시예 2가 저차압 필터임을 간접적으로 나타내는 결과이다.

상기와 같이 통기도의 차이를 보이는 원인은 기존 프리필터의 경우 표면 밀도를 매우 높게 하기 위해서 아크릴 또는 우레탄 스프레이공정을 도입하거나, 저융점 섬유의 밀도를 높게 조성한 후 그 표면에 벌키한 섬유를 열프레스로 열융착하여 균일도를 높이는 공정을 도입하기 때문으로, 이에 의해 부직포층의 기공률이 상대적으로 낮아지게 되어 통기도가 낮아지는 것이다.

실시예 1과 비교예 1의 코팅전 결과를 비교해보면 통기도는 같지만 필터의 분진여과 효율은 많은 차이를 보이는 것을 알 수 있다. 이는 아크릴, 우레탄 스프레이 공정이나 열프레스 카렌딩 공정보다도 거품코팅공정이 더 높은 효율의 필터를 제조할 수 있다는 근거를 보여주는 예이다.

한편, 상기 실시예 2 에 의하여 제조된 공조용 프리필터의 전자현미경 사진을 도 5에 나타내었다. 도 5에 의하면 부직포 공극 간에 균일한 크기를 가지는 미세한 거품이 안정적으로 형성되었음을 확인할 수 있다.

실험예 2

현재 일반 공조용 프리필터의 통기도 기준은 70 ∼ 150 cc이다. 이에 상기 실시예 2 에 의하여 제조된 공조용 프리필터와 기존 비교예 1의 코팅전 프리필터의 미세분진 제거 효율을 비교하였으며, 그 결과를 도 6의 그래프로 나타내었다.

이때, 사용된 미세분진 함유 공기의 농도는 미국공조협회(ASHRAE) 스탠더드 표준분진이며, 평균 0.9 cm/sec의 유속으로 시험체인 상기 저밀도 부직포와 공조용 필터를 통과시켰다[통과방향 : 부직포층 → 폼층].

도 6의 그래프에 의하면, 코팅 후가 코팅 전보다 약 30% 정도 분진제거효율이 향상됨을 알 수 있다.

본 발명에서 제공하는 3차원 미세기공을 가지는 공조용 프리필터의 경우에는 표 2에 제시된 ASHRAE 스탠더드 52.2에서 제시한 MERV 9 ∼ 12을 만족시키므로, 최상 주택용, 상급 상업용 빌딩, 병원, 사무실, 연구실 등 다양한 분야에서의 효과적인 적용이 가능하다.

또한, 본 발명에서 제공하는 필터는 일반 빌딩 공조용 프리필터나 산업용 공조용 프리필터에 적용할 수 있으며, 백필터, 절곡형 필터 등에도 적용할 수 있다.

이상에서와 같이 본 발명은 여재에 미세기공을 코팅하여 1∼3㎛ 범위의 미세 분진을 효과적으로 제거할 수 있는 3차원 미세기공 필터를 구현함으로써 다음과 같은 효과를 제공한다.

첫째, 가격이 매우 저렴하면서도 효율이 높고 제조공정이 단순하여 필터를 경제적으로 제조할 수 있다.

둘째, ASHRAE 테스트 기준 MERV이 9 ∼ 12을 만족시키는 고효율 프리필터의 제조가 가능하여 최상 주택용, 상급 상업용 빌딩, 병원, 사무실, 연구실 등 다양한 분야에 부담없이 폭넓게 적용할 수 있다.

셋째, 우수한 MERV값으로 인해 점차 강화되고 있는 대기환경기준에 적극 대처할 수 있다.

넷째, 공조용 필터 중 미디움 필터에 필적하는 여과 효율을 나타내면서 저차압 특성을 나타내므로 필터의 수명이 길어지는 잇점이 있다.

Claims (8)

1. 유입되는 외기와 접하는 일측에 형성된 것으로, 외기가 유입되는 접촉면을 기점으로 하여 외기가 배출되는 방향을 따라 점진적으로 밀도가 높아지되, 최저 밀도가 50 g/㎡*1mmT 이고 최고 밀도가 200 g/㎡*1mmT 에 달하는 밀도 분포를 나타내는 벌키한 부직포층과;

   상기 부직포층의 외측면에 형성되며 평균 10 ~ 15 ㎛ 범위의 기공이 입체 망상구조를 형성하는 폼층이 적층된 구조로 이루어진 것을 특징으로 하며;

   상기 부직포층과 폼층의 조합형태로 된 필터는 MERV(Minimum Efficiency Reporting Value) 9 ~ 12를 가지는 것을 특징으로 하는 3차원 미세기공을 갖는 공조용 프리필터(pre-filter).
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 부직포층은 최저 밀도를 나타내는 두께가 전체 두께 중 25 ∼ 50% 범위인 것을 특징으로 하는 3차원 미세기공을 갖는 공조용 프리필터.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 부직포층은 최고 밀도를 나타내는 두께가 전체 두께 중 10 ∼ 50 % 범위인 것을 특징으로 하는 3차원 미세기공을 갖는 공조용 프리필터.
4. 청구항 1에 있어서,

   상기 부직포층은 전체 두께가 1.5 ∼ 5 ㎜ 범위인 것을 특징으로 하는 3차원 미세기공을 갖는 공조용 프리필터.
5. 청구항 1에 있어서,

   상기 폼층은 부직포를 포함하는 이중구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 3차원 미세기공을 갖는 공조용 프리필터.
6. 청구항 1에 있어서,

   상기 폼층은 전체 두께가 0.5 ∼ 1 ㎜ 범위인 것을 특징으로 하는 3차원 미세기공을 갖는 공조용 프리필터.
7. 청구항 1에 있어서,

   상기 부직포층과 폼층의 조합형태로 된 필터는 최초 거대분진부터 크기가 작은 분진(직경 10 ㎛이상 → 3 ∼ 10 ㎛ → 1 ∼ 3 ㎛)까지 단계적 여과성능을 갖는 것을 특징으로 하는 3차원 미세기공을 갖는 공조용 프리필터.
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