KR101276515B1 - 컨포멀 필터 카트리지 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

컨포멀 필터 카트리지(10), 컨포멀 필터 카트리지를 이용한 여과 장치, 컨포멀 필터 카트리지를 제조하는 방법이 개시된다. 컨포멀 필터 카트리지는 한 쌍의 지지판들(50, 60) 사이에 필터 재료의 베드(40)를 포함할 수 있으며, 필터 재료의 베드를 대면하는 지지판의 주표면들(41, 43)은 적어도 하나의 축에 대해 각각 만곡된다. 지지판에 의해 부여된 곡률은 필터 카트리지에 컨포멀 구조를 제공한다. 필터 재료의 베드는 필터 카트리지 내의 지지판들 사이의 잔류 압축 하에 유지될 수 있는 성긴 미립자 필터 재료일 수 있다.

컨포멀 필터 카트리지, 필터 재료의 베드, 곡률, 지지판, 미립자 필터 재료, 여과 장치, 호흡 장치

Description

컨포멀 필터 카트리지 및 그 제조 방법{CONFORMAL FILTER CARTRIDGES AND METHODS}

본 발명은 예컨대, 호흡 장치, 공기 여과 유닛, 또는 다른 여과 장치에서 사용되기에 적합한 필터 카트리지의 분야에 관한 것이다.

필터 카트리지는 사용 수명이 다했을 때 사용되던 여과 장치로부터 제거될 수 있고 새로운 필터 카트리지로 교체될 수 있도록 교체가능할 필요가 있는 경우가 많다. 필터 카트리지는 통상 카트리지의 형태이며, 이것의 하우징은 카트리지가 사용되는 여과 장치에 끼워지고, 제거되는 것이 가능하도록 하는 특정 형태의 부착 기구를 구비할 수 있다. 다른 경우, 예컨대 특정 형태의 호흡 마스크에 있어서, 여과 장치는 필터 카트리지가 수명의 한계에 도달했을 때 버려지도록 의도되며, 이러한 경우에 필터 카트리지는 여과 장치의 일체형 부품이 될 수 있다.

예컨대, 활성 탄소와 같은 흡착제 미립자가 호흡 장치 내에서 가스 또는 증기 필터로서 통상 사용된다. 필터는 일반적으로 흡착 재료가 필터 내에 지지되는 방식에 따라 분류되며, 적재식 부직포 필터, 적재식 발포체 필터, 결합식 흡착제 필터, 및 팩킹된(packed) 베드 필터를 포함한다.

필터 카트리지는 평면형 또는 컨포멀형(conformal)으로 설명될 수 있다. 평 면 필터 카트리지는 (공기와 같은) 여과될 유체가 이를 통해 필터 재료의 베드에 유입되고 방출되는 납작한 면 또는 평면을 갖는 체적 내에 포함된 필터 재료의 베드를 통상 포함한다. 필터 재료가 성긴 흡착제 미립자의 형태인 경우에, 평면 필터 카트리지는 유리하게는 종래의 스톰 충전(storm filling) 기술에 의해 제조된다.

컨포멀 필터 카트리지는 통상 적어도 하나의 만곡된 면을 포함하는 필터 카트리지를 사용하여 사람의 얼굴 형태의 내재적인 곡률에 더욱 유사하도록 만곡 또는 일치된다. 더 근접한 일치는 여과 장치의 크기를 감소시킬 수 있다. 그러나, 컨포멀 필터 카트리지의 곡률은 예컨대, 슐레히터(Schlaechter)의 국제 특허 공개 공보 WO 03/090872호에 논의된 것과 같은 성긴 필터 재료를 구비하는 필터 카트리지의 종래의 "스톰 충전"과 양립될 수는 없다. 상기 자료에서, 컨포멀 필터 카트리지를 제공하기 위한 하나의 접근 방식은 내부에 적재된 흡착제 입자의 밀도를 증가시키도록 적재 동안에 필터 카트리지 하우징을 진동시키는 것을 포함한다. 그러나, 그러한 접근 방식의 단점은 하우징을 진동시킬 필요성, 진동 충전과 관련된 불확실성 등을 포함할 수 있다.

컨포멀 필터 카트리지를 제공하기 위한 다른 접근 방식은, 예컨대 웨브(web)를 형성하는 섬유들(예컨대 미국 특허 제3,971,373호를 참조하라)과 내부에 분산되고 발포체 구조물 내에 결합된 흡착제 미립자를 포함하는 적재된 발포체 필터들(예컨대, 미국 특허 제4,046,939호를 참조하라) 사이의 틈새 내에 흡착제 미립자를 포함하는 웨브의 형태의 적재된 부직포 필터를 포함할 수 있다. 통상 이러한, 적재 된 구조물은 성긴 필터 재료의 팩킹된 베드보다 낮은 흡착제 미립자 밀도를 갖는 것이 문제이다. 결과적으로, 필터 카트리지의 두께는 컨포멀 형상의 장점이 무효화되는 지점에서 증가되어야 할 것이다.

적재된 부직포 및 발포체 필터 카트리지의 장점은 접착식 흡착제 필터 카트리지(예컨대, 미국 특허 제5,033,465호와 제6,391,429 B1호를 참조하라)의 발명이다. 접착식 흡착제 필터 카트리지 기술에서, 흡착제 미립자는 통상 흡착제 입자들을 함께 결합시키는 폴리머 미립자를 이용한 단일 구조물로 형성된다. 접착식 흡착제 구조물은 다른 적재식 구조물에 대한 흡착제 미립자의 밀도를 증가시킬 수 있고 만곡된 면과 함께 형성될 수 있다. 잠재적인 단점은 예컨대, 접착식 흡착제 필터 카트리지 등의 제조와 관련된 부가적인 비용을 포함할 수 있다.

본 발명은 컨포멀 필터 카트리지, 컨포멀 필터 카트리지를 이용한 여과 장치, 컨포멀 필터 카트리지를 제조하는 방법을 제공한다. 본 발명의 컨포멀 필터 카트리지는 양호하게는 한 쌍의 지지판들 사이에 필터 재료의 베드를 포함하고, 필터 재료의 베드를 대면하는 지지판의 주표면들은 적어도 하나의 축에 대해 각각 만곡된다. 지지판에 의해 부여된 곡률은 필터 카트리지에 컨포멀 구조를 제공한다.

필터 재료의 베드는 필터 카트리지 내의 지지판들 사이의 잔류 압축 하에 유지될 수 있는 성긴 미립자 필터 재료인 것이 바람직할 것이다. 필터 재료의 조기 파괴를 감소시키고 완전한 사용을 증진시키기 위해, 두 개의 지지판들 사이의 필터 재료의 두께가 (정상 제조 공차 내에서) 균일한 것이 요구된다.

필터 카트리지의 제조는 필터 재료의 베드를 하우징 기저부 내에 위치된 납작한 수평으로 배향된 지지판 상에 적층하는 것을 포함한다. 필터 재료의 베드가 바람직한 패킹 밀도를 구비하며 균일한 두께의 팩킹된 베드를 제공하기 위해, 적합성의 견지에서 스톰 충전에 의해 적층되는 것이 바람직할 것이다. 필터 재료가 적층된 후에는, 지지판은 양호하게는 필터 재료의 베드를 대면하는 지지판의 주표면들이 각각 적어도 하나의 축에 대해 곡률을 갖도록 변형될 수 있다.

또한, 베드의 적어도 일 부분이 지지판들 사이의 압축에서 유지되도록 변형이 필터 재료의 베드의 잔여 압축으로 초래되는 것이 바람직할 것이다. 몇몇 실시예에서, 컨포멀 필터 카트리지 내에 위치된 탄성적으로 변형된 지지판에 의해 잔류 압축이 제공되는 것이 바람직할 것이다.

본 발명의 제조 방법의 하나의 잠재적인 장점은 필터 재료의 베드의 적층을 위해 종래의 스톰 충전 기술이 사용될 수 있다는 것인데 이것은 경제적이며 필터 재료의 밀도의 균일성을 향상시킬 수 있다. 다른 잠재적인 장점은 상이한 필터 재료의 층들이 동일한 필터 카트리지 내에서 사용되는 경우라면, 스톰 충전은 상이한 층들 사이의 분리를 유지하면서 종래의 방식의 층들의 적층을 제공한다는 점이다.

일 실시예에서, 본 발명은 하우징 기저부와 하우징 커버가 함께 조립되었을 때 수납 체적을 형성하며, 하우징이 입구 포트와 출구 포트를 더 포함하는, 하우징 기저부와 하우징 커버를 포함하는 하우징을 제공함에 의해 컨포멀 필터 카트리지를 제조하는 방법을 제공한다. 본 방법은 제1 지지판이 적층하기 전에 하우징 기저부 내에 위치되며 제1 지지판의 주표면이 필터 재료를 대향하는 하우징 기저부 내에 필터 재료의 베드를 적층하는 단계를 더 포함한다. 변형 후에 필터 재료를 대면하는 제1 지지판의 주표면은 적어도 하나의 축에 대한 만곡을 포함하며, 제1 지지판은 필터 재료의 베드의 적층 후에 변형된다. 필터 재료의 베드가 하우징 내에 포함되어서 여과될 유체가 입구 포트, 필터 재료, 그리고 출구 포트를 통과하며, 하우징 커버는 하우징 기저부에 부착된다.

다른 실시예에서, 본 발명은 입구와 출구를 구비하는 하우징을 포함하는 컨포멀 필터 카트리지를 제공한다. 필터 재료의 베드는 여과될 유체가 입구, 필터 재료, 그리고 출구를 통과하도록 하우징 내에 포함된다. 제1 지지판이 적어도 하나의 축에 대한 곡률을 포함하는 필터 재료의 베드를 대면하는 주표면을 가지며, 필터 재료의 베드와 출구 사이에 위치된다. 또한, 제2 지지판이 적어도 하나의 축에 대해 곡률을 포함하는 필터 재료의 베드를 대면하는 주표면을 포함하며, 필터 재료의 베드와 입구 사이에 위치된다. 필터 재료의 베드의 적어도 일부는 제1 지지판과 제2 지지판 사이의 잔류 압축 하에 유지된다.

본 발명의 이러한 그리고 다른 특징 및 장점은 이하에서 설명된 다양한 예시적인 실시예와 관련되어 기술될 것이다.

도1은 본 발명에 따른 예시적인 컨포멀 필터 카트리지의 사시도이다.

도2는 도1의 컨포멀 필터 카트리지의 단면도이다.

도3은 도1 및 도2의 컨포멀 필터 카트리지 내의 하부 지지판의 사시도이다.

도4는 도1 및 도2의 컨포멀 필터 카트리지 내의 상부판의 사시도이다.

도5는 도1 및 도2의 컨포멀 필터 카트리지 내의 하우징 기저부의 사시도이다.

도6은 내부에 위치된 평평한 필터 재료의 베드를 구비하는 본 발명의 필터 카트리지의 일부의 사시 단면도이다.

도7은 필터 재료의 베드의 변형 후의 도6의 컨포멀 필터 카트리지의 사시 단면도이다.

도8은 본 발명의 필터 카트리지의 필터 재료의 베드를 변형시키도록 사용될 수 있는 일 장치의 도면이다.

도9는 필터 재료의 다중층 베드의 단면도이다.

도10은 본 발명의 컨포멀 필터 카트리지를 포함하는 하나의 호흡 장치의 사시도이다.

도11은 필터 카트리지와 안면부로부터 제거된 헤드 밴드를 구비하는 도10의 호흡 장치의 정면도이다.

본 발명의 예시적인 실시예의 이하의 상세한 설명에서 도시의 방식으로 본 명세서의 일부를 형성하는 첨부하는 도면을 참조하며 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예가 도면에 도시된다. 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 다른 실시예가 이용될 수도 있으며 구조적인 변경이 이루어질 수 있다는 것이 이해되어야만 한다.

컨포멀 필터 카트리지(10)의 예시적인 실시예가 도1의 사시도와 도2의 단면도에 도시된다. 필터 카트리지(10)는 예컨대 호흡 장치, 공기 여과 유닛 등과 같 은 다양한 다른 여과 장치와 연결되어 사용될 수 있다. 필터 카트리지(10)는 일반적으로 체적을 형성하는 하우징, 여과될 유체가 이를 통해 하우징에 의해 형성된 체적으로 유입되는 입구 포트와, 하우징 내에 위치된 필터 재료의 베드와, 하우징에 의해 형성된 체적으로부터 방출되는 여과된 유체가 통과하는 출구 포트를 갖는 것으로 설명될 수 있다. 필터 재료의 베드는 입구 포트를 통해 유입되는 유체가 출구 포트를 통해 하우징으로부터 방출되기 전에 필터 재료를 통과해야만 하도록 하우징 체적 내에 위치된다.

하우징은 필터 카트리지가 사용될 상태에서 여과될 유체에 대해 불투과성인 것이 바람직하다. 하우징에 대한 몇몇 잠재적으로 적합한 재료들은 하나 이상의 플라스틱, 금속, 세라믹, 복합체 등을 포함할 수 있다.

도1 및 도2에 도시된 예시적인 실시예에서, 하우징은 하우징 기저부(30)에 부착된 하우징 커버(20)를 포함한다. 커버(20)는 커버(20)와 기저부(30) 사이의 밀봉식 연결부를 제공하는 임의의 기술에 의해 기저부(30)에 부착되어서 여과될 유체(예컨대, 공기)가 커버(20)와 기저부(30) 사이의 접합부를 통과하지 않도록, 따라서, 하우징 내에 위치된 하나 이상의 여과 요소를 우회하지 않도록 하는 것이 바람직할 것이다(몇몇 실시예에서 포트 중 하나가 접합부에 형성될 수 있고, 이러한 경우에 연결부는 밀봉되지 않아야하는 것이 이해될 것이다). 적합한 연결부의 예시는 예컨대, 하나 이상의 접착제 결합, 용접(예컨대, 초음파, 진동, 열, RF, 등), (필요한 경우 가스켓과 함께) 기계적 패스너 등을 포함할 수 있다.

일련의 개구(24)가 하우징 커버(20) 내에 제공되어 유체(예컨대, 공기)를 하 우징 커버(20)와 하우징 기저부(30)에 의해 형성된 체적 내로 도입될 수 있게 하는 입구 포트(22)로서 작용한다. 개구(24)는 임의의 바람직한 형태를 취할 수 있지만(예컨대, 원형 공간, 삼각형 공간, 사각형 공간, 다공성 메쉬, 스크린 등), 개구는 하우징 커버(20) 내에 일련의 슬롯으로서 제공된다.

또한, 하우징은 원통형 개구(34)의 형태인 출구 포트(32)를 포함한다. 도시되지는 않았지만, 개구(34)는 필터 카트리지(10)를 본 명세서에 기술된 것과 같은 더 큰 여과 장치에 해제 가능하게 부착하도록 설계되는 구조물을 포함할 수 있다. 출구 포트(32)는 임의의 다른 적합한 형상이 사용될 수도 있지만 도2에 도시된 원통형 형상을 취할 수 있다.

도2에 도시된 바와 같이, 필터 카트리지(10)는 하우징 내에 위치된 필터 재료의 베드(40)를 포함한다. 필터 재료(40)는 바람직하게는 여과될 유체가 입구 포트(22)로부터 출구 포트(32)까지 하우징을 통해 이동할 때 필터 재료(40)를 통과해야만 하도록 입구 포트(22)와 출구 포트 사이에 위치된다.

필터 재료의 베드(40)는 바람직하게는 성긴(loose) 흡착성 입자의 형태일 수 있지만, 다양한 형태를 취할 수 있다. 흡착성 입자는 양호하게는 호흡 장치를 통해 흡입될 공기와 같은 유체로부터 가스와 증기를 제거하기에 적합한 공지의 임의의 형태일 수 있다. 잠재적으로 적합한 몇몇 흡착성 입자의 예시는 예컨대, 이온 교환 수지, (예컨대, 아민 트리에틸렌디아민 또는 구리, 은, 아연, 몰리브덴 등과 같은 중금속염이 주입되었을 수 있는) 활성 목탄, 제오라이트, 처리 활성 알루미나 등이 포함될 수 있다. 예컨대, 센커스 등(Senkus et al.)의 미국 특허 제 5,696,199호를 참조하라. 본 명세서에 사용된 "성긴(loose)"은, 인접하는 입자가 예컨대, 폴리머, 발포체 등과 같은 바인더의 사용을 통해 자체 지지 필터 구조물을 형성하도록 서로 물리적으로 부착되지 않는 것을 의미한다. 결과적으로, 양호하게는 성긴 입자들은 스톰 충전(storm-filling) 또는 유사한 공정을 통해 분배되기 좋은 과립 또는 펠릿 형태일 수 있다.

몇몇 경우에, 도2에 도시된 것과 같은 필터 요소(28)가 하우징 커버(20)와 상부 지지판(60) 사이에 형성된 체적(26) 내에 위치될 수 있다. 제1 요소(28)는 예컨대, 부직포 주름식 웨브(nonwoven pleated web), 발포체, 둘 이상의 필터의 조합체 등인 임의의 적합한 구성을 취할 수 있다. 이것은 필터 재료의 베드(40)의 보충물로서 제공될 수 있다. 필터 요소(28)는 기상 및/또는 미립자 필터일 수 있으며, 이것의 예시가 이하의 특허 자료, 인슬리 등(Insley et al.)의 제6,743,464호, 휴버티(Huberty)의 제6,627,563B1호, 아이쯔만 등(Eitzman et al.)의 제6,454,986호, 존스 등(Jones et al.)의 제6,660,210호, 제6,409,806호, 제6,397,458호, 아이쯔만 등(Eitzman et al.)의 제6,406,657호, 센커스 등(Senkus et al.)의 제6,391,429호, 앙가드지반드 등(Angadjivand et al.)의 제6,375,886호, 루소 등(Rousseau et al.)의 제6,214,094호, 베리간 등(Berrigan et al.)의 제6,139,308호, 앙가드지반드 등(Angadjivand et al.)의 제6,119,691호, 브랜 등(Bran et al.)의 제5,763,078호, 제5,033,465호, 및 애블러 등(Abler et al.)의 제5,496,785호, 제5,344,626호에서 도시되거나 논의된다.

필터 재료의 베드(40)가 필터 재료의 베드(40)의 주요 측면들(41, 43)의 각 측에 위치되는 다공성 시트(42, 44)와 지지판(50, 60) 사이에 포함된 것이 선호될 것이다. 하부 다공성 시트(42)는 하부 지지판(50)과 출구 포트(32) 사이에 위치되면서 상부 다공성 시트(44)는 필터 재료의 베드(40)와 상부 지지판(60) 사이에 위치된다.

다공성 시트(42, 44)는 바람직하게는 여과될 유체에 대해 투과성이지만, 동시에 필터 재료의 베드(40)(예컨대, 흡착성 입자)에 대해 기본적으로 불투과성이어야 한다. 다공성 시트(42, 44)는 필수적은 아니지만 바람직하게는, 예컨대 공기와 같은 유체로부터 미립자 재료를 제거하기 위한 여과 장치(예컨대, 호흡 장치)에서 사용되기에 적합한 미립자 여과 재료의 섬유 부직포 시트일 수 있다. 미립자 필터 재료의 하나의 잠재적으로 적합한 예시는 미국 미네소타주 세인트폴 소재의 3M 컴퍼니(3M Company of St. Paul, Minnesota, U.S.A.)의 상표명 필트리트(FILTRETE)로 입수 가능하다. 미립자 필터 재료는 멜트 블로운 방식의(melt-blown) 마이크로 섬유와 같은 대전된 마이크로 섬유의 웨브(web)로부터 제조될 수 있다. 예컨대, 미국 특허 제6,406,657B1호, 제6,375,886B1호, 제6,119,691호, 및 제5,496,507호를 참조하라. 또한, 이 섬유는 대전된 섬유로 만들어질 수 있는데 미국 재발행 특허 제30,782호 및 제31,285호를 참조하라. 또한, 섬유는 유성 미스트(oily-mist) 저항성을 향상시키도록 그 표면에 플루오르 원자를 가질 수 있다. 예컨대, 미국 특허 제5,432,175B1호, 제6,409,806B1호, 제6,398,847B1호 및 제6,397,458B1호를 참조하라.

도1 및 도2의 컨포멀 필터 카트리지로부터의 하부 지지판(50)이 도3에 도시 되며 양호하게는 유체(예컨대, 공기)가 필터 재료(40) 내로 또는 밖으로 지지판(50)을 통해 유동할 수 있도록 그 주표면 위에 분포된 개구(52)를 포함한다. 개구(52)는 필터 재료(40)의 대부분을 통한 유동이 증진되도록 충분히 넓은 영역에 걸쳐 분포되는 것이 바람직할 것이나, 임의의 적합한 형상 또는 분포를 취할 수 있다.

도1 및 도2의 컨포멀 필터 카트리지로부터의 상부 지지판(60)이 도4에 도시되며, 또한 양호하게는 유체(예컨대, 공기)가 필터 재료(40) 내로 또는 밖으로 지지판(60)을 통해 유동할 수 있도록 그 주표면 위에 분포된 개구(62)를 포함한다. 하부 지지판(50)과 같이, 상부 지지판(60)의 개구(62)는 필터 재료(40)의 대부분을 통한 유동이 증진되도록 충분히 넓은 영역에 걸쳐 분포되는 것이 바람직할 것이나 임의의 적합한 형상 또는 분포를 취할 수 있다.

도2에 도시되는 바와 같이, 다공성 시트(42, 44)가 지지판보다 약간 커서 다공성 시트의 일부분이 [양호하게는 지지판(50, 60)이 하우징 기저부(30) 내로 삽입됨에 따라] 지지판의 에지 둘레에서 상방으로 절곡되는 것이 바람직할 것이다. 예컨대, 도2에 도시된 다공성 시트(42)는 하부 지지판(50)의 주연(54) 둘레에서 상방으로 절곡되면서 다공성 시트(44)는 상부 지지 시트(60)의 주연(64) 둘레에서 상방으로 절곡된다. 큰 다공성 시트(42, 44)는 지지판(50, 60)의 에지에 대해 더 나은 밀봉을 형성하도록 작용할 것이어서 필터 재료(40)가 지지판(50, 60)의 에지(54, 64)의 둘레로 빠져나가는 것이 방지된다. 다공성 시트(42, 44)를 대형화하는 대신, 지지판(50, 60)의 주연 둘레에 에지 밀봉을 형성하는 다른 기술도 물론 사용될 수 있을 것이다.

도시된 실시예에서, 지지판(50)들이 필터 재료의 베드(40)를 필터 카트리지 내의 정위치에 유지하도록 다공성 시트(42 또는 44)와 쌍을 이루었으나, 다른 구조가 사용될 수 있다는 것이 이해되어야만 한다. 예컨대, 지지판과 다공성 시트의 기능은 예컨대, 필터 재료가 이러한 개구를 통해 벗어나지 못하도록 지지판 내에 개구를 가교하도록 인서트 성형된 스크린 재료를 사용함에 의해 단일 일체 구조물 내에서 결합될 수 있다.

본 명세서에 사용된 것과 같이, "지지판"이라는 용어는 여과될 유체가 필터 재료의 베드 내로 그리고 밖으로 통과하도록 허용하면서, 필터 카트리지 내의 만곡된 구조물 내에 필터 재료의 베드를 유지할 수 있는 임의의 구조물을 의미한다. 또한, 본 발명의 지지판은 양호하게는 만곡된 구조에 있을 때 필터 재료의 베드의 주표면 위의 압축력을 분배할 수 있다. 도3 및 도4에 도시된 것과 같이 지지판이 필터 재료가 벗어나도록 허용할 수 있는 개구를 포함하는 경우, [다공성 시트(42, 44)와 같은] 부가적인 요소들이 지지판에 부가하여 사용될 수 있다.

도5는 필터 재료(40), 다공성 시트(42, 44), 및 지지판(50, 60)이 제거된 도1및 도2의 컨포멀 필터 카트리지로부터의 하우징 기저부(30)의 사시도이다. 하우징 기저부(30)는 포트(32)와 하부면(35) 상의 일련의 스페이서(36)를 포함한다. 스페이서(36)는 다공성 시트(42)와 하부 지지판(50)을 하우징 기저부(30)의 하부면(35)의 약간 위에 유지하도록 사용될 수 있다. 필터 재료(40)와 하부면(35) 사이의 간격은 필터 재료(40)의 대부분을 통해 흐르는 유체를 분배하는데 조력할 수 있다. 또한, 스페이서(36)는 양호하게는 도5에 도시되는 바와 같이 개구(34)에 대해 반경방향으로 배향될 수 있어서 하부면(35)을 대향하는 필터 재료(40)의 표면의 대부분에 걸친 유체 유동을 더욱 증진시킨다. 스페이서(36)가 연장된 구조로 도시되었으나, 필터 재료(40)와 하부면(35) 사이의 공간을 유지하도록 작용하는 임의의 구조물(예컨대, 포스트 등)이 사용될 수 있다. 또한, 견부(37)가 하부 지지판(50)의 에지와 다공성 시트(42)를 지지하고 가능하게는 하부 지지판(50)의 주연(54) 둘레의 밀봉을 용이하게 하도록 하부면(35)의 주연 둘레에 제공될 수 있다.

도5에 도시된 다른 특징부는 하우징 기저부(30)의 주연 둘레에 분포된 리브(38)이다. 리브(38)는 양호하게는 삽입과 변형 동안에 하우징 기저부(30) 내에 지지판(50, 60)을 배열하는데 조력하는 배열 구조물로서 작용할 수 있도록 지지판(50, 60) 내에 제공된 노치(56, 66)와 협력할 수 있다. 또한, 다공성 시트(42, 44)도 적절한 위치에 노치를 포함하는 것이 바람직할 것이다. 또한, 리브(38)는 본 명세서에 더욱 상세히 설명된 용접 공정을 위한 재료를 제공함으로써 상부 지지판(60)을 그 만곡 구조로 유지하는데 조력하도록 작용할 수 있다.

하우징 커버(20), 하우징 기저부(30), 하부 지지판(50), 및 상부 지지판(60)은 이러한 구조물을 형성하기에 적합하다고 알려진 기본적인 임의의 재료 또는 재료들로부터 형성될 수 있다. 예컨대, 상이한 구조적 구성품은 양호하게는 예컨대, 열성형(예컨대, 진공 성형) 또는 사출 성형 공정에 의해 하나 이상의 중합체 재료들로부터 성형될 수 있다.

본 발명에 따른 컨포멀 필터 카트리지의 제조 방법의 일 예시는 도6 내지 도 8에 도시된다. 부분적으로 조립된 필터 카트리지가 도6에 도시된다. 하우징 기저부(30)는 상부에 위치된 필터 재료의 베드(40)와 함께 내부에 위치된 [합체된 다공성 시트(42)가 명확함을 위해 제거된] 하부 지지판(50)을 포함한다. 필터 재료 위에는, [합체된 다공성 시트(44)가 명확함을 위해 제거된] 상부 지지판(60)이 필터 재료의 베드(40) 상에 놓여진다.

필터 재료(40)는 선택된 밀도 또는 패킹과 균일한 베드 두께를 구비하는 수평인 필터 재료의 베드(40)를 얻게 하는 기술에 의해 적층되는 성긴 미립자의 형태인 것이 바람직할 것이다. 본 명세서에 논의된 바와 같이, 양호하게는 종래의 스톰 충전 방법이 사용될 수 있다. 스톰 충전은 낙하함에 따라 미립자를 분산시키는 일련의 스크린을 통해 입자를 쏟아부어 통상 평평한 필터 재료의 베드(40)를 형성하는 단계를 포함한다. 종래의 팩킹된 베드 필터의 제조에 있어서와 같이, 양호하게는 필터 재료의 베드(40)는 (예컨대, 수평선에 대해) 평평한 수평면상에 적층된다. 도시된 실시예에서, 그 수평면은 하부 지지판(50)에 의해 제공된다.

종래의 팩킹된 베드 필터와 같이, 필터 재료의 베드(40)는 양호하게는 필터 재료(40)의 패킹 밀도를 개선시키도록 압축 하에 위치된다. 그러나, 종래의 팩킹된 베드 필터와는 달리, 필터 재료의 베드(40) 및 지지판(50, 60)이 도7에 도시된 곡률을 갖도록 상부 및 하부 지지판(50, 60)의 변형에 의해 압축이 동반된다.

필터 재료의 베드(40)와 상부 및 하부 지지판(50, 60)가 도6에서 도시되는 바와 같은 정위치에 있으면서, 도8에 도시된 바와 같이 만곡된 면(72)을 구비하는 압축 공구(70)를 사용하여 필터 재료의 베드(40)와 지지판(50, 60)에 만곡이 가해 진다. 압축 공구(70)는 양호하게는 하우징 기저부(30)가 하부로부터 지지되면서 상부 지지판(60)에 대해 구동될 수 있다(또는 반대로, 부품들 사이에 상대 운동을 부여하고 바람직한 압축을 달성할 수 있는 임의의 시스템/방법이 사용될 수 있다는 것이 이해된다). 압축은 양호하게는 하부 지지판(50) [그리고 합체된 다공성 시트(42)]을 도6의 하우징 기저부(30)에 제공된 스페이서(36)와 견부(37)에 대해 가압할 수 있다.

결과적으로, 상부 지지판(60), 필터 재료의 베드(40) 및 하부 지지판(50)은 모두 도7에 도시된 만곡된 구조로 변형된다. 하부 및 상부 지지판(50, 60)의 변형이 주로 탄성 범위 즉, 압축력의 제거가 지지판(50, 60)을 도6에 도시된 바와 같은 그들의 평평한 구조(또는 그에 가까운 것)로 실질적으로 복귀하게 하는 범위 내에 있는 것이 바람직할 것이다. 압축 및 변형은 양호하게는 상부 및 하부 지지판(50, 60)들의 주요면들 사이에 균일한 두께 및 베드 깊이를 갖는 필터 재료의 베드(40)를 가져올 것이다.

공구(70)가 상부 지지판(60)에 대해 가압되면서, 상부 지지판(60)은 양호하게는 도7에 도시된 형상에서 고정되어서 필터 재료의 베드(40)를 만곡된 형상으로 유지시킨다. 상부 지지판(60)의 하우징 기저부(30)에 대한 부착은 이 베드(40)를 지지판들(50, 60) 사이의 잔류 압축 내에 유지시키도록 요구될 수 있다. 이 베드(40)의 잔류 압축을 유지시키는 것은 팩킹된 베드(40)를 통한 유동 채널링을 감소시키기 위해 바람직할 수 있다. 또한, 상부 지지판(60)의 부착은 베드가 (특히 변형이 전술한 바와 같은 탄성 범위 내에 있을 때) 도6에 도시되는 것과 같은 평평 한 구조로 복귀되는 것을 또한 억제한다. 베드(40)의 적어도 일부(또는 심지어는 실질적으로 전부)의 잔류 압축이 컨포멀 필터 카트리지(10) 내에 위치된 탄성적으로 변형된 지지판에 의해 제공되는 것이 바람직할 것이다.

상부 지지판(60)의 하우징으로의 부착은 임의의 적합한 기술 또는 기술들의 조합에 의해 달성될 수 있다. 잠재적으로 적합한 기술의 예시는 예컨대, 접착제, 기계적 패스너(예컨대, 나사 패스너, 클램프, 리벳 등), 용접 등을 포함할 수 있다. 하나의 예시적인 방법은 상부 지지판(60)을 하우징 기저부(30)에 대해 지지판(60)의 주연(64) 둘레의 많은 위치에서 스테이킹(staking) 또는 용접을 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 이러한 위치에서 재료의 베드가 더 넓은 것이 가능하기 때문에 양호하게는 용접이 하우징 기저부(30)에 위치된 리브(38)에서 이루어질 수 있다.

하나의 예시적인 용접 기술은 도8에 기재된 것과 같이 압축 공구(70)와 양호하게는 합체되는 다중 프롱 스테이킹 혼(multi-prong staking horn, 80)의 사용을 포함할 수 있다. 스테이킹 프롱(82)은 양호하게는 하우징 기저부(30) 내의 리브(38)에 상응하는 위치에서 이 공구(70)에 대해 위치될 수 있다. 압축 공구(70)가 상부 지지판(60), 베드(40), 및 하부 지지판(50)을 압축하고 변형시킨 후, 초음파 에너지가 스테이킹 혼(80)의 프롱(82)을 통해 유도되어 용접 공정을 달성할 수 있으며, 이후에 베드의 압축과 변형이 전술한 바와 같이 유지되면서 압축 공구(70)와 스테이킹 혼(80)은 제거될 수 있다.

도4에 도시된 바와 같이 적어도 일부의 노치(66)는 예컨대, 용접 칼라(68)를 포함하는 것이 바람직할 것이다. 용접 칼라(68)는 지지판(60)의 하우징 기저부(30)의 리브(38)에 대한 용접을 용이하게 할 수 있는 부가적인 재료를 제공한다. 또한, 용접 칼라(68)의 상부면은 양호하게는 지지판(60)의 주표면에 대해 경사질 수 있어서, 지지판(60)이 도7에 도시된 만곡된 구조로 변형될 때 용접 칼라(68)가 혼(80)의 스테이킹 프롱(82)에 대해 수평면을 제공한다. 이렇게 하는 것은 혼(80)의 스테이킹 프롱(82)의 설계를 단순화할 수 있는데, 용접 칼라(68)에 의해 제공된 평면이 스테이킹 프롱(82) 상의 상보적인 평면에 대해 제공될 수 있기 때문이다.

적절히 변형될 수 있는 상부 지지판(60)을 여전히 제공하면서 필터 재료의 베드(40) 상의 압축력의 유지를 향상시키는 것은 양호하게는 지지판(60)의 표면에 걸쳐 분배될 수 있는 예컨대, 리브(68)와 같은(예컨대 도4를 참조하라) 힘 분배 구조물을 포함하는 것은 바람직할 것이다. 리브(38)는 필터 재료의 베드(40)를 가로질러 연장되는 지지판(60) 위의 힘의 분배를 향상시킬 수 있다.

도시된 실시예에서 리브(38)의 배향은 양호하게는 도8의 페이지 내로 그리고 밖으로 연장되는 축(76)에 대체로 평행한 것이 바람직할 것이다. 지지판(50, 60)에 의해 베드(40)에 부여된 곡률은 양호하게는 이 축(76) 또는 하나 이상의 축을 참조하여 결정될 수 있다. 곡률은 균일하거나 베드(40)의 표면에 걸쳐 변경될 수 있다. 적합한 곡률면의 예시는 하나 이상의 타원, 원 등에 의해 형성될 수 있다. 곡률을 특징짓는 하나의 방식에서, 지지판(60)의 주표면의 하나 이상의 지점 또는 섹션에서의 곡률 반경이 [예컨대, 이 축(76)과 같은 축에 대해 형성된 것과 같이] 예컨대, 1 미터 이하, 더욱 바람직하게는 0.5 미터 이하, 그리고 더욱더 바람직하 게는 20 센티미터 이하인 것이 바람직할 것이다.

본 발명의 필터 베드 및 지지판에서의 곡률을 특징짓기 위한 다른 방식은, 도6에 도시된 바와 같이 지지판(60)의 주표면 중 하나에 수직인 축을 따라 (도6 및 도7에 도시된 각각의 구조로부터) 측정된 변형의 결과로서, 지지판의 적어도 일부에 부여된 변형은 5 밀리미터 이상, 양호하게는 10 밀리미터 이상이 바람직할 것이다.

제공된 곡률은 약 두 개 이상의 축에 대해 형성될 수 있으며 이러한 두 개 이상의 축은 서로에 대해 평행하거나 그렇지 않을 수 있다. 예컨대, 곡률은 복합 곡률이어서, 예컨대 오목 또는 볼록 면이 베드(40)와 주변 구조물(예컨대, 지지판)에 부여될 수 있는 것이 바람직할 것이다. 양호하게는 선택된 곡률은 예컨대, 사람의 형태에 대한(anthropomorphological) 고려를 반영하도록 카트리지가 연결되는 안면부의 윤곽과 부합하도록 설계될 것이다.

정위치에 있으며 하우징 기저부(30)에 부착된 상부 지지면(60)을 구비하며, 이어서 필터 카트리지(10)는 기본적으로 사용에 적합하게 된다. 커버(20)는 하우징 기저부(30)에 의해 형성된 개구 위에 위치되며 전술한 바와 같이 정위치에 고정된다.

도9는 본 명세서에 기술된 바와 같이 컨포멀 필터 카트리지에서 사용되기 위한 곡률을 가지고 제조될 수 있는 필터 재료의 다중층 베드(140)의 단면도이다. 베드(140)는 양호하게는 필터 재료의 개별층(146, 148)을 포함한다. 각각의 층 내의 필터 재료가 예컨대 상이한 흡착 특성을 가지며 상이한 것이 바람직할 것이다. 이러한 필터 베드(140)는 본 발명의 컨포멀 필터 카트리지에서 예컨대, 하나의 필터 재료의 베드를 사용하면서 유체 흐름으로부터 상이한 증기 및 가스를 여과하도록 사용될 수 있다. 상이한 층들(146, 148)이 성긴 입자 형태의 필터 재료를 포함하고 입자가 전술한 바와 같은 스톰 충전에 의해 적층되는 것이 바람직할 것이다. 몇몇 경우에 있어서, 상이한 층들(146, 148) 내의 필터 재료들은 기본적으로 상이한 필터 재료로 이루어진다.

도시된 다중층 베드(140)는 오직 두 개의 층을 포함하지만, 컨포멀 필터 카트리지 내에 사용된 다중층 베드는 제조와 사용 동안에 층들 사이의 통일성이 유지되는 경우라면, 임의의 선택된 개수의 층들을 포함할 수 있다. 층들 사이의 통일성을 유지하기 위한 기술은 예컨대, 층들(146, 148) 사이에 다공성 시트를 제공하는 것, 상이한 층들 사이의 입자의 이동을 완화시키는, 인접하는 층들 내에 상이한 일정 입자 크기 분포를 선택하는 것 등을 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 컨포멀 필터 카트리지는 임의의 여과 장치에 사용될 수 있지만, 특히 사람이 착용하도록 설계된 호흡 장치에 적합할 수 있다. 또한, 본 명세서에 설명된 것은 기본적으로 공기를 호흡하기 전에 예컨대, 유독한 증기, 가스 등을 여과하기 위한 것이지만, 컨포멀 필터 카트리지는 착용자가 내쉬는 공기를 여과하기 위해서도 또한 사용될 수 있다. 본 발명의 컨포멀 필터 카트리지가 사용될 수 있는 몇몇 적합한 여과 장치의 예시는 예컨대, 동력식 공기 정화 호흡 장치(PAPRs)(예컨대, 미국 특허 제6,250,299호, 제6,186,140호, 제6,014,971호, 제5,125,402호, 제4,965,887호, 제4,462,399호, 및 제4,280,491호를 포함할 수 있다. 본 발명의 컨포멀 필터 카트리지가 사용될 수 있는 다른 종류의 여과 장치는 자급식 호흡용 보호구(SCBA: self contained breathing apparatus)이다(예컨대, 미국 특허 제6,478,025호, 제4,886,056호, 제4,586,500호, 및 제4,437,460호를 참조하라).

도10 및 도11은 착용자의 코, 입, 및 턱에 맞도록 구성되는 반면 마스크(half-mask) 호흡 장치의 하나의 예시적인 실시예를 도시한다(컨포멀 필터 카트리지는 눈도 차폐하는 "전면" 마스크 몸체와 연결되어 사용될 수도 있다-예컨대, 미국 특허 제5,924,420호를 참조하라). 마스크(100)는 예컨대 부드러운, 굴성(compliant) 재료(예컨대, 고무 재료)를 사출 성형하여 제조될 수 있고 그것은 그 에지에 대해 내곡된 커프(cuff)를 갖는다(도면에서 보이지 않음). 마스크가 착용될 때, 커프는 양호하게는 착용자의 피부에 대해 밀봉부를 형성한다. 안면부(102)는 양호하게는 착용자의 콧마루 위로 연장되는 중심부(103)를 가지며, 내부에는 바람직하게는 호기 밸브(104)가 장착된다. 호기 밸브(104)의 대향면에서, 안면부(102)는 컨포멀 필터 카트리지(110)가 위에 장착되는 흡기 밸브(미도시됨)를 지지한다. 부착부(106)는 헤드 하니스의 부품을 형성하는 상부 및 하부 헤드밴드(107,108)를 위한 안면부(102)의 측면에 위치되며(오직 상부 헤드 밴드만을 위한 것이 도시됨) 이 하니스는 착용자의 헤드의 상부에 맞도록 만들어진 크래들(cradle, 109)을 또한 포함한다.

필터 카트리지(110)는 예컨대 미국 특허 제4,850,346호, 제4,934,361호, 제5,924,420호, 제6,216,693호에 설명된 것과 같은 베이요넷 설비(bayonet fittings) 에 의해 마스크(100)에 해제 가능하게 부착될 수 있다. 베이요넷 설비는 도10에는 도시되지 않지만, 일 베이요넷 설비의 일 부품이 도11에서 105로 지시된다.

필터 카트리지(110)를 호흡 장치 안면부(102)에 부착하기 위한 베이요넷 연결부의 사용이 필수적이지는 않으며, 다른 형태의 부착부도 베이요넷 연결부를 대신해서 사용될 수 있다. 하나의 대체적인 연결부 구조는 스냅 맞춤 필터 카트리지(snap-fit filter catridges)를 포함한다(예컨대, 미국 특허 제5,579,761호를 참조하라). 다른 대체적인 것들은 호흡 장치 본체 상의 상응하는 나사식 설비에 부착되는 나사식 필터 카트리지를 포함한다(예컨대, 미국 특허 제4,422,861호, 제4,548,626호, 제5,022,901호, 제5,036,844호, 제5,063,926호, 및 제5,222,488호를 참조하라).

사용 중, 헤드 밴드(107, 108)는 착용자의 머리에 맞도록 그리고 마스크(100)를 착용자의 안면에 대해 유지하도록 조정될 수 있다. 호흡 장치의 형태의 연결부를 여과 장치에 사용할 수 있는 하니스의 예시들은 바이램 등(Byram et al.)의 미국 특허 제6,715,490호, 제6,591,837호, 및 제6,119,692호와 브로스트롬 등(Brostrom et al.)의 미국 특허 제6,732,733호, 제6,457,473호에 설명된 것을 포함할 수 있다.

착용자가 숨을 들이쉴 때, 공기는 양호하게는 필터 카트리지(110)를 통해 마스크(100) 내로 이어서 안면부(102)의 뺨 부분의 흡기 밸브를 통해 흡입된다. 착용자가 숨을 내쉴 때, 공기는 도시된 마스크 몸체(102)의 중심부(103) 내에 위치된 호기 밸브(104)를 통해 마스크(100)로부터 배출된다. 마스크(100)의 두 개의 컨포 멀 필터 카트리지(110)는 양호하게는 서로 동일하거나 또는 상이할 수 있다. 상이한 경우는 (적절한 밸브 조절과 함께) 하나의 필터 카트리지가 흡입 여과에 사용되고 제2의 필터 카트리지가 배출 여과에 사용되는 경우에 유리할 것이다.

본 명세서와 첨부된 청구항에 사용된 것과 같이, 단수 형태 "하나의", "일", 그리고 "그"는 문장이 명백히 다르게 지적하지 않는 한 복수의 지시 대상을 포함한다. 따라서, 예컨대, "하나의" 또는 "그" 부품에 대한 언급은 하나 이상의 부품 또는 당업자에게 공지된 그것의 등가물을 포함할 수 있다.

본 명세서에 언급된 모든 참조문헌 및 공보들은 본 명세서에 참조로서 그 전체가 명백하게 합체된다. 본 발명의 예시적인 실시예가 논의되었고 본 발명의 범주 내의 몇몇 가능한 변형이 참조되었다. 본 발명 내의 이러한 그리고 다른 변형 및 개조는 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 당업자에게 명백할 것이며, 본 발명이 본 명세서에 기재된 예시적인 실시예에 제한되지 않는다는 것이 이해되어야만 한다. 따라서, 본 발명은 이하에서 제공된 청구항 및 그 등가물에 의해서만 제한될 것이다.

Claims (32)

1. 컨포멀 필터 카트리지의 제조 방법이며,

   하우징 기저부와 하우징 커버를 포함하고, 입구 포트와 출구 포트를 더 포함하며 하우징 기저부와 하우징 커버는 함께 조립되었을 때 수납 체적을 형성하는 하우징을 제공하는 단계와,

   하우징 기저부 내에 필터 재료의 베드를 적층하는 단계로서, 적층 단계 이전에 제1 지지판이 하우징 기저부 내에 위치되고, 제1 지지판의 주표면이 필터재료에 대면하게 되는 적층 단계와,

   필터 재료의 베드의 적층 후에 제1 지지판을 변형시키는 단계로서, 변형 후에 필터 재료를 대면하는 제1 지지판의 주표면이 적어도 하나의 축에 대한 곡률을 포함하게 되는 변형 단계와,

   하우징 기저부에 하우징 커버를 부착하는 단계를 포함하고, 필터 재료의 베드는 여과될 유체가 입구 포트, 필터 재료, 및 출구 포트를 통과하도록 하우징 내에 포함되고,

   하우징 기저부에 하우징 커버를 부착한 후, 제1 지지판은 적어도 하나의 축에 대해 곡률을 유지하는 컨포멀 필터 카트리지의 제조 방법.
2. 제1항에 있어서, 필터 재료의 베드를 적층한 후에 필터 재료의 베드 위에 제2 지지판을 위치시키는 단계를 더 포함하며, 필터 재료의 베드는 제1 지지판의 주표면과 제2 지지판의 주표면 사이에 위치되는 컨포멀 필터 카트리지의 제조 방법.
3. 입구와 출구를 포함하는 하우징과,

   여과될 유체가 입구, 필터 재료, 그리고 출구를 통과하도록 하우징 내에 포함된 필터 재료의 베드와,

   적어도 하나의 축에 대한 곡률을 포함하는 필터 재료의 베드와 대면하는 주표면을 포함하는, 필터 재료의 베드와 출구 사이에 위치된 제1 지지판과,

   적어도 하나의 축에 대한 곡률을 포함하는 필터 재료의 베드와 대면하는 주표면을 포함하는, 필터 재료의 베드와 입구 사이에 위치된 제2 지지판을 포함하며,

   필터 재료의 베드의 적어도 일부는 제1 지지판과 제2 지지판 사이의 잔류 압축 하에 유지되고,

   제1 지지판, 제2 지지판 및 필터 재료의 베드가 조립되었을 때, 모두 컨포멀 필터 카트리지의 하우징 내에서 만곡된 형상으로 유지되는 컨포멀 필터 카트리지.
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