KR101299150B1 - 나선형 돌기를 갖는 실린더형 카트리지 필터의 제조방법 - Google Patents

나선형 돌기를 갖는 실린더형 카트리지 필터의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 나선형 돌기를 갖는 실린더형 카트리지 필터의 제조방법에 관한 것이다.
이에 본 발명의 기술적 요지는 표면에 나선형으로 돌기가 형성된 콘(cone)형 스크루 형태의 성형롤러에 의해 섬유상 필터 소재가 공급되고, 고분자 수지를 용융 방사할 수 있도록 형성되는 압출 방사기로 섬유상 필터 소재의 내·외표면에 나선형 돌기 및 나선형 주름(홈)을 형성하여, 필터 소재의 사용 유체에 대한 접촉 면적을 증가시켜 필터의 여과효율과 수명을 향상시키는 한편, 필터의 고정 작용으로 이용하여 필터소재에 변형을 가하지 않고 연속적인 공급 및 탈착을 할 수 있도록 함으로써, 기체 또는 액체 등의 사용 유체에 대한 접촉 면적의 증가로 인해 여과효율 및 수명을 향상시키고, 필터를 통한 사용유체가 소용돌이 현상을 일으켜 오염입자의 고른 분산을 유도하고 이로 인한 필터소재에 대한 유체의 접촉효율을 향상시켜 필터 외부표면에서의 케이크 침적(fouling)현상을 최소화할 수 있는 나선형 돌기를 갖는 실린더형 카트리지 필터의 제조방법에 관한 것이다.

Description

나선형 돌기를 갖는 실린더형 카트리지 필터의 제조방법{Method for helical tubular depth filter element}
본 발명은 나선형 돌기를 갖는 실린더형 카트리지 필터의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 표면에 나선형으로 돌기가 형성된 콘(cone)형 스크루 형태의 성형롤러에 의해 섬유상 필터 소재가 공급되고, 고분자 수지를 용융 방사할 수 있도록 형성되는 압출 방사기로 섬유상 필터 소재의 내·외표면에 나선형 돌기 및 나선형 주름(홈)을 형성함으로써, 필터 소재의 사용 유체에 대한 접촉 면적을 증가시켜 필터의 여과효율과 수명을 향상시키는 한편, 필터의 고정 작용으로 이용하여 필터소재에 변형을 가하지 않고 연속적인 공급 및 탈착을 할 수 있도록 하기 위한 나선형 돌기를 갖는 실린더형 카트리지 필터의 제조방법에 관한 것이다.
실린더(관형) 형태의 심층(depth)필터는 사용 유체에 대한 여과효율을 향상시킬 목적으로 각각의 기공을 갖는 필터 여과층(부직포)을 다중 접착시키는 방법 또는 원통형 틀에 용융 방사방법으로 섬유상 수지를 용융 접착하는 방법이 널리 이용되고 있으며, 다른 방법으로는 두 개의 관형을 이중으로 하여 내경측과 외경측 사이에 일정 틈새 내에 특수한 여재(활성탄, 섬유상 물질)를 충진하여 사용하는 경우가 있다.
이러한 심층필터는 유체와 접촉하는 필터 표면적의 증가에 따라 여재의 여과 특성이 개선되는 것은 주지의 사실이며, 이러한 필터 표면적을 증가시키기 위하여 필터 소재의 표면에 돌기 또는 주름을 형성하여 표면적을 증가시킨다.
이에 상술한 돌기 또는 주름을 형성하기 위한 방법으로 미국특허 제05225014호에는 주름을 가진 성형틀을 가열하여 필터 외면을 눌러 열접착(thermal winding) 성형하는 방식이 개시되어 있으며, 또한 미국특허 제05728298호에는 고분자 분말이나 휄트(felt)등을 열경화성 수지와 함께 주름 형태의 틀에 넣어 경화시켜 성형하는 제조 방법이 개시되어 있다.
그러나, 상술한 방법으로는 여러가지 고정틀의 설계가 어려우며 단순히 원형 주름모양의 히팅롤(heating roll)로 열접착할 경우 주름 부위의 열융착 현상으로 여과효율도 저하되며 또한 여과수명 개선을 위한 나선형 돌기나 주름을 가진 필터를 연속적으로 생산할 수 없는 문제점이 발생되었다.
한편, 돌기 또는 주름을 형성하기 위해 압출 방사기를 이용하는 방식이 있는데, 이러한 방식은 부직포를 용융 성형하기 위한 방식에서 널리 사용되고 있으며, 미국특허 제03933557호, 제04032688호, 제04726901호에 개시된 바와 같이, 원통형 성형롤러 상에 압출 방사기를 이용하여 용융 성형하는 방식이 있다.
그러나 이러한 방식으로는 필터 소재의 외표면에 돌기나 주름을 단순히 성형하는 작업만 수행할 뿐 연속적으로 형성시킬 수 없는 문제점이 있었다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 기술적 요지는 표면에 나선형으로 돌기가 형성된 콘(cone)형 스크루 형태의 성형롤러에 의해 섬유상 필터 소재가 공급되고, 고분자 수지를 용융 방사할 수 있도록 형성되는 압출 방사기로 섬유상 필터 소재의 내·외표면에 나선형 돌기 및 나선형 주름(홈)을 형성함으로써, 필터 소재의 사용 유체에 대한 접촉 면적을 증가시켜 필터의 여과효율과 수명을 향상시키는 한편, 필터의 고정 작용으로 이용하여 필터소재에 변형을 가하지 않고 연속적인 공급 및 탈착을 할 수 있도록 하기 위한 나선형 돌기를 갖는 실린더형 카트리지 필터의 제조방법을 제공하는 것에 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 섬유상 고분자 소재가 분사되도록 분사다이(110)가 구비된 압출기(100)가 형성되고, 상기 압출기(100)로 부터 분사된 섬유상 고분자 소재가 융착되며, 외주면에 적어도 3개 이상의 나선형 성형돌기(210)가 형성되되, 모터(220)에 의해 왕복 및 회전구동이 동시에 이루어지도록 형성되는 콘(cone)형상의 성형롤러(200)에 의해 몸체 외주면에 적어도 하나 이상의 나선형으로 이루어진 돌기(310)가 형성되고, 내측면에는 주름(320)이 형성되는 카트리지 필터(300)가 연속적으로 탈착되도록 이루어진다.
한편, 나선형 돌기를 갖는 실린더형 카트리지 필터를 제조하기 위해 본 발명은 분사다이(110)가 결합된 압출기(100)에 의해 섬유상 고분자 소재가 분사되는 단계(S100); 상기 분사된 섬유상 고분자 소재가 전체적으로 콘(cone)형상으로 형성되되, 외주면에 적어도 3개 이상의 나선형 성형돌기(210)가 형성되며, 모터(220)에 의해 왕복 및 회전구동이 동시에 이루어지도록 형성되는 성형롤러(200)의 외주면에 점착되는 단계(S200); 상기 점착된 섬유상 고분자 소재가 성형롤러(200)의 왕복 및 회전구동에 의해 일측방향으로 토출되어, 몸체 외주면에 적어도 하나 이상의 나선형으로 이루어진 돌기(310)가 형성되고, 내측면에는 주름(320)이 형성되는 카트리지 필터(300)가 연속적으로 탈착되는 단계(S300); 상기 탈착된 카트리지 필터(300)를 절단하는 단계(S400);로 이루어진다.
이때, 상기 성형롤러(200)는 축 방향으로 연결되는 샤프트(230)가 더 구비되어 상기 성형롤러(200)와 샤프트(230)의 회전속도 차이에 의해 카트리지 필터(100)가 탈착되도록 이루어진다.
또한, 상기 성형롤러(200)는 상기 카트리지 필터(300)가 용이하게 탈착되도록 성형롤러(200)에 동축으로 유지되는 클램프(400)가 더 구비되어 이루어진다.
따라서, 본 발명은 필터 소재의 내·외표면에 나선형 돌기 및 나선형 주름을 형성함으로써, 기체 또는 액체 등의 사용 유체에 대한 접촉 면적의 증가로 인해 여과효율 및 수명을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 나선형 돌기 및 나선형 주름에 의해 필터를 통한 사용유체가 소용돌이 현상을 일으켜 오염입자의 고른 분산을 유도하고 이로 인한 필터소재에 대한 유체의 접촉효율을 향상시켜 필터 외부표면에서의 케이크 침적(fouling)현상을 감소하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 카트리지 필터를 나타낸 도면,
도 2는 본 발명에 따른 카트리지 필터의 다양한 실시예를 나타낸 도면,
도 3은 본 발명에 따른 카트리지 필터의 제조방법을 나타낸 도면,
도 4는 본 발명에 따른 성형롤러의 개략적인 형태를 나타낸 도면,
도 5는 본 발명에 따른 카트리지 필터의 일 실시예를 나타낸 도면,
도 6 내지 도 7은 본 발명에 따른 카트리지 필터의 다른 실시예를 나타낸 도면.
다음은 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명하겠다.
도 1은 본 발명에 따른 카트리지 필터를 나타낸 도면, 도 2는 본 발명에 따른 카트리지 필터의 다양한 실시예를 나타낸 도면, 도 3은 본 발명에 따른 카트리지 필터의 제조방법을 나타낸 도면, 도 4는 본 발명에 따른 성형롤러의 개략적인 형태를 나타낸 도면, 도 5는 본 발명에 따른 카트리지 필터의 일 실시예를 나타낸 도면, 도 6은 본 발명에 따른 카트리지 필터의 다른 실시예를 나타낸 도면이다.
이에 본 발명은 섬유상 고분자 소재가 분사되도록 분사다이(110)가 구비된 압출기(100)가 형성되고, 상기 압출기(100)로 부터 분사된 섬유상 고분자 소재가 점착되며, 외주면에 적어도 3개 이상의 나선형 성형돌기(210)가 형성되되, 모터(220)에 의해 왕복 및 회전구동이 동시에 이루어지도록 형성되는 콘(cone)형상의 성형롤러(200)에 의해 몸체 외주면에 적어도 하나 이상의 나선형으로 이루어진 돌기(310)가 형성되고, 내측면에는 주름(320)이 형성되는 카트리지 필터(300)가 연속적으로 탈착되도록 이루어진다.
이때, 상기 돌기(310)는 단면이 파형(wave)으로 형성되는 것이 바람직하며, 도 2에서 보는 바와 같이 돌기(310)와 주름(320)의 피치간격을 조절하여 여러가지 형태 즉, 반구형(a), 구형(c), 파형(d)으로 형성시킬 수 있다.
한편, 나선형 돌기를 갖는 실린더형 카트리지 필터를 제조하기 위해 본 발명은 분사다이(110)가 결합된 압출기(100)에 의해 섬유상 고분자 소재가 분사되는 단계(S100); 상기 분사된 섬유상 고분자 소재가 전체적으로 콘(con)형상으로 형성되되, 외주면에 적어도 3개 이상의 나선형 성형돌기(210)가 형성되며, 모터(220)에 의해 왕복 및 회전구동이 동시에 이루어지도록 형성되는 성형롤러(200)의 외주면에 점착되는 단계(S200); 상기 점착된 섬유상 고분자 소재가 성형롤러(200)의 왕복 및 회전구동에 의해 일측방향으로 토출되어, 몸체 외주면에 적어도 하나 이상의 나선형으로 이루어진 돌기(310)가 형성되고, 내측면에는 주름(320)이 형성되는 카트리지 필터(300)가 연속적으로 탈착되는 단계(S300); 상기 탈착된 카트리지 필터(300)를 절단하는 단계(S400);로 이루어진다.
이때, 상기 성형롤러(200)는 축 방향으로 연결되는 샤프트(230)가 더 구비되어 상기 성형롤러(200)와 샤프트(230)의 회전속도 차이에 의해 카트리지 필터(100)가 탈착되도록 이루어진다.
또한, 상기 성형롤러(200)는 상기 카트리지 필터(300)가 용이하게 탈착되도록 성형롤러(200)에 동축으로 유지되는 클램프(400)가 더 구비되어 이루어진다.
이에 본 발명에 따른 제조방법을 자세히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 도 3에서 보는 바와 같이, 분사다이(110)의 내측에 뜨거운 공기에 의해 노즐(120)로 부터 용융 방사되어 필터를 성형하도록 압출기(100)가 형성된다.
이때, 상기 압출기(100)로부터 분사되는 섬유상 고분자 소재가 카트리지 필터형태로 성형될 수 있도록 외주면에 적어도 3개 이상의 나선형 성형돌기(210)가 구비되는 성형롤러(200)가 형성되고, 상기 성형롤러(200)가 장착되는 베이스(2)가 형성되며, 상기 베이스(2)에는 성형롤러(200)의 회전 및 왕복구동을 도모하기 위한 모터(220)가 장착된다.
이때, 상기 성형롤러(200)는 실린더(201)와 콘(202)부분으로 나뉘어지는데, 상기 콘(202)의 외주면에는 적어서 3개 이상의 나선형 성형돌기(210)가 형성되는 것으로, 상기 성형돌기(210)는 와이어를 사용하여 콘(202)의 표면에 결합하거나(도 4의 a) 또는 성형롤러(200) 자체에 나선형 모양으로 각인(도 4의 b)하는 공정에 의해 성형될 수 있다.
이러한 성형돌기(200)는 그 형태와 피치간격에 의해 필터가 실린더(201)측에서 콘(202)측으로 이동 및 탈착되는 속도를 조절하는 한편, 필터의 돌기(310) 및 주름(320)의 형상을 조절할 수 있다.
이에 본 발명에 따른 성형롤러(200)는 다음의 3가지 방법에 따른 탈착 공정을 형성한다.
먼저, 도 5에서 보는 바와 같이, 성형롤러(200)의 내경에 대응하는 구동축(21)이 형성되고, 상기 구동축(21)의 일측단에는 캠(22)과 볼(23)을 포함하며 이를 고정하는 조(24)가 결합된다.
이때, 상기 구동축(21)의 타측단에는 페이스(25)와 리턴 스프링(26)이 형성되고, 상기 페이스(25)와 접촉하되 자물쇠 장치로 이루어진 스토퍼(27)가 형성되어 왕복구동을 수행하도록 형성된다.
즉, 압출기(100)의 분사다이(110)내의 노즐(120)이 섬유상을 형성하기 위해 열가소성 고분자를 용융 방사시키고, 섬유상은 분사다이(110)을 통하여 공급되는 뜨거운 압축공기에 의해 성형롤러(200)의 외주면에 방사되어 카트리지 필터(300)가 연속적으로 형성된다.
이에 상기 필터(300)는 회전 및 왕복구동을 하는 성형롤러(200)에 의해 외주면에 나선형으로 이루어진 돌기(310)가 형성되고, 내주면에는 성형돌기(210)에 의해 나선형의 주름(320)이 형성된다.
다른 실시예로는 도 6에서 보는 바와 같이, 필터와 접촉하는 표면이 성형롤러(200)에 동축형(coaxial)으로 유지되도록 형성되되, 베이스(2)에 결합되며 성형롤러(200)와 수직으로 배치되도록 형성되며, 스프링(420)에 의해 유동되는 클램프(400)가 형성된다.
이때, 상기 클램프(400)의 일측단에는 별도의 에어실린더(410)에 연결되는 상하구동바(430)가 형성되어 성형된 카트리지 필터를 연속적으로 탈착하도록 형성된다.
또한, 도 7에서 보는 바와 같이, 성형롤러(200)의 내측에 축 방향으로 연결되는 샤프트(240)가 형성되고, 상기 샤프트(240)는 일측단에 성형돌기(210)와 동일한 피치와 경사면을 갖는 보조돌기(241)가 형성되어 성형롤러(200)와 샤프트(240)의 회전속도 차이에 의해 필터가 탈착되도록 형성된다.
이에 샤프트(240)와 성형롤러(200)에 회전속도의 차이가 부여된 만큼, 필터소재에 일정한 힘을 유지하고 결과적으로 성형롤러(200)로부터 규칙적인 탈착 및 이동이 이루어진다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 사용유체와 접촉하는 필터 소재 표면에 돌기와 주름이 형성됨으로써 돌기의 산수에 따라 필터 표면면적과 여재 심층내의 포집 공간이 증가하며 필터 하우징의 상부에 나선형 필터면에 접선방향에서 공급되는 유체가 돌기와 주름의 나선형 배열을 따라 소용돌이를 발생시키며 통과해 케이크의 여재 표면상의 침착(Fouling)을 감소시키고 필터 소재와 유체의 접촉기회를 증가시켜 여과수명(효율)을 최대 20~40%이상 향상시킬 수 있다.
이에 구체적인 실시예를 살펴보면 다음과 같다.
실시예(1)
기존 판매되고 있는 일반 원통형 폴리프로필렌 수지(PP) 섬유로 만든 250mm 원통형 필터와 본 발명에 따른 나선형 카트리지 필터(도 1의 A형)와의 여과성능을 비교하기 위해 필터상부에 접선 방향으로 입구 배관이 연결된 필터 하우징에 각 샘플 필터를 장착하여 Single pass Tester를 이용, 필터 통과 전/후의 샘플 수에서 HIAC ROYCO사 Model 8000A/8000S(With Auto-sampler) 입자 분석기(particle counter)를 이용, 입/출구(inlet/outlet)의 입자수 변화를 측정하여 여과효율을 비교하였으며, 여과수명 성능을 비교하기 위해 통수량 대 차압을 구하기 위해 매 1분마다 유량 10 liter/min씩 증가시켜 유량 증가에 따른 필터 입/출구 차압을 측정하였으며 아울러 케이크 포집량 대 차압은 통과유량 15 liter/min에서 ACFTD(Aircleaner Fine Test Dust: ISO Fine A3)를 3분마다 10g씩 투입하여 케이크 포집량에 따른 차압 변화를 측정하였다.
<5 μm 필터>
비교예 필터 크기: 68/30(OD/ID) X 250(H) mm(원통형)
실시예 필터 크기: 70/30(OD/ID) x 250(H) mm(도면1. B형)
나사산 수(10 inch당) = 18, 나사산 높이 = 4mm
<여과 효율>
구분 여과효율(%)
Nominal filtration efficiency		 여과 표면적(cm2)
비교예(5μm) 98.5 533
실시예(5μm) 98.5 698
<통수량 대 차압>
유량(L/min) 차 압(Differential Pressure) kg/cm2
비교예 실시예(1)
10 0.04 0.04
20 0.09 0.08
30 0.19 0.16
40 0.29 0.24
50 0.46 0.40
60 0.58 0.51
<케이크 포집량 대 차압>
케이크 투입량(g) 차 압(Differential Pressure) kg/cm2
비교예 실시예(1)
10 0.05 0.05
20 0.10 0.09
30 0.26 0.21
40 0.45 0.39
50 0.62 0.56
60 0.78 0.70
70 1.15 0.96
80 1.40 1.12
90 1.65 1.40
100 2.1 1.72
실시예(2)
기존 판매되고 있는 일반 원통형 폴리프로필렌 수지(PP) 섬유로 만든 250 mm 원통형 필터와 본 발명에 따른 나선형 카트리지 필터(도 1의 C형)와의 여과성능을 비교하기 위해, Single pass Tester를 이용, 필터 통과 전/후의 샘플 수에서 HIAC ROYCO사 Model 8000A/8000S(With Auto-sampler) 입자 분석기(particle counter)를 이용, 입/출구(inlet/outlet)의 입자수 변화를 측정하여 여과효율을 비교하였으며, 여과수명 성능을 비교하기 위해 통수량 대 차압을 구하기 위해 매 1분마다 유량 10 liter/min씩 증가시켜 유량 증가에 따른 필터 입/출구 차압을 측정하였으며 아울러 케이크 포집량 대 차압은 통과유량 15 liter/min에서 ACFTD(Aircleaner Fine Test Dust: ISO Fine A2)를 3분마다 10g씩 투입하여 케이크 포집량에 따른 차압 변화를 측정하였다.
<10 μm 필터>
비교예 필터 크기: 68/30(OD/ID) X 250(H) mm(원통형)
실시예 필터 크기: 70(/30(OD/ID) x 250(H) mm(도면1. D형)
나사산 수(10 inch당) = 10, 나사산 높이 = 5mm
<여과 효율>
구분 여과효율(%)
Nominal filtration efficiency		 여과 표면적(cm2)
비교예(10μm) 99.6 533
실시예(10μm) 99.7 597
<통수량 대 차압>
유량(L/min) 차 압(Differential Pressure) kg/cm2
비교예 실시예(2)
10 0.03 0.03
20 0.07 0.06
30 0.14 0.11
40 0.20 0.15
50 0.28 0.20
60 0.35 0.23
<케이크 포집량 대 차압>
케이크 투입량(g) 차 압(Differential Pressure) kg/cm2
비교예 실시예(2)
10 0.04 0.04
20 0.07 0.07
30 0.17 0.14
40 0.26 0.24
50 0.33 0.30
60 0.45 0.41
70 0.62 0.58
80 0.89 0.80
90 1.05 0.91
100 1.20 1.02
즉, 상술한 실시예와 같이, 본 발명은 통수량 대 차압 상승율이 종래의 원통형 필터에 비해 3~10%정도 낮으며, 특히 여과수명을 나타내는 케이크 포집량 대 차압의 경우 케이크량 60g이상에서 원통형 필터에 비해 약 10~20% 이상 차압 상승율이 낮음을 알 수 있다.
본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
100 ... 압출기 110 ... 분사다이
120 ... 노즐
200 ... 성형롤러 210 ... 성형돌기
220 ... 실린더
300 ... 카트리지 필터 310 ... 돌기
320 ... 주름
400 ... 클램프

Claims (4)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 분사다이(110)가 결합된 압출기(100)에 의해 섬유상 고분자 소재가 분사되는 단계(S100), 상기 분사된 섬유상 고분자 소재가 전체적으로 콘(con)형상으로 형성되되, 외주면에 적어도 3개 이상의 나선형 성형돌기(210)가 형성되며, 모터(220)에 의해 왕복 및 회전구동이 동시에 이루어지도록 형성되는 성형롤러(200)의 외주면에 융착되는 단계(S200), 상기 융착된 섬유상 고분자 소재가 성형롤러(200)의 왕복 및 회전구동에 의해 일측방향으로 토출되어, 몸체 외주면에 적어도 하나 이상의 나선형으로 이루어진 돌기(310)가 형성되고, 내측면에는 주름(320)이 형성되는 카트리지 필터(300)가 연속적으로 탈착되는 단계(S300), 상기 탈착된 카트리지 필터(300)를 절단하는 단계(S400)로 이루어진 카트리지 필터의 제조방법이 있어서,
    상기 성형롤러(200)는 축 방향으로 연결되는 샤프트(230)가 더 구비되어 상기 성형롤러(200)와 샤프트(230)의 회전속도 차이에 의해 카트리지 필터(100)가 탈착되도록 이루어진 것을 특징으로 하는 나선형 돌기를 갖는 실린더형 카트리지 필터의 제조방법.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 성형롤러(200)는
    상기 카트리지 필터(300)가 용이하게 탈착되도록 성형롤러(200)에 동축으로 유지되는 클램프(400)가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 나선형 돌기를 갖는 실린더형 카트리지 필터의 제조방법.
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