KR101760572B1 - 필터 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 조대 분리를 위한 적어도 하나의 필터부(2); 및 미세 분리를 위한 적어도 하나의 필터부(4)를 포함하되, 적어도 하나의 배수층(D1)이 미세 분리를 위한 필터부(4) 내에 배치된, 기체로부터 액체 부유 입자를 분리하기 위한 필터(1)를 개시한다.

Description

필터{Filter}
본 발명은 청구항 1항의 전제부의 특징을 갖는, 기체로부터 액체 부유 입자를 분리하기 위한 필터 그리고 청구항 13항의 전제부의 특징을 갖는 내연기관에 관한 것이다.
내연기관의 가동 중에, 소위 블로우-바이 가스(blow-by gas)가 생성된다는 것이 알려져 있으며, 이 블로우-바이 가스는 내연 기관의 크랭크케이스로부터 배출되어 크랭크케이스 내에서의 압력의 상승을 방지한다. 폐쇄된 크랭크케이스 환기 시스템에서, 크랭크케이스 환기 가스(venting gas)는 내연기관의 공기 흡입구로 돌아간다. 캐리어 가스는 대략 0.1 ㎛ 내지 10 ㎛ 크기의 미세 오일 액적(oil droplet)과 고형 입자를 포함한다.
내연기관의 공기 흡입구 내 요소에 대한 블로우-바이 가스 내에 함유된 오일의 부정적인 효과를 방지하기 위하여, 오일과 고형 입자가 캐리어 가스로부터 분리되는 것이 알려져있다.
그 중에서도 청구항 1항의 전제부에 설명된 필터가 이 목적을 위하여 사용된다. 상기 입자 크기 범위 내의 높은 정도의 분리(high degree of separation)를 이루기 위하여, 미세 분리를 위한 필터 매체가 흔히 이용된다. 특히, 심층 여과 및 응집(coalescence)의 원리에 기초한 필터 매체가 사용된다. 이 경우에, 세정될 기체는 필터 매체를 통과하며, 그리고 입자는 필터 매체의 3차원적 곡선의 흐름 경로 내에서 기계적인 효과에 의하여 유지된다. 응집 필터의 원리는 미세 오일 액적들이 결합되어 보다 큰 유니트를 형성하고 그리고 중력 및 기체 흐름을 통해 흘러갈 수 있도록 미세 오일 액적들이 적절한 표면에서 접촉된다는 것이다.
설명된 일반적인 종류의 필터에서, 조대 분리(coarse separation)를 위한 필터 매체를 갖는 부분 뒤에는 보통 미세 분리를 위한 필터 매체를 갖는 부분이 뒤따른다.
미세 분리 필터 매체는 보통 작은 섬유 직경과 작은 기공 직경을 특징으로 한다. 일련의 필터 매체 특성과 액체 특성뿐만 아니라 일반적인 작동 조건 하에서의 지배적인 계면력(interface force)에 따라, 분리된 액체는 흔히 필터 매체로부터 충분하게 제거되지 않으며, 그로 인하여 작동 중의 필터 매체는 급격하게 막히고 필터 차압은 증가한다.
높은 분리 정도를 갖는 반면에 낮은 역압을 유지하는 필터를 위한 제안이 선행기술로부터 알려져있다.
예를 들어 미국특허 제8,277,529호는 부직 플리스(non-woven fleece)를 포함하는 적어도 2개 필터 매체 층을 갖는, 필터 요소를 위한 구조를 설명하며, 여기서 필터 기질은 다른 직경의 다양한 섬유 분율(fractions of fibers)을 포함하며 그리고 필터 매체는 다양한 기공 크기를 갖는다. 미국특허 제8,360,251호는 응집 여과를 위한 필터 매체를 설명하며, 이 필터 매체는 연속적으로 배치된 적어도 3개의 인접 층을 갖는다. 여기서 인접 층들은 가장 큰 기공률을 갖는 기질이 중앙 층 내에 배치되도록 그들의 기공률에 관하여 구성된다.
미국특허 제8,021,455호는 부직 재료로 이루어진 필터 매체의 적어도 2개의 층을 포함하는 필터 요소를 포함하며, 여기서 제 1 필터 매체는 상이한 섬유 직경을 갖는 다양한 섬유 분률을 가지며 그리고 단지 하나의 섬유 분률을 포함하는 제 2 필터 매체가 제공된다.
미국특허 제4,759,782호는 3개의 층을 포함하는 응집 필터(coalescence filter)를 설명하며, 여기서 제 1 층은 제 1 기공 크기 그리고 제 1 직경의 섬유 분률을 가지며, 제 1 층의 상류에 위치한 제 2 층은 제 1 층보다 큰 기공 직경을 갖고, 그리고 하류에 배치된 제 3 층은 중앙 층보다 큰 기공 크기를 갖는다. 여기서, 각 층의 표면 에너지는 물의 표면 장력보다 크다.
DE102012217019(A1)는 필터의 급격한 막힘을 방지하도록 의도된 구조를 갖는 필터를 개시한다. 이 사양의 필터는 서로 적층된 고밀도의 층과 저밀도의 층을 갖는다. 고밀도 층은 기체의 흐름 방향의 상류측에 배치되고 그리고 오일 또는 물을 수집하기 위하여 섬유에 의하여 형성된다. 저밀도 층은 하류측에 배치되고 그리고 고밀도 층에 의하여 수집된 오일 또는 물을 빼내기 위하여 섬유에 의하여 형성된다. 고밀도 층의 섬유 각각은 오일 또는 물을 수집하도록 구성된 섬유 형상이다. 저밀도 층의 섬유 각각은 오일 또는 물을 빼내도록 구성된 섬유 형상이다.
본 발명의 목적은 선행기술과 비교하여 필터의 보유된 액체의 이송 및 배수를 개선하기 위한 것이다.
이 목적은 청구항 1항의 특징을 갖는 필터에 의하여 이루어진다. 유리한 실시예가 종속청구항에 열거된다.
적어도 하나의 배수층이 미세 분리를 위한 필터부 내에 배치된다는 사실은 필터 내의 수집된 액체의 이동 및 배수가 용이해지며 그리고 필터의 역압 및 분리 효과가 개선된다는 것을 제공한다.
본 발명에 따른 장치는 분리된 액체가 미세 분리를 위한 층으로부터 운반된다는 점을 제공하고 따라서 분리된 액체가 감소되며, 그리고 세정될 기체에 대한 더 낮은 흐름 저항에 대항한다.
바람직하게는, 추가의 배수층이 미세 분리를 위한 층의 상류 및/또는 하류에 배치된다는 것이 제공될 수 있다.
다른 바람직한 변형예에 따르면, 적어도 하나의 추가의 배수층 및/또는 간격이 조대 분리를 위한 적어도 하나의 필터부와 미세 분리를 위한 적어도 하나의 필터부 사이에 제공된다는 것이 제공된다.
대안적으로 또는 배수층 외 추가적으로, 조대 분리를 위한 필터부와 미세 분리를 위한 필터부 사이에 간격을 제공하는 것 또한 가능하다. 예를 들어 절차에 의하여 간격은 필터 구조체 내에서 시행될 수 있으며, 그로 인하여 필터 층 부분을 권취할 때 스페이서부, 예를 들어 편물된 직물의 압축성이 거의 없는 층 부분이 또한 필터 층 부분 내에서 권취될 수 있다.
바람직하게는 미세 분리를 위한 필터부가 일련의 미세 분리를 위한 층 그리고 미세 배수를 위한 층을 포함한다는 것이 제공될 수 있다.
미세 분리를 위한 필터부가 미세 분리를 위한 다양한 층을 포함한다는 것이 또한 바람직하게는 제공될 수 있으며, 여기서 미세 분리를 위한 제 1 층의 평균 기공 크기가 미세 분리를 위한 제 2 층보다 큰 평균 기공 크기이다.
바람직하게는, 미세 분리를 위한 층의 섬유 직경이 10 ㎛보다 작으며, 바람직하게는 5 ㎛보다 작다는 것이 제공될 수 있다. 이는 미세 분리를 위한 다른 층을 구성하는 필터 매체가 5 ㎛보다 작은 평균 섬유 직경임을 의미한다. 필터 매체는 전형적으로 직물(woven fabric), 편물된 직물 또는 편물된 섬유 직물을 포함한다.
바람직하게는 미세 분리를 위한 층은 액체 침투 방지 표면 특성(liquid-repellent surface properties)을 갖는다는 것이 제공될 수 있다. 액체 침투 방지는 재료가 액체에 의하여 젖을 수 없다는 것 또는 재료가 액체에 의하여 거의 젖을 수 없다는 것을 의미한다. 액체 침투 방지 표면 특성은 고유 (즉, 기본 재료 특유의) 특성일 수 있거나 적절한 처리에 의하여 보장될 수 있다.
장벽층 및/또는 간격이 미세 분리를 위한 층과 미세 배수를 위한 층 사이에 제공된다는 것이 또한 제공될 수 있다. 장벽층 또는 간격은 배수층으로부터 그 다음의 필터층으로 액체가 배출되는 것을 방지하도록 의도된다.
바람직하게는, 배수층이 액체에 관하여 모세관 작용을 갖는다는 것이 제공될 수 있다. 배수 재료의 선택은 필터 매체에 대한 액체의 표면 장력 그리고 재료 구조에 의해 좌우된다. 모세관 작용을 특징짓기 위한 상승 높이는 실험에 의하여 쉽게 결정될 수 있다. 2 내지 10 ㎝, 바람직하게는 5 내지 10 ㎝의 배수층 내에서의 액체를 위한 상승 높이가 이루어지도록 재료가 결정된다.
배수층의 필터 재료의 평균 기공 크기가 분리층(조대 분리를 위한 적어도 하나의 필터부로 이루어지는 분리층 및 미세 분리를 위한 층)의 필터 재료의 섬유의 평균 섬유 길이보다 훨씬 작고 그리고 배수층은 그 단부가 필터의 종단 경계부와 표면 접촉 상태로 연결, 바람직하게는 붙여진다는 것이 바람직하게는 제공되며, 또한 흐름 방향의 상류에 배치된 필터 매체의 어떠한 섬유도 실질적으로 액체와 함께 필터로부터 배출되지 않고 그리고 기체 흐름으로의 액체 액적의 복귀가 실질적으로 방지된다는 것이 제공된다.
첨부된 도면과 함께 바람직한 실시예의 하기 설명을 참고하면 본 발명이 가장 잘 이해될 수 있다.
도 1은 필터의 횡단면도,
도 2는 필터의 상세도, 및
도 3은 내연기관 상에서의 필터 장치의 배치의 개략적인 도면.
처음부터, 도면에 동일한 필터 매체의 2개의 층이 항상 도시된다는 것을 주목해야 한다. 이는 요구되지 않는다. 각 필터 매체의 단지 하나의 각 층만이 있다는 것이 또한 제공될 수 있다.
본 실시예의 도 1에 도시된 필터는 원통형이며 그리고 회전적으로 대칭적인 구조이다. 따라서 설명의 목적을 위하여 단지 횡단면의 하나의 반분만이 설명될 것이다. 필터가 또한 다른 형상, 예를 들어 직육면체(cuboidal) 형상으로 이루어질 수 있다는 것이 인식될 것이다.
액체가 채워진 기체(liquid-charged gas; G)의 유입은 원통형 구조체의 중심에 있으며, 중심은 대칭축(S)으로 표시된다. 기체(G)의 흐름 방향은 흰색 화살표로 표시된다. 액적으로 채워진 기체(G)는 먼저 조대 분리를 위한 부분(2)을 통하여 흐르며, 여기서 이 부분은 조대 분리를 위한 필터 매체의 하나 이상의 층 부분을 포함한다. 도면의 명확함의 목적을 위하여, 도면은 단지 2개의 층부만을 도시하며, 부분(2) 내의 점들은 다른 층 부분이 있을 수 있다는 것을 나타낸다.
조대 분리를 위한 부분(2)의 목적은 기체(G)에 의하여 연행된(entrained) 액체가 다음의 필터층 내로 지나기 전에 이 액체의 양을 줄이기 위한 것이다. 조대 분리를 위한 부분(2) 뒤로 조대 배수를 위한 층(3)이 이어진다. 조대 배수를 위한 층은 이미 분리된 액체가 이후의 층으로 배출되는 것을 방지한다. 대안적으로 또는 부가적으로 조대 분리를 위한 필터 부분과 미세 분리를 위한 필터 부분 사이에 간격이 시행될 수 있다.
이후 기체(G)는 일련의 미세 배수를 위한 필터 재료의 층(D1)과 미세 분리를 위한 필터 재료의 층(F1, F2)을 통과한다. 미세 배수를 위한 층(D1)은 분리된 액체(O)를 미세 분리를 위한 층 (F1, F2)으로부터 흡수하며 그리고 이 액체를 중력에 의하여 필터(1) 바닥부의 액체 배출부로 운반한다. 액체(O)의 배출 흐름은 검은색 화살표로 표시된다. 필터(1)는 종단 경계부(5)를 포함한다. 하단 경계부(5), 즉 바닥만이 도 1에 도시된다. 대체로, 필터(1)는 커버로서 언급될 수 있는 상단 경계(5)를 또한 포함한다. 적어도 필터(1)의 배수층들의 단부는 필터(1)의 종단 경계부(5)와 표면 접촉 상태로 연결, 바람직하게는 접착제로 붙여진다.
하류, 즉 이 도면의 우측부에 도시된 하류에 배수(drainage)와 밀폐(containment)를 위한 필터 재료의 층(D2)에 의하여 필터는 한계가 정해진다. 이 층은 따라서 하류에 배치되어, 미세 분리를 위한 층의 마지막 영역으로부터 액체(O)를 빼낸다. 그로 인하여 액체가 다시 기체(G)로 흘러가는 것을 방지하기 위하여 배수 및 밀폐를 위한 필터 재료의 층(D2)은 미세 분리를 위한 필터 재료의 마지막 층(F2) 내의 액체의 체적 그리고 기체(G)의 흐름 속도를 줄인다. 또한, 상류에 배치된 매체의 섬유가 분리된 액체와 함께 배출될 수 없는 방식으로 배수 및 밀폐를 위한 층(D2)은 미세 분리를 위한 층(F2)을 둘러싼다.
각 부분의 층 부분(D1, D2, F1, F2)의 개수는 적어도 1이다. 부분들의 조합으로서, 층 부분(D1과 F1)은 대안적으로 반복될 수 있다는 것이 제공될 수 있으며, 이 경우 배치는 하류의 각 층(D1)으로 마무리된다. 이는 (D1+F1)n + D1의 순서를 부여한다. 여기서, n은 조합(D1+F1)의 반복 회수이며, n>1이다.
층(D1, D2 및 F1, F2)으로부터 형성된 부분들의 조합은 배치((D1+F1)n + (D1+F2)m + D2)의 한번 이상의 반복에 의하여 형성될 수 있다. 여기서, m은 조합(D1+F2)의 반복 회수이며, m>1이다.
또한, 장벽층(B: 도시되지 않음)은 각 배수층(D1) 뒤에, 즉 각 배수층의 하류에 제공될 수 있다. 이 장벽층은 액체가 배수층에서 그 다음의 필터층으로 더 전달되는 것을 방지하도록 의도된다. 장벽층의 매체는 액체 침투를 방지하는 재료 또는 액체 침투를 방지하도록 코팅된 재료일 수 있거나, 층들 간의 자유 공간일 수 있다. 따라서 이 경우에, 순서는 D1+F1 + D1 + B + F1이다.
하기 사항들이 적절한 필터 매체로서 고려된다.
- 층(F1 및 F2)을 위하여: 예를 들어 5 ㎛보다 작은 평균 섬유 직경을 갖는 유리 섬유 재료,
- 층(D1 및 D2): 예를 들어 10 ㎛보다 큰 섬유 직경 및 90% 이상의 기공률을 갖는 폴리에스테르, 폴리올레핀 또는 유리 섬유 재료,
- 층(F1)의 기공 직경은 예를 들어 100 내지 30 ㎛이며 그리고 예를 들어 5 내지 10 ㎛의 층(F2)의 기공 직경보다 크다.
- 미세 분리를 위한 층(F1 및 F2)은 액체 침투 방지제이거나 또는 액체 침투 방지되도록 표면 처리된다.
- 배수 재료의 층(D1 및 D2)은 적어도 20 내지 50㎜의 액체의 상승 높이를 유도하는 모세관 작용을 갖는다.
도 2는 미세 분리를 위한 필터부(5)의 부분을 도시하며, 여기서 이 실시예에서 장벽층(B)은 각 배수층(D1)의 뒤에 즉, 배수층의 하류에 제공된다. 이 장벽층(B)은 액체가 배수층에서 그 다음의 필터층으로 운반되는 것을 방지하도록 의도된다. 장벽층의 매체는 액체 침투 방지 재료 또는 액체 침투를 방지하도록 코팅된 재료일 수 있거나, 층들 간의 자유 공간일 수 있다. 따라서 이 경우에, 순서는 F1 + D1 + B + F1이다.
명확함의 목적을 위하여 모든 도면에 관하여, 간격은 개별적인 필터층 부분들 사이에 도시된다. 실제로, 필터층 부분들은 빽빽하게 들어차거나 권취된다. 또한, 도면 각각은 각 필터 재료의 2개의 층 부분을 도시한다. 층 부분들의 실제 개수는 실제로는 상이할 수 있다.
도 3은 필터(1)를 갖는 내연기관(V)을 도시한다. 이 경우, 필터(1)는 크랭크케이스 환기 시스템 내에서의 오일 분리를 위한 필터(블로우-바이 필터)로서 사용된다.
1 : 필터
2 : 조대 분리를 위한 필터부
3 : 조대 배수용 층
4 : 미세 분리를 위한 필터부
5 : 종단 경계부
D1 : 미세 배수를 위한 필터 재료
F1 : 미세 분리를 위한 제 1 필터 재료
F2 : 미세 분리를 위한 제 2 필터 재료
D2 : 배수 및 밀폐를 위한 필터 재료
B : 장벽층
G : 기체
O : 액체
S : 대칭축
V : 내연기관

Claims (14)

  1. 기체로부터 액체 부유 입자를 분리하기 위한 필터(1)로서,
    조대 분리를 위한 적어도 하나의 필터부(2); 및
    미세 분리를 위한 적어도 하나의 필터부(4)를 포함하되,
    적어도 하나의 배수층(D1)이 미세 분리를 위한 필터부(4) 내에 배치되며,
    미세 분리를 위한 필터부(4)는 일련의 미세 분리를 위한 층(F1, F2) 및 미세 배수를 위한 층(D1, D2)을 포함하고,
    기체는 각각의 필터부(2, 4)를 차례차례 통하면서 흐르며,
    일련의 미세 분리를 위한 층(F1)과 미세 배수를 위한 층(D1)은 (D1+F1)n + D1 (n은 조합(D1+F1)의 반복 회수이며, n>1)로 해석되되, 여기서, 층(F1, D1) 각각은 미세 분리와 미세 배수를 위한 하나 이상의 필터 재료의 층 부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 필터.
  2. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 추가 배수층(3) 또는 간격, 또는 적어도 하나의 추가 배수층(3) 및 간격이 조대 분리를 위한 적어도 하나의 필터부(2)와 미세 분리를 위한 적어도 하나의 필터부(4) 사이에 제공된 것을 특징으로 하는 필터.
  3. 제1항에 있어서, 일련의 미세 배수를 위한 층(D1, 2D) 그리고 미세 분리를 위한 층(F1, F2)은 (D1+F1)n + (D1+F2)m + D2 (m은 조합(D1+F2)의 반복 회수이며, m>1)로 해석되되, 여기서, 층(F1, D1, D2)은 미세 분리와 미세 배수를 위한 하나 이상의 필터 재료의 층 부분을 각각 포함하는 것을 특징으로 하는 필터.
  4. 제1항에 있어서, 미세 분리를 위한 필터부(4)는 미세 분리를 위한 다른 층(F1, F2)을 포함하되, 여기서 미세 분리를 위한 제 1 층(F1)의 평균 기공 크기는 미세 분리를 위한 제 2 층(F2)보다 큰 평균 기공 크기인 것을 특징으로 하는 필터.
  5. 제1항에 있어서, 미세 분리를 위한 층(F1, F2)의 섬유 직경은 10 ㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 필터.
  6. 제5항에 있어서, 미세 분리를 위한 층(F1, F2)의 섬유 직경은 5 ㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 필터.
  7. 제1항에 있어서, 미세 분리를 위한 층(F1, F2)은 액체 침투 방지 표면 특성 또는 액체 침투 방지 표면 코팅부를 갖는 것을 특징으로 하는 필터.
  8. 제1항에 있어서, 장벽층(B) 또는 간격, 또는 장벽층(B) 및 간격이 미세 분리를 위한 층(F1, F2)과 미세 배수를 위한 층(D1, D2) 사이에 제공된 것을 특징으로 하는 필터.
  9. 제1항에 있어서, 배수층(D1, D2)은 액체(O)에 대한 모세관 작용을 가져 2 내지 10 ㎝의 배수층 내의 액체의 상승 높이가 도달되는 것을 특징으로 하는 필터.
  10. 제9항에 있어서, 배수층(D1, D2)은 액체(O)에 대한 모세관 작용을 가져 5 내지 10 ㎝의 배수층 내의 액체의 상승 높이가 도달되는 것을 특징으로 하는 필터.
  11. 제1항에 있어서, 배수층(D1, D2)의 필터 재료의 평균 기공 크기는 필터부(2)로 이루어지는 분리층의 필터 재료 및 미세 분리를 위한 층(F1, F2)의 필터 재료의 섬유의 평균 섬유 길이보다 훨씬 작으며, 배수층들의 단부는 필터(1)의 종단 경계부(5)와 표면 접촉 상태로 연결되고, 따라서 흐름 방향으로의 상류에 배치된 필터 매체의 섬유는 실질적으로 액체와 함께 필터로부터 배출되지 않으며 그리고 기체 흐름 내로의 액적의 복귀가 실질적으로 방지되는 것을 특징으로 하는 필터.
  12. 제1항에 있어서, 분리된 액체는 오일인 것을 특징으로 하는 필터.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 필터(1)를 갖는 내연기관(V).
  14. 제11항에 있어서, 배수층들의 단부는 필터(1)의 종단 경계부(5)와 접촉 상태로 붙는(glued) 것을 특징으로 하는 필터.
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