KR101940291B1

KR101940291B1 - 삼투 여과 시스템

Info

Publication number: KR101940291B1
Application number: KR1020137035143A
Authority: KR
Inventors: 마우리치오 모레토
Original assignee: 라이카 에스.피.에이.
Priority date: 2011-06-07
Filing date: 2012-06-07
Publication date: 2019-01-18
Also published as: ITPD20110186A1; KR20140033470A; CN103619759A; WO2012168896A1; CN103619759B

Abstract

삼투 필터 장치(percolating filter device)는 여과될 물을 위한 유입구 개구 및 여과된 물을 위한 유출구 개구를 갖는 하우징, 상기 하우징 내의 상기 유입구 및 상기 유출구 개구 사이에 삽입된 제1 필터 수단, 상기 제1 필터 수단 및 상기 유출구 개구 사이에 삽입된 제2 필터 수단, 상기 필터 수단들 사이에 한정된 챔버 및 상기 챔버 내에 포집된 가스를 상기 필터 수단들을 통과하여 여과되는 액체의 흐름과 함께 배기하기 위한 상기 챔버의 배기 수단을 포함하며, 상기 제1 필터 수단이 교체가능한 필터 카트리지를 포함하고, 상기 하우징이 분리 요소 내에 형성된 상기 필터 카트리지를 위한 좌부를 포함하고, 상기 분리 요소가 상기 삼투 필터 장치(1) 내에서, 여과될 물을 받기 위한 제1 용기를 여과된 물을 받기 위한 제2 용기로부터 분리하는 것을 특징으로 하고, 상기 필터 카트리지는 탈착가능하게 수납되고 상기 챔버는 상기 필터 카트리지 및 상기 좌부 사이에 한정된다.

Description

삼투 여과 시스템{Percolation filtering system}

본 발명의 주제는 독립 청구항의 전제부에 언급된 특징들을 포함하는 유형의 삼투 필터 장치에 관한 것이다.

삼투 필터 장치에서, 여과될 유체가 겪는 압력 기울기(pressure gradient)는 여과가 실질적으로 중력에 의해 일어나므로 상당히 낮다. 필터 수단은 통상적으로 활성 탄소층, 이온 교환 수지층 및 유사한 재료층을 포함하고, 이는 이들 각각의 계면 장력 때문에 필터층 내에 공기가 포집되도록 하는 원인이 될 수 있다. 이것은 차례로 몇 가지 단점을 초래한다. 첫 번째 단점은 필터가 공기를 보유하는 경우, 여과될 액체의 통류(through-flow)를 위한 유효 단면적이 감소되어, 흐름이 느려진다. 이것은 여과된 물의 낮은 유량 및 여과에 필요한 시간의 결과적인 연장을 초래한다.

상기 첫 번째 단점을 악화시키는 두 번째 단점은, 공기를 포집하는 필터층의 영역은 여과에 참여하지 않아, 필터 베드(filter bed)를 형성하는 재료의 불균질한(열악한) 사용을 초래하는 사실 때문이다. 이것은 필터 카트리지의 조기 소모 및/또는 그것의 유효 수명의 후반기에 기능 저하를 초래한다.

캐나다 등록특허 CA2350292는 필터 재료의 인접한 층들 사이에, 상기 필터 내에 포집된 공기가 배기 튜브를 통과하여 배출될 수 있는 필터 배기 챔버(filter venting chamber)를 제공함으로써, 이러한 단점들을 해결한다. 많은 경우 이러한 필터들은 필터 재료의 둘 이상의 층을 포함할 수 있으며, 마지막 층은 공지의 특성을 갖는 중공 섬유로 구성될 수 있으며, 상기 필터들은 세포, 박테리아 및 낭포(cyst)를 차단하여, 여과된 물의 미생물 및 박테리아 부하를 감소시킨다. 이 층은 일반적으로 가장 비싸지만 다행히, 일반적으로 비교적 긴 유효 수명을 갖고, 활성 탄소 또는 이온 교환 층의 유효 수명보다 통상적으로 더 길다. 그러나, 상기 필터 요소가 단일 카트리지(unitary cartridge)로서 형성되는 경우, 가장 짧은 유효 수명을 갖는 성분의 수명 만료시 상기 필터 요소는 교체되어야만 하고, 따라서 더 긴 유효 수명을 갖는 다른 성분의 아직 소모되지 않은 여과 용량을 상실시킨다. 더욱이, 다른 필터 장치에서도 유용하게 사용될 수 있는 표준화된 필터 요소를 사용하여 상기 필터층을 대신하는 것은 불가능하다.

대안의 해결책은 두 개의 개별적으로 교체 가능한 카트리지가 있는 필터 시스템을 설명하는 일본 특허출원 JP2000-042536에 설명된다. 또한 상기 필터 시스템은 여과된 액체가 제1 카트리지의 외부로 나오는 지점에 형성된 배기 덕트(venting duct)를 포함하여, 제2 카트리지 내에 포집된 공기가 배출되도록 한다.

그러나, 상기 제1 카트리지의 외부로 나오는 여과된 물에 의해 가해진 압력은 공기의 효율적인 배출을 허용하지 않고 따라서 상기 카트리지 사용시 여과 운전의 느려짐 및 열악한 균질성의 상술한 문제들을 해결하지 못한다.

본 발명에서 해결하려는 문제는 언급한 선행 기술을 참조하여 검토된 모든 단점들을 극복하기 위해 구조적으로 그리고 기능적으로 고안된 필터 장치를 제공하는 것이다. 이 문제는 첨부된 특허청구범위에 따라 형성된 필터 장치에 의한 본 발명에 의해 해결된다.

본 발명의 특징 및 장점은 첨부된 도면들을 참조하여 비제한적인 예로서 설명된 이들 일부 실시 형태에 대한 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 필터 장치의 제1 실시 형태에 관한 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 필터 장치의 제2 실시 형태에 관한 개략적인 단면도이다.
도 3은 도 2의 상세도의 사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 필터 장치의 제3 실시 형태에 관한 개략적인 단면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 필터 장치의 제4 실시 형태에 관한 개략적인 단면도이다.
도 6은 위에서 본 도 5의 상세도를 나타내는 평면도이다.
도 7 및 도 8은 각각 본 발명에 따른 필터 장치의 제5 실시 형태 및 제6 실시 형태에 관한 개략적인 단면도이다.
도면에서, 전체적으로 (1)로 표시되는 삼투 필터 장치는, 외부 하우징(2), 예를 들면, 저그형 하우징(jug-shaped housing)(2)이 있으며, 그 내부에서 분리 요소(4)가 플랜지 지지체(flanged support; 3)에 의해 매달려 있고 여과될 물을 받기 위한 제1 용기(5)를 여과된 물을 받기 위한 제2 용기(6)로부터 분리하는 유형의 것이다.

여과될 물의 유로는 분리 요소(4) 내로 한정되고 제1 및 제2 용기(5, 6) 사이에서 연장하여 제1, 제2 필터 수단(10, 11)을 통과하며, 상기 제1, 제2 필터 수단(10, 11)은 차례대로 배열되어 있으며 물은 중력에 의해 이들을 통과한다.

제1 필터 수단(10)은 교체 가능한 필터 카트리지를 포함하며, 상기 교체 가능한 필터 카트리지는 하기에 설명된 적어도 일부의 실시 형태에서, 종래의 공지된 유형, 예를 들면, 본 출원인의 특허출원 WO 2009/000374 또는 WO 2010/116543의 설명으로부터 공지된 유형의 것일 수 있고, 상기 모든 내용은 본 명세서에 참조로 포함된다. 도 1의 구체예에서, 상기 필터 카트리지는 외주 림(peripheral rim)(14)의 영역에서 함께 결합된 상단부(12) 및 하단부(13)를 포함하며, 상기 외주 림은 방사상으로 외향으로 돌출하고 밀봉부(seal)를 구성하며, 이 밀봉부에 의해 필터 카트리지(10)는 분리 요소(4)의 바닥에 형성된 좌부(座部)(17)의 입구(16)에서 밀봉적으로 끼워 맞춰진다. 구멍(18)을 구비한 상기 카트리지의 상단부(12)와 함께, 입구(16)는 유로 중에서 여과될 물을 위한 유입구 개구(inlet aperture)를 한정한다. 하단부(13)는 활성 탄소, 염, 이온 교환 수지 등으로부터 선택되는 재료들의 혼합물로, 공지의 방법에 따라, 구성될 수 있는 필터 베드를 포함한다.

좌부(17)는 외주 쉘(peripheral shell)(19) 및 바닥부(20)를 포함한다. 챔버(21)가 좌부(17) 및 상기 필터 카트리지의 하단부(13) 케이싱 사이에 한정된다. 전체적으로 (22)로 표시되는 배기 수단은, 챔버(21) 내에 포집된 공기 또는 가스의 배기를 위해 제공되고 따라서 필터 카트리지(10)의 상기 필터 베드를 통한 물의 흐름을 개선시킨다. 배기 수단(22)은 배기 덕트를 한정하는 배기 튜브(23)를 포함하고 상기 배기 튜브는 상기 카트리지의 두 부속부(appendage)(24) 사이에 포함된 오목부 영역(23a) 내에서 필터 카트리지(10)의 하단부의 바닥으로부터 연장하여 상기 카트리지의 상당 부분 및 상기 필터 베드를 통과한다. 또한 상기 두 부속부(24)의 영역 내에서, 상기 카트리지는 도면에 나타나지 않는 구멍들을 갖고, 이 구멍들은 상기 제1 필터 수단으로부터 여과된 물의 유출구(outlet)를 위해 챔버(21) 쪽을 향하고 있다.

이 실시 형태에서, 상기 배기 튜브는 상단부(12) 근방의 필터 카트리지(10) 내에서 종결한다. 메쉬 필터(25) 또는 바람직하게는 일방향 밸브 수단(26)은 가스 배기 방향으로 열려 있고 반대 방향으로 닫혀 있으며, 배기 튜브(23)의 단부 위에 끼워 맞춰져 있다. 도 3에 나타내는 바와 같이, 상기 밸브 수단은 볼록 격막(convex diaphragm)(27)(그 오목부가 상기 배기 튜브의 바닥을 향함)을 포함하는 유형의 디스크 밸브(26)에 의해 형성된다. 상기 디스크 밸브(26)에서 하나 이상의 슬릿(28)이 절개되어 둘 이상(바람직하게는 넷)의 판을 형성하며, 상기 판들은 상기 밸브가 닫혀있는 경우 통상적으로 서로에 대해 지지하지만 탄성 변형(resilient deformation)에 의해 밖으로 열릴 수 있어, 상기 격막의 볼록부 방향으로 떨어져 이동하여 가스의 배기를 허용한다.

더욱이, 메쉬 필터에서도, 상기 배기 튜브에 유입되는 공기의 배출을 허용하지만 중력에 의해 상부 수조로부터 나오는 액체의 흐름을 실질적으로 제한하도록 메쉬 크기가 충분히 작을 것이 지적된다.

개구(30)가 제1 필터 수단(10)으로부터 제2 필터 수단(11) 방향으로 여과된 물의 유출구(outlet)를 위해 좌부(17)의 바닥부(20)에 형성된다.

개구(30)는 예를 들면, 스크린 유형의 추가적인 필터(31)를 구비하고, 상기 추가적인 필터(31)는 상기 제1 필터 수단으로부터 챔버(21) 안으로 배출되는 필터 베드의 과립(granule)을 차단하는 역할을 하며, 개구(30)는 분리 요소(4)의 유출구에서 칼라(collar)(32)를 갖는다. 이 추가적인 필터(31)는 상기 제2 필터 수단의 비탈착부를 한정할 수 있다.

따라서 제2 필터 수단(11)은 케이싱(33)을 포함하고, 상기 케이싱은 급속 끼워 맞춤 결합(quick fitting connection), 예를 들면 스크류 결합(screw connection)(34), 또는 베이어넷 결합(bayonet connection), 또는 심지어 단순히 억지 끼워 맞춤으로 칼라(32)와 결합될 수 있어, 제2 필터 수단(11)이 분리 요소(4)로부터 개별적으로 탈착되도록 한다. 제2 필터 수단(11)은 바람직하게는, 그러나 비배타적으로 캐나다 등록특허 CA2350292에서 설명된 바와 같은 중공 섬유 필터(35)로 구성되고, 이 중공 섬유 필터(35)는 예를 들면, 역삼투에 의해 처리된 물의 마이크로여과를 허용한다.

통상적으로 상기 제2 필터 수단의 수명은 상기 제1 필터 수단의 유효 수명보다 상당히 더 길고, 상기 표시된 구조에서, 상기 제2 필터 수단은 개별적으로 교체될 수 있다.

도 4를 참조하여 설명된, 본 발명의 세 번째 실시 형태에서, 배기 튜브(23)는 상기 필터 카트리지의 상단부(12)의 근방까지 연장하고, 여기에서 열린(그 외에는 닫힌) 바닥을 갖는 상부 챔버(38) 내에 삽입되어, 사이펀 효과(siphon effect)가 일어나도록 한다. 이에 의해 배기된 공기가 챔버(38) 안으로 배기될 수 있고, 여과되지 않은 물 또는 필터 베드 과립이 배기 튜브(23)에 유입되지 않고, 필터 카트리지(10)로부터 챔버(38)의 열린 바닥을 통과하여 상향으로 배출될 수 있다.

도 5를 참조하여 설명된, 본 발명의 추가적인 변형에서, 배기 챔버(21)는 배기 챔버(21) 및 여과될 물을 받기 위한 상부 용기(5) 사이에서 연장하는 도관(40)을 통과하여 배기된다. 도관(40)은 입구(16)의 영역 내에서, 분리 요소(4) 내에 카트리지의 쉘 및 좌부의 쉘 사이의 결합 영역에 형성된 교정 오목부(calibrated recess)(41)로 구성되고, 순수하게 분리 요소 내, 순수하게 필터 카트리지(10)의 외주 림(14) 내, 또는 부분적으로 상기 두 구성 요소 중 어느 하나 그리고 부분적으로 다른 하나의 구성 요소 내에 형성될 수 있다. 도 7에 나타내는 두 번째 경우, 상기 도관은 필터 카트리지(10)의 외주 림(14)을 통과하여 연장하는 단순한 교정 구멍(calibrated hole)(42)으로 이루어진다. 이러한 설명된 마지막 두 가지 실시 형태에서, 상기 도관은 챔버(21) 안으로 여과되지 않은 물의 적은 흐름의 배수(drainage)를 초래할 수 있어, 상기 여과되지 않은 물이 상기 제1 필터 수단을 우회하게 된다. 그러나, 이 효과는 도 8에 나타내는 더 정교한 통로(43)의 형성에 의해 탈착될 수 있고, 이 더 정교한 통로(43)는 여과될 물을 받기 위한 상기 용기의 상단을 넘어 연장하여, 따라서 삼투 필터 장치(1)의 외부로 배기한다.

삼투 필터 장치(1)는 다음과 같이 작동한다.

여과될 물은 상부 용기(5)로 수용되고 용기(5) 내에 물의 자유 표면에 대한 정수두(hydrostatic head)의 결과로서 제1 필터 수단(10)의 필터 베드를 통과한다. 그러나, 생성된 압력이 약하고, 유로가 몇몇의 필터층들을 포함하고 각각의 필터층들은 물의 흐름에 대한 일부 저항을 제공하므로, 기포들이 본질적으로 물-공기 계면의 계면 장력 때문에 필터 베드 내에 생성되고, 이러한 기포들은 상기 필터 베드를 통과할 수 없고 상기 필터 베드로부터 다시 상기 상부 용기 안으로 상승할 수 없다. 이러한 기포들이 배기되지 않는다면, 기포에 의해 영향받는 영역이 여과에 기여할 수 없기 때문에 상기 필터 베드의 사용은 불균질해질 것이다. 더욱이, 상기 필터 베드를 통과하는 유체의 흐름을 위한 유효 단면적이 기포들이 차지하는 영역의 존재에 의해 감소되므로, 필터 카트리지의 유효 유량이 상당히 감소될 것이다. 그러나, 상기 설명된 해결책으로, 기포들은 챔버(21) 내에 포집되도록 하향으로 운반되어 이곳에서 기포들은 배기 튜브(23) 및/또는 배기 도관(41, 42, 43)을 통과하여 배기된다. 따라서 이와 같이 형성된 교체 가능한 필터 카트리지는 상기 설명한 바와 같은 중첩된 층을 갖는 필터 장치에 끼워 맞춤 뿐만 아니라 상기 제2 필터 수단이 비탈착가능한 유형인 장치 및/또는 상술한 배기 문제들이 더 적은 정도로 존재하는 장치에 끼워 맞춤에도 적합한 것으로 이해될 것이다. 따라서 상기 설명한 바와 같이, 다중(또는 다층) 필터를 갖는 필터 장치 및 교체 가능한 필터 카트리지(10)로 구성된 단일 필터 수단을 구비한 종래의 장치에 모두 끼워 맞춰질 수 있는 표준화된 카트리지를 제조하는 것이 가능하다.

더욱이, 상기 제1 필터 수단은 상기 제2 필터 수단과 서로 구조적으로 무관하게 구성되므로, 상기 제2 필터 수단과 별도로 유지되기에 적합하고 상기 필터 카트리지(10)는 따라서 중공 섬유 필터(11)보다 더 자주 교체될 수 있어, 중공 섬유 필터(11)의 유효 수명의 개선된 사용을 허용한다. 적어도, 상술한 장점들은 생산 경제의 이익이 되도록 종래 필터 장치 및/또는 교체 가능한 필터 카트리지의 구조의 급진적인 변경 없이 달성할 수 있다.

Claims

삼투 필터 장치(percolating filter device)(1)로서,
상기 삼투 필터 장치(1) 내에서, 여과될 물을 받기 위한 제1 용기(5)를 제2 용기(6)로부터 분리하고, 상기 제1 및 제2 용기(5, 6) 사이에서 여과될 상기 물을 위한 유로를 형성하도록 구성된 분리 요소(4);
교체가능한 필터 카트리지를 포함하는 제1 필터 수단(10)을 탈착가능하게 수납하기 위하여, 상기 유로 중에, 상기 분리 요소(4) 내에 형성된 좌부(seat)(17); 및
상기 제1 필터 수단(10)에 의해 여과된 물의 유출구 흐름을 위한, 상기 좌부(17) 내에 형성된, 유출구 개구(30)를 포함하며,
상기 유출구 개구(30) 내에 배치된 제2 필터 수단(11);
상기 필터 카트리지가 상기 좌부(17) 내에 수납될 때 상기 필터 카트리지의 외부 케이싱(13)과 상기 좌부(17) 사이에 형성되며, 상기 필터 수단들(10, 11) 사이에 위치하는 챔버(21); 및
상기 챔버(21) 내에 포집된 가스를 상기 필터 수단들(10, 11)을 통과하여 여과되는 액체의 흐름과 함께 배기하기 위한 상기 챔버(21)의 배기 수단을 더 포함하고,
상기 배기 수단이 상기 분리 요소(4) 내에 적어도 부분적으로 형성되고 상기 좌부(17)의 입구(16)를 통과하여 연장하는 교정 통로의 형태로 이루어진 도관(40)을 포함하고, 상기 좌부(17)의 입구(16)는 상기 제1 용기(5)와 연통하고,
상기 제1 필터 수단(10) 및 상기 제2 필터 수단(11)이 구조적으로 서로 독립적으로 구성되어 상기 제1 필터 수단(10)이 상기 제2 필터 수단(11)과 분리되어 유지되기에 적합한 것을 특징으로 하는 삼투 필터 장치(1).
제1항에 있어서,
상기 제2 필터 수단(11)이 상기 유출구 개구(30)의 결합부(32)와 맞물릴 수 있는 탈착가능한 필터(35)를 포함하는 삼투 필터 장치(1).
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제2 필터 수단(11)이 중공 섬유 필터(35)를 포함하는 삼투 필터 장치(1).
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 배기 수단이 적어도 부분적으로 상기 필터 카트리지를 통과하여 연장하는 배기 튜브(23)를 포함하는 삼투 필터 장치(1).
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 배기 수단이 상기 좌부(17)의 입구(16)를 통과하여 연장하고 상기 좌부(17)의 쉘(shell) 및 상기 필터 카트리지의 쉘 사이의 결합 영역에서 상기 챔버(21) 및 상기 제1 용기(5) 사이에서 연장하는 도관(40)을 포함하는 삼투 필터 장치(1).
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 필터 카트리지가 상기 좌부(17)의 입구(16)와 결합하기 위한 림(rim)(14)을 갖고 상기 배기 수단이 상기 림(14)을 통과하여 연장하는 도관(40)을 포함하는 삼투 필터 장치(1).
삭제
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 배기 수단이 상기 좌부(17)의 입구(16)를 통과하여 연장하고 여과될 물을 받는 상기 용기(5)의 상단(top)을 넘어 연장하는 도관(41, 43)을 포함하는 삼투 필터 장치(1).
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제2 필터 수단(11)이 비탈착 유형의 추가적인 필터(31)를 포함하는 삼투 필터 장치(1).
제4항에 있어서,
가스 배기 방향으로 열려 있고 반대 방향으로 닫혀 있는 일방향 밸브 수단(26)이 상기 배기 튜브(23) 내에 삽입되어 있는 삼투 필터 장치(1).
제10항에 있어서,
상기 밸브 수단이 슬릿 격막(slit diaphragm)(27)을 갖는 디스크 밸브(26)를 포함하는 삼투 필터 장치(1).
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제2 필터 수단(35)이 상기 유출구 개구(30)와 결합하는 급속 끼워 맞춤 수단(quick fitting means)을 포함하는 삼투 필터 장치(1).
제12항에 있어서,
상기 결합부(32)가 상기 제2 필터 수단(35)과 급속 결합하기 위한 나사형 칼라(threaded collar)를 포함하는 삼투 필터 장치(1).