KR19990087685A - 고온 가스 필터 카트리지 - Google Patents

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라이얀 씨 셔크
리차드 엘 불룸
트로이 케이 이스타
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스프레이그 로버트 월터
미네소타 마이닝 앤드 매뉴팩춰링 캄파니
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Abstract

배기 가스로부터 미립물을 여과시키기 위한 재생성 가스 필터 카트리지(20,120)는 천공부와 개방 단부(154)를 갖춘 중공관(130)을 구비한다. 상기 천공부(130)는 개방 단부(154)의 직경보다 큰 직경을 가진다. 필터 요소(132)는 중공관(130)에 배치되고, 필터 요소(132)는 천공부(130)의 큰 직경과 개방 단부(154)의 작은 직경 상으로 연장한다.

Description

고온 가스 필터 카트리지
본 출원에서는 디젤 엔진의 배기 필터의 관점에서 본 발명을 논의하지만, 본 발명은 다른 형태의 가스 스트림에서 미립물을 여과시키기는데 용이하게 적용될 수 있다.
디젤 엔진은 유해한 그을은 배기 가스를 방출하는데, 이 유해한 배기는 디젤 엔진의 미립물 필터를 사용함으로써 덜 유해해질 수 있다. 상기 필터는 엔진에 의해 방출된 그을음 입자를 포획하고, 이에 따라 입자가 대기로 들어가는 것을 방지하게 된다. 그러나, 이러한 필터에 의해 포획된 그을음 입자들은 시간이 지날수록 축적된다. 그을음 입자들이 필터내에 축적됨에 따라, 필터의 효율은 감소되고, 필터를 가로질러 발생되는 압력 손실이 증가되며, 엔진에는 배기 가스 배압(背壓)이 증가되어 엔진 성능이 떨어지게 된다. 그러므로, 그을음 입자들로 막힌 필터를 주기적으로 교체하거나 재생시켜야 한다. 필터가 그을음 입자로 채워지는 속도에 따라서, 막힌 필터의 교체에는 불편함이 따르거나 많은 비용이 들게 된다. 그러므로, 필터를 주기적으로 재생(즉, 포획된 그을음의 제거)하는 것은 깨끗한 필터를 유지시키는 좋은 방법이다.
디젤 엔진의 미립물 필터를 재생하기 위한 몇 가지 기법(technique)이 있다. 통상적으로, 이들 방법에서는 필터내에 포획된 그을음 입자들을 점화시킴으로써, 필터로부터 그을음 입자들을 연소시킨다. 어느 하나의 기술에서는 히라바야시(Hirabayashy)에게 허여된 미국 특허 제4,912,920호에 개시되어 있는 바와 같이, 연소 가스를 필터내로 주기적으로 방출시키는 것을 포함한다. 또 다른 기술에서는 필터링 요소들(filtering elements)과 접촉하는 전열 요소들을 사용하고 있다. 전기적으로 재생 가능한 필터에 대해서는 불룸(Bloom) 등의 미국 특허 제5,252,164호에 개시되어 있다. 그러나, 또 다른 기술은 마이크로파 에너지를 이용하여 필터를 가열하고, 필터 내에 포획된 입자를 점화시켜 연소시킴으로써 필터를 재생시키는 것이다. 마이크로파에 의해 재생 가능한 필터는 피셔(Fischer) 등의 미국 특허 제5,453,116호에 개시되어 있다.
연소 가스를 부가하거나 또는 전기 저항으로 가열하여 포획된 그을음을 점화시켜 재생한 필터 조립체는 통상적으로 필터 요소를 지지하거나 또는 저항 가열을 제공하기 위해서 금속 구조물을 사용하지만, 마이크로파 에너지를 사용해서 포획된 그을음을 점화시켜 재생한 필터는 통상적으로 필터 요소를 지지하기 위해서 다공성 비금속 구조물을 사용한다. 천공된 금속관, 스크린, 롤 와이어, 또는 유사 구조물을 이용해서 종종 필터 요소를 지지하기도 한다. 예컨대, 불룸 등의 미국 특허 제5,258,164호에는, 내부 필터 요소(20)와 외부 필터 요소(22) 사이에 배치되어 필터 요소(20,22)를 가열 및 재생시키기 위해 사용되는 전기 저항성의 팽창 금속 슬리이브(21)가 개시되어 있다. 디젤 엔진의 배기 가스는 다공성 지지 구조물의 내부에 들어가고, 필터 요소(20,22)를 통해 반경 방향으로 통과한다.
재생 가능한 필터 카트리지의 사용은 필터 카트리지 내의 배기 가스의 유량 및 필터 카트리지를 가로질러 일어나는 압력 손실에 의해 제한된다. 유량 및 필터 카트리지를 따라 발생되는 압력 손실이 증가함에 따라, 필터 요소의 내부에 대해 가해지는 힘은 증가한다. 이러한 힘의 증가로 말미암아 종종 필터 요소가 필터 카트리지의 중간 근처에서 팽창되거나, 또는 "부풀려지는 데(balloon)", 그 결과로 필터 요소의 전체적인 길이가 짧아지게 된다. 필터 요소가 팽창됨에 따라, 필터 요소를 지지하는 다공성 구조물이 그 단부에서 노출될 수 있고, 배기 가스는 필터 요소를 통과하지 않고 필터 카트리지로부터 흘러 나가게 된다. 그 결과적인 누출은 필터 카트리지의 성능을 감소시킨다.
그러므로, 필터 요소의 "부풀림"으로 인한 고장나지 않는 필터로서 효과적이고, 또 적은 비용으로도 용이하게 제조되는 재생 가능한 필터 카트리지에 대한 필요성이 대두되었다.
본 발명은 일반적으로 가스 스트림(gas stream)에서 특정 물질을 제거하기 위한 필터에 관한 것이며, 보다 구체적으로 말하자면 재생 가능한(이하, 재생성이라 함) 필터 카트리지에서의 유량 및 압력 손실 능력을 향상시키기에 적합한 필터에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 미립물 카트리지를 사용하는 디젤 미립물 트랩의 단면도.
도 2는 종래의 미립물 카트리지의 단면도.
도 3은 "부풀어진(ballooning)" 필터 요소를 구비한 종래의 미립물 카트리지의 입면도.
도 4는 본 발명의 미립물 카트리지의 단면도.
전술한 도면이 바람직한 실시예를 나타내기는 하지만, 이러한 개시는 본 발명을 제한하지 않고 설명하기 위해서 예식적인 실시예를 나타내는 것이다. 본 발명의 주요 사상과 범위 내에서 당업자에 의해 다수의 많은 변형예 및 실시예가 이루어질 수 있는 것임을 이해하게 될 것이다.
본 발명은 깨끗한 가스 스트림을 유지하기 위한 장치 및 방법이다. 본 발명은 천공부와 개방 단부가 있는 종방향 중공관을 갖춘 미립물 필터를 구비한다. 상기 개방 단부는 제1 외경을 갖고, 천공부는 제2 외경을 갖는다. 개방 단부의 제1 외경은 천공부의 제2 외경보다 작다. 필터 요소는 중공관을 중심으로 배치되고, 천공부의 제2 외경과 개방 단부의 제1 외경 상에서 연장된다.
본 발명에서는 재생(즉, 수집된 그을음의 연소)에 적합한 효과적인 필터 카트리지를 제공한다. 본 발명은 사용 중에 미립물 카트리지의 필터 매체의 "부풀음"을 방지하는 데 특히 적합하다.
본 발명의 상세한 설명과 특허 청구 범위에서, 다음 용어들은 이하에 정의하는 의미를 가지는 것으로 이해해야 한다.
"무기 섬유(inorganic fiber)"란 고온(가령, 대략 600℃ 이상의 온도)에 대한 저항성이 있고, 디젤 배기 가스에 대해 화학적으로 저항하며, 직물성[textile qualities: 즉, 지지관으로 만들 수 있거나 지지관 둘레에 감쌀 수 있는 얀 또는 직물(fabric)로 제조하기에 적합함]이 있는 무기 섬유를 말하며;
"삼(tow)"이란 복수 개의 개별적인 섬유 또는 필라멘트(filament)의 다발을 의미하고,
"얀(yarn)"은 함께 꼬인 복수개의 개별적인 섬유 또는 필라멘트의 다발을 의미하며,
"연속적인 필라멘트 무기 얀(continuous filament inorganic yarn)"이란 고온(가령, 대략 600℃ 이상이고)에 대한 저항성이 있고, 지지관의 원주 둘레를 1회 이상 감싸기에 충분히 긴 소정의 무기 얀을 의미하는 것으로, 바람직하게는 상기 연속적인 얀의 길이는 적어도 25cm이고, 더욱 바람직하게는 그 길이가 1m 이상이다.
도 1을 참조하자면, 디젤 미립물 트랩(10)은 원통형 본체(14), 배기 입구(16) 및 배기 출구(18)를 갖춘 케이싱(12; casing)을 구비한다. 원통형 본체(14) 내에는 복수개의 필터 조립체(20)가 평행하게 나란히 배치되는데, 그 조립체 각각은 배기 입구(16)에 인접해서는 개방되고, 배기 출구(18)에 인접해서는 차단되어 있다. 필터 조립체(20)는 배기 입구(16)에 인접한 단부벽(22)과 배기 출구(18)에 인접한 단부벽(24)과의 사이에서 연장된다. 필터 조립체(20)는 각각 개방된 유입관(26)과 폐쇄된 단부캡(28)에 의해서 단부벽(22,24)에 연결된다. 단부벽(22,24)은 원통형 본체(14)에 연결되고, 배기 가스(29)가 필터 조립체(20)를 통과하는 것을 돕는다. 단부벽(22)은 인접한 필터 카트리지(20) 사이의 공간을 차단하므로, 배기 입구(16)로 들어오는 배기 가스(도 1의 화살표 29 참조)는 개방된 유입관(26)을 통해서 필터 카트리지(20)의 내부로 흐른다. 폐쇄된 단부 캡(28)은 단부벽(24)에 인접한 필터 조립체(20)의 단부를 차단하며, 배기 가스(29)가 배기 출구(18)에 인접한 단부벽(24) 내의 구멍(32)을 통해 배출되기 전에 필터 카트리지의 반경 방향 외측으로 통과시킨다. 또 다른 실시예에 있어서, 배기 가스(29)는 필터 카트리지(20)의 외측으로부터 필터 카트리지(20)의 내측을 향해 반경 방향으로, 그 후 필터 카트리지(20)의 개방 단부 밖으로 흐르도록 정향될 수 있다.
종래의 필터 카트리지(20)를 도 2에 도시하였다. 필터 카트리지(20)는 카트리지로서 조립된다. 천공된 지지관(30)은 개방 유입관(26)과 폐쇄 단부캡(28)의 사이에서 연장된다. 필터 요소(32)는 지지관(30), 유입관(26) 및 단부 캡(28) 상에 배치된다. 그러므로, 필터 카트리지(20)는 지지관(30), 개방 유입관(26), 폐쇄 단부 캡(28) 및 필터 요소(32)로 이루어져 있다.
필터 요소(32)는 여러 가지 형태의 무기 재료를 포함할 수 있다. 예컨대, 무기 얀을 지지관(30) 둘레에 실질적으로 나선형으로 감거나 또는 크로스(cross)형으로 감아 필터 요소(32)를 제공하게 된다. 예컨대, 부직 매트(non-woven mat)를 지지관(30)과 무기 얀 사이에 삽입할 수 있는데, 상기 무기 얀은 부직 매트와 지지관(30) 둘레에 실질적으로 나선형 또는 크로스형으로 감기게 된다. 바람직한 필터 성능을 나타내는 소정의 다르게 조합한 필터 재료를 사용할 수 있다. 필터 요소(32)를 구성하는 무기 재료는 예컨대, 유리 섬유 또는 세라믹일 수 있다.
도 2에 도시한 바와같이, 필터 요소(32)는 천공된 지지관(30) 상에서, 그리고 유입관(26)과 단부 캡(28)으로 연장된다. 유입관(26)과 단부 캡(28)의 외경은 대략 천공된 지지관(30)의 외경과 일치된다. 전술한 바와 같이, 사용 중에, 배기 가스(29)는 개방 유입관(26)을 통해 필터 카트리지(20)로 들어가고, 필터 요소(32)를 통해 반경 방향으로 흐른다. 필터 카트리지(20)를 가로질러 유량 또는 압력 손실이 증가됨에 따라, 필터 요소(32)의 내면에 대해 가해진 힘은 증가한다. 도 3에 도시한 바와 같이, 힘의 증가에 의해 필터 요소(32)는 필터 카트리지(20)의 중간 근처에서 팽창("부풀게 함")되고, 그 결과로 필터 요소(32)의 전체적인 길이가 짧아지게 된다. 필터 요소(32)의 유효 길이가 짧아질수록, 지지관(20) 내의 천공부(36)는 노출된다.
팽창 효과에 대해 저항하는 유일한 것은 필터 요소(32)와 유입관(26)의 사이 그리고, 단부 캡(28)과 지지관(30)의 사이를 밀봉시키는 것이다. 필터 요소(32)와 유입관(26) 사이 그리고 단부 캡(28)과 지지관(30) 사이를 밀봉시키는 것은 인장력과 세라믹 섬유가 지지관(30)에 감기게 되는 감김각(winding angle)에 의해 결정된다. 밀봉 강도는 감는각의 코사인 값(cosine)과 세라믹 섬유의 인장력을 곱한 것이다. 밀봉 강도는 필터 카트리지가 부풀림없이 견딜 수 있는 유량 및 압력 손실을 결정한다. 현재, 도 2 및 도 3에 도시한 바와 같은 종래의 필터 카트리지는 유량이 대략 45acfm(1.27m3/min)으로, 압력 손실은 대략 60inch H2O(14.91 kPa)로 제한된다. 일단, 필터 요소(32)와 유입관(26)의 사이와, 단부 캡(28)과 지지관(30)의 사이의 밀봉 상태가 파열되면, 지지관(30)의 천공부(36)는 노출되고, 배기 가스는 필터 요소(32)를 통과하지 않고 천공부(36)를 통해 흐르게 된다. 그 결과로 누출 경로가 필터 카트리지의 성능을 저하시킨다.
도 4에 도시한 본 발명은 부풀림 효과를 제거하고, 결과적으로 필터 요소와 지지관 사이의 밀봉 강도를 향상시킴으로써 디젤 미립물 필터 카트리지에 감긴 재생성 섬유의 압력 손실 능력 및 유량을 향상시키게 된다. 본 발명의 필터 카트리지(120)는 개방 유입관(126)과 폐쇄 단부 캡(128)을 구비한다. 천공된 지지관(130)은 개방 유입관(126)과 폐쇄 단부 캡(128)의 사이에서 연장된다. 필터 요소(132)는 지지관(130), 유입관(126) 및 단부 캡(128) 상에 배치된다. 필터 요소(132)는 지지관(130) 상에 무기 얀을 실질적으로 나선형 또는 크로스형으로 감아서 형성하는 것이 바람직하다.
유입관(126)과 단부 캡(128)은 "계단형"이고, 각각 반경 방향의 견부(140,142)를 구비한다. 도 4의 본 발명의 필터 카트리지(120)와 도 2의 종래의 필터 카트리지(20)를 비교하면 알 수 있는 바와 같이, 종래 필터 카트리지의 필터 요소(32)는, 필터 요소(132)가 본 발명의 필터 카트리지(120)의 지지관(130) 상에 위치되는 방식과, 상당히 다른 방식으로 지지관(30) 상에 배치된다. 본 발명의 필터 카트리지(120)에서, 나선형 또는 크로스형으로 감은 필터 요소(132)의 얀은 필터 요소(132)의 단부(152)가 각각 유입관(126)의 감소된 직경부(154)와 단부 캡(128) 상으로도 연장되도록 반경 방향의 견부(140,142) 상에 연장된다. 반경 방향의 견부(140,142)는 필터 요소(132)와 지지관(130) 사이의 밀봉 강도를 증가시킨다. 반경 방향의 견부(140,142)는 나선형 또는 크로스형으로 감긴 필터 요소(132)의 얀을 지지관(130)에 고정시키기에 충분한 높이 "H"를 가진다. 바람직하게, 반경 방향의 견부(140,142)는 1/8 inch 내지 3/4 inch (3.2mm 내지 19.0mm) 범위의 높이 "H"를 가진다.
본 발명의 필터 카트리지(120)를 가로질러 압력 손실이 증가하고, 또 필터 카트리지(132)의 내면(134) 상에 인가된 힘이 증가할 때, 반경 방향의 견부(140,142) 상에서 연장된 필터 요소(132)는 이동할 수 없게 된다. 필터 요소(132)의 중간 부위가 필터 요소(132)를 가로 질러 증가하는 압력 손실에 의해서 "부풀려지려고" 함에 따라, 반경 방향의 견부(140,142) 상으로 연장된 필터 요소(132)의 부분(152)은 그 이동이 제한된다. 필터 요소(132)의 유효 길이는 단부(152)가 구속된다면 짧아질 수 없으므로 필터 요소(132)는 부풀림이 방지된다. 이것은 필터 카트리지(120)가 그 필터 성능을 유지하면서 도 2에 도시된 종래의 필터 카트리지(20)보다 높은 유량 및 압력 손실을 처리할 수 있게 한다.
본 발명의 필터 카트리지(120)의 바람직한 실시예에 있어서, 지지관(130)은 스미스(Smith) 등의 미국 특허 제5,409,669호에 개시된 것과 같은 전기 저항관이다. (도 1에 도시한 바와 같은) 디젤 미립물 트랩(diesel particulate trap)에 필터 카트리지(120)를 고정시키는데 도움이 되도록 하기 위해서, 기저 판(160)과 장착 스터드(162)를 각각 유입관(126)과 단부 캡(128)에 고정시킬 수 있다. 선택적으로, 필터 카트리지(120)를 용접, 볼트 체결 등과 같은 종래의 공지된 다른 수단에 의해서 디젤 미립물 트랩 내에 고정시킬 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 필터 요소(132)는 지지관(130) 둘레에 무기 얀(inorganic yarn)을 거의 나선형 또는 크로스형으로 감아서 형성된다. 지지관(130) 둘레에 무기 얀을 감는 기술의 예로서, 측방으로 치우치게(offset) 감는 공정을 개시하고 있는 불룸(BLOOM) 등의 미국 특허 제5,248,481호와, 반경 방향으로 정렬하여 감는 공정을 개시하고 있는 불룸 등의 미국 특허 제5,248,482호가 있다.
측방으로 치우치도록 감는 공정에 있어서, 얀의 코어(core)로부터 연장되는 복수 개의 연속적인 섬유 또는 섬유 세그먼트(segment)의 고리를 제공하도록 직조된 연속적인 필라멘트 얀을 지지관 둘레에 거의 나선형 또는 크로스형으로 감아 복수 개의 얀의 층을 형성한다. 연속되는 얀의 회선을 상기 층에 반대 방향으로 감아서 상호 직조된 코어를 제공한다. 각각의 연속되는 층의 연속적인 회선의 코어는 4면형 구멍(four-side opening)을 형성하도록 간격을 두고 배치되는데, 직조된 얀의 섬유 또는 섬유 세그먼트의 고리들은 개개의 4면형 구멍으로 돌출하여 가스의 미립물에 대한 트랩을 제공하게 된다. 하나 이상의 층의 얀의 코어는 인접한 층의 얀의 코어로부터 측방으로 편의되어(치우쳐져서), 필터 재료를 통하는 비틀림 경로로 가스를 편향시키게 된다.
또한, 반경 방향으로 정렬되게 감는 공정에서는 지지관 둘레에 크로스형으로 감기는 직조된 연속적 필라멘트 얀을 사용한다. 얀의 연속되는 회선을 층들에서 반대로 감아서 상호직조된 코어를 제공하게 되는데, 반경 방향으로 정렬된 각각의 층의 연속적인 회선의 코어는 4면형 구멍을 형성하도록 간격을 두고 배치된 벽을 제공한다. 직조된 얀의 섬유 또는 섬유 세그먼트의 고리들은 개개의 4면형 구멍 으로 돌출하여 디젤 배기 가스 미립물용 트랩을 제공한다.
바람직하게, 지지관(130) 상에 감기거나 또는 크로스형으로 감긴 무기 얀의 직경은 약 0.5 내지 5mm의 범위에 있게 된다. 더욱 바람직하게는, 그 직경이 약 1 내지 3mm의 범위이다. 이러한 얀은 약 780 내지 7,800개의 범위에 있는 개별적인 무기 섬유로 구성되는 것이 통상적이다. 바람직하게, 무기 얀은 개별적인 섬유를 약 1,560 내지 4,680개의 범위에서 구비한다. 무기 얀은 꼬이는(ply twisted) 것이 바람직한데, 왜냐 하면 그러한 구성은 꼬이지 않은 무기 얀과 비교해서 우수한 필터 재료를 제공하도록 직조될 수 있기 때문이다.
무기 얀을 텍스쳐 가공(texturization)하면 그 여과 또는 트랩핑 효율이 향상된다. 바람직하기로는, 무기 얀이 예컨대 텍스쳐 가공에 의해 로프티(lofty)로 가공되므로, 연속적인 섬유, 개별적인 섬유 세그먼트 또는 이들의 조합체의 고리들은 조밀한 코어로부터 외부로 연장한다. 연속적인 섬유의 고리가 가장 바람직하다. 무기 얀은 예컨대 공기 분사식 또는 기계식 텍스쳐 가공을 포함하는 종래의 공지된 기술에 의해서 텍스쳐 가공될 수 있다. 공기 분사식 텍스쳐 가공은 일반적으로 기계식 텍스쳐 가공 기술에 의해 텍스츄어된 얀보다 섬유 세그먼트 수가 적고, 섬유 고리가 많은 텍스츄어 얀을 제공하기 때문에 바람직하다. 이러한 목적을 위해 적합한 공기 분사식 텍스쳐 가공 기계로서 미국 델라웨어주의 뉴캐슬에 소재하는 엔터프라이즈 머신 앤드 디벨롭먼트 코오포레이션(Enterprise Machine and Development Corporation)에서 시판하는 상표명 "모델 17 사이드와인더(MODEL 17 SIDEWINDER)"를 이용할 수 있다. 텍스쳐 가공된 무기 얀의 직경은 대략 1 내지 10mm의 범위인 것이 바람직하다. 그 직경이 약 3 내지 약 6mm 범위인 것이 더욱 바람직하다.
무기 얀으로 이루어진 무기 섬유는 그 직경이 약 5 내지 20㎛ 범위인 것이 바람직하다. 그 직경은 대략 7 내지 15㎛ 범위인 것이 더욱 바람직하다. 특정 범위의 직경으로 된 섬유는 일반적으로 이러한 범위 이외의 직경을 가지는 섬유보다 용이하게 제조 및 텍스쳐 가공된다. 더욱이, 직경이 실질적으로 5㎛ 이하인 섬유는 용이하게 손상되는(즉, 텍스쳐 가공시에 파열됨) 경향이 있다. 직경이 거의 25㎛ 이상인 섬유는 통상적으로 직경이 특정 범위 내에 있는 섬유 보다 덜 효과적인 필터를 제공하게 된다.
무기 얀으로 이루어진 무기 섬유는 내열성을 지니는 것이 바람직하다. 예컨대, 내열성 섬유는 비정질, 다결정 또는 그 조합체일 수 있다. 유용한 내열성 섬유로서, 미국 오하이오주의 톨레도에 소재하는 오웬스-코링(Owens-Corning)사에서 시판하는 S2 유리 또는 E 유리와 같은 특정 고온의 유리 섬유와, 켄터키주의 루이스빌에 소재하는 쿼츠 프로덕츠 코오포레이션(Quartz Products Corporation)에서 시판하는 QUARTZELTM용융 쿼츠 얀(fused quartz yarn)과 같은 연속 용융 실리카 섬유와, 미네소타주의 세인트 폴에 소재하는 3M 컴패니로부터 구매할 수 있는 NEXTELTM312, 440 또는 550 세라믹 섬유와 같은 세라믹 금속 산화물 섬유 등이 있다. 또한, 유리와 세라믹의 혼합물로 제조한 니트 섬유, 직조 또는 브레이드된 섬유를 사용할 수도 있다. 대략 330℃ 이하에서 사용하기 위해서는 종래의 유리 섬유를 사용할 수 있다.
필터 효율을 증가시키기 위해서, 전술한 바와 같이 무기 얀을 지지관(130) 둘레에 나선형 또는 크로스형으로 감는 것이 바람직하다. 각각의 연속적인 층의 연속적인 회선의 코어가 반경 방향으로 정렬(미국 특허 제5,248,482호에 개시된 바와 같이)되도록 무기 얀을 지지관(130) 둘레에 감거나, 또는 (미국 특허 제5,248,481호에 개시되어 있는 바와 같이) 연속적인 층의 연속적인 회선의 코어가 서로로부터 측방으로 편의되도록 무기 얀을 지지관(130) 둘레에 감을 수 있다.
각각의 필터 요소의 두께는 대략 1 내지 25mm의 범위인 것이 바람직하다. 무기 섬유를 포함하고, 대체로 나선형 또는 크로스형으로 감아 텍스쳐 가공한 얀으로 구성되는 필터 요소에 대해서, 감거나 크로스형으로 감은 섬유의 바람직한 총 두께는 약 5 내지 15mm 범위에 있다. 전술한 범위보다 실질적으로 큰 두께는 부당하게 비용이 증가하고, 바람직하지 않은 높은 배압(back pressure)을 초래하게 되는데 반하여 전술한 범위보다 실질적으로 작은 두께는 부적합한 필터 효율을 제공할 수 있다.
각각의 필터 요소(132)는 하나 이상의 부류의 필터 재료로 된 하나 이상의 층을 선택적으로 포함할 수 있다. 예컨대, 필터 요소(132)는 무기 얀을 대체로 나선형 또는 크로스형으로 감은 하나 또는 그 이상의 층을 포함하거나, 또는 무기 섬유로 구성되는 부직 매트로 된 하나 이상의 층을 포함할 수 있는데, 상기 매트는 실질적으로 나선형 또는 크로스형으로 감은 무기 얀에 의해 지지관(130)에 맞대어 유지된다.
후술하는 예는 본 발명에 의해 산출되는 향상된 성능을 설명하려고 개시하는 것이만, 이로써 본 발명의 범위를 제한하려는 의도는 결코 아니하는 점을 이해하여야 한다.
예
"계단형" 카트리지 구조에 있어서 필터 카트리지의 성능이 향상된 것을 측정 하기 위한 시험을 실행하였다. 시험 1은 단기간의, 큰 압력 손실 및 많은 유량 시험이었다. 시험 2에서 상승된 압력 손실과 많은 유량으로 장기간의 내구성 시험을 하였다. 시험 3은 종래의 필터 카트리지(20)와 본 발명의 필터 카트리지(120)["계단형" 유입관(126)과 "계단형" 단부 캡(128)을 통합함] 사이의 차이를 충분히 나타내기 위한 특성 시험이었다.
시험 1 : 단기간의 큰 압력 손실 및 많은 유량
시험 1의 목적은 종래의 전기적 재생성 필터 카트리지와 본 발명의 필터 카트리지의 단기간 정상 상태의 필터 성능을 연구하는 것이었다. 종래의 필터 카트리지와 본 발명의 필터 카트리지는 본 발명의 필터 카트리지 상에 "계단형" 유입관을 제공하는 것 외에는 모든 면에서 동일하였다. 다른 모든 면에서, 두 개의 시험 카트리지의 필터 요소는 동일하였다. 시험에 대한 조건은 다음과 같았다. 1) 10분간의 재생 후 1분간 냉각하였고, 2) 60kPa에서 재생을 시작하였고, 3) 배기 메니폴드 온도가 450℃인 상태에서 카트리지를 통과하는 배기 유량은 2.81m3/분/카트리지였고, 4) 배기는 1845rpm과 98N*m 하중에서 2.3 리터, 4 실린더 디젤 엔진에 의해 생성되었고, 5) 유황이 적은 연료(0.05%)와 재가 적은 오일을 사용하였으며, 6) 두 개의 필터 카트리지를 하나의 시험 캐니스터 안에 배치하였다.
이러한 시험에서 사용한 시험 조건에 의해 통상적으로 종래의 필터 카트리지에 의해 처리되는 것보다 압력 손실이 5배 증가하고, 유량이 2배 증가하였다.
시험 중에 수집된 데이터에는 재생과 재생 이후의 배압 사이의 시간이 포함되었다. 이러한 시험으로 본 발명의 단기간의 성능을 측정했다. 본 발명에서는 그을음을 지닌 필터 카트리지(종래 카트리지와 본 발명의 카트리지)를 60kPa의 예정된 압력 손실까지 로딩하여 시험했다. 일단, 필터 카트리지가 그 압력 손실에 도달했으면, 그 필터 카트리지는 재생되고 로드 사이클(load cycle)을 반복하였다. 상기 시험은 재생 사이에 로드 시간을 기록하기 위해서 24시간 동안 계속되었다.
재생 사이의 로드 시간이 일정하게 유지되었다면, 필터 카트리지는 시험을 통과한 것이다. 이것은 시험 중에 필터 카트리지의 성능에서 변화가 없는 것을 의미한다. 표 1은 표준 필터 카트리지와 본 발명의 계단형 유입관을 갖춘 필터 카트리지 사이의 시험의 결과를 보여준다.
표 1의 데이터가 나타내는 바와 같이, 종래의 필터 카트리지는 5 시간의 작동 이후 고장났다. 종래의 필터 카트리지가 재생을 시작하기 위해 필요한 압력 손실에 도달하는 데 필요한 시간은 300분까지 증가했고, 누출이 증가했음을 나타내었다. 종래의 필터 카트리지의 시험에서는 "부풀림" 효과가 일어났음을 보여준다. 더 사용을 했을 경우, (재생을 시작하기 위해 필요한 압력 손실이 결코 달성되지 않음을 나타내는) 무한한 로드 시간으로 명백하듯이 종래의 필터 조립체는 완전히 고장나게 되었다. 그와는 반대로, 본 발명의 필터 카트리지는 시험을 통과했다. 본 발명의 필터 카트리지의 최종 로드 시간이 105분에서 120분으로 증가했음에도 불구하고, 이것은 종래 필터 카트리지보다 매우 크게 개량된 것이다.
성능 결과
종래의 필터 카트리지 본 발명의 필터 카트리지
초기 로드 시간(0 시간) 180분 105분
중간 로드 시간(5 시간) 300분 100분
최종 로드 시간(20 시간) 무한대* 120분
* 압력 강하가 감소하거나 증가하지 않으므로 재생 시작 한계점에도달하지 못함.
시험 2: 장기간의 큰 압력 손실 및 많은 유량 시험
시험 2의 목적은 본 발명의 필터 카트리지의 장기간 정상 상태의(많은 유량과 큰 압력 손실 수준으로) 필터 성능을 시험하는 것이었다. 필터 카트리지 성능은 대략 1500hours의 작동 시간 동안 관찰되었다. "계단형" 구조는 본 발명의 필터 카트리지의 유입관(126)과 단부캡(128) 모두에 장착되었다. 시험에 대한 조건은 다음과 같았다. 1) 10분 간의 재생 후 1분간 냉각하였고, 2) 40kPa에서 재생을 시작하였고, 3) 배기 메니폴드 온도가 450℃인 상태에서 카트리지를 통과하는 배기 유량은 2.8m3/분/카트리지였고, 4) 배기는 1845rpm과 98N*m 하중에서 2.3 리터, 4 실린더 엔진에 의해 생성되었고, 5) 유황이 적은 연료(0.05%)와 재가 적은 오일을 사용하였으며, 6) 두 개의 필터 카트리지를 하나의 캐니스터 안에 배치하였다. 관찰되었던 본 발명의 필터 카트리지 성능의 특성에는 재생과 필터 효율 사이의 로드 시간이 포함되었다.
로드 시간(load time)
로드 시간은 필터가 재생 이후의 압력 손실로부터 40kPa의 압력 손실까지 로드를 가하는 데 필요한 시간이다. 필터 카트리지의 로드 시간은 시험의 시작의 45-50분부터 시험 시간의 끝에서 대략 20분 까지이다. 로드 시간은 필터 카트리지가 엔진을 통해 흐르는 연소된 윤활유의 부산물로 채워지기 때문에 시간이 감에 따라 자연적으로 감소할 것이다. 연소된 윤활유의 부산물은 오일 재(oil ash)라고 불리운다. 로드 시간이 시간에 따라 증가하고 있었다면, 본 발명의 필터 카트리지가 고장난 것을 나타낸다. 필터 요소와 구조적 가열기 지지관과의 사이의 밀봉이 파열되고 배기 흐름이 누출된다면 로드 시간은 증가한 것이다. 로드 시간이 시간에 따라 감소했기 때문에, 본 발명의 필터 카트리지에서는 누출이 발생하지 않았다.
효율 측정
본 발명의 필터 카트리지 효율은 시험 동안 78% 내지 98%의 범위이다. 35 kPa의 압력 손실에서 압력 손실을 측정하였다. 본 발명의 필터 카트리지의 효율은 시험이 진행함에 따라 증가했다. 효율에서의 증가는 필터 매체 내에 오일 재의 축적 때문이었다. 오일 재는 필터 요소 내부에 쌓이고, 이것이 추가의 필터 기구로서 작용을 했다. 시험 동안 내내 필터 카트리지가 효율을 유지했다는 사실은 누출 경로가 필터 카트리지 내에 존재하지 않는다는 것을 나타낸 것이다. 또한, 본 발명의 필터 카트리지는 압력 손실이 증가함에도 불구하고 높은 효율을 유지했다. 종래의 필터 카트리지는 시험된 가장 큰 압력 손실에서 명백히 고장났다.
시험 3: 본 발명을 구비한 필터 카트리지와 구비하지 않은 필터 카트리지의 특성 시험
시험 3은 3.4 리터의 간접 주입형 커민스 디젤 엔진(Cummins diesel engine)에서 실행되었다. 시험에 대한 작동 조건은 엔진 작동 속도가 1560rpm이고, 엔진의 로드가 132N*m이었다. 상기 시험은 종래의 필터 카트리지와 본 발명의 필터 카트리지의 필터 효율을 비교했다. 표 2는 시험 3의 결과를 보여준다.
표 2는 본 발명의 필터 카트리지가 적은 유량에서 종래의 필터 카트리지와 유사한 성능을 유지할 수 있고, 많아진 유량에서 연속적으로 수행할 수 있는 것을 보여준다. 본 발명의 필터 카트리지와 종래의 필터 카트리지 사이의 효율에서의 차이는 많은 유량에서 적지만, 본 발명의 필터 카트리지는 고장없이 시험된 가장 큰 압력 손실까지 그 필터 효율을 유지했다.
조합된 시험결과는 본 발명의 필터 카트리지가 높은 효율 수준을 유지하는 동안 많은 유량 및 큰 압력 손실에서 내구성을 유지할 수 있었음을 보여준다. 그러므로, 본 발명의 필터 카트리지는 종래의 필터 카트리지보다 매우 우수한 성능을 나타내었다.
본 발명의 효율 비교
본 발명을 구비하지 않음 본 발명을 구비함
하나의카트리지 당 35acfm(1.0m3/분) 효율@20"H2O(4.97kPa) 87% 95%
효율@80"H2O(19.88kPa) 90% 97%
효율@140"H2O(34.80kPa) NA 98%
하나의카트리지 당 140acfm(3.96m3/분) 효율@20"H2O(4.97kPa) 67% 67%
효율@80"H2O(19.88/kPa) 66% 63%
효율@140"H2O(34.80kPa) NA 63%
바람직한 실시예를 참고로 본 발명을 기술하였지만, 당업자는 본 발명의 사상과 범위로부터 벗어나지 않고 형태 및 세부 사항에 있어 변화를 줄 수 있다는 점을 이해할 것이다.

Claims (10)

  1. 천공부와 단부를 구비하는데, 상기 단부는 제1 외경을 그리고 상기 천공부는 제2 외경을 가지며 상기 제1 외경은 상기 제2 외경보다 작게 된, 종방향 중공관과,
    상기 중공관에 배치되고, 상기 천공부의 제2 외경과 상기 단부의 제1 외경 상에서 연장되는 필터 요소
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 디젤 미립물 필터 카트리지.
  2. 천공되지 않은 제1 단부와 천공되지 않은 제2 단부를 구비하고, 상기 제1 단부와 상기 제2 단부는 제1 단부와 제2 단부 사이에서 연장되는 종방향의 천공된 중앙부에 의해 분리되고, 상기 제1 단부와 제2 단부는 제1 외경을 그리고 상기 천공 중앙부는 제2 외경을 가지며 상기 제1 외경은 상기 제2 외경보다 작게 된 중공관과,
    천공되지 않은 제1 단부와, 천공된 중앙부 및 천공되지 않은 제2 단부 상에서 연장되며, 상기 중공관에 배치된 필터 요소
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 디젤 미립물 필터 카트리지.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제1 단부는 밀봉된 것을 특징으로 하는 디젤 미립물 필터 카트리지.
  4. 제2항에 있어서, 상기 중공관은 전기 저항성 가열 요소인 것을 특징으로 하는 디젤 미립물 필터 카트리지.
  5. 제2항에 있어서, 상기 필터 요소는 복수개의 얀의 층을 형성하기 위해서 중공관 상에 나선형으로 크로스형으로 감긴 내열성 얀을 구비하고, 상기 얀은 필라멘트 또는 섬유 세그먼트가 외부로 돌출하는 코어를 구비하고, 연속적인 회선이 각각의 층에서 반대 방향으로 감겨져 상호직조된 코어를 제공하며, 각각의 층의 회선의 코어는 실질적으로 균일한 4면형 구멍을 제공하기 위해서 간격을 두고 배치되고, 상기 돌출된 섬유 세그먼트는 배기 가스에 의해 운반된 미립물용 트랩을 형성하기 위해서 상호 엮어지는 것을 특징으로 하는 디젤 미립물 필터 카트리지.
  6. 제5항에 있어서, 상기 얀은 무기 얀인 것을 특징으로 하는 디젤 미립물 필터 카트리지.
  7. 미립물을 함유하는 가스를 여과시키기 위한 필터 카트리지에 사용하기 위한 유입관에 있어서,
    상기 필터 카트리지는 하나 이상의 개방 단부를 구비하고, 상기 유입관은 제1 단부와 제2 단부를 구비하며, 상기 유입관의 제1 단부는 제1 외경을 그리고 상기 유입관의 제2 단부는 제2 외경을 가지며, 상기 제1 외경은 상기 제2 외경보다 크고, 상기 제1 단부의 제1 외경과 상기 제2 단부의 제2 외경의 사이에서 천이 계단부(transition step portion)가 연장되고, 상기 유입관의 제1 단부와 제2 단부 위로 필터 요소 카트리지를 연장시킴으로써 상기 필터 요소가 유입관에 고정되어, 상기 필터 요소가 유입관의 상기 계단부를 덮는 것을 특징으로 하는 유입관.
  8. 제7항에 있어서, 상기 유입관의 제2 단부는 기저판에 고정되는 것을 특징으로 하는 유입관.
  9. 제8항에 있어서, 상기 기저판은 하나 이상의 구멍을 구비하여 배기 가스가 기저판을 통해 카트리지의 내부로 흐를 수 있게 하는 것을 특징으로 하는 유입관.
  10. 제7항에 있어서, 상기 유입관은 배기 시스템 내에 유입관과 필터 카트리지를 장착시키기 위한 수단을 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 유입관.
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