KR20010030811A - 필터 구조 및 필터링 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 바람직한 필터 매체가 제공된다. 이 매체는 거친섬유 지지표면에 고정된 미세섬유 웹을 포함한다. 거친 필터 지지면(14, 18)에의해 분리되는 미세섬유섬유매체(15, 19)를 포함하는 바람직한 필터 매체(10)가 제공된다. 바람직한 필터 구조가 완성되어 제공된다. 또한, 본 발명은 이러한 필터 구조를 이용한 방법을 제공한다.

Description

필터 구조 및 필터링 방법{FILTER MATERIAL CONSTRUCTION AND METHOD}

공기와 기체흐름과 같은 유체흐름은 흔히 미립물질을 함께 운반한다. 실례로, 유체 흐름으로부터 일부 또는 전부의 미립물질을 제거하는 것이 바람직하다. 예컨대, 모터구동식 자동차의 실내, 모터구동식 자동차의 엔진, 또는 동력발생장치로의 흡기 흐름; 가스터빈으로 향하는 기체 흐름; 그리고 각종 연소기관으로의 공기 흐름은 흔히 미립물질을 함께 운반한다. 차량용 공기필터의 경우에 있어서 승객의 안락함 및/또는 위생상 미립물질을 제거하는 것이 바람직하다. 이들 물질은 연관된 각종 기구장치에 대한 내부 작업에 치명적인 손상을 유발할 수 있기 때문에, 엔진, 가스 터빈 및 연소기관으로 향하는 공기 및 기체 흡기 흐름에 대해 미립물질을 제거하는 것이 바람직하다.

다른 실례로서, 제조공정이나 엔진으로부터의 생성가스 또는 방출가스는 미립물질을 포함할 수 있다. 이러한 가스가 각종 하류 장치를 통해 대기로 방출될 수 있거나 방출되기 전에, 이들 유동으로부터 미립물질을 실질적으로 제거하는 것이 바람직하다.

이러한 미립물질 제거를 위해 다양한 유체 필터 장치가 개발되어 왔다. 이하 설명으로부터 명백한 바와 같이, 이러한 목적을 행하기 위한 장치를 개선하는 것이 요구된다.

공기 필터 설계의 기본 원리와 문제의 개괄적 이해는 이하의 매체 형태, 표면적재매체 및 깊이매체를 고려함으로써 이해될 것이다. 이들 각각의 매체형태는 상당히 연구되었고, 또한 널리 사용되고 있다. 이와 관련된 특정 원리는, 예컨대 미국 특허 제5,082,476호, 제5,238,474호 및 제5,364,456호에 개시되어 있다. 이들 세개의 특허 내용은 본원에서 참고로 인용된다.

일반적으로, 특정한 응용에 있어서, 필터 설계는 통상적으로 고효율 필터로 설계된 특징과 고용량(즉, 장시간 필터 수명)으로 설계된 특징이 서로 상충하는 것과 관련이 있다. 필터의 "수명"은 통상적으로 필터를 통과하는 소정의 압력강하를 제한하는 것에 따라 한정된다. 즉, 특정한 응용에 있어서, 필터를 통과하는 압력 빌드엎(buildup)이 그 응용이나 설계를 위한 일정한 한정 수준에 도달할 때, 필터는 일반적으로 그 수명의 합리적 이용에 도달하였다고 생각된다. 이러한 압력 빌드엎이 하중의 결과이기 때문에, 등가 효율의 장치는 통상적으로 긴 수명은 고용량에 직접 연관되어 있다.

효율은 미립자를 통과시키기 보다는 미립자를 제거하기 위한 매체의 성향이다. 통상적으로 필터 매체가 기체흐름 유동으로부터 미립자를 더 효율적으로 제거할 수록, 필터 매체는 "수명" 압력차에 더 빨리 도달하게 된다(다른 변수는 일정하다고 가정함).

거름종이부재는 표면적재매체의 형태로 널리 사용되는 형태이다. 일반적으로, 종이부재는 미립물질을 운반하는 기체 유동이 통과하도록 배향된 조밀한 셀룰로오스 섬유 매트로 구성된다. 일반적인 종이는 기체 흐름이 투과할 수 있고, 또한 통과하는 소정의 크기 보다 큰 미립자의 통과를 차단하기 위해 미세한 공극 크기와 적절한 공극도를 가지도록 구성되어 있다. 기체(유체)가 거름종이를 통과할 때, 거름종이의 상부는 확산 및 차단을 통해 기체(유체) 흐름으로부터 소정 크기의 미립자를 제거하고 유지시키는 역할을 행한다. 먼지 덩어리로서의 미립자가 거름종이의 상부에 집진된다. 이 때, 먼지 덩어리는 또한 효율을 향상시키는 필터로서의 역할을 할 수 있다. 흔히, 이것은 "시즌닝(seasonig)" 이라 언급되며, 즉, 초기 효율 보다 큰 효율이 전개된다.

전술한 바와 같은 간단한 필터 설계는 적어도 두 가지 형태의 문제점이 있다. 첫번째, 상대적으로 작은 틈, 즉 종이의 찢어짐은 시스템의 고장을 유발한다. 두번째로, 미립물질이 필터의 상부에 두꺼운 먼지 덩어리나 먼지 층으로서 신속하게 적층될 때, 결국 유체가 통과하는 필터 부분을 실질적으로 차단하거나 폐색하게 된다. 이처럼, 이러한 필터는 비교적 효율적이지만, "소정의 크기"로 또는 그 이상의 미립물질의 절대량이 다량의 유체에 수반하는 경우, 일반적으로 장시간 사용할 수 있 없다. 본 문장에서 "소정의 크기" 라 함은 필터에 의해 효율적으로 차단되거나, 집진된 미립자의 크기이거나 그 이상의 크기를 의미한다.

예컨대, 거름종이 등과 같은 표면적재 필터시스템의 "수명"을 증가시키기 위해 각종 방법이 적용되었다. 그 일 방법은 주름진 구조에 매체를 제공하고, 이에 의해 기체흐름유동에 의해 접촉하는 매체의 표면적이 편평하고, 비주름진 구조에 비해 증가하였다. 이것은 필터 수명을 증가시키지만, 계속해서 제한적이다. 이 때문에, 표면적재매체는 주로 필터매체를 통과하는 상대적으로 저속, 분당 약 20-30 피트 보다 크지 않고 통상적으로 분당 약 10 피트 또는 그 이하의 차수로 비교적 작은 장치에 사용된다는 것을 알 수 있다. 본 문장에서 "속도" 라 함은 매체를 통과하는 평균속도를 말한다(즉, 흐름 부피 + 매체면적).

일반적으로, 주름진 종이 매체를 통과하는 공기흐름속도가 증가할수록, 속도의 제곱에 비례하는 요소로 필터 수명이 감소한다. 이처럼, 주름진 종이, 표면적재매체, 필터 시스템이 공기의 실질적인 흐름에 필요한 시스템의 특정 필터에 사용될 때, 비교적 큰 표면적의 필터 면적이 요구된다. 예컨대, 일반적인 장거리 수송용 디젤 트럭의 원통형 주름진 거름종이부재는, 주름 깊이가 약 1 내지 2 인치에 있어서, 직경이 9 내지 15 인치이고 길이가 12 내지 24 인치로 구성된다. 이처럼, 매체(일 측면)의 필터링 표면적은 통상적으로 37 내지 275 입방 피트이다.

각종 용도에서, 특히 비교적 높은 유동속도를 수반하는 경우, 흔히 "깊이" 매체로 언급되는 필터 매체의 변형 형태가 사용된다. 통상적인 깊이 매체는 섬유성 물질의 비교적 두꺼운 엉킴을 포함한다. 깊이 매체는 일반적으로 공극도, 밀도나 퍼센드 고체 함유량에 의하여 한정된다. 예컨대, 2 내지 3% 강성(solidity) 매체는 전체 부피의 대략 2 내지 3%가 섬유성물질(고체)을 포함하고, 그 나머지는 공기 또는 기체 공간이 되도록 배열된 섬유의 깊이 매체 매체가 된다.

깊이 매체를 한정하기 위한 다른 유용한 매개변수는 섬유 직경이다. 퍼센트 강성이 일정하면, 섬유 직경(크기)이 감소하고, 공극 크기가 감소한다. 즉, 필터는 더욱 효율적이고 더욱 효율적으로 작은 미립자를 제거한다.

통상적인 종래의 깊이 매체 필터는 깊고, 상대적으로 일정한(또는 균일한) 밀도, 매체, 즉 깊이 매체의 강성이 그 두께 방향으로 거의 일정하게 유지되는 시스템이다. 본 문장에서 "거의 일정하게" 라 함은 밀도의 비교적 미소 변동이 있다고 가정해도 매체의 깊이 방향으로 일정한 것을 의미한다. 이러한 변동은, 예컨대 필터 매체가 위치되는 수납용기에 의해 외측 맞물림 표면의 약간 압축으로부터 발생할 수 있다.

구배밀도 깊이 매체장치가 개발되었다. 이러한 장치중 일부는, 예컨대 미국 특허 제4,082,476호, 제5,238,474호 및 제5,364,456호에 개시되어 있다. 일반적으로, 깊이매체장치는 부피나 깊이를 통해 미립자 물질의 "적재"를 제공하도록 고안될 수 있다. 이처럼, 최고 필터 수명에 도달했을 때 이러한 장치는 표면적재장치에 비해 큰 용량의 미립자물질로 적재하도록 고안될 수 있다. 그러나, 이러한 일반적인 장치의 절충이 효율적인데, 왜냐하면 실제 적재에서, 비교적 낮은 고체 매체가 바람직하다. 상기 언급된 특허에서와 같은 구배밀도장치는 실질적인 효율과 장시간 수명을 제공하기 위해 고안되었다. 일부 예에서, 표면적재매체는 이러한 장치에서 "연마(polish)" 필터로 사용된다.

본 발명은 필터, 필터 구조, 필터 구조에 사용되는 물질 및 필터링 방법에 관한 것이다. 본 발명은 특히 유체 흐름, 예컨대 공기 흐름으로부터 미립자를 필터링하기 위한 방법에 관한 것이다. 본원에 개시한 기술은, 특히 그 이용을 위해 필터 매체에 하나 이상의 층을 갖는 장치의 사용에 관한 것이다.

도 1은 이론적인 단층 미세섬유 필터 매체의 단면을 개략적으로 도시하는 도면.

도 2는 이론적인 단층 거친섬유 필터 매체의 단면을 개략적으로 도시하는 도면.

도 3은 이론적인 단층 미세섬유 필터 매체의 단면을 개략적으로 도시하는 도면으로서, 도 3은 도 1에 도시된 것과 다른 매체의 도면.

도 4는 도 3에 도시된 배열로서 동일 퍼센트 현절비을 가지는 이론적인 단층 미세섬유 필터 매체의 단면을 개략적으로 도시하는 도면.

도 5는 본 발명에 따른 매체 구조의 표면을 개략적으로 도시하는 평면도.

도 6은 도 5에 따른 매체의 단면을 개략적으로 도시하는 도면.

도 7은 본 발명에 따른 다층 매체 구조를 개략적으로 도시하는 단면도.

도 8a는 본 발명에 따른 매체 구조를 포함하는 주름진 매체 배열을 개략적으로 도시하는 사시도.

도 8b는 도 8a에 도시한 배열의 일부를 개략적으로 도시하는 확대 단면도.

도 9는 기계적 지지구조에 나사 결합된 본 발명에 따른 매체의 개략도.

도 10은 본 발명에 따른 필터 매체 구조를 내장하는 필터장치의 측단면도.

도 11은 도 10의 선 11-11을 따라 절취한 단면을 개략적으로 도시하는 확대 단면도.

도 12는 종래 건식(air-laid) 고분자섬유매체의 전자주사현미경 사진.

도 13은 종래 건식 유리섬유매체의 전자주사현미경 사진.

도 14는 종래 2상 매체의 전자주사현미경 사진.

도 15는 도 14에 도시한 종래 2상 습식(wet-laid) 유리섬유매체와 동일한 전자주사현미경 사진으로서, 도 15는 도 14에 도시한 매체의 대향면에서 촬영한 사진.

도 16은 본 발명의 제1 실시예에 따른 매체의 전자주사현미경 사진.

도 17은 본 발명의 제2 실시예에 따른 매체의 전자주사현미경 사진.

도 18은 본 발명의 제3 실시예에 따른 매체의 전자주사현미경 사진.

도 19는 본 발명의 제4 실시예에 따른 매체의 전자주사현미경 사진.

도 20은 도 19에 따른 매체의 전자주사현미경 사진.

도 21은 본원의 개시에 따라 NaCl을 적재한 후, 도 19의 매체에 따른 전자주사현미경 사진.

도 22는 실험 5에 따른 데이터의 구성도.

도 23은 실험 6에 따른 특정 데이터의 구성도.

도 23a는 실험 6에 따른 데이터의 다른 구성도.

도 24는 본원의 개시에 따라 NaCl을 적재한 후, 본 발명에 따른 매체의 전자주사현미경 사진.

도 25는 특정 실험에 사용된 맞춤형 염 제조단계(custom salt bench)를 개략적으로 도시하는 도면.

본 발명의 특정 실시예는 필터매체구조를 제공한다. 필터 매체 구조는 바람직한 필터 장치에서 필터 매체로 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 예컨대 다층 장치에서 일 층의 매체가 사용될 수도 있다. 일부 장치에서, 바람직한 구조를 형성하기 위해 본 발명에 따른 필터 매체의 층이 적재될 수 있다. 본원에서 매체의 각종 층 또는 용적은 "영역"으로 언급한다.

본 발명에 따른 바람직한 필터 매체 구조는 제1 표면을 갖는 투과 가능한 거친섬유성매체의 제1 층을 포함한다. 미세섬유매체의 제1 층은 투과 가능한 거친섬유성매체 제1 층의 제1 표면에 고정된다. 바람직하게는 투과 가능한 거친섬유성 물질의 제1 층은 적어도 10 마이크론의 평균직경을 갖는 섬유를 통상적으로 포함하고, 약 12(또는 14) 내지 30 마이크론의 직경을 갖는 것이 바람직하다. 또한 바람직한 투과 가능한 거친섬유성 물질의 제1 층은 약 50 g/m²보다 크지 않은, 바람직하게는 약 0.5 내지 25 g/m², 가장 바람직하게는 적어도 8 g/m²의 평량을 갖는다. 바람직하게는 투과 가능한 거친섬유성 매체의 제1 층은 두께가 통상적으로 적어도 0.0005 인치(12 마이크론)이고, 약 0.001 내지 0.010 인치(25 내지 254 마이크론)가 바람직하다.

바람직한 장치에 있어서, 투과 가능한 거친섬유성 물질의 제1 층은, 프래지어(Frazier) 투과도 시험에 의해 나머지 구조와 별개로 평가할 경우 적어도 150 m/min, 바람직하게는 약 200 내지 450 m/min의 투과도을 나타내는 물질을 포함한다. 또한, 바람직하게는, 이 층은 구조 본체와 같이 평가할 경우 10% 보다 크지 않은 효율, 바람직하게는 5% 보다 크지 않는 효율을 갖는 물질을 포함한다. 통상적으로 이 층은 약 1% 내지 4%의 효율을 갖는 물질로 구성된다. 본원에서 효율을 참고로 언급하는 경우, 특별한 언급이 없는 한, 본원에 개시한 바와 같이 20 fpm(6.1 m/min)에서 0.78μ단순분산 폴리스틸렌 구형 미립자가 마련된 ASTM #1215-89에 의해 측정했을 때의 효율을 말한다. 본원에서 이는 "LEFS 효율"로 언급한다.

본원에서, 본 발명에 따른 장치에 사용된 물질의 일 층은 "가지고 있는" 특성 또는 "본체상에" 나타나는 특성 또는 "나머지의 구조와 별개로" 시험시 나타나는 특성을 특징으로 할 때, 물질 층은 유도되는 소스에 따른 특징을 갖는다. 즉, 본원에서 언급되는 복합재 물질에서 "거친" 층은, 구조에 내장시키기 이전에 존재하는 특성과 물질을 말한다. 본 문장에서 복합구조에서 동작하는 층의 한정된 수치적 특성, 또는 성능에 제한되는 것은 아니다.

바람직하게는, 투과 가능한 거친섬유성 매체 층의 제1 표면에 고정된 미세섬유물질 층은 미세섬유매체 층으로서, 이 섬유는 대개 약 10 마이크론 보다 크지 않은 평균 섬유 직경을 가지며, 바람직하게는 약 8 마이크론 보다 크지 않은 직경이고, 통상적으로 5 마이크론 보다 작은 범위, 즉 0.1 내지 3.0 마이크론 범위의 섬유 직경을 갖는 것이 바람직하다. 또한, 투과 가능한 거친섬유성물질의 제1 층의 제1 표면에 고정된 미세섬유물질의 제1 층은 30 마이크론 보다 크지 않은, 더 바람직하게는 20 마이크론 보다 크지 않은, 가장 바람직하게는 약 10 마이크론 보다 크지 않은 전체 두께를 가지며, 통상적으로 층의 미세섬유평균직경에 약 1 내지 8 배(더 바람직하게는 5 배 보다 크지 않음)의 두께를 갖는다.

바람직하게는, 엔진유도시스템, 가스 터빈, 실내공기여과, 그리고 HVAC(열, 환기 및 공기조화)와 같은 에어 필터에 적용할 경우, 미세섬유층에 대한 바람직한 상부 평량은 다음과 같다: 유리섬유 물질의 일 층에 대한 평균 크기 5.1 마이크론에 대해 약 35.8 g/m²; 유리 물질 평균 섬유 크기 0.4 마이크론에 대해 약 0.76 g/m²; 그리고, 유리섬유 평균크기 0.15 마이크론에 대해 약 0.14 g/m²; 고분자미세섬유 평균크기 5.1 마이크론에 대해 약 17. 9 g/m²; 고분자섬유 평균크기 0.4 마이크론에 대해 약 0.3 g/m²; 그리고 고분자미세섬유 0.15 마이크론에 대해 약 0.07 g/m²이다. 일반적으로, 미세섬유의 최상부 층의 적용에 대해서는 약 1 g/m²보다 크지 않은 평량을 갖는 것이 바람직하다.

이 물질을 소정의 실내공기장치와 액체장치(예컨대 윤활유, 유압유, 연료필터계 또는 집진기) 등과 같은 고효율 장치에 사용할 때, 일반적인 미세섬유층에 대한 평량의 바람직한 상부 한계는 다음과 같다: 유리섬유 평균 크기 2.0 마이크론에 대해 약 15.9 g/m²; 유리 물질 평균 섬유 크기 0.15 마이크론에 대해 약 0.14 g/m²; 고분자미세섬유 평균크기 2.0 마이크론에 대해 약 8.0 g/m²; 고분자섬유 평균크기 0.4 마이크론에 대해 약 0.78 g/m²; 그리고 고분자미세섬유 0.15 마이크론에 대해 약 0.19 g/m²이다. 일반적으로, 미세섬유의 최상부 층의 적용에 대해서는 약 1 g/m²보다 크지 않은 평량을 갖는 것이 바람직하다.

공기유도시스템 등과 같은 공기여과장치에 주어진 상부 한계는 약 5 파이버 직경의 미세섬유 층 두께와 층에 대해 50%의 LEFS 효율에 기초한다. 고효율 장치에 있어서, 5개의 미세섬유 두께와 한 층에 대해 약 90% 의 LEFS 효율에 기초한다.

일반적으로, 주어진 상황에 대한 바람직한 평량은 이하의 변수에 따라 좌우된다: 연관장치(작동시 제거되는 예컨대 거친 또는 미세미립자, 또는 모두 고효율 또는 저효율이 필요함); 기대수명: 선택된 섬유물질; 그리고 사용된 섬유 크기. 일반적으로, 비교적 높은 단층 효율이 바람직할 때(예컨대, 90% LEFS의 차수로), 대개 유리섬유가 잘 동작하고, 시스템은 굵은 섬유 직경(예컨대, 2 내지 3 마이크론)에서 높은 평량(예컨대, 약 20 g/m²)을 포함한다.

한편, 비교적 낮은 단층 효율이 바람직한 경우, 주어진 층(층의 수 이용에서 발생하는)에 대해 비교적 큰 제품수명이 사용된다(예컨대, 10% LEFS 의 차수). 이것은 상대적으로 낮은 평량과 상당히 작은 섬유 직경을 포함한다. 고분자섬유는 여기에 사용 가능하며(유리섬유도 사용될 수 있음), 약 0.2 마이크론의 섬유크기에 대해 0.005 g/m²의 평량을 갖는다. 본원에서 평량이 주어지는 경우, 유리섬유의 밀도가 2.6 g/cc라 가정하고, 고분자섬유의 밀도가 1.3 g/cc라 가정한다.

일반적으로, 기술자가 요구하는 장시간 수명을 제공하는 경우, 각각이 비교적 저효율을 갖는 층이 사용된다. 기술자가 상당한 고효율필터를 소망하면, 오랜 수명이 필요 없고, 대개 층 당 높은 LEFS 효율을 갖는 소수의 층이 사용된다.

본원에서 구조, 예컨대 매체의 표면에 대한 기준으로 "제1" 또는 "제2" 용어는 매체에서 특정 위치를 언급하는 것은 아니다. 예컨대, 자체 구조에서 "제1 표면" 이라 함은 기준 표면이 다른 표면의 상부에 또는 하부에 위치하거나, 또는 다른 표면 위에 또는 아래에 위치하는지 여부를 지시하도록 의도한 것은 아니다. 오히려, 이들 용어는 기준 및 선행하는 기초를 명확히하기 위해 사용된다. "1 내지 8 미세섬유 평균 직경" 이라 함은 기준이 되는 미세섬유 층에서 미세섬유의 평균직경에 약 1배 내지 8배의 깊이 또는 두께를 의미한다.

통상적으로 바람직한 시스템에 있어서, 미세섬유매체의 제1층 미세섬유는 투과 가능한 거친섬유성매체의 제1 층에서 섬유 직경에 약 1/6 보다 크기 않은 직경, 바람직하게는 약 1/10 보다 크지 않은 직경 및 일부 실시예에서 1/20의 직경을 갖는 섬유로 구성되는 것이 바람직하다.

특정 용도에서, 바람직하게는 미세섬유물질의 제1 층(동작시 대부분 상류)은, 통상적으로 20 내지 60%의 범위에서 적어도 8%, 바람직하게는 적어도 10%, 가장 바람직하게는 적어도 30% 이상, 그리고 약 70% 보다 크지 않은 전체 LEFS 효율을 갖는 최종 복합재(즉, 투과 가능한 거친 매체의 제1 층과 미세섬유매체의 제1 층의 조합)를 제공하도록 구성 및 배열되어 있다. 이러한 복합재는, 예컨대 97% 보다 크게 소망한다면 99% 또는 그 이상까지 고효율을 갖도록 적층될 수 있다. 또한, 저효율을 갖도록 사용될 수 있지만 필터의 수명은 길어진다. 또한, 바람직하게는, 미세섬유매체의 제1 층(사용시 최상측)은 최종 복합재(즉, 미세섬유 매체의 제1 층이 마련된 투과 가능한 섬유성매체의 제1 층의 조합)가 적어도 20 m/min, 통상 바람직하게는 약 30 내지 350 m/min의 전체 투과도을 갖는다. 미세섬유물질과 관련하여 본원에서 "최상측" 또는 "최외측" 이라 함은, 사용시 다른 미세섬유층에 대해 최상부에 위치하는 미세섬유물질(8 마이크론 보다 작은 평균 섬유직경) 층을 말한다. 최상측 미세섬유층 보다 매체(미세섬유가 아님) 층 상측에 위치될 수 있다.

투과 가능한 거친섬유성물질의 제1 층은, 예컨대 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리에스테르, 폴리아미드, 또는 염화비닐섬유, 그리고 유리섬유 등의 고분자 섬유를 포함하는 다양한 물질로부터 선택된 섬유로 이루어질 수도 있다.

본 발명의 특정 실시예에 따르면, 필터 구조는 미세섬유물질의 일 층 이상, 바람직하게는 적어도 3 층을 포함하도록 구성되어 있다. 통상적으로 이 배열은 3 층 또는 그 이상의 층을 포함한다. 이러한 다층 시스템에서 미세섬유 층이 다른 층과 동일할 필요는 없다. 그러나, 미세섬유 층 각각은 기술한 바와 같은 매체 구조로 미세섬유 매체의 제1 층 위에 제공된 일반적 설명 범위내의 층이다. 바람직하게는 이 매체구조에서 미세섬유 물질의 각 층은 이격 층 또는 이격 매트리스로 행하는 투과 가능한 거친섬유성 물질 층에 의해 미세섬유 물질의 다음 인접 층과 분리된다.

투과 가능한 거친섬유성 물질의 층은 동일할 필요는 없지만, 각각의 층은 필터 매체 구조에 대해 주어진 일반적 설명 범위내의 층이 바람직하다. 특정한 바람직한 실시예에 있어서, 또한, 전체 복합매체구조는 기술한 바와 같이 최상부 표면과 최하부 표면 모두에 투과 가능한 거친섬유성 매체의 층을 갖고 있다.

필터 구조는 소망한다면, 복합재의 주름진 배열을 포함해도 좋다. 예컨대, 이러한 배열은 적어도 1 내지 15 pleats/inch(1-15 pleats/2.5 cm)의 주름 밀도에 대해, 깊이가 0.25 내지 12 인치(0.6-30.5 cm)인 주름을 가질 수 있다. 종방향으로 연장하는 주름이 마련되고, 주름 밀도는 적어도 1-15 pleat/inch이고, 이 배열은 원통형 형태로 구성되는 경우, 내경 또는 표면 둘레를 이격하는 주름으로 언급된다.

본 발명에 따른 특정의 바람직한 배열은 전체 필터 구조가 일반적으로 한정된 매체를 포함한다. 이러한 용도로 바람직한 배열은 원통형 형태의 종방향 축으로 동일 방향에서 거의 종방향으로 연장하는 주름이 마련된 원통형의 주름진 형상으로 배열된 매체를 포함한다. 이러한 배열에 있어서, 매체는, 종래 필터와 같이 단부 캡에 매설될 수도 있다. 이러한 배열은 소망한다면 통상적인 종래 목적을 위해 상부 라이너와 하부 라이너를 포함할 수도 있다. 이 구조는, 예컨대 본원에서 참고로 인용되고 있는 미국 특허 출원 제08/426,220호에 기술된 배열에 따라 깊이 매체의 내측 덮개 또는 외측 덮개와 연계하여 사용될 수도 있다.

일부 장치에서, 본 발명에 따른 매체는, 전체 필터링 성능이나 수명을 개선하기 위해, 예컨대 종래 매체 등 다른 형태의 매체와 협력하여 사용될 수도 있다. 예컨대, 본 발명에 따른 매체는 종래 매체에 적층될 수도 있고, 또는 적층 배열로 사용될 수도 있고, 또는 종래 매체의 하나 이상 영역을 포함하는 매체 구조에 (일체 특징을) 내장될 수도 있다. 바람직한 하중에 대해 이러한 매체 상부에 사용될 수도 있고/있거나, 고효율 연마필터로서 종래 매체로부터 하부에 사용될 수도 있다. 각종 가능한 변형은 이후의 상세한 설명으로부터 명백하게 된다.

본 발명에 따른 특정 장치는 또한 필터하고자 하는 미립자 물질이 액체에 운반되는 액체 필터 시스템에 사용될 수도 있다, 또한, 본 발명에 따른 특정 배열은 분진기, 예컨대 공기로부터 미세 먼지를 필터링하기 위한 장치에 사용될 수도 있다.

본 발명은 필터링 방법도 제공된다. 이 방법은 일반적으로 필터링을 위한 장점으로서 매체의 사용을 포함한다. 이하의 설명과 실례로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 매체는 상대적으로 효율적인 시스템에서 유리하게 비교적 오랜 수명을 제공하도록 특별히 형성 및 구성되어 있다.

상기 검토와 이하의 상세한 설명으로부터 알 수 있는 바와 같이, 특정의 바람직한 실시예, 특히 바람직한 에어 필터 배열을 제공한다. 이들 형태는 필터 매체 구조를 특징으로 한다. 바람직한 필터 매체 구조는 복수 개의 미세섬유 매체 층, 즉 적어도 두 층을 포함하고, 이들 미세섬유 매체의 각각의 층은 약 8 마이크론 보다 크지 않은 직경을 갖는 섬유를 포함한다. 복수 개의 미세섬유 매체 층은 최외측 층을 포함한다. 또, 본 문장에서의 "최외측" 이라 함은, 매체가 필터 매체로서 사용하기 위해 구성되거나 배향될 때, 미세섬유 물질의 다른 층 보다 상부에 위치되는 것을 말한다. 이것은 미세섬유 물질의 제1 "최외측" 층이 매체의 구조상 최외층을 의미하는 것은 아니다. 오히려, 복수 개의 미세섬유 층 사이에 "최외측" 또는 단부 층을 말한다. 이 필터 매체 구조를 사용할 경우, 이 미세섬유 층은 구조상 매체의 상부 미세섬유 층에 위치한다. 바람직하게는 미세섬유의 최외층은 약 5 마이크론 보다 크지 않은 평균 직경, 그리고 최외측 층에서 미세섬유 평균 직경 보다 약 5 배 크지 않은 두께를 갖는 섬유를 포함한다. 이처럼, 최대 약 25 마이크론 보다 크지 않은 두께를 가지며, 통상적인 응용에서 5 마이크론 보다 작은 직경이 실제로는 사용된다. 바람직하게는 미세섬유의 최외측 층은 적어도 90 m/min 의 공기에 대한 투과도을 갖는 상대적으로 투과 가능하다. 물론, 이 미세섬유 층의 투과도은 거친 지지 기재와 관련하여 측정할 경우, 전체 구성 조합이 적어도 90 m/min 의 투과도을 가지면, 미세섬유층은 그 자체가 된다.

바람직하게는 이 구조에 있어서 미세섬유 매체의 층의 각 쌍 사이에 위치하는 투과 가능한 거친섬유성 매체의 일 층이 존재한다. 바람직하게는 투과 가능한 거친섬유성 매체의 각 층은 직경이 적어도 10 마이크론인 섬유를 포함하고, 구조로부터 별개로 평가할 경우, 바람직하게는 각 층은 한정한 바와 같이 0.78μ미립자에 대해 약 20% 보다 크지 않은 효율, 더 바람직하게는 10% 보다 크지 않은 효율을 갖는다.

바람직하게는 이 매체 구조는 적어도 세 층의 미세섬유 물질을 포함하지만, "최외측" 층으로부터 하측의 최소한 두 층은 평균 직경이 5 마이크론 보다 작을 필요는 없지만, 적어도 8 마이크론 보다 작게 하는 것이 바람직하다. 미세섬유 물질의 최외측 층 보다 덜 투과할 수 있고, 바람직하게는 각각은 적어도 45 m/min 의 투과도을 갖는다.

더욱이, 본 발명에 따른 바람직한 필터 매체 구조는 적어도 10 마이크론의 평균직경, 0.78μ 미립자에 대해 약 5% 보다 크지 않은 효율, 그리고 미세섬유 매체의 제1 층에 위치되는 제1 표면을 갖는 거친섬유를 포함하는 투과 가능한 거친섬유 매체의 제1 층을 구비하도록 한정될 수도 있다. 바람직하게는, 미세섬유 물질의 제1 층은 약 5 마이크론 보다 크지 않은 평균직경과, 이 제1 층에서 미세섬유의 평균직경에 약 5배 보다 크지 않은 두께를 갖는 섬유를 포함한다. 바람직하게는 이 물질 자체는 적어도 90 m/min 의 투과도을 갖는다. 물론, 이 매체 구조는 미세섬유와 거친섬유 물질의 층과 연계하여 사용될 수 있고, 다른 종류의 매체, 예컨대 종이 또는 유리 매체 또는 다른 형태의 깊이 매체과 연계하여 사용된 전체 매체 구조에 사용될 수도 있다. 본 실시예의 매체 구조는 또한 미세섬유 물질의 복수 개의 추가 층을 포함할 수도 있고, 이들 각각의 층은 거친섬유 매체의 층에 의해 서로 인접한 다른 층과 이격되어 있다.

일 실례로서, 효율, 필터 수명 또는 이 두가지 모두의 특성을 향상하기 위해 섬유에 다른 가공이 가해질 수도 있다.

본 발명에 따른 매체를 이용하고, 상기 두 개의 입증된 바람직한 실시예중 하나에서 한정하는 바와 같이 전체 필터 구조가 제공된다.

A. 미세섬유의 여과 장점

일반적으로, 필터 매체 구조에 있어서, 매체에 거친섬유 대신 상대적으로 미세섬유를 이용한 몇가지 여과 장점이 이론적으로 제공된다. 예컨대 도 1 및 도 2를 참조하면, 도 2는 인접 섬유의 표면 사이의 거리를 나타내는 고정형 내부섬유 거리(D_X)가 마련된 미세섬유의 "단일" 또는 "외겹" 층을 개략적으로 도시하는 도면이다. 도 2는 동일한 D_X가 마련된 단일 층을 개략적으로 도시하는 도면이지만 섬유 직경은 도 1의 섬유 직경 보다 대략 12 배이다.

도 1 및 도 2를 비교하면, 고정형 매체 둘레(즉, 면적)의 면적에 대해 도 2의 배열에서의 섬유 사이의 공기 공간 또는 빈 공간의 총량은 도 1의 배열에서의 빈 공간 보다 실질적으로 작다. 이처럼, 도 2의 배열에 있어서, 시스템에 의해 제거되는 미립자 물질의 적재에 이용될 수 있는 부피는 상당히 작다. 또한, 표면의 작은 비율이 통과하는 비분열 공기 흐름에 대해 개방되기 때문에 공기 흐름은 도 1의 배열 보다 도 2의 배열에 의해 더 분열된다.

도 1 및 도 2를 비교함으로써 평균 내부섬유 거리(D_X)가 일정하게 유지되면, 평균섬유 크기는 감소하지만, 통상적으로 적재를 위해 이용가능한 공간이 커질 수록 공기 흐름에 대한 투과도이 높아진다는 것을 알 수 있다.

다음으로 도 3 및 도 4의 장치를 고려한다. 도 3 및 도 4는 다른 크기의 섬유를 사용하는 2 개의 깊이 매체에서 섬유의 단층을 개략적으로 나타내는 도면이지만, 퍼센트 강성 또는 밀도는 일정하게 유지된다. 상기 도면으로부터, 퍼센트 강성, 즉 도 3의 배열과 같지만 작은 직경의 섬유가 마련된 배열을 비교함으로써 큰 섬유가 마련된 배열, 즉 도 4의 배열은 필터 효율이 상대적으로 낮지만(투과도은 매우 높음) 큰 개방 면적을 갖는다는 것을 알 수 있다.

작은 섬유 직경을 이용한 효과의 이론적인 고려가 연구되었고 스토크 수 및 차단 매개변수로 양적으로 표현하였다.

무차원 스토크 수는 다음 공식으로 표현된다:

스토크 수 = d_p ²ρ_pv/9 d_fμ

여기서, d_f= 섬유 크기(직경), d_p=미립자 크기(직경), ρ_p= 미립자 밀도; v = 접근속도 및 μ= 유체점성

이 공식으로부터 (최소한 이론적으로) d_f(섬유 크기)가 감소할 수록, 스토크 수는 증가한다(다른 변수의 변화는 없다고 가정함)는 것을 알 수 있다.

일반적으로, 스토크 수는 관성 충격과 연관이 있다. 이것은 기류가 섬유 주위에서 비틀리거나 절곡될 때, 기류내 섬유를 향하도록 배향된 기류내 미립자는 (공기 흐름과 같이 절곡되기 보다는) 공기 흐름을 떠나 섬유에 충돌한다는 가능성을 고려함으로써 이해될 수 있다. 상기 스토크 수의 공식에 반영된 변수는 (증가하는 밀도 및/또는 속도로부터) 미립자의 운동량 증가가 공기흐름유동과 함께 섬유 주위를 흐르지 않고 공기흐름유동을 떠나 섬유에 충돌한다는 가능성을 논리적으로 반영한 것이다. 이 공식은 또한 섬유직경이 작을 때, 섬유가 작은 범위까지 공기흐름유동을 파열한다는 사실에 따라 최소 부분으로 작게 될 가능성이 크다는 것을 나타낸다. 섬유 주위에 절곡될 때, 이것은 기류의 유효 유동장을 섬유의 표면에 근접시키고 낮은 운동량 미립자가 섬유에 충분히 마주치기 위해(충돌하기 위해) 기류를 계속해서 떠나게 되는 가능성을 증가시킨다.

일반적으로, 특정한 미세섬유장치와 관련한 다른 고려 사항으로는 제거 매개변수에 의해 반영된 미립자 제거에서, 거친섬유계 보다 필터가 더 효율적이다는 점이다. 차단 매개변수(R)는 다음 공식으로 표현될 수 있다.

R=d_p/d_f

여기서 d_p및 d_f는 이전과 같이 정의된다.

일반적으로, 차단 매개변수(R)는 속도와 운동량에 종속하고, 미립자에 크기와 섬유의 크기에 관계한다. 일반적으로, (기류가 섬유 표면 둘레에 비틀리는 경우 기류와 함께 절곡하는 경향을 갖는) 미립자가 섬유에 마주치고 포획될 가능성에 직접 관계하는 것은 아니다. 그럼에도 불구하고, 기류흐름 내에, 미립자가 섬유에 마주치는 가능성에 관계한다. 일반적으로, 작은 섬유는 기류를 작은 범위로 파열하기 때문에, (라이너로부터) 기류의 비틀림은 섬유의 표면에 근접하게 발생하고, 작은 섬유는 큰 섬유 보다 고효율과 고율의 차단 매개변수에 연관되어 있다.

일반적으로, 매체에 미세섬유의 사용과 관련된 장점은 상대적으로 작은 미립자로 나타난다. 필터 적용에서 작은 미립자, 특히 10 마이크론 또는 작은 크기(직경)의 필터링에 필요할 때, 이처럼 미세섬유의 장점은 특히 중요할 수 있다.

B. 필터 매체에서 상대적으로 미세섬유의 사용과 관련된 일부 문제점 및 제한

이전 부분에서, 더욱 거친섬유에 비해, 필터 매체의 직경이 작은 섬유로부터 얻을 수 있는 이론적인 장점이 제공된다. 그러나, 대략 10 또는 12 마이크론(직경) 이상의 거친섬유가 대략 8 마이크론 이하, 전형적으로는 5 마이크론 이하, 특히 대략 0.2 내지 3.0 마이크론의 매우 미세섬유에 의해 단순히 깊은 매체로 대체된다면, 여러 가지 문제가 야기될 것이다. 예를들면, 크기가 대략 0.2 내지 5 마이크론의 섬유로부터 만들어진 구조는 (거친섬유의 구조보다) 취급하기가 더욱 어렵고, 사용시 붕괴되어 투과성이 매우 낮게 되는 경향이 있다. 즉, 그러한 매체가 붕괴에 저항하기에 전형적으로 불충분한 기계적인 강도(또는 "본체")를 가지므로, 구조가 단순히 직경 5 마이크론 또는 그 이하의 섬유를 구비하는 경우, 그곳을 통한 높은 부하와 높은 흐름에 대해 실제로 개방된 구조를 유지하기가 비교적 어렵다. 이 매체가 붕괴되면, 섬유들 사이의 공간은 비교적 작고, 이 구조는 아마도 필터로서 상당히 효과적이지만 매우 급속하게 적재되어 투과성이 크게 떨어지게 된다. 실제로, 그러한 시스템은 비교적 낮은 다공성과 얕은 깊이가 사실상 일부 결과를 초래하기 때문에 가동시 표면 적재 시스템에 접근하기 시작할 것이다.

대단히 미세섬유가 밀접하게 거친섬유와 혼합되는(즉, 거친섬유와 뒤얽히는) 구조를 생각할 수 있다. 그러나, 미세섬유가 거친섬유의 직경의 1/20인 이론상의 시스템을 생각해 보자. 여과되는 공기가 통과하는 필터 매체가 거친섬유의 중량의 50% 및 미세섬유의 중량의 50%를 구성한다면, 이 시스템은 거친섬유에 비해 매우 높은 수의 미세섬유(또는 거친섬유 길이에 비해 미세섬유 길이)가 된다. 이것은 비교적 낮은 인터 섬유 간격 또는 다공성을 갖는 시스템이 될 것이다. 이것은 비교적 효율적이지만, 여전히 매우 신속하게 로드될 것이다. 일반적으로, 미세섬유에 비해 거친섬유의 중량이 감소된다면, 이러한 문제는 악화된다. 미세섬유에 비해 거친섬유의 중량이 증대된다면, 미세섬유에 연합되고 차단 및 관성 충격에 관련된 장점들이 손상될 것이다.

C. 매체내의 미세섬유의 종래 사용

매체내에 미세섬유가 종래부터 사용되어 왔다. 특히, 본 발명의 양수인인 미네소타 브루밍턴 소재 도날드슨 컴퍼니 인코포레이티드사의 울트라-웹(Ultra-Web)제품에 미세섬유 기술을 이용했다. 이들 제품은 일반적으로 표면적재 셀룰로스 매체로 이루어 졌고, 이 매체는 상류 표면상에 직경 1 마이크론 이하의 중합 마이크로섬유의 웹(web) 또는 네트(net)를 가진다.

그러한 매체는 전형적으로 펄스 클린 더스트 콜렉터에서 사용되었다. 작동시, 미세섬유가 없다면, 거친 표면적재 셀룰로스 매체가 부분적으로 작은 미립자에 대해 내부의 포획으로서 작용한다. 이것이 일이나면, 펄스 클리닝은 일부 미립자들이 셀룰로스 매체의 내측에서 포획되므로 효과가 적어진다. 그러나, 사용시 미세한 웹는 일반적으로 표면 적재 셀룰로스 섬유의 상류의 미립자를 수집하도록 작용하고, 이것은 리버스 펄스가 인가될 때 미립자 방출을 용이하게 한다.

미세섬유의 또 다른 용도는 본원에서 참고자료로 인용되는 미국 특허 제4,011,067호에 기술되어 있다. 이 참고자료에서, 미세섬유는 다공성 베이스에 적용된다.

D. 필터구조에서 여과용 미세섬유 매체의 효과적인 이용에 대한 일반 적인 접근

필터 매체에서, 직경이 대략 8 또는 10 마이크론 이하, 양호하게는 5 마이크론 이하, 전형적으로는 직경이 약 0.1 내지 3.0 마이크론(평균)인 미세섬유의 이용에 대한 일반적인 접근이 개발되었다. 일반적으로, 비교적 거친섬유의 다공성, 투과성의 기판은 매우 미세섬유 매체용의 지지부재, 지지 매트릭스 또는 스페이싱 층으로서 사용된다. 이때 물질은 효과적이고비교적 수명이 긴 필터를 성취하기 위해 바람직한 방식으로 형성될 수 있다.

바람직한 시스템에서, 기술된 대로 분리된 미세섬유 매체의 다층이 사용될 때, 수명이 길고 비교적 효과적인 필터링 시스템이 쉽게 얻어질 수 있다.

도 5에서, 본 발명에 따른 개략적인 필터 물질의 구조가 제공되어 있다. 도 5를 참조하면, 물질(1)은 거친섬유(2)와 미세섬유(3)를 포함한다. 그러나, 물질(1)이 만들어질 때 크기가 다른 섬유들이 서로 혼합되거나 또는 뒤얽혀 있는 것이 아니다. 오히려, 물질(1)은 일반적인 거친섬유(2)의(깊이를 가지는) 층을 구비하며, 적어도 그중 하나의 외측 표면은 그곳에 인가된 미세섬유(3)를 갖는다. 즉, 매체는 거친섬유의 구조의 적어도 하나의 외측 표면상에 미세섬유의 웹을 구비한다. 미세섬유의 웹에 있는 미세섬유는 이때 거친섬유 매트릭스와 혼합되거나 또는 뒤얽히지 않는다. 여기서, 거친섬유(2)의 층은 때로는 투과성의 거친섬유 매체 또는 물질의 층으로서 언급된다. 이것은 미세섬유(3)가 위치되는 기판을 구성한다.

도 5의 배열은 펜스의 레일들 사이에 묶인 거미줄의 웹와 유사한 것 처럼 보여질 수 있다. (이 유사성은 거미줄 웹이 펜스의 한 측면 또는 표면에 위치되어 부착된다고 가정할 경우에 가장 적절하다.) 레일 또는 거친섬유(2)는 다공성의 개방된 영역을 제공하며, 실제로 개방된 공간을 통한 공기흐름을 간섭하지 않는다. 미세섬유(3)는 개방된 공간내에 또는 이 공간을 가로질러 걸린 웹을 나타낸다. 이러한 물질을 통한 공기흐름의 대부분이 실제로 거친섬유(2)에 의해 산란되지 않으므로, 차단 충격 및 관성 충격에서 거친섬유(2)가 뒤얽히는 일이 비교적 적다. 그러나, 초미세섬유(3)는 실질적인 공기흐름이 일이나는 용량을 가로질러 묶인다. 따라서, 관성 충격 및 차단 충격에 대해 미세섬유 치수가 장점을 갖는다. 한 층 이상의 미세섬유가 사용되는 경우에, 거미줄 웹와 유사한 구조가 서로에 대해 적층된 다수의 펜스를 수반하며, 그의 각각은 그의 측면상에 거미줄 웹을 가진다. 그 결과 간격진 미세한 거미줄 웹들이 적층된다.

일반적으로, 도 6은 도 5에서 도시된 것과 같은 물질의 부분 횡단면도이다. 도 6은 실제로 개략적인 도면이다. 일반적으로 도 5는 이해가 용이하도록 도 6에 대해 크게 확대된 도면이다.

도 6에서, 거친섬유의 깊이 매체의 층은 전체적으로 부호 4로 나타내며, 매우 미세섬유의 층은 부호 5로 나타낸다. 미세섬유(5)는 거친섬유 매트릭스(4)의 표면(6)에 적용되어 있다는 것이 이해될 것이다.

일반적으로, 바람직한 구조를 위해, 미세섬유의 층은 대략 단일 층으로서, 약 1 내지 8 미세섬유 직경보다 훨씬 더 큰 두께를 갖지 않도록 구성될 것이다. 일반적으로, 그의 깊이는 주어진 위치에서 약 10 내지 15 마이크론 보다 더 크지 않고, 통상적으로는 약 2 내지 4 마이크론 보다 더 크지 않을 것이다.

거친지지매체(4)의 깊이는 시스템마다 달라진다. 도 6은, 미세섬유(5)의 층의 깊이를 비교함으로써, 일반적으로 거친 매체(4)의 깊이가 상대적으로 크다는 것을 표시하기 위해 단순하게 도시된 것이다.

그러나, 도 5 및 도 6의 구조는, 특히 미세섬유의 개방된 층이 사용되는 경우, 실제로 큰 비어있는 체적 또는 인터섬유 스페이싱(즉, 미세섬유들 사이의 스페이싱)이 제공되므로, 상대적으로 비능률적인 필터일 것으로 예상된다. 즉, 비어있는 체적을 통과하고 미세섬유에 가깝지 않은 공기는 미세섬유가 드문드문 분배될 때 상당한 범위까지 여과되지 못할 것이다.

전술한 바와같이, 본 발명에 따라서, 바람직한 필터 구조에서, 도 5에 도식적으로 도시한 바와 같은 그러한 물질은 예를들면 다층의 적층 내에 배열된다. 각각이 도 5와 유사한 층의 적층은 전체 시스템을 통과하는 공기흐름 내의 미립자들에 의해 충돌할 가능성에 관해, 실제로 효과적인 밀도를 갖는 비교적 미세섬유(3)를 나타낼 것이다. 다공성의 거친섬유(2)에 의해 제공된 비교적 큰 비어있는 체적은 실제적인 적재 체적, 투과성, 및 비교적 긴 수명을 허용한다. 그러므로, 필터로서 매우 효과적이고 비교적 긴 사용가능한 수명을 갖는 그러한 구조가 개발될 수 있다는 것이 이론화될 수 있다. 이하의 실험이 표시해 주는 바와 같이, 실제로 이것이 성취된다.

도 5에 도시된 배열의 추가의 유익한 관점은 작동시 포획 미립자들상의 그러한 복합물의 영향을 고려함으로써 이해될 수 있다. 일반적으로, 이 배열이 미립자 적재의 주기후에 조사된다면, 미립자들은 작은 개개의 미립자들 또는 미립자의 덩어리로서 개개의 미세섬유상에 주로 포획되어 그곳에 정착된 것이 보일 것이다. 미세섬유들사이의 섬유 스페이싱은 섬유들사이의 실제적인 브릿지 량이 일어나지 않을 정도로 충분히 크다. 이것은 도21에 도시되며, 이하에서 논의될 것이다. 실제로 섬유 스페이싱은 충분히 크며, 브릿지가 일어나기 시작할 때, 미립자 수지상결정(dendrite)은 분해되어 미세섬유의 층을 통해 떨어지는 경향이 있다.

이것은 크게 유리하다. 섬유 스페이스가 비교적 낮지만, 효율이 비교적 높은 배열에서, 섬유들 가운데에서 스페이스를 가로질러 실질적인 량의 미립자 브릿지가 일어나는 경향이 있다. 이것은 포함된 필터 매체의 일부를 그곳을 통한 공기의 통로에 대해 차단하여 필터의 투과성을 상당히 감소시킬 수 있다. 이것은 필터를 가로지르는 압력차의 증대를 초래하고, 결국은 필터의 수명을 더욱 짧게 한다. 그러나, 층내의 큰 필터 스페이스는 이 가능성을 줄여준다.

추가 설명으로부터 이해되는 바와같이, 미립자 브릿지가 형성되기 시작하는 경우, 이 미립자 브릿지가 층 또는 물질을 통해 분해되어 떨어지는 경향이 있다는 사실은, 도 5에 도시된 바와같은 그러한 물질의 전형적인 사용이 하나 이상의 필터 매체 층을 포함하는 배열내에 있으므로, 효율에 대해 문제가 되지 않는다.

이 부분에서, 매체의 적층을 포함하는 본 발명에 따른 소정의 배열이 제공되었다. 이하의 다른 부분에서 상세히 설명되는 바와 같이, 적층은 도 5에 도시된 형태의 미리 형성된 복합물(또는 층)을 결합시키는 것보다 오히려, 거칠고 미세섬유들을 소정의 구조로 선택적으로 적용함으로써 구성될 수 있다. 결과적으로, 필터링에 대한 효과는 일반적으로 같아야 하지만, 하나 또는 다른 형태의 프로세스, 또는 다른 프로세스가 최종 구조의 성능에 관련되지 않은 이유 때문에 양호할 수 있다.

E. 전형적인 구조

상술한 설명으로부터, 본 발명에 따른 많은 전형적인 필터 매체 구조가, 필터에 대한 사용을 위해 구성될 때, 다층의 매체를 포함하며, 적어도 2개의 층이 효과적으로 미세섬유 또는 미세섬유 웹을 지지 또는 스페이싱하는 거친 구조를 효과적으로 구성하는 것이 명백해 질 것이다. 여기에서 때로는 적층으로서 언급된 그러한 배열의 실시예가 도 7에서 도식적으로 도시되어 있다.

일반적으로, 적재된 배열은 동일한 매체 복합물의 다층으로부터 구성될 수 있다. 그 대신, 예컨대 다층 복합물을 형성하는 동인 각 층내에 다소 상이한 복합물 물질을 사용하거나 또는 층들을 적절히 인가함으로써, 적재된 배열내에 증감이 제공될 수 있다. 여러 층들내의 물질은 예를들면 거친 지지부재의 개방된 스페이스를 가로질러 미세섬유의 평균 집단밀도에 관해 변화될 수 있다. 그 대신, 또는 부가적으로, 미세섬유의 직경은 층마다 변화될 수 있다. 물론, 이 배열들은 특정 구조의 하나 또는 그 이상의 층들, 또한 하나의 상이한 구조 또는 하나 이상의 상이한 구조의 하나 또는 그 이상의 층들을 포함할 수 있다.

도 7을 참조하면, 일반적으로 필터 매체의 여러 층들의 적층을 구비하는 매체 구조(10)가 되시되어 있다. 도 7에 도시된 배열에 대해, 화살표(11)로 전체적으로 표시된 방향으로 공기가 흐른다고 생각하자. 이 구조(10)는 그의 표면상에 미세섬유의 얇은 층(15)을 가지는 거친 지지부재(14)를 구비하는 비디어의 영역(13) 또는 층을 포함한다. 도시된 특정 배열에서, 층(15)은 지지부재(14)의 상류 표면상에 있다. 층(13)으로부터 하류에는 거친 지지부재(18)와 상류의 얇은 미세섬유 층(19)을 구비하는 유사한 층(17)이 있다. 이 배열(10)은 층(13, 17)과 유사하게 구성된 다른 층(20, 21, 22)을 포함한다. 따라서, 도 7에 도시된 배열에 대해, 층(22)의 거친 영역(25)이 최하류측에 위치된다.

도시된 특정 배열에 대해, 최상류측의 미세섬유 층(15)의 상류측에는 거친섬유, 보호부재, 스크림(scrim) 또는 매체의 층(27)이 위치된다.

일반적으로, 소정의 실시예에 대해, 도 7의 전체구조(10)가 불과 약 0.020 내지 0.060 인치(0.05 내지 0.15 cm)의 두께, 그리고 일부 경우는 심지어 더 얇은 두께로 된다는 것이 이해될 것이다. 따라서, 이것은 도면에서 크게 확대되어 과장된 것이다. 이것은 미세섬유의 층의 적층을 구비하며, 그의 각각은 거친 격리 또는 지지층 또는 매트릭스에 의해 다음의 인접한 미세섬유 층으로부터 간격져 배치된다. 각각의 측면, 즉 최상류측(27) 및 최하류측(25)상에 거친 스크림 또는 매체의 보호층이 위치된다. 도 7의 특정 배열은 5개의 불연속한 미세섬유 층을 갖는 것으로 도시되어 있지만, 다른 량 또는 수의 층이 사용될 수 있다. 또한, 미세섬유 층들이 서로 동일해야 하거나, 또는 여러 거친 지지층들이 서로 동일해야 할 필요는 없다. 본 문장에서 "불연속(discrete)" 라고 하는 용어는 각각의 미세섬유 층이 분리된 거친 지지부재 섬유들과 실제로 뒤얽혀져 있지 않지만, 오히려 각각의 미세섬유 층이 전체적으로 지지부재 구조물의 표면상에 놓여져 있는 것을 의미한다.

l. 거친 지지부재/스페이싱 구조

본 발명에 따른 필터 매체 층의 거친 물질의 주요한 기능은 미세섬유들이 그곳을 가로질러 연장되는 구조를 제공하는 것이다. 거친 물질의 다른 주요한 기능은 미세섬유들의 분리된 층들이 비교적 밀집한 (즉, 낮은 투과성 및 비교적 낮은 적재) 구조로 붕괴되지 않도록, 적층내에서 미세섬유의 영역들 또는 층들의 사이에 스페이싱을 제공하는 것이다. 거친 지지부재/스페이싱 구조는 전형적으로는 어떠한 실질적인 여과기능을 수행하도록 제공되는 것이 아니다. 실제로, 이것은 양호하게는 어떠한 실질적인 여과기능도 수행하지 못하도록 개방되고 투과성이 있는 물질이다.

일반적으로, 여기에서 기술된 것들과 같은 그러한 전형적인 적용을 위해, 전체적인 복합물(즉, 결과로서 생기는 다층 필터 매체)이 다양한 기하학적인 구조로 배열될 수 있는 비교적 유연한 배열로 되는 것이 바람직하다. 일부 배열에서는, 거친 지지부재가 충분한 기계적인 완전성 또는 이를 허용하기 위한 "본체"를 가지는 유연한 섬유 구조를 구비하는 것이 바람직할 것이다. 그러나, 일부 배열에서는 이러한 "본체"는 미세섬유 층들에 간격을 제공하기 위해 사용된 같은 거친섬유 물질보다 다른 복합물에 의해 제공되거나, 또는 전체적인 복합물에 의해 제공될 수 있다. 이것은 이하에 기술될 것이다.

거친 지지부재에 대한 유연한 섬유 구조의 선택에 관련한 더욱 중요한 변수들중의 일부는 다음에 의해 요약될 수 있다:

a. 가능하다면, 미세섬유 웹가 그곳을 통해 연장하는 "비어있는 스페이스"를 강화하기 위해, 매우 낮은 비율의 용적과 매우 높은 투과성을 갖는 물질을 선택하는 것이 바람직하다. 여기에 기술된 테스트에 따라 0.78 마이크론 미립자를 포획하기 위해 불과 약 10% 이하, 전형적으로는 5% 이하, 바람직하게는 불과 1-4%의 여과 효율(LEFS 효율로 언급됨)을 갖는 물질이 바람직할 것이다. 양호하게는, 이것은 적어도 150 미터/분, 전형적으로는 적어도 약 200-450 미터/분의 프레지어 펌 테스트(Frazier Perm Test)에 의해 평가될 때 단일 층 투과성을 갖는 물질이다.

b. 거친 지지부재/스페이싱 물질은 미세섬유의 층들을 분리시키도록 충분히 두꺼워야 한다. 일반적으로, 소정의 시스템에 대해 거친 물질의 층은 이러한 스페이싱을 성취하기 위해 최소한도로 필요한 것보다 더 두꺼울 필요는 없다. 약 0.001 인치(25 마이크론)정도에 속하는 두께가 보다 더 충분할 것으로 예상된다. 거친 기판용으로 선택된 물질 또는 프로세스가 약 0.001 인치보다 더 두꺼울 수 있고, 예를들면 약 0.010 인치(254 마이크론)로 될 수 있는 반면, 두께를 추가하는 것이 효율적인 필터로서 적층된 배열의 실제적인 성능과 관련하여 반드시 유리한 것은 아니다. 즉, 특히 적층된 배열에서, 0.001 인치(25 마이크론)의 두께는 충분히 미세섬유를 지지하고, 미립자를 적재하기 위해 개방된 체적을 제공할 수 있다. 많은 시스템에서, 더욱 큰 두께가 현저한 정도까지 이 작동을 향상시키지 못할 것이다. 따라서, 소정의 바람직한 배열에서, 미세섬유의 층을 분리하는 거친섬유 물질의 각 층은 두께가 약 0.030 인치(760 마이크론) 이하이다. 다시 말하면, 미세섬유 층은 양호하게는 약 0.03 인치(760 마이크론) 이하이다. 그러나, 더욱 큰 두께를 허용하는 경우, 거친 층으로서 사용될 이용할 수 있는 물질의 선택폭이 더욱 넓어질 수 있다. 부가적으로, 스크림 또는 거친섬유의 층이 더욱 두꺼우면 "본체" 또는 기계적인 강도가 개선될 수 있다. 한편, 비교적 두꺼운 층은 소정의 필터구조내에서 과도한 또는 바람직하지 못한 량의 스페이스를 형성할 수 있다.

c. 거친 지지부재의 섬유를 구성하는 특별한 물질이 필수적인 것이 아니라면, 일반적으로 제조 및 취급중에 조작을 견디고 또한 작동조건들을 유지하기에 충분히 강하고 질긴 물질을 선택하는 것이 바람직하다. 본 발명에 따른 구조의 잇점은 바로 여러 효과적인 필터 시스템용 매체가 "전기적으로 대전된" 또는 "정전기적으로 대전된" 섬유를 사용하지 않고 제공될 수 있다는 것이다. 따라서, 본 발명에 따른 소정의 바람직한 시스템은 이곳에 정전기적인 전하가 인가되지 않고 섬유를 사용한다. 부가적으로, 이것은 거친 지지부재가 중합 섬유와 같은 그러한 쉽게 입수할 수 있는 섬유 물질로부터 제공될 수 있다는 잇점이 있다. 따라서, 상업적으로 입수할 수 있는 물질이 거친 지지부재 또는 스크림으로서 선택될 수 있다.

d. 거친 지지부재를 형성하는 물질은 미세섬유가 쉽고 편리하게 적용될 수 있는 것이어야 한다.

미세섬유의 크기가 적어도 부분적으로 이 구조가 의도하는 특별한 용도에 따라 선택되지만, 거친섬유의 직경은, 여기에 기술된 최소의 특성이 얻어진다면, 바람직한 필터 작동에 그다지 중요하지 않다. 일반적으로, 전형적이고 바람직한 적용에서 거친섬유의 섬유 직경은 미세섬유의 섬유 직경의 적어도 약 6배, 전형적으로 양호하게는 약 20 내지 200배가 될 것으로 예상된다. 미세섬유가 약 0.2 내지 3.0 마이크론의 크기를 가지는 전형적인 배열에서, 거친 물질은 약 10 내지 40 마이크론, 전형적으로는 12 마이크론 또는 그 이상의 평균 직경을 가지는 섬유 물질을 구비하는 것으로 예상된다. 거친 물질은 전형적으로 바람직한 배열에 대해 6.0 내지 45.0 g/m²의 범위내의 평량을 가진다.

일반적으로, 거친섬유 층은 짧은 섬유들 또는 부직포로 된 실제로 연속한 섬유 매트릭스중의 수집물 또는 혼합물을 구비할 수 있다. 이 문장에서, 용어 "연속한"은 본래 무한한 정도로 충분히 큰 가로세로비를 갖는, 즉 적어도 500 또는 그 이상의 비를 갖는 섬유를 의미한다. 축축한 물질이 부직포 지지부재를 위해 이용될 수 있지만, 건조한 물질이 또한 소정의 시스템에서 사용될 수도 있다.

일반적으로, 상업적으로 이용할 수 있는 섬유 스크림이 거친 지지부재로서 사용될 수 있다. 그러한 하나의 스크림은 미국 인디아나 37138 올드 힉코리 소재의 리메이 컴퍼니로부터 상업적으로 이용가능한 Reemay 2011 이다. 일반적으로, 이것은 0.7 온스의 스펀본디드 폴리에스테르를 구비한다.

또는, 미국 매사츄세츠 02081 월포울 소재 베라텍사로부터 상업적으로 이용가능한 스펀본디드 폴리프로필렌 물질인 Veratec grade 9408353 이 사용될 수 있다.

거친 지지부재 층은 물질, 길이 및/또는 직경이 상이한 섬유의 혼합물을 구비할 수 있다.

2. 미세섬유 네트워크 또는 웹

광범위한 물질이 미세섬유 웹 또는 네트워크가 제공되는 물질로서 선택될 수 있을 것으로 예상된다. 다음의 일반적인 원리가 선택적으로 적용된다.

a. 거친 지지부재에 대해 적용하기 위해, 비교적 적은 직경이 선택된 섬유로 쉽게 형성될 수 있거나, 또는 그러한 미세섬유의 웹 또는 네트워크로 쉽게 형성될 수 있는 물질이어야 한다.

b. 취급중 그리고 여과작용중 손상되지 않게 유지하기에 충분히 강한 물질이어야 한다.

c. 거친 지지부재에 쉽게 적용될 수 있는 물질이어야 한다.

여기에서, 본 발명의 양수인인 도날드슨 컴퍼니의 울트라-웹(Ultra-Web)으로 제조 및 판매된 제품이 참조로 기술된다. 이들 제품은 셀룰로스 표면 매개물에 적용된 미세섬유 웹을 구비한다. 울트라-웹(Ultra-Web)제품에서, 이들 미세섬유 웹의 생산을 위해 사용된 공정은 도날드슨 컴퍼니의 독점적인 기업비밀이다. 그러나, 여기에 기술된 거친 지지부재 구조에 적용되고, 여기에 기술된 적재된 배열에서 사용된 유사한 기술 및 웹가 본 발명에 적절하게 사용될 수 있을 것으로 예상된다. 이것은 이하의 실시예에 의해 더욱 명백해 질 것이다. 그러나, 다른 형태의 섬유와 공정, 예를들면 용융취입공정(melt-blown process)이 효과적으로 사용될 수 있다.

일반적으로, 본 발명에 따른 전형적인 구조를 위해, 미세섬유 성분은 선택된 특별한 배열에 따라 8 마이크론 이하, 전형적으로는 5.0 마이크론 이하, 양호하게는 약 0.1 내지 3.0 마이크론의 의 섬유 직경으로 구성된다. 다양한 필터 물질이 예를들면 유리섬유, 폴리프로필렌 섬유, PVC 섬유, 및 폴리아미드 섬유를 포함하는 그러한 직경으로 쉽게 제공될 수 있다.

더욱 일반적으로, 폴리아크릴로니트릴이 사용될 수 있다; Seran F-150 으로서, 미국 미시간 미드랜드 소재 다우 케미컬로부터 상업적으로 이용가능한 폴리비닐아딘 클로라이드가 사용될 수 있다. 다른 적합한 합성 폴리머 섬유는 폴리술폰, 술폰화 폴리술폰, 폴리이미드, 폴리비닐리딘 플루오라이드, 폴리비닐 클로라이드, 염소화 폴리비닐 클로라이드, 폴리카보네이트, 나일론, 방향성 나일론, 셀룰로스 에스테르, 에어로레이트, 폴리스틸렌, 폴리비닐부틸릴 및 이들 여러 고분자 공중합체를 포함하는 초미세섬유를 만들기 위해 사용될 수 있다.

미세섬유는 다양한 방식으로 거친 지지부재에 고정될 수 있다. 사용된 기술은 부분적으로는 미세섬유 또는 웹을 만들기 위해 사용된 공정, 그리고 미세섬유와 거친섬유가 형성되는 물질에 의존할 수 있다. 예를들면, 미세섬유는 접착제에 의해 거친 지지부재에 고정될 수 있거나, 또는 거친섬유에 열융착될 수 있다. 용융가능한 외장을 갖는 거친 이중의 구성요소의 섬유는 미세섬유를 거친섬유에 가열접합하기 위해 사용될 수 있다. 용해 접합이 사용될 수 있고, 가열 바인더 섬유 기술이 적용될 수 있고, 또한 자생적인 접합이 사용될 수도 있다. 접합제로서, 축축한 수용성 또는 용해성의 레진 시스템이 사용될 수 있다. 우레탄 스프레이, 핫 멜트 스프레이, 또는 핫 멜트 시트가 소정의 시스템에서 사용될 수 있다. 일부 실시예에서는, 미세섬유 웹을 거친 지지부재에 확실하게 부착하기 위한 접착제가 불필요할 것으로 예상된다. 이들은 전체 합성물이 만들어질 때 미세섬유가 거친 물질의 층들 사이에 고정되는 시스템을 포함하며, 두 개의 거친 층들 사이의 이러한 위치설정은 미세섬유 층 또는 웹을 적절한 위치에 고정하기 위해 사용된다.

본원에서 참고로 "미세섬유" 또는 미세섬유의 "네트워크 또는 웹"를 구비하는 미세섬유 층을 말한다. 이 문장에서 미세섬유의 "네트워크" 또는 "웹"란 용어는 개개의 미세섬유를 구비하는 물질을 언급할 뿐 아니라, 물질이 매듭 또는 교차점에서 서로 결합 또는 교차하는 미세섬유 또는 가는 섬유를 구비하는 웹 또는 네트워크까지도 언급하는 것이다. 그러한 배열의 실시예는 도 20에 도시되며, 이하에서 더욱 상세히 설명된다. 도면에 있어서, 미세한 물질의 네트워크가 일반적으로 다수의 매우 미세섬유 또는 스트랜드를 구비하며, 그중 일부는 교차점의 지점 또는 매듭으로부터 연장한다는 것이 이해될 수 있다.

F. 본 발명에 따른 구조에 사용된 매개물의 층을 특성화하는 몇가지 방법

일반적으로, 상술한 설명으로부터 본 발명에 따른 구조에 사용된 매개물의 층이 적어도 하나의 표면에 고정된 미세섬유의 층 또는 웹을 가지는 거친 지지부재 또는 매트릭스를 포함하는 것이 명백해 질 것이다. 거친 지지부재(또는 매트릭스) 및 미세섬유는 일반적으로 앞에서 설명된 대로이다. 전체적인 층은 예를들면 기술된 바와같은 거칠고 미세섬유를 포함하고 도시된 바와 같이 배열된 다양한 방식에서 특성화될 수 있다.

본 발명에 따른 바람직한 매개물을 미세섬유와 거친섬유의 "혼합물"로서 특성화하는 것은 정확하지 않다. 이 물질은 그러한 섬유의 혼합물, 즉 섬유가 뒤얽힌 배열로서 구성되지 않는다. 오히려 섬유는 개별적으로 그리고 불연속한 지역 또는 영역에서 매개물내에 위치된다. 특히, 합성물층들중의 주어진 층은 모두 일반적으로 미세한 물질이 적용되는 적어도 한 표면을 가지는 거친 물질의 층을 구비한다. 매개물이 다층(적층된) 배열에 제공될 때에도, 미세섬유와 거친섬유의 영역들은 공기가 "적재물"을 통과할 때 개별적으로 마주친다.

전술한 설명으로부터 명백한 바와 같이, 다양한 방법이 본 발명에 따른 적재된 배열을 준비하기 위해 이용될 수 있다. 예를들면, 층들이 실시예를 성취하기 위해 축축한 상태로 되어 있을 때에도, 미세섬유와 거친섬유가 일부 뒤얽힐 수 있다. 뒤얽힘 정도는 물론 미세섬유와 거친섬유가 "동종의 혼합물"이거나 또는 매개물이 본 발명의 원리에 따라 바람직하게 기능을 다하지 못하는 그러한 정도까지 될 것이다. 일반적으로, 거친 층은 여전히 이 배열내에서 여러 미세섬유 층들을 서로 분리시키기 위해 사용된다. 여기서, 미세섬유 층이 서로에 대해 그리고 거친섬유 층에 대해 "불연속"한 것으로 설명될 때, 이것은 뒤얽힘이 전혀 없다는 것을 의미하는 것이 아니라, 오히려 이 배열을 여과될 유체가 통과할 때, 다층, 즉 분리된 미세섬유 층이 여과환경으로 제공되도록 구성된다. 일반적으로, 이것은 (층들이 불연속일 때) 일어날 수 있는 그러한 뒤얽힘이 비교적 낮다는 것을 의미할 것이다. 일반적으로, 미세섬유층과 거친섬유층 사이의 뒤얽힘은, 이것이 적어도 일어난다면, 미세섬유의 비교적 적은 중량비, 전형적으로는 15% 이하를 포함할 것이다.

전술한 구조를 가진 결과, 동종의 필터 매개물은 공기 흐름에 노출되지 않는다. 즉, 공기가 필터 배열을 통과할 때, 다양한 깊이 또는 높이에서, 상이한 물질들이 마주친다. 예를들면, 일부 시스템에서 공기는 시스템을 통과할 때 미세섬유 물질과 거친 물질의 열을 교대로 통과한다. 이것으로부터 중요한 장점이 얻어진다.

통상적인 배열에서, 매개물의 복합물 층은 거친 지지부재 또는 스크림의 표면의 단위영역당 적용된 미세섬유의 부피에 대해 특성화될 수 있다. 이것은 때로는 미세섬유 층의 평량으로서 언급된다. 그러한 특성은 사용된 특정한 섬유 직경, 선택된 특정한 물질 및 층에 대해 바람직한 필터 효율 또는 특정한 미세섬유 조밀도에 따라 변화될 것이다. 통상적으로, 약 0.1 내지 5.0 마이크론의 미세섬유 직경, 미세섬유가 형성되고, 스크림 또는 거친 지지부재 (또는 매트릭스)의 단위 표면 영역당 적용되는 물질의 부피를 가지는 바람직한 구조는 사용된 특정한 물질에 관계없이, 약 0.2 내지 25 g/m²내에 있을 것으로 예상된다.

본 발명에 따른 구조에서 통상적으로 바람직한 매개물 층을 특성화하기 위한 다른 방법은, 미세섬유의 웹 또는 미세섬유에 의해 점유되거나 커버되는 (미세섬유 측으로부터) 거친섬유 지지부재 또는 스크림을 조사할 때, 인터섬유 스페이스의 량을 개방 또는 시각적으로 볼 수 있게 하는 것이다. 이러한 방법은 도 16 내지 도 20의 구성으로부터 부분적으로 이해될 것이다.

도 16 내지 도 20은 그의 한 표면상에 본 발명에 따른 미세섬유 웹을 갖는 스크림의 여러 실시예들의 전자 현미경사진을 스캐닝하여 여러 확대도로서 도시한 것이다. 거친 지지부재는 직경 25 내지 35 마이크론의 폴리에스테르 섬유의 매트릭스를 구비한다. 미세섬유는 일반적으로 직경이 약 0.1 내지 3 마이크론의 유리섬유를 구비한다.

미세섬유에 의해 점유된, 스크림내의 개방된 구멍들의 영역의 비율은 도 16 내지 도 20에 도시된 바와같은 그러한 SEMs의 평가로부터 추정될 수 있다. 본 발명에 따른 전형적이고 바람직한 구조에 대해, 그러한 방법을 사용하여 평가할 때, 미세섬유에 의해 점유된 스크림 또는 거친 지지부재의 개방영역의 평균 비율은 55% 이하, 전형적으로는 바람직한 공기 필터 매개물에 대해 약 20 내지 40%일 것으로 예상된다. 이것은 이들 범위의 외측의 구조가 작용하지 않는 것을 의미하는 것이 아니라, 오히려 그러한 비율은 통상적인 것이며, 전체적으로 작동가능하고 효과적인 물질에 연합된다.

전술한 필터구조에 사용하기 위해 배열가능한, 본 발명에 따른 물질의 층들을 특성화할 수 있는 다른 방식은 물질이 공기흐름내에서 테스트될 때, 성능에 대해 관찰하는 것이다. 특히, 일반적으로 여기에서 기술한 바와같은 효율을 위해 공기흐름내에서 테스트한 후, 층에 의해 정지된 미립자의 대부분(수 및 부피에 의해)은 여러 바람직한 실시예에서 더 거친 구조 보다는 오히려 미세섬유에 의해 뒤얽히게 된다는 것이 관찰될 것이다. 이것의 실시예는 도 21의 전자현미경사진에 도시된다.

변형예로서, 또는 유사하게, 정해진 복합물 층의 효율은 실험에 의거하여 정해질 수 있다. 일반적으로, 여기에 기술된 대로 평가할 때 0.78μ 미립자에 대해, 적어도 10 마이크론의 평균직경을 가지며 또한 6%이하의 효율을 가지는 섬유를 구비하는 거친섬유 지지부재 구조 또는 매트릭스가 적어도 하나의 미세섬유 층의 적용에 의해 개선된다면, 미세섬유가 약 5 마이크론 이하의 평균 섬유 직경을 가지고, 테스트될 때 개선된 물질이 한정된 0.78?? 미립자에 대해 적어도 약 8%의 효율, 양호하게는 적어도 10%의 효율을 가질 경우, 이 구조는 본 발명에 따른 적어도 소정의 바람직한 배열에서 사용하기 위한 바람직한 특성의 적어도 일부를 가지는 구조가 될 것이다. 양호하게는, 이 물질은 0.78?? 미립자에 대해 약 4% 이하의 효율을 구비하며, 충분한 미세섬유가 0.78 마이크론 미립자에 대해 적어도 10% 이상의 복합물 효율을 제공하기 위해 적용되었다. 그러한 배열에서, 양호하게는 거친섬유 층은, 미세섬유 층이 그곳에 적용되지 않고, 250-450 미터/분의 투과성을 가지는 층이다. 또한, 전형적으로 미세섬유 물질은 미세섬유/거친섬유의 단일 복합물층의 투과성이 적어도 약 10 미터/분, 더욱 양호하게는 적어도 약 25 미터/분이 되도록 배열된다. 일부 실시예에서, 이것은 상당히 높게, 즉 100-325 미터/분이 되도록 선택될 수 있다.

G. 투과성

스크림 물질의 정해진 층; 그 위에 적어도 한 층의 미세섬유를 갖는 스크림의 복합물 또는 층; 및 전체 매개물의 복합물의 투과성을 참조한다. 이들 문장에서, "투과성"에 대한 수치적인 참조는 참조된 물질의 평평한 시트, 매개물 또는 복합물을 가로질러 0.50 인치 H₂O 제한을 유도하기 위해 요구된 매개물 표면 속도(공기)에 관련된다.

일반적으로, 매개물 층의 투과성은, 이 용어가 여기에서 사용된 대로, 미국 메릴랜드주 가이더스버그 소재 피래지어정공(Frazier Precision Instrument Co., Inc. )사로부터 입수할 수 있는 프래지어 펌 테스터(Frazier Perm Tester)를 사용하여 ASTM D737 에 따라 Frazier Perm Tester 에 의해, 또는 일부 유사한 테스트에 의해 평가된다.

본 발명에 따른 전형적인 매개물 배열은, 특히 자동차 실내 에어필터, 환기 시스템 또는 엔진 에어 도입 시스템에서 사용될 때, 적어도 6 m/min, 더욱 양호하게는 10-20 m/min 전체 투과성을 가지며, 이 투과성은 전체 효율, 층의 수 및 선택된 섬유의 크기의 함수가 된다. 이 문장에서 "전체(overall)" 이란 용어는 완전한 매개물의 적층을 언급하는 것이다.

H. 효율

본 명세서에서 특정한 수치적인 용어로서 층 또는 복합물의 효율이 때때로 언급된다. 즉, 때때로 스크림의 선택된 층 또는 그 위에 미세섬유 물질의 적어도 하나의 층을 갖는 스크림이 바람직한 비율의 효율에 관해 기술될 것이다. 또, 일부 실시예에 있어서, 다층의 물질을 포함하는 전체 복합구조와 관련하여 수치적 퍼센트 효율을 기술한다. 이 문장에서, 수치적 특징을 제공하기 위해, "효율" 이라 함은, 본원에 참고로 인용되고. ASTM 1215-89의 방법에 따라 특징된 물질을 시험할 때, 적용된 테스트 물질은 0.78 마이크론 직경, 예컨대 캘리포니아 팔로 알토 듀크 사이어티픽으로 부터 상업적으로 이용 가능한 단순분산 폴리스틸렌 라텍스 구형 미립자를 20 feet/min(약 6 m/min)에서 시험시 통상적으로 유지되는 테스트 미립자의 퍼센트를 언급함을 의미한다.

상기로부터 본 발명에 따른 필터 배열이 "효율적" 이라 기술될 때, ASTM 1215-89의 테스트 조건하에서 0.78 마이크론 미립자를 필터링하는 동작에 관해서만 기술하는 것을 의미하는 것은 아니다. 다소, 이러한 미립자와 이러한 테스트 조건하에서의 효율은 사용되는 물질, 또는 사용될 물질이 본 발명에 따른 구조에서 평가될 수 있거나 특징될 수 있는 상대적으로 재생산가능한 방법을 의미한다.

I. 섬유 간격, 거친 기재의 단위 면적당 적용된 미세섬유의 중량

상기 지적한 바와 같이, 본 발명에 따른 물질은 섬유 간격 또는 거친 기재 또는 스크림(평량)의 단위 면적당 적용된 미세섬유의 총량에 관해서 특징으로 할 수 있다. 이를 실행할 수 있는 방법은 다음과 같다.

1. 디지털 이미지 분석에 의한 영역 강성

여기서 사용된 방법은 SEM 사진을 이미지 분석을 위해서 컴퓨터에 스캔하는 것이다. 사용가능한 SEM 확대는 매체 구조 내의 해당 섬유크기에 따르며 분석할 섬유 끝이 배경과 구별되게 선택되어야 한다. 확대가 증가됨에 따라 시야 깊이가 감소된다. 스캐닝한 후에, 비지로그(캐나다, 퀘벡 성 로렌트 빌의 노시스 비젼으로부터)와 같은 상업적으로 이용가능한 소프트웨어를 사용하여, 전경과 배경간 경계를 정하는 그레이스케일 임계값을 설정하고 스캔된 그레이스케일 이미지를 2진 이미지(전경 및 배경)으로 변환함으로써 이미지를 전경과 배경으로 분리시킬 수 있다. 침식(erode) 및 팽창(dilate) 코맨드를 사용함으로써 전경 및 배경 2진 이미지를 더 명료하게 분리시킬 수 있다. 중요한 것은 전경 내 미세섬유이다. (매체는 한 표면에만 미세섬유가 있는 스크림(scrim)를 포함하는 것으로 가정하며, SEM 방위는 관찰자를 향해 미세섬유를 보이게 되어 있는 것으로 가정한다). 일단 분리되었으면, 소프트웨어 내 분석툴을 사용해서 전경과 배경을 디스플레이하는데 사용되는 스크린 화소를 셀 수 있다. 미세섬유가 취해진 해당 영역(AOI=전경 + 배경)을 디스플레이하는데 사용된 화소수로, 전경(미세섬유)를 디스플레이하는데 사용되는 화소수를 나눈 비는 영역 강성(area solidity)을 나타낸다. 섬유구조는 3차원인 반면 SEM 사진은 3차원 물체를 평면이나 영역에 투영된 것을 나타내므로, 용어 "영역 강성"이 사용된다.

2. 디지털 구멍크기 분석

여기서 사용된 방법은 노시스 비젼의 비지로그와 같은 구입하여 사용할 수 있는 소프트웨어를 사용하여, SEM 사진을 이미지 분석을 위해서 컴퓨터에 스캔하는 것이다. 사용가능한 SEM 확대는 매체 구조 내의 해당 섬유크기에 따르며 분석할 섬유 끝이 배경과 구별되게 선택되어야 한다. 확대가 증가됨에 따라 시야 깊이가 감소된다. 스캐닝한 후에, 노시스 비젼의 비지로그와 같은 구입가능한 소프트웨어를 사용하여, 전경과 배경간 경계를 정하는 그레이스케일 임계값을 설정하고 스캔된 그레이스케일 이미지를 2진 이미지(전경 및 배경)로 변환함으로써 이미지를 전경과 배경으로 분리시킬 수 있다. 침식 및 팽창 코맨드를 사용함으로써 더 명료하게 분리시킬 수 있다. 중요한 것은 전경 내 미세섬유에 의해 생성된 구멍(pore)이다. 다음에, 소프트웨어의 분석툴에 벗어나는 이미지의 AOI 내의 것들은 AOI로부터 제거되어야 한다. 이러한 예외적인 것들은 볼록한 구멍 및 원래 AOI 내에 부분적으로 놓여있는 구멍을 포함한다. 즉 이러한 구멍들의 경계는 완전하게 정해지지 않는다. 이어서 수정한 AOI 내의 각각의 셀마다 주변길이, 면적 및 화소 크기의 어스펙트비를 소프트웨어 툴을 사용하여 계산할 수 있다. 수정한 AOI 내의, 각각의 구멍에 대해,

(4πx 구멍의 면적)/(측정된 구멍의 주변길이)²

으로 정의된 형상계수를 계산할 수 있다. 스캐너의 해상도, SEM 사진 확대, 및 소프트웨어 출력으로부터, 섬유간 간격 크기를 화소단위에서 공학 단위로 변환할 수 있다. 샘플에 대해 대표도(혹은 분포)가 될 수 있을 만큼 과정을 충분히 반복해야 한다.

3. 선 섬유 교차방법

먼저, 매체의 섬유 크기 분포를 판정하기 위해서 적당히 확대한 개수의 매체 샘플의 SEM 사진을 취한다. 섬유의 크기를 취함에 있어서는 통상 1,000 내지 6,000x 이상의 범위로 확대한다. 적어도 15개 내지 50개의 구멍이 사진에 나타나게 확대한, 또 다른 세트의 SEM 사진으로부터, 격자선을 SEM(확대한 복제본)에 겹쳐놓을 수 있다. 격자가 겹쳐진 선을 무작위로 선택하여, 이 무작위로 선택된 격자선을 교차하는 섬유수를 세어 1인치 라인당 교차수를 알 수 있다. 통계학적으로 의미있는 선의 수에 대한 데이터를 축적함으로써, 평균 섬유간 간격을 계산할 수 있고 섬유간 거리의 분포를 알아 낼 수 있다. 샘플에 대해 대표도(혹은 분포)가 될 수 있을 만큼 과정을 충분히 반복해야 한다.

4. 평량

통상적인 구조에서 관련 미세섬유 매트는 단섬유층에 근사하기 때문에, 거친 지지물 혹은 간격 매트릭스의 단위면적(표면)당 인가된 미세섬유 무게(예를 들면 Lbs/3000ft²혹은 grams/m²)를 사용해서 섬유간 간격 크기를 평가할 수 있다. 대안으로, 섬유 구조가 단층이 아니고 섬유 매트의 두께가 결정될 수 있다면, 체적 강성을 계산할 수 있으며, 이것이 섬유 간극지수이다.

5. 구멍크기

a. 연귀이음된 원통형 기하구조:

통상 섬유층들이 밀접히 접촉하여 있는 경우, 구멍은 연귀이음으로 섬유가 교차한 정사각형인 것으로 간주하고 층들은 서로에 대해 랜덤하게 놓여있다. "Fluid Filtration:Gas Volume 1" ASTM Special Technical Publication 975, 1986, ASTM plublication 04-975001-39, Donald R. Monson-"Key Parameters Used In Modeling Presure Loss Of fibrous Filter Media"를 참조한다.

L = 간주된 정사각형 구멍의 대향변들에 평행한 섬유간 중심선 거리,

d_f= 평균 제곱 섬유 직경,

b = L-d_f= 구멍의 틀을 이루는 섬유의 두께를 제외한, 내부 구멍 크기,

C= 강성 = 섬유 용적/매체 용적,

R= L/d_f

이러한 정의와, 일관된 측정단위와, 몬슨에 의해 개발된 다음 식을 사용해서, 섬유간 거리 "b"를 다음의 식으로부터 평가할 수 있다.

R = 1/{1.1781-(1.3879-1.5 x C)^1/2}

b= (R-1)/ x d_f

b. 연귀이음된 원통형 기하구조: 수정

이 모델은 연속한 섬유층간 간격을 보정하며, 층간 거리를 L/2로 가정하고 C 〈 0.6의 값이 유효한 것으로 간주한다.

R = 1.4472/(.5 x C)^1/2x COS{1/3 x COS^-1

[~0.87979 x (.5 x C)^1/2}

b = (R-1) x d_f

c. 연귀이음된 원통형 기하구조: 단층 섬유구조의 수정

= (0.5 x π/C)^1/2x ({0.5 x π/C}²- {8/[3 x C]}^1/2

b = (R-1) x d_f

J. 본 발명에 따른 원리를 사용한 필터 매체 복합물 설계

전술한 바로 부터 일반적으로 본 발명에 따른 매체를 사용한 필터 구조 여러 층, 보다 구체적으로는 거친 스트림 물질 혹은 거친섬유 매트릭스로 분리된 혹은 이격된 미세섬유 층들을 포함하는 매체로 조직될 것임을 알게 될 것이다. 공기 필터 구조를 설명하는 대부분 경우, 엔지니어는 개개의 층의 특성을 선택하고 이들은 전체 복합물 내에 어떻게 조직할 것인가를 결정하는 과정에 관여할 것이다. 본 절에서는 이러한 과정에 관한 고찰을 간략히 논한다.

일반적으로, 부분적으로는 필터매체 사용용도와 매체 제조방법에 따라 선택이 이루어 질 것이다. 사용목적에 따라 필터 설계자는 일반적으로 필터효율 및 필요한 투과성을 정하게 될 것이다. 소정 용도에 대한 효율은 상기 제제공된 시험조건하에서 0.78 마이크론 입체를 포획하는 능력이외의 다른 수단으로 정의될 수도 있다. 예를 들면, 자동차 제조업자는 실내 공기필터의 동작에 대한 특정한 명세를 갖고 있을 수 있고, 이 필터 엔지니어는 본 발명에 따른 물질을 사용하여 충족시켜야 한다. 상기 명세는 0.78 마이크론 미립자에 관하여 여기 정해진 것과는 다른 시험조건 하에서 미립자를 포획하는 능력에 관하여 정의될 수도 있을 것이다. 엔지니어는 가능한 구조에 가깝도록 여기 기술된 기술을 사용하여 자동차 제조업자에 의해 제공된 명세가 충족되었는지 알기 위해서 적합한 시험을 개발할 수 있을 것이다. 대안으로서, 충분히 시험한 후에, 엔지니어는 다른 조건하에서 행해진 시험에 기초하여, 한 유형의 조건하에서 성능을 예측할 수 있도록 충분한 상관관계 데이터를 전개할 수도 있다.

어째든, 일반적으로 경우에 따라서는 본 발명에 따른 특징을 갖는 사용가능한 물질을 고려하는 엔지니어에 의해서 설계과정이 개시될 것으로 보인다. 예로서, 엔지니어는 스크림을 선택하고 이에 다양한 양의 미세섬유 물질을 적용한 여러 샘플의 스크림 물질을 얻을 수 있다. 가정한 예로서, 미세섬유층이 다음 표로 특징화되는 8개의 샘플을 만들기 위해서, 엔지니어가 리메이 2011을 포함하는 여러 샘플의 스크림 물질의 단지 한면에만 여러 가지 양으로 미세섬율 글래스 물질로 처리하였다고 가정한다.

유리섬유 슐러 #1061(0.4μ)섬유		면적 0.44ft2
핸드시이트 포머 슬러리에서 유리 질량(g)	단층perm(fpm)	단층LEFS효율(%)		슬러리 유리 중량/단위면적
				g/ft2	g/m2	Lb/3000ft2
0.035	818.6	6.7%		0.079	0.848	0.520
0.040	686.1	8.8%		0.090	0.969	0.595
0.075	282.2	25.5%		0.169	1.816	1.115
0.100	189.7	32.6%		0.225	2.422	1.487
0.150	123.8	54.5%		0.338	3.633	2.230
0.200	88.0	68.8%		0.450	4.844	2.974
0.380	33.7	94.3%		0.855	9.203	5.650
0.600	21.0	99.1%		1.350	14.531	8.921

¹슐러 #106 은 중앙 섬유직경이 0.4마이크론인 유리섬유로 리틀톤 CO 80162의 슐러 필터레이션으로부터 상업적으로 이용가능하다.

상기 정보 및 물질이 주어졌을 때 엔지니어는 설계과정을 행할 수 있을 것이다. 일반적으로, 정해진 시험조건하에서 0.78마이크론 미립자에 대한 복합물의 효율은 각 층의 휴율의 "합"이 될 것이다. 예를 들면, 각각의 효율이 35%인 2개의 층이 사용된다면, 전체 효율은 1-[(1-.35) x (1-.35)] 혹은 57.75%이다. 따라서, 여러 층에 대한 지식으로부터 엔지니어는 원하는 수준의 효율을 달성하기 위해서 층을 몇층으로 할 것인지 그리고 일부 물질을 사용할 것인지를 정할 수 있는 위치에 있게 된다.

앞절에 다층구조의 효율을 결정하는 일반식을 나타내었다. 다음 원리에 따라 특정한 계산을 했다.

정한 미립자크기 및 속도에 대해서:

η_i= 층 i에 대한 층효율

η_t= 총 복합물 효율

1-η_i= 층 i에 대한 층 투과력

1-η_t= 총 복합물 투과력

(1-η_t) = (1-η₁)(1-η₂)...(1-η_i)

일반적으로, 복합물의 총 투과성은 다음의 수학식에 따라 복합물 내 여러 층의 투과성로부터 결정될 수 있다.

ρ_comp= 1/[(1/ρ₁) + (1/ρ₂) + ... (1/ρ_i)]

여기서, χ_composite= 전체 복합물의 투과성

ρ_i= 구성에 따라 거친층 + 미세한 층이나 거친층만을 포함하는 복합물의 성분층의 투과성

따라서, 여러 층들의 투과성에 대해 앎으로써, 에지니어는 전체 복합물의 투과성이 어느 정도가 될 것인지 알 수 있고, 여러 층들은 특정하게 원하는 투과성을 제공하도록 선택될 수 있다. 예로서, 실내 공기필터의 전형적인 면속도는 50-70ft/min(약 15-24 meter/min)이며 이러한 구성은 220-300ft³/min(약 6.2-8.5meter³/min)의 공기흐름에 동작한다. 이것은 예를 들면 다음의 복합물로 만들어진 필터에 의해 달성될 수 있다.

1. 30% 효율의 상류측의 층 혹은 매트릭스,

2. 35% 효율의 다음 하류측의 층 혹은 매트릭스,

3. 45% 효율의 그 다음 하류측의 층 혹은 매트릭스.

복합물의 효율은 약 75%가 될 것이다.

엔지니어가 전체 복합물에 대해 어느 정도의 투과성이 바람직한지(소정 층들의 투과성을 정하는데 사용되는 시험조건하에서)를 알고 있고, 엔지니어가 여러 층들의 효율이 어느 정도인지 결정하였으며, 유사한 조건 하에서 전체 복합물의 효율이 어느 정도가 되는 것이 바람직한지 알고 있다면, 엔지니어는 원하는 결과를 달성하기 위해서 물질 중에서 쉽게 선택할 수 있음을 알 수 있다.

물론 엔지니어는 다른 변수나 인자를 고려하고자 할 수도 있다. 예를 들면, 몇몇 층들은 얇은 복합물에, 경우에 따라서는 바람직한 전체 구성에 관련될 수도 있다. 비용, 임의의 소정의 층을 위한 물질 이용성, 및 다른 관계된 인자가 중요할 수도 있다. 또한, 예를 들면 주름이 있는 구조를 쉽게 형성하는 것에 관하여 복합물의 결과적인 물리적인 특징이 중요할 수도 있다.

물질을 선택할 때 필터 설계자가 고려할 수 있는 류의 고찰 예로서 다음을 고찰한다. 하나는 다른 것보다 두꺼운, 면적이 같은 2 시트의 물질에 주름을 형성한다면, 소정의 용적 내에 효과적으로 배치될 수 있는 주름 수는 일반적으로 얇은 시트가 더 많을 것이다. 따라서, 필터 설계 문제가 소정의 원통형 공간에 유용한 필터를 생성하는 것이면, 엔지니어는 두꺼운 것에 대해, 주름이 형성된 얇은 물질을 선호할 수 있다. 주름이 형성된 물질이 본 발명에 따른 매체의 층으로부터 만들어지는 것이면, 엔지니어는 잇점을 갖도록 하게 위해서 두꺼운 것에 반대로, 비교적 얇은 전체 구조에 이르게 하는 층들의 조합을 선택하고자 할 수 있다.

그러나, 일반적으로 전체 효율이 동일한 복합물들을 비교함에 있어, 두꺼운 복합물이 얇은 것보다는 대체로 수명이 길 것이다(동일 면적에 대해서). 이러한 요인은 시스템을 설계할 때, 앞절의 사항에 대해 엔지니어에 의해 맞추어질 것이다.

일부 경우에 따라서는 엔지니어는 모든 적층된 층이 동일한 복합물질을 포함하게 하고자 할 것으로 보인다. 그러나, 다른 경우에 따라서는 모든 층 혹은 일부 층에 상이한 물질(혹은 효율 등)이 사용될 수도 있다. 통상의 동작에서, 엔지니어가 복합물 내에 상이한 효율의 층들을 구비하도록 결정하였다면, 일반적으로 결과적인 효율 변화도는 복합물층의 효율이 구조의 하류측으로 갈수록 증가되게 구성하는 것이 바람직할 것으로 보인다. 즉, 현재로서는 층들의 바람직한 구성에 있어서는 보다 효율적인 복합물층이 덜 효율적인 복합물층보다는 더 하류측에 있게 함으로써 결과적으로 수명이 길어지게 하는 것이다. 이러한 상황에서 수명이 더 길어지게 되는 이유는 유체흐름이 더 효율적인 층들에 이르기 전에 덜 효율적인 층들이 적어도 일부 필터링을 제공하도록 동작할 것이기 때문에, 보다 큰 효율의 층들이 하류측에 배치되어 있다면 빠르게 폐색되지 않을 것이기 때문이다. 이것은 보다 효율적인 층들은 이들이 더 상류측에 배치된 경우보다는 덜 빠르게 폐색되는 경향이 있을 것임을 의미한다.

K. 기하구조

본 발명에 따른 매체는 광범위 기하학적인 형상으로 구성될 수 있다. 예를 들면, 주름이 없는 판 형태의 필터용의 매체를 형성하기 위해서 단순한 적층으로 평탄한 시트를 구성할 수 있다.

물론, 시트는 예를 들면 원통형 구조 주위의 원통형 랩처럼, 항목 주위를 덮는 것 혹은 랩으로서 구성될 수 있다.

본 발명에 따른 매체는 쉽게 주름을 형성할 수 있게 하는 형태로 고유하게 제공될 수 있다. 일부 경우에, 이것은 적층되었을 때 결과적인 복합물이 주름이 형성될 정도로 그리고 주름 형상을 보유할 정도로 충분한 강도 혹은 밀도("body")를 갖도록 하는 간격 스크림를 선택함으로써 달성될 것이다. 이것을 도 8a 및 도 8b에 도시하였다.

도 8a에서, 필터매체(30)는 주름이 형성된, 원통형 형상으로 도시되어 있다. 도 8b에서, 물질이 복수의 충을 포함하고 있음을 알 수 있게 물질의 일부를 확대하여 도시되었다. 도 8b에서, 물질(30)은 마세섬유층(32)이 사이에 배치된 거친층(32)을 포함한다. 일반적으로, 많은 바람직한 구성에 있어서, 원통형으로 구성되든 아니면 판형태로 구성되든 간에 주름 수는 인치당(혹은 2.5cm) 약 1 내지 15가 될 것으로 보인다. 원통형 형상에 대해 기술될 때, 여기 보고된 거리당 주름 수는 원통형 구조의 내직경에 관한 것이다.

본 발명에 따라 주름이 형성된 원통형 형상은 본 발명에 따른 매체가 적어도, 적재 및 동작 면속도에 관하여 깊이 매체 시스템의 특징을 크게 나타내고 있다는 이유에서 고유한 것이다. 그러나, 종래의 깊은 매체는 일반적으로 주름이 없다. 구체적으로, 주름이 형성된 구조는 일반적으로 종이나 셀룰로우스면이 부가된 시스템에 관련된다. 그러나, 본 발명의 원리는 깊은 매체 형태로 동작하는 구성을 제공하는데 이용될 수 있다. 그러나 표면에 셀룰로우스가 부가된 매체와 더 유사하게 주름이 형성되게 형상화될 수 있다.

일부 구성에 있어서 정현파형(위브(weave) 혹은 주름과 같은) 구성은 사실상의 주름이 형성된 형상을 보유하는 매체에 의해 제공되지 않음에 유의한다. 이것을 달성하는 몇가지 방법을 예견할 수 있다. 먼저, 하나 혹은 몇개의 물질층에 충분한 밀도를 갖게 함으로써 "밀도"가 제공될 수 있다. 예를 들면, 다층 시스템 내의 한층 혹은 2층의 스크림이면 모든 층이 밀도를 갖게 할 필요없이 이러한 밀도에 충분할 수 있다. 부가적으로 혹은 대안으로, 적충구조 내에, 혹은 일측 상에 혹은 양측에 물질 지지층을 사용하여 이 밀도 혹은 기계적 일체성을 제공할 수 있다. 이러한 복합물은 구입할 수 있는 합성 혹은 셀룰로오스 섬유를 지지층으로서 사용하여 만들어질 수 있다.

거친 스트림 층에 주름을 형성하게 하지 않고 정현파형 구성을 제공하는 두번째 방법은 주름이 형성된 구조에 물질을 유지하는 기계적인 골격을 이용하는 것이다. 이에 관한 개략적인 것을 도 9에 도시하였다. 도 9에서, 기계적인 지주(40)에 매체(41)가 끼워져 있는 상태로, 지주(41)가 도시되어 있다.

다른 방법은 주름이 형성된 형상 혹은 물결주름을 보유하는 정도의 충분한 강도를 제공하도록 물질을 충분히 열적, 화학적 혹은 물지적으로 처리하는 것을 포함할 수 있다. 주름 팁 본딩 방법도 사용될 수 있다. 또한, 여러 복합물층 내에 배치되는 금속 리본이나 와이어를 사용해서 주름형상을 유지할 수 있다.

상기 고찰로부터, 본 발명의 이점은 광범한 기하학적 형상을 제공하는 물질에 적용될 수 있음이 명백할 것이다. 따라서 잇점을 갖도록 매우 많은 구조에 적용될 수 있다. 전술한 바와 같이, 물질의 특징은 효율적인 동작을 위해서 필요한 깊이가 원하는만큼 달라질 수 있도록 선택될 수 있다.

L. 공기필터 구조

본 발명에 따른 매체는 공기 필터 구성의 매우 넓은 변형에 사용된다. 그것은, 예를들면, 원통형 요소에서 원통형 주름진 물질로 사용될 수 있다. 그것은 또한 패널형 필터에서 주름진 물질로서 사용될 수도 있다. 그것은 예를들면, 다른 필터 요소의 내부 또는 다른 필터 요소의 외측 주위의 슬리브로서 주름지지 않은 형태에서 사용될 수 있다. 그것은 또한 원통형 및 패널 요소에서 주름지지 않은 형태일 수 있다. 더욱이, 필터 시스템 또는 필터 작용의 넓은 변형의 거의 모든 것에서 매체 또는 매체의 일부를 대체 하는 적용이 가능하다.

일부 경우에는, 본 발명에 따른 매체는 다른 매체, 예를들면 상업적으로 이용가능한 다른 매체의 작용을 강화하기 위해서 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 매체는 바람직한 필터 작용을 달성하기 위해서 다양한 매체의 하류측, 상류측 또는 층사이에 인가될 수 있다. 예를들면, 본 발명에 따른 매체의 높은 효율 버전이 연마 필터로서 다양한 매체의 하류에 사용될 수 있다. 본 발명에 따른 매체의 높은 적재, 낮은 효율의 버전이 상류측에서 높은 적재 매체로서 사용되는 것에 의해 전체적인 효율을 증가시키기 위해서 일반적인 매체의 상류측에 사용될 수 있다. 본 발명에 따른 매체는 다양한 성분의 필터 시스템 또는 관련 시스템에서 일반적인 매체의 층사이에서 사용될 수 있다.

본 발명에 따른 필터 구성의 한 형태가 도 10 및 도 11에 도시되었다. 도 10의 배열은 일반적으로 이곳에 참조된 미합중국 특허 제 4, 720, 292호에 기술된 것과 유사하지만, 필터 매체이 본 발명에 따른 개선된 매체로 대체 되었다는 점에서 상이 하다. 도 10을 참조하면, 기술된 필터 배열부(100)는 하우징(101), 출구 튜브(102), 필터 요소(101)를 포함한다. 필터 요소(103)의 유지를 위한 하우징(101) 내부의 접근은 해치 또는 커버(105)를 통해서 이루어 진다.

필터 요소(103)는 일반적으로 주름진 필터 매체(110), 외측 라이너(111) 및 내측 라이너(112)를 포함한다. 도 10에 도시된 배열에서 공기 여과는 화살표(115)의 일반적인 방향으로의 공기의 통과에 의해서 이루어진다. 따라서, 하우징(101)은 필터링되는 입구(120)를 포함한다. 공기는 필터 요소(103)를 통해서 통과하기 전에 챔버(121)에서 분배된다. 공기는 이어서 내부 챔버 또는 보어(122)로 유입하고 출구 부재(102)를 통하여 필터 요소를 나간다.

필터 요소(103)는 제1 및 제2 각각의 대향 단부 캡(130, 131)을 포함한다. 필터 매체(110)은 단부 캡(130,131)에 고정되고 그내에 매설되며 그 사이에서 연장된다. 단부 캡(130)은 영역(140)에서 출구 튜브(102)로 방사 시일을 형성하도록 크기가 결정되고 형상화 된다. 단부 캡(131)은 일반적인 방법으로 필터 요소(103)의 단부(142)를 밀폐시킨다.

도 11에서는 도 10에 도시된 배열부의 일부가 개략적인 단면만 도시되었다. 필터 매체(110)은 본 발명에 따른 다중층 배열부이고 거친 물질의 다수의 층(150)을 포함하며, 미세섬유 물질의 이격된 층을 포함한다. 도 10에 도시된 특별한 배열부는 서로 이격되고 세 개의 거친층 전체에 의해서 샌드 위치된 두 개의 미세섬유층(151)을 갖는다. 다시, 본 발명의 원리에 따르면, 필터 매체(110)로서 선택적인 다양한 배열부가 사용된다.

도 10 및 도 11에 도시된 매체는 출구 튜브를 방사 방향으로 시일하기 위해서 구성된 원통형 부재에 합체된다. 매체 또한 축방향 시일 배열부를 위한 필터에 사용될 수 있다.

일반적으로, 본 발명은 표면 적재 매체과 비교하여 높은 적재능을 갖는 매체을 준비하는데 사용되나, 그것의 적재 특성은 보다 거친 물질을 집적하기 위한 필터링과 비교하여 보다 미세한 물질의 필터링을 위해서 작동할 때 보다 잘 알려진다. 따라서, 본 발명 제품을 주름지게 하고 일부 심층(depth) 매체의 하류에 위치 시킴으로써 특성을 얻을 수 있는바, 심층 매체는 거친 미립자를 비교적 효율적으로 집적하고, 본 발명에 따른 매체의 미세한 특수 물질의 높은 효율성 때문에 필터레이션 과정을 강화할 수 있기 때문이다. 보다 효율적인 필터용의 심층 매체의 사용은 미합중국 특허 제5,082,476호, 제5,238,474호 및 제5,364,436호에 기술되었고, 유사한 기술을 사용하나 본 발명에 따른 매체, 심층 매체로부터 하류를 갖게되어서 특성을 얻을 수 있다. 예를들면, 전술한 특허에 기술된 것과 같은 심층 매체는 본 발명에 따른 매체로부터의 상류에 2 내지 10 마이크론 크기 범위에서 미립자를 효율적으로 제거하는데 사용될 수 있고, 본 발명에 따른 매체는 하류에서 2 마이크론 이하의 물질을 매우 높은 효율적인 제거를 달성하기 위해서 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 매체는 통상적인 기술보다 보다 만족할 만한 방법으로 사용될 수 있다.

일부 경우에는, 본 발명에 따른 매체는 주름지지 않으나 패널 또는 원통형 필터 요소에 사용되고 심층 맺질의 하류에 위치되는 방법으로 형상화된다. 매체는 잔류성분으로부터 필터 조립체로 분리가능한 서비스 가능한 부분이다. 본 발명에 따른 매체는 대체 부품으로서 필터 성분의 상부의 상류에서 사용될 수 있다. 서비스 가능한 매체부의 사용방법은 예를들면 상기 미합중국 특허, 그리고 본원에 참고로 인용되는 미합중국 특허 출원 제08/426,220호에 개시되어 있다.

M. 거친 지지체상에 미세섬유를 위치시키기 ; 유체 유동에 대해서 미세섬유를 정향(orientation)시키기.

전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 필터 물질은 적어도 하나의 표면에 인가된 미세섬유 웹 또는 매트를 갖는 거친 지지체를 포함한다. 도면의 평가로부터 명백한 바와 같이, 일반적으로 거친섬유 지지체는 미세섬유의 인가를 위한 두 개의 이용가능한 표면으로서 볼 수 있고, 거친섬유 매트의 한 측상에 있다. 적어도 유용한 시스템에서 왜 미세섬유 매트가 거친 물질의 대향면상에 인가될 수 없는지에 대한 특별한 이유는 없다. 거친 물질 또는 매트릭스는 미세섬유 매트를 적절히 분리하는 작용을 한다. 그러한 배열부가 적재되는 방법으로 사용된다면, 일부 경우에는, 미세섬유의 각 층사이의 분리를 유지하기 위해서 양측상에 미세섬유를 갖는 거친 물질의 그들 층사이에 단지 거친 물질 또는 스크림(scrim)을 포함하는 층을 위치시키는 것이 바람직하다. 그러나, 일부 경우에는, 인가된 미세섬유의 양이, 다른 거친 층상의 미세섬유 층에 바로 인접하여 위치될 때에 효율의 소정의 전체 수준 결과를 초래하도록 선택하는 것이 가능하다.

공기 유동에 대한 물질의 방향에 대해서는, 적재 배열부에서, 일부 특별한 양호성이 감지되지는 않았다. 즉, 미세섬유층은 매트가 인가되는 상류측 또는 하류측중의 하나 일 수 있다.

N. 본 발명에 따른 배열부에의 사용을 위한 매체의 선택

전술한 바와 같이, 현재는 물질의 선택에 대한 매체에 관한 가장 관심있는 요소는 거친 물질이 잘 이격되고 비교적 필터 작용을 하지 않으며, 미세섬유를 적절하게 잘위치 시키어 지지하며, 미세섬유의 층을 전체 구성에서 서로 각각에 대해서 이격되도록 유지시키는 것이다. 미세섬유는 그들의 비교적 작은 직경에 대해서 선택된다. 따라서, 물질의 매우 넓은 변형이 본 발명에 따른 구성에서 tkd용될 수 있고, 넓은 범위의 기술이 그러한 물질의 생성에 적용될 수 있다.

일반적으로, 본 발명에 따른 필터 구성에 사용되는 섬유 물질의 준비를 위한 기술은 필터 디자인어 또는 엔지니어의 일반적인 실시의 범위는 아니고 섬유 가공 및 폴리머 가공의 분야이다. Hollingsworth ＆ Vose, East Walpole, MA 03032 및 Lydal,Inc., Rochester, NH 03867 과 같은 회사들은 미세섬유 물질을 생산하거나 또는 그들을 층으로서 다른 물질에 인가하는 기술에 대해서 잘 알고 있다. 또한, 전술한 바와 같이, 도날드슨 컴퍼니의 울트라-웹(Ultra-Web)제품과 관련한 분야에서 일부 영업 비밀 기술을 개발하였다.

본원에 참고로 인용되는 기술은 일반적으로 미세 또는 울트라-미세섬유의 생성을 설명하고 있다. : 미합중국 특허 제2,450,363호(유리섬유); 제4,650,506호(Wente, Van A)의 "슈퍼화인 열가소성 섬유" (Industrial Engineering Chemistry), Vol. 48, 1342페이지(1956); Schoffel, Norman B.의 " Recent Development with Microglass Media" ; "Advance In Filtraton and Separation Technology" (Vol.9, 184-199페이지, 1995). 일반적으로, 이들 물질의 대부분이 본 발명에 따른 구성에서 미세섬유 웹으로서 사용되는 물질임을 알 수 있다.

거친섬유 매트 또는 매트릭스에 대해서 다시 적어도 이곳에 기술된 상업적으로 이용가능한 물질을 포함하는 넓은 변형이 사용 가능하다.

미세섬유 웹을 발생기키고 그것을 거친 물질의 표면에 인가시키는 기술에 대해서는 다시 다양한 접근이 이용가능하고, 일부 실시에서 바람직한 기술은 적어도 부분적으로 필터 인가, 이용가능한 가공 장비, 미새 섬유 웹에 대해 선택된 특별한 물질 및 거친섬유 물질제조에 사용되는 물질 및 공정에 의존하는 것을 볼수 있다. 적어도 그러한 기술은 웨트-레이드(wet-laid)공정, 에어 레이드 공정, 멜트 블라운(melt-blown) 공정 및 폴리머 섬유 스피닝(spinning)으로서 사용가능하다.

섬유 발생 및 물질 혼합에 일부 특별한 접근이 유용한 필터 구성에 대해 가장 바람직한 것으로 예측되지는 않지만, 발명자는 두 접근 방법으로부터 제조된 매체을 평가하고 비교하였다. 하나는, 글래스를 포함하는 미세섬유를 매체을 준비하는 가능한 공정으로서 이용하고, Reemay 2011에 적용하였다. 공정은 본 발명의 일반적인 기준을 만족하는 유용한 매체을 생성하는 것으로 알려 졌다. 다른 하나는 영업 비밀인 도날드 컴파니사의 울트라-웹(Ultra-Web)변형을 사용하여 제조된 미세 폴리머 섬유이고 미세섬유를 Reemay 2011에 인가 하였다.

특히, 유리섬유에 대해서는, 발명자는 유용한 물질의 형성을 위해서 이곳에 참조된 미합중국 특허 제5,336,286호의 실시예 1에 기술된 변형에 기초한 접근법을 이용하였다. 상기 미합중국 특허 286호의 실시예 1은 인가되는 섬유 물질을 위해서 글래스 또는 유리섬유를 사용하고, 미세섬유가 전착되는 물질로서 Reemay 2011 스크림을 사용하는 변형을 가하고 있다. 한편, 염산(37%) 2ml가 키친 블랜더(kitchen blender)의 물/섬유 슬러리에 위치되고 화학적으로 유리섬유를 분산시킨다.

따라서, 변형의 결과로서, 스크린 상부에 위치된 Reemay 2011 상에 유리섬유를 위치시킴으로써 발생하는 웨트-레이드 전착은 섬유 시이트를 형성한다.

도날드슨 컴퍼니의 영업 비밀인 울트라-웹(Ultra-Web)의 변형을 사용하여 이루어진 다른 실시예가 아래에 기술될 것이다.

물질의 두 형태에 대한 성능에서 실제적인 차이는 아래의 시험에서 관찰되지 않았다. 따라서, 본 발명의 원리에 대해서 그들 사이의 양호성에 대한 근거는 없다.

O. 본원에 기술한 기술을 집진에 적용

일반적으로, 지금까지 기술된 물질의 일부는 공기로부터 매우 미세한 먼지의 필터링을 위한 구성에 사용될 수 있음이 알려져 있다. 일반적으로, 그러한 먼지는 약 1마이크론 이하의 크기를 갖는 작은 물방울이다. 이 크기에서 어느 정도는 필터레이션의 평가를 위해서 그들은 미립자로서 취급된다. 이곳에 기술된 바와 같은 일부 물질은 이어서, 그러한 먼지를 포획하기 위해서 사용될 수 있다. 일반적으로, 높은 분리 효율성은 작은 섬유간의 공간(즉, 포어(pore)이 없는 높은 효율성의 먼지 필터 매체에 대해서 얻어진다. 일반적인 높은 효율성 매체의 작은 포어는 모세관 힘 때문에 액체를 분리되게 유지한다. 이러한 시스템에서 유지된 액체는 공기 통과에 대한 유동 저항의 축적을 급격하게 증가시키고 이것은 사용가능한 필터의 수명을 단축시킨다. 그러한 실시에서, 집적되는 유체에 대해서 저항적인 섬유 표면이 잇점으로 이용될 수 있다.

P. 액체 필터 시스템

일반적으로, 이곳에 설명된 기술은 유체 스트림의 다양한 변형을 포함하는 실시에 상용될 수 있다. 따라서 제공된 설명의 대부분이 미립자를 운반하는 공기 또는 가스 유동 스트림과 관련 있다. 그러나, 이곳에 설명된 물질은 또한 액체 여과의 시스템에 사용될 수 있다. 즉, 액체는 전술한 바와 같이 미립자가 포획되는 본 발명에 따른 매체을 통하여 정향될 수 있다.

일반적으로, 액체 시스템에 적용되면, 이격된 미세섬유 층의 수자를 증가시키는 것에 의해서 필터 매체 수명을 증가시키는 원리는 비록 집진 기구가 체질이지만, 액체에 대한 것은 공기에 대한 것과 같다. 집진 기구가 체질이기 때문에 액체 실시에서의 혼합물의 효율성은 가장 높은 효율성을 갖는 단일층의 효율성에 제한을 받는다. 액체 실시에서의 일반적인 효율성은 윤활융에 대한 약 50%에서 오일 필터 매체에 대한 약 99% 까지 변화한다. 따라서, 액체 필터 시스템에 적용되는 본 발명의 실제적인 실시예는 일반적으로, 가스 터빈, 엔진 공기 유입 시스템, 실내 또는 실내공기여과시스템과 같은 낮은 혼합물 효율의 공기여과에서 사용되는 것보다 높은 효율의 층을 포함한다. 본 발명은 또한 통기 시스템에서 HEPA 등급 또는 ULPA 등급 여과와 같은 높은 효율의 요건을 갖는 공기 여과에 적용될때에 특성을 제공한다. 본 발명은 또한 필터 수명과 다중 층을 통한 보다 높은 신뢰성을 제공한다. 과분한 필터레이션을 통하여 전체 시스템이 각 층에서 매체 틈(flaw)에 대해서 덜 민감하다.

Q. 그 외의 언급

다음에서 물질의 평가에 대한 실험을 보고하고 있지만, 일부 다른 관찰이 본 발명에 따른 일부 바람직한 물질에 대해서 이루어 질 수 있다. 먼저, 거친 기판 또는 매트릭스가 매우 미세섬유 및 구조체에 일체성을 제공하여 제조 및 취급 또는 사용동안 미세섬유의 손상 가능성을 감소시킨다. 거친 지지체 또는 매트릭스가 없다면 미세섬유 구조체는 다른 물질의 접촉에 의해서 쉽게 손상될 수 있다. 그러나 본 발명의 바람직한 배열은 내구성이 있어서 재사용을 위해서 사용후에 공기 플러쉬에 의해서 청소되거나 액체로 청소 될 수 있는 일부 구조체가 준비될 수 있다.

층의 다중 공기층을 통한 본 발명에 따른 배열부를 기판상에 만드는 것이 바람직하다. 예를들면, 다공성 스크림이 미세섬유 인가후에 놓이고 다른 거친 층이 인가되고 다른 미세섬유 층이 인가된다. 따라서, 전체적인 혼합물이 다수의 공기 레이드 섬유 단계에 의해서 연속적으로 만들어 진다. 이것은 일부 공정의 실시에서 바람직하다. 개개의 층으로부터 준비된다면, 구성에 대한 상이한 전체적인 작동을 초래하는 것이 반드시 필요한 것은 아니다.

R. 또 다른 언급

1. 평가된 마이크로 섬유 길이 및/또는 거친섬유 지지체의 단위 영역당 마이크로 섬유 표면의 특성

이전 부분에서, 논의는 거친섬유 기판의 단위 영역당 인가되는 마이크로 섬유 중량의 관점에서 거친섬유 지지 기판에 인가되는 미세섬유(즉, 마이크로 섬유)를 포함하는 일부 바람직한 물질의 특성에 있어왔다.

이것과 관련하여 관심은 예를들면, 섹션 "J"에 표시된 테이블과 섹션 "F" 및 "I.4." 에 나타난 논의에 집중된다. 글래스는 마이크로 섬유를 형성하기 위해 사용가능한 것으로 특징있는 물질중의 하나이다. 약 2.6g/cc의 글래스의 비중력이 주어지면, 주어진 직경의 유리섬유에 대해서 제곱미터당 중량 뿐만아니라 "거친섬유 지지 매체의 제곱미터당 섬유 길이"의 관점에서 거친섬유 기판에 인가되는 미세섬유( 또는 마이크로 섬유)의 양을 특성화 시키는 것이 분명하다. 섬유는 일반적으로 원통형 외측면을 가지므로 "거친섬유지지 매체의 단위 면적당 미세섬유의 표면 영역"의 특성화 또한 가능하다.

아래의 표 R1에 있어서, 매체의 단위 면적당 측정된 마이크로 섬유의 길이와 일부 선택된 유리섬유 기초 중량 인가에 대한 매체의 제곱 미터당 측정된 마이크로 섬유 표면적이 제공되었다. 특히, 3개의 유리섬유 직경이 제공되는바, 0.10 마이크로미터, 1.00 마이크로미터 및 3.00 마이크로미터 직경이 제공된다. 3개의 비기초중량이 주어진다. 0.10 g/㎡, 1.00g/㎡ 및 10g/㎡ 이다. 이들변수 및 2.6 g/cc 의 가정된 비중력에 기초하여 매체의 제곱미터당 인가된 마이크로 섬유 표면의 양과 제곱 미터당 인가된 마이크로 섬유 길이의 양을 나타내는 특징들이 테이블에 제공된다.

표 R1

표 R1의 접근과 관련하여 제공된 정보의 해석을 용이하게 하기 위해서 주위는 아래의 표 R2에 주어진다. 표 R2에서, 섹션"J"에서 나타나는 표는, 글래스에 대해서 2.6 g/cc의 가정된 비중력의 계산과 0.4 마이크론의 평균 섬유 직경에 기초하여 예의 일부 것에 인가된 섬유의 길이와 표면적을 지시한다.

표 R2

아래의 표 R3에서는 계산이 2.20 마이크론의 가정된 섬유 직경에 기초하여 이루어진 것을 제외하고는 표 R2에 나타난 것과 유사한 표시가 이루어졌다.

표 R3

한번 엔지니어가 선택된 물질을 경험하면, 부분적인 계산에 근거하여 시스템을 모델링하는 것이 가능하다. 아래의 표 R4에서는, 가정된 물질 두께와 섬유 직경 및 기초 중량에 기초하여 글래스 미세섬유 층의 특성을 포함한다.

표 R4

이전 부분의 논의에서 보여주는 바와 같이, 아래의 일부 실험에서는, 마이크로 섬유가 형성되는 특수한 물질은 많은 경우에 있어서 이곳에 기술된 원리에 따르는 유익한 효과를 달성하는데 중요한 요소이다. 일부 주어진 직경에 대한 섬유의 양과 일부 주어진 섬유에 대한 섬유 표면적의 양은 원하는 필터링 효과를 달성하는데 보다 중요하다. 표 R1, 표 R2, 표 R3 및 표 R4는 선택된 특수한 물질에 대한 특수하지 않은 일반적인 기판에 인가되는 미세섬유의 양을 특성화 시키는데 보다 일반적인 접근을 보여주고 있다. 즉, 길이 또는 표면적으로 단위 면적당 인가되는 미세섬유의 양을 평가함으로써 그 평가에서 미세섬유 물질의 비중력, 즉 특수한 조성의 변수를 제거할 수 있다. 선택적으로, 유리섬유를 사용하는 계산은 주어진 직경의 섬유에 대해서 기판의 단위 면적에 대한 섬유 길이 또는 섬유 표면적의 일부 양으로 기대되는 성능의 한 형태를 나타내고 있다. 유사한 직경과, 단위 면적당 섬유 길이와 단위 면적당 섬유 표면적을 갖는 선택적인 물질의 글래스에로의 치환은 유사한 필터링 특성과 효율을 보여준다.

위 면적당 섬유 길이와 같은 특성은 강성(solidity)의 적재 밀도의 효율적인 지시기이다. 그와 같이, 그들은 낮은 기초 중량에서 섬유 기하학을 표현하는 것이 된다.

2. 정전기적으로 충전된 매체

전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 미세섬유의 인가는 매체의 추가적인 형태의 변형과 관련해서 사용될 수 있다. 중립 매체 또는 선택적인 정전기적으로 충전된 매체이 언급된다.

특히, 예를들면, 본 발명에 따른 마이크로 섬유의 인가는 정전기적으로 충전된 영역을 포함하는 전체 조성에서 사용될 수 있음을 보여 준다. 흔히, "일렉트릭(electric)" 으로 참조되는 정전기적으로 충전된 매체는 마이크로 섬유가 인가되는 기판으로서 사용되고, (a) 마이크로섬유 물질의 상류,(b) 마이크로섬유의 하류 및 (c)마이크로 섬유 물질의 층사이중의 하나인 전체적인 다중 층 매체 혼합물에 위치된 매체의 분리층으로서 사용될 수 있다.

특징적인 구성의 변형이 정전기적인 충전 매체의 사용을 통하여 만들어진다. 예를들면, 정전기적인 충전 매체는 많은 실시에서 높은 초기 효율성을 제공한다. 그러한 매체의 문제점은 그러나 그것의 초기 효율성과 관련해서 장시간의 효율성은 상실된다는 점이다. 보강된 초기 효율성을 강화하기 위해서 정전기적 충전 매체는 본 발명에 따른 마이크로 섬유로부터 상류에 사용될 수 있다. 그러한 매체의 바람직한 매체는 E30와 같은 정전기적 충전 매체, 모든 FELT of Genoa, IL 60135 로부터 이용가능한 충전 섬유 물질일 수 있다. 그것은, 30g/㎡의 기초 중량, 0.5psi에서의 0.024 인치의 두께, 600⁺의 투과도(fpm)과 43%의 LEFS의 효율성을 갖는다. 일반적으로, 바람직한 것은 인가된 정전기적 충전이 없을때에 80% 미만의 LEFS 효율과 일반적으로 10%-50%(보다 일반적으로는 20-50%)의 LEFS 효율성을 갖는 매체이다.

일부 경우에는, 마이크로 섬유 자체를 포함하는 거친-미세섬유 조성물의 부분을 정전기적으로 충전하는 것이 바람직하다.

일부 실시에서는, 정전기적 충전 물질의 추가층을 전체 구성에 인가하기 보다는 마이크로 섬유가 인가되는 배열부내에 정전기적 충전으로 하나 또는 그 이상의 "지지" 또는 "이격" 구조체를 제공하는 것이 바람직하다. 즉, 마이크로섬유는 정전기적 충전 기판에 직접 인가될 수 있거나 또는 충전이 마이크로 섬유가 인가된 후에 기판에 가해질 수 있다.

일반적으로, 정전기적 충전을 매체에 가하는 방법에 대한 변형이 일반적인 것을 포함하여 이섹션에 정의된 접근 방법으로 사용될 수 있다. 일부 경우에는 상업적인 물질이 사용될 수 도 있다.

3. 화학적 흡수재를 포함하는 매체의 사용

이곳에서 용어 "흡수재"는 흡수재 및 흡수되는 물질을 참조하는 것으로 사용된다. 즉, 일반적으로 유기물인 포획되는 화학적 물질과 필터 물질 사이의 상호 작용의 특별한 성질은 참조되지 않는다.

물질의 변형물이 화학적 흡수재로서 사용된다. 예를들면, 활성 탄소 또는 석탄 매체이 향기와 다른 유기물을 흡수하기 위해서 사용된다.

탄소 미립자와 같은 화학적 흡수재를 포함하는 섬유질 매체이 개발되었다. 그러한 물질은 Hoechst Celanese Corp.,(Charlotte, North Carolina, 28232-6085)사로부터 이용할 수 있는 AQF 흡수 매체이다. 투과도(일반적으로 137-279 ft/min), 두께(0.0661-0.0882 인치), 기초 중량(280-382 lb/3000제곱 피트), MD 스티프니스(2220-4830 mg) 및 MD 인장강도 (17-30lb/인치)의 변형물이 사용될 수 있다. 이것에 기술된 바람직한 것중의 하나는 다음의 특성을 갖는 AQF-375C 이다.

기초 중량 : 480 g/㎡

높은 성능의 활성탄 : 구형

탄소 함량 : 375g/㎡

탄소 먼지 침입 : 없음

캘리퍼 : 1.45㎜

인장강도 : 30 lb/in

공기 침투도 : 160 ft³/ ft²/분

압력강하 : @ 300 cfm/ft^2,편평 1.2 in

0.63 ㎡의 주름을 갖는 10 X 10 X 1.5"의 매체에 대해서 다이나믹 흡수 @ 100 cfm 공기 유동

80 ppm n-뷰탄 흡수 능력 - 6.0g

파괴 @ 5분 - 40%

80 ppm 톨루엔 가스 흡수 능력- 55g

파괴 @ 5 분 -7%

30 ppm 5O₂가스 흡수 능력- 9.2g

파괴 @ 5분 -21%

미립자 제거 효율 0% @ 0.4 um

AC 미세 먼지 @ 313 ft/분 10% @ 1 um

필터 면속도(공기 역학적 미립자크기) 70% @ 3um

먼지 적재(10 X 10 X 15") @ 50% ΔP 상승 - 6g

그러한 매체는 본 발명에 따른 전체적인 배열에서 특성으로서 이용될 수 있다. 매체는 예를들면 마이크로 섬유가 인가되는 지지부로서 사용될 수 있다. 선택적으로는, 그러한 물질은 특성을 갖는 전체적인 혼합물을 만들기 위해서 마이크로 섬유 매체(그것의 지지부)의 영역으로부터 상류 또는 하류의 매체의 한 영역으로서 사용될 수 있다.

4. 주름진 매체의 두께에 대한 언급; 처리

일반적으로, 예를들면 회전형 주름 장비로는 용이하게 주름 잡힐 수 있는 주름 시스템을 위해서는, 최대 두께는 약 0.060 인치이고, 전형적으로 얇은(0.040 인치, 종종 0.030 인치 정도) 매체이 양호하다. 따라서, 주름 매체의 개발과 관련된 고려의 요소는 관여되는 전체적인 두께이다.

일반적으로, 셀룰로스 매체과 같은 매체의 오일 처리는 수명을 연장한다. 이것은 오일처리 매체는 덴트라이트를 집적하여서 공기 유동을 블록킹하기 보다는 탄화 미립자를 집적하여서 탄화 미립자는 오일에서 현수 되는것에 부분적으로 기인한다. 오일 처리 매체을 포함하는 배열부가 예를들면, 이곳에 참조된 미합중국 특허 제5,238,474호에 기재되었다.

일반적으로, 공기 필터 장비의 하류측의 질량 유동 감지기가 자주 사용된다. 예를들면, 자동차 및 트럭 산업에서 질량 유동 감지기가 공기 청정기로부터 하류측에 종종 위치된다. 공기 청정기에 사용된 매체는 오일 처리와 같은 처리를 포함하는바, 오일처리 자체는 공기 청정기를 떠나는 질량 유동에 영향을 미치거나 또는 장비의 오염에 영향을 미친다. 또한 오일처리가 한번되면, 매체는 일부 미세섬유를 보다 많이 통과하는 경향이 있고, 그것은 낮은 효율성으로 인해서 필퍼 수명을 연장시킨다.

많은 경우에, 전술된바와 같은 미세섬유 층을 포함하는 매체는 오일처리 매체 대신에 특성있게 사용될 수 있다. 이런 것들의 여러 시료가 이하에 기술된다.

그러나, 주름을 위한 바람직한 매체을 포함하기 위해서 일반적으로 매체의 전체 두께는 0.060 인치(0.15㎝)정도, 양호하게는 0.030 인치(0.076㎝)정도이어야 함을 기억 해야 한다. 이것을 이루기 위해서, 미세섬유 층수를 제한 할 필요가 있고, 가능한 한 이격 층의 두께를 줄일 필요가 있다. 이것을 위한 바람직한 이격 섬유는 약 0.003인치(0.0076 ㎝)두께, 가장 양호하게는 약 0.0015 인치(0.0038㎝) 미만의 두께이다.

5. 면 속도와 구배에 관계되는 언급

Ⅴ. 비구배 시스템

몇몇 시료로서, 전체적으로 동일한 퍼센트의 효율을 갖는 적재 또는 미세 하이버 층의 영역을 갖는 아래에 언급되는 시료는, 일부 시험 조건하에서 미세섬유 층중의 성분은 동일한 효율의 미세섬유 층의 이용에 양호함을 보여주고 있다. 즉, 전체적으로 동일한 혼합물 효율이 포함된다면, 혼합물(상류로부터 하류로)내에서 낮은 효율로부터 높은 효율로 혼합물을 이루는 개개의 미세섬유 층에서 일반적으로 성분이 양호할 수 있다.

그러한 관찰이 넓은 범위의 면속도에 걸쳐서 유지되는 것을 기대할 수 있는지에 대한 사고를 할 수 있다. 특히, 면 속도가 실질적으로 증가함에 따라서 상류층에서의 미립자 덴트라이트의 형성이 낮은 비율로 발생하는바, 높은 면속도는 보다 큰 침투를 포함하고 형성된 덴트라이트상에 먼지 미립자의 충격은 덴트라이트의 파손(또는 덴트라이트 축적의 방해)을 야기하기 때문이다. 따라서, 어느 정도는 높은 면속도하에서의 실시는 미세섬유 혼합물내에서 비구배 층에 반대되는 성분 층을 이용하는 것과 관련되는 특성을 부정하는 경향이 있다.

6. 다른 가능한 구성

a. 주름 시이트 구성의 개선

주름진 매체(시이트로부터)이 필터 구성의 넓은 변형에 사용된다. 상업적으로 이용되는 매체는 다음을 포함한다. 셀룰로스, 유리섬유, 또는 인조 폴리머 섬유 시이트, 팽창된 폴리테트라플로르에틸렌(PTFE)시이트, 및 섬유 블랜드 시이트. 개선되 혼합물은 본 발명에 따른 다중 미세섬유 배열부가 그러한 매체과 결합하여 인가되는 것이 수행될 수 있다.

필터 매체로서 사용된 일반적인 팽창된 폴리테트라플로르에틸렌 시이트는 0.1-0.3 마니크론의 섬유 크기, 2-70의 투과도(fpm), 80% 이상의 LEFS 효율(일반적으로 90%이상)(일반적으로 80-99.9999%의 DOP 효율)을 갖는다.

여기서, 용어 "다중 미세섬유 층 구성 또는 영역" 또는 "MFFL 구성 또는 영역" 는 본 발명에 따른 미세섬유의 구성을 참조한다. 그것은 다수(적어도 두 개)의 이격 층 또는 매트릭스 배열에 의해 분리되는 미세섬유 층을 포함한다. 지금까지의 기술된 원리에 의해서 지시된 바와 같이, (동일한 또는 다양한 LEFS 효율의)미세섬유 층의 이용은 바람직한 효율의 전체적인 MFFL 구성을 제공하는데 사용된다.

15% 보다 큰 LEFS 효율과 10ft/분 보다 큰 투과도와 0.020 인치 미만의 전체 두께를 갖는 일반적인 셀룰로스 시이트를 고려한다. 이것은 일반적인 주름가능한 매체이다.(물론, 전술된 다른 선택적인 물질도 사용될 수 있다.)

셀룰로스 시이트(또는 전술된 다양한 다른 시이트)에 실제적으로 개선된 주름 매체을 이루기 위해서 본 발명에 따른 MFFL 구성을 인가할 수 있다. 예를들면, 60% 이하의 전체적인 LEFS 효율을 갖는 MFFL 구성을 셀룰로스 시이트의 상류측에 인가하는 것을 고려한다. 이것은 예를들면, 전술된 바와같은 이격 구성부 또는 지지부 구성체(매트릭스)에 의해서 이격된 미세섬유의 세 개의 층을 사용하여 용이하게 형성된다. 미세섬유의 가장 하류층은 원한다면 셀룰로스 시이트에 대해서 직접 인가될 수 있다. 약 60%의 전체적인 LEFS효율이 약 25%의 평균 LEFS 효율을 나타내는 세 층으로부터 준비된다.

양호하게는 두께에서 0.003 인치 미만, 더욱 양호하게는 층당 두께에서 0.0015 인치의 이격 층이 사용된다. 따라서, 전체적인 두께는 0.060 인치 미만이고 용이하게 주름이 가능하다.

이 물질 또는 영역은 일반적인 셀룰로스 시이트 대신에 엔진 필터로 용이하게 주름질 수 있다. 그것은 셀룰로스로부터 상류에 MFFL 내에 발생하는 적재 형태 때문에 연장되 수명을 갖는 전체적인 필터 구성을 제공한다. 선택적인 실시에서, 작은 크기이지만 일반적인 (주름진 셀룰로스)요소와 동일한 길이의 수명을 갖는 필터 요소를 제공하는데 사용될 수 있다. 유리하게, 전체 공기 청정기는 따라서 작은 크기로 재설계된다. 일부 실시예에서는, 예컨대 후드 아래에서 자동차의 외부에서 내부 위치까지 이동될 수도 있다.

전술된 구성의 전체적인 형태에서, MFFL 구성으로부터 셀룰로스(또는 다른 시이트) 매체 하류로 이어지는 구성은 전체 시스템에 구조적인 일체성을 제공한다. 따라서, MFFL 구성은 상대적으로 낮은 면 속도에서 사용될 수 있으나, 또한 예를들면 HAVC 또는 실내 공기필터 실시의 비교적 높은 면 속도를 포함하는 실시에 사용될 수도 있다. 물론, HEPA 또는 ULPA 필터에도 사용될 수 있다.

b. 심층 매체을 포함하는 개선된 필터 구성

이곳에 참조된 미합중국 특허 제5,082,476호, 제5,364,456호, 제5,238,474호 및 제5,423,892호에서, 심층 매체 또는 심층 매체의 다양한 층을 포함하는 공기 필터의 구성의 변형이 기술되었다.

심층 매체의 한 영역 또는 다수의 영역으로부터 하류에 위치되는 많은 경우에, 주름진 매체(예컨대, 셀룰로스 매체)이 위치된다. 일부 경우에는, 예를들면, 미합중국 특허 제5,238,474호에 기술된 것중의 일부 하나에서, 하류 주름진 매체는 오일 주름 매체, 일반적으로 오일 처리된 셀룰로스 매체을 특징으로 한다. 전술한 바와 같이, 유리하게 본 발명에 따른 셀룰로스 (또는 다른 시이트)/ MFFL 구성의 조합을 사용에 의해서 오일 처리를 방지할 수 있다. 이것은 일부 경우에는 공간을 절약하고, 다른 경우에는 질량 유동 감지기와 같은 하류 장비에 대해서 나쁜 영향을 줄수 있는 오일 물질의 사용을 방지 할 수 있다.

물론, 본 발명에 따른 MFFL 구성은 오일 매체을 포함하는 배열부에서 사용될 수 있다.

C. 자동차 실내공기여과의 배열

일반적으로, 자동차 실내공기여과, 즉 자동차용 실내공기여과는 두 개의 관심 사항이 포함되는 바, 향기의 제거와 미립자의 제거이다. 본 발명에 따른 MFFL 구성을 포함하는 혼합 배열은 양자에 대해서 효율의 원하는 수준을 달성하기 위해서 전체 시스템 내로 합체될 수 있다. 물론, 하나의 미세섬유 층 배열부가 정전기 또는 탄소 흡수 매체과 같은 물질과 조합하여 사용될 수 있다.

전술한 바와 같이, 향기 여과에 대해서는 일반적으로 화학적 흡수재 필터가 바람직하다. 예를들면, Hoechst Celance AQF-375C의 활성 탄소 필터 매체과 같은 물질이 이것을 달성하기 위해서 사용될 수 있다. MFFL 구성은 캐빈 공기 여과에서 미립자 제거에 매우 효율적이다.

한편, 전체 시스템에 "정전기" 구성을 조합할 수도 있다. 즉, 그곳에 인가되는 전기 충전량을 갖는 매체이 전체 자동차 실내공기필터 구성에 사용될 수 있다.

일반적으로, 정전기적 매체는, 높은 초기 효율성을 갖고, 이것은 적재로 인한 비효율성 때문에, 필터를 횡단하는 생성된 압력 차이에서 비교적 작은 증가경향으로 케이크가 형성될 때까지 적재로 감소하는 높은 초기 효율을 갖는다. 전술된 바와 같은 MFFL 구성은 정전기적인 것과 비교해서 낮은 초기 효율을 갖는다. 두 개가 조합될때에, 일반적으로, 각각의 원하는 공헌도가 달성된다. 정전기적 물질이 본 발명에 따른 MFFL 물질에서 상류에 위치되면, 정전기적 물질의 높은 초기 효율의 특성을 이용할 수 있다. 예를들면, 비교적 가벼운(얇은)물질이 원하는 초기 효율성을 제공할 뿐아니라 바람직하지 않은 압력 편차의 발생을 낮추도록 사용될 수 있다. 정전기적 물질의 하류에 MFFL 구성이 전체적인 원하는 효율성을을 제공하고 오랜 수명(압력 편차의 느린 축적)을 제공하기 위해서 사용된다. 물론 이 조합은 원하는 수준의 방향 흡수를 위해서 탄소 적재 매체와 조합하여 사용될 수 있다.

예를들면, 일반적인 구성은 상류에서 하류로 정전기적/방향 흡수재 매체/MFFL 구성을 포함하는 혼합물일수 있다.

그러한 구성은 용이하게 주름질수 있는 두께에 대해서 지금까지 설명된 기술을 이용하여 제조된다.

d. 엔진공기여과의 배열

본 발명에 따른 기술이 엔진 흡기 공기 여과 시스템에 실제적인 개선을 제공하기 위해서 사용될 수 있다. 이러한 시스템은, 예컨대 내연기관 엔진의 다양한 변형에서 사용될 수 있다. 이러한 시스템은, 예컨대 자동차와 같은 승용물, 트럭, 운반트럭, 장거리 화물트럭, 건설기계, 농업기계, 버스, 덤프트럭, 쓰레기차 및 각종 다른 기계의 공기여과시스템에 사용된다. 예컨대, 일반적으로 마력이 약 100 hp에서 약 3000 hp까지 범위의 엔진의 공기흡기시스템에 이 기술이 사용될 수 있다.

본원에서 기술한 시스템을 포함하면서 이러한 시스템, 매체, 특히 주름진 매체와 함께 선택하는 경우 효율이나 수명, 또는 이들 양자에 대해 상당한 장점을 제공한다. 일반적으로, 10%에서 90% 까지, 통상적으로 10%에서 70% 까지의 효율을 갖는 별개의 미세섬유 층을 기초로 약 99% 이상까지의 효율을 갖는 전체 복합재가 형성될 수 있다. 매체는 바람직한 전체 복합구조를 제공하기 위해 예컨대 주름진 종이나 주름진 합성매체 등과 같이 다른 매체와 함께 주름질 수 있다. 일부 시스템 깊이 매체구조에서 미세섬유배열로부터 상부 또는 하부가 또한 적용될 수 있다. 이에 대한 각종 접근방법을 기술하였다.

e. 지(Zee) 필터 구조에 사용된 매체의 응용예

일반적으로 "지 필터" 또는 "지-필터" 구조체로서 불리우는 다양한 배치형태가 공지되어 있다. 예를 들면, 미국 특허 제1,729,135호, 제2,599,604호, 제3,025,963호, 제4,589,983호, 제2,552,625호, 제2,558,185호, 제5,322,537호, 제3,112,184호, 제4,439,321호, 제4,310,419호, 제,4713,097호, 제5,512,075호 및 제4,039,347호 및 통상 양도되고 출원 계류중인 미국 특허 출원 제08/639,371호 (1996년 4월 26일자 출원), 제08/638,453호(1996년 4월 26일자 출원), 제08/638,703호(1996년 4월 26일자 출원) 및 제08/639,154호(1996년 4월 26일자 출원)를 참조한다. 상술한 19개의 인용자료는 본원에 참고로 인용된다. 본 명세서에 기술된 바와 같은 미세섬유 구조체가 이러한 매체에 사용될 수 잇는 것으로 추정된다. 즉, 일반적으로 셀룰로스 또는 합성매체 등의 주름진 시트로 형성되는 이러한 구조는 본 발명에 따라 소정 간격의 미세섬유층(또는 MFFL 구조체)을 그것에(전형적으로 상류측부) 가함으로써 개선될 수 있다. 전체 복합물은 훨씬 더 바람직한 효율/적재 특성을 갖출 수 있다. 이러한 배치 형태는 예를 들면 가스 터빈 시스템, 엔진흡입공기여과시스템 및 관련된 공기 필터응용품과 같은 시스템에 사용될 수 있는 것으로 추정된다.

실험

본 발명의 매체를 평가하기 위해, 다양한 실험을 행한다. 실험으로부터, 본 발명에 따른 매체의 사용에 따른 특정 이점은 명백하다.

실험에 사용된 매체

실험을 위해 각종 매체를 사용한다. 한 실험에서 비교를 위해, 35% LEFS 셀룰로스가 배치된 매치를 사용한다. 이에 관련해서 용어 "35% LEFS" 는 효율 특성 기술로 0.78 마이크론 미립자를 포획하기 위한 매체의 효율이 35% 이다는 것을 말한다.

일부의 실험에서, 미세섬유가 유리섬유로 구성되는 매체를 사용한다. 이러한 경우에는, 매체는 다공성 폴리에스테르 스크림(상품명: 리메이(Reemay) 2011) 상에 한 층의 유리 미세섬유로 구성된다. 일반적으로, 유리 미세섬유는 직경이 약 0.1∼3.0 마이크론으로 다양하다. 거친 스크림 또는 섬유 매트릭스는 일반적으로 상품명 " 리메이 2011"하에 시판되는 상술한 폴리에스테르 스크림으로 구성된다. 각종 유리섬유의 일반적인 제조기술은 미국 특허 제5,336,286호에 관하여 앞에서 기술되었다. 유리섬유 매체 또는 복합물은 통상 본 명세서에 기재된 기술에 따라 0.78 마이크론 미립자를 포획하기 위한 효율을 나타내는 비율로 %LEFS에 관하여 규정된다.

본 명세서에 기재된 몇몇 샘플은 "울트라-웹(Ultra-Web)타입" 매체 또는 DCI 고분자 섬유 물질로서 명명된다. 이들 매체는 일반적으로 "울트라-웹(Ultra-Web)(the Donaldson Company 제품)" 표면 적재매체용으로 사용된 타입의 미세섬유를 그 위에 가한 거친 폴리에스테르 스크림(리메이 2011)로 구성된다. 미세섬유는 통상 사이즈가 약 0.1∼0.5 마이크론이고, 통상 고분자로 구성된다. 매체 또는 복합물은 전형적으로 % LEFS에 관하여 규정되며, 이 용어는 상술한 기타 응용예에서와 동일한 의미를 나타낸다.

달리 지시하지 않으면, 모든 실험에 있어서 거친 기판은 리메이 2011이고, 복합물은 3M 슈퍼(Super) 77 스프레이 접착제(3M Co. 제; St. Paul, MN)를 사용하여 라미네이트된다.

실험 1

담배 연기 적재

이 실험은 동일한 미세섬유로 제조되고 대략 동일한 초기 효율을 가지나 작은 섬유간 간격을 갖는 필터 매체에 관한 적재(수명)를 향상시키기 위해, 본 발명에 따른 섬유 조직 및 비교적 개방된 구멍을 사용하는 고 효율 매체의 용도를 평가한다. 담배 연기는 여러가지 이유로 사용된다. 첫째, 작은 구멍을 갖는 통상적인 고 효율 필터를 재발리 틀어 막는 경향이 있다. 연기 중의 타르는 유동하며, 작은 섬유로부터 큰 모세관력을 받기 쉬운 무정형 고체이다. 모세관력으로 인해, 담배 연기 잔류물이 섬유를 코팅하여 구멍으로 넣는다. 둘째로, 차량 객실 공기. 실내 공기 등에 부닥치는 통상적인 오염물질이다.

시험 물질:

(a) 호볼린(Hovolin) 7311의 기판상에 최세한 고효율 미세 고분자 섬유로 구성되는 "울트라-웹타입 미세섬유물질의 단층. 호볼린 7311는 폴리에스테를 섬유로 구성되는 홀링스워스 앤드 보스(Hollingsworth ＆ Vose) 기판임.

(b) (a)의 고 효율 미세 고분자 섬유의 단층보다 구멍(섬유간 간격)이 큰 "미디엄" 효율 (68.6% LEFS) 미세 울트라-웹섬유의 단층.

(c) 리메이 2011 상의 미세 고분자 섬유의 14층으로 된 복합물. 99.6%의 복합물(전체 초기) LEFS 효율, 약 28%의 단층 LEFS 효율. 이 물질의 미세섬유의 섬유간 간격은 (a) 또는 (b)에 기재된 매체 중 하나보다 크다. 이 물질은 미세섬유를 리메이 2011에 가하는 "울트라-웹기술을 이용하여 제조된다.

결과:

1. 6.8 fpm(2.1 meters/min)에서 3인치의 H₂O 제한 적재는 태워진 담배의 수로 측정된다.

2. 적재된 면적은 각 경우에 81 제곱 인치이었다.

3. 초기 LEFS 효율보다 낮은 최종 LEFS 효율(매체(b) 및 (c))은 오염물질의 특성과 과년되는 것으로 추정된다. (효과가 다층 시스템보다 단층 시스템에 대하여 훨씬 더 현저하다는 것이다.). 섬유를 코팅하는 유체는 습윤 상태의 섬유 직경을 효과적으로 증가시킨다. 또한, 작은 구멍이 막혀지고 압력 강하가 증가함에 따라, 유량 및 에어로졸은 오랫동안 개방된 채로 남아있는 큰 구멍으로 전환될 수 있다.큰 구멍을 통과하거나, 또는 습윤 상태의 큰 섬유를 통과하는 비교적 작은 미립자 (0.78μ)는 매체가 적재되지 않은 때보다 수집하려는 경향이 낮다.

결론:

매체(a)과 매체(b) 간의 차이를 비교하면, 수명과 효율간의 균형은 명백히 설명되고, 응용을 위해 한 선택 매체에 이용할 수 있는 선택 종류를 대표한다. 이러한 경우에는 매체(a)에서 매체(b)로 진행할 때에 오염물질의 45배 만큼 초과하는 비용으로 5 또는 6배 수명증가가 얻어졌다(초기 효율을 기준으로 함.).

매체(b)과 매체(c) 간의 차이를 비교하면, 68.6%에서 99.6%로의 초기 효율 증가에 의해 반영되는 바와 같이, 매체(b)에서 매체(c)로 진행할 때에 4배의 수명증가가 얻어졌고 복합물의 미립자 투과성이 78배 감소되었다.

매체(a)과 매체(c) 간의 차이를 비교하면, 22배의 수명증가가 얻어졌고 복합물의 미립자 투과성은 실제로 변화되지 않았다.

선택된 효율 레벨에 대해서는, 미세섬유층을 비교적 멀리 떨어지게 하도록 큰 섬유를 사용함으로써 수명을 상당히 향상시킬 수 있다. 본 발명에 따르면, 몇몇 시스템에서 서로 상충되지 않으면서 수명과 효율, 또는 적어도 하나를 향상시킬 수 있지만, 수명은 전형적으로 통상적인 매체를 이용하여 효율로 전환된다.

실험 2:

DOF 효율 및 적재

동일한 미세섬유로 형성되고 대략 동일한 초기 효율을 지진나 섬유간 간격이 더 작은 섬유 매체에 관한 적재(수명)을 향상시키기 위해 비교적 개방된 구멍을 갖는 섬유 조직을 이용하여 고 효율을 평가하도록 이들 시험이 행해졌다. 택일적으로, 필터 수명이 동일한 복합물 효율을 유지하면서 단층(성분) 효율을 감소시킴으로써 필터 효율이 향상되는지의 여부를 평가하기 위해 연구가 이루어졌다. DOF는 담배 연기에 함유된 타르와 유사한 무정형 고체가 아니라 오일이며, 구멍을 막고, 집어 넣으며, 섬유섬유를 코팅하는 것에 관하여 실험 1의 타르와 훨신 더 유사하게 작용한다. 그러나, 이 시험에 사용된 시험장치는 실시간 효율 및 압력강하를 측정한다.

세트 업:

참조: MIL STD 282, ASTM D 2986

시험 물질:

(a) 99%의 결합된 LEFS 효율을 갖는, H＆V 7311의 기판상의 서브 마이크론 고 효율 미세 고분자 섬유의 단층.

(b) 7개의 리메이 2011 층의 미세 고분자 섬유층 및 리메이 2011로 된 8개 층으로 된 복합물. 미세섬유는 도날드슨 컴퍼니의 울트라-웹처리에 의해 형성된 타입으로 이루어짐. 복합물(전체) 초기 LEFS 효율은 97.5%이고, 단층(미세섬유로 된 리메이 2011) LEFS 효율이 41%임. 이 물질의 미세섬유의 섬유간 간격이 (a)에 기재된 매체보다 큰 것으로 관찰되었다.

(c) 리메이 2011 상의 미세 고분자 섬유(울트라-웹타입 섬유)의 14층으로 된 복합물. 이 복합물은 전체 초기 LEFS 효율이 99%, 단층(미세섬유로 된 리메이 2011) LEFS 효율이 28%이다. 이 물질의 섬유간 간격은 (a) 또는 (b)에 기재된 매체보다 크게 디자인되었다.

결과:

매체 (b) 및 (c)는 비교적 근접하게 간격진 미세 고분자 섬유로 제조된 매체(즉, 매체(a))에 대하여 상당한 적재 이점을 나타내었다.

시간에 따른 효율 손실은 이 시험의 전체 샘플에 대하여 일관되게 관찰되며, 담배 적재 실험(실험 1)에 기재된 LEFS 효율의 감소와 유사하다. 효율 감소 이유는 실험 1의 결론에서 설명된 담배 연기 시험에서 경험된 동일한 현상으로 인한 것으로 추정된다.

주: 다층으로 간격진 미세섬유 조직은 매체(a)의 근접하게 간격진 미세섬유의 1/20(매체(b)) 및 1/13(매체(c))배의 압력강하 증가가 이루어졌다.

결론:

DOP 적재 결과는 담배 연기 적재 결과와 일치한다. 미세섬유와 거친섬유가 교대로 이루어진 복합물을 형성하는 저 효율층을 합치면, 복합물의 결합층과 대략 동일한 단층 미세섬유 효율을 갖는 여과 매체에 대하여 실질적인 적재(수명) 이점을 제공한다.

실험 3:

NaCl 적재

기판에 의해 지지된 미세섬유 매체의 고 효율 단층에서 대략 동일한 복합물 LEFS 효율과 함께, 기판상의 저 효율 다층에 이름으로써 얻어질 수 있는 필터 수명 이점을 평가하도록 일련의 시험을 행한다. 이 시험은 매체에 공급된 염 미립자가 액체 또는 무정형 반고체가 아니라 불연속 고체 미립자이므로, 고형화가 일어나고 적재에 따라 효율이 증가한다. 고형화가 일어난 후에, 적재 곡선의 기울기가 시험된 전체 매체에 대하여 매우 유사한 것을 관찰하였다. 특히, 고형화의 후에, 매체는 더 이상 시험/논의되지 않는다.

필터 수명의 한 단위는 소정 압력강하에 대한 시간이며, 또 하나의 단위는 소정 압력강하에 공급된 오염물질의 질량이다. 소정 최종 압력강하가 고형화가 시작되는 제한값보다 상당히 초과된다면, 고형물 적재 비교는 오히려 매체 성능 비교로 이루어진 것이다. 본 명세서에서, 수명 비교는 고형물 생성이 통상적으로 완료되는 제한값으로 이루어진다. 하기 표에서, 2 인치 H₂O 및 5인치 H₂O의 작업이 주어진다. 샘플을 10fpm으로 시험된다.

세트 업:

시판되는 부품, 구체적으로는 미립자 생성을 위한 TSI 일정한 고출력 애토마이저 모델 3076, TSI 모델 3054 에어로졸 뉴트럴라이저, 및 시험 매체가 적재될 때의 미립자 효율을 측정하도록 미립자 카운팅 및 사이징에 사용되는 TSI 일렉트릭컬 에어로졸 분석기(EAA) 모델 3030을 사용하여, 주문품의 염 적재 벤치상에 매체를 적재한다. 초미세 염을 오염물질로서 사용하는데, 통상적인 SAE 실리카 더스트가 사용될 때보다 상기 오염물질이 사용될 때에 각종 매채간의 적재 차이를 분별하기가 훨씬 더 용이하기 때문이다.

시험 물질:

복합물 LEFS 효율이 40%∼45%, 60∼65%, 및 75∼80%인 매체. 모든 복합물은 리메이 2011 기판 상에 고분자 미세섬유(울트라-웹타입 섬유)로 제조된다. 주어진 복합물 샘플에 관해서는, 이 샘플내의 모든 층은 동일한 LEFS 효율 매체(즉, 이러한 일련의 실험에서 시험된 복합물은 효율 기울기가 나타나지 않음)로 된 매체로 형성된다. 예를 들면, 복합물의 LEFS 효율이 50%이고 6개의 층으로 이루어진다면, 각 층(미세섬유가 적재된 리메이 2011 기판)은 LEFS 효율이 10.9%일 것이다.

결과:

저 층 LEFS 효율을 갖는 복합물 매체는 고 층 LEFS 효율을 갖는 다수의 층으로 된 복합물 매체보다 적재(수명)가 양호하다.이와 같은 별개로 효율 및 수명을 선택하는 명백한 능력은 다수의 종래의 매체 적용예와는 다르다. 종래의 매체를 이용하는 수많은 실시형태에 의하면, 효율을 희생함으로써 수명이 얻어진다.

¹이 샘플(및 기준층이 2개의 층을 갖는 것으로서 확인된 다른 샘플)에 관해서는, 60∼65% LEFS의 단층이 편리하게 이용할 수 없기 때문에, 2개의 층으로 된 복합물을 기준 매체로서 사용한다. 복합물이 각 층의 효율이 41%인 2개의 층으로 구성되기 때문에, 전체 효율은 1-[(1-0.41) ×(1-0.41)] 또는 65%이다.

²여기서, 3개의 층으로 된 시스템이 기준 매체로서 사용된다. 전체 복합물 효율은 78%이다. [1-(1-0.40)³]

결론:

이 실험의 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 매체 효율 및 적재(수명)를 별개로 선택할 수 있지만, 반면에 전형적인 종래의 매체 및 선택된 초기 LEFS 효율에 관해서는, 상응하는 염 적재 수명값의 범위는 2:1 보다 낮은 범위로 한정될 것이다. 이 실험은 평균 층 효율을 저하시키고 층 수를 증가시킴으로써 미세섬유간의 간격을 증가시켜, 초미세 염 적재 수명을 5배 또는 6배 증가시키는 능력을 입증한 것이다.

실험 4:

150fpm에서의 염 적재

세트 업

샘플 면적: 종래의 시험 벤치(스키매틱 14) 및 종래의 충돌 애토마이저, TSI 3054 뉴트럴라이저를 이용하는 25 제곱 인치(편평한 정사각형 시트)

시험 물질:

1. 35∼38%의 초기 LEFS 효율을 갖는 엔진 공기 여과에 사용된 통상적인 습윤 상태의 셀룰로스. 전형적으로 8∼10 fpm 면속도에서 작용한다.

2. 리메이 2011상에서 초미세 크기에서 약 3 마이크론 범위에 있는 유리 미세섬유의 습윤 상태의 핸드 시트로 제조된 3개 층으로 된 복합물.

전체 복합물 LEFS 효율 32%

단층 효율 12%(각 층)

사용된 유리섬유는 슐러(Schuller) #106이다.

결과:

결론:

미세 유리섬유(직경이 초미세∼3 마이크론)로 제조된 웹을 갖는 스크림을 포함하여, 3개의 층으로 주름질 수 있는 복합물 매체가 대략 동일한 초기 LEFS 효율을 갖는 주름질 수 있는 셀룰로스 표면 적재 매체보다 상당히 큰 투과성(13배) 및 초미세 염 적재 수명(〉5배)을 갖는 것으로 입증되었다. 150 fpm의 시험 속도는 임의값이고, 매체의 능력을 예시하도록 제시된 것이다. 이는 엔진 공기 셀룰로스 매체이 통상 150 fpm 면속도에서 작용하지 않는다는 것을 나타낸다.

실험 5:

비구배 대 구배 실시형태

이 실험은 동일한 층 수 및 동일한 LEFS 효율을 갖는 비구배 매체의 적재 결과에 대하여, 초기 LEFS 효율이 약 65%인 본 발명의 구배 실시형태의 적재 결과를 비교하기 위해 행해진 것이다.

세트 업

상기 실험 3의 염 적재와 동일.

시험 물질

1. 비구배 매체는 리메이 2011 상에 퇴적되고 3M 슈퍼 77를 사용하여 수동으로 라미네이트된 초미세 고분자 섬유(울트라-웹타입 섬유)로 제조된다. 각 층은 복합물의 다른 두 층에 대하여 대략 동일한 LEFS 효율을 갖는다. 단층 LEFS 효율은 약 24%이다.

2. 구배 매체는 바로 전의 층보다 LEFS 효율이 큰 계속되는 층과 함게 리메이 2011상에 퇴적된 초미세 고분자 섬유(울트라-웹타입 섬유)로 제조된다. 선택된 구배는 임의값으로서, 추가의 수명 이점이 동일한 전체 LEFS 효율에서 3개층으로 된 구배 복합물에 대한 상이한 층 선택으로 얻어지는 경우는 공지어 있지 않다. 이 경우에는, 상류에서 하류에 이르기까지의 층의 LEFS 효율은 약 10%, 20%, 및 40%이다. 이들도 3M 슈퍼 77을 사용하여 수동으로 라미네이트된다.

결과

결과는 도 22에 도시된 바와 같다.

관찰 및 결론:

본 발명의 구배 변형체는 비구배 등가물보다 이용할 수 있는 매체 체적을 양호하게 이용한다(두께, 펌(perm), 및 LEFS 효율). 이는 비구배에 대한 구배 샘플의 초미세 미립자(NaCl) 적재의 66% 증가에 의해 입증된다. 이는 다시 미세섬유의 섬유간 간격에 의해 설명될 수 있다. 구배 매체로서 동일한 체적 및 효율을 갖는 구배 매체 구조는 비구배 매체의 상류측의 고형물 생성으로 인해 매체의 하류측으로 섬유의 적재 퍼텐셜을 더욱 이용할 것 같지 않다. 고형물은 구배 물질보다 비구배 매체상에서 더 빠르게 생성된다. 이는 구배 매체의 저 효율 상류층의 미세섬유간의 평균거리보다 비구배 매체에 대한 더 작은 미세섬유간의 평균거리로 인한 것이다. 섬유 간격의 인덱스로서 LEFS를 이용하면, 비구배 배치형태의 제 1 층은 LEFS 효율이 24%인데 반해, 구배 구조의 제 1 층은 효율이 10%이다.따라서, 구배 매체 구조는 비구배 등가물보다 모든 이용가능한 매체 체적을 더욱 효율적으로 이용할 것이다.

실험 6:

유리와 고분자 초미세섬유의 비교

본 테스트는 초미세고분자(울트라-웹타입)미세섬유에 사용하고 실험 5에서 시험된 구배 매체와, 유리섬유계를 비교한다. 고분자섬유는 상대적으로 작은 섬유 크기 편차를 갖는 약 0.4μ이다. 유리섬유는 약 0.2 내지 3.0μ이고, 슐러섬유는 106이다. 또한, 40% LEFS 효율의 단층 매체가 유리섬유와 고분자섬유에서 시험된다.

세트 업

상기 실험 3의 염 적재와 동일.

시험 물질

1. 실험 5로부터의 고분자미세섬유 구배매체.

2. 실험 5에서 시험된 초미세유리섬유 구배 형태, 초미세유리섬유는 고분자섬유로서 매체 크기에 대응하도록 선택되지만 다른 분포의 평균을 갖는다. 습식 핸드시이트는 표준 8 x 8 인치 핸드시이트형을 이용하여 준비한다. 유리섬유는 미세플라스틱망사로 지지되고 슬러리로부터 배수되는 섬유를 일반적으로 수집하는 리메이 2022 상에 놓여진다.

3. 40% LEFS 효율을 갖는 미세고분자섬유매체의 단일 층

4. 40% LEFS 효율을 갖는 미세유리섬유 매체(슐러 #106)의 단일 층

결과

구배에 대한 적재의 차이는 H₂O 에서 5.0으로 약 5%이고, 단층 50% LEFS샘플의 적재는 약 10% 다르다. 시이즌된 매체의 비율은 단층 매체에서 매우 유사하다. 구배 매체에 대해, 유리섬유 샘플은 고분자섬유 형태 보다 효율면에서 빨리 증가하였다. 이 이유는 약 3μ까지의 유리섬유가 핸드시이트 샘플을 제조하는데 사용된 유리섬유 축적에 포함된다는 것을 발견할 때 다음 위치에서 곧 부분적으로 이해된다. 이것은 SEMS가 공극 크기 분석에서 얻었을 때 발견하였다. 이 실험의 결과는 도 23 및 도 23a에 도시되어 있다.

도 23의 구성도는 단층 고분자 섬유 형태(405 LEFS)의 성능을 단층 유리섬유형태(40% LEFS)의 성능을 비교한다. 또한, 각 형태(고분자 또는 유리)에서 구배 시스템의 형태에서의 매체는 약 70% 이상의 수명과 관통에서 약 33% 감소를 갖는다. 이것은 효율이 본 발명의 바람직한 기술이 사용될 때, 미립자 수명에 희생되지 않는다는 것을 나타낸다.

결론

매체의 구배 형태는 비구배 시스템 보다 바람직한 적재를 나타낸다.

덩어리 형성 이전에, 유리섬유와 고분자섬유는 매우 유사하게 수행하지만, 유리섬유는 고분자섬유 보다 폭 넓은 섬유 크기 분포를 포함한다. 섬유크기와 분포에서 불균형이 주어지면, 이것은 뜻밖의 일이다. 덩어리 형성 후 적재 곡선의 기울기 차이는 현재 이해되지 않는다.

실험 7

각종 샘플의 관찰

도 12 내지 도 21은 각종 매체의 전자주사현미경(SEMs) 사진이다. 본 발명에 따른 원리는 기술된 각종 매체를 검토함으로써 이해될 수 있다.

먼저 도 12를 참조한다. 도 12는 전자주사현미경 사진으로, 100x 확대한 것으로, 종래 건식 고분자섬유매체, 특히 켐 우브(Kem Wove) 8643을 도시한다. 섬유직경의 견실성을 관찰할 수 있다. 이것은 1.5 데니어 물질이다. 그 LEFS 효율은 3%이다. 이것의 두께는 약 0.30 인치이다. 이것은 약 73 lb/3000 ft²의 평량, 1.1% 의 부피 강성 및 400 fpm의 투과도를 갖는다.

도 13은 100x 확대한 종래 건식 유리섬유 매체를 도시한다. 특정 매체는 슐러로부터 이용가능한 AF18이다. 또, 섬유크기의 견실성을 볼 수 있다. 이것은 12%의 LEFS 효율, 0.18 인치의 두께, 60 lb/3000 ft²의 평량, 0.9% 의 부피 강성 및 230 fpm의 투과도를 갖는다. 이 물질은 45% ASHRAE 비율과 4.5μ의 대략 섬유 크기를 갖는다.

도 14 및 도 15는 500 배로 확대한 종래 2상 매체를 도시한다. 두가지 상은 유리섬유이다. 두 사진의 매체는 홀링스워스 앤드 보스(Hollingsworth ＆ Vose) HF343이다. 도 14는 더 거친 미립자섬유가 위치하는 상류측을 도시한다. 도 15는 하측을 도시한 것으로, 거친섬유와 미세섬유의 혼합을 볼 수 있다. HF343 은 습식 유리섬유매체이다. 매체(제1 상)의 상측은 거친 오염물질을 포획 및 축적하도록 비교적 개방적이고, 크고, 거칠고, 자기지지섬유를 갖는다. 매체(제2 상)의 하측은 미세섬유와 거친섬유의 조합으로 이루어져 있다. 미세섬유는 제1 상에서의 큰 섬유 보다 높은 효율을 제공하지만 용량이 낮다. 이 매체는 대략 60 내지 65%의 ASHRAE 비율을 갖는다. HF343은 23%의 LEFS 효율, 0.02 인치의 두께, 50 lb/3000 ft²의 평량, 7.1%의 부피 강성 및 약 135 fpm의 투과도를 갖는다.

일반적으로, 본 발명에 따른 미세섬유 층의 부피 강성은 직접, 또는 간접으로 측정하는 것이 어렵고, 약 15 내지 20% 보다 낮은 LEFS 효율에서는 더욱 어렵다. 가장 큰 어려움은 미세섬유 층의 법선 위치 두께를 측정하는데 있다. 본 발명에 따른 배열을 구성하는 사용하는 미세섬유와 거친섬유의 통상적인 조합에서, 미세섬유는 개방된 다공성 "표면"을 생성한다. 표면의 지형은 지지구조상에 덮힌 거미줄과 유사하다. 미세섬유 매트릭스의 표면은 섬유구조와 그 아래(지지구조) 공극으로부터 그 형상이 유동되고, 결과적으로 매트릭스는 수 많은 봉우리, 계곡, 마루대 및 골을 갖는다. 강성을 측정하는데 사용되는 두께 치수는 봉우리에서 계곡까지의 치수가 아니라, 봉우리, 계곡, 마루대, 또는 국부적 평면 영역에서 웹/층의 두께이다. 이 기하형상은 SEM 사진에서는 명백하지 않지만, 10배 내지 40배 확대에서 입체경을 통해 검사했을 때 쉽게 명백하다는 것을 특징으로 갖는다. 본 발명의 물질에 보고된 강성의 예상은 미세섬유층에 수직한 국부 두께의 예상으로부터 유도된다.

도 16은 본 발명에 따른 복합매체을 도시한다. 이 매체는 리메이 2011에 적층된 슐러유리섬유 106을 포함한다. 미세섬유직경의 범위는 초미세크기에서 약 3 마이크론까지 연장된다. 적층된 섬유 106의 양은 40%의 퍼센트 효율 LEFS을 갖는 최종 층에 충분하다. 그림에서, 미세섬유의 층을 포함하는 매우 미세섬유는 쉽게 볼 수 있다. 일부 위치에서, 하면에 더욱 거친섬유를 볼 수 있다.

도 16의 물질은 본 명세서에서 전술한 바와 같이 리메이 2011 기재상에 적층되는 미세섬유물질의 습식 핸드시이트로 제조된다. 이 매체에 있어서, 거친기재섬유의 섬유 직경과 미세섬유의 섬유직경의 비를 나타내는 도면은 도 14 및 도 15에 도시된 매체에서 보다 크다. 미세섬유 층 투과성은 복합재의 투과성으로부터 기재 분담을 제거하여 측정된다. 저효율-고투과성 샘플에 있어서, 평균 투과성을 계산하기 위해 측정 가능한 값으로 다층을 적층할 필요가 있다.

이 물질에 있어서, 1000배로 측정시, 평균면적 강성은 약 52%이다. 투과성은 약 190 fpm이고, 부피 투과성은 약 10%이고, 평량은 1.5 lb/3000 ft²이며, 두께는 10 마이크론이다.

도 17은 본 발명에 따른 다른 복합 매체을 도시한다. 도 17에서의 매체는 100 배 확대 도시한 것이다. 매체는 리메이 2011을 포함하는 고분자미세섬유에 위치한 도날드슨 컴퍼니의 고분자 미세섬유를 포함한다. DCI 고분자미세섬유는 일반적으로 도날드슨 컴퍼니의 DCI 울트라-웹(Ultra-Web)제품에 미세 고분자섬유를 형성하도록 사용되는 동일 공정에 따라 제조된다. 미세섬유직경은 수마이크론 이하이다.

도 18은 본 발명에 따른 다른 복합매체을 도시한다. 도 18에서, 매체는 100 배 확대하여 도시한다. 매체는 리메이 2011에 적층된 슐러 유리섬유 106을 포함한다. 유리섬유의 양은 12%의 효율(% LEFS)을 제공하기에 충분하다. 미세섬유 층의 평량은 약 0.5 lb/3000 ft²이며, 투과성은 약 600 fpm이다. 현미경 사진에서, 거친섬유와 미세섬유 모두는 실제로 구별가능하다. 이 물질의 평균 면적은 1000배로 확대하여 평가할 경우 약 33%의 강성을 갖는다.

도 19는 본 발명에 따른 또 다른 복합매체을 도시한다. 이것은 100배 확대한 리메이 2011 상에 적층된 DCI 고분자미세섬유를 포함한다. 도시된 매체는 12% LEFS의 퍼센트 효율을 갖는다. 또, 미세섬유의 웹은 하부에 놓이는 거친 미세섬유지지의 상부에 위치하여 쉽게 구별할 수 있다. 500% 확대로 평가할 때, 이 물질의 평균 면적은 22%의 강성을 갖는다.

도 20은 500배로 확대 도시된 것으로, 도 19에 도시한 물질의 현미경 사진이다. 하부에 놓이는 거친섬유 지지의 상부에 초미세섬유 웹은 쉽게 구별 가능하다.

도 21은 NaCl 적재후, 도 19에 도시한 물질의 1000 배 확대한 도면이다. 초미세섬유상에 포획된 염 미립자는 그림에서 쉽게 식별할 수 있다.

도 24는, NaCl 적재 18% LEFS 매체을 1000 배로 확대 도시한 도면이다. NaCl 미립자는 미세섬유상에 포획되어 식별 가능하다. 도 24의 매체물질은 리메이 2011 거친 기재상에 DCI 미세섬유고분자이다.

도 16 내지 도 20에 도시된 본 발명에 따른 배열에 있어서, 거친 기재의 상부에 위치하는 초미세섬유의 특징은 일반적으로 식별 가능하다. 이것은 퍼센트 효율, 또는 미세섬유의 형성에 이용되는 미립자 물질에 무관한 경우이다. 도 21에 있어서, 미세섬유상에 적재하기 위한 동작은 쉽게 관찰된다.

추가 옵션

일부 실시예어서 본 발명에 따른 배열은 섬유물질의 특정 형태와 화학적으로 호환할 수 없는 성분을 포함하는 유체 흐름의 필터링을ㄹ 수반하는 환경에서 사용될 수도 있다. 예컨대, 일부 공기 흐름이 고분자물질에 손상을 주지만, 유리에는 손상을 주지 않는 화학물을 운반할 수 있다. 이러한 경우에는, 의도한 사용 환경하에서 손상에 저항하는 물질로부터 필터링 물질을 구성하는 것이 바람직하다.

더욱이, "스케일 업(scale up)" 형태로 본 발명을 이용하는 것이 일부 환경에서 바람직할 수 있다는 것을 알 수 있다. 이것은 복합재의 "미세섬유"는 상대적으로 크고 거친섬유는 더 큰 곳에서의 응용이다. 즉, 미세섬유와 거친섬유 사이의 크기의 비는 일반적으로 본원에서 기술한 범위내에 유지되지만, 각각의 크기와 두께는 실질적으로 본원에 개시된 바람직한 범위 보다 크다. 예컨대, 각각의 직경은 본원에 한정하는 것 보다 5배 내지 10배 클 수도 있다. 이러한 구조는 예컨대, 깊이 매체내에 덩어리를 형성하거나 작은 섬유를 포함하고 다소 큰 입지의 필터링을 수반하는 특이한 환경에서 발생하는 적재로서 붕괴되지 않는 비교적 효율적인 깊이 매체를 형성하는데 사용될 수도 있다. 이러한 구조는 대다수의 통상적으로 일어나는 산업 및/또는 엔진 환경에 바람직하거나 소망한다는 것을 예견하지 않는다.

Claims (25)

1. 필터 구조로서,

   (a) 직경이 8 마이크론 보다 크지 않은 섬유를 포함하는 두 개 이상의 미세섬유매체의 이격 층을 구비하는 필터매체영역을 포함하며,

   (i) 미세섬유매체 각각의 층은 5 마이크론 보다 크지 않은 평균 섬유 직경을 가지고, 0.78 마이크론 미립자에 대해 90% 보다 크지 않은 효율을 갖고,

   (ii) 두 개 이상의 미세섬유매체 각각은 254 마이크론 보다 크지 않은 거리로 미세섬유매체의 다음 인접 층과 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 필터 구조.
2. 필터 구조로서,

   (a) 직경이 8 마이크론 보다 크지 않은 섬유를 포함하는 두 개 이상의 미세섬유매체의 이격 층을 구비하는 필터매체영역을 포함하며,

   (i) 상기 두 개 이상의 미세섬유매체 층 각각은 5 마이크론 보다 크지 않은 평균직경을 가지고, 상기 두 개 이상의 미세섬유 층 각각은 45.0 g/m²보다 크지 않은 평량을 갖는 이격구조로 미세섬유의 다음 인접 층과 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 필터 구조.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   (a) 상기 필터매체영역 내에 미세섬유의 각 층 자체는, 0.78 마이크론 미립자에 대해 70 % 보다 크지 않은 효율을 갖는 것을 특징으로 하는 필터 구조.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   (a) 상기 필터매체영역은 주름진 필터매체영역으로 이루어진 것을 특징으로 하는 필터 구조.
5. 제4항에 있어서,

   (a) 상기 주름진 필터매체영역은 0.15 cm 보다 크지 않은 전체 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 필터 구조.
6. 제4항 또는 제5항에 있어서,

   (a) 상기 주름진 필터매체영역은 셀룰로오스, 유리, 합성섬유, 혼합섬유, 그리고 팽창 폴리테트라플루오로에틸렌으로 부터 선택된 하나 이상의 주름진 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 필터 구조.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,

   (a) 상기 필터매체영역으로부터 상부에 위치된 섬유성 깊이 매체의 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 필터 구조.
8. 제7항에 있어서,

   (a) 상기 섬유성 깊이 매체의 영역은 구배 밀도 깊이 매체의 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 필터 구조.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,

   (a) 상기 필터매체영역은 최소한 100 hp의 엔진에 사용하기 위한 엔진 공기흡입필터에 위치되는 것을 특징으로 하는 필터 구조.
10. 제9항에 있어서,

    (a) 상기 엔진공기흡입필터는 그 사이를 연장하는 상기 필터매체영역이 마련된 제1 및 제2 단부 캡을 포함하는 것을 특징으로 하는 필터 구조.
11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,

    (a) 상기 두 층 이상의 미세섬유매체는 미세섬유매체의 최상부 층을 포함하고,

    (i) 상기 미세섬유매체의 최상부 층은 5개의 미세섬유 평균직경 보다 크지 않은 두께를 가지며,

    (b) 상기 필터매체영역은 상기 미세섬유매체의 최상부 층과 미세섬유매체의 다음 하부 층 사이에 위치된 투과 가능한 거친섬유물질 영역을 포함하고,

    (i) 상기 투과 가능한 거친섬유물질은,

    (A) 직경이 최소한 10 마이크론인 섬유를 포함하며,

    (B) 필터 구조와 별개로 평가했을 때, 0.78 마이크론 미립자에 대해 10% 보다 크지 않은 효율을 갖는 것을 특징으로 하는 필터 구조.
12. 제11항에 있어서,

    (a) 상기 미세섬유매체의 최상부 층 뿐만 아니라, 두 층 이상의 미세섬유매체를 포함하고,

    (i) 상기 미세섬유매체의 최상부 층 뿐만 아니라, 상기 두 층 이상의 미세섬유매체 각각은 6 마이크론 보다 크지 않은 평균직경을 갖는 것을 특징으로 하는 필터 구조.
13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,

    (a) 미세섬유매체 각 층은 두께가 약 20 마이크론 보다 크지 않을 것을 특징으로 하는 필터 구조.
14. 제1항에 있어서,

    (a) 그 내에 하나 이상의 화학흡착매체 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 필터 구조.
15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,

    (a) 하나 이상의 정전기 전하매체영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 필터 구조.
16. 제4항에 있어서,

    (a) 상기 주름진 필터 매체 영역은 0.15 cm 보다 크지 않은 두께와, 0.6 cm의 주름 깊이와, 2.54 cm당 하나 이상의 주름을 포함하는 다층 복합구조를 갖는 것을 특징으로 하는 필터 구조.
17. 제16항에 있어서,

    (a) 상기 두 개 이상의 미세섬유매체 층은 제1 및 제2 층을 포함하고,

    (ⅰ) 상기 주름진 매체 내에 위치한 미세섬유매체의 최상부 층을 포함하고, 상기 미세섬유매체의 제1 층은 3 마이크론 보다 크지 않은 직경을 갖는 매체를 포함하고,

    (ⅱ) 상기 미세섬유매체의 제1 층은 15 마이크론 보다 크지 않은 두께를 가지고,

    (ⅲ) 상기 미세섬유매체의 제1 층 그 자체는 90m/min 의 투과도와, 0.78 마이크론 단순분산폴리스틸렌 라텍스 구형미립자에 대해 60% 보다 크지 않은 효율을 가지고,

    (ⅳ) 상기 미세섬유매체의 제2 층은 상기 미세섬유매체의 제1 층으로부터 하측에 위치되고, 상기 미세섬유매체의 제2 층은 3 마이크론 보다 크지 않은 평균 섬유직경을 가지고,

    (ⅴ) 상기 미세섬유매체의 제2 층은 15 마이크론 보다 크지 않은 두께를 가지고,

    (ⅵ) 상기 미세섬유매체의 제2 층은 0.78 마이크론 단순분산폴리스틸렌 라텍스 구형미립자에 대해 60% 보다 크지 않은 효율을 가지며,

    (ⅶ) 상기 미세섬유매체의 제2 층은 254 마아크론 보다 크지 않은 거리로 상기 미세섬유의 제1 층으로부터 이격 위치되는 것을 특징으로 하는 필터 구조.
18. 제17항에 있어서,

    (a) 상기 미세섬유매체의 제2 층은, 0.78 마이크론 단순분산폴리스틸렌 라텍스 구형미립자에 대해 상기 미세섬유매체의 제1 층 보다 큰 효율을 갖는 것을 특징으로 하는 필터 구조.
19. 제18항에 있어서,

    (a) 상기 주름진 매체 영역은 상기 미세섬유매체의 제1 층의 상부에 인접 위치한 거친섬유물질의 상부 층을 포함하고, 상기 거친섬유 물질의 상부 층은 12 마이크론의 평균 섬유 직경을 갖는 실질적으로 연속의 부직포 섬유 매트리스를 포함하고,

    (ⅰ) 상기 거친섬유 물질의 상부 층 자체는 0.78 마이크론 단순분산 폴리스틸렌라텍스 구형미립자에 대해 10% 보다 크지 않은 효율을 갖는 것을 특징으로 하는 필터 구조.
20. 제19항에 있어서,

    (a) 상기 주름진 필터 매체영역은 원통형 주름진 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 필터 구조.
21. 제19항에 있어서,

    (a) 상기 주름진 필터 매체 영역은 패널 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 필터 구조.
22. 제16항에 있어서,

    (a) 상기 주름진 필터 매체는 상기 미세섬유 매체의 제2층으로부터 하측에 위치한 미세섬유매체의 제3 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 필터 구조.
23. 내부에 오염된 미립자의 선택적 제거를 위한 공기시스템 필터링 방법으로서, 상기 방법은,

    (a) 미세섬유매체의 제1 및 제2 이격 층을 포함하는 필터 구조를 통해 미립자를 운반하는 오염된 공기 흐름을 배향하는 단계를 포함하며,

    (i) 미세섬유매체의 층 각각은 254 마이크론 보다 크지 않은 거리로 미세섬유매체의 다음 인접 층으로부터 이격되며,

    (ⅱ) 미세섬유매체의 층 각각은 5 마이크론 보다 크지 않은 평균 섬유직경을 갖는 것을 특징으로 하는 필터링 방법.
24. 제23항에 있어서,

    (a) 상기 배향 단계는 엔진흡기흐름을 배향하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 필터링 방법.
25. 내부에 오염된 미립자의 선택적 제거를 위한 공기 흐름의 필터링 방법으로서, 상기 방법은,

    (a) 미세섬유매체의 제1 및 제2 이격 층을 포함하는 필터 구조를 통해 미립자를 운반하는 오염된 공기 흐름을 배향하는 단계를 포함하며,

    (i) 미세섬유매체의 층 각각은 45.0 g/cm²보다 크지 않은 평량을 가지는 이격 구조로 미세섬유매체의 다음 인접 층으로부터 이격되며,

    (ⅱ) 미세섬유매체의 층 각각은 5 마이크론 보다 크지 않은 평균 섬유직경을 갖는 것을 특징으로 하는 필터링 방법.