KR20010036491A

KR20010036491A - 필터링 장치

Info

Publication number: KR20010036491A
Application number: KR1019990043518A
Authority: KR
Inventors: 김철호; 김윤수
Original assignee: 장용균; 에스케이씨 주식회사
Priority date: 1999-10-08
Filing date: 1999-10-08
Publication date: 2001-05-07
Also published as: KR100479454B1

Abstract

디스크 필터를 사용하는 용융 수지의 필터링 장치에 있어서 필터 플레이트와 캡사이에 스프링 및 원형의 스프링을 추가함으로써, 유동유입부의 필터 플레이트가 외부의 압력 변화에 따라서 변경이 가능하도록 하여 알루미늄 실링과 디스크 필터 사이의 기밀이 외부 압력의 교란에 관계없이 유지되어 안정된 필터링이 가능한 필터를 제공한다.

Description

필터링 장치{Filtering System}

본 발명은 합성 플라스틱 필름 및 시트의 제조 때 사용되는 필터 장치에 대한 것으로, 보다 상세하게는 시간 당 많은 유량을 처리하는 경우에도 필터의 안정성이 유지되는 필더 장치에 대한 것이다.

일반적인 폴리에스테르 필름의 제조 방법은 다음과 같다.

중합 반응을 거쳐 생성된 수지를 일정 크기로 잘라 고화시킨 후 진공 상태에서 건조시킨 다음 압출기를 통해 용융 압출을 시킨다. 압출기를 통과한 용융 수지는 이물을 제거하기 위한 필터를 통과한 후, 다이에서 토출되어 회전하는 냉각드럼에 밀착 고화되어 시트 형상으로 성형된다.

고화된 쉬트는 종방향 및 횡방향으로 연신을 거쳐 종방향 및 횡방향에서의 물성이 나타낼 수 있도록 되고, 일정 온도에서 고정된 다음 권취되고 슬리팅되어 목적하는 필름으로 얻어 지게된다.

상기 필름의 제조 공정에 있어서, 필름 내의 이물을 제거하는 작업은 용융 수지를 필터에 통과시켜 이루어지는데, 필름의 주요 물성을 부여 하는 필러 등의 입자는 통과시켜야 하고 적정기준 이상의 이물만을 거름으로써, 품질의 수준을 일정하게 유지하는 관문 역할을 한다.

필름의 제조 공정에 있어서 통과되는 수지의 양이 많은 공정에서는 필터의 양단에 걸리는 압력차가 작고 오랫 동안 사용이 가능한 필터를 사용하여야 하는데, 이러한 경우 디스크 타입의 필터를 수십 내지 수백개 적층시켜 용융 수지가 닿는 면적을 늘리고 사용 시간을 증대시키는 방법이 사용되고 있다.

이때 디스크 필터의 직경은 10 내지 40㎝이고 필터를 적층한 전체의 높이는 50 내지 250㎝ 정도 이다.

도1은 디스크 필터를 장착한 필터 장치에 대한 개략도로서, 디스크 타입의 필터를 사용하는 장치의 구성은 필터유입부(I), 하우징(H), 캡(20), 필터 고정 플레이트(30), 디스크 필터(40), 중앙 유로(50), 실링(60) 및 필터유출부(O)로 되어 있다.

필터링 되지 않은 유동 상태의 용융 수지가 필터유입부(I)로 유입되면, 필터 하우징(H)과 플레이트(30)가 이루는 공간을 통하여 하우징의 외경측으로 분산되며 속도가 감소된다.

디스크 필터(40)는 편면에서 볼 때 원형이고 측면에서 볼 때 일정한 두께를 지니고 있는 원반 모양으로써, 디스크 필터(40)의 내부를 도식적으로 보면 필터 미디어(41), 플레이트에 구멍이 뚫린 펀칭 플레이트(42)와 디스크 필터 전체를 지지하는 필터 지지층(43)의 3단계 주요층으로 이루어져 있다.

필터미디어(41)는 필터링 자체가 진행되는 주요층이고 펀칭플레이트(42)는 미디어(41)가 압력등으로 인하여 변형되는 것을 방지하는 역할을 한다.

필터 지지층(43) 역시 디스크 필터 전체의 구조를 유지할 수 있도록 하는 역할 및 필터미디어(41)를 통과한 용융수지가 중앙 유로(50) 쪽으로 유동할 수 있도록 하는 유로 역할을 한다.

필터 하우징(H)은 하우징 벽면과 디스크 필터 외경과의 간격이 유로역할을 하여 용융수지가 흘러가게 된다.

중앙 유로(50)는 수십 내지 수백매로 겹쳐져 있는 디스크 필터(40)를 견고하게 유지하는 역할 이외에 디스크 필터(40)로 부터 필터링 된 유량을 모아 필터 외부로 유출시키는 역할을 한다.

필터 내 장치들의 상호 작용을 통한 유동을 부연하여 살펴보면 유동유입부(I)로 들어온 용융 수지는 필터 하우징의 상부와 필터 캡(20)과의 공간에서 반경 방향으로 유동한 다음, 하우징(H)과 디스크 필터(40)가 이루는 공간을 통하여 이동하다가, 디스크 필터(40) 사이의 공간을 따라 이동한다.

이 후 미디어(41)를 거치면서 필터링되고 펀칭 플레이트(42)를 통과한 후 필터 지지층(43)에서 유동하여 중앙유로(50)를 따라 외부로 유출된다.

종래의 필터는 최대 길이가 2m인 중앙 유로(50)에 두께 5 내지 10㎜ 정도의 디스크 필터(40)를 다수개 끼워 쌓고 중앙 유로(50)에 대하여 자유로이 슬라이딩이 가능한 플레이트(30)를 최상부에 놓은 다음 플레이트(30)에 압력을 가해 디스크 필터(40)를 압착시킨 후 필터 캡(20)으로 고정시킨다.

즉, 디스크 필터(40) 간에는 접착이 아닌 압력에 의하여 기밀이 유지되고 있는 것이다.

만일 디스크 필터(40) 사이에 유격이 발생하면 필터링 되지 않는 용융 수지가 직접 중앙 유로(50)로 통과하여 심각한 품질 문제를 일으키게 된다.

따라서 디스크 필터(40) 사이의 기밀을 보다 완벽하게 유지하기위하여 스틸 등과 같은 경도가 높은 재질로 이루어진 디스크 필터 허브(44) 사이에 연질의 실링 재료를 삽입하게 된다.

이와 같은 실링 재료(60)는 디스크 필터의 허브(44)와 동일한 직경을 가지고 있다.

실링 재료는 주로 알루미늄 계통의 물질이 사용된다. 알루미늄은 동일한 변형에 대해 스틸에 비하여 1/5정도의 힘 밖에는 걸리지 않는다. 즉 변형이 크기 때문에 임의의 수치 차이가 발생하여도 디스크 필터(40) 사이에 생기는 유격을 유연하게 막아주게 된다.

또한, 제조 가격이 저렴하여 1회 사용 후 버린다고 하여도 비용상의 문제는 없다.

특히 고분자 물질과 같이 200℃ 이상의 온도에서 용융 가공이 진행되는 경우에는 상온의 1/7 내지 1/10 수준까지 변형 응력이 감소하게 되어 더욱 완벽한 실링을 보장하여 준다.

표 1은 순도가 99% 이상인 알루미늄에 대하여 상온 및 300℃에서의 변형관련 물성을 나타낸 것으로 온도에 따라 급격한 강도 저하가 발생하는 것을 알 수 있다.

알루미늄은 200℃ 부근을 경계로 하여 이와 같은 물성의 저하가 급격히 발생한다.

항목	상온에서의 물성 값	300℃때의 물성 값
영 모듈러스	70GPa	10GPa
전단 모듈러스	23.0GPa	3.3GPa
포아송 비	0.33	0.33
탄성 한계	0.12GPa	0.018GPa
인장 강도	0.13GPa	0.02GPa
선형 열팽창 계수	25×10^-6/℃	25×10^-6/℃
비중	2.705	2.705
녹는점	660℃	660℃

그러나 알루미늄 계통의 실링 재료를 사용하는 경우에는 압착된 상태에서 실링 상태는 우수하지만 다음과 같은 문제점이 나타난다.

고분자 용융 물질은 필터 하우징(H)의 외벽을 따라 이동하다가 디스크 필터(40) 사이로 이동한 후 디스크 필터(40)의 미디어(41) 내로 이동하게 된다

따라서 유동이 발생하기 위하여는 필터 유동 유입부(I)에서 유동출구(O)로 압력의 구배가 있어야 한다.

점도 200Pa-sec의 폴리에틸렌테레프탈레이트를 2000㎏/hr의 유량으로 필터링하는 경우 직경 300㎜, 길이 1.5m인 필터에서의 유동유입부(I)와 유동유출구(O)의 압력차이는 필터 하우징 벽면에서 약 2 내지 4기압 이다.

이 같은 압력차이에 의하여 유동 유입부측의 알루미늄 실링이 받는 압력과 유동유출구 측의 실링이 받는 압력차이는 유동유입부(I)의 면적을 A₁으로 하고 유동유출구(O)의 면적을 A₂로 하며, 유동유입부(I)가 받는 압력을 P₁으로 하고 유동유출구(O)가 받는 압력을 P₂로 하면, 수학식 1의 힘 평형식이 구해진다.

계산에 의하면 유동유출구측의 실링 면적(A₂)이 유동입구측의 면적(A₁) 보다 240 기압 정도의 힘을 더 받는다. 여기에 알루미늄 가스켓의 면적을 곱하여 순수하게 힘으로 나타내면 2.0톤의 힘이 된다.

상온에서 2.0톤의 힘은 크지 않다고 할 수도 있으나 승온됨에 따라 알루미늄 실링의 강도가 1/7 수준으로 감소하기 때문에, 이를 상온으로 변환하면 14톤에 맞먹는 힘이라고 할 수 있다.

용융 압력에 의한 유발 스트레스 24MPa은 고온에서 항복점의 인장 강도 20MPa보다 큰데, 인장에 의해 알루미늄 가스켓을 파괴할 수 있는 정도의 변형을 일으킬 수 있다는 의미이다.

이 같은 힘 차이에 의하여 알루미늄 실링은 유동유출부에서 스트레스가 과도하게 부가되어 초기 길이의 1/2 정도로 압축되게 된다.

이러한 수치는 유동 유입부 측 실링 두께가 초기 두께 대비 10% 이내로 압축되는 점을 고려하면 상대적으로 엄청난 변형을 나타내는 수치이다.

유량 2000㎏/hr의 필터 시스템을 사용하는 경우 알루미늄 실링의 두께 변화를 측정하여 보면 초기 두께는 0.4㎜이고, 냉간에서 10톤의 하중을 준 경우에는 0.02㎜의 소성 변형이 발생하였으며 고온으로 승온 뒤 폴리에틸렌테레프탈레이트 멜트를 유입하여 필터링에 사용된 이후에는 유동 유입부에서 0.04㎜, 유동 유출구에서는 0.2㎜의 압축 두께 변화가 발생하여 입출구의 압력차이에 의한 변형이 이론적으로 예측된 바에 잘 맞는 것을 알수 있다.

즉 필터링 시 압력 구배로 인하여 필터 내에 위치한 실링의 변형은 위치에 따라 유동 유입부에 위치한 실링의 변형 값을 선형적으로 보간한 정도의 변형을 가지게 되는 것이다.

이러한 변형은 개개로 보면 그 양이 매우 작으나 수십 내지 수백매의 필터 전체를 합산한 경우 수십 ㎜에 달하는 양이 된다. 즉, 필터 플레이트(30)가 수십 ㎜ 이동하게되는 것을 의미한다.

이러한 변형 하에서도 플레이트(30)를 누르는 압력이 일정하게 유지되는 경우에는 알루미늄 실링(60)과 디스크 필터(40) 사이에 틈이 발생하지 않는다.

그러나 유량이 감소되거나 어떠한 이유로 인하여 전체 압력이 감소하는 경우에는 틈이 발생하게 된다.

특히 탄화물의 배출 등을 목적으로 압출기의 회전속도(RPM)을 크게 변동시키는 경우에는, 순간적으로 유발된 높은 압력 차이로 인하여 가스켓이 크게 변형되는데, 이 후 정상 속도로 운전되어 압력이 정상으로 돌아 온다고 하더라도, 플레이트(30)는 중앙 유로(50)에서 슬라이딩되어 원상회복이 가능하지만 변형된 실링(60)은 소성 변형으로 회복이 불가능하여 고정적으로 남아 있게 되는 문제가 발생한다.

바로 이 부분이 알루미늄 실링을 사용하는 경우에 발생하는 가장 큰 문제이지만, 이에 대한 연구는 진행된 바가 없었다.

따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 알루미늄 실링과 디스크 필터 사이의 기밀이 외부 압력의 교란에 관계없이 유지되어 안정된 필터링이 가능한 필터를 제공하는데 그 목적이 있다.

도1은 디스크 필터를 장착하는 필터 장치 개략도.

도2는 본 발명에서의 필터 플레이트와 캡 조립도.

도3는 종래 방법에서의 필터 플레이트와 캡 조립도.

상기 과제를 이루기 위한 본 발명의 필터링 장치는 플레이트(30) 상면의 고정 캡(20) 접촉 부위에 원통형 홈을 형성하고, 플레이트(30)에 파인 홈의 내경과 동일한 외경을 지니며, 상부는 중앙 유로(50)의 숫나사가 통과할 수 있는 홈이 설치되고, 하부가 개방된 원통형 피스톤(31)과 상온에서 필터에 하중을 가했을 때 원통형 피스톤(31)과 플레이트 홈(33)이 이루는 깊이와 동일한 길이를 지니는 스프링(32)이 피스톤 내부에 장착되는 것을 특징으로 한다.

도2는 본 발명에서의 필터 플레이트와 캡 조립도로서, 이러한 필터링 장치는 도3의 종래 사용되고 있는 플레이트(30)와 고정 캡(20)의 조립도와 비교할 때, 플레이트(30)와 고정 캡(20)사이에 설치된 스프링(32)과 이로 인하여 발생하는 유동의 정체를 방지하기 위하여 실링을 목적으로 사용하는 피스톤에 의해, 유동유입부의 필터 플레이트(30)가 외부의 압력 변화에 따라서 변경이 가능하게 된다.

먼저 스프링(32)의 구성 및 작용에 대해 살펴보면 다음과 같다.

스프링(32)은 고온에서 알루미늄 실링(60)이 추가적으로 변화하는 양을 충분히 흡수 하여야 한다. 즉, 알루미늄 실링(60)이 필터 장치 내에 형성된 압력에 의하여 추가적으로 변형하는 경우에도 틈이 발생하지 않도록 플레이트(30)를 일정한 힘으로 밀 수 있어야 한다.

스프링(32)의 탄성계수는 수학식 2를 만족하는 것을 사용하는데, 스프링이 필터 장치 내에서 최대로 늘어나는 경우에도 항상 1톤 이상의 압축력이 디스크 필터(40) 사이에 작용하여 기밀이 보장되도록 설정한다.

예를 들면 필터 장치 내에서 최대로 인장된 길이(x)가 20㎜일 때, 1톤의 압축력을 보장하기 위해서는 수학식 2에 따라 스프링(32)의 탄성계수는 500,000N/m가 된다.

다음으로 고려되어야 할 부분은 스프링을 사용하는 구간에서의 폴리머가 정체하는 구간의 제거 방법이다.

우선, 상온에서는 임의의 하중 이상으로 압축력을 가하는 경우에는 스프링(32)이 도1에서와 같이 플레이트(30)의 홈(33) 안으로 완전히 들어가기 때문에 필터 플레이트(39)와 캡(20)이 직접 접촉하여 실링에 문제가 없다.

그러나, 필터 내부의 압력 상황에 따라 스프링(32)이 늘어나게 되면 플레이트(30)와 캡(20) 사이에 공간이 발생하여 플레이트(30)의 홈(33) 안으로 폴리머가 들어가 정체되어 탄화됨으로써 스프링의 작동을 저해하고, 기포 및 탄화물 등을 유발하여 필터의 사용 시간 감소 및 효율 저하를 가져 온다.

따라서 본 발명에서는 정체를 방지하고 스프링(32) 부위에 폴리머가 흘러 들어가는 것을 방지하기 위하여 플레이트 홈(33)에 원통형 피스톤(31)을 삽입하도록 하였다.

따라서 본 발명에 의한 필터 플레이트(30)에 스프링(32)을 조립하는 방법은 다음과 같다.

우선 필터 중앙 유로(50)에 디스크 필터(40) 및 알루미늄 실링(60)을 삽입하여 조립한다.

디스크 필터(40)와 알루미늄 실링(60)이 적층되어 조립된 필터 중앙 유로(50)에 필터 플레이트(30)를 삽입하면, 필터 플레이트의 하부에 구성된 홈을 통해 필터 중앙 유로(50)가 통과한다.

필터 플레이트(30)를 통과한 중앙 유로(50)에 스프링을 삽입하고, 이어서 원통형 피스톤(31)을 스프링의 외각에 삽입한다. 이 때 원통형 피스톤(31)의 외경과 플레이트에 파인 홈(33)의 내경은 동일하도록 한다.

원통형 피스톤(31)은 파손을 방지하고 부드럽게 실링하기 위하여 스틸보다 경도가 낮은 알루미늄이나 구리계 재질의 금속 재료나 고온 특성이 우수한 플라스틱 재료를 사용한다.

원통형 피스톤(31)을 통과하여 돌출된 중앙 유로(50)의 숫나사에 필터 캡(20)의 암나사를 맞춘 다음, 필터 캡(20)을 잠근다.

처음 조립하였을 때 하중에 의해 필터 캡(20)의 하단과 필터 플레이트(30)의 상단은 도1에서와 같이 상호 접촉을 하게 된다.

이 때 내부에 존재하는 스프링(32)은 압축력을 받아 길이가 플레이트의 홈(33) 길이로 감소하게 된다.

승온이 되고 방류가 일어남에 따라 알루미늄 실링(60)의 모듈러스가 감소하게 되어 알루미늄 실링(60)의 두께 변화가 발생하게 되면 스프링(31)이 늘어나 두께 변화량을 흡수하게 된다.

이 때 전체적인 하중은 스프링(32)이 늘어남에 따라 감소하게 된다.

스프링(32)이 늘어남에 따라 플레이트(30)와 캡(20) 사이에 발생된 공간으로 피스톤(31)이 올라와 플레이트(30)와 캡(20) 사이의 기밀을 유지하고 부드러운 유동이 가능하도록 된다.

최대로 늘어난 경우 알루미늄 실링에 미치는 하중은 1톤 이상으로 충분히 디스크 필터와 알루미늄 실링 사이에 기밀이 유지되록 한다.

〈실시예〉

길이 1.5m, 디스크 필터 200매를 사용하는 필터 장치에 도2와 같이 길이가 30㎜이고 탄성계수가 1×10⁶N/m인 스프링과 원통형 피스톤을 사용하여 필터 플레이트와 캡을 조립한 다음, 스프링에는 6톤의 초기 하중을 부여하였으며, 압출기의 회전수를 20rpm으로 하여 ±20rpm으로 압출기의 회전수를 증감하여 평균 2000㎏/hr의 유량으로 폴리에틸렌테레프탈레이트를 통과시킨 다음, 다이를 통해 용융 수지를 압출시켜 통상적인 방법으로 냉각 성형과 종연신 및 횡연신을 실시하여 필름을 제조하여 얻고, 최종 필름에 부착된 이물의 갯수를 측정하여 표 2에 나타내었다.

〈비교실시예〉

실시예와 동일한 방법과 장치를 사용하되, 도3과 같이 필터 플레이트와 캡을 조립하여, 필름을 제작하였으며 최종 필름에 부착된 이물의 갯수를 측정하여 실시예와 함께 표 2에 나타내었다.

	이물 갯수
실시예	1.8
비교예	2.5

〈평가 방법〉

- 이물 갯수

필름 1롤의 임의의 위치에서 50부위를 선택하여 가로 100㎜, 세로 100㎜의 크기로 자른 다음, 50개 샘플을 광학 현미경으로 측정하여 크기가 10㎛이상의 이물을 세어 편균하였다.

본 발명에 의해 실시예의 필름에서는 평균 1.8개의 이물이 관특된 것에 비해 종래 방법에 의한 비교실시예의 경우에는 1.4배인 평균 2.5개의 이물이 관측되어 획기적으로 이물이 감소됨을 알 수 있었다

따라서, 본 발명의 제조 방법과 장치는 디스크 필터를 사용하는 용융 수지의 필터링 장치에 있어서 필터 플레이트와 캡사이에 스프링 및 원형의 스프링을 추가함으로써, 유동유입부의 필터 플레이트가 외부의 압력 변화에 따라서 변경이 가능하도록 하여 알루미늄 실링과 디스크 필터 사이의 기밀이 외부 압력의 교란에 관계없이 유지되어 안정된 필터링이 가능한 필터를 제공하는 바람직한 장치이다.

Claims

필터 플레이트와 캡과 디스크 필터를 사용하는 용융 수지의 필터링 장치에 있어서, 플레이트(30) 상면의 고정 캡(20) 접촉 부위에 원통형 홈을 형성하고, 플레이트(30)에 파인 홈의 내경과 동일한 외경을 지니며, 상부는 중앙 유로(50)의 숫나사가 통과할 수 있는 홈이 설치되고, 하부가 개방된 원통형 피스톤(31)과 상온에서 필터에 하중을 가했을 때 원통형 피스톤(31)과 플레이트 홈(33)이 이루는 깊이와 동일한 길이를 지니는 스프링(32)이 피스톤 내부에 장착되는 것을 특징으로 하는 용융 수지의 필터링 장치.
제1항에 있어서, 스프링이 최대로 인장된 길이에서 수학식 2로 정의되는 탄성계수를 지니는 것을 특징으로 하는 수지 필터링 장치.

〈수학식 2〉
제1항에 있어서, 스프링이 알루미늄 또는 구리계 금속 재료 또는 고온 특성이 강한 플라스틱 재료로 된 것을 특징으로 하는 수지 필터링 장치.