KR20060061900A - 흡착 필터 - Google Patents

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폴커 브로인링
울리히 슈탈
우베 펠버
로베르트 바더
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칼 프로이덴베르크 카게
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Abstract

본 발명은 활성탄 입자로 이루어진 적어도 하나의 층을 갖는 흡착 필터에 관한 것으로서, 상기 흡착 필터의 목적은 가급적 간단하고 저렴한 구조에서도 종래 필터에 비해 확실하게 개선된 통과 특성을 갖도록, 상기 유형의 흡착 필터를 개선하는 것이며, 적어도 20 중량%의 활성탄 입자는 0.180 mm 미만의 입자 크기를 가지며, 활성탄의 전체 중량은 100 내지 500 g/m2인 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 흡착 필터는 자발적 흡착 능력이 높은 것을 특징으로 한다.

Description

흡착 필터 {ADSORPTION FILTER}
도 1은 n-부탄-통과율-측정과 관련하여 동력학적으로 최적화된 필터와 표준 필터를 비교한 다이아그램.
본 발명은 활성탄 입자로 이루어진 적어도 하나의 층을 갖는 흡착 필터에 관한 것이다.
오늘날 특히 자동차 냉·난방 장치와 같은 다수의 시스템에서는 소위 콤비 필터가 사용된다. 상기 콤비 필터로서는, 가스를 흡착하기 위한 활성탄 층이 그 뒤에 연결된 입자 분리용 입자 필터가 이용된다. 이 경우 활성탄 층은 일반적으로 예를 들어 부직포로 이루어진 지지체에 결합될 수 있는 입자형 석탄으로 이루어진다. 이 경우, 사용되는 입자의 크기 및 석탄의 양은 흡착 용량, 통과율 특성 및 x통기성 간의 절충을 통해서 결정된다. 사용되는 활성탄 입자의 크기는 통상적으로 20 x 60 메시(mesh)(ASTM 지정 D 2862-97에 따른 메시 사이즈) 범위에 있다. 이와 같은 범위는 0.25 mm 내지 0.85 mm의 입자 크기에 상응한다. 단위 면적당 활성탄 의 통상적인 제공량은 250 - 500 g/m2의 범위에 있다.
선행 기술에는, 흡착 필터의 통과 특성을 개선하기 위한 다수의 제안들이 공지되어 있다. 일반적으로는, 입자형- 또는 구형 석탄을 갖는 종래의 흡착 필터가 자발적 흡착율이 높은 필터 영역 주변에 보완되는 필터 구성이 이용된다.
따라서, 예를 들어 DE 197 08 692호에는, 가급적 높은 통기성 및 가급적 높은 흡착 용량을 유지하는 동시에 통과 특성을 개선하기 위하여 2개의 필터 영역으로 분할된 흡착 필터가 공지되어 있다. 제 1 필터 영역은 유해 물질의 99 %까지 흡수해야 하고, 그에 따라 높은 용량을 가져야 한다. 제 2 영역은 용량은 낮지만 흡착 속도는 높아야 한다. 제 1 영역을 위해 상기 간행물에서는 흡착제로서 입자형 또는 구형 활성탄(입자 크기는 약 0.3 - 1.0 mm; 전체 석탄량은 약 400 - 500 g/m2)을 사용하는 것이 제안되며, 제 2 영역을 위해서는 바람직하게 활성탄으로 이루어진 직물 표면 형성체(surface formation)가 제안된다.
공지된 상기 필터에 의해서는, 매우 우수한 통과율 특성이 달성될 수 있어야 한다. 그러나 상기 필터 및 문헌에서 제안된 추가 필터의 단점은 일반적으로 재료 비용에서뿐만 아니라 제조 비용에서도 축적되는 복잡하고도 비용이 많이 소요되는 구조를 갖는다는 것이다.
본 발명의 목적은, 가급적 간단하고 저렴한 구조에서도 종래 필터에 비해 확실하게 개선된 통과 특성을 갖도록, 서문에 언급한 유형의 흡착 필터를 개선하는 것이다.
상기 목적은 청구항 1의 특징을 갖는 흡착 필터에 의해서 달성된다. 본 발명의 바람직한 실시예들은 종속항에서 기술된다.
본 발명에 따라, 활성탄 입자로 이루어진 적어도 하나의 층을 갖는 흡착 필터에서는, 적어도 20 중량%의 활성탄 입자가 0.180 mm 미만의 입자 크기를 갖고, 활성탄의 전체 표면 중량이 100 내지 500 g/m2인 것이 제안된다.
본 발명에 따른 흡착 필터는 매우 우수한 통과 특성을 갖는다. 보다 작은 입자 크기를 사용함으로써, 흡착 속도는 현저히 상승될 수 있다. 입자 크기가 작아짐에 따라, 통상적으로는 필터 매체의 통기성도 원치 않게 감소된다. 그럼으로써 본 발명에 따라, 사용되는 활성탄의 양은 흡착 용량으로 인해 통상적으로 사용되는 양보다 훨씬 더 아래로 떨어질 수 있다. 고출력 흡착 필터가 우수한 흡착 속도 이외에도 가급적 높은 흡착 용량을 가져야만 하기 때문에, 예를 들어 서문에 언급된 DE 197 08 692 C2호에 공지된 고출력 흡착 필터는 흡착 속도가 높은 영역뿐만 아니라 활성탄 함량이 높음으로써 흡착 용량이 높은 영역도 포함한다는, 선행 기술에서 주도적인 의견과 반대로, 본 발명은 필터의 기능을 위해 달성 가능한 흡착 용량의 레벨에 사람들이 추측했던 의미가 부여되지 않는다는 것을 인식했다.
본 발명의 발명자는 특히 도로 교통에서 발생하는 유해 가스 오염이 대부분 다만 단시간 동안만의 농도 피크로서 나타나고, 상기 농도 피크가 자발적 흡착율이 높고 신속하게 반응하는 흡착 필터에 의해서 제거될 수 있다고 인식했으며, 이 경우 흡착 용량은 다만 하위적인 역할만을 담당한다. 또한, 종래의 흡착 필터와 조합된 콤비 필터의 연속 주행 테스트 및 주관적인 출력 판단(DIN 10950: "센서에 의한 트레이닝" 및 DIN 13725: "후각 검사(Olfactometry")의 틀 안에서는, DIN 71460/2에 따른 흡착 용량의 레벨이 콤비 필터의 필터 사용 시간 또는 주관적인 냄새 감소 특성에 대한 척도가 되지 않는다고 나타났다.
마지막으로 본 발명에 따라서는, 입자 크기가 0.180 mm 미만인 활성탄 입자의 함량이 20 중량%로 상승됨으로써 자발적 흡착 능력이 상당히 개선된다는 사실이 인식되었다. 이 경우 본 발명에 따라 활성탄의 전체 단위 면적당 중량은 100 내지 500 g/m2이다. 이 값은 필터 매체의 우수한 통기성과 충분한 흡착 용량 사이에서 절충된 값이다. 활성탄의 전체 단위 면적당 중량이 100 g/m2의 값에 미달되면, 활성탄과 흡착될 분자의 접촉 가능성은 매우 낮다. 그 결과 필터의 흡착 능력은 악화되고, 채널링(Channeling) 효과가 발생될 수 있다. 그와 달리 500 g/m2의 상부 한계를 초과하면, 필터 매체의 통기성이 매우 심하게 악화된다.
본 발명의 핵심은, 가급적 우수한 통기성 및 필터 작용과 동시에 높은 흡착 속도가 구현될 수 있도록, 제공되는 활성탄의 미세 성분과 큰 성분의 혼합량을 적절하게 선택하는 데 있다. 그 경우에 본 발명은, 활성탄 입자로 이루어진 혼합물을 포함하는 흡착 필터도 포함하며, 이 경우 상기 혼합물은 큰 성분과 미세 성분을 포함하며, 이때 큰 성분과 미세 성분의 혼합 비율 그리고 활성탄 입자의 전체 양은 본 발명에 따른 흡착 필터의 필터 특성들이 구현되도록 선택되었다.
본 발명의 한 바람직한 실시예에서는, 활성탄 입자의 적어도 30 중량%, 특히 바람직하게는 50 중량% 이상이 0.180 mm 이하의 입자 크기를 갖는다. 따라서, 한편으로는 흡착 속도가 증가되고, 다른 한편으로는 통기성도 충분히 우수하다.
통기성과 관련한 매우 우수한 값은 250 g/m2의 활성탄의 전체 단위 면적당 중량에 의해서도 달성된다. 소비 특성, 통기성 및 흡착 용량과 관련한 특히 우수한 결과들은 150 내지 230 g/m2의 활성탄의 전체 단위 면적당 중량에 의해서 달성된다.
바람직하게, 활성탄 입자는 부직포로 이루어진 지지체 재료상에 결합되거나 또는 상기 지지체 재료 내부에 결합된다. 이 목적을 위한 기술들은 공지되어 있고, 특허 문헌에 다양하게 기술되어 있다.
흡착 필터는 특히 입자를 필터링 하는 영역, 예컨대 정전기 방식으로 충전될 수 있는 부직포로 이루어진 입자 필터 및 유해 물질을 흡수하는 영역을 포함하는, 서문에 언급된 유형의 콤비 필터에 사용될 수 있다.
상기 흡착 필터는, 예를 들어 각각 특수한 유해 물질을 지향할 수 있고 상이한 흡착제를 가질 수 있는 다수의 입자 필터 및/또는 추가의 흡착 필터와의 조합에 의해서도 사용될 수 있다. 활성탄 입자 및/또는 흡착 필터와 조합하여 사용되는 흡착제는 공지된 방식으로 부분적으로 또는 전체적으로 산성으로, 촉매 작용성으로 또는 염기성으로 설치될 수 있다.
흡착 필터는 종래 필터와 동일한 구조를 가질 수 있고, 예를 들어 플레이트 필터 또는 지그-재그-필터로서 형성될 수 있다.
흡착 필터가 필터 카트리지로서 형성되는 것도 생각할 수 있다. 이와 같은 실시예에 의해서는 적합한 하우징 내부에 필터가 콤팩트하게 배치될 수 있다.
흡착 필터는 호흡 보호 필터로서 형성될 수 있다. 이와 같은 실시예는 폐에 유해한 물질을 사용하는 장치에 적용될 수 있다.
흡착 필터는 예를 들어 콤비 필터의 구성 부품으로서 특히 자동식 자동차(KFZ)-냉·난방 장치에 사용될 수 있다. 이와 같은 냉·난방 장치는 점차적으로, 유해 가스 오염도 또는 그 농도가 높은 경우에 공기 순환 모드로의 전환이 자동으로 이루어지는 것을 특징으로 하며, 상기 공기 순환 모드에서는 외부로부터의 공기 공급이 중단되는 대신에 자동차 내부 공간에 있는 공기가 펌핑에 의해 이송된다. 이 목적을 위해 공기 유입구에는 유해 가스 센서가 제공되며, 상기 센서는 흡인된 공기의 유해 가스 오염도 또는 그 농도를 측정하고(탄화수소 및 질소산화물), 소위 공기 순환 플랩 밸브를 폐쇄하기 위해 냉·난방 장치의 제어부에 신호를 제공한다. 그럼으로써, 농도가 짙은 유해 가스가 외부 공기로부터 승객 내부 공간으로 유입되는 것이 저지된다. 이 경우의 문제점은, 흡인 영역에서 유해 가스 농도가 초과되는 시점 그리고 그와 연관하여 유해 가스 센서가 신호를 송출하는 시점으로부터 공기 순환 플랩 밸브가 완전히 폐쇄될 때까지 수 초의 시간이 경과하며, 이 시간 동안에는 유해 가스가 짙은 농도로 냉·난방 장치 내부로 유입되고, 그에 따라 상기 유해 가스가 콤비 필터를 통과하게 된다는 것이다. 이때 유해 가스가 필터를 통과 하게 될 위험성은 크다. 심지어 유해 가스 농도가 높은 경우에도, 본 발명에 따른 흡착 필터는 시스템에 의하여 공기 순환 플랩 밸브가 폐쇄되는 수 초의 시간 동안 유해 가스가 차량 내부 공간을 통과하는 것을 전반적으로 저지할 수 있을 정도로 우수한 자발 흡착 능력을 갖는 것으로 나타났다. 이와 같은 효과에 의해서는, 본 명세서에서 언급되고 있는 필터를 사용할 때 공기 순환 플랩 밸브 시스템의 구조가 매우 단순해지고, 그럼으로써 상기 플랩 밸브의 폐쇄 동작이 느려질 수 있다. 따라서, 상당한 비용이 절감될 수 있다. 다른 한편으로, 본 발명에 따른 흡착 필터의 흡착 용량은, 유해 가스 센서가 반응하지 않을 정도로 유해 가스 오염도가 낮은 경우에 관류하는 유해 가스를 흡착하기에 충분하다.
센서는 부분적으로는 선택적으로 작동하기 때문에, 냄새와 유해 가스에 내재하는 모든 분자들을 검출하지는 않는다. 그러나 흡착 필터는 센서가 작동되지 않는 경우에도 상기 필터를 통과하는 모든 분자들을 흡착함으로써, 원치 않는 유해 가스가 전혀 발생하지 않도록 보장할 수 있다.
예컨대 뜨거운 공기를 유입시켜 필터를 가열하거나 또는 필터로의 유입량을 증가시키는 것과 같이, 유해 물질을 흡착 필터로부터 방출하기 위한 조치들도 제공될 수 있으며, 이 경우 유해 가스를 동반하여 배출되는 공기는 상기 방출 과정 동안 바이패스-라인을 통해 차량 내부 공간을 통과할 수밖에 없다.
상기 흡착 필터는 공기 순환 플랩 밸브의 수동 작동에 의해서도 장점을 야기한다.
특히 유해 물질 오염시 공기 순환 모드로의 전환 가능성과 관련하여, (DIN 71460/2에 따라) 측정 기술적으로만 검출 가능한 낮은 흡착 용량에도 불구하고, 외부 공기의 유해 물질 오염도가 높은 경우에 실제로 적용할 때에는 공기 순환 플랩 밸브의 폐쇄에 의하여 필터가 "보호"되어 흡착 물질에 유해 가스가 동반되지 않기 때문에, 본 발명에 따른 흡착 필터는 공지된 필터들과 동일한 필터 수명을 갖는다. 공기 순환 모드에서는, 흡착 필터가 공기 순환 플랩 밸브의 공기 공급 측에 존재함으로써, 공기 순환 플랩 밸브가 폐쇄된 경우에는 더 이상 외부 공기가 관류하지 않거나, 또는 공기 순환 플랩 밸브에 대하여 배출 측에 존재함으로써, 공기 순환 모드에서는 다만 차량 내부 공간의 공기만이 관류할 수 있게 된다. 공지된 필터와 달리, 본 발명에 따른 흡착 필터에서는 사용, 즉 주관적인 냄새 감소가 확실하게 개선되었다.
본 발명에 따른 흡착 필터의 특성 및 장점은 자동차(KFZ)에 적용하는 것과 관련하여 위에서 기술되었지만, 본 발명에 따른 흡착 필터는 상기 적용예에만 한정되지 않는다. 본 발명에 따른 흡착 필터는 임의의 필터 장치, 예컨대 고정된 실내 공기 정화 장치 또는 이동식 실내 공기 정화 장치에서 실내 공기를 조절하기 위한 냉·난방 장치에도 사용될 수 있다.
본 발명은 실시예 및 도면을 참조하여 아래에서 자세히 설명된다.
n-부탄-통과율은 활성탄이 다양한 양으로 제공되는 흡착 필터를 구비한 콤비 필터에서 그리고 시장에서 구입 가능한 표준-콤비 필터-필터에서 검출되었다. 상기 필터는, 프레임에 의해서 둘러싸이고 지그재그 형태로 주름 잡힌 필터 매체를 구비한 공지된 주름 필터로서 형성되었다. 모든 필터는 부직포로 제작되었다.
필터의 제작은 변동된다. 이 경우에는, 활성탄의 실제 공급량이 설정량에서 20 g/m2만큼 벗어날 수 있다는 점을 고려해야 한다. 정해진 입자 크기 미만의 크기를 갖는 활성탄 입자의 함량은 설정량으로부터 10 %만큼 벗어날 수 있다.
측정은 자동차 내부 공간 필터에 적용되는, 가스 흡착용 독일 공업 규격 DIN 71460-2에 따라 실행되었다.
개별적인 필터의 구성은 다음과 같았다:
콤비 필터는 폴리프로필렌(PP)으로 이루어진 한 개 층의 입자 필터를 포함했다. 상기 입자 필터의 단위 면적당 중량은 60 g/m2였고, 필터 재료는 정전기적으로 충전되었다. 섬유 직경은 20 - 40 ㎛였다.
화학적인 필터 영역은 단위 면적당 중량이 약 43 g/m2이고, 섬유 직경이 약 10 내지 25 ㎛인 폴리에스테르(PES)로 이루어진 지지체 재료를 포함했다. 단위 면적당 중량은 150, 200 및 250 g/m2였다. 입자 크기는 0.106 내지 0.425 mm였다. 이와 같은 입자 크기 분포에서는, 40 중량% 이상의 입자가 0.180 mm보다 작았다.
비교를 위해 이용되는 표준-콤비 필터는, 정전기적으로 충전되는 폴리프로필렌(PP)으로 이루어진 필터층을 갖고, 단위 면적당 중량이 60 g/m2이며, 섬유 직경이 약 30 ㎛인 1개 층으로 구성된 입자 필터를 포함했다.
상기 화학적 필터 영역은 단위 면적당 중량이 350 g/m2인 입자형 활성탄 (0.25 - 0.6 mm)을 포함했다. 상기 활성탄은 단위 면적당 중량이 약 50 g/m2이고 PES로 이루어진 지지체 상에 제공되었다. 입자 크기는 0.25 내지 0.6 mm였다. 이와 같은 입자 크기에서는 다만 약 1 중량 %의 입자만이 0.180 mm보다 작았다.
측정의 결과는 도면부의 단 하나의 도면에 도시되었다.
도면의 다이아그램은, 4개의 다양한 필터를 사용하여 n-부탄 소비율을 측정할 때 검출된 측정값들을 보여준다. 테스트는 23 ℃의 온도 및 50%의 상대적 습도에서 실시되었다. 소비율은 180 m3/h였다. 공기 중에는 80 ppm의 n-부탄이 투입되었다.
도 1의 다이아그램에서는, 표준-콤비-필터에서 약 7% 크기의 순간 통과율이 기록될 수 있음을 알 수 있다. 이와 같은 순간 통과율은 활성탄의 전체량을 증가시킴으로써 어느 정도 감소될 수는 있으나, 완전히 제거되지는 않는데, 그 이유는 압력 손실의 증가로 인해 활성탄의 양이 임의로 증가될 수 없기 때문이다.
본 명세서에서 언급되고 있는 콤비 필터의 경우에는, 순간 통과율이 활성탄의 양에 따라 현저하게 낮아진다. 다시 말해, 활성탄의 양이 150 또는 200 g/m2인 경우에는 순간 통과율이 2 및 3%이고, 250 g/m2인 경우에는 심지어 0의 값에 도달한다. 또한, 표준 필터에서의 통과율의 상승은 본 명세서에서 언급되고 있는 흡착 필터의 경우보다 훨씬 더 급격하다는 사실도 주목할 만하다. 공기 순환 플랩 밸브의 폐쇄를 위해 가정된 10초의 최대 시간격 후에, 표준 필터의 n-부탄-통과율의 값 은 17%로 이미 상대적으로 높으며, 150, 200 및 250 g/m2의 활성탄을 함유하는 필터의 경우에는 다만 10 %, 5 % 및 3.5 %로 훨씬 더 낮다.
본 발명에 의해서는, 가급적 간단하고 저렴한 구조에서도 종래 필터에 비해 확실하게 개선된 통과 특성을 갖도록 흡착 필터를 개선할 수 있게 되었다.

Claims (6)

  1. 활성탄 입자로 이루어진 적어도 하나의 층을 갖는 흡착 필터로서,
    적어도 20 %의 활성탄 입자는 0.180 mm 미만의 입자 크기를 가지며, 활성탄의 전체 중량은 100 내지 500 g/m2인 것을 특징으로 하는, 흡착 필터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    적어도 30 %의 활성탄 입자가 0.180 mm 미만의 입자 크기를 갖는 것을 특징으로 하는, 흡착 필터.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    활성탄의 전체 단위 면적당 중량이 150 내지 230 g/m2인 것을 특징으로 하는, 흡착 필터.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    활성탄용 지지체 재료가 부직포를 포함하는 것을 특징으로 하는, 흡착 필터.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 따른 흡착 필터를 포함하는, 콤비 필터.
  6. 제 5 항에 있어서,
    입자를 필터링 하는 상기 콤비 필터의 영역을 위한 재료가 부직포를 포함하는 것을 특징으로 하는, 콤비 필터.
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