KR20060108229A - 필터 부재 및 필터 장치 - Google Patents

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Abstract

유입측 및 유출측을 갖는 필터 바디를 포함하며, 상기 필터 바디가 층 방식으로 구성되며, 적어도 하나의 층이 입상 흡착제를 포함하고, 적어도 하나의 추가 층이 활성탄 섬유를 포함하는 필터 부재는 사용되는 필터 부재의 적재 용량을 최상으로 활용하는 필터 시스템을 제작하는 과제와 관련하여, 활성탄 섬유를 포함하는 제 1 층이 유입측에 할당되고, 입상 흡착제를 포함하는 제 2 층이 유출측에서 상기 제 1 층에 연결되는 것을 특징으로 한다. 필터 장치가 상기 필터 부재를 포함한다.

Description

필터 부재 및 필터 장치 {FILTER ELEMENT AND FILTER DEVICE}
도 1은 4개의 필터 부재에서 유해 물질을 동반한 공기의 시간에 따른 통과 특성을 보여주는 다이아그램.
본 발명은 유입측 및 유출측을 갖는 필터 바디를 포함하는 필터 부재에 관한 것으로, 상기 필터 바디는 층 방식으로 구성되어 있으며, 이 경우 적어도 하나의 층은 입상 흡착제(adsorbent materials) 포함하고, 적어도 하나의 추가 층은 활성탄 섬유를 포함한다. 본 발명은 또한 필터 장치에 관한 것이다.
입상 흡착제 및 활성탄 섬유로 이루어진 평구성체(surface formation)를 조합하는 상기와 같은 유형의 필터 부재는 이미 공지되어 있다. 이 경우 상기 입상 흡착제는 유입 방향으로 볼 때 활성탄 섬유로 이루어진 평구성체 앞에 배치되어 있다. 상기 입상 흡착제를 활성탄 섬유층 앞에 배치함으로써, 공기 중에 포함된 유해 물질이 매우 유리하게 흡수된다. 공기 중에 포함된 상기 유해 물질 - 흡착매(adsorptive)- 은 상기 입상 흡착제에 의해서 부분적으로 흡착되고, 입상 흡착제에 있는 층을 부분적으로 통과한다. 이 경우의 단점은, 상기 입상 흡착제가 흡착된 물질의 최대 배기량에 도달하지 못하는 경우가 많으며, 그럼에도 불구하고 대부분의 유해 물질이 상기 흡착제를 지나 흐른다는 것이다. 상기 입상 흡착제를 통과하는 흡착매의 부분은 나중에 활성탄 섬유층 내에서 흡착된다.
특별히, 입상 흡착제에 의해 용량성으로 흡수될 수 있는 흡착매가 불충분하게 필터링된 상태로 활성탄 섬유층을 또한 통과하게 되는 문제점이 나타난다. 종래 필터 부재의 상기와 같은 특성으로 인해, 유해 물질을 함유한 공기에 대하여 보호되어야 하는 공간이 가급적 적게 오염되는 것이 확실하게 보장될 수 없다.
따라서, 선행 기술에 공지된 필터 부재들은 효율 및 배기 능력의 효과적인 활용과 관련하여 현저한 단점들을 갖는다.
본 발명의 과제는, 사용되는 필터 부재의 배기 용량을 최상으로 활용할 수 있는 필터 시스템을 제작하는 것이다. 본 발명은 청구항 1의 특징에 의해서 상기 과제를 해결한다. 상기 청구항 1의 특징에 따르면, 서문에 언급된 방식의 필터 부재는 활성탄 섬유를 포함하는 제 1 층이 유입측에 할당되어 있고, 입상 흡착제를 포함하는 제 2 층이 유출측에서 상기 제 1 층에 연결되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따라, 종래의 필터 부재가 현저한 단점들을 갖는다는 사실이 제일 먼저 인식되었다. 그 다음에 제 2 단계에서는 활성탄 섬유가 자신의 치수로 인해 높은 흡착 속도를 특징으로 한다는 사실이 인식되었다. 그 다음에 제 3 단계에서는 본 발명에 따른 층 배열에 의해서는 놀랍게도 높은 흡착 용량이 달성될 수 있다 는 사실이 인식되었다. 또한, 본 발명에 따른 배열에 의해서는 유해 물질이 동반된 소량의 공기가 제 1 층을 필터링 되지 않은 상태로 통과하게 된다. 마지막으로, 본 발명에 따른 배열이 전체 장치의 보다 높은 흡착 속도를 야기한다는 사실이 인식되었다. 따라서, 본 발명에 따른 배열에 의해서는 조합적인 효과가 구현되고, 이와 같은 조합적인 효과는 필터 부재의 적재 용량을 최상으로 활용한 가운데 이루어지는 흡착 용량 그리고 흡착 속도의 상승에서 나타난다. 그 결과, 서문에 언급된 과제가 해결된다.
입상 흡착제는 활성탄을 포함할 수 있다. 활성탄은 거의 모든 관련 흡착매를 위한 특히 우수한 흡수 능력을 특징으로 한다.
흡착매의 화학적 또는 물리적 특성에 따라서는 제올라이트, 씨클로덱스트린, 실리케이트, 이온 교환기 또는 알루모실리케이트가 입상 흡착제로서 사용될 수 있다. 이 경우에는 상기 물질들을 혼합물로 또는 순수한 형태로 사용하는 것을 생각할 수 있다.
상기 제 2 층에는 활성탄 섬유를 포함하는 제 3 층이 연결될 수 있다. 이와 같은 구체적인 실시예는 필터 바디의 "샌드위치 형태의" 구조를 가능케 한다. 이와 같은 구조에 의해서는, 유해 물질을 동반하고 입상 활성탄을 필터링 되지 않은 상태로 통과하는 공기가 활성탄 섬유에 의하여 새롭고 효과적으로 필터링 될 수 있다. 상기 층들의 두께는 유해 물질 동반에 따라서 선택될 수 있다. 상기 개별 층들의 두께가 흡착매의 타입에 따라 선택된다는 것도 생각할 수 있다. 예를 들면, 제 1 흡착매가 바람직하게는 제 1 층에서 흡착되고, 제 2 흡착매가 바람직하게는 제 2 층에서 흡착되며, 제 3 흡착매가 바람직하게는 제 3 층에서 흡착되는 것을 생각할 수 있다. 따라서, 필터 바디의 층 형태의 구조는 상이한 흡착매에 대한 선택적인 적응을 가능케 한다.
활성탄 섬유를 포함하는 적어도 하나의 층은 부직포로서 형성될 수 있다. 부직포의 사용은 바람직한데, 그 이유는 상기 부직포가 구조면에서 안정적이기 때문에 필터 바디를 아무런 문제 없이 제조하고 취급할 수 있기 때문이다.
활성탄 섬유를 포함하는 층들은 활성탄 섬유 이외에 추가의 섬유 또는 입자를 함유할 수 있다. 이와 같은 실시예는 활성탄 섬유층의 기계적인 안정성, 기공성 및 탄성의 조절을 허용한다. 또한, 활성탄 섬유의 양이 특정된 경우에는, 부직포 내에서의 섬유의 균일한 분배가 보장될 수 있다. 이 경우에는, 30 내지 70 %의 활성탄 섬유가 그 내부에 삽입된 부직포를 사용하는 것을 생각할 수 있다. 활성탄 섬유에 첨가될 섬유는 폴리아미드, 폴리올레핀, 폴리에스테르 또는 다른 열가소성 재료들로부터 형성될 수 있다. 상기 재료들의 선택은 섬유 상호 간의 아무 문제없는 열적 결합을 가능케 한다. 결합 섬유로서는 2성분 섬유, 특히 코어-재킷(core-jacket)-섬유도 사용될 수 있다. 이 경우의 장점은, 재킷 및 코어가 상이한 용융점 및 그와 더불어 상이한 안정성을 갖는 재료로부터 제조될 수 있다는 것이다. 그럼으로써, 높은 안정성과 동시에 아무 문제없는 열적 결합이 구현될 수 있다. 흡착 특성을 선택적으로 변형하기 위하여, 활성탄 섬유층 내부에 활성탄 입자 또는 다른 흡착제 입자를 산란시키는 것도 생각할 수 있다.
입상 흡착제를 포함하는 층들은 추가의 섬유 또는 입자를 함유할 수 있다. 이 경우에는, 하나의 층이 90 %까지는 입상 흡착제로 이루어지고, 10 %까지는 섬유 또는 다른 입자로 이루어지는 것을 생각할 수 있다. 필터 바디에 대하여 제기되는 기계적인 요구 사항에 따라서는, 입상 흡착제를 적재하는 경우가 보다 적게 선택될 수도 있다.
활성탄 섬유는 최대 20 ㎛의 직경을 가질 수 있다. 상기 범위에서 직경을 선택하는 것은 흡착 속도 및 흡착 용량과 관련하여 특히 바람직한 것으로 나타났다.
입상 흡착제로서 사용되는 활성탄 입자들은 0.25 mm 내지 0.85 mm의 범위에 있는 크기를 가질 수 있다. 이 범위는 흡착 속도, 흡착 용량 및 압력 손실 간에 우수한 절충안으로 증명되었다. 지시된 상기 범위는 단위 20 X 60 메시(ASTM Designation D 2862-97에 따른 메시 사이즈)에 상응한다. 만족스러운 흡착 특성을 구현하기 위하여, 입상 활성탄 입자들은 10 메시 내지 150 메시의 범위에도 놓일 수 있다. 활성탄 입자의 크기가 작게 선택될수록, 흡착 속도는 그만큼 더 커진다. 실험상으로 볼 때, 입자의 크기가 상기 지시된 범위로부터 선택되는 경우에는, 높은 흡착 속도 및 높은 흡착 용량 그리고 낮은 압력 손실 사이에서 최적의 조건이 결정될 수 있었다.
입상 흡착제가 적재된 층은 100 내지 500 g/㎡의 단위 면적당 중량을 가질 수 있다. 상기 범위로부터 단위 면적당 중량을 선택함으로써, 필터 바디는 만족스러운 흡착 특성을 갖게 된다. 또한 상기 단위 면적당 중량에 의해서는, 상기 층이 자신의 사용 적합성을 보장해 주는 보다 충분한 기계적 특성을 갖게 되었다.
활성탄 섬유가 적재된 층은 10 내지 200 g/㎡의 단위 면적당 중량을 가질 수 있다. 상기 범위로부터 단위 면적당 중량을 선택하는 것은, 낮은 압력 손실과 더불어 필터 바디의 우수한 흡착 특성을 보장하기 위해서 특히 적합한 것으로 증명되었다. 특별히 실험에 따르면, 상기 지시된 활성탄 섬유의 단위 면적당 중량이 입상 활성탄과 관련하여 전술된 단위 면적당 중량과 조합됨으로써, 흡착 용량 및 흡착 속도 측면에서 매우 우수한 결과들을 보장해 준다는 내용이 확인될 수 있었다.
필터 부재는 점진적인 구조를 가질 수 있다. 이와 같은 구조는 이웃하는 층들에 대하여 확실하게 분리된 층들을 전혀 보여주지 않는다. 오히려 상기 층들은 재료 밀도가 다른 영역으로 부드럽게 넘어가는 영역으로서 형성되었다. 이와 같은 구조에 의해서는, 개별 층들 상호간의 매우 견고한 재료 결합적인 연결이 가능해진다.
필터 부재는 상이한 재료 농도의 영역을 구비하는 층들을 포함할 수 있다. 특히 이 경우에는, 하나의 층 내부에서 특정 재료 농도와 관련하여 경사도가 형성되는 것을 생각할 수 있다. 이와 같은 구조에 의해서는 흡수 용량이 예를 들어 유출 방향으로 증가될 수 있는데, 다시 말하자면 흡착제의 농도가 유출 방향으로 증가하는 경우에 흡수 용량이 증가될 수 있다.
서문에 언급된 과제는 또한 청구항 14의 특징에 의해서 해결된다. 상기 특징에 따라 필터 장치는 필터 부재를 포함하며, 이 경우 활성탄 섬유층에는 흡착매가 적재된 필터링 되지 않은 공기가 유입될 수 있다.
반복을 피하기 위하여, 진보성을 위한 실시예가 참조된다.
전술된 모든 가능한 실시예의 필터 부재는 자동차 및 건축 공학에도 사용될 수 있다. 자동차 분야에 사용하는 경우, 상기 필터 부재는 유해 물질이 동반된 공기로부터 자동차 실내를 보호해주는 기능을 하는 필터 장치 내부에 제공될 수 있다. 이와 같은 적용 및 작용은 건축 공학 분야에서도 예를 들어 냉난방 장치와 연합하여 생각할 수 있다. 이와 같은 배경에서는, 필터 부재를 방독 마스크 분야에 사용하는 것도 생각할 수 있다.
본 명세서에 기술된 필터 부재는 또한 실내 공기 정화기, 소위 "Air Purifier"에도 사용될 수 있다. 실내 공기 정화기는 통상적으로 고정 설치되는 장치가 아니라, 오히려 예를 들어 건물뿐만 아니라 자동차에도 적용되는 이동식 장치이다.
이제 본 발명의 이론을 바람직하게 발전시키고 개선할 수 있는 다양한 가능성들이 존재한다. 이 목적을 위하여, 한편으로는 청구항 1 다음에 있는 청구항들이 참조될 수 있고, 다른 한편으로는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명하는 아래의 설명부가 참조될 수 있다. 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명하는 설명부와 더불어, 일반적으로 선호되는 본 발명에 따른 이론의 실시예 및 개선예도 설명된다.
단 하나의 도면은 4개 필터 부재의 통과 특성이 도시된 다이아그램을 보여준다.
도면에서 정사각형으로 표시된 곡선은 샌드위치 형태로 구성된 필터 부재의 특성을 보여준다. 상기 필터 부재는 38 g/㎡의 단위 면적당 중량을 갖는 활성탄 섬유 부직포로 이루어진 제 1 층, 400 g/㎡의 단위 면적당 중량을 갖는 입상 활성탄의 제 2 층 및 상기 제 1 층과 동일한 제 3 층을 포함한다.
또한, 원으로 표시된 곡선은 유입측에 38 g/㎡의 단위 면적당 중량을 갖는 활성탄 섬유층이 배치되어 있는 필터 부재를 보여준다. 상기 활성탄 섬유층 다음에는 400 g/㎡의 단위 면적당 중량을 갖는 입상 활성탄을 함유한 층이 배치된다.
마름모꼴로 표시된 곡선은 유입측에 입상 활성탄을 함유한 층이 배치되어 있는 필터 부재를 나타낸다.
마지막으로, 삼각형으로 표시된 곡선은 다만 400 g/㎡의 단위 면적당 하중을 갖는 입상 활성탄 층만으로 이루어진 필터 부재를 보여준다.
비교 측정은 23 ℃의 온도에서 그리고 50 %의 상대적인 습도에서 실시되었다. 테스트용 가스로서는 80 ppm의 농도를 갖는 n-부탄이 사용되었다.
본 발명에 따른 이론의 추가의 바람직한 실시예 및 개선예와 관련해서는, 한편으로는 본 명세서의 일반적인 부분이 참조되고, 다른 한편으로는 첨부된 특허청구범위가 참조된다.
결론적으로, 앞에서 순전히 무작위적으로 선택된 실시예들이 다만 본 발명에 따른 이론을 논의할 목적으로만 이용되지만, 상기 이론이 본 실시예들에만 한정되지 않는다는 사실이 매우 특별하게 두드러진다.
본 발명에 의해, 사용되는 필터 부재의 배기 용량을 최상으로 활용할 수 있는 필터 시스템을 제작할 수 있게 되었다.

Claims (14)

  1. 유입측 및 유출측을 갖는 필터 바디를 포함하며, 상기 필터 바디가 층 방식으로 구성되며, 적어도 하나의 층은 입상 흡착제를 포함하고, 적어도 하나의 추가 층은 활성탄 섬유를 포함하는, 필터 부재로서,
    활성탄 섬유를 포함하는 제 1 층이 유입측에 할당되고, 입상 흡착제를 포함하는 제 2 층이 유출측으로 상기 제 1 층에 연결되는 것을 특징으로 하는,
    필터 부재.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 입상 흡착제가 활성탄을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    필터 부재.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 입상 흡착제가 제올라이트, 씨클로덱스트린, 실리케이트, 이온 교환기 또는 알루모실리케이트를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    필터 부재.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    활성탄 섬유를 포함하는 제 3 층이 상기 제 2 층에 연결되는 것을 특징으로 하는,
    필터 부재.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    활성탄 섬유를 포함하는 적어도 하나의 층이 부직포로서 형성되는 것을 특징으로 하는,
    필터 부재.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    활성탄 섬유를 포함하는 층들이 활성탄 섬유 이외에 추가의 섬유 또는 입자를 함유하는 것을 특징으로 하는,
    필터 부재.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    입상 흡착제를 포함하는 층들이 입상 흡착제 이외에 추가의 섬유 또는 입자를 함유하는 것을 특징으로 하는,
    필터 부재.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 활성탄 섬유가 최대 20 ㎛의 직경을 갖는 것을 특징으로 하는,
    필터 부재.
  9. 제 2 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 입상 활성탄 입자가 0.1 mm 내지 2 mm 범위에 있는 크기를 갖는 것을 특징으로 하는,
    필터 부재.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    입상 흡착제가 적재된 층이 100 내지 500 g/㎡의 단위 면적당 하중을 갖는 것을 특징으로 하는,
    필터 부재.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    활성탄 섬유로 이루어진 층이 10 내지 200 g/㎡의 단위 면적당 중량을 갖는 것을 특징으로 하는,
    필터 부재.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    점진적인 구조를 갖는 것을 특징으로 하는,
    필터 부재.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 층들이 재료 농도가 상이한 영역을 갖는 것을 특징으로 하는,
    필터 부재.
  14. 흡착매가 적재된 필터링 되지 않은 공기가 활성탄 섬유층으로 유입될 수 있는, 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 따른 필터 부재를 포함하는,
    필터 장치.
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