KR20080071654A - 유수분리 및 먼지 포집성능이 향상된 내연기관용 연료필터엘리먼트 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내연기관용 연료필터의 엘리먼트에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 유수분리 성능 및 먼지포집성능이 증대되고, 특히 디젤 기관 등의 차량용 연료에 함유된 먼지 및 수분의 분리성능이 향상된 연료 필터 엘리먼트 및 상기 엘리먼트가 적용된 여재에 관한 것이다.

필터, 부직포, 엘리먼트

Description

유수분리 및 먼지 포집성능이 향상된 내연기관용 연료필터 엘리먼트{Fuel filter element for internal combustion engine with improved water separating and dust capturing capacity}

도 1은 종래 기술에 따른 필터 엘리먼트의 구조를 나타낸 개략도.

도 2는 종래 기술에 따른 필터 엘리먼트 여재의 사시도.

도 3은 본 발명에 따른 필터 엘리먼트 여재의 사시도.

본 발명은 내연기관용 연료필터의 엘리먼트에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 유수분리 성능 및 먼지포집성능이 증대되고, 특히 디젤 기관 등의 차량용 연료에 함유된 먼지 및 수분의 분리성능이 향상된 연료 필터 엘리먼트 및 상기 엘리먼트가 적용된 여재에 관한 것이다.

일반적으로 내연기관용 연료는 외부 또는 공정 중의 원인에 의해 소정 량의 먼지 및 물(수분)을 함유하고 있다. 특히, 외부 온도의 변화에 따라 발생하는 수분의 양은 계절에 따라 차이가 있는데, 여름철의 경우는 엔진룸과 외부의 온도차이가 크지 않으므로 발생하는 수분의 양이 미세하지만, 겨울철에는 엔진룸과 외부 온도 차이가 커서 발생하는 수분의 양도 많게 되고, 또한 수분의 함량은 주유소 마다 다를수 있다. 이러한 수분은 엔진의 연소율을 떨어뜨리고 유해한 배기 가스의 발생을 높이며, 엔진 출력을 저하시키는 문제들을 야기하는, 수분이 엔진룸으로 다량 유입되는 경우에는 운전중 차량의 엔진이 정지할 수 있다. 최근에는 커먼레일(Common Rail) 연료 분사 방식이 장착된 디젤 차량이 급속히 증가하고 있으나 디젤 연료는 수분발생의 우려가 있고, 디젤 연료에 함유된 수분은 연료 필터에 의해 완전히 분리되지 않기 때문에 디젤 차량에서 많은 문제점을 일으키고 있다. 특히, 현재의 커먼레일 연료분사 방식을 채용한 디젤 차량의 경우는 미량의 수분이라도 각종 센서들이 오작동을 일으키기 때문에 연료의 수분 함량은 심각한 문제를 유발할 수 있다.

한편, 연료 필터는 교환 주기를 자동차의 보증 수명과 동일하게 하기위해 고포집량 및 고효율이 요구되고 있으나 연료필터의 포집량과 효율은 밀접한 상관관계가 있다. 예를 들면, 동일 면적에서 포집량을 증대시키면 효율이 낮아지고, 포집량 증대를 위해 두께를 증가시키면 동일 면적에서 엘리먼트의 부피가 증대되어 엘리먼트의 크기가 커지는 단점이 있다.

현재 주로 사용되는 여재는 여과지와 멜트블로운을 라미네이션한 것으로 비교적 고효율 및 고포집량을 가지며 절곡한 제품을 이용하고 있다. 이러한 여재는 고통기성을 가지는 극세 멜트블로운 부직포 섬유층이 전처리 필터로 작용하여 먼지 포집량 증대시킬 수 있으며, 고밀도를 가지는 여과지층이 여과효율을 증대시키며, 입자 크기가 10 ㎛ 이하의 미립 먼지는 멜트블로운 층에서 포집되지 않고 통과되어 여과지층에서 제거된다.

또한, 수분 제거를 위해서는 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT) 등의 소수성 재질의 멜트블로운을 사용함으로써 연료에 포함된 수분이 반발력에 의해 멜트블로운 층을 통과하지 못하고 응집되는 특성을 이용하여 수분이 제거되게 된다. 즉 멜트블로운 층은 먼지 제거와 수분제거 기능을 동시에 수행할 수 있다. 그러나 수분입자의 경우도 먼지 입자와 같이 약 10㎛ 이하일 경우 멜트블로운을 그냥 통과한다. 구체적으로 미립 수분의 경우 소수성 멜트블로운의 표면에서 응집되지 못하고 유속에 의해 그대로 통과된다. 이는 고유량에서는 그 정도가 더 크다. 따라서, 수분제거와 먼지 포집 성능이 더욱 개선된 필터 엘리먼트의 개발이 요구된다.

본 발명자들은 미립 수분제거 및 먼지 포집능이 개선된 필터 엘리먼트를 개발하기 위하여 예의 연구한 결과, 엘리먼트 외곽에 프리필터(prefilter) 역할을 하는 친수성 합성섬유 여재를 부착시켜 본 결과, 이 엘리먼트는 디젤 연료에 함유된 수분의 입자 크기를 증대시킬 뿐만 아니라 연료에 포함된 다소 큰 입자의 먼지를 제거하는 기능을 효율적으로 수행함으로써 종래의 연료 필터의 단점을 극복하고 특히 수분에 의해 발생되는 문제를 차단할 수 있음을 발견하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

따라서, 본 발명의 목적은 미립 수분제거 및 먼지 포집능이 개선된 필터 엘리먼트 및 이를 채용한 여재를 제공하는데 있다.

본 발명은 미립 수분제거 및 먼지 포집능이 개선된 필터 엘리먼트 및 이를 채용한 여재를 제공한다.

본 발명에 따른 내연기관용 필터 엘리먼트는, 연료에 함유된 수분 및 먼지를 분리하기 위해 연료필터 엘리먼트에 친수성의 여재를 엘리먼트의 외측부에 겹쳐지게 배치한 것을 특징으로 한다.

내연기관에서 연료필터와 연료필터 구성품인 엘리먼트의 주된 기능은 연료에 포함된 불순물을 제거하는 것이다. 특히, 디젤기관용 연료 필터는 경우 상기한 바와 같은 라미네이션된 여재에 의해 수분이 분리되고, 분리된 수분은 디젤 연료와의 비중 차에 의해 연료필터 내의 하측부로 모이게 되고 연료필터 하측부에 장착된 수분배출구를 통해서 수분이 배수되는 구조를 갖는다.

본 발명에 따른 연료 필터 엘리먼트는 내연기관용 연료 필터의 먼지와 수분의 분리가 효율적으로 이루어지도록 구성한 것으로서 종래의 여과지나 부직포 단독 또는 여과지와 부직포를 라미네이션하여 이루어진 제조된 스타형 엘리먼트의 외곽에 고중량, 고통기성 부직포를 감싸거나 연료필터 입구에 고중량, 고통기성 부직포를 여재에 접착하여 배치할 수 있다. 본 발명의 연료 필터 엘리먼트의 외곽에 접착되는 부직포는 내부에 절곡된 여재보다 벌키성과 친수성을 가지는 것이 더욱 바람직하다.

외곽에 부착된 부직포는 친수성과 벌키성으로 인하여 미세 크기의 수분을 포집하여 일정 크기로 성장시킨 후, 후단의 소수성 부직포(멜트블로운 여재가 더욱 바람직함)가 이를 응집하고, 응집된 수분은 연료와의 비중 차이에 의해 아래로 떨 어지게 된다. 또한 외곽의 벌키성과 친수성을 가진 여재는 수분 뿐만 아니라 크기가 비교적 큰 먼지 입자도 포집하게 된다. 이러한 방식으로 연료에 포함된 먼지 및 수분이 효율적으로 포집되고 따라서 연료 필터의 분리성능이 개선된다.

이하, 본 발명에 따른 여재의 구성과 작용을 아래 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다.

도 1은 일반적인 디젤 차량용 연료필터의 엘리먼트의 구조도이다. 상기 엘리먼트에 있어서 적색은 연료를 타나내고, 청색은 수분의 경로를 나타내며, 황색은 여과된 연료의 경로를 나타낸다. 상기 엘리먼트는 연료필터 하우징 내에 연료필터 엘리먼트가 장착되어 연료에 포함된 불순물을 제거한다. 즉, 불순물이 포함된 연료는 연료필터 엘리먼트에서 내부로 통과하고 먼지는 엘리먼트에 포집되며 수분은 엘리먼트 표면에 응축된 후 중력에 의해 떨어진다. 아래로 모인 물은 외부로 배출될 수 있도록 설계되어 있다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 수분이 함유된 디젤연료가 연료필터 내로 유입되면 연료에 함유된 수분의 일부는 엘리먼트에 의해 분리되면서 연료와의 비중 차에 의해 연료필터 하우징의 하측부에 쌓이게 되고 일정량 이상의 수분이 쌓이게 되면 수분분리기에 의해 연료필터 하우징 밖으로 배수시키면 된다. 반면에, 연료필터의 엘리먼트에 의해 분리되지 않은 수분의 일부는 연료에 함유되어 연료와 함께 연료필터의 엘리먼트를 통과하게 된다.

도 2도 종래의 연료필터의 엘리먼트를 나타낸 사시도로서, 일반적으로 불순물을 제거하는 기능을 담당하는 멜트블로운(2)과 여과지(1)가 라미네이션된 여과재 와 상기 여과재를 상ㅇ하부의 실링을 담당하는 상부캡(3) 및 하부캡(4)과 상기 종이 여과재 내부에서 연료필터의 엘리먼트를 지지하는 지지체로 구성되어 있다.

도 3은 본 발명에 따른 연료필터 엘리먼트를 나타낸 사시도로서, 종래의 연료필터 엘리먼트와 구성 및 구조는 유사하나 외부에 친수성 여재(5)를 감싼 형태를 취함으로써 종래 엘리먼트에 비하여 연료에 포함된 수분 및 먼지에 대한 분리성능이 개선된다.

상기 엘리먼트에 사용된 외측 여재의 중량, 통기도, 기공도 및 친수화도에 따라 수분 및 먼지에 대한 포집효과가 달라지나 여재의 물성은 5 ~ 150 ㎛의 기공크기, 20 ~ 500 g/㎡ 범위의 중량, 3 ~ 1000 cfm(125 Pa에서) 범위의 공기투과도, 및 1 ~ 50 ㎛ 범위의 섬유경을 갖는 것이 적합하고, 두께는 두꺼울수록 바람직하나 엘리먼트와 필터하우징을 결합할 때 허용되는 내부 공간을 고려하여 5 mm 이하인 것이 바람직하다.

상기 여재는 통상의 제조 공법을 이용하여 제조할 수 있고, 제조 방식에 따라 멜트블로운 부직포, 써멀본드 부직포, 스펀본드 부직포, 케미컬본드 부직포, 스펀레이스 부직포, 에어레이드 부직포, 여과지 또는 발포된 스폰지 등의 여재를 사용할 수 있다.

상기 여재의 재질은 폴리에틸렌, 폴리부틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리부틸렌 테레프탈레이트(PBT), 나일론(Nylon6, Nylon66), 폴리페닐렌설파이드, 폴리카아보네이트(PC), 폴리에스터 글리콜(PETG), 폴리염화비닐(PVC) 등의 합성수지로 이루어 질 수 있으며 이들 폴리머를 둘 이상 혼합하여 사 용할 수 있다. 또한 상기 여재의 성능을 강화하기 위하여 친수성 첨가제를 첨가하거나 플라즈마를 이용하여 친수화 처리하거나 이들 모두의 방법을 채용할 수 있다.

상기 필터 엘리먼트의 외각에 사용되는 여재는 초음파 융착 또는 폴리아마이드, 폴리에스터, 폴리우레탄, 습기경화형 폴리우레탄과 같은 내열성 및 내연료성 핫멜트(Hot-Melt)로 접착하는 방법을 사용하는 것이 바람직하고, 접착성을 더욱 증대하기 위하여 상기 방법 중 두 가지 이상을 혼용하여 사용하는 것이 바람직하다.

실시예

이하, 본 발명을 실시예에 의해 더욱 구체적으로 설명한다. 그러나 이들은 단지 예시적인 것이며, 본원 발명을 이들에 한정하고자 의도한 것은 아니다.

본 실시예에서 사용된 성능 시험 방법은 입자제거율은 ISO 19438에 의해 Multi-Pass 시험법을 사용하였으며, 사용된 Dust는 ISO Medium을 사용했으며 시험유량은 2ℓ/분이며, BUGL: 10.0(mg/ℓ), Dilution Ratio=>9:1 로서 종료 조건은 초기 압력에서 80 kPa 상승까지 측정하였다. 또한, 수분분리 실험은 ISO 4020법을 이용하였으며 유량은 2ℓ/분과 시험유는 시중에 시판되는 경유를 사용하였으며 수분 농도는 2%로 실험하였다. 상기 엘리먼트의 내부 여재의 여과 면적은 0.15 ㎡ 이며, 여재는 여과지와 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT) 멜트블로운이 라미네이션된 것을 사용하였다. 엘리먼트 외측을 감싼 여재의 여과 면적은 0.03 ㎡ 으로 외측 여재의 종류를 변경하여 입자 제거 및 수분 제거에 대한 결과를 측정하였다.

실시예 1

시험에 사용된 엘리먼트의 외측의 여재는 멜트블로운 공법을 이용하여 제조 하였으며 실시예 1-5의 경우 실시예 1-2의 것을 플라즈마에 의한 친수화 처리를 수행하였다. 멜트블로운 공법에 의해 제조된 여재를 상기 엘리먼트 외측에 감싼 후 여재의 끝부분을 초음파 융착에 의해 접착한 후 그 성능을 측정하고 그 결과를 표 1에 나타내었다. 여재 물성은 다음과 같다.

- 기공크기 : 40 ㎛ - 중량 : 120 g/㎡

- 통기도 : 250 cfm(125 Pa에서) - 섬유경 : 5-20 ㎛

- 두께 : 1.8 mm

	여재재질	먼지포집량	포집효율 (5㎛)	수분제거율	여재제조방식
비교예 1	없음	10.2	93.2	94.6
실시예 1-1	PP	11.9	94.9	94.9	멜트블로운
실시예 1-2	PBT	12.1	95.1	95.1	멜트블로운
실시예 1-3	PET	12.0	95.5	97.2	멜트블로운
실시예 1-4	나일론	12.4	95.2	98.8	멜트블로운
실시예 1-5	PBT(친수성)	12.2	95.4	99.3	멜트블로운 (플라즈마 처리)

상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 엘리먼트 외측에 멜트블로운을 겹치지 않은 비교예 1의 것에 비하여 엘리먼트 외측에 멜트블로운을 겹친 실시예 1-1 ~ 1-5의 것의 먼지 포집량은 약 20% 정도 증대되었다. 그러나 포집 효율의 경우 그 변화가 매우 적었다. 이는 외측의 멜트블로운 여재의 기공도가 매우 커서 적은 입자에 대한 포집효과가 미약한 것에 기인하는 것으로 보인다. 수분 제거율의 경우 필터 엘리먼트의 내부 여재와 동일한 재질이거나 소수성 여재를 사용한 실시예 1-1과 1-2의 경우 수분 분리효율이 약간 상승하였으나 그 상승률은 매우 적어 목적하는 효과를 얻기 힘들었다. 그러나, 필터 엘리먼트의 내부 여재보다 친수성의 여재를 사용한 실시예 1-3, 실시예 1-4 및 실시예 1-5의 경우 친수성이 증가할수록 수분 분리 효과가 증대 되었다. 특히 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT) 여재를 플라스마로 친수화 처리한 실시예 1-5의 경우 수분 분리 효과가 매우 우수하였다. 이는 내부 소수성 여재에 의해 제거하기 힘든 미세수분 입자를 외측의 친수성 여재에서 응축시키고 내부 소수성 여재에서 이를 제거한 것으로 판단된다.

실시예 2

벌키성 여재의 제조에 장점이 있는 니들펀치 공법에 의해 친수성 섬유의 구성비를 조절하여 여재를 제조한 후 엘리먼트 외측에 핫멜트(Hot-Melt) 방식을 이용하여 접착한 후 필터 효과를 측정하고 그 결과를 다음의 표 2에 나타내었다. 제조된 여재의 물성은 다음과 같으며 원료 구성비 및 필터특성은 아래 표에 나타내었다. 여재 물성은 다음과 같다.

- 기공크기 : 94 ㎛ - 중량 : 180 g/㎡

- 통기도 : 250 cfm(125 Pa에서) - 섬유경 : 3-15 ㎛

- 두께 : 2.8 mm

	여재 재질	먼지포집량 (g)	포집효율 (5㎛)	수분제거율 (%)	여재제조방식
실시예 2-1	PET:VR=8:2	14.4	95.3	98.8	니들펀치
실시예 2-2	PET:VR=6:4	13.9	95.6	99.7	니들펀치

친수성 섬유인 VR(비스코스 레이온)의 비율이 많은 실시예 2-2의 엘리먼트가 실시예 1의 것과 같이 수분제거율이 높게 나온 것을 알 수 있다. 또한, 비교예 1의 엘리먼트와 비교하여 먼지 포집효율도 약간 더 증대되었으며, 먼지포집량은 40% 수준으로 매우 큰 폭으로 증대되었다. 이는 여재가 극세 섬유인 것과 중량 차이에 기인한 것으로 판단된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 필터 엘리먼트는 그 외곽에 친수성 여재를 접착시킴으로서 내연기관 연료에 포함된 수분 및 먼지를 더욱 효율적으로 포집하여 제거하는 것이 가능하다.

Claims (6)

1. 내연기관용 연료 필터 엘리먼트에 있어서, 연료에 함유된 수분 및 먼지를 분리하기 위해 연료필터 엘리먼트에 친수성의 여재를 엘리먼트의 외측부에 겹쳐지게 배치한 것을 특징으로 하는 연료필터 엘리먼트.
2. 제1항에 있어서, 상기 친수성 여재의 물성은 5-150 ㎛의 기공크기, 20-500 g/㎡ 범위의 중량, 3 ~ 2000 cfm(125 Pa에서) 범위의 공기투과도, 및 1 ~ 50 ㎛ 범위의 섬유경을 갖으며, 7 mm 이하의 두께를 가진 것인 엘리먼트.
3. 제1항에 있어서, 친수성 여재는 멜트블로운 부직포, 써멀본드 부직포, 스펀본드 부직포, 케미컬본드 부직포, 스펀레이스 부직포, 에어레이드 부직포, 여과지 또는 발포 스펀지로 이루어진 군 중에서 선택된 것인 엘리먼트.
4. 제1항에 있어서, 상기 친수성 여재의 재질은 폴리에틸렌, 폴리부틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 나일론, 폴리페닐렌설파이드, 폴리카아보네이트(PC), 폴리에스터 글리콜(PETG), 폴리염화비닐(PVC), 비스코스레이온, 천연섬유(셀룰로스 등) 또는 이들 폴리머를 둘 이상이 혼합하여 사용한 것인 엘리먼트.
5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 여재는 친수성 첨가제가 포함되거나 플라즈마를 이용한 친수화 처리하거나 또는 상기 두가지 방법을 모두 적용하여 친수화를 수행한 것인 엘리먼트.
6. 제 1항에 있어서, 친수성 여재를 엘리먼트 외측부에 겹치는 방법은 초음파 융착 또는 폴리우레탄, 나일론, 폴리에스터 등의 내열성 및(또는) 내연료성 핫멜트(Hot-Melt)로 접착하는 방법을 사용하여 접착하거나, 접착성을 더욱 증대하기 위하여 상기 방법 중 두 가지 이상을 혼용하여 접착한 것인 엘리먼트.

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