KR20110004412A - 공기 여과 장치 - Google Patents

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KR20110004412A
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filter
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air filtering
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cartridge
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KR1020107024621A
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피에르 레가르
개리 이 드와이어
앤드류 머피
사이먼 제이 스미스
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쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니
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Abstract

카트리지 입구 및 카트리지 출구와 오목 표면을 갖는 만곡형 필터 베드를 구비하며 여과될 공기가 입구, 만곡형 필터 베드 및 출구를 통과하도록 배치된, 제1 필터 카트리지를 포함하는 공기 여과 장치가 개시된다. 공기 여과 장치는 또한 카트리지 출구와 유체 연통하는 송풍기 입구 및 송풍기 출구를 갖는 송풍기 조립체를 포함하며, 송풍기 조립체는 만곡형 필터 베드의 오목 표면에 근접한 모터를 포함한다. 모터는 만곡형 필터 베드의 곡률 중심에 인접하도록 된 회전축을 갖는다. 공기 여과 장치는 동력식 공기 정화 호흡기에 사용될 수 있다.

Description

공기 여과 장치{AIR FILTRATION DEVICE}
본 발명은 공기 여과 장치에 관한 것으로, 특히 동력식(powered) 공기 여과 장치에 관한 것이다.
송기식 호흡기(supplied air respirator)는 주변 공기가 오염 물질을 함유하는 환경에서 통상적으로 착용된다. 깨끗한 공기가 공급 탱크로부터 또는 주변 공기를 공기 필터를 통해 밀어 보내는 동력식 공기 공급원으로부터 착용자에게 전달된다.
착용자에게 깨끗한 공기를 공급하기 위하여 동력식 공기 공급원을 사용하는 시스템은 동력식 공기 정화 호흡기(powered air purifying respirator) - "PAPR"로서 약칭으로 공지됨 - 로 불린다. PAPR은 전형적으로 2개의 주요 부분, 즉 안면부(facepiece) 및 여과 유닛을 갖는다. 안면부는 적어도 사용자의 코와 입 위에 착용되고(이는 눈과 귀를 또한 덮을 수 있음), 여과 유닛은 보통은 사용자의 허리 둘레에 착용된다. 여과 유닛은 종종 필터 카트리지, 하우징, 팬(fan), 및 팬을 구동하는 전기 모터를 포함한다. 팬 및 모터는 하우징 내부에 수용되고, 필터 카트리지는 하우징 본체에 부착된다. 주변 공기는 필터 카트리지 내부에 수용된 필터 요소를 통해 강제됨으로써 여과된다. 그리고 나서, 이러한 여과된 공기는 호스(hose)를 통해 안면부로 전달된다. 전동식 팬은 공기를 필터 카트리지로부터 호스를 통해 안면부 내부로 밀어 보낸다. 팬이 PAPR 시스템을 통한 공기 이동을 위해 요구되는 일을 하기 때문에, 사용자는 적은 수고로 깨끗한 공기의 공급을 편안하게 받을 수 있다.
본 발명의 예시적인 일 실시예의 공기 여과 장치는, 카트리지 입구 및 카트리지 출구와 오목 표면을 갖는 만곡형 필터 베드(filter bed)를 구비하며 여과될 공기가 입구, 만곡형 필터 베드 및 출구를 통과하도록 배치된, 제1 필터 카트리지를 포함한다. 공기 여과 장치는 또한 카트리지 출구와 유체 연통하는 송풍기 입구 및 송풍기 출구를 갖는 송풍기 조립체를 포함하며, 송풍기 조립체는 만곡형 필터 베드의 오목 표면에 근접한 모터를 포함하고, 모터는 만곡형 필터 베드의 곡률 중심에 인접하도록 된 회전축을 갖는다.
본 발명은 유사한 부분을 나타내기 위하여 유사한 도면 부호가 사용된 도면 및 상세한 설명에서 보다 완전하게 도시되고 설명된다. 그러나, 도면 및 설명은 예시의 목적만을 가지며 본 발명의 범주를 부당하게 제한하는 방식으로 읽혀져서는 안 된다는 것을 이해하여야 한다.
<도 1>
도 1은 공기 여과 장치의 예시적인 실시예의 일부분의 개략 단면도.
<도 2>
도 2는 공기 여과 장치의 예시적인 실시예의 개략 사시도.
<도 3>
도 3은 공기 여과 장치의 예시적인 실시예를 위한 하우징 기부(base)의 개략 사시도.
<도 4>
도 4는 공기 여과 장치의 예시적인 실시예의 개략 분해도.
<도 5>
도 5는 공기 여과 장치의 예시적인 실시예의 일부분의 개략 단면도.
<도 6>
도 6은 동력식 공기 정화 호흡기의 예시적인 실시예의 개략 사시도.
본 발명은 사용자에게 정화된 공기를 공급하기 위해 사용자가 지니고 다니도록 설계된 동력식 휴대용 공기 여과 장치를 제공한다. 공기 여과 장치는 주변 공기가 오염 물질을 함유하거나 잠재적으로 오염 물질을 함유할 수 있는 환경에서 통상적으로 사용된다. 이러한 오염 물질은, 예를 들면 단독으로 또는 조합하여 존재할 수 있는 연무, 가스, 미립자, 증기 등을 포함한다. 공기 여과 장치는 동력식 공기 정화 호흡기 또는 PAPR의 일부일 수 있다.
만곡형 필터 베드를 포함하는 공기 여과 장치는 더욱 컴팩트한 시스템을 제공하기 때문에 사용자에게 유리하다. 더욱 컴팩트한 시스템 또는 "낮은 프로파일의 시스템"은 사용자에게 보다 양호한 편안함을 제공하고, 작업을 수행하는 동안 공기 여과 장치가 방해하거나 걸리게 될 가능성을 감소시킨다. 이러한 컴팩트함은 공기 전달 성능을 희생하지 않고서 달성된다.
더 낮은 프로파일의 공기 여과 장치는 이들이 사용자에게 보다 양호한 편안함을 제공하기 때문에 사용자에게 유리하고, 덜 성가신 것은 사용자에 의해 수행되는 작업의 성과를 방해할 가능성을 덜하게 한다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, "깨끗한 공기 또는 정화된 공기"라는 용어는 여과된 공기(또는 다른 산소 함유 기체)를 의미한다.
"호흡 헤드기어(breathing head gear)"라는 용어는 정화된 공기가 공급되며 사람에 의해 착용되는 장치를 의미하고, 이러한 호흡 헤드기어는 예를 들어 적어도 사람의 적어도 호흡 통로(코와 입) 위에 꼭 맞게 맞춰지는 안면부, 및 느슨하게 맞춰지는 안면부를 포함하고, 호흡 헤드기어의 예는 탄성중합체 안면부 호흡기, 전면형(full face) 호흡기, 소프트 후드(soft hood) 또는 하드 헤드탑(hard headtop)과 같은 헤드 커버 및 다른 적합한 호흡기 시스템을 포함하지만 이에 제한되지 않는다.
"필터 베드"라는 용어는, 필터 요소를 포함하며 여과 유닛에 연결되거나 여과 유닛 내에서 사용되도록 구성된 구조물을 의미하고, "만곡형 필터 베드"는 평면이 아니라 곡률 반경을 갖는 것이며, 일반적으로 만곡형 필터 베드는 곡률의 길이에 걸쳐 연속적인데, 즉 곡률의 길이를 따라 상이한 필터 모듈들로 세분되지 않고, 전형적으로 필터 베드는 흡착성 입자를 포함한다.
"필터 카트리지"라는 용어는, 필터 요소를 포함하며 여과 유닛에 연결되거나 여과 유닛 내에서 사용되도록 구성된 구조물을 의미하고, "만곡형 필터 카트리지"는 평면이 아니라 곡률 반경을 갖는 것이다.
"여과 유닛"이라는 용어는, 주변 공기를 여과하고 동력식 공기 이동을 일으키는 것을 담당하는 PAPR의 부분을 의미한다.
"호스"라는 용어는, 깨끗한 공기 공급원으로부터의 깨끗한 공기를 호흡 헤드기어로 전달하기 위해 공기가 그를 통해 이동할 수 있는, 유체 불투과성 벽(들)을 갖는 도관을 포함하는 장치를 의미한다.
"동력식 공기 정화 호흡기 또는 PAPR"이라는 용어는 여과된 공기를 호흡 헤드기어로 전달하기 위해 동력원을 이용하는 송기식 호흡기를 의미한다.
"곡률 중심"이라는 용어는 만곡형 필터 베드 또는 만곡형 필터 카트리지에 의해 형성된 원호의 중심을 말한다. 예컨대, 필터 베드의 곡률이 원통형이면, 곡률 중심은 선이고, 한편 구형 곡률의 경우에는 곡률 중심은 지점이다. 더욱 복잡한 유형의 곡률의 경우, 곡률 중심은 영역일 수 있다. 예컨대, 도 1을 참조하면, 공기 여과 장치(10)의 곡률 중심은 선(170)으로 표현된, 표면(160)과 도면의 평면에 수직한 평면의 교차에 의해 한정된 선 상에 놓인다.
본 발명의 공기 여과 장치는, 카트리지 입구 및 카트리지 출구와 오목 표면을 갖는 만곡형 필터 베드를 구비하며 여과될 공기가 입구, 만곡형 필터 베드 및 출구를 통과하도록 배치된, 제1 필터 카트리지를 포함한다. 공기 여과 장치는 또한 카트리지 출구와 유체 연통하는 송풍기 입구 및 송풍기 출구를 갖는 송풍기 조립체를 포함하며, 송풍기 조립체는 만곡형 필터 베드의 오목 표면에 근접한 모터를 포함하고, 모터는 만곡형 필터 베드의 곡률 중심에 인접하도록 된 회전축을 갖는다.
일반적으로 공기 여과 장치는 하우징 내부에 수용된다. 하우징은, 예컨대 하우징 기부, 하나 이상의 필터 카트리지를 부착하기 위한 부착 수단 및 커버를 포함할 수 있다. 하우징의 사용은 공기 여과 장치의 구성요소들이 서로 유체 연통하여 유지되는 것을 허용하며, 충격, 손상 등으로부터 구성요소들을 보호한다.
하우징은 전형적으로 공기 여과 장치가 사용될 조건 하에서 여과될 유체에 불투과성이 되도록 설계된다. 하우징을 위한 일부 잠재적으로 적합한 재료는 플라스틱, 금속, 복합재(composite) 등을 포함할 수 있다.
하우징 기부는 전형적으로 송풍기 조립체를 포함한다. 송풍기 조립체는 필터 카트리지의 출구와 유체 연통하는 송풍기 입구, 및 예컨대 호흡 헤드기어에 연결된 호스에 부착될 수 있는 송풍기 출구를 포함한다. 송풍기 조립체와 필터 베드 사이의 유체 연통은 임펠러 개구, 예컨대 링형 임펠러 개구(ring-shaped impeller opening)를 통해 이루어질 수 있다. 일반적으로 링형 임펠러 개구는 모터와 송풍기 출구 사이의 간극에 의해 형성된다. 예컨대, 도 3에서, 링형 임펠러 개구(320)는 모터(310)와 송풍기 입구(300)의 에지 사이에 배치된다. 일반적으로, 링형 임펠러 개구 전체는 만곡형 필터 베드의 오목 표면에 노출된다(또는 오목 표면에 의해 덮인다). 임펠러 개구 전체는, 만곡형 필터 베드의 오목 표면 상으로의 임펠러 개구의 돌출부가 만곡형 필터 베드의 오목 표면 상에 전체적으로 배치될 때, 만곡형 필터 베드의 오목 표면에 노출된다.
송풍기 조립체는 또한 송풍기 팬 및 모터 조립체를 포함한다. 모터 조립체는 송풍기 모터를 포함할 수 있다. 모터는 만곡형 필터 베드의 오목 표면에 근접하여 위치된다. 모터는 만곡형 필터 베드의 곡률 중심에 인접하도록 된 회전축을 갖는다. 송풍기 모터는 공기가 공기 여과 장치를 통해 유동하게 하는 송풍기 팬을 구동한다. 전형적으로, 송풍기 모터는 무브러시(brushless) DC 모터이다. 일반적으로, 공기 여과 장치는 휴대되도록 의도되기 때문에, 동력원은 유리하게는 충전식 또는 비충전식 전지를 포함할 수 있다.
하우징 기부는 또한 송풍기 출구를 포함할 수 있다. 송풍기 출구는 전형적으로 단일 개구이지만, 몇몇 실시예에서는 일련의 개구들을 포함할 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 출구 포트는 원통형 개구이지만, 다른 형상 및 외형이 사용될 수도 있다. 개구는 또한 호흡 헤드피스(breathing headpiece) 또는 다른 장치에 정화된 공기를 공급하기 위하여, 예컨대 호스 또는 다른 연결 장치에 공기 여과 장치를 해제가능하게 부착하도록 설계된 구조물을 포함할 수 있다.
하우징은 또한 하나 이상의 필터 카트리지를 제거가능하게 부착하기 위한 기구를 포함할 수 있다. 다양한 상이한 기구들이 하나 이상의 필터 카트리지를 하우징에 제거가능하게 부착하기 위하여 사용될 수 있다. 전형적으로, 나사, 체결구, 클립, 래치 등과 같은 기계적인 부착 장치가 필터 카트리지를 하우징에 부착하기 위하여 사용된다. 하나의 연결 구조는 스냅 끼워맞춤(snap-fit) 필터 카트리지를 포함한다(예컨대, 미국 특허 제5,579,761호 참조). 다른 대안은 호흡기 하우징 상에 대응하는 나사형성된 피팅(threaded fitting)에 부착되는 나사형성된 필터 카트리지를 포함한다.
하우징은 또한 커버를 포함할 수 있다. 커버는 일반적으로 필터 카트리지 또는 필터 카트리지들의 상부에 위치되어, 최외측 필터 카트리지(즉, 송풍기 조립체로부터 가장 먼 필터 카트리지)와 유체 연통한다. 커버의 사용은 하우징 내부에 필터 카트리지 또는 필터 카트리지들을 수용하여 보호하는 데 도움이 된다. 전형적으로 커버는 기부에, 필터 카트리지(들)에 또는 둘다에 부착하기 위한 기구를 포함한다. 부착 기구는 기부에의 필터 카트리지의 부착에 대해 상기 논의된 것들을 포함한다. 커버는 또한 최외측 필터 카트리지 내로 유체(예컨대, 공기)가 들어가게 하도록 하나의 개구 또는 일련의 개구들을 포함한다. 개구는, 예컨대 슬롯, 원형 공동(void), 삼각형 공동, 사각형 공동, 다공성 메시(porous mesh), 스크린 등 중 하나 이상일 수 있다.
공기 여과 장치는 하나 이상의 필터 카트리지를 포함한다. 적어도 하나의 필터 카트리지는 적어도 하나의 만곡형 필터 베드를 포함한다. 만곡형 필터 베드는 일반적으로 오목 형상을 갖는다(필터 카트리지의 출구측으로부터 볼 때, 필터 카트리지의 입구측으로부터 볼 때에는 만곡형 필터 베드는 볼록 형상을 갖는다). 만곡형 필터 베드는 지지 플레이트 상에 또는 한 쌍의 지지 플레이트들 사이에 위치된 필터 재료 베드를 포함하고, 필터 재료 베드에 대면하는 지지 플레이트의 주 표면(major surface)들은 각각 적어도 하나의 축을 중심으로 만곡되어 있다. 몇몇 실시예에서, 지지 플레이트에 의해서 부여된 곡률은 필터 베드에 만곡형 형상을 제공한다. 필터 재료 베드의 적어도 일부분은 지지 플레이트들 사이에서의 잔류 압축 하에서 보유된다.
몇몇 실시예에서, 필터 카트리지는, 만곡형 필터 베드를 포함하고 입구 및 출구를 또한 포함하는 케이스를 포함한다. 필터 카트리지 케이스는 필터 카트리지의 구성요소들을 제 위치에서 유지하는 것을 돕고, 공기 여과 장치 하우징 내부에 끼워지도록 설계된다. 필터 카트리지 케이스는 전형적으로 공기 여과 장치가 사용될 조건 하에서 여과될 유체에 불투과성이 되도록 설계된다. 케이스를 위한 일부 잠재적으로 적합한 재료는 플라스틱, 금속, 복합재 등을 포함할 수 있다. 필터 재료의 만곡형 베드는 여과될 유체가 케이스 입구, 필터 재료 및 케이스 출구를 통과하도록 케이스 내부에 포함된다. 제1 지지 플레이트는 필터 재료 베드와 출구 사이에 위치되어, 제1 지지 플레이트는 적어도 하나의 축을 중심으로 곡률을 포함하는 필터 재료 베드에 대면하는 주 표면을 갖는다. 제2 지지 플레이트는 필터 재료 베드와 입구 사이에 위치되어, 제2 지지 플레이트는 적어도 하나의 축을 중심으로 곡률을 또한 포함하는 필터 재료 베드에 대면하는 주 표면을 포함한다.
몇몇 실시예에서, 필터 재료 베드는 필터 카트리지 내부에서 지지 플레이트들 사이의 잔류 압축 하에서 보유되는 성긴(loose) 미립자 필터 재료이다. 필터 재료의 조기 파괴를 감소시키고 이의 완전한 사용을 촉진하기 위하여, 2개의 지지 플레이트들 사이의 필터 재료의 두께가 균일한(통상의 제조 공차 내인) 것이 또한 바람직할 수 있다.
필터 재료 베드는 다양한 형태를 취할 수 있지만, 전형적으로는 성긴 흡착성 입자와 같은 흡착성 입자를 포함할 수 있다. 흡착성 입자는 호흡기를 통해 흡입될 공기와 같이 유체로부터 가스 및 증기를 제거하기에 적합한 것으로 알려진 임의의 유형의 것일 수 있다. 일부 잠재적으로 적합한 흡착성 입자의 예는, 예컨대 이온 교환 수지, 활성탄(예컨대, 아민 트라이에틸렌다이아민 또는 구리, 은, 아연, 몰리브덴 등과 같은 중금속 염으로 함침될 수 있음), 제올라이트, 처리된 활성 알루미나, 또는 금속-유기 골격체(metal-organic framework, MOF) 등을 포함할 수 있다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, "성긴"이라는 것은 인접한 입자들이 서로 물리적으로 부착되어 있지 않아서, 예컨대 중합체, 발포체 등과 같은 결합제의 사용을 통해 자립식(self-supporting) 필터 구조를 형성한다는 것을 의미한다. 그 결과, 성긴 입자들은 스톰 필링(storm filling) 또는 유사한 공정을 통해 전달하기 쉬운 과립 또는 펠렛 형태로 될 수 있다.
한 가지 초과의 유형의 필터 재료가 사용될 수 있다. 예컨대, 만곡형 필터 베드는 상이한 유형의 성긴 필터 재료의 다수의 층을 포함할 수 있다. 다층형 필터 베드는 상이한 필터 재료들의 순차적인 침착에 의해 스톰 필링 기술을 사용하여 제조될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 필터 카트리지의 제조는 카트리지 케이스 내부에 위치된 평평한(통상의 제조 공차 내) 수평으로 배향된 지지 플레이트 상에 필터 재료 베드를 침착시키는 것을 포함한다. 필터 재료 베드는 몇몇 경우에서 원하는 패킹 밀도(packing density)로 균일한 두께로 패킹된 베드를 제공하기 위한 그 적합성을 고려하여 스톰 필링에 의해 침착될 수 있다. 스톰 필링은 전형적으로 입자들이 낙하할 때 입자들을 산란시키는 일련의 스크린을 통해 입자들을 부어서, 필터 재료의 평탄한 베드를 생성하는 것을 포함한다. 필터 재료가 침착되고 난 후, 지지 플레이트는 바람직하게는 필터 재료 베드에 대면하는 지지 플레이트의 주 표면들이 각각 적어도 하나의 축을 중심으로 오목 곡률을 갖도록 변형될 수 있다.
지지 플레이트의 변형은 베드의 적어도 일부분이 지지 플레이트들 사이에서 압축되어 보유되도록 필터 재료 베드의 잔류 압축을 생성할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 잔류 압축은 만곡형 필터 카트리지 내부에 위치된 탄성적으로 변형된 지지 플레이트에 의해 제공되는 것이 바람직할 수 있다.
설명된 제조 방법의 한 가지 잠재적인 이점은 필터 재료 베드를 침착하는 데 경제적이고 필터 재료의 밀도의 균일성을 향상시킬 수 있는 종래의 스톰 필링 기술이 사용될 수 있다는 것이다. 다른 잠재적인 이점은 상이한 필터 재료의 층들이 동일한 필터 카트리지 내에 사용되는 경우, 스톰 필링은 상이한 층들 사이의 분리를 유지하면서 층들을 침착하는 편리한 방법을 제공한다는 것이다.
전형적으로 만곡형 필터 베드는 여과될 유체로부터 불순물을 효과적으로 여과하면서도 낮은 프로파일을 유지하는 것을 허용하는 두께를 갖는다. 몇몇 실시예에서, 만곡형 필터 베드는 두께가 1.0 센티미터 내지 5.0 센티미터이다.
필터 카트리지는 하부 부분 및 상부 부분을 포함하는 케이스를 제공함으로써 제조될 수 있다. 함께 조립될 때, 하부 부분과 상부 부분은 필터 카트리지 케이스를 형성한다. 필터 카트리지를 제조하기 위한 방법은, 케이스의 하부 부분 내부에 제1 지지 플레이트를 배치하는 것, 케이스의 하부 부분 내부에 위치된 제1 지지 플레이트 상에 필터 재료 베드를 침착시키는 것을 포함할 수 있다. 제2 지지 플레이트는 침착된 필터 재료의 상부에 부가될 수 있다. 제1 지지 플레이트(및 존재할 경우, 제2 지지 플레이트)는 필터 재료 베드를 침착시킨 후에 변형되어, 필터 재료에 대면하는 제1 지지 플레이트의 주 표면이 적어도 하나의 축을 중심으로 곡률을 포함한다. 전형적으로, 곡률은 원통형이지만, 다른 유형의 곡률도 본 발명의 범주 내이다. 필터 카트리지 케이스의 상부 부분이 하부 부분에 부착되어 필터 카트리지를 완성한다. 필터 카트리지 케이스는 임의의 유용한 형상일 수 있지만, 전형적으로 케이스는 필터 베드의 곡률과 유사하거나 동일한 곡률로 만곡된다.
지지 플레이트에 의해 베드에 부여된 곡률은 지지 플레이트의 주 표면들 중 하나에 수직한 축과 관련하여 결정될 수 있다. 곡률은 균일할 수 있거나, 베드의 표면에 걸쳐 변할 수 있다. 적합한 만곡형 표면의 예는 하나 이상의 타원, 원 등에 의해 한정될 수 있다. 곡률을 특징짓는 한 가지 방식은 지지 플레이트의 주 표면의 하나 이상의 지점 또는 섹션에서의 곡률 반경에 의한 것이다. 몇몇 실시예에서, 이러한 곡률 반경은 예컨대 1 미터 이하, 또는 0.5 미터 이하, 또는 심지어 20 센티미터 이하이다.
필터 카트리지의 필터 베드 및 지지 플레이트의 곡률을 특징짓기 위한 다른 방식은 평면 형상으로부터의 변형의 결과로서 지지 플레이트의 적어도 일부분에 부여된 편향(deflection)에 의한 것이다. 몇몇 실시예에서, 이러한 변위(평면 형상으로부터의 변형)는 예컨대 5 밀리미터 이상, 또는 심지어 10 밀리미터 이상일 수 있다.
제공된 곡률은 2개 이상의 축에 대해 한정될 수도 있으며, 이들 2개 이상의 축은 서로에 대해 평행하거나 평행하지 않을 수도 있다. 예컨대, 일반적으로 곡률은 만곡형 표면이 베드 및 주변 구조물(예컨대, 지지 플레이트)에 부여되도록 된 합성 곡률(compound curvature)이다. 선택된 곡률은 바람직하게는, 예컨대 공기 여과 장치의 프로파일을 감소시키기 위하여 카트리지가 연결될 공기 여과 장치의 다른 구성요소의 외형 및/또는 크기에 부합하도록 설계될 수 있다.
공기 여과 장치에서, 1개의 필터 베드가 사용될 수 있거나, 1개 초과의 필터 베드가 사용될 수 있다. 이는 1개 초과의 필터 베드를 갖는 필터 카트리지의 사용을 통해 또는 다수의 필터 카트리지의 사용을 통해 달성될 수 있다. 1개의 필터 카트리지가 사용되는 경우, 이는 전술된 것과 같을 수 있거나, 모듈형 설계일 수 있다. 필터 카트리지가 2개의 모듈을 포함하는 경우, 일반적으로 양 모듈은 만곡된다. 몇몇 실시예에서, 제1 모듈은 전술된 것과 같은 필터 재료를 포함하는 필터 베드이다. 이들 실시예에서, 제2 모듈은 미립자 필터를 포함할 수 있다. 미립자 필터는, 예컨대 부직물의 주름진 웨브(nonwoven pleated web), 개방 셀 발포체(open cell foam), 주름진 멤브레인(pleated membrane), 2개 이상의 필터의 조합 등의 형태일 수 있다.
1개 초과의 필터 베드를 포함하는 필터 카트리지에서는, 일반적으로 하나의 필터 베드는 1.0 센티미터 내지 5.0 센티미터의 두께이고 제2 필터 베드는 0.5 센티미터 내지 3.0 센티미터의 두께이다.
1개 초과의 필터 카트리지가 사용되는 경우, 필터 카트리지들은 동일하거나 상이할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 2개의 필터 카트리지가 사용되며, 하우징 커버, 제2 필터 카트리지, 제1 필터 카트리지, 하우징 기부의 전체적인 구성으로 공기 여과 장치 내에 위치된다. 하우징 기부는 전형적으로 송풍기 조립체와 그 내부에 포함된 모터를 포함한다. 이들 실시예에서, 제1 필터 카트리지는 전술된 것과 같은 필터 재료를 포함하는 만곡형 필터 베드를 포함한다. 전형적으로, 제2 필터 카트리지는 부직물의 주름진 웨브, 개방 셀 발포체, 주름진 멤브레인, 2개 이상의 필터의 조합 등의 형태일 수 있는 미립자 필터를 포함한다.
필터 카트리지는 일반적으로, 필터 카트리지가 공기 여과 장치 하우징 내부에 수용될 때, 공기가 입구를 통해서만 공기 여과 장치로 유입하도록 필터 카트리지가 신뢰성 있게 밀봉되게 하는 개스킷 시스템(gasketing system)을 포함할 수 있다. 신뢰성 있는 밀봉은 밀봉 개스킷에 가해지는 압축을 통해 얻어지고 유지된다. 전형적으로, 필터 카트리지를 위한 개스킷은 공기 여과 장치의 프로파일에 추가되지 않도록 설계된다. 몇몇 실시예에서, 개스킷은 낮은 프로파일을 제공하는 것을 돕기 위하여 필터 카트리지의 주변부 둘레에 존재한다.
공기 여과 장치는 전형적으로 휴대되도록 설계된다. 이들은 사용자가 지니고 다니거나 착용하는 것과 같은 임의의 적합한 방식으로 운반될 수 있다. 일반적으로, 이들은 사용자에 의해, 예컨대 벨트 캐리어를 사용하여 허리 둘레에 또는 백팩(backpack) 구성을 이용하여 어깨 상에 착용된다. 몇몇 실시예에서, 공기 여과 장치는 공기 여과 장치가 사용자의 신체에 착용되는 것을 가능하게 하는 벨트 시스템(belting system)을 포함한다. 벨트 시스템은 일반적으로 다양한 허리 크기를 수용할 수 있도록 조절가능하다.
도면을 참조하면, 도 1은 공기 여과 장치의 예시적인 실시예의 일부분의 단면도를 개략적으로 도시한다. 이 실시예에서는, 서로 유체 연통하는 2개의 필터 카트리지가 존재한다. 도 1에서, 공기 여과 장치(10)는 하우징 기부(400)와 제1 필터 카트리지(100) 및 제2 필터 카트리지(200)를 포함한다. 제1 필터 카트리지(100)는 제1 지지 플레이트(110), 제2 지지 플레이트(140) 및 만곡형 필터 베드(130)를 포함한다. 제1 지지 플레이트(110)는 오목 표면(160)을 갖는다. 오목 표면(160)은 선(170)에 의해 지시된 곡률 중심을 갖는다. 제1 지지 플레이트(110)는 복수의 개구를 포함하는 카트리지 출구(120)를 포함하고, 제2 지지 플레이트(140)는 복수의 개구를 포함하는 카트리지 입구(150)를 포함한다. 제2 필터 카트리지(200)는 복수의 개구를 포함하는 카트리지 입구(210) 및 주름진 필터 재료를 포함하는 만곡형 필터(220)를 포함한다. 하우징 기부(400)는 제1 필터 카트리지(100)와 유체 연통하는 송풍기 입구(300)를 포함한다. 모터(310)는 오목 표면(160)에 근접한 송풍기 입구(300) 내에 위치되고, 선(170)에 대응하는 회전축을 갖는다. 이러한 예시적인 실시예에서 만곡형 필터 베드(130)의 곡률 중심 및 모터(310)의 회전축은 동일한 선(170)에 의해 도시되지만, 이들은 동일한 평면에 위치될 필요는 없다. 예컨대, 몇몇 예시적인 실시예에서, 모터(310)의 회전축은 임펠러 개구(도 3에 도시됨)가 만곡형 필터 베드(130)에 의해서 완전히 덮이도록 배치될 수 있다. 팬(360)이 모터(310)에 부착된다. 래치(430)는 하우징 기부(400)에 부착되어, 하우징 기부(400)로부터의 필터 카트리지(100)의 제거가능한 부착을 허용한다.
도 2는 공기 여과 장치의 예시적인 실시예의 사시도를 개략적으로 도시한다. 도 2에서, 공기 여과 장치(20)는 하우징 기부(400) 및 커버 부분(410)을 포함한다. 하우징 기부(400)는 또한 호스 또는 다른 출구 장치(도시 안됨)에 연결될 수 있는 송풍기 출구(420)를 포함한다.
도 3은 공기 여과 장치의 예시적인 실시예를 위한 하우징 기부의 사시도를 개략적으로 도시한다. 하우징 기부(400)는 모터(310)를 수용하는 송풍기 입구(300)를 포함한다. 송풍기 입구(300)는, 본 명세서에서 임펠러 개구로 지칭되는, 모터(310)와 송풍기 입구(300)의 에지 사이의 링형 개구(320)를 통해 카트리지 출구(도시 안됨)와 유체 연통하도록 구성된다.
도 4는 공기 여과 장치의 예시적인 실시예의 분해도를 개략적으로 도시한다. 도 4에서, 공기 여과 장치(30)는 하우징 기부(400)와 제1 필터 카트리지(100), 제2 필터 카트리지(200) 및 커버 부분(410)을 포함한다. 하우징 기부(400)는 송풍기 입구(300) 및 송풍기 출구(420)를 포함한다.
도 5는 공기 여과 장치의 예시적인 실시예의 일부분의 단면도를 개략적으로 도시한다. 이 실시예에서, 필터 카트리지는, 하나의 모듈이 만곡형 필터 베드를 포함하고 다른 모듈이 주름진 필터 재료를 포함하는, 2개의 모듈을 포함한다. 도 5에서, 공기 여과 장치(40)는 하우징 기부(400) 및 필터 카트리지(500)를 포함한다. 필터 카트리지(500)는 2개의 필터 모듈(510, 520)을 포함한다. 제1 필터 모듈(510)은 제1 지지 플레이트(530), 제2 지지 플레이트(540) 및 만곡형 필터 베드(550)를 포함한다. 제1 지지층(530)은 복수의 개구(560)를 포함하고, 제2 지지층(540)은 복수의 개구(570)를 포함한다. 제2 필터 모듈(520)은 복수의 개구(570)에 의해 제1 필터 모듈(510)과 유체 연통한다. 제2 필터 모듈(520)은 복수의 개구(590) 및 주름진 필터 재료(580)를 포함한다. 하우징 기부(400)는 필터 카트리지(500)와 유체 연통하는 송풍기 입구(300)를 포함한다.
도 6은 동력식 공기 정화 호흡기의 예시적인 실시예의 사시도를 개략적으로 도시한다. 도 6에서, 동력식 공기 정화 호흡기(600)는 송풍기 출구(420)를 구비한 공기 여과 장치(20)를 포함한다. 호스(610)는 일 단부에서 송풍기 출구(420)에 부착되고 다른 단부에서 예시적인 호흡 헤드기어(620)에 부착된다.
본 발명의 예시적인 실시예가 논의되었고, 본 발명의 범주 내에서 일부 가능한 변경이 참조되었다. 이들 및 다른 변경과 수정은 본 발명의 범주로부터 벗어남이 없이 당업자에게 자명할 것이며, 본 발명은 본 명세서에 기술된 예시적인 실시예로 제한되지 않는다는 것을 이해하여야 한다. 따라서, 본 발명은 이하에 제공되는 특허청구범위 및 그 등가물에 의해서만 제한되어야 한다.

Claims (21)

  1. 카트리지 입구 및 카트리지 출구를 구비하고, 오목 표면을 갖는 만곡형 필터 베드(filter bed)를 포함하며, 여과될 공기가 상기 입구, 만곡형 필터 베드 및 상기 출구를 통과하도록 배치된 제1 필터 카트리지;
    카트리지 출구와 유체 연통하는 송풍기 입구 및 송풍기 출구를 갖는 송풍기 조립체를 포함하며,
    송풍기 조립체는 만곡형 필터 베드의 오목 표면에 근접한 모터를 포함하고, 모터는 만곡형 필터 베드의 곡률 중심에 인접하도록 된 회전축을 갖는 공기 여과 장치.
  2. 제1항에 있어서, 제1 필터 카트리지는 만곡된 공기 여과 장치.
  3. 제1항에 있어서, 제1 필터 카트리지는 송풍기 조립체에 대하여 제거가능한 부착 기구에 의해 제거될 수 있는 공기 여과 장치.
  4. 제1항에 있어서, 만곡형 필터 베드는 복수의 개구를 포함하는 제1 지지 플레이트 및 복수의 개구를 포함하는 제2 지지 플레이트, 및 제1 지지 플레이트와 제2 지지 플레이트 사이에서의 만곡형 필터 재료 베드 - 제1 지지 플레이트는 필터 재료 베드와 카트리지 출구 사이에 위치되도록 됨 - 를 포함하며, 제1 지지 플레이트는 적어도 하나의 축을 중심으로 곡률을 포함하는 필터 재료 베드에 대면한 주 표면(major surface)을 포함하고, 제2 지지 플레이트는 필터 재료 베드와 카트리지 입구 사이에 위치되며, 제2 지지 플레이트는 적어도 하나의 축을 중심으로 곡률을 포함하는 필터 재료 베드에 대면한 주 표면을 포함하는 공기 여과 장치.
  5. 제4항에 있어서, 필터 재료는 활성탄, 제올라이트 또는 금속-유기 골격체(metal-organic framework)로 이루어진 군으로부터 선택되는 성긴(loose) 필터 재료의 적어도 하나의 층을 포함하는 공기 여과 장치.
  6. 제4항에 있어서, 제1 지지 플레이트 및 제2 지지 플레이트 중 적어도 하나의 곡률은 탄성 변형의 결과인 공기 여과 장치.
  7. 제4항에 있어서, 제1 지지 플레이트의 주 표면의 곡률은 1 미터 이하의 주 표면의 하나 이상의 지점 또는 섹션에서의 곡률 반경을 포함하는 공기 여과 장치.
  8. 제4항에 있어서, 상기 입구와 제2 지지 플레이트 사이에 위치된 제2 필터 베드를 추가로 포함하는 공기 여과 장치.
  9. 제8항에 있어서, 제2 필터 베드는 주름진 필터 재료를 포함하는 공기 여과 장치.
  10. 제1항에 있어서, 제1 필터 카트리지와 유체 연통하는 제2 필터 카트리지를 추가로 포함하는 공기 여과 장치.
  11. 제10항에 있어서, 제2 필터 카트리지는 주름진 필터를 포함하는 공기 여과 장치.
  12. 제10항에 있어서, 제2 필터 카트리지는 만곡된 공기 여과 장치.
  13. 제10항에 있어서, 제2 필터 카트리지는 제1 필터 카트리지에 대하여 제거가능한 부착 기구에 의해 제거될 수 있는 공기 여과 장치.
  14. 제1항에 있어서, 송풍기 조립체 입구는 링형 임펠러 개구(ring-shaped impeller opening)를 포함하는 공기 여과 장치.
  15. 제14항에 있어서, 링형 임펠러 개구 전체는 만곡형 필터 베드의 오목 표면에 노출되는 공기 여과 장치.
  16. 제1항에 있어서, 모터 조립체는 무브러시(brushless) DC 모터를 포함하는 공기 여과 장치.
  17. 제1항에 있어서, 공기 여과 장치의 출구에 부착된 호스(hose) 및 호스에 부착된 호흡 헤드기어(breathing head gear)를 추가로 포함하는 공기 여과 장치.
  18. 제1항에 있어서, 만곡형 필터 베드는 1.0 내지 5.0 센티미터의 두께를 갖는 공기 여과 장치.
  19. 제8항에 있어서, 제1 필터 베드는 1.0 내지 5.0 센티미터의 두께를 갖고, 제2 필터 베드는 0.5 내지 3.0 센티미터의 두께를 갖는 공기 여과 장치.
  20. 제1항에 있어서, 사용자의 신체에 공기 여과 장치의 장착을 가능하게 하는 벨트 시스템을 추가로 포함하는 공기 여과 장치.
  21. 제1항에 있어서, 만곡형 필터 베드는 흡착성 입자를 포함하는 공기 여과 장치.
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