KR20110131663A

KR20110131663A - 컴퓨터 모사를 이용한 절곡 필터의 최적화 방법

Info

Publication number: KR20110131663A
Application number: KR1020100051220A
Authority: KR
Inventors: 김주용; 이창환; 김기태; 이승준
Original assignee: 숭실대학교산학협력단
Priority date: 2010-05-31
Filing date: 2010-05-31
Publication date: 2011-12-07

Abstract

본 발명은 절곡 필터에 관한 것으로서, 특히 절곡 필터의 절곡조건의 최적화 방법에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 절곡 폭, 절곡 높이, 절곡 각도, 절곡 길이를 포함하는 절곡 필터의 절곡 조건에 따른 성능을 평가하는 컴퓨터 모사 단계와, 상기 컴퓨터 모사 단계의 결과를 이용하여 최적의 절곡조건을 찾는 최적화 단계를 포함하는 컴퓨터 모사를 이용한 절곡 필터의 최적화 방법이 제공된다.

Description

컴퓨터 모사를 이용한 절곡 필터의 최적화 방법 {OPTIMIZAION METHOD OF PLEATED FILTER USING COMPUTER SIMULATION}

본 발명은 절곡 필터에 관한 것으로서, 특히 절곡 필터의 절곡조건의 최적화 방법에 관한 것이다.

필터의 성능을 위해 절곡된 구조를 갖는 필터 여재가 많이 사용되고 있다. 필터의 절곡에 의해 차압이 작고 여과 효율이 높은 필터가 제작될 수 있다. 그러나 절곡 필터에서의 차압은 필터 여재뿐만 아니라 절곡구조에 의해서도 발생한다. 절곡구조에 의해 마찰손실, 동압 등의 현상이 발생하며, 이로 인해 절곡 필터 내의 압력차이가 발생하게 되는 것이다. 이러한 압력 차이와 여과 효율을 최적화 하기 위해서는 절곡 조건을 변경해야 하는데, 실제 실험을 통해 절곡의 최적조건을 찾는다면 수 많은 실험을 거쳐야 하므로 자원소모가 발생하고 많은 시간이 필요하게 된다.

본 발명의 목적은 자원소모가 발생하고 많은 시간을 필요로 하는 실제 실험을 거치지 않고도 필터여재의 절곡조건을 최적화할 수 있는 컴퓨터 모사를 이용한 절곡 필터의 절곡 구조의 최적화 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 일측면에 따르면,

절곡 폭, 절곡 높이, 절곡 각도, 절곡 길이를 포함하는 절곡 필터의 절곡 조건에 따른 성능을 평가하는 컴퓨터 모사 단계와,

상기 컴퓨터 모사 단계의 결과를 이용하여 최적의 절곡조건을 찾는 최적화 단계를 포함하는 컴퓨터 모사를 이용한 절곡 필터의 최적화 방법이 제공된다.

상기 절곡 필터는 멜트블로운 방사에 의한 폴리프로필렌 부직포일 수 있다.

본 발명에 의하면 앞서서 기재한 본 발명의 목적을 달성할 수 있다. 구체적으로는 컴퓨터 모사를 이용하여 절곡 필터의 최적 절곡조건을 찾아낼 수 있으므로, 최적 조건을 찾기 위한 실제 실험이 필요없게 되어서 실험에 따른 자원소모가 발생하지 않게 되고, 시간을 절약할 수 있으며 더욱 용이하게 최적의 절곡조건을 갖는 절곡 필터를 제조할 수 있게 된다.

도 1은 절곡 필터의 차압 발생 모식도이다.
도 2는 절곡 필터에서 발생하는 차압의 이론적 예를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명에 의해 실시된 절곡 필터의 모사 결과의 예를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명에 의한 절곡 폭에 따른 차압의 모사 결과를 나타낸다.
도 5는 본 발명에 의해 절곡 높이를 고정하고 절곡 각도를 조절하여 모사, 평가한 결과 그래프를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명에 의해 절곡 폭을 고정하고 절곡 각도를 조절하여 모사, 평가한 결과 그래프를 도시한 것이다.
도 7은 본 발명에 사용된 전산유체해석 프로그램인 플루언트(fluent)에 의한 절곡 필터의 여과속도 모사 결과를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명에 의한 파티클 크기에 따른 필터의 여과 효율을 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명에 의한 절곡 폭에 따른 퀄러티 팩터(quality factor)를 나타내는 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예의 구성 및 작용을 상세히 설명한다.

도 1은 절곡 필터의 차압 발생의 모식도이다. 도 1을 참조하면, 주름지게 절곡된 절곡 필터(F)의 입구측에서 유입되는 공기는 화살표로 도시된 바와 같이 절곡 필터(F)를 통과하면서 압력이 강하하여 차압이 발생하게 된다. 절곡필터(F)는 그 절곡조건에 따라 도시된 바와 같은 절곡 폭(W), 절곡 높이(H), 절곡 각도(a), 및 절곡 길이(L)가 결정된다.

도 2는 절곡 필터에서 나타나는 차압의 이론적 예를 도시한 것이다. 도 2를 참조하면, 절곡수(산의 수)는 필터여재에서 발생하는 차압의 평균인 ΔP_M과 절곡구조에 의한 차압인 ΔP_Geo에 영향을 주는 인자로서 모사에 가장 큰 영향을 미치는 변수이다. 차압이 최소가 되기 위해서는 ΔP_M과 ΔP_Geo이 교차하는 지점을 찾아내야 한다. 만일 실제로 이러한 실험을 실시한다면 많은 자원과 시간이 소모된다. 그에 따라 본 발명에서와 같이 컴퓨터 모사를 사용하며, 컴퓨터 모사 시 다음과 같은 사항이 가정된다.

가정 1 : 절곡 필터는 사용 중 형태변환이 없다.

가정 2 : 절곡의 모양은 삼각형 모양이다.

도시되지는 않았으나, 본 발명에 따른 절곡 필터의 절곡구조 최적화를 위한 컴퓨터 모사 시스템은, 입력장치와, 메모리장치와, 중앙처리장치와, 출력장치를 포함하는 통상의 컴퓨터 시스템이 사용될 수 있다. 입력장치를 통해서는 필터여재의 종류 등 모사를 위한 기본 파라미터가 컴퓨터 모사 시스템에 입력되어서, 메모리에 저장된다. 메모리장치에는 모사를 위한 프로그램이 저장되어 있으며, 필요에 따라 입력장치로부터 입력된 데이터 및 중앙처리장치에서 처리된 데이터가 저장된다. 중앙처리장치는 입력장치에 저장된 모사를 위한 프로그램을 입력장치로부터 입력된 정보를 이용해 실행하며 모사 결과 데이터를 메모리장치에 저장한다. 출력장치는 메모리장치에 저장된 모사 결과를 출력한다. 이러한 컴퓨터 모사 시스템의 구성은 본 발명에 따른 컴퓨터 모사를 이용한 절곡 필터의 최적화 방법을 실시하기 위한 하나의 예로서, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니다.

상기한 컴퓨터 모사 시스템에 의해 절곡 폭, 절곡 높이, 절곡 각도, 절곡 길이를 포함하는 절곡 필터의 절곡 조건에 따른 성능을 평가하는 컴퓨터 모사 단계와, 상기 컴퓨터 모사 단계의 결과를 이용하여 최적의 절곡조건을 찾는 최적화 단계를 포함하는 본 발명에 따른 컴퓨터 모사를 이용한 절곡 필터의 최적화 방법이 실행된다.

컴퓨터 모사를 위한 절곡필터 모델은 2가지 방식으로 제작된다. 절곡필터 모델을 만드는 첫번째 방법은, 현재 생산되고 있는 제품의 최적화를 위하여 (주)이앤에치(www.i-enh.com)에서 가장 많이 생산하는 에어필터의 스펙을 기초로 만들었으며 절곡 높이를 고정(본 실시예에서는 12mm로 고정)하고 절곡 폭을 변경하여 절곡의 개수를 조절하는 것이다. 절곡필터 모델을 만드는 두번째 방법은 절곡 폭을 고정(본 실시예에서는 7mm로 고정)하고 절곡 높이를 변경하였는데, 이는 새로운 제품 디자인에 피드백하기 위함이다. 이와 같이 제작된 필터 모델을 이용하여 필터 테스팅을 가상으로 실시한 결과가 도 3 내지 도 5에 도시되어 있다. 도 3의 (a)와 (b)는 필터의 각 절곡형태에 따라 걸리는 압력의 정도를 나타낸다. 좌측의 숫자 및 그에 따른 컬러는 압력을 의미하는데, 위로 갈수록 압력이 높아진다. 도 4는 절곡 높이 12mm, 풍속 5㎝/s의 조건에서 절곡 폭에 따른 차압의 모사 결과를 나타낸다. 도 4의 모사 결과로부터, 절곡 폭이 5mm일 때 가장 최적의 성능을 나타낼 것으로 예상된다. 또한, 새로운 디자인이 요구될 경우를 대비한 도 5 및 도 6의 결과를 분석해 보면 절곡 길이와 절곡 폭의 비에 따라 성능이 변화되는 것을 확인할 수 있으며, 그 결과 높이/폭의 비가 2.4일 때 최적의 성능을 나타냄을 알 수 있다. 디자인 변경으로 높이나 폭이 변하더라도 그 비를 2.4로 설정하면 최적의 성능을 나타낼 것이라는 예상을 이러한 모사결과로 부터 알 수 있다. 도 7은 전산유체해선 프로그램인 플루언트(fluent)에 의한 절곡 필터의 여과속도 모사 결과를 도시한 도면이다. 도 7에 의하면 절곡 폭이 넓어질수록 유체의 흐름양과 속도가 커짐을 알 수 있다.

본 발명에 따른 절곡 필터의 최적조건 모사의 신뢰성을 평가하기 위해 실제 필터 여재의 유닛을 제조하여 평과결과를 비교한다. 실제 필터 여재의 유닛은 지지체 위에 멜트블로운(melt-blown) 방사를 통하여 PP(폴리프로필렌) 멜트블로운 부직포를 제작한 후, 절곡 모사와 동일한 조건으로 절곡하여 600mm×600mm 크기의 필터유닛을 제조한다. 표 1은 제조한 필터 유닛을 나타낸다.

절곡수	필터여재 1	필터여재 2	필터여재 3	필터여재 4
120/60cm		폭 5.0mm
150/60cm	폭 4.0mm	폭 4.0mm	폭 4.0mm	폭 4.0mm
172/60cm	폭 3.5mm	폭 3.5mm	폭 3.5mm	폭 3.5mm
200/60cm	폭 3.0mm	폭 3.0mm	폭 3.0mm	폭 3.0mm
250/60cm	폭 2.5mm	폭 2.5mm	폭 2.5mm	폭 2.5mm
300/60cm	폭 2.0mm	폭 2.0mm	폭 2.0mm

압력손실 실측값(exp.)과 이론적 계산 값인 모델에 의한 모사값(cal.)을 비교하였을 때, 모사값과 실측값의 경향성이 유사하다(단, 0.1㎛ 입자에 대한 경우만 제외). 작은 입자에 대해 여과 면적 증가에 따라 차압이 감소하나, 도 8에 도시된 바와 같이 여과효율은 감소함을 보이며, 낮은 풍속에서 큰 입자에 대한 효율이 높게 나타난다. 그로 인해 필터의 절곡 폭의 변화에 따라 필터의 여과 효율과 차압을 조합한 필터 성능을 표현하는 수단의 하나인 퀄러티 팩터(quality factor)의 최적값을 도 9로부터 찾을 수 있다. 도 9에 도시된 바와 같이, 절곡 폭이 여재 두께보다 높을 경우, 폭의 감소에 따라 차압이 감소하고, 여과 효율이 증가하게 된다. 이에 따르면, 절곡 폭이 3.5mm이고, 절곡 높이가 44.5mm일 때 가장 우수한 성능을 보인다.

필터의 절곡구조 최적화는 저차압의 높은 여과효율을 갖는 필터를 제조하기 위해서 통기도, 절곡 폭 및 높이, 절곡 개수 등의 변수들을 효과적으로 잘 제어해야 한다. 필터 여재의 절곡 시, 절곡 폭은 필터여재 두께의 최소 4배 이상으로 설계해야하며, 그렇지 않을 경우 효율의 변화가 거의 없어 단지 급격한 차압 증가가 발생하게 됨을 제공한다.

이상 실시예를 들어 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 실시예는 본 발명의 취지 및 범위를 벗어나는 않고 수정되거나 변경될 수 있으며, 당업자는 이러한 수정과 변경도 본 발명에 속하는 것임을 알 수 있을 것이다.

F : 절곡 필터
W : 절곡 폭
H : 절곡 높이
L : 절곡 길이
a : 절곡 각도

Claims

절곡 폭, 절곡 높이, 절곡 각도, 절곡 길이를 포함하는 절곡 필터의 절곡 조건에 따른 성능을 평가하는 컴퓨터 모사 단계와,
상기 컴퓨터 모사 단계의 결과를 이용하여 최적의 절곡조건을 찾는 최적화 단계를 포함하는 컴퓨터 모사를 이용한 절곡 필터의 최적화 방법.
청구항 1에 있어서, 상기 절곡 필터는 멜트블로운 방사에 의한 폴리프로필렌 부직포인 것을 특징으로 하는 컴퓨터 모사를 이용한 절곡 필터의 최적화 방법.