KR20200039958A - 적층 필터 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 실시예는, 다수의 포어를 포함하는 다공질 기재로서, 일방향을 따라 배열된 복수의 다공질층; 및 서로 인접한 적어도 2개의 상기 다공질층 사이에 배치되며, 일면과 타면 사이를 관통하는 타공이 형성되어 있는 타공층;을 포함하는, 적층 필터를 제공한다.

Description

적층 필터{MULTILAYER FILTER}

본 발명은 적층 필터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 공기와 같은 유동 가스에 포함된 입자상 물질을 필터링하고 제거하는 적층필터에 관한 것이다.

최근 미세먼지의 인체 유해성이 널리 알려지면서, 외기 뿐만 아니라 실내 공기질에 대한 관심도 급격히 증가하고 있다.

실내 공기 정화를 위한 공기청정기에는 대부분 입자필터와 활성탄이 함께 이용되면서 먼지, 유해가스 혹은 휘발성 유기 화합물(Volatile　Organic　Compounds, VOCs)를 저감한다.

일반적으로 입자필터는 PM 2.5 수준의 입자를 여과하는 미디엄 필터(Medium Filter)와 PM 1 이하의 입자를 여과하는 HEPA 필터(High Efficiency Particulate Air Filter)로 구분할 수 있다.

HEPA 필터는 주로 폴리우레탄, 폴리프로필렌 등의 고분자 성분이나 붕규산 유리를 가늘게 섬유형태로 뽑아낸 후 고밀도로 적층하여 제조한다. 이 때문에 HEPA 필터는 배압(필터 전단부 및 후단부 사이의 압력 차이)이 매우 높게 형성되기 때문에 적절한 풍량을 확보하기 어렵고, 풍량을 증가시키는 경우에는 이에 따른 소음이 증가하게 된다.

공기정화 업계에서는 필터의 배압을 낮추기 위하여 필터의 면적을 증가시키는 방법 외에 효과적인 해결 방안을 제시하지 못하고 있다.

공기정화 필터가 입자를 여과하는 대표적인 4가지 메커니즘은 필터 부재에 대한 입자의 관성충돌에 의한 포집(Inertial Impaction), 유선을 따라 흐르던 입자가 필터 부재에 접촉하여 포집(Interception), 농도확산에 의한 유선으로부터 이탈되는 입자가 필터 부재에 접촉하여 포집(Diffusion) 및 입자와 필터 부재 사이의 정전기 인력에 의한 포집(Electrostatic attraction)이 있다.

크기 매우 작은 입자의 경우에는 Diffusion 에 의해 여과되며, 크기가 큰 입자는 Interception 에 의해 여과되며, 항력(Drag Force) 대비 관성이 큰 입자는 Inertial Impaction 에 의해 여과될 수 있다. 다만, 특정 크기의 입자의 경우에는 Diffusion, Interception, Inertial Impaction 세 가지 메커니즘의 효율이 떨어져 전체적으로 여과효율이 크게 떨어지는 문제가 있으며, 예를 들어 0.3 ㎛ 수준의 입자가 이에 해당될 수 있다.

본 발명의 목적은 유속의 증감 변화를 크게 하여 여과효율은 향상시키되 배압은 저감시킬 수 있는 적층 필터를 제공하기 위함이다.

다만, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상기 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 하기의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명에 따른 실시예는, 다수의 포어를 포함하는 다공질 기재로서, 일방향을 따라 배열된 복수의 다공질층; 및 서로 인접한 적어도 2개의 상기 다공질층 사이에 배치되며, 일면과 타면 사이를 관통하는 타공이 형성되어 있는 타공층;을 포함하는, 적층 필터를 제공한다.

본 실시예에 있어서, 상기 다공질층에 단위 인치(1 inch)당 포함된 포어의 수는 10 ppi 내지 200 ppi(pore per inch)인 것이 바람직하다.

본 실시예에 있어서, 상기 복수의 다공질층 각각에 단위 인치 당 포함된 포어의 수는 상기 일방향을 따라 배열된 순서에 따라 증가 또는 감소하는 것이 바람직하다.

본 실시예에 있어서, 유동 가스는 상기 일방향을 따라 이동하며, 상기 복수의 다공질층 각각에 단위 인치 당 포함된 포어의 수는 일방향을 따라 증가하는 것이 바람직하다.

본 실시예에 있어서, 상기 타공층은 복수 개 구비되어 상기 일방향을 따라 배열되는 것이 바람직하다.

본 실시예에 있어서, 상기 타공층에 형성된 타공은 적어도 일부가 서로 인접한 타공층 간 위상이 일치하지 않도록 무작위로 배치되는 것이 바람직하다.

본 실시예에 있어서, 상기 타공층은 다수의 포어를 포함하는 다공질 기재일 수 있다.

본 실시예에 있어서, 상기 다공질 기재의 복수의 타공층 각각에 단위 인치 당 포함된 포어의 수는 상기 일방향을 따라 배열된 순서에 따라 증가 또는 감소하는 것이 바람직하다.

본 실시예에 있어서, 상기 복수의 다공질층 및 상기 타공층은 판형일 수 있다.

본 실시예에 있어서, 상기 복수의 다공질층 및 상기 타공층은 실린더형일 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 적층 필터에 따르면, 종래 기술의 필터 대비배압은 크게 저감할 수 있는 한편 여과효율은 높게 유지할 수 있는 장점이 있다.

본 발명의 효과는 상술한 효과로 한정되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 효과들은 본원 명세서 및 첨부된 도면으로부터 당업자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 적층 필터의 개략적인 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 적층 필터의 분리사시도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 적층 필터의 분리사시도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 적층 필터의 개략적인 사시도이다.
도 5는 도 4에 도시된 적층 필터의 분리사시도이다.

본 발명은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 적층 필터의 개략적인 사시도이며, 도 2는 도 1에 도시된 적층 필터의 분리사시도이며, 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 적층 필터의 분리사시도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 적층 필터(1000)는 공기와 같은 유동 가스에 포함된 입자상 물질을 필터링하고 제거하기 위한 적층 구조체에 관한 것으로서, 다공질층(100a, 100b) 및 타공층(200a, 200b, 200c)을 포함할 수 있다.

다공질층(100a, 100b)은 다수의 포어(pore)를 포함하는 다공질 기재를 구비할 수 있다. 여기서, 다공질 기재는 다공질 세라믹, 고분자 섬유, 유리 섬유, 금속 폼, 금속 섬유 등으로 형성될 수 있다. 상기 다공질 세라믹의 재료는 지르코니아(zirconia, ZrO2), 제올라이트(zeolite), 실리콘카바이드(Silicon Carbide, SiC), 코디어라이트(Cordierite) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 고분자 섬유의 재료는 폴리우레탄(polyurethane), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene,　PTFE) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 유리 섬유의 재료는 보로실리케이트 유리(Borosilicate glass), 소다라임 유리(Soda-Lime Glass) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 금속 폼 또는 금속 섬유의 재료는 니켈, 알루미늄, 구리, 황동, 스테인리스스틸, 크롬, 은 , 금 또는 이들의 합금 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

다공질층(100a, 100b)은 일방향(FW)을 따라 복수 개가 배열되어 복수의 다공질층으로 구비될 수 있다. 다공질층(100a, 100b)은 원형, 사각형 등 형상의 제한없이 다양한 형상의 판형으로 구비될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서의 다공질층(100a, 100b)는 원형의 판형 부재로 2개가 구비된다.

다공질층(100a, 100b)에 단위 인치(1 inch)당 포함된 포어의 수는 10 ppi 내지 200 ppi(pore per inch)인 것이 바람직하며, 이를 단위 포어 사이즈로 환산하면 2.54 ~ 0.12 mm 수준이다. 일반적인 HEPA 필터에서의 포어 사이즈는 0.03 mm 수준인 것을 감안하면, 본 실시예에서의 다공질층의 포어 사이즈는 HEPA 필터에서의 포어 사이즈에 비해 큰 편에 속한다. 이를 통해 일반적인 HEPA 필터를 사용하는 경우보다 본 실시예에서의 적층 필터를 사용하는 경우에 배압이 적게 형성될 수 있다.

복수의 다공질층(100a, 100b) 각각에 단위 인치 당 포함된 포어의 수는 일방향(FW)을 따라 배열된 순서에 따라 증가 또는 감소하도록 구성되는 것이 바람직하다. 상세히, 본 실시예에서의 적층 필터가 이용되는 환경에서 유동 가스(Air)는 일방향(FW)을 따라 이동할 수 있는데, 복수의 다공질층(100a, 100b) 각각에 단위 인치 당 포함된 포어의 수는 일방향을 따라 증가하도록 구성되는 것이 바람직하다. 유동 가스가 유입되는 측에 인접한 다공질층(100a)보다 유동 가스가 배출되는 측에 인접한 다공질층(100b)으로 갈수록 단위 인치 당 포함된 포어의 수가 증가, 즉 포어의 사이즈가 감소하기 때문에 크기가 큰 입자부터 작은 입자 순으로 유동 가스의 흐름에 따라 여과될 수 있다.

타공층(200a, 200b, 200c)은 서로 인접한 적어도 2개의 다공질층(100a, 100b) 사이에 배치되며, 일면과 타면 사이를 관통하는 타공(h)이 형성되어 있을 수 있다. 타공층(200a, 200b, 200c)은 다공질층(100a, 100b)과 마찬가지로 원형, 사각형 등 형상의 제한없이 다양한 형상의 판형으로 구비될 수 있다. 다만, 실시예에 따라 타공층(200a, 200b, 200c)은 다공질층(100a, 100b)과 동일한 형상을 갖는 것이 바람직하며, 본 발명의 일 실시예에서는 다공질층(100a, 100b)와 동일하게 원형의 판형부재로 구비된다.

여기서, 타공(h)은 타공층(200a, 200b, 200c)의 일면과 타면 사이를 관통하되 수 mm 의 사이즈로 형성될 수 있다. 바람직하게 타공(h)의 크기는 1 mm 이상 5 mm 이하의 범위에서 선택될 수 있다. 이로써, 유동 가스는 유동 가스가 유입되는 측의 다공질층(100a)에서 타공층(200a, 200b, 200c)으로 진입하면서 압력이 저하되어 유속이 급격하게 증가하며, 또한 타공층(200a, 200b, 200c)에서 유동 가스가 배출되는 측의 다공질층(100b)로 진입하면서 압력이 증가되어 유속이 급격하게 감소하게 된다. 이를 통해 입자의 관성충돌(Inertial Impaction)을 효과적으로 유도하여 입자, 특히 항력 대비 관성이 큰 입자의 여과 효율 또한 향상시킬 수 있다. 타공(h)의 형상은 원형, 사각형 등 형상의 제한없이 다양한 형상으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 타공(h)의 형상은 도 2에 도시된 일 실시예(1000)와 같이 원형일 수도 있고, 도 3에 도시된 다른 실시예(1000')와 같이 사각형일 수도 있다.

타공층(200a, 200b, 200c)은 복수 개 구비되어 일방향(FW)을 따라 배열될 수 있다.

이러한 타공층(200a, 200b, 200c)에 형성된 타공(h)은 적어도 일부가 서로 인접한 타공층 간 위상이 일치하지 않도록 무작위로 배치되는 것이 바람직하다. 이를 통해 유동 가스가 유입되는 측의 다공질층(100a)으로부터 타공층(200a, 200b, 200c)으로 유입된 유동 가스에 내포된 입자가 타공층(200a, 200b, 200c) 내에서도 효율적으로 여과될 수 있다.

이러한 타공층(200a, 200b, 200c)은 다공질층(100a, 100b)와 마찬가지로 다수의 포어를 포함하는 다공질 기재일 수 있다. 이를 통해 타공층(200a, 200b, 200c) 내에서도 입자가 더욱 효율적으로 여과될 수 있다.

다공질 기재의 복수의 타공층(200a, 200b, 200c) 각각에 단위 인치 당 포함된 포어의 수는 일방향(FW)을 따라 배열된 순서에 따라 증가 또는 감소하는 것이 바람직하다. 상세히, 본 실시예에서의 적층 필터가 이용되는 환경에서 유동 가스(Air)는 일방향(FW)을 따라 이동할 수 있는데, 다공질 기재의 복수의 타공층(200a, 200b, 200c)에 단위 인치 당 포함된 포어의 수는 일방향을 따라 증가하도록 구성되는 것이 바람직하다. 유동 가스가 유입되는 측에 인접한 다공질 기재의 타공층(200a)보다 유동 가스가 배출되는 측에 인접한 다공질 기재의 타공층(200c)으로 갈수록 단위 인치 당 포함된 포어의 수가 증가, 즉 포어의 사이즈가 감소하기 때문에 크기가 큰 입자부터 작은 입자 순으로 유동 가스의 흐름에 따라 여과될 수 있다. 여기서, 단위 인치 당 포함된 포어의 수는 유동 가스의 흐름 방향 순으로 즉, 유동 가스가 유입되는 측에 인접한 다공질층(100a), 타공층200a, 타공층 200b, 타공층 200c, 유동 가스가 배출되는 측에 인접한 다공질층(100b) 순으로 증가하는 것이 바람직하다.

도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 적층 필터의 개략적인 사시도이며, 도 5는 도 4에 도시된 적층 필터의 분리사시도이다.

본 발명의 일 실시예 및 다른 실시예에 따른 적층 필터(1000, 1000')에서는 다공질층(100a, 100b) 및 타공층(200a, 200b, 200c, 200d)이 판형인 것을 중심으로 설명하였으나, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 적층 필터(4000)에서와 같이 복수의 다공질층(4100a, 4100b) 및 타공층(4200a, 4200b, 4300c, 4400d)은 실린더형일 수 있다.

유동가스가 유입되는 측에 인접한 다공질층(4100a)의 실린더 직경이 가장 크고, 유동가스가 배출되는 측에 인접한 다공질층(4100b)의 실린더 직경이 가장 작을 수 있다. 서로 인접한 2개의 다공질층(4100a, 4100b) 사이에는 타공층(4200a, 4200b, 4200c, 4200d)가 배치되어 복수의 다공질층(4100a, 4100b) 및 복수의 타공층(4200a, 4200b, 4200c, 4200d)의 원형 단면은 서로 동심원을 이룰 수 있다.

이하에서는 본 발명의 여러 실시예에 따른 적층 필터와, 이와 비교되는 비교예에 따른 적층 필터의 배압 및 여과효율을 비교 설명하기로 한다.

실시예

1) 단위 인치당 포어의 수가 10 내지 200 PPI인 니켈-크롬 합금 금속 폼의 원판형 다공질 기재를 준비한다.

2) 일부 원판형 다공질 기재에는 3 mm 의 타공을 형성한다.

3) 2개의 원판형 다공질 기재(다공질층1 및 2) 사이에 타공이 형성된 원판형 다공질 기재(타공층1 내지 3) 3개를 배치하여 적층 필터를 구성한다. 각 층의 단위 인치당 포어의 수에 따라 서로 구별되는 적층 필터의 여러 실시예를 아래의 표 1과 같이 준비하였다. 여기서, 다공질층의 두께는 17.5 mm, 타공층의 두께는 5 mm, 적층 필터의 직경은 47mm 로 구성하였다.

비교예

1) 멜트블로운(Melt Blow) 기법으로 제조된 폴리프로필렌 재질의 HEPA 필터를 준비한다.

2) HEPA 필터 조립체는 투과 단면적을 최대화하기 위하여 지그재그 형상으로 원단을 절곡한 뒤 폴리우레탄 재질의 테두리로 마감하였다. 여기서, HEPA 필터 원단의 두께는 약 0.5mm 이며, HEPA 필터 조립체의 두께는 25.4 mm로 구성하였다.

실험

1) 실시예의 적층 필터 및 비교예의 HEPA 필터 조립체 각각을 47 mm 의 유로에 빈틈없이 배치한 뒤, 입자를 발생시키기 위하여 향을 피웠다.

2) 실시예 및 비교예에 있어, 입자를 함유한 유동 가스가 진입/배출되는 측의 입자 농도와 압력을 측정하여 여과효율을 측정하였다.

3) 유동 가스가 진입되는 측의 압력을 P1, 유동 가스가 배출되는 측의 압력을 P2라고 하였을 때, 배압은 P1-P2로 정의될 수 있으며 배압은 차압측정기(제품명 : Testo 510)로 측정하였다.

4) 유동 가스가 진입되는 측의 입자농도를 M1, 유동 가스가 배출되는 측의 입자농도를 M22라고 하였을 때, 여과효율은 (M1-M2)/M1로 정의될 수 있으며 입자농도는 입자측정기(제품명 : TSI Aerotrack)로 측정하였다.

실험결과

	단위 인치(1 inch) 당 포어의 수					배압(Pa)	여과효율(%)
	다공질층 1	타공층 1	타공층 2	타공층 3	다공질층 2
실시예1	20	30	30	30	200	113	99
실시예2	20	30	30	30	100	98	99
실시예3	20	30	30	30	50	60	99
비교예	HEPA 필터					310	99

실시예 1 내지 3은 비교예와 마찬가지로 여과효율이 99% 수준으로 높게 유지하되, 비교예 대비 배압은 50% 이하로 크게 저감된 것을 확인할 수 있었다.

즉, 본 발명의 실시예에 따른 적층 필터에 따르면, 종래 기술의 필터 대비배압은 크게 저감할 수 있는 한편 여과효율은 높게 유지할 수 있는 장점이 있다.

비록 본 발명이 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되었지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위에는 본 발명의 요지에 속하는 한 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.

1000, 1000', 4000 : 적층 필터
100a, 100b, 4100a, 4100b : 다공질층
200a, 200b, 200c, 4200a, 4200b, 4200c, 4200d : 타공층
h : 타공
FW : 일방향

Claims (10)

1. 다수의 포어를 포함하는 다공질 기재로서, 일방향을 따라 배열된 복수의 다공질층; 및
   서로 인접한 적어도 2개의 상기 다공질층 사이에 배치되며, 일면과 타면 사이를 관통하는 타공이 형성되어 있는 타공층;을 포함하는, 적층 필터.
2. 제1항에 있어서,
   상기 다공질층에 단위 인치(1 inch)당 포함된 포어의 수는 10 ppi 내지 200 ppi(pore per inch)인, 적층 필터.
3. 제1항에 있어서,
   상기 복수의 다공질층 각각에 단위 인치 당 포함된 포어의 수는 상기 일방향을 따라 배열된 순서에 따라 증가 또는 감소하는, 적층 필터.
4. 제3항에 있어서,
   유동 가스는 상기 일방향을 따라 이동하며,
   상기 복수의 다공질층 각각에 단위 인치 당 포함된 포어의 수는 일방향을 따라 증가하는, 적층 필터.
5. 제1항에 있어서,
   상기 타공층은 복수 개 구비되어 상기 일방향을 따라 배열되는, 적층 필터.
6. 제5항에 있어서,
   상기 타공층에 형성된 타공은 적어도 일부가 서로 인접한 타공층 간 위상이 일치하지 않도록 무작위로 배치되는, 적층 필터.
7. 제1항 또는 제5항에 있어서,
   상기 타공층은 다수의 포어를 포함하는 다공질 기재인, 적층 필터.
8. 제7항에 있어서,
   상기 다공질 기재의 복수의 타공층 각각에 단위 인치 당 포함된 포어의 수는 상기 일방향을 따라 배열된 순서에 따라 증가 또는 감소하는, 적층 필터.
9. 제1항에 있어서,
   상기 복수의 다공질층 및 상기 타공층은 판형인, 적층 필터.
10. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 다공질층 및 상기 타공층은 실린더형인, 적층 필터.

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