KR20210076895A - 스크림리스 및/또는 아라미드 필터 매체 - Google Patents

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KR20210076895A
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포우드 씨. 위셔
벤자민 캐프너
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인바이런멘탈 메니지먼트 컨피더레이션, 인크.
벤자민 캐프너
포우드 씨. 위셔
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Abstract

액티브 전계 분극 필터는 폴리메타페닐렌 이소프탈아미드 섬유와 폴리프로필렌 섬유의 혼합물을 포함하는 스크림리스 필터 매체를 포함한다. 이 혼합물은 폴리메타페닐렌 이소프탈아미드 섬유 대 폴리프로필렌 섬유의 중량비가 5:95 내지 50:50, 더욱 더 바람직하게는 10:90 내지 30:70인 부직포 재료의 형태일 수 있다.

Description

스크림리스 및/또는 아라미드 필터 매체
본 발명은 스크림리스 및/또는 아라미드 필터 매체에 관한 것이다.
공기 필터는 일반적으로 입자를 포획하기 위해 공기 흐름의 경로에서 필터 매체의 하나 이상의 층을 사용한다. 공기가 매체를 통과하고, 공기 중 입자(airborne particles)는 매체 섬유에 의해 수집된다. 필터 매체는 많은 재료로 제조될 수 있고, 특정 필터 재료, 예를 들면, 일부 부직포는 스크림(scrim) 또는 기저 층(base layer)에 부착되는데, 그 이유는 이들이 지지체 없이 그 형상을 유지할 수 없기 때문이다. 스크림 층은 패턴 또는 부직포 내에 느슨하게 직조된 개방 층일 수 있다. 부직포 스크림은 조밀하게 패킹된 구조체(structures) 및 그 사이에 개구를 남기는 각도로 얀(yarns)을 배치할 수 있다. 부직포 스크림에서의 얀 밀도(일 방향으로 인치당 얀)는 인치당 1 내지 20의 범위일 수 있지만, 부직포 스크림의 부피는 인치당 1 내지 10 얀의 범주에 속한다. 이론적으로, 얀 배치를 방해하는 인터레이싱(interlacing)이 없기 때문에, 부직포 스크림은 얀의 패킹 밀도에 도달할 수 있다. 비록 많은 스크림이 직각으로 얀을 사용하여 제조되지만(직조된 구조체에서와 같이), 부직 공정은 다양한 각도로 얀을 배치시킬 수 있고, 다양한 배향을 갖는 다중 층의 얀을 놓을 수(lay down) 있다.
예외가 있지만, 직조된 패브릭 스크림과 부직포 스크림 사이의 기본적인 차이는 직조(weaving)가 언더-및-오버 인터레이싱(under-and-over interlacing)을 필요로 하는 반면, 부직포 스크림에서 얀은 서로의 상부에 놓이고, 화학적으로 함께 유지된다는 것이다. 가장 중요한 차이점 중 하나는 부직포 스크림에서의 얀의 "직선도(straightness)"이다. 부직포에 있어서, 직조된 기하학(woven geometry)과 관련된 "언크림핑(uncrimping)" 신장(elongation) 및 얀/얀 마찰이 대부분 존재하지 않기 때문에, 얀 특성은 패브릭 특성으로 보다 직접적으로 변환된다. 또한, 부직포 스크림에서, 얀은 제자리에 고정될 수 있고, 고전적인 직조 격자(woven lattice)처럼 붕괴되지 않을 수 있다.
대부분의 부직포 스크림은 폴리에스테르, 나일론, 유리, 레이온 또는 폴리프로필렌의 멀티필라멘트 얀을 사용한다. 멀티필라멘트 얀은 이용가능하고, 비용 효율적이고, 공정이 비교적 용이하며, 펼쳐서 바람직한 "플랫(flat)" 프로파일을 제공하는 경향이 있으며, 얀 형태로 폴리머 특성의 양호한 변환을 제공한다. 모노필라멘트가 사용되지만, 이들의 상대적인 강성(stiffness)은 낮은 바인더 접착력과 같은 가공 문제를 일으킬 수 있다.
직물 또는 부직포 스크림과 함께, 필터 층은 스크림 상에 섬유를 니들 펀칭함으로써, 또는 화학적, 열, 수지 또는 스티치 본딩을 사용하여, 스크림에 부착될 수 있다.
스크림 재료 필터 매체는 수년 동안 널리 사용되었고, 많은 이점을 제공한다. 그러나, 스크림 자체는 압력 강하 및 에너지 소비에 기여하며, 제거 효율성을 거의 또는 전혀 부가하지 않을 것이다. 그리고, 이하에서 알 수 있는 바와 같이, 이것은 다른 단점을 갖는다.
다른 필터 분야에서, 정전기 인력의 원리는 공기 스트림으로부터 오염물의 제거를 향상시키기 위해 수년 동안 사용되어 왔다. 공기 정전기 청정기에는 3가지 주요 범주인 정전기 집진기(electrostatic precipitators), 패시브 정전기 필터(passive electrostatic filters) 및 액티브 전계/분극 매체 공기 청정기(active-field/polarized-media air cleaners)가 있으며, 이들은 종종 다른 용어로 알려져 있다.
정전기 집진기는 입자를 대전시키고, 그 후 반대로 대전된 및/또는 접지된 수집 플레이트 상에서 그것을 포획한다.
패시브 정전기 필터(일렉트릿으로도 알려짐)는 처리 및/또는 고유 특성의 일부 조합을 통해 정전기 전하를 갖는 매체(또는 상이한 매체의 조합)를 사용한다. 정전기적 전하 및/또는 상대적 전하의 사이트를 갖는 필터 매체에 진입하는 입자는 반대 정전기적 전하를 갖는 대전된 매체 필터 재료에 끌어당겨진다.
액티브 전계/분극 매체 공기 청정기는 2개의 전극 사이의 전압차에 의해 생성된 정전기장을 사용한다. 실질적으로 유전체 필터 매체는 2개의 전극 사이의 정전기장에 배치된다. 정전기장은 매체 섬유 및 진입 입자 모두를 분극시킴으로써, 매체 및 공기 청정기의 포획 효율성 및 로딩 능력을 향상시킬 수 있다. 유전체 재료는 전기 절연체이거나 또는 전기 에너지를 저장할 수 있는 전류에 대해 높은 내성을 갖는 재료이다. 유전체 재료는 그 자체 내에 인가된 전기장을 집중시키는 경향이 있으며, 따라서 정전기장의 효율적인 지지체가 된다.
또 다른 정전기 공기 필터 디자인이 캐나다 특허 제1,272,453호에 개시되어 있으며, 여기서 일회용 직사각형 카트리지는 고전압 전원 공급기에 연결된다. 카트리지는 유전체 섬유 재료(플라스틱 또는 유리)의 2개의 층들 사이에 샌드위치된 전도성 내부 중앙 스크린으로 구성된다. 2개의 유전체 층은 차례로 전도성 재료의 2개의 외부 스크린 사이에 추가로 샌드위치된다. 전도성 내부 중앙 스크린은 고전압으로 상승되어, 내부 중앙 스크린과 2개의 전도성 외부 스크린 사이에 반대 또는 접지 전위로 유지되는 정전기장을 생성한다. 고전압 정전기장은 2개의 유전체 층의 섬유를 분극시킨다.
공기 청정기는 난방 환기 및 공기 조절(heating ventilating and air conditioning; HVAC) 시스템의 일부로서 그리고 독립형 공기 이동/세정 시스템에서, 다양한 구성 및 상황에 설치될 수 있다. 보다 작은 HVAC 시스템(예를 들어, 주거용 및 광 상업용)에서, 공기 청정기 패널은 종종 플랫 구성(공기 흐름에 수직하는) 또는 각진 필터 트랙에 설치된다. 보다 큰 시스템에서, 공기 청정기 패널의 뱅크는 전형적으로 V-뱅크 구성으로 배열되는데, 여기서 다수의 개별 패널은 공기 흐름의 축에 수직인 공기 청정기 모듈 조립체를 형성하도록 위치된다.
미국 특허 제7,708,813호, 제8,252,095호, 제8,795,601호 및 제9,764,331호의 내용은 여기에 전체가 설명된 것처럼 참조로 통합되며, 무엇보다도 다음을 보여준다:
1) 하부 저항 유전체(폴리에스테르) 층 사이에 샌드위치된 고 저항 공기 투과성 재료(예를 들어, 유리섬유 스크린)를 갖는 2층의 섬유상 유전체 재료(예컨대, 폴리에스테르)를 포함하는 필터 매체;
2) 액티브 전계/분극 매체 공기 청정기에서 사용하기 위한 마찰전기 시리즈 재료(마찰전기 스케일)의 상이한 단부로부터의 섬유를 갖는 혼합 섬유 층을 형성하는 섬유상 유전체 재료의 층을 포함하는 필터 매체;
3) 상대적으로 더 낮은 밀도의 유전체 재료(예를 들어, 섬유상 폴리에스테르)의 층, 이어서 상대적으로 더 높은 밀도의 물질(예를 들어, 조밀한(denser) 섬유상 폴리에스테르)의 층을 포함하는 필터 매체; 및
4) 정전기장의 필터 재료로서 마찰전기 재료의 사용.
액티스 전계/분극 매체 공기 청정기의 모든 구성에서, 정전기장은 매체의 입자 포획 및 로딩 능력을 상당히 향상시킨다. 그러나, 특정 표준화된 시험(예를 들어, ASHRAE 52.2) 및 특정 산업적 설정에서, 고 전도성인 먼지가 있다. 이들은 전극들 사이에서 이동하는 전압에 대한 경로를 생성할 것이고, 정전기장이 존재하지 않을 것이다. 따라서, 전계의 손실 이후 액티브 전계/분극 매체 공기 청정기를 위한 매체의 성능은 전체 시스템의 등급 및 사용에 중요한 인자이다.
따라서, 액티브 전계 분광 공기 필터에 사용하기 위한 개선된 필터 재료에 대한 필요성이 있다.
본 발명은 액티브 전계/분극 매체 공기 청정기를 위한 필터 매체 및 이들의 조합에 대한 여러 개별적인 개선으로 구현된다. 스크림리스 매체는 스크림과 동일하거나 더 큰 섬유 중량의 매체보다 더 우수한 서브-미크론(sub-micron) 입자 효율성을 유지할 수 있다는 것이 밝혀졌다. 스크림리스 매체 층(들)은 아라미드 블렌드와 같은 그 자체의 구조적 완전성을 갖는 마찰전기 블렌드일 수 있거나, 또는 스크림리스 층(들)은 필요한 지지체를 제공하는 층들의 조립체에 있을 수 있다. 본 발명의 일 실시양태에서, 개별적인 특징은 이하를 포함한다: 하기에 기술되는 바와 같은 액티브 전계/분극 매체 공기 청정기에 있어서, 스크림리스될 수 있고, 폴리메타페닐렌 이소프탈아미드 섬유와 폴리프로필렌 섬유의 혼합물을 포함할 수 있는, 아라미드 블렌드 및/또는 다른 마찰전기 재료 필터 매체를 포함하는 액티브 전계/분극 매체 공기 청정기.
이 혼합물은 본원에 완전히 기재된 것처럼 참조로서 통합되는 미국 특허 제6,328,788호에 기재되어 있으며, 텍셀(TEXEL)이라는 상표명으로 판매되고 있으며, 상기 특허에서 기술된 바와 같이, 바람직하게는 섬유(2) 대 섬유(1)의 중량비가 5:95 내지 50:50, 더욱 더 바람직하게는 10:90 내지 30:70인 부직포 재료의 형태이다.
본 발명의 다른 실시예에서, 후술하는 바와 같은 액티브 전계/분극 매체 공기 청정기는 그 자체의 구조적 완전성을 갖지 않을 수 있고 매체 패드 조립체의 다른 층에 의해 제자리에 유지되는 스크림리스 마찰전기 층(들)을 포함한다.
도 1은 V-뱅크 구성으로 배열된 복수의 액티브 전계/분극 매체 공기 청정기 패널의 등각도(isometric drawing)이다.
도 2는 유전체 매체 지지 프레임의 사용을 예시하는 조립체 도면이다.
도 3은 고전압 프로브 및 고전압 접촉 및 스크린을 도시하는 조립체 도면이다.
도 4는 유전체 매체 지지 프레임의 사용을 도시한다.
도 5는 고전압 프로브 및 고전압 접촉 차폐부를 포함하는 강성 전도성 외부 스크린 및 전도성 홀딩 프레임을 도시한다.
도 6은 V-뱅크 구성으로 배열된 복수의 액티브 전계/분극 매체 공기 청정기 필터의 단면도이다.
도 7은 하부 필터 홀딩 프레임 내로 교체 필터 매체의 삽입을 나타내는 V-뱅크 구성으로 배열된 복수의 액티브 전계/분극 매체 공기 청정기 필터의 횡단면도의 상세 부분이다.
도 8은 상부 필터 홀딩 프레임 내로 교체 필터 매체의 삽입을 나타내는 V-뱅크 구성으로 배열된 복수의 액티브 전계/분극 매체 공기 청정기 필터의 횡단면도의 상세 부분이다.
도 9 및 도 10은 도 4의 프레임을 통한 상이한 단면을 도시하며, 필터 재료 층의 상세도가 도시되어 있다.
필터 하드웨어
도 1은 V-뱅크 구성(100)으로 배열된 복수의 액티브 전계/분극 매체 공기 청정기 패널(필터)(101)을 도시한다. 개별 필터 패널(101)은 본원에서 "패널", "필터" 및/또는 "공기 청정기"로 지칭될 수 있다. 복수의 액티브 전계/분극 매체 공기 청정기(101)는 각각의 모듈이 적용에 따라 가변적인 깊이(D), 폭(W) 및 높이(H)를 갖는 복수의 적층 가능한 모듈(102)로 구성된다. 특히, 도 1의 V-뱅크(100)는 각각이 총 64개의 공기 청정기를 위한 8개의 개별 액티브 전계/분극 매체 공기 청정기를 포함하는 8개의 적층 가능한 모듈(102)을 포함한다. V-뱅크 구성(100)으로 도시되어 있지만, 공기 청정기는 공기 흐름에 대해 개별적으로 수직으로 또는 다른 각도로, 또는 다른 그룹 및/또는 배열로 삽입될 수 있다.
액티브 전계/분극 매체 공기 청정기가 도 2에 도시되어 있다. 섬유상 유전체 재료(16A)의 제1 패드는 중앙 스크린(110) 위에 배치되고, 이는 필드 커버리지(field coverage)를 최대화하기 위해 전체 프레임의 에지까지 연장되지만, 그렇게 연장될 필요는 없다. 중앙 스크린(110)의 다른 면에는 유전체 필터 재료(16B)의 제2 패드가 있다. 유전체 필터 재료의 제1 패드는 접착제 재료(121A), 초음파 용접 또는 압축과 같은 적절한 수단에 의해 유전체 매체 지지 프레임(120)에 밀봉 및/또는 부착된다. 조립체 내의 매체 및 공기 스트림 내의 조립체를 밀봉하는 것은 최대 단일 통과 성능을 위해 중요하지만, 조립 또는 유지보수 이유로 비용을 절약하기 위해, 필터 재료는 예를 들어, 주거용 또는 광 상업용 빌딩과 같은 덜 엄격한 성능 요건을 갖는 적용처에 사용하도록 설계되는 경우, 밀봉되지 않을 수 있다.
유전체 필터 재료(16A)의 제1 패드 위에는 제1 상류 전도성 외부 스크린(12A)이 있다. 유전체 필터 재료(16B)의 제2 패드 아래에는 제2 전도성 하류 외부 스크린(12B)이 있다("제1" 및 "제2" 전도성 외부 스크린의 사용은 그 내부에 그 요소를 순서대로 도입하기 위해 청구항들에서 반전될 수 있다). 유전체 필터 재료의 제2 패드는 접착제 재료(121B), 초음파 용접 또는 압축과 같은 적절한 수단에 의해 유전체 매체 지지 프레임(120)에 부착된다. 제1 전도성 외부 스크린(12A)은 제1 전도성 홀딩 프레임(116A)에 의해 제 위치에 유지된다. 제2 전도성 외부 스크린(12B)은 제2 전도성 홀딩 프레임(116B)에 의해 제 위치에 유지된다. 도면들에서 접지에 대한 연결로서 도시된 외부 스크린들이 본원에서 전도체로서 언급되지만, 일부 적용처에서, 그것들은 다소 저항성 재료를 포함할 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
필터 매체 자체는 유전체 매체 지지 프레임(120), 섬유상 유전체 재료(16A)의 제1 패드, 중앙 스크린(110) 및 유전체 필터 재료(16B)의 제2 패드를 포함한다. 필터 매체를 유지하는 필터 홀딩 프레임은 제1 전도성 외부 스크린(12A)을 갖는 제1 전도성 또는 절연성 홀딩 프레임(116A), 및 제2 전도성 외부 스크린(12B)을 갖는 제2 전도성 또는 절연성 홀딩 프레임(116B)을 포함한다.
동작에 있어서, 고전압 전원 공급기(108)의 한 단자는 중앙 스크린(110)에 연결된다. 고전압 전원 공급기(108)의 다른 단자는 제1 전도성 외부 스크린(12A) 및 제2 전도성 외부 스크린(12B)에 연결되며, 이는 전형적으로 접지 전위로 유지된다.
부호(figure) 16의 액티브 전계/분극 매체 공기 청정기의 유전체 필터 재료(16A 및 16B)를 통과하는 유입 공기 중의 입자는 여기서 전기장에 의해 분극되고, 유전체 필터 재료(16A, 16B)의 제1 및 제2 패드 상에 수집된다.
중앙 스크린(110)을 신뢰성 있게 접촉하도록 고전압 차폐부에 의해 보호되는 고전압 접촉부가 도 3에 도시되어 있다. 접촉부(136)는 중앙 스크린(13) 내의 구멍을 통과한다(또는 원하지 않거나, 실용적이지 않은 경우, 이러한 접촉부가 스크린의 에지에 이루어질 수 있다). 전도성 요소(133)는 접촉부(136)와 대전된 전극 또는 중앙 스크린(13) 사이의 양호한 연결을 제공하는 중앙 스크린(13)에 접촉부(136)를 고정한다. 접촉부는 리벳, 양방향 슬램 리벳(two-headed slam rivet), 스크류, 볼트, 와셔, 볼 또는 이와 유사한 것일 수 있다. 선택된 접촉부들 사이의 공통 스레드는 중앙 스크린과의 접촉 면적을 넓히고, 고전압 전극에 대한 보다 넓은 접촉 포인트를 제공한다. 이들 성분의 재료는 이상적으로는 내부식성이고, 금속 또는 전도성 플라스틱 또는 다른 재료일 수 있다.
고전압 프로브(130)는 전도성 외부 스크린(12A)을 통과하고, 고전압 접촉부(134)를 절단한다. 일부 구현양태에서, 천공 시트 또는 스크린의 절단으로 인해 발생할 수 있는 불균일한 지점보다 전기적으로 균일한 접지 표면을 제공하도록 그로메트(grommet), 보더(border), 와셔(들)가 사용될 수 있다. 절연 유전체 재료(132A)의 고전압 차폐부는 고전압 접촉부(134)를 둘러싼다. 유사하게, 절연 유전체 재료(132B)의 고전압 차폐부는 리벳(136) 및 금속 디스크(133)의 하단부를 둘러싼다. 대안적으로, 고전압 프로브는 전도성 외부 스크린(12A, 12B)의 내부에 라우팅될 수 있다.
고전압 프로브(130)는 다양한 재료 및 종류일 수 있다. 예를 들어, 그것은 강성 와이어 또는 가요성일 수 있다. 이는 고전압(high-voltage)을 전도할 수 있어야 하지만, 금속 또는 복합체일 수 있다. 그것은 하나의 피스(piece)일 수 있거나 단부-캡(end-cap) 또는 피팅(fitting)을 가질 수 있다.
도 4는 도 3의 필터 매체의 평면도를 도시한다. 유전체 매체 지지 프레임(120)은 유전체 필터 재료(16A)의 패드를 둘러싼다. 리벳 또는 부착 수단(136)은 유전체 필터 재료(16A)의 패드를 통과한다.
도 5는 필터 매체를 유지하는 프레임의 평면도를 도시한다. 4개의 전도성 외부 필터 홀딩 프레임 피스(116) 및 4개의 단부 코너(128)는 전도성 외부 스크린(12)을 유지하기 위한 프레임을 형성한다. 고전압 접촉부(134)는 절연 고전압 차폐부(132A) 내에 위치된다.
동작에 있어서, 전도성 외부 필터 홀딩 프레임(116A 및 116B)(도 3)이 필터 매체(120, 16A, 13, 및 16B) 주위에 폐쇄될 때, 고전압 접촉부(134)는 리벳(136)의 헤드와 접촉한다. 또한, 고전압 차폐부(132A 및 132B)는 유전체 필터 재료(16A 및 16B)의 패드를 약간 압축한다. 고전압 접촉부(134)는 리벳(136)의 헤드와의 확실한 연결을 보장한다. 절연 고전압 차폐부(132A, 132B)는 고전압 접촉부(134)의 팁으로부터 분무 및 코로나 가능성을 감소시킨다. 또한, 절연 고전압 차폐부(132A, 132B)는 고전압 접촉부(134)로부터 전도성 외부 스크린(12A, 12B)으로의 아킹(arcing) 가능성을 감소시킨다.
본 발명의 일 구현양태에서, 고전압 접촉부(134)는 전형적으로 강성 와이어 또는 다른 탄성 재료로 제조된다. 리벳(136)의 헤드와 접촉하여, 중앙 스크린(13)은 약간 구부러질 수 있다. 대안적으로, 고전압 접촉부(134)는 중앙 스크린(13)의 굴곡을 감소시키기 위한 스프링 접촉부일 수 있다. 중앙 스크린(13) 상의 접촉 영역(136)을 위한 대안적인 배열은 중앙 스크린(13)의 상부면 상의 전도성 디스크, 중앙 스크린의 상부 상에 하나 및 하부 상의 다른 하나에 있는 한 쌍의 전도성 요소, 및 중앙 스크린을 통과하고 2개의 디스크를 함께 유지하는 패스너를 포함한다. 고전압 프로브(134)의 강성 또는 외부 전도성 외부 스크린의 강성 또는 둘 다와 함께 고전압 프로브(134)의 단부와 디스크 또는 디스크/리벳 조합(136) 사이에 포지티브 기계적 접촉을 강제한다. 그 결과는 진동, 또는 매체 이동 또는 중앙 스크린(전극) 이동에 의해 손상될 수 없는 견고한 접촉이다.
본 발명의 또 다른 구현양태에서, 고전압 프로브는 영구적으로 또는 제거가능하게(예를 들어, 2피스 스냅 또는 점화 너트/커넥터), 그 중심에, 에지 상에 또는 다른 방식으로 중앙 스크린에 부착되어, 전류를 전도할 수 있다.
본 발명의 다른 구현양태에서, 자석(magnets)(202, 204)은 안전하고 정렬된 고전압 접촉을 용이하게 하도록 변위될 수 있다. 대안적으로, 고전압 프로브(130) 및 접촉부(136)의 일부는 자성 재료로 제조될 수 있다.
도 1의 개별 모듈(102)의 단면도가 도 6에 도시되어 있다. 각각의 개별적인 액티브 전계, 분광 매체 공기 청정기(110A, 110B, 110, 110D, 110E, 110F, 110G, 110H)는 V-뱅크 형성 위치에 유지된다. 모듈(102)의 전방에서, 복수의 카울링(cowlings)이 각각의 필터를 제자리에 유지시킨다. 특히, 모듈(102)의 상부 및 하부에 2개의 단부 카울링(104A 및 104B)이 있다. 2개의 단부 카울링 사이에서, 3개의 중간 카울링(106A, 106B, 106C)이 있다. 카울링의 공기역학적 형상은 더 낮은 형태의 드래그 공기 흐름을 제공하여, 필터의 정전기(공기 저항)을 감소시킨다.
모듈(102)(도 6)의 후방에서, 복수의 이중 힌지는 각각의 필터를 제자리에 유지할 수 있거나, 상부 및 하부 프레임(114a, 114b)은 압입 끼워맞춤(press fit)으로 수용 채널(119)에서 제자리에 유지될 수 있거나, 또는 전체 필터 공기 청정기(110a) 등은 스크류 제거 또는 파괴적인 힘과 같은 추가 노력 없이는 접근될 수 없는 자체 내장된 카트리지(self-contained cartridge)에 포함될 수 있다.
힌지 구현양태에서, 도 7 및 도 8의 동작에서 보다 잘 알 수 있는 바와 같이, 각각의 이중 힌지는 3개의 힌지(H1, H2 및 H3)로 구성된다. 도 7에 도시된 바와 같이, 제1 힌지(H1)는 상부 프레임(112A)에 결합된 제1 부착점 및 하부 프레임(112B)에 결합된 제2 부착점을 갖는다. 힌지(H1)는 하부 프레임(112B)이 상부 프레임(112A)으로부터 멀리 떨어져서 회전하여, 교체 필터 매체가 액티브 전계/분극 매체 공기 청정기(110G) 내로 삽입될 수 있게 하는 피봇점(pivot point)을 갖는다. 유사하게, 도 8에 도시된 바와 같이, 제2 힌지(H2)는 상부 프레임(114A)에 결합된 제1 부착점 및 하부 프레임(114B)에 결합된 제2 부착점을 갖는다. 힌지(H2)는 상부 프레임(114A)이 하부 프레임(114B)으로부터 멀어 떨어져서 회전하여, 교체 필터 매체가 액티브 전계/분극 매체 공기 청정기(110H)에 삽입될 수 있게 하는 피봇점을 갖는다.
제1 힌지(H1)에 결합된 제1 부착점 및 제2 힌지(H2)에 결합된 제2 부착점으로서 제3 힌지(H3)를 포함한다. 제3 힌지(H3)는 상부 액티브 전계/분극 매체 공기 청정기 프레임(112A, 112B)이 하부 액티브 전계/분극 매체 공기 청정기 프레임(114A, 114B)에 대해 유닛으로서 회전할 수 있도록 제3 피봇점을 갖는다. 모듈(102)의 후방에서 이중 힌지의 사용은 서로에 대해 다른 각도로 액티브 전계/분극 매체 공기 청정기를 장착함에 있어서 유연성을 제공한다. 모듈(102)의 후방에서 이중 힌지는 개별 공기 청정기를 장착하기 위한 상이한 각도에 관계없이, 필터의 후방에 양호한 공기 밀봉을 제공한다. 필터의 후방에서 이중 힌지에 의해 제공된 포지티브 밀봉은 블로우(blow)를 감소시키며, 즉, 필터 매체를 통과하지 않고 필터 배열에 의해 통과하는 공기 스트림의 부분을 감소시킨다.
상술한 발명은 다양한 구현양태를 참조했지만, 전체로서 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 본 발명의 구조 및 요소에 대한 변형이 이루어질 수 있다. 예를 들어, 패널은 개별적으로, 또는 고정되어 그리고/또는 부분적으로 또는 완전히 제거 가능한 배열로 사용될 수 있으며, 트랙으로 슬라이딩된다. 패널은 다양한 재료로 제조되며, 다양한 전압, 간격 및 정전기장 강도를 사용한다.
필터 매체
도 9 및 도 10은 도 4의 프레임을 통한 상이한 단면을 도시하며, 필터 재료 층의 상세도가 도시되어 있다.
도 9에 도시된 바와 같이, 프레임 부재(116)는 그 안에 3개 이상의 층, 본원에서 이미 참조되어 설명된 마찰전기 섬유 블렌드를 포함하거나 포함하지 않을 수 있는 상류 층(16A) 및 중앙 스크린(13)을 보유한다. 프레임 부재(116)는 또한 폴리메타페닐렌 이소프탈아미드 또는 다른 아라미드 섬유와 폴리프로필렌 섬유의 혼합물을 포함하는 스크림리스 아라미드 층(96)을 포함할 수 있다. 이 혼합물은 그 내용이 본원에 완전히 기재되어 있는 것처럼 참조로 통합되는 미국 특허 제6,328,788호에 기재되어 있으며, 텍셀(TEXEL)이라는 상표명으로 판매되고, 상기 특허에 기재된 바와 같이, 바람직하게는 폴리메타페닐렌 이소프탈아미드 섬유 대 폴리프로필렌 섬유의 중량비가 5:95 내지 50:50, 더욱 더 바람직하게는 10:90 내지 30:70인 부직포 재료의 형태이다. 아라미드는 일반적으로 아민기와 카르복실산 할라이드기 사이의 반응에 의해 제조된다. 가장 잘 알려진 아라미드들(케블라(Kevlar), 트와론(Twaron), 노멕스(Nomex), 뉴스타(New Star) 및 테이진코넥스(Teijinconex))은 AABB 폴리머이다. 다른 아라미드는 주로 메타-결합을 포함하고, 폴리-메타페닐렌 이소프탈아미드(MPIA)이다. 케블라 및 트와론은 모두 p-페닐렌 테레프탈아미드(PPTA), 가장 간단한 형태의 AABB 파라-폴리아라미드이다. PPTA는 p-페닐렌 디아민(PPD) 및 테레프탈로일 디클로라이드(TDC 또는 TC1)의 생성물이다.
사용 중에, 아라미드의 강도 때문에, 미국 특허 제6,328,788호에 기재된 생성물은 스크림 층을 필요로 하지 않을 수 있다. 이는 또한 압력 강하를 감소시킬 수 있다.
층(16A)의 하류에 아라미드 층(96)을 배치함으로써, 필터는 먼저 거친(coarser) 필터 내의 보다 큰 미립자를 포획할 수 있고, 그 후 압력 강하를 최소화하는 동안 보다 미세한 입자를 모두 포획할 수 있다. 그러나, 층은 스와핑될 수 있거나, 또는 16A의 일반적인 층 또는 층들이 존재하지 않을 수 있거나, 다른 층, 가능하게는 아라미드 층에 대해 치환될 수 있다. 본원에서 아라미드 층(96)은 마찰전기 재료이지만, 마찰전기 블렌드를 포함하거나 포함하지 않을 수 있는 보다 일반적인 층(16A)으로 별도로 기재되어 있다는 것을 이해해야 한다.
도 10은 도 9와 유사한 층들 및 중앙 스크린(13)을 포함할 수 있는 다른 구현양태의 단면도를 도시한다. 이들에 추가하여, 상부 지지 층(1010), 스크림리스 매체 층(1020), 및 하부 지지 층(1030)을 포함하는 스크림리스 필터 층 조립체(1000)가 존재한다. 지지 층은 필터 매체에 형상을 부여하는 의미에서 구조적 지지를 제공할뿐만 아니라(스크린도 이것을 수행할 수 있음), 또한 아라미드 층이 공기 흐름 및/또는 접촉에 의해 송풍되는 것을 방지하거나 또는 다른 방식으로 그 형상을 잃는 것을 방지한다.
스크림리스 매체 층(1020)은 깨지기 쉽고 필터 조립체에서 사용시 그 형상을 유지하기에 충분히 구조적으로 건전(sound)하지 않지만(스크림이 존재하지 않음) 그렇지 않으면 우수한 여과 품질을 갖는 부직포 섬유 블렌드를 포함할 수 있다. 이러한 재료의 예는 모드-아크릴 및 폴리프로필렌 블렌드 및/또는 다른 마찰전기 또는 비-마찰전기 블렌드를 포함한다. 상기 스크림리스 층은 또한 단일 유형의 재료일 수 있다. 지지 층(들)의 기능은 제조, 취급 및 사용 시에 스크림리스 층(들)을 온전하게 유지하는 것이다.
스크림리스 매체 층(1020)은 도시된 바와 같이 하나 이상의 층일 수 있거나 스크림리스 매체 층(1020)이 그 형상을 유지하는 것을 돕고 상부 지지 층(1010) 및 하부 지지 층(1030)의 지지로 인해 보다 내구성이 있는 다른 조합을 포함할 수 있다. 상부 지지 층은 다양한 재료일 수 있지만, 이상적으로는 내구성 및 비교적 낮은 압력 강하, 직물, 부직포 또는 천공 재료, 예를 들어 폴리에스테르, 폴리프로필렌, 나일론, 다른 플라스틱 또는 복합체, 유리, 울, 압출 망 등이다.
지지 프레임(1020)(반드시 "바닥"에 있을 필요는 없음)의 설치 동안 보다 많은 접촉을 받을 수 있는 하부 지지 층(1030)은 직물, 부직포 또는 천공 재료, 플라스틱 망, 비닐 스크린, 금속 스크린 또는 심지어 스크림된 재료, 또는 다른 지지 재료일 수 있다. 이것은 또한 조립체에서 외부 전도성 스크린으로서 기능할 수 있다. 위의 설명은 현재 설명된 것들이지만, 다른 지지 층들이 가능할 수도 있다.
도 9 및 도 10에 도시된 단면에서의 층 또는 전도성 접지 스크린은 반드시 균일하지 않을 수 있거나, 또는 단일 층일 수 있고, 이하를 포함할 수 있다:
- 비닐;
- 폴리에스테르;
- 유리
- 울
- 아라미드 및 마찰전기 스케일의 다른 측으로부터의 재료
- 추가로 폴리프로필렌을 포함하는 상기 내용;
- 미국 특허 6,328,788에 설명되어 있고/있거나 TEXEL로서 판매되는 상기 내용;
- 스크림이 있거나 없는 상기 내용;
- 다른 층이 상기 내용 중 임의의 것일 수 있는 층형 매체의 일부로서 상기 내용 중 임의의 것;
- 마찰전기적이거나 마찰전기적이 아닌 임의의 다른 필터 재료;
- 상기 내용 중 임의의 것 및 아크 블록 층;
- PCO와 상기 내용 중 임의의 것;
및 이들의 조합.
본 발명의 또 다른 구현양태에서, 매체 층들 중 하나는 광촉매 재료로 처리될 수 있다. 그 후, 공기 청정기는 가스상 오염물의 브레이크다운을 위해 UV 광과 결합될 수 있다. 이러한 구현양태에서 생성된 하이드록실은 생물학적 및 브레이크다운 가스상 오염물을 불활성화시킬 수 있다. 이러한 구현양태에서, UV 광의 영향 하에서, 매체는 하이드록실 라디칼 및 수퍼-산화물 이온을 생성하여, 포획된 및 공기 중의 생물학적에어로졸(airborne bioaerosols) 및 기상 오염물과 반응한다. 광촉매 층은 가장 먼 하류 층일 수 있다. 이것은 실질적으로 입자 오염물이 없도록 유지될 것이다.
본 발명의 또 다른 구현양태에서, 필터 프레임의 외부 스크린/전극은 광촉매로 처리된다.
본 발명의 또 다른 구현양태에서, 전도성 스크린(들)(중앙 또는 접지)의 일부 또는 전부는 탄소 함침된 발포체 또는 메쉬와 같은 냄새/기체상 오염물 흡착 특성을 가질 것이다.
본 발명의 또 다른 구현양태에서, 하나 이상의 층은 VOC, 다른 반응성 기체상 오염물 및/또는 오존 및/또는 생물학적 오염물의 분해를 위한 촉매로 처리된 재료일 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현양태에서, 하나 이상의 층은 흡착성 또는 화학흡착성(chemisorptive)인 섬유를 포함하고/포함하거나 흡착성 또는 화학흡착성인 코팅을 수행한다.
본 발명의 또 다른 구현양태에서, 하나 이상의 층은 살생물성(biocidal)인 섬유를 포함하고/포함하거나 살생물성인 코팅을 수행한다.
시험 결과
표 1은 ASHRAE 표준 52.2 시험에서의 결과를 비교하는 다양한 제3자 시험을 나타낸다. 52.2 시험은 0.3 내지 10.0 미크론 범위의 12개 사이즈에서 상류 및 하류 효율성을 측정한다. 시험 과정에서, 전형적인 대기 먼지와는 달리, 높은 비율의 카본 블랙을 포함하고 전도성이 높은 테스트 먼지가 장치에 로딩되므로, 여러 효율성을 얻을 수 있다. 달성된 최소 효율성은 3개의 그룹: E1(0.3 내지 1.0 미크론), E2(1.0 내지 3.0 미크론) 및 E3(3.0 내지 10.0 미크론)에 투입된다. 그룹 내의 각 크기의 개별 결과는 함께 평균화된다. 효율성 등급은 각 카테고리에서 달성된 평균 수에 기초하며, 장치에 대한 최소 효율성 보고 값(Minimum Efficiency Reporting Value; MERV) 등급이 얻어진다. 고효율성 공기 필터 및 청정기에 있어서, El 효율성은 중요하다. 액티브-전계/분극 매체 공기 청정기의 경우, 전도성 먼지로 인하여 전압이 중앙 스크린으로부터 접지 스크린으로 이동하고, 시스템이 단락되고, 정전기장의 전원이 차단되어(de-energizing), 입자 및 매체 섬유에 미치는 영향이 발생한다. 필터 등급은 El 효율성에서 10% 이하의 변화에 기초하는 것이 중요하다. 따라서, 서브-미크론 입자 제거에서 작은 개선은 중요하며, 특정 시장에 대한 제품의 적합성 및 사용에 큰 영향을 미친다. 예를 들어, 병원에서의 대부분의 여과는 최소 MERV 14를 충족해야 하며, 75% 내지 85%의 El을 갖는다.
표 1은 본질적으로 동일한 구성을 갖고 마찰전기 매체의 층 또는 층들을 추가로 갖는 다양한 공기 청정기 조립체를 도시한다. 이들은 표준 52.2 시험에서 El 결과에 따라 순위가 매겨진다. 스크림리스 매체를 사용하는 조립체는 스크림을 갖는 유사한 또는 더 큰 마찰전기 매체 중량의 매체들보다 상당히 우수하게 수행된다. 이는 임계 서브-미크론 범위에서 특히 그러하다. 예를 들어, 가장 현저한 비교는 시험 1과 8의 사이에 있다. 여기서, 스크림을 갖는 마찰전기 매체 350g은 스크림을 갖지 않는 마찰전기 매체 330g과 대비된다. 스크림리스 매체는 El 효율성 및 최소 0.3 미크론 성능 모두에서 거의 20% 더 우수하다. 스크림 대 스크림리스 매체의 모든 비교는 본질적으로 동일한 관계를 나타낸다. 모든 경우에, 차이는 서브-미크론/El 범위에서 가장 두드러지고, E2 및 E3은 본질적으로 동일하다. 또한, 중량 및 압력 강하에 기초하여, 아라미드 블렌드의 스크림리스 매체는 일반적으로 스크림리스 모드아크릴/폴리프로필렌 블렌드보다 성능이 우수하다.
Figure pct00001
비고:
1) BHT는 Blue Heaven technologies(Louisville, Ky)이다.
2) NS 접두사는 매체 상에 스크림이 없음을 나타낸다.
3) WS 접두사는 매체 상의 스크림을 나타낸다.
4) MAP 접미사는 모드아크릴/폴리프로필렌 블렌드를 나타낸다.
5) AB 접미사는 아라미드 블렌드를 나타낸다.
상기 기재된 발명(들)은 HVAC 시스템, 자체 내장된 필터/팬 유닛, 및 산업용 공기 청정 시스템, 및 집진기(dust collector)에서의 사용을 포함하지만, 이것으로 제한되지 않는, 다양한 방식으로 사용될 수 있다. 상기 구현양태들은 주로 플랫 필터 구성을 기술하지만, 본 발명은 다수의 플랫 패널의 V-뱅크 그룹, 패널 및 V-뱅크 유닛의 상호 연결된 그룹, 백 필터(bag filters), 주름 및 미니-주름 필터, 카트리지 필터, 및 집진 시스템을 위한 원통형 필터를 포함하며, 이것으로 제한되지 않는, 다른 구성에 적용될 수 있다.
상술한 발명은 다양한 구현양태를 참조했지만, 전체로서 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 본 발명의 구조 및 요소에 대한 변형이 이루어질 수 있다. 특히, 다양한 효과를 달성하기 위해, 다양한 층 또는 요소가 결합, 상호 교환 및/또는 반복될 수 있다. 예를 들어, 하나의 도면은 공기 청정기의 기본 개념을 보여주지만, 다른 도면은 일 유형의 조립된 시스템의 구성을 보여준다. 명확성을 위해, 다양한 요소가 별도의 층으로 도시되었지만, 2개 이상의 "층들(layers)"이 단일 층 또는 재료로 결합될 수 있다.

Claims (20)

  1. 액티브 전계/분극 매체 공기 청정기(active-field/polarized-media air cleaner)에 있어서,
    제1 전도성 외부 스크린;
    상기 제1 전도성 외부 스크린과 실질적으로 평행한 제2 전도성 스크린;
    상기 제1 전도성 외부 스크린과 상기 제2 전도성 스크린 사이에 배치된 스크림리스(scrimless) 필터 매체; 및
    제1 단자 및 제2 단자를 갖는 고전압 전원 공급기를 포함하며,
    상기 고전압 전원 공급기의 제1 단자는 상기 제1 전도성 외부 스크린에 연결되고, 상기 고전압 전원 공급기의 제2 단자는 상기 제2 전도성 스크린에 연결되는,
    액티브 전계/분극 매체 공기 청정기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스크림리스 필터 매체는 마찰전기 재료를 포함하는,
    액티브 전계/분극 매체 공기 청정기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 마찰전기 재료는 아라미드(aramid)인,
    액티브 전계/분극 매체 공기 청정기.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 스크림리스 필터 매체는 폴리메타페닐렌 이소프탈아미드 섬유와 폴리프로필렌 섬유를 포함하는,
    액티브 전계/분극 매체 공기 청정기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 스크림리스 필터 매체는 폴리메타페닐렌 이소프탈아미드 섬유 대 폴리프로필렌 섬유의 중량비가 5:95 내지 50:50인 재료의 층을 포함하는,
    액티브 전계/분극 매체 공기 청정기.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 스크림리스 필터 매체는 폴리메타페닐렌 이소프탈아미드 섬유 대 폴리프로필렌 섬유의 중량비가 10:90 내지 30:70인 재료의 층을 포함하는,
    액티브 전계/분극 매체 공기 청정기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 스크림리스 필터 매체는 2개의 지지 층들과 그 사이에 스크림리스 매체 층 또는 층들을 포함하는,
    액티브 전계/분극 매체 공기 청정기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 지지 층들 중 하나는 상부 층이고, 상기 지지 층들 중 다른 하나는 바닥 층이고, 상기 상부 층은 공기 흐름(airflow)의 방향을 향하는,
    액티브 전계/분극 매체 공기 청정기.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 스크림리스 매체 층은 모드(mod)-아크릴 섬유를 포함하는,
    액티브 전계/분극 매체 공기 청정기.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 스크림리스 매체 층은 폴리프로필렌 블렌드 섬유를 포함하는,
    액티브 전계/분극 매체 공기 청정기.
  11. 제8항에 있어서,
    상부 지지 층은 부직포 재료인,
    액티브 전계/분극 매체 공기 청정기.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 부직포 재료는 폴리에스테르, 유리, 및 울(wool)로 이루어진 군으로부터 선택되는,
    액티브 전계/분극 매체 공기 청정기.
  13. 제8항에 있어서,
    바닥 지지 층은 부직포 재료, 플라스틱 망(plastic netting), 비닐, 및 비전도성 스크린으로 이루어진 군으로부터 선택되는,
    액티브 전계/분극 매체 공기 청정기.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 스크림리스 필터 매체는 UV 광을 받는,
    액티브 전계/분극 매체 공기 청정기.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 스크림리스 필터 매체는 복수의 층들을 포함하고, 상기 층들 중 적어도 하나는 광촉매에 의해 처리되는,
    액티브 전계/분극 매체 공기 청정기.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 제2 전도성 스크린으로부터 상류의 제2 전도성 외부 스크린 및 상기 제2 전도성 외부 스크린과 상기 제2 전도성 스크린 사이의 마찰전기 스케일의 2 개의 측면들로부터의 재료들을 갖는 추가적인 마찰전기 필터 층을 더 포함하는,
    액티브 전계/분극 매체 공기 청정기.
  17. 제16항에 있어서,
    제1 전도성 외부 스크린, 제2 전도성 스크린, 제2 전도성 외부 스크린, 및 스크림리스 필터 매체는 모두 모듈 내에 포함되는,
    액티브 전계/분극 매체 공기 청정기.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 모듈은 상기 스크림리스 필터 매체에 접근하기 위한 힌지를 갖는,
    액티브 전계/분극 매체 공기 청정기.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 모듈은 자체-수용된 카트리지인,
    액티브 전계/분극 매체 공기 청정기.
  20. 액티브 전계/분극 매체 공기 청정기(active-field/polarized-media air cleaner)에 있어서,
    제1 전도성 외부 스크린;
    상기 제1 전도성 외부 스크린과 실질적으로 평행한 제2 전도성 스크린;
    상기 제1 전도성 외부 스크린과 상기 제2 전도성 스크린 사이에 배치된 아라미드 마찰전기 필터 매체; 및
    제1 단자 및 제2 단자를 갖는 고전압 전원 공급기를 포함하며,
    상기 고전압 전원 공급기의 제1 단자는 상기 제2 전도성 스크린에 연결되고, 상기 고전압 전원 공급기의 제2 단자는 상기 제1 전도성 외부 스크린에 연결되는,
    액티브 전계/분극 매체 공기 청정기.
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