KR20210111260A

KR20210111260A - 엔진 공기 필터용 필터 여재

Info

Publication number: KR20210111260A
Application number: KR1020217021561A
Authority: KR
Inventors: 게오르그 가이스베르거; 안드레아스 데멜
Original assignee: 네나 게쓰너 게엠바하
Priority date: 2019-01-10
Filing date: 2020-01-10
Publication date: 2021-09-10
Also published as: US20220096980A1; DE102019100468A1; JP2022517602A; MX2021008369A; CA3126186A1; WO2020144342A1; CN113272040A; BR112021011206A2; EP3908390A1

Abstract

엔진 공기 필터용 필터 여재는 기재층 (substrate layer) 및 폴리에스테르 섬유를 함유하는 멜트블로운 층을 포함한다. 상기 필터 여재는 전기적으로 충전된다.

Description

엔진 공기 필터용 필터 여재

본 발명은 캐리어 층 및 멜트블로운 층을 포함하는 엔진 공기 필터용 필터 여재 (filter medium) 및 그러한 필터 여재를 포함하는 필터 요소에 관한 것이다.

공기 필터 여재를 위한 중요한 품질 기준은 충분히 높은 분진 보유 용량뿐만 아니라 높은 여과 효율, 즉 크고 작은 입자의 분리를 포함한다. 엔진 공기 필터 여재와 관련하여, 엔진은 입방 용량 (cubic capacity)에 따라 최대 부하에서 시간당 200 m³와 500 m³ 사이의 공기를 흡입한다는 점에 주목해야 한다. 이 공기는 먼지와 분진 입자로 채워져 있다. 필터 요소가 충분한 공기를 통과하지 못하면, 엔진은 이의 최대 용량을 발생할 수 없다.

엔진 공기 필터 요소는 적절한 연소 과정에 필요한 정화된 공기를 엔진에 공급하는 역할을 한다. 엔진 공기 필터 여재는 또한 차량의 공기 관리와 관련하여 다음과 같은 기능도 가지고 있다: 엔진 흡입 공기의 여과; 흡기 소음 저감과 같은 최적의 연소 및 엔진 음향을 위한 기류의 개선; 다운스트림 엔진 부품, 예를 들어, 터보 차저 (turbocharger)의 입자 충격으로부터의 보호.

여과 효율을 증가시키기 위해, 나노섬유 층 (즉, 섬유 직경이 1.5 μm 미만)이 사용되지만 복잡한 제조 공정이 필요하므로 비용이 많이 든다. 또 다른 단점은 나노섬유 층의 기계적 안정성이 낮다는 점이다.

또한, 엔진 공기 필터는 차량 제조업체가 지정한 간격으로 교체되어야 한다. 이것은 검사 작업의 일부로서 수행된다. 공기 중에 분진 함량 (또는 특정 마일리지)이 높은 경우, 필터를 더 일찍 교체하는 것이 권장된다. 따라서, 이상적으로는 필터 여재 (또는 필터)는 가능한 한 저렴해야 한다.

따라서, 본 발명은 엔진의 공기 필터에 특히 적합한 필터 여재 및 필터 요소를 생성하는 목적을 기반으로 하며, 매우 우수한 효율과 분진 보유 용량을 가질뿐만 아니라 표준 제조 공정을 사용하여 생산하기 쉽고 이에 상응하게는 생산 비용이 저렴하다.

본 발명은 캐리어 층 및 폴리에스테르 섬유를 함유하는 멜트블로운 층을 포함하는 엔진 공기 필터용 필터 여재에 관한 것으로, 여기서 상기 필터 여재는 전기적으로 충전된다.

필터 여재는 특히 엔진 공기 필터에 적합하다. 지금까지, 분진 수준이 높을 때 급속 배출이 발생하기 때문에 엔진 공기 필터 여재는 충전되지 않았으며, 따라서 비-충전된 매체에 비해 여과 효율의 차이가 분명하지 않았다. 놀랍게도, 본 발명의 충전된 필터 여재는 비-충전된 매체에 비해 더 나은 효율 및 분진 보유 용량을 갖는 것으로 밝혀졌다. 따라서, 멜트블로운 층은 더 큰 섬유 직경으로 제조될 수 있다. 이는 동일한 압력 강하로 필터 여재의 더 저렴한 제조 및 더 높은 효율 및 분진 보유 용량을 허용한다.

바람직하게는, 폴리에스테르 섬유는 폴리부틸렌 테레프탈레이트를 함유하거나, 폴리부틸렌 테레프탈레이트 섬유로 이루어진다.

이들 멜트블로운 섬유의 평균 직경은 특히 2 내지 8 μm, 바람직하게는 2 내지 5 μm 및 특히 바람직하게는 3 내지 4 μm이다. 평균 직경은 본원에 기재된 방법을 사용하여 측정된다.

본 발명에 따른 멜트블로운 층의 두께는 0.005 bar 시험 판 압력에서 특히 0.05 내지 0.90 mm, 바람직하게는 0.10 내지 0.80 mm 및 특히 바람직하게는 0.15 내지 0.70 mm이다.

멜트블로운 층의 평량은 특히 5 내지 90 g/m², 바람직하게는 10 내지 60 g/m², 특히 바람직하게는 15 내지 25 g/m²이다.

본 발명에 따른 멜트블로운 층의 공기 투과도는 특히 50 내지 3000 l/m²s, 바람직하게는 300 내지 2000 l/m²s 및 특히 바람직하게는 800 내지 1300 l/m²s이다.

당업계에 알려진 멜트블로운 공정을 사용하여 본 발명에 따른 멜트블로운 부직포를 제조한다. 적합한 중합체 (특히 폴리에스테르)는, 예를 들어, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 또는 폴리부틸렌 테레프탈레이트이다. 바람직하게는, 멜트블로운 층은 폴리부틸렌 테레프탈레이트 섬유를 포함한다. 특히 바람직하게는, 멜트블로운 층은 폴리부틸렌 테레프탈레이트 섬유로 이루어진다. 요건에 따라, 첨가제, 예컨대 친수화제 (hydrophilizing agent), 소수화제 (hydrophobizing agents), 결정화 촉진제 또는 색상을 중합체에 첨가할 수 있다. 멜트블로운 층은 생산 동안 전기적으로 충전되거나 캐리어 층과 함께 충전될 수 있다. 모든 알려진 방법, 예컨대 코로나 충전이 충전 방법으로서 사용될 수 있다.

전하 안정성을 증가시키기 위해, 당업계에 알려진 첨가제, 예컨대 비스-스테아로일-에틸렌디아미드가 혼합될 수 있다.

캐리어 층은 습식 층 또는 건식 층일 수 있다.

본 발명의 의미에서 습식 층 또는 종이 층은 여과지 제조를 위해 당업계에 알려진 습식 공정으로 제조될 수 있는 모든 층이다. 습식 층은 천연 섬유, 합성 섬유 또는 이들의 혼합물을 함유할 수 있다. 천연 섬유의 예는 셀룰로오스, 면, 양모 및 대마를 포함하고, 사용된 셀룰로오스 재료는 침엽수 및/또는 낙엽수, 재생 셀룰로오스 및 피브릴화 셀룰로오스로부터의 목재가 없는 (wood-free) 및/또는 목재-함유 셀룰로오스를 포함할 수 있다.

적합한 합성 섬유는 폴리에스테르 섬유 (예를 들어, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리부틸렌 테레프탈레이트 및 PLA 섬유), 폴리올레핀 섬유, 폴리아미드 섬유, 폴리아크릴로니트릴 섬유 및 개별 성분의 융점이 상이한 다중-섬유 섬유를 포함한다.

습식 층에서 합성 섬유는 평균 섬유 직경이 특히 3 μm (0.1 dtex) 내지 30 μm (10 dtex), 바람직하게는 7 내지 20 μm이고 절단 길이가 바람직하게는 3 mm 내지 20 mm, 특히 바람직하게는 4 mm 내지 12 mm이다.

캐리어 층은 (섬유의 총량을 기준으로) 100 wt% 천연 섬유를 포함할 수 있다. 캐리어 층은 30 내지 45 wt% 합성 섬유 및 70 내지 55 wt% 천연 섬유를 포함할 수 있거나, 100 wt% 합성 섬유를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 캐리어 층은 100 wt% 천연 섬유를 포함한다.

습식 캐리어 층의 두께는 0.005 bar 시험 판 압력에서 특히 0.1 mm 내지 1.2 mm, 바람직하게는 0.2 mm 내지 0.9 mm, 특히 바람직하게는 0.3 mm 내지 0.8 mm이다.

건식 캐리어 층은 부직포 층을 제조하기 위해 당업계에 알려진 건식 공정을 사용하여 제조될 수 있는 층이다. 바람직하게는, 부직포 층은 합성 섬유만을 포함하는 스펀본디드 또는 카디드 부직포이다. 바람직하게는, 건식 캐리어 층은 스펀본디드-층으로 이루어진다. 건식 캐리어 층의 두께는 0.005 bar 시험 판 압력에서 바람직하게는 1 mm 내지 3.0 mm이다. 특히 바람직하게는, 건식 캐리어 층의 두께는 1.2 mm 내지 2.5 mm 및 특히 1.3 mm 내지 2.1 mm이다.

건식 캐리어 층은 단일성분 및/또는 이성분 합성 섬유를 포함한다. 바람직하게는, 건식 캐리어 층은 단일성분 폴리에스테르 섬유 및 보다 바람직하게는 폴리에틸렌 테레프탈레이트 섬유를 포함한다 (또는 이로 이루어진다). 적합한 합성 섬유는, 예를 들어, 폴리에스테르 섬유 (예를 들어, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리부틸렌 테레프탈레이트 및 PLA 섬유), 폴리올레핀 섬유, 폴리아미드 섬유, 폴리아크릴로니트릴 섬유 및 개별 성분의 상이한 융점을 가진 다성분 섬유를 포함한다.

이성분 섬유는 더 높은 융점을 가진 적어도 하나의 섬유 부분과 더 낮은 융점을 가진 제2 섬유 부분을 갖는 열가소성 재료로 이루어진다. 이들 섬유의 물리적 구성은 당업자에게 알려져 있으며 통상적으로 나란히 또는 외피-코어 (sheath-core) 구조로 이루어진다.

이성분 섬유는 폴리올레핀 (예컨대 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌), 폴리에스테르 (예컨대 폴리에틸렌 테레프탈레이트 (PET), 폴리부틸렌 테레프탈레이트 (PBT), 나일론 6, 나일론 6,6, 나일론 6,12 등을 포함하는 폴리아미드)를 포함한 다양한 열가소성 물질로부터 만들어질 수 있다. 바람직하게는, 이성분 섬유는 폴리에스테르로 만들어진다. 특히 바람직하게는, 이성분 섬유는 PET/coPET로 만들어진다.

건식 캐리어 층의 단일 및 이성분 섬유는 평균 직경이 특히 10 내지 50 μm, 바람직하게는 12 내지 40 μm 및 특히 바람직하게는 14 내지 35 μm이다.

캐리어 층은 함침될 수 있으며, 이로써 함침제의 유형은 본 발명에 따른 필터 재료의 의도된 용도에 따라 당업자에 의해 선택된다. 종이의 총 중량 중 건조 함침제의 비율은 전형적으로 0.5 wt% 내지 50 wt%, 바람직하게는 5 wt% 내지 40 wt%이다. 여과지로 알려진 물질은 알코올 용액으로부터 페놀 수지 또는 에폭시 수지와 같은 함침제로서 뿐만 아니라 예를 들어, 아크릴레이트, 페놀 수지, 폴리비닐 클로라이드, 폴리비닐 아세테이트의 수성 분산액으로도 사용된다. 또 다른 가능한 부류의 함침제는, 예를 들어, 폴리비닐 알코올, 멜라민 수지, 우레아 수지의 수용액이다. 습윤성을 개선하고 따라서 유속을 증가시키기 위해, 적합한 첨가제, 예컨대 표면-활성 물질 또는 플루오로카본 수지에 의해 함침을 친수성 또는 친유성으로 만들 수 있다.

캐리어 층 (즉 습식 또는 건식 층)의 평량은 특히 50 내지 350 g/m², 바람직하게는 70 내지 250 g/m² 및 특히 바람직하게는 80 내지 200 g/m²이다.

캐리어 층 (즉, 습식 건식 층)은 공기 투과도가 특히 50 내지 4000 l/m²s, 바람직하게는 100 내지 3000 l/m²s 및 특히 바람직하게는 200 내지 2800 l/m²s이다.

필터 여재는 본원에 기재된 캐리어 층 및 멜트블로운 층의 조합으로만 이루어질 수 있거나, 하나 이상의 다른 층을 포함할 수 있다.

멜트블로운 층은 필터 여재를 생성하기 위해 캐리어 층에 본딩될 수 있다. 니들링 (needling) 공정, 워터 제트 니들링 공정, 열 공정 (즉, 캘린더 본딩 및 초음파 본딩) 및 화학 공정 (즉, 접착제에 의한 본딩)과 같은 당업자에게 공지된 임의의 공정이 이러한 목적을 위해 사용될 수 있다. 바람직하게는, 멜트블로운 층은 포인트 캘린더 (point calenders) 또는 접착제를 사용하여 캐리어 층에 본딩될 수 있다. 접착제의 도포율은 2 내지 10 g/m², 바람직하게는 4 내지 8 g/m²이다.

본 발명에 따른 필터 여재는 평량이 바람직하게는 55 g/m²내지 440 g/m², 바람직하게는 80 내지 300 g/m², 및 특히 바람직하게는 90 내지 200 g/m²이다. 바람직하게는, 필터 여재의 공기 투과도는 50 내지 1200 l/m²s, 바람직하게는 100 내지 1000 l/m²s 및 특히 바람직하게는 200 내지 900 l/m²s이다.

바람직하게는, 0.005 bar 시험 판 압력에서 필터 여재의 두께는 0.4 내지 2.5 mm, 특히 바람직하게는 0.45 내지 2 mm, 및 보다 더 바람직하게는 0.45 내지 1 mm이다.

본 발명에 따른 필터 여재의 최대 기공 직경 (또는 가장 큰 기공 크기)은 특히 30 내지 120 μm, 바람직하게는 35 내지 110 μm이다. 본 발명에 따른 필터 여재의 많은 기공의 직경은 특히 20 내지 80 μm, 및 바람직하게는 25 내지 65 μm이다.

필터 여재의 H-값은 특히 1.00 내지 2.50, 바람직하게는 1.00 내지 2.00, 및 특히 바람직하게는 1.00 내지 1.80이다. H-값은 다음으로부터 계산된다:

H-값 = 가장 큰 기공 직경/많은 기공의 직경

H-값이 상기 기재된 범위에 있으면 매우 우수한 균질성을 나타내므로 필터 여재는 매우 높은 효율과 분진 보유 용량을 장기간 보장할 수 있다.

본 발명에 따른 필터 여재의 효율은 특히 적어도 99.00%, 바람직하게는 적어도 99.70% 및 특히 바람직하게는 적어도 99.90%이다. 여기에 주어진 효율은 2000 Pa까지 압력을 증가시킨 후 총 효율에 해당한다. 이것은 초기 효율과 구별되어야 한다.

본 발명에 따른 필터 여과의 분진 보유 용량은 특히 70 내지 350 g/m², 바람직하게는 100 내지 300 g/m² 및 특히 바람직하게는 125 내지 300 g/m²이다.

본 발명에 따른 필터 여재가 우수한 파단 강도를 갖기 때문에, 더 긴 시간 간격 후에만 교체할 필요가 있다.

천연 섬유를 함유하는 필터 여재는 파단 강도가 기계 방향 (MD)에서 특히 60 내지 200 N, 바람직하게는 70 내지 180 N 및 특히 바람직하게는 75 내지 100 N이다. 합성 섬유만을 함유하는 (천연 섬유 비함유) 필터 여재는 파단 강도가 기계 방향 (MD)에서 250 내지 600 N, 바람직하게는 특히 350 내지 600 N 및 특히 바람직하게는 400 내지 600 N이다.

유입 방향은 바람직하게는 캐리어 층의 측면으로부터이지만, 멜트블로운 층의 측면으로부터도 될 수 있다.

본 발명은 또한 필터 매체를 포함하는 필터 요소에 관한 것이다. 필터 요소는 본 발명에 따른 필터 여재와 다른, 즉 다른 성질을 갖는 또 다른 필터 매체를 추가로 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 필터 여재의 특히 유리한 적용 분야는 엔진 공기 필터이다.

시험 방법

DIN EN ISO 536:2012-11에 따른 평량

2500 mm² 시험 영역 (56.42 mm 직경)을 갖는 0.5 kPa 시험 판 압력에서 DIN EN ISO 9073-2 (1997-02)에 따른 두께

200 Pa 압력 차에서 DIN EN ISO 9237 (1995-12)에 따른 공기 투과도

평평한 샘플 측정을 기준으로 DIN ISO 4003 (1990-10)에 따른 기공 크기. 시약: 변성된 에탄올 (= 변성체로서 1 L MEK (메틸 에틸 케톤)을 가진 에탄올 100 L). 부직포는 공기 공급 라인과 마노미터 (mm 디스플레이를 가진 U-튜브)에 대한 연결이 제공된 캐비티 위에 밀폐되어 있다.

변성된 에탄올이 상부 샘플 홀더의 가장자리 위에 추가되고 (샘플에 직접 분사하지 않는/높이 약 4 mm) 동시에 약간의 과압이 발생한다. 과압은 제1 기포가 보일 때까지 천천히 증가한다 (대략 5 mm WS/sec).

이러한 필요한 압력은 마노미터 (mm WS)에서 판독되고 에탄올 (23℃)의 표면 장력의 도움으로 가장 큰 기공 직경인 "가장 큰 기공"이 계산된다. 공기가 전체 시험 영역 (10 cm²)을 통과할 정도로 과압이 증가하면 (거의 균일한 기포 분포, 그러나 거품은 발생하지 않음) 많은 기공의 값이 얻어진다. 이를 위해, "많은 기공"의 과압이 다시 결정되고 상응하는 기공 직경이 계산된다.

파단 강도

- DIN EN ISO 1924-2 (2009-05) (측정 스트립 100 mm 길이, 15 mm 너비; 박리 속도 15 mm/min)에 따른 전체 필터 여재 (캐리어 + 멜트블로운; 여기서, 필터 여재는 천연 섬유를 포함한다)의 경우.

- DIN EN ISO 29073 파트 3 (1992-08) (측정 스트립 100 mm 길이, 50 mm 너비; 박리 속도 100 mm/min)에 따른 전체 필터 여재 (캐리어 + 멜트블로운; 여기서, 필터 여재는 천연 섬유를 포함하지 않는다)의 경우.

효율 및 분진 보유 용량

명시된 효율 값은 ISO 5011:2014에 따라 평평한 샘플 측정에 기반하여 측정되었다. 시험 조건:

- 시험 분진 ISO 12103-A2 (ISO Fine)

- 질량 농도: 1 g/m³

- 유입 유속 11.1 cm/s

- 필터 면적: 100 cm²

전체 효율과 분진 보유 용량은 최종 압력이 2000 Pa에 도달했을 때 측정된다.

섬유 직경

측정 원리: 주사 전자 현미경을 사용하여 이미지를 정의된 배율로 촬영한다. 이들은 자동 소프트웨어를 사용하여 측정된다. 섬유의 교차점을 포착하여 섬유 직경을 나타내지 않는 측정 지점은 수동으로 제거된다. 섬유 번들은 일반적으로 하나의 섬유로서 평가된다.

장치:

관련 소프트웨어 Fibermetric V2.1을 사용한 주사 전자 현미경 Phenom Fei

시험의 실시:

샘플링: 웹 너비에 걸쳐 5개 지점의 부직포 (1.8 m에서)

기록:

a. 샘플을 스퍼터링한다;

b. 광학 이미지에 기반하여 랜덤 기록, 이와 같이 발견된 스폿은 SEM에 의해 1000배 확대하여 기록된다.

c. "1번의 클릭" 방법을 통한 섬유 직경 결정으로, 각 섬유는 한 번만 기록되어야 한다;

d. 평균 값 및 섬유 직경 분포는 엑셀을 사용하여 Fibermetric로부터 얻은 데이터에 의해 평가된다. 따라서, 평균 섬유 직경은 부직포 당 적어도 5개 지점으로 기록된다. 5개의 평균 값이 하나의 평균값으로 결합된다. 이 값은 부직포의 평균 섬유 직경으로 불린다. 적어도 500개의 섬유가 평가된다.

실시예

실시예 1

두께가 0.22 mm, 공기 투과도가 650 l/m²s이고 평균 섬유 직경이 3.5 μm인 20 g/m² PBT (폴리부틸렌 테레프탈레이트) 멜트블로운을 포인트 캘린더를 사용하여 두께가 0.68 mm인 135 g/m² 습식 종이 층에 본딩하고 코로나 충전으로 로딩하였다. 본원에 사용된 종이 층은 셀룰로오스로 만들어졌고, 이전에 수지로 함침되었다.

이와 같이 얻어진 필터 여재는 두께가 0.75 mm이고 공기 투과도가 365 l/m²s이고 평량이 155 g/m²이다. 필터 여재의 가장 큰 기공 직경은 39 μm이고 많은 기공의 직경은 27 μm이다.

실시예 2

두께가 0.66 mm, 공기 투과도가 1200 l/m²s이고 평균 섬유 직경이 4 μm인 60 g/m² PBT 멜트블로운을 포인트 캘린더를 사용하여 두께가 1.47 mm인 130 g/m² PET/CoPET 스펀본드 부직포에 본딩되고 코로나 충전으로 로딩하였다.

얻어진 필터 여재는 두께가 2.00 mm이고 공기 투과도가 900 l/m²s이고 평량이 190 g/m²이다. 필터 여재의 가장 큰 기공 직경은 100 μm이고 많은 기공의 직경은 58 μm이다.

비교실시예 1

실시예 1의 동일한 필터 여재에 해당하지만 코로나 충전으로 로딩되지 않았다.

비교실시예 2

실시예 2의 동일한 필터 여재에 해당하지만 코로나 충전으로 로딩되지 않았다.

본 발명에 따른 필터 여재의 일부 이점은 표 1에 나열되어 있다.

[표 1]

Claims

캐리어 층 및 폴리에스테르 섬유를 함유하는 멜트블로운 층을 포함하는, 엔진 공기 필터용 필터 여재 (filter medium)로서, 상기 필터 여재는 전기적으로 충전되는, 필터 여재.
제1항에 있어서, 상기 폴리에스테르 섬유는 폴리부틸렌 테레프탈레이트를 함유하는 것을 특징으로 하는, 필터 여재.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 폴리에스테르 섬유는 평균 직경이 2 내지 8 μm임을 특징으로 하는, 필터 여재.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 멜트블로운 층은 평량이 5 내지 90 g/m²임을 특징으로 하는, 필터 여재.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 필터 여재는 전체 효율이 적어도 99.00%임을 특징으로 하는, 필터 여재.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 캐리어 층은 종이 층 또는 스펀본디드 층을 포함함을 특징으로 하는, 필터 여재.
제6항에 있어서, 상기 스펀본디드 층은 단일성분 또는 이성분 폴리에스테르 섬유를 함유함을 특징으로 하는, 필터 여재.
제7항에 있어서, 상기 이성분 섬유는 PET/CoPET를 포함함을 특징으로 하는, 필터 여재.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 필터 여재는 상기 캐리어 층 및 상기 멜트블로운 층으로 이루어짐을 특징으로 하는, 필터 여재.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 필터 여재를 포함하는 필터 요소.