KR20220151450A - 액체 여과용 다공성 세라믹필터 - Google Patents

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Abstract

액체 여과용 다공성 세라믹 필터에 관한 것으로,
내부 표면에서 외부 표면으로 액체가 투과하면서 액체에 포함된 이물질이 제거되고, 외부 표면에서 내부 표면으로 공급되는 세척수에 의해 축적된 이물질이 세척되도록 하되, 외부 표면이 액체가 통과되는 투과부; 액체가 통과되지 않는 코팅보강부;로 구성되는 기술을 통하여
취급과정이나 사용과정에서 외부 충격이나 액체의 작용압력 등에 의해 쉽게 파손되지 않게 되므로 사용수명을 크게 연장할 수 있게 되고, 액체 여과기의 유지관리비용을 절감할 수 있게 됨은 물론 액체의 여과 생산성을 크게 향상시킬 수 있게 되는 것이다.

Description

액체 여과용 다공성 세라믹필터 {CERAMIC POROUS FILTER FOR LIQUID FILTERING}
본 발명은 액체 여과용 다공성 세라믹필터에 관한 것으로, 더 자세하게는 액체에 포함된 입자상의 이물질을 여과할 수 있도록 하고, 외부 표면의 일정 형태로 보강코팅층을 형성함으로써 취급과정이나 사용과정에서 파손되는 것을 방지할 수 있도록 한 것에 관한 것이다.
일반적으로 각종 산업현장에서 제품의 생산과정 및 처리과정에서 오염된 액체에 포함된 입자상의 이물질을 제거하기 위해 액체 여과장치가 사용된다.
상기 액체 여과장치는 오염된 액체를 필터체를 통과시키는 과정에서 필터체를 통해 입자상의 이물질이 제거되도록 구성된 형태의 것이 주로 사용되는데, 필터체를 이용한 액체 여과장치는 액체의 여과과정에서 오염된 필터체를 주기적으로 교환하거나 청소해주어야 할 필요가 있게 된다.
그러나 액체 여과장치의 본체로부터 필터체를 분리하거나 재설치하는 필터체의 교환방식은 필터체 비용 및 교체작업 비용이 많이 들게 되고, 필터체 교체시간 동안에 액체 여과장치를 가동할 수 없게 되므로 여과 생산성이 떨어지게 된다.
이에 액체 여과장치의 본체에 내장되는 필터체를 자동으로 세척함으로써 필터체를 교환없이 연속 사용할 수 있도록 하는 기술이 다수 제안되었다.
하기의 특허문헌 1에는 필터세척을 위한 유체에 더하여 필터링된 유체가 내부 압력에 의해 세척을 위한 유체로 사용될 수 있도록 필터 드럼에 의한 가압 역세척 방식의 필터장치가 개시되어 있다.
한편, 필터를 세척하여 교환없이 연속 사용할 수 있도록 하는 필터 역세척 방식의 액체 여과장치에서는 특허문헌 1과 같이 원통형의 다공성 세라믹 필터가 주로 사용된다.
도 1은 본 발명이 관계하는 액체 여과용 다공성 세라믹필터가 장착된 자동 연속 역세 액체 여과장치의 예시도이다.
도 1에 예시된 자동 연속 역세 액체 여과장치(100)는 입자상의 이물질이 포함된 액체를 여과기(200) 쪽으로 이송하는 유입배관(110); 유입배관(110)에 설치되고, 입자상의 이물질이 포함된 액체를 여과기(200) 쪽으로 펌핑하는 가압펌프(120); 다수의 원통형 다공성 세라믹필터(240)를 통해 액체에 포함된 이물질을 여과하고, 이물질이 여과된 액체를 통해 각 원통형 다공성 세라믹필터(240)에 축적된 이물질을 제거하는 여과기(200); 여과기(200)를 통해 이물질이 제거된 액체를 배출하는 배출배관(130); 원통형 다공성 세라믹필터(240)에서 제거된 이물질이 포함된 액체를 배출하는 역세배관(140);을 포함한다.
도 1에 예시된 자동 연속 역세 액체 여과장치(100)는 원통형 다공성 세라믹필터(240)를 통한 액체의 여과동작 중에 주기적으로 원통형 다공성 세라믹필터(240)를 통해 여과된 액체를 사용하여 각 원통형 다공성 세라믹필터(240)에 대한 역세를 순차적으로 실시함으로써 원통형 다공성 세라믹필터(240)를 교체하지 않고 연속해서 사용할 수 있게 된다.
그런데 상기 자동 연속 역세 액체 여과장치(100)에서 사용되는 원통형 다공성 세라믹필터(240)는 오염된 액체의 이물질을 제거하는 필터링과정이나 세척수를 통해 원통형 다공성 세라믹필터(240))를 세척하는 역세과정에서 원통형 다공성 세라믹필터(240)이 파손되는 일이 빈번하게 발생되고, 그에 따라 필터교환비용이 많이 들게 되는 문제가 있었다.
하기의 특허문헌 2에는 다공성 세라믹 필터의 강도를 향상시키기 위해 외벽, 내벽 또는 내부에 망상 또는 와이어형 지지체를 설치한 세라믹 필터가 개시되어 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-1169436호(2012년 07월 23일 등록) 대한민국 등록특허공보 제10-1242607호(2012년 03월 06일 등록)
특허문헌 2의 세라믹 필터를 포함한 종래 기술에 따른 액체 여과용 다공성 세라믹 필터는 별도의 와이어 지지체를 필터에 설치하는 형태이므로 제작이 어렵고, 충분한 강도 향상효과를 기대할 수 없게 되는 문제가 있었다.
본 발명은 상기 종래 기술에 따른 액체 여과용 다공성 세라믹 필터의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적이 취급과정이나 사용과정에서 외부 충격이나 액체의 작용압력 등에 의해 쉽게 파손되지 않도록 하는 것에 의해 사용수명을 크게 연장할 수 있도록 하는 액체 여과용 다공성 세라믹 필터를 제공하는 데에 있는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 액체 여과용 다공성 세라믹 필터는 내부 표면에서 외부 표면으로 액체가 투과하면서 액체에 포함된 이물질이 제거되고, 외부 표면에서 내부 표면으로 공급되는 세척수에 의해 축적된 이물질이 세척되도록 하되, 외부 표면이 액체가 통과되는 투과부; 액체가 통과되지 않는 코팅보강부;로 구성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 액체 여과용 다공성 세라믹 필터는 투과부 및 코팅보강부가 스파이럴 형태, 또는 다수의 원형 투과부가 원주방향 및 길이방향으로 배열 형성되고, 나머지 부분에 코팅보강부가 마련된 형태, 또는 다수의 사각형 투과부가 원주방향 및 길이방향이 배열 형성되고, 각 사각형 투과부의 사방에 코팅보강부가 마련된 형태인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 액체 여과용 다공성 세라믹 필터의 코팅보강부는 소결 및 가공된 세라믹 필터 성형체의 외부 표면의 투과부를 제외한 부분에 유약을 도포하고, 소성하여 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 액체 여과용 다공성 세라믹 필터는 코팅보강부의 코팅두께가 120㎛~230㎛의 범위인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 액체 여과용 다공성 세라믹 필터는 코팅보강부의 면적이 외부 표면의 총면적의 5%~35%의 범위인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 액체 여과용 다공성 세라믹 필터는 투과부의 주변에 마련되는 보강코팅부를 통해 강도가 크게 향상된 형태로, 취급과정이나 사용과정에서 외부 충격이나 액체의 작용압력 등에 의해 쉽게 파손되지 않게 되므로 사용수명을 크게 연장할 수 있게 되고, 액체 여과기의 유지관리비용을 절감할 수 있게 됨은 물론 액체의 여과 생산성을 크게 향상시킬 수 있게 되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명이 관계하는 액체 여과용 다공성 세라믹필터가 장착된 자동 연속 역세 액체 여과장치의 예시도,
도 2a 내지 도 2d는 본 발명에 따른 액체 여과용 다공성 세라믹 필터의 사시도,
도 3a 내지 도 3d는 본 발명에 따른 액체 여과용 다공성 세라믹 필터의 모식도,
도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 액체 여과용 다공성 세라믹 필터의 코팅보강부의 단면도,
도 5는 코팅보강부가 없는 기존 액체 여과용 다공성 세라믹 필터의 변위 및 변형 시뮬레이션 상태도,
도 6는 본 발명에 따른 스파이럴형 액체 여과용 다공성 세라믹 필터의 변위 및 변형 시뮬레이션 상태도,
도 7은 본 발명에 따른 사각형 액체 여과용 다공성 세라믹 필터의 변위 및 변형 시뮬레이션 상태도.
이하 본 발명에 따른 액체 여과용 다공성 세라믹 필터를 첨부된 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다. 참고로, 본 발명을 설명하는데 참조하는 도면에 도시된 구성요소의 크기, 선의 두께 등은 이해의 편의상 다소 과장되게 표현되어 있을 수 있다.
또, 본 발명의 설명에 사용되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의한 것이므로 사용자, 운용자 의도, 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 이 용어에 대한 정의는 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 내리는 것이 마땅하다.
그리고 본 출원에서, '포함하다', '가지다' 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특정의 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지칭하는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
그러므로, 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 구현 예(態樣, aspect)(또는 실시 예)들을 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 기술적 사상에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, 본 명세서에서 사용한 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 주지 또는 공지된 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.
이하에서, "상방", "하방", "전방" 및 "후방" 및 그 외 다른 방향성 용어들은 도면에 도시된 상태를 기준으로 정의한다.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명에 따른 액체 여과용 다공성 세라믹 필터의 사시도이고, 도 3a 내지 도 3d는 본 발명에 따른 액체 여과용 다공성 세라믹 필터의 모식도이다.
도 2a 내지 도 3d와 같이 본 발명에 따른 액체 여과용 다공성 세라믹 필터(10)는 외부 표면이 액체가 통과되는 투과부(11); 액체가 통과되지 않는 코팅보강부(12)로 구성된다.
도 2a 및 도 3a의 액체 여과용 다공성 세라믹 필터(100)는 투과부(11) 및 코팅보강부(12)가 스파이럴 형태를 가진다.
도 2b 및 도 3b의 액체 여과용 다공성 세라믹 필터(10)는 다수의 원형 투과부(11)가 원주방향 및 길이방향으로 배열 형성되고, 나머지 부분에 코팅보강부(12)가 마련된 형태를 가진다.
도 2c 및 도 3c의 액체 여과용 다공성 세라믹 필터(10)는 다수의 사각형 투과부(11)가 원주방향 및 길이방향이 배열 형성되고, 각 사각형 투과부(11)의 사방에 코팅보강부(12)가 마련된 형태이고, 도 2d 및 도 3d의 액체 여과용 다공성 세라믹 필터(100)는 도 2c 및 도 3c의 액체 여과용 다공성 세라믹 필터(10)와 마찬가지의 형태이다.
본 발명에 따른 액체 여과용 다공성 세라믹 필터(100)에서 투과부(11)의 형태는 도시된 스파이럴형, 원형, 사각형에 국한되지 않고 예를 들면 육각의 벌집형이나 팔각형, 그밖의 다른 예측 가능한 형태로 변형 실시될 수 있다.
본 발명에 따른 액체 여과용 다공성 세라믹 필터(100)에서 투과부(11)의 면적 또는 코팅보강부(12)의 면적은 총 외부 표면적에서 코팅보강부(12)의 면적 또는 투과부(11)의 면적을 뺀 값이 된다.(투과부 면적 + 코팅보강부 면적 = 총 외부 표면적)
본 발명에 따른 액체 여과용 다공성 세라믹 필터(100)에서 코팅보강부(12)는 원통형태로 성형되어 소결 및 가공된 세라믹 필터 성형체의 외부 표면의 투과부(11)를 제외한 부분에 유약을 도포하고, 일정온도(예를 들면 1200℃ 또는 1300℃)로 소성하는 방법으로 형성된다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 액체 여과용 다공성 세라믹 필터의 코팅보강부의 단면도이다.
본 발명에 따른 액체 여과용 다공성 세라믹 필터(100)에서 코팅보강부(12)의 코팅두께는 120㎛~230㎛의 범위로 하는 것이 바람직하다.
상기에서 코팅두께를 120㎛ 미만으로 코팅하게 되면 충분한 강성을 확보하기가 어렵게 되고, 코팅두께를 230㎛ 이상으로 코팅하게 되면 기공율이 감소되어 액체의 여과효율이 저하될 우려가 있게 된다.
본 발명에 따른 액체 여과용 다공성 세라믹 필터(100)에서 코팅보강부(12)의 면적은 외부 표면의 총면적의 5%~35%의 범위로 하는 것이 바람직하다.
상기에서 코팅보강부(12)의 면적을 외부 표면의 총면적의 5% 미만으로 설정하게 되면 강도 향상을 기대하기가 어렵고, 코팅보강부(12)의 면적을 외부 표면의 총면적의 35% 초과로 설정하게 되면 내부 표면적에 대한 투과부 면적의 비율이 작아지게 되어 여과효율이 저하될 우려가 있게 된다.
본 발명에 따른 액체 여과용 다공성 세라믹 필터(10)는 외부 표면에 마련된 코팅보강부(12)를 통해 강성이 증대되고, 그에 따라 액체 여과용 다공성 세라믹 필터(100)의 취급과정이나 사용과정에서 파손의 우려가 적게 되고, 사용수명이 크게 연장된다.
본 발명에 따른 액체 여과용 다공성 세라믹 필터(10)가 도 1에 예시한 자동 연속 역세 액체 여과장치(100)에 장착된 경우 오염된 액체는 액체 여과용 다공성 세라믹 필터(10)의 내부로 공급되고, 내부에서 외부로 액체가 빠져나가는 과정에서 이물질이 제거되며, 역세과정에서는 고압의 세척수가 액체 여과용 다공성 세라믹 필터(10)의 외부에서 공급되고 외부에서 내부로 빠져나가는 과정에서 축적된 이물질이 제거된다.
상기의 오염된 액체가 액체 여과용 다공성 세라믹 필터(10)의 내부에서 외부로 빠져나가는 여과과정에서 코팅보강부(12) 쪽으로 진행하는 액체는 코팅보강부(12)를 직접적으로 투과할 수 없게 되지만 코팅보강부(12)의 인근의 투과부(11) 쪽으로 우회하여 자연스럽게 빠져나갈 수 있게 되므로 여과압력이 상승되거나 여과효율이 저하되지 않게 된다.
이하 본 발명에 따른 액체 여과용 다공성 세라믹 필터(10)의 강도 및 변형정도를 시험 및 시뮬레이션을 통해 기존 액체 여과용 다공성 세라믹 필터와 비교하면 다음과 같다.
<비교예>
- 외부 표면의 총면적이 467.23cm2이고, 내부 표면적이 376.8cm2이고, 외부 표면에 코팅보강부가 없는 기존의 원통형 액체 여과용 다공성 세라믹 필터
<제1실시예>
- 외부 표면의 총면적이 467.23cm2이고, 내부 표면적이 376.8cm2이고, 투과부(11) 및 코팅보강부(12)의 형태가 스파이럴형이고, 투과부 면적이 359.66cm2이고, 코팅보강부 면적이 107.57cm2인 액체 여과용 다공성 세라믹 필터(10)
<제2실시예>
- 외부 표면의 총면적이 467.23cm2이고, 내부 표면적이 376.8cm2이고, 투과부(11)의 형태가 원형이고, 투과부 면적이 252.70cm2이고, 코팅보강부 면적이 213.53cm2인 액체 여과용 다공성 세라믹 필터(10)
<제3실시예>
- 외부 표면의 총면적이 467.23cm2이고, 내부 표면적이 376.8cm2이고, 투과부(11)의 형태가 사각형이고, 투과부 면적이 331.29cm2이고, 코팅보강부 면적이 135.94cm2인 액체 여과용 다공성 세라믹 필터(10)
<제4실시예>
- 외부 표면의 총면적이 467.23cm2이고, 내부 표면적이 376.8cm2이고, 투과부(11)의 형태가 사각형이고, 투과부 면적이 321.75cm2이고, 코팅보강부 면적이 145.48m2인 액체 여과용 다공성 세라믹 필터(10)
외부 표면적(cm2) 내부 표면적(cm2 투과부 면적(cm2) 코팅보강부 면적(cm2) 투과면적비율(%)
비교예 467.23 376.8 467.23 0 124
제1실시예(스파이럴형) 467.23 376.8 359.66 107.57 95.45
제2실시예(원형) 467.23 376.8 252.70 213.53 67.33
제3실시예(사각형1) 467.23 376.8 331.29 135.94 87.92
제4실시예(사각형2) 467.23 376.8 321.75 145.48 85.39
표 1과 같은 사양의 비교예 및 각 실시예에 대한 굽힘강도 시험의 결과값은 표 2와 같다.
굽힘강도(MPa) 비교예 대비 강도(%)
비교예 44.16 100
제1실시예(스파이럴형) 82.62 187.09
제2실시예(원형) 78.06 176.77
제3실시예(사각형1) 71.43 181.75
제4실시예(사각형2) 73.56 166.58
표 2와 같이 본 발명의 각 실시예의 액체 여과용 다공성 세라믹 필터(10)는 코팅보강부가 없는 기존의 액체 여과용 다공성 세라믹 필터와 비교할 때에 굽힘강도(MPa)가 최소 66 % 이상 크게 증가되었음을 확인하였다.
도 5는 코팅보강부가 없는 기존 액체 여과용 다공성 세라믹 필터의 변위 및 변형 시뮬레이션 상태도이고, 도 6는 본 발명에 따른 스파이럴형 액체 여과용 다공성 세라믹 필터의 변위 및 변형 시뮬레이션 상태도이고, 도 7은 본 발명에 따른 사각형 액체 여과용 다공성 세라믹 필터의 변위 및 변형 시뮬레이션 상태도이다.
본 발명의 제1실시예(스파이럴형)과 제3실시예(사각형)의 평균변위 및 평균변형에 대한 시뮬레이션을 실시한 후 비교예(기존)과 비교하였다.
이때 밴드코팅 물성(영률)을 바탕소재 물성 대비 150% 높은 것으로 가정하고, 코팅된 면적은 동일하다고 가정하였다.
시뮬레이션은 필터의 상하 끝단을 고정하고, 내부에서 동일한 압력을 가했을 때 변위(displacement), 변형(strain)을 측정하는 방법으로 진행하였고, 그 결과값는 표 3과 같다.
평균변위 (Averaged Displacement) 변위감소율(%) 평균변형 (Averaged Strain) 변형감소율(%)
비교예 4.0305 x 10-5cm - 4.2631 x 10-6 -
제1실시예(스파이럴형) 3.1513 x 10-5cm 21.81 2.9832 x 10-6 30.02
제3실시예(사각형) 3.7105 x 10-5cm 7.94 3.6742 x 10-6 13.81
표 3과 같이 비교예의 평균변위(Averaged Displacement)값이 4.0305 x 10-5cm인 반면 제1실시예(스파이럴형) 및 제3실시예(사각형)의 평균변위값은 3.1513 x 10-5cm 및 3.7105 x 10-5cm로 약 22% 및 약 8% 감소하였고, 평균변형률 (Averaged Strain) 역시 비교예의 4.2631 x 10-6인 반면 제1실시예(스파이럴형) 및 제3실시예(사각형)의 경우 2.9832 x 10-6 및 3.6742 x 10-6로 약 30% 및 약 14% 감소하였다.
이상에서와 같이 본 발명에 따른 액체 여과용 다공성 세라믹 필터(10)는 외부 표면의 일부에 특정 형태로 유약을 바르고 소성하여 형성하여 코팅보강부(12)를 마련함으로써 여과효율 및 역세효율이 저하되지 않으면서 강도를 크게 보강할 수 있게 되어 사용수명을 크게 연장할 수 있게 된다.
이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.
10 : 액체 여과용 다공성 세라믹 필터
11 : 투과부
12 : 코팅보강부

Claims (5)

  1. 내부 표면에서 외부 표면으로 액체가 투과하면서 액체에 포함된 이물질이 제거되고, 외부 표면에서 내부 표면으로 공급되는 세척수에 의해 축적된 이물질이 세척되는 액체 여과용 다공성 세라믹 필터에 있어서,
    외부 표면이 액체가 통과되는 투과부(11); 액체가 통과되지 않는 코팅보강부(12);로 구성된 것을 특징으로 하는 액체 여과용 다공성 세라믹 필터.
  2. 제1항에 있어서,
    투과부(11) 및 코팅보강부(12)가 스파이럴 형태, 또는 다수의 원형 투과부(11)가 원주방향 및 길이방향으로 배열 형성되고, 나머지 부분에 코팅보강부(12)가 마련된 형태, 또는 다수의 사각형 투과부(11)가 원주방향 및 길이방향이 배열 형성되고, 각 사각형 투과부(11)의 사방에 코팅보강부(12)가 마련된 형태인 것을 특징으로 하는 액체 여과용 다공성 세라믹 필터.
  3. 제1항에 있어서,
    코팅보강부(12)는 소결 및 가공된 세라믹 필터 성형체의 외부 표면의 투과부(11)를 제외한 부분에 유약을 도포하고, 소성하여 형성된 것을 특징으로 하는 액체 여과용 다공성 세라믹 필터.
  4. 제1항에 있어서,
    코팅보강부(12)의 코팅두께는 120㎛~230㎛의 범위인 것을 특징으로 하는 액체 여과용 다공성 세라믹 필터.
  5. 제1항에 있어서,
    코팅보강부(12)의 면적은 외부 표면의 총면적의 5%~35%의 범위인 것을 특징으로 하는 액체 여과용 다공성 세라믹 필터.
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