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KR20100024480A - 다층 필터 매체 - Google Patents

다층 필터 매체 Download PDF

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KR20100024480A
KR20100024480A KR1020107000410A KR20107000410A KR20100024480A KR 20100024480 A KR20100024480 A KR 20100024480A KR 1020107000410 A KR1020107000410 A KR 1020107000410A KR 20107000410 A KR20107000410 A KR 20107000410A KR 20100024480 A KR20100024480 A KR 20100024480A
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리차드 게버트
와이 씽 푼
스티브 스타크
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고어 엔터프라이즈 홀딩즈, 인코포레이티드
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Abstract

본 발명은 유체 스트림으로부터 입자의 제거를 위한 다층 필터 매체를 제공한다. 다층 필터 매체는 심부 여과 층, 막 여과 층 및 지지 층을 포함할 수 있다. 추가의 층이 존재할 수 있다. 막 여과 층은 팽창된 폴리테트라플루오로에틸렌(ePTFE)을 포함할 수 있다. 다층 필터 매체 중 다수의 층은 복수의 포인트 결합(point bond)을 통해 함께 결합될 수 있다. 포인트 결합 공정은 단일 작업으로 다층 필터 매체의 다층이 함께 동시에 결합하는 것을 포함할 수 있다. 포인트 결합은 초음파 결합을 사용하여 생성될 수 있다.

Description

다층 필터 매체{MULTIPLE LAYER FILTER MEDIA}
본 발명은 다층 필터 매체에 관한 것이다.
기체 스트림으로부터 미립자를 제거하는 것은 각종 산업 분야에서 오랫동안 실시되어 왔다. 기체 스트림으로부터 미립자 등을 여과시키는 통상적인 수단은, 비제한적 예로서, 필터백, 필터튜브, 필터패널 및 필터 카트리지를 포함한다. 본원에서, 용어 "필터 부재"는 편의상 상기 유형의 여과 수단을 총괄하여 지칭하는데 사용될 것이다.
사용되는 여과 매체의 유형 선택은 통상 필터 부재와 접촉하는 유체 스트림, 시스템의 작업 조건 및 여과시키고자 하는 미립자 유형을 기준으로 한다.
액체든지 또는 기체든지 유체의 유동은 부재에 걸친 차압, 또는 압력 강하(pressure drop)를 생성한다. 차압은 유체를 여과시키는데 필요한 힘을 최소화하기 위해서 소정의 유체 유량에 대하여 가능한 작은 것이 바람직하다.
필터 매체는 심층 여과 매체 또는 표면 여과 매체로 광범위하게 특성화시킬 수 있다. 입자들이 심층 여과 매체 내에 다소 침투하여 축적되는 경향이 있다. 대조적으로, 대다수의 입자들은 표면 여과 매체의 표면 상에서 수집된다.
폴리에스테르, 폴리프로필렌, 아라미드, 셀룰로스, 유리 및 불소중합체를 포함하는 각종 재료들로부터 제조된 스펀본드 또는 멜트블로운 웹, 펠트 및 직물을 비롯한 다수의 재료들이 심층 여과 매체로서 유용한 것으로 공지되어 있다. 공지된 멜트블로운 필터 매체는 높은 효율과 낮은 압력 강하를 보이고 있다. 멜트블로운 필터 매체는 또한 높은 분진 용량(dust capacity)을 갖는다. 하지만, 멜트블로운 필터 매체는 비교적 낮은 입수 압력(water entry pressure)으로 곤란을 겪는데, 이는 일부 환경에서 필터 매체를 옥외용으로 사용하는데 부적합하게 할 수 있다.
막과 같은 표면 필터는 특정 분야, 특히 옥외 환경 또는 여과하고자 하는 유체가 액체 에어로졸 또는 자극성 화학물질을 포함하는 경우에 인기를 얻고 있다. 다른 분야에서, 막 필터 매체는 심층 여과 매체보다 더욱 지속적인 여과 효율을 갖기 때문에 유용하다. 심층 여과 매체과는 달리, 막 필터의 효율이 분진 입자 고형물의 축적에 의존하지 않기 때문에, 막은 안정한 여과 효율을 갖는다.
폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)은 다수의 통상적인 금속 및 중합체 재료를 정상적으로 분해하는 자극성 화학물질 환경과 같은 수많은 분야에서 입증된 유용성을 갖는다. 입자 여과 분야에서의 상당한 개발이 통상적인 필터 부재 상에 표면 적층체로서 팽창된 PTFE(ePTFE) 막 여과 매체를 도입하였을 때 실현되었다. 그러한 여과 매체의 예는 미국 특허 제4,878,930호, 및 미국 특허 제5,207,812호에 교시되어 있으며, 이는 유동(moving) 기체 또는 공기 스트림으로부터 분진 입자를 제거하기 위한 필터 카트리지에 관한 것이다. ePTFE로 구성된 막은 유리하게도 소수성이다.
열가소성 물질(thermoplastic) 층과 ePTFE 층이 함께 결합하여 필터 부재를 형성하는 기존의 필터 시스템에서, 분리된 층 사이의 결합된 영역은 필터 부재를 통한 유체 유동을 유의적으로 제한할 수 있어서 결과적으로 필터 시스템 성능 저하를 초래한다. 이것은 필터 부재의 전체 표면에 걸친 열과 압력의 적용에 의해 다층을 결합시키는 통상적인 적층 기술에 의한 경우일 수 있다. 그러한 필터에서, 열가소성 물질 층으로부터의 재료의 비조절된 혼합은 제한된 유동 영역을 생성한다. 또한, 전체 표면에 걸친 열과 압력의 적용은 ePTFE 층의 많은 영역에 응력과 압축을 유발하여, 여과 효율을 감소시키고 입수 압력을 낮출 수 있다. 일부 옥외 환경에서, 여과 효율과 입수 압력의 강하는 필터 부재의 조기 고장을 유발할 수 있다.
발명의 개요
전술한 내용을 고려하여, 본원에 기술된 구체예의 목적은 향상된 다층 필터 매체를 제공하는 것이다. 본원에 기술된 구체예는 높은 효율과 공기 투과도를 갖는 다층 필터 매체를 제공한다. 본원에 기술된 구체예는 단일 단계의 결합 공정으로 다층을 결합시키는 것을 채용할 수 있는데, 이는 결과적으로 필터 성능을 유지하거나 향상시키면서 제조 주기 시간, 부품 비용 및 제조 비용을 감소시키게 된다.
일 측면에서, 다층 필터 매체가 제공된다. 다층 필터 매체는 제1 열가소성 물질을 포함하는 제1 재료, 제2 필터 재료 및 제2 열가소성 물질을 포함하는 제3 재료를 포함할 수 있다. 다층 필터 매체는 제1 영역 및 하나 이상의 제2 영역을 포함할 수 있다.
구체예에서, 제1 영역에서, 다층 필터 매체는 제1 층, 제2 층 및 제3 층을 포함할 수 있다. 제1 영역에서, 제1 재료의 적어도 일부는 제1 층에 별도로 배치될 수 있고, 제2 필터 재료의 적어도 일부는 제2 층에 별도로 배치될 수 있으며, 제3 재료의 적어도 일부는 제3 층에 별도로 배치될 수 있다. 제2 층이 제1 층과 제3 층 사이에 배열되도록 층을 배치할 수 있다.
배열에서, 하나 이상의 제2 영역 내에서는, 제1 재료의 적어도 일부와 제2 필터 재료의 적어도 일부, 및 제1 재료의 적어도 일부와 제3 재료의 적어도 일부가 직접 결합되어 그 사이에 연속 결합을 형성할 수 있다. 연속 결합은 필터 매체 층 중 임의의 층이 필터 매체의 나머지 층 중 임의의 층을 손상시키는 일 없이 제거되는 것을 방지할 수 있다.
구체예에서, 제2 층의 공기 투과도가 4 프레이저(Frazier) 이상일 수 있다. 또한, 일정 구체예에서 제2 층의 공기 투과도가 10 프레이저 이상일 수 있다. 배열에서, 제2 층의 입수 압력이 0.5 PSI 초과일 수 있다. 또한, 특정 배열에서 제2 층의 입수 압력이 1.5 PSI 초과일 수 있다. 각종 구체예에서, 제2 층은 미세다공성 중합체 막을 포함할 수 있다. 미세다공성 중합체 막은 ePTFE를 포함할 수 있다. 이러한 점에 있어서, 제2 필터 재료는 ePTFE를 포함할 수 있다.
배열에서, 제1 재료는 필터 재료일 수 있다. 제1 재료의 적어도 일부는 멜트블로운 중합체 웹에 배치될 수 있다. 멜트블로운 중합체 웹은, 예를 들어 폴리프로필렌, 폴리에스테르, 나일론, 폴리에틸렌 또는 이의 조합물을 포함할 수 있다. 본 발명 배열의 변형에서, 제3 재료는 필터 매체에 지지체를 제공할 수 있다. 제3 재료 중 적어도 일부는 섬유에 배치될 수 있다. 섬유는 스펀본드 섬유, 수류교락된(hydroentangled) 섬유, 웨트 레이드(wet laid) 섬유 또는 이의 임의의 조합물일 수 있다. 섬유는 제2 열가소성 물질의 적어도 일부를 포함하는 열가소성 바인더를 갖는 셀룰로스 종이의 셀룰로스 섬유일 수 있다. 제2 열가소성 물질은 폴리에스테르, 나일론, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리우레탄, 페놀계, 아크릴계, 폴리비닐 아세테이트 또는 이의 조합물을 포함할 수 있다. 본 발명 배열의 변형에서, 제2 층은 2개의 ePTFE 막을 포함할 수 있다. 2개의 ePTFE 막은 상이한 특성, 예컨대 투과도 및 여과능을 가질 수 있다. 투과성 열가소성 웹은 2개의 ePTFE 막 사이에 배열될 수 있다. 투과성 열가소성 웹은 폴리프로필렌, 폴리에스테르, 나일론, 폴리에틸렌, 폴리우레탄 또는 이의 조합물을 포함할 수 있다. 그러한 변형에서, 투과성 열가소성 웹은 제2 열가소성 재료를 포함할 수 있다. 본 발명 배열의 또다른 변형에서, 제1 재료는 제1 열가소성 물질을 포함하는 바인더를 갖는 셀룰로스 종이를 포함할 수 있다.
또다른 배열에서, 제1 재료의 적어도 일부는 투과성 열가소성 웹에 배치될 수 있다. 투과성 열가소성 웹은 폴리프로필렌, 폴리에스테르, 나일론, 폴리에틸렌, 폴리우레탄 또는 이의 조합물을 포함할 수 있다. 본 발명 배열의 변형에서, 제3 재료는 이전의 배열과 관련하여 기술된 바와 유사한 필터 매체에 지지체를 제공할 수 있다.
또다른 구체예에서, 3개의 층을 포함하는 다층 필터 매체는 또한 제4 층을 포함할 수도 있다. 제4 층은 제3 층이 제2 층과 제4 층 사이에 있도록 배치될 수 있다. 필터 매체는 또한 제4 층이 제3 층과 제5 층 사이에 있도록 배치될 수 있는 제5 층을 포함할 수도 있다. 제4 층은 멜트블로운 섬유 웹을 포함할 수 있다. 제5 층은 스펀본드 열가소성 섬유 웹을 포함할 수 있다.
다양한 구체예에서, 제1 층, 제2 층 및 제3 층은 다층 필터 매체의 제1 영역에서 서로 결합하지 않을 수 있다. 이러한 점에 있어서, 제1 영역에서는, 층들이 서로 인접하게 될 수 있고 하나 이상의 제2 영역에서 이들의 상호연결에 의해 제자리에 유지될 수 있다. 제1 재료 및 제3 재료의 융점은 제2 필터 재료의 융점보다 낮을 수 있다. 또한, 제1 재료 및 제3 재료의 융점은 제2 필터 재료가 유의적으로 분해되는 온도보다 낮을 수 있다.
다양한 구체예에서, 제1 영역의 총 면적 대 제2 영역들 모든 면적의 총 면적의 비는 적어도 9 대 1일 수 있다. 또한, 일정 구체예에서, 제1 영역의 총 면적 대 제2 영역들 모든 면적의 총 면적의 비는 적어도 32 대 1일 수 있다.
다양한 배열에서, 연속 결합은 제1 영역에서 필터 매체의 최대 두께의 50% 미만인 최소 두께를 가질 수 있다. 또한, 특정 배열에서 연속 결합은 제1 영역에서 필터 매체의 최대 두께의 25% 미만인 최소 두께를 가질 수 있다.
다양한 구체예에서, 하나 이상의 제2 영역의 연속 결합은 직접 결합되는 제1 재료의 적어도 일부, 제2 필터 재료의 적어도 일부, 및 제3 재료의 적어도 일부를 포함할 수 있다.
배열에서, 필터 매체는 특정 품질(specific quality) 인자가 기류 속도 2.5 cm/s의 0.1 ㎛ DOP(디옥틸-프탈레이트) 입자에서 약 0.8 l/킬로레일(krayl) 이상일 수 있다. 배열에서, 필터 매체는 분진 포집 용량(holding capacity)이 약 10 g/m2을 초과할 수 있다.
구체예에서, 필터 매체는 폴딩되어 플리트(pleat)를 형성할 수 있다. 그러한 구체예에서, 하나 이상의 제2 영역 중 한 영역의 최대 단면 치수(cross dimension)는 제1 영역에서 필터 매체의 최소 두께의 2배 미만일 수 있다.
하나 이상의 제2 영역은 복수의 제2 영역을 포함할 수 있다. 복수의 제2 영역은 필터 매체 표면에 걸쳐 패턴으로 배열될 수 있다. 패턴은 일정할 수 있다. 복수의 제2 영역 각각은 포인트 결합(point bond)을 형성할 수 있다. 다양한 배열에서, 결합은 초음파 결합일 수 있다. 하나 이상의 제2 영역이 복수의 포인트 결합을 포함하는 경우, 제1 영역의 총 면적 대 포인트 결합들 모든 면적의 총 면적의 비는 적어도 9 대 1일 수 있다. 특정 구체예에서, 비는 적어도 32 대 1일 수 있다.
또다른 측면에서, 필터 매체의 제조 방법이 제공된다. 상기 방법은 제1 층, 제2 층 및 제3 층을 위치시키는 단계 및 위치한 층들의 측 외연부(lateral extent) 중 하나 이상의 선택된 영역에 에너지를 적용하는 단계를 포함할 수 있다. 위치 지정 단계(positioning)는 제1 층, 제2 층 및 제3 층을 배치하는 것으로서, 제2 층이 제1 층과 제3 층 사이에 배치되도록 측 외연부에 걸쳐 인접한 대면(face-to-face) 관계로 별도로 배열하는 것을 포함할 수 있다. 제1 층은 제1 열가소성 재료를 포함할 수 있고, 제2 층은 제2 필터 재료를 포함할 수 있으며, 제3 층은 제3 열가소성 재료를 포함할 수 있다. 에너지를 적용하는 단계는 제1 열가소성 재료의 일부를 측 외연부의 하나 이상의 선택된 영역 내에서 제3 열가소성 재료의 일부와 결합시켜 그 사이에 연속 결합을 형성할 수 있다.
본 발명의 방법의 구체예에서, 적용 단계는 복수의 선택된 영역에 에너지를 적용하는 것을 포함할 수 있다. 복수의 선택된 영역 각각은 포인트 결합을 형성할 수 있다. 포인트 결합 외부의 필터 매체의 면적 대 포인트 결합들 모든 면적의 총 면적의 비는 적어도 9 대 1일 수 있다. 특정 구체예에서, 비는 적어도 32 대 1일 수 있다.
구체예에서, 적용 단계는 에너지를 적용하여 위치된 제1 층, 제2 층 및 제3 층을, 제1 층의 융점 및 제3 층의 융점 이상이고 제2 층의 융점 이하인 온도로 가열하는 것을 포함할 수 있다. 다양한 구체예에서, 적용된 에너지는 초음파 에너지를 포함할 수 있다.
적용 단계는 제1 열가소성 재료의 적어도 일부를 측 외연부의 선택된 영역 내에서 제2 층을 통해 제3 층 내로 유동시키는 것을 포함할 수 있다. 구체예에서, 적용 단계 후, 제1 층, 제2 층 및 제3 층은 측 외연부의 선택된 영역의 외부에서 서로 결합하지 않을 수 있다. 또한, 적용 단계 후, 필터 매체의 공기 투과도가 4 프레이저 이상일 수 있다. 특정 구체예에서, 공기 투과도는 10 프레이저 이상일 수 있다. 적용 단계 후, 필터 매체의 입수 압력이 0.5 PSI 초과일 수 있다. 특정 구체예에서, 입수 압력은 1.5 PSI 초과일 수 있다.
각 전술한 측면과 관련하여 상기 논의된 각종 도면, 배열 및 구체예는 전술한 측면 중 임의의 측면으로 사용될 수 있다. 추가 측면 및 상응한 이점은 다음의 추가 설명을 고려할 때 당업자에게 명백할 것이다.
발명의 상세한 설명
도 1은 다층 필터 매체(100) 구체예의 개략적인 단면도이다. 도 1의 예시는 다층 필터 매체(100)의 다층이 서로에게 인접하게 배치되는 제1 영역(101)을 포함한다. 상기 예시는 또한 다층 필터 매체(100)의 다층이 함께 결합되는 제2 영역(102)을 포함한다. 상기 영역들(101, 102) 각각은 하기 추가로 기술된다. 도 1에 도시된 층들의 상대 두께는 예시 목적용이며 지수를 정하기 위해 도시된 것은 아니다.
도 1에 도시된 다층 필터 매체(100)는 2개의 여과 층, 즉 심부 여과 층(103) 및 막 여과 층(104)을 포함한다. 다층 필터 매체(100)를 통한 유체 유동 방향은 다층 필터 매체(100)의 제1 면(106)에서 제2 면(107)에 이르는 방향일 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 심부 여과 층(103)은 막 여과 층(104)의 상류에 위치시킬 수 있다. 다층 필터 매체(100)는 지지 층(105)을 추가로 포함할 수 있다. 지지 층(105)은 다층 필터 매체(100)를 통한 유체 유동과 관련하여 막 여과 층(104)의 상류 또는 하류에 위치시킬 수 있다. 도 1의 예시에서, 지지 층(105)은 막 여과 층(104)의 하류에 위치시킨 것을 도시하고 있다.
제1 영역(101)에서, 다층 필터 매체(100)의 층들(103, 104, 105)은 서로에게 인접하여 배치될 수 있다. 또한, 제1 영역에서 그 층들은 서로 결합하지 않을 수 있다. 예를 들어, 제1 영역(101)에서, 층들(103, 104, 105)은 이 층들(103, 104, 105)이 함께 결합될 수 있는 제2 영역(102)에 연결됨으로써 서로 인접하게 유지될 수 있다. 따라서, 다층 필터 매체(100)의 성능 특성은 공지된 필터 시스템의 성능 특성을 능가할 수 있다. 예를 들어, 개별 결합된 영역, 예컨대 제2 영역(102)을 갖는 다층 필터 매체(100)는 동일한 층을 사용하지만 공지된 상호연결 방법(예, 다양한 층의 총 면적에 걸쳐 결합되는 것)을 사용하는 필터 매체과 비교하였을 때 유체 유동이 2배가 되도록 실현할 수 있다.
심부 여과 층(103)은 전치필터(pre-filter) 층으로서 작용할 수 있다. 심부 여과 층(103)은 열가소성 물질을 포함하는 재료를 포함할 수 있다. 심부 여과 층(103)은 멜트블로운 중합체 웹을 포함할 수 있다. 멜트블로운 웹은 가열된 공기의 수렴성(convergent) 스트림으로 용융된 스펀 섬유를 비말 동반하여 극세 필라멘트를 생성함으로써 제조된다. 멜트블로운 처리는 통상 10 미크론 미만인 비교적 작은 직경의 섬유인 연속 서브데니어(sub-denier) 섬유를 형성한다.
심부 여과 층(103)의 멜트블로운 중합체 웹은 폴리프로필렌, 폴리에스테르, 폴리아미드, 폴리비닐 클로라이드, 폴리메틸메타크릴레이트, 나일론 및 폴리에틸렌을 포함하는 각종 중합체 재료로부터 제조될 수 있다. 폴리프로필렌은 그 중 더욱 바람직한 중합체 재료이다.
경우에 따라, 심부 여과 층(103)은 정전하를 갖는 상당히 효율적인 층을 포함하는 하나 이상의 정전 필터 매체 층을 포함할 수 있다. 각종 공지된 기법을 사용하여 멜트블로운 섬유 웹에 전하를 부여하여 이의 여과 성능을 향상시킬 수 있다. 경우에 따라, 심부 여과 층(103)은 처리 동안의 마모로부터 심부 여과 층(103)의 미세 섬유를 보호하기 위해 스크림(scrim)을 포함할 수 있다. 스크림은, 예를 들어 폴리프로필렌, 나일론 및/또는 폴리에스테르를 포함할 수 있다.
막 여과 층(104)은 미세다공성 중합체 막을 포함할 수 있다. 미세다공성 중합체 막은 심부 여과 층(103)을 통해 통과하는 입자를 포획할 수 있다. 미세다공성 중합체 막은 유체 스트림에서 입자 및 유기체를 제거하는 것에 대한 의존도(dependability) 및 신뢰도가 입증된 바 있다. 막은 이들의 중합체 조성, 공기 투과도, 입수 압력 및 여과 효율을 특징으로 할 수 있다. 바람직한 막 여과 층(104)의 평균 공기 투과도는 4 프레이저 이상이다. 더욱 바람직한 막 여과 층(104)의 평균 공기 투과도는 10 프레이저 이상이다.
다양한 미세다공성 중합체 막은 분야의 요구 조건에 따라 막 여과 층(104)으로서 사용될 수 있다. 막 여과 층(104)은 다음의 예시 재료 중 하나 이상으로부터 구성될 수 있다: 니트로셀룰로스, 트리아세틸 셀룰로스, 폴리아미드, 폴리카르보네이트, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리설폰, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐 클로라이드, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 아크릴레이트 공중합체.
막 여과 층(104)은 바람직하게는 액상수(liquid water)의 통행을 막을 수 있는 소수성 재료로 구성된다. 또한, 막 여과 층(104)은 결합 공정을 통해 손상되지 않음으로써 이의 성능을 유지하는 것을 통해 액상수의 통행을 막을 수 있다. 따라서, 다층 필터 매체(100)에서 막 여과 층(104)은 이를 통해 통과하는 임의의 액체 없이 다층 필터 매체(100)의 맞은 편에 적용된 차압을 잘 견딜 수 있다. 바람직한 다층 필터 매체(100)의 입수 압력은 약 0.5 PSI 초과이다. 더욱 바람직한 다층 필터 매체(100)의 입수 압력은 약 1.5 PSI 초과이다.
바람직하게는, 막 여과 층(104)은 미세다공성 불소중합체, 예컨대 ePTFE, 플루오르화된 에틸렌프로필렌(FEP), 퍼플루오론알콕시 중합체(PFA), 폴리프로필렌(PU), 폴리에틸렌(PE) 또는 초고 분자량 폴리에틸렌(uhmwPE)을 포함한다. 가장 바람직하게는, 막 여과 층(104)은 ePTFE를 포함한다. 적당한 ePTFE 막은 미국 특허 제5,814,405호에 기술된다. 여기에 기술된 막은 탁월한 여과 효율, 높은 공기 유동, 및 높은 파열 강도를 갖는다. 적당한 ePTFE 막의 제조 방법은 상기 문헌에 완전히 기술되어 있다. 하지만, 기타 수단에 의해 구성된 ePTFE 막 또한 사용될 수 있다. 적당한 ePTFE 막은 미국 델라웨어 뉴어크 소재의 [W. L. Gore & Associates, Inc.]로부터 입수가능하다. 막 여과 층(104)은 경우에 따라 충전제 재료를 포함하여 필터의 특정 성질을 향상시킬 수 있다.
지지 층(105)은, 특히 유체 유동에 대해 적절한 배향으로 여과 층을 유지하도록 제공될 수 있다. 지지체 재료는 막 여과 층(104)과 심부 여과 층(103)을 지원하기에는 충분히 강성이지만, 막 여과 층(104)의 손상을 피하기에는 충분히 부드럽고 유연할 수 있다. 지지 층(105)은 섬유 재료를 포함할 수 있다. 섬유 재료는 열가소성 재료를 포함할 수 있다. 지지 층(105)은, 예를 들어 스펀본드 열가소성 섬유, 수류교락된 열가소성 섬유, 웨트 레이드 열가소성 섬유 또는 임의의 이의 조합물을 포함할 수 있다. 섬유는, 예를 들어 폴리에스테르, 나일론, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 또는 이의 임의의 조합물을 포함할 수 있다. 플리팅된 배향에서, 지지 층(105)은 플리트를 따로 유지하면서 (예컨대, 플리트가 붕괴되는 것을 막으면서) 플리트 내 기류 채널을 제공할 수 있다. 지지 층(105)은 막 여과 층(104)의 하류(예, 도 1에 도시된 바와 같음) 또는 상류에 위치시킬 수 있다.
지지 층(105)은 미국 특허 제7,138,057호에 기술된 바와 같은 결합 재료를 갖는 셀룰로스 종이를 포함할 수 있다. 셀룰로스 종이 중량 대 결합 재료 중량의 비는, 예를 들어 4 대 1 내지 1.5 대 1일 수 있다. 결합 재료는 열가소성 물질일 수 있다.
언급한 바와 같이, 다층 필터 매체(100)의 다층은 제2 영역(102)에서 함께 결합된다. 다층 필터 매체(100)는 복수의 제2 영역(102)을 포함할 수 있다. 복수의 제2 영역(102) 각각은 포인트 결합일 수 있다. 복수의 제2 영역(102) 각각은 다층 필터 매체(100)의 다층이 함께 결합되는 영역에 편재될 수 있다. 복수의 제2 영역(102)은 다층 필터 매체(100) 전반에 걸쳐 위치하여 다층 필터 매체(100)의 수명 주기 동안 함께 다층 필터 매체(100)의 다층을 유지할 수 있다. 이러한 수명 주기는, 예를 들어 제조 공정(예, 플리트화 공정), 선적(shipping), 설치, 여과, 및 세정을 포함할 수 있다. 구체예에서, 복수의 제2 영역(102)은 각각 제1 영역(101)에서 다층 필터 매체(100)의 최소 두께의 2배 미만인 최대 단면 치수를 가질 수 있다. 이는, 플리팅된 다층 필터 매체(100)의 구부러진 부분에 위치할 수 있는 복수의 제2 영역(102) 중 어느 하나가 제2 영역(102) 부분에서 다층 필터 매체(100)에 손상 응력을 도입시키지 않을 정도로 충분히 작을 수 있다는 점에서 유리할 수 있다. 특정 분야의 경우, 복수의 제2 영역(102)의 최대 단면 치수는 각각 5 mm 미만일 수 있다.
도 1에 단면으로 도시된 예시의 제2 영역(102)은 통상 다층 필터 매체(100)에 대해 수직인 관점으로부터 관찰된 바와 같은 둥근 형상이다. 다른 포인트 결합 형상을 사용할 수 있지만, 원형 포인트 결합은 응력 집중체(stress concentrator)로 작용할 수 있는 모퉁이가 없기 때문에 유리할 수 있다.
제2 영역(102)에서, 다층 필터 매체(100)의 층들 중 하나 이상으로부터의 재료는 다층 필터 매체(100)의 나머지 층들 중 하나 이상으로부터의 재료와 동일 장소에 배치될 수 있다. 이것은, 층들 중 하나 이상으로부터의 재료를 제2 영역(102)을 형성하는데 이용되는 결합 공정 동안 나머지 층들 중 하나 이상으로부터의 재료로 유동시킴으로써 실현될 수 있다. 결합 공정 동안 층들로부터의 재료 유동은, 예를 들어 층들을 위한 재료 선택 및 결합 공정 동안 에너지의 적용 조절을 통해 제어될 수 있다.
도 1은, 제2 영역(102)에서, 심부 여과 층(103)으로부터의 재료가 막 여과 층(104)과 지지 층(105)으로 유동되는 예시적 구체예를 도시하고 있다. 그러한 배치를 형성하는 결합 공정은 다음과 같이 진행될 수 있다. 우선, 생성하고자 하는 제2 영역(102) 부분의 다층 필터 매체(100)에 에너지(예, 초음파, 열 및/또는 압력)를 적용한다. 이러한 에너지 적용으로 인하여, 심부 여과 층(103)이 용융되고 치밀화된다. 용융된 심부 여과 층(103)의 재료는 또한 막 여과 층(104)과 지지 층(105) 모두로 유동한다. 또한 결합 공정 동안, 지지 층(105)으로부터의 재료가 용융되어 치밀화될 수 있어서, 지지 층(105)으로부터의 재료는 다층 필터 매체(100)의 다른 층, 예컨대 막 여과 층(104)으로 유동될 수 있다. 에너지원의 제거와 제2 영역(102)의 냉각 후, 연화, 용융 및/또는 유동된 재료는 고형화될 수 있다. 이러한 점에 있어서, 함께 유동하는 재료들은 함께 융합될 수 있다.
지지 층(105)이 열가소성 바인더와 셀룰로스 종이를 포함하는 경우, 열가소성 바인더의 일부는 결합 공정 동안 막 여과 층(104)으로 유동할 수 있다. 또한, 배열에서, 심부 여과 층(103)은 열가소성 바인더와 셀룰로스 종이를 포함할 수 있다.
형성 후, 제2 영역(102)은 다층 필터 매체(100)의 제1 면(106)을 따라 심부 여과 층(103)으로부터의 치밀화된 재료의 비교적 얇은 층을 포함할 수 있다. 심부 여과 층(103)으로부터 치밀화된 재료의 층에 인접하게 상호연결되는 것은, 막 여과 층(104)의 다공성을 차지하는 심부 여과 층(103)으로부터의 재료를 지닌 막 여과 층(104)일 수 있다. 지지 층(105)으로부터의 일부 재료는 또한 막 여과 층(104)의 다공성의 일부를 차지할 수도 있다. 제2 면(107)에 따라 배치되고 막 여과 층(104)에 인접한 것은 결합 공정 동안 용융되어 지지 층(105)으로 유동된 심부 여과 층(103)으로부터의 재료와 혼합되는 치밀화된 지지 층(105)일 수 있다. 따라서, 제2 층에 직접 결합하는 제1 층으로부터의 재료 및 제3 층으로부터의 재료에 직접 결합하는 제 1층으로부터의 재료를 포함하는 연속 결합은 제2 영역(102)에 형성될 수 있다. 이러한 방식으로, 결합 후, 제2 영역(102)은 다층 필터 매체(100)의 제1 면(106)과 제2 면(107) 사이에 치밀화되거나 혼합된 재료의 비파손된 밴드를 포함하도록 구성될 수 있다.
상기 기술된 바와 같이, 도 1의 제2 영역(102)은 심부 여과 층(103)을 막 여과 층(104) 및 지지 층(105) 모두로 유동시키는 것을 포함한다. 대안적 구체예에서, 심부 여과 층(103)은, 예를 들어 막 여과(104)로만 유동할 수 있다. 그러한 구체예에서, 지지 층(105)의 일부는 결합 공정 동안 막 여과 층(104)으로 유동할 수 있다. 이러한 점에 있어서, 상기 대안적인 구체예는 막 여과 층(104) 내에 심부 여과 층(103)으로부터의 재료 및 지지 층(105)으로부터의 재료를 나란히 배치하는 것을 포함할 수 있다.
특정한 용융 온도와 유동 특성을 갖는 다층 필터 매체(100)의 다양한 층을 위한 재료를 선택함으로써, 혼합된 층의 다양한 배치가 실현될 수 있음을 알 것이다. 예를 들어, 막 여과 층(104) 보다 용융 온도가 낮은 지지 층(105) 및 심부 여과 층(103)의 재료를 선택함으로써, 결합 공정 동안 막 여과 층(104)과 지지 층(105)으로 심부 여과 층(103)이 유동하는 도 1의 배치를 실현할 수 있다. 또다른 예에서, 심부 여과 층(103) 또는 막 여과 층(104)보다 용융 온도가 낮은 지지 층(105)을 위한 재료를 선택함으로써, 포인트 결합 공정 동안 심부 여과 층(103)과 막 여과 층(104)으로 지지 층(105) 재료가 유동하는 배치를 실현할 수 있다.
제2 영역(102)의 결합 강도는 제2 영역(102)을 둘러싸는 하나 이상의 층들의 전단 강도를 초과할 수 있다. 예를 들어, 심부 여과 층(103)이 멜트블로운 웹을 포함하는 배열에서, 다양한 층들 사이의 제2 영역 내 결합 강도는 멜트블로운 웹의 전단 강도보다 클 수 있다. 따라서, 층들이 떨어지도록 잡아 당기는 힘을 적용하는 경우, 멜트블로운 웹은 제2 영역(102) 내 임의의 파열 이전에 제2 영역(102)의 외부에서 인열되어서, 제2 영역(102)이 손상되지 않도록 남겨질 수 있다.
복수의 제2 영역(102)은 다층 필터 매체(100)의 층들 중 하나의 제거를 방지하도록 조작될 수 있다. 예를 들어, 층들 중 하나(예, 심부 여과 층(103) 또는 지지 층(105))의 제거는, 다층 필터 매체(100)가 더이상 의도한 기능을 할 수 없다는 것이 사용자에게 명백해지는 방식으로 다층 필터 매체(100)의 나머지 층들에 손상을 입힐 수 있다.
언급된 바와 같이, 제2 영역(102)은 치밀화될 수 있고 막 여과 층(104)의 다공성은 심부 여과 층(103)으로부터의 재료로 적어도 부분적으로 채워질 수 있다. 그 결과, 제2 영역(102)에서는, 다층 필터 매체(100)를 통해 유체 유동을 할 수 있는 그 매체의 능력이 현저히 감소되거나 제거될 수 있다. 따라서, 다층 필터 매체(100)의 다양한 층 사이의 전체 결합 강도는 복수의 제2 영역(102)의 총 면적으로 인해 다층 필터 매체(100)를 통한 유체 유동 능력의 손실에 대하여 균형을 이룰 수 있다. 예를 들어, 제2 영역(102)의 총 수와 면적이 증가함에 따라, 다양한 층 사이의 기계적인 상호연결은 강해진다. 하지만, 동시에 다층 필터 매체(100)의 유체 유동 능력은 감소한다. 따라서, 복수의 제2 영역(102)의 총 면적이 다층 필터 매체(100)의 총 표면적의 10% 미만을 덮는 것이 바람직할 수 있다(예를 들어, 제1 영역(101)의 면적 대 제2 영역(102)들 모든 면적의 총 면적의 비는 9:1보다 클 수 있다). 더욱 바람직하게는, 복수의 제2 영역(102)의 총 면적이 다층 필터 매체(100)의 총 표면적의 3% 미만을 덮을 수 있다(예를 들어, 제1 영역(101)의 면적 대 제2 영역(102)들 모든 면적의 총 면적의 비는 약 32:1보다 클 수 있다).
도 1에 도시된 제2 영역(102)은 제2 면(107)에 대해 압착된 다층 필터 매체(100)의 재료를 도시하고 있다. 기타 배치, 예컨대 제1 면(106)에 대해 압착된 다층 필터 매체(100)도 사용할 수 있다. 제2 영역(102) 내 다층 필터 매체(100)의 총 압착량은 제2 영역(102)에 형성된 연속 결합의 최소 두께가 제1 영역(101) 내 다층 필터 매체(100)의 최대 두께의 1/2 미만이도록 할 수 있다. 특정 배열에서, 제2 영역(102) 내 연속 결합의 최소 두께는 제1 영역(101)에서 다층 필터 매체(100)의 최대 두께의 1/4 미만일 수 있다.
언급된 바와 같이, 제2 영역(102)으로의 에너지 적용은 다층 필터 매체(100)의 층들 중 하나 이상으로부터의 재료를 용융시키고/시키거나 상기 재료를 다층 필터 매체(100)의 하나 이상의 다른 층들로부터의 재료 내로 유동시켜 이 재료와 융합시키는데 사용할 수 있다. 이러한 점에 있어서, 다층 필터 매체(100)의 층들을 함께 결합시키기 위해서는, 접착제와 같은 추가 재료를 도입하여 다양한 층들을 함께 결합시키는 것이 꼭 필요하지 않을 수 있다. 또한, 제2 영역(102)에 적용된 에너지량은 막 여과 층(104)의 구조가 에너지 적용 과정 동안 분해되지 않도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 제2 영역(102)에 적용된 에너지량은 심부 여과 층(103)으로부터의 재료를 막 여과 층(104)으로 유동시켜 상기 막 여과 층 내에 결합시킬 수 있고, 또한 심부 여과 층(103)으로부터의 재료를 용융시키고 지지 층(105) 내로 유동시켜 상기 지지 층 내에 결합시킬 수 있다. 이러한 점에 있어서, 상기 막은 제2 영역(102)에서 심부 여과 층(103) 및/또는 지지 층(105)으로부터의 열가소성 물질을 위한 매트릭스로서 작용할 수 있는 그 다공성 구조를 유지할 수 있다. 알 수 있는 바와 같이, 상기 기술된 재료의 유동을 야기하도록 적용되는 에너지의 적용은 단일 공정 단계로 연속적으로 적용될 수 있으며, 이는 결과적으로 연속 결합의 형성을 얻게할 수 있다.
초음파 결합 장치는 제2 영역(102)을 생성하기 위해 편재된 에너지를 적용하는데 사용할 수 있다. 제2 영역(102)을 생성하기 위해 초음파 에너지를 사용하는 것은 여러가지 유리한 특성을 가질 수 있다. 예를 들어, 초음파 결합 장치는 각 제2 영역(102)으로 전달된 에너지량을 정확하게 제어할 수 있다. 이러한 점에 있어서, 전달된 에너지는 다층 필터 매체(100)의 층들 중 하나 또는 둘 만을 용융하도록 선택될 수 있다. 제2 영역(102)의 크기 및 형태는 결합 공정 동안 전달된 힘의 양과 함께 초음파 결합 정치에 사용된 엔빌(anvil)의 크기와 형태로 결정될 수 있다.
초음파를 사용하는 것의 또다른 이점은 모든 층들이 초음파 에너지의 단일 적용으로 함께 결합될 수 있다는 점일 수 있다. 예를 들어, 막 여과 층(104)의 한 면 위의 심부 여과 층(103), 및 막 여과 층(104)의 다른 면 위의 지지 층(105)으로 배열된 다층 필터 매체(100)는 초음파 에너지의 단일 단계 적용으로 함께 결합될 수 있다. 추가적으로, 다중의 개별 제2 영역(102)이 동시에 생성될 수 있다. 대안적으로, 다층 필터 매체(100)의 층들의 서브세트는 함께 결합될 수 있어서 추가 층들이 층들의 서브세트에 결합할 수 있고, 이에 따라 둘 이상의 불연속 결합 단계로 결합을 완료할 수 있다.
도 2는 재료의 다층을 결합시키는 예시적 초음파 결합 장치(200)의 개략도이다. 초음파 결합 장치(200)는 초음파 호른(201) 및 엔빌(202)을 포함할 수 있다. 초음파 결합 장비, 예컨대 초음파 결합 장치(200)의 고안 및 조작은 공지되어 있다.
다층 필터 매체(100)의 다층을 결합시키기 위해, 재료의 각 시트는 동시에 초음파 결합 장치(200)로 공급될 수 있다. 예를 들어, 심부 여과 층(103) 재료의 롤(203), 막 여과 층(104) 재료의 롤(204), 및 지지 층(105) 재료의 롤(205)은 호른(201)과 엔빌(202) 사이에 동시에 공급될 수 있으며, 여기서 3개의 층들이 초음파 에너지의 단일 단계 적용으로 함께 결합하게 된다.
호른(201) 및 엔빌(202)은 적절하게 임의로 구성된 제2 영역(102) 또는 복수의 제2 영역(102)을 제조하기 위해 구성될 수 있다. 예를 들어, 복수의 제2 영역(102)은 엔빌(202) 위에 상응한 패턴을 위치시킴으로써 다이아몬드 패턴(206)으로 제조될 수 있다.
포인트 결합을 생성하는 기타 방법이 사용될 수 있다. 예를 들어, 가열된 부재는 생성하고자 하는 제2 영역(102) 부분에서 열을 다층 필터 매체(100)로 전달하는데 사용될 수 있다. 일반적으로, 이는 가열된 부재와 다층 필터 매체(100) 사이의 직접적인 접촉이 필요할 수 있다. 특정 포인트로 에너지를 전달하는 기타 방법(예, 적외선)이 제2 영역(102)을 생성하는데 사용할 수도 있다.
다층 필터 매체(100)의 다양한 층들의 두께는 다층 필터 매체(100)의 다양한 성능 특성을 실현하기 위해 달라질 수 있다. 층들 각각의 투과도는 또한 다양한 성능 특성을 실현하기 위해 달라질 수도 있다.
다층 필터 매체의 추가 배치는 또한 본원에 기술된 원리 및 방법을 이용하여 형성될 수도 있다. 예를 들어, 추가의 막 여과 층은 기존의 막 여과 층(104)과 지지 층(105) 사이에 도 3에 도시된 구체예로 추가될 수 있다. 2개의 막 여과 층의 존재는, 예를 들어 제1 막 여과 층이 제1 입자 효율을 가질 수 있고 제2 막 여과 층이 제2 입자 효율을 가질 수 있다는 점에서 유리할 수 있다. 그러한 배치에서, 제1 막 여과 층은 제2 막 여과 층을 위한 전치필터로서 작용하여서, 전체적인 다층 필터 매체의 성능을 향상시킬 수 있다. 투과성 열가소성 웹 층을 두개의 막 여과 층 사이에 배치할 수 있다. 투과성 열가소성 웹 층은 제1 영역에서 다층 필터 매체의 전체적인 여과 성능에 유의적인 영향을 미치지 않는 투과도를 가질 수 있다. 제2 영역에서, 투과성 열가소성 웹 층은 용융되어 두개의 막 여과 층 내로 유동하여, 층들을 함께 결합할 수 있게 한다. 이러한 점에 있어서, 투과성 열가소성 웹 층으로부터의 재료는 심부 여과 층(103) 및/또는 지지 층(105)으로부터의 재료에 직접 결합될 수 있다. 투과성 열가소성 웹 층은, 예를 들어 폴리에스테르, 나일론, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리우레탄 또는 이의 조합물을 포함할 수 있다. 투과성 열가소성 웹 층은 멜트블로운 웹을 포함할 수 있다.
기타 배열은 추가의 층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 배열은 멜트블로운 섬유 웹을 포함하는 제4 층 및 스펀본드 열가소성 섬유 웹을 포함하는 제5 층을 포함할 수 있다. 그러한 배열에서는, 제3 층이 제2 층과 제4층 사이에 있고 제4 층이 제3 층과 제5 층 사이에 있도록 층들을 정렬할 수 있다. 제4 층의 멜트블로운 섬유 웹은 추가의 여과 능력을 제공할 수 있고 제5 층의 스펀본드 열가소성 섬유 웹은 추가의 지지체를 제공할 수 있다.
본원에 언급된 공기 투과도 값은 프레이저 수 테스트 방법에 따라 측정될 수 있다. 상기 방법에서, 공기 투과도는 공기 흐름 측정을 위한, 직경이 대략 2.75 인치이고 면적이 6 제곱인치인 원형 부분을 제공하는 가스켓 플랜지 설치부(gasketed-flanged fixture)에서 테스트 샘플을 클램핑함으로써 측정된다. 샘플 설치부의 상류 면은 건조 압축된 공기의 공급원을 갖는 라인으로 유량계에 연결된다. 샘플 설치부의 하류 면은 대기에 개방되어 있다. 샘플의 상류 면에 물 0.5 인치의 기압을 적용하고 인라인 유량계(볼-플로팅 로터미터)를 통해 공기 통과의 유속을 기록하는 것으로서 테스트를 실시한다. 수압 0.5 인치에서 샘플의 3제곱 피트/분/2제곱 피크 단위를 갖는 프레이저 수에 의해 결과를 기록한다.
도 3은 예시적 필터 조립체(300)의 등각 투상도이다. 필터 조립체(300)는 결합되고 플리팅된 다층 필터 매체(301)를 포함한다. 결합되고 플리팅된 다층 필터 매체(301)는 필터 주위 부재(filter peripheral member)(302)에 의해 가장자리를 따라 둘러싸일 수 있다. 가스켓(303)은 필터 주위 부재(302)에 상호연결될 수 있다. 결합되고 플리팅된 다층 필터 매체(301)는 본원에 기술된 바와 같은 다층 필터 매체를 포함할 수 있다. 결합되고 플리팅된 다층 필터 매체(301)는 도 2의 다이아몬드 패턴(206)으로 복수의 제2 영역(102)을 포함한다. 상기 언급된 바와 같이, 복수의 제2 영역 각각은 플리트를 형성하는 경우에 차지하는 복수의 제2 영역의 위치가 필요없을 정도로 충분히 작은 최대 단면 치수를 가질 수 있다. 대안적으로, 복수의 제2 영역은 플리트가 위치할 수 있는 결합 자유 부분을 남기는 패턴으로 분산될 수 있다. 이러한 방식으로, 플리트 팁은 복수의 제2 영역을 포함하지 않을 수 있다.
결합되고 플리팅된 다층 필터 매체(301)를 필터 주위 부재(302)으로 밀봉함으로써, 유체의 유동은 결합되고 플리팅된 다층 필터 매체(301)를 통한 통과가 제한될 수 있다. 이러한 점에 있어서, 필터 조립체(300)의 여과 성능은 결합되고 플리팅된 다층 필터 매체(301)의 여과 성능에 상응할 수 있다. 따라서, 바람직한 필터 조립체(300)의 입수 압력은 약 0.5 PSI 이상일 수 있다. 더욱 바람직하게는, 바람직한 필터 조립체(300)의 입수 압력은 약 1.5 PSI 이상일 수 있다.
또한, 필터 조립체(300)의 특정 품질은 기류 속도 2.5 cm/s의 0.1 ㎛ DOP 입자에서 약 0.8 l/킬로레일 이상일 수 있다. 이 특정 품질은 필터 매체의 여과 성능을 비교하는데 유용한 미터법이다. 이것은 투과 대 기류 저항의 비이고, 상기 값은 l/킬로레일로 표기된다. 그 비가 높을 수록, 기류 저항과 비례하여 입자 수집 효율이 높아진다. 기류 저항은 필터에 걸친 압력 강하 대 면 속도의 비이다. 특정 품질은 다음과 같이 정의된다:
특정 품질 = -log(투과)/(필터 압력 강하 / 면 속도) x 1/1000
여기서, 투과는 필터의 입자 투과이고, 필터 압력 강하는 Pa이고, 면 속도는 m/s이다. 특정 품질은 입자 크기 및 면 속도에 따라 달라진다.
투과는 자동화된 효율 테스터(예, Model 8160[미국 미네소타주 쇼어뷰 소재의 TSI Inc.에서 입수 가능])에 의해 측정된다. 상온(70°F) 및 상대 습도 조건(40%)에서 테스트를 수행한다. DOP 용액을 분무하여 직경이 0.03∼0.3 미크론인 입자를 포함하는 에어로졸을 생성한다. 1∼5.3 cm/s의 기류 속도에서 에어로졸로 필터 샘플을 실험(challenge)한다. 2개의 축합 핵 입자 계수기는 동시에 테스트 샘플의 상류와 하류에서 입자 농도를 측정한다. 필터에 의해 수집된 상류의 실험 입자의 백분율로서 투과를 기록한다.
추가적으로, 조립체(300)의 바람직한 필터 매체(301)의 분진 적재 용량(dust loading capacity)은 약 10 g/m2 초과일 수 있다. 분진 적재 용량은 다음의 방법에 따라 측정할 수 있다. 일정 출량 분무기(Model 3096[TSI Inc. 입수 가능])를 사용하여 5% 수성 염화나트륨 용액을 분무한다. 입자를 80℃로 가열하여 건조시킨 후 청정한 건조 공기로 희석한다. 테스트 하기 전에 직경이 44.4 mm인 필터 테스트 샘플을 칭량하고 필터 홀더 내부에 위치시킨다. 면 속도는 53 mm/s로 설정한다. 필터에 걸친 압력 강하는 압력 변환기에 의해 연속적으로 모니터링된다. 필터 매체에 걸친 최종 압력 강하가 750 Pa에 도달할 때까지 필터에 염화나트륨 에어로졸을 적재한다. 테스트 후 테스트 샘플을 다시 칭량하여 적재량을 측정한다. 분진 적재 용량은 다음과 같이 정의한다:
분진 적재 용량 = (최종 중량 - 초기 중량) / 필터 면적
여기서, 중량은 g이고 필터 면적은 m2이다. 따라서, 분진 적재 용량은 g/m2으로 표기된다.
도 3은 필터 조립체가 통상 직사각형이고 필터 매체(301)가 플리팅된 필터 조립체(300)의 구체예를 도시한다. 본원에 기술된 다층 필터 매체는 다른 배치 및 제품 내로 도입될 수 있다. 예를 들어, 본원에 기술된 다층 필터 매체는 원형 또는 원통형 필터에 사용될 수 있다. 예를 들어, 본원에 기술된 다층 필터 매체는 비플리팅된 배치에 사용될 수 있다.
도 4는 필터 매체의 제조 방법의 순서도이다. 상기 방법의 제1 단계(401)는 제1 층, 제2 층 및 제3 층을 위치시키는 것일 수 있다. 위치 지정 단계는 제1 층과 제3 층 사이에 제2 층을 배치하는 단계로서, 측 외연부에 걸쳐 제1층과 제2층이 인접한 대면 관계에 있고 제2 층과 제3 층이 인접한 대면 관계에 있도록 배치하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 단계는 롤로부터 제1 층, 제2 층 및 제3 층을 풀어냄으로써 실현될 수 있다. 제1 층은 제1 열가소성 재료를 포함할 수 있고, 제2 층은 제2 필터 재료를 포함할 수 있으며, 제3 층은 제3 열가소성 재료를 포함할 수 있다.
다음 단계(402)는 에너지를 측 외연부의 하나 이상의 선택된 영역에 적용하는 것일 수 있다. 에너지의 적용은 하나 이상의 선택된 영역 내에서 제1 열가소성 재료의 일부를 제3 열가소성 재료의 일부와 결합시켜 그 사이에 연속 결합을 형성할 수 있다.
하나 이상의 선택된 영역은 측 외연부에 걸쳐 이격될 수 있는 복수의 선택된 영역을 포함할 수 있다. 이러한 선택된 영역들 각각은 포인트 결합을 형성할 수 있다. 하나 이상의 선택된 영역 내에서, 에너지의 적용 단계는 제1 재료의 적어도 일부를 제2 층을 통해 제3 층 내로 유동시킬 수 있다.
에너지의 적용 단계는 하나 이상의 선택된 영역에서 층들을 제1 층과 제3 층의 융점 이상이고 제2 층의 융점 이하인 온도로 가열할 수 있다. 에너지의 적용 단계는 초음파 에너지를 층들에 적용하는 것을 포함할 수 있다. 에너지 적용 단계를 완료한 후, 제1 층, 제2 층 및 제3 층은 하나 이상의 선택된 영역의 외부에서 서로 결합하지 않을 수 있다.
도 1은 포인트 결합 부분에서 필터 매체 구체예의 단면의 등각투상 개략도이다.
도 2는 재료의 다층을 결합시키는 예시적 초음파 결합 장치의 개략도이다.
도 3은 예시적 필터 조립체의 등각 투상도(isometric view)이다.
도 4는 필터 매체의 제조 방법의 구체예의 순서도이다.
초음파 결합을 사용하여 재료의 3개의 층들을 함께 동시에 결합하였다. 폴리프로필렌 미세 섬유 1 제곱 미터 당 30 g(30 g/m2)과 폴리프로필렌 스크림 15 g/m2으로 이루어진 멜트블로운 매체인 제1 층을 ePTFE 막인 제2 재료 및 평량(basis weight) 150 g/m2을 지닌 스펀본드 폴리에스테르 기재인 제3 재료와 함께 초음파로 결합하였다. 멜트블로운용 스크림은 처리 동안 마모로부터 미세 섬유를 보호하기 위한 것이다. 멜트블로운의 섬유 크기는 1∼5 ㎛였다. ePTFE 막의 섬유 크기는 0.1∼0.3 ㎛이고 이의 평량은 5.0 g/m2이었다. 스펀본드 폴리에스테르의 섬유 크기는 30∼50 ㎛였다.
생성된 필터 매체의 평량은 200 g/m2이었다. 필터 매체의 공기 투과도는 10.7 프레이저이고 입수 압력은 3 PSI이다. 필터 매체의 여과 효율은 유속 2.5 cm/s의 0.1 ㎛ DOP(디옥틸 프탈레이트)에서 99.785%였다. 특정 품질은 1.2 l/킬로레일이었다. 분진 적재 용량은 16.8 g/m2이었다.
필터 매체는 패턴화된 엔빌 롤을 사용하여 결합시켜 다이아몬드 패턴으로 필터 매체에 걸쳐 복수의 포인트 결합을 생성하였다. 개별 스탠드로부터 재료의 각 롤을 풀고 웹을 함께 가져와서 결합 전에 다층 웹을 형성하였다. 고주파 운동(20000 Hz) 형태의 초음파 에너지 및 압력을 재료에 제공하는, 상면에 있는 초음파 호른, 및 엔빌 표면으로부터 위로 돌출된 포인트 패턴을 갖는, 웹 하면에 위치한 회전 원통형 엔빌을 포함하는 처리 지점을 통해 복합 웹을 통과시켰다.
둥근 개별 포인트 결합은 직경이 1.6 mm이고 밀도가 제곱 피트 당 대략 524개 포인트 결합이었다. 포인트 결합의 총 면적은 결합된 필터 매체의 총 표면적의 2% 미만이었다. 엔빌 위의 돌출된 결합 포인트로 인해, 결합 포인트에서 재료를 압착에 노출시키고, 포인트들 사이의 압력을 휠씬 줄였다. 3개 층들의 결합은 상기 기계를 통해 1회 통과로 완료하였다.
본원에 기술된 구체예에 대한 추가의 변형 및 확대는 당업자라면 알 것이다. 그러한 변형 및 확대는 다음의 청구범위에 의해 규정되는 바와 같이 본 발명의 범위 내에 속하는 것으로 간주된다.

Claims (46)

  1. 제1 열가소성 물질을 포함하는 제1 재료;
    제2 필터 재료; 및
    제2 열가소성 물질을 포함하는 제3 재료
    를 포함하는 필터 매체로서,
    상기 필터 매체의 제1 영역에서는, 상기 제1 재료의 적어도 일부가 제1 층에 별도로 배치되고, 상기 제2 필터 재료의 적어도 일부가 제2 층에 별도로 배치되며, 상기 제3 재료의 적어도 일부가 제3 층에 별도로 배치되고;
    상기 제2 층은 상기 필터 매체의 제1 영역에서 상기 제1 층과 제3 층 사이에 배치되며;
    상기 필터 매체의 하나 이상의 제2 영역에서는, 상기 제1 재료의 적어도 일부와 상기 제2 필터 재료의 적어도 일부, 및 상기 제1 재료의 적어도 일부와 상기 제3 재료의 적어도 일부가 직접 결합되어 그 사이에 연속 결합을 형성하는 것인 필터 매체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제2 층의 공기 투과도가 4 프레이저(Frazier) 이상인 필터 매체.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제2 층의 입수 압력(water entry pressure)이 0.5 PSI 초과인 필터 매체.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제2 필터 재료는 ePTFE를 포함하고, 상기 제2 층은 제1 ePTFE 막을 포함하는 것인 필터 매체.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제1 재료는 필터 재료이고, 상기 제1 재료의 적어도 일부는 멜트블로운 중합체 웹에 배치되고, 상기 제1 재료는 폴리프로필렌, 폴리에스테르, 나일론 및 폴리에틸렌으로 이루어진 군에서 선택된 재료를 포함하는 것인 필터 매체.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제3 재료는 지지체 재료이고, 상기 제3 재료의 적어도 일부는 섬유에 배치되고, 상기 섬유는 스펀본드 섬유, 수류교락된(hydroentangled) 섬유 및 웨트 레이드(wet laid) 섬유로 이루어진 군에서 선택되는 것인 필터 매체.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제3 재료는 폴리에스테르, 나일론, 폴리프로필렌 및 폴리에틸렌으로 이루어진 군에서 선택된 재료를 포함하는 것인 필터 매체.
  8. 제6항에 있어서, 상기 제2 층은 제2 ePTFE 막을 포함하는 것인 필터 매체.
  9. 제5항에 있어서, 상기 제3 재료는 상기 필터 매체를 위한 구조적 지지체를 제공하고, 상기 제3 재료는 셀룰로스 섬유와, 페놀계, 아크릴계 및 폴리-비닐 아세테이트로 이루어진 군에서 선택된 열가소성 바인더를 포함하는 것인 필터 매체.
  10. 제5항에 있어서, 상기 제3 재료의 적어도 일부는 투과성 열가소성 웹에 배치되고, 상기 제3 재료는 폴리프로필렌, 폴리에스테르, 나일론, 폴리에틸렌 및 폴리우레탄으로 이루어진 군에서 선택된 재료를 포함하는 것인 필터 매체.
  11. 제4항에 있어서, 상기 제1 재료의 적어도 일부는 투과성 열가소성 웹에 배치되고, 상기 제1 재료는 폴리프로필렌, 폴리에스테르, 나일론, 폴리에틸렌 및 폴리우레탄으로 이루어진 군에서 선택된 재료를 포함하는 것인 필터 매체.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제3 재료는 지지체 재료이고, 상기 제3 재료의 적어도 일부는 섬유에 배치되고, 상기 섬유는 스펀본드 섬유, 수류교락된 섬유 및 웨트 레이드 섬유로 이루어진 군에서 선택되는 것인 필터 매체.
  13. 제12항에 있어서, 상기 제3 재료는 폴리에스테르, 나일론, 폴리프로필렌 및 폴리에틸렌으로 이루어진 군에서 선택되는 재료를 포함하는 것인 필터 매체.
  14. 제11항에 있어서, 상기 제3 재료는 상기 필터 매체를 위한 구조적 지지체를 제공하고, 제3 재료는 셀룰로스 섬유와, 페놀계, 아크릴계 및 폴리-비닐 아세테이트로 이루어진 군에서 선택된 열가소성 바인더를 포함하는 것인 필터 매체.
  15. 제3항에 있어서, 상기 제2 층의 입수 압력이 1.5 PSI 초과인 필터 매체.
  16. 제2항에 있어서, 상기 제2 층의 공기 투과도가 10 프레이저 이상인 필터 매체.
  17. 제1항에 있어서, 상기 제1 층, 제2 층 및 제3 층은 상기 필터 매체의 제1 영역에서 서로 결합하지 않는 것인 필터 매체.
  18. 제17항에 있어서, 상기 제1 재료는 제1 융점을 갖고, 상기 제2 필터 재료는 제2 융점을 갖고, 상기 제3 재료는 제3 융점을 가지며, 상기 제1 융점 및 제3 융점은 제2 융점보다 낮은 것인 필터 매체.
  19. 제18항에 있어서, 상기 제1 영역의 면적 대 제2 영역들 모든 면적의 총 면적의 비가 적어도 9 대 1인 필터 매체.
  20. 제19항에 있어서, 상기 제1 영역의 면적 대 제2 영역들 모든 면적의 총 면적의 비가 적어도 32 대 1인 필터 매체.
  21. 제1항에 있어서, 상기 연속 결합은 상기 제1 영역에서 필터 매체의 최대 두께의 50% 미만인 최소 두께를 갖는 것인 필터 매체.
  22. 제1항에 있어서, 상기 필터 매체의 하나 이상의 제2 영역에서, 상기 제1 재료의 적어도 일부, 상기 제2 필터 재료의 적어도 일부, 및 상기 제3 재료의 적어도 일부는 직접 결합되어 그 사이에 연속 결합을 형성하는 것인 필터 매체.
  23. 제1항에 있어서, 상기 연속 결합은 필터 매체 층 중 임의의 층이 필터 매체의 나머지 층 중 임의의 층을 손상시키는 일 없이 제거되는 것을 방지하는 것인 필터 매체.
  24. 제1항에 있어서, 상기 필터 매체의 특정 품질(specific quality)이 기류 속도 2.5 cm/s의 0.1 ㎛ DOP 입자에서 약 0.8 l/킬로레일(krayl) 이상인 필터 매체.
  25. 제1항에 있어서, 상기 필터 매체의 분진 적재 용량(dust loading capacity)이 약 10 g/m2 초과인 필터 매체.
  26. 제1항에 있어서, 상기 필터 매체는 폴딩되어 플리트(pleat)를 형성하는 것인 필터 매체.
  27. 제26항에 있어서, 상기 하나 이상의 제2 영역 중 한 영역의 최대 단면 치수가 상기 제1 영역에서 필터 매체의 최소 두께의 2배 미만인 필터 매체.
  28. 제1항에 있어서, 멜트블로운 섬유 웹을 포함하는 제4 층을 추가로 포함하고, 상기 제3 층은 상기 제2 층과 제4 층 사이에 배치되는 것인 필터 매체.
  29. 제28항에 있어서, 스펀본드 열가소성 섬유 웹을 포함하는 제5 층을 추가로 포함하고, 상기 제4 층은 상기 제3 층과 제5 층 사이에 배치되는 것인 필터 매체.
  30. 제1항에 있어서, 복수의 상기 제2 영역을 추가로 포함하는 필터 매체.
  31. 제30항에 있어서, 상기 복수의 제2 영역 각각은 포인트 결합(point bond)을 형성하는 것인 필터 매체.
  32. 제31항에 있어서, 상기 포인트 결합이 초음파 결합인 필터 매체.
  33. 제30항에 있어서, 상기 제2 층의 공기 투과도가 4 프레이저 이상인 필터 매체.
  34. 제33항에 있어서, 상기 제2 층의 입수 압력이 0.5 PSI 초과인 필터 매체.
  35. 제34항에 있어서, 상기 제2 재료는 ePTFE를 포함하고, 상기 제2 층은 제1 ePTFE 막을 포함하는 것인 필터 매체.
  36. 제34항에 있어서, 상기 제2 층의 입수 압력이 1.5 PSI 초과인 필터 매체.
  37. 제33항에 있어서, 상기 제2 층의 공기 투과도가 10 프레이저 이상인 필터 매체.
  38. 제30항에 있어서, 상기 제1 영역의 면적 대 제2 영역들 모든 면적의 총 면적의 비가 적어도 9 대 1인 필터 매체.
  39. 제38항에 있어서, 상기 제1 영역의 면적 대 제2 영역들 모든 면적의 총 면적의 비가 적어도 32 대 1인 필터 매체.
  40. 필터 매체의 제조 방법으로서,
    제1 열가소성 재료를 포함하는 제1 층, 제2 필터 재료를 포함하는 제2 층, 및 제3 열가소성 재료를 포함하는 제3 층을 위치시키는 단계로서, 상기 제1 층, 제2 층 및 제3 층은 측 외연부(lateral extent)에 걸쳐 인접한 대면 관계로 별도로 배치되고, 상기 제2 층은 상기 제1 층과 제3 층 사이에 배치되는 것인 단계; 및
    상기 측 외연부의 하나 이상의 선택된 영역에 에너지를 적용하는 단계로서, 상기 적용 단계는 상기 제1 열가소성 재료의 일부를 상기 측 외연부의 하나 이상의 선택된 영역 내에서 상기 제3 열가소성 재료의 일부에 결합시켜 그 사이에 연속 결합을 형성하는 것인 단계
    를 포함하는 제조 방법.
  41. 제40항에 있어서, 상기 적용 단계는 상기 복수의 선택된 영역에 에너지를 적용하는 것을 포함하는 것인 제조 방법.
  42. 제41항에 있어서, 상기 복수의 선택된 영역 각각은 포인트 결합을 형성하는 것인 제조 방법.
  43. 제40항에 있어서, 상기 적용 단계는 상기 위치된 제1 층, 제2 층 및 제3 층을 상기 제1 층의 융점 및 상기 제3 층의 융점 이상이고 상기 제2 층의 융점 이하인 온도로 가열하는 것을 포함하는 것인 제조 방법.
  44. 제43항에 있어서, 상기 에너지는 초음파 에너지를 포함하는 것인 제조 방법.
  45. 제40항에 있어서, 상기 적용 단계 후, 상기 제1 층, 제2 층 및 제3 층은 상기 측 외연부의 선택된 영역의 외부에서 서로 결합하지 않는 것인 제조 방법.
  46. 제40항에 있어서, 상기 적용 단계는 상기 제1 열가소성 재료의 적어도 일부를 상기 측 외연부의 선택된 영역 내에서 상기 제2 층을 통해 제3 층 내로 유동시키는 것을 포함하는 것인 제조 방법.
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