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KR101766115B1 - 장수명 자동차용 흡기 필터 및 이의 제조방법 - Google Patents

장수명 자동차용 흡기 필터 및 이의 제조방법 Download PDF

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KR101766115B1
KR101766115B1 KR1020160014617A KR20160014617A KR101766115B1 KR 101766115 B1 KR101766115 B1 KR 101766115B1 KR 1020160014617 A KR1020160014617 A KR 1020160014617A KR 20160014617 A KR20160014617 A KR 20160014617A KR 101766115 B1 KR101766115 B1 KR 101766115B1
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fiber nonwoven
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English (en)
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서용교
이주용
곽승윤
Original Assignee
현대자동차주식회사
기아자동차주식회사
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Abstract

본 발명은 장수명 자동차용 흡기 필터 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 특정 평균밀도를 가지는 합성섬유 부직포의 프리필터와 특정 평균기공 크기를 가지는 합성섬유 부직포가 3층 구조로 이루어진 메인필터에 흡습제를 흡착시켜 흡기 필터를 제조함으로써 초미세 먼지 입자의 포집으로 기존 대비 먼지 포집량을 크게 증대시킬 수 있으며, 별도의 바인더 없이 나노 크기의 흡습제 자체만으로도 흡착이 용이하고, 수분 흡수에 의해 필터의 먼지 포집량을 향상시키는 동시에 이로 인해 엔진의 마모 및 내구 성능을 증대시켜 수명 효율을 향상시킬 수 있는 장수명 자동차용 흡기 필터 및 그 제조방법에 관한 것이다.

Description

장수명 자동차용 흡기 필터 및 이의 제조방법{LONG LIFE ABSORPTION FILTER FOR AUTOMOBILE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 장수명 자동차용 흡기 필터 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 특정 평균밀도를 가지는 합성섬유 부직포의 프리필터와 특정 평균기공 크기를 가지는 합성섬유 부직포가 3층 구조로 이루어진 메인필터에 흡습제를 흡착시켜 흡기 필터를 제조함으로써 초미세 먼지 입자의 포집으로 기존 대비 먼지 포집량을 크게 증대시킬 수 있으며, 별도의 바인더 없이 나노 크기의 흡습제 자체만으로도 흡착이 용이하고, 수분 흡수에 의해 필터의 먼지 포집량을 향상시키는 동시에 이로 인해 엔진의 마모 및 내구 성능을 증대시켜 수명 효율을 향상시킬 수 있는 장수명 자동차용 흡기 필터 및 그 제조방법에 관한 것이다.
자동차의 엔진은 연료와 공기의 혼합 가스를 실린더의 연소실에서 연소시켜 이때 발생하는 압력으로 동력을 발생하는 원리에 의해 작동하는 것으로, 엔진에는 외부로부터 공기를 흡입하여 연료와의 혼합 가스를 형성한 후 엔진으로 보내는 흡기 장치가 포함된다. 흡기 장치는 기본적으로 엔진의 부압에 의해 흡입되는 공기 중에 포함된 먼지 등의 불순물을 여과하여 제거하는 흡기필터를 포함한다. 흡기필터는 흡입된 공기에 포함되어 있는 불순물(먼지, 수분 등)을 여과하여 실린더에 공급하는 기능, 흡기음을 줄이고, 역화 시에는 불길을 저지함으로써 흡기계 부품들의 마멸 및 오일의 오염 등을 방지하는 기능을 수행한다.
이러한 흡기필터에 의해 깨끗한 공기를 엔진에 공급하는 것은 엔진의 수명 연장, 출력 증대 및 연비 증가 등에 매우 중요하며, 흡기 저항에 의한 엔진의 출력 저하와 소음 발생을 감안하여 최대의 여과 효율을 달성하기 위한 방안이 연구되고 있다.
그러나 기존의 에어클리너의 경우 특히 먼지 발생량이 과다한 환경에서는 흡기 필터의 교환주기가 상대적으로 짧아 유지 비용을 증가시키고, 마이크로 사이즈의 초미세한 먼지들을 제대로 걸러내지 못하는 문제가 발생할 뿐만 아니라 공기 중 포집된 먼지가 다시 이탈되는 현상이 발생하는 문제가 있다.
종래 한국공개특허 제2011-0062450호에서는 섬유원단을 웹(web)에서 펠트로 직조한 후 바인더와 함께 정전물질을 내부 섬유조직에 침투시켜 직조된 섬유에 정전기력을 반영구적으로 띄게 하는 정전필터의 제조방법에 관해 개시되어 있으나, 정전기적 인력을 이용한 것으로 조밀층에만 한계적으로 적용하는 단점이 있다. 또한 정전 필터의 경우 정전제를 부직포 내에 고정시키기 위해 바인더와 함께 배합되어 사용될 수 있는데, 정전제가 섬유 표면에 노출될 확률이 낮아져서 배합된 정전제의 양 만큼 효과가 없는 단점이 있다. 또한 사용되는 바인더는 공정수분율이 높아 수분을 흡수함으로써 정전제의 정전기적 인력이 낮아지는 문제가 있다.
따라서 미세한 먼지들의 단위 면적당 먼지 포집량을 증대시켜 필터의 수명 효율을 개선하는 동시에 공기 중 포집된 먼지가 다시 이탈되는 현상을 방지하기 위한 새로운 흡기필터의 개발이 요구된다.
한국공개특허 제2011-0062450호
상기와 같은 문제 해결을 위하여, 본 발명은 특정 평균밀도를 가지는 합성섬유 부직포로 이루어진 프리필터와 특정 평균기공 크기를 가지는 합성섬유 부직포가 3층 구조로 이루어진 메인필터에 흡습제를 흡착시켜 흡기 필터를 제조함으로써 초미세 먼지 입자의 포집으로 기존 대비 먼지 포집량을 크게 증대시킬 수 있으며, 별도의 바인더 없이 나노 크기의 흡습제 자체만으로도 흡착이 용이하고, 수분 흡수에 의해 필터의 먼지 포집량을 향상시키는 동시에 이로 인해 엔진의 마모 및 내구 성능을 증대시켜 수명 효율을 향상시킬 수 있다는 사실을 알게 되어 발명을 완성하였다.
따라서 본 발명의 목적은 먼지 포집량 및 수명 효율이 향상된 장수명 자동차용 흡기 필터를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 초미세 먼지 입자의 포집으로 기존 대비 먼지 포집량을 크게 증대시킨 장수명 자동차용 흡기 필터를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 흡습제가 흡착된 프리필터 및 메인필터를 적용한 장수명 자동차용 흡기 필터의 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명은 메인필터 및 프리필터를 포함하는 자동차용 흡기 필터에 있어서, 상기 프리필터는 평균 밀도가 0.01~0.5 g/cm3인 합성섬유 부직포를 포함하되, 상기 프리필터에 흡습제가 흡착된 것을 특징으로 하는 장수명 자동차용 흡기 필터를 제공한다.
또한 본 발명은 메인필터 및 프리필터를 포함하는 자동차용 흡기 필터에 있어서, 상기 프리필터는 평균 밀도가 0.031~0.5 g/cm3인 제1 합성섬유 부직포층; 및 평균 밀도가 0.01~0.03 g/cm3인 제2 합성섬유 부직포층;을 포함하되, 상기 프리필터에 흡습제가 흡착된 것을 특징으로 하는 장수명 자동차용 흡기 필터를 제공한다.
본 발명은 (a) 합성섬유를 카딩한 후 부직포 형태의 웹(web)을 형성하는 단계; (b) 상기 웹을 니들펀칭 공정으로 결합시키는 단계; (c) 상기 결합된 웹을 프레스롤을 통과시켜 메인필터 및 프리필터를 각각 형성하는 단계; (d) 상기 메인필터 및 상기 프리필터를 흡습제 용액에 각각 함침시키는 단계; (e) 상기 함침된 메인필터 및 프리필터를 각각 건조시키는 단계; 및 (f) 상기 메인필터 상에 상기 프리필터를 적층시켜 흡기필터를 제조하는 단계;를 포함하는 장수명 자동차용 흡기 필터의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 장수명 자동차용 흡기 필터는 특정 평균밀도를 가지는 합성섬유 부직포로 이루어진 프리필터와 특정 평균기공 크기를 가지는 합성섬유 부직포가 3층 구조로 이루어진 메인필터에 흡습제를 흡착시켜 흡기 필터를 제조함으로써 초미세 먼지 입자의 포집으로 기존 대비 먼지 포집량을 크게 증대시키는 동시에 이로 인한 유지비용을 절감할 수 있다.
또한, 본 발명의 프리필터에 별도의 바인더 없이 나노 크기의 흡습제 자체만으로도 흡착이 용이하며, 프리필터의 조밀층, 중간층 및 벌키층에 모두 흡습제를 흡착시킴으로써 수분 흡수에 의해 공기 중 포집된 먼지가 다시 이탈되는 현상을 방지하여 필터의 먼지 포집량을 향상시키고, 이로 인해 엔진의 마모 및 내구 성능을 증대시켜 수명 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 제조예 2에서 제조된 제2 프리필터의 단면 구조를 보여주는 사진이다.
도 2는 본 발명의 제조예 3에서 제조된 메인필터의 단면 구조를 보여주는 사진이다.
도 3은 본 발명에 따른 메인필터에 먼지가 포집된 상태를 보여주는 사진이다.
도 4는 본 발명에 따른 흡기필터를 보여주는 사진이다.
도 5는 본 발명에 따른 흡기필터를 제조하는 공정도이다.
이하에서는 본 발명을 하나의 실시예로 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명은 메인필터 및 프리필터를 포함하는 자동차용 흡기 필터에 있어서, 상기 프리필터는 평균 밀도가 0.01~0.5 g/cm3인 합성섬유 부직포를 포함하되, 상기 프리필터에 흡습제가 흡착된 것을 특징으로 하는 장수명 자동차용 흡기 필터를 제공한다.
구체적으로 상기 프리필터는 평균 밀도가 0.01~0.5 g/cm3인 합성섬유 부직포를 사용하는 것이 바람직한데, 상기 평균 밀도가 0.01 g/cm3 보다 미만이면 먼지포집 효과가 미비할 수 있고, 0.5 g/cm3 보다 초과이면 엔진 흡압이 상승되는 문제가 있다.
또한 본 발명은 메인필터 및 프리필터를 포함하는 자동차용 흡기 필터에 있어서, 상기 프리필터는 평균 밀도가 0.031~0.5 g/cm3인 제1 합성섬유 부직포층; 및 평균 밀도가 0.01~0.03 g/cm3인 제2 합성섬유 부직포층;을 포함하되, 상기 프리필터에 흡습제가 흡착된 것을 특징으로 하는 장수명 자동차용 흡기 필터를 제공한다.
구체적으로 상기 프리필터는 먼지포집량 증대 및 효율 향상을 위해 2 개층으로 나누고, 제1 합성섬유 부직포층은 큰 먼지를 포집하는 기능을 하고, 제2 합성섬유 부직포층은 작은 먼지의 포집 효율을 향상시키는 기능을 할 수 있다. 상기 제1 합성섬유 부직포층은 평균 밀도가 0.031~0.5 g/cm3인 것을 사용하는 것이 바람직하고, 상기 제2 합성섬유 부직포층은 평균 밀도가 0.01~0.03 g/cm3인 것을 사용하는 것이 바람직하다. 여기에서 상기 프리필터는 밀도 구배를 서로 다르게 하여 2층 구조의 부직포층들을 형성할 수 있는데, 그 이유는 메인필터처럼 각 층별로 포집하는 먼지가 다르듯이, 각 층별로 먼지를 분산하여 포집하기 위함이며, 이는 단층 보다 다층일 때 효과가 훨씬 좋다. 또한 상기 프리필터의 밀도가 메인필터의 밀도보다 크게 되면 메인필터로 공기가 유입될 때 차압이 크게 상승하여 엔진 연비가 나빠지는 문제가 있다. 바람직하게는 밀도 크기가 프리필터의 제1 합성섬유 부직포층<프리필터의 제2 합성섬유 부직포층<메인필터의 벌키층<메인필터의 중간층<메인필터의 조밀층 순인 것이 좋다.
본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 제1 및 제2 합성섬유 부직포층은 각각 두께가 10~35 mm인 것일 수 있다.
본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 흡습제는 실리카인 것을 사용할 수 있다. 일반 필터의 경우 먼지가 크거나, 유속이 빨라지면 확산 효과에 의해서 포집된 먼지가 다시 이탈되는 현상이 발생할 수 있는데, 프리필터에 상기 흡습제가 흡착되면 섬유 표면 상에 나노 크기의 흡습제가 흡착되어 있어 습도가 높을수록 섬유 표면에 수분이 코팅되는 효과가 커지게 된다. 수분 코팅에 의해 수분이 먼지를 추가적으로 포집하고, 포집된 먼지가 다시 이탈되는 현상을 방지하여 높은 먼지 포집 능력을 가질 수 있다.
본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 흡습제는 평균 입경이 1~25 nm인 것일 수 있다. 상기 흡습제를 섬유 표면에 흡착 시 흡습제의 평균 입경에 따라 흡습력에 차이가 있으며, 흡습제의 평균 입경이 나노 크기로 미세할 때 섬유 표면의 수분 코팅으로 먼지 포집력을 증대시킬 수 있다. 구체적으로 상기 흡습제의 평균 입경이 1 nm 보다 작으면 섬유 표면에 고르게 흡착되지 않고, 25 nm 보다 크면 흡착된 후 쉽게 떨어질 수 있다. 바람직하게는 상기 흡습제의 평균 입경이 10~20 nm인 것이 좋으며, 더욱 바람직하게는 15 nm인 것이 좋다.
이러한 상기 흡습제의 총흡착량은 20~30 g/cm2인 것일 수 있다. 구체적으로 상기 흡습제의 총흡착량이 20 g/cm2 보다 적으면 상기 프리필터의 각 층별 코팅량과 구조적 결합력이 떨어져 이탈할 수 있고, 30 g/cm2 보다 많으면 코팅량 과다로 통기저항이 증대될 수 있다.
본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 프리필터는 두께가 20~70 mm인 것일 수 있다.
본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 합성섬유 부직포는 폴리에틸렌 테레프탈레이트 60~70 중량% 및 폴리메틸메타크릴레이트 30~40 중량%를 포함할 수 있다. 구체적으로 상기 폴리에틸렌 테레프탈레이트의 함량이 60 중량% 보다 미만이면 합성섬유의 양이 줄어들면서 밀도가 떨어져 먼지 포집용량이 줄어들 수 있고, 70 중량% 보다 초과이면 바인더 함량이 적어져 각 층간에 결속력이 저하될 수 있다.
본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 프리필터의 합성섬유 부직포는 평균기공 크기가 300~1000 ㎛인 것일 수 있다. 구체적으로 상기 평균기공 크기가 300 ㎛ 보다 미만이면 메인필터의 벌키층보다 기공의 크기가 작아져 통기 저항이 증가하고, 1000 ㎛ 보다 초과이면 입자크기가 5~200 ㎛인 먼지의 포집 효율이 저감되는 문제가 있다.
본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 메인필터는 평균기공 크기가 30~50 ㎛인 합성섬유 부직포를 포함하는 조밀층; 상기 조밀층 상에 형성된 평균기공 크기가 50~150 ㎛인 합성섬유 부직포를 포함하는 중간층; 및 상기 중간층 상에 형성된 평균기공 크기가 250~350 ㎛인 합성섬유 부직포를 포함하는 벌키층;을 포함하되, 상기 메인필터에 흡습제가 흡착된 것일 수 있다.
본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 메인필터에 흡착된 흡습제의 총흡착량은 70~80 g/cm2인 것일 수 있다. 구체적으로 상기 흡습제의 총흡착량이 70 g/cm2 보다 미만이면 먼지 포집량 성능이 좋지 않을 수 있고, 80 g/cm2 보다 초과이면 제조원가가 증대되는 문제가 있다.
본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 조밀층은 평균기공 크기가 30~50 ㎛인 합성섬유 부직포를 사용할 수 있다. 구체적으로 상기 합성섬유 부직포의 평균기공 크기가 30 ㎛ 보다 미만이면 통기저항 등으로 인하여 엔진 출력이 저하되고, 50 ㎛ 보다 초과이면 입자크기가 0.1~0.5 ㎛인 먼지의 포집 성능이 저하되는 문제가 있다. 바람직하게는 35~45 ㎛인 것이 좋으며, 더욱 바람직하게는 40 ㎛인 것을 사용할 수 있다. 상기 조밀층의 평균기공 크기는 30~50 ㎛로 초미세하여 입자크기가 0.1~5.0 ㎛인 먼지를 포집할 수 있다. 특히 상기 조밀층은 엔진 마모 및 MAF 센서 오류를 일으킬 수 있는 먼지를 포집할 수 있다.
또한 상기 조밀층은 평균밀도가 0.08~0.15 g/cm3이고, 두께가 0.3~1.5 mm인 것일 수 있다. 구체적으로 상기 조밀층의 평균밀도가 0.08 g/cm3 보다 낮으면 입자크기가 0.1~0.5 ㎛인 먼지의 포집 성능이 저하되고, 0.15 g/cm3 보다 높으면 통기저항 등으로 인하여 엔진 출력이 저하된다. 또한 상기 두께가 0.3 mm 보다 얇으면 입자크기가 0.1~0.5 ㎛인 먼지의 포집 성능이 저하되고, 1.5 mm 보다 두꺼우면 입자크기가 0.1~0.5 ㎛인 먼지의 포집 성능은 상승하나, 중간층 및 벌키층의 두께가 낮아져서 결과적으로 중간층 및 벌키층에서 포집해야 하는 먼지량이 줄어드는 문제가 있다.
본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 중간층은 평균기공 크기가 50~150 ㎛인 합성섬유 부직포를 사용할 수 있다. 구체적으로 합성섬유 부직포의 평균기공 크기가 50 ㎛ 보다 미만이면 통기저항이 증가하여 엔진출력이 저하될 수 있고, 150 ㎛ 보다 초과이면 벌키층의 먼지 포집 성능이 저하될 수 있다. 바람직하게는 95~105 ㎛인 것이 좋으며, 더욱 바람직하게는 100 ㎛인 것을 사용할 수 있다.
또한 상기 중간층은 평균밀도가 0.04~0.1 g/cm3이고, 두께가 0.5~1.5 mm 인 것일 수 있다. 구체적으로 상기 중간층의 평균밀도가 0.04 g/cm3 보다 낮으면 통기저항이 증가하여 엔진 출력이 저하될 수 있고, 0.1 g/cm3 보다 높으면 중간층의 먼지 포집 성능이 저하될 수 있다. 또한 상기 두께가 0.5 mm 보다 얇으면 입자크기가 0.5~100 ㎛인 먼지의 포집 성능이 저하되고, 1.5 mm 보다 두꺼우면 통기 저항이 증대되는 문제가 있다.
본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 벌키층은 평균기공 크기가 250~350 ㎛인 합성섬유 부직포를 사용할 수 있다. 구체적으로 합성섬유 부직포의 평균기공 크기가 250 ㎛ 보다 미만이면 통기 저항이 증대되고, 350 ㎛ 보다 초과이면 입자크기가 0.1~5.0 ㎛인 먼지의 포집 성능이 저하된다. 바람직하게는 290~310 ㎛인 것이 좋으며, 더욱 바람직하게는 300 ㎛인 것을 사용할 수 있다. 상기 벌키층과 중간층은 상기 조밀층 보다는 평균직경이 비교적 크기 때문에 입자크기가 0.5~100 ㎛인 먼지를 포집하는데 유용하다.
본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 벌키층은 평균밀도가 0.02~0.07 g/cm3이고, 두께가 1~2.5 mm인 것일 수 있다. 구체적으로 상기 벌키층의 평균 밀도가 0.02 g/cm3 보다 낮으면 벌키층의 먼지 포집 효율이 저하되고, 0.07 g/cm3 보다 높으면 통기저항이 증대되어 엔진출력이 저하된다. 상기 벌키층은 입자크기가 0.5~100 ㎛인 비교적 큰 먼지를 포집할 수 있는데, 상기 흡기 필터의 먼지 포집량의 약 80% 이상의 먼지를 포집할 수 있다. 또한 상기 두께가 1 mm 보다 얇으면 미세먼지가 엔진 내부로 유입이 될 수 있고, 2.5 mm 보다 두꺼우면 과도한 통기저항이 발생하여 엔진 출력이 저하된다. 바람직하게는 두께가 1~2 mm인 것이 좋다.
본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 장수명 자동차용 흡기 필터는 흡습력이 1~20 cm/min인 것일 수 있다. 이때 상기 흡습력은 수분을 흡수하는 정도를 의미하는 것으로 1분당 흡습되는 거리를 나타낸다. 즉, 본 발명의 흡기필터는 물에 담구었을 때 1 분당 1~20 cm만큼 흡습되는 것일 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 흡기필터를 보여주는 사진이다. 상기 도 4에서 확인할 수 있듯이, 상부에는 프리필터가 형성되어 있고 하부에는 메인필터가 형성된 구조로 이루어진 흡기필터를 보여주고 있다.
한편, 본 발명은 (a) 합성섬유를 카딩한 후 부직포 형태의 웹(web)을 형성하는 단계; (b) 상기 웹을 니들펀칭 공정으로 결합시키는 단계; (c) 상기 결합된 웹을 프레스롤을 통과시켜 메인필터 및 프리필터를 각각 형성하는 단계; (d) 상기 메인필터 및 상기 프리필터를 흡습제 용액에 각각 함침시키는 단계; (e) 상기 함침된 메인필터 및 프리필터를 각각 건조시키는 단계; 및 (f) 상기 메인필터 상에 상기 프리필터를 적층시켜 흡기필터를 제조하는 단계;를 포함하는 장수명 자동차용 흡기 필터의 제조방법을 제공한다.
도 5는 본 발명에 따른 흡기필터를 제조하는 공정도이다. 상기 도 5에 나타낸 바와 같이, 첫번째는 합성섬유를 카팅한 후 웹을 형성하는 소면 단계를 거치고, 상기 웹을 니들펀칭 공정으로 결합시켜 형성된 메인필터 및 프리필터를 흡습제 용액에 함침시킨다. 그런 다음 건조시킨 후 상기 메인필터 및 프리필터를 권취한 후 이들을 적층시켜 흡기필터를 제조하는 과정을 보여주는 것이다.
본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 (c) 단계에서는 130~150 ℃의 온도에서 30초~3분 동안 수행될 수 있다. 바람직하게는 140 ℃의 온도에서 1 분 동안 수행될 수 있다. 또한 상기 (c) 단계에서 상기 프리필터는 평균 밀도가 0.01~0.5 g/cm3인 합성섬유 부직포로 제조할 수 있거나 밀도가 0.031~0.5 g/cm3인 제1 합성섬유 부직포 및 평균 밀도가 0.01~0.03 g/cm3인 제2 합성섬유 부직포로 제조할 수 있다.
본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 (c) 단계에서 메인필터는 평균기공 크기가 30~50 ㎛인 합성섬유 부직포를 포함하는 조밀층; 상기 조밀층 상에 형성된 평균기공 크기가 50~150 ㎛인 합성섬유 부직포를 포함하는 중간층; 및 상기 중간층 상에 형성된 평균기공 크기가 250~350 ㎛인 합성섬유 부직포를 포함하는 벌키층;을 포함하는 구성으로 제조되는 것일 수 있다.
본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 (d) 단계에서 흡습제 용액은 실리카로 이루어진 흡습제가 콜로이드 상태로 분산된 용액인 것을 사용할 수 있다.
본 발명의 바람직한 구현예에 의하면, 상기 (e) 단계에서 건조는 40~100 ℃의 온도에서 3~7 시간 동안 수행될 수 있다. 구체적으로 건조온도가 40 ℃ 보다 낮으면 건조되는 시간이 길어지는 문제가 있고, 100 ℃ 보다 높으면 실리카가 서로 결합되어 발수 효과가 발생할 수 있다. 또한 건조 시간이 3 시간 보다 짧으면 건조가 제대로 되지 않을 수 있고, 7 시간 보다 길면 제조공정이 길어지는 문제가 있다. 바람직하게는 70 ℃의 온도에서 5 시간 동안 건조시키는 것이 좋다.
본 발명은 상기의 공정방법으로 수행되는 것이 중요한데, 그 이유는 합성섬유를 부직포 형상으로 제조한 후 흡습제 용액의 함침 및 건조 공정을 거치면서 흡습제가 상기 프리필터의 섬유 표면에 고르게 흡착되어 외부 충격에 의한 탈착이 발생하지 않을 수 있다. 만약 공정 순서를 바꾸어 흡습제를 먼저 흡착시키고 부직포 형상을 제조할 경우 다음 공정들에 의해 섬유 표면에 흡착된 흡습제가 떨어지거나, 서로 분리되어 흡습력이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
본 발명의 자동차용 흡기 필터는 먼지를 포집하는 원리로는 중력효과, 관성효과, 차단효과 및 확산효과로 인하여 먼지 포집이 이루어질 수 있다. 구체적으로 중력효과는 공기의 흐름을 타고 섬유에 접근한 입자가 자신의 중력 때문에 흐름을 벗어나 필터의 섬유 상에 침강되어 포집되는 효과이다.
관성효과는 입자가 관서의 원리에 의해서 공기의 흐름에서 벗어나 섬유에 충돌하는데 큰 입자, 고밀도, 고속 및 작은 섬유일수록 그 효과가 커지면서 포집되는 효과이다.
차단효과는 입자가 공기의 흐름을 따라 움직이다가 섬유에 가깝게 접근했을 때 그 크기 때문에 잡히는 효과로 섬유의 크기와 입자크기의 비율에 영향을 받으며, 중간 크기 이상의 입자를 포집하는데 유용하다.
확산효과는 가스분자와 입자의 충돌에 의한 브라운 운동으로 저속에서 작은 섬유에 작은 입자들이 잘 포획되는데, 입자의 밀도에는 영향을 받지 않는 특징이 있다. 특히 확산효과는 프리필터에 흡습제를 처리함으로써 일정 크기 이상의 먼지 또는 일정 유속 하에서는 포집되어 있던 먼지가 다시 떨어지게 되는 현상이 적어 먼지 포집량을 상승시킬 수 있다.
이 밖에도 정전기력에 의해서도 먼지가 포집될 수 있는데, 정전기력은 공기 중에 부유하고 있는 입자 중 (-) 또는 (+)로 대전되어 있는 입자가 영구적인 전기 분극을 가지고 주위에 대하여 전계를 형성하는 필터의 섬유에 정전기력으로 포집되는 원리이다.
따라서 본 발명에 따른 장수명 자동차용 흡기 필터는 특정 평균밀도를 가지는 합성섬유 부직포로 이루어진 프리필터와 특정 평균기공 크기를 가지는 합성섬유 부직포가 3층 구조로 이루어진 메인필터에 흡습제를 흡착시켜 흡기 필터를 제조함으로써 초미세 먼지 입자의 포집으로 기존 대비 먼지 포집량을 크게 증대시키는 동시에 이로 인한 유지비용을 절감할 수 있다.
또한, 본 발명의 프리필터에 별도의 바인더 없이 나노 크기의 흡습제 자체만으로도 흡착이 용이하며, 프리필터의 조밀층, 중간층 및 벌키층에 모두 흡습제를 흡착시킴으로써 수분 흡수에 의해 공기 중 포집된 먼지가 다시 이탈되는 현상을 방지하여 필터의 먼지 포집량을 향상시키고, 이로 인해 엔진의 마모 및 내구 성능을 증대시켜 수명 효율을 향상시킬 수 있다.
이하 본 발명을 실시예에 의거하여 더욱 구체적으로 설명하겠는 바, 본 발명이 다음 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
제조예 1: 제1 프리필터의 제조
프리필터 제조를 위해 카딩공정에는 평균 밀도가 0.026 g/cm3인 합성섬유를 투입하였다. 그 다음 카딩된 합성섬유를 웹 형태로 형성하였다. 그 다음 상기 웹을 700회 수준의 니들 펀칭 공정에 투입하고, 140°C의 온도에서 1 분간 열 셋팅을 진행하여 6 mm 두께의 제1 프리필터를 제조하였다.
제조예 1: 제2 프리필터의 제조
프리필터 제조를 위해 카딩공정에는 평균 밀도가 0.04 g/cm3인 제1 합성섬유를 투입하였고, 평균 밀도가 0.02 g/cm3인 제2 합성섬유를 투입하였다. 그 다음 카딩된 제1 및 제2 합성섬유를 웹 형태로 균일하게 적층하였다. 그 다음 상기 웹을 700회 수준의 니들 펀칭 공정에 투입하고 140°C의 온도에서 1 분간 열 셋팅을 진행하여 4 mm 두께의 제2 프리필터를 제조하였다.
도 1은 상기 제조예 2에서 제조된 제2 프리필터의 단면 구조를 보여주는 사진이다. 상기 도 1에 나타낸 바와 같이 상부쪽은 평균 밀도가 0.04 g/cm3인 제1 합성섬유 부직포가 형성되고, 하부쪽은 평균 밀도가 0.02 g/cm3인 제2 합성섬유 부직포가 형성된 것을 보여준다.
제조예 3: 메인필터의 제조
메인필터 제조를 위해 조밀층 카딩공정에는 평균기공 크기가 40 ㎛인 합성섬유를 투입하였고, 중간층 카딩공정에는 평균기공 크기가 100 ㎛인 합성섬유를 투입하였고, 벌키층에는 평균기공 크기가 300 ㎛인 합성섬유를 투입하였다. 그 다음 카딩된 합성섬유를 웹 형태로 균일하게 적층하였으며, 이때 각 층별 두께는 조밀층이 0.5 mm이고, 중간층이 1 mm 이며, 벌키층은 1.5 mm로 형성하였다. 그 다음 상기 웹을 700회 수준의 니들 펀칭 공정에 투입하고 140°C의 온도에서 1 분간 열 셋팅을 진행하여 3 mm 두께의 메인필터를 제조하였다. 도 2는 상기 제조예 3에서 제조된 메인필터의 단면 구조를 보여주는 사진이다.
실시예 1
흡습제 용액은 평균 입경이 12 nm인 실리카 졸(Silica-sol) 45 중량%(실리카 졸 160 g) 및 물 55 중량%를 혼합하여 콜로이드 상태로 분산시켜 제조하였다. 그 다음 상기 제조예 1에서 제조된 제1 프리필터 및 상기 제조예 3에서 제조된 메인필터를 흡습제 용액에 함침시켰다. 그 다음 함침된 제1 프리필터 및 메인필터를 70 ℃의 온도에서 5 시간 동안 건조시켜 실리카 미립자가 섬유 표면에 흡착된 프리필터를 제조하였다. 이때 상기 제1 프리필터에 흡착된 흡습제의 총흡착량은 30 g/cm2이었고, 상기 메인필터에 흡착된 흡습제의 총흡착량은 75 g/cm2이었다. 그 다음 상기 메인필터와 상기 프리필터를 적층하여 자동차용 흡기 필터를 제작하였다.
실시예 2
상기 제1 프리필터 대신 상기 제조예 2에서 제조된 제2 프리필터를 사용한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 자동차용 흡기 필터를 제작하였다. 이때 상기 제2 프리필터에 흡착된 흡습제의 총흡착량은 30 g/cm2이었고, 상기 메인필터에 흡착된 흡습제의 총흡착량은 75 g/cm2이었다.
비교예 1
프리필터가 적용되지 않은 일반 에어크리너 제품을 준비하였다.
비교예 2
상기 실시예 1의 제1 프리필터 및 메인필터를 흡습제 용액에 함침시키지 않고, 그대로 적층하여 자동차용 흡기 필터를 제작하였다.
비교예 3
상기 실시예 2의 제1 프리필터 및 메인필터를 흡습제 용액에 함침시키지 않고, 그대로 적층하여 자동차용 흡기 필터를 제작하였다.
실험예 1
상기 실시예 1, 2 및 비교예 1~3에서 제조된 흡기필터에 대해 공기 투과성, 먼지포집량, 압력손실, 초기효율 및 수명 효율 등의 특성을 측정하였으며, 그 결과는 하기 표 1에 나타내었다.
구분 비교예 1 비교예 2 비교예 3 실시예 1 실시예 2
공기투과성(cc/cm2/sec) 55~70 300 ↑ 240 ↑ 200 ↑ 160 ↑
먼지포집량(g) 205.09 343.55
(68%↑) 		359.65
(75%↑) 		362.54
(77%↑) 		375.11
(83%↑)
압력 손실 (mmAq) 86.28 97.64
(13%↑) 		104.62
(21%↑) 		109.69
(27%↑) 		113.54
(31%↑)
초기 효율(%) 98.62 98.96 99.06 99.15 99.13
수명 효율(%) 99.59 99.77 99.80 99.81 99.86
상기 표 1의 결과에 의하면, 상기 비교예 1에서는 공기투과성이 상대적으로 가장 낮았으며, 그에 따른 먼지포집량 및 압력손실이 최저로 낮은 수치를 보였다. 또한 상기 비교예 2, 3에서는 공기투과성이 높았으나, 그에 따른 먼지포집량은 상기 실시예 1, 2에 비해 좋지 않은 것을 확인하였다.
이에 반하여, 상기 실시예 1, 2에서는 공기투과성이 상기 비교예 2, 3에 비해 상대적으로 낮았음에도 불구하고 먼지포집량이 각각 77%, 83%로 높은 수치를 보였으며, 초기 효율 및 수명 효율이 99% 이상으로 높은 효율을 유지되는 것을 확인하였다. 이를 통해 특정 평균밀도를 가지는 프리필터와 평균입경이 각각 다른 합성섬유 부직포가 3층 구조로 형성된 메인필터에 흡습제를 흡착시킴으로써 수명 효율이 우수한 동시에 다양한 크기의 초미세 먼지입자를 포집하여 기존 대비 먼지포집량이 크게 증대된 것을 알 수 있었다.
도 3은 상기 실시예 1에서 제조된 메인필터에 먼지가 포집된 상태를 보여주는 사진이다. 상기 도 3에서는 벌키층에 입자 크기가 비교적 큰 먼지들이 다량 포집된 것을 알 수 있으며, 중간층과 조밀층에는 상대적으로 미세한 크기의 먼지들이 흡착되었음을 확인할 수 있었다.
실험예 2
상기 실시예 2 및 비교예 1~3에서 제조된 흡기필터를 이용하여 습도에 따른 먼지포집량을 확인하기 위하여, 23 ℃의 온도에서 습도 50%, 55%, 60%, 70%, 80%의 조건에서 시험법 KS R ISO 5011에 따라 먼지 포집량을 측정하였으며, 그 결과는 하기 표 2에 나타내었다. 하기 표 2에서 먼지포집량 증가량 및 증가율은 비교예 1을 기준으로 하여 측정되었다.
구분 실험조건 먼지
포집량(g) 		먼지포집량
증가량(g) 		먼지포집량
증가율(%) 		압력 손실
(mmAq) 		초기 효율
(%) 		말기 효율
(%)
비교예 1 23℃/습도50% 145.08 - - 86.94 98.62 99.62
비교예 2 23℃/습도50% 152.54 7.46 5% 88.29 98.74 99.63
비교예 3 23℃/습도50% 218.16 73.08 50% 97.33 99.03 99.76
실시예 2 23℃/습도50% 281.14 126.06 92% 109.56 99.09 99.84
23℃/습도55% 283.52 128.38 93% 106.94 99.08 99.84
23℃/습도60% 287.10 131.98 94% 107.18 99.10 99.82
23℃/습도70% 291.14 136.06 97% 109.56 99.09 99.84
23℃/습도80% 295.11 139.92 97% 113.54 99.13 99.86
상기 표 2의 결과에 의하면, 프리필터를 적용하지 않은 상기 비교예 1과 흡습제가 흡착되지 않은 상기 비교예 2의 경우 먼지포집량이 상기 실시예 2에 비해 현저히 적었으며, 초기 및 말기 효율에서도 그 수치가 상대적으로 낮을 것을 확인하였다.
또한, 흡습제가 흡착되지 않은 상기 비교예 3의 경우 먼지 포집량이 상기 비교예 1, 2에 비해 다소 증가하였으나, 여전히 상기 실시예 1에 비해서 낮은 수치를 나타냄을 확인하였다.
이에 반해, 흡습제가 흡착된 프리필터 및 메인필터를 적용한 상기 실시예 2의 경우 단위면적 당 먼지 포집량이 가장 높은 수치를 보였으며, 습도가 증가함에 따라 먼지포집량도 증가하는 것을 확인하였다. 이를 통해 프리필터 및 메인필터에 흡습제를 흡착시킴으로써 수분 흡수에 의해 공기 중 포집된 먼지가 다시 이탈되는 현상을 방지하여 필터의 먼지 포집효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있음을 확인하였다.

Claims (20)

  1. 메인필터 및 프리필터를 포함하는 자동차용 흡기 필터에 있어서,
    상기 프리필터는 평균 밀도가 0.01~0.5 g/cm3인 합성섬유 부직포를 포함하되, 상기 프리필터 및 메인필터에 각각 평균 입경이 1~25 nm인 실리카로 이루어진 흡습제가 흡착되어 있고,
    상기 프리필터에 흡착된 흡습제의 총흡착량은 20~30 g/cm2이고,
    상기 메인필터에 흡착된 흡습제의 총흡착량은 70~80 g/cm2인 것을 특징으로 하는 장수명 자동차용 흡기 필터.
  2. 메인필터 및 프리필터를 포함하는 자동차용 흡기 필터에 있어서,
    상기 프리필터는,
    평균 밀도가 0.031~0.5 g/cm3인 제1 합성섬유 부직포층; 및
    평균 밀도가 0.01~0.03 g/cm3인 제2 합성섬유 부직포층;
    을 포함하되,
    상기 프리필터 및 메인필터에 각각 평균 입경이 1~25 nm인 실리카로 이루어진 흡습제가 흡착되어 있고,
    상기 프리필터에 흡착된 흡습제의 총흡착량은 20~30 g/cm2이고,
    상기 메인필터에 흡착된 흡습제의 총흡착량은 70~80 g/cm2인 것을 특징으로 하는 장수명 자동차용 흡기 필터.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 프리필터는 두께가 20~70 mm인 것을 특징으로 하는 장수명 자동차용 흡기 필터.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 합성섬유 부직포는 폴리에틸렌 테레프탈레이트 60~70 중량% 및 폴리메틸메타크릴레이트 30~40 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 장수명 자동차용 흡기 필터.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 합성섬유 부직포는 평균기공 크기가 300~1000 ㎛인 것을 특징으로 하는 장수명 자동차용 흡기 필터.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 합성섬유 부직포층은 각각 두께가 10~35 mm인 것을 특징으로 하는 장수명 자동차용 흡기 필터.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 메인필터는,
    평균기공 크기가 30~50 ㎛인 합성섬유 부직포를 포함하는 조밀층;
    상기 조밀층 상에 형성된 평균기공 크기가 50~150 ㎛인 합성섬유 부직포를 포함하는 중간층; 및
    상기 중간층 상에 형성된 평균기공 크기가 250~350 ㎛인 합성섬유 부직포를 포함하는 벌키층;을 포함하는 장수명 자동차용 흡기 필터.
  11. 삭제
  12. 제10항에 있어서,
    상기 조밀층은 평균밀도가 0.08~0.15 g/cm3이고, 두께가 0.3~1.5 mm인 것을 특징으로 하는 장수명 자동차용 흡기 필터.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 중간층은 평균밀도가 0.04~0.1 g/cm3이고, 두께가 0.5~1.5 mm 인 것을 특징으로 하는 장수명 자동차용 흡기 필터.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 벌키층은 평균밀도가 0.02~0.07 g/cm3이고, 두께가 1~2.5 mm인 것을 특징으로 하는 장수명 자동차용 흡기 필터.
  15. (a) 합성섬유를 카딩한 후 부직포 형태의 웹(web)을 형성하는 단계;
    (b) 상기 웹을 니들펀칭 공정으로 결합시키는 단계;
    (c) 상기 결합된 웹을 프레스롤을 통과시켜 메인필터 및 프리필터를 각각 형성하는 단계;
    (d) 상기 메인필터 및 상기 프리필터를 흡습제 용액에 각각 함침시키는 단계;
    (e) 상기 함침된 메인필터 및 프리필터를 각각 건조시키는 단계; 및
    (f) 상기 메인필터 상에 상기 프리필터를 적층시켜 흡기필터를 제조하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 프리필터 및 메인필터에 각각 평균 입경이 1~25 nm인 실리카로 이루어진 흡습제가 흡착되어 있고,
    상기 프리필터에 흡착된 흡습제의 총흡착량은 20~30 g/cm2이고,
    상기 메인필터에 흡착된 흡습제의 총흡착량은 70~80 g/cm2인 것을 특징으로 하는 장수명 자동차용 흡기 필터의 제조방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 (c) 단계에서 프리필터는 평균 밀도가 0.01~0.5 g/cm3인 합성섬유 부직포를 제조하는 것을 특징으로 하는 장수명 자동차용 흡기 필터의 제조방법.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 (c) 단계에서 프리필터는 평균 밀도가 0.031~0.5 g/cm3인 제1 합성섬유 부직포 및 평균 밀도가 0.01~0.03 g/cm3인 제2 합성섬유 부직포를 제조하는 것을 특징으로 하는 장수명 자동차용 흡기 필터의 제조방법.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 (c) 단계에서 메인필터는 평균기공 크기가 30~50 ㎛인 합성섬유 부직포를 포함하는 조밀층;
    상기 조밀층 상에 형성된 평균기공 크기가 50~150 ㎛인 합성섬유 부직포를 포함하는 중간층; 및
    상기 중간층 상에 형성된 평균기공 크기가 250~350 ㎛인 합성섬유 부직포를 포함하는 벌키층;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 장수명 자동차용 흡기 필터의 제조방법.
  19. 제15항에 있어서,
    상기 (d) 단계에서는 흡습제 용액은 실리카로 이루어진 흡습제가 콜로이드 상태로 분산된 용액인 것을 특징으로 하는 장수명 자동차용 흡기 필터의 제조방법.
  20. 제15항에 있어서,
    상기 (e) 단계에서 건조는 40~100 ℃의 온도에서 3~7 시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 장수명 자동차용 흡기 필터의 제조방법.
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