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KR102256009B1 - 공기 여과 장치 - Google Patents

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KR102256009B1
KR102256009B1 KR1020187025872A KR20187025872A KR102256009B1 KR 102256009 B1 KR102256009 B1 KR 102256009B1 KR 1020187025872 A KR1020187025872 A KR 1020187025872A KR 20187025872 A KR20187025872 A KR 20187025872A KR 102256009 B1 KR102256009 B1 KR 102256009B1
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fan
filter
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스티븐 제임스 슈렉
제시카 엘리자베스 레온
보 파올로 달
우베 쇼버
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더 프록터 앤드 갬블 캄파니
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Abstract

기부, 기부에 기능적으로 부착되는 팬, 기부에 해제가능하게 부착되는 공기 필터, 및 실질적으로 공기 불투과성인 외측 슬리브를 포함하는 공기를 여과하기 위한 장치가 제공된다.

Description

공기 여과 장치{AIR FILTERING DEVICE}
본 발명은 유입 공기 스트림으로부터 먼지와 미립자를 여과하여 여과된 공기 스트림 내의 미립자를 감소시키는 공기 여과 장치에 관한 것이다.
공기는 인간이 흡입하거나 달리 접촉할 때 유해한 영향을 미치는, 냄새(예컨대, 담배 연기), VOC, 미생물(예컨대, 박테리아, 바이러스, 곰팡이), 미립자(예컨대, 먼지)와 같은 많은 오염 물질을 포함한다. 미립자만으로도 인체 면역 반응을 유발할 수 있는 각질, 애완동물의 비듬, 집먼지 진드기 배설물, 및 다른 미세한(크기가 5 미크론 미만) 미립자를 포함한다.
공기로부터 미립자를 제거하도록 의도되는 당업계에 알려진 여러 가지 공기 여과 장치가 있다. 흔히, 그러한 공기 여과 장치는 크고/부피가 크거나 강성 외측 하우징을 이용한다. 편리성, 비용 및/또는 운반성 이점을 위해 부품을 줄이고 그리고/또는 크기를 감소시키기 위한 시도가 이루어져 왔다. 하나의 그러한 장치가 해밀턴 비치 브랜즈, 인크.(Hamilton Beach Brands, Inc.)("HB")에게 양도된 미국 출원 제2009/0038480호에 기술된다. HB 장치는 기부에 내장된 임펠러를 갖춘 그리고 기부에 제거가능하게 장착될 수 있는 절첩가능한 공기 필터 백(air filter bag)을 갖춘 공기 정화기이다. 임펠러는 공기를 공기 필터 백을 통해 가압시켜 공기로부터 입자를 제거한다. 몇몇 실시예에서, HB 장치는 공기 필터를 둘러싸는 프레임 위로 미끄러지는, 쉽게 공기를 통과시키거나 공기 투과성인 외측 커버를 포함한다. 외측 커버는 공기 정화기에 미적으로 보기 좋은 외양을 제공한다고 언급되며, 공기에 대한 지지를 제공한다.
이전의 공기 여과 장치의 하나의 단점은 여과 성능에 영향을 미치는, 장치로부터 유출되는 공기의 낮은 유출 속도일 수 있다. 원하는 미립자 수준을 여과하기에 충분한 유출 속도를 달성하는 공기 여과 장치는 장치를 시끄럽게 만들 수 있는 보다 높은 전력의 팬(fan)을 필요로 하거나 장치의 큰 크기와 비용을 증가시키는 강성 장치 하우징을 필요로 할 수 있다.
따라서, 공기로부터 미립자를 비용 효과적으로 제거하고 운반성과 같은 소비자 친화적 특징과 소비자가 받아들일 수 있는 소음 수준을 포함하는 개선된 공기 여과 장치와 공기를 여과하는 방법에 대한 필요성이 지속되고 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 공기 여과 장치로서, 공기 입구와 공기 출구를 갖춘 기부; 상기 기부에 기능적으로 부착되는 팬으로서, 상기 팬은, 상기 팬이 작동될 때, 약 4 내지 약 25 Pa의 압력에서, 상기 공기 출구를 통해 약 70 내지 약 150 CFM의 공기를 이동시키는, 상기 팬; 상기 공기 출구와 공기 유동 연통하는 공기 필터; 제1 개방 단부, 제2 개방 단부, 및 그들 사이의 공기 유동 경로를 포함하는 실질적으로 공기 불투과성인 외측 슬리브(sleeve)로서, 상기 외측 슬리브는 상기 공기 출구와 공기 유동 연통하고 상기 제1 개방 단부에서 상기 기부에 해제가능하게 부착되며, 상기 외측 슬리브는 상기 공기 필터를 그의 종축을 중심으로 둘러싸는, 상기 외측 슬리브를 포함하고, 상기 장치가 작동될 때, 상기 외측 슬리브의 상기 제2 개방 단부로부터 유출되는 일정 체적의 공기의 유출 속도는 약 0.6 내지 약 2.6 m/s인, 공기 여과 장치가 제공된다.
본 명세서는 본 발명을 구체적으로 지적하고 명백하게 청구하는 청구범위로 끝맺고 있지만, 본 발명은 첨부 도면과 관련하여 취해진 하기 설명으로부터 더 잘 이해될 것으로 여겨진다.
도 1은 본 발명에 따른 공기 여과 장치의 일 실시예를 도시하는 도면.
도 2는 도 1의 공기 여과 장치의 단면도.
도 3은 도 1의 공기 여과 장치의 분해도.
도 4는 장치의 기부만을 도시한(즉, 외측 슬리브, 공기 필터, 및 관련 부품이 제거된 장치), 도 2의 장치의 단면도.
도 5는 도 4의 기부의 분해도.
도 6은 본 발명에 따른 공기 필터 백의 일 실시예를 도시하는 도면.
도 7a는 도 1과 도 2의 선 LA를 따라 취해진, 외측 슬리브의 절결 단면을 도시하는 도면이고, 도 7b는 본 발명에 따른 외측 슬리브의 다른 실시예를 도시하는 도면.
도 8은 본 발명에 따른 공기 여과 장치를 사용하여 시간 경과에 따른 입자 감소를 도시한 그래프.
도 9는 본 발명에 따른 공기 여과 장치의 정압(static pressure) 및 공기 유량과, 공기 필터와 외측 슬리브 사이의 변화하는 공간 갭(gap)을 갖는 것과 관련된 장치 내의 압력 강하를 도시한 그래프.
도 10은 본 발명에 따른, 팬만의, 팬과 공기 필터만을 갖춘 장치의, 그리고 전체 공기 여과 장치의 정압과 공기 유량을 도시한 그래프.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 공기를 여과하기 위한 장치(10)의 예시적인 실시예가 도시된다. 장치(10)는 기부(20), 기부에 기능적으로 부착되는 팬(40), 기부에 해제가능하게 부착되는 공기 필터(50), 및 실질적으로 공기 불투과성인 외측 슬리브(80)를 포함할 수 있다. 장치(10)는 교체가능 또는 재충전가능 배터리, AC 콘센트(직접 AC 구동식 또는 적절한 AC-DC 변환 전원), 자동차 DC 전원, 태양 전지 등에 의해 전력을 공급받을 수 있다.
크기의 범위가 약 0.1 미크론 내지 약 30 미크론일 수 있는 미립자 또는 다른 오염 물질을 가진 유입 공기가 장치(10)로 진입함에 따라, 유입 공기가 공기 필터(50)를 통해 여과되어, 유출 공기 내의 미립자를 감소시킨다.
장치(10)는 그것이 테이블 윗면 상에 또는 약 22 ㎥ 내지 약 75 ㎥의 공간을 갖는 방과 같은 생활 공간 내에 사용될 수 있도록 크기설정될 수 있다. 장치(10)는 작은 공간에 적합하도록 종축(LA)을 따른 그의 수직 높이보다 작은 풋프린트(footprint)를 가질 수 있다. 예를 들어, 그의 수직 위치에 있을 때, 장치는 약 20 cm 내지 약 30 cm의 폭, 약 20 cm 내지 약 30 cm의 깊이, 및 종축(LA)을 따라 약 45 cm 내지 약 75 cm의 높이일 수 있다. 장치(10)의 높이는 접힘가능한 부품이 사용되는 경우에 보관 중에 감소될 수 있다.
장치(10)는 공기 유동, 공기 필터 특성, 및 장치 구성(예컨대, 하우징, 그릴 커버(grill cover), 공기 필터, 및 외측 슬리브 구성)에 의해 특징지어질 수 있다. 그러한 태양은 장치(10) 내의 압력 강하로 이어진다. 일 실시예에서, 장치(10)는 약 15 Pa 내지 약 25 Pa, 또는 약 8 Pa 내지 약 20 Pa의 총 압력 강하를 생성할 수 있다. 다른 실시예는 장치(10)의 동일한 공기 유동으로 이어지도록 팬(40)에 대한 보다 높거나 보다 낮은 공기 유동 요건으로 이어지는 보다 높거나 보다 낮은 압력 강하를 가질 수 있다.
본 발명의 장치(10) 내에 포함될 수 있는 부품 각각이 더욱 상세히 후술된다.
장치 부품
기부 및 팬
도 4와 도 5를 참조하면, 본 발명의 장치(10)는 동력화된 팬(40)을 안정시키기 위해 임의의 알려진 재료로 구성되는 기부(20)를 포함할 수 있다. 기부(20)는 팬 하우징(30)과, 팬 하우징을 지지하고 공기 입구가 기부의 밑면 상에 위치될 때 공기 입구(22) 내로의 공기 유동을 용이하게 하기 위해 팬 하우징을 지지 표면으로부터 들어올리는 레그(leg)(32)를 포함할 수 있다. 레그(32)와 함께 기부(20)는 부품 중량을 감소시키기 위해 약 5 cm 내지 약 10 cm의 높이 및 약 20 cm 내지 약 30 cm의 직경일 수 있다. 기부(20)는 기부의 제1 면(23) 상의 공기 입구(22) 및 기부의 제2 면(25) 상의 공기 출구(24)를 구비한다. 몇몇 실시예에서, 기부(20)는 공기 입구(22)와 공기 출구(24)에 대응하는 그릴 커버(26a, 26b)와, 선택적으로 팬을 청결하게 유지시키는 데 도움을 주기 위해 큰 입자(예컨대, 머리카락)를 여과하기 위한 팬 사전-필터(pre-filter)(42) 및 팬 커버(44)를 포함할 수 있다.
기부(20)는 공기 필터(50)의 부착을 가능하게 하기 위한 제1 단차부(step)(36) 및 외측 슬리브(80)의 부착을 위한 제2 단차부(38)를 갖춘 테이퍼 형성된 슈라우드(tapered shroud)(34)를 구비할 수 있다. 제2 단차부(38)는 기부(20)의 슈라우드(34) 상의 하부에 위치되어, 제1 단차부(36)를 둘러쌀 수 있다. 슈라우드(34)는 상부에서 약 16 cm 내지 약 25 cm로부터 하향으로 약 20 cm 내지 약 30 cm로 확장되는 직경을 가질 수 있다.
팬(40)은 그것이 일정 체적의 유입 공기를 기부의 공기 입구(22) 내로 그리고 공기 출구(24)를 통해 밖으로 흡인하여, 일정 체적의 공기를 외측 슬리브(80)에 의해 한정되는 공기 유동 경로(90)를 통해 그리고 역시 공기 유동 경로(90) 내에 위치되는 공기 필터(50)를 통해 밀어내는 것을 돕도록 기부(20)에 기능적으로 부착된다. 팬(40)은 기부(20) 내부에서 기부(20)의 제1 면(23)과 제2 면(25) 사이에 장착될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 팬(40)은 일정 체적의 공기가 팬(40)을 통과하기 전에 공기 필터를 통해 끌어당겨지고(공기 필터를 통해 밀어내어지는 것과 대조적으로) 공기 필터가 공기를 정화하도록 공기 필터(50)의 하류에 배치될 수 있다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, "하류"는 공기 여과 장치를 통해 공기 유동을 측정할 때, 기준 위치로부터 시간상 보다 뒤에 있는 공기 유동 경로 내의 위치를 의미한다.
팬(40)은 팬 블레이드와 모터를 포함할 수 있다. 회전 팬 블레이드는 공기를 공기 유동 경로(90) 내로 가압시킬 때의 높은 압력 강하를 회피하기 위해 그리고 또한 바람직하지 않은 양의 잔해(예컨대, 먼지/머리카락)의 흡인을 최소화시키기 위해 장치(10)가 그 상에 놓이는 표면으로부터 약 5 cm 이상에 있을 수 있다. 팬(40)은 약 25 와트 미만, 또는 약 15 와트 미만, 또는 약 8 와트 미만, 또는 약 6 와트 미만의 전력을 팬에 제공하는 전원에 의해 작동되거나 전력을 공급받을 수 있다.
팬(40)은 원하는 공기 유량을 제공하기 위해 사전결정된 속도로 설정될 수 있거나, 사용자 선택 속도를 갖는 제어 장치에 의해 설정될 수 있다. 팬(40)은 공기 필터(50) 또는 외측 슬리브(80) 없이 작동될 때, 분당 약 70 내지 약 150 입방 피트("CFM"), 또는 약 85 내지 약 130 CFM, 또는 약 100 내지 약 120 CFM의 공기를 제공할 수 있다.
일 실시예에서, 축류 팬이 기부(20) 내에 장착된다. 축류 팬이 사용되는 경우에, 원하는 축류 팬 블레이드(또한 임펠러로 불림) 직경은 블레이드의 최외측 지점에 있는 팁들 간에 측정될 수 있고, 약 10 cm 내지 약 25 cm, 또는 약 15 cm 내지 약 25 cm, 또는 약 17 cm 내지 약 20 cm의 직경을 가질 수 있으며, AC 또는 DC 모터, 팬 하우징(30), 및 공기 필터(50) 또는 외측 슬리브(80) 없이, 약 70 내지 약 150 CFM, 또는 약 85 내지 약 130 CFM, 또는 약 100 내지 약 120 CFM의 공기를 전달하는 팬 속도와 조합된다. 적합한 축류 팬은 콘래드 일렉트로닉스(Conrad Electronics)로부터 입수가능한 실버스톤(Silverstone) S1803212HN, 얼라이드 일렉트로닉스(Allied Electronics)로부터 입수가능한 오리온(Orion) OD180APL-12LTB, 및 알에스 컴포넌츠 인터내셔널(RS Components Intl.)로부터 입수가능한 EBM 팝스트(Pabst) 6212 NM을 포함한다. 축류 팬은 공기 여과 장치에 전형적으로 사용되는 원심 팬보다 상당히 조용할 수 있다.
공기 필터
다시 도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 공기 필터(50)는 기부(20)로부터 종방향으로 연장되고, 기부(20)의 공기 출구(24)와 공기 유동 연통한다. 공기 필터(50)는 공기 필터(50)를 기부(20)에 해제가능하게 부착하는 적어도 하나의 부착 부재(52)를 포함할 수 있다. 부착 부재(52)는 클립, 탄성 밴드, 파지 재료, 후크 및 루프 체결구 등의 형태일 수 있다. 하나의 체결 접근법은 팬(40)에 전기적으로 연결되는 기계적 스위치와 맞물려 공기 필터(50)가 정확하게 맞물릴 때 팬에 전력을 공급하는 탭을 제공하는 것이다.
공기 필터(50)는 약 0.1 m2 내지 약 1 m2(약 1.08 ft2 내지 약 10.76 ft2), 또는 약 0.1 m2 내지 약 0.6 m2(약 1.08. ft2 내지 약 6.46 ft2), 또는 약 0.15 m2 내지 약 0.5 m2(약 1.61 ft2 내지 약 5.38 ft2), 또는 약 0.2 m2 내지 약 0.4 m2(약 2.15 ft2 내지 약 4.31 ft2)의 공기 유동 표면적을 가질 수 있다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 공기 유동 표면적은 공기가 공기 필터(50)를 통해 유동하는 투과성 면적이다. 이러한 공기 유동 표면적은 공기 필터(50)를 임의의 절첩부 또는 주름 없이 단일 평면 상에 평평하게 배치한 다음에 총 표면적을 측정함으로써 측정된다. 공기 필터(50)의 측정된 공기 유동 표면적은 물리적 또는 화학적 장벽(예컨대, 필터의 에지 상의 구조체 또는 코팅)이 공기 필터의 그러한 부분을 통한 공기 유동을 방지하는 임의의 영역을 포함하지 않을 수 있다. 보다 큰 공기 유동 표면적을 갖는 공기 필터를 사용하는 것이 바람직할 수 있는데, 왜냐하면 그것이 필터(50)를 통한 공기의 보다 낮은 면 속도를 가능하게 하여, 압력 강하를 낮추기 때문이다. 이는 주어진 양의 전력에 대해 팬(40)으로부터 보다 큰 공기 유량(즉, CFM)을 가능하게 한다. 보다 큰 공기 유동 표면적은 또한 팬(40)으로부터 보다 적은 전력이 필요하기 때문에 보다 조용한 장치를 가능하게 한다.
본 발명의 공기 필터(50)는 약 6 fpm 내지 약 60 fpm (약 1.83 m/분 내지 약 18.29 m/분), 또는 약 25 fpm 내지 약 50 fpm (약 7.62 m/분 내지 약 15.24 m/분), 또는 약 25 내지 약 40 fpm (약 7.62 m/분 내지 약 12.19 m/분)의 평균 면 속도를 가질 수 있다. 일 실시예에서, 공기 필터 면 속도는 약 36 fpm (약 10.97 m/분)이다. 공기 필터 면 속도는 공기가 공기 필터의 외측 면으로부터 유출될 때의 공기의 속도이다. 공기 필터의 외측 면은 공기가 공기 필터(50)의 내측 면으로부터 외측 면으로 유동하도록 공기 필터의 내측 면의 하류에 있다. 본 발명에서와 같이, 공기가 직접 팬으로부터 공기 필터로 경로설정되는(즉, 공기가 팬과 공기 필터에 대한 진입 지점 사이에서 이탈하지 않는) 구성에서, 공기 필터 면 속도는 다음과 같이 계산된다:
Figure 112018088700411-pat00001
본 발명의 공기 필터(50)는 단일 섬유질 층 또는 다수의 층으로부터 형성될 수 있다. 공기 필터(50)는 부직포를 포함할 수 있다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이 그리고 EDANA(European Disposables and Non-woven Association)에 의해 정의되는 바와 같이, "부직포"는 직조 또는 편직을 제외한 수단에 의해 웨브로 형성되고 임의의 수단에 의해 함께 접합된 임의의 천연의 또는 본래의 섬유, 연속 필라멘트 또는 쵸핑된 얀(chopped yarn)의 시트를 의미한다. 부직포는 합성 섬유 또는 필라멘트 또는 천연 섬유 또는 섬유 소비후 재생 재료, 예컨대 폴리올레핀(예컨대, 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌), 폴리에스테르, 폴리아미드, 합성 셀룰로오스(예컨대, 레이온(RAYON)(등록상표)), 및 이들의 블렌드로 구성될 수 있다. 면(cotton) 또는 그의 블렌드와 같은 천연 섬유가 또한 유용하다. 부직포가 형성될 수 있는 방법의 비제한적인 예는 멜트블로잉(meltblowing), 카디드 스펀레이스(carded spunlace), 카디드 수지 접합(carded resin bonding), 니들 펀치(needle punch), 웨트 레이드(wet laid), 에어 레이드(air laid), 스펀본드(spunbond), 및 이들의 조합을 포함한다. 부직포 공기 필터는 약 20 내지 약 120 gsm의 평량을 가질 수 있으며, 여기서 부직포 또는 필터 매체의 평량은 수정 EDANA 40.390(1996년 2월) 방법을 따르는 하기 방법에 따라 측정된다.
1. 부직포 또는 필터 매체의 3개 이상의 피스를 바람직하게는 사전-절단 금속 다이(pre-cut metal die)와 다이 프레스(die press)를 사용하여 특정한 알려진 치수로 절단한다. 각각의 시험 피스는 전형적으로 0.01 m2 이상의 면적을 갖는다.
2. 저울을 사용하여 각각의 시험 피스의 질량을 그램 단위로 결정하고; 다음의 식을 사용하여 평량(단위 면적당 질량)을 제곱 미터당 그램("gsm") 단위로 계산한다:
Figure 112018088700411-pat00002
3. 모든 시험 피스에 대해 수치 평균 평량을 보고한다.
4. 단지 제한된 양의 부직포 또는 필터 매체만이 이용가능할 경우, 평량은 가능한 가장 큰 직사각형인 하나의 피스의 평량으로서 측정되고 보고될 수 있다.
본 발명에 따른 공기 필터(50)는 공히 양도된 미국 특허 제6,305,046호; 제6,484,346호; 제6,561,354호; 제6,645,604호; 제6,651,290호; 제6,777,064호; 제6,790,794호; 제6,797,357호; 제6,936,330호; 제D409,343호; 제D423,742호; 제D489,537호; 제D498,930호; 제D499,887호; 제D501,609호; 제D511,251호 및/또는 제D615,378호에 따라 제조될 수 있다. 섬유의 소수성 또는 친수성의 정도는 제거될 미립자 또는 악취의 유형에 관한 공기 필터의 원하는 목표, 제공되는 첨가제의 유형, 생분해성, 입수가능성, 및 그러한 고려사항들의 조합에 따라 최적화될 수 있다.
일 실시예에서, 공기 필터(50)는 사전-필터 층, 기능 층 및 지지 층을 포함하는 3층 부직포이다. 이러한 접근법에서, 사전-필터 층은 공기 필터(50)의 상류측 상에 있고, 보다 큰 미립자(예컨대, 10 미크론 초과)를 위한 스크린으로서 작용한다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, "상류"는 공기 여과 장치를 통해 공기 유동을 측정할 때, 기준 위치로부터 시간상 보다 앞에 있는 공기 유동 경로(90) 내의 위치를 의미한다. 사전-필터 층은 하이드로인탱글드(hydroentangled) 폴리에스테르, 폴리프로필렌("PP"), 또는 이들의 혼합물을 비롯한 고 로프트(high loft) 구조체로 구성된다. 기능 층은 보다 작은 입자(예컨대, 약 2.5 미크론 미만)를 포획하고, 임의의 악취 처리제를 포함하는 층으로서 역할할 수 있다. 기능 층은 멜브-블로운 또는 스펀-본디드 부직포로부터 제조될 수 있다. 지지 층은 입자를 수집하는 공기 필터의 시각적 표시를 위해 높은 대비(contrast)의 접합/비접합 영역을 포함할 수 있다. 지지 층은 공기 필터(50)에 대해 요구되는 구조/강성을 제공한다. 지지 층은 스크림 또는 개구 필름으로부터 제조될 수 있다.
선택되는 제조 방법과 부직포의 유형은 공기 필터 효율과 압력 강하 및 이어서 장치(10)로부터 약 50 내지 약 150 CFM의 공기를 전달하기 위해 팬(40)으로부터 필요한 압력에 큰 영향을 미칠 수 있다. 적합한 여과 및 낮은 압력 강하를 갖는 하나의 재료는 하이드로인탱글드 PET 섬유에 대한 구조/지지를 제공하기 위해 10 내지 20 gsm 스펀본드 PP 층을 갖고서 폴리에틸렌 테레프탈레이트("PET") 섬유로 구성되는 60 gsm 하이드로인탱글드 부직포(본 명세서에서 통칭하여 "60 gsm HET"로 지칭됨)이다. 하이드로인탱글링 공정에 의해, 이러한 구성으로 1 mm 내지 3 mm 두께를 달성할 수 있으며, 이는 동일한 평량에 대해 보다 낮은 압력 강하를 가능하게 한다. 두께는 수정 EDANA 30.5-90(1996년 2월) 방법을 따르는 하기 방법에 따라 측정된다.
1. 장비 구성은 다음을 포함하여야 한다.
a. 풋(Foot) 직경: 40.54 mm (1.596 인치)
b. 풋 면적: 12.90 ㎠(2 in2)
c. 풋 중량: 90.72 그램(0.2 lb)
d. 풋 압력: 7.03 그램/㎠(0.1 psi, 0.69 ㎪)
e. 체류 시간: 10초
2. 4개 이상의 위치, 이상적으로는 10개의 위치를 측정한다. 모두 단일 층이어야 하고, 접은 자국이 없어야 한다. 접은 자국을 제거하기 위해 재료를 반듯하게 펴거나 다리미질을 하거나 팽팽하게 하지 않는다. 시험 피스는 압력 풋의 면적보다 클 필요가 있다.
3. 접은 자국이 없는 샘플을 압력 풋 아래에 체류 시간 동안 배치하고, 두께를 mm 단위로 측정한다.
4. 모든 시험 피스에 대해 수치 평균을 보고한다.
60 ㎏/㎥ 미만의 공기 필터 밀도가 유의미한 효율을 제공하면서 또한 낮은 압력 강하를 갖는 데 요구될 수 있는 것으로 밝혀졌다. 60 gsm HET 재료에 의해, 약 20 내지 약 60 ㎏/㎥의 밀도가 제공될 수 있다. 이는 본 명세서에 기술된 장치(10)에 대해 우수한 공기 필터 효율과 낮은 압력 강하를 제공하는 부직포를 생성한다. 이는 섬유가 두께를 통해 펼쳐져, 보다 많은 공기 유동 경로를 가능하게 하여, 덜한 섬유간 접촉과 입자 포획에 이용가능한 보다 큰 섬유 표면적을 생성하기 때문이다. 주어진 평량에 대해 두께를 달성하는 다른 방식은 에어 본딩(air bonding), 에어레이드, 니들 펀칭, 및 카디드 수지 접합 재료를 포함하지만 이에 제한되지 않는다. 공기 필터(50)의 밀도는 하기 수학식을 사용하여 계산된다:
Figure 112018088700411-pat00003
우수한 여과를 갖지만 보다 높은 압력 강하를 갖는 다른 부직포는 다른 17 gsm PP 스펀본드 부직포에 접합된 34 gsm PP 멜트-블로운에 접합된 10 gsm PP 스펀본드를 포함하는 59 gsm 스펀본드/벨트-블로운/스펀본드("SMS") 라미네이트(본 명세서에서 통칭하여 "59 SMS"로 지칭됨)이다. 두 재료는 유사한 평량을 갖지만, 매우 상이한 두께와 밀도, 및 그에 따른 압력 강하를 갖는다. 60 gsm HET 재료는 약 1 mm 내지 약 3 mm의 두께를 갖는 반면에, 59 SMS 구조체는 약 1 mm 미만의 두께를 가져, 60 ㎏/㎥ 초과의 밀도를 생성한다. 60 gsm HET 재료는 보다 낮은 단일 패스(single pass) 효율을 갖지만, 또한 2 내지 3배 더 낮은 압력 강하를 가져, 보다 많은 공기 유량, 보다 낮은 소음, 또는 주어진 팬에 대해 요구되는 보다 적은 전력을 가능하게 한다. 60 gsm HET 재료 또는 약 60 ㎏/㎥ 미만의 밀도를 갖는 임의의 재료는 또한, 그것이 역시 공기 필터의 수명에 걸쳐 팬에 대한 공기 유량에 영향을 미칠 수 있는 공기 유동을 제한하기 시작하기 전에, 멜트-블로운 또는 SMS 재료와 같은 더욱 치밀한 필터보다 더 많은 먼지/미립자를 보유할 수 있는 이점을 갖는다.
부직포의 기공 체적(pore volume) 분포는 부직포의 다공도를 특징짓는다. 바람직한 기공 체적 분포를 갖는 부직포는 약 50 μm 미만의 반경의 기공에서 총 체적의 약 15% 이상, 약 50 μm 내지 약 100 μm의 반경의 기공에서 총 체적의 약 40% 이상, 및 약 200 μm 초과의 반경의 기공에서 총 체적의 약 10% 이상을 갖는 것으로 밝혀졌으며, 여기서 기공 체적 분포는 아래에 제시된 누적 기공 체적 시험 방법으로부터의 측정치를 사용하여 계산된다.
누적 기공 체적 시험 방법
시험 전에 최소 12시간 동안 23℃ ± 2.0℃의 온도와 45% ± 10%의 상대 습도에서 조절된 샘플에 대해 하기 시험 방법이 수행된다. 모든 시험은 동일한 환경 조건 하에서 그리고 그러한 조절된 실내에서 수행된다. 임의의 손상된 제품은 폐기한다. 구김살, 인열부, 구멍 등과 같은 결함을 갖는 샘플은 시험하지 않는다. 모든 기구가 제조자의 사양에 따라 교정된다. 본 명세서에 기술된 바와 같이 조절된 샘플이 이 발명의 목적을 위해 건조 샘플(예컨대, "건조 섬유질 시트")로 고려된다. 4개 이상의 샘플이 시험되는 임의의 주어진 재료에 대해 측정되고, 그들 4개의 복제물로부터의 결과가 평균되어 최종 보고 값을 제공한다. 4개의 복제 샘플 각각은 55 mm × 55 mm의 치수를 갖는다.
기공 체적 측정은 TRI/오토포로시미터(Autoporosimeter)(미국 뉴저지주 프린스턴 소재의 텍스타일 리서치 인스티튜트(TRI)/프린스턴 인크.(Textile Research Institute(TRI)/Princeton Inc.))로 수행된다. TRI/오토포로시미터는 다공성 재료에서 기공 체적 분포(예컨대, 1 내지 1000 μm 유효 기공 반경의 범위 내의 상이한 크기의 기공의 체적)를 측정하기 위한 자동화된 컴퓨터-제어식 기구이다. 오토메이티드 인스트루먼트 소프트웨어 릴리스(Automated Instrument Software Release) 2000.1 또는 2003.1/2005.1; 또는 데이터 트리트먼트 소프트웨어 릴리스(Data Treatment Software Release) 2000.1(TRI 프린스턴 인크.로부터 입수가능함)과 같은 컴퓨터 프로그램이 측정된 데이터를 캡쳐하고 분석하기 위해 사용된다. TRI/오토포로시미터, 그의 작동 및 데이터 처리에 관한 더 많은 정보는 본 명세서에 참고로 포함되는 문헌["Liquid Porosimetry: New Methodology and Applications" by B. Miller and I. Tyomkin published in The Journal of Colloid and Interface Science (1994), volume 162, pages 163-170]에서 찾아볼 수 있다.
이 출원에 사용되는 바와 같이, 다공도 측정은 주위 공기 압력이 변할 때 다공성 재료로 진입하거나 그로부터 유출되는 액체의 증분을 기록하는 것을 수반한다. 시험 챔버 내의 샘플이 공기 압력의 정밀하게 제어된 변화에 노출된다. 공기 압력이 증가하거나 감소할 때, 상이한 크기의 기공 그룹이 액체를 배출하거나 흡수한다. 기공-크기 분포 또는 기공 체적 분포가 또한 대응하는 압력에서 기구에 의해 측정되는 바와 같은, 각각의 기공-크기 그룹의 흡수량의 체적의 분포로서 결정될 수 있다. 각각의 그룹의 기공 체적은 대응하는 공기 압력에서 기구에 의해 측정되는 바와 같은 이러한 액체의 양과 동일하다. 총 누적 유체 흡수량이 흡수된 유체의 총 누적 체적으로서 결정된다. 기공의 유효 반경은 다음 관계에 의해 압력 차이와 관련된다:
압력 차이 = [(2) γ cos Θ] / 유효 반경
여기서, γ = 액체 표면 장력이고, Θ = 접촉각이다.
이 방법은 상수와 장비 제어 압력에 기초하여 유효 기공 반경을 계산하기 위해 상기 수학식을 사용한다.
자동화된 장비는 액체를 흡수하도록 압력을 감소(기공 크기를 증가)시키거나 액체를 배출하도록 압력을 증가(기공 크기를 감소)시킴으로써, 사용자-지정 증분으로 시험 챔버 공기 압력을 변화시킴으로써 작동한다. 각각의 압력 증분에서 흡수되거나 배출된 액체 체적은 선행 압력 설정과 현재 설정 사이의 모든 기공의 그룹에 대한 누적 체적이다. TRI/오토포로시미터는 시편의 총 기공 체적에 대한 기공 체적 기여를 보고하고, 또한 주어진 압력과 유효 반경에서의 체적과 중량을 보고한다. 이들 데이터로부터 직접 압력-체적 곡선이 구성될 수 있고, 이러한 곡선은 또한 흔히 다공성 매체를 기술하거나 특징짓기 위해 사용된다.
TRI/오토포로시미터의 이러한 적용에서, 액체는 99.8 중량% 증류수 내의 옥틸페녹시 폴리에톡시 에탄올(미국 코네티컷주 댄버리 소재의 유니언 카바이드 케미칼 앤드 플라스틱스 코.(Union Carbide Chemical and Plastics Co.)로부터의 트리톤(Triton) X-100)의 0.2 중량% 용액이다(용액의 비중은 약 1.0이다). 기구 계산 상수는 하기와 같다: ρ (밀도) = 1 g/㎤; γ (표면 장력) = 31 다인(dyne)/cm; cosΘ = 1. 1.2 μm 밀리포어 믹스드 셀룰로오스 에스테르 멤브레인(미국 매사추세츠주 베드포드 소재의 밀리포어 코포레이션(Millipore Corporation); 카탈로그 # RAWP09025)이 시험 챔버의 다공성 판 상에 채용된다. 중량이 약 32 g인 플렉시글라스 판(plexiglass plate)(기구와 함께 공급됨)이 샘플이 밀리포어 필터(Millipore Filter) 상에 평평하게 놓이는 것을 보장하기 위해 샘플 상에 배치된다. 추가의 중량체가 샘플 상에 배치되지 않는다.
블랭크 조건(blank condition)(플렉시글라스 판과 밀리포어 필터 사이에 샘플이 없음)이 시험 챔버 내의 임의의 표면 및/또는 에지 효과를 처리하기 위해 실행된다. 이러한 블랭크 실행(blank run)에 대해 측정된 임의의 기공 체적이 시험 샘플의 적용가능한 기공 그룹화로부터 차감된다. 시험 샘플에 대해, 중량이 약 32 g인 4 cm × 4 cm 플렉시글라스 판(기구와 함께 공급됨)이 측정 중에 샘플이 밀리포어 필터 상에 평평하게 놓이는 것을 보장하기 위해 샘플 상에 배치된다. 추가의 중량체가 샘플 상에 배치되지 않는다.
이러한 적용에 대한 기공 크기(압력)의 시퀀스는 하기와 같다(μm 단위의 유효 기공 반경): 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 120, 140, 160, 180, 200, 220, 240, 260, 280, 300, 350, 400, 450, 500, 550, 600, 650, 700, 750, 800.
이들 압력 값은 어드밴싱(Advancing) 1 및 리시딩(Receding) 1 곡선을 생성하기 위해 사용된다. 이러한 시퀀스는 샘플 건조로 시작하고, 압력이 감소할 때 그것을 포화시키며(즉, 어드밴싱 1 곡선), 이어서 후속하여 압력이 다시 증가할 때 유체를 배출시킨다(즉, 리시딩 1 곡선).
TRI/오토포로시미터는 각각의 압력 수준에서 액체의 누적 중량(mg)을 측정하고, 샘플의 각각의 누적 기공 체적을 보고한다. 이들 데이터와 원래 건조 샘플의 중량으로부터, 누적 기공 체적/샘플 중량의 비가 임의의 측정된 압력 수준에서 계산되고 ㎣/mg 단위로 보고될 수 있다. 이러한 시험 방법의 경우에, 누적 기공 체적이 리시딩 1 곡선 중에 결정되며, ㎣/mg 단위로 보고되고 TRI 기구로부터 취해진다.
유사한 평량의 큰 두께 및 낮은 밀도는 필터 재료가 우수한 공기 유동을 가지면서 또한 여전히 입자를 정전기적으로 끌어당기고 그리고/또는 기계적으로 여과하기 위한 큰 섬유 표면적을 가질 수 있게 한다. 이러한 정전기적 이득은 머리카락, 피부, 및 면과 같은 양으로 대전된 입자를 끌어당기는 데 도움을 주기 위해 마찰 전기 시리즈(triboelectric series)에서 음으로 대전된 PP 섬유 또는 다른 재료/코팅을 레버리징(leveraging)함으로써 더욱 향상될 수 있다. 선택적으로, 공기 필터 재료는 팬이 필터 재료를 통해 공기를 송풍할 때 재료가 작은 입자를 끌어당기기 위한 전하를 유지시키는 데 도움을 주기 위해 제조 현장에서 코로나 처리를 통해 정전기적으로 대전될 수 있다. 개선된 입자 픽업(pick-up)을 제공할 수 있는 다른 접근법은 입자를 갖는 공기가 팬(40)을 통해 공기 필터(50)로 통과될 때 입자가 필터 재료로 끌어당겨지도록 공기 내의 입자에 전하를 생성하는 데 도움을 주기 위한 장치에서의 이온화이다.
본 발명의 공기 필터(50)는 약 30 g/㎡ 이상, 대안적으로 약 50 g/㎡ 이상, 대안적으로 약 70 g/㎡ 이상의 총 합계 평량을 가질 수 있다. 본 공기 필터(50)의 총 합계 평량은 전형적으로 약 200 g/㎡ 이하, 대안적으로 약 150 g/㎡ 이하, 그리고 대안적으로 약 100 g/㎡ 이하이다. 합계 평량은 전술된 평량 수학식을 사용하여 측정될 수 있다.
공기 필터(50)는 공기로부터의 미립자 제거, 공기 정화, 항균력 제공 및/또는 기타 등등을 개선하기 위한 공기 처리제를 포함할 수 있다. 공기 정화제는 항균제, 항바이러스제, 또는 항알러지제; 이온성 및 비-이온성 계면활성제; 습윤제; 과산화물; 미국 출원 제2012/0183488호 및 미국 출원 제2012/0183489호에 기술된 것을 비롯한 이온성 및 비-이온성 중합체; 금속 염; 금속 및 금속 산화물 촉매(예컨대, ZPT, Cu, Ag, Zn, ZnO); pH 완충제; 효소, 천연 성분 및 그의 추출물을 비롯한 생물 작용제; 착색제; 및 미국 출원 공개 제2011/0150814호, 미국 특허 제8,357,359호, 미국 출원 공개 제2013/0085204호에 기술된 것을 비롯한 향수를 포함할 수 있다. 공기 처리제가 비타민, 허브 성분, 또는 코, 인후, 및/또는 폐를 위한 다른 치료용 또는 의료용 작용 물질을 포함할 수 있는 것이 또한 고려된다.
몇몇 실시예에서, 공기 필터(50)는 냄새를 제거하고 그리고/또는 작은 분자(VOC 등)를 포집하는 데 도움을 주기 위해 전도성 재료 및/또는 탄소 입자를 포함한다. 공기 필터(50)는 실질적으로 평평한 표면과 공기 필터의 약 50% 초과, 또는 약 50%, 또는 약 30%, 또는 약 25%, 또는 약 20%, 또는 약 10%를 나타낼 수 있는 개방 셀 또는 개구를 갖고서 높은 다공도를 가질 수 있다. 공기 필터(50) 내의 기공 체적은 발포체, 스폰지, 및 필터에서 발견되는 것과 같은 재료 내에 형성되는 사행형(tortuous) 채널로 구성될 수 있다. 표면적은 공기 필터의 체적 내의 사행형 기공의 형태일 수 있다. 표면적 대 치수 면적 비는 약 2 초과, 대안적으로 약 4 초과일 수 있다.
공기 필터(50)는 첨가제를 포함할 수 있다. 첨가제의 유형과 수준은 공기 필터가 미립자 재료를 효과적으로 제거하고 보유하면서 필터의 정전기적 특성을 유지시키고 재방출의 양을 최소화시키는 능력을 갖도록 선택된다. 따라서, 첨가제는, 양이온성 첨가제가 정전기적 특성을 약화시키는 경향이 있을 수 있기 때문에, 비-양이온성일 수 있다. 일 실시예에서, 공기 필터(50)는 중합체 첨가제로 함침된다. 적합한 중합체 첨가제는 감압 접착제, 점착성 중합체, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하지만 이에 제한되지 않는다. 적합한 감압 접착제는 점착부여 수지(예컨대, 미라폴(Mirapol)™ 중합체), 가소제, 및/또는 다른 선택적 성분과 조합되어 선택적으로 사용되는 접착 중합체를 포함한다. 적합한 점착성 중합체는 폴리아이소부틸렌 중합체, N-데실메타크릴레이트 중합체, 및 이들의 혼합물을 포함하지만 이에 제한되지 않는다. 중합체 첨가제의 접착 특성은 효과적인 미립자 제거 성능을 제공할 수 있다. 중합체 첨가제의 접착 특성은 텍스처 분석기(texture analyzer)를 사용하여 측정될 수 있다. 적합한 텍스처 분석기는 영국 서리 고덜밍 소재의 스테이블 마이크로 시스템즈, 엘티디.(Stable Micro Systems, Ltd.)로부터 상표명 TA.XT2 텍스처 애널라이저(Texture Analyser)로 구매가능하다.
본 발명의 공기 필터(50)는 압력 강하를 12.5 Pa(0.05" 수위계) 미만만큼 증가시키면서, 20 내지 40 피트/분의 공기 필터 면 속도에서 약 1 그램 초과의 먼지 또는 약 3 내지 약 6 그램의 먼지의 먼지 보유 용량을 가질 수 있거나, 필터 상의 추가의 먼지의 증가된 압력 강하가 10 Pa 미만, 또는 5 Pa 미만, 또는 3.5 Pa 미만, 또는 2 Pa 미만이다. 공기 필터(50)의 수명 만료(end-of-life)는 30일, 60일, 90일 이상일 수 있다. 먼지 보유 용량과 먼지의 추가로 인한 압력 강하의 변화는 수정 ASHRAE 52.1-1992 방법을 통해 측정된다.
1. 필터 매체의 적어도 2개, 6개 또는 그 초과의 샘플을 바람직하게는 이 방법에 의해 규정된 바와 같이 측정한다.
2. 주름, 구김살, 접은 자국 등이 없는, 14"×14" 이상인 평평한 필터 시트에 대해 측정이 수행된다. 이어서 입자가 필터 시트의 1 ft 직경 원을 가로질러 주입된다.
3. 재료가 배향에 따라 상이한 특성을 갖는 경우, 장치에서 입자를 처음으로 만날 재료의 동일측과 입자가 처음으로 충돌하도록 시험 기기에서 재료를 배향시킨다. 재료가 영역을 가로질러 불균질한 경우, 대표적인 재료를 샘플링한다.
4. 장치에 사용되는 공기 필터 표면적과 장치 내의 공기 유량에 기초하는 장치 내의 공기 필터 면 속도와 근사하게 일치하도록 선택되는 공기 필터 면 속도로 시험을 실시하고, 6 그램의 먼지로 로딩하며, ISO 미세(Fine) A2 먼지(ISO 12103-1에 정의된 바와 같음)를 사용하고, 0.5 g의 증분으로 로딩한다. 각각의 0.5 g 추가 후에 저항을 측정한다.
본 발명의 공기 필터(50)는 아래의 수정 단일 패스 ASHRAE 표준 52.2 방법에 의해 정의된 바와 같은 E2 입자의 약 20% 내지 70%와 E3 입자의 약 50 내지 90%의 단일 패스 여과 효율을 갖는다. 필터의 단일 패스 여과 특성은 ASHRAE 표준 52.2 - 2012("입자 크기별 제거 효율을 위해 일반 환기 공기-정화 장치를 시험하는 방법(Method of Testing General Ventilation Air-Cleaning Devices for Removal Efficiency by Particle Size)")에 기술된 것과 유사한 방식으로 시험함으로써 결정될 수 있다. 시험은 웨브를 평평한 시트(예컨대, 주름, 접은 자국 또는 절첩부가 없는)로서 구성하고, 평평한 시트를 시험 덕트 내에 설치하며, 건조되고 전하-중화된 염화칼륨 입자를 평평한 시트에 가하는 것을 수반한다. 시험 면 속도는 장치에 사용되는 필터 표면적과 장치 내의 공기 유량에 기초하는 장치 내의 면 속도와 근사하게 일치하도록 선택되어야 한다. 광학 입자 카운터(counter)가 일련의 12개의 입자 크기 범위에 걸쳐 시험 필터로부터 상류 및 하류에 있는 입자의 농도를 측정하기 위해 사용될 수 있다. 다음 수학식:
Figure 112018088700411-pat00004
이 각각의 입자 크기 범위에 대한 포획 효율을 결정하기 위해 사용될 수 있다. 시험 중에 입자 크기 범위 각각에 대한 최소 효율이 결정되고, 복합 최소 효율 곡선이 결정된다. 복합 최소 효율 곡선으로부터, 0.3 내지 1.0 μm의 4개의 효율 값이 평균되어 E1 최소 복합 효율(Minimum Composite Efficiency, MCE)을 제공할 수 있고, 1.0 내지 3.0 μm의 4개의 효율 값이 평균되어 E2 MCE를 제공할 수 있으며, 3.0 내지 10.0 μm의 4개의 효율 값이 평균되어 E3 MCE를 제공할 수 있다. 비교로서, HEPA 필터는 전형적으로 E2 및 E3 입자 둘 모두에 대해 99%보다 높은 단일 패스 효율을 갖는다.
공기 필터(50)는 다양한 구성을 채용할 수 있다. 큰 표면적을 갖는 저 비용 공기 필터(50)에 대한 하나의 구성은 공기 필터 재료를 일체형 프레임을 갖춘 전통적인 주름진 필터 대신에 백의 형상으로 절첩/밀봉하는 것이다. 공기 필터 백은 제조하기에 간단하면서도, 플로우 랩(flow-wrap) 또는 재밀봉가능한 파우치(resealable pouch) 내에서 상점 선반 상에서의 진열을 위한 (절첩을 통한) 콤팩트한 형태를 제공하도록 설계될 수 있다.
도 6은 거싯(gusset)이 저부 상에 있어 백을 세우고 넘어지지 않게 하는 데 도움을 주기 위한 기부로서 역할하는 전형적인 파우치와 대조적으로 거싯(66)이 원위 단부(60)(즉, 상부)에 있는 것을 제외하고는, 테이퍼 형성된 측부를 갖춘 전형적인 직립 파우치와 매우 유사한 거싯(66)을 갖춘 하나의 가능한 공기 필터 백(150) 구성과 시일 패턴(seal pattern)을 도시한다. 또한 도 6을 참조하면, 공기 필터 백(150)은 공기로 팽창될 때 백 또는 튜브형 형상을 생성하는 공기 필터(50)의 2개 이상의 에지(64)를 절첩시키고 열-밀봉함으로써 형성될 수 있다. 공기 필터(50)는 그것이 기부(20)로부터 종방향으로 연장되고 외측 슬리브(80)의 형상을 따르지만 외측 슬리브와 접촉하지 않도록 깔때기형 형상을 생성하는 방식으로 밀봉될 수 있다. 원위 단부(60)에서의 폭을 감소시키고 외측 슬리브(80)와 공기 필터 백(150)의 외측 면(62) 사이의 우수한 공기 유동을 가능하게 하기 위해, 원위 단부(60)에 테이퍼 형성된 시일 및/또는 거싯(66)이 형성될 수 있다. 공기 필터 백(150)은 팬(40)에 의해 팽창될 때 고유한 형상을 유지시키는 데 도움을 주고 공기 필터 백(150)과 외측 슬리브(80) 사이의 공기 유동을 위한 우수한 공간 갭을 유지시키는 데 도움을 주기 위해, 밀봉 전에 형성되는 직립 파우치와 유사하게, 약 2 cm 내지 약 10 cm인 측부 및/또는 상부 거싯을 포함할 수 있다. 공기 필터 백(150)은 약 35 cm 내지 약 50 cm, 또는 약 40cm의 수직 높이를 갖고서 약 10 cm 내지 약 40 cm, 또는 약 10 cm 내지 약 15 cm, 또는 약 20 cm의 공칭 직경을 가져, 확장될 때, 약 0.3 m2의 표면적을 달성할 수 있다. 열 밀봉된 에지(64)와 거싯(66)은 몇몇 실시예에서 약 40 g/cm 초과의 박리력을 견디는 기밀 시일(air-tight seal)을 형성하여, 밀봉되지 않은 영역을 통한 탈층 및/또는 공기 유동을 방지한다.
외측 슬리브
도 1 내지 도 3을 계속 참조하면, 본 발명의 장치(10)는 기부(20)로부터 종방향으로 연장되는 외측 슬리브(80)를 포함한다. 외측 슬리브(80)는 공기가 그 내로 진입하는 제1 개방 단부(82), 공기가 그로부터 유출되는 제2 개방 단부(84), 및 그들 사이의 공기 유동 경로(90)를 포함한다. 외측 슬리브(80)는 제1 개방 단부(82)에서 기부(20)에 해제가능하게 부착되며, 따라서 공기 출구(24)와 공기 유동 연통한다. 외측 슬리브(80)는 공기 필터(50)를 그의 종축(LA)을 중심으로 둘러싼다. 이러한 방식으로, 공기 유동 경로(90) 내에서의 공기 유동의 방향이 공기 필터(50) 및 외측 슬리브(80)의 종축(LA)과 대체로 정렬된다. 도 1 내지 도 3에 도시된 외측 슬리브(80)가 장치 및 공기 필터의 종축과 정렬되지만, 외측 슬리브의 제2 개방 단부(84)가 종축(LA)으로부터 멀어지게 약간 만곡될 수 있는 것이 고려되며, 이 경우 제2 개방 단부는 종축으로부터 약 15 내지 약 30도 경사진다.
외측 슬리브(80)는 제1 개방 단부(82)와 제2 개방 단부(84)에서 약 7 cm 내지 25 cm, 또는 약 7 cm 내지 약 23 cm, 또는 약 7 cm 내지 약 17 cm, 또는 약 7 cm 내지 약 15 cm의 직경을 가질 수 있다. 제2 개방 단부(84)는 외측 슬리브(80)가 제2 단부에서 테이퍼 형성되는 경우에 제1 개방 단부(82)보다 작을 수 있다. 외측 슬리브(80)는 기다랄 수 있으며, 그의 깊이와 폭에 비해 종축(LA)을 따라 더 길 수 있다. 외측 슬리브(80)는 공기 필터를 통한 공기 유동의 포획을 돕기 위해 공기 필터(50)보다 종축(LA)을 따라 더 길 수 있다. 일 실시예에서, 외측 슬리브(80)는 종축(LA)을 따라 약 50 cm의 길이를 가질 수 있다. 외측 슬리브(80)는 공기 필터(50)로부터 유출되는 공기 유동을 포획하고 완전 실내 순환을 촉진시킬 속도로 공기를 하류로 지향시키기 위해 공기 필터(50)보다 약 1 cm 내지 약 8 cm 더 길 수 있다.
외측 슬리브(80)는 공기에 대해 실질적으로 불투과성인 임의의 적합한 재료로 제조될 수 있다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 실질적으로 불투과성이라는 것은 장치가 사용 중일 때(즉, 팬이 작동하고 있을 때) 제2 개방 단부(84)에서 외측 슬리브로부터 유출되는 공기의 체적이 제1 개방 단부(82)에서 외측 슬리브로 진입하는 공기의 약 60% 이상임을 의미한다. 몇몇 실시예에서, 외측 슬리브(80)는 외측 슬리브로 진입하는 공기의 체적이 외측 슬리브로부터 유출되는 공기의 체적과 동등하도록 공기 불투과성이다. 또한, 몇몇 실시예에서, 외측 슬리브(80)는 보관 및/또는 운송의 용이함을 위해 대체로 평평한 구성으로 또는 그의 수직 구성의 약 30% 미만으로 접힐 수 있는, 실내 장식품 또는 옥외 가구 또는 우산에 사용되는 직포 천, 부직포, 폴리에틸렌, 폴리염화비닐, 아크릴 등과 같은 가요성 재료로 제조될 수 있다.
공기 감쇠(air dampening)를 제공하기 위해 외측 슬리브의 어느 정도의 낮은 수준의 투과율을 갖는 것에 얼마간의 이점이 있는 것으로 알려졌다. 외측 슬리브는 팬, 필터, 장치 시스템으로부터의 소리를 감쇠시키는 데 도움을 주기 위해 공기의 10 내지 40%를 외측 슬리브로 통과시킨다. 추가적으로 또는 대안적으로, 외측 슬리브는 펠트, 옥외 가구 천, 실내 장식품 천, 부직포 및 소리를 감쇠시키는 데 도움을 주고 진동을 어느 정도 흡수하는 다른 비강성 재료와 같은 연질 및 가요성 또는 접힘가능한 직물과 유사한 재료로부터 제조될 수 있다. 이는 하우징과 공기를 지향시키고 그리고/또는 필터 주위를 밀봉하기 위한 수단으로서 강성 사출 성형 플라스틱을 사용하는 대부분의 공기 정화 시스템과 현저히 상이하다.
이제 도 7a와 도 7b를 참조하면, 외측 슬리브(80)는 외측 슬리브(80)를 수직 구성으로 유지시키기 위해 프레임(86)(이는 사용자에 의해 보관을 위해 접히는 데 도움을 주기 위해 힌지식 프레임 또는 조립식 프레임을 포함함)을 포함할 수 있다. 힌지식 프레임(86)과 외측 슬리브(80)의 가요성 재료는 선택적으로 보관을 위한 콤팩트한 설계를 가능하게 하기 위해 절첩되거나 평평하게 압축되거나 말릴 수 있다. 다른 실시예에서, 외측 슬리브(80)는 프레임이 없다(즉, 종방향으로 연장되는 프레임이 없음). 그러한 실시예에서, 외측 슬리브는 일체형 코일(186)(도 7b에 도시된 바와 같은)을 포함하는 가요성 재료로 제조될 수 있다. 대안적으로, 외측 슬리브는 프레임이 없을 수 있고, 외측 슬리브(80)가 사용자에 의해 또는 패키징시 접힌 구성으로 압축되지 않을 때 외측 슬리브가 자동으로 수직 위치(즉, 접히지 않은)로 확장될 수 있게 하는 가요성, 스프링-유사 재료로부터 제조될 수 있다. 공기에 대해 적어도 실질적으로 불투과성이고 가요성이며 스프링과 유사한 적합한 재료는 실리콘, 탄성 천, 부직포를 포함한다. 이러한 재료는 두께가 0.25 mm 내지 약 5 mm일 수 있다. 외측 슬리브(80)의 접힘성은 장치(10)가 26 cm × 26 cm × 15 cm 내지 26 cm × 41 cm × 15 cm 외측 패키지로 패키징될 수 있게 한다. 외측 슬리브는, 접힌 위치 체적보다 70% 더 큰 수직 위치 체적을 가질 수 있다.
선택적 특징부
제어 유닛(미도시)이 장치(10), 보다 구체적으로 팬(40)을 작동시키기 위해 제공될 수 있다. 제어 유닛은 전류 또는 전압의 펄싱을 방출기에 제공하도록 사전-프로그래밍되거나 사용자-프로그래밍될 수 있다. 이러한 방식으로, 액적 크기 및 밀도의 분포가 시간 경과에 따라 제어될 수 있다. 전원에 의해 생성되는 전압 시간 곡선이 또한 미립자가 공기 필터(50)를 통해 이동할 때 최적 미립자 수집 가능성이 유지될 수 있도록 팬 속도 및 공기 유동 속도와 동기화될 수 있다.
종류에 있어 화학적이거나 물리적인 센서(미도시)가 공기 필터(50)의 수명 만료(즉, 공기 필터 교체의 필요)를 지시하고 그리고/또는 장치(10)로 진입하고 그로부터 유출되는 공기의 질을 모니터링하기 위해 사용될 수 있다. 수명 만료 센서를 제공하는 하나의 접근법은 공기 필터(50)에 추가되는 백색 또는 투명 테이프에 의한 것이다. 이러한 테이프는 그것이 새 것일 때에는 보이지 않지만 공기 필터가 미립자를 축적하여 더러워질 때는 소비자가 원래 필터 색과 노화된/더러운 필터의 대비를 시각적으로 알 수 있도록 공기 필터(50)의 시작 색과 동일한 색일 수 있다. 공기 필터의 수명 만료를 제공하기 위한 다른 접근법은 공기 필터(50)의 열-밀봉된 부분을 통한 공기 유동이 없도록 공기 필터(50)의 섬유를 고유한 패턴으로 열-밀봉하는 것이다. 이러한 열-밀봉된 부분은 임의의 원하는 형상일 수 있고, 필요에 따라 원래 시작 색과 일치하도록 잉크로 착색될 수 있다. 수명 만료 신호를 위한 다른 접근법은 소비자에게 필터를 교체하도록 상기시키기 위해 LED 또는 유사한 발광체 또는 소리를 켜는 타이머를 개시하도록 장치와 맞물리는 필터 탭을 제공하는 것이다. 다른 고유한 접근법은 사용자가 얼마간의 설정된 원하는 시간(1주, 1개월 등) 후에 다시 체크할 수 있게 하거나 그것을 사용자에게 상기시키는 "스누즈(snooze)" 버튼을 제공하는 것이다.
또한, 센서가 공기 질을 측정할 수 있다. 공기 질 센서(air quality sensor)는 장치(10)를 켜거나 팬 속도를 증가시키기 위해 사용될 수 있다. 공기 질 센서는 공기 입구(22)에 근접하게 배치될 수 있다. 공기 입구(22)에 있는 공기 질 센서와 제2 개방 단부(84)의 조합은 소비자에게 장치의 성능의 명확한 신호를 제공하고 그의 효능을 보여줄 수 있다.
센서가 또한 장치의 배향을 결정하여 장치(10)가 예를 들어 수직하지 않은 경우 그의 작동을 중단시키기 위해 사용될 수 있다. 센서가 또한 장치(10)를 가로지르는 공기 유동을 평가하여 기부의 공기 입구(22) 또는 공기 출구(24)가 차단되거나 팬(40)의 오작동이 있는 경우 그의 작동을 중단시키기 위해 사용될 수 있다.
장치(10)는 팬 사전-필터 커버(44)에 의해 내장되는 재사용가능 또는 일회용 팬 사전-필터(42)를 포함할 수 있다. 팬 사전-필터(42)는 큰 입자 또는 다른 재료가 팬 블레이드 또는 모터 상에 축적되지 못하게 하도록 망상 발포체, 스크린, 또는 다양한 다른 기계적 수단으로부터 구성될 수 있다. 팬 사전-필터(42)는 사용될 때 팬 블레이드를 청결하게 유지시키기 위해 팬(40)의 상류에 배치된다.
장치 성능
유출 속도
장치(10)로부터 유출되는 공기의 유출 속도가 또한 여과가 보다 큰 공간에서 일어나도록 실내에 우수한 공기 순환을 제공하는 데 중요하다. 중간 크기의 실내(8 내지 9 ft의 천장을 갖춘 대략 80 내지 140 ft2)에 대해, 초당 약 0.4 미터("m/s")를 초과하는 유출 속도가 실내의 공기 유동으로 1 내지 10 미크론 크기의 공기 부유 입자를 장치로 이동시키는 데 요구된다. 보다 큰 실내(8 내지 9 ft의 천장을 갖춘 대략 150 내지 225 ft2)에 대해, 약 0.6 m/s 이상의 유출 속도가 요구된다. 이들 속도에 의해, 목표는 1 내지 10 미크론의 공기 부유 입자를, 그들이 필터에 의해 제거될 수 있는 장치로 이동시키기 위해, 실내의 상당 부분에서 0.003 m/s를 초과하는 실내 공기 유동 속도를 달성하는 것이다.
약 0.003 m/s 내지 약 0.25 m/s인 실내의 공기 유량이 공기 부유 입자를 장치로 이동시키면서 또한 우수한 편안함을 제공하고 실내 거주자에게 덜 바람직할 수 있는 외풍(draft)과 같은 공기 이동을 제공하지 않을 우수한 유량으로 여겨진다. 이는 장치(10)로부터의 공기 유동이 약 50 내지 약 150 CFM이고, 이때 출구 오리피스 또는 제2 개방 단부(84)로부터 유출되는 공기의 유출 속도가 약 0.5 m/s 내지 약 3.0 m/s, 또는 약 0.6 m/s 내지 약 2.6 m/s, 또는 약 0.7 m/s 내지 약 2.0 m/s일 수 있을 때, 달성될 수 있다. 팬(40) 구성과 팬의 RPM이 공기의 CFM에 영향을 미치지만, 장치(10)의 CFM에 영향을 미치는 다른 변수는 공기 필터 표면적, 필터 매체의 압력 강하, 팬 사전-필터, 필터와 외측 슬리브 사이의 공간 갭, 외측 슬리브의 투과율, 및 팬의 상류와 하류의 공기 유동 경로를 포함한다. 이는 완전한 장치(10)의 약 50 내지 약 150 CFM, 또는 약 60 내지 약 100 CFM, 또는 약 70 내지 약 90 CFM의 공기 유량을 생성한다. 외측 슬리브(80)가 완전히 공기 불투과성이고 기부(20)에 대한 기밀 연결부를 구비하는 경우에, 외측 슬리브(80)의 제2 개방 단부(84)로부터 유출되는 공기의 유출 속도는 아래의 수학식을 사용하여 계산될 수 있다:
Figure 112018088700411-pat00005
표 1은 위의 계산을 사용한 유출 속도를 보여준다.
[표 1]
Figure 112018088700411-pat00006
외측 슬리브(80)와 외측 슬리브-기부(20) 연결부가 완전히 불투과성일 때, 팬 내로 유입되는 체적 공기 유동이 출구 오리피스를 통해 유출되는 체적 유동과 동일한 질량 평형을 사용할 수 있다. 유출 속도에 대해 계산에서 사용되는 출구 오리피스는 공기가 장치로부터 유출되고 있을 때의 장치의 최종 영역의 면적이어야 한다(따라서, 상부 링 핸들 내의 핸들 및/또는 다른 장애물은 면적 계산에 사용되지 않아야 한다).
외측 슬리브(80)가 공기에 대해 부분적으로 투과성인 경우에, 외측 슬리브의 제2 개방 단부(84)로부터 유출되는 공기의 유출 속도는 하기 수학식을 사용하여 계산될 수 있다:
외측 슬리브의 제2 개방 단부를 통한 유출 공기 유동(CFM 단위) ÷ 출구 오리피스의 면적(ft2 단위)
공기 필터(50)를 통한 최소 압력 강하를 갖는 효율적인 공기 유동을 유지시키기 위해, 외측 슬리브(80)는 공기 필터(50)로부터 반경방향 외향으로 위치되어, 공간 갭(100)을 형성한다. 공간 갭(100)은 80 내지 120 CFM의 공기에서 약 8 Pa 미만, 또는 약 6 Pa 미만, 또는 약 4 Pa 미만, 또는 약 2 Pa 미만의 압력 강하를 제공한다. 공기 필터(50)와 외측 슬리브(80)는 임의의 원하는 형상(예컨대, 실린더형 외측 슬리브 또는 정사각형 외측 슬리브에 의해 원주방향으로 둘러싸이는 실린더형 공기 필터 백 등)을 채용할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 공간 갭(100)은 공기 필터(50)의 공기 유동 표면적으로부터 외측 슬리브(80)까지 약 3 mm 내지 약 5 mm, 또는 3 mm 이상, 또는 약 12 mm 내지 약 30 mm, 또는 약 20 mm 초과일 수 있다. 공기 유동 표면적은 부착 부재(52)에 근접하게 위치되는 하부 영역과 부착 부재로부터 원위에 위치되는 상부 영역을 포함할 수 있다. 팬(40)이 약 80 내지 약 100 CFM을 제공하는 경우에, 적합한 최소 공간 갭은 하부 영역에서 약 3 mm 이상일 수 있고, 원위 상부 영역에서의 최소 공간 갭은 약 15 mm 이상일 수 있다. 공간 갭(100)은 공기 필터(50)를 통한 더 많은 공기 유동을 가능하게 한다. 갭이 너무 작은 경우, 공기 필터를 통한 공기 유동이 최소화되어 장치(10)로부터의 CFM의 감소를 유발할 수 있다.
압력 강하
장치(10)(장치는 하우징, 공기 필터, 외측 슬리브, 기부, 그릴, 팬, 팬 사전-필터, 및 공기 유동을 제한할 수 있는 임의의 다른 구성요소를 포함할 수 있음)의 압력 강하는 약 5 내지 약 25 Pa이다. HEPA 또는 HEPA-유사 필터를 갖춘 장치가 전형적으로 70 CFM을 초과하는 유량에서 25 Pa보다 훨씬 큰 압력 강하를 가질 것이다. 이러한 보다 높은 압력 강하는 HEPA 또는 HEPA-유사 필터로 70 CFM을 초과하는 유량을 전달하기 위해서는 전형적으로 25 와트를 초과하는 보다 높은 전력 소비를 야기한다. 따라서, 본 발명에 의해, 이러한 장치로부터 약 5 내지 약 25 Pa의 압력 강하 하의 상태에서, 약 50 내지 약 150 CFM을 전달하면서, 또한 본 명세서에 기술된 음향 출력 측정에 따라 전체 장치의 소음을 약 50dB(A) 미만으로 유지시키고, 또한 25 와트 미만의 낮은 전력 소비로 작동할 팬(40)이 선택될 수 있다.
도 10은 팬만의, 팬과 공기 필터만을 갖춘 장치의, 그리고 전체 장치의 공기 유량을 도시한다. 이 그래프로부터, 팬만의 경우에 대한 공기 유동이 장치로부터 임의의 추가의 압력 강하 없이 약 110 CFM인 것을 볼 수 있다. 공기 필터(공칭 2.5 내지 3 ft2의 평평하게 놓인 표면적)가 팬에 부착될 때, 공기 유동이 약 95 CFM으로 떨어진다. 따라서, 공기 필터는 약 7 내지 약 8 Pa의 압력 강하를 제공한다. 이는 선택되는 부직포 재료뿐만 아니라, 필터 표면의 임의의 코팅이나 처리제 또는 필터 백의 표면적에 어느 정도 좌우될 수 있다. 전체 장치의 공기 유동이 측정될 때(팬이 작동된 상태에서), 약 71 CFM의 유량이 제공된다. 따라서, 장치는 약 14 Pa의 총 압력 강하를 제공한다. 단독으로 그리고 부분 및 전체 장치에서의 팬의 체적 유량과 압력은 DIN EN ISO 5801:2011-11에 기술된 바와 같은 방법을 사용하여 측정될 수 있다. 도 10에 도시된 바와 같은 팬 곡선은 기술된 상이한 조건 하에서 팬 정압을 조절함으로써 생성될 수 있다.
낮은 소음
장치(10)는 작동될 때(즉, 팬이 작동함) 또한 낮은 소음을 제공하면서 우수한 공기 정화 성능을 제공할 수 있다. 공기 정화 성능은 중요한 완전 실내 공기 순환을 제공하기 위한 공기 유출 속도, 필터의 단일 패스 입자 정화 효율, 및 장치(10)의 총 CFM에 의해 주도된다. 장치(10)의 소음은 음압(sound pressure) 또는 음향 출력을 측정함으로써 측정될 수 있다. 음압 수준은 20 uPa에 대해 약 50 dB(A) 미만, 또는 약 45 dB(A) 미만, 또는 약 40 dB(A) 미만일 수 있다. 본 명세서에 기술된 바와 같은 음압은 바닥보다 1 m 위에 그리고 장치 축(LA)으로부터 0.2 m 수평 편위 상태로 위치되는 단일 마이크로폰으로 측정된다. 대안적으로, 소음은 표준화된 방법, 예컨대 IEC 60704-2-11에 따라 1 pW에 대해 음향 출력을 측정함으로써 측정될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 장치(10)는 차음재(noise insulation material)(즉, 본 명세서에서 장치(10)의 부품, 또는 선택적 부품으로 식별되지 않는 임의의 차음 부품)가 없다.
여과 성능
본 발명의 장치(10)는 크기가 실질적으로 약 0.3 미크론 내지 약 10 미크론인 미립자의 30% 초과 또는 약 40% 내지 약 70%를 20 내지 40분 내에, 약 75 Pa 미만, 또는 약 25 Pa 미만, 또는 약 20 Pa 미만, 또는 약 10 Pa 미만, 또는 약 9 Pa 미만의 장치의 총 압력 강하를 갖고서, 약 0.1 내지 약 4.0 m/s, 또는 약 0.5 m/s 내지 약 3 m/s, 또는 약 0.8 m/s 내지 약 3 m/s, 또는 약 0.8 m/s 내지 약 2.6 m/s, 또는 약 0.6 m/s 내지 약 2.6 m/s, 또는 약 0.8 m/s 내지 약 1.8 m/s, 또는 약 0.7 m/s 내지 약 2.0 m/s의 공기 유출 속도 및 약 70 CFM 초과, 또는 약 70 CFM 내지 약 150 CFM의 공기 유량으로 여과할 수 있다. 1 미크론보다 큰 입자에 대해, 본 발명의 장치(10)는 입자의 50% 초과를 20분 내에, 약 25 Pa 미만, 약 15 Pa 미만, 또는 약 10 Pa 미만의 장치 내에서의 압력 강하를 갖고서, 약 0.5 m/s 내지 약 3 m/s의 유출 속도 및 약 70 CFM 초과, 또는 약 70 CFM 내지 약 150 CFM의 공기 유량으로 여과할 수 있다. 공기 여과 장치의 여과 효율은 본 명세서의 예에서 수정되는 바와 같은 ANSI/AHAM-1-2006에 기술된 방법을 사용하여 결정될 수 있다.
예
미립자 제거
본 발명에 따른 장치와 공기 필터를 실내에서 미립자 제거 성능을 시험하기 위해 구성하였다. 기부는 대략 25 cm × 25 cm × 3 cm였고, 모든 팬이 공기를 동일한 방향으로(놓인 표면으로부터 상향으로) 송풍하도록 하는 공기 유동을 가능하게 하기 위해 대략 120 mm 직경의 4개의 구멍을 갖춘 기부 내에 통합된 4개의 녹투아(Noctua) NF-P12(120 mm × 25 mm) 팬을 포함하였다. 4개의 팬을 적절한 접속기와 함께 전기적으로 연결하였고, 이어서 플러그-인 변압기(맥마스터-카(McMaster-Carr) 부품 #70235K95)로부터의 12 V DC 전력 공급 장치로 전력을 공급하였다. 25 cm × 25 cm × 3 cm 기부는 또한 장치(10)를 바닥으로부터 10 cm 들어올리기 위해 각각의 코너 상에 장착되는 4개의 포스트를 구비하였다. 장치의 상부에, 대략 102 cm의 원주와 공기 필터 백을 장치 상에 유지시키기 위한 탄성 수단을 갖춘 공기 필터 백이 장착된다.
제1 장치에 사용된 4개의 녹투아 팬을 실버스톤(Silverstone) 팬의 직경과 일치하는 개방부를 갖춘 단일의 보다 큰 직경의 팬(직경이 대략 18 cm인 실버스톤 S1803212HN)으로 대체함으로써, 더 큰 압력을 전달하기 위해 보다 높은 전력의 팬으로 제2 장치를 제조하였다. 이러한 제2 장치도 또한 공기 유동을 제한함이 없이 팬을 바닥으로부터 떨어져 지지하기 위해 10 cm 레그를 구비하였다. 실버스톤 팬 조립체는 공기 유량과 압력을 변화시키기 위해 8 내지 15 볼트로 변할 수 있는 별개의 DC 전력 공급 장치를 구비하였다.
많은 플라스틱 백(예컨대, 포테이토 칩 백)이 제조되는 동일한 방식으로 공기 필터 재료를 절첩시키고 버트로드 임펄스(Vertrod Impulse) 바 실러(bar sealer)로 열-밀봉함으로써 4개의 상이한 백을 제조하였다. 백을 2가지 상이한 재료와 2가지 상이한 크기로 제조하였다(이는 주어진 유량에 대해 필터 면 속도에 영향을 미침). 하나의 재료는 주로 PET 섬유와 중간의 17 gsm 스펀본드 PP 부직포로 구성되는 60 gsm 하이드로인탱글드 부직포("60 gsm HET")였다. 다른 하나의 재료는 일 면 상에 10 gsm 스펀본드 PP를 그리고 다른 면 상에 17 gsm PP 스펀본드를 갖춘 32 gsm PP 멜트-블로운으로 구성되는 59 gsm 라미네이트("59 gsm SMS")였다.
1. 60 gsm HET 작은 백 - 102 cm 원주 × 대략 38 cm 높이 ― 백 설계의 테이퍼 형성으로 인해 팽창될 때 대략 400 in2의 총 필터 표면적 공기 유동.
2. 60 gsm HET 큰 백 - 102 cm 원주 × 대략 66 cm 높이 ― 백 설계의 테이퍼 형성으로 인해 팽창될 때 800 in2의 총 필터 표면적 공기 유동.
3. 59 gsm SMS 작은 백(요구되는 보다 높은 압력으로 인해 실버스톤 팬을 사용함) ― 위의 60 gsm HET 작은 백과 동일한 크기.
4. 59 gsm SMS 큰 백(요구되는 보다 높은 압력으로 인해 실버스톤 팬을 사용함) ― 위의 60 gsm HET 큰 백과 동일한 크기.
공기 필터 백은 백을 유지시키고 4개의 팬으로부터의 모든 공기를, 모든 공기가 거의 또는 전혀 우회 없이 필터 백으로 통과하는 상태로 백을 팽창시키도록 가압시키기 위해, 플랜지를 포함하는 기부의 상부에 부착된다. 공기 필터 백은 팽창될 때 튜브와 유사하며, 이 경우 튜브는 기부에 부착되고, 이어서 튜브는 상부 시일이 형성되는 지점으로 된다.
공기 필터 백을 통해 유동하는 모든 공기를 포획하고 그것을 상부 밖으로 가압시켜 장치로부터의 유출 속도를 증가시키기 위해, 불투과성 종이 슬리브가 공기 필터 백의 외면 상에 부착된다. 외측 슬리브는 이케아(Ikea)(오르겔 브레텐(Orgel Vreten)™ 램프 셰이드(lamp shade))로부터의 대략 25 cm × 25 cm 접힘가능 종이 외측 슬리브이다. 외측 슬리브는 그것이 기부 주위에 밀봉되고 필터 백을 내부에 구비하도록 장치에 부착된다. 2가지 상이한 외측 슬리브 높이가 형성된다. 짧은 백의 경우 23 cm 높이 외측 슬리브가 그리고 높은 백의 경우 66 cm 높이 외측 슬리브가 사용된다. 조립된 장치의 상부에서 볼 때, 필터 백이 공기 유동을 가능하게 하기 위해 모든 측면에서 5 mm 내지 10 mm 갭을 갖고서 장치에 대해 중심에 위치되는 것을 볼 수 있을 것이다. 이어서, 필터 백과 외측 슬리브를 갖춘 장치가 외측 슬리브의 상부(즉, 제2 개방 단부)에서 유출 속도를 측정한 다음에 공기 유동 표면적으로 나누어 목표 유량을 얻음으로써 전체 장치를 통한 공기 유량에 대해 시험된다. 시험에 요구되는 유량은 작은 백에 대해 80 CFM 그리고 높은 백에 대해 100 CFM이다. 표 2는 도 8에 보고된 시험 조건을 나타낸다.
[표 2]
Figure 112018088700411-pat00007
이어서 장치를 애리조나 도로 먼지(Arizona road dust)(피티아이 인크.(PTI Inc.)로부터 얻어지는 미세 공기 정화기 시험 먼지(Fine Air Cleaner Test Dust))에 대해 ANSI/AHAM AC-1-2006에 기술된 것과 유사한 약 3 m × 3 m × 3 m인 실내에 배치하였다. 그러한 시험을 위한 적합한 실내와 시험 설비를 미국 뉴욕주 코틀랜드 소재의 인터텍(Intertek) 시험 설비에서 찾아볼 수 있다. 먼지의 표준 농도(전형적으로 약 200 내지 400개 입자/cc)를 전술된 ANSI/AHAM 방법의 섹션 6에 기술된 바와 같이 실내에 생성하였다. 장치는 절차마다 켜지고, 1 내지 10 미크론의 입자가 20분의 기간에 걸쳐 측정되며, 도 8에 도시된 바와 같이 플로팅된다. 6회의 시험에 더하여, 실내에 공기 여과 장치가 없는 상태에서의 입자 자연 감쇠(natural decay)를 보여주기 위해 자연 감쇠를 또한 기록하였다. 모든 6회의 시험과 자연 감쇠 시험은 장치가 켜지기 전에 실내에서 출발 입자의 유사한 수준을 가졌지만, 모든 7가지 변수를 퍼센트 감소로서 비교하기 위해 정규화되었다. 각각의 시험 사이에서, HEPA 공기 청정기를 사용하여 상기 방법에 기술된 바와 같이 입자수(particle count)를 매우 낮은 수준으로 얻었다.
이 방법을 사용하고 1 내지 10 미크론 입자를 측정할 때, 1 내지 10 미크론 크기의 입자에 대한 20분 동안의 자연 감쇠는 장치가 작동하지 않는 상태에서 약 21%이다. 반면에, 이 예에 기술된 장치가 작동하고 있었을 때, 실내의 입자는 장치, 필터, 및 실내 구성 조건에 따라 약 40% 내지 최대 80% 감소된다. 보다 큰 백은 보다 높은 공기 유량(100 CFM)과 보다 높은 단일 패스 효율 필터(즉, 59 gsm SMS)를 가능하게 하였다. 보다 높은 효율 59 gsm SMS 필터는 실버스톤 팬에 대해 보다 높은 전압을 필요로 하였다. 일반적으로, 도 8은 보다 높은 유량 및 보다 높은 효율 둘 모두가 여과 성능을 증가시키는 것을 보여준다. 도 8에 도시된 다른 플롯은 코너 재순환 팬이 작동하지 않을 때 외측 슬리브의 영향을 보여준다. 보통 전술된 ANSI/AHAM 방법의 경우에, 시험 중에 고유량 재순환 팬(250 CFM/4.25 ㎥/분 초과)이 실내에서 공기를 순환시키고 있다. 이는 실내에서 입자의 우수한 혼합을 생성하지만, 항상 집에 존재할 것을 대표하지는 않는다. 따라서, 시험을 ANSI/AHAM 방법에 언급된 재순환 코너 팬이 꺼진 상태에서 수행하였고, 외측 슬리브가 있을 때와 없을 때의 이득을 비교하였다. 이 경우에, 여과 성능의 10%+ 증가가 있는데(슬리브가 없는 장치와 대조적으로 슬리브가 있는 장치에 대해 40% 입자 제거 대신에 대략 50%), 왜냐하면 외측 슬리브가 장치로부터의 유출 속도를 증가시켜 실내에서 더욱 많은 공기 유동 순환을 일으켜 더 많은 입자를 제거하기 때문이다. 보다 큰 공기 필터 백과 외측 슬리브의 경우에, 주어진 팬에 대해 영향이 훨씬 더 큰데, 왜냐하면 유출 속도와 필터 면 속도 사이의 차이가 증가하기 때문이다. 장치의 공기 순환으로 인한 실내의 입자 감소는 또한 입자 카운터가 시험 장치에 얼마나 가까운지에 의해 영향을 받을 것이다. 입자 카운터가 장치에 가까운 경우, 재순환 팬을 끄는 영향이 보다 작을 것이다. 재순환 팬이 꺼져 있을 때 입자 카운터가 실내의 코너에 가까운 경우, 유출 속도(즉, 외측 슬리브를 갖춘)의 영향이 보다 클 것이다. 입자 카운터는 시험되는 공기 여과 장치로부터 약 1.2 m에 있었다. 더 멀리 떨어져 배치된 경우, 슬리브가 없을 때와 슬리브가 존재할 때의 차이가 보다 클 것인데, 왜냐하면 입자를 부유시키고 장치를 향해 이동시키는 데 필요한 공기 속도가 보다 크기 때문이다.
변화하는 공간 갭의 영향
4개의 공기 여과 장치가 구성된다: (1) 공기 유동 표면적의 약 30%가 외측 슬리브와 접촉하는 공기 필터 백을 갖춘 23 cm × 23 cm × 66 cm 외측 슬리브 장치; (2) 25 × 25 × 66 cm 외측 슬리브 장치 및 (3) 30 × 30 × 66 cm 외측 슬리브 장치(둘 모두 외측 슬리브와 접촉하지 않는 공기 필터 백을 갖춤(후자는 전자보다 공기 필터 백과 외측 슬리브의 내벽 사이의 보다 큰 공간 갭을 갖춤)); 및 (4) 외측 슬리브가 없는 장치. 공간 갭이 커질수록, 압력 강하가 저하된다. 외측 슬리브가 압력 강하에 관하여 이롭지 않지만, 외측 슬리브의 결여는 장치가 실내의 공기를 여과하는 데 필요한 유출 속도를 제공하기에 충분한 공기를 포획하는 데 있어 보다 낮은 성능을 갖는다.
4개의 구성된 장치는 동일한 팬 - 4개의 녹투아 12 V 팬 ― 으로 작동되어 4 내지 8 Pa에서 80 내지 120 CFM의 공기를 제공한다. 공기 유동과 압력은 DIN EN ISO 5801:2011-11에 기술된 방법을 사용하여 팬을 갖춘 장치를 시험함으로써 계산될 수 있다. 이러한 시험에서, 팬의 공기 입구측 또는 장치(팬, 공기 필터, 외측 슬리브 조립체)의 입구측 또는 시스템(팬, 필터, 슬리브 조립체)의 입구측이 시험 리그(testing rig)에 부착되어, 공기를 시험 리그로부터 자유 공간으로 외향으로 송풍한다.
도 9는 팬이 전달하는 공기의 양(즉, CFM)과 다양한 공기량에서 생성되는 압력 사이의 관계를 도시한다. CFM은 x-축을 따라 표시된다. 공기 유동에 대한 시스템의 저항을 극복하는 데 필요한 "밀어냄(push)"을 식별하기 위해 사용되는 용어인 압력은 y-축을 따라 표시된다. 전형적으로, 주어진 팬 파워에 대해, 배압이 증가함에 따라, 유량이 감소한다. 이 곡선은 일련의 압력 지점 대 비유량(specific flow rate)을 플로팅함으로써 구성된다.
도 9는 또한 본 4개 팬 장치의 특성과 상이한 공기 유동 저항을 보여준다. 이들 상이한 공기 유동 저항은 공기 필터 주위의 상이한 공간 갭에 의해 생성된다. 최대 유량은 필터 주위의 외측 슬리브와 같은 어떠한 추가의 부품 없이 달성될 것이다. 필터 외부에 단지 자유 공기만이 있지만, 외측 슬리브가 없으면 한정된 공기 유동 방향이 없다. 외측 슬리브가 공기 유동을 한정된 방향으로 안내할 것이고, 공기 유동 저항을 증가시킬 것이며, 그에 의해, 장치 내부에서 압력이 떨어진다. 외측 슬리브와 필터 사이의 보다 작은 공간 갭이 공기 속도를 증가시키지만 공기 유동을 감소시킨다. 여과 성능에 관하여 요건을 충족시킬 수 있는 공기 유동을 얻기 위해 이들 파라미터(공기 속도, 유량, 압력 강하)를 최적화시키는 것이 필요하다. 도 9에 보인 바와 같이, 최소 외측 슬리브 - 23 cm × 23 cm × 66 cm ― 가 공기 유동의 속도를 낮추는데, 왜냐하면 공기 필터의 외측 면과 외측 슬리브의 내부 표면 사이의 갭 영역의 대부분에서 공간 갭이 거의 0이기 때문이다.
본 명세서 전반에 걸쳐, 단수형으로 언급되는 구성요소는 그러한 구성요소의 단수형 또는 복수형 둘 모두를 지칭하는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서 전반에 제시된 모든 수치 범위는 그러한 더 넓은 수치 범위 내에 있는 모든 더 좁은 수치 범위가 마치 본 명세서에 모두 명시적으로 기재된 것처럼 그러한 더 좁은 수치 범위를 포함할 것이다. 또한, 본 명세서에 개시된 치수 및 값은 언급된 정확한 수치 값으로 엄격하게 제한되는 것으로 이해되어서는 안 된다. 대신, 달리 명시되지 않는 한, 각각의 그러한 치수는 열거된 값과, 그 값 부근의 기능적으로 등가인 범위 둘 모두를 의미하고자 하는 것이다. 예를 들어, "40 mm"로 개시된 치수는 "약 40 mm"를 의미하고자 한다.
임의의 상호 참조된 또는 관련된 특허 또는 출원을 비롯한 본 명세서에 인용된 모든 문헌은 이로써 명확히 배제되거나 달리 제한되지 않는 한 전체적으로 본 명세서에 참고로 포함된다. 임의의 문헌의 인용은 그것이 본 명세서에 개시된 또는 청구된 임의의 발명에 대한 종래 기술인 것으로, 또는 그것이 단독으로 또는 임의의 다른 참고문헌 또는 참고문헌들과의 임의의 조합으로 임의의 그러한 발명을 교시하거나 제안하거나 개시하는 것으로 인정하는 것은 아니다. 또한, 본 명세서의 용어의 임의의 의미 또는 정의가 참고로 포함된 문헌의 동일한 용어의 임의의 의미 또는 정의와 상충되는 경우, 본 명세서의 그 용어에 부여된 의미 또는 정의가 우선한다.
본 발명의 특정한 실시예가 예시되고 기술되었지만, 다양한 다른 변경과 수정이 본 발명의 사상과 범주로부터 벗어남이 없이 이루어질 수 있음이 당업자에게 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 범주 내에 있는 이러한 모든 변경과 수정을 첨부된 특허청구범위에 포함하고자 한다.

Claims (16)

  1. 공기 여과 장치로서,
    공기 입구와 공기 출구를 갖춘 기부;
    상기 기부에 기능적으로 부착되는 팬(fan)으로서, 상기 팬은 상기 공기 출구를 통해 공기를 이동시킬 수 있는, 상기 팬;
    상기 공기 출구와 공기 유동 연통하는 공기 필터 백(air filter bag)으로서, 상기 장치가 사용 중일 때 공기가 상기 공기 필터 백으로부터 유출되는 공기 유동 표면적을 포함하는, 상기 공기 필터 백;
    제1 개방 단부, 제2 개방 단부, 및 그들 사이의 공기 유동 경로를 포함하는 공기 불투과성인 외측 슬리브(outer sleeve)로서, 상기 외측 슬리브는 상기 공기 출구와 공기 유동 연통하고, 상기 외측 슬리브는 상기 공기 필터 백을 그의 종축을 중심으로 둘러싸며 상기 공기 필터 백과 상기 외측 슬리브 사이의 공간 갭(gap)을 한정하는, 상기 외측 슬리브를 포함하고,
    상기 공기 유동 경로 내의 공기 유량은 80 내지 100 CFM이고, 상기 공간 갭에서의 압력 강하는 8 Pa 미만이고,
    상기 공기 필터 백의 상기 공기 유동 표면적은 종축을 따라 위치되는 하부 영역 및 상부 영역을 포함하고, 상기 하부 영역에서의 최소 공간 갭은 3 mm 이상이고 상기 상부 영역에서의 최소 공간 갭은 15 mm 이상이며, 상기 공기 필터 백은 20 내지 60 ㎏/㎥의 밀도를 갖는 60 gsm HET 재료의 부직포를 포함하고,
    상기 60 gsm HET 재료에는, 하이드로인탱글드 폴리에틸렌 테레프탈레이트 섬유와 이에 대한 지지를 제공하기 위한 10 내지 20 gsm 스펀본드 폴리프로필렌 층이 포함되는, 공기 여과 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 외측 슬리브의 상기 제2 개방 단부로부터 유출되는 공기의 유출 속도는 1 m/s인, 공기 여과 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 공기 필터 백으로부터 유출되는 공기의 면 속도는 25 내지 50 fpm인, 공기 여과 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 공기 필터는 0.2 m2 내지 1 m2의 공기 유동 표면적을 갖는, 공기 여과 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 외측 슬리브의 상기 제2 개방 단부로부터 유출되는 공기 유량은 상기 외측 슬리브의 상기 제1 개방 단부로 진입하는 공기 유량의 80% 이상인, 공기 여과 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 장치의 상기 압력 강하는 5 Pa 미만인, 공기 여과 장치.
  7. 제1항에 있어서, 25 Pa 미만의 배압을 포함하는, 공기 여과 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 팬은 작동될 때 15 내지 25 Pa의 압력에서, 80 내지 100 CFM의 공기 유량을 제공하는, 공기 여과 장치.
  9. 제1항에 있어서, 45 db 미만의 소음 수준을 갖는, 공기 여과 장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 외측 슬리브는 공기 불투과성인, 공기 여과 장치.
  11. 제1항에 있어서, 상기 외측 슬리브는 가요성 공기 불투과성 재료를 포함하는, 공기 여과 장치.
  12. 제1항에 있어서, 상기 외측 슬리브는 가요성 재료로부터 구성되는, 공기 여과 장치.
  13. 제12항에 있어서, 상기 외측 슬리브는 접힌 위치 체적보다 70% 더 큰 수직 위치 체적을 갖는, 공기 여과 장치.
  14. 제1항에 있어서, 상기 기부는 상기 공기 필터를 수용하기 위한 제1 단차부(step) 및 상기 외측 슬리브의 상기 제1 개방 단부를 수용하기 위한 제2 단차부를 갖춘 테이퍼 형성된 슈라우드(tapered shroud)를 포함하는, 공기 여과 장치.
  15. 제1항에 있어서, 공기 질 센서(air quality sensor)를 추가로 포함하는, 공기 여과 장치.
  16. 제1항에 있어서, 수명 만료 센서(end-of-life sensor)를 추가로 포함하는, 공기 여과 장치.
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