KR20110104967A - 소형 다중가스 필터 - Google Patents

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KR20110104967A
KR20110104967A KR1020117016824A KR20117016824A KR20110104967A KR 20110104967 A KR20110104967 A KR 20110104967A KR 1020117016824 A KR1020117016824 A KR 1020117016824A KR 20117016824 A KR20117016824 A KR 20117016824A KR 20110104967 A KR20110104967 A KR 20110104967A
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래리 에이 브레이
리사 엠 크롤
두안 디 판슬러
시몬 제이 스미스
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쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니
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Abstract

필터 조립체는 적어도 하나의 화학물질 여과 매체를 포함하는 필터 베드 및 주름진 필터 요소를 포함한다. 주름진 필터 요소는 미립자 여과 매체와 적어도 하나의 화학물질 여과 매체를 포함한다. 일 실시 형태에서, 주름진 요소는 중합체 섬유의 부직 웨브 및 웨브에 포착된 60 중량% 초과의 흡수제 입자를 포함한다. 주름진 요소의 적어도 하나의 화학물질 여과 매체 및 필터 베드의 적어도 하나의 화학물질 여과 매체는 상이한 화학 물질을 표적화할 수 있도록 설계될 수 있다. 본 발명의 일부 필터 조립체는 입구와 출구를 가진 유체-불투과성 하우징의 내부에 배치될 수 있다.

Description

소형 다중가스 필터{COMPACT MULTIGAS FILTER}
본 발명은 화학물질 및 미립자 둘 모두의 여과 매체를 포함하는 필터 조립체에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 필터 베드(filter bed)와 주름진 필터 요소를 포함하는 필터 조립체에 관한 것이다.
산업적, 군사적 및 응급처치자 호흡 보호의 현재 경향은 다양한 미립자와 가스 독성 물질을 표적으로 하는 소형 필터에 대한 필요가 증가하고 있음을 나타낸다. 이러한 필요를 충족하기 위한 시도로, 다양한 필터가 설계되어 왔다.
한 가지 공지 필터 설계는 단층 또는 다층을 가진 전통적인 과립형 베드를 포함한다. 다수의 과립형 베드 층을 가진 그러한 필터는 전형적으로 여러 유형의 가스를 제거할 수 있다. 다른 필터 구성은 함께 주름진 미립자 및 화학물질 여과 매체를 포함한다. 그러한 구성은 소정의 환경 하에서 효과적이지만, 다양한 미립자 오염물 및 가스를 더욱 더 효과적으로 표적화하며 소형이며 낮은 압력 강하 및 높은 파과 시간을 갖는 필터 기술이 여전히 필요하다.
본 발명은 일 태양에서, 적어도 하나의 화학물질 여과 매체를 포함하는 필터 베드, 및 미립자 여과 매체 및 적어도 하나의 화학물질 여과 매체를 포함하는 주름진 필터 요소를 포함하는 필터 조립체를 제공한다. 이 예시적인 실시 형태에서, 주름진 필터 요소의 적어도 하나의 화학물질 여과 매체 및 필터 베드의 적어도 하나의 화학물질 필터 매체는 상이한 화학 물질을 표적화할 수 있다.
다른 태양에서, 본 발명은 내부, 입구 및 입구와 유체 연통하는 출구를 가진 실질적으로 유체-불투과성인 하우징을 포함하는 필터 조립체를 제공한다. 필터 조립체는 또한 하우징의 내부에 배치된 화학물질 여과 매체를 포함하는 필터 베드, 및 주름진 필터 요소를 포함한다. 주름진 필터 요소는 하우징의 내부에 배치되며, 미립자 여과 매체 및 화학물질 여과 매체를 포함한다.
다른 태양에서, 필터 조립체는 화학물질 여과 매체를 포함하는 필터 베드 및 주름진 필터 요소를 포함한다. 주름진 요소는 중합체 섬유의 부직 웨브 및 웨브에 포착된 60 중량% 초과의 흡수제 입자를 포함한다.
또 다른 태양에서, 호흡 보호 장치는 착용자의 적어도 코와 입을 대체로 둘러싸는 안면 편부 및 안면 편부에 연결된 본 발명의 예시적 실시 형태에 따른 필터 조립체를 포함한다. 주위 공기를 안면 편부의 내부로 공급하기 위한 공기 흡입 통로는 필터 조립체를 통과한다.
본 발명은 첨부 도면과 관련하여 본 발명의 다양한 실시예에 대한 하기의 상세한 설명을 고려하여 더욱 완전하게 이해될 수 있다.
도 1은 본 발명에 실시 형태에 따른 평면형 필터 조립체를 나타내는 개략 단면도.
도 2는 본 발명에 따른 예시적인 주름진 요소의 개략 단면도.
도 3은 본 발명의 실시 형태에 따른 평면형 구성의 예시적인 필터 조립체의 도면.
도 4는 본 발명의 실시 형태에 따른 원통형 구성의 예시적인 필터 조립체의 도면.
도 5는 본 발명에 따른 예시적인 필터 조립체를 포함하는 예시적인 호흡 보호 장치의 도면.
도 6은 국립 직업 안전 건강 연구소(National Institute for Occupational Safety and Health)(NIOSH) CBRN APER (2003) 표준에 따라 암모니아 제거 시험 하에서 본 발명의 상이한 실시 형태에 대한 파과 시간을 보여주는 도표.
도 7은 NIOSH CBRN APR (2003) 표준에 따라 암모니아 제거 시험 하에서 본 발명의 상이한 실시 형태에 대한 압력 강하 및 파과 시간을 보여주는 도표.
도면은 반드시 축척대로 도시된 것은 아니다. 도면에 사용된 유사한 도면 부호는 유사한 구성요소를 지칭한다. 그러나, 주어진 도면에서 구성요소를 지칭하기 위한 도면 부호의 사용은 동일한 도면 부호로 표시된 다른 도면의 구성요소를 제한하고자 하는 것이 아님을 이해할 것이다.
본 발명의 일부 예시적인 실시 형태는 필터 베드 및 미립자와 화학물질 여과 매체를 포함하는 주름진 필터 요소를 포함하는 필터 조립체를 포함하며, 여기서 필터 베드와 주름진 요소 내의 화학물질 여과 매체는 상이한 물질을 표적화할 수 있다. 그러한 실시 형태는 여과하고자 하는 물질이 미리 알려져 있지 않은 경우에 특히 유용할 수 있으며, 필터 조립체가 다수의 잠재적인 물질을 표적화하도록 하여 넓은 범위의 보호를 제공할 수 있다. 다수의 물질을 표적화하기 위하여 주름진 화학물질 요소와 필터 베드를 조합하여 사용하면 작은 부피, 상대적으로 낮은 압력 강하 및 비교적 높은 파과 시간을 유지하면서 넓은 보호 범위를 제공한다. 본 발명에 적합한 가능한 응용은 군사적 시스템, 응급처치자 시스템, 및 산업적 호흡 보호 시스템을 포함할 수 있다.
예시적인 필터 조립체(10)의 단면도가 도 1에 도시되어 있다. 이 실시 형태에서, 필터 시스템(10)은 필터 베드(11)를 포함하며, 필터 베드는 다시 화학물질 여과 매체(13)를 포함한다. 화학물질 여과 매체(13)는 흡수제, 촉매 또는 화학적 반응성 매체 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 일부 예시적인 실시 형태에서, 흡수제 및/또는 촉매는 적어도 부분적으로 입자 형태로 배치될 수 있다. 예를 들어, 입자는 펠렛, 비드, 또는 과립형 흡착성 물질 형태일 수 있다.
흡수제 입자를 위한 메쉬 크기는 약 20 × 40일 수 있으며, 여기서 '20'은 실질적으로 모든 입자가 통과하는 메쉬 밀도를 말하며 '40'은 실질적으로 모든 입자를 보유하기에 충분히 높은 메쉬 밀도를 말한다. 예를 들어, 20 × 40의 메쉬 크기는 실질적으로 모든 입자가 7.8개 와이어/센티미터(20개 와이어/인치)의 메쉬 밀도를 갖는 메쉬를 통과할 것이며 실질적으로 모든 입자가 15.7개 와이어/센티미터(40개 와이어/인치)의 밀도를 갖는 메쉬에 의해 보유될 것임을 의미한다. 적절한 메쉬 크기의 선택은 공기 유동 저항에 대한 필터 용량 및 밀도의 균형을 맞출 것을 요구한다. 일반적으로 미세한 메쉬 크기는 더 큰 밀도 및 필터 용량을 제공하지만, 또한 높은 공기유동 저항을 제공한다. 이들 관계를 조화시켜, 본 발명에서 적합한 것으로 밝혀진 메쉬 크기의 구체적 예는 12 × 20, 12 × 30, 12 × 40 및 20 × 40을 포함하지만 이로 한정되지 않는다.
필터 베드(11)는 활성탄, 알루미나, 제올라이트, 실리카 등 중 임의의 하나 이상을 포함하는 흡수제 입자를 포함할 수 있다. 본 발명에 사용될 수 있는 입자의 구체적인 예는 구리, 은, 아연, 몰리브덴, 및 트라이에틸렌다이아민(TEDA)으로 함침된 예시적인 활성탄과 암모니아(NH3) 및 유기 증기(OV)를 제거하는 염화아연(ZnCl2) 처리된 탄소를 포함한다. 적합한 입자는 또한 활성탄, 예를 들어, 구리, 아연, 몰리브덴, 황산 및 그의 염 중 하나 이상을 포함하는 다중가스 활성탄, 예를 들어, 칼곤 카본 코포레이션(Calgon Carbon Corporation)으로부터 입수가능한 탄소, 및 특히 유니버셜 레스피레이터 카본(Universal Respirator Carbon)(URC)과 같은 활성탄 유형을 포함하는데, URC는 20% 이하의 총량의 구리와 아연, 최대 10%의 몰리브덴 화합물, 최대 10%의 황산 또는 그의 염을 포함하며, 산성 가스(예를 들어, SO2, H2S), 염기성 가스(예를 들어, NH3), 시안화수소 및 유기 증기(예를 들어, CCl4, 톨루엔, 대부분의 탄화수소)를 제거할 수 있다. 다른 예시적인 입자는 산성 가스, 시안화수소 및 유기 증기를 제거할 수 있는 미국 특허 제5,344,626호에 설명된 바와 같은 아세트산아연 및 탄산칼륨 처리된 탄소 물질; 또는 유기 증기를 제거할 수 있는 추가 화학물질이 없는, 코코넛 기반, 산 세척된 탄소와 같은 미처리 탄소를 포함한다.
필터 베드(11)는 흡수제 입자 대신 또는 그에 더하여 촉매 및/또는 지지된 촉매를 포함할 수 있다. 촉매는 표적화된 화학물질 또는 화학물질들이 필터 베드(11)를 통과할 때 그들과의 반응을 촉진하여 그들을 비독성 또는 잘-보유되는 화학종으로 전환시킨다. 예를 들어, 필터 베드는 촉매 물질, 예를 들어 산화구리 및 이산화망간의 조합(예를 들어, MSDS로부터의 촉매 유형 카루라이트(Carulite) 300) - 일산화탄소(CO), 시안화수소(HCN), 일부 산성 가스(예를 들어, SO2) 및 일부 염기성 가스(예를 들어, NH3)를 제거함 - 또는 나노 크기의 금 입자, 및 이산화티탄으로 코팅되고 나노 크기의 금 입자가 이산화티탄 층 상에 배치된 과립형 활성탄(미국 특허 출원 제2004/0095189 A1호) - CO, OV 및 기타 화합물을 제거함 - 을 포함할 수 있다.
도 1에 도시된 구체적 예시적 실시 형태에서, 필터 베드(11)는 두 개의 필터 베드 층(12)을 포함한다. 대안적으로, 필터 베드(11)는 3개, 4개 또는 그 이상의 필터 베드층을 가질 수 있거나 또는 단지 하나의 층을 가질 수 있다. 하나 초과의 필터 베드 층이 있는 실시 형태에서, 필터 베드 층(12)은 유사하거나 상이한 여과 특성을 가진 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기에 논의된 임의의 많은 물질이 필터 베드층(12)에서 사용될 수 있다.
예시적 실시 형태에서, 하나의 필터 베드층은 트라이에틸렌다이아민(TEDA), 바람직하게는 2 내지 5% TEDA로 처리된 과립형 활성탄(예를 들어, 피카 유에스에이, 인크(Pica USA, Inc.)으로부터의 활성탄 유형의 피카 나카르(Pica Nacar) B)을 포함할 수 있으며, 두 번째 필터 베드층은 구리, 아연, 몰리브덴, 황산 및 그의 염 중 하나 이상을 포함하는 활성탄(예를 들어, 20% 이하의 총량의 구리와 아연, 최대 10%의 몰리브덴 화합물, 최대 10%의 황산 또는 그의 염을 포함하는 URC)을 포함할 수 있다. 필터 베드층(12a, 12b)의 배치를 결정하기 위한 고려사항은, 예를 들어 필터 베드층(12b)이 유입 가스로부터 보호되어야 하는지 여부를 포함하며, 이 경우에 필터 베드층은 다른 베드층(12a)에 대하여 하류에 위치될 수 있고/있거나 전형적으로는 제거하기 특히 어려운 가스를 표적화하는 베드층(12b)은 하류에 위치된다. 필터 베드는 패킹된 흡수제 입자를 포함할 수 있으며 당업자에게 알려진 방법으로 제조될 수 있다. 예를 들어, 필터 베드는 미국 특허 제6,344,071호 또는 영국 특허 제606,867호에 설명된 스노우스톰 충전(snowstorm filling) 방법에 의해 제조될 수 있다. 필터 베드(11)는 또한 플라스틱 리테이너의 압축 및 스테이크 용접(stake welding)의 표준 방법에 의해 제자리에 유지되는 과립형 탄소 베드일 수 있다. 필터 베드(11)는 또한 미국 특허 출원 제2006/0096911호에 설명된 바와 같은 지지된 흡수제 입자 및/또는 미국 특허 제5078132호에 설명된 바와 같은 하나 이상의 접합된 흡수제 입자의 하나 이상의 층을 포함할 수 있다. 필터 베드(11)는 부가적으로 수용 본체, 보유 플레이트, 라이너, 압축 패드, 스크림 등을 포함하지만 이로 한정되지 않는 임의의 다른 적절한 구조적 구성요소를 포함할 수 있다.
도 1을 추가로 참고하면, 필터 조립체(10)는 또한 주름진 필터 요소(14)를 포함한다. 예시적인 주름진 필터 요소(14)는 미립자 여과 매체(15)와 화학물질 여과 매체(16) 둘 모두를 포함한다. 미립자 여과 매체(15)는 바람직하게는 멜트 블로잉 또는 니들 펠팅(needle felting) 공정으로부터 유도된, 부직 웨브와 같은 직물 재료로 구성될 수 있거나, 또는 대안적으로, 막이 적용될 수 있다.
바람직한 실시 형태에서, 여과 매체는 규제 표준에서 정의된 분류를 충족하기에 충분한, 서브-마이크로미터(sub-micron) 범위에 걸쳐 고효율 입자 포획을 제공한다. 일 예는 북아메리카에서 판매를 목적으로 하는 호흡 장치에 적용가능한 42 CFR 84의 P100 분류이다. 유럽 표준 하에서 유사한 수준의 성능은 P3으로 나타낸다. 낮은 충분한 압력 강하에서 요구되는 포획 성능 수준을 이루기 위하여, 표면 개질된 일렉트릿의 군으로부터의 멜트-블로운 부직 물질이 적용될 수 있다. 이들은 여과 응용에 대한 그들의 성능을 맞추기 위한 방식으로 가공된 멜트블로운 물질이다. 압출 후 가공은 섬유 표면에 불소화학을 적용하기 위한 표면 개질과 함께, 상승된 수준의 전하를 적용한다. 만일 니들-펠트가 적용되면, 이것은 또한 불소화학 처리를 포함한 일렉트릿 개질된 버젼이어야 한다. 만일 고효율 막이 적용되면 이들 처리가 필요하지 않지만, 막은 낮은 충분한 공기유동 저항에서 필요한 수집 효율을 제공할 필요가 있다. 적합한 막의 예는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 막이다. 일반적으로, 부직 매체는 5.2 cm/sec의 공기유동에서 약 180 Pa 미만의 저항을 제공하면서 수집 효율 필요를 충족시켜야 한다.
설명된 예시적 실시 형태에서, 미립자 여과 매체(15)와 화학물질 여과 매체(16)는 층의 형태로 배치되며, 미립자 여과 매체(15)는 화학물질 여과 매체(16)의 상류에 위치된다. 대안적으로, 화학물질 여과 매체(16)는 미립자 여과 매체(15)의 상류에 위치될 수 있다. 부가적으로, 미립자 여과 매체(15), 화학물질 여과 매체(16) 또는 둘 모두의 하나 초과의 층이 있을 수 있다. 다른 예시적 실시 형태에서, 미립자 여과 매체(15)와 화학물질 여과 매체(16)는 그들이 잘 한정된 층, 또는 임의의 층을 형성하도록 결합될 수 있다. 예를 들어, 화학물질 필터 매체(16)는 미립자 여과 매체에 걸쳐 산재된 활성 입자의 형태일 수 있다.
본 발명의 전형적인 실시 형태에서, 화학물질 여과 매체(16)는 적어도 하나의 필터 베드층(12)과 상이한 여과 특성을 보유한다. 화학물질 여과 매체(16)는 적어도 하나의 필터 베드층(12)과 상이한 화학물질 또는 상이한 화학물질 세트를 표적화하는 능력을 갖는다. 이것은 화학물질 여과 매체(16)와 필터 베드층(12)이 조화되어 작용하도록 한다. 예를 들어, 일부 필터는 활성화된 함침 탄소, 예를 들어, 구리, 은, 아연, 몰리브덴 및 TEDA 중 하나 이상으로 함침된 탄소를 포함하는 탄소 베드에 의존할 수 있다. 그러한 활성화되고 함침된 탄소의 한 예는 칼곤 카본 코포레이션으로부터의 ASZM-TEDA 유형 탄소이다(적합한 활성탄이 또한 미국 특허 제5,063,196호에 설명됨). 예시적인 ASZM-TEDA 탄소가 산성 가스, 시아노-가스 및 유기 증기와 같은 많은 부류의 화합물을 제거할 수 있지만, 이것은 암모니아와 같은 염기성 가스를 실질적으로 제거하지는 못한다. 이러한 잠재적인 한계를 극복하기 위하여, ZnCl2와 같은 암모니아-특이적 흡수제를 포함한 주름진 화학물질 여과 물질이 필터 조립체의 입구 측에 첨가될 수 있다. 이것은 필터 조립체의 크기와 중량을 크게 증가시키지 않고서 필터의 암모니아 제거 능력을 상당히 증가시킬 수 있다.
본 발명과 일치하는 다른 실시 형태에서, 화학물질 여과 매체(16)는 적어도 하나의 필터 베드층(12)의 여과 특성과 유사한 여과 특성을 보유한다. 이것은 작업 및 피난용 필터를 위한 현재의 NIOSH CBRN 표준에 부합하는 필터를 구성할 때 바람직할 수 있다. NIOSH CBRN 표준은 승인된 필터가 생물학적 및 다른 미립자, 및 독성 화합물 패밀리를 나타내도록 선택된 10가지 가스 목록을 제거할 것을 요구한다. 10가지 가스는 이산화황(SO2), 황화수소(H2S), 포름알데히드(H2CO), 암모니아(NH3), 시안화수소(HCN), 염화시아노겐(ClCN), 포스젠(COCl2), 사이클로헥산(C6H12), 이산화질소(NO2) 및 포스핀(PH3)이다. 전형적으로, 이들 유형의 표준을 충족하는 필터는 모든 그러한 가스를 제거할 수 있는 탄소를 이용하여, 또는 열거된 화합물 부류 모두를 집합적으로 제거하는 탄소 층을 이용하여 구성되었다. 두 경우 모두에서 상기 10가지의 세트로부터의 한 가지 가스는 과립형 흡수제 물질의 증가된 양을 요구한다. 현재 탄소 기술의 경우에, 이 가스는 종종 암모니아이다. 이 경우에, 본 발명에 따라, ZnCl2와 같은 암모니아-특이적 흡수제를 포함한 주름진 화학물질 여과 물질이 필터의 입구 측에 첨가되어, 소형 크기를 유지하면서 암모니아 파과 시간을 7분에서 30분으로 증가시킬 수 있다.
본 발명의 다른 실시 형태에서, 화학물질 여과 매체(16)는 패킹된 베드 내의 탄소 중 하나 이상의 제거 능력과 유사한 화학물질 제거 능력을 보유한다. 예를 들어, URC와 같은 다중가스 활성탄을 포함한 주름진 화학물질 여과 물질의 첨가로, 암모니아 및 이산화황 파과 시간은 각각 1분에서 14분으로 그리고 6분에서 21분으로 증가될 수 있다.
일부 실시 형태에서, 미립자 여과 매체(15) 및 화학물질 여과 매체(16)는 개별 시트로 제공되고 필터 조립체(10)에서 망(예를 들어, 열가소성 망)과 함께 유지될 수 있다. 바람직한 실시 형태에서 망은 2중 평면형(bi-planar) 폴리프로필렌 압출 망이다. 적합한 2중 평면형 폴리프로필렌 압출 망의 예는 마스터넷 컴퍼니(MasterNet Company)에 의해 제공되는 상표명 벡사르(Vexar) 등급 L190 또는 L185 제품을 보유한 제품, 또는 다른 적합한 제품과 같은 상업적 제품이다. 대안적으로, 미립자 여과 매체(15)와 화학물질 여과 매체(16)는 경화층과 함께, 하나의 단위로 라미네이팅되고 주름형성되어 주름진 필터 요소(14)를 형성할 수 있다. 소용돌이 유형의 접착제 라미네이션 공정 또는 라미네이팅 웨브가 3개 층을 연결하기 위해 적용될 수 있다.
도 2는 본 발명의 주름진 요소에 사용하기 적합한 예시적인 화학물질 여과 매체를 개략적으로 도시한다. 이러한 예시적인 실시 형태에서, 화학물질 여과 매체는 중합체 섬유(21)의 부직 웨브(20)를 포함한다. 부직 웨브는 섬유의 얽힘 또는 점 접합을 특징으로 하는 섬유질 웨브일 수 있다. 예를 들어, 웨브는 다수의 오리피스를 통해 섬유-형성 물질을 압출시켜 필라멘트를 형성하는 한편 필라멘트를 공기 또는 다른 가늘게 하는 유체(attenuating fluid)와 접촉시켜 필라멘트를 섬유로 가늘게 한 후 가늘어진 섬유의 층(21)을 수집함으로써 형성될 수 있다. 웨브(20)는 다공성이어서 유체와 가스에 투과성이다. 일 실시 형태에서, 60 중량% 초과의 흡수제 입자(22)가, 예를 들어 참고로 본 명세서에 포함되는 미국 특허 출원 제2006/0096911 A1호에서 설명된 멜트블로잉 방법을 이용함으로써 부직 웨브(20)에 포착된다. 다른 예시적 실시 형태에서, 80 중량% 이상의 흡수제 입자(22)가 부직 웨브(20)에 포착될 수 있다. 포착된 입자(22)는 웨브에 충분히 접합되거나 웨브 내에 포획되어 웨브를 부드럽게 취급할 때 웨브 내에 또는 웨브 상에 남아 있을 수 있다.
섬유(21)는 열가소성 탄성중합체 폴리올레핀, 열가소성 폴리우레탄 탄성중합체, 열가소성 폴리부틸렌 탄성중합체, 열가소성 폴리에스테르 탄성중합체, 또는 열가소성 스티렌 블록 공중합체를 포함할 수 있다. 웨브(20)에 포착된 흡수제 입자(22)는 활성탄, 활성 알루미나, 제올라이트, 실리카, 촉매 지지체 등을 포함할 수 있다. 필터 베드층(12)에 사용되는 임의의 유형의 입자는 또한 부직 웨브(20)에 사용될 수 있다. 흡수제 입자(22)를 위한 메쉬 크기는 약 40 × 140일 수 있다. 흡수제 입자(22)를 위한 메쉬 크기는, 일부 경우에, 주름형성 공정 및 웨브(20) 내의 입자(22)의 중량에 영향을 줄 수 있다. 예를 들어, 더 작은 입자(22)를 포함한 주름진 물질은 더 균일한 입자 분포를 가질 수 있다. 이들 인자를 고려하여, 예를 들어, 웨브(20)는 약 20 × 40 내지 약 100 × 140을 포함하는 메쉬 크기를 가진 흡수제 입자(22)를 포함할 수 있다.
웨브(20)는 미립자 여과 매체(16)와 함께 주름형성될 수 있다. 주름진 웨브(20) 내의 주름은 대체로 U-형상의 외형을 가질 수 있다. 더 큰 주름은 더 큰 표면적을 제공하며 또한 더 낮은 압력 강하를 야기한다. 예를 들어, 주름은 약 15 mm 높이, 또는 그보다 높거나 낮을 수 있다. 주름의 피크들 사이의 거리는 약 3 mm 내지 약 8 mm, 또는 그 이상 또는 그 이하의 범위일 수 있다. 주름의 피크들 사이의 거리는 종종 웨브(20)의 두께에 의존한다. 주름은 칼날 스타일의 주름형성 장치 및 푸셔 바(pusher bar) 스타일 주름형성 장치를 비롯한 당업계에 알려진 것과 같은 임의의 적합한 시스템을 이용하여 생성될 수 있어서, 일반적으로 U 형상 주름 프로파일로 설명될 수 있는 것을 가져올 수 있다. 본 명세서에서 지칭되는 함께 주름형성하는 것은 주름형성 기계에 개별적으로 주름형성될 층들을 도입하는 것을 포함할 수 있다. 층은 적합한 풀림 스탠드(unwind stand) 상에 탑재된 다수의 롤로부터 공급된다.
도 3은 하우징(330) 내에 배치된 필터 시스템(310)을 포함하는 예시적인 필터 조립체(300)의 절취도를 도시한다. 필터 시스템(310)은 하우징(330)의 내부(331)에 배치된다. 하우징(330)은 유체 출구(333)와 유체 연통하는 유체 입구(332)를 갖는다. (가스와 같은) 유체는 유체 입구(332) 내로 강제로 보내지거나 자연적으로 유체 입구로 유동할 수 있다. 그곳으로부터 유체는 전형적으로 유체 입구(332)에 가장 가깝게 배치된 필터 요소로 시작해서, 필터 요소 각각을 순차적으로 통과한다. 이어서, 여과된 유체는 최종적으로 유체 출구(333)를 통과한다. 일 실시 형태에서, 유체의 유동은 필터 베드(311)를 통과하기 전에 주름진 필터 요소(314)를 통과한다. 대안적 실시 형태에서, 유체는 주름진 필터 요소(314)를 통과하기 전에 필터 베드(311)를 통과한다. 따라서, 주름진 필터 요소(314)는 필터 베드(311)의 상류 또는 하류에 배치될 수 있다. 필터 조립체(300)는 대체로 평면형인 구성을 갖는 것으로 예시되며, 하우징(300)은 대체로 평면형인 구성을 갖는 것으로 구성될 수 있다. 그러나, 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 필터 조립체는 비평면형 구성과 같은 임의의 다른 적합한 구성을 가질 수 있다.
도 4는 비평면형 구성을 가진 필터 조립체(400)의 예시적 실시 형태를 보여준다. 여기서, 필터 조립체(400)의 구성은 대체로 원통형이다. 필터 시스템(410)은 일반적으로 원통형 형상을 가질 수 있는 하우징(440) 내에 배치된다. 이러한 예시된 실시 형태에서, 필터 입구(432)는 대체로 원통형인 동심원 필터 요소의 내부 링 내에 배치되며 필터 출구(433)는 대체로 원통형인 구성(400)의 주변부에 배치된다. 대안적 실시 형태에서, 필터 출구(433)는 동심원 필터 요소의 내부 링 내에 배치되며 필터 입구(432)는 원통형의 동심원 필터 요소의 주변부에 배치된다. 유체는 필터 입구(432)를 통해 필터 조립체(400) 내로 펌핑되거나, 송풍되거나, 자연적으로 유동한다. 이어서 입구(432)에 가장 가까이 위치한 필터 요소로 시작해서 출구(432)를 통해 나가기 전에 출구(432)에 가장 가까이 위치된 필터 섹션을 끝으로 하여 순차적으로 각각의 필터 요소를 통과한다.
도 5는 예시적인 호흡 보호 장치(500)를 예시하며, 여기서 본 발명에 따른 예시적인 필터 조립체가 포함될 수 있다. 호흡 보호 장치는 사용자(553)의 적어도 코와 입을 둘러싸는 안면 편부(551)를 가진다. 안면 편부(551)는 내부 부분(554)을 가진다. 호흡 보호 장치(550)는 안면 편부(551)의 내부 부분(554)에 공기를 공급하기 위해 입구(532)와 필터 조립체(510)를 통과하는 유체 (예를 들어, 공기) 흡입 통로를 가진다. 여과된 공기는 그에 의해 사용자(553)가 이용가능하게 된다. 내쉬는 공기는 출구(533)를 통해 안면 편부(551)의 내부 부분(554)으로부터 강제로 보내질 수 있다. 입구(532)와 출구(533)는 통상 서로 유체 연통한다. 호흡 보호 장치(500)는 풀 페이스 또는 후드형의 피난용 호흡기이거나, 또는 사용자 안면의 대략 절반을 덮는 마스크일 수 있다. 대안적으로, 본 발명과 일치하는 필터 시스템은 또한 개별 사용자에게 공기유동을 제공하는 송풍기를 포함하는 전동 공기 정화 호흡기에서, 또는 건물, 탱크, 텐트, 및 배에서의 것과 같은 집단 보호 시스템에서 사용될 수 있다.
실시예
두 가지 스타일의 샘플 필터를 10.54 cm(4.15 인치) 직경의 원통형 카트리지 본체에 조립하였다. 카트리지 본체를 과립형 흡수제 물질로 충전하였다. 일 예에서, TEDA로 처리된 URC인, 과립형 활성탄 물질의 단층을, 스톰-충전 공정을 이용하여 최적의 패킹 밀도를 제공하도록 적용하였다. 충전 공정 후 제곱센티미터당 대략 2.1 내지 2.5 kg(제곱인치당 30 내지 35 파운드)의 압축 부하를 층화된 흡수제 구조체에 적용하고, 흡수제 구조체의 상부에 위치된 플레이트를 통해 전달시켰다. 플레이트는 공기 통과를 허용하기 위한 구멍을 가졌다. 다음으로, 이 플레이트를 8개 위치에서 필터 본체에 초음파처리로 고정시켜 완성된 조립체 내의 압축 부하를 유지하였다. 두 번째 예에서, TEDA로 처리된 URC인 과립형 활성탄 물질 및 나노 크기의 금 입자를 포함한 촉매의 두 개의 순차적인 층을 실시예 1을 위해 상기한 동일한 절차를 이용하여 10.54 cm(4.15 인치) 직경의 원통형 카트리지 본체에 조립하였다.
ZnCl2-처리된 탄소를 포함한 화학물질 여과 매체를 라보프스키 게엠베하(Rabofsky GmbH)에 의해 제조된 칼날 주름형성 장치를 이용하여 미립자 여과 매체와 함께 주름형성하였다. 미립자 매체는 불소화학 처리된 대전된 웨브였다. 첫 번째 샘플 필터에서, 화학물질 여과 매체는 웨브에 포착된 염화아연(ZnCl2)으로 처리된 대략 600 그램/제곱미터의 탄소 입자를 가진 중합체 섬유의 부직 웨브를 포함하였다. 웨브는 미국 특허 출원 제2006/0096911호에서 설명되는 멜트블로잉 방법으로 형성하였다. 두 번째 샘플 필터에서, 화학물질 여과 매체는 상기한 중합체 섬유의 부직 웨브를 포함하였으며 활성탄 URC를 포함하였다. 이어서 주름진 요소를 탄소 베드에 첨가하고 원심 스핀-캐스팅 방법을 통해 적용된 폴리우레탄 접착제로 제자리에 밀봉하였다.
독성 가스(NH3 또는 SO2)를 공지된 농도의 압축 가스 실린더로부터 취하여 적절한 상대습도(RH)로 조절된 보급 공기와 혼합하였다. 이러한 조합된 챌린지 스트림(challenge stream)의 농도, RH 및 유동을 측정하고, 기록하고 시험 지속 동안 일정한 값으로 조절하였다. 일단 상기 특성이 확인되면, 챌린지 스트림을 시험 챔버 내의 샘플에 적용하였다. 독성 가스의 농도는 적절한 검출기에 의해 시험 샘플의 하류에서 모니터링하였다. 특정 파과 농도가 시험 샘플의 하류에서 도달되면, 시간을 기록하고 독성 가스 유동을 중지시켰다. 이어서 샘플 상자를 공지 기간 동안 청정 공기로 세정하였다. 시험 상자의 세정 후, 사용된 시험 샘플을 시험 상자로부터 꺼내어 독성 폐기물로서 처분하였다.
시험에 사용된 정확한 조건은 최종 필터의 원하는 보호 수준과, 승인이 필요하다면 최종 필터가 승인될 표준에 의존한다. 작업 및 피난용 스타일 필터를 위한 NIOSH 규정의 시험 조건의 예가 하기 표 1에 나타나 있다.
Figure pct00001
두 가지 유형의 필터를 암모니아(NH3)를 여과하는 그들의 성능에 대해 시험하였으며, 그 이유는 NH3가 종종 NIOSH 화학, 생물학, 방사선 및 원자력(CBRN)용 호흡기 표준을 충족하기 위해 호흡 필터가 제거할 것이 요구되는 다른 9가지 가스에 비하여 호흡기에서 증가된 탄소 부피에 대한 필요를 야기하기 때문이다. 필터를 APER 시험 조건에 따라 시험하였으며, 이것은 피난 및 대피 응용을 목적으로 하는 필터에 적용된다. 85 LPM에서 두 필터의 각각에 대해 측정된 파과 시간 및 압력 강하가 도 6에 나타나 있다.
두 필터를 위험한 작업 및 출입 환경에서 사용되는 필터를 위해 설계된 보다 완강한 APR 시험 조건에 따라 두 번째로 시험하였다. 85 LPM에서 이들 두 필터의 각각에 대해 측정된 파과 시간과 압력 강하가 도 7에 나타나 있다. 두 필터는 설명된 시험 조건 하에서 우수한 성능을 입증하였다. 구체적으로, 도 6에 나타나 있는 바와 같이, TEDA로 처리된 URC를 포함한 필터 베드와 ZnCl2 처리된 탄소를 포함한 주름진 필터 요소의 조합은 30분 파과 시간을 야기한 반면 개별적인 필터 요소는 각각 단지 7분과 13분의 파과 시간을 가졌다.
바람직한 실시 형태들과 관련하여 본 발명을 설명하였지만, 당업자라면 본 발명의 사상 및 범주로부터 벗어나지 않고서 형태 및 세부 사항에서 변화가 이루어질 수도 있음을 인지할 것이다.

Claims (23)

  1. 적어도 하나의 화학물질 여과 매체를 포함하는 필터 베드; 및
    미립자 여과 매체 및 적어도 하나의 화학물질 여과 매체를 포함하는 주름진 필터 요소를 포함하며,
    주름진 필터 요소의 적어도 하나의 화학물질 여과 매체 및 필터 베드의 적어도 하나의 화학물질 여과 매체는 상이한 화학 물질을 표적화할 수 있는 필터 조립체.
  2. 제1항에 있어서, 필터 베드는 과립형 흡수제 물질을 포함하는 필터 조립체.
  3. 제1항에 있어서, 필터 베드는 복수의 층을 포함하는 필터 조립체.
  4. 제1항에 있어서, 필터 베드와 주름진 필터 요소 중 적어도 하나는 흡수제, 촉매, 화학 반응성 매체 및 그의 임의의 조합 중 적어도 하나를 포함하는 필터 조립체.
  5. 제1항에 있어서, 필터 베드와 주름진 필터 요소 중 적어도 하나는 활성탄, 알루미나, 제올라이트, 실리카, 촉매, 촉매 지지체 및 그의 임의의 조합 중 적어도 하나를 포함하는 필터 조립체.
  6. 제1항에 있어서, 필터 베드와 주름진 필터 요소 중 적어도 하나는 다중가스 흡수제 입자를 포함하는 필터 조립체.
  7. 제1항에 있어서, 주름진 필터 요소는 미립자 여과 매체의 적어도 하나의 층 및 화학물질 여과 매체의 적어도 하나의 층을 포함하는 필터 조립체.
  8. 제7항에 있어서, 미립자 여과 매체의 적어도 하나의 층은 화학물질 여과 매체의 적어도 하나의 층으로부터 탈착되며 상기 층들은 망과 함께 유지되는 필터 조립체.
  9. 제1항에 있어서, 필터 베드의 적어도 하나의 화학물질 여과 매체는 과립형 탄소를 포함하며;
    주름진 필터 요소는 대전된 웨브의 적어도 하나의 층 및 염화아연으로 처리된 탄소 입자가 있는 부직 웨브의 적어도 하나의 층을 포함하는 필터 조립체.
  10. 내부, 입구 및 입구와 유체 연통하는 출구를 가진 실질적으로 유체-불투과성인 하우징;
    하우징의 내부에 배치된 화학물질 여과 매체를 포함하는 필터 베드; 및
    하우징의 내부에 배치되며, 미립자 여과 매체 및 화학물질 여과 매체를 포함하는 주름진 필터 요소를 포함하는 필터 조립체.
  11. 제10항에 있어서, 주름진 필터 요소의 적어도 하나의 화학물질 여과 매체 및 필터 베드의 적어도 하나의 화학물질 여과 매체는 상이한 화학 물질을 표적화할 수 있는 필터 조립체.
  12. 제10항에 있어서, 필터 베드는 복수의 층을 포함하는 필터 조립체.
  13. 제10항에 있어서, 필터 베드와 주름진 필터 요소 중 적어도 하나는 흡수제, 촉매, 화학 반응성 매체 및 그의 임의의 조합 중 적어도 하나를 포함하는 필터 조립체.
  14. 제10항에 있어서, 필터 베드와 주름진 필터 요소 중 적어도 하나는 활성탄, 알루미나, 제올라이트, 실리카, 촉매, 촉매 지지체 및 그의 임의의 조합 중 적어도 하나를 포함하는 필터 조립체.
  15. 제10항에 있어서, 주름진 필터 요소는 미립자 여과 매체의 적어도 하나의 층 및 화학물질 여과 매체의 적어도 하나의 층을 포함하는 필터 조립체.
  16. 화학물질 여과 매체를 포함하는 필터 베드; 및
    주름진 필터 요소를 포함하며,
    주름진 필터 요소는 중합체 섬유의 부직 웨브 및 웨브에 포착된 60 중량% 초과의 흡수제 입자를 포함하는 필터 조립체.
  17. 제16항에 있어서, 필터 베드 내의 흡수제 입자 및 웨브에 포착된 흡수제 입자는 상이한 화학 물질을 표적화할 수 있는 여과 특성을 보유하는 필터 조립체.
  18. 제16항에 있어서, 섬유는 열가소성 폴리우레탄 탄성중합체, 열가소성 폴리부틸렌 탄성중합체, 열가소성 폴리에스테르 탄성중합체, 및 열가소성 스티렌 블록 공중합체, 또는 그의 임의의 조합 중 적어도 하나를 포함하는 필터 조립체.
  19. 제16항에 있어서, 흡수제 입자는 활성탄, 알루미나, 활성탄, 알루미나, 제올라이트, 실리카, 촉매, 촉매 지지체 또는 그의 임의의 조합 중 적어도 하나를 포함하는 필터 조립체.
  20. 착용자의 적어도 코와 입을 대체로 둘러싸는, 내부 부분을 갖는 안면 편부; 안면 편부에 연결된 제1항, 제10항 또는 제16항 중 어느 한 항의 필터 조립체; 및 내부 부분에 공기를 공급하기 위한 공기 흡입 통로를 포함하고, 통로는 제1항, 제10항 또는 제16항 중 어느 한 항의 필터 조립체를 통과하는 호흡 보호 장치.
  21. 제1항, 제10항 또는 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 필터 요소는 평면형, 만곡형 또는 원통형 배열로 배치되는 필터 조립체.
  22. 제1항, 제10항 또는 제16항에 있어서, 주름진 필터 요소는 필터 베드의 상류에 배치되는 필터 조립체.
  23. 제1항, 제10항 또는 제16항에 있어서, 주름진 필터 요소는 필터 베드의 하류에 배치되는 필터 조립체.
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