카트리지 필터(cartridge filter)는 단순한 하나의 형태가 아닌 여러 종류의 형태로 제작돼 왔으며 그동안 다소 변화가 있었다. 그러나 기본적으로 원형의 하우징 형태로 필터 엘리먼트(filter element) 장착이 가능하며, 입출력용 파이프를 취부(取付, 부착)할 수 있는 구조이다. 또한 쉽게 하우징을 개방해 카트리지 필터 교환을 용이하게 할 수 있도록 되어 있다.

하우징은 카트리지의 탈착을 위해 쉽게 개방 될 수 있는 구조이며 주변의 파이프 배관 장치와 가장 간단한 방법으로 연결 가능하도록 설계된다. 카트리지 필터와 백 필터(bag filter)는 개별 유니트의 사용이 일반적이나 실제 사용 시에는 복합 형태, 즉 2개의 하우징이 병렬로 구성되며 이러한 다중 구조(duplex form)는 하나의 장치가 여과의 고유기능을 하는 서비스 운전 중에는 다른 장치는 세정이나 교환 작업 등을 오프라인에서 수행하는 특징이 있다.

또한 매우 많은 양의 필터 엘리먼트가 하나의 커다란 압력 베셀 내에 서로 병렬로 장착되어 있는 구조도 있다. 이러한 다수의 필터 엘리먼트들은 많은 양의 부유물질(suspended solid)이 함유되어 있는 원수의 경우에 사용되며, 개별로, 그룹별로, 시스템 전체로 세정 혹은 교체 작업이 가능하다.

카트리지 필터는 기본적으로 원형구조로, 천공구조의 중심부(central perforated core)에 수많은 여과재(filter media)로 둘러싸여 있다. 유량의 흐름은 필터의 외부에서 여과재를 거쳐 중심부의 코어 외부를 통해 흐르게 된다. 이 때 부유성 고형물질들은 필터 엘리먼트의 외부 표면, 심층 여과(depth filtration)의 경우, 여과재 내부 틈새사이에 축적됨으로 인해 제거기능이 일어난다.

이러한 고형물질들은 적절하게 Back flushing(순간적인 역방향 세정수에 의한 세척) 혹은 고형물이 침적된 표면을 브러싱을 이용한 세척(brushing·scrapping)으로 필터의 깨끗한 상태를 유지할 수 있다.

 

The cartridge filter is not only one of the simplest forms of filter, and therefore, almost certainly, the most numerous of all types, but also it is probably the least changed over the passing years: a basically cylindrical filter element, held in a correspondingly cylindrical housing, that carries the liquid inlet and outlet pipes, and can open in some convenient way to allow the cartridge to be changed when it is full or exhausted.

The housing will be shaped in a way that best allows its opening for cartridge removal, and enables it to fit most conveniently into the surrounding pipework array. The cartridge or bag filter is most commonly found as a single unit, but it is more usefully supplied in duplex form, with two housings side-by-side(or as a single unit capable of taking two elements in parallel).

The duplex arrangement, with suitable piping and valves, allows one element to be taken off-line for cleaning or changing, whilst the other remains in service to continue filtration. A third variant has a significant number of elements(cartridges or bags) mounted parallel to one another in a single large, usually pressurised, containment vessel.

These multiple element filters are used for process applications, where a significant amount of suspended solid is to be collected, and the elements can be cleaned or changed individually, in groups, or by shutting down the whole filter.

For most cartridge elements, which consist of some filter medium surrounding a central perforated core(or a fabricated structure, still basically cylindrical), the flow of liquid is from the outside, through the medium and out from the axis. Suspended solids are thus removed from suspension to be deposited on the outside of the element, or in the interstices of the filter medium if it is operating by depth filtration. The element can then be cleaned in place by back flushing(a short burst of reverse liquid flow) or by brushing or scraping free of collected solids - or the whole element can be removed and cleaned mechanically or chemically.

▲ Porex사의 ‘Radial Cartridge Filter’ 브랜드로 제작된 rigid polyethylene elements 제품은 주름진 부분 자체의 양쪽 방향 모두에서 원형의 구배(句配)를 갖도록 설계되어 여과 총면적을 더욱 증가시킨 결과를 가져왔다.

■ 백 필터 백 필터(bag filter) 장치는 양방향(out-to-in 및 in-to-out) 흐름 운전이 모두 가능하며, 이 경우 내압식(in-to-out) 흐름에서는 bag의 외부에 지지대(support cage)를, 그리고 외압식(Out-to-in) 흐름에서는 bag의 내부에 지지대(support cage)를 설치한 구조이다.

외부 지지대의 경우, bag 자체 내부에 고형물질이 완전히 부착되면(운전차압이 허용치 이상 도달하면) 고형물질을 제거하기 위해 bag 자체를 해체하는 구조로, 이는 가장 일반화된 장치이며 개별 혹은 다중 구조(duplex bag filter)로 설계된다.

반면, 내부 지지대의 경우에는 bag 외부에 고형물질이 부착되며 이들은 백플러싱(back flushing)에 의하여 제거될 수 있는 구조로서 고형물 함유가 많은 원수 처리 시의 다중 multi-bag filter 설계에 적합하다.
필터의 백(filter bag) 자체는 필터 요구수준 증가에 따른 기공의 정밀성을 보장하는 제조 관점에서는 만족스럽지는 않다. 그 이유는 제조과정 중심(seam)을 스티칭(stitching)하는 과정에서 발생되는 커다란 크기의 홀(hole)로 인하여 원하지 않는 조대입자들이 필터를 통과될 우려가 있기 때문이다.

따라서 seamless bag을 개발하기 위한 여러 제조사들의 노력은 다양한 합성물질(synthetic media) 개발로 보다 정교한 cut point를 가지며 bag의 사용수명을 연장하는 개발을 추진하고 있다.

 

Bag filters, on the other hand, can operate with liquid flow in either direction (out-to-in or in-to-out), with a support cage outside the bag, for in-to-out flow, or inside the bag for flow in the reverse direction.
External support results in solid accumulation inside the bag, with the whole bag removed for emptying when full(i.e. when the working pressure drop reaches its maximum acceptable level); this arrangement is most common for single or duplex bag filters.

An internal cage, by contrast, holds the bag open against the pressure of the liquid flow, and allows build up of solid on the outside of the bag, from which it can be washed by back flushing(or blown off by a reverse blast of compressed air).

A small amount of flexibility in the bag material allows it to expand slightly during the reverse flow, away from its support, so cracking the accumulated cake and permitting its easier removal from the bag.
This arrangement is commonly found in multi-bag filters, which are used for higher solids loadings. Filter bags fell out of favour as demands on simple filters grew, in terms of fineness of cut, because of the much larger holes created by stitching up the seams, which allowed passage of unwanted coarse particles.

The relatively recent ability of filter bag manufacturers to make seamless bags has given such devices a new lease of life, with much finer cut points available, in a wide range of synthetic media.

■ 카트리지 부품 필터용의 카트리지 부품은 2가지 형태가 존재하며, 그중 하나는 엘리먼트가 rings, discs, yarns등 형태의 부속품 상태로 제작되는 것이다. 이들은 그 자체로는 여과특성이 없으며 완제품 엘리먼트 상태로 조립이 이루어졌을 때만 가능하다. 링(rings) 형태는 사이사이에 좁은 공간(narrow space)와 함께 적층된 스택(stack) 형태로 조립되며 섬유사 yarns 제품은 여러 개의 층(successive layers)으로 중앙의 코어에 감겨있는 상태로서 각층별로 권선이 이루어진 모양은 이전 층과 약간의 각도를 갖고 있다.

섬유사 실(yarn 혹은 string) 권선의 엘리먼트는 액상 여과 공정에 가장 보편적인 것으로 개별 yarn 사이의 공간뿐만 아니라 yarn으로 이루어진 개별 섬유사(fibre) 사이의 공간에서 여과작용이 이루어지는 장점을 가지고 있다.

그러나 이러한 대중성에도 불구하고 기공이 균일하지 않은 점, 그리고 특히 섬유사 조각들이 처리수로 이동되는 등의 단점도 가지고 있으며, 이러한 문제는 현재 연속 필라멘트(continuous filaments) 공정으로부터 만들어지는 yarn의 사용으로 해결될 수 있다(Syntech사의 Aqua Clean cartridge).

 

Cartridge filters The filter cartridge is available in two broad classes of format. In one, the element is fabricated from components, such as rings, discs or yarns, which are not, in themselves, capable of filtering, and only become so when made up into the element ­ the rings as a stack held together with narrow spaces between them, the yarns when wound on a core with successive layers each at a slight angle to the previous one.

The yarn (or string) wound elements are the most commonly used cartridges in liquid filtration, having the advantage of filtration not only in the spaces between the turns of yarn, but also between the fibres of the yarn itself. Despite their popularity, yarn wound elements made from staple fibres have the disadvantages of inconsistent porosity, and, more particularly, of the migration of fibre fragments into the filtrate.

This is now largely overcome by the use of yarns made from continuous filaments(such as in Syntech’s Aqua Clear™ cartridges). These yarns also have random loops protruding from the surface of the yarn, which become trapped under adjoining yarns, thus holding the medium fixed and stable.

 

또 다른 카트리지 필터 종류로 섬유사 미디어(filter media)가 매우 큰 형태 완제품에서 잘린 상태로 제작, 혹은 엘리먼트(elements) 크기와 일치하도록, 엘리먼트 중앙 내부의 코아(core)와 일치되도록 일정한 크기로 제작되는 형태가 있다. 또한, flat material 제작과 동일한 공정으로 element core의 현재 위치에 부합되도록 제작되는 것들이 있다.

따라서 flat paper sheet, spun-bonded 혹은 멤브레인 형태로 제작되는 제품은 적절한 보호용 메시 재질(mesh material)을 유지한 채 일정한 크기로 잘리거나, 주름진 형태로 되거나, 중앙의 코아(central core) 주위로 권선되는 형태로 만들어진다. 반면에 filter와 resin의 혼합물질이 코아(core)표면에 필요로 하는 두께를 갖도록 분사되어 이후 resin에 열을 가하여 레진접합 카트리지(resin-bonded cartridge)로 제작되는 경우도 있다.

일반적으로 카트리지 장치는 중앙의 코아(core) 부품, 지지용 메시(supporting mesh) 및 spacers를 가진 filter media 부품 그리고 end-cap 부품으로 구성된다. 카트리지 제조기술에서의 중요한 변화는 위와 같은 구성요소들이 모두 동일한 재질로 만들어져 사용이 끝난 엘리먼트들은 소각처리 등으로 안전하고 쉽게 처리가 가능하도록 개발하는 것이다.

필터 elements 제조에 있어서 가장 중요한 특징으로는, 섬유사 권선(yarn wound) 및 디스크형 종이필터(paper disc) 형태로 제작되는 카트리지를 제외하고, 대부분 금속성 소재로 제작된다는 것이다.
따라서 처리현장에서 브러쉬나 스크래퍼(scrapper)로 엘리멘트 자체를 손상시키지 않고 현장에서 세정이 가능하다. Russel사의 EcoFilter 제품이 좋은 예로서 필터를 통하여 여과 작용이 이루어지는 동안 wiper blades에 의하여 축적된 고형물질이 표면으로부터 제거된다.

 

In the other main class of cartridge filter, the filter medium of the element is cut from a much larger piece, or made in its original form in the right size, to fit the element or be fitted around a central core in the element, or is formed in situ on the element’s core by the same process as would be used to make flat material.

Thus a flat sheet of paper, or spunbonded or membrane material, with appropriate protective meshes, is cut to size, pleated, wrapped around a central core, and its edges sealed to make a pleated cartridge. Alternatively, a mixture of fibres and resin may be sprayed onto the core, to a required thickness, and then heated to set the resin, to form a resin-bonded cartridge.

A cartridge may thus consist of a core, some filter medium, perhaps with supporting meshes and spacers, and end-caps. An important change in cartridge fabrication technology, whose effects are still only slowly working their way through the industry, came with the recognition that all of these components should be made from the same material, so that the exhausted element could be safely and easily disposed of, by, for example, incineration.
An important advantage of the constructed element filters is that, apart from the yarnwound and paper disc cartridges, they are mostly made of metal, and so are very robust.

This enables the elements to be cleaned in situ by means of brushes or scrapers, without damage to the filter medium. A good modern example of such a filter is Russell’s EcoFilter®, which keeps the medium surface clear of accumulated solids, by means of wiper blades, whilst liquid continues to flow through the filter.

 

■ 레진봉합, 가열봉합 방법 카트리지 필터는 미디어(media)의 두께에 따라서, 즉 여과의 분리 메카니즘 방법에 따라서 2개의 그룹으로 분류된다. 레진봉합(resin-bonded) 혹은 가열봉합(sintered, thermal-bonded) 의 방법에 의한 제품으로 섬유사(fibres) 혹은 작은 입자(granules)로 만들어진 필터들은 비교적 두께가 두꺼우며 운전은 주로 심층여과(depth filtration)에 의하여 이루어진다.

세정은 주로 back flushing에 의하여 이루어지며 이 방법으로 축적된 고형물질이 완전히 제거되지 못하는 경우에는 하우징으로부터 탈착하여 적절한 약품세정제로 고형물질을 용해시키는 형태의 보다 강력한 세정을 행한다.

이러한 필터의 가장 최근의 개발품은 중앙의 회전하는 rotating core 상에 폴리머 섬유사(polymeric fibre)를 밑면에 부착되도록 엘리먼트를 제조한 제품이다. 이로써 필요로 하는 정도의 미디어(media)의 두께 및 섬유사(fibre)의 충진밀도(packing density)를 가지는 엘리먼트 제작이 가능, 보다 우수한 여과 효율을 가지게 되었다. 외부로는 low density, upstream face 구조이며 내부 표면에는 미세한 기공구조로 점차적으로 high density를 갖는 구조이다. 이러한 엘리먼트들은 어떠한 thermo plastic polymer로부터 제작이 가능하며 보다 더 효과적인 여과특성을 가진, 혹은 보다 온도 및 약품에 내성이 있는 새로운 폴리머 재질이 개발됨에 따라 모든 표준 크기형태의 filter element 제작이 가능하게 됐다.

중앙의 코어(center core) 부위에 강한 지지체(strong support) 구조를 갖게 한 개발은 비교적 강도가 약한 섬유사(fibre)의 층을 thick bonded element 형태로 제작이 가능해, 운전압력 저하시 파손 등의 위험을 줄이고 섬유사 조각들이 처리수 쪽으로 이송되는 것을 줄일 수 있다. 이로서 매우 정교한 섬유사의 제조, 즉 나노물질 섬유사 기준의 매우 낮은 cut-point 구조 엘리먼트 제조에 적용될 수 있게 되었다.

 

The cartridges using specially prepared filter media can, again, be divided into two broad groups, depending basically on the thickness of the medium, and hence on the filtration mechanism. Those made from resin-bonded or sintered (thermally bonded) fibres or granules are relatively thick, and work by depth filtration. They are cleaned in place by back flushing, or, where this is not sufficient to remove all the trapped solids, by removal from the housing for thorough washing with whatever solution is capable of dissolving the solids.

The most recent development in such filters has been the ability of the manufacturers to make the elements by laying down polymeric fibres on a central, rotating, core. This enables the fabrication of elements of any required media thicknesses, and with fibre packing densities that vary as needed for efficient filtration: a low density at the outer, upstream face, grading to a high density, with fine pores, at the inner face.

Such elements can be made in this way from almost any thermoplastic polymer, and as each new polymer becomes available, with beneficial filtration properties or better temperature or chemical resistances, it is rapidly made available as a filter element in all of the standard sizes.

The strong support offered by the central core enables layers of comparatively weak fibres to be built up into a thick bonded element without risk of collapse under operating pressure drops, or loss of fibre fragments into the filtrate. This means that very fine fibres, including even the latest nanofibres, can now be employed, giving elements with very low cut points.

 

■ 주름 형태의 카트리지 봉합 형태의 카트리지(bonded cartridge)는 저농도 희석상태 부유성물질의 여과 용도로만 적합하다. 즉, 최대 흡착능력(dirt-holding capacity)이 매우 낮아서 역세척(backflushing)이 이루어진다 해도 미디어(media) 자체는 미세한 입자로 인해 채널의 봉쇄가 이뤄지며 결국 세정에 의해 제거되거나 심지어는 교체목적으로 폐기처분된다.

표면여과(surface filtration) 혹은 케이크여과(cake filtration)원리에 의해 운전되며 역세척 운전이 용이한 thin sheet media 제품은 코어 주위에 하나의 single sheet로 권선되어 제작되는 경우에 역시 낮은 solids capacity를 가지게 된다. 그러나 sheet media 재질이 코어에 장착되기 전 주름진 상태로 되면 여과면적(filter area), 즉 흡착능력(dirt holding capacity)은 큰 폭으로 증가된다.

초기 개발과정에서의 주름형태 미디어(pleated media)에서 발생된 기계적인 문제점, 즉 개별 주름진 면의 아랫면, ‘pinch’ 부분에서의 여과면적 손실분은 내부 fold 에서 커다란 구경의 각도로 설계하고 주름진 부분들이 개방구조를 갖도록 spacer를 설치해 해결할 수 있었다.

이 제품의 개발은 Porex사‘Radial Cartridge Filter’브랜드로 제작된 rigid polyethylene elements에서 볼 수 있다. 이 제품은 주름진 부분 자체의 양쪽방향 모두에서 원형의 구배를 갖도록 설계되어 여과 총면적을 더욱 증가시킨 결과를 가져왔다.

주름형태 미디어(pleated media)는 파손이나 흠없이 주름을 만들 수 있는 어떠한 재료(thin material)로도 제작이 가능하며 paper, spunmelt polymers, wire mesh, sheet 및 microfiltration 재질 등이 있다. 최근 가장 중요한 개발 제품으로는 매우 정밀한 섬유사 소재를 사용하여 spun bonded, metal blown 방법으로 제작된 것이다. 현재 electrospun 방법으로는 효율적인 cut-points를 1㎛ 이하로도 취할 수 있게 되었다.

 

The bonded cartridges just described are really only suitable for the clarification of quite dilute suspensions, since their dirt-holding capacity is quite low, and even with backflushing, the medium will become blocked with fine particles eventually, and need removal for thorough cleaning or disposal.

Thin sheet media, operating by surface and cake filtration, and easier to backflush, also have a low solids capacity, if they are made from a single sheet of material, wrapped around the core.

However, the filter area, and hence the dirt-holding capacity, is increased many times if the sheet of material is pleated before it is fitted to the core. The mechanical problem experienced with earlier pleated media, of loss of filter area in the ‘pinch’ at the bottom of each pleat, is now overcome by putting larger radius curves in the inner folds, together with spacers to hold the pleats open.

A further development of this can be seen in the rigid polyethylene elements made by Porex®, under the Radial Cartridge Filter™ brand name, in which the pleats, with rounded curves at each end, are themselves curved in a circumferential direction, resulting in higher filtration areas for a given housing volume.

Pleated media can be made from any thin material that can be folded without cracking: paper, spunmelt polymers, wire mesh, and nowadays sheet, microfiltration(and, increasingly, ultrafiltration) membranes.
The most important recent development has been the availability of the very finely fibrous spun bonded, melt blown and now electrospun materials, taking the effective cut-points of such media down to well under 1μm.

 

 

■ 카트리지 필터 봉합방법(bonded) 및 주름형태(pleated) 구조의 카트리지는 하나의 장치(single element housing)에 사용되고 있으나 효과적인 여과효율을 얻고자 하는 목적으로는 다중필터(multi-element process filters)에 적용하여 백 필터 대용으로 사용하는 일이 증가하고 있다.

멤브레인 미세필터(membrane microfilter) 제품이 이러한 용도로 매우 큰 관심을 이끌어내고 있다. 카트리지 필터 제품은 수력학 장치를 사용한 다양한 유틸리티 서비스 적용 분야에서 통상적인 여과 기능의 일반적인 해결책이 되고 있다. 이러한 수력학 기능의 전형적인 필터는 Donaldson사 Triboguard 제품으로 매우 큰 오염물 흡착능력(dirt holding capacity)를 가지고 있다.

자동차 엔진 제조업계는 필터 공급업체로부터 엔진장치의 다양한 적용 분야(coolant, lubricant, fuel 등) 및 전 세계적으로 상당히 많은 종류의 엔진 발표 등으로 인하여 필터장치에 많은 관심을 갖고 있다. 따라서 Mann+Hummel사는 Europiclon 브랜드의 엔진용 필터를 새롭게 발표, 보다 안정성·고효율성을 보유한 제품이라고 홍보하고 있다.

이러한 필터의 또 다른 기능은 제약용 원료의 생산에 기여하는 것으로 물의 처리보다 유기성 solvent의 처리에 적용된다. 이러한 목적의 카트리지는 Millipore사의 Solvex 제품으로 이 제품의 엘리먼트는 추출능력이 낮으며 열적·수력학적 스트레스에 내성을 갖고 있어 섭씨 135도 이상 고온에서도 살균이 이루어진다.

카트리지 필터가 수영장이나 스파 시설 등 신체와 직접 접촉되는 물을 처리하는 경우에는 박테리아 성장을 조절하는 것이 필요하다. 이러한 필터는 spunbonded polyester fibres 재질로 만들어진 Fiberweb 사의 Reemay 제품이 적당하며, Microban 제품의 항박테리아 재질로 코팅된 제품이다. 카트리지 필터는 향후 설계상의 커다란 변화가 있을 것으로 보지 않으나 지속적으로 미세한 분야의 개선은 이루어질 것이다.
그러나 엔진용 여과용 필터는 급격한 변화가 있을 것으로 예상되며 그 외 분야의 필터 응용 면에서는 사용자의 보다 세밀한 여과 요구사항에 보조를 맞추는 개발로 이어질 전망이다.

 

▲ Millipore사의 Solvex 제품의 엘리먼트는 추출 능력이 낮으며 열적·수력학적 스트레스에 내성을 갖고 있어 섭씨 135도 이상 고온에서도 살균이 이루어진다.

The cartridges described above, both bonded and pleated, can be used in the standard single element housings, but are increasingly being used in place of filter bags in the multielement process filters, to take advantage of their efficient filtration in the process industries.

Membrane microfilters are attracting considerable attention for this application. Cartridge filters of one kind or another are the normal solution to problems of filtration in the various service(or utility) applications such as hydraulic systems, or the various liquid filtration duties in heavy duty engines. A typical filter for hydraulic duties is the new Triboguard™ series from Donaldson, claimed to offer significantly greater dirt-holding capacity.

Engines, meanwhile, continue to get serious attention from filter suppliers, because of both the number of applications in a single engine(coolant, lubricant and fuel) and the huge number of engines in the world. Thus a company such as Mann + Hummel can announce additions to its Europiclon range of engine filters, claiming reliability combined with high efficiency.

A very different kind of duty is that involved in the production of active pharmaceutical ingredients, often involving organic solvents rather than water. A new cartridge for this duty is offered by Millipore, in the form of its Solvex range. These elements are low in extractables, and resistant to thermal and hydraulic stresses, thus being steam sterilizable at temperatures up to 135°.

Where cartridge filters are used to clean water that comes into contact with human beings, such as the treatment of swimming pool and spa water, the need to control bacterial growth is vital. This demand can be met, for example, by Fiberweb’s Reemay made from trilobal spunbonded polyester fibres, but where the fibres have a coating of Microban antibacterial material.

It is unlikely that the cartridge filter will see major changes in design in the future, but there will undoubtedly be a continuing series of minor improvements, except for the nature of the filter medium, where, in the case of engine filtration alone, a recent article in Filtration+Separation could state that ‘the engine filter media industry is undergoing dramatic change’.
As with any filter application, the cartridge filter will need to be able to keep up with its endusers’ continual demands for finer and finer filtration.