KR101767711B1 - 외부 유동 홈을 구비한 나권형 멤브레인 요소 생산수 튜브 - Google Patents

외부 유동 홈을 구비한 나권형 멤브레인 요소 생산수 튜브 Download PDF

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Abstract

개시된 생산수 튜브(70)는 필터 멤브레인을 구비하는 나권형 필터 요소와 함께 사용하기 위한 것이다. 생산수 튜브는 복수의 개구부(48)가 형성된 튜브 벽을 구비하고, 상기 개구부는 필터 멤브레인으로부터의 투과수를 튜브 벽을 통해 튜브의 중앙부 내로 통과하게 한다. 튜브 벽은 릿지(72) 및 채널(74)의 패턴을 갖는 외표면을 구비하고, 상기 릿지 및 채널은 튜브의 외표면을 가로질러 개구부로 투과수를 인도한다.

Description

외부 유동 홈을 구비한 나권형 멤브레인 요소 생산수 튜브{SPIRAL WOUND MEMBRANE ELEMENT PRODUCT WATER TUBE WITH EXTERNAL FLOW GROOVES}
본 발명은 일반적으로 역삼투 또는 한외여과 분리 장치(ultrafiltration separation device)에 사용되기 위한 멤브레인 요소에 관한 것으로, 특히 튜브 내의 개구부로의 투과 유동을 지향시키는 외부 채널을 구비한 나권형(spiral wound) 멤브레인 요소 생산수 튜브에 관한 것이다.
액체 분리를 실행하기 위한 반투과성 멤브레인의 사용이 선호되고 있고, 한외여과 및 역삼투용의 멤브레인은 현재 정수, 희석 혼합물이나 용액의 농도, 폐수 처리 및/또는 재활용 성분의 회수를 포함하여 광범위한 적용에 사용되고 있다. 다양한 반투과성 멤브레인이 개발되고 있으며, 나권형 요소는 주어진 공간 체적 내에 대량의 멤브레인 표면 영역을 효율적으로 제공하는데 유용한 것으로 알려진 하나의 용인된 유형의 장치이다.
도 9를 참조하면, 전형적인 종래 기술의 나권형 역삼투 요소(10)가 도시되어 있다. 나권형 역삼투 요소(10)는 중앙 생산수 수집 튜브(16) 주위에 하나 이상의 멤브레인판(membrane leaf; 12) 및 공급 스페이서 시트(14)를 휘감는 것에 의해 형성된다. 멤브레인판(12)은 투과액 캐리어 시트(20)를 둘러싸는 2개의 대략 직사각형의 멤브레인 시트(18)를 구비하고 있다. 이러한 「샌드위치」 구조는 일반적으로 3개의 에지를 접착함으로써 서로 유지되지만, 멤브레인판의 3개의 에지를 밀봉하는 몇 가지 다른 수단이 존재한다.
투과액 캐리어 시트(20)가 생산수 수집 튜브(16) 내의 작은 구멍(22)의 열과 유체 접촉하도록 멤브레인판의 제 4 에지가 생산수 수집 튜브(16)에 접하여 있다. 일반적으로 투과액 캐리어의 2개 내지 4개의 층으로 이루어진 투과액 캐리어 시트(20)의 최초 랩(wrap)은 제 1 멤브레인판(12)의 삽입 전에 생산수 수집 튜브(16) 주위에 감싸져 있다. 이러한 투과액 캐리어 시트(20)의 최초 랩은 구멍(22) 상에 멤브레인판(12)을 지지하고, 멤브레인판(12)로부터 생산수 수집 튜브(16)의 구멍으로 투과수를 안내하는 경로를 제공한다.
구멍(22)은 생산수 수집 튜브(16)의 외부 주위에 감싸진 투과액 캐리어 시트(20)로부터 생산수 수집 튜브(16)의 중앙부로 투과수를 인도하기 위해 전형적으로 대략 0.125 인치(3.18㎜)의 직경을 갖는다. 생산수 수집 튜브(16) 내의 구멍(22)은 최소 압력 강하로 생산수 수집 튜브(16)의 외부로부터 내부로의 투과 경로를 제공하도록 설계된다. 구멍(22)의 최대 크기는 멤브레인판(12)이 구멍(2) 내로 끌려들어가서 손상되는 경향으로 의해 제한된다. 구멍(22)의 최소 크기 및 개수는 구멍(22)을 통한 투과수의 유동에 의해 발생된 압력 강하에 의해 제한된다. 구멍(22)의 최대 개수는 생산수 수집 튜브(16)의 제작 비용에 의해 제한된다.
각각의 멤브레인판(12)은 또한 생산수 수집 튜브(16) 주위에 권취된 공급 스페이서 시트(14)에 의해 분리된다. 공급 스페이서 시트(14)는 역삼투 요소의 양단과 유체 접촉하고, 그것은 멤브레인 시트(18)의 표면을 횡단하는 공급 용액을 위한 도관으로서 작용한다. 공급 유동의 방향은 흡입 단부(entrance end; 24)로부터 집중 단부(concentrate end; 26)로 향하고, 이러한 방향은 중앙 생산수 수집 튜브(16)의 축선(A)에 평행하다.
따라서, 멤브레인판(12)으로부터 생산수 수집 튜브(16) 내로의 투과 유동을 돕는 요소 디자인을 갖는 것이 요망된다. 또한, 생산수 튜브 주위에의 투과액 캐리어의 감김 수를 감소시키는 것이 요망된다.
하나의 관점에 있어서, 본 발명은 필터 멤브레인을 구비한 필터 요소와 함께 사용하기 위한 생산수 튜브에 관한 것이다. 생산수 튜브는 복수의 개구부가 형성된 튜브 벽을 구비하며, 상기 개구부는 필터 멤브레인으로부터의 투과수를 튜브 벽을 통해 튜브의 중앙부 내로 통과하게 한다. 상기 튜브 벽은 릿지 및 채널의 패턴을 갖는 외표면을 구비하고, 상기 릿지 및 채널은 튜브의 외표면을 가로질러 개구부로 투과수를 인도한다.
일 실시예에서는, 생산수 튜브의 외표면 상의 릿지 및 채널은 튜브를 따라 나선형 패턴으로 되어 있고, 생산수 튜브의 벽의 외표면은 튜브를 따라 제 1 방향으로 나선형을 이루는 나선형 릿지 및 채널을 구비하고, 생산수 튜브의 벽의 내표면에는, 튜브를 따라 반대 방향으로 나선형을 이루는 나선형 릿지 및 채널이 형성되고, 개구부는 외부 채널과 내부 채널의 교차부에 형성되어 있다.
본 발명, 및 종래 기술에 대한 본 발명의 이점은 첨부 도면을 참조하여, 하기의 상세한 설명 및 첨부된 청구범위를 읽으면 분명해질 것이다.
첨부 도면과 함께 설명된 본 발명의 실시예의 하기 설명을 참고함으로써, 본 발명의 상기 특징 및 다른 특징이 보다 명백해질 것이고, 본 발명 자체가 보다 잘 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 역삼투 요소의 절단 사시도,
도 2는 도 1의 역삼투 요소의 생산수 튜브의 실시예를 도시하는 확대 사시도,
도 3은 도 2 내의 3-3선을 따라 절취한 도 2의 생산수 튜브의 단면도,
도 4는 도 2의 생산수 튜브의 절단 사시도,
도 5는 도 1의 역삼투 요소의 생산수 튜브의 다른 실시예를 도시하는 확대 사시도,
도 6은 도 5 내의 6-6선을 따라 절취한 도 5의 생산수 튜브의 다른 실시예의 단면도,
도 7은 도 1의 역삼투 요소의 생산수 튜브의 다른 실시예를 도시하는 확대 사시도,
도 8은 도 7 내의 8-8선을 따라 절취한 도 5의 생산수 튜브의 다른 실시예의 단면도,
도 9는 종래 기술의 역삼투 요소의 절단 사시도.
동일한 참조 부호는 도면 전체에 걸쳐서 대응 부분을 지시한다.
이하, 본 발명은 도면을 참조하여 하기의 상세한 설명에서 설명되며, 바람직한 실시예가, 본 발명을 실행 가능하도록 상세하게 기재되어 있다. 본 발명은 이러한 특정의 바람직한 실시예를 참조하여 설명되지만, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않는다는 것이 이해될 것이다. 반대로, 본 발명은 하기의 상세한 설명을 고려하여 명백해지는 다수의 대안예, 변형예 및 등가물을 포함한다.
본 명세서의 상세한 설명 및 특허청구범위 전체에 걸쳐서 사용된 바와 같은 대략적인 언어(approximating language)는 관련된 기본적인 기능을 변화시키지 않고 허용가능하게 할 수 있는 임의의 양적 표현을 수식하는데 적용될 수 있다. 따라서, "대략(about)"과 같은 용어나 용어들에 의해서 수식된 값은 특정된 정확한 값으로 제한되지 않는다. 적어도 일부의 예에서, 대략적인 언어는 값을 측정하기 위한 기구의 정밀도에 상응할 수 있다. 범위 제한은 조합 및/또는 상호교환될 수도 있으며, 그러한 범위는 식별되고, 문맥 또는 언어가 달리 지시하지 않는다면 그 내에 포함된 모든 하위-범위를 포함한다. 동작 예의 경우 또는 다른 지시가 있는 경우 외에, 본 명세서의 상세한 설명 및 특허청구범위에 사용된 성분, 반응 조건 등의 양을 나타내는 모든 수치 또는 표현은 모든 경우에 있어서 용어 "대략"에 의해, 수식되는 것으로서 이해되어야 한다.
"선택적(optional)" 또는 "선택적으로(optionally)"는, 이후에 설명되는 사건 또는 상황이 발생할 수 있거나 또는 발생하지 않을 수도 있다는 것, 혹은 이후에 확인되는 재료가 존재할 수 있거나 또는 존재하지 않을 수도 있다는 것을 의미하고, 또한 그러한 기재는 사건 또는 상황이 발생하거나 혹은 재료가 존재하는 경우와, 사건 또는 상황이 발생하지 않거나 혹은 재료가 존재하지 않는 경우를 포함하는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "포함하다", "포함하는", "구비하다", "구비하는", "갖다", "갖는" 또는 그것의 임의의 다른 변형은 비배타적인 포함(non-exclusive inclusion)을 커버하고자 한다. 예를 들면, 요소의 리스트를 포함하는 프로세스, 방법, 물품 또는 장치는 반드시 이러한 요소에만 한정되는 것이 아니라, 그러한 프로세스, 방법, 품목 또는 장치에 명시적으로 열거되어 있지 않거나 내재되어 있는 다른 요소를 포함할 수도 있다.
단수 형태 "하나", "일" 및 "상기"는 문맥에 명백하게 기재되어 있지 않다면 복수 지시 대상도 포함한다.
이제 도면을 참조하면, 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 필터 요소(포괄적으로 30으로 지시됨)를 도시한다. 필터 요소(30)는 대체로 튜브형의 본체 부재(34), 흡입 단부(36) 및 배출 단부(38)로 구성된 압력 용기(32)를 구비한다. 압력 용기(32)는 예를 들어 나권형일 수 있는 필터 멤브레인(40)을 수납하고 있다. 바람직하게는, 필터 멤브레인(40)은 물 분자가 반경 방향으로 느리게 통과하는 것을 허용하는 반면 용해된 염(salt), 미네랄, 부유 입자들의 통과를 거부하는, 셀룰로우즈 트라이아세테이트(cellulose triacetate), 폴리아미드(polyamide), 또는 다른 적합한 물질과 같은 적합한 반투과성 물질로 구성된 역삼투 멤브레인이다. 지방 자치 기관(municipality) 등과 같은 물의 공급자로부터의 물은 압력 용기(32)에 그 흡입 단부(36)에서 물을 제공한다. 염수 또는 폐수는 적절한 폐수 연결부로의 배출 튜브(42) 내로 지향된다. 조립되었을 때, 압력 용기(32)는, 연속 작동 동안에, 예를 들어 그곳에 공급된 40 내지 80 제곱인치당 파운드(psi) 정도일 수 있는 압력 용기에 공급되는 물의 작동 압력을 견디도록 설계된다.
생산수 튜브(46)는 압력 용기(34)의 중심에 있고, 멤브레인(40)은 그 주위를 감싸고 있다. 생산수 튜브(46)는 중심선(47) 주위에 튜브형으로 되어 있고, 하기에서 보다 상세하게 설명되는 바와 같이, 투과수가 생산수 튜브(46)의 내부(50)로 진입하게 하는 복수의 개구부를 구비한다. 투과수는 생산수 튜브(46)의 제 1 단부(52)로부터 제 2 단부(54)로 생산수 튜브(46) 내로 흐른다. 제 1 단부(52)는, 흡입 단부(36)로부터 흐르는 공급수가 멤브레인(40)을 먼저 통과하지 않고, 생산수 튜브(46)로 진입하는 것을 방지하도록 밀봉된다. 생산수 튜브(46)의 제 2 단부(54)는 멤브레인(40)에 의해 정화된 물이 필요에 따라 사용될 수 있도록 이송 튜브(도시하지 않음)에 연결되어 있다.
멤브레인(40)은 큰 표면적을 작은 체적에 합체하도록 나권형 요소인 것이 바람직하다. 멤브레인(40)은 중앙의 생산수 튜브(46) 주위에 하나 이상의 멤브레인판(60) 및 공급 스페이서 시트(62)를 감싸는 것에 의해 형성되어 있다. 각각의 멤브레인판(60)은 투과액 캐리어 시트(66)를 둘러싸는 2개의 대략 직사각형의 멤브레인 시트(64)를 포함한다. 투과액 캐리어 시트(66)가 생산수 튜브(46) 내의 개구부(48)와 유체 접촉하도록, 멤브레인판(60)의 에지는 생산수 튜브(46)와 접하여 있다.
이하, 본 발명에 따른 도 2 내지 도 4를 참조하면, 생산수 튜브(46)의 외표면(70)에는, 생산수 튜브(16) 내의 개구부(48)를 향해 투과수를 인도하도록 구성된 릿지(ridge; 72) 및 채널(74)의 패턴이 형성된다. 바람직하게는, 채널(74)의 깊이는 대략 0.002 인치 내지 대략 0.005 인치이다. 채널(74)의 양측 상의 인접한 릿지(72) 사이의 거리는 대략 0.02 인치 내지 대략 0.06 인치인 것이 바람직하다. 생산수 튜브(46)의 외표면(70) 상의 릿지(72)는, 인접한 멤브레인판(60)을 지지하고, 멤브레인판(60)을 개구부(48)로부터 이격되도록 하여, 멤브레인판(60)이 개구부(48) 내로 빨려들어가는 것을 방지하도록 한다. 일 실시예에 있어서, 투과액 캐리어(66)의 단일 층은 멤브레인판(60)과 생산수 튜브(46) 사이에서 생산수 튜브(46) 주위를 감싸고 있다. 따라서, 투과액 캐리어(66) 상의 선단부는 생산수 튜브(46)에의 부착을 용이하게 하기에 충분한 길이를 가질 필요가 있다.
일 실시예에 있어서, 릿지(72) 및 채널(74)은 생산수 튜브(46) 주위에 나선 패턴으로 되어 있다. 개구부(48)는 채널(74)의 바닥부에 생산수 튜브(46)의 길이를 따라 복수의 열(78)로 형성되어 있다. 일 실시예에서는, 개구부(48)는, 투과액 캐리어(66)로부터 생산수 튜브(46)의 중심까지 투과수를 인도하기 위해 대략 0.125 인치(3.18㎜)의 직경을 갖는 원형 구멍일 수도 있고, 최소 압력 강하로 생산수 튜브(46)의 외측으로부터 내측으로 투과수를 안내하도록 설계되어 있다.
이하, 도 5 및 도 6을 참조하면, 일 실시예에 있어서, 생산수 튜브(46)의 외표면(70)은, 생산수 튜브(46)의 길이를 따라 제 1 방향으로 나선형을 이루는 나선형 릿지(72) 및 채널(74)을 가지고, 생산수 튜브의 내표면(80)에는, 튜브(46)의 길이를 따라 반대 방향으로 나선형을 이루는 나선형 릿지(82) 및 채널(84)이 형성되어 있다. 생산수 튜브(46)를 관통하는 개구부(48)는 외부 채널(74)과 내부 채널(84)의 교차부에 형성된다.
이하, 도 7 및 도 8을 참조하면, 생산수 튜브(46)의 다른 실시예가 도시되어 있다. 본 실시예에서는, 릿지(72) 및 채널(74)은 생산수 튜브(46)의 외표면(70) 상의 지그재그 및 망상의 패턴으로 형성되어 있다. 채널(74)은 생산수 튜브(46)의 내부로 인도하는 일련의 지그재그형의 좁은 슬롯(slot)(90)에 의해 형성되어 있다. 릿지(72)에 의해 형성된 생산수 튜브(46)의 텍스처형 외표면(70)은 멤브레인(40)을 지지하고, 슬롯(90)은 투과를 위한 유로를 형성한다. 일 실시예에 있어서, 슬롯(90)의 폭은 0.02 인치 내지 0.10 인치이고, 슬롯 길이는 0.010 인치 내지 1.00 인치이다.
바람직하게는, 생산수 튜브(46)는 성형 프로세스(molding process)를 이용하여 제조된다. 성형된 튜브에 있어서, 생산수 튜브(46) 내의 패터닝(patterned)된 외표면(70) 및 좁은 슬롯(48)은 제조 비용을 약간 추가시키거나 또는 전혀 변화시키지 않을 수 있다. 슬롯(48)의 크기나 개수는 낮은 압력 강하로 많은 양의 흐름을 제공하고, 멤브레인(40)이 손상되지 않도록 충분히 작아질 수 있고, 튜브의 표면 텍스처는 필요로 하는 유로를 제공할 수 있다고 고려된다. 생산수 튜브(46)를 관통하는 좁은 슬롯(48)과 생산수 튜브(46)의 외표면(70) 상의 패턴은, 적은 양의 재료를 사용하여 비용 절감, 보다 활성인 멤브레인 영역, 및 개선된 흐름 및 배제 성능을 제공하므로, 원형 구멍 및 다층의 투과액 캐리어(66)를 이용한 것에 비해 개량된 것이다.
본 명세서는 전형적인 실시예에 대해 도시하고 설명했지만, 다양한 변형 및 대체가 본 기재내용의 사상으로부터 어떤식으로도 일탈하지 않고 이루어질 수 있으므로, 본 발명에 개시된 세부 내용에 한정하고자 하는 것은 아니다. 따라서, 본 명세서에 개신된 개시내용의 추가적인 변형예 및 동등물은 단지 반복적인 실험을 이용하여 본 기술분야에 숙련된 자에게 이루어질 수 있으며, 이러한 변형예 및 동등물 모두는 첨부된 청구범위에 의해 규정된 본 개시내용의 범위 내에 있는 것으로 고려된다.

Claims (5)

  1. 필터 멤브레인을 갖는 필터 요소와 함께 사용하기 위한 생산수 튜브에 있어서,
    복수의 개구부가 형성된 튜브 벽을 포함하며, 상기 개구부는 상기 필터 멤브레인으로부터의 투과수를 상기 튜브 벽을 통해 튜브의 중앙부 내로 통과하게 하고, 상기 튜브 벽은 릿지 및 채널의 튜브를 따른 나선형 패턴을 갖는 외표면을 구비하고, 상기 릿지 및 채널은 튜브의 외표면을 가로질러 상기 개구부로 투과수를 인도하고, 상기 외표면 상의 나선형 릿지 및 채널은 상기 튜브를 따라 제 1 방향으로 나선형을 이루고, 상기 생산수 튜브의 벽의 내표면에는, 상기 튜브를 따라 반대 방향으로 나선형을 이루는 나선형 릿지 및 채널이 형성되며, 상기 개구부는 외부 채널과 내부 채널의 교차부에 형성되는
    생산수 튜브.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
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