KR101910296B1 - 금속프레임을 이용한 세라믹 산소분리막 모듈, 및 산소분리막 장치 - Google Patents

금속프레임을 이용한 세라믹 산소분리막 모듈, 및 산소분리막 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 금속프레임을 이용한 세라믹 산소분리막 모듈, 및 산소분리막 장치에 대한 것이다. 보다 상세하게는, 유입된 기체가 유동되면서 산소를 생산하는 내부유로와, 일단에 상기 내부유로를 유동하면서 생산된 산소가 배출되는 배출부가 형성된 판형태의 OTM 셀; 및 금속으로 구성되며 내부에 개구부를 갖는 틀과, 상기 틀의 일단 내측에 구비되어 상기 OTM셀의 일단이 접착되는 일측장착단과, 상기 틀의 타단 내측에 구비되어 상기 OTM셀의 타단이 접착되는 타측장착단과, 상기 OTM셀이 접착된 상태에서 상기 배출부와 연통되도록 상기 일측장착단에 형성된 유동공을 갖는 금속프레임;을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속프레임을 이용한 세라믹 산소분리막 모듈에 관한 것이다.

Description

금속프레임을 이용한 세라믹 산소분리막 모듈, 및 산소분리막 장치{Ceramic Oxygen membrane module using metal frame}
본 발명은 금속프레임을 이용한 세라믹 산소분리막 모듈, 및 산소분리막 장치에 대한 것이다.
순산소는 철강, 합성가스 생산 및 IGCC 발전 플랜트 같은 다양한 산업설비에서 사용되고 있다. 이 경우 기존의 산소제조공장에서 생산된 산소를 공급받아 활용해야 하는 단점을 갖고 있으며 대부분 심냉법으로 제조되어 높은 산소제조비용으로 인해 운영비가 크게 증가되는 단점을 갖고 있다.
본 발명에서는 저비용으로 산소를 제조하는 산소분리막 모듈, 장치에 관한 것이다. 이러한 세라믹 산소 분리막 장치를 제작하기 위해서는 단위셀(산소분리막 모듈)을 적층하는 모듈 기술이 필요하다.
종래의 개발 중인 세라믹 산소 분리막 모듈의 경우, 세라믹 단위셀을 모두 일체형으로 제작하는 방식이 선호되고 있다. 그러나 이 경우에는 최종적으로 세라믹 단위셀을 한 번에 소결해야 하는 어려움이 존재한다.
세라믹 소결과정 이후 일부 영역에서 pin-hole 또는 crack 현상이 발생하면 제작된 일체형 세라믹 모듈을 폐기해야 하는 상황이 발생 될 수 있다. 따라서 보다 안정적으로 단위 세라믹 셀을 평가한 뒤에 분리막 모듈을 적층하는 기술이 요구되었다.
등록특허 10-0566739 공개특허 10-2010-0127084 등록특허 10-0526232
따라서 본 발명은 상기와 같은 세라믹 산소 분리막 모듈 제작 시 기술적 문제들로 인해 단위셀을 모두 세라믹 일체형으로 적층 및 제작하는 것에 큰 어려움이 있다는 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 일실시예에 따르면, 금속프레임을 이용한 세라믹 산소 분리막 모듈 기술을 활용하고자 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 현재 금속프레임과 세라믹 접합기술을 적용하여 안정적으로 금속 프레임과 OTM(oxygen transport membrane) 셀과의 접합이 가능하며, 금속 프레임과 OTM 셀과 접합된 산소분리막 모듈을 필요에 맞게 여러 개를 적층하면 산소분리막 장치를 제작할 수 있으며, 모듈(단위 셀)과 모듈의 적층 시 발생될 수 있는 leakage 문제는 금속 gasket 및 press 방식을 이용하면 쉽게 해결할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 여러 개 분리막 모듈 적층을 위해서 금속 프레임이 이용되게 되며 일체형으로 소결되어 제작 시 일부 영역에서의 crack 이나 pin-hole 발생에 따른 제작된 모듈 폐기와 같은 위험을 미리 방지할 수 있으며, 금속프레임을 이용하게 됨으로써, 안정적인 모듈 적층이 가능하고, 제작 시 모듈(단위셀)별 성능 테스트 후 적용되므로, crack 및 pin-hole 발생에 따른 폐기와 같은 리스크를 줄일 수 있으며, 모듈(단위셀) 문제 발생 시 유지 보수가 가능할 수 있는 금속프레임을 이용한 세라믹 산소분리막 모듈, 및 산소분리막 장치를 제공하는데 목적이 있다.
본 발명의 실시예에 따르면 이러한 금속프레임 이용한 산소분리막 모듈 적층 시 모듈 간 체결방식의 특징은 1-point 지점에 압착(compress)하여 체결하는 방식을 적용하여, 대면적 세라믹 셀의 경우 취성에 약하기 때문에 금속프레임에 2-point 지점에 불균일한 압착(힘)이 가해지면 금속 프레임이 비틀리면서 결국 금속프레임과 접합되어 있는 셀이 파손될 수 있는 문제점을 해결할 수 있는 목적을 달성할 수 있다.
한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 제1목적은, 산소분리막 모듈에 있어서, OTM(oxygen transport membrane)에 의해 분리된 산소가 포집 유동되는 내부유로와, 일단에 상기 산소가 배출되는 배출부가 형성된 판형태의 OTM 셀; 및 금속으로 구성되며 내부에 개구부를 갖는 틀과, 상기 틀의 일단 내측에 구비되어 상기 OTM셀의 일단이 접착되는 일측장착단과, 상기 틀의 타단 내측에 구비되어 상기 OTM셀의 타단이 접착되는 타측장착단과, 상기 OTM셀이 접착된 상태에서 상기 배출부와 연통되도록 상기 일측장착단에 형성된 유동공을 갖는 금속프레임;을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속프레임을 이용한 세라믹 산소분리막 모듈로서 달성될 수 있다.
그리고, 틀 일측에 구비되는 토출공과, 상기 토출공과 상기 유동공 사이를 연결하는 연결유로를 더 포함하고, 상기 내부유로를 유동하면서 생산된 산소는 상기 배출부를 통해, 상기 유동공, 연결유로, 토출공을 통해 배출되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 제2목적은 산소분리막 장치에 있어서, 내부를 고온, 고압으로 유지시키는 베셀; 상기 베셀의 저판부 상면에 장착되는 장착부재; 상기 장착부재에 장착되는 앞서 언급한 제1목적에 따른 금속프레임을 이용한 산소분리막 모듈; 및 상기 산소분리막 모듈을 상기 장착부재 상에 체결시키기 위한 체결수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속프레임을 이용한 세라믹 산소 분리막 장치로서 달성될 수 있다.
그리고, 산소분리막 모듈은 복수개로 상기 장착부재 상에 적층되고, 상기 체결수단에 의해 고정, 체결되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 장착부재에 산소배출관과 연결되는 산소배출유로가 형성되며, OTM셀의 내부유로를 유동하면서 생산된 산소는 상기 OTM셀의 배출부를 통해, 금속프레임의 유동공, 연결유로, 토출공을 통해 토출되어, 상기 산소배출유로를 따라 산소배출관으로 유입되어 배출되는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고, 체결수단은 적층된 상기 산소분리막 모듈을 한 지점에서 압착하여 체결하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 장착부재 상면에 서로 특정간격 이격되어 구비되는 지지봉과, 상기 금속프레임의 토출공 양단에 형성된 장착홀을 포함하여, 상기 지지봉에 상기 장착홀을 삽입하여 상기 산소분리막 모듈을 적층시키고, 가압수단이 상기 지지봉 사이 부분을 가압하여 상기 산소분리막 모듈을 고정시키는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고, 장착부재에 형성된 결합홈과, 적층된 상태에서 상기 결합홈과 대응된 위치의 상기 금속프레임에 형성되는 삽입홀과, 상기 결합홈과 상기 삽입홀에 삽입되며 상기 결합홈에 고정되는 결합부와 나사산이 형성된 상단부를 갖는 볼트부재와, 상기 볼트부재 상단에 결합되어 상기 산소분리막모듈을 압착시키는 가압용 캡을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 복수의 상기 산소분리막 모듈의 금속프레임 사이에 구비되는 가스켓을 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 제3목적은 세라믹 산소 분리막 장치의 제작방법에 있어서, OTM에 의해 분리된 산소가 포집 유동되는 내부유로와, 일단에 상기 산소가 배출되는 배출부가 형성된 판형태의 OTM 셀을 금속프레임의 일측장착단과 타측장착단에 접착되도록 접합시켜 복수의 산소분리막 모듈을 제작하는 단계; 복수의 산소분리막 모듈을 베셀의 저판부 상면에 장착되는 장착부재 상에 적층, 장착시키는 단계; 및 체결수단을 통해 복수의 상기 산소분리막 모듈을 상기 장착부재 상에 체결시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속프레임을 이용한 세라믹 산소 분리막 장치의 제작방법으로서 달성될 수 있다.
그리고, 상기 체결시키는 단계에서, 상기 체결수단은 적층된 상기 산소분리막 모듈을 한 지점에서 압착하여 체결하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 제4목적은 앞서 언급한 제2목적에 따른 산소 분리막 장치의 작동방법에 있어서, 베셀로 유입된 기체가 OTM셀 표면주위를 흐르면서 산소가 셀 표면에서 내부유로로 유입되고 내부유로로 산소만이 포집되는 단계; 산소가 상기 OTM셀의 배출부를 통해, 상기 산소분리막 모듈의 금속프레임의 유동공으로 유입되는 단계; 상기 금속프레임의 유동공으로 유입된 산소가 연결유로를 통해 토출공을 통해 토출되는 단계; 및 복수의 상기 금속프레임의 토출공을 통해 토출된 산소가 산소배출유로를 따라 산소배출관으로 유입되어 배출되는 단계;를 포함하는 것을 특징하는 금속프레임을 이용한 세라믹 산소 분리막 장치의 작동방법으로서 달성될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 금속프레임을 이용한 세라믹 산소분리막 모듈, 및 산소분리막 장치에 따르면, 세라믹 산소 분리막 모듈 제작 시 기술적 문제들로 인해 단위셀을 모두 세라믹 일체형으로 적층 및 제작하는 것에 큰 어려움이 있다는 문제점을 해결할 수 있는 효과를 갖는다.
본 발명의 일실시예에 따른 금속프레임을 이용한 세라믹 산소분리막 모듈, 및 산소분리막 장치에 따르면, 현재 금속프레임과 세라믹 접합기술을 적용하여 안정적으로 금속 프레임과 OTM 셀과의 접합이 가능하며, 금속 프레임과 OTM 셀과 접합된 산소분리막 모듈을 필요에 맞게 여러 개를 적층하면 산소분리막 장치를 제작할 수 있으며, 모듈(단위 셀)과 모듈의 적층 시 발생될 수 있는 leakage 문제는 금속 gasket 및 press 방식을 이용하면 쉽게 해결할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 금속프레임을 이용한 세라믹 산소분리막 모듈, 및 산소분리막 장치에 따르면, 여러 개 분리막 모듈 적층을 위해서 금속 프레임이 이용되게 되며 일체형으로 소결되어 제작 시 일부 영역에서의 crack 이나 pin-hole 발생에 따른 제작된 모듈 폐기와 같은 위험을 미리 방지할 수 있으며, 금속프레임을 이용하게 됨으로써, 안정적인 모듈 적층이 가능하고, 제작 시 모듈(단위셀)별 성능 테스트 후 적용되므로, crack 및 pin-hole 발생에 따른 폐기와 같은 리스크를 줄일 수 있으며, 모듈(단위셀) 문제 발생 시 유지 보수가 가능할 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 금속프레임을 이용한 세라믹 산소분리막 모듈, 및 산소분리막 장치에 따르면, 이러한 금속프레임 이용한 산소분리막 모듈 적층 시 모듈 간 체결방식의 특징은 1-point 지점에 압착(compress)하여 체결하는 방식을 적용하여, 대면적 세라믹 셀의 경우 취성에 약하기 때문에 금속프레임에 2-point 지점에 불균일한 압착(힘)이 가해지면 금속 프레임이 비틀리면서 결국 금속프레임과 접합되어 있는 셀이 파손될 수 있는 문제점을 해결할 수 있는 효과를 갖는다.
한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 일실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 금속프레임을 이용한 산소분리막 모듈의 측단면도,
도 2a, 도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 금속프레임의 평면도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 금속프레임을 이용한 산소분리막 모듈의 분해 사시도,
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 금속프레임을 이용한 산소분리막 장치의 분해 사시도,
도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 금속프레임을 이용한 산소분리막 장치의 사시도,
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 금속프레임을 이용한 산소분리막 장치의 분해 사시도,
도 7a는 본 발명의 제2실시예에 따른 금속프레임을 이용한 산소분리막 장치의 단면도,
도 7b는 본 발명의 제2실시예에 따른 금속프레임을 이용한 산소분리막 장치의 평면도,
도 8a는 본 발명의 제3실시예에 따른 금속프레임을 이용한 산소분리막 장치의 단면도,
도 8b는 본 발명의 제2실시예에 따른 볼트부재의 종단면도,
도 8c는 도 8b의 A-A 단면도,
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 금속프레임을 이용한 산소분리막 장치의 제조방법의 흐름도,
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 금속프레임을 이용한 산소분리막 장치의 작동방법의 흐름도를 도시한 것이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서 도면에서 예시된 영역들은 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는데 있어 별 이유 없이 혼돈이 오는 것을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 금속프레임을 이용한 산소분리막 장치(200)의 구성 및 기능에 대해 설명하도록 한다. 이러한 산소분리막 장치(200)는 고온 고압의 베셀 내에 장착되게 된다. 본 발명의 실시예에 따른 산소분리막 장치(200)는 복수의 산소분리막 모듈(100)이 적층되어 구성된다. 먼저 본 발명의 실시예에 따른 금속프레임을 이용한 산소분리막의 구성에 대해 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 금속프레임을 이용한 산소분리막 모듈(100)의 측단면도를 도시한 것이다. 도 2a는 본 발명의 제1실시예에 따른 금속프레임(10)의 평면도를 도시한 것이다. 도 2b는 본 발명의 제2실시예에 따른 금속프레임(10)의 평면도를 도시한 것이다. 또한, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 금속프레임을 이용한 산소분리막 모듈(100)의 분해 사시도를 도시한 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 산소분리막 모듈(100)은 금속프레임(10)과 세라믹 접합기술을 적용하여 금속프레임(10)과 OTM(oxygen transport membrane) 세라믹셀(20)(이하 OTM셀(20))이 결합되어 구성되게 된다.
구체적으로 OTM 셀(20)은 판형태로서 내부에 내부유로가 형성되어, 포집된 산소가 내부유로를 따라 유동되고, 산소는 일단의 배출부(21)를 통해 배출되도록 구성된다.
즉, OTM 셀 주위로 고온 고압의 기체가 흐르면, 셀 표면에서 산소만이 분리되어 OTM 셀 내부로 유입되고, 셀 내부에 형성된 내부유로로 산소가 모여 포집된 후 배출부(21)를 통해 배출되게 된다.
금속프레임(10)은 도 2a에 도시된 바와 같이, 금속으로 구성되며 내부에 개구부(12)를 갖는 틀(13) 형태를 갖고 있음을 알 수 있다. 또한, 틀(13)의 일단 내측에 일측장착단(11-1)이 구비되어 OTM셀(20)의 일단이 접합되게 되며, 틀(13)의 타단 내측에 타측장착단(11-2)이 구비되어 OTM셀(20)의 타단이 접합되게 된다. 또한, OTM셀(20)이 금속프레임(10)에 접합된 상태에서 OTM셀(20)의 배출부(21)와 연통되도록 일측장착단(11-1)에 유동공(14)이 형성되게 된다.
또한, 금속프레임(10)의 틀(13) 일측에 토출공(16)이 구비되며, 이러한 토출공(16)과 유동공(14) 사이는 연결유로(15)를 통해 연결하게 된다.
따라서, 기체가 OTM셀(20)의 내부유로를 유동하면서 산소가 분리되며 분리된 산소는 OTM셀(20)의 배출부(21)를 통해, 금속프레임(10)의 유동공(14), 연결유로(15), 토출공(16)을 유동하여 배출될 수 있는 구조를 갖는다.
또한, 도 2a에 도시된 바와 같이, 금속프레임 틀(13)의 일측의 토출공(16) 양단 각각에 한 쌍의 장착홀(17)이 형성되어질 수도 있고, 도 2b에 도시된 바와 같이, 일측이 돌출된 형태를 갖고 이러한 돌출단에 토출공(16)이 형성되도록 구성될 수도 있다.
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 금속프레임을 이용한 산소분리막 장치(200)의 분해 사시도를 도시한 것이다. 도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 금속프레임을 이용한 산소분리막 장치(200)의 사시도를 도시한 것이다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 베셀 저판부에 구비되는 장착부재(40) 상에 다수의 산소분리막 모듈(100)이 적층되어 체결수단(50)에 의해 고정되어짐을 알 수 있다.
즉 복수의 금속프레임을 이용한 산소분리막 모듈(100)이 장착부재(40) 상층으로 적층되고, 장착부재(40)에 구비된 한 쌍의 지지봉(44)에 체결부재(51)가 장착되어 너트(55)에 의해 조이게 됨으로써 다수의 산소분리막 모듈(100)이 고정되게 된다. 이때, 토출공(16)이 형성된 돌출단 측만이 체결부재(51)에 의해 압착되게 된다. 즉 1-point에서만 압착되어 체결하는 방식이 적용되어 OTM셀(20)의 밴딩, 뒤틀짐에 따른 파손을 방지할 수 있게 된다.
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 금속프레임을 이용한 산소분리막 장치(200)의 분해 사시도를 도시한 것이다. 그리고, 도 7a는 본 발명의 제2실시예에 따른 금속프레임을 이용한 산소분리막 장치(200)의 단면도를 도시한 것이다. 그리고, 도 7b는 본 발명의 제2실시예에 따른 금속프레임을 이용한 산소분리막 장치(200)의 평면도를 도시한 것이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 금속프레임(10)의 틀(13)의 토출공(16) 양단에 한 쌍의 장착홀(17)이 형성되며, 이러한 장착홀(17)을 통해 지지봉(44)에 다수의 분리막 모듈(100)이 삽입되게 됨을 알 수 있다.
그리고, 이러한 지지봉(44) 상단에 체결부재(51)가 장착된다. 또한, 체결부재(51)에 형성된 한 쌍의 체결홀(52) 사이에 가압홀(53)이 구비되며 이러한 가압홀(53)에 가압수단(54)이 삽입되고 가압수단(54)에 의해 압착부재(54-1)를 압착하여 다수의 산소분리막 모듈(100)의 1-point에서만 압착하여 다수의 산소분리막 모듈(100)을 고정시키게 된다. 대면적 세라믹 셀의 경우 취성에 약하기 때문에 금속프레임(10)에 2-point 지점에 불균일한 압착(힘)이 가해지면 금속 프레임(10)이 비틀리면서 결국 금속프레임(10)과 접합되어 있는 셀(20)이 파손될 수 있기 때문에, 이러한 1-point 지점만을 압착(compress)하는 체결하는 방식이 적용되게 된다.
또한, 도 7a 및 도 7b에 도시된 바와 같이, 복수의 상기 산소분리막 모듈(100)의 금속프레임(10) 사이에는 금속가스켓(30)이 구비될 수 있다.
도 8a는 본 발명의 제3실시예에 따른 금속프레임을 이용한 산소분리막 장치(200)의 단면도를 도시한 것이다. 도 8b는 본 발명의 제2실시예에 따른 볼트부재(60)의 종단면도를 도시한 것이다. 또한, 도 8c는 도 8b의 A-A 단면도를 도시한 것이다.
도 8a 내지 도 8c에 도시된 바와 같이, 유입유로(62)와 토출유로(64)를 갖는 볼트부재(60)와, 가압용 캡을 적용하여 1-point 압착 체결방식이 적용될 수 있도록 구성될 수 있다.
도 8a에 도시된 바와 같이, 장착부재(40)에 결합홈(43)이 형성되고,산소분리막 모듈(100)이 적층된 상태에서 결합홈(43)과 대응된 위치의 금속프레임(10)에 삽입홀(18)이 형성되어 지게 된다.
그리고 볼트부재(60)는 이러한 결합홈(43)과 삽입홀(18)에 삽입되게 된다. 볼트부재(60)의 하단부인 결합부(61)는 장착부재(40)의 결합홈(43)에 고정되게 된다. 그리고, 볼트부재(60)의 상단부(63)에는 나사산이 형성되어지게 된다. 따라서 이러한 상단부(63)에 가압용 캡이 설치되게 되며 가압용 캡을 나사산을 통해 회전시켜 산소분리막 모듈(100)을 1-point에서 가압하여 다수의 산소분리막 모듈(100)을 체결시키게 된다.
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이하에서는 앞서 언급한 금속프레임을 이용한 산소분리막 장치(200)의 제조방법과 작동방법을 간략하게 설명하도록 한다. 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 금속프레임을 이용한 산소분리막 장치(200)의 제조방법의 흐름도를 도시한 것이다. 세라믹 산소 분리막 장치(200)의 제작방법은 먼저 OTM셀(20)과 금속프레임(10)을 제작하고(S1), OTM셀(20)을 금속프레임(10)에 접합하여 다수의 산소분리막 모듈(100)을 제작하게 된다(S2).
그리고, 베셀 저판부에 구비된 장착부재(40)의 상측으로 제작된 복수의 산소분리막 모듈(100)을 적층시키게 된다(S3). 그리고, 체결수단(50)을 통해 복수의 산소분리막 모듈(100)을 장착부재(40) 상에 체결시키게 된다(S4). 앞서 언급한 바와 같이, 체결수단(50)은 적층된 상기 산소분리막 모듈(100)을 한 지점에서 압착하여 체결하는 방식을 적용하게 된다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 금속프레임을 이용한 산소분리막 장치(200)의 작동방법의 흐름도를 도시한 것이다. 먼저 OTM 셀(20) 표면을 지나면서 산소가 분리되어 셀 내부유로로 포집된다.(S10).
그리고, 분리된 산소가 OTM셀(20)의 배출부(21)를 통해, 산소분리막 모듈(100)의 금속프레임(10)의 유동공(14)으로 유입되게 된다(S20). 그리고 도 7a에 도시된 바와 같이, 금속프레임(10)의 유동공(14)으로 유입된 산소가 연결유로(15)를 통해 토출공(16)을 통해 토출되게 된다(S30).
그리고, 복수의 금속프레임(10)의 토출공(16)을 통해 토출된 산소가 장착부재(40)의 산소배출유로(41)를 따라 산소배출관(42)으로 유입되어 배출되게 된다(S40).
또한, 상기와 같이 설명된 장치 및 방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
10:금속프레임
11-1:일측장착단
11-2:타측장착단
12:개구부
13:틀
14:유동공
15:연결유로
16:토출공
17:장착홀
18:삽입홀
20:OTM 셀
21:배출부
30:가스켓
40:장착부재
41:산소배출유로
42;배출관
43:결합홈
44:지지봉
50:체결수단
51:체결부재
52:체결홀
53:가압홀
54:가압수단
54-1:압착부재
55:너트
60:볼트부재
61:결합부
62:유입유로
63:상단부
64:토출유로
100:산소분리막 모듈
200:산소분리막 장치

Claims (12)

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  3. 산소분리막 장치에 있어서,
    내부를 고온, 고압으로 유지시키는 베셀;
    상기 베셀의 저판부 상면에 장착되는 장착부재;
    상기 장착부재에 장착되며, OTM(oxygen transport membrane)에 의해 분리된 산소가 포집 유동되는 내부유로와 일단에 상기 산소가 배출되는 배출부가 형성된 판형태의 OTM 셀과, 금속으로 구성되며 내부에 개구부를 갖는 틀과 상기 틀의 일단 내측에 구비되어 상기 OTM셀의 일단이 접착되는 일측장착단과 상기 틀의 타단 내측에 구비되어 상기 OTM셀의 타단이 접착되는 타측장착단과 상기 OTM셀이 접착된 상태에서 상기 배출부와 연통되도록 상기 일측장착단에 형성된 유동공을 갖는 금속프레임과, 상기 틀 일측에 구비되는 토출공과, 상기 토출공과 상기 유동공 사이를 연결하는 연결유로를 포함하여, 상기 내부유로를 유동하면서 생산된 산소는 상기 배출부를 통해, 상기 유동공, 연결유로, 토출공을 통해 배출되는 산소분리막 모듈; 및
    상기 산소분리막 모듈을 상기 장착부재 상에 체결시키기 위한 체결수단;을 포함하고,
    상기 산소분리막 모듈은 복수개로 상기 장착부재 상에 적층되고, 상기 체결수단에 의해 고정, 체결되되,
    상기 체결수단은 적층된 상기 산소분리막 모듈을 한 지점에서 압착하여 체결하도록, 상기 장착부재에 형성된 결합홈과, 적층된 상태에서 상기 결합홈과 대응된 위치의 상기 금속프레임에 형성되는 삽입홀과, 상기 결합홈과 상기 삽입홀에 삽입되며 상기 결합홈에 고정되는 결합부와 나사산이 형성된 상단부를 가지며 유입유로와 토출유로를 갖는 볼트부재와, 상기 상단부에 설치되게 되며 산소분리막 모듈을 한 지점에서 가압하여 다수의 산소분리막 모듈을 압착, 압착시키는 가압용 캡을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속프레임을 이용한 세라믹 산소 분리막 장치.
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  5. 제 3항에 있어서,
    장착부재에 산소배출관과 연결되는 산소배출유로가 형성되며, OTM셀의 내부유로를 유동하면서 생산된 산소는 상기 OTM셀의 배출부를 통해, 금속프레임의 유동공, 연결유로, 토출공을 통해 토출되어, 상기 산소배출유로를 따라 산소배출관으로 유입되어 배출되는 것을 특징으로 하는 금속프레임을 이용한 세라믹 산소 분리막 장치.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제 3항에 있어서,
    복수의 상기 산소분리막 모듈의 금속프레임 사이에 구비되는 가스켓을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속프레임을 이용한 세라믹 산소 분리막 장치.
  10. 제 3항, 제5항 또는 제9항에 따른 세라믹 산소 분리막 장치의 제작방법에 있어서,
    OTM에 의해 분리된 산소가 포집 유동되는 내부유로와, 일단에 상기 산소가 배출되는 배출부가 형성된 판형태의 OTM 셀을 금속프레임의 일측장착단과 타측장착단에 접착되도록 접합시켜 복수의 산소분리막 모듈을 제작하는 단계;
    복수의 산소분리막 모듈을 베셀의 저판부 상면에 장착되는 장착부재 상에 적층, 장착시키는 단계; 및
    체결수단을 통해 복수의 상기 산소분리막 모듈을 상기 장착부재 상에 체결시키는 단계;를 포함하고,
    상기 체결시키는 단계에서, 상기 체결수단은 적층된 상기 산소분리막 모듈을 한 지점에서 압착하여 체결하는 것을 특징으로 하는 금속프레임을 이용한 세라믹 산소 분리막 장치의 제작방법.
  11. 삭제
  12. 제 3항, 제5항, 또는 제 9항에 따른 세라믹 산소 분리막 장치의 작동방법에 있어서,
    베셀로 유입된 기체가 OTM셀 표면주위를 흐르면서 산소가 셀 표면에서 내부유로로 유입되고 내부유로로 산소만이 포집되는 단계;
    산소가 상기 OTM셀의 배출부를 통해, 상기 산소분리막 모듈의 금속프레임의 유동공으로 유입되는 단계;
    상기 금속프레임의 유동공으로 유입된 산소가 연결유로를 통해 토출공을 통해 토출되는 단계; 및
    복수의 상기 금속프레임의 토출공을 통해 토출된 산소가 산소배출유로를 따라 산소배출관으로 유입되어 배출되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속프레임을 이용한 세라믹 산소 분리막 장치의 작동방법.
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