KR102068135B1

KR102068135B1 - 중공사막 모듈

Info

Publication number: KR102068135B1
Application number: KR1020130042832A
Authority: KR
Inventors: 이무석; 김경주; 이진형; 오영석
Original assignee: 코오롱인더스트리 주식회사
Priority date: 2013-04-18
Filing date: 2013-04-18
Publication date: 2020-01-20
Also published as: KR20140125101A

Abstract

본 발명은 중공사막 모듈에 관한 것으로서, 상기 중공사막 모듈은 하우징부, 그리고 상기 하우징부에 내장되는 중공사막 다발을 포함하며, 상기 중공사막 다발의 내부로 흐르는 제1 유체, 상기 중공사막 다발의 외부로 흐르는 제2 유체 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 유체는 상기 중공사막 다발의 길이 방향에 대하여 순방향 흐름 및 역방향 흐름을 가질 수 있다.
상기 중공사막 모듈은 유체의 체류 시간을 길게 하여 중공사막 전체가 골고루 활용되도록 함으로써 동일한 면적의 중공사막으로 성능이 극대화되어 크기가 소형화되고, 경량화될 수 있다.

Description

중공사막 모듈{HOLLOW FIBER MEMBRANE MODULE}

본 발명은 중공사막 모듈에 대한 것으로서, 보다 상세하게는 유체의 체류 시간을 길게 하여 중공사막 전체가 골고루 활용되도록 함으로써 동일한 면적의 중공사막으로 성능이 극대화되어 크기가 소형화되고, 경량화될 수 있는 중공사막 모듈에 관한 것이다.

상기 중공사막 모듈은 기체 분리 모듈, 가습 모듈 또는 수처리 모듈 등일 수 있다.

연료 전지란 수소와 산소를 결합시켜 전기를 생산하는 발전(發電)형 전지이다. 연료 전지는 건전지나 축전지 등 일반 화학전지와 달리 수소와 산소가 공급되는 한 계속 전기를 생산할 수 있고, 열손실이 없어 내연기관보다 효율이 2배가량 높다는 장점이 있다. 또한, 수소와 산소의 결합에 의해 발생하는 화학 에너지를 전기 에너지로 직접 변환하기 때문에 공해물질 배출이 낮다. 따라서, 연료 전지는 환경 친화적일 뿐만 아니라 에너지 소비 증가에 따른 자원 고갈에 대한 걱정을 줄일 수 있다는 장점을 갖는다. 이러한 연료 전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라 크게 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC), 인산형 연료 전지(PAFC), 용융 탄산염형 연료 전지(MCFC), 고체 산화물형 연료 전지(SOFC), 및 알칼리형 연료 전지(AFC) 등으로 분류할 수 있다. 이들 각각의 연료 전지는 근본적으로 동일한 원리에 의해 작동하지만 사용되는 연료의 종류, 운전 온도, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다. 이 가운데서 고분자 전해질형 연료 전지는 다른 연료 전지에 비해 저온에서 동작한다는 점, 및 출력밀도가 커서 소형화가 가능하기 때문에 소규모 거치형 발전장비뿐만 아니라 수송 시스템에서도 가장 유망한 것으로 알려져 있다.

고분자 전해질형 연료 전지의 성능을 향상시키는데 있어서 가장 중요한 요인 중 하나는, 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly: MEA)의 고분자 전해질 막(Polymer Eletrolyte Membrane 또는 Proton Exchange Membrane: PEM)에 일정량 이상의 수분을 공급함으로써 함수율을 유지하도록 하는 것이다. 고분자 전해질 막이 건조되면 발전 효율이 급격히 저하되기 때문이다. 고분자 전해질 막을 가습하는 방법으로는, 1) 내압용기에 물을 채운 후 대상 기체를 확산기(diffuser)로 통과시켜 수분을 공급하는 버블러(bubbler) 가습 방식, 2) 연료 전지 반응에 필요한 공급 수분량을 계산하여 솔레노이드 밸브를 통해 가스 유동관에 직접 수분을 공급하는 직접 분사(direct injection) 방식, 및 3) 고분자 분리막을 이용하여 가스의 유동층에 수분을 공급하는 가습 막 방식 등이 있다. 이들 중에서도 배기 가스 중에 포함되는 수증기만을 선택적으로 투과시키는 막을 이용하여 수증기를 고분자 전해질 막에 공급되는 가스에 제공함으로써 고분자 전해질 막을 가습하는 가습 막 방식이 가습기를 경량화 및 소형화할 수 있다는 점에서 유리하다.

가습 막 방식에 사용되는 선택적 투과막은 모듈을 형성할 경우 단위 체적당 투과 면적이 큰 중공사막이 바람직하다. 즉, 중공사막을 이용하여 가습기를 제조할 경우 접촉 표면적이 넓은 중공사막의 고집적화가 가능하여 소용량으로도 연료 전지의 가습이 충분히 이루어질 수 있고, 저가 소재의 사용이 가능하며, 연료 전지에서 고온으로 배출되는 미반응 가스에 포함된 수분과 열을 회수하여 가습기를 통해 재사용할 수 있다는 이점을 갖는다.

그러나, 종래의 중공사막이 적용되는 모듈의 경우 유체가 유입되는 입구와 출구의 비대칭성과 중공사막에 의한 불균일한 흐름 저항으로 인하여 제품에 적용된 중공사막 전체가 충분히 활용되지 못하는 단점이 있다.

대한민국 공개특허 제10-2009-0013304호(공개일: 2009.02.05) 대한민국 공개특허 제10-2009-0057773호(공개일: 2009.06.08) 대한민국 공개특허 제10-2009-0128005호(공개일: 2009.12.15) 대한민국 공개특허 제10-2010-0108092호(공개일: 2010.10.06) 대한민국 공개특허 제10-2010.0131631호(공개일: 2010.12.16) 대한민국 공개특허 제10-2011-0001022호(공개일: 2011.01.06) 대한민국 공개특허 제10-2011-0006122호(공개일: 2011.01.20) 대한민국 공개특허 제10-2011-0006128호(공개일: 2011.01.20) 대한민국 공개특허 제10-2011-0021217호(공개일: 2011.03.04) 대한민국 공개특허 제10-2011-0026696호(공개일: 2011.03.16 대한민국 공개특허 제10-2011-0063366호(공개일: 2011.06.10

본 발명의 목적은 유체의 체류 시간을 길게 하여 중공사막 전체가 골고루 활용되도록 함으로써 동일한 면적의 중공사막으로 성능이 극대화되어 크기가 소형화되고, 경량화될 수 있는 중공사막 모듈을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 중공사막 모듈은 하우징부, 그리고 상기 하우징부에 내장되는 중공사막 다발을 포함하며, 상기 중공사막 다발의 내부로 흐르는 제1 유체, 상기 중공사막 다발의 외부로 흐르는 제2 유체 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 유체는 상기 중공사막 다발의 길이 방향에 대하여 순방향 흐름 및 역방향 흐름을 가진다.

상기 중공사막 모듈은 상기 제1 유체의 상기 중공사막 다발의 길이 방향에 대한 순방향 흐름과 역방향 흐름을 분할하는 제1 유체 분할판, 상기 제2 유체의 상기 중공사막 다발의 길이 방향에 대한 순방향 흐름과 역방향 흐름을 분할하는 제2 유체 분할판, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 분할판을 더 포함할 수 있다.

상기 중공사막 모듈은 상기 하우징부의 각 양단에 결합되며, 제1 유체 입구 및 제1 유체 출구가 형성되어 있는 제1 및 제2 커버들을 더 포함하며, 상기 제1 유체 분할판은 상기 커버들 중 적어도 어느 하나의 내부에 배치될 수 있다.

상기 제1 커버에는 제1 유체 입구 및 제1 유체 출구가 형성되며, 상기 제1 커버는 그 내부에 상기 제1 유체 입구와 상기 제1 유체 출구 사이에 제1 커버의 제1 유체 분할판을 포함할 수 있다.

상기 제1 커버는 그 내부에 복수의 제1 커버의 제1 유체 분할판을 포함하고, 상기 제2 커버는 그 내부에 상기 제1 커버의 제1 유체 분할판들과 마주보는 위치들 사이에 적어도 하나의 제2 커버의 제1 유체 분할판을 포함할 수 있다.

상기 제1 커버에는 상기 제1 유체 입구가 형성되고, 상기 제2 커버에는 상기 제1 유체 출구가 형성되며, 상기 제1 커버는 그 내부에 제1 커버의 제1 유체 분할판을 포함하고, 상기 제2 커버는 그 내부에 상기 제1 커버의 제1 유체 분할판과 마주보는 위치와 상기 제1 유체 출구 사이에 제2 커버의 제1 유체 분할판을 포함할 수 있다.

상기 제1 커버는 복수의 제1 커버의 제1 유체 분할판들을 포함하고, 상기 제2 커버는 복수의 제2 커버의 제1 유체 분할판들을 포함하고, 상기 제2 커버의 제1 유체 분할판들은 상기 제1 커버의 제1 유체 분할판들과 마주보는 위치들 사이에 배치될 수 있다.

상기 중공사막 모듈은 복수의 상기 중공사막 다발들을 포함하며, 상기 제2 유체 분할판은 상기 중공사막 다발들을 분할하도록 배치될 수 있다.

상기 중공사막 모듈은 상기 복수의 중공사막 다발들 각각을 둘러싸도록 배치되어 상기 복수의 중공사막 다발들을 구획하는 격벽들을 더 포함될 수 있다. 상기 격벽에는 제2 유체 관통구가 형성될 수 있다.

상기 제2 유체 분할판의 일측에는 상기 제2 유체의 유통을 위한 제2 유체 관통구가 형성될 수 있다.

상기 제2 유체 분할판은 복수개로 포함되며, 상기 제2 유체 분할판들의 상기 제2 유체 관통구들은 상기 하우징의 일측 또는 타측에 대응하는 위치에 번갈아 형성될 수 있다.

상기 하우징부는 양단에 각각 둘레부들을 포함하며, 상기 둘레부에는 상기 제2 유체 분할판을 사이에 두고 제2 유체 주입구와 제2 유체 배출구가 형성될 수 있다.

상기 하우징부의 일단에 위치한 둘레부에 상기 제2 유체 주입구와 제2 유체 배출구가 모두 형성되며, 상기 제2 유체 분할판의 상기 제2 유체 관통구는 상기 하우징의 타측에 대응하는 위치에 형성될 수 있다.

상기 중공사막 다발은 그 전체 부피 대하여 상기 중공사막을 30 내지 60 부피%로 포함할 수 있다.

상기 하우징부는 횡단면 형상이 원형 또는 각형일 수 있다.

상기 중공사막 모듈은 상기 중공사막의 양단부를 상기 하우징부에 고정시키며, 상기 하우징부의 양단부와 기밀 가능하게 접하는 포팅부를 더 포함할 수 있다.

상기 중공사막 모듈은 기체 분리 모듈, 가습 모듈 및 수처리 모듈로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.

본 발명의 중공사막 모듈은 유체의 체류 시간을 길게 하여 중공사막 전체가 골고루 활용되도록 함으로써 동일한 면적의 중공사막으로 성능이 극대화되어 크기가 소형화되고, 경량화될 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 중공사막 모듈을 일부 분해한 사시도이다.
도 2는 상기 도 1의 중공사막 모듈을 A-A'선을 기준으로 절단한 단면도이다.
도 3 내지 6은 본 발명의 제2 내지 제5 실시에에 따른 중공사막 모듈의 횡단면도이다.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 중공사막 모듈을 일부 분해한 사시도이고, 도 2는 상기 도 1의 중공사막 모듈을 A-A'선을 기준으로 절단한 단면도다. 도 3 내지 6은 본 발명의 제2 내지 제5 실시에에 따른 중공사막 모듈의 횡단면도다.

상기 도 1 내지 도 6에 도시된 중공사막 모듈은 가습 모듈을 일 실시예로서 도시한 것이다. 그러나, 상기 중공사막 모듈은 상기 가습 모듈에 한정되지 않으며, 기체 분리 모듈 또는 수처리 모듈 등일 수 있다.

이하, 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 상기 중공사막 모듈에 대하여 설명한다. 상기 도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 중공사막 모듈(10)은 하우징부(1), 중공사막 다발(41, 42), 포팅부(2) 및 커버들(51, 52)을 포함한다.

상기 하우징부(1)와 상기 커버들(51, 52)은 상기 중공사막 모듈(10)의 외형을 이루는 부재들이다. 상기 하우징부(1)와 상기 커버들(51, 52)은 폴리카보네이트 등의 경질 플라스틱이나 금속으로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 하우징부(1)와 상기 커버들(51, 52)은 폭 방향 단면 형상이 도 1에서 도시된 바와 같이 각형이거나, 또는 원형일 수 있다. 상기 각형은 사각형, 정사각형, 사다리꼴, 평행사변형, 오각형, 육각형 등일 수 있으며, 상기 각형은 모서리가 라운드진 형태일 수도 있다. 또한, 상기 원형은 타원형일 수도 있다.

상기 하우징부(1)의 개방된 양단은 상기 포팅부(2)에 매립되고, 상기 포팅부(2)는 상기 하우징부(1)의 둘레부(12, 13)에 의하여 감싸진다. 상기 둘레부(12, 13)에는 제2 유체가 공급되는 주입구(121)과 상기 하우징부(1)의 내부를 통과한 제2 유체가 빠져나가는 배출구(122)이 형성되어 있다.

상기 하우징부(1)의 내부에는 수분을 선택적으로 통과시키는 복수의 중공사막(45)으로 이루어진 중공사막 다발(41, 42)이 내장된다. 여기서 상기 중공사막(45)의 재질은 공지된 바에 따른 것으로 본 명세서에서 자세한 설명은 생략한다.

상기 중공사막 다발(41, 42)은 넓적한 형상을 가질 수 있다. 상기 중공사막 다발(41, 42)의 넓적한 형상은 길이 방향으로 펀펀하면서, 폭이 넓고 두께가 얇은 형상을 의미한다. 이때, 상기 두께 보다 상기 폭의 길이가 더 긴 것이다.

상기 중공사막 다발(41, 42)의 두께는 20 내지 200mm일 수 있고, 바람직하게 40 내지 100mm일 수 있다. 상기 넓적한 형상의 중공사막 다발(41, 42)의 두께가 상기 범위 내인 경우, 상기 중공사막 다발(41, 42)의 내부로 침투하는 상기 제1 유체의 침투가 용이하다. 이에 따라, 상기 중공사막 모듈(10)은 상기 중공사막 다발(41, 42)의 외부로 흐르는 상기 제1 유체의 흐름 균일성을 향상시킴으로써 전달 효율을 극대화함으로써, 중공사막 모듈(10)의 용량을 늘리기 위한 중공사막의 추가 사용을 최소화하여, 원가를 절감하고, 상기 중공사막 모듈(10)의 크기를 소형화할 수 있다.

상기 중공사막 다발(41, 42)의 폭에 대한 두께의 비율은 5 내지 100%일 수 있고, 바람직하게 10 내지 60%일 수 있다. 상기 중공사막 다발(41, 42)의 폭에 대한 두께의 비율이 5% 미만인 경우 상기 중공사막 다발(41, 42)의 두께 제약으로 충분한 중공사막(45)을 포함하지 못할 수 있고, 100%를 초과하는 경우 길이 방향의 중공사막(45)이 너무 짧아 상기 중공사막 모듈(10)의 구현이 어려울 수 있다.

상기 중공사막 다발(41, 42)은 그 전체 부피 대하여 상기 중공사막(45)을 30 내지 60 부피%로 포함할 수 있다. 상기 중공사막(45)의 함량이 30 부피% 미만이면 한정된 공간에 상기 중공사막(45)을 충분히 포함하지 못하여 상기 중공사막 모듈(10)의 부피가 커질 수 있고, 60 부피%를 초과하는 경우 상기 중공사막(45)의 밀도가 높아 상기 중공사막(45)의 외부 유체 흐름으로 인한 압력 강하가 너무 커질 수 있다.

상기 포팅부(2)는 상기 중공사막 다발(41, 42)의 양단부에서 상기 중공사막(45)들을 결속하면서 상기 중공사막(45)들의 사이의 공극을 메운다. 상기 포팅부(2)는 상기 하우징부(1)의 양단부의 내측면에 접하여 상기 하우징부(1)를 기밀시킬 수 있다. 상기 포팅부(2)의 재질은 공지된 바에 따른 것으로 본 명세서에서 자세한 설명은 생략한다.

상기 포팅부(2)는 상기 하우징부(1)의 양단 내부 각각에 형성됨으로써 상기 중공사막 다발(43)은 그 양단부가 상기 하우징부(1)에 고정된다. 이로써 상기 하우징부(1)는 양단이 상기 포팅부(2)에 막히어 그 내부에는 상기 제2 유체가 통과하는 유로가 형성된다.

상기 커버들(51, 52)는 상기 하우징부(1)의 각 양단에 결합된다. 상기 각 커버들(51, 52)에는 제1 유체 입구(53) 및 제1 유체 출구(54)가 형성된다. 상기 제1 유체 입구(53)로 유입된 제1 유체는 상기 중공사막(45)의 내부 관로를 통과하고, 상기 제1 유체 출구(54)로 빠져나가게 된다.

상기 도 2를 참조하면, 상기 포팅부(2)는 상기 둘레부(12, 13)의 끝단(12a)의 대략 중간 부분에서 상기 하우징부(1)의 중심을 향하여 오름 경사지게 형성될 수 있고, 상기 중공사막들(45)은 상기 포팅부(2)를 관통하여 상기 포팅부(2)의 끝단에서 관로가 노출될 수 있다. 상기 포팅부(2)에 의하여 가려지지 아니한 상기 둘레부(12, 13)의 끝단(12a)에는 실링부재(S)가 대어지고, 상기 커버(51, 52)가 이를 가압하며 상기 하우징부(1)에 결합될 수 있다.

상기 중공사막 모듈(10)은 상기 복수의 중공사막 다발들(41, 42) 및 상기 복수의 중공사막 다발들(41, 42)을 구획하는 격벽(9)을 포함할 수 있다. 상기 격벽(9)에는 제2 유체 관통구(91)가 형성되어 상기 제2 유체가 상기 제2 유체 관통구(91)를 통하여 상기 격벽(9)을 통과하여 상기 중공사막(45)의 외부로 흐를 수 있도록 한다.

또한, 상기 격벽(9)은 복수개일 수 있고, 상기 복수개의 격벽(9)들은 상기 복수의 중공사막 다발들(41, 42) 각각을 둘러싸도록 배치되어 상기 중공사막 다발들(41, 42)을 구획할 수 있다.

상기 제1 유체는 상기 커버들(51, 52)의 제1 유체 입구(53)를 통하여 상기 하우징부(1) 내로 공급되어 상기 중공사막들(45)의 내부로 흘러, 상기 커버(51, 52)의 제1 유체 출구(54)를 통하여 상기 중공사막 모듈(10) 외부로 배출된다. 한편, 상기 제2 유체는 상기 하우징부(1)의 상기 주입구(121)을 통하여 상기 하우징부(1)의 둘레부(12, 13)로 공급된 후, 상기 격벽(9)의 제2 유체 관통구(91)를 통하여 상기 격벽(9)을 통과하여 상기 중공사막들(45)의 외부로 흘러 상기 격벽(9)의 타측 제2 유체 관통구(91)를 통하여 상기 하우징부(1)의 둘레부(12, 13)로 배출된 후, 상기 하우징부(1)의 상기 배출구(122)을 통하여 상기 하우징부(1) 외부로 배출된다. 상기 제1 유체와 상기 제2 유체는 각각 중공사막(45)의 내부와 외부로 흐르면서 수분 등의 물질을 교환하게 된다.

상기에서 제1 유체는 저습의 유체이고, 상기 제2 유체는 고습의 유체일 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니고 상기 제1 유체가 고습의 유체이고, 상기 제2 유체가 저습의 유체일 수 있다.

한편, 상기 중공사막 모듈(10)은 상기 중공사막 다발들(41, 42)의 내부로 흐르는 상기 제1 유체, 상기 중공사막 다발들(41, 42)의 외부로 흐르는 상기 제2 유체 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 유체가 상기 중공사막 다발들(41, 42)의 길이 방향에 대하여 순방향 흐름 및 역방향 흐름을 가진다.

즉, 종래의 중공사막 모듈은 상기 제1 유체 또는 제2 유체가 상기 중공사막 다발의 길이 방향에 대하여 어느 한 방향의 흐름만 가지나, 상기 중공사막 모듈(10)은 상기 제1 유체 또는 제2 유체가 흐르는 유로를 분할하여 다단 유로를 형성함으로써, 상기 제1 유체 또는 제2 유체가 순방향으로 흐르고, 역방향으로도 흐른다. 다만, 상기 순방향 흐름과 역방향 흐름의 유로는 서로 다를 수 있다.

이에 따라, 상기 제1 유체 또는 제2 유체가 상기 중공사막 모듈(10)에 체류하는 시간을 극대화하여 상기 중공사막(45) 전체가 균일하게 활용되도록 하고, 물질 전달 효율을 극대화할 수 있다.

상기 제1 유체 또는 제2 유체의 유로를 분할하기 위하여, 상기 중공사막 모듈(10)은 상기 제1 유체의 상기 중공사막 다발들(41, 42)의 길이 방향에 대한 순방향 흐름과 역방향 흐름을 분할하는 제1 유체 분할판(7), 상기 제2 유체의 상기 중공사막 다발의 길이 방향에 대한 순방향 흐름과 역방향 흐름을 분할하는 제2 유체 분할판(8), 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 분할판을 더 포함할 수 있다.

구체적으로, 상기 제1 유체의 유로를 2개로 분할하는 경우, 상기 제1 커버(51)는 그 내부에 상기 제1 유체 입구(53)와 상기 제1 유체 출구(54)를 분할하도록 배치되는 제1 커버의 제1 유체 분할판(7)을 포함할 수 있다. 이때, 상기 제1 커버(51)에 상기 제1 유체 입구(53) 및 상기 제1 유체 출구(54)가 모두 형성될 수 있고, 상기 제2 커버(52)에는 상기 제1 유체 출입구가 형성되지 않을 수 있다. 상기 제1 유체 입구(53)로 공급된 제1 유체는 상기 제1 유체 분할판(7)에 의하여 상기 제1 중공사막 다발(41)로만 순방향으로 흐르게 된다. 상기 제1 중공사막 다발(41)을 통과한 제1 유체는 상기 제2 커버(52)를 통하여 상기 제2 중공사막 다발(42)로 공급되어 역방향으로 흐르게 된다. 상기 제2 중공사막 다발(42)을 통과한 제1 유체는 상기 제1 유체 출구(54)를 통하여 배출된다.

한편, 상기 제1 유체의 유로를 2개로 분할하는 경우, 반드시 상기 중공사막 다발(41, 42)을 복수개로 포함할 필요는 없다. 즉, 상기 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 중공사막 다발(41)이 하나인 경우에도, 상기 제1 유체는 상기 제1 유체 분할판(7)에 의하여 상기 중공사막 다발(41)의 일 부분을 순방향으로 흐른 후, 다른 부분을 역방향으로 흐를 수 있음에 따라 유로를 분할할 수 있다.

상기에서는 상기 제1 유체의 유로를 2개로 분할하는 경우에 대하여 예시하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니고, 상기 제1 유체의 유로를 2개 이상으로 분할할 수도 있다.

또한, 상기 제1 유체의 유로를 홀수개로 분할하는 경우, 도 4를 참조하면 상기 제1 커버(51)에는 제1 유체 입구(53)가 형성되고, 상기 제2 커버(52)에는 제1 유체 출구(54)가 형성될 수 있다. 상기 제1 커버(51)는 그 내부에 제1 커버의 제1 유체 분할판(71)을 포함하고, 상기 제2 커버(52)는 그 내부에 제2 커버의 제1 유체 분할판(72)을 포함할 수 있다. 상기 제2 커버의 제1 유체 분할판(72)은 상기 제1 커버의 제1 유체 분할판(71)과 마주보는 위치와 상기 제1 유체 출구 사이에 배치될 수 있다. 이 경우 상기 제1 유체의 유로는 3개로 분할되어, 상기 제1 커버(51)의 제1 유체 입구(53)으로 공급된 상기 제1 유체는 상기 제1 커버의 제1 유체 분할판(71)에 의하여 상기 중공사막 다발(41)의 일 부분을 통해 순방향으로 흐르고, 상기 제2 커버의 제1 유체 분할판(72)에 의하여 상기 중공사막 다발(41)의 다른 부분을 통해 역방향으로 흐르고, 상기 제1 커버(51)의 제1 유체 분할판(71)에 의하여 상기 중공사막 다발(41)의 또 다른 부분을 통해 순방향으로 흐른다.

상기 제1 유체의 유로가 3개 이상의 홀수개의 유로로 분할되는 경우, 상기 제1 커버(51)는 그 내부에 복수의 제1 커버의 제1 유체 분할판(71)들을 포함하고, 상기 제2 커버(52)는 그 내부에 복수의 제2 커버의 제1 유체 분할판(72)들을 포함할 수 있다. 이때, 상기 제2 커버의 제1 유체 분할판(72)들은 상기 제1 커버의 제1 유체 분할판(71)들과 마주보는 위치들 사이에 배치될 수 있다.

상기 제1 유체의 유로를 2개 이상의 짝수개로 분할하는 경우 상기 제1 유체 입구(53)와 상기 제1 유체 출구(54)는 모두 상기 제1 커버(51)에 형성될 수 있고, 상기 제1 커버(51)는 그 내부에 복수의 제1 커버의 제1 유체 분할판(71)을 포함하고, 상기 제2 커버(52)는 그 내부에 적어도 하나의 제2 커버의 제1 유체 분할판(72)을 포함할 수 있다. 상기 제2 커버의 제1 유체 분할판(72)은 상기 제1 커버의 제1 유체 분할판들(71)과 마주보는 위치들 사이에 배치될 수 있다. 상기 제2 커버의 제1 유체 분할판(72)이 상기 제1 커버의 제1 유체 분할판(71)과 마주보는 위치에 배치되는 경우 상기 순방향으로 흐른 제1 유체가 다른 중공사막 다발 또는 중공사막 다발의 다른 부분으로 공급될 수 없을 수 있다.

한편, 상기 제2 유체의 유로를 2개로 분할하는 경우, 상기 도 2 및 도 5를 참조하면, 상기 중공사막 모듈(10)은 복수의 중공사막 다발들(41, 42)을 포함하며, 상기 제2 유체 분할판(8)은 상기 중공사막 다발들(41, 42)을 분할하도록 상기 주입구(121)과 상기 배출구(122) 사이에 배치될 수 있다. 이때, 상기 제2 유체 분할판(8)의 일측에는 상기 제2 유체의 유통을 위한 제2 유체 관통구(81)가 형성될 수 있다. 상기 제2 유체는 상기 주입구(121)을 통하여 공급되어 상기 제1 중공사막 다발(41)의 외부를 순방향으로 흐르고, 상기 제2 유체 분할판(8)의 상기 제2 유체 관통구(85)를 통하여 공급되어 상기 제2 중공사막 다발(42)의 외부를 역방향으로 흐른 후, 상기 배출구(122)를 통하여 배출된다.

상기 제2 유체의 유로를 분할하는 경우, 상기 제1 유체의 유로는 도 2에서와 같이 순방향 흐름과 역방향 흐름으로 분할할 수도 있고, 도 5에서와 같이 순방향 흐름과 역방향 흐름으로 분할하지 않을 수도 있다.

또한, 상기 제2 유체는 2개 이상의 유로로 분할할 수 있는데, 3개의 유로로 분할하는 경우, 도 6을 참조하면 상기 중공사막 모듈(10)은 3개의 중공사막 다발(41, 42, 43)을 포함하며, 상기 제1 중공사막 다발(41)과 상기 제2 중공사막 다발(42)은 제2 유체 제1 분할판(81)에 의하여 분할되고, 상기 제2 중공사막 다발(42)과 상기 제3 중공사막 다발(43)은 제2 유체 제2 분할판(82)에 의하여 분할된다. 이때, 상기 제2 유체 제1 분할판(81)은 하부 측에 제2 유체 제1 관통구(86)가 형성되고, 상기 제2 유체 제2 분할판(82)은 상부 측에 제2 유체 제2 관통구(87)가 형성되며, 상기 주입구(121)은 상기 제1 둘레부(12)에 형성되고, 상기 배출구(122)은 상기 제2 둘레부(13)에 형성된다. 상기 제2 유체는 상기 주입구(121)을 통하여 공급되어 상기 제1 중공사막 다발(41)을 순방향으로 흐르고, 상기 제2 유체 제1 분할판(81)의 상기 제2 유체 제1 관통구(86)를 통과하여 상기 제2 중공사막 다발(42)을 역방향으로 흐르고, 상기 제2 유체 제2 분할판(82)의 상기 제2 유체 제2 관통구(87)를 통과하여 상기 제3 중공사막 다발(43)을 순방향으로 흐른 뒤, 상기 배출구(122)을 통하여 배출된다.

상기에서 설명한 바와 마찬가지로, 상기 제2 유체의 유로가 2개 이상의 짝수개로 형성되는 경우, 상기 주입구(121)과 상기 배출구(122)은 모두 상기 일측의 둘레부(12)에 형성되고, 상기 제2 유체의 유로가 3개 이상의 홀수개로 형성되는 경우 상기 주입구(121)은 상기 일측의 둘레부(12)에 형성되고, 상기 배출구(122)은 상기 타측의 둘레부(13)에 형성될 수 있다. 이때, 상기 중공사막 다발(41, 42, 43)의 개수는 상기 분할된 제2 유로의 개수와 동일한 개수로 포함되고, 상기 제2 유체 분할판(8)의 개수는 상기 분할된 제2 유로의 개수에 하나 적은 개수로 포함될 수 있다. 또한, 상기 제2 유체 분할판(8)들의 상기 제2 유체 관통구(85)들은 상기 하우징의 일측 또는 타측에 대응하는 위치에 번갈아 형성될 수 있다.

[ 실시예 : 가습 모듈의 제조]

( 비교예 )

폴리설폰 중공사막(외경 1000um, 내경 800um) 10,000개를 하우징(가로 250mm, 세로 150mm, 높이 250 mm) 내부에 배치시키고, 상기 하우징 양단에 포팅부 형성용 캡을 씌우고, 상기 중공사막 다발의 사이 공간 및 상기 중공사막 다발과 상기 하우징 사이 공간에 포팅용 조성물을 주입한 후, 경화시켜 실(seal)하였다. 상기 하우징 내부는 단일 구조로 중공사막이 하나의 다발로 주입된다. 상기 포팅부 형성용 캡을 제거한 후, 상기 경화된 중공사막 포팅용 조성물의 끝단의 절단하여 상기 중공사막 다발의 끝단이 상기 포팅부 절단부에 드러나도록 하여 포팅부를 형성한 후, 상기 하우징의 양단부에 커버를 씌워 가습 모듈을 제조하였다.

( 실시예 1)

폴리설폰 중공사막(외경 1000um, 내경 800um) 10,000개를 하우징(가로 250mm, 세로 150mm, 높이 250 mm) 내부에 배치시키고, 상기 하우징 양단에 포팅부 형성용 캡을 씌우고, 상기 중공사막 다발의 사이 공간 및 상기 중공사막 다발과 상기 하우징 사이 공간에 포팅용 조성물을 주입한 후, 경화시켜 실(seal)하였다. 상기 하우징 내부는 도 2에 도시된 바와 같이 상기 제2 유체 분할판에 의하여 2단 구조로 분할하여 각각 5000개의 중공사막 다발을 각각 주입하였다. 상기 포팅부 형성용 캡을 제거한 후, 상기 경화된 중공사막 포팅용 조성물의 끝단의 절단하여 상기 중공사막 다발의 끝단이 상기 포팅부 절단부에 드러나도록 하여 포팅부를 형성한 후, 중공사막 내부로 흐르는 흐름을 2단으로 설계하기 위하여 상기 도 2에 도시된 바와 같이 상기 제1 유체 분할판을 포함하는 일측 커버와 상기 제1 유체 분할판을 포함하지 않는 타측 커버를 씌워 가습 모듈을 제조하였다.

( 실시예 2)

폴리설폰 중공사막(외경 900um, 내경 800um) 10,000개를 하우징(가로 250mm, 세로 150mm, 높이 250 mm) 내부에 배치시키고, 상기 하우징 양단에 포팅부 형성용 캡을 씌우고, 상기 중공사막 다발의 사이 공간 및 상기 중공사막 다발과 상기 하우징 사이 공간에 포팅용 조성물을 주입한 후, 경화시켜 실(seal)하였다. 상기 하우징 내부는 도 6에 도시된 바와 같이 상기 2개의 제2 유체 분할판들에 의하여 3단 구조로 분할하여 각각 3,333개의 중공사막 다발 3개를 각각 주입하였다. 상기 포팅부 형성용 캡을 제거한 후, 상기 경화된 중공사막 포팅용 조성물의 끝단을 절단하여 상기 중공사막 다발의 끝단이 상기 포팅부 절단부에 드러나도록 하여 포팅부를 형성한 후, 중공사막 내부로 흐르는 흐름을 3단으로 설계하기 위하여 상기 도 4에 도시된 바와 같이 상기 제1 유체 분할판을 각각 포함하는 일측 커버 및 타측 커버를 씌워 가습 모듈을 제조하였다.

[ 실험예 : 제조된 포팅부의 성능 측정]

상기 실시예 및 비교예에서 제조된 가습 모듈의 중공사막 내부와 외부에 각각 50g/sec의 건조 공기를 유입하고 중공사막 외부는 온도 70℃, 습도 90%로 고정하고, 중공사막 내부는 온도 40℃, 습도 10%로 고정하여 기체-기체 가습을 실시하였다.

가습 성능은 중공사막 내부를 흐르는 공기가 가습되어 나오는 지점의 온도와 습도를 측정하여 노점(Dew Point)으로 환산하여 측정하였고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

구분	비교예	실시예1	실시예2
가습성능(℃)	45	55	56

상기 표 1을 참조하면, 상기 실시예에서 제조된 가습 모듈은 비교예에서 제조된 가습 모듈에 비하여 가습 성능이 많이 향상됨을 알 수 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

10 : 중공사막 모듈
1 : 하우징부
12, 13 : 둘레부
12a : 둘레부의 끝단
121 : 주입구
122 : 배출구
2 : 포팅부
41, 42, 43 : 중공사막 다발
45 : 중공사막
51, 52 : 커버
53 : 제1 유체 입구
54 : 제1 유체 출구
7: 제1 유체 분할판
71: 제1 커버의 제1 유체 분할판
72: 제2 커버의 제1 유체 분할판
8: 제2 유체 분할판
81: 제2 유체 제1 분할판
82, 제2 유체 제2 분할판
85: 제2 유체 관통구
86: 제2 유체 제1 관통구
87: 제2 유체 제2 관통구
9 : 격벽
91: 제2 유체 관통구
S: 실링 부재

Claims

하우징부,
상기 하우징부에 내장되는 중공사막들,
상기 하우징부의 양단 내부에 각각 형성되어 상기 중공사막들의 양단부를 상기 하우징부에 고정시키는 포팅부, 및
상기 하우징부의 양단에 각각 결합된 제1 및 제2 커버들
을 포함하는
중공사막 모듈에 있어서,
상기 제1 및 제2 커버들과 상기 포팅부에 의해 각각 정의되는 상기 제1 및 제2 커버들의 내부 공간들은 상기 중공사막들의 관로와 연통하고,
상기 제1 커버에는 (i) 제1 유체의 유입을 위한 제1 유체 입구, (ii) 상기 제1 유체의 배출을 위한 제1 유체 출구, 및 (ii) 상기 제1 커버의 내부 공간이 상기 제1 유체 입구와 연통하는 제1 공간과 상기 제1 유체 출구와 연통하는 제2 공간을 포함하도록 상기 제1 커버의 내부 공간을 분할하는 제1 유체 분할판이 각각 형성되어 있고,
상기 중공사막들은 (i) 관로가 상기 제1 공간과 연통하는 제1 중공사막 다발 및 (ii) 관로가 상기 제2 공간과 연통하는 제2 중공사막 다발을 포함하며,
상기 제2 커버에는 상기 제1 유체의 출입구가 형성되어 있지 않음으로써,
상기 제1 커버의 상기 제1 유체 입구를 통해 상기 중공사막 모듈 내로 유입되는 제1 유체가, (i) 상기 제1 커버의 상기 제1 공간, (ii) 상기 제1 중공사막 다발의 관로, (iii) 상기 제2 커버의 내부 공간, (iv) 상기 제2 중공사막 다발의 관로, 및 (v) 상기 제1 커버의 상기 제2 공간을 순차적으로 통과한 후, 상기 제1 커버의 상기 제1 유체 출구를 통해 상기 중공사막 모듈로부터 배출되는,
중공사막 모듈.
제1항에 있어서,
상기 하우징부에는 (i) 제2 유체의 유입을 위한 주입구, (ii) 상기 제2 유체의 배출을 위한 배출구, 및 (ii) 상기 하우징부의 내부 공간이 상기 주입구와 연통하는 제1 내부 공간과 상기 배출구와 연통하는 제2 내부 공간을 포함하도록 상기 하우징부의 내부 공간을 분할하는 제2 유체 분할판이 각각 형성되어 있고,
상기 제1 및 제2 중공사막 다발들 중 어느 하나는 상기 제1 내부 공간 내에 배치되고 다른 하나는 상기 제2 내부 공간 내에 배치되며,
상기 제2 유체 분할판에는 제2 유체 관통구가 형성되어 있음으로써,
상기 하우징부의 상기 주입구를 통해 상기 중공사막 모듈 내로 유입되는 제2 유체가, (i) 상기 하우징부의 상기 제1 내부 공간, (ii) 상기 제2 유체 분할판의 상기 제2 유체 관통구, 및 (iii) 상기 하우징부의 상기 제2 내부 공간을 순차적으로 통과한 후, 상기 하우징부의 상기 배출구를 통해 상기 중공사막 모듈로부터 배출되되,
상기 제2 유체는 상기 하우징부의 상기 제1 내부 공간에서 상기 중공사막들의 길이방향을 따라 제1 방향으로 흐르고,
상기 제2 유체는 상기 하우징부의 상기 제2 내부 공간에서 상기 제1 방향과 반대 방향인 제2 방향으로 흐르는,
중공사막 모듈.
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
제1항에 있어서,
상기 하우징부는 횡단면 형상이 원형 또는 각형인 것인 중공사막 모듈.
삭제
제1항에 있어서,
상기 중공사막 모듈은 기체 분리 모듈, 가습 모듈 및 수처리 모듈로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것인 중공사막 모듈.