KR102342262B1 - 물 추출 장치 - Google Patents

Abstract

유체 스트림으로부터 수증기를 추출하기 위한 장치가 개시된다. 이 장치는, 캐리어 구조물, 캐리어 구조물 상에 제공된 섬유성 재료의 기재, 복수 개의 개별 섬유들, 개별 섬유들을 코팅하는 다량의 LCST 중합체를 포함하는 섬유성 재료 층, 및 LCST 중합체를 그의 낮은 임계 온도를 초과하도록 선택적으로 가열하도록 배열되며 이에 의해 섬유들에 의해 흡수된 물이 가열시 후속하여 방출될 수 있는 가열 설비를 포함한다. 섬유들 상에 코팅으로서 LCST 중합체를 제공함으로써, 증가된 표면적이 성취될 수 있다.

Description

물 추출 장치 {WATER EXTRACTING DEVICE}

본 발명은 물 추출 장치(water extracting device)들, 특히, 스마트 중합체 재료(smart polymer material)들을 사용하여 공기로부터 수증기를 제거하기 위한 장치들에 관한 것이다. 본 발명은 또한 이러한 장치를 포함하는 시스템 및 공기 스트림으로부터 수증기를 추출하는 방법에 관한 것이다.

증기 추출 장치들은 기존에는, 공기 스트림의 증기 함량을 감소시키거나 또는 그렇지 않다면 공기 스트림을 건조시키는 것이 바람직한 다양한 상황들에 사용된다. 특히, 가열, 환기 및 공조 시스템(air conditioning system)들에서, 공기 스트림으로부터의 과도한 습기의 제거가 종종 바람직하다. 수증기가 추출될 수 있는 다른 상황들은 의류 건조기들, 산업용 탈수(desiccation) 및 제습기(dehumidifier)들을 포함한다.

증기 추출 장치의 하나의 형태는 탈수제 휠(desiccant wheel)로서 공지되며 습기를 흡수하기 위해 실리카 겔(silica gel)과 같은 탈수제를 사용한다. 탈수제는 큰 표면적을 갖는 다수의 통로들을 형성하기 위해 얽히거나(convoluted) 또는 주름진(corrugated) 캐리어 층(carrier layer)에 제공된다. 캐리어 층은 감기거나(rolled up) 그렇지 않다면 휠의 축선과 정렬된 통로들을 갖는 휠 형상 구조를 형성하도록 배열된다. 사용 시에, 건조될 공기는 제 1 공기 스트림으로서 휠의 제 1 섹터(sector)를 통과한다. 탈수제는 공기보다 더 큰 물에 대한 친화성(affinity)을 갖고 공기의 습기는 탈수제에 의해 흡수된다. 실리카 겔은 특히 실리카 겔이 최종적으로 포화될 때까지 물을 그 자체의 중량의 수 배를 흡수할 수 있다는 점에서 극도로 효과적이다. 작동 동안, 휠은 회전하고, 포화되는 휠의 부품들은 제 1 공기 스트림의 밖으로 회전된다. 이들은 그 후 고온의 제 2 공기 스트림에 노출된다. 제 2 공기 스트림은 흡수된 물을 효과적으로 끓게 함으로써 탈수제를 건조시키기 위해 작동한다. 증발의 잠열(latent heat)과 동일한, 상당한 에너지가 이러한 물을 증발시키는데 요구된다. 이러한 탈수 장치들은 또한 일반적으로 비교적 크고 다루기 어렵다. 더 최근에는, 선택적으로 특정 물질들을 흡수할 수 있고 자극에 반응하여 이들을 방출(releasing)할 수 있는 대안적인 (스마트) 재료들이 발견되었다. 이러한 재료들의 하나의 부류는 LCST 중합체들로서 지칭된다. 이러한 재료들은 소위 낮은 임계 용액 온도(Lower Critical Solution Temperature; LCST)에서 비교적 친수성(hydrophilic) 형태로부터 비교적 소수성(hydrophobic) 형태로의 상태를 변경하는 이들의 능력에 대하여 공지된다. 현재 이러한 중합체들은 주로 생의학(bio-medical) 목적들을 위해 사용되고 있다. 이러한 재료들의 예는 EP 501 301에 주어지고, 그 내용들은 여기서 그 전체가 인용에 의해 포함된다. 이러한 재료들이 습한 공기의 유동에 수반되는 물을 추출하기 위해 사용될 수 있는 것이 제안되어 왔다. 증기 추출 장치가 WO2007/026023에 개시되고, 그 내용들은 또한 여기서 그 전체가 인용에 의해 포함된다. 작동 원리가 대단한 가능성을 도시하지만, 구현의 실현 가능성은, 아직까지는 극복하기가 어렵다. 특히, 이러한 재료들의 비용은 높고, 기존 장치들에 대한 이들의 효과적인 통합이 아직 구현되지 않았다.

따라서, 효과적으로 작동되고 제작하기 쉬운 LCST 중합체 기반 장치를 제공하는 것이 바람직할 것이다. 증발식 냉각 시스템들의 분야에서 유용할 수증기 추출을 위한 시스템을 제공하는 것이 또한 바람직할 것이다. 증발식 냉각 시스템들은 열을 추출하기 위해 공기 스트림 안으로의 물의 증발의 잠열을 사용한다. 간접 증발식 냉각기들 및 "이슬점(dew-point) 냉각기들"은 작업 공기 스트림으로의 증발에 의해 생성물 공기 스트림(product air stream)을 냉각시킨다. 작업 공기 스트림이 이미 높은 상대 습도를 갖는다면, 흡수할 수 있는 수증기의 양은 제한된다. 하나의 이러한 이슬점 냉각기는 WO03/091633으로부터 공지되고, 그 내용들은 여기서 그 전체가 인용에 의해 포함된다. 다른 장치가 문헌 US6,050,100으로부터 공지되고, 그 내용들은 또한 그 전체가 인용에 의해 포함된다. 이러한 문헌들은 탈수제 휠이 간접 증발식 냉각기를 포함하는 시스템에 어떻게 통합될 수 있는지를 설명한다. 버너(burner)가 탈수제 휠을 재생(regenerate)하는데 요구되며, 이는 상당한 에너지 입력을 요구한다. 또한, 습기의 흡수 및 휠의 재생 열은 공기 흐름이 최대 80 ℃로 가열되는 것을 야기할 수 있다. 따라서 효과적인 냉각 능력을 증가시키기 위해 이러한 증발식 냉각기들에 대한 유입 공기의 습도를 감소시키는 효율적인 방식으로 제공하는 것이 바람직할 것이다. 그럼에도 불구하고, 증기 추출을 수행하기 위해 요구되는 에너지는 최소이어야 한다.

따라서 포화 라인으로부터 멀리서 작동할 수 있고 상승된 에너지 입력을 요구하지 않는 대안적인 증기 추출 장치들에 대한 필요가 있다. 이러한 장치들은 제조하기에 싸고 간단해야 하며 또한 기존 시스템들에 대한 더 양호한 통합을 위해 비교적 작아야 한다.

본 발명에 따르면, 상기 언급된 단점들의 일부를 완화하는 것을 시도하는 유체 스트림으로부터의 수증기를 추출하기 위한 장치가 제공된다. 장치는 캐리어 구조물, 캐리어 구조물에 제공되는 섬유성 재료의 기재―섬유성 재료는 복수의 개별 섬유들을 포함함―, 개별 섬유들을 코팅하는 일정 양의 LCST 중합체, 및 LCST 중합체를 그의 낮은 임계 온도를 초과하여 선택적으로 가열하고 이에 의해 섬유들에 의해 흡수되는 물이 후속 가열시에 방출될 수 있게 하도록 배열되는 가열 설비(heating provision)를 포함한다. 섬유들 상으로의 코팅으로서 LCST 중합체를 제공함으로써, 증가된 표면적이 달성될 수 있고 물을 흡수하는 LCST 중합체의 능력은, 표면 장력 효과들에 의해 물을 리테이닝(retain)할 수 있는, 섬유들의 물리적 형태에 의해 증대된다. 본 문맥에서, LCST 중합체에 대한 참조는 제 1 상태에서 물을 흡수하고 제 2 상태에서 이를 방출할 수 있는 광의적인 재료를 나타내는 것이 의도되며, 이에 의해 2 개의 상태들 사이의 천이는 외부 자극에 반응하여 일어날 수 있다. 중요한 고려 사항은 물이 증발되는 것을 요구하지 않고 방출될 수 있다는 것이다. 일반적으로, 습기의 흡수에 대한 참조가 이루어지지만, 그럼에도 불구하고, 습기를 흡수하는 재료들은 또한 이러한 용어의 범주 내에 포함되는 것으로 고려된다.

캐리어 구조물은 이들의 기능을 수행하기 위해 섬유들을 지지할 수 있는 임의의 적절한 구조일 수 있다. 일반적으로, 캐리어 구조물은, 또한 섬유들이 배열되는 골격(skeleton)의 형태일 수 있지만, 별개의 층일 것이다. 캐리어 구조물은 포일(foil) 또는 거즈(gauze)일 수 있고 예컨대 금속 또는 플라스틱 재료로 형성될 수 있다. 종이 또는 판지(carton)가 또한 사용될 수 있다. 캐리어 구조물은 또한 적어도 부분적으로는 가열 설비와 통합될 수 있고 섬유성 재료가 지지되는 가열 층은 이미 바람직한 캐리어 기능을 달성할 수 있다. 바람직한 실시예에서, 캐리어 구조물은 예컨대 알루미늄의 전도 금속 포일을 포함한다. 이러한 포일의 특별한 이점은 롤링(rolling), 스탬핑(stamping) 등과 같은 종래의 성형 프로세스(process)들을 사용하여 장치가 복잡한 형상들로 용이하게 형성되는 것을 가능하게 한다는 것이다. 전도 금속 포일의 다른 이점은 열 전달을 위해 또한 사용될 수 있다는 것이다. 이는 장치가 습기를 추출하고 또한 이러한 흡수와 연관될 수 있는 열을 전달하는 양쪽으로 다기능적인 것을 허용한다. 이는 또한 가열 설비가 캐리어 구조물의 제 1 표면에 가해지고, 섬유성 재료 및 LCST 중합체는 대향 표면에 가해지는 것을 가능하게 한다.

대안적인 실시예에서, 캐리어 구조물은 절연 포일을 포함할 수 있다. 절연 포일은 열적으로 절연이고 그리고/또는 전기적으로 절연일 수 있다. 바람직하게는, 절연 포일은 플라스틱 재료로 형성된다. LCST 재료의 재생을 위해, 높은 저항의 가열 요소가 캐리어 구조물 상에 형성될 수 있고, 이는 그의 전기적 절연 성질이 가열 요소의 단락을 가능하게 하지 않을 것이기 때문이다. 당업자는 이러한 플라스틱의 사용에 의해 달성될 수 있는 이점들 및 특성들을 잘 알 것이다.

본 발명의 특히 중요한 양태에 따르면, 캐리어 구조물은 복수의 핀(fin)들을 포함할 수 있고 섬유성 재료가 핀들에 제공된다. 핀 구조의 제공은 장치에 걸친 공기 공급과 캐리어 구조물에 제공되는 LCST 중합체 사이의 질량 전달을 증가시킴으로써 물을 신속하게 흡수하는 장치의 능력을 더 증가시킨다. 다양한 핀 구조들이 예상될 수 있지만 가장 바람직하게는, 핀들은, 그 내용들이 여기서 그 전체가 인용에 의해 포함되는, WO2008055981에 개시된 것과 같이, 편평한 시이트(sheet) 또는 플레이트(plate)로부터 변형된다.

수증기를 추출하는데 사용하기 위해, 제 1 상태에서 비교적 친수성이고 제 2 상태에서 비교적 소수성인 LCST 재료가 선택될 수 있다. 작동의 하나의 형태에서, 제 1 상태에서 수증기를 흡수한 후에, 재료는 그 후 제 2 상태로의 전환(switching)시에 액체 물을 방출할 수 있다. 이러한 경우의 특별히 중요한 것은, 증기로부터 액체로의 상(phase) 변경이 재료에 의한 증기의 흡수시에 발생하고 제 2 상태로의 전환시에 물을 방출할 때 역전되지 않는 것이다. 전환시에 재료로부터의 물의 방출에 요구되는 에너지는 따라서 실리카 겔 또는 유사한 탈수제로부터 물의 유사한 양의 증발을 위해 요구되는 에너지보다 상당히 더 적을 수 있다. 위에 LCST 중합체를 갖춘 섬유성 재료가 캐리어 구조물의 하나 또는 양쪽 표면들에 제공될 수 있다.

상기 나타낸 바와 같이, 용어 LCST 중합체는, 특히 LCST 타입의, 자극 반응성 중합체를 나타내는 것이 의도된다. 이러한 재료들은 소위 낮은 임계 용액 온도(LCST)에서 비교적 친수성 형태로부터 비교적 소수성 형태로 상태를 변경하는 이들의 능력에 대하여 공지된다. LCST 중합체들은 온도 변경들에 대해 반응하여 수용액들에서의 열적으로 가역적인(reversible) 용해 가능-용해 가능하지 않은 변경들을 나타낸다. LCST 중합체의 가장 바람직한 형태는 폴리(N-이소프로필 아크릴아미드)(PNIPAM)이다. 다른 LCST 중합체들은 폴리실란 및 폴리실라인들, 이를테면 폴리(4, 7, 10-트리옥사운데실실라인) 및 폴리(4, 7, 10, 13-테트라옥사테트라데실실라인), 폴리(디메틸아미노 에틸 메타크릴레이트)(PDMAEMA) 및 에틸 및 이소프로필기들을 사용하는 폴리옥사졸라인, 특히 폴리(2-에틸-2-옥사졸라인)(PETOX) 및 폴리(2-이소프로필-2-옥사졸라인)을 포함한다. 이러한 중합체들의 수용액의 온도를 상승시킬 때, 가역적인 상 분리가 낮은 임계 용액 온도(LSCT)에서 발생한다. LCST 미만의 대기 온도들에서의 수용액에서, 중합체는 많이 접힌(highly folded) 무작위 코일로서 존재한다. LCST 초과시 그의 중합체의 중추(backbone)는 더 연장된 입체구조(conformation)를 채택하고 물이 방출된다. LCST 의 위치는 무기염들 또는 코모노머(co-monomer)들의 첨가에 의해 또는 당업자에게 공지된 다른 적절한 방법들에 의해 큰 온도 범위(27 ℃ 내지 75 ℃)에 걸쳐 조정될 수 있다. 또한, 교차 결합제(cross-linking agent)들의 첨가에 의해, 재료가 단단한 또는 겔 형태로 남아있는 것을 보장하기 위해 구조의 안정성이 개선될 수 있다. 폴리(에틸옥사졸라인)인 경우에, 30 % 초과의 교차 결합제(2-이소프로페닐-2-옥사졸라인)의 존재가 중합체가 물의 흡수시에 액체가 되는 것을 방지할 수 있다는 것이 제안되었다.

본 발명에 따른 바람직한 실시예에서, 재료는 열에 반응하여 제 1 상태에서 제 2 상태로 전환된다. 이는 폴리실란 재료들을 위한 작동의 바람직한 형태이고 이에 의해 LCST 에 대한 가열이 전환이 발생하는 것을 야기한다. 기상 제어 시스템에서의 사용을 위해, LCST 는 보통 직면하는 가장 높은 온도들을 약간 초과하는 전환 온도로 설정될 수 있다. 이러한 전환 온도로 재료를 가열하는 것은 재료의 재생이 일어나는 것을 야기한다. 그럼에도 불구하고, 전환 온도는 100 ℃ 미만일 것인데, 이는 이러한 온도를 초과하는 상승이 실질적으로 물이 끓는 것을 요구하고 상당한 에너지 손실을 요구할 것이기 때문이다. 가장 바람직하게는, LCST는 25 ℃ 내지 70 ℃, 더욱 바람직하게는 30 ℃ 내지 50 ℃이다. PNIPAAm의 경우, 이러한 온도는 일반적으로 약 35 ℃이다. 당업자는, 열 자극에 반응적인 LCST 중합체들이 설명되었지만, 다른 활성 형태들이, 예컨대 전기 전위, 전류, 자기장, 전자기 복사, pH, 진동 또는 기계적 응력에 반응하여, 재료가 제 1 상태에서 제 2 상태로 전환되는 것을 야기하는데 사용될 수 있음을 인식할 것이다.

본 발명에 따르면, 섬유들은 LCST 중합체 재료가 위에 코팅될 수 있는 임의의 적절한 섬유일 수 있다. 섬유들은 천연 또는 합성일 수 있고 바람직하게는 가닥(yarn)들 또는 쌍(twin)들보다는 개별 섬유들로서 존재한다. 가장 바람직하게는, 섬유들은 면(cotton)을 포함하지만 다른 천연 및 합성 섬유들 및 섬유들의 혼합물들이 또한 사용될 수 있다. 또한, 섬유성 재료는 바람직하게는, 부직포의 형태이지만, 직물 재료들이 또한 고려될 수 있다. (코팅에 앞선) 섬유들 자체들은 5 미크론 내지 500 미크론, 바람직하게는 약 50 미크론의 직경을 가질 수 있다.

가열 설비(provision)는, LCST 중합체(polymer)가 이의 제 1 상태로부터 이의 제 2 상태로의 변환을 유발하기 위한 임의의 적합한 설비를 포함할 수 있다. 이는 가열기, 가열된 공기의 공급 또는 심지어 태양 또한 다른 열 공급원에 장치를 노출하기 위한 시설의 형태일 수 있다. 가장 바람직한 실시예에서, 가열 설비는 캐리어 구조물(carrier structure) 상에 제공되는 저항 가열 요소(resistive heating element)를 포함한다. 저항 가열 요소는 카본 함유 층(carbon containing layer)을 포함할 수 있다. 이러한 층들은 표면들 상에 분포된 가열을 제공하기 위해 주지되어 있고, 그리고 항공기 날개들, 윈드 터빈 블레이드들(wind turbine blades) 등에 사용되고 있다. 비록 흑연이 또한 사용될 수 있지만, 카본 블랙(carbon black)이 특히 이러한 목적을 위해 적합하다. 카본은, 바람직하게는 잉크젯(inkjet) 증착에 의해 얇은 층으로서 캐리어 구조물 상에 증착될 수 있으며, 이에 의해 특정한 분포가 달성될 수 있다. 따라서, 카본 함유 층은 기재들의 특정한 영역들을 덮을 수 있으며, 그리고 기재들의 다른 영역들은 가열 요소들이 없을 수 있다. 대안적으로, 카본 함유 층은 카본 입자들로 함침된(impregnated), 직조(woven) 또는 부직(non-woven) 재료를 포함할 수 있다. 하나의 적합한 재료는 카본 함침된 반-전도성 부직 테이프(carbon impregnated semi-conductive non-woven tape)이다. 카본 함유 층은 섬유성 재료의 기재와 별도의 층일 수 있다. 그러나, 양자 모두의 층들이 통합되는 것이 또한 고려된다. 섬유성 재료는 그 자체가 전도성을 가질 수 있거나 전도성 입자들로 함침될 수 있으며, 이에 의해 저항 가열이 실시될 수 있다. 대안적으로, 섬유의 재료는 LCST 중합체들 및 가열 설비의 역할을 하는 다른 전도성 섬유들로 코팅된 섬유들의 혼합물을 포함할 수 있다. 가장 바람직하게는, 가열 요소는 100 내지 800 ohms/cm(ohms per cm)의 단위 길이당 저항을 가지는 층을 포함한다.

일 형태에서, 캐리어 구조물은 일반적으로 직사각형 패널을 포함할 수 있으며, 그리고 가열 요소는 패널에 걸쳐 연장하는 스트립들을 포함할 수 있다. 스트립들은 전용 전극들을 사용하여 스트립들에 걸친 전압의 인가에 의해 선택적으로 활성화될 수 있으며, 이에 의해 캐리어 구조물의 상이한 영역들이, 예를 들어 직렬로 독립적으로 가열될 수 있다. 가열 요소는 또한 특정한 영역들에 존재할 수 있으며, 그리고, 특정한 영역들이 적절한 제어기의 제어 중에서 선택적으로 활성화될 수 있다. 이는, 톱니형(saw tooth) 및 사인파(sine wave) 프로파일들과 같은, 특정한 가열 프로파일들이 실시되는 것을 허용하는데 사용될 수 있고, 그리고, 또한 공기 온도, 공기 습도, 캐리어 온도, 물 함량 등과 같은 신호들의 피드백(feedback)을 기초로 하여 적합한 적응형 제어를 제공하도록 또한 실시될 수 있다.

또한, 본 발명은, 입구 및 출구를 가지는 하우징(housing) 및 하우징 내에 위치되는 선행 청구범위 중 어느 하나에 따른 장치를 포함하는 제습 시스템(desiccant system)에 관한 것이며, 이에 의해, 공기는 입구로부터 출구로 기재에 걸쳐 유동할 수 있다. 일 실시예에서, 가열 설비는 캐리어 구조물에 걸쳐 고온 공기의 공급원을 지향시키기 위한 입구를 포함하는 것으로 고려될 수 있다. 대안적으로, 가열 설비는 하우징 내측에서 제공되는 가열 장치일 수 있다. 바람직하게는, 장치는 하우징을 통해 지나는 공기에 대해 비교적 큰 표면적 및 비교적 낮은 유동 저항을 제공하도록 배열된다. 특히, 캐리어 구조물은, 종래 기술의 탈수제 휠들의 방식으로 유동 방향과 정렬되는 복수의 통로들의 형태일 수 있다. 대안적으로, WO2008055981에서 도시되는 바와 같은 오픈 메쉬(open mesh) 및 핀(fin) 구조물들은 유리한 유동 특성들을 제공하는데, 이들이 난류 유동을 촉진시키고, 전체적인 유동 저항을 감소시키는데 도움을 줄 수 있기 때문이다.

흡수된 물의 제거를 제공하기 위해, 하우징은 방출구(drain) 및 방출구로 이어지는 중력 유동 구조물(gravity flow structure)을 더 포함할 수 있다. 물이 방출구에서 수집될 수 있고, 그리고 임의의 적합한 목적을 위해 사용될 수 있으며; 특히, 이는 동일한 또는 다른 시스템의 증발식 냉각 단계에서 후속하는 증발을 위해 사용될 수 있다. 시스템은 특히 증발식 냉각 장치, 바람직하게는 이슬점 냉각기(dew-point cooler)와 결합하여 유용하며, 여기서 사용 시, 유동 스트림은, 예를 들어 작동 유체(working fluid)의 출구로부터 입구로 증발식 냉각 장치로 지향된다. 이러한 방식으로, 냉각 장치로 진입하는 유체는, 냉각 동안 습기의 더 큰 제거(uptake)를 허용하도록 제습될(dehumidified) 수 있다.

본 발명의 다른 추가적인 양태에 따라, 시스템은 출구와 연통하는 열 교환기를 더 포함할 수 있으며, 이에 의해 출구를 떠나는 공기가 열 교환기를 통해 유동할 수 있고 냉각될 수 있다. 이는 캐리어 구조물의 표면 상에 증기의 추출로 인해 흡수 열에 대한 보상에서 특히 중요할 수 있다. 위에서 언급된 바와 같이, 캐리어 구조물은 적합한 히트 싱크(sink)로의 직접적인 열 전달을 허용하는 전도성 금속 포일(conducting metal foil)로 또한 형성될 수 있다.

본 발명은 또한, 장치에 걸쳐 보다 낮은 임계 온도(critical temperature) 미만의 온도를 가지는 습한 공기의 유동을 지나게 함으로써(이에 의해 공기가 LCST 중합체와 접촉하며, LCST 중합체는 다량의 수증기를 흡수함); 그리고 이의 보다 낮은 임계 온도 초과로 LCST 중합체를 선택적으로 가열하도록 가열 설비를 활성화시킴(이에 의해, 섬유들 상에 흡수되는 물이 방출됨)으로써, 위에서 또는 이후 설명되는 바와 같이 장치 또는 시스템을 사용하여 유체 스트림으로부터 동반된(entrained) 수증기를 추출하는 방법에 관한 것이다. 가열 설비를 활성화시키는 단계는 바람직하게는 캐리어 구조물 상에 제공되는 카본 층에 걸쳐 전압을 인가함으로써 수행된다.

바람직하게는, 본 방법은 또한 증기의 열 흡수와 같이 열을 제거하기 위해 유동 및/또는 장치를 냉각시키는 단계를 선택적으로 포함할 수 있다. 본 방법은 방출구로의 중력 유동에 의해 방출된 생성물을 수집하는 단계를 또한 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 추가적인 양태에 따라, 캐리어 층, 섬유성 재료 층―섬유성 재료는 복수의 개별적인 섬유들 및 개별적인 섬유들을 포함함―, 및 저항 가열 층을 코팅하는 다량의 LCST 중합체를 포함하는 LCST 라미네이트(laminate)가 제공된다. 이러한 라미네이트는, 요구 시(on demand) 흡수 및 방출에 적합한 임의의 수의 사용들에 대해 계속해서 적응될 수 있는 자체 포함된 제조 물품일 수 있다. 캐리어 층은 성형 전에 위에서 설명된 캐리어 구조물과 같을 수 있다. 섬유들, LCST 중합체 및 저항 가열 층이 또한 위에서 설명된 바와 같을 수 있다. 가장 바람직한 실시예에서, 라미네이트는 절연 래커(lacquer)에 의해 코팅된 얇은 금속 층 및 저항 가열 층으로서 전기 전도성(electrically conductive) 카본 블랙의 코팅을 포함한다. 섬유성 재료 층이 가열 요소 상에 제공된다. 비록 가열 층이 한 표면 상에 단지 적용되어야 하지만, 섬유 금속 층은 알루미늄 층의 양 측면들 상에 제공될 수 있다.

LCST 라미네이트는, 바람직하게는, 예컨대 프레싱 및 몰딩에 의해, 요망되는 형상으로 형성가능하다. 이러한 목적을 위하여, 캐리어 층은 알루미늄과 같은 얇은 금속 층일 수 있다. 가장 바람직한 실시예에서, 라미네이트는, 서로 부분적으로 분리된 복수의 핀(fin)들로 절단되고 형성될 수 있다. 라미네이트는 WO2008055981에 설명되는 바와 같은 형태를 가지도록 구현될 수 있다. 일단 형성되면, 라미네이트에는, 저항 가열 층에 연결하기 위해 적합한 전극들이 제공될 수 있다. 핀들이 제공되는 라미네이트에 대해, 전극들은, 바람직하게는 전위(potential)가 핀의 방향으로 적용될 수 있도록 배열된다.

본 발명의 특징들 및 장점들이 다수의 예시적인 실시예들의 다음의 도면들을 참조로 하여 이해될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 라미네이트의 일부분에 대한 사시도를 도시한다;
도 1a는 건조 상태의 도 1의 섬유성 재료 층에 대한 상세부를 도시한다;
도 1b는 습윤 상태의 도 1의 섬유성 재료 층에 대한 상세부를 도시한다;
도 2는 도 1의 라미네이트로부터 제작되는 물 추출 장치를 도시한다;
도 2a는 방향(A)으로 취해진 도 2의 장치의 일부분에 대한 도면이다;
도 3은 도 2의 복수의 장치들을 포함하는 물을 추출하기 위한 시스템을 도시한다;
도 3a는 도 3의 시스템의 상세부를 도시한다;
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 개략적인 공기 처리 회로를 도시한다; 그리고,
도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 물 추출 장치에 대한 사시도를 도시한다.

다음은, 단지 예로써 주어지며, 그리고 도면들을 참조로 하여, 본 발명의 특정한 실시예의 설명이다.

도 1은, 캐리어 층(2), 섬유성 재료 층(4) 및 저항 가열 층(6)을 포함하는 본 발명에 따른 LCST 라미네이트(1)의 일부분을 도시한다. 섬유성 재료 층(6)은 복수의 개별적인 면 섬유들(7)을 포함하며, 이 면 섬유들은, 이러한 실시예에서 부직포 형태이다. 섬유들(7)이 직조(woven), 펠트(felt), 편직(knitted) 직물 등과 같은 임의의 다른 적합한 배열로 또한 존재할 수 있는 것이 이해될 것이다. 캐리어 층(2)은 대략 70 마이크론(micron)의 두께를 가지는 알루미늄의 박층이다. 중합체의 보호 층(9)이 양자 모두의 표면들 상에 제공되어 전기적으로 절연할 뿐만 아니라 이 표면을 부식으로부터 보호한다. 저항 가열 층(6)은 대략 0.3 mm의 두께 및 60 g/㎡의 중량을 가지는 카본 입자들로 함침된 폴리에스테르(polyester)/폴리아크릴레이트(polyacrylate) 섬유의 얇은 부직포 층이다. 저항 가열 층(6)은 100 ohms/cm의 전도도를 가진다. 라미네이트의 대향 에지들을 따른 한 쌍의 전극들(12a, 12b)은 전압을 인가하기 위해 제공된다.

도 1a는 섬유성 재료 층(4)의 상세부를 도시하며, 섬유(7)의 횡단면을 도시한다. 섬유(7)는 대략 20 마이크론의 두께를 가지는 코어(core)(8)를 가진다. 이 섬유는 PNIPAAm 층(10)으로 이의 외측 표면 둘레에 코팅되며, 이에 의해 건조 상태의 섬유(7)의 전체 두께는 대략 50 마이크론이다. PNIPAAm 층(10)은, 면 코어(8)의 표면 상에 PNIPAAm 재료를 직접적으로 주입하도록 표면 개시 원자 전달 래디컬 중합화(surface-initiated atom transfer radical polymerization) 방법을 사용하여 적용된다. 절차는 "스폰지형(sponge-like) 면 직물에 의해 안개들로부터의 물에 대한 온도-트리거식(Temperature-Triggered) 수집 및 방출"[양 등(Yang et al.); 어드밴스 머티리얼스(Advanced Materials) 2013년] 논문에서 설명되는 바와 같을 수 있다. 본 실시예에서, 이는 35 ℃의 LCST를 가지도록 배열된다.

도 1b는 습윤 상태의 도 1a의 상세부와 동일한 상세부를 도시하며, 여기서 PNIPAAm 층(10)은 흡수된 습기를 가지고, 그리고 크기가 상당하게 증가된다.

사용 시에, 라미네이트(1)는 PNIPAAm 층(10)의 LCST 미만인 온도에서 습한 공기의 유동에 노출될 수 있다. PNIPAAm 층(10)은 공기로부터 습기를 흡수하고, 도 1a의 구성으로부터 도 1b의 구성으로 팽창한다. 일단 포화에 도달되면, 라미네이트가 재생되어야 한다. 이러한 목적을 위하여, 전압은, LCST 초과로 저항 가열 층(6)을 가열하는 것을 유발하는 전극들(12A, 12B)에 걸쳐 배치된다. 이때, 흡수된 물은 PNIPAAm 층(10)에 의해 방출된다. 라미네이트(1)를 수직으로 배향함으로써, 물은 액적들로써 밖으로 배수될 수 있다.

도 2는 도 1의 LCST 라미네이트(1)로부터 제작되는 물 추출 장치(20)를 도시한다. 도 2에 따라, 캐리어 층(2)이 롤링(rolling) 및 커팅(cutting) 기술에 의해, 절단부들(25)에 의해 서로 부분적으로 분리되는 복수의 핀들 또는 스트립들(24)을 포함하는 캐리어 구조물(22)로 형성된다. 스트립들(24)은, 인접한 스트립들이 라미네이트(1)의 제 1 평면으로부터 상이한 양들만큼 돌출하는 방식으로 형성된다. 그 결과 발생하는 장치(20)는 이 장치에 걸친 공기 유동의 난류를 증가시키는 유리한 형태를 가지며, 이에 의해 더 양호한 습기 전송이 달성될 수 있다. 본 실시예에서, 스트립들(24) 각각은 대략 20 mm의 길이(L) 및 대략 2 mm의 너비(W)를 가진다. 그럼에도 불구하고, 당업자들은 다른 구성들이 또한 사용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 게다가, 비록 도시되지 않았지만, 캐리어 층(2)이 도 1에 대해 설명되는 바와 같이 섬유성 재료 층(4), 저항 가열 층(6) 및 보호 층(9)에 의해 적층되는 것이 이해될 것이다. 이러한 층들의 적층은 형성 프로세스 동안 이 층들이 부착 상태를 유지할 것임을 보장하는데 충분하다. 전극들(12a, 12b)은 장치(20)의 대향 에지들에 위치되어, 2 개의 전극들 사이에 인가되는 전위 차들은 스트립들(24)의 방향으로 정렬되는 전기장(electric field)을 초래한다.

유리하게는, 각각의 스트립(24)은 성형 프로세스 동안 라미네이트(1)의 뒤틀림을 방지하는 동일한 전체 길이를 갖도록 형성된다. 도 2a는 스트립들(24)의 형상을 나타내는, 도 2의 방향 A에서 취해진 장치(20)의 일부의 상세이다.

도 3은 복수의 물 추출 장치(20)들이 입구(34) 및 출구(36)를 갖는 하우징(32)에 제공되는 물 추출을 위한 시스템(30)을 도시한다. 장치들(20)이 수직 방향으로 연장하는 스트립들(24)에 수직으로 배열된다. 하우징(32)의 하부 측에는 컬렉터(38)가 있다. 전극들(12a)이 추출 장치들(20)의 상부 측에 도시되어 있으며 존들을 독립적으로 가열되는 각각의 존으로 분할된다. 유사한 전극들(도시 생략)이 추출 장치들(20)의 하부 측에 위치된다. 적절한 전기 공급장치(도시 생략)가 전극들에 전기적으로 커플링되어 이 전극들에 전력을 제공한다.

도 3a는 각각의 물 추출 장치들(20)의 배향을 예시하며 추출 장치들을 분리 유지하도록 각각의 물 추출 장치들(20) 사이의 스페이서들(42)을 도시하는 시스템(30)의 상세를 도시한다.

도 4에 따르면, 도 3의 시스템(30)이 에어 핸들링 회로(100) 내에 통합되는 본 발명의 실시예가 도시되어 있다. 시스템(30)이 제 1 간접 증발식 냉각기(50)와 제 2 간접 증발식 냉각기(52) 사이에서 직렬로 배치된다. 간접 증발식 냉각기들(50, 52)은 서로에 대해 전도 가열되는 제 1 채널들(50a, 52a) 및 제 2 채널들(50b, 52b)을 가지며, 그리고 이에 의해 적어도 제 2 채널들(50b, 52b)에는 물의 공급장치가 제공된다. 간접 증발식 냉각기들(50, 52)은, 다른 유사한 증발식 냉각 장치들이 WO03/091633에 도시된 것과 같은 것이 사용될 수 있지만, WO2008055981에 개시된 유형이다. 제어기(60)는 입구 팬(62), 출구 팬(64), 제 1 우회 밸브(66) 및 제 2 우회 밸브(68)에 작동식으로 연결된다. 온도, 습도, 유량, 및 임의의 다른 관련 있는 파라미터들을 위한 센서들(도시 생략)이 유동 상태들의 피드백을 제어기(60)에 제공하도록 회로의 적절한 위치들에 제공된다.

예측되는 유동 구성에서 그리고 도 1 내지 도 4를 참조하여, 제어기(60)는 51%의 상대 습도(RH: relative humidity)를 갖는 35 ℃의 온도 및 18 g/Kg의 물을 갖는 신선한 외부 공기를 취해서 제 1 채널(50a)에 2083 ㎥/h의 유량으로 이를 이송하도록 구현된다. 이슬점 냉각기들에 대해 관습적인 바와 같이 제 2 채널(50b)을 통한 우회 유동에 의해 제 1 채널(50a)의 출구에서 이슬점에 가깝게 공기가 냉각된다. 제 1 우회 밸브(66)는 제 2 채널(50b)을 통해 833 ㎥/h의 유동을 허용하도록 제어되며, 제 2 채널은 물의 추가에 의해 습기를 가지며, 100 %의 RH로 29.8 ℃의 온도 및 27 g/Kg의 물이 나간다. 제 1 간접 증발식 냉각기(50)를 나가는 총 유동(net flow)은 1250 ㎥/h이며, 24.0 ℃의 온도, 18 g/Kg 물 및 96 %의 상대 습도를 갖는다. 이러한 유동은, 물 추출을 위한 시스템(30)의 입구(34)에 공급된다. 공기가 하우징(32) 내에 위치된 물 추출 장치들(20) 위로 유동할 때, 온도가 LCS 온도 미만이기 때문에, LCST 중합체 재료에 의해 물이 흡수된다. 공기는 단지 14 g/Kg 물 및 42 %의 상대 습도를 갖는 출구(36)를 통해 하우징(32)을 나간다. 흡수의 열로 인해, 공기 스트림의 온도는 34.0 ℃로 단열적으로(adiabatically) 증가되며, 이는 여전히 LCS 온도 미만이다.

시스템(30)의 출구(36)를 나가자마자, 공기가 제 2 간접 증발식 냉각기(52)의 제 1 채널(52a)에 공급된다. 여기서 다시, 우회 유동은 제 2 채널(52)을 통해 제 2 우회 밸브(68)에 의해 지향되며, 이 채널에서, 물의 추가에 의해서 습윤되며, 제 1 채널(52a)에서의 공기 유동의 냉각이 이슬점에 가까워지는 것을 유발한다. 500 ㎥/h의 제 2 유동은, 제 2 채널(52b)을 통해 우회되며 100 % RH로 24 g/Kg의 물과 함께 28.2 ℃로 나간다. 제 2 간접 증발식 냉각기(52)를 나가는 총 유동은, 바로 20.6 ℃의 온도, 14 g/Kg 물 및 92 %의 RH를 갖는 750 ㎥/h이다. 이는 예컨대, 거주 공간으로 이송될 수 있다. 제 1 증발식 냉각기(50)가 시스템(30)을 LCS 온도 미만으로 유지하도록 기능하는 한편, 제 2 증발식 냉각기(52)가 추가 냉각 프로세스에서 낮은 습도의 공기를 활용하는 것이 이해될 것이다.

주기적으로, 시스템(30)에서 LCST 중합체 재료는 포화되게 된다. 이 때, 제어기(60)는 전극들(12a, 12b)에 걸쳐 전압을 공급하도록 작동하여 저항 가열 층(6)의 가열을 유발한다. 온도가 LCS 온도를 초과하여 상승할 때, PNIPAAm 층(10)은 흡수된 물을 방출하며, 이는 콜렉터(38) 내로 아래로 떨어진다. 전극들(12a, 12b)이 존들에 배열되기 때문에, 바로 소정의 존들에 걸쳐 전압을 인가하는 것이 가능하며, 이에 의해 다른 존들이 습기를 계속해서 흡수하게 할 수 있다. 도시되지 않았지만, 적절한 밸빙(valving)이 가열된 그 존들로의 유동을 방지하도록 배열될 수 있음이 당업자에 의해 이해될 것이다.

도 5는 도 2의 물 추출 장치와 유사한 물 추출 장치(120)의 제 2 실시예를 도시한다. 이 경우에, 저항 가열 층(106)은 캐리어 층(102)에 걸쳐 대각선으로 연장하는 존들(106A 내지 106J)에 적용되고 있다. 각각의 존(106A 내지 106J)에는 전기 접속체들(115)에 의해 제어기(160)에 접속되는 그 자체의 각각의 전극들(112A 및 112B)이 제공된다. 제어기(160) 및 접속체들(115)은, 존들(106A 내지 106J) 각각이 개별적으로 어드레스되어 요구될 수 있는 존에 의한 선택 가열 존을 유발하도록 배열된다. 센서들(161A 내지 161J)은 각각의 존(106A 내지 106J)에 인접한 캐리어 층(102) 상에 제공되어 각각의 존을 지나가는 유동에 관한 피드백을 제어기(160)에 제공한다. 이런 방식으로, 장치(120)는 온도, 습도, 및 흡수된 물과 같은 감지된 상태들에 기초하여 적응식으로 제어될 수 있다. 존들의 대각선 배향은, 물이 각각의 존의 가열시 LCST 중합체에 의해 방출되면, 장치(120)의 후방 에지를 향해서 대각선 하방으로 캐리어 층(102)을 횡단할 수 있음을 보장하는 것이 유리하다. 그럼에도 불구하고, 존들의 다른 구성들이 요구되는 효과에 따라 구현될 수 있음이 이해될 것이다. 도 5의 실시예는 핀들(fins)이 없는 평탄한 라미네이트로서 도시된다. 그럼에도 불구하고, 동일한 구성에 도 2에 개시된 유형의 핀들 또는 스트립들이 제공될 수 있음이 이해될 것이다.

이에 따라, 본 발명은 상기 논의된 실시예를 참조함으로써 설명되고 있다. 이러한 실시예가 당업자에게 주지된 다양한 수정예들 및 대체 형태들에 영향을 받기 쉽다는 것이 인식될 것이다. 상기 설명된 것 이외의 많은 수정예들이 본 발명의 사상 및 범주로부터 벗어나지 않고 본원에 설명된 구조물들 및 기술들에 의해 만들어질 수 있다. 이에 따라, 특정 실시예들이 설명되고 있지만, 이들은 단지 예시들이며, 본 발명의 범주를 제한하지는 않는다.

Claims (21)

1. 물 추출 장치로서,
   캐리어(carrier) 구조물;
   상기 캐리어 구조물 상에 제공된 섬유성 재료의 기재―상기 섬유성 재료는 복수 개의 개별 섬유들을 포함함―;
   상기 개별 섬유들을 코팅하는 다량의 LCST 중합체; 및
   상기 LCST 중합체를 상기 LCST 중합체의 낮은 임계 온도를 초과하도록 선택적으로 가열하도록 배열되며 이에 의해 상기 섬유들에 의해 흡수된 물이 가열시 후속하여 방출될 수 있는, 가열 설비를 포함하고,
   상기 LCST 중합체는 상기 개별 섬유들의 코어 상으로 코팅된 층으로서 제공되고,
   상기 캐리어 구조물은 절단부들에 의해 서로 부분적으로 분리된 복수의 핀(fin)들을 포함하는 전도성 금속 포일(foil)을 포함하고, 상기 섬유성 재료가 상기 핀들 상에 제공되는 것을 특징으로 하는,
   물 추출 장치.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 캐리어 구조물은 절연 포일을 포함하는,
   물 추출 장치.
   
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 LCST 중합체는 폴리(N-이소프로필아크릴아미드)(PNIPAAm)인,
   물 추출 장치.
   
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 섬유들은 천연 섬유들을 포함하는,
   물 추출 장치.
   
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 가열 설비는 상기 캐리어 구조물 상에 제공되는 저항 가열 요소를 포함하는,
   물 추출 장치.
   
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 저항 가열 요소는 탄소 함유 층을 포함하는,
   물 추출 장치.
   
7. 제 5 항에 있어서,
   상기 저항 가열 요소는 상기 기재의 구역들을 덮으며, 상기 기재의 다른 구역들은 가열 요소들이 없는,
   물 추출 장치.
   
8. 제 5 항에 있어서,
   상기 캐리어 구조물은 대체적으로 직사각형 패널(panel)을 포함하며, 상기 저항 가열 요소는 선택적으로 활성화될 수 있는 패널에 걸쳐 연장하는 스트립(strip)들을 포함하는,
   물 추출 장치.
   
9. 입구 및 출구를 갖는 하우징 및 상기 하우징 내에 위치되는 제 1 항에 따른 장치를 포함하는 시스템으로서,
   공기가 상기 기재에 걸쳐 상기 입구로부터 상기 출구로 유동할 수 있는,
   시스템.
   
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 하우징은 배출구(drain) 및 상기 배출구로 이어지는 중력 유동 구조물을 더 포함하는,
    시스템.
    
11. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    상기 출구와 연통하는 열교환기를 더 포함하며, 상기 출구를 나가는 공기는 상기 열교환기를 통해 유동할 수 있고 냉각될 수 있는,
    시스템.
    
12. 유체 스트림으로부터 동반된(entrained) 수증기(water vapour)를 추출하는 방법으로서,
    제 1 항에 따른 장치 또는 제 9 항에 따른 시스템을 제공하는 단계;
    상기 장치에 걸쳐 낮은 임계 온도 미만의 온도를 갖는 습한 공기의 유동을 통과시키는 단계―이에 의해 공기가 LCST 중합체와 접촉하며, 상기 LCST 중합체는 다량의 수증기를 흡수함―; 및
    상기 LCST 중합체를 상기 LCST 중합체의 낮은 임계 용액 온도를 초과하게 선택적으로 가열하도록 가열 설비를 활성화하며 이에 의해 섬유들 상에 흡수된 물이 방출되는 단계를 포함하는,
    유체 스트림으로부터 동반된 수증기를 추출하는 방법.
    
13. 제 12 항에 있어서,
    상기 증기의 흡수열을 제거하도록 상기 유동 및 상기 장치 중의 한가지 이상을 냉각시키는 단계를 더 포함하는,
    유체 스트림으로부터 동반된 수증기를 추출하는 방법.
    
14. 제 12 항에 있어서,
    중력에 의해 배출구로 방출된 물의 유동을 수집하는 단계를 더 포함하는,
    유체 스트림으로부터 동반된 수증기를 추출하는 방법.
    
15. 전도성 금속 포일의 캐리어 층, 섬유성 재료 층, 및 저항 가열 층을 포함하는, LCST 라미네이트로서,
    상기 섬유성 재료는 복수 개의 개별 섬유들을 포함하고 상기 개별 섬유들을 코팅하는 다량의 LCST 중합체를 포함하고, 상기 LCST 중합체는 상기 개별 섬유들의 코어 상으로 코팅된 층으로서 제공되며,
    상기 LCST 라미네이트는 절단되어 서로 부분적으로 분리된 복수의 핀들로 형성되는,
    LCST 라미네이트.
    
16. 제 15 항에 있어서,
    상기 라미네이트는 프레싱(pressing) 또는 몰딩(molding)에 의해 소망하는 형상으로 성형가능한,
    LCST 라미네이트.
    
17. 제 15 항 또는 제 16 항에 있어서,
    상기 캐리어 층은 알루미늄을 포함하는,
    LCST 라미네이트.
    
18. 제 15 항 또는 제 16 항에 있어서,
    상기 저항 가열 층은 카본 블랙을 포함하는,
    LCST 라미네이트.
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