KR102471175B1 - 굴곡성 채널을 갖춘 접선유동 세퍼레이터 요소 - Google Patents

굴곡성 채널을 갖춘 접선유동 세퍼레이터 요소 Download PDF

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테크놀로지 아방세 에 망브란 엥뒤스트리엘
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Abstract

본 발명은 피처리 유체 매질의 유동을 통과시키기 위한 적어도 하나의 채널(4i)을 내부에 가지는 단일체의 강성 다공성 지지체(2)를 포함하는 횡류 분리요소를 제공하며, 이 채널은 기준 축선 주위의 곡선 경로를 따라 생성 섹션을 스위핑 함으로써 규정되는 굴곡성 유동 볼륨(Vi)을 가지며, 상기 기준 축선은 상기 생성 섹션과 교차하지 않고 상기 다공성 지지체 내에 포함된다.

Description

굴곡성 채널을 포함하는 횡류 분리요소
본 발명은, 일반적으로 여과 멤브레인(filtration membranes)이라고 불리는, 여과액 및 잔류물로의 처리를 위하여 유체 매질을 분리하는 횡류 분리요소의 기술 분야에 관한 것이다.
더욱 상세하게는, 본 발명은 여과액의 유동을 증가시키고 및/또는 분리요소를 사용하는 설비의 에너지 소비를 감소시키는 것을 가능하게 하는, 분리요소의 신규한 채널 형상에 관한 것이다.
본 발명은 또한 부가 기술(additive technique)로 횡류 분리요소를 제조하는 방법에 관한 것이다.
멤브레인을 이용하는 분리 공정은, 화학, 석유화학, 제약, 및 농식품 산업에서, 특히 음료수 생산 및 공업폐수 처리를 위한 환경에서, 그리고 생명공학 분야에서, 많은 분야에 있어서 사용된다.
멤브레인은, 전달력의 작용 하에, 처리될 유체 매질의 특정 성분을 통과시키거나 차단시키는 선택적 장벽을 구성한다. 해당 성분의 통과 또는 차단은, 필터로서 기능하는 멤브레인 내의 구멍 크기에 대한 해당 성분의 크기의 결과로서 결정된다. 구멍 크기에 따라서, 이러한 기술은 정밀여과(microfiltration), 한외여과(ultrafiltration) 또는 나노여과(nanofiltration)라고 한다.
멤브레인은 구조 및 텍스처가 상이한 것들이 존재한다. 멤브레인은, 일반적으로, 멤브레인의 기계적 강도를 보장하고, 채널의 수 및 형태를 규정하여, 멤브레인의 전체 필터 표면영역을 결정하는 다공성 지지체로 구성된다. 상세하게는, 이러한 채널의 내벽에 있어서 "세퍼레이터 층(separator layer)", "여과층(filter layer)", "분리층(separation layer)", "활성층(active layer)", 또는 "스킨(skin)"이라고 하는 층이 분리를 수행한다. 분리시, 여과된 유체의 전달은 세퍼레이터 층을 통해 이루어지며, 이 유체는 지지체의 다공성 조직을 통해 다공성 지지체의 외주면을 향해가도록 퍼진다. 세퍼레이터 층 및 다공성 지지체를 통과한 피 처리 유체 중의 일부분은 "투과물(permeate)" 또는 "여과액(filtrate)"이라고 하며, 멤브레인을 둘러싸는 수집 챔버에 의해 회수된다. 피처리 유체 중의 나머지 부분은 "잔류물(retentate)"이라고 하며, 통상, 순환 루프에 의해 멤브레인의 상류에서 피처리 유체로 재주입된다.
통상적으로, 지지체가 세라믹 재료로 제작된다면, 지지체는 우선 압출에 의해 원하는 형상으로 제조된 다음, 얻어진 세라믹에 있어서 소망하는 개방 및 상호연결된 다공성 텍스처를 보유하면서, 필요한 강도를 확보하기에 충분한 온도 및 시간동안 소결된다. 이러한 공정은, 세퍼레이터 층(들)이 증착되고 소결되는 하나 이상의 직선형 채널을 얻는 것으로 제한된다. 전통적으로 지지체는 관형이며, 지지체의 중심축선에 평행하게 배열된 하나 이상의 직선형 채널을 갖는다. 일반적으로, 채널의 내부 표면은 매끄럽고 불규칙성을 가지지 않는다.
그러나, 이러한 기하학적 구조를 갖는 지지체로 제작된 여과 멤브레인은 막힘(clogging) 즉 "파울링(fouling)"이 발생한다는 문제가 있으며, 결과적으로 처리량(throughput)의 측면에서 성능이 제한된다는 것이 밝혀졌다. 상세하게는, 작은 입자 및 거대분자는 세퍼레이터 층의 표면 상에 흡착되거나 겔 또는 침착물을 형성하여 침착될 수 있으며, 이들은 심지어 구멍을 관통하고 구멍들 중 일부를 막을 수도 있다.
모든 멤브레인 분리의 원리, 특히 여과 요소를 이용하는 횡류 분리의 원리는, 멤브레인(활성층)의 선택성 및 전체적으로 고려되는 여과 요소(지지체 + 활성층)의 투과성(유동)에 의존하는 선택 전달 효율에 있다. 선택성 및 투과성은, 농도 분극, 증착, 또는 구멍 차단으로 초래되는 막힘의 출현에 의해 감소되거나 제한될 수 있기 때문에, 활성층 및 그 지지체의 특성만으로 결정되는 것은 아니다.
농도 분극 현상은 여과 동작 중에 피처리 액체에 존재하는 거대분자가 멤브레인/용액 계면에 농축될 때 발생하며, 이는 멤브레인/용액 계면에서 픽(Fick)의 법칙의 적용에 있어서 피처리 액체의 코어 내로 산란되는 또는 분리력에 반대되는 삼투 배압을 가한다. 농도 분극 현상은 용매의 침투로 인해 멤브레인 부근에 퇴적되는 보유 화합물로 초래된다.
이는, 멤브레인의 표면에서 입자의 농도가 증가하여, 멤브레인의 수리 저항(hydraulic resistance)에 부가하여 수리 저항이 나타나는 겔 또는 점착성 퇴적물의 형태로 응축상이 나타날 때이다.
구멍의 크기보다 작거나 같은 크기의 입자가 침입하여 여과 표면 영역을 감소시킬 때, 구멍은 막힌다.
막힘 및 그 가역성 또는 비가역성은, 필터 요소, 특히 세퍼레이터 층과, 피처리 액체와, 작동 파라미터에 의존하는 복잡한 현상이다.
막힘은, 여과 설비의 크기를 정할 때, 처리된 용적의 관점에서 요구사항을 충족하기 위한 설치 표면 영역을 증가시키기 때문에, 또한 이는 세제를 사용하는 청소 주기 또는 주기적인 역세(back-washing)와 같은 귀납적인(a posteriori) 막힘에 대응하기 위한 특정 기술적 수단을 시행할 필요가 있기 때문에, 여과의 경제적인 매력도에 대해 중대한 장애가 된다.
선행기술에 있어서, 여과 요소의 채널의 내부에 난류 유동 조건을 생성함으로써 막힘 현상을 감소시키기 위해 여과액의 유동을 증가시키는 많은 기술적 해결책이 이미 제안되어 있다.
첫 번째 유형의 해결책에 따르면, 미국 특허 US 3,648,754호 또는 세인즈 말레이시아 대학교(University Sains Malaysia) 화학공학부 - 2003, A.L. Ahmad, A. Mariadas, M.M.D. Zulkali의 간행물 "교차유동 정밀 여과를 위한 나선형 배플을 사용한 멤브레인 파울링의 감소"에 기재된 바와 같은, 관형 여과 요소에 있어서의 채널이 난류 또는 와류를 생성하기 위한 나선부(helix) 또는 스크류를 수용하는 것이 제안되어 있다.
채널 내에 삽입된 나선부는 정위치(통상 채널의 입구)에 유지될 필요가 있는 별개의 끼워맞춤부(separate fitting)이다. 그러한 나선을 각각의 채널 내에 삽입하는 것과 각 채널의 입구에 고정시키는 것은 성취하기 어렵다. 또한, 나선부의 직경은 채널 자체의 직경보다 작아 삽입이 가능하고, 필요하다면 추출도 가능하다. 간극이 남아있으므로, 채널 내에서 나선부는 "부유(float)"되어 자유롭게 진동할 수 있으며, 활성층에 회복 불가능한 손상을 주는 마찰을 일으킨다. 게다가, 간극의 존재는 유체의 나선형 유동을 단락시킴으로써 나선부의 효과를 감소시키는 측면 누설(lateral leakage)을 유발한다.
또 다른 유형의 해결책은, 필터 표면 근방의 유체 매질에 대하여 교란을 발생시켜 물질의 퇴적 및 막힘이 제한되도록, 채널의 내벽 내에 또는 내벽 상에 오목부 또는 볼록부를 형성하는 것이다. 유럽 특허 EP 0 813 445호는 각각의 채널이 채널의 벽에 단일-, 이중-, 또는 삼중-나선형 홈부(groove)를 포함하도록 제안하며, 여기서 홈부는 채널 전체의 약 25%의 횡단면을 갖는다. 프랑스 출원 FR 2 736 843호는 지지체의 주변 벽은 매끄러운 한편 오목부가 형성된 벽을 갖춘 단일 채널을 가지는 다공성 튜브를 제작하는 방법을 개시한다. 이를 위해, 다공성 튜브는 축선 상에 배열된 원통형 핀을 포함하는 압출 다이에 의해 형성되고, 다이의 출구 핀 또는 매트릭스는 회전하도록 장착되고 원형이 아닌 단면으로 이루어진다.
채널의 내부표면 상에 홈부나 오목부를 형성하는 것은 유체 매질 전부가 나선형 경로를 따르게 할 수 없으며, 그에 따라 그러한 해결책의 장점을 제한한다. 또한, 이러한 분리요소의 제작 기술은 임의의 유형의 오목부, 주로, 분리요소의 일단부로부터 타단부까지 연속적이고 채널의 관통 단면에 있어서 어떤 변화도 일으키지 않는 오목부로 제한된다. 또한, 복수의 내부 채널을 갖는 분리요소를 제조하는 것에는 활용될 수 없다. 그러나, 다채널 분리요소는 필터 표면적을 증가시켜 성능을 향상시키는 역할을 하기 때문에 점차 요구되고 있다.
동일한 목적을 위해, 프랑스 특허출원 FR 3 024 665호는 피처리 유체 매질을 여과액 및 잔류물로 분리하기 위한 횡류 분리요소를 제안한다. 이 요소는 유입구와 유출구 사이에서 피처리 유체 매질의 유동을 통과시키기 위한 적어도 하나의 채널을 갖춘 단일체의 강성 다공성 지지체(single-piece rigid porous support)를 포함한다. 이 다공성 지지체는 다공성 지지체를 통과한 여과액을 회수하기 위한 외부표면을 갖는다.
이 문헌은 채널의 내벽에 여과시킬 유체의 유동에 대해 장애물을 형성할 것을 제안하며, 이 장애물은 지지체의 재료 및 다공성 텍스처와 연속성을 갖는다. 프랑스 특허출원 FR 3 024 664에 따르면, 적어도 하나의 채널은 특히 지지체의 내벽 상에 배열된 나선 형태의 장애물을 갖는다. 이러한 장애물은 우회를 강제함으로써 유체의 유동을 지연시키거나 방해하여 막힘 감소에 도움이 되는 난류를 발생 시키지만, 각 장애물의 바로 하류에, 유체의 속도가 거의 0이 되는 작동불가 구역(inoperative zone)을 동시에 생성하는 큰 단점이 있다.
또 다른 유형의 해결책은 유기 한외여과 멤브레인에 있어서의 막힘을 감소시키고 투과물의 유동을 증가시키기 위해서 딘 와류(Dean vortex)를 생성하는 것에 관한 것이다. 따라서, 연산 유체 역학의 엔지니어링 응용(Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics), Vol. 3, No. 1, pp. 123-134 (2009), F. Springer, E. Carretier, D. Veyret, P. Moulin의 간행물 "딘 와류가 유동하는 직조 및 나선형 튜브에 있어서의 길이 성장"은, 딘 와류의 출현에 대한 디지털 시뮬레이션을 이론적으로 처리하고 나선형으로 만곡되는 원형 단면의 유기 중공 섬유에서 국부적으로 유도되는 속도 증가를 나타내지만, 그럼에도 불구하고 상기 원형 단면의 직경은 최대 2 밀리미터(mm)로 제한된다는 중대한 단점을 갖는다. 게다가, 이 간행물에 기술된 바와 같이 유기 섬유를 만곡시키는 기술은 권선의 직경과 피치 사이에서 의존성을 야기시킨다.
이와 관련하여, 본 발명은 여과액의 유동을 증가시키고 분리 요소를 사용하는 설비에서의 에너지 소비를 감소시키기에 적합한 형상을 갖는 단일-채널 또는 다중 채널 구조를 제공하는 신규한 강성 여과 요소를 제공하는 것을 제안한다.
이러한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 피처리 유체 매질을 여과액과 잔류물로 분리하기 위한 횡류 분리요소를 제공하며, 상기 분리요소는 피처리 유체 매질을 위한 입구와 잔류물을 위한 출구와의 사이에서 피처리 유체 매질의 유동을 통과시키기 위하여 적어도 하나의 채널이 내부에 배열되는 단일체의 강성 다공성 지지체를 포함하며, 이 단일체의 강성 다공성 지지체는 상기 지지체를 통과하는 여과액을 회수하기 위한 외부표면을 갖는다. 본 발명에 따르면, 적어도 하나의 채널은, 입구와 출구 사이에, 기준 축선 주위의 곡선 경로를 따라 생성 평면 섹션을 스위핑 함으로써 규정되는 굴곡성 유동 볼륨을 제공하며, 이 기준 축선은 상기 생성 섹션과 교차하지 않고 다공성 지지체의 볼륨 내에 포함된다.
또한 분리요소는 다음의 추가 특징들 중 하나 및/또는 하나 이상을 포함한다:
- 적어도 하나의 채널의 굴곡성 유체 볼륨은 입구와 출구 사이의 길이 일부에 걸쳐 또는 입구에서 출구까지의 전체 길이에 걸쳐 규정되며;
- 단일체의 강성 다공성 지지체는 상기 지지체 내부에 배열되는 유체 매질용 복수의 유동 채널을 가지며;
- 적어도 하나의 채널은 일정한 또는 가변적인 면적의 생성 섹션을 제공하며;
- 적어도 하나의 채널은 일정한 또는 가변적인 형상의 생성 섹션을 제공하며;
- 적어도 하나의 채널의 생성 섹션은 기준 축선으로부터 일정한 거리만큼 이격되며;
- 적어도 하나의 채널의 생성 섹션은 기준 축선으로부터 가변적인 거리만큼 이격되며;
- 기준 축선은 적어도 하나의 채널의 생성 섹션에 접하며;
- 격벽에 의해 서로 분리되도록 구성되는 거리 R만큼 기준 축선으로부터 이격되는 생성 섹션을 제공하는 일련의 복수의 채널;
- 적어도 하나의 채널의 생성 섹션은, 입구와 출구 사이에서 취해지는 적어도 일부분에 걸쳐, 일정 또는 가변적인 피치로 그리고 좌회전 또는 우회전 방향으로의 기준 축선 주위에서의 회전이동과 결합되는 일정 또는 가변적인 방향의 병진이동으로 초래되는 경로를 추종하며;
- 상기 경로는 0.1mm 내지 250mm의 범위 내에 놓이는 피치(p)를 가지며, 곡선 경로와 기준 축선 사이의 거리는 0.1mm 내지 100mm의 범위 내에 놓이며;
- 입구와 출구 사이의 적어도 일부분에 걸쳐 취해진 적어도 하나의 채널의 생성 섹션은 나선형 경로를 추종하며;
- 입구로부터 출구까지의 제한된 부분에 걸쳐 취해진, 적어도 하나의 채널의 생성 섹션은 기준 축선에 평행한 병진이동으로 초래되는 경로를 추종하며;
- 적어도 하나의 채널은 기준 축선에 수직으로 또는 평행하게 연장되는 생성 섹션을 제공하며;
- 다공성 지지체는, 폴리아미드, 폴리에테르케톤케톤, 폴리스티렌, 알루마이드, 폴리페닐술폰, 플루오린화 열가소성 엘라스토머, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 에폭시, 아크릴레이트, 아크릴로니트릴부타디엔 스티렌, 폴리메틸 메타크릴레이트, 폴리카보네이트, 나일론, 폴리에테르이미드, 아크릴로니트릴 스티렌 아크릴레이트, 폴리락트산, 폴리비닐 클로라이드, 및 그 혼합물과 같은 유기재료, 산화알루미늄, 산화티타늄, 산화지르코늄, 알루미늄 티타네이트, 질화알루미늄, 질화티타늄, 질화붕소, 질화규소, 사이알론, 그래파이트 카본, 탄화규소, 텅스텐 카바이드, 및 그 혼합물과 같은 무기재료, 알루미늄, 알루미늄 합금, 코발트 및 크롬의 합금, 니켈 합금, 니켈 및 크롬의 합금, 강 및 스테인리스 강, 티타늄, 티타늄 합금, 구리 및 주석의 합금, 구리, 주석 및 알루미늄의 합금, 구리 및 아연의 합금 및 그 혼합물과 같은 금속재료로부터 선택되는 재료로 만들어지며;
- 각각의 채널의 내벽 상에 연속적으로 적층되는 적어도 하나의 세퍼레이터 층 및 다공성 지지체로서, 각각의 세퍼레이터 층은 산화물, 질화물, 탄화물, 및 또 다른 세라믹 재료 및 그 혼합물, 특히, 산화티타늄, 알루미나, 지르코니아, 또는 그 혼합물, 또 다른 세라믹 재료와 선택적으로 혼합되는, 질화티타늄, 질화알루미늄, 질화붕소, 실리콘 카바이드로부터 선택된 세라믹으로 만들어지며;
- 채널은 0.5mm 내지 20mm의 범위 내에 놓이는 수력학적 직경을 가지며;
- 각 채널은 일정한 또는 가변적인 수력학적 직경을 가지며;
- 지지체는 4 마이크로미터(㎛) 내지 100㎛의 범위 내에 놓이는 평균 구멍 직경을 가지며;
- 평균 구멍 직경은 볼륨 분포의 d50 값에 상응하고, 여기서 구멍의 전체 볼륨의 50%는 d50 값보다 작은 구멍 직경의 볼륨에 상응하며, 볼륨 분포는 예컨대 ISO 표준 15901-1: 2005에 기재된 기술을 이용하여, 수은 침투법에 의해 얻어진다.
또한 본 발명은 횡류 분리요소를 제작하는 신규한 방법을 제공하며, 여기서 지지체는 본 발명에 따라 적어도 하나의 굴곡성 채널이 배열되어 있는 지지체의 3차원 형상을 점진적으로 성장시키도록 서로 연속적으로 결합되는 중첩식 개별 플라이를 형성함으로써 이루어진다.
또한, 본 발명의 방법은 컴퓨터 보조 디자인 소프트웨어를 사용함으로써, 부가 기술에 의해 지지체를 제작하는 단계로 이루어지며, 지지체의 형상은 슬라이스들로 세분되고, 이들 슬라이스는 2개의 단계를 반복함으로써 연속적으로 함께 중첩 및 결합되는 개별 플라이의 형태로 하나씩 만들어지며, 상기한 2개의 단계는: 지지체를 형성하기 위한 분말 재료의 베드를 침적시키는 단계; 및 개별 플라이를 생성하도록, 각각의 플라이를 위하여 결정된 패턴에 따라 국부적인 방식으로 침적된 재료의 부분을 강화시키는 단계; 를 포함하고, 여기서 베드는 연속적이고, 균일하고, 일정한 두께를 갖고, 상기 플라이의 수준에서, 형성될 상기 다공성 몸체의 부분보다 큰 영역을 덮으며; 이들 2개의 단계는, 각각의 반복에서, 상기한 방식으로 형성된 개별 플라이가 이전에 형성된 플라이와 동시에 결합되어 지지체의 형상이 점진적으로 성장하도록 하는 방식으로 반복된다.
비-제한적인 예로서 본 발명의 실시형태들을 보여주는 첨부된 도면을 참조하여 이하에 주어지는 설명으로부터 다양한 또 다른 특징들이 나타난다.
도 1a는 본 발명에 따른 분리요소의 제1 실시형태를 도시하는 끝면도이다.
도 1b는 도 1a에 도시된 분리요소의 사시도이다.
도 1c는 도 1a의 선 C-C를 따라 취해진 분리요소의 종단면도이다.
도 1d는 도 1b에 도시된 분리요소에 배열되는 굴곡성 채널을 구성하기 위하여 사용되는 경로를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2a는 본 발명에 따른 분리요소의 채널을 위하여 굴곡성 유동 볼륨이 구성되는 방식을 나타내는 도면이다.
도 2b는 도면부호 F1 내지 F5가 부여되고 추후 설명되는, 가능한 다양한 형상의 실시형태를 나타내는 본 발명에 따른 굴곡성 유동 볼륨의 사시도이다.
도 3a는 볼륨을 생성하기 위한 평면 섹션을 포함하는 평면이 기준 축선에 대해 90도 경사진, 본 발명에 따른 굴곡성 유동 볼륨을 구성하는 예를 도시하는 도면이다.
도 3b는 도 3a에 도시된 구성 기법을 이용하여 얻어진, 본 발명에 따른 굴곡성 유동 볼륨을 도시하는 도면이다.
도 4a는 볼륨을 생성하기 위한 섹션을 포함하는 평면이 기준 축선을 또한 포함하는, 본 발명에 따른 굴곡성 유동 볼륨을 구성하는 예를 도시하는 도면이다.
도 4b는 도 4a에 도시된 구성 기법을 이용하여 얻어진, 본 발명에 따른 굴곡성 유동 볼륨을 도시하는 도면이다.
도 5a는 생성 평면 섹션을 포함하는 평면이 0도 이상 90도 이하에 놓이는 기준 축선에 대한 기울기 각도를 갖는, 본 발명에 따른 굴곡성 유동 볼륨의 구성의 보다 일반적인 예를 도시하는 도면이다.
도 5b는 도 5a에 도시된 구성 기법을 이용하여 얻어진, 본 발명에 따른 굴곡성 유동 볼륨을 도시하는 도면이다.
도 6은 생성 평면 섹션과 기준 축선 사이의 거리가 기준 축선이 생성 평면 섹션과 접선이 되도록 하는, 본 발명에 따른 굴곡성 유동 볼륨의 예를 도시하는 사시도이다.
도 7은 생성 평면 섹션과 기준 축선 사이의 거리가 변화하는, 본 발명에 따른 굴곡성 유동 볼륨의 예를 도시하는 사시도이다.
도 8은 생성 평면 섹션과 기준 축선 사이의 거리가 일정하고 피치 또한 일정하며 기준 축선이 곡선인, 본 발명에 따른 굴곡성 유동 볼륨의 예를 도시하는 사시도이다.
도 9a는 기준 축선에 평행한 직선 경로에 의해 좌회전 경로가 우회전 경로에 연결되는, 본 발명에 따른 굴곡성 유동 볼륨의 예를 도시하는 사시도이다.
도 9b는 도 9a에 따른 굴곡성 유동 볼륨의 예를 도시하는 단면도이다.
도 10a는 생성 섹션의 형상이 변화하는, 본 발명에 따른 굴곡성 유동 볼륨의 예를 도시하는 사시도이다.
도 10b는 도 10a에 따른 굴곡성 유동 볼륨의 예를 도시하는, 기준 축선을 포함하는 종단면을 따른 도면이다.
도 11a는 생성 섹션의 면적이 변화하는, 본 발명에 따른 굴곡성 유동 볼륨의 예를 도시하는 사시도이다.
도 11b는 도 11a에 따른 굴곡성 유동 볼륨의 예를 도시하는 기준 축선을 포함하는 종단면을 따른 도면이다.
도 12a는 좌회전 경로의 부분이 우회전 경로의 부분과 직접적으로 번갈아 교호하는, 본 발명에 따른 굴곡성 유동 볼륨의 일부를 도시하는 사시도이다.
도 12b는 도 12a에 따른 굴곡성 유동 볼륨의 예를 도시하는 사시도이다.
도 13a는 본 발명에 따른 한 쌍의 채널을 구비하는 지지체의 끝면도이다.
도 13b는 본 발명에 따른 한 쌍의 채널을 갖는, 도 13a에 도시된 바와 같은 지지체를 도시하는 사시도이다.
도 13c는 도 13a의 선 C-C를 따른 지지체의 종단면도이다.
도 13d는 도 13a 내지 도 13c에 도시된 2개의 채널 각각에 대한, 본 발명에 따른 굴곡성 유동 볼륨(VI 및 V2)을 개별적으로 도시하는 사시도이다.
도 13e는 도 13a 내지 도 13d에 도시된 2개의 채널 각각에 대한, 본 발명에 따른 굴곡성 유동 볼륨(VI 및 V2)의 경로(H1 및 H2)를 개별적으로 도시하는 사시도이다.
도 14a는 7쌍의 복제된 채널들을 구비하는 지지체로서, 각각의 쌍은 도 13a 내지 도 13e에 따르는, 지지체의 끝면도이다.
도 14b는 단일의 지지체 내에서 7번 복제된, 도 13a 내지 도 13e에 도시된 바와 같은, 본 발명에 따른 굴곡성 유동 볼륨을 도시하는 사시도이다.
도 15a는 3개의 카테고리의 채널로 이루어진 23개의 채널들을 구비하는 지지체의 끝면도이다.
도 15b는 도 15a의 선 B-B를 따른 지지체의 종단면도이다.
도 15c는 도 15a에 도시된 중앙 채널의 유동 볼륨을 도시하는 사시도이다.
도 15d는 중간 카테고리에 속하는 6개의 채널들 중 하나에 대한, 본 발명에 따른 굴곡성 유동 볼륨을 도시하는 사시도이다.
도 15e는 중간 카테고리에 속하며 중앙 채널을 둘러싸는 6개의 채널에 대한, 본 발명에 따른 굴곡성 유동 볼륨을 도시하는 사시도이다.
도 15f는 주변 카테고리에 속하는 16개의 채널들 중 하나에 대한, 본 발명에 따른 굴곡성 유동 볼륨을 도시하는 사시도이다.
도 15g는 중간 카테고리의 채널을 둘러싸는 16개의 주변 채널들 중 하나에 대한, 본 발명에 따른 굴곡성 유동 볼륨을 도시하는 사시도이다.
도 15h는, 단일의 지지체 내에서, 도 15d 내지 도 15g에 도시된 바와 같이 중앙 채널을 둘러싸는 22개의 채널에 대한, 본 발명에 따른 굴곡성 유동 볼륨을 도시하는 사시도이다.
예비적으로, 발명의 설명에서 사용되는 용어에 대한 몇몇 정의가 이하에 주어진다.
"평균 입자 크기(mean grain size)"라는 용어는, 입자의 총 체적의 50%가 d50 값보다 작은 직경을 갖는 입자의 체적에 상응하는 체적 분포의 d50 값을 의미하기 위해 사용된다. 체적 분포는 입자 체적의 주파수를 직경의 함수로서 나타내는 곡선(해석 함수)이다. d50 값은, 평균 입자 직경을 측정하기 위하여 본 발명의 설명에서 사용되는 기준 기술인 레이저 회절 미립자측정법(laser diffraction granulometry)에 의해 얻어진 주파수 곡선 아래에 위치되는 면적을 동일한 크기의 2개로 분리하는 중앙값에 상응한다. d50 측정 기술에 대한 참조가 특히 다음과 같이 이루어질 수 있다:
- 레이저 미립자측정법에 의한 측정 기술에 대한 ISO 표준 13320 : 2009;
- 분석 하의 분말을 샘플링하는 기술에 대한 ISO 표준 14488 : 2007;
- 레이저 미립자측정법에 의해 측정을 수행하기 전에 분말 샘플을 액체 내에 재현 가능하게 분산시키기 위한 ISO 표준 14887 : 2000.
"평균 구멍 직경(mean pore diameter)"이라는 용어는, 구멍의 총 체적의 50%가 d50 값보다 작은 직경을 갖는 구멍의 체적에 상응하는 체적 분포의 d50 값을 의미하기 위해 사용된다. 체적 분포는 구멍 체적의 주파수를 직경의 함수로서 나타내는 곡선(해석 함수)이다. d50 값은, 수 나노미터(nm) 정도의 평균 직경에 대한 기체의 흡착에 의해, 또는 더 작은 구멍 직경에 대한 수은 침투에 의해 얻어지는 주파수 곡선 아래에 위치되는 면적을 동일한 크기의 2개로 분리하는 중앙값에 상응하며, 특히, N2의 경우, 이들 두 기술은 평균 구멍 직경을 측정하기 위하여 본 발명의 설명에서 참조로서 사용된다.
특히 다음에서 설명되는 기술을 이용할 수 있다:
- 수은 침투에 의한 측정 기술에 대한 ISO 표준 15901-1 : 2005; 및
- 가스 흡착에 의한 측정 기술에 대한 ISO 표준 15901-2 : 2006 및 15901-3 : 2007.
본 발명은 피처리 유체 매질을 여과액 및 잔류물로 분리하기 위한 횡류 분리 요소(cross-flow separation elements)를 제안하며, 여과될 유체 중 대부분 또는 전부에 대하여, 굴곡성(flexuous)이고, 구불구불(sinuous)하고, 유리하게는 나선형(helical)인 경로를 따른 유동을 제공하도록 선택된 형상의 하나 이상의 채널을 구비하는 다공성 단일-편 지지체(porous single-piece support)를 포함하며, 임의의 잔류 유체는 비굴곡성인 하나 이상의 채널 내에서 유동한다.
이 다공성 지지체에는, 여과될 유체를 위한 하나 이상의 유동 채널이 배열된다. 각각의 유동 채널은 입구와 출구를 갖는다. 일반적으로, 유동 채널의 입구는 지지체의 단부 중 하나에 위치되며, 이 단부는 피처리 유체 매질을 위한 입구 구역으로서 작용하고, 출구는 지지체의 다른 단부에 위치하며, 잔류물을 위한 출구 구역으로서 작용한다.
이러한 분리요소에서, 지지체를 구성하는 몸체는 다공성 텍스처를 갖는다. 다공성 텍스처는 수은 침투 다공성측정법(mercury penetration porosimetry)에 의해 측정된 분포로부터 추론된 평균 구멍 직경을 특징으로 한다. 전형적으로, 다공성 지지체는 4㎛ 내지 100㎛ 내에 놓이는 평균 구멍 직경을 갖는다.
지지체의 다공성 텍스처는 개방되어 상호 연결된 구멍의 어레이(array)를 형성하고, 그에 따라 여과 세퍼레이터 층에 의해 여과된 유체가 다공성 지지체를 통과하여 주변에서 회수될 수 있게 한다. 지지체의 수리 저항성(hydraulic resistance)을 검증하기 위해서 물에 대한 지지체의 투과율을 측정하는 것이 일반적이다. 구체적으로, 다공성 매질에서, 비압축성 점성 유체의 정적 유동(steady flow)은 다르시의 법칙(Darcy's law)에 의해 지배된다. 다공성(투과물(permeate))에서 유체의 속도는 압력 구배에 비례하고 유체의 동적 점성에 반비례하며, 이는 예를 들어 프랑스 표준인 1996년 12월의 NF X 45-101의 적용으로 측정될 수 있는 "투과성(permeability)"으로 지칭되는 특성 파라미터와 관련된다.
따라서 투과물은 다공성 지지체의 주위 표면으로부터 회수된다. 채널의 벽은 피처리 유체 매질을 여과시키도록 기능하는 적어도 하나의 여과 세퍼레이터 층에 의해 연속적으로 덮인다. 정의에 따르면, 여과 세퍼레이터 층은 지지체의 평균 구멍 직경보다 작은 평균 구멍 직경을 가져야만 한다. 세퍼레이터 층은 피처리 유체와 접촉하는 횡류 분리요소의 표면을 한정하고, 피처리 유체는 이를 따라 유동한다.
여과 세퍼레이터 층의 두께는 전형적으로 1㎛ 내지 100㎛의 범위 내에 놓인다. 물론, 분리 기능을 수행하기 위해서, 그리고 활성층으로 작용하기 위해서, 각각의 세퍼레이터 층은 지지체의 평균 구멍 직경보다 작은 평균 구멍 직경을 갖는다. 통상적으로, 필터 세퍼레이터 층의 평균 구멍 직경은 지지체의 평균 구멍 직경보다 적어도 3배, 바람직하게는 적어도 5배 작다.
정밀여과(microfiltration), 한외여과(ultrafiltration) 및 나노여과(nanofiltration) 세퍼레이터 층의 개념은 통상의 기술자에게 잘 알려져 있다. 일반적으로 다음과 같이 인정된다:
- 정밀여과 세퍼레이터 층은 0.1㎛ 내지 10㎛의 범위 내에 놓이는 평균 구멍 직경을 가지며;
- 한외여과 세퍼레이터 층은 10nm 내지 0.1㎛의 범위 내에 놓이는 평균 구멍 직경을 가지며;
- 나노여과 세퍼레이터 층은 0.5nm 내지 10nm의 범위 내에 놓이는 평균 구멍 직경을 갖는다.
"활성(active)" 층이라 지칭되는 정밀여과 층 또는 한외여과 층은, 다공성 지지체 상에, 또는, 보다 작은 평균 구멍 직경을 갖는 중간층 상에 직접적으로 침적(deposited)되며, 여기서 중간층은 다공성 지지체 상에 직접적으로 침적될 수 있다.
예를 들어, 세퍼레이터 층은, 산화물, 질화물, 탄화물 또는 다른 세라믹 물질 및 이들의 혼합물로부터 선택된 세라믹으로 이루어질 수 있으며, 특히 산화티탄, 알루미나, 지르코니아 또는 이들의 혼합물, 질화티타늄, 질화알루미늄, 질화붕소, 탄화규소, 임의의 또 다른 세라믹 재료와 혼합될 수 있다.
예를 들어, 세퍼레이터 층은 또한 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리스티렌(PS), 폴리스티렌 설포네이트(PSS), 폴리에테르 설폰(PES), 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 셀룰로오스 아세테이트, 또는 다른 중합체와 같은 하나 이상의 중합체로 이루어질 수 있다.
도 1a 내지 도 1d는 다공성 지지체가 "직선형(rectilinear)"이라고 언급될 수 있는 형상으로 연장되도록 만들어진 다공성 지지체(2)를 포함하는 본 발명에 따른 횡류 분리요소(1)의 제1 실시형태를 도시한다. 도 1a 내지 도 1d에 도시된 다공성 지지체(2)는 원형의 단면을 가지며, 그에 따라 원통형인 외부표면(3)을 갖지만, 이 단면은 임의의 형상을 가지거나 다각형 형상을 가질 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시형태에 따르면, 지지체의 외부표면 즉 주위표면(3)은 일정한 프로파일을 갖는다. 다시 말하면, 외부표면(3)은 재료 고유의 표면 거칠기 및 사용된 성형 방법에 기인하는 것 이외의 표면 요철을 갖지 않는다. 따라서, 외부표면(3)은 변형부 또는 오목부를 갖지 않는다.
다공성 지지체(2)는 적어도 하나의 채널을 포함하며, 일반적으로 다공성 지지체(2) 내부에 각각 배열되는, 유체 매질을 통과시키기 위한 복수의 유동 채널(4i)을 포함한다. (부호 i는 일반적으로 지지체의 몇몇 특성을 지정하기 위해 사용되며, 실시형태들에서 설명되는 특성의 개수의 함수로서, 값 1, 2, 3, ...을 취할 수 있다.)
도 1a 내지 도 1d에 도시된 제1 실시형태에 있어서, 다공성 지지체(2)는 단일의 채널(41)을 가지며, 도 13a에 도시된 제2 실시형태에 있어서, 다공성 지지체는 2개의 채널(41 및 42)을 갖는다. 도 14a에 도시된 제3 실시형태에 있어서, 다공성 지지체(2)는 14개의 채널들을 가지는 한편, 도 15a에 도시된 제4 실시형태에 있어서, 다공성 지지체(2)는 3개의 카테고리의 채널(41, 42, 및 43)로 배열되는 23개의 채널들을 갖는다.
각각의 채널(4i)은 다공성 재료를 포함하지 않는 다공성 지지체(2)의 구역에 상응하며, 이는 채널 내부에서 유동하는 피처리 유체 매질과 접촉하기 위하여 적어도 하나의 세퍼레이터 층에 의해 덮이는 표면을 나타내는 벽(5)에 의해 다공성 지지체 내부에 형성된다. 유체 매질의 일부는, "투과물(permeate)"이라고 지칭되는 처리된 유체가 다공성 지지체의 외부표면(3)을 통해 유동하도록, 다공성 지지체(2)의 벽(5)에 침적(deposited)된 세퍼레이터 층을 통과한다. 피처리 유체 매질은 입구(6)와 출구(7) 사이에서 화살표 f로 나타낸 유동 방향으로 채널 내에서 유동한다. 입구(6)는 다공성 지지체의 일단부에 위치되고 출구(7)는 다공성 지지체의 타단부에 위치된다.
본 발명에 따르면, 다공성 지지체(2)는 여과액의 처리량을 증가시키기에 적합한 형상의 적어도 하나의 채널(4i)을 포함한다. 이러한 형상은 각각의 채널(4i)이 입구(6)와 출구(7) 사이에서 적어도 하나의 굴곡성 유동 볼륨(flexuous flow volume)(Vi)을 갖는다는 사실에 의해 규정되며, 이 볼륨은 기준 축선(reference axis)(Ai) 주위에서 곡선 경로(Hi)를 따라서 생성 섹션(generator section)(Si)을 스위핑(sweeping)함으로써 형성되며, 생성 섹션(Si)은 "기준(reference)" 평면으로 지칭되는 평면(P) 내에 위치된다. 또한, 이 기준 축선(Ai)은 생성 섹션(Si)과 교차하지 않으며 다공성 지지체(2)의 볼륨 내에 포함된다.
본 발명에 따른 채널(4i)은 상기 설명된 적어도 하나의 굴곡성 유동 볼륨(Vi)을 갖는다는 것을 이해해야 한다. 물론, 이 굴곡성 유동 볼륨(Vi)은 다공성 물질을 포함하지 않는 다공성 지지체(2)의 구역에 상응하며, 채널의 벽에 의해 형성된다. 다공성 지지체(2)는 취해진 채널의 외부표면(3)과 벽(5) 사이에서 평면(P)을 따라 변화하는 두께를 갖는다는 점에 유의해야 한다.
본 발명에 따른 굴곡성 유동 볼륨(Vi)은 입구(6)와 출구(7) 사이에 형성된다. 이 굴곡성 유동 볼륨(Vi)은 입구(6)와 출구(7) 사이에서 취해진 채널의 길이의 일부에만 존재하거나, 또는 입구와 출구 사이에서 취해진 채널의 전체 길이에 걸쳐서 존재할 수 있다. 물론, 다공성 지지체(2)는 본 발명에 따른 굴곡성 유동 볼륨(Vi)을 포함하지 않는, 피처리 유체 매질을 위한 적어도 하나의 유동 채널을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 유동 볼륨(Vi)을 갖는 굴곡성 채널을 구성하는 일반적인 원리가 특히 도 2a에 잘 도시되어있다. 굴곡성 채널을 구성하는 일반적인 원리는, 평면 생성 섹션(Si)이 평면 생성 섹션에 속하는 점(M)의 이동에 의해 유동 볼륨(Vi)의 2개의 단부 사이에 구성되고 기준 축선(Ai)으로부터 거리(R)를 두는 곡선 경로(Hi)를 따르도록 하는 것으로 구성된다. 점(M)은 기준 축선(Ai) 주위에서 회전 이동하는 동시에 이 기준 축선을 따라서 병진 이동한다. 회전 이동은 일정하거나 가변적일 수 있다. 마찬가지로, 병진 이동은 일정하거나 가변적일 수 있다. 또한 거리(R)는 일정하거나 가변적일 수 있다. 점(M)은 기준 평면(P) 내에 놓이는 생성 섹션(Si)의 임의의 지점이다. 따라서 유동 볼륨(Vi)의 곡선 경로(Hi)는, 적어도 이 유동 볼륨의 길이에 걸쳐, 채널에 대해 굴곡성을 부여한다.
전술한 설명으로부터 채널의 굴곡성 유동 볼륨(Vi)이 매우 다양한 기하학적 특성을 가질 수 있음을 알 수 있다. 도 2b에 도시된 바와 같이, 기준 축선(Ai)은 커스프(cusp) 없이 직선 및/또는 곡선일 수 있다. 이 기준 축선(Ai)은 굴곡성 유동 볼륨(Vi)의 길이의 일부 또는 전부에 걸쳐 직선일 수 있다. 마찬가지로, 이 기준 축선(Ai)은 굴곡성 유동 볼륨(Vi)의 길이의 일부 또는 전부에 걸쳐 만곡될 수 있다. 이 기준 축선(Ai)은 생성 섹션(Si)과 교차하지 않는다. 즉, 기준 축선은 항상 굴곡성 유동 볼륨(Vi)의 외측에 놓이게 된다. 따라서, 이 기준 축선(Ai)은 생성 섹션(Si)에 접하거나, 가변 또는 일정한 결정거리(determined distance)만큼 이격되어 있을 수 있다.
굴곡성 채널은 반드시 다공성 지지체(2)의 볼륨 내에 포함되어야 하기 때문에, 곡선 경로(Hi) 및 기준 축선(Ai)은 그 자체가 다공성 지지체(2)의 볼륨 내에 포함되어야 한다.
곡선 경로(Hi)는, 거리(R)에 대한 값과, 동시적인 회전 및 병진 이동에 대한 값에 따라서 매우 다양한 기하학적 특성을 가질 수 있다.
굴곡성 채널의 형태(morphology)는 기준 축선(Ai)에, 곡선 경로(Hi)에, 또한 생성 섹션(Si)의 크기 및 형상에, 그리고 곡선 경로(Hi) 및 기준 축선(Ai)에 대한 생성 섹션(Si)의 위치에 의존한다. 보다 정확하게는, 도 3a 및 도 3b는 직선의 기준 축선(Ai)에 수직인 평면에 포함된 원형 섹션(Si)이 기준 축선(Ai) 주위에서 나선형 경로(Hi)를 추종하는 상황을 도시한다. 이 실시예에서, 원형 섹션(Si)을 포함하는 기준 평면(P)은 직선 기준 축선(Ai)에 수직이다. 원형 섹션(Si)이 직선 기준 축선(Ai)을 따라서 병진 이동함과 함께 직선 기준 축선(Ai)을 중심으로 원형 섹션(Si)을 회전시키는 것은 굴곡성 채널이 얻어질 수 있도록 하며, 여기서 그 최종적인 코르크 스크류(corkscrew) 형상은 "솔로모닉(Solomonic)" 또는 "바알리 슈거(barley sugar)" 칼럼이라는 용어로 알려져 있다. 도 3a 및 도 3b는 직선 기준 축선(Ai)에 수직인 각각의 평면(P1, P2)에 각각 포함된 2개의 원형 섹션(S1 및 S2)만을 예시적으로 도시한다.
도 4a 및 도 4b는 직선의 기준 축선(Ai)을 또한 포함하는 기준 평면에 포함된 원형 섹션(Si)이 기준 축선(Ai) 주위에서 나선형 경로(Hi)를 추종하는 상황을 도시한다. 본 실시예에 있어서, 원형 섹션(Si)을 포함하는 기준 평면(P)은 직선 기준 축선(Ai)에 평행하다. 직선 기준 축선(Ai)을 중심으로 원형 섹션(Si)을 회전시키는 한편 직선 기준 축선(Ai)을 따라 원형 섹션(Si)을 병진 이동시키는 것은 굴곡성 채널을 얻도록 작용하며, 여기서 그 최종적인 나선계단(spiral staircase) 형상은 "생 질의 스크류(screw of Saint-Gilles)"라고 알려져 있다. 도 4a 및 도 4b는 직선 기준 축선(Ai)에 평행한 각각의 평면(P1, P2)에 각각 포함된 2개의 원형 섹션(S1 및 S2)만을 예시적으로 도시한다.
도 5a 및 도 5b는 평면에 포함된 원형 섹션(Si)이 직선의 기준 축선(Ai)에 대해 0도 내지 90도 사이에 놓이는 기울기 각도를 가지면서 기준 축선(Ai)을 중심으로 나선형 경로(Hi)를 추종하는 보다 일반적인 중간 케이스를 도시한다. 직선 기준 축선(Ai) 주위에서 원형 섹션(Si)을 회전시키는 동시에 직선 기준 축선(Ai) 주위에서 원형 섹션(Si)을 병진 이동시키는 것은 굴곡성 채널을 얻도록 작용하며, 여기서 그 최종적인 코일 형상은 "서펜타인(serpentine)"으로 알려져 있다. 이것은 전형적으로 원통 주위에 튜브를 감쌀 때 얻어지는 기하학적 형상이다. 도 5a 및 도 5b는 직선 기준 축선(Ai)에 대해 경사진 각각의 평면(P1, P2)에 각각 포함 된 2개의 원형 섹션(S1 및 S2)만을 예시적으로 도시한다.
아래의 표 1은 이들 3개의 실시예의 특징을 요약하여 보여준다.
Figure 112019084499660-pct00001
일반적으로, 기준 축선(Ai) 주위에서의 생성 섹션(Si)의 회전 값 또는 피치(p)는 상이한 값을 취할 수 있다. 나선형 경로(Hi)의 경우, 기준 축선(Ai) 주위에서의 생성 섹션(Si)의 회전 값은, 2π 라디안의 배수(복수의 회전을 갖는 나선형의 경우) 또는 2π 라디안의 분수(1회전 미만의 나선형의 경우)와 동일하다.
도 3a - 3b, 4a - 4b 및 5a - 5b에서 알 수 있는 바와 같이, 이들 3개의 예에 도시된 곡선 경로(Hi)는 일정한 피치 값(p)을 나타낸다. 물론, 곡선 경로(Hi)는, 회전 및 병진 이동에 대한 값에 의존하기 때문에, 가변적인 피치 값(p)을 가질 수 있다.
곡선 경로(Hi)는 굴곡성 유동 볼륨(Vi)의 일부 또는 전체 길이를 따라 일정한 피치(p)를 가지거나, 굴곡성 유동 볼륨(Vi)의 일부 또는 전체 길이를 따라 가변하는 피치(p)를 갖는다.
도 2b에 있어서, 부분 F2는 피치(p)가 변화하지 않는 상태를 나타내는 반면, 부분 F3은 피치(p)가 가변하는 상태를 나타낸다.
도 2b는 본 발명에 따른 굴곡성 채널의 정의에 관련된 다양한 다른 파라미터를 도시하는 것을 관찰할 수 있을 것이다. 부분 F4는 직선형 채널 부분(Tr)에 의해 연결되는 좌회전과 우회전 사이에서의 교호(alternation)를 도시하며, 특히 부분 F5는 섹션(Si)의 형태가 가변하는 경우를 나타내는 한편, 부분 F1은 거리(R)가 가변하는 경우를 나타낸다.
기준 축선(Ai)은 굴곡성 유동 볼륨(Vi)의 전체 또는 일부 길이에 걸쳐 변화하지 않는 거리(R) (도 3a - 3b, 4a - 4b, 및 5a - 5b) 또는 굴곡성 유동 볼륨(Vi)의 전체 또는 일부 길이에 걸쳐 변화하는 거리만큼 곡선 경로(Hi)로부터 이격되어 있을 수 있으며, 도 7에는 거리(R)가 규칙적으로 변화하는 경우가 도시되어 있지만, 불규칙적인 방식으로 변화할 수 있음은 물론이다. 본 실시예에 있어서, 채널은 헬리코-나선형 경로(helico-spiral path)를 추종한다.
거리(R)는 기준 축선(Ai)이 생성 섹션(Si)에 접선이 되도록 설정될 수 있음을 상기해야 한다. 도 1a 내지 도 1d에 도시된 실시예에 있어서는, 기준 축선(Ai)이 생성 섹션(Si)으로부터 이격되어 있지만, 도 6의 예에서 도시된 바와 같이 생성 섹션(S1)이 기준 축선(A1)에 접선이 되는 것을 생각할 수 있으며, 또한 여기서 기준 축선(A1)은 다공성 지지체의 길이방향 대칭 축선이다.
도 6은 볼륨을 생성하기 위한 평면 섹션(Si)(본 예에서는 삼각형)을 포함하는 평면이 상기 삼각형 생성 평면 섹션에 대해 접선인(본 예에서는 삼각형의 꼭지점들 중 하나에 접하는) 기준 축선(Ai)에 대해 90도의 각도로 경사져 있는 특정 상황을 도시하고 있음을 관찰할 수 있다. 이 도면은 직선의 기준 축선(Ai)에 수직 인 평면(Pi)에 포함된 삼각형 평면 섹션(Si)이 상기 삼각형 생성 평면 섹션에 접선인 기준 축선(Ai) 주위의 나선형 경로(Hi)를 추종하는 상황을 도시한다. 직선 기준 축선(Ai) 주위에서의 삼각형 섹션(Si)의 병진 이동과 함께, 본 실시예에 있어서 일 지점에서 접하는 직선 기준 축선(Ai) 주위에서 삼각형 섹션이 회전하는 것은, "아르키메데스의 나사(Archimedes' screw)"라고 알려져 있는 기하학적 형상을 갖는 굴곡성 채널을 얻도록 작용한다. 볼륨을 생성하기 위한 평면 섹션을 포함하는 평면이 상기 생성 평면 섹션에 대해 하나 이상의 지점에서 접하는 기준 축선(Ai)과 평행한 특정 상황과, 볼륨을 생성하기 위한 평면 섹션을 포함하는 평면이 상기 생성 평면 섹션에 대해 일 지점에서 접하는 기준 축선(Ai)에 대해 임의의 각도로 기울어지는 보다 일반적인 상황과의 양쪽 모두에 있어서, 굴곡성 채널은 "아르키메데스의 나사"라고 또한 알려져 있는 기하학적 형상을 얻는다는 것을 관찰할 수 있다.
곡선 경로(Hi)는 피치(p)와 거리(R)가 동시에 일정할 때 나선형이라고 한다(도 3b, 도 4b, 도 5b). 이 곡선 경로(Hi)는 굴곡성 유동 볼륨(Vi)의 전체 또는 일부 길이에 걸쳐서 기준 축선(Ai)을 중심으로 반시계방향(우회전) 및/또는 그 반대방향(좌회전)으로 회전할 수 있다. 따라서, 곡선 경로(Hi)는 단일 방향으로 이루어지거나, 동일 또는 상이한 길이를 갖도록 선택될 수 있는 부분(segments)을 따라 2개의 대향 방향으로 교대로 이루어질 수 있다.
도 8에 도시된 실시예에 있어서, 생성 섹션은 곡선의 기준 축선(Ai) 주위에서 일정한 피치(p)로 우회전 방향의 나선형 경로(Hi)를 추종한다.
도 9a - 9b에 도시된 실시예에 있어서, 좌회전 경로(H1)는 기준 축선(Ai)에 평행한 직선 경로(Tr)에 의해 우회전 경로(H2)에 연결되는 반면, 도 10a - 10b에 도시된 실시예에 있어서, 좌회전 경로(H1)는 좌회전 경로(H2)에 직접 연결된다.
바람직하게는, 곡선 경로(Hi)는 예를 들어, 동일한 길이를 가질 수 있는 우회전 부분과 좌회전 부분이 교대로 이루질 수 있다.(도 12a - 12b).
굴곡성 유동 볼륨(Vi)의 생성 섹션(Si)은 임의의 유형의 프로파일을 가질 수 있다.
생성 섹션(Si)의 형태 또는 형상은 굴곡성 유동 볼륨(Vi)의 전체 또는 일부 길이에 걸쳐 일정할 수도 있고, 또는 굴곡성 유동 볼륨(Vi)의 전체 또는 일부 길이에 걸쳐 변화할 수도 있다. 비-제한적인 예로서, 유동 볼륨을 위한 생성 섹션(Si)의 형태는 다각형, 원형, 반원형 또는 직사각형일 수 있다. 도 10a - 10b는 생성 섹션(Si)의 형태가 변화하는 경우를 도시한다.
생성 섹션(Si)의 면적은 굴곡성 유동 볼륨(Vi)의 전체 또는 일부 길이에 걸쳐 일정할 수도 있고, 또는 굴곡성 유동 볼륨(Vi)의 전체 또는 일부 길이에 걸쳐 변화할 수도 있다. 도 11a - 11b는 생성 섹션(Si)의 면적이 변화하는 경우를 도시한다.
상기 도면에서 도시된 굴곡성 볼륨의 실시예의 특징은 아래의 표 2에 요약되어 있다:
Figure 112019084499660-pct00002
이하, 본 발명에 따른 굴곡성 유동 볼륨(Vi)을 갖춘 채널(4i)을 포함하는 다공성 지지체(2)의 바람직한 그러나 비-제한적인 실시형태에 대한 설명이 제공된다.
도 1a 내지 도 1d에 도시된 실시예에 있어서, 생성 섹션(S1)은 디스크의 일부이고, 기준 축선(A1)은 다공성 지지체의 길이방향 대칭 축선과 일치하는 직선이다. 곡선의 경로(H1)는 나선형이며, 즉, 곡선의 경로(H1)와 기준 축선(Ai) 사이의 거리(R)는 일정하고 나선의 피치(p)는 일정하다. 기준 축선(A1)은, 도시된 예에서, 축선으로부터 소정 거리에 놓인 생성 섹션(S1)을 통과하지 않는다. 물론, 생성 섹션(S1)은 기준 축선(A1)에 접할 수 있다.
채널(41)의 굴곡성 유동 볼륨(V1)은 채널의 길이의 단지 일부만을 따라 채널의 입구(6)와 출구(7) 사이에서 연장된다. 도 1b에 보다 구체적으로 도시된 바와 같이, 채널의 굴곡성 유동 볼륨(V1)은 다공성 지지체(2)의 길이(L)를 따라 이 다공성 지지체의 전체 길이보다 짧게 배열된다.
실시형태의 유리한 특징에 따르면, 입구(6) 및 출구(7)로부터의 제한된 부분에 걸쳐 취해진 생성 섹션(S1)은 기준 축선(A1)에 평행한 병진 이동으로 인한 경로를 추종한다. 따라서 채널(41)은, 입구(6) 및 출구(7)로부터 시작하여, 기준 축선(A1)과 평행하고 채널의 굴곡성 유동 볼륨(V1)과 연통하는, 각각 직선인 입구 및 출구 유동 볼륨(Ve 및 Vs)을 갖는다. 따라서, 입구(6)와 출구(7) 사이에서, 채널(41)은 입구 유동 볼륨(Ve), 굴곡성 유동 볼륨(V1), 및 출구 유동 볼륨(Vs)을 갖는다.
도 13a 내지 도 13e에 도시된 실시예에 있어서, 다공성 지지체(2)는 원형 단면의 관 형상이며, 2개의 채널(41, 42)을 포함한다. 이들 2개의 채널은 격벽(11)에 의해 서로 분리된 생성 섹션(S1 및 S2)을 갖는다. 이들 생성 섹션(S1 및 S2)은 동일한 형상을 가지며, 마찬가지로 동일한 면적을 갖는 디스크의 일부이다.
각각의 채널(41 및 42)은 기준 축선(A1, A2) 주위에서 회전하는 나선형의 곡선 경로(H1, H2)를 따라서 연장하는 굴곡성 유동 볼륨(V1, V2)을 갖는다. 동일하고 일정한 피치를 갖는 곡선 경로(H1, H2)는 서로 평행하다. 기준 축선(A1 및 A2)은 다공성 지지체의 길이방향 대칭 축선에 바람직하게 상응하는 공통의 직선을 따라 일치한다. 각각의 곡선 경로(H1, H2)는, 채널이 서로 연동하여 공통의 기준 축선에 대해 대칭으로 연장되도록, 동일한 일정 거리(R)만큼 기준 축선(A1, A2)으로부터 이격되어 있다.
도 13a 내지 도 13e에 도시된 실시예에 있어서, 2개의 채널은 평행한 경로를 갖지만, 경로가 평행하거나 또는 평행하지 않은 2 이상의 복수의 채널이 시리즈로 구비될 수 있다. 평행하지 않을 경우, 채널은 또한 기준 축선(Ai)으로부터 격벽(11)에 의해 서로 분리되어 있는 것을 보장하기에 적합한 거리(R)만큼 이격된 생성 섹션을 가짐은 물론이다.
도 1 내지 도 1d에 도시된 실시형태와 유사한 방식으로, 채널의 굴곡성 유동 볼륨(V1, V2)은 채널의 길이 일부에만 걸쳐서 채널의 입구(6)와 출구(7) 사이에서 연장된다. 따라서, 각각의 채널(41 및 42)은 각각 입구(6)로부터 출구(7)를 향해 감에 따라, 직선 경로의 입구 유동 볼륨(Ve), 굴곡성 유동 볼륨(VI, V2), 및 직선 경로의 출구 유동 볼륨(Vs)을 가지며, 본 발명에 있어서 유동의 방향은 특정되지 않고 입구와 출구가 서로 바뀔 수 있음을 이해할 것이다.
도 13a 내지 도 13e에 도시된 실시예에 있어서, 다공성 지지체(2)는 2개의 채널(41 및 42)을 포함하지만, 선택적으로 공통의 기준 축선을 중심으로 대칭 또는 다른 방식으로 배열된 더 많은 수의 채널을 포함할 수 있음은 분명하며, 여기서 채널은 격벽(11)에 의해 서로 분리되어 있다.
중첩된 채널(41 및 42)의 이러한 구조는 도 14a 및 도 14b에 도시된 실시예에서와 같이 복제될 수 있음을 알 수 있을 것이며, 여기서 다공성 지지체(2)는 7개의 일련의 구조를 가지며, 각각의 구조는 도 13a 내지 도 13e에 도시된 바와 같은 2개의 채널(41 및 42)을 포함한다. 따라서, 도 14a 및 도 14b에 도시된 실시형태에서, 다공성 지지체(2)는 14개의 채널을 포함하지만, 다공성 지지체가 또 다른 개수의 채널을 가질 수 있음은 명백하다.
도 15a 내지 도 15h에 도시된 바와 같이, 다공성 지지체(2)는 다공성 지지체의 중심으로부터 주변으로 동심으로 배열되는, 3개의 카테고리로 세분된 23개의 채널(4)을 갖는다. 본 실시형태에서, 다공성 지지체(2)는, 원형 단면의 관 형상을 가지며, 제1 카테고리에 있어서 다공성 지지체(2)의 길이방향 대칭 축선(A1)에 중심을 둔 직선형의 중앙 채널(41)을 갖는다. 이 중앙 채널(41)은 본 발명에 따른 굴곡 특성을 갖지 않는 유동 볼륨(V1)을 갖는다(도 15c).
"중간(intermediate) 카테고리"라고도 언급되는 제2 카테고리에 있어서, 다공성 지지체(2)는 이 다공성 지지체(2)의 길이방향 대칭 축선(A1)에 중심을 둔 링 형상으로 배열되는 일련의 6개의 채널(42)을 갖는다. 채널(42)은 형상 및 면적이 동일한 생성 섹션(S2)을 갖는다. 본 실시예에서, 각각의 생성 섹션(S2)은 전체적으로 원형이 아닌 형상을 갖는다. 각각의 채널(42)은 일정한 피치 및 일정한 거리(R)의 나선형 곡선 경로(H2)를 따라 연장되는 굴곡성 유동 볼륨(V2)을 가지며, 이 곡선 경로(H2)는 길이방향 대칭 축선(A1)에 상응하는 기준 축선을 중심으로 회전한다(도 15d).
각각의 굴곡성 유동 볼륨(V2)은 중앙 채널(41)을 중심으로 소정 거리에 위치된다. 도 15e에 도시된 바와 같이, 중간 카테고리 내의 복수의 채널(42)의 굴곡성 유동 볼륨(V2)은, 길이방향 대칭 축선(A1)에 상응하는 기준 축선 주위에서 일정한 피치 및 일정한 거리(R)로 나선형의 곡선 경로(H2)를 따라서 연장된다. 6개의 채널(42)은 공통의 기준 축선(A1)에 대해 대칭으로 연장되고 서로 중첩된다.
도 1a 내지 도 1d에 도시된 실시형태와 유사한 방식으로, 채널의 굴곡성 유동 볼륨(V2)은 채널의 길이의 단지 일부에 걸쳐 채널의 입구(6)와 출구(7) 사이에서 연장된다. 따라서, 중간 카테고리 내의 각각의 채널(42)은, 입구(6)와 출구(7) 사이에서, 직선 경로를 추종하는 입구 유동 볼륨(Ve), 굴곡성 유동 볼륨(V2), 및 직선 경로를 추종하는 출구 유동 볼륨(Vs)을 제공한다.
"주변(peripheral) 카테고리"라고도 언급되는 제3 카테고리에 있어서, 다공성 지지체(2)는 이 다공성 지지체(2)의 길이방향 대칭 축선(A1)에 중심이 놓이는 링 형상으로 배열되며 제2 카테고리의 채널(42)을 중심으로 동축으로 연장되는 일련의 16개의 채널(43)을 갖는다. 이러한 제3 카테고리의 채널(43)은 동일한 형상 및 면적의 생성 섹션(S3)을 갖는다. 본 실시예에서, 각각의 생성 섹션(S3)은 전체적으로 이등변 사다리꼴의 형상을 갖는다. 각각의 채널(43)은 나선형 경로(H3)를 따라서 연장되는 굴곡성 유동 볼륨(V3)을 가지며, 이 곡선 경로(H3)는 길이방향 대칭 축선(A1)에 상응하는 기준 축선을 중심으로 회전한다(도 15f). 각각의 굴곡성 유동 볼륨(V3)은 제2 카테고리의 채널(42) 주위에서 소정 거리에 위치된다. 도 15g에 도시된 바와 같이, 제3 카테고리의 채널(43)의 굴곡성 유동 볼륨(V3)은 길이방향 대칭 축선(A1)에 상응하는 기준 축선을 중심으로 선회반경 및 피치가 동일한 나선형 곡선 경로(H3)를 따라서 연장된다. 16개의 채널(43)은, 공통의 기준 축선(A1)에 대해 대칭으로 연장되고, 서로 중첩된다.
도 1a 내지 도 1d에 도시된 실시예와 유사한 방식으로, 각각의 채널의 굴곡성 유동 볼륨(V3)은 채널의 길이의 단지 일부에 걸쳐 채널의 입구(6)와 출구(7) 사이에서 연장된다. 따라서, 주변 카테고리 내의 각각의 채널(43)은, 입구(6)와 출구(7) 사이에서, 직선 경로를 추종하는 입구 유동 볼륨(Ve), 굴곡성 유동 볼륨(V3), 및 직선 경로를 추종하는 출구 유동 볼륨(Vs)을 갖는다.
도 15h는, 3개의 카테고리의 채널(41, 42, 및 43)이 내부에 배열되어, 도 15c 내지 도 15g에 도시된 바와 같은 굴곡성 유동 볼륨을 가지는 다공성 지지체(2)를 도시한다. 물론, 본 발명은 다수의 상이한 카테고리로 분포된 상이한 개수의 채널을 가지는 다공성 지지체로 구현될 수 있다.
도 13a 내지 도 13e에 도시된 실시형태에 적용되는 연산 유체 역학(Computational Fluid Mechanics)(CFD) 타입의 디지털 시뮬레이션은, 동일한 수력학적 직경(hydraulic diameter)을 갖는 직선형 채널과 비교할 때 성능 및 에너지 소비의 측면에서 다음의 결과를 얻었다. 이것들은 막 투과 압력이 1.5bar이고 컷오프 역치가 0.2㎛인 단일의 직선 원형 채널에서 피처리 유체로서 적포도주를 유동시켜 얻은 실험 측정 결과를 기반으로 설정된 디지털 모델을 이용하여 만들어진 시뮬레이션 결과이다.
하기 표 3에서, 투과물 볼륨 유량 Qp (시간당 입방미터(㎥/h))와 피처리 유체가 공급되는 볼륨 유량 Qa (㎥/h) 사이의 %로 표현된 비 Qp/Qa는, 동일한 막 투과 압력(TMP) 및 동일한 컷오프 역치(㎛)에 대하여 동일한 수력학적 직경(Dh)을 갖는 직선 채널과 비교한 굴곡성 채널의 고유 성능을 나타낸다.
여과 요소가 이러한 유형의 굴곡성 채널을 갖는 필터 유닛의 에너지 효율은, 피처리 유체가 채널 내에서 유동하도록 하기 위해 필요한 에너지의 킬로 줄(kilojoule)당 추출된 투과물의 입방미터(㎡/KJ)로 표현된다. 해당 채널의 평균 속도(초당 미터(m/s))는 표 3에 표시되어 있다.
Figure 112019084499660-pct00003
도 1a 내지 도 1d에 도시된 바와 같은 나선형 굴곡성 채널의 예에 대하여, 동일한 수력학적 직경의 직선 채널을 갖는 여과 요소와 비교할 때, 이 표에 주어진 결과는 다음을 보여준다:
- 직선 채널을 갖는 필터 요소와 비교하여, 나선의 피치가 24mm인 경우, 필터 요소의 고유 성능은 17배이고 에너지 효율은 5배이며;
- 나선의 피치가 12mm인 경우, 필터 요소의 고유 성능은 26배이고 에너지 효율은 8배이다.
본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 본 발명에 따른 굴곡성 채널(4i)은 곡선 경로(H1)와 기준 축선(A1) 사이의 거리(R)의 값으로부터 독립적인 값의 피치(p)를 가질 수 있다. 따라서 거리(R)에 대하여 작은 값과 결합된 작은 값의 피치(p)를 갖는 굴곡성 채널을 만들어내는 것이 가능하다. 전형적으로, 0.1mm 내지 100mm의 범위 내에 놓이는 거리(R)와 관련되도록 1mm 내지 250mm의 범위 내에 놓이는 피치(p)를 가지는 굴곡성 채널이 제공될 수 있다. 또한, 바람직한 특징에 따르면, 본 발명의 굴곡성 채널은 0.5mm 내지 20mm의 범위 내에 놓이는 수력학적 직경을 갖는다. 수력학적 직경(Dh)은 Dh = 4A/P와 같다는 것을 기억해야 하며, 여기서 A는 채널의 유동 섹션의 면적이고 P는 이 섹션의 윤변(wetted perimeter)이다.
바람직하게는, 각각의 채널은 일정하거나 가변적일 수 있는 수력학적 직경을 갖는다.
본 발명과 관련하여, 다공성 지지체(2) 또는 전체 횡류 분리요소는 부가 기술(additive technique)을 이용하여 제작된다. 본 발명에 따른 방법은, 지지체의 3차원 구조가 점진적으로 성장하도록 서로에 대해 연속적으로 접합(bonded)되는 중첩된 개별 플라이(plies)들을 형성함으로써 지지체의 3차원 구조를 만드는 단계로 구성된다.
이러한 기술은, 종래 기술과 비교하여, 툴링(tooling) 또는 기계 가공(machining)을 필요로 하지 않는 단일 생산 단계로 지지체를 제조할 수 있고, 따라서 보다 넓은 범위의 지지체 형상에의 접근을 가능하게 하고 채널 내의 장애물의 형상 및 치수를 변경할 수 있다는 이점을 갖는다.
분말과 같은 고체 재료를 사용하는 경우, 분말 베드의 두께 및 연속적으로 압밀(consolidation)된 각각의 플라이의 두께는 에너지를 가하거나 액체를 분무함으로써 하부 플라이와의 접합을 가능하게 하도록 비교적 작다. 특히, 분말은 20㎛ 내지 200㎛ 범위 내의 두께로 침착(deposited)되며, 이 두께는 선택되어진 부가 기술의 함수이다.
플라이 다음에 플라이, 2진 시퀀스(binary sequence)를 반복하여 원하는 3차원 형상을 구축할 수 있다. 압밀의 패턴은 플라이마다 다를 수 있다. 원하는 3차원 형상은 선택된 성장 방향을 따라 성장된다.
침착된 분말의 입자 크기는 각각의 분말 베드의 최소 두께뿐만 아니라 최종적으로 얻어진 평균 구멍 직경을 결정하는 요인 중 하나이다. 특히, 지지체를 구성하기 위한 물질의 분말, 예를 들어 금속 산화물 분말, 또는 그 전구체 중 하나의 분말이 사용된다. 침착된 분말은 대략 10㎛ 정도의 세라믹 지지체 내의 평균 구멍 직경을 얻기 위해서 대략 35㎛ 정도의 평균 입자 크기를 가질 수 있다.
본 출원인은, 선택되는 물질, 그리고 주어진 물질에 대하여, 사용되는 분말의 평균 입자 크기, 그리고 주어진 물질 및 입자 크기에 대하여, 층 다음에 층이 반복되는 분말 베드의 두께와 같은 다양한 파라미터를 조정함으로써, 또한, 압밀 목적으로 선택되는 기술에 대한 다양한 파라미터 설정을 조정함으로써, 압밀된 모놀리식 물질 내에서 상호연결된 잔류 구멍 텍스처(interconnected residual pore texture)를 얻고 제어할 수 있음을 관찰하였다. 잔류 구멍 텍스처는 입자들 사이에 상호연결된 공간을 남겨두기 위해 분말 입자들의 소결 또는 제어된 접착 접합의 결과이다.
에너지 빔을 사용하는 경우, 작용할 수 있는 주요 파라미터는 초점, 즉 분말 베드에 영향을 미치는 빔의 직경, 분말 베드가 광자 또는 전자의 빔에 의해 스캔되는 속도, 또는 플라이를 구축하는 동안 에너지 빔에 의해 영향을 받는 표면들 사이의 중첩량이다.
액체 스프레이를 사용하는 경우, 작용할 수 있는 주요 파라미터는 액적의 무게, 그 빈도, 액적의 "제트(jet)"에 의해 분말 베드가 스캔되는 속도, 또는 패스(passes) 간의 중첩량이다.
본 출원인은 또한 위에서 기재된 다양한 파라미터를 조절함으로써, 구멍 크기의 분포를 조정하고, 각각의 주어진 구멍 집단(pore population)에 대하여, 구멍의 수 및 그 비틀림(tortuosity)을 제어하는 것이 가능하다는 것을 관찰하였다.
일단 분말이 선택된 영역에서 응집되면, 응집되지 않은 분말 물질 입자는 임의의 적절한 기술에 의해 제거되며, 이러한 작동은 사용된 분말의 초기 유동성에 의해 촉진된다. 굴곡성 채널 내 또는 제작된 형상의 벽 상에 잔류하는 미량의 분말을 제거하기 위해서, 공기-유동 기술(흡인)이나 물-유동 기술, 또는 진동을 사용할 수 있다.
필터의 최종 압밀 및 다공성 텍스처의 최종 상태는 통상 바인더의 제거(디바인딩(debinding)) 및/또는 재료의 적절한 소결을 위한 하나 이상의 후속 열처리에 의해 얻어진다. 이러한 최종 소결을 위하여 선택된 온도는 사용된 무기 물질의 성질 및 사용된 분말 입자의 평균 크기에 의존한다.
지지체, 또는 횡류 분리요소 전체는, 플라이 후 플라이(ply after ply)로 형성된다. 이를 위해, 업스트림(upstream)에서 그리고 컴퓨터 설계 소프트웨어를 사용함으로써, 지지체의 또는 횡류 분리요소의 3차원 구조는 슬라이스로 세분된다. 따라서 제작될 가상의 3차원 객체는 매우 얇은 두께의 2차원 슬라이스로 세분된다. 이어서, 이들 얇은 슬라이스는 중첩되는 개별 플라이 형태로 하나씩 만들어지고, 이것들은 원하는 3차원 형상이 점진적으로 성장하도록 서로 접합된다.
이러한 3차원 구조는 다음과 같이 만들어진다:
- 다음 단계를 반복함으로써:
- 다공성 지지체를 형성하기 위한 고체 물질(유기 또는 무기 분말) 또는 액체 물질(유기 또는 무기일 수 있는 분말을 분산시킨 유기 전구체 또는 액체)의 베드를 제조하는 단계로서, 일정한 두께를 가지며 플라이의 레벨에서 상기 다공성 지지체의 섹션보다 큰 면적을 차지하는 베드를 제조하는 단계; 및
- 개별 플라이를 생성하기 위해 각각의 플라이에 대하여 결정된 패턴에 따라 국부적인 방식으로 재료의 일부를 압밀하는 한편, 생성된 개별 플라이를 이전 플라이에 본딩하는 단계;
- 또는 레이저 빔으로 투영된 유기 또는 무기 분말을 용융시키는 것에 의해 그리고 각각의 플라이에 대하여 사전 결정된 패턴에 따라 형성된 물질의 연속적인 비드(beads)를 생성함으로써;
- 또는 핫-멜트 고체 전구체의 스트랜드(strand)를 연속적으로 또는 불연속적으로 (한 방울씩) 용융시킴으로써; 만들어진다. 전구체가 단독으로 사용되는 핫-멜트 유기 폴리머일 때, 지지체는 유기 특성을 가지며 유기 특성의 층을 침착(depositing)시키기 위하여 즉시 사용될 수 있다. 전구체가 핫-멜트 유기 폴리머와 세라믹 또는 금속 무기 분말의 혼합물일 때, 결합제로서 사용된 폴리머가 일단 제거되고 무기 분말의 입자가 소결되면, 지지체는 무기 특성을 갖는다.
일반적인 방식에서, 첫 번째 경우에, 사용되는 물질은 고체 또는 액체이고 개별적인 플라이는 에너지를 인가함으로써 또는 미세한 액적으로 액체를 분무함으로써 압밀된다. 에너지의 국부적인 전달은, CAD로 선택된 패턴에 따라 분말의 베드 상에 포커싱 및 스캐닝될 수 있는 지향성 광선(directed light beam) (LED 또는 레이저)으로, 지향성 전자 빔으로, 또는 임의의 에너지원(energy source)으로 수행될 수 있다. 에너지와 재료 사이의 상호작용은, 재료의 성질 및 사용되는 에너지원의 성질에 따라, 재료의 소결, 또는 재료의 용융 및 응고, 또는 재료의 광중합 또는 광경화로 이어진다.
액체는 압전 시스템으로 생성된 마이크로 액적을 사용하여 국부적인 방식으로 분말 베드에 전달될 수 있으며, 여기서 액적은 선택적으로 차지(charged)되어 전자기장 내로 안내될 수 있다. 다음에, 액체는 세라믹 분말에 이미 첨가된 바인더를 활성화시키기 위한 작용제의 바인더이다.
본 발명과 관련하여 예상되는 바와 같은 부가 기술의 사용은, 종래 기술과 비교하여, 먼저 생산 처리량 및 신뢰도 측면에서 개선을 얻을 수 있게 하고, 둘째로 지지체에 대하여 그리고 지지체 내부의 채널(들) 내에서 만들어질 수 있는 양각된 형상 및 부분에 대하여 선택될 수 있는 형상에 관련하여 큰 가변성을 얻을 수 있게 한다.
본 발명과 관련하여, 3차원 형상의 설계를 위해서, 다양한 부가 기술, 예를 들어: 선택적 레이저 소결(SLS, selective laser sintering) 또는 선택적 레이저 용융(SLM, selective laser melting); 3D 프린팅 또는 바인더 분사; 리소그래피 기반 세라믹 제조(LCM, lithograpy-based ceramic manufacturing); 융합 침착 모델링(FDP, fused deposition modeling); 및/또는 입체 리소그래피 장치(SLA, stereo lithograpy apparatus)와 같은 다양한 부가 기술이 사용될 수 있다.
본 발명과 관련하여, 통상 여과 멤브레인으로 지칭되는 횡류 여과에 의해 유체 매질을 분리하기 위한 분리 요소가 제공된다. 이러한 분리 요소는 유기 또는 무기일 수 있는 물질로 만들어진 다공성 지지체를 포함한다.
유기 다공성 지지체의 경우, 비-제한적인 예로서 주어진 다음의 유기 물질: 폴리아미드, 폴리에테르케톤케톤, 폴리스티렌, 알루마이드, 폴리페닐설폰, 플루오르화 열가소성 엘라스토머, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 에폭시, 아크릴레이트, 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌, 폴리메틸 메타크릴레이트, 폴리카보네이트, 나일론, 폴리에테르이미드, 아크릴로니트릴 스티렌 아크릴레이트, 폴리락트산, 폴리염화비닐, 및 이들의 혼합물 중에서 선택될 수 있다.
비금속 (세라믹) 무기 다공성 지지체의 경우, 비-제한적인 예로서 주어진 다음의 무기 물질: 산화알루미늄, 산화티타늄, 산화지르코늄, 티탄산 알루미늄, 질화알루미늄, 질화티타늄, 질화붕소, 질화규소, 사이알론, 그래파이트 카본, 탄화규소, 텅스텐 카바이드, 및 이들의 혼합물 중에서 선택될 수 있다.
금속성 (금속 및 합금) 무기 다공성 지지체의 경우, 비-제한적인 예로서 주어진 다음의 금속 물질: 알루미늄, 알루미늄 합금, 코발트 및 크롬 합금, 니켈 합금, 니켈 및 크롬 합금, 강 및 스테인리스강, 티타늄, 티타늄 합금, 구리 및 주석 합금, 구리, 주석 및 알루미늄 합금, 구리 및 아연 합금, 및 이들의 혼합물 중에서 선택될 수 있다.

Claims (26)

  1. 피처리 유체 매질을 여과액과 잔류물로 분리하기 위한 횡류 분리요소로서,
    상기 분리요소는 피처리 유체 매질을 위한 입구(6)와 잔류물을 위한 출구(7)와의 사이에서 피처리 유체 매질의 유동을 통과시키기 위하여 적어도 하나의 채널(4i)이 내부에 배열되는 단일체의 강성 다공성 지지체(2)를 포함하며,
    단일체의 강성 다공성 지지체는 상기 지지체를 통과하는 여과액을 회수하기 위한 외부표면(3)을 가지며,
    적어도 하나의 채널(4i)은, 입구와 출구 사이에, 기준 축선(Ai) 주위의 곡선 경로(Hi)를 따라 생성 평면 섹션(Si)을 스위핑 함으로써 규정되는 굴곡성 유동 볼륨(Vi)을 제공하며,
    상기 기준 축선(Ai)은 상기 생성 평면 섹션(Si)과 교차하지 않고 상기 다공성 지지체 내에 포함되는 것을 특징으로 하는 횡류 분리요소.
  2. 청구항 1에 있어서,
    적어도 하나의 채널(4i)의 상기 굴곡성 유동 볼륨(Vi)은 입구와 출구 사이의 길이 일부에 걸쳐 또는 입구에서 출구까지의 전체 길이에 걸쳐 형성되는 것을 특징으로 하는 횡류 분리요소.
  3. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    단일체의 강성 다공성 지지체(2)는 상기 지지체 내부에 배열되는 유체 매질용 복수의 유동 채널(4i)을 가지는 것을 특징으로 하는 횡류 분리요소.
  4. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    적어도 하나의 채널(4i)은 일정한 또는 가변하는 면적의 생성 평면 섹션(Si)을 가지는 것을 특징으로 하는 횡류 분리요소.
  5. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    적어도 하나의 채널(4i)은 일정한 또는 가변하는 형상의 생성 평면 섹션(Si)을 가지는 것을 특징으로 하는 횡류 분리요소.
  6. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    적어도 하나의 채널(4i)의 생성 평면 섹션은 기준 축선(Ai)으로부터 일정한 거리만큼 이격되는 것을 특징으로 하는 횡류 분리요소.
  7. 청구항 6에 있어서,
    적어도 하나의 채널(4i)의 생성 평면 섹션은 기준 축선(Ai)으로부터 가변하는 거리만큼 이격되는 것을 특징으로 하는 횡류 분리요소.
  8. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    상기 기준 축선(Ai)은 적어도 하나의 채널(4i)의 생성 평면 섹션에 접하는 것을 특징으로 하는 횡류 분리요소.
  9. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    격벽(11)에 의해 서로 분리되도록 보장되는 거리(R)만큼 기준 축선(Ai)으로부터 이격되는 생성 평면 섹션을 가지는 적어도 하나의 시리즈의 복수의 채널을 포함하는 것을 특징으로 하는 횡류 분리요소.
  10. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    적어도 하나의 채널(4i)의 생성 평면 섹션(Si)은, 입구와 출구 사이에서 취해지는 적어도 일부에 걸쳐, 일정한 또는 가변하는 피치(p)로 그리고 좌회전 또는 우회전 방향으로의 기준 축선(Ai) 주위에서의 회전이동과 결합되는 일정한 또는 가변하는 방향의 병진이동으로 초래되는 경로를 추종하는 것을 특징으로 하는 횡류 분리요소.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 경로는 0.1mm 내지 250mm의 범위 내에 놓이는 피치(p)를 가지며, 곡선 경로(H1)와 기준 축선(A1) 사이의 거리(R)는 0.1mm 내지 100mm의 범위 내에 놓이는 것을 특징으로 하는 횡류 분리요소.
  12. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    입구와 출구 사이의 적어도 일부에 걸쳐 취해진 적어도 하나의 채널(4i)의 생성 평면 섹션(Si)은 나선형 경로(Hi)를 추종하는 것을 특징으로 하는 횡류 분리요소.
  13. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    입구(6)로부터 출구(7)까지의 제한된 부분에 걸쳐 취해진, 적어도 하나의 채널(4i)의 생성 평면 섹션(Si)은 기준 축선에 평행한 병진이동으로 초래되는 경로(Hi)를 추종하는 것을 특징으로 하는 횡류 분리요소.
  14. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    적어도 하나의 채널(4i)은 기준 축선에 수직으로 또는 평행하게 연장되는 생성 평면 섹션(Si)을 가지는 것을 특징으로 하는 횡류 분리요소.
  15. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    상기 다공성 지지체(2)는, 유기재료, 무기재료, 금속재료로부터 선택되는 재료로 만들어지는 것을 특징으로 하는 횡류 분리요소.
  16. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    상기 다공성 지지체(2)는, 폴리아미드, 폴리에테르케톤케톤, 폴리스티렌, 알루마이드, 폴리페닐술폰, 플루오린화 열가소성 엘라스토머, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 에폭시, 아크릴레이트, 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌, 폴리메틸 메타크릴레이트, 폴리카보네이트, 나일론, 폴리에테르이미드, 아크릴로니트릴 스티렌 아크릴레이트, 폴리락트산, 폴리비닐 클로라이드, 및 그 혼합물로부터 선택되는 재료로 만들어지는 것을 특징으로 하는 횡류 분리요소.
  17. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    상기 다공성 지지체(2)는, 산화알루미늄, 산화티타늄, 산화지르코늄, 알루미늄 티타네이트, 질화알루미늄, 질화티타늄, 질화붕소, 질화규소, 사이알론, 그래파이트 카본, 탄화규소, 텅스텐 카바이드, 및 그 혼합물로부터 선택되는 재료로 만들어지는 것을 특징으로 하는 횡류 분리요소.
  18. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    상기 다공성 지지체(2)는, 알루미늄, 알루미늄 합금, 코발트 및 크롬의 합금, 니켈 합금, 니켈 및 크롬의 합금, 강 및 스테인리스강, 티타늄, 티타늄 합금, 구리 및 주석의 합금, 구리, 주석 및 알루미늄의 합금, 구리 및 아연의 합금, 및 그 혼합물로부터 선택되는 재료로 만들어지는 것을 특징으로 하는 횡류 분리요소.
  19. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    다공성 지지체(2) 및 각각의 채널(4i)의 내벽 상에 연속적으로 적층되는 적어도 하나의 세퍼레이터 층을 포함하며,
    각각의 세퍼레이터 층은 산화물, 질화물, 탄화물, 및 다른 세라믹 재료 및 그 혼합물로부터 선택된 세라믹으로 만들어지는 것을 특징으로 하는 횡류 분리요소.
  20. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    다공성 지지체(2) 및 각각의 채널(4i)의 내벽 상에 연속적으로 적층되는 적어도 하나의 세퍼레이터 층을 포함하며,
    각각의 세퍼레이터 층은 산화티타늄, 알루미나, 지르코니아, 또는 그 혼합물, 또 다른 세라믹 재료와 선택적으로 혼합되는, 질화티타늄, 질화알루미늄, 질화붕소, 실리콘 카바이드로부터 선택된 세라믹으로 만들어지는 것을 특징으로 하는 횡류 분리요소.
  21. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    상기 채널(4i)은 0.5mm 내지 20mm의 범위 내에 놓이는 수력학적 직경을 가지는 것을 특징으로 하는 횡류 분리요소.
  22. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    각각의 채널(4i)은 일정한 또는 가변하는 수력학적 직경을 가지는 것을 특징으로 하는 횡류 분리요소.
  23. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    상기 지지체(2)는 4㎛ 내지 100㎛의 범위 내에 놓이는 평균 구멍 직경을 가지는 것을 특징으로 하는 횡류 분리요소.
  24. 청구항 23에 있어서,
    상기 평균 구멍 직경은 볼륨 분포의 d50 값에 상응하고, 여기서 구멍의 전체 볼륨의 50%는 d50 값보다 작은 구멍 직경의 볼륨에 상응하며, 볼륨 분포는 ISO 표준 15901-1: 2005에 기재된 기술을 이용하여, 수은 침투법에 의해 얻어지는 것을 특징으로 하는 횡류 분리요소.
  25. 청구항 1 또는 2에 따른 횡류 분리요소를 제작하는 방법으로서,
    상기 지지체는 청구항 1 또는 2에 따른 적어도 하나의 굴곡성 채널(4i)이 배열되어 있는 지지체의 3차원 형상을 점진적으로 성장시키도록 서로 연속적으로 접합되는 중첩 개별 플라이를 형성함으로써 만들어지는, 방법.
  26. 청구항 25에 있어서,
    컴퓨터 보조 디자인 소프트웨어를 사용함으로써, 지지체의 형상이 슬라이스들로 세분되는 부가 기술에 의해 지지체를 제작하는 단계로 이루어지며,
    이들 슬라이스는 2개의 단계를 반복함으로써 연속적으로 함께 중첩 및 접합되는 개별 플라이의 형태로 하나씩 만들어지며,
    상기한 2개의 단계는: 지지체를 형성하기 위한 분말 재료의 베드를 침적시키는 단계; 및 개별 플라이를 생성하도록, 각각의 플라이를 위하여 결정된 패턴에 따라 국부적인 방식으로 침적된 재료의 부분을 압밀하는 단계; 를 포함하고, 여기서 베드는 연속적이고, 균일하고, 일정한 두께를 갖고, 상기 플라이의 수준에서, 형성될 다공성 몸체의 부분보다 큰 영역을 덮으며;
    이들 2개의 단계는, 각각의 반복에서, 상기한 방식으로 형성된 개별 플라이가 이전에 형성된 플라이와 동시에 접합되어 지지체의 형상이 점진적으로 성장하도록 하는 방식으로 반복되는, 방법.
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