KR102585046B1 - 일체형 차압 모니터링을 포함하는 와권형 멤브레인 모듈 - Google Patents

일체형 차압 모니터링을 포함하는 와권형 멤브레인 모듈 Download PDF

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디디피 스페셜티 일렉트로닉 머티리얼즈 유에스, 엘엘씨
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Abstract

외측 주변으로부터 반경 방향 내측으로 연장되는 통로를 형성하는 연결 도관과, 연결 도관의 통로에 연결되는 차압 센서를 포함하는 특수형 엔드 캡 조립체를 포함하는 와권형 멤브레인 모듈.

Description

일체형 차압 모니터링을 포함하는 와권형 멤브레인 모듈
본 발명은 전반적으로 유체 분리를 수행하는 데에 유용한 와권형 멤브레인 모듈 및 연관된 조립체에 관한 것이다.
매우 다양한 유체 분리에 와권형 멤브레인 모듈이 사용된다. 종래의 실시예에서, 하나 이상의 와권형 역삼투(RO) 또는 나노-여과(NF) 멤브레인 모듈("요소")가 통상의 압력 용기 내에서 연속적으로 연결된다. 대형 수처리 설비는 통상적으로 용기 내에, 각각 6 내지 8개의 와권형 멤브레인 모듈을 포함하는 다수의 트레인 및/또는 스테이지를 포함한다. 작동 후, 개별 모듈의 부착물(fouling) 및 스케일링(scaling)은 원하지 않는 압력 감소를 유발하며 결과적으로 분리 성능의 저감을 유발한다. 예를 들면, 리드(상류) 모듈은 생물 부착(biofouling)을 자주 일으키는 경향이 있는 한편, 단자(하류) 모듈은 스케일링을 자주 일으키는 경향이 있다. 조립체 내의 다양한 지점에서의 압력의 모니터링은 압력 손실을 식별하는 것을 돕고 작업자가, 예를 들면, 모듈의 선택적 교체, 공급 유체의 전처리의 증가, 보다 적극적인 모듈 청소 등의 적절한 조치를 취하도록 한다. 압력 용기 내에 모듈이 밀봉된 경우에는 압력 손실의 모니터링이 어렵다. 그럼에도 불구하고, 예를 들면, US2014/0180610, US8808539, US8617397, US8568596, US8519559, US8272251, US8210042, US7886582, US2011/10114561, WO2012/117669 및 JP2016/019932와 같은 다양한 기법이 개발되었다. US6936160, US7048775 및 US8221522와 같은 다른 유형의 여과 장치에도 유사한 기법이 사용되었다. 다음 중 하나 이상을 제공하는 시스템을 포함하여 덜 복잡한 모니터링 시스템이 요구된다: i) 기존 모듈 및 압력 용기를 거의 수정하지 않음, ii) 보다 적거나 간단한 센서의 사용 및 iii) 신축성 프로브의 불필요.
본 발명은 와권형 멤브레인 모듈, 압력 용기를 포함하는 연관된 조립체, 그 제조 방법, 그 사용 방법, 그 조립체의 조합을 포함한다. 바람직한 실시예에서, 대상이 되는 와권형 멤브레인 모듈은 대향하는 제1 모듈 단부와 제2 모듈 단부 사이에서 축을 따라 연장되는 침투물 수집 튜브 주위에 감기는 적어도 하나의 멤브레인 엔벨로프; 및 대향하는 모듈 단부 중 적어도 하나에 위치되는 엔드 캡 조립체를 포함한다. 엔드 캡 조립체는 침투물 수집 튜브에 고정되는 내측 허브와, 엔드 캡 조립체의 외측 주변을 형성하는 동심 외측 링을 포함한다. 유체 접근 경로에 모듈을 제공하는 개구에 의해 분리되는 복수의 반경 방향 연장 지지부에 의해 외측 링은 내측 허브에 연결된다. 엔드 캡 조립체는 외측 링의 외측 주변에 위치되는 제1 도관 단부로부터 외측 링 내에 위치되는 제2 도관 단부까지 반경 방향 내측으로 연장되는 유체 통로를 형성하는 연결 도관과, 연결 도관의 유체 통로에 연결되는 차압 센서를 더 포함한다.
다른 실시예에서, 본 발명은 제1 용기 단부에 인접하게 위치되는 제1 또는 "리드" 모듈 및 제2 용기 단부에 인접하게 위치되는 제2 또는 "단자" 모듈과 압력 용기의 챔버 내에서 직렬 배치로 축 방향으로 정렬되는 복수의 와권형 멤브레인 모듈을 포함하는 조립체를 포함한다. 바람직한 실시예에서, 압력 용기 내에서 제1 또는 제2 모듈, 또는 제1 및 제2 모듈 모두는 대상이 되는 엔드 캡 조립체 및 차압 센서를 포함한다. 이러한 접근법은 통상적으로 제1(최상류) 모듈에서 먼저 발생하는 생물 부착 및 통상적으로 제2(최하류) 모듈에서 먼저 발생하는 스케일링의 조기 검출을 허용한다. 대안적으로, 조립체 내의 다른 모듈 또는 조립체의 모든 모듈은 대상이 되는 엔드 캡 조립체 및 차압 센서를 포함할 수 있다. 다수의 추가적인 실시예가 설명된다.
도면은 비례적이지 않으며 설명을 용이하게 하기 위해 이상화된 도면을 포함한다. 가능한 경우, 도면 및 기재된 설명 전체에서 동일한 참조 부호가 동일하거나 유사한 특징을 나타내는 데에 사용된다.
도 1은 부분적으로 조립된 와권형 멤브레인 모듈의 부분 절개 사시도이다.
도 2는 압력 용기 내에 위치되는 엔드 캡 조립체를 포함하는 와권형 멤브레인 모듈을 도시하는 와권형 멤브레인 모듈 조립체의 부분 절개 사시도이다.
도 3은 연결 도관 및 압력 센서와 함께 공급/응축 유로(A)를 도시하는 도 2로부터 부분적으로 절개된 와권형 멤브레인 모듈 조립체의 단면도이다.
도 4a는 연결 도관을 통한 유동을 방지하며 저항성 변형 게이지를 포함하는 연신 가능 필름을 포함하는 압력 센서의 다른 실시예를 도시하는 엔드 캡 조립체의 다른 실시예를 도시하는 단면도이다.
도 4b는 대상이 되는 압력 센서에 적용 가능한 전기 회로를 도시하는 개략도이다.
도 5는 압력 용기 내에서 직렬 관계로 축 방향으로 정렬되는 복수의 와권형 멤브레인 모듈을 포함하는 와권형 멤브레인 모듈 조립체의 단면도이다. 설명을 용이하게 하기 위해, 엔드 캡 조립체는 도시되지 않는다.
본 발명은 역삼투(RO) 및 나노여과(NF) 시스템에서의 사용에 적합한 와권형 멤브레인 모듈을 포함한다. 이러한 모듈은 하나 이상의 RO 또는 NF 멤브레인 엔벨로프와, 침투물 수집 튜브 주위에 감긴 공급 스페이서 시트를 포함한다. 엔벨로프를 형성하는 데에 사용되는 RO 멤브레인은 거의 모든 용해염에 대해 비교적 불침투성이며 통상적으로 염화 나트륨과 같은 1가의 이온을 갖는 염의 약 95%를 초과하는 양을 거부한다. RO 멤브레인은 또한 통상적으로 분자량이 대략 100 돌턴보다 큰 유기 분자뿐만 아니라 무기 분자의 약 95%를 초과하는 양을 거부한다. NF 멤브레인은 RO 멤브레인에 비하여 더 투과성이며, 2가의 이온의 종에 따라 2가의 이온을 갖는 염의 약 50%를 초과하는 양(종종 90%를 초과하는 양)을 거부하면서 통상적으로 1가의 이온을 갖는 염의 약 95% 미만의 양을 거부한다. NF 멤브레인은 또한 통상적으로 대략 200 내지 500 돌턴보다 큰 분자량을 갖는 유기 분자뿐만 아니라 나노미터 범위의 파티클을 거부한다. 본 명세서의 목적을 위해, "과잉여과(hyperfiltration)"라는 용어는 RO 및 NF 모두를 포함한다.
대표적인 와권형 멤브레인 모듈이 전반적으로 도 1에 2로서 도시된다. 침투물 수집 튜브(8) 주위에 하나 이상의 멤브레인 엔벨로프(4) 및 선택적 공급 스페이서 시트(들)("공급 스페이서")(6)을 동심으로 감는 것에 의해 모듈(2)이 형성된다. 침투물 수집 튜브(8)는, 내측 주변(9)과, 대향하는 제1 및 제2 단부(13', 13) 사이에서 축(X)을 따라 연장되는 길이를 포함하며, 그 길이의 일부분을 따라 복수의 개구(24)를 포함한다. 각각의 멤브레인 엔벨로프(4)는 바람직하게는 2개의 실질적으로 직사각형 단면의 멤브레인 시트(10, 10')를 포함한다. 멤브레인 시트(10, 10')의 각각의 단면은, 멤브레인 또는 전방측과, 지지부 또는 후방측을 갖는다. 멤브레인 엔벨로프(4)는 멤브레인 시트(10, 10')를 씌우고 그 에지를 정렬하는 것에 의해 형성된다. 바람직한 실시예에서, 멤브레인 시트의 단면(10, 10')은 침투물 스페이서 시트(12)를 둘러싼다. 이러한 샌드위치형 구조는, 예를 들면, 실런트(14)에 의해, 3개의 에지(16, 18, 20)를 따라, 함께 고정되어 엔벨로프(4)를 형성하는 한편, 제4 에지, 즉, "근위 에지"(22)는 침투물 수집 튜브(8)에 접하여 엔벨로프(4)(및 선택적 침투물 스페이서(12))의 내측 부분이 침투물 수집 튜브(8)의 길이의 일부분을 따라 연장되는 개구(24)와 유체 연통된다. 모듈(2)은 단일의 엔벨로프 또는 공급 스페이서 시트(6)에 의해 각각 분리되는 복수의 멤브레인 엔벨로프(4)를 포함할 수 있다. 도시된 실시예에서, 인접하게 위치된 멤브레인 리프(leaf) 패킷(packet)의 후방측 표면을 접합하는 것에 의해 멤브레인 엔벨로프(4)가 형성된다. 멤브레인 리프 패킷은 2개의 멤브레인 "리프"을 형성하도록 그 자체가 접힌 실질적으로 직사각형 멤브레인 시트(10)를 포함하며, 각각의 리프의 전방측은 서로 대면하며, 접힘부는 멤브레인 엔벨로프(4)의 근위 에지(22)와 축 방향으로 정렬되며, 즉, 침투물 수집 튜브(8)와 평행하게 된다. 공급 스페이서 시트(6)는 접힌 멤브레인 시트(10)의 대면하는 전방측 사이에 위치되는 것으로 도시된다. 공급 스페이서 시트(6)는 모듈(2)을 통한 공급 유체의 유동을 용이하게 한다. 도시되지 않았으나, 추가적인 중간층이 또한 조립체에 포함될 수 있다. 멤브레인 리프 패킷 및 그 제조의 대표적인 예가 US7875177 및 US8608964에서 더 설명된다. 역삼투용 프로토타입 멤브레인은 다공성 지지체 상에서의 다기능성 아민 및 아실할로겐화물 모노머의 계면 중합에 의해 생성되는 FilmTec Corporation의 FT-30™ 타입 멤브레인이다.
모듈 제조 중, 침투물 스페이서 시트(12)는 멤브레인 리프 패킷이 그 사이에 개재된 상태에서 침투물 수집 튜브(8)의 둘레 주위에 부착될 수 있다. 인접하게 위치된 멤브레인 리프(10, 10')의 후방측은 그 주변(16, 18, 20)의 부분의 주위에 밀봉되어 침투물 스페이서 시트(12)를 감싸며 멤브레인 엔벨로프(4)를 형성한다. 침투물 스페이서 시트를 침투물 수집 튜브에 부착하는 적합한 기법이 US5538642에 설명된다. 멤브레인 엔벨로프(4) 및 공급 스페이서(6)가 축(X)을 따라 연장되는 침투물 수집 튜브(8) 주위에 동심으로 감기거나 "말려" 각각 공급 액체의 입구 및 출구로서의 역할을 하는 모듈 단부(30, 30')에서 2개의 대향하는 스크롤면을 형성한다. 이에 따른 결과적인 나선형 번들이 테이프 또는 다른 수단에 의해 제 위치에 유지된다. 모듈의 스크롤면은 그런 다음 트림될 수 있으며, US7951295에 설명된 바와 같이, 스크롤면 및 침투물 수집 튜브(8) 사이의 접합부에 실런트가 선택적으로 도포될 수 있다. 테이프와 같은 불침투성층이 US8142588 및 US8668828에 설명된 바와 같은 권형 모듈의 둘레 주위에 감길 수 있다. 대안적인 실시예에서, 다공성 테이프 또는 섬유글라스 코팅이 모듈의 주변에 적용될 수 있다. 예를 들면, US9623379 참조.
도 1을 참조하면, 작동 시, 가압된 공급 유체(물)는 제1 단(30), 즉 "상류"에서 모듈(2)로 유입되고, 모듈을 통하여 대체로 축 방향으로 유동하며, 대향하는 제2 단(30')에서 화살표(26)로 도시된 방향, 즉 "하류"로 농축물로서 유출된다. 침투물은 멤브레인(10, 10')을 통하여 연장되는 화살표(28)로 전반적으로 나타낸 침투물 유로를 따라 유동하고, 침투물이 침투물 수집 튜브(8)를 통하여 개구(24)로 유입되고 튜브(8)의 제2 단부(13)로부터 유출되는 멤브레인 엔벨로프(4)로 유입된다.
도 2 및 도 3에 가장 잘 도시된 바와 같이, 엔드 캡 조립체(31)("신축 방지형 장치"라고도 함)가 모듈(2)의 적어도 하나의 단부(30 또는 30')에 위치된다. 설명을 용이하게 하기 위해, 모듈의 단부(30, 30')는 모듈로 유입되는 유체 입구로서의 역할을 하는 "제1" 모듈 단부(30) 및 모듈로부터 유출되는 유체의 출구로서의 역할을 하는 "제2" 모듈 단부(30')로서 서로 구별된다. 도시된 바와 같이, 엔드 캡 조립체(31)는 모듈(2)의 제1 단부(30)에 위치된다. 그러나, 당업자는 엔드 캡 조립체가 대안적으로 모듈(2)의 제2 단부(30')에 위치될 수 있거나 모듈의 양단부(30, 30')에 위치될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 실제로, 도시되지 않은 바람직한 실시예에서, 엔드 캡 조립체가 압력 용기 내에서 각 와권형 멤브레인 모듈의 양단부(30, 30')에 위치된다. 엔드 캡 조립체(31)의 구성은 특별히 한정되지 않지만 바람직하게는 중심으로 위치되고 축 방향으로 정렬된 엔드 캡 내측 허브(57)를 포함한다. 엔드 캡 내측 허브(57)는 침투물 수집 튜브(8)에 고정될 수 있거나 침투물 수집 튜브(8)으로부터 연장되는 인터커넥터 튜브(46, 도 5에 도시됨)를 동심으로 둘러쌀 수 있다. 도 2에 도시된 바람직한 실시예에서, 엔드 캡 내측 허브(57)는 침투물 수집 튜브(8) 주위에 동심으로 끼워진다. 엔드 캡 내측 허브(57)는 긴밀한 동심 끼워 맞춤, 접착제, 용접 등으로 고정될 수 있다. 엔드 캡 내측 허브(57)는 바람직하게는 복수의 반경 방향 연장 지지부(34), 예를 들면 "스포크(spoke)"에 의해 동심 외측 링(33)에 연결된다. 지지부(34)는, 예를 들면, 엔드 캡 조립체가 위치되는 단부에 따라 모듈의 단부(30, 30') 내로의 액체 유입 또는 단부(30, 30')로부터의 액체 유출에 대해, 모듈(2)과 유체 접근 경로를 제공하는 엔드 캡 개구(35)에 의해 분리된다. 대표적인 유체 접근 경로가 전반적으로 실선 화살표(A)로 표시된다. 대표적인 예가 US5128037, US5851267, US6632356, US8425773 및 WO2014/151695에 기재되어 있다. 도 3에 가장 잘 도시된 바와 같이, 외측 링(33)은 모듈(2)의 외측 주변과 대체로 동일하게 연장되는 외측 주변(36)을 형성하고, 압력 용기(40)의 내측 주변 표면(43)과 밀봉 계합하도록 구성되는 환형 홈(37) 내에 위치되는 브라인 씰(39)과 함께 환형 홈(37)을 포함한다. 압력 용기 내에 위치될 때, 브라인 씰은 유체가 모듈(2)을 우회하여 모듈(2)의 외측 주변(43") 및 압력 용기(40)의 주변 표면(43) 사이의 공간(43')을 따라 유동하는 것을 제한한다. 대표적인 예가 US6299772, US8110016, 및 WO2017/019282에 기재되어 있다. 예를 들면, 오링, Chevron 씰, U자형 씰, 스플릿(split) 링 씰 등 다양한 유형의 씰이 사용될 수 있다. 예를 들면 US6224767, US7198719, US8377300, US8388842, US8377300 및 US9381469 참조.
와권형 멤브레인 모듈(2)의 적어도 하나의 엔드 캡 조립체(31)는, 예를 들면, 지지부(34)에 인접하며 모듈(2)의 단부와 유체 연통되는 위치에서, 외측 링(33)의 외측 주변(36)에 위치되는 제1 도관 단부(47)로부터 외측 링(33) 내에 위치되는 제2 도관 단부(47')까지 반경 방향 내측으로 연장되는 유체 통로를 형성하는 연결 도관(45)을 포함한다. 제1 도관 단부(47)는 바람직하게는 브라인 씰(39)과 모듈(2)의 대향단(30') 사이에 축 방향으로 위치되고, 모듈(2)의 대향단(30')은, 예를 들면, 모듈(2)의 외측 주변(43")과 압력 용기(40)의 주변 표면(43) 사이에 위치되는 주변 공간(43')과 유체 연통되도록 구성된다. 바람직한 실시예에서, 엔드 캡 조립체(31)는 모듈(2)의 "상류" 제1 단부에 위치되고, 제1 도관 단부(47)는 브라인 씰(39)로부터 "하류"에 위치되며, 연결 도관(45)은 모듈(2)의 제1 단부(30)와 주변 공간(43') 사이에 통로를 제공한다. 브라인 씰 주위에서 유체 바이패스를 허용하는 데에 사용되는 유사한 개구가 JP05287789, JP62049902, US5128037, US7208088, US8778182 및 US2013/0161258에 기재되어 있다. US8377300은 브라인 씰을 제거하는 데에 유용한 엔드 캡의 측면에 개구를 도시한다. 후술하는 바와 같이, 본 발명에서, 차압 측정 시 사용에 적합한 배리어에 의해 연결 도관(45)을 통한 유체 유동이 방지된다.
차압 센서(49)가 연결 도관(45)의 유체 통로에 연결되고, 브라인 씰(39)과 모듈(2)의 대향단(30') 사이의 주변 공간(43')의 영역과 모듈 엔드 캡 조립체(31)의 외측 링(33) 내측의 엔드 캡 개구(35) 사이의 압력차를 측정하도록 구성된다. 이는 브라인 씰(39)을 횡단하는 압력의 차이를 측정하도록 하며 모듈(2)의 제1 및 제2 단부(30, 30') 사이의 압력의 차이에 가깝다. 차압 센서(49)는 바람직하게는 엔드 캡 조립체(31)에 둘러싸인 영역 내에 위치되며, 예를 들면, 동심 외측 링(33)의 내면과 같은 엔드 캡 조립체 또는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같은 지지부(34) 중 하나에 고정된다. 이에 따라, 엔드 캡 조립체(31)의 외측으로 대면하는 표면이 방해받지 않은 상태로 유지되며 인접하게 위치된 와권형 멤브레인 모듈의 엔드 캡 조립체에 대하여 고정될 수 있다. 일부 실시예에서, 차압 센서(49)는 보호 중합체 수지(예를 들면, 열경화성 또는 열가소성 재료) 내에 수용되거나 "포팅되며(potted)", 이에 따라, 10 바를 초과하는 공급 압력, 보다 바람직하게는, 15 바를 초과하거나 심지어 20 바를 초과하는 공급 압력에서 기능할 수 있게 한다. 바람직한 포팅 재료는 우레탄, 에폭시 및 핫 멜트를 포함한다. 바람직한 실시예에서, 차압 센서는 2개의 포트를 포함할 수 있고, 포트 중 하나는 브라인 씰(39)와 모듈(2)의 대향단(30') 사이의 주변 공간(43')과 유체 연통되는 연결 도관(45)에 접합되고, 다른 포트는 모듈 엔드 캡 조립체(31)의 외측 링(33) 내측에서 엔드 캡 개구(35)와 유체 연통된다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 차압 센서(49)는 압력 용기(40)의 외측에 위치되는 외부 전원, 신호 프로세서 및 저장 장치 중 하나 이상과 연통되는 전력 및 신호 리드 또는 와이어(55)를 포함할 수 있다. 예를 들면, 전력 또는 신호 리드(55)는 차압 센서(49)로부터 공급 유입구(42), 농축물 유출구(42') 또는 침투물 유출구(44)를 통하여 마이크로 프로세싱 유닛과 같은 외부에 위치된 장치로 연장될 수 있다. 다른 실시예에서, 전력 또는 신호(예를 들면, 전압, 전류, 광 등을 통함)를 전송하는 리드(55)는 차압 센서(49)로부터 압력 용기(40)의 간극 공간(56, 56') 내에 위치되는 장치(예를 들면 마이크로프로세싱 유닛(미도시)) 등까지 연장될 수 있다. 대안적으로, 센서는 전원으로서 내부 배터리를 포함할 수 있거나, 신호 공급에 검사(interrogating) 소스로부터의 에너지를 사용하는 수동형일 수 있고 물리적 리드 또는 와이어를 필요로 하지 않는 전파, 광 또는 다른 수단을 통하여 신호 프로세서로 통신할 수 있다. 대안적으로, 센서(49)는 외부에 위치된 장치(예를 들면, 마이크로프로세싱 유닛)와 결과적으로 통신하는 압력 용기(예를 들면, 도 5에 도시된 간극 공간(56)) 내의 다른 센서와 통신할 수 있다.
바람직한 실시예에서, 차압 센서(49)는 차압을 측정하기 위해 간단하고 신뢰할 수 있으며 저비용인 수단을 제공하도록 변형 가능 배리어(72)(예를 들면, 다이어프램)를 포함한다. 변형 가능 배리어(72)는 연결 도관(45)을 통한 유동을 방지하고, 차압 측정을 가능하게 하며, 모듈 엔드 캡 조립체(31)의 외측 링(33) 내측의 엔드 캡 개구(35)를 브라인 씰(39)과 모듈(2)의 대향단(30') 사이의 주변 공간(43')의 영역으로부터 분리한다. 변형 가능 배리어(72)를 횡단하는 압력차는 전기적 특성(예를 들면 저항, 정전 용량)의 변화를 일으킬 수 있으며, 이 부품은 차압의 측정을 제공하도록 전자 회로와 일체로 될 수 있다. 대안적으로, 배리어 층의 변형이 광학적으로(예를 들면, 카메라 또는 광의 편향 또는 산란) 또는 소리의 변조를 통해 검출될 수 있다. 변형 가능 배리어(72)는 또한 상이한 압력의 수동적인 측정이 가능하도록 전자기파를 변조하는 안테나를 포함할 수 있다.
구동식 차압 센서의 예로는 Omega의 PX26-001DV, Dwyer 629C-02-CH-P2-E5-S1, 및 Cole-Parmer EW-68071-52가 있다. 이들 차압 센서는 상이한 압력의 영역으로의 연결을 위한 2개의 포트를 포함한다. 제1 포트는 모듈 엔드 캡 조립체(31)의 외측 링(33) 내측에 엔드 캡 개구(35)와 유체 연통하도록 구비될 수 있다. 제2 포트는 연결 도관(45)의 제2 도관 단부(47')와 밀봉 계합될 수 있다. 이러한 유형의 구성이 도 3에 도시되며 연결 도관(45)의 제1 단부(47)와 모듈(2)의 제1 단부(30) 사이의 압력의 차이를 측정하도록 구성된다. 이러한 압력차는 모듈의 유체 상류와 모듈의 하류 사이의 압력차에 근접한다.
다른 실시예에서, 연신 가능 필름(72) 상에 배향된 금속 와이어를 포함하는 변형 게이지(74)(예를 들면, Omega의 SGD-LY 시리즈)가 연결 도관과 유체 연통하도록 구비된다. 이 실시예가 도 4a 및 도 4b에 도시된다. 이러한 신장으로 인해, 브라인 씰의 상류 영역과 하류 영역 사이의 압력차의 증가는 변형 게이지 저항의 증가를 초래한다. 센서(49)의 일부로서 통합될 수 있는 전기 회로는 수정된 전기적 특성이 마이크로프로세싱 유닛에 의해 판독되는 신호로 변환되도록 한다. 예를 들면, 도 4b에 도시된 쿼터 브릿지 변형 게이지 회로는 변형 게이지(74) 내의 수정 저항을 전압 차이로 변환시킬 수 있고, 구동식 마이크로프로세싱 유닛은 이를 판독하여 대응하는 출력을 제공할 수 있다. (도시된 경우에 있어서, 와이어(55)는 증폭기, A2D, 또는 마이크로프로세싱 유닛의 아날로그 입력 핀에 연결될 수 있다.) 대안적으로, 전파를 변조하고 차압의 수동형(내부 전력 없음) 측정을 제공하는 데에 전기적 저항의 변화가 안테나 회로에서 사용될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 바람직하게는 저항성 요소가 플라스틱 내에 봉입되어 저항성 요소가 주위 용액으로부터 격리된다.
또 다른 실시예에서, 안테나를 포함하는 필름의 편향이 차압을 검출하는 데에 사용될 수 있다. 예를 들면, Drazan, JF. 등의 Archimedean spiral pairs with no electrical connections as passive wireless implantable sensors, J. Biomedical Technology and Research, 2014, 1(1):, page 8은 압축성 매체에 의해 분리된 2개의 인접한 나선형 안테나로 형성되는 압력 센서를 개시하고 있다. 이러한 실시예의 변형예에서, 변형 가능 배리어(72) 내의 안테나가 연결 도관(45)과 유체 연통될 수 있고 제2 고정형 안테나로부터의 그 거리가 차압에 따라 달라진다. 이러한 수동형 센서에서는, 전파가 인가되며, 2개의 안테나 세그먼트 사이의 거리에 의해 복귀 신호가 변조된다.
사용 시, 액체로부터 분해 가능 부품을 격리하지만 대향측에서 압력과 접촉하도록 하기 위해 센서는 패키징되는 것이 바람직하다. 2개의 표면과 개별적으로 접촉하며 (이들 분해 가능 부품을 둘러싸는) 얇고 가요성인 액체 배리어 층이 이 용도에 충분할 수 있다. 배리어 층 내에 포함될 수 있는 압력 강하의 측정에 사용되는 분해 가능 부품은 전기적 부품 저항기, 축전기, 또는 안테나를 포함한다.
마이크로프로세싱 유닛의 유형은 특별히 한정되지 않으며, 적용 가능한 예는 Analog Devices로부터의 AD5931로서 자율 집적 회로와, Texas Instruments로부터의 모델 CC2430 또는 CC2530과 같은 집적 회로를 포함한다. 추가적인 예는 Arduino 및 Raspberry Pi 보드를 포함한다. 마이크로프로세싱 유닛은 바람직하게는 프로토콜, 제어 기능 및 데이터를 저장하는 플래시 메모리를 포함한다. 마이크로프로세싱 유닛은 제거 가능 엔드 플레이트(54) 중 적어도 하나에 고정될 수 있다. 압력 용기 내에 위치되면, 마이크로프로세싱 유닛이 포팅 재료로 봉입될 수 있다. 바람직하게는, 마이크로프로세싱 유닛이 엔드 캡 조립체(31)에 의해 둘러싸인다.
바람직한 실시예에서, 하나 이상(예를 들면, 6 내지 10 개)의 와권형 멤브레인 모듈이 "와권형 조립체"로서 통칭되는 압력 용기 내에 수용된다. 이러한 용기는 공급 유입구, 농축물 유출구 및 침투물 유출구를 포함한다. 공급 유입구는 공급 액체의 가압 소스와 연결을 위해 구성된다. 농축물 유출구는 재사용 또는 폐기를 위한 경로로의 연결을 위해 구성된다. 침투물 유출구는 저장, 사용 또는 추가적인 처리용 경로로의 연결을 위해 구성된다. 본 발명에서 사용되는 압력 용기는 특히 한정되지 않지만, 바람직하게는 작동 조건과 연관된 압력을 견딜 수 있는 고체 구조를 포함한다. 용기 구조는 바람직하게는 내부에 수용될 와권형 멤브레인 모듈의 외측 주변에 크기 및 형상이 대응하는 내측 주변을 갖는 챔버를 포함한다. 압력 용기의 배향은 특히 한정되지 않지만, 예를 들면, 수평 및 수직 배향이 모두 사용될 수 있다. 적용 가능 압력 용기, 모듈 배치 및 로딩의 예가 US 6074595, US 6165303, US 6299772 및 US2008/0308504에 기재되어 있다. 대형 시스템용 압력 용기의 제조자는 미니애폴리스 MN의 Pentair, Vista CA의 Bekaert, 이스라엘 Beer Sheva의 Bel Composite를 포함한다.
와권형 멤브레인 모듈 조립체의 통상적인 실시예가 전반적으로 도 5에 21로서 도시된다. 설명을 용이하게 하기 위해, 브라인 씰(39) 및 압력 센서(49)를 포함하는 엔드 캡 조립체(31)의 세부 사항이 도시되지 않는다. 도시된 바와 같이, 조립체는 압력 용기(40)의 가압 가능 챔버(41) 내에서 직렬 배치로 (축 X를 따라) 축 방향으로 정렬되는 복수의 와권형 멤브레인 모듈(2, 2')을 포함한다. 챔버(41)는 모듈(2, 2')을 둘러싸는 주변 표면(43)을 포함한다. 인접한 모듈(2, 2')의 침투물 수집 튜브(8)는 인터커넥터(46)에 의해 침투물 밀봉재(48)와 함께 접합될 수 있다. 접합된 튜브(8)의 효과는 용기(40)의 결합된 침투물 수집 영역(50)을 형성한다는 것이다. 압력 용기(40)는 제1 및 제2 용기 단부(38, 38') 사이에서 중심축(X)을 따라 연장된다. 용기(40)는 용기(40)의 일단(38, 38')에 위치되는 적어도 하나의 제거 가능 엔드 플레이트(54)를 포함한다. 용기 엔드 플레이트(54)의 제거는 챔버(41)가 모듈(2)과 로딩되고 언로딩되도록 한다. 통상의 실시예에서, 제거 가능 용기 엔드 플레이트(54, 54')는 두 용기 단부(38, 38')에 위치될 수 있다. 용기(40)는 다수의 유체 포트(42, 42', 44, 44'), 예를 들면, 적어도 하나의 공급 유입구(42), 농축물 유출구(42') 및 침투물 유출구(44)를 포함한다. 용기의 각 단부(38, 38')에, 추가적인 포트, 예를 들면, 공급 유입구, 농축물 유출구 및 침투물 유출구(44, 44')가 포함될 수 있다. 마찬가지로, 공급 입구 및 농축물 유출구는 도 5에 도시된 것과 반대의 배향으로 제공될 수 있다. 설명의 단순화를 위해, 공급 입구 및 농축물 유출구는 일반적으로 포트(42/42')로 언급될 수 있다. 반경 방향 구성으로 도시되지만, 하나 이상의 공급 및 농축물 포트는 용기(40)의 단부(38, 38')를 통하여 연장되는 축 방향 구성을 가질 수 있다. 간극 공간(56, 56')이 용기(40)의 단부(38, 38') 및 가장 인접한 모듈(2, 2') 사이의 챔버(41) 내에 위치된다.
도시된 바와 같이, 침투물 어댑터 튜브(52)는 가장 인접한 축 방향으로 정렬된 와권형 멤브레인 모듈의 침투물 수집 튜브(8)와 유체 연통되는 용기(40)의 어느 하나의 단부 또는 양단 (38, 38')에 위치될 수 있다. 예를 들면, 침투물 어댑터 튜브(52)는 제1 와권형 멤브레인 모듈(2)의 침투물 수집 튜브(8) 및 침투물 유출구(44)와 밀봉 유체 연통되도록 구비될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 침투물 어댑터 튜브(52)는 침투물이 제1 와권형 멤브레인 모듈(2)로부터 침투물 유출구(44)로, 예를 들면, 침투물 수집 영역(50)으로부터 유동하여 용기(40)로부터 배출되도록 하는 밀봉된 통로를 형성하는 중공형 도관(53)을 포함한다. 대안적으로, 침투물 어댑터 튜브(52)는 제2 와권형 멤브레인 모듈(2')의 침투물 수집 튜브(8)의 내측 주변(9) 내에 밀봉되는 플러그(66)를 포함할 수 있는데, 플러그가 침투물 수집 영역(50)의 일단(38')을 밀봉하여 침투물이 침투물 수집 영역(50)으로부터 침투물 유출구(44')로 유동하는 것을 방지한다. 도 5의 실시예에서, 간극 공간(56, 56')이 상응하는 침투물 어댑터 튜브(52, 52')와 함께 용기(40)의 양단(38, 38') 가까이에 도시된다. 침투물 어댑터 튜브(52)는 단일의 일체형 유닛일 수 있거나, 가장 인접한 모듈(2, 2') 및 침투물 유출구(44) 모두에 대해 단위 밀봉을 형성하도록 접합되는 복수의 부분을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 5에 도시된 침투물 어댑터 튜브(52, 52')는 각각 용기(40) 내부로 침투물 유출구(44, 44')를 통과하는 침투물 파이프를 포함하는 제1 부분과, 가장 인접한 모듈(2, 2')의 침투물 수집 튜브(8)로의 연결을 포함하는 제2 정합 부분을 포함한다. 2개의 부분이 오링에 의해 밀봉되는 것으로 도시된다. 침투물이 그 가장 인접한 와권형 멤브레인 모듈의 침투물 수집 튜브(8)로부터, 즉, 제1 와권형 멤브레인 모듈(2)로부터 유동하여 용기(40)로부터 유출되도록 하는 밀봉된 통로를 제공하는 중공형 도관(53)을 갖는 좌측의 침투물 어댑터 튜브(52)가 도시된다. 우측의 침투물 어댑터 튜브(52')는 가장 인접한 와권형 멤브레인 모듈, 즉, 제2 와권형 멤브레인 모듈(2')의 침투물 수집 튜브(8) 내에 밀봉되는 플러그(66)를 포함한다. 플러그(66)는 용기(40) 내의 가압된 공급 또는 농축물 용액의 인접한 영역(68, 68')으로부터, 이 침투물 수집 튜브(8)의 중공형 내측(9)을 포함하는 침투물 수집 영역(50)을 밀봉한다. 이는 가압된 공급 또는 농축물 용액이 침투물 수집 튜브(8)로 유입되는 것을 방지한다.
바람직한 실시예에서, 셋 이상의 모듈이 압력 용기(40) 내에 위치되고, 제1(리드) 모듈(2)이 제1 용기 단부(38)에 인접하게 위치되고, 제2(단자) 모듈(2')이 제2 용기 단부(38')에 인접하게 위치되고, 다른 모듈이 이들 제1 및 제2 모듈 사이에 위치된다. 용기(40) 내의 적어도 하나의 와권형 멤브레인 모듈의 적어도 하나의 엔드 캡 조립체(31)는 전술한 연결 도관(45) 및 차압 센서(49)를 포함한다. 바람직한 일 실시예에서, 용기(40) 내의 제1 모듈(2) 또는 제2(최종) 모듈(2') 중 하나만이 연결 도관(45) 및 차압 센서(49)를 구비한 엔드 캡 조립체(31)를 포함한다. 다른 실시예에서, 압력 용기(40) 내의 제1 및 최종 와권형 멤브레인 모듈 모두는 전술한 연결 도관(45) 및 차압 센서(49)를 포함하는 대상이 되는 엔드 캡 조립체(31)를 포함한다. 이러한 접근법은 통상적으로 제1(최상류) 모듈에서 먼저 발생하는 생물 부착 및 통상적으로 최종(최하류) 모듈에서 먼저 발생하는 스케일링의 조기 검출을 허용한다. 대안적으로, 조립체 내의 다른 모듈 또는 조립체의 모든 모듈은 대상이 되는 엔드 캡 조립체 및 차압 센서를 포함할 수 있다. 연결 도관(45) 및 차압 센서(49)를 포함하는 엔드 캡 조립체(31)가 모듈(2, 2')의 각 단부에 위치될 수 있다. 그러나, 압력 용기(4) 내의 제1 및 최종 와권형 멤브레인 모듈에 대해서는, 간극 공간(56, 56')에 가장 가까운 모듈 단부(30, 30') 상에 이를 위치시키는 것이 신호의 제거를 용이하게 할 수 있다. 바람직한 실시예에서, 압력 센서(49)는 간극 공간(56, 56') 내에 위치되는 마이크로프로세서와 (예를 들면, 와이어, 광 또는 소리를 통하여) 통신할 수 있다.
본 발명의 다수의 실시예가 설명되었고, 경우에 따라서는 특정 실시예, 선택, 범위, 구성 요소 또는 다른 특징이 "바람직한" 것으로 특징된다. "바람직한" 특징의 이러한 지정은 본 발명의 필수적이거나 결정적인 양태로서 해석되지 않아야 한다. 설명된 범위는 구체적으로 종료점을 포함한다. 상술한 특허 및 특허 출원 각각의 전체 내용은 본원에 참조로 포함된다.

Claims (5)

  1. 와권형 멤브레인 모듈(2)로서,
    대향하는 제1 모듈 단부(30)와 제2 모듈 단부(30') 사이에서 축(X)을 따라 연장되는 침투물 수집 튜브(8) 주위에 감기는 적어도 하나의 멤브레인 엔벨로프(4); 및
    상기 모듈 단부(30, 30') 중 적어도 하나에 위치되는 엔드 캡 조립체(31)를 포함하고, 상기 엔드 캡 조립체(31)는 상기 침투물 수집 튜브(8)에 고정되는 내측 허브(57)와, 상기 엔드 캡 조립체(31)의 외측 주변(36)을 형성하는 동심 외측 링(33)을 포함하고, 유체 접근 경로(A)에 상기 모듈(2)을 제공하는 개구(35)에 의해 분리되는 복수의 반경 방향 연장 지지부(34)에 의해 상기 외측 링(33)이 상기 내측 허브(57)에 연결되고;
    상기 와권형 멤브레인 모듈(2)은,
    상기 엔드 캡 조립체(31)가 상기 외측 링(33)의 상기 외측 주변(36)에 위치되는 제1 도관 단부(47)로부터 상기 외측 링(33) 내에 위치되는 제2 도관 단부(47')까지 반경 방향 내측으로 연장되는 유체 통로를 형성하는 연결 도관(45)과, 상기 연결 도관(45)의 상기 유체 통로에 연결되는 차압 센서(49)를 포함하고, 또한 상기 엔드 캡 조립체(31)는 상기 외측 링(33)의 상기 외측 주변(36)에 위치되는 환형 홈(37)과, 상기 환형 홈(37) 내에 위치되는 브라인 씰(39)을 포함하고, 상기 연결 도관(45)의 상기 제1 도관 단부(47)는 상기 브라인 씰(39)와 상기 모듈(2)의 대향단 사이에 축 방향으로 위치되는 것을 특징으로 하는 와권형 멤브레인 모듈(2).
  2. 제1항에 있어서, 상기 차압 센서(49)는 중합체 수지 내에 수용되는, 와권형 멤브레인 모듈(2).
  3. 압력 용기(40)의 챔버 내에서 직렬 배치로 축 방향으로 정렬되는 복수의 와권형 멤브레인 모듈들을 포함하는 조립체로서, 상기 조립체는 제1 와권형 멤브레인 모듈 및 제2 와권형 멤브레인 모듈을 포함하고,
    상기 제1 와권형 멤브레인 모듈은 제1 용기 단부(38)에 인접하게 위치되고, 상기 제2 와권형 멤브레인 모듈은 제2 용기 단부(38')에 인접하게 위치되고,
    상기 조립체 내 와권형 멤브레인 모듈들 중 적어도 하나는 제1항 또는 제2항의 와권형 멤브레인 모듈인, 조립체.
  4. 압력 용기(40)의 챔버 내에서 직렬 배치로 축 방향으로 정렬되는 복수의 와권형 멤브레인 모듈을 포함하는 조립체로서, 상기 조립체는 제1 와권형 멤브레인 모듈 및 제2 와권형 멤브레인 모듈을 포함하고,
    상기 제1 와권형 멤브레인 모듈은 제1 용기 단부(38)에 인접하게 위치되고, 상기 제2 와권형 멤브레인 모듈은 제2 용기 단부(38')에 인접하게 위치되고,
    상기 조립체 내 상기 제1 와권형 멤브레인 모듈, 또는 제2 와권형 멤브레인 모듈, 또는 제1 및 제2 와권형 멤브레인 모듈 둘다는 제1항 또는 제2항의 와권형 멤브레인 모듈인, 조립체.
  5. 압력 용기(40)의 챔버 내에서 직렬 배치로 축 방향으로 정렬되는 복수의 와권형 멤브레인 모듈들을 포함하는 조립체로서, 상기 조립체는 제1 와권형 멤브레인 모듈 및 제2 와권형 멤브레인 모듈을 포함하고,
    상기 제1 와권형 멤브레인 모듈은 제1 용기 단부(38)에 인접하게 위치되고, 상기 제2 와권형 멤브레인 모듈은 제2 용기 단부(38')에 인접하게 위치되고,
    상기 조립체 내 모든 와권형 멤브레인 모듈들은 제1항 또는 제2항의 와권형 멤브레인 모듈인, 조립체.
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