KR102659589B1 - 주름지고 테이퍼된 나선형 크로스-유동 필터 부재 - Google Patents

주름지고 테이퍼된 나선형 크로스-유동 필터 부재 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재는:투과관; 및 상기 투과관에 용접된 주름진 여과 멤브레인(membrane)을 포함하고, 상기 주름진 여과 멤브레인은 상기 투과관 둘레에 원주방향을 따라 이격되고 단일 방향으로 상기 투과관 둘레에 나선형으로 권취된 다수의 리프(leaves);를 포함하고, 각각의 리프는: 용접된 유입 에지부; 용접된 유출 에지부로서, 상기 용접된 유입 에지부의 길이는 상기 용접된 유출 에지부의 길이보다 큰, 용접된 유출 에지부; 상기 용접된 유입 에지부 및 상기 용접된 유출 에지부 사이에 연장된 용접되고 테이퍼된 원위 에지부; 및 상기 투과관에 인접하여 위치하고 상기 주름진 여과 멤브레인의 유입 단부 및 상기 주름진 여과 멤브레인의 유출 단부 사이에 연장된 두 개의 접힌 근위 에지부를 포함하는 근위 단부를 포함하는, 나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재에 관한 것이다.

Description

주름지고 테이퍼된 나선형 크로스-유동 필터 부재
배경기술 부분에 기재된 정보는 선행 기술로 인정되는 것은 아니다.
필터는 일반적으로 두 가지 모드: 데드-엔드 또는 크로스-유동 중 하나로 작동한다. 데드-엔드 여과에서, 여과되는 공급 유체는 여과 매체 예를 들어, 반-투과 멤브레인(membrane) 또는 입상 매체 베드(bed)의 표면에 일반적으로 수직인 방향으로 흐른다. 데드-엔드(dead-end) 여과는 공급 유체에서 제거해야 할 입자 또는 다른 물질의 농도가 낮은 응용 분야 또는 여과 매체(즉, 잔류물)에 의해 유지되는 물질의 충진 경향이 여과 매체를 통한 큰 압력 강하를 생산하지 않는 응용 분야에서 효과적일 수 있다. 데드-엔드의 전형적인 산업적 용도는 도시 수처리 및 식품 및 맥주, 와인 및 다른 음료와 같은 기호 음료 응용 분야가 포함된다.
많은 산업 프로세스 스트림은, 많은 경우에, 신속하게 데드-엔드 여과 매체를 오염시켜 배압을 증가시키고 여과 속도을 감소시키게되는 제거되어야 하는 고농도의 입자, 용질 또는 다른 물질을 포함한다. 데드-엔드 여과 기술은 그러한 응용 분야에서 그러므로 산업적으로 비실용적이다. 그러나, 크로스-유동 여과 기술은 산업적으로 허용 가능한 여과 속도 및 작동 기간을 유지하기 위해 이러한 응용 분야에서 사용될 수 있다. 크로스-유동 여과에서, 여과될 공급 유체는 반-투과 멤브레인의 표면에 일반적으로 평행한 방향 즉, 여과 멤브레인에 접선 방향으로 흐른다. 공급 유체의 일부는 여과 멤브레인을 통과하여 투과 스트림이 됨에 따라, 입자, 용질 또는 다른 물질들이 잔류 스트림이 되는 여과 멤브레인의 공급 측 상에 공급 유체에서 농축된다.
크로스-유동 여과는 픽의 확산 법칙(Fick's law of diffusion)에서 파생된 이론적인 원리에 따라 작동한다. 공급 스트림은 여과 멤브레인의 반대 측면에 있는 공급/잔류 스트림 및 투과 스트림 사이의 압력, 농도, 또는 다른 물리적 또는 화학적 차이에서 크로스-유동 필터를 통해 유동한다. 여과 멤브레인 기공 크기 보다 작은 입자, 용질, 또는 다른 물질은 투과 스트림을 형성하는 공급 유체의 일부에서 여과되므로써, 멤브레인을 통과한다. 공급 스트림 내의 입자, 용질 또는 다른 물질의 일부는 잔류물로서 여과 멤브레인에 또는 내에 갇히는 반면, 공급 스트림의 나머지는 공급 측면 상의 여과 멤브레인을 가로질러, 멤브레인을 통과하거나 멤브레인에 또는 내에 갇히는 것 없이 잔류 스트림을 형성한다. 크로스-유동 필터(즉, 공급 스트림의 미필터된 일부)로부터 유출되는 잔류 스트림은 크로스-유동 필터로부터 유출된 투과 스트림으로부터 분리되어 유지되고, 필터를 통해 재순환하고, 추가 여과를 위해 분리된 하류 필터로 공급되고, 다른 단위 작업으로 공급되거나 특정 용도에 적합하게 수집될 수 있다.
크로스-유동 필터는 빠르게 "블라인드(blind)"또는 데드-엔드 필터를 오염시키는 입자, 용질 또는 다른 물질을 함유한 공급 스트림을 여과하는데 사용될 수 있다. "블라인딩(blinding)"은 여과 멤브레인 상에 잔류물의 축적되어 필터를 오염 및/또는 효율을 감소시킨다. 크로스-유동 여과에서, 여과 멤브레인을 가로지르는 벌크 유체(bulk fluid)의 접선방향의 운동은 멤브레인 표면으로부터 잔류 물질을 기계적으로 제거시킬 수 있고, 접선방향의 공급 유동은 필터로부터 제거된 및/또는 농축된 잔류 물질을 수송할 수 있다. 결과적으로, 크로스-유동 필터는 데드-엔드 필터와 비교하여 상대적으로 높은 고형물 부하에서 블라인딩 감소로 장기간 작동하는 연속 모드로 작동할 수 있다.
크로스-유동 여과 멤브레인은 관형, 편평한 시트, 나선형으로 권취, 및 중공 파이버 구성에서 생산될 수 있다. 또한, 크로스-유동 여과 멤브레인은 10옹스트롬(역삼투 멤브레인) 이하에서 10마이크로미터(일반적인 여과 멤브레인) 이상의 범위 기공 크기로 제작될 수 있고, 나노여과 멤브레인(1~10나노미터 기공 크기), 한외여과(10~100나노미터 기공 크기), 및 마이크로여과 멤브레인(0.1~10마이크로미터 기공 크기)을 포함할 수 있다.
이 명세서는 일반적으로 주름지고 테이퍼된 나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재에 관한 것이다. 또한, 이 명세서는 주름지고 테이퍼된 나선형으로 권취된 필터 부재를 포함하는 크로스-유동 필터에 관한 것이다. 또한, 이 명세서는 주름지고 테이퍼된 나선형으로 권취된 필터 부재를 포함하는 크로스-유동 필터의 사용을 포함하는 여과 과정에 관한 것이다. 또한, 이 명세서는 주름지고 테이퍼된 나선형으로 권취된 필터 부재를 포함하는 크로스-유동 필터를 포함하는 여과 시스템에 관한 것이다.
일 예에서, 나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재는 투과관 및 투과관에 부착된 주름진 여과 멤브레인을 포함한다. 주름진 여과 멤브레인은 투과관 둘레에 원주 방향으로 이격되고 균일한 방향으로 투과관 둘레에 나선형으로 권취된 다수의 리프(leaves)를 포함한다. 다수의 리프의 각각의 리프는 유입 에지부, 유출 에지부, 유입 에지부와 유출 에지부 사이에 연장된 테이퍼된 원위 에지부, 및 투과관에 인접하여 위치하고 상기 주름진 여과 멤브레인의 유입 단부 및 상기 주름진 여과 멤브레인의 유출 단부 사이에 연장된 두 개의 접힌 근위 에지부를 포함하는 근위 단부를 포함한다. 각각의 리프의 유입 에지부의 길이는 리프의 유출 에지부보다 크다.
다른 예에서, 나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재는 투과관과 투과관에 용접된 주름진 여과 멤브레인을 포함한다. 주름진 여과 멤브레인은 투과관 둘레에 원주 방향으로 이격되고 균일한 방향으로 투과관 둘레에 나선형으로 권취된 다수의 리프를 포함한다. 다수의 리프의 각각의 리프는 용접된 유입 에지부, 용접된 유출 에지부, 용접된 유입 에지부와 용접된 유출 에지부 사이에 연장된 용접된 테이퍼된 원위 에지부, 및 투과관에 인접하여 위치하고 상기 주름진 여과 멤브레인의 유입 단부 및 상기 주름진 여과 멤브레인의 유출 단부 사이에 연장된 두 개의 접힌 근위 에지부를 포함하는 근위 단부를 포함한다. 각각의 리프의 용접된 유입 에지부의 길이는 리프의 용접된 유출 에지부보다 크다.
또 다른 예에서, 크로스-유동 필터는 하우징, 하우징 내에 위치한 투과관, 및 투과관에 부착되고 투과관과 하우징 사이에 위치되는 주름진 여과 멤브레인을 포함한다. 주름진 여과 멤브레인은 투과관 원주방향을 따라 원주방향으로 이격되고 단일 방향으로 투과관 둘레에 나선형으로 권취된 다수의 리프를 포함한다. 다수의 리프 중 각각의 리프는 유입 에지부, 유출 에지부, 유입 에지부와 유출 에지부 사이에 연장된 테이퍼된 원위 에지부, 및 투과관에 인접하여 위치하는 근위 단부를 포함하고, 근위 단부는 주름진 여과 멤브레인의 유출 단부 사이에 연장된 두 개의 접힌 근위 에지부를 포함한다. 각각의 리프의 유입 에지부의 길이는 리프의 유출 에지부의 길이보다 크다.
본 명세서에서 기재된 발명은 본 요약에 요약된 예들에 반드시 제한되는 것은 아니라는 것을 이해해야 한다.
본 명세서에 기재된 본 발명의 다양한 특징 및 특성은 (축척될 필요는 없는)첨부된 도면을 참조함으로서 더 잘 이해될 수 있다:
도 1a는 단일-리프가 나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재의 부분 단면 개략적인 사시도이다;
도 1b는 단일-리프가 나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재의 개략적인 측면도이다;
도 1c는 필터 부재를 통과하는 공급, 잔류, 및 투과 유체를 도시주는 단일-리프가 나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재의 개략적인 사시도이다;
도 2는 공급 유체 유량(Qf) 및 속도(Vf), 잔류 유체 유량(Qr) 및 속도(Vr), 및 투과 유체 유량(Qp) 및 속도(Vp)를 도시하는 주름지고(다중-리프가) 나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재 내 투과관에 부착된 하나의 멤브레인 리프의 개략적인 측단면도이다;
도 3은 공급 유체 유량(Qf) 및 속도(Vf), 잔류 유체 유량(Qr) 및 속도(Vr), 및 투과 유체 유량(Qp) 및 속도(Vp)를 도시하는 주름지고(다중-리프) 테이퍼된 나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재 내 투과관에 부착된 하나의 멤브레인 리프의 개략적인 측단면도이다;
도 4a는 각 주름 내에 위치하는 투과 스페이서로 주름진 멤브레인 시트의 개략적인 사시도이다;
도 4b는 투과관에 부착되고 각각의 주름 내에 위치한 투과 스페이서를 갖는 주름진 멤브레인 시트의 부분적인 단면의 개략적인 사시도이다;
도 4c는 도 4b에 도시된 주름진 멤브레인 및 투과 스페이서 구성을 포함하는 주름지고 나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재의 부분적인 단면의 개략적인 사시도이다;
도 5a는 인접한 투과 스페이서 시트와 주름진 멤브레인 시트의 개략적인 사시도이다;
도 5b는 투과관에 부착되고 각각의 주름 내에 위치된 주름진 투과 스페이서를 갖는 주름지고 멤브레인 시트의 부분적인 단면의 개략적인 사시도이다.
도 6은 인접한 투과 스페이서 시트 및 각 주름 사이에 위치된 공급 스페이서로 주름진 멤브레인 시트의 개략적인 사시도이다;
도 7은 인접한 투과 스페이서 시트 및 인접한 공급 스페이서 시트로 주름진 멤브레인 시트의 개략적인 사시도이다;
도 8은 각 주름의 두 개 유입 에지부들이 서로 결합되어, 각 주름의 두 개 유출 에지부(미도시)가 함께 결합되어 다수의 멤브레인 리프를 형성하고, 각각의 리프는 하나의 결합된 유입 에지부 및 하나의 결함된 유출 에지부(미도시)를 포함하는 주름지고 멤브레인의 개략적인 사시도이다;
도 9a는 유입 단부에서 본, 주름지고(다중-리프) 나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재의 하나의 멤브레인 리프 및 리프의 유입에서 유출까지 사선으로 커트한 것을 도시한 개략적인 사시도이다;
도 9b는 도 9a에 도시된 하나의 멤브레인 리프의 개략적인 측면도이다;
도 10a은 유입 단부에서 본, 각각의 주름의 두 개 유입 에지부들은 서로 결합하고 각각의 주름의 두 개 유출 에지부(미도시)는 서로 결합하여 다수의 멤브레인 리프를 형성하고, 각각의 리프는 하나의 결합된 유입 에지부 및 하나의 결합된 유출 에지부(미도시)를 포함하고, 리프의 원위 에지부들은 결합하고 테이퍼되므로써 다수의 테이퍼된 멤브레인 리프를 형성하는 주름지고 멤브레인 시트의 개략적인 사시도이다;
도 10b은 유출 단부에서 본, 각각의 주름의 두 개 유입 에지부(미도시)가 서로 결합하고 각각의 주름의 두 개 유출 에지부 또한 서로 결합하므로써 다수의 멤브레인 리프를 형성하고, 각각의 리프는 하나의 결합된 유입 에지부(미도시) 및 하나의 결합된 유출 에지부를 포함하고 리프의 원위 에지부들은 결합되고 테이퍼지므로써 다수의 테이퍼된 멤브레인 리프를 형성하는, 도 9a에 도시된 주름지고 멤브레인 시트의 개략적인 사시도이다;
도 11a은 유입 단부에서 본, 주름지고 (다중-리프) 테이퍼된 나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재에 부착된 하나의 테이퍼된 멤브레인 리프의 개략적인 사시도이다;
도 11b는 유출 단부에서 본, 주름지고(다중-리프) 테이퍼된 나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재 내의 투과관에 부착된 하나의 테이퍼된 멤브레인 리프의 개략적인 사시도이다;
도 12는 테이퍼 각(8)에 의해 제공되는 유입 단부 리프 높이(hi) 및 유출 단부 리프 높이(ho)사이의 차이를 설명하는 주름지고(다중-리프) 테이퍼된 나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재 내 투과관에 부착된 하나의 테이퍼된 멤브레인 리프의 개략도적인 측단면도이다;
도 13은 유입 단부로부터, 주름지고(다중-리프) 테이퍼된 나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재에서 투과관에 부착된 하나의 테이퍼지고 나선형으로 권취된 멤브레인 리프의 개략적인 사시도이다;
도 14a는 다수의 주름지고 테이퍼된 나선형으로 권취된 멤브레인 리프를 보요주는, 주름지고(다중-리프) 테이퍼된 나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재의 개략적인 측면도이다;
도 14b는 유입 단부로부터, 다수의 주름지고 테이퍼된 나선형으로 권취된 멤브레인 리프를 도시주는 주름지고(다중-리프) 테이퍼된 나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재의 개략적인 사시도이다;
도 15a-15d는 주름지고(다중-리프) 테이퍼된 나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재에서 투과관에 부착된 하나의 테이퍼된 멤브레인 리프의 개략적인 측단면들이고, 각각의 도면은 다른 테이퍼 프로파일을 도시한다;
도 16은 텔레스코핑 방지 장치의 개략적인 사시도이다.
도 17a는 2개의 텔레스코핑 방지 장치 사이에 원통형 필터 하우징 내에 위치된 주름지고(다중-리프) 테이퍼된 나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재의 개략적인 측단면도이다; 및
도 17b는 2개의 텔레스코핑 방지 장치 사이에 테이퍼된 필터 하우징 내에 위치된 주름지고(다중-리프) 테이퍼된 나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재의 개략적인 측단면도이다.
독자는 본 명세서에 따른 본 발명의 후술하는 자세한 설명을 고려할 때, 전술한 특징 및 특성뿐만 아니라 다른 특징 및 특성도 이해할 수 있다.
청구항을 포함하는 본 명세서에서, 다양한 구성요소의 상대적인 방위, 위치, 또는 배치를 기술하는데 사용되는 공간 용어(예를 들어, 상부, 하부, 수직, 수평, 위, 아래 등)는 문맥이 달리 지시하지 않는 한, 임의의 특정 기준의 프레임으로 제한되는 것으로 해석되지 않는다. 청구항을 포함하는 본 명세서에서, 용어 "근위(proximal)"는 나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재에서 투과관에 근접하여 위치된 기술된 구성요소의 영역을 지칭하며, 용어 "원위(distal)"는 나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재에서, 투과관으로부터 더 멀리 위치하는 기술된 구성요소의 영역을 지칭한다. 예를 들어, 용어 "근위(proximal)" 및 "원위(distal)"는 일반적으로 원형 단면을 갖는 투과관에 대해 나선형으로 권취된 것을 포함하여 반경 방향을 따른 대향하는 단부를 지칭한다. 또한, 청구항을 포함하는 본 명세서에서, "유입(inlet)" 및 "유출(outlet)"라는 용어는 일반적으로 필터 부재를 통하는 유체의 벌크 접선방향의 유동에 대해 나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재 또는 그 서브-구성요소의 대향하는 단부를 지칭한다.
전술한 바와 같이, 크로스-유동 여과 멤브레인은 나선형으로 권취된 필터 부재에 제공될 수 있다. 도 1a 및 도 1b를 참조하면, 나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재(10)는 투과관(12)에 부착되고 둘레에 나선형으로 권취된, 다공성 투과관(12) 및 공급 채널 스페이서 원료층(18), 여과 멤브레인(16), 및 투과 회수 원료(14)를 포함한다. 도 1b 및 도 1c를 참조하면, 유입 단부(11)를 통해 필터 부재(10)로 흐르는 여과될(공급될) 유체는, 공급 채널 스페이서 원료(18)에 의해 채널되고, 여과 멤브레인(16)에 접선방향으로 흐른다. 투과관(12)이 유입 단부(11)에서 차단되거나 공급 스트림으로부터 분리될 수 있다. 공급 유체가 필터 부재(10)를 통해 흐를 때, 도 1b의 화살표(15)로 도시한 바와 같이, 그 일부가 여과 멤브레인(16)을 통해 이동하고 투과 스트림이 된다.
여과 멤브레인(16)을 통해 이동한 후, 투과 스트림은 도 1b의 화살표(17)에 도시된 바와 같이, 투과 회수 원료(14)를 따라 나선형 경로를 따라 투과관(12)을 향해 흐른다. 투과 스트림은 그 다공성 벽을 통해 투과관(12) 내로 유동하고, 궁극적으로는 투과관(12)이 하나의 개방 단부 또는 두 개 개방 단부를 갖는지에 따라, 유입 단부(11) 및/또는 유출 단부(13)(도 1c참조)에서 투과관(12)을 통해 필터 부재(10)를 빠져나간다. 여과 멤브레인(16)을 통과하지 않는 공급의 일부는 여과 멤브레인(16)에 접선방향으로 계속 유동하는 잔류 스트림을 형성하고, 유출 단부(13)를 통해 필터 요소(10) 중 공급 채널 스페이서 원료(18)에 의해 이동된다(도 1c참조).
도 1a 내지 1c에 도시된 나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재(10)는 여과 멤브레인(16)의 두 개 파일에 의해 형성된 단일 나선형으로 권취된 멤브레인 리프를 포함한다. 이 구성은 여과를 위해 이용가능한 멤브레인 영역을 효과적으로 이용하지 못하며, 따라서, 다른 동일한 여과 조건(예를 들어, 동일한 공급 압력, 잔류 압력, 및 투과 속도) 하에서, 평평한 시트 구성에서의 등가의 크기의 여과 멤브레인보다, 여과 멤브레인을 통한 실질적으로 낮은 투과 플럭스(flux)를 나타낸다. 본 발명자들은 다공성 투과관에 인접하여 바로 상류에 있는 멤브레인 리프의 출구 영역이 투과 배압을 증가시키고, 전체 멤브레인을 통과하는 투과 플럭스를 감소시키는 투과 유량 제한을 설정한다고 판단하였다.
이 문제를 해결하기 위해, 본 발명자들은 다수의 더 짧은 멤브레인 리프를포함하는 주름지고 나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재로서, 접착제 대신에 용접될 수 있어, 투과 유량에 이용가능한 멤브레인 영역을 최대화함과 동시에 투과 출구 영역(각 리프마다 하나)의 수를 증가시키고, 따라서 각 필터 요소에 전체 투과 출구 영역을 증가시킨다. 본 명세서에 참조로 각각 포함되는 US 특허 번호 8,454,829 b2 및 9,452,390 b2를 참조한다. 주름지고 나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재는 다수의 더 짧은(예를 들어, 리프의 높이 대 나선형 직경의 비율이 3이하) 및 용접된(접착된 것과 반대되는) 리프는 여과 멤브레인을 통해 감소된 투과 배압 및 증가된 투과 유량을 나타낸다. 게다가, 다수의 짧은 리프를 포함하는 주름지고 용접된 나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재는 나선형으로 권취된 단일-리프 형상 및 상대적으로 큰 크기에 더 적은 리프가 있는 주름지고, 다중-리프 형상에서 등가 크기를 포함하는 필터 부재보다 예기치 않게 실질적으로 더 높은 투과 플럭스율을 나타낸다.
그러나, 주름 지고 용접된 나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재의높은 투과 플럭스율은 다른 기술적인 문제를 야기할 수 있다. 투과 멤브레인을 통과하는 투과 플럭스가 증가함에 따라, 주름진 필터 부재의 리프들 사이에 흐르는 잔류 스트림의 체적 유량은 감소한다. 리프의 크기가 그것의 유입에서 유출 길이를 따라 일정한 필터 부재에서, 공급 유동과 잔류 유동의 영역은 또한 필터 부재의 길이를 따라 일정하며, 따라서, 여과 멤브레인의 공급 및 잔류 측에서 체적 유량의 감소는 여과 멤브레인의 공급 및 잔류 측에서 유체 속도를 상응하게 감소시킨다. 이는 느린 유체 속도가 여과 멤브레인의 잔류 물질을 여과 멤브레인으로부터 제거하는 것에 덜 효과적이기에, 멤브레인을 클리닝하고 오염을 방지하는데 덜 효과적이라는 것이 문제가 될 수 있다.
도 2를 참조하면, 주름지고 나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재(20)는 투과관(22)에 부착된 멤브레인 리프(26)를 포함한다(설명의 용이함을 위해, 하나의 멤브레인 리프(26)만이 권취되지 않은 상태로 도시되나, 주름지고 나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재(20)는 더 후술하는 바와 같이 투과관(22) 둘레로 원주 방향으로 이격되어 있고, 균일한 방향으로 투과관(22) 둘레에 나선형으로 권취된 다수의 리프(26)를 포함할 수 있다). 공급 유체는 공급 유체 유량(Qf)와 공급 유체 속도(Vf)로 유입 단부(21)에서 필터 부재(20)로 흐른다. 공급 유량이 멤브레인 리프(26)에 접선 방향으로 흐름에 따라, 공급 유체의 일부는 여과 멤브레인을 통해 유동하고 투과 플럭스을 만들고, 공급 유체의 나머지는 멤브레인 리프(26)에 접선방향으로 계속하여 유동하고 유출 단부(23)에서 필터 부재(20)를 빠져나가는 잔류물을 형성한다. 투과 플럭스는 투과관(22)으로 유동하고, 투과 유체 유량(Qp) 및 투과 유체 속도(Vp)를 형성한다. 잔류 유체는 잔류 유체 유량(Qr)와 잔류 유체 속도(Vr)로 유출 단부(23)에서 필터 부재(20)를 빠져나간다.
공급 스트림의 체적 유량은, 잔류 및 투과 스트림의 체적 용량의 총합(Qf =Qp+Qr)과 같다. 여과 멤브레인을 통해 증가된 투과 플럭스로부터 증가된 Qp는 감소된 Qr 및 감소된 Vr을 초래한다. 상기한 바와 같이, 감소된 Vr은 멤브레인 클리닝과 오염 방지에 덜 효과적이기 때문에 문제가 될 수 있다. 예를 들어, 필터 부재(20)가 주름지고 용접된 나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재의 높은 투과 플럭스로 달성될 수 있는 50%의 (100*Qp/Qr로 정의되는) 회수율로 작동한다면, Qr=1/2*Qf이고, 달리 말하면, 각 리프 사이의 공급/잔류 유동으로 일정한 영역 때문에, Vr=1/2*Vf이다. 즉, 공급 유체가 필터 부재(20)을 통해 유동하고 잔류 스트림으로 전이됨에 따라, 유체 속도는 50%로 감소한다. 이러한 유체 속도의 큰 저하는 각 리프(26)의 공급/농축 측, 특히 유출 단부(23)를 향해 여과 멤브레인의 신속한 오염을 야기한다. 이러한 필터 부재는 오염물질이 필터 부재를 작동 불능으로 만들기 전에, 필터 부재의 작동 수명이 감소되기에, 높은 투과 플럭스와 회수율에도 불구하고 산업적으로 또는 상업적으로 유용하지 않을 수 있다.
전술한 바와 같이, 투과 플럭스가 여과 멤브레인을 통과함에 따라 발생하는 공급/잔류 유체 속도에서의 감소는, 대응되는 공급/잔류 체적 유량에서 감소 및 주름지고 나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재의 각각의 리프 사이의 공급/잔류 유동에서의 일정한 영역에 의해 발생한다. 그러나, 주름지고 나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재의 각각의 리프가 테이퍼되어, 각각의 리프의 유입 에지부의 길이가 리프의 유출 에지부의 길이보다 크다면, 각각으 리프 사이에 공급/ 잔류를 위한 영역은 필터 부재의 유입에서 유출 길이를 따라 감소하고, 그에 따라, 여과 멤브레인을 통해 투과 플럭스의 유체 체적의 손실을 보상하는 유체 제한을 제공하고, 필터 부재의 유입에서 유출 길이를 따라 공급/잔류 유체 속도를 유지한다. 유지되는 유체 속도는 증가된 투과 플러스 용량을 유지하면서, 멤브레인 클리닝과 오염 방지 효율을 유지한다.
도 3을 참조하면, 주름지고 테이퍼진 나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재(30)는 투과관(32)에 부착된 테이퍼된 멤브레인 리프(36)를 포함한다(설명의 용이함을 위해, 하나의 테이퍼된 멤브레인 리프(36)만이 권취되지 않은 상태로 도시되나, 주름지고 나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재(20)는 더 후술하는 바와 같이 투과관(22) 둘레로 원주 방향으로 이격되어 있고, 균일한 방향으로 투과관(22) 둘레에 나선형으로 권취된 다수의 테이퍼된 리프(26)를 포함할 수 있음). 테이퍼된 멤브레인 리프(36)는 투과관(32)과 테이퍼진 원위 에지부(39)에 인접하는 근위 단부(37)를 포함한다. 테이퍼된 원위 에지부(39)는 멤브레인 리프(36)의 유입 에지부(31)와 유출 에지부(33) 사이에서 연장된다. 유입 에지부(31)의 길이는 유출 에지부(33)의 길이보다 크다.
공급 유체 유량(Qf)과 공급 유체 속도(Vf)로 유입 단부(멤브레인 리프(36)의 유입 에지부(31)에 상응하는 측면)에서 필터 부재(30)로 유동한다. 공급 유체가 멤브레인 리프(36)에 접선 방향으로 유동함에 따라, 공급 유체의 일부는 여과 멤브레인을 통해 유동하고, 투과 플럭스를 형성하고 그리고, 공급 유체의 나머지는, 멤브레인 리프(36)에 접선방향으로 계속하여 유동하고 유출 단부(멤브레인 리프(36)의 유출 에지부(33)에 상응하는 측면)에서 필터 부재(30)를 빠져나가는 잔류물을 형성한다. 투과 플럭스는 투과관(32)으로 유동하고, 투과 유체 유량(Qp) 및 투과 유체 속도(Vp)를 형성한다. 잔류 유체는 잔류 유체 유량(Qr)와 잔류 유체 속도(Vr)로 유출 단부에서 필터 부재(30)를 빠져나간다.
각각의 멤브레인 리프(36) 사이의 공급/잔류 유동을 위한 영역은 테이퍼된 원위 에지부(39)의 결과로 인해, 필터 부재(30)의 유입에서 유출 길이를 따라 감소한다. 공급/잔류 유동이 이동가능한 감소되는 영역은 여과 멤브레인을 통한 투과 플럭스에 의해 유체 체적의 손실을 보충하고, 그에 따라 필터 부재(30)의 유입에서 유출까지의 길이를 따라 공급/잔류 유체 속도를 유지한다. 유지되는 유체 속도는 증가된 투과 플러스 용량을 유지하면서, 멤브레인 클리닝과 오염 방지 효율을 유지한다.
더 구체적으로는, 공급 스트림의 체적 유량은 공급 스트림의 체적 유량은, 잔류 및 투과 스트림의 체적 용량의 총합(Qf =Qp+Qr)과 같다. 여과 멤브레인을 통해 증가된 투과 플럭스로부터 증가된 Qp는 감소된 Qr 을 초래한다. 그러나, 테이퍼된 원위 에지부(39)에 의해 제공되는 유체 제한은 필터 부재(30)의 유입에서 유출 길이를 따라 공급/잔류 유체 속도를 유지한다(Vf=Vr). 예를 들어, 필터 부재(30)가 주름지고 용접된 나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재의 높은 투과 플럭스로 달성될 수 있는 50%의 (100*Qp/Qr로 정의되는) 회수율로 작동한다면, Qr=1/2*Qf이다. 그러나, 유입에서 유출 길이를 따른 각각의 리프 사이의 공급/잔ㄹ류에 대한 감소되는 영역으로 인해, Vr≠1/2*Vf이다. 대신에 테이퍼된 에지부의 각도에 따라 Vr>1/2*Vf이고, 예를 들어 유입 에지부(31)의 길이가 유출 에지부(33)의 길이의 두배라면 Vr=Vf이다.
주름지고 테이퍼된 나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재는 동시에 증가된 투과 플럭스 용량을 유지하면서, 각각의 리프 사이에 공급/잔류 유동에 대한 유체 속도와 멤브레인 클리닝 및 오염 방지 효율을 유지하는 감소되는 영역을 제공한다. 또한, 각각의 리프의 테이퍼된 원위 에지부는, 예를 들어, 유체의 고형물이 여과 그리고 폐쇄 또는 차단 없이 필터 부재를 통해 농축된 고형물을 포함하는 잔류 유체를 유동하는 능력을 보존하는 바람직한 회수율에 의존하여 적절한 폭을 가지는 공급 스페이서에 의해, 동시에 리프에서 리프까지의 거리가 유지될 수 있도록 한다.
따라서, 본 발명은 투과관과 투과관에 부착된 주름진 여과 멤브레인을 포함하는 나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재를 포함한다. 주름진 여과 멤브레인은 투과관 둘레에 원주방향으로 이격되고 균일한 방향으로 투과관 둘레에 나선형으로 권취된 다수의 리프를 포함한다. 다수의 리프의 각각의 리프는 유입 에지부와 유출 에지부를 포함하며, 유입부 에지부의 길이는 유출 에지부의 길이보다 크다. 또한, 각각의 리프는 유입 에지부와 유출 에지부 사이에 연장된 테이퍼된 근위 에지부, 투과관에 인접하여 위치하는 근위 단부를 포함한다. 근위 단부는 주름진 여과 멤브레인의 유입 단부와 주름진 여과 멤브레인의 유출 단부 사이에 연장되는 두 개의 접힌 근위 에지부를 포함한다.
다수의 리프를 포함하는 주름진 여과 멤브레인은 도 4a-8에 도시된다. 도 4a를 참조하면, 여과 멤브레인(40)은 분리된 주름(42)으로 주름진(즉, 접힌) 것을 도시준다. 각각의 주름(42)는 접힌 원위 에지부(49)에 의해 연결된 여과 멤브레인(40)의 두 개 파일(44a, 44b)을 포함한다. 각각의 주름(42)은 두 개의 접힌 근위 에지부(47)에 의해 인접한 주름(42)에 즉각적으로 연결되고 분리된다. 주름(42)은 주름지고 테이퍼된 나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재를 형성한다.
도 4b 및 도4c를 참조하면, 주름지고 나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재(50)는 투과관(52) 및 투과관(52)에 부착된 주름진 여과 멤브레인을 포함한다. 주름진 여과 멤브레인(40)은 투과관(52) 둘레에 원주방향으로 이격되고(도 4b참조) 균일한 방향으로(도 4c참조) 투과관(52) 둘레에 나선형으로 권취된 다수의 리프(55)를 포함한다. 각각의 리프(55)는 유입 에지부와 유출 에지부(미도시)를 포함한다. 또한, 각각의 리프(55)는 유입 에지부와 유출 에지부 사이에 연장된 근위 에지부(49)를 포함한다. 또한, 각각의 리프(55)는 원위 에지부(49)에 대향하고 투과관(52)에 인접하여 위치하는 근위 단부를 포함한다. 근위 단부는 접힌 여과 멤브레인(40)의 유입 단부 및 유출 단부 사이에서 연장된 두 개의 접힌 근위 에지부를 포함한다. 주름진 여과 멤브레인(40)은 각각의 리프(55) 사이에 접힌 근위 에지부의 유입 단부와 유출 단부에서 투과관(52)에 부착된다. 투과 스페이서(45)는 각각의 리프(55) 내에 위치한다. 도 4b 및 4c에 도시되지 않음에도 불구하고, 공급 스페이서는 각각의 리프(55)사이에 내장-리프 스페이스(53)에 위치할 수 있음을 이해해야 한다.
도 5a를 참조하면, 여과 멤브레인(60)는 분리된 주름(62)으로 주름진(즉, 접힌) 것을 나타낸다. 각각의 주름(62)은 접힌 원위 에지부(69)에 의해 연결된 여과 멤브레인(60)의 두 개 파일(64a, 64b)을 포함한다. 각각의 주름(62)는 두 개의 접힌 근위 에지부(67)에 의해 인접한 주름(62)에 즉각적으로 연결되고 분리된다. 동연의 투과 스페이서 물질(65)의 시트는 여과 멤브레인(60)과 주름지고 투과 스페이서 물질(65)의 두 개 파일은 각각의 주름(62) 내에 위치한다. 주름(62)은 주름지고 테이퍼된 나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재 내 다수의 리프를 형성한다.
도 5b 및 도 5c를 참조하면, 주름지고 나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재(70)는 투과관(72)과 투과관(72)에 부착된 주름진 여과 멤브레인(60)을 포함한다. 주름진 여과 멤브레인(60)은 투과관(72) 둘레에 원주방향으로 이격되고(도 5b참조) 균일한 방향으로 투과관(72) 둘레에 권취된(도 5c참조) 다수의 리프(75)를 포함한다. 각각의 리프(75)는 유입 에지부와 유출 에지부(미도시)를 포함한다. 또한, 각각의 리프(75)는 유입 에지부와 유출 에지부 사이에 연장된 근위 에지부(69)를 포함한다. 또한, 각각의 리프(75)는 원위 에지부(69)에 대향하고 투과관(72)에 인접하여 위치하는 근위 단부를 포함한다. 근위 단부는 접힌 여과 멤브레인(60)의 유입 단부 및 유출 단부 사이에서 연장된 두 개의 접힌 근위 에지부를 포함한다. 주름진 여과 멤브레인(60)은 각각의 리프(75) 사이에 접힌 근위 에지부의 유입 단부와 유출 단부에서 투과관(72)에 부착된다. 투과 스페이서 물질(65) 파일는 각각의 리프(75) 내에 위치한다. 도 5b 및 5c에 도시되지 않았으나, 공급 스페이서는 각각의 리프(75)사이에 내장-리프 스페이스(73)에 위치할 수 있음을 이해해야 한다.
도 6을 참조하면, 여과 멤브레인(60) 및 동연의 투과 스페이서 물질(65)은 분리된 주름(62) 내에 주름진다(즉, 접힌다). 공급 스페이서(77)는 각가의 주름(62) 사이의 스페이스에 위치된다. 도 7을 참조하면, 여과 멤브레인(60)과 동연의 투과 스페이서 물질(65)은 분리된 주름(62) 내에 주름진(즉, 접힌) 것으로 도시된다. 동연의 공급 스페이서 물질(79)는 여과 멤브레인(60)과 투과 스페이서 물질(65)와 함께 주름지고 두 개 스페이서 물질(79)의 두 개 파일은 각각의 주름(62) 사이에 위치한다. 도시되지 않았으나, 분리된 투과 스페이서(예를 들어, 도 4a-4c에 도시된 투과 스페이서(45))는 동연의 공급 스페이서 물질(예를 들면, 도 7에 도시된 공급 스페이서 물질(79))의 시트와 함께 결합되어 사용될 수 있음을 이해해야 한다. 이와 같이, 분리된 투과 스페이서(예를 들면, 도 4a-4c에 도시된 투과 스페이서(45))는 분리된 공급 스페이서(예를 들면, 도 6에 도시된 공급 스페이서(77))와 함께 결합되어 사용될 수 있음을 이해해야 한다.
용이한 설명을 위해, 도 4a-7에 도시된 다수의 리프를 포함하는 주름진 여과 멤브레인은 테이퍼된 원위 에지부와 함께 도시되지 않는다. 그러나 도 4a-7에 도시된 각각의 리프는 유입 단부에서 유출 단부까지의 각도에서 리프를 사선으로 커팅하고 단일한 테이퍼된 리프의 원위 에지부를 형성하기 위한 멤브레인 물질의 두 개 파일의 두 개 테이퍼된 원위 에지부를 결합함으로써 테이퍼될 수 있음을 이해해야 한다.
도 8을 참조하면, 주름진 여과 멤브레인(80)은 다수의 리프(82)와 두 개 절반-리프(81a, 81b)를 포함하는 주름진 팩(88)을 형성한다. 각각의 리프(82)는 접힌 원위 에지부(89)에 의해 연결되는 주름진 여과 멤브레인(80)의 두 개 파일(83a, 83b)을 포함한다. 각각의 리프(82)는 두 개의 접힌 근위 에지부(87)에 의해 인접한 리프(82)에 즉각적으로 연결되고 분리된다. 각가의 리프(82)는 유입 에지부(84)와 유입 에지부(84)와 대향하는 유출 에지부(미도시)를 포함한다. 유입 에지부(84)와 유출 에지부는 주름진 팩(88) 내의 각각의 리프(82)를 형성하는 두 개로 구성 파일을 함께 밀봉하는 각각의 에지부를 따른 결합을 포함한다. 따라서, 각각의 리프(82)는 주름진 여과 멤브레인(80), 접힌 원위 에지부(89), 결합된 유입 에지부(84), 및 결합된 유출 에지부의 두 개로 구성 파일로 정의되는 중공 내부 스페이스를 포함한다. 상기한 바와 같이, 투과 스페이서는 각각의 리프(84)의 중공 내부 스페이스 내에 위치할 수 있다. 접힌 원위 에지부(89)는 결합된 유입 에지부(84)와 결합된 유출 에지부 사이에서 연장된다. 또한, 각각의 리프는 원위 에지부(89)에 대향하는 근위 단부를 포함한다. 각각의 리프의 근위 단부는 주름진 팩(88)의 유입 단부와 유출 단부 사이에 연장된 두 번으로 접힌 근위 에지부(87)를 포함한다.
도 9a 및 9b를 탐조하면, 도 8에 도시된 주름진 팩(88)의 하나의 리프(82)는 리프(82)의 유입에서 유출 길이를 사선으로 가로지르고, 결합된 유입 에지부(84)와 결합된 유출 에지부(86) 사이에 연장된 테이퍼된 원위 에지부(99)를 포함하는 테이퍼된 리프(92)를 형성한다. 결합된 유입 에지부(84)의 길이는 테이퍼된 원위 에지부(99)의 결과로, 결합된 유출 에지부(86)의 길이보다 크다. 리프(82)의 유입에서 유출 길이를 가로지르는 사선 커트, 접힌 원위 에지부(89)를 포함하는 분리부(91)를 생성한다.
결합된 유입 에지부(84)와 결합된 유출 에지부(86)와 같이, 테이퍼된 원위 에지부(99)는 결합될 수 있다- 즉, 테이퍼된 원위 에지부를 따라, 주름 팩에서의 각각의 리프(92)를 형성하는 주름진 여과 멤브레인(80)의 두 개의 구성 파일을 함께 밀봉하는 결합을 포함한다. 그러므로, 리프(92)는 유입 에지부(84)의 적어도 일부를 따른 결합, 유출 에지부(86)의 적어도 일부를 따른 결합, 및 테이퍼된 원위 에지부(99)의 전체 길이를 따른 결합을 포함하며, 결합은 주름진 팩 내에 각각의 리프(92)를 형성하는 주름진 여과 멤브레인(80)의 인접한 파일과 함께 밀봉된다. 유입 에지부(84)와 유출 에지부(86)를 따른 결합은, 테이퍼된 원위 에지부(99)의 교차점에서 리프의 근위 에지부까지, 실질적으로 에지부의 전체길이를 따라 연장될 수 있으며, 여기에서 주름진 팩 내에서 각각의 리프(92)를 형성하는 주름진 여과 멤브레인(80)의 두 개로 구성 파일이, 인접한 리프와 즉각적으로 공유되는 두 개의 접힌 근위 에지부(87)을 형성한다.
결합된 유입 에지부(84), 결합된 유출 에지부(86), 및 테이퍼되고 결합된 원위 에지부(99)는 리프(92)의 중공 내부 스페이스 주위에서 유체에 내수되는 밀봉을 리프(92)에 제공한다. 결합된 에지부(84, 86 및 99)는 접착제를 사용하여 형성될 수 있어서, 예를 들어, 주름진 팩(88)을 형성하는 주름진 여과 멤브레인(80)의 각각의 주름의 두 개로 구성 파일이 함께 접착된다. 일부 예에서, 결합은 접착제를 포함하지 않는다. 일부 예에서, 결합은 예를 들어, 초음파 용접, 열 용접, 적외선 용접, 고주파 용접, 극초단파 용접, 레이저 용접 또는 핫 에어 용접과 같은 용접을 포함한다.
본 명세서에서 기재된, 주름지고 테이퍼된 나선형으로 권취된 크로스-유동필터 부재의 부품의 구성의 구성 물질은 고분자 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 여과 멤브레인은 이소불화비닐(PVdF), 폴리프로필렌, 폴리에텔렌, 폴리에테르설폰, 폴리설폰, 폴리아크릴로니트릴, 폴리에스테르(예를 들어, 폴리에텔렌 테레프탈레이트-PET), 폴리아미드(예를 들어, 나일론)폴리(에틸렌-클로로테트라플루오로에틸렌)(EcTFE), 플루오르화된 폴리(에틸렌-프로필렌)(FEP), 폴리(퍼플루오로알콕시 알카인)(PFa), 폴리테트라플루오로에틸렌 (PTFE), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 그리고 폴리카보네이트로부터 만들어질 수 있다. 투과관, 투과 스페이서, 공급 스페이서, 텔레스코핑 방지 장치, 하우징, 단부캡은 마찬가지로, 예를 들면, 금속, 합금, 세라믹 및 합성물질(예를 들어, 파이버-강화된 플라스틱)을 포함하는 다른 종류의 물질 또는 중합 물질로부터 만들어질 수 있다.
따라서, 본 명세서에 기재된 주름지고 테이퍼된 나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재와 필터는 적찹제 결합 및 부착물 또는 구성 물질을 함께 용접함으로서 생산되는(예를 들면, 초음파 용접, 열 용접, 적외선 용접, 고주파 용접, 극초단파 용접, 레이저 용접 또는 핫 에어 용접에 의해) 접착제가 없는 결합 및 부착물을 이용하여 만들어질 수 있다. 예를 들면, 일 예에서, 나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재는 투과관과 투과관에 용접된 주름진 여과 멤브레인을 포함한다. 주름진 여과 멤브레인은 투과관 둘레에 원주방향으로 이격되고 균일한 방향으로 투과관 둘레에 나선형으로 권취된 다수의 리프를 포함한다. 다수의 리프의 가각의 리프는 용접된 유입 에지부와 용접된 유출 에지부를 포함하고, 용접된 유입 에지부의 길이는 용접된 유출 에지부의 길이보다 크다. 또한, 각각의 리프는 용접된 유입 에지부와 용접된 유출 에지부 사시에서 연장된 용접되고 테이퍼된 원위 에지부를 포함한다. 또한, 각각의 리프는 투과관에 인접하여 위치하고, 주름진 여과 멤브레인의 유입 단부 및 주름진 여과 멤브레인의 유출 단부 사이에서 연장되는 두 개로 접힌 근위 에지부를 포함하는 근위 단부 근위 에지부를 포함한다. 각각의 리프의 용접된 유입 에지부, 용접된 유출 에지부, 및 용접되고 테이퍼된 원위 에지부는, 초음파 용접, 열 용접, 적외선 용접, 고주파 용접, 극초단파 용접, 레이저 용접, 또는 핫 에어 용접을 포함할 수 있다. 주름진 여과 멤브레인은 각각의 리프 사이에 접힌 근위 에지부의 유입 단부 및/또는 유출 단부에서 투과관에 용접될 수 있고, 용접은 상기한 것들 중 임의의 것을 포함할 수 있다.
도 10a 및 10b를 참조하면, 주름지고 테이퍼된 여과 멤브레인(90)은 다수의 리프(92) 및 두 개의 절반-리프(81a, 81b)를 포함하는 주름진 팩(98)을 형성한다. 각각의 리프(92)는 테이퍼되고 결합된(예를 들어, 접착, 용접, 또는 다른 밀봉된) 원위 에지부(99)에 의해 연결되는 주름진 여과 멤브레인(90)의 두 개의 파일(95a, 95b)를 포함한다. 도 8, 9a 및 9b을 참조하면 결합되고 테이퍼된 원위 에지부(99)는 형성될 수 있고, 예를 들어, 리프(82)를 가로질러 사선 용접을 만들어, 각각의 리프는 결합된 유입 에지부(84), 결합된 유출 에지부(86), 접힌 원위 에지부(89) 및 원위 에지부(89)와 두 개로 접힌 근위 에지부(87)를 포함하는 근위 단부에 대향하는 근위 에지부를 포함한다. 대안적으로, 결합되고 테이퍼된 원위 에지부(99)는 형성될 수 있고, 예를 들어, 리프(82)를 가로질러 사선 커트를 만들어, 접착질 또는 다른 접착력있게 두 개의 구성 파일을 커트 에지부를 따라 함께 결합한다.
다시 도 10a 및 10b를 참조하면, 결합되고 테이퍼된(예를 들어, 용접되고 테이퍼되거나 테이퍼되고 접착력있게 결합된) 원위 에지부(99)는 결합된 유입 에지부(84)와 결합된 유출 에지부(86)(예를 들어, 용접된 유입 에지부(84)와 용접된 유출 에지부(86)) 사이에서 연장된다. 따라서, 각각의 리프(92)는 주름진 여과 멤브레인(90), 결합되고 테이퍼된 원위 에지부(89), 결합된 유입 에지부(84) 및 결합된 유출 에지부(86)의 두 개 구성 파일에 의해 정의되는 중공 내부 스페이스를 포함한다. 결합된 유입 에지부(84)의 길이는 결합된 유출 에지부(86)의 길이보다 크다.
상기한 바와 같이, 투과 스페이서는 각각의 리프(92)의 중공 내부 스페이스 내에 위치될 수 있다. 도 8, 9a, 및 9b를 참조하면, 일부 예에서, 투과 스페이서는 사선 용접 또는 그렇지 않으면 각각의 리프의 원위 에지부를 사선 커팅 및 밀봉하기 전에 각각의 리프(84) 내에 위치될 수 있다. 이러한 예에서, 용접 또는 다른 밀봉 과정은 두 개의 여과 멤브레인 파일과 테이퍼된 원위 에지부(99)를 따라 두 개의 여과 멤브레인 파일 사이에서 결합되는 투과 스페이서 물질 사이의 결합을 형성할 수 있다. 유사하게, 유입 에지부(84)와 유출 에지부(86)를 용접 또는 다른 밀봉하는 것은 두 개의 여과 멤브레인 파일과 에지부를 따라 두 개의 여과 멤브레인 파일에서 결합되는 투과 스페이서 물질 사이의 결합을 형성할 수 있다. 다시, 도 10a 및 10b를 참조하면, 각각의 리프(92)는 두 개로 접힌 근위 에지부(87)에 의해 인접한 리프(92)로부터 분리될 수 있고, 즉각적으로 연결될 수 있다. 상기한 바와 같이, 공급 스페이서는 내장-리프 스페이스(93)내의 각각의 리프(92) 사이에 위치할 수 있다.
주름지고 테이퍼된 나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재는 투과관 둘레에 (주름지고 테이퍼된 여과 멤브레인(90)과 같은) 주름지고 테이퍼된 여과 멤브레인을 위치시키므로써 만들 수 있고, 다수의 리프는 도 4b 및 5b에 기재된 방식으로 투과관 둘레에 원주방향으로 이격된다. 도8-10b을 참조하면, 주름지고 테이퍼된 여과 멤브레인(90)이 투과관 둘레에 위치되면, 결합된 유입 에지부(84), 결합된 유출 에지부(86), 결합되고 테이퍼된 원위 에지부(99) 및 원위 에지부(99)에 대향하는 근위 에지부를 포함하는 최종 리프와 두 개로 접힌 근위 에지부(87)을 포함하는 근위 단부를 형성하도록, 두 개의 절반-리프(81a, 81b)의 에지부(85a. 85b)는 함께 나란하게 되고 용접되거나 그렇지 않으면 결합된다. 주름지고 테이퍼된 여과 멤브레인은 예를 들어 각각의 리프 사이에 접힌 원위 에지부의 유입 단부 및 유출 단부 모두에 용접 또는 그렇지 않으면 주름지고 테이퍼된 여과 멤브레인을 결합되므로써, 투과관에 부착된다. 그러면, 다수의 리프는 도 4c 및 5c에 도시된 방식으로 균일한 방향으로 투과관 둘레에 나선형으로 권취된다.
도 11a-14b를 참조하면, 주름지고 테이퍼된 나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재(100)는 투과관(102) 및 투과관(102)에 부착된 주름진 여과 멤브레인(110)을 포함한다. 주름진 여과 멤브레인은 투과관(102) 둘레에 원주방향으로 이격되고 투과관(102) 둘레에 균일한 방향으로 나선형으로 권취된 다수의 리프(120)를 포함한다(용이한 설명을 위해 하나의 리프 만이(120)이 도 11a-13에 도시된다). 각각의 리프(120)는 (용접되거나 그렇지 않으면, 결합 및 밀봉된) 유입 에지부(104); 유입 에지부(104)의 길이는 유출 에지부(106)의 길이보다 큰, (용접되거나 그렇지 않으면, 결합 및 밀봉된) 유출 에지부(106); (용접되거나 그렇지 않으면, 결합 및 밀봉된)유입 에지부(104)와 유출 에지부(106)에서 연장된 테이퍼된 원위 에지부(109); 및 주름진 여과 멤브레인(110)의 유입 단부(114)와 주름진 여과 멤브레인(110)의 유출 단부(116)사이에서 연장되고 (및 미도시인 두 개로 접힌 근위 에지부를 포함하고) 투과관에 인접하여 위치하는 근위 단부(107)를 포함할 수 있다.
주름진 여과 멤브레인(110)은 각각의 리프 사이에 접힌 근위 에지부(미도시)의 유입 단부(114) 및/또는 유출 단부(116)에서 투과관(102)에 용접되거나 그렇지않으면 부차되거나 결합된다. 미도시되나, 주름지고 테이퍼된 나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재(100)는 각각의 리프(120) 내에 위치하는 투과 스페이서, 각각의 리프(120) 사이에 위치하는 공급 스페이서 또는 모두를 포함할 수 있다.
도 12를 참조하면, 테이퍼된 원위 에지부(109)는 필터 부재(100)의 종방향 축(101)에 대한 테이퍼 각도(θ)를 형성하고, 유입 에지부(104)의 길이(hi)는 유출 에지부(106)의 길이(ho)보다 크다. 테이퍼 각도(θ) 및 각각의 에지부 길이(hi 및 ho)는 타겟인 공급 압력, 공급 및 잔류 유체 속도, 및 투과 플럭스율(여과 멤브레인의 단위 면적 당 체적유량)에 기초하여 임의의 특정한 수행으로 결정될 수 있다. 이러한 파라미터를 고려하면, 테이퍼 각도(θ) 및 각각의 에지부 길이(hi 및 ho)는 주름지고 테이퍼된 여과 멤브레인(110)을 제공하기 위해 계산될 수 있고, 주름지고 테이퍼된 여과 멤브레인이 나선형으로 권취(도 13 도시)될 때는, 유입 단부에서 유출 단부까지 감소되는 지름을 가지는 크로스-유동 필터 부재(도 14 도시)를 제공하며, 또한 유입 단부에서 유출 단부까지 감소하는 공급/잔류 유동에 대해 이용가능한 개구를 가지고, 필터 부재의 유입에서 유출 길이를 통한 공급 및 잔류 유체 속도를 제어한다. 일반적으로, 공급 및 잔류 유체 속도를 유지하기 위해, 낮은 투과 플럭스율은 더 작은 테이퍼 각도(θ)를, 반면에 높은 투과 플러스율은 더 큰 테이퍼 각도(θ)를 요구할 수 있다.
도 14a 및 14b를 참조하면, 일부 예에서, 주름지고 테이퍼된 나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재(100)는 외측 커버링(130)을 포함할 수 있다. 외측 커버링(130)은 상기한 바와 같은 중합물질(예를 들어, 플라스틱, 강화된 파이버(예를 들어, 강화된 파이버글래스) 플라스틱 및 로빙(roving), 및 그와 같은 것)와 같은 중합 물질의 시트를 포함할 수 있다. 외측 커버링(130)은 다수의 테이퍼된 리프(120) 중 하나에 용접, 접착 또는 그렇지 않으면 결합되거나 부착된 테이퍼된 시트를 포함할 수 있다. 그러면, 시트는 균일한 방향으로 다수의 리프(120) 둘레에 권취될 수 있고 그 자체로 용접, 접착 또는 그렇지 않으면 결합되거나 부착될 수 있어, 외측 커버링(130) 내의 주름지고 테이퍼된 나선형으로 권취된 여과 멤브레인(110)을 동봉한다. 다른 예에서, 외측 커버링(130)은 (예를 들어, 주조, 가공, 금형으로)미리 형성된 예를 들어, 중합체(예를 들어, 플라스틱), 금속, 합금, 세라믹 또는 복합 물질로 만들어지고 주름지고 테이퍼진 나선형으로 권취된 여과 멤브레인(110) 주위에 위치되는 슬리브 또는 원뿔형 실린더를 포함할 수 있다.
상기 기재된 예에서, 주름진 여과 멤브레인의 다수의 리프의 테이퍼된 원위 에지부(및 그에 따라, 나선형으로 권취된 필터 부재의 유입에서 유출 단면 윤곽)는 리프의 유입 에지부와 유출 에지부 사이에 연장된 연속적이고 선형의 테이퍼된 프로파일을 포함한다. 그러나, 이런 테이퍼된 프로파일은 연속적이고 선형의 테이퍼된 프로파일에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 주름진 여과 멤브레인의 다수의 리프의 테이퍼된 프로파일은, 기하급수적인-형태(도 15a), 대수적인-형태(도 15b)일 수 있고, 또는 스플라인 함수에 의해 정의되는 굴곡-형태(도 15c 및 15d)를 포함한다. 또한, 주름진 여과 멤브레인의 다수의 리프의 테이퍼된 프로파일은 비연속적일 수 있고, 예를 들어, 각각의 리프의 유입 에지부에서 유출 에지부까지 연장되는 계단 형태를 포함할 수 있다.
일부 예에서, 주름지고 테이퍼된 나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재는 적어도 하나의 텔레스코핑-방지 장치를 포함할 수 있다. 도 16을 참조하면, 텔레스코핑-방지 장치(150)는, 내측링(152), 및 외측링(154), 및 내측링(152)과 외측링(154) 사이에서 연장되는 방사상 스트럿(156)을 포함한다. 나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재는 투과관의 유입 단부에 용접되거나 그렇지 않으면 결합되거나 부착된 제1 텔레스코핑-방지 장치, 및 투과관의 유입 단부에 용접되거나 그렇지 않으면 결합되거나 부착된 제2 텔레스코핑-방지 장치를 포함할 수 있다. 일부 예에서, 제2 텔레스코핑-방지 장치의 외측링은 제2 텔레스코핑-방지 장치의 외측링보다 큰 반경 치수를 가진다. 일부 예에서, 제1 텔레스코핑 방지 장치는 제2 텔레스코핑 방지 장치보다 큰 지름을 갖는다.
도 17a를 참조하면, 크로스-유동 필터(200)는 하우징(205) 및 주름지고 테이퍼된 나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재(210)를 포함한다. 나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재(210)는 하우징(205) 내에 위치한 투과관(212), 투과관(212)에 부착되고 하우징(205)과 투과관(212) 사이에 위치된 주름지고 테이퍼된 여과 멤브레인(220)을 포함한다. 주름진 여과 멤브레인(212)는 투과관(212) 둘레에 원주방향을 따라 이격되고 단일 방향으로 상기 투과관 둘레에 나선형으로 권취된 다수의 리프를 포함한다. 다수의 리프의 각각의 리프는 유입 에지부, (유입 에지부의 길이가 유출 에지부의 길이보다 큰)유출 에지부, 유입 에지부 및 유출 에지부 사이에 연장된 테이퍼된 원위 에지부 및 투과관에 인접하여 위치하는 주름진 여과 멤브레인(220)의 유입 단부(214) 및 상기 주름진 여과 멤브레인(220)의 유출 단부(216) 사이에 연장된 두 개의 접힌 근위 에지부를 포함하는 근위 단부를 포함한다.
도 17a를 계속하여 참조하면, 나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재(210)는 투과관(212)의 유입 단부에 용접되거나 그렇지 않으면 결합되거나 부착된(예를 들어, 접착, 고정, 밟음, (O자 링 또는 다른 유체 밀봉 장치 유무에 관계없이)프레스-고정 및 기타) 제1 텔레스코핑-방지 장치(250a), 및 투과관의 유입 단부에 용접되거나 그렇지 않으면 결합되거나 부착된 제2 텔레스코핑-방지 장치(250b)를 포함할 수 있다. 제2 텔레스코핑-방지 장치(250b)의 외측링(254b)은 제1 텔레스코핑-방지 장치(250a)의 외측링(254a)보다 큰 반경 치수를 가진다. 제2 텔레스코핑-방지 장치(250b)의 내측링(252b)은 제1 텔레스코핑-방지 장치(250a)의 내측링(252a)과 동일한 반경 치수를 가진다. 제1 및 2 텔레스코핑-방지 장치(250a, 250b)를 포함하는 나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재(210)는 하우징(205)의 원통형 내측 표면(207)에 의해 둘러싸인다. 제1 및 2 텔레스코핑-방지 장치(250a, 250b)의 외측링(254a, 254b)은 하우징(205)의 원통형 내측 표면(207)에 용접되거나 그렇지 않으면 결합, 부착, 및/ 또는 밀봉된다. 예를 들어, 제1 및 2 텔레스코핑-방지 장치(250a, 250b)의 외측링(254a, 254b)은 분리된 밀봉링 또는 망상 외측랩(미도시)을 이용하여 하우징(205)에 밀봉될 수 있다.
도 17b를 참조하면, 크로스-유동 필터(300)는 하우징(305) 및 주름지고 테이퍼된 나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재(310)를 포함한다. 나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재(310)는 하우징(305) 내에 위치한 투과관(312), 투과관(312)에 부착되고 하우징(305)과 투과관(312) 사이에 위치된 주름지고 테이퍼된 여과 멤브레인(320)을 포함한다. 주름진 여과 멤브레인(312)는 투과관(312) 둘레에 원주방향을 따라 이격되고 단일 방향으로 상기 투과관 둘레에 나선형으로 권취된 다수의 리프를 포함한다. 다수의 리프의 각각의 리프는 유입 에지부, (유입 에지부의 길이가 유출 에지부의 길이보다 큰)유출 에지부, 유입 에지부 및 유출 에지부 사이에 연장된 테이퍼된 원위 에지부 및 투과관에 인접하여 위치하는 주름진 여과 멤브레인(320)의 유입 단부(314) 및 상기 주름진 여과 멤브레인(320)의 유출 단부(316) 사이에 연장된 두 개의 접힌 근위 에지부를 포함하는 근위 단부를 포함한다.
도 17c를 계속하여 참조하면, 나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재(310)는 또한, 투과관(312)의 유입 단부에 용접되거나 그렇지 않으면 결합되거나 부착된(예를 들어, 접착, 고정, 밟음, (O자 링 또는 다른 유체 밀봉 장치 유무에 관계없이)프레스-고정 및 기타) 제1 텔레스코핑-방지 장치(350a), 및 투과관의 유입 단부에 용접되거나 그렇지 않으면 결합되거나 부착된 제2 텔레스코핑-방지 장치(350b)를 포함할 수 있다. 제1 텔레스코핑-방지 장치(350a)는 제2 텔레스코핑-방지 장치(350b)보다 큰 반경 치수를 가진다. 나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재(310)는 하우징(305)의 원통형 내측 표면(307)에 의해 둘러싸인다. 제1 및 2 텔레스코핑-방지 장치(350a, 350b)의 외측링(354a, 354b)은 하우징(205)에 용접되거나 그렇지 않으면 결합, 부착, 및/또는 밀봉된다. 예를 들어, 제1 및 2 텔레스코핑-방지 장치(350a, 350b)의 외측링(354a, 354b)은 분리된 밀봉링 또는 망상 외측랩(미도시)을 이용하여 하우징(305)에 밀봉될 수 있다.
상기한 바와 같이, 주름지고 테이퍼된 나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재는 각각의 리프 사이에 필터 부재의 길이에 따라 유체 속도를 제어하는 공급 및 잔류 유동에 대한 감소되는 영역을 제공한다. 필터 부재의 길이에 따른 유체 속도를 제어하는 것은 멤브레인 클리닝 및 오염 방지의 효율을 유지하거나 그렇지 않으면 제어하는데 사용되어 동시에 투과 플럭스 용량을 유지하거나 제어할 수 있다. 또한, 상기 기재된 바와 같이, 예를 들어, 유체의 고형물이 여과 그리고 폐쇄 또는 차단 없이 필터 부재를 통해 농축된 고형물을 포함하는 잔류 유체를 유동하는 능력을 보존하는 바람직한 회수율에 의존하여 적절한 폭을 가지는 공급 스페이서에 의해, 동시에 리프에서 리프까지의 거리가 유지될 수 있도록 한다.
주름지고 테이퍼된 나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재는 막전위 압력(TMP)이 증가하고, 그에 상응하여 투과 플럭스율이 증가한다. 테이퍼되지 않은 필터 부재의 동작 동안, 공급 유체는 여과 멤브레인에 접선 방향으로 흐르고 일부는 여과 멤브레인을 통과하고, 유입에서 유출 길이를 따라 여과 멤브레인의 공급/잔류 측면에 작용하는 유체 압력은 감소한다. 결과적으로, 여과 멤브레인을 가로지르는 압력 차이는 (공급/잔류 측면 상의 평균 압력 빼기 투과 압력으로 정의되는) TMP 및 투과 플럭스율을 감소시키는 테이퍼되지 않은 필터 부재의 유입에서 유출 길이를 따라 감소한다. 본 명세서에 기재된 주름지고 테이퍼된 나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재 내의 각각의 리프 사이에 공급/잔류 유동에 대해 감소되는 영역에 의해 제공되는, 유동 제한은, 여과 멤브레인의 공급 단부에서 잔류 단부까지 필터 부재의 길이를 따라 동시에 유체 속도와 압력 차이를 유지한다. 결과적으로, TMP는 다른 동일한 테이퍼되지 않은 필터 부재와 비교하여 증가되고, 증가된 투과 플럭스율을 초래한다.
본 발명은 상기에 기재된 주름지고 테이퍼된 나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재와 그러한 필터 부재를 포함하는 크로스-유동 필터를 포함한다. 또한, 본 발명은 주름지고 테이퍼된 나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재를 통해 흐르는 유체를 포함한다. 또한, 본 발명은 주름지고 테이퍼된 나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재를 포함하는 적어도 하나의 크로스-유동 필터를 포함하는 여과 시스템을 포함한다.
본 발명의 실시예
본 발명의 실시예는 다음의 번호가 매겨진 항을 포함하나, 이에 제한되는 것은 아니다.
1. 나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재는:
투과관; 및
상기 투과관에 용접된 주름진 여과 멤브레인을 포함하고, 상기 주름진 여과 멤브레인은 상기 투과관 둘레에 원주방향을 따라 이격되고 단일 방향으로 상기 투과관 둘레에 나선형으로 권취된 다수의 리프;를 포함하고,
각각의 리프는:
용접된 유입 에지부;
용접된 유출 에지부로서, 상기 용접된 유입 에지부의 길이는 상기 용접된 유출 에지부의 길이보다 큰, 용접된 유출 에지부;
상기 용접된 유입 에지부 및 상기 용접된 유출 에지부 사이에 연장된 용접되고 테이퍼된 원위 에지부; 및
상기 투과관에 인접하여 위치하고 상기 주름진 여과 멤브레인의 유입 단부 및 상기 주름진 여과 멤브레인의 유출 단부 사이에 연장된 두 개의 접힌 근위 에지부를 포함하는 근위 단부를 포함하는,
나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재.
2. 제1항에 있어서, 상기 용접되고 테이퍼된 원위 에지부는 상기 용접된 유입 에지부 및 상기 용접된유출 에지부 사이에 연장된 연속적이고 선형의 테이퍼 프로파일을 포함하는, 나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재.
3. 제2항에 있어서, 상기 용접되고 테이퍼된 원위 에지부는 상기 용접된 유입 에지부와 상기 용접된 유출 에지부 사이에서 연장된 선형의 테이퍼된 프로파일을 포함하는, 나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 리프의 상기 용접된 유입 에지부, 상기 용접된 유출 에지부, 및 상기 용접되고 테이퍼된 원위 에지부는, 초음파 용접, 열 용접, 적외선 용접, 고주파 용접, 극초단파 용접, 레이저 용접, 또는 핫 에어 용접을 포함하는, 나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 주름진 여과 멤브레인은 각각의 리프 사이에 접힌 근위 에지부의 상기 유입 단부 및/또는 상기 유출 단부는 상기 투과관에 용접되는, 나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 주름진 여과 멤브레인과 상기 투과관 사이에서의 용접은 초음파 용접, 열 용접, 적외선 용접, 고주파 용접, 극초단파 용접, 레이저 용접, 또는 핫 에어 용접을 포함하는, 나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재.
7. 제1항 내지 제6항에 있어서,
(ⅰ)상기 다수의 테이퍼된 리프 중 어느 하나에 용접되는 테이퍼된 플라스틱 시트로서, 상기 플라스틱 시트는 균일한 방향으로 상기 다수의 리프 주위에 권취되어 그 자체로 용접되므로써, 상기 주름지고 테이퍼된 나선형 여과 멤브레인을 동봉하는, 플라스틱 시트
(ⅱ)균일한 방향으로 상기 다수의 리프 주위에 권취되고 부착되거나 그 자체에 경화되므로써, 상기 주름지고 테이퍼된 나선형 여과 멤브레인을 동봉하는, 파이버글래스 강화된 로빙; 또는
(ⅲ)상기 주름지고 테이퍼된 나선형 여과 멤브레인 주위에 위치된 미리 형성된 슬리브 또는 원뿔형 실린더를 더 포함하는,
나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재.
8. 제7항에 있어서, 상기 테이퍼된 플라스틱 시트 또는 테이퍼된 강화 파이버 글래스 로빙은 다수의 테이퍼된 리프의 하나에 용접되고, 균일한 방향으로 다수의 리프 주위에 권취되고, 그 자체로 용접되거나 감기는, 나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 리프 내에 위치한 투과 스페이서를 더 포함하는, 나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 리프 사이에 공급 스페이서를 더 포함하는, 나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재.
11. 제1항 내지 제10항중 어느 한 항에 있어서,
상기 투과관의 유입 단부에 부착된 제1 텔레스코핑 방지 장치; 및
상기 투과관의 유출 단부에 부착된 제2 텔레스코핑 방지 장치;를 더 포함하고,
상기 제1 텔레스코핑 방지 장치 및 상기 제2 텔레스코핑 방지 장치는 내측링, 외측링 및 상기 내측링과 상기 외측링 사이에서 연장되는 방사상 스트럿을 더 포함하는,
나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재.
12. 제11항에 있어서, 상기 제1 텔레스코핑 방지 장치는 상기 투과관의 상기 유입 단부에 용접되고, 상기 제2 텔레스코핑 방지 장치는 상기 투과관의 유출 단부에 용접되는, 나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재.
13. 제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 제2 텔레스코핑 방지 장치의 상기 외측링은 상기 제1 텔레스코핑 방지 장치의 상기 외측링보다 큰 반경 치수를 갖는, 나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재.
14. 제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 제1 텔레스코핑 방지 장치는 상기 제2 텔레스코핑 방지 장치보다 큰 지름을 갖는, 나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재.
15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재를 포함하는, 크로스-유동 필터.
16. 제15항의 크로스-유동 필터를 통해 유체가 흐르는 여과 프로세스.
17. 제15항의 크로스-유동 필터를 적어도 하나 포함하는, 여과 시스템.
18. 투과관; 및
상기 투과관에 부착된 주름진 여과 멤브레인을 포함하고, 상기 주름진 여과 멤브레인은 상기 투과관의 주위에 원주방향을 따라 이격되고, 균일한 방향으로 상기 투과관 둘레에 나선형으로 권취된 다수의 리프를 포함하고,
상기 다수의 리프는:
유입 에지부;
유출 에지부로서 상기 유입 에지부의 길이가 상기 유출 에지부보다 큰 유출 에지부;
상기 유입 에지부와 상기 유출 에지부 사이에 연장된 테이퍼된 원위 에지부; 및
상기 투과관에 인접하여 위치하고, 상기 주름진 여과 멤브레인의 유입 단부 및 상기 주름진 여과 멤브레인의 유출 단부 사이에서 연장되는 두 개의 접힌 근위 에지부를 포함하는 근위 단부;를 포함하고,
상기 주름진 여과 멤브레인은 각각의 히프 사이에 접힌 근위 에지부의 상기 유입 단부 및 상기 유출 단부에서 상기 투과관에 부착되는,
나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재.
19. 제18항에 있어서, 상기 테이퍼된 원위 에지부는 상기 유입 에지부와 상기 유출 에지부 사이에서 연장된 선형의 테이퍼된 프로파일을 포함하는, 나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재.
20. 제18항 또는 제18항에 있어서,
각각의 리프는:
상기 유입 에지부의 적어도 일부를 따른 결합부;
상기 유출 에지부의 적어도 일부를 따른 결합부; 및
상기 테이퍼된 원위 에지부의 전체 길이를 따른 결합부;를 포함하고,
상기 결합부는 상기 주름진 여과 멤브레인의 인접한 파일과 함께 밀봉하고, 상기 유입 에지부, 상기 유출 에지부, 및 상기 테이퍼된 원위 에지부에서 유체 불투과성 밀봉으로 각각의 리프를 제공하는,
나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재.
21. 제20항에 있어서, 상기 결합은 접착제를 포함하지 않는, 나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재.
22. 제21항에 있어서, 상기 결합은 초음파 용접, 열 용접, 적외선 용접, 고주파 용접, 극초단파 용접, 레이저 용접, 또는 핫 에어 용접을 포함하는, 나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재.
23. 제18항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 주름진 여과 멤브레인은 각각의 리프 사이의 접힌 원위 에지부의 상기 유입 단부 및/또는 상기 유출 단부에 부착되는, 나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재.
24. 제23항에 있어서, 상기 부착물은 초음파 용접, 열 용접, 적외선 용접, 고주파 용접, 극초단파 용접, 레이저 용접, 또는 핫 에어 용접을 포함하는, 나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재.
25. 제18항 내지 제24항중 어느 한 항에 있어서,
(ⅰ)상기 다수의 테이퍼된 리프의 하나에 용접되는 테이퍼된 플라스틱 시트로서, 상기 플라스틱 시트는 균일한 방향으로 상기 다수의 리프 주위에 권취되어 그 자체로 용접되므로써, 상기 주름지고 테이퍼된 나선형 여과 멤브레인을 동봉하는, 플라스틱 시트
(ⅱ)균일한 방향으로 상기 다수의 리프 주위에 권취되고 부착되거나 그 자체에 경화되므로써, 상기 주름지고 테이퍼된 나선형 여과 멤브레인을 동봉하는, 파이버글래스 강화된 로빙; 또는
(ⅲ)상기 주름지고 테이퍼된 나선형 여과 멤브레인 주위에 위치된 미리 형성된 슬리브 또는 원뿔형 실린더를 포함하는, 나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재.
26. 제25항에 있어서, 테이퍼된 플라스틱 시트 또는 테이퍼된 파이버글래스 강화된 로빙이 다수의 테이퍼된 리프의 하나에 용접되고, 균일한 방향으로 다수의 리프 주위에 권취되고, 그 자체로 용접되고 감기는, 나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재.
27. 제18항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 리프 내에 위치한 투과 스페이서를 더 포함하는, 나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재.
28. 제18항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 리프 사이에 위치한 공급 스페이서를 더 포함하는, 나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재.
29. 18항 내지 제28항중 어느 한 항에 있어서,
상기 투과관의 유입 단부에 부착된 제1 텔레스코핑 방지 장치; 및
상기 투과관의 유출 단부에 부착된 제2 텔레스코핑 방지 장치;를 더 포함하고,
상기 제1 텔레스코핑 방지 장치 및 상기 제2 텔레스코핑 방지 장치는 내측링, 외측링 및 상기 내측링과 상기 외측링 사이에서 연장되는 방사상 스트럿을 포함하는,
나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재.
30. 제29항에 있어서, 상기 제2 텔레스코핑 방지 장치의 상기 외측링은 상기 제1 텔레스코핑 방지 장치의 상기 외측링보다 큰 반경 치수를 갖는, 나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재.
31. 제29항에 있어서, 상기 제1 텔레스코핑 방지 장치는 상기 제2 텔레스코핑 방지 장치보다 큰 지름을 갖는, 나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재.
32. 제18항 내지 제31항 중 어느 한 항에 있어서, 나선형 크로스-유동 필터 부재를 포함하는 크로스-유동 필터.
33. 제32항에 있어서, 크로스-유동 필터를 통해 유체가 유동하는 단계를 포함하는 여과 방법.
34. 제32항에 있어서, 적어도 하나의 크로스-유동 필터를 포함하는 여과 시스템.
35. 크로스-유동 필터는:
하우징;
상기 하우징 내에 위치한 투과관; 및
상기 투과관에 부착되고 상기 하우징과 상기 투과관 사이에 위치된 주름진 여과 멤브레인을 포함하고, 상기 주름진 여과 멤브레인은 상기 투과관 둘레에 원주방향을 따라 이격되고 단일 방향으로 상기 투과관 둘레에 나선형으로 권취된 다수의 리프를 포함하고;
각각의 리프는:
유입 에지부;
유출 에지부로서, 상기 유입 에지부의 길이가 상기 유출 에지부의 길이보다 큰, 유출 에지부;
상기 유입 에지부 및 상기 유출 에지부 사이에 연장된 테이퍼된 원위 에지부; 및
상기 투과관에 인접하여 위치하는 상기 주름진 여과 멤브레인의 유입 단부 및 상기 주름진 여과 멤브레인의 유출 단부 사이에 연장된 두 개의 접힌 근위 에지부를 포함하는 근위 단부를 포함하는,
크로스-유동 필터.
36. 제15항, 제32항 또는 제35항에 있어서, 상기 하우징은 상기 투과관과 상기 주름지고 테이퍼된 나선형으로 권취된 여과 멤브레인을 둘러싸는 원통형 내측 표면을 포함하는, 크로스-유동 필터.
37. 제15항, 제32항 또는 제35항에 있어서, 상기 하우징은 상기 투과관과 상기 주름지고 테이퍼된 나선형으로 권취된 여과 멤브레인을 둘러싸는 원뿔형 내측 표면을 포함하는, 크로스-유동 필터.
본 명세서에는 개시된 필터 부재, 필터, 시스템 및 방법을 포함하는 본 발명의 구조, 기능 및 작동의 이해를 제공하기 위해 다양한 특징 및 특성이 설명된다. 본 명세서에 기재된 본 발명의 다양한 특징 및 특성은 이러한 특징 및 특성이 본 명에서에서 조합하여 명시적으로 기재되는지 여부에 관계 없이, 임의의 적합한 방식으로 조합될 수 있음을 이해해야 한다.

Claims (22)

  1. 삭제
  2. 삭제
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  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재로서,
    투과관; 및
    상기 투과관에 부착된 주름진 여과 멤브레인을 포함하고, 상기 주름진 여과 멤브레인은 상기 투과관 둘레에 원주방향을 따라 이격되고 균일한 방향으로 상기 투과관 둘레에 나선형으로 권취된 다수의 리프를 포함하고,
    각각의 리프는:
    유입 에지부;
    유출 에지부로서, 상기 유입 에지부의 길이는 상기 유출 에지부의 길이보다 큰, 유출 에지부;
    상기 유입 에지부와 상기 유출 에지부 사이에 연장된 테이퍼된 원위 에지부; 및
    상기 투과관에 인접하여 위치하고, 상기 주름진 여과 멤브레인의 유입 단부 및 상기 주름진 여과 멤브레인의 유출 단부 사이에 연장된 두 개의 접힌 근위 에지부를 포함하는 근위 단부;를 포함하고,
    상기 주름진 여과 멤브레인은 각각의 리프 사이에 상기 접힌 근위 에지부의 상기 유입 단부 및 상기 유출 단부에서 상기 투과관에 부착되고,
    각각의 리프는:
    상기 유입 에지부의 전체 길이를 따른 결합부;
    상기 유출 에지부의 전체 길이를 따른 결합부; 및
    상기 테이퍼된 원위 에지부의 전체 길이를 따른 결합부;를 포함하고,
    상기 결합부들은 상기 주름진 여과 멤브레인의 인접한 파일을 함께 밀봉하고, 상기 유입 에지부, 상기 유출 에지부, 및 상기 테이퍼된 원위 에지부에서 유체 불투과성 밀봉을 각각의 리프에 제공하는,
    나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재.
  13. 삭제
  14. 제12항에 있어서,
    (ⅰ)상기 다수의 테이퍼된 리프 중 하나에 부착되는 테이퍼된 플라스틱 시트로서, 균일한 방향으로 상기 다수의 리프 둘레에 권취되어 그 자체에 부착됨으로써, 상기 주름지고 테이퍼된 나선형 여과 멤브레인을 동봉하는, 플라스틱 시트
    (ⅱ)균일한 방향으로 상기 다수의 리프 둘레에 권취되어 그 자체에 부착 또는 경화됨으로써, 상기 주름지고 테이퍼된 나선형 여과 멤브레인을 동봉하는, 파이버글래스 강화된 로빙; 또는
    (ⅲ)상기 주름지고 테이퍼된 나선형 여과 멤브레인 둘레에 위치된 미리 형성된 슬리브 또는 원뿔형 실린더를 더 포함하는,
    나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재.
  15. 제12항에 있어서,
    각각의 리프 내에 투과 스페이서를 더 포함하는,
    나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재.
  16. 제12항에 있어서,
    각각의 리프 내에 위치한 공급 스페이서를 더 포함하는,
    나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재.
  17. 제12항에 있어서,
    상기 투과관의 유입 단부에 부착된 제1 텔레스코핑 방지 장치; 및
    상기 투과관의 유출 단부에 부착된 제2 텔레스코핑 방지 장치;를 더 포함하고,
    상기 제1 텔레스코핑 방지 장치 및 상기 제2 텔레스코핑 방지 장치는 내측링, 외측링 및 상기 내측링과 상기 외측링 사이에서 연장되는 방사상 스트럿을 포함하는,
    나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제2 텔레스코핑 방지 장치의 상기 외측링은 상기 제1 텔레스코핑 방지 장치의 상기 외측링보다 큰 반경 치수를 갖는,
    나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 제1 텔레스코핑 방지 장치는 상기 제2 텔레스코핑 방지 장치보다 큰 지름을 갖는,
    나선형으로 권취된 크로스-유동 필터 부재.
  20. 크로스-유동 필터로서,
    하우징;
    상기 하우징 내에 위치한 투과관; 및
    상기 투과관에 부착되고 상기 하우징과 상기 투과관 사이에 위치된 주름진 여과 멤브레인을 포함하고, 상기 주름진 여과 멤브레인은 상기 투과관 둘레에 원주방향을 따라 이격되고 균일한 방향으로 상기 투과관 둘레에 나선형으로 권취된 다수의 리프를 포함하고;
    각각의 리프는:
    유입 에지부;
    유출 에지부로서, 상기 유입 에지부의 길이는 상기 유출 에지부의 길이보다 큰, 유출 에지부;
    상기 유입 에지부와 상기 유출 에지부 사이에 연장된 테이퍼된 원위 에지부; 및
    상기 투과관에 인접하여 위치하고, 상기 주름진 여과 멤브레인의 유입 단부 및 상기 주름진 여과 멤브레인의 유출 단부 사이에 연장된 두 개의 접힌 근위 에지부를 포함하는 근위 단부를 포함하는,
    크로스-유동 필터.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 하우징은 상기 투과관과 상기 주름지고 테이퍼된 나선형으로 권취된 여과 멤브레인을 둘러싸는 원통형 내측 표면을 포함하는,
    크로스-유동 필터.
  22. 제20항에 있어서,
    상기 하우징은 상기 투과관과 상기 주름지고 테이퍼된 나선형으로 권취된 여과 멤브레인을 둘러싸는 원뿔형 내측 표면을 포함하는,
    크로스-유동 필터.
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