KR20110052596A - 유체 커플링을 가지는 여과 시스템 - Google Patents

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엠엔 베타일리궁스 게엠베하
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Abstract

본 발명은 가장자리 측면 상에 단일 또는 이중 투과액 배출구(permeate drain)를 갖는 하나 이상의 평탄한 필터(flat filter), 모세관 튜브 필터(capillary tube filter) 또는 나선형 필터 모듈(wound filter modules)을 구비함과 동시에, 상기 필터 모듈을 유체 분배기에 또는 부가적인 필터 모듈에 연결하기 위한 유체 커플링(70)을 구비하는 여과 시스템에 관한 것으로, 여기서 상기 유체 커플링은 투과 유체, 정제되지 않은 유체(raw fluid), 및 농축 유체를 위한 적어도 하나의 통로를 각각 구비한다.

Description

유체 커플링을 가지는 여과 시스템{Filtration system having fluid couplings}
본 발명은 가장자리에 투과액 배출구(permeate drain)를 갖는 하나 이상의 평탄한 필터(flat filter), 모세관 튜브 필터(capillary tube filter) 또는 나선형 필터 모듈(wound filter modules)을 구비함과 동시에, 상기 필터 모듈을 유체 분배기에 또는 추가 필터 모듈에 연결하기 위한 유체 커플링을 구비하는 여과 시스템에 관한 것이다.
예를 들면, 폐수 정화를 위해 사용되는 평탄한 필터를 가지는 공지의 많은 여과 시스템은 상부 및 바닥에서 개방되고 복수의 평탄한 필터 요소가 서로 평행하게 배열되는 관 형상 또는 박스 형상 하우징을 갖는 필터 모듈을 포함한다. 필터 요소 사이의 갭은 흐름이 통과할 수 있는 통로를 형성한다. 필터 요소는 가요성 또는 단단한 배수 요소(drainage element)가 필터 막으로 코팅된 지지용 부직포(support nonwoven)에 의해 양 측면 상에서 둘러싸이는 포켓 또는 카세트로서 구현되며, 막 부직포(membrane nonwoven)로서 아래에서 언급된다. 각각의 필터 요소는 중앙으로 또는 가장자리에 배열되는 구멍을 가지며, 이곳을 거쳐 상기 필터 요소가 필터 막을 통과하는 투과 유체의 배출을 위한 파이프 시스템에 연결된다. 배수 요소는 막 부직포에 대한 스페이서 및 형상 지지수단(shaping support)으로서의 역할을 하며, 투과액(permeate)을 상기 구멍으로 배출시켜 그곳을 비우는 역할을 한다. 배수 요소의 흐름 저항은 필터 요소의 내부에서의 압력 분배, 및 그와 관련하여 필터의 효율에 영향을 준다.
WO 03/037489 Al 는 액체가 인접한 필터 막 포켓들 사이에 위치된 갭을 통해 강하게 흐를 수 있는 방식으로 고정된 홀더 내에서 그 내부를 배수하기 위한 적어도 하나의 구멍을 가지며 수직으로 평행하게, 양호하게는 서로로부터 같은 거리에 배열되는 복수의 필터 막 포켓을 갖는, 폐수를 정화하기 위한 필터 모듈을 기술하고 있다.
DE 2 213 165 는 필터 카트리지가 나선형으로 감겨지고 두 개의 대향 나선형 단부 표면을 가지는 다층 클로스(multi-layered cloth)로 이루어지는 필터를 기술하고 있다. 상기 클로스를 형성하는 층은 나선형 단부 표면을 통해 필터 카트리지로 들어가는 유체가 필터 카트리지를 다시 떠나기 전 적어도 하나의 필터 표면을 통해 흘러야 하는 방식으로 밀폐된다. 각각의 필터층은 높은 포집 체적(high pore volume)을 가지는 두 개의 얇은 스페이서 층들 사이에 위치된다. 적어도 하나의 유체 불투과 층(fluid-impermeable layer)은 스페이서 층들의 하나의 표면에 대해 배치된다. 얇은 스페이서 층의 사용에 의해, 단위 체적당 큰 활성 필터 표면을 가지는 소형 필터 카트리지가 얻어진다.
US 5,304,312 는 단부 측면들 상에 제 1 및 제 2 단부 캡을 갖는 밀폐된 필터 유닛을 기술하고 있는데, 여기서 단부 캡은 여과될 미처리 유체 및 상기 미처리 유체로부터 여과된 투과액(permeate)을 위한 라인들을 연결하기 위한 커넥터를 가진다. 필터 유닛은 단부 캡들 사이에 배열되는 필터 요소를 포함하며 필터층과 액체 불 투과성 스페이서 층을 구비하는 나선형으로 감긴, 2 층 필터 복합 소재로 이루어진다. 나선형으로 감긴 필터 복합 소재의 두 개의 대향 단부 측면들에서, 필터층의 가장자리는 각각 좌측 및 우측 상에서 인접한 스페이서 층에 액체 밀봉 방식으로 연결된다. 이러한 구성은 제 1 단부 캡을 거쳐 공급된 미처리 액체가 제 2 단부 캡에서 투과액으로서 제거되도록 하기 위해 필터층을 먼저 투과해야 하는 것을 보장한다.
EP 1 256 372 A2 는 천공된 파이프의 주위에서 나선형으로 감긴 모세관 필터 매트를 구비하는 필터 모듈을 기술하고 있다. 여과될 미처리 유체는 천공된 파이프를 통해 공급되어 나선형으로 감긴 모세관 필터 매트와 접촉하게 된다. 모세관 필터들의 내측 및 외측 사이의 압력차에 의해, 투과액은 미처리 유체에서 여과되어 모세관 필터의 내측으로부터 제거된다. 모세관 필터의 내부에 대한 통로(access)는 주조(castable) 가능하고, 경화 가능한 소재로 만들어진 단부 캡이 제공되는 나선형으로 감긴 모세관 필터 매트의 두 개의 단부 측면들과, 모세관 필터의 길이방향 축에 실제로 수직한 크기로 절단되어 얻어지는 단부 캡에 의해 제공된다.
투과막(trans­membrane)의 압력차, 미처리 유체의 흐름 속도 및 고체 함유량과 같은 일정한 작동 조건들 중, 여과 시스템의 용량, 즉, 단위 시간당 여과된 미처리 유체의 체적은 활성 여과 표면에 비례한다. 제조 유도 한계(production-induced limitations)로 인하여, 그리고 산업적으로 제조된 필터 막의 제한된 기계적인 부하 지탱 용량(load-bearing capacity)으로 인하여, 종래의 필터 모듈의 활성 여과 표면의 크기를 높이는 것이 제한된다. 그러므로, 높은 여과 용량을 갖는 여과 시스템을 구성하기 위해, 복수의 필터 모듈이 파이프라인 시스템에 의한 평행 연결의 형태로 서로 연결된다. 관습적으로 복수의 분기관 및 파이프 커플링을 갖는 이러한 형태의 파이프라인 시스템은 제조하는데 비용이 많이 들고, 여과용량에 기여하지 않고 여과 시스템에 의해 요구된 공간을 형성하고 늘리는데 복잡하다.
따라서, 본 발명의 목적은 간단하고 효율적인 유체 처리(fluid conduction)를 갖는 여과 시스템을 제공하는 것이다. 더욱이, 본 발명은 복잡한 파이프라인 시스템의 사용 없이 높은 여과 용량을 갖는 여과 시스템을 형성하기 위해 복수의 필터 모듈을 연결하는 것을 가능하게 하기 위해 의도된다.
이러한 목적은 다음의 구성을 구비하는 여과 시스템에 의해 성취된다.
- 하나 이상의 필터 모듈, 및
- 상기 필터 모듈을 유체 분배기에 결합하고 선택적으로 상기 필터 모듈을 추가 필터 모듈에 결합하기 위한 하나 이상의 유체 커플링을 구비하며, 여기서
- 상기 필터 모듈은 상기 가장자리에서 단일 또는 이중 투과액 출구 구멍을 갖는 평탄한 필터, 모세관 튜브 필터 또는 나선형 필터 모듈(wound filter modules)로서 구성되며;
- 상기 유체 커플링은 투과 유체를 위한 적어도 하나의 덕트를 가지며, 그리고
- 투과 유체를 위한 상기 덕트는 상기 투과액 출구 구멍에 연결된다.
본 발명의 진전은 유체 커플링이 다음의 구성을 갖는다는 점에서 구별된다.
- 투과 유체를 위한 덕트로부터 유체 밀봉 방식으로 격리되는, 미처리 유체를 위한 적어도 하나의 덕트를 가지며;
- 투과 유체를 위한 덕트로부터 유체 밀봉 방식으로 격리되는, 농축 유체를 위한 적어도 하나의 덕트를 가지며;
- 미처리 유체를 위한 적어도 하나의 덕트와 농축 유체를 위한 적어도 하나의 덕트를 가지고, 상기 덕트들은 투과 유체를 위한 상기 덕트로부터 유체 밀봉 방식으로 각각 격리되며;
- 단일 피스, 2 피스 또는 3 피스 설계인 커플링 본체를 구비하며;
- 단일 피스 설계이며 적어도 하나의 투과액 저장소(permeate reservoir)를 가지는 커플링 본체를 구비하고, 상기 투과액 저장소는 투과 유체를 위한 상기 덕트와 상기 필터 모듈의 상기 투과액 출구 구멍에 연결되며;
- 단일 피스 설계이며 적어도 하나의 투과액 저장소와 적어도 하나의 농축액 저장소를 가지고, 상기 투과액 저장소는 투과 유체를 위한 덕트와 상기 필터 모듈의 상기 투과액 출구 구멍에 연결되고, 상기 농축액 저장소는 농축 유체를 위한 상기 덕트에 연결되며; 그리고
- 양호하게는 환상으로 밀폐되는 시일을 구비한다.
상기 필터 모듈은 특히 다음의 구성에 의해 구별된다.
- 적어도 하나의 단부벽이 투과액 출구 구멍을 가지는, 하나 또는 두 개의 단부벽을 구비하며;
그리고 양호하게는,
- 적어도 하나의 단부벽에는 투과 유체를 위한 하나 이상의 덕트가 제공되고;
- 적어도 하나의 단부벽은 미처리 유체를 위한 하나 이상의 덕트를 가지고;
- 적어도 하나의 단부벽은 농축 유체를 위한 하나 이상의 덕트를 가지고; 또는
- 적어도 하나의 단부벽은 각각의 경우에 투과 유체, 미처리 유체 및 농축 유체를 위한 하나 이상의 덕트를 가진다.
본 발명의 다른 진전에서, 필터 모듈은 양호하게는 관형 구성으로 이루어지는 하우징을 구비한다.
특히 양호한 실시예에서, 필터 모듈은 투과 유체를 위한 적어도 하나 이상의 도관(conduits)을 구비하며, 상기 도관은 실제로 여과 표면과 평행한 방향으로 펼쳐지고 필터 모듈의 두 개의 단부 측면들을 연결한다.
본 발명에 따른 여과 시스템의 추가 개량은 청구항 17-19에서 구현된다.
본 발명은 첨부 도면을 참조하여 아래에서 더욱 상세히 설명된다.
도 1은 유체 커플링에 의해 연결된 3 개의 필터 모듈을 갖는 여과 시스템을 도시한다.
도 2a 및 도 2b는 단일 피스와 3 피스 설계로 이루어진 커플링 본체를 가지는 유체 커플링을 도시한다.
도 3a 내지 도 3c는 필터 모듈의 단면도를 도시한다.
도 4는 유체 커플링에 의해 연결되는 두 개의 필터 모듈의 단면도를 도시한다.
도 5는 사이에 끼어져 위치된 스페이서를 갖는 나선형으로 감긴 평탄한 필터 요소를 가지는 양호한 나선형 필터 모듈의 횡단면도를 도시한다.
도 6a 내지 도 6d는 나선형 필터 모듈의 단면 사시도를 도시한다.
도 1은 여과될 미처리 유체(200)가 라인(110)을 거쳐 공급되는 본 발명에 따른 여과 시스템(1)의 실 예를 도시한다. 미처리 유체(200)는 투과 유체(220)가 미처리 유체(200)로부터 여과되어 라인(130)을 거쳐 제거되는, 3 개의 필터 모듈(10', 10, 10)을 통해 흐른다. 필터 모듈(10', 10, 10)의 여과 막을 통과할 수 없는 소재는 미처리 유체(200)에서 농축된다. 그러므로, 필터 모듈(10', 10, 10)을 통해 흐른 후, 미처리 유체(200)는 또한 농축 유체(210)로서 언급된다. 농축 유체(210)는 라인(120)을 거쳐 제거된다. 미처리 유체(200)와 농축 유체(210)는 여기서 서로로부터 분리되지 않는다. 이에 반하여, 연속한 여과 작업중, 미처리 유체(200)와 농축 유체(210) 사이에서 농도 구배(concentration gradient)가 일어난다. 필터 모듈(10', 10, 10)은 가장자리에서 단일 또는 이중 투과액 배출구(permeate drain)를 가지는 평탄한 필터, 모세관 튜브 필터 또는 나선형 필터 모듈로서 구성되며 하나 이상의 필터 요소(60)를 구비한다. 필터 요소(60)는 평평한 또는 나선형으로 감긴 평탄한 필터 또는 원통형 모세관 튜브 필터로서 설계된다. 공지 기술에서 알려진, 필터 막과 직포 스페이서의 다층 스택(multi-layered stacks) 또는 필터 포켓 또는 카세트가 평탄한 필터로서 적합하다. 스택 또는 필터 포켓은 적어도 두 개의 대향 가장자리에서 유체 밀봉 방식으로 밀폐된다.
필터 모듈(10', 10, 10)은 필터 요소(60)의 내부가 막 투과(trans-membrane permeation)와는 별개로- 미처리 및 농축 유체(200, 210)로부터 차단되도록 유체 커플링(70)에 의해 유체 밀봉 방식으로 서로 그리고 라인(110, 120, 130)에 연결된다.
본 발명의 양호한 실시예에서, 필터 모듈(10)(선택적으로 또한 필터 모듈(10'))은 투과 유체(220)를 위한 도관(30)에 설비된다. 도관(30)의 내경은 필터 요소(60)의 내부에 수집된 투과 유체(210)가 저항으로부터 실제로 자유로운 방식으로 필터 모듈(10', 10, 10)로부터 제거될 수 있는 방식으로 치수가 정해진다.
도 1에 도시된 유체 커플링(70)은 미처리 유체(200)를 위한 하나 이상의 덕트(72), 투과 유체(220)를 위한 하나 이상의 덕트(73), 및 미처리 유체(210)를 위한 하나 이상의 덕트(74)를 가진다.
도 2a는, 본 발명에 따른 원통형 유체 커플링(70a)을 평면도 및 횡단면도로 도시하며, 상기 유체 커플링은 단계적인 사이즈(graduated size)의 3 개의 동심원으로 배열된 링으로 만들어진 3 피스 커플링 본체(71a, 71b, 71c)를 구비한다. 내측 링(71a)에 의해 둘러싸인 원통형 공간 영역은 미처리 유체(200)를 위한 덕트(72)를 형성한다. 내측 링(71a)과 중앙 링(71b)에 의해 둘러싸인 공간 영역은 투과 유체(220)를 위한 덕트(73)를 형성한다. 농축 유체(210)를 위한 추가 덕트(74)는 중앙 링(71b)과 외측 링(71c)에 의해 둘러싸인다. 덕트(72, 73, 74)는 각각의 경우에 링(7la, 71b, 71c)의 대향 단부 측면들 상에 배열된 두 개의 환상 시일(75, 76, 77)에 의해 서로 밀폐된다. 유체 커플링(70a)의 기능을 예시하기 위해, 모세관 튜브 필터 요소(60)의 단부 측면들 상의 횡단면 및 구멍이 도 2a에 예시되어 있다. 모세관 튜브 필터 요소(60)는 그 단부 측면들 상의 구멍이 투과 유체(220)를 위한 덕트(73)에 연결되고 투과 유체(220)가 관통해 흐르는 라인 시스템을 형성하는 방식으로 필터 모듈(10', 10, 10)에 배열된다.
본 발명에 따라 제기된 추가 유체 커플링(70b)은 도 2b에서 예시된다. 유체 커플링(70b)은 단일 피스 설계로 이루어진 커플링 본체(71d)를 구비하며 미처리 유체(200), 투과 유체(220) 및 농축 유체(210)를 위한 덕트(72, 73, 74)를 가진다. 필터 모듈(10', 10, 10)로부터 투과 유체(220)를 배출하기 위해 그리고 투과 유체(220)를 위한 4 개의 덕트(73)를 연결하기 위해, 커플링 본체(71d)는 환상으로 둘러싸는 리세스(recess)의 형태로 분배기 챔버(78)에 설치된다. 마찬가지로 환상으로 둘러싸인 리세스의 형태로 구체화된 추가 분배기 챔버(79)는 농축 유체(210)를 위한 4 개의 덕트(74)를 연결한다. 덕트(72, 73, 74)는 각각의 경우에 커플링 본체(71d)의 대향 단부 측면들 상에 배열된 두 개의 환형 시일(75, 76, 77)에 의해 서로 밀폐된다.
도 2a 및 도 2b에 도시된 유체 커플링(70a, 70b)은 원통형 횡단면을 가지는 필터 모듈(10', 10, 10), 특히 나선형 필터 모듈 및 모세관 튜브 필터 모듈에 적합하며, 여기서 모세관 튜브 필터의 튜브 구멍들은 양호하게는 분배기 챔버(78)에 일치하는 환형 영역의 중앙 축을 중심으로 배열된다. 도 2c에 도시된 형태의 유체 커플링은 평탄한 필터 요소(60)를 갖는 평탄한 필터 모듈에 적합하다. 유체 커플링(70c)은 단일 피스 커플링 본체(71e)를 구비한다. 다른 참조 부호는 도 2b에서와 같은 의미를 가진다. 부가적으로, 평탄한 필터 요소(60)의 횡단면은 유체 커플링(70c)의 평면도에서 예시된다. 각각의 경우에 4 개의 덕트(72, 74)는 미처리 유체(200)와 농축 유체(210)를 추가 운반하는 역할을 한다.
커플링 본체(71a 내지 71e)는 양호하게는 첨가제가 선택적으로 추가되는 기초 소재(basic materia)로 이루어진다. 상기 기초 소재는 폴리프로필렌, 폴리 염화 비닐(polyvinyl chloride), 등과 같은 폴리머; 열가소성 수지(thermoplastics), 유리-섬유-보강 플라스틱(glass-fiber­reinforced plastics), 수지, 천연 또는 합성 근원물질(synthetic origin)의 고무, 및 상술한 소재들의 혼합물을 구비하는 그룹으로부터 선택된다. 유리 또는 탄소 섬유가 양호하게는 상기 첨가제로서 사용된다. 커플링 본체(71a 내지 71e)는, 선택적으로 기계 가공에 의해, 또는 블랭크(blanks)의 기계 가공에 의해 뒤따르는, 예를 들면 사출 성형에 의해, 상이한 방식으로 제조된다. 그것에 대한 대안으로서, 커플링 본체(71a 내지 71e)는 적절하게 형성된 또는 펀치된 평면 소재의 층 모양의 적층물에 의해 제조된다. 도 3a는 필터 요소(60)를 갖는 필터 모듈(10)을 횡단면도로 도시한다. 필터 요소(60)는 평평한 또는 나선형으로 감긴 평탄한 필터로서 또는 모세관 튜브 필터로서 구성된다. 도 3a에 예시된 필터 요소(60)는, 예를 들면, 중간에 위치된 배수 요소(62) 및 두 개의 필터 막들(61, 63)을 갖는 평탄한 필터, 또는 모세관 튜브 필터이며, 여기서 참조 부호 61 및 63은 모세관 튜브 벽의 대향 단면 표면들을 언급하고, 배수 요소(62)는 완전히 생략되어 있다. 필터 모듈(10)은 외측면(31, 31')을 갖는 두 개의 단부벽(3, 3')을 구비한다. 필터 요소(60)의 투과액 출구 구멍들(65, 67) 또는 개방된 가장자리 영역은 외측면(31, 31')에서 개방된다. 단부벽(3, 3')은 양호하게는 미처리 유체(200)를 위한 덕트(7, 7'), 투과 유체(220)를 위한 덕트(8, 8'), 및 농축 유체(210)를 위한 덕트(9, 9')를 가지며, 여기서 덕트(8, 8')는 투과액 라인(30)에 의해 유체 밀봉 방식으로 연결된다. 길이방향 축에 실제로 평행하게 배열되거나 또는 필터 요소(60)의 막 표면에 평행하게 배열되는 투과액 라인(30)은 저항으로부터 실제로 자유로운 방식으로 복수의 상호 연결된 필터 모듈(10)을 통해 투과 유체(220)가 배출되는 것을 허용한다. 투과액 라인(30)은 막을 통해 필터 요소(60)의 내부로 들어가고 그 흐름이 내부에 배열된 배수 요소(62)에 의해 또는 모세관 튜브 필터의 소형의 내부 횡단면에 의해 차단되는 투과 유체(220)를 위한, 저항으로부터 실제로 자유로운 통로를 형성한다. 덕트(7, 7')는 양호하게는 그 벽에 출구 구멍(41)을 가지는 미처리 유체 라인(40)에 의해 연결된다. 여과 시스템(1)으로 공급된 미처리 유체(200)는 미처리 유체 라인(40)에 의해 필터 모듈(10) 안으로 균일하게 분배된다.
도 3b는 가장자리에서 단일 투과액 출구 구멍(65)을 가지는 필터 모듈(10')을 예시한다. 필터 모듈(10')에서, 필터 요소(60)의 가장자리 영역 또는 투과액 출구 구멍(67)은 단부벽(3')에 의해 유체 밀봉 방식으로 둘러싸인다. 투과 유체(220)는 단부벽(3)에서 개방된 가장자리 영역 또는 투과액 출구 구멍(65)을 거쳐서만 필터 요소(60)로부터 배출된다. 다른 참조 부호들은 도 3a에서와 같은 의미를 가진다. 부가적으로, 도 3b에 예시된 필터 모듈(10')은 하우징(4)에 설비된다. 하우징(4)은 유체 밀봉 방식으로 단부벽(3, 3')에 연결된다. 도 3a에 예시된 필터 모듈(10)은 필터 모듈(10')과 같은 방식으로 하우징(4)에 제공될 수 있다(그러나, 하우징(4)은 도 3a를 명료하게 하기 위해 도시되지 않았다).
도 4는 유체 커플링(70b)에 의해 두 개의 필터 모듈(10)들 사이의 연결의 단면도를 분해된 예시도로 도시하고 있으며, 여기서 참조 부호는 도 2b 및 도 3a에서와 같은 의미를 가진다. 미처리 유체는 필터 모듈(10)의 단부벽(3, 3')의 덕트(7, 7')를 통해 그리고 커플링 본체(71d)의 덕트(72)를 통해 흐른다. 미처리 유체로부터 여과된 투과 유체는 단부벽(3, 3')의 투과액 출구 구멍들(65, 67)을 통해 필터 요소(60)의 내부로부터 커플링 본체(71d)의 투과액 저장소(78) 안으로 흐르고, 덕트(8, 8')를 거쳐 투과액 저장소(78)와 연통하는 투과액 라인(30)을 통해 추가 배출된다. 투과액 저장소(78)를 통한 연결은 투과액 라인(30)과 덕트(8, 8')가 덕트(73)와 오버랩하게 될 필요가 없다는 것을 의미한다. 이것은 도면의 우측면 상에 부분적으로만 예시된 필터 모듈의 투과액 라인(30)이 바닥에 배열되고, 좌측면 상에 완전히 도시된 필터 모듈(10)의 투과액 라인(30)이 상부에 배열되어 있는, 도 4로부터 명백하다. 두 개의 필터 모듈의 투과액 라인(30)은 투과액 저장소(78)와 덕트(73)를 거쳐 연통한다. 동일한 구성이 농축 유체의 배출에 적용되는데, 여기서 도 4의 좌측 상에 도시된 필터 모듈(10)의 단부벽(3)의 통로(9)는 농축액 저장소(79)와 덕트(74)를 거쳐 우측 상에 도시된 필터 모듈의 단부벽(3')의 통로(9')와 연통한다.
본 발명에 따른 여과 시스템(1)의 특히 양호한 실시예로서, 종래 기술에서 지금까지 알려지지 않은 새로운 나선형 필터 모듈을 구비하는 실시예가 아래에서 기술된다. 특히 도 5 및 도 6a 내지 도 6d에 대한 참조가 이루어진다. 새로운 나선형 필터 모듈에서, 필터 막들(61, 63)은 양호하게는 배수 층(62)의 두 측면들 중의 하나에 각각 적층된다. 특히, 필터 요소(60)는 접착제 네트(adhesive nets) 또는 접착제 필름과 같은 액상 접착제 또는 고상 리본형 접착제 수단에 의해 두 개의 리본형 필터 막과 리본형 배수 층으로부터 실제로 연속적으로 작동된 라미네이터(laminator)로 적층되는, 리본형, 양호하게는 가요성 필터 복합 소재로부터 제조된다. 리본형 필터 복합 소재, 예를 들면, 제 1 리본형 필터 막을 제조하기 위해, 가열가소성 중합체(thermoplastic polymer)의 제 1 리본형 접착제 네트, 리본형 배수 층, 가열가소성 중합체의 제 2 리본형 접착제 네트, 및 제 2 리본형 여과 막은 각각 분리된 스톡 저장소 릴(separate stock reservoir reel)로부터 공급되어 리본형 스택을 형성하기 위해 압력 로울 쌍에서 결합되고, 리본형 스택은 그 상부 및 바닥 측면에서 가열된 로울 쌍에서 가열되고, 이어서 제 1 및 제 2 접착제 네트가 용해되고, 이어서 냉각되어, 배수 층을 필터 막에 강하게 접착시키도록 냉각된다.
배수 층은 유체를 배출시키기 위해 개방된 구조를 가지는 중합체, 무기성 또는 금속성 리본 소재로 구성된다. 배수 층의 소재는 양호하게는 플라스틱으로 만들어진 격자(lattice) 또는 스페이서 네트로 이루어진다. 종래 기술에서 공지된 스페이서 네트는 제 1 및 제 2 시트형 루프 구조물과 상기 제 1 및 제 2 루프 구조물들 사이에 배열된 파일 스레드(pile threads)의 시스템으로 이루어진다. 파일 스레드는 루프 구조물들의 날실(warp) 또는 씨실(weft) 방향으로 서로에 대해 질서 정연하게 간격을 이루고 있고, 각각의 파일 스레드는 파일 스레드가 톱니 모양 또는 나선 모양의 경로를 가지도록 제 1 및 제 2 루프 구조물의 루프(loops)를 교대로 통과한다.
필터 막은 하나 이상의 층, 양호하게는 두 개의 층으로 구성된다. 통상적인 2 층 필터 막은 지지용 부직포 및 다공질 막 층으로 이루어진다. 필터 복합 소재의 제조 중, 지지용 부직포는 다공질 막 층이 필터 복합 소재의 외측면 상에 배열되도록 배수 층에 접합 또는 적층된다. 다공질 막 층은 습식 응고(wet coagulation) 또는 적층에 의해 지지용 부직포에 접합된다. 습식 응고에서, 다공질 막 층은 지지용 부직포 상에 용착된다; 다른 말로 하면, 이것은 지지용 부직포 상으로 적층된다. 다공질 막 층은 양호하게는 폴리에테르 설폰(polyether sulfone), 폴리 설폰(polysulfone), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리비닐리덴 불화물(polyvinylidene fluoride), 폴리아미드(polyamide), 폴리에테르이미드(polyetherimide), 셀룰로오스 아세테이트(cellulose acetate), 재생 셀룰로오스(regenerated cellulose), 폴리올레핀(polyolefin), 또는 불소 중합체(fluoropolymer)로 이루어진다. 다공질 막 층은 예를 들면 중합체 용액으로 코팅되는 부직포(nonwoven fabric) 또는 직포(woven fabric)에 의해 제조되며, 중합체는 다음의 위상 전환 단계(phase inversion step)에서 침전된다. 게다가 택일적으로, 중합체 시트(polymer sheet)는 중합체 시트에서 작은 구멍을 형성하기 위해 적절하게 연신된다. 연신된 중합체 시트는 다음에 기계적인 안정화를 위해 지지용 부직포 상으로 적층된다. 이들 방법에 의해 제조된 필터 막은, 예를 들면, NADIR® 막 (MICRODYN-NADIR GmbH, 비스바덴) 또는 Celgard® 평면 시트 막 (Celgard Inc., Charlotte, NC, USA) 으로서 상업적으로 입수가 가능하다.
필터 요소(60)를 제조하기 위해, 적절한, 양호하게는 직사각형 형상을 갖는 필터 블랭크(filter blanks)는, 예를 들면, 상술한 형태의 필터 복합 소재로부터 절단된다. 얻어진 필터 블랭크는, 예를 들면, 다음과 같은 공지의 방법에 의해 가장자리에서 유체 밀봉 방식으로 밀폐된다.
- 접합(bonding), 열 또는 초음파 용접에 의해 여과 막에 배수 층을 접합하고;
- 점착(adhering), 필터 블랭크의 가장자리 영역에서, 액체 접착제가 배수 층과 필터 막 사이에 도입되어 경화/가교결합되고;
- 딥 세멘팅(dip cementing), 필터 블랭크의 가장자리 영역이 상부 및 바닥 측면 상에서 그리고 또한 절단 표면/접합 가장자리 상에서 그곳에 인가된 접착제를 가지고;
- 스레드(thread)로, 또는
- 기계적인 클램핑 장치에 의해 머신 스티칭(machine stitching)이 행해진다.
이 경우에, 필터 블랭크의 적어도 두 개의 상호 대향 가장자리 영역, 양호하게는 3 개 또는 4 개의 가장자리 영역은 그들의 전체 길이에 걸쳐 유체 밀봉 방식으로 밀폐된다.
이렇게 얻어진 양호한 직사각형 필터 요소(60)는 유체 밀봉 방식으로 밀폐된 제 1 및 제 2 가장자리 영역(64, 66)과 제 3 및 제 4의 개방(즉, 밀폐되지 않은) 또는 밀폐된 가장자리 영역(65, 67)을 가진다.
서로 적층된 하나 이상의 필터 요소(60)는 원통형 나선형 본체를 형성하기 위해 감겨져서, 예를 들면, 밴드 또는 링과 같은 적절한 기계적인 지지 장치에 의해 상기 형상으로 고정된다. 전형적인 나선형 배열이 도 5에 예시되어 있다. 평탄한 필터 요소(60)는 양호하게는 미처리 유체를 위한 분배기 파이프(40)의 주위로 감겨진다. 본 발명의 진전에서, 시트형 설계이고 유체가 관통해 통과할 수 있는 하나 이상의 스페이서 요소(80)는 나선형 본체가 감겨지기 전, 평탄한 필터 요소(60)의 단일 층 또는 다층 스택에 추가된다(도 5 참조). 상기 스페이서 요소(80)는, 예를 들면, 플라스틱으로 만들어진 와이드-메시 격자(wide-meshed lattices) 또는 네트(nets) 이다. 하나의 스페이서 요소(80)는 각각의 경우에 양호하게는 두 개의 평탄한 필터 요소(80) 사이에 삽입된다.
본 발명의 특히 양호한 실시예에서, 하나 이상의, 양호하게는 관형 투과액 라인(30)이 권취 구성(winding arrangement) 또는 나선형 본체에 추가된다. 투과액 라인(30)은 그 길이방향 축이 권취 구성의 길이방향 축에 실제로 평행하게 향해지는 방식으로 평탄한 필터 요소(60)와 스페이서 요소(80) 사이 또는 두 개의 인접한 평탄한 필터 요소(50)들 사이에 배열된다. 투과액 라인(30)의 길이는 여기서 나선형 배열의 길이, 즉, 평탄한 필터 요소(60)의 폭에 대응한다.
지지 장치에 의해 임의의 분배기 파이프(40)와 임의의 투과액 라인(30)에 고정되는 나선형 본체는 액화된, 경화 가능한 소재로 단부 측면 상에 주조함으로써 제 1 단부벽(3)에 제공되고, 상기 소재는 이어서 경화되고, 상기 제 1 단부벽(3)은 유체 밀봉 방식으로 제 3 가장자리(65)를 둘러싼다. 제 1 단부벽(3)을 제조하기 위해, 예를 들면, 직사각형 또는 원형 내측 횡단면과 평면 베이스(plane base)를 가지는 주조 몰드(casting mold)는 에폭시 수지로 예정된 높이까지 충진된다. 단부벽(3)을 보강하기 위해, 에폭시 수지에 유리 또는 탄소 섬유를 추가하는 것이 유리하다. 게다가 그 후에, 나선형 본체는 제 1 가장자리 영역(65)이 에폭시 수지에 완전히 잠겨지는 방식으로 주조 몰드에 관해 방향이 정해진다. 에폭시 수지는 다음에 제 1 가장자리 영역(65)을 유체 밀봉 방식으로 둘러싸는 프리폼(preform)을 형성하기 위해 열에 의해 또는 UV 광(UV light)에 의해 경화된다. 정밀하게 형성된 최종 형상을 갖는 제 1 단부벽(3)을 제공하기 위해, 그리고 가장자리 영역(65)을 단부벽(3)의 외측면(31) 상에 노출 및 개방하기 위해, 프리폼은 주조 몰드로부터 제거되고, 톱질(sawing), 밀링(milling), 선회(turning), 또는 연마기에 의해 기계적으로 가공되며, 따라서 유체가 평탄한 필터 요소(60)의 내부로, 즉 배수 층(62)으로 관통해 통과할 수 있는 통로(access)를 형성한다. 같은 방식으로, 임의의 분배기 파이프(40)와 임의의 투과액 라인(30)은 기계적인 가공에 의해 개방된다. 게다가 부가적으로, 필요할 경우, 드릴링(drilling) 또는 밀링이 투과액 라인(30)과 분배기 파이프(40)의 내부로부터 수지(resin)를 제거하기 위해 수행된다. 본 발명의 진전에서, 농축 유체를 위한 덕트(9)는 단부벽(3) 안으로 천공된다. 나선형 필터 모듈은 양호하게는 제 2 단부벽(3')에 제공되고, 여기서 제 2 단부벽(3')은 예를 들면 액화된, 경화 가능한 소재로 주조하고, 이어서 기계적인 가공을 함으로써 제 1 단부벽(3)과 같은 방식으로 제조된다.
두 개의 필터 막들(61, 63)과 그 사이에 위치된 배수 층(62)으로 이루어지는 3 층 구조로 인하여, 평탄한 필터 요소(60)는 튼튼하게 만들어져서 기계적인 손상 또는 누설을 형성하지 않고 2 바아(bar) 보다 큰, 양호하게는 10 바아 보다 큰, 그리고 특히 양호하게는 20 바아 보다 큰, 배수 층(62)과 필터 막들(61, 63)의 외측면 사이의 막 압력차(trans-membrane differential pressure)를 지탱한다. 본 발명에 따라서, 평탄한 필터 요소(60)는 축(2)의 방향으로, 0.1 내지 6.0 m, 양호하게는 0.4 내지 4.0 m, 그리고 특히 양호하게는 0.6 내지 2.5 m의 길이를 가진다. 나선형으로 감겨진 평탄한 필터 요소(60)에 충진되는 공간 영역은 나선형 권취부(spiral winding)의 중심 축으로서의 축(2)에 관하여, 0.05 내지 1.5 m, 양호하게는 0.1 내지 1.25 m, 그리고 특히 양호하게는 0.2 내지 0.8 m의 반경 방향 크기를 가진다. 이 경우에, 동일한 또는 추가의 평탄한 필터 요소(60)의, 외측면에 인접한, 내측면과 나선형으로 감긴 평탄한 필터 요소(60)의 외측면 사이의 반경 방향 거리(도 5에서 참조 부호 160으로 언급됨)는 0.1 내지 20 mm, 양호하게는 0.3 내지 8 mm, 그리고 특히 양호하게는 0.5 내지 3 mm 이다. 상술한 크기를 갖는 나선형으로 감긴 필터 모듈(1)은 단위 필터 모듈당 50 m2 보다 큰, 양호하게는 250 m2 보다 큰, 그리고 특히 양호하게는 1000 m2 보다 큰 활성 필터 모듈을 가진다.
도 5는 분배기 파이프(40)와 두 개의 나선형으로 감긴 평탄한 필터 요소(60) 및 상기 평탄한 필터 요소들(60) 사이에 배열된 스페이서 요소(80)를 갖는 양호한 필터 권취부(filter winding)의 횡단면도를 도식적으로 도시한다. 스페이서 요소(80)는 양호하게는 플라스틱의 와이드-메시 격자 또는 네트로 구성된다. 나선형으로 감긴 평탄한 필터 요소(60)의 외측면과 동일한 또는 추가의 평탄한 필터 요소(60)의, 상기 외측면에 인접한 내측면 사이의 반경 방향 거리는 이중 화살표(160)로 언급된다. 반경 방향 거리(160)는 0.1 내지 20 mm, 양호하게는 0.3 내지 8 mm, 그리고 특히 양호하게는 0.5 내지 3 mm 이다.
도 6c는 두 개의 단부벽(3, 3')과 하우징(4)을 갖는 양호한 나선형 필터 모듈의 부분적인 단면 사시도를 도시하며, 여기서 단부벽(3, 3')의 가장자리는 유체 밀봉 방식으로 하우징(4)에 연결된다. 단부벽(3, 3')에는 여과될 미처리 유체를 통해 배출하기 위한 중앙에 배열된 덕트(7, 7')가 유리하게 제공된다. 하우징(4)은 양호하게는 관형 구조로 이루어진다. 유리한 진전에서, 하우징(4)에는 단순한 방식으로 나선형 필터 모듈을 추가 필터 모듈에 또는 여과 시스템의 다른 부품에 연결하는 것을 가능하게 하는 플랜지(11, 13)가 그 단부 측면들 상에 제공된다. 나선형 필터 모듈은 기계적인 손상 또는 누설을 형성하지 않고 2 바아 보다 큰, 양호하게는 10 바아 보다 큰, 그리고 특히 양호하게는 20 바아 보다 큰 내압을 지탱한다.
도 6d는 두 개의 단부벽(3, 3')과 상기 단부벽(3, 3')에서 덕트(7, 7')를 연결하는 중앙에 배열된 분배기 파이프(40)를 갖는 양호한 나선형 필터 모듈을 도시한다. 분배기 파이프(40)의 벽은 나선형으로 감긴 평탄한 필터 요소들(60) 사이의 공간 속으로 미처리 유체가 반경 외측 방향으로 관통해 흐르는 하나 이상의 구멍(41)을 가진다. 더욱이, 도 6d는 농축 유체를 위한 덕트(8, 8') 및 덕트(9, 9')를 갖는 투과액 라인(30)을 도시한다.
1 여과 시스템
10, 10' 필터 모듈
3, 3' 필터 모듈의 단부벽
4 필터 모듈의 하우징
11, 13 하우징 플랜지
7, 7' 미처리 유체를 위한 단부벽의 덕트
8, 8' 투과 유체를 위한 단부벽의 덕트
9, 9' 농축 유체를 위한 단부벽의 덕트
30 투과액 라인
40 미처리 유체 라인, 분배기 파이프
41 미처리 유체 라인의 출구 구멍
60 필터 요소
65, 66, 67, 68 필터 요소의 가장자리 영역
70, 70a, 70b, 70c 유체 커플링
71a, 71b, 71c, 71d, 71e 커플링 본체
72 미처리 유체를 위한 유체 커플링의 덕트
73 투과 유체를 위한 유체 커플링의 덕트
74 농축 유체를 위한 유체 커플링의 덕트
75 미처리 유체를 위한 시일
76 투과 유체를 위한 시일
77 농축 유체를 위한 시일
78 투과액 저장소
79 농축액 저장소
200 미처리 유체
210 농축 유체
220 투과 유체

Claims (17)

  1. 여과 시스템(1)에 있어서,
    - 하나 이상의 필터 모듈들(10, 10'), 및
    - 상기 필터 모듈들(10, 10')을 유체 분배기에 결합하고 선택적으로 상기 필터 모듈들을 추가 필터 모듈들(10, 10')에 결합하기 위한 하나 이상의 유체 커플링들(70, 70a, 70b, 70c, 70c)을 포함하며,
    - 상기 필터 모듈들(10, 10')은 가장자리들에서 단일 또는 이중 투과액 출구 구멍들(65, 67)을 갖는 평탄한 필터, 모세관 튜브 필터 또는 감겨진 필터 모듈들(wound filter modules)로서 구성되며;
    상기 유체 커플링들(70, 70a, 70b, 70c)은 투과 유체를 위한 적어도 하나의 덕트(73)를 가지며, 그리고
    - 투과 유체를 위한 덕트(73)는 상기 투과액 출구 구멍들(65, 67)에 연결되는 여과 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 유체 커플링(70, 70a, 70b, 70c)은 투과 유체를 위한 상기 덕트(73)로부터 유체 밀봉 방식으로 격리되는, 미처리 유체를 위한 적어도 하나의 덕트(72)를 가지는 것을 특징으로 하는 여과 시스템.
  3. 제 1 항 및 제 2 항의 하나 이상의 항에 있어서,
    상기 유체 커플링(70, 70a, 70b, 70c)은 투과 유체를 위한 상기 덕트(73)로부터 유체 밀봉 방식으로 격리되는, 농축 유체를 위한 적어도 하나의 덕트(74)를 가지는 것을 특징으로 하는 여과 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 유체 커플링(70, 70a, 70b, 70c)은 단일 피스, 2 피스 또는 3 피스 설계로 이루어지는 커플링 본체(7la, 7lb, 71c, 7ld, 7le)를 포함하는 것을 특징으로 하는 여과 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 유체 커플링(70, 70a, 70b, 70c)은 단일 피스 설계로 이루어지는 커플링 본체(71d, 71e)를 포함하고 적어도 하나의 투과액 저장소(78)를 가지며, 상기 투과액 저장소(78)는 투과 유체를 위한 상기 덕트(73)에 그리고 상기 필터 모듈들(10, 10')의 상기 투과액 출구 구멍들(65, 67)에 연결되는 것을 특징으로 하는 여과 시스템.
  6. 제 3 항 및 제 5 항에 있어서,
    단일 피스 설계로 이루어지는 상기 커플링 본체(71d, 71e)는 적어도 하나의 농축액 저장소(79)를 포함하며, 상기 농축액 저장소(79)는 농축 유체(74)를 위한 상기 덕트에 연결되는 것을 특징으로 하는 여과 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 유체 커플링들(70, 70a, 70b, 70c)은 시일들(75, 76, 77)을 구비하며, 상기 시일들(75, 76, 77)은 양호하게는 환상으로 폐쇄되는 것을 특징으로 하는 여과 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 필터 모듈들(10, 10')은 하나 또는 두 개의 단부벽(3, 3')을 포함하며, 적어도 하나의 단부벽(3,3')은 투과액 출구 구멍들(65,67)을 가지는 것을 특징으로 하는 여과 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 필터 모듈들(10, 10')의 적어도 하나의 단부벽(3, 3')은 투과 유체를 위한 하나 이상의 덕트들(8, 8')을 가지는 것을 특징으로 하는 여과 시스템.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 필터 모듈들(10, 10')의 적어도 하나의 단부벽(3, 3')은 미처리 유체를 위한 하나 이상의 덕트들(7, 7')을 가지는 것을 특징으로 하는 여과 시스템.
  11. 제 8 항 내지 제 10 항의 한 항 또는 그 이상의 항에 있어서,
    상기 필터 모듈들(10, 10')의 적어도 하나의 단부벽(3, 3')은 농축 유체를 위한 하나 이상의 덕트들(9, 9')을 가지는 것을 특징으로 하는 여과 시스템.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 필터 모듈들(10, 10')은 하우징(4)을 포함하는 것을 특징으로 하는 여과 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 필터 모듈들의 상기 하우징(4)은 관형 구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 여과 시스템.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 필터 모듈들(10, 10')은 하나 이상의 투과액 라인들(30)을 포함하는 것을 특징으로 하는 여과 시스템.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 필터 모듈들(10, 10')은 하나 이상의 미처리 유체 라인들(40)을 포함하며, 상기 미처리 유체 라인들(40)의 벽은 출구 구멍들(41)을 가지는 것을 특징으로 하는 여과 시스템.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 필터 모듈들(10, 10')은 나선형으로 감긴 필터 모듈들로 구성되고, 각각의 경우에 유체 밀봉 방식으로 밀폐된 두 개 또는 세 개의 가장자리 영역들(66, 67, 68)을 가지는 하나 이상의 평탄한 필터 요소들(60)을 포함하며, 상기 가장자리 영역들(66, 68)의 두 개는 상기 필터 모듈들(10, 10')의 두 개의 단부 측면들 사이에서 실제로 축방향으로 작용하는 유체 밀봉 방식으로 밀폐되는 것을 특징으로 하는 여과 시스템.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 필터 모듈들(10, 10')은 50 m2 보다 큰, 양호하게는 250 m2 보다 큰, 그리고 특히 양호하게는 1000 m2 보다 큰 활성 여과 표면을 가지는 것을 특징으로 하는 여과 시스템.

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