KR20140099752A - 중공사막 및 이를 포함하는 중공사막 모듈 - Google Patents

중공사막 및 이를 포함하는 중공사막 모듈 Download PDF

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오영석
이진형
이무석
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Abstract

본 발명은 중공사막 및 이를 포함하는 중공사막 모듈에 관한 것으로서, 상기 중공사막은 길이 방향에 따라 내경, 외경 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나가 변한다.
상기 중공사막은 중공사막 내외부의 유체 흐름을 난류로 유도하여 유동 균일성을 향상시킴에 따라 이를 포함하는 중공사막 모듈의 성능을 극대화할 수 있다.

Description

중공사막 및 이를 포함하는 중공사막 모듈{HOLLOW FIBER MEMBRANE AND HOLLOW FIBER MEMBRANE MODULE COMPRISING THE SAME}
본 발명은 중공사막 및 이를 포함하는 중공사막 모듈에 대한 것으로서, 보다 상세하게는 중공사막 내외부의 유체 흐름을 난류로 유도하여 유동 균일성을 향상시킴에 따라 이를 포함하는 중공사막 모듈의 성능을 극대화할 수 있는 중공사막 및 이를 포함하는 중공사막 모듈에 관한 것이다.
상기 중공사막은 기체 분리 모듈, 가습 모듈 또는 수처리 모듈 등의 중공사막 모듈에 적용될 수 있다.
연료전지란 수소와 산소를 결합시켜 전기를 생산하는 발전(發電)형 전지이다. 연료전지는 건전지나 축전지 등 일반 화학전지와 달리 수소와 산소가 공급되는 한 계속 전기를 생산할 수 있고, 열손실이 없어 내연기관보다 효율이 2배가량 높다는 장점이 있다. 또한, 수소와 산소의 결합에 의해 발생하는 화학 에너지를 전기 에너지로 직접 변환하기 때문에 공해물질 배출이 낮다. 따라서, 연료전지는 환경 친화적일 뿐만 아니라 에너지 소비 증가에 따른 자원 고갈에 대한 걱정을 줄일 수 있다는 장점을 갖는다. 이러한 연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라 크게 고분자 전해질형 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC), 인산형 연료전지(PAFC), 용융 탄산염형 연료전지(MCFC), 고체 산화물형 연료전지(SOFC), 및 알칼리형 연료전지(AFC) 등으로 분류할 수 있다. 이들 각각의 연료전지는 근본적으로 동일한 원리에 의해 작동하지만 사용되는 연료의 종류, 운전 온도, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다. 이 가운데서 고분자 전해질형 연료전지는 다른 연료전지에 비해 저온에서 동작한다는 점, 및 출력밀도가 커서 소형화가 가능하기 때문에 소규모 거치형 발전장비뿐만 아니라 수송 시스템에서도 가장 유망한 것으로 알려져 있다.
고분자 전해질형 연료전지의 성능을 향상시키는데 있어서 가장 중요한 요인 중 하나는, 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly: MEA)의 고분자 전해질 막(Polymer Eletrolyte Membrane 또는 Proton Exchange Membrane: PEM)에 일정량 이상의 수분을 공급함으로써 함수율을 유지하도록 하는 것이다. 고분자 전해질 막이 건조되면 발전 효율이 급격히 저하되기 때문이다. 고분자 전해질 막을 가습하는 방법으로는, 1) 내압용기에 물을 채운 후 대상 기체를 확산기(diffuser)로 통과시켜 수분을 공급하는 버블러(bubbler) 가습 방식, 2) 연료전지 반응에 필요한 공급 수분량을 계산하여 솔레노이드 밸브를 통해 가스 유동관에 직접 수분을 공급하는 직접 분사(direct injection) 방식, 및 3) 고분자 분리막을 이용하여 가스의 유동층에 수분을 공급하는 가습 막 방식 등이 있다. 이들 중에서도 배기 가스 중에 포함되는 수증기만을 선택적으로 투과시키는 막을 이용하여 수증기를 고분자 전해질 막에 공급되는 가스에 제공함으로써 고분자 전해질 막을 가습하는 가습 막 방식이 가습기를 경량화 및 소형화할 수 있다는 점에서 유리하다.
가습 막 방식에 사용되는 선택적 투과막은 모듈을 형성할 경우 단위 체적당 투과 면적이 큰 중공사막이 바람직하다. 즉, 중공사막을 이용하여 가습기를 제조할 경우 접촉 표면적이 넓은 중공사막의 고집적화가 가능하여 소용량으로도 연료전지의 가습이 충분히 이루어질 수 있고, 저가 소재의 사용이 가능하며, 연료전지에서 고온으로 배출되는 미반응 가스에 포함된 수분과 열을 회수하여 가습기를 통해 재사용할 수 있다는 이점을 갖는다.
그러나, 종래 중공사막은 단일의 노즐을 통하여 일정한 조건으로 생산되기 때문에 균일한 외경과 내경을 갖는 직선 형태를 가지고 있다. 이러한 형태의 중공사막은 기체 분리 또는 액체 분리용 모듈 내부에 장착될 경우 유동 저항을 최소화하기 때문에 난류 형성에 의한 균일한 유동을 만들어내기 어려우며 제품의 성능을 극대화 하는데 장애로 작용한다. 이러한 단점을 보완하기 위하여 유동 저항을 부여하는 부재 또는 배플을 부가할 수 있지만 제조비용의 상승과 설계의 어려움을 극복해야 한다.
대한민국 공개특허 제10-2009-0013304호(공개일: 2009.02.05) 대한민국 공개특허 제10-2009-0057773호(공개일: 2009.06.08) 대한민국 공개특허 제10-2009-0128005호(공개일: 2009.12.15) 대한민국 공개특허 제10-2010-0108092호(공개일: 2010.10.06) 대한민국 공개특허 제10-2010.0131631호(공개일: 2010.12.16) 대한민국 공개특허 제10-2011-0001022호(공개일: 2011.01.06) 대한민국 공개특허 제10-2011-0006122호(공개일: 2011.01.20) 대한민국 공개특허 제10-2011-0006128호(공개일: 2011.01.20) 대한민국 공개특허 제10-2011-0021217호(공개일: 2011.03.04) 대한민국 공개특허 제10-2011-0026696호(공개일: 2011.03.16 대한민국 공개특허 제10-2011-0063366호(공개일: 2011.06.10
본 발명의 목적은 중공사막 내외부의 유체 흐름을 난류로 유도하여 유동 균일성을 향상시킴에 따라 이를 포함하는 중공사막 모듈의 성능을 극대화할 수 있는 중공사막을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 중공사막을 포함하는 중공사막 모듈을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 중공사막은 길이 방향에 따라 내경, 외경 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나가 변한다.
상기 중공사막의 내경, 외경 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 길이 방향에 따른 변화는 주기를 가질 수 있다.
상기 중공사막의 내경, 외경 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 길이 방향에 따른 변화는 상기 중공사막의 평균 외경의 2 내지 40배 길이를 주기로 반복될 수 있다.
상기 중공사막의 내경은 평균 내경의 ±40 길이% 이내에서 길이 방향에 따라 변할 수 있다.
상기 중공사막의 외경은 평균 외경의 ±20길이% 이내에서 길이 방향에 따라 변할 수 있다.
상기 중공사막의 외경은 0.5 내지 1.8mm일 수 있고, 상기 중공사막의 내경은 0.2 내지 1.5mm일 수 있다.
상기 중공사막은 상기 외경이 최대값을 갖는 위치에서 상기 내경이 최대값을 가지고, 상기 외경이 최소값을 갖는 위치에서 상기 내경이 최소값을 가질 수 있다.
상기 중공사막은 상기 외경이 최대값을 갖는 위치에서 두께가 최대값을 가지고, 상기 외경이 최소값을 갖는 위치에서 두께가 최소값을 가질 수 있다.
상기 중공사막은 길이 방향에 따라 내경이 변하고, 외경은 일정할 수 있다.
상기 중공사막은 길이 방향에 따라 외경이 변하고, 내경은 일정할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 중공사막 모듈은 하우징부, 그리고 상기 하우징부에 내장되며, 복수의 중공사막을 포함하는 중공사막부를 포함하며, 상기 중공사막 중 적어도 어느 하나는 길이 방향에 따라 내경, 외경 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나가 변할 수 있다.
상기 하우징부는 양단이 개방되고, 외표면에 주입구와 배출구가 형성될 수 있다.
상기 중공사막 모듈은 상기 중공사막의 양단부를 상기 하우징부에 고정시키며, 상기 하우징부의 양단부와 기밀 가능하게 접하는 포팅부를 더 포함할 수 있다.
상기 중공사막 모듈은 상기 하우징부의 각 양단에 결합되며, 기체 출입구가 형성되어 있는 커버들을 더 포함할 수 있다.
상기 중공사막 모듈은 기체 분리 모듈, 가습 모듈 및 수처리 모듈로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
본 발명의 중공사막은 중공사막 내외부의 유체 흐름을 난류로 유도하여 유동 균일성을 향상시킴에 따라 이를 포함하는 중공사막 모듈의 성능을 극대화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 중공사막을 포함하는 중공사막 모듈을 일부 분해한 사시도이다.
도 2는 도 1의 중공사막 모듈의 일부 단면도이다.
도 3은 종래의 중공사막의 종단면도이다.
도 4는 도 3의 A-A' 부분의 횡단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 중공사막의 종단면도이다.
도 6은 도 5의 B-B' 부분의 횡단면도이다.
도 7은 도 5의 A-A' 부분의 횡단면도이다.
도 8는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 중공사막의 종단면도이다.
도 9는 도 8의 B-B' 부분의 횡단면도이다.
도 10은 도 8의 A-A' 부분의 횡단면도이다.
도 11은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 중공사막의 종단면도이다.
도 12는 도 11의 A-A' 부분의 횡단면도이다.
도 13은 도 11의 B-B' 부분의 횡단면도이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 중공사막을 포함하는 중공사막 모듈을 일부 분해한 사시도이고, 도 2는 상기 중공사막 모듈의 일부 단면도이다. 상기 도 1 및 도 2에 도시된 중공사막 모듈은 가습 모듈을 일 실시예로서 도시한 것이다. 그러나, 상기 중공사막 모듈은 상기 가습 모듈에 한정되지 않으며, 기체 분리 모듈 또는 수처리 모듈 등일 수 있다.
상기 도 1 및 도 2를 참고하면, 상기 중공사막 모듈(10)은 하우징부(1), 중공사막부(4), 포팅부(2) 및 커버들(5)을 포함한다.
상기 하우징부(1)와 상기 커버들(5)은 상기 중공사막 모듈(10)의 외형을 이루는 부재들이다. 상기 하우징부(1)와 상기 커버들(5)은 폴리카보네이트 등의 경질 플라스틱이나 금속으로 이루어질 수 있다.
상기 하우징부(1)의 개방된 양단은 포팅부(2)에 매립되고, 상기 포팅부(2)는 상기 하우징부(1)의 둘레부(12)에 의하여 감싸진다. 상기 둘레부(12)에는 가습 기체가 공급되는 주입홀(121)이 형성되어 있으며, 타단부를 감싸는 상기 둘레부(12)에는 상기 하우징부(1)의 내부를 통과한 가습기체가 빠져나가는 배출홀(122)이 형성되어 있다.
상기 하우징부(1)의 내부에는 수분을 선택적으로 통과시키는 복수의 중공사막(41)을 포함하는 중공사막부(4)가 내장된다. 여기서 상기 중공사막(41)의 재질은 공지된 바에 따른 것으로 본 명세서에서 자세한 설명은 생략한다.
상기 포팅부(2)는 상기 중공사막부(4)의 양단부에서 상기 중공사막들(41)을 결속하면서 상기 중공사막들(41)의 사이의 공극을 메운다. 상기 포팅부(2)는 상기 하우징부(1)의 양단부의 내측면에 접하여 상기 하우징부(1)를 기밀시킬 수 있다. 상기 포팅부(2)의 재질은 공지된 바에 따른 것으로 본 명세서에서 자세한 설명은 생략한다.
상기 포팅부(2)는 상기 하우징부(1)의 양단 내부 각각에 형성됨으로써 상기 중공사막부(4)는 그 양단부가 상기 하우징부(1)에 고정된다. 이로써 상기 하우징부(1)는 양단이 상기 포팅부(2)에 막히어 그 내부에는 가습 기체가 통과하는 유로가 형성된다.
한편, 상기 커버(5)는 상기 하우징부(1)의 각 양단에 결합된다. 상기 각 커버(5)에는 기체 출입구(51)가 형성되어 있다. 상기 일측 커버(5)의 기체 출입구(51)로 유입된 작동 기체는 중공사막의 내부 관로를 통과하며 가습되고, 타측 커버(5)의 기체 출입구(51)로 빠져나가게 된다.
상기 도 2를 참조하면, 상기 포팅부(2)는 상기 둘레부(12)의 끝단(12a)의 대략 중간 부분에서 상기 하우징부(1)의 중심을 향하여 오름 경사지게 형성될 수 있고, 상기 중공사막들(41)은 상기 포팅부(2)를 관통하여 상기 포팅부(2)의 끝단에서 관로가 노출될 수 있다. 상기 포팅부(2)에 의하여 가려지지 아니한 상기 둘레부(12)의 끝단(12a)에는 실링부재(S)가 대어지고, 상기 커버(5)가 이를 가압하며 상기 하우징부(1)에 결합될 수 있다.
한편, 상기 중공사막(41)은 길이 방향에 따라 내경, 외경 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나가 변한다. 이하, 도 3 내지 도 13을 참조하여, 상기 중공사막(41)에 대하여 상세히 설명한다.
도 3은 종래의 중공사막의 종단면도이고, 도 4는 상기 도 3의 A-A' 부분의 횡단면도이다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 중공사막의 종단면도이고, 도 6은 상기 도 5의 B-B' 부분의 횡단면도이고, 도 7은 상기 도 5의 A-A' 부분의 횡단면도이다. 도 8는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 중공사막의 종단면도이고, 도 9는 상기 도 8의 B-B' 부분의 횡단면도이고, 도 10은 상기 도 8의 A-A' 부분의 횡단면도이다. 도 11은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 중공사막의 종단면도이고, 도 12는 상기 도 11의 A-A' 부분의 횡단면도이고, 도 13은 상기 도 11의 B-B' 부분의 횡단면도이다.
상기 도 3 및 4를 참조하면, 종래의 중공사막(42)은 길이 방향에 따라 내경(AI)과 외경(AO)이 일정하다.
반면, 상기 도 5 내지 13을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 중공사막(43, 44, 45)은 길이 방향에 따라 내경, 외경 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나가 변한다. 상기 중공사막(43, 44, 45)은 상기 중공사막(43, 44, 45) 내외부의 유체 흐름을 난류로 유도하여 유동 균일성을 향상시킴에 따라 이를 포함하는 상기 중공사막 모듈(10)의 성능을 극대화할 수 있다.
상기 중공사막(43, 44, 45)의 내경, 외경 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 길이 방향에 따른 변화는 주기를 가지며, 규칙적으로 변할 수 있다. 구체적으로, 상기 중공사막(43, 44, 45)의 내경, 외경 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 길이 방향에 따른 변화는 상기 중공사막(43, 44, 45)의 평균 외경의 2 내지 40배 길이를 주기로 반복될 수 있다. 상기 변화 주기가 평균 외경의 2배 미만인 경우 그러한 중공사막을 제조하기 용이하지 않은 문제가 있을 수 있고, 40배를 초과하는 경우 길이 방향의 외경 변화 부여로 인한 난류 유발이 효과적이지 않을 수 있다. 상기 중공사막(43, 44, 45)의 평균 외경은 상기 길이 방향의 1주기 동안 변화하는 외경의 최대값과 최소값의 산술평균으로 구할 수 있다.
상기 중공사막(43, 44, 45)의 내경은 평균 내경의 ±40 길이% 이내에서 길이 방향에 따라 변할 수 있고, 바람직하게 ±20 길이%로 길이 방향에 따라 변할 수 있다. 상기 중공사막(43, 44, 45)의 내경이 평균 내경의 ±40 길이%를 초과하여 변하는 경우 상기 중공사막을 안정적으로 제조하기 용이하지 않다. 상기 중공사막(43, 44, 45)의 평균 내경은 길이 방향의 1 주기 동안 변화하는 내경의 최대값과 최소값의 산술평균으로 구할 수 있다.
상기 중공사막(43, 44, 45)의 외경은 평균 외경의 ±40 길이% 이내에서 길이 방향에 따라 변할 수 있고, 바람직하게 ±20 길이% 로 길이 방향에 따라 변할 수 있다. 상기 중공사막(43, 44, 45)의 외경이 평균 외경의 ±40 길이%를 초과하여 변하는 경우 상기 중공사막을 안정적으로 제조하기 용이하지 않다.
상기 중공사막(43, 44, 45)의 외경은 0.5 내지 1.8mm일 수 있고, 상기 중공사막(43, 44, 45)의 내경은 0.2 내지 1.5mm일 수 있다. 상기 중공사막(43, 44, 45)의 외경이 0.5mm 미만이면 길이 방향의 직경 변화를 부여하기 어려운 문제가 있을 수 있고, 1.8mm를 초과하면 한정된 하우징에 적용할 수 있는 중공사막의 막면적을 극대화하기 용이하지 않을 수 있다. 또한, 상기 중공사막(43, 44, 45)의 내경이 0.2mm 미만이면 길이 방향의 직경 변화를 부여하기 어려울 수 있고, 1.5mm를 초과하면 한정된 하우징에 적용할 수 있는 중공사막의 막면적을 극대화하기 용이하지 않을 수 있다.
구체적으로, 상기 도 5 내지 도 7을 참고하면, 상기 중공사막(43)은 A-A' 부분(43A-43A')에서의 외경(AO)과 B-B' 부분(43B-43B')에서의 외경(BO)이 상이할 수 있다. 또한, 상기 중공사막(43)은 A-A' 부분(43A-43A')에서의 내경(AI)과 B-B' 부분(43B-43B')에서의 내경(BI)이 상이할 수 있다.
또한, 상기 중공사막(43)은 상기 외경(AO)이 최대값을 갖는 A-A' 부분(43A-43A')에서 상기 내경(AI)이 최대값을 가질 수 있고, 상기 외경(BO)이 최소값을 갖는 B-B' 부분(43B-43B')에서 상기 내경(BI)이 최소값을 가질 수 있다.
또한, 상기 중공사막(43)은 상기 외경(AO) 또는 상기 내경(AI)이 최대값을 갖는 A-A' 부분(43A-43A')에서 그 두께가 최대값을 가질 수 있고, 상기 외경(BO) 또는 상기 내경(BI)이 최소값을 갖는 B-B' 부분(43B-43B')에서 그 두께가 최소값을 가질 수 있다.
한편, 상기 도 8 내지 도 10을 참고하면, 상기 중공사막(44)은 길이 방향에 따라 외경이 변하고, 내경은 일정할 수 있다. 즉, 상기 중공사막(44)은 A-A' 부분(44A-44A')과 B-B' 부분(44B-44B')에서 내경(AI, BI)은 동일하지만, 외경(AO, BO)은 상이할 수 있다.
또한, 상기 도 11 내지 도 13을 참고하면, 상기 중공사막(45)은 길이 방향에 따라 내경이 변하고, 외경은 일정할 수도 있다. 즉, 상기 중공사막(45)은 A-A' 부분(45A-45A')과 B-B' 부분(45B-45B')에서 외경(AO, BO)은 동일하지만, 내경(AI, BI)은 상이할 수 있다.
한편, 상기 중공사막(43, 44, 45)은 이중관형 노즐을 이용한 습식방사를 통하여 제조할 수 있다. 상기 이중관형 노즐을 이용한 습식방사는 노즐의 코어를 통하여 비용매가 토출되며 이중관의 간극에서 고분자 도프가 토출된다. 이때, 코어를 통하여 나오는 비용매의 토출량과 도프의 토출량을 주기적으로 변화시키면 상기 중공사막(43, 44, 45)을 제조할 수 있다. 구체적으로, 코어 토출 속도를 6.5 g/min 내지 6.9 g/min, 도프 토출 속도를 3.5 g/min 내지 4.1 g/sec로 0.1초 내지 1분의 주기로 변화시켜주면 된다.
[ 실시예 : 가습 모듈의 제조]
( 실시예 1)
폴리이미드 재질의 중공사막(외경이 길이 방향 20mm를 주기로 850 내지 950 um로 변하고, 내경이 길이 방향 20mm를 주기로 650 내지 750um로 변함) 19,000개를 하우징(지름 202mm, 길이 400mm) 내부에 배치시키고, 상기 하우징 양단에 포팅부 형성용 캡을 씌우고, 상기 중공사막 다발의 사이 공간 및 상기 중공사막 다발과 상기 하우징 사이 공간에 포팅용 조성물을 주입한 후, 경화시켜 실(seal)하였다. 상기 포팅부 형성용 캡을 제거한 후, 상기 경화된 중공사막 포팅용 조성물의 끝단의 절단하여 상기 중공사막 다발의 끝단이 상기 포팅부 절단부에 드러나도록 하여 포팅부(지름 200mm, 길이 300mm)를 형성한 후, 상기 하우징의 양단부에 커버를 씌워 가습 모듈을 제조하였다.
이때, 상기 중공사막은 이중관형 노즐을 이용한 습식방사를 통하여 제조하였으며, 구체적으로 코어 토출 속도를 6.5 g/min 내지 6.9 g/min, 도프 토출 속도를 3.5 g/min 내지 4.1 g/sec로 1 sec의 주기로 변화시키면서 평균외경 900 um, 평균내경 700 um가 되도록 제조하였다.
( 실시예 2)
폴리이미드 재질의 중공사막(외경이 900um로 일정하고, 내경이 길이 방향 20 mm를 주기로 650 내지 750um로 변함) 19,000개를 하우징(지름 202mm, 길이 400mm) 내부에 배치시키고, 상기 하우징 양단에 포팅부 형성용 캡을 씌우고, 상기 중공사막 다발의 사이 공간 및 상기 중공사막 다발과 상기 하우징 사이 공간에 포팅용 조성물을 주입한 후, 경화시켜 실(seal)하였다. 상기 포팅부 형성용 캡을 제거한 후, 상기 경화된 중공사막 포팅용 조성물의 끝단의 절단하여 상기 중공사막 다발의 끝단이 상기 포팅부 절단부에 드러나도록 하여 포팅부(지름 200mm, 길이 300mm)를 형성한 후, 상기 하우징의 양단부에 커버를 씌워 가습 모듈을 제조하였다.
이때, 상기 중공사막은 이중관형 노즐을 이용한 습식방사를 통하여 제조하였으며, 구체적으로 코어 토출 속도를 6.5 g/min 내지 6.9 g/min, 도프 토출 속도를 3.5 g/min 내지 4.1 g/sec로 1 sec의 주기로 변화시키면서 평균외경 900 um, 평균내경 700 um가 되도록 제조하였다.
( 실시예 3)
폴리이미드 재질의 중공사막(외경이 길이 방향 20mm를 주기로 850 내지 950 um로 변하고, 내경이 700um로 일정함) 19,000개를 하우징(지름 202mm, 길이 400mm) 내부에 배치시키고, 상기 하우징 양단에 포팅부 형성용 캡을 씌우고, 상기 중공사막 다발의 사이 공간 및 상기 중공사막 다발과 상기 하우징 사이 공간에 포팅용 조성물을 주입한 후, 경화시켜 실(seal)하였다. 상기 포팅부 형성용 캡을 제거한 후, 상기 경화된 중공사막 포팅용 조성물의 끝단의 절단하여 상기 중공사막 다발의 끝단이 상기 포팅부 절단부에 드러나도록 하여 포팅부(지름 200mm, 길이 300mm)를 형성한 후, 상기 하우징의 양단부에 커버를 씌워 가습 모듈을 제조하였다.
이때, 상기 중공사막은 이중관형 노즐을 이용한 습식방사를 통하여 제조하였으며, 구체적으로 코어 토출 속도를 6.5 g/min 내지 6.9 g/min, 도프 토출 속도를 3.5 g/min 내지 4.1 g/sec로 1 sec의 주기로 변화시키면서 평균외경 900 um, 평균내경 700 um가 되도록 제조하였다.
( 비교예 1)
폴리이미드 중공사막(외경 900um, 내경 700um) 19,000개를 하우징(지름 202mm, 길이 400mm) 내부에 배치시키고, 상기 하우징 양단에 포팅부 형성용 캡을 씌우고, 상기 중공사막 다발의 사이 공간 및 상기 중공사막 다발과 상기 하우징 사이 공간에 포팅용 조성물을 주입한 후, 경화시켜 실(seal)하였다. 상기 포팅부 형성용 캡을 제거한 후, 상기 경화된 중공사막 포팅용 조성물의 끝단의 절단하여 상기 중공사막 다발의 끝단이 상기 포팅부 절단부에 드러나도록 하여 포팅부(지름 200mm, 길이 300mm)를 형성한 후, 상기 하우징의 양단부에 커버를 씌워 가습 모듈을 제조하였다.
[ 실험예 : 제조된 포팅부의 성능 측정]
상기 실시예 및 비교예에서 제조된 가습 모듈에 대하여 상기 중공사막 외측으로 온도 80℃, 습도 80%의 습윤 공기 100 g/sec을 0.5bar의 압력으로 공급하고, 중공사막 내측으로는 30도, 습도 30 % 의 건조공기를 공급한 후 30 분간 유지하였다.
이후 중공사막 내측으로 공급한 공기 흐름의 배출구에서의 온도, 상대습도, 절대습도 그리고 압력을 측정하였다.
압력저하
(kPa)		 온도
(℃)		 상대습도
(%)		 절대습도
(HR, g/kg)
실시예 1 12.9 66 46 75.5
실시예 2 12.6 67 42 71.5
실시예 3 11.3 67 43 73.8
비교예 1 11.5 66 38 60.7
상기 표 1을 참조하면, 상기 실시예에서 제조된 가습 모듈은 비교예에서 제조된 가습 모듈에 비하여 압력저하는 증가하나 가습성능이 많이 향상됨을 알 수 있다.
이는 상기 실시예 1 내지 3에서 제조된 가습 모듈은 동일한 평균 내경 또는 평균 외경의 중공사막이 적용되었지만 일정한 주기로 변화하는 내경 또는 외경을 가짐으로써 수분이 전달되는 중공사막의 표면에서 난류를 유발시키게 되며, 물질전달 계수가 증가됨을 알 수 있다. 결국, 가습 모듈의 경우 가장 중요한 성능인 가습 성능의 향상 효과를 얻을 수 있다.
특히, 상기 실시예 1에서 적용된 중공사막의 경우 내경과 외경 모두 일정한 주기로 치수를 변화시켰으며, 이에 따라 중공사막 내부와 외부에서의 난류 유동 효과로 물질전달 계수가 향상되어 가습 성능이 가장 높음을 확인할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
10 : 중공사막 모듈
1 : 하우징부
12 : 둘레부
121 : 주입홀
122 : 배출홀
12a : 둘레부의 끝단
2 : 포팅부
4 : 중공사막부
41, 42, 43, 44 : 중공사막
42A-42A', 43A-43A', 44A-44A', 45A-45A' : A-A' 부분
43B-43B', 44B-44B', 45B-45B' : B-B' 부분
5 : 커버
51 : 기체 출입구
AI : A-A' 부분의 내경
AO : A-A' 부분의 외경
BI : B-B' 부분의 내경
BO : B-B' 부분의 외경
S: 실링부재

Claims (16)

  1. 길이 방향에 따라 내경, 외경 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나가 변하는 중공사막.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 중공사막의 내경, 외경 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 길이 방향에 따른 변화는 주기를 가지는 것인 중공사막.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 중공사막의 내경, 외경 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 길이 방향에 따른 변화는 상기 중공사막의 평균 외경의 2 내지 40배 길이를 주기로 반복되는 것인 중공사막.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 중공사막의 내경은 평균 내경의 ±40 길이% 이내에서 길이 방향에 따라 변하는 것인 중공사막.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 중공사막의 외경은 평균 외경의 ±40 길이% 이내에서 길이 방향에 따라 변하는 것인 중공사막.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 중공사막의 외경은 0.5 내지 1.8mm인 것인 중공사막.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 중공사막의 내경은 0.2 내지 1.5mm인 것인 중공사막.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 중공사막은 상기 외경이 최대값을 갖는 위치에서 상기 내경이 최대값을 가지고, 상기 외경이 최소값을 갖는 위치에서 상기 내경이 최소값을 가지는 것인 중공사막.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 중공사막은 상기 외경이 최대값을 갖는 위치에서 두께가 최대값을 가지고, 상기 외경이 최소값을 갖는 위치에서 두께가 최소값을 가지는 것인 중공사막.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 중공사막은 길이 방향에 따라 내경이 변하고, 외경은 일정한 것인 중공사막.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 중공사막은 길이 방향에 따라 외경이 변하고, 내경은 일정한 것인 중공사막.
  12. 하우징부, 그리고
    상기 하우징부에 내장되며, 복수의 중공사막을 포함하는 중공사막부를 포함하며,
    상기 중공사막 중 적어도 어느 하나는 길이 방향에 따라 내경, 외경 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나가 변하는 것인 중공사막 모듈.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 하우징부는 양단이 개방되고, 외표면에 주입구와 배출구가 형성된 것인 중공사막 모듈.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 중공사막 모듈은 상기 중공사막의 양단부를 상기 하우징부에 고정시키며, 상기 하우징부의 양단부와 기밀 가능하게 접하는 포팅부를 더 포함하는 것인 중공사막 모듈.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 중공사막 모듈은 상기 하우징부의 각 양단에 결합되며, 기체 출입구가 형성되어 있는 커버들을 더 포함하는 것인 중공사막 모듈.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 중공사막 모듈은 기체 분리 모듈, 가습 모듈 및 수처리 모듈로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것인 중공사막 모듈.
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