KR20150078541A - 유체교환막 모듈 - Google Patents

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오영석
이진형
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코오롱인더스트리 주식회사
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Abstract

본 발명은 하우징과 중공사막 다발을 포함하는 유체교환막 모듈에 관한 것이다.
하우징은 제1 유체 유입구와 제1 유체 배출구와 제2 유체 유입구와 제2 유체 배출구를 갖는다. 중공사막 다발은 하우징 내에 고정되며, 중공사막 다발의 일측 끝 면은 상기 제2 유체 유입구 또는 상기 제2 유체 배출구를 향하여 기울어져 있다.
본 발명의 의한 유체교환막 모듈에 의하면, 간단한 구조로 중공사막 전체에 걸쳐 가습 정도를 균등하게 하고 작동유체가 가습되지 않는 비가습 영역을 줄이므로써 동일한 중공사막의 크기에서 가습효율을 높이는 효과가 있다.

Description

유체교환막 모듈{FLUID EXCHANGE MEMBRANE MODULE}
본 발명은 유체교환막 모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 하우징에 내장된 막 다발의 단부에서 가습 정도를 균등하게 하여 가습 효율을 향상하는 유체교환막 모듈에 관한 것이다.
연료전지는 수소와 산소를 결합시켜 전기를 생산하는 발전형 전지이다. 연료전지는 건전지나 축전지 등 일반 화학전지와 달리 수소와 산소가 공급되는 한 계속 전기를 생산할 수 있고, 열손실이 없어 내연기관보다 효율이 2배 가량 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 장점이 있다.
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), 알칼리형 연료전지(AFC) 등으로 분류할 수 있다. 이들 각각의 연료전지는 근본적으로 동일한 원리에 의해 작동하지만 사용되는 연료의 종류, 운전온도, 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, 막전극 접합체(Membrane Electrode Assembly: MEA)의 고분자 전해질 막(Polymer Electrolyte 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 방법의 하나로서, 고분자 분리막을 이용하여 유동 가스에 수분을 공급하는 가습 막 방식의 유체교환막 모듈이 있다. 가습 막 방식은 배기 가스 중에 포함되는 수증기만을 선택적으로 투과시키는 막을 이용하여 배기 가스 중의 수증기를 고분자 전해질 막에 제공하는 방식으로서, 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 충분이 이루어질 수 있고, 저가 소재의 사용이 가능하며, 연료전지에서 고온으로 배출되는 미반응 가스에 포함된 수분과 열을 회수하여 가습기를 통해 재사용할 수 있다는 이점을 갖는다.
도 1은 종래 연료전지용 유체교환막 모듈(10)를 나타낸 단면도이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 유체교환막 모듈(10)는 중공사막(12) 다발을 내장하는 하우징(11)을 포함한다. 중공사막(12)은 포팅부(13)에 의해 다발을 이루어 하우징(11)에 고정된다.
하우징(11)의 일측면에는 연료전지(미도시)로 공급될 반응유체, 즉 가습될 반응유체(이하, 작동유체라 함)가 유입되는 제1유입구(1a)가 형성되고, 하우징(11)의 타측면에는 가습된 작동유체를 연료전지로 공급하기 위한 제1배출구(1b)가 형성된다. 하우징(11)의 중간 일측(제1배출구 측) 외면에는 연료전지로부터 배출되는 수분 함유 미반응 유체(이하, 가습유체라 함)가 유입되는 제2유입구(2a)가 형성되고, 하우징(11)의 중간 타측(제1유입구 측) 외면에는 제2유입구(2a)를 통해 유입된 가습기체가 배출되는 제2배출구(2b)가 형성된다.
이와 같은 구조를 갖는 유체교환막 모듈(10)는 중공사막 전체에 걸쳐 균일한 수분투과를 달성하도록 작동유체와 가습유체의 유입구(1a)(2a)와 배출구(1b)(2b)를 서로 교차되는 방향으로 흐르게 하는데, 가습유체는 제2유입구(2a)를 통해 하우징(11)의 내부에 유입하여 화살표 A방향으로 비스듬하게 유동하여 제2배출구(2b)를 통해 배출된다. 따라서, 중공사막(12) 다발의 양단부에서 점선으로 표시한 삼각 영역(B)(C)에서는 수분교환이 이루어지지 않는 사영역이 되어 중공사막 전체에 걸쳐 가습 정도가 균등하지 못하고 중공사막의 크기에 비해 가습효율이 낮아진다는 문제점이 있었다.
대한민국 공개특허 제1020100108092호, 2010.10.06 대한민국 공개특허 제1020100131631호, 2010.12.16
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은 간단한 구조로 중공사막 전체에 걸쳐 가습 정도를 균등하게 하고 동일한 중공사막의 크기에서 가습효율을 높이는 유체교환막 모듈을 제공하는 데 있다.
본 발명에 의한 유체교환막 모듈은 제1 유체 유입구와 제1 유체 배출구와 제2 유체 유입구와 제2 유체 배출구를 갖는 하우징과, 상기 하우징 내에 고정된 중공사막 다발을 포함하며, 상기 중공사막 다발의 일측 끝 면이 상기 제2 유체 유입구 또는 상기 제2 유체 배출구를 향하여 기울어져 있다.
상기 중공사막 다발의 양측 끝 면이 각각 상기 제2 유체 유입구 및 상기 제2 유체 배출구를 향하여 기울어져 있을 수 있다.
상기 제2 유체 유입구는 상기 하우징의 일단 측면에 형성되고, 상기 제2 유체 배출구는 상기 하우징의 타단 측면에 형성될 수 있다.
상기 중공사막 다발의 일측 끝 면은 상기 제2 유체 유입구를 향하여 기울어져 있고, 상기 중공사막 다발의 타측 끝 면은 상기 제2 유체 유출구를 향하여 기울어져 있을 수 있다.
상기 중공사막 다발의 일측 끝 면과 상기 제2 유체 유입구 또는 상기 제2 유체 배출구가 이루는 각도는 90도 미만일 수 있다.
상기 중공사막 다발의 일측 끝 면과 상기 제2 유체 유입구 또는 상기 제2 유체 배출구가 이루는 각도는 5도 내지 30도일 수 있다.
상기 중공사막 다발의 단부는 포팅부에 의해 결합되어 상기 하우징의 내면에 밀착하여 상기 하우징의 내부공간에 밀봉되고, 상기 포팅부는 상기 중공사막 다발의 일측 끝 면이 기울어진 방향을 따라 기울어져 있을 수 있다.
상기 하우징은 하우징 몸체와, 상기 하우징 몸체의 양단부에 결합된 하우징 캡을 포함할 수 있다.
상기 제1 유체 유입구와 상기 제1 유체 배출구는 각각 상기 하우징 캡에 형성될 수 있다.
본 발명에 의한 유체교환막 모듈에 의하면, 간단한 구조로 중공사막 전체에 걸쳐 가습 정도를 균등하게 하고 작동유체가 가습되지 않는 비가습 영역을 줄이므로써 동일한 중공사막의 크기에서 가습효율을 높이는 효과가 있다.
도 1은 종래 연료전지용 유체교환막 모듈을 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 의한 유체교환막 모듈을 나타내는 단면도이다.
도 3은 도 2의 유체교환막 모듈의 작용 상태도이다.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 의한 유체교환막 모듈을 나타내는 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제3실시예에 의한 유체교환막 모듈을 나타내는 단면도이다.
도 6는 본 발명의 제4실시예에 의한 유체교환막 모듈을 나타내는 단면도이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예들에 대하여 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명의 실시예에 따른 유체교환막 모듈은 수분 교환 모듈, 열교환 모듈, 기체 분리 모듈 또는 수처리 모듈에 사용될 수 있다. 설명의 편의를 위하여, 아래에서는 연료전지 시스템에 사용되는 수분 교환 모듈을 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명의 기술적 사상은 연료전지 시스템에 사용되는 수분 교환 모듈에 한정되지는 않는다.
연료전지용 유체교환막 모듈은 연료전지에서 배출되는 가습된 공기 즉 가습유체를 이용하여 건조한 연료가스 즉 작동유체에 수분을 공급하도록 되어 있다. 이미 알려진 바와 같이, 작동유체는 중공사막의 내부에 형성된 관로를 통과하고 가습유체는 중공사막 외부를 통과하며, 중공사막의 투수성에 의하여 가습유체의 수분이 중공사막을 통과하여 작동유체에 공급되도록 되어 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니고, 가습유체가 중공사막의 내부에 형성된 관로를 통과하고 작동유체는 중공사막 외부를 통과할 수도 있다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 의한 유체교환막 모듈을 나타내는 단면도이다. 도시한 바와 같이 제1실시예에 의한 유체교환막 모듈(100)는 하우징(110)과, 중공사막 다발(130)과, 포팅부(140)를 포함한다.
하우징(110)은 유체교환막 모듈(100)의 외형을 이루며, 폴리카보네이트와 같은 경질의 플라스틱이나 금속으로 제작될 수 있다. 하우징(110)은 원통이나 사각통 등의 다각형의 통으로 형성된다. 하우징(110)은 작동유체가 유입하는 작동유체 유입구(111)와 작동유체가 배출되는 작동유체 배출구(112)를 구비하는 한편, 가습유체가 유입하는 가습유체 유입구(113)와 가습유체가 배출되는 가습유체 배출구(114)를 구비한다.
작동유체 유입구(111)와 작동유체 배출구(112)와 가습유체 유입구(113)와 가습유체 배출구(114)는 하우징(110)의 양단부의 외면에 형성된다. 작동유체 유입구(111)에서 작동유체 배출구(112)로 향하는 유로는 가습유체 유입구(113)에서 가습유체 배출구(114)로 향하는 유로와 교차되는 방향으로 형성된다. 하우징(110)에서 가습유체 유입구(113)는 작동유체 배출구(112) 측에 형성되고, 가습유체 배출구(114)는 작동유체 유입구(111) 측에 형성된다.
중공사막 다발(130)은 하우징(110) 내에 하우징(110)의 길이방향과 평행하게 배치되어 고정된다. 중공사막 다발(130)의 양단부는 포팅부(140)에 의해 결합되어 하우징(110)의 내면에 밀착하여 하우징(110)의 내부공간에 밀봉된다. 중공사막은 수분을 선택적으로 통과시킨다. 중공사막의 재질과 구성은 당업자에게 잘 알려져 있으므로 본 명세서에서는 이에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다. 중공사막 다발(130)은 복수의 중공사막(132)이 집적된 것이다.
중공사막 다발(130)의 일측 끝 면은 가습유체 유입구(113)를 향하여 기울어져 있고, 중공사막 다발(130)의 타측 끝 면은 가습유체 배출구(114)를 향하여 기울어져 경사면(131)을 이루고 있다. 중공사막 다발(130)의 일측 끝 면이 가습유체 유입구(113) 또는 가습유체 배출구(114)를 향하여 기울어져 있다는 것은 중공사막 다발(130)의 일측 끝 면과 가습유체 유입구(113) 또는 가습유체 배출구(114)의 단면이 이루는 각도가 예각, 즉 90도 미만인 것을 의미한다.
바람직하게, 중공사막 다발(130)의 일측 끝 면과 가습유체 유입구(113) 또는 중공사막 다발(130)의 타측 끝 면과 가습유체 배출구(114)가 이루는 각도는 5 도 내지 30도일 수 있다. 상기 각도가 상기 범위 내인 경우 멤브레인의 사영역을 제거할 수 있다.
포팅부(140)는 중공사막(132)들의 단부들을 서로 연결시키며, 중공사막(132)들 사이의 공극을 메운다. 또한, 포팅부(140)는 하우징(110)의 단부 내면에 접착되어, 포팅부(140)와 하우징(110) 단부 사이의 공간에 흐르는 작동유체와 포팅부(140)와 하우징(110) 중간 사이의 공간에 흐르는 가습유체가 서로 섞이지 않도록 한다. 포팅부(140)는 중공사막 다발(130)의 일측 끝 면의 기울어진 방향을 따라 기울어져 있다.
포팅부(140)는 폴리우레탄, 에폭시, 실리콘 수지와 같은 액상의 합성수지를 경화시켜 형성된다. 한 쌍의 포팅부(140)가 하우징(110)의 양단에 접착되므로, 중공사막 다발(130)의 양 단부가 하우징(110)에 고정된다.
이와 같이 구성된 본 발명의 제1실시예에 의한 유체교환막 모듈(100)에서, 도 3에 도시한 바와 같이 연료전지로 공급될 작동유체가 작동유체 유입구(111)를 통해 하우징(110)의 일측 내부공간(S1)에 유입되는 한편 연료전지로부터 배출되는 수분 함유 가습유체가 가습유체 유입구(113)를 통해 하우징(110)의 중간 내부공간(S2)에 유입된다. 일측 내부공간(S1)에 유입된 작동유체는 중공사막 다발(130)의 중공부를 통해 하우징(110)의 타측 내부공간(S3) 측으로 유동한다.
작동유체 유입구(111)를 통해 유입되어 중공사막 다발(130)의 중공부로 흐르는 작동유체는 건조한 상태인 반면, 가습유체 유입구(113)를 통해 하우징(110)의 중간 내부공간(S2)에 유입된 가습유체는 다량의 수분을 함유하고 있기 때문에 중공사막 다발(130)의 중공사막(132) 내외에서 습도 차이가 발생하게 된다. 이러한 중공사막(132) 내외의 습도 차이로 인해 가습유체의 수분이 막을 통해 중공부로 선택적으로 투과하게 되고, 중공사막(132)의 중공부를 따라 하우징(110)의 타측 내부공간(S3)로 유동하는 작동유체의 습도가 높아지게 된다.
반면, 가습유체 유입구(113)를 통해 중간 내부공간(S2)에 유입된 가습유체는 수분을 상실하게 되어 점차적으로 건조하게 되며, 이렇게 건조된 가습유체는 가습유체 배출구(114)를 통해 외부로 배출된다. 따라서, 원래의 작동유체보다 높은 습도를 갖는 작동유체를 연료전지로 공급할 수 있게 된다.
한편, 하우징(110)에서 가습유체 유입구(113)는 작동유체 배출구(112) 측에 형성되고, 가습유체 배출구(114)는 작동유체 유입구(111) 측에 형성되어 있으므로, 하우징(110)의 내부에 위치하는 중공사막(122)의 전체 부분에 걸쳐 가습유체에 함유된 수분을 충분히 투과시키게 된다. 즉, 작동유체 유입구(111)에서 작동유체 배출구(112)로 이동하는 작동유체의 경우 작동유체 유입구(111) 측에서는 그 습도가 낮으나 중공사막(132)을 통해 가습유체로부터 수분이 지속적으로 공급되기 때문에 작동유체 배출구(112) 측으로 갈수록 그 습도가 증가하게 된다. 따라서, 작동유체 유입구(111) 측에 위치하는 중공사막(132) 부분에는 상대적으로 낮은 습도의 가습유체가 접촉하고, 작동유체 배출구(112) 측에 위치하는 중공사막(132) 부분에는 상대적으로 높은 습도의 가습유체가 접촉하게 되므로 중공사막(132) 전체 부분에 걸쳐 균일한 수분 투과를 달성할 수 있게 된다.
그리고, 중공사막 다발(120)의 양측 끝 면은 각각 가습유체 유입구(113)와 가습유체 배출구(114)를 향하여 기울어져 경사면(131)을 이루고 있고, 포팅부(140)는 중공사막 다발(130)의 양측 끝 면이 기울어진 방향을 따라 기울어져 있으므로, 중공사막 다발(130)의 양단부에서 수분교환이 이루어지지 않는 부분(사영역)이 최소화되어 중공사막 전체에 걸쳐 가습 정도가 더욱 균등하게 되고 중공사막의 크기에 비해 가습효율이 높아지게 된다.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 의한 유체교환막 모듈을 나타내는 단면도이다. 도시한 바와 같이 제2실시예에 의한 유체교환막 모듈(200)는 하우징이 하우징 몸체와 하우징 캡으로 나누어져, 하우징 몸체(210)와 하우징 캡(220A)(220B)과 중공사막 다발(230)과, 포팅부(240)를 포함한다.
하우징 몸체(210)와 하우징 캡(220A)(220B)은 유체교환막 모듈(200)의 외형을 이루며, 폴리카보네이트와 같은 경질의 플라스틱이나 금속으로 제작될 수 있다. 하우징 몸체(210)와 하우징 캡(220A)(220B)은 원통이나 사각통 등의 다각형의 통으로 형성된다. 하우징 캡(220A)(220B)은 하우징 몸체(210)의 양단부에 각각 결합되며, 하우징 몸체(210)의 양단부 사이에는 가습유체가 흐르는 공간이 형성된다.
하우징 몸체(210)의 양단 외면에는 하우징 캡(220A)(220B) 사이의 공간에 연통하는 다수의 연통 홀(211)이 형성된다. 하우징 캡(220A)의 외면에는 작동유체 유입구(221)와 가습유체 배출구(224)가 형성되고, 하우징 캡(220B)의 외면에는 작동유체 배출구(222)와 가습유체 유입구(223)가 형성된다.
중공사막 다발(230)은 하우징 몸체(210) 내에 하우징 몸체(210)의 길이방향과 평행하게 배치되어 고정된다. 중공사막 다발(230)의 양단부는 포팅부(240)에 의해 결합되어 하우징 몸체(210)의 끝단 및 하우징 캡(220A)(220B)의 내면에 밀착하여 하우징 몸체(210)의 내부공간에 밀봉된다. 중공사막 다발(230)의 양측 끝 면은 각각 가습유체 유입구(223)와 가습유체 배출구(224)를 향하여 기울어져 경사면(231)을 이루고 있다. 중공사막 다발(230)은 복수의 중공사막(232)이 집적된 것이다.
포팅부(240)는 중공사막(232)들의 단부들을 서로 연결시키며, 중공사막(232)들 사이의 공극을 메운다. 또한, 포팅부(240)는 하우징 몸체(210)의 끝단 및 하우징 캡(220A)(220B)의 내면에 접착되어, 포팅부(240)와 하우징 캡(220A)(220B) 단부 사이의 공간에 흐르는 작동유체는 포팅부(240)와 하우징 몸체(210) 중간 사이의 공간에 흐르는 가습유체와 서로 섞이지 않는다. 포팅부(240)는 중공사막 다발(230)의 양측 끝 면이 기울어진 방향을 따라 기울어져 있다.
제2실시예의 유체교환막 모듈(200)에서, 가습유체는 가습유체 유입구(223)을 통해 하우징 캡(220B)의 내부공간에 유입한 후 연통 홀(211)을 통해 하우징 몸체(210)의 내부공간에 유입하여 작동유체를 가습한 다음, 연통 홀(211)을 통해 하우징 캡(220A)의 내부공간에서 가습유체 배출구(224)를 통해 외부로 배출된다.
제2실시예의 유체교환막 모듈(200)의 나머지 구성과 작용은 제1실시예의 유체교환막 모듈(100)와 유사하므로 자세한 설명은 생략한다.
도 5는 본 발명의 제3실시예에 의한 유체교환막 모듈을 나타내는 단면도이다. 도시한 바와 같이 제3실시예에 의한 유체교환막 모듈(300)는 하우징이 하우징 몸체와 하우징 캡으로 나누어져 있으며, 하우징 몸체(310)와 하우징 캡(320A)(320B)과 중공사막 다발(330)과, 포팅부(340)를 포함한다.
하우징 몸체(310)와 하우징 캡(320A)(320B)은 유체교환막 모듈(300)의 외형을 이루며, 폴리카보네이트와 같은 경질의 플라스틱이나 금속으로 제작될 수 있다. 하우징 몸체(310)와 하우징 캡(320A)(320B)은 원통이나 사각통 등의 다각형의 통으로 형성된다. 하우징 캡(320A)(320B)은 하우징 몸체(310)의 양단부에 각각 결합되며, 하우징 몸체(310)의 양단부 사이에는 가습유체가 흐르는 공간이 형성된다.
하우징 몸체(310)는 중공사막(330)을 수용하는 수용부(311)와, 수용부(311)의 양단부에 단면적이 크게 형성된 확장부(312A)(312B)를 포함한다. 수용부(311)의 양단부에는 확장부(312A)(312B) 사이의 공간에 연통하는 다수의 연통 홀(313)이 형성된다. 확장부(312A)(312B)의 각 단부에는 하우징 캡(320A)(320B)이 결합된다. 확장부(312A)의 외면에는 가습유체 배출구(317)가 형성되고, 확장부(312B)의 외면에는 가습유체 유입구(316)가 형성된다. 하우징 캡(320A)의 외면에는 작동유체 유입구(314)가 형성되고, 하우징 캡(320B)의 외면에는 작동유체 배출구(315)가 형성된다.
중공사막 다발(330)은 하우징 몸체(310)의 수용부(311) 내에 수용부(311)의 길이방향과 평행하게 배치되어 고정된다. 중공사막 다발(330)의 양단부는 포팅부(340)에 의해 결합되어 수용부(311) 끝단 및 확장부(312A)(312B)의 내면에 밀착하여 하우징 몸체(310)의 내부공간에 밀봉된다. 중공사막 다발(330)의 양측 끝 면은 각각 가습유체 유입구(316)와 가습유체 배출구(317)를 향하여 기울어져 경사면(331)을 이루고 있다. 중공사막 다발(330)은 복수의 중공사막(332)이 집적된 것이다.
포팅부(340)는 중공사막(332)들의 단부들을 서로 연결시키며, 중공사막(332)들 사이의 공극을 메운다. 또한, 포팅부(340)는 수용부(311)의 끝단 및 확장부(312A)(312B)의 내면에 접착되어, 포팅부(340)와 하우징 캡(320A)(320B) 사이의 공간에 흐르는 작동유체는 포팅부(340)와 하우징 몸체(310) 중간 사이의 공간에 흐르는 가습유체와 서로 섞이지 않는다. 포팅부(340)는 중공사막 다발(330)의 양측 끝 면이 기울어진 방향을 따라 경사져 있다.
제3실시예의 유체교환막 모듈(300)에서, 가습유체는 가습유체 유입구(316)을 통해 확장부(312B)의 내부 공간에 유입한 후 연통 홀(313)을 통해 수용부(311)의 내부 공간에 유입하여 작동유체를 가습한 다음, 연통 홀(313)을 통해 확장부(312A)의 내부공간에서 가습유체 배출구(317)를 통해 외부로 배출된다.
제3실시예의 유체교환막 모듈(300)의 나머지 구성과 작용은 제1실시예의 유체교환막 모듈(100)와 유사하므로 자세한 설명은 생략한다.
도 6은 본 발명의 제4실시예에 의한 유체교환막 모듈을 나타내는 단면도이다. 도시한 바와 같이 제4실시예에 의한 유체교환막 모듈(400)는 하우징(410)과, 중공사막 다발(430)과, 포팅부(440)를 포함한다.
제4실시예에서, 작동유체 유입구(411)와 작동유체 배출구(412)는 하우징(410)의 양단 측면에 형성되며, 가습유체 유입구(413)과 가습유체 배출구(414)는 하우징(410)의 양단부의 외면에 형성된다. 작동유체 유입구(411)와 작동유체 배출구(412)의 유로방향은 가습유체 유입구(413)과 가습유체 배출구(414)의 유로방향과 서로 교차되는 방향(직각방향)으로 형성되고, 작동유체 유입구(411)에서 작동유체 배출구(412)로 향하는 유로는 가습유체 유입구(413)에서 가습유체 배출구(414)로 향하는 유로와 교차되는 방향으로 형성된다. 하우징(410)에서 가습유체 유입구(413)는 작동유체 배출구(412) 측에 형성되고, 가습유체 배출구(414)는 작동유체 유입구(411)측에 형성된다.
제4실시예의 유체교환막 모듈(400)에서, 경사면(431)과 중공사막(432)를 구비하는 중공사막 다발(430)과, 포팅부(440)의 구성은 제1실시예의 유체교환막 모듈(100)와 유사하고, 유체교환막 모듈(400)의 작용은 제1실시예의 유체교환막 모듈(100)의 작용과 유사하므로, 자세한 설명은 생략한다.
[실시예: 유체교환막 모듈의 제조]
(비교예 1)
폴리설폰 중공사막(외경 900um, 내경 800um) 14,000개를 하나의 다발로 원통형 하우징 몸체(지름: 280mm, 길이: 300mm) 내부에 배치시켰다.
하우징 몸체 양단에 포팅부 형성용 캡을 씌우고, 중공사막 다발의 사이 공간 및 중공사막 다발과 하우징 몸체 사이 공간에 포팅용 조성물을 주입한 후, 경화시켜 실(seal)하였다. 포팅부 형성용 캡을 제거한 후, 경화된 중공사막 포팅용 조성물의 끝단을 절단하여 중공사막 다발의 끝단이 포팅부 절단부에 드러나도록 하여 포팅부를 형성한 후, 하우징 몸체의 양단부에 각각 하우징 캡을 씌워 유체교환막 모듈을 제조하였다.
(실시예 1)
폴리설폰 중공사막(외경 900um, 내경 800um) 14,000개를 하나의 다발로 원통형 하우징 몸체(지름: 280mm, 길이: 300mm) 내부에 배치시켰다.
하우징 몸체 양단에 포팅부 형성용 캡을 씌우고, 중공사막 다발의 사이 공간 및 중공사막 다발과 하우징 몸체 사이 공간에 포팅용 조성물을 주입한 후, 경화시켜 실(seal)하였다.
포팅부 형성용 캡을 제거한 후, 경화된 중공사막 포팅용 조성물의 끝단을 절단하여 중공사막 다발의 끝단이 포팅부 절단부에 드러나도록 하되, 중공사막 다발의 양측 끝 면이 각각 가습유체 유입구와 가습유체 배출구를 향하여 기울어지도록 절단하였다. 그 후, 하우징 몸체의 양단부에 각각 하우징 캡을 씌워 유체교환막 모듈을 제조하였다.
[실험예: 제조된 유체교환막 모듈의 성능 측정]
실시예 및 비교예에서 제조된 유체교환막 모듈의 작동유체 유입구로 100g/sec의 건조공기를 유입하고, 가습유체 유입구로 온도 80℃, 상대습도 60%의 고온 고습 공기를 유입하여 기체-기체 가습을 실시하였다.
가습 성능은 건조공기가 가습되어 나오는 지점의 온도와 습도를 측정하여 노점(Dew Point)으로 환산하여 측정하였고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
구분 비교예 1 실시예 1
가습성능(℃) 41 49
상기 표 1을 참조하면, 실시예에서 제조된 유체교환막 모듈은 비교예에서 제조된 유체교환막 모듈에 비하여 가습 효율이 우수함을 알 수 있다.
이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.

Claims (9)

  1. 제1 유체 유입구와 제1 유체 배출구와 제2 유체 유입구와 제2 유체 배출구를 갖는 하우징과, 상기 하우징 내에 고정된 중공사막 다발을 포함하며;
    상기 중공사막 다발의 일측 끝 면이 상기 제2 유체 유입구 또는 상기 제2 유체 배출구를 향하여 기울어져 있는 유체교환막 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 중공사막 다발의 양측 끝 면이 각각 상기 제2 유체 유입구 및 상기 제2 유체 배출구를 향하여 기울어져 있는 것인 유체교환막 모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제2 유체 유입구는 상기 하우징의 일단 측면에 형성되고,
    상기 제2 유체 배출구는 상기 하우징의 타단 측면에 형성되는 것인 유체교환막 모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 중공사막 다발의 일측 끝 면은 상기 제2 유체 유입구를 향하여 기울어져 있고,
    상기 중공사막 다발의 타측 끝 면은 상기 제2 유체 유출구를 향하여 기울어져 있는 것인 유체교환막 모듈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 중공사막 다발의 일측 끝 면과 상기 제2 유체 유입구 또는 상기 제2 유체 배출구가 이루는 각도는 90도 미만인 것인 유체교환막 모듈.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 중공사막 다발의 일측 끝 면과 상기 제2 유체 유입구 또는 상기 제2 유체 배출구가 이루는 각도는 5도 내지 30도인 것인 유체교환막 모듈.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 중공사막 다발의 단부는 포팅부에 의해 결합되어 상기 하우징의 내면에 밀착하여 상기 하우징의 내부공간에 밀봉되고,
    상기 포팅부는 상기 중공사막 다발의 일측 끝 면이 기울어진 방향을 따라 기울어져 있는 것인 유체교환막 모듈.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 하우징은 하우징 몸체와, 상기 하우징 몸체의 양단부에 결합된 하우징 캡을 포함하는 것인 유체교환막 모듈.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 유체 유입구와 상기 제1 유체 배출구는 각각 상기 하우징 캡에 형성되는 것인 유체교환막 모듈.
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