KR20150113503A

KR20150113503A - 유체교환막 모듈

Info

Publication number: KR20150113503A
Application number: KR1020140037516A
Authority: KR
Inventors: 김경주; 이진형; 오영석
Original assignee: 코오롱인더스트리 주식회사
Priority date: 2014-03-31
Filing date: 2014-03-31
Publication date: 2015-10-08
Also published as: KR102017256B1

Abstract

본 발명에 따른 유체교환막 모듈은 제1유체유입구, 제1유체배출구, 제2유체유입구, 및 제2유체배출구를 구비한 하우징; 및 상기 하우징 내에 고정된 중공사막 다발;을 포함하며, 상기 제1유체유입구 측의 중공사막 다발의 밀집도가 상기 제1유체배출구 측의 중공사막 다발의 밀집도보다 낮게 형성될 수 있으며, 본 발명에 따른 유체교환막 모듈에 의하면 동일한 가습효율을 나타내는 데 사용되는 중공사막의 양을 최소화할 수 있는 장점이 있고, 사용되는 중공사막의 부피 및 무게를 최소화함과 동시에 유체교환막 모듈의 전체 크기를 최소화시켜, 결국 연료전지 등과 같이 상기 유체교환막 모듈이 사용되는 장치의 부피 및 무게를 최소화시킴으로써 상기 연료전지 등이 사용될 수 있는 분야를 더욱 다양화할 수 있으며, 가습에 이용되는 물의 재사율을 증가시킴으로써 폐수의 발생을 줄이고 별도의 수분공급장치에 대한 의존도를 낮출 수 있는 우수한 장점이 있다.

Description

유체교환막 모듈{FLUID EXCHANGE MEMBRANE MODULE}

본 발명은 유체교환막 모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유체의 유입구 측으로부터 유체의 배출구 측으로 갈수록 하우징에 내장된 중공사막 다발의 밀집도를 점차적으로 증가시켜 가습 효율 등을 향상시키는 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 충분히 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)을 나타낸 단면도이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 유체교환막 모듈(10)은 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 제1유체유입구(1a)가 형성되고, 하우징(11)의 타측면에는 가습된 작동유체를 연료전지로 공급하기 위한 제1유체배출구(1b)가 형성된다. 하우징(11)의 외면 일측(제1유체유입구(1a) 측)에는 연료전지로부터 배출되는 수분 함유 미반응 유체(이하, 가습유체라 함)가 유입되는 제2유체유입구(2a)가 형성되고, 하우징(11)의 외면 타측(제1유체배출구(1b) 측)에는 제2유체유입구(2a)를 통해 유입된 가습유체의 일부가 배출되는 제2유체배출구(2b)가 형성된다(즉, 제2유체유입구(2a)를 통하여 유입된 가습유체에 함유된 수분의 상당 양은 중공사막을 관통하여 중공사막의 내부로 유입되어 작동유체를 가습시키는데 사용되며, 이와 같이 가습된 작동유체는 다시 연료전지로 공급된다).

이와 같은 구조를 갖는 종래의 유체교환막 모듈(10)은 중공사막 전체에 걸쳐 균일한 수분투과를 달성하도록 다발 형태의 중공사막이 제1유체유입구(1a) 및 제2유체유입구(2a) 측과 제1유체유출구 및 제2유체유출구 측에서 서로 동일한 간격(밀집도)으로 형성되었다. 그러나, 일반적으로 유체교환막 모듈(10)인 중공사막 모듈에서 유체가 유입구로 유입되어 배출구를 통하여 배출되기까지 상당한 시간이 소요되며, 이에 따라 유입구로 유입된 유체는 초기에는 중공사막으로 선택적으로 투과될 물질의 농도가 비교적 높지만, 시간이 흐름에 따라 투과될 물질의 농도가 점차 감소하게 된다. 즉, 유입구 측에서 배출구 측으로 유체가 흐름에 따라, 중공사막을 통하여 투과될 물질의 농도가 점차 감소하게 되므로, 배출구 측에 놓인 중공사막을 통하여 투과되는 물질의 양 또한 점차 감소하게 된다. 즉, 결과적으로 유입구 측 중공사막 다발 부분에서는 투과될 물질이 상대적으로 과잉 상태이고 배출구 측 중공사막 다발 부분에서는 투과될 물질이 상대적으로 부족 상태에 이르게 되므로 전체적으로 중공사막 다발에서 효율적인 물질의 투과가 이루어지지 않게 된다. 특히, 상기 유체교환막 모듈(10)이 막 가습기의 역할을 하는 경우는 중공사막의 크기(전체 표면적)에 비하여 상대적으로 가습효율이 낮아지게 되며, 상기 막 가습기가 연료전지에 사용되는 경우는 결국 연료전지의 효율이 저하된다는 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 구조를 이용하여 유체의 유입구에서 배출구 측으로 갈수록 중공사막 다발의 밀집도가 증가하도록 형성함으로써 한정된 크기(표면적)를 갖는 중공사막 다발을 이용하여 가습효율을 최적화할 수 있는 유체교환막 모듈을 제공하는 데 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 유체교환막 모듈은 제1유체유입구, 상기 제1유체유입구로 유입된 유체가 배출되는 제1유체배출구, 제2유체유입구, 및 상기 제2유체유입구로 유입된 유체가 배출되는 제2유체배출구를 구비한 하우징; 및 상기 하우징 내에 고정된 중공사막 다발;을 포함하며, 상기 제1유체유입구 또는 제2유체유입구 측의 중공사막 다발의 밀집도가 상기 제1유체배출구 또는 제2유체배출구 측의 중공사막 다발의 밀집도보다 낮게 형성될 수 있다.

상기 제1유체유입구 또는 제2유체유입구 측의 중공사막 다발의 평균 밀집도는 10내지 50 면적%이고, 상기 제1유체배출구 또는 제2유체배출구 측의 중공사막 다발의 평균 밀집도는 20 내지 60 면적%일 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 유체교환막 모듈에서, 상기 제1유체유입구 및 상기 제2유체유입구는 상기 하우징의 제1말단 측에 형성되고, 상기 제1유체배출구 및 상기 제2유체배출구는 상기 하우징의 제2말단 측에 형성될 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 유체교환막 모듈은 상기 하우징의 제1말단 측 내부로부터 상기 하우징의 제2말단 측 내부로 갈수록 하우징 내부의 직경이 점차 감소하도록 형성될 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 유체교환막 모듈에서, 상기 하우징의 내부에는 상기 하우징 내부에서 유체의 체류시간을 늘일 수 있도록 와류형성부가 더 구비될 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 유체교환막 모듈에서, 상기 하우징의 내부에는 상기 하우징의 내측면으로부터 돌출형성되어 간격을 두고 나란히 배치된 다수의 와류형성편이 구비되고, 상기 와류형성편에는 중공사막관통홀이 형성될 수 있으며, 상기 다수의 와류형성편은 상기 다수의 와류형성편에 형성된 중공사막관통홀의 직경이 상기 하우징의 제1말단 측으로부터 상기 하우징의 제2말단 측으로 갈수록 점차 감소하도록 배치될 수 있다.

본 발명의 다양한 실시예에 따른 유체교환막 모듈은 수분 교환 모듈, 열교환 모듈, 기체 분리 모듈 또는 수처리 모듈일 수 있다.

본 발명에 따른 유체교환막 모듈에 의하면, 동일한 가습효율을 나타내는 데 사용되는 중공사막의 양을 최소화할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 유체교환막 모듈에 의하면, 사용되는 중공사막의 부피 및 무게를 최소화하거나 유체교환막 모듈의 전체 부피 및 무게를 최소화시켜, 결국 연료전지 등과 같이 상기 유체교환막 모듈이 사용되는 장치의 부피 및 무게를 최소화시킴으로써 상기 연료전지 등이 사용될 수 있는 분야를 더욱 다양화할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 유체교환막 모듈에 의하면, 가습효율을 극대화시켜 가습에 이용되는 물의 재사용 효율을 증가시킴으로써 폐수의 발생을 줄이고 별도의 수분공급장치에 대한 의존도를 낮출 수 있는 우수한 장점이 있다.

도 1은 종래 연료전지용 막 가습기로 사용되는 유체교환막 모듈의 내부구조를 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 유체교환막 모듈의 내부구조를 나타내는 측단면도(위) 및 모듈의 내부에 고정된 중공사막 다발의 밀집도를 보여주기 위하여 A-A' 및 B-B'를 절단한 종단면도(아래)이다.
도 3의 (a)는 본 발명의 제2실시예에 따른 유체교환막 모듈의 내부구조를 나타내는 단면도이고, (b)는 본 발명에 따른 유체교환막 모듈의 일부를 구성하는 하우징(21)의 사다리꼴 단면형상을 나타내는 단면도이며, (c)는 상기 하우징(21)의 전체적인 형상을 나타내는 외부 사시도이다.
도 4의 (a) 및 (b)는 본 발명의 제3실시예에 따라 배출하우징부 및 유입하우징부로 구분되는 하우징의 형상을 나타내는 외부 사시도이다.
도 5의 (a) 내지 (c)는 본 발명의 제4실시예에 따라 하우징의 내부에 와류형성부가 다양한 형태로 구비된 상태를 나타내는 외부 사시도이다.
도 6은 본 발명의 제5실시예에 따라 하우징의 내부에 와류형성편이 구비된 상태를 나타내는 단면도(a) 및 사시 단면도(b)이다.

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 다양한 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 예시로 들어 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명의 기술적 사상은 연료전지 시스템에 사용되는 수분 교환 모듈에 한정되지 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 가습유체에 함유된 수분이 중공사막에 형성된 미세구멍을 통과하여 중공사막의 내부 관로에 있는 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 모듈(10)을 나타내는 측단면도 및 모듈의 내부에 고정된 중공사막 다발의 밀집도를 나타내는 중공사막 다발의 종단면도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 의한 유체교환막 모듈(10)은 하우징(11) 및 중공사막(12)의 다발을 포함하며, 상기 중공사막(12)의 다발은 예를 들어, 포팅부(13) 등에 의하여 상기 하우징(11) 내부에 고정되는 것이 가능하다.

상기 하우징(11)은 유체교환막 모듈(10)의 외형을 이루며, 폴리카보네이트와 같은 경질의 플라스틱이나 금속으로 제작될 수 있다. 하우징(11)은 원통이나 사각통 등의 다각형의 통으로 형성된다. 하우징(11)은 작동유체가 유입하는 제1유체유입구(1a)와 작동유체가 배출되는 제1유체배출구(1b)를 구비하는 한편, 가습유체가 유입하는 제2유체유입구(2a)와 가습유체가 배출되는 제2유체배출구(2b)를 구비한다.

상기 제1유체유입구(1a), 제1유체배출구(1b), 제2유체유입구(2a), 및 제2유체배출구(2b)는 하우징(11)의 양 말단(제1말단 및 제2말단)의 외면에 형성된다. 한편, 상기 제1유체유입구(1a)에서 제1유체배출구(1b)로 향하는 유로는 상기 제2유체유입구(2a)에서 제2유체배출구(2b)로 향하는 유로와 교차되는 방향으로 형성된다.

중공사막(12) 다발은 하우징(11) 내에서 하우징(11)의 길이방향과 평행하게 배치되어 고정된다. 중공사막(12) 다발의 양 단부는 포팅부(13) 등에 의해 결합되어 하우징(11)의 내면에 밀착하여 하우징(11)의 내부공간에 밀봉된다.

중공사막은 수분을 선택적으로 통과시킨다. 중공사막의 재질과 구성은 당업자에게 잘 알려져 있으므로 본 명세서에서는 이에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다. 중공사막(12) 다발은 복수의 중공사막(12)이 나란히 집적된 것이다.

본 발명의 제1실시예에 따른 유체교환막 모듈(10)의 내부에 구비된 중공사막(12) 다발은 제2유체유입구(2a)에서 제2유체배출구(2b) 측으로 갈수로 그 밀집도가 증가한다. 여기에서 중공사막(12) 다발의 밀집도란 각각의 중공사막(12) 가닥 간의 간격에 의해 정의할 수 있다. 즉, 동일한 외경을 갖는 다수의 중공사막(12) 간의 간격이 가까울수록 다발의 밀집도가 커지는 것이다. 한편, 이러한 밀집도는 면적의 비율로 정의할 수도 있다. 즉, 중공사막(12) 다발 전체의 종단면 면적에 대한 각 가닥의 중공사막(12)의 종단면의 단면적의 총합의 %비율 (면적%)로 상기 밀집도를 정의 할 수도 있다.

한편, 예를 들어, 연료전지에서 전기를 만들 때, 수분을 포함하는 여러 가지 부산물이 생성되며, 이러한 부산물(가습유체)은 상기 제2유체유입구(2a)로 유입된다. 이와같이 제2유체유입구(2a)로 유입된 가습유체는 일정량의 수분을 함유하고 있으며 이러한 수분은 중공사막(12)에 선택적으로 투과되어 중공사막(12)의 내부 관로로 들어가 작동유체의 가습에 이용된다. 한편, 상기 가습유체는 초반에는 충분한 양의 수분을 함유하고 있으므로 중공사막(12)에 충분한 양으로 투과될 수 있으나, 상기 제2유체배출구(2b) 측으로 갈수록 상기 가습유체에 함유된 수분의 함량이 줄어들게 되어 중공사막(12)으로 투과되어 들어가는 수분의 양이 점차 감소하게 된다.

한편, 중공사막(12)은 뭉쳐있는 다발의 형태로 유체교환막 모듈(10)의 하우징(11) 내부에 구비되고 상기 제2유체유입구(2a)는 상기 하우징(11)의 외부에 형성되어 있으므로, 상기 제2유체유입구(2a)로 유입된 가습유체는 상기 다발의 테두리 부분에 위치한 중공사막(12)의 표면에 1차적으로 공급되며, 2차적으로 다발의 내부에 위치한 중공사막(12)의 표면에 공급된다. 따라서, 중공사막(12) 다발이 너무 밀집되어 형성된 경우는 다발의 내부에 위치한 중공사막(12)의 표면에 가습유체가 충분히 공급되지 못하게 된다.

즉, 중공사막(12) 다발의 밀집도를 상기 제2유체유입구(2a)와 제2유체배출구(2b)측에서 동일하게 형성하게 되면, 제2유체유입구(2a) 측에서는 중공사막(12)의 이용가능한 전체 표면적에 비하여 가습유체에 함유된 수분의 함량이 높고, 제2유체배출구(2b) 측에서는 중공사막(12)의 이용가능한 전체 표면적에 비하여 가습유체에 함유된 수분의 함량이 상대적으로 낮아, 전체적으로 중공사막(12)을 효율적으로 이용하지 못하게 된다.

따라서, 본 발명의 일 실시예와 같이 제2유체유입구(2a) 측에서는 중공사막(12) 다발의 밀집도를 낮추어 중공사막(12) 간의 공간을 넓게 형성함으로써 다발의 내부에 존재하는 중공사막(12)에서도 충분히 수분이 투과될 수 있도록 하고, 제2유체배출구(2b) 측에서는 중공사막(12) 다발의 밀집도를 상대적으로 높임으로써 상기 가습유체에 낮은 함량으로 존재하는 수분이 다발의 외측에 존재하는 중공사막(12)을 통하여 내부 관로로 투과되도록 함으로써 중공사막(12)의 낭비 없이 전체적으로 효율적인 가습효율을 얻을 수 있게 된다.

이에 따라, 상기 제1유체유입구(1a) 또는 제2유체유입구(2a) 측의 중공사막(12) 다발의 평균 밀집도는 10 내지 50 면적%이고, 상기 제1유체배출구(1b) 또는 제2유체배출구(2b) 측의 중공사막(12) 다발의 평균 밀집도는 20 내지 60 면적%일 수 있고, 바람직하게 상기 제1유체유입구(1a) 또는 제2유체유입구(2a) 측의 중공사막(12) 다발의 평균 밀집도는 30 내지 40 면적% 이고, 상기 제1유체배출구(1b) 또는 제2유체배출구(2b) 측의 중공사막(12) 다발의 평균 밀집도는 40 내지 50 면적%일 수 있다.

상기 평균 밀집도는 상기 중공사막(12) 다발의 최외곽 기준 전체 단면적 중 중공사막이 차지하고 있는 단면적의 비율로 측정하여 구할 수 있다. 이때, 상기 중공사막(12) 다발의 횡단면은 상기 중공사막(12) 다발의 길이 방향을 따라 무수히 존재하는 횡단면 중 어느 하나의 횡단면을 선택하여 측정할 수 있다. 다만, 상기 제1유체유입구(1a) 또는 제2유체유입구(2a) 측의 중공사막(12) 다발의 평균 밀집도를 구하기 위한 횡단면은 상기 중공사막(12) 다발의 길이 방향을 따라 상기 제1유체배출구(1b) 또는 제2유체배출구(2b) 까지의 거리 보다 상기 제1유체유입구(1a) 또는 제2유체유입구(2a) 까지의 거리가 더 짧은 위치에 존재하는 횡단면이어야 하고, 상기 제1유체배출구(1b) 또는 제2유체배출구(2b) 측의 중공사막(12) 다발의 평균 밀집도를 구하기 위한 횡단면은 상기 중공사막(12) 다발의 길이 방향을 따라 상기 제1유체유입구(1a) 또는 제2유체유입구(2a) 까지의 거리 보다 상기 제1유체배출구(1b) 또는 제2유체배출구(2b) 까지의 거리가 더 짧은 위치에 존재하는 횡단면이어야 한다.

본 발명에 따른 유체교환막 모듈(10)에서, 상기 제1유체유입구(1a) 및 상기 제2유체유입구(2a)는 상기 하우징(11)의 제1말단 측에 형성되고, 상기 제1유체배출구(1b) 및 상기 제2유체배출구(2b)는 상기 하우징(11)의 제2말단 측에 형성될 수 있다.

이와 같은 위치에 유입구 및 유출구를 형성하는 경우는 가습유체가 중공사막(12)의 표면과 접촉할 수 있는 충분한 시간을 제공함으로써 효율적인 가습효율을 얻을 수 있는 이점이 있다. 즉, 상기 제2유체유입구(2a)로 유입된 가습유체가 낮은 밀집도의 다발로 형성된 중공사막(12)에 충분히 공급되고 연이어 제2유체배출구(2b) 측으로 흐름을 형성하면서 높은 밀도로 형성된 중공사막(12) 다발의 외측에 위치하는 중공사막(12)에 공급되도록 함으로써 가습유체에 함유된 수분의 밀도 및 가습유체가 중공사막(12)과 접촉하는 시간을 고려하여 최적의 가습효율을 얻을 수 있게 된다.

도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 유체교환막 모듈(10)의 내부구조를 나타내는 단면도 및 외부 사시도이다. 도 3의 (a)를 참고하면, 유체교환막 모듈(10)을 구성하는 하우징(21)은 유체의 흐름방향에 따라 하우징(21)의 내부 직경이 점차적으로 감소하도록 형성될 수 있다. 도 3의 (b)는 본 발명의 제2실시예의 특징인 하우징(21)의 단면 구조를 나타내고 있고 (c)는 이를 외부에서 바라본 사시도이다. 이들 도면을 살펴보면, 하우징(21)의 단면 형상이 전체적으로 사다리꼴을 이루고 있음을 알 수 있다. 즉, 상기 제2유체유입구(2a) 및 제2유체배출구(2b)의 직경이 동일한 것으로 가정하면, 상기 제2유체유입구(2a)측에서 일정한 유압을 형성하면서 가습유체가 유입되는 경우에 상기 제2유체유입구(2a) 부분의 하우징(21) 내부의 유체의 압력보다 상기 제2유체배출구(2b) 부분의 하우징(21) 내부의 유체의 압력이 더 높게 형성된다. 즉, 이와 같이 하우징(21)의 내부직경이 점차적으로 감소하도록 형성함으로써 하우징(21) 내부를 흐르는 유체에 대하여 "압력 구배"를 형성시킬 수 있게 된다.

이와 같이 형성된 압력 구배를 이용하여 중공사막(12)의 내부로 투과되는 수분의 양을 극대화할 수 있게 된다. 즉, 제2유체유입구(2a)로 유입된 가습유체는 상대적으로 높은 농도로 수분을 함유하고 있으며, 이와 같이 함유된 수분의 상당한 양은 다발형태의 중공사막(12)의 표면을 투과하여 중공사막(12) 내부의 관로로 충분히 들어가게 된다. 한편, 제2유체배출구(2b)로 향하는 가습유체는 상대적으로 적은 농도로 수분을 함유하고 있으나, 좁아진 하우징(21)의 구조로 인하여 유체의 압력이 높아지게 되므로 낮은 유체압력을 형성하는 제2유체유입구(2a) 부근보다 상대적으로 더욱 효율적으로 수분이 중공사막(12)을 투과할 수 있게 된다.

도 4는 본 발명의 제3실시예에 따른 유체교환막 모듈(10)에 적용될 수 있는 하우징(31,32)의 구조를 나타내는 외부 사시도이다. 상기 하우징(31,32)의 내부구조는 외부 형상에 대응하는 형상으로 이루어져 있다(도 3의 (b)참고). 도 4를 참고하면, 상기 실시예에 따른 유체교환막 모듈(10)의 하우징(31,32)은 각각 유입하우징부(311,321) 및 배출하우징부(312,322)를 구비한다. 상기 유입하우징부(311,321)는 전체적으로 배출구 측으로 갈수록 내부 직경이 감소하는 사다리꼴 단면형상을 갖도록 형성되어 있으며, 상기 배출하우징부(312,322)는 전체적으로 좁아진 내부 직경이 배출구까지 일정하게 유지되도록 형성되어 있다. 이와 같은 형상으로 하우징(31,32)의 구조를 형성하는 경우는 높아진 압력을 갖는 유체가 비교적 오랫동안 중공사막(12)의 표면과 접촉할 수 있으므로 가습효율을 더욱 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

도 5는 본 발명의 제4실시예에 따른 유체교환막 모듈(10)에 적용될 수 있는 하우징(41,42,43)의 구조를 나타내는 외부사시도이다. 상기 하우징(41,42,43)의 내부구조는 외부 형상에 대응하는 형상으로 이루어져 있다(도 3의 (b)참고). 상기 실시예에 따른 유체교환막 모듈(10)에 적용되는 하우징(41,42,43)은 유입하우징부(411,421,431), 중간하우징부(412,422,432) 및 배출하우징부(413,423,433)를 포함하며, 특히 상기 유입하우징부(411,421,431) 및 중간하우징부(412,422,432)를 연결하는 부분 및 상기 중간하우징부(412,422,432) 및 배출하우징부(413,423,433)를 연결하는 부분에 와류형성부(411a,412a,421a,422a,431a,432a)가 구비되어 있다. 이와 같은 와류형성부(411a,412a,421a,422a,431a,432a)는 유체의 흐름을 방해하여 와류가 형성되도록 함으로써 유체가 하우징(41,42,43) 내부에 체류하는 시간을 늘이는 역할을 하게 된다. 즉, 가습효율을 높이기 위해 유입되는 유체는 일정한 압력을 가지게 되지만, 압력이 높아지는 만큼 유체의 유속 또한 증가하여 가습유체가 중공사막(12)의 표면에 접촉할 수 있는 기회가 줄어들게 된다. 따라서, 본 실시예에서와 같이 각 하우징부가 연결되는 부위에 단턱을 형성함으로써 유체의 흐름을 방해하여 와류가 형성되도록 구성하게 되면, 유체의 압력이 높아짐에도 유체의 체류시간을 길게 하여 결과적으로 가습효율을 증가시킬 수 있게 된다.

상기 와류형성부(411a,412a,421a,422a,431a,432a)는 다양하게 형성할 수 있다. 즉, 도 5의 (a)와 같이 수직단턱으로 형성할 수 있고, 도 5의 (b) 및 (c)와 같이 직선 또는 곡선으로 경사지게 형성할 수도 있다.

한편, 상기 제4실시예에 적용되는 하우징(41,42,43)은 도 5에 유입하우징부(411,421,431), 중간하우징부(412,422,432) 및 배출하우징부(413,423,433)가 모두 직경이 일정한 원통형으로 도시되어 있으나, 이들이 각각 배출구 측으로 갈수록 직경이 작아지는 형상으로 형성될 수도 있다.

도 6은 본 발명에 따른 유체교환막 모듈(10)의 제5실시예에 적용될 수 있는 하우징(51)의 내부구조를 나타내는 단면도(a) 및 사시 단면도(b)이다.

도 6을 참고하면, 상기 하우징(51)의 내부에는 상기 하우징(51)의 내측면으로부터 돌출형성되어 간격을 두고 나란히 배치되어 유체의 흐름을 방해하여 유체의 와류를 형성함으로써 하우징(51) 내부에서 유체의 체류시간을 늘일 수 있는 다수의 와류형성편(511,512,513)이 구비될 수 있다. 상기 와류형성편은 판형상으로 이루어질 수 있으며, 내부 중앙에는 중공사막(12) 다발이 관통배치되는 중공사막관통홀(511a,512a,513a)이 구비된다. 상기 중공사막관통홀(511a,512a,513a)의 형상은 원형, 다각형 또는 무정형 등 다양한 형상의 구멍으로 이루어질 수 있으며, 다수의 와류형성편은 그 내부에 형성된 중공사막관통홀(511a,512a,513a)이 상기 하우징(51)의 유체유입구 측으로부터 상기 하우징(51)의 유체배출구 측으로 갈수록 그 크기가 점차 감소하도록 배치될 수 있다.

도 6에는 본 발명의 제5실시예에 따른 유체교환막 모듈(10)에 적용될 수 있는 하우징(51)의 직경이 일정하게 도시되어 있으나, 유체유입구 측으로부터 유체배출구 측으로 갈수록 내부 직경이 감소하는 형상으로 형성될 수도 있다.

상기 본 발명의 일 실시예들에서는 상기 제2유체가 제2유체유입구(2a)로 유입되고 제2유체유출구(2b)를 통하여 유출되는 것으로 기재되었으나, 상기 제2유체는 제2유체유출구(2b)로 유입되고 제2유체유입구(2a)를 통하여 유출될 수도 있다.

[실시예: 수분 교환 모듈의 제조]

(실시예 1)

폴리설폰 중공사막(외경 900um, 내경 800um) 14,000개를 하나의 다발로 각형 하우징(가로 250mm, 세로 250mm, 높이 500mm) 내부에 배치시켰다. 이때, 상기 중공사막 다발의 일측 평균 밀집도는 30 면적%이고, 타측 평균 밀집도는 40 면적%였다.

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 끝단을 절단하여 상기 중공사막 다발의 끝단이 상기 포팅부 절단부에 드러나도록 하여 포팅부를 형성한 후, 상기 하우징의 양단부에 하우징 캡를 씌워 수분 교환 모듈을 제조하였다.

(실시예 2)

폴리설폰 중공사막(외경 900um, 내경 800um) 14,000개를 하나의 다발로 각형 하우징(가로 250mm, 세로 250mm, 높이 500mm) 내부에 배치시켰다. 이때, 상기 중공사막 다발의 일측 평균 밀집도는 40 면적%이고, 타측 평균 밀집도는 50 면적%였다.

(실시예 3)

폴리설폰 중공사막(외경 900um, 내경 800um) 14,000개를 하나의 다발로 각형 하우징(가로 250mm, 세로 250mm, 높이 500mm) 내부에 배치시켰다. 이때, 상기 중공사막 다발의 일측 평균 밀집도는 30 면적%이고, 타측 평균 밀집도는 50 면적%였다.

(비교예)

폴리설폰 중공사막(외경 900um, 내경 800um) 14,000개를 하나의 다발로 각형 하우징(가로 250mm, 세로 250mm, 높이 500mm) 내부에 배치시켰다. 이때, 상기 중공사막 다발의 일측 및 타측 평균 밀집도는 동일하게 40 면적%였다.

[실험예: 제조된 포팅부의 성능 측정]

상기 실시예 및 비교예에서 제조된 수분 교환 모듈의 중공사막 내부와 외부에 각각 50g/sec의 건조공기를 유입하고 중공사막 외부는 온도 70℃, 습도 90RH% 로 고정하고, 중공사막 내부는 온도 40℃, 습도 10RH%로 고정하여 기체-기체 가습을 실시하였다.

가습 성능은 상기 중공사막 내부를 흐르는 공기가 가습되어 나오는 지점의 온도와 습도를 측정하여 노점(Dew Point)으로 환산하여 측정하였고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

	실시예 1	실시예 2	실시예 3	비교예
가습성능(℃)	55	57	58	49

상기 표 1을 참조하면, 상기 실시예에서 제조된 수분 교환 모듈은 비교예에서 제조된 수분 교환 모듈에 비하여 가습 성능이 더 우수함을 알 수 있다.

이상 살펴본 바와 같은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 유체교환막 모듈은 그 응용분야가 매우 다양하며, 예를 들어 가스교환기, 막 가습기 또는 수처리기등으로 응용될 수 있을 것이다.

1a: 제1유체유입구 1b: 제1유체배출
2a: 제2유체유입구 2b: 제2유체배출
10: 유체교환막 모듈 11: 하우
12: 중공사막 13: 포팅
21: 하우징 31,32: 하우
311,321: 유입하우징부 312,322: 배출하우징
41,42,43: 하우징 411,421,431: 유입하우징부
412,422,432: 중간하우징부 413,423,433: 배출하우징부
411a,412a: 와류형성부 421a,422a: 와류형성부
431a,432a: 와류형성부 51: 하우징
511,512,513: 와류형성편 511a,512a,513a: 중공사막관통홀

Claims

제1유체유입구, 상기 제1유체유입구로 유입된 유체가 배출되는 제1유체배출구, 제2유체유입구, 및 상기 제2유체유입구로 유입된 유체가 배출되는 제2유체배출구를 구비한 하우징; 및
상기 하우징 내에 고정된 중공사막 다발;을 포함하며,
상기 제1유체유입구 또는 제2유체유입구 측의 중공사막 다발의 밀집도가 상기 제1유체배출구 또는 제2유체배출구 측의 중공사막 다발의 밀집도보다 낮은 유체교환막 모듈.
제1항에 있어서,
상기 제1유체유입구 또는 제2유체유입구 측의 중공사막 다발의 평균 밀집도는 10내지 50 면적%이고,
상기 제1유체배출구 또는 제2유체배출구 측의 중공사막 다발의 평균 밀집도는 20 내지 60 면적%인 유체교환막 모듈.
제1항에 있어서,
상기 제1유체유입구 및 상기 제2유체유입구는 상기 하우징의 제1말단 측에 형성되고,
상기 제1유체배출구 및 상기 제2유체배출구는 상기 하우징의 제2말단 측에 형성된 유체교환막 모듈.
제3항에 있어서,
상기 하우징의 제1말단 측 내부로부터 상기 하우징의 제2말단 측 내부로 갈수록 하우징 내부의 직경이 점차 감소하는 유체교환막 모듈.
제1항에 있어서,
상기 하우징의 내부에는 상기 하우징 내부에서 유체의 체류시간을 늘일 수 있도록 와류형성부가 더 구비된 유체교환막 모듈.
제3항에 있어서,
상기 하우징의 내부에는 상기 하우징의 내측면으로부터 돌출형성되어 간격을 두고 나란히 배치된 다수의 와류형성편이 구비되며,
상기 와류형성편에는 중공사막관통홀이 형성되고,
상기 다수의 와류형성편은
상기 다수의 와류형성편에 형성된 중공사막관통홀의 직경이 상기 하우징의 제1말단 측으로부터 상기 하우징의 제2말단 측으로 갈수록 점차 감소하도록 배치된 유체교환막 모듈.
제1항 내지 제6항의 어느 한 항에 있어서,
상기 유체교환막 모듈은 수분 교환 모듈, 열교환 모듈, 기체 분리 모듈 및 수처리 모듈로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 유체교환막 모듈.