KR20160030107A - 나선형 교류 필터 - Google Patents

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KR20160030107A
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Abstract

본 발명은 침투 튜브를 포함하는 나선형 교류 필터 및 나선형 교류 필터 침투 튜브를 기재한다. 침투 튜브는 차단된 중간 부분, 중공 입구 부분 및 중공 출구 부분을 포함하고, 상기 중공 입구 부분은 입구 부분의 원통형 벽의 천공된 반경방향 오프셋 섹션에 의해 형성된 매니폴드를 포함한다. 중공 출구 부분은 출구 부분의 원통형 벽의 천공된 반경방향 오프셋 섹션에 의해 형성된 매니폴드를 선택적으로 포함할 수 있다.

Description

나선형 교류 필터{SPIRAL CROSSFLOW FILTER}
본 특허출원은 특허협력조약 제8조에 따라 2013년 5월 17일에 출원된 미국 특허출원번호 13/896,370호를 우선권주장하며, 이 특허출원은 본 명세서에서 참조문헌으로 통합된다.
본 발명은 나선형 교류 필터 및 나선형 교류 필터와 연관된 방법에 관한 것이다.
교류 여과방식(crossflow filtration)은 유체가 "전량여과방식(dead end)" 필터를 막을 수 있는 일정량의 고형물질을 이송할 때 사용될 수 있는 막 여과방식이다. 교류 여과방식은 전량 여과방식(dead end filtration)과는 상이하다. 전량 여과방식에서, 공급물질(feed)은 막(membrane) 또는 베드(bed)를 통과하며, 보유액(retentate)을 상기 막 또는 베드 내에 포획하고, 여과물질(filtrate)을 상기 막 또는 베드를 통해 배출시킨다. 일반적으로, 전량 여과방식에서, 공급 유체를 필터로부터 배출시키는 유일한 방법은 막을 통한 방법이다. 하지만, 교류 여과방식에서는, 공급물질은 막의 다른 면 위에서 공급물질과 여과물질 사이의 특정 압력, 농도, 또는 그 외의 다른 차이에서 (필터 막에 대해 접선방향으로) 필터 막을 가로질러 통과된다. 막의 공극(pore) 크기보다 더 작은 물질은 여과물질로서 막을 통과한다. 공급물질 중 일부는 보유액으로서 막 내에 또는 막 위에 포획되는 반면, 나머지 잔여 공급물질은 막을 통과하지 않고 또는 막 내에 또는 막 위에 포획되지 않고도 공급 면 위에서 필터를 가로질러 통과하여 흐른다. 필터로부터 배출되는 미여과된 공급 흐름(feed flow)은 여과물질로부터 분리된 상태로 유지되며 필터를 통해 재순환될 수 있다(recycled). 이러한 작동 모드는 막힐 수 있는 위험성을 야기하는 고형물질을 포함하는 공급물질 용도로 사용될 수 있다. "막힘" 현상은 막 위에 보유액이 축적되어 필터의 효율을 떨어뜨리고 및/또는 감소시키는 것을 의미한다. 전량 여과방식을 사용하면, 고형물질은 필터 표면을 신속하게 막을 수 있고, 공급 흐름은 더 이상 막을 통과할 수 없어서 필터가 비효율적이 되게 한다. 교류 여과방식을 사용하면, 일정 부피의 유체가 막을 가로질러 접선방향으로 이동하여 접선방향 공급 흐름에 의해 제거되어야 하는 입자들이 필터 표면 위에 포획되게 한다(trapped). 이는 교류 필터가 전량 여과방식 필터에 비해 상대적으로 높은 고형물질 하중에도 막힘이 감소되고 연속적으로 작동할 수 있음을 의미한다.
교류 필터 장치들은 플레이트, 중공 섬유(hollow fiber), 튜브 및 나선 형태를 포함하는 다양한 형태를 가질 수 있다. 나선형 교류 필터 장치는 "젤리 롤(jelly roll)" 타입의 형태로 침투 튜브(permeate tube) 주위로 둘러싸인 필터 매질(filter media)을 포함할 수 있다. 나선형 필터의 단부에서, 필터 요소의 개별 리프(leaves)들의 단부 에지(end edge)들은 중앙 축 주위로 회전하지만 상기 중앙 축으로부터 매우 먼 거리에 있는 지점에 의해 추적되는(traced) 평면 곡선을 만든다. 각각의 "리프"는 필터 매질로 제조된 "엔벌로프(envelop)"와 같이 실질적으로 중공으로 형성된다. 나선형 교류 필터에서, 공급 유체는 침투 튜브에 대해 평행하게 흐른다. 상기 공급 흐름은 필터 매질을 가로지르는 리프 "엔벌로프"들 중 하나로 유입된다. 여과된 유체, 또는 침투물질(permeate)은 상기 필터 매질을 통과해 흐르며 리프 엔벌로프 내의 매질 사이에서 나선형으로 돌며 유입되어 침투 튜브 내로 들어간다. 이 침투물질은 침투 튜브를 통해 필터로부터 배출되며, 개별적으로 필터로부터 배출하는 나머지 잔여 공급 흐름과 분리되어 유지된다.
교류 막 여과방식 기술은 전 세계 산업에서 광범위하게 이용되고 있다. 교류 여과방식은 예를 들어 미세여과, 초미세여과, 나노여과, 및 역삼투 기술에서 사용될 수 있다. 하지만, 여전히 개선된 교류 필터 장치들에 대한 필요성이 제기된다.
본 명세서에 기재된 실시 형태는 외부 원통형 쉘 및 이로부터 반경방향으로 오프셋 설정되고 쉘 내에 동축방향으로 정렬된 침투 원통형 튜브를 포함하는 나선형 교류 필터를 포함한다. 필터는 또한 침투 튜브와 외부 쉘 사이의 환형부 내에 배열된 환형 주름진 필터 요소를 포함할 수 있다. 상기 필터 요소는 복합 필터 재료를 포함하며, 상기 복합 필터 재료는 외부 쉘에 인접한 막 재료의 제1 층, 및 침투 튜브에 인접한 침투 스페이서 재료의 제2 층을 포함한다. 필터 요소의 주름은 복수의 주변방향으로 이격된 반경방향 리프를 형성할 수 있고, 이들 각각은 침투 튜브에 대한 이의 근위 에지에서의 부착부를 포함한다. 복수의 리프는 "나선형" 형상으로 침투 튜브 주위에 감겨질 수 있다.
본 발명이 발명의 내용 부분에서 기술된 구체예들에만 제한되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 것과 같이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 변형예들과 그 외의 다른 주제도 포함한다.
본 발명에 기술된 비-제한적인 구체예들의 다양한 특성들과 특징들은 하기 도면들을 참조하여 더 잘 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 나선형 교류 필터의 한 실시 형태를 도식적으로 도시한 분해 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 것과 같이 교류 필터의 복합 필터 요소를 구성하는 침투 스페이서 재료와 막을 도식적으로 도시한 도면이다.
도 3은, 일부분이 주름진 형상으로 도시되어 있는, 도 2에 도시된 복합 샌드위치 재료들을 도식적으로 도시한 도면이다.
도 4는, 침투 튜브에 부착된 주름진 복합 샌드위치 필터 요소의 에지를 도시하고 있는, 도 1에 도시된 교류 필터를 도식적으로 도시한 부분 횡단면도이다.
도 5는, 침투 튜브에 부착된 주름진 복합 샌드위치 필터 요소의 에지를 도시하고 있는, 도 1에 도시된 교류 필터의 일부분을 도식적으로 도시한 사시도이다.
도 6은, 공급 스페이서를 가지며 침투 튜브에 부착된 주름진 복합 샌드위치 필터 요소의 에지를 도시하고 있는, 도 1에 도시된 교류 필터의 일부분을 도식적으로 도시한 사시도이다.
도 7은 도 1에 도시된 교류의 단부 캡을 도식적으로 도시한 단부도(end view)이다.
도 8은 나선형 필터에 부착된 단부 캡을 도시하고 있으며 도 7의 라인 "A-A"를 따라 절단하여 도식적으로 도시한 단면도이다.
도 9는 차단된 중간 부분 및 반경방향 오프셋 천공된 섹션을 포함하는 침투 튜브의 도식적 단면도이다.
도 10은 도 9에 도시된 침투 튜브의 도식적 부분 사시도이다.
도 11a는 도 9에 도시된 침투 튜브의 입구 단부의 도식적 부분 단면도이고, 도 11b는 도 9에 도시된 침투 튜브의 출구 단부의 도식적 부분 단면 측면도이다.
도 12는 주름진 필터 요소를 포함한, 도 9에 도시된 침투 튜브의 도식적 부분 사시도이다.
도 13a는 도 9에 도시된 침투 튜브를 포함한 필터의 입구 부분의 도식적 단면도이고, 도 13b는 도 9에 도시된 침투 튜브를 포함한 필터의 출구 부분의 도식적 단면도이다.
도 14a는 도 9 및 도 13a에 도시된 필터 요소 조립체 및 침투 튜브의 입구 부분의 도식적 부분 단면도이고, 도 14b는 도 9 및 도 13b에 도시된 필터 요소 조립체 및 침투 튜브의 입구 부분의 도식적 부분 단면도이다.
도 15는 주변방향으로 이격된 리프를 통한 접선방향 흐름을 도시하는 도 9 및 도 13a에 도시된 필터 요소 조립체 및 침투 튜브의 입구 부분의 도식적 부분 단면도이다.
도 16은 주변방향으로 이격된 리프를 통한 접선방향 흐름을 도시하는, 도 9에 도시된 필터 요소 조립체 및 침투 튜브의 도식적 측면도이다.
본 명세서에 기재된 실시 형태들의 여러 설명들은, 간결하게 나타내기 위하여 그 외의 다른 요소, 특징 및 형태들은 생략하면서도, 기술되는 실시 형태들을 명확하게 이해하는 데 있어서 상기 실시 형태들의 요소, 특징 및 형태들을 단지 예시하기 위해 단순화되었다는 점을 이해해야 한다. 본 명세서에 기술되어 있는 내용을 고려하면, 상기 기재된 실시 형태들의 특정 구현 또는 적용하는 데 있어서 당업자는 그 외의 다른 요소 및/또는 특징들도 바람직할 수 있다는 것을 인식할 것이다. 하지만, 기재된 실시 형태들의 내용을 고려하면 당업자에 의해 이와 같은 그 외의 다른 요소 및/또는 특징들이 쉽게 확인되고 구현될 수 있고, 따라서, 기재된 실시 형태들을 완전히 이해하기 위해 반드시 필요하지 않기 때문에, 이러한 그 외의 다른 요소 및/또는 특징들은 본 명세서에 기술되지 않는다. 이에 따라, 본 명세서에 설명된 내용은 기재된 실시 형태들을 단지 예시하고 대표하기 위한 것이며 전적으로 청구항들에 의해 정의된 것과 같이 본 발명의 범위를 제한하려는 것이 아님을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명에서, 그 외에 달리 명시되지 않는 한, 수량 또는 특성들을 나타내는 모든 수치들은 모든 경우에서 용어 "대략(about)"에 의해 설명되고 변형되는 것으로 이해될 수 있다. 이에 따라, 반대로 명시되지 않는 한, 하기 내용에서 기재된 임의의 수치 변수들은 본 발명에 따른 실시 형태들에서 얻고자 하는 원하는 특성들에 따라 변경될 수 있다. 적어도, 청구항들의 범위에 대해 균등한 예들의 사상을 적용하는 것을 제한하려는 의도로서가 아니라, 본 명세서에 기재된 각각의 수치 변수들은 적어도 일반적인 기술을 적용하고 기록된 유효숫자에 따라 이해되어야 한다.
또한, 본 명세서에 인용된 임의의 수치 범위는 본 명세서에 포함된 모든 하위-범위들을 포함하기 위한 것이다. 예를 들어, 범위 "1 내지 10"은 인용된 최소값인 1과 인용된 최대값인 10 사이의 (그리고 이 값들을 포함하는) 모든 하위-범위들을 포함하려는 것이며, 이는 즉 1과 같거나 또는 1보다 큰 최소값과 10과 같거나 또는 10보다 더 작은 최대값을 가지는 것을 의미한다. 본 명세서에 인용된 임의의 최대 수치 한계는 본 명세서에 포함되는 그보다 낮은 모든 수치 한계들을 포함하기 위한 것이며 본 명세서에 인용된 임의의 최소 수치 한계는 본 명세서에 포함되는 그보다 높은 모든 수치 한계들을 포함하기 위한 것이다. 상기 모든 범위들은 이러한 하위-범위들을 명확하게 인용하고 있는 것에 대한 보정이 충분한 기재 요건에 요건들과 부합하도록 본 명세서에서 고유하게 기술되는 것이다.
본 명세서에 사용되는 관사들은, 그 외에 달리 명시되지 않는 한, "적어도 하나" 또는 "하나 이상의"라는 의미를 포함하기 위한 것이다. 따라서 이 관사들은 관사의 문법적인 목적어들의 하나 또는 하나보다 많은 (즉 하나 이상의)것을 가리키기 위해 본 명세서에서 사용된다. 예로서, 용어 "한 구성요소"는 하나 또는 그 이상의 구성요소를 의미하며 따라서, 가능하다면, 하나보다 많은 구성요소가 고려되고 기재된 실시 형태들을 구현하는 데 사용되거나 또는 제공될 수 있다.
전체적으로 또는 부분적으로 본 명세서에서 참조문헌으로 통합된, 임의의 특허, 공보, 또는 그 외의 다른 개시물 자료들은, 본 명세서에서, 전체적이지만 상기 일체로 구성된 자료들이 기존의 정의, 서술된 내용, 또는 본 명세서에서 구체적으로 설명된 그 외의 다른 개시물 자료들에 상반되지 않는 범위로만 일체로 구성된다. 이와 같이, 본 명세서에서 설명된 명확한 개시 내용은 본 명세서에서 참조문헌으로서 통합되는 상반된 자료들을 대신한다. 본 명세서에서 참조문헌으로서 통합될 수 있으나, 기존의 정의, 서술된 내용, 또는 본 명세서에서 설명된 그 외의 개시물 자료들과 상반되는 임의의 자료, 또는 자료의 일부분은 단지 상기 일체로 구성된 자료들과 기존의 개시물 자료들 간에 어떠한 상반점들도 발생되지 않는 정도로까지만 일체로 구성된다.
본 명세서는 다양일 실시 형태들의 상이한 특징, 형태, 및 특성들을 포함하여 다양일 실시 형태들을 기술한 내용들을 포함한다. 본 명세서에 기재된 모든 실시 형태들은 대표적이고, 예시적이며 비-제한적이라는 점을 이해해야 한다. 따라서, 본 발명은 여러 대표적이고 예시적이며 비-제한적인 실시 형태들을 기술하는 것에만 제한되지 않는다. 대신, 본 발명은 단지 청구항들에 의해서만 정의되는데, 이 청구항들은 본 명세서에서 그 외에 달리 명확하거나 또는 고유하게 뒷받침되거나 또는 본 명세서에 명확하거나 또는 고유하게 기재된 특징, 형태, 및 특성들을 인용하도록 보정될 수 있다.
또한, 본 명세서에 제공된 도면들도 본 발명의 비-제한적인 실시 형태들을 나타내고 있다. 이 도면들은 실측 또는 실제의 비율로 도시되지 않았으며 다만 다양한 실시 형태들을 이해하는데 도움을 주기 위해 제공되고 본 발명의 범위를 제한하는 것을 이해되어서는 안 된다.
본 명세서에 기재된 실시 형태들은 일반적으로 예를 들어, 액체(예컨대, 물) 또는 가스(예컨대, 공기)와 같은 유체로부터 오염물질들을 제거하기 위한 장치들에 관한 것이다. 또한 본 명세서에 기재된 실시 형태들은 이와 관련된 유용한 그 외의 유체들도 제공할 수 있다. 예를 들어, 정제될 수 있거나 또는 그 외의 경우 여과될 수 있는 유체가 임의의 화학적 유체, 산업용 유체, 또는 생물학적 유체일 수 있다. 본 명세서에서 통상 사용되는 "오염물질"은 유체 내에 있는 바람직하지 못한 임의의 제재(agent)를 가리키는 것일 수 있다. 예를 들어, "오염물질"에는, 임의의 고형물질(solid) 및 잔해(debris), 중금속, 폴리아로매틱스(polyaromatics), 할로겐화 폴리아로매틱스(halogenated polyaromatics), 미네랄, 비타민, 바이러스, 곰팡이(예를 들어, 사상균(mold)과 효모(yeast))를 포함하는 미생물체(microorganism) 또는 미생물(microbes)(뿐만 아니라 낭포(cyst)와 포자(spore)를 포함하는 미생물체의 번식 형태(reproductive form)), 단백질 및 핵산(nucleic acid), 살충제(pesticide) 및 유기화학물질(organic chemical), 무기화학물질(inorganic chemicals), 및 용해염(dissolved salt)을 포함하는 그 외의 다른 농약(agrochemicals)들이 포함될 수 있지만, 이들에만 제한되는 것은 아니다.
본 명세서에서 통상적으로 사용된 것과 같이, 용어 "제거되는 오염물질" 또는 "감소되는 오염물질"은, 오염물질을 물리적 또는 화학적으로 제거하고, 감소시키고, 비활성화(inactivating)하며, 또는 그 외의 경우 하나 이상의 오염물질을 무해하게 만들어서, 유체 내에 있는 하나 이상의 오염물질들을 축소하거나 또는 제거하는 것을 가리킨다. 또한, 본 발명은 특정 실시 형태들이 하나 이상의 오염물질을 포함하지만 하나 이상의 유형, 군, 종류, 또는 특별히 확인된 오염물질들도 배제되는, 다양한 형태들도 고려한다. 예를 들어, 다양한 형태에서, 용어 "제거되는 오염물질"은 하나 이상의 특정 오염물질들을 포함할 수 있거나, 또는 단지 하나의 특정 오염물질을 포함할 수 있거나, 또는 특별히 하나 이상의 오염물질을 배제할 수도 있다.
도 1은 본 발명의 다양한 실시 형태들에 따른 나선형 교류 필터(spiral cross-flow filter, 1)의 일 실시 형태를 도시하고 있다. 이 실시 형태들은 외부 원통형 쉘(3)과 상기 쉘(3) 내에 동축구성으로 나란하게 정렬되고 상기 쉘(3)로부터 반경방향으로 오프셋배열된 다공성의 침투 원통형 튜브(4)를 갖는다. 이 실시 형태들은 상기 외부 쉘(3)과 침투 튜브(4) 사이의 환형부(6) 내에 배치된 환형의 주름진 필터 요소(5)를 추가로 포함한다. 이 필터 요소(5)는 복수의 리프(leaf, 7)들과 복수의 공급 스페이서(8)들로 형성된다. 쉽게 도시하기 위해, 도 1에 도시된 리프(7)들과 공급 스페이서(8)들은 "나선형" 또는 "젤리-롤(jelly-roll)" 형상으로 타이트하게 포장되거나 완전히 감싸지지 않는다. 교류 필터(1)의 다양한 실시 형태들은 단부 캡(2)들을 포함할 수 있다.
도 2를 참조하면, 필터 요소가 막 재료(9)의 적어도 제1 층과 침투 스페이서 재료의 제2 층(10)을 가진 복합 샌드위치(composite sandwich)를 포함할 수 있다. 도 1에 도시된 것과 같은 나선형 필터에서, 막 재료(9)의 제1 층은 상기 외부 쉘(3)에 근접하게 위치될 수 있으며, 침투 스페이서 재료(permeate membrane material)의 제2 층(10)은 침투 튜브(4)에 근접하게 위치될 수 있다. 도 3에서 참조하면, 복합 샌드위치 필터 요소(5)가 두 층들 모두 포함할 수 있으며 이 필터 요소(5)는 주름질 수 있다. 주름진 필터 요소(5)가 상기 침투 튜브(4) 주위로 배열될 수 있다. 일단 침투 튜브(4) 주위에 배치되고 나면, 상기 필터 요소(5)의 주름들은 복수의 연속적이면서 주변방향으로 이격된 방사형 리프(7)들을 형성할 수 있다. 상기 필터 요소(5)가 상기 침투 튜브(4) 주위에 배치되고 나면, 상기 리프(7)들은 일정한 방향으로 상기 침투 튜브(4) 주위로 둘러싸일 수 있다. 상기 리프(7)들은 예를 들어 단부 캡(2)들 및/또는 외부 쉘(3)에 의해 상기 둘러싸인 위치에 유지될 수 있다. 다양한 실시 형태에서, 필터 요소(5)는 침투 튜브(4)에 부착되지 않을 수도 있다. 다양한 실시 형태에서, 각각의 리프(7)는 상기 리프(7)의 내측 에지(11)에서 침투 튜브(4)에 대한 부착부(12)를 가질 수 있다. 부착부가 형성되고 나면, 복수의 리프(7)들이 일정한 방향으로 상기 침투 튜브(4) 주위로 둘러싸일 수 있다. 도 4는 침투 튜브(4)에 부착된 필터 요소(5)의 일부분을 도시한 횡단면도이다. 도 4는 상기 침투 튜브(4)의 단지 일부분과 복수의 리프(7)들 중 단지 두 개의 리프들만 도시하고 있다. 상기 필터 요소(5)는 내측 에지(11)에서 부착부(12)들을 포함한다. 일단 침투 튜브(4)에 부착되고 나면, 각각의 리프(7)는 두 개의 층(9, 10)을 갖는 "중공 엔벌로프(hollow envelop)"로서 기술될 수 있다.
도 6은 침투 튜브(4)에 부착된 필터 요소(5)의 두 개의 리프(7)를 도시하고 있다. 단지 두 개의 리프(7)만 도시되었지만, 다양한 실시 형태에서, 침투 튜브(4)의 외주(circumference) 주위로 연속적으로 부착된 두 개보다 많은 개수의 리프(7)들을 가질 수 있다. 도 6에서, 리프(7)들은 화살표(13)로 표시된 것과 같이 일정한 방향으로 침투 튜브(4) 주위로 부분적으로 둘러싸여 있지만, 최종 "나선형" 또는 "젤리 롤" 형상으로 완전히 둘러싸여 있지는 않다. 도 6에 도시된 필터 요소(6)는 두 리프(7)들 사이에 삽입된 공급 스페이서(8)를 추가로 포함한다. 다양한 실시 형태에서, 필터 요소(5)는 각각의 복수의 리프(7)들 사이에 공급 스페이서(8)를 포함한다. 이 공급 스페이스(8)의 목적은 리프(7)들 사이의 분리된 상태를 유지하여 상기 필터 요소(5)의 길이를 통과하는 공급 흐름 통로를 형성하기 위한 것이다. 공급 스페이서(8)들에 의해 촉진된 교류는 덩어리 보유액(aggregate retentate)들로 막(9)이 막히는 것을 방지하는 데 도움을 준다.
도 5 및 도 6은 필터 요소(5)와 침투 튜브(4)의 단부의 일부분을 도시한 사시도이다. 도 5에서는, 리프(7)들이 침투 튜브(4) 주위로 둘러싸이지 않았다. 도 6에서, 리프(7)들은 침투 튜브(4) 주위로 일부분 싸인다. 도 5 및 6을 참조하면, 다양한 실시 형태에서, 복수의 리프(7)들은 각각 에지(15)(입구 에지 및/또는 배출구 에지)에서 접합부(14)를 가지며, 상기 접합부(14)는 막 재료(9)와 침투 스페이서 재료(10)를 함께 밀봉한다. 본 명세서에서 사용된 것과 같이, 용어 "밀봉" 또는 "밀봉된"은 실질적으로 유체가 투과되지 않는 밀봉부(fluid impervious seal)가 형성되나 재료들은 반드시 함께 접착될 필요가 없음을 의미한다. 본 명세서에 사용된 것과 같이, 용어 "접합(bond)" 또는 "접합된"은 예를 들어, 접착제, 또는 가령, 예컨대, 초음파 용접과 같은 특정 접합 공법을 사용하여, 위에서 기재된 재료들이 물리적으로 및/또는 화학적으로 함께 접합되며, 이에 따라 실질적으로 유체가 투과되지 않는 밀봉부가 형성되는 것을 의미한다. 또한, 도 5 및 도 6에 도시된 리프(7)들은 상기 리프(7)들의 내측 에지(11)를 따라 부착부(12)를 포함한다. 일단 침투 튜브(4)에 부착되고 에지(15)에서 접합되고 나면, 두 개의 층들을 가진 "중공 엔벌로프"가 형성된다. 에지 접합부(14)는, 주름지고 난 후와 침투 튜브(4)에 부착되기 전에, 또는 침투 튜브(4)에 부착되고 난 뒤에 형성될 수 있다. 각각의 리프(7)의 에지(15)는 함께 접합되지만, 내측 에지(11)들은 상기 내측 에지(11)들이 침투 튜브(4)에 대한 부착부(12)를 형성하는 위치에서 약간 분리된다. 따라서, 다양한 실시 형태에서, 각각의 리프(7)의 내측 에지(11)들 근처에 작은 틈(16)이 형성될 수 있다. 이러한 실시 형태들에서, 상기 틈(16)은 단부 캡(2)의 내측 부분(20)에 의해 밀봉되고 가려질 수 있다. 다양한 실시 형태에서, 상기 단부 캡(2)은 각각의 리프(7)의 일부분에 접합되어 상기 틈(16)을 가리고 밀봉한다.
도 5를 참조하면, 복수의 리프(7)들이 하나 이상의 주름진 필터 요소(5)로 형성되기 때문에, 상기 리프(7)들은 주름진 필터 요소(5)의 단부(17)들이 만나는 위치를 제외하고는 연속적으로 형성된다. 도 5에서, 필터 요소(5)의 각각의 단부(17)는 리프(7)의 절반에 해당한다(make up). 따라서, 다양한 실시 형태에서, 하나 이상의 리프(7)는 외측 에지(19)에서 접합부(18)를 가질 것이며, 주름진 필터 요소(5)의 두 단부(18)들과 접합하고 상기 단부(17)들과 리프(7)를 형성한다. (도시되지 않은) 다양한 실시 형태에서, 주름진 필터 요소(5)의 각각의 단부(17)는 완전한 리프(7)의 단부가 되겠지만 리프(7)의 절반은 되지 않을 것이다. 이러한 실시 형태에서, 상기 단부(17)는 내측 에지(11)에서 부착부(12)를 형성한다. 필터 요소(5)의 단부(17)들은 완전한 리프(7)에서 끝을 이룰 것이며(end), 어떠한 리프(7)도 주름진 필터 요소(5)의 단부(17)들과 접합하여 형성되지 않을 것이다.
다양한 실시 형태에서, 접합부(14, 18)와 부착부(12)들은 접착제를 포함하지 않는다. 다양한 실시 형태에서, 상기 접합부(14, 18)와 부착부(12)들은 초음파 접합부, 열 접합부, IR 접합부, 무선 주파수 접합부(radio frequency bond), 및 마이크로웨이브 접합부(microwave bond)로 구성된 군으로부터 선택된다. 다양한 실시 형태에서, 상기 접합부(14, 18)와 부착부(12)들은 초음파 접합부이다. 다양한 실시 형태에서, 상기 부착부(12)들은 내측 에지(11)에서 각각의 리프(7)의 침투 스페이서(10) 재료와 막(9) 재료를 접합하는 초음파 접합부이다. 다양한 실시 형태에서, 초음파 접합부를 포함하는 필터 구성요소들은 본 명세서에 인용된 폴리머들 중 임의의 폴리머를 포함하는 동일한 베이스 폴리머(base polymer)로 형성될 수 있다. 다양한 실시 형태에서, 상기 필터 구성요소들은 초음파 접합 또는 용접 용도로 적합한 베이스 폴리머로 형성될 수 있다. 상기 구성요소들은 막(9) 재료, 침투 스페이서(10) 재료, 침투 튜브(4), 단부 캡(2)과 외부 쉘(3)을 포함한다. 또한, 상기 필터구성요소들은 공급 스페이서(8)와 본 명세서에 기재된 그 외의 임의의 구성요소들 포함할 수 있다.
도 1 및 도 6에 도시된 바와 같이, 다양한 실시 형태에서, 공급 스페이서(8)는 골이 진(corrugated) 열가소성 시트로 형성된다. 상기 공급 스페이서(8) 내에 있는 골(corrugation)들은 납작한 그물(netting) 또는 그 외의 다른 재료들에 비해 공급 흐름 통로 내에서 흐름을 덜 차단하는 흐름 채널(flow channel)을 형성한다. 놀랍게도, 골이 진 공급 스페이서(8)를 사용함으로써, 필터(1)를 가로지르는 흐름의 균형을 맞추고 상기 필터(1)가 상대적으로 높은 직교-유속, 상대적으로 높은 점성 유체, 및 상대적으로 높은 공급 고형물질들을 취급할 수 있게 하는 동시에 막히는 것을 방지하는 데 도움을 준다는 사실이 밝혀졌다. 다양한 실시 형태에서, 공급 스페이서(8)들을 형성하는 골이 진 열가소성 시트들은 다공성(porous)이다. 본 명세서에서 사용되는 것과 같이, 용어 "다공성"은 미세 구멍(microscopic aperture)들로부터 거시 구멍(macroscopic aperture)들까지의 구멍 범위를 포함한다. 다양한 실시 형태에서, 이 구멍들은 예를 들어 압출 열가소성 그물을 포함하는 개방 격자(lattice)에 의해 형성될 수 있다. 이 구멍들은 공급 스페이서(8) 재료가 만들어질 때 제자리에서(in situ) 형성될 수 있거나, 또는 이 구멍들은 상기 공급 스페이서(8) 재료가 만들어지고 난 뒤 기계적 또는 화학적 방법들(예를 들어, 펀칭(punching), 보링(boring), 드릴링(drilling), 천공(perforating), 및 이와 유사한 방법)에 의해 생성될 수 있다. 다양한 실시 형태에서, 상기 공급 스페이서(8)를 형성하는 골이 진 열가소성 시트들은 비-다공성(non-porous)이며 실질적으로 유체가 투과되지 않는다.
다양한 실시 형태에서, 공급 스페이서(8)는 비-텍스쳐화된(non-textured) 골이 진 열가소성 시트로 형성된다. 본 명세서에서 사용되는 용어 "비-텍스쳐화된(non-textured)"은 거시 레벨(macroscopic level)에서 실질적으로 매끄러운 표면을 포함한다. 다양한 실시 형태에서, 골이 진 열가소성 시트는 텍스쳐화 된다(textured). 본 명세서에서 사용되는 용어 "텍스쳐화된(textured)"은 거시 레벨에서 가시화되는 올라간 특징부를 가진 표면을 포함한다. 텍스쳐화된 시트가 유체 흐름 내에서 난류(turbulence)를 생성시킬 수 있으며 이는 본 명세서에서 기재된 것과 같이 나선형 교류의 작동에 도움을 줄 수 있다. 골이 진 공급 스페이서의 예는 사와다(Sawada)씨 등에 허여된 미국특허번호 4,834,881호에서 찾아볼 수 있는데, 이 특허는 본 명세서에서 참조문헌으로서 통합된다.
다양한 실시 형태에서, 골이 진 열가소성 시트는 0.02 인치 내지 0.25인치의 진폭(amplitude)과 0.02 인치 내지 0.25 인치의 파장(wavelength)을 갖는다. 그 외의 다른 다양한 실시 형태에서, 골이 진 열가소성 시트는 0.05 인치 내지 0.15 인치의 진폭과 0.05 인치 내지 0.15 인치 사이의 파장을 갖는다. 다양한 실시 형태에서, 공급 스페이서(8)는 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리프로필렌, 폴리에스테르, 폴리에틸렌, 폴리에테르설폰, 폴리설폰, 폴리아크릴로니트릴, 나일론, 에틸렌 클로로트리플루오로에틸렌, 플루오로에틸렌프로필렌, 페르플루오로알콕시, 폴리에테르에테르케톤, 폴리시니딜렌설피드, 폴리카보네이트, 및 이들의 혼합물과 코-폴리머들로 구성된 그룹으로부터 선택된 열가소성 재료로 제조된다.
도 7은 단부 캡(2)의 단부도(end view)를 도시하고 있다. 다양한 실시 형태들은 침투 튜브(4)의 입구 단부(inlet end) 상에 있는 입구 단부 캡(2)과 상기 침투 튜브(4)의 배출구 단부(outlet end) 상에 있는 배출구 단부 캡(2)을 포함할 수 있다. 이 단부 캡(2)들은 침투 튜브(4)의 입구 단부 또는 배출구 단부를 밀봉하는 내측 부분(20)을 갖는다. 다양한 실시 형태에서, 상기 내측 부분(20)은 리프(7)들의 내측 에지(11)에 가까운 틈(16)들을 밀봉하며 리프(7)의 일부분에 접합될 수 있다. 상기 단부 캡(2)은 입구 유체 흐름을 복수의 리프(7)들의 입구 에지(15)를 향하도록 유도하거나, 또는 배출구 유체 흐름을 복수의 리프(7)들의 배출구 에지(15)로부터 나오도록 유도하는 하나 이상의 개방 부분(21)을 갖는다. 다양한 실시 형태들은 침투 튜브(4)의 하나 이상의 배출구 단부에 부착된 배출구 단부 캡(2)을 포함할 수 있는데, 상기 배출구 단부 캡(2)은 복수의 리프(7)의 배출구 에지(15)로부터 흘러나오는 배출구 유체 흐름과 침투 튜브(4)로부터 흘러나오는 침투 유체 흐름을 분리하도록 구성된 구조물들을 갖는다.
이제, 도 8을 참조하면, 다양한 실시 형태에서, 단부 캡(2)은 침투 튜브(4)의 단부에 접합되고 상기 침투 튜브(4)의 단부를 밀봉한다. 다양한 실시 형태에서, 입구 쪽에서는, 입구 단부에서 침투 튜브(4)로 어떠한 유체도 유입되지 않도록 상기 단부 캡(2)의 내측 부분(20)은 닫힌다. 배출구 쪽에서는, 단부 캡(2)의 내측 부분(20)이 개방되어 침투물질(permeate)이 필터(1)로부터 배출될 수 있다. 다양한 실시 형태에서, 침투 튜브(4)의 입구 단부와 배출구 단부는 둘 다 모두 개방되며, 단부 캡(2)의 내측 부분(20)에 의해 차단되지 않는다. 다양한 실시 형태에서, 침투 튜브(4)의 중간 부분은 차단된다. 이 실시 형태에서, 유체는 침투 튜브(4)의 입구 단부 내로 흘러들어온다. 차단된 중간 부분은 유체를 침투 튜브(4)로부터 배출시켜 리프(7) 내로 유입되게 한다. 유체가 일단 리프(7)들로 유입되고 나면, 이 유체는 침투 튜브(4)에 대해 평행하게 흘러 리프 내에 유지된다. 이러한 실시 형태에서, 여과된(filtered) 유체는 공급 면(feed side)으로부터 침투 면(permeate side)으로 또는 침투 면으로부터 공급 면으로 통과할 수 있다. 이 유체는 침투 튜브의 차단된 중간 부분으로부터 하류에 있는 침투 튜브(4)로 재유입된다. 그 외의 다른 다양한 실시 형태에서, 침투 튜브(4)의 양쪽 단부는 둘 다 개방되며 이 두 단부는 배출구 단부가 된다. 막(9)을 가로질러 흐르고 리프(7)와 침투 튜브(4) 내로 유입된 유체가 단부들 중 한 단부에서 침투 튜브(4)로부터 배출될 수 있기 때문에, 감소된 유체 흐름을 제한할 수 있게 한다.
도 8에서, 필터 요소(5)는 음영 영역으로 표시된다. 복수의 리프(7)들이 침투 튜브(4) 주위에서 일정한 방향으로 둘러싸여 있으나, 이 도면에서 개별 리프(7)들은 도시되지 않는다. 도 8에 도시된 것과 같은 실시 형태에서, 단부 캡(2)의 리브(22)는 리프(7)의 에지(15)에 접합되어 있지 않다. 다양한 실시 형태에서, 상기 리브(22)는 필터 요소(5)의 복수의 리프(7)의 에지(15)에 접합된다. 앞에서 언급한 것과 같이, 단부 캡(2)의 내측 부분(20)은 틈(16)을 포함할 수 있는 리프(7)의 일부분에 접합되거나 또는 리프(7)의 일부분을 밀봉할 수 있다.
외부 원통형 쉘(3)은 강성의 열가소성, 유리섬유, 또는 금속 튜브로 제조될 수 있거나, 또는 가령, 예를 들어, 테이프(tape)와 같은 비-강성 재료(non-rigid material)로 제조될 수 있지만, 여기에만 제한되는 것은 아니다. 다양한 실시 형태에서, 외부 원통형 쉘(3)은 리프(7)가 침투 튜브(4) 주위에 둘러싸여지고 난 뒤에 형성될 수 있다. 이러한 실시 형태들에서, 필터 요소(5) 주위에 유리섬유와 같은 가요성 재료를 둘러싸서 상기 쉘(3)이 형성될 수 있다. 어떤 경우에서도, 단부 캡(2)의 외측 부분(23)은 외부 원통형 쉘(3)과의 밀봉부를 형성한다. 다양한 실시 형태에서, 단부 캡(2)의 외측 부분(23)은 상기 쉘(3)에 추가로 접합될 수 있다. 다양한 실시 형태에서, 입구 단부 캡(2)과 배출구 단부 캡(2)은, 초음파 용접, 열 접합, IR 접합, 무선 주파수 접합, 및 마이크로웨이브 접합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 방법에 의해, 적어도 침투 튜브(4)에 접합되고, 가능하다면, 쉘(3)에도 접합된다.
작동 시에, 필터 요소(5)의 리프(7)의 입구 에지(15)에서 공급 흐름이 유도된다. 공급 흐름은 단부 캡(2)에 있는 개구(21)를 통해 나선형 필터(1)로 유입될 수 있다. 이 공급 흐름은 입구 에지(15)에서 리프(7)들 사이에서 유도된다. 공급 스페이서(8)에 의해 리프(7)들 사이에 공간이 유지될 수 있다. 여과물질(filtrate)이 막(9)을 통과할 수 있으며 침투 튜브(4) 주위로 둘러싸인 리프(7)들 중 어느 한 리프(7)를 따라 한 지점에서 리프(7)에 유입될 수 있다. 이 여과물질은 압력차, 농도구배(concentration gradient), 또는 그 외의 다른 임의의 수단으로, 막(9)을 통과할 수 있게 된다. 일단 여과물질이 리프(7)의 막(9)을 통과하고 나면, 이 여과물질은 상기 리프(8) 내에 유지된다. 이 여과물질은 리프(7) 내에 유지되면서도 침투 튜브(4)를 향해 흐르게 된다. 리프(7) 내에 유지되는 동안, 여과물질이 다공성의 침투 튜브(4)에 유입될 수 있도록 상기 여과물질은 결국 침투 스페이서(10)를 통과해야 한다. 상기 침투 튜브(4)는 침튜 튜브(4)가 각각의 리프(7)의 내부와 유체 연통(fluid communication) 상태가 되도록 침투 튜브 길이의 일부분 이상이 다공성으로 형성된다. 일단 침투 튜브(4)에 유입되고 나면, 여과물질은 상기 침투 튜브(4)의 배출구 단부를 통해 필터(1)로부터 흘러 나온다. 이 여과물질은 리프(7)에 유입되지 않은, 필터(1)로부터 배출된 공급 흐름과 분리된 상태로 유지된다. 리프(7)에 유입되지 않은 공급 흐름은 필터 요소(5)의 리프(7)들의 배출구 에지(15)를 지나 나선형 필터(1)로부터 배출된다. 리프(7)들에 대해 접선방향으로 흐르는 미여과된 균일한 공급 흐름은 필터 표면 막(9)으로부터 보유액(retentate)을 제거하거나 또는 멀리 이동시키는데 도움을 주며 막(9)이 막히는 것을 방지한다. 다양한 실시 형태에서, 잔여 공급 흐름은 배출구 단부 캡(2)에 있는 개구(21)를 통해 필터(1)로부터 배출된다. 미여과된 공급 흐름은 입구 단부 캡(2)을 통해 결국 나선형 필터(1) 내로 재순환될 수 있다(recycled back).
다양한 실시 형태에서, 본 명세서에서 기재된 바와 같은 필터가 3 M/sec보다 크거나 또는 이와 동일한 직교-유속(유체 속도로서 측정됨)을 가질 수 있다. 다양한 실시 형태에서, 본 명세서에 기재된 바와 같은 필터가 5 M/sec보다 크거나 또는 이와 동일한 직교-유속을 가질 수도 있다. 또 다른 실시 형태에서, 본 명세서에 기재된 바와 같은 필터가 1 M/sec보다 작거나 또는 이와 동일한 직교-유속을 가질 수도 있다. 또 다른 실시 형태에서, 본 명세서에 기재된 바와 같은 필터가 1 M/sec 내지 5 M/sec 또는 1 M/sec 내지 3 M/sec의 직교-유속을 가질 수도 있다. 또 다른 실시 형태에서, 본 명세서에 기재된 바와 같은 필터가 20 cm/sec 내지 100 cm/sec의 직교-유속을 가질 수도 있다.
다양한 실시 형태에서, 본 명세서에 기재된 바와 같은 교류 필터는 3보다 작거나 또는 이와 동일한 나선형 직경에 대한 리프 높이 비율을 가질 수 있으며, 몇몇 실시 형태에서는 2.5보다 작거나 또는 이와 동일한 나선형 직경에 대한 리프 높이 비율, 및 그 외의 다른 실시 형태에서는 2보다 작거나 또는 이와 동일한 나선형 직경에 대한 리프 높이 비율을 가질 수 있다. 여기서 사용된 용어 "리프 높이(leaf height)"는 예를 들어 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 상기 리프가 침투 튜브로부터 반경방향으로 연장될 때 리프의 내측 에지들 사이에 있는 한 지점으로부터 상기 리프의 외측 에지까지의 거리를 가리킨다. 또한, 본 명세서에 사용된 용어 "나선형 직경(spiral diameter)"은 침투 튜브의 외측 에지로부터 외부 원통형 쉘의 내측 에지까지 측정된, 본 명세서에 기재된 바와 같은 필터의 직경 길이를 가리킨다.
본 명세서에 기재된 바와 같은 필터가 다양한 필터링 분야 용도로 사용될 수 있다. 다양한 실시 형태에서, 나선형 교류 필터의 막 재료는 미세여과(microfiltration) 재료, 초미세여과(ultrafiltration) 재료, 나노여과(nanofiltration) 재료, 및 역삼투(reverse osmosis) 재료로 구성된 그룹으로부터 선택된 재료로 제조될 수 있다. 본 명세서에서 사용된 것과 같이, 미세여과 재료는, 통상 90%보다 큰 효율로 10 마이크론 미만, 최소 0.01 마이크론인 입자 대부분을 제거하는 다공성의 필터 재료로서 정의된다. 본 명세서에 사용된 것과 같이, 초미세여과 재료는, 미세여과 재료와 같은 기능을 수행할 뿐만 아니라, 통상 90%보다 큰 효율로 대략 1 백만 돌턴(Dalton) 내지 최소 1,000 돌턴 미만의 분자 대부분을 제거하는 다공성의 필터 재료로서 정의된다. 본 명세서에서 사용된 것과 같이, 나노여과 재료는, 초미세여과 재료와 같은 기능을 수행할 뿐만 아니라, 통상 90%보다 큰 효율로 다전하 이온(multi-valent ion)들의 대부분을 제거하는 다공성의 필터 재료로서 정의된다. 본 명세서에서 사용된 것과 같이, 역삼투 재료는, 나노여과 재료와 같은 기능을 수행할 뿐만 아니라, 통상 90%보다 큰 효율로 단일 전하 이온(single valent ion)들의 대부분을 제거하는 다공성의 필터 재료로서 정의된다.
본 명세서에 기재된 바와 같은 필터는 위에서 기재된 여과 타입들에 적합한 공지되어 있는 어떠한 재료에도 사용할 수 있다. 다양한 실시 형태에서, 막 재료는 미세여과 재료와 초미세여과 재료로 구성된 그룹으로부터 선택될 수 있다. 다양한 실시 형태에서, 막 재료는 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리프로필렌, 폴리에스테르, 폴리에틸렌, 폴리에테르설폰, 폴리설폰, 폴리아크릴로니트릴, 나일론, 에틸렌 클로로트리플루오로에틸렌, 플루오로에틸렌프로필렌, 페르플루오로알콕시, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리에테르에테르케톤, 폴리시니딜렌설피드, 및 폴리카보네이트로 구성된 그룹으로부터 선택된 재료로 형성될 수 있다. 다양한 실시 형태에서, 막 재료는 폴리비닐레덴 플로오라이드와 폴리에테르설폰으로 구성된 그룹으로부터 선택될 수 있다.
도 9 내지 도 11b를 참조하면, 침투 튜브(104)는 출구 부분(130)과 입구 부분(120)을 분리하는 중간 부분(140)을 포함한다. 침투 튜브(104)의 중간 부분(140)은 차단되고, 침투 튜브(104)의 전체 길이를 통해 유체 흐름을 허용하지 않는다. 대신에, 차단된 중간 부분(140)은 입구 부분(120)의 축방향 오프셋 섹션(153) 내에 형성된 천공(perforation, 155)을 통하여 외부로 침투 튜브(104)의 입구 단부(125)를 통해 유체가 유입되도록 한다. 도 11a를 참조하면, 침투 튜브(104)의 입구 단부(125)를 통해 유입되는 유체가 화살표(160)로 도시된다. 유체 흐름(160)은 침투 튜브(104)의 입구 부분(120) 내의 중공 루멘(157) 내로 유입되고 화살표(165)로 도시된 바와 같이 입구 부분(120)의 원통형 벽의 축방향 오프셋 섹션(153) 내의 천공(155)을 통하여 가압된다.
침투 튜브(104)의 입구 부분(120)으로부터 가압된 유체 흐름(165)은 환형의 주름진 필터 요소(도 12 내지 도 16에 관해 하기에서 더 상세히 기술됨)의 주변방향으로 이격된 리프 내로 유입된다. 필터 요소의 리프 내에서 유체는 침투 튜브(104)의 차단된 중간 부분(140)에 대해 접선 방향으로 흐른다(후술된 도 15 및 도 16 참조). 도 11b를 참조하면,
도 11b를 참조하면, 필터 요소의 리프를 통하여 접선 방향으로 흐른 후에, 유체는 화살표(175)로 도시된 바와 같이 출구 부분(130)의 원통형 벽의 축방향 오프셋 섹션(153) 내의 천공(155)을 통하여 침투 튜브로 재유입된다. 천공(155)을 통하여 침투 튜브(104)의 출구 부분(130) 내로 유입된 유체 흐름(175)은 출구 부분(130 내의 중공 루멘(157) 내에서 조합되고, 화살표(170)로 도시된 바와 같이 출구 단부(135)를 통하여 침투 튜브(104)에서 빠져나간다.
침투 튜브(104)의 출구 부분(130)과 입구 부분(120)은 출구 부분(130)과 입구 부분(120)의 반경방향 오프셋 섹션(153)에 의해 형성된 환형 매니폴드(150)를 각각 포함한다. 출구 부분(130)과 입구 부분(120)의 반경방향 오프셋 섹션(153)은 중간 부분(140)의 외부 원통형 표면(147)에 대해 반경방향으로 오프셋배열된다. 출구 부분(130)과 입구 부분(120)의 반경방향 오프셋 섹션(153)은 또한 각각 출구 부분(130)의 외부 원통형 표면(137)과 입구 부분(120)의 외부 원통형 표면(127)에 대해 반경방향으로 오프셋 배열된다. 반경방향 오프셋 섹션(153)은 출구 부분(130)과 입구 부분(120)의 중공 루멘(157)을 향하여 그리고 침투 튜브(104)의 외부 원통형 표면으로부터 내향으로 반경방향으로 오프셋 배열된다.
침투 튜브(104)의 출구 부분(130)과 입구 부분(120)의 원통형 벽 내의 천공(155)은 반경방향 오프셋 섹션(153) 내에 배열되고 각각 출구 부분(130)과 입구 부분(120) 내의 중공 루멘(157)과 매니폴드(150) 사이에 유체 연통을 제공하는 구멍을 형성한다. 침투 튜브(104)의 출구 부분(130)과 입구 부분(120)의 원통형 벽의 천공된 반경방향 오프셋 섹션(153)은 침투 튜브(104)의 외부 원통형 표면을 입구 부분(120)의 외부 원?형 표면(127), 출구 부분(130)의 외부 원통형 표면(137) 및 중간 부분(140)의 외부 원통형 표면(147)으로 분할한다.
도 9 내지 도 11a에 도시된 실시 형태에서, 침투 튜브(104)는 침투 튜브(104)의 외부 원통형 표면(127, 137, 147)으로부터 반경방향 오프셋 섹션(153)으로의 전이부에서 그리고 반경방향 오프셋 섹션(153) 이외에 침투 튜브의 전체 축방향 길이를 따라 일정한 외부 직경을 갖는다. 그러나, 다양한 실시 형태에서 침투 튜브의 외부 직경은 침투 튜브의 축방향 길이를 따라 변화할 수 있다. 예를 들어, 다양한 실시 형태에서, 출구 부분(130)과 입구 부분(120)의 외부 원통형 표면(127)은 중간 부분(140)의 외부 원통형 표면(147)의 직경보다 크거나 또는 작은 직경을 각각 가질 수 있다. 다양한 실시 형태에서, 천공된 반경방향 오프셋 섹션(153)은 입구 부분(120)의 외부 원통형 표면(127), 출구 부분(130)의 외부 원통형 표면(137) 및 중간 부분(140)의 외부 원통형 표면(147)들 중 적어도 하나에 대해 내향으로 반경방향으로 오프셋 배열될 수 있다.
중간 부분(140)은 출구 부분(130)의 반경방향 오프셋 섹션(153)과 입구 부분(120)의 반경방향 오프셋 섹션(153) 사이에 위치된다. 도 9 내지 도 11b에 도시된 실시 형태에서, 침투 튜브(104)의 중간 부분(140)은 각각의 반경방향 오프셋 섹션(153)들 사이에 위치된 중간 부분(140)의 전체 축방향 길이를 따라 차단된다. 그러나, 다양한 실시 형태에서, 침투 튜브의 중간 부분은 중간 부분의 축방향 길이의 단지 하나 이상의 섹션을 따라 차단될 수 있고, 중간 부분은 매니폴드 내로 그리고 반경방향 오프셋 섹션 내에서 천공을 통하여 입구 부분으로부터 유체 흐름을 가압하고 침투 튜브를 통하여 유체 흐름을 차단하며, 유체 흐름은 출구 부분의 천공된 반경방향 오프셋 섹션에 의해 형성된 매니폴드를 통하여 중간 부분으로부터 다운스트림에 있는 침투 튜브의 출구 부분으로 재유입될 수 있다.
도 9 내지 도 11b에 도시된 실시 형태에서, 침투 튜브(104)는 침투 튜브의 축방향 길이를 따른 중간 지점 주위에서 대칭을 이룬다. 이와 같이, 매니폴드(150) 및 천공된 반경방향 오프셋 섹션(153)을 포함하는 출구 부분(130)와 입구 부분(120)의 구조적 구성 및 치수는 동일하다. 다양한 실시 형태에서, 출구 부분(130)과 입구 부분(120)의 구조적 구성은 상이할 수 있고, 적어도 입구 부분은 침투 튜브의 입구 단부를 통하여 유체 연통을 제공하고 이에 대해 개방되는 중공 루멘과 유체 연통된 매니폴드를 형성하는 천공된 반경방향 오프셋 섹션을 포함한다.
예를 들어, 다양한 실시 형태에서, 입구 부분의 반경방향 오프셋 섹션의 축방향 길이는 출구 부분의 반경방향 오프셋 섹션의 축방향 길이와 동일하거나 또는 상이할 수 있고, 입구 부분의 반경방향 오프셋 섹션의 반경방향 오프셋의 크기는 출구 부분의 반경방향 오프셋 섹션의 반경방향 오프셋의 크기와 동일하거나 또는 상이할 수 있고, 입구 부분의 반경방향 오프셋 섹션 내에서 천공의 개수, 형상 및/또는 치수는 출구 부분의 반경방향 오프셋 섹션 내의 천공의 개수, 형상 및/또는 치수와 동일하거나 또는 상이할 수 있고, 입구 부분의 중공 루멘의 내부 직경 및/또는 축방향 길이는 출구 부분의 중공 루멘의 내부 직경 및/또는 축방향 길이과 동일하거나 또는 상이할 수 있고, 및/또는 입구 부분의 외부 원통형 표면의 외부 직경 및/또는 축방향 길이는 출구 부분의 외부 원통형 표면의 외부 직경 및/또는 축방향 길이와 동일하고 및/또는 상이할 수 있다. 다른 실시 형태에서, 침투 튜브의 입구 부분은 환형 매니폴드 및 반경방향 오프셋 섹션을 포함할 수 있고, 출구 부분은 반경방향 오프셋 섹션 및 환형 매니폴드가 없을 수 있다.
도 12는 주름진 필터 요소(105) 및 도 9 및 도 11a에 도시된 침투 튜브(104)를 포함하는 조립체를 도시한다. 주름진 필터 요소(105)는 필터 요소(105)의 주름에 의해 형성된 복수의 주변 방향으로 이격된 리프(107)를 포함한다. 필터 요소(105)와 필터 리프(107)는 다양한 실시 형태에서, 도 1 내지 도 6에 도시된 필터 요소(5)와 필터 리프(7)에 관해 전술된 동일한 구조적 형상, 구조의 재료, 밀봉/접합 및 부착 메커니즘을 포함할 수 있다. 필터 요소(105)는 침투 튜브의 외부 원통형 표면(127, 137 및/또는 147) 및 리프(107)의 근위 에지(111)들 사이에 형성된 부착부(12)를 통하여 침투 튜브(104)에 부착된다. 설명의 용이를 위해, 도 12 내지 도 16에 도시된 필터 요소(105)와 리프(107)는 이격된 구성으로 도시되고 인접한 리프들 사이에 위치된 공급 스페이서가 없다. 그러나, 다양한 실시 형태에서, 필터는 침투 튜브 및 필터 요소를 포함할 수 있고, 필터 요소의 리프는 최종 나선형 또는 "젤리 롤" 타입 형상으로 일정한 방향으로 침투 튜브 주위에 감겨진다. 또한, 다양한 실시 형태에서, 필터는 침투 튜브 및 필터 요소의 2개의 인접한 리프들 사이에 위치된 하나 이상의 공급 스페이서를 포함한다. 이러한 공급 스페이서는 도 1 및 도 6에 도시된 공급 스페이서(8)에 관해 전술된 동일한 구조적 구성, 구조 재료 및 다른 특징부를 포함할 수 있다.
필터 요소(105)의 리프(107)는 침투 튜브(104)의 축방향 길이와 실질적으로 동일한 축방향 길이를 포함한다(도 16 참조). 리프(107)의 근위 에지(111)는 입구 부분(120)의 외부 원통형 표면(127)에 부착되고 이와 물리적으로 접촉한다. 리프(107)의 근위 에지(111)는 출구 부분(130)의 외부 원통형 표면(137)에 부착되고 이와 물리적으로 접촉한다. 리프(107)의 근위 에지(111)는 필수적이지는 않지만 중간 부분(140)의 외부 원통형 표면(147)에 부착되고 이와 물리적으로 접촉할 수 있다.
침투 튜브의 외부 원통형 표면과 리프(107)의 근위 에지(111) 사이의 부착부(112)는 각각의 외부 원통형 표면의 전체 축방향 길이를 따라 위치될 수 있거나 또는 예를 들어, 매니폴드(150)에 원위 또는 근위 방향으로 인접하는 바와 같이 각각의 외부 원통형 표면의 축방향 길이를 따라 개별 위치에 또는 각각의 외부 원통형 표면의 축방향 길이의 세그먼트를 따라 위치될 수 있다. 침투 튜브의 외부 원통형 표면과 리프(107)의 근위 에지(111) 사이의 부착부(112)는 침투 튜브의 외부 원통형 표면의 적어도 일부와 리프(107)의 근위 에지(111) 사이에 실질적으로 유체 불침투성 밀봉부를 제공하는 화학적 또는 물리적 접합부를 포함할 수 있다. 예를 들어, 초음파 용접은 예를 들어, 매니폴드에 인접하게 침투 튜브의 외부 원통형 표면의 적어도 일부와 리프(107)의 근위 에지(111) 사이에 접합부를 형성하기 위하여 사용될 수 있다.
복수의 리프(107)는 매니폴드(150)에 대해 필터 요소(105)의 배향을 나타내기 위하여 도 12, 14a, 14b, 15, 및 16에 도시된 도면으로부터 생략된다. 침투 튜브(104)의 주변 주위에서 리프(107)의 주변방향 간격(도 13a 및 도 13b 참조), 및 출구 부분(130)의 외부 원통형 표면(137)과 입구 부분(120)의 외부 원통형 표면(127)에 대한 리프(107)의 근위 에지(111)의 부착(도 14a 및 도 14b 참조)은 침투 튜브의 출구 부분(130)과 입구 부분(120)의 천공된 반경방향 오프셋 섹션(153)을 완벽히 둘러싸는 매니폴드(150)의 환형 구성을 완료한다.
이 방식으로, 필터 요소(105)의 리프(107)는 입구 및 출구 부분(120, 130)의 외부 원통형 표면(127, 137)과 중간 부분(140)의 외부 원통형 표면(147) 사이에서 축방향으로 걸쳐 있고 리프(107)는 환형 매니폴드(150) 내로 유입되기 않고 천공된 반경방향 오프셋 섹션(153)과 물리적으로 접촉하지 않는다.
주름진 필터 요소(105) 및 침투 튜브를 포함하는 조립체는 나선형 교류 필터(101)를 형성하기 위하여 도 13a 및 도 13b에 도시된 바와 같이 외부 원통형 쉘(103) 내에 배치될 수 있다. 침투 튜브(104)는 외부 원통형 쉘(103)과 동축-정렬 방식으로 배열될 수 있고 예를 들어, 동심 배향으로 이로부터 반경방향으로 오프셋 배열된다. 나선형 교류 필터(101)의 외부 원통형 쉘(103)은 도 1 및 도 8에 도시된 나선형 교류 필터(1)의 외부 원통형 쉘(3)에 대해 전술된 것과 동일한 구조적 구성, 구조 재료 및 다른 특징부를 포함할 수 있다. 다양한 실시 형태에서, 나선형 교류 필터(101)는 입구 단부 캡 및 출구 단부 캡을 포함할 수 있다. 예를 들어, 입구 단부 캡 및 출구 단부 캡은 도 1, 도 7 및 도 8에 도시된 단부 캡(2)에 대해 전술된 것과 동일한 구조적 구성, 구조 재료 및 다른 특징부를 포함할 수 있다.
도 13a 및 도 14a에 도시된 바와 같이, 침투 튜브(154)의 입구 부분(120)에서 중공 루멘(157) 내로 유입되는 유체 흐름은 화살표(165)로 도시된 바와 같이 입구 부분(120)의 원통형 벽의 축방향 오프셋 섹션(153) 내의 천공(155)을 통하여 가압된다. 유체 흐름(165)은 필터 요소(105)의 리프(107) 내에 형성된 내부 엔벨로프(180)로 침투 튜브(104)의 입구 부분(120)으로부터 유체 흐름의 균일한 분배를 제공하는 환형 매니폴드(150) 내로 유입되고 침투 튜브의 입구 부분(120)의 중공 루멘(157)으로부터 배출된다. 필터 요소(105)의 리프(107) 내의 내부 엔벌로프(180) 내에서, 유체는 도 15 및 도 16에서의 화살표(190)로 도시된 바와 같이 침투 튜브의 차단된 중간 부분(140)에 대해 접선 방향으로 흐른다. 침투 스페이서 재료(110) 및 막 재료(109)를 포함하는 주름진 필터 요소(105)의 복합 샌드위치 구조물은 접선방향 쉴-측면 유체 흐름(도시되지 않음) 및 접선방향 침투 튜브-측면 유체 흐름(190) 사이의 반-침투성 배리어를 제공한다.
도 13b, 도 14b, 및 도 16에 도시된 바와 같이, 접선방향 유체 흐름(190)은 필터 요소(105)의 리프(107) 내의 내부 엔벌로프(180)로부터 배출되고 화살표(175)로 도시된 바와 같이 침투 튜브(104)의 출구 부분(130)으로 필터 요소(105)로부터 유체 흐름의 균일한 분배를 위해 제공되는 매니폴드(150) 내로 유입된다. 이 방식으로, 유체 흐름(175)은 출구 부분(130)의 원통형 벽의 축방향 오프셋 섹션(153) 내의 천공(155)을 통하여 침투 튜브(104)에 재유입된다. 천공(155)을 통하여 침투 튜브(104)의 출구 부분(130) 내로 유입되는 유체 흐름(175)은 출구 부분(130)에서 중공 루멘(157) 내에서 조합되고 화살표(170)로 도시된 바와 같이 출구 단부(135)를 통하여 침투 튜브(104)에서 배출된다.
도 14a 및 도 14b를 참조하면, 주름진 필터 요소(105)의 주름은 교류 필터(도시되지 않음) 내의 최종 나선형 형상으로 침투 튜브(104) 주위에 감겨질 수 있는 리프(107)를 형성한다. 필터 요소(105)는 침투 스페이서 재료(110)의 제2 층과 막 재료(109)의 제1 층을 포함하는 복합 샌드위치 구조물을 포함한다. 나선형으로 감겨진 교류 필터 내에서, 막 재료(109)의 층은 외부 쉘에 인접하게 배치될 수 있고(도 14a 및 도 14b에는 도시되지 않지만 도 13a 및 도 13b에는 도시), 침투 스페이서 재료(110)의 층은 침투 튜브에 인접하게 배열될 수 있다.
도 14a 및 도 14b에 도시된 바와 같이, 침투 스페이서 재료(110)의 층과 막 재료(109)의 층은 필터 요소(105)의 리를 형성하도록 주름진다. 리프는 출구 부분(130)의 외부 원통형 표면(137)과 입구 부분(120)의 외부 원통형 표면(127)과 물리적으로 접촉하는 침투 튜브(104)에 근접한 근위 에지(111)를 갖는다. 필터 요소(105)는 출구 부분(130)의 외부 원통형 표면(137)과 입구 부분(120)의 외부 원통형 표면(127)의 적어도 일부와 리프(107)의 근위 에지(111)의 적어도 일부 사이의 부착부(12)를 이용하여 침투 튜브(104)에 고정된다. 일부 실시 형태에서, 부착부(12)는 또한 중간 부분(140)의 외부 원통형 표면(147)의 적어도 일부와 리프(107)의 근위 에지(111) 사이에 형성될 수 있다. 예를 들어, 초음파 용접 접합부 또는 또 다른 접착제가 없는 접합 메커니즘을 포함할 수 있는 부착부(12)가 각각의 외부 원통형 표면의 전체 축방향 길이를 따라 위치될 수 있거나 또는 각각의 외부 원통형 표면의 축방향 길이를 따라 개별 위치에서 또는 각각의 외부 원통형 표면의 축방향 길이의 세그먼트만을 따라 위치될 수 있다. 예를 들어, 부착부(12)는 침투 튜브의 축방향 길이에 대해 근위 및/또는 원위에 있는 매니폴드(150)에 근위 및/또는 원위 방향으로 인접하게 배치될 수 있다. 부착부(12)는 각각의 리프(107) 내에 내부 엔벨로프(180)를 유지하고 침투 튜브에 필터 요소(105)를 고정한다.
다양한 실시 형태에서, 필터의 다양한 구성요소에 대해 본 명세서에서 기재된 부착부 및 접합부는 예를 들어 하나 이상의 초음파 용접, 열 접합, IR 접합, 무선 주파수 접합, 마이크로웨이프 접합, 레이저 용접 또는 고온 공기 용접에 의해 형성될 수 있다.
입구 및 출구 단부 매니폴드를 포함하는 침투 튜브를 포함한 나선형 교류 필터는 필터를 통한 공-흐름 또는 역-흐름 접선방향 흐름(즉, 여과 막: 침투-튜브 측면 및 쉘-측면의 양 측면 상에서의 접선방향 흐름)으로부터 선호될 수 있는 여과 작업(예를 들어, 막 증류 및 삼투막 증류)에 도움이 된다. 본 명세서에 기재된 환형 매니폴드는 주름진 필터 요소의 침투 튜브-측면 상에서 필터 요소의 리프를 통하여 유체 흐름의 균일한 분배를 형성하고 흐름 제한을 최소화함으로써 최적화된 유체 흐름 동역학을 제공한다.
입구 및 출구 단부 매니폴드를 포함하는 침투 튜브를 포함한 나선형 교류 필터의 응용의 예시는 염수(염화나트륨) 또는 다른 염-함유 수용성 용액의 막 증류이다. 농축된 가성용액(NaOH)은 침투 튜브의 출구와 필터 요소의 리프를 통하여 침투 튜브의 입구로부터 가성 용액의 흐름을 돕는, 입구 및 출구 단부 매니폴드를 포함하는 나선형 교류 필터의 침투 튜브-측면을 통해 흐른다. 염수 용액은 나선형 교류 필터의 쉘-측면을 통해 흐른다. 필터를 통해 흐르는 가성 용액 및 염수 용액은 필터 요소를 포함하는 소수성 막 재료(예를 들어, 폴리테트라플루오로에틸렌)에 의해 분리된다. 필터를 통하여 흐르는 가성 및 염수 용액은 순수한 물의 끓른점 온도, 예를 들어, 약 90°C 미만의 온도로 가열된다. 염수 및 가성 용액(Pv (염수) > Pv (가성))의 증기압의 차이로 인해, 수증기는 염수 용액으로부터 가성 용액으로 막을 통하여 이송하며, 이에 따라 염수 용액이 농축되고 가성 용액이 희석된다.
나선형 교류 필터에 대한 공급 해결방법은 화학적 플랜트로부터 폐기물 스트림(waste stream)을 포함할 수 있고, 나선형 교류 필터로부터의 배출 스트림은 화학적 플랜트로 재차 재순환될 수 있다. 이 방식으로, 본 명세서에서 기재된 바와 같이 나선형 교류 필터를 사용하는 막 증류는 화학적 처리 작업을 위한 폐기물 배출 및 공급 요건을 감소시킬 수 있다. 그러나, 염수 또는 다른 염 용액의 막 증류를 최적화하기 위하여, 열 편극(thermal polarization) 및 화학적 농도차 편극(즉, 여과 막에 바로 인접한 경계 층에서 국부화 온도 및 농도가 증가함)은 최소화될 필요가 있다. 염 측에서 화학적 농도 편극은 교차-오염 및 소수성 재료의 습윤을 야기할 수 있는 막 재료 상에 염 결정의 형성을 야기할 수 있다. 가성 측면 상에서 화학적 농도 편극은 수증기 전달 속도를 감소시킬 수 있다. 또한 일 측면 상에서 열 편극은 수증기 전달 속도를 감소시킬 수 있다. 따라서, 침투 튜브-측면 및 쉘-측면 둘 모두에서 나선형 교류 필터를 통한 밸런싱된 접선방향 흐름을 유지하는 것이 중요하다.
쉘-측면 상에서, 필터 요소의 인접한 리프들 사이의 염 용액의 밸런싱된 접선방향 흐름은 일반적으로 문제가 되지 않고, 이는 염 용액이 외부 쉘 또는 단부 캡 내의 포트르 통하여 필터에 공급 및 이로부터 배출될 수 있기 때문이다. 튜브-측면 상에서, 그러나 리프 내에서 가성 용액의 접선방향 흐름은 문제가 될 수 있으며, 이는 용액이 침투 튜브로부터 리프 내로, 리프로부터 외부로, 침투 튜브 내로 재차 흐르며 침투 튜브 출구를 통하여 배출되어야 하기 때문이다. 입구 및/또는 출구 단부 매니폴드를 포함한 침투 튜브를 포함한 나선형 교류 필터의 사용은 필터의 리프를 통한 흐름의 증류를 향상시키며, 이에 따라 막 증류 작업 시에 편극을 감소시키기 위해 필요한 밸런싱된 흐름이 제공되고 흐름 동력학이 향상된다.
다양한 실시 형태에서, 나선형 교류 필터는 외부 쉘, 외부 쉘 내에 동축 방향으로 정렬되고 이로부터 반경방향으로 오프셋배열된 침투 튜브 및 침투 튜브와 외부 쉘 사이의 환형부 내에 배치된 주름진 필터 요소를 포함한다. 필터 요소는 복합 필터 재료를 포함하며, 상기 복합 필터 재료는 외부 쉘에 인접한 막 재료의 제1 층, 및 침투 튜브에 인접한 침투 스페이서 재료의 제2 층을 포함할 수 있다. 필터 요소의 주름은 복수의 주변방향으로 이격된 리프를 형성할 수 있다. 복수의 리프는 균일한 방향으로 침투 튜브 주위에 감겨질 수 있다. 침투 튜브의 중간 부분은 차단되고 침투 튜브로부터 복수의 리프 내로 그리고 재차 침투 튜브의 차단된 중간 부분으로부터 다운스트림의 침투 튜브 내로 유체를 유도하도록 구성된다.
다양한 실시 형태에서, 침투 튜브는 침투 튜브는 침투 튜브의 원통형 벽의 천공된 반경방향 오프셋 섹션에 의해 형성된 하나 이상의 매니폴드를 포함할 수 있다. 필터 요소의 복수의 리프의 하나 이상의 리프가 매니폴드에 인접한 침투 튜브의 외부 원통형 표면과 리프의 에지들 사이의 부착부를 통하여 침투 튜브에 부착될 수 있다.
다양한 실시 형태에서, 침투 튜브는 침투 튜브의 입구 단부에 인접하게 위치된 제1 매니폴드 및 침투 튜브의 출구 단부에 인접하게 위치된 제2 매니폴드를 포함할 수 있다. 제1 매니폴드는 침투 튜브의 중공 입구 부분의 원통형 벽의 천공된 반경방향 오프셋 섹션에 의해 형성될 수 있다. 제2 매니폴드는 침투 튜브의 중공 출구 부분의 원통형 벽의 천공된 반경방향 오프셋 섹션에 의해 형성될 수 있다.
필터 요소의 복수의 리프의 하나 이상의 리프가 제1 매니폴드에 인접한 침투 튜브의 입구 부분의 외부 원통형 표면과 리프의 에지들 사이의 부착부를 통하여 침투 튜브에 부착될 수 있다. 필터 요소의 복수의 리프의 하나 이상의 리프가 제2 매니폴드에 인접한 침투 튜브의 출구 부분의 외부 원통형 표면과 리프의 에지들 사이의 부착부를 통하여 침투 튜브에 부착될 수 있다.
다양한 실시 형태에서, 나선형 교류 필터는 외부 쉘; 외부 쉘 내에 동축 방향으로 정렬되고 이로부터 반경방향으로 오프셋배열된 침투 튜브; 및 침투 튜브와 외부 쉘 사이의 환형부 내에 배치된 주름진 필터 요소를 포함하고, 상기 침투 튜브는 차단된 중간 부분, 입구 부분의 원통형 벽의 천공된 반경방향 오프셋 섹션에 의해 형성된 제1 매니폴드, 및 출구 부분의 원통형 벽의 천공된 반경방향 오프셋 섹션에 의해 형성된 제2 매니폴드를 포함하는 중공 출구 부분을 포함하고, 상기 필터 요소는 복합 필터 재료를 포함하며, 상기 복합 필터 재료는 외부 쉘에 인접한 막 재료의 제1 층, 및 침투 튜브에 인접한 침투 스페이서 재료의 제2 층을 포함하며, 필터 요소의 주름은 복수의 주변방향으로 이격된 리프를 형성하며, 복수의 리프는 균일한 방향으로 침투 튜브 주위에 감겨질 수 있다.
다양한 실시 형태에서, 침투 튜브는 차단된 중간 부분, 입구 부분의 원통형 벽의 천공된 반경방향 오프셋 섹션에 의해 형성된 매니폴드를 포함하는 중공 입구 부분, 및 중공 출구 부분을 포함한다.중공 출구 부분은 또한 출구 부분의 원통형 벽의 천공된 반경방향 오프셋 섹션에 의해 형성된 매니폴드를 포함할 수 있다.
본 명세서는 다양한 대표적이고 예시적이며 비-제한적인 실시 형태들을 참조하여 기술되었다. 하지만, 당업자들은, 하기 청구항들에 의해서만 정의된 본 발명의 범위를 벗어나지 않고도 상기 개시된 실시 형태들(또는 이들의 일부분들)의 여러 대체예, 변형예 또는 이들의 임의의 조합들이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 명세서는 본 명세서에서 구체적으로 설명되지 않은 또 다른 실시 형태들도 포함한다는 점을 이해하고 고려해야 한다. 이러한 실시 형태들은 예를 들어 본 명세서에 기재된 실시 형태들의 개시된 단계, 세부내용, 구성요소, 구성 요소, 특징부, 형태 등을 조합하고 변형하거나 또는 재배열시켜 얻을 수 있다. 따라서, 본 발명은 다양한 대표적이고 예시적이며 비-제한적인 실시 형태들의 기재된 내용보다는 전적으로 청구항들에 의해 제한된다. 이런 방식으로, 본 출원인은 본 명세서에서 다양하게 기재된 것과 같은 특징들을 추가하여 출원 동안 청구항들을 보정하는 권리를 보전한다.

Claims (29)

  1. 나선형 교류 필터로서,
    외부 쉘;
    외부 쉘 내에 동축 방향으로 정렬되고 이로부터 반경방향으로 오프셋배열된 침투 튜브 - 상기 침투 튜브는 침투 튜브의 원통형 벽의 천공된 반경방향 오프셋 섹션에 의해 형성된 하나 이상의 매니폴드를 포함함 - ; 및
    침투 튜브와 외부 쉘 사이의 환형부 내에 배치된 주름진 필터 요소를 포함하고, 상기 필터 요소는 복합 필터 재료를 포함하며, 상기 복합 필터 재료는
    외부 쉘에 인접한 막 재료의 제1 층, 및 침투 튜브에 인접한 침투 스페이서 재료의 제2 층을 포함하며, 필터 요소의 주름은 복수의 주변방향으로 이격된 리프를 형성하며, 복수의 리프는 균일한 방향으로 침투 튜브 주위에 감겨지고, 침투 튜브의 중간 부분은 차단되고 침투 튜브로부터 복수의 리프 내로 그리고 재차 침투 튜브의 차단된 중간 부분으로부터 다운스트림의 침투 튜브 내로 유체를 유도하도록 구성되는 나선형 교류 필터.
  2. 제1항에 있어서, 침투 튜브는 침투 튜브의 원통형 벽의 천공된 반경방향 오프셋 섹션에 의해 형성된 제1 매니폴드를 통하여 침투 튜브로부터, 복수의 리프 내로, 재차 침투 튜브의 차단된 중간 부분으로부터 다운스트림에 있는 침투 튜브의 원통형 벽의 천공된 반경방향 오프셋 섹션에 의해 형성된 제2 매니폴드를 통하여 침투 튜브 내로 유체를 유도하도록 구성되는 나선형 교류 필터.
  3. 제2항에 있어서, 필터 요소의 복수의 리프의 하나 이상의 리프가 매니폴드에 인접한 침투 튜브의 외부 원통형 표면과 리프의 에지들 사이의 부착부를 통하여 침투 튜브에 부착되는 나선형 교류 필터.
  4. 제3항에 있어서, 부착부는 접착제를 포함하지 않는 나선형 교류 필터.
  5. 제3항에 있어서, 부착부는 매니폴드에 인접한 침투 튜브의 외부 원통형 표면과 리프의 에지들 사이에 접합부를 포함하고, 상기 접합부는 초음파 용접, 열 접합, IR 접합, 무선 주파수 접합, 마이크로웨이프 접합, 레이저 용접 또는 고온 공기 용접에 의해 형성될 수 있는 나선형 교류 필터.
  6. 제1항에 있어서, 침투 튜브는 침투 튜브의 입구 단부에 인접하게 위치된 제1 매니폴드 및 침투 튜브의 출구 단부에 인접하게 위치된 제2 매니폴드를 포함하고, 제1 매니폴드는 침투 튜브의 중공 입구 부분의 원통형 벽의 천공된 반경방향 오프셋 섹션에 의해 형성되고 제2 매니폴드는 침투 튜브의 중공 출구 부분의 원통형 벽의 천공된 반경방향 오프셋 섹션에 의해 형성되는 나선형 교류 필터.
  7. 제6항에 있어서, 필터 요소의 복수의 리프의 하나 이상의 리프가 제1 매니폴드에 인접한 침투 튜브의 입구 부분의 외부 원통형 표면과 리프의 에지들 사이의 부착부를 통하여 침투 튜브에 부착되고, 필터 요소의 복수의 리프의 하나 이상의 리프가 제2 매니폴드에 인접한 침투 튜브의 출구 부분의 외부 원통형 표면과 리프의 에지들 사이의 부착부를 통하여 침투 튜브에 부착되는 나선형 교류 필터.
  8. 제7항에 있어서, 부착부는 접착제를 포함하지 않는 나선형 교류 필터.
  9. 제7항에 있어서, 부착부는 초음파 용접, 열 접합, IR 접합, 무선 주파수 접합, 마이크로웨이프 접합, 레이저 용접 또는 고온 공기 용접에 의해 형성되는 접합부를 포함하는 나선형 교류 필터.
  10. 제1항에 있어서, 필터 요소의 복수의 리프의 하나 이상의 리프가 침투 튜브의 외부 원통형 표면과 리프의 에지들 사이의 부착부를 통하여 침투 튜브에 부착되는 나선형 교류 필터.
  11. 제10항에 있어서, 부착부는 접착제를 포함하지 않는 나선형 교류 필터.
  12. 제10항에 있어서, 부착부는 초음파 용접, 열 접합, IR 접합, 무선 주파수 접합, 마이크로웨이프 접합, 레이저 용접 또는 고온 공기 용접에 의해 형성되는 접합부를 포함하는 나선형 교류 필터.
  13. 제1항에 있어서, 복수의 리프들 사이에 배치된 공급 스페이서를 추가로 포함하는 나선형 교류 필터.
  14. 제1항에 있어서, 침투 튜브의 출구 단부에 부착된 출구 단부 캡 및 침투 튜브의 입구 단부에 부착된 입구 단부 캡을 추가로 포함하는 나선형 교류 필터.
  15. 제14항에 있어서, 입구 단부 캡과 출구 단부 캡은 접착제를 포함하지 않는 접합부를 이용하여 침투 튜브와 외부 원통형 쉘에 부착되는 나선형 교류 필터.
  16. 제1항에 있어서, 복수의 리프의 각각의 리프는 필터 요소의 출구 에지의 적어도 일부를 따라 그리고 입구 에지의 적어도 일부를 따라 접합부를 포함하고, 접합부는 필터 요소의 출구 에지와 입구 에지에서 유체가 새지 않는 밀봉부를 각각의 리프에 제공하기 위하여 필터 요소의 인접한 주름들을 서로 밀봉하는 나선형 교류 필터.
  17. 제16항에 있어서, 접합부는 접착제를 포함하지 않는 나선형 교류 필터.
  18. 제16항에 있어서, 접합부는 초음파 용접, 열 접합, IR 접합, 무선 주파수 접합, 마이크로웨이프 접합, 레이저 용접 또는 고온 공기 용접에 의해 형성되는 나선형 교류 필터.
  19. 제1항에 있어서, 복수의 리프는 3 이하의 리프 높이 대 나선 직경의 비율을 포함하는 나선형 교류 필터.
  20. 나선형 교류 필터로서,
    외부 쉘;
    외부 쉘 내에 동축 방향으로 정렬되고 이로부터 반경방향으로 오프셋배열된 침투 튜브; 및
    침투 튜브와 외부 쉘 사이의 환형부 내에 배치된 주름진 필터 요소를 포함하고, 상기 침투 튜브는 차단된 중간 부분, 입구 부분의 원통형 벽의 천공된 반경방향 오프셋 섹션에 의해 형성된 제1 매니폴드, 및 출구 부분의 원통형 벽의 천공된 반경방향 오프셋 섹션에 의해 형성된 제2 매니폴드를 포함하는 중공 출구 부분을 포함하고, 상기 필터 요소는 복합 필터 재료를 포함하며, 상기 복합 필터 재료는 외부 쉘에 인접한 막 재료의 제1 층, 및 침투 튜브에 인접한 침투 스페이서 재료의 제2 층을 포함하며, 필터 요소의 주름은 복수의 주변방향으로 이격된 리프를 형성하며, 복수의 리프는 균일한 방향으로 침투 튜브 주위에 감겨지는 나선형 교류 필터.
  21. 제20항에 있어서, 필터 요소의 복수의 리프의 하나 이상의 리프가 제1 매니폴드에 인접한 침투 튜브의 입구 부분의 외부 원통형 표면과 리프의 에지들 사이의 부착부를 통하여 침투 튜브에 부착되고, 필터 요소의 복수의 리프의 하나 이상의 리프가 제2 매니폴드에 인접한 침투 튜브의 출구 부분의 외부 원통형 표면과 리프의 에지들 사이의 부착부를 통하여 침투 튜브에 부착되는 나선형 교류 필터.
  22. 제21항에 있어서, 부착부는 접착제를 포함하지 않는 나선형 교류 필터.
  23. 제21항에 있어서, 부착부는 초음파 용접, 열 접합, IR 접합, 무선 주파수 접합, 마이크로웨이프 접합, 레이저 용접 또는 고온 공기 용접에 의해 형성되는 접합부를 포함하는 나선형 교류 필터.
  24. 제20항에 있어서, 복수의 리프의 각각의 리프는 필터 요소의 출구 에지의 적어도 일부를 따라 그리고 입구 에지의 적어도 일부를 따라 접합부를 포함하고, 접합부는 필터 요소의 출구 에지와 입구 에지에서 유체가 새지 않는 밀봉부를 각각의 리프에 제공하기 위하여 필터 요소의 인접한 주름들을 서로 밀봉하는 나선형 교류 필터.
  25. 제24항에 있어서, 접합부는 접착제를 포함하지 않는 나선형 교류 필터.
  26. 제24항에 있어서, 접합부는 초음파 용접, 열 접합, IR 접합, 무선 주파수 접합, 마이크로웨이프 접합, 레이저 용접 또는 고온 공기 용접에 의해 형성되는 나선형 교류 필터.
  27. 제20항에 있어서, 복수의 리프는 3 이하의 리프 높이 대 나선 직경의 비율을 포함하는 나선형 교류 필터.
  28. 침투 튜브로서,
    차단된 중간 부분, 입구 부분의 원통형 벽의 천공된 반경방향 오프셋 섹션에 의해 형성된 매니폴드를 포함하는 중공 입구 부분, 및 중공 출구 부분을 포함하는 침투 튜브.
  29. 제28항에 있어서, 중공 출구 부분은 출구 부분의 원통형 벽의 천공된 반경방향 오프셋 섹션에 의해 형성된 매니폴드를 포함하는 침투 튜브.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020092478A1 (en) * 2018-10-31 2020-05-07 Research Triangle Institute Electrically conductive membrane assembly and related systems and methods

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10328392B2 (en) * 2016-12-14 2019-06-25 Scott P. Yaeger Pleated, tapered, and spiral-wound cross-flow filter element

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4476022A (en) * 1983-03-11 1984-10-09 Doll David W Spirally wrapped reverse osmosis membrane cell
WO1991011249A1 (en) * 1990-01-29 1991-08-08 The Dow Chemical Company Spiral-wound membrane separation device with feed and permeate/sweep fluid flow control
JPH04330921A (ja) * 1990-12-27 1992-11-18 Millipore Corp らせん巻きろ過装置
WO1993010889A1 (en) * 1991-11-25 1993-06-10 The Dow Chemical Company Spirally wound membrane device having three channels
JP2003275545A (ja) * 2002-03-22 2003-09-30 Nitto Denko Corp スパイラル型膜エレメント及びその製造方法
JP2005111473A (ja) * 2003-09-17 2005-04-28 Nitto Denko Corp 膜エレメント用シール材保持部材および膜エレメント
WO2005094963A1 (en) * 2004-03-29 2005-10-13 Pall Corporation Pleated, crossflow fluid treatment elements
JP2012020282A (ja) * 2010-06-18 2012-02-02 Nitto Denko Corp スパイラル型分離膜エレメント、有孔中空管およびその製造方法
JP2012504041A (ja) * 2008-09-29 2012-02-16 スコット・ピー・イェーガー 螺旋巻きクロスフローフィルタ

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA1092515A (en) * 1976-07-23 1980-12-30 Donald J. Bentley Dialyzer and method of dialysis
US4834881A (en) 1987-08-19 1989-05-30 Kurita Water Industries Ltd. Spiral wound type membrane module
JPH01115410A (ja) * 1987-10-27 1989-05-08 Agency Of Ind Science & Technol 溶液間浸透装置

Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4476022A (en) * 1983-03-11 1984-10-09 Doll David W Spirally wrapped reverse osmosis membrane cell
WO1991011249A1 (en) * 1990-01-29 1991-08-08 The Dow Chemical Company Spiral-wound membrane separation device with feed and permeate/sweep fluid flow control
JPH04330921A (ja) * 1990-12-27 1992-11-18 Millipore Corp らせん巻きろ過装置
WO1993010889A1 (en) * 1991-11-25 1993-06-10 The Dow Chemical Company Spirally wound membrane device having three channels
JP2003275545A (ja) * 2002-03-22 2003-09-30 Nitto Denko Corp スパイラル型膜エレメント及びその製造方法
JP2005111473A (ja) * 2003-09-17 2005-04-28 Nitto Denko Corp 膜エレメント用シール材保持部材および膜エレメント
WO2005094963A1 (en) * 2004-03-29 2005-10-13 Pall Corporation Pleated, crossflow fluid treatment elements
JP2007530279A (ja) * 2004-03-29 2007-11-01 ポール・コーポレーション プリーツを有するクロスフロー流体処理エレメント
JP2012504041A (ja) * 2008-09-29 2012-02-16 スコット・ピー・イェーガー 螺旋巻きクロスフローフィルタ
JP2012020282A (ja) * 2010-06-18 2012-02-02 Nitto Denko Corp スパイラル型分離膜エレメント、有孔中空管およびその製造方法
US20130087499A1 (en) * 2010-06-18 2013-04-11 Nitto Denko Corporation Spiral separation membrane element, perforated hollow tube, and method of producing the same

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020092478A1 (en) * 2018-10-31 2020-05-07 Research Triangle Institute Electrically conductive membrane assembly and related systems and methods
US11845041B2 (en) 2018-10-31 2023-12-19 Research Triangle Institute Electrically conductive membrane assembly and related systems and methods

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