KR20160038227A - 중공사막 모듈 - Google Patents

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KR20160038227A
KR20160038227A KR1020140130690A KR20140130690A KR20160038227A KR 20160038227 A KR20160038227 A KR 20160038227A KR 1020140130690 A KR1020140130690 A KR 1020140130690A KR 20140130690 A KR20140130690 A KR 20140130690A KR 20160038227 A KR20160038227 A KR 20160038227A
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김경주
오영석
이진형
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코오롱인더스트리 주식회사
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Abstract

본 발명은 중공사막 모듈에 관한 것으로서, 상기 중공사막 모듈은 제1 유체 유입구와 제1 유체 유출구 및 제2 유체 유입구와 제2 유체 유출구를 포함하는 하우징부, 그리고 다수의 중공사막을 포함하며, 상기 제1 유체가 상기 중공사막 내부로 흐르고 상기 제2 유체가 상기 중공사막 외부로 흐르도록 상기 하우징 내부에 배치된 중공사막 다발을 포함하며, 상기 하우징부의 내측 벽면에 위치하며, 상기 제2 유체의 와류 형성을 방지하기 위한 돌기를 포함한다.
상기 중공사막 모듈은 와류 발생 및 차압 상승을 줄여 유체의 분배성을 향상시킴으로써 에너지 효율성 및 가습 성능을 향상시키면서, 차량 등의 시스템에 적용시 한정된 좁은 공간에 적용하기 좋고, 불필요한 공간을 최소화함으로써 패키징 효율성을 향상시킬 수 있다.

Description

중공사막 모듈{HOLLOW FIBER MEMBRANE MODULE}
본 발명은 중공사막 모듈에 대한 것으로서, 보다 상세하게는 와류 발생 및 차압 상승을 줄여 유체의 분배성을 향상시킴으로써 에너지 효율성 및 가습 성능을 향상시키면서, 차량 등의 시스템에 적용시 한정된 좁은 공간에 적용하기 좋고, 불필요한 공간을 최소화함으로써 패키징 효율성을 향상시킬 수 있는 중공사막 모듈에 관한 것이다
상기 중공사막 모듈은 수분 교환 모듈, 열교환 모듈, 기체 분리 모듈 또는 수처리 모듈 등일 수 있다.
연료 전지란 수소와 산소를 결합시켜 전기를 생산하는 발전(發電)형 전지이다. 상기 연료 전지는 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, 상기 연료 전지는 환경 친화적일 뿐만 아니라 에너지 소비 증가에 따른 자원 고갈에 대한 걱정을 줄일 수 있다는 장점을 갖는다. 이러한 연료 전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라 크게 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC), 인산형 연료 전지(PAFC), 용융 탄산염형 연료 전지(MCFC), 고체 산화물형 연료 전지(SOFC), 및 알칼리형 연료 전지(AFC) 등으로 분류할 수 있다. 이들 각각의 연료 전지는 근본적으로 동일한 원리에 의해 작동하지만 사용되는 연료의 종류, 운전 온도, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다. 이 가운데서 상기 고분자 전해질형 연료 전지는 다른 연료 전지에 비해 저온에서 동작한다는 점, 및 출력밀도가 커서 소형화가 가능하기 때문에 소규모 거치형 발전장비뿐만 아니라 수송 시스템에서도 가장 유망한 것으로 알려져 있다.
상기 고분자 전해질형 연료 전지의 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. 상기 고분자 전해질 막이 건조되면 발전 효율이 급격히 저하되기 때문이다. 상기 고분자 전해질 막을 가습하는 방법으로는, 1) 내압용기에 물을 채운 후 대상 기체를 확산기(diffuser)로 통과시켜 수분을 공급하는 버블러(bubbler) 가습 방식, 2) 연료 전지 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 상기 배기 가스 중에 포함되는 수증기만을 선택적으로 투과시키는 막을 이용하여 수증기를 고분자 전해질 막에 공급되는 가스에 제공함으로써 상기 고분자 전해질 막을 가습하는 가습 막 방식이 가습기를 경량화 및 소형화할 수 있다는 점에서 유리하다.
상기 가습 막 방식에 사용되는 선택적 투과막은 모듈을 형성할 경우 단위 체적당 투과 면적이 큰 중공사막이 바람직하다. 즉, 상기 중공사막을 이용하여 가습기를 제조할 경우 접촉 표면적이 넓은 중공사막의 고집적화가 가능하여 소용량으로도 연료 전지의 가습이 충분히 이루어질 수 있고, 저가 소재의 사용이 가능하며, 연료 전지에서 고온으로 배출되는 미반응 가스에 포함된 수분과 열을 회수하여 가습기를 통해 재사용할 수 있다는 이점을 갖는다.
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 와류 발생 및 차압 상승을 줄여 유체의 분배성을 향상시킴으로써 에너지 효율성 및 가습 성능을 향상시키면서, 차량 등의 시스템에 적용시 한정된 좁은 공간에 적용하기 좋고, 불필요한 공간을 최소화함으로써 패키징 효율성을 향상시킬 수 있는 중공사막 모듈을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 중공사막 모듈은 제1 유체 유입구와 제1 유체 유출구 및 제2 유체 유입구와 제2 유체 유출구를 포함하는 하우징부, 그리고 다수의 중공사막을 포함하며, 상기 제1 유체가 상기 중공사막 내부로 흐르고 상기 제2 유체가 상기 중공사막 외부로 흐르도록 상기 하우징 내부에 배치된 중공사막 다발을 포함하며, 상기 하우징부의 내측 벽면에 위치하며, 상기 제2 유체의 와류 형성을 방지하기 위한 돌기를 포함한다.
상기 돌기는 상기 제2 유체 유입구와 마주보는 위치에 위치할 수 있다.
상기 돌기는 상기 하우징부의 길이 방향을 따라 연장될 수 있다.
상기 돌기는 상기 하우징부의 길이 방향에 대한 단면 형상이 원형, 타원형, 삼각형, 정삼각형, 사각형, 정사각형, 사다리꼴, 평행사변형, 오각형 및 육각형으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
상기 중공사막 모듈은 상기 제2 유체의 유입 방향을 따라 간격을 두고 분할된 복수개의 중공사막 다발들을 포함할 수 있다.
상기 중공사막 모듈은 상기 제2 유체의 유입 방향을 따라 비스듬하게 분할된 복수개의 중공사막 다발들을 포함할 수 있다.
상기 중공사막 다발은 장방형이며, 모서리가 라운드진 것일 수 있다.
상기 분할된 복수개의 중공사막 다발은 짝수개로 분할될 수 있다.
상기 하우징부의 길이 방향에 따른 단면 형상은 각형이고, 상기 각형의 모퉁이는 라운드진 것일 수 있다.
상기 하우징부의 라운드진 모퉁이의 곡률 반경은 5 내지 150mm일 수 있다.
상기 하우징부의 가로 길이와 세로 길이의 길이 비율은 1:0.5 내지 1:3일 수 있다.
상기 중공사막 모듈은 상기 복수개의 중공사막 다발들을 구획하는 격벽을 포함할 수 있다.
상기 격벽은 복수개로 포함되며, 상기 복수개의 격벽은 상기 복수의 중공사막 다발들 각각을 둘러싸도록 배치될 수 있다.
상기 격벽에는 유체 유통구가 형성될 수 있다.
상기 하우징부는 양단이 개방되고, 외표면에 상기 제2 유체 유입구와 상기 제2 유체 유출구를 포함하는 하우징 몸체, 및 상기 하우징 몸체의 각 양단에 결합되며, 상기 제1 유체 유입구와 상기 제1 유체 유출구를 포함하는 하우징 캡들을 포함할 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 수분 교환 모듈, 열교환 모듈, 기체 분리 모듈 및 수처리 모듈로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
본 발명에 따른 중공사막 모듈은 와류 발생 및 차압 상승을 줄여 유체의 분배성을 향상시킴으로써 에너지 효율성 및 가습 성능을 향상시키면서, 차량 등의 시스템에 적용시 한정된 좁은 공간에 적용하기 좋고, 불필요한 공간을 최소화함으로써 패키징 효율성을 향상시킬 수 있는 중공사막 모듈을 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 중공사막 모듈을 일부 분해한 사시도이다.
도 2는 도 1의 중공사막 모듈을 A-A'선을 기준으로 절단한 일부 단면도이다.
도 3은 도 1의 중공사막 모듈의 하우징부를 나타내는 분해 사시도이다.
도 4는 도 3의 하우징부를 정면에서 바라본 정면도이다.
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 중공사막 모듈을 일부 분해한 사시도이고, 도 2는 도 1의 중공사막 모듈을 A-A'선을 기준으로 절단한 일부 단면도이고, 도 3은 도 1의 중공사막 모듈의 하우징부를 나타내는 분해 사시도이고, 도 4는 도 3의 하우징부를 정면에서 바라본 정면도이다.
상기 도 1 내지 도 4에 도시된 중공사막 모듈은 수분 교환 모듈을 일 실시예로서 도시한 것이다. 그러나, 상기 중공사막 모듈은 상기 수분 교환 모듈에 한정되지 않으며, 열교환 모듈, 기체 분리 모듈 또는 수처리 모듈 등일 수 있다.
이하, 도 1 내지 도 4를 참조하여 상기 중공사막 모듈에 대하여 설명한다. 상기 도 1 내지 도 4를 참조하면, 상기 중공사막 모듈(10)은 하우징부(1), 중공사막 다발(4) 및 포팅부(2)를 포함한다.
상기 하우징부(1)는 상기 중공사막 모듈(10)의 외형을 이룬다. 상기 하우징부(1)는 하우징 몸체(11)와 하우징 캡(5)들을 포함할 수 있고, 이들이 결합된 일체형일 수도 있다. 상기 하우징 몸체(11)와 상기 하우징 캡(5)들은 폴리카보네이트 등의 경질 플라스틱이나 금속으로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 하우징 몸체(11)와 상기 하우징 캡(5)들은 길이 방향에 따른 단면 형상이 도 1에서 도시된 바와 같이 각형이거나, 또는 원형(도시하지 않음)일 수 있다. 상기 각형은 사각형, 정사각형, 사다리꼴, 평행사변형, 오각형, 육각형 등일 수 있으며, 상기 각형은 모서리가 라운드진 형태일 수도 있다. 또한, 상기 원형은 타원형일 수도 있다.
다만, 상기 하우징부(1)의 길이 방향에 따른 단면 형상은 라운드진 각형인 것이 바람직한데, 이는 상기 하우징부(1)의 길이 방향에 따른 단면 형상이 원형 또는 타원형인 경우 와류 발생이나 차압 상승 등은 줄일 수 있으나, 상기 중공사막 모듈(10)을 자동차 등의 시스템에 적용시 불필요한 공간이 많아서 패키징 효율이 저하될 수 있고, 각형인 경우 패키징 효율을 원형인 경우 보다 향상시킬 수 있으나 모서리 부분에서 와류 발생 및 차압 상승하여 에너지 효율성이 저하될 수 있기 때문이다. 반면, 상기 하우징부(1)의 길이 방향에 따른 단면 형상이 모서리가 라운드진 각형인 경우 와류 발생 및 차압 상승을 줄여 유체의 분배성을 향상시킴으로써 에너지 효율성 및 가습 성능을 향상시키면서, 상기 중공사막 모듈(10)을 차량 등의 시스템에 적용시 한정된 좁은 공간에 적용하기 좋고, 불필요한 공간을 최소화함으로써 패키징 효율성을 향상시킬 수 있다.
이때, 상기 하우징부(1)의 라운드진 모퉁이의 곡률 반경은 5 내지 150mm일 수 있고, 10 내지 100mm일 수 있고, 30 내지 50mm일 수 있다. 상기 하우징부(1)의 라운진 모퉁이의 곡률 반경이 5mm 미만인 경우 와류의 발생을 제거하기 어려울 수 있고, 150mm를 초과하는 경우 하우징으로 적용하기 어려울 수 있다.
또한, 상기 하우징부(1)의 가로 길이와 세로 길이의 길이 비율은 1:0.5 내지 1:3일 수 있고, 1:1 내지 1:2 일 수 있다. 상기 하우징부(1)의 가로 길이와 세로 길이의 길이 비율이 1:0.5 미만인 경우 내부의 중공사막 번들을 과다하게 분할해야하고, 1:3을 초과하는 경우 내부의 중공사막 번들을 분할할 수 없어 중공사막 사용 효율을 높일 수 없다.
상기 하우징 몸체(11)의 양단에는 상기 하우징 몸체(11)의 둘레를 확장시켜 주는 둘레부(12)들을 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 둘레부(12)의 개방된 양단은 포팅부(2)에 매립되고, 상기 포팅부(2)는 상기 둘레부(12)에 의하여 감싸진다. 상기 둘레부(12)들에는 각각 제2 유체가 공급되는 제2 유체 유입구(121)와 제2 유체가 배출되는 제2 유체 유출구(122)가 형성되어 있다.
상기 하우징부(1)의 내부에는 수분을 선택적으로 통과시키는 복수의 중공사막(41)로 이루어진 중공사막 다발(4)이 내장된다. 여기서 상기 중공사막(41)의 재질은 공지된 바에 따른 것으로 본 명세서에서 자세한 설명은 생략한다.
상기 포팅부(2)는 상기 중공사막 다발(4)의 양단부에서 상기 중공사막(41)들을 결속하면서 상기 중공사막(41)들의 사이의 공극을 메운다. 상기 포팅부(2)는 상기 하우징 몸체(11)의 양단부의 내측면에 접하여 상기 하우징 몸체(11)를 기밀시킬 수 있다. 상기 포팅부(2)의 재질은 공지된 바에 따른 것으로 본 명세서에서 자세한 설명은 생략한다.
상기 포팅부(2)는 상기 하우징 몸체(11)의 양단 내부 각각에 형성됨으로써 상기 중공사막 다발(4)은 그 양단부가 상기 하우징 몸체(11)에 고정된다. 이로써 상기 하우징 몸체(11)는 양단이 상기 포팅부(2)에 막히어 그 내부에는 상기 제2 유체가 통과하는 유로가 형성된다.
한편, 상기 하우징 캡(5)은 상기 하우징 몸체(11)의 각 양단에 결합된다. 상기 각 하우징 캡(5)에는 제1 유체 유입구(51) 및 제1 유체 유출구(52)가 형성되어 있다. 상기 일측 하우징 캡(5)의 제1 유체 유입구(51)로 유입된 제1 유체는 중공사막(41)의 내부 관로를 통과하고, 타측 하우징 캡(5)의 제2 유체 유출구(52)로 빠져나가게 된다.
상기 도 2를 참조하면, 상기 포팅부(2)는 상기 둘레부(12)의 끝단(12a)의 대략 중간 부분에서 상기 하우징 몸체(11)의 중심을 향하여 오름 경사지게 형성될 수 있고, 상기 중공사막(41)들은 상기 포팅부(2)를 관통하여 상기 포팅부(2)의 끝단에서 관로가 노출된다. 상기 포팅부(2)에 의하여 가려지지 아니한 상기 둘레부(12)의 끝단(12a)에는 실링부재(S)가 대어지고, 상기 하우징 캡(5)이 이를 가압하며 상기 하우징 몸체(11)에 결합될 수 있다.
한편, 상기 도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 하우징부(1)는 상기 하우징부(1)의 내측 벽면에 위치하는 돌기(164)를 포함한다. 상기 돌기(164)는 상기 제2 유체 유입구(121)와 마주보는 위치에 위치하여 상기 제2 유체의 와류 형성을 방지하여 차압 상승을 방지할 수 있다.
상기 돌기(164)는 상기 하우징부(1)의 길이 방향에 대한 단면 형상이 원형, 타원형, 또는 삼각형, 정삼각형, 사각형, 정사각형, 사다리꼴, 평행사변형, 오각형, 육각형 등의 각형일 수 있고, 바람직하게 삼각형일 수 있다. 상기 돌기(164)의 단면 형상이 삼각형인 경우 제2 유체 유입구(121)로 부터 유입된 제2 유체가 상기 제2 유체 유입구(121)와 마주보는 상기 하우징부(1)의 내측 벽면에 닿을 때, 와류를 형성시키기 않으면서 양측으로 분배될 수 있다. 이를 위하여, 상기 삼각형의 빗면은 오목하게 라운드진 것일 수 있다.
또한, 상기 돌기(164)는 상기 하우징부(1)의 길이 방향을 따라 연장될 수 있는데, 상기 하우징부(1)가 상기 둘레부(12)를 포함하는 경우 상기 돌기(164)는 상기 둘레부(12)의 내측 벽면에 위치할 수 있으며, 상기 둘레부(12)의 길이 만큼 연장될 수 있다.
한편, 상기 중공사막 모듈(10)은 복수개의 중공사막 다발들(4)을 포함할 수 있는데, 이때 상기 복수개의 중공사막 다발들(4)은 상기 제2 유체의 유입 방향을 따라 일정 간격을 두고 분할되어 상기 하우징부(1) 내부에 배치될 수 있다. 즉, 상기 중공사막 다발들(4) 사이에 형성된 제2 유체의 유로(150)가 상기 제2 유체의 유입 방향과 일치하도록 함으로써, 상기 제2 유체 유입구(121)로 유입된 상기 제2 유체가 큰 저항 없이 상기 중공사막 다발들(4) 사이에 형성된 제2 유체의 유로(150)로 흐를 수 있도록 한다.
상기 효과를 더욱 증가시키기 위하여, 상기 중공사막 다발들(4)을 짝수개로 분할함으로써, 상기 제2 유체 유입구(121)로 유입된 상기 제2 유체가 바로 상기 중공사막 다발들(4) 사이에 형성된 제2 유체의 유로(150)로 유입될 수 있도록 할 수도 있다.
다만, 상기 중공사막 다발들(4) 사이에 형성된 제2 유체의 유로(150)는 상기한 바와 같이, 상기 하우징부(1)의 수평 방향과 수평하게 배열될 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니고, 상기 중공사막 다발들(4)이 상기 제2 유체의 유입 방향을 따라 비스듬하게 분할됨으로써, 상기 중공사막 다발들(4) 사이에 형성된 제2 유체의 유로(150)가 상기 하우징부(1)의 수평 방향과 비스듬하게 배열될 수도 있다.
한편, 상기 분할된 각각의 중공사막 다발(4)은 길이 방향으로 펀펀하면서, 폭이 넓고 두께가 얇은 넓적한 형상을 가지는 장방형이며, 그 모서리가 라운드진 것일 수 있다. 상기 중공사막 다발(4)이 상기와 같은 형상을 가지는 경우 상기 하우징부(1)에 내장시 상기 중공사막 다발(4)의 패키징 효율을 높일 수 있으며, 상기 제2 유체가 상기 중공사막 다발들(4) 사이에 형성된 제2 유체의 유로(150) 또는 상기 중공사막 다발들(4)과 상기 하우징부(1)의 내부 벽면이 형성하는 제2 유체의 유로(151)로 흐를때, 와류가 형성되고 차압이 감소되는 것을 방지할 수 있다.
상기 중공사막 모듈(10)은 상기 복수개의 중공사막 다발들(4)을 구획하는 격벽(9)을 포함할 수 있다. 상기 격벽(9)에는 유체 유통구(8)가 형성되어 상기 제2 유체가 상기 유체 유통구(8)를 통하여 상기 격벽(9)을 통과하여 상기 중공사막 다발들(4)의 외부로 흐를 수 있도록 한다.
또한, 상기 격벽(9)은 복수개일 수 있고, 상기 복수개의 격벽(9)들은 상기 복수의 중공사막 다발들(4) 각각을 둘러싸도록 배치되어 상기 중공사막 다발들(4)을 구획할 수 있다.
상기 제1 유체는 상기 일측의 하우징 캡(5)의 제1 유체 유입구(51)를 통하여 상기 하우징부(1) 내로 공급되어 상기 중공사막(41)들의 내부로 흘러, 상기 타측의 하우징 캡(5)의 제1 유체 유출구(52)를 통하여 상기 중공사막 모듈(10) 외부로 배출된다. 다만, 상기 제1 유체는 상기 제1 유체 유출구(52)로 유입되어 상기 제1 유체 유입구(51)로 배출되는 방향으로 흐르는 것도 가능하다. 한편, 상기 제2 유체는 상기 하우징 몸체(11)의 제2 유체 유입구(121)를 통하여 상기 하우징 몸체(11)의 일측 둘레부(12)로 공급된 후, 상기 격벽(9)의 일측 유체 유통구(8)를 통하여 상기 격벽(9)을 통과하여 상기 중공사막(41)들의 외부로 흘러 상기 격벽(9)의 타측 유체 유통구(8)를 통하여 상기 하우징 몸체(11)의 타측 둘레부(12)로 배출된 후, 상기 하우징 몸체(11)의 제2 유체 유출구(122)를 통하여 상기 하우징부(1) 외부로 배출된다. 다만, 상기 제2 유체는 상기 제2 유체 유출구(122)로 유입되어 상기 제2 유체 유입구(121)로 배출되는 방향으로 흐르는 것도 가능하다. 즉, 상기 제1 유체와 제2 유체는 서로 반대 방향으로 흐를 수도 있고, 같은 방향으로 흐를 수도 있다. 상기 제1 유체와 상기 제2 유체는 각각 중공사막(41)의 내부와 외부로 흐르면서 상기 중공사막(41)을 통하여 수분 등의 물질 또는 열 등을 교환하게 된다.
한편, 상기 제1 유체는 저습의 유체이며 상기 제2 유체는 고습의 유체일 수 있고, 상기 제2 유체가 저습의 유체이고, 상기 제1 유체가 고습의 유체일 수도 있다.
[ 실시예 : 수분 교환 모듈의 제조]
( 실시예 1)
폴리설폰 중공사막(외경 900um, 내경 800um) 14,000개를 4개의 다발로 분할하여 모퉁이가 라운드진 각형 하우징(가로 350mm, 세로 175mm, 높이 500mm, 모서리 곡률 반경: 40mm) 내부에 배치시켰다. 이때, 상기 중공사막 다발들은 상기 하우징의 제2 유체 유입 방향을 따라 분할되도록 상기 하우징 내부에 배치시켰다. 또한, 상기 하우징부의 내측 벽면에는 상기 제2 유체의 와류 형성을 방지하기 위한 돌기를 상기 제2 유체 유입구와 마주보는 위치에 형성하였다.
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 포팅부를 형성한 후, 상기 하우징의 양단부에 하우징 캡를 씌워 수분 교환 모듈을 제조하였다.
( 실시예 2)
폴리설폰 중공사막(외경 900um, 내경 800um) 14,000개를 4개의 다발로 분할하여 모퉁이가 라운드진 각형 하우징(가로 250mm, 세로 250mm, 높이 500mm, 모서리 곡률 반경: 40mm) 내부에 배치시켰다. 이때, 상기 중공사막 다발들은 상기 하우징의 제2 유체 유입 방향을 따라 분할되도록 상기 하우징 내부에 배치시켰다. 또한, 상기 하우징부의 내측 벽면에는 상기 제2 유체의 와류 형성을 방지하기 위한 돌기를 상기 제2 유체 유입구와 마주보는 위치에 형성하였다.
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 포팅부를 형성한 후, 상기 하우징의 양단부에 하우징 캡를 씌워 수분 교환 모듈을 제조하였다.
( 실시예 3)
폴리설폰 중공사막(외경 900um, 내경 800um) 14,000개를 4개의 다발로 분할하여 모퉁이가 라운드진 각형 하우징(가로 200 mm, 세로 300mm, 높이 500mm, 모서리 곡률 반경: 40mm) 내부에 배치시켰다. 이때, 상기 중공사막 다발들은 상기 하우징의 제2 유체 유입 방향을 따라 분할되도록 상기 하우징 내부에 배치시켰다. 또한, 상기 하우징부의 내측 벽면에는 상기 제2 유체의 와류 형성을 방지하기 위한 돌기를 상기 제2 유체 유입구와 마주보는 위치에 형성하였다.
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 포팅부를 형성한 후, 상기 하우징의 양단부에 하우징 캡를 씌워 수분 교환 모듈을 제조하였다.
( 비교예 1)
폴리설폰 중공사막(외경 900um, 내경 800um) 14,000개를 4개의 다발로 분할하여 모퉁이가 라운드진 각형 하우징(가로 400 mm, 세로 150 mm, 높이 500mm, 모서리 곡률 반경: 40mm) 내부에 배치시켰다. 이때, 상기 중공사막 다발들은 상기 하우징의 제2 유체 유입 방향을 따라 분할되도록 상기 하우징 내부에 배치시켰다.
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 포팅부를 형성한 후, 상기 하우징의 양단부에 하우징 캡를 씌워 수분 교환 모듈을 제조하였다.
( 비교예 2)
폴리설폰 중공사막(외경 900um, 내경 800um) 14,000개를 4개의 다발로 분할하여 모퉁이가 라운드진 각형 하우징(가로 125mm, 세로 500mm, 높이 500mm, 모서리 곡률 반경: 40mm) 내부에 배치시켰다. 이때, 상기 중공사막 다발들은 상기 하우징의 제2 유체 유입 방향을 따라 분할되도록 상기 하우징 내부에 배치시켰다.
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 포팅부를 형성한 후, 상기 하우징의 양단부에 하우징 캡를 씌워 수분 교환 모듈을 제조하였다.
( 비교예 3)
폴리설폰 중공사막(외경 900um, 내경 800um) 14,000개를 4개의 다발로 분할하여 모퉁이가 라운드진 각형 하우징(가로 350mm, 세로 175mm, 높이 500mm, 모서리 곡률 반경: 40mm) 내부에 배치시켰다. 이때, 상기 중공사막 다발들은 상기 하우징의 제2 유체 유입 방향의 수직 방향을 따라 분할되도록 상기 하우징 내부에 배치시켰다
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 포팅부를 형성한 후, 상기 하우징의 양단부에 하우징 캡를 씌워 수분 교환 모듈을 제조하였다.
( 비교예 4)
폴리설폰 중공사막(외경 900um, 내경 800um) 14,000개를 4개의 다발로 분할하여 모퉁이가 라운드지지 않은 각형 하우징(가로 350mm, 세로 175mm, 높이 500mm) 내부에 배치시켰다. 이때, 상기 중공사막 다발들은 상기 하우징의 제2 유체 유입 방향을 따라 분할되도록 상기 하우징 내부에 배치시켰다. 또한, 상기 하우징부의 내측 벽면에는 상기 제2 유체의 와류 형성을 방지하기 위한 돌기를 상기 제2 유체 유입구와 마주보는 위치에 형성하였다.
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 포팅부를 형성한 후, 상기 하우징의 양단부에 하우징 캡를 씌워 수분 교환 모듈을 제조하였다.
[ 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 90% 로 고정하고, 중공사막 내부는 온도 40℃, 습도 10%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.
구분 실시예1 실시예2 실시예3 비교예1 비교예2 비교예3 비교예4
가습성능(℃) 57 58 60 52 49 48 52
상기 표 1을 참조하면, 상기 실시예에서 제조된 수분 교환 모듈은 상기 중공사막 다발들을 유체 유입구 방향과 일치하도록 분할하고, 상기 하우징의 가로, 세로 비율을 최적화하고, 유체 유입구와 마주보는 하우징의 내벽에 와류 형성을 방지하기 위한 돌기를 형성함으로써, 우수한 가습 성능을 얻었음을 알 수 있다.
반면, 비교예 1 및 2의 경우 상기 하우징의 가로, 세로 비율이 본 발명의 범위를 벗어나고, 유체 유입구와 마주보는 하우징의 내벽에 와류 형성을 방지하기 위한 돌기가 형성되지 않음에 따라, 실시예 1 내지 3에 비하여 가습 성능이 저하되는 것을 알 수 있다.
또한, 비교예 3의 경우 상기 중공사막 다발들의 분할 방향이 유체 유입구 방향과 일치하지 않고, 유체 유입구와 마주보는 하우징의 내벽에 와류 형성을 방지하기 위한 돌기가 형성되지 않음에 따라, 실시예 1 내지 3에 비하여 가습 성능이 저하되는 것을 알 수 있다.
또한, 비교예 4의 경우 모서리가 라운드지지 않은 각형 하우징을 사용함에 따라, 실시예 1 내지 3에 비하여 가습 성능이 저하되는 것을 알 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
11: 하우징 몸체
12: 둘레부
121: 제2 유체 유입구
122: 제2 유체 유출구
12a: 둘레부의 끝단
2: 포팅부
4: 중공사막 다발
41: 중공사막
5: 하우징 캡
51: 제1 유체 유입구
52: 제1 유체 유출구
8: 유체 유통구
9: 격벽
150, 151: 제2 유체의 유로
164: 돌기
S: 실링부재

Claims (17)

  1. 제1 유체 유입구와 제1 유체 유출구 및 제2 유체 유입구와 제2 유체 유출구를 포함하는 하우징부, 그리고
    다수의 중공사막을 포함하며, 상기 제1 유체가 상기 중공사막 내부로 흐르고 상기 제2 유체가 상기 중공사막 외부로 흐르도록 상기 하우징 내부에 배치된 중공사막 다발을 포함하며,
    상기 하우징부의 내측 벽면에 위치하며, 상기 제2 유체의 와류 형성을 방지하기 위한 돌기를 포함하는 것인 중공사막 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 돌기는 상기 제2 유체 유입구와 마주보는 위치에 위치하는 것인 중공사막 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 돌기는 상기 하우징부의 길이 방향을 따라 연장되는 것인 중공사막 모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 돌기는 상기 하우징부의 길이 방향에 대한 단면 형상이 원형, 타원형, 삼각형, 정삼각형, 사각형, 정사각형, 사다리꼴, 평행사변형, 오각형 및 육각형으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것인 중공사막 모듈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 중공사막 모듈은 상기 제2 유체의 유입 방향을 따라 간격을 두고 분할된 복수개의 중공사막 다발들을 포함하는 것인 중공사막 모듈.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 중공사막 모듈은 상기 제2 유체의 유입 방향을 따라 비스듬하게 분할된 복수개의 중공사막 다발들을 포함하는 것인 중공사막 모듈.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 중공사막 다발은 장방형이며, 모서리가 라운드진 것인 중공사막 모듈.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 분할된 복수개의 중공사막 다발은 짝수개로 분할된 것인 중공사막 모듈.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 하우징부의 길이 방향에 따른 단면 형상은 각형이고,
    상기 각형의 모퉁이는 라운드진 것인 중공사막 모듈.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 하우징부의 라운드진 모퉁이의 곡률 반경은 5 내지 150mm인 중공사막 모듈
  11. 제1항에 있어서,
    상기 하우징부의 가로 길이와 세로 길이의 길이 비율은 1:0.5내지 1:3인 것인 중공사막 모듈.
  12. 제5항에 있어서,
    상기 중공사막 모듈은 상기 복수개의 중공사막 다발들을 구획하는 격벽을 포함하는 것인 중공사막 모듈.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 격벽은 복수개로 포함되며,
    상기 복수개의 격벽은 상기 복수의 중공사막 다발들 각각을 둘러싸도록 배치되는 것인 중공사막 모듈.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    상기 격벽에는 유체 유통구가 형성된 것인 중공사막 모듈.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 하우징부는
    양단이 개방되고, 외표면에 상기 제2 유체 유입구와 상기 제2 유체 유출구를 포함하는 하우징 몸체, 및
    상기 하우징 몸체의 각 양단에 결합되며, 상기 제1 유체 유입구와 상기 제1 유체 유출구를 포함하는 하우징 캡들을 포함하는 것인 중공사막 모듈.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 중공사막 모듈은 상기 중공사막의 양단부를 상기 하우징부에 고정시키며, 상기 하우징부의 양단부와 기밀 가능하게 접하는 포팅부를 더 포함하는 것인 중공사막 모듈.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 중공사막 모듈은 수분 교환 모듈, 열교환 모듈, 기체 분리 모듈 및 수처리 모듈로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것인 중공사막 모듈.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US20210394122A1 (en) * 2018-10-12 2021-12-23 Sumitomo Electric Fine Polymer, Inc. Hollow-fiber membrane module

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