KR20160101038A - 스냅 핏 구성 및 샘플링 포트를 갖춘 전기 투석용 스페이서 - Google Patents

Abstract

멤브레인 스택을 위한 스페이서는, 상위 표면 및 하위 표면을 갖는다. 상위 표면은 멤브레인 지지 섹션을 둘러싸는 돌출된 둘레를 갖는다. 상기 스페이서는, 제1 스페이서의 하나 이상의 돌출부가 제2 스페이서의 하나 이상의 리세스 내로 끼워지도록 구성되는 하나 이상의 돌출부 및 리세스를 가지며, 이때 동일한 돌출부 및 리세스가 제1 스페이서에 대해 적재된다. 선택적으로, 억지끼워 맞춤 또는 스냅 핏이 형성될 수 있다. 스택에서는, 스페이서들 사이에 배치되는 멤브레인 지지 섹션 상에 멤브레인이 배치된다. 바람직하게는, 상위 스페이서의 바닥은 하위 스페이서의 돌출된 둘레 상에 안착한다. 스페이서는, 스페이서의 에지로부터 스페이서 내의 유동 영역의 내부로 연장되는 구멍을 갖출 수 있다. 이러한 구멍은 진단 시험 및/또는 샘플링을 위해 유동 영역에 접근하는 것을 허용한다.

Description

스냅 핏 구성 및 샘플링 포트를 갖춘 전기 투석용 스페이서{ELECTRODIALYSIS SPACER HAVING SNAP FIT DESIGN AND SAMPLING PORTS}

관련 출원에 대한 상호 참조

본원은, 미국에 대해서 2013년 12월 20일자로 출원된 미국 가특허 출원 제61/918,717호의 이익 향유를 주장하며, 상기 가특허 출원은 인용함으로써 본 명세서에 포함된다.

기술분야

본원은, 예컨대 전기 투석 장치 또는 다른 전기 구동식 막 분리 장치에서 사용되는 것과 같은 멤브레인 스택(membrane stack), 그리고 이러한 멤브레인 스택의 제조 방법에 관한 것이다.

통상적인 플레이트-프레임(plate and frame) 유형의 전기 구동식 막 분리 장치에 있어서, 이온 교환 막 및 스페이서(spacer)를 교호시킴으로써 스택이 구축된다. 상기 스페이서는 이온 교환 막들이 서로 전기적으로 절연되도록 하며, 이들 이온 교환 막 사이에 유동 채널을 제공한다. 유동 채널 주위에서 스페이서와 이온 교환 막 사이에 개스킷(gasket)이 마련된다. EDR(ElectroDialysis Reversal) 및 RED(Reverse ElectroDialysis)와 같은 ED(ElectroDialysis) 변형을 포함하는 전기 투석(ED: ElectroDailysis)용 스택에 있어서, 이온 교환 막은 음이온 교환 막과 양이온 교환 막 사이에서 교호한다. 다른 유형의 스택[도난 투석(Donnan Dialysis) 또는 확산 투석용 스택]에서는, 오직 양이온 교환 막 또는 음이온 교환 막만이 존재할 수 있다. EDI(Electro-DeIonization) 스택 또는 연속 전기 투석(CEDI; continuous electrodialysis) 스택에서는, 모든 스페이서의 유동 채널에 또는 일부 스페이서의 유동 채널에 교호하는 음이온 교환 막과 양이온 교환 막 그리고 이온 교환 수지가 존재한다. 추가적인 확장에 있어서, ED 스택에서의 이온 교환 막은 용량성 탈이온화 스택을 생성하는 큰 표면적의 전극으로 대체될 수 있다.

미국 특허 제6,235,166호는 전기 구동식 막 장치로서, 개구를 한정하는 내측 둘레 에지 및 이 내측 둘레 에지 상에 형성되는 리세스(recess)를 갖는 표면이 마련되는 둘레를 갖춘 스페이서, 그리고 리세스 내에 끼워지는 외측 에지를 갖는 이온 교환 막을 구비하는 전기 구동식 막 장치를 설명하고 있다. 스택은 2가지 유형의 스페이서를 포함한다. 일 유형의 스페이서는 밀봉 부재를 가지며, 비교적 연질의 재료로 제조된다. 다른 유형의 스페이서는 비교적 경질의 재료로 제조되며, 다른 유형의 스페이서의 밀봉 부재를 수용하는 홈을 갖는다.

본 발명의 과제는, 예컨대 전기 투석 장치 또는 다른 전기 구동식 막 분리 장치에서 사용되는 것과 같은 멤브레인 스택, 그리고 이러한 멤브레인 스택의 제조 방법을 제공하는 것이다.

이하의 도입부는, 후술하는 상세한 설명을 독자에게 제시하도록 의도된 것이며, 청구범위를 제한 또는 한정하려는 의도는 아니다.

전기 분리 시스템(electro-separation system) 내의 멤브레인들 사이의 스페이서는 탈염 스트림(달리 공급 스트림 또는 희석 스트림으로 불림) 및 농축 스트림(달리 염수 스트림으로 불림)의 흐름 경로를 제공한다. 이들 스페이서는 통상적으로 저밀도 폴리에틸렌 또는 유사한 재료로 제조되며, 멤브레인 스택 내에 배치되어 모든 탈염 스트림이 수력학적으로 함께 그룹화되도록 하고 모든 농축 스트림이 함께 그룹화되도록 한다. 양이온 교환 막, 탈염수 유동 스페이서, 음이온 전달 막, 및 농축수 유동 스페이서로 이루어지는, 셀 쌍으로 불리는 반복 섹션이 형성된다. 본원은 스페이서 및 셀 쌍에 대한 신규 구성을 설명하며, 멤브레인 및 구획화 셀 쌍에 대해 유동 영역을 형성하기 위한 방법을 설명한다. 이러한 구성 및 방법은, 예컨대 EDR(ElectroDialysis Reversal), RED(Reverse ElectroDialysis), 도난 투석, 및 전기적 탈이온화와 같은 변형을 포함하는 투석 및 전기 투석에 대해 유용하다.

본원은 상위 표면 및 하위 표면을 갖는 스페이서를 설명한다. 상위 표면은 멤브레인 지지 섹션을 둘러싸는 돌출된 둘레를 갖는다. 스페이서는 멤브레인 지지 섹션의 외부의 하나 이상의 리세스 및 하나 이상의 돌출부를 갖는다. 돌출된 둘레는 돌출부 또는 리세스를 포함할 수도 있고 포함하지 않을 수도 있다. 상기 돌출부 및 리세스는, 제1 스페이서의 하나 이상의 돌출부가 제2 스페이서의 하나 이상의 리세스 내로 끼워지도록 구성되며, 이때 동일한 돌출부 및 리세스가 제1 스페이서에 대해 적재되어 수밀부(water seal)를 형성한다. 선택적으로, 리세스와 돌출부 사이에는 억지 끼워맞춤 또는 스냅 핏(snap fit)이 형성될 수 있다. 스택은 복수 개의 스페이서를 상하로 배치함으로써 형성될 수 있고, 이때 멤브레인은 스페이서들 사이에 위치하는 멤브레인 지지 섹션 상에 배치된다. 바람직하게는, 상위 스페이서의 바닥은 하위 스페이서의 돌출된 둘레 상에 안착한다. 선택적으로, 추가적인 밀봉 재료가 스페이서에 또는 개별적인 개스킷에 마련될 수도 있고 스택 내로 분사될 수도 있다.

본원은 또한 스페이서의 에지로부터 스페이서 내의 유동 영역의 내부로 연장되는 적어도 하나의 구멍을 갖는 스페이서를 설명한다. 이러한 구멍은, 예컨대 유동 영역으로부터 물 시료를 추출하기 위해 또는 프로브, 센서, 또는 영상 장치를 유동 영역 내로 삽입하기 위해 사용될 수 있다. 상기 구멍은 사용되지 않을 때는 막혀있을 수 있고, 밸브를 통해 샘플링 포트(sampling port)에 부착될 수도 있다.

도 1은 전기 투석 스택의 개략적인 단면도를 도시한 것이다.
도 2a는 평평한 스페이서의 상부도를 도시한 것이다.
도 2b는 평평한 스페이서의 측방 시야를 도시한 것이다.
도 3은 돌출된 둘레 그리고 협동하는 돌출부 및 리세스를 갖춘 제1 스페이서의 개념적인 에지 도면을 도시한 것이다.
도 4는 도 3의 스페이서의 개념적인 등각도이다.
도 5a는 돌출된 둘레 그리고 협동하는 돌출부 및 리세스를 갖춘 제2 스페이서의 등각도이다.
도 5b는 돌출된 둘레 그리고 협동하는 돌출부 및 리세스를 갖춘 제3 스페이서의 등각도이다.
도 6a는 도 5a의 스페이서의 일부의 확대도이다.
도 6b는 도 5b의 스페이서의 일부의 확대도이다.
도 7은 도 5a의 스페이서 3개와 3개의 멤브레인의 조립체에 대한 등각 분해도이다.
도 8은 도 5a의 스페이서에서의, 플러깅(plugging) 가능한 구멍의 확대도이다.
도 9는 90도 회전 가능한 스페이서의 평면도를 도시한 것이다.
도 10은 180도 회전 가능한 스페이서의 평면도를 도시한 것이다.
도 11 및 도 12는 지형(finger-like) 밀봉 표면을 갖는 대안적인 스페이서의 평면도 및 측면도이다.
도 13 및 도 14는 리브(rib) 형태의 밀봉 표면을 갖는 대안적인 스페이서의 평면도 및 측면도이다.
도 15는 측방향 스냅 핏 또는 수평방향 스냅 핏이 형성되는 대안적인 스페이서를 도시한 것이다.

도 1은 전기 투석 스택을 도시한 것이다. 애노드 및 캐소드는 일련의 음이온 교환 막 및 양이온 교환 막에 의해 분리된다. 도시된 스택에서는, 음이온 교환 막과 양이온 교환 막이 교호한다. 전기 투석 스택의 다른 예 또는 다른 스택에 있어서, 동일한 유형의 멤브레인 2개가 연속적으로 사용되거나 또는 전체 스택이 한 가지 유형의 멤브레인을 구비하는 경우가 있을 수 있다. 다양한 액체가 멤브레인들 사이에서 유동한다. 이들 유동은 통상적으로 스페이서를 통해 이루어지며, 이 스페이서는, 해당 스페이서에 물리적 완결성을 부여하는 것, 이웃한 멤브레인들을 지지하는 것, 조립 중의 스택 정렬을 보조하는 것, 그리고 콜로이드 증착을 감소시키는 데 도움이 되는 난류를 촉진시키는 것 중 하나 이상을 행하기 위한 크로스 스트랩(cross strap)을 갖는다. 스페이서는 연속하는 멤브레인들을 물리적으로 분리시키고 절연시킨다. 스페이서는 통상적으로 약 0.1 mm 내지 10 mm의 두께를 갖는다. 또한, 스페이서는 유입구로부터 유출구로 2개의 멤브레인 사이에서 흐름 경로를 형성하기 위해 유동 영역 내의 구조를 제공할 수 있다.

도 2는 평평한 스페이서를 도시한 것이다. 스페이서는 두 쌍의 포트를 구비한다. 스택 내에서, 상기 포트 및 멤브레인 내의 대응하는 매니폴드 컷아웃(manifold cutout)은 스택에서의 수직 파이프를 형성한다. 한 쌍의 포트는 유동 영역에 대한 유입구 및 유출구를 제공한다. 다른 쌍의 포트는 내부 회로를 완성시키며, 이 내부 회로는, 유체를 공급하거나 이웃한 스페이서로부터 유체를 제거하는 데 사용될 수 있다. 이웃한 스페이서는 도시된 스페이서에 대해 역전되거나, 또는 다른 2개의 포트에 연결되는 유동 영역을 갖게 된다. 포트 및 유동 영역 외부의 영역은 실질적으로 평평하다. 스택에 있어서, 스페이서와 동일한 외경을 갖는 멤브레인이 각각의 스페이서 쌍 사이에 배치된다. 임의의 다른 요소, 예컨대 전극 또는 단부 플레이트가 추가된 이후에, 스택이 압축된다. 이는 이용 가능한 스택을 형성할 수 있지만, 조립되는 동안 스택을 정렬된 상태로 유지하기가 곤란하다. 또한, 멤브레인의 에지가 스택에 측부에서 노출된다. 멤브레인 자체를 통해 또는 멤브레인과 스페이서 사이에서 스택의 외부로의 누출이 존재할 수 있다. 외부 스택 표면은 파형이 될 수도 있고, 스케일(scale)로 크러스트(crust)될 수도 있다. 또한, 멤브레인 에지는 건조하게 될 수 있고 열화될 수 있다.

도 3 및 도 4는 돌출된 둘레 그리고 협동하는 돌출부 및 리세스를 갖춘 제1 스페이서를 도시한 것이다. 이러한 스페이서에 있어서, 스페이서의 양측을 따라 연장되는 U자형 슬롯의 형태인 돌출된 둘레 그리고 스페이서의 나머지 양측 상에서 U자형 슬롯들 사이에 연장되는 동일한 높이의 릿지(ridge)가 존재한다. U자형 슬롯 및 릿지는 함께 스페이서의 멤브레인 지지 섹션을 둘러싼다. 스페이서의 전방을 가로질러 연장되는 릿지는 멤브레인 지지 섹션의 내부를 보여주기 위해 도 3에서는 제거되어 있다. 슬롯은 선택적으로 스냅 핏 암형 섹션(snap fit female section)을 제공한다. 스냅 핏 수형 섹션(snap fit male section)은 스페이서로부터 스냅 핏 암형 섹션 아래로 하향 연장된다. 동일한 다른 스페이서가 도시된 스페이서의 상부에 배치될 때, 상위 스페이서 및 하위 스페이서의 멤브레인 지지 섹션과 하위 스페이서의 돌출된 둘레 사이에, 선택적으로 상위 스페이서로부터의 하나 이상의 돌출부와 조합하여, 챔버가 형성된다. 챔버는 멤브레인 지지 섹션 상에 배치되는 멤브레인을 구획화한다. 이는 스택의 외부로의 누출을 방지하는 데 도움이 된다. 또한, 스냅 핏은, 스택의 부분들을 함께 유지하는 데 도움이 되는 반면, 스택의 조립을 더욱 용이하게 하는 더 많은 스페이서가 추가된다. 돌출된 둘레는 또한 스페이서의 보강에 도움이 된다. 바람직하게는, 이하에서 설명되는 바와 같이, 스페이서는 또한 하나 이상의 포트를 구비하여 스택을 해체하지 않으면서 스택 내의 셀 쌍(cell pair)의 진단 시험을 가능하게 한다. 대안으로, 스냅 핏 부재는 측방향 간섭을 제공하는 수직 활주 맞춤을 나타내는 부재로 대체될 수 있으며, 이는 스택에서 보다 넓은 범위의 멤브레인 두께가 사용될 수 있도록 한다. 대안으로, 협동하는 돌출부 및 리세스 중 하나 또는 양자 모두는, 압축될 때 밀봉부를 형성하는 데 도움이 되는 가요성 재료 또는 탄성 재료로 제조될 수도 있고, 이러한 재료를 포함할 수도 있다.

도 5a, 도 6a, 도 7 및 도 8은 돌출된 둘레 그리고 협동하는 돌출부 및 리세스를 갖춘 제2 스페이서를 도시한 것이다. 이러한 스페이서는 또한 멤브레인 지지 섹션을 둘러싸는 U자형 슬롯의 형태인 돌출된 둘레를 갖는다. 제1 스페이서는 두 쌍의 포트를 구비한다. 한 쌍의 포트는 유동 영역에 대한 유입구 및 유출구를 제공한다. 다른 쌍의 포트는 내부 회로를 완성시키며, 이 내부 회로는 유체를 공급하거나 이웃한 스페이서로부터 유체를 제거하는 데 사용되고, 이웃한 스페이서는 도시된 스페이서에 대해 역전된 멤브레인 지지 섹션을 구비한다. 하나의 스페이서의 유동 영역에서의 유동은, 유동의 방향이 교호하는 스페이서에서 선택적으로 역전될 수는 있지만, 이웃한 유동 영역에서의 유동에 대해 평행하다. 유동 영역 및 포트와 돌출된 둘레 사이의 영역은 실질적으로 평평하다.

유동 영역은 바람직하게는 대각선 바아(도시된 바와 같음) 또는 다른 난류 촉진 구조를 갖는다. 대각선 바아는 단지 도시를 간단하게 하기 위해 멤브레인 지지 섹션의 두께를 통해 연장되는 것으로 도시되어 있다. 제조 시에, 일 방향으로 연장되는 대각선 바아는 이러한 두께의 단지 상부 절반부만을 통해 연장되고, 다른 방향으로 연장되는 대각선 바아는 이러한 두께의 단지 하부 절반부만을 통해 연장된다. 대안으로, 직조 메시(woven mesh)가 존재할 수도 있고, 바아를 통해 물이 유동하도록 하는 개구를 제공하기 위해 대각선 바아들 사이의 교차부들 사이에는 대각선 바아의 내부 부분이 제거된다. 그러나, 하나 이상의 스페이서 랜드부(spacer lands)가 멤브레인 지지 섹션의 전체 두께를 통해 연장되어, 유동 영역을 통한 흐름의 훨씬 더 고른 분배를 촉진시킬 수 있다. 대각선 바아는 바람직하게는 다양한 기계적 강도의 멤브레인을 지지하도록 구성된다.

돌출된 둘레 외측의, 선택적으로는 도시된 바와 같이 탭(tab)에 위치하는 정렬 구멍은, 스택을 조립하는 동안 스페이서를 정렬하는 데 도움이 되도록 조립 지그(assembly jig)에서 스페이서가 하방으로 활주하도록 하는 데 사용될 수 있다.

특히 도 6a를 참고하면, 스페이서의 상부로부터 상향으로 연장되는 U자형 슬롯이 존재한다. 스페이서의 하부에서 하향으로 연장되는 릿지는, 슬롯의 내부 폭에 대응하는 외부 두께를 갖는다. 상기 릿지는 또한 슬롯의 내부와 수직방향으로 정렬된다. 이러한 방식으로, 도시된 스페이서는 유사한 슬롯 및 릿지를 갖는 다른 스페이서의 상부에 배치될 수 있으며, 여기서 도시된 스페이서의 릿지는 다른 스페이서의 슬롯 내로 활주하게 된다. 마찬가지로, 도시된 스페이서의 상부 상에 다른 스페이서가 배치될 수 있으며, 이때 상위 스페이서의 릿지는 도시된 스페이서의 슬롯 내로 활주하게 된다. 멤브레인은, 상위 스페이서가 부가되기 이전에 각각의 하위 스페이서의 슬롯의 내부에 배치된다. 결과적인 구조가 도 7에 분해도로 도시되어 있다. 원하는 크기의 스택을 제조하기 위해 추가적인 스페이서가 부가될 수 있다. 선택적으로, 스택은, 상방으로 연장되는 릿지 및 하방으로 연장되는 슬롯의 벽을 이용하여 조립될 수 있다. 상기 릿지는 바람직하게는 적어도 슬롯의 벽 내부에 근접하게 맞춰지며, 이에 따라 이들 사이에 측방향 억지끼워 맞춤(interfering fit)이 형성된다. 선택적으로, 이러한 릿지와 슬롯 사이에 스냅 핏(snap fit)이 형성될 수 있다. 선택적으로, 수직방향 구성과 반대로 스페이서 평면에 대해 측방향으로 평행하게 돌출된 둘레 외부에는 정렬 구멍 및 U자형 슬롯이 구성될 수 있으며, 예컨대 수평방향 평면에서 스냅 핏이 형성될 수 있다.

도 5b, 도 6b는 제3 스페이서를 도시한 것이다. 이러한 스페이서는 멤브레인 지지 섹션을 둘러싸는 벽 또는 돌출된 릿지의 형태인 주위의 돌출형 둘레를 갖는다. 이러한 벽의 외부에는, 복수 개의 원형 구멍이 존재한다. 스페이서의 바닥에는, 복수 개의 원통부가 존재한다. 상기 원통부는, 다수의 스페이서가 함께 적재될 때 다른 스페이서의 원형 구멍 내로 활주하도록, 또는 선택적으로 스냅 핏을 형성하도록 배치되고 크기 설정된다. 선택적으로, 상기 원통부는 스페이서의 일측에 배치될 수 있으며, 이때 돌출된 벽 및 원형 구멍은 다른 측에 배치될 수 있다. 선택적으로, 상기 원형 구멍 및 원통부는 호환 가능한 다른 형상의 리세스 및 돌기로 대체될 수 있다. 선택적으로, 상기 리세스 및 돌기는 수직방향 구성과 반대로 스페이서 평면에 대해 측방향으로 평행하게 구성될 수 있다.

도 8은 제2 스페이서의 일 에지를 통한 구멍을 도시한 것이다. 선택적으로, 동일한 에지 또는 다른 에지를 통해 추가적인 구멍이 마련될 수 있다. 밸브, 장비 용구, 또는 제거 가능한 플러그(도시되어 있지 않음)가 구멍 내로 끼워질 수 있다. 유사한 구멍이 제1 스페이서 또는 제3 스페이서에 마련될 수 있다. 유동 영역과 연통하는 분석용 프로브를 삽입하기 위한 이러한 구멍은 유동 영역에서 물을 샘플링(samping)하는 것을 허용한다. 이들 에지 구멍은 스택 내에서 개별적인 셀의 구분되는 진단 시험을 허용한다. 진단 시험은, 예컨대 프로브 기반의 측정, 누출 시험, 또는 스케일 혹은 오염물 재료 시료를 포함할 수 있다. 시험에 의해, 유동 영역에서의 상태가 분석될 수 있다. 멤브레인의 양측에서의 유동 영역 내의 상태에 대한 분석은 멤브레인의 특성을 결정하기 위해 사용될 수 있다. 서로 멀리 간격을 두고 있는 유동 영역에서의 상태에 대한 분석은, 스택을 가로질러 상태가 변하는지 여부를 결정하기 위해 사용될 수 있다. 스택의 특정 부분에서 문제가 탐지되면, 스택은 스택의 나머지를 분해하지 않으면서 해당 문제 지점에서 개방될 수 있다. 선택적으로, 하나 이상의 에지 구멍은 프로세스 또는 스택 상태의 실시간 모니터링 또는 원격 모니터링을 허용하기 위해 이용될 수 있다.

스페이서는, 예컨대 저밀도 폴리에틸렌 또는 유사한 재료로 제조될 수 있다.

앞서 설명된 구성은 적어도 멤브레인 스택을 제조하기에 유용한 대안적인 구조를 제공한다. 추가적으로, 이러한 스페이서 구성 또는 셀 구성은, 스택으로부터의 외부 누출을 방지하고 스페이서 내에서의 멤브레인의 구획화를 허용하는 데 도움이 된다. 통상적인 스택에서는, 멤브레인 에지가 노출된다. 건조하게 되고 스케일로 크러스팅되는 멤브레인 에지로부터 종종 누출이 발생한다. 추가적으로, 멤브레인 에지의 건조함으로 인해 폴리머가 떨어지게 될 수 있고, 천 실이 노출되게 될 수 있으며, 이는 시간의 경과에 따라 스택의 성능을 저하시킬 수 있다. 앞서 설명된 스페이서는 멤브레인을 둘러싸며, 이에 의해 멤브레인은 습한 상태로 유지되고, 전술한 바는 외부 누출을 방지하는 데 도움이 된다. 또한, 스페이서의 돌출된 둘레에 의해 둘러싸인 격실 또는 챔버 내에서 멤브레인 위로 액체가 유동하는 동안 스페이서의 바닥에 각각의 멤브레인이 안착하게 된다. 스페이서는 또한 멤브레인에 대한 양호한 구조적 지지를 제공하며, 다양한 두께, 예컨대 0.1 mm 내지 2 mm의 두께 그리고 다양한 강도의 멤브레인과 함께 사용될 수 있다.

통상적인 스택은 또한 스택 요소들이 적절하게 정렬된 상태에서 조립하기에 어려움이 있을 수 있다. 설명된 스페이서 구조는 정렬에 도움이 되는데, 왜냐하면 스냅 핏 부품은 선택적으로 자가 정렬식이며 각각의 이전 스냅 핏 섹션은 새로운 부품이 추가되는 동안 정렬된 상태를 유지하기 때문이다. 2개의 정렬 구멍은 또한 스냅 핏 이전에 스택의 조정을 용이하게 한다.

또한, 통상적인 스택은 종종 스택과 관련된 문제를 진단하기 위해 분해되어야만 한다. 앞서 설명한 스페이서 구성 및 셀 구성은, 기술자가 스택을 분해하지 않으면서 스택의 특정 부분을 검사할 수 있도록 허용한다. 포트는, 스택을 분해하지 않으면서 특정 챔버에서 진단 시험이 행해질 수 있도록 허용한다. 포트는 또한 스택의 원격 모니터링을 위한 장비 또는 센서를 설치하는 데 사용될 수 있다. 이때 스냅 핏 구성은, 다른 격실이 폐쇄 상태로 유지될 때 결함이 있는 멤브레인 격실이 개방되도록 허용한다.

도 5a에 도시된 바와 같이, 스페이서는 또한 스페이서 배플 섹션(spacer baffle section)에 대해 스냅 핏 구성을 가질 수 있다. 이에 의해, 스페이서들 사이에 멤브레인이 있는 상태에서 스페이서들은 서로 상하로 꼭 맞게 적층될 수 있다. 이러한 구성은, 이웃한 스페이서들 사이의 스냅 핏을 용이하게 하기 위해 멤브레인이 적절한 갭 구멍(gap hole)을 갖추도록 요구하지 않는다.

통상적인 스페이서를 갖춘 기존의 일부 스택에는, 오직 한 가지 유형의 스페이서만이 존재하며, 이는 그 길이를 따라 플립핑(flipping)되어 희박 챔버 및 농축 챔버를 형성할 수 있다. 앞서 설명한 스페이서는 일반적으로 밀봉 특징을 유지하면서도 이러한 방식으로 플립핑될 수 없다. 따라서, 2가지 유형의 스페이서가 제조되며, 하나의 스페이서는 희박 챔버를 형성하고 하나의 스페이서는 농축 챔버를 형성한다. 선택적으로, 이러한 2가지 유형의 스페이서는 이들 스페이서가 섞일 가능성을 줄이기 위해 색상 코드화되거나 또는 달리 마킹(marking)될 수 있다.

대안으로, 희박 챔버 및 농축 챔버를 생성하기 위해 회전될 수 있는 스페이서가 제조될 수 있다. 도 9은 예컨대 정사각형 스페이서를 도시한 것이다. 일 유형의 챔버에 연결되는 내부 파이프를 형성하기 위해 대각선으로 대향하는 포트가 사용되면, 이때 스페이서를 90도만큼 회전시켜 달리 희박 챔버 및 농축 챔버를 생성하게 된다. 일 유형의 챔버에 연결되는 내부 파이프를 형성하기 위해 일측의 2개 포트가 사용되면, 이때 스페이서를 180도만큼 회전시켜 달리 희박 챔버 및 농축 챔버를 생성하게 된다. 돌출된 둘레 및 협동하는 돌출부와 리세스, 예컨대 스냅 핏 특징부는, 도 9에 도시되어 있지 않지만, 스페이서의 둘레 주위에 연장되게 추가될 수 있으며, 이때 협동하는 돌출부 및 리세스는 스페이서의 하부에 하나가 배치되고 스페이서의 상부에 하나가 배치된다. 도 10은 직사각형 스페이서를 도시한 것이다. 하나의 짧은 변 상에 있는 2개의 포트는 일 유형의 챔버에 연결되는 내부 파이프를 형성하는 데 사용된다. 이러한 스페이서를 180도만큼 회전시키면 달리 희박 챔버 및 농축 챔버가 생성된다. 돌출된 둘레 및 협동하는 돌출부와 리세스, 선택적으로 스냅 핏 특징부는, 스페이서의 경계 주위에 마련된다.

다른 대안에서는, 스냅 핏보다는 다수의 가요성 요소의 상호작용에 의해 밀봉부가 형성된다. 예를 들면, 도 11 및 도 12에 도시된 바와 같이, 스페이서의 평면으로부터 일 방향으로 또는 양 방향으로 돌출하는 다수의 작은 지형부(finger)에 의해 밀봉부가 형성된다. 도 13 및 도 14에서는, 스페이서의 둘레 주위에 연장되는 일련의 리브(rib)에 의해 밀봉부가 형성된다. 이러한 리브는 또한 스페이서의 평면으로부터 일 방향으로 또는 양 방향으로 돌출할 수 있다. 양 경우에 있어서, 서로 간접하든지 또는 그렇지 않든지, 밀봉부를 형성할 수 있는 다수의 작고 세밀한 특징부(즉, 리브 또는 지형부)가 존재한다. 이들 특징부가 도 12 및 도 14에 도시된 바와 같이 일 방향으로 돌출할 때, 밀봉부는 하나의 스페이서의 특징부와 다른 스페이서의 하부 사이의 접촉에 의해 형성된다. 이들 특징부는 서로에 대한 레지스트리(registry) 또는 밀봉부를 형성하기 위한 미세 공차를 필요로 하지 않는다. 특징부가 스페이서로부터 양 방향으로 돌출하면, 선택적으로 도 12 및 도 14에 도시된 것보다 작은 높이로 돌출하면, 스페이서는 또한 플립핑하여 달리 희박 챔버 또는 농축 챔버를 형성할 수 있다.

다른 대안에 있어서, 협동하는 돌출부 및 리세스는 도 5에 도시된 바와 같이 스페이서의 벽에 또는 외부 에지에 마련된다. 선택적으로, 돌출된 둘레는 협동하는 돌출부 및 리세스의 내부에 마련될 수 있다. 선택적으로, 수평방향 스냅 핏 또는 측방향 스냅 핏이 마련된다. 예를 들면, 스페이서의 평면의 일측으로부터 외향으로 연장되고 둘레 또는 스페이서 주위에 이격되는 일련의 돌출부가 존재할 수 있다 이들 돌출부는 스페이서의 둘레 에지 주위에 이격되어 있는 대응하는 리세스 내에 끼워진다. 선택적으로, 스냅 핏 특징부는 스페이서의 단지 일 에지에만 마련될 수도 있고 스페이서의 대향하는 2개의 에지에 마련될 수도 있지만, 대향하는 에지 상의 돌출부는 반대 방향으로 돌출하게 되며, 스냅 핏은 수직방향 스택 이동보다는 스택의 상부에서 스페이서를 활주시키는 수평방향 이동에 의해 이루어질 수 있다.

본 발명의 양태는 또한 열 교환기와 같은 플레이트-프레임 장치, 전해질 셀 또는 연료 셀과 같은 전기화학적 셀, 막 여과 장치 또는 다른 평시트 멤브레인 기반의 스택에 적용될 수 있다.

앞서 설명되고 도면에 도시된 실시예는, 또한 후술하는 첨구범위에서 한정되는 발명을 가능하게 하지만, 청구범위의 범위 내에서 다른 실시예도 역시 실시될 수 있다.

Claims (5)

1. 스냅 핏 구성(snap fit design)을 갖는 스페이서.
2. 제1항에 있어서, 상기 스냅 핏은 수직방향, 측방향, 또는 수평방향으로 형성되는 것인 스페이서.
3. 멤브레인 지지 영역을 둘러싸는 돌출된 둘레 벽을 갖는 스페이서.
4. 샘플링 포트(sampling port)를 갖는 스페이서.
5. 스페이서 배플 섹션(spacer baffle section)에서의 스냅 핏 구성을 갖는 스페이서.
   

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