KR20220073842A - 멤브레인 기반 에어 컨디셔닝 시스템 - Google Patents

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KR20220073842A
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로저 토케토
비제이 메타르
리차드 블랙웰
리 반스
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크레이튼 폴리머스 엘엘씨
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Abstract

선택적으로 투과성인 이온 교환 멤브레인으로서 술폰화 공중합체(SC, sulfonated copolymer) 층을 채용하는 에어 컨디셔닝(AC) 시스템이 제공된다. 상기 술폰화 블록 공중합체는 0.5 meq/g 보다 큰 IEC를 갖는다. 구현예들에서, 상기 술폰화 블록 공중합체는 멤브레인 자체를 형성하기 위해 사용되거나, 멤브레인 또는 발포체 상에 결합/코팅된다. 구현예들에서, 상기 AC는 멤브레인 전극 어셈블리를 채용하며, 즉, 제습기 내의 멤브레인을 가로지르는 전기장을 사용하여, 상기 제습기로부터의 건조 공기 스트림의 증발식 유도 냉각을 통해 잠열 제거를 위한 증발 냉각기를 사용하여, 건조 공기 스트림을 생성하는 수분을 전달한다. 상기 시스템은, 냉각 후 실내 공기가 재순환되거나 제습 멤브레인 전극 어셈블리로 루프백되어 증발식 냉각기를 위한 건조 공기를 생성하여 컨디셔닝된 공기를 생성하는 폐쇄 루프로서 작동한다.

Description

멤브레인 기반 에어 컨디셔닝 시스템
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은, 출원일이 2019년 10월 10일인 미국 가출원 번호 제62/913421호 및 출원일이 2019년 11월 14일인 미국 가출원 번호 제62/935305호, 및 출원일이 2020년 1월 26일인 미국 가출원 번호 제62/966011호로부터 우선권을 주장하며, 이들의 전체 개시내용은 참조로서 본원에 통합된다.
본 개시는(본원은) 술폰화 공중합체 멤브레인을 포함하는 에어 컨디셔너(conditioner) 및 에어 제습기(dehumidifier)에 관한 것이다.
수분 증발에 의한 열 제거를 기반으로 하는 기존 냉각기(cooler)는 두 가지 종류가 있다: (1) 간접 증발식 냉각을 제공하고 기반 시설 크기 요구 사항으로 인해 쉽게 축소할 수 없는 넓은 공간을 냉각하기 위한 대형 냉각탑, 및 (2) 주변 환경을 가습하여 직접적인 증발식 냉각을 제공하는 사막(desert) 냉각기로서, 이는 습도 포화 문제로 인해 높은 습도 환경에서 잘 작동하지 않음.
기존의 냉매 기반 에어컨(A/C, air conditioner)은 순환적인 냉매 응축 및 증발 사이클에 의해 공정 공기의 열교환을 통해 간접 냉각을 제공한다. 상기 AC는 공정 공기 온도 감소를 초래하는 수분 응축으로 인해 비효율적이며, 수분 응축 열에 의해 시스템의 냉각 효율이 상쇄된다. 제습은 많은 경우에 냉매 기반 시스템의 주요 기능이며, 이는 많은 경우에 분배된 공기 온도를 조절하기 위해 제습 단계 후 공기 가열 사이클을 포함하여 시스템 효율을 더욱 감소시킨다.
건조제 휠(desiccant wheel) 또는 냉동 사이클을 기반으로 하는 선행 기술의 제습 시스템은 습한 공기를 제습하고, 건조제를 재생하고, 냉동 사이클을 실행하기 위해 매우 높은 에너지 요구사항을 가진다.
기후 변화는, 특히 에어컨 수요 증가와 함께, 다양한 환경 문제를 야기함에 따라 가정, 사무실, 공장 등의 냉방 및 제습을 위한 보다 에너지 효율적인 에어컨이 필요하나, 현재 기술 상태는 에너지 집약적이어서 에너지 생성 수준에서 높은 탄소 배출을 초래한다.
[발명의 요약]
일 측면에서, 본원은 제습(dehumidifying) 유닛 또는 증발식 냉각(evaporative cooling) 유닛, 또는 둘 다를 포함하는 AC 시스템에 관한 것으로, 상기 제습 유닛 및 상기 증발식 냉각 유닛은 선택적으로 투과성인 이온 교환 중합체 기반 멤브레인 어셈블리(membrane assembly)를 포함한다. 상기 멤브레인 어셈블리는, 완전히는 아니지만, 주로 술폰화 공중합체(SC, sulfonated copolymer)를 포함할 수 있거나 발포체(foam)와 같은 다른 재료를 포함하는 SC-기반 복합 재료로서 제조될 수 있다. 상기 SC는 바람직하게는 0.5 meq/g 보다 큰 IEC를 갖는다. 구현예들에서, 상기 가습(humidification) 유닛은 한 쌍의 전극을 포함하는 멤브레인 전극 어셈블리(MEA, membrane electrode assembly)를 채용한다. 상기 MEA에 전압을 가하면 공기 수분이 MEA의 유입구 측에서 배출구 측으로 확산될 수 있다. 상기 선택적으로 투과성인 이온 교환 중합체 기반 멤브레인은 공기 수분에 대해 투과성이 있지만 다른 공기 성분에는 투과되지 않기 때문에, 상기 MEA가 습한 공기로부터 수분을 추출한 후에 제습된 공기가 생성된다. 상기 증발식 냉각 유닛의 선택적으로 투과성인 이온 교환 중합체 기반 멤브레인은 수분 증발 매체로서 기능하며, 상기 멤브레인에 존재하는 물 분자는 따뜻한 공기의 통과로부터 잠열을 흡수하여 증발되며, 이로써 공기 스트림을 냉각시킨다. 상기 에어 컨디셔닝 시스템은 폐쇄 루프로서 작동하고, 실내 공기가 제습 및 증발식 냉각 유닛으로 다시 순환되어 또 다른 냉각 및 제습 과정을 거친다.
상기 증발식 냉각 유닛은 하기를 포함한다: 공기 흡입구; 하나 이상의 선택적으로 투수성인 높은 이온 교환 용량 멤브레인 어셈블리; 증발 매체 역할을 하는 상기 멤브레인에 물을 제공하기 위한 물 공급원; 선택적으로 투과성인 멤브레인에 의해 코팅될 수 있는 팬 블레이드를 갖는 하나 이상의 팬; 및 공기 회귀구. 상기 제습 유닛은 하기를 포함한다: 하나 이상의 선택적으로 투수성인 높은 이온 교환 용량 멤브레인; 상기 멤브레인의 2개의 대향 측면에 위치된 한 쌍의 전극; 상기 전극들에 가로질러 전압을 생성하기 위한 전력 소스; 제습된 공기 회귀구. 상기 제습 유닛은 상대 습도(RH, relative humidity)가 10% 이상인 공기를 제습하기 위해 사용될 수 있다. 상기 전극들은 금속, 금속 산화물, 유기금속 화합물, 뿐만아니라 무기 및 유기 화합물을 포함하는 재료들을 포함할 수 있다. 상기 전극들은 또한, 예를 들어, 탄소 천, 직조(woven) 및 부직(non-woven)의 전도성 재료, 나노튜브, 나노시트, 나노입자 형태의 하나 이상의 입자 또는 구성요소를 포함할 수 있다.
다른 측면에서, 선택적으로 투수성인 높은 이온 교환 용량 멤브레인은 상기 멤브레인에 가로질러 양성자 교환을 허용하고 0.5 meq/g 초과의 이온 교환 용량을 갖는다. 상기 멤브레인은 두께가 약 5 마이크론 내지 약 500 마이크론인 하나 이상의 SC 층을 포함할 수 있다. 다른 구현예들에서, 상기 SC는 적어도 25%의 술폰화도를 가질 수 있다. 특정 구현예들에서, 상기 멤브레인은 주로 하나 이상의 유형의 술폰화 중합체 또는 공중합체에 의해 제조된다. 상기 멤브레인은 항균성을 제공할 수 있다.
구현예들에서, 상기 술폰화 공중합체는 하기 구성들 중 임의의 것을 가질 수 있다: A-B-D-B-A, A-D-B-D-A, (A-D-B)nA, (A-B-D)nA, (A-B-D)nX, 및 (A-D-B)nX. 상기 A-블록은 바람직하게 본질적으로 술폰산 또는 술포네이트 에스테르 작용기를 함유하지 않고 하기 중합체 단위들 중 하나 이상으로부터 선택된다: (i) 파라-치환된 스티렌 단량체, (ii) 에틸렌, (iii) 탄소 원자수 3 내지 18의 알파 올레핀; (iv) 1,3-시클로디엔 단량체, (v) 수소화 전 비닐 함량이 35 몰% 미만인 공액 디엔의 단량체, (vi) 아크릴 에스테르, (vii) 메타크릴 에스테르, 및 (viii) 이들의 혼합물들; 여기서 n은 2 내지 약 30의 정수이고, X는 커플링제 잔기임.
상기 B-블록은 단량체 단위의 수를 기준으로 약 10 몰% 내지 약 100 몰%의 술폰산 또는 술포네이트 에스테르 작용기를 함유할 수 있고 하나 이상의 중합된 비닐 방향족 단량체의 분절(segment)을 포함하며, 여기서 n은 2 내지 약 30의 정수이고, X는 커플링제 잔기임. 상기 블록 D는 이소프렌, 1,3-부타디엔 및 이들의 혼합물들로부터 선택된 공액 디엔의 수소화된 중합체 또는 공중합체를 포함할 수 있으며, 여기서 n은 2 내지 약 30 범위의 정수이고, X는 커플링제 잔기이다.
본원에 사용될 수 있는 대안적인 선택적으로 투과성인 이온 교환 물질은 과불소화 및 술폰화 중합체, 또는 (ABA)n 구성을 갖는 술폰화 블록 중합체를 포함한다.
상기 에어컨(air conditioner)의 증발식 냉각 구성요소는 자유수(free water)에 비해 현저하게 더 높은 증발 엔탈피를 나타내는 선택적으로 친수성 특성을 갖는 술폰화 스티렌계 블록 공중합체와 같은 선택적으로 투과성인 재료에 의해 표면 코팅되어, 증발된 물 질량 단위당 통과하는 공기의 더 큰 온도 감소를 촉진시킬 수 있다. 상기 표면 코팅은 스프레이, 딥, 페인트 또는 캐스트 공정을 통해 기존의 증발식 냉각 매체에 적용될 수 있으며, 또는 대안적으로 상기 코팅은 팬(fan) 블레이드 표면 내에 물을 공급하도록 특별히 설계된 팬에 적용될 수 있다.
도 1은 에어 컨디셔닝 시스템의 일 구현예의 개략도이다.
도 2는 에어 컨디셔닝 유닛 내의 제습 구성요소의 일 구현예를 나타내는 개략도이다.
도 3은 중공 섬유 멤브레인(HFM, hollow fiber membrane) 어셈블리의 일 구현예를 나타내는 개략도이다.
도 4a는 제습 시스템에서 선택적으로 투수성인 멤브레인의 스택(stack)의 예를 나타내는 개략도이다.
도 4b는 도 4a로부터의 수분 추출의 각 층에서 중앙 플레이트(plate)의 개략도이다.
도 4c는 활성 멤브레인 표면적을 최대화하도록 설계된 설계 특징을 갖는 진공 구동 확산을 갖는 수분 추출 플레이트 어셈블리의 세부사항을 나타낸다.
도 4d는 수분 추출을 위한 진공 연결부를 갖는 제습 코어의 개요를 도시한다.
도 5는 전체 에어 컨디셔닝 시스템을 나타내는 개략도이다.
도 6은 창문형(window) 에어컨에 대한 일 구현예의 개략도이다.
도 7a는 에어컨에 사용하기 위한 팬(fan)의 일 구현예의 개략도이다.
도 7b는 팬 내의 중공 블레이드(hollow blade)의 일 구현예의 개략도이다.
도 8은 창 에어 컨디셔닝 시스템의 일 구현예의 측면도를 나타내는 개략도이다.
도 9는 에어 컨디셔닝 시스템의 일 구현예들에서 다양한 구성요소를 나타내는 개략도이다.
도 10은 도 9에 도시된 시스템의 일 구현예의 습공기 차트(psychometric chart)이다.
도 11은 상이한 단계에서 공정 공기의 조건을 나타내는 냉각 및 제습 공정에 해당하는 습공기 차트이다.
도 12는 냉각 공정의 상이한 단계에서 공정 공기의 조건을 나타내는 또 다른 습공기 차트이다.
도 13은 (일부 예들에 대한) 증발식 냉각기의 포화 효율을 평가하기 위한 실험 설정의 개략도이다.
도 14a는 에어 컨디셔닝 시스템의 일 구현예의 프로토타입의 측면/배면도를 나타내는 사진이다.
도 14b는 도 14a의 프로토타입의 정면도를 나타내는 사진이다.
본원 명세서 전체에서 하기 용어들이 사용된다.
"에어컨(air conditioner)" 또는 "에어 컨디셔닝 시스템(air conditioning system)" 등은 제습 또는 냉방이 요구되는 건물, 실내, 차량 등과 같이 밀폐된 공간에서 공기의 습도, 온도, 공기 유동율 등을 제어하기 위한 시스템을 지칭한다. 상기 용어 "에어 컨디셔닝 시스템"은 HVAC 시스템, "냉각 유닛", "냉각 시스템", "냉각기", "습도 제어 시스템", "제습 및 냉각 통합 시스템" 등으로 지칭되어 사용될 수 있다.
제습기(dehumidifier)는 제습 유닛(dehumidification unit)과 혼용하여 사용될 수 있다.
수분 증기 투과율(MVTR, moisture vapor transmission rate)은 기판을 통과한 수증기의 이동 또는 플럭스의 측정치, 또는 적어도 하나의 유체 구성 요소에는 투과할 수 있지만 다른 구성 요소에는 투과할 수 없는 기판의 투과도이다. MVTR은 일반적으로 그램/m2/일(g/m2/day) 또는 리터/m2/일(liter/m2/day)로서 표시된다. ASTM E-96B 및 ASTM F1249가 MVTR 측정을 위한 표준 방법으로서 명시된다.
"습한(humid)" 또는 "습한 공기(humid air)"는 일반적으로 > 50%의 상대 습도(RH), 또는 바람직하게는 > 60%의 상대 습도를 갖는 공기를 지칭하나, 상기 용어 "습한"은 어느 정도의 제습이 필요한 RH 수준을 갖는 공기를 특징짓기 위해 상대적인 의미로 사용될 수도 있다. 예를 들어, RH 값이 50% 미만인 공기는, 습기에 민감한 재료를 보관하는데 사용되는 보관실과 같이 매우 낮은 습도 수준이 필요한 공간에 대하여 "습한 공기"로 간주될 수 있다.
"멤브레인"은 "필름"과 상호교환적으로 사용될 수 있으며 선택적으로 투과성인 이온 교환 재료, 예를 들어, 다른 공기 성분 및 동반된 공기 입자에 대하여는 실질적으로 불투과성이면서 친수성 및 공기 수분 투과성과 같은 특정 특성을 갖는 필름, 코팅, 발포체, 또는 임의의 평면 구조를 포함하여 다양한 유형의 에어 컨디셔닝 시스템에 적합한 제습 및 냉각 매체가 된다. 상기 용어 "멤브레인"은 또한 멤브레인 번들(bundle), 멤브레인 스택 또는 중공 섬유의 어셈블리, 복수의 멤브레인 층, 또는 둘 이상의 유형의 재료를 포함하는 복합 기판으로서 그 중 적어도 하나는 선택적으로 투수성인 이온 교환 재료인 복합 기판을 지칭할 수 있다.
"술폰화 공중합체 멤브레인" 또는 "SC-기반 멤브레인" 또는 SC 멤브레인은 하나 이상의 유형의 술폰화 공중합체(SC, sulfonated copolymer)를 포함하는 멤브레인, SC를 주요 기판 물질로서 포함하는 멤브레인, 또는 SC로부터 제조된 멤브레인을 지칭한다. SC는, 멤브레인의 외부 또는 내부 표면(예를 들어, 중공 멤브레인 섬유 또는 마이크로섬유의 중공 내부 코어)을 SC 층 또는 필름으로 코팅하거나 적층하는 것과 같은 다양한 수단에 의해, 또는 상이한 다공성 물질 또는 상이한 유형의 SC-층을 사용하여 제조된 다중 층을 포함하는 멤브레인 어셈블리 또는 복합 멤브레인에 하나 이상의 SC 층을 결합 또는 삽입함으로써, 멤브레인, 하이브리드 멤브레인 또는 복합 멤브레인 어셈블리에 포함될 수 있다.
"멤브레인 전극 어셈블리"(MEA, membrane electrode assembly)는 적어도 하나의 멤브레인과 한 쌍의 전극, 뿐만 아니라 술폰화 공중합체, 멤브레인 프레임, 금속 또는 비금속 입자, 촉매, 나노입자, 그래핀 시트 등과 같은 기타 구성요소를 포함하는 멤브레인 어셈블리를 지칭하며, 전압이 상기 전극에 인가될 때 상기 멤브레인을 통한 증기(vapor) 또는 가스(gas)와 같은 유체의 순(net) 확산을 촉진하거나 허용한다.
"이온 교환 능력" 또는 IEC(ion exchange capacity)는 중합체 전해질 멤브레인에서 이온 교환을 담당하는 전체 활성 부위 또는 작용기를 지칭한다. 일반적으로 기존의 산-염기 적정 방법이 IEC를 결정하는 데 사용되며, 예를 들어, International Journal of Hydrogen Energy, Volume 39, Issue 10, March 26, 2014, Pages 5054-5062, "Determination of the ion exchange capacity of anion-selective membrane."을 참조한다.
"진공" 또는 "진공 하에서(under vacuum)"는 일반적으로 대기압 미만의 압력을 갖는 에어 컨디셔닝 시스템의 섹션을 의미한다. 상기 용어 "진공" 또는 "진공 하에서"는 또한, 예를 들어, 다른 또는 반대쪽의 측면 또는 섹션에 비해 더 낮은 압력을 갖는 에어 컨디셔닝 시스템의 멤브레인, 멤브레인 어셈블리, 또는 MEA의 측면, 또는 섹션을 의미할 수 있다.
본원은 제습 유닛 및 증발식 냉각 유닛을 포함하는 에어 컨디셔닝(AC) 시스템에 관한 것이다. 상기 AC는 제습을 위해 선택적으로 투수성인 이온 교환 중합체 기반 멤브레인을 채용한다. 구현예들에서, 상기 선택적으로 투수성인 이온 교환 중합체 기반 멤브레인은 또한 물 증발에 의한 냉각을 기반으로 하는 증발식 냉각 시스템에 사용된다. 상기 멤브레인은 술폰화 공중합체(SC)를 포함한다. 구현예들에서, 상기 SC-기반 멤브레인은 제습을 위한 제습기 멤브레인 전극 어셈블리(MEA, membrane electrode assembly)에 사용된다. 상기 MEA는 밀폐된 구조, 예를 들어, 실내, 시설 또는 건물의 내부를 순환하는 비교적 습한 공기로부터 수증기를 추출하고 제거하기 위해 SC-기반 멤브레인을 가로지르는 전기장을 사용한다.
멤브레인에서의 사용을 위한 술폰화 공중합체: 상기 AC 시스템에 사용되는 멤브레인은 유리한 이온-교환 능력과 양성자 전도성 및 유리전이온도를 가지며, 유연성과 재료강도를 동시에 제공하며, 수화 시에도 안정성과 팽윤성이 우수한 것을 특징으로 한다. 상기 멤브레인은 상기 공중합체 내의 단량체 단위의 수를 기준으로 10 몰% 내지 100 몰%의 술폰산 또는 술포네이트 염 작용기를 함유하도록 충분히 술폰화된 술폰화 공중합체로부터 대부분 또는 실질적으로 전체적으로 형성된다. 구현예들에서, 상기 SC는 동일하거나 상이한 재료에 의해 제조된 기판에 대하여 기판 표면 상에 코팅을 형성하는 데 사용된다. 다른 구현예들에서, 상기 멤브레인은 각각이 특정 또는 미리 선택된 두께를 갖는 단일 또는 다중 SC 층 또는 필름으로서 사용된다.
구현예들에서, 상기 SC는 3개 이상의 블록을 갖는 블록 공중합체 분자 구조를 갖는 술폰화 블록 공중합체로서, 전압의 인가를 통해 가속화될 수 있는 물 투과 공정을 가능하게 하는 상분리 및 이온-전도성 도메인을 형성하도록 설계되었다. 구현예들에서, 상기 SC는 술폰화 테트라플루오로에틸렌 공중합체, 폴리스티렌 술포네이트, 술폰화 블록 공중합체와 같은 퍼플루오로술폰산 중합체, 폴리에테르 술폰과 같은 폴리술폰, 폴리에테르 케톤과 같은 폴리케톤, 및 이들의 혼합물들의 군으로부터 선택된다.
구현예들에서, 상기 술폰화 중합체는 상기 술폰화 중합체 내에서 술폰화 가능한 단량체 단위의 수["술폰화도"(degree of sulfonation)]를 기준으로 10 몰% 내지 100 몰%의 술폰산 또는 술포네이트 염 작용기를 함유하도록 충분히 또는 선택적으로 술폰화된 것을 특징으로 한다. 구현예들에서, 상기 술폰화 중합체는 > 25 몰%, 또는 > 50 몰%, 또는 < 95 몰%, 또는 25 몰% 내지 70 몰%의 술폰화도를 갖는다.
구현예들에서, 상기 술폰화 중합체는 코팅 물질과 접촉한 후 5분 이내에 미생물의 99% 이상을 사멸시키는, 자가-살균 효과(self-sterilizing effect)를 갖는 것을 특징으로 한다.
구현예들에서, 상기 술폰화 중합체는 술폰화 블록 공중합체로서, A-B-A, A-B-A-B-A, (A-B-A)nX, (A-B)nX, A-D-B-D-A, A-B-D-B-A, (A-D-B)nX, (A-B-D)nX 또는 이들의 혼합들 중 임의의 것에 상응하는 하나 이상의 공중합체 블록 배열을 가지며, 여기서 n 은 정수 2 내지 약 30이고, X는 커플링제 잔기이고, 여기서 각각의 D 블록은 바람직하게는 술폰화 저항성인 중합체 블록이다. 구현예들에서, 상기 SC는 A-B-A, (A-B)2X, A-B-D-B-A, (A-B-D)2X, A-D-B-D-A, 및 (A-D-B)2X에 대응하는 선형 구조, 또는 (A-B)nX 및 (A-D-B)nX에 대응하는 방사상(radial) 구조를 가지며, 여기서 n은 3 내지 6의 범위이다. A, B, C 및 D-블록 중 2개 이상은 동일하거나 상이할 수 있다.
구현예들에서, 상기 A-블록은 아크릴 에스테르 또는 메타크릴 에스테르의 중합체 분절(segment)이다. 구현예들에서, 상기 A-블록은 중합된 파라-치환된 스티렌 단량체, 에틸렌, 탄소 원자수 3 내지 18의 알파 올레핀, 1,3-시클로디엔 단량체, 수소화 전 비닐 함량이 35 몰% 미만인 공액 디엔의 단량체, 아크릴 에스테르, 메타크릴 에스테르 및 이들의 혼합물들로부터 선택된다. 상기 A-블록이 1,3-시클로디엔 또는 공액 디엔의 중합체인 경우, 상기 블록은 바람직하게는 상기 블록 공중합체의 중합 후 및 상기 블록 공중합체의 술폰화 전에 수소화된다. 상기 A-블록이 1,3-시클로디엔 단량체의 수소화된 중합체인 경우, 이러한 단량체는 1,3-시클로헥사디엔, 1,3-시클로헵타디엔 및 1,3-시클로옥타디엔으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 상기 A-블록은 상기 B 블록에 존재하는 것과 같이 비닐 방향족 단량체를 최대 15 몰% 함유할 수 있다.
상기 B 블록은 단량체 단위의 수를 기준으로 약 10 몰% 내지 약 100 몰%의 술폰산 또는 술포네이트 에스테르 작용기를 함유할 수 있고, 비치환된 스티렌 단량체, 오르토-치환된 스티렌 단량체, 메타-치환된 스티렌 단량체, 알파-메틸스티렌 단량체, 1,1-디페닐에틸렌 단량체, 1,2-디페닐에틸렌 단량체, 및 이들의 혼합물들로부터 선택되는 하나 이상의 중합된 비닐 방향족 단량체의 분절을 포함한다.
상기 D-블록은 이소프렌, 1,3-부타디엔 및 이들의 혼합물들로부터 선택된 공액 디엔의 수소화된 중합체 또는 공중합체를 포함할 수 있다.
X는, 폴리알케닐 커플링제, 디할로알칸, 실리콘 할라이드, 실록산, 다작용성 에폭사이드, 실리카 화합물, 1가 알코올과 카르복실산의 에스테르(예를 들어, 메틸벤조에이트 및 디메틸 아디페이트) 및 에폭시화 오일을 포함하는, 본 기술 분야에서 알려진 것들로부터 선택된 커플링제를 갖는 커플링제 잔기(coupling agent residue)이다.
구현예들에서, 상기 SC는 A-B, A-B-A, (A-B)n, (A-B-A)n, (A-B-A)nX, (A-B)nX 또는 이들의 혼합들의 일반 배열을 갖는 수소화된 술폰화 블록 공중합체이며, 여기서 n은 2 내지 약 30의 정수이고, X는 커플링제 잔기이다. 수소화 전에, 각 A 블록은 모노 알케닐 아렌 중합체 블록이고 각 B 블록은 하나 이상의 공액 디엔과 하나 이상의 모노 알케닐 아렌의 제어 분포 공중합체 블록이다. 수소화 후 아렌 이중 결합의 약 0 내지 10%가 환원되고, 공액 디엔 이중 결합의 약 90% 이상이 환원된다. 각 A 블록은 약 3,000 내지 약 60,000의 수평균 분자량을 갖는다. 각 B 블록은 약 30,000 내지 약 300,000의 수평균 분자량을 갖는다. 각 B 블록은 A 블록에 인접한 공액 디엔 단위가 풍부한 말단 영역 및 A 블록에 인접하지 않은 모노 알케닐 아렌 단위가 풍부한 하나 이상의 영역을 포함한다. 수소화된 블록 공중합체에서 모노 알케닐 아렌의 총량은 약 20 중량% 내지 약 80 중량%이다. 각 B 블록에서 모노 알케닐 아렌의 중량%는 약 10 중량% 내지 약 75 중량%이고; 알케닐 아렌의 방향족 고리의 25% 이상이 술폰화되어 있다. 상기 수소화된 술폰화 블록 공중합체는 0.08 siemens/cm 보다 큰 이온 전도도를 갖는다.
사용될 수 있는 SC의 예들이 US 특허번호 제US8222346호 및 US 특허 출원번호 제US2013/0108880A1호 및 제US2014/0014289A1호에 개시되어 있으며, 그 전체 내용이 참조로서 본원에 포함된다. 상기 SC는 US 특허출원 공개공보 제US2013/0108880A1호 및 제US2014/0014289A1호에 개시된 것과 같은 음이온 중합에 의해 제조될 수 있으며, 이들은 그 전체 내용이 참조로서 본원에 포함된다. 다양한 구현예들에서, 상기 공정은 리튬 개시제를 사용하여 용액에서 적합한 단량체를 중합하는 것을 포함할 수 있다. 제조된 블록 공중합체를 술폰화하여 용액 및 마이셀(micellar) 형태의 술폰화 중합체 생성물을 수득한다. 술폰화 반응 후, 상기 블록 공중합체는 멤브레인 또는 필름을 직접 형성하도록 캐스팅될 수 있다.
구현예들에서, 상기 술폰화 공중합체는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE, polytetrafluoroethylene) 골격; 클러스터 영역의 술폰산 그룹에서 종결되는 비닐 에테르의 측쇄(예를 들어, -O-CF2 -CF-O-CF2 -CF2-)를 갖는 술폰화 테트라플루오로에틸렌 공중합체이다.
구현예들에서, 상기 술폰화 중합체는 폴리스티렌 술포네이트이고, 그 예들은 칼륨 폴리스티렌 술포네이트, 나트륨 폴리스티렌 술포네이트, 나트륨 폴리스티렌 술포네이트 및 칼륨 폴리스티렌 술포네이트의 공중합체(예를 들어, 폴리스티렌 술포네이트 공중합체)를 포함하며, > 100,000 달톤, > 400,000 달톤, 및 최대 1,500,000 달톤의 분자량을 갖는다. 상기 폴리스티렌 술포네이트 중합체는 가교되거나 가교되지 않을 수 있다. 구현예들에서, 상기 폴리스티렌 술포네이트 중합체는 가교되지 않고 수용성이다.
구현예들에서, 상기 술폰화 중합체는 방향족 폴리술폰, 폴리페닐렌술폰, 방향족 폴리에테르 술폰, 디클로로디페녹시 술폰, 술폰화 치환된 폴리술폰 중합체, 및 이들의 혼합물들의 군으로부터 선택된 폴리술폰이다. 구현예들에서, 상기 술폰화 중합체는 술폰화 폴리에테르술폰 공중합체이며, 이는 히드로퀴논 2-포타슘 술포네이트(HPS, hydroquinone 2-potassium sulfonate)와 같은 술포네이트 염과 다른 단량체, 예를 들어, 비스페놀 A 및 4-플루오로페닐 술폰을 포함하는 반응물에 의해 제조될 수 있다. 상기 중합체의 술폰화도는 중합체 골격에 있는 HPS 단위의 양으로 제어될 수 있다.
구현예들에서, 상기 술폰화 중합체는 그의 폴리술폰이고, 폴리에테르케톤케톤(PEKK, polyetherketonketone)을 술폰화함으로써 수득되는, 폴리아릴에테르 케톤, 예를 들어, 술폰화 폴리에테르 케톤(SPEEK, sulfonated polyether ketone)이다. 상기 폴리에테르케톤은 디페닐에테르와 벤젠디카보닉산 유도체를 이용하여 제조된다. 상기 술폰화 PEEK는 멤브레인 코팅용으로, 멤브레인 및 필름으로의 캐스팅용으로 이후에 사용되기 위한 알코올-용해성 및/또는 수용성 생성물로서 제공된다.
구현예들에서, 상기 SC는 > 0.5 meq/g, 또는 1.5 내지 3.5 meq/g, 또는 > 1.25 meq/g, 또는 > 2.2 meq/g, 또는 > 2.5 meq/g, 또는 > 4.0 meq/g, 또는 < 4.0 meq/g의 IEC를 갖는다.
상기 술폰화 공중합체의 사용에 의해, 상기 SC 멤브레인은 친수성 및 흡습성이며, 수분 투과성도 있지만 공기 및 질소 및 산소와 같은 가스에 대하여는 투과성이 없다. 상기 술폰화 공중합체를 포함하는 상기 멤브레인은 선택적으로 투과성인 이온 교환 특성인 것을 특징으로 한다. 상기 SC 멤브레인은 또한 우수한 수분 증기 투과율(MVTR, moisture vapor transport rate) 특성과 우수한 이온 교환 능력을 갖는 것을 특징으로 한다.
상기 SC 멤브레인은 또한 물을 흡수할 때 현저한 팽창, 예를 들어, 주변 온도에서 100% 이상의 팽창을 견디는 것을 특징으로 한다. 술폰화도(예를 들어, 25 몰% 이상)를 갖는 술폰화 블록 공중합체를 사용하는 구현예들에서, 상기 SC 멤브레인은 또한 항균 특성을 나타내어, 실내 공간에서, 냉각에 추가하여 공기를 살균하는 데 특히 유용한 상기 AC를 제조한다.
구현예들에서, 상기 SC 멤브레인(필름) 또는 SC를 포함하는 코팅은 > 1 ㎛, > 5 ㎛, 또는 5 ㎛ 내지 50 ㎛, 또는 < 100 ㎛, 또는 < 75 ㎛, 또는 < ㎛의 두께를 갖는다. 구현예들에서, 상기 멤브레인/코팅은 나노복합체 재료를 포함할 수 있고 < 1 ㎛, 또는 < 0.5 ㎛, 또는 < 0.1 ㎛인 평균 동공(pore) 크기를 가질 수 있다.
A/C에 사용하기 위한 술폰화 공중합체 멤브레인: 상기 에어컨 유닛은 적어도 SC 멤브레인을 포함하는 것을 특징으로 한다. 공기 중의 수분은 유입구 측과 멤브레인 어셈블리의 하류 끝 또는 섹션 사이에 압력 차를 생성함으로써 물 투과성 멤브레인에 의해 추출될 수 있으며, 이는 멤브레인의 상기 유입구 측에서 다른 측으로의 물 분자의 확산을 유도한다.
상기 유닛, 예를 들어, 제습 유닛 또는 증발식 냉각 유닛에 따라, 상기 SC 멤브레인은 시트가 아닌 형태, 예를 들어, 네트(net), 스크린 메쉬 또는 격자, 직조, 부직, 천공(perforated) 또는 개구(apertured) 플레이트, 발포체, 중공 섬유 멤브레인, 또는 바디 전체에 걸쳐 상호 연결 간극 및 통로를 갖는 패드(pad)일 수 있으며, 그 위에 코팅되거나 결합된 상기 SC를 가질 수 있다. 구현예들에서, 상기 SC 멤브레인은 나선형 형태이거나 공기 스트림 방향에 평행하거나 수직인 스택으로 배열될 수 있다.
상기 멤브레인은 본 기술 분야에 공지된 공정, 예를 들어, 캐스팅에 의해 프레임, 또 다른 하나 이상의 멤브레인, 중합체 매트릭스, 또는 복수의 섬유 번들 상에 결합되거나 포함된 SC를 포함할 수 있다. 상기 SC 멤브레인은 또한 섬유 매트릭스, 또는 증발식 냉각기 내의 팬 블레이드 상에 코팅으로서 적용될 수 있다.
구현예들에서, 상기 SC 멤브레인은 중공 멤브레인 섬유의 형태, 예를 들어, 미세다공성 섬유의 복수의 번들일 수 있다. 미세섬유 번들의 각 섬유는 방사형 미세다공성 매트릭스 구조 및 중공 모세관 내부를 포함할 수 있으며, SC 중합체는 바람직하게는 각 섬유의 표면에 코팅되어 있다. 구현예들에서, 각각의 중공 섬유의 내부 표면은 적어도 SC 중합체 층에 의해 코팅되고, 상기 중공 섬유는 수분-선택성인 하나 이상의 SC 층에 기계적 지지를 제공한다. 중공 멤브레인의 구현예들에서, 상기 SC 코팅 또는 필름은 상기 중공 섬유의 내부, 외부, 또는 내부 및 외부 표면 둘 다에 적용될 수 있다. 중공 섬유 멤브레인은, 예를 들어, 본원에 참조로서 포함되는 US 특허 번호 제05762798호에 개시된 바와 같이, 본 기술 분야에 공지되어 있다.
상기 멤브레인은 공기와 습기가 자유롭게 유동할 수 있는 지지 구조 역할을 하는 프레임 또는 다른 천공된 층에 결합될 수 있다. 프레임은 금속 또는 플라스틱을 포함할 수 있고 벌집형(honeycomb) 및 주름진(corrugated) 구조를 포함하지만 이에 제한되지 않는 임의의 가능한 기하학적 구조로 형성될 수 있다. 구현예들에서, 상기 프레임은, 공기가 유입되는 개구로서의 일 측면과 여러 측면에 채용되는 상기 양성자 전도성 멤브레인과 함께, 벌집형, 나선형, 부직 또는 높은 표면적을 위한 복수의 다공성 디자인들을 가질 수 있다. 다른 구현예들에서, 상기 프레임은 증가된 노출 영역을 위한 채널이 있는 주름진 시트로 형성된다. 예를 들어, 제거될 수분의 양이나 실내의 크기에 따라, 하나 이상의 프레임을 추가하거나 제거함으로써 상기 멤브레인 프레임의 수를 변경할 수도 있다.
상기 형태-유지 프레임은 열적으로 또는 기계적으로 형성될 수 있으며 바람직하게는 강성, 세미(semi)-강성, 또는 실질적으로 강성이다. 본원에 사용된 바와 같이, 강성, 세미-강성 또는 실질적으로 강성인 프레임은 그의 중량 하에서 형상을 유지할 수 있는 재료 또는 구조를 포함하는 프레임이다. 적합한 프레임 재료들은 유리 섬유, 알루미늄, 탄소, 또는 폴리에스테르, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리염화비닐, 스티렌/아크릴로니트릴/부타디엔 공중합체, 나일론, 폴리테트라플루오로에틸렌을 기반으로 하는 경질 중합체, 아라미드계 중합체 섬유, 금속, 금속 합금, 셀룰로오스, 셀룰로오스 니트레이트, 셀룰로오스 아세테이트, 및 이들의 조합들을 포함한다.
단일 프레임은 각 측면에서 단일 멤브레인을 지지할 수 있고, 또는 상기 멤브레인 어셈블리는 10-9 kg/s-cm2 정도의 질량 플럭스에 대해 더 높은 요구 전압을 허용하기 위해 연속적으로 병렬 연결된 프레임에 의해 각각 지지되는 둘 이상의 멤브레인을 포함할 수 있다. 일 구현예들에서, 현열비(sensible heat ratio)가 약 0.6인 5-톤 에어 컨디셔닝 유닛은 1.0 meq/g 이상의 IEC를 갖는 30 m2 미만의 SC 멤브레인을 필요로 할 수 있다.
상기 프레임은 바람직하게는 공기 유동 또는 수분 이동을 방해하지 않으면서 강도를 유지할 만큼 충분한 두께를 갖는다. 상기 프레임 두께는 약 25 마이크론 내지 약 500 마이크론, 약 100 마이크론 내지 약 500 마이크론, 또는 200 마이크론 내지 500 마이크론, 또는 적어도 300 마이크론의 범위일 수 있다. 상기 두께는, 일반적으로, 사용된 프레임의 스택 층 수, 공기 유속, 및 압력을 포함하여 여러 요인에 의존한다.
프레임은 수분 이동이나 상당한 압력 강하를 방해하지 않으면서 공기와 직접 접촉하기에 충분한 동공 크기를 갖는 다공성일 수 있다. 상기 동공 직경은 0.1 내지 200 마이크론, 예를 들어, 약 5 마이크론, 최대 약 8 내지 10 mm, 또는 그 이상일 수 있으며, 필름이나 코팅을 위해 충분한 상기 동공들 간의 프레임 표면은, 예를 들어, 상기 프레임에 결합되어 필름 부착을 유지하는, 선택적으로 투과성인 이온 교환 중합체를 포함한다.
SC 중합체가 코팅으로서 멤브레인, 매트릭스, 섬유 등에 적용되는 경우, 상기 코팅은, 예를 들어, 원하는 코팅 두께 또는 상기 멤브레인이 제습기인지 또는 증발식 냉각기인지와 같은 상기 멤브레인의 의도된 적용에 따라 상이한 베이스 용매를 사용함으로써 제조될 수 있다.
증발식 냉각기의 구현예들에서, SC-매개 증발식 냉각 공정은 상기 증발식 냉각기 멤브레인에 공급된 물의 증발을 통해 달성되며, 이것은 상대적으로 따뜻하고 제습된 유동 공기 및 상기 따뜻하고 제습된 공기가 유동하는 상기 멤브레인 표면 또는 그 근처의 더 차가운 물 분자 사이에서 열 에너지 전달을 허용하는 기판 역할을 한다.
상기 멤브레인 표면 근처의 상대적으로 따뜻한 유동 공기 분자로부터의 상기 열 에너지는 상기 멤브레인 표면 또는 그 근처의 더 차가운 물 분자에 의해 흡수될 수 있으며, 이것은 상기 유동 공기를 냉각시키고 상기 멤브레인 표면의 상기 물 분자를 증발시킨다. 열 에너지 전달은, 멤브레인 표면에서 증발된 상대적으로 더 차가운(낮은 에너지) 수증기 분자와 상대적으로 따뜻한(높은 에너지) 유동 공기 분자 사이의 충돌 에너지 전달을 통해서도 발생할 수 있다. 또한 대향 멤브레인 표면 상의 증기압 차이는 상기 멤브레인의 더 낮은 증기압 측으로부터 물 증발을 용이하게 한다.
제습 유닛의 일 구현예들에서, 상기 SC 멤브레인은 중공 섬유 형태이다. 습한 공기는 진공 하에서 상기 중공 섬유를 통해 유동한다. 상기 중공 섬유는 큰 제습 표면적을 제공하고 상기 공기 유동에 평행하거나 수직으로 배향될 수 있다. 상기 중공 섬유 멤브레인의 내부가 진공 상태에 놓이면, 각각의 상기 섬유의 중공 코어(실질적으로 진공 상태임)와 상기 섬유의 외부 표면 사이에 삼투압 구배(osmotic gradient)가 생성된다. 상기 멤브레인 섬유의 외부 표면과 내부 표면 사이의 압력 차이에 의해 생성된 상기 삼투압 구배는 선택적으로 투과성인 이온 교환 중합체 코팅된 섬유가 수분을 함유한 상기 유동 공기로부터 물을 효율적으로 추출할 수 있게 한다.
제습 어셈블리: 구현예들에서, 상기 제습 어셈블리는, 예를 들어, 우수한 수분 전달 특성을 위해 0.5 meq/g 보다 큰 IEC에 의해 예시된 선택적 수분 전달 능력을 갖는 SC 멤브레인을 갖는, 적어도 하나의 멤브레인 어셈블리를 채용한다. 상기 SC 멤브레인은 멤브레인 전극 어셈블리(MEA, membrane electrode assembly), 진공 시스템, 또는 진공 하의 멤브레인 전극 어셈블리의 일부로서 사용될 수 있다.
멤브레인 전극 어셈블리에서, 상기 SC 멤브레인은, 예를 들어, 복합 구조를 포함하는 투과층을 따라, 캐소드 및 애노드 사이에 샌드위치된 선택적 수송 멤브레인으로서 사용된다. 구현예들에서, 상기 SC 멤브레인은 제습기 내의 순환 채널의 단면적을 커버(cover)한다. 저습도 공기 스트림은 에어 컨디셔닝된 실내 내부로부터 순환되고, 반대 공기 스트림(RH 30% 내지 95%)은 외부, 주변 환경으로부터 순환된다.
진공 시스템에서, 상기 멤브레인 어셈블리의 대향 측 또는 다운스트림 측은, 예를 들어, 상기 유입구 측으로 들어가 대향 측 멤브레인에 수집되는 공기로부터 수분을 제거하기 위해 진공 펌프를 사용함으로써 상기 유입구 측에 비하여 더 낮은 압력에서 유지되며, 상기 멤브레인이 질소 및 산소와 같은 다른 가스들에 투과성인 경우 추출된 물은 상기 가스들을 따라 제습기 장치로부터 멀리 이송된다.
진공 시스템의 일 구현예에서, 중공 SEC 멤브레인이 채용된다. 공기 제습은 공기가 상기 중공 섬유 멤브레인을 통과하는 동안 발생하며, 이 경우 상기 중공 섬유의 외부에 진공이 적용된다. 상기 진공 시스템의 또 다른 구현예에서, 상기 술폰화 멤브레인은 천공된 고체 백킹(backing) 플레이트 배열과 함께 공정 공기 및 진공을 위한 교대(alternationg) 통로를 갖는 모듈식의 복수의 얇은 프레임 층으로 집합된다. 진공은 수증기압을 인위적으로 낮추어, 공정 공기와 진공 측 사이에 유리한 삼투압 구배를 생성한다. 진공 멤브레인 어셈블리의 예들을 도 3 및 도 4a에 나타내었다. 진공 멤브레인 어셈블리는 향상된 공기 제습을 위한 전극의 제공과 함께 MEA 어셈블리로도 사용될 수 있다.
MEA 어셈블리에서, 전극에 전압이 인가되면, 상기 MEA 공기 유입구를 통해 들어가는 물 분자는 양극(애노드)에서 산화되고, 상기 물 분자는 하기 산화 반쪽 반응식(1)에 나타난 바와 같이 양성자와 산소 분자로 해리(분리)된다. 양전하를 띤 상기 양성자는 음극(캐소드) 쪽으로 확산되고, 상기 양성자는 산소 분자와 결합하여 환원되어 하기 반응식(2)에 따라 물 분자를 재생한다. 상기 MEA(105)에서 발생하는 전압-구동 화학 반응의 최종 결과는 상기 MEA의 애노드(양극)로부터 캐소드(음극) 측으로의 물 분자의 이동이다.
H2O→1/2O2 +2H+ +2e - (1)
1/2O2 +2H+ +2e - →H2O (2)
상기 MEA 어셈블리에서, 양성자-전도성 멤브레인인 상기 SC 멤브레인은 두 전극 사이에 끼워져있다. 전극들 사이에 전압이 인가되면, 상기 멤브레인은 공기 스트림으로부터의 상기 수분이 상기 전극들을 가로질러 확산되도록 한다. 상기 애노드 측으로 들어가는 공기 스트림의 수분은 복합 구조를 가로질러 캐소드 측의 공기 스트림으로 유동하고, 이는 제습된 공기 스트림으로서 방출된다. 전극에 가로질러 인가된 전압은, 예를 들어, 상기 MEA의 원하는 수분 제거 능력에 기초하여 변할 수 있다. 예를 들어, 상기 멤브레인에 가로질러 인가된 전압은 수 밀리볼트 내지 약 10 볼트, 예를 들어, 5 볼트 미만 또는 약 2 내지 7 볼트 사이의 범위일 수 있다. 인가 전압이 클수록, 증기 투과율이 높아져 수분 제거 능력이 커진다. 인가된 전류 밀도는 환경 조건에 따라 달라질 수 있으며 inch2 당 수 마이크로-암페어(amp) 내지 수십 암페어 사이의 범위일 수 있다.
상기 전극은 바인더, 및 탄소 또는 그래핀 입자와 같은 하나 이상의 전기 전도성 재료, 및 무엇보다도 나노입자, 나노튜브, 직조 또는 부직의 전도성 직물 형태의 기타 재료를 포함할 수 있다. 상기 전극은 또한, 금속 수소화물 또는 WO3, ReO3, MoO3, MnO2 또는 NiOOH·H2O와 같은 금속 산화물을 형성할 수 있는 Pd, LaNi5 또는 Ti3Ni와 같은 금속 또는 금속 성분을 포함할 수 있다. 상기 양성자 전도성 멤브레인용 전극은 전기도금 또는 분무 코팅을 포함하는 본 기술 분야에 공지된 방법에 의해 제조될 수 있다. 일부 구현예들에서, Pt 및 TiO2 나노입자는 캐소드 및 애노드 및 선택적으로 투과성인 이온 교환성 중합체 멤브레인으로 코팅된 이들의 표면에 증착될 수 있다. TiO2는 물 해리(dissociation)를 촉진하고, 상기 멤브레인의 친수성을 향상시키며, 특히 탄소계 재료가 상기 MEA에 포함될 때 산소 확산을 증가시킬 수 있다. TiO2는 또한 저렴하고, 널리 이용 가능하며, 독성이 없다. 이 개질된 전극 표면은 개선된 수분 흡수 및 전도성을 허용한다.
상기 전도성 물질은 적어도 하나의 전극에서 원하는 특정 반응을 촉진하기 위한 촉매 물질을 포함할 수 있다. 촉매는 그 자체로서 첨가되거나 다른 담체 물질에 지지될 수 있다. 상기 전극에 사용될 수 있는 촉매의 예들은 백금, 이리듐, 주석 및 이들의 다양한 화합물들을 포함한다. 예를 들어, 상기 캐소드는 물을 형성하기 위해 양성자(H+)의 산화를 촉진하도록 탄소 입자와 결합된 백금(Pt) 촉매를 포함할 수 있다. 상기 애노드는 마찬가지로 물의 환원을 위한 촉매를 포함할 수 있다.
상기 MEA는 또한 가스 확산층(GDL, gas diffusion layer)을 포함할 수 있다. GDL은 일반적으로 전도성 직조 또는 부직의 표면을 형성하는 탄소 섬유와 같은 다공성 재료로서 제조된다. GDL은 열 및 물질 전달을 용이하게 하고, 상기 MEA를 위한 기계적 스캐폴딩(scaffolding)을 제공하는 데 사용될 수 있다. 상기 GDL은 또한 상기 전극 표면에 증착된 임의의 금속 또는 금속 화합물 입자의 (예를 들어, 상기 멤브레인 전극을 가로지르는 유체의 유동으로부터) 촉매 부식 또는 손실을 최소화할 수 있다. 상기 SC-기반 멤브레인의 대향 면 또는 대향 측 상에 둘 이상의 기체 확산층이 사용될 수 있으며, 여기서 상기 캐소드 및 애노드는 Pt 또는 TiO2 입자와 같은 금속 또는 금속 화합물 입자를 포함할 수 있다. 얇은 중합체 필름은 상기 멤브레인과 상기 GDL과의 접촉을 향상시키고, 상기 GDL의 유효 수명을 연장하고, TiO2 나노 입자와 같은 임의의 추가된 금속 입자의 손실을 최소화하기 위해 상기 GDL 상에 증착될 수 있다.
MEA를 이용한 구현예들에서, 습도 수준은 상기 에너지 요구사항이 플럭스(flux)의 함수임을 고려하여, 제습을 촉진하기 위한 전력 요구사항과 상관관계가 있다. 제습되는 공기의 습도 수준이 높을수록, 전력 요구량도 높아진다. 예를 들어, 상기 공기 습도 수준이 현저하게 상승하면, 제습에 필요한 상기 전력이 크게 증가할 수 있다. 따라서, 전력 공급이 제한될 때(예를 들어, 전력 소스가 태양열 기반인 경우), 제습에 필요한 전력을 줄이기 위해 더 낮은 전압이 상기 MEA에 가로질러 인가되는 것이 바람직하다. 물을 이동시키기 위한 상기 전력 요구사항은 특정한 선택적으로 투과성인 이온 교환 중합체 특성에 따라 달라지며, 높은 MVTR(플럭스) 특성과 함께 높은 이온 교환 능력(IEC)을 가진 재료를 사용하면 상당한 에너지 효율 이득과 함께 제습이 가능하다.
상기 MEA를 사용하면, 상기 멤브레인 어셈블리를 재생할 필요 없이, 제습이 지속적으로 발생한다. 또한, 상기 MEA를 사용하면 상기 캐소드 공기 유입구가 상기 애노드 공기 유입구보다 상대 습도가 높을 때 제습이 발생하여, 자연적 습도 구배에 대해 작동하므로, 외부 환경 조건에 관계없이 상기 시스템이 제습을 구동할 수 있도록 한다. 높은 MVTR 및 이온 교환 능력으로 제조된 MEA는 많은 환경 조건에서 최소한의 에너지 요구사항으로 작동할 수도 있다. 제습 MEA의 구현예들에서, 냉각될 실내로부터의 공기("RAO", air from the room to be cooled)는 상기 수분 증기가 상기 MEA 작동에 의해 제거되면서 상기 제습기를 통과함으로써 상기 주변 공기 유입구("AAI", ambient air inlet)로 수분을 전달한다. 상기 유닛에서, 상기 제습기는 포화 상태에 도달하지 않은 채로 그 제습 용량을 지속적으로 유지한다. 상기 제습 MEA를 통과한 후, 건조한 공기("EAI" 또는 증발기 공기 유입구)는 실내에 위치한 상기 증발식 냉각기로 보내진다. 주변 공기("AAO", ambient air)와 수분은 상기 멤브레인을 통한 상기 수분의 이동/제거 후, 상기 냉각될 건물/실내 외부로 보내진다.
상기 제습기 유닛에는 수분 제거를 위한 응축 용기 또는 배관(piping)이 장착될 수 있다. 일부 구현예들에서, 상기 제습 MEA는 하나의 증발식 냉각기에 대해 하나의 제습기를 갖는 에어컨(AC) 유닛용으로서 설계될 수 있거나, 개별적으로 위치하지만 모두 하나의 폐쇄 루프에 있는 다중 증발식 냉각기에 대해 하나의 제습기를 갖는 AC 유닛용으로서 설계될 수 있다.
AC 응용 분야 외에도, 상기 MEA는 연료 전지의 멤브레인을 통한 전해 전달과 같은 다른 응용에도 사용될 수 있다. 적어도 0.5 meq/g의 IEC 값을 갖는 선택적으로 투과성인 이온 교환 중합체가, 또한 원자력 발전소에서 사용되는 것들을 포함하는, 예를 들어, 냉각탑과 같은 일반적인 냉각 응용을 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 선택적으로 투과성인 이온 교환 중합체는 열 전달 요소로서의 열 파이프 및 액체(예를 들어, 물) 기화를 통한 냉각을 달성하기 위해 하나 이상의 선택적으로 투과성인 이온 교환 중합체 층으로 코팅된 다공성 세라믹 튜브를 포함하는 냉각 유닛에 사용될 수 있다.
증발식 냉각 유닛: 증발식 냉각에서, 물은 더 차가운 공기를 제공하기 위해 건조한 공기 스트림으로 증발된다. 증발을 수용하기 위해 주변 공기에서 열이 제거되어, 더 차가운 공기가 생성된다. 상기 제습기로부터의 상기 건조한 공기 스트림의 증발식 냉각은 실내 유닛에서 이루어진다. 상기 증발식 냉각기에서, 건조한 공기는 하나 이상의 팬을 통과한다. 증발식 냉각 패드 또는 매체 위로 물이 떨어지면, 그것은 상기 멤브레인에 흡수된다. 이러한 기판들을 통과하는 건조 공기 스트림에 의한 물의 증발은 상기 실내를 냉각하기 위해 배출되는 냉각된 공기(증발기 공기 배출구 "EAO")에 대한 잠열을 제거한다.
증발식 냉각은, 예를 들어, 증기 압축 사이클용 탄화수소계 냉매가 필요한 기존의 에어컨에 비해 몇 가지 이점을 제공한다. 증발식 냉각기는 일반적으로 사용되는 냉매가 필요하지 않으며 기계 부품이 상대적으로 적기 때문에 종래 에어 컨디셔닝 시스템보다 저렴하고 구축이 간단한다. 중요하게도, 증발식 냉각기는 기존의 냉매 기반 에어 컨디셔닝 시스템보다 탄소 배출량(carbon footprint)이 훨씬 적다. 이러한 이점은 지구 온난화의 영향에 대한 우려가 높아짐에 따라 환경 친화적인 기술에 대한 요구가 증가한다는 점에서 증발식 냉각기를 기존의 에어 컨디셔닝 시스템에 대한 매우 매력적인 대안으로 만든다. 증발식 냉각기는 또한 기존 에어컨보다 저렴하여 기존 에어컨 비용을 감당할 수 없고 장기간에 걸쳐 온도 상승을 겪고 있는 전 세계 많은 사람들에게 실용적인 대안을 제공한다. 그 결과, 냉각 시스템은 점점 더 세계의 많은 지역에서 단순한 사치품이 아닌 필수품이 되고 있다.
멤브레인 기반 냉각 시스템은 멤브레인 기반 제습기와 유사한 몇 가지 기능을 공유한다. 증발식 냉각기의 경우, 상기 멤브레인으로 이동되고 상기 멤브레인에 의해 흡수된 액체 분자의 액체 증발을 통해 상기 냉각 공정을 달성하기 위해 물, 수용액, 또는 기타 액체가 사용된다. 상기 멤브레인의 2개의 대향 측면 또는 표면 간의 압력 차 또는 구배는 더 높은 증기압을 갖는 유입구 측으로부터 더 낮은 증기압에 노출된 대향 멤브레인 표면을 향해 물과 같은 액체의 확산을 유도한다. 상기 멤브레인의 대향 표면에 도달하면, 상기 액체 분자는 증발한다. 상기 액체 분자의 증발 속도는 상기 멤브레인 대향 측 상의 증기압이 얼마나 낮은지에 따라 달라진다.
물이 소킹된(soaked) 멤브레인의 표면으로부터 물 증발에 필요한 열/에너지는 상기 멤브레인 표면을 통과하는 비교적 따뜻한 공기에 의해 제공될 수 있다. 상기 공기로부터의 열[현열(sensible heat)이라고 함]의 흡수는 상기 액체의 증발을 유도하고, 결과적으로 유동하는 건조 공기를 냉각시킨다. 상기 멤브레인 표면으로부터 증발한 물 분자는 상기 유동하는 공기와 함께 동반될 수 있으며, 이는 물의 증발 속도에 따라 유동하는 공기 습도를 다양한 정도로 증가시키며, 이는 결과적으로 증발이 발생하는 상기 멤브레인 표면 위의 온도 및 증기압에 따라 달라진다. 압력, 압력 구배, 및 주변 온도와 같은 환경적 매개변수에 따라, 증발식 냉각기는 공기 냉각뿐만 아니라 식품 및 음료 저장 및 냉장에도 사용될 수 있다.
구현예들에서, 상기 증발식 냉각 유닛은 팬 어셈블리 및 증발식 냉각 패드 또는 매체를 포함한다. 상기 팬 어셈블리는 증발식 냉각 유닛의 일부일 수 있거나, 상기 AC 유닛 내에서 공기를 순환시키기 위한 별도의 구성요소이지만 여전히 AC 장치의 일부일 수 있음이 주목된다.
구현예들에서, 상기 증발식 냉각 패드(냉각기 매체)는 종래 기술에서 사용되는 바와 같은 기존 멤브레인/패드, 예를 들어, 다공성 섬유, 종이 등으로 제조된 것을 포함한다. 그러나 SC 멤브레인, 또는 선택적으로 투과성인 이온 교환 중합체 기반 멤브레인은 기존 멤브레인 기반 증발식 냉각기에 비해 상당한 이점을 제공하는데 이는 상기 SC와 함께 사용되는 멤브레인, 예를 들어, 상기 멤브레인을 선택적으로 투과성인 이온 교환 중합체로 코팅함으로써 SC와 함께 사용되는 멤브레인은 더 큰 냉각을 달성할 수 있을 뿐만 아니라 더 적은 물을 필요로 하므로 특히 휴대용 크기의 증발식 냉각기를 사용할 때 물 저장소(water reservoir)를 자주 다시 채울 필요가 줄어든다.
일 구현예에서, 상기 증발식 냉각기는 US 특허출원 공개번호 제2014/0027528A1호에 개시되어 있는 고속 미스트 증발 시스템을 포함하고, 그 전체 내용이 본원에 참조로서 포함되며, 여기서 상기 팬 중 적어도 하나는 적어도 하나의 팬의 블레이드에 제공되는 복수의 노즐과 함께 밴 축 팬(van axial fan)을 포함한다. 상기 노즐은 미스트 방출 노즐 유형으로서, 상기 노즐에서 원심 유체 압력을 유도하여 미세한 미스트를 생성하도록 회전하여, 상기 고속 미스트 배출 속도를 통해 리프레쉬(refresh) 공기 스트림으로 빠르게 증발한다. 구현예들에서, 상기 노즐(들)은 블레이드 팬 팁에 위치하거나 이에 인접하여 위치할 수 있다. 이러한 방식으로, 나머지 회전 팬에 대한 상기 팬의 상대적으로 높은 팁 속도는 상기 노즐(들)의 속도가 높은 것을 보장하지만; 반면, 상기 팬 블레이드에 의해 유도되는 실제 리프레쉬 공기 유동 속도는 에너지를 절약하기 위해 상대적으로 낮다.
구현예들에서, 상기 증발식 냉각기 매체의 일부는 SC 코팅된 중공 섬유 멤브레인을 포함할 수 있으며, 이 경우 상기 섬유의 중공 측에 상기 중합체 코팅을 적시고 상기 멤브레인 표면으로부터 물의 증발을 통해 냉각을 제공하는 물이 공급된다.
다른 구현예들에서, 상기 팬 어셈블리는 상기 팬 블레이드에 걸쳐 신장된(stretched) 적어도 하나의 증발식 냉각기 매체(냉각 패드)를 포함한다. 또 다른 구현예들에서, 상기 팬 어셈블리는 SC로 코팅되거나[예를 들어, 딥핑(dipping), 스프레이 코팅에 의해], SC-기반 멤브레인 필름으로 커버된 복수의 팬 블레이드를 포함하여 상기 SC-코팅된 팬 블레이드로부터 물 증발을 통한 증발식 냉각을 허용한다. 통과하는 공기는 상기 팬 모양에 의해 구동되는 반면 상기 팬 회전에 의해 가해지는 원심력은 상기 SC 멤브레인으로 물을 구동한다. 상기 선택적으로 투과성인 물질에서 자유수 증발 엔탈피가 흡수된 물 엔탈피보다 현저히 낮기 때문에 냉각 효과가 향상되어, 유사한 냉각 효과를 위해 더 적은 물 소비를 촉진한다. 멤브레인-코팅된 팬 블레이드를 갖는 팬은 더 빠른 물 증발 속도를 허용하고 또한 공기 스트림 유동 속도를 증가시켜 하나 이상의 냉각 유닛의 효율성을 향상시킨다. 이것은, 예를 들어, 넓은 밀폐된 영역을 냉각할 때와 같이 많은 부피의 공기를 냉각해야 하는 경우에 특히 유리하다.
상기 증발식 냉각 시스템은 그 자체로서 1차 증발식 냉각 시스템을 포함할 수 있거나, 본원에 기재된 하나 이상의 다른 증발식 냉각 매체 구성과 별개로 추가적인 증발식 냉각 시스템이 포함될 수 있다.
추가 구성요소: 구현예들(도시되지 않음)에서, 상기 AC 시스템은, 실내 공기 흡입구로부터의 제1 구성요소로서 신선한 공기 스트림을 제공하기 위한 에너지 회수 유닛을 더 포함한다. 표시되는 상기 구성요소들의 순서는 습공기 시스템(psychometric system)요구 사항에 따라 달라질 수 있고, 이는 상기 공기를 냉각한 다음 제습하거나 대안적으로 제습한 다음 냉각할 수 있다는 것을 의미한다.
구현예들(도시되지 않음)에서, 상기 공기는 수분에 의해 상기 공정 공기를 포화시키지 않으면서 냉각 효율을 최대화하기 위해 제습을 위한 중간 단계들에 의해 단계적으로 냉각될 수 있다. 이러한 경우에, 상기 AC는 상기 시스템 내의 임의의 위치에 배치될 수 있는 적어도 하나의 공기 추진(propulsion) 팬을 추가로 포함한다. 상기 공기 추진 팬은 축(axial) 디자인, 접선(tangential) 디자인 또는 기타 디자인이 될 수 있다.
A/C 작동: 상기 에어컨 유닛은 상기 제습기 내의 순환 채널의 단면적을 커버하는 적어도 하나의 SC 멤브레인과 증발식 냉각기 내의 상기 팬 블레이드를 가로질러 신장된 선택적인 SC 멤브레인을 포함하는 것을 특징으로 한다. 공기로부터의 수분은 상기 멤브레인 어셈블리의 유입구 측과 다운스트림 끝 또는 섹션 사이에 압력 차를 생성함으로써 물 투과성 멤브레인에 의해 추출될 수 있으며, 이것은 상기 멤브레인의 유입구 측에서 다른 쪽으로 상기 물 분자의 확산을 유도한다. 상기 멤브레인 어셈블리의 대향 측 또는 다운스트림 측은, 예를 들어, 상기 유입구 측으로 들어가 대향 측 멤브레인에 수집되는 공기로부터 수분을 제거하기 위해 진공 펌프를 사용함으로써 상기 유입구 측에 비하여 더 낮은 압력에서 유지되며, 상기 멤브레인이 질소 및 산소와 같은 다른 가스들에 투과성인 경우 추출된 물은 상기 가스들을 따라 제습기 장치로부터 멀리 이송된다.
상기 SC-매개 증발식 냉각 공정은 상기 증발식 냉각기 멤브레인에 공급된 물의 증발을 통해 달성되며, 상기 증발식 냉각기 멤브레인은 상대적으로 따뜻하고 제습된 유동 공기 및 상기 따뜻하고 제습된 공기가 유동하는 상기 멤브레인 표면 또는 그 근처의 더 차가운 물 분자 사이에서 열 에너지 전달을 허용하는 기판 역할을 한다.
상기 멤브레인 표면 근처의 상대적으로 따뜻한 유동 공기 분자로부터의 상기 열 에너지는 상기 멤브레인 표면 또는 그 근처의 더 차가운 물 분자에 의해 흡수될 수 있으며, 이것은 상기 유동 공기를 냉각시키고 상기 멤브레인 표면의 상기 물 분자를 증발시킨다. 열 에너지 전달은, 멤브레인 표면에서 증발된 상대적으로 더 차가운(낮은 에너지) 수증기 분자와 상대적으로 따뜻한(높은 에너지) 유동 공기 분자 사이의 충돌 에너지 전달을 통해서도 발생할 수 있다. 또한 대향 멤브레인 표면 상의 증기압 차이는 상기 멤브레인의 더 낮은 증기압 측으로부터 물 증발을 용이하게 한다.
구현예들에서, 상기 에어 컨디셔닝 유닛은 제습 유닛(DEH, dehumidifying unit) 및 증발 냉각기(EVAP, evaporative cooler) 둘 다에서 중공 섬유 멤브레인(HFM)과 같은 멤브레인을 사용하고, 상기 DEH 유닛 및 EVAP 유닛의 멤브레인은 서로 바로 옆에 위치된다. 상기 DEH 유닛 및 EVAP 유닛의 개별 멤브레인은 서로 옆으로 나란히 배치되거나 다른 것 위에 배치될 수 있다. 상기 DEH와 EVAP 멤브레인은 두 개의 개별 멤브레인의 인접한 측면이나 표면에 에폭시 포팅(potting)을 적용함으로써 물리적으로 분리될 수 있다. 구현예들에서, 상기 공기 스트림이 하나의 멤브레인에서 다른 인접 멤브레인으로 유동할 수 있도록 하기 위해 상기 2개의 인접한 멤브레인의 표면 바로 위 또는 측면의 에어 컨디셔닝 시스템의 영역 또는 공간이 제공된다. 이러한 배열은 보다 컴팩트한 에어컨 시스템을 가능하게 한다. 여기서, 냉각, 가습, 또는 둘 다 필요한 공기 스트림은 먼저 상기 DEH 또는 EVAP의 공기 유입구를 통해 상기 에어 컨디셔닝 시스템으로 들어갈 수 있다. 예를 들어, 밀폐된 공간으로부터의 상기 공기 스트림 또는 외부 주변 공기 스트림은 먼저 상기 제습기로 들어간 다음 상기 냉각 단계로 향할 수 있다.
개시된 바와 같이 상기 에어 컨디셔닝 시스템은 습도 및 온도의 독립적인 제어를 허용하여, 원하는 온도 및 습도 수준의 범위 측면에서 유연성을 제공한다. 이러한 변수는 지배적인 외부 조건, 제습 또는 냉각되는 구조물 거주자의 개인적 선호, 또는 공기 습도 및 온도가 조절되어야 하는 시설 유형에 따라 선택될 수 있다. 예를 들어, 실내 공기가 이미 원하는 온도에 있지만 추가 제습이 필요한 경우 상기 냉각 유닛을 끌 수 있다.
구현예들에서, 과잉 수증기 및 질소와 같은 기타 가스는, 예를 들어, 회귀(return) 배출구를 통해 상기 가스를 배출하기 위해 팬, 공기 압축기, 또는 진공 펌프를 사용함으로써, 필요한 압력 차이를 유지함으로써 배기 공기로서 시스템으로부터 퍼지(purge)될 수 있고, 임의로 선택된 온도 및/또는 습도 설정에 따라, 또는 제습기 유닛 및 냉각 유닛이 작동하는 동안, 필요한 만큼 증발식 냉각이 발생하도록 한다. 그런 다음 제습되고 냉각된 공기가 상기 공기 온도 및 습도 수준이 조절되는 실내로 들어간다. 상기 실내 공기가 상대적으로 습하고/하거나 따뜻해지면, 상기 습하고 따뜻한 공기가 제습기/증발식 냉각기로 다시 순환되고 원하는 온도 및/또는 습도 수준에 도달할 때까지 사이클이 다시 시작된다.
우세한 환경 조건 또는 SC 멤브레인-기반 에어 컨디셔닝 시스템의 의도된 적용에 따라, 통합된 제습기 및 냉각 유닛 중 하나만 활성화하거나 전원을 켜야 할 수 있다. 예를 들어, 따뜻하고 습한 실내 공기 스트림에는 일반적으로 냉각과 제습이 둘 다 필요할 것이다. 이 경우, 상기 에어컨 시스템의 냉각 및 제습기 유닛이 활성화되는 것이 필요할 것이다. 상기 실내 공기가 시원하고 습한 경우, 일반적으로 제습기만 작동될 수 있다.
상기 제습기 유닛과 냉각 유닛은 직렬로 조립되며, 상기 증발식 냉각 유닛은 상기 제습기 유닛의 앞이나 뒤에 위치한다. 또한, 일부 구현예들에서, 상기 에어 컨디셔닝 시스템은 환경적 요구에 기초한 능력 조정을 위해 또는 유지보수 동안의 서비스를 위해, 유지보수를 위해 교체되는(swapped in/out) 장비를 위해, 복수의 증발식 냉각 유닛 및 제습기 유닛을 포함한다. 또 다른 구현예들에서, 상기 시스템은 서로 독립적으로 작동할 수 있는 복수의 증발식 냉각 구성요소 및 제습기 구성요소를 포함하며, 각각은 독립적이거나 조정된 제어를 통해 조절된 영역으로의 공기 흡입구 및 배출구를 가진다. 상기 증발식 냉각 및 제습 공정은 동일한 유닛 내에서 수행되거나, 개별 또는 통합 제어 장치가 있는 서로 다른 독립 장치로 분리되어 수행될 수 있다. 증발식 냉각 및 제습이 동일한 유닛에서 발생하는 경우, 가역(reversible) 팬을 사용하여 냉각이 제습보다 선행될 수 있고, 냉각 단계 이전에 제습이 가능하다.
증발식 냉각에 사용되는 종래 멤브레인과 비교하여, 상기 SC-기반 멤브레인은 더 효율적인 냉각을 허용하고 종래 증발식 냉각 매체에 비해 더 낮은 냉각 온도를 달성할 수 있고 더 적은 양의 물을 필요로 하는데, 이는 기존의 증발식 냉각 매체의 전형인 자유수와 비교하여 상기와 같은 멤브레인에서는 흡수된 물의 증발 엔탈피가 더 높기 때문이다. 따라서 이러한 이점은 증발식 냉각 시스템의 설계 및 밀폐된 공간 냉각에서 식품 저장 및 냉장에 이르기까지 다양한 적용 범위에서 더 큰 유연성을 허용할 수 있다. 상기 SC-기반 냉각 시스템이 제공하는 또 다른 이점은 기존의 상업용 에어컨 및 냉동 시스템에 비해 상대적으로 저렴한 비용이다. 중요하게도, 상기 SC-기반 냉각 시스템은 탄화수소-계 냉매, 특히 다양한 정도로 지구 온난화에 영향을 미치거나 기여하는 냉매를 필요로 하지 않는다. 따라서, 상기 에어 컨디셔닝 시스템은 환경에 미치는 영향이 적으며, 이는 모든 차세대 에어 컨디셔닝 시스템의 장점이자 바람직한 특징이다.
본원에 개시된 상기 에어컨은 에너지 효율이 높고, 화학적 냉매가 필요하지 않는 것을 특징으로 한다. 상기 유닛은 빌딩, 주택, 또는 이동식 주택, 화물 운송기 등과 같은 제한된 장소들을 냉각하기 위해 설계되고/크기 조정될 수 있으며, 선행 기술의 에어컨에 비해 낮은 환경 발자국(environmental footprint)을 가진다. 상기 유닛은 또한 극적으로 더 낮은 에너지 요구사항을 위해 상기 제습기 및 상기 증발식 냉각기의 작동에 대하여 태양열이 사용되도록 조정될 수 있다. 상기 유닛은 또한, 예를 들어, 원자력 발전소의 냉각탑을 포함한 냉각탑과 같은 일반적인 냉각 응용 분야에 사용할 수 있다.
상기 AC 시스템의 구현예들을 나타내는 도면들을 참조할 것이다.
도 1은, 폐쇄된 구조 내부의 실내(103)를 냉각 및/또는 제습하기 위한 증발식 냉각 유닛(106) 및 제습 유닛(102)을 포함하는, SC-멤브레인 기반 AC 시스템(100)의 구현예의 개략도이다. 상기 AC 시스템(100)은 냉각될 실내/공간(103)의 벽[예를 들어, 창문형 또는 분할형(split-type) 시스템]에 인접하게 또는 벽을 통해 설치될 수 있다.
상기 SC-기반 에어 컨디셔닝 시스템(100)은, 예를 들어, 창문형 유닛 또는 냉각 및/또는 제습될 구조물 부근에 설치된 외부 유닛과 같은 여러 가능한 구성 중 하나에 기초할 수 있다. 에어 컨디셔닝 구성의 선택은 제습 및/또는 냉각할 구조물의 크기, 상기 에어 컨디셔닝 시스템이 설치될 지역의 일반적인 환경 조건, 비용 등과 같은 다양한 기준에 따라 달라진다.
SC-기반 멤브레인(104)은 상기 제습 유닛(102)의 멤브레인 전극 어셈블리(MEA)(105)의 일부를 형성한다. SC-기반 멤브레인(104)은 상기 SC-기반 멤브레인의 양성자 전도도, 기계적 또는 인장 특성, 팽창 특성, 친수성, 및 수화 상태에서의 안정성의 양호한 조합으로 인해 비교적 저렴하고 효율적인 공기 제습 및 냉각을 제공한다.
상기 AC 시스템(100)은 습한 실내 공기(107)가 실외에 위치할 수 있는 제습기 유닛(102)의 MEA를 향하도록 지시하기 위한 적어도 하나의 팬(112)을 갖는다. 상기 제습기(102)는, 공기로부터 수증기의 통과를 허용하지만 질소, 산소, 및 아르곤과 같은 다른 공기 성분과 공기 중의 작은 입자의 통과를 차단하는 상기 MEA(105)를 통해, 냉각되고 습한 실내(107) 공기로부터 수분을 추출한다. MEA(105)에서 SC-기반 멤브레인(104)을 가로지르는 물 분자의 확산은 SC-기반 멤브레인(104)의 2개의 대향 표면 또는 측면에서의 양극(애노드)(108)과 음극(캐소드)(109)을 가로지르는 전압의 인가에 의해 촉진된다.
SC-기반 제습 유닛(102)은 10% 내지 95% 범위의 상대 습도(RH) 값을 갖는 공기를 제습하기 위해 사용될 수 있다. 구현예들에서, 제습된 공기가 냉각될 필요가 있는 경우, 상기 제습된 공기는 증발식 냉각 패드(106)로 보내진다. 습한 공기로부터 수증기를 추출한 후, MEA-기반 제습기 유닛(102)은 추출된 실내 공기 수분을 외부 공기 스트림으로, 예를 들어, 공기 회귀구(110)를 통해 배출할 수 있다. 대안적으로, 수집된 공기 수분은 추출된 수분을 증발식 냉각에 사용할 수 있는 증발식 냉각 패드(106)에 물을 공급하는 물 저장소(111)로 보내질 수 있다.
상기 냉각 패드를 통해 공기를 끌어들이는 적어도 하나의 팬(112) 및 물 저장소(111)에 추가하여, 증발식 냉각기(106)는 또한 물 전달을 위한 수위 제어 밸브, 물을 멤브레인 어셈블리로 펌핑하기 위한 펌프, 멤브레인 어셈블리 전체에 물을 분배하기 위한 분무기, 스프링클러 또는 스프레이 노즐과 같은 물 분배 장치, 물을 수집하기 위한 냉각기 하우징의 바닥 또는 그 근처에 위치한 드레인(drain) 용기, 물 제거를 위한 배출 파이프 또는 배출구 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
증발식 냉각 유닛(106)의 구현예들(도시되지 않음)에서, 물 저장소(111)에 의해 멤브레인에 공급되는 물은, 바람직하게는, 멤브레인에 의한 수분 흡수를 최대화하고 또한 수분 증발이 일어나는 멤브레인 표면으로부터 수분 증발을 최대화하는 방식으로 멤브레인의 측면을 통해 들어가도록 구성된다. 물 저장소(111)로부터의 물은 물 증발이 일어나는 멤브레인 표면에 평행하거나 수직으로 배향된 멤브레인의 측면 또는 표면으로 유동할 수 있다. 그러나, 일반적으로, 멤브레인에 공급되는 물은, 멤브레인에 의한 수분 흡수를 최대화하고 또한 다른 멤브레인의 측면 또는 표면으로부터의 수분 증발을 최대화하는 멤브레인의 모든 측면, 표면, 섹션 또는 부분으로부터 멤브레인으로 유동할 수 있다. 멤브레인에 의한 수분 흡수와 멤브레인 표면으로부터의 수분 증발은 멤브레인에 공급되는 물의 유속을 조정함으로써 최적화될 수도 있다.
도 1에 도시되지는 않았지만, 제습기 및 냉각 유닛은 일반적으로 폴리염화비닐 PVC, 엔지니어링 플라스틱, 또는 유리 섬유와 같은 내부식성 재료로 제조된 보호 하우징에 수용되어 있다.
도 2는, 선택적으로 투과성인 이온 교환이 가능한 멤브레인 어셈블리를 갖는 에어 컨디셔닝 유닛 내의 제습 구성요소의 구현예를 도시하는 개략도로서, 실내 공정 공기로부터 수분을 제거하고 이를 외부 공기 스트림으로 배기하여, 실내 회귀 공기가 제어된 수분 함량이 되도록 할 수 있다. 선택적으로 투과성인 이온 교환 SC 중합체는, 도 1에 도시된 바와 같이, MEA 메커니즘을 통해 실내 제습을 가능하게 하기 위해 수분 전달을 구동하는 데 사용될 수 있으며, 이 경우 선택적으로 투과성인 이온 교환 중합체 멤브레인은 전극을 통해 에너지를 공급받아 수분을 단일방향으로 구동한다. 구현예들(도시되지 않음)에서, 상기 수분 전달은 또한, 예를 들어, 기계적 지지 구조의 어레이에서와 같은 중합체 멤브레인의 어셈블리에 채용된 SC 중합체 멤브레인을 가지며, 수분 제거 스트림에 진공 적용을 가지는 제2 메커니즘을 통해 구동될 수 있다. 이 두 메커니즘은 상호 배타적이지 않으며, AC 시스템의 최적 에너지 효율을 얻기 위해 조합하여 사용될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 복수의 선택적으로 투과성인 이온 교환 중합체 멤브레인, 예를 들어, SC 멤브레인 층을 갖는 제습 어셈블리 또는 스택(200)은 2개의 독립적인 공기 스트림을 위한 인클로저(enclosure)를 형성한다: 1) 습한 실내 공기 흡입(201)은 제습된 공기(202)로서 실내로 회귀하고; 2) 외부 공기 흡입(203)은 가습된 공기(204)로서 외부로 배출된다. SC 멤브레인은 또한 공기 흐름 채널의 표면적을 커버하는 SC 필름을 갖는 복합재 또는 하나 이상의 시트 형태로 채용될 수 있어, 통과하는(pass-through) 수분이 인접한 공기 스트림으로 이동되도록 허용한다.
도 3은, 제습을 위해 통과 공기로부터 진공 챔버로 물의 이동을 가능하게 하는 SC 중합체에 의해 코팅된 섬유를 가지며, 제습기 공기 흡입(304) 및 제습 공기 회귀(305)를 가지는 중공 섬유 멤브레인(HFM) 어셈블리(300)의 개략도이다. 상기 중공 섬유 멤브레인 어셈블리는 SC 중합체에 의해 코팅된 복수의 중공 섬유 번들(303)에 기계적 지지 및 높은 표면적을 제공하여, 높은 수분 제거율을 갖는 컴팩트한 설계를 가능하게 한다. HFM은 시스템의 심리 측정 요구 사항에 따라 크기가 조정되도록 어셈블리에 설치할 수 있다. 진공 챔버에는 진공 추출 포트(301)가 제공되고 포팅 베이스(302)로 밀봉된다.
도 4a는, 공정 공기 채널(401)과 진공 챔버(402)를 교대로 가지며, 프레임-앤-플레이트 어셈블리(frame-and-plate assembly)에 배열된 SC 멤브레인 스택을 포함하는, 제습 어셈블리(400)의 또 다른 구현예를 도시하는 개략도이다. SC 멤브레인(403)에는 상기 진공 챔버에 의해 생성된 힘에 대한 기계적 지지를 위한 모듈식 프레임 레이어 지지 구조가 제공된다. 상기 공기 채널들(401) 사이의 상기 진공 챔버(402)는 교대하는 공기 채널(401)과 진공 영역(402) 사이에 삼투압 구배를 설정한다.
도 4b에서, 상기 진공 챔버 및 상기 멤브레인(403)은 수분의 통과를 위해 균일하게 이격된 천공(405)을 갖는 플레이트(404)에 의해 지지된다. 백킹(backing) 플레이트가 고정 또는 지지 돌출부(406)를 사용하여 멤브레인 어셈블리(400)에 설치될 수 있다.
도 4c는 진공 구동 확산을 가지며, 활성 멤브레인 표면적을 최대화하도록 설계된 설계 특징을 갖는, 수분 추출 플레이트 어셈블리의 구성요소를 도시한다. 도 4c에서, 제습 플레이트 어셈블리(410)의 평면도는 플레이트 어셈블리(412)의 2개 층을 나타내는 측면도와 함께 도시되어 있다. 상기 수분 추출 플레이트는 공정 공기의 통과를 가능하게 하는 복수의 이격 핀(411)을 갖는다. 상기 수분 추출 어셈블리에는 각각 나사형 진공 연결부(414)를 갖는 복수의 수분 추출 포트(413)가 제공된다. 상기 수분 추출 어셈블리에는 지지 프레임(415)이 제공된다(측면도를 통해 도시됨). 지지 프레임(416)과 함께 도시된 바와 같이, 두께는 SC 멤브레인(417)을 지지하기 위한 치수 최적화를 가능하게 하기 위해 점진적으로 감소한다.
도 4d는 상기 플레이트 어셈블리(410)(도 4c)의 지지 구조(415)를 사용하는 SC 멤브레인 층(431)을 보여주는 복수의 플레이트를 갖는 멤브레인 스택 또는 어레이(430)의 다른 구현예의 예시이다. 상기 플레이트 프레임(411)은 각 진공 층 구성 요소를 제자리에 고정하고 핀을 통해 플레이트 층들 사이에 간격을 제공하여 공정 공기 통로(433)를 위한 공간을 생성한다. 각 플레이트 프레임(416)에는, 통과하는 공정 공기의 제습을 활성화하기 위해 진공 추출 연결부(432)를 통해 진공 소스로 순차적으로 연결된 단일 또는 복수의 수분 추출 포트(414)가 장착되어 있다. 유사한 스택 또는 어레이가 멤브레인 전극 어셈블리, 예를 들어, 멤브레인(431)(전력 공급 장치에 연결된 경우 MEA)을 수용하는 데 사용될 수 있다.
도 5는, 상기 시스템이 멤브레인 전극 어셈블리 조건(context)에서 사용될 때 진공 소스 또는 전력 공급장치와 관련하여, 냉각 유닛(501), 제습 유닛(502) 및 팬(503)을 포함하는 전체 에어 컨디셔닝 시스템(500)을 나타내는 개략도이다. 도시된 바와 같이, 상기 증발식 냉각 유닛(501)과 제습 유닛(502)은 연결되어 배열되며, 이것은 창문형 에어 컨디셔닝 시스템으로서 설치될 수 있다. 적어도 하나의 팬(503)은 상기 멤브레인-기반 증발식 냉각 유닛(501) 및 제습기 유닛(502)을 향해 실내 공기를 끌어들이다. 상기 증발식 냉각기(501) 또는 제습기(502) 중 하나에서 멤브레인 어셈블리 중 적어도 하나는 하나 이상의 SC 멤브레인, 구성 또는 층을 포함한다. 진공 펌프 또는 전력 공급장치(504)는 에어 컨디셔닝 유닛(500)에 연결되어 공정 공기의 제습을 구동할 뿐만 아니라 에어 컨디셔닝 유닛(500)으로부터 추출된 과잉 수분 및 응축수를 수집한다. 수집된 물의 적어도 일부는 상기 멤브레인-기반 증발식 냉각 유닛(501)으로 보내진다.
상기 냉각 유닛(501) 또는 제습 유닛(502), 또는 둘 다는 순환하는 실내 공기가 특정 기간 동안 원하는 온도 및 습도 수준의 범위 내로 유지될 때 더 낮은 전력 설정으로 조정되거나 수동적으로 또는 자동으로 꺼질 수 있다. 대안적으로(도시되지 않음), 상기 증발식 냉각 및 가습 유닛은 별도로 설치될 수 있고 다른 방 위치에서 독립적으로 작동될 수 있다. 여기서, 실내 공기는 먼저 제습기 유닛으로 유입되어 제습되고, 상기 제습된 공기는 상기 제습된 공기가 냉각되는 실내의 다른 부분에 설치된 증발기 냉각 유닛으로 보내진다. 증발 냉각을 거친 후, 냉각되고 제습된 실내 공기는 일정 시간 동안 컨디셔닝된 공기가 순환하는 실내로 유동한다. 그런 다음 순환된 실내 공기는 폐쇄 루프에서 작동하는 전체 에어 컨디셔닝 시스템과 함께 냉각 및 제습 단계의 또 다른 주기를 거친다. 우세한 환경 조건에 따라, 상기 증발식 냉각기, 제습기 또는 둘 다는 수동적으로 또는 자동으로 더 낮은 전력 설정으로 설정되거나 환경 조건에 따라 전원이 꺼질 수 있다.
도 6은, AC 유닛(600), 예를 들어, 멤브레인 전극 어셈블리 기반 제습 시스템과 조합되거나 이와 독립적인 증발식 냉각기를 갖는 에어컨의 구현예의 개략도이다. 상기 제습 유닛(601)은 제습 터널(602)을 포함하고, 공기는 실내 공기 흡입구로부터 직접 상기 터널로, 또는 대안적으로 증발식 냉각 유닛으로부터 상기 터널로 보내진다. 도시된 바와 같이, 공기 유동 선택 댐퍼(damper)(603)는, 제습 터널(602)에 도달하기 전에 냉각기(601)를 통해 또는 공기 흡입구(604)로부터 제습 터널로 직접 공기를 전달함으로써, 상기 에어컨을 제습기, 냉각기 또는 에어 컨디셔너로서 사용될 수 있게 한다.
도 7a는 팬 어셈블리(701)를 갖는 증발식 냉각 유닛(700)의 구현예의 개략도이다. 상기 팬 어셈블리는 공기 유동을 지시할 뿐만 아니라 물 증발을 위한 증발식 냉각 매체로서 기능하도록 설계된다. 상기 팬 어셈블리는, SC 멤브레인을 포함하거나, SC 중합체로 코팅되거나, 팬 블레이드(702) 상에 SC 멤브레인이 적층된 하나 이상의 멤브레인 층을 통한 증발식 냉각을 제공한다. 물 공급원(703)은 팬 블레이드(702)를 코팅하는 멤브레인에 물을 공급한다. 팬 블레이드(702)는 바람직하게 수 채널(water channel)(예를 들어, 팬 블레이드는 중공 내부 코어 또는 섹션을 포함함)을 포함하여 물 저장소로부터의 물이 물 분배 시스템으로서 기능하는 상기 팬 블레이드로 이어지는 물 도관을 통해 팬 블레이드(702)로 유동할 수 있도록 한다. 팬 어셈블리(701)로부터의 응축수 또는 액적은 팬 어셈블리(701) 아래 또는 인접한 물통(704)에 의해 수집된다.
팬 블레이드(702)는, 바람직하게는, 팬 블레이드의 중공 내부 부분을 통해 유동하는 공급된 물이 팬 블레이드(702) 상의 멤브레인으로 침투할 수 있도록 하는 물 분배 채널을 갖는 다공성 재료 또는 고체 재료를 포함한다.
도 7b는, 도 7a에 도시된 증발식 냉각 유닛(700)에 사용될 수 있는 중공 블레이드(705)의 구현예의 세부사항을 도시하는 개략도이다. 증발식 냉각에 사용되는 물은 근처의 물 저장소(703)에 의해 공급되거나 팬 허브(hub)(706) 내의 물 저장소에 의해 공급될 수 있다. 상기 멤브레인은 코팅 또는 라미네이트 형태로 팬 블레이드(705)에 직접 증착될 수 있으며, 이것은 팬에 인접하여 증발 매체 역할을 하는 별도의 멤브레인 유닛의 필요성을 제거한다. 액체 형태의 물, 수증기, 또는 물 미스트는 팬 어셈블리 근처의 물 공급원으로부터, 또는 팬 어셈블리 내에, 예를 들어, 팬 허브(706) 내부에 위치한 물 저장소를 통해 상기 팬 블레이드의 표면에 제공될 수 있다. 팬 허브(706)로부터의 물은 중공 팬 블레이드의 중공 코어(707)를 통해 팬 블레이드(705)를 코팅하는 멤브레인에 공급될 수 있으며, 여기서 물은 그런 다음 중공 팬 블레이드(705)의 작은 천공을 통해 투과된다. 대안적으로, 팬 허브(706)로부터의 물은, 물이 팬 블레이드 표면을 향해 투과한 다음 팬 블레이드(705)에 코팅된 멤브레인에 의해 흡수되는 투수성 재료로 만들어진 팬 블레이드(705)의 중공 코어(707)로 펌핑될 수 있다.
도 8은, 동력 팬, 증발식 냉각 유닛 및 멤브레인 전극 어셈블리 제습 터널을 포함하는 창문형 증발식 냉각 유닛(800)의 일 예를 도시한 개략도이다. 냉각 챔버는 공기 유입구(801)와 냉각 어셈블리(803)의 타단에 있는 공기 배출구(802)를 포함한다. 축 팬(axial fan)(804)은 공기 유입구(801)를 통해 증발식 냉각 유닛(800)으로 들어가는 공기 스트림(예를 들어, 제습기 유닛, 실내, 또는 바깐 주변 공기 중 어느 곳으로부터)을 끌어들이는데 사용된다. 상기 축 팬(804)은 금속 또는 비금속 팬 블레이드를 포함할 수 있다. 팬 블레이드의 직경(또는 너비)은 적어도 2" 내지 5"일 수 있지만 다른 치수를 사용할 수도 있다. 일부 구현예들에서, 상기 팬은 천공되거나, 다공성 재료에 의해 제조되거나, 선택적으로 투과성인 이온 교환 SC 중합체 멤브레인으로 코팅될 수 있다. 접선 팬(tangential fan)(805)은 냉각 유닛의 공기 배출구(802)에 또는 그 근처에 설치될 수 있다. 물 저장소(806)는 증발식 패드 또는 매체(807)에 물을 공급한다. 물통(808)은 임의의 초과 물 또는 응축수를 수집한다. 펌프(809)는 증발식 냉각 패드(807)에 물을 공급한다.
상기 축 팬(804)은 양성자 전도성 멤브레인, 예를 들어, SC 멤브레인에 의해 코팅되거나 적층된 블레이드를 포함할 수 있다. 제습 터널(810)은, 공정 공기로부터 수분을 제거하는 제습 MEA로 구성된 외벽(811)과 함께 제습되는 공기를 통과시키고, 그것을 팬(805)에 의해 구동되는 공기 스트림으로 배기하여 과잉 수분을 외부(802)로 버리기 위한 공간으로 구성된다.
도 9는 에어 컨디셔닝 시스템(900)의 구현예를 도시한 개략도이다. 상기 시스템은 증발식 냉각기(901) 및 선택적으로 투과성인 멤브레인 어셈블리 제습기(902)를 채용하며, 이것은 멤브레인 전극 어셈블리(MEA)(903)(또는 진공 구동 코어)에 기반될 수 있다. 증발식 냉각 유닛(901)은 증발식 냉각 패드(904), 또는 제습기(902)로부터 공기를 구동하는 공기 흡입구의 팬(905)의 SC 멤브레인 구성요소를 포함할 수 있다. 주변 공기 흡입(AAI, ambient air intake)이, 증발식 냉각 시스템에서 냉각되기 전에 실내 공기로부터 배기된 수분을 수집하기 위해, 제습 코어로 유입된다. 그런 다음 컨디셔닝된 공기는 실내(907)로 회귀된다. 도면에서, AAO는 외부로 향하는 주변 공기를 지칭한다. EAI는 증발기 공기 유입구를 지칭한다. EAO는 증발기 공기 배출구를 지칭한다. RAO는 실내 공기 배출구를 지칭한다. RC는 실내 컨디션을 지칭한다.
초기 온도, 예를 들어, T=15℃ 및 높은 습도, 예를 들어, RH=80%의 주변 공기(AAI)는 제습기(902)의 AAI 유입구로 진입하여, 제습을 거친다. 그 후 제습된 AAI는 건조한 공기(906)로서 제습기(902)를 빠져나간다. 타겟 실내 온도가 AAI의 초기 온도와 같기 때문에, 상기 제습된 AAI(906)는 냉각을 거치지 않고 단순히 냉각 유닛(901)을 통과해 유동하고 더 낮은 습도, 예를 들어, RH=65%로서 실내(907)로 들어간다. 상기 제습된 공기(906)가 특정 기간 동안 실내(907)에서 순환한 후, 상기 순환된 실내 공기는 더 높은 온도, 예를 들어, T=27℃로, 그러나 더 낮은 습도 수준, 예를 들어, RH=60%로 실내(907)를 빠져나간다. 이제 실내(907)를 빠져나가는 더 따뜻한 공기는 그 후 제습기(902)로 돌아한다. 더 낮은 습도, 예를 들어, RH=60%에서 상대적으로 건조하기 때문에, 따뜻하고 건조한 공기는 제습없이 제습기(902)를 지나 유동하고 냉각 유닛(901)을 통과하여, 냉각을 거친다. 냉각된 후, 상기 냉각된 공기는 다시 실내로 보내진다.
[실시예] 하기의 예시적인 실시예들은 비제한적이다.
실시예 1: 이 실시예는 중공 섬유 멤브레인의 제조 방법을 설명한다. 1-프로판올과 톨루엔의 50:50 용액에서 Kraton Polymers로부터 5 중량%의 Nexar 9200 용액이 제조되었다. 동공 크기가 0.10 내지 10 마이크론이고 직경이 25 내지 300 mm인 중공 폴리프로필렌 멤브레인 섬유 번들을 Tisch Scientific로부터 입수했다. 상기 섬유 번들이 몰딩 케이스에 배치되었다. 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 번들의 한쪽 끝을 에폭시로 포팅하여 상기 몰딩 케이스의 한쪽 끝에 고정하고, 상기 중공 섬유 멤브레인 섬유의 개구부를 노출시킨 상태에서, 상기 몰딩 케이스의 다른 쪽 끝에 탄성 O-링을 제공하였다(가압 소스와의 후속 연결을 위해). 상기 Nexar 용액을 튜브에 넣고, 필요에 따라 상기 케이스에 압력을 가하여 상기 Nexar 용액을 상기 중공 멤브레인으로 밀어넣었다. 상기 어셈블리를 밤새 건조시켰다.
실시예 2: 이온 교환 능력이 있는 선택적으로 투과성인 멤브레인으로 코팅된 동일한 유닛과 관련하여 제어 증발 매체의 증발식 냉각 효율 동안 풍동(wind tunnel) 변수에 대한 실험 결과가 수집된다. 데이터를 생성하기 위한 실험 설정이 도 13의 개략도에 예시되어 있다. 표 1에서, 팬은 공기의 움직임을 생성하며, 공기 속도는 풍속계에 의해 측정된다. 건구 온도(DBT, dry bulb temperatur)와 습구 온도(WBT, wet bulb temperature)는 증발식 냉각기 사이에 끼워져 전후에 위치한 센서별로 측정된다. 물 소비량은 유량계로 측정하고 측정 용기의 수위 변화로 확인한다. 압력 강하는 증발식 냉각기에 걸쳐 측정된다. 얻은 데이터는 표 1에 나타난 바와 같이 개별 효율을 계산하는 데 사용된다. 표시된 것처럼, 상이한 팬 속도 설정에 대해 유사한 압력 강하, 포화 효율, 및 공기 속도에 대하여, 물 소비는 SC 멤브레인(Nexar 2.0 IEC)의 사용에 의해 감소한다. 예를 들어, 0.98 m/s의 공기 속도에 대해 0.91에서 0.64로 감소한다.
[표 1]
Figure pct00001
하기 표 2는 공기 속도의 함수로서 포화 효율에 따른 물 소비량의 감소를 요약한다. 감소 측정은 제어 증발식 냉각 패드 전체에 도포된 선택적으로 투수성인 이온 교환 멤브레인의 존재의 결과이다. 더 적은 물을 사용하는 냉각도 동일하다.
[표 2]
Figure pct00002
실시예 3: 적어도 0.5 meq/g인 IEC를 갖는 SC 멤브레인이 식품 냉장에 사용될 수 있음을 보여주기 위한 실시예가 수행되었다 - AC 시스템의 응용 분야 외에도. 이 실시예에서, 클레이 포트[예를 들어, 포트-인-포트(pot-in-pot) 냉장실]와 같은 다공성 세라믹 용기가 수 마이크론만큼 얇은 SC 층으로 코팅된다. 상기 클레이 포트는 SC 코팅이 없는 클레이 포트에 비해 냉각에서 적어도 2℃ 향상의 냉각 및/또는 달성을 이루기 위해 더 적은 물을 필요로 한다.
실시예 4: 이 실시예에서, 정체되고 밀봉하여 밀폐된 챔버를 제습하기 위한 메커니즘으로서 MEA를 사용한 데이터가 수득된다. 챔버 내부 및 외부의 Rh 센서와 함께, SC 멤브레인이 위치한 챔버에 전극들이 제공된다. 결과는 MEA의 상태에서, 상기 멤브레인의 IEC에 따라 MVTR 특성이 다양함을 나타낸다. 표 3은 2.5의 IEC(이온 교환 능력)를 갖는 SC 멤브레인의 결과를 보여준다. 표 4는 1.0의 IEC를 갖는 SC 멤브레인으로부터 수득된 결과 데이터를 보여준다.
[표 3]
Figure pct00003
[표 4]
Figure pct00004
실시예 6: 컴퓨터 시뮬레이션은 작동의 습공기(psychometric) 상태를 예측하기 위해 수행되었다. 수분 추출 메커니즘으로서 MEA를 사용하여, 제습 멤브레인 전극 어셈블리가 증발식 냉각기로 향하는 공기에 대해 75% 이하의 상대 습도를 유지할 수 있으며, 상기 증발식 냉각기는 물의 온도를 5℃ 이상, 또는 7℃ 이상, 또는 10℃ 이상 감소시킬 수 있다. 상기 컴퓨터 시뮬레이션에서, 열대 기후 위치의 기후 데이터는, 다양한 시작 기후 조건에 대한 시작 및 종료 실내 환경을 자세히 설명하는 습공기 다이어그램으로 통합되었다. 모든 시뮬레이션에서, 상기 실내 공기 유동은 600 cfm이고, 최대 주변 공기 유동은 1100 cfm이다.
다양한 시나리오가 시뮬레이션되었다: 1) 배기 시 제습기 RH(상대 습도)를 사용한 가변 배출은 일정한 공기 흐름으로 변한다; 2) 일정한 RH를 갖는 제습기 공기 유동을 갖는 가변적인 주변 대량의(mass) 유동; 및 3) 증발기를 사용하여 주변 조건 - 실내 혼합.
도 10은, 하기 조건의 세트를 기반으로 하는 도 9에 나타낸 상기 에어 컨디셔닝 시스템을 포함하는 냉각 및 제습 공정의 컴퓨터 시뮬레이션으로부터 수득된 습공기 차트이다: 제습기 배기 RH=70%, 증발기 효율=56%, 실내 사이클=600 cfm, 및 주변 사이클=1100 cfm. 사용 가능한 냉각 부하(load)는 SCL=13936 kJ, LCL=19003 kJ, 톤 수=2.60 톤, 증발기 물 부하=1.98L 및 제습기 물 배출 부하=9.73 L를 포함한다.
상기 실내는 T=27℃에서 습도 비율 HR=13.73이다. 상기 SC-기반 에어 컨디셔닝 시스템의 전원이 켜지면, 상기 시스템은 T=15℃ 및 HR=8.69인 주변 공기를 끌어들이고, 이것은 상기 SC-기반 MEA 제습기를 통해 유동한다. 상기 제습 단계를 거친 후, 공기는 T=19.3℃ 및 HR=5.33에서 제습기를 빠져나와 다음 에어 컨디셔닝 단계인 냉각 단계로 들어간다. 냉각을 거친 후, 상기 공기의 온도는 T=19.3℃에서 T=15℃(주변 공기 유입구 온도와 동일)로 감소하고, 습도는 HR=5.33에서 HR=7.04로 증가한다. 그런 다음 냉각된 공기는 순환하는 방으로 보내지고 또 다른 냉각, 제습 또는 둘 다를 위해 에어 컨디셔닝 유닛으로 보내진다.
도 11은 외부 환경 조건이 따뜻하고 습한(30.8℃ 내지 33.2℃, 및 70% 내지 80%의 상대 습도) 시나리오에서, 멤브레인-기반 증발식 냉각기 및 제습기 유닛에 따른 냉각 및 제습 공정에 해당하는 컴퓨터 시뮬레이션의 또 다른 습공기 차트이다. 이 경우, 상기 에어 컨디셔닝 시스템은 제습기 배기 RH=65%, 증발기 효율= 44%, 실내 사이클=600 cfm, 주변 사이클=1100 cfm에 반응하는 감지된 잠재적 부하를 보상하기 위해 작동한다. 상기 냉각 부하의 톤 수는 0.26 톤, 증발기 물 부하=1.75L, 제습기 물 배출량=0.39L이다.
실내는 다시 처음의 T=27.0℃에서 HR=13.73이다. 상기 선택적으로 투과성인 이온 교환 중합체 기반 에어 컨디셔닝 시스템의 전원이 켜지면, 상기 시스템은 T=33℃(실온보다 더 따뜻함)에서 HR=22.91(실내 공기보다 더 습함)인 AAI를 끌어들이고, 이것은 이후 선택적으로 투과성인 이온 교환 중합체 기반 MEA 제습기를 통해 유동한다. 상기 제습 단계를 거친 후, 상기 공기는 T=30.8℃ 및 HR=13.39에서 제습기를 빠져나와 다음 에어 컨디셔닝 단계인 냉각 단계로 들어간다. 상기 냉각을 거친 후, 공기 온도는 이제 HR=14.90(실내 공기보다 약간 더 습함)인 T=27.0℃(실내 공기 온도와 동일)로 돌아간다. 냉각되고 제습된 공기는 이후 필요에 따라 냉각, 제습 또는 둘 다의 또 다른 라운드를 위해 순환하고 에어 컨디셔닝 장치로 보내지는 방으로 유동된다.
도 12는, 외부 공기가 매우 따뜻하고(36.5℃ 내지 42℃ 사이의 온도) 건조하여 에어 컨디셔닝 시스템에 현저하게 감지된 부하를 더하는 시나리오의 실시예를 나타내는 습공기 차트이며, 이것은 실내 온도를 27℃의 설정점으로 유지하면서 HR= 13.73에서 HR=14.9로 실내 공기를 가습하기 위해서만 사용된다. 이 공정 동안, 제습기 배출 RH는 약 47%, 증발기 효율은 64%, 실내 사이클은 600 cfm, 주변 사이클은 1100 cfm이다. 사용 가능한 냉각 부하는 0 kJ의 SCL, LCL -3320 kJ, -0.26 톤의 톤 수를 포함한다. 증발기용 물 부하는 4.39L, 제습기 물 배출 3.03L이다.
본원에서 사용된 바와 같이, 상기 용어 "포함하는(comprising)"은 그 용어 다음에 식별되는 요소 또는 단계를 포함하는 것을 의미하지만, 이러한 요소 또는 단계는 최종적이지 않으며, 구현예는 다른 요소 또는 단계를 포함할 수 있다. 용어 "포함하는(comprising)" 및 "포함하는(including)"은 다양한 측면을 설명하기 위해 본원에서 사용되었지만, 용어 "~로 본질적으로 이루어진(consisting essentially of)" 및 "~로 이루어진(consisting of)"은 본 개시의 보다 구체적인 측면을 제공하기 위해 "포함하는(comprising)" 및 "포함하는(including)" 대신에 사용될 수 있으며 또한 개시된다.

Claims (18)

  1. 에어 컨디셔닝(air conditioning system) 시스템으로서,
    a) 공기를 상기 에어 컨디셔닝 시스템으로 끌어들이기 위한 유입구;
    b) 상기 에어 컨디셔닝 시스템 내에서 공기를 순환시키기 위한 복수의 팬 블레이드(fan blade)를 갖는 팬 어셈블리(fan assembly);
    c) 하기를 포함하는 하나 이상의 증발식 냉각기 유닛:
    증발식 냉각기 매체,
    상기 증발식 냉각기 매체에 물을 제공하기 위한 물 공급부;
    d) 하기를 포함하는 하나 이상의 제습기 유닛:
    선택적으로 투과성인 이온 교환 중합체를 포함하는 하나 이상의 멤 브레인을 포함하는 멤브레인 어셈블리, 및
    하기 중 하나 이상:
    i) 상기 하나 이상의 멤브레인의 2개의 대향 측면에 위치된 한 쌍의 전극으로서, 상기 전극에 가로질러 전압을 생성 하기 위한 전력 소스의 조합된, 상기 한 쌍의 전극,
    ii) 상기 하나 이상의 멤브레인과 접촉하는 기밀 챔버(air tight chamber)로서, 상기 기밀 챔버와 접촉하는 상기 하나 이상의 멤브레인으로부터 수분 추출을 가능하게 하기 위해 진공 소스에 연결된, 상기 기밀 챔버;
    e) 상기 에어 컨디셔닝 시스템으로부터 공기를 회귀시키기 위한 배출구
    를 포함하며,
    상기 선택적으로 투과성인 이온 교환 중합체는 상기 하나 이상의 멤브레인의 적어도 0.5 meq/g의 이온 교환 능력을 갖는 술폰화 공중합체인,
    에어 컨디셔닝 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 멤브레인 어셈블리는, 각각 중공 코어를 갖는 중공 섬유 멤브레인으로서 복수의 멤브레인을 포함하고, 상기 중공 섬유 멤브레인의 외부는 상기 선택적으로 투과성인 이온 교환 중합체에 의해 코팅되고, 상기 중공 섬유 멤브레인의 상기 중공 코어는 상기 진공 소스에 연결되어 상기 중공 섬유 멤브레인으로부터의 수분 추출을 가능하게 하는 것인, 에어 컨디셔닝 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 멤브레인 어셈블리는 프레임-및-플레이트 어셈블리(frame-and-plate assembly)로 배열된 복수의 멤브레인을 포함하고, 각각 지지 프레임 상에 지지된 상기 멤브레인들 사이에 교대하는(alternating) 공정 공기 채널 및 진공 챔버를 가지며, 상기 교대하는 진공 챔버는 상기 진공 소스와 상호 연결되어 상기 멤브레인으로부터 수분 추출을 가능하게 하고, 상기 선택적으로 투과성인 이온 교환 중합체는 상기 지지 프레임 상에 코팅되거나 적층되는 것인, 에어 컨디셔닝 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 술폰화 공중합체는, 상기 술폰화 공중합체 내의 술폰화 가능한 단량체 단위의 수를 기준으로 10 몰% 내지 100 몰%의 술폰산 또는 술폰산염 작용기를 함유하도록 선택적으로 술폰화된 것인, 에어 컨디셔닝 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 술폰화 공중합체는 퍼플루오로술폰산 중합체, 폴리스티렌 술포네이트, 술폰화 블록 공중합체, 폴리술폰, 폴리케톤, 및 이들의 혼합물들 로 이루어진 군으로부터 선택된 것인, 에어 컨디셔닝 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 술폰화 공중합체는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE, polytetrafluoroethylene) 골격 및 클러스터(cluster) 영역의 술폰산 그룹으로 종결되는 비닐 에테르(예를 들어, -O-CF2 -CF-O-CF2-CF2-)의 측쇄를 갖는 술폰화 테트라플루오로에틸렌 공중합체인 것인, 에어 컨디셔닝 시스템.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 각 멤브레인의 2개의 대향 측면에 위치된 한 쌍의 전극, 및 상기 전극에 가로질러 전압을 생성하기 위한 전력 소스를 더 포함하는, 에어 컨디셔닝 시스템.
  8. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 증발식 냉각기 매체는 선택적으로 투과성인 이온 교환 중합체를 포함하고, 상기 선택적으로 투과성인 이온 교환 중합체는 상기 복수의 팬 블레이드 상에 코팅되는 것인, 에어 컨디셔닝 시스템.
  9. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 증발식 냉각기 매체는 선택적으로 투과성인 이온 교환 중합체 멤브레인을 포함하고, 상기 선택적으로 투과성인 이온 교환 중합체 멤브레인은 상기 복수의 팬 블레이드를 가로질러 신장된(stretched) 것인, 에어 컨디셔닝 시스템.
  10. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 증발식 냉각기 매체는 선택적으로 투과성인 이온 교환 중합체 멤브레인을 포함하는 것인, 에어 컨디셔닝 시스템.
  11. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 선택적으로 투과성인 이온 교환 중합체를 포함하는 상기 멤브레인은 약 5 마이크론 내지 약 500 마이크론의 두께를 갖는 술폰화 블록 공중합체 필름을 포함하는 것인, 에어 컨디셔닝 시스템.
  12. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 술폰화 공중합체는 25 몰% 이상의 술폰화도를 갖는 술폰화 블록 공중합체인 것인, 에어 컨디셔닝 시스템.
  13. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 술폰화 블록 공중합체는 A-B-D-B-A, A-D-B-D-A, (A-D-B)nA, (A-B-D)nA, (A-B-D)nX, 및 (A-D-B)nX 중 하나 이상에 대응하는 구성을 포함하고,
    상기 A-블록은 술폰산 또는 술포네이트 에스테르 작용기를 본질적으로 함유하지 않으며, 중합된 (i)파라-치환된 스티렌 단량체, (ii)에틸렌, (iii)탄소 원자수가 3 내지 18인 알파 올레핀, (iv)1,3-시클로디엔 단량체, (v)수소화 전 비닐 함량이 35 몰% 미만인 공액 디엔의 단량체, (vi)아크릴 에스테르, (vii)메타크릴 에스테르, 및 (viii)이들의 혼합물 중 하나 이상으로부터 선택되고, 여기서 n은 2 내지 약 30의 정수이고, X는 커플링제 잔기이고;
    상기 B-블록은 단량체 단위의 수를 기준으로 약 10 몰% 내지 약 100 몰%의 술폰산 또는 술포네이트 에스테르 작용기를 함유하고, 하나 이상의 중합된 비닐 방향족 단량체의 분절(segment)을 포함하며, 여기서 n은 2 내지 약 30의 정수이고, X는 커플링제 잔기이고;
    상기 블록 D는 이소프렌, 1,3-부타디엔 및 이들의 혼합물들로부터 선택된 공액 디엔의 수소화된 중합체 또는 공중합체를 포함하고, 여기서 n은 2 내지 약 30의 정수이고, X는 커플링제 잔기이고;
    n은 2 내지 약 30의 정수이고,
    X는 커플링제 잔기인,
    에어 컨디셔닝 시스템.
  14. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 팬 어셈블리는 저수조로부터의 물이 유동하여 통과하는 상기 하나 이상의 팬 블레이드 내의 노즐을 포함하고, 상기 복수의 팬 블레이드가 회전할 때 수분 미스트가 생성되는 것인, 에어 컨디셔닝 시스템.
  15. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 제습기 유닛과 상기 하나 이상의 증발식 냉각기 유닛은 서로 독립적으로 작동 및 제어되는 것인, 에어 컨디셔닝 시스템.
  16. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 밀폐된 공간으로부터의 공기가 상기 제습기 공기 유입구 또는 상기 증발식 냉각기 공기 유입구를 통해 상기 에어 컨디셔닝 시스템으로 유입되는 것인, 에어 컨디셔닝 시스템.
  17. 하기를 포함하는, 에어 컨디셔닝 시스템으로서,
    (a) 하기를 포함하는 하나 이상의 제습기 유닛,
    제습기 공기 흡입구;
    하기를 포함하는 멤브레인 전극 어셈블리:
    술폰화 공중합체를 포함하는 제습기 멤브레인,
    상기 멤브레인의 2개의 대향 측면에 위치된 한 쌍의 전극,
    상기 한 쌍의 전극에 가로질러 전압을 생성하기 위한 전력 소스,
    제습된 공기 회귀구(return);
    (b) 하기를 포함하는 하나 이상의 증발식 냉각기 유닛,
    증발식 냉각기 공기 흡입구,
    술폰화 블록 공중합체를 포함하는 하나 이상의 증발식 냉각기 멤브레인,
    상기 증발식 냉각기 멤브레인에 물을 제공하기 위한 물 공급원(water source);
    상기 공기 흡입구로부터 하나 이상의 증발식 냉각기 멤브레인을 향한 공기의 유동을 촉진시키기 위한 하나 이상의 팬으로서, 상기 증발식 냉각기 공기 흡입구로부터의 공기는 상기 하나 이상의 증발식 냉각기 멤브레인으로부터의 수분 증발을 통해 냉각되는 것인, 상기 하나 이상의 팬; 및
    냉각된 공기 회귀구;
    상기 하나 이상의 제습기 유닛 및 상기 하나 이상의 냉각기 유닛 중 하나 또는 둘 다에 사용되는 상기 술폰화 공중합체는 이온 교환 능력이 0.5 meq/g 이상이고 술폰화도가 25 몰% 이상인 것인,
    에어 컨디셔닝 시스템.
  18. 하기를 포함하는, 에어 컨디셔닝 시스템으로서,
    하기를 포함하는 하나 이상의 제습기 유닛:
    제습기 공기 흡입구;
    하기를 포함하는 멤브레인 어셈블리:
    술폰화 블록 공중합체를 포함하는 하나 이상의 멤브레인,
    상기 하나 이상의 멤브레인과 접촉하는 기밀 챔버로서, 상기 하나 이상의 멤브레인으로부터 수분 추출을 가능하게 하기 위해 진공 소스에 연결되는 것인, 상기 기밀 챔버, 및
    제습된 공기 회귀구; 및
    하기를 포함하는 하나 이상의 증발기 냉각기 유닛:
    증발기 냉각기 공기 흡입구,
    술폰화 공중합체 멤브레인을 포함하는 하나 이상의 증발기 냉각기 패드,
    상기 증발기 냉각기 패드에 물을 제공하는 물 공급원,
    상기 증발기 냉각기 패드를 향한 공기의 유동을 용이하게 하기 위한 하나 이상의 팬으로서, 상기 공기 흡입구로부터의 공기는 상기 하나 이상의 증발기 냉각기 패드로부터의 수분 증발을 통해 냉각되는 것인, 상기 하나 이상의 팬, 및
    증발기 냉각기 공기 회귀구;
    상기 하나 이상의 제습기 유닛 및 상기 하나 이상의 냉각기 유닛 중 하나 또는 둘 다에 사용되는 상기 술폰화 공중합체는 이온 교환 능력이 0.5 meq/g 이상이고 술폰화도가 25 몰% 이상이고 두께가 약 5 마이크론 내지 약 500 마이크론인 것인,
    에어 컨디셔닝 시스템.
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11821653B2 (en) 2021-11-30 2023-11-21 Tyco Fire & Security Gmbh Air conditioner including a plurality of evaporative cooling units
US11976844B2 (en) * 2021-11-30 2024-05-07 Tyco Fire & Security Gmbh Shape of an evaporative cooling unit
CN118539303A (zh) * 2024-07-25 2024-08-23 华南理工大学 一种基于宽工作区间电解除湿膜的开关柜控制装置及方法

Family Cites Families (29)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4217421A (en) * 1977-06-27 1980-08-12 Rohm And Haas Company Anion exchange resins prepared from crosslinked polystyrenesulfonylchloride
IT1110461B (it) * 1978-03-01 1985-12-23 Oronzio De Nora Impianti Membrane anioniche costituite da copolimeri di (2) o (4)-vinilpiridina con divinilbenzene o con monomeri vinilici alogenati
JPH01224027A (ja) * 1988-03-01 1989-09-07 Asahi Glass Co Ltd 水蒸気選択透過性膜
JPH082414B2 (ja) * 1988-03-17 1996-01-17 旭硝子株式会社 水蒸気選択透過性膜
JPH01274824A (ja) * 1988-04-28 1989-11-02 Asahi Glass Co Ltd 除湿システム
JP2000279744A (ja) * 1999-03-30 2000-10-10 Sanyo Electric Co Ltd 調湿装置
KR100357120B1 (ko) * 2000-10-04 2002-10-18 엘지전자 주식회사 제습식 공기조화기
DE10104771A1 (de) * 2001-02-02 2002-08-08 Basf Ag Verfahren und Vorrichtung zum Entionisieren von Kühlmedien für Brennstoffzellen
AU2003303998A1 (en) * 2003-03-12 2004-09-30 Milind V. Rane Air conditioning method using liquid desiccant
JP4198529B2 (ja) * 2003-05-29 2008-12-17 株式会社荏原製作所 除湿素子
CN101111959B (zh) * 2004-12-27 2010-06-02 株式会社可乐丽 聚合物电解质燃料电池用聚合物电解质膜、膜电极组件和燃料电池
TWI326691B (en) * 2005-07-22 2010-07-01 Kraton Polymers Res Bv Sulfonated block copolymers, method for making same, and various uses for such block copolymers
DE102008022731A1 (de) * 2008-05-05 2009-11-12 Staege, Rüdiger Ventilator mit Kühleffekt durch Verdunstungskälte
US8490422B2 (en) * 2009-04-26 2013-07-23 Alaa Abdulkareem AL WATBAN Evaporative air cooler with multi stages cooling and or heating with or without cooling coil
US8685142B2 (en) * 2010-11-12 2014-04-01 The Texas A&M University System System and method for efficient air dehumidification and liquid recovery with evaporative cooling
US20140027528A1 (en) * 2011-03-21 2014-01-30 Hivap Pty Ltd High velocity mist evaporation
WO2012151429A1 (en) * 2011-05-03 2012-11-08 University Of Mississippi Dehumidification, dehydration, or drying of uncompressed gases using water selective membranes and a portion of the retentate as a vacuum permeate sweep
JP5581266B2 (ja) * 2011-05-13 2014-08-27 日立アプライアンス株式会社 塗料及び空気調和機
US9861941B2 (en) * 2011-07-12 2018-01-09 Kraton Polymers U.S. Llc Modified sulfonated block copolymers and the preparation thereof
JP6395801B2 (ja) * 2013-03-14 2018-09-26 ７エーシー テクノロジーズ，インコーポレイテッド 液体デシカント空調システム後付けのための方法及びシステム
US11408681B2 (en) * 2013-03-15 2022-08-09 Nortek Air Solations Canada, Iac. Evaporative cooling system with liquid-to-air membrane energy exchanger
WO2015094124A1 (en) * 2013-12-19 2015-06-25 National University Of Singapore A membrane and hybrid air dehumidification system using same for improved moisture removal
KR101525609B1 (ko) * 2013-12-27 2015-06-04 한양대학교 산학협력단 제습·증발냉각을 이용한 친환경 전외기 공조시스템 및 전외기 공조방법
US9372030B2 (en) * 2014-04-14 2016-06-21 Gas Technology Institute Method of cooling an internal space using a superabsorbent polymer
JP6465967B2 (ja) * 2015-05-14 2019-02-06 三菱電機株式会社 コーティング組成物、その製造方法、コーティング膜、換気扇及び空気調和機
US10808951B2 (en) * 2015-05-15 2020-10-20 Nortek Air Solutions Canada, Inc. Systems and methods for providing cooling to a heat load
KR101664791B1 (ko) * 2015-11-18 2016-10-12 주식회사 경동나비엔 환기와 습도 조절이 가능한 공기조화기와 그 제어방법
CN106949571B (zh) * 2017-03-09 2023-04-25 华南理工大学 一种基于筛网式两性离子交换膜电极的电化学除湿装置
CN206563376U (zh) * 2017-03-09 2017-10-17 华南理工大学 一种基于筛网式两性离子交换膜电极的电化学除湿装置

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EP4021620A4 (en) 2024-05-22
CN114786796A (zh) 2022-07-22
WO2021072448A1 (en) 2021-04-15
JP2022551471A (ja) 2022-12-09
EP4021620A1 (en) 2022-07-06
US20220387927A1 (en) 2022-12-08

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