KR20240046709A - 연료 전지 가습 포팅 접착 슈라우드 - Google Patents
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Abstract
섬유질 중공형 멤브레인 튜브를 이용하는 분리 및/또는 가습 요소가 제공되고, 이는 예를 들어 반응 기체를 가습하기 위해서 연료 전지 적용예에서 상이한 기체 스트림들 사이에서 수증기를 전달하기 위해서 이용될 수 있다. 적어도 하나의 그리고 일반적으로 2개의 복합 단부 캡이 섬유질의 중공형 멤브레인 튜브의 번들의 단부를 캡슐화한다. 각각의 복합 단부 캡은 접착제(예를 들어, 에폭시), 및 플라스틱 환형 슈라우드와 같은 모재를 포함한다.
Description
본 발명은 일반적으로 연료 전지를 위한 공기 스트림 내에서 수분을 제거하는데 유용한 중공형 멤브레인 튜브(예를 들어, 중공형 섬유)를 갖는 요소에 관한 것이다.
섬유 중공형 멤브레인 튜브의 번들이, 내부에서 사용되는 기체 스트림을 가습하기 위한 연료 전지용 가습기 내의 요소로서 사용된다. 이러한 가습기는 당업계에서 Lee의 미국 특허 또는 미국 공개 제2010/0190093호; Altmuller 등의 제2011/0195325호; Leister의 제8,181,943호; Kim 등의 제9,570,767호에 의해서 예시될 수 있다. 예를 들어, 연료 전지로부터의 배기 공기 기체 스트림이 "습윤(wet)"(높은 습도)될 수 있고, 수증기를 이용하여 연료 전지의 전기화학적 반응에서 사용되는 더 건조한 반응 공기를 가습할 수 있다. Lee의 미국 공개 제2010/0190093호에서 확인되는 바와 같이, 일반적으로 이러한 가습 중공형 섬유 멤브레인은 중공형 멤브레인 튜브(예를 들어, 중공형 섬유 멤브레인)의 집합 번들 및 ("단부 캡"으로 지칭될 수 있는) 섬유 번들의 각각의 단부에 근접한 고정 접착제를 포함한다. 이러한 단부 캡은 인접 섬유들 사이의 간극 및 영역을 충진하고 하우징의 양 측에서 섬유 멤브레인을 고정한다.
많은 배열이, 앞서 언급한 공보의 적어도 일부에 의해서 예시된 바와 같이 (예를 들어, 중공형 멤브레인 튜브(12)의) 섬유 멤브레인 번들을 위한 영구적인 하우징을 가지지만, 하우징 내에서 제거 가능한 사용을 위한 단부 캡을 갖춘 멤브레인 요소를 가지는 것이 또한 알려져 있다. 현재의 조립체는 양 단부 캡을 위해서 2-부분 에폭시-유형 접착제를 이용할 수 있다. 미리-컷팅된 섬유의 단부들이 링 내에서 함께 수집되고 미리 결정된 기하형태를 갖는 적절한 몰드 내에 위치되며, 이어서 접착제가 섬유 단부 주위로 유동하여 몰드의 기하형태를 가질 수 있다. 접착제가 경화된 후에, 단부들은, 예를 들어 가열하는 것 그리고 케이스화된 단부를 슬라이싱하여 사용을 위해 섬유 단부를 노출시키는 것에 의해서, 마감된다.
이러한 프로세스의 단점의 일부는, 접착제가 비교적 고가라는 것이다. 또한, 접착제를 주입하고 중공형 섬유를 안정화하기 위한 포팅으로서 사용하기 위한, 몰드 및 툴링(tooling)이 요구된다. 포팅된 접착제(potted adhesive)는 또한 특정 상황 하에서 기체를 방출할 수 있고, 이는 외관상 좋지 못한 기포를 유발할 수 있다.
기술 수준과 관련된 다양한 개념이 또한 미국 특허 제6,653,012호; 제6,956,635호; 제7,040,606호; 제7,156,379호; 제7,264,725호; 제7,828,155호; 제7938386호; 제8,414,693호; 제9,034,528호; 및 제9,048,469호; 그리고 미국 공개 제20080067700호를 포함할 수 있다. 그러나, 이들은 당업계의 단점을 해결하지 못하고 본 개시 내용의 개선을 달성하지 못하는 것으로 생각된다.
본원의 개념은 연료 전지를 위한 가습 필터 요소의 접착제 단부 캡을 미리-형성된 플라스틱(또는 다른 재료) 슈라우드 및 접착제 조합으로 대체하는 것, 제조, 핸들링, 성능을 보조하는 것, 그리고 접착제 비용을 절감하는 것이다.
일부 실시형태에 따라, 접착제의 적용 전에, 비교적 얇은 환형 플라스틱 구성요소(슈라우드)를 몰드 내로 삽입하는 것이 제시된다. 플라스틱 구성요소는 몰드의 내부 기하형태에 본질적으로 매칭되는 외부 기하형태를 갖는다. 이어서, 섬유의 단부를 구성요소 내로 삽입하고, 이어서 접착제를 구성요소의 내부로 그리고 섬유 단부 주위로 유동시킨다. 요소의 단부는, 전술한 바와 같이, 가열하는 것 그리고 케이스화된 섬유의 단부를 슬라이싱하여 섬유 단부를 노출시키는 것에 의해서, 마감된다. 슈라우드는 또한 몰드를 전체적으로 대체할 수 있다. 슈라우드의 축방향 길이에 따라, 슈라우드의 단부는 또한 마감 프로세스 중에 컷팅될 수 있다.
슈라우드는, 적용예에 따라, 상이한 형상들 및 크기들을 가질 수 있다. 새로운 포팅된 접착제 단부는 중공형 섬유의 모든 개방 단부를 여전히 캡슐화(encapsulate)할 것이나, 이제 완전히 원통형이 될 것이고, 그에 따라 슈라우드가 요소의 윤곽화된 외부 주변부를 형성할 수 있게 할 것이다.
모재 슈라우드(preform shroud)를 몰드 내로 삽입하는 것(또는 슈라우드 설계로 인해서 몰드를 제거하는 것)에 의해서, 새로운 설계는 적은 접착제를 사용할 것이고, 그에 따라 비용을 절감할 것이며, 부가적인 툴링 및 몰드 요건 필요성을 제거할 것이다. 플라스틱의 미리-성형된 슈라우드는 또한 접착제 내에서 기포를 은폐하는데 도움을 줄 수 있다.
요약하면, 포팅된 접착제는, 부분적으로, 몰딩된 플라스틱(또는 다른 재료)로 이루어진 미리-형성된 기능적 단편에 의해서 대체될 수 있다. 환형 슈라우드는 가습 요소의 외부 마감의 부분 및 포팅된 접착제의 나머지를 위한 영구적인 몰드 모두로서의 역할을 할 것이다.
본 발명의 발명 양태는 중공형 멤브레인 튜브의 번들을 포함하는 요소에 관한 것이다. 중공형 멤브레인 튜브는 유체 스트림의 통과를 위한 대향되는 개방 단부들을 갖는다. 제1 및 제2 단부 캡은 각각 대향 개방 단부들에 근접한다. 제1 및 제2 밀봉 표면이 제1 및 제2 단부 캡에 의해서 각각 제공된다. 제1 및 제2 밀봉 표면은 외측으로 대면되고, 해제 가능 밀봉을 용이하게 하기 위해서 자유롭게 결합될 수 있다. 중공형 멤브레인 튜브의 번들의 중간 영역이 제1 및 제2 단부 캡들 사이에서 외부에 노출된다. 제1 및 제2 단부 캡의 각각은 적어도 부분적으로 접착제로 형성된다. 제1 및 제2 단부 캡의 적어도 하나는 모재와 조합된 접착제를 포함하는 복합 단부 캡이다. 접착제는 중공형 멤브레인 튜브들 사이의 간극을 충진하고, 모재는 중공형 멤브레인 튜브의 번들을 적어도 부분적으로 둘러싸고 접착제로 그에 일체로 본딩된다.
여러 특징들이, 이하의 문단에서 제시되는 바와 같이, 상기 양태에서 단독적으로 및/또는 서로 조합되어 이용될 수 있다.
단부 캡의 적어도 하나가 복합 단부 캡이지만, 바람직하게, 제1 및 제2 단부 캡 모두가 복합 단부 캡이고, 그 각각은 바람직하게 자체의 모재를 갖는다.
예를 들어, 제1 단부 캡은 제1 환형 슈라우드를 모재로서 가질 수 있고; 제2 단부는 제2 환형 슈라우드를 모재로서 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 제1 환형 슈라우드 및 제2 환형 슈라우드는 상이한 구성들을 가지며, 그에 따라 상이한 특성들 및/또는 기능들을 가능하게 할 수 있으나, 일부 실시형태에서, 제1 및 제2 환형 슈라우드는 공통되는 구성을 가질 수 있고, 그에 따라 상호 교환될 수 있다.
제1 및 제2 밀봉 표면의 각각은: (a) 제1 단부 캡 또는 제2 단부 캡의 자유 반경방향 또는 축방향 지향 환형 표면; (b) 제1 단부 캡 또는 제2 단부 캡에 장착된 탄성중합체 링 가스켓; 또는 (c) 제1 단부 캡 또는 제2 단부 캡에 의해서 일체로 형성된 립 밀봉부(lip seal)를 포함할 수 있다.
복합 단부 캡을 위한 접착제는 모재를 복합 단부 캡에 오버몰딩(overmold)하는 오버몰드의 형태를 취할 수 있고, 모재는 복합 단부 캡의 최외측 반경방향 표면의 적어도 일부를 제공하고 접착제는 모재와 중첩되는 몰딩 표면을 형성한다.
최외측 반경방향 표면을 형성하는 것에 의해서, 공차를 갖는(toleranced) 미리 결정된 표면이 제공되어 밀봉 표면 중 하나를 촉진할 수 있다.
일반적으로, 제1 및 제2 단부 캡의 각각은 접착제를 통해서 컷팅 단부(cut end)를 포함하고, 그에 따라 대향되는 개방 단부들을 노출시킨다.
일부 실시형태에서, (접착제와 함께) 모재는 제1 및 제2 단부 캡의 적어도 하나에서 컷팅 단부와 공통-평면적으로 컷팅된다. 다른 실시형태에서, 모재는 컷팅되지 않을 수 있고, 접착제만이 컷팅될 수 있다.
모재는 번들을 완전히 둘러싸는 링 부분을 포함할 수 있다.
요소는 선택적으로, 제1 및 제2 단부 캡들 사이에서 연장되는 중공형 멤브레인 튜브의 번들을 둘러싸는, 천공된 케이지를 포함할 수 있다. 이는 구조적 지지 및/또는 보호를 제공할 수 있다.
일부 실시형태에서, 제1 단부 캡은 개방 단부 캡이고 제2 단부 캡은 폐쇄 단부 캡이다. 이러한 배열에서, 중공형 멤브레인 튜브의 번들은, 개방 단부 캡을 통한 개구부 내로 개방되고 폐쇄 단부 캡에서 폐쇄되는 중앙 공동을 형성하는 링으로 배열된다.
일부 실시형태에서, 제1 및 제2 단부 캡은 모두가 폐쇄 단부 캡이고, 이를 통한 통과는 대향되는 개방 단부들을 통해서 중공형 멤브레인 튜브를 통과하는 것으로 제한된다.
바람직하게, 접착제는 폴리우레탄 또는 에폭시를 포함한다.
바람직하게, 모재는 플라스틱을 포함하나, 또한 금속일 수 있다(또는, 미리 결정된 기하형태를 제공하는 일부 다른 재료일 수 있다).
요소는, 이러한 요소가 제거 가능하게 내부에 설치되는 하우징과 조합된, 조립체 내로 통합될 수 있다. 요소는 제1 및 제2 밀봉 표면과 함께 제1 및 제2 밀봉부를 형성한다. 상기 하우징은: 제1 유입구 및 제1 배출구로서, 제1 유동 통로가 제1 유입구로부터 중공형 멤브레인 튜브 및 그 대향 개방 단부들을 통해서 제1 배출구까지 이어지는, 제1 유입구 및 제1 배출구; 그리고 제2 유입구 및 제2 배출구로서, 제2 유동 통로가 중간 영역을 통과하는, 제2 유입구 및 제2 배출구를 포함한다. 이러한 방식으로, 제1 또는 제2 유동 통로가 더 많은 수분 함량을 가지는지의 여부에 따라, 수분이 제1 유동 통로로부터 제2 유동 통로로 또는 그 반대로 전달되도록, 조립체가 동작될 수 있다.
양태는 또한 요소를 형성하기 위한 방법에 관한 것이고, 이러한 방법은: 중공형 멤브레인 튜브의 번들을 수집하는 단계; 번들의 제1 단부 상의 제1 복합 단부 캡에 제1 모재 및 접착제를 적용하는 단계; 접착제를 경화시켜 중공형 멤브레인 튜브의 번들을 제1 복합 단부 캡의 접착제 내에서 캡슐화하는 단계; 및 제1 복합 단부 캡 및 번들의 제1 단부를 통해서 컷팅하여(이러한 컷팅은 제1 모재를 통해서 컷팅할 수 있거나 그렇지 않을 수 있다) 제1 단부에서 중공형 멤브레인 튜브의 개방 단부들을 노출시키는 단계를 포함한다.
방법은 또한 탄성중합체 가스켓을 하우징 밀봉 표면을 가지는 제1 복합 단부 캡 상에 배열하는 단계를 포함할 수 있다.
방법은 일부 실시형태에서 몰드와 함께 이용될 수 있거나, 다른 실시형태에서 모재를 사용하여 액체 접착제를 유지함으로써 몰드의 필요성을 제거할 수 있다.
몰드를 이용하는 방법에서, 제1 복합 단부 캡을 적용하는 단계는: i. 제1 환형 슈라우드를 제1 모재로서 미리 결정된 환형 기하형태의 공동을 갖는 제1 몰드 내에 위치시키는 단계로서, 제1 환형 슈라우드는 제1 몰드의 환형 기하형태와 실질적으로 매칭되는 외부 주변부를 가지는, 단계; ii. 중공형 멤브레인 튜브의 단부가 제1 환형 슈라우드의 내부에 있도록, 번들의 제1 단부를 몰드 내로 삽입하는 단계; 및 iii. 접착제를 제1 몰드 내로 번들까지 적용하여 중공형 멤브레인 튜브의 단부를 캡슐화하는 단계를 포함한다.
바람직하게, 양 단부 캡은 복합 단부 캡이고, 방법은: 번들의 제2 단부 상의 제2 복합 단부 캡에 제2 모재 및 접착제를 적용하는 단계; 접착제를 경화시켜 중공형 멤브레인 튜브의 번들을 제2 복합 단부 캡의 접착제 내에서 캡슐화하는 단계; 제2 복합 단부 캡 및 번들의 제2 단부를 통해서 컷팅하여(이러한 컷팅은 제2 모재를 통해서 컷팅할 수 있거나 그렇지 않을 수 있다) 제2 단부에서 중공형 멤브레인 튜브의 개방 단부들을 노출시키는 단계; 및 제1 및 제2 복합 단부 캡들 사이에서 중공형 멤브레인 튜브의 번들의 중간 영역의 노출을 유지하는 단계를 더 포함한다.
제1 단부 캡과 유사하게, 몰드가 제2 단부 캡을 위해서 사용되는 경우, 제2 복합 단부 캡을 적용하는 단계는: i. 제2 환형 슈라우드를 제2 모재로서 미리 결정된 환형 기하형태의 공동을 갖는 제2 몰드 내에 위치시키는 단계로서, 제2 환형 슈라우드는 제2 몰드의 환형 기하형태와 실질적으로 매칭되는 외부 주변부를 가지는, 단계; ii. 중공형 멤브레인 튜브의 단부가 제2 환형 슈라우드의 내부에 있도록, 번들의 제2 단부를 몰드 내로 삽입하는 단계; 및 iii. 접착제를 제2 몰드 내로 번들까지 적용하여 중공형 멤브레인 튜브의 단부를 캡슐화하는 단계를 포함한다.
다른 양태는, 미리 결정된 길이를 갖는 수집된 중공형 섬유의 링, 및 섬유 링의 각각에 제공되는 단부 캡 조립체를 포함하는, 필터 요소에 관한 것이고, 각각의 단부 캡 조립체는 i) 섬유의 단부를 둘러싸는 환형의 미리-형성된 주변 슈라우드; 및 ii) 슈라우드 내에 위치되고 섬유의 단부를 캡슐화하는 접착제를 포함한다. 전술한 또는 후술되는 임의의 특징이 이러한 양태에 또한 포함될 수 있다.
또 다른 양태는 필터 요소를 형성하기 위한 방법에 관한 것으로서, 방법은: i. 중공형 섬유를 링 내로 수집하는 단계; ii. 환형 슈라우드를, 미리 결정된 원통형 기하형태의 공동을 갖는 몰드 내에 위치시키는 단계로서, 슈라우드는 몰드의 내부 기하형태와 실질적으로 매칭되는 외부 주변부를 가지는, 단계; iii. 섬유의 단부가 슈라우드 내에 있도록, 섬유의 링의 단부를 몰드 내로 삽입하는 단계; iv. 접착제를 몰드 내로 링까지 적용하여, 섬유의 단부를 캡슐화하는 단계; v. 접착제를 경화시키는 단계; 및 vi. 섬유 단부를 노출시키기 위해서 섬유 링의 단부를 마감하는 단계를 포함한다. 전술한 또는 후술되는 임의의 특징이 이러한 양태에 또한 포함될 수 있다.
본 발명의 다른 양태, 목적 및 장점이, 첨부 도면과 함께 고려할 때, 이하의 상세한 설명으로부터 더 명확해질 것이다.
명세서 내에 포함되고 명세서의 일부를 형성하는 첨부 도면이 본 발명의 몇몇 양태를 묘사하고, 상세한 설명과 함께, 발명의 원리를 설명하는 역할을 한다. 도면에서:
도 1은 본 발명의 실시형태에 따른, 분리 및/또는 가습 요소의 측면도이다.
도 2는, 중공형 멤브레인 튜브(중공형 멤브레인 튜브는 개략적으로 도시되어 있다)의 개방 통로를 노출시키기 위해서 대향 단부 캡들을 컷팅하기 전 단계에서의, 도 1에 도시된 분리 및/또는 가습 요소의 (단면 A-A를 통한) 횡단면이다.
도 3은, 내부 및 외부 링 가스켓이 제공된, (도 2와 유사한, 그러나 중공형 멤브레인 튜브의 개방 통로를 노출시키기 위해서 대향 단부 캡들을 컷팅한 후의 후속 단계에서의) 또한 단면 A-A를 통한, 도 1에 도시된 분리 및/또는 가습 요소의 횡단면이다.
도 4는, 연료 전지에서 사용되는 기체 스트림을 가습하기 위해서 연료 전지에서 사용되는 수증기 분리기 및 가습기를 사용하는 도 1에서와 같은 설치 가능한 그리고 제거 가능한 요소를 포함할 수 있는 하우징을 포함하는 연료 전지 가습 조립체의 개략도이다.
도 5는, 설치 가능한 그리고 제거 가능한 요소를 또한 포함할 수 있는 도 4와 유사한, 그러나 하나의 개방 단부 캡 및 하나의 폐쇄 단부 캡 대신 2개의 폐쇄 단부 캡을 가지는, 그에 따라 상이한 기체 유동 통과를 용이하게 하는, 연료 전지 가습 조립체의 다른 실시형태의 개략도이다.
도 6은, 도 4에 도시된 바와 같은 분리 및/또는 가습 요소의 폐쇄 단부를 형성하기 위해서 이용될 수 있는, 접착제 포팅(예를 들어, 에폭시와 같은 접착제를 이용한 몰딩)을 위해서 중공형 멤브레인 튜브의 번들의 일 단부를 수용하기 위해 준비된, 플라스틱 슈라우드 모재가 내부에 설치된 몰드의 실시형태이다.
도 7은, 도 4에 도시된 바와 같은 분리 및/또는 가습 요소의 개방 단부를 형성하기 위해서 이용될 수 있는, 접착제 포팅(예를 들어, 에폭시와 같은 접착제를 이용한 몰딩)을 위해서 중공형 멤브레인 튜브의 번들의 대향 단부를 수용하기 위해 준비된, 플라스틱 슈라우드 모재(2개의 단편)가 내부에 설치된 몰드의 실시형태이다.
도 8 및 도 9는 중공형 멤브레인 튜브의 번들을 캡핑(capping)하기 위해서 도 6 및 도 7의 몰드에서 사용될 수 있는 플라스틱 구성요소 단부 캡의 실시형태이고, 이는, 몰드 내의 중공형 멤브레인 튜브의 번들의 대향 단부들에 대해서 접착제로 포팅될 수 있고 이어서 후속하여 컷팅되어 중공형 멤브레인 튜브의 개방 단부를 노출시킬 수 있다.
본 발명이 특정의 바람직한 실시형태와 관련하여 설명될 것이지만, 본 발명을 그러한 실시형태로 제한하고자 하는 의도는 없다. 반대로, 모든 대안예, 수정예 및 균등물은 첨부된 청구항에 의해서 규정되는 바와 같은 본 발명의 사상 및 범위 내에 포함될 것이다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 따른, 분리 및/또는 가습 요소의 측면도이다.
도 2는, 중공형 멤브레인 튜브(중공형 멤브레인 튜브는 개략적으로 도시되어 있다)의 개방 통로를 노출시키기 위해서 대향 단부 캡들을 컷팅하기 전 단계에서의, 도 1에 도시된 분리 및/또는 가습 요소의 (단면 A-A를 통한) 횡단면이다.
도 3은, 내부 및 외부 링 가스켓이 제공된, (도 2와 유사한, 그러나 중공형 멤브레인 튜브의 개방 통로를 노출시키기 위해서 대향 단부 캡들을 컷팅한 후의 후속 단계에서의) 또한 단면 A-A를 통한, 도 1에 도시된 분리 및/또는 가습 요소의 횡단면이다.
도 4는, 연료 전지에서 사용되는 기체 스트림을 가습하기 위해서 연료 전지에서 사용되는 수증기 분리기 및 가습기를 사용하는 도 1에서와 같은 설치 가능한 그리고 제거 가능한 요소를 포함할 수 있는 하우징을 포함하는 연료 전지 가습 조립체의 개략도이다.
도 5는, 설치 가능한 그리고 제거 가능한 요소를 또한 포함할 수 있는 도 4와 유사한, 그러나 하나의 개방 단부 캡 및 하나의 폐쇄 단부 캡 대신 2개의 폐쇄 단부 캡을 가지는, 그에 따라 상이한 기체 유동 통과를 용이하게 하는, 연료 전지 가습 조립체의 다른 실시형태의 개략도이다.
도 6은, 도 4에 도시된 바와 같은 분리 및/또는 가습 요소의 폐쇄 단부를 형성하기 위해서 이용될 수 있는, 접착제 포팅(예를 들어, 에폭시와 같은 접착제를 이용한 몰딩)을 위해서 중공형 멤브레인 튜브의 번들의 일 단부를 수용하기 위해 준비된, 플라스틱 슈라우드 모재가 내부에 설치된 몰드의 실시형태이다.
도 7은, 도 4에 도시된 바와 같은 분리 및/또는 가습 요소의 개방 단부를 형성하기 위해서 이용될 수 있는, 접착제 포팅(예를 들어, 에폭시와 같은 접착제를 이용한 몰딩)을 위해서 중공형 멤브레인 튜브의 번들의 대향 단부를 수용하기 위해 준비된, 플라스틱 슈라우드 모재(2개의 단편)가 내부에 설치된 몰드의 실시형태이다.
도 8 및 도 9는 중공형 멤브레인 튜브의 번들을 캡핑(capping)하기 위해서 도 6 및 도 7의 몰드에서 사용될 수 있는 플라스틱 구성요소 단부 캡의 실시형태이고, 이는, 몰드 내의 중공형 멤브레인 튜브의 번들의 대향 단부들에 대해서 접착제로 포팅될 수 있고 이어서 후속하여 컷팅되어 중공형 멤브레인 튜브의 개방 단부를 노출시킬 수 있다.
본 발명이 특정의 바람직한 실시형태와 관련하여 설명될 것이지만, 본 발명을 그러한 실시형태로 제한하고자 하는 의도는 없다. 반대로, 모든 대안예, 수정예 및 균등물은 첨부된 청구항에 의해서 규정되는 바와 같은 본 발명의 사상 및 범위 내에 포함될 것이다.
본 발명의 실시형태에 따라, 도 1 내지 도 3은 분리 및/또는 가습 요소(10)를 도시한다. 요소(10)는 또한, 다른 더 건조한 기체 스트림 내로 방출되어 멤브레인 분리 용량을 재생할 수 있는 기체 스트림으로부터 수증기를 분리하기 위해서 멤브레인 매체를 사용한다는 점에서, 필터 요소로서 지칭될 수 있다. 요소(10)는, 2개의 유체 스트림들 사이에서 습기를 교환하도록 동작될 수 있는 중공형 멤브레인 튜브(12)(예를 들어, 일반적으로 섬유 유형 멤브레인)를 이용한다. 예를 들어, 중공형 멤브레인 튜브(12)는 중공형 내측부를 통해서 이송될 수 있는 기체 스트림을 튜브(12)를 둘러싸는 외부 기체 스트림으로부터 분리할 수 있다. 튜브(12)의 멤브레인 재료는 수증기가 높은 습도의 기체 스트림으로부터 더 낮은 습도의 기체 스트림으로 전달되는 것을 촉진하는 한편, 동시에 분리에서 바람직하게 유지되는 다른 기체의 전달을 효과적으로 방지한다.
요소(10)에 대해서 더 구체적으로 설명하기 전에, 도 4를 참조하여 예시적인 동작 환경에 대해서 설명할 것이다. 예시적인 사용에 따라, 요소(10)는 하우징(14)과 함께 사용되어, 요소(10)가 하우징(14) 내에 제거 가능하게 설치되는 가습 조립체(16)를 제공할 수 있다. 예를 들어, 하우징(14)은, 요소(10)를 하우징 기부(22)에 설치할 수 있게 하고 그로부터 제거할 수 있게 하는 제거 가능 커버(20)를 제공할 수 있는 (개략적으로 도시된) 분할부(16)를 가질 수 있다.
바람직하게, 요소는 적어도 하나, 일반적으로 적어도 2개 그리고 종종 도 4에 도시된 바와 같이 3개의 위치(24, 25, 26)에서 하우징에 대해서 제거 가능하게 밀봉되고, 이는 미리 결정된 유동 통로를 조립체를 통해서 보다 양호하게 제공할 수 있고 수증기 전달의 효율을 개선할 수 있다.
조립체(16)에서, 하우징은: 제1 유입구(28) 및 제1 배출구(30); 그리고 제2 유입구(32) 및 제2 배출구(34)를 포함한다. 도 4에서 유동 화살표로 도시된 바와 같이, 조립체(16)는, 제1 유입구(28)로부터 중공형 멤브레인 튜브(12)(그리고 그 대향 개방 단부들)를 통해서 제1 배출구(30)까지 이어지는 제1 유동 통로(36)를 제공한다. 조립체(16)는 또한 2개의 밀봉 위치들(24, 25) 사이의 중간 영역을 통해서 제2 유동 통로(38)를 제공한다.
제1 또는 제2 유동 통로가 더 많은 수분 함량을 가지는지의 여부에 따라, 수분이 제1 유동 통로(36)로부터 제2 유동 통로(38)로 또는 그 반대로 전달되도록, 조립체(16)가 동작될 수 있다. 예를 들어, 연료 전지를 위한 반응 기체가 제1 유동 통로(36)를 따라서 전달될 수 있는 반면, 더 높은 습도의 반응된/배기 기체는 제2 유동 통로(38)를 따라서 전달되어 수증기를 반응 기체에 전달할 수 있고 그에 따라 연료 전지의 동작 효과를 개선할 수 있다(또는 역으로, 반응 기체가 제2 유동 통로(38)를 따라서 그리고 반응된/배기 기체가 제1 유동 통로(36)를 따라서 전달될 수 있다).
예시적인 동작 환경을 이해하면, 도 1 내지 도 3에 도시된 요소(10)의 구조에 더 주의를 기울일 수 있을 것이다. 도 2 및 도 3을 참조하면, 도 2는, 중공형 멤브레인 튜브(12)의 대향되는 개방 단부들(40)을 노출시키기 위해서 단부들이 여전히 컷팅될 필요가 있는, 마감되지 않은 요소라는 것을 이해할 수 있을 것이며, 이러한 개방 단부(40)는 도 3 및 도 4를 참조하여 확인할 수 있다. 도 3에서, 요소(10)의 대향 단부들을 컷팅하여, 중공형 멤브레인 튜브(12)의 중공형 통로를 통한 기체 통과를 위해서 대향되는 개방 단부들(40)을 개방하는 컷팅된 단부 면(42)을 제공한다.
중공형 멤브레인 튜브는 번들(44)로 배열되고, 이러한 실시형태는 도시된 바와 같이 링의 형상이나, 또한 도 5의 실시형태에서 도시된 바와 같이 중앙에 배치된 중공형 내부 공동을 가지지 않는 것을 포함하는 다른 수집의 형태일 수 있다. 도 1 내지 도 4의 번들은, 동작 가능한 내부 천공형 지지 튜브(45)(예를 들어, 개구부(47)를 갖는 몰딩된 플라스틱 튜브)를 둘러싸는 관계로 번들(40)을 도시한다.
제1 및 제2 단부 캡(48, 50)(예를 들어, 복합 단부 캡)은 번들(44)의 대향 단부들에 그리고 도 3에 도시된 바와 같이 중공형 멤브레인 튜브(12)의 대향되는 개방 단부들(40)에 각각 근접하여 위치된다. 중공형 멤브레인 튜브(12)의 번들(44)의 중간 영역(46)은 제1 및 제2 단부 캡들(48, 50) 사이에서 외부에 노출되고, 이는, 어디에 더 많은 수증기 함량이 있는 지의 여부에 따라, 수증기가 중공형 멤브레인 튜브를 통해서 외측에서-내측으로 또는 내측에서-외측으로 전달되는 것을 촉진하는 지역이다.
제1 및 제2 밀봉 표면(52, 54)은 제1 및 제2 단부 캡(48, 50)(이들은, 하우징(14) 내에서 이용될 때, 밀봉 위치(24, 25)에 상응할 수 있다)에 의해서 각각 제공된다. 제1 및 제2 밀봉 표면(52, 54)은 외측으로 대면되고, 예를 들어 도 4에 도시된 바와 같이 하우징(14)과의 해제 가능한 밀봉을 촉진하기 위해서 자유롭게 결합될 수 있다. 따라서, 밀봉 표면(52, 54)은 하우징 밀봉부로서 지칭될 수 있는 역할을 한다. 특히, 이러한 밀봉 표면(52, 54)은 외부로 노출되어, 하우징과 함께 사용될 때, 축방향 밀봉부, 반경방향 밀봉부, 또는 그 조합을 제공하고, 내부에서 사용될 때 하우징으로부터의 해제(예를 들어, 서비스 중의 제거 또는 설치 및/또는 교체)를 허용한다.
실시형태는 또한 선택적으로, 개방 단부 캡 설계가 도 4의 실시형태에서 이용되는 것으로 인해서 이러한 실시형태에서 바람직하게 사용되는, 내부로 지향될 수 있는, 제3 밀봉 표면(56)을 포함한다. 도 5의 실시형태를 참조할 때 명확한 바와 같이, 이러한 제3 밀봉부는 필요하지 않고 선택적이며, 예를 들어 2개의 폐쇄 단부 캡이 이용되는 경우에 사용되지 않는다.
제1 및 제2 밀봉 표면(52, 54)의 각각은 다양한 구성일 수 있고, 예를 들어 이하 중 하나 이상을 포함할 수 있다: (a) 제1 단부 캡 또는 제2 단부 캡의 자유 반경방향 또는 축방향 지향 환형 표면(예를 들어, 타이트한 공차의 외부 반경방향 및/또는 축방향 표면(52A 및 54A)); 또는 더 바람직하게 제1 단부 캡 및 제2 단부 캡(또는 제1 단부 캡 또는 제2 단부 캡에 의해서 일체로 형성된 다른 립 밀봉부)에 장착될 수 있는 별도의 탄성중합체 링 가스켓(52B, 54B)(일반적으로, 복합 단부 캡보다 더 탄성중합체적 및 탄성적인 다른 재료). 예를 들어, 유지 홈, 접착제, 스냅 핏(snap fit), 팽창 핏, 유지 플랜지, 또는 다른 장착부가 단부 캡에 대한 유지를 위해서 사용될 수 있다.
제1 및 제2 밀봉 표면(52, 54)은 밀폐적일 필요는 없으나, 바람직하게 보다 양호한 수증기 교환 동작을 위한 충분한 밀봉을 제공하고, 이러한 밀봉 표면(52, 53)은, 기체의 누출을 방지하는 것 그리고 기체를 그 분리된 스트림들을 따라서 지향시키는 것, 바람직하게 정상 동작에서 밀봉 위치에서 각각의 분리 기체 스트림의 기체 체적의 적어도 95% 이상, 일반적으로 적어도 99%의 우회를 방지하는 것에 의해서, 동작의 효율 및 효과를 개선한다.
따라서, 각각의 밀봉부(52, 54(그리고 56, 사용되는 경우))는 바람직하게 별도의 탄성중합체 가스켓(예를 들어, 니트릴, 우레탄, EPDM, 네오프렌, 실리콘, 부틸 고무, 탄화 불소 고무 또는 기타 유사한 고무 재료 중 임의의 것으로 제조될 수 있음)를 포함하거나, 제어된 치수 및/또는 공차의 단부 캡(본원의 실시형태에 따른 모재를 사용함으로써 향상될 수 있음), 또는 예를 들어 와이퍼 유형 밀봉부와 같이, 밀봉부로서 압축, 편향 또는 달리 작용하기 위한 가요성을 제공하는 모재 자체의 일체형의 얇은 환형 웹을 포함하는, 플라스틱, 고무 또는 기타 밀봉 재료로 이루어진 얇은 가요성 립일 수 있다.
도 2 내지 도 4(그리고 또한 도 5의 대안적인 실시형태)에서 가장 잘 도시된 바와 같이, 단부 캡(48, 50)의 각각은 접착제(58)(예를 들어, 액체 형태로 적용될 수 있고 고체 형태로 경화될 수 있는 에폭시 또는 폴리우레탄)와 함께 적어도 부분적으로 형성된다. 또한, 제1 및 제2 단부 캡(48, 50)의 적어도 하나 그리고 더 바람직하게 양 단부 캡들은, 모재와 함께 접착제(58)를 포함하는 도시된 바와 같은 복합 단부 캡; 예를 들어 제1 단부 캡(48)을 위한 제1 환형 슈라우드(60)와 같은 제1 모재 및 제2 단부 캡(50)을 위한 제2 환형 슈라우드(62)와 같은 제2 모재이다.
슈라우드(60, 62)는 바람직하게 플라스틱과 같은 미리 형성된 재료이나, 튜브에 적용될 때 접착제(58)와 같이 제 위치에서 경화되지 않는 다른 재료(금속 또는 기타)일 수 있다. 접착제(58)는 중공형 멤브레인 튜브들(12) 사이의 간극을 충진한다. 각각의 슈라우드(60, 62) 모재는 중공형 멤브레인 튜브의 번들을 적어도 부분적으로 둘러싸고 접착제(58)로 그에 일체로 본딩된다.
접착제(58)는 또한 상이한 플라스틱 부분들을 함께 커플링시킬 수 있고, 희망하는 경우, 그 사이의 누출 경로를 방지할 수 있다. 예를 들어, 접착제(58)는 외부 케이스(96)와 단부 캡(52, 54) 사이에 그리고 내부 지지 튜브(45)와 단부 캡(52, 54) 사이에 스며들어 이들을 커플링시킬 수 있다.
복합 단부 캡(48, 50) 중 어느 하나 또는 모두에서 모재를 사용하는 것에 의해서 이하의 몇몇 장점이 제공될 수 있다: 예를 들어, 더 고가인 접착제에 비해서 더 저렴한 모재 재료가 단부 캡의 상당한 부분을 위해서 사용될 수 있다는 점에서, 비용 절감; 모재 슈라우드(60, 62)가 접착제를 완전히 포함할 수 있고 그에 따라 몰드의 필요성을 제거할 수 있다는 것, 또는 몰드와 함께 접착제를 부분적으로 포함하여 몰드 프로세싱이 잠재적으로 더 용이하게 이루어질 수 있게 하는 것, 그리고 접착제 적용 및 경화 중에 기체를 방출할 수 있는 기포를 보이지 않게 은폐하는 것; 및/또는 몰드로부터 해제된 후에 경화 프로세스에 의해서 영향을 받지 않는 복합 단부 캡(48, 50)을 위한 신뢰 가능한 공차의 외부 표면 및 밀봉 표면을 제공할 수 있는 미리 결정된 그리고 신뢰 가능한 외부 표면을 모재 슈라우드(60, 62)가 제공할 수 있다는 것.
또한 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 상이한 단부들에서의 슈라우드(60, 62)의 상이한 구성들은 요소(10)의 상이한 단부들에서 상이한 기능들을 제공할 수 있다.
대안적으로, 슈라우드 및 단부 캡은 도 5의 실시형태에서 도시된 바와 같이 상호 교환 가능할 수 있고(제1 단부가 제2 단부 일 수 있고 그 반대 일 수 있고), 그에 따라 공통되는 부품들을 사용할 수 있게 한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 슈라우드(60, 62)의 각각은, 외부 주위 링 부분(68, 70)으로부터 각각 반경방향 내측으로 연장되는 커버 부분(64, 66)을 가질 수 있다. 외부 주위 링 부분(68, 70)은 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같은 반경방향 최외측 프로파일의 규정을 제공할 수 있고/있거나, (부가적인 가스켓을 가지거나 가지지 않고) 밀봉 표면(52, 54)을 촉진할 수 있다.
커버 부분(64, 66)은 몰드가 없는 적용예를 제공할 수 있고, 여기에서 포팅 접착제는 (중공형 멤브레인 튜브(12)의 개방 단부(40)를 다시-노출시키기 위해서 컷팅되기 전에) 슈라우드(60, 62)에 의해서 제공된 환형 포팅 웰(annular potting well)(72, 74) 내로 제공될 수 있다. 환형 포팅 웰(72, 74)은, 적용 및 경화 프로세스 중에 포팅을 위해서 액체 접착제를 수용하여 유지할 수 있는 링 부분(68, 70)(그리고 커버 부분(64, 66)에 의해서 제공된 하단 표면)과 함께 작용하는 내부 유지 벽(80, 82)을 가질 수 있다.
경화되면, 중공형 멤브레인 튜브(12) 및 슈라우드(60, 62)의 커버 부분을 막는 접착제를 포함하는 요소의 단부 부분이 컷팅될 수 있다(예를 들어, 외부 주위 링 부분(68, 70) 및 내부 유지 벽(80, 82)을 통한 모재를 통한 컷팅). 이는, 도 2(컷팅-전)와 도 3(컷팅 후에 마감됨)의 비교에서 확인될 수 있는 바와 같이, 동작 목적을 위해서 요소(10)를 마감한다.
또한, 하나의 단부 캡(48)은 개방 단부 캡일 수 있고, (중공형 멤브레인 튜브(12)의 번들(44)의 중간 영역(46)을 통과할 때 통로(38) 중 하나가 통과할 수 있는) 중앙 공동(78) 내로 개방되는 중앙 개구부(84)(예를 들어, 캡 표면 및/또는 가스켓으로서 제3 밀봉부(56)를 갖는다)를 형성할 수 있는 한편; 다른 캡(52)은 중앙 플러그(76)를 또한 형성할 수 있고 그에 의해서 제2 단부 캡(50)을 위한 폐쇄 단부 캡이 될 수 있다.
대안적으로, 도 5의 실시형태를 참조할 때 확인되는 바와 같이, 양 단부 캡이 폐쇄된 상태에서 단부 캡 중 어느 것도 개방될 수 없다.
도 2에 도시된 슈라우드(60, 62)가 또한 적용 중에 액체 접착제를 유지하기 위한 조립 보조부로서 작용할 수 있지만, 슈라우드(60, 62)는 또한, 중공형 멤브레인 튜브(12)의 번들(44)에 적용하기 위해서 액체 접착제를 함께 수용하는, 몰드(90, 92)(도 6 및 도 7)과 함께 사용될 필요가 있는 도 8 및 도 9에 도시된 것과 같은 더 단순한 링 부재(86, 88)일 수 있다. 이러한 실시형태에서, 복합 단부 캡을 위한 접착제는 모재를 복합 단부 캡에 오버몰딩하는 오버몰드의 형태이고, 모재는 복합 단부 캡의 최외측 반경방향 표면의 적어도 일부를 여전히 제공할 수 있고 접착제는 모재와 중첩되는 몰딩 표면을 형성한다. 예를 들어, 단순한 링 부재(86, 88)는 외부 주위 링(68, 70)(그리고 내부 단부 캡을 위한 추가적인 모재 단편(94))에 상응할 수 있고 이를 제공할 수 있다.
어느 실시형태(도 6 내지 도 9의 오버몰드 또는 도 3으로 컷팅되는 도 2의 오버몰드)에서, 제1 및 제2 단부 캡의 각각은 접착제를 통해서 컷팅된 단부 면(42)을 포함하고, 그에 따라 중공형 멤브레인 튜브(12)의 대향되는 개방 단부들(40)을 노출시킨다.
도 3에 또한 도시된 바와 같이, 모재는 제1 및 제2 단부 캡 중 적어도 하나를 위해서 컷팅된 단부와 공통-평면적으로 컷팅될 수 있고, 이는 모재를 통해 컷팅될 수도 있고 그렇지 않을 수도 있다.
선택적으로, 천공된 케이지(96)(예를 들어, 개구부가 몰딩된 플라스틱 몰딩된 케이지)가 중공형 멤브레인 튜브의 번들을 둘러싸고 제1 단부 캡과 제2 단부 캡 사이에서 연장될 수 있다. 이는 또한 모재의 특성으로 인해서 위치될 수 있고, 원하는 경우, 슈라우드(60, 62)와 연결될 수 있어, 신뢰성을 제공한다. 케이지(96)는 번들(44)의 개방된 중간 영역(46)을 손상으로부터 보호하고 또한 지지 구조를 제공할 수 있다. 케이지(96)가 있더라도, 중공형 멤브레인 튜브(10)는 중공형 멤브레인 튜브(12)를 통한 수증기 전달을 용이하게 하기 위해서 제1 및 제2 단부 캡들(48, 50) 사이의 중간 영역(46)에서 (개방 기체 교환을 위한 다공성으로 인해) 여전히 외부에 노출된다.
도 5를 참조하면, 이러한 실시형태 이외에 도 4와 본질적으로 동일한 요소(110)의 다른 실시형태는 (개방 단부 캡(48) 및 폐쇄 단부 캡(50)과 비교되는) 2개의 폐쇄 단부 캡(148, 150)을 사용하고, 이는 약간 다른 유동 경로를 용이하게 하고, 제3 밀봉부(56)를 필요로 하지 않는다. 이와 같은 유사한 참조 번호는 유사한 기능을 갖는 유사한 구성요소에 대해서 사용될 것이므로(이러한 실시형태에서 100을 더함), 명시적으로 언급된 경우를 제외하고, 다른 실시형태(들)에 대한 개시 내용이 이러한 실시형태에 적용될 수 있고, 그 반대의 경우도 마찬가지임을 이해해야 한다.
이러한 요소는 또한 중공형 멤브레인 튜브(112)의 번들(144)을 포함하지만, 이들은 링-형상이 아닌 단순한 번들 수집으로 배열된다. 결과적으로, 내부 중앙 공동이 없을 수 있다.
단부 캡(148, 150)은 또한 동일한 구성일 수 있고, 그에 따라 양 단부를 유입구 단부 또는 배출구 단부에서 이용할 수 있게 할 수 있다. 또한, 그 각각은 유사한 제1 및 제2 밀봉 표면들(152, 154)을 포함할 수 있으며(전술한 실시형태에 대한 설명은 이러한 실시형태에도 적용 가능함), 둘 모두가, 전술한 실시형태와 동일한 효과를 갖는 접착제(158) 및 모재(160, 162)을 포함하는 복합 단부 캡일 수 있다(둘 모두가 몰드를 사용할 수 있거나, 커버 부분을 가짐으로서 몰드를 가지지 않게 할 수 있고; 그리고 컷팅된 단부 면(142)에서 개방 단부(140)가 노출되는 동안 선택적으로 컷팅될 수 있다).
요소(110)는 단부 캡들(148, 150) 사이에 중공형 멤브레인 튜브(112)가 노출되는 중간 영역(146)을 포함하고, 그에 따라 수증기가 기체 스트림들 사이에서 전달되는 것을 용이하게 한다.
특히, 요소(110)는 하우징과 함께 유사한 조립체(116)에서 사용될 수 있고, 하우징은: 제1 유입구(128) 및 제1 배출구(130); 그리고 제2 유입구(132) 및 제2 배출구(134)를 포함한다. 도 5에서 유동 화살표로 도시된 바와 같이, 조립체(116)는, 제1 유입구(128)로부터 중공형 멤브레인 튜브(112)(그리고 그 대향 개방 단부들)를 통해서 제1 배출구(130)까지 이어지는 제1 유동 통로(136)를 제공한다. 조립체(116)는 또한 제1 및 제2 밀봉 표면(152, 154)에서 제공되는 2개의 밀봉 위치들 사이의 그리고 제2 유입구(132)와 제2 배출구(134) 사이의 중간 영역을 통해서 제2 유동 통로(138)를 제공한다.
제1 또는 제2 유동 통로가 더 많은 수분 함량을 가지는지의 여부에 따라, 수분이 제1 유동 통로(136)로부터 제2 유동 통로(138)로 또는 그 반대로 전달되도록, 조립체(116)가 동작될 수 있다. 예를 들어, 연료 전지를 위한 반응 기체가 제1 유동 통로(136)를 따라서 전달될 수 있는 반면, 더 높은 습도의 반응된/배기 기체는 제2 유동 통로(138)를 따라서 전달되어 수증기를 반응 기체에 전달할 수 있고 그에 따라 연료 전지의 동작 효율을 개선할 수 있다(또는 역으로, 반응 기체가 제2 유동 통로(138)를 따라서 그리고 반응된/배기 기체가 제1 유동 통로(136)를 따라서 전달될 수 있다).
상이한 실시형태들이 유사한 방법에 따라 만들어 질 수 있다. 요소(10, 110)를 형성하기 위한 방법이: 중공형 멤브레인 튜브(12, 112)의 번들(44, 144)을 수집하는 단계; 번들의 제1 단부 상의 제1 복합 단부 캡(48, 148(또는 50, 150))에 제1 모재(60, 160(또는 62, 162)) 및 접착제(58, 158)를 적용하는 단계; 접착제를 경화시켜 중공형 멤브레인 튜브의 번들을 제1 복합 단부 캡의 접착제 내에서 캡슐화하는 단계; 및 제1 복합 단부 캡 및 번들의 제1 단부를 통해서 컷팅하여 제1 단부에서(예를 들어, 하나의 컷팅 단부 면(42, 142)에서) 중공형 멤브레인 튜브의 개방 단부들을 노출시키는 단계를 포함한다. 앞서 주목한 바와 같이, 모재는 컷팅 중에 컷팅될 수 있거나 그렇지 않을 수 있다.
방법은 바람직하게 양 단부에서 복합 단부 캡을 제공하고, 그에 따라 번들의 제2 단부 상의 제2 복합 단부 캡(50, 150(또는 48, 148))에 제2 모재(62, 162(또는 60, 160)) 및 접착제(58, 158)를 적용하는 단계; 접착제를 경화시켜 중공형 멤브레인 튜브의 번들을 제2 복합 단부 캡의 접착제 내에서 캡슐화하는 단계; 제2 복합 단부 캡 및 번들의 제2 단부를 통해서 컷팅하여 제2 단부에서(예를 들어, 다른 컷팅 단부 면(42, 142)에서) 중공형 멤브레인 튜브의 개방 단부들을 노출시키는 단계; 및 (선택적으로 케이지(96)에 의해서 보호될 수 있는) 제1 및 제2 복합 단부 캡들 사이에서 중공형 멤브레인 튜브의 번들의 중간 영역(48, 148)의 노출을 유지하는 단계를 더 포함한다.
방법은 바람직하게 탄성중합체 가스켓을, 하우징 밀봉 표면을 가지는 제1 및/또는 제2 복합 단부 캡 중 어느 하나 또는 둘 모두 상에 배열하는 단계를 포함한다. 대안적으로, 탄성중합체 가스켓이 제공되지 않는 경우(및/또는 가스켓에 더하여), 단부 캡(들)(48, 148, 50, 150)의 외부 주변 표면은 하우징 밀봉 목적을 위해서 밀봉 타이트 핏을 위한 구성 및 공차를 가질 수 있으며, 이는 모재의 외부 주변 표면에 의해 촉진될 수 있다.
제1 및 제2 복합 단부 캡(48, 148, 50, 150) 중 어느 하나 또는 모두를 적용하는 방법은: i. 환형 슈라우드(60, 62, 160, 162)를 모재로서 미리 결정된 환형 기하형태의 공동을 갖는 몰드(90, 92) 내에 위치시키는 단계로서, 환형 슈라우드는 몰드의 환형 기하형태와 실질적으로 매칭되는 외부 주변부를 가지는 단계; 중공형 멤브레인 튜브의 단부가 제1 환형 슈라우드의 내부에 있도록, 번들의 제1 단부를 몰드 내로 삽입하는 단계; 및 접착제(58, 158)를 제1 몰드 내로 번들까지 적용하여 중공형 멤브레인 튜브의 단부를 캡슐화하는 단계를 포함한다.
본원의 여러 실시형태에서 잠재적으로 사용될 수 있는 재료에 관한 추가적인 상세 내용
중공형 멤브레인 튜브(12, 112)는 3인치 내지 3피트 길이(요소(10)의 길이에 상응함)의 중공형 중합체 섬유를 포함할 수 있고; 대향 개방 단부들의 개방 면적은 1/2인치 내지 1/2피트까지 다양할 수 있는 튜브(12) 직경에 의해 제공된다.
전술한 실시형태 중 임의의 실시형태에서 사용될 수 있는 적합한 중공형 멤브레인 튜브(12, 112)는 일반적으로 당업계에 공지되어 있으며, 이는 이하에 의해서 예시될 수 있다: Lee의 미국 특허공보 제2010/0190093호로서, 이는 중공형 중심을 가지는 튜브-형 제1 친수성 중합체 필름 및 튜브-형 제1 친수성 중합체 필름의 내부 표면에 코팅된 제2 친수성 중합체 필름을 갖는 중공형 섬유 멤브레인을 개시한다(예를 들어, Lee의 미국 특허공보 제2010/0190093호는 튜브가 1개 또는 2개의 필름(바람직하게 2개의 필름)을 가질 수 있고, 폴리에테르이미드(PEI), 폴리이미드(PI), 폴리아미드이미드(PAI), 폴리설폰 또는 폴리에테르설폰, 과불화술폰산 공중합체, 폴리비닐알코올(PVA) 또는 폴리아크릴로니트릴(PAN)으로부터 생성될 수 있는 섬유 멤브레인 재료를 포함할 수 있다); 및/또는 Korytnikov 등의 미국 특허공보 제2008/0067700호로서, 이는 물-투과성 및 미세-기공 구조를 가지며 폴리설폰, 폴리카보네이트, 폴리아미드 등으로 제조되고 2개의 유체 스트림들 사이에서, 즉 기체에서 기체로 또는 액체에서 기체로 습기를 교환할 수 있는, 중공형 섬유를 개시한다(가습을 위한 기체 스트림 대상 내로의 물 캐리어(DI 물, 습한 기체)의 누출을 최소화하기 위해서 멤브레인의 물 투과도는 10 ml/hr/mmHg 이하이다); 및/또는 인 것); 및/또는 Leister 등의 미국 특허 제8,181,943호에 기재된 바와 같이 상업적으로 이용 가능한 것, 및/또는 "Vaperma Siftek Technology"(https://www.greencarcongress.com/2009/03/uop-to-offer-va.html 및 Cranford 등/Vaperma, Inc.의 EP 1,651,332 참조). 따라서, 이러한 문단 내의 특허 공보는, 개시된 멤브레인 재료가 본 개시 내용의 중공형 멤브레인 튜브(12, 112)의 실시형태에서 사용될 수 있는 것으로서 그 전체가 참조로 포함된다.
전술한 임의의 실시형태에서 사용될 수 있는 적합한 접착제(58, 158)가, 비제한적으로, 2 액형 에폭시를 포함하는 다양한 에폭시, 및 유동 가능 점성 액체 형태로 도포되고 제 위치에서 경화될 수 있는 다양한 유형의 폴리우레탄 또는 다른 그러한 접착제를 포함한다.
유동 가능 점성 액체 형태로 적용되는 접착제(58, 158)는 일반적으로 인접한 튜브들 사이의 간극을 충진하여, 수분 분리 및 교환 목적의 원하는 효과를 발생시키기에 충분하게, 유체 스트림의 전부 또는 대부분이 중공형 멤브레인 튜브들(12, 112)의 대향되는 개방 단부들을 통해서 흐르게 할 것이다.
모재(들)(60, 62, 160, 162)은, 예를 들어, 나일론, PET(폴리에틸렌 테레프탈레이트), 폴리에틸렌(HDPE 또는 LDPE), PVC(폴리염화비닐), PP(폴리프로필렌), PS(폴리스티렌) 및/또는 기타 플라스틱 사출 몰딩된 플라스틱 재료와 같은 적합한 플라스틱 재료로부터 조립 전에 플라스틱 사출 몰딩될 수 있는 환형 슈라우드의 형태를 취할 수 있다. 예를 들어, 금속과 같은, 다른 비-플라스틱 재료가 또한 모재(들)(60, 62, 160, 162) 중 임의의 하나를 위해서 사용될 수 있다.
본원에서 인용된 공보, 특허 출원, 및 특허를 포함하는 모든 참조물은, 각각의 참조물이 개별적으로 그리고 구체적으로 참조로 포함된 것과 같은 범위에서 그리고 그 전체가 본원에서 기술된 것과 같은 범위에서, 참조로 포함된다.
본 발명을 설명하는 문맥에서 (특히 이하의 청구항의 문맥에서) 부정관사("a" 및 "an") 및 정관사("the") 그리고 유사한 언급을 사용한 것은, 본원에서 달리 명시되지 않는 한 또는 문맥에 의해서 분명히 반대로 설명되지 않는 한, 단수형 및 복수형 모두를 포함하는 것으로 해석될 수 있을 것이다. "포함하는", "가지는" 포괄하는", 그리고 "함유하는"이라는 용어는, 달리 설명되지 않는 한, 개방형 용어(즉, "포함하나 그에 제한되지 않는 것")으로 해석될 것이다. 본원에서 달리 명시되어 있지 않는 한, 본원에서의 값의 범위의 인용은 단지 그러한 범위에 속하는 각각의 별개의 값을 개별적으로 지칭하는 간단한 방법으로서의 역할을 위한 것이고, 각각의 별개의 값은 그러한 것이 본원에서 개별적으로 인용된 것과 같이 본 명세서 내에 포함된다. 본원에서 설명된 모든 방법은, 본원에서 달리 명시되지 않는 한 또는 문맥에 의해서 분명히 반대로 설명되지 않는 한, 임의의 적합한 순서로 실시될 수 있다. 본원에서 제공된 임의의 그리고 모든 예, 또는 예시적인 언어(예를 들어, "~와 같은")의 이용은 단지 본 발명을 보다 양호하게 예시하기 위한 것이고, 달리 청구되지 않는 한 본 발명의 범위에 대한 제한을 제시하지 않는다. 명세서 내의 어떠한 언어도, 임의의 청구되지 않은 요소가 본 발명의 실시에 필수적인 것으로 표시되는 것으로 해석되지 않아야 한다. 본원에서 사용된 접속사("또는" 또는 "및/또는")은, 문맥상 "배타적 또는"의 해석을 명확하게 나타내지 않는 한, "포괄적 또는"을 의미할 것이다.
발명자가 생각하기에 본 발명을 실행하기에 최적인 모드를 포함하여, 본 발명의 바람직한 실시형태가 본원에서 설명되어 있다. 전술한 설명으로부터, 그러한 바람직한 실시형태의 변경이 당업자에게 명확해질 수 있을 것이다. 발명자는, 숙련된 기술자가 그러한 변경을 적절히 이용할 것으로 예상하고, 발명자는 본원에서 구체적으로 설명된 것과 달리 본 발명이 실시되는 것을 의도한다. 따라서, 본 발명은, 적용 가능한 법률에 의해서 허용되는 바와 같이, 첨부된 청구범위 내에서 인용된 청구 대상의 모든 수정 및 균등물을 포함한다. 또한, 본원에서 달리 명시되지 않는 한 또는 문맥에 의해서 분명히 반대로 설명되지 않는 한, 모든 가능한 변경예 내의 전술한 요소의 임의 조합이 본 발명에 포함된다.
Claims (22)
- 요소이며:
유체 스트림의 통과를 위한 대향되는 개방 단부들을 가지는, 중공형 멤브레인 튜브의 번들;
대향 개방 단부들에 각각 근접하는 제1 및 제2 단부 캡;
상기 제1 및 제2 단부 캡에 의해서 각각 제공되는 제1 및 제2 밀봉 표면으로서, 외측으로 대면되고 해제 가능 밀봉을 용이하게 하기 위해서 자유롭게 결합될 수 있는, 제1 및 제2 밀봉 표면;
상기 제1 및 제2 단부 캡들 사이에서 외부에 노출되는 상기 중공형 멤브레인 튜브의 번들의 중간 영역;
적어도 부분적으로 접착제로 형성되는 제1 및 제2 단부 캡의 각각을 포함하고, 그리고
상기 제1 및 제2 단부 캡의 적어도 하나는 모재와 조합된 접착제를 포함하는 복합 단부 캡이고, 상기 접착제는 상기 중공형 멤브레인 튜브들 사이의 간극을 충진하고, 상기 모재는 상기 중공형 멤브레인 튜브의 번들을 적어도 부분적으로 둘러싸고 상기 접착제로 그에 일체로 본딩되는, 요소. - 제1항에 있어서,
상기 제1 및 제2 단부 캡 모두가 복합 단부 캡인, 요소. - 제2항에 있어서,
상기 제1 단부 캡은 제1 환형 슈라우드를 모재로서 포함하고, 상기 제2 단부캡은 제2 환형 슈라우드를 모재로서 포함하며, 상기 제1 환형 슈라우드 및 제2 환형 슈라우드는 상이한 구성들을 가지는, 요소. - 제1항에 있어서,
상기 제1 및 제2 밀봉 표면의 각각은: (a) 상기 제1 단부 캡 또는 제2 단부 캡의 자유 반경방향 또는 축방향 지향 환형 표면; (b) 상기 제1 단부 캡 또는 제2 단부 캡에 장착된 탄성중합체 링 가스켓; 또는 (c) 상기 제1 단부 캡 또는 제2 단부 캡에 의해서 일체로 형성된 립 밀봉부를 포함하는, 요소. - 제1항에 있어서,
상기 복합 단부 캡을 위한 접착제는 상기 모재를 상기 복합 단부 캡에 오버몰딩하는 오버몰드의 형태이고, 상기 모재는 상기 복합 단부 캡의 최외측 반경방향 표면의 적어도 일부를 제공하고 상기 접착제는 상기 모재와 중첩되는 몰딩 표면을 형성하는, 요소. - 제1항에 있어서,
상기 제1 및 제2 단부 캡의 각각은 상기 접착제를 통해서 컷팅 단부를 포함하고, 그에 따라 대향 개방 단부들을 노출시키는, 요소. - 제6항에 있어서,
상기 모재는 상기 제1 및 제2 단부 캡의 적어도 하나에서 상기 컷팅 단부와 공통-평면적으로 그리고 통과하여 컷팅되는, 요소. - 제6항에 있어서,
상기 모재는 통과 컷팅되지 않는, 요소. - 제1항에 있어서,
상기 모재는 상기 번들을 둘러싸는 링 부분을 포함하는, 요소. - 제1항에 있어서,
상기 제1 및 제2 단부 캡들 사이에서 연장되는 상기 중공형 멤브레인 튜브의 번들을 둘러싸는, 천공된 케이지를 더 포함하는, 요소. - 제1항에 있어서,
상기 제1 단부 캡은 개방 단부 캡이고 상기 제2 단부 캡은 폐쇄 단부 캡이며, 상기 중공형 멤브레인 튜브의 번들은, 상기 개방 단부 캡을 통한 개구부 내로 개방되고 상기 폐쇄 단부 캡에서 폐쇄되는 중앙 공동을 형성하는 링으로 배열되는, 요소. - 제1항에 있어서,
상기 제1 및 제2 단부 캡은 폐쇄 단부 캡이고, 이를 통한 통과는 상기 대향되는 개방 단부들을 통해서 상기 중공형 멤브레인 튜브를 통과하는 것으로 제한되는, 요소. - 제1항에 있어서,
상기 접착제가 폴리우레탄 또는 에폭시를 포함하는, 요소. - 제1항에 있어서,
상기 모재가 플라스틱 또는 금속을 포함하는, 요소. - 제1항의 요소를 포함하고, 상기 요소가 내부에 제거 가능하게 설치되어 상기 제1 및 제2 밀봉 표면과 제1 및 제2 밀봉부를 형성하는 하우징을 함께 추가로 포함하는 조립체이며, 상기 하우징은: 제1 유입구 및 제1 배출구로서, 제1 유동 통로가 상기 제1 유입구로부터 상기 중공형 멤브레인 튜브 및 그 대향 개방 단부들을 통해서 상기 제1 배출구까지 이어지는, 제1 유입구 및 제1 배출구; 그리고 제2 유입구 및 제2 배출구로서, 제2 유동 통로가 상기 중간 영역을 통과하는, 그리고 상기 제1 또는 제2 유동 통로가 더 많은 수분 함량을 가지는지의 여부에 따라, 수분이 상기 제1 유동 통로로부터 제2 유동 통로로 또는 그 반대로 전달되도록, 동작될 수 있는, 제2 유입구 및 제2 배출구를 포함하는, 조립체.
- 요소 형성 방법이며:
중공형 멤브레인 튜브의 번들을 수집하는 단계;
상기 번들의 제1 단부 상의 제1 복합 단부 캡에 제1 모재 및 접착제를 적용하는 단계;
상기 접착제를 경화시켜 상기 중공형 멤브레인 튜브의 번들을 상기 제1 복합 단부 캡의 접착제 내에서 캡슐화하는 단계; 및
상기 제1 복합 단부 캡 및 상기 번들의 제1 단부를 통해서 컷팅하여 상기 제1 단부에서 상기 중공형 멤브레인 튜브의 개방 단부들을 노출시키는 단계를 포함하는, 방법. - 제16항에 있어서,
탄성중합체 가스켓을 하우징 밀봉 표면을 가지는 제1 복합 단부 캡 상에 배열하는 단계를 더 포함하는, 방법. - 제16항에 있어서,
상기 제1 복합 단부 캡을 적용하는 단계는:
i. 제1 환형 슈라우드를 제1 모재로서 미리 결정된 환형 기하형태의 공동을 갖는 제1 몰드 내에 위치시키는 단계로서, 상기 제1 환형 슈라우드는 상기 제1 몰드의 환형 기하형태와 실질적으로 매칭되는 외부 주변부를 가지는, 단계;
ii. 상기 중공형 멤브레인 튜브의 단부가 상기 제1 환형 슈라우드의 내부에 있도록, 상기 번들의 제1 단부를 상기 몰드 내로 삽입하는 단계;
iii. 접착제를 상기 제1 몰드 내로 상기 번들까지 적용하여 상기 중공형 멤브레인 튜브의 단부를 캡슐화하는 단계를 포함하는, 방법. - 제16항에 있어서,
상기 번들의 제2 단부 상의 제2 복합 단부 캡에 제2 모재 및 접착제를 적용하는 단계;
상기 접착제를 경화시켜 상기 중공형 멤브레인 튜브의 번들을 상기 제2 복합 단부 캡의 접착제 내에서 캡슐화하는 단계;
상기 제2 복합 단부 캡 및 상기 번들의 제2 단부를 통해서 컷팅하여 상기 제2 단부에서 상기 중공형 멤브레인 튜브의 개방 단부들을 노출시키는 단계; 및
상기 중공형 멤브레인 튜브의 번들의 중간 영역이 상기 제1 및 제2 복합 단부 캡들 사이에서 노출되는 것을 유지하는 단계를 더 포함하는, 방법. - 제19항에 있어서,
상기 제2 복합 단부 캡을 적용하는 단계는:
i. 제2 환형 슈라우드를 제2 모재로서 미리 결정된 환형 기하형태의 공동을 갖는 제2 몰드 내에 위치시키는 단계로서, 상기 제2 환형 슈라우드는 상기 제2 몰드의 환형 기하형태와 실질적으로 매칭되는 외부 주변부를 가지는, 단계;
ii. 상기 중공형 멤브레인 튜브의 단부가 상기 제2 환형 슈라우드의 내부에 있도록, 상기 번들의 제2 단부를 상기 몰드 내로 삽입하는 단계;
iii. 접착제를 상기 제2 몰드 내로 상기 번들까지 적용하여 상기 중공형 멤브레인 튜브의 단부를 캡슐화하는 단계를 포함하는, 방법. - 미리 결정된 길이를 갖는 수집된 중공형 섬유의 링, 및 상기 섬유 링의 각각에 제공되는 단부 캡 조립체를 포함하는, 필터 요소이며, 각각의 단부 캡 조립체가 i) 상기 섬유의 단부를 둘러싸는 환형의 미리-형성된 주변 슈라우드; 및 ii) 상기 슈라우드 내에 위치되고 상기 섬유의 단부를 캡슐화하는 접착제를 포함하는, 필터 요소.
- 필터 요소를 형성하는 방법이며:
i. 중공형 섬유를 링 내로 수집하는 단계;
ii. 환형 슈라우드를, 미리 결정된 원통형 기하형태의 공동을 갖는 몰드 내에 위치시키는 단계로서, 상기 슈라우드는 상기 몰드의 내부 기하형태와 실질적으로 매칭되는 외부 주변부를 가지는, 단계;
iii. 상기 섬유의 단부가 상기 슈라우드 내에 있도록, 상기 섬유의 링의 단부를 상기 몰드 내로 삽입하는 단계;
iv. 접착제를 상기 몰드 내로 상기 링까지 적용하여, 상기 섬유의 단부를 캡슐화하는 단계;
v. 상기 접착제를 경화시키는 단계; 및
vi. 상기 섬유 단부를 노출시키기 위해서 상기 섬유 링의 단부를 마감하는 단계를 포함하는, 방법.
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US202163235877P | 2021-08-23 | 2021-08-23 | |
| US63/235,877 | 2021-08-23 | ||
| PCT/US2022/041179 WO2023028037A1 (en) | 2021-08-23 | 2022-08-23 | Fuel cell humidificaton potting adhesive shroud |
Publications (1)
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