WO2016105021A1 - 중공사막 카트리지형 가습 모듈 및 그 제조방법 - Google Patents

중공사막 카트리지형 가습 모듈 및 그 제조방법 Download PDF

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hollow fiber
fiber membrane
housing
common
cartridge
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김경주
오영석
이진형
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코오롱인더스트리 주식회사
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Definitions

  • the present invention relates to a hollow fiber membrane cartridge-type humidification module and a method of manufacturing the same, and more particularly, by inserting a common hollow fiber membrane cartridge into a housing to be integrated, it can be extended to various capacity products and improves the utilization efficiency of the hollow fiber membrane cartridge.
  • the present invention relates to a hollow fiber membrane cartridge type humidification module and a method of manufacturing the same, which reduce manufacturing time and cost by simple porting.
  • a fuel cell is a power generation type battery which produces electricity by combining hydrogen and oxygen. Unlike general chemical cells such as batteries and accumulators, fuel cells can continue to produce electricity as long as hydrogen and oxygen are supplied. Fuel cells have twice the efficiency of internal combustion engines due to no heat loss. In addition, pollutant emissions are low because chemical energy generated by the combination of hydrogen and oxygen is converted directly into electrical energy. Therefore, the fuel cell is not only environmentally friendly but also has an advantage of reducing anxiety about resource depletion due to increased energy consumption. Such fuel cells are classified into polymer electrolyte fuel cells (PEMFCs), phosphoric acid fuel cells (PAFCs), molten carbonate fuel cells (MCFCs), and solid oxide fuel cells, depending on the type of electrolyte used.
  • PEMFCs polymer electrolyte fuel cells
  • PAFCs phosphoric acid fuel cells
  • MCFCs molten carbonate fuel cells
  • solid oxide fuel cells depending on the type of electrolyte used.
  • SOFC sulfur-semiconductor
  • AFC alkaline fuel cell
  • Each of these fuel cells operates on essentially the same principle, but differs in the type of fuel used, operating temperature, catalyst, electrolyte, and the like.
  • the polymer electrolyte fuel cell is known to be most promising in transport systems as well as small stationary power generation equipment because it can operate at a lower temperature than other fuel cells and can be miniaturized due to its high power density.
  • a method of humidifying a polymer electrolyte membrane includes 1) a bubbler humidification method in which water is supplied to a pressure vessel and a target gas is passed through a diffuser to supply moisture, and 2) the amount of water supplied for a fuel cell reaction is determined.
  • a direct injection method of supplying water directly to the gas flow pipe through the solenoid valve and 3) a humidification method of supplying water to the fluidized bed of gas using a polymer membrane.
  • a humidification membrane system for humidifying a polymer electrolyte membrane by providing water vapor to a gas supplied to the polymer electrolyte membrane by using a membrane that selectively permeates only water vapor contained in the exhaust gas is advantageous in that the humidifier can be reduced in weight and size.
  • the selective permeable membrane used in the humidification membrane system is preferably a hollow fiber membrane having a large permeation area per unit volume when forming a module. That is, when the humidifier is manufactured using the hollow fiber membrane, the high density of the hollow fiber membrane with a large contact surface area is possible, so that the humidification of the fuel cell can be sufficiently performed even with a small capacity, the use of low-cost materials is possible, and the fuel cell is discharged at a high temperature. The moisture and heat contained in the unreacted gas may be recovered and reused through a humidifier.
  • the gas flow flowing outside the hollow fiber membrane may not be uniformly formed due to uneven resistance caused by the hollow fiber membrane.
  • a technology of splitting a hollow fiber membrane bundle or cartridgeizing a unit module to increase its capacity is used.
  • this technique has a disadvantage in that the manufacturing time of the individual cartridge cartridge is too long, the manufacturing cost is increased, or when the bundle is divided, the quality variation is increased due to the disadvantage of workability.
  • the purpose of the present invention is to insert a plurality of common hollow fiber membrane cartridge into the housing to be integrated into a product of various capacities and to increase the utilization efficiency of the hollow fiber membrane cartridge and to reduce the manufacturing time and cost by simple porting hollow fiber membrane cartridge type humidification module And to provide a method for producing the same.
  • the hollow fiber membrane cartridge type humidification module includes a housing, a common hollow fiber membrane cartridge fitted to both ends of a plurality of hollow fiber membrane bundles inserted into the housing along the longitudinal direction of the housing, and provided inside the housing, A partition for partitioning the hollow fiber membrane bundle and a potting portion for potting a plurality of common hollow fiber membrane cartridges and hollow fiber membrane bundles into the housing at once.
  • the housing may further include a common bin cartridge which is inserted into the compartment without potting the hollow fiber membrane bundle and ported to the housing at once according to the humidification capacity or the degree of humidification.
  • the common hollow fiber membrane cartridge is provided with a fluid passage through which fluid flows easily into the hollow fiber membrane bundle.
  • the hollow fiber membrane bundle of a common hollow fiber membrane cartridge contains 30-60 volume% of hollow fiber membranes with respect to the total volume.
  • the housing may be circular, oval or polygonal in cross-sectional shape.
  • the common hollow fiber membrane cartridge may be circular, oval or polygonal in cross-sectional shape. It is preferable that the ratio of the equivalent diameter and the length of the hollow fiber membrane bundle of the common hollow fiber membrane cartridge is 1: 2 to 1:10.
  • the common empty cartridge is round, elliptical or polygonal and is closed to prevent fluid from flowing into the compartment.
  • Method for manufacturing a hollow fiber membrane cartridge type humidification module comprises the steps of preparing a common hollow fiber membrane cartridge fitted to both ends of the hollow fiber membrane bundle, and the capacity is determined according to the shape and number of the common hollow fiber membrane cartridge to partition the hollow fiber membrane bundle Manufacturing a housing provided with a partition, inserting and arranging a plurality of common hollow fiber membrane cartridges and hollow fiber membrane bundles into the housing, and simultaneously porting the arranged plurality of common hollow fiber membrane cartridges and hollow fiber membrane bundles to the housing Steps.
  • the housing can be manufactured integrally with the housing.
  • the compartment may be manufactured and assembled separately from the housing in the step of manufacturing the housing.
  • the hollow fiber membrane cartridge type humidification module and a manufacturing method thereof according to the present invention, by inserting a plurality of common hollow fiber membrane cartridge into the housing and integrated, the housing is manufactured according to the shape and quantity of the common hollow fiber membrane cartridge to produce products of various capacities. It can be extended, and the utilization efficiency can be improved according to the shape, quantity, and size ratio of a common hollow fiber membrane cartridge.
  • the housing is manufactured according to the shape and quantity of the common hollow fiber membrane cartridge to produce products of various capacities. It can be extended, and the utilization efficiency can be improved according to the shape, quantity, and size ratio of a common hollow fiber membrane cartridge.
  • porting a plurality of common hollow fiber membrane cartridges and hollow fiber membranes at once there is an effect that can reduce the manufacturing time and cost by a simple porting.
  • FIG. 1 is a perspective view partially disassembled the hollow fiber membrane cartridge-type humidification module according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view (long sectional view) taken along a line A-A in FIG. 1.
  • FIG. 3 is a perspective view illustrating the common hollow fiber membrane cartridge of FIG. 2.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view (vertical cross-sectional view) showing a hollow fiber membrane cartridge type humidification module according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a perspective view illustrating the common empty cartridge of FIG. 4.
  • FIG. 6 is a perspective view partially disassembled the hollow fiber membrane cartridge-type humidification module according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a flowchart illustrating a manufacturing process of the hollow fiber membrane cartridge type humidification module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view of a conventional hollow fiber membrane module.
  • FIG. 1 is a partially exploded perspective view of a hollow fiber membrane cartridge type humidification module according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a cross-sectional view (a longitudinal cross-sectional view) taken along the line AA in FIG. 1
  • FIG. 3 is a common view of FIG. 2.
  • the hollow fiber membrane cartridge type humidification module 100 according to the first embodiment includes a housing 110, a common hollow fiber membrane cartridge 120, a partition portion 130, a potting portion 140, and a cover. And 150.
  • the housing 110 and the cover 150 form an external shape of the humidification module 100 and may be made of a hard plastic or metal such as polycarbonate.
  • the housing 110 and the cover 150 may have a cross sectional shape in a width direction as shown in FIG. 1, or may be circular as shown in FIG. 6.
  • the rectangle may be a rectangle, a square, a trapezoid, a parallelogram, a pentagon, a hexagon, or the like, and the rectangle may have a rounded corner.
  • the circle may also be elliptical.
  • One end of the housing 110 is formed with an inlet 111 through which a humidifying fluid is supplied, and the other end of the housing 110 is formed with an outlet 112 through which the humidifying fluid that has humidified the inside exits.
  • the cover 150 is assembled at both ends of the housing 110.
  • the common hollow fiber membrane cartridge 120 is fitted to both ends of the plurality of hollow fiber membrane bundles 160 inserted into the housing 110 along the longitudinal direction of the housing.
  • the common hollow fiber membrane cartridge 120 has a structure in which a plurality of fluid passage portions 122 are formed on one outer surface of the trunk 121 having both sides open, and the fluid passes through the fluid passage portion 122 to the inside of the hollow fiber membrane bundle 160. To be easily introduced into the space between the hollow fiber membrane (161).
  • a portion of the fluid passage portion 122 is assembled to be positioned on the porting portion 140 to facilitate porting into the common hollow fiber membrane cartridge 120.
  • Common hollow fiber membrane cartridge 120 has a rectangular cross-sectional shape in this embodiment, but may be formed in a circular, oval or polygonal shape, the polygon may be formed in a rounded corner shape. It is preferable that the ratio of the equivalent diameter and the length of the hollow fiber membrane bundles in the common hollow fiber membrane cartridge is 1: 2 to 1:10.
  • the equivalent diameter is a diameter used to calculate the surface area in contact with a fluid in a circular shape of the same size in the case of polygons, and is a diameter based on a pipe whose basic formula is a circular shape when obtaining a friction, flow velocity, and heat transfer.
  • the substantial diameter can be calculated by known methods depending on the polygon or various shapes.
  • the partition 130 is provided inside the housing 110 to partition the plurality of hollow fiber membrane bundles 160.
  • Partition 130 may be formed integrally with the housing 110 or can be separated and assembled.
  • the hollow fiber membrane bundle 160 is inserted into each insertion space of the partition 130.
  • the potting part 140 fills the voids between the hollow fiber membranes 161 while binding the hollow fiber membranes 161 of the hollow fiber membrane bundle 160 at ends (fluid passing side) of the plurality of common hollow fiber membrane cartridges 120.
  • the housing 110 is hermetically contacted with inner surfaces of both ends of the housing 110.
  • the material of the potting part 140 is known, and detailed description thereof will be omitted herein.
  • the potting part 140 is formed in each of both ends of the housing 110, so that both ends of the hollow fiber membrane bundle 160 inside the common hollow fiber membrane cartridge 120 are fixed to the housing 110. As a result, both ends of the housing 110 are blocked by the potting part 140 to form a flow passage through which the humidifying fluid passes.
  • the plurality of common hollow fiber membrane cartridges 120 and the hollow fiber membrane bundles 160 are ported to the housing 110 at once.
  • the cover 150 is coupled to each end of the housing 110.
  • the cover 150 is formed with a fluid inlet 151.
  • the working fluid introduced into the fluid inlet 151 of the one side cover 150 is humidified while passing through the inner conduit of the hollow fiber membrane 161 of the hollow fiber membrane bundle 160, and the fluid inlet 151 of the other cover 150. Get out.
  • the hollow fiber membrane bundle 160 is inserted and arranged in a plurality of insertion spaces in the partition 130 according to the capacity of the humidification module 100.
  • the hollow fiber membrane 161 of the hollow fiber membrane bundle 160 selectively passes moisture.
  • the material of the hollow fiber membrane 161 is well known and detailed description thereof will be omitted.
  • the hollow fiber membrane bundle 160 preferably contains 30 to 60% by volume of the hollow fiber membrane 161 with respect to the total volume thereof.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view (vertical cross-sectional view) showing the hollow fiber membrane cartridge type humidification module 200 according to the second embodiment of the present invention
  • FIG. 5 is a perspective view showing the common empty cartridge of FIG.
  • the housing 110 may further include a common bin cartridge 170 that is inserted into the compartment 130 without being bundled with the hollow fiber membrane according to the humidification capacity or the degree of humidification and is ported to the housing at once.
  • the common empty cartridge 170 is circular, elliptical or polygonal and is closed to prevent fluid from flowing into the insertion space of the partition 130.
  • the common empty cartridge 170 of the second embodiment has a rectangular cylinder shape adapted to the insertion space of the partition 130.
  • the internal insertion space of the compartment 130 into which the common bin cartridge 170 is inserted is empty. Since the rest of the configuration of the second embodiment is the same as that of the first embodiment, the same reference numerals are used and detailed description thereof will be omitted.
  • the hollow fiber membrane cartridge type humidification module 300 includes a housing 310, a common hollow fiber membrane cartridge 320, a partition (not shown), a potting unit 340, The cover 350 and the hollow fiber membrane bundle 360 to which the hollow fiber membrane 361 is bound are included.
  • the hollow fiber membrane cartridge type humidification module 300 of the third embodiment has a cylindrical shape, and the rest of the configuration is similar to that of the first embodiment, and thus a detailed description thereof will be omitted.
  • the hollow fiber membrane cartridge type humidification module 100 according to the embodiment of the present invention configured as described above, as shown in FIG. 7, preparing a common hollow fiber membrane cartridge (S110), manufacturing a housing (S120), and a cartridge. Arranging (S130), porting the cartridge is completed through the step (S140) and cover assembly step (S150).
  • the preparing of the common hollow fiber membrane cartridge (S110) is a step of preparing a plurality of common hollow fiber membrane cartridges 120 manufactured through known injection, extrusion, and processing methods.
  • Manufacturing the housing (S120) is a step of manufacturing a housing 110 having a partition 130 for partitioning the hollow fiber membrane bundle 160 by determining the capacity according to the shape and number of the common hollow fiber membrane cartridge 120 to be.
  • Arranging the cartridge (S130) is a step of inserting and arranging a plurality of common hollow fiber membrane cartridge 120 and the hollow fiber membrane bundle 160 to the partition portion 130 in the housing 110.
  • Porting the cartridge (S140) is a step of porting the plurality of common hollow fiber membrane cartridge 120 and the hollow fiber membrane bundle 160 arranged in the housing 110 at once.
  • Cover assembly step (S150) is a step of assembling the cover 150 on both ends of the housing 110, the common hollow fiber membrane cartridge 120 and the hollow fiber membrane bundle 160 is ported.
  • the common hollow fiber membrane cartridge 120 and the housing 110 may be manufactured and prepared by a separate process.
  • the partition 130 may be manufactured integrally with the housing 110.
  • the partition 130 in the manufacturing step (S120) can be assembled and assembled with the housing 110.
  • the housing can be manufactured according to the shape and quantity of the common hollow fiber membrane cartridge and can be expanded to products of various capacities.
  • the utilization efficiency can be improved in the form, quantity and size ratio of the common hollow fiber membrane cartridge.
  • simple porting can reduce manufacturing time and cost.
  • each of 4,200 polysulfone hollow fiber membranes (outer diameter 900um, inner diameter 800um) divided into 12 bundles (350 each)
  • 12 potted cartridges were placed in a rectangular housing (250mm wide, 150mm long, length). 300mm) and the inside of the housing and both ends of the pot, and cover the both ends of the housing can be manufactured to the humidification module.
  • 6,000 polysulfone hollow fiber membranes (outer diameter 900um, inner diameter 800um) are assembled into one module 410 in a rectangular housing (250 mm long, 150 mm long, 300 mm long) 410. 420).
  • the pot was formed on both ends of the housing, the potting composition was injected into the space between the hollow fiber membrane bundle and the space between the hollow fiber membrane bundle and the housing, and then cured and sealed. After removing the pot for forming the pot, the end of the cured hollow fiber membrane potting composition is cut to form the potting part so that the end of the hollow fiber membrane bundle is exposed to the potting part cutting part, and then covers both ends of the housing. Covered to prepare a humidification module.
  • a pot for forming a pot was formed on both ends of the housing, the potting composition was injected into the space between the hollow fiber membrane bundles and the space between the cartridge and the housing, and then cured and sealed. After removing the pot for forming the pot, the end of the cured hollow fiber membrane potting composition is cut to form the potting part so that the end of the hollow fiber membrane bundle is exposed to the potting part cutting part, and then covers both ends of the housing. Covered to prepare a humidification module.
  • 4,200 polysulfone hollow fiber membranes (outer diameter 900um, inner diameter 800um) are divided into 12 bundles (350 pieces each) in a square shape, and common hollow fiber membrane cartridges are inserted at both ends of each bundle, and the rectangular housing (250mm in width, 150mm in length, 300 mm long) was inserted into the insertion space of the partition formed therein (see FIG. 1).
  • the pot was formed on both ends of the housing, the potting composition was injected into the space between the bundles of the hollow fiber membranes and the space between the cartridge and the housing, and then cured and sealed. After removing the pot for forming the pot, the end of the cured hollow fiber membrane potting composition is cut to form the potting part so that the end of the hollow fiber membrane bundle is exposed to the potting part cutting part, and then covers both ends of the housing. Covered to prepare a humidification module.
  • the humidification performance was measured in terms of dew point by measuring the temperature and humidity at the point where the air flowing inside the hollow fiber membrane is humidified, and the results are shown in Table 1 together with the number of potting.
  • the humidification module prepared in Examples 1 and 2 is less potting than the comparative example 1 and the porting is simple, compared to the comparative example 2 has a lower number of humidification film and excellent humidification performance. It can be seen.
  • outlet 120 common hollow fiber membrane cartridge
  • compartment 140 potting part

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Abstract

본 발명은 중공사막 카트리지형 가습 모듈 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명은 하우징과, 하우징의 내부에 하우징의 길이방향을 따라 삽입되는 복수의 중공사막 다발의 양단부에 끼워지는 공용 중공사막 카트리지와, 하우징의 내부에 구비되어 복수의 중공사막 다발을 구획하는 구획부와, 복수의 공용 중공사막 카트리지와 중공사막 다발을 하우징에 한꺼번에 포팅하는 포팅부를 포함하며, 중공사막 다발의 양단부에 끼워지는 공용 중공사막 카트리지 준비하는 단계와, 공용 중공사막 카트리지의 형태 및 갯수에 따라 용량을 정하여 중공사막 다발을 구획하는 구획부가 구비된 하우징을 제조하는 단계와, 복수의 공용 중공사막 카트리지 및 중공사막 다발을 하우징 내에 삽입하여 배열하는 단계와, 배열된 복수의 공용 중공사막 카트리지와 중공사막 다발을 하우징에 한꺼번에 포팅하는 단계로 제조된다. 본 발명에 의하면, 공용 중공사막 카트지의 형태 및 수량에 따라 하우징을 제작하여 다양한 용량의 제품으로 확장할 수 있고, 공용 중공사막 카트리지의 형태 및 수량과 그 크기 비율에 그 이용효율을 높일 수 있고, 간단한 포팅으로 제조시간과 비용을 줄일 수 있다는 효과가 있다.

Description

중공사막 카트리지형 가습 모듈 및 그 제조방법
본 발명은 중공사막 카트리지형 가습 모듈 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 공용의 중공사막 카트리지를 하우징에 삽입하여 일체화함으로써 다양한 용량의 제품으로 확장할 수 있고 중공사막 카트리지의 이용효율을 높이고 간단한 포팅으로 제조시간과 비용을 줄이는 중공사막 카트리지형 가습 모듈 및 그 제조방법에 관한 것이다.
연료 전지란 수소와 산소를 결합시켜 전기를 생산하는 발전(發電)형 전지이다. 연료 전지는 건전지나 축전지 등 일반 화학전지와 달리 수소와 산소가 공급되는 한 계속 전기를 생산할 수 있고, 열손실이 없어 내연기관보다 효율이 2배가량 높다는 장점이 있다. 또한, 수소와 산소의 결합에 의해 발생하는 화학 에너지를 전기 에너지로 직접 변환하기 때문에 공해물질 배출이 낮다. 따라서, 연료 전지는 환경 친화적일 뿐만 아니라 에너지 소비 증가에 따른 자원 고갈에 대한 걱정을 줄일 수 있다는 장점을 갖는다. 이러한 연료 전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라 크게 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC), 인산형 연료 전지(PAFC), 용융 탄산염형 연료 전지(MCFC), 고체 산화물형 연료 전지(SOFC), 및 알칼리형 연료 전지(AFC) 등으로 분류할 수 있다. 이들 각각의 연료 전지는 근본적으로 동일한 원리에 의해 작동하지만 사용되는 연료의 종류, 운전 온도, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다. 이 가운데서 고분자 전해질형 연료 전지는 다른 연료 전지에 비해 저온에서 동작한다는 점, 및 출력밀도가 커서 소형화가 가능하기 때문에 소규모 거치형 발전 장비뿐만 아니라 수송 시스템에서도 가장 유망한 것으로 알려져 있다.
고분자 전해질형 연료 전지의 성능을 향상시키는데 있어서 가장 중요한 요인 중 하나는, 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly: MEA)의 고분자 전해질 막(Polymer Eletrolyte Membrane 또는 Proton Exchange Membrane: PEM)에 일정량 이상의 수분을 공급함으로써 함수율을 유지하도록 하는 것이다. 고분자 전해질 막이 건조되면 발전 효율이 급격히 저하되기 때문이다. 고분자 전해질 막을 가습하는 방법으로는, 1) 내압용기에 물을 채운 후 대상 기체를 확산기(diffuser)로 통과시켜 수분을 공급하는 버블러(bubbler) 가습 방식, 2) 연료 전지 반응에 필요한 공급 수분량을 계산하여 솔레노이드 밸브를 통해 가스 유동관에 직접 수분을 공급하는 직접 분사(direct injection) 방식, 및 3) 고분자 분리막을 이용하여 가스의 유동층에 수분을 공급하는 가습 막 방식 등이 있다. 이들 중에서도 배기 가스 중에 포함되는 수증기만을 선택적으로 투과시키는 막을 이용하여 수증기를 고분자 전해질 막에 공급되는 가스에 제공함으로써 고분자 전해질 막을 가습하는 가습 막 방식이 가습기를 경량화 및 소형화할 수 있다는 점에서 유리하다.
가습 막 방식에 사용되는 선택적 투과막은 모듈을 형성할 경우 단위 체적당 투과 면적이 큰 중공사막이 바람직하다. 즉, 중공사막을 이용하여 가습기를 제조할 경우 접촉 표면적이 넓은 중공사막의 고집적화가 가능하여 소용량으로도 연료 전지의 가습이 충분히 이루어질 수 있고, 저가 소재의 사용이 가능하며, 연료 전지에서 고온으로 배출되는 미반응 가스에 포함된 수분과 열을 회수하여 가습기를 통해 재사용할 수 있다는 이점을 갖는다.
그런데, 종래의 중공사막 모듈의 경우 용량을 높이기 위하여 중공사막을 다수 집적하게 될 경우 중공사막 외부로 흐르는 기체 흐름이 중공사막에 의한 불균일한 저항으로 균일하게 형성되지 못한다. 이를 극복하기 위하여 중공사막 번들을 분할하거나 단위 모듈을 카트리지화하여 대용량화 하는 기술이 이용되고 있다. 하지만 이러한 기술은 카트리지 개별모듈의 제조시간이 너무 길어 제조비용이 높아지게 되거나, 번들을 분할할 경우 작업성의 불리함으로 품질의 편차가 높아지게 되는 단점이 있다.
[선행기술문헌]
한국공개특허 제2011-0109814호(공개일 : 2011.10.06.)
한국공개특허 제2012-0074507호(공개일 : 2012.07.06.)
한국공개특허 제2013-0034404호(공개일 : 2013.04.05.)
본 발명의 목적은 복수의 공용 중공사막 카트리지를 하우징에 삽입하여 일체화함으로써 다양한 용량의 제품으로 확장할 수 있고 중공사막 카트리지의 이용효율을 높이고 간단한 포팅으로 제조시간과 비용을 줄이는 중공사막 카트리지형 가습 모듈 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명에 따른 중공사막 카트리지형 가습 모듈은 하우징과, 하우징의 내부에 하우징의 길이방향을 따라 삽입되는 복수의 중공사막 다발의 양단부에 끼워지는 공용 중공사막 카트리지와, 하우징의 내부에 구비되어 복수의 중공사막 다발을 구획하는 구획부와, 복수의 공용 중공사막 카트리지와 중공사막 다발을 하우징에 한꺼번에 포팅하는 포팅부를 포함한다.
하우징의 내부에는 가습 용량 또는 가습도에 따라 중공사막 다발 없이 구획부 내에 끼워져 하우징에 한꺼번에 포팅되는 공용 빈통 카트리지를 추가로 구비할 수도 있다. 공용 중공사막 카트리지에는 유체가 중공사막 다발 내부로 쉽게 유입되게 하는 유체 통과부가 형성된다.
공용 중공사막 카트리지의 중공사막 다발은 그 전체 부피에 대해 중공사막을 30~60부피%를 포함하는 것이 바람직하다.
하우징은 횡단면 형상이 원형이나 타원형 또는 다각형으로 이루어질 수 있다.
공용 중공사막 카트리지는 횡단면 형상이 원형이나 타원형 또는 다각형으로 이루어질 수 있다. 공용 중공사막 카트리지의 중공사막 다발의 상당직경(equivalent diameter)과 길이의 비율은 1:2 ~ 1:10인 것이 바람직하다.
공용 빈통 카트리지는 원형이나 타원형 또는 다각형으로서, 구획부의 삽입공간 내부로 유체가 흐르지 못하게 하도록 폐쇄되어 있다.
본 발명에 따른 중공사막 카트리지형 가습 모듈의 제조방법은 중공사막 다발의 양단부에 끼워지는 공용 중공사막 카트리지를 준비하는 단계와, 공용 중공사막 카트리지의 형태 및 개수에 따라 용량을 정하여 중공사막 다발을 구획하는 구획부가 구비된 하우징을 제조하는 단계와, 복수의 공용 중공사막 카트리지 및 중공사막 다발을 하우징 내에 삽입하여 배열하는 단계와, 배열된 복수의 공용 중공사막 카트리지와 중공사막 다발을 하우징에 한꺼번에 포팅하는 단계를 포함한다.
하우징을 제조하는 단계에서 구획부는 하우징과 일체로 제작할 수 있다. 또한 하우징을 제조하는 단계에서 구획부는 하우징과 분리하여 제작하여 조립할 수 있다.
본 발명에 의한 중공사막 카트리지형 가습 모듈 및 그 제조방법에 의하면, 복수의 공용 중공사막 카트리지를 하우징에 삽입하여 일체화함으로써, 공용 중공사막 카트리지의 형태 및 수량에 따라 하우징을 제작하여 다양한 용량의 제품으로 확장할 수 있고, 공용 중공사막 카트리지의 형태 및 수량과 그 크기 비율에 따라 그 이용효율을 높일 수 있다. 또한 복수의 공용 중공사막 카트리지 및 중공사막을 한꺼번에 포팅함으로써, 간단한 포팅으로 제조시간과 비용을 줄일 수 있다는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 중공사막 카트리지형 가습 모듈을 일부 분해한 사시도이다.
도 2는 도 1에서 화살표 A-A선에 따른 단면도(종단면도)이다.
도 3은 도 2의 공용 중공사막 카트리지를 나타내는 사시도이다.
도 4은 본 발명의 제2실시예에 의한 중공사막 카트리지형 가습 모듈를 나타내는 단면도(종단면도)이다.
도 5는 도 4의 공용 빈통 카트리지를 나타내는 사시도이다.
도 6는 본 발명의 제3실시예에 따른 중공사막 카트리지형 가습 모듈을 일부 분해한 사시도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 의한 중공사막 카트리지형 가습 모듈의 제조공정을 나타내는 플로우 차트이다.
도 8은 종래 중공사막 모듈의 횡단면도이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 중공사막 카트리지형 가습 모듈을 일부 분해한 사시도이고, 도 2는 도 1에서 화살표 A-A선에 따른 단면도(종단면도)이며, 도 3은 도 2의 공용 중공사막 카트리지를 나타내는 사시도이다. 도시한 바와 같이 제1실시예에 의한 중공사막 카트리지형 가습 모듈(100)은 하우징(110)과, 공용 중공사막 카트리지(120)와, 구획부(130)와, 포팅부(140)와, 커버(150)를 포함한다.
하우징(110)과 커버(150)들은 가습 모듈(100)의 외형을 이루며, 폴리카보네이트 등의 경질 플라스틱이나 금속으로 이루어질 수 있다. 또한, 하우징(110)과 커버(150)들은 폭 방향 단면 형상이 도 1에서 도시된 바와 같이 각형이거나, 또는 도 6에서 도시된 바와 같이 원형일 수 있다. 각형은 사각형, 정사각형, 사다리꼴형, 평행사변형, 오각형, 육각형 등일 수 있으며, 각형은 모서리가 라운드진 형태일 수도 있다. 또한, 원형은 타원형일 수도 있다.
하우징(110)의 일단부에는 가습 유체가 공급되는 주입구(111)가 형성되고, 하우징(110)의 타단부에는 내부를 가습한 가습 유체가 빠져나가는 배출구(112)가 형성되어 있다. 커버(150)는 하우징(110)의 양단에 조립된다.
공용 중공사막 카트리지(120)는 하우징(110)의 내부에 하우징의 길이방향을 따라 삽입되는 복수의 중공사막 다발(160)의 양단부에 끼워진다. 공용 중공사막 카트리지(120)는 양측이 트인 몸통(121)의 일단부 외면에 다수의 유체통과부(122)가 형성된 구조이며, 유체통과부(122)를 통해 유체가 중공사막 다발(160) 내부의 중공사막(161)의 사이 공간으로 쉽게 유입되게 한다. 또한 유체통과부(122)의 일부는 포팅부(140) 측에 위치되도록 조립하여 공용 중공사막 카트리지(120) 내부로 포팅을 용이하게 한다.
공용 중공사막 카트리지(120)는 본 실시예에서는 횡단면 형상이 사각형으로 되어 있으나, 원형이나 타원형 또는 다각형으로 이루어질 수 있으며, 다각형은 모서리가 라운드진 형상으로 이루어질 수 있다. 공용 중공사막 카트리지 내의 중공사막 다발의 상당직경(equivalent diameter)과 길이의 비율은 1:2 ~ 1:10인 것이 바람직하다. 상당직경은 다각형 등의 경우 유체가 접하는 표면적을 같은 크기의 원형 모양으로 바꿔서 계산하기 위한 직경으로서, 유동의 마찰이나 유속, 열전달 같은 것을 구할 때 기본식이 원형인 관을 기준으로 하는 직경이다. 상당직경은 다각형 또는 다양한 형상에 따라 공지의 방법으로 계산될 수 있다.
구획부(130)는 하우징(110)의 내부에 구비되어 복수의 중공사막 다발(160)을 구획한다. 구획부(130)는 하우징(110)과 일체로 형성되거나 분리하여 조립이 가능한 형태로 되어 있을 수 있다. 구획부(130)의 내부 각 삽입공간에는 중공사막 다발(160)이 삽입되어 배치된다.
포팅부(140)는 복수의 공용 중공사막 카트리지(120)의 단부(유체통과부 측)에서 중공사막 다발(160)의 중공사막(161)들을 결속하면서 중공사막(161)들 사이의 공극을 메우는 한편, 하우징(110)의 양단부의 내측면에 접하여 하우징(110)을 기밀시킨다. 포팅부(140)의 재질은 공지된 바에 따른 것으로 본 명세서에서 자세한 설명은 생략한다.
포팅부(140)는 하우징(110)의 양단 내부 각각에 형성됨으로써 공용 중공사막 카트리지(120) 내부의 중공사막 다발(160)은 양단부가 하우징(110)에 고정된다. 이로써 하우징(110)은 양단이 포팅부(140)에 의해 막히어 그 내부에는 가습 유체가 통과하는 유로가 형성된다. 본 발명에서 복수의 공용 중공사막 카트리지(120) 및 중공사막 다발(160)은 하우징(110)에 한꺼번에 포팅된다.
커버(150)는 하우징(110)의 각 양단에 결합된다. 커버(150)에는 유체 출입구(151)가 형성되어 있다. 일측 커버(150)의 유체 출입구(151)로 유입된 작동 유체는 중공사막 다발(160)의 중공사막(161)의 내부 관로를 통과하며 가습되고, 타측 커버(150)의 유체 출입구(151)로 빠져나가게 된다.
중공사막 다발(160)은 가습 모듈(100)의 용량에 따라 복수개가 구획부(130) 내의 삽입공간에 삽입 배열되어 설치된다. 중공사막 다발(160)의 중공사막(161)은 수분을 선택적으로 통과시킨다. 중공사막(161)의 재질은 공지된 바에 따른 것으로 본 명세서에서 자세한 설명은 생략한다. 중공사막 다발(160)은 그 전체 부피에 대해 중공사막(161)을 30 내지 60 부피%를 포함하는 것이 바람직하다.
도 4은 본 발명의 제2실시예에 의한 중공사막 카트리지형 가습 모듈(200)을 나타내는 단면도(종단면도)이고, 도 5는 도 4의 공용 빈통 카트리지를 나타내는 사시도이다. 도시한 바와 같이 하우징(110)의 내부에는 가습 용량 또는 가습도에 따라 중공사막 다발 없이 구획부(130) 내에 끼워져 하우징에 한꺼번에 포팅되는 공용 빈통 카트리지(170)를 추가로 구비할 수도 있다.
공용 빈통 카트리지(170)는 원형이나 타원형 또는 다각형으로서, 구획부(130)의 삽입공간 내부로 유체가 흐르지 못하게 하도록 폐쇄되어 있다. 제2실시예의 공용 빈통 카트리지(170)는 구획부(130)의 삽입공간에 맞추어진 사각통 형상으로 되어 있다. 공용 빈통 카트리지(170)가 삽입된 구획부(130)의 내부 삽입공간은 비어 있다. 제2실시예의 나머지 구성은 제1실시예와 동일하므로 동일한 부호를 붙이고 자세한 설명은 생략한다.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 중공사막 카트리지형 가습 모듈을 일부 분해한 사시도이다. 도시한 바와 같이 제3실시예에 의한 중공사막 카트리지형 가습 모듈(300)은 하우징(310)과, 공용 중공사막 카트리지(320)와, 구획부(도시안됨)와, 포팅부(340)와, 커버(350)와, 중공사막(361)이 결속된 중공사막 다발(360)을 포함한다. 제3실시예의 중공사막 카트리지형 가습 모듈(300)의 형태는 원통형이며, 나머지 구성은 제1실시예와 유사하므로 자세한 설명은 생략한다.
이와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 의한 중공사막 카트리지형 가습 모듈(100)은 도 7에 도시한 바와 같이, 공용 중공사막 카트리지를 준비하는 단계(S110), 하우징을 제조하는 단계(S120), 카트리지를 배열하는 단계(S130), 카트리지를 포팅하는 단계(S140) 및 커버 조립단계(S150)를 거쳐 완성된다.
공용 중공사막 카트리지를 준비하는 단계(S110)는 공지의 사출, 압출, 가공 등의 방법을 통하여 제조된 다수의 공용 중공사막 카트리지(120)를 준비하는 단계이다. 하우징을 제조하는 단계(S120)는 공용 중공사막 카트리지(120)의 형태 및 개수에 따라 용량을 정하여 중공사막 다발(160)을 구획하는 구획부(130)가 구비된 하우징(110)을 제조하는 단계이다. 카트리지를 배열하는 단계(S130)는 복수의 공용 중공사막 카트리지(120) 및 중공사막 다발(160)을 하우징(110) 내의 구획부(130)에 삽입하여 배열하는 단계이다. 카트리지를 포팅하는 단계(S140)는 배열된 복수의 공용 중공사막 카트리지(120)와 중공사막 다발(160)을 하우징(110)에 한꺼번에 포팅하는 단계이다. 커버 조립 단계(S150)는 공용 중공사막 카트리지(120) 및 중공사막 다발(160)이 포팅된 하우징(110)의 양단에 커버(150)를 조립하는 단계이다.
공용 중공사막 카트리지(120)과 하우징(110)은 별도의 공정으로 제조되어 준비될 수 있다. 하우징을 제조하는 단계(S120)에서 구획부(130)는 하우징(110)과 일체로 제작할 수 있다. 또한 하우징을 제조하는 단계(S120)에서 구획부(130)는 하우징(110)과 분리 제작하여 조립할 수 있다.
이와 같은 중공사막 카트리지형 가습 모듈의 제조방법에 의하면, 공용의 중공사막 카트리지를 하우징에 삽입하여 일체화함으로써, 공용 중공사막 카트리지의 형태 및 수량에 따라 하우징을 제작하여 다양한 용량의 제품으로 확장할 수 있고, 공용 중공사막 카트리지의 형태 및 수량과 그 크기 비율에 그 이용효율을 높일 수 있다. 또한 다수의 공용 중공사막 카트리지를 한번에 포팅함으로써, 간단한 포팅으로 제조시간과 비용을 줄일 수 있다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따라 가습 모듈을 제조한 실시예와, 비교예 및 실험예를 통해 본 발명의 구성 및 효과를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
[실시예: 가습 모듈의 제조]
(비교예 1)
폴리설폰 중공사막(외경 900um, 내경 800um) 4,200개를 12개(각각 350개)의 다발로 나눈 카트리지 12개를 각각 포팅한 후, 포팅된 카트리지 12개를 각형 하우징(가로 250mm, 세로 150mm, 길이 300mm) 내부에 배치시키고, 하우징 양단을 포팅한 후, 상기 하우징의 양단부에 커버를 씌워 가습모듈을 제조할 수 있다.
(비교예 2)
도 8에 도시한 바와 같이, 폴리설폰 중공사막(외경 900um, 내경 800um) 6,000개를 하나의 다발(421)로 각형 하우징(가로 250mm, 세로 150mm, 길이 300mm)(410) 내부에 하나의 모듈(420)로 배치시켰다.
상기 하우징 양단에 포팅부 형성용 캡을 씌우고, 상기 중공사막 다발의 사이 공간 및 상기 중공사막 다발과 상기 하우징 사이 공간에 포팅용 조성물을 주입한 후, 경화시켜 실(seal)하였다. 상기 포팅부 형성용 캡을 제거한 후, 상기 경화된 중공사막 포팅용 조성물의 끝단을 절단하여 상기 중공사막 다발의 끝단이 상기 포팅부 절단부에 드러나도록 하여 포팅부를 형성한 후, 상기 하우징의 양단부에 커버를 씌워 가습 모듈을 제조하였다.
(실시예 1)
폴리설폰 중공사막(외경 900um, 내경 800um) 4,800개를 12개의 다발(각각 400개)로 분할하고 각 다발의 양단에 공용 중공사막 카트리지를 삽입하고, 각형 하우징(가로 250mm, 세로 150mm, 길이 300mm) 내부에 형성된 구획부의 삽입공간에 삽입하여 배치시켰다(도 1 참조).
상기 하우징 양단에 포팅부 형성용 캡을 씌우고, 상기 중공사막 다발의 사이 공간, 및 카트리지와 상기 하우징 사이 공간에 포팅용 조성물을 주입한 후, 경화시켜 실(seal)하였다. 상기 포팅부 형성용 캡을 제거한 후, 상기 경화된 중공사막 포팅용 조성물의 끝단을 절단하여 상기 중공사막 다발의 끝단이 상기 포팅부 절단부에 드러나도록 하여 포팅부를 형성한 후, 상기 하우징의 양단부에 커버를 씌워 가습 모듈을 제조하였다.
(실시예 2)
폴리설폰 중공사막(외경 900um, 내경 800um) 4,200개를 사각 형상인 12개의 다발(각각 350개)로 분할하고 각 다발의 양단에 공용 중공사막 카트리지를 삽입하고, 각형 하우징(가로 250mm, 세로 150mm, 길이 300mm) 내부에 형성된 구획부의 삽입공간에 삽입하여 배치시켰다(도 1 참조).
상기 하우징 양단에 포팅부 형성용 캡을 씌우고, 상기 중공사막 다발의 사이 공간, 및 상기 카트리지와 상기 하우징 사이 공간에 포팅용 조성물을 주입한 후, 경화시켜 실(seal)하였다. 상기 포팅부 형성용 캡을 제거한 후, 상기 경화된 중공사막 포팅용 조성물의 끝단을 절단하여 상기 중공사막 다발의 끝단이 상기 포팅부 절단부에 드러나도록 하여 포팅부를 형성한 후, 상기 하우징의 양단부에 커버를 씌워 가습 모듈을 제조하였다.
[실험예: 제조된 가습 모듈의 성능 측정]
상기 실시예 및 비교예에서 제조된 가습 모듈의 중공사막 내부와 외부에 각각 50g/sec의 건조공기를 유입하고 중공사막 외부는 온도 70??, 습도 90% 로 고정하고, 중공사막 내부는 온도 40??, 습도 10%로 고정하여 기체-기체 가습을 실시하였다.
가습 성능은 상기 중공사막 내부를 흐르는 공기가 가습되어 나오는 지점의 온도와 습도를 측정하여 노점(Dew Point)으로 환산하여 측정하였고, 그 결과를 포팅 횟수와 함께 하기 표 1에 나타내었다.
표 1
구분 비교예 1 비교예 2 실시예 1 실시예 2
가습막 수 4200 6000 4800 4200
가습성능(출구노점) 52 43 52 54
모듈 제조횟수(포팅 횟수) 12 1 1 1
상기 표 1을 참조하면, 상기 실시예 1 및 실시예 2에서 제조된 가습 모듈은 비교예 1에 비해 포팅 횟수가 줄고 포팅이 간단하며, 비교예 2에 비해 가습막 수가 적으면서도 가습 성능이 더 우수함을 알 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
[부호의 설명]
100: 가습 모듈
110: 하우징 111: 주입구
112: 배출구 120: 공용 중공사막 카트리지
130: 구획부 140: 포팅부
150: 커버 151: 유체 출입구
160: 중공사막 다발 161: 중공사막
170: 공용 빈통 카트리지

Claims (10)

  1. 하우징과,
    상기 하우징의 내부에 상기 하우징의 길이방향을 따라 삽입되는 복수의 중공사막 다발의 양단부에 끼워지는 공용 중공사막 카트리지와,
    상기 하우징의 내부에 구비되어 상기 복수의 중공사막 다발을 구획하는 구획부와,
    상기 복수의 공용 중공사막 카트리지와 상기 중공사막 다발을 하우징에 한꺼번에 포팅하는 포팅부를 포함하는 것을 특징으로 하는 중공사막 카트리지형 가습 모듈.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 하우징의 내부에는 가습 용량 또는 가습도에 따라 중공사막 다발 없이 상기 구획부 내에 끼워져 상기 하우징에 한꺼번에 포팅되는 공용 빈통 카트리지를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 중공사막 카트리지형 가습 모듈.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 공용 중공사막 카트리지에는 유체가 상기 중공사막 다발 내부로 쉽게 유입되게 하는 유체 통과부가 형성되는 것을 특징으로 하는 중공사막 카트리지형 가습 모듈.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 공용 중공사막 카트리지의 상기 중공사막 다발은 그 전체 부피에 대해 중공사막을 30~60부피%를 포함하는 것을 특징으로 하는 중공사막 카트리지형 가습 모듈.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 하우징은 횡단면 형상이 원형이나 타원형 또는 다각형으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 중공사막 카트리지형 가습 모듈.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 공용 중공사막 카트리지는 횡단면 형상이 원형이나 타원형 또는 다각형으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 중공사막 카트리지형 가습 모듈.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 공용 중공사막 카트리지의 중공사막 다발의 상당직경(equivalent diameter)과 길이의 비율은 1:2 ~ 1:10인 것을 특징으로 하는 중공사막 카트리지형 가습 모듈.
  8. 청구항 2에 있어서,
    상기 공용 빈통 카트리지는 원형이나 타원형 또는 다각형으로서, 상기 구획부의 삽입공간 내부로 유체가 흐르지 못하게 하도록 폐쇄되어 있는 것을 특징으로 하는 중공사막 카트리지형 가습 모듈.
  9. 중공사막 다발의 양단부에 끼워지는 공용 중공사막 카트리지를 준비하는 단계와,
    상기 공용 중공사막 카트리지의 형태 및 개수에 따라 용량을 정하여 상기 중공사막 다발을 구획하는 구획부가 구비된 하우징을 제조하는 단계와,
    복수의 상기 공용 중공사막 카트리지 및 중공사막 다발을 상기 하우징 내에 삽입하여 배열하는 단계와,
    배열된 복수의 상기 공용 중공사막 카트리지와 중공사막 다발을 상기 하우징에 한꺼번에 포팅하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 중공사막 카트리지형 가습 모듈의 제조방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 하우징을 제조하는 단계에서 상기 구획부를 상기 하우징과 일체로 제작하거나 하우징과 분리하여 제작하여 조립하는 것을 특징으로 하는 중공사막 카트리지형 가습 모듈의 제조방법.
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