KR101635725B1

KR101635725B1 - 나선형으로 감긴 막 필터를 가지는 필터 모듈 및 시스템, 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR101635725B1
Application number: KR1020117002705A
Authority: KR
Inventors: 울리히 마이어-블루멘로쓰; 라인하르트 보이그트
Original assignee: 엠엔 베타일리궁스 게엠베하
Priority date: 2008-08-04
Filing date: 2009-07-29
Publication date: 2016-07-05
Also published as: DE102008036098B4; DE102008036098A1; US20110120931A1; JP5657537B2; ES2653858T3; PL2321037T3; EP2321037B1; US9050564B2; CN102105212B; KR20110036745A; EP2321037A1; CN102105212A; JP2011529782A; WO2010015345A1

Abstract

본 발명은 하나 또는 두 개의 가장자리 상에 투과액 출구 구멍을 구비하는 하나 이상의 나선형으로 감긴 평탄한 필터 요소(10)를 가지는 필터 모듈, 상기 필터 모듈의 제조 방법, 및 하나 이상의 필터 모듈로 구성된 여과 시스템에 관한 것이다.

Description

나선형으로 감긴 막 필터를 가지는 필터 모듈 및 시스템, 및 그 제조 방법{FILTER MODULE AND SYSTEM HAVING SPIRALLY WOUND MEMBRANE FILTERS, AND METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOF}

본 발명은 나선형으로 감긴 평탄한 필터 요소를 갖는 필터 모듈, 그 제조 방법 및 상기 필터 모듈로부터 구성된 여과 시스템(filtration system)에 관한 것이다.

나선형으로 감긴 필터는 공지 기술에서 알려져 있다. DE 2 213 165 는 이러한 종류의 필터를 기술하고 있고, 여기서 필터 카트리지는 나선형으로 감겨지고 두 개의 대향 나선형 단부 면들을 가지는 다층 클로스(multi-layer cloth)로 이루어진다. 상기 클로스를 형성하는 층은 나선형 단부 면을 통해 필터 카트리지로 들어가는 유체가 다시 필터 카트리지를 떠나기 전 적어도 하나의 필터 면을 통해 흘러야 하는 방식으로 밀봉되어 있다. 각각의 필터 층은 높은 포집 체적(pore volume)을 가지는 두 개의 얇은 스페이서 층(spacer layers) 사이에 위치된다. 적어도 하나의 유체 불침투성 층이 상기 스페이서 층의 하나의 표면에 대해 배치된다. 얇은 스페이서 층의 사용에 의해, 단위 체적당 큰 활성 필터 표면을 가지는 소형 필터 카트리지가 얻어진다.

US 5,304,312 는 단부 측 상에 제 1 및 제 2 단부 캡을 갖는 밀봉 필터 유닛을 기술하고 있고, 여기서 상기 단부 캡은 여과될 미처리 액체와 상기 미처리 액체로부터 여과된 투과액(permeate)에 대한 라인 접속을 위한 커넥터(connectors)를 가진다. 필터 유닛은 단부 캡들 사이에 배열된 필터 요소를 포함하며 필터 층과 액체 불침투성 스페이서 층을 구비하는, 나선형으로 감긴 2층 필터 복합 소재로 이루어진다. 나선형으로 감긴 필터 복합 소재의 두 개의 대향 단부 측에서, 필터 층의 가장자리는 좌측 및 우측에 인접한 스페이서 층에 액체 밀봉 방식(liquid-tight manner)으로 각각 연결된다. 이러한 구성은 제 1 단부 캡을 통해 공급된 미처리 액체가 제 2 단부 캡에서 투과액으로서 제거되도록 하기 위해 필터 층을 먼저 투과해야 하는 것을 보장한다.

EP 1 256 372 A2 는 천공된 파이프의 주위에 나선형으로 감긴 모세관 필터 매트(capillary filter mat)를 구비하는 필터 모듈(filter module)을 기술하고 있다. 여과될 미처리 유체는 천공된 파이프를 통해 공급되고 나선형으로 감긴 모세관 필터 매트와 접촉하게 된다. 모세관 필터의 내측 및 외측 사이의 압력차에 의해, 투과액은 미처리된 유체로부터 여과되어 모세관 필터의 내부로부터 제거된다. 모세관 필터의 내부에 대한 접근은 주조 가능하고, 경화 가능한 소재로 만들어진 단부 캡이 제공된 나선형으로 감긴 모세관 필터 매트의 두 개의 단부 측면들에 의해 제공되고, 상기 단부 캡은 모세관 필터의 길이방향 축에 실제로 수직한 크기로 절단되어 얻어진다.

당해 기술 분야에서 공지되고 나선형으로 감긴 다층 평탄한 필터 요소 또는 모세관 필터 매트를 가지는 필터는 아래에 언급된 하나 이상의 단점을 가진다:

- 미처리된 액체와 투과액을 분리하기 위해, 활성 여과 표면에 기여하지 않는 필터의 체적을 증가시키는 액체 불투과성 층이 요구된다;

- 평탄한 필터 요소의 개개의 층들은 가장자리에서만 서로 연결되고, 따라서 낮은 기계적인 안정성을 가진다;

- 제조중에, 특히 나선형을 형성하기 위해 구부리는 동안, 낮은 기계적인 안정성으로 인해, 평탄한 필터 요소는 주름과 뒤틀림을 허용하고, 따라서 대응 제조 방법은 소형 필터 층 길이에 한정된다.

본 발명의 목적은 상술한 단점을 극복하고 고압 저항력과 각각의 큰 필터 층 표면을 가지며 상업적인 여과 시스템에서 사용하기에 적합하고 백-플러쉬(back-flushable)가 가능한, 나선형 권취부(spiral winding)를 가지는 필터 모듈을 제공하는 것이다.

이러한 목적은 축을 중심으로 나선형으로 감긴 하나 이상의 평탄한 필터 요소, 제 1 단부벽 및 선택적으로 제 2 단부벽을 구비하는 필터 모듈에 의해 성취되며, 여기서 각각의 평탄한 필터 요소는 두 개의 필터 막(filter membranes)과 상기 필터 막 사이에 배열된 배수 층(drainage layer)을 포함하고; 각각의 평탄한 필터 요소는 상기 축의 방향으로 실제로 작동하고 유체 밀봉 방식(fluid-tight manner)으로 밀폐된 제 1 및 제 2 가장자리 영역을 가지고; 각각의 평탄한 필터 요소는 상기 제 1 단부벽에 연결된 제 3 가장자리 영역을 가지고; 상기 제 3 가장자리 영역은 상기 제 1 단부벽의 외측면 상에서 개방되고; 상기 제 3 가장자리 영역은 상기 제 1 단부벽의 내측면에 관해 유체 밀봉 방식으로 밀폐되고; 각각의 평탄한 필터 요소는 상기 제 1 단부벽의 내측면에 관해 유체 밀봉 방식으로 밀폐된 제 4 가장자리 영역을 가진다.

본 발명에 따른 필터 모듈의 추가 양호한 실시예는 특허청구의 범위의 제 2 항 내지 제 14 항에서 구현된다.

본 발명은 도면을 참조하여 아래에서 더욱 상세히 설명된다.

도 1a 및 도 1b는 평탄한 필터 요소 및 단부벽을 갖는 필터 모듈을 전체 사시도 및 단면도로 도시한 도면이다.
도 2a 내지 도 2c는 두 개의 단부벽을 갖는 필터 모듈의 단면도를 도시한 도면이다.
도 3a 내지 도 3c는 그 사이에 스페이서를 갖는 나선형으로 감긴 평탄한 필터 요소를 가지는 필터 모듈을 통해서 본 횡단면도를 도시한 도면이다.
도 4a 및 도 4b는 하우징과 두 개의 단부벽을 갖는 필터 모듈의 단면 사시도를 도시한 도면이다.
도 5a 및 도 5b는 일렬로 배열된 3 개의 필터 모듈을 각각 가지는 두 개의 여과 시스템의 단면도를 도시한 도면이다.
도 6a 및 도 6b는 커플링에 의해 연결되는 두 개의 인접한 필터 모듈의 상세한 단면도를 도시한 도면이다.
도 7은 두 개의 필터 모듈을 연결하기 위한 커플링을 분해 사시도로 도시한 도면이다.

도 1a 및 도 1b는 나선형으로 감긴 평탄한 필터 요소(60)와 단부벽(3)을 가지는 본 발명에 따른 필터 모듈(1)을 도시한다. 평탄한 필터 요소(60)는 두 개의 필터 막들(61, 63)과 그 사이에 위치된 배수 층(62)을 구비한다. 필터 막들(61, 63)은 바람직하게는 배수 층(62)의 두 개의 측면들 중의 하나에 각각 적층(laminated) 된다. 특히, 평탄한 필터 요소(60)는 접착제 네트(adhesive nets) 또는 접착제 필름과 같은, 액체 접착제 또는 고체 리본형 접착제 수단에 의해 두 개의 리본형 필터 막과 리본형 배수 층으로부터 실제로 연속적으로 작동된 라미네이터(laminator)로 적층되는 리본형의, 양호하게는 가요성 필터 복합 소재로부터 제조된다. 리본형 필터 복합 소재, 예를 들면, 제 1 리본형 필터 막을 제조하기 위해, 열가소성 폴리머의 제 1 리본형 접착제 네트, 리본형 배수 층, 열가소성 폴리머의 제 2 리본형 접착제 네트, 및 제 2 리본형 필터 막은 각각 리본형 스택(ribbon-shaped stack)을 형성하기 위해 분리된 스톡 저장소 릴(separate stock reservoir reel)로부터 공급되어, 압축 롤 커플에서 결합되며, 상기 리본형 스택은 제 1 및 제 2 접착제 네트가 용해하고, 이어서 냉각되어, 배수 층이 필터 막에 접착된 접착력을 튼튼하게 하도록, 가열된 롤 커플의 상부 및 바닥 측에서 가열된 다음 이어서 냉각된다.

배수 층은 관통하여 유체를 운반하기 위해 개방 구조를 가지는 폴리머, 무기성 또는 금속성 리본 소재로 구성된다. 배수 층의 소재는 양호하게는 플라스틱으로 만들어진 격자 또는 스페이서 니트(spacer knit)이다. 종래 기술에서 공지된 스페이서 니트는 제 1 및 제 2 시트형 루프 구조물(sheet-like loop structures) 및 상기 제 1 및 제 2 루프 구조물 사이에 배열된 파일 스레드(pile threads)의 시스템으로 이루어진다. 파일 스레드는 서로에 대해 루프 구조물의 뒤틀림 또는 횡선 방향(weft direction)으로 규칙적으로 간격을 이루고, 각각의 파일 스레드는 파일 스레드가 톱니모양 또는 나선형 코스를 그리며 움직이도록 제 1 및 제 2 루프 구조물의 루프를 교대로 통과한다.

필터 막은 하나 이상의 층들, 양호하게는 두 개의 층들로 구성된다. 통상적인 2 층 필터 막은 지지용 부직포(support nonwoven) 또는 다공질 막 층으로 이루어진다. 필터 복합 소재의 제조 중, 지지용 부직포는 다공질 막 층이 필터 복합 소재의 외측면 상에 배열되도록 배수 층에 접합되거나 또는 적층된다. 다공질 막 층은 습식 응고(wet coagulation) 또는 적층에 의해 지지용 부직포에 접합되거나 또는 적층된다. 습식 응고에서, 다공질 막 층은 지지용 부직포 상에 침전된다; 그렇지 않다면, 이것은 지지용 부직포 상으로 적층된다. 다공질 막 층은 양호하게는 폴리에테르술폰(polyethersulfone), 폴리술폰(polysulfone), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리비닐리덴 불화물(polyvinylidene fluoride), 폴리아미드(polyamide), 폴리에테르이미드(polyetherimide), 셀룰로오스 아세테이트(cellulose acetate), 재생 셀룰로오스(regenerated cellulose), 폴리올레핀(polyolefin), 또는 불소 중합체(fluoropolymer)로 이루어진다. 다공질 막 층은 예를 들면 폴리머 용액으로 피복된 부직포 또는 직포(nonwoven or woven fabric)에 의해 제조되며, 상기 폴리머는 그 후의 상 전환 단계(phase inversion step)에서 침전된다. 게다가 택일적으로, 폴리머 시트(polymer sheet)는 상기 폴리머 시트에 작은 구멍(pores)을 형성하기 위해 적당하게 잡아 늘여진다. 잡아 늘여진 폴리머 시트는 이때 기계적인 안정을 위해 지지용 부직포 상으로 적층된다. 이들 방법에 의해 제조된 필터 막은 예를 들면, NADIR®막 (MICRODYN-NADIR GmbH, 비스바덴) 또는 Celgard® 평면 시트 막 (Celgard Inc., Charlotte, NC, USA) 로서, 상업적으로 입수할 수 있다.

평탄한 필터 요소(60)를 제조하기 위해, 적절한, 양호하게는 직사각형 형상을 가지는 필터 블랭크(filter blanks)는, 예를 들면, 상술한 형태의 필터 복합 소재로부터 컷아웃(cut out)된다. 얻어진 필터 블랭크는, 예를 들면, 다음과 같은 공지의 방법에 의해 가장자리에서 유체 밀봉 방식으로 밀폐된다.

- 열 또는 초음파 용접에 의해 필터 막에 배수 층을 접합(bonding);

- 필터 블랭크의 가장자리 영역에서, 배수 층과 필터 막 사이에 접착제가 도입되어 경화/가교결합되도록, 점착(adhering);

- 필터 블랭크의 가장자리 영역이 상부와 바닥 측 상에 또한 절단면/인접 가장자리 상에 적용된 접착제를 갖도록, 딥 세멘팅(dip cementing);

- 스레드(thread)에 대한 머신 스티칭(machine stitching); 또는

- 기계적인 클램핑 장치에 의함.

이러한 경우에, 필터 블랭크의 적어도 두 개의 상호 대향 가장자리 영역, 양호하게는, 3개 또는 4개의 가장자리 영역이 그들의 전체 길이에 걸쳐서 유체 밀봉 방식으로 밀폐된다.

양호하게는 이렇게 얻어진 직사각형 평탄한 필터 요소(60)는 유체 밀봉 방식으로 밀폐된 제 1 및 제 2 가장자리 영역(64, 66)과 제 3 및 제 4의 개방된(즉, 밀폐되지 않은) 또는 밀폐된 가장자리 영역(65, 67)를 가진다.

서로 적층된 하나 이상의 평탄한 필터 요소(60)는 원통형 나선형 본체를 형성하기 위해 감겨지며, 예를 들면, 밴드 또는 링과 같은 적절한 기계적인 지지 장치에 의해 상기 형상으로 고정된다. 평탄한 필터 요소(60)는 양호하게는 분배기 파이프(70)의 주위에 감겨진다 (도 2b 참조). 본 발명의 진전에서, 흐름이 관통해 통과할 수 있는 시트형 설계인 하나 또는 그 이상의 스페이서 요소(80)가 나선형 본체의 권취(winding) 전에 평탄한 필터 요소(60)의 단일 또는 다층 스택에 추가된다 (도 3a 내지 도 3c 참조). 상기 스페이서 요소(80)는, 예를 들면, 플라스틱으로 만들어진 와이드-메시 격자(wide-meshed lattices) 또는 네트(nets) 이다. 하나의 스페이서 요소(80)는 양호하게는 각각의 경우에 두 개의 평탄한 필터 요소(60) 사이에 삽입된다.

임의의 분배기 파이프(70)를 갖는 지지 장치에 의해 고정된 나선형 본체는 액화된, 경화 가능한 소재로 단부 측 상에 주조함으로써 제 1 단부벽(3)에 제공되며, 상기 소재는 그 후에 유체 밀봉 방식으로 제 3 가장자리(65)를 둘러싸는 제 1 단부벽(3)에 경화된다. 제 1 단부벽(3)을 제조하기 위해, 예를 들면, 직사각형 또는 원형 내측 횡단면과 평면 베이스(plane base)를 갖는 주조 몰드(casting mold)는 에폭시 수지로 예정된 높이까지 충진 된다. 단부벽(3)을 보강하기 위해, 유리 또는 탄소 섬유(carbon fibers)를 에폭시 수지와 혼합하는 것이 유리하다. 게다가 그 후, 나선형 본체는 제 1 가장자리 영역(65)이 에폭시 수지에 완전히 잠겨지는 방식으로 주조 본체(casting body)에 관해 향해진다. 에폭시 수지는 이때 유체 밀봉 방식으로 제 1 가장자리 영역(65)을 둘러싸는 예비 성형품(preform)을 형성하기 위해 UV 광에 의해 또는 열에 의해 경화된다. 상기 예비 성형품은 주조 몰드로 부터 제거되고, 제 1 단부벽(3)에 정확하게 정의된 최종 형상을 제공하기 위해 그리고 가장자리 영역(65)을 단부벽(3)의 외측면(31) 상에 노출 및 개방시키기 위해 톱질(sawing), 밀링(milling), 선회(turning) 또는 연마기에 의해 기계적으로 가공되며, 따라서 평탄한 필터 요소(60)의 내부에 대해, 즉 배수 층(62)에 대해, 관통 흐름(flow)이 통과할 수 있는 통로를 형성한다.

두 개의 필터 막들(61, 63)과 그 사이에 위치된 배수 층(62)으로 이루어지는 3 층 구조로 인하여, 평탄한 필터 요소(60)는 견고하며, 필터 막들(61, 63)의 외측면과 배수 층(62) 사이에서, 기계적인 손상 또는 누설을 일으키지 않고, 2 바(bar) 보다 큰, 양호하게는 10 바 보다 큰, 특히 양호하게는 20 바 보다 큰 막 압력차(trans-membrane differential pressure)를 지탱한다. 본 발명에 따라서, 평탄한 필터 요소(60)는 축(2)의 방향으로 0.1 내지 6.0 m , 양호하게는 0.4 내지 4.0 m, 및 특히 양호하게는 0.6 내지 2.5 m 의 길이를 가진다. 나선형으로 감긴 평탄한 필터 요소(60)로 충진된 공간 영역은 나선형 권취부(spiral winding)의 중심 축으로서의 축(2)에 관해서 0.05 내지 1.5 m, 양호하게는 0.1 내지 1.25 m, 및 특히 양호하게는 0.2 내지 0.8 m 의 반경 치수를 가진다. 이 경우에, 나선형으로 감긴 평탄한 필터 요소(60)의 외측면과, 내측면이 상기 외측면에 인접한, 동일한 또는 다른 평탄한 필터 요소(60)의 내측면 사이의 반경 방향 거리(도 2a 및 3a에서 참조 부호 160으로 언급됨)는 0.1 내지 20 mm, 양호하게는 0.3 내지 8 mm, 및 특히 양호하게는 0.5 내지 3 mm 이다. 상술한 치수를 가지는 나선형으로 감긴 필터 모듈(1)은 필터 모듈당 50m²보다 큰, 양호하게는 250 m²보다 큰, 특히 양호하게는 1000 m²보다 큰 활성 여과 표면을 가진다. 본 발명의 진전에서, 도 1a 및 도 1b에서 도시된 필터 모듈(1)은 제 2 단부벽(5)에 제공되고, 여기서 제 2 단부벽(5)은 예를 들면 액화된, 경화 가능한 소재로 주조(casting)함으로써 제 1 단부벽(3)과 같은 방식으로 제조된다. 도 2a는 제 1 및 제 2 단부벽(3, 5)을 가지는 이러한 형태의 필터 모듈(10)을 통해서 본 도식적인 단면도를 도시한다. 제 1 단부벽(3)은 내측면(33)과 외측면(31)을 가지며, 상기 내측면(33)은 평탄한 필터 요소(60)를 향한다. 게다가 유사하게, 제 2 단부벽(5)은 내측면(53)과 외측면(51)을 가진다. 평탄한 필터 모듈(60)의 제 3 및 제 4 가장자리 영역(65, 67)은 각각의 외측면(31, 51) 상에서 개방되며, 내측면(33, 53)으로부터 유체 밀봉 방식으로 분리된다. 단부 측면(3, 5)에 배열되고 외측면(31, 51) 상에서 개방된 제 3 및 제 4 가장자리 영역(65, 67)은 평탄한 필터 요소(60)의 내부, 즉 배수 층(62)을 외측으로부터 필터 모듈(1)에 대해 외측면(31, 51) 상에 인접한 두 개의 반쪽 스페이스(half spaces)로 연결한다. 나선형으로 감긴 평탄한 필터 요소(60)의 외측면과, 내측면이 상기 외측면에 인접한, 동일한 또는 다른 평탄한 필터 요소(60)의 내측면 사이의 거리는 이중 화살표(160)로 표시된다.

도 2b는 두 개의 단부벽(3, 5)과 상기 단부벽(3, 5)에서 두 개의 덕트(7, 9)를 연결하는 중앙에 배열된 분배기 파이프(70)를 가지는 본 발명에 따른 필터 모듈(10')의 유익한 실시예를 도시한다. 덕트(7, 9)는 여과되어야 할 미처리 유체를 공급하고 추가 처리하는 역할을 한다. 상기 벽에서, 분배기 파이프(70)는 하나 이상의 구멍(71)을 가지며, 이곳을 통해 미처리 유체는 반경 방향으로 나선형으로 감긴 평탄한 필터 요소들(60) 사이의 공간으로 외측을 향해 흐른다.

도 2c는 제 4 가장자리 영역(67)과 임의의 분배기 파이프(70)가 제 2 단부벽(5)에 의해 유체 밀봉 방식으로 둘러싸이는 본 발명에 따른 추가 필터 모듈(10")을 예시한다.

도 3a는 임의의 분배기 파이프(70)와 두 개의 나선형으로 감긴 평탄한 필터 요소(60) 및 평탄한 필터 요소들(60) 사이에 배열된 스페이서 요소(80)를 갖는 본 발명에 따른 필터 모듈의 횡단면도를 도식적으로 도시한 도면이다. 스페이서 요소(80)는 양호하게는 플라스틱으로 만들어진 와이드-메시 격자(wide-meshed lattice) 또는 네트(net)로 구성된다. 나선형으로 감긴 평탄한 필터 요소(60)의 외측면과, 상기 내측면이 상기 외측면에 인접한, 동일한 또는 다른 평탄한 필터 요소(60)의 내측면 사이의 반경 방향 거리는 이중 화살표(160)로 표시된다. 반경 방향 거리(160)는 0.1 내지 20 mm, 양호하게는 0.3 내지 8 mm, 및 특히 양호하게는 0.5 내지 3 mm 이다.

본 발명에 따른 나선형으로 감긴 배열의 추가 예들은 참조 부호(60, 70, 80)가 도 3a에서와 같은 의미를 가지는 도 3b 및 도 3c에 도시되어 있다. 도 3b에 따라 감겨진 배열에서, 복수의 평탄한 필터 요소(60)는 본래 필터 모듈의 중심축으로부터 같은 반경 방향 거리에 있는 출발점(starting points)으로부터 반경(rays)의 방식으로 나선형 외측 방향으로 연장한다. 각각의 스페이서 요소(80)는 두 개의 인접한 평탄한 필터 요소들(60) 사이에 배열된다. 도 3c는 도 3b에 따른 내측으로 감긴 배열과 도 3a에 따른 내측으로 감긴 배열을 둘러싸는 외측으로 감긴 배열의 조합을 예시한다.

도 4a 및 도 4b는 두 개의 단부벽(3, 5)과 하우징(4)을 가지며, 단부벽(3, 5)의 가장자리는 유체 밀봉 방식으로 하우징(4)에 연결되는 본 발명에 따른 추가 필터 모듈(20)의 부분적인 단면 사시도를 도시한다. 단부벽(3, 5)은 여과될 미처리 유체를 통한 처리를 위해 중심에 배열된 덕트(7, 9)에 유리하게 제공된다. 하우징(4)은 양호하게는 관 형상의 구조로 이루어진다. 유리한 진전으로서, 하우징(4)에는 간단한 방식으로 필터 모듈(20)을 추가 필터 모듈(20)에 또는 여과 시스템의 다른 부품에 연결하는 것을 가능하게 하는 플랜지(11, 13)가 단부 측면 상에 제공된다. 본 발명에 따른 필터 모듈의 사용 및 구성에 따라, 단부벽(3, 5) 대신에 하우징(4)에 필터 모듈(20)의 덕트(7, 9)(도 2a 및 도 2b에서 도시됨) 의 하나 또는 양방을 배열하는 것이 유리하다. 필터 모듈(20)은 기계적인 손상 또는 누설이 일어나지 않고 2 바(bar) 보다 큰, 양호하게는 10 바 보다 큰, 그리고 특히 양호하게는 20 바 보다 큰 내부 압력을 견디어낸다.

도 5a는 두 개의 필터 모듈(10')을 가지는 필터 모듈(10")이 탱크(40) 내에서 일렬로 배열되는 본 발명에 따른 여과 시스템(100)의 예를 도시한다. 탱크(40)에는 여과될 미처리 유체(210)를 공급 및 처리하고 미처리 유체(210)로부터 여과된 투과액(220)을 제거하기 위한 라인(130, 130', 140)이 제공된다. 미처리 유체(210)의 공급 및 배출과 투과 유체(permeate fluid)(220)의 제거는 흐름 화살표(flow arrows)에 의해 도 5a에서 표시되어 있고, 여기서 미처리 유체(210)와 투과 유체(220)는 각각 파형(wavy)과 점으로 된 해칭 패턴(dotted hatching pattern)에 의해 상징화된다. 각각의 경우에 필터 모듈(10", 10') 및 (10', 10')의 둘은 커플링(120)을 거쳐 서로 연결된다.

도 5b는 본 발명에 따른 추가 여과 시스템(200)을 예시한다. 여과 시스템(200)은 3 개의 필터 모듈(20", 20', 20')로 구성되며, 여기서 두 개의 인접한 필터 모듈(20", 20') 및 (20', 20')은 각각의 경우에 커플링(120')을 거쳐 서로 연결된다. 필터 모듈(20", 20')은 필터 모듈(20)의 본 발명에 따른 진전을 수반한다. 하우징(4)에 부가하여, 필터 모듈(20", 20')에는 중앙 덕트 (도 2b에서 참조 부호 7 및 9)에 부가하여, 미처리 유체(210)에 대한 하나 이상의 주변에 배열된 덕트 (도 6b에서 참조 부호 9') 를 가지는 적어도 하나의 단부벽(3, 5)과 분배기 파이프(70)가 제공된다. 여과 시스템(200)의 제 1 단부에서, 필터 모듈(20')에는 미처리 유체(210)를 공급 및 배출하고 미처리 유체(210)로부터 여과되어 나온 투과액(220)을 제거하기 위한 라인(130, 130', 140)이 커플링(120')을 거쳐 제공된다. 필터 모듈(20")의 단부 측면 상의 단부벽은 양호하게는 커버(150)에 의해 기계적으로 안정화된다.

도 6a는 도 5a에서 예시된 여과 시스템(100)의 필터 모듈(10", 10')들 사이의 연결의 단면 분해도이다. 커플링(120)은 도 6a에서 열린 화살표(open arrows)의 기호로 표시된 투과 유체를 위해 주변에 배열된 덕트(125)가 제공된 커플링 본체(121)를 구비한다. 커플링 본체(121)는 선택적으로 평탄한 필터 요소(60)의 개방된 가장자리 영역이 커플링 본체(121)에 의해 부분적으로 방해받지 않고 흐름이 관통해 완전히 지나갈 수 있는 것을 보장하는 리세스(122)를 가진다. 덕트(125)의 전부는 커플링 본체(121)의 양 측면 상에서 각각의 시일(seal)(126)에 의해 유체 밀봉 방식으로 둘러싸인다. 다른 실시예에서, 덕트(125)의 각각은 커플링 본체의 양 측면 상에서 각각의 시일(128)에 의해 유체 밀봉 방식으로 둘러싸인다. 시일(126)은 양호하게는 탄성 소재로 만들어진 종래의 O-링으로서 설계된다. 커플링 본체(121)에서 중심에 배열된 덕트(123)는 도 6a에서 닫힌 화살표(closed arrows)의 기호로 표시된 미처리 유체를 공급 및 추가 배출하는 역할을 한다. 덕트(123)는 시일(124)에 의해 유체 밀봉 방식으로 덕트(125)로부터 분리된다.

도 6b는 도 5b에서 예시된 여과 시스템(200)의 두 개의 인접한 필터 모듈(20', 20')들 사이의 연결의 단면 분해도이다.

덕트(123, 125)에 부가하여, 커플링 본체(121)는 미처리 유체를 위한 추가 덕트(127)를 가진다 (닫힌 화살표로 표시됨). 덕트(127)의 전체는 시일(126, 128)에 의해 유체 모듈(20')의 외측면과 덕트(125)에 관하여 유체 밀봉 방식으로 격리된다. 다른 실시예에서, 덕트(127)의 각각은 커플링 본체의 양 측면 상에서 각각의 시일(128)에 의해 유체 밀봉 방식으로 둘러싸인다. 중앙 덕트(9) (도 2b에서 또한 참조 부호 7, 9로 도시됨)에 부가하여, 필터 모듈(20')의 단부벽은 미처리 유체를 위한 하나 이상의 주변에 배열된 덕트(9')를 가진다.

도 7은 마지막으로 도 5a에서 예시된 여과 시스템(100)에서 사용하기에 적합하고 미처리 및 투과 유체를 위한 덕트(123, 125)를 갖는 커플링 본체(121)와, 하나 또는 두 개의 시일(124) 및 하나 또는 두 개의 시일(126)을 구비하는 커플링(120)을 분해 사시도로 도시한다.

Claims

축(2)을 중심으로 나선형으로 감기는 하나 이상의 평탄한 필터 요소들(60)과, 제 1 단부벽(3) 또는 제 1 및 제 2 단부벽(3, 5)을 포함하는 필터 모듈(1, 10, 10', 10", 20, 20', 20")에 있어서,
각각의 평탄한 필터 요소(60)는 두 개의 필터 막들(61, 63)과 상기 필터 막들(61, 63) 사이에 배열되는 배수 층(62)을 포함하고;
각각의 평탄한 필터 요소(60)는 상기 축(2)의 방향으로 실제로 연장하고 유체 밀봉 방식으로 밀폐되는 제 1 및 제 2 가장자리 영역들(64, 66)을 가지고;
각각의 평탄한 필터 요소(60)는 상기 제 1 단부벽(3)에 연결되는 제 3 가장자리 영역(65)을 가지고;
상기 제 3 가장자리 영역(65)은 상기 제 1 단부벽(3)의 외측면(31)에서 개방되고;
상기 제 3 가장자리 영역(65)은 상기 제 1 단부벽(3)의 내측면(33)에 관해 유체 밀봉 방식으로 밀폐되고;
각각의 평탄한 필터 요소(60)는 상기 제 1 단부벽(3)의 내측면(33)에 관해 유체 밀봉 방식으로 밀폐되는 제 4 가장자리 영역(67)을 구비하는, 필터 모듈.
제 1 항에 있어서,
상기 필터 모듈(10, 10' 10", 20, 20', 20")은 제 2 단부벽(5)을 가지고;
상기 제 4 가장자리 영역(67)은 상기 제 2 단부벽(5)에 연결되고;
상기 제 4 가장자리 영역(67)은 상기 제 2 단부벽(5)의 내측면(53)에 관해 유체 밀봉 방식으로 밀폐되며;
상기 제 4 가장자리 영역(67)은 상기 제 2 단부벽(5)에 의해 유체 밀봉 방식으로 둘러싸이거나 또는 상기 제 2 단부벽(5)의 외측면(51) 상에서 개방되는 것을 특징으로 하는, 필터 모듈.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 필터 막들(61, 63)은 상기 배수 층(62)에 면 접합(area-bonded) 되는 것을 특징으로 하는, 필터 모듈.
제 3 항에 있어서,
상기 필터 막들(61, 63)은 상기 배수 층(62)에 적층되는 것을 특징으로 하는, 필터 모듈.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 평탄한 필터 요소(60)는 상기 필터 막들(61, 63)의 상기 외측면과 상기 배수 층(62) 사이에서, 기계적인 손상 또는 누설을 일으키지 않고, 2 바(bar) 보다 큰 막 압력차를 지탱하는 것을 특징으로 하는, 필터 모듈.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 평탄한 필터 요소(60)는 상기 필터 막들(61, 63)의 상기 외측면과 상기 배수 층(62) 사이에서, 기계적인 손상 또는 누설을 일으키지 않고, 10 바(bar) 보다 큰 막 압력차를 지탱하는 것을 특징으로 하는, 필터 모듈.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 평탄한 필터 요소(60)는 상기 필터 막들(61, 63)의 상기 외측면과 상기 배수 층(62) 사이에서, 기계적인 손상 또는 누설을 일으키지 않고, 20 바(bar) 보다 큰 막 압력차를 지탱하는 것을 특징으로 하는, 필터 모듈.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
흐름이 통과할 수 있는 시트형 설계인 스페이서 요소들(80)이 나선형으로 감기는 상기 평탄한 필터 요소들(60)의 상기 외측면 및 동일하거나 다른 평탄한 필터 요소들(60)의 상기 내측면 사이에 배열되고, 상기 내측면은 상기 외측면에 인접한 것을 특징으로 하는, 필터 모듈.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 필터 모듈(1, 10, 10', 10", 20, 20', 20")은 50 m²보다 큰 활성 여과 표면을 가지는 것을 특징으로 하는, 필터 모듈.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 필터 모듈(1, 10, 10', 10", 20, 20', 20")은 250 m²보다 큰 활성 여과 표면을 가지는 것을 특징으로 하는, 필터 모듈.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 필터 모듈(1, 10, 10', 10", 20, 20', 20")은 1000 m²보다 큰 활성 여과 표면을 가지는 것을 특징으로 하는, 필터 모듈.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 평탄한 필터 요소들(60)은 상기 축(2)의 방향으로 0.1 내지 6.0 m의 길이를 가지는 것을 특징으로 하는, 필터 모듈.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 평탄한 필터 요소들(60)은 상기 축(2)의 방향으로 0.4 내지 4.0 m의 길이를 가지는 것을 특징으로 하는, 필터 모듈.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 평탄한 필터 요소들(60)은 상기 축(2)의 방향으로 0.6 내지 2.5 m의 길이를 가지는 것을 특징으로 하는, 필터 모듈.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
나선형으로 감기는 상기 평탄한 필터 요소들(60)로 채워지는 공간 영역은 상기 축(2)에 관해서 0.05 내지 1.5 m의 반경 치수를 가지는 것을 특징으로 하는, 필터 모듈.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
나선형으로 감기는 상기 평탄한 필터 요소들(60)로 채워지는 공간 영역은 상기 축(2)에 관해서 0.1 내지 1.25 m의 반경 치수를 가지는 것을 특징으로 하는, 필터 모듈.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
나선형으로 감기는 상기 평탄한 필터 요소들(60)로 채워지는 공간 영역은 상기 축(2)에 관해서 0.2 내지 0.8 m의 반경 치수를 가지는 것을 특징으로 하는, 필터 모듈.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
나선형으로 감기는 상기 평탄한 필터 요소들(60)의 상기 외측면과, 동일하거나 다른 평탄한 필터 요소들(60)의 상기 내측면 사이의 반경 방향 거리(160)는 0.1 내지 20 mm이고, 상기 내측면은 상기 외측면에 인접한 것을 특징으로 하는, 필터 모듈.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
나선형으로 감기는 상기 평탄한 필터 요소들(60)의 상기 외측면과, 동일하거나 다른 평탄한 필터 요소들(60)의 상기 내측면 사이의 반경 방향 거리(160)는 0.3 내지 8 mm이고, 상기 내측면은 상기 외측면에 인접한 것을 특징으로 하는, 필터 모듈.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
나선형으로 감기는 상기 평탄한 필터 요소들(60)의 상기 외측면과, 동일하거나 다른 평탄한 필터 요소들(60)의 상기 내측면 사이의 반경 방향 거리(160)는 0.5 내지 3 mm이고, 상기 내측면은 상기 외측면에 인접한 것을 특징으로 하는, 필터 모듈.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 제 1 단부벽(3)은 중앙에 배열되는 덕트(7)를 가지거나,
또는 상기 제 2 단부벽(5)은 중앙에 배열되는 덕트(9)를 가지거나,
또는 상기 제 1 단부벽 및 제 2 단부벽(3, 5)은 중앙에 배열되는 덕트들(7, 9)을 가지는 것을 특징으로 하는, 필터 모듈.
제 21 항에 있어서,
상기 필터 모듈(10', 10", 20', 20")은 분배기 파이프(70)를 포함하며, 상기 분배기 파이프(70)는 상기 덕트들(7, 9) 중 적어도 하나에 연결되고, 상기 분배기 파이프(70)의 벽에 하나 이상의 구멍들(71)을 가지는 것을 특징으로 하는, 필터 모듈.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 필터 모듈(20, 20', 20")은 하우징(4)을 포함하며, 상기 하우징(4)은 상기 제 1 단부벽(3) 또는 상기 제 1 및 제 2 단부벽(3, 5)에 유체 밀봉 방식으로 연결되는 것을 특징으로 하는, 필터 모듈.
제 23 항에 있어서,
상기 필터 모듈(20, 20', 20")은 기계적인 손상 또는 누설을 일으키지 않고 2 바(bar) 보다 큰 내부 압력을 지탱하는 것을 특징으로 하는, 필터 모듈.
제 23 항에 있어서,
상기 필터 모듈(20, 20', 20")은 기계적인 손상 또는 누설을 일으키지 않고 10 바(bar) 보다 큰 내부 압력을 지탱하는 것을 특징으로 하는, 필터 모듈.
제 23 항에 있어서,
상기 필터 모듈(20, 20', 20")은 기계적인 손상 또는 누설을 일으키지 않고 20 바(bar) 보다 큰 내부 압력을 지탱하는 것을 특징으로 하는, 필터 모듈.
제 23 항에 있어서,
상기 하우징(4)은 관형 구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 필터 모듈.
미처리 유체(210)로부터 투과 유체(220)를 여과하기 위한 여과 시스템(100, 200)에 있어서,
제 1 항 또는 제 2 항에 따른 필터 모듈들(1, 10, 10', 10", 20, 20', 20");
상기 필터 모듈들(1, 10, 10', 10", 20, 20', 20")을 연결하기 위한 커플링들(120,120'); 및
미처리 유체(210) 및 투과 유체(220)를 위한 라인들(130, 130', 140)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 여과 시스템.
제 28 항에 있어서,
각각의 커플링(120, 120')은 시일들(126) 및 투과 유체(220)용 덕트들(125)을 갖는 커플링 본체(121)를 포함하며, 상기 시일들(126)은 유체 밀봉 방식으로 상기 덕트들(125)을 둘러싸는 것을 특징으로 하는, 여과 시스템.
제 29 항에 있어서,
각각의 커플링(120, 120')은 상기 커플링 본체(121)에서 중앙에 배열되며 미처리 유체(210)를 위한 덕트(123), 및 시일들(124)을 가지며, 상기 시일들(124)은 유체 밀봉 방식으로 미처리 유체(210)를 위한 중앙에 배열되는 상기 덕트(123)를 둘러싸고 투과액 유체(220)를 위한 상기 덕트들(125)에 관해 유체 밀봉 방식으로 상기 덕트를 밀폐시키는 것을 특징으로 하는, 여과 시스템.
제 29 항에 있어서,
각각의 커플링(120, 120')은 상기 커플링 본체(121)에서 주변에 배열되고 미처리 유체(210)를 위한 덕트들(127), 및 시일들(128)을 가지며, 상기 시일들(128)은 유체 밀봉 방식으로 미처리 유체(210)를 위해 주변에 배열되는 상기 덕트들(127)을 둘러싸는 것을 특징으로 하는, 여과 시스템.
제 30 항에 있어서,
각각의 커플링(120, 120')은 상기 커플링 본체(121)에서 주변에 배열되고 미처리 유체(210)를 위한 덕트들(127), 및 시일들(128)을 가지며, 상기 시일들(128)은 유체 밀봉 방식으로 미처리 유체(210)를 위해 상기 덕트들(127)을 둘러싸는 것을 특징으로 하는, 여과 시스템.
제 1 항 또는 제 2 항에 따른 미처리 유체(210)로부터 투과 유체(220)를 여과하기 위한 필터 모듈(1, 10, 10', 10", 20, 20', 20")의 제조 방법에 있어서,
유체 밀봉 방식으로 밀폐되는 제 1 및 제 2 길이방향 가장자리들(64, 66)을 가지며 유체 밀봉 방식으로 밀폐되거나 개방되는 제 3 및 제 4 단부측 가장자리들(65, 67)을 가지는 하나 이상의 평탄한 필터 요소들(60)은 나선형 본체를 형성하기 위해 감겨지며;
얻어지는 상기 나선형 본체에는, 액화된, 경화 가능한 소재 및 이어서 경화되는 상기 소재에 의해 상기 단부측 상에 주조되는 나선형 본체에 의해, 제 1 단부벽이 제공되되, 상기 제 1 단부벽(3)이 유체 밀봉 방식으로 상기 제 3 가장자리(65)를 둘러싸고,
상기 단부벽(3)은 상기 제 3 가장자리(65)가 외측면(31) 상에서 개방되고 투과 유체(220)의 안내에 이용될 수 있는 방식으로 외측면(31) 상에서 기계적으로 가공되는 것을 특징으로 하는, 필터 모듈의 제조 방법.
제 33 항에 따른 필터 모듈(1, 10, 10', 10", 20, 20', 20")의 제조 방법에 있어서,
얻어지는 상기 나선형 본체에는 하우징(4)이 제공되고, 제 1 단부벽(3)은 상기 하우징(4)에 유체 밀봉 방식으로 연결되는 것을 특징으로 하는, 필터 모듈의 제조 방법.
제 33 항에 따른 필터 모듈(1, 10, 10', 10", 20, 20', 20")의 제조 방법에 있어서,
상기 나선형 본체에는 액화된, 경화 가능한 소재 및 이어서 경화되는 상기 소재에 의해 상기 단부측 상에 주조되는 나선형 본체에 의해, 제 2 단부벽(5)이 제공되되, 상기 제 2 단부벽(5)이 유체 밀봉 방식으로 상기 제 4 가장자리(67)를 둘러싸고,
상기 제 4 가장자리(67)가 상기 외측면(51) 상에서 개방되고 투과 유체(220)의 안내에 이용될 수 있는 방식으로 상기 외측면(51) 상에서 기계적으로 가공되는 것을 특징으로 하는, 필터 모듈의 제조 방법.
제 35 항에 따른 필터 모듈(1, 10, 10', 10", 20, 20', 20")의 제조 방법에 있어서,
얻어지는 상기 나선형 본체에는 하우징(4)이 제공되고, 제 2 단부벽(5)은 상기 하우징(4)에 유체 밀봉 방식으로 연결되는 것을 특징으로 하는, 필터 모듈의 제조 방법.