WATER TREATMENT FILTER MODULE, AND APPARATUS AND METHOD FOR MANUFACTURING HELICAL STRAND FOR WATER TREATMENT FILTER MODULE
본 발명은 수처리 필터 모듈, 수처리 필터 모듈용 헬리컬 스트랜드의 제조장치 및 제조방법, 스페이서의 제조방법에 관한 것이다. 본 출원은 2017년 11월 3일자 한국 특허 출원 제10-2017-0145694호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다. 수처리 필터 모듈은 원수로부터 불순물을 제거하는 장치이다. 최근 환경 오염 등으로 수처리 기술이 중요해지고 있으며, 특히 역삼투를 사용하는 멤브레인 수처리 모듈은 고분자, 콜로이드 및 입자(파티클)을 제거하여 원수를 정화하기 위해 사용될 수 있다. 압력을 이용해 농도가 높은 용액을 농도가 낮은 쪽으로 이동시키는 공정을 '역삼투'라고 하며, 이러한 원리를 이용해 물 분자만 반투막을 통과시켜 물을 정화하는 장치를 역삼투압막 수처리 모듈이라고 한다. 이때, 반투막이 '역삼투압막 필터'이며, 이러한 필터를 모듈화한 것이 역삼투막 필터 모듈이다. 이러한 역삼투막 필터 모듈은 나권형 분리막 모듈(spiral-wound module)이 사용된다. 나권형 분리막 모듈은 멤브레인과 스페이서가 교대로 적층된 구조를 갖는다. 멤브레인은 불순물을 여과시키는 기능을 수행한다. 도 1은 종래 스페이서(10)의 평면도이고, 도 2는 도 1에 도시된 스페이서(10)에서의 대표 흐름을 나타내는 해석 결과이다. 도 1을 참조하면, 스페이서(10)는 원수가 멤브레인으로 유입되는 통로를 형성한다. 예를 들어, 스페이서(10)는 그물 모양의 망 구조를 갖는다. 구체적으로, 스페이서(10)는 원수가 통과할 수 있는 스페이서 셀(12)을 형성하도록 교차 배열된 복수 개의 스트랜드(11)(strand)를 포함한다. 한편, 도 2에서와 같이, 원수가 유입될 때, 스페이서에 의한 흐름 방해로 차압이 발생하게 되며, 이는 에너지 비용을 증가시키게 된다. 특히, 도 2를 참조하면, 복수 개의 스트랜드(11)가 교차하는 접점에서 부피가 커지고, 해당 영역에서 소용돌이가 발생한다. 이러한 소용돌이 현상은 압력 손실을 증가시킨다. 도 2에서, 부호 F는 주 흐름방향을 나타낸다. 또한, 수투과 플럭스(flux)에 의해 필연적으로 멤브레인 근처에서 농도 분극 현상이 발생하는데, 이러한 현상이 심할수록 멤브레인 근처에서 삼투압이 높아져 수투과율이 떨어지게 된다. 따라서, 차압이 적게 발생하고, 농도 분극 현상을 완화시킬 수 있는 스페이서의 설계가 요구된다. 한편, 종래 형태의 스페이서는 압출이 사용되고 있으나, 이러한 방식으로는 다양한 형태의 스페이서를 제작하기 어렵고, 정밀한 형상 제어를 위하여 인젝션 몰딩(injection molding, 사출)을 사용하게 되면, 금형을 제작하여야 하기 때문에 생산 비용이 증가하는 문제가 발생한다. 본 발명은 차압을 적게 발생시키고, 농도 분극 현상을 완화시킬 수 있는 수처리 필터 모듈, 수처리 필터 모듈용 헬리컬 스트랜드 및 스페이서의 제조장치 및 제조방법을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다. 상기한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 원수를 여과하기 위한 멤브레인; 및 멤브레인에 적층되고, 멤브레인으로 원수를 통과시키기 위한 복수 개의 통로를 제공하는 스페이서를 포함하고, 스페이서는 제1 방향으로 연장된 제1 부재; 및 제1 방향과 다른 제2 방향으로 연장되고, 제1 부재와 교차하여 스페이서 셀을 형성하도록 배치된 제2 부재를 포함하고, 제1 부재 및 제2 부재 중 적어도 하나는 연장된 방향을 중심으로, 소정 반경의 소정 피치를 갖는 나선형으로 감긴 수처리 필터 모듈이 제공된다. 또한, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 수처리 필터 모듈의 헬리컬 스트랜드를 제조하는 장치로서, 압출 노즐; 압출 노즐로부터 압출된 스트랜드가 감기는 회전 롤; 회전 롤의 축 방향 이동 및 회전을 위한 제1 구동부; 및 회전 롤에 감진 헬리컬 스트랜드의 피치를 조절하기 위하여, 회전 롤의 회전속도 및 축 방향 이동속도를 조절하는 제어부를 포함하는 헬리컬 스트랜드의 제조장치가 제공된다. 또한, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 수처리 필터 모듈의 헬리컬 스트랜드를 제조하는 장치로서, 압출 노즐; 압출 노즐로부터 압출된 스트랜드가 감기는 회전 롤; 회전 롤의 회전을 위한 제2 구동부; 회전 롤의 축 방향을 따라 압출 노즐을 이동시키기 위한 제3 구동부; 및 회전 롤에 감진 헬리컬 스트랜드의 피치를 조절하기 위하여, 회전 롤의 회전속도 및 압출 노즐의 축 방향 이동속도를 조절하는 제어부를 포함하는 헬리컬 스트랜드의 제조장치가 제공된다. 또한, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 수처리 필터 모듈의 헬리컬 스트랜드를 제조하는 방법으로서, 압출 노즐을 통해 스트랜드를 압출하는 단계; 및 회전 롤을 회전시킴과 동시에, 회전 롤 및 압출 노즐 중 적어도 하나를 회전 롤의 축 방향을 따라 이동시킴으로써 스트랜드를 회전 롤에 나선형으로 감아 헬리컬 스트랜드를 형성하는 단계를 포함하는 헬리컬 스트랜드의 제조방법이 제공된다. 또한, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 수처리 필터 모듈의 스페이서를 제조하는 방법으로서, 압출 노즐을 통해 스트랜드를 압출하는 단계; 회전 롤을 회전시킴과 동시에, 회전 롤 및 압출 노즐 중 적어도 하나를 회전 롤의 축 방향을 따라 이동시킴으로써 스트랜드를 회전 롤에 나선형으로 감아 헬리컬 스트랜드를 형성하는 단계; 및 복수 개의 헬리컬 스트랜드를 접점 없이 교차 배열시킴으로써 스페이서를 제조하는 단계를 포함하는 스페이서의 제조방법이 제공된다. 이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 적어도 일 실시예와 관련된 수처리 필터 모듈, 수처리 필터 모듈용 헬리컬 스트랜드 및 스페이서의 제조장치 및 제조방법은 다음과 같은 효과를 갖는다. 스페이서를 이루는 스트랜드를 소정 반경 및 피치를 갖는 헬리컬 스트랜드로 구성함으로써, 유동을 멤브레인 표면으로 유도하고, 교차영역에서 접점을 제거하여 소용돌이 발생을 방지하고, 압력 손실을 최소화할 수 있다. 헬리컬 스트랜드 제조 시, 생산비용 증가를 억제할 수 있다. 도 1은 종래 스페이서의 평면도이다. 도 2는 도 1에 도시된 스페이서에서의 대표 흐름을 나타내는 해석 결과이다. 도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예와 관련된 수처리 필터 모듈을 구성하는 스페이서를 나타내는 도면들이다. 도 5는 도 4에 도시된 스페이서를 이용한 해석 결과를 나타낸다. 도 6은 본 발명의 일 실시예와 관련된 수처리 필터 모듈용 헬리컬 스트랜드의 제조장치 및 제조방법을 설명하기 위한 개략도이다. 이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 수처리 필터 모듈, 수처리 필터 모듈용 헬리컬 스트랜드, 스페이서의 제조장치 및 제조방법을 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명한다. 또한, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응되는 구성요소는 동일 또는 유사한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복 설명은 생략하기로 하며, 설명의 편의를 위하여 도시된 각 구성 부재의 크기 및 형상은 과장되거나 축소될 수 있다. 도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예와 관련된 수처리 필터 모듈을 구성하는 스페이서(100)를 나타내는 도면들이고, 도 5는 도 4에 도시된 스페이서(100)를 이용한 해석 결과를 나타낸다. 본 발명의 일 실시예와 관련된 수처리 필터 모듈은 원수를 여과하기 위한 멤브레인 및 멤브레인에 적층되고, 멤브레인으로 원수를 통과시키기 위한 복수 개의 통로('스페이서 셀'이라고도 함)를 제공하는 스페이서(100)를 포함한다. 멤브레인은 역삼투 현상이 가능한 다양한 재질로 형성될 수 있다. 상기 스페이서(100)는 제1 방향으로 연장된 제1 부재(110) 및 제1 방향과 다른 제2 방향으로 연장되고, 제1 부재(110)와 교차하여 스페이서 셀(130)을 형성하도록 배치된 제2 부재(120)를 포함한다. 제1 부재(110) 및 제2 부재(120)는 각각 전술한 스트랜드(strand)이며, 각각 수지 재질로 형성될 수 있으며, 특히, 동일한 수지 재질로 형성될 수 있고, 예를 들어, 폴리에틸렌(PE) 수지, 폴리플로필렌(PP) 수지 또는 이들의 조합으로 형성될 수 있다. 또한, 제1 부재(110) 및 제2 부재(120)는 대략 원형(또는 타원형)의 단면을 갖고, 50㎛ 내지 200㎛의 직경을 가질 수 있다. 제1 부재(110) 및 제2 부재(120) 중 적어도 하나의 부재는 연장된 방향(중심축 A)을 중심으로, 소정 반경의 소정 피치(p)를 갖는 나선형으로 감긴다. 즉, 제1 부재(110) 및 제2 부재(120) 중 적어도 하나는 중심축(A)을 기준으로 나선형으로 감긴 헬리컬 스트랜드(helical strand)이다. 또한, 제1 부재(110) 및 제2 부재(120)는 각각 연장된 방향(중심축)을 중심으로, 소정 반경의 소정 피치로 감긴 헬리컬 형상을 갖는다. 또한, 제1 부재(110)와 제2 부재(120)는 중심축(A)을 기준으로 동일한 회전방향을 따라 감긴 헬리컬 스트랜드일 수 있다. 이와는 다르게, 제1 부재(110)와 제2 부재(120)는 서로 다른 회전방향을 따라 감긴 헬리컬 스트랜드일 수 있다. 또한, 제1 부재(110)와 제2 부재(120)는 동일한 반경 및 동일한 피치를 가질 수 있다. 상기 피치(p)는 1800㎛ 내지 3000㎛일 수 있다. 피치(p)가 상기 수치범위 보다 작은 값을 가지면 비용이 과도하게 증가하고, 이와는 다르게, 피치(p)가 상기 수치범위 보다 큰 값을 가지면 패킹(packing) 시 유로 감소가 심해질 수 있다. 또한, 상기 반경은 100㎛ 내지 500㎛일 수 있다. 반경이 상기 수치범위 보다 작은 값을 가지면 압력 손실이 과도하게 높아지고, 반경이 상기 수치범위 보다 큰 값을 가지면 수처리 필터 모듈의 반경이 지나치게 커져 효율이 감소한다. 한편, 제1 부재(110)와 제2 부재(120)는 교차 영역(C)에서 접점 없이 교차 배열될 수 있다. 스페이서(100)는 제1 및 제2 부재(110, 120)의 헬리컬 형상에 의해, 교차 영역에서 별도의 접합 없이도 교차 배열된 상태만으로 스페이서 셀(130)의 유지가 가능하다. 또한, 제1 부재(110)와 제2 부재(120)는 스페이서 셀(130)이 대략 다이아몬드 형태를 갖도록 교차 배열될 수 있다. 도 5를 참조하면, 교차 영역에서 소용돌이 없이 상하 유동이 발생하는 것을 확인할 수 있다. 도 1에 도시된 스페이서와 도 4에 도시된 스페이서를 통해 차압을 해석하였다. 도 1의 스페이서에서, 스트랜드 사이의 거리는 2750㎛이고, 도 4의 스페이서에서, 헬리컬 스트랜드의 피치는 2750㎛이다. 이때, 도 1의 스페이서에서 차압은 약 1032Pa이고, 도 4의 스페이서에서 차압은 665Pa로 해석되었다. 이하, 제1 부재와 제2 부재(110, 120)와 같은 구조를 갖는 헬리컬 스트랜드 및 스페이서를 제조하기 위한 장치 및 방법을 구체적으로 설명한다. 도 6은 본 발명의 일 실시예와 관련된 수처리 필터 모듈용 헬리컬 스트랜드의 제조장치(200) 및 제조방법을 설명하기 위한 개략도이다. 도 6을 참조하면, 제1 실시예와 관련된 수처리 필터 모듈의 헬리컬 스트랜드의 제조장치(200)는, 압출 노즐(210), 압출 노즐(210)로부터 압출된 스트랜드가 감기는 회전 롤(220), 회전 롤(220)의 축 방향 이동 및 회전을 위한 제1 구동부(240) 및 회전 롤(220)에 감진 헬리컬 스트랜드의 피치(p)를 조절하기 위하여, 회전 롤(220)의 회전속도(w) 및 축 방향 이동속도(v)를 조절하는 제어부(250)를 포함한다. 제1 실시예에 따르면, 압출 노즐(210)로부터 스트랜드가 압출되고, 압출된 스트랜드는 회전 롤(220)에 나선형으로 감김으로써, 헬리컬 스트랜드로 제조된다. 이때, 제1 구동부(230)는 회전 롤(220)을 회전시킴과 동시에, 회전 롤(220)의 축 방향 이동을 수행함으로써, 회전 롤(220)에 감진 헬리컬 스트랜드의 피치(p)를 조절된다. 이와는 다르게, 본 발명의 제2 실시예와 관련된 수처리 필터 모듈의 헬리컬 스트랜드의 제조장치(200)는, 압출 노즐(210), 압출 노즐(210)로부터 압출된 스트랜드가 감기는 회전 롤(220), 회전 롤(220)의 회전을 위한 제2 구동부, 회전 롤(220)의 축 방향을 따라 압출 노즐(110)을 이동시키기 위한 제3 구동부(240), 및 회전 롤에 감진 헬리컬 스트랜드의 피치를 조절하기 위하여, 회전 롤(220)의 회전속도 및 압출 노즐(210)의 축 방향 이동속도를 조절하는 제어부(250)를 포함한다. 본 실시예에서, 제2 구동부는 제1 실시예의 제1 구동부(230)와는 다르게, 회전 롤(220)의 회전만을 구동하도록 마련된다. 제2 실시예에 따르면, 압출 노즐(210)로부터 스트랜드가 압출되고, 압출된 스트랜드는 회전 롤(220)에 나선형으로 감김으로써, 헬리컬 스트랜드로 제조된다. 이때, 제2 구동부는 회전 롤을 회전시키도록 마련되고, 제3 구동부(240)가 회전 롤(220)의 축 방향을 따라 압출 노즐(210)을 이동시킴으로써, 회전 롤(220)에 감진 헬리컬 스트랜드의 피치를 조절하도록 마련된다. 즉, 제1 실시예에서는 축 방향 이동 대상이 회전 롤(220)이고, 제2 실시예에서는 축 방향 이동 대상이 압출 노즐(210)이라는 점에서 점에서 차이를 갖는다. 상기와 같은 구조를 갖는 제조장치(200)를 이용한 제조방법은, 수처리 필터 모듈의 헬리컬 스트랜드를 제조하는 방법으로서, 압출 노즐을 통해 스트랜드를 압출하는 단계; 및 회전 롤(220)을 회전시킴과 동시에, 회전 롤(220) 및 압출 노즐(210) 중 적어도 하나를 회전 롤의 축 방향을 따라 이동시킴으로써 스트랜드를 회전 롤(220)에 나선형으로 감아 헬리컬 스트랜드를 형성하는 단계를 포함한다. 이때, 헬리컬 스트랜드를 형성하는 단계에서, 헬리컬 스트랜드의 피치(p)를 조절하기 위하여, 회전 롤(220)의 회전속도(w) 및 축 방향 이동속도(v)를 조절하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 또한, 헬리컬 스트랜드를 이용한 수처리 필터 모듈용 스페이서의 제조방법은, 압출 노즐을 통해 스트랜드를 압출하는 단계, 회전 롤을 회전시킴과 동시에, 회전 롤 및 압출 노즐 중 적어도 하나를 회전 롤의 축 방향을 따라 이동시킴으로써 스트랜드를 회전 롤에 나선형으로 감아 헬리컬 스트랜드를 형성하는 단계 및 복수 개의 헬리컬 스트랜드를 접점 없이 교차 배열시킴으로써 스페이서를 제조하는 단계를 포함한다. 위에서 설명된 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다. 본 발명에 따르면, 스페이서를 이루는 스트랜드를 소정 반경 및 피치를 갖는 헬리컬 스트랜드로 구성함으로써, 유동을 멤브레인 표면으로 유도하고, 교차영역에서 접점을 제거하여 소용돌이 발생을 방지하고, 압력 손실을 최소화할 수 있다. The present invention relates to a water treatment filter module, an apparatus and method for manufacturing a helical strand for a water treatment filter module, and a method for manufacturing a spacer. According to an aspect of the present invention, provided is a water treatment filter module including: a membrane for filtering raw water; and a spacer that is laminated on the membrane and provides a plurality of passages for passing the raw water through to the membrane, wherein the spacer includes a first member extending in a first direction and a second member extending in a second direction that is different from the first direction and arranged to form a spacer cell by crossing the first member, and at least one among the first member and second member is wound with respect to the extended direction in a helical shape having a predetermined pitch of a predetermined radius. 원수를 여과하기 위한 멤브레인; 및 멤브레인에 적층되고, 멤브레인으로 원수를 통과시키기 위한 복수 개의 통로를 제공하는 스페이서를 포함하고, 스페이서는 제1 방향으로 연장된 제1 부재; 및 제1 방향과 다른 제2 방향으로 연장되고, 제1 부재와 교차하여 스페이서 셀을 형성하도록 배치된 제2 부재를 포함하고, 제1 부재 및 제2 부재 중 적어도 하나는 연장된 방향을 중심으로, 소정 반경의 소정 피치를 갖는 나선형으로 감긴 수처리 필터 모듈. 제 1 항에 있어서, 제1 부재 및 제2 부재는 각각 연장된 방향을 중심으로, 소정 반경의 소정 피치로 감긴 헬리컬 형상을 갖는 수처리 필터 모듈. 제 2 항에 있어서, 제1 부재와 제2 부재는 동일한 회전방향을 따라 감긴 수처리 필터 모듈. 제 2 항에 있어서, 제1 부재와 제2 부재는 서로 다른 회전방향을 따라 감긴 수처리 필터 모듈. 제 2 항에 있어서, 제1 부재와 제2 부재는 동일한 반경 및 동일한 피치를 갖는 수처리 필터 모듈. 제 5 항에 있어서, 상기 피치는 1800㎛ 내지 3000㎛인 수처리 필터 모듈. 제 5 항에 있어서, 상기 반경은 100㎛ 내지 500㎛인 수처리 필터 모듈. 제 2 항에 있어서, 제1 부재와 제2 부재는 접점 없이 교차 배열된 수처리 필터 모듈. 제 8 항에 있어서, 제1 부재와 제2 부재는 스페이서 셀이 다이아몬드 형태를 갖도록 교차 배열된 수처리 필터 모듈. 제1항에 따른 수처리 필터 모듈의 스페이서를 제조하는 방법으로서, 압출 노즐을 통해 스트랜드를 압출하는 단계; 회전 롤을 회전시킴과 동시에, 회전 롤 및 압출 노즐 중 적어도 하나를 회전 롤의 축 방향을 따라 이동시킴으로써 스트랜드를 회전 롤에 나선형으로 감아 헬리컬 스트랜드를 형성하는 단계; 및 복수 개의 헬리컬 스트랜드를 접점 없이 교차 배열시킴으로써 스페이서를 제조하는 단계를 포함하는 스페이서의 제조방법.
