CN110545902B - 中空纤维膜组件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于提高有助于膜分离作用的膜面积比例的中空纤维膜组件。本发明的特征在于，在壳体(100)的内壁面上设置有：至少一个整流用突起(130)，其以确保壳体(100)的内壁面与中空纤维膜束(300)之间间隙的方式朝向中空纤维膜束(300)的外周面突出，并从壳体(100)的一端侧朝向另一端侧延伸，用于整齐流体的流动；以及至少一个乱流用突起(140)，其朝向壳体(100)的周向延伸，用于紊乱流体的流动。

Description

中空纤维膜组件
技术领域
本发明涉及一种能够使用于加湿装置或除湿装置的中空纤维膜组件。
背景技术
例如，在固体高分子型的燃料电池中，为了对电解质膜进行加湿而设置有使用了中空纤维膜组件的加湿装置。参照图7和图8对现有例所涉及的中空纤维膜组件进行说明。图7为现有例所涉及的中空纤维膜组件的示意剖视图。图8为用于构成现有例所涉及的中空纤维膜组件的壳体的示意剖视图。图8表示壳体内壁面的结构。
现有例所涉及的中空纤维膜组件500具备筒状的壳体510。在该壳体510的两端分别安装有头部520、530。而且，在壳体510内收纳有中空纤维膜束540。此外，设置有一对密封固定部550、560，其分别在壳体510的一段侧和另一端侧，在各中空纤维膜的中空内部开放的状态下密封壳体510两端的开口部，并将中空纤维膜束540固定在壳体510上。
由以上方式构成的中空纤维膜组件500形成有贯通各中空纤维膜中空内部的膜内流路和贯通各中空纤维膜外壁面侧的膜外流路。换言之，从头部530一侧贯通中空纤维膜束540中的各中空纤维膜的中空内部，并流向头部520一侧的流路(参照箭头Y)为膜内流路。而从设置在壳体510上的膜外流路入口511贯通中空纤维膜束540中的各中空纤维膜的外壁面侧，并流向设置在壳体510上的膜外流路出口512的流路(参照箭头X)则为膜外流路。
而且，通过使用亲水性的材料作为中空纤维膜的素材，可以将中空纤维膜组件500用作加湿装置。例如，使湿润空气流到上述箭头X方向流向的膜外流路，并使干燥空气流到箭头Y方向流向的膜内流路。由此，中空纤维膜的膜分离作用使湿润空气侧的水分供给到干燥空气侧，从而能够对干燥空气进行加湿。此外，由于可以去除湿润空气侧的水分，从而也可以用作对湿润空气进行干燥的除湿装置。
在上述的中空纤维膜组件500中，为了提高加湿效率，如何能够增大有助于膜分离作用的膜面积相对于收纳在壳体510内的中空纤维膜整体膜面积的比例很重要。当中空纤维膜束540的外周面紧贴壳体510的内壁面整体时，会导致流体的流动容易集中在膜外流路入口511附近和膜外流路出口512附近。为此，在图示的现有例所涉及的中空纤维膜组件500中，在壳体510的内壁面上设置有用于整齐流体流动的整流用突起513。该整流用突起513以确保壳体510的内壁面与中空纤维膜束540之间间隙的方式被设置成朝向中空纤维膜束540的外周面突出，并从壳体510的一端侧朝向另一端侧延伸。如上所述，通过设置整流用突起513，能够抑制流体的流动集中在膜外流路入口511附近和膜外流路出口512附近的情况，从而能够增大有助于膜分离作用的膜面积的比例。
但在上述的现有构造中，由于在壳体510的内壁面与中空纤维膜束540之间设置有间隙S，因而从膜外流路入口511进入的流体(例如湿润空气)容易流到密封固定部560附近。因此，图中箭头X0所示的流动容易成为主流，导致在中空纤维膜束540中央附近流到束内的流体的流量容易变少。因此，为了增大有助于膜分离作用的膜面积的比例，还有改善的余地。
专利文献
专利文献1：日本特开2007-283292号公报
专利文献2：日本特开2015-226859号公报
专利文献3：日本特开2009-136772号公报
发明内容
本发明的目的在于提供一种提高有助于膜分离作用的膜面积比例的中空纤维膜组件。
本发明为了解决上述课题而采用了以下手段。
一种中空纤维膜组件，具备：筒状壳体；中空纤维膜束，其由收纳在所述壳体内的多个中空纤维膜构成；以及一对密封固定部，其分别在所述壳体的一端侧和另一端侧，在各中空纤维膜的中空内部开放的状态下密封所述壳体两端的开口部，并将所述中空纤维膜束固定在所述壳体上，所述中空纤维膜组件形成有：膜内流路，其贯通各中空纤维膜的中空内部；以及膜外流路，其贯通各中空纤维膜的外壁面侧，通过使湿润空气流到该膜内流路和膜外流路中的一方，并使干燥空气流到另一方，各中空纤维膜的膜分离作用使湿润空气侧的水分供给到干燥空气侧，其特征在于，在所述壳体上设置有：膜外流路入口，其设置在偏向该壳体一端侧的位置；以及膜外流路出口，其设置在偏向该壳体另一端侧的位置，且在隔着所述中空纤维膜束而与所述膜外流路入口相反的一侧，在该壳体的内壁面上设置有：至少一个整流用突起，其以确保该壳体的内壁面与所述中空纤维膜束之间间隙的方式朝向该中空纤维膜束的外周面突出，并从所述壳体的一端侧朝向另一端侧延伸，用于整齐流体的流动；以及至少一个乱流用突起，其朝向所述壳体的周向延伸，用于紊乱流体的流动。
由于本发明在壳体的内壁面上设置有整流用突起，因而能够抑制流体的流动集中在膜外流路入口附近或膜外流路出口附近。而且，由于在壳体的内部面上设置有乱流用突起，因而能够减少在壳体内壁面与中空纤维膜束之间间隙中流动的流体的流量。这能够抑制从膜外流路入口进入，然后从该间隙流动到膜外流路出口侧的密封固定部附近，并从膜外流路出口流出的流体的流量。
所述壳体可以具备：一对近似平板部；以及一对曲面部，其用于分别连接该一对近似平板部的两侧，所述壳体由垂直于从该壳体一端侧朝向另一端侧方向的剖面形状为椭圆形的构件构成，在所述一对近似平板部的一方上设置有所述膜外流路入口，在另一方上设置有所述膜外流路出口，所述整流用突起和乱流用突起至少设置在所述一对近似平板部中设有所述膜外流路入口一侧的内壁面上。
这能够更为可靠地抑制流体的流动集中在膜外流路入口附近。而且，从膜外流路入口进入的流体在壳体内壁面与中空纤维膜束之间间隙流动途中，乱流用突起能够紊乱流体的流动。从而能够在乱流用突起附近使流体进入中空纤维膜束的内部。
如上所述，本发明能够提高有助于膜分离作用的膜面积的比例。
附图说明
图1为本发明实施例所涉及的中空纤维膜组件的俯视图。
图2为本发明实施例所涉及的中空纤维膜组件的侧视图。
图3为本发明实施例所涉及的中空纤维膜组件的主视图。
图4为本发明实施例所涉及的中空纤维膜组件的示意剖视图。
图5为本发明实施例所涉及的中空纤维膜组件的示意剖视图。
图6为本发明实施例所涉及的壳体的示意剖视图。
图7为现有例所涉及的中空纤维膜组件的示意剖视图。
图8为现有例所涉及的壳体的示意剖视图。
具体实施方式
下面参照附图并根据实施例示例性地对用于实施本发明的方式进行详细说明。但若无特别说明，本实施例所记载的组成部件的尺寸、材质、形状及其相对位置等并非将本发明的范围限定于此。本实施例所涉及的中空纤维膜组件可以在固体高分子型的燃料电池中优选用作用于加湿电解质膜的加湿装置。但也可以用作除湿装置。
(实施例)
参照图1～图6对本发明所涉及的中空纤维膜组件进行说明。图1为本发明实施例所涉及的中空纤维膜组件的俯视图。图2为本发明实施例所涉及的中空纤维膜组件的侧视图。图3为本发明实施例所涉及的中空纤维膜组件的主视图且为从图2中左侧观察的图。图4为本发明实施例所涉及的中空纤维膜组件的示意剖视图且为图1中的AA剖视图。图5为本发明实施例所涉及的中空纤维膜组件的示意剖视图且为图2中的BB剖视图。图6为本发明实施例所涉及的壳体的示意剖视图且为仅示出图3中的CC剖视图中壳体的图。
<中空纤维膜组件>
本实施例所涉及的中空纤维膜组件10由筒状壳体100、分别固定在壳体100两端侧的一对头部210、220、收纳在壳体100内的中空纤维膜束300以及一对密封固定部410、420构成。并且在中空纤维膜组件10中形成有贯通中空纤维膜束300的各中空纤维膜中空内部的膜内流路(参照图4中的箭头Y)和贯通各中空纤维膜外壁面侧的膜外流路(参照图4中的箭头X)。
壳体100具备一对近似平板部100P、100Q和用于分别连接该一对近似平板部100P、100Q两侧的一对曲面部100R、100S。而且，壳体100由垂直于从其一端侧朝向另一端的方向的剖面形状为椭圆形的构件构成(参照图5)。
并且，在偏向壳体100一端侧的位置上设置有膜外流路入口110。该膜外流路入口110设置在一对近似平板部100P、100Q中一方的近似平板部100P上。而且，在偏向壳体100另一端侧的位置且在隔着中空纤维膜束300而与膜外流路入口110相反的一侧设置有膜外流路出口120。该膜外流路出口120设置在一对近似平板部100P、100Q中另一方的近似平板部100Q上。一对头部210、220分别固定在壳体100的两端。该一对头部210、220由环状的构件构成。并且，头部210的内周面210a的内侧和头部220的内周面220a的内侧分别成为流体的通路。此外，在本实施例中，头部220的内周面220a的内侧成为膜内流路的入口，头部210的内周面210a的内侧成为膜内流路的出口。
中空纤维膜束300为多个(从数百个到数万个左右)中空纤维膜捆在一起的结构。可以使用亲水性的素材作为中空纤维膜的素材。例如，可以优选使用具有通过溶解扩散透过水分特性的全氟磺酸树脂或具有利用光径控制产生的毛细冷凝机构透过水分特性的PPSU(聚苯砜)等。由于这些材料为低浸出性且强度较高，因而可以优选使用于加湿装置或除湿装置。
一对密封固定部410、420分别在壳体100的一端侧和另一端侧，在各中空纤维膜的中空内部开放状态下密封壳体100两端的开口部，并将中空纤维膜束300固定在壳体100上。这些密封固定部410、420则通过使环氧树脂等灌封材料硬化而构成。
<壳体>
更为详细地对壳体100进行说明。在壳体100的内壁面上设置有整流用突起130和乱流用突起140。整流用突起130以确保壳体100的内壁面与中空纤维膜束300之间间隙的方式朝向中空纤维膜束300的外周面突出，并从壳体100的一端侧朝向另一端侧延伸，用于整齐流体的流动。在本实施例中，分别在一对近似平板部100P、100Q的每个内壁面的两处设置有整流用突起130。乱流用突起140朝向壳体100的周向延伸，用于紊乱流体的流动。在本实施例中，分别在一对近似平板部100P、100Q的每个内壁面的一处设置有乱流用突起140。并且，乱流用突起140设置在壳体100两端之间的中心附近。
优选，将整流用突起130的长度方向的长度(图4和图6中左右方向的长度)相对于中空纤维膜的有效长度(相当于密封固定部410、420的对置面之间的距离)设定在1/4以上3/4以下的范围内。而且优选，整流用突起130的高度(突出量)相对于壳体100的剖面的长度(相当于一对近似平板部100P、100Q的对置面之间的距离)设定在1/20以上1/4以下的范围内。并且优选，乱流用突起140周向的长度相对于壳体100内周面的周长设定在1/8以上1以下的范围内。并且优选，乱流用突起140的高度(突出量)相对于壳体100的剖面的长度(相当于一对近似平板部100P、100Q的对置面之间的距离)设定在1/20以上1/4以下的范围内。在本实施例中，整流用突起130可以确保中空纤维膜束300与近似平板部100P之间以及中空纤维膜束300与近似平板部100Q之间的间隙S。而由于中空纤维膜束300与曲面部100R、100S相接，因此未设置间隙。
<加湿(除湿)机理>
对本实施例所涉及的中空纤维膜组件10的加湿(除湿)机理进行说明。如上所述，在本实施例所涉及的中空纤维膜组件10中形成有贯通中空纤维膜300的各中空纤维膜中空内部的膜内流路和贯通各中空纤维膜外壁面侧的膜外流路。膜内流路为从头部220一侧贯通中空纤维膜束300的各中空纤维膜中空内部，并流到头部210一侧的流路(参照图4中的箭头Y)。此外，膜外流路为从设置在壳体100上的膜外流路入口110贯通中空纤维膜束300的各中空纤维膜外壁面侧，并流到设置在壳体100上的膜外流路出口120的流路(参照图4中的箭头X)。
在本实施例中能够使用中空纤维膜组件10而使湿润空气流到膜外流路，并使干燥空气流到膜内流路。这样，中空纤维膜产生的膜分离作用可以使湿润空气侧的水分供给到干燥空气侧，从而对干燥空气进行加湿。由于可以去除湿润空气侧的水分，从而可以对湿润空气进行干燥。因此，能够用作加湿装置或者除湿装置。
<本实施例所涉及的中空纤维膜组件的优点>
由于本实施例所涉及的中空纤维膜组件10在壳体100的内壁面上设置有整流用突起130，因而能够抑制流体的流动集中在膜外流路入口110附近或膜外流路出口120附近。而且，由于在壳体100的内壁面上设置有乱流用突起140，因而能够减少在壳体100的内壁面与中空纤维膜束300之间间隙S中流动的流体流量。这样能够抑制从膜外流路入口110进入，然后从间隙S流到膜外流路出口120一侧的密封固定部420附近，并从膜外流路出口120流出的流体流量。
尤其是，在本实施例中设置在一对近似平板部100P、100Q中设有膜外流路入口110的近似平板部100P内壁面上的整流用突起130和乱流用突起140所产生的效果较大。也就是说，从膜外流路入口110进入的流体在形成于近似平板部100P的内壁面与中空纤维膜束300之间的间隙S中容易流动。但乱流用突起140会紊乱在该间隙S中流动的流体流动。即，如图4和图6中的箭头X1所示，流体会与乱流用突起140碰撞并改变流动方向，从而朝向中空纤维膜束300的内部侧或周向。因而能够在乱流用突起140附近使流体进入中空纤维膜束300的内部。并且，由于流体会在乱流用突起140的附近流向图5中的左右方向，因而流体也会被供给到曲面部100R、100S的内周面附近。如上所述，本实施例所涉及的中空纤维膜组件10能够提高有助于膜分离作用的膜面积的比例。
对本实施例所涉及的中空纤维膜组件10与现有例所涉及的中空纤维膜组件500的比较试验结果进行说明。首先对试验所使用的样品进行说明。在本实施例所涉及的中空纤维膜组件10的样品情况下，壳体100的剖面尺寸(图5中的壳体100的内壁面尺寸)的高度为30mm、宽度为70mm，曲面部100R、100S的内周面的曲率半径为15mm。而且，整流用突起130的长度为30mm、高度为3mm，并且如图6所示以与中空纤维膜平行的方式设置了两个。此外，一对整流用突起130的间隔为15mm。乱流用突起140的长度为40mm、高度为3mm，并且以与整流用突起130垂直的方式设置在整流用突起130的长度方向的中心。并且，中空纤维膜束300使用了将1000个中空纤维膜捆在一起的中空纤维膜束。并且，中空纤维膜的有效长度(相当于密封固定部410、420的对置面之间的距离)为75mm。而对于现有例所涉及的中空纤维膜束组件500的样品，仅有未设置乱流用突起140这一点与本实施例所涉及的中空纤维膜组件10的样品不同。
使用以上述方式构成的样品，如图4、7中的箭头X所示，将露点为71℃的加湿空气以40L/min通向膜外流路，并如箭头Y所示将干燥空气以40L/min通向膜内流路。结果是，在本实施例所涉及的中空纤维膜组件10的情况下，从头部210一侧排出的加湿后的空气经露点换算为64.0℃。而在现有例所涉及的中空纤维膜组件500的情况下，从头部520一侧排出的加湿后的空气经露点换算为62.5℃。由上述比较试验的结果可知，采用本实施例所涉及的中空纤维膜组件10使加湿性能提高。
(其他)
在上述实施例中示出了以在膜外流路中流动的流体与在膜内流路中流动的流体为相反方向的方式构成的情形。但也可以使在膜外流路中流动的流体与在膜内流路中流动的流体为相同方向。例如，也可以使流体朝向与膜内流路的箭头Y方向相反的方向流动。但是为了提高加湿效率和除湿效率则最好为相反方向。而且，在上述实施例中，对加湿空气流到膜外流路、干燥空气流到膜内流路的情形进行了说明。但也可以使干燥空气流到膜外流路，使加湿空气流到膜内流路。
附图标记说明
10 中空纤维膜组件
100 壳体
100P，100Q 近似平板部
100R，100S 曲面部
110 膜外流路入口
120 膜外流路出口
130 整流用突起
140 乱流用突起
210，220 头部
210a，220a 内周面
300 中空纤维膜束
410，420 密封固定部
S 间隙

Claims (2)

1.一种中空纤维膜组件，具备：
筒状壳体；
中空纤维膜束，其由收纳在所述壳体内的多个中空纤维膜构成；以及
一对密封固定部，其分别在所述壳体的一端侧和另一端侧，在各中空纤维膜的中空内部开放的状态下密封所述壳体两端的开口部，并将所述中空纤维膜束固定在所述壳体上，
所述中空纤维膜组件形成有：膜内流路，其贯通各中空纤维膜的中空内部；以及膜外流路，其贯通各中空纤维膜的外壁面侧，通过使湿润空气流到该膜内流路和膜外流路中的一方，并使干燥空气流到另一方，各中空纤维膜的膜分离作用使湿润空气侧的水分供给到干燥空气侧，其特征在于，
在所述壳体上设置有：膜外流路入口，其设置在偏向该壳体一端侧的位置；以及膜外流路出口，其设置在偏向该壳体另一端侧的位置，且在隔着所述中空纤维膜束而与所述膜外流路入口相反的一侧，
在该壳体的内壁面上设置有：至少一个整流用突起，其以确保该壳体的内壁面与所述中空纤维膜束之间间隙的方式朝向该中空纤维膜束的外周面突出，并从所述壳体的一端侧朝向另一端侧延伸，用于整齐流体的流动；以及至少一个乱流用突起，其在所述壳体的两端之间的中心附近以与所述整流用突起交叉的方式朝向所述壳体的周向延伸，用于紊乱流体的流动。
2.根据权利要求1所述的中空纤维膜组件，其特征在于，所述壳体具备：一对近似平板部；以及一对曲面部，其用于分别连接该一对近似平板部的两侧，所述壳体由垂直于从该壳体一端侧朝向另一端侧方向的剖面形状为椭圆形的构件构成，
在所述一对近似平板部的一方上设置有所述膜外流路入口，在另一方上设置有所述膜外流路出口，
所述整流用突起和乱流用突起至少设置在所述一对近似平板部中设有所述膜外流路入口一侧的内壁面上。
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