CN111683730A - 中空纤维膜组件 - Google Patents

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Abstract

提供一种中空纤维膜组件，即使不使中空纤维膜束插入到筒中，也能够使各中空纤维膜的姿势稳定。中空纤维膜组件(10)包括筒状壳体(100)、中空纤维膜束(200)以及一对密封固定部(310、320)，形成有通过各中空纤维膜的外壁面侧的膜外流路和通过各中空纤维膜的中空内部的膜内流路，通过使湿润空气在所述膜外流路中流动、使干燥空气在所述膜内流路中流动，利用各中空纤维膜的膜分离作用将湿润空气侧的水分供给到干燥空气侧，在壳体内壁面与中空纤维膜束(200)之间设置有多个空间(R1、R2)，并且在各个空间(R1、R2)与中空纤维膜束(200)之间分别部分地设置有限制中空纤维膜进入空间(R1、R2)内的限制部(梁状部130)。

Description

中空纤维膜组件
技术领域
本发明涉及可用于加湿装置和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，设置有使用中空纤维膜组件的加湿装置。参照图6，对现有例涉及的中空纤维膜组件进行说明。图6是现有例涉及的中空纤维膜组件的主视图。
现有例涉及的中空纤维膜组件500具备筒状的壳体510和收容在壳体510内的中空纤维膜束520。在该中空纤维膜组件500中，形成通过各中空纤维膜的外壁面侧的膜外流路和通过各中空纤维膜的中空内部的膜内流路。并且，通过使用亲水性材料作为中空纤维膜的材料，能够将中空纤维膜组件500用作加湿装置。即，若使湿润空气在膜外流路中流动并使干燥空气在膜内流路中流动，则通过中空纤维膜的膜分离作用，湿润空气侧的水分被供给到干燥空气侧，从而能够使干燥空气加湿。另外，由于湿润空气侧被夺去水分，因此也可以作为用于使湿润空气干燥的除湿装置来利用。
在如上所述的中空纤维膜组件500中，为了提高加湿效率，相对于收容在壳体510内的中空纤维膜整体的膜面积，如何增大有助于膜分离作用的膜面积的比例是重要的。并且，在壳体510中，在图6中，在壳体510的上部和下部分别设置有湿润空气的供给口511和排出口512。若中空纤维膜束520的外周面紧贴于壳体510的内壁面整体，则流体的流动容易集中于供给口511的附近和排出口512的附近。因此，在图示的现有例涉及的中空纤维膜组件500中，在壳体510的内壁面上设置有多个调整流体流动的整流用突起513。该整流用突起513以在壳体510的内壁面与中空纤维膜束520之间确保空间(间隙)R的方式朝向中空纤维膜束520的外周面突出，并且设置成从壳体510的一端侧朝向另一端侧(图中，从纸面的跟前侧朝向里侧)延伸。通过设置这样的整流用突起513，能够抑制流体的流动集中在供给口511的附近和排出口512的附近，能够增大有助于膜分离作用的膜面积的比例。
但是，在如上述中空纤维膜组件500那样设置有空间R的情况下，通过中空纤维膜的一部分以进入空间R的方式变形，有时在中空纤维膜彼此之间形成大的间隙。由此，湿润空气穿过大的间隙，从供给口511流向排出口512，有时无助于膜分离作用的膜面积增加。因此，以往，在将中空纤维膜束520插入到由树脂制的网眼制作的筒530中的状态下，将中空纤维膜束520收容在壳体510中。该筒530通过将网眼形成为筒状，并将端部彼此热熔敷而制作。因此，不仅筒530的制作成本高，并且还需要使中空纤维膜束520插入筒530的作业成本。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2007-283292号公报
发明内容
发明所要解决的问题
本发明的目的在于提供一种中空纤维膜组件，即使不使中空纤维膜束插入到筒中，也能够使各中空纤维膜的姿势稳定。
用于解决问题的手段
为了解决上述问题，本发明采用了以下手段。
即，本发明的中空纤维膜组件的特征在于，包括：
筒状壳体；
中空纤维膜束，由收容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，在所述壳体的一端侧和另一端侧，在使各中空纤维膜的中空内部开放的状态下分别密封所述壳体的两端的开口部，且将所述中空纤维膜束固定于所述壳体，
在所述中空纤维膜组件中形成有通过各中空纤维膜的外壁面侧的膜外流路和通过各中空纤维膜的中空内部的膜内流路，通过使湿润空气在所述膜外流路中流动、使干燥空气在所述膜内流路中流动，利用各中空纤维膜的膜分离作用将湿润空气侧的水分供给到干燥空气侧，
在所述壳体内壁面与所述中空纤维膜束之间设置有多个空间，所述空间作为湿润空气从所述壳体的一端侧向另一端侧流动的流路，并且，
在各个所述空间与所述中空纤维膜束之间分别部分地设置有限制部，所述限制部限制所述中空纤维膜进入所述空间内。
根据本发明，在壳体内壁面与中空纤维膜束之间设置有多个空间，该空间作为湿润空气从壳体的一端侧向另一端侧流动的流路。因此，能够抑制湿润空气的流动集中在任意部位。另外，由于设置有限制部，因此限制中空纤维膜进入空间内的情况，从而能够抑制中空纤维膜变形。由此，能够使各中空纤维膜的姿势稳定。因此，能够抑制在中空纤维膜彼此之间形成大的间隙。
优选的是，在所述壳体上设置有膜外流路入口和膜外流路出口，所述膜外流路入口设置在该壳体的偏向一端侧的位置，所述膜外流路出口设置在该壳体的偏向另一端侧的位置，并隔着所述中空纤维膜束设置在所述膜外流路入口的相反侧，
所述空间设置在所述壳体内壁面中包含所述膜外流路入口的开口部的部分与所述中空纤维膜束之间，并且所述空间也设置在所述壳体内壁面中包含所述膜外流路出口的开口部的部分与所述中空纤维膜束之间。
由此，能够抑制湿润空气的流动集中在膜外流路入口和膜外流路出口的附近。
优选的是，所述壳体具备对置的一对板状部和分别连接所述一对板状部的两侧的一对侧壁面部，
所述膜外流路入口设置于所述一对板状部中的一个板状部，所述膜外流路出口设置于所述一对板状部中的另一个板状部，并且，
所述中空纤维膜束通过与所述一对侧壁面部的内壁面接触而不与所述一对板状部的内壁面接触来设置所述空间。
由此，在设置有膜外流路入口的板状部与中空纤维膜束之间设置有空间，且在设置有膜外流路出口的板状部与中空纤维膜束之间设置有空间，并且在中空纤维膜束与一对侧壁面部之间不形成空间(间隙)。因此，在湿润空气从膜外流路入口侧的空间向膜外流路出口侧的空间流动时，湿润空气不会从中空纤维膜束与一对侧壁面部之间漏出，湿润空气遍及整个中空纤维膜束流动。
优选的是，在所述一对板状部的内壁面上分别设置有调整流体流动的多个整流用突起，所述整流用突起以确保所述空间的方式朝向所述中空纤维膜束的外周面突出，并且从所述壳体的一端侧向另一端侧延伸。
另外，优选的是，所述限制部是连接所述整流用突起与所述侧壁面部之间以及相邻的整流用突起之间的梁状部。
另外，上述各结构可以尽可能地组合采用。
发明效果
如上所述，根据本发明，即使不使中空纤维膜束插入到筒中，也能够使各中空纤维膜的姿势稳定。
附图说明
图1是本发明的实施例涉及的中空纤维膜组件的俯视图。
图2是本发明的实施例涉及的中空纤维膜组件的主视图。
图3是本发明的实施例涉及的中空纤维膜组件的示意性剖面图。
图4是本发明实施例涉及的壳体的立体图。
图5是表示使用了本发明的实施例涉及的中空纤维膜组件的加湿装置的主要结构的示意性剖面图。
图6是现有例涉及的中空纤维膜组件的主视图。
具体实施方式
以下，参照附图并基于实施例示例性地详细说明用于实施本发明的方式。但是，本实施例中记载的构成部件的尺寸、材质、形状、其相对配置等，只要没有特别特定的记载，并不意味着将本发明范围仅限定于这些范围。本实施例涉及的中空纤维膜组件例如在固体高分子型的燃料电池中，可以适合用作用于对电解质膜进行加湿的加湿装置。但是，也可以用作除湿装置。
(实施例)
参照图1～图5对本发明的实施例涉及的中空纤维膜组件进行说明。图1是本发明的实施例涉及的中空纤维膜组件的俯视图。图2是本发明的实施例涉及的中空纤维膜组件的主视图，相当于图1中从左侧观察中空纤维膜组件的图。图3是本发明的实施例涉及的中空纤维膜组件的示意性剖面图，是图1中的AA剖面图。图4是本发明的实施例涉及的中空纤维膜组件所具备的壳体的立体图。图5是将本发明的实施例涉及的中空纤维膜组件用作加湿装置时的示意性剖面图。
<加湿装置>
对于将本实施例涉及的中空纤维膜组件用作加湿装置的情况，特别参照图5进行说明。中空纤维膜组件10具备筒状的壳体100、收容在壳体100内的由多个中空纤维膜构成的中空纤维膜束200、以及在壳体100的一端侧和另一端侧固定中空纤维膜束200的一对密封固定部310、320。在这样构成的中空纤维膜组件10中形成通过各中空纤维膜的外壁面侧的膜外流路(参照图5中的实线箭头S1、S2)和通过各中空纤维膜的中空内部的膜内流路(图5中，参照虚线箭头T0、T1)。
在壳体100上设置有供给口111和排出口112，供给口111作为用于对膜外流路供给湿润空气的膜外流路入口，排出口112作为用于排出湿润空气(干燥后的湿润空气)的膜外流路出口。另外，中空纤维膜组件10被用于从壳体100的另一端侧(设置有密封固定部320的一侧)的开口部供给干燥空气，从壳体100的一端侧(设置有密封固定部310的一侧)的开口部排出干燥空气(加湿后的干燥空气)。
<中空纤维膜组件>
更详细地说明中空纤维膜组件10。如上所述，中空纤维膜组件10具备壳体100、中空纤维膜束200、以及一对密封固定部310、320。中空纤维膜束200是将多个(数百根至数万根左右)中空纤维膜捆束而成的结构。作为中空纤维膜的材料，使用亲水性材料。例如，可以优选使用具有通过溶解扩散使水分透过的特性的纳菲薄膜(nafion)、具有通过基于孔径控制的毛细管冷凝机构使水分透过的特性的PPSU(聚苯砜)等。这些材料具有低溶出性，且强度也高，因此可以适用于加湿装置和除湿装置。一对密封固定部310、320在壳体100的一端侧和另一端侧在使各中空纤维膜的中空内部开放的状态下分别密封壳体100两端的开口部，且将中空纤维膜束200固定于壳体100。这些密封固定部310、320通过使环氧树脂等灌封材料固化而构成。
<壳体>
对壳体100进行更详细地说明。壳体100具有对置的一对板状部100A、100B和分别连接所述一对板状部100A、100B的两侧的一对侧壁面部100C、100D。并且，在一个板状部100A上设置有作为膜外流路入口的供给口111，在另一个板状部100B上设置有作为膜外流路出口的排出口112。供给口111设置在壳体100的偏向一端侧的位置，排出口112设置在壳体100的偏向另一端侧的位置，并隔着中空纤维膜束200设置在供给口111的相反侧。另外，在一对板状部100A、100B的内壁面上分别设置有整流用突起120，该整流用突起120以确保空间R1、R2的方式朝向中空纤维膜束200的外周面突出。另外，在本实施例中，在各板状部100A、100B上分别设置有两处整流用突起120。这些多个整流用突起120从壳体100的一端侧向另一端侧延伸，起到调整流体流动的作用。
并且，中空纤维膜束200与一对侧壁面部100C、100D的内壁面100C1、100D1接触，由于设置了上述整流用突起120，不与一对板状部100A、100B的内壁面100A1、100B1接触。由此，设置上述空间R1、R2。即，在壳体内壁面中包含供给口111的开口部的部分(板状部100A的内壁面100A1)与中空纤维膜束200之间设置有空间R1，且在壳体内壁面中包含排出口112的开口部的部分(板状部100B的内壁面100B1)与中空纤维膜束200之间也设置有空间R2。这样，在壳体内壁面与中空纤维膜束200之间设置有多个空间R1、R2，该空间R1、R2作为湿润空气从壳体100的一端侧向另一端侧流动的流路。
并且，在各个空间R1、R2与中空纤维膜束200之间分别部分地设置有梁状部130，该梁状部130作为限制中空纤维膜进入空间R1、R2内的限制部。更具体而言，梁状部130以连接整流用突起120与侧壁面部100C、100D之间以及相邻的整流用突起120之间的方式设置。另外，本实施例涉及的壳体100是树脂成形品。即，可以通过使用模具的树脂成形而得到壳体100，所述壳体100一体地具备一对板状部100A、100B、一对侧壁面部100C、100D、多个整流用突起120以及多个梁状部130。
<加湿(除湿)机理>
对本实施例涉及的中空纤维膜组件10中的加湿(除湿)机理进行说明。如上所述，在本实施例涉及的中空纤维膜组件10中形成有通过中空纤维膜束200中的各中空纤维膜的外壁面侧的膜外流路以及通过各中空纤维膜的中空内部的膜内流路。膜外流路是从供给口111通过中空纤维膜束200的各中空纤维膜的外壁面侧而从排出口112排出的流路(参照图5中的实线箭头S1、S2)。膜内流路是从壳体100的另一端侧通过中空纤维膜束200中的各中空纤维膜的中空内部而从壳体100的一端侧排出的流路(参照图5中的虚线箭头T0、T1)。
在本实施例中，以使湿润空气在膜外流路中流动，使干燥空气在膜内流路中流动的方式使用中空纤维膜组件10。由此，通过中空纤维膜的膜分离作用，湿润空气侧的水分被供给到干燥空气侧，干燥空气被加湿。由于湿润空气侧的水分被夺走，因此湿润空气被干燥。因此，能够作为加湿装置或除湿装置使用。另外，在板状部100A与梁状部130之间、以及板状部100B与梁状部130之间分别确保有间隙，因此在湿润空气在空间R1、R2中流动时，各梁状部130不会成为障碍。
<本实施例涉及的中空纤维膜组件的优点>
根据本实施例涉及的中空纤维膜组件10，在壳体100的内壁面与中空纤维膜束200之间设置有多个空间R1、R2，该空间R1、R2作为湿润空气从壳体100的一端侧向另一端侧流动的流路。因此，能够抑制湿润空气的流动集中在任意部位，能够遍及从壳体100的一端侧到另一端侧的整个区域而使湿润空气容易在中空纤维膜束200内流动，能够增大有助于膜分离作用的膜面积的比例。并且，在本实施例涉及的中空纤维膜组件10中，由于在壳体100上设置有作为限制部的梁状部130，因此能够限制中空纤维膜进入空间R1、R2内的情况，能够抑制中空纤维膜变形的情况。由此，能够使各中空纤维膜的姿势稳定。因此，能够抑制在中空纤维膜彼此之间形成大的间隙。因此，能够抑制从空间R1朝向空间R2穿过在中空纤维膜之间形成的间隙。从这一点出发，也可以增大有助于膜分离作用的膜面积的比例。
另外，空间R1设置在壳体内壁面中包含供给口111的开口部的部分(板状部100A的内壁面100A1)与中空纤维膜束200之间，且空间R2设置在壳体内壁面中包含排出口112的开口部的部分(板状部100B的内壁面100B1)与中空纤维膜束200之间。由此，能够抑制湿润空气的流动集中在供给口111和排出口112的附近。
并且，在本实施例涉及的中空纤维膜组件10中，在中空纤维膜束200与一对侧壁面部100C、100D之间不形成空间(间隙)。由此，在湿润空气从供给口111侧的空间R1向排出口112侧的空间R2流动时，湿润空气不会从中空纤维膜束200与一对侧壁面部100C、100D之间漏出，湿润空气遍及整个中空纤维膜束200流动。因此，能够增大有助于膜分离作用的膜面积的比例。
(其他)
在上述实施例中，示出了以在膜外流路中流动的湿润空气和在膜内流路中流动的干燥空气成为相反方向的方式构成的情况。但是，也可以使在膜外流路中流动的湿润空气和在膜内流路中流动的干燥空气成为相同方向。例如，对于膜内流路，也可以使干燥空气沿与虚线箭头相反的方向流动。但是，为了提高加湿效率及除湿效率，优选为相反方向。另外，在上述实施例中，示出了梁状部130仅设置在壳体100中的一端侧与另一端侧之间的中央附近的一处的情况。但是，关于梁状部130，也可以设置在壳体100中的一端侧与另一端侧之间的多处。
符号说明
10中空纤维膜组件
50第一头
51供给口
52排出口
60第二头
61排出口
62供给口
100壳体
100A、100B板状部
100A1、100B1内壁面
100C、100D侧壁面部
100C1、100D1内壁面
111供给口
112排出口
120整流用突起
130梁状部
200中空纤维膜束
310、320密封固定部
R1、R2空间

Claims (5)

1.一种中空纤维膜组件，其特征在于，包括：
筒状壳体；
中空纤维膜束，由收容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，在所述壳体的一端侧和另一端侧，在使各中空纤维膜的中空内部开放的状态下分别密封所述壳体的两端的开口部，且将所述中空纤维膜束固定于所述壳体，
在所述中空纤维膜组件中形成有通过各中空纤维膜的外壁面侧的膜外流路和通过各中空纤维膜的中空内部的膜内流路，通过使湿润空气在所述膜外流路中流动、使干燥空气在所述膜内流路中流动，利用各中空纤维膜的膜分离作用将湿润空气侧的水分供给到干燥空气侧，
在所述壳体内壁面与所述中空纤维膜束之间设置有多个空间，所述空间作为湿润空气从所述壳体的一端侧向另一端侧流动的流路，并且，
在各个所述空间与所述中空纤维膜束之间分别部分地设置有限制部，所述限制部限制所述中空纤维膜进入所述空间内。
2.如权利要求1所述的中空纤维膜组件，其特征在于，
在所述壳体上设置有膜外流路入口和膜外流路出口，所述膜外流路入口设置在该壳体的偏向一端侧的位置，所述膜外流路出口设置在该壳体的偏向另一端侧的位置，并隔着所述中空纤维膜束设置在所述膜外流路入口的相反侧，
所述空间设置在所述壳体内壁面中包含所述膜外流路入口的开口部的部分与所述中空纤维膜束之间，并且所述空间也设置在所述壳体内壁面中包含所述膜外流路出口的开口部的部分与所述中空纤维膜束之间。
3.如权利要求2所述的中空纤维膜组件，其特征在于，
所述壳体具备对置的一对板状部和分别连接所述一对板状部的两侧的一对侧壁面部，
所述膜外流路入口设置于所述一对板状部中的一个板状部，所述膜外流路出口设置于所述一对板状部中的另一个板状部，并且，
所述中空纤维膜束通过与所述一对侧壁面部的内壁面接触而不与所述一对板状部的内壁面接触来设置所述空间。
4.如权利要求1、2或3所述的中空纤维膜组件，其特征在于，
在所述一对板状部的内壁面上分别设置有调整流体流动的多个整流用突起，所述整流用突起以确保所述空间的方式朝向所述中空纤维膜束的外周面突出，并且从所述壳体的一端侧向另一端侧延伸。
5.如权利要求4所述的中空纤维膜组件，其特征在于，
所述限制部是连接所述整流用突起与所述侧壁面部之间以及相邻的整流用突起之间的梁状部。
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