DE202008003717U1

DE202008003717U1 - Hohlfasermembranmodul

Info

Publication number: DE202008003717U1
Application number: DE202008003717U
Authority: DE
Original assignee: Nok Corp
Current assignee: Carl Freudenberg KG
Priority date: 2008-03-15
Filing date: 2008-03-15
Publication date: 2008-05-29
Anticipated expiration: 2018-03-16

Abstract

Hohlfasermodul (100), umfassend ein Hohlfasermembranbündel (20), für das mehrere Hohlfasermembranen gebündelt sind; ein Gehäuse (10), das das Hohlfasermembranbündel (20) aufnimmt; und verschließende Fixierungsteile (31), die die Enden des Hohlfasermembranbündels (20) an der einen Endseite und der anderen Endseite so verschließen und fixieren, dass das hohle Innere jeder Hohlfasermembran offen ist, wobei am Rumpfabschnitt des Gehäuses (10) an einer Endseite des Gehäuses (10) eine Öffnung (11) gebildet ist, die einen Eingang des Flusswegs bildet, der entlang der Seite der Außenwandfläche der Hohlfasermembranen im Gehäuseinneren verläuft, und an der anderen Endseite des Gehäuses (10) eine Öffnung (12) gebildet ist, die einen Ausgang bildet, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse ein Paar von einander gegenüberliegenden Flächen (10a, 10b) sowie ein Paar von Seitenflächen (10c, 10d), die diese Flächen miteinander verbinden, umfasst, die Eingangsöffnung (11) an einer Fläche des einander gegenüberliegenden Flächenpaars gebildet ist, und die Ausgangsöffnung (12) an der anderen Fläche ausgebildet ist, und...

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Hohlfasermembranmodul.
Stand der Technik
Hohlfasermembranmodule werden auf verschiedensten Gebieten (wie etwa Wasseraufbereitungsgeräten) verwendet, bei denen eine Membrantrennwirkung genutzt wird. Besonders in den letzten Jahren wird der Anwendung als Befeuchtungsvorrichtung zur Feuchthaltung der Ionenaustauschmembran bei Brennstoffzellen Beachtung geschenkt.
Ein wichtige Frage bei Hohlfasermembranmodulen ist, wie groß das Verhältnis der verwendeten Membranfläche in Bezug auf die Membranfläche der gesamten Hohlfasermembranen, die in einem Gehäuse aufgenommen sind, gestaltet werden kann. Dieser Punkt beeinflusst im Fall eines Hohlfasermembranmoduls zur Befeuchtung die Befeuchtungswirkung stark. Im Fall einer Querstromtrennung, die etwa bei Hohlfasermembranmodulen zur Befeuchtung angewendet wird, wird der Fluss des Fluids, das an der Außenwandfläche der Hohlfasermembranen fließt, durch dieses Verhältnis stark beeinflusst, und von besonderer Bedeutung ist, wie der Fluss des Fluids im Gehäuseinneren gleichmäßig gestaltet werden kann.
Um den Fluss des Fluids im Gehäuseinneren noch gleichmäßiger zu gestalten, ist es besser, anstelle eines Gehäuses mit zylinderförmiger Form ein Gehäuse mit Quaderform zu verwenden. Dieser Punkt soll unter Bezugnahme auf 11 und 12 erklärt werden. 11 ist eine Ansicht, die den Fluss eines Fluids unter Betrachtung eines Hohlfasermembranmoduls nach einem herkömmlichen Beispiel von der Vorderseite her erklärt. 11 zeigt den Fluss des Fluids durch eine von der Vorderseite her gesehene halb geschnittene Ansicht (wobei die obere Hälfte eine Vorderansicht und die untere Hälfte eine Schnittansicht ist). 12 ist eine Ansicht, die den Fluss des Fluids im Fall eines von der Seitenfläche her gesehenen Hohlfasermembranmoduls nach einem herkömmlichen Beispiel erklärt.
Das Hohlfasermembranmodul 300 umfasst ein Hohlfasermembranbündel 320, für das mehrere Hohlfasermembranen gebündelt sind, und ein Gehäuse 310, das das Hohlfasermembranbündel 320 aufnimmt. Das Gehäuse 310 ist aus einem im Wesentlichen quaderförmigen Element aufgebaut, das einen im Wesentlichen viereckigen rohrförmigen Querschnitt aufweist. Am Rumpfabschnitt des Gehäuses 310 ist an einer Fläche eines Paares von einander gegenüberliegenden Flächen eine Öffnung 311 gebildet, die einen Eingang für das Fluid bildet, während an der anderen Fläche eine Öffnung 312 gebildet ist, die einen Ausgang für das Fluid bildet. Die Öffnung 311, die den Eingang bildet, ist an einer Endseite des Gehäuses 310 gebildet, während die Öffnung 312, die den Ausgang bildet, an der anderen Endseite gebildet ist.
Beim so aufgebauten Hohlfasermembranmodul 300 fließt ein Fluid, das von der Öffnung 311 her eingedringt, wobei dass es das Hohlfasermembranbündel 320 kreuzt und aus der Öffnung 312 austritt (siehe den Pfeil Z in der Figur). Im Fall eines Hohlfasermembranmoduls mit zylinderförmigem Gehäuse kommt es bei der Flussmenge in der Nähe der Mitte des Hohlfasermembranbündels und bei der Flussmenge in der Nähe der Außenseiten des Hohlfasermembranbündels leicht zu Schwankungen, während beim Hohlfasermembranmodul 300 mit im Wesentlichen quaderförmigem Gehäuse Schwankungen der Flussmenge in der Nähe der Mitte des Hohlfasermembranbündels und der Flussmenge in der Nähe der Außenseiten des Hohlfasermembranbündels unterdrückt werden können. Daher kann das Verhältnis der verwendeten Membranfläche in Bezug auf die Membranfläche der gesamten im Gehäuse aufgenommenen Hohlfasermembranen bei einem quaderförmigen Gehäuse größer gestaltet werden, als bei einem zylinderförmigen Gehäuse.
Doch auch bei dem wie oben besprochen aufgebauten Hohlfasermembranmodul 300 kann es zu einer Konzentration des Flusses des Fluids in der Nähe der Öffnung 311 die den Eingang bildet kommen und in der Nähe der Öffnung 312 die den Ausgang bildet. An Stellen, die von diesen Öffnungen entfernt sind, gibt es Bereiche, in denen die Flussmenge unzureichend ist. Das Verhältnis der verwendeten Membranfläche kann vergrößert werden, indem die Flussmenge des Fluids, das in Bezug auf die Ausdehnungsrichtung der Hohlfasermembranen in der senkrechten Richtung fließt, vergrössert wird. Im Fall des obigen Hohlfasermembranmoduls 300 kann das Verhältnis der Flussmenge des Fluids, das parallel zur Ausdehnungsrichtung der Hohlfasermembranen fließt, jedoch nicht ausreichend verkleinert werden.
Im Fall des obigen Hohlfasermembranmoduls 300 ist das Hohlfasermembranbündel 320 lediglich einfach in das Gehäuse 310 gefüllt, weshalb der Fluss des Fluids, das im Zwischenraum zwischen der Innenwandfläche 310 und dem Hohlfasermembranbündel 320 fließt (siehe die Pfeile Z1 in 12) nicht ausreichend unterdrückt werden kann.
Da sich der Fluss des Fluids in der Nähe der Öffnung, die den Eingang bildet, konzentriert, ist auch der Anprall den die Hohlfasermembranen erfahren groß, und es kann zu einer Beschädigung der Hohlfasermembranen kommen.
In einem Beispiel fließt ein Fluid bei einer Verwendung als Befeuchtungsvorrichtung für eine Brennstoffzelle in einem Fahrzeug in einem Ausmaß von etwa 4000 nl/Minute und wenn sie in stationären Anwendungen verwendet wird in einem Ausmaß von etwa 10 bis 1000 nl/Minute durch das Hohlfasermembranmodul. Um Druckbeschädigungen zu verringern, wird für die Fluidleitung, die an das Hohlfasermembranmodul angeschlossen ist, eine dicke Leitung mit einem Innendurchmesser von 12 bis 60 mm verwendet.
Daher fließt eine große Fluidmenge in das Gehäuse des Hohlfasermembranmoduls und es wirkt in der Nähe der Fluidleitung ein großer Fluiddruck in den Hohlfasermembranen. Dies führt dazu, dass der Fluss des Fluids im Gehäuse ungleichmäßig wird und die Hohlfasermembranen beschädigt werden können.
In Zusammenhang stehende Techniken sind in den folgenden Offenlegungsschriften beschrieben:

JP 2005-224719 ,
JP 2004-6100 ,
JP 2005-34715 .

Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Hohlfasermembranmodul bereitzustellen, bei dem auf eine Erhöhung des Verhältnisses der verwendeten Membranfläche abgezielt wird.
Zur Lösung dieser Aufgabe wurden die nachstehenden Maßnahmen getroffen.
Ein Hohlfasermembranmodul der vorliegenden Erfindung umfasst ein Hohlfasermembranbündel, für das mehrere Hohlfasermembranen gebündelt sind; ein rohrförmiges Gehäuse, das das Hohlfasermembranbündel aufnimmt; und verschließende Fixierungsteile, die die Enden des Hohlfa sermembranbündels an der einen Endseite und der anderen Endseite so verschließen und fixieren, dass das hohle Innere jeder Hohlfasermembran offen ist, wobei am Rumpfabschnitt des Gehäuses an einer Endseite des Gehäuses eine Öffnung gebildet ist, die einen Eingang des Flusswegs bildet, der entlang der Seite der Außenwandfläche der Hohlfasermembranen im Gehäuseinneren verläuft und an der anderen Endseite des Gehäuses eine Öffnung gebildet ist, die einen Ausgang bildet, wobei das Gehäuse ein Paar von einander gegenüberliegenden Flächen sowie ein Paar von Seitenflächen, die diese Flächen miteinander verbinden, umfasst; die Öffnung, die den Eingang bildet, an einer Fläche des einander gegenüberliegenden Flächenpaars gebildet ist, und die Öffnung, die den Ausgang bildet, an der anderen Fläche ausgebildet ist, und im Bereich der Richtung von einer Endseite zur anderen Endseite des Gehäuses mit Ausnahme der Bereiche, in denen die verschließenden Fixierungsteile ausgebildet sind, zwischen einer Fläche des einander gegenüberliegenden Flächenpaars und dem Hohlfasermembranbündel sowie zwischen der anderen Fläche und dem Hohlfasermembranbündel Zwischenräume ausgebildet sind, während in den Bereichen zwischen dem Paar von Seitenflächen und dem Hohlfasermembranbündel keine Zwischenräume gebildet sind.
Da bei der vorliegenden Erfindung das von einer Fläche des einander gegenüberliegenden Flächenpaars her eingedrungene Fluid zur anderen Flächenseite fließt, können Schwankungen der Flussmenge in der Nähe der Mitte des Hohlfasermembranbündels und der Flussmenge in der Nähe der Außenseiten unterdrückt werden. Durch den Zwischenraum, der zwischen einer Fläche des einander gegenüberliegenden Flächenpaars und dem Hohlfasermembranbündel ausgebildet ist, kann das von der Öffnung, die den Eingang bildet, her eingedrungene Fluid über ungefähr den gesamten Bereich von einer Endseite zur anderen Endseite des Gehäuses fließen, ohne einen besonderen Widerstand zu erfahren. Durch den Zwischenraum, der zwischen der anderen Fläche des einander gegenüberliegenden Flächenpaars und dem Hohlfasermembranbündel ausgebildet ist, kann auch das zur Ausgang bildenden Öffnung fließende Fluid über den im Wesentlichen gesamten Bereich von einer Endseite zur anderen Endseite des Gehäuses fliessen, ohne einen besonderen Widerstand zu erfahren. Dadurch kann die Konzentration des Fluids in der Nähe der Öffnung, die den Eingang bildet und in der Nähe der Öffnung, die den Ausgang bildet, abgeschwächt werden. Daher kann das Verhältnis des Fluids, das in Bezug auf die Ausdehnungsrichtung der Hohlfasermembranen in der senkrechten Richtung fließt, über den gesamten Bereich von einer Endseite zur anderen Endseite des Gehäuses groß gestaltet werden. Daraus ergibt sich, dass das Verhältnis der verwendeten Membranfläche in Bezug auf die Membranfläche der gesamten Hohlfasermembranen, die im Gehäuse aufgenommen sind, ebenfalls groß gestaltet werden kann. Da zwischen dem Paar Seitenflächen und dem Hohlfasermembranbündel keine Zwischenräume gebildet sind, kann unterdrückt werden, dass das Fluid von den Seitenflächen des Hohlfasermembranbündels aus der Ausgangsöffnung austritt, ohne durch das Innere des Hohlfasermembranbündels zu verlaufen.
An den Endbereichen des Hohlfasermembranmoduls in der Breitenrichtung sowohl zwischen einer Fläche des einander gegenüberliegenden Flächenpaars und dem Hohlfasermembranbündel, als auch zwischen der anderen Fläche und dem Hohlfasermembranbündel keine Zwischenräume gebildet sind. Dadurch kann unterdrückt werden, dass das Fluid von den Seitenflächen des Hohlfasermembranbündels aus der Ausgangsöffnung austritt, ohne durch das Innere des Hohlfasermembranbündels zu verlaufen.
Es ist günstig, wenn im Zwischenraum zwischen einer Fläche des einander gegenüberliegenden Flächenpaars und dem Hohlfasermembranbündel und im Zwischenraum zwischen der anderen Fläche und dem Hohlfasermembranbündel jeweils Richtplatten ausgebildet sind, die die Weite dieser Zwischenräume konstant halten und den Fluss des Fluids von einer Endseite des Gehäuses zur anderen Endseite richten. Dadurch ist es möglich, dass das Fluid, das von der Eingangsöffnung eingedrungen ist, und das Fluid, das zur Ausgangsöffnung gerichtet ist, in Bezug auf ungefähr den gesamten Bereich von der einen Endseite zur anderen Endseite des Gehäuses noch besser fließen können, ohne einem Widerstand zu begegnen.
Es ist günstig, wenn die Eingangsöffnung und die Ausgangsöffnung so ausgeführt sind, dass ihr Bereich in der Breitenrichtung ungefähr den gesamten Breitenbereich jenes Abschnitts, in dem der Zwischenraum ausgebildet ist, einnimmt. Dadurch können Schwankungen der Flussmenge in der Nähe der Mitte in der Breitenrichtung und der Flussmenge in der Nähe der beiden Seiten des Hohlfasermembranbündels unterdrückt werden.
Es ist günstig, wenn an einer Stelle zwischen dem Gehäuseäußeren und dem Hohlfasermembranbündel, die auf dem Flussweg des von der Eingangsöffnung fließenden Fluids liegt, ein Pufferelement bereitgestellt ist, das zahlreiche Löcher aufweist, die zwischen dem Gehäuseinneren und dem Gehäuseäußeren verlaufen, und den Anprall des Fluids puffert. Dadurch wird der Anprall des Fluids, das von der Eingangsöffnung in das Gehäuse eintritt, durch das Pufferelement gepuffert. Das Fluid wird durch die zahlreichen Löcher, die im Pufferelement ausgebildet sind, in das Hohlfasermembranbündel geführt, während es verteilt wird. Dadurch kann auch der Abschnitt des Hohlfasermembranbündels in der Nähe des Eingangs wirksam verwendet werden, während der Anprall gepuffert wird.
Es ist günstig, wenn das Pufferelement ein maschenförmiges Element ist, und der Durchmesser der Löcher des maschenförmigen Elements mindestens 0,2 mm und höchstens 6,0 mm beträgt.
Es ist ideal, wenn das Pufferelement ein maschenförmiges Element ist, und das Lückenverhältnis des maschenförmigen Elements mindestens 40% und höchstens 98% beträgt.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Schnittansicht, die den Verwendungszustand des Hohlfasermembranmoduls nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist eine von der Vorderseite des Hohlfasermembranmoduls nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung her gesehene halb geschnittene Ansicht.
3 ist eine Schnittansicht, in der das Hohlfasermembranmodul nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung parallel zu den Hohlfasermembranen geschnitten ist.
4 ist eine Schnittansicht, in der das Hohlfasermembranmodul nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung senkrecht zu den Hohlfasermembranen geschnitten ist.
5 ist eine Ansicht, die das Fließen des Fluids, das an den Außenwandflächen der Hohlraumfasermembranen des Hohlfasermembranmoduls nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung fließt, erklärt.
6 ist eine Ansicht, die das Fließen des Fluids, das an den Außenwandflächen der Hohlraumfasermembranen des Hohlfasermembranmoduls nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung fließt erklärt.
7 ist eine Ansicht, die das Fließen des Fluids, das an den Außenwandflächen der Hohlraumfasermembranen des Hohlfasermembranmoduls nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung fließt erklärt.
8 ist eine Schnittansicht, die den Verwendungszustand des Hohlfasermembranmoduls nach der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
9 ist eine von der Vorderseite des Hohlfasermembranmoduls nach der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung her gesehene halb geschnittene Ansicht.
10 ist eine Schnittansicht, in der das Hohlfasermembranmodul nach der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung parallel zu den Hohlfasermembranen geschnitten ist.
11 ist eine Ansicht, die den Fluss eines Fluids bei Betrachtung eines Hohlfasermembranmoduls nach einem herkömmlichen Beispiel von der Vorderseite erklärt.
12 ist eine Ansicht, die den Fluss des Fluids im Fall eines von der Seitenfläche gesehenen Hohlfasermembranmoduls nach einem herkömmlichen Beispiel erklärt.
Ausführung der Erfindung
Anhand der Zeichnungen werden nachstehend Ausgestaltungen der Erfindung auf Basis von Ausführungsformen beispielhaft ausführlich erklärt. Sofern nichts anderes angegeben ist, stellen die Abmessungen, Materialien, Formen, relativen Anordnungen der Aufbaubestandteile, die bei diesen Ausführungsformen angegeben sind, jedoch keine Beschränkung des Umfangs der vorliegenden Erfindung dar.
Anhand von 1 bis 7 wird ein Hohlfasermembranmodul nach einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erklärt.
Anhand von 1 bis 4 wird der Aufbau des Hohlfasermembranmoduls nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erklärt. 1 ist eine Schnittansicht, die den Verwendungszustand des Hohlfasermembranmoduls nach einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. 2 ist eine von der Vorderseite des Hohlfasermembranmoduls nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung her gesehene halb geschnittene Ansicht (wobei die obere Hälfte eine Vorderansicht und die untere Hälfte eine Schnittansicht ist). 3 ist eine Schnittansicht, in der das Hohlfasermembranmodul nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung parallel zu den Hohlfasermembranen geschnitten ist. 3 ist eine Schnittansicht des Bereichs A-A in 2. 4 ist eine Schnittansicht, in der das Hohlfasermembranmodul nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung senkrecht zu den Hohlfasermembranen geschnitten ist. 4 ist eine Schnittansicht, die dem Bereich B-B in 2 entspricht.
Das Hohlfasermodul 100 nach der vorliegenden Ausführungsform umfasst ein Hohlfasermembranbündel 20, für das mehrere Hohlfasermembranen gebündelt sind, und ein Gehäuse 10, das das Hohlfasermembranbündel 20 aufnimmt. Die beiden Endbereiche des Hohlfasermembranbündels 20 sind an den beiden Endseiten des Gehäuses 10 jeweils so fixiert und verschlossen, dass das das hohle Innere jeder Hohlfasermembran offen ist. In der Figur bezeichnet das Bezugszeichen 31 verschließende Fixierungsteile (Vergussteile).
Das Gehäuse 10 ist aus einem im Wesentlichen quaderförmigen Element aufgebaut, das einen viereckigen rohrförmigen Bereich aufweist. Dieses Gehäuse 10 umfasst ein Paar von einander gegenüberliegenden Flächen (eine Fläche 10a und eine andere Fläche 10b) sowie ein Paar von Seitenflächen 10c, 10d, die diese Flächen miteinander verbinden. An der einen Fläche 10a des Gehäuses 10 ist eine Öffnung 11 ausgebildet, die einen Eingang für das Fluid bildet, und an der anderen Fläche 10b ist eine Öffnung 12 ausgebildet, die einen Ausgang für das Fluid bildet. Die Eingangsöffnung 11 ist an einer Endseite des Gehäuses 10 gebildet, und die Ausgangsöffnung 12 ist an der anderen Endseite des Gehäuses 10 gebildet.
Zwischen der einen Fläche 10a und dem Hohlfasermembranbündel 20 ist ein Zwischenraum S1 ausgebildet. Und zwischen der anderen Fläche 10b und dem Hohlfasermembranbündel 20 ist ein Zwischenraum S2 ausgebildet. Diese Zwischenräume S1, S2 sind im Bereich von der einen Endseite zur anderen Endseite des Gehäuses 10 mit Ausnahme jener Bereiche, in denen die verschließenden Fixierungsteile 31, 32 ausgebildet sind, ausgebildet (siehe 1 und 3).
Im Gegensatz dazu sind zwischen dem Paar von Seitenflächen 10c, 10d und dem Hohlfasermembranbündel 20 keine Zwischenräume gebildet. Auch die Endbereiche in der Breitenrichtung des Hohlfasermembranbündels 20 zwischen der einen Fläche 10a und dem Hohlfasermembranbündel 20 und zwischen der anderen Fläche 10b und dem Hohlfasermembranbündel 20 sind ohne Zwischenräume ausgeführt (siehe 4).
In den Zwischenräumen S1, S2 zwischen der einen Fläche 10a und dem Hohlfasermembranbündel 20 sowie der anderen Fläche 10b und dem Hohlfasermembranbündel 20 sind jeweils Richtplatten 40 ausgebildet, die die Weite der Zwischenräume S1, S2 mehr als konstant halten und den Fluss des Fluids von einer Endseite zur anderen Endseite des Gehäuses 10 richten. Bei der vorliegenden Ausführungsform sind in jedem Zwischenraum S1, S2 drei Richtplatten 40 ausgebildet.
Bei der vorliegenden Ausführungsform ist der Bereich W in der Breitenrichtung der Öffnungen 11, 12 so ausgeführt, dass er ungefähr den gesamten Breitenbereich jenes Abschnitts, in dem der Zwischenraum S1, S2 ausgebildet ist, einnimmt (siehe 4).
Das wie oben aufgebaute Hohlfasermembranmodul 100 wird in einem Zustand verwendet, in dem an beiden Endseiten jeweils ein Kopf 201, 202 angebracht ist. In den Köpfen 201, 202 sind jeweils zwei Öffnungen 201a, 201b, 202a, 202b ausgebildet.
Fluid, das von der Öffnung 201a des Kopfs 201 über die Eingangsöffnung 11 des Gehäuses 10 ins Innere des Gehäuses 10 gelangt ist, fließt an den Außenwandflächen der Hohlfasermembranen, verläuft durch die Öffnung 12 des Gehäuses 10, und tritt aus der Öffnung 202a des Kopfs 202 aus (siehe den Pfeil X in 1). Fluid, das von der Öffnung 202b des Kopfs 202 eingedrungen ist, verläuft von der anderen Endseite des Gehäuses 10 durch das hohle Innere der einzelnen Hohlfasermembranen des Hohlfasermembranbündels 20, verlässt das Gehäuse 10 an der einen Endseite, und tritt aus der Öffnung 201b des Kopfs 201 aus (siehe den Pfeil Y in 1).
Auf diese Weise werden ein Flussweg gebildet der durch das hohle Innere der Hohlfasermembranen verläuft, und ein weiter Flussweg gebildet, der entlang der Außenwandflächen der Hohlfasermembranen verläuft, und durch die Membranen der Hohlfasermembranen wird eine Membrantrennung durch einen Querstrom vorgenommen. Wenn das Hohlfasermembranmodul 100 zur Befeuchtung verwendet wird, wird für das Material der Hohlfasermembranen ein hydrophiles Material verwendet. Dadurch wird beim Fließen eines Gases auf einem Flussweg und beim Fließen von Wasserdampf o. ä. auf dem anderen Flussweg der Wasseranteil durch die Membrantrennwirkung zum anderen Flussweg bewegt und das Gas befeuchtet.
Wie in 1 gezeigt sind an beiden Seiten der Öffnung 11 und an beiden Seiten der Öffnung 12 jeweils Dichtungsringe O1, O3, O2, O4 angebracht.
Dadurch kann verhindert werden, dass das Fluid zwischen den beiden Flusswegen oder nach außen ausläuft.
Insbesondere unter Bezugnahme auf 5 bis 7 werden nun die Vorzüge des Hohlfasermembranmoduls 100 nach der vorliegenden Ausführungsform erklärt. 5 bis 7 sind jeweils Ansichten, die das Fließen des an den Außenwandflächen der Hohlraumfasermembranen fließenden Fluids erklären. 5 entspricht 2, 6 entspricht 3, und 7 entspricht 4. Die Pfeile X in diesen Figuren zeigen das Fließen des an den Außenwandflächen der Hohlfasermembranen fließenden Fluids.
Gemäß dem Hohlfasermembranmodul 100 nach der vorliegenden Ausführungsform fließt ein Fluid von der einen Fläche 10a des einander gegenüberliegenden Flächenpaars zur anderen Fläche 10b, weshalb Schwankungen der Flussmenge in der Nähe der Mitte des Hohlfasermembranbündels 20 und der Flussmenge in der Nähe der Außenseiten des Bündels unterdrückt werden können.
Durch den zwischen der einen Fläche 10a und dem Hohlfasermembranbündel 20 ausgebildeten Zwischenraum S1 kann das von der Eingangsöffnung 11, eingedrungene Fluid über den gesamten Bereich von einer Endseite zur anderen Endseite des Gehäuses 10 fließen, ohne einen besonderen Widerstand zu erfahren. Durch den zwischen der anderen Fläche 10b und dem Hohlfasermembranbündel 20 ausgebildeten Zwischenraum S2 kann auch das zur Ausgangsöffnung 12 fließende Fluid über ungefähr den gesamten Bereich von einer Endseite zur anderen Endseite des Gehäuses 10 fließen, ohne einen besonderen Widerstand zu erfahren (siehe 5 und 6). Die Weite der Zwischenräume S1, S2 ist idealerweise jeweils bei 10 bis 20% der Dicke (der Entfernung von der eingangsseitigen Oberfläche bis zur ausgangsseitigen Oberfläche) des Hohlfasermembranbündels 20 eingerichtet.
Dadurch kann eine Konzentration des Flusses des Fluids in der Nähe der Eingangsöffnung 11 und in der Nähe der Ausgangsöffnung 12 abgeschwächt werden. Daher kann das Verhältnis des Fluids, das in Bezug auf die Ausdehnungsrichtung der Hohlfasermembranen in der senkrechten Richtung fließt, über den gesamten Bereich von einer Endseite zur anderen Endseite des Gehäuses 10 vergrößert werden.
Aus dem Obigen ergibt sich, dass das Verhältnis der verwendeten Membranfläche in Bezug auf die gesamte Membranfläche der Hohlfasermembranen die im Gehäuse 10 aufgenommen sind, groß gestaltet werden kann. Wenn das Hohlfasermembranmodul der vorliegenden Ausführungsform zur Befeuchtung verwendet wird, kann dadurch die Befeuchtungsleistungsfähigkeit erhöht werden. In Verbindung damit kann auf eine geringe Größe des Hohlfasermembranmoduls 100 abgezielt werden, welche besonders bei Vorrichtungen zur Befeuchtung der einzelnen Brennstoffgase (Wasserstoff, Sauerstoff, Luft o. ä.) in einer Brennstoffzelle häufig gewünscht wird.
Da zwischen dem Paar von Seitenflächen 10c, 10d und dem Hohlfasermembranbündel 20 keine Zwischenräume gebildet sind, kann verhindert werden, dass das Fluid von den Seitenflächen des Hohlfasermembranbündels 20 durch die Ausgangsöffnung 12 austritt, ohne durch das Hohlfasermembranbündel zu verlaufen (siehe 7).
Insbesondere sind bei der vorliegenden Ausführungsform auch an den beiden Endbereichen des Hohlfasermembranbündels 20 in der Breitenrichtung keine Zwischenräume zwischen der einen Fläche 10a und dem Hohlfasermembranbündel 20 und zwischen der anderen Fläche 10b und dem Hohlfasermembranbündel 20 gebildet. Folglich kann wirksam verhindert werden, dass das Fluid von den Seitenflächen des Hohlfasermembranbündels 20 her durch die Öffnung 12, die den Ausgang bildet, austritt, ohne durch das Hohlfasermembranbündel 20 zu verlaufen (siehe 7).
Bei der vorliegenden Ausführungsform können das Fluid, das von der Eingangsöffnung 11 eingedrungen ist und das Fluid, das zur Ausgangsöffnung 12 gerichtet ist, durch die Ausbildung der Richtplatten 40 ohne einen Widerstand verbessert in Bezug auf ungefähr den gesamten Bereich von der einen Endseite zur anderen Endseite des Gehäuses 10 fließen. Die Länge der Richtplatten 40 in der Längsrichtung (in der Richtung, in der sich die Hohlfasermembranen erstrecken) kann bei 40 bis 95% der Länge in der Längsrichtung der Öffnungen 11, 12 eingerichtet werden.
Die Eingangsöffnung 11 und die Ausgangsöffnung 12 sind so ausgeführt, dass ihr Bereich W in der Breitenrichtung ungefähr den gesamten Breitenbereich jenes Abschnitts einnimmt, in dem der Zwischenraum S1, S2 ausgebildet ist. Folglich können Schwankungen der Flussmenge in der Nähe der Mitte und der Flussmenge in der Nähe der beiden Seiten des Breitenbereichs des Hohlfasermembranbündels 20 unterdrückt werden.
Wenn die wirksame Länge der Hohlfasermembranen (die dem Abstand zwischen den inneren Wandflächen der verschließenden Fixierungsteile 31, 32 entspricht) des Hohlfasermembranbündels 20 als 1 angesetzt wird, ist es beim oben besprochenen Hohlfasermembranmodul 100 ideal, die Breite des Hohlfasermembranbündels 20 (die Breite in der Querrichtung des Hohlfasermembranbündels 20 in 4) bei 0,4 bis 0,85 und die Dicke des Hohlfasermembranbündels 20 bei 0,10 bis 0,35 einzurichten. Dadurch können Druckbeschädigungen durch das Fluid unterdrückt werden, wenn das Fluid im Inneren des Hohlfasermembranbündels 20 fließt.
Wenn die Dicke des Hohlfasermembranbündels 20 (die ungefähr der Strecke des Fluids beim Durchqueren des Hohlfasermembranbündels 20 gleich ist) zu hoch ist, werden die Druckbeschädigungen stark. Dies stellt auch einen Faktor dar, der die Einheitlichkeit des Flusses des Fluids beinträchtigt, das durch das Hohlfasermembranbündel 20 fließt. Durch die wie oben angegebene Einrichtung der Abmessungen können Druckbeschädigungen wirksam unterdrückt werden.
In 8 bis 10 ist die zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird ein Aufbau erklärt, bei dem zusätzlich zum Aufbau der obigen ersten Ausführungsform in der Nähe der Öffnungen, die im Gehäuse gebildet sind, Pufferelemente ausgebildet sind, die den Anprall des Fluids Puffern. Da der weitere Aufbau und die Wirkung der ersten Ausführungsform entsprechen, wurden gleichen Aufbauelementen die gleichen Bezugszeichen verliehen und wird auf ihre Erklärung wie passend verzichtet.
Unter Bezugnahme auf die 8 bis 10 wird das Hohlfasermembranmodul nach der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erklärt. 8 ist eine Schnittansicht, die den Verwendungszustand des Hohlfasermembranmoduls nach der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. 9 ist eine von der Vorderseite des Hohlfasermembranmoduls nach der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung her gesehene halb geschnittene Ansicht (wobei die obere Hälfte eine Vorderansicht und die untere Hälfte eine Schnittansicht ist). 10 ist eine Schnittansicht, in der das Hohlfasermembranmodul nach der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung parallel zu den Hohlfasermembranen geschnitten ist. 10 ist eine Schnittansicht des Bereichs C-C in 9.
Beim Hohlfasermembranmodul 100a nach der vorliegenden Ausführungsform ist gegenüber dem Aufbau des Hohlfasermembranmoduls 100 nach der ersten Ausführungsform zudem ein Pufferelement 51 ausgebildet. Dieses Pufferelement 51 soll an einer Stelle zwischen dem Äußeren des Gehäuses 10 und dem Hohlfasermembranbündel 20, die auf dem Flussweg des von der Eingangsöffnung 11 fließenden Fluids liegt, ausgebildet sein, und ist so an der Innenwandfläche der einen Fläche 10a des Gehäuses 10 ausgebildet, dass es die Öffnung 11 abdeckt.
Dieses Pufferelement 51 weist mehrere Löcher auf, die durch die Öffnung 11 zwischen dem Inneren und dem Äußeren des Gehäuses verlaufen, und dient dazu, den Anprall des Fluids zu Puffern, während der Fluss des Fluids verteilt wird. Als konkretes Beispiel für das Pufferelement 51 wird ideal etwa ein maschenförmiges Element aus Metall, Harz, einem Elastomer o. ä. oder ein poröses Material aus Harz, einem Elastomer, einer Keramik o. ä. verwendet. Das Material sollte passend so gewählt werden, dass es durch das Fluid (Gas oder Flüssigkeit), das durch die Öffnung 11 verläuft, nicht beeinträchtigt wird.
Wenn ein maschenförmiges Element als Pufferelement 51 verwendet wird, ist es für ein Gleichgewicht zwischen der Pufferfähigkeit (der Fähigkeit, den Fluss des Fluids zu verteilen und einen direkten Anprall des Fluids an das Hohlfasermembranbündel 20 zu unterdrücken) und den Druckbeschädigungen (je weniger Druckbeschädigungen, desto besser) erwünscht, den Durchmesser der Löcher der Maschen bei mindestens 0,2 mm und höchstens 6,0 mm einzurichten. Aufgrund des obigen Gleichgewichts ist ein Lückenverhältnis der Maschen von mindestens 40% und höchstens 98% erwünscht. Die Pufferfähigkeit ist umso geringer, je größer der Durchmesser der Löcher wird, doch die Druckbeschädigungen werden umso größer, je kleiner der Durchmesser der Löcher der Maschen wird. Außerdem wird die Pufferfähigkeit umso geringer, je höher das Lückenverhältnis der Maschen wird und werden die Druckbeschädigungen umso größer, je niedriger das Lückenverhältnis der Maschen wird.
Wenn die Dicke des Pufferelements 51 zu hoch ist, nehmen die Druckbeschädigungen zu, und wenn die Dicke zu gering ist, nimmt die mechanische Stärke ab. Daher ist eine Einrichtung auf die passende Dicke erforderlich. Zum Beispiel ist bei Maschen aus SUS eine Einrichtung auf mindestens 0,3 mm und höchstens 2 mm, bei Maschen aus Harz oder einem Elastomer eine Einrichtung auf mindestens 0,1 mm und höchstens 1 mm und bei einem porösen Material aus Harz oder einer Keramik eine Einrichtung auf mindestens 1 mm und höchstens 3 mm ideal.
Bei der vorliegenden Ausführungsform ist auch an der Ausgangsöffnung 12 ebenso ein Pufferelement 52 ausgebildet. Dies erfolgt, damit jede der Öffnungen 11, 12 als Eingang verwendet werden kann.
Wie oben besprochen wird der Anprall des Fluids, das von der Eingangsöffnung 11 ins Innere des Gehäuses 10 eindringt, gemäß dem Hohlfasermembranmodul 100a nach der vorliegenden Ausführungsform durch das Pufferelement 51 gepuffert. Durch die mehreren Löcher, die im Pufferelement 51 ausgebildet sind, wird das Fluid ins Innere des Hohlfasermembranbündels 20 geführt, während es verteilt wird. Folglich kann auch der Bereich des Hohlfasermembranbündels 20 in der Nähe des Eingangs wirksam verwendet werden, während der Anprall des einfließenden Fluids gepuffert wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- JP 2005-224719 [0012]
- JP 2004-6100 [0012]
- JP 2005-34715 [0012]

Claims

Hohlfasermodul (100), umfassend ein Hohlfasermembranbündel (20), für das mehrere Hohlfasermembranen gebündelt sind; ein Gehäuse (10), das das Hohlfasermembranbündel (20) aufnimmt; und verschließende Fixierungsteile (31), die die Enden des Hohlfasermembranbündels (20) an der einen Endseite und der anderen Endseite so verschließen und fixieren, dass das hohle Innere jeder Hohlfasermembran offen ist, wobei am Rumpfabschnitt des Gehäuses (10) an einer Endseite des Gehäuses (10) eine Öffnung (11) gebildet ist, die einen Eingang des Flusswegs bildet, der entlang der Seite der Außenwandfläche der Hohlfasermembranen im Gehäuseinneren verläuft, und an der anderen Endseite des Gehäuses (10) eine Öffnung (12) gebildet ist, die einen Ausgang bildet, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse ein Paar von einander gegenüberliegenden Flächen (10a, 10b) sowie ein Paar von Seitenflächen (10c, 10d), die diese Flächen miteinander verbinden, umfasst, die Eingangsöffnung (11) an einer Fläche des einander gegenüberliegenden Flächenpaars gebildet ist, und die Ausgangsöffnung (12) an der anderen Fläche ausgebildet ist, und im Bereich der Richtung von einer Endseite zur anderen Endseite des Gehäuses (10) mit Ausnahme jener Bereiche, in denen die verschließenden Fixierungsteile (31) ausgebildet sind, zwischen einer Fläche des einander gegenüberliegenden Flächenpaars und dem Hohlfasermembranbündel (20) sowie zwischen der anderen Fläche und dem Hohlfasermembranbündel (20) Zwischenräume (S1, S2) ausgebildet sind, während in den Bereichen zwischen dem Paar von Seitenflächen und dem Hohlfasermembranbündel (20) keine Zwischenräume gebildet sind.
Hohlfasermembranmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an den Endbereichen des Hohlfasermembranmoduls (100) in der Breitenrichtung sowohl zwischen einer Fläche des einander gegenüberliegenden Flächenpaars und dem Hohlfasermembranbündel (20), als auch zwischen der anderen Fläche und dem Hohlfasermembranbündel (20) frei von Zwischenräume ist.
Hohlfasermembranmodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Zwischenraum (S1) zwischen einer Fläche des einander gegenüberliegenden Flächenpaars und dem Hohlfasermembranbündel (20) und im Zwischenraum (S2) zwischen der anderen Fläche und dem Hohlfasermembranbündel (20) jeweils Richtplatten (40) ausgebildet sind, die die Weite dieser Zwischenräume (S1, S2) konstant halten und den Fluss des Fluids von einer Endseite des Gehäuses (10) zur anderen Endseite hin richten.
Hohlfasermembranmodul nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangsöffnung (11) und die Ausgangsöffnung so ausgeführt sind, dass ihr Bereich in der Breitenrichtung ungefähr den gesamten Breitenbereich jenes Abschnitts einnimmt in dem der Zwischenraum (S1, S2) ausgebildet ist.
Hohlfasermembranmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass an einer Stelle zwischen dem Gehäuseäußeren und dem Hohlfasermembranbündel (20), die auf dem Flussweg des von der Öffnung, die den Eingang bildet, fließenden Fluids liegt, ein Pufferelement (51) bereitgestellt ist, das zahlreiche Löcher aufweist, die zwischen dem Gehäuseinneren und dem Gehäuseäußeren verlaufen, und den Anprall des Fluids puffert.
Hohlfasermembranmodul nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Pufferelement (51) ein maschenförmiges Element ist, und der Durchmesser der Löcher des maschenförmigen Elements mindestens 0,2 mm und höchstens 6,0 mm beträgt.
Hohlfasermembranmodul nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Pufferelement (51) ein maschenförmiges Element ist, und das Lückenverhältnis des maschenförmigen Elements mindestens 40% und höchstens 98% beträgt.