JP2003251164A - セラミックス中空糸膜モジュール - Google Patents
セラミックス中空糸膜モジュールInfo
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Abstract
収容する束着管を構造的に改良することにより、高温雰
囲気下で使用中の熱変形を抑えて破損等に対する耐久性
を向上させたセラミックス中空糸膜モジュールを提供す
る。 【解決手段】 束着管2の管中心軸両側の対称な等配位
置にガス給排気用の開口部2a(または2b)を対称形
に設けたことで熱膨張が均一化され、管体片側1個所だ
け非対称位置に開口部を設けた場合に束着管が熱影響を
不均衡に受けて生じる熱応力で歪曲変形し、モジュール
を破損させるといった問題を解消させる。
Description
る破損等を有効に防止し得るセラミックス中空糸膜モジ
ュールに関する。
溶液中にAl2O3、SiO2、ZrO2などのセラミックス粉末を
高充填した紡糸原液を用いて乾湿式紡糸を行い、得られ
た複合中空糸膜を焼成することにより、孔径が約0.1〜
6.0μm、外径約0.5〜4.0mmの多孔質セラミックス中空糸
膜を製造する技術は周知である(特公平5−66343号公報
等)。
膜は、単体でも水処理などのろ過膜として用いることが
できるが、それを支持体に用いて中空糸膜の表面にPd膜
層、シリカ層などの機能性分離層を複合させて形成する
ことにより、ガス分離膜として機能させる利用法も可能
である。その場合、中空糸膜は1本から数百本程度を束
ねて長い筒体であるアルミナやジルコニア製の束着管の
内部に収容した状態で中空糸膜モジュールを形成させ
る。
糸膜25を多数本収容した束着管21に、その中央部分
に束着材充填用の切欠部分27を1個所設けた構造をと
ることができる(図6)。中空糸膜群の束着管への収容
は、中空糸膜群端部を貫通孔26を有する平板23(以
下、単に「目皿」という)を介して束着することによっ
て行われ、その際束着管21に設けられる切欠部分27
は、束着材を内側から目皿部分に充填するために設けら
れる。このような中空糸膜モジュールをガス分離膜とし
て用いる場合、束着管の一端側から分離ガスを供給して
給気し、他端側から排気して流通させることにより、中
空糸膜群に分離ガスを接触させて透過後は回収するよう
にしている。
形の長手方向中央部において管体の半周部分を1個所切
除しているために管体が中心軸から非対称形となり、高
温雰囲気で使用すると束着管がその切除部を上にして凸
状に撓んだり歪んだりし、束着管末端部とそこに嵌挿さ
れた目皿との間で位置ずれが生じたり、また熱膨張率の
差で発生する熱応力による変形で目皿などの部材に局所
的に応力が集中し、モジュールが破損に至る場合があ
る。
態で固定するために、束着材としてガラスシール材を用
いているが、このガラスシール材を焼成するのに一般に
は900℃以上の熱処理温度が必要とされている。中空糸膜
モジュールを使用する温度条件は通常300〜350℃である
から、この300〜350℃という温度を基準にしてモジュー
ル構成部材の熱膨張率を設定すると、ガラスシール材の
焼成温度が900℃という高温では、各部材間の熱膨張率
の差が大きくなってしまう。
着管と中空糸群との間に熱膨張率の差だけ位置ずれが生
じ、冷却が進行して位置ずれが生じたまま固定される
と、双方に応力が働いて残留応力の発生原因となる。残
留応力を生じたまま製造完了した中空糸膜モジュールを
実使用に提供すると、モジュール使用温度である300〜3
50℃の範囲内であっても、加熱によってモジュールが破
損する場合がある。
質セラミックス中空糸膜の多数を束ねて収容する束着管
を構造的に改良することにより高温雰囲気で使用中の熱
変形を抑え、破損等に対して耐久性を向上させたセラミ
ックス中空糸膜モジュールを提供することにある。
記載のセラミックス中空糸膜モジュールは、多孔質セラ
ミックスによる中空糸膜の多数を束ねて、長筒状の束着
管に収容してなるものであって、束着管の管中心軸に対
して両側の対称な等配位置の部分をそれぞれ対称形に切
除してガス給排気用の開口部を設けたことを特徴とす
る。ここで、対称な等配位置とは、開口数を限定せず、
2等配、3等配、4等配など束着管の円周方向に等間隔
に開口部を設置することを意味している。
糸膜モジュールは、前記束着管の両端部近傍でそれぞれ
両側に等配の開口部を短孔形状に設けた場合であり、一
端側がガス給気用で他端側がガス排気用となっている。
用とガス排気用の短孔形状の開口部を最小限必要なサイ
ズで設ければよいから、管全体の剛性を維持できたり、
熱変形を最小限に抑えることができる他、目皿と呼ぶモ
ジュール構成部材である中空糸膜保持用貫通孔穿設平板
を組み込んで製作する際の作業性を配慮して設定するこ
とができる。
糸膜モジュールは、束着管のほぼ管全長に亘って開口部
を等配の長孔形状に設けた場合であり、その一端側から
ガスを給気して他端側から排気できるようになってい
る。
状とすることで、それだけの範囲の管肉厚が抜けるので
モジュール全体の軽量化が図られると同時に、ガス吸排
気が効率アップし、またモジュール構成部材である中空
糸膜保持平板の目皿を組み込む作業がはかどる。
糸膜モジュールの実施の形態について、図面を参照して
詳細に説明する。図1に示すように、中空糸膜モジュー
ル1は、細長い筒体である束着管2の内部に多孔質セラ
ミックスによる中空糸膜3の1〜500本程度を束ねたも
のを収容している。中空糸膜3の束群は、束着管2の両
端部4で円板形の目皿5に結合して保持されている。
2は細長い直管状の筒体であり、両端部のそれぞれ近傍
において管中心軸から両側の対称位置の部分を切除して
楕円形または短孔形状の開口部2aが左右対称形で計4
つが設けられている。但し、そうした開口部2aの設置
数は4つということに限定されるものではない。その場
合、短孔形状の開口部2aの長さ寸法としては、好まし
くは15mm以上である。束着管2の材質としては、気密性
を有し、束着材で封止できれば任意であり、例えばアル
ミナ管、ジルコニア管、チタニア管、シリカ管、そして
ガラス管などを用いることができる。
束着管2としては図2に示す構造の他、やはり管中心軸
から両側の対称位置の部分をこの場合ほぼ管全長に亘っ
て長孔形状の開口部2bが左右対称形で2つ設けられて
いる。そのように短孔形状の開口部2aや長孔形状の開
口部2bを設ける理由は、中空糸膜3の束群に分離ガス
を接触させて透過させるためのガス給排気用であると同
時に、目皿5を組み入れて封着する際の作業性を高めた
りするためである。図4(a),(b)は、長孔形状の
開口部2bを設けた場合の束着管2に中空糸膜3の束群
を収容した状態を示す一例である。
口部2aまたは2bを管体両側の対称な等配位置に対称
形に設けたことで、非対称形に設けた構造のような不均
衡な熱膨張で撓みや歪みが発生するのを極力抑えること
ができる。すなわち、束着管2の熱変形を抑えること
で、中空糸膜3など他の部材に影響して応力集中が生じ
るのを防げ、モジュールの破損といった事態を避けるの
に有効である。
皿5と束着管端部4といったそれぞれ部材間の接合は、
ガラスシール材でもって互いに封止状態で接合されてい
る。ガラスシール材としては、束着管2、中空糸膜3お
よび目皿5の各部材の熱膨張率の差が±0.5×10-6/℃
の範囲内に納まる焼成温度の範囲600〜700℃で熱処理が
可能な材質のものが用いられる。
は、上記各部材で構成されるモジュール全体の熱膨張が
均一となり、熱膨張差でもって熱応力が発生するのを極
力抑えることができる。また、ガラスシール材の焼成工
程でも通常は前述したように900℃以上の熱処理温度が
必要とされるが、ここではそれよりもかなり低く600〜7
00℃で焼成可能な材質のものを選定しているから、ガラ
スシール焼成時の部材間の熱膨張差を最小限に抑えられ
る。それにより、部材間で位置ずれが生じないように工
夫され、冷却後の残留応力の発生を最小限に抑えてい
る。
〜(c)と図4(a),(b)で示された長孔形状のガ
ス吸排気用開口部2bを設けたものを使用し、束着管端
部4内を塞ぐように接合される目皿5にはアルミナ製の
ものを使用した。この目皿5に貫通して設けた孔径3.6m
mの孔に外径3mmの中空糸膜3の19本を両端で挿通させ、
束着管2の内部にそれら19本の中空糸膜3の束群を固定
して収容しセットする。束着管2の端部4と目皿5の接
合個所にはガラスシール材を塗布して700℃で焼成する
ことにより部材間の封止を行い、中空糸膜モジュール1
を作製した。
材の材質は、50〜600℃の焼成温度において熱膨張係数
が7.4×10-6/℃から7.6×10-6/℃の範囲に納まる純度
95.0%以上のアルミナを使用した。
膜モジュール1をリーク評価試験装置10にセットし、
高温雰囲気中でのガス漏洩試験を行った。本試験装置1
0は、中空糸膜モジュール1を収容するSUS製で円筒
容器形のハウジング11が備わり、このハウジング胴部
の両端側において分離ガスを供給する吸気管12と排気
管13が突出して設けられている。吸気管12は、図示
されていないがガス供給源に連通しており、排気管13
を一時封止した状態で真空ポンプで減圧することによ
り、バルブを閉じ、圧力計で圧力変化を測定するように
なっている。また、そうしたハウジング11の胴部両端
開口部はフランジ11aとなっており、それぞれ蓋部材
のカバー14,15をボルト16で結合して閉塞されて
いる。両端のそれらカバー14,15には中心から外方
へ突出して透過ガス排気管14a,15aが設けられ、
中空糸膜3の束群を透過してきたガスを系外の装置に送
るための配管に連通させている。
確保するために、ハウジング11とこれに収容された中
空糸膜モジュール1側の端部4との間にシール材として
O−リング17が装着され、またハウジング胴部フラン
ジ11aとカバー14,15との間にもO−リング18
が装着されている。
(N2)をハウジング11内部に供給し、束着管2内に
開口部2bの一端側から導入して中空糸膜3の束群に接
触させて透過させる。その際、排気管13側の圧力は0.
49MPaに調整し、ハウジング片側の透過ガス排気管14
aを封止し、もう一方のハウジング片側の透過ガス排気
管15aから流出する窒素ガス量を流量計で測定する。
温度は装置全体と窒素ガスをそれぞれ350℃で加熱して
行った。
ス漏れは発生せず、極めて気密性の高い中空糸膜モジュ
ール1であることが確認された。また、本発明の主旨で
ある束着管2の熱変形防止という問題に関しても、不均
衡な熱膨張によって撓んだり歪んだりする傾向は全く見
られず、中空糸膜モジュール1の構成部材である束着管
や目皿などにも何ら変化はなく、部材同士の間の位置ず
れも発生することなく、極めて耐熱性と熱変形抑止性に
優れた中空糸膜モジュール1であることが確認された。
ジュールは、束着管の管体両側にガス給排気用の開口部
を対称形に設けたことで熱膨張が均衡化され、管体片側
だけ非対称位置に開口部を設けたもののように、束着管
が熱影響を不均衡に受けて生じる熱応力でもって撓んだ
り、歪んだりして熱変形することで、モジュールが破損
するといった問題を払拭できる。
て収容して構成される中空糸膜モジュールを示す断面図
である。
面図(b)およびY1−Y1線からの縦断面図(c)である。
面図(b)およびY2−Y2線からの縦断面図(c)である。
容した状態を示す側面図(a)およびY3−Y3線からの縦断
面図(b)である。
価試験装置にセットしてガス漏れ試験を行う態様を示す
断面図である。
空糸膜モジュールの斜視図である。
5)
(N 2 )をハウジング11内部に供給し、束着管2内に開
口部2bの一端側から導入して中空糸膜3の束群に接触
させて透過させる。その際、排気管13側の圧力は0.49
MPaに調整し、ハウジング片側の透過ガス排気管14a
を封止し、もう一方のハウジング片側の透過ガス排気管
15aから流出する窒素ガス量を流量計で測定する。温
度は装置全体と窒素ガスをそれぞれ350℃で加熱して行
った。
Claims (3)
- 【請求項1】 多孔質セラミックスによる中空糸膜の多
数を束ねて、長筒状の束着管に収容してなるセラミック
ス中空糸膜モジュールであって、束着管の管中心軸に対
して両側の対称な等配位置の部分をそれぞれ対称形に切
除して開口部を設けたことを特徴とするセラミックス中
空糸膜モジュール。 - 【請求項2】 束着管の両端部近傍でそれぞれ両側に開
口部を等配の短孔形状に設けている請求項1記載のセラ
ミックス中空糸膜モジュール。 - 【請求項3】 束着管のほぼ管全長に亘って開口部を等
配の長孔形状に設けている請求項1記載のセラミックス
中空糸膜モジュール。
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JP2009090246A (ja) * | 2007-10-11 | 2009-04-30 | Nok Corp | 多孔質セラミックス中空糸膜モジュール |
EP2851117A4 (en) * | 2012-05-14 | 2015-12-30 | Nok Corp | HOLLOW FIBER MEMBRANE MODULE |
WO2018185312A1 (de) | 2017-04-07 | 2018-10-11 | Mann+Hummel Gmbh | Thermisch sterilisierbarer fluidfilter und verwendung des thermisch sterilisierbaren fluidfilters |
-
2002
- 2002-03-06 JP JP2002059667A patent/JP3821019B2/ja not_active Expired - Fee Related
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WO2018185312A1 (de) | 2017-04-07 | 2018-10-11 | Mann+Hummel Gmbh | Thermisch sterilisierbarer fluidfilter und verwendung des thermisch sterilisierbaren fluidfilters |
DE102018002910A1 (de) | 2017-04-07 | 2018-10-11 | Mann+Hummel Gmbh | Thermisch sterilisierbarer Fluidfilter und Verwendung des thermisch sterilisierbaren Fluidfilters |
US11247175B2 (en) | 2017-04-07 | 2022-02-15 | Mann+Hummel Gmbh | Thermally sterilizable fluid filter and use of the thermally sterilizable fluid filter |
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