JP2005156062A - 加湿器 - Google Patents

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Abstract

【課題】中空糸束コアモジュールの支持筒の肉厚を薄くできる加湿器の提供を図る。
【解決手段】加湿器１は、水蒸気透過性能を有する中空糸膜４を複数束ねた中空糸膜集合体を支持筒６に納めた中空糸束コアモジュール２と、この中空糸束コアモジュール２を収容し且つ内部に湿潤ガス導入通路Ｒ１と湿潤ガス排出通路Ｒ４と被加湿ガス導入通路Ｒ３と被加湿ガス排出通路Ｒ２とを有するハウジング３と、を備える。そしてハウジング３内に中空糸束コアモジュール２を軸方向ＸＹに自由度をもって支持してある。そのため、中空糸束コアモジュール２に軸方向ＸＹの圧縮応力が加わらない。これにより、中空糸束コアモジュール２の支持筒６の肉厚を薄くでき、結果、加湿器１を軽量化できるとともに加湿器１の製造コストを低減できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば燃料電池システムなどに利用される中空糸を用いた加湿器に関する。
従来の加湿器には、特許文献１に開示されるようなものがある。この加湿器では、水蒸気透過性能を有する中空糸膜を複数束ねた中空糸膜集合体を、一端側の周壁に被加湿ガス流入口を有し且つ他端側の周壁に被加湿ガス流出口を有する支持筒に、納めた中空糸束コアモジュールを備える。
中空糸束コアモジュールの軸方向両端にはヘッダブロックが固定され、両ヘッダブロック同士を複数のスルーボルトで締結している。
一方のヘッダブロックは、中空糸束コアモジュールの支持筒の一端に接続され各中空糸と連通する湿潤ガス導入通路と、中空糸束コアモジュールの支持筒の一端側の周壁の被加湿ガス排出口に接続される被加湿ガス排出通路と、を備える。また、他方のヘッダブロックは、中空糸束コアモジュールの支持筒の他端に接続され各中空糸と連通する湿潤ガス排出通路と、中空糸束コアモジュールの支持筒の他端側の周壁の被加湿ガス導入口に接続される被加湿ガス導入通路と、を備える。
これにより、中空糸束コアモジュールの支持筒の一端から導入される湿潤ガスは、各中空糸膜内を流通して、支持筒の他端から排出される。また、被加湿ガスは中空糸束コアモジュールの支持筒の周壁の被加湿ガス流入口から導入される被加湿ガスは、支持筒内で且つ各中空糸膜外を流通して、支持筒の周壁の被加湿ガス導出口から導出される。このとき、中空糸の内外で水分の授受が行われ、被加湿ガスが加湿される。
特開２００２−６６２６２号
しかしながら、前記従来の加湿器では、スルーボルトの締結力により、中空糸束コアモジュールの支持筒は常に軸方向両側のヘッダブロックから圧縮力を受けることとなる。そのため、中空糸束コアモジュールの支持筒の肉厚を十分に確保する必要があり、その分、加湿器の質量が増大するとともに加湿器の製造コストも増加してしまう。
特に、中空糸は、流通ガスの温度上昇にともない軸方向に収縮する性質を持っている。そのため、流通ガスが温度上昇すると、中空糸束コアモジュールの支持筒には初期圧縮応力に加え中空糸の収縮によるさらなる圧縮応力が加わり、場合によっては支持筒が変形してしまうことも予想される。また、流通ガスが温度上昇して中空糸束コアモジュールが収縮すると、中空糸束コアモジュールとヘッダブロックとの間に隙間が生じシール部のシール性能が低下してしまう可能性がある。
本発明は上記従来の問題点を解決するため、中空糸束コアモジュールの支持筒の肉厚を薄くして、加湿器を軽量化するとともにこれに伴い加湿器の製造コストも低減することを目的とする。
そこで、本発明の加湿器は、水蒸気透過性能を有する中空糸膜を複数束ねた中空糸膜集合体を、一端側の周壁に被加湿ガス流入口を有し且つ他端側の周壁に被加湿ガス流出口を有する支持筒に、納めた中空糸束コアモジュールと、
前記中空糸束コアモジュールを収容するハウジングと、
を備え、
前記ハウジングの内部には、前記中空糸束コアモジュールの支持筒の一方の開口端と連通して各中空糸内に湿潤ガスを導入する湿潤ガス導入通路と、前記中空糸束コアモジュールの支持筒の他方の開口端と連通して各中空糸内から湿潤ガスを排出する湿潤ガス排出通路と、前記中空糸束コアモジュールの支持筒の前記被加湿ガス流入口に被加湿ガスを導入する被加湿ガス導入通路と、前記中空糸束コアモジュールの支持筒の前記被加湿ガス導出口から被加湿ガスを導出する被加湿ガス排出通路と、を備え、
前記ハウジング内に前記中空糸束コアモジュールを軸方向に自由度をもって支持したことを特徴とするものである。
本発明によれば、ハウジング内に中空糸束コアモジュールを軸方向に自由度をもって支持したので、中空糸束コアモジュールに軸方向の圧縮応力が加わらない。そのため、中空糸束コアモジュールの支持筒の肉厚を薄くでき、結果、加湿器を軽量化できるとともにこれに伴い加湿器の製造コストを低減できる。
以下、図面を参照して本発明に係る加湿器の一実施形態を説明する。
図１はこの実施形態の加湿器の断面含む平面図、図２は同加湿器の断面を含む正面図、図３は同加湿器の分解図、図４は加湿器の中空糸束コアモジュールの断面を含む平面図、図５は同加湿器の湿潤ガス導入マニホールドを示す図、図６は同加湿器の被加湿ガス排出マニホールドを示す図、図７は同加湿器のセパレータプレートを示す図、図８は被加湿ガス導入マニホールドを示す図、図９は同加湿器の湿潤ガス排出マニホールドを示す図、図１０は同加湿器のシール部材を示す図である。
図１〜図３に示すように、この実施形態の加湿器１は、２本の中空糸束コアモジュール２と、この中空糸束コアモジュール２を納めるハウジング３と、を備えている。
中空糸束コアモジュール２は、水蒸気透過性能を有する中空糸膜４を複数束ねた中空糸膜集合体を、円筒状の支持筒６に納めたものである（図４参照）。支持筒６は、一端側の周壁に複数の被加湿ガス流入口７を有し且つ他端側の周壁に複数の被加湿ガス流出口８を有する。
図４に示すように、中空糸膜集合体は、５０００本程度の中空糸膜４を一本に束ねたものである。この中空糸膜集合体の両端部には、各中空糸膜４の開口を維持した状態で各中空糸膜４の相互隙間を接着剤により封止し、且つ、支持筒６の内周面の両端部に接着させるポッティング部９ａ、９ｂが形成されている。このポッティング部９ａ、９ｂにより、支持筒６の両開口端部６ａ、６ｂが中空糸膜４の両端開口を露出した状態で気密に閉塞され、また支持筒６内の中央側では中空糸膜４同士の間に相互隙間が形成されている。
中空糸膜集合体を構成する各中空糸膜４は、内径が３００〜７００マイクロメートル程の中空糸である。この中空糸膜集合体はその内部を流通する気体中の水分を凝縮させ、この凝縮水を毛細管現象により外部に移動させる機能を備える。
ハウジング３は、図１〜図３に示すように一端に底部を有する４つの有底筒状のマニホールド１１、１２、１３、１４とセパレータプレート１５とを備えている。このハウジング３は、セパレータプレート１５の一側にマニホールド１２、１１を２段に積層し且つセパレータプレート１５の他側にマニホールド１３、１４を２段に積層することで積層方向ＸＹに向けて４つの部屋Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４を形成したものである。
各中空糸束コアモジュール２は、積層方向中央側の２つの部屋Ｒ２、Ｒ３に亘って貫通配置され且つ中空糸束コアモジュール２の両開口端部６ａ、６ｂが積層方向外側の２つの部屋Ｒ１、Ｒ４内に位置している。つまり、セパレータプレート１５には各中空糸束コアモジュール２に貫通する２つの貫通口１５ｂ、１５ｃが形成され（図７参照）、また、積層方向中央側のマニホールド１２、１３の底部１２ｂ、１３ｂには、同じく各中空糸束コアモジュール２に対応して２つの貫通口１２ｃ、１２ｄ、１３ｃ、１３ｄが形成されている（図６、図８参照）。
前記４つのマニホールド１１〜１４のうち積層方向中央側のマニホールド１２、１３の一方１３（図１中において左から３番目のマニホールド）は、周壁に被加湿ガス導入口１３ｅを備え且つその内部に形成される部屋Ｒ３が中空糸束コアモジュール２の被加湿ガス流入口７と連通している。これにより、このマニホールド１３内の部屋Ｒ３は被加湿ガス導入通路となっている。
また前記４つのマニホールド１１〜１４のうち積層方向中央側のマニホールド１２、１３の他方１２（図１中において左から２番目のマニホールド）は、周壁に被加湿ガス排出口１２ｅを備え且つその内部に形成される部屋Ｒ２が中空糸束コアモジュール２の被加湿ガス流出口８と連通している。これにより、このマニホールド１２内の部屋Ｒ２は、中空糸束コアモジュール２内の中空糸膜４外を流通して湿潤となった湿潤ガスをまとめて導出する被加湿ガス排出通路となっている。
また前記４つのマニホールド１１〜１４のうち積層方向外側のマニホールド１１、１４の一方１１（図１中において左から１番目のマニホールド）は、底部１１ｂに湿潤ガス導入口１１ｃを備え且つその内部に形成される部屋Ｒ１が中空糸束コアモジュール２の一端部６ａ（図１中左端部）と連通している。これにより、このマニホールド１１内の部屋Ｒ１は湿潤ガス導入通路となっている。
また前記４つのマニホールド１１〜１４のうち積層方向外側のマニホールド１１、１４の他方１４（図１中において左から４番目のマニホールド）は、底部１４ｂに湿潤ガス導出口１４ｃを備え且つその内部に形成される部屋Ｒ４が中空糸束コアモジュールの他端部（図１中右端部）と連通している。これにより、このマニホールド１４内の部屋Ｒ４は湿潤ガス排出通路となっている。なお、図５および図９中符号Ｆはフィルタである。
そして、４つのマニホールド１１〜１４およびセパレータプレート１５は、図５〜図９に示す如くその周縁部に図示せぬスルーボルトを貫通させる貫通口１１ｈ、１２ｈ、１３ｈ、１４ｈ、１５ｈを備え、図１〜図２に示すように積層された状態で図示せぬスルーボルトにより締結されている。
各中空糸束コアモジュール２の支持筒６の外周壁には、シール部材としてのＯリングＳ３を保持する溝を有する３つのフランジ部６ｄ、６ｅ、６ｆが形成されており、各ＯリングＳ３、Ｓ３、Ｓ３がマニホールド１２の貫通口１２ｃ、１２ｄおよびマニホールド１３の貫通口１３ｃ、１３ｄおよびセパレータプレート１５の貫通口１５ｂ、１５ｃと密着することで、各貫通口と中空糸束コアモジュール２との間がシールされている。
また、マニホールド１１とマニホールド１２との接合面およびマニホールド１３とマニホールド１４との接合面にもシール部材Ｓ１、Ｓ１が介在しており、これにより各接合面がシールされている。また、マニホールド１２とセパレータプレート１５との接合面、およびセパレータプレート１５とマニホールド１３との接合面にも、シール部材Ｓ１と略同一形状のシール部材Ｓ２、Ｓ２が介在しており、これにより各接合面がシールされている
ここで、この中空糸束コアモジュール２のフランジ部６ｄがマニホールド１２の貫通口１２ｃ、１２ｄに形成された段部Ｓ（ストッパ）に移動規制され、且つフランジ部６ｅがマニホールド１３の貫通口１３ｃ、１３ｄに形成された段部Ｓ（ストッパ）に移動規制されることで、中空糸束コアモジュール２の脱落が防止されている。そして、これらフランジ部６ｄ、６ｅと段部（ストッパ）Ｓ、Ｓとの間には、所定のクリアランスｄ１、ｄ２が設定されており、これにより中空糸束コアモジュール２はハウジング３内において軸方向ＸＹに向けてクリアランス分ｄ１＋ｄ２だけスライド自在となっている。
以上のように構成された加湿器１は、例えば図示せぬ燃料電池システムにおいて、燃料電池のカソードから排出されて水分含有率の高い湿ったカソードオフガス（湿潤ガス）と、過給機などにより圧送される水分含有率の低い乾いたカソード供給ガス（被加湿ガス）と、の間で水分のやりとりを行わせることで、カソード供給ガスを加湿するために用いられる。
以下この実施形態の加湿器１の効果をまとめる。
第１に、この実施形態の加湿器１は、中空糸束コアモジュール２と、この中空糸束コアモジュール２を収容し内部に湿潤ガス導入通路Ｒ１と湿潤ガス排出通路Ｒ４と被加湿ガス導入通路Ｒ３と被加湿ガス排出通路Ｒ２とを有するハウジング３と、を備え、このハウジング３内に中空糸束コアモジュール２を軸方向に自由度をもって支持したことを特徴とするため、中空糸束コアモジュール２に軸方向の圧縮応力が加わらない。そのため、中空糸束コアモジュール２の支持筒６の肉厚を薄くでき、結果、加湿器１を軽量化できるとともにこれに伴い加湿器１の製造コストを低減できる。
第２に、この実施形態の加湿器１のハウジング３は、４つの有底筒状のマニホールド１１、１２、１３、１４とセパレータプレート１５とを積層することで積層方向ＸＹに向けて４つの部屋Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４を形成したものであり、中空糸束コアモジュール２を積層方向中央側の２つの部屋Ｒ２、Ｒ３に亘って貫通配置して中空糸束コアモジュール２の端部６ａ、６ｂを積層方向外側の２つの部屋Ｒ１、Ｒ４に露出することで、積層方向中央側の２つの部屋Ｒ２、Ｒ３を被加湿ガス導入通路Ｒ３と被加湿ガス排出通路Ｒ２とし且つ積層方向外側の２つの部屋Ｒ１、Ｒ４を湿潤ガス導入通路Ｒ１と湿潤ガス排出通路Ｒ４としたことを特徴とするため、セパレータプレート１５と４つのマニホールド１１〜１４とにより各通路Ｒ１〜Ｒ４が形成される。そのため、従来のようにヘッドブロックに複雑な形状の通路を刳り抜くドリル加工が必要なくなる。結果、加湿器１の製造コストが低減できる。
第３に、この実施形態の加湿器１はスルーボルトにより、４つのマニホールド１１〜１４を全て貫通させてこれら４つのマニホールド１１〜１４を共に締結しているため、各マニホールド１１、１２、１３、１４ごとにボルト締めの必要がなくなり、さらに製造コストが低減する。
第４に、この実施形態の加湿器１は中空糸束コアモジュール２、２を複数備えるため、加湿器１の加湿性能が向上する。
以上要するに本発明の加湿器は、中空糸束コアモジュールと、この中空糸束コアモジュールを収容し且つ内部に湿潤ガス導入通路と湿潤ガス排出通路と被加湿ガス導入通路と被加湿ガス排出通路とを有するハウジングと、を備え、このハウジング内に中空糸束コアモジュールを軸方向に自由度をもって支持したことを特徴とするため、中空糸束コアモジュールに軸方向の圧縮応力が加わらない。そのため、中空糸束コアモジュールの支持筒の肉厚を薄くでき、結果、加湿器を軽量化できるとともにこれに伴い加湿器の製造コストを低減できる。
なお、上記実施形態では、各マニホールド１１〜１４とともにセパレータプレート１５にもスルーボルトを貫通させているが、本発明にはセパレータプレート１５にスルーボルトを貫通させていない構造も含まれるし、また、積層方向両側の２つのマニホールド１１、１４のみにスルーボルトを貫通した構造も含まれるものとする。
また、上記実施形態では２つの中空糸束コアモジュール２、２を備えるが、本発明には１つのマニホールドのみを備える加湿器も含まれるものとする。
図１はこの実施形態の加湿器の断面含む平面図。 図２は同加湿器の図１中ＩＩ−ＩＩ線に沿う断面を含む正面図。 図３は同加湿器の分解図。 図４は器の中空糸束コアモジュールの断面を含む平面図。 図５は同加湿器の湿潤ガス導入マニホールドを示す図であって、図５ａは図１中Ｙ方向に沿ってみた側面図であり図５ｂは図５ａ中Ｂ−Ｂ線に沿う断面図。 図６は同加湿器の被加湿ガス排出マニホールドを示す図であって、図６ａは図１中Ｙ方向に沿ってみた側面図であり図６ｂは図６ａ中Ｂ−Ｂ線に沿う断面図。 図７は同加湿器のセパレータプレートを示す図であって、図７ａは図１中Ｙ方向に沿ってみた側面図であり図７ｂは正面図であり図７ｃは図７ａ中Ｃ−Ｃ線に沿う断面図。 図８は被加湿ガス導入マニホールドを示す図であって、図８ａは図１中Ｙ方向に沿ってみた側面図であり図８ｂは図８ａ中Ｂ−Ｂ線に沿う断面図。 図９は同加湿器の湿潤ガス排出マニホールドを示す図であって、図９ａは図１中Ｙ方向に沿ってみた側面図であり図９ｂは図９ａ中Ｂ−Ｂ線に沿う断面図。 図１０は同加湿器のＯリングを示す図であって、図１０ａは図１中Ｙ方向に沿ってみた側面図であり図１０ｂは図１０ａ中Ｂ−Ｂ線に沿う断面図。
符号の説明
１…加湿器
２…中空糸束コアモジュール
３…ハウジング
４…中空糸膜
６…支持筒
６ａ、６ｂ…支持筒の開口端部（中空糸束コアモジュールの端部）
７…被加湿ガス流入口
８…被加湿ガス流出口
１１…マニホールド
１１ｃ…湿潤ガス導入口
１２…マニホールド
１２ｅ…被加湿ガス排出口
１３…マニホールド
１３ｅ…被加湿ガス導入口
１４…マニホールド
１４ｃ…湿潤ガス導出口
１５…セパレータプレート
Ｒ１…湿潤ガス導入通路（部屋）
Ｒ２…被加湿ガス排出通路（部屋）
Ｒ３…被加湿ガス導入通路（部屋）
Ｒ４…加湿ガス排出通路（部屋）
ＸＹ…マニホールドの積層方向、中空糸束コアモジュールの軸方向

Claims (4)

  1. 水蒸気透過性能を有する中空糸膜を複数束ねた中空糸膜集合体を、一端側の周壁に被加湿ガス流入口を有し且つ他端側の周壁に被加湿ガス流出口を有する支持筒に、納めた中空糸束コアモジュールと、
    前記中空糸束コアモジュールを収容するハウジングと、
    を備え、
    前記ハウジングの内部には、前記中空糸束コアモジュールの支持筒の一方の開口端と連通して各中空糸内に湿潤ガスを導入する湿潤ガス導入通路と、前記中空糸束コアモジュールの支持筒の他方の開口端と連通して各中空糸内から湿潤ガスを排出する湿潤ガス排出通路と、前記中空糸束コアモジュールの支持筒の前記被加湿ガス流入口に被加湿ガスを導入する被加湿ガス導入通路と、前記中空糸束コアモジュールの支持筒の前記被加湿ガス導出口から被加湿ガスを導出する被加湿ガス排出通路と、を備え、
    前記ハウジング内に、前記中空糸束コアモジュールを軸方向に自由度をもって支持したことを特徴とする加湿器。
  2. 請求項１に記載の加湿器であって、
    前記ハウジングは、４つの有底筒状のマニホールドとセパレータプレートとを積層することで、積層方向に向けて４つの部屋を形成したものであり、
    前記中空糸束コアモジュールを前記積層方向中央側の２つの部屋に亘って貫通配置して前記中空糸束コアモジュールの端部を前記積層方向外側の２つの部屋に露出することで、前記積層方向中央側の２つの部屋を前記被加湿ガス導入通路と前記被加湿ガス排出通路とし且つ前記積層方向外側の２つの部屋を前記湿潤ガス導入通路と前記湿潤ガス排出通路としたことを特徴とする加湿器。
  3. 請求項２に記載の加湿器であって、
    少なくとも前記４つのマニホールドは、前記４つのマニホールドを全て貫通するスルーボルトにより締結されていることを特徴とする加湿器。
  4. 請求項１〜３の何れか１項に記載の加湿器であって、
    前記中空糸束コアモジュールを複数備えることを特徴とする加湿器。


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