JP2005218901A - 分離膜モジュールおよびそれを用いた液体分離装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 確実なシールを確保するとともに、特別な専用工具や治具を用いることなく、膜エレメントの取り出しや取り付け作業を短時間で可能にし、潤滑材などによる汚染のない、簡便な方法で適切なシールを行うことができる分離膜モジュールおよびそれを用いた液体分離装置を提供する。
【解決手段】 両端に取り外し可能な端板を設けた圧力容器の内側に、分離膜エレメントを組み込んだ分離膜モジュールであって、前記端板の外周部に、断面が開放部を持つ形状を有するシール材を保持するとともに、前記シール材の開放部が圧力容器中心側に位置することを特徴とする。ここで、前記シール材を端板に保持した状態において、前記開放部の先端リップ部の外径が、圧力容器に内接する前の状態において、前記圧力容器内径より０〜５ｍｍ大きいことが好適である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、液体中に浮遊及び溶存している成分を分離する膜モジュールに関し、詳しくは、液体の圧力を利用して圧力容器の円筒部と端板とをシールするシール材を内蔵した分離膜モジュールおよびそれを用いた液体分離装置に関する。

従来より、かん水または海水の脱塩、超純水の製造、排水処理等の幅広い用途にスパイラル型分離膜モジュールが用いられている。

スパイラル型分離膜モジュールは、図３に示すように、スパイラル型分離膜エレメントＥｓ（以下「エレメントＥｓ」という。）を圧力容器（ベッセル）３内に収容した構造となっており、ベッセル３の両端部に端板５３を設けることによって外部との遮断を行っている。一方の端部５３に近い液入口１９ａからエレメントＥｓ内に流入した原液は、エレメントＥｓの供給側流路材に沿って下流側に流動しながら、分離膜で分離される。分離膜を透過した透過液および濃縮液は、各々他方の端部（図示せず）に設けられた液出口（図示せず）を介して供出あるいは排出される（例えば特許文献１参照）。

ここで、スパイラル型分離膜モジュールにおける、圧力容器の円筒部と両側の端板のシールは、弾性を有したＯリングや角型リング、Ｘ型リングが用いられており、シール材の圧接力で圧力流体の漏れを防止するものが知られている（例えば特許文献１あるいは２参照）。
米国特許第６５５８５４４号（ＦＩＧ．４） 米国特許第６１６５３０３号（ＦＩＧ．４，６）

しかしながら、圧接方式によるシール方法は一般的にシール材の断面積の５〜２０％をつぶし代として圧縮する。

この場合は端板を円筒部材に装着時、弾性体を無理やり圧縮変形させなければならず、装着に多大な動力を要す。装着時にシール材を破損し漏れが発生する場合もある。流体加圧時の円筒部材と端板の分離防止方法はボルト、ナット式、止め輪式や、ステー型アームを利用した方式があるが、近年は取り付け取り外し時に工具が不要な止め輪式やステー型アームを利用した方式が用いられている。

また、上述のように弾性シール材の圧入や引き抜き時に多大な動力を要するため、端板装着用の工具が必要となる。つまり、Ｏリング、角型リング、Ｘ型リング等、圧接式シール材の場合、端板装着時の挿入または引き抜き力は、通常１５〜１００ｋｇｆ必要となる。この場合、人力では難しく、端板をハンマーにより押し込んだり、専用引き抜き治具による端板の取りはずしを行うことが一般的であり、ハンマーや専用治具を用いた場合、シール材の破損や、スパイラル型分離膜モジュールの分離性能の低下を誘発し、治工具を落下させるなど安全上の問題が発生する。

また、Ｏリング、角型リング、Ｘ型リング等、圧接式シール材の場合端板装着時の動力を削減させるため潤滑材としてグリス、オイル等を用いることが多い。この場合、スパイラル型膜モジュールを用いて分離される液体が食品用途や半導体用途の場合潤滑材による汚染の問題が生じる。

そこで、本発明の目的は、確実なシールを確保するとともに、特別な専用工具や治具を用いることなく、分離膜エレメントの取り出しや取り付け作業を短時間で可能にし、潤滑材などによる汚染のない、簡便な方法で適切なシールを行うことができる分離膜モジュールおよびそれを用いた液体分離装置を提供することにある。

本発明者らは、上記課題を解決するために、鋭意研究を重ねた結果、以下に示す分離膜モジュールおよびそれを用いた液体分離装置により上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成するに到った。

つまり、本発明は、両端に取り外し可能な端板を設けた圧力容器の内側に、分離膜エレメントを組み込んだ分離膜モジュールであって、前記端板の外周部に、開放部を持つ断面形状を有するシール材を保持するとともに、前記シール材の開放部が圧力容器中心側に位置することを特徴とする。圧力容器のシール用に用いる端板の外周部にシール材用の溝を設け、その溝部にＵ型やＶ型などの断面が開放部を持つ形状のシール材を装着し状態で、端板を圧力容器に挿入する際、その開放部の先端リップ部が内側に折れ曲がり抵抗なく挿入できる。また、リップ部が円筒部材の中心側に位置することにより、シール材が流体の圧力によって押し広げられ、リップ部分が端板側及び円筒部側に圧接されることにより液体の漏れが防止できる。こうしたシール材の機能を有効に活かすことで、潤滑材などを用いることなく簡便な方法で適切なシールを行うことができるとともに、作業性の優れた分離膜モジュールを作製することができる。

上記分離膜モジュールであって、前記シール材を端板に保持した状態において、前記開放部の先端リップ部の外径が、圧力容器に内接する前の状態において、前記圧力容器内径より０〜５ｍｍ大きいことが好適である。本発明者は、シール材リップ部の変形量および圧力容器内の圧力（以下「内圧」という。）を所定の条件とすることが、分離膜モジュールが作動し容器内部が加圧の時のシール性を確保すると同時に、分離膜モジュールの作動を停止しシール性を解除することによって内部液の迅速な排除を可能とするために、非常に有効であることを見出したものである。つまり、Ｕ型、Ｖ型などの断面が開放部を持つ形状を有するシール材は、上記のように内圧に対して優れたシール機能を有するとともに、一旦内圧を解除した場合、シール性が低下する構造となっている。従って、液供給の停止によって内圧が徐々に低下し、シールが破れて内部液を全て供出することが可能となり、わざわざ液抜きをする必要がないことから作業性が非常に高くなる。

特に、分離膜モジュールを水平方向に配置した場合には端板の自重によって、さらに分離膜エレメントが少なくとも一方の端板と結合している場合には分離膜エレメントおよび端板の自重によって端板上部のリップ部の隙間が発生し拡大することから、加速度的に排出量が増加し、さらに作業性が高くなる。

また、本発明は、上記の分離膜モジュールを用いた液体分離装置であって、供給液を停止して前記圧力容器内圧を低下させることによって内部液の排出を行うことを特徴とする。上記のように、本発明に係る分離膜モジュールは、加圧時のシール性を確保することができると同時に、内部液の排出作業が容易であるという優れた機能を有している。従って、本発明に係る分離膜モジュールを液体分離装置に適用することで、こうした機能を有効に活かし、分離膜エレメントの取り出しや交換を非常に効率よく行うことができる。特に、頻繁に分離膜エレメントを出し入れする、高機能液体分離装置あるいは分離膜の性能測定装置の場合は、作業時間短縮効果が大きい。

以上のように、本発明の分離膜モジュールによれば、確実なシールを確保するとともに、特別な専用工具や治具を用いることなく、分離膜エレメントの取り出しや取り付け作業を短時間で可能にし、潤滑材などによる汚染のない、簡便な方法で適切なシールを行うことができる。また、こうした分離膜モジュールを液体分離装置に用いることで、分離膜エレメントの取り出しや交換を非常に効率よく行うことができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の分離膜モジュール（以下「膜モジュール」という。）の一例を示す断面図である。図２は、本発明の膜モジュールにおける圧力容器と端板とのシール状態を例示する図であり、図２（Ａ）は端板を圧力容器に配設したときのシール材の状態を例示し、（Ｂ）は配設する前のシール材の状態を例示している。

図１に示すように、圧力容器３の両端部近傍に原液導入口１および濃縮液取出口２が設けられ、複数の膜層を形成する分離膜エレメント（以下「膜エレメント」という。）Ｅが、原液導入口１および濃縮液取出口２に挟設される状態で、圧力容器３の内部に配設されている。圧力容器３の両端部には、端板４および５を設け、それぞれシール材６によって圧力容器３のシール性を確保する。端板４および５は、端板保持金具７によって係止され、圧力容器３に固定される。端板５には透過液取出口８が設けられ、エンドコネクタ１１によって膜エレメントＥと連結している。

原液導入口１から圧力容器３内に供給された試料液は、膜エレメントＥの一端に導入され、複数の膜層によって分離される。複数の膜層を透過した液は、一端部をエンドキャップ９によって封じられた集水管１０内部に集中された後、他端部に接続されたエンドコネクタ１１を介して透過液取出口８から供出される。一方、原液から透過液が除かれ濃縮された液は、膜エレメントＥの他端から濃縮液取出口２を介して供出される。

一般に、分離膜としては、平膜や管状膜あるいは中空糸膜が挙げられ、膜エレメントＥとしては、平膜をスパイラル型やプリーツ型に形成したものや、管状膜をチューブラ型やモノリス型に形成したもの、あるいは中空糸膜をカートリッジ化したものなど多種の形態についての適用が可能である。加圧条件で分離膜を使用することや膜の交換頻度が高いなどの使用条件に合致すれば、本発明の適用が上記構造に限定されるものでないことはいうまでもない。膜エレメントの形状等は、試料液の種類、処理量および分離物質によって様々であるが、外径４０〜４００ｍｍ、長さ５００〜２０００ｍｍ、重量０．５〜５０ｋｇ程度の膜エレメントが一般的に多く用いられる。図１においては、上述のようにスパイラル型の膜エレメントＥについて適用する構造を例示した。

スパイラル型の膜エレメントＥについては、例えば、その膜部は、集水管１０に供給側流路材、分離膜、及び透過側流路材が積層された膜リーフが巻回された巻回体で構成されている。また、供給側流路から透過側流路に直接原液が流れないような封止構造を有する。これにより、膜エレメントＥ内に流入した原液は、膜エレメントＥの供給側流路材に沿って下流側に流動しながら、分離膜で分離され、分離膜を透過した透過液は、透過側流路材に沿って流動し、集水管１０に集められる。

集水管１０は、適当な間隔で複数の孔を有しており、樹脂等で形成されている。集水管１０の上流側端は、原液の流入を防止するためにエンドキャップ９で塞がれ、下流側端にエンドコネクタ１１を接続して使用される。

シール材６は、図２（Ａ）に例示するように、端板４および５に設けられた溝部で保持され、リップ部６ａを圧力容器３の内面に押付ける状態を維持することで内圧を保持することができる。シール材６は、一般に断面が円形、楕円形、四角形なども用いられるが、本発明では、断面がＵ字型、Ｖ字型、コの字型、Ｃ字型などの開放部を持つ形状を有することが好ましい。シール材６の材質は、好ましくはゴム、エラストマー、樹脂等の弾性体で作製されており、Ｕ字型、Ｖ字型などの形状のシール材６は、内部液の圧力により外側に拡がって、その状態でベッセルとの隙間をシールすることができる。つまり、シール材６の開放部（リップ部６ａ）が圧力容器３の中心側に位置することにより、シール材６の開放部が流体の圧力によって押し広げられ、その先端部であるリップ部分６ａが端板４および５の溝部側及び圧力容器３内面部側に圧接されることにより液体の漏れが防止できる。また、シール材６を外周に保持した端板４および５を圧力容器３に挿入する際、先端リップ部６ａが内側に折れ曲がり抵抗なく挿入できる。こうしたシール材６の機能を有効に活かすことで、潤滑材などを用いることなく簡便な方法で適切なシールを行うことができるとともに、作業性の優れた膜モジュールとなる。

端板４および５は、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、耐熱性樹脂などを用いて、射出成型などの公知の方法で形成することができる。その外径は、圧力容器３あるいは膜エレメントＥの大きさによって決定されるが、一般には内径６０〜４００ｍｍ程度を有する圧力容器に対し、厚み１０〜１００ｍｍ、重さ０．５〜５０ｋｇ程度の板体が用いられる。

また、上記膜モジュールであっては、シール材６を端板４および５に保持した状態において、リップ部６ａの外径が、圧力容器３に内接する前の状態において、圧力容器３の内径より０〜５ｍｍ大きいことが好ましい。さらには、０〜１ｍｍ大きいことが、より好ましい。

膜モジュールにおけるシール材６のシール性が確保されるためには、リップ部６ａの外径が圧力容器３の内径より大きいことが条件となる。

また、シール材６は、圧力容器３の内圧の上昇に伴いシール性が高まる一方、一旦内圧を解除し内部液を全て排出する必要がある場合には、濃縮液取出口２および透過液取出口８からのみの供出だけでは迅速な内部液の排出が難しく、シール材６のシール部分からの排出があることが好ましい。こうした要請に対して、図２（Ｂ）に例示するように、圧力容器３の内径からのリップ部６ａのはみ出しが小さく、分離膜モジュールを水平方向に配置した場合には、内圧を解除した場合にシール材６のシール性が低下する構造、つまりリップ部６ａの折れ曲がり量を小さいことから、端板４および５と膜エレメントＥの自重によりシール材６の上部に隙間が生じやすい構造となる。シール材６の上部に隙間が生じた場合には、圧力容器３の内部の液体が漏れ始める。一旦漏れが発生すると、圧力容器３の内部が負圧となり、大気圧によってリップ部６ａが押さえ込まれ、シール性は更に低下し、内部の液体が全部流出することになる。

具体的には、上述のような膜エレメントＥや端板４および５を用いた膜モジュールにおいては、断面３〜２０ｍｍ角程度の大きさを有するシール材６が用いられ、圧力容器３の内径からのリップ部６ａのはみ出しが５ｍｍを超えるとこうした機能を確保することが難しく、５ｍｍよりも小さいことが好適である。

さらには、圧力容器３の内径からのリップ部６ａのはみ出しが１ｍｍよりも小さい場合には、より一層こうした状態を容易に確保することができ、短時間に内部液を全部流出することが可能となる。

表1 に、各種用途に用いられる分離膜モジュールの構成例を挙げる。

このように、本発明に係る膜モジュールは内圧に対して優れたシール機能を有するとともに、一旦内圧を解除した場合シール性が低下することから、液供給の停止によってシール性を破り内部液を全て排出することが可能となり、わざわざ液抜きをする必要がないことから作業性が非常に高くなる。従って、膜エレメントＥの交換など膜モジュールの保守時間の短縮という要請を満たすことが可能となる。

また、本発明に係る膜モジュールを液体分離装置に適用することで、上記のような機能を有効に活かすことができる。つまり、装置稼動時には内部液を確実にシールし分離膜の機能を十分働かせるとともに、装置停止時には供給液を停止して前記圧力容器内圧を低下させることによって内部液の排出を行うことができる。従って、膜エレメントの取り出しや交換を非常に効率よく行うことができる。また、接液部に潤滑材などを用いる必要がないことから、多種多様な溶液に対する汚染のない液体分離が可能となり、広い範囲での適用が可能である点においても優位である。

特に、頻繁に分離膜エレメントの出し入れを必要とするような、例えば半導体製造工程などにおける高機能・高精度液体分離装置、あるいは分離膜の性能測定装置などの場合には、こうした液体分離装置を用いることによる作業時間の短縮効果は非常に大きい。

以上は、主として水溶液などの液体試料を中心に述べたが、同様の技術は、上記に限定されるものでないことはいうまでもない。例えば、炭化水素などを含むガス状混合試料の分離などにおいても適用可能であり、特に試料停止時にシール性が低下した場合には、液体よりも格段に内部流体の排出が容易であることから、非常に有効である。

本発明の分離膜モジュールの一例であるスパイラル型膜モジュールを例示する断面図 本発明の分離膜モジュールにおける端板に設けられたシール材の状態を例示する断面図 従来の分離膜モジュールの端部を例示する断面図

符号の説明

１ 原液供給口
２ 濃縮液取出口
３ 圧力容器
４、５ 端板
６ シール材
６ａ リップ部
７ 端板保持金具
８ 透過液取出口
９ エンドキャップ
１０ 集水管
１１ エンドコネクタ
Ｅ 膜エレメント

Claims (3)

1. 両端に取り外し可能な端板を設けた圧力容器の内側に、分離膜エレメントを組み込んだ分離膜モジュールであって、前記端板の外周部に、開放部を持つ断面形状を有するシール材を保持するとともに、前記シール材の開放部が圧力容器中心側に位置することを特徴とする分離膜モジュール。
2. 前記シール材を端板に保持した状態において、前記開放部の先端リップ部の外径が、圧力容器に内接する前の状態において、前記圧力容器内径より０〜５ｍｍ大きいことを特徴とする請求項１記載の分離膜モジュール。
3. 請求項１または２記載の分離膜モジュールを用い、供給液を停止して前記圧力容器内圧を低下させることによって内部液の排出を行うことを特徴とする液体分離装置。
   
   

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