JP2015530242A

JP2015530242A - 中空糸膜モジュール（ｈｏｌｌｏｗｆｉｂｅｒｍｅｍｂｒａｎｅｍｏｄｕｌｅ）

Info

Publication number: JP2015530242A
Application number: JP2015532957A
Authority: JP
Inventors: イ，ジン−ヒョン; キム，キョン−ジュ; オ，ヨン−ソク; イ，ム−ソク
Original assignee: コーロンインダストリーズインク
Priority date: 2012-09-21
Filing date: 2013-09-17
Publication date: 2015-10-15
Anticipated expiration: 2033-09-17
Also published as: EP2898561B1; EP2898561A1; WO2014046450A1; US9413018B2; CN104620431B; US20150188162A1; KR101938340B1; KR20140038693A; CN104620431A; JP6163556B2; EP2898561A4

Abstract

本発明は中空糸膜モジュールに関するものであって、具体的には外部流体がケース内部を通る過程で各流路間の圧力偏差を減らすことにより、各流路毎に外部流体の通過流量を均一にさせた技術に関するものである。

Description

本発明は、燃料電池に用いられる中空糸膜モジュールに関するものであって、特に水分伝達に用いられる外部流体が流入される過程で、中空糸膜モジュールの内部全体に均一な流量を形成させて水分伝達の効率を向上させる技術に関するものである。

一般的に燃料電池とは、水素と酸素との結合によって電気を生産する発電型電池であって、一般の化学電池と異なって水素と酸素が供給される限り、継続して電気の生産が可能なだけでなく、水素と酸素との結合による化学エネルギーを電気エネルギーに変換する方式なので、発電過程での公害物質の排出が少ないメリットがある。

このような燃料電池のうち高分子電解質型燃料電池は、小型化が可能であるというメリットがあり、現在だけでなく今後において活用価値が高い。

高分子電解質型燃料電池は、膜-電極接合体(Membrane Electrode Assembly;MEA)の高分子電解質膜に一定量の水分を供給し、高分子電解質膜の適正な含水率を維持しなければ所望の発電効率が維持できない。

このように、高分子電解質膜を加湿する方法としてはバブラー(BUBBLER)方式、直接噴射方式及び加湿膜方式等があるが、そのうち加湿膜方式は水分が含まれている中空糸に外部流体を接触させて流体の含水率を高め、該加湿流体を電解質膜に供給する方式である。

このような中空糸膜モジュールは、基本的に図１のように流入ケース１０、連結ケース３０及び排出ケース２０が前後連結された状態で配置された構造となる。

又、流入ケース１０と排出ケース２０の内部には、それぞれ収容空間１１が一定の隙間を挟んで上下に積層して形成されており、流入ケース１０の各上下収容空間１１、連結ケース３０及び排出ケース２０各上下収容空間１１の内部には、中空糸束４０が充填されている構造となる。

この状態で、流入ケース１０の一側の流体流入口１３に流入された外部流体が、上下収容空間１１周辺の上下側流路１４及び中間流路１２に沿って移動し、複数個の流入ウィンドウ１６を介して収容空間１１に流入される。そして、前記流体が中空糸束４０の表面に接して、中空糸束４０から一次的に水分を吸収する。

その後、前記流体は、連結ケース３０の内部を通りながら２次的に水分を吸収し、排出ケース２０で３次的に水分を吸収する。その後、前記流体は、排出ウィンドウ２１を介して、排出ケース２０の収容空間１１から流出された後、流体排出口を介して外部へ排出される形態で作動する。

ところが、かかる従来の技術は、流入ケース１０の上下側流路１４と中間流路１２の断面積が同様に形成されている。

そのため、外部流体が流体流入口１３を介して流入ケース１０の内部に供給される過程で、図２のように外部流体は流体流入口１３に流入されるとともに、上下収容空間１１の曲面角にぶつかって、中間流路１２の入口周辺では瞬間的に停滞区間が形成されることにより、当該地点の圧力が著しく高く形成される(点で表示する)。

そして、中間流路１２が細くなるにつれ、図３のように流路入口の周辺に比べて中間流路１２での流体の流速が瞬間的に増加し、その後、入り口の反対側の中間流路１２の端部の方へ行くにつれ減ることになる(流速が増加した地点を点で表示する)。

並びに、中間流路１２での圧力分布も、中間流路１２の入口から一定の区間までは圧力が著しく低く形成され、入り口の反対側端部の方へ行くにつれ圧力が上昇する。

すなわち、従来の技術は基本的に流入ケース１０の内部で中間流路１２での内部圧力が上下収容空間１１の上下側流路１４より低く形成され、中間流路１２の流体の流速も上下側流路１４より早くなる現象を有する。

このような現象により、中間流路１２での内部圧力と上下側流路１４との圧力の差によって中間流路１２を通る流体が各収容空間１１に円滑に流入できなくなり、却って収容空間１１での流体が中間流路１２の内部へ流入する現象が生じる。

そのため、中間流路１２を介して供給される流量と収容空間１１周辺の流路１４を介して供給される流量との偏差が大きくなる。

又、各収容空間１１の上下側流路１４と中間流路１２内においては、それ自体でも流体流入口１３から遠くなるにつれ、圧力が増えて流速は遅くなる。

このように、中間流路１２と上下側流路１４それ自体でも区間別に圧力偏差が形成されるため、各流路の各収容空間１１に流入した流体の流量は流体流入口１３の反対側端部側に行くにつれ多くなり、流体流入口１３側の流入ウィンドウ１６での流入量より、流路端部に向かう反対側端部側の流入ウィンドウ１６−１の方に行くにつれ流量が多くなる。

すなわち、流入ケース１０内部での中間流路１２の内部圧力と上下側流路１４の内部圧力との圧力偏差とともに、各流路自体でも区間別の圧力差によって中空糸束４０中の流入ケース１０内に位置する区間全体が流体と均一に接するのができなくなる。

実験の結果、図４を基準にしたとき、下表１のように中間流路１２に形成されたウィンドウ(４、５、６、７、８、９)を通過する流量が、上下側流路１４の流入ウィンドウ(１、２、３、１０、１１、１２)を通過する流量に比べて著しく少ないことがわかる。

それとともに、中間流路１２と上下側流路１４それ自体でも、ウィンドウを通過する流路は流体流入口の反対側の流路端部に向かうにつれて徐々に多くなり、そうして流体流入口側の流入ウィンドウ(１、４、７、１０)から反対側の流入ウィンドウ(３、６、９、１２)の方へ行くにつれ、通過流量が遥かに多くなることがわかる。

大韓民国登録特許第１０-０８３４１２１号(２００８年５月２６日)

本発明は、このような従来技術の問題を解決するために提案されたものであって、流入ケースの内部で各流路間の圧力偏差を減らすことで、流体が各流路を介して均一に中空糸に接触できるようにするとともに、各流路自体での区間別の圧力偏差も減らすことで、各流路の各ウィンドウの通過流量も均一に分布できるようにした中空糸膜モジュールの提供を図るものである。

このために提案された本発明における中空糸膜モジュールは、一側に流体流入口が形成されているハウジングを含み、前記ハウジングの内部には複数の収容空間が隙間を挟んで上下に積層して形成されており、前記最上層の収容空間と前記ハウジングとの間の第１流路、前記最下層の収容空間と前記ハウジングとの間の第２流路及び前記収容空間との隙間の中間流路が、それぞれ第１、２流路及び中間流路が前記流体流入口に連通した状態で形成されている流入ケース、前記流入ケースと前後間隔を置いて位置しており、内部には複数の収容空間が形成されており、一側には流体排出口が形成されている排出ケース、前記排出ケースと流入ケースとの間に位置している連結ケース、前記流入ケースの収容空間、前記連結ケースの内部及び前記排出ケースの収容空間を貫通して収容されている複数個の中空糸束を含み、前記第１流路と第２流路の断面積は、前記中間流路の断面積より小さく形成されていることを特徴とする。

前記中空糸膜モジュールは、前記収容空間それぞれを取り囲むように配置され、前記収容空間を区画する隔壁を更に含み、前記隔壁には前記第１、２流路及び中間流路と前記収容空間を連通させる第１、２流入ウィンドウ及び中間ウィンドウが前記隔壁の幅方向に沿って複数配列して形成され得る。

又、このとき、前記第１流路と第２流路の断面積は、前記流体流入口が形成された側の端部から反対側端部に行くにつれ断面積が減る形態に形成され得る。

さらに、前記第１、２流路のうち流体流入口が形成された側の端部から反対側に向かう一定の区間までの断面積は、前記中間流路の断面積以上に形成され、第１、２流路のうち残り区間の断面積が前記中間流路より小さく形成され得る。

そして、前記第１、２流路の上側壁面には、複数個の段差が第１、２流路の幅方向に沿って階段状に形成されており、第１、２流路の断面積は前記各段差を基準に次第に縮小し得る。

このような多くの実施例を有する本発明は、基本的に第１、２流路の断面積が中間流路に比べて小さく形成されることによって、その分、第１、２流路での内部圧力と中間流路での内部圧力との偏差が最小限に抑えられ、中間流路を通過する流体が第１、２収容空間に円滑に流入されることができ、結局、収容空間に収容された中空糸束全体区間にわたって流体との均一な接触が可能になる。

又、第１、２流路の断面積が流体の流入口側に向かう端部から反対側の端部に行くにつれ次第に縮小し、第１、２流路内の内部圧力も一側に行くにつれ次第に小さくなるので、第１、２流路の各流入ウィンドウ間の流量偏差も減ることになり、結局、各第１、２流路における各流入ウィンドウの通過流量が均一になる。

従来の中空糸膜モジュールの斜視図。従来の流入ケースでの圧力分布状態を示す正断面図。従来の流入ケースでの流速偏差状態を示す正断面図。従来の中空糸膜モジュール全体のウィンドウ位置を示す立体図。本発明の一部切開斜視図。本発明の全体側断面図。流入ケースの正断面図。排出ケースの正断面図。第１、２流路の断面積が段差によって縮小したことを示す断面概路図。図９を一部拡大した断面図。第１、２流路に傾斜面を形成させて断面積を減らした場合を示す図。各ウィンドウに固有番号を付けた状態の立体概略図。

下図に示された実施例を基に、本発明の具体的な構成及び効果を説明する。但し、後述する中空糸膜モジュールは、加湿モジュールを実施例の一つとして図示したものである。しかしながら、中空糸膜モジュールは加湿モジュールに限られず、気体分離モジュールまたは水処理モジュールなどであり得る。

本発明における中空糸膜モジュールは、図５及び図６に図示されているように、大きく流入ケース１００と、連結ケース２００と、排出ケース３００と、中空糸束４００とを含んでなる。

まず、流入ケース１００は後述する中空糸束４００の一側（上流）端部が収容されて加湿に必要な外部流体が最初に流入されるとともに、中空糸束４００と外部流体との最初の接触がなされる部分である。流入ケース１００は、図５乃至図７のように全体として箱状のハウジング１１３を含み、その内部には中空糸束４００の収容のための複数の収容空間１１２、１１４が形成され、ハウジング１１３の一側には外部流体の流体流入口１２０が形成されていて、流体流入口１２０と収容空間１１２、１１４が流路を介して互いに連通した構造となる。

より詳細に説明すれば、収容空間１１２、１１４は上下に分割された形態に形成されるが、中間地点に横方向に形成された隙間１３０を挟んで上側には第１収容空間１１２が形成され、下側には第２収容空間１１４が形成される。すなわち、第１、２収容空間１１２、１１４は、隙間１３０を挟んで上下に積層された形態で形成される。但し、ここでは２つの収容空間１１２、１１４が積層された場合に対して主に説明するが、本発明がこれに限定されるのではなく、一定の隙間を挟んで２つ以上の複数の収容空間が上下に積層されることもでき、この場合、第１、２収容空間１１２、１１４の間に他の収容空間又は空間が介在されることができる。

第１、２収容空間１１２、１１４は、隔壁１３５に取り囲まれて区画される。このとき、第１、２収容空間１１２、１１４は、全体として四角状であるが、各角に曲面部１１１が形成された構造の隔壁１３５によって取り囲まれることができる。

この状態でハウジング１１３には流体流入口１２０が形成されるが、流体流入口１２０は中空糸束４００との接触のための外部流体が流入される通路であって、流体流入口１２０はハウジング１１３の一側の枠上に形成されるが、ハウジング１１３の中間地点、すなわち隙間１３０と同一線上に形成されることができる。

そして、ハウジング１１３の内部には流入流路が形成される。

流入流路は、後述する流体流入口１２０を介して流入された外部流体が第１、２収容空間１１２、１１４の周縁に沿って移動し、各収容空間１１２、１１４に流入されるよう誘導するために形成されるものであって、それがさらに分配流路１４２、第１流路１４３、第２流路１４４、中間流路１４５及び混合流路１４６に分けられてなる。

そのうち分配流路１４２は、流体流入口１２０を通過した流体を後述する第１、２流路１４３、１４４及び中間流路１４５に分配する。分配流路１４２は、流入ケース１００の内部のうち流体流入口１２０の出口（下流端部）から、これと対向する第１、２収容空間１１２、１１４の一側角までの区間に形成される。

又、中間流路１４５は、流体流入口１２０を介して流入された流体が隙間１３０の内部に沿って移動し、第１収容空間１１２の下側と第２収容空間１１４の上側を介して第１、２収容空間１１２、１１４に流入されるようにする役割を果たす。
該中間流路１４５は、一側が分配流路１４２に繋がった状態で隙間１３０の幅方向に沿って全体的に形成される。

第１流路１４３は、流体流入口１２０を通過した流体が第１収容空間１１２の上部に誘導され、第１収容空間１１２の上部を介して第１収容空間１１２に流入されるようにする役割を果たす。

該第１流路１４３は、一側が分配流路１４２に繋がり、第１収容空間１１２の上部周縁及び分配流路１４２の反対の第１収容空間１１２の反対側端部の周縁を取り囲んだ状態で、反対側端部が中間流路１４５に繋がった形態に形成される。

そして第２流路１４４は、流体流入口１２０を通過した流体が第２収容空間１１４の下部に誘導され、第２収容空間１１４の下部を介して第２収容空間１１４に流入されるようにする役割を果たす。

該第２流路１４４は、一側が分配流路１４２に繋がり、第２収容空間１１４の下部周縁及び分配流路１４２の反対の第２収容空間１１４の反対側端部の周縁を取り囲んだ状態で、反対側端部が中間流路１４５に繋がった形態に形成される。

そのため、このような構造によって流体流入口１２０を介して流入された流体は、分配流路１４２で第１流路１４３、第２流路１４４及び中間流路１４５に分配された後、第１収容空間１１２と第２収容空間１１４の周縁に沿って移動する構造となる。

ちなみに、従来は第１、２流路１４３、１４４と中間流路１４５の断面積が同様に形成されている一方、本発明においては第１、２流路１４３、１４４の断面積を中間流路１４５より小さく形成させる。

具体的には、図７のように第１、２流路１４３、１４４の上下幅Ｄ１を中間流路１４５の上下幅Ｄより狭く形成させて、中間流路１４５より断面積を相対的に減らすが、例えば中間流路１４５の上下幅を８ｍｍにしたとき、第１、２流路１４３、１４４の上下幅を５ｍｍ程度に減らす形態で製作される。

このとき、図７の実施例においては、第１、２流路１４３、１４４の全体区間の上下幅が均一に縮小した形態で具現される。

このように、第１、２流路１４３、１４４の断面積を中間流路１４５より縮小させる理由は、流体の移動過程で発生する圧力偏差を減らすためであり、これによる作用及び効果は、追加で後述する。

このように形成された流入流路を流れながら、流体は第１収容空間１１２と第２収容空間１１４に収容された中空糸束４００に接することになる。このとき、隔壁１３５が第１、２収容空間１１２、１１４をそれぞれ取り囲むように形成される場合、隔壁１３５には、流体が第１、２収容空間１１２、１１４の内部に流れるよう流入ウィンドウが形成される。

流入ウィンドウは、外部流体が各流入流路に沿って移動する過程で、第１、２収容空間１１２、１１４に流入されるよう誘導する通路の役割を果たし、さらに流入ウィンドウは、第１流入ウィンドウ１５２、第２流入ウィンドウ１５４及び中間ウィンドウ１５６に分けられてなる。

そのうち、第１流入ウィンドウ１５２は、第１流路１４３に沿って移動する流体を第１収容空間１１２に流入させる通路の役割を果たすものであって、流入ケース１００のうち第１収容空間１１２の上側区間に形成されるが、第１流入ウィンドウ１５２は、第１収容空間１１２の左右の幅方向に沿って互いに一定の間隔を置いて配列して形成される。

これにより、第１収容空間１１２と第１流路１４３は、それぞれ第１流入ウィンドウ１５２を介して互いに連通した状態になる。

そして、第２流入ウィンドウ１５４は、第２流路１４４に沿って移動する流体を、第２収容空間１１４に流入させる通路の役割を果たすものであって、流入ケース１００のうち第２収容空間１１４の下側区間に形成されるが、第２流入ウィンドウ１５４は、第２収容空間１１４の左右の幅方向に沿って互いに一定の間隔を置いて配列して形成される。

これにより、第２収容空間１１４と第２流路１４４は、それぞれ第２流入ウィンドウ１５４を介して互いに連通した状態になる。

中間ウィンドウ１５６は、中間流路１４５に沿って移動した流体を第１収容空間１１２と第２収容空間１１４に同時に流入させる通路の役割を果たすものであって、中間流路１４５を基準に上下側に形成され、隔壁の左右の幅方向に沿って互いに一定の間隔を置いて配列して形成される。

これにより、中間流路１４５は、それぞれ中間ウィンドウ１５６を介して第１、２収容空間１１２、１１４に連通した状態になる。

このように構成される流入ケース１００には、連結ケース２００が連結される。

連結ケース２００は、後述する中空糸束４００の中間地点を収容するとともに、流入ケース１００及び後述する排出ケース３００を連通させる役割を果たすものである。図６のように両端部が開放された中空管状であり、内部には中空糸束４００が貫通収容される空間部が、連結ケース２００に形成される。

該連結ケース２００は、一端部が流入ケース１００の後端部に連結され、連結ケース２００の収容空間が第１、２収容空間１１２、１１４と同時に連通した状態になる。

このような構造により、流入ケース１００の第１、２流路１４３、１４４及び中間流路１４５を介して第１、２収容空間１１２、１１４に流入された流体は、第１、２収容空間１１２、１１４を通過した後、連結ケース２００を連続して通過する構造を有する。

このように設置された連結ケース２００には、排出ケース３００が連結される。
排出ケース３００は、連結ケース２００を通過した外部流体が中空糸束４００の他端部（下流端部）に接するよう誘導されてから外部へ排出される部分であり、図６及び図８のように連結ケース２００の他端部に繋がった状態で設けられる。

該排出ケース３００は、全体的に流入ケース１００と同じ構造、すなわち基本的に内部には第３収容空間３１２と第４収容空間３１４が第２隙間３０３を挟んで上下に積層して形成されていて、第３、４収容空間３１２、３１４はそれぞれ第２隔壁３０５によって取り囲まれて区画される。

そして、第３収容空間３１２の両側部と上側の周縁には第３流路３０１が形成され、第３流路３０１に接した第２隔壁３０５には、第１排出ウィンドウ３１３が第３収容空間３１２の左右の幅方向に沿って複数配列される。

又、第４収容空間３１４の両側と下側の周縁には第４流路３０２が形成され、第４流路３０２に接した第２隔壁３０５には、第２排出ウィンドウ３１５が第４収容空間３１４の左右の幅方向に沿って複数配列される。

そして、第２隙間３０３に沿って第２中間流路３１６が形成され、第２中間流路３１６には第２中間ウィンドウ３１７が第２隔壁３０５の左右の幅方向に沿って複数配列される。

この状態で排出ケース３００の一側には、流体排出口３２０が第３、４流路３０１、３０２及び第２中間流路３１６に連通した形態に形成される。このとき、流体排出口３２０の入口（上流）前方には、第３流路３０１及び第４流路３０２及び第２中間流路３１６が統合される第２混合流路３１８が形成される。

このとき、流体排出口３２０は、排出ケース３００のうち流入ケース１００の流体流入口１２０と対称地点に形成されるが、第２隙間３０３と同一線上に位置する。

このような構造によって連結ケース２００を通過した流体は、第３、４収容空間３１２、３１４を通過した後、第１、２排出ウィンドウ３１３、３１５及び第２中間ウィンドウ３１７を介して第１、２流路１４３、１４４及び第２中間流路３１６に沿って移動してから、第２混合流路３１８で統合された状態で流体排出口３２０を介して外部へ排出される。

このように、連結設置された流入ケース１００と連結ケース２００及び排出ケース３００には、中空糸束４００が設けられる。

中空糸束４００は、その内部に流入された流体と、その外部に接した流体との間において水分を交換させる役割を果たすものであって、複数の中空糸が水平状態で集束された形態であり、各中空糸は名称そのまま中空管状になる。

このような集束状の中空糸束４００は、一端部（上流端部）が流入ケース１００の第１、２収容空間１１２、１１４に分けられて収容された状態で、中間地点が連結ケース２００の内部を貫通した後、他端部（下流端部）が排出ケース３００の第３、４収容空間３１２、３１４に収容された状態で設けられる。

該中空糸束４００は、公知されたものを用いるため、追加の説明は省略する。

以下では、このような構成による本実施例の作用及びその過程における特有の効果について説明する。

中空糸束４００の内部に流れる流体から中空糸束４００の外部（周囲）に流れる流体へ水分の交換がなされることができ、逆に中空糸束４００の外部へ流れる流体から中空糸束４００の内部へ流れる流体に水分の交換がなされることもできる。しかし、以下では中空糸束４００の内部に流れる流体から中空糸束４００の外部へ流れる流体へ水分交換がなされる場合について説明する。

相対的に水分含有量の高い流体が各中空糸束４００の内部に供給される一方、相対的に水分含有量の低い流体が流体流入口１２０に流入される。

流体流入口１２０を通過した流体は、図７のように流入ケース１００の内部の分配流路１４２に流入される。

その後、流体は、中間流路１４５と第１、２流路１４３、１４４に分配流入される。そして、中間流路１４５に流入された流体は、中間流路１４５に沿って移動する過程で各中間ウィンドウ１５６を介して収容空間１１２、１１４に流入され、中空糸束４００のうち第１、２収容空間１１２、１１４に位置する区間に接して水分を含む（吸収する）ことになる。

このとき、前述したように、中間流路１４５と流体流入口１２０が同一線上に位置しているだけではなく、中間流路１４５への流入過程で流体が第１、２収容空間１１２、１１４の曲面部に沿って移動するため、中間流路１４５を通過する流体の流速は速くなる。

それとは別に、第１流路１４３及び第２流路１４４に流入された流体は、それぞれ第１収容空間１１２の上部周縁と第２収容空間１１４の下部周縁に沿って移動し、移動する過程で第１流入ウィンドウ１５２及び第２流入ウィンドウ１５４を介して第１、２収容空間１１２、１１４に流入し、中空糸束４００に接して水分を含むことになる。

前述したように、従来は中間流路１４５を通る流体の速度が、第１、２流路１４３、１４４を通る流体の流速より速く、圧力が相対的に低く形成されるため、ベルヌーイの原理によって中間流路１４５を通る流体が第１、２収容空間１１２、１１４に円滑に流入されることができなかった。

一方、本発明は前述のように、第１流路１４３と第２流路１４４の上下幅Ｄ１を減らして断面積全体を中間流路１４５の断面積より小さく形成したため、第１流路１４３と第２流路１４４を流れる流体の圧力が従来に比べて減るとともに、流速は速くなる。

すなわち、このように第１流路１４３と第２流路１４４の直径を減らして、第１流路１４３と第２流路１４４を流れる流体の圧力を減らすことによって、第１、第２流路１４３、１４４と中間流路１４５との圧力との偏差を最小限に抑えたものである。

このように、第１、２流路１４３、１４４と中間流路１４５との圧力偏差を減らすことによって、中間流路１４５を通る流体が中間ウィンドウ１５６を介して第１収容空間１１２と第２収容空間１１４に円滑に流入できるようになる。

そのため、結果として第１流入ウィンドウ１５２と第２流入ウィンドウ１５４及び中間ウィンドウ１５６を通過する流量が同一水準に形成され、これにより中空糸束４００のうち第１、２収容空間１１２、１１４に収容された区間全体が流体と均一に接して流体の含水効率が向上する。

この本発明における構造を用いて実験した結果、外部流体が第１、２流路１４３、１４４及び中間流路１４５を通る過程で圧力偏差が減るのはもちろん、中間流路１４５での流速と第１、２流路１４３、１４４の流速間の偏差も最小限に抑えられた。

又、図１２を基準にしたとき、下表２のように中間ウィンドウ(４、５、６、７、８、９)を通過する流量と、第１、２流入ウィンドウ(１、２、３、１０、１１、１２)を通過する流量との偏差も最小限に抑えられるのは勿論、各流路１４５、１４３、１４４それ自体でも流体流入口１２０側のウィンドウ(１、４、７、１０)の通過流量と、流体流入口１２０の反対側ウィンドウ(３、６、９、１２)の通過流量との差も最小限に抑えられた。

このように、第１、２収容空間１１２、１１４を通過しながら中空糸束４００に接した外部流体は、連結ケース２００を通りながらも中空糸束４００に接して水分を更に含んだ後、排出ケース３００の第３、４収容空間３１２、３１４でも中空糸束４００に接する。

その後、流体は、第１、２排出ウィンドウ３１３、３１５と第２中間ウィンドウ３１７を通過した後、第３、４流路３０１、３０２及び第２中間流路３１６を経て第２混合流路３１８から混合した状態で流体排出口３２０を介して排出される。

図９乃至図１１は、本発明の変形例を示した図であって、第１流路１４３と第２流路１４４の断面積を中間流路１４５より小さく形成させた考え方は前述の実施例と同様だが、第１、２流路１４３、１４４の断面縮小構造を変えて第１流路１４３の各第１流入ウィンドウ１５２間の流量偏差を最小限に抑え、第２流路１４４の各第２流入ウィンドウ１５４間の流量偏差も最小限に抑えたことに差がある。

そのうち図９及び図１０に図示された実施例は、第１、２流路１４３、１４４にそれぞれ段差を形成させて、第１流路１４３と第２流路１４４の断面積を区間別に断面積が段階的に減る形態で具現したことを特徴とする。

すなわち、図のように第１流路１４３の上部壁面に段差５００を形成するが、段差５００は、第１流路１４３の左右の幅方向に沿って間隔を置いて形成する。

このとき、各段差５００は、第１流路１４３のうち流体流入口１２０側の端部から反対側の端部に向かって、徐々に高さが高くなるように階段状に段差を置いて形成されることによって、第１流路１４３の断面積は流体流入口１２０側の端部から反対側端部側へ行くにつれ減ることになる。

又、このように段差が間隔を置いて形成されることによって、各段差間の区間毎に断面縮小区間５１０、５２０、５３０が形成される。
このとき、各断面縮小区間５１０、５２０、５３０は、各第１流入ウィンドウ１５２と同一線上に位置し、第１流入ウィンドウ１５２毎に当該断面縮小部の圧力が円滑に適用されるようにする。

さらに、第２流路１４４の下部面にもこれに対称な構造の段差を形成させることによって、第１流路１４３と第２流路１４４は互いに上下対称状の断面縮小構造を有する。

このように、第１、２流路１４３、１４４の断面積を流体流入口１２０の方と反対側へ行くにつれ縮小させることにより、第１、２流路１４３、１４４での圧力も反対側へ行くにつれ減ることになる。

そのため、このように第１、２流路１４３、１４４のうち圧力が低くなった地点と第１、２収容空間１１２、１１４との圧力差が生じることによって、このときにもベルヌーイの原理によって当該第１、２流入ウィンドウ１５４を介して第１、２収容空間１１２、１１４に供給された流量が減ることになる。

これにより、結局、他の第１、２流入ウィンドウ、すなわち従来の場合において相対的に流量の少ない流体流入口１２０側の第１、２流入ウィンドウ１５２、１５４の通過流量が増えることになるため、第１流路１４３の各第１流入ウィンドウ１５２間の通過流量の偏差が最小限に抑えられ、第２流路１４４の各第２流入ウィンドウ１５４との通過流量の偏差も最小限に抑えられる。

このように、本発明は基本的に第１、２流路１４３、１４４の断面積を中間流路１４５より小さく形成させ、第１、２流路１４３、１４４での圧力と中間流路１４５での圧力間の偏差を減らすことで、中間流路１４５での流体を円滑に第１、２収容空間１１２、１１４に流入させる。

さらに、第１、２流路１４３、１４４の断面積を流体流入口１２０側から反対側の端部側へ行くにつれ次第に減らすことで、各第１流入ウィンドウ１５２間の通過流量の偏差を最小限に抑え、各第２流入ウィンドウ１５４間の通過流量の偏差を最小限に抑えることを特徴とする。ちなみに、第１、２流路１４３、１４４の断面積を一側に行くにつれ減らす構造と、第１、２流路１４３、１４４全体区間の断面積を同様に減らす構造は、必要に応じて相互選択して適用することができる。

図１１に図示された実施例は、第１、２流路１４３、１４４の断面積を一側に次第に減らす考え方は同様だが、段差を用いて一定区間毎に段階的に減らす前記実施例とは異なり、第１流路１４３の上部面と第２流路１４４の下部面に傾斜面６００を形成させることで、第１流路１４３及び第２流路１４４の断面積を一側に行くにつれ次第に連続して減らしたことに差がある。

このように、傾斜面６００を用いて断面積を連続して減らす構造は、段差を形成させた構造とほぼ同じ効果が得られるだけでなく、段差構造に比べて第１,２流路１４３、１４４の製作が簡単になるメリットも持つことができる。

前述した本発明における多くの特徴は、当業者によって多様に変形し、組み合わせて実施されることができるが、このような変形及び組み合わせによって、流入ケース内で第１流路と第２流路の断面積を中間流路より小さく形成させることで、中間流路での圧力と第１、２流路での圧力間の偏差を最小限に抑えることで、中間流路を通る外部流体が円滑に第１、２収容空間に流入させた構造及び目的に関連付けられる場合は、本発明の保護範囲に属するものと判断されるべきである。

１００:流入ケース１１２:第１収容空間
１１３:ハウジング１１４:第２収容空間
１１１:曲面部１２０:流体流入口
１３０:隙間１３５:隔壁
１４２:分配流路１４３:第１流路
１４４:第２流路１４５: 中間流路
１４６:混合流路
１５２:第１流入ウィンドウ１５４:第２流入ウィンドウ
１５６: 中間ウィンドウ２００:連結ケース
３００:排出ケース３０１:第３流路
３０２:第４流路３０３:第２隙間
３０５:第２隔壁３１２:第３収容空間
３１３:第１排出ウィンドウ３１４:第４収容空間
３１５:第２排出ウィンドウ３１６:第２中間流路
３１７:第２中間ウィンドウ３２０:流体排出口
３１８:第２混合流路４００:中空糸束
５００:段差５１０、５２０、５３０:断面縮小区間
６００:傾斜面

Claims

一側に流体流入口が形成されているハウジングを含み、前記ハウジングの内部には複数の収容空間が隙間を挟んで上下に積層して形成されており、前記最上層の収容空間と前記ハウジングとの間の第１流路、前記最下層の収容空間と前記ハウジングとの間の第２流路及び前記収容空間間との隙間の中間流路が、それぞれ第１、２流路及び中間流路が前記流体流入口に連通した状態で形成されている流入ケース、
前記流入ケースと前後間隔を置いて位置しており、内部には複数の収容空間が形成されており、一側には流体排出口が形成されている排出ケース、
前記排出ケースと流入ケースとの間に位置している連結ケース、
前記流入ケースの収容空間、前記連結ケースの内部及び前記排出ケースの収容空間を貫通して収容されている複数個の中空糸束を含み、
前記第１流路と第２流路の断面積は、前記中間流路の断面積より小さく形成されていることを特徴とする中空糸膜モジュール。
前記中空糸膜モジュールは、前記収容空間それぞれを取り囲むように配置され、前記収容空間を区画する隔壁をさらに含み、
前記隔壁には前記第１、２流路及び中間流路と前記収容空間を連通させる第１、２流入ウィンドウ及び中間ウィンドウが前記隔壁の幅方向に沿って複数配列して形成されていることを特徴とする請求項１に記載の中空糸膜モジュール。
前記第１流路と第２流路の断面積は、前記流体流入口が形成された側の端部から反対側端部に行くにつれ断面積が減る形態に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の中空糸膜モジュール。
前記第１、２流路のうち流体流入口が形成された側の端部から反対側に向かう一定の区間までの断面積は、前記中間流路の断面積以上に形成され、
前記第１、２流路のうち残り区間の断面積が前記中間流路より小さく形成されることを特徴とする請求項２に記載の中空糸膜モジュール。
前記第１、２流路の上側壁面には、複数個の段差が第１、２流路の幅方向に沿って階段状に形成されており、
第１、２流路の断面積は、前記各段差を基準に次第に縮小することを特徴とする請求項２に記載の中空糸膜モジュール。