JP2018509293A - 流体分離膜を含む流体分離装置、及び流体分離膜モジュール - Google Patents

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シ キム，ガン
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Abstract

流体分離膜を含む流体分離装置が提供される。流体分離装置は、一方向に延長され且つ断面が閉曲線形状を有する流体分離膜として、膜の厚さが０．１ｍｍ乃至２ｍｍであり、断面を円形に調整したときに外径が６０ｍｍ乃至３６０ｍｍである流体分離膜を含む。【選択図】図１

Description

本発明は、流体分離膜を含む流体分離装置、及び流体分離膜モジュールに関する。
現在、全世界的に関心の対象となる地球温暖化は、二酸化炭素とメタンガスなどによる温室効果が大きな役割をしている。このような温暖化は、生態系を撹乱させるだけでなく、人間の社会生活に大きな影響を及ぼしており、温室効果ガスの大気中への放出を低減しようとする努力が多方面で行われている。
二酸化炭素は、最近、温室効果ガスとして最も注目を浴びているものの一つである。二酸化炭素は、下水処理場、廃水処理場及び埋立地などで廃棄物の燃焼の際に生成されるほか、火力発電所や製鉄所などでも多量生成される。よって、廃ガスの中から二酸化炭素のみを分離して除去する技術が研究されている。二酸化炭素以外にも、水素燃料に対する関心が増幅されながら、水素ガスを分離する技術も多くの関心の対象となっている。また、純粋に分離された酸素や窒素なども様々な分野に活用可能であるため、その分離方法に関する研究が続いている。今後、特定の気体や液体の活用技術が発展するにつれて、さらに様々な流体に対する分離技術が必要であると予想される。
特定の流体の分離は、単に分離理論を定立するだけでは産業界で活用することが難しい。一例として、二酸化炭素分離技術は、吸収法、吸着法、深冷法または膜分離法などが古くから提示されてきたが、莫大なエネルギーが必要であるとか、副作用があるとか、大型化が難しいなどの現実的な理由から、現在までに商用化された例は極めて微々たる水準である。
一方、膜分離法が他の方法に比べて相対的に低エネルギーを使用するので、商用化に適するという評価がある。膜分離法においてこれまで研究されている方向は、主に分離膜の分離効率を高めることにある。実験室内で９０％以上の分離効率を示すことができる小さいサイズ（例えば、１インチ×１インチ）の分離膜を開発するのが１次目標である。大型化及び商業化は、その次の課題とされている。
実験室内で９０％以上の分離効率を得るためには、多くの研究者は、分離膜の厚さをより薄くし、分離膜の内外部の圧力差をより高く設定しようとする。ところが、厚さが薄く、圧力が高いほど、分離膜の耐久性が脆弱になる。したがって、一部の研究者は、上述したような条件でも耐久性を備えた分離膜の材料に関する研究も併行する。
しかし、上述のように実験室レベルで高効率の分離膜を開発したとしても、これを商用化することは別の問題である。まず、薄膜の分離膜は、大量に生産することが非常に難しいだけでなく、高価な原材料を使用しなければならないので、生産コストも大幅に増加する。また、薄膜の分離膜を大型化された装備に適用するには多くの分離膜を組み立てなければならないので、組立時間及び組立費用が増加する。また、高効率のために高い圧力を使用するので、処理費用が増加する。理論的には分離が可能であっても、生産及び処理費用などが過度に高ければ、現実的な商用化は不可能である。
したがって、処理費用が低く、費用対比の優れた分離効率を有し、商業的な規模で適用可能な流体分離技術の開発が求められている。
本発明が解決しようとする課題は、分離効率が改善され、大容量の流体分離が可能でありながら大量生産が容易な流体分離装置を提供することである。
本発明が解決しようとする他の課題は、分離効率が改善され、大容量の流体分離が可能でありながら大量生産が容易な流体分離膜モジュールを提供することである。
本発明が解決しようとする別の課題は、有害な気体を効果的に分離することができる空気浄化装置を提供することである。
本発明の課題は上述した技術的課題に制限されず、上述していない別の技術的課題は以降の記載から当業者に明確に理解できるだろう。
上記の課題を解決するための本発明の一実施形態に係る流体分離装置は、一方向に延長され且つ断面が閉曲線形状を有する流体分離膜として、膜質の厚さが０．１ｍｍ乃至２ｍｍであり、断面を円形に調整したときに外径が６０ｍｍ乃至３６０ｍｍである流体分離膜を含む。
上記の課題を解決するための本発明の他の実施形態に係る流体分離装置は、チャンバーと、前記チャンバーの内部へ、分離対象流体を含む複数種の流体が含まれている混合流体を案内する第１流路と、前記チャンバーの内部に備えられ、前記混合流体から分離対象流体の少なくとも一部を分離する複数の分離ユニットを含む流体分離部と、前記流体分離部によって分離された分離対象流体を前記チャンバーの外部へ案内する第２流路と、前記チャンバー内の残余流体を前記チャンバーの外部へ案内する第３流路とを含み、前記分離ユニットは、少なくとも１回Ｕ字状に曲げられて前記チャンバーの内部に位置し、前記第２流路に連結される複数の流体分離膜を含み、前記流体分離膜は、前記流体分離膜の外部へ流動する前記混合流体から分離対象流体の少なくとも一部を前記流体分離膜の内部へ流動させる。
上記の課題を解決するための本発明の別の実施形態に係る流体分離装置は、流体分離膜を含む流体分離膜モジュールと、前記流体分離膜モジュールの入力側に位置する供給流路管と、流体分離膜モジュールの出力側に位置する排出流路管と、前記供給流路管を介して前記流体分離膜モジュールに連結され、流体を加圧する圧縮機とを含むが、前記供給流路管の少なくとも一部と前記排出流路管の少なくとも一部とは隣接して配置されて熱交換部を構成する。
上記の他の課題を解決するための本発明の一実施形態に係る流体分離膜モジュールは、相互重畳するように積層された複数の分離膜と、前記各分離膜の間に配置され、枠部及び前記枠部に取り囲まれて少なくとも部分的に開放された中央部を含む複数の層間離隔材と、前記複数の分離膜及び前記複数の層間離隔材を貫通する組立パイプとを含むが、前記分離膜は、前記枠部の両面上に配置される。
上記の他の課題を解決するための本発明の他の実施形態に係る流体分離膜モジュールは、相互重畳するように積層された複数の分離膜と、前記各分離膜の間に配置され、枠部、前記枠部に取り囲まれて少なくとも部分的に開放された中央部、及び前記枠部を側面方向に貫通する側面開口を含む複数の層間離隔材とを含む。
上記の他の課題を解決するための本発明の別の実施形態に係る流体分離膜モジュールは、相互重畳するように積層された複数のチューブ状の分離膜と、前記分離膜の両端に設置された終端離隔材と、隣接する前記分離膜の間で前記終端離隔材と重畳するように配置された管間離隔材と、前記終端離隔材及び前記管間離隔材を貫通する組立パイプとを含む。
上記の別の課題を解決するための本発明の一実施形態に係る空気浄化装置は、流体分離膜を含む流体分離装置と、流体分離装置で分離された空気を外部へ排出させる真空ポンプと、前記流体分離装置と前記真空ポンプとを連結する流路管とを含む。
その他の実施形態の具体的な事項は、詳細な説明及び図面に含まれている。
本発明の実施形態に係る流体分離装置及び流体分離膜モジュールによれば、分離効率が改善され、大容量の流体分離が可能であるうえ、大量生産が容易になる。
また、本発明の一実施形態に係る空気浄化装置によれば、密閉された室内で二酸化炭素、二酸化硫黄などの濃度を効果的に低減させることができる。
本発明の実施形態に係る効果は以上で例示された内容によって限定されず、さらに様々な効果が本明細書内に含まれている。
本発明の一実施形態に係る流体分離装置の概略図である。 本発明の他の実施形態に係る流体分離装置の概略図である。 本発明の別の実施形態に係る流体分離装置の概略図である。 本発明の一実施形態に係る流体分離膜の斜視図である。 図４のＶ−Ｖ’線に沿った断面図である。 本発明の他の実施形態に係る流体分離膜の斜視図である。 図６のＶＩＩ−ＶＩＩ’線に沿った断面図である。 円と楕円の相対的な占有空間を説明するための概略図である。 本発明の様々な実施形態に係る流体分離膜の断面図である。 本発明の様々な実施形態に係る流体分離膜の断面図である。 図６の流体分離膜に膜離隔材が挿入された形状を示す斜視図である。 図１１の膜離隔材の平面図である。 図１１のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ’線に沿った断面図である。 流体分離膜に膜離隔材を挿入する過程を示す斜視図である。 本発明の別の実施形態に係る流体分離膜及びそれに挿入された膜離隔材を示す斜視図である。 図１５のＸＶＩ−ＸＶＩ’線に沿った断面図である。 本発明の別の実施形態に係るチューブ型の流体分離膜の斜視図である。 本発明の別の実施形態に係る板状型の流体分離膜の斜視図である。 図１８のＸＩＸ−ＸＩＸ’線に沿った断面図である。 本発明の別の実施形態に係る流体分離膜の断面図である。 図１７の流体分離膜に膜離隔材が挿入された状態を示す断面図である。 本発明の別の実施形態に係るチューブ型の流体分離膜及びその内部に配置された離隔材の斜視図である。 図２２の離隔材の平面図である。 図２３のＡ領域の斜視図である。 本発明の他の実施形態に係る膜離隔材の斜視図である。 本発明の別の実施形態に係る流体分離膜と膜離隔材を一緒に示す分解斜視図である。 図２６の流体分離膜と膜離隔材の断面図である。 本発明の別の実施形態に係る支持膜の斜視図である。 図２８の支持膜の断面図である。 本発明の別の実施形態に係る流体分離膜の斜視図である。 図３０のＸＸＸＩ−ＸＸＸＩ’線に沿った断面図である。 図３０の流体分離膜内に膜離隔材が挿入されたことを示す断面図である。 本発明の別の実施形態に係る流体分離装置の概略図である。 本発明の別の実施形態に係る流体分離装置の概略図である。 本発明の別の実施形態に係る流体分離装置を概略的に示す図である。 図３５の流体分離装置のチャンバーの内部構成を概略的に示す図である。 図３６の流体分離ユニットの斜視図である。 図３７の分離チューブハンガーとハンガーホルダーとの結合関係を示す正面図である。 別の実施形態に係る分離チューブハンガーとハンガーホルダーとの結合関係を示す正面図である。 別の実施形態に係る分離チューブハンガーとハンガーホルダーとの結合関係を示す正面図である。 図３７の流体分離膜の断面図である。 図３７の分離流体集合部を示す平面図である。 本発明の実施形態に係る流体分離装置を直列に連結して使用する例を示す図である。 本発明の別の実施形態に係る流体分離装置の内部構成を概略的に示す図である。 本発明の別の実施形態に係る流体分離装置の内部構成を概略的に示す図である。 第１分離流体集合部と第２分離流体集合部との結合関係を示す平面図である。 本発明の別の実施形態に係る流体分離ユニットを概略的に示す正面図である。 本発明の図４５の混合流体拡散部を概略的に示す平面図である。 図４９の残余流体収集部を概略的に示す平面図である。 第１流路及び第３流路に対するバルブの構成を概略的に示す図である。 本発明の一実施形態に係る流体分離膜モジュールの概略図である。 本発明の一実施形態に係る流体分離膜モジュールの斜視図である。 図５２の流体分離膜モジュールの正面図である。 図５２の流体分離膜モジュールの部分分解斜視図である。 本発明の一実施形態に係る流体分離膜の平面図である。 図５２の第１層間離隔材の平面図である。 図５２の第２層間離隔材の平面図である。 図５２のＡ領域の部分斜視図である。 図５２のＢ領域の部分斜視図である。 図５６のＣ領域の斜視図である。 図５２の枠組立パイプの斜視図である。 図５２のＬＸＩＩ−ＬＸＩＩ’線に沿った断面図である。 本発明の別の実施形態に係る流体分離膜モジュールの分解斜視図である。 図６３の膜離隔材の斜視図である。 図６３の分離膜、第２層間離隔材及び膜離隔材を一緒に示す平面配置図である。 本発明の別の実施形態に係る流体分離膜モジュールの分離膜、第２層間離隔材及び膜離隔材を一緒に示す平面配置図である。 本発明の別の実施形態に係る流体分離膜モジュールの部分断面図である。 図６７の第１層間離隔材、分離膜及び第２層間離隔材の分解斜視図である。 本発明の別の実施形態に係る流体分離膜モジュールの斜視図である。 図６９のＬＸＸ−ＬＸＸ’線に沿った断面図である。 本発明の別の実施形態に係る流体分離膜モジュールの分解斜視図である。 図７１の第１層間離隔材の平面図である。 図７１の第２層間離隔材の平面図である。 図７２のＤ領域の斜視図である。 図７４のＬＸＸＶ−ＬＸＸＶ’線に沿った断面図である。 図７１の流体分離膜モジュールの側面図である。 図７１の集合器と第１層間離隔材との結合部の断面図である。 図７１の分離膜と第２層間離隔材を一緒に示す平面配置図である。 本発明の別の実施形態に係る流体分離膜モジュールの側面図である。 図７９の流体分離膜モジュールの第１層間離隔材、分離膜及び第２層間離隔材の分解斜視図である。 本発明の別の実施形態に係る流体分離膜モジュールの概略図である。 本発明の別の実施形態に係る流体分離膜モジュールの斜視図である。 図８２の流体分離膜モジュールの正面図である。 図８２の流体分離膜モジュールの側面図である。 図８２の流体分離膜モジュールの平面図である。 図８２のＬＸＸＸＶＩ−ＬＸＸＸＶＩ’線に沿った断面図である。 図８２の終端離隔材の斜視図である。 図８７のＬＸＸＸＶＩＩＩ−ＬＸＸＸＶＩＩＩ’線に沿った断面図である。 図８２の管間離隔材の斜視図である。 図８２の組立パイプの斜視図である。 本発明の他の実施形態に係る終端離隔材の部分側面図である。 本発明の他の実施形態に係る終端離隔材の部分側面図である。 本発明の別の実施形態に係る終端離隔材の側面図である。 本発明の別の実施形態に係る管間離隔材の側面図である。 図９４のＸＣＶ−ＸＣＶ’線に沿った断面図である。 本発明の別の実施形態に係る終端離隔材と管間離隔材を一緒に示す平面図である。 本発明の別の実施形態に係る終端離隔材と管間離隔材を一緒に示す平面図である。 図９７の終端離隔材と管間離隔材とを複数個締結した状態を示す概略図である。 本発明の別の実施形態に係る終端離隔材の平面図である。 図９９の側面図である。 本発明の別の実施形態に係る流体分離膜モジュールの部分平面図である。 図１０１の流体分離膜モジュールの正面図である。 図１０１の流体分離膜モジュールの部分側面図である。 図１０１の組立パイプの斜視図である。 本発明の別の実施形態に係る終端離隔材の側面図である。 図２５及び図２６の分離膜と図１０５の終端離隔材との締結関係を示す正面図である。 本発明の一実施形態に係る流体分離装置を含む火力発電システムの概略図である。 本発明の一実施形態に係る流体分離装置の概略図である。
本発明の利点、特徴、及びそれらを達成する方法は、添付図面を共に詳細に後述されている実施形態を参照すると明確になるだろう。しかし、本発明は、以下で開示する実施形態に限定されるものではなく、互いに異なる多様な形態で実現される。但し、本実施形態は、単に本発明の開示を完全たるものにし、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者に発明の範疇を完全に知らせるために提供されるものである。本発明は、請求項の範疇によってのみ定められる。
素子（ｅｌｅｍｅｎｔｓ）または層が他の素子または層の「上（ｏｎ）」にあると記載された場合は、他の素子の真上に存在する場合またはそれらの間に別の層または別の素子が介在する場合を全て含む。明細書全体にわたり、同一の参照符号は同一の構成要素を指し示す。
たとえ「第１」、「第２」などが多様な構成要素を叙述するために使用されるが、これら構成要素はこれらの用語によって限定されるものではない。これらの用語は、単に一つの構成要素を他の構成要素と区別するために使用するものである。よって、以下で言及される第１構成要素は本発明の技術的思想内で第２構成要素であってもよい。
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は本発明の一実施形態に係る流体分離装置の概略図である。図１を参照すると、流体分離装置１は、流体混合物ＭＦから特定の流体を分離することに使用される装置である。
流体は気体または液体である。流体混合物ＭＦは、互いに異なる複数の流体を含む。例えば、流体混合物ＭＦは、火力発電所や工場の排気ガス、自動車の排気ガス、副生ガス、廃棄物の埋立地ガス、廃水などである。
複数の気体は、相互均一に完全に混合されることもあるが、それに限定されない。例えば、第１流体と第２流体を含む流体混合物が配置された空間内における、特定の部位には第１流体のみ存在し、他の特定の部位には第２流体のみ存在することもある。また、特定の部位における第１流体の含有量が他の特定の部位における第１流体の含有量よりも大きいこともある。
特定の流体の分離は、流体混合物ＭＦから特定の流体を完全に分離することだけでなく、入力された（提供された）流体混合物ＭＦから特定の流体の含有量が高くなった流体混合物ＭＦ１、ＭＦ２を出力（生成）することを含む。入力される流体混合物ＭＦが窒素と二酸化炭素を含み、その含有量比が３：１である場合を例にして説明すると、出力される流体または流体混合物ＭＦ１、ＭＦ２のいずれかが１００％二酸化炭素であるか、窒素と二酸化炭素の含有量比が３：１よりも小さい場合には、二酸化炭素の分離がなされたものと解釈される。出力される流体または流体混合物ＭＦ１、ＭＦ２のいずれかが１００％窒素であるか、窒素と二酸化炭素の含有量比が３：１よりも大きい場合には、窒素の分離がなされたものと解釈される。併せて、特定の流体の含有量が高くなった程度が大きいほど、特定の流体の分離効率が高いものと解釈される。
分離される流体の例は、上述した二酸化炭素や窒素以外にも多様である。例えば、アセトン、アンモニア、アルゴン、ベンゼン、ブタン（ｎ−Ｃ４Ｈ１０）、二硫化炭素（ＣＳ２）、一酸化炭素、エタン、エチレン、ヘリウム、ヘキサン（ｎ−Ｃ６Ｈ１４）、水素、硫化水素、メタン、メタノール、一酸化窒素、二酸化窒素、亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）、オクタン、酸素、ペンタン、プロパン、二酸化硫黄、トルエン、水蒸気などが分離される対象流体が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
流体分離装置１は、チャンバー２０、及びチャンバー２０の内部に配置された流体分離膜１０を含む。流体分離膜はチューブ型または板状型からなる。本実施形態では、チューブ型の流体分離膜１０が適用された場合を例にして説明する。図示してはいないが、チューブ型の流体分離膜１０の内部には、流体分離膜１０の内壁の密着を防ぐ膜離隔材が配置できる。
流体分離膜１０の内部１０ｓ１と流体分離膜１０の外部１０ｓ２は、流体分離膜１０自体からなる流体分離膜壁を基準として物理的に分離されている。すなわち、流体分離膜１０を基準に空間が分割される。少なくとも一部の流体は、流体分離膜１０を通過して流体分離膜１０の内外部１０ｓ１、１０ｓ２を疎通することができ、これが特定の流体分離に用いられる。
チャンバー２０は、限られた空間を提供する。チャンバー２０の内部空間は、チャンバー２０の外部空間と物理的に区分される。チャンバー２０は、内部に供給される流体の移動を空間的に制限する。また、チャンバー２０は、その内部の温度、圧力、湿度などの様々な工程変数を、チャンバー２０の外部とは異なるように独立的に制御することができる。チャンバー２０の限られた空間は、必ず密閉された空間のみを意味するのではなく、外部と疎通する開放空間を含むことができる。
例えば、チャンバー２０は、少なくとも３つの流体出入口２１、２２、２５を含むことができる。例示的な実施形態において、チャンバー２０は、流体投入口２５、第１流体排出口２１、及び第２流体排出口２２を含む。
第１流体排出口２１と第２流体排出口２２は、流体混合物または流体がチャンバーの外部へ排出（出力）される通路となる。流体分離膜１０の内部空間は第１流体排出口２１と空間的に連結される。第２流体排出口２２は流体分離膜１０の内部空間と連結されない。
流体投入口２５は、流体混合物ＭＦがチャンバー２０の内部へ投入（入力）される通路となる。一実施形態において、流体投入口２５は、図１に示すように、流体分離膜１０の内部空間と連結されない。この場合、流体混合物ＭＦは、流体投入口２５を介して、チャンバー２０の内部でもある流体分離膜１０の外部１０ｓ２へ投入される。チャンバー２０の内部に投入された流体混合物のうち、流体分離膜１０の壁を介して流体分離膜１０の内部１０ｓ１に移動した流体成分は、第１流体排出口２１側へ排出（「ＭＦ１」参照）され、流体分離膜１０の外部１０ｓ２に残留した流体成分は、第２流体排出口２２側へ排出（「ＭＦ２」参照）され得る。流体投入口２５を介して提供される流体混合物ＭＦが窒素と二酸化炭素を含み、流体分離膜１０を通じた二酸化炭素の移動度が窒素よりも高い場合には、流体分離膜１０の外部１０ｓ２は、二酸化炭素の濃度が相対的に低くなりながら窒素の濃度は相対的に高くなり、流体分離膜１０の内部１０ｓ１は、二酸化炭素の濃度が高くなりながら窒素の濃度は相対的に低くなる。よって、第２流体排出口２２からは、相対的に窒素の含有量が高い流体混合物ＭＦ２が排出され、第１流体排出口２１からは、相対的に二酸化炭素の含有量が高い流体混合物ＭＦ１が排出され得る。
第１流体排出口２１と第２流体排出口２２を介して排出された流体混合物ＭＦ１、ＭＦ２は、投入された流体混合物ＭＦに比べて、それぞれ特定の成分の濃度が相対的に高くなった状態にある。第１流体排出口２１または第２流体排出口２２から排出された流体混合物ＭＦ１、ＭＦ２を、前記流体分離装置１に再び投入するか、或いは他の流体分離装置に投入することを１回以上繰り返し行うと、特定の成分の濃度をより一層高めることができる。第１流体排出口２１と第２流体排出口２２から排出された流体混合物ＭＦ１、ＭＦ２は、選択的に廃棄されるか或いはタンクなどに貯留でき、必要に応じて他の様々な分野に使用できる。
図２は本発明の他の実施形態に係る流体分離装置の概略図である。
図２を参照すると、本実施形態に係る流体分離装置２は、流体混合物ＭＦが流体分離膜１１の内部１１ｓ１に投入されることが図１の実施形態とは異なる。
流体分離膜１１の一端１１Ｅ１は、第１流体排出口２１と空間的に連結されるか、或いは第１流体排出口２１を通過して一端１１Ｅ１がチャンバー２０の外部に露出し、第２流体排出口２２は流体分離膜１１と空間的に連結されないという点において、図１の実施形態と同様である。ただし、本実施形態の場合は、流体分離膜１１の内部空間が流体投入口２５と連結されるという点において、図１の実施形態とは異なる。
流体混合物ＭＦは、流体投入口２５を介して流体分離膜１１の内部１１ｓ１に投入される。流体分離膜１１の内部１１ｓ１に投入された流体混合物のうち、流体分離膜１１を介して流体分離膜１１の外部１１ｓ２に移動した流体成分は、第２流体排出口２２側へ排出（「ＭＦ２」参照）され、流体分離膜１１の内部１１ｓ１に残留した流体成分は、第１流体排出口２１側へ排出（「ＭＦ１」参照）され得る。流体投入口２５を介して提供される流体混合物ＭＦが窒素と二酸化炭素を含み、流体分離膜１１を通じた二酸化炭素の移動度が窒素よりも高い場合、流体分離膜１１の内部１１ｓ１は、二酸化炭素の濃度が相対的に低くなりながら窒素の濃度は相対的に高くなり、流体分離膜１１の外部１１ｓ２は、二酸化炭素の濃度が高くなりながら窒素の濃度は相対的に低くなる。よって、第１流体排出口２１からは相対的に窒素の含有量が高い流体混合物ＭＦ１が排出され、第２流体排出口２２からは相対的に二酸化炭素の含有量が高い流体混合物ＭＦ２が排出され得る。
図３は本発明の別の実施形態に係る流体分離装置の概略図である。
図３を参照すると、本実施形態に係る流体分離装置３は、板状型の流体分離膜１２を適用したことが図１の実施形態とは異なる。
板状型の流体分離膜１２は、チャンバー２０の内部を仕切って空間を分離する。本実施形態の場合、流体分離膜１２の一側が図１の流体分離膜１０の外部空間に対応し、流体分離膜１２の他側が図１の流体分離膜１０の内部空間に対応する。流体投入口２５と第１流体排出口２１は流体分離膜１２の一側に配置され、第２流体排出口２２は流体分離膜１２の他側に配置される。図示してはいないが、流体分離膜１２がチャンバー２０の内部空間を完全に分割せず、その代わりにモジュール化されて提供されてもよい。前記モジュールは、チャンバー２０の内部に配置され、該当モジュール内で流体分離膜１２が空間を分割する構造を持つことができる。前記モジュールは、外郭空間を限定し密閉する最外郭カバーを含むことができ、この場合、チャンバー２０は省略されてもよい。
上述した図１〜図３の実施形態において、流体分離膜１０、１１、１２は、チャンバー２０内に複数個が配置できる。チューブ型の流体分離膜１０、１１の場合、複数の流体分離膜１０、１１が隣接して配置できる。板状型の流体分離膜１２の場合、複数の流体分離膜１２が所定の間隔で並んで配置されてチャンバー２０の内部空間を複数に区分してもよく、或いは複数の流体分離膜１２が積層された形態でモジュール化されて提供されてもよい。この場合、流体分離膜１２同士の間には、流体分離膜１２の密着を防止する膜離隔材（図示せず）が配置できる。
以下、流体分離膜についてさらに詳細に説明する。
図４は本発明の一実施形態に係る流体分離膜の斜視図である。図５は図４のＶ−Ｖ’線に沿った断面図である。図４及び図５はチューブ型の流体分離膜を例示する。
図４及び図５を参照すると、流体分離膜１００は、一方向Ｚに延長された形状を有することができる。流体分離膜１００は、チャンバーの内部で長さ方向に延長された状態で配置されることも可能であるが、１回以上折り曲げられて配置されることも可能である。
流体分離膜１００の一端１００Ｅ１は開放されている。開放された流体分離膜１００の一端１００Ｅ１は、流体分離装置の第１流体排出口と空間的に連結されるか、或いは第１流体排出口を介してチャンバーの外部に露出する。流体分離膜１００の他端１００Ｅ２は閉鎖されることも開放されることも可能である。
流体分離膜１００の延長方向Ｚに対して垂直に切った断面は閉曲線をなす。流体分離膜１００の断面形状は円形であり得る。しかし、これに限定されず、楕円形などの他の様々な閉曲線形状であってもよい。図４及び図５では円形である場合を例にして説明する。
チューブ型の流体分離膜１００の管壁１００ｗは、外周に沿って一体型に設けられてもよい。ここで、一体型とは、複数の分離膜を接合してチューブ状からなるか、或いは一つの分離膜を巻いて両端を接合してチューブ状からなるのではなく、外周に沿って接合された部分なしに全体が一つになる場合を意味する。押出などの方法で最初からチューブ状に作られた場合が一体型に形成された例である。
流体分離膜１００の厚さｄ、すなわち管壁１００ｗの厚さは、流体分離膜１００の製造方式と関連がある。上述したように、流体分離膜１００は、大量生産が容易な押出方式で製造できる。例えば、シリコーンゴムなどの高分子物質は、押出方式によってチューブ状に製造されるとき、０．１ｍｍ以上の厚さｄを持ってこそ容易な製造が可能である。０．４ｍｍ以上の厚さｄを持つ場合、商業的な大量生産も可能である。一方、流体分離膜１００の厚さｄが厚いほど、流体の移動距離が長くなって分離効率が低下する。流体分離膜１００の厚さが２ｍｍを超えると、低エネルギーを使用する流体分離装置での流体移動度が急激に低下するだけでなく、空間に比べて流体分離膜１００の表面に流体を接触させる面積も減少して流体分離効率が低下することが確認された。よって、流体分離膜１００の厚さｄは０．１ｍｍ乃至２ｍｍ、または０．４ｍｍ乃至２ｍｍの範囲内で選択されることが好ましい。
流体分離膜１００の大きさ（幅）は、流体分離膜１００の断面外周の長さに応じて変わる。断面が円形である流体分離膜１００の断面外周の長さは、流体分離膜１００の外径Ｒ１のπ倍である。一方、流体分離膜の断面が円形以外の閉曲線である実施形態の場合、断面外周の長さは流体分離膜の断面を円形に調整したときの外径のπ倍になるだろう。
流体分離膜１００の外径Ｒ１が小さすぎる場合、流体分離膜１００の厚さｄに比べて流体分離膜１００の内径Ｒ２があまり小さくなって流体移動効率が小さくなる。一方、流体分離膜１００の外径Ｒ１が大きすぎる場合、空間に比べて流体に露出する流体分離膜１００の表面積が減少して流体移動効率が小さくなる。前述したような観点から、流体分離膜１００の外径Ｒ１は６０ｍｍ乃至３６０ｍｍであることが好ましい。
延長方向Ｚへの流体分離膜１００の長さＬは短すぎると、設置回数が増加しなければならないので取り扱い性に不利である。よって、流体分離膜１００の長さＬは５００ｍｍ以上であることが好ましい。一方、流体分離膜１００の長さが長すぎると、低エネルギーの使用のみでは流体分離膜１００に進入した流体を排出することが難しく、流体分離膜１００内の特定の流体の濃度を均一に制御することが難しい。よって、流体分離膜１０００の長さは５０００ｍｍ以下であることが好ましい。
一方、流体分離膜１００の機構的強度は製造時と完成後とが互いに異なり得る。例えば、チューブ型の流体分離膜１００を押出方式で製造する場合、製造時にはチューブ材料が溶融または半溶融状態であり得る。この場合、完全に凝固した後よりも機構的強度が弱い。絶対的な機構的強度が弱ければ、自重、押出圧力、その他の外力やローカルストレスなどにより流体分離膜１００が破壊されるおそれがある。よって、製造時のチューブの破壊を防止するためには、十分な機構的強度を確保する必要がある。
製造時の流体分離膜１００の機構的強度Ｓは、流体分離膜の厚さｄが大きいほど大きくなり、流体分離膜１００の直径Ｒ１と長さＬが大きくなるほど小さくなる。チューブの破壊を防止することができる十分な製造時の流体分離膜１００の機構的強度Ｓを確保するために、流体分離膜の厚さ、直径、長さは次の関係式を満たすことができる。
［式１］
Ｓ∝ｄ／（Ｌ×Ｒ１）≧１／３００００００
チャンバーの内部には、複数の流体分離膜１００が配置できる。各流体分離膜１００は相互近接して配置できる。例示的な実施形態において、隣接する流体分離膜１００の間隔は、流体分離膜１００の管壁１００ｗの厚さｄ以上であり、流体分離膜１００の外径Ｒ１のπ／２倍以下であり得る。例えば、隣接する流体分離膜１００の間隔は概ね０．１ｍｍ乃至５００ｍｍの範囲を持つことができる。隣接する流体分離膜１００の間隔が０．１ｍｍ以上確保されると、隣接する流体分離膜１００同士の間に相互密着することにより、流体が疎通する流体分離膜１００の実効的な表面積が減少することが防止できる。隣接する流体分離膜１００の間隔を５００ｍｍ以下にすることにより、チャンバーの限られた空間内で流体が流体分離膜１００の表面に接する面積を十分に増やすことができる。
複数の流体分離膜１００は１つの列を成すことができる。また、チャンバーの内部には、流体分離膜１００の列が行方向に複数個配置されることも可能である。
流体分離膜１００は特定の流体の疎通を許容する。流体分離膜１００は、特定の流体が流体分離膜１００の内部１００ｓ１と外部１００ｓ２を両方向に疎通するようにすることができる。流体分離膜１００は、微細気孔を含むことにより、その微細気孔を介して特定の流体を通過させることができる。しかし、これに限定されるものではなく、他の様々な管壁通過メカニズムが作用できる。例えば、特定の流体が流体分離膜１００の管壁１００ｗに溶解、吸収または吸着されて管壁１００ｗの内部を移動することにより疎通することもでき、化学的な結合と分解を介して流体分離膜１００を通過することもできるだろう。流体は、クヌーセン拡散（Ｋｎｕｄｓｅｎ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ）、分子拡散（ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ）、表面拡散（ｓｕｒｆａｃｅ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ）、超微細気孔拡散（ｓｕｐｅｒ ｍｉｃｒｏｐｏｒｅ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ）などの拡散方式や濾過、浸透圧などの方式で移動できる。
特定の流体が流体分離膜１００を通過するためのエネルギーは、これに限定されるものではないが、流体分離膜１００の内外部１００ｓ１、１００ｓ２の圧力や流体の濃度の差、流体が持つ運動エネルギー、流体と流体分離膜１００との間で相互作用する物理的・化学的エネルギーなどにより提供できる。
流体分離膜１００は、酢酸セルロース、ポリスルホン、シリコーンゴムなどの高分子物質やシリカ系セラミックス、シリカ系ガラス、アルミナ系セラミックス、ステンレス多孔体、チタン多孔体、銀多孔体などの無機物質を含んで構成できる。流体分離膜１００を構成する物質の選択には、混合流体の種類、分離しようとする対象及び流体の選択度だけでなく、製造方法の容易性、大量生産可能性、耐久性などが一緒に考慮できる。一般に、高分子物質は、無機物質より相対的に製造が簡便である。例えば、シリコーンゴムの場合、押出方式で所望の形状を作り易く、大量生産も容易である。シリコーンゴムは、その種類や製造方法によって異なるが、二酸化炭素と窒素の選択比が約３：１以上であり、５：１以上のものも製造することは難しくないため、二酸化炭素と窒素との混合気体から二酸化炭素を選択的に分離することに容易に使用できる。
流体分離膜１００はフレキシブルな物質からなってもよい。流体分離膜１００の構成物質がフレキシブルであれば、曲げやすいため、様々な形状に設置することが容易である。また、流体分離膜１００は、伸縮性及び弾性を有する物質からなってもよい。流体分離膜１００が伸縮性と弾性を有する場合には、流体分離膜１００の内部１００ｓ１に膜離隔材を挿入したとき、膜離隔材の幅方向によく伸び、復元力によって膜離隔材の遊動を抑制することができる。シリコーンゴムは前述したような特性をすべて備えており、優れた流体分離膜１００の材料になれる。
流体分離膜１００は、前述したような構成物質に加えて、ナノセラミック物質をさらに含むことができる。ナノセラミック物質は、流体分離膜１００の強度を高め、特定の流体の親和度を改善する役目をすることができる。
ナノセラミック物質としてのＦｅ系、Ｐｄ系、Ｔｉ系、Ａｌ系酸化物は、二酸化炭素親和物質であって、二酸化炭素を分離する流体分離膜に適用できる。例えば、ナノセラミック物質としては、Ｆｅ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＰｄＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＮｉＯ、Ｙ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＺｒＯ２、及びゼオライト（Ｚｅｏｌｉｔｅ）の中から選択されたいずれか一つまたは混合物が適用できる。
ナノセラミック物質は、シリコーンゴムなどの高分子物質の総重量に対して０．００１乃至１０重量％の量が使用できる。
ナノセラミック物質は、シリコーンゴムなどの高分子物質との混合物の形で提供できる。例えば、シリコーンゴムとナノセラミック物質とを混合した混合物を押し出して流体分離膜１００を製造することができる。この場合、ナノセラミック物質は高分子物質の内部に広がって配置されるだろう。
ナノセラミック物質は、コーティング層の形で提供されてもよい。例えば、高分子物質を押出してチューブ状を製造した後、ナノセラミック粉末を希釈した懸濁液にチューブを浸漬（ｄｉｐｐｉｎｇ）してコーティングすることができる。他の方法として、チューブに前記懸濁液をスプレーコーティング、フローコーティング、ロールコーティングなどの方式でコーティングし、或いはナノセラミック物質をチューブに直接蒸着してコーティングすることができる。
ナノセラミックコーティング層は、チューブの内壁にのみ形成されるか、或いは外壁にのみ形成されるか、或いは内外壁の両方ともに形成され得る。このようなナノセラミックコーティング層の形成位置は、流体混合物の投入空間と製造容易性などに応じて適宜選択できる。例えば、二酸化炭素と窒素との混合物を流体分離膜１００の外部１００ｓ２に提供する場合には、チューブの外壁に二酸化炭素親和性の高いナノセラミックコーティング層を形成することが二酸化炭素の選択的分離に有利である。しかし、これに限定されるものではなく、分離効率と製造容易性を総合的に考慮して、チューブの内外壁にナノセラミック物質をコーティングすることも可能である。
図６は本発明の他の実施形態に係る流体分離膜の斜視図である。図７は図６のＶＩＩ−ＶＩＩ’線に沿った断面図である。
図６及び図７を参照すると、本実施形態に係る流体分離膜１０１の延長方向Ｚに対して垂直に切った断面が円形ではなく閉曲線をなすことが、図５の実施形態とは異なる。すなわち、流体分離膜１０１の断面は、円形に比べて歪んだ形状を有する。流体分離膜１０１の例示的な断面形状は楕円形である。
図８は円と楕円の相対的な占有空間を説明するための概略図である。図８に示すように、楕円ＥＬの外周と円ＣＩの外周が同じであると仮定するとき、楕円ＥＬは、円ＣＩに比べて占める空間が小さい。よって、同じ空間内に円ＣＩよりも楕円ＥＬがさらに多く配置できる。
再び図６及び図７を参照すると、流体の移動は、流体分離膜１０１の管壁１０１ｗを介して行われるので、流体が流体分離膜１０１の管壁１０１ｗに露出する面積が広いほど流体の移動量は増加する。流体分離膜１０１の外周が同じであれば、断面形状が円形であれ楕円形であれ、同じ表面積を有するので、流体の移動量は理論的には同じである。ただし、流体分離膜１０１の断面形状が楕円形であれば、同じ空間内にさらに多くの数が配置できるので、全体表面積は増加することができる。また、同数の流体分離膜１０１を適用しても、同じ空間内で楕円形の場合が円形の場合に比べてさらに大きい外周、すなわちさらに広い表面積を持つことができる。よって、楕円が円形に比べて空間対比の流体移動効率はさらに大きいものと理解することができる。
図９及び図１０は本発明の様々な実施形態に係る流体分離膜の断面図である。
流体分離膜１０２の断面形状は、楕円以外にも、図９に示すように、長方形または角丸長方形の形状や、一方向の長さが相対的長い閉曲線の形状であり得る。この場合にも、円形に比べて空間対比の流体移動効率が改善できる。さらに、流体分離膜１０３は、図１０に示すように、管壁１０３ｗが皺寄った形状を持つこともある。管壁１０３ｗが皺寄った形状を持てば、流体分離膜１０２は、指定された空間に比べてさらに広い表面積を持つことができる。
以下の実施形態において、流体分離膜の断面形状は楕円形であることを例にして説明する。また、断面形状の幅が最も大きい方向を第１方向（長径方向、Ｘ）と定義し、それに対して垂直な方向を第２方向Ｙと定義する。図７を参照すると、流体分離膜１０１の第１方向Ｘの幅Ｗ１は、第２方向Ｙの幅Ｗ２よりも大きい。流体分離膜１０１の第１方向Ｘの幅Ｗ１は、理論的に流体分離膜１０１の断面外周長の１／２πよりも大きく、断面外周長の１／２以下である。流体分離膜１０１の第１方向Ｘの幅Ｗ１が流体分離膜１０１の断面外周長の１／２πである場合は、流体分離膜１０１の断面が円形である場合であり、流体分離膜１０１の第１方向Ｘの幅Ｗ１が流体分離膜１０１の断面外周長の１／２である場合は、流体分離膜１０１の管壁１００ｗが実質的に密着した場合に該当する。一実施形態において、流体分離膜１０１の第１方向Ｘの幅Ｗ１と流体分離膜１０１の断面外周長との比は１／４乃至４９／１００の範囲内で設定できる。前記比率が１／４以上であれば、空間対比の実効的な流体移動効率が改善できる。前記比率が４９／１００以下に維持されることが、流体分離膜１０１の管壁１０１ｗが完全に密着して流体分離膜１０１の内部が閉鎖されることを防止するのに役立つ。
流体分離膜１０１の断面を円形に調整したときの流体分離膜１０１の外径は、６０ｍｍ乃至３００ｍｍであることが好ましい。前記外径が６０ｍｍよりも小さい場合、管壁１０１ｗの厚さに比べて内径があまり小さくなって流体移動効率が小さくなるおそれがある。一方、流体分離膜１０１の外径が大きすぎる場合、空間対比の、流体に露出する流体分離膜１０１の表面積が減少して流体の移動効率が小さくなる。
流体分離膜１０１の管壁１０１ｗの厚さｄ１、ｄ２は外周に沿って均一であり得るが、これに限定されない。例えば、流体分離膜１０１の厚さｄ１、ｄ２は、概ね第１方向Ｘに沿って全般的に均一（「ｄ１」参照）であるが、第１方向Ｘの両端から相対的に小さな角度に折れる部分１０１Ｆでその厚さｄ２が相対的に大きい或いは小さいことがある。
図１１は図６の流体分離膜に膜離隔材が挿入された形状を示す斜視図である。図１２は図１１の膜離隔材の平面図である。図１３は図１１のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ’線に沿った断面図である。
図１１乃至図１３を参照すると、流体分離膜１０１の内部に膜離隔材１５０が配置される。膜離隔材１５０は、流体分離膜１０１の内部に配置され、流体分離膜１０１の管壁１０１ｗが密着して閉鎖されることを防止する。
膜離隔材１５０は、流体分離膜１０１と同じ長さを持つため、流体分離膜１０１の延長方向Ｚ全体にわたって配置できる。しかし、これに限定されるものではなく、膜離隔材１５０が流体分離膜１０１の一部分、例えば中央部に配置され、流体分離膜１０１の一端部または両端部付近には配置されなくてもよい。また、長さ方向Ｚに複数の膜離隔材１５０が配置されてもよい。複数の膜離隔材１５０は相互離隔して配置されてもよい。
膜離隔材１５０の幅Ｗ３方向は流体分離膜１０１の第１方向Ｘに対応し、膜離隔材１５０の厚さ方向は流体分離膜１０１の第２方向Ｙに対応できる。膜離隔材１５０の幅Ｗ３は、流体分離膜１０１の第１方向Ｘの内径（＝Ｗ１−２＊ｄ２）と同じかそれよりも小さい。膜離隔材１５０の幅Ｗ３が流体分離膜１０１の第１方向Ｘの内径と同じかそれに近接するほど、流体分離膜１０１の内部１０１ｓ１における膜離隔材１５０の遊動が抑制され、幅Ｗ３方向に膜離隔材１５０が配置されていない空間で流体分離膜１０１の管壁１０１ｗが密着する程度を減らすことができる。流体分離膜１０１の第１方向Ｘの内径の０．５倍以上であれば、膜離隔材１５０の遊動と流体分離膜１０１の管壁１０１ｗの密着防止に関する有意な効果があることが確認される。このような観点から、膜離隔材１５０の幅Ｗ３は流体分離膜１０１の第１方向Ｘの内径の０．５〜１倍の範囲を持つことができる。
幾つかの実施形態において、膜離隔材１５０は、流体分離膜１０１の内部で１回以上曲がったり折れたりした構造で配置できる。例えば、膜離隔材１５０を広げたときの最大幅が流体分離膜１０１の最大幅Ｗ１よりも大きい場合、膜離隔材１５０は、１回以上曲がったり折れたりしてこそ、流体分離膜１０１の内部に挿入できる。ただし、この場合にも、本明細書では、膜離隔材１５０の幅Ｗ３は流体分離膜１０１の内部で曲がったり折れたりした状態の第１方向Ｘの幅と定義する。
膜離隔材１５０は、厚さ方向（第２方向、Ｙ）に流体が疎通できる複数の開口１５３ｃｂを有する。例示的な実施形態において、膜離隔材１５０は網目形状を有することができる。複数の開口１５３ｃｂは、流体分離膜１０１の内部で流体が滞留したり移動したりすることができる空間を提供する。
膜離隔材１５０は、長さ方向Ｚに流体移動通路１５４を提供することができる。流体分離膜１０１の内部における長さ方向Ｚへの流体移動通路１５４は、分離された流体を流体分離膜１０１の一端へ伝達するために必要である。もし、流体分離膜１０１の内外部間の圧力差などにより流体分離膜１０１の管壁１０１ｗが膜離隔材１５０に完全に密着する場合、膜離隔材１５０に厚さ方向への開口１５３ｃｂのみ存在すれば、流体は、膜離隔材１５０の開口１５３ｃｂの内部に閉じ込められて流体分離膜１０１の一端へ伝達されることが難しい。これを防止するために、膜離隔材１５０は、長さ方向Ｚへの流体移動通路１５４を提供する構成を含むことができる。前記構成の例として、ねじれた網目構造の膜離隔材１５０が適用できる。
ねじれた網目構造は、図１２の拡大図に例示されているように、網目を構成する一方向の糸１５０ａと他方向の糸１５０ｂとが互いに交差するとき、下方交差と上方交差を繰り返してなされた構成である。したがって、流体分離膜１０１の管壁１０１ｗが膜離隔材１５０に密着しても、糸１５０ａ、１５０ｂの交差領域に隙間が維持できる。このような隙間が長さ方向Ｚの流体移動通路１５４を提供することができる。
幾つかの実施形態において、膜離隔材１５０は、幅Ｗ３方向（第１方向、Ｘ）にも流体移動通路を提供することができる。図１２に例示されている、ねじれた網目構造は、糸１５０ａ、１５０ｂの交差領域に隙間が維持されるので、長さ方向Ｚの流体移動通路１５４だけでなく、幅Ｗ３方向の流体移動通路も提供することができる。
膜離隔材１５０は、合成樹脂、ナイロン、ポリエステルなどの高分子物質、または金属材質からなってもよい。
図１４は流体分離膜に膜離隔材を挿入する過程を示す斜視図である。流体分離膜が最初から楕円形の断面を有する場合、膜離隔材１５０の幅Ｗ３方向を流体分離膜１０１の内径の長径方向に合わせた後、膜離隔材１５０を挿入することができる。
しかし、図１４に示すように、円形の断面を有する流体分離膜１００ｐが提供されることもある。フレキシブルな材質で押出工程を介して提供されたチューブは、他の外力が作用しない限り、円形の断面を維持する。このような場合には、流体分離膜１００ｐの内径よりも大きな幅を有する膜離隔材１５０を用意し、膜離隔材１５０を流体分離膜１００ｐの内部に挿入することにより、流体分離膜１０１に歪んだ断面形状を与えることができる。膜離隔材１５０が流体分離膜１００ｐよりも高い強度の物質からなり、膜離隔材１５０の幅方向の曲げ強度が、歪んだ流体分離膜１００ｐの復元力よりも大きい場合、挿入された膜離隔材１５０は、幅Ｗ３方向の変形なしに形状が維持され、流体分離膜１０１は、それに相応するように伸びながら、歪んだ断面形状を有する。
流体分離膜１０１において膜離隔材１５０の幅Ｗ３方向の端部に位置する部分は、他の部位よりも相対的にさらに多くの圧力を受け、さらに多く伸びることができる。したがって、円形断面の流体分離膜１００ｐの厚さが均一であっても、膜離隔材１５０挿入後の流体分離膜１０１の該当部位の厚さは相対的に小さいことがある。すなわち、流体分離膜１０１の厚さは、第１方向に沿って全般的に均一であるが、第１方向の両端から相対的に小さな角度で折れる部分でその厚さが相対的に小さくなることがある。
膜離隔材１５０の幅Ｗ３は、円形の流体分離膜１００ｐの内径よりも大きい。膜離隔材１５０の幅Ｗ３が円形の流体分離膜１００ｐの内径のπ／２倍以下であることが、流体分離膜１０１の過度なストレスによる損傷を防止するのに有利である。しかし、流体分離膜１０１の伸縮性と強度が十分であれば、膜離隔材１５０の幅Ｗ３が円形の流体分離膜１００ｐの内径のπ／２倍を超えることも可能である。例えば、流体分離膜１０１の管壁１０１ｗの厚さが２５ｍｍ乃至１００ｍｍであるシリコーンゴムの場合、伸縮性と強度に十分優れてより多様な幅の膜離隔材１５０に適用することができる。また、前記範囲内の流体分離膜１０１は、窒素対比の二酸化炭素の選択比に優れるため、窒素と二酸化炭素との混合物から二酸化炭素を分離する装置に好適に適用できる。
図１５は本発明の別の実施形態に係る流体分離膜及びそれに挿入された膜離隔材を示す斜視図である。図１６は図１５のＸＶＩ−ＸＶＩ’線に沿った断面図である。
図１５及び図１６を参照すると、本実施形態に係る流体分離膜１０４は、膜の表面に複数の表面凹凸１０４ａ、１０４ｂを含み、膜質（管壁）１０４ｗの内部に複数の内部気孔１０４ｃを含むという点において、図１１の実施形態とは異なる。
内部気孔１０４ｃは、流体分離膜１０４の膜質１０４ｗの内部全体にわたって分布することができる。内部気孔１０４ｃは、閉鎖された孔であり得る。内部気孔１０４ｃは、球状または球状の一部、楕円形または楕円形の一部の形状、無定形のランダムな形状などを有することができる。
内部気孔１０４ｃが流体分離膜１０４の表面に近接して配置されると、それにより流体分離膜１０４の表面が突出する。このように、流体分離膜１０４の表面から突出した部分は、表面凸部１０４ｂと呼ばれる。一方、内部気孔１０４ｃが流体分離膜１０４の表面に接し或いはそれに隣接して形成される場合、閉鎖気孔を形成せずに開放気孔を形成し、それにより流体分離膜１０４の表面が陥没する。このように、流体分離膜１０４の表面から突出した部分は表面凹部１０４ａと呼ばれる。表面凹凸１０４ａ、１０４ｂは、流体分離膜１０４の一面と他面の両方ともに形成できる。
流体分離膜１０４の表面における表面凸部１０４ｂの配置密度は、表面凹部１０４ａの配置密度よりも大きいことがあるが、本発明はこれに限定されるものではない。
内部気孔１０４ｃのサイズ（最大幅）は、流体分離膜１０４の膜質１０４ｗの厚さよりも小さいことがある。内部気孔１０４ｃは発泡剤によって形成できる。発泡剤によって形成される内部気孔１０４ｃのサイズは０．１μｍ乃至１ｍｍであり得る。内部気孔１０４ｃのサイズが０．１μｍ以上であれば、実効的な表面積増加及び厚さ減少効果を得ることができる。内部気孔１０４ｃのサイズが１ｍｍ以下であることが、厚さ方向の通路形成を防止するのに有利である。表面凹部１０４ａの幅と深さは内部気孔１０４ｃの大きさと同じかそれよりも小さい。
表面凹凸１０４ａ、１０４ｂと内部気孔１０４ｃの存在にも拘わらず、流体分離膜１０４は、厚さ方向に一側表面と他側表面を貫通する完全な開放路を備えなくてもよい。すなわち、表面凹部１０４ａと内部気孔１０４ｃが厚さ方向に重畳して配置できるが、表面凹部１０４ａの空間と内部気孔１０４ｃは、流体分離膜１０４を構成する膜質１０４ｗに取り囲まれており、異なる空間同士が連結されない。この場合、流体分離膜１０４の表面全体における流体移動のための実効的な領域は、厚さ方向に直接的な通路を含まないので、流体分離膜１０４の膜質１０４ｗを介してのみ流体の移動が行われる。
流体分離膜１０４を通じた流体の分離効率または移動度は、概ね流体分離膜１０４の接触面積に比例し、流体分離膜１０４の厚さに反比例する。流体分離膜１０４が表面凹凸１０４ａ、１０４ｂを含めると、流体と流体分離膜１０４との接触面積が増加するので、流体の分離効率を向上させることができる。また、表面凹凸１０４ａ、１０４ｂ及び／または内部気孔１０４ｃを通過する経路は、実質的にさらに薄い厚さの流体分離膜１０４の膜質１０４ｗを通過する経路である。したがって、流体が流体分離膜１０４の膜質１０４ｗを通過する実際厚さが減少するので、流体分離効率が増加しうる。
一方、表面凹凸１０４ａ、１０４ｂと内部気孔１０４ｃによって全般的な流体の膜質１０４ｗ通過厚さが減少するにも拘わらず、全体流体分離膜１０４の平均厚さはそれよりも大きなレベルに維持することができる。これは流体分離膜１０４の強度に肯定的な影響を及ぼす。すなわち、機械的に厚くて丈夫でありながらも薄い膜の効果を出すことができる。よって、製造及び取り扱いが容易で、大型化が可能であるため、商業的な規模で適用することができる。
内部気孔１０４ｃが占める体積は、流体分離膜１０４の全体体積の０．１〜２０％であり、好ましくは１〜１０％である。内部気孔１０４ｃの占有体積が０．１％以上、好ましくは１％以上であることが、実効的な表面積の向上及び薄い膜の効果を示すのに有利である。内部気孔１０４ｃが大きすぎたり固まったりして厚さ方向への無駄な直接通路が形成されることを防止するためには、内部気孔１０４ｃの占有体積は２０％以下、好ましくは１０％以下に設定することが好ましい。
以下、前述したような流体分離膜１０４の製造方法について説明する。まず、液状の流体分離膜の物質、例えば液状のシリコーンゴムと発泡剤との混合物を準備する。発泡剤は、例えば、４，４’−オキシビス（ベンゼンスルホニルヒドラジド）［４，４’−Ｏｘｙｂｉｓ（ｂｅｎｚｅｎｅｓｕｌｆｏｎｙｌ ｈｙｄｒａｚｉｄｅ）］（ＯＢＳＨ）、４−メチルベンゼンスルホンヒドラジド［４−Ｍｅｔｈｙｌｂｅｎｚｅｎｅ ｓｕｌｆｏｎｈｙｄｒａｚｉｄｅ］（ＴＳＨ）、アゾジカルボンアミド［Ａｚｏｄｉｃａｒｂｏｎａｍｉｄｅ］またはｐ−トルエンスルホニルセミカルバジド［Ｐ−ｔｏｌｕｅｎｅｓｕｌｆｏｎｙｌ Ｓｅｍｉｃａｒｂａｚｉｄｅ］（ＰＴＳＳ）などが適用できる。流体分離膜１０４物質と発泡剤との含有量比は０．１％〜２０％であり得る。
続いて、押出などの方法で分離膜を１次成形した後、発泡工程を行うことにより、表面凹凸１０４ａ、１０４ｂと内部気孔１０４ｃを形成する。
前述したような工程を経るので、流体分離膜１０４は、膜質１０４ｗの基本物質に加えて、残留発泡剤成分をさらに含むことができる。残留発泡剤成分は、最初の流体分離膜材料に混合されており、発泡工程を経て発泡させて表面凹凸１０４ａ、１０４ｂまたは内部気孔１０４ｃを形成して残った残留物であるか、或いは発泡反応が行われないため初期状態でそのまま残っている発泡剤成分である。
図１７は本発明の別の実施形態に係るチューブ型の流体分離膜の斜視図である。図１８は本発明の別の実施形態に係る板状型の流体分離膜の斜視図である。図１９は図１８のＸＩＸ−ＸＩＸ’線に沿った断面図である。図１７のチューブ型の流体分離膜の膜質断面図は、図１９と実質的に同様なので、その図示を省略した。図２０は本発明の別の実施形態に係る流体分離膜の断面図である。
図１７乃至図１９を参照すると、流体分離膜１０５、１０６は、開口ＯＰを含む支持体部ＳＰ、及び支持体部ＳＰを覆う分離膜部ＦＳを含む。
支持体部ＳＰは複数の開口ＯＰを含む。各開口ＯＰは厚さ方向（図１９における上下方向）に開放されている。
支持体部ＳＰの厚さは１０μｍ乃至１ｍｍであり得る。支持体部ＳＰの厚さが１０μｍ以上であることが、流体分離膜１０５、１０６の機械的強度を確保するのに有利である。支持体部ＳＰの厚さがあまりにも厚ければ、薄い厚さの分離膜部ＦＳの割合が低くなるので、高い流体分離効率を期待することが難しくなる。上記の観点から、支持体部ＳＰの厚さは１ｍｍ以下であることが好ましい。
支持体部ＳＰの厚さ、すなわち開口ＯＰの幅は０．１ｍｍ乃至１０ｍｍであり得る。開口ＯＰの幅ｗが０．１ｍｍ以上である場合、十分な流体移動有効面積を確保することができる。開口ＯＰの幅ｗが１０ｍｍ以下であれば、流体分離膜１０５、１０６の機械的強度の確保に有利である。
支持体部ＳＰは、網目や蚊帳のように一定の形状の開口ＯＰを有することができる。上記の例では、支持体部ＳＰは、経糸と緯糸を有するねじれた網目構造を持つことができる。
他の例として、支持体部ＳＰは、不織布のようにランダムな形状の開口ＯＰを有することができる。この場合にも、少なくとも一部の開口ＯＰは厚さ方向に疎通できるように開放される。
支持体部ＳＰは、流体の移動を許容しない物質からなってもよい。例えば、支持体部ＳＰは、天然繊維や合成樹脂からなってもよい。支持体部ＳＰは、例えば、マニラ麻、パルプ、レーヨン、アセテート繊維、ポリエステル繊維、ポリビニルアルコール繊維、ポリアミド繊維、ポリオレフィン繊維などを単独または混合して形成することができる。支持体部ＳＰは、金属材質からなってもよい。前記金属材質の例としては、ＳＵＳ（Ｓｔａｉｎｌｅｓｓ Ｓｔｅｅｌ）、鉄、アルミニウム、またはこれらの合金などを挙げることができる。
分離膜部ＦＳは、開口ＯＰを埋めるように形成される。一実施形態において、分離膜部ＦＳは、支持体部ＳＰの上面と下面に形成され、支持体部ＳＰを覆いながら開口ＯＰを埋めることができる。すなわち、分離膜部ＦＳは全体的に一体化されて連結できる。
他の実施形態において、図２０に例示されているように、分離膜部ＦＳは、開口ＯＰ別に物理的に分離されていてもよい。すなわち、分離膜部ＦＳは、支持体部ＳＰの上面と下面には形成されず、開口ＯＰのみを埋めるように形成できる。この場合、支持体部ＳＰの上面と下面は、少なくとも部分的に分離膜部ＦＳによって覆われずに露出することができる。
別の実施形態において、分離膜部ＦＳは、支持体部ＳＰの一部の領域では上面と下面に形成され、他の一部の領域では上面及び／または下面に形成されないため支持体部ＳＰの上面及び／または下面を露出することができる。
分離膜部ＦＳは、後述するように、液状分離膜物質の表面張力を用いて形成できる。このような方式により超薄膜分離膜の大量生産が可能である。分離膜部ＦＳの厚さが薄ければ薄いほど、流体の移動度が増加するので、分離効率を向上させることができる。
分離膜部ＦＳの厚さは位置によって異なり得る。例えば、厚さ方向に支持体部ＳＰとオーバーラップしないが、支持体部ＳＰの周辺に位置する分離膜部ＦＳは、その厚さｄ２２１が相対的に厚い。支持体部ＳＰ間の開口ＯＰの中央部では、分離膜部ＦＳの厚さｄ２２が相対的に薄い。支持体部ＳＰ間の開口ＯＰの中央部における分離膜部ＦＳの厚さｄ２２は、支持体部ＳＰの厚さｄ２４より小さい。分離膜部ＦＳの厚さは、支持体部ＳＰの周辺から遠くなるほど薄くなる。
幾つかの実施形態において、分離膜部ＦＳは、支持体部ＳＰの上下面にも位置することができる。支持体部ＳＰの上下面上における分離膜部ＦＳの厚さｄ２３は相対的に薄いことができる。支持体部ＳＰの上下面上の分離膜部ＦＳの厚さｄ２３は、開口ＯＰの中央部の分離膜部ＦＳの厚さｄ２２よりも薄いことができる。上述したように、他の幾つかの実施形態において、分離膜部ＦＳは、支持体部ＳＰの上下面に位置しないこともある（図２０参照）。この場合、支持体部ＳＰの上下面上の分離膜部ＦＳの厚さは０であると解釈される。
流体分離膜１０５、１０６の全体厚さは、支持体部ＳＰのある領域、すなわち支持体部ＳＰの上下面に分離膜部ＦＳが形成された領域が最も厚いことがある。厚さが最も薄い領域は開口ＯＰの中央部である。
分離膜部ＦＳの厚さは、支持体部ＳＰの上下面ｄ２３で５μｍ乃至２００μｍであり、開口ＯＰの中央部ｄ２２で１０μｍ乃至２００μｍであり、支持体部ＳＰと重畳しない支持体部ＳＰの周辺部ｄ２２１で１０μｍ乃至１ｍｍであり得る。前述したように開口ＯＰの中央部が相対的に薄い場合、分離膜部ＦＳを通じた流体の移動度を高めることができる。
分離膜部ＦＳは、図４の実施形態で例示した物質からなってもよい。
上述した流体分離膜１０５、１０６は、図１１乃至図１３を参照して説明した離隔材と一緒に適用できる。チューブ型の流体分離膜１０５の場合、流体分離膜１０５の内部に膜離隔材が挿入される。板状型の流体分離膜１０６の場合、複数の流体分離膜１０６が積層できるが、各流体分離膜１０６の間に膜離隔材が配置される。
図２１は図１７の流体分離膜に膜離隔材が挿入された状態を示す断面図である。
図２１を参照すると、図１の実施形態の如く、混合流体を流体分離膜１０５の外部に供給する場合、特定の流体の移動度を高めるために、流体分離膜１０５の外部の圧力を流体分離膜１０５の内部の圧力よりも高く設定することができる。流体分離膜１０５の内外部の圧力差を０．５ｋｇｆ／ｃｍ２程度に設定すれば、商業的に利用可能な分離効率を示すことができる。一実施形態において、流体分離膜１０５の外部は０乃至４ｋｇｆ／ｃｍ２の圧力を加え、流体分離膜１０５の内部は０乃至−１ｋｇｆ／ｃｍ２の圧力を加えることができる。
流体分離膜１０５の内部に陰圧が加わると、フレキシブルな特性を有する流体分離膜１０５は、歪みながら分離膜部ＦＳの内壁同士が密着することができる。このように、流体分離膜１０５が歪むと、複数の流体分離膜１０５を配置するときに配置密度を高めることができるため、単位面積当たりの分離効率を向上させることができる。
一方、分離膜部ＦＳの内壁が完全に密着する場合、該当部位では流体が分離膜部ＦＳの内壁に進入できない。密着する部位が多くなると、流体の分離面積が減少して分離効率が低下することはもとより、分離膜部ＦＳの長さ方向に移動通路が詰まるので、分離された流体を抽出することは難しい。よって、流体分離膜１０５の内部に膜離隔材１５０を挿入することにより、流体分離膜１０５の内壁が密着して閉鎖されることを防止することができる。
膜離隔材１５０の厚さは、流体分離膜１０５の最大厚さ（すなわち、支持体部上における厚さ）よりも大きいことがある。また、膜離隔材１５０の開口１５３ｃｂは流体分離膜１０５の開口ＯＰよりも大きいことがある。
以下、上述した図１７及び図１８の流体分離膜を製造する例示的な方法を説明する。
まず、複数の開口ＯＰを含む支持体部ＳＰと液状分離膜物質、例えば溶融シリコーンゴムの入った水槽を用意する。続いて、支持体部ＳＰを水槽に浸けてから取り出すと、液状分離膜物質が表面張力によって支持体部ＳＰの開口ＯＰに付着して薄い膜、すなわち薄膜を形成することができる。その後、薄膜の液状分離膜物質を凝固させたり硬化させたりすると、図１７または図１８の流体分離膜１０５、１０６が形成できる。すなわち、液状分離膜物質の表面張力を利用した単純な方法で、支持体部ＳＰと分離膜部ＦＳを含む流体分離膜を容易に製造することができる。したがって、製造コストが削減され、工程効率が改善されるので、商業的規模で量産することが容易である。
他の方法として、支持体部ＳＰに液状分離膜部ＦＳを塗ったりスプレー方式で噴射したりして支持体部ＳＰの開口ＯＰ部分に薄い膜を形成した後、凝固または硬化過程を経て、図１７または図１８の流体分離膜を形成することもできる。
図２２は本発明の別の実施形態に係るチューブ型の流体分離膜及びその内部に配置された離隔材の斜視図である。図２３は図２２の離隔材の平面図である。図２４は図２３のＡ領域の斜視図である。
図２２乃至図２４を参照すると、本実施形態に係る流体分離膜１０１は、図１１の流体分離膜と同じであり、膜離隔材１５３ｃａの構造が図１１とは異なる。
膜離隔材１５３ｃａは流体分離膜１０１の内部に配置される。膜離隔材１５３ｃａは幹部ＳＴを含む。幹部ＳＴは中空状に形成される。幹部ＳＴの空き内部空間は流体移動路として活用できる。
幹部ＳＴは、流体分離膜１０１のチューブの内部に進入した分離流体を速やかに排出させる役目をすることができる。流体分離膜１０１のチューブの内部に進入した分離流体は、図１で説明したように、第２流体排出口を介して排出される。流体の排出を容易にするために、第２流体排出口の外部に陰圧ポンプが設置できる。ところが、第２流体排出口に近い部分は、陰圧ポンプによって強い陰圧が加わって容易に排出できるが、第２流体排出口から遠い部分は、その圧力が弱いため、相対的に移動することが難しい。特に、流体分離膜１０１の長さが長く、内径が大きいほど、陰圧ポンプから遠い地域はその圧力が弱くなるので、流体の排出動力の伝達を十分に受けることができない。併せて、膜離隔材１５３ｃａの網部ＢＲの存在は、流体の移動の妨げになるおそれがある。
幹部ＳＴは、前述したような圧力降下の問題を解決する。幹部ＳＴは、内部の空いた中空形状に形成されるので、低容量の陰圧ポンプのみでも迅速な流体排出が可能となる。迅速な流体排出が行われると、流体分離膜１０１の内部圧力が設定圧力によく維持されて分離効率が改善できる。特に、商業的規模で適用するために、流体分離膜１０１の長さを５００ｍｍ乃至５０００ｍｍに形成する場合にも、迅速な流体排出によって長さ方向の圧力不均一を改善することができるため、長さの増加に伴う分離効率の低下を減少させることができる。このような観点から、第２流体排出口は、膜離隔材１５３ｃａの幹部ＳＴに連結されることが好ましいだろう。
幹部ＳＴは、長さ方向Ｚに延長された少なくとも一つの垂直幹部ＳＴＶ、及び幅方向Ｘに延長された複数の水平幹部ＳＴＨを含むことができる。垂直幹部ＳＴＶと水平幹部ＳＴＨは、相互に会ったり交差したりすることができる。前記会ったり交差したりする部位で垂直幹部ＳＴＶと水平幹部ＳＴＨの内部の空き空間が互いに連結され得る。
垂直幹部ＳＴＶは、長さ方向Ｚに流体の移動通路を提供する。垂直幹部ＳＴＶの端部は、流体分離膜１０１の端部または外部に連結される。垂直幹部ＳＴＶは、長さ方向Ｚに中央または縁部に位置することができる。垂直幹部ＳＴＶの内径は水平幹部ＳＴＨよりも大きくてもよい。
水平幹部ＳＴＨは、幅方向Ｘに流体の移動通路を提供する。上述したように、水平幹部ＳＴＨは、垂直幹部ＳＴＶに連結されているので、水平幹部ＳＴＨを介して移動した流体は垂直幹部ＳＴＶを介して排出できる。
水平幹部ＳＴＨの延長方向は、幅方向Ｘと全く同一であることを要するのではない。幅方向に対して所定の角度で傾斜した方向に延長されてもよい。直線ではなく、曲線であってもよい。
一実施形態において、複数の水平幹部ＳＴＨは、それぞれ一定の間隔で相互平行に配置できる。しかし、これに限定されるものではなく、互いに異なる間隔で配置されてもよい。たとえば、一端に近いところ（陰圧ポンプに近いところ）は、広い間隔で配置され、そこから離れるほど狭い間隔で配置できる。
垂直幹部ＳＴＶは複数のホールＳＴＶ＿Ｈを含むことができる。垂直幹部ＳＴＶのホールＳＴＶ＿Ｈは、垂直幹部ＳＴＶの管壁を厚さ方向に貫通して垂直幹部ＳＴＶの外部と垂直幹部ＳＴＶの内部の空き空間とを連結する。
複数のホールＳＴＶ＿Ｈは、網部ＢＲ付近のみに配置されるか、或いは他の部位に比べて網部ＢＲ付近にさらに多くの密度で配置され得る。流体分離膜１０１のチューブに陰圧が形成されると、垂直幹部ＳＴＶの上下部は隣接した流体分離膜１０１の管壁に密着して、それらの間では流体の移動空間が確保され難い。一方、網部ＢＲに隣接する垂直幹部ＳＴＶ側の場合には、垂直幹部ＳＴＶの厚さが網部ＢＲより厚いため、相対的に広い空間が確保できる。したがって、この付近に複数のホールＳＴＶ＿Ｈが配置されることにより、流体分離膜１０１のチューブ内部に進入した分離流体を効果的に垂直幹部ＳＴＶの内部に進入させることができる。ただし、網部ＢＲ付近以外の垂直幹部ＳＴＶの上下部に複数のホールＳＴＶ＿Ｈが配置されても構わない。たとえば、複数のホールＳＴＶ＿Ｈの配置は、垂直幹部ＳＴＶ全体にわたって均一であってもよい。
水平幹部ＳＴＨも複数のホールＳＴＨ＿Ｈを含むことができる。水平幹部ＳＴＨのホールＳＴＨ＿Ｈは、水平幹部ＳＴＨの管壁を厚さ方向に貫通して水平幹部ＳＴＨの外部と水平幹部ＳＴＨの内部の空き空間とを連結する。複数のホールＳＨＶ＿Ｈは、垂直幹部ＳＴＶのホールＳＴＶ＿Ｈと同様に、網部ＢＲ付近のみに配置されるか、或いは他の部位に比べて網部ＢＲ付近にさらに多くの密度で配置され得る。
他の実施形態において、水平幹部ＳＴＨは、流体移動通路として活用されず、単に垂直幹部ＳＴＶ同士を連結する機能のみを行うこともできる。この場合、水平幹部ＳＴＨの内部は埋められているか、或いは垂直幹部ＳＴＶとの交差地点で相互空間的に連結されないこともあり、水平幹部ＳＴＨのホールＳＴＨ＿Ｈは省略されてもよい。
上述したように、膜離隔材１５３ｃａが垂直幹部ＳＴＶ及び水平幹部ＳＴＨを含むと、流体分離膜１０１を通過した流体が最短距離を介して速やかに外部へ排出され得る。
膜離隔材１５３ｃａは、幹部ＳＴの他に、微細枝部ＢＲをさらに含むことができる。微細枝部ＢＲは、内部が空いていてもよく、満たされていてもよい。微細枝部ＢＲは、流体が疎通できる複数の開口ＯＰＲを有する。複数の開口ＯＰＲは、流体分離膜１０１の内壁が密着しても、その間に所定の空間が確保されるようにする役目をする。
網部ＢＲは網目状に形成できる。例えば、網部ＢＲは、ねじれた網目構造を持つことができる。網部ＢＲの網目を構成する糸の外径は幹部ＳＴの外径よりも小さくてもよい。網部ＢＲは、幹部ＳＴとは異なり、内部が満たされた構造であり得る。
網部ＢＲは、幹部ＳＴ同士の間の空間に配置できる。一実施形態において、網部ＢＲは、幹部ＳＴ同士の間の区画された空間ごとに１つずつ配置できる。この場合、各網部ＢＲは、隣接する幹部ＳＴとそれぞれ結合できる。網部ＢＲと幹部ＳＴとの結合方法としては、結合糸または結合ワイヤーを用いた固定や、接着剤を用いた固定などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。
他の実施形態において、網部ＢＲは、全体が一つに一体化されて提供できる。すなわち、１つの網部ＢＲが幹部ＳＴによって区画された複数の空間にまたがるように配置され得る。この場合、網部ＢＲは幹部ＳＴと重畳できる。網部ＢＲと幹部ＳＴは、結合糸、結合ワイヤー、接着剤などによって相互結合されてもよいが、相互固定されずに隣接して配置だけされてもよい。
膜離隔材１５３ｃａの幹部ＳＴと網部ＢＲは、合成樹脂、ナイロン、ポリエステルなどの高分子物質、または金属材質からなってもよい。膜離隔材１５３ｃａの幹部ＳＴと網部ＢＲは同一の物質からなってもよい。しかし、これに限定されるものではない。
本実施形態では、チューブ型の流体分離膜１０１及びそれに挿入される膜離隔材１５３ｃａについて説明したが、前述の説明に基づいて、当業者であれば、板状型の流体分離膜モジュールでも、実質的に同一の構造を持つ膜離隔材が配置できることを容易に理解することができるだろう。
図２５は本発明の他の実施形態に係る膜離隔材の斜視図である。
図２５を参照すると、本実施形態に係る膜離隔材１５３ｃｂは、垂直幹部ＳＴＶが網部挿入口ＳＴＶ＿ＩＮをさらに含むことが、図２４の実施形態とは異なる点である。また、図２５は水平幹部が省略された場合を例示する。
枠部に位置する垂直幹部ＳＴＶは、内側に網部挿入口ＳＴＶ＿ＩＮが形成される。網部挿入口ＳＴＶ＿ＩＮは、垂直幹部ＳＴＶの延長方向に沿って延長される。網部挿入口ＳＴＶ＿ＩＮは、垂直幹部ＳＴＶの内部の空き空間と空間的に連結される。網部挿入口ＳＴＶ＿ＩＮの幅は、垂直幹部ＳＴＶの内径より小さくてもよい。
中央部に位置する垂直幹部ＳＴＶは、両側に網部挿入口ＳＴＶ＿ＩＮが形成できる。すなわち、中央部に位置する垂直幹部ＳＴＶは、２つの管が融合した形状を有し、両側に網部挿入口ＳＴＶ＿ＩＮが配置できる。この場合、中央部に位置する垂直幹部ＳＴＶは、２つの流体移動通路を持つことができる。
網部ＢＲは、隣接する垂直幹部ＳＴＶの網部挿入口ＳＴＶ＿ＩＮ内に挿入され、網部挿入口ＳＴＶ＿ＩＮによって押されて固定できる。網部ＢＲが垂直幹部ＳＴＶの網部挿入口ＳＴＶ＿ＩＮに挿入されるが、その間は完全に閉鎖されず、隙間が生じ、この隙間から流体が垂直幹部ＳＴＶの内部に進入することができる。図示してはいないが、網部挿入口ＳＴＶ＿ＩＮの近隣に複数のホールがさらに形成されることも可能である。
本実施形態の場合、垂直幹部ＳＴＶの内部の空き空間を通じた速やかな流体排出が可能であるうえ、網部ＢＲを垂直幹部ＳＴＶに簡便に結合することができるという利点がある。
図２６は本発明の別の実施形態に係る流体分離膜と膜離隔材を一緒に示す分解斜視図である。図２７は図２６の流体分離膜と膜離隔材の断面図である。
図２６及び図２７を参照すると、本実施形態に係る流体分離膜１０７は支持膜１０７ｂ及び分離薄膜１０７ａを含む。
支持膜１０７ｂは、表面の粗い多孔性物質からなってもよい。支持膜１０７ｂは、５０乃至１００００個／ｃｍ２の表面凹凸を含むことができる。表面凹凸の高さは１乃至５００μｍであり得る。
支持膜１０７ｂは、厚さ方向に貫通する多数のホールを含むことができる。ホールを介して流体が支持膜１０７ｂの一側及び他側を移動することができる。ホールの大きさは１乃至２００μｍであり得る。
分離薄膜１０７ａは、実際流体を分離する役目をする部分であって、上述したシリコーンゴムなどからなってもよい。分離薄膜１０７ａは支持膜１０７ｂの粗い表面上に配置される。
例示的な実施形態において、一つの流体分離膜１０７を製造するために、板状型の支持膜１０７ｂと分離薄膜１０７ａがそれぞれ２枚ずつ用意される。２枚の支持膜１０７ｂを挟んで分離薄膜１０７ａを支持膜１０７ｂの外側面に配置する。次いで、支持膜１０７ｂの対向する２辺（相対的に長さの長い縦辺）を接着剤などで付着させてシールする。シールされていない残りの２辺は通気孔１０７Ｈとして活用される。全体的な形状はチューブ型である。
必要に応じて、膜離隔材１５０が流体分離膜１０７の内部に配置できる。膜離隔材１５０は２枚の支持膜１０７ｂの間に配置できる。
他の実施形態において、分離薄膜１０７ａは支持膜１０７ｂ上に直接形成されてもよい。すなわち、支持膜１０７ｂ上に液状の分離薄膜用物質をコーティングし、乾燥及び／または硬化させて厚さの薄い固体分離薄膜１０７ａを形成することができる。この場合、分離膜１０７ａは、支持膜１０７ｂ上に直接コーティングされて一体に取り扱われてもよい。上述したような方法で分離薄膜１０７ａを形成すると、分離薄膜１０７ａを別々に形成する場合に比べて、より薄い厚さの分離薄膜を製造することができる。
図２８は本発明の別の実施形態に係る支持膜の斜視図である。図２９は図２８の支持膜の断面図である。
図２８及び図２９を参照すると、本実施形態に係る支持膜１０７ｂ＿１は、一面１０７ｂ＿１ａと他面１０７ｂ＿１ｂを有する。支持膜１０７ｂ＿１の一面１０７ｂ＿１ａは、図２７の実施形態で説明したように、粗い表面を有する。反面、支持膜１０７ｂ＿１の他面１０７ｂ＿１ｂは、一方向に延長された線形の突起１０７ｂ＿１Ｌを含む。分離膜１０７内で粗い表面の支持膜１０７ｂ＿１の一面１０７ｂ＿１ａは、分離薄膜１０７ａが形成される外側面となり、突起１０７ｂ＿１Ｌが形成された支持膜１０７ｂ＿１の他面１０７ｂ＿１ｂは、分離膜１０７の内部空間を向く内側面となる。
一方、一つの分離膜１０７内に含まれる２つの支持膜１０７ｂ＿１は、その内側面が互いに向かい合う。向かい合う２つの支持膜１０７ｂ＿１の他面１０７ｂ＿１ｂに形成された突起１０７ｂ＿１Ｌの延長方向は、互いに同一でもよく、異なっていてもよい。
たとえば、対向する２つの支持膜１０７ｂ＿１のいずれかは、横方向の突起を含み、もう一つは、それに交差する縦方向の突起を含むことができる。この場合、相互に交差する突起によって所定の流体移動空間が確保され、膜離隔材の役割を行うことができる。
もし、対向する２つの支持膜１０７ｂ＿１の突起がすべて横方向の突起である場合、膜離隔材が必要であるが、この場合にも、縦方向に延長された糸を有する膜離隔材を選択することにより、流体移動空間を確保することができる。しかし、これに限定されるものではなく、他の様々な変形が可能である。
図３０は本発明の別の実施形態に係る流体分離膜の斜視図である。
図３０を参照すると、流体分離膜１１０は、全体的に一方向Ｚに延長された形状を有する。流体分離膜１１０は、一方向Ｚに延長された複数の分離膜を含む。図３０では、流体分離膜１１０が第１分離膜１１１、第２分離膜１１２及び第３分離膜１１３の３つの分離膜を有する場合を例示しているが、２つの分離膜を有してもよく、４つ以上の分離膜を有してもよい。
各分離膜１１１〜１１３は中空チューブ状を有する。各分離膜１１１１１〜１１３は、上述した図４の流体分離膜１００などと実質的に同じ機能を行う。
第１分離膜１１１が最も外側に位置し、第２分離膜１１２は第１分離膜１１１の内部に挿入され、第３分離膜１１３は第２分離膜１１２の内部に挿入される。このような構造によって、第１分離膜１１１、第２分離膜１１２及び第３分離膜１１３は互いに重なり合うように配置できる。
流体分離膜１１０が図１の実施形態に適用される場合、第１分離膜１１１が最初に流体を分離させる１次分離膜になる。第２分離膜１１２が２次分離膜になり、第３分離膜１１３が３次分離膜になる。流体分離膜１１０が図２の実施形態に適用される場合、混合流体は第３分離膜１１３の内部に投入される。この場合、第３分離膜１１３が最初に流体を分離させる１次分離膜となる。また、第２分離膜１１２が２次分離膜になり、第１分離膜１１１が３次分離膜になる。以下では、流体分離膜１１０が図１の実施形態に適用された場合を例にして説明する。
第１乃至第３分離膜１１１〜１１３は、上述した図４の流体分離膜１００の材料からなってもよい。第１乃至第３分離膜１１１〜１１３はいずれも同じ物質からなってもよいが、互いに異なる物質からなってもよい。
第１乃至第３分離膜１１１〜１１３の長さ方向の端部は、シリコーンや接着剤などでシールでき、シールされた端部にそれぞれ第１分離流体排出管１１１ａ、第２分離流体排出管１１２ａ及び第３分離流体排出管１１３ａが設置できる。しかし、これに限定されるものではなく、第１乃至第３分離流体排出管１１１ａ〜１１３ａがシールされた端部ではなく、各分離膜１１１〜１１３の管壁に設置されることもあり、第１乃至第３分離膜１１１〜１１３の端部が開放されることもある。
図３１は図３０のＸＸＸＩ−ＸＸＸＩ’線に沿った断面図であって、流体分離膜の高濃縮分離メカニズムを説明するための断面図である。図３１は第１乃至第３分離膜１１１〜１１３がいずれも二酸化炭素と窒素の選択比が３：１であるシリコーンゴムからなる場合を例にして、流体分離膜１１０で特定の流体が多段分離される過程を例示する。図３１に示すように、流体分離膜１１０の外部に、二酸化炭素と窒素が１：１で混合された混合気体を投入すると、混合気体は選択比に応じて第１分離膜１１１を通過し、その結果、第１分離膜１１１内の１次分離気体の二酸化炭素と窒素の含有量比は約３：１となる。１次分離気体がさらに第２分離膜１１２を通過すると、第２分離膜１１２内の２次分離気体の二酸化炭素と窒素の含有量比は約９：１となる。同様に、２次分離気体が第３分離膜１１３を通過すると、第３分離膜１１３内の３次分離気体の二酸化炭素と窒素の含有量比は約２７：１となる。したがって、第３分離膜１１３の内部で個別分離膜の選択比を遥かに上回る高濃縮の二酸化炭素を得ることができる。
第１分離膜１１１の外側から第３分離膜１１３内への流体の移動を促進するために、第１分離膜１１１の外側と第３分離膜１１３の内部との間に所定の圧力差を維持することができる。例えば、加圧ポンプまたは陰圧ポンプによって第３分離膜１１３の内部が第１分離膜１１１の外側よりも相対的に低い圧力を持つように調節することができる。気体の圧力は、第１分離膜１１１の外部から第１分離膜１１１の内部、第２分離膜１１２の内部、及び第３分離膜１１３の内部の順に小さくなることができる。
上述したように、第１乃至第３分離膜１１１〜１１３の一端には第１乃至第３分離流体排出管１１１ａ〜１１３ａが設置され、互いに異なる含有量比の分離気体を得ることができる。各分離膜１１１〜１１３で分離された気体は、再循環されるか、或いは別途のチャンバーに貯蔵され得る。
各分離膜１１１〜１１３の大きさは、各分離膜１１１−１１３を円形に調節したとき、その外径が６０ｍｍ乃至５００ｍｍを有する範囲内で選択できる。
各分離膜１１１〜１１３を円形断面を持つように調節したとき、第１分離膜１１１の外径は第２分離膜１１２の外径よりも大きく、第２分離膜１１２の外径は第３分離膜１１３の外径よりも大きいことが可能である。外側に位置する分離膜の外径が大きいほど、その内部にさらに小さい分離膜を容易に挿入することができる。しかし、これに限定されるものではなく、第１乃至第３分離膜１１１〜１１３の外径がすべて同一であるか、或いは内側に挿入される分離膜の外径がその外側の分離膜の外径より大きいことも可能である。この場合、内部に配置される分離膜は、外側に配置される分離膜よりもさらに多くしわくちゃになるか、さらに多くの表面しわを持つようになるだろう。
図３２は図３０の流体分離膜内に膜離隔材が挿入されたことを示す断面図である。
図３２を参照すると、本実施形態に係る流体分離膜１１０は、複数の分離膜１１１〜１１３が重なり合っているので、その間ごとに複数の膜離隔材が挿入できる。例えば、膜離隔材は第１膜離隔材１５３ａ、第２膜離隔材１５３ｂ及び第３膜離隔材１５３ｃを含むことができる。
第１膜離隔材１５３ａは、第１分離膜１１１の内部でもある第２分離膜１１２の外部に配置され、第１分離膜１１１と第２分離膜１１２とが完全に密着することを防止する。第２膜離隔材１５３ｂは、第２分離膜１１２の内部でもある第３分離膜１１３の外部に配置され、第２分離膜１１２と第３分離膜１１３とが完全に密着することを防止する。第３膜離隔材１５３は、第３分離膜１１３の内部に配置され、第３分離膜１１３の内壁が完全に密着することを防止する。
第１膜離隔材１５３ａ及び第２膜離隔材１５３ｂが配置される空間は、ドーナツ状の中空の閉曲線形状である。よって、第１膜離隔材１５３ａ及び第２膜離隔材１５３ｂは、図３２に示すように、第１乃至第３分離膜１１１〜１１３と同様に、その断面が閉曲線をなすチューブ状からなってもよい。一方、第３膜離隔材１５３ｃは、円形または楕円形の空き空間に配置されるので、図３２に示すように板状型からなってもよい。
ただし、以上の例示に限定されるものではなく、第３膜離隔材１５３ｃの場合にも、チューブ型からなってもよい。この場合、チューブ状の第３膜離隔材１５３ｃの内側壁が相互密着して、実質的に内部中空を定義しないこともあるが、この場合には、実質的に２重の板状型と類似する離隔機能を行うようになるだろう。
また、第１膜離隔材１５３ａ及び第２膜離隔材１５３ｂの場合にも、チューブ型ではなく、板状型が適用できる。この場合、ドーナツ状の空き空間を満たしながら板状型の離隔材が自然にチューブ状に巻かれるだろう。板状型の離隔材の一端と他端は、チューブ状に巻かれながら互いに接するか、或いは少なくとも部分的に重なり合うこともあり、一端と他端が離隔することもある。場合によっては、チューブ状に巻かれる方向に２つ以上の膜離隔材が配置されることもある。
板状型の第３膜離隔材１５３は、その幅よりも小さい円形断面の第３分離膜１１３内に挿入されることにより、第３分離膜１１３の断面形状を、一側方向の長径がさらに大きい歪んだ形状または楕円形にすることができる。内部の第３膜離隔材１５３によって楕円形状の断面を有する第３分離膜１１３を第２分離膜１１２及び第１分離膜１１１にそれぞれ挿入することにより、第２分離膜１１２及び第１分離膜１１１の断面形状も歪んだ形状或いは楕円形にすることができる。
本実施形態の場合、流体分離膜１１０が複数の重なり合った分離膜１１１〜１１３を含むので、簡便な方法で高濃縮の分離が可能である。
以下、上述したような本発明の様々な実施形態に係る流体分離膜を含む流体分離膜モジュール及び流体分離装置について説明する。
図３３は本発明の別の実施形態に係る流体分離装置の概略図である。
図３３を参照すると、本実施形態に係る流体分離装置９０１は、チャンバー９４０、チャンバー９４０の内部に配置された流体分離膜１００、流体分離膜１００の内部に挿入された離隔材１５０、チャンバー９４０の一側に配置された流体投入口９５１及び第２流体排出口９２２、及びチャンバー９４０の他側に配置された第１流体排出口９１１を含み、チャンバー９４０の外部に配置された流体混合物提供タンク９５０、残余流体貯蔵タンク９１０、分離流体貯蔵タンク９２０、及び複数のポンプ９３１、９３２、９３３をさらに含む。
流体混合物提供タンク９５０は、流体混合物を貯蔵し、これをチャンバー９４０の内部へ提供する。流体混合物提供タンク９５０は、第１流体移動管９５２を介して流体投入口９５１に連結される。第１流体移動管９５２には第１ポンプが設置されている。
分離流体貯蔵タンク９２０は、流体分離膜１００に流入した流体を貯蔵する役目をする。分離流体貯蔵タンク９２０は、第２流体移動管９２２を介して流体分離膜１５０の内部と空間的に連結される。第２流体移動管９２２には第２ポンプ９３２が設置される。
図３３の実施形態では、チャンバー９４０に２つの第２流体排出口９２１が設けられており、両端が開放された流体分離膜１００が１回折り曲げられた場合が例示されている。第２流体移動管９２２はチャンバー９４０の付近で２つの分岐管に分岐し、第２流体移動管９２２の各分岐管は各第２流体排出口９２１に挿入される。流体分離膜１００の一端と他端は、それぞれ第２流体移動管９２２の互いに異なる分岐管に結合される。
残余流体貯蔵タンク９１０は、流体分離膜１００の外部でもあるチャンバー９４０の内部に、残留した流体を貯蔵する役目をする。残余流体貯蔵タンク９１０は、第３流体移動管９１２を介して第１流体排出口９１１に連結される。第３流体移動管９１２には第３ポンプ９３３が設置できる。
幾つかの実施形態において、第１流体排出口９１１は、流体投入口９５１に比べて上部に配置される。この場合、混合流体の流れが下方から上方に向かうようになる。
第１ポンプ９３１は、チャンバー９４０の内部に投入される流体混合物の圧力を高める役目をする。チャンバー９４０の内部の圧力を高めると、流体分離膜１００の内外部に圧力差が発生して流体分離膜１００を介して流体の流れが促進される。しかし、あまり高い圧力を加えると、工程費用が増加するだけではなく、流体の移動速度が過度に速くなって流体分離膜１００を通過する流体の量がむしろ減少することもある。このような点を考慮すると、第１ポンプ９３１によってチャンバー９４０の内部に加わる適切な流体圧力は０〜４ｋｇｆ／ｃｍ２である。
第２ポンプ９３２は、流体分離膜１００の内部に陰圧が加わるようにして、流体分離膜１００の内外部の圧力差を維持する一方で、流体分離膜に存在する流体を分離流体貯蔵タンク９２０へ効率よく排出させる役目をする。流体分離膜１００に存在する流体を迅速に排出すると、工程速度が増加するだけでなく、流体分離膜１００の内部における特定の流体の濃度を低く維持することができる。流体分離膜１００の内部における特定の流体の濃度を低く維持することは拡散や浸透圧などによる流体移動効率を高めるのに有利である。第２ポンプ９３２により加わる圧力は０〜−１ｋｇｆ／ｃｍ２のレベルが適当である。
流体分離膜１００の内外部の圧力差が０．５ｋｇｆ／ｃｍ２程度であっても、商業的に利用可能な分離効率を示すことができる。例えば、第１ポンプ９３１による圧力を０．５ｋｇ／ｃｍ２とし、第２ポンプ９３２による陰圧を−０．５ｋｇ／ｃｍ２程度に維持すれば、商業的に利用可能な分離効率を得ることができる。流体分離膜１００の内外部の圧力差がさらに大きくなると、分離効率が増加することはできるが、高エネルギーの使用による処理費用の増加が伴うおそれがある。処理費用を勘案して、商業的に利用可能でありながら効果的な分離が可能な流体分離膜１００の内外部の圧力差は０．５ｋｇｆ／ｃｍ２乃至２ｋｇｆ／ｃｍ２の範囲で維持できる。
第３ポンプ９３３は、チャンバー９４０の内部に残留する流体を外部へ速やかに排出させる役目をする。チャンバー９４０の内部に混合されている流体混合物における流体分離膜１００を通じた特定の流体の移動が行われると、残留流体混合物は、特定の流体の濃度が低くなる。その状態でチャンバー９４０の内部に長時間放置されると、流体分離膜としての分離効率が低下するだけでなく、流体分離膜１００の内部からチャンバー９４０の内部へ特定の流体が再び移動する可能性も高くなる。残留流体を適切な時期に速やかに排出することは工程の効率に多くの影響を及ぼす。したがって、第３ポンプ９３３で０〜２ｋｇｆ／ｃｍ２レベルの圧力を加えると、残留流体が適切に排出できる。ただし、本実施形態がこれに限定されるものではなく、第３ポンプ９３３は省略されても、バルブに代替されてもよい。
流体分離装置９０１の第１流体排出口９１１または第２流体排出口９２１を介して分離された流体が貯蔵の対象でなければ、該当貯蔵タンクは省略されてもよい。例えば、窒素と二酸化炭素との混合ガスの中から二酸化炭素を分離することが目的であり、流体分離膜１００として二酸化炭素に対する選択比の高い物質を使用した場合であれば、第２流体排出口９２１を介して伝達される二酸化炭素含有量の高い流体は分離流体貯蔵タンク９２０に貯蔵するが、第１流体排出口９１１を介して伝達される窒素含有量の高い流体は排気煙突などを介して外部へ排出させることができる。この場合、残余流体貯蔵タンク９１０が省略可能である。
流体の分離工程の際に、チャンバー９４０の内部温度は０乃至６０℃の範囲に維持することができる。例示的な実施形態において、チャンバー９４０の内部温度は２０乃至４０℃の範囲に維持される。このように相対的に低い温度の工程条件は、費用を節減しながらも、チャンバー９４０の内部及び流体分離膜１００の耐久性を維持し、内部流体の不要な反応を抑制する上で役立つことができる。
図３４は本発明の別の実施形態に係る流体分離装置の概略図である。図３４の流体分離装置９０２は図３３の流体分離装置９０１の流体分離膜１００の代わりに図３０の流体分離膜１１０を適用した場合を例示する。
したがって、本実施形態に係る流体分離装置９０２の分離流体貯蔵タンクは、第１分離流体貯蔵タンク９２０ａ、第２分離流体貯蔵タンク９２０ｂ、及び第３分離流体貯蔵タンク９２０ｃを含むことができる。第１分離流体貯蔵タンク９２０ａは、第１分離膜１１１を介して、第１分離膜１１１の内部でもある第２分離膜１１２の外部に流入した１次分離流体を貯蔵する。第２分離流体貯蔵タンク９２０ｂは、第２分離膜１１２を介して第２分離膜１１２の内部でもある第３分離膜１１３の外部に流入した２次分離流体を貯蔵する。第３分離流体貯蔵タンク９２０ｃは、第３分離膜１１３を介して第３分離膜１１３の内部に流入した３次分離流体を貯蔵する役目をする。第３分離膜１１３と第３分離流体貯蔵タンク９２０ｃとの間には第２ポンプ９３２が設置される。
その他、他の構成は、図３３の実施形態と実質的に同様なので、重複説明は省略する。
図３５は本発明の別の実施形態に係る流体分離装置を概略的に示す図である。
図３５に示すように、本発明の実施形態に係る流体分離装置３００は、混合流体流入口３１１、残余流体排出口３１２ａ、３１２ｂ及び分離流体排出口３１３が形成されたチャンバー３１０を含む。
混合流体流入口３１１は、チャンバー３１０の内部に流入する混合流体が進行する第１流路Ｆ１の一部を形成する。
第１流路Ｆ１は、混合ガスが貯蔵されたタンク（図示せず）及び混合ガスを混合流体流入口３１１側へ流動するようにするポンプ（図示せず）などと連結できる。
チャンバー３１０の内部には、混合流体流入口３１１を介してチャンバー３１０の内部に流入した混合ガスから分離対象流体としての二酸化炭素を分離する流体分離ユニット（図３６の「１４０」）が備えられる。流体分離ユニット１４０は、チャンバー３１０内の混合ガス内に含まれている二酸化炭素のうちの少なくとも一部を混合ガスから分離する。流体分離ユニット１４０によって混合ガスから分離されたガスの中では、二酸化炭素以外のガスが一部含まれてもよい。
流体分離ユニット１４０によって混合ガスから分離された分離ガスは、第２流路Ｆ３の一部を形成する分離流体排出口３１３を介してチャンバー３１０の外部へ排出される。
一方、残余流体排出口３１２ａ、３１２ｂは、チャンバー３１０内部の残余ガスがチャンバー３１０の外部へ進行する第３流路Ｆ２を形成する。残余ガスは、チャンバー３１０の内部に流入した混合ガスの中から流体分離ユニット１４０によって分離されていないガスを意味する。第３流路Ｆ２は、チャンバー３１０の外部へ排出される残余ガスを収集するタンク（図示せず）に連結できる。
本実施形態に係る流体分離装置１は、複数のチャンバー３１０が積層されて使用できるので、図３５に示すように、混合流体流入口３１１、残余流体排出口３１２ａ、３１２ｂ及び分離流体排出口３１３はチャンバー３１０の側面、前面または後面に形成されることが好ましい。
また、図３５に示すように、残余流体排出口３１２ａ、３１２ｂは、チャンバー３１０の前面及び後面にそれぞれ形成できる。チャンバー３１０の設置環境に応じてチャンバー３１０の前面及び後面にそれぞれ形成された残余流体排出口３１２ａ、３１２ｂは、すべて或いはいずれか一つのみを使用することができる。例えば、チャンバー３１０の設置場所の特性によってチャンバー３１０の後面に第３流路Ｆ２を形成する配管を設置し難い場合には、チャンバー３１０の前面に形成された残余流体排出口３１２ａのみを介して残余ガスが排出されるようにすることができる。
図示してはいないが、混合流体流入口３１１及び／または分離流体排出口３１３も同様にチャンバー３１０の前面及び後面にそれぞれ形成できる。
一方、図３５に示すように、第２流路Ｆ３はポンプ３２０及びタンク３３０に連結できる。
ポンプ３２０は、第２流路Ｆ３、及び第２流路Ｆ３に連通する空間を陰圧雰囲気に維持する。ポンプ３２０によって形成された陰圧雰囲気は、流体分離ユニット１４０によって分離された分離ガスがより円滑にチャンバー３１０の外部へ排出されるようにする。また、ポンプ３２０によって形成された陰圧雰囲気は、混合ガスと分離ガスとの圧力差を形成させて、混合ガスから二酸化炭素が分離される一連の過程を促進する。
第２流路Ｆ３を介してチャンバー３１０の外部へ排出された分離ガスは、タンク３３０に収集される。
図３６は図３５の流体分離装置のチャンバーの内部構成を概略的に示す図である。
図３６に示すように、流体分離装置３００の流体分離ユニット１４０は、チャンバー３１０の下部に向かってＵ字状に曲げられた曲げ領域Ｂ１を持つようにチャンバー３１０内に設置される流体分離膜１０８を含む。
流体分離膜１０８は、先立って説明した様々な実施形態に係る流体分離膜の中でも、チューブ状からなるものが適用できる。
図３６に示すように、流体分離膜１０８の両端は第２流路Ｆ３に連結される。流体分離膜１０８の両端と第２流路Ｆ３との連結をより容易にするために、図３６に示すように、流体分離膜１０８の両端には、流体分離膜１０８の内径よりも小さい内径及び外径を有するアダプティングチューブ１２０、１３０がそれぞれ備えられ得る。
チャンバー３１０内の空間は、流体分離膜１０８の内側空間及び第２流路Ｆ３からなる第１空間と、第１流路Ｆ１及び第３流路Ｆ２に連結される第２空間に区分される。
第２流路Ｆ３はポンプ３２０に連結されてポンプ３２０から陰圧の供給を受けるので、第２流路Ｆ３に連結される第１空間は陰圧雰囲気が形成される。第１空間の一部を形成する流体分離膜１０８の内側空間には、約−１ｂａｒ以上の陰圧雰囲気が形成できる。
一方、第１流路Ｆ１及び第３流路Ｆ２に連結されるチャンバー３１０内の第２空間は、第１空間とは異なり、陽圧雰囲気が形成できる。第１空間内を陽圧雰囲気に形成するために混合ガスが供給される第１流路Ｆ１には、混合ガスを圧縮して供給する圧縮ポンプ（図示せず）が連結できる。第１領域は０乃至４ｂａｒの陽圧雰囲気が形成できる。
第１流路Ｆ１に沿って混合流体流入口３１１を介してチャンバー３１０の内部に流入した混合ガスは、流体分離膜１０８と接触し、残余流体排出口１２に向かって進行する。混合ガスがチャンバー３１０の内部に全体的に均等に分布できるように、混合流体流入口３１１と残余流体排出口１２はチャンバー３１０の対角線方向に離隔するように形成されることが好ましい。
また、混合ガスが大気中で上昇しながら拡散する特性を持つ場合には、図３６に示すように、混合流体流入口３１１をチャンバー３１０の下部に形成し、残余流体排出口１２をチャンバー３１０の上部に形成することが好ましい。逆に混合ガスが大気中で下降しながら拡散する特性を持つ場合には、混合流体流入口３１１をチャンバー３１０の上部に形成し、残余流体排出口１２をチャンバー３１０の下部に形成することが好ましい。
流体分離膜１０８は、チャンバー３１０内の混合ガスと接触し、流体分離膜１０８の内部空間へ、混合ガスに含まれている二酸化炭素を選択的に透過させて、混合ガスから二酸化炭素を分離する。これは、上述したように、流体分離膜１０８の主成分であるシリコーンの特性によるものであって、シリコーンの二酸化炭素選択性に基づく。
また、混合ガスが存在するチャンバー３１０内の第１空間（流体分離膜１０８の外部）は陽圧雰囲気に形成され、流体分離膜１０８の内部空間は陰圧雰囲気に形成されるので、流体分離膜１０８の内部と外部との圧力差によって混合ガスから二酸化炭素が流体分離膜１０８の内側へ円滑に透過できる。
一方、図３６に示すように、本実施形態に係る流体分離膜１０８は、Ｕ字状に曲げられた曲げ領域Ｂ１を持つようにチャンバー３１０内に設置される。
図３６に示すように、１回曲げられた曲げ領域Ｂ１を持つように設置されて全体的にＵ字状を有する流体分離膜１０８は、同一の内径及び外径を有する分離チューブが一字状に設置される場合よりも混合ガスと接触する面積が広い。よって、二酸化炭素分離効率性が向上する。
また、流体分離膜１０７を一字状に２つ設置する場合より、図３６に示すように、一つの流体分離膜１０８を１回曲げて設置することがより簡便なので、チャンバー３１０内に流体分離膜１０８を設置する作業をより簡素化することができる。
また、流体分離膜が一字状に設置される場合には、流体分離膜の両端がチャンバー３１０内の上部と下部にそれぞれ存在するので、流体分離膜の両端と第２流路Ｆ３との連結構造が複雑になる反面、図３６に示すように、１回曲げられた曲げ領域Ｂ１を持つように設置されて全体的にＵ字状を有する流体分離膜１０８は、流体分離膜１０８の両端がすべてチャンバー３１０の下部に存在するので、流体分離膜１０８の両端と第２流路Ｆ３との連結構造が相対的にシンプルに構成できる。
図３６は流体分離膜１０８の両端が第２流路Ｆ３に連結されて流体分離膜１０８の内部空間へ、混合ガスに含まれている二酸化炭素を選択的に透過させて、混合ガスから二酸化炭素を分離する構成を示したが、逆に流体分離膜１０８の両端がそれぞれ第１流路Ｆ１と第３流路Ｆ２に連結されるように構成され、流体分離膜１０８の内部空間へ混合ガスが移動し、混合ガスに含まれている二酸化炭素は流体分離膜１０８の外部へ選択的に透過される構成に変形可能である。
図３７は図３６の流体分離ユニットの斜視図である。
図３７に示すように、本実施形態に係る流体分離ユニット１４０は、複数の流体分離膜１０８、複数の流体分離膜１０８を支持する分離チューブ保持部２４０、２５０、及び複数の流体分離膜１０８によって混合ガスから分離された分離ガスの伝達を受ける分離流体集合部２６０を含む。
図３７に示すように、複数の流体分離膜１０８は２列に配列できる。分離チューブ保持部２４０、２５０は、流体分離膜１０８が配列された列ごとに備えられるハンガーホルダー２４０と、ハンガーホルダー２４０に支持される複数の分離チューブハンガー２５０とを含む。
図３８は図３７の分離チューブハンガーとハンガーホルダーとの結合関係を示す正面図である。
図３７及び図３８を参照すると、各分離チューブハンガー２５０は、流体分離膜１０８の中央部を支持して、流体分離膜１０８がＵ字状に曲げられた状態を維持するようにする。
分離チューブハンガー２５０は、流体分離膜１０８の一箇所を支持する支持部２５１と、支持部２５１の両端から上部に延設される一対の掛止部２５２ａ、２５２ｂとを含む。一対の掛止部２５２ａ、２５２ｂは、互いに近づく方向に延長されて分離チューブハンガー２５０が全体的にＣ字状をなすように構成できる。
一方、ハンガーホルダー２４０は、図３７及び図３８に示すように、一方向に長く延設されたバー（ｂａｒ）の形状を有し、両側には分離チューブハンガー２５０の掛止部２５２ａ、２５２ｂの端部が支持される収容部２４１ａ、２４２ｂが内側に陥設される。収容部２４１ａ、２４２ｂも一方向に沿って長く延設される。
分離チューブハンガー２５０は、流体分離膜１０８をＵ字状に曲げられるように支持したまま、掛止部２５２ａ、２５２ｂの端部がそれぞれハンガーホルダー２４０の収容部２４１ａ、２４２ｂの前端に進入した後、ハンガーホルダー２４０の後端側に収容部２４１ａ、２４２ｂに沿ってスライドされる方式で順次ハンガーホルダー２４０に結合され、図３７に示すように、複数の分離チューブハンガー２５０がハンガーホルダー２４０に一列に位置する。このとき、流体分離膜１０８間の間隔が流体分離膜１０８の厚さ以上、流体分離膜１０８の直径または幅以下となるように流体分離膜１０８が配置できる。例えば、流体分離膜１０８の間隔は、０．１ｍｍ乃至５００ｍｍの範囲内に設定できる。流体分離膜１０８の間隔が０．１ｍｍ未満である場合には、流体分離膜１０８が相互密着して流体分離膜１０８の実効表面積が減少できる。そして、流体分離膜１０８の間隔が５００ｍｍを超える場合には、チャンバー３１０内に設置される流体分離膜１０８の数が必要以上に少なくなって液体分離の効率性が減少する。
図３９及び図４０は他の実施形態に係る分離チューブハンガーとハンガーホルダーとの結合関係を示す正面図である。
図３９に示すように、他の実施形態として、分離チューブハンガー２５０＿１は、リング状の支持部２５２＿１とＴ字状の掛止部２５３＿１、２５４＿１とから構成できる。
リング状の支持部２５２＿１の内径部２５１＿１には流体分離膜１０８が挿入される。支持部２５２＿１の下端は、流体分離膜１０８の中央部を支持して流体分離膜１０８がＵ字状に曲げられた状態を維持するようにする。
掛止部２５３＿１、２５４＿１は支持部２５２＿１の上端中央部から上方に延設される垂直バー２５３＿１と、垂直バー２５３＿１の端部から両側に延設される水平バー２５４＿１とから構成される。
そして、図３９に示すように、ハンガーホルダー２４０＿１は、一方向に長く延設されるルーフ部２４１＿１と、ルーフ部２４１＿１の両端から下方に延設される一対の狭持部２４３ａ＿１、２４３ｂ＿１とを含む。一対の狭持部２４３ａ＿１、２４３ｂ＿１は、互いに近づく方向に延びてハンガーホルダー２４０＿１が全体的にＣ字状をなすように構成できる。
ハンガーホルダー２４０＿１の収容部２４２＿１は、ルーフ部２４１＿１と狭持部２４３ａ＿１、２４３ｂ＿１との間の空間に形成され、分離チューブハンガー２５０＿１の水平バー２５４＿１は、収容部２４２＿１内にスライド可能に収容される。
図４０に示すように、分離チューブハンガーの別の実施形態として、分離チューブハンガー２５０＿２は、流体分離膜１０８の一箇所を支持する支持部２５１＿２と、支持部２５１＿２の両端から上方に延設される一対の掛止部２５１ａ＿２、２５１ｂ＿２とを含む。一対の掛止部２５１ａ＿２、２５１ｂ＿２は、それぞれ左右対称のＳ字状に屈曲形成されて端部がハンガーホルダー２４０＿１の収容部２４２＿１内に収容される。
図４１は図３７の流体分離膜の断面図である。
図４１に示すように、流体分離膜１０８は、曲げ領域Ｂ１内の支持部２５１に支持される一箇所が閉塞され得る。流体分離膜１０８は、シリコーンを主成分とするチューブであって延性に優れるので、流体分離膜１０８の自重により支持部２５１に支持される一箇所が閉塞され得る。
流体分離膜１０８の内部の一部領域が閉塞されることにより、流体分離膜１０８の内部は２つの空間１０８ａ、１０８ｂに区分される。また、流体分離膜１０８を介して各空間１０８ａ、１０８ｂに透過された二酸化炭素を含む分離ガスは、それぞれ閉塞された地点から流体分離膜１０８の両端へ移動するようになる。
流体分離膜１０８の中央部分が閉塞されて流体分離膜１０８の内部が２つの空間１０８ａ、１０８ｂに分離され、分離された２つの空間１０８ａ、１０８ｂから分離ガスが排出されるので、分離ガスの排出効率が上昇する。
流体分離膜１０８の両端に移動した分離ガスは、アダプティングチューブ１２０、１３０を通過して分離流体集合部２６０へ移動する。
図４２は図３７の分離流体集合部を示す平面図である。
図３７及び図４２に示すように、分離流体集合部２６０は、アダプティングチューブ１２０、１３０と一対一で連結される複数の仲介チューブ２６１、複数の仲介チューブ２６１が一面上に配列された本体部２６３、及び本体部２６３の一側に形成された本体部排出口２６２を含む。
仲介チューブ２６１は、アダプティングチューブ１２０、１３０を介して流体分離膜１０８の内部から移動する分離ガスを本体部２６３の内部へ伝達する。このため、仲介チューブ２６１は、本体部２６３の内部に連通するように形成される。仲介チューブ２６１とアダプティングチューブ１２０、１３０は、内外の圧力差により自然にシールが維持される。
本体部２６３の内部には、複数の仲介チューブ２６１を介して伝達された分離ガスが混入される滞留空間（図示せず）が形成される。滞留空間は、複数の仲介チューブ２６１に連結される１つの空間であり得る。
本体部排出口２６２は、滞留空間に連通するよう形成され、滞留空間内に混入された分離ガスを排出する。本体部排出口２６２は、チャンバー３１０の分離流体排出口３１３と直接または間接的に連結され、分離ガスを分離流体排出口３１３へ案内する。
分離流体集合部２６０は、第２流路Ｆ３の一部を形成する。分離流体集合部２６０は、分離流体排出口３１３の数に比べて多数である流体分離膜１０８同士の間に配置され、複数の流体分離膜１０８内でそれぞれ捕集された分離ガスを集合させて分離流体排出口３１３へ誘導し、仲介チューブ２６１とアダプティングチューブ１２０、１３０とを相互連結するだけで、複数の流体分離膜１０８と第２流路Ｆ３とが連結されるように構成されるため、流体分離ユニット１４０のチャンバー３１０内の設置を容易にする。
図４３は本発明の実施形態に係る流体分離装置を直列に連結して使用する例を示す図である。
図４３に示すように、本発明の実施形態に係る流体分離装置は、２つのチャンバー３１０を直列に連結して使用することができる。
説明の便宜のために、図４３における左側に位置するチャンバー３１０を第１チャンバーとし、右側に位置するチャンバー３１０を第２チャンバーとする。
第１チャンバーと第２チャンバーとを直列に連結するためには、第１チャンバーと第２チャンバーを隣接設置し、第１チャンバーの分離流体排出口３１３を第２チャンバーの混合流体流入口３１１に連結する連結配管３１４を設置すればよい。
第１チャンバー内の分離チューブ（第１分離チューブ）によって分離された分離ガス（１次分離流体）は、連結配管３１４を介して第２チャンバーに混合ガスとして提供される。
１次分離流体は、第１チャンバー内で１次に分離された二酸化炭素を含むので、二酸化炭素の割合が高い方である。
このような１次分離流体に対して第２チャンバー内の分離チューブ（第２分離チューブ）は、１次分離流体に含まれている二酸化炭素の少なくとも一部を分離する。したがって、第２分離チューブによって分離された分離ガス（２次分離流体）は、１次分離流体に比べてより高い二酸化炭素の含有量を持つ。
２次分離流体を第２チャンバーの外部へ案内する流路Ｆ３を第４流路とすれば、第４流路にはポンプ３２０及びタンク３３０が設置できる。ポンプ３２０によって提供される陰圧は、第１分離チューブ及び第２分離チューブに提供できる。
第２チャンバー内の残余ガスを第２チャンバーの外部へ案内する流路Ｆ２を第５流路とするとき、第５流路は、第１チャンバー内の残余ガスを第１チャンバーの外部へ案内する流路Ｆ２である第３流路と一緒に、残余ガスを収集するタンク（図示せず）と連結できる。
図４３は第１チャンバーと第２チャンバーが水平に配置される場合を示すが、第１チャンバーと第２チャンバーは積層される方式で配置できる。
また、図４３は２つのチャンバーが直列に連結される例を示したが、より最終的な分離ガスで要求される二酸化炭素の濃度に応じて３つ以上のチャンバーが直列に連結できる。
図４４は本発明の別の実施形態に係る流体分離装置の内部構成を概略的に示す図である。
図４４に示すように、本実施形態に係る流体分離装置３０１の流体分離ユニット１４１は、Ｕ字状に曲げられた２つの曲げ領域Ｂ１、Ｂ２を有するようにチャンバー３１０＿１内に設置される流体分離膜１０９を含む。したがって、本実施形態に係る流体分離膜１０９は、全体的に略Ｓ字状に曲げられるように設置される。
図３６に示された流体分離膜１０８と比較すると、本実施形態に係る流体分離膜１０９は、曲げ領域Ｂ２が追加され、流体分離膜１０９の一端はチャンバー３１０＿１の下部に位置し、他端はチャンバー３１０＿１の上部に位置する。
したがって、本実施形態のチャンバー３１０＿１は、分離流体排出口３１３ａ、３１３ｂがそれぞれチャンバー３１０＿１の上部と下部に形成できる。分離流体排出口３１３ａ、３１３ｂから排出された分離ガスは、チャンバー３１０＿１の外部で第２流路Ｆ３に統合されて進行できる。
または、チャンバー３１０＿１は、図３６のように一つの分離流体排出口３１３を含み、流体分離膜１０９の両端から排出された分離ガスは、チャンバー３１０＿１内で統合されて分離流体排出口３１３を介して排出され得る。
図３６の流体分離膜１０８と図４４の流体分離膜１０９を介して流体分離膜が３回、４回、それ以上の回数で曲げられて設置される場合について十分に予想できるだろう。
図４５は本発明の別の実施形態に係る流体分離装置の内部構成を概略的に示す図である。
図４５を参照すると、本実施形態に係る流体分離装置のチャンバー３１０＿２内には、混合流体流入口３１１に連結されて第１流路Ｆ１の一部を形成する混合流体拡散部２７０と、混合流体拡散部２７０を介してチャンバー３１０＿２の内部に流入した混合ガスから二酸化炭素を分離する複数の流体分離ユニット１４０とから構成された流体分離部と、残余流体排出口３１２に連結されて第３流路Ｆ３の一部を形成する残余流体収集部２８０とが含まれている。
図４５には、説明の便宜のために、４つの流体分離ユニット１４０からなる流体分離部を示したが、チャンバー３１０＿２の大きさ及び／または流体分離ユニット１４０の大きさに応じて、チャンバー３１０＿２に配置される流体分離ユニット１４０の数は変わり得る。
チャンバー３１０＿２内の空間は、第２流路Ｆ３に連結される第１空間と、第１流路Ｆ１及び第３流路Ｆ２に連結される第２空間に区分される。
第１空間は、流体分離ユニット１４０の内部空間と第２流路Ｆ３から構成され、第２空間は、混合流体拡散部２７０、残余流体収集部２８０に連通するチャンバー内の空間とから構成される。
混合ガスが大気中で上昇して拡散する特性を持つ場合には、図４５に示すように、混合流体流入口３１１及び混合流体拡散部２７０をチャンバー３１０＿２の下部に形成し、残余流体排出口３１２及び残余流体収集部２８０をチャンバー３１０＿２の上部に形成することが好ましい。
逆に、混合ガスが大気中で下降しながら拡散する特性を持つ場合には、混合流体流入口３１１及び混合流体拡散部２７０をチャンバー３１０＿２の上部に形成し、残余流体排出口３１２及び残余流体収集部２８０をチャンバー３１０＿２の下部に形成することが好ましい。
一方、図４５に示すように、チャンバー３１０＿２の底面３１５は、中央部に向かって下方に膨らむように形成できる。底面の中央部には、凝縮水排出口３１６がチャンバー３１０＿２の内部に連通してチャンバー３１０＿２の下部に向かって形成される。
凝縮水排出口３１６は、チャンバー３１０＿２内の混合ガス及び／または残余ガスが冷却されることにより発生する凝縮水をチャンバー３１０＿２の外部へ排出する経路を形成する。
その他のチャンバー３１０＿２内外の他の構成及び流体分離ユニット１４０は、図３５乃至図３７を参照して説明したのと実質的に同様なので、その説明を省略し、混合流体拡散部２７０及び残余流体収集部２８０について具体的に説明する。
図４６は第１分離流体集合部と第２分離流体集合部との結合関係を示す平面図である。図４５及び図４６を参照すると、本実施形態に係る流体分離装置は、各流体分離ユニット１４０に連結される第２分離流体集合部２７０をさらに含む。
第２分離流体集合部２７０は、第２流路Ｆ３の一部を形成し、チャンバー３１０＿２の内部で分離流体排出口３１３に連結される集合管２７２と、集合管２７２から分岐し、各流体分離ユニット１４０の本体部排出口１６３に連結される複数の分岐管２７１とを含む。
複数の分岐管２７１と集合管２７２とは相互連通する。よって、各流体分離ユニット１４０の本体部排出口１６３を介して排出される分離ガスは、複数の分岐管２７１を介して集合管２７２内で混合される。そして、分離流体排出口１３を介してチャンバー３１０＿２の外部へ排出される。
第１分離流体集合部２６０及び第２分離流体集合部２７０は、第２流路Ｆ３の一部を形成し、分離流体排出口３１３の数に比べて多数である流体分離膜１０８同士の間に配置される。そして、複数の流体分離膜１０８内でそれぞれ捕集された分離ガスを集合させて分離流体排出口３１３へ誘導する。また、仲介チューブ２６２とアダプティングチューブ１２０、１３０とを相互連結し、本体部排出口２６３と分岐管２７１とを相互連結するだけで複数の流体分離膜１０８と第２流路Ｆ３とが連結されるように構成され、流体分離ユニット１４０のチャンバー３１０＿２内の設置を容易にする。
図４７は本発明の別の実施形態に係る流体分離ユニットを概略的に示す正面図である。
図４７に示すように、本実施形態に係る流体分離ユニット１４２は、図４６の流体分離ユニット１４０に比べてフレーム２８０をさらに含む。
フレーム２８０は、第１分離流体集合部２６０の本体部２６１とハンガーホルダー２４０を固定する構造物である。
フレーム２８０を介して第１分離流体集合部２６０と分離チューブ保持部２４０、２５０とが一体化されることにより、流体分離ユニット１４２は、一つのモジュールとしてチャンバー３１０＿２内に設置及び分解できる。
すなわち、図４７に示すように、フレーム２８０の下部に第１分離流体集合部２６０が固定設置され、フレーム２８０の上部にハンガーホルダー２４０が固定設置される場合、複数の流体分離膜１０８を分離チューブハンガー２５０に支持させ、分離チューブハンガー２５０をハンガーホルダー２４０に設置した後、流体分離ユニット１４２を一つのモジュールとしてチャンバー３１０＿２内に設置することができる。したがって、流体分離ユニット１４２の設置利便性が向上する。
また、流体分離ユニット１４２の単位でチャンバー３１０＿２内における除去／交換が可能なので、メンテナンスが簡便になる。
図４８は本発明の図４５の混合流体拡散部を概略的に示す平面図である。
図４５及び図４８に示すように、混合流体拡散部２７０は、第１流路Ｆ１の一部を形成し、チャンバー３１０＿２の内部で混合流体流入口３１１に連結される第１混合流体誘導管２７１と、第１混合流体誘導管２７１から分岐する複数の第２混合流体誘導管２７２とを含む。
混合流体拡散部２７０は、混合流体流入口３１１を介してチャンバー３１０＿２の内部に流入する混合ガスをチャンバー３１０＿２内に均一に拡散させるための構成である。
このため、第１混合流体誘導管２７１は、チャンバー３１０＿２の幅に対応する長さだけ延長されて形成できる。そして、複数の第２混合流体誘導管２７２は、一定の間隔で第１混合流体誘導管２７１に対して垂直な方向に延長されて形成できる。
図４５及び図４８に示すように、第２混合流体誘導管２７２には、流体分離ユニット１４０を向くように複数の拡散ホール２７３が形成できる。
図４９は図４９の残余流体収集部を概略的に示す平面図である。
図４５及び図４９に示すように、残余流体収集部２８０は、第３流路Ｆ２の一部を形成し、チャンバー３１０＿２の内部で残余流体排出口３１２に連結される第１残余流体誘導管２８１と、第１残余流体誘導管２８１から分岐する複数の第２残余流体誘導管２８２とを含む。
残余流体収集部２８０は、チャンバー３１０＿２内の残余ガスをより効果的にチャンバー３１０＿２の外部へ排出するための構成である。
このため、第１残余流体誘導管２８１は、チャンバー３１０＿２の幅に対応する長さだけ延長されて形成できる。そして、複数の第２残余流体誘導管２８２は、一定の間隔で第１混合流体誘導管２７１に対して垂直な方向に延長されて形成できる。
図４５及び図４９に示すように、第２残余流体誘導管２８２には、流体分離ユニット１４０を向くように複数の収集ホール２８３が形成できる。
図５０は第１流路及び第３流路に対するバルブ構成を概略的に示す図である。
図５０に示すように、第１流路Ｆ１上には、第１流路Ｆ１を開閉する第１制御弁３１７が備えられ得る。
流体分離装置３０２の安全な運営のために、第１制御弁３１７は、チャンバー３１０＿２内へ供給される混合ガスの圧力が限界圧力以下で供給されるように、第１流路Ｆ１の開閉を制御する。
したがって、第１制御弁３１７は、第１流路Ｆ１に沿って流動する混合ガスの圧力が限界圧力以下である場合には、第１流路Ｆ１を開放し、第１流路Ｆ１に沿って流動する混合ガスの圧力が限界圧力を超える場合には、第１流路Ｆ１を閉鎖する。
そして、第３流路Ｆ２上には、第３流路Ｆ２を開閉する第２制御弁３１８が備えられ得る。
第２制御弁３１８は、第３流路Ｆ２を介して排出される残余ガスの排出を制御して、チャンバー３１０＿２内の第１空間が所要の陽圧雰囲気に維持されるようにする。
したがって、第２制御弁３１８は、チャンバー３１０＿２内の第１空間の圧力が所要の圧力よりも低い場合には、第３流路Ｆ２を閉鎖し、チャンバー３１０＿２内の第１空間の圧力が所要の圧力よりも高い場合には、第３流路Ｆ２を開放する。
以下、上述した流体分離膜を含めてモジュール化されて流体分離装置に適用される流体分離膜モジュールについて説明する。
図５１は本発明の一実施形態に係る流体分離膜モジュールの概略図である。図５１を参照すると、流体分離膜モジュール３０は、積層された複数の流体分離膜３０ｃを利用して流体混合物ＭＦから特定の流体を分離するのに使用される装置である。
流体分離膜モジュール３０は、積層された複数の流体分離膜３０ｃ、及び複数の層間離隔材３０ａ、３０ｂを含む。各流体分離膜３０ｃは板状型からなってもよい。各流体分離膜３０ｃは相互重畳するように配置される。
流体分離膜３０ｃの一側と他側は、流体分離膜３０ｃ自体の壁を基準に物理的に分離されている。少なくとも一部の流体は、流体分離膜３０ｃを通過して、流体分離膜３０ｃの一側と他側とを疎通することができ、これは特定の流体の分離に用いられる。隣接する流体分離膜３０ｃ同士の間には層間離隔材３０ａ、３０ｂが設置され、隣接する流体分離膜３０ｃを相互結合させる一方で、隣接する流体分離膜３０ｃ間の空間を物理的に区分する。本明細書では、隣接する流体分離膜３０ｃと層間離隔材３０ａ、３０ｂによって取り囲まれた空間を「単位制限空間」と称する。
単位制限空間は、積層方向に複数個が重畳して配列される。複数の単位制限空間は、第１単位制限空間ＵＬＳ１及び第２単位制限空間ＵＬＳ２を含む。
第１単位制限空間ＵＬＳ１は、流体混合物ＭＦの提供を直接受ける空間である。このため、第１単位制限空間ＵＬＳ１は流体投入口ＦＳを含む。また、第１単位制限空間ＵＬＳ１は、分離後に残留する残余流体ＭＦ１を排出する第１流体排出口ＦＤ１を含む。
第２単位制限空間ＵＬＳ２は、流体混合物ＭＦの提供を直接受けない空間である。したがって、第２単位制限空間ＵＬＳ２は別の流体投入口を含まない。第２単位制限空間ＵＬＳ２は、分離された流体ＭＦ２を排出する第２流体排出口ＦＤ２を含む。
第１単位制限空間ＵＬＳ１と第２単位制限空間ＵＬＳ２は隣接して配置される。例えば、複数の第１単位制限空間ＵＬＳ１と第２単位制限空間ＵＬＳ２とが相互交互に配置できる。隣接する第１単位制限空間ＵＬＳ１と第２単位制限空間ＵＬＳ２とは互いに一つの流体分離膜３０ｃを共有することができる。共有する流体分離膜３０ｃを介して流体の移動が行われ得る。
例えば、第１単位制限空間ＵＬＳ１の流体投入口ＦＳを介して提供される流体混合物ＭＦが窒素と二酸化炭素を含み、流体分離膜３０ｃを通じた二酸化炭素の移動度が窒素より高い場合、第１単位制限空間ＵＬＳ１の内部は、二酸化炭素の濃度が相対的に低くなりながら窒素の濃度は相対的に高くなり、隣接する第２単位制限空間ＵＬＳ２の内部は、二酸化炭素の濃度が高くなりながら窒素の濃度は相対的に低くなる。したがって、第１流体排出口ＦＤ１では相対的に窒素の含有量が高い流体混合物ＭＦ１が排出され、第２流体排出口ＦＤ２では相対的に二酸化炭素の含有量が高い流体混合物ＭＦ２が排出され得る。
各第１単位制限空間ＵＬＳ１及び第２単位制限空間ＵＬＳ２は、２つの積層された流体分離膜３０ｃを含んでおり、２つの流体分離膜３０ｃを介して両側で流体の移動が行われ得る。すなわち、１つの第１単位制限空間ＵＬＳ１の両側には第２単位制限空間ＵＬＳ２が配置され、第１単位制限空間ＵＬＳ１内に提供された混合流体ＭＦの一部が両側の第２単位制限空間ＵＬＳ２へ移動することができる。また、１つの第２単位制限空間ＵＬＳ２の両側には２つの第１単位制限空間ＵＬＳ１が配置され、第２単位制限空間ＵＬＳ２は両側の第１単位制限空間ＵＬＳ１から混合流体ＭＦの一部が移動することができる。
本実施形態に係る流体分離膜モジュール３０は、積層方向に複数の単位制限空間が配置されるので、一つのモジュール内で複数の分離空間を確保することができる。積層個数は、例えば数十個〜数千個以上であり得る。単位制限空間の積層個数が増えるほど、分離容量も一緒に増えることができる。よって、大容量の流体分離が可能である。
以下、上述した流体分離膜モジュールの構造についてさらに詳細に説明する。
図５２は本発明の一実施形態に係る流体分離膜モジュールの斜視図である。図５３は図５２の流体分離膜モジュールの正面図である。図５４は図５２の流体分離膜モジュールの部分分解斜視図である。
図５２乃至図５４を参照すると、本実施形態に係る流体分離膜モジュール１１００は、複数の流体分離膜１２００、複数の第１層間離隔材１３００、複数の第２層間離隔材１４００、及び少なくとも一つの組立パイプ１６１０、１６２１〜１６２４を含む。
流体分離膜１２００は、先立って説明したものと同様なので、重複説明は省略する。
図５５は本発明の一実施形態に係る流体分離膜の平面図である。
図５２乃至図５５を参照すると、流体分離膜１２００は、長方形板状を有し、４つの辺と４つのコーナーで頂点を持つ。本明細書において、平面図上において多角形の頂点をなす部分を角と称する。併せて、前記４つの角のうち、左上部に位置する角を第１角Ｖ１とし、反時計方向に沿って順次第２角Ｖ２、第３角Ｖ３及び第４角Ｖ４と称する。
流体分離膜１２００は複数の開口ＣＯＰ、ＰＯＰを含む。図面では、一つの中央開口ＣＯＰと４つの周辺開口（角開口、ＰＯＰ）が形成された場合が示されており、これを例にして説明するが、分離膜開口ＣＯＰ、ＰＯＰの数と形成位置は上記に限定されず、多様に変形可能である。
中央開口ＣＯＰは流体分離膜１２００の長方形状の中央部に位置する。中央開口ＣＯＰは長方形状の重心に位置することができる。流体分離膜１２００の中央開口ＣＯＰには中央組立パイプ１６１０が挿入される。
周辺開口ＰＯＰは、流体分離膜１２００の辺または角に隣接して配置される。図面では、周辺開口ＰＯＰとして、各角ごとに１つずつの角開口ＰＯＰが形成された場合が例示されている。互いに対角方向に対向する第１角開口ＰＯＰ１と第３角開口ＰＯＰ３は、それぞれ第１単位制限空間ＵＬＳ１ごとに開口する枠組立パイプ１６２１、１６２３が挿入され、第２端開口ＰＯＰ２と第４角開口ＰＯＰ４は、それぞれ第２単位制限空間ＵＬＳ２ごとに開口する枠組立パイプ１６２２、１６２４が挿入される。
層間離隔材は、交互に積層される第１層間離隔材１３００及び第２層間離隔材１４００を含む。第１層間離隔材１３００は第１単位制限空間ＵＬＳ１を定義し、第２層間離隔材１４００は第２単位制限空間ＵＬＳ２を定義する。第１層間離隔材１３００と第２層間離隔材１４００との間には流体分離膜１２００が介在する。
図５６は図５２の第１層間離隔材の平面図である。図５７は図５２の第２層間離隔材の平面図である。図５２乃至図５７を参照すると、第１及び第２層間離隔材１３００、１４００は、四角枠状の枠部ＢＡを有し、枠部ＢＡに取り囲まれた中央部ＣＡが少なくとも部分的に開放されている。流体分離膜１２００は、第１及び第２層間離隔材１３００、１４００の枠部ＢＡの両面（上下面）上に配置される。このような配置のために、流体分離膜１２００の大きさは、第１及び第２層間離隔材１３００、１４００の枠部ＢＡの大きさと同じかそれより小さく、第１及び第２層間離隔材１３００、１４００の枠部ＢＡに取り囲まれた中央部ＣＡよりは大きいことがある。
流体分離膜モジュール１１００が組立パイプ１６１０、６２１〜６２４などにより強く結合されたとき、流体分離膜１２００は、第１及び第２層間離隔材１３００、１４００の枠部ＢＡの両面に完全に密着できる。したがって、流体分離膜１２００とそれに接する枠部ＢＡとの間は、流体移動が抑制されて実質的な密閉空間を形成することができる。
一方、第１及び第２層間離隔材１３００、１４００の中央部ＣＡが開放されているので、第１及び第２層間離隔材１３００、１４００の両側（枠部ＢＡの上下面）に流体分離膜１２００を設置したとき、流体分離膜１２００の間で流体が移動または貯蔵される空間が確保できる。
第１及び第２層間離隔材１３００、１４００は、枠部ＢＡに形成された複数の枠開口ＢＴＯを含む。枠開口ＢＴＯは、枠部ＢＡの厚さ方向を貫通するように形成される。流体分離膜１２００が４つの角開口ＰＯＰを有する場合、第１及び第２層間離隔材１３００、１４００もそれに相応する位置に形成された４つの枠開口ＢＴＯ、すなわち、第１、第２、第３及び第４枠開口ＢＴＯ１、ＢＴＯ２、ＢＴＯ３、ＢＴＯ４を含むことができる。第１及び第２層間離隔材１３００、１４００の各枠開口ＢＴＯは、それに相応する流体分離膜１２００の角開口ＰＯＰと重畳するように整列される。
図５８は図５２のＡ領域の部分斜視図、図５９は図５２のＢ領域の部分斜視図である。
図５２乃至図５９を参照すると、第１及び第２層間離隔材１３００、１４００の枠開口ＢＴＯが形成された角部位は、内方に突出することができる。第１及び第２層間離隔材１３００、１４００の内側の角が突出した形状を持てば、角に十分な大きさの開口を確保することが容易である。図面では、内側の角の形状が内方に膨らんだ曲面である場合が例示されているが、第１及び第２層間離隔材１３００、１４００の内側の角は、平面視にて、傾斜面であるか、凸形状の多角面であり得る。
第１及び第２層間離隔材１３００、１４００は、枠開口ＢＴＯの内部及び層間離隔材の枠部ＢＡによって取り囲まれた、開放された中央部ＣＡを連結する枠流体流通路ＢＦＰをさらに含むことができる。枠流体流通路ＢＦＰの一端は第１及び第２層間離隔材１３００、１４００の枠部ＢＡの内側面（角の内側面）に開口し、他端は第１及び第２層間離隔材１３００、１４００の枠開口ＢＴＯに連結される。
第１単位制限空間ＵＬＳ１から排出される流体と第２単位制限空間ＵＬＳ２から排出される流体とが互いに混ぜられないようにするために、第１層間離隔材１３００の枠流体流通路ＢＦＰと第２層間離隔材１４００の枠流体流通路ＢＦＰとは、相互重畳しない互いに異なる位置の枠開口ＢＴＯに設置できる。
例えば、第１層間離隔材１３００の枠流体流通路ＢＦＰは、第１枠開口ＢＴＯ１と第３の枠開口ＢＴＯ３に連結設置できる。すなわち、第１枠開口ＢＴＯ１と第３枠開口ＢＴＯ３は、第１層間離隔材１３００の開放された中央部ＣＯＰ、すなわち第１単位制限空間ＵＬＳ１と空間的に連結された開放型の枠開口であり得る。
一方、第１層間離隔材１３００の第２枠開口ＢＴＯ２と第４枠開口ＢＴＯ４には枠流体流通路が設置されなくてもよい。すなわち、第１層間離隔材１３００の第２枠開口ＢＴＯ２と第４枠開口ＢＴＯ４は、第１層間離隔材１３００の開放された中央部ＣＡ、すなわち第１単位制限空間ＵＬＳ１と空間的に連結されない閉鎖型の枠開口であり得る。
逆に、第２層間離隔材１４００の枠流体流通路ＢＦＰは、第２枠開口ＢＴＯ２と第４枠開口ＢＴＯ４に連結設置できる。すなわち、第２枠開口ＢＴＯ２と第４枠開口ＢＴＯ２は、第２層間離隔材１４００の開放された中央部ＣＡ、すなわち第２単位制限空間ＵＬＳ２と空間的に連結された開放型の枠開口であり得る。
一方、第２層間離隔材１４００の第１枠開口ＢＴＯ１と第３枠開口ＢＴＯ３には、枠流体流通路が設置されなくてもよい。すなわち、第２層間離隔材１４００の第１枠開口ＢＴＯ１と第３枠開口ＢＴＯ３は、第２層間離隔材１４００の開放された中央部ＣＡ、すなわち第２単位制限空間ＵＬＳ２と空間的に連結されない閉鎖型の枠開口であり得る。
第１及び第２層間離隔材１３００、１４００の枠開口ＢＴＯには、枠組立パイプ１６２１〜１６２４が挿入されるが、枠流体流通路ＢＦＰは、枠組立パイプ１６２１〜１６２４の分岐口ＤＨに連結できる。したがって、単位制限空間ＵＬＳ１、ＵＬＳ２は、枠流体流通路ＢＦＰを介して枠組立パイプ１６２１〜１６２４の内部と空間的に連結できる。枠流体流通路ＢＦＰは、流体投入口、第１流体排出口及び第２流体排出口のいずれか一つの役目をすることができる。すなわち、枠流体流通路ＢＦＰを介して、流体は単位制限空間ＵＬＳ１、ＵＬＳ２と枠組立パイプ１６２１〜１６２４との間を円滑に移動することができる。
第１及び第２層間離隔材１３００、１４００の枠部ＢＡの厚さは均一であることもあるが、枠流体流通路ＢＦＰが形成される部分がそうでない部分に比べてさらに厚いこともある。このように、枠流体流通路ＢＦＰが形成される部分が相対的に厚ければ、十分な大きさの内径を有する枠流体流通路ＢＦＰを確保するのに有利である。
図６０は図５６のＣ領域の斜視図である。図５２乃至図６０を参照すると、第１層間離隔材１３００は、対向する枠部ＢＡを連結する補強材１３１０をさらに含むことができる。補強材１３１０は、枠部ＢＡの一側辺から、それに対向する他側辺を連結することができる。補強材１３１０は、第１層間離隔材１３００の中央部ＣＡを通るように配置できる。図面では、互いに異なる方向に対向する辺同士を連結する２つの補強材１３１０が設置された場合が例示されているが、これに限定されるものではない。各補強材１３１０は、第１層間離隔材１３００の中央部ＣＡを横切るように設置できる。一実施形態において、補強材１３１０は鋼線からなってもよい。補強材１３１０は閉曲線からなるが、一部は枠部ＢＡの内側に挿入されて結合できる。他の実施形態において、補強材１３１０は、射出などによって枠部ＢＡと一体に形成されることも可能である。ただし、これに限定されるものではなく、補強材１３１０は板状型からなってもよい。
第１層間離隔材１３００に補強材１３１０が設置されることにより、第１単位制限空間ＵＬＳ１の圧力膨張による枠部ＢＡのねじれが防止できる。
補強材１３１０の厚さは、枠部ＢＡの厚さよりも薄いため、補強材１３１０が配置された領域上にも所定の空間が確保されるようにすることができる。補強材１３１０の厚さは、枠部ＢＡの厚さの２〜７０％程度であり得る。
一対の補強材１３１０が交差する交差領域は、流体分離膜１２００の中央開口ＣＯＰと重畳するように配置できる。併せて、一対の補強材１３１０の交差領域上には中央開口構造物１３２０が設置できる。
中央開口構造物１３２０は、ドーナツ状に形成され、内部に開口１３２１を含む。中央開口構造物１３２０内の開口１３２１は、流体分離膜１２００の中央開口ＣＯＰと重畳するように配置できる。中央開口構造物１３２０内の開口１３２１と流体分離膜１２００の中央開口ＣＯＰには中央組立パイプ１６１０が挿入される。
幾つかの実施形態において、中央組立パイプ１６１０が分岐口ＤＨを含む場合、中央開口構造物１３２０は、複数の中央流体流通路ＣＦＰを含むことができる。例えば、中央流体流通路ＣＦＰの一端は、中央開口構造物１３２０の側面で開口し、中央開口構造物ＣＦＰの内部開口１３２１に連結できる。したがって、中央組立パイプ１６１０の内部は、分岐口ＤＨ及び中央流体流通路ＣＦＰを介して第１単位制限空間ＵＬＳ１と空間的に連結できる。中央流体流通路ＣＦＰは、流体投入口、第１流体排出口及び第２流体排出口のいずれか一つの役目をすることができる。すなわち、中央流体流通路ＣＦＰを介して、流体は第１単位制限空間ＵＬＳ１と中央組立パイプ１６１０との間をスムーズに移動することができる。ただし、中央組立パイプが単に機械的強度を補強するために使用される場合、上述した分岐口や中央流体流通路は省略されてもよい。
図６１は図５２の枠組立パイプの斜視図である。図６２は図５２のＬＸＩＩ−ＬＸＩＩ’線に沿った断面図である。
図５２〜図６２を参照すると、各枠組立パイプ１６２１〜１６２４は、実質的に同一形状に形成される。枠組立パイプ１６２１〜１６２４は、内部が空いた中空パイプ状に形成される。枠組立パイプ１６２１〜１６２４の内部空き空間は、単位制限空間ＵＬＳ１、ＵＬＳ２から流入した流体の流路として活用される。
枠組立パイプ１６２１〜１６２４は複数の分岐口ＤＨを含む。各分岐口ＤＨは、積層される単位制限空間ＵＬＳ１、ＵＬＳ２のピッチまたはそのピッチの２倍の間隔で配置される。枠組立パイプ１６２１〜１６２４の分岐口ＤＨは、第１及び第２層間離隔材１３００、１４００の枠流体流通路ＢＦＰに連結される。分岐口ＤＨを介して枠組立パイプ１６２１〜１６２４の内部空き空間が枠流体流通路ＢＦＰと空間的に連結できる。第１単位制限空間ＵＬＳ１と第２単位制限空間ＵＬＳ２が交互に積層されている場合、第１枠開口ＢＴＯ１及び第３枠開口ＢＴＯ３にそれぞれ挿入される枠組立パイプ１６２１、６２３は第１単位制限空間ＵＬＳ１ごとに分岐口ＤＨが設置され、第２枠開口ＢＴＯ２及び第４枠開口ＢＴＯ４にそれぞれ挿入される枠組立パイプ１６２２、６２４は第２単位制限空間ＵＬＳ２ごとに分岐口ＤＨが設置され得る。
枠組立パイプ１６２１〜１６２４の両端には組立用ネジ山ＳＴが形成できる。複数の流体分離膜１２００と第１及び第２層間離隔材１３００、１４００を積層し、中央組立パイプ１６２１〜１６２４を挿入した後、組立用ネジ山ＳＴに組立ナット１６４０を締結することにより、流体分離膜１２００と第１及び第２層間離隔材１３００、１４００とを互いに強固に結合することができる。
枠組立パイプ１６２１〜１６２４は、両端に形成された固定孔ＦＨをさらに含むことができる。固定孔ＦＨには固定ピン１７１４が挿入されることにより、枠組立パイプ１６２１〜１６２４が回転せず、正確な位置を維持するようにすることができる。固定孔ＦＨ及び固定ピン１７１４は省略されてもよい。
中央組立パイプ１６１０は、固定孔ＦＨを有しない以外は、枠組立パイプ１６２１〜１６２４と実質的に同じ外形を持つことができる。すなわち、中央組立パイプ１６１０の両端には組立用ネジ山ＳＴが形成され、組立ナット１６４０によって締結できる。中央組立パイプ１６１０が機械的な強度を高めるために使用される場合、中央組立パイプ１６１０の内部は満たされていてもよい。しかし、中央組立パイプ１６１０を追加的な流体の移動通路として活用する場合には、枠組立パイプ１６２１〜１６２４と同様に中空形状が適用され、分岐口ＤＨが形成される。
第１単位制限空間ＵＬＳ１と第２単位制限空間ＵＬＳ２とは、互いに異なる圧力が加えられ得る。例えば、流体混合物が提供される第１単位制限空間ＵＬＳ１は、相対的に高い圧力が印加され、分離流体が排出だけされる第２単位制限空間ＵＬＳ２は、相対的に低い圧力が印加され得る。このため、第１単位制限空間ＵＬＳ１へ流体を投入する組立パイプ、例えば第１及び第３枠組立パイプ１６２１、６２３には、０〜４ｋｇｆ／ｃｍ２の圧力を加える第１ポンプ（図示せず）が連結設置され、第２単位制限空間ＵＬＳ２から流体を排出する第２及び第４枠組立パイプ１６２２、６２４には、０乃至−１ｋｇｆ／ｃｍ２の圧力を加える第２ポンプ（図示せず）が連結設置できる。
一方、第２層間離隔材１４００は、第１層間離隔材１３００とは異なり、補強材１３１０及び中央開口構造物１３２０を備えず、枠部ＢＡのみで構成できる。上述したように、第１単位制限空間ＵＬＳ１に比べて第２単位制限空間ＵＬＳ２の圧力を相対的に低く設定すると、第２層間離隔材１４００は圧力膨張によるねじれのおそれが低いので、補強材１３１０などが省略されてもよい。しかし、本発明はこれに限定されるものではない。
流体分離膜モジュール１１００は最外郭カバー１７１０、１７２０をさらに含むことができる。最外郭カバー１７１０、１７２０は、流体分離膜モジュール１１００の積層方向の両側の最外郭に位置する。最外郭カバー１７１０、１７２０は、流体分離膜１２００と同様に複数の周辺開口及び／または中央開口を含むことができる。
最外郭カバー１７１０、１７２０は、流体分離膜モジュール１１００における最外郭部の単位制限空間ＵＬＳ１またはＵＬＳ２を限定することができる。すなわち、流体分離膜モジュール１１００の積層方向最外郭部の単位制限空間ＵＬＳ１またはＵＬＳ２は、流体分離膜１２００、層間離隔材１３００または４００、及び最外郭カバー１７１０、１７２０から構成できる。最外郭カバー１７１０、１７２０は、流体分離膜１２００と実質的に同一の形状（板状型及び開口）を有することができるが、流体分離膜１２００とは異なり、流体の移動を許容しない物質、例えば、所定の剛性を有する金属物質からなってもよい。この場合、最外郭部の単位制限空間ＵＬＳ１またはＵＬＳ２で、流体は内側方向の流体分離膜１２００を介してのみ疎通するようになる。積層方向最外側部の単位制限空間は、第１単位制限空間ＵＬＳ１であり得るが、これに限定されるものではなく、第２単位制限空間ＵＬＳ２であってもよい。また、一側の最外郭部の単位制限空間は第１単位制限空間ＵＬＳ１であり、他側の最外郭部の単位制限空間は第２単位制限空間ＵＬＳ２であってもよい。
流体分離膜モジュール１１００に最外郭カバー１７１０、１７２０が設置される場合、各開口に組立パイプ１６１０、６２１〜６２４が挿入され、組立ナット１６４０は、最外郭カバー１７１０、１７２０の外側で締結される。固定ピン１７１４は、最外郭カバー１７１０、１７２０の側面から挿入される。最外郭カバー１７１０、１７２０が剛性のある金属からなる場合、圧力差による変形を防ぎ、内部の流体分離膜１２００を保護するだけでなく、組立ナット１６４０の締結時にも加圧による流体分離膜モジュール１１００の変形や損傷を防止することができる。
本発明の一実施形態に係る流体分離膜モジュール１１００は、板状型の流体分離膜１２００と層間離隔材１３００、１４００を積層し、組立パイプ１６１０、１６２１〜１６２４を用いて複数の流体分離膜１２００を一挙に固定することができるので、組立が簡単である。このような組立工程は、自動化が容易であって、高い工程効率を示すことができる。
以下、本発明の他の実施形態について説明する。
図６３は本発明の別の実施形態に係る流体分離膜モジュールの分解斜視図である。図６４は図６３の膜離隔材の斜視図である。図６５は図６３の分離膜、第２層間離隔材及び膜離隔材を緒に示す平面配置図である。
図６３〜図６５を参照すると、本実施形態に係る流体分離膜モジュール１１０１は、膜離隔材１２１０をさらに含むことが、図２の実施形態とは異なる点である。
具体的に説明すると、膜離隔材１２１０は第２単位制限空間ＵＬＳ２に配置できる。第２単位制限空間ＵＬＳ２が第１単位制限空間ＵＬＳ１に比べて低い圧力を持てば、その圧力差によって収縮できるが、２つの流体分離膜１２００が完全に相互密着すると、流体が移動することが可能な空間が減少する。したがって、第２単位制限空間ＵＬＳ２内で隣接する２つの流体分離膜１２００同士の間に膜離隔材１２１０を配置して、流体分離膜１２００が完全に相互密着することを防止することができる。
膜離隔材１２１０は、第２単位制限空間ＵＬＳ２をほとんどカバーする大きさを持つが、流体分離膜１２００よりは大きさが小さい。流体分離膜１２００は、第１及び第２層間離隔材の枠部ＢＡまで重なり合うが、膜離隔材１２１０は、第１及び第２層間離隔材１３００、１４００の枠部ＢＡに重ならず、その内部にのみ配置できる。膜離隔材１２１０は、枠開口を含まず、その代わりに第１及び第２層間離隔材１３００、１４００の枠開口ＢＴＯが形成された領域、すなわち、角部分が凹状に切開された形状（「１２１１」参照）を有することができる。枠組立パイプ１６２１は膜離隔材１２１０の凹部切開部１２１１の外側に通る。しかし、角部分の切開形状が凹んだ形状に限定されるものではなく、斜線などの他の形状に切開されてもよい。
膜離隔材１２１０の中央部には、中央組立パイプ（図５２の１６１０）の挿入を許容する中央開口ＣＯＰが設置できる。中央組立パイプ（図５２の１６１０）の挿入によって膜離隔材１２１０の遊動が１次固定され、第２単位制限空間ＵＬＳ２の収縮の際に、隣接する流体分離膜１２００に当接しながら遊動が２次固定され得る。
膜離隔材１２１０は、厚さ方向に流体が疎通することが可能な複数の開口１２１２を有する。例示的な実施形態において、膜離隔材１２１０は網目状を有することができる。複数の開口１２１２は、第２単位制限空間ＵＬＳ２の内部で流体が滞留または移動することが可能な空間を提供する。
膜離隔材１２１０は、平面方向にも流体移動通路を提供することができる。第２単位制限空間ＵＬＳ２の内部における平面方向への流体移動通路は、分離された流体を第２単位制限空間ＵＬＳ２の枠部ＢＡ（角部）へ伝達するために必要である。もし、隣接する２つの流体分離膜１２００が膜離隔材１２１０に完全に密着する場合、膜離隔材１２１０に厚さ方向への開口１２１２のみ存在すれば、流体は膜離隔材１２１０の開口１２１２の内部に閉じ込められ、第２層間離隔材１４００の枠開口ＢＴＰ側に伝達され難い。これを防止するために、膜離隔材１２１０は、平面方向への流体移動通路を提供する構成を含むことができる。前記構成の例としては、ねじれた網目構造の膜離隔材が適用できる。
ねじれた網目構造は、図６４の拡大図に示すように、網を構成する一方向の糸と他方向の糸とが互いに交差するとき、下方交差と上方交差とを繰り返してなされた構成である。よって、隣接する流体分離膜１２００が膜離隔材１２１０に密着しても、糸の交差領域に隙間が維持できる。このような隙間が平面方向の流体移動通路を提供することができる。
膜離隔材１２１０は、合成樹脂、ナイロン、ポリエステルなどの高分子物質、または金属材質からなってもよい。
図６６は本発明の別の実施形態に係る流体分離膜モジュールの分離膜、第２層間離隔材及び膜離隔材を一緒に示す平面配置図である。
図６６を参照すると、本実施形態に係る流体分離膜モジュールは、流体分離膜１２０１の周辺開口ＰＯＰと第１層間離隔材（図示せず）及び第２層間離隔材１４０１の枠開口ＢＴＯが形成された部分が外側に突出し、それにより膜離隔材１２２０は長方形状を有する点において、図６５の実施形態とは異なる。
本実施形態において、膜離隔材１２２０が長方形状をしても、枠組立パイプ（図５２の１６２１〜１６２４）が通る第１及び第２層間離隔材１３００、１４００の枠開口ＢＴＯが外側に突出しているので、枠組立パイプ（図５２の１６２１〜１６２４）が膜離隔材１２２０の外側に通ることができる。このように、長方形状の膜離隔材１２２０は、製造が容易なので、製造コストを低減させることができる。
図６７は本発明の別の実施形態に係る流体分離膜モジュールの部分断面図である。図６８は図６７の第１層間離隔材、分離膜及び第２層間離隔材の分解斜視図である。
図６７及び図６８を参照すると、本実施形態に係る流体分離膜モジュール１１０３は、第１層間離隔材１３０２と第２層間離隔材１４０２の枠部ＢＡが互いに噛み合う凹凸構造を有する点において、図５２の実施形態とは異なる。
例えば、第１層間離隔材１３０２は、枠部ＢＡの両表面に沿って凸状に突出した複数の凸部１３１２を含み、第２層間離隔材１４０２は、枠部ＢＡの両表面に沿って凹状に陥没した複数の凹部１４１２を含むことができる。第２層間離隔材１４０２の凹部１４１２は、第１層間離隔材１３０２の凸部１３１２に嵌合する形状を有することができる。凸部１３１２の高さと凹部１４１２の深さはそれぞれ枠部ＢＡの厚さの５〜８０％であり得る。
このような構造によって、第１層間離隔材１３０２と第２層間離隔材１４０２が流体分離膜１２００を挟んで交互に配置されて締結されるとき、第１層間離隔材１３０２の凸部１３１２が第２層間離隔材１４０２の凹部１４１２に挿入されることにより、流体分離膜モジュール１１０３の気密保持をさらに良好にし、機講的安定性を向上させることができる。
図面では第１層間離隔材１３０２の両表面に沿って２列の線形凸部１３１２が形成されており、第２層間離隔材１４０２の両表面に沿って２列の線形凹部１４１２が形成されている場合が例示されているが、凸部１３１２と凹部１４１２の数、形状、配置などは様々に変形可能である。例えば、凸部と凹部の数がそれぞれ一つまたは３つ以上であってもよく、凸部と凹部のパターンが線形ではなく、複数の島状パターンであってもよい。また、第１層間離隔材に凹部が形成され、第２層間離隔材に凸部が形成されてもよい。併せて、第１層間離隔材及び第２層間離隔材の一面と他面にそれぞれ凸部及び凹部が形成されてもよい。さらに、第１及び第２層間離隔材の一表面に凸部と凹部がすべて配置されてもよい。そのほか、流体分離膜モジュールの気密保持及び機構的安定性を高めるためのより多様な変形が可能であることは、当業者に自明であろう。
図６９は本発明の別の実施形態に係る流体分離膜モジュールの斜視図である。図７０は図６９のＬＸＸ−ＬＸＸ’線に沿った断面図である。
図６９及び図７０を参照すると、本実施形態に係る流体分離膜モジュール１１０４は、第１単位制限空間ＵＬＳ１と第２単位制限空間ＵＬＳ２の他に、第３単位制限空間ＵＬＳ３をさらに含むことが、図５２の実施形態とは異なる点である。第３単位制限空間は、第２単位制限空間ＵＬＳ２に隣接するように配置され、流体の多段分離を可能にする。
さらに具体的に説明すると、第３単位制限空間ＵＬＳ３及び第１単位制限空間ＵＬＳ１の両側には第２単位制限空間ＵＬＳ２が配置できる。また、第２単位制限空間ＵＬＳ２の一側には第１単位制限空間ＵＬＳ１が、他側には第３単位制限空間ＵＬＳ３が配置できる。すなわち、流体分離膜モジュール１１０４の各単位制限空間は、第１単位制限空間ＵＬＳ１、第２単位制限空間ＵＬＳ２、第３単位制限空間ＵＬＳ３、第２単位制限空間ＵＬＳ２、第１単位制限空間ＵＬＳ１の順に積層できる。流体分離膜モジュール１１０４における第１単位制限空間ＵＬＳ１と第３単位制限空間ＵＬＳ３の数は相互実質的に同一であり、第２単位制限空間ＵＬＳ２の数は第３単位制限空間ＵＬＳ３の数の２倍であり得る。
第１単位制限空間ＵＬＳ１へ混合流体が提供されると、隣接する第２単位制限空間ＵＬＳ２側への流体の１次分離が行われる。１次分離された混合流体は、隣接する第３単位制限空間ＵＬＳ３側へ移動しながら２次分離が行われる。このように、第１単位制限空間ＵＬＳ１から２つの分離膜を通過して２次分離された流体は、特定の流体に対してさらに高い濃度を持つようになる。すなわち、多段分離を介して高濃度の特定の流体を得ることができる。さらに高い濃度の特定の流体を分離するために、より多くの単位制限空間を配列することができるのはもちろんである。例えば、第３単位制限空間ＵＬＳ３に隣接するように第４単位制限空間を配置すると、３次分離が可能となってさらに高い濃度の流体を分離することができ、同じ方式で流体の所要の濃度に応じて単位制限空間の数を加減することができる。
第３単位制限空間ＵＬＳ３は、第２単位制限空間ＵＬＳ２と同様に、２つの流体分離膜１２００と第３層間離隔材１５００を含む。第３層間離隔材１５００は、第２層間離隔材１４００と実質的に同じ形状を有することができる。また、第３単位制限空間ＵＬＳ３及び／または第２単位制限空間ＵＬＳ２内には、図６３の実施形態のように膜離隔材が配置できる。
一方、第１乃至第３単位制限空間ＵＬＳ１〜ＵＬＳ３から排出される流体が混ぜられないようにするために、第１乃至第３層間離隔材１３００、１４００、１５００の枠流体流通路ＢＦＰはその設置位置が異なり得る。
例えば、第１単位制限空間ＵＬＳ１を構成する第１層間離隔材１３００は、第１枠開口ＢＴＯ１と第３枠開口ＢＴＯ３に枠流体流通路ＢＦＰが設置され、第２単位制限空間ＵＬＳ２を構成する第２層間離隔材１４００は、第２枠開口ＢＴＯ２に枠流体流通路ＢＦＰが設置され、第３単位制限空間ＵＬＳ３を構成する第３層間離隔材１５００は、第４枠開口ＢＴＯ４に枠流体流通路ＢＦＰが設置され得る。併せて、各枠開口ＢＴＯを貫通する枠組立パイプ１６２１〜１６２４は、締結の際に枠流体流通路ＢＦＰに連結される分岐口ＤＨを含むことができる。枠組立パイプ１５２１〜１５２４に形成される分岐口ＤＨの間隔は、枠流体流通路ＢＦＰの配置及び積層時の間隔によって異なることは自明である。
第１単位制限空間ＵＬＳ１と第３単位制限空間ＵＬＳ３は、互いに異なる圧力が加えられ得る。例えば、流体混合物が提供される第１単位制限空間ＵＬＳ１は相対的に高い圧力が印加され、分離流体が排出だけされる第３単位制限空間ＵＬＳ３は相対的に低い圧力が印加され得る。第１単位制限空間ＵＬＳ１に流体を投入する第１及び第３枠組立パイプ１６２１、１６２３には、０乃至８ｋｇｆ／ｃｍ２の圧力を加える第１ポンプ（図示せず）が連結設置され、第３単位制限空間ＵＬＳ３から流体を排出する第４枠組立パイプ１６２４には、０乃至−１ｋｇｆ／ｃｍ２の圧力を加える第２ポンプ（図示せず）が連結設置され得る。第２単位制限空間ＵＬＳ２は、直接圧力印加がなくても、隣接した第１単位制限空間ＵＬＳ１の圧力と第３単位制限空間ＵＬＳ３の圧力との中間圧力がかかることができる。
図７１は本発明の別の実施形態に係る流体分離膜モジュールの分解斜視図である。図７２は図７１の第１層間離隔材の平面図である。図７３は図７１の第２層間離隔材の平面図である。図７４は図７２のＤ領域の斜視図である。図７５は図７４のＬＸＸＶ−ＬＸＸＶ’線に沿った断面図である。
図７１乃至図７５を参照すると、本実施形態に係る流体分離膜モジュール１１０５は、第１層間離隔材１３０３と第２層間離隔材１４０３に、枠部ＢＡを厚さ方向に貫通する枠開口が省略される代わりに、側面方向に枠部ＢＡを貫通する少なくとも一つの側面開口ＢＳＯが形成されたことが、図２の実施形態とは異なる。
側面開口ＢＳＯは、第１層間離隔材１３０３と第２層間離隔材１４０３の枠部ＢＡ側面の外面と内面を貫通するように形成される。側面開口ＢＳＯの幅は、枠部ＢＡの厚さの１０乃至９０％の範囲であり得る。図面では、側面開口ＢＳＯの断面が円形である場合を例示しているが、その断面形状が円形に限定されないのはもちろんである。
側面開口ＢＳＯは、第１層間離隔材１３０３と第２層間離隔材１４０３の枠部ＢＡの辺に１つ以上配置できる。例えば、一つの枠部ＢＡの辺に１〜３０個の側面開口ＢＳＯが配置できるが、これに限定されるものではない。
側面開口ＢＳＯの形成位置は、第１層間離隔材１３０３と第２層間離隔材１４０３との間で互い違いになるように配列できる。例えば、第１層間離隔材１３０３の場合は、枠部ＢＡの左側辺の上部及び右側辺の下部に１つ以上の側面開口ＢＳＯが形成されるのに対し、第２層間離隔材１４０３の場合は、枠部ＢＡの右側辺の上部及び左側辺の下部に１つ以上の側面開口ＢＳＯが形成できる。
側面開口ＢＳＯの外側には枠流体流通管ＢＦＴが設置できる。枠流体流通管ＢＦＴは、枠部ＢＡの外側面に突出するように形成できる。枠流体流通管ＢＦＴは側面開口ＢＳＯに連結される。側面開口ＢＳＯ及び枠流体流通管ＢＦＴを介して、第１層間離隔材１３０３と第２層間離隔材１４０３の枠部ＢＡによって取り囲まれた中央部ＣＡ、すなわち第１単位制限空間ＵＬＳ１または第２単位制限空間ＵＬＳ２は外部と空間的に疎通する。側面開口ＢＳＯ（及び枠流体流通管）は枠流体流通路の役目をする。すなわち、側面開口ＢＳＯは流体投入口、第１流体排出口及び第２流体排出口のいずれか一つの役目をすることができる。
本発明を制限しない例示的な実施形態において、第１層間離隔材１３０３の枠部ＢＡの左側上部に配置された側面開口ＢＳＯは流体投入口として使用され、右側下部に配置された側面開口ＢＳＯは第１流体排出口として使用できる。また、第２層間離隔材１４０３の枠部ＢＡの右側上部及び左側下部に配置された側面開口ＢＳＯは、第２流体排出口として使用できる。
図７６は図７１の流体分離膜モジュールの側面図である。図７７は図７１の集合器と第１層間離隔材との結合部の断面図である。
図７１乃至図７７を参照すると、その機能が同じ側面開口ＢＳＯ及びそれに連結された枠流体流通管ＢＦＴは、集合器１７０１〜１７０４に連結できる。例えば、層間離隔材１３０３、１４０３の左側上部、左側下部、右側上部及び右側下部に複数の集合器１７０１〜１７０４が配置され、それぞれ隣接する側面開口ＢＳＯに連結された枠流体流通管ＢＦＴに連結できる。集合器１７０１〜１７０４を介して、それに連結された複数の単位制限空間ＵＬＳ１、ＵＬＳ２へ混合流体を提供するか、或いは各単位制限空間ＵＬＳ１、ＵＬＳ２から排出された分離流体を集めることができる。
集合器１７０１〜１７０４は流体流通管挿入ホールＴＩＳを含む。流体流通管挿入ホールＴＩＳは集合器１７０１〜１７０４の内方に突出することができる。流体流通管挿入ホールＴＩＳの内側突出部は、内方に行くほど幅が小さくなるようにテーパーされた形状を有することができる。集合器１７０１〜１７０４とそれに連結される第１及び第２層間離隔材１３０１、１４０１との間には、ガスケットなどの流体漏出を防止するシール材１７５０が取り付けられる。
図７８は図７１の分離膜と第２層間離隔材とを一緒に示す平面配置図である。図７１乃至図７８を参照すると、流体分離膜１２０３は、第１及び第２層間離隔材１３０３、１４０３の枠部ＢＡの上下面上に配置される。流体分離膜１２０１の大きさは、第１及び第２層間離隔材１３０３、１４０３の枠部ＢＡの大きさと同じかそれより小さく、第１及び第２層間離隔材１３０３、１４０３の枠部ＢＡに取り囲まれた中央部よりは大きくてもよい。本実施形態でのように、第１層間離隔材１３０３と第２層間離隔材１４０３の枠部ＢＡを厚さ方向に貫通する開口が省略された場合、流体分離膜１２０３でも周辺開口が省略されてもよい。ただし、流体分離膜１２０３は中央開口ＣＯＰを含み、第１層間離隔材１３０３は中央開口構造物１３２０を含み、これらを中央組立パイプ１６１０が貫通することにより、流体分離膜１２０３の遊動が防止できる。
一方、流体分離膜モジュール１１０５は最外郭カバー１７１１、１７２１をさらに含むことができる。最外郭カバー１７１１、１７２１は、流体分離膜モジュール１１０５の積層方向の両側の最外郭に位置する。最外郭カバー１７１１、１７２１は、中央組立パイプ１６１０が通る中央開口だけでなく、周辺開口をさらに含むことができる。例えば、最外郭カバー１７１１、１７２１の角と辺に１つ以上の周辺開口が形成できる。最外郭カバー１７１１、１７２１は、その大きさが第１及び第２層間離隔材１３０３、４０３と流体分離膜１２０３より大きくてもよい。さらに、最外郭カバー１７１１、１７２１の周辺開口は、第１及び第２層間離隔材１３０３、１４０３と流体分離膜１２０３の外側に位置することができる。
両側に位置する最外郭カバー１７１１、１７２１の対応する周辺開口には、それぞれ枠組立パイプ１６３１〜１６３８が挿入される。枠組立パイプ１６３１〜１６３８は、第１及び第２層間離隔材１３０３、１４０３の外側を通って両側の最外郭カバー１７１１、７２１の周辺開口を貫通する。中央及び枠組立パイプ１６１０、１６３１〜１６３８を固定するための組立ナット１６４０は最外郭カバー１６３１〜１６３８の外側で締結される。
本実施形態の場合、流体の疎通は、第１及び第２層間離隔材１３０３、１４０３の側面開口ＢＳＯ及び枠流体流通管ＢＦＴによって行われるので、中央及び枠組立パイプ１６１０、１６３１〜１６３８には分岐口ＤＨが備えられなくてもよい。
別個の図面で説明してはいないが、本実施形態の場合にも、図６９の実施形態と類似した方式であって、第３単位制限空間ＵＬＳ３などをさらに配置することにより、多段分離が適用できることは、当業者であれば容易に理解することができるだろう。
図７９は本発明の別の実施形態に係る流体分離膜モジュールの側面図である。図８０は図７９の流体分離膜モジュールの第１層間離隔材、分離膜及び第２層間離隔材の分解斜視図である。
図７９及び図８０を参照すると、本実施形態に係る流体分離膜モジュール１１０６は、第１及び第２層間離隔材１３０４、１４０４の枠部ＢＡの厚さが均一でないことが、図７１の実施形態とは異なる点である。
具体的に説明すると、第１及び第２層間離隔材１３０４、１４０４の枠部ＢＡは、側面開口ＢＳＯが形成された部分は相対的に厚く、側面開口ＢＳＯが形成されていない部分は相対的に薄く形成される。側面開口ＢＳＯが形成された部分は、相対的に厚ければ、十分な大きさの側面開口ＢＳＯを確保することが容易である。さらに、側面開口ＢＳＯが形成された部分を薄く形成することにより、流体分離膜モジュール１１０６の全般的な厚さを減少させることができる。
例えば、第１層間離隔材１３０４の枠部ＢＡの左側辺上部及び右側辺下部に１つ以上の側面開口ＢＳＯが形成され、左側辺下部及び右側辺上部には側面開口ＢＳＯが形成されていない場合、第１層間離隔材１３０４の枠部ＢＡの左側辺上部及び右側辺下部は相対的に厚く形成され、左側辺下部及び右側辺上部は相対的に薄く形成される。したがって、第１層間離隔材１３０４の左側辺と右側辺は厚い上部と薄い下部を含む。併せて、上辺と下辺の場合にも、隣接する左側辺と右側辺の厚さに相応する厚さを持つことができる。たとえば、上辺の左側と下辺の右側は相対的に厚く、上辺の右側と下辺の左側は相対的に薄い厚さを持つことができる。また、第１層間離隔材１３０４の各辺の厚い部分と薄い部分との間には、これらを連結する傾斜部ＳＬＰが形成できる。
第２層間離隔材１４０４は、第１層間離隔材１３０４とは逆に、枠部ＢＡの左側辺下部及び右側辺上部には側面開口ＢＳＯが形成され、左側辺上部及び右側辺下部には側面開口ＢＳＯが形成されなくてもよい。それにより、第２層間離隔材１４０４の枠部ＢＡの左側辺上部及び右側辺下部は相対的に薄く形成され、左側辺下部及び右側辺上部は相対的に厚く形成される。また、上辺の左側と下辺の右側は相対的に薄く、上辺の右側と下辺の左側は相対的に厚い厚さを持つことができる。また、第２層間離隔材１４０４の各辺の厚い部分と薄い部分との間には、これらを連結する傾斜部ＳＬＰが形成できる。
前述したような構造の第１層間離隔材１３０４と第２層間離隔材１４０４を相互交互に積層する場合、第１層間離隔材１３０４の枠部ＢＡの厚い部分と第２層間離隔材１４０４の枠部ＢＡの薄い部分が隣接し、第１層間離隔材１３０４の枠部ＢＡの薄い部分と第２層間離隔材１４０４の枠部ＢＡの厚い部分が隣接して配置できる。さらに、第１層間離隔材１３０４と第２層間離隔材１４０４は、積層方向に互いに嵌合する形状を有することができる。それにより、十分な側面開口ＢＳＯを確保しながらも、効率の良い空間活用が可能である。併せて、交互に積層される第１層間離隔材１３０４と第２層間離隔材１４０４が互いに嵌合することにより、これらがさらに強固に密着できる。
図示してはいないが、隣接する第１層間離隔材１３０４と第２層間離隔材１４０４に図６７の実施形態のような相互嵌合する凹凸構造がさらに形成されてもよい。この場合、第１層間離隔材１３０４と第２層間離隔材１４０４との密着がより安定的に行われ得る。
図８１は本発明の別の実施形態に係る流体分離膜モジュールの概略図である。図８１を参照すると、本実施形態に係る流体分離膜モジュール３１は、四角枠形状の第１及び第２層間離隔材の代わりに、互いに離隔した一対の終端離隔材３１ａと一対の管間離隔材３１ｂを適用した点において、図５１の実施形態とは異なる。
さらに具体的に説明すると、流体分離膜モジュール３１は、積層された複数の流体分離膜３１ｃ及び複数の離隔材３１ａ、３１ｂを含む。各流体分離膜３１ｃはチューブ型からなってもよい。ここで、チューブ型とは、その形状がチューブ状であることを指す。押出などの方法で一体的にチューブ状に形成されたものだけでなく、長方形の分離膜を準備し、対向する２辺を巻いて接着剤などで結合することによりチューブ状を持つものも、チューブ型分離膜と呼ばれる。
流体分離膜３１ｃは、一方向に延長された形状を有する。各流体分離膜３１ｃは相互重畳するように配置される。重畳方向は、流体分離膜３１ｃのチューブ延長方向（長さ方向）とは異なる方向、例えば垂直方向であり得る。重畳する流体分離膜３１ｃの数は限定がない。例えば、数十個〜数千個以上である。
流体分離膜３１ｃの内部と外部は、流体分離膜３１ｃの壁を基準に物理的に分離されている。少なくとも一部の流体は、流体分離膜３１ｃを通過して流体分離膜３１ｃの内部と外部を疎通することができ、これは特定の流体の分離に用いられる。
流体分離膜３１ｃの内部には終端離隔材３１ａが配置され、積層方向に隣り合う流体分離膜３１ｃ同士の間には管間離隔材３１ｂが配置される。終端離隔材３１ａは、それぞれ流体分離膜３１ｃのチューブ延長方向の両端に配置される。管間離隔材３１ｂは終端離隔材３１ａに隣接して配置される。
流体分離膜３１ｃ同士の間には、隣接する２つの流体分離膜３１ｃと終端離隔材３１ａによって取り囲まれた第１単位制限空間ＵＬＳ１が定義される。第１単位制限空間ＵＬＳ１は、流体混合物ＭＦの提供を直接受ける空間である。このため、第１単位制限空間ＵＬＳ１は流体投入口ＦＳを含む。また、第１単位制限空間ＵＬＳ１は、分離後に残留する残余流体ＭＦ１を排出する第１流体排出口ＦＤ１を含む。
流体分離膜３１ｃの内部には、流体分離膜３１ｃの管壁及び両端の終端離隔材３１ａによって取り囲まれた第２単位制限空間ＵＬＳ２が定義される。第２単位制限空間ＵＬＳ２は、流体混合物ＭＦの提供を直接受けない空間である。よって、第２単位制限空間ＵＬＳ２は、別途の流体投入口を含まない。第２単位制限空間ＵＬＳ２は、分離された流体ＭＦ２を排出する第２流体排出口ＦＤ２を含む。
第１単位制限空間ＵＬＳ１と第２単位制限空間ＵＬＳ２とは隣接して配置される。複数の第１単位制限空間ＵＬＳ１と第２単位制限空間ＵＬＳ２が相互交互に配置できる。
第１単位制限空間ＵＬＳ１の流体投入口ＦＳを介して提供される流体混合物ＭＦが窒素と二酸化炭素を含み、流体分離膜３１ｃを通じた二酸化炭素の移動度が窒素よりも高い場合、第１単位制限空間ＵＬＳ１の内部は、二酸化炭素の濃度が相対的に低くなりながら窒素の濃度は相対的に高くなり、隣接する第２単位制限空間ＵＬＳ２の内部は二酸化炭素の濃度が高くなりながら窒素の濃度は相対的に低くなる。よって、第１流体排出口ＦＤ１では、相対的に窒素の含有量が高い流体混合物ＭＦ１が排出され、第２流体排出口ＦＤ２では、相対的に二酸化炭素の含有量が高い流体混合物ＭＦ２が排出され得る。
各第１単位制限空間ＵＬＳ１及び第２単位制限空間ＵＬＳ２は、流体分離膜３１ｃによって区分されており、この流体分離膜３１ｃを介して流体の移動が行われ得る。一つの第１単位制限空間ＵＬＳ１の両側には第２単位制限空間ＵＬＳ２が配置され、第１単位制限空間ＵＬＳ１内に提供された混合流体ＭＦの一部が両側の第２単位制限空間ＵＬＳ２へ移動することができる。また、１つの第２単位制限空間ＵＬＳ２の両側には２つの第１単位制限空間ＵＬＳ１が配置され、両側の第１単位制限空間ＵＬＳ１から第２単位制限空間ＵＬＳ２へ混合流体ＭＦの一部が移動することができる。
本実施形態に係る流体分離膜モジュール３１は、積層方向に複数の単位制限空間が配置されるので、一つのモジュール内で複数の分離空間を確保することができる。積層個数は、例えば、数十個〜数千個以上である。単位制限空間の積層個数が増えるほど、分離容量も一緒に増えることができる。よって、大容量の流体分離が可能である。
また、第３単位制限空間などをさらに追加して積層することにより、１次分離されて第２単位制限空間に移動した流体を再び第３単位制限空間へ移動させることもできる。このような多段分離を介して高濃度の流体分離が可能になる。
以下、上述した流体分離膜モジュールの構造についてさらに詳細に説明する。
図８２は本発明の別の実施形態に係る流体分離膜モジュールの斜視図である。図８３は図８２の流体分離膜モジュールの正面図である。図８４は図８２の流体分離膜モジュールの側面図である。図８５は図８２の流体分離膜モジュールの平面図である。図８６は図８２のＬＸＸＸＶＩ−ＬＸＸＸＶＩ’線に沿った断面図である。
図８２乃至図８６を参照すると、本実施形態に係る流体分離膜モジュール２１００は、複数の流体分離膜２２００、複数の管間離隔材２４００、複数の終端離隔材２３００、及び複数の組立パイプ２６２０を含む。
流体分離膜２２００は、先立って説明したのと同様なので、重複説明は省略する。
流体分離膜２２００の長さ方向の両端には終端離隔材２３００が配置される。終端離隔材２３００は流体分離膜２２００の内部に配置できる。流体分離膜２２００と終端離隔材２３００との間は接着剤を介して付着及びシールできる。流体分離膜２２００の長さ方向の両端は接着剤によってシールできる。他の例として、流体分離膜２２００の長さ方向の両端は、それ自体が詰まっているかシールされている。
チューブ状の流体分離膜２２００の内部には膜離隔材２２１０が配置できる。流体分離膜２２００の内部が流体分離膜２２００の外部よりも低い圧力を持てば、その圧力差によって収縮することができるが、流体分離膜２２００の内壁が完全に密着すると、流体が移動することが可能な空間が減る。流体分離膜２２００の内部に膜離隔材２２１０を配置することにより、流体分離膜２２００の内壁が完全に密着することを防止することができる。膜離隔材２２１０は、網目構造、さらに具体的にはねじれた網目構造を持つことができるが、これらに限定されるものではない。
流体分離膜２２００は、両端部位に複数の開口を含む。流体分離膜２２００の開口は、終端離隔材２３００の貫通ホール（以下、終端貫通ホール２３００Ｈ）及び管間離隔材２４００の貫通ホール（以下、管間貫通ホール２４００Ｈ）と同じ位置に形成できる。流体分離膜２２００の開口、終端貫通ホール２３００Ｈ、管間貫通ホール２４００Ｈの断面は、すべて同じ形状（例えば、円形）及び実質的に同じ内径を持つことができる。
終端離隔材２３００と管間離隔材２４００は交互に積層される。すなわち、終端離隔材２３００と管間離隔材２４００は、積層方向に交互に配列され、相互重畳するように配置できる。後述する組立パイプ２６２０が流体分離膜２２００の開口、終端貫通ホール２３００Ｈ及び管間貫通ホール２４００Ｈを貫通するように挿入され、これらを相互に結合させる。組立パイプ２６２０の断面は、挿入される流体分離膜２２００の開口、終端貫通ホール２３００Ｈ及び管間貫通ホール２４００Ｈと同じ形状（例えば、円形）を有することができる。組立パイプ２６２０の断面の外径は、挿入される流体分離膜２２００の開口、終端貫通ホール２３００Ｈ及び管間貫通ホール２４００Ｈの内径と同じかそれよりも小さいことがある。組立パイプ２６２０の外径は５乃至５０ｍｍであり得る。
図８７は図８２の終端離隔材の斜視図である。図８８は図８７のＬＸＸＸＶＩＩＩ−ＬＸＸＸＶＩＩＩ’線に沿った断面図である。
図８２乃至図８８を参照すると、終端離隔材２３００は、流体分離膜２２００の内部に集められた流体を外部へ引き出す役目、及び流体分離膜２２００を積層させるときの応力に耐えて密閉状態を維持させる役目をする。終端離隔材２３００は、流体分離膜２２００の内部で流体分離膜２２００の両端に一対ずつ配置できる。両端に配置された終端離隔材２３００は、相互離隔し、それらの間の空間に第２単位制限空間（図８１のＵＬＳ２）が定義される。
終端離隔材２３００は、少なくとも一つの終端貫通ホール２３００Ｈ、及び終端貫通ホール２３００Ｈに連結された少なくとも一つの流体流通路ＢＦＰを含む。
終端離隔材２３００は、一側の角付近で傾斜面を持つことができる。すなわち、終端離隔材２３００は、中央部では均一な厚さを有するが、流体分離膜２２００の内部及び外部を向くように配置される角付近では厚さが益々小さくなり得る。
終端貫通ホール２３００Ｈは、終端離隔材２３００の厚さ方向を貫通するように形成される。終端貫通ホール２３００Ｈは、厚さ方向に均一な厚さを有する終端離隔材２３００の中央部に形成できる。終端貫通ホール２３００Ｈは複数個形成できる。図面では、４つの終端貫通ホール２３００Ｈが形成された場合が例示されているが、１個、２個、３個、または５個乃至２０個が形成されてもよい。終端貫通ホール２３００Ｈは、流体分離膜２２００の開口と重畳するように配置できる。
複数の終端貫通ホール２３００Ｈのうちの少なくとも一部には流体流通路ＢＦＰが連結できる。流体流通路ＢＦＰは、第２単位制限空間ＵＬＳ２、すなわち、流体分離膜２２００の内部と終端貫通ホール２３００Ｈとを空間的に連結する。例えば、流体流通路ＢＦＰの一端は、終端貫通ホール２３００Ｈに連結され、流体流通路ＢＦＰの他端は、終端離隔材２３００の外側に開口する。具体的には、流体流通路ＢＦＰの他端は、流体分離膜２２００の内部を向くように配置される終端離隔材２３００の角部位に開口してもよい。各終端貫通ホール２３００Ｈに連結された流体流通路ＢＦＰの数は複数個であってもよい。図面では、３つの流体流通路ＢＦＰが配置された場合が例示されているが、これに限定されるものではなく、１〜１０個の流体流通路ＢＦＰが配置できる。流体流通路ＢＦＰの直径は、終端離隔材２３００の中央部の厚さの１０〜８０％の範囲である。
複数の終端貫通ホール２３００Ｈのうち、他の一部には流体流通路ＢＦＰが連結されなくてもよい。例えば、４つの終端貫通ホール２３００Ｈのうち、外郭の２つの終端貫通ホール２３００Ｈにはそれぞれ３つの流体流通路ＢＦＰが連結されるのに対し、中央の２つの終端貫通ホール２３００Ｈには流体流通路ＢＦＰが設置されなくてもよい。
図８９は図８２の管間離隔材の斜視図である。図８２乃至図８９を参照すると、管間離隔材２４００は、流体分離膜２２００の外部に流体混合物を供給し、分離が完了した残余液体を外側へ排出する役目、及び隣接する流体分離膜２２００が相互密着しないように離隔させる役目をする。流体分離膜２２００の長さ方向の両端に配置される管間離隔材２４００のいずれか一つは流体混合物の供給を担当し、もう一つは残余流体の排出を担当することができる。
管間離隔材２４００も、終端離隔材２３００と同様の形状を有し、管間貫通ホール２４００Ｈ及び流体流通路ＢＦＰを含む。また、管間離隔材２４００も、終端離隔材２３００と同様に、流体分離膜２２００の両端付近に一対ずつ配置できる。一対の管間離隔材２４００は、相互離隔し、それらの間の空間に第１単位制限空間（図１のＵＬＳ１）が定義される。
各管間離隔材２４００と各終端離隔材２３００は、積層方向に重畳するように配置できる。さらに、管間貫通ホール２４００Ｈは、終端貫通ホール２３００Ｈと重畳するように配置される。管間離隔材２４００の流体流通路ＢＦＰは、第１単位制限空間ＵＬＳ１、すなわち、流体分離膜２２００の外部と管間貫通ホール２４００Ｈとを空間的に連結する。
ただし、管間離隔材２４００の流体流通路ＢＦＰは、終端離隔材２３００の流体流通路ＢＦＰとは重畳方向の設置位置が異なることが好ましい。積層される終端離隔材２３００と管間離隔材２４００における同じ位置（積層の際に重畳する位置）の終端貫通ホール２３００Ｈ及び管間貫通ホール２４００Ｈに組立パイプ２６２０が挿入されるが、重畳方向に同じ位置の終端貫通ホール２３００Ｈ及び管間貫通ホール２４００Ｈの両方ともに流体流通路ＢＦＰが設置される場合、組立パイプ２６２０を介して第１単位制限空間ＵＬＳ１と第２単位制限空間ＵＬＳ２とが空間的に連結できる。これは、流体が流体分離膜２２００の壁を介して分離されずに直接移動することができることを意味する。したがって、終端離隔材２３００が外郭の２つの終端貫通ホール２３００Ｈに流体流通路ＢＦＰが連結されている場合、管間離隔材２４００Ｈは、中央の２つの管間貫通ホール２４００Ｈに流体流通路ＢＦＰが連結できる。
図９０は図８２の組立パイプの斜視図である。
図８２乃至図９０を参照すると、複数の組立パイプ２６２０は実質的に同一の形状に形成される。組立パイプ２６２０は内部の空いた中空パイプ形状に形成される。組立パイプ２６２０の内部空き空間は、単位制限空間ＵＬＳ１、ＵＬＳ２から流入した流体の流路として活用される。
組立パイプ２６２０は複数の分岐口ＤＨを含む。各分岐口ＤＨは、挿入締結時に該当する終端／管間貫通ホール２３００Ｈ、４００Ｈの流体流通路ＢＦＰの位置に合わせて配置される。たとえば、２つの外郭の終端／管間貫通ホール２３００Ｈ、４００Ｈを通過する組立パイプ２６２０の分岐口ＤＨは、第２単位制限空間ＵＬＳ２側に開口する流体流通路ＢＦＰと連結されるように配置される。２つの中央の終端／管間貫通ホール２３００Ｈ、４００Ｈを通過する組立パイプ２６２０の分岐口ＤＨは、第１単位制限空間ＵＬＳ１側に開口する流体流通路ＢＦＰと連結されるように配置される。一方、図面では、３つの流体流通路ＢＦＰに対応して３つの分岐口ＤＨが形成された例が示されているが、一つの分岐口ＤＨが３つの流体流通路ＢＦＰをカバーすることが可能な大きさに形成されてもよい。
組立パイプ２６２０の両端には組立用ネジ山ＳＴが形成できる。複数の流体分離膜２２００、終端離隔材２３００、管間離隔材２４００を積層し、組立パイプ２６２０を挿入した後、組立用ネジ山ＳＴに組立ナット２６４０を締結することにより、流体分離膜２２００、終端離隔材２３００、管間離隔材２４００を相互に強固に結合することができる。
組立パイプ２６２０は、両端に形成された固定孔ＦＨをさらに含むことができる。固定孔ＦＨには固定ピン２７１４が挿入されることにより、組立パイプ２６２０が回転せずに正確な位置を維持するようにすることができる。固定孔ＦＨ及び固定ピン２７１４は省略されてもよい。
組立パイプ２６２０の両端は開放され、開放された両端を介して流体が流通することができる。第１単位制限空間ＵＬＳ１に連結された組立パイプ２６２０に流体混合物を投入すると、二酸化炭素などの特定の流体が流体分離膜２２００を介して第２単位制限空間ＵＬＳ２へ移動し、それに連結された組立パイプ２６２０を介して排出できる。
第１単位制限空間ＵＬＳ１と第２単位制限空間ＵＬＳ２は、互いに異なる圧力が加えられ得る。例えば、流体混合物が提供される第１単位制限空間ＵＬＳ１は、相対的に高い圧力が印加され、分離流体が排出だけされる第２単位制限空間ＵＬＳ２は、相対的に低い圧力が印加できる。このため、第１単位制限空間ＵＬＳ１に流体を投入する組立パイプ２６２０には、０乃至４ｋｇｆ／ｃｍ２の圧力を加える第１ポンプ（図示せず）が連結設置され、第２単位制限空間ＵＬＳ２から流体を排出する組立パイプ２６２０には、０乃至−１ｋｇｆ／ｃｍ２の圧力を加える第２ポンプ（図示せず）が連結設置できる。
流体分離膜モジュール２１００は、最外郭カバー２７１０、２７２０をさらに含むことができる。最外郭カバー２７１０、２７２０は、流体分離膜モジュール２１００の積層方向の両側の最外郭に位置する。最外郭カバー２７１０、２７２０は、組立パイプ２６２０が挿入される開口を含むことができる。
流体分離膜モジュール２１００に最外郭カバー２７１０、２７２０が設置される場合、各開口に組立パイプ２６２０が挿入され、組立ナット２６４０は最外郭カバー２７１０、２７２０の外側で締結される。固定ピン２７１４は最外郭カバー２７１０、２７２０の側面から挿入される。最外郭カバー２７１０、２７２０が剛性のある金属からなる場合、圧力差による変形を防ぎ、内部の流体分離膜２２００を保護するのみならず、組立ナット２６４０の締結時にも加圧による流体分離膜モジュール２１００の変形や損傷を防止することができる。
本実施形態の場合、複数の流体分離膜２２００が組立パイプ２６２０によって強固に結合されて機械的強度に優れる。また、組立パイプ２６２０を流体流入／排出路として活用することができるため、引出導管、引出導管集合器などを省略してもよい。したがって、構造が単純化されるうえ、組立が簡単である。
以下、本発明の他の実施形態について説明する。
図９１及び図９２は本発明の他の実施形態に係る終端離隔材の部分側面図である。図９１及び図９２の実施形態は、終端／管間貫通ホールの大きさや形状が組立パイプのそれと異なることにより、流体流通空間を確保することができることを例示する。
図９１の実施形態では、組立パイプ２６２０の断面と終端離隔材２３０１の終端貫通ホール２３０１Ｈの断面は、実質的に同じ円形の形状であるが、終端貫通ホール２３０１Ｈの大きさがより大きい。組立パイプ２６２０は、終端貫通ホール２３０１Ｈの流体流通路ＢＦＰが形成された部位の反対側の側壁に接するように設置される。したがって、流体流通路ＢＦＰの付近には流体流通空間ＦＦＳが確保できる。このため、流体流通路ＢＦＰ付近の縦断貫通ホール２３０１Ｈの内壁には突起ＨＰＰが形成できる。流体流通空間ＦＦＳの確保により、垂直方向に組立パイプ２６２０に流体の流れが妨げられることを防止することができる。
図９１では、組立パイプ２６２０の断面と終端貫通ホール２３０１Ｈの断面とが円形である場合を例示したが、組立パイプ２６２０の断面は円形であるのに対し、終端貫通ホール２３０１Ｈの断面は楕円であっても、流体流通空間ＦＦＳを確保することができ、他の様々な変形が可能である。
図９２の実施形態では、組立パイプ２６２０の断面が全体的に円形であり、終端貫通ホール２３０２Ｈの断面も部分的に円形であるが、流体流通路ＢＦＰが形成された部位で終端貫通ホール２３０１Ｈがさらに陥没（「ＨＲＡ」参照）している。したがって、部分的に組立パイプ２６２０と終端貫通ホール２３０２Ｈとが完全に接しても、終端貫通ホール２３０２Ｈの陥没部ＨＲＡで離隔するので、流体流通空間ＦＦＳが確保できる。
図９３は本発明の別の実施形態に係る終端離隔材の側面図である。図９３を参照すると、終端離隔材２３０３が配置される流体分離膜２２００の内部には膜離隔材２２１０が配置されるが、流体分離膜２２００の内部で膜離隔材２２１０が動く場合、十分な機能を行い難いのはもとより、流体分離膜２２００に損傷を加えるおそれもある。これを防止するために、終端離隔材２３０３は、流体分離膜２２００の内部を向くように配置される角付近に接合突起ＣＰＰ及び／または接合ホールＣＨＰをさらに含むことができる。膜離隔材２２１０やその他の内部機構を流体分離膜２２００の内部で接合ホールＣＨＰに吊り下げるか或いは接合突起ＣＰＰに接合することにより、その自重や風、振動、外部からの衝撃などにより流体分離膜２２００が損傷するのを防止することができる。
図９４は本発明の別の実施形態に係る管間離隔材の側面図である。図９５は図９４のＸＣＶ−ＸＣＶ’線に沿った断面図である。
図９４及び図９５を参照すると、管間離隔材２４０１は、水平方向（管間貫通ホールの貫通方向に対して垂直方向）に貫通する流体流通路ＨＢＦＰを含むことができる。第１単位制限空間ＵＬＳ１へ組立パイプ２６２０を介して流体を供給しない場合には、管間貫通ホール２４０１Ｈには流体流通路の連結が不要である。その代わり、管間離隔材２４０１Ｈの水平方向に貫通する流体流通路ＨＢＦＰを形成することにより、これにより、管間離隔材２４０１の外部から第１単位制限空間ＵＬＳ１に流体を供給することができる。水平貫通の流体流通路ＨＢＦＰは、管間貫通ホール２４０１Ｈに連結されず、管間貫通ホール２４０１Ｈの外郭または管間貫通ホール２４０１Ｈ同士の間に形成できる。水平貫通の流体流通路ＨＢＦＰの大きさは、管間離隔材２４０１の厚さの１０乃至８０％の範囲であり得る。
図９６は本発明の別の実施形態に係る終端離隔材と管間離隔材を一緒に示す平面図である。
図９６を参照すると、本実施形態に係る終端離隔材２３０４は、終端貫通ホール２３０４Ｈの周辺に沿って凸部ＥＢ１が形成されており、管間離隔材２４０４は、管間貫通ホール２４０４Ｈの周辺に沿って凹部ＥＢ２が形成されている。終端離隔材２３０４の凸部ＥＢ１は管間離隔材２４０４の凹部ＥＢ２に嵌合する形状であり、互いに対応する位置に設置される。このように隣接する終端離隔材２３０４と管間離隔材２４０４との間に凸部ＥＢ１及び凹部ＥＢ２が形成されると、モジュール締結の際に流体分離膜２２００を挟んで凹凸結合がなされてさらに良好な気密性が確保できる。
図示した例とは異なり、終端貫通ホールの周辺に沿って凹部が形成され、管間貫通ホールの周辺に沿って凸部が形成されてもよい。また、終端／管間離隔材の一側面には凹部が形成され、他側面には凸部が形成されても、これらが嵌合する方式で締結する場合、気密性の確保が可能である。
図９７は本発明の別の実施形態に係る終端離隔材と管間離隔材を一緒に示す平面図である。図９８は図９７の終端離隔材と管間離隔材を複数個締結した状態を示す概略図である。
図９７及び図９８を参照すると、本実施形態に係る終端離隔材２３０５と管間離隔材２４０５は、凹凸結合をすることは図９６と類似するが、終端／管間貫通ホール２３０５Ｈ、２４０５Ｈの周辺の部分的な凹凸結合ではなく、全体厚さの調整による凹凸結合であるという点において、図９６の実施形態とは異なる。
具体的に説明すると、流体流通路ＢＦＰが連結された終端／管間貫通ホール２３０５Ｈ、２４０５Ｈの部位は厚い反面（凸部）、流体流通路ＢＦＰがない終端／管間貫通ホール２３０５Ｈ、２４０５Ｈの部位は薄い（凹部）。上述したように、終端離隔材２３０５及び管間離隔材２４０５において流体流通路ＢＦＰが形成される終端／管間貫通ホール２３０５Ｈ、２４０５Ｈの位置は相違する。よって、終端離隔材２３０５における厚い部位は管間離隔材２４０５における薄い部位に当接し、終端離隔材２３０５における薄い部位は管間離隔材２４０５における厚い部位に当接することができる。したがって、全般的な厚さを減少させることができるため、集積度を向上させることができる。
図９９は本発明の別の実施形態に係る終端離隔材の平面図である。図１００は図９９の側面図である。
図９９及び図１００を参照すると、上述した図９７の終端離隔材２３０５と管間離隔材２４０５は、厚さの薄い部分があるため、機械的に弱いおそれがある。これを補強するために、本実施形態に係る終端離隔材２３０６は、その内部に補強材ＳＵＰをさらに含むことができる。補強材ＳＵＰの厚さは終端離隔材２３０６の最小厚さよりも小さいことができる。補強材ＳＵＰは、終端離隔材２３０６の内部に配置され、外部からは視認できない。
補強材ＳＵＰは、例えば、金属板、強い繊維などからなり得る。平面上の配置において、補強材ＳＵＰは、終端貫通ホール２３０５Ｈ及び流体流通路ＢＦＰを遮らない形状からなり得る。終端離隔材２３０６が樹脂からなり、補強材ＳＵＰが板状型からなる場合、補強材ＳＵＰは、厚さ方向に貫通する複数のホールＳＰＨを含むことができる。複数のホールＳＰＨを介して補強材ＳＵＰの両面に樹脂が互いに連結されるので、補強材ＳＵＰと樹脂が互いに分離されるのを防止することができる。
以上の実施形態では終端離隔材２３０６の例を挙げて説明するが、管間離隔材にも同様に適用可能であることは自明である。
図１０１は本発明の別の実施形態に係る流体分離膜モジュールの部分平面図である。図１０２は図１０１の流体分離膜モジュールの正面図である。図１０３は図１０１の流体分離膜モジュールの部分側面図である。図１０４は図１０１の組立パイプの斜視図である。
図１０１乃至図１０４を参照すると、本実施形態に係る流体分離膜モジュール２２１０１は、最外郭カバー２７１１に連結配管２７１１ＦＴが形成されているという点において、図８２の実施形態とは異なる。
さらに具体的に説明すると、４つの貫通ホール２７１１Ｈのうち、中央部に位置する２つの貫通ホール２７１１Ｈを通過する組立パイプ２６２１は、第１単位制限空間ＵＬＳ１と空間的に連結されており、流体混合物の供給または残余流体の排出を担当する。４つの貫通ホール２７１１Ｈのうち、外郭に位置する２つの貫通ホール２７１１Ｈを通過する組立パイプ２６２１は、分離された流体の移動を担当する。
このように、互いに同じ機能をするものの、異なる位置にある貫通ホール２７１１Ｈ及び組立パイプ２６２１を一つに連結すると、流体の供給／排出を統合的に行うことができる。このため、最外郭カバー２７１１に連結配管２７１１ＦＴが設置される。さらに、組立パイプ２６２１にも、内部連結配管２７１１ＦＴに連結される連結開口ＨＦＣが形成されてもよい。
連結配管２７１１ＦＴは、最外郭カバー２７１１の内部に形成できる。連結配管２７１１ＦＴは、最外郭カバー２７１１の外側に引出口を開口することができる。連結配管２７１１ＦＴの引出口２７１１ＦＯを介して供給または排出される流体を収集することができる。すなわち、集合配管の役割を行うことができる。この場合、組立パイプ２６２１の両端は、開放される必要がなく、ボルトなどで密閉することができる。
連結配管２７１１ＦＴとしては、別途の配管を最外郭カバー２７１１の内部に配置することもできるが、最外郭カバー２７１１の内部をトンネル状に掘ってこれを連結配管２７１１ＦＴとして使用することもできる。さらに、最外郭カバーの表面に溝を形成し、蓋を覆って連結配管として使用することもできる。
図面では連結配管２７１１ＦＴが最外郭カバー２７１１の内部に形成された場合を例示したが、同じ機能を行う連結配管２７１１ＦＴが最外郭カバー２７１１の外側に設置されてもよい。
図１０５は本発明の別の実施形態に係る終端離隔材の側面図である。図１０６は図２５及び図２６の分離膜と図１０５の終端離隔材との締結関係を示す正面図である。
図１０５及び図１０６を参照すると、本実施形態に係る終端離隔材２３０７は、流体分離膜１０７を収容する収容溝２３０７ＲＡを含む。収容溝２３０７ＲＡには、流体分離膜１０７の通気孔１０７Ｈ側が挿入される。すなわち、本実施形態は、終端離隔材２３０７が流体分離膜１０７の内部に配置されず、流体分離膜１０７の両端外側に配置されるという点において、図８２の実施形態とは異なる。
収容溝２３０７ＲＡとそれに隣接する分離薄膜２２２０との間を接着剤を用いてシールすると、終端離隔材２３０７と流体分離膜１０７との安定的な締結が可能となる。本実施形態において、流体分離膜１０７は、図８２の実施形態とは異なり、組立パイプが通過する開口を含まなくてもよい。図面において、未説明符号「２３０７Ｈ」は終端貫通ホールを示す。
前述したような流体分離膜、流体分離膜モジュール、流体分離装置は様々な分野に適用できる。たとえば、流体分離装置が火力発電所などに設置され、火力発電所から排出される排気ガスから特定の流体、例えば二酸化炭素を分離及び捕集するのに適用できる。以下、流体分離装置が火力発電所に設置された場合の適用例について説明する。
図１０７は本発明の一実施形態に係る流体分離装置を含む火力発電システムの概略図である。
図１０７を参照すると、火力発電システム３０００は、燃焼室３２００、燃焼室３２００から排出された排気ガスの提供を受ける流体分離装置３１００、及び流体分離装置３１００に連結された排気煙突３４００を含むことができる。火力発電システム３０００は、燃焼室３２００と流体分離装置３１００との間に排気ガス浄化装置３３００をさらに含むことができる。各装置の間には、排気ガスの移動する流路管３５００が設置できる。
燃焼室３２００は、化石燃料を燃焼させ、その熱によって給水を昇温して蒸気を生成する。生成した蒸気は発電タービンに送られて発電を行う。燃焼室３２００から排出された排気ガスは流路管３５００を介して排出される。
流路管３５００を介して排出された排気ガスは排気ガス浄化装置３３００へ供給される。排気ガス浄化装置３３００は、排気ガスの成分に応じて適切な装置が選択できる。例えば、燃焼室から排出される排気ガスが粉塵、窒素酸化物及び硫黄酸化物を含む場合、排気ガス浄化装置３３００は、脱塵装置３３１０、脱硝装置３３２０、脱硫装置３３３０を含むことができる。脱塵装置３３１０は、排気ガスに混合されている粉塵を除去する。脱硝装置３３２０は、排気ガスに混合されている窒素酸化物を除去する。脱硫装置３３３０は、排気ガスに混合された硫黄酸化物を除去する。脱塵装置３３１０、脱硝装置３３２０、脱硫装置３３３０は、それぞれ別個の設備として提供され、それぞれ流路管３５００によって直列に連結できる。しかし、これに限定されるものではなく、上述した２つ以上の装置が１つの設備に統合されてもよい。
排気ガス浄化装置３３００を介して有害成分が除去された排気ガスは、排気煙突３４００を介して放出される前に、流体分離装置３１００に提供される。流体分離装置３１００は、排気ガスに含まれている流体のうちの特定の流体を分離し、残余気体を排出する。流体分離装置３１００から排出された残余気体は、流路管３３００を介して排気煙突３４００に伝達されて外部へ排出される。
以下、流体分離装置３１００についてさらに詳細に説明する。
図１０８は本発明の一実施形態に係る流体分離装置の概略図である。図１０７及び図１０８を参照すると、流体分離装置３１００は、流体分離膜モジュール３１１０、圧縮機３１２０、及び供給及び排出流路管３５１０、３５２０を含む。
流体分離膜モジュール３１１０は、流体混合物ＭＦから特定の流体を分離するのに使用される装置である。本実施形態において、流体分離膜モジュール３１１０は、流体混合物ＭＦとして、二酸化炭素と窒素などを含有する排気ガスの供給を受け、そのガスから特定の流体である二酸化炭素を分離することができる。流体分離膜モジュール３１１０は、流体投入口及び流体排出口を含む。流体排出口は、高濃度の二酸化炭素が排出される第１流体排出口、及び残余ガスが排出される第２流体排出口を含む。流体分離膜モジュール３１１０についての詳細な説明は後述する。
一方、流体分離膜モジュール３１１０は、供給される気体の圧力が高いほど分離度が増加する。したがって、圧縮機３１２０を介して排気ガスの圧力を高めることにより、流体分離膜モジュール３１１０の分離効率を増加させることができる。このため、流体分離膜モジュール３１１０を基準に供給端に圧縮機３１２０が配置される。圧縮機３１２０は、流路管３５００を介して伝達された排気ガスの圧力を高める役目をする。例えば、排気ガス浄化装置３３００を介して浄化された排気ガスの圧力が１ｂａｒである場合、圧縮機３１２０は、排気ガスの圧力を４ｂａｒに上昇させることができる。圧縮機３１２０により排気ガスの圧力が上がると、排気ガスの温度も上昇する。例えば、排気ガス浄化装置３３００を介して浄化された排気ガスの温度が６０〜８０℃である場合には、圧縮機３１２０によって加圧された排気ガスの温度は１５０乃至２００℃であり得る。
流路管３５００は、流体分離膜モジュール３１１０を基準に、入力側に位置する供給流路管３５１０と、出力側に位置する排出流路管３５２０とを含む。供給流路管３５１０は、圧縮機３１２０と流体分離膜モジュール３１１０とを連結することができる。排出流路管３５２０は、流体分離膜モジュール３１１０と排気煙突との間を連結することができる。供給流路管３５１０を介して流れる流体は、流体分離膜モジュール３１１０で一部が分離され、残りの一部が排出流路管３５２０を介して移動する。すなわち、排出流路管３５２０を介して流れる流体はすべて供給流路管３５１０を介して移動した流体である。
一方、流体分離膜モジュール３１１０に供給される排気ガスは、圧力が高い方が有利であるが、温度が高すぎる場合、分離膜が損傷するおそれがある。したがって、圧縮機３１２０の加圧によって過度に温度が上昇した排気ガスを再び冷却させることが好ましい。例えば、１５０乃至２００℃である排気ガスの温度を６０乃至８０℃まで下降させた後、流体分離膜モジュール３１１０に提供することができる。
また、排気煙突３４００を介して排出される排気ガスは、温度が低ければ移動速度が低くなるので、結露現象が発生し、或いは排気ガスに残留する微細粉塵、硫黄酸化物などが排気煙突３４００の壁に付着するおそれがある。これを防止するためには、排気ガスの温度が外部の大気温度に比べて十分に高いことが好ましい。例えば、流体分離膜モジュール３１１０へ供給される排気ガスの温度が６０乃至８０℃である場合、流体分離膜モジュール３１１０を通過して排出される排気ガス（残余ガス）の温度はさらに低くなって５０乃至７０℃程度になることがある。排出流路管３５２０を通過しながらその温度がさらに低くなり、排気ガスの温度は４０乃至５０℃程度になることがある。しかし、この程度の温度では、上述した結露などの問題を解決するのに十分ではない。そこで、排気煙突３４００に進入する前に、その温度を例えば９０乃至１００℃のレベルに上昇させることが好ましい。
すなわち、流体分離膜モジュール３１１０に供給される排気ガスは温度を下降させ、流体分離膜モジュール３１１０から排出される排気ガスは温度を上昇させることが好ましい。一つの解決方案は、供給流路管３５１０に冷却器を設置し、排出流路管３５２０にヒーターを設置することである。しかし、冷却器とヒーターを同時に設置することはエネルギーの観点から非効率的である。
効果的な温度上昇と温度下降を同時に達成するために、供給流路管３５１０の少なくとも一部と排出流路管３５２０の少なくとも一部とが隣接するように配置される。隣接して配置された供給流路管３５１０及び排出流路管３５２０は熱交換部を構成する。すなわち、供給流路管３５１０を通過する高温の排気ガスは、隣接した排出流路管３５２０を通過する相対的に低い温度の排気ガス側に熱エネルギーが奪われて温度が低くなり、逆に排出流路管３５２０を通過する低い温度の排気ガスは、隣接した供給流路管３５１０を通過する相対的に高い温度の排気ガスから熱エネルギーを得て温度が高くなる。上述したように、排出流路管３５２０を通過する排気ガスはすべて供給流路管３５１０を通り過ぎてきたものであって、該当排気ガスは昇温の役割及び冷却の役割の両方を行うのである。
供給流路管３５１０を通過する排気ガスの温度下降目標値が、排出流路管３５２０を通過する排気ガスの温度上昇目標値よりも大きい場合には、熱交換部内に滞留する排気ガスの量を調節することにより、所望の目標値を達成することができる。例えば、熱交換部において排出流路管３５２０の直径を供給流路管３５１０の直径よりもさらに大きく設置すると、熱交換部を通過した供給流路管３５１０の排気ガス温度がさらに低くなることができる。
熱交換効率をさらに高めるために、熱交換部の供給流路管３５１０における排気ガスの移動方向と排出流路管３５２０における排気ガスの移動方向とは互いに反対であり得る。
図示してはいないが、熱交換部は、隣接して配置された供給流路管３５１０と排出流路管３５２０に加えて、熱損失を防止するためのチャンバーをさらに含むことができる。また、熱交換部以外に、好ましい温度への到達を補助するために冷却器及び／またはヒーターがさらに設置されてもよい。この場合にも、エネルギー効率が増加する。
流体分離膜モジュール３１１０と熱交換部との間の排出流路管３５２０には、圧力調節器３１３０が設置できる。圧力調節器は、排気ガスの圧力を調節することにより、熱交換部に進入する流体の速度を制御する一方で、動力を回収して再利用することができるようにする。圧力調節器３１３０は、例えばターボエキスパンダーが挙げられるが、これに限定されるものではない。
一方、前述したような流体分離膜、流体分離膜モジュール、流体分離装置は、空気浄化装置としても使用できる。空気浄化装置は、空気中に混合されている有害な成分を除去してクリーンな空気を提供する装置である。通常、教室、病院、潜水艦などの密閉された空間で多く使用される。
空気浄化装置が除去対象として多く注目しているものの一つは微細粉塵である。通常の空気浄化装置は、物理的または化学的フィルターを介して微細粉塵を濾過する方式を取っている。ところで、密閉された空間では、微細空気だけでなく、二酸化炭素の濃度も居住環境に重要な変数となる。二酸化炭素は、該当空間に居住する人や動物の呼吸により発生し、二酸化炭素の濃度が高い環境下で、居住者は集中力が低下し、疲労感を感じ易いうえ、ひどい場合には呼吸困難を引き起こすおそれがある。上述したように、本発明の実施形態に係る流体分離膜、流体分離膜モジュール、流体分離装置は、二酸化炭素を効率よく分離することができるので、従来の空気浄化装置の限界を克服することができる。以下、本発明の一実施形態に係る空気浄化装置について説明する。
図１０９は本発明の一実施形態に係る空気浄化装置の概略図である。図１０９では流体分離装置として図３の流体分離装置を含む場合を例示する。しかし、これに限定されるものではなく、他の様々な実施形態による流体分離膜、流体分離膜モジュールまたは流体分離装置が適用できるのはもちろんである。
空気浄化装置４２００は流体分離装置３と真空ポンプ４２１０を含む。
真空ポンプ４２１０は、流体分離装置３によって分離された空気を、空気浄化装置４２００が配置された空間（室内）の外部（屋外）へ排出させる役目をする。真空ポンプ４２１０は、流路管４２２０を介して流体分離装置３に連結される。流路管４２２０は、真空ポンプ４２１０に連結される一方で、流体分離装置３の流体排出口のうち、分離された流体を排出する排出口に連結される。例えば、図３の実施形態に係る流体分離装置３が適用される場合、流路管４２２０は第１流体排出口２１に連結される。流路管４２２０は、真空ポンプ４２１０を経て、空気浄化装置４２００が配置された空間（室内）の外部（屋外）まで延長される。真空ポンプ４２１０が動作を行うと、流路管４２２０に陰圧がかかり、これにより、流体分離装置３から真空ポンプ４２１０側へ分離された空気が移動し、真空ポンプ４２１０を経て外部へ放出できる。
空気浄化装置４２００は膨張タンク４２３０及び真空スイッチ４２４０をさらに含むことができる。
膨張タンク４２３０は、真空ポンプ４２１０と流体分離装置３との間の流路管４２２０に連結される。流体分離装置３によって分離された空気は、流路管４２２０を介して膨張タンク４２３０に貯蔵される。
真空スイッチ４２４０は、膨張タンク４２３０の圧力に応じて真空ポンプ４２１０の動作を制御する。すなわち、真空スイッチ４２４０の一端は電源に連結され、他端は真空ポンプ４２１０に連結される。真空スイッチ４２４０の制御端は膨張タンク４２３０に連結される。膨張タンク４２３０が所定の圧力未満である場合には、真空スイッチ４２４０がターンオフされて真空ポンプ４２１０が動作しない。膨張タンク４２３０が所定の圧力以上である場合には、真空スイッチ４２４０がターンオンされて真空ポンプ４２１０が動作する。したがって、流体分離装置３によって分離された空気が膨張タンク４２３０に一定量以上蓄積されたときにのみ、真空ポンプ４２１０が動作する。このように、真空ポンプ４２１０が連続的に稼動せず、必要に応じてのみ動作すれば、騒音を低減させることができるだけでなく、真空ポンプ４２１０の寿命を延長させることができるという利点がある。
空気浄化装置４２００は、ファン（ｆａｎ）４２５０をさらに含むことができる。ファン４２５０は、空気浄化装置４２００が配置された空間（室内）の空気を循環させる一方で、その空気を流体分離装置３に能動的に提供する役目をする。ファン４２５０は、流体分離装置３の流体投入口２５の近くに配置できる。ファン４２５０が動作すると、発生する風により、流体分離装置３にさらに多くの空気が提供できる。ファン４２５０は、別途備えられてもよいが、空気浄化装置４２００が備えられた場所の他の装置、例えばエアコン、扇風機、換気扇などに備えられたファンが活用されてもよい。ファン４２５０は、空気浄化装置４２００の下側または上側に位置することができる。
以上、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明したが、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者は、本発明の技術的思想や必須の特徴を変更することなく、他の具体的な形態で実施できることを理解することができるだろう。したがって、上述した実施形態は、あらゆる面で例示的なもので、限定的なものではないと理解すべきである。

Claims (36)

  1. 一方向に延長され且つ断面が閉曲線形状を有する流体分離膜として、膜質の厚さが０．１ｍｍ乃至２ｍｍであり、断面を円形に調整したときに外径が６０ｍｍ乃至３６０ｍｍである流体分離膜を含む、流体分離装置。
  2. 延長方向への長さが５００ｍｍ乃至５０００ｍｍである、請求項１に記載の流体分離装置。
  3. 前記厚さ（ｄ）、直径（Ｒ１）及び前記長さ（Ｌ）が下記式を満足する、請求項１に記載の流体分離装置。
    （式）ｄ／（Ｌ×Ｒ１）≧１／３００００００
  4. 前記流体分離膜がシリコーンゴムを含む、請求項１に記載の流体分離装置。
  5. 前記流体分離膜は、断面形状が、第１方向の幅が第２方向の幅よりも大きい閉曲線形状を有する、請求項１に記載の流体分離装置。
  6. 幅方向が前記第１方向に対応するように前記流体分離膜の内部に配置された膜離隔材をさらに含む、請求項５に記載の流体分離装置。
  7. 前記膜離隔材は、複数の幹部と、前記幹部同士の間の空間に配置され、厚さ方向に形成された複数の開口を含む網部とを含み、
    前記幹部は、前記流体分離膜の長さ方向に延長された中空型の垂直幹部を含み、前記垂直幹部は複数のホールを含む、請求項６に記載の流体分離装置。
  8. 前記流体分離膜は、厚さ方向に開放された複数の開口を含む支持体部と、
    前記開口を満たす分離膜部とを含み、
    前記支持体部の間の前記開口中央部の前記分離膜部の厚さは、前記支持体部の周辺の前記分離膜部の厚さよりも小さい、請求項１に記載の流体分離装置。
  9. 前記流体分離膜は、複数の表面凹凸及び複数の内部気孔を含み、厚さ方向に一側表面と他側表面を貫通する完全な開放路を備えない、請求項１に記載の流体分離装置。
  10. 前記内部気孔が占める体積は、前記流体分離膜の全体体積の０．１乃至２０％である、請求項９に記載の流体分離装置。
  11. 前記流体分離膜は、チューブ状の第１分離膜と、
    前記第１分離膜内に挿入されて前記第１分離膜と重なり合うように配置されるチューブ状の第２分離膜とを含む、請求項１に記載の流体分離装置。
  12. 前記第１分離膜と前記第２分離膜との間に配置された第１離隔材、及び前記第２分離膜内に配置された第２離隔材をさらに含む、請求項１１に記載の流体分離装置。
  13. チャンバーと、
    前記チャンバーの内部へ、分離対象流体を含む複数種の流体が含まれている混合流体を案内する第１流路と、
    前記チャンバーの内部に備えられ、前記混合流体から前記分離対象流体の少なくとも一部を分離する複数の分離ユニットを含む流体分離部と、
    前記流体分離部によって分離された分離対象流体を前記チャンバーの外部へ案内する第２流路と、
    前記チャンバー内の残余流体を前記チャンバーの外部へ案内する第３流路とを含み、
    前記分離ユニットは、
    少なくとも１回Ｕ字状に曲げられて前記チャンバーの内部に位置し、前記第２流路に連結される複数の流体分離膜を含み、
    前記流体分離膜は、前記流体分離膜の外部へ流動する前記混合流体から前記分離対象流体の少なくとも一部を前記流体分離膜の内部へ流動させる、流体分離装置。
  14. 前記チャンバーの内部から前記第１流路及び前記第３流路に連通する空間は陽圧雰囲気に維持され、前記チャンバーの内部から前記第２流路に連通する空間は陰圧雰囲気に維持される、請求項１３に記載の流体分離装置。
  15. 前記流体分離膜は、前記チャンバー内に複数個が備えられ、
    前記チャンバーの内部に備えられて前記第２流路の一部を形成し、前記複数の流体分離膜から前記分離された分離対象流体の伝達を受ける分離流体集合部をさらに含む、請求項１４に記載の流体分離装置。
  16. 前記分離流体集合部は、前記複数の流体分離膜の両端にそれぞれ結合される複数の仲介チューブと、
    前記複数の仲介チューブを介して伝達された、前記分離された分離対象流体が混入される滞留空間が内部に形成された本体部と、
    前記本体部の一側に形成され、前記滞留空間内の前記分離された分離対象流体を前記本体部から排出する本体部排出口とを含む、請求項１５に記載の流体分離装置。
  17. 前記流体分離膜が、前記チャンバー内で曲げられた状態を維持するように前記流体分離膜を支持する流体分離膜保持部をさらに含み、
    前記流体分離膜保持部は、
    前記流体分離膜の少なくとも一部が前記流体分離膜の一箇所を中心にＵ形状に曲げられるように前記一箇所を支持する流体分離膜ハンガー、及び
    前記チャンバーの内部に備えられ、前記流体分離膜ハンガーを支持するハンガーホルダーを含む、請求項１３に記載の流体分離装置。
  18. 前記チャンバーは、前記第１流路の一部を形成する混合流体流入口を含み、
    前記混合流体流入口と前記チャンバーの内部で連結される第１混合流体誘導管と、前記第１混合流体誘導管から分岐し、前記第１混合流体誘導管から伝達された前記混合流体を前記チャンバーの内部へ拡散させる複数の第２混合流体誘導管とを含む混合流体拡散部をさらに含む、請求項１３に記載の流体分離装置。
  19. 前記チャンバーは、前記第３流路の一部を形成する残余流体排出口を含み、
    前記残余流体排出口と前記チャンバーの内部で連結される第１残余流体誘導管と、前記第１残余流体誘導管から分岐し、前記残余流体を前記第１残余流体誘導管へ案内する複数の第２残余流体誘導管とを含む残余流体収集部をさらに含む、請求項１３に記載の流体分離装置。
  20. 相互重畳するように積層された複数の分離膜と、
    前記各分離膜の間に配置され、枠部及び前記枠部に取り囲まれて少なくとも部分的に開放された中央部を含む複数の層間離隔材と、
    前記複数の分離膜及び前記複数の層間離隔材を貫通する組立パイプとを含み、
    前記分離膜は前記枠部の両面上に配置される、流体分離膜モジュール。
  21. 前記分離膜は、周辺開口を含み、
    前記層間離隔材は、前記枠部の厚さ方向に貫通し、前記周辺開口と重畳する枠開口を含み、
    前記組立パイプは、前記分離膜の前記周辺開口及び前記層間離隔材の前記枠開口を貫通する枠組立パイプを含む、請求項２０に記載の流体分離膜モジュール。
  22. 前記周辺開口及び前記枠開口は複数個であり、
    前記複数の枠開口は、前記中央部と空間的に連結された開放型の枠開口、及び前記中央部と空間的に連結されない閉鎖型の枠開口を含む、請求項２１に記載の流体分離膜モジュール。
  23. 前記層間離隔材は、その両面に配置される前記分離膜と一緒に第１単位制限空間を定義する第１層間離隔材と、
    その両面に配置される前記分離膜と一緒に第２単位制限空間を定義する第２層間離隔材とを含み、
    前記第１層間離隔材の前記開放型の枠開口と前記第２層間離隔材の前記開放型の枠開口との位置は相互重畳しない、請求項２２に記載の流体分離膜モジュール。
  24. 相互重畳するように積層された複数の分離膜と、
    前記各分離膜の間に配置され、枠部、前記枠部に取り囲まれて少なくとも部分的に開放された中央部、及び前記枠部を側面方向に貫通する側面開口を含む複数の層間離隔材とを含む、流体分離膜モジュール。
  25. 前記側面開口の外側に突出するように設置され、前記側面開口に連結された枠流体流通管をさらに含む、請求項２４に記載の流体分離膜モジュール。
  26. 前記層間離隔材は、その両面に配置される分離膜と一緒に第１単位制限空間を定義する第１層間離隔材と、
    その両面に配置される分離膜と一緒に第２単位制限空間を定義する第２層間離隔材とを含み、
    前記第１層間離隔材の前記側面開口と前記第２層間離隔材の前記側面開口はその位置が互いに異なる、請求項２５に記載の流体分離膜モジュール。
  27. 相互重畳するように積層された複数のチューブ状の分離膜と、
    前記分離膜の両端に設置された終端離隔材と、
    隣接する前記分離膜同士の間で前記終端離隔材と重畳するように配置された管間離隔材と、
    前記終端離隔材及び前記管間離隔材を貫通する組立パイプとを含む、流体分離膜モジュール。
  28. 前記終端離隔材は、少なくとも一つの終端貫通ホールを含み、
    前記管間離隔材は、前記終端貫通ホールに重畳した少なくとも一つの管間貫通ホールを含み、
    前記組立パイプは、重畳した前記終端貫通ホール及び前記管間貫通ホールを貫通する、請求項２７に記載の流体分離膜モジュール。
  29. 前記終端貫通ホール及び前記管間貫通ホールは、それぞれ複数個であり、
    前記終端離隔材は、一部の前記終端貫通ホールに連結され、前記終端離隔材の外側に開口する流体流通路を含み、
    前記管間離隔材は、一部の前記管間貫通ホールに連結され、前記管間離隔材の外側に開口する流体流通路を含む、請求項２８に記載の流体分離膜モジュール。
  30. 前記終端離隔材の流体流通路が連結された前記終端貫通ホール、及び前記管間離隔材の流体流通路が連結された前記管間貫通ホールは、重畳方向に互いに異なる位置にあり、
    前記終端離隔材の流体流通路が連結された前記終端貫通ホール、及び前記管間離隔材の流体流通路が連結された前記管間貫通ホールは、それぞれ複数個である、請求項２９に記載の流体分離膜モジュール。
  31. 前記組立パイプは、貫通する前記終端貫通ホール及び前記管間貫通ホールに連結された前記流体流通路と連結される分岐口を含む、請求項３０に記載の流体分離膜モジュール。
  32. 前記分離膜の積層方向の両側に配置された最外郭カバーをさらに含み、
    前記最外郭カバーは、前記終端離隔材の流体流通路が連結された前記終端貫通ホールを通過する組立パイプを連結する連結配管、及び前記管間離隔材の流体流通路が連結された前記管間貫通ホールを通過する組立パイプを連結する連結配管を含む、請求項３１に記載の流体分離膜モジュール。
  33. 流体分離膜を含む流体分離膜モジュールと、
    前記流体分離膜モジュールの入力側に位置する供給流路管と、
    前記流体分離膜モジュールの出力側に位置する排出流路管と、
    前記供給流路管を介して前記流体分離膜モジュールに連結され、流体を加圧する圧縮機とを含み、
    前記供給流路管の少なくとも一部と前記排出流路管の少なくとも一部とは隣接して配置されて熱交換部を構成する、流体分離装置。
  34. 前記排出流路管を移動する流体は、前記供給流路管を移動した流体である、請求項３３に記載の流体分離装置。
  35. 流体分離膜を含む流体分離装置と、
    前記流体分離装置で分離された空気を外部へ排出させる真空ポンプと、
    前記流体分離装置と前記真空ポンプとを連結する流路管とを含む、空気浄化装置。
  36. 前記流体分離装置と前記真空ポンプとの間の前記流路管に連結された膨張タンクをさらに含み、前記膨張タンクの圧力に応じて前記真空ポンプの動作を制御する真空スイッチをさらに含む、請求項３５に記載の空気浄化装置。
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