JP2019198847A - 流路スペーサ及びスパイラル型膜エレメント - Google Patents

Abstract

【課題】せん断応力と圧力損失とのバランスに優れた流路スペーサを提供する。【解決手段】本開示の流路スペーサ（１３）は、複数の第１線状部（２１）及び複数の第２線状部（２２）を備えている。互いに隣り合う第１線状部（２１）及び互いに隣り合う第２線状部（２２）から選ばれる少なくとも１つが第１の間隔（Ｗ１）で配列されている第１対（Ｐ１）と、互いに隣り合う第１線状部（２１）及び互いに隣り合う第２線状部（２２）から選ばれる少なくとも１つが第１の間隔（Ｗ１）よりも狭い第２の間隔（Ｗ２）で配列されている第２対（Ｐ２）と、互いに隣り合う第１線状部（２１）及び互いに隣り合う第２線状部（２２）から選ばれる少なくとも１つが第２の間隔（Ｗ２）よりも狭い第３の間隔（Ｗ３）で配列されている第３対（Ｐ３）と、が存在する。【選択図】図２

Description

本開示は、流路スペーサ及びスパイラル型膜エレメントに関する。

海水の淡水化、純水の製造などの水処理には、例えば、スパイラル型膜エレメントが使用される。スパイラル型膜エレメントは、集水管と、集水管の周りに巻回された複数の分離膜とを有する。処理されるべき原水の流路を確保するために、隣り合う分離膜の間には、メッシュ構造を有する原水流路スペーサが配置されている。

特許文献１には、原水の流れ方向に沿って配置された縦糸と、原水の流れ方向に対して交差する方向に沿って配置された横糸とを備えた原水流路スペーサが記載されている。特許文献１には、横糸が縦糸よりも細いことによって、原水の流路における圧力損失を低減できることが記載されている。

特開２００５−３０５４２２号公報

流路スペーサには、低い圧力損失を達成できることだけでなく、濃度分極層が形成されることを抑制する性能も要求される。濃度分極層は、分離膜を透過できないイオン、塩類などの溶質の濃度の高い層であり、溶質が分離膜の表面の近傍に蓄積することによって形成される。濃度分極層は、分離膜の表面の近傍における浸透圧を上昇させ、透過水の量を減少させる。

濃度分極層の形成されやすさは、分離膜に作用するせん断応力の大きさで表すことができる。分離膜に作用するせん断応力が大きければ大きいほど分離膜の表面の近傍から溶質が押し流されやすい。つまり、濃度分極層が形成されにくい。

ただし、せん断応力と圧力損失とは本質的にトレードオフの関係にあり、これらを両立させることは容易ではない。本開示は、せん断応力と圧力損失とのバランスに優れた流路スペーサ及びそれを用いたスパイラル型膜エレメントを提供する。

本開示は、
スパイラル型膜エレメントの集液管に巻回された分離膜間に挟まれて使用される流路スペーサであって、
第１方向にそれぞれ延びる複数の第１線状部と、
前記第１方向に対して傾斜した第２方向にそれぞれ延びる複数の第２線状部と、
を備え、
互いに隣り合う前記第１線状部及び互いに隣り合う前記第２線状部から選ばれる少なくとも１つが第１の間隔で配列されている第１対と、互いに隣り合う前記第１線状部及び互いに隣り合う前記第２線状部から選ばれる少なくとも１つが前記第１の間隔よりも狭い第２の間隔で配列されている第２対と、互いに隣り合う前記第１線状部及び互いに隣り合う前記第２線状部から選ばれる少なくとも１つが前記第２の間隔よりも狭い第３の間隔で配列されている第３対と、が存在する、流路スペーサを提供する。

本開示によれば、せん断応力と圧力損失とのバランスに優れた流路スペーサを提供できる。

図１は、本開示の一実施形態に係るスパイラル型膜エレメントの斜視図である。 図２は、図１に示すスパイラル型膜エレメントに使用された第１流路スペーサの部分平面図である。 図３は、分離膜間に配置された第１流路スペーサの部分断面図である。 図４は、変形例１に係る第１流路スペーサの部分平面図である。 図５は、変形例２に係る第１流路スペーサの部分平面図である。 図６は、変形例３に係る第１流路スペーサの部分平面図である。 図７は、変形例４に係る第１流路スペーサの部分平面図である。 図８は、変形例５に係る第１流路スペーサの部分平面図である。 図９は、変形例６に係る第１流路スペーサの部分平面図である。 図１０は、シミュレーションに用いた流路スペーサのモデルを示す図である。

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。本開示は、以下の実施形態に限定されない。

図１は、本開示の一実施形態に係るスパイラル型膜エレメントを部分的に展開して示している。スパイラル型膜エレメント１０（以下、単に「膜エレメント１０」とも称する）は、集液管１１、複数の分離膜１２、第１流路スペーサ１３及び第２流路スペーサ１４を備えている。

本明細書において、Ｘ方向は、集液管１１の長手方向（軸方向）に平行な方向を表す。Ｙ方向及びＺ方向は、集液管１１の半径方向を表し、互いに直交している。

複数の分離膜１２は、互いに重ね合わされ、袋状の構造を有するように３辺において封止され、集液管１１に巻き付けられている。袋状の構造の外部に位置するように、分離膜１２と分離膜１２との間に第１流路スペーサ１３が配置されている。第１流路スペーサ１３は、分離膜１２と分離膜１２との間に原液の流路としての空間を確保している。袋状の構造の内部に位置するように、分離膜１２と分離膜１２との間に第２流路スペーサ１４が配置されている。第２流路スペーサ１４は、分離膜１２と分離膜１２との間に透過液の流路としての空間を確保している。透過液の流路が集液管１１に連通するように、袋状の構造の開口端が集液管１１に接続されている。原液の種類は特に限定されない。原液は、海水であってもよく、排水であってよく、純水の製造のための水であってもよい。

集液管１１は、各分離膜１２を透過した透過液を集めて膜エレメント１０の外部に導く役割を担っている。集液管１１は、典型的には、樹脂製の管である。集液管１１には、その長手方向に沿って複数の貫通孔１１ｈが所定間隔で設けられている。透過液は、これらの貫通孔１１ｈを通じて集液管１１の中に流入する。

分離膜１２としては、逆浸透膜、ナノろ過膜、限外ろ過膜、精密ろ過膜などが挙げられる。

第１流路スペーサ１３は、原液流路スペーサ又は供給側流路材とも呼ばれる。第１流路スペーサ１３は、メッシュ構造を有するシートである。第２流路スペーサ１４は、透過液流路スペーサ又は透過側流路材とも呼ばれる。第２流路スペーサ１４もメッシュ構造を有するシートである。流路スペーサ１３及び１４の材料は、典型的には、樹脂である。流路スペーサ１３は、押し出し成形によって製造されうる。ただし、３Ｄプリンティングなどの他の成形方法によって流路スペーサ１３を製造することも可能である。

膜エレメント１０は、例えば、筒状の圧力容器に収められて使用される。圧力容器の内部に処理されるべき原液が供給されると、原液は、膜エレメント１０の一端部から原液の流路に流入する。原液は、分離膜１２によってろ過されて濃縮される。これにより、濃縮された原液と透過液とが生成される。濃縮された原液は、膜エレメント１０の他端部から膜エレメント１０の外部へと排出される。透過液は、透過液の流路及び集液管１１を通じて、膜エレメント１０の外部へと排出される。膜エレメント１０は、原液に含まれたイオン、塩類などの溶質が取り除かれた透過液を生成する。

膜エレメント１０に使用された第１流路スペーサ１３は、せん断応力と圧力損失とのバランスに優れている。圧力損失が抑制されると、原液を供給するためのポンプの動力を減らすことができるので、透過液を生成するために必要なエネルギーを減らすことができる。圧力損失を抑制することによって、膜エレメント１０にテレスコープ現象が発生することも防止できる。十分なせん断応力が分離膜１２に作用することによって、濃度分極層の形成が抑制される。これにより、透過液の生成量を十分に確保できる。大きいせん断応力を分離膜１２に作用させることによって、バイオファウリングの発生も抑制されうる。

次に、第１流路スペーサ１３の詳細な構造を説明する。図２は、図１に示すスパイラル型膜エレメント１０に使用された第１流路スペーサ１３の一部を平面視で示している。以下、第１流路スペーサ１３を単に「スペーサ１３」とも称する。

本実施形態のスペーサ１３は、原液の流路に配置されるべき原液流路スペーサである。原液流路スペーサには、せん断応力と圧力損失との両方の性能が要求されるので、原液流路スペーサとして本実施形態のスペーサ１３を使用すれば、より十分な利益が得られる。

図２に示すように、スペーサ１３は、複数の第１線状部２１及び複数の第２線状部２２を有する。線状部２１及び２２は、ポリエステル、ポリエチレン、ポリプロピレンなどの樹脂材料によって作製された細長い部分である。線状部２１及び２２の断面の形状は、例えば、円形である。線状部２１及び２２の太さ（直径）は、例えば、０．２〜１．０ｍｍの範囲にある。線状部２１及び２２は、一定の太さを有していてもよく、部分的に細くなっていてもよい。スペーサ１３の厚さは、線状部２１の太さと線状部２２の太さとの合計に概ね等しい。

複数の第１線状部２１は、互いに平行に配列されている。複数の第１線状部２１は、それぞれ、第１方向Ｄ１に延びている。複数の第２線状部２２は、互いに平行に配列されている。複数の第２線状部２２は、それぞれ、第１方向Ｄ１に対して傾斜した第２方向Ｄ２に延びている。本実施形態において、第１方向Ｄ１と第２方向Ｄ２とは、互いに直交する方向である。複数の第１線状部２１と複数の第２線状部２２とが互いに交差し、これにより、多数の開口部を有するメッシュ構造が形成されている。ただし、第１方向Ｄ１と第２方向Ｄ２とが直交していなくてもよい。第１線状部２１と第２線状部２２とが直交していることは必須ではない。

第１方向Ｄ１及び第２方向Ｄ２は、それぞれ、集液管１１の長手方向（Ｘ方向）に対して傾斜した方向である。詳細には、第１方向Ｄ１は、集液管１１の長手方向に対して４５度傾斜している。第２方向Ｄ２は、集液管１１の長手方向に対して４５度傾斜している。言い換えれば、第１方向Ｄ１と集液管１１の長手方向とのなす角度は、第２方向Ｄ２と集液管１１の長手方向とのなす角度に等しい。このような構成によれば、分離膜１２の表面の全体に均一にせん断応力を作用させやすい。

本実施形態では、スペーサ１３は、第１線状部２１及び第２線状部２２からなっている。図３に示すように、スペーサ１３の厚さ方向において、複数の第１線状部２１及び複数の第２線状部２２は、互いに重ね合わされており、２層構造をなしている。分離膜１２と分離膜１２との間隔（原液の流路の幅）は、スペーサ１３の厚さに等しい。第１線状部２１と第２線状部２２とは、互いの交点において、接着又は融着されている。このような構成によれば、スペーサ１３の厚さ方向に関して原液の流れが蛇行し、分離膜１２の表面のせん断応力を作用させやすい。

ただし、複数の第１線状部２１と複数の第２線状部２２とが編まれていてもよい。つまり、スペーサ１３の厚さ方向において、第１線状部２１と第２線状部２２との位置関係が交互に入れ替わってもよい。

本実施形態において、第１線状部２１は、不等間隔で配列されている。スペーサ１３には、第１対Ｐ１、第２対Ｐ２及び第３対Ｐ３が存在する。第１対Ｐ１において、互いに隣り合う第１線状部２１が第１の間隔Ｗ１で配列されている。第２対Ｐ２において、互いに隣り合う第１線状部２１が第１の間隔Ｗ１よりも狭い第２の間隔Ｗ２で配列されている。第３対Ｐ３において、互いに隣り合う第１線状部２１が第２の間隔Ｗ２よりも狭い第３の間隔Ｗ３で配列されている。このような構成によれば、せん断応力と圧力損失とのバランスをとることができる。

一例において、第１の間隔Ｗ１は、４．０ｍｍ以上４．５ｍｍ以下の範囲にあってもよい。第２の間隔Ｗ２は、３．２ｍｍ以上４．０ｍｍ未満の範囲にあってもよい。第３の間隔Ｗ３は、２．５ｍｍ以上３．２ｍｍ未満の範囲にあってもよい。

本明細書において、「線状部の間隔」は、スペーサ１３を平面視したときの線状部の中心線間の最短距離を意味する。

本実施形態において、第１対Ｐ１、第２対Ｐ２及び第３対Ｐ３のそれぞれが複数の第１線状部２１に含まれている。つまり、第１対Ｐ１、第２対Ｐ２及び第３対Ｐ３のそれぞれが第１線状部２１の対である。このような構成によれば、第１線状部２１の並び方向である第２方向Ｄ２において、せん断応力と圧力損失とのバランスをとりやすい。

スペーサ１３は、第１の間隔Ｗ１を有する第１開口部３１、第２の間隔Ｗ２を有する第２開口部３２、及び、第３の間隔Ｗ３を有する第３開口部３３を含む。第２方向Ｄ２において、第１開口部３１、第２開口部３２、及び、第３開口部３３がこの順番で並んでいる。詳細には、第１開口部３１は、第１の間隔Ｗ１と第１の間隔Ｗ１とによって規定された正方形の開口部である。第２開口部３２は、第１の間隔Ｗ１と第２の間隔Ｗ２とによって規定された矩形の開口部である。第３開口部３３は、第１の間隔Ｗ１と第３の間隔Ｗ３とによって規定された矩形の開口部である。このような構成によれば、第２方向Ｄ２において、せん断応力と圧力損失とのバランスをとりやすい。

第１開口部３１の開口面積は、第２開口部３２の開口面積よりも大きい。第２開口部３２の開口面積は、第３開口部３３の開口面積よりも大きい。

第１開口部３１、第２開口部３２、及び、第３開口部３３を含むメッシュ単位Ｍ１が第２方向Ｄ２において繰り返されている。本実施形態では、メッシュ単位Ｍ１に２つの第１開口部３１が含まれている。メッシュ単位Ｍ１において、第１開口部３１、第１開口部３１、第２開口部３２、及び、第３開口部３３がこの順番で並んでいる。メッシュ単位Ｍ１が繰り返されることによって、せん断応力と圧力損失とをバランスさせる効果が第２方向Ｄ２において繰り返し得られる。

本実施形態では、第１線状部２１と同様に、第２線状部２２も不等間隔で配列されている。スペーサ１３には、第１対Ｑ１、第２対Ｑ２及び第３対Ｑ３が存在する。第１対Ｑ１において、互いに隣り合う第２線状部２２が第１の間隔Ｗ１で配列されている。第２対Ｑ２において、互いに隣り合う第２線状部２２が第１の間隔Ｗ１よりも狭い第２の間隔Ｗ２で配列されている。第３対Ｑ３において、互いに隣り合う第２線状部２２が第２の間隔Ｗ２よりも狭い第３の間隔Ｗ３で配列されている。第１対Ｐ１、第２対Ｐ２及び第３対Ｐ３のそれぞれが複数の第１線状部２１に含まれ、第１対Ｑ１、第２対Ｑ２及び第３対Ｑ３のそれぞれが複数の第２線状部２２に含まれている。つまり、第１対Ｐ１、第２対Ｐ２及び第３対Ｐ３のそれぞれが第１線状部２１の対である。第１対Ｑ１、第２対Ｑ２及び第３対Ｑ３のそれぞれが第２線状部２２の対である。このような構成によれば、第１方向Ｄ１と第２方向Ｄ２との両方向において、せん断応力と圧力損失とのバランスをとりやすい。

第２方向Ｄ２における第１線状部２１の配列パターンは、第１方向Ｄ１における第２線状部２２の配列パターンに一致している。第１線状部２１及び第２線状部２２が同じパターンで配列されているので、第１方向Ｄ１及び第２方向Ｄ２のそれぞれにおいて、第１開口部３１、第２開口部３２、及び、第３開口部３３がこの順番で並んでいる。このような構成によれば、第１方向Ｄ１及び第２方向Ｄ２の両方向において、せん断応力と圧力損失とのバランスをとりやすい。

また、第１開口部３１、第２開口部３２、及び、第３開口部３３を含むメッシュ単位Ｍ１が第１方向Ｄ１及び第２方向Ｄ２のそれぞれにおいて繰り返されている。メッシュ単位Ｍ１が繰り返されることによって、せん断応力と圧力損失とをバランスさせる効果が第１方向Ｄ１及び第２方向Ｄ２の両方向において繰り返し得られる。

本実施形態のスペーサ１３は、第１開口部３１、第２開口部３２及び第３開口部３３に加え、開口部４４〜４６をさらに有する。開口部４４は、第２の間隔Ｗ２と第２の間隔Ｗ２とによって規定された正方形の開口部である。開口部４５は、第２の間隔Ｗ２と第３の間隔Ｗ３とによって規定された矩形の開口部である。開口部４６は、第３の間隔Ｗ３と第３の間隔Ｗ３とによって規定された正方形の開口部である。開口部４４の開口面積は、開口部４５の開口面積よりも大きい。開口部４５の開口面積は、開口部４６の開口面積よりも大きい。第１開口部３１、開口部４４及び開口部４６は、集液管１１の長手方向に平行な対角線を有する正方形の開口部である。集液管１１の長手方向（所定方向）に沿って、第１開口部３１、第１開口部３１、開口部４４及び開口部４６がこの順番で並んでいる。第１開口部３１の開口面積は、開口部４４の開口面積よりも大きく、開口部４４の開口面積は、開口部４６の開口面積よりも大きい。４×４＝１６個の開口部が１つのメッシュ単位を構成していると仮定すると、このメッシュ単位が第１方向Ｄ１及び第２方向Ｄ２に沿って繰り返されている。このような構成によれば、せん断応力と圧力損失とのバランスをとることができる。

なお、スペーサ１３において、第２開口部３２の位置と第３開口部３３の位置とが入れ替わってもよい。つまり、第１方向Ｄ１に沿って、第１開口部３１、第３開口部３３及び第２開口部３２がこの順番で並んでいてもよい。第２方向Ｄ２に沿って、第１開口部３１、第３開口部３３及び第２開口部３２がこの順番で並んでいてもよい。第１開口部３１、第２開口部３２及び第３開口部３３の並び順は任意である。

２つの第２開口部３２及び２つの第３開口部３３がメッシュ単位Ｍ１に含まれていてもよい。例えば、メッシュ単位Ｍ１は、第１開口部３１、第１開口部３１、第２開口部３２、第２開口部３２、第３開口部３３及び第３開口部３３を含んでいてもよい。

メッシュ単位Ｍ１が繰り返されていることも必須ではない。第１開口部３１、第２開口部３２及び第３開口部３３がランダムに並んでいてもよい。粗の開口部と密の開口部とが混在した構造によって、せん断応力と圧力損失とのバランスをとることができる。

以下、いくつかの変形例に係る流路スペーサを説明する。実施形態及び各変形例に共通する要素には同じ参照符号を付し、それらの説明を省略することがある。すなわち、実施形態及び各変形例に関する説明は、技術的に矛盾しない限り、相互に適用されうる。さらに、技術的に矛盾しない限り、実施形態及び各変形例の構成は、相互に組み合わされてもよい。

図４は、変形例１に係る第１流路スペーサ５３の一部を平面視で示している。スペーサ５３には、第１対Ｐ１、第２対Ｐ２及び第３対Ｐ３に加え、第４対Ｐ４がさらに存在する。第４対Ｐ４において、互いに隣り合う第１線状部２１が第３の間隔Ｗ３よりも狭い第４の間隔Ｗ４で配列されている。このような構成によっても、せん断応力と圧力損失とのバランスをとることができる。つまり、互いに異なる間隔を有する対の数の上限は特に限定されない。

一例において、第１の間隔Ｗ１は、４．０ｍｍ以上４．５ｍｍ以下の範囲にあってもよい。第２の間隔Ｗ２は、３．５ｍｍ以上４．０ｍｍ未満の範囲にあってもよい。第３の間隔Ｗ３は、３．１ｍｍ以上３．５ｍｍ未満の範囲にあってもよい。第４の間隔Ｗ４は、２．５ｍｍ以上３．１ｍｍ未満の範囲にあってもよい。

本変形例において、第１対Ｐ１、第２対Ｐ２、第３対Ｐ３及び第４対Ｐ４のそれぞれが複数の第１線状部２１に含まれている。つまり、第１対Ｐ１、第２対Ｐ２、第３対Ｐ３及び第４対Ｐ４のそれぞれが第１線状部２１の対である。このような構成によれば、第１線状部２１の並び方向である第２方向Ｄ２において、せん断応力と圧力損失とのバランスをとりやすい。

スペーサ５３は、第１開口部３１、第２開口部３２及び第３開口部３３に加え、第４の間隔Ｗ４を有する第４開口部３４を含む。第２方向Ｄ２において、第１開口部３１、第２開口部３２、第３開口部３３及び第４開口部３４がこの順番で並んでいる。第４開口部３４は、第１の間隔Ｗ１と第４の間隔Ｗ４とによって規定された矩形の開口部である。このような構成によれば、第２方向Ｄ２において、せん断応力と圧力損失とのバランスをとりやすい。

第４開口部３４の開口面積は、第３開口部３３の開口面積よりも小さい。

第１開口部３１、第２開口部３２、第３開口部３３及び第４開口部３４を含むメッシュ単位Ｍ２が第２方向Ｄ２において繰り返されている。メッシュ単位Ｍ２が繰り返されることによって、せん断応力と圧力損失とをバランスさせる効果が第２方向Ｄ２において繰り返し得られる。

本変形例では、第１線状部２１と同様に、第２線状部２２も不等間隔で配列されている。スペーサ５３には、第１対Ｑ１、第２対Ｑ２及び第３対Ｑ３に加え、第４対Ｑ４が存在する。第４対Ｑ４において、互いに隣り合う第２線状部２２が第３の間隔Ｗ３よりも狭い第４の間隔Ｗ４で配列されている。第１対Ｐ１、第２対Ｐ２、第３対Ｐ３及び第４対Ｐ４のそれぞれが複数の第１線状部２１に含まれ、第１対Ｑ１、第２対Ｑ２、第３対Ｑ３及び第４対Ｑ４のそれぞれが複数の第２線状部２２に含まれている。つまり、第１対Ｐ１、第２対Ｐ２、第３対Ｐ３及び第４対Ｐ４のそれぞれが第１線状部２１の対である。第１対Ｑ１、第２対Ｑ２、第３対Ｑ３及び第４対Ｑ４のそれぞれが第２線状部２２の対である。このような構成によれば、第１方向Ｄ１と第２方向Ｄ２との両方向において、せん断応力と圧力損失とのバランスをとりやすい。

第２方向Ｄ２における第１線状部２１の配列パターンは、第１方向Ｄ１における第２線状部２２の配列パターンに一致している。第１線状部２１及び第２線状部２２が同じパターンで配列されているので、第１方向Ｄ１及び第２方向Ｄ２のそれぞれにおいて、第１開口部３１、第２開口部３２、第３開口部３３、及び、第４開口部３４がこの順番で並んでいる。このような構成によれば、第１方向Ｄ１及び第２方向Ｄ２の両方向において、せん断応力と圧力損失とのバランスをとりやすい。

また、第１開口部３１、第２開口部３２、第３開口部３３、及び、第４開口部３４を含むメッシュ単位Ｍ２が第１方向Ｄ１及び第２方向Ｄ２のそれぞれにおいて繰り返されている。メッシュ単位Ｍ２が繰り返されることによって、せん断応力と圧力損失とをバランスさせる効果が第１方向Ｄ１及び第２方向Ｄ２の両方向において繰り返し得られる。

本変形例のスペーサ５３は、第１開口部３１、第２開口部３２、第３開口部３３及び第４開口部３４に加え、開口部４４〜４９をさらに有する。開口部４４〜４６の構成は先に説明したとおりである。開口部４７は、第２の間隔Ｗ２と第４の間隔Ｗ４とによって規定された矩形の開口部である。開口部４８は、第３の間隔Ｗ３と第４の間隔Ｗ４とによって規定された矩形の開口部である。開口部４９は、第４の間隔Ｗ４と第４の間隔Ｗ４とによって規定された正方形の開口部である。開口部４７の開口面積は、開口部４８の開口面積よりも大きい。開口部４８の開口面積は、開口部４９の開口面積よりも大きい。第１開口部３１、開口部４４、開口部４６及び開口部４９は、集液管１１の長手方向に平行な対角線を有する正方形の開口部である。集液管１１の長手方向に沿って、第１開口部３１、開口部４４、開口部４６及び開口部４９がこの順番で並んでいる。４×４＝１６個の開口部が１つのメッシュ単位を構成していると仮定すると、このメッシュ単位が第１方向Ｄ１及び第２方向Ｄ２に沿って繰り返されている。このような構成によれば、せん断応力と圧力損失とのバランスをとることができる。

なお、スペーサ５３において、第２開口部３２の位置と第３開口部３３の位置とが入れ替わってもよい。例えば、第１方向Ｄ１に沿って、第１開口部３１、第３開口部３３及び第２開口部３２がこの順番で並んでいてもよい。第２方向Ｄ２に沿って、第１開口部３１、第３開口部３３及び第２開口部３２がこの順番で並んでいてもよい。さらに、第３開口部３３の位置と第４開口部３４の位置とが入れ替わってもよい。第２開口部３２の位置と第４開口部３４の位置とが入れ替わってもよい。第１開口部３１、第２開口部３２、第３開口部３３及び第４開口部３４の並び順は任意である。

メッシュ単位Ｍ２が繰り返されていることも必須ではない。第１開口部３１、第２開口部３２、第３開口部３３及び第４開口部３４がランダムに並んでいてもよい。粗の開口部と密の開口部が混在した構造によって、せん断応力と圧力損失とのバランスをとることができる。

図５は、変形例２に係る流路スペーサ６３の一部を平面視で示している。本変形例のスペーサ６３において、第１線状部２１は、不等間隔で配列されている。第２線状部２２は、等間隔で配列されている。第１対Ｐ１、第２対Ｐ２及び第３対Ｐ３のそれぞれが複数の第１線状部２１に含まれている。複数の第２線状部２２には、第１の間隔Ｗ１を有する第１対Ｑ１のみが含まれている。

図６は、変形例３に係る流路スペーサ７３の一部を平面視で示している。本変形例のスペーサ７３において、第１線状部２１は、不等間隔で配列されている。第２線状部２２は、等間隔で配列されている。第１対Ｐ１及び第２対Ｐ２のそれぞれが複数の第１線状部２１に含まれている。複数の第２線状部２２には、第３の間隔Ｗ３を有する第３対Ｑ３のみが含まれている。

図７は、変形例４に係る流路スペーサ８３の一部を平面視で示している。本変形例のスペーサ８３において、第１線状部２１は、不等間隔で配列されている。第２線状部２２は、等間隔で配列されている。第１対Ｐ１及び第３対Ｐ３のそれぞれが複数の第１線状部２１に含まれている。複数の第２線状部２２には、第２の間隔Ｗ２を有する第２対Ｑ２のみが含まれている。

図８は、変形例５に係る流路スペーサ９３の一部を平面視で示している。本変形例のスペーサ９３において、第１線状部２１は、不等間隔で配列されている。第２線状部２２は、不等間隔で配列されている。第１対Ｐ１及び第２対Ｐ２のそれぞれが複数の第１線状部２１に含まれている。第２対Ｑ２及び第３対Ｑ３のそれぞれが複数の第２線状部２２に含まれている。

図５〜８に示す変形例から理解できるように、第１線状部２１の配列パターンが第２線状部２２の配列パターンに一致していることは必須ではない。第２方向Ｄ２における第１線状部２１の配列パターンは、第１方向Ｄ１における第２線状部２２の配列パターンと異なっていてもよい。互いに異なる間隔を有する対の数が３つ以上である限り、第１対、第２対及び第３対は、複数の第１線状部２１のみに存在していてもよいし、複数の第２線状部２２のみに存在していてもよい。複数の第１線状部２１に含まれた対の種類の数と、複数の第２線状部２２に含まれた対の種類の数との合計が３以上であってもよい。第１対は、互いに隣り合う第１線状部２１及び互いに隣り合う第２線状部２２から選ばれる少なくとも１つが第１の間隔Ｗ１で配列されている対である。第２対は、互いに隣り合う第１線状部２１及び互いに隣り合う第２線状部２２から選ばれる少なくとも１つが第２の間隔Ｗ２で配列されている対である。第３対は、互いに隣り合う第１線状部２１及び互いに隣り合う第２線状部２２から選ばれる少なくとも１つが第３の間隔Ｗ３で配列されている対である。

図９は、変形例６に係る流路スペーサ１０３の一部を平面視で示している。本変形例のスペーサ１０３において、第１線状部２１は、第１方向Ｄ１に延びている。第２線状部２２は、第２方向Ｄ２に延びている。第１方向Ｄ１は、第２方向Ｄ２と直交していない。第１方向Ｄ１と第２方向Ｄ２とのなす角度が鋭角θ１と鈍角θ２とを含む。スペーサ１０３において、各開口部は、内角として鋭角θ１及び鈍角θ２を含む平行四辺形の形状を有する。本変形例では、第１方向Ｄ１は、集液管１１の長手方向（Ｘ方向）に対して３０度傾いた方向である。第２方向Ｄ２は、集液管１１の長手方向（Ｘ方向）に対して−３０度傾いた方向である。鋭角θ１は、６０度である。鈍角θ２は、１２０度である。本変形例のスペーサ１０３もせん断応力と圧力損失とのバランスに優れている。本開示のスペーサにおいて、第１線状部２１と第２線状部２２とが直交することは必須ではない。

第１流路スペーサを用いた膜エレメントに関して、分離膜に作用するせん断応力、及び、圧力損失をコンピュータシミュレーションによって調べた。シミュレーションは、以下の条件にて行った。

流体解析ソフトウェア：アンシスジャパン社製Fluent
線状部の太さ：０．４３ｍｍ
スペーサの総厚み：０．８４ｍｍ（０．０２ｍｍは融着による減少分）
水の流速：１１．３ｃｍ／秒

図１０に示すように、シミュレーションを行ったスペーサにおいて、第１線状部２１と第２線状部２２とは互いに直交していた。第２方向Ｄ２における第１線状部２１の配列パターンは、第１方向Ｄ１における第２線状部２２の配列パターンに一致していた。線状部の間隔を変化させ、開口部の対角線の長さＬ１〜Ｌ４を表１の値に調整した。サンプル１では、互いに異なる間隔を有する対の数を「３」に設定した。サンプル２では、互いに異なる間隔を有する対の数を「４」に設定した。サンプル３は、対角線の長さが５．０ｍｍの正方形の開口部のみを有する従来のスペーサである。「対角線の長さ」は、スペーサ１３を平面視したとき、１対の第１線状部２１の中心線と１対の第２線状部２２の中心線とによって規定される四角形の対角線の長さを意味する。「平均せん断応力」は、分離膜の表面に加わるせん断応力の平均値である。圧力損失は、１３２ｍｍの膜エレメントあたりの圧力損失である。

サンプル１及びサンプル２のスペーサは、サンプル３のスペーサの圧力損失よりも小さい圧力損失を示しただけでなく、サンプル３のスペーサと同等の平均せん断応力を示した。サンプル１及びサンプル２のスペーサは、せん断応力と圧力損失とのバランスに非常に優れていた。

なお、表１に示したサンプルだけでなく、各変形例に対応するスペーサのサンプルについても同じシミュレーションを行い、所望の効果が得られることを確認した。

本開示の技術は、スパイラル型膜エレメントに有用である。スパイラル型膜エレメントは、海水の淡水化、純水の製造、排水処理、医薬品の製造、食品の製造、有効成分の分離などの様々な用途に使用されうる。

１０ スパイラル型膜エレメント
１１ 集液管
１１ｈ 貫通孔
１２ 分離膜
１３，５３，６３，７３，８３，９３，１０３ 第１流路スペーサ
１４ 第２流路スペーサ
２１ 第１線状部
２２ 第２線状部
３１ 第１開口部
３２ 第２開口部
３３ 第３開口部
３４ 第４開口部
４４，４５，４６，４７，４８，４９ 開口部
Ｐ１，Ｑ１ 第１対
Ｐ２，Ｑ２ 第２対
Ｐ３，Ｑ３ 第３対
Ｐ４，Ｑ４ 第４対
Ｍ１，Ｍ２ メッシュ単位

Claims (20)

1. スパイラル型膜エレメントの集液管に巻回された分離膜間に挟まれて使用される流路スペーサであって、
   第１方向にそれぞれ延びる複数の第１線状部と、
   前記第１方向に対して傾斜した第２方向にそれぞれ延びる複数の第２線状部と、
   を備え、
   互いに隣り合う前記第１線状部及び互いに隣り合う前記第２線状部から選ばれる少なくとも１つが第１の間隔で配列されている第１対と、互いに隣り合う前記第１線状部及び互いに隣り合う前記第２線状部から選ばれる少なくとも１つが前記第１の間隔よりも狭い第２の間隔で配列されている第２対と、互いに隣り合う前記第１線状部及び互いに隣り合う前記第２線状部から選ばれる少なくとも１つが前記第２の間隔よりも狭い第３の間隔で配列されている第３対と、が存在する、流路スペーサ。
2. 前記第１対、前記第２対及び前記第３対のそれぞれが前記複数の第１線状部に含まれている、請求項１に記載の流路スペーサ。
3. 前記流路スペーサは、前記第１の間隔を有する第１開口部、前記第２の間隔を有する第２開口部、及び、前記第３の間隔を有する第３開口部を含み、
   前記第２方向において、前記第１開口部、前記第２開口部、及び、前記第３開口部がこの順番で並んでいる、請求項２に記載の流路スペーサ。
4. 前記第１開口部、前記第２開口部、及び、前記第３開口部を含むメッシュ単位が前記第２方向において繰り返されている、請求項３に記載の流路スペーサ。
5. 前記第１対、前記第２対及び前記第３対のそれぞれが前記複数の第１線状部及び前記複数の第２線状部のそれぞれに含まれている、請求項１に記載の流路スペーサ。
6. 前記流路スペーサは、前記第１の間隔を有する第１開口部、前記第２の間隔を有する第２開口部、及び、前記第３の間隔を有する第３開口部を含み、
   前記第１方向及び前記第２方向のそれぞれにおいて、前記第１開口部、前記第２開口部、及び、前記第３開口部がこの順番で並んでいる、請求項５に記載の流路スペーサ。
7. 前記第１開口部、前記第２開口部、及び、前記第３開口部を含むメッシュ単位が前記第１方向及び前記第２方向のそれぞれにおいて繰り返されている、請求項６に記載の流路スペーサ。
8. 互いに隣り合う前記第１線状部及び互いに隣り合う前記第２線状部から選ばれる少なくとも１つが前記第３の間隔よりも狭い第４の間隔で配列されている第４対がさらに存在する、請求項１に記載の流路スペーサ。
9. 前記第１対、前記第２対、前記第３対及び前記第４対のそれぞれが前記複数の第１線状部に含まれている、請求項８に記載の流路スペーサ。
10. 前記流路スペーサは、前記第１の間隔を有する第１開口部、前記第２の間隔を有する第２開口部、前記第３の間隔を有する第３開口部、及び、前記第４の間隔を有する第４開口部を含み、
    前記第２方向において、前記第１開口部、前記第２開口部、前記第３開口部、及び、前記第４開口部がこの順番で並んでいる、請求項９に記載の流路スペーサ。
11. 前記第１開口部、前記第２開口部、前記第３開口部、及び、前記第４開口部を含むメッシュ単位が前記第２方向において繰り返されている、請求項１０に記載の流路スペーサ。
12. 前記第１対、前記第２対、前記第３対及び前記第４対のそれぞれが前記複数の第１線状部及び前記複数の第２線状部のそれぞれに含まれている、請求項８に記載の流路スペーサ。
13. 前記流路スペーサは、前記第１の間隔を有する第１開口部、前記第２の間隔を有する第２開口部、前記第３の間隔を有する第３開口部、及び、前記第４の間隔を有する第４開口部を含み、
    前記第１方向及び前記第２方向のそれぞれにおいて、前記第１開口部、前記第２開口部、前記第３開口部、及び、前記第４開口部がこの順番で並んでいる、請求項１２に記載の流路スペーサ。
14. 前記第１開口部、前記第２開口部、前記第３開口部、及び、前記第４開口部を含むメッシュ単位が前記第１方向及び前記第２方向のそれぞれにおいて繰り返されている、請求項１３に記載の流路スペーサ。
15. 前記流路スペーサの厚さ方向において、前記複数の第１線状部及び前記複数の第２線状部が２層構造をなしている、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の流路スペーサ。
16. 前記第１方向と前記第２方向とは、互いに直交する方向である、請求項１〜１５のいずれか１項に記載の流路スペーサ。
17. 前記第１方向と前記第２方向とのなす角度が鋭角と鈍角とを含む、請求項１〜１５のいずれか１項に記載の流路スペーサ。
18. 前記第１方向及び前記第２方向は、それぞれ、前記集液管の長手方向に対して傾斜した方向である、請求項１〜１７のいずれか１項に記載の流路スペーサ。
19. 前記流路スペーサは、原液の流路に配置されるべき流路スペーサである、請求項１〜１８のいずれか１項に記載の流路スペーサ。
20. 請求項１〜１９のいずれか１項に記載の流路スペーサを備えた、スパイラル型膜エレメント。

Images