JP3051427B2 - 選択可能な流速を有する透過方法及び装置 - Google Patents

選択可能な流速を有する透過方法及び装置

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JP3051427B2 JP2168596A JP16859690A JP3051427B2 JP 3051427 B2 JP3051427 B2 JP 3051427B2 JP 2168596 A JP2168596 A JP 2168596A JP 16859690 A JP16859690 A JP 16859690A JP 3051427 B2 JP3051427 B2 JP 3051427B2
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、種々の流体の流速を生成するように選択す
ることができる、複数の中空繊維の束部分を有する透過
膜装置に関する。
本発明は、要約すれば、次の通りである：単一のハウ
ジング内に囲まれた１または２以上の中空繊維の束を有
し、束を流体の分離に別々に使用できる複数の部分にセ
グメント化する端キャップをもつ透過膜装置およびその
使用。
透過性中空繊維の膜は、広範な種類の流体（ガスおよ
び液体）の分離に使用されまたは考えられて来ている。
このような分離操作において、供給物の流れを膜の表面
と接触させる。圧力差は膜を横切って維持される。供給
物の流れの中で透過性の高い成分は膜を通過し、そして
透過物の流れとして抽出される。そして、透過性が低い
成分は膜を通過せず、そして非透過物、または濃縮物
（retentate）の流れとして抽出される。
使用する膜の材料および形態は、所望の分離を実施す
ることができる任意の適当な材料であることができる。
例えば、セルロース誘導体、ポリアミド、ポリイミド、
ポリスルホン、およびポリスチレンを使用する。また、
例えば、中空繊維の膜は複合体、非対称のまたは密なフ
ィルムであることができる。
膜は、一般に、ハウジング、例えば、シェルまたは容
器内に支持されそしてシールされることにより、透過装
置を形成する。ハウジングは、流体をとじ込め、膜を保
護し、透過物および濃縮物の流路を形成しかつそれらの
流れを分離する。とくに、中空繊維からなる膜の場合に
おいて、この分野において、中空繊維の１より多い束を
単一のハウジング内に含めることができることが教示さ
れている。このような配置はこのシステムの重量および
構成を減少する。米国特許第3,884,814号は、単一のハ
ウジング内の十字形のコア上にある「Ｕ」字形の中空繊
維からなる透過装置を記載している。「Ｕ」字形の束の
各々のための入口および出口を装備したふたは、束の別
々の供給を可能とする。この参考文献は、各束中の異な
る溶液の限外濾過を示唆している。米国特許第3,953,33
4号は、単一のシェル内の中央の回路および支持体に接
続された側板中に、別々に支持されかつシールされた、
複数の別々の中空コードの束を教示している。フランジ
部材は、コードの束の端およびシェルの外側の間の普通
の流体連絡を提供する。
透過装置は、一般に、単一の流速（束）において所定
の生成物の品質（分離）を提供するように設計されてい
る。米国特許第4,806,132号は、少ない流量が必要な場
合、装置を減少した流れに適応できるように切り換える
調整方法を記載する。その特許は、詳細の説明なしに、
背景としては少ない流量が必要とされる場合には違う装
置において膜の区域の一部をシャットダウン（shut do
wn）することによって、切り換える調整を達成できるこ
とを示唆している。
米国特許第4,397,661号は、システムの中から外に１
または２以上の透過装置をバルブ操作により少ない流量
が必要とされる場合において膜の合計の区域から一部を
シャットダウンすることができる方法を、複数の透過装
置の集合体を採用している。
米国特許第4,537,606号は、一次セルと組み合わせた
補助セルのバルブ操作により合体の膜面積を変化させ、
燃焼のための酸素の流れおよび濃度を変化させる方法を
教示している。
米国特許第4,556,180号（その開示をここに引用によ
って加える）に記載されている透過装置の１つの使用
は、航空機の燃料タンクを不活性化（inerting）するこ
とにより、雷の衝撃、衝突の損傷または軍事的な損傷の
場合において危険である、爆発性のガス混合物を除去す
ることである。とくに、供給空気が低い圧力である場
合、例えば、ヘリコプターの場合において、１または２
以上の空気分離のモジュールを使用する別のシステムが
教示されている。
米国特許第4,556,180号は、航空機の作動においてと
くに必要である透過装置からの流れを変化させる手段を
提供しない。例えば、水平のフライトの間、比較的低い
速度の窒素に富んだ空気（NEA）の流れが、使用されて
いる燃料の置換のために必要とされる。しかしながら、
高い高度からの急降下の間、燃料タンクの燃料中の内圧
を外圧に等しく保持するために、より高い流度のNEAの
流れが要求される。燃料タンクは急降下の間ほぼ空にな
る場合、なおより高い速度のNEAの流れが要求されるで
あろう。
透過装置の集合体、例えば、米国特許第4,397,661号
は流れの変化を可能とすると同時に、ガス中の酸素を９
％以下にしてNEAを維持する。しかし、前述の種々の流
れの要求を入れるために必要な中空繊維の透過装置のシ
ステムは、少なくとも２つの別の透過装置を必要とし、
これらは重くかつかさばり、したがって重量および空間
の制限をもつ航空機については問題となる。
必要とされるいくつかの異なる流速で単一の通常の透
過装置を単に作動することは、次の理由で望ましくな
い：より低い流速で高い流れ容量の透過装置を作動する
とき、中空繊維を通るガスの速度は非常に低いので、透
過装置の回収（NEAの流れ対供給物の流れの比）は非効
率的なレベルに低下する；そして低い流れ容量の透過装
置をより高い流速で作動させるとき、NEAの純度は望ま
しくないほどに低い値（９％より大きい酸素％）に低下
する。
本発明の透過装置（permeator）は、NEA中の酸素を望
ましくないほどに増加させないで流れを変化させること
ができ、そして空間及び重量の問題を解決する。本発明
は、端キャップまたはふたを個々にあるいは他の部分と
組み合わせて含んでいる囲い手段（enclosing means）
を、単一のハウジング、好ましくは円筒形圧力容器に適
合することにより、１または２以上の中空繊維の束を複
数の部分に分割し、そして分割された束部分は、別々の
供給物を各束部分に供給する手段及び濃縮物をその束部
分から取り出す手段を装備しているハウジング中に配置
されている。透過流路は共通の出口に向けられている。
束部分のために好ましい幾何学的配置は、単一のハウ
ジング中に１または２以上の部分を互いに同心的に位置
することである。同心的立体配置において、適当な内径
および外径を有する２またはそれ以上の束を一緒にネス
チングする（nest）ことができるか、あるいは単一の束
を一体の構造体として使用することができる。これは束
の製作およびハウジング内の部分の整列を簡素化する。
この設計は、複数の束を互いに非同心的収容する装置と
比較するか、あるいは１つのシステムとして使用すると
き、多数の流速を生成する透過装置集合体と比較して、
製作および部品のコストにおいて経済的に有利である。
それは、流速を単一の束を通して変化させる透過装置あ
るいは１より多い束を非同心的方法で単一のシェル中に
挿入する透過装置より小さく、より効率的な透過装置を
提供する。
中空繊維の束が複数の部分に分割されている透過装置
において個々の束部分の入口への供給を制御する手段、
および同一部分の出口からの濃縮物を制御する手段を設
けることによって、複数の流速を達成することができ
る。２つの同心的区画を有する透過装置を使用すると、
例えば、３つの異なる流速を達成することができる。こ
の同一の配置は、また、各束部分における膜の選択性が
異なるとき、２つの異なる濃縮物の流れを生成すること
ができる。
第１図は、端キャップ24および26により閉じられたシ
ェル22内の中空繊維束20を示す。束の両端にチューブシ
ート28および30が存在し、ここで繊維はエポキシで接合
またはシールされており、そして面32および34は切りそ
ろえられていて、束を通して軸方向に流体が流通するよ
うに中空繊維の孔を露出している。束の中心は、一方の
チューブシートから他方のチューブシートに延びる支持
構造体36を含有する。重量およびコストを節約するため
に、支持体は好ましくはその長さの大部分に沿って中空
である。支持体36の端ねじ山がつけられていて流れチャ
ンネルアダプター38および40と嵌合しており、アダプタ
ー38および40はシール部材、例えば、「Ｏ」リング42お
よび44に達するまで、ねじ込まれており、Ｏリング42お
よび44はそれぞれ、中空繊維の端面32および34において
直接繊維に対してシールすることにより、第１部分90お
よび第２部分88の間にシールを形成する。
端キャップ24および26は、それぞれ、円筒形壁46およ
び48を有し、それらは、それぞれ、アダプター38および
40の外径を囲む空洞を形成する。端キャップ24および26
は、それぞれ、アダプター38および40と一緒に、シェル
に取り付けられたとき、アセンブリーとして、この図面
において囲い手段を形成する。シール、例えば、「Ｏ」
リング50および52は、アダプターおよび端キャップの間
をシールして、囲まれた内部空間54および56をつくる。
束の軸の方向に配置されている壁46および48の内表面を
シールことは有利である。束の軸が延びそして異なる作
動条件下にわずかに収縮またはシフトするとき、シール
50および52は軸方向にスライドすることができるが、な
おシールを維持する。この状態は、また、シェル22に関
して動く、束のシール66および68についてもあてはま
る。口53および55は、それぞれ、空間54および56への外
部の流体連絡手段を提供する。これらの空間は、シール
42および44のシールされた円周内に入る中空繊維の端面
の第１部分90と流体連絡している。この連絡は、アダプ
ター38および同様にアダプター40中の、オリフィスまた
は孔、例えば、58および環、例えば、60を経る。
中空繊維の端面の第２部分88は、シールの円周外側に
存在し、そして円の外側の空間62および64と流体連絡し
ており、前記空間はアダプターシール50、シール42およ
びチューブ束のシール66の間；およびアダプターシール
52、シール44およびチューブ束のシール68の間で規定さ
れる。シェルとの端キャップの取り付けは、透過装置の
外側から環状の空間62および64をシールする。口61およ
び63は、それぞれ、空間62および64への外部の流体連絡
手段を提供する。シール66および68の間に、束20を取り
囲む環状の空間67が存在する。この空間は中空繊維の外
表面と流体連絡しており、そして口69を経てシェルの外
側と連絡している。
シール42および44の直下の中空繊維の端表面の第３部
分89が存在し、したがってそれは空間54、56、62および
64とつながっていない。これは第９図においていっそう
明瞭に見られ、この第９図は面32および34の線図であ
り、シール42のシールのフットプリント70およびシール
44のシールのフットプリント72を示す。孔78は両端でブ
ロックされる繊維の第３部分を表す。らせんの線74およ
び76は中空繊維の孔の通路を表し、これらは米国特許第
3,801,401号（その開示をここに引用によって加える）
記載されているように、膜状の繊維を巻いて束20を形成
するとき生ずる。この特許における、中空繊維は透過性
ウェブの回りに巻かれ、次いでコアの回りに巻かれて回
旋状または「ジェリー−ロール状」構造体を形成する。
エポキシ樹脂を巻き取りの間にウェブのへりに沿って適
用して、円筒形構造体の端において繊維をシールし、こ
れにより巻きとられているウェブ状のチューブシートを
形成する。アダプター38および40のシール42および44に
よりブロックされる中空繊維の孔の第３部分は、チュー
ブシートの端を合致させて、アダプターに類似する延び
た部分を形成することによって排除することができる。
このようなアダプターは第12図に示されており、ここで
延長部185はチューブシート28の端を上述のように切り
そろえることによって形成される。反対の端のチューブ
シート30は本質的に同一に切断されるので、その延長部
における繊維はチューブシート28の延長部185中に示す
ものと同一の繊維であろう。端キャップ189の空洞壁181
中の空洞187は、延長部185の切断側中の維持に対して直
接シールする。薄いコーティングなどを繊維の切断表面
に適用して、シール187のために改良された表面を形成
することは望ましいことがある。
繊維の整列 束を形成するとき多少の注意を払って、繊維が本質的
に整列し、そして端キャップがチューブシートと本質的
に整列して、繊維を同心部分に分離するようにしなくて
はならない。これは、一方の端のある部分の繊維が他方
の端の対応する部分の繊維を同一であるようにするため
に、重要である。この意味は第９図を参照して説明し、
そして供給ガス圧を繊維の孔に加えるとき、供給流れの
約70％は繊維の壁を通して透過し、そして約30％は繊維
の孔を出ることが理解される。このような繊維はこの分
野において知られている任意の中空繊維の膜でありこと
ができ、好ましくは外側にスキンを有する非対称の中空
繊維の膜である。
線78は面32および34と連絡する単一の連続的中空繊維
の孔を表す。この場合において、孔78はシールのフット
プリントによりブロックされる中空繊維の第３部分の一
部であるので、孔との流体連絡は起こらない。これは好
ましい場合である。線80は、内部の空間54および56と連
絡する第１部分の一部である他の孔を表す。これは、ま
た、好ましい場合である。線81、82および83は、シール
のフットプリントに関して不適切に位置する孔をもつ繊
維を表し、こうして繊維の２つの端の孔の開口は透過装
置の２つの異なる部分と連絡する。孔83は面32に第２外
側部分、空間62と連絡する孔の開口85を有し、そして第
３のシールされた部分、フットプリント72と連絡する孔
の開口87を面34に有する。外側の同心的部分のみを使用
するとき、この場合は「漏れ」の通路生じ、ここで圧力
下に面32における供給されるガスは繊維の壁を通して透
過または「漏れ」、そして生成物は集められないであろ
う。孔81は第３のシールされた部分、フットプリント70
と連絡する孔の開口79を面32に有し、そして第２の外側
部分、空間64と連絡する孔の開口77を面34に有する。外
側の同心的部分を使用する場合、これは空間64中に生成
物を生じ、この生成物は繊維中を逆方向に通り、そして
繊維壁を通して「漏れ」、これにより存在を失う。孔82
は第１の内側部分、空間54と連絡する孔の開口84を面32
に有し、そして第２の外側部分、空間64と連絡する孔の
開口86を面34に有する。この場合は、全体の不整列を除
外して起こるとは思われない。内側の同心的部分のみを
使用するとき、孔82中への流れは、供給物を外側の同心
的部分中に入れ、そして外側部分のすべての繊維中に逆
に流し、ここでそれは繊維の壁を通して非生成物側に
「漏れ」る。繊維81、82および83を使用して記載した
「漏れ」の損失は望ましくないが、繊維束の形成および
端キャップと束および面との整列において注意を払う
と、それらはほんのわずかの繊維でのみ起こり、そして
透過装置の有効な作動を妨害しない。
束の作動 ガスの生成物および少なくとも１種の他のガスの混合
物から１つのガスの生成物を分離する透過装置システム
は、ガスの混合物を透過装置へ供給する１または２以上
の入口ラインおよび生成物の抽出のための１または２以
上の出口ラインを有する、本発明の中空繊維の透過装置
からなる。差圧を中空繊維の膜を横切って維持して、透
過ガスおよび非透過ガスを形成する。生成物は非透過ガ
スであるか、あるいは透過ガスであることができる。
中空繊維の透過装置は、ガス混合物を複数の口へ供給
する複数の第１接続ラインを有し、これらの口は囲い手
段を通してその囲い手段により形成された複数の第１シ
ールされた空間への流体連絡を提供する。それは、ま
た、濃縮ガス混合物を複数の口へ供給する複数の第２接
続ラインを有し、これらの口は囲い手段を通してその囲
い手段により形成されそして第１シールされた空間に相
当しかつそれと流体連絡する複数の第２シールされた空
間からの流体連絡を提供する。第２接続ラインは、所望
の生成物が非透過ガスである場合、１または２以上の出
口ラインへ接続される。異なる分離特性をシールされた
空間により規定された束部分における使用するか、ある
いは異なる供給流れを異なる第１シールされた空間へ供
給する場合、別の非透過生成物の流れを対応する第２接
続ラインから集めることができる。
１または２以上の第１接続ラインは、使用しない束部
分中への供給ガスの流れを停止する弁手段をその中に有
し、そして第２接続ラインは使用しない束部分中への濃
縮ガスの逆流を防止するための手段を有する。このシス
テムは、好ましくは、必要な生成物の流れを測定する
か、あるいは出口ライン中の実際の生成物の流れを測定
する感知手段を有する。感知手段は弁手段に接続されて
いて、必要な生成物の流れが非選択束部分への供給によ
り満足することができることを感知手段が感知するか、
あるいは実際の生成物の流れが非選択束部分の効率よい
動作のために予め決められている範囲内にあるとき、弁
手段を作動して選択束部分への流れを停止する。
第８図は、透過装置の中空繊維の２つの同心の部分を
通る３つの異なる流速を達成する、本発明の透過装置を
通る流れを示す。この場合において、繊維の孔に入る加
圧された供給ガス、繊維の孔を出る非透過物（生成
物）、および内側から中空繊維の外側壁へ行く透過物
（非生成物）で透過装置は作動する。ある場合におい
て、透過物は所望の生成物であることができ、そして繊
維の孔を出るガスは非生成物である。
第８図において、弁V2は口61へ接続しており、そして
弁V4は口63へ接続していて、中空繊維の第２外側部分88
への流れを調整する。弁V1は口53へ接続しており、そし
て弁V3は口55へ接続していて、中空繊維の第１内側部分
90への流れを調整する。入口弁V1およびV2は供給ガスの
圧力および流れが、漏れ透過が起こるであろう、使用さ
れていない繊維の束の部分に入るのを防止するために重
要である。出口弁V3およびV4は、生成物ガスの圧力およ
び流れが、透過漏れのために生成物の損失につながる、
使用しない繊維の束の部分に逆流するのを防止するため
に重要である。V3およびV4はチェツクのための弁である
ことができそして、束の１つの部分を連続的に使用する
場合、その部分の両端の弁をもうけないでもよい。
第４図の表は、同心的透過装置から３つの異なる流速
を達成する種々の弁の状態を示す。これらの異なる流速
のために、実質的に異なる数の中空繊維が内側および外
側の部分中に存在する。２つのみの流速を望む場合、内
側および外側の部分は実質的に同一数の繊維を含有する
ことができる。透過装置は生成物ガスとして窒素に富ん
だ空気（NEA）および透過物として酸化に富んだ空気（O
EA）で空気分離装置として作動することができる。
中程度の流速を望む場合、弁V1/V3を閉じ、そして弁V
2/V4を開く。供給ガス、例えば空気は弁V2を通して入
り、口61を通り、そして中空繊維の第２外側部分88を通
る。透過物、OEAは中空繊維の壁を通過し、そして束を
半径方向に通り、そして口69から出る。生成物ガス、NE
Aは、酸素が９％より少なく、好ましくは５％以下であ
り、中空繊維の孔の中から外に、口63を通して、弁V4を
通してそして生成物１のライン92を通して流れる。
低い流速を望むとき、弁V2/V4は閉じ、そして弁V1/V3
は開く。空気はV1、口53を通して、そして中空繊維の第
１内側部分を通して流れる。透過物は半径方向に束を通
して流れ、そして口69を通して出る。生成物、NEAは繊
維の中から外に、口55、弁V3を通して、そして生成物２
のライン94を通して流れる。ある場合において、生成物
の流れは同一の目的場所に行くことが望ましいことがあ
り、この場合において生成物のライン92および94は一緒
に合わせて一本のラインとすることができる。この場合
において、低いか、あるいは中程度の流速で作動して、
流れの損失が起こるであろう中空繊維の不活性な部分を
通る逆流を防止するために、弁V3およびV4を前述のよう
に適当に閉じることは重要である。
高い流速を望むとき、すべての弁は開き、そして中空
繊維の第１部分および第２部分の両者は供給ガスを同時
に分離する。
２つの生成物の流れ92および94は、また、生成物であ
ることができ、これらの生成物は、例えば、束の異なる
部分において使用する繊維の物理学的特性を調節するこ
とによって、生成物の純度を変化させることができる。
例えば、部分88は１つの精製の生成物を提供し、そして
部分90は同一供給物から他の純度の生成物を提供する。
このような作動の１つの例は、同一の空気供給物から98
％の窒素および92％の窒素の両者を製造するであろう。
弁を操作して２つの別々の生成物を形成するとき、一方
の生成物を第４図の低いまたは中程度の流速の設定で弁
を操作することによって集めるか、あるいは両者の生成
物を高い流速の設定で弁を操作することによって同時に
集めることができる。
２つの異なる生成物の流れは、また、２つの異なる供
給物の流れから得ることができ、ここで２つの供給物の
流れの透過物は繊維の外表面と適合性であり、そして危
険な混合物を製造しないであろう。例えば、一方の供給
物の流れは空気であり、透過物はOEAでありそして非透
過生成物はNEAであり、そして他方の供給物の流れは混
合物、例えば、窒素および二酸化炭素であることがで
き、ここで透過物はCO2に富んでおり、そして生成物はN
2に富んでいるであろう。CO2に富んだガスおよびOEAは
繊維の両者の部分からの透過物の流れ中で安全に混合さ
れるであろう。
シェルをもたない同心的透過装置 第２図は本発明の透過装置の有用な態様を示し、ここ
でシェルは排除されており、そして変更した端キャップ
96および98を端面32および34に隣接する支持構造体36の
端に取り付けられている。このようなシェルをもたない
透過装置の構造は米国特許第4,871,379号に記載されて
おり、その開示をここに引用によって加える。このよう
な設計は透過装置の重量、コストおよび複雑さを減少
し、そして１より多い透過装置をダッシュ線で97におい
て示唆する低いコストの通気した囲い中に設ける場合、
本質的に有用である。ボルト100は支持体36の孔101中に
捩込まれており、そしてシール102は端キャップ96を所
定位置に保持する。ボルト104は支持体36の孔105中に捩
込まれており、そしてシール106は端キャップ98を所定
位置に保持する。シール102および106は、それぞれ、空
間54および56からの流体の漏れを防止する。透過装置の
他の詳細は第１図のそれに類似する。束およびチューブ
シートのバリヤー 膜の一方の側の透過装置の向流の流れを膜の他方の側
の供給物の流れに対して確立する手段を設置することに
よって、改良された分離を達成することができる。好ま
しくは、この手段は並流を回避し、そして透過装置の半
径方向の流れを最小とする。
第３図は、本発明の透過装置の他の有用な変更を示
し、ここで中空繊維をもたない不透過性バリヤー108お
よび109は製作の間に束に巻かれている。
バリヤー108は束の部分の間に位置し、バリヤー108の
端は、第９図を参照して説明した流れの損失が起こりう
る中空繊維端面部分及びそこに位置する中空繊維の孔を
必要とせず、シール42および44とのきっちりとした接触
区域を提供する。
米国特許第3,801,401号に従い束を製作する間、不織
材料を中空繊維とともに連続的に巻いて、それらのため
の透過性支持体を形成する。樹脂を一端に適用して不透
過性チューブシートを形成する。中空繊維を省略するこ
とによって、バリヤーは樹脂を適用するとき端に形成さ
れるであろう。端の間のバリヤー中間体は、中空繊維を
省略した約400度の不織材料の上に樹脂を噴霧すること
によって形成することができる。あるいは、バリヤーは
不透過性フィルム、例えば、マイラー（Maylar）を束中
のバリヤーを望むところにラッピングすることによって
形成することができる。樹脂のビードを不透過性フィル
ムの後へりに適用して、フィルムのチューブを形成する
ことができる。
いずれの場合においても、中間のバリヤー108を一方
のチューブシートにおいてシールし、そして他方のチュ
ーブシート（供給端）から間隔を置いて位置するか、あ
るいはそこに開口を有し、こうして低い圧力低下の半径
方向の流体流れが起こることができるようにする。間隔
または開口は、供給端付近においてのみ開口110により
表されている。それらは透過物を束繊維の第１内側部分
から流れるようにしている。これは透過物を供給物流れ
に対して向流の方向111に孔113を通して強制的に流し、
孔113は繊維の壁を横切って酸素の分圧の差を最大とす
るために有益である。米国特許第4,871,379号（その開
示をここに引用によって加える）は、この利益をより詳
しく記載している。
バリヤー109は、透過物を束繊維の第２外側部分につ
いて向流の方向に強制的に流れさせる。それは好ましく
は不透過性フィルム、例えば、マイラー（Maylar）であ
る。フィルムは、好ましくは、排出端におけるチューブ
シートとシール的にかみ合うか、あるいはそれとほぼ接
触するような方法で中空繊維の束の上にラップし、そし
て、シェルの口69への適切の流れを可能とするような方
法で他方のチューブシートと嵌合せず、好ましくはチュ
ーブシートの2.54〜7.62cm（１〜３インチ）内の間隔を
おいて位置する。
第３図における透過装置は、第２図を参照して説明し
た方法でシェルをもたない態様に適合させることができ
る。
別の束部分 第５図は本発明の透過装置のなお他の有用な態様を示
し、ここで繊維90の第１内側部分は繊維88の第２外側部
分から物理学的に分離可能である。この場合において、
中空繊維の第２部分はそれ自体の支持構造体112のまわ
りに巻かれ、支持構造体は示すように直線の管状構造で
あることができる。中空繊維の第１部分のチューブシー
トの区画は、カラー114および116を構成して変更して、
それぞれ、シール42および44のためのフットプリントの
表面を形成し、そしてシール118および120のためのシー
ルのみぞを形成する。これらの後者のシールは支持体11
2の内表面と共同して、空間62および64から中空繊維の
内側部分を取り囲む環状の空間115中へ、究極的に中空
繊維を取り囲む環状の空間67の外側部分中への漏れを防
止する。第１および第２の部分を分離可能に有すること
の利点は、１つの部分における繊維は製作においてか、
あるいは使用後に問題を発生する場合、全体の透過物を
置換する必要がない。また、部分の１つが他の部分より
頻繁に使用し、したがって作動的に効率よく傾斜する場
合、有利である。
３つの同心的透過装置 第６図は本発明の透過装置のなお他の有用な変型を示
し、ここでガス分離に有効な中空繊維の３つの同心的部
分、すなわち、内側部分90、中間部分122および外側部
分123が存在する。これは７つの異なる流速または３つ
の生成物の流れについての可能性を提供し、前記生成物
の流れは、例えば、第８図を参照してすでに説明したよ
うに生成物の純度を変化させることができる。
第６図の透過装置における、変更した流れチャンネル
アダプター124は２つの端面シール42′および126および
２つのキャビティシール50′および128を有し、それら
は変更した端キャップ130と組み合わせる。端キャップ1
30は円筒形壁46′および132を有し、それらはアダプタ
ー124の外径を囲み、そして囲まれた空間54′、134およ
び64′を形成する。空間54′は、シール42′の円周内に
入る中空繊維の孔の内側部分と、および口53′と流体連
絡している。空間134は、シール42′の外側円周および
シール126の内側円周の間にはいる中空繊維の孔の中間
部分と、および口136と流体連絡している。空間62′
は、シール126の外側円周を越えて位置する中空繊維の
孔の外側部分と、および口61′と流体連絡している。理
解できるように、中空繊維の３つの別々の部分との流体
連絡は、二重の同心的透過装置を論じるとき、第８図を
参照して説明したものに類似する方法で、弁およびパイ
プを使用して、ちょうど説明したシールおよび口の配置
を通して起こすことができる。
重量を減少する円錐形のチューブシート 第７図は第５図の分離可能な変型に類似する透過装置
の他の有用な変型を示し、ここでチューブシートの端は
変更を受け流れアダプターを必要としない構造となって
おり、そして小さいキャップの変更がある。分離可能な
内側部分142のチューブシート138および140は、平らな
面の代わりに円錐形の端面144および146を切断すること
によって変更されている。これは許容可能な変更であ
る。なぜなら、チューブシート内の組み合わせた剪断お
よび曲げ応力は中心付近で最大であり、そして外側へり
においてゼロに減少するからである。前述の透過装置に
ついての航空機の応用において、重量は臨界的因子であ
るので、チューブシートに対して余分の厚さは１つの問
題である。面を示すように切断することによって、余分
厚さを除去し、そして重量を節約する。分離可能な外側
部分のチューブシート147および149は、示すように同様
に切断される。チューブシート138の円錐形切断は、別
の簡素化したシールの配置のための空間を提供し、ここ
で第５図の面のシール42およびキャビティシール50は単
一のシール152によって置換することができる。シール1
52は変更された端キャップ156上の円筒形壁154中のみぞ
中に保持される。シール152は支持体管112′の内表面と
組み合わされて、空間62″から空間54″のシールを完結
する。透過装置の反対の端も同様に構成され、そしてシ
ールされる。端キャップ156および158は平らなキャップ
として示されているが、また、外側部分のチューブシー
トの端と合致する円錐形または球形の形状を有し、これ
により円筒形シェルを短くすることによって追加の重量
を節約することができる。
部分142および151が、慣性、振動、圧力その他の力の
ために、端キャップ156および158の間で軸方向にシフト
しないことを保証するために、エラストマーのバンパー
を使用することができる。エラストマーのバンパー160
および162は部分142を安定化し、そしてバンパー164お
よび166は部分151を安定化する。円錐形チューブシート
を使用して、また、この応用において描写した種々の端
の囲いを使用する他の立体配置における重量を減少する
ことができる。
非同心的透過装置 本発明を異なる束部分の間の同心的関係により記載し
たが、他の幾何学的配置は第10図および第11図において
例示したように可能である。第10図は、透過装置のチュ
ーブ束178（第１図の束に類似する）を非同心的部分に
分割する、シールのパターン168を有する透過装置の端
キャップの構造体167を示す。第11図において見ること
ができるように、キャップ167を繊維の束178の１つのチ
ューブシートの端176にボルト180により取り付け、そし
てボルト180は中央の支持体182中にねじ山により嵌合さ
れる。反対のチューブシートの端（図示せず）に、反対
の手のシールのパターンを有する端キャップを同様に取
り付ける。２つのキャップは回転可能に配置され、こう
して一方のチューブシートの端にシールされた区域中に
それらの端を有する繊維の部分は、他方のチューブシー
トの端において対応するシールした区域におけるそれら
の他方の端を有する繊維の同一部分であろう。取り付け
た端キャップをもつチューブ束は、シェル183内に配置
され、そして各端に環、例えば、環184により所定位置
に保持されている。口186は、部分170への流体連絡およ
び口188は部分174への流体連絡を提供する。他方の端の
端キャップ中の同様な口は、第８図を参照して説明した
ものに類似する流体連絡を可能とする。一般に、第１図
および第11図の透過装置の両者は、共通に、多数の部分
に分割された繊維の束を有し、そして前記多数の部分は
それぞれの部分への流路をもつコンパクトな配置で互い
に隣接して位置する。端キャップが直接チューブシート
に対して保持されている、第10図および第11図に示す端
キャップの構造体は、第１図、第２図、第３図、第５図
および第６図の透過装置に適用することができ、そして
チューブ束の構造体の膨張または収縮は、チューブシー
トの部分を有するシールに影響を及ぼさず、そして特別
の動くシール構造体を必要とする。
航空機の燃料タンクの不活性ガスの供給システム 第13図は、本発明の透過装置を航空機の燃料タンク
（囲まれた空間）の不活性化（inerting）システムにお
いて使用する方法を示す。シェル22中の２つの部分の透
過装置の束20は、エンジンが発生する圧力源190から加
圧された空気を供給され、圧力源190はコンディショニ
ング単位装置192に供給し、ここで空気は濾過され、加
熱または冷却され、圧力調整され、そしてそうでなけれ
ば透過装置を保護しかつ有効な作動を達成するようにコ
ンディショニングされる。
透過装置からのNEAの流れは、ライン194を通して燃料
タンク196/198内の燃料の上の空間へ向けられる。逆止
め弁200および202は、束の使用しない部分へのNEAの逆
流を防止し、そして燃料ガスの透過装置中への逆流を防
止する。流れ制限オリフィス212および214は、束部分を
通る流れを制限する。タンクの通気口204および206は、
過剰の不活性ガスを排出し、そして外側と圧力を平衡化
する。透過装置からのOEAの流れは、ライン195を通して
排出口へ向けられる。あるいは、それは、例えば、呼吸
用空気として使用することができるであろう。弁セレク
ター単位装置208は、必要とされるNEA流れを決定するた
めの感知手段210からのセンサーの入力に基づいて、流
れ調整手段（弁V1およびV2）の状態（完全にまたは部分
的に開いているか、あるいは閉じている）を制御する。
感知手段は、周囲圧力速度の変化のセンサー、不活性化
（inert）すべきNEA流れまたは空間中の酸素のセンサ
ー、燃料タンク中の燃料の上の圧力とタンクの外側の周
囲圧力との間の差を測定するための圧力センサー、ある
いは透過装置の流速の変化の必要性を感知するために知
られている他のセンサーから成ることができる。２つの
流速のみを必要とする簡素化した態様において、部分の
１つ、すなわち、部分90を通る連続的流れを維持するこ
とができる。その場合において、V1は省略することがで
きそして、逆止め弁200を、また、省略することができ
るが、それは保持してシステムの運転停止の間の透過装
置中への燃料蒸気の逆流を防止することが好ましいであ
ろう。
比較的一定の高度のクルージングの間のように低い流
速の間は、センサーは感知状態にあることが期待され、
周囲圧力の変化はほとんどないNEAの流れは制限されて
いる。その場合において、V1は開いていて空気を内側の
束部分90へ供給し、そしてV2は閉じていて外側束部分88
への空気の供給を防止する。逆止め弁200は開いていてN
EAを束部分90から不活性に保たれるべき空間へ流出さ
せ、これに対して逆止め弁202は閉じたままであって、
束部分88中へのNEAの逆流を防止する。
急速な上昇のために、センサーは、一方において、急
速な燃料の消費のために増加することが期待されそし
て、他方において、周囲圧力の減少のために減少するこ
とが期待される、NEAの必要量を決定することが期待さ
れる。２つの効果がバランスされる場合、弁の位置およ
び流れパターンは低い流れの条件下と同一であろう。燃
料の消費が補償する圧力差より高い場合、センサーは弁
セレクター単位装置に信号を送り、次いで弁セレクター
単位装置は、部分88が部分90より高い容量を有したと仮
定した場合、中間の流れのためにV2を開きそしてV1を閉
じるか、あるいはなお高い流れのために両者のV2および
V1を開くであろう。圧力源190はより高い流速を増加し
たNEAの要求下に透過装置に供給するであろう。
急速な下降のために、周囲圧力はタンクの内側の圧力
より急速に増加するであろう。圧力変化のセンサーは弁
セレクター単位装置に信号を送り、この単位装置はNEA
の増加した流れについての必要性を認識するように設計
され、次いで、必要に応じて、V2およびV1を作動させ、
そして透過装置システムへの供給を増加するであろう。
下降の結果、センサーはNEAのためのより低い必要性
（低いまたはゼロの圧力速度の変化）を感知し、そして
信号を弁セレクター単位装置に送り、次いで単位装置は
流れを減少するような方法で弁を作動する。
この開示から当業者は必要に従い流れを変化させる設
計を思いつくことができるであろう。例えば、水平のフ
ライトのための低い流速（小さい束部分90に対してV1を
開き、そしてV2を閉じる）、燃料より上の空間がほとん
どなくタンクがほぼ充満している場合に、下降のための
中程度の流れ（より大きい部分に対してV2を開き、そし
てV1を閉じる）、または燃料より上の空間が大きくタン
クがほぼ空である場合に、下降のための高い流れ（V1お
よびV2の両者が開いている）等である。また、エンジン
へ航空機の推進のためにより多い電力を供給する必要が
あるとき、圧力源190への負担を減少するために、流速
を弁を作動して調節して、透過装置の小さい部分への流
れを制限するように速流を調節することができる。
必要に応じて、酸化に富んだ空気（OEA）である透過
物を、口69から、ライン195を通して供給して、必要に
応じてそれ以上のコンディショニングを行って、クルー
の呼吸用空気として使用することができる。
この航空機の実施例は、変化するNEAの流速において
作動することができる、コンパクトな、軽量の透過装置
についての有意の使用を表し、そして他の同様な使用を
当業者に示唆するであろう。例えば、レーシング車、戦
車および個人の移送車などにおける使用を考えることが
できる。また、それは、本発明の軽量および小さい大き
さおよび可変の流れおよび／または分離が望まれる、救
急車において使用することができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、繊維の束を繊維の２つの同心群に分割するた
めの特別の流れチャンネリングを端にもつ、シェル型の
標準の二重端のチューブシートの繊維の束を示す断面図
である。 第２図は、シェルをもたない型の立体配置に適合する第
１図の透過装置を示す断面図である。 第３図は、特別の巻き込みセパレーターおよび繊維の束
を繊維の２つの同心群に分割するための特別の流れチャ
ンネリングを端にもつ、シェル型の標準の二重端のチュ
ーブシートの繊維の束を示す断面図である。 第４図は、２つの同心の中空繊維束部分をもつ透過装置
を作動させて異なる出力を達成するための種々の弁の状
態の表を示す断面図である。 第５図は、１つが他の内部に同心的に配置された２つの
分離可能な繊維の束が存在し、そして繊維の束を繊維の
２つの同心群に分割する特別の流れチャンネリングが端
に存在する、シェル型の二重端のチューブシートの中空
繊維の透過装置を示す断面図である。 第６図は、２つの巻き込みセパレーターおよび繊維の束
を繊維の２つの同心群に分割する特別の流れチャンネリ
ングが端に存在する、第３図に類似する透過装置の配置
を示す部分断面図である。第７図は、第５図のそれに類
似する透過装置のための端における流れチャンネリング
の異なる手段を示す断面図である。 第８図は、３つの異なる流速を２つの同心の繊維束で達
成できる方法を示すフローダイヤグラムである。 第９図は、中空繊維を一方の端から他方の端へ異なる流
れチャンネリング手段と整列したとき、第１図および第
２図における型の透過装置内の可能な流路を示す概念図
である。 第10図は、繊維の部分の非同心的配置を有する透過装置
の態様の端キャップを示す断面図である。 第11図は、繊維の部分の非同心的配置を有する第10図の
透過装置の端の断面図を示す。 第12図は、チューブシートを切断し戻して部分を規定す
る延長部を形成する第１図または第２図の態様の１端を
示す断面図である。 第13図は、航空機の燃料タンクの挿入システムにおける
透過装置の使用を示すダイヤグラムである。 図中の各記号は次の意味を有する。 １……生成物 ２……生成物 20……中空繊維束 22……シェル 24……端キャップ 26……端キャップ 28……チューブシート 30……チューブシート 32……面、端面 34……面、端面 36……支持構造体 38……流れチャンネルアダプター 40……流れチャンネルアダプター 42……「Ｏ」リング、シール、面シール 42′……端面シール 44……「Ｏ」リング、シール 46……壁 46′……円筒形壁 48……壁 50……「Ｏ］リング、シール 50′……キャビティシール 52……「Ｏ」リング、シール 53……口 53′……口 54……囲まれた内部空間 54′……囲まれた空間 54′……空間 55……口 56……囲まれた内部空間 58……オリフィスまたは孔 60……環 61……口 61′……口 62……外側環空間 62′……囲まれた空間 62′……空間 63……口 64……外側環空間 66……束のシール、チューブ束のシール 67……環状空間 68……束のシール、チューブ束のシール 69……口 70……シールのフットプリント 72……シールのフットプリント 74……らせんの線 76……らせんの線 78……孔、線 79……孔の開口 80……線 81……線、孔、繊維 82……線、孔、繊維 83……線、孔、繊維 84……孔の開口 85……孔の開口 86……孔の開口 87……孔の開口 88……第２部分 89……第３口 90……第１部分、内側部分 92……線、生成物の流れ 94……線、生成物の流れ 96……端キャップ 98……端キャップ 100……ボルト 101……孔 102……シール 104……ボルト 105……孔 106……シール 108……不透過性バリヤー 109……不透過性バリヤー 110……開口 111……向流方向 112……支持構造体 112′……支持チューブ 113……孔 114……カラー 115……環状空間 116……カラー 118……シール 120……シール 122……中間部分 123……外側部分 124……変更した流れチャンネルアダプター、126……端
面シール 128……キャビティシール 130……変更した端キャップ 132……円筒形壁 134……囲まれた空間 138……チューブシート 140……チューブシート 142……部分 144……端面 146……端面 147……チューブシート 149……チューブシート 151……部分 152……単一のシール 154……円筒形壁 156……円筒形壁、端キャップ 158……端キャップ 160……エラストマーのバンパー 162……エラストマーのバンパー 164……バンパー 166……バンパー 167……キャップ 168……シールのパターン 169……第１シール区域 170……第１部分 172……第２シール区域 174……第２部分 176……チューブシート 178……透過装置のチューブ束、繊維の束 180……ボルト 181……キャビティ壁 182……中央支持体 183……シェル 184……リング 185……延長部 186……口 187……キャビティシール 188……口 189……端キャップ 190……エンジンの発生した圧力源 192……コンディショニング単位装置 194……ライン 196……燃料タンク 198……燃料タンク 200……逆止め弁 202……逆止め弁 204……タンクの通気口 206……タンクの通気口 208……弁セレクター単位装置 210……感知手段 212……流れ制限オリフィス 214……流れ制限オリフィス V1……弁 V2……弁 V3……弁 V4……弁
フロントページの続き (56)参考文献 実開 昭51−79554（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) B01D 63/02 B01D 53/22 B01D 63/04

Claims (10)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】透過ガスまたは非透過ガスの流れとして、
    生成物ガスを、生成物ガスおよび少なくとも１つの他の
    ガスとの混合物から分離する方法であって、該方法は流
    れの変化を許容し、 ａ、前記混合物を中空繊維透過装置に供給し、 前記透過装置は、 複数の第１の接続ライン、ここで前記第１の接続ライン
    はガス混合物を複数の口（53、61）に供給し、前記複数
    の口から囲い手段（24、38）を通して複数の第１のシー
    ルされた空間（54、62）への流体連絡を与え、前記第１
    のシールされた空間は囲い手段とチューブシート（28）
    との接触により形成され、その中に中空繊維の末端が位
    置する、及び 複数の第２の接続ライン、ここで、前記第２の接続ライ
    ンは非透過ガスを複数の口（55、63）から供給し、複数
    の第二のシールされた空間（56、64）から第二の囲い手
    段（26、40）を通る流体連絡を与え、前記シールされた
    空間は前記複数の第１のシールされた空間（54、62）と
    同一方法で形成され、第１の接続ラインのそれぞれは第
    ２の接続ラインに対応する、 を含んでなり、 ｂ、膜を横切って十分な圧力差を維持して、透過ガスお
    よび非透過ガスを生成し、そして ｃ、生成物の流れがあるシールされた空間により定めら
    れた束部分が流れの達成に要求されないようなものであ
    るとき、ある第１の密封された空間（54、62）への供給
    混合物の流れを停止し、そしてそれらの束部分中への非
    透過ガスの逆流を防止する、 ことを特徴とする方法。
  2. 【請求項２】前記生成物ガスと他の少なくとも一つのガ
    スとの混合物が空気であり、窒素に富んだ空気が非透過
    ガス生成物である請求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】窒素に富んだ空気が航空機の燃料タンクの
    不活性化のために使用される請求項２記載の方法。
  4. 【請求項４】請求項１ないし３記載の方法を実施するた
    めの中空繊維透過装置であって、 a.供給端の第１のチューブシート（28）中に開孔そして
    排出端の第２のチューブシート（30）中に開孔を有する
    中空繊維の束（20）、 ｂ、供給端における第１の囲い手段（24,38）および排
    出端における第２の囲い手段（26,40）、ここで、前記
    囲い手段は、第１のチューブシート（28）および第２の
    チューブシート（30）と接触し、前記囲い手段は複数の
    シールされた空間（54、62;56、64）を形成し、前記複
    数のシールされた空間の各々は供給端および排出端にお
    いて中空繊維の多数の孔の分割された部分（90、98）を
    含有し、供給端における前記部分は排出端における中空
    繊維の孔に対応しかつそれと流体連絡している、および ｃ、各囲い手段中の複数の口（53、61;55、63）、前記
    口は各囲い手段を通して流体連絡を与える、 ｄ、流体混合物を透過装置中に導入する入口手段 ｅ、透過装置から流体混合物の非透過部分を除去するた
    めの濃縮物出口手段、 ｆ、透過装置から流体混合物の透過部分を除去するため
    の透過物出口手段（69）、 ｇ、流体を入り口手段から複数の口に供給し、第１の囲
    い手段を通して複数のシールされた空間への流体連絡を
    与える複数の第１の接続ライン、及び 複数の口から流体を供給し、複数の第二の囲い手段を通
    り透過物出口手段又は濃縮物出口手段へ流体連絡を与え
    る第２の接続ライン、ここで、第１の接続ラインのそれ
    ぞれは第２の接続ラインに対応する、 h.流体の対応する束部分（90、88）への流入を停止又は
    制御するためのバルブ手段（V1、V2）を有する少なくと
    も一つの前記第１の接続ライン及び流体の対応する束部
    分への逆流を阻止するための手段（V3、V4）を有する前
    記第２の接続ライン を含んでなる中空繊維透過装置。
  5. 【請求項５】束部分（90、88）が互いに同心状である請
    求項４記載の中空繊維透過装置。
  6. 【請求項６】不透過性バリヤー（108、109）をさらに含
    み、前記不透過性バリヤーは、各部分における膜の一方
    の側の透過物を膜の他方の側の供給物の流れに対して向
    流させるような方法で各部分（90、88）の中空繊維を囲
    み、前記バリヤーは第２のチューブシートとシール的に
    かみ合い、そして第１のチューブシートと接近して位置
    しているが、透過物の適切な流れを可能とするのに十分
    な間隔を置いて位置する、請求項５記載の中空繊維透過
    装置。
  7. 【請求項７】第１および第２の囲い手段は中空繊維に直
    接接触してシールされた空間（54、62）を形成するシー
    ル表面を有し、前記シールされた空間の各々は中空繊維
    の孔の別々の部分を含有し、そして第１のチューブシー
    トおよび第２のチューブシート（28、30）において繊維
    のある部分は隣接する部分を越えて延びて、延びた部分
    （185）が繊維に対して平行な連続の繊維表面を形成
    し、そして第１及び第２の囲い手段（189）が前記延び
    ている平行な表面と直接接触している請求項５記載の中
    空繊維透過装置。
  8. 【請求項８】第２の囲い手段が透過物出口手段と流体連
    絡している請求項４記載の中空繊維透過装置。
  9. 【請求項９】第２の囲い手段が濃縮物出口手段と流体連
    絡している請求項４記載の中空繊維透過装置。
  10. 【請求項１０】処理されるべき流体がガス混合物または
    加圧された空気である請求項４記載の中空繊維装置。
JP2168596A 1989-06-30 1990-06-28 選択可能な流速を有する透過方法及び装置 Expired - Lifetime JP3051427B2 (ja)

Applications Claiming Priority (2)

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