JP4100209B2 - 膜モジュール - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、中空糸膜の膜分離作用を利用して、加湿あるいは除湿を行う膜モジュールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、中空糸膜の膜分離作用を利用して加湿あるいは除湿を行う膜モジュールが知られている。
【０００３】
例えば、固体高分子型燃料電池においては、水素などの燃焼ガス及び酸素などの酸化剤ガス（以下、両者を反応ガスと称する）を加湿して供給する装置が必要であり、この加湿装置に上述した膜モジュールを利用したものが知られている（特許文献１参照）。
【０００４】
このような従来技術に係る膜モジュールについて図１５及び図１６を参照して説明する。図１５は従来技術に係る膜モジュールの一部破断斜視図である。図１６は従来技術に係る膜モジュールの模式的断面図である。
【０００５】
図示のように、従来技術に係る膜モジュール１００は、概略、ケース１０１と、このケース１０１内に充填される中空糸膜束１０２とから構成される。
【０００６】
ケース１０１は、略円筒形状であり、その一端に第１開口部１０１ａを備え、他端に第２開口部１０１ｂを備え、更に、側面側に第３開口部１０１ｃ及び第４開口部１０１ｄを備えている。
【０００７】
このケース１０１内に充填された中空糸膜束１０２は、その両端において、中空糸膜内部のみが開放されるように、中空糸膜の外壁面及びケース１０１の内壁面間が封止固定されている。つまり、第１開口部１０１ａ側には、第１封止固定部１０４ａが設けられ、第２開口部１０１ｂ側には、第２封止固定部１０４ｂが設けられている。
【０００８】
このように構成される膜モジュール１００によって、第１開口部１０１ａ側からケース１０１内に入り（矢印Ｓ０）、中空糸膜の中空内部を通って、第２開口部１０１ｂからケース１０１の外部へと抜けていく（矢印Ｓ１）第１経路と、第３開口部１０１ｃ側からケース１０１内に入り（矢印Ｔ０）、中空糸膜の外壁面側を通って第４開口部１０１ｄからケース１０１の外部へと抜けていく（矢印Ｔ１）第２経路を形成する。
【０００９】
そして、第１経路と第２経路のうちの一方に反応ガスを流し、他方に水あるいは水蒸気を流す。これにより、他方に流された水あるいは水蒸気は、中空糸膜の膜分離作用によって、反応ガスの側へと透過され、反応ガス内で拡散される。
【００１０】
このようにして、反応ガスを加湿することが可能となる。
【００１１】
【特許文献１】
特開平８−２７３６８７号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
上述した膜モジュールにおいては、加湿あるいは除湿効率向上の観点から、中空糸膜束を構成する中空糸膜全体が効率良く膜分離に寄与することが要求される。
【００１３】
また、中空糸膜束内に流れ込んだ流体による衝撃によって、中空糸膜が切れてしまわないようにすることも要求される。これは、中空糸膜が切れて損傷すると、その中空糸膜は膜分離に寄与できなくなるからである。
【００１４】
本発明の目的は、中空糸膜の切れの発生を抑制すると共に、加湿効率あるいは除湿効率の向上を図った膜モジュールを提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
【００１６】
すなわち、複数本の中空糸膜によって形成される中空糸膜束と、
該中空糸膜束を収容するケースと、を備え、
中空糸膜の中空内部を通る第１経路と、
中空糸膜の外壁面側を通る第２経路と、を形成して、中空糸膜の膜分離によって水分の分離を行う膜モジュールであって、
前記ケース内の空間部を仕切る一対の第１仕切り板及び第２仕切り板を設け、これら第１仕切り板と第２仕切り板との間に前記中空糸膜束を配設する構成とすると共に、
前記ケースにおける前記第１仕切り板に対向する面のうち前記中空糸膜束の一端側に設けられ、前記第２経路の一部を構成する第１開口部と、
前記ケースにおける前記第２仕切り板に対向する面のうち前記中空糸膜束の他端側に設けられ、前記第２経路の一部を構成する第２開口部と、
前記第１仕切り板における前記他端側に設けられ、前記第２経路の一部を構成する第３開口部と、
前記第２仕切り板における前記一端側に設けられ、前記第２経路の一部を構成する第４開口部と、
を備えることを特徴とする。
【００１７】
以上のような構成により、第２経路は、第１開口部からケース内に入り、ケースと第１仕切り板との間を通り、第３開口部から中空糸膜束内に入り、第４開口部から中空糸膜束から出て、ケースと第２仕切り板との間を通り、第２開口部からケース外へと出て行く経路、あるいは、この逆の経路となる。
【００１８】
従って、ケース内に入り込んだ流体が直接中空糸膜束に入り込むことはなく、中空糸膜が受ける衝撃を抑制できる。また、中空糸膜束内に入り込んだ流体は、中空糸膜束の他端側から一端側あるいはその逆を流れた後に中空糸膜束を出て行くので、中空糸膜のほぼ全長分が水分の膜分離に寄与する。
【００１９】
前記ケースにおいて、前記中空糸膜束の収容部を含み、流体の入口あるいは出口となる開口部を有する配管部分を除く部分の形状が略六面体であるとよい。
【００２０】
このような構成とすれば、円筒形状のケースを用いる場合と比較して、搭載効率を上げることができる（同体積に対する投影面積を小さくできる）。
【００２１】
前記第３開口部及び第４開口部は複数の孔より構成されると共に、これらの孔の個数，形状及び大きさは、第３開口部の場合には前記他端側に向かうほど流量が大きく、第４開口部の場合には前記一端側に向かうほど流量が大きくなるように設定されているとよい。
【００２２】
このような構成とすれば、中空糸膜の端から端まで効率良く膜分離に寄与させることができる。
【００２３】
複数本の中空糸膜が並べてすだれ織りとされ、すだれ織りとされたのが幾重にも折り畳まれて前記中空糸膜束が構成されているとよい。
【００２４】
このような構成とすれば、中空糸膜同士が整列し、充填しやすく、また、中空糸膜強度を向上させることができる。
【００２５】
数本の中空糸膜の束を単位として編み込まれ、前記すだれ織りとされるとよい。
【００２６】
また、前記ケースと第１仕切り板との間に形成される流路と第１開口部との間，前記ケースと第２仕切り板との間に形成される流路と第２開口部との間，前記ケースと第１仕切り板との間に形成される流路と第３開口部との間、及び前記ケースと第２仕切り板との間に形成される流路と第４開口部との間のうち少なくともいずれか一つに、流体の流れを整える整流部材を設けるとよい。
【００２７】
従って、整流部材を設けた部分では、流体の流れがスムーズになり、圧力損失を抑制できる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して、この発明の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。ただし、この実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
【００２９】
（第１の実施の形態）
図１〜図３を参照して、本発明の第１の実施の形態に係る膜モジュールについて説明する。図１は本発明の第１の実施の形態に係る膜モジュールの模式的縦断面図である。図２は本発明の第１の実施の形態に係る膜モジュールにおけるケース内部を模式的に示す斜視図である。なお、図２においては、ケース及び仕切り板に設けた開口部の配置関係が分かりやすくするために、配管，中空糸膜束及びケースの上面などは無くして簡略的に示している。
【００３０】
図３は本発明の第１の実施の形態に係る膜モジュールの模式的横断面図である。なお、図３は図１のＡＡ断面に相当する図面である。ただし、図１のＡＡ断面図そのものではなく、図１における断面前のＡＡ断面に相当する。
【００３１】
図示のように、膜モジュール１は、複数本の中空糸膜４によって形成される中空糸膜束と、中空糸膜束を収容するケース２と、ケース２内の空間部を仕切る一対の第１仕切り板３１及び第２仕切り板３２とを備えている。
【００３２】
ケース２の主要部分の形状（中空糸膜束を収容する部分を含む基本形状（流体の入口あるいは出口となる開口部を有する配管部分を除く部分の形状））は、各図から分かるように、六面体（直方体）である。
【００３３】
そして、このケース２の主要部分における内部の空間部分を仕切るように、第１仕切り板３１及び第２仕切り板３２が配設されている。これら第１仕切り板３１及び第２仕切り板３２は、平板形状の部材であり、六面体形状のケース２における一対の面（図３では上面と下面）にそれぞれ固定される。
【００３４】
このように、第１仕切り板３１及び第２仕切り板３２を配設することにより空間部分を仕切り、断面が四角形状の中空糸膜束を収容する部分と、その両側の隙間部分を形成している。
【００３５】
中空糸膜束は、上記の通り、第１仕切り板３１と第２仕切り板３２との間に配設される。そして、中空糸膜束の両端部においては、それぞれ中空糸膜４の中空内部のみが開放されるように、中空糸膜４の外壁面及び第１仕切り板３１，第２仕切り板３２，ケース内壁面間がポッティング剤などの封止剤によって封止されている。
【００３６】
本実施の形態では、一端側の封止部（ポッティング部）は、外側のエポキシポッティング層５１と内側のシリコンポッティング層５２の２層から構成されている。また、他端側の封止部も同様に、外側のエポキシポッティング層５３と内側のシリコンポッティング層５４の２層から構成されている。
【００３７】
このように封止部を２層構造としたのは、比較的硬度の高いエポキシポッティング層５１，５３によって複数の中空糸膜４を強固に固定する一方で、柔軟なシリコンポッティング層５２，５４を設けることで、中空糸膜４の揺れに対する追随性を高くして、中空糸膜４と封止部との境界面付近における中空糸膜４の切れを抑制するためである。
【００３８】
ここで、第１仕切り板３１とケース２との間にできた隙間の両端部、及び第２仕切り板３２とケース２との間にできた隙間の両端部は、後述する第１経路を流れる流体と第２経路を流れる流体が相互に漏れないように封止する必要がある。
【００３９】
そこで、本実施の形態では、上述したエポキシポッティング層とシリコンポッティング層で構成される封止部によって封止する構成とした。ただし、これらの隙間の両端は、他の方法（部材）によって封止する構成としても良い。
【００４０】
ケース２は、本実施の形態では、内部中空のケース本体２１と、その両端にそれぞれ設けられる第１カバー２２及び第２カバー２３と、から構成される。これらケース本体２１と第１カバー２２、及びケース本体２１と第２カバー２３は、適宜の方法により流体が接合部から漏れないように固着される。
【００４１】
第１カバー２２には、中空糸膜束の一端と対向する位置に開口部２２ａが設けられ、第２カバー２３には、中空糸膜束の他端と対向する位置に開口部２３ａが設けられる。
【００４２】
これにより、第１カバー２２に設けられた開口部２２ａからケース２内に入り（矢印Ｓ０）、中空糸膜４の中空内部を通り、第２カバー２３に設けられた開口部２３ａからケース２の外部へと出て行く（矢印Ｓ１）、あるいはその逆の第１経路が形成される。
【００４３】
また、ケース本体２１には、第１仕切り板３１に対向する面のうち中空糸膜束の一端側に、第１開口部２１ａが設けられ、また、第２仕切り板３２に対向する面のうち中空糸膜束の他端側に、第２開口部２１ｂが設けられている。
【００４４】
そして、第１仕切り板３１には、中空糸膜束の他端側に、第３開口部を構成する貫通孔３１ａ，３１ｂが設けられ、第２仕切り板３２には、中空糸膜束の一端側に、第４開口部を構成する貫通孔３２ａ，３２ｂが設けられている。なお、第３開口部を構成する貫通孔及び第４開口部を構成する貫通孔の個数，形状及び大きさについては、使用条件等によって適宜設定できる。
【００４５】
これらによって、ケース本体２１に設けられた第１開口部２１ａからケース２内に入り（矢印Ｔ０）、第１仕切り板３１とケース２との間の隙間を通り（矢印Ｔ１）、第１仕切り板３１に設けられた第３開口部（貫通孔３１ａ，３１ｂ）から中空糸膜束内に入り、中空糸膜束内部であって、かつ各中空糸膜４の外壁面側を通り、第２仕切り板３２に設けられた第４開口部（貫通孔３２ａ，３２ｂ）から中空糸膜束の外部に出て、第２仕切り板３２とケース２との間の隙間を通り（矢印Ｔ２）、ケース本体２１に設けられた第２開口部２１ｂからケース２の外部へと出て行く（矢印Ｔ３）、あるいはその逆の第２経路が形成される。
【００４６】
以上のような構成により、加湿膜モジュールとして利用する場合には、第１経路あるいは第２経路のうちの一方に、加湿対象流体（例えば乾燥気体）を流し、他方に水分を含む流体（例えば、水蒸気や水）を流す。これにより、膜分離作用によって水分を含む流体中の水分が加湿対象気体側に透過され分散されることで、加湿対象流体の湿度を高めることができる。例えば、上述した膜モジュール１を、固体高分子型燃料電池において、水素などの燃焼ガス及び酸素などの酸化剤ガスを加湿して供給するための加湿装置に好適に利用することができる。
【００４７】
これに対して、除湿膜モジュールとして利用する場合には、第１経路あるいは第２経路のうちの一方に、除湿対象流体（例えば湿潤気体）を流し、他方に乾燥気体（例えば乾燥空気）を流す。これにより、膜分離作用によって除湿対象流体中の水分が乾燥気体側に透過されるため、除湿対象気体の湿度を下げることができる。
【００４８】
そして、本実施の形態においては、ケース２内に流れ込んできた流体は、直接中空糸膜束内に入り込むことはなく、第１仕切り板３１とケース２との間の隙間、あるいは、第２仕切り板３２とケース２との間の隙間を流れた後に、第１仕切り板３１に設けられた第３開口部、あるいは、第２仕切り板３２に設けられた第４開口部から中空糸膜束内に入り込む。
【００４９】
従って、中空糸膜束内に入り込んでくる流体の衝撃を緩和することができるため、中空糸膜４の揺れを緩和でき、中空糸膜４の切れなどを抑制することができる。これにより、中空糸膜４の損傷による加湿効率あるいは除湿効率の低下を防止できる。
【００５０】
また、第２経路においては、一方の仕切り板側から他方の仕切り板側へと経由し、かつ、中空糸膜束の端から端へと経由するため、略全ての中空糸膜について、中空糸膜の全長分を膜分離に寄与させることができる。
【００５１】
従って、加湿効率あるいは除湿効率の向上を図ることができる。
【００５２】
また、本実施の形態においては、ケース２の主要部分の形状が六面体であるので、ケースを従来知られている円筒形状とした場合と比べて搭載効率を上げることができる（同体積に対して投影面積を下げることができる）。
【００５３】
（第２の実施の形態）
図４及び図５には、第２の実施の形態が示されている。本実施の形態では、仕切り板に設ける開口部を構成する孔について工夫した構成が示されている。
【００５４】
その他の構成および作用については第１の実施の形態と同一なので、同一の構成部分については同一の符号を付して、その説明は省略する。
【００５５】
図４は本発明の第２の実施の形態に係る膜モジュールに用いられる仕切り板の正面図である。
【００５６】
図示のように、本実施の形態においては、仕切り板３３に、第１貫通孔３３ａ，第２貫通孔３３ｂ，第３貫通孔３３ｃを設けている。なお、仕切り板３３は、上述の第１の実施の形態における第１仕切り板と第２仕切り板のうちのいずれか一方、あるいは両方に相当する。従って、第１貫通孔３３ａ，第２貫通孔３３ｂ及び第３貫通孔３３ｃは第３開口部と第４開口部のうちのいずれか一方、あるいは両方に相当する。
【００５７】
そして、本実施の形態では、図から明らかなように、第１貫通孔３３ａの孔面積が一番大きく、その次に、第２貫通孔３３ｂの孔面積が大きく、第３貫通孔３３ｃの孔面積が一番小さくなるように設定されている。つまり、端部に近付くほど、孔面積が大きくなるように設定されている。
【００５８】
このように設定した理由を説明する。
【００５９】
第３開口部あるいは第４開口部から中空糸膜束内に入り込む流体の流量は使用条件等により定まり、これにより開口部の開口面積はおおよそ設定される。このように設定された開口面積を満足させるために、単に円形の一つの貫通孔のみで対応したり、上記第１の実施の形態で説明した図１及び図２に示すように、同じ大きさの２つの貫通孔を単に並べて対応したりした場合には、第２流路の下流側である中空糸膜束の端部側から中空糸膜束内に入り込む流量が少なくなる傾向が出る。
【００６０】
つまり、上記第１の実施の形態の場合で説明すると、上流側となる貫通孔３１ｂあるいは貫通孔３２ｂから中空糸膜束内に入り込む流体の流量が多く、下流側となる貫通孔３１ａあるいは貫通孔３１ｂから中空糸膜束内に入り込む流体の流用が少なくなる傾向が出る。
【００６１】
従って、中空糸膜束の端部付近があまり膜分離に寄与されなくなってしまうおそれがある。
【００６２】
そこで、本実施の形態では、端部側の貫通孔ほど孔面積を大きくすることで、端部側からの流れを積極的にして、流体の流れを均一にするようにした。これにより、より一層効率良く、中空糸膜４の全長分を膜分離に寄与させることができる。
【００６３】
なお、上記の説明では、中空糸膜束に流れ込む場合を例にして説明したが、中空糸膜束の外へ出て行く流体の流れについても同様のことが言える。つまり、端部側からの流れを積極的にすることで、中空糸膜束外へ流出する流体の流れを均一にできる。従って、より一層効率良く、中空糸膜４の全長分を膜分離に寄与させることができる。
【００６４】
以上のように、仕切り板に設ける開口部においては、下流側となる端部側からの流れを積極的に行わせるように工夫することで、中空糸膜の全長分を効率良く膜分離に寄与させることができる。図４においては、貫通孔の面積を変化させることで、これを実現する例を示したがこれに限られることはなく、開口部を構成する貫通孔の個数，面積及び形状を適宜設定すれば良い。例えば、図５に示すように、仕切り板３４に設ける貫通孔３４ａの形状及び大きさは同じものでも、端部に近付くほど配置個数を増やすようにすれば、同様の効果が得られる。また、特に図示はしないが、貫通孔の形状を三角形として、底辺が端部側を向くようにしても同様の効果が得られる。
【００６５】
（第３の実施の形態）
図６〜図１０には、第３の実施の形態が示されている。本実施の形態では、中空糸膜束の形成方法について工夫したものが示されている。
【００６６】
その他の構成および作用については第１の実施の形態と同一なので、同一の構成部分については同一の符号を付して、その説明は省略する。
【００６７】
図６は本発明の第３の実施の形態における中空糸膜束の一部拡大図である。また、図１０は本発明の第３の実施の形態に係る中空糸膜束の斜視図である。
【００６８】
図６に示すように、本実施の形態においては、中空糸膜束は、簾織りの形態となっている。すなわち、複数本の中空糸膜が並べられて、簾織り編み糸４１によって簾状に編み込まれている。そして、簾状に編み込まれたものは、図１０に示すように、幾重にも折り畳まれた状態で、ケース２内に収容される。
【００６９】
このように、中空糸膜束は簾織りの状態でケース２内に収容されることから、１本１本ばらばらに収容される場合と比較すると、強度を高めることができ、中空糸膜４の揺れを抑制することができる。これにより、中空糸膜４の切れ等の損傷をより低減することが可能となる。
【００７０】
また、図１０に示すように、中空糸膜束は、簾織りされたものを折り畳んで収容すれば良いため、１本１本ばらばらに収容する場合と比較して、中空糸膜４の充填作業の作業効率を高めることができる。
【００７１】
また、簾編みされたものを折り畳んで収容することで、中空糸膜を整列配置させることができ、中空糸膜束における中空糸膜本数の密度を、中空糸膜をばらばらに収容する場合と比較して、より均一化することができる。
【００７２】
これにより安定した加湿効率あるいは除湿効率を維持できる。
【００７３】
また、簾状に編み込む際に、中空糸膜と中空糸膜との間に適度な隙間（例えば中空糸膜１本分程度の隙間）を設けることで、流体の流れを良くすることができ、水蒸気透過速度を向上させることができる。これにより、加湿効率をより一層向上させることができる。
【００７４】
また、図７に示すように、２本の中空糸膜４を１単位として簾織り編み糸４２によって簾状に編み込むことで、中空糸膜強度を更に高めることができる。また、図８に示すように、２本の中空糸膜４を１単位とする場合に、２本の中空糸膜４を編み糸４３によって束ねた後に、簾織り編み糸４２によって簾状に編み込むことで形状を安定化させることができる。従って、中空糸膜４の外壁面の露出表面積を安定させることができ、安定した加湿効率あるいは除湿効率を確保できる。
【００７５】
なお、このように２本の中空糸膜４を１単位として簾状に編み込んだものを幾重にも折り畳んだ場合でも、これを中空糸膜束の端部側から見た図９に示すように、中空糸膜１本分程度の隙間を確保できる。従って、中空糸膜４の外壁面側を流れる流体を効率良く流すことができる。
【００７６】
また、簾状に編み込む場合の１単位は、上記のように２本に限らず、３本以上としても良いことは言うまでもない。ただし、本数を増やせば、強度向上には寄与するが、中空糸膜４の外壁面側を流れる流体の流れの効率は低下するため、これらのバランスによって設定すれば良い。
【００７７】
ここで、上述した図７に示したように、２本の中空糸膜４を１単位として簾織り編み糸４２によって簾状に編み込んで、図１０に示すように折り畳んだ中空糸膜束を、図１〜図３に示すケース２に収容した膜モジュールを作製した。
【００７８】
なお、中空糸膜４の本数は５０００本使用し、中空糸膜４を収容する部分の断面積（図３に示す一対の第１仕切り板３１及び第２仕切り板３２とケース２によって区画された４角形の断面積（ポッティング剤の封入部面積））を約４５００ｍｍ２とした。
【００７９】
このように作製された膜モジュール１において、中空糸膜４の中空内部を通る第１経路に湿度０％の乾燥ガスを流し、中空糸膜４の外壁面側を通る第２経路に湿度１００％の湿潤ガスを流した。
【００８０】
その結果、中空糸膜４の膜分離作用によって、水蒸気が膜を通過する速度（水蒸気透過速度）は、約１．４ｇ／ｓであった。
【００８１】
一方、上記従来技術の中で説明した図１１に示す円筒状のケース１０１における中空糸膜の収容部分の断面積（ポッティング剤封入断面積）を上記と同じく約４５００ｍｍ２としたものを作製した。これに、上記と同一の中空糸膜（５０００本の中空糸膜を、２本の中空糸膜４を１単位として簾織り編み糸４２によって簾状に編み込んだもの（ただし、円柱形状に巻いたもの））を用い、これをケース１０１に収容して膜モジュール１００を作製した。なお、中空糸膜の有効長さも等しくしたものを用いた。
【００８２】
このように作製された膜モジュール１００において、中空糸膜の中空内部を通る第１経路に湿度０％の乾燥ガスを流し、中空糸膜の外壁面側を通る第２経路に湿度１００％の湿潤ガスを流した。その結果、中空糸膜の膜分離作用によって、水蒸気が膜を通過する速度（水蒸気透過速度）は、約１．０ｇ／ｓであった。
【００８３】
このように、ケース形状（ケースの主要部形状）が円筒のものに比べて、六面体形状のものの方が、水蒸気透過速度が優れていることが分かる。
【００８４】
（第４の実施の形態）
図１１〜図１４には、第４の実施の形態が示されている。本実施の形態では、ケースあるいは仕切り板に設けられた開口部付近に整流部材を設ける構成を示す。その他の構成および作用については第１の実施の形態と同一なので、同一の構成部分については同一の符号を付して、その説明は省略する。図１１〜図１４は本発明の第４の実施の形態に係る膜モジュールの模式的縦断面図である。
【００８５】
図１１に示す膜モジュール１は、第１開口部２１ａと、ケース本体２１と第１仕切り板３１との間に形成される流路との間に、整流部材６１を設ける構成とした。
【００８６】
また、図１２に示す膜モジュール１は、図１１に示す膜モジュールの場合と同様に、整流部材６１を設けると共に、第２開口部２１ｂと、ケース本体２１と第２仕切り板３２との間に形成される流路との間に、整流部材６２を設ける構成とした。
【００８７】
これらの整流部材６１，６２は、第１開口部２１ａあるいは第２開口部２１ｂからポッティング剤などの樹脂接着剤を流し込んで硬化させることなどにより得ることができる。勿論、別途成形した樹脂部品などを組み込むようにしても良い。
【００８８】
また、図１３に示す膜モジュール１は、第１開口部２１ａと、ケース本体２１と第１仕切り板３１との間に形成される流路との間，第２開口部２１ｂと、ケース本体２１と第２仕切り板３２との間に形成される流路との間，第３開口部（貫通孔３１ａ，３１ｂ）と、ケース本体２１と第１仕切り板３１との間に形成される流路との間、及び第４開口部（貫通孔３２ａ，３２ｂ）と、ケース本体２１と第２仕切り板３２との間に形成される流路との間にそれぞれ整流部材７１，７２，７３，７４を設ける構成とした。
【００８９】
ここでは、整流部材７１，７２，７３，７４として板状の部材を組み込む構成を採用した。
【００９０】
また、図１４に示す膜モジュール１は、第１開口部２１ａと、ケース本体２１と第１仕切り板３１との間に形成される流路との間，第２開口部２１ｂと、ケース本体２１と第２仕切り板３２との間に形成される流路との間，第３開口部（貫通孔３１ａ，３１ｂ）と、ケース本体２１と第１仕切り板３１との間に形成される流路との間、及び第４開口部（貫通孔３２ａ，３２ｂ）と、ケース本体２１と第２仕切り板３２との間に形成される流路との間にそれぞれ整流部材８１，８２，８３，８４を設ける構成とした。
【００９１】
ここでは、整流部材８１，８２，８３，８４として、樹脂接着剤を硬化させる構成を採用した。
【００９２】
そして、上記各図に示す整流部材は、いずれも所定の傾斜角度を有する傾斜面を備えている。この傾斜面は、図１１〜図１３に示すように、平面状の傾斜面で構成することもできるし、図１４に示すように、曲面状の傾斜面で構成することもできる。これらの傾斜面の傾斜角度は、開口部からケースと仕切り板により形成される流路に向かって流体がスムーズに流れていくように、あるいは、ケースと仕切り板により形成される流路から開口部に向かって流体がスムーズに流れていくように適宜設定すれば良い。
【００９３】
このように、各開口部と、ケースと仕切り板により形成される流路との間の流体の流れを、この傾斜面によって整流させている。従って、整流部材を設けることによって、ガス溜まりなどがなくなり、流体の流れがスムーズになるため、圧力損失の低減を図ることが可能となる。
【００９４】
以下、これら整流部材による効果を実証した試験結果について説明する。ここでは、図１に示す整流部材を備えていないものと、図１１に示す第１開口部側のみ整流部材を備えたものと、図１２に示す第１開口部側と第２開口部側に整流部材を備えたものそれぞれの試験結果を説明する。
【００９５】
膜モジュールの基本的な構成（整流部材以外の構成）に関しては、いずれも同一構成とした。そして、中空糸膜４の本数は４３００本とした。そして、図１１に示す構成における整流部材６１、及び図１２に示す構成における整流部材６１，６２については、エポキシ樹脂を第１開口部２１ａあるいは第２開口部２１ｂから流し込んで硬化させることによって作製した。
【００９６】
そして、中空糸膜４の中空内部を通る第１経路には湿度０％の乾燥ガスを１０００ＮＬ／ｍｉｎの速度で流し込み、中空糸膜４の外壁面側を通る第２経路には湿度１００％の湿潤ガスを１０００ＮＬ／ｍｉｎの速度で流し込んだ。その結果、中空糸膜４の膜分離作用によって、水蒸気が膜を透過する速度（水蒸気透過速度）は約１．３ｇ／ｓｅｃであった。
【００９７】
そして、図１に示す構成の場合には、中空糸膜４の内側の圧力損失は１４ｋＰａ，中空糸膜４の外壁面側の圧力損失は１９ｋＰａであり、図１１に示す構成の場合には、中空糸膜４の内側の圧力損失は１４ｋＰａ，中空糸膜４の外壁面側の圧力損失は１５ｋＰａであり、図１２に示す構成の場合には、中空糸膜４の内側の圧力損失は１４ｋＰａ，中空糸膜４の外壁面側の圧力損失は１２ｋＰａであった。
【００９８】
以上のように、整流部材を設けることによって、圧力損失の低減を図れることが分かる。
【００９９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明により、中空糸膜の切れの発生を抑制すると共に、加湿効率あるいは除湿効率の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る膜モジュールの模式的縦断面図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る膜モジュールにおけるケース内部を模式的に示す斜視図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る膜モジュールの模式的横断面図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係る膜モジュールに用いられる仕切り板の正面図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態に係る膜モジュールに用いられる仕切り板の正面図である。
【図６】本発明の第３の実施の形態における中空糸膜束の一部拡大図である。
【図７】本発明の第３の実施の形態における中空糸膜束の一部拡大図である。
【図８】本発明の第３の実施の形態における中空糸膜束の一部拡大図である。
【図９】本発明の第３の実施の形態における中空糸膜束を端部側から見た一部拡大図である。
【図１０】本発明の第３の実施の形態に係る中空糸膜束の斜視図である。
【図１１】本発明の第４の実施の形態に係る膜モジュールの模式的縦断面図である。
【図１２】本発明の第４の実施の形態に係る膜モジュールの模式的縦断面図である。
【図１３】本発明の第４の実施の形態に係る膜モジュールの模式的縦断面図である。
【図１４】本発明の第４の実施の形態に係る膜モジュールの模式的縦断面図である。
【図１５】従来技術に係る膜モジュールの一部破断斜視図である。
【図１６】従来技術に係る膜モジュールの模式的断面図である。
【符号の説明】
１ 膜モジュール
２ ケース
２１ ケース本体
２１ａ 第１開口部
２１ｂ 第２開口部
２２ 第１カバー
２２ａ 開口部
２３ 第２カバー
２３ａ 開口部
３１ 第１仕切り板
３１ａ，３１ｂ 貫通孔
３２ 第２仕切り板
３２ａ，３２ｂ 貫通孔
３３ 仕切り板
３３ａ 第１貫通孔
３３ｂ 第２貫通孔
３３ｃ 第３貫通孔
３４ 仕切り板
３４ａ 貫通孔
４ 中空糸膜
４１，４２ 簾織り編み糸
４３ 編み糸
５１，５３ エポキシポッティング層
５２，５４ シリコンポッティング層
６１，６２，７１，７２，７３，７４，８１，８２，８３，８４ 整流部材
【発明の属する技術分野】
本発明は、中空糸膜の膜分離作用を利用して、加湿あるいは除湿を行う膜モジュールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、中空糸膜の膜分離作用を利用して加湿あるいは除湿を行う膜モジュールが知られている。
【０００３】
例えば、固体高分子型燃料電池においては、水素などの燃焼ガス及び酸素などの酸化剤ガス（以下、両者を反応ガスと称する）を加湿して供給する装置が必要であり、この加湿装置に上述した膜モジュールを利用したものが知られている（特許文献１参照）。
【０００４】
このような従来技術に係る膜モジュールについて図１５及び図１６を参照して説明する。図１５は従来技術に係る膜モジュールの一部破断斜視図である。図１６は従来技術に係る膜モジュールの模式的断面図である。
【０００５】
図示のように、従来技術に係る膜モジュール１００は、概略、ケース１０１と、このケース１０１内に充填される中空糸膜束１０２とから構成される。
【０００６】
ケース１０１は、略円筒形状であり、その一端に第１開口部１０１ａを備え、他端に第２開口部１０１ｂを備え、更に、側面側に第３開口部１０１ｃ及び第４開口部１０１ｄを備えている。
【０００７】
このケース１０１内に充填された中空糸膜束１０２は、その両端において、中空糸膜内部のみが開放されるように、中空糸膜の外壁面及びケース１０１の内壁面間が封止固定されている。つまり、第１開口部１０１ａ側には、第１封止固定部１０４ａが設けられ、第２開口部１０１ｂ側には、第２封止固定部１０４ｂが設けられている。
【０００８】
このように構成される膜モジュール１００によって、第１開口部１０１ａ側からケース１０１内に入り（矢印Ｓ０）、中空糸膜の中空内部を通って、第２開口部１０１ｂからケース１０１の外部へと抜けていく（矢印Ｓ１）第１経路と、第３開口部１０１ｃ側からケース１０１内に入り（矢印Ｔ０）、中空糸膜の外壁面側を通って第４開口部１０１ｄからケース１０１の外部へと抜けていく（矢印Ｔ１）第２経路を形成する。
【０００９】
そして、第１経路と第２経路のうちの一方に反応ガスを流し、他方に水あるいは水蒸気を流す。これにより、他方に流された水あるいは水蒸気は、中空糸膜の膜分離作用によって、反応ガスの側へと透過され、反応ガス内で拡散される。
【００１０】
このようにして、反応ガスを加湿することが可能となる。
【００１１】
【特許文献１】
特開平８−２７３６８７号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
上述した膜モジュールにおいては、加湿あるいは除湿効率向上の観点から、中空糸膜束を構成する中空糸膜全体が効率良く膜分離に寄与することが要求される。
【００１３】
また、中空糸膜束内に流れ込んだ流体による衝撃によって、中空糸膜が切れてしまわないようにすることも要求される。これは、中空糸膜が切れて損傷すると、その中空糸膜は膜分離に寄与できなくなるからである。
【００１４】
本発明の目的は、中空糸膜の切れの発生を抑制すると共に、加湿効率あるいは除湿効率の向上を図った膜モジュールを提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
【００１６】
すなわち、複数本の中空糸膜によって形成される中空糸膜束と、
該中空糸膜束を収容するケースと、を備え、
中空糸膜の中空内部を通る第１経路と、
中空糸膜の外壁面側を通る第２経路と、を形成して、中空糸膜の膜分離によって水分の分離を行う膜モジュールであって、
前記ケース内の空間部を仕切る一対の第１仕切り板及び第２仕切り板を設け、これら第１仕切り板と第２仕切り板との間に前記中空糸膜束を配設する構成とすると共に、
前記ケースにおける前記第１仕切り板に対向する面のうち前記中空糸膜束の一端側に設けられ、前記第２経路の一部を構成する第１開口部と、
前記ケースにおける前記第２仕切り板に対向する面のうち前記中空糸膜束の他端側に設けられ、前記第２経路の一部を構成する第２開口部と、
前記第１仕切り板における前記他端側に設けられ、前記第２経路の一部を構成する第３開口部と、
前記第２仕切り板における前記一端側に設けられ、前記第２経路の一部を構成する第４開口部と、
を備えることを特徴とする。
【００１７】
以上のような構成により、第２経路は、第１開口部からケース内に入り、ケースと第１仕切り板との間を通り、第３開口部から中空糸膜束内に入り、第４開口部から中空糸膜束から出て、ケースと第２仕切り板との間を通り、第２開口部からケース外へと出て行く経路、あるいは、この逆の経路となる。
【００１８】
従って、ケース内に入り込んだ流体が直接中空糸膜束に入り込むことはなく、中空糸膜が受ける衝撃を抑制できる。また、中空糸膜束内に入り込んだ流体は、中空糸膜束の他端側から一端側あるいはその逆を流れた後に中空糸膜束を出て行くので、中空糸膜のほぼ全長分が水分の膜分離に寄与する。
【００１９】
前記ケースにおいて、前記中空糸膜束の収容部を含み、流体の入口あるいは出口となる開口部を有する配管部分を除く部分の形状が略六面体であるとよい。
【００２０】
このような構成とすれば、円筒形状のケースを用いる場合と比較して、搭載効率を上げることができる（同体積に対する投影面積を小さくできる）。
【００２１】
前記第３開口部及び第４開口部は複数の孔より構成されると共に、これらの孔の個数，形状及び大きさは、第３開口部の場合には前記他端側に向かうほど流量が大きく、第４開口部の場合には前記一端側に向かうほど流量が大きくなるように設定されているとよい。
【００２２】
このような構成とすれば、中空糸膜の端から端まで効率良く膜分離に寄与させることができる。
【００２３】
複数本の中空糸膜が並べてすだれ織りとされ、すだれ織りとされたのが幾重にも折り畳まれて前記中空糸膜束が構成されているとよい。
【００２４】
このような構成とすれば、中空糸膜同士が整列し、充填しやすく、また、中空糸膜強度を向上させることができる。
【００２５】
数本の中空糸膜の束を単位として編み込まれ、前記すだれ織りとされるとよい。
【００２６】
また、前記ケースと第１仕切り板との間に形成される流路と第１開口部との間，前記ケースと第２仕切り板との間に形成される流路と第２開口部との間，前記ケースと第１仕切り板との間に形成される流路と第３開口部との間、及び前記ケースと第２仕切り板との間に形成される流路と第４開口部との間のうち少なくともいずれか一つに、流体の流れを整える整流部材を設けるとよい。
【００２７】
従って、整流部材を設けた部分では、流体の流れがスムーズになり、圧力損失を抑制できる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して、この発明の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。ただし、この実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
【００２９】
（第１の実施の形態）
図１〜図３を参照して、本発明の第１の実施の形態に係る膜モジュールについて説明する。図１は本発明の第１の実施の形態に係る膜モジュールの模式的縦断面図である。図２は本発明の第１の実施の形態に係る膜モジュールにおけるケース内部を模式的に示す斜視図である。なお、図２においては、ケース及び仕切り板に設けた開口部の配置関係が分かりやすくするために、配管，中空糸膜束及びケースの上面などは無くして簡略的に示している。
【００３０】
図３は本発明の第１の実施の形態に係る膜モジュールの模式的横断面図である。なお、図３は図１のＡＡ断面に相当する図面である。ただし、図１のＡＡ断面図そのものではなく、図１における断面前のＡＡ断面に相当する。
【００３１】
図示のように、膜モジュール１は、複数本の中空糸膜４によって形成される中空糸膜束と、中空糸膜束を収容するケース２と、ケース２内の空間部を仕切る一対の第１仕切り板３１及び第２仕切り板３２とを備えている。
【００３２】
ケース２の主要部分の形状（中空糸膜束を収容する部分を含む基本形状（流体の入口あるいは出口となる開口部を有する配管部分を除く部分の形状））は、各図から分かるように、六面体（直方体）である。
【００３３】
そして、このケース２の主要部分における内部の空間部分を仕切るように、第１仕切り板３１及び第２仕切り板３２が配設されている。これら第１仕切り板３１及び第２仕切り板３２は、平板形状の部材であり、六面体形状のケース２における一対の面（図３では上面と下面）にそれぞれ固定される。
【００３４】
このように、第１仕切り板３１及び第２仕切り板３２を配設することにより空間部分を仕切り、断面が四角形状の中空糸膜束を収容する部分と、その両側の隙間部分を形成している。
【００３５】
中空糸膜束は、上記の通り、第１仕切り板３１と第２仕切り板３２との間に配設される。そして、中空糸膜束の両端部においては、それぞれ中空糸膜４の中空内部のみが開放されるように、中空糸膜４の外壁面及び第１仕切り板３１，第２仕切り板３２，ケース内壁面間がポッティング剤などの封止剤によって封止されている。
【００３６】
本実施の形態では、一端側の封止部（ポッティング部）は、外側のエポキシポッティング層５１と内側のシリコンポッティング層５２の２層から構成されている。また、他端側の封止部も同様に、外側のエポキシポッティング層５３と内側のシリコンポッティング層５４の２層から構成されている。
【００３７】
このように封止部を２層構造としたのは、比較的硬度の高いエポキシポッティング層５１，５３によって複数の中空糸膜４を強固に固定する一方で、柔軟なシリコンポッティング層５２，５４を設けることで、中空糸膜４の揺れに対する追随性を高くして、中空糸膜４と封止部との境界面付近における中空糸膜４の切れを抑制するためである。
【００３８】
ここで、第１仕切り板３１とケース２との間にできた隙間の両端部、及び第２仕切り板３２とケース２との間にできた隙間の両端部は、後述する第１経路を流れる流体と第２経路を流れる流体が相互に漏れないように封止する必要がある。
【００３９】
そこで、本実施の形態では、上述したエポキシポッティング層とシリコンポッティング層で構成される封止部によって封止する構成とした。ただし、これらの隙間の両端は、他の方法（部材）によって封止する構成としても良い。
【００４０】
ケース２は、本実施の形態では、内部中空のケース本体２１と、その両端にそれぞれ設けられる第１カバー２２及び第２カバー２３と、から構成される。これらケース本体２１と第１カバー２２、及びケース本体２１と第２カバー２３は、適宜の方法により流体が接合部から漏れないように固着される。
【００４１】
第１カバー２２には、中空糸膜束の一端と対向する位置に開口部２２ａが設けられ、第２カバー２３には、中空糸膜束の他端と対向する位置に開口部２３ａが設けられる。
【００４２】
これにより、第１カバー２２に設けられた開口部２２ａからケース２内に入り（矢印Ｓ０）、中空糸膜４の中空内部を通り、第２カバー２３に設けられた開口部２３ａからケース２の外部へと出て行く（矢印Ｓ１）、あるいはその逆の第１経路が形成される。
【００４３】
また、ケース本体２１には、第１仕切り板３１に対向する面のうち中空糸膜束の一端側に、第１開口部２１ａが設けられ、また、第２仕切り板３２に対向する面のうち中空糸膜束の他端側に、第２開口部２１ｂが設けられている。
【００４４】
そして、第１仕切り板３１には、中空糸膜束の他端側に、第３開口部を構成する貫通孔３１ａ，３１ｂが設けられ、第２仕切り板３２には、中空糸膜束の一端側に、第４開口部を構成する貫通孔３２ａ，３２ｂが設けられている。なお、第３開口部を構成する貫通孔及び第４開口部を構成する貫通孔の個数，形状及び大きさについては、使用条件等によって適宜設定できる。
【００４５】
これらによって、ケース本体２１に設けられた第１開口部２１ａからケース２内に入り（矢印Ｔ０）、第１仕切り板３１とケース２との間の隙間を通り（矢印Ｔ１）、第１仕切り板３１に設けられた第３開口部（貫通孔３１ａ，３１ｂ）から中空糸膜束内に入り、中空糸膜束内部であって、かつ各中空糸膜４の外壁面側を通り、第２仕切り板３２に設けられた第４開口部（貫通孔３２ａ，３２ｂ）から中空糸膜束の外部に出て、第２仕切り板３２とケース２との間の隙間を通り（矢印Ｔ２）、ケース本体２１に設けられた第２開口部２１ｂからケース２の外部へと出て行く（矢印Ｔ３）、あるいはその逆の第２経路が形成される。
【００４６】
以上のような構成により、加湿膜モジュールとして利用する場合には、第１経路あるいは第２経路のうちの一方に、加湿対象流体（例えば乾燥気体）を流し、他方に水分を含む流体（例えば、水蒸気や水）を流す。これにより、膜分離作用によって水分を含む流体中の水分が加湿対象気体側に透過され分散されることで、加湿対象流体の湿度を高めることができる。例えば、上述した膜モジュール１を、固体高分子型燃料電池において、水素などの燃焼ガス及び酸素などの酸化剤ガスを加湿して供給するための加湿装置に好適に利用することができる。
【００４７】
これに対して、除湿膜モジュールとして利用する場合には、第１経路あるいは第２経路のうちの一方に、除湿対象流体（例えば湿潤気体）を流し、他方に乾燥気体（例えば乾燥空気）を流す。これにより、膜分離作用によって除湿対象流体中の水分が乾燥気体側に透過されるため、除湿対象気体の湿度を下げることができる。
【００４８】
そして、本実施の形態においては、ケース２内に流れ込んできた流体は、直接中空糸膜束内に入り込むことはなく、第１仕切り板３１とケース２との間の隙間、あるいは、第２仕切り板３２とケース２との間の隙間を流れた後に、第１仕切り板３１に設けられた第３開口部、あるいは、第２仕切り板３２に設けられた第４開口部から中空糸膜束内に入り込む。
【００４９】
従って、中空糸膜束内に入り込んでくる流体の衝撃を緩和することができるため、中空糸膜４の揺れを緩和でき、中空糸膜４の切れなどを抑制することができる。これにより、中空糸膜４の損傷による加湿効率あるいは除湿効率の低下を防止できる。
【００５０】
また、第２経路においては、一方の仕切り板側から他方の仕切り板側へと経由し、かつ、中空糸膜束の端から端へと経由するため、略全ての中空糸膜について、中空糸膜の全長分を膜分離に寄与させることができる。
【００５１】
従って、加湿効率あるいは除湿効率の向上を図ることができる。
【００５２】
また、本実施の形態においては、ケース２の主要部分の形状が六面体であるので、ケースを従来知られている円筒形状とした場合と比べて搭載効率を上げることができる（同体積に対して投影面積を下げることができる）。
【００５３】
（第２の実施の形態）
図４及び図５には、第２の実施の形態が示されている。本実施の形態では、仕切り板に設ける開口部を構成する孔について工夫した構成が示されている。
【００５４】
その他の構成および作用については第１の実施の形態と同一なので、同一の構成部分については同一の符号を付して、その説明は省略する。
【００５５】
図４は本発明の第２の実施の形態に係る膜モジュールに用いられる仕切り板の正面図である。
【００５６】
図示のように、本実施の形態においては、仕切り板３３に、第１貫通孔３３ａ，第２貫通孔３３ｂ，第３貫通孔３３ｃを設けている。なお、仕切り板３３は、上述の第１の実施の形態における第１仕切り板と第２仕切り板のうちのいずれか一方、あるいは両方に相当する。従って、第１貫通孔３３ａ，第２貫通孔３３ｂ及び第３貫通孔３３ｃは第３開口部と第４開口部のうちのいずれか一方、あるいは両方に相当する。
【００５７】
そして、本実施の形態では、図から明らかなように、第１貫通孔３３ａの孔面積が一番大きく、その次に、第２貫通孔３３ｂの孔面積が大きく、第３貫通孔３３ｃの孔面積が一番小さくなるように設定されている。つまり、端部に近付くほど、孔面積が大きくなるように設定されている。
【００５８】
このように設定した理由を説明する。
【００５９】
第３開口部あるいは第４開口部から中空糸膜束内に入り込む流体の流量は使用条件等により定まり、これにより開口部の開口面積はおおよそ設定される。このように設定された開口面積を満足させるために、単に円形の一つの貫通孔のみで対応したり、上記第１の実施の形態で説明した図１及び図２に示すように、同じ大きさの２つの貫通孔を単に並べて対応したりした場合には、第２流路の下流側である中空糸膜束の端部側から中空糸膜束内に入り込む流量が少なくなる傾向が出る。
【００６０】
つまり、上記第１の実施の形態の場合で説明すると、上流側となる貫通孔３１ｂあるいは貫通孔３２ｂから中空糸膜束内に入り込む流体の流量が多く、下流側となる貫通孔３１ａあるいは貫通孔３１ｂから中空糸膜束内に入り込む流体の流用が少なくなる傾向が出る。
【００６１】
従って、中空糸膜束の端部付近があまり膜分離に寄与されなくなってしまうおそれがある。
【００６２】
そこで、本実施の形態では、端部側の貫通孔ほど孔面積を大きくすることで、端部側からの流れを積極的にして、流体の流れを均一にするようにした。これにより、より一層効率良く、中空糸膜４の全長分を膜分離に寄与させることができる。
【００６３】
なお、上記の説明では、中空糸膜束に流れ込む場合を例にして説明したが、中空糸膜束の外へ出て行く流体の流れについても同様のことが言える。つまり、端部側からの流れを積極的にすることで、中空糸膜束外へ流出する流体の流れを均一にできる。従って、より一層効率良く、中空糸膜４の全長分を膜分離に寄与させることができる。
【００６４】
以上のように、仕切り板に設ける開口部においては、下流側となる端部側からの流れを積極的に行わせるように工夫することで、中空糸膜の全長分を効率良く膜分離に寄与させることができる。図４においては、貫通孔の面積を変化させることで、これを実現する例を示したがこれに限られることはなく、開口部を構成する貫通孔の個数，面積及び形状を適宜設定すれば良い。例えば、図５に示すように、仕切り板３４に設ける貫通孔３４ａの形状及び大きさは同じものでも、端部に近付くほど配置個数を増やすようにすれば、同様の効果が得られる。また、特に図示はしないが、貫通孔の形状を三角形として、底辺が端部側を向くようにしても同様の効果が得られる。
【００６５】
（第３の実施の形態）
図６〜図１０には、第３の実施の形態が示されている。本実施の形態では、中空糸膜束の形成方法について工夫したものが示されている。
【００６６】
その他の構成および作用については第１の実施の形態と同一なので、同一の構成部分については同一の符号を付して、その説明は省略する。
【００６７】
図６は本発明の第３の実施の形態における中空糸膜束の一部拡大図である。また、図１０は本発明の第３の実施の形態に係る中空糸膜束の斜視図である。
【００６８】
図６に示すように、本実施の形態においては、中空糸膜束は、簾織りの形態となっている。すなわち、複数本の中空糸膜が並べられて、簾織り編み糸４１によって簾状に編み込まれている。そして、簾状に編み込まれたものは、図１０に示すように、幾重にも折り畳まれた状態で、ケース２内に収容される。
【００６９】
このように、中空糸膜束は簾織りの状態でケース２内に収容されることから、１本１本ばらばらに収容される場合と比較すると、強度を高めることができ、中空糸膜４の揺れを抑制することができる。これにより、中空糸膜４の切れ等の損傷をより低減することが可能となる。
【００７０】
また、図１０に示すように、中空糸膜束は、簾織りされたものを折り畳んで収容すれば良いため、１本１本ばらばらに収容する場合と比較して、中空糸膜４の充填作業の作業効率を高めることができる。
【００７１】
また、簾編みされたものを折り畳んで収容することで、中空糸膜を整列配置させることができ、中空糸膜束における中空糸膜本数の密度を、中空糸膜をばらばらに収容する場合と比較して、より均一化することができる。
【００７２】
これにより安定した加湿効率あるいは除湿効率を維持できる。
【００７３】
また、簾状に編み込む際に、中空糸膜と中空糸膜との間に適度な隙間（例えば中空糸膜１本分程度の隙間）を設けることで、流体の流れを良くすることができ、水蒸気透過速度を向上させることができる。これにより、加湿効率をより一層向上させることができる。
【００７４】
また、図７に示すように、２本の中空糸膜４を１単位として簾織り編み糸４２によって簾状に編み込むことで、中空糸膜強度を更に高めることができる。また、図８に示すように、２本の中空糸膜４を１単位とする場合に、２本の中空糸膜４を編み糸４３によって束ねた後に、簾織り編み糸４２によって簾状に編み込むことで形状を安定化させることができる。従って、中空糸膜４の外壁面の露出表面積を安定させることができ、安定した加湿効率あるいは除湿効率を確保できる。
【００７５】
なお、このように２本の中空糸膜４を１単位として簾状に編み込んだものを幾重にも折り畳んだ場合でも、これを中空糸膜束の端部側から見た図９に示すように、中空糸膜１本分程度の隙間を確保できる。従って、中空糸膜４の外壁面側を流れる流体を効率良く流すことができる。
【００７６】
また、簾状に編み込む場合の１単位は、上記のように２本に限らず、３本以上としても良いことは言うまでもない。ただし、本数を増やせば、強度向上には寄与するが、中空糸膜４の外壁面側を流れる流体の流れの効率は低下するため、これらのバランスによって設定すれば良い。
【００７７】
ここで、上述した図７に示したように、２本の中空糸膜４を１単位として簾織り編み糸４２によって簾状に編み込んで、図１０に示すように折り畳んだ中空糸膜束を、図１〜図３に示すケース２に収容した膜モジュールを作製した。
【００７８】
なお、中空糸膜４の本数は５０００本使用し、中空糸膜４を収容する部分の断面積（図３に示す一対の第１仕切り板３１及び第２仕切り板３２とケース２によって区画された４角形の断面積（ポッティング剤の封入部面積））を約４５００ｍｍ２とした。
【００７９】
このように作製された膜モジュール１において、中空糸膜４の中空内部を通る第１経路に湿度０％の乾燥ガスを流し、中空糸膜４の外壁面側を通る第２経路に湿度１００％の湿潤ガスを流した。
【００８０】
その結果、中空糸膜４の膜分離作用によって、水蒸気が膜を通過する速度（水蒸気透過速度）は、約１．４ｇ／ｓであった。
【００８１】
一方、上記従来技術の中で説明した図１１に示す円筒状のケース１０１における中空糸膜の収容部分の断面積（ポッティング剤封入断面積）を上記と同じく約４５００ｍｍ２としたものを作製した。これに、上記と同一の中空糸膜（５０００本の中空糸膜を、２本の中空糸膜４を１単位として簾織り編み糸４２によって簾状に編み込んだもの（ただし、円柱形状に巻いたもの））を用い、これをケース１０１に収容して膜モジュール１００を作製した。なお、中空糸膜の有効長さも等しくしたものを用いた。
【００８２】
このように作製された膜モジュール１００において、中空糸膜の中空内部を通る第１経路に湿度０％の乾燥ガスを流し、中空糸膜の外壁面側を通る第２経路に湿度１００％の湿潤ガスを流した。その結果、中空糸膜の膜分離作用によって、水蒸気が膜を通過する速度（水蒸気透過速度）は、約１．０ｇ／ｓであった。
【００８３】
このように、ケース形状（ケースの主要部形状）が円筒のものに比べて、六面体形状のものの方が、水蒸気透過速度が優れていることが分かる。
【００８４】
（第４の実施の形態）
図１１〜図１４には、第４の実施の形態が示されている。本実施の形態では、ケースあるいは仕切り板に設けられた開口部付近に整流部材を設ける構成を示す。その他の構成および作用については第１の実施の形態と同一なので、同一の構成部分については同一の符号を付して、その説明は省略する。図１１〜図１４は本発明の第４の実施の形態に係る膜モジュールの模式的縦断面図である。
【００８５】
図１１に示す膜モジュール１は、第１開口部２１ａと、ケース本体２１と第１仕切り板３１との間に形成される流路との間に、整流部材６１を設ける構成とした。
【００８６】
また、図１２に示す膜モジュール１は、図１１に示す膜モジュールの場合と同様に、整流部材６１を設けると共に、第２開口部２１ｂと、ケース本体２１と第２仕切り板３２との間に形成される流路との間に、整流部材６２を設ける構成とした。
【００８７】
これらの整流部材６１，６２は、第１開口部２１ａあるいは第２開口部２１ｂからポッティング剤などの樹脂接着剤を流し込んで硬化させることなどにより得ることができる。勿論、別途成形した樹脂部品などを組み込むようにしても良い。
【００８８】
また、図１３に示す膜モジュール１は、第１開口部２１ａと、ケース本体２１と第１仕切り板３１との間に形成される流路との間，第２開口部２１ｂと、ケース本体２１と第２仕切り板３２との間に形成される流路との間，第３開口部（貫通孔３１ａ，３１ｂ）と、ケース本体２１と第１仕切り板３１との間に形成される流路との間、及び第４開口部（貫通孔３２ａ，３２ｂ）と、ケース本体２１と第２仕切り板３２との間に形成される流路との間にそれぞれ整流部材７１，７２，７３，７４を設ける構成とした。
【００８９】
ここでは、整流部材７１，７２，７３，７４として板状の部材を組み込む構成を採用した。
【００９０】
また、図１４に示す膜モジュール１は、第１開口部２１ａと、ケース本体２１と第１仕切り板３１との間に形成される流路との間，第２開口部２１ｂと、ケース本体２１と第２仕切り板３２との間に形成される流路との間，第３開口部（貫通孔３１ａ，３１ｂ）と、ケース本体２１と第１仕切り板３１との間に形成される流路との間、及び第４開口部（貫通孔３２ａ，３２ｂ）と、ケース本体２１と第２仕切り板３２との間に形成される流路との間にそれぞれ整流部材８１，８２，８３，８４を設ける構成とした。
【００９１】
ここでは、整流部材８１，８２，８３，８４として、樹脂接着剤を硬化させる構成を採用した。
【００９２】
そして、上記各図に示す整流部材は、いずれも所定の傾斜角度を有する傾斜面を備えている。この傾斜面は、図１１〜図１３に示すように、平面状の傾斜面で構成することもできるし、図１４に示すように、曲面状の傾斜面で構成することもできる。これらの傾斜面の傾斜角度は、開口部からケースと仕切り板により形成される流路に向かって流体がスムーズに流れていくように、あるいは、ケースと仕切り板により形成される流路から開口部に向かって流体がスムーズに流れていくように適宜設定すれば良い。
【００９３】
このように、各開口部と、ケースと仕切り板により形成される流路との間の流体の流れを、この傾斜面によって整流させている。従って、整流部材を設けることによって、ガス溜まりなどがなくなり、流体の流れがスムーズになるため、圧力損失の低減を図ることが可能となる。
【００９４】
以下、これら整流部材による効果を実証した試験結果について説明する。ここでは、図１に示す整流部材を備えていないものと、図１１に示す第１開口部側のみ整流部材を備えたものと、図１２に示す第１開口部側と第２開口部側に整流部材を備えたものそれぞれの試験結果を説明する。
【００９５】
膜モジュールの基本的な構成（整流部材以外の構成）に関しては、いずれも同一構成とした。そして、中空糸膜４の本数は４３００本とした。そして、図１１に示す構成における整流部材６１、及び図１２に示す構成における整流部材６１，６２については、エポキシ樹脂を第１開口部２１ａあるいは第２開口部２１ｂから流し込んで硬化させることによって作製した。
【００９６】
そして、中空糸膜４の中空内部を通る第１経路には湿度０％の乾燥ガスを１０００ＮＬ／ｍｉｎの速度で流し込み、中空糸膜４の外壁面側を通る第２経路には湿度１００％の湿潤ガスを１０００ＮＬ／ｍｉｎの速度で流し込んだ。その結果、中空糸膜４の膜分離作用によって、水蒸気が膜を透過する速度（水蒸気透過速度）は約１．３ｇ／ｓｅｃであった。
【００９７】
そして、図１に示す構成の場合には、中空糸膜４の内側の圧力損失は１４ｋＰａ，中空糸膜４の外壁面側の圧力損失は１９ｋＰａであり、図１１に示す構成の場合には、中空糸膜４の内側の圧力損失は１４ｋＰａ，中空糸膜４の外壁面側の圧力損失は１５ｋＰａであり、図１２に示す構成の場合には、中空糸膜４の内側の圧力損失は１４ｋＰａ，中空糸膜４の外壁面側の圧力損失は１２ｋＰａであった。
【００９８】
以上のように、整流部材を設けることによって、圧力損失の低減を図れることが分かる。
【００９９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明により、中空糸膜の切れの発生を抑制すると共に、加湿効率あるいは除湿効率の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る膜モジュールの模式的縦断面図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る膜モジュールにおけるケース内部を模式的に示す斜視図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る膜モジュールの模式的横断面図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係る膜モジュールに用いられる仕切り板の正面図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態に係る膜モジュールに用いられる仕切り板の正面図である。
【図６】本発明の第３の実施の形態における中空糸膜束の一部拡大図である。
【図７】本発明の第３の実施の形態における中空糸膜束の一部拡大図である。
【図８】本発明の第３の実施の形態における中空糸膜束の一部拡大図である。
【図９】本発明の第３の実施の形態における中空糸膜束を端部側から見た一部拡大図である。
【図１０】本発明の第３の実施の形態に係る中空糸膜束の斜視図である。
【図１１】本発明の第４の実施の形態に係る膜モジュールの模式的縦断面図である。
【図１２】本発明の第４の実施の形態に係る膜モジュールの模式的縦断面図である。
【図１３】本発明の第４の実施の形態に係る膜モジュールの模式的縦断面図である。
【図１４】本発明の第４の実施の形態に係る膜モジュールの模式的縦断面図である。
【図１５】従来技術に係る膜モジュールの一部破断斜視図である。
【図１６】従来技術に係る膜モジュールの模式的断面図である。
【符号の説明】
１ 膜モジュール
２ ケース
２１ ケース本体
２１ａ 第１開口部
２１ｂ 第２開口部
２２ 第１カバー
２２ａ 開口部
２３ 第２カバー
２３ａ 開口部
３１ 第１仕切り板
３１ａ，３１ｂ 貫通孔
３２ 第２仕切り板
３２ａ，３２ｂ 貫通孔
３３ 仕切り板
３３ａ 第１貫通孔
３３ｂ 第２貫通孔
３３ｃ 第３貫通孔
３４ 仕切り板
３４ａ 貫通孔
４ 中空糸膜
４１，４２ 簾織り編み糸
４３ 編み糸
５１，５３ エポキシポッティング層
５２，５４ シリコンポッティング層
６１，６２，７１，７２，７３，７４，８１，８２，８３，８４ 整流部材
Claims (6)
- 複数本の中空糸膜によって形成される中空糸膜束と、
該中空糸膜束を収容するケースと、を備え、
中空糸膜の中空内部を通る第１経路と、
中空糸膜の外壁面側を通る第２経路と、を形成して、中空糸膜の膜分離によって水分の分離を行う膜モジュールであって、
前記ケース内の空間部を仕切る一対の第１仕切り板及び第２仕切り板を設け、これら第１仕切り板と第２仕切り板との間に前記中空糸膜束を配設する構成とすると共に、
前記ケースにおける前記第１仕切り板に対向する面のうち前記中空糸膜束の一端側に設けられ、前記第２経路の一部を構成する第１開口部と、
前記ケースにおける前記第２仕切り板に対向する面のうち前記中空糸膜束の他端側に設けられ、前記第２経路の一部を構成する第２開口部と、
前記第１仕切り板における前記他端側に設けられ、前記第２経路の一部を構成する第３開口部と、
前記第２仕切り板における前記一端側に設けられ、前記第２経路の一部を構成する第４開口部と、
を備えることを特徴とする膜モジュール。 - 前記ケースにおいて、前記中空糸膜束の収容部を含み、流体の入口あるいは出口となる開口部を有する配管部分を除く部分の形状が略六面体であることを特徴とする請求項１に記載の膜モジュール。
- 前記第３開口部及び第４開口部は複数の孔より構成されると共に、これらの孔の個数，形状及び大きさは、第３開口部の場合には前記他端側に向かうほど流量が大きく、第４開口部の場合には前記一端側に向かうほど流量が大きくなるように設定されていることを特徴とする請求項１または２に記載の膜モジュール。
- 複数本の中空糸膜が並べてすだれ織りとされ、すだれ織りとされたのが幾重にも折り畳まれて前記中空糸膜束が構成されていることを特徴とする請求項１，２または３に記載の膜モジュール。
- 数本の中空糸膜の束を単位として編み込まれ、前記すだれ織りとされることを特徴とする請求項４に記載の膜モジュール。
- 前記ケースと第１仕切り板との間に形成される流路と第１開口部との間，前記ケースと第２仕切り板との間に形成される流路と第２開口部との間，前記ケースと第１仕切り板との間に形成される流路と第３開口部との間、及び前記ケースと第２仕切り板との間に形成される流路と第４開口部との間のうち少なくともいずれか一つに、流体の流れを整える整流部材を設けることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の膜モジュール。
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