JP4122868B2 - 気体分離膜ユニット - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸素富化燃焼や酸素富化空気による健康機器、あるいは特定の気体を分離して使用する化学反応装置等で用いるために気体分離膜を介して特定の気体の濃度を変化させる気体分離膜ユニットに関する。
【０００２】
【従来の技術】
気体分離膜ユニットは、厚さが約１５０μｍの不織布に０．１μｍ程度のポリシロキサンとスチレンの共重合体を主成分とする薄膜を形成した気体分離膜を用いるものが多い。この気体分離膜の両面に圧力差を設けることにより、大気側の酸素が膜表面に溶解し、膜内を拡散移動して、減圧側の膜表面から離脱するという原理で、酸素富化空気を得るものである。窒素も同じように移動するが、溶解と拡散の速度は酸素のほうが窒素に比べて２．５倍大きいために、結果として酸素富化空気が得られる。なお、この気体分離膜は、酸素と窒素の分離のみでなく、水（Ｈ2Ｏ）、二酸化炭素（ＣＯ2）またはエチレン（Ｃ2Ｈ4）等についても大きな分離性能を有している。
【０００３】
気体分離膜を介して酸素富化空気を取出すためには、気体分離膜の両面に圧力差を加えることが必要である。このために、酸素富化空気を取出すための気体分離膜ユニットは、通気孔を有する支持体に気体分離膜を貼着して、通気孔からポンプで吸引して酸素富化空気を取出す構成としている。例えば、図７に示す気体分離膜ユニットが知られている（特開昭６３−１４１６２４号公報）。この気体透過膜モジュールは、通気性物質３の両面に小さい穴をあけた補強板２を固定し、この補強板２上に接着テープ５で気体分離膜１を貼着する。さらに、周囲を密封するとともに通気性物質３から気体を取出す流体吐出口６を設けた構成である。流体吐出口６より真空ポンプで減圧吸引することにより、気体分離膜１を通過して空気が流れ、酸素富化空気が得られる。また、隔壁７を介して気体透過膜モジュールを複数個積層することで、必要な酸素富化空気量を得る気体分離膜ユニットを構成している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような構成では部品点数が多くなるため、組立作業に多くの時間を必要とする。また、通気性物質の気体のコンダクタンスはあまり大きくないため、多量の酸素富化空気を得ようとすると積層する気体透過膜モジュールの個数を増やす必要があり、全体として小型化することが困難である。さらに、気体透過膜モジュールの積層数を変更するときに比較的設計に時間がかかる。
【０００５】
本発明は、気体分離膜ユニットの部品点数を削減し、小型軽量化を図るとともに、酸素富化空気の必要量に応じてモジュール数を自由に変更可能にし、組立作業を容易にする気体分離膜ユニットを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために本発明の気体分離膜ユニットは、平板状の支持体の中央領域部の両面に気体分離膜が固定され、中央領域部は気体分離膜を介して流入した気体が支持体の平面方向に流動可能な空間領域を有し、この空間領域の気体が支持体に設けられた通気路を通して支持体の一方の角部に形成された吸気口に流入するようにモジュールが構成され、このモジュールを吸気口周辺に配設したシール部材を介して複数積層して、気体分離膜を通過した気体を吐出する吐出口を設けた構成を有する。
【０００７】
この構成により、吐出口から取出す気体の必要量に応じてモジュールの積層数を任意に設定することが可能となり、種々の装置に対して迅速な対応ができる。また、組立工程も簡略となるだけでなく、気密性も改善することができる。さらに、気体分離膜を介して吐出口までの気体の流れる領域のコンダクタンスを大きくできるので、小型にしても充分な気体量を取出すことができる。
【０００８】
また、本発明の気体分離膜ユニットは、平板状の支持体の中央領域部の一方の面が支持体と同一材料でシールされ、他方の面には気体分離膜が固定されるとともに、中央領域部は気体分離膜を介して流入した気体が支持体の平面方向に流動可能な空間領域を有し、この空間領域の気体が支持体に設けられた通気路を通して吸気口に流入するように端部側モジュールが構成され、複数積層してなる気体分離膜ユニットの両端部の少なくとも一方をこの端部側モジュールとした構成を有する。
【０００９】
この構成により、複数積層してなる気体分離膜ユニットの両端部のモジュールは支持体材料と同じ材料によりシールされるので、機械的な力を受けても損傷され難くなる。したがって、製造工程中やユーザが装置に組み込むとき等に損傷することがなくなり、信頼性に優れた気体分離膜ユニットが実現される。
【００１０】
また、本発明の気体分離膜ユニットは、モジュールには外周部に突起状の複数の隔壁が設けられている構成を有する。この構成により、モジュールを積層するときに必要なモジュール間の隙間が隔壁により精度よく、しかも容易に形成できる。
【００１１】
また、本発明の気体分離膜ユニットは、モジュールおよび端部側モジュールには外周部に突起状の複数の隔壁が設けられている構成を有する。この構成により、これらを積層するときに必要なモジュール間の隙間が隔壁により精度よく、しかも容易に形成できる。
【００１２】
また、本発明の気体分離膜ユニットは、モジュールには外周部に複数の貫通孔が設けられている構成を有する。この構成により、モジュールを積層するときに、貫通孔にネジを通して積層体を固定することや、ピンを通して固定することができるので、気体分離膜ユニットの製造工程が簡単となる。
【００１３】
また、本発明の気体分離膜ユニットは、モジュールおよび端部側モジュールには外周部に複数の貫通孔が設けられている構成を有する。この構成により、これらを積層するときに、貫通孔にネジを通して積層体を固定することや、ピンを通して固定することができるので、気体分離膜ユニットの製造工程が簡単となる。
【００１４】
また、本発明の気体分離膜ユニットは、モジュールの外周部に設けられた貫通孔にスプリングピンを挿入することで積層し固定する構成を有する。この構成により、モジュールの積層工程がモジュール同士を位置合わせして、スプリングピンを貫通孔に挿入するだけですむので、製造工程が非常に簡略となる。
【００１５】
また、本発明の気体分離膜ユニットは、モジュールおよび端部側モジュールの外周部に設けられた貫通孔にスプリングピンを挿入する構成を有する。この構成により、積層工程がモジュール同士を位置合わせして、スプリングピンを貫通孔に挿入するだけですむので、製造工程が非常に簡略となる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。
【００１７】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態の気体分離膜ユニットの斜視図である。気体分離膜ユニットは、気体を分離する機能を有するモジュール１００を積層し一体化して、１つの吐出口３６から、例えば酸素富化空気を真空ポンプ（図示せず）により取出すことができる。モジュール１００は略平板状の支持体１１の両面に気体分離膜（図示せず）が固定されている。支持体１１には、第１の隔壁１２、第２の隔壁１３および第３の隔壁１４が形成されており、これらによりモジュール１００を積層したときに所定の隙間が得られるようになっている。さらに、第１の隔壁１２部分には吸気口２１が設けてあり、この吸気口２１の周囲にはシール部材２３が固定されている。このシール部材２３により、各モジュール１００間の吸気口２１同士を大気から密封した状態で接続していき、最終的に吐出口３６に接続するように構成することができる。各モジュール１００同士の固定は、モジュール１００の所定の個所に開けた貫通孔にスプリングピン９０を挿入することにより行う。
【００１８】
図２は、モジュール１００の概略平面図とＡ−Ａ’線に沿った断面図である。支持体１１の表面外周部には、隣接して配置するモジュール１００と所定の間隔を保持するための第１の隔壁１２、第２の隔壁１３および第３の隔壁１４が設けられている。また、支持体１１の中央領域部１５には図３に示すように、ストライプ状の桟１６、１７が一定のピッチで形成されており、これらは互いにほぼ直交する形状とされている。それぞれの桟１６、１７で囲まれた空間領域１８により、中央領域部１５では気体が支持体１１の平面方向に自由に流れることができる。
【００１９】
支持体１１の中央領域部１５を囲むように、その外周部には気体分離膜３７を保持するための保持部１９と、さらにその外周部に封止部２０とが設けられている。保持部１９は気体分離膜３７の厚さとほぼ同じ厚さだけ封止部２０より低く形成されており、気体分離膜３７が固定されたときに、保持部２０と気体分離膜３７の表面とがほぼ同じ平面を形成するようになっている。気体分離膜３７が中央領域部１５の全面と保持部１９とを覆うように配置されて、例えば接着テープ（図示せず）を保持部１９上の気体分離膜３７領域と封止部２０との上に貼着して、気体分離膜３７を固定するとともに、保持部１９と気体分離膜３７との間の気密性を確保する。
【００２０】
支持体１１の第１の隔壁１２部分には、吸気口２１、吸気口２１の周囲に円環状のシール部材２３を配設するための座繰り部２２、および複数のモジュールを重ねて一体化するためのスプリングピン（図示せず）を通す貫通孔２４が形成されている。なお、座繰り部２２は第１の隔壁１２の面よりやや低く形成し、複数のモジュールを積層して一体化するときにシール部材２３が収縮して気密が充分確保できるようにしてある。さらに、支持体１１の第２の隔壁１３にも、複数のモジュールを積層して一体化するためのスプリングピンを通す貫通孔２４が設けられている。
【００２１】
次に、支持体１１の上記した面に対して反対側の面の構成について、図４を用いて説明する。図４は、第１の隔壁１２近傍部分で、上記の面とは反対側の面の構成を示す斜視図である。図４（ａ）に示すように、最外周部には隣接するモジュール１００の第１の隔壁１２と接触する受け面２５があり、吸気口２１近傍には吸気口２１の半円形領域を含む切欠き部２６が形成されている。切欠き部２６には、図４（ｂ）に示すような半円形凹部２７ａとコ字状の空洞部２７ｂとを設けたカバー部材２７を嵌合させることにより、トンネル状の通気路を形成する。図４に示すカバー部材２７の嵌合は、コ字状の空洞部２７ｂが切欠き部２６に対向する向きにして、ピン２９を位置決め穴３０に嵌合して固定する。これにより、中央領域部１５の空間領域１８の気体が、このトンネル状の通気路を介して吸気口２１に流れることができる。
【００２２】
カバー部材２７の他方の面は、カバー部材２７を切欠き部２６に嵌合させたときに、保持部１９および桟１７の表面と同じ高さになる面３２と、封止部２０と同じ高さになる面３３との２段に構成されている。
【００２３】
切欠き部２６にカバー部材２７を嵌合した後、保持部１９、桟１７およびカバー部材２７の面３２を覆うように気体分離膜３７を配置して、保持部１９上の気体分離膜３７と封止部２０との上に、例えば接着テープ（図示せず）を貼着して気体分離膜３７を固定するとともに、保持部１９と気体分離膜３７との間を気密封止する。
【００２４】
以上により、支持体１１の両面に気体分離膜３７、３７が固定され、これらの気体分離膜３７、３７で囲まれた中央領域部１５では、真空ポンプで減圧されたときに加わる圧力を桟１６、１７で支え、かつ、中央領域部１５の気体が吸気口２１のみから真空ポンプで吐出されるモジュール１００が得られる。
【００２５】
このモジュール１００を必要枚数だけ重ね、貫通孔２４に結合用のスプリングピン９０を通すことで、図１に示すような全体が一体化した気体分離膜ユニットが得られる。この場合、各モジュール１００間は、第１の隔壁１２、第２の隔壁１３および第３の隔壁１４により所定の間隔が保持されて、この隙間から気体が気体分離膜３７に流れ込むことができる。また、隣接するモジュール１００の吸気口２１部分については、それぞれの吸気口２１の周囲に配設されたシール部材２３により、吸気口２１同士が直列に接続されながら密封されて、最終的に１つの吐出口３６に接続される。なお、この吐出口３６の反対面の吸気口２１はシート等を接着して気密封止する。
【００２６】
これにより、任意の複数のモジュール１００を積層しても、各モジュール１００からの吸気口２１が１つの吐出口３６に接続される。したがって、この吐出口３６に真空ポンプを接続して吸引することにより、各モジュール１００のそれぞれの気体分離膜３７を通して空気が流れて、吐出口３６からは、例えば酸素富化空気を得ることができる。
【００２７】
以上のように本実施の形態によれば、各モジュールは中央領域部に桟を設けているので、減圧状態でも充分大気の圧力に対抗できる。一方、気体分離膜を通して流れ込んだ気体は中央領域部の空間領域から吸気口を経て、吐出口に容易に流れることができる。また、吸気口の周囲に設けたシール部材で各モジュール間の吸気口の周囲の気密封止を行い、かつ、モジュール間をスプリングピンで固定するのみで、気体分離膜ユニットが作製できる。したがって、使用するスプリングピンの長さのみを変更するだけで、必要な空気量に応じてモジュールの積層数を任意に可変できる。この結果、組立作業が簡単で、かつ、小型軽量の気体分離膜ユニットが実現できる。
【００２８】
なお、本実施の形態の気体分離膜ユニットは、複数のモジュールの両端部のモジュールについても同じ構造のモジュールを用いた。しかしながら、この両端部のモジュールについては、モジュール同士が対向しない面には気体分離膜よりも機械的な強度が大きいシートや板を貼り付けてもよい。このような構成のモジュールについては、気体分離膜が片面のみとなるので気体分離能力が低減するが、製造途中や気体分離膜ユニットを装置に組み込むときに冶具等がこれらの面にあたっても、気体分離膜ユニットとしての機能が損なわれることが少なくなり、より信頼性に優れた気体分離膜ユニットが得られる。
【００２９】
また、支持体としては、ポリフェニルサルファイド（ＰＰＳ）樹脂や液晶ポリマー（ＬＣＰ）等の比較的強度の大きな樹脂を用いて、成型により作製すればよい。さらに、アルミニウム等の金属材料を用いることもできるだけでなく、上述したような形状の加工が可能で、減圧したときに圧力に耐える材料であれば、特に制約はない。また、本実施の形態では、気体分離膜は保持部に固定して、接着テープで接着と気密封止を行ったが、これに限定されることはない。例えば、気体分離膜を保持部に接着剤により接着し、同時に気密封止する構成でもよいし、気密封止のみは接着テープで行う構成でもよい。
【００３０】
さらに、本実施の形態では、支持体の中央領域部には桟を設けて減圧雰囲気により生じる大気の圧力に耐えるとともに、空間領域で自由に気体が流れる構造としたが、本発明はこの構造には限定されない。気体分離膜を介して気体が吸気口に自由に流れ、大気の圧力に耐える構造であればよく、その形状については限定されない。
【００３１】
（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態の気体分離膜ユニットは、積層する複数のモジュールのうち両端部に配設する端部側モジュールの構造が、第１の実施の形態の気体分離膜ユニットと異なる構造としたことが特徴である。すなわち、端部側モジュールである前面モジュールと背面モジュールについては、支持体の片面のみに気体分離膜を設けて、外部に露出する面側は支持体と一体成形で作製したシール面を設けている。これにより、外力が加わっても損傷が生じ難く、信頼性に優れる構造を実現している。
【００３２】
最初に、真空ポンプと接続する前面モジュール１１０の構造について、図５により説明する。図５（ａ）は、前面モジュール１１０の吸気口２１近傍の斜視図で、同図のＢ−Ｂ’線に沿った断面形状を図５（ｂ）に示す。第１の実施の形態では、モジュール１００の中央領域部にはほぼ直交する形状の桟を設けて、それにより形成される空間領域では、支持体の表裏どちらの気体分離膜から拡散してきた気体も自由に吸気口に向かって流れるように構成した。これに対して本実施の形態では、支持体５１の中央領域部１５０には片面部のみに略矩形状の複数個の凸部３４を設け、他方の面は支持体５１を構成する材料により全面がシールドされたシール面３５とし、さらに吸気口２１には真空ポンプ（図示せず）に接続する吐出口３６０が一体で成形された構造であることが異なる点である。
【００３３】
なお、吸気口２１を半円形状に切欠き、中央領域部１５０の空間領域１８０と接続するように設けた切欠き部２６と、これに嵌合するカバー部材２７の構造は、第１の実施の形態のモジュール１００と同じ構造である（図５（ｃ）に示す）。さらに、気体分離膜３７を中央領域部１５０、保持部１９およびカバー部材２７面上に配置して、保持部１９上の気体分離膜３７と封止部２０の上に接着テープを貼着し固定する方法についても、第１の実施の形態のモジュール１００と同じである。したがって、この前面モジュール１１０は、片面のみに設けられた気体分離膜３７を通して、空間領域１８０と吸気口２１を経て吐出口３６０より吐出する。また、反対側の面は、支持体５１と同じ材料でシール面３５が形成されているので、機械的に強固な構成となっている。
【００３４】
次に、背面モジュール１２０の構成を図６により説明する。図６（ａ）は背面モジュール１２０の吸気口２１近傍の斜視図で、図６（ｂ）はＣ−Ｃ’線に沿った断面図である。背面モジュール１２０についても、前面モジュール１１０と同様に、支持体５２の中央領域部１６０には片面部のみに略矩形状の複数個の凸部３４０を設けており、他方は支持体５２を構成する材料により全面がシールされたシール面４１となっており、これらが一体で成形されている。
【００３５】
凸部３４０の高さは保持部１９の高さと同一に構成し、気体分離膜３７を凸部３４０と保持部１９上に配置して、封止部２０と気体分離膜３７の一部にかかるよう接着テープ４０を貼着して、接着と気密封止を行う。その後、座繰り部２２にシール部材２３を配設する。
【００３６】
また、背面モジュール１２０の反対側の面の吸気口２１の近傍には切欠き部２６０が形成されており、この切欠き部２６０には図６（ｃ）に示すように吸気口２１をシールする突起部３８ａとコ字状の空洞部３８ｂとが設けられた背面カバー部材３８が嵌合する。これにより、気体分離膜３７が貼着された面とは反対側の面の吸気口２１部分が密閉されると同時に、中央領域部１５０の空間領域１９０と吸気口２１との間が、切欠き部２６０と背面カバー部材３８とで形成されるトンネル上の通気路を介して接続されるので、空間領域１９０の気体が吸気口２１に自由に流れ込むことができる。
【００３７】
本実施の形態の気体分離膜ユニットは、第１の実施の形態のモジュール１００を上述した前面モジュール１１０と背面モジュール１２０とでサンドイッチするように積層するが、その積層構成については第１の実施の形態の気体分離膜ユニットと同じ方法で行うことができる。このような構成とすることにより、気体分離膜ユニットの前面および背面は、支持体と同じ材料で全面が保護されるので機械的な外力に対しても損傷することが少なくなり、信頼性に優れた気体分離膜ユニットを実現することができる。
【００３８】
（実施例１）
第１の実施の形態で述べたモジュール１００を５枚、第２の実施の形態の前面モジュール１１０および背面モジュール１２０それぞれ１枚づつを積層して気体分離膜ユニットを作製した。モジュール１００の流量は０．５リットル／分、前面モジュール１１０と背面モジュール１２０との流量は０．２５リットル／分に設計した。この気体分離膜ユニットに真空ポンプを接続し、真空度４６０ｍｍＨｇにて吸気した。真空ポンプの吐出側で酸素濃度と流量を測定した結果、酸素濃度は３０．１％、流量は３．３リットル／分となり設計値を充分確保できる結果を得ることができた。また、気体分離膜ユニットの真空漏れもなく気密性も充分であることが確認できた。
【００３９】
【発明の効果】
以上述べたように本発明の気体分離膜ユニットは、平板状の支持体の中央領域部に気体分離膜が固定され、中央領域部は気体分離膜を介して流入した気体が支持体の平面方向に流動可能な空間領域を有し、この空間領域の気体が支持体に設けられた通気路を通して支持体の一方の角部に形成された吸気口に流入するようにモジュールが構成され、このモジュールを吸気口周辺に配設したシール部材を介して複数積層して、気体分離膜を通過した気体を吐出する吐出口を設けた構成を有する。
【００４０】
このような構成により、吐出口から取出す気体の必要量に応じてモジュールの積層数を任意に設定することが可能となり、種々の装置に対して迅速な対応ができる。また、組立工程も簡略となるだけでなく、気密性も改善することができる。さらに、気体分離膜を介して吐出口までの気体の流れる領域のコンダクタンスを大きくできるので、小型にしても充分な気体量を取出すことができるという大きな効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の気体分離膜ユニットの斜視図
【図２】（ａ）同実施の形態のモジュールの概略平面図
（ｂ）同モジュールのＡ−Ａ’線に沿った断面図
【図３】同モジュールにおける支持体の中央領域部を示す斜視図
【図４】（ａ）同モジュールにおける支持体の第１の隔壁近傍部分で反対側の面の構成を示す斜視図
（ｂ）同モジュールにおけるカバー部材の構造を示す図
【図５】（ａ）本発明の第２の実施の形態における前面モジュールの吸気口近傍の斜視図
（ｂ）同前面モジュールのＢ−Ｂ’線に沿った断面図
（ｃ）同前面モジュールにおけるカバー部材の構造を示す図
【図６】（ａ）同実施の形態における背面モジュールの吸気口近傍の斜視図
（ｂ）同背面モジュールのＣ−Ｃ’線に沿った断面図
（ｃ）同背面モジュールにおけるカバー部材の構造を示す図
【図７】従来の気体透過膜モジュールの構成を示す図
【符号の説明】
１，３７ 気体分離膜
２ 補強板
３ 通気性物質
５，４０ 接着テープ
６ 流体吐出口
７ 隔壁
１１，５１，５２ 支持体
１２ 第１の隔壁
１３ 第２の隔壁
１４ 第３の隔壁
１５，１５０，１６０ 中央領域部
１６，１７ 桟
１８，１８０，１９０ 空間領域
１９ 保持部
２０ 封止部
２１ 吸気口
２２ 座繰り部
２３ シール部材
２４ 貫通孔
２５ 受け面
２６，２６０ 切欠き部
２７ カバー部材
２７ａ 半円形凹部
２７ｂ，３８ｂ 空洞部
２９ ピン
３０ 位置決め穴
３２，３３ 面
３４，３４０ 凸部
３５，４１ シール面
３６，３６０ 吐出口
３８ 背面カバー部材
３８ａ 突起部
９０ スプリングピン
１００ モジュール
１１０ 前面モジュール
１２０ 背面モジュール
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸素富化燃焼や酸素富化空気による健康機器、あるいは特定の気体を分離して使用する化学反応装置等で用いるために気体分離膜を介して特定の気体の濃度を変化させる気体分離膜ユニットに関する。
【０００２】
【従来の技術】
気体分離膜ユニットは、厚さが約１５０μｍの不織布に０．１μｍ程度のポリシロキサンとスチレンの共重合体を主成分とする薄膜を形成した気体分離膜を用いるものが多い。この気体分離膜の両面に圧力差を設けることにより、大気側の酸素が膜表面に溶解し、膜内を拡散移動して、減圧側の膜表面から離脱するという原理で、酸素富化空気を得るものである。窒素も同じように移動するが、溶解と拡散の速度は酸素のほうが窒素に比べて２．５倍大きいために、結果として酸素富化空気が得られる。なお、この気体分離膜は、酸素と窒素の分離のみでなく、水（Ｈ2Ｏ）、二酸化炭素（ＣＯ2）またはエチレン（Ｃ2Ｈ4）等についても大きな分離性能を有している。
【０００３】
気体分離膜を介して酸素富化空気を取出すためには、気体分離膜の両面に圧力差を加えることが必要である。このために、酸素富化空気を取出すための気体分離膜ユニットは、通気孔を有する支持体に気体分離膜を貼着して、通気孔からポンプで吸引して酸素富化空気を取出す構成としている。例えば、図７に示す気体分離膜ユニットが知られている（特開昭６３−１４１６２４号公報）。この気体透過膜モジュールは、通気性物質３の両面に小さい穴をあけた補強板２を固定し、この補強板２上に接着テープ５で気体分離膜１を貼着する。さらに、周囲を密封するとともに通気性物質３から気体を取出す流体吐出口６を設けた構成である。流体吐出口６より真空ポンプで減圧吸引することにより、気体分離膜１を通過して空気が流れ、酸素富化空気が得られる。また、隔壁７を介して気体透過膜モジュールを複数個積層することで、必要な酸素富化空気量を得る気体分離膜ユニットを構成している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような構成では部品点数が多くなるため、組立作業に多くの時間を必要とする。また、通気性物質の気体のコンダクタンスはあまり大きくないため、多量の酸素富化空気を得ようとすると積層する気体透過膜モジュールの個数を増やす必要があり、全体として小型化することが困難である。さらに、気体透過膜モジュールの積層数を変更するときに比較的設計に時間がかかる。
【０００５】
本発明は、気体分離膜ユニットの部品点数を削減し、小型軽量化を図るとともに、酸素富化空気の必要量に応じてモジュール数を自由に変更可能にし、組立作業を容易にする気体分離膜ユニットを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために本発明の気体分離膜ユニットは、平板状の支持体の中央領域部の両面に気体分離膜が固定され、中央領域部は気体分離膜を介して流入した気体が支持体の平面方向に流動可能な空間領域を有し、この空間領域の気体が支持体に設けられた通気路を通して支持体の一方の角部に形成された吸気口に流入するようにモジュールが構成され、このモジュールを吸気口周辺に配設したシール部材を介して複数積層して、気体分離膜を通過した気体を吐出する吐出口を設けた構成を有する。
【０００７】
この構成により、吐出口から取出す気体の必要量に応じてモジュールの積層数を任意に設定することが可能となり、種々の装置に対して迅速な対応ができる。また、組立工程も簡略となるだけでなく、気密性も改善することができる。さらに、気体分離膜を介して吐出口までの気体の流れる領域のコンダクタンスを大きくできるので、小型にしても充分な気体量を取出すことができる。
【０００８】
また、本発明の気体分離膜ユニットは、平板状の支持体の中央領域部の一方の面が支持体と同一材料でシールされ、他方の面には気体分離膜が固定されるとともに、中央領域部は気体分離膜を介して流入した気体が支持体の平面方向に流動可能な空間領域を有し、この空間領域の気体が支持体に設けられた通気路を通して吸気口に流入するように端部側モジュールが構成され、複数積層してなる気体分離膜ユニットの両端部の少なくとも一方をこの端部側モジュールとした構成を有する。
【０００９】
この構成により、複数積層してなる気体分離膜ユニットの両端部のモジュールは支持体材料と同じ材料によりシールされるので、機械的な力を受けても損傷され難くなる。したがって、製造工程中やユーザが装置に組み込むとき等に損傷することがなくなり、信頼性に優れた気体分離膜ユニットが実現される。
【００１０】
また、本発明の気体分離膜ユニットは、モジュールには外周部に突起状の複数の隔壁が設けられている構成を有する。この構成により、モジュールを積層するときに必要なモジュール間の隙間が隔壁により精度よく、しかも容易に形成できる。
【００１１】
また、本発明の気体分離膜ユニットは、モジュールおよび端部側モジュールには外周部に突起状の複数の隔壁が設けられている構成を有する。この構成により、これらを積層するときに必要なモジュール間の隙間が隔壁により精度よく、しかも容易に形成できる。
【００１２】
また、本発明の気体分離膜ユニットは、モジュールには外周部に複数の貫通孔が設けられている構成を有する。この構成により、モジュールを積層するときに、貫通孔にネジを通して積層体を固定することや、ピンを通して固定することができるので、気体分離膜ユニットの製造工程が簡単となる。
【００１３】
また、本発明の気体分離膜ユニットは、モジュールおよび端部側モジュールには外周部に複数の貫通孔が設けられている構成を有する。この構成により、これらを積層するときに、貫通孔にネジを通して積層体を固定することや、ピンを通して固定することができるので、気体分離膜ユニットの製造工程が簡単となる。
【００１４】
また、本発明の気体分離膜ユニットは、モジュールの外周部に設けられた貫通孔にスプリングピンを挿入することで積層し固定する構成を有する。この構成により、モジュールの積層工程がモジュール同士を位置合わせして、スプリングピンを貫通孔に挿入するだけですむので、製造工程が非常に簡略となる。
【００１５】
また、本発明の気体分離膜ユニットは、モジュールおよび端部側モジュールの外周部に設けられた貫通孔にスプリングピンを挿入する構成を有する。この構成により、積層工程がモジュール同士を位置合わせして、スプリングピンを貫通孔に挿入するだけですむので、製造工程が非常に簡略となる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。
【００１７】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態の気体分離膜ユニットの斜視図である。気体分離膜ユニットは、気体を分離する機能を有するモジュール１００を積層し一体化して、１つの吐出口３６から、例えば酸素富化空気を真空ポンプ（図示せず）により取出すことができる。モジュール１００は略平板状の支持体１１の両面に気体分離膜（図示せず）が固定されている。支持体１１には、第１の隔壁１２、第２の隔壁１３および第３の隔壁１４が形成されており、これらによりモジュール１００を積層したときに所定の隙間が得られるようになっている。さらに、第１の隔壁１２部分には吸気口２１が設けてあり、この吸気口２１の周囲にはシール部材２３が固定されている。このシール部材２３により、各モジュール１００間の吸気口２１同士を大気から密封した状態で接続していき、最終的に吐出口３６に接続するように構成することができる。各モジュール１００同士の固定は、モジュール１００の所定の個所に開けた貫通孔にスプリングピン９０を挿入することにより行う。
【００１８】
図２は、モジュール１００の概略平面図とＡ−Ａ’線に沿った断面図である。支持体１１の表面外周部には、隣接して配置するモジュール１００と所定の間隔を保持するための第１の隔壁１２、第２の隔壁１３および第３の隔壁１４が設けられている。また、支持体１１の中央領域部１５には図３に示すように、ストライプ状の桟１６、１７が一定のピッチで形成されており、これらは互いにほぼ直交する形状とされている。それぞれの桟１６、１７で囲まれた空間領域１８により、中央領域部１５では気体が支持体１１の平面方向に自由に流れることができる。
【００１９】
支持体１１の中央領域部１５を囲むように、その外周部には気体分離膜３７を保持するための保持部１９と、さらにその外周部に封止部２０とが設けられている。保持部１９は気体分離膜３７の厚さとほぼ同じ厚さだけ封止部２０より低く形成されており、気体分離膜３７が固定されたときに、保持部２０と気体分離膜３７の表面とがほぼ同じ平面を形成するようになっている。気体分離膜３７が中央領域部１５の全面と保持部１９とを覆うように配置されて、例えば接着テープ（図示せず）を保持部１９上の気体分離膜３７領域と封止部２０との上に貼着して、気体分離膜３７を固定するとともに、保持部１９と気体分離膜３７との間の気密性を確保する。
【００２０】
支持体１１の第１の隔壁１２部分には、吸気口２１、吸気口２１の周囲に円環状のシール部材２３を配設するための座繰り部２２、および複数のモジュールを重ねて一体化するためのスプリングピン（図示せず）を通す貫通孔２４が形成されている。なお、座繰り部２２は第１の隔壁１２の面よりやや低く形成し、複数のモジュールを積層して一体化するときにシール部材２３が収縮して気密が充分確保できるようにしてある。さらに、支持体１１の第２の隔壁１３にも、複数のモジュールを積層して一体化するためのスプリングピンを通す貫通孔２４が設けられている。
【００２１】
次に、支持体１１の上記した面に対して反対側の面の構成について、図４を用いて説明する。図４は、第１の隔壁１２近傍部分で、上記の面とは反対側の面の構成を示す斜視図である。図４（ａ）に示すように、最外周部には隣接するモジュール１００の第１の隔壁１２と接触する受け面２５があり、吸気口２１近傍には吸気口２１の半円形領域を含む切欠き部２６が形成されている。切欠き部２６には、図４（ｂ）に示すような半円形凹部２７ａとコ字状の空洞部２７ｂとを設けたカバー部材２７を嵌合させることにより、トンネル状の通気路を形成する。図４に示すカバー部材２７の嵌合は、コ字状の空洞部２７ｂが切欠き部２６に対向する向きにして、ピン２９を位置決め穴３０に嵌合して固定する。これにより、中央領域部１５の空間領域１８の気体が、このトンネル状の通気路を介して吸気口２１に流れることができる。
【００２２】
カバー部材２７の他方の面は、カバー部材２７を切欠き部２６に嵌合させたときに、保持部１９および桟１７の表面と同じ高さになる面３２と、封止部２０と同じ高さになる面３３との２段に構成されている。
【００２３】
切欠き部２６にカバー部材２７を嵌合した後、保持部１９、桟１７およびカバー部材２７の面３２を覆うように気体分離膜３７を配置して、保持部１９上の気体分離膜３７と封止部２０との上に、例えば接着テープ（図示せず）を貼着して気体分離膜３７を固定するとともに、保持部１９と気体分離膜３７との間を気密封止する。
【００２４】
以上により、支持体１１の両面に気体分離膜３７、３７が固定され、これらの気体分離膜３７、３７で囲まれた中央領域部１５では、真空ポンプで減圧されたときに加わる圧力を桟１６、１７で支え、かつ、中央領域部１５の気体が吸気口２１のみから真空ポンプで吐出されるモジュール１００が得られる。
【００２５】
このモジュール１００を必要枚数だけ重ね、貫通孔２４に結合用のスプリングピン９０を通すことで、図１に示すような全体が一体化した気体分離膜ユニットが得られる。この場合、各モジュール１００間は、第１の隔壁１２、第２の隔壁１３および第３の隔壁１４により所定の間隔が保持されて、この隙間から気体が気体分離膜３７に流れ込むことができる。また、隣接するモジュール１００の吸気口２１部分については、それぞれの吸気口２１の周囲に配設されたシール部材２３により、吸気口２１同士が直列に接続されながら密封されて、最終的に１つの吐出口３６に接続される。なお、この吐出口３６の反対面の吸気口２１はシート等を接着して気密封止する。
【００２６】
これにより、任意の複数のモジュール１００を積層しても、各モジュール１００からの吸気口２１が１つの吐出口３６に接続される。したがって、この吐出口３６に真空ポンプを接続して吸引することにより、各モジュール１００のそれぞれの気体分離膜３７を通して空気が流れて、吐出口３６からは、例えば酸素富化空気を得ることができる。
【００２７】
以上のように本実施の形態によれば、各モジュールは中央領域部に桟を設けているので、減圧状態でも充分大気の圧力に対抗できる。一方、気体分離膜を通して流れ込んだ気体は中央領域部の空間領域から吸気口を経て、吐出口に容易に流れることができる。また、吸気口の周囲に設けたシール部材で各モジュール間の吸気口の周囲の気密封止を行い、かつ、モジュール間をスプリングピンで固定するのみで、気体分離膜ユニットが作製できる。したがって、使用するスプリングピンの長さのみを変更するだけで、必要な空気量に応じてモジュールの積層数を任意に可変できる。この結果、組立作業が簡単で、かつ、小型軽量の気体分離膜ユニットが実現できる。
【００２８】
なお、本実施の形態の気体分離膜ユニットは、複数のモジュールの両端部のモジュールについても同じ構造のモジュールを用いた。しかしながら、この両端部のモジュールについては、モジュール同士が対向しない面には気体分離膜よりも機械的な強度が大きいシートや板を貼り付けてもよい。このような構成のモジュールについては、気体分離膜が片面のみとなるので気体分離能力が低減するが、製造途中や気体分離膜ユニットを装置に組み込むときに冶具等がこれらの面にあたっても、気体分離膜ユニットとしての機能が損なわれることが少なくなり、より信頼性に優れた気体分離膜ユニットが得られる。
【００２９】
また、支持体としては、ポリフェニルサルファイド（ＰＰＳ）樹脂や液晶ポリマー（ＬＣＰ）等の比較的強度の大きな樹脂を用いて、成型により作製すればよい。さらに、アルミニウム等の金属材料を用いることもできるだけでなく、上述したような形状の加工が可能で、減圧したときに圧力に耐える材料であれば、特に制約はない。また、本実施の形態では、気体分離膜は保持部に固定して、接着テープで接着と気密封止を行ったが、これに限定されることはない。例えば、気体分離膜を保持部に接着剤により接着し、同時に気密封止する構成でもよいし、気密封止のみは接着テープで行う構成でもよい。
【００３０】
さらに、本実施の形態では、支持体の中央領域部には桟を設けて減圧雰囲気により生じる大気の圧力に耐えるとともに、空間領域で自由に気体が流れる構造としたが、本発明はこの構造には限定されない。気体分離膜を介して気体が吸気口に自由に流れ、大気の圧力に耐える構造であればよく、その形状については限定されない。
【００３１】
（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態の気体分離膜ユニットは、積層する複数のモジュールのうち両端部に配設する端部側モジュールの構造が、第１の実施の形態の気体分離膜ユニットと異なる構造としたことが特徴である。すなわち、端部側モジュールである前面モジュールと背面モジュールについては、支持体の片面のみに気体分離膜を設けて、外部に露出する面側は支持体と一体成形で作製したシール面を設けている。これにより、外力が加わっても損傷が生じ難く、信頼性に優れる構造を実現している。
【００３２】
最初に、真空ポンプと接続する前面モジュール１１０の構造について、図５により説明する。図５（ａ）は、前面モジュール１１０の吸気口２１近傍の斜視図で、同図のＢ−Ｂ’線に沿った断面形状を図５（ｂ）に示す。第１の実施の形態では、モジュール１００の中央領域部にはほぼ直交する形状の桟を設けて、それにより形成される空間領域では、支持体の表裏どちらの気体分離膜から拡散してきた気体も自由に吸気口に向かって流れるように構成した。これに対して本実施の形態では、支持体５１の中央領域部１５０には片面部のみに略矩形状の複数個の凸部３４を設け、他方の面は支持体５１を構成する材料により全面がシールドされたシール面３５とし、さらに吸気口２１には真空ポンプ（図示せず）に接続する吐出口３６０が一体で成形された構造であることが異なる点である。
【００３３】
なお、吸気口２１を半円形状に切欠き、中央領域部１５０の空間領域１８０と接続するように設けた切欠き部２６と、これに嵌合するカバー部材２７の構造は、第１の実施の形態のモジュール１００と同じ構造である（図５（ｃ）に示す）。さらに、気体分離膜３７を中央領域部１５０、保持部１９およびカバー部材２７面上に配置して、保持部１９上の気体分離膜３７と封止部２０の上に接着テープを貼着し固定する方法についても、第１の実施の形態のモジュール１００と同じである。したがって、この前面モジュール１１０は、片面のみに設けられた気体分離膜３７を通して、空間領域１８０と吸気口２１を経て吐出口３６０より吐出する。また、反対側の面は、支持体５１と同じ材料でシール面３５が形成されているので、機械的に強固な構成となっている。
【００３４】
次に、背面モジュール１２０の構成を図６により説明する。図６（ａ）は背面モジュール１２０の吸気口２１近傍の斜視図で、図６（ｂ）はＣ−Ｃ’線に沿った断面図である。背面モジュール１２０についても、前面モジュール１１０と同様に、支持体５２の中央領域部１６０には片面部のみに略矩形状の複数個の凸部３４０を設けており、他方は支持体５２を構成する材料により全面がシールされたシール面４１となっており、これらが一体で成形されている。
【００３５】
凸部３４０の高さは保持部１９の高さと同一に構成し、気体分離膜３７を凸部３４０と保持部１９上に配置して、封止部２０と気体分離膜３７の一部にかかるよう接着テープ４０を貼着して、接着と気密封止を行う。その後、座繰り部２２にシール部材２３を配設する。
【００３６】
また、背面モジュール１２０の反対側の面の吸気口２１の近傍には切欠き部２６０が形成されており、この切欠き部２６０には図６（ｃ）に示すように吸気口２１をシールする突起部３８ａとコ字状の空洞部３８ｂとが設けられた背面カバー部材３８が嵌合する。これにより、気体分離膜３７が貼着された面とは反対側の面の吸気口２１部分が密閉されると同時に、中央領域部１５０の空間領域１９０と吸気口２１との間が、切欠き部２６０と背面カバー部材３８とで形成されるトンネル上の通気路を介して接続されるので、空間領域１９０の気体が吸気口２１に自由に流れ込むことができる。
【００３７】
本実施の形態の気体分離膜ユニットは、第１の実施の形態のモジュール１００を上述した前面モジュール１１０と背面モジュール１２０とでサンドイッチするように積層するが、その積層構成については第１の実施の形態の気体分離膜ユニットと同じ方法で行うことができる。このような構成とすることにより、気体分離膜ユニットの前面および背面は、支持体と同じ材料で全面が保護されるので機械的な外力に対しても損傷することが少なくなり、信頼性に優れた気体分離膜ユニットを実現することができる。
【００３８】
（実施例１）
第１の実施の形態で述べたモジュール１００を５枚、第２の実施の形態の前面モジュール１１０および背面モジュール１２０それぞれ１枚づつを積層して気体分離膜ユニットを作製した。モジュール１００の流量は０．５リットル／分、前面モジュール１１０と背面モジュール１２０との流量は０．２５リットル／分に設計した。この気体分離膜ユニットに真空ポンプを接続し、真空度４６０ｍｍＨｇにて吸気した。真空ポンプの吐出側で酸素濃度と流量を測定した結果、酸素濃度は３０．１％、流量は３．３リットル／分となり設計値を充分確保できる結果を得ることができた。また、気体分離膜ユニットの真空漏れもなく気密性も充分であることが確認できた。
【００３９】
【発明の効果】
以上述べたように本発明の気体分離膜ユニットは、平板状の支持体の中央領域部に気体分離膜が固定され、中央領域部は気体分離膜を介して流入した気体が支持体の平面方向に流動可能な空間領域を有し、この空間領域の気体が支持体に設けられた通気路を通して支持体の一方の角部に形成された吸気口に流入するようにモジュールが構成され、このモジュールを吸気口周辺に配設したシール部材を介して複数積層して、気体分離膜を通過した気体を吐出する吐出口を設けた構成を有する。
【００４０】
このような構成により、吐出口から取出す気体の必要量に応じてモジュールの積層数を任意に設定することが可能となり、種々の装置に対して迅速な対応ができる。また、組立工程も簡略となるだけでなく、気密性も改善することができる。さらに、気体分離膜を介して吐出口までの気体の流れる領域のコンダクタンスを大きくできるので、小型にしても充分な気体量を取出すことができるという大きな効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の気体分離膜ユニットの斜視図
【図２】（ａ）同実施の形態のモジュールの概略平面図
（ｂ）同モジュールのＡ−Ａ’線に沿った断面図
【図３】同モジュールにおける支持体の中央領域部を示す斜視図
【図４】（ａ）同モジュールにおける支持体の第１の隔壁近傍部分で反対側の面の構成を示す斜視図
（ｂ）同モジュールにおけるカバー部材の構造を示す図
【図５】（ａ）本発明の第２の実施の形態における前面モジュールの吸気口近傍の斜視図
（ｂ）同前面モジュールのＢ−Ｂ’線に沿った断面図
（ｃ）同前面モジュールにおけるカバー部材の構造を示す図
【図６】（ａ）同実施の形態における背面モジュールの吸気口近傍の斜視図
（ｂ）同背面モジュールのＣ−Ｃ’線に沿った断面図
（ｃ）同背面モジュールにおけるカバー部材の構造を示す図
【図７】従来の気体透過膜モジュールの構成を示す図
【符号の説明】
１，３７ 気体分離膜
２ 補強板
３ 通気性物質
５，４０ 接着テープ
６ 流体吐出口
７ 隔壁
１１，５１，５２ 支持体
１２ 第１の隔壁
１３ 第２の隔壁
１４ 第３の隔壁
１５，１５０，１６０ 中央領域部
１６，１７ 桟
１８，１８０，１９０ 空間領域
１９ 保持部
２０ 封止部
２１ 吸気口
２２ 座繰り部
２３ シール部材
２４ 貫通孔
２５ 受け面
２６，２６０ 切欠き部
２７ カバー部材
２７ａ 半円形凹部
２７ｂ，３８ｂ 空洞部
２９ ピン
３０ 位置決め穴
３２，３３ 面
３４，３４０ 凸部
３５，４１ シール面
３６，３６０ 吐出口
３８ 背面カバー部材
３８ａ 突起部
９０ スプリングピン
１００ モジュール
１１０ 前面モジュール
１２０ 背面モジュール
Claims (4)
- 平板状の支持体の中央領域部の表面に気体分離膜が固定され、前記中央領域部は前記気体分離膜を介して流入した気体が前記支持体の平面方向に流動可能な空間領域を有し、前記空間領域の気体が前記支持体に設けられた通気路を通して前記支持体の一方の角部に形成された吸気口に流入するようにモジュールが構成され、前記モジュールを前記吸気口周辺に配設したシール部材を介して複数積層して、前記気体分離膜を通過した気体を吐出する吐出口を設けた気体分離膜ユニットにおいて、該気体分離膜ユニットを構成する複数の前記モジュールの内、両端部の少なくとも一方のモジュールを、平板状の前記支持体の前記中央領域部の一方の面が前記支持体と同一材料でシールされ、他方の面には前記気体分離膜が固定された端部側モジュールとし、該端部側モジュール以外のモジュールは、平板状の前記支持体の前記中央領域部の両面に前記気体分離膜が固定されていることを特徴とする気体分離膜ユニット。
- 前記モジュールおよび端部側モジュールには、外周部に突起状の複数の隔壁が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の気体分離膜ユニット。
- 前記モジュールおよび端部側モジュールには、外周部に複数の貫通孔が設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の気体分離膜ユニット。
- 複数積層された前記モジュールおよび端部側モジュールの外周部に設けられた貫通孔にスプリングピンが挿入されてなることを特徴とする請求項３に記載の気体分離膜ユニット。
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