JP4237818B2 - 膜エレメント用部材および膜エレメント - Google Patents

Description

本発明は、膜エレメント用部材及びこれを用いた膜エレメントに関し、より詳しくは、膜エレメントの膜部（膜リーフ）の充填量を従来より大きくすることが可能な膜エレメント用部材及び膜エレメントに関する。

従来より、かん水または海水の脱塩、超純水の製造、排水処理等の幅広い用途にスパイラル型分離膜モジュールが用いられている。スパイラル型分離膜モジュールは、図９に示すように、スパイラル型分離膜エレメントＥを圧力容器１内に収容した構造となっており、供給した原液７を効率よくエレメントＥ内へ流入させるために、べッセル１とエレメントＥの隙間を環状のシール材４にて遮断している。エレメントＥ内に流入した原液は、エレメントＥの供給側流路材に沿って下流側に流動しながら、分離膜で分離され、分離膜を透過した透過液は、透過側流路材に沿って流動し、集水管６に集められる。そして、エレメントＥの膜部は、供給側流路材、分離膜、及び透過側流路材が積層された膜リーフの巻回体２で構成されている。

図９はベッセル１内にエレメントＥを装填し、原液７を供給したときの端部の状態を示したものである。供給された原液７は、エレメントＥの外側ではシール材４に遮断されて、エレメント内部に全量を流入させる機構になっている。エレメントＥにシール材４を保持するために、シール材保持部材１０を備えている。

上記のシール材４は、エレメントＥの端部に取り付けられたシール材保持部材１０で保持されている。また、シール材４は、断面がＵ字型やＶ字型の形状のゴム等で作製されており、水流を受けた時の圧力により外側に拡がって、その状態でべッセル１との隙間をシールする。

シール材保持部材１０は、一般的に、膜部を構成する巻回体２の端部をはめ込むための円筒部１９（スカート）を有し、この円筒部１９の外周にエレメントＥの外層部材５をはめ込んで接着できる構造を有する（例えば特許文献１参照）。しかし、巻回体２を円筒部１９内にはめ込む構造では、巻回体２の直径が制限され、膜面積を増加させるのに限界があった。また、巻回体２の軸方向は、シール材保持部材１０の厚みにより制限されるため、シール材保持部材１０は薄くすることが好ましいが、シール材４の保持溝の成形や保持部材としての強度を考慮すると、一定以上の厚みが必要となる。

一方、分離膜を用いた処理においてシステムとしてのコストダウンが求められ、エレメント当たりの収容膜面積の増加が課題のひとつになっている。そのためには膜リーフの充填容量を拡張する必要があり、使用部材による制限を縮小することが望まれる。
特開２０００−３５４７４２号公報

そこで、本発明の目的は、エレメント当たりの収容膜面積の増加が可能な膜エレメント用部材、及びこれを用いた膜エレメントを提供することにある。

上記目的は、下記の如き本発明により達成できる。即ち、本発明の膜エレメント用部材は、スパイラル型の膜エレメントの端部に配置される膜エレメント用部材において、前記膜エレメント側とは反対側の端部に位置する環状部の端面に、内周から外周まで延びる端面溝部を設けてあることを特徴とする。膜エレメントを複数本連結する場合、従来の構造では端面同士が密着するため、洗浄時など膜エレメント内の液を排出する場合に液が抜けにくいという問題があった。しかし、端面溝部を設けることにより内部の液をスムーズに排出することが可能になる。更には急激な圧力の変化が加えられた場合、膜エレメントの外装部材の内外で高い圧力差が生じ膜エレメントの破裂に繋がる危険性があるが、設けた端面溝部を通りエレメント外側へスムーズに行き渡るためそれらの心配が無くなる。

上記において、前記膜エレメント用部材は、外周部に環状のシール材を保持するための部材であり、前記膜エレメントの上流側膜端部に対向する側壁を有し、膜エレメントの外装部材の端部が外挿される第１環状部と、その第１環状部の上流側に形成され、前記外装部材の端面および前記シール材の下流側端面を両側壁に係止可能な環状凸部と、その環状凸部の上流側に形成され、前記シール材が外挿される第２環状部と、その第２環状部の上流側に形成され、前記シール材の上流側端面を係止可能な第３環状部とを備え、前記第３環状部の端面に、前記端面溝部を設けてあることが好ましい。

この構造であると、第１環状部が膜エレメントの上流側膜端部に対向する側壁を有し、膜端部を内挿する構造でないため、膜部（巻回体）の直径をより大きくすることができる。また、第１環状部に外装部材を外挿して固定することができ、第２環状部にシール材を外挿して保持することができるため、残りの環状凸部と第３環状部の幅（厚み）を小さくすることにより、膜部の軸方向長さを大きくすることができる。その結果、エレメント当たりの収容膜面積の増加が可能となる。

上記において、前記第３環状部の外径が、前記環状凸部の外径より小さいことが好ましい。この構造であると、第３環状部とベッセルとの隙間が広がるため、断面がＵ字型やＶ字型のシール材を使用する際に、原液の流動や圧力を受け易くなり、外側に広がった状態でシール機能をより確実に発現できる。

また、膜エレメントの軸方向に平行な方向の幅について、前記環状凸部の幅が前記第２環状部の幅より小さく、かつ前記第３環状部の幅が前記第２環状部の幅より小さいことが好ましい。この構造であると、シール材の保持溝を確保しながら、他の部分の幅を狭くすることで、膜部の軸方向長さを大きくして、収容膜面積を増加させることができる。

また、前記第３環状部には、部分的に外周面が低くなった外周溝部又は部分的に環状部が途切れた分断部を複数設けてあることが好ましい。この構造であると、第３環状部とベッセルとの隙間が部分的に広がるため、断面がＵ字型やＶ字型のシール材を使用する際に、原液の流動や圧力を受け易くなり、外側に広がった状態でシール機能をより確実に発現できる。前記膜エレメント用部材には、前記膜エレメント側、又は、前記膜エレメント側とは反対側の端部に、放射状に伸びたリブが形成されていることが好ましい。前記膜エレメント用部材には、前記端面溝部が前記環状部の端面に複数設けられ、前記端面溝部の幅が、隣接する前記端面溝部の間の端面の幅よりも小さいことが好ましい。また、前記端面溝部が前記環状部の端面に放射状に４箇所以上設けられていることが好ましい。

一方、本発明の膜エレメントは、上記いずれかに記載の膜エレメント用部材を軸線方向の端部に配置したことを特徴とする。また、本発明の他の膜エレメントは、上記いずれかに記載の膜エレメント用部材を、スパイラル型の膜エレメントの上流側膜端部の上流側に配置して、外装部材の端部を前記第１環状部に外挿してあることを特徴とする。本発明の膜エレメントによると、本発明の膜エレメント用部材を用いるため、上記の作用効果の如く、エレメント当たりの収容膜面積の増加が可能な膜エレメントとすることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の膜エレメント用シール材保持部材の取付状態の一例を示す半断面図である。図２は、本発明の膜エレメント用シール材保持部材の一例を示す図であり、（ａ）は左側面図、（ｂ）はそのＩ−Ｉ矢視断面図、（ｃ）は右側面図である。

本発明のシール材保持部材は、図１に示すように、スパイラル型の膜エレメントＥの端部に配置されて、膜エレメントＥの膜端部へ原液を流入させながら、外周部に環状のシール材を保持するためのシール材保持部材である。一方、本発明の膜エレメントは、本発明のシール材保持部材１０を、スパイラル型の膜エレメントＥの上流側膜端部の上流側に配置して、外装部材５の端部を第１環状部１１に外挿してあるものである。

膜エレメントＥは、いわゆるスパイラル型膜エレメントと呼ばれるものであれば、何れでもよい。例えば、その膜部は、中心管（集水管６）に供給側流路材、分離膜、及び透過側流路材が積層された膜リーフが巻回された巻回体２で構成されている。また、供給側流路から透過側流路に直接原液が流れないような封止構造を有する。これにより、膜エレメントＥ内に流入した原液は、エレメントＥの供給側流路材に沿って下流側に流動しながら、分離膜で分離され、分離膜を透過した透過液は、透過側流路材に沿って流動し、集水管に集められる。

シール材４は、膜エレメントＥの端部に取り付けられたシール材保持部材１０で保持される。また、シール材４は、断面が円形、楕円形、四角形などでもよいが、本発明では、断面がＵ字型、Ｖ字型、コの字型、Ｃ字型などの開放部を持つ形状を有するシール材４が好ましく使用される。シール材４の材質は、好ましくはゴム、エラストマー、樹脂等の弾性体で作製されており、Ｕ字型、Ｖ字型などの形状のシール材４は、水流を受けた時の圧力により外側に拡がって、その状態でべッセルとの隙間をシールすることができる。

外装部材５としては、例えば、繊維補強樹脂のテープやシートを直接膜エレメントＥに巻き付けた構造などが使用できる。外装部材５の端部は、シール材保持部材１０の第１環状部１１に、接着等で固着するのが好ましい。

集水管６は、適当な間隔で複数の孔を有しており、樹脂等で形成されている。集水管６の上流側端は、原液の流入を防止するために、プラグ等で塞がれて使用される。

本発明のシール材保持部材は、図２に示すように、膜エレメントＥの上流側膜端部に対向する側壁１１ａを有し、膜エレメントＥの外装部材５の端部が外挿される第１環状部１１と、その第１環状部１１の上流側に形成され、外装部材５の端面およびシール材４の下流側端面を両側壁に係止可能な環状凸部１２と、その環状凸部１２の上流側に形成され、シール材４が外挿される第２環状部１３と、その第２環状部１３の上流側に形成され、前記シール材の上流側端面を係止可能な第３環状部１４とを備える。このように、本発明のシール材保持部材は、膜リーフの巻回体２をはめ込むスカート部が無い構造になっている。

上記の各部の寸法（膜エレメントＥの軸方向に平行な方向の幅）については、環状凸部１２の幅が第２環状部１３の幅より小さいのが好ましい。また、第３環状部１４の幅が第２環状部１３の幅より小さいのが好ましい。

具体的には、第１環状部１１の幅が５〜８ｍｍ、環状凸部１２の幅が３〜５ｍｍ、第２環状部１３の幅が７〜８ｍｍ、第３環状部１４の幅が３〜５ｍｍであることが好ましい。このような各部の寸法により、シール材４を装着する溝と外装部材５の接着代を確保しながら、シール材保持部材の全体の幅（厚み）を１５〜３０ｍｍとすることができる。

本発明では、第３環状部１４の外径が、環状凸部１２の外径より小さいことが好ましく、これによってシール材４の保持溝の上流側が低くなり、シール材４が水流を受け易い構造となる。

本実施形態では、膜エレメントＥの膜端部へ原液を流入させる構造として、複数の開口１５ａを有する開口板１５を備える例を示す。開口板１５を採用する場合、開口１５ａの大きさ、配置、密度などにより、膜エレメントＥの膜部に流入する原液の流量分布をコントロールし易くなる。但し、本発明ではこれに限定されず、開口板１５の代わりに放射状のスポークを備えるなど、何れの構造でもよい。

上記の開口板１５の中央には、好ましくは円筒部１６が設けられ、この円筒部１６に集水管６が挿入された状態で、シール材保持部材が配置されている。円筒部１６と集水管６とは、接着等で固着してもよい。

図１の例では、集水管６の上流側端が、シール材保持部材１０の第３環状部１４の側壁と面一に配置されており、円筒部１６の上流側端は、これより下流側に位置している。しかし、集水管６の上流側端を第３環状部１４の側壁より下流側（開口板側）に配置させることで、集水管６に対して、膜部である巻回体２の長さを大きくすることができる。

開口板１５の膜エレメント側には、放射状に伸びたリブ１７が形成されている。このリブ１７が開口板１５を補強することによって、両者の合計の幅を小さくすることができる。

シール材保持部材１０は、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、耐熱性樹脂などを用いて、射出成型などの公知の方法で形成することができる。

［他の実施形態］
以下、本発明の他の実施形態について説明する。

（１）前述の実施形態では、膜エレメント用シール材保持部材の厚みが最も小さくなるような例を示したが、図３に示すように、従来のシール材保持部材からスカートを無くして、第１環状部１１を形成した構造でもよい。これにより、膜リーフの巻回体２をスカートの内側に収める必要が無くなり、膜リーフ巻回体２の直径が従来のものより大きいものも対応可能となる。

（２）本発明では、図４（ａ）〜（ｂ）に示すように、シール材保持部材の全体の厚みを薄くするために、シール材４の保持溝の幅に相当する第２環状部１３の幅を、シール材４の厚みに近いものにするのが好ましい。その場合、シール材４への水流閉鎖の防止のために上流側の第３環状部１４の高さを低くしながら、更に第３環状部１４にテーパー面を設けて、シール材４が更に水流を受け易い構造にするのが好ましい。テーパー面としては、断面が曲線状のテーパー面１４ａや、直線状のテーパー面１４ｂが挙げられる。

（３）本発明では、図４（ａ）〜（ｂ）に示すように、外装部材５の接着代に相当する第１環状部１１には、接着力強化のために溝、切り欠き、面荒らしなどを施すことが好ましい。

また、図５（ａ）〜（ｅ）に示すように、第１環状部１１には、シール部材保持部材１０と巻回体２を固定する箇所Ｐ１と、シール材保持部材１０と外装部材５を固定する箇所Ｐ２とを設けるのが好ましい。そして、第１環状部１１の外装部材５との接着代は、シール材保持部材１０と外装部材５を強固に接着保持する役割がある。また、外装部材５の塗布の際に巻回体２との突き合わせ部分で粘着テープ、ガラスクロス等を巻き付け固定する。固定する他に、突き合わせ部分から巻回体端面への樹脂の流入を防ぐためにもそれは必要である。

そして、図５（ａ）〜（ｅ）に示すように、シール材保持部材１０を固定する箇所は粘着テープ等が脱落しないように段差を設けるか、または環状凸部方向に深くなるテーパーを設けることが好ましい。また、外装部材を接着保持する箇所では、接着部に剪断方向にズレが生じないように段差を設け、引き離れるようとする力に対して保持させる構造であることが好ましい。

（４）本発明では、図６（ａ）〜（ｃ）に示すように、第３環状部１４には、部分的に外周面が低くなった外周溝部１４ｃを複数設けてもよい。また、図７（ａ）〜（ｂ）に示すように、第３環状部１４には、部分的に環状部が途切れた分断部１４ｄを複数設けてもよい。外周溝部１４ｃの深さは、０．５〜３ｍｍが好ましい。また、外周溝部１４ｃを設ける数は、４箇所以上設けるのが好ましく、６〜１６箇所設けるのがより好ましい。

（５）一方、本発明では、図６（ａ）〜（ｃ）に示すように、第３環状部１４の端面には、内周から外周まで延びる端面溝部１４ｅを複数設けてもよい。図７（ｂ）に示す第３環状部１４の分断部１４ｄは、内周から外周まで延びる端面溝部としての機能をも有する。端面溝部１４ｅは、膜エレメント内外の水の行き来をスムーズにするために、放射状に均等間隔で４箇所以上設けるのが好ましく、６〜１６箇所設けるのがより好ましい。

また、膜エレメントの連結箇所において、端面溝部１４ｅ凹凸が重なり合わないように、溝と溝の間の端面の幅Ｗ１を１とした場合、それに対して端面溝部１４ｅの幅Ｗが０．９以下にするのが好ましい。

以下、本発明の構成と効果を具体的に示す実施例等について説明する。

［実施例１］
図１〜図２に示したシール材保持部材を作製した。その際、シール材保持部材はスカートが無いもので、全体の厚み（巻回体端面突き合わせ部からの厚みと同じ）：２０ｍｍ、外装部材接着代：６ｍｍ、シール材溝幅：８ｍｍ、シール材溝の深さ：６．５ｍｍ、シール材溝の上流側壁高さ：３．５ｍｍである。

［比較例１］
図８に示した従来のシール材保持部材を作製した。その際、シール材保持部材は、スカートの内径：１９４ｍｍφ、全体の厚み：４８ｍｍ、巻回体端面突き合わせ部からの厚み：３７ｍｍ、外装部材接着代（スカート部含む）：２７ｍｍ、シール材溝：９ｍｍ、シール材溝の深さ：６．５ｍｍ、上流側壁高さは下流側と同じ高さ（深さと同じ）である。

［エレメント製造例］
実施例１および比較例１のシール材保持部材を用いてスパイラル型膜エレメントを作製した。各々同じ厚みの膜リーフ構成部材を使用してスパイラル型膜エレメントを作製したものであり、長さ１４８０ｍｍの膜リーフを原水流路材を挟んだ状態で二つ折りにしたユニットを１リーフとし、透過水流路材と共に集水管に巻回した。両系を比較した結果を表１に示した。

３３リーフの巻回体は直径として、１９７ｍｍφとなり、比較例１の従来のシール材保持部材には収まらなかったが、実施例１の本願シール材保持部材では設置することが出来た。従来のシール材保持部材を使用したエレメントは３１リーフになった。膜リーフとして２リーフ増やすことが出来た。また、膜リーフ幅は従来のものより３７ｍｍ広くすることができ、実際の処理に有効な膜面積としては、４．２ｍ² の増加となった。

本発明の膜エレメント用シール材保持部材の取付状態の一例を示す半断面図 本発明の膜エレメント用シール材保持部材の一例を示す図であり、（ａ）は左側面図、（ｂ）はそのＩ−Ｉ矢視断面図、（ｃ）は右側面図 本発明の膜エレメント用シール材保持部材の他の例を示す半断面図 本発明の膜エレメント用シール材保持部材の他の例を示す要部図 本発明の膜エレメント用シール材保持部材の他の例を示す半断面図 本発明の膜エレメント用シール材保持部材の他の例を示す図であり、（ａ）は左側面図、（ｂ）はそのＩ−Ｉ断面図、（ｃ）はII-II断面図 本発明の膜エレメント用シール材保持部材の他の例を示す図であり、（ａ）は図６のＩ−Ｉ断面図に相当する図、（ｂ）は図６のII-II断面図に相当する図 従来の膜エレメント用シール材保持部材の例を示す半断面図 従来の膜エレメント用シール材保持部材の取付状態の例を示す部分断面図

符号の説明

２ 膜エレメントの膜部（巻回体）
４ シール材
５ 外装部材
１０ シール材保持部材
１１ 第１環状部
１１ａ 第１環状部の側壁
１２ 環状凸部
１３ 第２環状部
１４ 第３環状部
１４ｃ 第３環状部の外周溝部
１４ｄ 第３環状部の分断部
１４ｅ 第３環状部の端面溝部
Ｅ 膜エレメント

Claims (10)

1. スパイラル型の膜エレメントの端部に配置される膜エレメント用部材において、
   前記膜エレメント側とは反対側の端部に位置する環状部の端面に、内周から外周まで延びる端面溝部を設けてあることを特徴とする膜エレメント用部材。
2. 前記膜エレメント用部材は、外周部に環状のシール材を保持するための部材であり、
   前記膜エレメントの上流側膜端部に対向する側壁を有し、膜エレメントの外装部材の端部が外挿される第１環状部と、その第１環状部の上流側に形成され、前記外装部材の端面および前記シール材の下流側端面を両側壁に係止可能な環状凸部と、その環状凸部の上流側に形成され、前記シール材が外挿される第２環状部と、その第２環状部の上流側に形成され、前記シール材の上流側端面を係止可能な第３環状部とを備え、
   前記第３環状部の端面に、前記端面溝部を設けてある請求項１記載の膜エレメント用部材。
3. 前記第３環状部の外径が、前記環状凸部の外径より小さい請求項２記載の膜エレメント用部材。
4. 膜エレメントの軸方向に平行な方向の幅について、前記環状凸部の幅が前記第２環状部の幅より小さく、かつ前記第３環状部の幅が前記第２環状部の幅より小さい請求項２又は３に記載の膜エレメント用部材。
5. 前記第３環状部には、部分的に外周面が低くなった外周溝部又は部分的に環状部が途切れた分断部を複数設けてある請求項２〜４いずれかに記載の膜エレメント用部材。
6. 前記膜エレメント側、又は、前記膜エレメント側とは反対側の端部に、放射状に伸びたリブが形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の膜エレメント用部材。
7. 前記端面溝部が前記環状部の端面に複数設けられ、前記端面溝部の幅が、隣接する前記端面溝部の間の端面の幅よりも小さいことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の膜エレメント用部材。
8. 前記端面溝部が前記環状部の端面に放射状に４箇所以上設けられたことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の膜エレメント用部材。
9. 請求項１〜８のいずれかに記載の膜エレメント用部材を軸線方向の端部に配置したことを特徴とする膜エレメント。
10. 請求項２〜８いずれかに記載の膜エレメント用部材を、スパイラル型の膜エレメントの上流側膜端部の上流側に配置して、外装部材の端部を前記第１環状部に外挿してある膜エレメント。

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