JP4711544B2

JP4711544B2 - 流体分離セル及び流体分離装置

Info

Publication number: JP4711544B2
Application number: JP2001161162A
Authority: JP
Inventors: 道明西村; 宏卓津吉
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2001-05-29
Filing date: 2001-05-29
Publication date: 2011-06-29
Anticipated expiration: 2021-05-29
Also published as: JP2002355536A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガス、溶液等の流体から所望成分を分離する流体分離セル及び流体分離装置に関するもので、例えば燃焼ガスからのＣＯ₂ガス分離、混合溶液などからの溶解成分回収等を行う流体分離セル及び流体分離装置に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
ガスや溶解成分等の分離には、例えばガスを通しやすい多孔質基板の表面に薄膜で特有のガスの透過特性だけが高い薄膜をコーティングしたものを用いる。この多孔質基板は、平面状の板や、円管状の筒などの幾つかの形状が考えられている。ガスや溶液等の流体をこの多孔質基板の一方の側に流すことによって、他方の側から所望の分離された成分を得ることができる。
【０００３】
この時、ガスの分離特性はコーティングした薄膜の特性によって決まり、ガスや溶液の流れは多孔質基板の最適形状の構造設計を行うことによって特性発現の最適化が図られる。
【０００４】
従来の流体分離装置としては、複数の流体分離セルを収納容器内に収納するとともに、流体分離セルを保持部材で収容容器に固定して構成されていた。流体分離セルは、多孔質支持管の一方側の面（内面）に、例えば燃焼ガス中からＣＯ₂ガスを分離する分離膜を形成したものが知られている。
【０００５】
このような流体分離装置では、燃焼ガスが流体分離セル内を通過し、分離膜を燃焼ガス中のＣＯ₂ガスが透過することにより、燃焼ガスからＣＯ₂ガスを分離することができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来の円管型の流体分離セルを用いた流体分離装置では、流体分離セル内のガスや溶液の流れは層流であり、例えばＣＯ₂ガス等の被分離成分が分離膜近傍にまで移動するための速度、即ち拡散速度が分離性能に影響する。
【０００７】
即ち、円管型の流体分離セルでは、ガスや溶液等の流体は層状になって流れており、しかも流体は、管壁に近い層ほど流速が遅くなることが知られている。この層流のため、例えば、流体分離セル断面中央部の流体が、管壁に形成された分離膜に近づくことは困難であり、そのまま流体が断面中央部を通過していき、流体分離セル中央部における被分離成分の効果的な分離が困難であった。
【０００８】
また、近年においては、流体中の被分離成分の高速分離が要求されており、このため分離膜の分離性能を高くすると、流体中の被分離成分の分離膜側への移動速度は相対的に遅くなり、分離膜の性能より被分離成分の層流中での拡散速度に分離性能が律速されてしまうという問題があった。一般的に、被分離成分の分離膜側への移動速度を、流体の温度や圧力によって変化させることは非常に困難であった。
【０００９】
本発明は、分離膜本来の性能を発揮させ、分離性能を大幅に向上することができる流体分離セル及び流体分離装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の流体分離セルは、多孔質支持管の内面に、流体中の所望成分を透過して分離する分離膜を形成してなる流体分離セルであって、前記多孔質支持管が圧電材料からなり、該多孔質支持管の外周面に、所定間隔をおいて４個の駆動電極を設けてなるとともに、該駆動電極が前記多孔質支持管の軸長方向に形成された矩形状をなし、前記駆動電極が前記多孔質支持管の外面周囲に９０度ピッチで形成されており、前記駆動電極に入力する電位は、隣接する前記駆動電極間で逆符号になるように与えられるものである。
【００１１】
本発明の流体分離セルでは、圧電材料が、隣設する駆動電極間で分極されるとともに、隣設する駆動電極に異なる極性の電圧を所定の駆動周波数で印可することにより、多孔質支持管の内壁面を楕円形状等の定在波振動させることができる。
【００１２】
円管型の流体分離セルでは、ガスや溶液等の流体は層状になって流れているため、例えば、流体分離セル断面中央部の流体が、管壁に形成された分離膜に近づくことが困難であったが、本発明では、上記したように、多孔質支持管の内壁面が楕円形状等の定在波振動するため、流体分離セル内壁の界面付近の境界層流を攪拌することができ、被分離成分の拡散だけでなく、内壁面の高周波振動によってもたらされる流体自体の対流によっても、被分離成分を分離膜近傍へ移動させることができ、流体中の被分離成分を高速で分離膜へ移動させることができ、分離膜本来の性能を発揮させ、分離性能を大幅に向上することができる。
【００１３】
また、流体中の被分離成分の高速な分離を行うため、例えば分離膜の分離性能を向上したとしても、内壁面を高周波振動させることにより流体を強制的に攪拌して、内壁面の分離膜に近づけ移動することができ、分離膜の性能を損なう事なく分離セルの性能を飛躍的に向上できる。
【００１４】
本発明の流体分離装置は、収納容器内に、上記流体分離セルを複数収納するとともに、該複数の流体分離セルを保持部材で前記収納容器内に保持固定してなる流体分離装置であって、前記流体分離セルの駆動電極の中央部が前記保持部材に保持固定されていることを特徴とする。
【００１５】
本発明の流体分離セルでは、上記したように、隣設する駆動電極に異なる極性の電圧を所定の駆動周波数で印可することにより、内壁面を楕円形状等の定在波振動させることができるとともに、外形を変化させない振動モードを選択することができ、この場合には、流体分離セルの外周面に形成された駆動電極の外周方向（幅方向）の中央部が不動点となり、この不動点を保持部材により保持固定することができ、流体分離セルを収納容器内に確実に保持固定することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の流体分離セルを示すもので、流体分離セル１は、円筒状の圧電材料からなる多孔質支持管１ａの内面に、流体中の所望成分を透過して分離する分離膜１ｂを形成し、多孔質支持管１ａの外周面に、所定間隔をおいて４個の駆動電極１ｃを環状に設けて構成されている。
【００１７】
即ち、駆動電極１ｃは、図１（ａ）（ｂ）に示すように、多孔質支持管１ａの軸長方向に形成された矩形状をなしており、駆動電極１ｃの幅方向に所定間隔をおいて環状に４個形成されている。詳細に説明すると、駆動電極１ｃは、円筒状の多孔質支持管１ａの外面周囲に９０度ピッチで形成されており、その形状、厚み、材質は同一とされている。即ち図１では、駆動電極１ｃは左右及び上下対称とされ、入力する電位は隣接する駆動電極１ｃ間で逆符号になるように与えられる。尚、多孔質支持管１ａの内壁面には駆動電極は形成されていない。
【００１８】
駆動電極１ｃには、多孔質支持管１ａの外面に形成された引出電極（図示せず）の一端が接続され、これらの引出電極の他端は、入力信号を発生させる電源に接続されており、引出電極を介して各駆動電極１ｃに所望の極性を有する電圧を所望の周波数で印加することができるようになっている。
【００１９】
多孔質支持管１ａは、隣設する駆動電極１ｃ間で分極されており、電源装置及び引出電極を介して隣設する駆動電極１ｃに異なる符号の電圧を印加するように形成されている。
【００２０】
本発明では、特に気体を分離するために用いる流体分離セルに適用することが望ましい。分離膜１ｂとしては、例えば燃焼ガスからＣＯ₂ガスを分離する分離膜が用いられている。
【００２１】
以上のように構成された流体分離セルでは、電源装置により、各駆動電極１ｃに印加される電圧の駆動周波数を変化させることにより、多孔質支持管１ａの内壁面を振動させる駆動周波数を選択することができる。
【００２２】
また、駆動周波数を制御することにより多孔質支持管１ａの内壁面を振動させ、多孔質支持管１ａの外形を変化させない振動モードとすることができる。即ち、多孔質支持管１ａの外面に貼り付けられた駆動電極１ｃに、交互に符号の異なった高周波電気信号を入力することにより圧電振動が励起され、多孔質支持管１ａの内壁面に高周波の定在波振動が現われる。特に、適切な周波数を選ぶことにより、内壁面は楕円形状等の定在波振動をし、外面は円形を保ったままの円周上の振動をする振動モードを選択することができる。
【００２３】
図２は、このような振動モードで振動している図１（ｂ）の流体分離セル１の概念図を示すもので、多孔質支持管１ａの内壁面が楕円形状等の定在波振動を起こすのに対して、多孔質支持管１ａの外面は、その外面（円周上）に沿ってのみ振動するモードになっている。尚、黒丸（●）は不動点を示しており、この部分に駆動電極１ｃが形成されている。
【００２４】
本発明者等は、図１（ｂ）に示す構造にて、ＦＥＭ解析をおこない、駆動周波数によりどのような振動モードが発生するかを調べたところ、図２に該当する共振モードが存在することを確認した。図３にＦＥＭ解析によって得られた共振モードを示す。この図３から、外周部は円周上に沿ってのみ振動し、内周部は楕円等の定在波で内壁面のみが振動していることが判る。
【００２５】
尚、ここでは、多孔質支持管１ａの外径を２ｍｍ、内径を0.8ｍｍとし、圧電材料はＰＺＴとした。この場合、振動モードは約３ＭＨｚのところに現われることを確認した。
【００２６】
従って、本発明の流体分離セルでは、隣設する駆動電極１ｃに異なる極性の電圧を所定の駆動周波数で印可することにより、多孔質支持管１ａの内壁面を楕円形状等の定在波振動させることができ、流体分離セル１内壁の界面付近の境界層流を攪拌することができ、流体中の被分離成分の自然的な拡散だけでなく、内壁面の高周波振動によってもたらされる流体自体の対流によっても、被分離成分を分離膜１ｂ近傍へ移動させることができ、流体中の被分離成分を高速で分離膜１ｂへ移動させることができ、分離膜１ｂ本来の性能を発揮させ、分離性能を大幅に向上することができる。
【００２７】
また、流体中の被分離成分の高速分離を行うため、分離膜の性能を向上したとしても、内壁面を高周波振動させることにより流体を強制的に攪拌して、内壁面の分離膜１ｂに近づけ移動することができ、被分離成分の拡散速度に律速されることなく分離性能を飛躍的に向上できる。
【００２８】
図４は、本発明の流体分離装置を示すもので、（ａ）は複数の流体分離セル１が整列集合した状態を示す斜視図、（ｂ）は収納容器内に複数の流体分離セルを収容した状態を示す平面図、（ｃ）は収納容器内の流体分離セルが保持部材により保持固定されている状態を示す軸方向から見た側面図である。
【００２９】
本発明の流体分離装置は、図１に示した流体分離セル１を、図４に示すように、収納容器５内に複数収容して構成されている。収納容器５内は保持部材７を用いて格子状に区画されており、それぞれの区画内に流体分離セル１が収容され、これらの流体分離セル１の駆動電極１ｃの幅方向の中央部が保持部材７に保持固定されている。即ち、流体分離セル１の外周方向の中央部が保持部材７で固定されている。
【００３０】
流体分離セル１の駆動電極１ｃの中央部(電極幅方向の中心点)は、振動の節となり、上記したように不動点となる。
【００３１】
また、流体分離セル１の外周面に形成された駆動電極１ｃは、この不動点と保持部材７に形成された引出電極(図示せず)の接合を介して外部の電源装置に接続されている。
【００３２】
ガスや溶液等の被分離成分を含んだ流体と、分離されて回収される被分離成分を隔てるための板状のしきい８は、図４（ｂ）に示すように、束ねられた多孔質支持管１の間を埋める形状をもち、駆動電極１ｃの張られている個所としきい８との間には、圧電による振動がしきい８に拘束される事によって生じる歪・応力が大きくなる事を避ける目的で、適当な空間が設けられている。一対のしきい８間における流体分離セル１を透過した被分離成分が、回収されることになる。
【００３３】
以上のような流体分離装置では、上記したように流体分離セル自体が優れた分離性能を有するため、流体分離装置の分離特性を向上することができる。さらに、本発明の流体分離装置では、振動の節である駆動電極１ｃの中央部（不動点）が保持部材７に固定されるため、流体分離セル１の振動を妨げることがなく、しかも確実に流体分離セル１を収納容器５に保持固定することができる。さらに、駆動電極１ｃは、この振動の節と保持部材７(の引出電極)を介して外部の電源装置に接続されるため、駆動電極１への電圧供給を確実に行うことができる。
【００３４】
尚、図４に示すバンドル形状に束ねるときに便利なように、図５に示すように、多孔質支持管１ａ作製時に保持用の突起９を、駆動電極１ｃが形成される位置に形成することもできる。
【００３５】
また、燃焼ガスからＣＯ₂ガスを分離する場合は、室温〜２００℃の温度範囲で分離が行われる。２００℃まで圧電振動を発現させるためには、キュリー温度が２００℃以上の圧電材料、例えばＰＺＴ圧電材料が望ましい。また、本発明では、振動自体は特別大きな振幅を持つ必要性はないため、ビスマス層状化合物等の非鉛系圧電材料であってもよい。
【００３６】
さらに、上記例では、駆動電極１ｃを４個形成した例について説明したが、本発明では、上記例に限定されるものではなく、４個以上の偶数枚であっても良いことは勿論である。
【００３７】
【発明の効果】
本発明の流体分離セルでは、隣設する駆動電極に異なる極性の電圧を所定の駆動周波数で印可することにより、多孔質支持管の内壁面を楕円形状等の定在波振動させることができ、流体分離セル内壁の界面付近の境界層流を攪拌することができ、被分離成分の流体中における自然的拡散だけでなく、内壁面の高周波振動によってもたらされる流体自体の対流によっても、被分離成分を分離膜近傍へ移動することができ、流体中の被分離成分を高速で分離膜へ移動させることができ、分離膜本来の性能を発揮させ、分離性能を大幅に向上することができる。
【００３８】
また、本発明の流体分離セルでは、上記したように、隣設する駆動電極に異なる極性の電圧を所定の駆動周波数で印可することにより、内壁面を楕円形状等の定在波振動させることができるとともに、外形を変化させない振動モードを選択することができ、この場合には、流体分離セルの外周面に形成された駆動電極の幅方向の中央部が不動点となり、この不動点を保持部材により保持固定することができ、流体分離セルを収納容器内に確実に保持固定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の流体分離セルを示すもので、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である。
【図２】流体分離セルに生じる圧電振動モードを示す説明図である。
【図３】振動モードを説明するためのシミュレーション結果を示す図である。
【図４】本発明の流体分離装置を示すもので、（ａ）は複数の流体分離セルが整列集合した状態を示す斜視図、（ｂ）は収納容器内に複数の流体分離セルを収容した状態を示す断面図、（ｃ）は収納容器内の流体分離セルが保持部材により保持固定されている状態しめす側面図である。
【図５】多孔質支持管の外周面の不動点に保持用の突起を設けた例を示す断面図である。
【符号の説明】
１・・・流体分離セル
１ａ・・・多孔質支持管
１ｂ・・・分離膜
１ｃ・・・駆動電極
５・・・収納容器
７・・・保持部材

Claims

多孔質支持管の内面に、流体中の所望成分を透過して分離する分離膜を形成してなる流体分離セルであって、前記多孔質支持管が圧電材料からなり、該多孔質支持管の外周面に、所定間隔をおいて４個の駆動電極を設けてなるとともに、該駆動電極が前記多孔質支持管の軸長方向に形成された矩形状をなし、前記駆動電極が前記多孔質支持管の外面周囲に９０度ピッチで形成されており、前記駆動電極に入力する電位は、隣接する前記駆動電極間で逆符号になるように与えられることを特徴とする流体分離セル。
収納容器内に、請求項１記載の流体分離セルを複数収納するとともに、該複数の流体分離セルを保持部材で前記収納容器内に保持固定してなる流体分離装置であって、前記流体分離セルの駆動電極の中央部が前記保持部材に保持固定されていることを特徴とする流体分離装置。
前記流体分離セルを構成する前記多孔質支持管が、隣設する前記駆動電極間で分極されていることを特徴とする請求項２記載の流体分離装置。
前記多孔質支持管の内壁面が振動することを特徴とする請求項２又は３記載の流体分離装置。