JP4812377B2 - 気体分離モジュール - Google Patents
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Description
1)膜面積
2)通気抵抗
3)耐久性
4)製造コスト
を上げることができる。このうち、通気抵抗は気体の供給圧に余裕のある大型装置では大きな問題とならないが、小型高流量処理を旨としながら使用環境に制限の多い小型装置では特に問題となりやすい。
これらのうち、中空糸モジュールは容積あたりの膜面積が大きいため、スパイラルモジュールは比較的安価な平膜を比較的高密度に収納できるため、大面積を必要とする大型装置に適している。しかしながら、3)を除いたモジュールはいずれも筒状のハウジングを用いた「筒状モジュール」であり、断面積が小さく奥行き(筒状の中心線と平行方向)が長いことから本質的に圧力損失が大きいという欠点があった。こうした欠点はたとえばモジュールの断面積を大きく奥行きを短くすることで改善できるが、長い中空糸膜を小数束ねるのに対して短い中空糸膜を多数並べるのは実際上困難であり、平膜の奥行きを短くして巻廻数を増やすのは巻きずれや通気抵抗の点から同様に困難であった。以上の理由から、筒状モジュールは小型高流量処理を旨とする気体分離用小型装置に適したモジュール形状とは言えなかった。
連続希釈せずに利用する系(例えば酸素富化空気供給装置)や非透過気体を利用する系(例えば窒素富化空気供給装置)に対しては必ずしも好適な形状とはなり得ていなかった。
内燃機関は自動車エンジンに広く用いられているが、燃焼温度が高くなるとよく知られているように窒素と酸素が反応して、窒素酸化物(NOx)を生成・排出する特徴がある。窒素酸化物(NOx)除去システムとしては、ガソリンエンジンでは排気ガス中の炭化水素(HC)、一酸化炭素(CO)、窒素酸化物(NOx)を酸化・還元反応によって同時除去する三元触媒が有効であるが、ディーゼルエンジンでは排気ガス中の酸素濃度の違いから三元触媒が有効に機能しないことが問題とされてきた。
1)酸素共存下でも有効な還元触媒(尿素SCRシステム、LNT触媒システム)
2)機関内部の酸素濃度低減(EGR排気ガス再循環システム)
などが既に知られている。このうち、尿素SCRシステムは既に一部実用化されているが、高価な触媒や尿素水噴射装置、凍結防止装置等が必要であることに加え、発生する窒素酸化物(NOx)の全てを除去するには燃料タンク並に大きな尿素水タンクを設置する必要がある。LNT触媒システムは尿素水のような還元剤の添加なしに窒素酸化物を除去できるが、運転可能範囲が狭い、触媒劣化が大きい等の問題がある。上記の中ではEGRが最も広く用いられているが、中間冷却装置が必要、高負荷では過給圧が排気圧より高くなるため再循環が困難、等の問題がある。すなわち、現在の窒素酸化物除去システムにはいずれも欠点があり、省エネルギーや二酸化炭素(CO2)排出削減の観点からディーゼルエンジンが注目を集める中、より有効な窒素酸化物除去システムの開発が大きな課題となっている。
すなわち本発明は、以下のとおりである。
1.気体分離膜と通気性補強材からなるプリーツ成形体の外周部に補強フレームを設けて構成されるボックスプリーツエレメント、1次側気体流路、2次側気体流路、圧力プレート、からなる気体分離モジュールにおいて、
1)2個のボックスプリーツエレメントの第1プリーツ面が1次側気体流路を介して互いに向かい合うように配置され
2)2個のボックスプリーツエレメントの第2プリーツ面が2次側気体流路を介して圧力プレートと向かい合うように配置され、
3)気体分離膜の分離係数αが1.5以上、
であることを特徴とする内燃機関用窒素富化空気供給装置用気体分離モジュール。
1)2個のボックスプリーツエレメントの第2プリーツ面が1次側気体流路を介して圧力プレートと向かい合うように配置され、
2)2個のボックスプリーツエレメントの第1プリーツ面が2次側気体流路を介して互いに向かい合うように配置され、
3)気体分離膜の分離係数αが1.5以上、
であることを特徴とする内燃機関用窒素富化空気供給装置用気体分離モジュール。
4.締結手段が、1組の圧力プレートを結ぶ複数のボルト、であることを特徴とする上記3に記載の内燃機関用窒素富化空気供給装置用気体分離モジュール。
5.締結手段が、側面プレート、および、圧力プレートと側面プレートを結ぶ複数のボルト、であることを特徴とする上記3又は4に記載の内燃機関用窒素富化空気供給装置用気体分離モジュール。
7.側面プレートが、1次側気体流路の開口部を備えることを特徴とする上記5又は6に記載の内燃機関用窒素富化空気供給装置用気体分離モジュール。
8.吸気口もしくは排気口の開口部に接続される気体移送手段が、パイプであることを特徴とする上記1〜7に記載の内燃機関用窒素富化空気供給装置用気体分離モジュール。
9.補強フレームの高さが、プリーツ成形体の高さ以下であることを特徴とする上記1〜8のいずれかに記載の内燃機関用窒素富化空気供給装置用気体分離モジュール。
11.2個のボックスプリーツエレメントの第1プリーツ面が、互いに接することを特徴とする上記1〜10のいずれかに記載の内燃機関用窒素富化空気供給装置用気体分離モジュール。
12.2次側気体流路が2個のボックスプリーツエレメント間に設けられた空間を含むことを特徴とする上記1〜11に記載の内燃機関用窒素富化空気供給装置用気体分離モジュール。
13.2個のボックスプリーツエレメント間に設けられたスペーサーによって空間を構成することを特徴とする上記1〜12に記載の内燃機関用窒素富化空気供給装置用気体分離モジュール。
14.気体分離膜が、分離係数が1.5以上であり、酸素透過速度が10GPU以上であることを特徴とする上記1〜13に記載の内燃機関用窒素富化空気供給装置用気体分離モジュール。
一般的に、気体分離モジュールは気体分離膜、1次側気体流路、2次側気体流路、ハウジングから構成される。1次側は分離対象となる混合気体の流路であり、2次側は膜を透過した混合気体の流路である。1次側は、膜を選択的に透過する気体成分に着目したとき分圧が高い方と定義されるが、多くの場合は1次側の方が全圧も高い。1次側気体流路には吸気口が設けられ、必要に応じて排気口が設けられる。2次側気体流路には排気口が設けられ、必要に応じて吸気口が設けられる。1次側気体流路の吸気口に分離対象となる混合気体が供給されると混合気体は1次側の膜面に広がり、気体分離膜の選択透過性に従って組成の変化した混合気体が2次側の膜面に透過する。組成の変化した混合気体は2次側の排気口から取り出してそのまま用いることもできるし、2次側に吸気口を設けて外部より供給した別の気体で連続希釈しながら用いることもできる。また、1次側に排気口を設けて透過しなかった混合気体を取り出して用いることもできる。1次側の吸気口、排気口、2次側の吸気口、排気口のことを、それぞれ「供給口、フィード、feed」、「非透過口、リテンテート、retentate」、「掃気口、パージ、purge」、「透過口、パーミエート、permeate」と呼ぶことがある。
[気体分離膜]
本発明において、「気体分離膜」は混合気体から特定の気体を優先的に透過させる性質
を持った一種の選択透過膜をいい、特定気体の特定分圧下でのみ選択透過性を示す膜もこれに含まれる。本発明は、こうした気体分離膜の形態としてプリーツ加工可能な「平膜」を用いることを特徴とする。
気体分離膜素材は、様々なものを用いることができるが、例えば窒素富化モジュール用としては、ポリジメチルシロキサン、ポリジフェニルシロキサン、ポリメチルフェニルシロキサン、ポリジメチルシロキサンの共重合体、ポリ−4−メチルペンテン−1、ポリテトラフルオロエチレン、ポリテトラフルオロエチレンの共重合体、パーフルオロ−2,2−ジメチル−1,3−ジオキソールの共重合体、ポリ−p−フェニレンオキシド、ポリビニルトリメチルシラン、フッ素化ポリマー/シロキサンコポリマー、ポリ〔1−(トリメチルシリル)−1−プロピン〕、酢酸セルロース、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリブタジエン、ポリ酢酸ビニル、ポリスチレン、およびこれらの共重合体などが挙げられる。この中でもオルガノポリシロキサン−ポリ尿素−ポリウレタンブロック共重合体やパーフルオロ−2,2−ジメチル−1,3−ジオキソールとテトラフルオロエチレンの共重合体が好ましい。また、A型ゼオライトに代表されるような選択透過性無機材料を用いることもできる。
酸素の透過速度Rは、1GPU以上が好ましく、10GPU以上がより好ましく、100GPU以上が更に好ましく、200GPU以上がより更に好ましく、500GPU以上が特に好ましく、800GPU以上が極めて好ましく、1000GPU以上が最も好ましい。
支持層と呼ぶことがある。複合膜は、例えば、支持膜に気体透過性材料を塗布または含浸または接触することにより得ることが出来る。以下の説明は複合膜に関する。
気体分離膜の支持層は、気体透過性と機械強度に優れ、プリーツ加工可能な平膜であれば様々なものを用いることが出来るが、織布、不織布、微多孔膜等を用いることが出来る。微多孔膜としては、ポリイミド微多孔膜、PVDF微多孔膜、ポリオレフィン微多孔膜など公知の様々な微多孔膜を用いることが出来るが、このうちリチウムイオン電池用セパレーターとして用いられるポリオレフィン微多孔膜、特に、ポリエチレン微多孔膜が好ましい。
気体分離膜の支持層の平均孔径は、0.1nm以上10μm以下が好ましい。平均孔径の下限は1nm以上がより好ましく、10nm以上が更に好ましく、20nm以上がより更に好ましく、50nm以上が特に好ましく、80nm以上が最も好ましい。平均孔径の上限は1μm以下がより好ましく、500nm以下が更に好ましく、200nm以下がより更に好ましく、100nm以下が特に好ましい。平均孔径が0.1nm未満の場合は気孔率や表面開口率が低い場合が多いため好ましくない。平均孔径が10μmを超える場合は分離層の好ましい厚さに対して大きくなりすぎるため好ましくない。
本発明において、「通気性補強材」はプリーツ内部で隣接する気体分離膜の密着を妨げることによってプリーツ内部への気体流通を確保し、良好な膜利用効率を達成するための手段に資するものであり、更にプリーツ成形体に必要な自立性を付与するための補助的な機能を担う。
通気性補強材は、気体分離膜の両面もしくは片面に設けることが出来るが、気体分離膜両面での圧力差が顕著な場合は少なくとも低圧側に設けることが好ましい。
通気性補強材は、織布、不織布、樹脂製ネット、例えば、ポリプロピレン、ポリエステル、ナイロン等、金属製ネット等を使用することが出来るが、このうち、樹脂製ネット、金属製ネットが好ましい。
上がより好ましく、50%以上が更に好ましく、60%以上がより更に好ましく、70%以上が特に好ましく、80%以上が極めて好ましく、90%以上が最も好ましい。気孔率が30%未満では、気体分離性が不足する場合があり、気孔率が95%未満では、機械強度が不足する場合がある。通気性補強材の気孔率は、測定時の圧縮の程度によるため、プリーツエレメントを構成した場合の圧縮の程度、および、プリーツエレメントに運転時の全圧差を与えた場合の圧縮の程度で測定することが好ましい。
任意の多孔質構造体をこれと等価な円管の集合体と見なした場合、多孔質構造体の円管相当半径と気体の粘度から次式より固有物性である体積抵抗率を求めることが出来る。
体積抵抗率=8×粘度/円管相当半径2
圧力損失=体積抵抗率×(長さ/断面積)×流量
例えば、通気性補強材を単独で積層した試料の平行方向の円管相当半径が0.1mm、気体粘度が1.84×10−5Pasecのとき、体積抵抗率は14700と求められる。実際のプリーツエレメントでは、通気性補強材と気体分離膜が交互に積層されるため通気性補強材を単独で積層した場合に比べて円管相当半径はやや小さく体積抵抗率はやや大きい。
流量と圧力損失の測定から通気性補強材の体積抵抗率を求める場合は、当該通気性補強材からなるプリーツエレメントを気体分離モジュールに用いる際に、その基材部流路を流通させる混合気体の流量に応じた気体速度(線速)で測定することが好ましい。
通気性補強材にネットを使用する際のメッシュは、2以上1000以下が好ましい。メッシュ数の下限は10以上がより好ましく、12以上が更に好ましく、14以上がより更に好ましく、16以上が特に好ましい。メッシュ数の上限は100以下がより好ましく、50以下が更に好ましく、30以下がより更に好ましく、20以下が特に好ましい。メッシュ数が100以下のネットを使用する場合は、気体分離膜を保護するため、気体分離膜と通気性補強材の間に薄手の通気性補強材を設けることが好ましい。この種の通気性補強材は片面または両面を平滑化処理したものがより好ましい。
本発明において、「プリーツ成形体」は平膜状の気体分離膜基材をプリーツ加工することによって得られた構造体をいう。
本発明において、「気体分離膜基材」は気体分離膜と通気性補強材からなるプリーツエレメントの基本構成材であり、必要に応じて気体分離膜と通気性補強材の積層体とすることが出来る。
本発明において、「プリーツ加工」は平膜に特定のピッチで山折り谷折りを繰り返すことでV字状、U字状、Ω字状等の断面形状を付与する加工をいい、このような加工を行わない平膜に比べ、同じ投影面積、同じ容積の中により大きな面積を収納することができる。通常は気体分離膜と通気性補強材を積層したのちプリーツ加工を施すが、気体分離膜単独でプリーツ加工を施したあとプリーツ間に通気性補強材を挿入することも可能である。
と通気性補強材2で構成された気体分離膜基材をプリーツ加工することによって得られたプリーツ成形体の断面を示している。一定幅を持つ長尺の平膜をプリーツ加工した場合、得られるプリーツ成形体(以下では、単にプリーツということがある。)は箱状の形態をとる。図2において、3をA端面、4をB端面、A端面とB端面をあわせて外周部、5をプリーツ面、6をプリーツ方向、7をプリーツの長さ、8をプリーツの高さ、9をプリーツの幅、10をプリーツのピッチ、と定義する
プリーツ加工の方法としては、公知の方法が使用可能であり、例えばレシプロ(アコーディオン)プリーツマシンやロータリープリーツマシンを用いることが出来る。
プリーツ加工後のプリーツ成形体は解放状態では気体分離膜基材の弾性変形によって形が崩れやすいため、ハンドリングや輸送の際には適当な治具を用いて形状保持することが好ましい。
本発明において、「補強フレーム」はプリーツ成形体の外周部と気密的に接着することによってプリーツエレメントを構成するための構造材をいう。すなわち、プリーツ成形体の外周部と一体化することによって、プリーツエレメントの第1プリーツ面(上面)と第2プリーツ面(下面)を気密的に分離する機能を持つ。
補強フレームは、樹脂、金属、FRP等、目的に応じて各種材料を用いることが可能であり、A:樹脂等を硬化させたものでも、B:金属板等を加工したものでも、C:両方を複合したものでも良い。
補強フレームの材料として、インジェクション用やホットメルト用など本発明の目的を損なわない範囲で様々な樹脂等を用いることが可能であり、例えばシリコーン系やブタジエン系のシール材・弾性接着剤等に代表されるようなゴム状弾性体を好ましく用いることができる。
第1の例として、プリーツ成形体の長さより短い櫛歯状の治具を準備し、第1の治具の表面とプリーツの裏側を密着させ、更に、第2の治具の表面とプリーツの表側を密着するように挟んだあと、2つの治具の隙間からプリーツ成形体の両端が出たところにインジェクション樹脂が通過するようにインジェクション成型を行うことによって形成することができる。インジェクション成型時の樹脂温度は、気体分離膜基材の構成材で最も低い融点を基準として、+150℃以下が好ましく、+100℃以下がより好ましく、+80℃以下が更に好ましく、+50℃以下がより更に好ましく、±0℃以下が特に好ましく、−10℃以下が最も好ましい。
20mmである。
ホットメルト樹脂を用いる場合、例えば不織布等の上にホットメルト樹脂層を形成してテープ状にしたあと、当該テープをプリーツ成形体の端面にあてがい、適当な加熱手段で軟化させることでプリーツ成形体の外周部に補強フレームを形成することができる。また、当該補強フレームを形成後、さらにその外周部にインジェクション成型等で補強フレームを形成することができる。
補強フレームの材料として、樹脂板や金属板等を用いることができる。その形状は平面であってもコの字形やIの字型等の折り曲げ部やツバを設けてもかまわない。折り曲げ部やツバを設けると、補強フレームの強度およびプリーツ成形体との接着面積が増えるとともに、折り曲げ部を介してハウジングと気密的に接続できるため好ましい。プリーツ成形体の外周部と補強フレームの内周部を接着する方法としては、例えば、コの字断面の補強フレーム内周部に接着剤を流し込んだあと、プリーツ成形体を挿入して硬化させてもかまわないし、熱融着により接合してもかまわない。
補強フレームの高さは、通常はプリーツの高さHにあわせて設定されるが、補強フレームの高さをプリーツの高さより長くすることによって、後述するような「空間部流路」を設けることが出来る。
Bの補強フレームで機械強度や耐圧性に欠ける場合等は、Bの補強フレームの外周部にさらにAの補強フレームを設けることができる。
[プリーツエレメント]
本発明において、「プリーツエレメント」はプリーツ成形体と補強フレームからなる集合体をいう。すなわち、適切な吸気口、排気口、流路を備える前のプリーツモジュール(気体分離モジュール)と言うことができる。プリーツエレメントは、プリーツ成形体の両方のB端面を接着して全体を円筒状に整え残る2つの端面を補強フレームと接続した「円筒型」と、両方のB端面を接着せずに全体を平面状に整え4つの端面を封止した「平面型」に大別できるが、本発明においては平面型を用いることを特徴とする。平面型エレメントのことを「ボックスプリーツエレメント」と呼ぶことがある。
プリーツの高さH(図2における定義による。)は、5mm以上200mm以下が好ましい。高さHの下限は10mm以上がより好ましく、15mm以上が更に好ましい。高さHの上限は150mm以下がより好ましく、100mm以下が更に好ましく、80mm以下がより更に好ましく、50mm以下が特に好ましい。
プリーツの幅(同上)は、1000mm以下が好ましく、800mm以下がより好ましく、500mm以下が更に好ましく、400mm以下がより更に好ましく、300mm以下が特に好ましい。
プリーツのピッチ(同上)は、0.1mm以上10mm以下が好ましい。ピッチの下限は0.4mm以上がより好ましく、0.6mm以上が更に好ましく、0.8mm以上がよ
り更に好ましく、1.0mm以上が特に好ましい。ピッチの上限は8mm以下がより好ましく、6mm以下が更に好ましく、4mm以下がより更に好ましい。ピッチは、補強フレームの内幅と収納したいプリーツの山数で調整することが出来る。
本発明において、「ハウジング」はプリーツエレメントに適切な吸気口、排気口、流路を提供してプリーツモジュール(気体分離モジュール)を構成するとともに、気体分離機能以外の機能(機械的破壊からの保護機能、外部配管との接続機能、等)を提供するための手段をいう。
本発明において、「圧力プレート」はボックスプリーツエレメントの補強フレームの一部と気密的に接触することによって気体分離モジュールを構成するための構造材であり、ハウジングの一部を構成する。
本発明において、「プリーツモジュール」はプリーツエレメントとハウジングからなる集合体をいい、その内部に1次側流路と2次側流路を構成する。より具体的には、以下に図5〜18を用いて説明するように、2個のボックスプリーツエレメントと2枚の圧力プレートからなり、2個のボックスプリーツエレメントの第1プリーツ面が、吸気口および排気口を備える気体流路を介して互いに向かい合うように配置され、2個のボックスプリーツエレメントの第2プリーツ面が、吸気口および排気口を備える気体流路を介して圧力プレートと向かい合うように配置されることを特徴とする。また、「気体分離モジュール」は特に気体分離のためのプリーツモジュールをいう。
図5は、本発明の内圧式プリーツモジュールの例の概略図、図6は、本発明の内圧式プリーツモジュールの例の組立図を示す。図7は、本発明の外圧式プリーツモジュールの例の概略図、図8は、本発明の外圧式プリーツモジュールの例の組立図を示す。13が圧力プレート、14が1次側流路へ混合気体を吸排気するためのパイプ、15が2次側流路の開口部、16がプリーツエレメント、17がスペーサー、18がパイプ開口部、を示す。
図13は、本発明の基材部流路・空間部流路を説明する概念図である。13は圧力プレート、51は空間部流路、52は基材部流路を示す。
本発明において、「流路制御手段」は空間部流路に設けられて空間部流路を2つ以上の流路に分割する手段をいう。プリーツモジュールが空間部流路を持つ場合、例えば、空間
部流路に樹脂製ネット、金属製ネット、スポンジ等を設置することで空間部流路を分割することができる。特に補強フレームの高さがプリーツ成形体よりも高い場合は空間部流路および流路制御手段を設けることによって、混合気体を効果的に基材部流路へ導くことが出来るため好ましい。
本発明において、「内圧式」は第1プリーツ面に1次側気体流路を設ける場合をいい、「外圧式」は第2プリーツ面に1次側気体流路を設ける場合をいう。
本発明において、「締結手段」はプリーツエレメントと圧力プレートの解体可能な密接手段をいう。このような締結手段としては、例えば、複数の貫通ボルト、側面プレートと複数のボルト、側面プレートと補強フレームの第2プリーツ面近傍外周部に設けられたツバと複数のボルト、などを上げることが出来る。図9〜図12および図15は、本発明のプリーツモジュールの締結手段の例の概略図を示す。
図9は、本発明の内圧式プリーツモジュールの締結手段として複数の貫通ボルトを用いた例を示している。ここで、19が貫通ボルト、22が気密シール、23が補強フレーム12のバックアップ、24が流路制御手段、を示す。図9の締結手段は、2枚の圧力プレートを貫通ボルトで締め付けることによって2個のプリーツエレメントとその間に設けられたスペーサーを密着させる仕組みとなっている。ここで、パイプ14aおよび14bは、図18に示されるように、パイプ141に設けられた横長の矩形開口部に横長の矩形管142が接続されてなっており、矩形管がスペーサーを兼ねており、開口部を経由して1次側気体流路と流通する。矩形管には円筒状の貫通路があらかじめ複数設けられており、この中を貫通ボルト通過する事によって流路貫通に伴うリークを防いでいる。
図11は、本発明の内圧式プリーツモジュールの締結手段として側面プレートと補強フレームの第2プリーツ面近傍外周部に設けられたツバと複数のボルトを用いた例を示している。図11においては、補強フレーム12からのびたツバと圧力プレート13の間がシール22によって密着しているため圧力プレートと一体化した状態になっており、プリーツエレメント間のスペーサーを省略することが出来る。
図12は、本発明の外圧式プリーツモジュールの締結手段として複数の貫通ボルトを用
いた例を示している。外圧式のため、図9のような貫通ボルトに対するリーク対策が不要であるため好ましい。
図9〜図11は、補強フレーム12の高さがプリーツ成形体11の高さより高い場合の内圧式プリーツモジュールの例の概略図を示す。パイプ14aから供給された混合気体は空間部流路に設けられた流路制御手段24によって2個のプリーツエレメントの基材部流路に導かれ、濃度の異なる混合気体を2次側気体流路へ透過させることで自らの濃度を変化させつつ、パイプ14bから取り出される。2次側気体流路へ透過した混合気体は、圧力プレートの開口部15から取り出される。
内圧式の2次側気体流路Fは、例として、図9〜図11のように片側のプリーツエレメントと吸気口もしくは排気口を備えた圧力プレート15からから構成することができる。
図12は、補強フレーム12の高さがプリーツ成形体11の高さより高い場合の内圧式プリーツモジュールの例の概略図を示す。外圧式気体分離モジュールでは、1次側気体流路Eが2個存在するため、それぞれの1次側吸気口14aに分かれて供給された混合気体は片側のプリーツエレメントと圧力プレートの間に設けられた流路制御手段によってプリーツエレメントの基材部流路に導かれ、濃度の異なる混合気体を2次側気体流路Fへ透過させることで自らの濃度を変化させつつ、パイプ14bから取り出される。2次側気体流路Fへ透過した混合気体は、2個のプリーツエレメントの間に設けられた開口部15から取り出される。また、補強フレームの高さがプリーツ成形体の高さより低いプリーツエレメントを用いることにより、内圧式プリーツモジュールと同様な手段でプリーツエレメントのA端面に混合気体を直接導くことが出来る。
外圧式の2次側気体流路Fは、例として、図12のように2個のプリーツエレメントの間に流路構成手段を導入して構成することができる。この流路構成手段は単純なスペーサーであってもよいし、図9の14aもしくは14bのように中央に開口部を有するスペーサーとこれに接続するパイプからなってもよい。
本発明において、「吸気口面積比」はプリーツ面の投影面積に対する吸気口Cの面積の比、をいい、本発明は2次側気体流路の吸気口面積比が50%〜100%であることを特徴とする。吸気口面積比は、60%以上が好ましく、70%以上がより好ましく、80%以上が更に好ましく、90%以下がより更に好ましく、100%以下が最も好ましい。
本発明において、「排気口面積比」はプリーツ面の投影面積に対する排気口Dの面積の比、をいい、本発明は2次側気体流路の排気口面積比が50%〜100%であることを特徴とする。排気口面積比は60%以上が好ましく、70%以上がより好ましく、80%以上が更に好ましく、90%以下がより更に好ましく、100%以下が最も好ましい。
ここで、上記の排気口面積比と吸気口面積比の単純な和が常に100%以上であることから分かるとおり、本発明において、吸気口と排気口は少なくともその1部がプリーツ面
上で同じ位置を占めることを特徴とする。
吸気口C・排気口Dの形状は、前記の好ましい範囲の中で、長方形、楕円形、菱形、台形、およびこれらを複数組み合わせた集合体等、任意の形状を採用することが出来る。このうち、幅方向に長い長方形の場合は、2つの短辺を直線ではなく半円形とすることによって機械加工を容易に出来るため好ましい。
本発明の前述した比率R(R=L/H)は0.1以上7以下が好ましい。比率Rの下限は、0.2以上が好ましく、0.4以上がより好ましく、0.6以上が更に好ましく、0.8以上がより更に好ましく、1.0以上が特に好ましい。比率Rの上限は、6以下が好ましく、5以下がより好ましく、4以下が特に好ましく、3以下が最も好ましい。
比率Rが0.1より小さい場合は気体がプリーツ深部まで十分に浸透できないため好ましい気体分離性能が得られない場合がある。比率Rが7より大きい場合は接触距離が長いため好ましい通気抵抗が得られない場合がある。
本発明における「気体分離装置」は、気体分離モジュールと外部回路との接続配管、センサー、制御装置等の補機から構成される。以下、一例として、本発明の気体分離モジュールを内燃機関用窒素富化空気供給装置(窒素富化モジュール)として用いた場合の性能について説明する。
窒素富化モジュールは、1次側加圧・2次側大気圧、1次側大気圧・2次側減圧、など、様々な組み合わせで運転することが出来るが、近年の内燃機関、特に車載用ディーゼルエンジンの多くはターボチャージャーを搭載するため、1次側加圧・2次側大気圧の組み合わせで好適に運転することが出来る。
30%の酸素富化空気が流量0.2m3/分で2次側に透過する場合、少なくともその10倍(2m3/分)の掃気用空気を2次側膜面に流すことが好ましい。時速60km/時で走行中の自動車は風速1000m/分の空気を正面から受けるため、200cm2の受風面積を設けることで好ましい量の掃気用空気を外部よりプリーツ面上に流すことが出来る。
窒素富化モジュールに要求される窒素富化空気の流量は、ディーゼルエンジンの排気量と目的とする回転数から求めることができる。たとえば、2Lのディーゼルエンジンが2000回転/分で運転するために必要な流量は、2L×2000回転/分÷2=2m3/分と計算できる。
以上のような窒素富化は典型的な気体分離の一例であり、他の気体分離(例えば混合気体からの水素回収や水蒸気回収など)も同様に行うことができる。
2 通気性補強材
3 A端面
4 B端面
5 プリーツ面
6 プリーツ方向
7 プリーツの長さ
8 プリーツの高さ
9 プリーツの幅
10 プリーツのピッチ
11 プリーツ成形体
12 補強フレーム
13 圧力プレート
14 パイプ
14a 吸気側パイプ(141:パイプ 142:矩形管)
14b 排気側パイプ(141:パイプ 142:矩形管)
15 プレート開口部又は2次側通路の開口部
16 プリーツエレメント
17 スペーサー
18 パイプ開口部
19 貫通ボルト
20 締め付けボルト
21 側面プレート
22 気密シール
23 補強フレームバックアップ
24 流路制御手段
25 吸気口・排気口の間隔
26 吸気口・排気口の幅
27 吸気口・排気口の長さ
28 窒素富化モジュール
29 1次側入口
30 流路制御手段
31 気体分離膜
32 1次側出口
33 開口部
34 掃気用気体
35 エンジン入口
36 エンジン
37 エンジン出口
38 ターボチャージャー
51 空間部流路
52 基材部流路
71 ビート加工部
A 第1プリーツ面
B 第2プリーツ面
C 吸気口
D 排気口
E 1次側気体流路
F 2次側気体流路
Claims (14)
- 気体分離膜と通気性補強材からなるプリーツ成形体の外周部に補強フレームを設けて構成されるボックスプリーツエレメント、1次側気体流路、2次側気体流路、圧力プレート、からなる気体分離モジュールにおいて、
1)2個のボックスプリーツエレメントの第1プリーツ面が1次側気体流路を介して互いに向かい合うように配置され
2)2個のボックスプリーツエレメントの第2プリーツ面が2次側気体流路を介して圧力プレートと向かい合うように配置され、
3)気体分離膜の分離係数αが1.5以上、
であることを特徴とする内燃機関用窒素富化空気供給装置用気体分離モジュール。 - 気体分離膜と通気性補強材からなるプリーツ成形体の外周部に補強フレームを設けて構成されるボックスプリーツエレメント、1次側気体流路、2次側気体流路、圧力プレート、からなる気体分離モジュールにおいて、
1)2個のボックスプリーツエレメントの第2プリーツ面が1次側気体流路を介して圧力プレートと向かい合うように配置され、
2)2個のボックスプリーツエレメントの第1プリーツ面が2次側気体流路を介して互いに向かい合うように配置され、
3)気体分離膜の分離係数αが1.5以上、
であることを特徴とする内燃機関用窒素富化空気供給装置用気体分離モジュール。 - ボックスプリーツエレメントと圧力プレートを互いに密接させるための締結手段を備えることを特徴とする請求項1又は2に記載の内燃機関用窒素富化空気供給装置用気体分離モジュール。
- 締結手段が、1組の圧力プレートを結ぶ複数のボルト、であることを特徴とする請求項3に記載の内燃機関用窒素富化空気供給装置用気体分離モジュール。
- 締結手段が、側面プレート、および、圧力プレートと側面プレートを結ぶ複数のボルト、であることを特徴とする請求項3又は4に記載の内燃機関用窒素富化空気供給装置用気体分離モジュール。
- 締結手段が、ツバを備えた補強フレーム、側面プレート、および、圧力プレートと補強フレームを結ぶ複数のボルト、であることを特徴とする請求項3〜5のいずれかに記載の内燃機関用窒素富化空気供給装置用気体分離モジュール。
- 側面プレートが、1次側気体流路の開口部を備えることを特徴とする請求項5又は6に記載の内燃機関用窒素富化空気供給装置用気体分離モジュール。
- 吸気口もしくは排気口の開口部に接続される気体移送手段が、パイプであることを特徴とする請求項1〜7に記載の内燃機関用窒素富化空気供給装置用気体分離モジュール。
- 補強フレームの高さが、プリーツ成形体の高さ以下であることを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載の内燃機関用窒素富化空気供給装置用気体分離モジュール。
- プリーツ成形体がビード加工されていることを特徴とする請求項1〜9のいずれかに記載の内燃機関用窒素富化空気供給装置用気体分離モジュール。
- 2個のボックスプリーツエレメントの第1プリーツ面が、互いに接することを特徴とする請求項1〜10のいずれかに記載の内燃機関用窒素富化空気供給装置用気体分離モジュール。
- 2次側気体流路が2個のボックスプリーツエレメント間に設けられた空間を含むことを特徴とする請求項1〜11に記載の内燃機関用窒素富化空気供給装置用気体分離モジュール。
- 2個のボックスプリーツエレメント間に設けられたスペーサーによって空間を構成することを特徴とする請求項1〜12に記載の内燃機関用窒素富化空気供給装置用気体分離モジュール。
- 気体分離膜が、分離係数が1.5以上であり、酸素透過速度が10GPU以上であることを特徴とする請求項1〜13に記載の内燃機関用窒素富化空気供給装置用気体分離モジュール。
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