JP4822871B2 - プリーツエレメント - Google Patents

Description

本発明は、気体分離モジュールに用いられるボックスプリーツエレメントに関する。

膜による分離操作は、蒸留や吸着などの分離操作に比べて設備が簡単で運転コストが低い点が長所とされ、特に液体処理において広く用いられている。一方、膜による気体処理はエアフィルターと気体分離膜に大別できるが、現在は前者が大半を占めており後者は大きな市場を形成するには至っていない。すなわち、現時点ではアンモニアプラントでの水素回収やガソリン油槽所での揮発性有機化合物回収など工業用の大型装置が主であり、民生用の小型装置は処理能力や通気抵抗などの問題から一部の小型装置（医療用、酸素エアコン用）を除いて実用化が遅れている。気体分離用小型装置に求められる条件として、
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。

気体分離装置の核となる気体分離モジュールには、１）気体透過性に優れた高分子材料からなる中空糸膜束の両端を封止して筒状のハウジングに収納した、いわゆる「中空糸モジュール」が広く用いられている（特許文献１）。また、２）気体透過性に優れた高分子材料からなる平膜を２枚一組で封筒状に成型したあと封筒の開口端をセンターパイプにあてがって巻廻し、最後に両端を封止して筒状のハウジングに収納した、いわゆる「スパイラルモジュール」がこれに次いで用いられている（特許文献２）。さらに、３）気体透過性に優れた高分子材料からなる平膜をフレームに固定し必要に応じて積層した、いわゆる「プレート＆フレームモジュール」が少数用いられている（非特許文献１）。

また、液体処理装置では上記に加えて、４）気体透過性に優れた高分子材料からなる平膜を特定のピッチで山折り谷折りを繰り返すことでカーテンやスカートに見られるようなプリーツ加工を施したあと、両端のプリーツ面同士を接着して全体を円筒状に整え、最後に円筒の両端を封止して筒状ハウジングに挿入した、いわゆる「円筒プリーツモジュール」が用いられているが、気体分離装置への応用は殆どない（特許文献３）。
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。

本発明者らは前記課題に対して検討した結果、ボックスプリーツモジュールが気体分離に好適であることを見出し（特許文献４、特許文献５）、その後、特定のボックスプリーツモジュールが非透過気体を利用する系（例えば窒素富化空気供給装置）に対してより好
適であることを見出した（特許文献６）。しかしながら、このボックスプリーツモジュールであっても現在は、更なる改良が要求されている。そこで、窒素富化空気供給装置についてその改良要求を装置の説明をした上で、以下に具体的に示す。

［内燃機関用窒素富化空気供給装置について］
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。

ディーゼルエンジンで機能する窒素酸化物（ＮＯｘ）除去システムとして、
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（ＣＯ^２）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。

近年、気体分離膜を用いることによって、排気ガス再循環とは異なる方法で機関内部の酸素濃度低減を図る試みが行われるようになった（非特許文献２）。こうした装置を窒素富化空気供給装置、その核となる気体分離モジュールを窒素富化モジュールと呼ぶ。当該文献によると、酸素選択透過性を有する中空糸膜を備えた気体分離モジュールの供給口にターボチャージャーから導かれた加圧空気を供給し、中空糸モジュールの２次側に酸素富化した空気を透過・除去させつつ非透過口から窒素富化した空気を取り出し、エンジンに供給する方法が開示されている。気体分離モジュールから取り出される窒素富化空気の酸素濃度は１６〜２０％であり、ＥＧＲを行った場合の酸素濃度（非特許文献３）に匹敵することから、両者は同等の燃焼温度低減機能を示すと考えられる。また、気体分離モジュールは過給圧が高いほど性能が向上するため、過給圧が高いほど有効に機能しにくいＥＧＲとは相補的な関係にある。

本発明者らの発明によるボックスプリーツモジュールは、一般的な中空糸モジュールよりも供給口−非透過口間の圧力損失が極めて低いため、過給圧を有効に利用できる利点がある。特に特許文献６に記載のボックスプリーツモジュールは１つのハウジングに２つのエレメントを収納することで、コンパクト性と低圧損を大きく改善したが、構造が複雑になってシール箇所が増加するため、１つのエレメントを収納する場合に比べてハンドリング性に劣る場合があった。

特開平２−２５２６０９号公報 特公平５−５８７６９号公報 特開２００２−２５２０１２号公報 ＷＯ２００４／１０７４９０号公報 ＰＣＴ／ＪＰ２００５／００８８９２ 特願２００５−２６４６９８ Ｊ．Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｓｃｉ．：２９（１９８６）６９−７７ 米国アルゴンヌ国立研究所報告書：ＡＮＬ／ＥＳＤ／ＴＭ−１４４ 三菱自動車テクニカルレビュー：２００３ ＮＯ．１５ Ｐ１８

本発明は、気体分離用プリーツエレメントを提供することを目的とする。

本発明者らは、プリーツエレメントの構成に着目し、プリーツモジュールのハンドリング性の改善を目的として鋭意検討を行った。その結果、特許文献６のように２つのボックスプリーツエレメントをハウジング内に対向して設置するのではなく、２つのプリーツ成形体からなり適切な補強フレームを備えるプリーツエレメントをハウジング内に単独で設置することによりハンドリング性の改善できることを見出し、本発明を成すに至った。
すなわち本発明は、以下のとおりである。
１．通気性補強材（２）で補強された気体分離膜（１）を繰り返し折りたたみ構造とした２つのプリーツ成形体（１３）の、該プリーツ成形体の２次側流路面側のプリーツ方向の両端部が封止手段（１４）で封止されており、かつ、該２つのプリーツ成形体が、各々の２次側流路面が外側に向くように積層され、
補強フレームが、２つのプリーツ成形体（１３）の、２次側流路面側のプリーツ方向の両端部の全周にわたって形成され、プリーツ成形体（１３）の２次側流路面において封止
手段と密着していることを特徴とするプリーツエレメント。
２．該プリーツ成形体（１３）の圧縮度が２０ｋＰａ以上であることを特徴とする上記１に記載のプリーツエレメント。
３．２つのプリーツ成形体（１３）の間に、充填材を有することを特徴とする上記１又は２に記載のプリーツエレメント。

本発明によると、圧力損失が低く、かつハンドリング性を改善した気体分離モジュール、例えば内燃機関用窒素富化空気供給装置を提供することができる。

［気体分離モジュールについて］
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、本発明においては高圧側を１次側といい、低圧側を２次側という。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。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。
［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。

気体分離膜の気体透過性は、透過速度と分離係数で表現することが出来る。ここで、透過速度Ｒは単位時間、単位面積、単位分圧差における気体透過量で表され、慣習的にＧＰＵ（Ｇａｓ ｐｅｒｍｅａｔｉｏｎ ｕｎｉｔ）＝１０^−６ｃｍ^３（ＳＴＰ）／ｃｍ^２ｓｅｃｃｍＨｇという単位が広く使用されている。更に、単位膜厚あたりの透過速度を透過係数Ｐといい、慣習的にバーラー（ｂａｒｒｅｒ）＝１０^−１０ｃｍ^３（ＳＴＰ）ｃｍ／ｃｍ^２ｓｅｃｃｍＨｇという単位が広く使用されている。透過速度が膜物性であるのに対して透過係数は素材物性であり、いくら透過係数に優れる素材であっても、必要十分な薄膜化適性を兼ね備えない場合は気体分離に適さないため注意を要する。また、分離係数αは任意の気体の透過係数の比である。透過速度と分離係数は目的とする用途に応じて適切に選択されるが、たとえば内燃機関用窒素富化空気供給装置に用いる場合は以下の値であることが好ましい。すなわち、

酸素の透過速度Ｒは、１００ＧＰＵ以上１００００００ＧＰＵ以下が好ましく、２００ＧＰＵ以上がより好ましく、５００ＧＰＵ以上が更に好ましく、１０００ＧＰＵ以上がより更に好ましく、１５００ＧＰＵ以上が特に好ましく、２０００ＧＰＵ以上が極めて好ましく、２５００ＧＰＵ以上が最も好ましい。
酸素と窒素の分離係数α（＝ＲＯ２／ＲＮ２）は、１．１以上１００００００以下が好ましく、１．５以上がより好ましく、１．８以上が更に好ましく、２．０以上がより更に好ましく、２．２以上が特に好ましく、２．４以上が極めて好ましく、２．６以上が最も好ましい。αが１．１より小さい場合は、酸素に随伴して多量の窒素が１次側から透過側へ移動して失われるため好ましくない。αが高いほど酸素に随伴する窒素の量を抑えることが出来るため好ましいが、一般的に分離係数と透過係数はトレードオフの関係にある。

気体分離膜の膜厚は、１μｍ以上１０００μｍ以下が好ましい。膜厚の下限は５μｍ以上がより好ましく、８μｍ以上が更に好ましく、１０μｍ以上が最も好ましい。膜厚の上限は５００μｍ以下がより好ましく、２００μｍ以下が更に好ましく、１００μｍ以下がより更に好ましく、５０μｍ以下が特に好ましく、２０μｍ以下が最も好ましい。膜厚が１μｍ未満になると、機械強度が不足する場合があり、膜厚が１０００μｍを越えると透過速度が不足する場合がある。

気体分離膜の膜厚は、一般的に薄いほど分離係数を維持しながら透過速度を向上できるため好ましいが、薄膜化に伴う破損等を避けるため、気体透過性と機械強度に優れた支持膜の上に形成されることが多い。こうした構造を持つ気体分離膜を複合膜と呼び、支持膜の上に形成した気体分離層のことを分離層、スキン層、活性層、と呼び、支持膜のことを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（ポリフッ化ビニリデン）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（特許３１１３２８７号公報）。

気体分離膜の支持層の気孔率は、５％以上９５％以下が好ましい。気孔率の下限は１０％以上がより好ましく、２０％以上が更に好ましく、３０％以上がより更に好ましく、４０％以上が最も好ましい。気孔率が５％未満では、気体透過性が不足する場合があり、気孔率が９５％を越えると、機械強度が不足する場合がある。
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。

気体分離膜の分離層の膜厚は、１ｎｍ以上１０μｍ以下が好ましい。膜厚の下限は１０ｎｍ以上がより好ましく、２０ｎｍ以上が更に好ましい。膜厚の上限は１μｍ以下がより好ましく、５００ｎｍ以下が更に好ましく、３００ｎｍ以下がより更に好ましく、２００ｎｍが特に好ましく、１００ｎｍ以下が極めて好ましく、５０ｎｍ以下が最も好ましい。透過係数が十分に高い場合は膜厚が３μｍを超える場合も好適に用いることができる。このような例として、空気と水蒸気の分離に用いられる気体分離膜を上げることが出来る。

［通気性補強材］
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（２次側）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。

通気性補強材の厚さは、１０μｍ以上５０００μｍ以下が好ましく、厚さの下限は５０μｍ以上がより好ましく、１００μｍ以上が更に好ましく、２００μｍ以上がより更に好ましく、３００μｍ以上が特に好まく、５００μｍ以上が最も好ましい。厚さの上限は３０００μｍ以下がより好ましく、２０００μｍ以下が更に好ましく、１０００μｍ以下が最も好ましい。厚さが１０μｍ未満では、機械強度が不足する場合があり、厚さが５０００μｍを越えると、気体透過性が低下する場合がある。通気性補強材の厚さは、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。

通気性補強材の気孔率は、３０％以上９５％以下が好ましく、気孔率の下限は４０％以上がより好ましく、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％超では、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。
通気性補強材の空気流に対する体積抵抗率（Ｐａｓｅｃ／ｍ^２）は、１０^６以下が好ましく、１０^５以下がより好ましく、５００００以下が更に好ましく、２００００以下がより更に好ましく、１００００以下が特に好ましく、５０００以下が極めて好ましく、２０００以下が最も好ましい。

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線径は、０．０１ｍｍ以上２ｍｍ以下が好ましい。線径の下限は０．０２ｍｍ以上がより好ましく、０．０４ｍｍ以上が更に好ましく、０．０６ｍｍ以上がより更に好ましく、０．０８ｍｍ以上が特に好ましい。線径の上限は１ｍｍ以下がより好ましく、０．６ｍｍ以下が更に好ましく、０．４ｍｍ以下がより更に好ましく、０．２ｍｍ以下が特に好ましい。
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。

通気性補強材のうち、１次側の通気性補強材は１次側に導入される高圧気体によって膜から受ける圧力が減少する一方で、２次側の通気性補強材は１次側に導入される高圧気体によって膜から受ける圧力が増大する。このため、２次側の通気性補強材は、１次側の通気性補強材に比べて特に慎重な材料選定を行うことが求められる。以下は、２次側の通気性補強材に関する。
通気性補強材にネットを使用する際の線径は、１０μｍ以上１０００μｍ以下が好ましく、線径の下限は５０μｍ以上がより好ましく、１００μｍ以上が更に好ましく、１５０μｍ以上がより更に好ましい。線径の上限は５００μｍ以下がより好ましく、４００μｍ以下が更に好ましく、３００μｍ以下が最も好ましい。線径が１０μｍより小さい場合は、圧力を受けた膜がネットの網目から押し出され、隣接する膜と膜が接触することによって２次側流路の一部もしくは全部を閉鎖する可能性があるため好ましくない場合がある。線径が１０００μｍより大きい場合は膜密度が低下するため好ましくない場合がある。

［プリーツ成形体］
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。

図１、図２は、本発明のプリーツ成形体の例の概略図を示す。図１では、気体分離膜１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は箱状の形態をとる。図２において、プリーツ方向６に平行する端面である４をＢ端面、プリーツ方向６に直交する端面である３をＡ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

本発明において、プリーツの「長さ」７は、プリーツ方向６と平行な長さであり、長さが一定でない場合は平均値をとることができる。プリーツの「高さ」８は、プリーツ成形体の一方の山から他方の山までの高さであり、高さが一定でない場合は平均値をとることができる。プリーツの「幅」９は、プリーツ方向６と垂直な方向の長さであり、幅が一定でない場合は平均値をとることができる。プリーツの「ピッチ」１０は、プリーツ成形体の隣接する山と山の頂点間の距離であり、ピッチが一定でない場合は平均値をとることができる。
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。

プリーツの高さ８は、５ｍｍ以上２００ｍｍ以下が好ましい。高さ８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８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。ここでいう高さとは、プリーツ成形体の内寸をいう。
プリーツの長さ７は、１ｍｍ以上３００ｍｍ以下が好ましく、２５０ｍｍ以下がより好ましく、２００ｍｍ以下が更に好ましく、１５０ｍｍ以下がより更に好ましく、１００ｍｍ以下が特に好ましい。圧力損失を低減する必要がない場合においても長さは１０００ｍｍ以下が好ましく、５００ｍｍ以下がより好ましい。ここでいう長さ７とは、プリーツ成形体の内寸をいう。

［封止手段］
本発明において、プリーツ成形体を構成する全てのプリーツは、その２次側流路の両端が封止手段で封止されていることを特徴とする。本発明において、こうした構造を封筒構造という。
図３は、本発明の封止手段の例の説明図を示す。プリーツ成形体１１を、２次側流路が上になるように一旦開いて平面状とし、平面の両端に沿ってホットメルト樹脂や接着剤などの封止材１２を適用し、その後、再び繰り返し折りたたむことでプリーツ成形体の２次側流路の両端を好適に封止することが出来る。ここで、１３は封止後のプリーツ成形体、１４は封止部、１５は封止後のプリーツ成形体の全体図、１６は封止後のプリーツ成形体のプリーツ開口部である。封止手段の適用によって、矩形である各プリーツは、その３方が閉じられ、１方が開いた封筒構造を形成する。このとき、封筒構造は２次側プリーツ面に向けて開口している。このような構造をとるとき、１７で示された１つの封筒構造に対
して１次側の高圧気体は１８の方向に流れ、膜を透過したあとの２次側の低圧気体は１９の方向に流れる。

［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」はプリーツモジュールを構成する中心部材であり、２個のプリーツ成形体と補強フレームからなる。すなわち、プリーツエレメントは適切な吸気口、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。
図４は、本発明のプリーツエレメントの例の概略図を示す。図４ａは、互いの１次側プリーツ面が対向するように２個のプリーツ成形体１３が配置された例を示している。ここで、２０は補強板であり、プリーツ成形体のＢ端面４と接着することができる。補強板を設けることによりＢ端面４に露出した気体分離膜を保護するとともに、プリーツの幅方向に対して両方の補強板２０に力を加えることで、必要に応じてプリーツ成形体を均等に圧縮することができる。

本発明においては、２個のプリーツ成形体が向かい合う面を１次側すなわち高圧側としているため、ここに図４ｂのような空間２１が存在すると、気体分離膜と十分に接触せずに空間２１を通過する高圧側気体が多くなるため好ましくない。何らかの理由によって対向する１次側プリーツ面が互いに接触することが困難な場合、図４ｃのように充填材２２を用いることで、気体分離膜と十分に接触せずに通過する高圧側気体を低減することができる。このような充填材として、例えばスポンジ等を好ましく用いることが出来る。

ここでいう「接する」とは、気体分離膜と十分に接触せずに通過する高圧側気体が十分無視できるような間隙をもって、対向するプリーツ成形体の１次側プリーツ面が配置されている状態を意味しており、必ずしも対向するプリーツ成形体の１次側プリーツ面が常時密着ないしは接着されている必要はない。当該間隙の目安として、プリーツ成形体のプリーツピッチ１０の１０倍以下が好ましく、５倍以下がより好ましく、３倍以下が更に好ましく、２倍以下がより更に好ましく、１倍以下が特に好ましく、０．５倍以下が極めて好ましく、０．２倍以下が最も好ましい。
図４ ｄは、気体分離膜がプリーツ成形体ごとに分割されず、２個のプリーツ成形体を通して連続している場合であり、本発明はこのような場合も含まれる。

［補強フレーム］
本発明において、「補強フレーム」はハウジング等と気密的に接続することによって、プリーツエレメントの１次側流路と２次側流路を気密的に分離するための構造材をいう。補強フレームは、少なくともプリーツ成形体の２次側プリーツ面上のＡ端面３近傍に備えられ、かつ、２次側プリーツ面上において封止手段と密着していることを特徴とする。
図５は、本発明の補強フレーム２３を備えたプリーツエレメントの例の概略図を示す。例えば、２個のプリーツ成形体１３を１次側プリーツ面が互いに対向しかつ接触するよう配置したあと、それぞれのＢ端面４を補強板２０に接着し、必要に応じてプリーツ成形体をプリーツの幅方向に圧縮したあと所定の金型にセットしてインジェクション成形を行うことにより全周（一方のプリーツ成形体のＡ端面３近傍２次側プリーツ面→一方の補強板のＡ端面３近傍→他方のプリーツ成形体のＡ端面３近傍２次側プリーツ面→他方の補強板のＡ端面３近傍）にわたって補強フレーム２３を形成され、プリーツエレメント２４が構成される。補強フレームの材質は、樹脂や金属など本発明の目的を達成する限り様々なものが使用可能であるが、補強フレームをそのままシール剤として使用する場合は軟質樹脂や発泡樹脂を好適に用いることが出来る。また、ハウジングとの密着の便宜を図るため、補強フレームに必要に応じてつばやＯ−リング用の溝等の密着手段を別途設けることが出来る。

［プリーツエレメントの形状と物性］
プリーツの幅９は、１０ｍｍ以上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。ここでいう幅とは、プリーツ成形体の内寸をいう。
プリーツのピッチ１０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。

プリーツ成形体の圧縮度とは、互いに対向するプリーツ成形体のＢ端面４をそれぞれプリーツ成形体の内側へ向けて圧縮するときの圧力（ｋＰａ）を意味している。プリーツ成形体の圧縮度は、気体分離モジュールを運転するときの差圧以上である事が好ましい。具体的には、プリーツ成形体の圧縮度は２０ｋＰａ以上が好ましく、５０ｋＰａ以上がより好ましく、１００ｋＰａ以上が更に好ましく、１５０ｋＰａ以上がより更に好ましく、２００ｋＰａ以上が特に好ましく、２５０ｋＰａ以上が極めて好ましく、３００ｋＰａ以上が最も好ましい。圧縮度が４００ｋＰａ以上になると、気体分離膜の素材によっては通気性補強材として使用するネットの圧迫を受け、挫滅や損傷を受ける可能性があるため、これを考慮した材料選定を行うことが好ましい。

［ハウジング］
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。
図６は、本発明のハウジングの例の概略図を示す。例えば図５に例示されるようなプリーツエレメント２４は、ハウジング本体４１の中のコンパートメント４２に圧入される。ここで、ハウジング本体４１はプリーツエレメント２４の２次側流路から排出される気体のためのスリット状の排気口４３を備えている。次に、２枚のプレート４４でコンパートメント４２の２つの開口部がそれぞれ密閉され、気体分離モジュールが構成される。プレート４４は１次側流路のための吸排気用パイプ４６を備え、流路４５を介してハウジング内部のプリーツエレメントの１次側流路と接続する。

［窒素富化モジュール］
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。

図７は、本発明の実施形態の例を示す内燃機関用窒素富化空気供給装置の構成図である。はじめにターボチャージャー３８で圧縮された圧縮空気が窒素富化モジュール２８の１次側流路の入口２９に供給され、流路制御手段３０によってプリーツエレメント内部の基材部流路に導かれる。空気はプリーツエレメント内部で酸素選択透過性を有する気体分離膜３１を介して酸素と窒素を一定割合で透過・除去しつつ、１次側流路の出口３２から窒素富化空気となって取り出される。窒素富化空気はエンジンの入口３５に導かれ、エンジン３６で燃焼に供されたあとエンジンの出口３７より排気ガスとして排出され、ターボチ
ャージャー３８を駆動する。２次側に透過した酸素富化空気は開口部３３からパイプ等で車室、エンジン、触媒等に導いてもかまわないが、開口部３３からそのまま外部に放出する方が好ましい。すなわち、２次側に酸素富化空気が滞留すると酸素分圧差が低下して気体分離モジュールの機能が低下するため、２次側のプリーツ面上に１次側より低い酸素分圧の気体３４（非圧縮の空気等）を外部より流すことによって、透過した酸素富化空気をプリーツ面上から除去することが好ましい。本発明において、こうした操作を掃気という。

例えば、酸素濃度１９％の窒素富化空気２ｍ^３／分を１次側から取り出す際に酸素濃度３０％の酸素富化空気が流量０．２ｍ^３／分で２次側に透過する場合、少なくともその１０倍（２ｍ^３／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、２００ｃｍ^２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。

１次側の圧力は、大気圧以上１００００ｋＰａＧ以下が好ましく、１０ｋＰａＧ以上がより好ましく、１００ｋＰａＧ以上が更に好ましく、１５０ｋＰａＧ以上がより更に好ましく、２００ｋＰａＧ以上が特に好ましく、３００ｋＰａＧ以上が極めて好ましく、４００ｋＰａＧ以上が最も好ましい。
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＝２ｍ^３／分と計算できる。

気体分離装置の性能を考慮する場合、気体分離膜の透過速度（ＧＰＵ）と膜面積（ｍ^２）の積で定義される装置透過速度（ＧＰＵｍ^２）を用いると便利である。例えば、酸素濃度１９．０％の窒素富化空気を流量４Ｎｍ^３／分で取り出そうとする場合、１次側の平均酸素濃度１９．０％、平均圧力１００ｋＰａＧ、２次側 （掃気用空気あり）の平均酸素濃度２０．９％、平均圧力０ｋＰａＧ、分離係数２．０と仮定すると、必要な装置透過速度は酸素に対して２５９９２ＧＰＵｍ^２と求められる。気体分離膜の酸素に対する透過速度が１０００ＧＰＵの場合、必要な膜面積は２６．０ｍ^２であり、プリーツのピッチ２ｍｍ（平均膜間距離１ｍｍに相当）の場合、プリーツエレメントの内容積はルンゲクッタ積分を用いたクロスフローモデル計算より２６．０Ｌと求められる。

１次側の圧力損失は、０ｋＰａ以上５０ｋＰａ以下が好ましく、１０ｋＰａ以下がより好ましく、５ｋＰａ以下が更に好ましく、１ｋＰａ以下がより更に好ましく、０．５ｋＰａ以下が特に好まく、０．２ＫＰａ以下が最も好ましい。圧力損失が５０ｋＰａを超える場合は、ターボチャージャーの過給圧に対して相当の圧力を失うためディーゼルエンジンの発生トルクが低下すると同時に、気体分離装置後半における１次側全圧の低下に伴って１次側の酸素分圧が低下し、気体分離装置の性能が低下する。
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。

本発明による気体分離モジュールは、内燃機関用窒素富化空気供給装置に用いる空気分離のほか、空調装置や工業用の気体製造装置など様々な用途に対して通気抵抗に優れた気体分離モジュールとして利用できる。

本発明のプリーツ成形体の例の概略図 本発明のプリーツ成形体の例の別の概略図 本発明の封止手段の説明図 本発明のプリーツエレメントの例の概略図 本発明の補強フレームを備えたプリーツエレメントの例の概略図 本発明のハウジングの例の概略図 本発明の実施形態の例を示す内燃機関用窒素富化空気供給装置の構成図

符号の説明

１ 気体分離膜
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 封止前のプリーツ成形体
１２ 封止材
１３ 封止後のプリーツ成形体
１４ 封止部
１５ 封止後のプリーツ成形体の全体図
１６ 封止後のプリーツ成形体のプリーツ開口部
１７ １つのプリーツの封筒構造
１８ １次側の高圧気体の流れ
１９ ２次側の低圧気体の流れ
２０ 補強板
２１ 空間
２２ 充填材
２３ 補強フレーム
２４ プリーツエレメント
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
４１ ハウジング本体
４２ コンパートメント
４３ ２次側流路の排気口
４４ プレート
４５ 流路
４６ 給排気用パイプ

Claims (3)

1. 通気性補強材（２）で補強された気体分離膜（１）を繰り返し折りたたみ構造とした２つのプリーツ成形体（１３）の、該プリーツ成形体の２次側流路面側のプリーツ方向の両端部が封止手段（１４）で封止されており、かつ、該２つのプリーツ成形体が、各々の２次側流路面が外側に向くように積層され、
   補強フレームが、２つのプリーツ成形体（１３）の、２次側流路面側のプリーツ方向の両端部の全周にわたって形成され、プリーツ成形体（１３）の２次側流路面において封止手段と密着していることを特徴とするプリーツエレメント。
2. 該プリーツ成形体（１３）の圧縮度が２０ｋＰａ以上であることを特徴とする請求項１に記載のプリーツエレメント。
3. ２つのプリーツ成形体（１３）の間に、充填材を有することを特徴とする請求項１又は２に記載のプリーツエレメント。

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