JP5176373B2 - ハウジング装着中空糸膜モジュール - Google Patents

Description

本発明は、ハウジング装着中空糸膜モジュールに関する。さらに詳しくは、束着管が胴体部とその両末端に接合されるヘッド部とからなり、それをハウジングに装着した中空糸膜モジュールに関する。

多孔質セラミックスは、化学的および熱的安定性が高いため、有機質分離膜が適用できないような工程において、分離膜あるいはその支持体としての利用が期待されている。中でも、中空糸膜形状の多孔質セラミックスは、比表面積が大きいなどすぐれた特性を有している。

このような中空糸膜形状の多孔質セラミックスを使用する場合には、これらを固定・密封する必要があり、そのために多孔質セラミックス中空糸膜群を束着管端部に嵌装させた貫通孔穿設平板の貫通孔に挿入し、貫通孔穿設平板の外面側をガラスシール材で被覆した多孔質セラミックス中空糸膜モジュールが、先に本出願人によって提案されている。
特開２００４−２６７８５２号公報 特開２００３−２５１１６４号公報

しかしながら、ここで提案された多孔質セラミックス中空糸膜モジュールには、次のような点で改善の余地がみられた。
(1)多孔質セラミックス中空糸膜群を、束着管両端部に嵌装させた貫通孔穿設平板の貫通孔に挿入するに際し、貫通孔穿設平板同士の向きをうまく合わせる必要があり、それに伴う貫通孔穿設平板を束着管端部に嵌装させるという作業が煩雑となる。
(2)嵌装させた貫通孔穿設平板を束着管内壁に嵌装させたときに生ずる隙間を確実に封止する必要がある。
(3)束着管は、基本的には円筒形なので、その外周面にシール部材を設け、ハウジング装着時のシールを行っているが、この場合にはモジュールをハウジングに装着する際、シール部材の締付力を受けながらモジュールをハウジング内に挿入する必要があり、作業性の点で問題がみられた。
(4)このような円筒形外周面でのシールには、一般にOリング等が用いられるが、モジュールの挿入時にOリングが捩れたりして、シール性を低下させるという問題を生じ易い。
(5)多孔質セラミックス中空糸膜モジュールの利点として高い耐熱性であることが挙げられるが、このような利点を十分に発揮させるためには、高温気密性を目的として、シール部材として例えばCリングやEリング等として知られる金属製シールを使用することが考えられるが、かかる円筒形状束着管外周面でのシール構成として、このような金属製シールを使用することは実際に困難である。

本出願人は先に、束着管が胴体部とその両末端に接合されるヘッド部とからなる中空糸膜モジュールにおいて、中空糸膜を挿通、固定するヘッド部と束着管胴体部との装着が容易であり、しかもこの中空糸膜モジュールをハウジングに収容する際の装着性が改善され、また金属製シールによる装着を可能とするものとして、束着管が胴体部とその両末端に接合されるヘッド部とからなり、胴体部はその側面に流体が流れる開口部を有する筒状部材から形成され、ヘッド部は鍔部、胴体接合部、および束着管開口部に中空糸膜を挿通し、固定する貫通孔が穿設された封止面から形成された中空糸膜モジュールを提案している(特開2008-238068号公報)。

ここに提案された中空糸膜モジュールは、中空糸膜、特に多孔質セラミックス中空糸膜を挿通させる貫通孔を有する部材として、ヘッド部材の封止面を用いているため、束着管胴体部との装着が容易になるという効果が奏せられる。

さらに、この中空糸膜モジュールには、ヘッド部に鍔部が設けられているので、ハウジングへの装着性が改善される。また、ハウジングへの装着に際し、例えばCリングやEリング等として知られる金属製シールを使用することができ、このことはハウジングに収容された中空糸膜モジュールの高温での使用を可能とさせる。

このような効果を奏する上記提案において、ヘッド部は一般にセラミックス製であるが、ヘッド部の鍔部(ヘッド鍔部)の厚みが厚すぎると、中空糸膜を固定封止するモジュール端面ガラス封止の際熱衝撃により割れ易く、逆に薄いと強度が低下し、キャップ部共締めの際に破損し易いとう相反する問題がある。

本発明の目的は、束着管が胴体部とその両末端に接合されるヘッド部とからなり、胴体部はその側面に流体が流れる開口部を有する筒状部材から形成され、ヘッド部は鍔部、胴体接合部、および束着管開口部に中空糸膜を挿通し、固定する貫通孔が穿設された封止面から形成された中空糸膜モジュールを用い、中空糸膜モジュールのヘッド鍔部をキャップ部材と受け板とで挟み込んでハウジングに装着するに際し、ヘッド鍔部およびモジュール端面ガラス封止部の破損を有効に抑制したハウジング装着中空糸膜モジュールを提供することにある。

かかる本発明の目的は、中空糸膜モジュールのヘッド鍔部を、該ヘッド鍔部との間に金属製シール部材を介在させたキャップ部材と受け板とで挟み込んでハウジングに装着するに際し、該受け板はそれぞれ複数部分に分割された第1の受け板と第2の受け板との多段構成とし、第1の受け板の分割部と第2の受け板の分割部とが互いに重ならない位置関係で設置されたハウジング装着中空糸膜モジュールによって達成される。

上記構成のハウジング装着中空糸膜モジュールは、中空糸膜モジュールのヘッド鍔部を、該ヘッド鍔部との間に金属製シール部材を介在させたキャップ部材と金属製受け板とで挟み込んでハウジングに装着する際、分割部が互いに重ならない位置関係で設置された2枚の受け板で固定されているため、共締め時の締付け力がより均等にかかるようになり、セラミックス製ヘッド部、特にその鍔部の破損を抑制することができる。

このため、耐熱性にはすぐれているが、強い締付け力を必要とする金属製シール部材等の使用が可能となり、モジュールのより高温での使用を可能とさせる。また、例えば1100℃に溶融加熱したガラス材で封止面の貫通孔開口部を封止したときにも、モジュールに破損がみられないようになる。

さらに、先に提案された中空糸膜モジュールでは、金属製シールの締め込みによる鍔部の破損を防止するために、鍔部の厚さTが一定範囲にあることが好ましいとされ、また鍔部ネックに曲率半径Rを設けることが好ましいとされていたが、分割部を有する受け板を多段構成するという本発明の構成をとることにより、そのような条件をとることの必要性が緩和される。

中空糸膜モジュールをハウジングに装着させたものは、クロスフロー型反応器、デッドエンド型反応器等として、水素の製造および精製、酸素の製造、炭酸ガス等のガスの分離、円筒型固体酸化物型燃料電池などに有効に使用される。

束着管９は、図７に示される如く、胴体部２とその両末端に接合されたヘッド部３、３′とからなる。束着管の内部には、中空糸膜、好ましくは多孔質セラミックス中空糸膜が1〜500本程度束ねたものが収容される。多孔質セラミックス中空糸膜としては、Al_２O_３、Y_２O_３、MgO、SiO_２、Si_３N_４、ZrO_２製などであって、その孔径が約0.1〜0.6μm、外径が約0.5〜4mm、好ましくは約1〜3mm程度、また膜厚が約0.1〜0.5mm、好ましくは約0.15〜0.3mm程度のものが用いられる。

図８(ａ)〜(ｃ)に示すように、束着管胴体部２はその側面に流体が流れる開口部を有する細長い直管状の筒体部材で形成され、両端部のそれぞれ近傍において管中心軸から両側の対称位置の部分を切除して楕円形または短孔形状の開口部２ａが左右対称形で計４つが設けられている。ただし、そうした開口部２ａの設置数は４つということに限定されるものではない。このように、複数個の開口部を左右対称形に設けることは、熱膨張の関係で好ましい。束着管胴体部２の材質としては、気密性および耐熱性を有し、そこに収容される多孔質セラミックス中空糸膜の熱膨張係数と同じかまたは近い値を有するもの、好ましくは多孔質セラミックス中空糸膜と同材質のもの、例えばアルミナ管、ジルコニア管、チタニア管、シリカ管、そしてガラス管などを用いることができる。

また、図９(ａ)〜(ｃ)に示すように、束着管胴体部２としては図８に示す構造の他、やはり管中心軸から両側の対称位置の部分をこの場合ほぼ管全長に亘って長孔形状の開口部２ｂが左右対称形で２つ設けられているものも用いられる。そのように短孔形状の開口部２ａや長孔形状の開口部２ｂを胴体部側面に設ける理由は、中空糸膜３の束群に分離ガスを接触させて透過させるためのガス給排気用である。開口部２ａまたは２ｂは、その長さが15mm以上で、その両端部を約10〜40mm、好ましくは約20〜30mm残して胴体部２に設けられる。

このように、束着管胴体部２にガス給排気用の開口部２ａまたは２ｂを管体両側の対称な等配位置に対称形に設けたことで、非対称形に設けた構造のような不均衡な熱膨張で撓みや歪みが発生するのを極力抑えることができる。すなわち、束着管胴体部２の熱変形を抑えることで、中空糸膜など他の部材に影響して応力集中が生じるのを防げ、モジュールの破損といった事態を避けるのに有効である。

胴体部２の両末端に接合されるヘッド部３、３′は、図１０に示される如く、鍔部４、胴体接合部５、および束着管開口部に中空糸膜を挿通し、固定する貫通孔６が穿設された封止面７から形成される。かかる構成を有するヘッド部３、３′も、胴体部２と同様の材質で形成される。

胴体部２およびヘッド部３、３′を接合して構成される中空糸膜モジュールをハウジングに装着する際に金属製シールでシールする場合には、そこに大きな締付力がかかるので、ヘッド部３、３′の鍔部４の形状寸法が重要な要素となる。例えば、高純度アルミナ製ヘッドの場合には、その厚さTは約3〜15mm、好ましくは約5〜10mmとされる。この厚さをこれよりも大きく設定すると、束着管モジュールを端面封止するためのガラス溶着時の熱衝撃により破損し易くなり、一方これよりも小さく設定すると、材料強度自体が小さくなり、キャップ部材取付け時の締付け応力により破損し易くなる。また、鍔部ネックには曲率半径が約0.5〜3mm、好ましくは約1〜2mmのRを設け、シールの締め込みによる鍔部が破損をし易くなるのを防止することが望ましい。しかるに、本発明の構成をとることにより、鍔部の厚さTを限定する必要性が弱まり、また曲率半径Rを設けないことにすることもできる。

中空糸膜貫通孔が穿設された封止面７の厚さは約3〜10mm、好ましくは約4〜7mm程度とされ、中空糸膜を挿通させる貫通孔６の内径は、中空糸膜の外径よりも約0.1〜1.0mm、好ましくは約0.1〜0.4mm程度大きく設定される。挿通された中空糸膜の開放端面および貫通孔-中空糸膜間に形成された間隙は、ガラスシール材によって封止される。封止は、ガラス粉末を分散させたペーストを封止開放面に厚さ2mm以下、好ましくは約0.01〜1.0mmで塗布し、これを約400〜1300℃、好ましくは約500〜1200℃で約5〜60分間程度焼成することにより行われる。同時に上記間隙の封止も行われる。

胴体部２の両末端薄肉部８、８′を鍔部３の接合部５の内周面にガラスまたはセラミックス等の無機系接合剤を介して嵌装接合させた中空糸膜モジュールは、一般にSUSステンレス鋼製などの耐熱性金属製ハウジングに装着して使用される。金属製シールであるCリングで固定したクロスフロー型反応器での代表例が図１に示される。ここで、符号１は中空糸膜モジュール、１０はハウジング、１１はCリング、１１ａは金属製シール装着溝、１２はキャップ部材、１３、１３′は２枚に半割りした金属製受け板、１６はベローズ、２０は多孔質セラミックス中空糸膜であり、ヘッド鍔部４はキャップ部材１２および２分割金属製受け板１３、１３′で挟み込まれている。

中空糸膜モジュール１のハウジング１０への装着は、中空糸膜モジュール１のヘッド鍔部４をシール部材１１を介してキャップ部材１２と金属製受け板１３、１３′とで挟み、これをボルトで締め込み、固定することで、ヘッド鍔部４およびキャップ部材１２が密閉装着される。キャップ部材１２には、流体用配管１７、１７′が設けられており、これを外部に延出した状態でハウジングは密閉される。

なお、金属製シールとしては、金属Oリングの「O」形の一部分、例えば内周部分を除去し、「C」字形状の断面を有する金属弾性ガスケットであるCリングやフランジのたわみが大きな条件に対応するリーク許容のガスシール用金属ガスケットであるEリング等を用いることができ、これらは例えばインコネル・ステンレス鋼を母材とし、金、銀、PTFE等のコーティング材でコーティングされているものであってもよい。Cリングにあっては、内圧用フェースタイプ、外圧用フェースタイプの2種類タイプのものがあり、その平面形状を円形の他に四角形、楕円形、レーストラック形状といった非円形形状のものもあり得る。また、Eリングにあっては、内圧、外圧用の標準型とスパンの長い高伸縮型のものもあり得る。

図２は、2枚の2分割された受け板１３、１３′の斜視図であり、第1の受け板の平面図およびA-A線断面図は図３に、第2の受け板の平面図およびB-B線断面図は図４にそれぞれ示される。これらの受け板は、熱的にすぐれたセラミックス製、例えばAl₂O₃、Y₂O₃、MgO、SiO₂、Si₃N₄、ZrO₂製などでも構成されるが、一般には金属製であり、特に熱的および機械的にすぐれたステンレス鋼、好ましくはSUSステンレス鋼が好適に用いられる。

金属製受け板は、それぞれ複数部分に分割された第1の受け板と第2の受け板、さらに必要に応じて第3以下の受け板との多段構成とされる。第1および第2の受け板は、ボルト貫通孔を備えたリング状体であって、リングを2つ以上に分割した形状からなり、好ましくは装着作業性の点から2分割されたものが用いられる。

各受け板の厚さは、特に限定されるものではないが、あまり厚すぎるとスペースの無駄となり、特に内側に配置される第1の受け板では鍔部への共締め応力が不均一になり易く、一方薄すぎると共締めの際の力で容易に変形するなどの現象がみられるので、第1の受け板は約2〜10mm、好ましくは約3〜6mm程度に、また第2の受け板は約5〜20mm、好ましくは約6〜10mm程度の厚さで構成し、その際第1の受け板よりも内側に配置される第2の受け板の方の厚さを厚く設定することが好ましい。その分割部１４、１４′の分割溝の幅は、受け板の大きさや一般に約8〜30mm程度に設定されるリング幅によっても異なるが、一般には約0.5〜2mm程度に設定される。なお、ボルトによる固定は、第1および第2の受け板の貫通孔をネジ孔として行うが、別途ナットで固定する構成とすることもできる。

これらの第1の受け板１３の分割部１４と第2の受け板１３′の分割部１４′とは、互いに重ならない位置関係で設置されることが必要であり、例えば第1および第2の受け板を均等に2分割した形状の場合には、図２に示される如く、互いに直交する位置関係に設置されることが好ましい。第1と第2の受け板の分割部同士が互いに重なり合う位置関係で設置された場合には、2枚またはそれ以上の枚数の受け板を用いた意味がなくなってしまう。

金属製受け板１３、１３′と共にヘッド鍔部４を挟み込むのに用いられるキャップ部材１２は、やはり金属製であり、特に熱的および機械的強度にすぐれたステンレス鋼、好ましくはSUSステンレス鋼で好適に構成される。その形状は、図６の中心線縦断面図に示される如く、断面凸字状筒状体であって、そこには金属製シール装着溝１１ａおよび流体用配管１７、１７′が設けられており、流体用配管１７、１７′の先端部を外部に突出させた状態でハウジングは密閉される。なお、符号１８はボルト孔である。

次に、実施例について本発明を説明する。

実施例
図１に示された実施態様のハウジング装着中空糸膜モジュールの作製が、次のようにして行われた。

外径3mm、膜厚0.3mm、長さ34cmの多孔質アルミナ製中空糸膜7本を、開口部に中空糸膜を揮通させ、固定するために設けられた貫通孔が穿設された封止面の貫通孔に揮通させ、貫通孔開口部を1100℃に溶融加熱したガラス材で封止し、高純度アルミナ製束着管を用いた束着管モジュールを作製した。アルミナ製ヘッド鍔部を共にSUSステンレス鋼製のキャップ部材および半円形状に2分割されたリング状受け板(外径64mm、内径44mm、リング幅10mm、分割溝幅1mm)で挟み込んで、4N・mのボルト締付けトルクで共締めした。ボルトの取付けは、16等配とした。また、第1の受け板の厚さは6mm、第2の受け板の厚さは18mmとした。

このモジュール作製に際しては、ヘッド鍔部と第1の受け板との間に熱膨張緩和の目的で、厚さ1.4mmの銅製のスペーサを挟んでいる。スペーサの材質は、銅製以外にアルミニウム、ステンレス鋼等の金属製であってもよく、その厚さは一般に約0.5〜2mm程度に設定される。

ヘッド鍔部は、アルミナ等のセラミックス製であり、一方キャップ部材と受け板はステンレス鋼製のため、分離操作を行うためにこのモジュールを高温環境下におくと、これら両者の材質の熱膨張係数の差の関係で金属製シールの締付け力が低下し、密閉性を低下させる。そこで、ステンレス鋼よりも熱膨張係数の大きい銅、アルミニウム等の材質からなるスペーサを、ヘッド鍔部と第1の受け板との間に配置することにより、ステンレス鋼が熱膨張しても金属製シールを締め付ける面圧の低下を有効に抑制することができる。

実際に、ヘッド鍔部の厚さTを5mmとし、鍔部ネックに曲率半径Rを設けないヘッド部を使用し、第1および第2の受け板の分割部が直交するようにしてモジュールを作製したとき、1100℃のガラス封止加熱時および共締め後のいずれにおいても、モジュールに破損はみられなかった。ただし、第1の受け板の分割部と第2の受け板のそれぞれの分割部が重なり合うように設置した場合あるいは第1の受け板を使用せず、第2の受け板のみを使用した場合には、いずれも共締めの際にヘッド鍔部の破損がみられた。

また、ヘッド鍔部の厚さTを20mmとした鍔部を束着管胴体部両末端に装着した場合、1100℃のガラス封止加熱時に、ヘッド部と胴体部とを嵌合してガラス接合している部分には、ガラス接合材に破損がみられたが、第1および第2の受け板をそれらの分割部が直交するようにモジュールを作製した場合には、共締め後にヘッド鍔部に破損は生じなかった。

本発明の中空糸膜モジュールをハウジングに装着させたクロスフロー型反応器の中心線縦面図である。 2枚の2分割受け板の斜視図である。 第1の受け板の平面図およびA-A線断面図である。 第2の受け板の平面図およびB-B線断面図である。 スペーサの平面図および中心線正面図である。 キャップ部材の中心線縦断面図である。 本発明で用いられる中空糸膜モジュールの中心線縦断面図である。 束着管胴体部の一態様を示す斜視図(ａ)、側面図(ｂ)およびY₁−Y₁線からの縦断面図(ｃ)である。 束着管胴体部の他の態様を示す斜視図(ａ)、側面図(ｂ)およびY₂−Y₂線からの縦断面図(ｃ)である。 束着管ヘッド部の中心線縦断面図である。

符号の説明

１ 中空糸膜モジュール
２ 胴体部
２ａ、２ｂ 開口部
３、３′ ヘッド部
４ 鍔部
５ 胴体接合部
６ 貫通孔
７ 封止面
８、８′ 胴体部両末端薄肉部
９ 束着管
１０ ハウジング
１１ 金属製シール
１１ａ 金属製シール装着溝
１２ キャップ部材
１３、１３′ ２分割金属製受け板
１４、１４′ 受け板分割部
１５ スペーサ
１６ ベローズ
１７、１７′ 流体用配管
１８ ボルト孔
２０ 多孔質セラミックス中空糸膜

Claims (7)

1. 束着管が胴体部とその両末端に接合されるヘッド部とからなり、胴体部はその側面に流体が流れる開口部を有する筒状部材から形成され、ヘッド部は鍔部、胴体接合部、および束着管開口部に中空糸膜を挿通し、固定する貫通孔が穿設された封止面から形成された中空糸膜モジュールを用い、中空糸膜モジュールのヘッド鍔部を、該ヘッド鍔部との間に金属製シール部材を介在させたキャップ部材と受け板とで挟み込んでハウジングに装着するに際し、該受け板はそれぞれ複数部分に分割された第1の受け板と第2の受け板との多段構成とし、第1の受け板の分割部と第2の受け板の分割部とが互いに重ならない位置関係で設置されたハウジング装着中空糸膜モジュール。
2. 中空糸膜が多孔質セラミックス中空糸膜である請求項１記載のハウジング装着中空糸膜モジュール。
3. それぞれ２つの部分に分割された第1の受け板の分割部と第2の受け板の分割部とが互いに直交する位置関係で設置された請求項１記載のハウジング装着中空糸膜モジュール。
4. キャップ部材と複数枚の受け板とをボルトで締め込み、ヘッド鍔部を固定した請求項１または３記載のハウジング装着中空糸膜モジュール。
5. ヘッド鍔部がセラミックス製である請求項１記載のハウジング装着中空糸膜モジュール。
6. 金属製シールがCリングまたはEリングである請求項１記載のハウジング装着中空糸膜モジュール。
7. ヘッド鍔部と受け板との間にスペーサを介在させた請求項１記載のハウジング装着中空糸膜モジュール。

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