JP5619755B2 - 膜エレメント、気体分離装置及び内燃機関 - Google Patents
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Description
図1は、第1実施形態に係る膜エレメントが搭載された気体分離装置の外観を示す斜視図である。図2は、図1に示す気体分離装置の分解斜視図、図3は、図1に示す気体分離装置の断面図である。
図1〜図3に示すように、気体分離装置1は、ハウジング3と、このハウジング3に収容された膜エレメント2とを備えている。ハウジング3内には、1次側通路P1と2次側通路P2とが形成されており、1次側通路P1と2次側通路P2とは、2つの膜エレメント2によって隔てられている。すなわち、ハウジング3内において、膜エレメント2を挟んで、片方側に1次側通路P1があり、もう一方側に2次側通路P2がある。そして、1次側通路P1は、分離対象となる混合気体の通路であり、本実施形態では空気が流動する通路である。一方、2次側通路P2は、膜エレメント2を通過した特定気体が主として流動する通路であり、本実施形態では主として酸素富化された空気が流動する。一般的に、1次側は、膜エレメント2を選択的に透過する気体成分に着目したときに分圧が高い方と定義されるが、多くの場合は1次側の方が全圧が高い。
ハウジング3は、例えばSUS(Stainless steel:ステンレス鋼)、アルミ、樹脂等の各種材料によって製造されており、本体部4と、上下一対の蓋部5,6とによって構成されている。
本体部4は、上下に開口が設けられており、中空の箱状を成している。本体部4は、膜エレメント2との協働により混合気体が流動する1次側供給部K1を画成している。
蓋部5,6は、本体部4の上下に配置される部材であり、幅方向に突出するフランジ部16,17が本体部4のフランジ部7にボルト締結されることにより、本体部4に固定されている。この蓋部5,6は、膜エレメント2との協働により特定気体及び掃気用気体が流動する2次側排出部K2を画成している。
続いて、膜エレメント2について詳細に説明する。図4は、膜エレメントの外観を示す斜視図である。図5は、図4に示す膜エレメントの一部を破断した断面斜視図である。図6は、図5に示す膜エレメントにおけるプリーツ成形体を折り目方向から見た断面図である。図7は、プリーツ加工する前の気体分離膜基材を示す斜視図である。
上述のように、気体分離膜29は平膜であり、混合気体から特定気体を優先的に透過させる性質を持った選択透過膜であればよい。特定気体としては、酸素や窒素の他、水蒸気、二酸化炭素、水素、ヘリウム、アルゴン、脂肪族炭化水素、芳香族炭化水素、硫化水素、アンモニアなどが例示できる。気体分離膜の素材は、様々なものを用いることができるが、上記の実施形態のように窒素富化空気の生成を目的とするものであれば、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、Polymers of intrinsic microporosity(PIMs)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、Polymers of intrinsic microporosity(PIMs)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。
気孔率(%)=[体積(cm3)−質量(g)/樹脂密度]/体積(cm3)×100
通気性補強材30は、気体分離膜29の両面もしくは片面に設けることができるが、気体分離膜29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30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できるが、このうち、樹脂製ネット、金属製ネットが好ましい。これらのネットは、織機を用いた織り構造や押し出し成型後の延伸加工などによって作製が可能である。平織り構造のネットは単純構造であるために好ましい。さらに、平織り時の交点が融着された構造を有するネットは、強度が向上するためにより好ましい。
補強枠27は、プリーツ成形体26を補強するために、プリーツ成形体26の外周部と気密的に接着することによって膜エレメント2を構成するための構造材である。すなわち、補強枠27は、プリーツ成形体26の一方の面側及び他方の面側の両面側を開放して外周部を囲むことで、気密的に分離された上下一対の開放領域R1,R2を形成している。開放領域R1,R2は、略矩形状を呈している。補強枠27には、エポキシ等の樹脂、金属、FRP(Fiber Reinforced Plastics)等、目的に応じて各種材料を用いることが可能である。
ここで、特に本実施形態では、膜エレメント2は、剛性部材32を備えている。剛性部材32は、例えばポリカーボネート等から成る板部材で形成される。本実施形態において、この剛性部材は、後述するガスケット34に加えられる押圧(ガスケット線圧)を受圧することができる。この剛性部材32は、プリーツ成形体26の折り目31に交差する方向(補強枠27の長手方向)に延在し、補強枠27の開放領域R1,R2においてプリーツ成形体26に密接するように開放領域R1,R2の略中央部に配置されている。より具体的には、補強枠27の開放領域R1,R2には、その表面に例えば弾性エポキシ樹脂接着材(封止部)Sが塗布されており、剛性部材32は、その塗布された弾性エポキシ樹脂接着剤Sの上に載置されている。これにより、剛性部材32は、補強枠27の開放領域R1,R2においてプリーツ成形体26に弾性エポキシ樹脂接着剤Sを介して密着固定されている。なお、剛性部材32としては、各種樹脂、金属材料、また、それら両方の組み合わせ等が使用可能である。剛性部材32は、力を加えたときの変形が少ない材料であることが好ましい。より具体的には、引張降伏応力は5MP以上、引張弾性率は100以上、曲げ応力は10以上が好ましい。より好ましくは、引張降伏応力は20MP以上、引張弾性率は700以上、曲げ応力は40以上である。さらに好ましくは、引張降伏応力は50MP以上、引張弾性率は1000以上、曲げ応力は60以上である。なお、引張降伏応力及び引張弾性率はISO527に準拠して測定される。曲げ応力はISO178に従って測定される。
弾性エポキシ樹脂接着剤Sは、補強枠27の開放領域R1,R2において気体の給気側(給気領域)と排気側(排気領域)と区画し、プリーツ成形体26の内部を通過する気体の流路を形成する封止部として機能する。図6に示すように、弾性エポキシ樹脂接着剤Sは、プリーツ成形体26の開放領域R1,R2において、複数の折り目31の頂部31aが配置された仮想面Fを仮定した場合に、仮想面Fに沿って面状に設けられている。
また、剛性部材32の長手方向の両端部は、補強枠27に当接して支持されている。剛性部材32の幅方向の両端側には、1対のリブ部33a,33bが立設している。このリブ部33a,33bは、例えばポリカーボネート等といった材料から形成されており、剛性部材32の強度(剛性)を補強する補強部材である。なお、リブ部33a,33bとしては、各種樹脂、金属材料、また、それら両方の組み合わせ等が使用可能である。
本実施形態では、剛性部材32の上部には、ガスケット34が密接するように載置されている。ガスケット34は、例えばニトリルゴム(NBR)から形成される。本実施形態において、ガスケット34は、弾性エポキシ樹脂接着剤Sとの協働により、補強枠27の開放領域R1,R2において気体の給気側と排気側と区画し、プリーツ成形体26の内部を通過する気体の流路を形成している。このガスケット34は、剛性部材32及び補強枠27の形状に対応した形状を成している。
以上のような構成を有する膜エレメント2は、図3に示すように、ハウジング3において本体部4と一対の蓋部5,6との間に配置されている。具体的には、膜エレメント2は、補強枠27がガスケット34を介して本体部4のエレメント支持部13に当接すると共に、蓋部5,6のフランジ部16,17に当接して挟持されることでハウジング3内に固定されている。このとき、蓋部5,6のパーテーション部18,19及び本体部4のパーテーション部12は、膜エレメント2のリブ部33a,33bの間に位置してガスケット34と当接している。これにより、ガスケット34は、パーテーション部12,18,19から押圧されて、補強枠27の開放領域R1,R2において給気側(給気口B)と排気側(排気口E)とを区画している。つまり、プリーツ成形体26における気体の流路方向は、プリーツ成形体26の幅方向となっている。
続いて、第2実施形態に係る膜エレメントについて説明する。図11は、第2実施形態に係る膜エレメントが搭載された気体分離装置の横断面図である。図11に示すように、気体分離装置1Aに搭載された第2実施形態の膜エレメント2Aは、ガスケット35の形状が第1実施形態と異なっている。
続いて、第3実施形態に係る膜エレメントについて説明する。図12は、第3実施形態に係る膜エレメントが搭載された気体分離装置の断面図である。図12に示すように、気体分離装置1Bに搭載された第3実施形態の膜エレメント2Bは、ガスケット37の形状が第1及び第2実施形態と異なっている。
図20に示す気体分離システム81を運転し、空気から窒素富化された空気を生成した。図20に示す気体分離システム81は、膜エレメント2を装填した気体分離装置1を有している。気体分離装置1としては、図13に示した気体分離装置を用いた。
気体分離膜の支持層として、不織布上にポリエーオレフィン系微多孔膜を形成させた厚み20μmの平膜を使用したこと以外は、実施例1と同様に膜エレメントを作成した。その結果を表1に示す。
気体分離装置として、図10で示した気体分離装置50を用いたこと以外は、実施例1と同じ条件で運転を行った。その結果を表1に示す。
Claims (11)
- シート状の気体分離膜基材を折り畳んで形成されたプリーツ成形体と、前記プリーツ成形体の両面側を開放して前記プリーツ成形体を囲む補強枠とを備えた膜エレメントであって、
前記補強枠に囲われた前記プリーツ成形体の開放された領域の少なくとも一方において、前記プリーツ成形体の折り目に交差する方向に配置される剛性部材と、
前記剛性部材と前記プリーツ成形体との間に設けられ、前記プリーツ成形体に接着された封止部とを有し、
前記開放された領域は、前記封止部によって気体の給気領域と排気領域とに区画されていることを特徴とする膜エレメント。 - 前記封止部が接着剤又はシール剤であることを特徴とする請求項1記載の膜エレメント。
- 前記プリーツ成形体の前記開放された領域において、複数の折り目の頂部が配置された仮想面を仮定した場合に、前記封止部は、前記仮想面に沿って設けられていることを特徴とする請求項1又は2記載の膜エレメント。
- 前記封止部は、前記仮想面に沿って面状に設けられていることを特徴とする請求項3記載の膜エレメント。
- 前記封止部は、前記剛性部材から前記プリーツ成形体の折り目方向に前記補強枠に向かって拡がるように設けられており、
前記給気領域及び前記排気領域は、前記開放された領域の前記折り目方向の両側において、前記補強枠と前記封止部とにより前記折り目に交差する方向に沿ってそれぞれ画成されていることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項記載の膜エレメント。 - 前記封止部の面積は、前記開放された領域において5%〜95%であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項記載の膜エレメント。
- 前記剛性部材が前記補強枠に固定されていることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項記載の膜エレメント。
- 前記剛性部材の長手方向に延在すると共に、前記プリーツ成形体の高さ方向において前記剛性部材に対して立設するリブを備えていることを特徴とする請求項1〜7のいずれか一項記載の膜エレメント。
- 前記剛性部材及び前記封止部は、前記補強枠に囲われた前記プリーツ成形体の開放された領域の両方に設けられており、
前記開放された領域は、前記封止部によって気体の給気領域と排気領域とに区画されていることを特徴とする請求項1〜8のいずれか一項記載の膜エレメント。 - 請求項1〜9のいずれか一項記載の膜エレメントを備えることを特徴とする気体分離装置。
- 請求項10に記載の気体分離装置を備えることを特徴とする内燃機関。
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