JP5628709B2 - 分離膜モジュール - Google Patents
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Description
本発明は、原液を濾過する分離膜を内蔵する分離膜モジュールに関する。
従来、例えば海水淡水化処理や超純水の製造などに用いられる分離膜モジュールが知られている。例えば、特許文献１には、図６に示すような分離膜モジュール１０が開示されている。この分離膜モジュール１０では、筒状の圧力容器１１内に複数本のスパイラル型膜エレメント１２が一列に装填されている。そして、図６中に矢印で示すように、分離膜モジュール１０の一方の端部から圧力容器１１内に原液が供給されると、その原液がスパイラル型膜エレメント１２の分離膜によって濾過されて透過液が生成され、その透過液と濃縮された原液が分離膜モジュール１０の他方の端部から別々に排出される。
隣り合うスパイラル型膜エレメント１２同士は、連結部材１５によって連結される。各スパイラル型膜エレメント１２は、分離膜および流路材を含む積層体が中心管１３の回りに巻き回された構成を有している。連結部材１５は、通常、両端部がスパイラル型膜エレメント１２の中心管１３と嵌合する短管からなる。図９に示す例では、連結部材１５が中心管１３に外側から嵌合している。
さらに、特許文献１には、原液や透過液の性状を検知するための各種のセンサやこれらのセンサによる検知信号を発信するためのアンテナを連結部材１５に設けることが記載されている。この構成により、特許文献１に開示された分離膜モジュール１０では、スパイラル型膜エレメント１２が取り替えられるときでもセンサなどを再利用することができる。
ところで、圧力容器の内部ではスパイラル型膜エレメントの周囲に（図９に示す例では連結部材１５の周囲にも）空間が形成されるため、運転時に圧力容器の内部が原液で満たされるとアンテナを使用した無線通信が阻害されることがある。特に、原液が例えば海水などのように電気伝導度の高い液体である場合は、アンテナと圧力容器の内周面との間に介在する原液層によってアンテナから発信された電波が減衰される。その結果、圧力容器外に設置される受信機または中継機での受信信号強度（ＲＳＳＩ：Received Signal Strength Indicator）が低下する。
本発明は、このような事情に鑑み、圧力容器内に配置されたアンテナから電波を発信する際の受信信号強度の低下を防止することができる分離膜モジュールを提供することを目的とする。
前記課題を解決するために、本発明は、内部で分離膜によって原液が濾過されて透過液が生成される筒状の圧力容器と、前記原液および前記透過液の少なくとも一方の性状を検知するためのセンサと、前記センサによる検知信号を発信するためのアンテナと、前記圧力容器の軸方向において前記分離膜の脇に位置するように前記筒状の圧力容器内に配設された内部部材であって、前記アンテナを内包するアンテナ保持部を有し、前記センサが取り付けられた内部部材と、前記アンテナ保持部と前記圧力容器の内周面との間の隙間を閉塞する閉塞部材と、を備える、分離膜モジュールを提供する。
上記の構成によれば、アンテナがアンテナ保持部に内包され、このアンテナ保持部と圧力容器の内周面との間の隙間が閉塞部材によって閉塞されているので、アンテナからは電波が原液を透過することなく圧力容器外に発信される。このため、受信信号強度の低下を防止することができる。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明は本発明の一例に関するものであり、本発明はこれらによって限定されるものではない。
（第１実施形態）
図１に、本発明の第１実施形態に係る分離膜モジュール１を示す。この分離膜モジュール１は、ベッセルと呼ばれる筒状の圧力容器７と、圧力容器７内に当該圧力容器７の軸方向に一列に装填された複数本のスパイラル型膜エレメント２（以下、単に「膜エレメント２」という。）と、隣り合う膜エレメント２同士の間に介在して各膜エレメント２の脇に位置するように圧力容器７内に配設された内部部材５Ａとを備えている。
図１に、本発明の第１実施形態に係る分離膜モジュール１を示す。この分離膜モジュール１は、ベッセルと呼ばれる筒状の圧力容器７と、圧力容器７内に当該圧力容器７の軸方向に一列に装填された複数本のスパイラル型膜エレメント２（以下、単に「膜エレメント２」という。）と、隣り合う膜エレメント２同士の間に介在して各膜エレメント２の脇に位置するように圧力容器７内に配設された内部部材５Ａとを備えている。
圧力容器７の両端には、円盤状のキャップ８，９が取り付けられている。一方（図１では左側）のキャップ８には、原液を圧力容器７内に供給するための供給管８１が中心からずれた位置に設けられている。他方（図１では右側）のキャップ９には、後述する分離膜２３によって原液が濾過されることにより生成される透過液を取り出すための第１排出管９１が中心に設けられており、濃縮された原液を取り出すための第２排出管９２が中心からずれた位置に設けられている。すなわち、圧力容器７内には、一方のキャップ８から他方のキャップ９に向かう原液の流れが形成される。なお、供給管８１および第２排出管９２は、圧力容器７に設けられていてもよい。
本実施形態では、膜エレメント２として、逆浸透膜エレメントが用いられている。ただし、膜エレメント２は、例えば限外濾過膜エレメントであってもよい。
各膜エレメント２は、集水管として機能する中心管２１と、中心管２１の回りに巻き回された積層体２２と、積層体２２を挟むように中心管２１の両端部に固定された一対の端部材３と、積層体２２を取り巻く外装材２８とを有している。一対の端部材３は、積層体２２がテレスコピック状に伸張することを防止する役割も果たす。
本実施形態では、一対の端部材３のうちの上流側の端部材３に、シール部材４１として、膜エレメント２と圧力容器７の内周面との隙間を原液の上流側の圧力を利用してシールする断面略Ｕ字状のパッキンが装着されている。ただし、シール部材４１は、断面略Ｕ字状のパッキンに限定されるものではなく、膜エレメント２と圧力容器７の内周面との隙間をシール可能なものであればどのような形状を有していてもよい。
中心管２１には、内部に透過液を流入させる複数の導入孔が形成されている（図２参照）。内部部材５Ａの後述する中空の軸部５１は、隣り合う膜エレメント１の中心管２１に跨って、透過液を流すための連続した流路を構成する。なお、最上流側に位置する膜エレメント２の中心管２１にはプラグ８２が取り付けられ、最下流側に位置する膜エレメント２の中心管２１は連結器９３によって第１排出管９１と連結されている。
図２に示すように、積層体２２は、巻き回される方向が一方の対辺方向となる矩形状をなしており、透過側流路材２４の両面に分離膜２３が重ね合わされた膜リーフと、供給側流路材２５とを含む。膜リーフは、一方向に開口する袋状となるように分離膜２３同士が３辺で接合された構成を有しており、その開口が中心管２１の導入孔と連通している。透過側流路材２４は、例えば樹脂からなる網であり、互いに接合される分離膜同士の間に透過液を流すための流路を形成する。供給側流路材２５は、例えば樹脂からなる網（透過側流路材２４よりも網目の大きな網）であり、巻き回される膜リーフの周回部分同士の間に原液を流すための流路を形成する。
分離膜２３としては、不織布やポリスルホン多孔質膜支持体上にポリアミド系スキン層を設けた複合逆浸透膜や、透過性に優れたポリビニルアルコール系分離膜、ナノフィルトレーション膜に好適なスルホン化ポリエーテルスルホン系分離膜などが挙げられる。
一対の端部材３は、中心管２１にそれらの端面が同一平面上に位置するように固定されている。具体的に、各端部材３は、中心管２１の端部に外側から嵌合する内側筒部３１と、内側筒部３１を離間しながら取り囲む、内側筒部３１と同心の外側筒部３２とを有している。
内側筒部３１と外側筒部３２は、放射状に配置された複数のリブなどによって互いに連結されている。リブ同士の間の空間は、端部材３を貫通して原液を流通させる流通口を構成する。なお、リブ同士の間には、複数の貫通孔が設けられた薄板が配設されていてもよい。
外側筒部３２の外周面には、周方向に延びる溝が形成されていてもよく、この溝に適宜シール部材４１を配置してもよい。さらに、外側筒部３２には、外装材２８を保持するための段差が形成されていてもよい。また、外側筒部３２の後述するプレート部５３に当接する端面には、原液を流通させるための溝部を設けることが好ましい。この溝部はプレート部５３の壁面に設けてもよい。
内部部材５Ａは、本実施形態では、隣り合う膜エレメント２同士を連結する連結部材として機能する。具体的に、内部部材５Ａは、図３（ａ）および（ｂ）に示すように、両端部が中心管２１内に嵌め込まれる軸部５１と、軸部５１の中央部から径方向外側に突出する複数（図例では３つ）のプレート部５３とを有している。本実施形態では、軸部５１およびプレート部５３が樹脂によって一体的に形成されているが、これらは別々に成型された後に接合剤や溶着などで接合されてもよい。
軸部５１およびプレート部５３を一体的に形成する方法は、特に限定されるものではないが、例えば、射出成形、押出成形、インサート成形、注型成形、真空注型成形などを挙げることができる。また、使用される樹脂としては、ポリスチレン（ＰＳ）、ＡＢＳ、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリアセタール（ＰＯＭ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、２，５−ジフェニルオキサゾール（ＰＰＯ）、ポリスルホン（ＰＳＵ）、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、ｐ−アミノサリチル酸（ＰＡＳ）、４−（２−ピリジルアゾ）レゾルシノール（ＰＡＲ）、ポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ）、ポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリイミド（ＰＩ）などが挙げられる。注型成形では、エポキシ樹脂やウレタン樹脂を使用することも可能である。また、強度を向上させるために、上記の樹脂にガラス繊維や炭素繊維、充填剤などの添加物を添加してもよい。
軸部５１は、一定の肉厚の筒状をなしている。なお、図示は省略するが、軸部５１の両端部には、軸部５１の外周面と中心管２１の内周面との隙間をシールするシール部材（例えば、オーリング）がそれぞれ装着されている。一方の端部に装着されるシール部材の数は、１つであってもよいし複数であってもよい。なお、中心管２１は、必ずしも全長に亘って一定の内径を有している必要はなく、中心管２１の端部には内径が拡大された拡径部が設けられ、この拡径部に軸部５１の端部が嵌り込むようになっていてもよい。
各プレート部５３は、厚さよりも十分に大きな幅を有している。なお、プレート部５１の幅は、少なくとも根元部分では軸部２１の外径よりも大きいことが好ましい。このようになっていれば、プレート部５３の根元部分同士が連続して軸部２１の周囲に切れ目のないリング部を形成することができるため、このリング部に配線を通したりすることができる。
さらに、本実施形態では、プレート部５３の１つ（図３（ａ）では左下に位置するプレート部５３）に第１流量センサ６１が取り付けられており、軸部５１に第２流量センサ６２が取り付けられている。第１流量センサ６１は、上流側の膜エレメント２から下流側の膜エレメント２に送り込まれる原液の流量を検知するためのものであり、第２流量センサ６２は、上流側の膜エレメント２から下流側の膜エレメント２に送り込まれる透過液の流量を検知するためのものである。
具体的に、そのプレート部５３には、当該プレート部５３を軸部５１の軸方向に貫通する貫通孔５５が設けられており、第１流量センサ６１はこの貫通孔５５内に配設されている。一方、第２流量センサ６２は、軸部５１内に配設されている。
なお、本実施形態では、第１流量センサ６１が１つだけ設けられているが、第１流量センサ６１は大きさの異なるものが複数設けられていることが好ましい。このような形態を用いると、流量センサの個体差から生じる誤差を補正することができる。
プレート部５３の他の１つ（図４（ａ）では上に位置するプレート部５３）の先端部は、圧力容器７の内周面７ａに近接する位置でアンテナ６５を内包するアンテナ保持部５４を構成する。ここで、「先端部」とは、軸部５１からのプレート部５３の全長のうちの先端面からおよそ１／３の領域をいう。
アンテナ６５は、第１流量センサ６１および第２流量センサ６２による検知信号を発信するためのものである。アンテナ６５は、当該アンテナ６５が封入されたプレート部５３の幅方向に延びている。アンテナ６５の長さは、無線通信に使用する電波の周波数に依存する。
また、本実施形態では、アンテナ６５が封入されたプレート部５３内には、第１流量センサ６１および第２流量センサ６２ならびにアンテナ６５に接続された回路基板６３も封入されている。回路基板６３には、アンテナ６５を使用した無線通信を行うための無線通信回路や、後述する電源装置６４から第１流量センサ６１および第２流量センサ６２への電力の供給を制御する電力制御回路などが形成されている。なお、回路基板６３は、当該回路基板６３にアンテナ６５が直接実装されるようにアンテナ６５の直下まで広がっていてもよいし、アンテナ６５よりも径方向内側に位置し、アンテナ６５と配線で接続されていてもよい。
残りのプレート部５３（図４（ａ）では右下に位置するプレート部５３）内には、回路基板６３を介して第１流量センサ６１および第２流量センサ６２に電力を供給する電源装置６４が封入されている。電源装置６４としては、電池や発電機、ＡＣ電源との接続や無線送電を利用することができる。中でも電池の使用が好ましい。
上記のようなプレート部５３内への電気部品の封入を実現する方法としては、例えば、プレート部５３を軸部５１の軸方向に二分割し、そのうちの一方のピースの分割面に電気部品を実装した後に、双方のピースを接合する方法が挙げられる。
さらに、アンテナ６５が封入されたプレート部５３の先端面には、アンテナ保持部５４と圧力容器７の内周面７ａとの間の隙間を閉塞する閉塞部材４２が当該先端面を覆うように固定されている。アンテナ保持部５４は、圧力容器７の内周面７ａに密着していることが好ましいが、必ずしも密着している必要はない。
本実施形態では、閉塞部材４２は、接着剤によってプレート部５３の先端面に貼り付けられている。ただし、閉塞部材４２の固定方法については特に限定されるものではなく、例えば、図４（ａ）および（ｂ）に示すようにプレート部５３の先端面に溝が設けられていて、この溝に閉塞部材４２が嵌め込まれるようになっていてもよい。
閉塞部材４２を構成する材料は、原液に溶出するなどの不具合を生じない限り限定されるものではないが、弾性変形によって圧力容器７の内周面７ａに密着させるという観点からはゴム系樹脂であることが好ましい。中でも、膜エレメント２を圧力容器７内に装填する際に内周面７ａに対する滑り性が高く、かつ、経年変化に対する安定性も高いシリコンゴムを用いることが特に好ましい。
以上説明した本実施形態の分離膜モジュール１では、アンテナ６５がアンテナ保持部５４に内包され、このアンテナ保持部５４と圧力容器７の内周面７ａとの間の隙間が閉塞部材４２によって閉塞されているので、アンテナ６５からは電波が原液を透過することなく圧力容器７外に発信される。このため、受信信号強度の低下を防止することができる。その結果、受信機や中継機をアンテナ６５から離れた位置に設置することが可能になり、それらの数を低減させることも可能になる。
さらに、本実施形態では、アンテナ保持部５４が圧力容器７の内周面７ａに近接する位置でアンテナ６５を内包するものであるので、アンテナから発信される電波の距離減衰をも低下させることができるとともに、閉塞部材４２を構成するのに必要な材料の使用量を低減させることができる。
ここで、本実施形態の効果を確認するために行った実験について説明する。実験では、原液として食塩水を用い、閉塞部材４２のある場合とない場合とで受信信号強度を測定した。受信信号強度は、絶対値が低いほどアンテナ６５と圧力容器７外に設置される受信機または中継機との間での無線接続が安定した状態にあることを示す。アンテナ保持部５４と圧力容器７の内周面７ａとの間の隙間は１ｍｍに設定した。
塩分濃度が３．５％の食塩水を用いたときには、閉塞部材４２がない場合は、受信信号強度が−８１ｄＢｍであった。これに対し、閉塞部材４２がある場合は、受信信号強度が−６８ｄＢｍと約１６％向上した。
また、塩分濃度が７．０％の食塩水を用いたときには、閉塞部材４２がない場合は、受信信号強度が−８８ｄＢｍであった。これに対し、閉塞部材４２がある場合は、受信信号強度が−７０ｄＢｍと約２０％向上した。
なお、本実施形態では、第１流量センサ６１および第２流量センサ６２が用いられていたが、本発明のセンサはこれに限られるものではなく、原液および透過液の少なくとも一方の性状を検知可能なものであればどのようなものを採用してもよい。例えば、本発明のセンサは、圧力センサ、温度センサ、電濃度センサなどであってもよい。
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係る分離膜モジュールを説明する。なお、本実施形態の分離膜モジュールは、第１実施形態の分離膜モジュール１に比べ、内部部材５Ａの代わりに図５に示す内部部材５Ｂが用いられている点だけが異なるので、以下では内部部材５Ｂについてのみを説明する。なお、図５では、第１実施形態で説明した構成と同一部分には同一符号を付している。
次に、本発明の第２実施形態に係る分離膜モジュールを説明する。なお、本実施形態の分離膜モジュールは、第１実施形態の分離膜モジュール１に比べ、内部部材５Ａの代わりに図５に示す内部部材５Ｂが用いられている点だけが異なるので、以下では内部部材５Ｂについてのみを説明する。なお、図５では、第１実施形態で説明した構成と同一部分には同一符号を付している。
内部部材５Ｂは、両端部が中心管２１（図１参照）に嵌め込まれる軸部５１と、軸部５１の中央部から互いに反対向きに径方向外側に突出する２つのプレート部５３と、圧力容器７の内周面７ａに沿ってプレート部５３の先端部同士を橋架する円弧状の橋架部５６とを有している。そして、プレート部５３の先端面および橋架部５６の外側面によって、内部部材５Ｂの筒状の外周面が構成されている。また、橋架部５６の内側面とプレート部５３の側面は、内部部材５Ｂを軸部５１の軸方向に貫通する開口５７を形成する。
一方のプレート部５３（図５では左に位置するプレート部５３）の先端部は、圧力容器７の内周面７ａに近接する位置でアンテナ６５を内包するアンテナ保持部５４を構成する。また、このプレート部５３内には、回路基板６３が封入されている。他方のプレート部５３（図５では右に位置するプレート部５３）内には、電源装置６４が封入されている。
本実施形態では、内部部材５Ｂに、透過液の電気伝導度を検知する電濃度センサ６６が取り付けられている。電濃度センサ６６は、内部部材５Ｂ内に封入された本体部と、この本体部から軸部５１の内側に突出する一対の電極とを有している。そして、電濃度センサ６６には、回路基板６３を介して電源装置６４から電力が供給され、一対の電極間に電圧が印加される。
さらに、本実施形態では、アンテナ保持部５４と圧力容器７の内周面７ａとの間の隙間を閉塞する閉塞部材４２が、アンテナ６５が封入されたプレート部５３の先端面から両側に広がっており、その両端部が橋架部５６の外側面上に位置している。ただし、閉塞部材４２は、第１実施形態と同様に、プレート部５３の先端面上のみに設けられていてもよい。
本実施形態のように橋架部５６が設けられていれば、閉塞部材４２を延ばしてアンテナ保持部５４の両側にも電波が原液を透過しない領域を形成することができるため、受信機や中継機の配置の自由度をより向上させることができる。
ところで、本実施形態では、内部部材５Ｂが筒状の外周面を有しているので、閉塞部材４２を内部部材５Ｂの周囲に全周に亘って設けてもよい。この場合には、隙間部材４２としてオーリングを用いることも可能である。ただし、この場合には、内部部材５Ｂを圧力容器７内に挿入する作業が困難になるため、閉塞部材４２は図５に示すように部分的に設けられていることが好ましい。
（その他の実施形態）
前記実施形態では、内部部材５Ａ，５Ｂが連結部材として機能していた。しかしながら、内部部材５Ａ，５Ｂから軸部５１を省略し、プレート部５３（および橋架部５６）からなる内部部材５Ａ，５Ｂの中心に中心管２１と嵌合する貫通孔を設ければ、内部部材５Ａ，５Ｂを膜エレメント２の端部材３として用いることもできる。
前記実施形態では、内部部材５Ａ，５Ｂが連結部材として機能していた。しかしながら、内部部材５Ａ，５Ｂから軸部５１を省略し、プレート部５３（および橋架部５６）からなる内部部材５Ａ，５Ｂの中心に中心管２１と嵌合する貫通孔を設ければ、内部部材５Ａ，５Ｂを膜エレメント２の端部材３として用いることもできる。
あるいは、上記のような構成にした場合には、内部部材５Ａ，５Ｂを、隣り合う膜エレメント２の双方の中心管２１に外側から嵌合する連結部材として用いることも可能である。
また、圧力容器７内に装填される膜エレメント２の本数は必ずしも複数本である必要はなく、１本であってもよい。ただし、本発明の内部部材が膜エレメント２同士を連結する連結部材として機能する場合は、少なくとも一対の膜エレメント２があればよい。
１ 分離膜モジュール
２ スパイラル型膜エレメント
２１ 中心管
２２ 積層体
２３ 分離膜
２４ 透過側流路材
２５ 供給側流路材
４２ 閉塞部材
５Ａ，５Ｂ 内部部材（連結部材）
５１ 軸部
５３ プレート部
５４ アンテナ保持部
５６ 橋架部
６１ 第１流量センサ
６２ 第２流量センサ
６５ アンテナ
６６ 電濃度センサ
７ 圧力容器
７ａ 内周面
２ スパイラル型膜エレメント
２１ 中心管
２２ 積層体
２３ 分離膜
２４ 透過側流路材
２５ 供給側流路材
４２ 閉塞部材
５Ａ，５Ｂ 内部部材（連結部材）
５１ 軸部
５３ プレート部
５４ アンテナ保持部
５６ 橋架部
６１ 第１流量センサ
６２ 第２流量センサ
６５ アンテナ
６６ 電濃度センサ
７ 圧力容器
７ａ 内周面
Claims (9)
- 内部で分離膜によって原液が濾過されて透過液が生成される筒状の圧力容器と、
前記原液および前記透過液の少なくとも一方の性状を検知するためのセンサと、
前記センサによる検知信号を発信するためのアンテナと、
前記圧力容器の軸方向において前記分離膜の脇に位置するように前記筒状の圧力容器内に配設された内部部材であって、前記アンテナを内包するアンテナ保持部を有し、前記センサが取り付けられた内部部材と、
前記アンテナ保持部と前記圧力容器の内周面との間の隙間を閉塞する閉塞部材と、
を備える、分離膜モジュール。 - 前記アンテナ保持部は、前記圧力容器の内周面に近接する位置で前記アンテナを内包するものである、請求項１に記載の分離膜モジュール。
- 前記閉塞部材は、ゴム系樹脂で構成されている、請求項１または２に記載の分離膜モジュール。
- 前記圧力容器内に装填された、前記分離膜および流路材を含む積層体が中心管の回りに巻き回された少なくとも一対のスパイラル型膜エレメントをさらに備え、
前記内部部材は、前記一対の膜エレメント同士を連結する連結部材として機能する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の分離膜モジュール。 - 前記内部部材は、両端部が前記中心管内に嵌め込まれる中空の軸部と、前記軸部の中央部から径方向外側に突出する複数のプレート部と、を有し、
前記アンテナ保持部は、前記複数のプレート部のうちの１つの先端部である、請求項４に記載の分離膜モジュール。 - 前記内部部材は、前記圧力容器の内周面に沿って前記プレート部の先端部同士を橋架する橋架部をさらに有する、請求項５に記載の分離膜モジュール。
- 前記センサは、前記原液の流量を検知する流量センサを含む、請求項１〜６のいずれか一項に記載の分離膜モジュール。
- 前記センサは、前記透過液の流量を検知する流量センサを含む、請求項１〜７のいずれか一項に記載の分離膜モジュール。
- 前記センサは、前記透過液の電気伝導度を検知する電導度センサを含む、請求項１〜８のいずれか一項に記載の分離膜モジュール。
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