JP6737412B1

JP6737412B1 - 流体分離素子

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Publication number: JP6737412B1
Application number: JP2019563297A
Authority: JP
Inventors: 真也下田; 正彬竹中; 朗片山
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 2018-09-26
Filing date: 2019-09-25
Publication date: 2020-08-12
Anticipated expiration: 2039-09-25
Also published as: US20220032236A1; EP3858469A4; WO2020067223A1; JPWO2020067223A1; CN112739447A; EP3858469A1; KR20210060487A

Abstract

本発明は、テレスコープ防止板と中心管との相対的な回転が、簡便な手段により効果的に抑止された、流体分離素子を提供する。本発明の流体分離素子は、中心管に分離膜が巻回された巻回体と、テレスコープ防止板と、を備え、テレスコープ防止板は、該テレスコープ防止板を貫通する開口部を有し、該開口部内には、中心管が挿入されており、開口部内におけるテレスコープ防止板の表面、及び、中心管における、開口部に挿入された部位の外表面の少なくともいずれか一方に、くぼみが設けられ、上記開口部と、上記中心管との間隙、及び、上記くぼみに、樹脂が充填されている。

Description

本発明は、流体分離素子に関する。

近年、海水又はかん水の淡水化や、排水の浄化等をはじめとする様々な水処理分野等において、分離膜を備える流体分離素子の使用が急速に増加してきている。

流体分離素子の一形態として、スパイラル型の流体分離素子が挙げられる。スパイラル型の流体分離素子は、中心管に分離膜がスパイラル状に巻回された巻回体を備えることを特徴とする。そして、その巻回体の端部には、分離膜等の部材の変形による分離性能の低下、いわゆるテレスコープを防止するために、テレスコープ防止板が配置されることが通常である。さらにテレスコープ防止板は開口部を有し、その開口部を貫通する形で中心管が挿入されることが多い。

そのような態様の流体分離素子においては、テレスコープ防止板が中心管の長手方向に対し垂直な方向に摺動する可能性、つまり、テレスコープ防止板が中心管を中心に回転する可能性がある。流体分離素子を用いた流体分離処理中にそのような回転が生じれば、中心管に巻回された分離膜の重なりにずれが生じたり、分離膜の表面が損傷したりする等の、様々な悪影響が生じかねない。
そのような回転を抑止するために、テレスコープ防止板と中心管との双方に互いに相補的な凹凸を設ける技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

中国実用新案第２０４６１９７６２号明細書

しかしながら従来の技術では、相補的な凹凸の成型の僅かな誤差によっても、中心管に対するテレスコープ防止板の回転抑止が不十分なものになりかねない。また流体分離素子の製造工程においては、相補的な凹凸の位置合わせをしながら中心管にテレスコープ防止板を嵌合せねばならないことから、作業が極めて煩雑になることが問題視されていた。

そこで本発明は、テレスコープ防止板と中心管との相対的な回転が、簡便な手段により効果的に抑止された、流体分離素子を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、下記の（１）〜（３）のいずれかの構成を備える。
（１）中心管に分離膜が巻回された巻回体と、テレスコープ防止板と、を備え、上記テレスコープ防止板は、該テレスコープ防止板を貫通する開口部を有し、該開口部内には、上記中心管が挿入されており、上記開口部内におけるテレスコープ防止板の表面、及び、上記中心管における、上記開口部に挿入された部位の外表面の少なくともいずれか一方に、くぼみが設けられ、上記開口部と上記中心管との間隙、及び、上記くぼみに、樹脂が充填されている、流体分離素子。
（２）上記中心管の長手方向における上記開口部の長さＬ_１と、上記中心管の長手方向における上記くぼみの長さＬ_２とが、Ｌ_２＜Ｌ_１の関係を満たす、上記（１）記載の流体分離素子。
（３）上記中心管の中心軸を含む平面での断面を取った場合に現れる、上記くぼみの断面形状または位置が上記中心管の周方向において異なる、あるいは上記くぼみが周方向に不連続な部分を有する、上記（２）に記載の流体分離素子。

本発明によれば、流体分離素子が備えるテレスコープ防止板と、それを貫通する中心管との間の相対的な回転を、簡便かつ効果的に抑止することが可能となる。

図１は、本発明のスパイラル型の流体分離素子の一例を示す、概略一部展開図である。図２は、本発明の構成要素である、テレスコープ防止板の開口部に挿入された中心管の部位を示す、一部概略斜視図である。図３は、本発明の一実施形態の流体分離素子について、テレスコープ防止板と中心管の固定位置における中心管の長手方向に対し垂直な断面を示す、概略図である。図４は、本発明の他の実施形態の流体分離素子について、テレスコープ防止板と中心管の固定位置における中心管の長手方向に対し垂直な断面を示す、概略図である。図５は、本発明の他の実施形態の流体分離素子について、テレスコープ防止板と中心管の固定位置における中心管の長手方向に対し垂直な断面を示す、概略図である。

以下、本発明の流体分離素子の実施の形態について、図面等を参照しながら説明する。

本発明の流体分離素子は、中心管に分離膜が巻回された巻回体と、テレスコープ防止板と、を備える。

図１は、本発明のスパイラル型の流体分離素子の一例を示す、概略一部展開図である。図１に示すように、流体分離素子は、中心管１、第１の分離膜３、第２の分離膜４、透過流体流路材５、供給流体流路材６、テレスコープ防止板９，１８を備える。

第１の分離膜３及び第２の分離膜４は、中心管１側の一辺以外の三辺が互いに接着され、封筒状の分離膜１３を形成している。この封筒状の分離膜１３は、中心管１の周囲にスパイラル状に巻回されて、巻回体１７を形成している。

図１に示す例では、供給流体流路材６が、封筒状の分離膜１３の供給側面に対向するように配置され、かつ、封筒状の分離膜１３と共に、中心管１の周囲に巻回されている。供給流体流路材６としては、例えば、ネットが好ましく用いられる。

また図１に示す例では、透過流体流路材５が、封筒状の分離膜１３に挿入されて、第１の分離膜３と第２の分離膜４との間に挟み込まれ、かつ、封筒状の分離膜１３と共に、中心管１の周囲に巻回されている。透過流体流路材５としては、例えば、トリコット又は突起物固着シート等を用いることができる。

中心管１は、中空の筒状部材であり、側面に複数の孔を有している。

巻回体１７の両端のうち、供給流体２が流入する側にはテレスコープ防止板９が取り付けられている。テレスコープ防止板９は、複数の供給口２２を備える円盤状の部材であり、図１に示す流体素子においては、外周環状部材と内周環状部材がスポーク状部材２４により結合され、複数の供給口２２が形成されている。テレスコープ防止板９は、巻回体１７の一端に配置されている。テレスコープ防止板９の略中央には、図２に示すように、テレスコープ防止板９を貫通する開口部２８が設けられており、該開口部２８内には、中心管１が挿入されている。

テレスコープ防止板９が配置された巻回体１７の他端にも、濃縮流体の排出口と透過流体の排出口とを備える円盤状の部材である、別のテレスコープ防止板１８が配置されている。

図１に示す流体分離素子による供給流体の分離について説明する。供給流体２は、テレスコープ防止板９の複数の供給口２２から巻回体１７に供給される。供給流体２は、封筒状の分離膜１３の供給側面において、供給流体流路材６で形成された供給流体流路内を移動する。封筒状の分離膜１３を透過した流体（図１中に透過流体８として示す。）は、透過流体流路材５によって形成された透過流体流路内を移動する。封筒状の分離膜１３の開口部から中心管１に到達した透過流体８は、中心管１の孔を通って中心管１の内部に入る。中心管１内を流れた透過流体８は、他端のテレスコープ防止板１８から外部へと排出される。一方、封筒状の分離膜１３を透過しなかった流体（図１中に濃縮流体７として示す。）は、供給流体流路を移動して、他端のテレスコープ防止板１８から外部へと排出される。こうして、供給流体２が、透過流体８と濃縮流体７とに分離される。

なお、巻回体１７の外周部は、巻回体１７の保護のため、外側シェルで覆われていることが好ましい。外側シェルは、繊維と樹脂との混合物からなる繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）で形成されることが好ましい。繊維強化プラスチックが含有する繊維の材質としては、例えば、ガラス、玄武岩、ナイロン又はポリエチレンが挙げられるが、外側シェルの強度を十分なものとするため、及び、外側シェルの内部が視認できるようにするため、ガラスが好ましい。また繊維強化プラスチックの成分である樹脂としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン又はエポキシ樹脂が挙げられるが、外側シェルの強度を十分なものとするため、エポキシ樹脂が好ましい。

本発明の流体分離素子が備える巻回体を構成する、有孔の中心管の素材としては、例えば、樹脂又は金属が挙げられるが、コストや耐久性に優れるため、ノリル樹脂、変性ポリフェニレンエーテル系樹脂又はＡＢＳ樹脂等の樹脂が好ましい。

本発明の流体分離素子が備える巻回体を構成する、分離膜としては、例えば、逆浸透膜、限外ろ過膜又は精密ろ過膜が挙げられる。

本発明の流体分離素子が備えるテレスコープ防止板の素材としては、例えば、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂又は耐熱性樹脂が挙げられるが、コストや耐久性に優れるため、ＡＢＳ樹脂等の樹脂が好ましい。またテレスコープ防止板の形状としては、強度を維持しながらも供給流体を高効率に分離膜エレメント内に供給するため、前記したような外周環状部材と内周環状部材とが複数のスポーク状部材で結合された、スポーク型構造が好ましい。

本発明の流体分離素子が備えるテレスコープ防止板は、該テレスコープ防止板を貫通する開口部を有し、該開口部内には、上記中心管が挿入されており、上記開口部内におけるテレスコープ防止板の表面、及び、上記中心管における、上記開口部に挿入された部位の外表面の少なくともいずれか一方に、くぼみが設けられている必要がある。

図２は、本発明の流体分離素子が備えるテレスコープ防止板の開口部に、本発明の流体分離素子が備える巻回体を構成する中心管が挿入された部位を示す、一部概略斜視図である。テレスコープ防止板９は、その略中央にテレスコープ防止板９を貫通する開口部２８を有し、該開口部２８内には、中心管１が挿入されている。

ここで「開口部内におけるテレスコープ防止板の表面」とは、開口部を形成するテレスコープ防止板の表面の内、中心管の長手方向からテレスコープ防止板を観察した際に、目視ができなくなる部位をいう。

また「中心管における、上記開口部に挿入された部位の外表面」とは、中心管の表面の内、中心管の長手方向からテレスコープ防止板及び中心管を観察した際に、目視ができなくなる部位をいい、図２では、開口部２８に挿入された部位の外表面３０として示されるものである。

上記のように、本発明の流体分離素子においては、「開口部内におけるテレスコープ防止板の表面」及び「中心管における、上記開口部に挿入された部位の外表面」の少なくとも一方に、くぼみが設けられている必要がある。図２では、くぼみは中心管の外表面側にのみ設けられており、くぼみ２６として示されている。

本発明の流体分離素子においては、上記開口部と上記中心管との間隙、及び、上記くぼみに、樹脂が充填されている必要がある。これら間隙及びくぼみの双方に樹脂が充填され、硬化することで、硬化後の樹脂が中心管とテレスコープ防止板との固定部材、すなわちアンカーとしての役割を果たすこととなり、テレスコープ防止板と、それを貫通する中心管との間の相対的な回転を抑制することが可能となる。充填される樹脂としては、硬化後の樹脂の強度を十分に保持するため、エポキシ樹脂又はウレタン樹脂が好ましい。またこの際、中心管とテレスコープ防止板の空隙およびくぼみに嵌るように形成された篏合部材が中心管とテレスコープ防止板との間隙に挿入され、篏合部材と中心管との間隙、および篏合部材とテレスコープ防止板との間隙に樹脂が充填されていてもよい。

上記中心管１の長手方向における上記開口部の長さをＬ_１、上記中心管１の長手方向における上記くぼみの長さをＬ_２としたとき、Ｌ_１とＬ_２とは、Ｌ_２＜Ｌ_１の関係を満たすことが好ましい。Ｌ_１とＬ_２とがこの関係を満たすことにより、充填された樹脂２７が上記開口部からはみ出すのを抑止することができる。

図３〜５は、いずれも、本発明の実施形態の流体分離素子について、テレスコープ防止板と中心管が固定された位置における中心管の長手方向に対し垂直な断面を示す、概略図である。図３では、テレスコープ防止板９側にのみくぼみ２６が設けられ、テレスコープ防止板９の開口部２８と該開口部２８に挿入された中心管１との間隙と、くぼみ２６とに樹脂２７が充填されている。図４では、中心管１の外表面のうち、テレスコープ防止板９の開口部２８に挿入された部位の外表面３０側にのみくぼみ２６が設けられ、図５では、テレスコープ防止板９側と、中心管１の外表面のうちテレスコープ防止板９の開口部２８に挿入された部位の外表面３０側の双方にくぼみ２６が設けられ、いずれも、テレスコープ防止板９の開口部２８と該開口部２８に挿入された中心管１との間隙と、くぼみ２６とに樹脂２７が充填されている。

くぼみの形状は、例えば三角柱状、円柱状、半球状、円弧状などが好ましいが、この記述によって形状が限定されるものではない。

くぼみの深さは、くぼみに充填された樹脂が漏出することを防ぐため、くぼみが設けられるテレスコープ防止板又は中心管を貫通しない程度であることが好ましい。

また、本発明の流体分離素子においては、中心管の中心軸を含む平面での断面を取った場合に現れる、くぼみの断面形状または位置が中心管の周方向において異なるか、あるいはくぼみが周方向に不連続な部分を有することが好ましい。くぼみの断面形状または位置が中心管の周方向において異なるか、くぼみが周方向に不連続な部分を有することで、テレスコープ防止板と中心管との間の相対的な回転の抑制がより強固となる。

テレスコープ防止板が有する開口部の体積に占める、くぼみの総体積の割合は、テレスコープ防止板と中心管との間の相対的な回転を十分に抑止しつつ、充填される樹脂の量が過大なものとならないようにするため、０．１〜１％（有効桁数を合わせ、より正確に表現する場合には、０．１〜１．４％）が好ましい。

上記では流体分離素子の一端における構成、すなわちテレスコープ防止板９と中心管１との構成を説明したが、流体分離素子の他端においても、テレスコープ防止板１８の開口部内表面及び該開口部内表面に対向する中心管の外表面のうちの少なくともいずれか一方にくぼみが設けられていてもよい。本発明では、流体分離素子の少なくとも一端において、テレスコープ防止板と中心管の少なくとも一方がくぼみを備えた構成とされていればよく、両端において上記構成であることがより好ましい。流体分離素子の両端において、テレスコープ防止板の開口部内表面及び該開口部内表面に対向する中心管の外表面のうちの少なくともいずれか一方にくぼみを有する構成であると、より強固にテレスコープ防止板の回転抑制ができる。

本発明の流体分離素子は、必要に応じて、圧力容器に格納して用いられても構わない。この場合、例えば流体分離素子が備えるテレスコープ防止板と圧力容器との間に生じる間隙を、ブラインシールにより閉塞することで、供給流体が該間隙内へ短絡的に流入するのを防ぐことができる。このようなブラインシールとしては、例えば、公知のＵ−カップリングシール、Ｖ−カップリングシール又はＯ−リングシール又はスプリットリングシールが挙げられるが、装填が容易なＵ−カップリングシールが好ましい。ブラインシールの素材としては、装填が容易な弾性材が好ましく、弾性材としては、例えば、ニトリルゴム、スチロールゴム、シリコーンゴム、フッ素ゴム、アクリルゴム、エチレンプロピレンゴム、エチレンプロピレンジエンゴム又はウレタンゴム等のゴムが挙げられるが、弾性材であるゴムの弾性及び強度をより高めるため、エチレンプロピレンゴム又はエチレンプロピレンジエンゴムが好ましく、架橋構造にペルオキシド構造が含まれるエチレンプロピレンジエンゴムがより好ましい。

次に、具体例を挙げて本発明についてさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例により何ら限定されるものではない。

（実施例１）
図１に示す態様の、一般的なスパイラル型の流体分離素子を製造した。
ポリアミド系逆浸透膜を幅１０７０ｍｍ、長さ１６７０ｍｍで裁断し、逆浸透膜の機能層側の面が内側になるように、長さ方向に二つ折りにしたものを二つ積層し、上側の第１の分離膜と、下側の第２の分離膜との接触面について、中心管に接する側の一辺以外の三辺をポリウレタン系樹脂で互いに接着し、封筒状の分離膜を形成した。この封筒状の分離膜に、トリコットのシートである透過流体流路材を挿入して挟み込み、さらに封筒状の分離膜の機能層側の面に、ネットである供給流体流路材を配置した分離膜ユニットを用意した。
この分離膜ユニットを積層し、変性ポリフェニレンエーテル系樹脂製の中心管（外径３８ｍｍ、長さ１０１６ｍｍ）の周囲に巻回して、巻回体を形成した。

この巻回体の両端をエッジカットしてから、それら両端にそれぞれＡＢＳ樹脂製のテレスコープ防止板を配置した。テレスコープ防止板としては、外径２００ｍｍの外周環状部材と、内径３８ｍｍの内周環状部材とが１２本のスポーク状部材で結合された、スポーク型構造を有し、開口部の巻回体に接する側の全周に角度４５°、深さ３ｍｍのテーパーが設けられたものを使用した。
このテーパーの表面（開口部内におけるテレスコープ防止板の表面）には、均等間隔になるように、計１２個の三角柱状のくぼみを設けた。１２個のくぼみの総体積は３２４ｍｍ^３であり、これがテレスコープ防止板の有する開口部の体積に占める割合は、１％であった。

テレスコープ防止板が有する開口部と中心管との間隙、及び、１２個のくぼみに樹脂を充填した。
巻回体の外周部は、ガラス繊維とエポキシ樹脂との混合物からなる繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）で覆い、ＦＲＰシェルを形成し、流体分離素子を完成した。

小麦粉の２，０００ｐｐｍ懸濁水に、凝集剤として塩化鉄（ＩＩＩ）とポリアクリルアミドとを添加したものを試験流体として、圧力容器に格納した流体分離素子に供給し、０．５ＭＰａの圧力で１日当たり５時間、合計７日間運転した。
７日間運転後の、中心管に対するテレスコープ防止板の回転角度は、０度であった。

（実施例２）
図１に示す態様の、一般的なスパイラル型の流体分離素子を製造した。
ポリアミド系逆浸透膜を幅１０７０ｍｍ、長さ１６７０ｍｍで裁断し、逆浸透膜の機能層側の面が内側になるように、長さ方向に二つ折りにしたものを二つ積層し、上側の第１の分離膜と、下側の第２の分離膜との接触面について、中心管に接する側の一辺以外の三辺をポリウレタン系樹脂で互いに接着し、封筒状の分離膜を形成した。この封筒状の分離膜に、トリコットのシートである透過流体流路材を挿入して挟み込み、さらに封筒状の分離膜の機能層側の面に、ネットである供給流体流路材を配置した分離膜ユニットを用意した。
この分離膜ユニットを積層し、変性ポリフェニレンエーテル系樹脂製の中心管（外径３８ｍｍ、長さ１０１６ｍｍ）の周囲に巻回して、巻回体を形成した。

この巻回体の両端をエッジカットしてから、それら両端にそれぞれＡＢＳ樹脂製のテレスコープ防止板を配置した。テレスコープ防止板としては、外径２００ｍｍの外周環状部材と、内径３８ｍｍの内周環状部材とが１２本のスポーク状部材で結合された、スポーク型構造を有し、開口部の巻回体に接する側の全周に角度４５°、深さ３ｍｍのテーパーが設けられたものを使用した。
また、中心管における、前記開口部に挿入された部位の外表面には、中心管の周方向に均等間隔になるように、計１２個の円柱状のくぼみを設けた。１２個のくぼみの総体積は３２４ｍｍ^３であり、これがテレスコープ防止板の有する開口部の体積に占める割合は、１％であった。

（実施例３）
図１に示す態様の、一般的なスパイラル型の流体分離素子を製造した。
ポリアミド系逆浸透膜を幅１０７０ｍｍ、長さ１６７０ｍｍで裁断し、逆浸透膜の機能層側の面が内側になるように、長さ方向に二つ折りにしたものを二つ積層し、上側の第１の分離膜と、下側の第２の分離膜との接触面について、中心管に接する側の一辺以外の三辺をポリウレタン系樹脂で互いに接着し、封筒状の分離膜を形成した。この封筒状の分離膜に、トリコットのシートである透過流体流路材を挿入して挟み込み、さらに封筒状の分離膜の機能層側の面に、ネットである供給流体流路材を配置した分離膜ユニットを用意した。
この分離膜ユニットを積層し、変性ポリフェニレンエーテル系樹脂製の中心管（外径３８ｍｍ、長さ１０１６ｍｍ）の周囲に巻回して、巻回体を形成した。

この巻回体の両端をエッジカットしてから、それら両端にそれぞれＡＢＳ樹脂製のテレスコープ防止板を配置した。テレスコープ防止板としては、外径２００ｍｍの外周環状部材と、内径３８ｍｍの内周環状部材とが１２本のスポーク状部材で結合された、スポーク型構造を有し、開口部の巻回体に接する側の全周に角度４５°、深さ３ｍｍのテーパーが設けられたものを使用した。
このテーパーの表面（開口部内におけるテレスコープ防止板の表面）には、均等間隔になるように、計１２個の三角柱状のくぼみを設けた。
また、中心管における、前記開口部に挿入された部位の外表面には、中心管の周方向に均等間隔になるように、計１２個の円柱状のくぼみを設けた。これら２４個のくぼみの総体積は３２４ｍｍ^３であり、これがテレスコープ防止板の有する開口部の体積に占める割合は、１％であった。

（比較例１）
テレスコープ防止板にくぼみを一切設けなかった以外は、実施例１と同様に流体分離素子を製造し、同様に合計７日間の運転を行った。
７日間運転後の、中心管に対するテレスコープ防止板の回転角度は、３度であった。

本発明を詳細にまた特定の実施形態を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。本出願は、２０１８年９月２６日出願の日本特許出願（特願２０１８−１８０２０８）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。

１：中心管
２：供給流体
３：第１の分離膜
４：第２の分離膜
５：透過流体流路材
６：供給流体流路材
７：濃縮流体
８：透過流体
９：テレスコープ防止板
１３：封筒状の分離膜
１６：内周環状部材
１７：巻回体
１８：別のテレスコープ防止板
２２：供給口
２４：スポーク状部材
２６：くぼみ
２７：樹脂
２８：開口部
２９：開口部内におけるテレスコープ防止板の表面
３０：開口部に挿入された部位の外表面

Claims

中心管に分離膜が巻回された巻回体と、
テレスコープ防止板と、を備え、
前記テレスコープ防止板は、該テレスコープ防止板を貫通する開口部を有し、
該開口部内には、前記中心管が挿入されており、
前記開口部内におけるテレスコープ防止板の表面、及び、前記中心管における、前記開口部に挿入された部位の外表面の少なくともいずれか一方に、くぼみが設けられ、
前記開口部と前記中心管との間隙、及び、前記くぼみに、樹脂が充填されている、流体分離素子。
前記中心管の長手方向における前記開口部の長さＬ_１と、前記中心管の長手方向における前記くぼみの長さＬ_２とが、Ｌ_２＜Ｌ_１の関係を満たす、請求項１記載の流体分離素子。
前記中心管の中心軸を含む平面での断面を取った場合に現れる、前記くぼみの断面形状または位置が前記中心管の周方向において異なる、あるいは前記くぼみが周方向に不連続な部分を有する、請求項２に記載の流体分離素子。