JP6748463B2 - 膜モジュール - Google Patents

Description

本発明は、分離膜と、その分離膜を収容し、流体の入口と出口とを有する容器と、を備える膜モジュールに関し、より詳細には、前記容器の端部の嵌合構造に関するものである。

従来のスパイラル型膜エレメント（以下、単に「膜エレメント」ともいう）の構造としては、分離膜、供給側流路材及び透過側流路材の単数または複数が、分離膜、供給側流路材及び透過側流路材の単数又は複数が、有孔の中心管に巻きつけられた巻回体を備えるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

図７は、従来の膜エレメントの一部切欠き斜視図である。この図に示す膜エレメント１は、分離膜２、供給側流路材６及び透過側流路材３を含む膜部材が、中心管５の回りに巻きつけられた構造を有する。より具体的には、透過側流路材３の両面に分離膜２を重ね合わせて３辺を接着することにより封筒状膜（袋状膜）を形成し、その封筒状膜の開口部を中心管５に取り付け、ネット状（網状）の供給側流路材６とともに中心管５の外周面にスパイラル状に巻回することにより構成される。この巻回体Ｒの上流側には、シールキャリア等の上流側端部材１０が設けられ、下流側にはテレスコープ防止材等の下流側端部材１２が設けられる。

上記膜エレメント１を使用する際は、原液７は膜エレメント１の一方の端面側から供給される。供給された原液７は、供給側流路材６に沿って中心管５の軸芯方向に平行な方向に流れ、膜エレメント１の他方の端面側から濃縮液９として排出される。また、原液７が供給側流路材６に沿って流れる過程で分離膜２を透過した透過液８は、図中破線矢印に示すように透過側流路材３に沿って開孔５ａから中心管５の内部に流れ込み、この中心管５の端部から排出される。

このような膜エレメント１を圧力容器内に収容した、従来のスパイラル型膜モジュールでは、圧力容器の一方の端部に原液の供給部を有し、他方の端部に濃縮液の排出部と透過液の排出部を有し、上流側端部材１０の外周に設けたシール材によって、原液が膜エレメント１の内部を流動する構造となっている。

また、上記の圧力容器は、膜エレメント１の交換が行えるように、円筒状部材と蓋部材とを有し、円筒状部材の端部に設けたフランジ部に、蓋部材がボルト等により締結可能な構造になっている。

一方、中空糸膜を有する膜モジュールの場合、中空糸膜を収容する容器が一体化されていることが多い。例えば、特許文献２には、中空糸膜を収容する容器が、円筒状部材とその端部に螺合可能なキャップとを有し、両者の間にＯリングが介在する構造、およびキャップを円筒状部材に接着固定する点などが、開示されている。

特開平１０−１３７５５８号公報 特開２０１４−２４００７６号公報

しかしながら、膜エレメントの交換を行う必要がない場合、円筒状部材にフランジ部を設けた構造では、容器の製造コストが相対的に大きくなりすぎるという問題がある。また、特許文献２に記載されたように、円筒状部材にキャップを接着剤のみで固定した構造では、接着面積を大きくしないと、容器の耐圧性が十分確保できないという問題がある。また、キャップを円筒状部材に螺合する構造では、螺合時にキャップの回転位置が決まってしまうため、所定の位置に流体の入口等を配置できないという問題があり、また螺合の作業が煩雑となる傾向がある。

そこで、本発明の目的は、簡易な構造のため容器のコストが抑えられ、簡易な作業で容器の組立が可能で、しかも流体の入口等を所定の位置に配置できる膜モジュールを提供することにある。

上記目的は、下記の如き本発明により達成できる。
即ち、本発明の膜モジュールは、分離膜と、その分離膜を収容し、流体の入口と出口とを有する容器と、を備える膜モジュールにおいて、前記容器は、外筒部材と、その外筒部材の少なくとも一方の端部に内嵌された内嵌部材と、前記外筒部材と前記内嵌部材との間に介在するシール材及び弾性部材と、を含み、前記外筒部材は、前記端部の内壁面に内壁環状溝を有し、前記内嵌部材は、外壁面の前記内壁環状溝に対向する位置に外壁環状溝を有し、前記弾性部材は、前記内壁環状溝及び前記外壁環状溝に係合し、前記内壁環状溝又は前記外壁環状溝に略納まるように拡大又は縮小可能であることを特徴とする。

本発明の膜モジュールによると、弾性部材が内壁環状溝又は外壁環状溝に略納まるように拡大又は縮小可能であるため、内嵌部材を容器の端部に挿入する際に、弾性部材を内壁環状溝又は外壁環状溝にほぼ納めた状態で挿入するだけで、外壁環状溝及び内壁環状溝にまたがって弾性部材を係合させ、内嵌部材を抜け止めを行うことができる。この係合状態で、外筒部材と内嵌部材との間に介在するシール材により、流体の漏洩を防止できるため、簡易な構造のため容器のコストを抑えることができ、簡易な作業で容器の組立が可能となる。しかも、螺合の必要がないため、内嵌部材を自在に回転できるため、流体の入口等を所定の位置に配置できる。その結果、簡易な構造のため容器のコストが抑えられ、簡易な作業で容器の組立が可能で、しかも流体の入口等を所定の位置に配置できる膜モジュールを提供することができる。

上記において、前記外筒部材は、内壁の断面形状が略円形であり、前記弾性部材は、その内壁周囲の大きさ以下に縮小可能なＣリングであることが好ましい。このようなＣリングを用いることで、より簡易な操作で、弾性部材を内壁周囲の大きさ以下に縮小させることができ、内嵌部材を容器の端部に挿入した後には、Ｃリングが拡径して、外壁環状溝と係合することで、内嵌部材を抜け止めを行うことができる。

このとき、前記弾性部材は、前記外筒部材の中央側から端部側に向けて拡径する傾斜面を有するＣリングであることが好ましい。このような傾斜面を有することで、Ｃリングが外壁環状溝に完全に納まっていない状態でも、傾斜面と外筒部材の内壁の端縁が接触する際に、Ｃリングが縮小する方向に力が働いて、スムーズに内嵌部材を容器の端部に挿入することができる。また、同様の理由により、前記外筒部材の内壁面の端縁には、中央側から端部側に向けて拡径する傾斜面を有することが好ましい。

また、前記内嵌部材は、前記外壁環状溝より前記外筒部材の中央側にシール用環状溝を有し、前記シール材は、そのシール用環状溝に保持されているＯリングであることが好ましい。このような位置にシール用環状溝を設けることで、Ｏリングが弾性部材より中央側に保持されるため、外壁環状溝及び内壁環状溝に流体が流れ込んで、滞留することによる弊害を防止できる。

また、有孔の中心管と、前記分離膜、供給側流路材及び透過側流路材を含む膜部材が前記中心管に巻きつけられた巻回体と、その巻回体の外周に設けられた外装材と、を含む膜エレメントが、前記容器に収容されていることが好ましい。

このような膜エレメントは、スパイラル型膜エレメントとして、単位体積辺りの有効膜面積が大きく、高い圧力を付与できることが知られており、本発明の膜モジュールに用いる膜エレメントとして特に有効である。

本発明の膜モジュールの一例を示す縦断面図 本発明の膜モジュールの一例を示す左側面図 本発明の膜モジュールの一例を示す右側面図 本発明の膜モジュールの一例の要部を示す図であり、（ａ）は容器端部の組立斜視図、（ｂ）は容器端部の縦断面図 本発明の膜モジュールの他の例の要部を示す縦断面図 本発明の膜モジュールの他の例の要部を示す縦断面図 従来のスパイラル型膜エレメントの一例を示す斜視図

本発明の膜モジュールは、分離膜と、その分離膜を収容し、流体の入口と出口とを有する容器と、を備える膜モジュールにおいて、容器の嵌合構造に特徴を有するものである。このため、容器の嵌合構造以外の構成については、従来公知の構成、例えば膜エレメントの構成、流体の入口と出口の構造など、をいずれも採用することができる。

本実施形態では、図１に示すように、有孔の中心管５と、膜部材が前記中心管５に巻きつけられた巻回体Ｒと、その巻回体Ｒの外周に設けられた外装材１３と、を含む膜エレメントを収容する場合の例を示す。ここで、膜部材は、従来のスパイラル型膜エレメントと同様であり、例えば図７に示すように、分離膜２、供給側流路材６及び透過側流路材３を含んでいる。

本実施形態では、例えば図１に示すように、容器が、膜エレメント１を収容し、軸心方向の一方の端部に原液７の供給部２２ａを有し、軸心方向の他方の端部に濃縮液９の排出部２３ｂ及び透過液８の排出部２３ａを有する圧力容器２０である例を示す。

（膜エレメント）
膜エレメント１としては、図７に示すような、従来と同じスパイラル型膜エレメントを使用することができるが、シールキャリア等の機能を有する上流側端部材１０と、テレスコープ防止材等の機能を有する下流側端部材１２は、省略することも可能である。このため、図７を参考にして、説明する。

図７に示すように、膜エレメント１は、外周に孔を有する有孔の中心管５と、分離膜２、供給側流路材６及び透過側流路材３の単数又は複数を含む膜部材が、中心管５に巻きつけられた巻回体Ｒと、その巻回体Ｒの外周に設けられた外装材１３と、を備える。本実施形態では、分離膜２、供給側流路材６及び透過側流路材３を含む複数の膜部材が、中心管５の回りに巻きつけられている例を示すが、単数の分離膜ユニットが中心管に巻回されていてもよい。

膜エレメント１は、通常、供給側流路と透過側流路との混合を防止するための封止部を備えている。例えば、透過側流路材３の両面に分離膜２を重ね合わせて３辺を接着することにより封筒状膜（袋状膜）を形成する場合、外周側端辺の封止部１１と上流側端辺及び下流側端辺とに封止部が形成される。また、上流側端辺及び下流側端辺の内周側端部と中心管５との間にも封止部を設けるのが好ましい。

封筒状膜は、その開口部を中心管５に取り付け、ネット状（網状）の供給側流路材６とともに中心管５の外周面にスパイラル状に巻回することにより、巻回体Ｒが形成される。この巻回体Ｒの上流側には、シールキャリア等の上流側端部材１０が設けられ、下流側には、必要に応じてテレスコープ防止材等の下流側端部材１２が設けられていてもよい。

上記膜エレメント１を使用する際は、原液７は膜エレメント１の一方の端面側から供給される。供給された原液７は、供給側流路材６に沿って中心管５の軸芯方向に平行な方向に流れ、膜エレメント１の他方の端面側から濃縮液９として排出される。また、原液７が供給側流路材６に沿って流れる過程で分離膜２を透過した透過液８は、図中破線矢印に示すように透過側流路材３に沿って開孔５ａから中心管５の内部に流れ込み、この中心管５の端部から排出される。

分離膜２、供給側流路材６及び透過側流路材３、中心管１２としては、従来と同様のものが使用できる。

例えば、供給側流路材６としては、任意の材質を用いたネット状シート、メッシュ状シートなどを使用することが可能であるが、例えば、ポリプロピレン、ポリエチレンなどのポリオレフィンが好ましく使用される。透過側流路材３には、任意の材質を用いたネット状シート、メッシュ状シート、溝付シート、波形シート等が使用できる。分離膜２には、逆浸透膜、ナノろ過膜、限外ろ過膜等が使用できる。

外装材１３としては、従来の膜エレメント１と同様に、樹脂シート、樹脂テープ、繊維補強樹脂、これらの複合構造が使用できる。

（圧力容器）
本発明における容器は、外筒部材と、その外筒部材の少なくとも一方の端部に内嵌された内嵌部材と、前記外筒部材と前記内嵌部材との間に介在するシール材及び弾性部材と、を含んでいる。本実施形態では、例えば図１及び図４に示すように、圧力容器２０が、外筒部材である円筒部材２１と、その一方の端部に内嵌された内嵌部材である第１端部部材２２と、前記円筒部材２１と第１端部部材２２との間に介在するシール材２２ｃ及び弾性部材２４と、を含む例を示す。また、他方の端部に内嵌された内嵌部材である第２端部部材２３と、前記円筒部材２１と第２端部部材２３との間に介在するシール材２２ｃ及び弾性部材２４と、を含む例を示す。以下、第１端部部材２２の嵌合構造について説明するが、同様の構造を第２端部部材２３にも適用できる。

外筒部材である円筒部材２１は、端部の内壁面に内壁環状溝２１ａを有し、内嵌部材である第１端部部材２２は、外壁面の内壁環状溝２１ａに対向する位置に外壁環状溝２２ｄを有している。本発明において、内壁環状溝２１ａと外壁環状溝２２ｄは、少なくとも一部が対向する位置に設けられていればよく、溝全体が完全に対向する位置に設けられている必要はない。

弾性部材２４は、例えば図４（ｂ）に示すように、内壁環状溝２１ａ及び外壁環状溝２２ｄに係合している。図示した例では、弾性部材２４が、内壁環状溝２１ａ及び外壁環状溝２２ｄの中央側壁と端部側壁との両者に係合している。本発明では、少なくとも、弾性部材２４が、内壁環状溝２１ａの端部側壁及び外壁環状溝２２ｄの中央側壁に係合していればよく、これにより、容器内に圧力が生じた際に、内嵌部材が脱落するのを防止できるす。

弾性部材２４は、内壁環状溝２１ａ又は外壁環状溝２２ｄに略納まるように拡大又は縮小可能である。本実施形態では、弾性部材２４は、その内壁周囲の大きさ以下に縮小可能なＣリングである例を示す。

つまり、例えば図４（ａ）に示すように、第１端部部材２２の外壁環状溝２２ｄに対し、弾性部材２４を拡径した後に外嵌し（この状態で弾性部材２４は外壁環状溝２２ｄより径が大きい）、この弾性部材２４を手又はジグ等で縮小させて、外壁環状溝２２ｄに略納めることができる。このため、この状態で円筒部材２１の端部に挿入でき、内壁環状溝２１ａの位置まで挿入すると、弾性部材２４が拡径して元の大きさになり、内壁環状溝２１ａに係合させることができる。

弾性部材２４を縮小させる際、その外径が円筒部材２１の内径より小さければ、外壁環状溝２２ｄに納まっていない部分があっても、第１端部部材２２を円筒部材２１の端部に挿入できる。このため、弾性部材２４は、内壁環状溝２１ａ又は外壁環状溝２２ｄに完全に納まるように拡大又は縮小可能である必要はない。

図示した例では、内嵌部材である第１端部部材２２に拡径部２２ｅを設けてあるが、これにより、拡径部２２ｅが円筒部材２１の端面に当接し、内嵌状態を位置決めすることができる。このため、拡径部２２ｅを省略することも可能である。

弾性部材２４の材質としては、樹脂、金属、ゴム、これらの複合体等が挙げられるが、係合の耐久性、曲げ弾性率、製造の容易性などの観点から、樹脂又は金属が好ましい。

図示した例では、弾性部材２４の断面が矩形の場合を示しているが、少なくとも、弾性部材２４が、内壁環状溝２１ａの端部側壁及び外壁環状溝２２ｄの中央側壁に係合可能であれば、何れの断面形状であってもよい（図６（ａ）〜（ｃ）参照）。

シール材２２ｃを用いたシール構造については、第１端部部材２２を円筒部材２１の端部に挿入でき、液密な構造が確保できるものであれば、特に限定されず、従来公知のシール構造が何れも採用できる。

図示した例では、シール材２２ｃがＯリングであり、内嵌部材である第１端部部材２２が、外壁環状溝２２ｄより外筒部材の中央側にシール用環状溝２２ｆを有し、そのシール用環状溝２２ｆにＯリングが保持されている。このようなシール構造と、弾性部材２４による抜け止め構造とにより、簡易な構造のため容器のコストを抑えることができ、簡易な作業で容器の組立が可能となる。しかも、螺合の必要がないため、内嵌部材を自在に回転できるため、流体の入口等を所定の位置に配置できる。

本実施形態における圧力容器２０は、第２端部部材２３を更に有しており、円筒部材２１の他方の端部に、第２端部部材２３が液密状態で嵌合されている。液密状態とするための構造としては、例えば、第１端部部材２２の嵌合構造と同じものを採用することができる。第１端部部材２２及び第２端部部材２３は、例えば樹脂を用いた形成により製造することができる。

円筒部材２１は、樹脂、金属、セラミックスなどの任意の材料で形成することが可能であるが、耐圧性能と軽量化の観点から、マンドレル等の円柱状金型を用いて、これに補強繊維（ロービング繊維）を巻き付けた繊維補強樹脂で形成されていることが好ましい。前記内壁環状溝２１ａを形成するには、内壁環状溝２１ａと同じ形状を有し、複数に分割可能な型材を円柱状金型の周囲に設けておき、円筒部材２１を成形した後に、型材を取り外せばよい。

図１〜図３に示すように、第１端部部材２２の原液７の供給部２２ａ及び第２端部部材２３の濃縮液９の排出部２２ｂには、外部配管と接続するための接続管を液密状態で嵌合させる開口が形成されている。接続管を液密状態とするため、例えば、Ｏリング等が使用され、更に、抜け止めのための各種構造が採用できる（何れも図示省略）。

図１及び図３に示すように、第２端部部材２３は透過液８の排出部２３ａを有している。この例では、Ｏリング等のシール材５ｂを第２端部部材２３の嵌入部に保持させて、挿入した中心管５を嵌入し、液密に保持している。また、中心管５の先端には、外部配管と接続するための接続管５ｃを設けている。

また、図１〜図３に示すように、第２端部部材２３に透過液８の排出部２３ａを有する場合、第１端部部材２２には、中心管５を閉塞させるの密栓２２ｂ又は一端が閉塞した嵌入部を設けることが好ましい。この例では、Ｏリング等のシール材５ｂを第１端部部材２２の嵌入部に保持させて、挿入した中心管５を嵌入し、更に密栓２２ｂを設けて、液密に保持している。

（膜モジュールの他の実施形態）
（１）前述の実施形態では、第２端部部材２３のみが透過液８の排出部２３ａを有する例を示したが、第１端部部材２２に透過液８の排出部２３ａを設けたり、第１端部部材２２と第２端部部材２３に、排出部２３ａを設けることも可能である。

（２）前述の実施形態では、弾性部材２４が外筒部材である円筒部材２１の内壁周囲の大きさ以下に縮小可能なＣリングである例を示したが、図５（ａ）に示すように、弾性部材２４が内嵌部材である第１端部部材２２の外壁周囲の大きさ以上に拡大可能なＣリングとすることも可能である。

その場合、予め弾性部材２４を縮径させて、円筒部材２１の内壁環状溝２１ａに嵌め込んでおき、その状態で内嵌部材である第１端部部材２２を円筒部材２１の端部に挿入する。このとき、第１端部部材２２の先端に先端側が縮径する傾斜面を有することで、挿入時に弾性部材２４が（Ｃリング）が拡径し、弾性部材２４が外壁環状溝２２ｄの位置まで挿入されると、弾性部材２４が元の大きさに戻って、内壁環状溝２１ａ及び外壁環状溝２２ｄに係合する。

（３）前述の実施形態では、内嵌部材である第１端部部材２２が、外壁環状溝２２ｄより外筒部材の中央側にシール用環状溝２２ｆを有する例を示したが、図５（ｂ）に示すように、内嵌部材である第１端部部材２２が、外壁環状溝２２ｄより外筒部材の端部側にシール用環状溝２２ｆを有していてもよい。

（４）前述の実施形態では、弾性部材２４を１箇所だけ設ける嵌合構造の例を示したが、本発明では、図５（ｃ）に示すように、弾性部材２４を２箇所以上設ける嵌合構造を採用してもよい。また、同様にシール構造についても、２箇所以上にシール材２２ｃを用いるシール構造を採用してもよい。

（５）前述の実施形態では、弾性部材２４がＣリングである例を示したが、本発明では外力により弾性変形して外径又は内径が変化するものであれば、環状の弾性部材２４も使用することができる。このような環状の弾性部材２４としては、例えば、コイルバネ等で複数の円弧状部材が連結されたもの、などを用いることができる。

（６）前述の実施形態では、外筒部材の形状が円筒状である例を示したが、本発明は、四角柱状の外筒部材など、円筒状以外の形状の外筒部材とすることが可能である。例えば、四角柱状の外筒部材に対しては、４つのＬ字型部材をコイルバネ等で連結した弾性部材を使用することにより、本発明の膜モジュールを構成することができる。

（７）前述の実施形態では、断面形状が四角形の弾性部材２４を用いる例を示したが、図６（ａ）〜（ｂ）に示すように、種々の断面形状の弾性部材２４を用いることも可能である。例えば、図６（ａ）に示す弾性部材２４では、外筒部材の中央側から端部側に向けて拡径する傾斜面２４ａを有しており、内嵌部材を外筒部材の端部に挿入する際に、外筒部材の端面が弾性部材２４の傾斜面２４ａに当接して、弾性部材２４を縮小させることができる。このとき、傾斜面２４ａは平面である必要はなく、図６（ｂ）に示すように、曲面であってもよい。

また、弾性部材が、内壁環状溝に略納まるように拡大可能である場合には、図６（ｃ）に示すように、弾性部材２４が外筒部材の端部側から中央側からに向けて縮径する傾斜面２４ａを有していることが好ましい。

（８）前述の実施形態では、内壁環状溝２１ａ及び外壁環状溝２２ｄの断面形状がいずれも矩形である例を示したが、本発明では、少なくとも、弾性部材２４が、内壁環状溝２１ａの端部側壁及び外壁環状溝２２ｄの中央側壁に係合可能であれば、内壁環状溝２１ａ及び外壁環状溝２２ｄの断面形状は、特に限定されない。但し、係合による抜け止め効果を高める上で、内壁環状溝２１ａの端部側壁及び外壁環状溝２２ｄの中央側壁が、外筒部材の内壁又は内嵌部材の外壁に対して、垂直に形成されていることが好ましい。

（９）前述の実施形態では、平膜を含むスパイラル型膜エレメントを容器に収容する膜モジュールの例を示したが、本発明では、中空糸膜を容器に収容する膜モジュールであってもよい。その場合、従来の容器の端部の嵌合構造として、以上で説明した嵌合構造が適用される。

１ 膜エレメント
２ 分離膜
３ 透過側流路材
５ 中心管
５ａ 開孔
６ 供給側流路材
７ 原液
８ 透過液
９ 濃縮液
１３ 外装材
２０ 圧力容器（容器）
２１ 円筒部材（外筒部材）
２１ａ 内壁環状溝
２２ 第１端部部材（内嵌部材）
２２ａ 原液の供給部
２２ｃ シール材
２２ｄ 外壁環状溝
２３ 第２端部部材（内嵌部材）
２３ａ 透過液の排出部
２３ｂ 濃縮液の排出部
２４ 弾性部材
２４ａ 傾斜面
Ｒ 巻回体

Claims (5)

1. 分離膜と、その分離膜を収容し、流体の入口と出口とを有する容器と、を備える膜モジュールにおいて、
   前記容器は、外筒部材と、その外筒部材の少なくとも一方の端部に内嵌された内嵌部材と、前記外筒部材と前記内嵌部材との間に介在するシール材及び弾性部材と、を含み、
   前記外筒部材は、内壁の断面形状が略円形であり、前記端部の内壁面に内壁環状溝を有し、
   前記内嵌部材は、外壁面の前記内壁環状溝に対向する位置に外壁環状溝を有し、
   前記弾性部材は、前記内壁環状溝及び前記外壁環状溝に係合し、前記内壁環状溝又は前記外壁環状溝に略納まるように拡大又は縮小可能であり、前記外筒部材の内壁周囲の大きさ以下に縮小可能なＣリングであることを特徴とする膜モジュール。
2. 前記弾性部材は、前記外筒部材の中央側から端部側に向けて拡径する傾斜面を有するＣリングである請求項１に記載の膜モジュール。
3. 前記外筒部材の内壁面の端縁には、中央側から端部側に向けて拡径する傾斜面を有する請求項１又は２に記載の膜モジュール。
4. 前記内嵌部材は、前記外壁環状溝より前記外筒部材の中央側にシール用環状溝を有し、前記シール材は、そのシール用環状溝に保持されているＯリングである請求項１〜３いずれかに記載の膜モジュール。
5. 有孔の中心管と、前記分離膜、供給側流路材及び透過側流路材を含む膜部材が前記中心管に巻きつけられた巻回体と、その巻回体の外周に設けられた外装材と、を含む膜エレメントが、前記容器に収容されている請求項１〜４いずれかに記載の膜モジュール。

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