JPH01258722A - 酸素富化膜ユニット - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は大気あるいは混合気体から酸素を選択的に分離
する平膜式の気体透過膜セルを用いた酸素富化膜ユニッ
トに関するものである。

従来の技術 近年、酸素富化ガスは、燃焼用や医療用などに広く利用
されている。酸素富化ガスを得る方法としては、深冷分
離による酸素ボンベを使用するのが一般であり、他の代
表的な方法としてゼオライトなどを用いる方法もある。

近年になって、酸素富化ガスを容易に作り出し、省エネ
ルギー機器として利用する目的で、高分子の有機膜を利
用した酸素富化膜ユニットの開発が盛んに行われるよう
になってきている。

気体透過膜を利用した分離技術としては、たとえば特開
昭６２−１２５８２３号号公報に示されるような酸素富
化膜ユニットがある。

以下図面を参照しながら、従来の酸素富化膜ユニットに
ついて説明する。

第６図は従来の酸素富化膜ユニットの断面斜視図である
。図において、１１は空気中の塵埃を除去するフィルタ
ー、１２は空気がら選択的に酸素を富化する酸素富化膜
セル、１３は酸素富化空気を集合させる集合管、１４は
酸素富化膜セル１２と集合管１３を接続する真空チュー
ブで、酸素富化膜セル１２に減圧度を伝えるためのもの
である。

１５は酸素富化膜セル１２につねに新しい空気を供給す
るための通風スペース、１６は酸素富化膜セル１２につ
ねに新しい空気を供給する送風ファンで、酸素富化膜セ
ル１２へ供給される空気より塵埃を除去するフィルター
１１を介して、通風スペース１５を通して酸素富化膜セ
ル１２につねに新しい空気を供給するためのものである
。１７はこれら構成要素を収納するためのケースである
。

このように構成されている酸素富化膜セルにおいて、酸
素富化膜セル１２は、窒素よりも大きな速度で酸素を透
過させるものであり、集合管１３のフランジに真空ポン
プ（図示せず）を接続して減圧吸引をすると、真空ポン
プの排出側から酸素富化空気が得られる。

発明が解決しようとする課題 しかしながら、このような酸素富化膜ユニットには、酸
素富化流量が最も多い場合に、圧力損失が大きく、酸素
富化膜特性を十分に発揮することができないという課題
があった。

以下、上記課題について詳細に説明する。

酸素透過速度が２．０Ｘ１０　　（ｃｃ／秒・ｃＪ・ｍ
ｍＨｇ）以下で、選択係数が２．０以上の範囲の中で酸
素富化流量がもっとも多い場合、つまり酸素透過速度が
２．０Ｘ１０’で選択係数が２．０の酸素富化膜を使用
した場合について、 （ｉ）　　酸素富化膜セル１２の取出口の富化空気の流
れ方向と直交する内部断面積がセル１２単体の膜面積の
１．０Ｘ１０　　倍未満である場合、真空度−５５０ｍ
ｍＨｇ以上で圧力損失が１５ｍｍＨｇ以上ある。今、酸
素富化膜の膜面積が６０００ｃｆｆｌで、真空度が一５
５０ｍ＋＋＋Ｈｇである場合、理論式で計算すると、酸
素濃度が２９．８％、酸素富化流量が２３．２ｅ／分に
なる。しかしながら、実際には、圧力損失が１５＋ａｍ
ｌ（ｇ以上あるため、真空度が一５５０ｍＨｇであって
も、膜に与える圧力差が５３５ｗＨｇ以下になり、酸素
濃度２９．４％未満、酸素富化流量が２２．５ｉ！／分
未漢になってしまう。

（ｉｉ　）　　真空チューブ１４の富化空気の流れ方向
と直交する内部断面積が酸素富化膜セル１２単体の膜面
積の１．０Ｘ１０　　倍未満である場合、真空度−５５
０ｍＨｇ以上で圧力損失が１５ｍｍＨｇ以上である。

（ｉ）、（ｉｉ）のことから、酸素富化膜セル１２の取
出口の圧力損失と真空チューブ］４の圧力損失とを合計
すると、３０＋ｎ＋ａＨｇ以上になるため、膜に与える
圧力差がさらに少な（なり、５２０＋ｎｍＨｇ以下にな
る。その結果、酸素濃度２９．１％未満、酸素富化流量
２１．８ｅ／分未満に低下してしまう。

（ｉｉ）　　集合管１３の副管の流れ方向と直交する内
部断面積が、酸素富化膜セル１２単体の膜面積の１．０
Ｘ１０　　倍未満である場合、真空度５５０ｗＨｇ以上
で圧力損失が１０ｆｆＩＩＩＨｇ以上となる。また、主
管の富化空気と直交する内部断面積が、酸素富化膜ユニ
ットの縁膜面積の１，０×１０　倍未満である場合、真
空度−５５０ｍｍｌ（ｇ以上で圧力損失が５　ｒｔｔｒ
ａ　Ｈｇ以上となり、集合管１３全体の圧力損失が１５
ｍｍＨｇ以上となる。

（ｉ　）、　（ｉｉ）、　（ｉｉ）のことから、酸素富
化膜ユニット全体の圧力損失は、４５ｍｍＨｇ以上であ
る。

その結果、真空度が一５５０ｍｍＨｇであっても、膜に
与える圧力差は５０５ｗ＋Ｈｇ以下になり、酸素濃度が
２８．８％未満に低下する。また、酸素富化膜セル１２
単体の膜面積６０００ｃｍで、酸素富化膜ユニット全体
の膜面積が６．ＯＸ１０ｃｍ？である場合、理論的には
酸素富化空気が１３９Ｎｎ？／時であるのに対して、実
際には１２６Ｎｎ？／時未満になってしまう。

以上の結果を表にまとめて示す。

なお、酸素透過速度を上表の値より大きな値にしたり、
選択係数αをこれより小さな値にしたりすると、圧力損
失がますます大きくなる。

以上のように、酸素富化膜セル１２の取出口。

真空チューブ１４および集合管１３の主管、副管の酸素
富化空気の流れ方向に直交する内部断面積が、酸素富化
空気の透過通過量に対して小さいため、圧力損失が大き
くなり、酸素富化膜に与える圧力差が小さくなって、酸
素富化膜の特性を十分発揮することができないという課
題がある。

本発明は、上記問題点に鑑み、圧力損失の少ない、酸素
富化膜の特性を十分に発揮し得る酸素富化膜ユニットを
提供しようとするものである。

課題を解決するための手段 この目的を達成するために、本発明の酸素富化膜ユニッ
トは、酸素透過速度が ２．０Ｘ１０　　ｃｃ／秒・ｃｄ−ＩＩｖＩＩＨｇ以下
であって、選択係数が２．０以上である酸素富化膜にお
いて、真空度を一５５０ｍｍＨｇ以上にした場合でも、
下記三条性に設定しているものである。

（ｉ）　　酸素富化膜セルの取出口の酸素富化空気の流
れ方向と直交する内部断面積が酸素富化膜セセル単体の
膜面積の２．０Ｘ１０−５倍以上である。

（ｉｉ　）　　真空チューブの富化空気の流れ方向と直
交する内部断面積が酸素富化膜セル単体の膜面積の２．
０Ｘ１０　　倍以上である。

（伍）集合管が主管と複数個の副管とからなり、副管の
富化空気の流れ方向に直交する内部断面積が、酸素富化
膜セル単体の膜面積の２．０Ｘ１０−５倍以上で、しか
も主管の富化空気の流れ方向と直交する内部断面積が酸
素富化膜ユニットの縁膜面積の１．０Ｘ１０　　倍以上
である。

作　　　用 この構成により、酸素富化膜セルの取出口、真空チュー
ブおよび集合管の圧力損失が下がり、酸素富化膜に伝え
る圧力差を効率よく伝え、酸素富化膜の特性を十分に発
揮し得、大流量、高濃度をの酸素が得られる。

実施例 以下、本発明の一実施例について、第１図を用いて説明
する。

図において、ｌは混合気体を選択的に分離する酸素富化
膜セル、２はこの酸素富化膜セル１で選択的に分離され
た酸素富化空気を取り出すための取出口、３ａは各酸素
富化膜セル１より集められた分離気体を集めるための集
合管の副管、３ｂは副管３ａを通過する富化空気を集め
るための集合管の主管、４は酸素富化膜セル１と集合管
の副管３ａとを接続する真空チューブ、５はつねに新し
い空気を酸素富化膜セル１に供給する送風ファン、６は
つねに新しい空気を供給する空間を形成する通風スペー
スである。

以上の構成要素からなる酸素富化膜ユニットについて、
以下その動作を説明する。

集合管の主管３ｂの開口部より真空ポンプ（図示せず）
などの減圧手段を用いて酸素富化膜セル１の内部を減圧
して、酸素富化膜の表面と裏面との間に圧力差を生じさ
せる。同時に、送風ファン５によって酸素富化膜セル１
間の通風スペース６につねに新しい空気を供給する。酸
素富化された気体は、各酸素富化膜セル１内部から取出
口２、真空チューブ４を経て集合管の副管３ａおよび主
管３ｂに集められ、減圧手段側へ取り出される。

本発明によって、圧力損失を小さくし、酸素富化膜の特
性を十分発揮できる酸素富化膜ユニットを提供し得るこ
とをさらに具体的に説明する。

酸素透過速度が２．０　Ｘ　１０−’　（ｃｅ／秒・ｃ
ｉ−ｎｗ　Ｈｇ　）以下であって、選択係数が２．０以
上である条件下で、酸素富化流量がもっとも多い場合、
つまり酸素透過速度が２．０Ｘ１０−’で選択係数が２
．０である酸素富化膜を使用し、真空度を一５５０ｍｍ
Ｈｇ以上にした場合について、第２図〜第５図を用いて
説明する。

（ｉ）　　第２図に示すように、酸素富化膜セルの取出
口２の酸素富化空気の流れ方向と直交する内部断面積を
、たとえば０．１２ｃｎｆで酸素富化膜セル１単体の膜
面積（６０００ｃＪ）の２．０Ｘ１０−５倍とすると、
そのときの圧力損失が８ｍｍＨｇで酸素濃度が２９．６
％、流量が２２．９ｅ／分であった。取出口２の酸素富
化空気の流れ方向と直交する内部断面積が、酸素富化セ
ル単体の膜面積の２．０Ｘ１０−５倍未満であれば、圧
力損失が急激に太き（なる。

以上のことから、酸素富化膜セル１の取出口２の酸素富
化空気の流れ方向と直交する内部断面積を、酸素富化膜
セル単体の膜面積の２．０Ｘ１０−５倍以上とすること
により、圧力損失を１０ｍｍ１１ｇ未満にできる。

（ｉｉ）　　第３図に示すように、真空チューブ４の富
化空気の流れ方向と直交する内部断面積が０．１２ｃｗ
ｆで酸素富化膜セル１単体の膜面積（６０００ｃｎｆ）
の２．０Ｘ１０−５倍とすると圧力損失は８ｍｍ　Ｈｇ
であった。第３図からも理解できるように、真空チュー
ブ４の富化空気の流れ方向と直交する内部断面積が、酸
素富化膜セル１単体の膜面積の２．０Ｘ１０−５倍未満
であれば、圧力損失が急激に太き（なる。

以上のことから真空チューブ４の酸素富化空気の流れ方
向と直交する内部断面積は、酸素富化膜セル単体の膜面
積の２．０Ｘ１０　　倍以上にすることにより圧力損失
を１０ｍｍＨｇ未満にできる。

（ｉｉ　）　　第４図に示すように集合管の副管３ａの
富化空気の流れと直交する内部断面積を、セル１単体の
膜面積の２．０Ｘ１０　　倍とすると圧力損失は４　ｒ
ｔｎ　’Ａ　ｇであるが２．０Ｘ１０　　倍未満で、圧
力損失が急激に太き（なる。

第５図に示すように、集合管の主管３ｂの富化空気の流
れと直交する内部断面積を、酸素富化膜ユニットの縁膜
面積の１．０Ｘ１０　　倍で圧力損失は４ｍＨｇである
が、１．０Ｘ１０　　倍未満で、圧力損失が急激に太き
（なる。

以上のように、集合管全体の圧力損失を１０＋ｎｍｆ１
ｇ未満にするには、副管３ｂの富化空気の流れと直交す
る内部断面積を、セル１単体の膜面積の２．０×１０　
倍以上で、主管３ｂの断面積を酸素富化膜ユニットの縁
膜面積の１．０Ｘ１０　　以上であればよい。

発明の効果 以上のように、本発明の酸素富化膜ユニットは、酸素透
過速度２．０Ｘ１０　　ｃｃ／秒・ｔ：ｄ−ｍ　Ｈｇ以
下で選択係数α＝２．０以上の酸素富化膜ど、この膜を
用いた酸素富化膜セルと、送風ファンと、集合管と真空
チューブとフィルターと外ボックスとで構成され、 （ｉ）　　セルの取出口の内部断面積は、セル単体の膜
面積の２．０Ｘ１０　　倍以上で （ｉｉ　）　　真空チューブの内部断面積は、セル単体
の膜面積の２．０Ｘ１０　　倍以上で （ｉｉ）　　集合管は、主管と複数個の副管からなり、
副管の内部断面積は、セル単体の膜面積の２．ＯＸ　１
０−５倍以上で、しかも主管の内部断面積は、酸素富化
膜ユニットの縁膜面積の１．０Ｘ１０−５倍以上で、集
合管全体の圧力損失は、１１０ｍｍ１（未満である。

このことより、膜両面に伝える真空度が一５５０ｍ１ｇ
以上であれば酸素富化膜に伝わる圧力が、５５０ｍＨｇ
−取出口の圧力損失（ｌｏｍｍＨｇ）−真空チューブの
圧力損失（１０ｗａＨｇ）−集合管全体の圧力損失（１
０聰Ｈｇ）＝５２０唾Ｈｔｇである。つまり膜の両面の
圧力差は一５２０ｍｍＨｇ以上であるため、選択係数α
−２，０以上であれば、酸素濃度２９．２％以上、酸素
富化空気１３ＯＮｎ？／時以上となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の酸素富化膜ユニットの断面
図、第２図は取出口の酸素富化空気の流れに直交する内
部断面積と酸素富化膜セル単体の膜面積との比に対する
圧力損失の関係を示す図。 第３図は真空チューブの富化空気の流れに直交する内部
断面積とセル単体の膜面積との比に対する圧力損失の関
係を示す図、第４図は副管の富化空気の流れに直交する
内部断面積とセル単体の膜面積との比に対する圧力損失
の関係を示す図、第５図は主管の富化空気の流れに直交
する内部断面積とユニット全体の膜面積との比に対する
圧力損失の関係を示す図、第６図は従来の酸素富化膜ユ
ニットの断面斜視図である。 １・・・・・・酸素富化膜セル、２・・・・・・取出口
、３ａ・・・・・・集合管の副管、３ｂ・・・・・・集
合管の主管、４・・・・・・真空チューブ、５・・・・
・・送風ファン、６・・・・・・通風スペース。 代理人の氏名　弁理士　中尾敏男　ほか１名ｆ−−−酸
累旨「うヒ腺てル ２−　取出口 第１図　　　　　侃−某台背ａｙｉｌｌ管３ｂ−−−果
合暑１１：當 ４−　真空テー−デ ンーナ気Ｌ７アソ Ｃ−づ亀ｊＬスへ０−又 第２図 （致すム細肉令セ目φ「面イ場」′／覆詰芝粟著号４ど
２バラ萄ピノじハ月メ（面才ず１）第３図 （真空）１−プの内舒断面漿／畝系奮化嗅に７しＩＭ１
１１莢曲槓）第−４図 （饗）菅”の召り菅の肉＠５注１血槓／暮１富′化用ｔ
（ルＮ災面標）第５図 （１に計ηＦｙｒｘＶの自毛や渾忙面旗／訊隻専昼何４
ヒ用屹ユーットの廁も名爽イ爪利１）第６図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）酸素透過速度が２．０×１０＾−＾４（ｃｃ／秒
   ・ｃｍ＾２・ｍｍＨｇ）以下で選択係数α＝２．０以上
   の酸素富化膜と、前記酸素富化膜を用い、しかも厚み方
   向に配置されている複数個の酸素富化膜セルと、つねに
   新しい空気を供給する送風ファンと、選択的に分離され
   た酸素富化空気を集合する集合管と、前記集合管および
   前記酸素富化膜セルを接続する真空チューブと、供給空
   気より塵埃を除去するフィルターと、前記構成要素を収
   納する外ボックスとで構成され、 （ｉ）前記酸素富化膜セルの取出口の酸素富化空気の流
   れ方向と直交する内部断面積が、前記酸素富化膜セル単
   体の膜面積の２．０×１０＾−＾５倍以上で、 （ｉｉ）前記真空チューブの富化空気の流れ方向と直交
   する内部断面積が、前記酸素富化膜セル単体の膜面積の
   ２．０×１０＾−＾５倍以上で、 （ｉｉｉ）前記集合管が、前記主管と前記真空チューブ
   を連結する副管とからなり、前記副管の富化空気の流れ
   方向に直交する内部断面積が前記酸素富化膜セル単体の
   膜面積の２．０×１０＾−＾５倍以上で、しかも前記主
   管の富化空気の流れ方向と直交する内部断面積が、前記
   酸素富化ユニットの総膜面積の１．０×１０＾−＾５倍
   以上で、減圧手段の真空度を−５５０ｍｍＨｇ以上とし
   たとき、酸素濃度が２９．２％以上であることを特徴と
   する酸素富化膜ユニット。