JPWO2011037255A1 - 膜エレメント、気体分離装置及び内燃機関 - Google Patents

Abstract

気体分離性能の向上を図ることができる膜エレメント、気体分離装置及び内燃機関を提供する。膜エレメント２を備える気体分離装置１では、補強枠２７で囲まれたプリーツ成形体２６の開放領域Ｒ１，Ｒ２において、プリーツ成形体２６の折り目に交差する方向に配置される剛性部材３２を有し、開放領域Ｒ１，Ｒ２が、剛性部材３２とプリーツ成形体２６との間に設けられた弾性エポキシ樹脂接着剤Ｓ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。

Description

本発明は、膜エレメント、気体分離装置及び内燃機関に関する。

従来から、気体分離装置は、焼却炉、空調機、ディーゼルエンジン等に用いられている。気体分離装置は、酸素及び窒素を含む空気のうち酸素を膜エレメントに透過させて窒素富化気体や酸素富化気体を生成することができる。また、気体分離装置では、水蒸気を膜エレメントに透過させることにより、気体の加湿及び除湿を行うことができる。

燃焼炉における気体分離装置は、ダイオキシンの発生を抑えたり、燃焼効率を増大させるために用いることが可能である。具体的には、空気中の酸素を気体分離膜に透過させて酸素富化空気を生成し、それを燃焼炉に導入して燃焼温度を上昇させることで、ダイオキシンの発生を抑制することが考えられる。また、低カロリーの燃料でも酸素富化空気を使用することで、所定の温度で燃焼可能となる。

その他にも、窒素富化空気を燃焼炉に導入して窒素酸化物を抑えるために気体分離装置を用いることもできる。なお、窒素富化空気は、空気中の酸素を気体分離膜に透過させて除去することで、生成することができる。

空調機における気体分離装置は、空気を酸素と窒素とに分離して酸素富化空気を室内に導入するために用いられてきた。また、水蒸気を膜透過させることにより、加湿又は除湿を行うことにも使用されてきた。

また、自動車エンジンに広く用いられている内燃機関では、燃焼温度が高くなると窒素と酸素とが反応して、窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）を生成、排出するという問題がある。ガソリンエンジンの場合、窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）を除去するシステムとして三元触媒がある。この三元触媒は、酸化還元反応によって、排気ガスの炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）を同時除去することができる。

しかしながら、ディーゼルエンジンでは、燃料を過剰の空気で燃焼させる方式であり、排気ガス中に酸素が含まれるため、三元触媒が有効に機能しない。そのため、ディーゼルエンジンの場合には、燃焼室に供給する給気の酸素濃度を低下させて、燃焼温度を下げる方法が有効な方法の１つとして挙げられる。その具体例であるＥＧＲ方式（排気ガス循環方式）は、大気に排気ガスの一部を循環混合させることで、給気中の酸素濃度を低下させる方法である。

また、気体分離装置を用いて、窒素富化空気を燃焼室に供給することで、窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）を削減する方法も挙げられる。さらに、加湿した空気を燃焼室に供給することで、燃焼温度を下げる方法も有効である。気体分離装置は、酸素濃度が低い窒素富化空気又は加湿した空気を生成する装置として用いることもできる。

以上のような様々な用途に用いられる気体分離装置では、気体を分離する能力（気体分離性能）を向上させるために、これまで様々な検討がなされてきた。例えば、特許文献１には、平面プリーツ型膜エレメント及びその膜エレメントを用いた気体分離装置が開示されている。特許文献１に記載の膜エレメントは、気体分離膜をプリーツ加工したプリーツ成形体の外辺部に補強フレームを配した構成を有している。この膜エレメントを備える気体分離装置では、膜エレメントを収容するハウジングに給気口及び排気口を有するプレートを用いている。

また、特許文献２には、上面同士が対面配置された二つの膜エレメントと、二つの膜エレメントを下面側から挟持する一対の圧力プレートと、膜エレメントの上面１次側に混合気体を供給し、また排出するパイプと、膜エレメントを透過して下面側から排出された気体を放出する２次側流路とを備えて構成された気体分離装置が開示されている。この気体分離装置では、混合気体を供給するパイプ等は、上下に並んだ二つの膜エレメントの左右に配置されており、給気側のパイプを流動する混合気体は、スリット状の狭い通路を通って膜エレメントの１次側流路に供給され、更に、スリット状の狭い通路を通って排気側のパイプに排出されている。

国際公開ＷＯ２００５／１１０５８１号パンフレット 特開２００７−７５６９９号公報

しかしながら、上記従来の膜エレメントでは、給気領域と排気領域との区画が十分なものではなく、給気側から排気側に気体のショートカット（短絡）が生じるため、気体分離性能が低いといった問題があった。また、給気領域と排気領域の区画を形成する部材が物理的又は化学的に経時劣化するため、気体分離性能が経時的に性能低下を引き起こすといった問題もあった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、気体分離性能の向上を図ることができる膜エレメント、気体分離装置及び内燃機関を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る膜エレメントは、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、プリーツ成形体の両面側を開放して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、補強枠に囲われた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、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、剛性部材とプリーツ成形体との間に設けられる封止部とを有し、開放された領域は、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。

この膜エレメントでは、補強枠で囲まれた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、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を有し、補強枠で囲まれて開放された部分は、剛性部材とプリーツ成形体との間に設けられた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。このように、封止部によって気体の給気領域と排気領域とが区画されるため、気体を給気領域から排気領域へ流す際に、気体が気体分離膜基材のプリーツ成形体を経ずにショートカットすることを防ぐことができる。したがって、気体分離性能の向上を図ることができる。

また、封止部に力が加えられる場合において、剛性部材によって封止部に付与される力を受けることにより、プリーツ成形体の撓みが防止されるので、封止部のみを直接プリーツ成形体に当接させる従来の構成に比べて十分な接触圧（シール圧）を確保することができる。そして、剛性部材に封止部が当接した状態で、十分な接触圧により均一に開放領域に力が加えられるので、プリーツ成形体の開放された領域における気体の給気領域（上流側）と排気領域（下流側）とを確実にシールでき、気体のショートカットを防止している。その結果、気密性の向上を図ることができる。

封止部が接着剤又はシール剤であることが好ましい。接着剤又はシール剤は、プリーツ成形体が応力により変形を受けても、その変形に追従できるだけの柔軟性を有し、実質的に流動せず、しかも応力を緩和できる材料が好ましい。剛性部材とプリーツ成形体とが接着剤又はシール剤で接着されていることによって、剛性部材とプリーツ成形体とが密着して固定されることとなり、給気領域と排気領域とを確実に区画することがでる。これにより、ショートカットの防止効果がより高まる。さらに、剛性部材と封止部とが接着されていることにより、剛性部材に加えられる力がより均一に封止部に伝えられ、プリーツ成形体の撓みをより防止することができ、給気領域と排気領域とのシール性が向上する。

プリーツ成形体の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、封止部は、仮想面に沿って設けられていることが好ましい。このような構成によれば、気体のショートカットを防止することができる。

さらに、封止部は、仮想面に沿って面状に設けられていることが好ましい。このような構成によれば、封止部が折り畳まれた気体分離膜基材の間に深く入り込まないため、封止部による気体分離性能の低下を防止できる。

封止部は、剛性部材からプリーツ成形体の折り目方向に補強枠に向かって拡がるように設けられており、給気領域及び排気領域は、開放された領域の折り目方向の両側において、補強枠と封止部とにより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が好ましい。このような構成によれば、給気領域及び排気領域がプリーツ成形体の開放された領域両側に画成されるため、シール性を確保できる。加えて、分離対象となる気体が気体分離膜基材を進行する経路を長く確保することもできる。したがって、気体分離性能を良好なものとすることができる。

封止部の面積は、補強枠の開放された領域において５％〜９５％であることが好ましい。このような構成によれば、給気領域及び排気領域の面積を気体分離において最適なものとすることができる。また、封止部によって給気領域及び排気領域を自由に区画することができ、プリーツ成形体内部へ供給される気体の入口である給気領域及びプリーツ成形体から排出される気体の出口である排気領域の面積及び形状を、自由にかつ容易に調整できる。封止部の面積は、より好ましくは、１０％〜９０％である。さらに好ましくは、１５％〜８５％である。

剛性部材が補強枠に固定されていることが好ましい。このような構成にすることで、剛性部材にかかる応力が、プリーツ成形体に配分されることなく、補強枠に配分されるため、膜エレメント全体の剛性を確保することができる。そして、給気領域と排気領域とを区画する際に、この剛性部材が力を受けても、補強枠に支持されているため、プリーツ成形体の歪みがより防止されるために、気体流路の変形がなく、更に十分な接触圧を確保することができる。その結果、膜エレメントの気体分離性能の更なる向上を図ることができる。

剛性部材の長手方向に延在すると共に、プリーツ成形体の高さ方向において剛性部材に対して立設するリブを備えていることが好ましい。このような構成によれば、剛性部材の撓みを防止することができ、その結果、プリーツ成形体の撓みが更に防止される。したがって、より十分な接触圧を確保することができるので、気体分離膜の利用効率の向上を図ることができる。加えて、気体分離装置内の気体の流路が変形することがないため、精度高く流路を設計することができる。

剛性部材及び封止部は、補強枠に囲われた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、開放された領域は、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が好ましい。このように、開放された領域の両方において上記構成を有することによって、膜エレメントの両面において、ショートカットを防ぐことができる。

また、本発明に係る気体分離装置は、上述の膜エレメントを備えることを特徴とする。上述の膜エレメントを備えることで、気体分離性能を向上でき、効率的に気体分離を行うことができる。加えて、給気側と排気側のショートカット(短絡)の問題が無くなるために、圧力損失等の気体流路設計が正確に実施できる。また、シール部の不具合が無くなるために、膜エレメントの交換にあたってもモジュール性能の組み立て再現性が良好である。

また、本発明に係る内燃機関は、上述の気体分離装置を備えることを特徴とする。上述の気体分離装置を備えることで、気体分離性能の向上でき、効率的に気体分離を行うことができるため、内燃機関から発生するＮＯｘをより削減することができる。

本発明によれば、気体分離性能の向上を図ることができる。

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である。 図３は、図１に示す気体分離装置の断面図である。 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て示す断面斜視図である。 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。 図８は、膜エレメントにおける気体の流路の一例を示す図である。 図９は、内燃機関の構成を示す概略図である。 図１０は、従来の気体分離装置の構成を示す断面図である。 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断面図である。 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１３は、変形例に係る気体分離装置の外観を示す斜視図である。 図１４は、変形例に係る本体部の上面図である。 図１５は、変形例に係る蓋部の上面図である。 図１６は、変形例に係る気体分離装置の外観を示す斜視図である。 図１７は、図１６に示す気体分離装置の断面斜視図である。 図１８は、図１６に示す気体分離装置の分解斜視図である。 図１９は、気体分離システムの外観を示す斜視図である。 図２０は、気体分離システムの構成を示す概略図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、同一又は同等の要素については同一の符号を付し、説明が重複する場合にはその説明を省略する。

［第１実施形態］
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。

＜気体分離装置の構成＞
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＞
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）
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。

本体部４には、その内側に仕切板８が設けられている。仕切板８は、本体部４に形成される４つの１次側通路Ｐ１（図３参照）を上下２ずつに区画する板部材である。この仕切板８は、本体部４の高さ方向（図示上下方向）の略中央部分において、内壁９ａと内壁９ｂとに亘って配設されていると共に、本体部４の内壁９ｃと内壁９ｄとの間に開口１０ａ，１０ｂを形成している（図２参照）。

また、本体部４には、仕切板８に交差する方向にパーテーション部１２が設けられている。パーテーション部１２は、本体部４における１次側通路Ｐ１を、給気側と排気側とを区画する板部材である。パーテーション部１２は、本体部４の幅方向（図示左右方向）の中央部分において仕切板８に対して上下方向に立設すると共に、長手方向の両端部が本体部４の内壁９ｃ，９ｄに当接している。これにより、本体部４内には、４つの１次側通路Ｐ１が形成されている。

また、本体部４の内壁９ａ〜９ｄには、膜エレメント２を支持するためのエレメント支持部１３が設けられている。このエレメント支持部１３は、四方の内壁９ａ〜９ｄに沿って設けられており、その高さ位置は、本体部４の開口側の端部から膜エレメント２（補強枠２７）の高さ分だけ低い位置となっている。なお、エレメント支持部１３とパーテーション部１２の先端部１２ａとは、略面一となっている。

また、エレメント支持部１３は、１次側通路Ｐ１と膜エレメント２の１次側（開放領域）とを連通する１次側連通部Ｌ１を構成している。具体的には、１次側連通部Ｌ１は、エレメント支持部１３とパーテーション部１２によって形成され、図３に示すように、本体部４のエレメント支持部１３に膜エレメント２が支持された状態において膜エレメント２の１次側に対応する開口部分である。１次側供給部Ｋ１は、１次側通路Ｐ１と１次側連通部Ｌ１とから構成されている。

本体部４には、１次側通路Ｐ１に供給される混合気体の導入管１４と、プリーツ成形体２６の気体分離膜２９（後述）を選択透過せずに通過した窒素富化空気を排出する排出管１５とが接続されている。導入管１４は、１次側通路Ｐ１の給気側に連通しており、排出管１５は、１次側通路Ｐ１の排気側に連通している。この導入管１４及び排出管１５は、本体部４の内壁９ｃ側（一端側）に並設されている。すなわち、導入管１４及び排出管１５は、本体部４の長手方向において、開口が互いに同じ方向を向くように本体部４に設けられている。導入管１４及び排出管１５の内径は、１次側通路Ｐ１の径（仕切板８と膜エレメント２とによって形成される正方形断面の角管の水力直径）と略同径となっている。

本体部４の上下方向の端部には、前後及び左右方向に突出するフランジ部７が設けられている。このフランジ部７は、蓋部５，６を本体部４に固定するために、後述する蓋部５，６のフランジ部１６，１７が突き合わされた状態でボルト締結される。

（蓋部）
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。

蓋部５，６の内側には、パーテーション部１８，１９設けられている。このパーテーション部１８，１９は、蓋部５，６の幅方向の略中央部分において長手方向に延在し且つ開口側に向けて立設しており、蓋部５，６の内側に形成された空間を仕切ることで２次側通路Ｐ２における給気側と排気側とを区画している。パーテーション部１８，１９の先端部１８ａ，１９ａは、蓋部５，６のフランジ部１６，１７と略面一となっている。

蓋部５，６の開口部２０，２１は、２次側通路Ｐ２と膜エレメント２の２次側（開放領域）とを連通する２次側連通部Ｌ２として機能する。具体的には、２次側連通部Ｌ２は、図３に示すように、本体部４のエレメント支持部１３に膜エレメント２が支持された状態において膜エレメント２の２次側に対応する開口部分、すなわち開口部２０，２１である。２次側排出部Ｋ２は、２次側通路Ｐ２と２次側連通部Ｌ２とを有して構成されている。

また、蓋部５，６には、２次側通路Ｐ２に供給される掃気用気体の導入管２２，２３と、プリーツ成形体２６の気体分離膜２９を選択透過した酸素（Ｏ_２）を同伴する掃気用気体の排出管２４，２５が接続されている。導入管２２，２３は、２次側通路Ｐ２の給気側に連通しており、排出管２４，２５は、２次側通路Ｐ２の排気側に連通している。この導入管２２，２３及び排出管２４，２５は、蓋部５，６の長手方向の一端側に並設されている。すなわち、導入管２２，２３及び排出管２４，２５は、蓋部５，６の長手方向において、開口が互いに同じ方向を向くように蓋部５，６に設けられている。なお、導入管２２，２３を排出管とし、排出管２４，２５を導入管としてもよい。

＜膜エレメント＞
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。

図４〜７に示すように、膜エレメント２は、プリーツ成形体２６が補強枠２７で囲まれた構成となっている。

プリーツ成形体２６は、平膜状（シート状）の気体分離膜基材２８をプリーツ加工することによりよって得られた構造体である。気体分離膜基材２８は、平膜状の気体分離膜２９と、気体分離膜２９を挟むように配置されたメッシュ状の一対の通気性補強材３０とが一体となって形成されている。気体分離膜２９の間には、図５に記載されたような隙間があってもよいが、図６のように、気体分離膜２９同士がスペーサーを介して相互に密着して隙間が形成されない構造であることが好ましい。

図５に示されるように、プリーツ間に隙間があるプリーツ成形体の場合においても、封止部（後述する弾性エポキシ樹脂接着剤Ｓ）が、複数の折り目の頂部が配置された仮想面に沿って、剛性部材とプリーツ成形体の間に設けられることが好ましい。このとき、封止部は、仮想面に沿って、プリーツの頂部にのみ形成されてもよいし、面状に形成されてもよい。製法上の容易性からは、面状に形成されることが好ましい。

図７に示すように、気体分離膜２９は、平膜であり、分離対象となる気体、例えば空気から酸素ガス（Ｏ_２）を優先的に透過させる性質を持った選択透過膜である。なお、本発明における気体分離膜は、空気から酸素を優先的に透過させる選択透過膜に限定されず、混合気体から炭酸ガスや水蒸気等の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。

通気性補強材３０は、プリーツ加工を施した際に、気体分離膜２９同士の密着を防ぐことによって気体通路を確保し、良好な膜利用効率を達成するための手段に資するものであり、更にプリーツ成形体２６に必要な自立性を付与するための補助的な機能を担う。

プリーツ加工とは、平膜状の気体分離膜基材２８を特定のピッチで山折り谷折りを繰り返す加工を言う。プリーツ加工を施すことにより、気体分離膜基材２８は、蛇腹折りとなるように交互に折り返されて複数の折り目３１が形成された形態、すなわちプリーツ状の形態となってプリーツ成形体２６を構成する。このようなプリーツ加工により、この加工を行わない平膜に比べ、同じ投影面積、同じ容積の中により大きな面積を収納することができる。通常は、気体分離膜２９と通気性補強材３０とを積層した後にプリーツ加工を施すが、気体分離膜２９単独でプリーツ加工を施した後にプリーツ間に通気性補強材３０を挿入することも可能である。

本実施形態において、プリーツの「長さ」は、プリーツ方向と平行な長さであり、プリーツの「高さ」は、プリーツ成形体２６の一方の山から他方の山までの高さであり、プリーツの「幅」は、プリーツ方向の垂直（交差する）方向の長さである。プリーツ加工の方法としては、公知の方法が使用可能であり、例えばレシプロ（アコーディオン）プリーツマシーンやロータリープリーツマシーンを用いることができる。

次に、本発明のプリーツ成形体２６に適用できる気体分離膜２９や通気性補強材３０の材質や寸法及び特性について更に詳しく説明する。

（気体分離膜）
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。

気体分離膜２９の気体透過性は、透過速度と分離係数とで表現することができる。ここで、透過速度Ｒは単位時間、単位面積、単位分圧差における気体透過量で表され、慣習的にＧＰＵ（Gas Permeation Unit）＝１０^−６ｃｍ^３（ＳＴＰ）／ｃｍ^２ｓｅｃｃｍＨｇという単位が広く使用されている。更に、単位膜厚あたりの透過速度を透過係数Ｐといい、慣習的にバーラー（barrer）＝１０^−１０ｃｍ^３（ＳＴＰ）ｃｍ／ｃｍ^２ｓｅｃｃｍＨｇという単位が広く使用されている。透過速度が膜物性であるのに対して透過係数は材料物性であり、いくら透過係数に優れる素材であっても、必要十分な薄膜化適性を兼ね備えない場合は気体分離に適さない。また、分離係数αは任意の気体透過係数の比である。透過速度と分離係数は目的とする用途に応じて適切に選択されるが、たとえば内燃機関用窒素富化気体を供給する装置として用いる場合は以下の値であることが好ましい。

酸素の透過速度Ｒは、１００ＧＰＵ以上が好ましく、１０００ＧＰＵ以上がより好ましく、２０００ＧＰＵ以上が更に好ましく、３０００ＧＰＵ以上がより更に好ましく、５０００ＧＰＵ以上が特に好ましい。

酸素と窒素の分離係数α（＝ＲＯ_２／ＲＮ_２）は、１．１以上が好ましく、１．５以上がより好ましく、１．８以上が更に好ましく、２．０以上がより更に好ましく、２．２以上が特に好ましく、２．４以上が極めて好ましく、２．６以上が最も好ましい。αが１．１より小さい場合は、酸素に随伴して多量の窒素が１次側から２次側へ移動するため好ましくない。αが高いほど酸素に随伴する窒素の量を抑えることができるため好ましいが、一般的に分離係数と透過係数はトレードオフの関係にある。

気体分離膜２９の膜厚は、１μｍ以上１０００μｍ以下が好ましい。膜厚の下限は５μｍ以上がより好ましく、８μｍ以上が更に好ましく、１０μｍ以上が最も好ましい。膜厚の上限は５００μｍ以下がより好ましく、２００μｍ以下が更に好ましく、１００μｍ以下がより更に好ましく、５０μｍ以下が特に好ましく、２０μｍ以下が最も好ましい。膜厚が１μｍ未満になると、機械強度が不足する場合があり、膜厚が１０００μｍを越えると透過速度が不足する場合がある。

気体分離膜２９の膜厚は、一般的に薄いほど分離係数を維持しながら透過速度を向上できるため好ましいが、薄膜化に伴う破損等を避けるため、気体透過性と機械強度に優れた支持膜の上に形成されることが多い。こうした構造を持つ気体分離膜２９を複合膜と呼び、支持膜の上に形成した気体分離層のことを分離層、スキン層、活性層、と呼び、支持膜のことを支持層と呼ぶことがある。複合膜は、例えば、支持膜に気体透過性材料を塗布または含浸または接触することにより得ることができる。本実施形態では複合膜を用いている。

気体分離膜２９の支持層は、気体透過性と機械強度に優れ、プリーツ加工可能な平膜であれば様々なものを用いることができるが、織布、不織布、微多孔膜等を用いることができる。微多孔膜としては、ポリイミド微多孔膜、ＰＶＤＦ微多孔膜、ポリオレフィン微多孔膜、ポリスルホン微多孔膜、ポリエーテルスルホン微多孔膜など公知の様々な微多孔膜を用いることができるが、このうちポリオレフィン微多孔膜が好ましく、特に、ポリエチレン微多孔膜が好ましい。リチウムイオン電池用セパレーターとして用いられるポリオレフィン微多孔膜も好適に使用できる。また、ＵＦ膜として使用されるポリスルホン微多孔膜やポリエーテルスルホン微多孔膜が好ましい。

気体分離膜２９の支持層の気孔率は、５％以上９５％以下が好ましい。気孔率の下限は１０％以上がより好ましく、２０％以上が更に好ましく、３０％以上がより更に好ましく、４０％以上が最も好ましい。気孔率が５％未満では、気体透過性が不足する場合があり、気孔率が９５％を越えると、機械強度が不足する場合がある。

支持層の気孔率は次の方法で測定した。支持層から１０ｃｍ角のサンプルをとり、その体積と質量から次式を用いて計算した。なお、樹脂密度（ｇ／ｃｍ³）とは、支持層の成分である樹脂の密度を意味し、ＡＳＴＭ−Ｄ１５０５に準拠し、密度勾配法により測定できる。
気孔率（％）＝［体積（ｃｍ³）−質量（ｇ）／樹脂密度］／体積（ｃｍ³）×１００

気体分離膜２９の支持層の平均孔径は、０．１ｎｍ以上１０μｍ以下が好ましい。平均孔径の下限は１ｎｍ以上がより好ましく、１０ｎｍ以上が更に好ましい。平均孔径の上限は１μｍ以下がより好ましく、５００ｎｍ以下が更に好ましく、２００ｎｍ以下がより更に好ましく、１００ｎｍ以下が特に好ましい。平均孔径が０．１ｎｍ未満の場合は気孔率や表面開口率が低い場合が多いため好ましくない。平均孔径が１０μｍを超える場合は気体分離層にピンホールが生成しやすくなるので好ましくない。

気体分離膜２９の気体分離層の膜厚は、１ｎｍ以上１０μｍ以下が好ましい。膜厚の下限は１０μｍ以下がより好ましく、２０ｎｍ以上が更に好ましく、５０ｎｍ以上が最も好ましい。膜厚の上限は３μｍ以下がより好ましく、１μｍ以下が更に好ましく、５００ｎｍ以下がより更に好ましく、３００ｎｍが特に好ましく、２００ｎｍ以下が極めて好ましく、１００ｎｍ以下が最も好ましい。透過係数が十分に高い場合は膜厚が３μｍを超える場合も好適に用いることができる。

（通気性補強材）
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。

通気性補強材３０の厚さは、ネットの交点近傍で複数点測定し、その平均値から求めることができる。その厚さは、１０μｍ以上５０００μｍ以下が好ましく、厚さの下限は５０μｍ以上がより好ましく、１００μｍ以上が更に好ましく、２００μｍ以上がより更に好ましく、３００μｍ以上が特に好ましい。厚さの上限は２０００μｍ以下がより好ましく、１０００μｍ以下が更に好ましく、５００μｍ以下が最も好ましい。厚さが１０μｍ未満では、機械強度が不足する場合があり、厚さが５０００μｍを越えると、気体透過性が低下する場合がある。通気性補強材３０の厚さは、測定時の圧縮の程度によるため、膜エレメントを構成した場合の圧縮の程度、および、膜エレメントに運転時の全圧差を与えた場合の圧縮の程度で測定することが好ましい。

通気性補強材３０の気孔率は、その平面の上方から見た場合の空隙部の投影面積を全面積で除した数値として求められる。その気孔率は、３０％以上９５％以下が好ましく、気孔率の下限は４０％以上がより好ましく、５０％以上が更に好ましく、６０％以上がより更に好ましく、７０％以上が特に好ましく、８０％以上が極めて好ましく、９０％以上が最も好ましい。気孔率が３０％未満では、気体分離性が不足する場合があり、気孔率が９５％未満では、機械強度が不足する場合がある。通気性補強材３０の気孔率は、測定時の圧縮の程度によるため、プリーツ成形体を構成した場合の圧縮の程度、および、プリーツ成形体に運転時の全圧差を与えた場合の圧縮の程度で測定することが好ましい。

通気性補強材３０にネットを使用する際の線径は、０．０１ｍｍ以上２ｍｍ以下が好ましい。線径の下限は０．０２ｍｍ以上がより好ましく、０．０４ｍｍ以上が更に好ましく、０．０６ｍｍ以上がより更に好ましく、０．０８ｍｍ以上が特に好ましい。線径の上限は１ｍｍ以下がより好ましく、０．６ｍｍ以下が更に好ましく、０．４ｍｍ以下がより更に好ましく、０．２ｍｍ以下が特に好ましい。通気性補強材３０にネットを使用する際のメッシュは、２以上１０００以下が好ましい。メッシュ数の下限は５以上がより好ましい。メッシュ数の上限は１００以下がより好ましく、５０以下が更に好ましく、３０以下がより更に好ましい。気体分離膜２９を保護するため、気体分離膜２９と通気性補強材３０との間に薄手の通気性補強材を設けてもよい。この種の通気性補強材３０は片面または両面を平滑化処理したものがより好ましい。

（補強枠）
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。

（剛性部材）
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。

（封止部）
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。

弾性エポキシ樹脂接着剤Ｓは、剛性部材３２の幅寸法よりも大きい幅寸法で開放領域Ｒ１，Ｒ２上に塗布されており、その接着領域によって、給気領域（給気口Ｂ）及び排気領域（排気口Ｅ）の面積を調整している。つまり、弾性エポキシ樹脂接着剤Ｓは、剛性部材３２からプリーツ成形体２６の折り目方向に補強枠２７に向かって拡がるように設けられており、給気側（給気口Ｂ）及び排気側（排気口Ｅ）は、プリーツ成形体２６の折り目に交差する方向に沿って、補強枠２７と弾性エポキシ樹脂接着剤Ｓとによりそれぞれ画成されている。弾性エポキシ樹脂接着剤Ｓの面積は、開放領域Ｒ１，Ｒ２において５％〜９５％であり、給気側（給気口Ｂ）及び排気側（排気口Ｅ）の面積は、開放領域Ｒ１，Ｒ２において５％〜９５％である。

なお、剛性部材３２の接着固定に用いる接着剤は、プリーツ成形体が応力により変形を受けても、その変形に追従できるだけの柔軟性を有し、実質的に流動せず、しかも応力を緩和できる材料が好ましい。このような接着剤又はシール剤としては、ビスフェノール系エポキシ樹脂、脂環式エポキシ樹脂、シリコーン系樹脂、ウレタン系樹脂、アクリル系樹脂、ポリオレフィン系樹脂、ゴム系樹脂、ホットメルト樹脂等が挙げられる。これらの材料は、単独でも混合されてもよい。また、１液型、２液型、溶剤型、無用剤型、硬化型のいずれも使用可能である。さらに、無機物が添加されていても良い。また、封止部として、シール剤を用いてもよい。

（リブ部）
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。

（ガスケット）
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。

＜膜エレメントの配置＞
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。

プリーツ成形体２６、すなわち膜エレメント２における気体の流路方向について、図８を参照しながら具体的に説明する。図８は、膜エレメントにおける気体の流路の一例を示す図である。図８に示すように、例えば開放領域Ｒ１の給気領域（給気口Ｂ）から給気された分離対象の混合気体である空気は、プリーツ成形体２６をプリーツ方向（幅方向）に沿って進行し、気体分離膜２９にて特定気体である酸素を選択透過した窒素富化空気として、排気領域（排気口Ｅ）から排気される。また、開放領域Ｒ２の給気領域（給気口Ｂ）から給気された掃気用気体は、プリーツ成形体２６をプリーツ方向に沿って進行し、気体分離膜２９を選択透過した酸素を同伴した酸素富化空気として排気領域（排気口Ｅ）から排出される。

続いて、気体分離装置１が搭載された内燃機関について説明する。図９は、内燃機関の構成を示す概略図である。同図に示すように、内燃機関１００は、膜エレメント２を搭載する気体分離装置１と、コンプレッサー１０１と、温調機１０２と、ポンプ１０３と、ディーゼルエンジン１０４とを含んで構成されている。内燃機関１００では、コンプレッサー１０１から温調機１０２に空気が導入され、温調機１０２にて温度が調整された空気が気体分離装置１に供給される。そして、気体分離装置１の膜エレメント２の気体分離膜２９にて酸素が選択透過された窒素富化空気は、ディーゼルエンジン１０４に供給される。

また、ポンプ１０３から供給された掃気用気体である空気は、気体分離装置１に導入され、膜エレメント２の気体分離膜２９を選択透過した酸素を同伴し、酸素富化空気として排気される。さらに、ポンプ１０３から水蒸気、水、炭酸ガスなどを導入することにより、内燃機関に供給される給気組成を調整することも可能である。

続いて、本実施形態に係る膜エレメント２及びこの膜エレメント２を搭載する気体分離装置１の作用・効果について説明する。

膜エレメント２では、剛性部材３２の上部にガスケット３４が配置され、剛性部材３２の下部には、封止部として弾性エポキシ樹脂接着剤Ｓが塗布されている。このような構成により、ガスケット３４に付与される押圧を部材によって受圧することができ、且つ、剛性部材３２により弾性エポキシ樹脂接着剤Ｓに対して均一に圧力を付与することができるので、プリーツ成形体２６の開放領域Ｒ１，Ｒ２における気体の給気側と排気側とをより確実にシールできる。

そして、剛性部材３２が開放領域Ｒ１，Ｒ２に密接しつつ、十分な接触圧（シール圧）により均一に開放領域Ｒ１，Ｒ２に力が加えられるので、プリーツ成形体２６の両面側の開放領域Ｒ１，Ｒ２における気体の給気側と排気側とを確実にシールでき、気体のショートカットをより防止することが可能となる。その結果、気体分離性能の向上を図ることができる。

また、剛性部材３２は、補強枠２７の開放領域Ｒ１，Ｒ２に弾性エポキシ樹脂接着剤Ｓにより接着固定されているので、剛性部材３２とプリーツ成形体２６とが密着固定されることになる。それによって、給気領域と排気領域とを確実に区画することができるので、気体のショートカットをより確実に防止することができる。

加えて、剛性部材３２に加えられる力がより均一に弾性エポキシ樹脂接着剤Ｓに伝えられ、プリーツ成形体２６の撓みを防止することができる。それによって、給気領域と排気領域のシール性がより向上する。また、流路を正確に構成できるので、流路の圧力損失設計が容易になり、理論性能に近い性能を追求することもできる。

また、剛性部材３２を接着固定する弾性エポキシ樹脂接着剤Ｓの塗布領域によってプリーツ成形体２６内部への気体の給気口Ｂ（給気領域）及び排気口Ｅ（排気領域）の面積を調整することができるので、プリーツ成形体２６内部への気体の給気量を簡易な構成により調整することができると共に、シール性を確保することができる。また、弾性エポキシ樹脂接着剤Ｓの面積を、開放領域Ｒ１，Ｒ２の５％〜９５％とすることで、給気領域及び排気領域の面積を気体分離において最適なものとすることができる。

また、膜エレメント２では、剛性部材３２の上にガスケット３４が載置されており、この剛性部材３２は、気体の給気側と排気側とが区画されるプリーツ成形体２６の折り目３１に交差する方向において、補強枠２７に当接して支持されている。このように、剛性部材３２を補強枠２７に当接して支持されるように配置することで、剛性部材３２の剛性を確保することができる。そして、剛性部材３２にかかる応力が、プリーツ成形体２６に配分されることなく、補強枠２７に配分されるため、膜エレメント２全体の剛性を確保することができる。したがって、給気領域と排気領域とを区画する際に、この剛性部材３２が力を受けても、補強枠２７に支持されているため、プリーツ成形体２６の歪みがより防止されるために、気体流路の変形がなく、更に十分な接触圧を確保することができる。その結果、膜エレメント２の気体分離性能の更なる向上を図ることができる。

加えて、この剛性部材３２によってガスケット３４に付与される力及びプリーツ成形体２６に密接する弾性エポキシ樹脂接着剤Ｓに対する力を受けることにより、プリーツ成形体２６の撓みが防止されるので、ガスケット３４を直接プリーツ成形体２６に当接させる構成に比べて十分な接触圧を確保することができる。

また、本実施形態では、剛性部材３２の長手方向に沿って延在すると共に、プリーツ成形体２６の高さ方向において剛性部材３２に対して立設するリブ部３３ａ，３３ｂを備えている。このように、剛性部材３２に沿ってリブ部３３ａ，３３ｂを設けることにより、剛性部材３２の撓みを防止することができ、その結果、プリーツ成形体２６の撓みが更に防止される。したがって、より十分な接触圧を確保することができるので、ショートカットをより防止することができる。

図１０は、従来の気体分離装置の断面図である。図１０に示すように、従来の気体分離装置５０は、上面同士が対面配置された二つの膜エレメント５２，５３と、二つの膜エレメント５２，５３を下面側から挟持する一対の圧力プレート５４，５５と、膜エレメント５２，５３の上面１次側に混合気体を供給又は排出するパイプ５６，５７と、膜エレメント５２，５３の気体分離膜を透過して排出された気体を放出する２次側流路５８，５９とを備えて構成されている。また、給気領域と排気領域を隔てる流路制御手段６２を有している。

この気体分離装置５０において、給気側のパイプ５６を流動する混合気体が膜エレメント５２，５３の１次側に供給される際に、また、膜エレメント５２，５３の１次側の領域を流動する混合気体が排気側のパイプ５７に排出される際に、スリット状の狭い通路６０，６１を抜ける必要があり、収縮流、拡散流が発生し、圧力損失が高くなるおそれがある。また、給気側のパイプ５６を流動する混合気体が膜エレメント５２，５３の１次側に供給される際に、また、膜エレメント５２，５３の１次側の領域を流動する混合気体が排気側のパイプ５７に排出される際に、混合気体が流動する経路が屈曲しているため、渦流が発生するおそれがあった、そのため、圧力損失が大きくなり易く、気体の分離、濃縮効率の低下を招来し易かった。

加えて、気体分離装置５０では、流路制御手段（スポンジ部)６２とプリーツ成形体とは機械的な接触であるため、給気側のパイプ５６より導入された気体の一部が、プリーツ成形体と流路制御手段６２の間をショートカット(短絡)する。それによって、気体分離性能が損なわれる。

さらに、流路制御手段６２は長期使用により機械的強度が低下し、シール性が悪化するため、気体分離性能が経時的に低下することになる。また、流路制御手段６２からプリーツ成形体への応力によって、プリーツが変形するため、プリーツ入り口や内部の圧力損失が増大すると共に、気体分離性能も低下する。

これに対して、気体分離装置１では、１次側通路Ｐ１と２次側通路Ｐ２とが膜エレメント２を挟むようにして対向配置されている。このような構成により、１次側通路Ｐ１を流動する混合気体が膜エレメント２の１次側に供給される際に通過する１次側連通部Ｌ１は、１次側通路Ｐ１に対応した形状とすることができる。また、膜エレメント２の２次側から排出された特定気体及び掃気用気体が２次側通路Ｐ２に排出される際に通過する２次側連通部Ｌ２も、２次側通路Ｐ２に対応した形状とすることができる。

そのため、混合気体を供給するパイプ５６，５７が上下に並んだ二つの膜エレメント５２，５３の左右に配置されている従来の構成、すなわち気体が狭い通路６０，６１を通って屈曲して膜エレメント５２，５３に供給、また膜エレメント５２，５３から排出される構成に比べて、１次側連通部Ｌ１及び２次側連通部Ｌ２を通過する際の収縮流、拡張流及び渦流の発生を抑制することができる。その結果、圧力損失の低減及び気体分離性能の向上を図ることが可能となる。

気体分離装置１では、１次側連通部Ｌ１及び２次側連通部Ｌ２と膜エレメント２の開放領域Ｒ１，Ｒ２の幅の比は自由に設計可能である。しかし、図１０に示す従来の気体分離装置５０では、通路６０は膜エレメント５２の給気領域よりも狭くなり、通路６１は膜エレメント５２の排気領域よりも狭くなる。つまり、従来の気体分離装置では、給気側（又は排気側）の連通部の径が、膜エレメントの給気領域（又は排気領域）よりも狭く、圧力損失が生じ易い。それに対して、本発明の気体分離装置１は、上記構成により、従来の気体分離装置５０に比べて圧力損失の低減を図ることができる。これにより、気体の分離・濃縮の効率向上を図ることができる。

また、図１０に示す従来の気体分離装置５０では、混合気体を供給または排出するパイプ５６，５７が膜エレメント５２，５３の左右に突出して設けられている。これにより、幅方向の寸法が大きくなり、且つパイプ５６，５７と膜エレメント５２，５３との隙間に無駄なスペースが形成される。そのため、気体分離装置５０が配置される例えばエンジンルームにおいて、パイプ５６，５７が突出している分だけのスペースの確保が必要となる。これに対して、気体分離装置１では、１次側通路Ｐ１及び２次側通路Ｐ２が膜エレメント２を挟むようにして対向配置された構成を採用しているため、従来の気体分離装置５０のように混合気体を供給するパイプ５６，５７が膜エレメント５２，５３の左右に突出することなく、膜エレメント２の幅方向の寸法内に１次側通路Ｐ１及び２次側通路Ｐ２を収めることができる。したがって、圧力損失の低減を図りつつ、コンパクト化（容積の縮小化）を図ることができる。これにより、例えば船舶等の限られたエンジンスペースに配置することが可能となる。

また、本実施形態では、１次側供給部Ｋ１は、１次側が対面するように配置された一対の膜エレメント２の間に挟まれており、一対の膜エレメント２の２次側には、２次側通路Ｐ２が１次側通路Ｐ１と対向配置するように一対の２次側排出部Ｋ２が設けられている。これにより、１次側供給部Ｋ１を中心として、膜エレメント２、２次側排出部Ｋ２がこの順にそれぞれ設けられることになる。つまり、１次側供給部Ｋ１に導入された混合気体は、２つの膜エレメント２により、分離・濃縮が行われることになる。そのため、気体の分離・濃縮の効率の向上を図ることができる。

また、１次側通路Ｐ１の内部の径は、１次側通路Ｐ１における導入管１４及び排出管１５の内径と略同径であるので、導入管１４から１次側通路Ｐ１に混合気体が導入される際、及び排出管１５から特定気体が分離された後の混合気体が排出される際に発生する収縮流や拡散流などを抑制することができる。したがって、圧力損失の低減を更に図ることができる。

また、気体分離装置１では、１次側通路Ｐ１及び２次側通路Ｐ２が膜エレメント２を挟むようにして対向配置された構成を採用しているため、従来の気体分離装置のように混合気体を供給するパイプが膜エレメントの左右に突出することなく、膜エレメントの幅方向の寸法内に１次側通路Ｐ１及び２次側通路Ｐ２を収めることができる。

また、従来の気体分離装置において、収縮流及び拡散流の発生を抑制し、本発明の気体分離装置と同等の圧力損失の低減を図るべくスリット状の通路の開口を大きく形成した場合には、高さ方向の寸法が大きくなってしまう。これに対して、気体分離装置１では、圧力損失の低減を図りつつ、コンパクト化を図ることができる。

［第２実施形態］
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。

具体的には、図１１に示すように、膜エレメント２Ａにおけるガスケット３５は、断面凹状を成している。このガスケット３５は、剛性部材３２に載置されており、長手方向に沿って溝３６が設けられている。このガスケット３５の溝３６の幅寸法は、本体部４のパーテーション部１２及び蓋部５，６のパーテーション部１８，１９の幅寸法と同等となっている。これにより、ガスケット３５の溝３６には、本体部４のパーテーション部１２及び蓋部５，６のパーテーション部１８，１９が密接して挿入されている。

このような構成を有する膜エレメント２Ａであっても、第１実施形態の膜エレメント２と同様に、ガスケット３５が剛性部材３２に載置されていると共に、剛性部材３２とプリーツ成形体２６との間に弾性エポキシ樹脂接着剤Ｓが設けられている。これにより、プリーツ成形体２６の両面側の開放領域Ｒ１，Ｒ２における気体の給気側（上流側）と排気側（下流側）とを確実にシールでき、気体のショートカットを防止することが可能となる。その結果、気体分離性能の向上を図ることができる。

［第３実施形態］
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。

具体的には、図１２に示すように、膜エレメント２Ｂにおけるガスケット３７は、断面Ｔ字状を成している。このガスケット３７は、剛性部材３２に載置される載置部３７ａと、この載置部３７ａに対して立設する立設部３７ｂとから構成されている。そして、立設部３７ｂの先端部は、載置部３７ａ側から上方になるに連れて幅寸法が大きくなっている。

このようなガスケット３７に対して、本体部４Ａ及び蓋部５Ａ，６Ａには、ガスケット３７に対応するパーテーション部３８ａ，３８ｂ，３９ａ，３９ｂ，４０ａ，４０ｂが設けられている。具体的には、本体部４Ａには、仕切板８に交差する方向に一対のパーテーション部３８ａ，３８ｂが設けられている。この一対のパーテーション部３８ａ，３８ｂ同士の間隔は、ガスケット３４の立設部３７ｂの先端部の幅寸法と同等となっている。同様に、蓋部５Ａ，６Ａには、その内側に一対のパーテーション部３９ａ，３９ｂ，４０ａ，４０ｂ設けられており、パーテーション部３９ａ，３９ｂ，４０ａ，４０ｂ同士の間隔は、ガスケット３４の立設部３７ｂの先端部の幅寸法と同等となっている。したがって、ガスケット３７は、パーテーション部３８ａ，３８ｂ，３９ａ，３９ｂ，４０ａ，４０ｂと密接している。

このような構成を有する膜エレメント２Ｂであっても、第１実施形態の膜エレメント２と同様に、ガスケット３７が剛性部材３２に載置されていると共に、剛性部材３２とプリーツ成形体２６との間に弾性エポキシ樹脂接着剤Ｓが設けられている。これにより、プリーツ成形体２６の両面側の開放領域Ｒ１，Ｒ２における気体の給気側（上流側）と排気側（下流側）とを確実にシールでき、気体のショートカットを防止することが可能となる。その結果、気体分離性能の向上を図ることができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、気体分離装置１において、本体部４に上下一対の蓋部５，６が設けられたハウジング３に膜エレメント２が収容されているが、膜エレメント２が収容されるハウジングは、例えば図１３に示すような構成であってもよい。

図１３は、変形例に係る気体分離装置の外観を示す斜視図である。図１３に示すように、気体分離装置１Ｃにおけるハウジング３Ｂは、本体部４Ｂと、蓋部５Ｂによって構成されている。つまり、上記実施形態の気体分離装置１では、１次側通路Ｐ１を間に挟むように２つの膜エレメント２が配置され、その上下方向に２次側通路Ｐ２が対向して配置される構成となっているが、気体分離装置１では、１次側通路を形成する本体部４Ｂに膜エレメント（図示しない）が配置され、その上部に２次側通路を形成する蓋部５Ｂが配置される構成となっている。これにより、気体分離装置１Ｃは、高さ方向が気体分離装置１に比べてコンパクトになっている。なお、本体部４Ｂ、蓋部５Ｂ、１次側通路、２次側通路及び膜エレメントの構成については、上記実施形態と同様の構成を有している。この気体分離装置５０でも、気体分離装置１と同様の作用効果を奏する。

また、上記実施形態では、本体部４において、導入管１４及び排出管１５が並設されているが、導入管１４及び排出管１５の取り付け位置はこれに限定されない。例えば図１４に示すような構成であってもよい。

図１４は、変形例に係る本体部の上面図である。図１４に示すように、本体部４Ｃにおいて、導入管１４は、本体部４Ｃの内壁９ｃ側に設けられており、排出管４１は、本体部４Ｃの内壁９ｄ側に設けられている。つまり、導入管１４及び排出管４１は、本体部４Ｃの長手方向において、開口が互いに反対の方向を向くように本体部４Ｃに設けられている。

また、上記実施形態では、蓋部５，６において、導入管２２，２３及び排出管２４，２５が並設されているが、導入管２２，２３及び排出管２４，２５の取り付け位置はこれに限定されない。例えば図１５に示すような構成であってもよい。

図１５は、変形例に係る蓋部の上面図である。図１５に示すように、蓋部５Ｃにおいて、導入管２２は、蓋部５Ｃの内壁４３ａ側に設けられており、排出管４２は、蓋部５Ｃの内壁４３ｂ側に設けられている。つまり、導入管２２及び排出管４２は、蓋部５Ｃの長手方向において、開口が互いに反対の方向を向くように蓋部５Ｃに設けられている。

以上のような構成の気体分離装置は、排出管から排出される特定気体（酸素）が分離した後の混合気体の排出される方向、及び排出管から排出される特定気体を同伴する掃気用気体の排出される方向が気体分離装置１と異なるだけであり、気体分離装置１と同様の作用効果を奏する。なお、以上のような構成は、気体分離装置が配置される例えばエンジンルームの形状によって適宜変更されることになる。

また、ガスケットとしては、Ｏ−リングを使用することもできる。すなわち、ガスケットは、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を区画してプリーツ成形体２６の内部を通過する通路を形成するものであればよい。

また、上記実施形態では、剛性部材３２、ガスケット３４、及び封止部としての弾性エポキシ樹脂接着剤Ｓがそれぞれ別に設けられているが、剛性部材３２にガスケット３４及び弾性エポキシ樹脂接着剤Ｓが密着して一体化されたものであってもよい。

また、上記実施形態では、気体分離装置１は、混合気体である空気を膜エレメント２のプリーツ成形体２６において気体分離膜２９を透過させ、特定気体である酸素を選択透過させることで窒素富化空気を排気すると共に、掃気用気体を給気して酸素富化空気を排気しているが、気体分離装置１は、加湿装置として用いられてもよい。具体的には、例えば膜エレメント２の一次側を湿潤側流路、二次側を乾燥側流路とし、水蒸気を膜エレメント２に透過させることで、気体の加湿及び除湿を行う。

図１６は、変形例に係る気体分離装置の外観を示す斜視図である。図１７は、図１６に示す気体分離装置の断面斜視図であり、図１８は、図１６に示す気体分離装置の分解斜視図である。

図１６及び図１７に示すように、気体分離装置１Ｄでは、本体部４Ｄと蓋部５Ｄとが接着され、ハウジング３Ｄが一体となっている。そして、図１８に示すように、剛性部材３２は溝を有しており、蓋部５Ｄ又は本体部４Ｄのパーテーション部と接着又は融着されている。そのため、ガスケットが不要となる。このような構成とすることによって、コンパクトな気体分離装置を実現できる。

図１６〜図１８で示した気体分離装置１Ｄは、図１９で示す気体分離システム１１３に組み込むことができる。図１９に示す気体分離システム１１３では、給気管１１１から各気体分離装置１Ｄの導入管に気体が導入されて気体分離が行われる。そして、各気体分離装置１Ｄの排出管から排出された気体は、排気管１１２へ送られる。

この気体分離システム１１３は、大量の気体を気体分離する場合に、好適である。例えば、船舶等の大型のディーゼルエンジンに窒素富化空気を供給するために行う気体分離等に好適である。

また、この気体分離システム１１３では、気体分離装置１Ｄの交換が容易である。気体分離装置１Ｄの導入管及び排出管がメス型（オス型）連結具であり、気体分離システムがオス型（メス型）連結具を有していることにより、ワンタッチで着脱可能となる。

また、一般的に、気体分離を行う際、気体分離装置内（ハウジング内）は加圧されているため、ハウジングが膨張する。この気体分離システム１１３では、枠の中に気体分離装置１Ｄが挿入されているため、気体分離装置１Ｄの膨張を枠によって抑えることができる。そのため、ハウジングを強固な部材でなくともよく、柔軟部材で作製することができる。

次に、実施例及び比較例を挙げて本実施形態をより具体的に説明するが、本実施の形態はその要旨を超えない限り、下記の実施例に限定されるものではない。

［実施例１］
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。

まず、気体分離システム８１の運転方法について説明する。気体分離装置１の導入管から導入される空気Ｆ１は、膜エレメント２の給気側を通過して排気側に到達し、気体分離装置１の排出管から排出される。そして、空気が膜エレメント２を通過する間に、気体分離が行われ、酸素が気体分離膜の反対側へ拡散・透過する。そして、気体分離装置１の排出管からは、酸素が削減された空気である窒素富化空気Ｆ２が排出される。

また、掃気用気体の導入管から導入される空気Ｆ３は、気体分離膜を透過・拡散した酸素を同伴し、掃気用気体の排出管から酸素富化空気Ｆ４として排出される。掃気用気体の導入管へは、ポンプ８２から掃気用気体が供給される。

次に、膜エレメントについて説明する。膜エレメント２としては、図４で示される膜エレメント２を用いた。

気体分離膜としては、支持層として、不織布上にポリエーテルスルホン微多孔膜を形成させた厚み９０μｍの平膜に、フッ素樹脂である「テフロン（登録商標）ＡＦ１６００」（デュポン社製）をコーティングしたものを使用した。また、通気性補強材（図７参照）として、交点融着方のポリエステルマルチフィラメントより作成した平織りスペーサーを用い、気体分離膜を通気性補強材で挟み、プリーツ加工装置でプリーツ加工を行った。

気体分離膜のプリーツ成形体をポリカーボネート補強枠で囲み、エポキシ樹脂で遠心法によりシールした。そして、封止部として弾性エポキシ樹脂接着剤を用い、剛性部材としてエポキシ樹脂を用いて、膜エレメントを作成した。剛性部材の上にリブを立て、剛性部材と補強枠上にガスケットとしてＯリングを載せて、膜エレメントを作成した。

続いて、気体分離装置の気体分離性能の評価について説明する。気体分離装置１の排出管から排出された窒素富化空気の圧力と流量と酸素濃度を、圧力計８３、流量計８４、酸素濃度計８５を使用して測定した。酸素濃度計８５は、ジコー社製、ＪＫＯ−２５ＬＪＩＩ用いた。なお、気体分離装置に導入する空気は、酸素濃度２０．９％、２００ｋＰａＧ（ゲージ圧）、室温である。この結果を表１に示す。

［実施例２］
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。

［比較例１］
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。

図１０で示された気体分離装置では、実施例１と同じ気体分離膜のプリーツ成形体を用いている。流路制御手段６２（図１０参照）としては、ウレタン性独立気泡型スポンジを用いた。

実施例１に比べて比較例１では、窒素富化空気の収量が低下し、窒素富化空気中の酸素濃度が下がらなかった。加えて、実施例１に比べて比較例１では、圧力損失が大きかった。

１…気体分離装置、２…膜エレメント、２６…プリーツ成形体、２７…補強枠、３２…剛性部材、３３ａ，３３ｂ…リブ部（リブ）、Ｂ…給気口（給気領域）、Ｆ…仮想面、Ｅ…排気口（排気領域）、Ｒ１，Ｒ２…開放領域、Ｓ…弾性エポキシ樹脂接着剤（封止部）。

Claims (11)

1. 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る封止部とを有し、
   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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。
8. 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。
9. 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。
10. 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。
11. 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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