WO2018190147A1 - 中空糸膜モジュール - Google Patents

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祐介 竹内
三橋　知貴
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Definitions

  • the present invention relates to a hollow fiber membrane module that can be used in a humidifier or a dehumidifier.
  • FIG. 7 is a schematic cross-sectional view of a conventional hollow fiber membrane module.
  • FIG. 8 is a schematic cross-sectional view of a case constituting a conventional hollow fiber membrane module.
  • FIG. 8 shows the configuration of the inner wall surface of the case.
  • a hollow fiber membrane module 500 includes a cylindrical case 510. Heads 520 and 530 are attached to both ends of the case 510, respectively. A hollow fiber membrane bundle 540 is accommodated in the case 510. Furthermore, the openings at both ends of the case 510 are sealed at one end side and the other end side of the case 510 with the hollow interior of each hollow fiber membrane open, and the hollow fiber membrane bundle 540 is attached to the case 510. A pair of sealing and fixing portions 550 and 560 are provided.
  • an intra-membrane channel passing through the hollow interior of each hollow fiber membrane and an extra-membrane channel passing through the outer wall surface of each hollow fiber membrane are formed. That is, a channel (see arrow Y) that flows from the head 530 side through the hollow interior of each hollow fiber membrane in the hollow fiber membrane bundle 540 to the head 520 side is an intra-membrane channel. Then, a flow channel (from the outer membrane channel inlet 511 provided in the case 510 passes through the outer wall surface side of each hollow fiber membrane in the hollow fiber membrane bundle 540 to the outer membrane channel outlet 512 provided in the case 510 ( (See arrow X) is the transmembrane channel.
  • the hollow fiber membrane module 500 can be used as a humidifier.
  • wet air is allowed to flow in the extra-membrane flow path flowing in the direction of arrow X described above, and dry air is allowed to flow in the intra-membrane flow path flowing in the direction of arrow Y.
  • the moisture on the wet air side is supplied to the dry air side by the membrane separation action by the hollow fiber membrane, and the dry air can be humidified.
  • moisture since moisture is deprived on the humid air side, it can be used as a dehumidifier for drying the humid air.
  • the ratio of the membrane area contributing to the membrane separation action to the membrane area of the entire hollow fiber membrane accommodated in the case 510 is determined. It is important whether it can be enlarged. If the outer peripheral surface of the hollow fiber membrane bundle 540 is in close contact with the entire inner wall surface of the case 510, the flow of fluid near the outer membrane channel inlet 511 and the outer membrane channel outlet 512 tends to concentrate. Therefore, in the illustrated hollow fiber membrane module 500 according to the conventional example, the inner wall surface of the case 510 is provided with a rectifying protrusion 513 for adjusting the flow of fluid.
  • the rectifying protrusion 513 protrudes toward the outer peripheral surface of the hollow fiber membrane bundle 540 so as to secure a gap between the inner wall surface of the case 510 and the hollow fiber membrane bundle 540, and from the one end side of the case 510 to the other. It is provided so as to extend toward the end side.
  • the rectifying protrusion 513 it is possible to suppress the concentration of the fluid flow in the vicinity of the extra-membrane flow path inlet 511 and the vicinity of the extra-membranous flow path outlet 512, and the membrane contributing to the membrane separation action It is possible to increase the area ratio.
  • the gap S is provided between the inner wall surface of the case 510 and the hollow fiber membrane bundle 540, the fluid (for example, wet air) entering from the extra-membrane flow path inlet 511 is sealed. It is easy to flow up to the vicinity of the fixing portion 560. Therefore, the flow indicated by the arrow X0 in the figure is likely to become the mainstream, and the flow rate of the fluid flowing in the bundle near the center of the hollow fiber membrane bundle 540 is likely to decrease. From the above, there is still room for improvement in order to increase the ratio of the membrane area contributing to the membrane separation action.
  • the fluid for example, wet air
  • JP 2007-283292 Japanese Patent Laying-Open No. 2015-226859 JP 2009-137772 A
  • An object of the present invention is to provide a hollow fiber membrane module in which the proportion of the membrane area contributing to the membrane separation action is improved.
  • the present invention employs the following means in order to solve the above problems.
  • a cylindrical case A hollow fiber membrane bundle comprising a plurality of hollow fiber membranes housed in the case; On one end side and the other end side of the case, with the hollow interior of each hollow fiber membrane open, the openings at both ends of the case are sealed, and the hollow fiber membrane bundle is fixed to the case A pair of sealing fixtures to Each of the hollow fiber membranes is formed with an intramembrane flow path and an outer membrane flow path that passes through the outer wall surface of each hollow fiber membrane.
  • a hollow fiber membrane module in which moisture on the wet air side is supplied to the dry air side by the membrane separation action of each hollow fiber membrane by flowing wet air and the other on the other side
  • the case includes an extramembranous channel inlet provided at a position deviated toward one end of the case, and a position deviated toward the other end of the case, and the extramembranous channel inlet via the hollow fiber membrane bundle.
  • the inner wall surface of the case protrudes toward the outer peripheral surface of the hollow fiber membrane bundle so as to secure a gap between the inner wall surface of the case and the hollow fiber membrane bundle, and from one end side of the case
  • at least one rectifying protrusion that extends toward the other end and regulates the flow of fluid
  • at least one turbulent protrusion that extends in the circumferential direction of the case and disturbs the flow of fluid. It is characterized by.
  • the rectifying protrusion is provided on the inner wall surface of the case, it is possible to prevent the fluid flow from being concentrated near the outer membrane channel inlet or the outer membrane channel outlet.
  • the turbulent projection is provided on the inner wall surface of the case, the flow rate of the fluid flowing through the gap between the inner wall surface of the case and the hollow fiber membrane bundle can be reduced. Accordingly, the flow rate of the fluid entering from the inlet of the outer membrane channel and flowing from the gap to the vicinity of the sealing fixing portion on the outlet side of the outer membrane channel can be suppressed.
  • the case includes a pair of substantially flat plate portions and a pair of curved surface portions respectively connecting both sides of the pair of substantially flat plate portions, and has a cross-sectional shape perpendicular to a direction from one end side to the other end side of the case. It is composed of oval shaped members,
  • the outer membrane channel inlet is provided in one of the pair of substantially flat plate portions, and the outer membrane channel outlet is provided in the other,
  • the rectifying protrusion and the turbulent protrusion may be provided on an inner wall surface of at least the pair of substantially flat plate portions on the side where the extramembranous channel inlet is provided.
  • the ratio of the membrane area contributing to the membrane separation action can be improved.
  • FIG. 1 is a plan view of a hollow fiber membrane module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a side view of the hollow fiber membrane module according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a front view of the hollow fiber membrane module according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of a hollow fiber membrane module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of a hollow fiber membrane module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of a case according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a schematic cross-sectional view of a conventional hollow fiber membrane module.
  • FIG. 8 is a schematic cross-sectional view of a case according to a conventional example.
  • the hollow fiber membrane module according to the present embodiment can be suitably used as a humidifier for humidifying the electrolyte membrane in a polymer electrolyte fuel cell. However, it can also be used as a dehumidifier.
  • FIG. 1 is a plan view of a hollow fiber membrane module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a side view of the hollow fiber membrane module according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a front view of the hollow fiber membrane module according to the embodiment of the present invention, as viewed from the left side in FIG.
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of a hollow fiber membrane module according to an embodiment of the present invention, and is a cross-sectional view taken along AA in FIG. FIG.
  • FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of a hollow fiber membrane module according to an embodiment of the present invention, and is a BB cross-sectional view in FIG.
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of the case according to the embodiment of the present invention, and is a view showing only the case among the CC cross-sectional views in FIG.
  • the hollow fiber membrane module 10 includes a cylindrical case 100, a pair of heads 210 and 220 fixed to both ends of the case 100, a hollow fiber membrane bundle 300 accommodated in the case 100, and It is comprised from a pair of sealing fixing
  • the case 100 includes a pair of substantially flat plate portions 100P and 100Q and a pair of curved surface portions 100R and 100S that connect both sides of the pair of substantially flat plate portions 100P and 100Q. And case 100 is comprised by the member whose cross-sectional shape perpendicular
  • the case 100 is provided with an extramembranous channel inlet 110 at a position biased to one end side thereof.
  • the extramembranous channel inlet 110 is provided in one of the pair of substantially flat plate portions 100P and 100Q.
  • the case 100 is provided with an extra-membrane channel outlet 120 at a position biased toward the other end side and on the opposite side of the outer membrane channel inlet 110 via the hollow fiber membrane bundle 300.
  • the extramembranous channel outlet 120 is provided on the other substantially flat plate portion 100Q of the pair of substantially flat plate portions 100P and 100Q.
  • the pair of heads 210 and 220 are fixed to both ends of the case 100, respectively.
  • the pair of heads 210 and 220 is constituted by an annular member.
  • the inside of the inner peripheral surface 210a of the head 210 and the inner side of the inner peripheral surface 220a of the head 220 serve as fluid passages.
  • the inner side of the inner peripheral surface 220a of the head 220 serves as the inlet of the intra-membrane channel
  • the inner side of the inner peripheral surface 210a of the head 210 serves as the outlet of the intra-membrane channel.
  • the hollow fiber membrane bundle 300 has a configuration in which a plurality (from several hundred to several tens of thousands) of hollow fiber membranes are bundled.
  • a hydrophilic material is used as the material for the hollow fiber membrane.
  • Nafion which has a characteristic of allowing moisture to permeate through dissolution and diffusion
  • PPSU polyphenylsulfone
  • the pair of sealing fixing portions 410 and 420 seals the opening portions at both ends of the case 100 on one end side and the other end side of the case 100 in a state where the hollow interior of each hollow fiber membrane is opened, and is hollow.
  • the thread membrane bundle 300 is fixed to the case 100.
  • These sealing fixing portions 410 and 420 are configured by curing a potting material such as an epoxy resin.
  • the case 100 will be described in more detail.
  • a rectifying projection 130 and a turbulent projection 140 are provided on the inner wall surface of the case 100.
  • the rectifying protrusion 130 protrudes toward the outer peripheral surface of the hollow fiber membrane bundle 300 so as to secure a gap between the inner wall surface of the case 100 and the hollow fiber membrane bundle 300, and from the one end side of the case 100 to the other end. It extends to the side and is provided to regulate the fluid flow.
  • two rectifying protrusions 130 are provided on the inner wall surfaces of the pair of substantially flat plate portions 100P and 100Q.
  • the turbulent projection 140 extends in the circumferential direction of the case 100 and is provided to disturb the fluid flow.
  • one turbulent projection 140 is provided on each of the inner wall surfaces of the pair of substantially flat plate portions 100P and 100Q. Further, the turbulent projection 140 is provided near the center between both ends of the case 100.
  • the length in the longitudinal direction of the rectifying protrusion 130 (the length in the left-right direction in FIGS. 4 and 6) is relative to the effective length of the hollow fiber membrane (corresponding to the distance between the opposing surfaces of the sealing fixing portions 410 and 420). Therefore, it is desirable to set in the range of 1/4 or more and 3/4 or less. Further, the height (projection amount) of the rectifying protrusion 130 is 1/20 or more to the length of the cross section of the case 100 (corresponding to the distance between the opposing surfaces of the pair of substantially flat plate portions 100P and 100Q). It is desirable to set in the range of 4 or less.
  • the circumferential length of the turbulent projection 140 is preferably set in the range of 1/8 to 1 with respect to the circumferential length of the inner peripheral surface of the case 100.
  • the height (projection amount) of the turbulent projection 140 is 1/20 or more to the length of the cross section of the case 100 (corresponding to the distance between the opposing surfaces of the pair of substantially flat plate portions 100P and 100Q). It is desirable to set in the range of 4 or less.
  • a gap S is secured by the rectifying protrusion 130 between the hollow fiber membrane bundle 300 and the substantially flat plate portion 100P and between the hollow fiber membrane bundle 300 and the substantially flat plate portion 100Q.
  • the hollow fiber membrane bundle 300 and the curved surface portions 100R and 100S are in contact with each other, and no gap is provided.
  • a humidification (dehumidification) mechanism in the hollow fiber membrane module 10 according to the present embodiment will be described.
  • a road is formed.
  • the in-membrane channel is a channel that flows from the head 220 side through the hollow interior of each hollow fiber membrane in the hollow fiber membrane bundle 300 to the head 210 side (see arrow Y in FIG. 4).
  • the extramembranous channel flows from the extramembranous channel inlet 110 provided in the case 100 to the outer wall surface side of each hollow fiber membrane in the hollow fiber membrane bundle 300 to the outer membrane channel outlet 120 provided in the case 100. It is a flow path (see arrow X in FIG. 4).
  • the hollow fiber membrane module 10 is used so that wet air flows in the extra-membrane flow path and dry air flows in the intra-membrane flow path. Thereby, the moisture on the wet air side is supplied to the dry air side by the membrane separation action by the hollow fiber membrane, and the dry air is humidified. Since the moisture is deprived of moisture, the humid air is dried. Therefore, it can be used as a humidifier or a dehumidifier.
  • the hollow fiber membrane module 10 since the rectifying protrusion 130 is provided on the inner wall surface of the case 100, the fluid flow is concentrated near the outer membrane channel inlet 110 and the outer membrane channel outlet 120. Can be suppressed.
  • the turbulent projection 140 is provided on the inner wall surface of the case 100, the flow rate of the fluid flowing through the gap S between the inner wall surface of the case 100 and the hollow fiber membrane bundle 300 can be reduced. As a result, it is possible to suppress the flow rate of the fluid that enters from the outer membrane channel inlet 110 and flows from the gap S to the vicinity of the sealing fixing portion 420 on the outer membrane channel outlet 120 side and flows out from the outer membrane channel outlet 120.
  • the effect of the rectifying protrusion 130 and the turbulent flow protrusion 140 provided on the inner wall surface of the substantially flat plate portion 100P in which the extramembranous channel inlet 110 is provided in the pair of substantially flat plate portions 100P and 100Q. Is big. That is, the fluid that has entered from the extramembranous channel inlet 110 easily flows through the gap S formed between the inner wall surface of the substantially flat plate portion 100P and the hollow fiber membrane bundle 300. However, the fluid flowing through the gap S is disturbed by the turbulent projection 140. That is, as indicated by an arrow X1 in FIGS.
  • the fluid collides with the turbulent projection 140, and the flow direction is changed so as to be directed toward the inner side or the circumferential direction of the hollow fiber membrane bundle 300. . Therefore, it is possible to allow the fluid to enter the hollow fiber membrane bundle 300 in the vicinity of the turbulent projection 140. Further, since the fluid also flows in the left-right direction in FIG. 5 in the vicinity of the turbulent projection 140, the fluid is also supplied to the vicinity of the inner peripheral surfaces of the curved surface portions 100R and 100S. As mentioned above, according to the hollow fiber membrane module 10 which concerns on a present Example, the improvement of the ratio of the membrane area which contributes to a membrane separation effect
  • a comparison test result between the hollow fiber membrane module 10 according to the present example and the hollow fiber membrane module 500 according to the conventional example will be described.
  • the sample used for the test will be described.
  • the dimensions of the cross section of the case 100 are 30 mm in height and 70 mm in width.
  • the radius of curvature of the peripheral surface was 15 mm.
  • two rectifying protrusions 130 having a length of 30 mm and a height of 3 mm were provided so as to be parallel to the hollow fiber membrane as shown in FIG.
  • the interval between the pair of rectifying protrusions 130 was 15 mm.
  • the turbulent projection 140 has a length of 40 mm and a height of 3 mm, and is provided at the center in the longitudinal direction of the rectifying projection 130 so as to be perpendicular to the rectifying projection 130.
  • the hollow fiber membrane bundle 300 used was a bundle of 1000 hollow fiber membranes.
  • the effective length of the hollow fiber membrane (corresponding to the distance between the opposing surfaces of the sealing fixing portions 410 and 420) was 75 mm.
  • the sample of the hollow fiber membrane module 500 according to the conventional example is different from the sample of the hollow fiber membrane module 10 according to the present example only in that the turbulent projection 140 is not provided.

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Abstract

膜分離作用に寄与する膜面積の割合の向上を図った中空糸膜モジュールを提供する。　ケース１００の内壁面には、ケース１００の内壁面と中空糸膜束３００との間に隙間を確保せしめるように中空糸膜束３００の外周面に向かって突出する共に、ケース１００の一端側から他端側に向かって伸び、流体の流れを整える少なくとも一つの整流用突起１３０と、ケース１００の周方向に向かって伸び、流体の流れを乱れさせる少なくとも一つの乱流用突起１４０とが設けられていることを特徴とする。

Description

中空糸膜モジュール
　本発明は、加湿装置や除湿装置に用いることができる中空糸膜モジュールに関する。
　例えば、固体高分子型の燃料電池においては、電解質膜を加湿させるために、中空糸膜モジュールを用いた加湿装置が設けられている。図７及び図８を参照して、従来例に係る中空糸膜モジュールについて説明する。図７は従来例に係る中空糸膜モジュールの模式的断面図である。図８は従来例に係る中空糸膜モジュールを構成するケースの模式的断面図である。図８においては、ケースの内壁面の構成を示している。
　従来例に係る中空糸膜モジュール５００は、筒状のケース５１０を備えている。このケース５１０の両端にはそれぞれヘッド５２０，５３０が装着されている。また、ケース５１０内には中空糸膜束５４０が収容されている。更に、ケース５１０の一端側と他端側で、各中空糸膜の中空内部を開放させた状態でケース５１０の両端の開口部をそれぞれ封止し、かつ中空糸膜束５４０をケース５１０に対して固定する一対の封止固定部５５０，５６０が設けられている。
　以上のように構成される中空糸膜モジュール５００によれば、各中空糸膜の中空内部を通る膜内流路と、各中空糸膜の外壁面側を通る膜外流路とが形成される。すなわち、ヘッド５３０側から中空糸膜束５４０における各中空糸膜の中空内部を通り、ヘッド５２０側に流れていく流路（矢印Ｙ参照）が膜内流路である。そして、ケース５１０に設けられた膜外流路入口５１１から中空糸膜束５４０における各中空糸膜の外壁面側を通り、ケース５１０に設けられた膜外流路出口５１２へと流れていく流路（矢印Ｘ参照）が膜外流路である。
　そして、中空糸膜の素材として、親水性の材料を用いることによって、中空糸膜モジュール５００を加湿装置として利用することが可能となる。例えば、上述した矢印Ｘ方向に流れる膜外流路に湿潤空気が流れるようにし、矢印Ｙ方向に流れる膜内流路に乾燥空気が流れるようにする。これにより、中空糸膜による膜分離作用によって、湿潤空気側の水分が乾燥空気側に供給され、乾燥空気を加湿させることが可能となる。なお、湿潤空気側は水分が奪われるため、湿潤空気を乾燥させるための除湿装置として利用することも可能である。
　以上のような中空糸膜モジュール５００において、加湿効率を高めるためには、ケース５１０内に収容される中空糸膜全体の膜面積に対して、膜分離作用に寄与する膜面積の割合を如何に大きくすることができるかが重要である。ケース５１０の内壁面全体に中空糸膜束５４０の外周面が密着していると、膜外流路入口５１１の付近と膜外流路出口５１２の付近の流体の流れが集中してしまい易い。そこで、図示の従来例に係る中空糸膜モジュール５００においては、ケース５１０の内壁面に、流体の流れを整える整流用突起５１３が設けられている。この整流用突起５１３は、ケース５１０の内壁面と中空糸膜束５４０との間に隙間を確保せしめるように中空糸膜束５４０の外周面に向かって突出する共に、ケース５１０の一端側から他端側に向かって伸びるように設けられている。このように、整流用突起５１３が設けられることによって、膜外流路入口５１１の付近と膜外流路出口５１２の付近の流体の流れが集中してしまうことが抑制でき、膜分離作用に寄与する膜面積の割合を大きくすることが可能となっている。
　しかしながら、上記の従来構造においては、ケース５１０の内壁面と中空糸膜束５４０との間に隙間Ｓが設けられているため、膜外流路入口５１１から入った流体（例えば湿潤空気）は、封止固定部５６０付近まで流れて行き易い。従って、図中矢印Ｘ０に示す流れが主流となってしまい易く、中空糸膜束５４０の中央付近で束内に流れる流体の流量が少なくなってしまい易い。以上のことから、膜分離作用に寄与する膜面積の割合を大きくするためには、未だ改善の余地がある。
特開２００７－２８３２９２号公報 特開２０１５－２２６８５９号公報 特開２００９－１３６７７２号公報
　本発明の目的は、膜分離作用に寄与する膜面積の割合の向上を図った中空糸膜モジュールを提供することにある。
　本発明は、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
　筒状のケースと、
　前記ケース内に収容される複数の中空糸膜からなる中空糸膜束と、
　前記ケースの一端側と他端側で、各中空糸膜の中空内部を開放させた状態で前記ケースの両端の開口部をそれぞれ封止し、かつ前記中空糸膜束を前記ケースに対して固定する一対の封止固定部と、
　を備え、各中空糸膜の中空内部を通る膜内流路と、各中空糸膜の外壁面側を通る膜外流路とが形成され、これら膜内流路と膜外流路のうちの一方に湿潤空気が流され、他方に乾燥空気が流されることにより、各中空糸膜の膜分離作用により湿潤空気側の水分が乾燥空気側に供給される中空糸膜モジュールであって、
　前記ケースには、該ケースの一端側に偏った位置に設けられる膜外流路入口と、該ケースの他端側に偏った位置であって、前記中空糸膜束を介して前記膜外流路入口とは反対側に設けられる膜外流路出口とが設けられ、
　該ケースの内壁面には、該ケースの内壁面と前記中空糸膜束との間に隙間を確保せしめるように該中空糸膜束の外周面に向かって突出する共に、前記ケースの一端側から他端側に向かって伸び、流体の流れを整える少なくとも一つの整流用突起と、前記ケースの周方向に向かって伸び、流体の流れを乱れさせる少なくとも一つの乱流用突起とが設けられていることを特徴とする。
　本発明によれば、ケースの内壁面に整流用突起が設けられているため、膜外流路入口付近や膜外流路出口付近に流体の流れが集中してしまうことを抑制することができる。また、ケースの内壁面に乱流用突起が設けられているため、ケースの内壁面と中空糸膜束との間の隙間を流れて行く流体の流量を減らすことができる。これにより、膜外流路入口から入り、当該隙間から膜外流路出口側の封止固定部付近まで流れて行き、膜外流路出口から流出する流体の流量を抑制することができる。
　前記ケースは、一対の略平板部と、これら一対の略平板部の両側をそれぞれ繋ぐ一対の曲面部とを備え、該ケースの一端側から他端側に向かう方向に対して垂直な断面形状がオーバル形状の部材により構成されており、
　前記一対の略平板部の一方に前記膜外流路入口が設けられ、他方に前記膜外流路出口が設けられると共に、
　前記整流用突起及び乱流用突起は、少なくとも前記一対の略平板部のうち前記膜外流路入口が設けられている側の内壁面に設けられているとよい。
　これにより、膜外流路入口付近に流体の流れが集中してしまうことを、より確実に抑制することができる。また、膜外流路入口から入った流体が、ケースの内壁面と中空糸膜束との間の隙間を流れて行く途中で、乱流用突起により流体の流れを乱れさせることができる。従って、乱流用突起付近で中空糸膜束の内部に流体を進入させることが可能となる。
　以上説明したように、本発明によれば、膜分離作用に寄与する膜面積の割合の向上を図ることができる。
図１は本発明の実施例に係る中空糸膜モジュールの平面図である。 図２は本発明の実施例に係る中空糸膜モジュールの側面図である。 図３は本発明の実施例に係る中空糸膜モジュールの正面図である。 図４は本発明の実施例に係る中空糸膜モジュールの模式的断面図である。 図５は本発明の実施例に係る中空糸膜モジュールの模式的断面図である。 図６は本発明の実施例に係るケースの模式的断面図である。 図７は従来例に係る中空糸膜モジュールの模式的断面図である。 図８は従来例に係るケースの模式的断面図である。
　以下に図面を参照して、この発明を実施するための形態を、実施例に基づいて例示的に詳しく説明する。ただし、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。本実施例に係る中空糸膜モジュールは、固体高分子型の燃料電池においては、電解質膜を加湿させるための加湿装置として好適に用いることができる。ただし、除湿装置としても利用することができる。
　（実施例）
　図１～図６を参照して、本発明の実施例に係る中空糸膜モジュールについて説明する。図１は本発明の実施例に係る中空糸膜モジュールの平面図である。図２は本発明の実施例に係る中空糸膜モジュールの側面図である。図３は本発明の実施例に係る中空糸膜モジュールの正面図であり、図２中、左側から見た図である。図４は本発明の実施例に係る中空糸膜モジュールの模式的断面図であり、図１中のＡＡ断面図である。図５は本発明の実施例に係る中空糸膜モジュールの模式的断面図であり、図２中のＢＢ断面図である。図６は本発明の実施例に係るケースの模式的断面図であり、図３中のＣＣ断面図のうち、ケースのみを示した図である。
　＜中空糸膜モジュール＞
　本実施例に係る中空糸膜モジュール１０は、筒状のケース１００と、ケース１００の両端側にそれぞれ固定される一対のヘッド２１０，２２０と、ケース１００内に収容される中空糸膜束３００及び一対の封止固定部４１０，４２０とから構成される。また、中空糸膜モジュール１０においては、中空糸膜束３００における各中空糸膜の中空内部を通る膜内流路（図４中、矢印Ｙ参照）と、各中空糸膜の外壁面側を通る膜外流路（図４中、矢印Ｘ参照）とが形成される。
　ケース１００は、一対の略平板部１００Ｐ，１００Ｑと、これら一対の略平板部１００Ｐ，１００Ｑの両側をそれぞれ繋ぐ一対の曲面部１００Ｒ，１００Ｓとを備えている。そして、ケース１００は、その一端側から他端側に向かう方向に対して垂直な断面形状がオーバル形状の部材により構成されている（図５参照）。
　また、ケース１００には、その一端側に偏った位置に膜外流路入口１１０が設けられている。この膜外流路入口１１０は、一対の略平板部１００Ｐ，１００Ｑのうちの一方の略平板部１００Ｐに設けられている。そして、ケース１００には、その他端側に偏った位置であって、中空糸膜束３００を介して膜外流路入口１１０とは反対側に、膜外流路出口１２０が設けられている。この膜外流路出口１２０は、一対の略平板部１００Ｐ，１００Ｑのうちの他方の略平板部１００Ｑに設けられている。一対のヘッド２１０，２２０は、それぞれケース１００の両端に固定される。これら一対のヘッド２１０，２２０は、環状の部材により構成されている。そして、ヘッド２１０の内周面２１０ａの内側と、ヘッド２２０の内周面２２０ａの内側がそれぞれ流体の通路となる。なお、本実施例においては、ヘッド２２０の内周面２２０ａの内側が膜内流路の入口となり、ヘッド２１０の内周面２１０ａの内側が膜内流路の出口となる。
　中空糸膜束３００は、複数（数百本から数万本程度）の中空糸膜が束にされた構成である。中空糸膜の素材としては、親水性の素材が用いられる。例えば、溶解拡散により水分を透過する特性を有するナフィオンや、孔径制御による毛管凝縮機構により水分を透過する特性を有するＰＰＳＵ（ポリフェニルスルホン）などを好適に用いることができる。これらの材料は、低溶出性であり、かつ強度も高いため、加湿装置や除湿装置に好適に用いることができる。
　一対の封止固定部４１０，４２０は、ケース１００の一端側と他端側で、各中空糸膜の中空内部を開放させた状態でケース１００の両端の開口部をそれぞれ封止し、かつ中空糸膜束３００をケース１００に対して固定している。これらの封止固定部４１０，４２０は、エポキシ樹脂などのポッティング材料が硬化することにより構成される。
　＜ケース＞
　ケース１００について、より詳細に説明する。ケース１００の内壁面には、整流用突起１３０と乱流用突起１４０が設けられている。整流用突起１３０は、ケース１００の内壁面と中空糸膜束３００との間に隙間を確保せしめるように中空糸膜束３００の外周面に向かって突出する共に、ケース１００の一端側から他端側に向かって伸び、流体の流れを整えるために設けられている。本実施例においては、整流用突起１３０は、一対の略平板部１００Ｐ，１００Ｑの内壁面に、それぞれ２か所ずつ設けられている。乱流用突起１４０は、ケース１００の周方向に向かって伸び、流体の流れを乱れさせるために設けられている。本実施例においては、乱流用突起１４０は、一対の略平板部１００Ｐ，１００Ｑの内壁面に、それぞれ１か所ずつ設けられている。また、乱流用突起１４０は、ケース１００における両端の間の中心付近に設けられている。
　整流用突起１３０の長手方向の長さ（図４及び図６において左右方向の長さ）は、中空糸膜の有効長（封止固定部４１０，４２０の対向面間の距離に相当）に対して、１／４以上３／４以下の範囲で設定するのが望ましい。また、整流用突起１３０の高さ（突出量）は、ケース１００の断面の長さ（一対の略平板部１００Ｐ，１００Ｑの対向面間の距離に相当）に対して、１／２０以上１／４以下の範囲で設定するのが望ましい。そして、乱流用突起１４０の周方向の長さは、ケース１００の内周面の周長に対して、１／８以上１以下の範囲で設定するのが望ましい。また、乱流用突起１４０の高さ（突出量）は、ケース１００の断面の長さ（一対の略平板部１００Ｐ，１００Ｑの対向面間の距離に相当）に対して、１／２０以上１／４以下の範囲で設定するのが望ましい。本実施例においては、中空糸膜束３００と略平板部１００Ｐとの間、及び中空糸膜束３００と略平板部１００Ｑとの間には、整流用突起１３０によって、隙間Ｓが確保されている。これに対して、中空糸膜束３００と曲面部１００Ｒ，１００Ｓとは接しており、隙間は設けられていない。
　＜加湿（除湿）メカニズム＞
　本実施例に係る中空糸膜モジュール１０における加湿（除湿）メカニズムについて説明する。上記の通り、本実施例に係る中空糸膜モジュール１０においては、中空糸膜束３００における各中空糸膜の中空内部を通る膜内流路と、各中空糸膜の外壁面側を通る膜外流路とが形成されている。膜内流路は、ヘッド２２０側から中空糸膜束３００における各中空糸膜の中空内部を通り、ヘッド２１０側に流れて行く流路である（図４中の矢印Ｙ参照）。そして、膜外流路は、ケース１００に設けられた膜外流路入口１１０から中空糸膜束３００における各中空糸膜の外壁面側を通り、ケース１００に設けられた膜外流路出口１２０へと流れていく流路である（図４中の矢印Ｘ参照）。
　本実施例においては、膜外流路に湿潤空気が流れるようにし、膜内流路に乾燥空気が流れるように、中空糸膜モジュール１０は用いられる。これにより、中空糸膜による膜分離作用によって、湿潤空気側の水分が乾燥空気側に供給され、乾燥空気は加湿される。湿潤空気側は水分が奪われるため、湿潤空気は乾燥される。従って、加湿装置または除湿装置として用いることが可能となる。
　＜本実施例に係る中空糸膜モジュールの優れた点＞
　本実施例に係る中空糸膜モジュール１０によれば、ケース１００の内壁面に整流用突起１３０が設けられているため、膜外流路入口１１０付近や膜外流路出口１２０付近に流体の流れが集中してしまうことを抑制することができる。また、ケース１００の内壁面に乱流用突起１４０が設けられているため、ケース１００の内壁面と中空糸膜束３００との間の隙間Ｓを流れて行く流体の流量を減らすことができる。これにより、膜外流路入口１１０から入り、隙間Ｓから膜外流路出口１２０側の封止固定部４２０付近まで流れて行き、膜外流路出口１２０から流出する流体の流量を抑制することができる。
　特に、本実施例においては、一対の略平板部１００Ｐ，１００Ｑのうち膜外流路入口１１０が設けられている略平板部１００Ｐの内壁面に設けられた整流用突起１３０及び乱流用突起１４０による効果が大きい。すなわち、膜外流路入口１１０から入った流体は、略平板部１００Ｐの内壁面と中空糸膜束３００との間に形成された隙間Ｓを流れて行き易い。しかしながら、この隙間Ｓを流れて行く流体は、乱流用突起１４０によって流れが乱される。すなわち、図４及び図６中の矢印Ｘ１に示すように、流体は、乱流用突起１４０に衝突して、中空糸膜束３００の内部側や周方向に向かうように、流れる方向が変化させられる。従って、乱流用突起１４０付近で中空糸膜束３００の内部に流体を進入させることが可能となる。また、乱流用突起１４０の付近で、図５中、左右方向にも流体が流れて行くため、曲面部１００Ｒ，１００Ｓの内周面付近にも流体が供給される。以上のように、本実施例に係る中空糸膜モジュール１０によれば、膜分離作用に寄与する膜面積の割合の向上を図ることができる。
　本実施例に係る中空糸膜モジュール１０と従来例に係る中空糸膜モジュール５００の比較試験結果について説明する。まず、試験に用いたサンプルについて説明する。本実施例に係る中空糸膜モジュール１０のサンプルの場合、ケース１００の断面の寸法（図５におけるケース１００の内壁面の寸法）は、高さ３０ｍｍ，横幅７０ｍｍとし、曲面部１００Ｒ，１００Ｓの内周面の曲率半径を１５ｍｍとした。また、整流用突起１３０は、長さを３０ｍｍ，高さを３ｍｍとして、図６に示すように中空糸膜と平行になるように２本設けた。なお、一対の整流用突起１３０の間隔は１５ｍｍとした。乱流用突起１４０は、長さを４０ｍｍ，高さを３ｍｍとして、整流用突起１３０の長手方向の中心に、整流用突起１３０と垂直となるように設けた。また、中空糸膜束３００は、１０００本の中空糸膜を束にしたものを用いた。また、中空糸膜の有効長（封止固定部４１０，４２０の対向面間の距離に相当）は７５ｍｍとした。これに対して、従来例に係る中空糸膜モジュール５００のサンプルについては、乱流用突起１４０が設けられていない点のみが、本実施例に係る中空糸膜モジュール１０のサンプルと異なっている。
　以上のように構成されたサンプルを用いて、図４，７中、矢印Ｘに示すように、膜外流路に露点７１℃の加湿空気を４０Ｌ／ｍｉｎで通気しつつ、矢印Ｙに示すように膜内流路に乾燥空気を４０Ｌ／ｍｉｎで通気させた。その結果、本実施例に係る中空糸膜モジュール１０の場合、ヘッド２１０側から排出される加湿後の空気は露点換算で６４．０℃であった。これに対して、従来例に係る中空糸膜モジュール５００の場合、ヘッド５２０側から排出される加湿後の空気は露点換算で６２．５℃であった。このような比較試験の結果から、本実施例に係る中空糸膜モジュール１０を採用することで、加湿性能が向上することが分かる。
　（その他）
　上記実施例においては、膜外流路を流れる流体と、膜内流路を流れる流体が逆方向となるように構成する場合を示した。しかしながら、膜外流路を流れる流体と、膜内流路を流れる流体が同方向となるようにすることもできる。例えば、膜内流路に対しては、矢印Ｙとは反対方向に流体を流すようにすることもできる。ただし、加湿効率及び除湿効率を高めるためには、逆方向にするほうがよい。また、上記実施例においては、膜外流路に加湿空気を流し、膜内流路に乾燥空気を流す場合を説明した。しかしながら、膜外流路に乾燥空気を流し、膜内流路に加湿空気を流すようにしてもよい。
　１０　中空糸膜モジュール
　１００　ケース
　１００Ｐ，１００Ｑ　略平板部
　１００Ｒ，１００Ｓ　曲面部
　１１０　膜外流路入口
　１２０　膜外流路出口
　１３０　整流用突起
　１４０　乱流用突起
　２１０，２２０　ヘッド
　２１０ａ，２２０ａ　内周面
　３００　中空糸膜束
　４１０，４２０　封止固定部
　Ｓ　隙間

Claims (2)

  1. 　筒状のケースと、
    　前記ケース内に収容される複数の中空糸膜からなる中空糸膜束と、
    　前記ケースの一端側と他端側で、各中空糸膜の中空内部を開放させた状態で前記ケースの両端の開口部をそれぞれ封止し、かつ前記中空糸膜束を前記ケースに対して固定する一対の封止固定部と、
    　を備え、各中空糸膜の中空内部を通る膜内流路と、各中空糸膜の外壁面側を通る膜外流路とが形成され、これら膜内流路と膜外流路のうちの一方に湿潤空気が流され、他方に乾燥空気が流されることにより、各中空糸膜の膜分離作用により湿潤空気側の水分が乾燥空気側に供給される中空糸膜モジュールであって、
    　前記ケースには、該ケースの一端側に偏った位置に設けられる膜外流路入口と、該ケースの他端側に偏った位置であって、前記中空糸膜束を介して前記膜外流路入口とは反対側に設けられる膜外流路出口とが設けられ、
    　該ケースの内壁面には、該ケースの内壁面と前記中空糸膜束との間に隙間を確保せしめるように該中空糸膜束の外周面に向かって突出する共に、前記ケースの一端側から他端側に向かって伸び、流体の流れを整える少なくとも一つの整流用突起と、前記ケースの周方向に向かって伸び、流体の流れを乱れさせる少なくとも一つの乱流用突起とが設けられていることを特徴とする中空糸膜モジュール。
  2. 　前記ケースは、一対の略平板部と、これら一対の略平板部の両側をそれぞれ繋ぐ一対の曲面部とを備え、該ケースの一端側から他端側に向かう方向に対して垂直な断面形状がオーバル形状の部材により構成されており、
    　前記一対の略平板部の一方に前記膜外流路入口が設けられ、他方に前記膜外流路出口が設けられると共に、
    　前記整流用突起及び乱流用突起は、少なくとも前記一対の略平板部のうち前記膜外流路入口が設けられている側の内壁面に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の中空糸膜モジュール。
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