(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
分離膜を含む巻回体と、
前記巻回体の中心軸に沿って前記巻回体を貫通する中心管と、
前記巻回体を少なくとも一方の端面で前記中心管と接合する接合部であって、前記巻回体の端面よりも内側に位置する保持部、および前記保持部と一体的に形成された、前記中心管の外周面に沿って前記保持部から前記巻回体の端面が面する方向に延びる延在部を含む接合部と、
前記中心管に対して前記延在部を固縛する拘束部材と、
を備える、スパイラル型膜エレメント。
【請求項２】
前記拘束部材は、前記中心管を前記延在部の上からクランプ可能なクランプ部材である、請求項１に記載のスパイラル型膜エレメント。
【請求項３】
前記拘束部材は、前記巻回体の端面に密着するように前記中心管に挿通され、前記中心管との隙間が前記延在部で満たされた筒部材である、請求項１に記載のスパイラル型膜エレメント。
【請求項４】
前記中心管は、金属製である、請求項１〜３のいずれか一項に記載のスパイラル型膜エレメント。
【請求項５】
前記接合部は、熱硬化性樹脂接着剤で構成されている、請求項１〜４のいずれか一項に記載のスパイラル型膜エレメント。
【請求項６】
前記巻回体は、透過側流路材の両面に前記分離膜が重ね合わされた袋状の膜リーフが、供給側流路材と共に前記中心管の回りに巻き回されることにより形成されている、請求項１〜５のいずれか一項に記載のスパイラル型膜エレメント。
【請求項７】
前記分離膜は、前記供給側流路材と対向するスキン層と、前記スキン層を支持する支持層と、前記支持層に積層された不織布とを含み、
前記スキン層は、フッ素含有樹脂またはセルロース系樹脂で構成された、孔のない均質膜である、請求項６に記載のスパイラル型膜エレメント。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、分離膜を用いたスパイラル型膜エレメントに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、液体や気体などの原流体を濃縮したり原流体から特定成分を分離したりするために、管状型、中空糸型、スパイラル型、プリーツ型などの種々の膜エレメントが用いられている。例えば、特許文献１には、分離膜、供給側流路材および透過側流路材を中心管の回りに巻き回した巻回体を有するスパイラル型膜エレメントが記載されている。
【０００３】
スパイラル型膜エレメントでは、一般的に、巻回体が軸方向の両端で中心管に接合される。例えば、特許文献２には、透過側流路材を挟む２枚の矩形の分離膜同士を接着剤によって３辺で接着して中心管に巻き回されるエンベロープを形成するとともに、そのうちの向かい合う２辺の接着剤を使って分離膜を巻回体の端面で中心管に接着することが記載されている。
【０００４】
スパイラル型膜エレメントを使用する際には、筒状の圧力容器内にスパイラル型膜エレメントを装填し、圧力容器内に原流体を流入させながら分離膜を挟んだ供給側と透過側とに圧力差を与える。これにより、分離膜による濃縮または分離が行われる。
【０００５】
ところで、用途によっては、スパイラル型膜エレメントが高温環境下に曝されることがある。例えば、食品、医薬およびファインケミカルにおけるプロセス処理やこれらのプロセス後の排液処理に用いられるスパイラル型膜エレメントでは、高温または蒸気となった処理液がスパイラル型膜エレメントに供給される。また、パーベーパレーション（ＰＶ）法やベーパーパーミエーション（ＶＰ）法を利用したアルコールなどの抽出に用いられるスパイラル型膜エレメント（例えば、特許文献３参照）では、高温の水溶液から発生した高温の蒸気が分離膜を透過する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−３５４７４２号公報
【特許文献２】特表２００９−５１８１８１号公報
【特許文献３】特開平４−１８７２２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記のように高温環境下でスパイラル型膜エレメントが使用されると、分離膜と中心管の材質の違いによりそれらを接合する接合部に熱応力がかかる。すなわち、運転の開始および停止による温度変化に伴い分離膜が膨張および収縮を繰り返し、これにより接合部に応力がかかる。その結果、巻回体を端面で中心管に接合しただけでは、接合部が中心管から剥離することがある。
【０００８】
本発明は、このような事情に鑑み、中心管からの接合部の剥離を防止することができるスパイラル型膜エレメントを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記課題を解決するために、本発明は、分離膜を含む巻回体と、前記巻回体の中心軸に沿って前記巻回体を貫通する中心管と、前記巻回体を少なくとも一方の端面で前記中心管と接合する接合部であって、前記巻回体の端面よりも内側に位置する保持部、および前記保持部と一体的に形成された、前記中心管の外周面に沿って前記保持部から前記巻回体の端面が面する方向に延びる延在部を含む接合部と、前記中心管に対して前記延在部を固縛する拘束部材と、を備える、スパイラル型膜エレメントを提供する。
【発明の効果】
【００１０】
上記の構成によれば、拘束部材によって接合部の径方向外側への広がりが拘束される。従って、中心管からの接合部の剥離を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１実施形態に係るスパイラル型膜エレメントの断面図
【図２】第１実施形態における拘束部材が接合部の延在部を固縛した状態を示す側面断面図
【図３】巻回体の構成図
【図４】分離膜の構成図
【図５】（ａ）は本発明の第２実施形態に係るスパイラル型膜エレメントの断面図、（ｂ）は第２実施形態における拘束部材が接合部の延在部を固縛した状態を示す側面断面図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明は本発明の一例に関するものであり、本発明はこれらによって限定されるものではない。
【００１３】
（第１実施形態）
図１に、本発明の第１実施形態に係るスパイラル型膜エレメント１Ａ（以下、単に「膜エレメント１Ａ」という。）を示す。この膜エレメント１Ａは、分離膜３１（図３参照）を含む巻回体３と、巻回体３の中心軸に沿って巻回体３を貫通する中心管２と、巻回体３を両端面３ａで中心管２と接合する一対の接合部４とを備えている。また、本実施形態では、巻回体３を保護するために、巻回体３を取り巻く外装材６が用いられている。なお、巻回体３の軸方向の両側には、巻回体３の端面を保護するため、および巻回体３がテレスコピック状に伸張することを防止するために、端部材が配置されていることが好ましい。
【００１４】
膜エレメント１Ａには、巻回体３の一方の端面３ａから内部に原流体が供給され、この原流体が分離膜３１によって透過流体と濃縮流体とに分離される。透過流体は、中心管２を通じて外部に導かれ、濃縮流体は、巻回体３の他方の端面３ａから排出される。例えば、膜エレメント１Ａが海水淡水化に用いられる場合には、原流体、透過流体および濃縮流体は全て液体である。また、膜エレメント１ＡがＰＶ法やＶＰ法を利用した例えばアルコール溶液の濃縮またはアルコール溶液からのアルコールの分離に用いられる場合には、少なくとも透過流体は蒸気であり、原流体および濃縮流体は全体のシステム構成に応じて液体または蒸気となる。
【００１５】
中心管２は、透過流体を集める集流体管として機能するものである。中心管２には、内部に透過流体を流入させる複数の導入孔２１が形成されている。
【００１６】
中心管２の構成材料には、公知の集流体管の構成材料を使用できる。例えば、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン共重合樹脂（ＡＢＳ樹脂）、ポリフェニレンエーテル樹脂（ＰＰＥ樹脂）、ポリサルフォン樹脂（ＰＳＦ樹脂）などの樹脂材、あるいはステンレス鋼、チタンなどの金属材を使用できる。特に、高温で運転する場合には、金属材で構成された中心管２が好ましく用いられる。
【００１７】
中心管２の内径は、使用される巻回体３の大きさに応じて異なるが、例えば２０〜１００ｍｍ程度である。中心管２の肉厚は、用途に応じて異なるが、例えば１〜７ｍｍ程度である。
【００１８】
巻回体３は、図３に示すように、透過側流路材３２の両面に分離膜３１が重ね合わされた袋状の膜リーフが、供給側流路材３３と共に中心管２の回りに巻き回されることにより形成されている。なお、膜リーフおよび供給側流路材３３の枚数は、１枚である必要はなく、複数枚であってもよい。
【００１９】
膜リーフを構成する一対の分離膜３１および透過側流路材３２、ならびに供給側流路材３３は、巻き回される方向が一方の対辺方向となる矩形状をなしている。分離膜３１同士は、膜リーフが一方向に開口する袋状となるように３辺で接着剤により接着されており、その開口が中心管２の導入孔２１と連通している。透過側流路材３２は、互いに接着される分離膜３１同士の間に透過流体を流すための流路を形成する。供給側流路材３３は、巻き回される膜リーフの周回部分同士の間に原流体を流すための流路を形成する。
【００２０】
分離膜３１としては、用途によって種々の構成のものを使用することができる。例えば、ＰＶ法やＶＰ法では、図４に示すような構成の分離膜３１を用いることができる。この分離膜３１は、供給側流路材３３と対向するスキン層３１ａと、スキン層３１ａを支持する支持層３１ｂと、支持層３１ｂに接合された不織布３１ｃとを含む。
【００２１】
スキン層３１ａは、孔のない均質膜である。スキン層３１ａとしては、例えば、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）やセルロース系樹脂などの公知の材料からなる平膜、またはこれらの複合膜を用いることができる。中でも、高温処理に用いる場合の耐熱性の観点から、スキン層３１ａはフッ素含有樹脂やセルロース系樹脂で構成されていることが好ましい。
【００２２】
支持層３１ｂを構成する材料としては、例えばＰＶＤＦが挙げられ、不織布３１ｃを構成する材料としては、例えばＰＰＳが挙げられる。
【００２３】
透過側流路材３２および供給側流路材３３としては、例えばＰＰＳやエチレン−クロロトリフルオロエチレン共重合体（ＥＣＴＦＥ）からなる樹脂製ネットを用いることができる。ただし、供給側流路材３３の網目は、透過側流路材３２の網目よりも大きいことが好ましい。
【００２４】
巻回体３を取り巻く外装材６は、例えば、ガラス繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）やシリコーン樹脂を巻回体３の外周面にコーティングすることにより形成される。
【００２５】
巻回体３の軸方向の両端部に配置された接合部４は、接着剤で構成されている。この接合部４を構成する接着剤は、分離膜３１同士を接着する接着剤と同じであってもよいし異なっていてもよい。接合部４を構成する接着剤としては、例えば、ウレタン樹脂系、エポキシ樹脂系、シリコーン樹脂系などの熱硬化性樹脂接着剤、またはホットメルト接着剤などの従来から公知の何れの接着剤を使用することができる。ただし、作業性の観点からは、加熱により硬化可能な熱硬化性樹脂接着剤を用いることが好ましい。中でも、シリコーン樹脂系接着剤を用いることが、耐熱性に優れ、柔軟性に富む点で好ましい。
【００２６】
本実施形態では、それぞれの接合部４が、中心管２の外周面に沿って巻回体３の端面３ａから軸方向の両側に延びるような環状の形状に形成されている。具体的には、それぞれの接合部４が、巻回体３の端面３ａよりも内側に位置する保持部４１と、保持部４１と一体的に形成された延在部４２とを有している。延在部４２は、保持部４１から巻回体３の端面３ａが面する方向に延びている。そして、延在部４２は、拘束部材によって中心管２に対して固縛される。
【００２７】
本実施形態では、拘束部材として、中心管２を延在部４２の上からクランプ可能なクランプ部材５Ａが採用されている。クランプ部材５Ａは、図２に示すように、半円の両端から固定部が突出する一対のクランプ片５１，５２を有している。そして、それらのクランプ片５１，５２の固定部同士をボルト５３で締結することにより、延在部４２が周囲からクランプ片５１，５２に押圧されて中心管２に対して固縛される。ただし、クランプ部材５Ａの構成はこれに限られるものではない。例えば、クランプ部材５Ａは、円の一部を外向きに開口させた略Ω字状の形状を有しており、その開口形成部がボルトおよびナットによって締結される構造を有していてもよい。
【００２８】
クランプ部材５Ａは、例えばステンレス鋼など線膨張係数が小さい材料で構成されていることが好ましい。あるいは、クランプ部材５Ａを構成する材料としては、プラスチック材でも、接合部４を構成する接着剤よりも線膨張係数が小さいものであれば採用可能である。
【００２９】
次に、上述した膜エレメント１Ａの製造方法を説明する。
【００３０】
まず、中心管２１の外周面における互いに離間する２箇所の所定領域に、接合部４を構成する接着剤を塗布する。ついで、膜リーフおよび供給側流路材３３を、塗布された接着剤が両側に露出するように位置合わせした状態で中心管２の回りに巻き回し、その状態で接着剤を硬化させる。これにより、保持部４１および延在部４２からなる接合部４が形成される。その後、延在部４２にクランプ部材５Ａを取り付ける。
【００３１】
以上説明した膜エレメント１Ａでは、クランプ部材５Ａによって接合部４の径方向外側への広がりが拘束される。従って、膜エレメント１Ａが高温環境下に曝されて分離膜３１が膨張および収縮を繰り返したとしても、中心管２からの接合部４の剥離を防止することができる。
【００３２】
（第２実施形態）
次に、図５（ａ）および（ｂ）を参照して、本発明の第２実施形態に係るスパイラル型膜エレメント１Ｂ（以下、単に「膜エレメント１Ｂ」という。）を説明する。なお、本実施形態では、第１実施形態で説明した構成と同一部分には同一符号を付して、その説明を省略する。また、図５（ａ）では膜エレメント１Ｂの片側の端部のみを図示するが、反対側の端部も同様の構成である。
【００３３】
本実施形態では、中心管２に対して延在部４２を固縛する拘束部材として、中心管２の外径よりも内径の大きな筒部材５Ｂが採用されている。筒部材５Ｂは巻回体３の端面３ａに密着するように中心管２に挿通され、筒部材５Ｂと中心管２との隙間が延在部４２で満たされている。そして、筒部材５Ｂは、延在部４２によって中心管２に固着されている。
【００３４】
筒部材５Ｂは、第１実施形態のクランプ部材５Ａと同様に、線膨張係数の小さい材料で構成されていることが好ましい。
【００３５】
次に、上述した膜エレメント１Ｂの製造方法を説明する。
【００３６】
まず、膜リーフおよび供給側流路材３３を中心管２の回りに巻き回して巻回体３を形成した後に、その両側から筒部材５Ｂを中心管２に刺し通して巻回体３の両端面３ａに密着させる。ついで、筒部材５Ｂと中心管２１の隙間に接合部５を構成する接着剤を流し込み、その接着剤を筒部材５Ｂと中心管２の隙間に充填する。その後、接着剤を硬化させる。これにより、保持部４１および延在部４２からなる接合部４が形成され、延在部４２によって筒部材５Ｂが中心管２に固着される。
【００３７】
以上説明した膜エレメント１Ｂでは、筒部材５Ｂによって接合部４の径方向外側への広がりが拘束される。従って、膜エレメント１Ｂが高温環境下に曝されて分離膜３１が膨張および収縮を繰り返したとしても、中心管２からの接合部４の剥離を防止することができる。
【００３８】
（その他の実施形態）
前記第１および第２実施形態では、一対の接合部４の双方が延在部４２を有していたが、どちらか一方の接合部４は延在部４２を有していなくてもよい。この場合、延在部４２を有する方の接合部４のみが本発明の接合部に相当する。すなわち、本発明の接合部は、回転体３を少なくとも一方の端面３ａで中心管２と接合するものであればよい。
【００３９】
また、拘束部材としてクランプ部材５Ａを採用する場合は、延在部４２は、必ずしも環状である必要はない。例えば、延在部４２は、等角度間隔で配置された、保持部４１から中心管２の軸方向に延びる複数の短冊片で構成されていてもよい。
【符号の説明】
【００４０】
１Ａ，１Ｂ  スパイラル型膜エレメント
２    中心管
３    巻回体
３ａ  端面
３１  分離膜
３１ａ  スキン層
３１ｂ  支持層
３１ｃ  不織布
３２  透過側流路材
３３  供給側流路材
４    接合部
４１  保持部
４２  延在部
５Ａ  クランプ部材（拘束部材）
５Ｂ  筒部材（拘束部材）
【図１】
0005465654.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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