(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
給気ポートと排気ポートとを有するガス透過性の無い中空ケース内に、特定成分含有ガスを高濃度で特定成分を含有する高濃度ガスと低濃度で特定成分を含有する低濃度ガスとに分離する分離膜が配設された分離膜モジュールであって、
前記中空ケース内には、前記分離膜を透過することで特定成分を高濃度にする特定成分濃縮室と、前記分離膜を透過しないことで特定成分を高濃度にする特定成分希釈室とが直列に設けられており、
前記特定成分濃縮室と特定成分希釈室とは、上流側の室において前記分離膜を透過したガス又は前記分離膜を透過しなかったガスのうち、いずれか一方のみが流動可能に連通されており、
前記排気ポートは、前記特定成分濃縮室及び特定成分希釈室において分離精製されたガスがそれぞれ別個に排気されるように、分離精製されるガスの種類に応じた数だけ設けられており、
前記特定成分濃縮室と特定成分希釈室とを区画する区画壁が、前記分離膜と交差する方向に設けられており、
前記分離膜は、多孔質な中空糸状支持体の内面又は外面に、非多孔質な高分子膜からなる機能層を積層した中空糸膜であり、
１本の前記支持体に対して、前記特定成分濃縮室内では膜を透過することで特定成分を高濃度にする濃縮機能層を積層し、前記特定成分希釈室内では膜を透過しないことで特定成分を高濃度にする希釈機能層を積層しており、
前記特定成分濃縮室と特定成分希釈室とは、前記中空糸膜の空洞を通して連通されていることを特徴とする分離膜モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特定成分を含有するガスを、高濃度で特定成分を含有する高濃度ガスと低濃度で特定成分を含有する低濃度ガスとに分離する分離膜を備える分離膜モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、高分子膜に対する溶解拡散係数等の相違を利用して、気体混合物から特定成分を分離濃縮できる分離膜が各種産業分野で適用されている。例えば、空気から酸素と窒素を分離、プラットフォーミング法のオフガスからの水素の分離回収、アンモニア合成時の水素の分離回収、火力発電やゴミ焼却の排ガスからの二酸化炭素の回収及び窒素酸化物や硫黄酸化物の除去、油田のオフガスからの二酸化炭素の分離回収、メタンを主成分とする天然ガスからの硫化水素や二酸化炭素などの酸性ガスの除去やヘリウムの分離回収、精密機械用やオゾン発生機用の空気除湿、有機溶剤からの脱水、及びガソリン燃料から発生した蒸発燃料含有ガスからの蒸発燃料の分離回収など、多くの分野に適用される。分離膜の形態の１としては、特許文献１〜３のような中空糸膜がある。これらは、分離対象こそ異なるが、多孔質な中空糸状支持体の表面に、非多孔質な高分子膜からなる機能層を積層した基本構造となっている。これをモジュール化する場合、給気ポートと排気ポートとを有するガス透過性の無い中空ケース内に、中空糸膜を内設することになる。
【０００３】
【０００４】
また、ナフサ軽質留分などの、石油由来の蒸発成分を３成分以上含有する混合ガスから、イソプレンガスなどの特定成分とその他の成分とを分離回収するに際して、膜に対する特定成分の透過係数が高い特定成分濃縮膜と、膜に対する特性成分の透過係数が低い特定成分希釈膜との、２種類の分離膜を直列に設けて多段分離するガス分離方法が、特許文献４に開示されている。
【０００５】
【特許文献１】特開昭６３−３１５１０４号公報
【特許文献２】特開平９−６６２２４号公報
【特許文献３】特開２００８−１７３５７３号公報
【特許文献４】特開平９−６６２１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１〜３の中空糸膜は、特定成分のみを透過させることで濃縮分離することを目的としており、中空糸（支持体）の表面には１種類の機能層が積層されているのみである。すなわち、１つの中空糸膜には１つの成分に対する分離機能しか有していない。したがって、複数の成分を含有する混合ガスから各成分を分離回収するには、それぞれ分離対象が異なる複数の分離膜を用意してこれらを順次透過させるしかない。特許文献４でも、複数の特定成分分離膜モジュール若しくは特定成分分離膜モジュールと特定成分分離膜モジュールとを組み合わせてこれらを連通管を介して直列に配し、蒸発燃料含有ガスないし混合ガスを順次複数の分離膜モジュールへ供給することで、複数段階で分離している。
【０００７】
しかし、これでは装置が大型化する、装置の組み付け工数や部品点数が多い、装置の軽量化が困難、配管継手部分が多く当該継手部分からのガス漏れの可能性が高くなる、及びコストが嵩むなど、種々の問題を有する。
【０００８】
そこで、本発明は上記課題を解決するものであって、特定成分含有ガスを複数段階で分離濃縮して特定成分を回収する場合でも、大型化することなどがない分離膜モジュール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】
本発明は、給気ポートと排気ポートとを有するガス透過性の無い中空ケース内に、特定成分含有ガスを高濃度で特定成分を含有する高濃度ガスと低濃度で特定成分を含有する低濃度ガスとに分離する分離膜が配設された分離膜モジュールであって、前記中空ケース内には、前記分離膜を透過することで特定成分を高濃度にする特定成分濃縮室と、前記分離膜を透過しないことで特定成分を高濃度にする特定成分希釈室とが直列に設けられており、前記特定成分濃縮室と特定成分希釈室とは、上流側（給気ポート側）の室において前記分離膜を透過したガス又は前記分離膜を透過しなかったガスのうち、いずれか一方のみが流動可能に連通されており、前記排気ポートは、前記特定成分濃縮室及び特定成分希釈室において分離精製されたガスがそれぞれ別個に排気されるように、分離精製されるガスの種類に応じた数だけ設けられていることを特徴とする。
【００１０】
【００１１】
上記分離膜モジュールの形態として、前記特定成分濃縮室と特定成分希釈室とを区画する区画壁を前記分離膜と交差する方向に設け、前記分離膜としては、多孔質な中空糸状支持体の内面又は外面に、非多孔質な高分子膜からなる機能層を積層した中空糸膜とする。そのうえで、１本の前記支持体に対して、前記特定成分濃縮室内では膜を透過することで特定成分を高濃度にする濃縮機能層を積層し、前記特定成分希釈室内では膜を透過しないことで特定成分を高濃度にする希釈機能層を積層し、前記特定成分濃縮室と特定成分希釈室とは、前記中空糸膜の空洞を通して連通させることができる。
【００１２】
【発明の効果】
【００１３】
本発明の分離膜モジュールによれば、１つの中空ケース内に特定成分濃縮室と特定成分希釈室とを直列に設けて、複数の分離膜が１つのモジュールに一体化されている。これによれば、特定成分含有ガスを複数段階で分離して回収する場合でも、１つの分離膜モジュールを用いればよいので、装置の小型化、装置の組み付け工数や部品点数の削減、装置の軽量化、コスト削減などが可能であり、さらに配管継手部分が少なくなるので継手部分からのガス漏れの可能性も低くなる。特定成分濃縮室と特定成分希釈室とが、上流側の室において分離膜を透過したガス又は透過しなかったガスのうちいずれか一方のみが流動可能に連通されていれば、分離後のガスが混合されることはなく、複数の分離膜を１つのモジュールに一体化しても、確実な複数段階の分離が可能である。排気ポートが、分離精製されたガスがそれぞれ別個に排気されるように、分離精製されるガスの種類に応じた数だけ設けられていれば、分離後の各ガスを所望される供給先へ確実に供給させることが出来るので、当該分離膜モジュールを備えた処理装置の設計自由度が高くなる。
【００１４】
【００１５】
【００１６】
また、分離膜を中空糸膜として、特定成分濃縮室と特定成分希釈室とを区画する区画壁を分離膜と交差する方向に設けたうえで、特定成分濃縮室と特定成分希釈室とが、中空糸膜の空洞を通して連通される構成としても、機能の異なる複数の分離膜を、それぞれの分離膜の機能を損なうことなく１つのモジュールとして確実に一体化できる。このとき、１本の支持体（中空糸）に対して、濃縮機能層と希釈機能層とを場所に応じて積層していれば、例えば中空ケースを内外二重構造にする場合などと比べてさらに小型化が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、適宜図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明するが、これに限られず本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。本発明の分離膜モジュールは、空気から酸素と窒素を分離、プラットフォーミング法のオフガスからの水素の分離回収、アンモニア合成時の水素の分離回収、火力発電やゴミ焼却の排ガスからの二酸化炭素の回収及び窒素酸化物や硫黄酸化物の除去、油田のオフガスからの二酸化炭素の分離回収、メタンを主成分とする天然ガスからの硫化水素や二酸化炭素などの酸性ガスの除去やヘリウムの分離回収、精密機械用やオゾン発生機用の空気除湿、有機溶剤からの脱水、及びガソリン燃料から発生した蒸発燃料含有ガスからの蒸発燃料の分離回収などのガス処理装置に適用できる。以下には、蒸発燃料含有ガスから蒸発燃料を分離回収する蒸発燃料処理装置へ適用した場合を例に挙げて説明する。
【００１８】
当該蒸発燃料処理装置は、キャニスタに吸着された蒸発燃料（ベーパ）を、エンジン駆動時の吸気管負圧を利用して脱離（パージ）させる方法とは異なり、ポンプによってパージさせて分離膜に加圧供給し、当該分離膜によって分離された蒸発燃料を高濃度で回収するパージレスエバポシステムとして構成されており、アイドリング停止システム、ハイブリッドシステム、又は直噴式エンジンなどを採用した車両に搭載される。
【００１９】
図１に、本発明の実施例１に係る分離膜モジュールを有する蒸発燃料処理装置の概略構成図を示す。蒸発燃料処理装置は、燃料タンク１から発生する蒸発燃料を吸着捕集するキャニスタ２と、キャニスタ２から脱離された蒸発燃料を含む蒸発燃料含有ガスを、蒸発燃料を高濃度で含む高濃度ガスと蒸発燃料を低濃度で含む低濃度ガスとに分離する分離膜を備える分離膜モジュールと、キャニスタ２から分離膜モジュールへ蒸発燃料含有ガスを圧送するポンプ３とを有する。キャニスタ２内には、当該キャニスタ２の内部空間を２つに区画する区画壁２ａが一体形成されている。
【００２０】
燃料タンク１とキャニスタ２とは、エバポライン１０を介して連通されている。パージライン１１上に、ポンプ３が配されている。キャニスタ２には、その先端が大気に連通する大気ライン１６も連接されている。
【００２１】
キャニスタ２内には、燃料タンク１内で発生した蒸発燃料が吸着捕集され、燃料成分より分子径の小さい空気は吸着されずに透過する多孔体からなる吸着材が内蔵されている。吸着材として活性炭を使用できる。キャニスタ２内には、当該キャニスタ２内を加熱する，ピエゾ素子などの加熱素子デバイスにより構成されたヒータを設けておくことも好ましい。ポンプ３は電動式であり、キャニスタ２内に吸着された蒸発燃料を脱離させ、当該脱離された蒸発燃料と空気とを含む蒸発燃料含有ガスを、分離膜モジュール側へ圧送する。なお、ポンプ３は、図示していない電子制御装置（ＥＣＵ）によって制御されている。ＥＣＵは、中央処理装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）などを有する。ＲＯＭに所定の制御プログラムが予め記憶されており、ＣＰＵが、制御プログラムに基づいてポンプ３などを所定のタイミングで制御操作する。
【００２２】
【００２３】
【００２４】
【００２５】
【００２６】
燃料タンク１から蒸発燃料が発生すると、当該蒸発燃料はエバポライン１０を通してキャニスタ２内に吸着捕集され、余分な空気成分はキャニスタ２を通って大気ライン１６から排出される。そして、イグニッションスイッチ（ＩＧスイッチ）やスタータなどの内燃機関始動用のスイッチを入れると、ポンプ３が駆動されて、キャニスタ２から分離膜モジュール側へ至る気流が発生する。すると、大気ライン１６から空気（外気）が導入されることでキャニスタ２内に吸着された蒸発燃料が脱離（パージ）される。キャニスタ２からパージされた蒸発燃料は、大気ライン１６から吸入された空気成分と共に蒸発燃料含有ガスとして、ポンプ３によってパージライン１１を通して分離膜モジュールへ圧送供給される。すると、蒸発燃料含有ガス中から燃料成分が優先的に透過分離されて、蒸発燃料を高濃度で含有する濃縮ガスが精製される。濃縮ガスは、回収ライン１２を通して燃料タンク１へ回収される。
【００２７】
【００２８】
【００２９】
【００３０】
【００３１】
【００３２】
（実施例１）
図１に、本発明の実施例１に係る分離膜モジュール６０を有する蒸発燃料処理装置の概略構成図を示す。実施例１の分離膜モジュール６０では、１つの中空ケース６１しか使用しておらず、１つの中空糸膜２３が濃縮機能と希釈機能の双方を有する点に特徴を有する。キャニスタ２からの蒸発燃料含有ガスＧ０は、直接本発明の分離膜モジュール６０へ供給されるようになっている。
【００３３】
図１に示されるように、分離膜モジュール６０は、ガス透過性を有しない中空ケース６１の内部に、複数本の中空糸膜２３が、中空ケース６１の左右両端近傍に亘って配されている。各中空糸膜２３は、ガス透過性を有しない仕切板６２〜６５に挿通された状態で支持されている。これにより、中空ケース６１内は、仕切板６２〜６５によって中空糸膜２３の長手方向に沿って複数の部屋に区画されており、各部屋は中空糸膜２３の空洞を通して連通されていることになる。仕切板６２〜６５が、本発明の区画壁に相当し、区画壁６２〜６５は各中空糸膜２３と交差するように設けられている。各中空糸膜２３は、１本の中空糸状多孔質支持体２３ａに対して、膜を透過することで蒸発燃料を高濃度にする濃縮機能層２３ｂと、膜を透過しないことで蒸発燃料を高濃度にする希釈機能層２３ｃとが、仕切板６４を挟んで長手方向に区分けされた状態で、それぞれ支持体２３ａの外面に積層されている。これにより、上流側（給気ポート７０側）から仕切板６２と仕切板６３との間が一次濃縮室６６となり、仕切板６３と仕切板６４との間が二次濃縮室６７となり、仕切板６４と仕切板６５との間が希釈室６８となる。
【００３４】
給気ポート７０は、各中空糸膜２３の始端に臨むように中空ケース６１の一端壁に設けられている。第１の排気ポート７１は、第１の濃縮室６６に望む中空ケース６１の周壁に設けられている。分離膜モジュール６０の給気ポートにパージライン１１が連接され、第１の排気ポート７１に回収ライン１２が連接されている。第２の排気ポート７２は、第２の濃縮室６７に望む中空ケース６１の周壁に設けられており、当該第２の排気ポート７２に第１の循環ライン１４が連接されている。第３の排気ポート７３は、希釈室６８に望む中空ケース６１の周壁に設けられており、当該第３の排気ポート７３に第２の循環ライン１４が連接されている。第４の排気ポート７４は、各中空糸膜２３の終端に臨むように、中空ケース６１の他端壁に設けられており、当該第４の排気ポート７４に返流ライン１５が連接されている。
【００３５】
次に、蒸発燃料処理装置の作用について説明する。ポンプ３によってキャニスタ２から脱離された蒸発燃料を含む供給される蒸発燃料含有ガスＧ０は、直接分離膜モジュール６０へ供給される。実施例１の分離膜モジュール６０は内圧分離方式であり、給気ポート７０から給気された蒸発燃料含有ガスＧ０は、各中空糸膜２３の空洞内へ流入していく。すると、分離膜モジュール６０の内部における最上流にある第１の濃縮室６６においては、中空糸膜２３の濃縮機能層２３ｂによって蒸発燃料含有ガスＧ０中から燃料成分Ｐ１が優先的に透過分離され、第１の濃縮室６６内には供給された蒸発燃料含有ガスＧ０よりも蒸発燃料濃度が高められた一次濃縮ガスが精製される。当該一次濃縮ガスは、第１の排気ポート７１から回収ライン１２を通して燃料タンク１内へ回収される。一方、中空糸膜２３の空洞内部には、中空糸膜２３の濃縮機能層２３ｂで分離されなかった空気と、濃縮機能層２３ｂで分離されずに残った蒸発燃料とが混在する中濃度ガスＧ１が残存し、そのまま中空糸膜２３の空洞を通って第２の濃縮室６７方向へ流動していく。すると、第１の濃縮室６６と同様に、第２の濃縮室６７においても、中空糸膜２３の濃縮機能層２３ｂによって中濃度ガスＧ１中から燃料成分Ｐ１が優先的に透過分離され、第２の濃縮室６７内には供給された中濃度ガスＧ１よりも蒸発燃料濃度が高められた二次濃縮ガスが精製される。当該二次濃縮ガスは、第２の排気ポート７２から循環ライン１４を通してポンプ３の上流に還流される。一方、中空糸膜２３の空洞内部には、中空糸膜２３の濃縮機能層２３ｂで分離されなかった空気と、濃縮機能層２３ｂで分離されずに残った僅かな蒸発燃料とが混在する低濃度ガスＧ３が残存し、そのまま中空糸膜２３の空洞を通って希釈室６８方向へ流動していく。すると、希釈室６８においては、中空糸膜２３の希釈機能層２３ｃによって低濃度ガスＧ３中から空気成分Ｐ２が優先的に透過分離され、希釈室６８内には供給された低濃度ガスＧ３よりもさらに蒸発燃料濃度が下げられた（空気濃度が高められた）希釈ガスが精製される。当該希釈ガスは、第３の排気ポート７３から返流ライン１５を通してキャニスタ２へ返流される。一方、中空糸膜２３の空洞内部には、中空糸膜２３の希釈機能層２３ｃで分離されなかった蒸発燃料を含む三次濃縮ガスＧ４が残存し、そのまま中空糸膜２３の他端へ抜けて第４の排気ポート７４から第２の循環ライン１４を通ってポンプ３の上流に還流される。なお、ガス分離膜による分離効率（透過ガス中の特定成分濃度）は、供給されるガス中の特定成分濃度が高いほど高くなる傾向を有する。したがって、本実施例１では、第１の濃縮室６６において分離精製された一次濃縮ガスの蒸発燃料濃度は、第２の濃縮室６７において分離精製された二次濃縮ガスの蒸発燃料濃度よりも高い。
【００３６】
【００３７】
【００３８】
【００３９】
【００４０】
（その他の変形例）
【００４１】
【００４２】
実施例１において、本願発明の区画壁に相当する仕切板の枚数を変更することで、濃縮回数（複数回分離の数）を設計できる。この場合、濃縮機能層と希釈機能層とは２つに区分けする以外にも、濃縮機能層の間に希釈機能層を設けたり、複数の濃縮機能層及び希釈機能層を交互に区分けした状態で設けたりしてもよい。中空ケースは円筒形に限られない。
【００４３】
これらの各変形例においても、排気ポートは、濃縮室及び希釈室において分離精製されたガスがそれぞれ別個に排気されるように、分離精製されるガスの種類に応じた数だけ適所に設けておく。このとき、各排気ポートには、分離されるガスの種類に応じて循環ラインや返流ラインを適宜連接すればよい。また、第１の分離膜によって分離された中濃度ガスが給気される構成とすることもできる。
【００４４】
本発明の分離膜モジュールは、蒸発燃料含有ガス中から蒸発燃料を分離回収する場合の他、先述の各種混合ガスから特性成分を分離回収する場合にも使用可能である。この場合、機能層の材料を、例えば特許文献１ないし特許文献３に記載の機能層材料のように、適宜特定成分に対する透過係数の高い材料に変更するだけでよい。
【００４５】
実施例１では、ポンプ３を各分離膜モジュールより上流のパージライン１１上に設けて、キャにスタ２から分離膜へ蒸発燃料含有ガスを加圧供給させているが、他にも、例えばポンプ３を返流ライン１５上に設けるなどして、各分離膜モジュールより下流に設けたポンプ３によってキャニスタ２から分離膜へ蒸発燃料含有ガスを減圧供給させることもできる。
【００４６】
蒸発燃料処理装置の作動は、ＩＧスイッチやスタータなどの内燃機関の始動用スイッチを入れるとポンプの駆動により作動することとしたが、ＩＧスイッチオフの内燃機関の停止中に作動させてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】実施例１の蒸発燃料処理装置の概略構成図である。
【符号の説明】
【００４８】
１  燃料タンク
２  キャニスタ
３  ポンプ
１０  エバポライン
１１  パージライン
１２  回収ライン
１３・１４  循環ライン
１５  返流ライン  
２３  中空糸膜
２３ｂ  濃縮機能層
２３ｃ  希釈機能層  
６０  分離膜モジュール
６１  中空ケース
６２〜６５  仕切板
６６  濃縮室
６７  濃縮室
７０  給気ポート
７１〜７４  排気ポート
Ｇ０  蒸発燃料含有ガス
Ｇ１  中濃度ガス  
Ｇ３  低濃度ガス
Ｇ４  三次濃縮ガス  
Ｐ１  燃料成分
Ｐ２  空気成分
【図１】
0005442237.tif 000002