(57)【要約】【課題】膜蒸留装置のスタックが内圧により膨らむのを防止する。【解決手段】膜蒸留装置１のスタック１０の両側面にそれぞれ補強板３０を配置する。各補強板３０の外面に沿って少なくとも一対の補強梁４０を一方向に渡す。これら補強梁４０の両端部をスタック１０より上記一方向に延び出させる。スタック１０の上記一方向の両外側に配置した端連結部材５０によって、一対の補強梁４０の互いに同じ側の端部どうしを連結する。各補強梁４０に複数の押し付け部材６０を間隔を置いて設ける。押し付け部材６０を補強梁４０から突出させ補強板３０に突き当てる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶液の溶媒を膜蒸留法にて抽出する膜蒸留装置であって、
膜蒸留のための膜を枠を挟んで積層してなるスタックと、
前記スタックの積層方向の両側面に配置された２つの補強板と、
前記各補強板の外面に沿って一方向に渡され、両端部が前記スタックより前記一方向に延び出た少なくとも一対の補強梁と、
前記スタックの前記一方向の両外側に配置されて、前記一対の補強梁の互いに同じ側の端部どうしを連結する端連結部材と、
前記各補強梁に間隔を置いて複数設けられ、補強梁から突出して前記補強板に突き当てられた押し付け部材と、
を備えたことを特徴とする膜蒸留装置。
【請求項２】
前記押し付け部材が、前記補強梁から前記補強板への突出量を調節可能であることを特徴とする請求項１に記載の膜蒸留装置。
【請求項３】
前記押し付け部材が、前記補強梁に設けたナットに螺合されるネジ部を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の膜蒸留装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、海水等の溶液から溶媒を膜蒸留法（MD；Membrane  Distillation法）にて蒸留して取り出す膜蒸留装置に関し、特にスタック構造を有する膜蒸留装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、ギャップ式の膜蒸留装置は、２種類の膜と、第１、第２、第３の３種類の枠とを積層したスタックにて構成されている（特許文献１等参照）。２種類の膜の一方は、気体も液体も通さない不透過膜（伝熱板）であり、もう片方は気体を通すが液体を通さない蒸留膜である。枠の厚さ、ひいては枠内の室の厚さは、例えば５ｍｍ程度である。これら膜及び枠が、第１枠、不透過膜、第３枠、蒸留膜、第２枠、蒸留膜、第３枠、不透過膜、第１枠…の順に積層されている。積層体の両外側には、板状の外壁が設けられている。各膜の周縁部が、その両隣の枠によって挟持され、かつ接着や熱融着によって各枠内の液密性又は気密性が確保されている。さらに、スタックの周縁部には、複数のボルトがスタックの周方向に間隔を置いて設けられている。各ボルトが、スタック全体を積層方向に貫通して緊締されている。これらボルトによって耐圧性能を出している。
【０００３】
第１枠内に海水等の溶液を通す。第１枠から出た溶液を熱源にて加温したうえで、第２の枠内に通す。このとき、溶液中の水蒸気等の溶媒ガスが蒸留膜を透過して第３枠の枠内に入る。この溶媒を、不透過膜を介して第１枠内の溶液にて冷却して凝縮させて取り出す。
【０００４】
また、不透過膜を省略したダイレクト式の膜蒸留装置も知られている（特許文献２等参照）。ダイレクト式の膜蒸留装置では、一次液路が抽出室を兼ねている。一次液路（ないしは抽出室）に液体溶媒を流し、二次液路に溶液を流し、これら液路を蒸留膜にて仕切る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭６０−１９７２０５号公報
【特許文献２】特開昭６０−１１８２０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記従来の膜蒸留装置においては、各枠内の溶液及び抽出溶媒の圧力によってスタックの特に中央部分が膨らんでしまうという問題があった。そのため、溶液の流れがスタックの主に膨らんだ部分に偏った状態になり、蒸留用の膜の利用効率が悪く、溶媒抽出性能が低かった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記問題点を解決するために、溶液の溶媒を膜蒸留法にて抽出する膜蒸留装置であって、
膜蒸留のための膜を枠を挟んで積層してなるスタックと、
前記スタックの積層方向の両側面に配置された２つの補強板と、
前記各補強板の外面に沿って一方向に渡され、両端部が前記スタックより前記一方向に延び出た少なくとも一対の補強梁と、
前記スタックの前記一方向の両外側に配置されて、前記一対の補強梁の互いに同じ側の端部どうしを連結する端連結部材と、
前記各補強梁に間隔を置いて複数設けられ、補強梁から突出して前記補強板に突き当てられた押し付け部材と、
を備えたことを特徴とする。
押し付け部材が補強板を押し付け、補強板がスタックを押さえる。これにより、スタックの内圧が高くても、スタックが膨らむのを防止できる。よって、スタック内を溶液が偏りなく流れることができ、溶媒の抽出効率を高めることができる。
【０００８】
前記押し付け部材が、前記補強梁から前記補強板への突出量を調節可能であることが好ましい。
これにより、各押し付け部材が補強板に確実に突き当たるようにでき、かつ押し付け部材ごとに押し付け力を調節することができる。たとえば、スタックの中央部に近い押し付け部材ほど、押し付け力が大きくなるように設定できる。
【０００９】
前記押し付け部材が、前記補強梁に設けたナットに螺合されるネジ部を含むことが好ましい。
押し付け部材として汎用のボルトを用いることができ、構成を簡素化できる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、スタックの内圧が高くなっても、スタックが膨らむのを防止できる。これにより、溶液がスタック内に偏りなく流れるようにでき、溶媒抽出性能を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１実施形態に係る膜蒸留装置の平面図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う、上記膜蒸留装置の正面断面図である。
【図３】図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う、上記膜蒸留装置の側面断面図である。
【図４】本発明の第２実施形態を示し、膜蒸留装置の補強梁の変形例を示す斜視図である。
【図５】上記変形例に係る補強梁の正面断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態を図面にしたがって説明する。
図１〜図３は、例えば海水（溶液）から淡水（溶媒）を抽出する膜蒸留装置１を示したものである。膜蒸留装置１は、スタック１０と、耐圧補強部２を備えている。図２及び図３に示すように、スタック１０は、第１〜第３の枠１１，１２，１３と、伝熱板１４と、蒸留膜１５と、一対の外壁１６を所定の順に積層したものである。これら要素１１〜１６は、互いに同じ大きさの四角形（長方形）になっている。
【００１３】
スタック１０の幅（図１の左右方向の寸法）は、例えば６００ｍｍ程度であり、スタック１０の長さ（図１の上下方向の寸法）は、例えば１０００ｍｍ程度である。スタック１０の厚さ（積層方向の寸法）は要素１１〜１５の積層数にもよるが、例えば１００ｍｍ程度である。勿論、本発明が上記寸法に限定されるものではない。
【００１４】
枠１１，１２，１３は、海水等の溶液に対し耐腐蝕性を有していることが好ましく、ここではパッキン用のゴム材にて構成されているが、これに限られず、樹脂、その他の材料にて構成されていてもよい。第１枠１１の内部が一次液路１１ａになっている。第２枠１２の内部が二次液路１２ａになっている。第３枠１３の内部が溶媒抽出室１３ａになっている。各枠１１，１２，１３の厚さは、例えば５ｍｍ程度である。
【００１５】
伝熱板１４は、気体も液体も通さない不透過膜であり、かつ良好な伝熱性を有する。不透過膜からなる伝熱板１４は、特許請求の範囲の「膜蒸留のための膜」の１つを構成する。伝熱板１４は、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）等の樹脂フィルムにて構成されているが、その他の材料からなるフィルムにて構成されていてもよい。伝熱板１４の厚さは、例えば２０μｍ〜２００μｍ程度である。
【００１６】
蒸留膜１５（膜蒸留のための膜）は、例えば多孔質の膜で構成され、気体の透過を許容し、液体の透過を阻止する。蒸留膜１５の材料としては、例えばＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ポリプロピレン、ポリエチレン等の合成樹脂が挙げられる。蒸留膜１５の厚さは、例えば３０μｍ〜３００μｍ程度である。
【００１７】
これらスタック要素１１〜１５が、第１枠１１、伝熱板１４、第３枠１３、蒸留膜１５、第２枠１２、蒸留膜１５、第３枠１３、伝熱板１４、第１枠１１…の順に積層されている。枠１１，１２，１３によって、隣接する板ないし膜１４，１５どうし間の間隔が維持されている。伝熱板１４によって一次液路１１ａと溶媒抽出室１３ａが仕切られている。蒸留膜１５によって、二次液路１２ａと溶媒抽出室１３ａが仕切られている。
【００１８】
スタック１０の積層方向の両外側には、それぞれ第１枠１１が配置され、更にその外側に外壁１６が配置されている。外壁１６は、海水等の溶液に対し耐腐蝕性を有していることが好ましく、ここでは樹脂にて構成されているが、その他の材料にて構成されていてもよい。外壁１６の厚さは、数ｍｍ程度である。
【００１９】
伝熱板１４及び蒸留膜１５の周縁部が、その両隣の枠１１，１２，１３によって挟持され、かつ上記枠１１，１２，１３に接着されている。接着に代えて、熱融着でもよい。
【００２０】
スタック１０の周縁部には、複数のボルト１７がスタック１０の周方向に間隔を置いて設けられている。各ボルト１７が、スタック１０全体を積層方向に貫通して緊締されている。
【００２１】
図１に示すように、スタック１０には６つのポート２１〜２６が設けられている。そのうち、３つのポート２１，２５，２４が、スタック１０の長手方向の一端部（図１において下）に配置されている。これらポート２１，２５，２４は、スタック１０の幅方向に互いに離れている。残り３つのポート２３，２６，２２が、スタック１０の長手方向の他端部（図１において上）に配置されている。これらポート２３，２６，２２は、スタック１０の幅方向に互いに離れている。
【００２２】
海水が、一次供給ポート２１に供給される。この海水が、複数の一次液路１１ａの各々に分配され、各液路１１ａ内を流通する。このとき、海水は、後述する水蒸気（溶媒）の凝縮熱により加温される。その後、海水は、各液路１１ａから導出ポート２２に集められる。そして、該太陽熱集熱器等の熱源（図示せず）へ導出され、熱源からの熱によって更に加温される。加温後の海水が、二次供給ポート２３に供給される。この海水が、複数の二次液路１２ａの各々に分配され、各二次液路１２ａ内を流通する。このとき、海水中の水蒸気（溶媒ガス）が、蒸留膜１５を透過して溶媒抽出室１３ａに入る。この水蒸気を、伝熱板１４を介して一次液路１１ａの海水にて冷却して凝縮させる。凝縮した水を溶媒ポート２５から取り出す。各二次液路１２ａでの溶媒抽出により濃縮された海水は、排出ポート２４に集められて、該ポート２４から排出される。溶媒抽出室１３ａ内の空気等のガスは、ガス抜きポート２６から排出される。
【００２３】
図１に示すように、スタック１０は、耐圧補強部２にて耐圧補強されている。図２及び図３に示すように、耐圧補強部２は、２つの補強板３０と、複数の補強梁４０と、複数の端連結部材５０と、複数の押し付け部材６０を含む。
【００２４】
一対の補強板３０が、スタック１０の積層方向の両側面に配置され、外壁１６に重ねられている。各補強板３０は、平らな四角形（長方形）の板である。補強板３０の長さ（図１において上下寸法）及び幅（図１において左右寸法）は、スタック１０の長さ及び幅とそれぞれ同じであるが、スタック１０の寸法とは多少異なっていてもよい。補強板３０は、所要の剛性を有している。ここでは、補強板３０として、例えば鉄板が用いられているが、アルミニウム、その他の金属からなる板にて構成されていてもよい。補強板３０の厚さは、数ｍｍ（例えば３．２ｍｍ）程度である。
【００２５】
各補強板３０よりも上記積層方向の外側に離れて複数本の補強梁４０が配置されている。各補強梁４０は、アルミニウム等の金属にて構成されている。図２において二点鎖線に示すように、補強梁４０は、直線状に延びている。図３に示すように、補強梁４０の断面は、例えば４０ｍｍ角のほぼ正方形になっているが、これに限られるものではなく、円形断面でもよく、異形断面でもよい。
【００２６】
図１に示すように、補強梁４０の延び方向は、補強板３０の外面に沿ってスタック１０の幅方向（一方向）に向けられている。各補強梁４０の両端部は、スタック１０より前記一方向に延び出ている。
【００２７】
図１及び図３に示すように、上記積層方向の一側の複数の補強梁４０どうしは、スタック１０の長手方向に間隔を置いて配置されている。同様に、上記積層方向の他側の複数の補強梁４０どうしは、スタック１０の長手方向に間隔を置いて配置されている。補強梁４０の配置間隔は、例えば１５０ｍｍ程度である。上記積層方向の一側の補強梁４０と、積層方向の他側の補強梁４０とが、一対一に対応し、スタック１０を挟んで互いに平行に配置されている。
【００２８】
図１及び図２に示すように、端連結部材５０は、スタック１０よりも幅方向の外側に配置されている。上記積層方向に対をなす補強梁４０の互いに同じ側の端部どうしが、スタック１０よりも幅方向の外側において端連結部材５０にて連結されている。各補強梁４０の両端部が、それぞれ端連結部材５０を介して、対をなす相手側の補強梁４０と連結されている。
【００２９】
端連結部材５０は、軸方向を積層方向に向けたボルトにて構成されている。端連結部材５０の軸長は、スタック１０の積層方向の厚さより大きい。端連結部材５０は、一方の補強梁４０を貫通し、更に他方の補強梁を貫通している。端連結部材５０の先端のネジ部５１が、ナット５２にねじ込まれている。図２において実線にて示すように、端連結部材５０を強くねじ込むことによって、一対の補強梁４０の端部どうしが互いに接近する方向に撓んでいる。
【００３０】
各補強梁４０に複数の押し付け部材６０が設けられている。各押し付け部材６０は、ボルトにて構成されている。押し付け部材６０の軸長は、端連結部材５０より短い。複数の押し付け部材６０は、補強梁４０の延び方向に互いに間隔を置いて配置されている。押し付け部材６０の配置ピッチは、例えば５０ｍｍ程度である。補強梁４０の延び方向の一番両端の押し付け部材６０は、好ましくは、枠１１，１２，１３に対応する位置（枠内空間１１ａ，１２，１３ａより外側）に配置されている。
【００３１】
押し付け部材６０の頭部は、補強梁４０の外側（スタック１０側とは反対側）に突出している。補強梁４０における押し付け部材６０に対応する位置にナット６２が埋め込まれ、更に補強梁４０には挿通孔４５が形成されている。各押し付け部材６０のネジ部６１が、ナット６２にねじ込まれている。更に、各押し付け部材６０は、挿通孔４５に通されて、先端部が補強梁４０からスタック１０へ向けて突出し、補強板３０に突き当てられている。押し付け部材６０のねじ込み量を調節することによって、該押し付け部材６０のスタック１０への突出量を調節可能である。図２及び図３に示すように、押し付け部材６０のスタック１０への突出量は、スタック１０の幅方向（図２）にも長手方向（図３）にも共に中央部に近いものほど大きくなっている。
【００３２】
上記構成の膜蒸留装置１によれば、スタック１０を挟んで両側の端連結部材５０及び押し付け部材６０をそれぞれ強く締め付けることにより、直線状の補強梁４０を撓ませ、補強梁４０に弾性力を付与できる。この弾性力によって、各押し付け部材６０が補強板３０に強く押し付けられる。補強梁４０の撓みに併せて、各押し付け部材６０の突出量を調節することによって、各押し付け部材６０が補強板３０に確実に突き当たるようにでき、かつ押し付け部材６０ごとに押し付け力を調節することができる。押し付け部材６０の押し付けは局所的である。この局所的な押し付け力を補強板３０によって面状に分散させてスタック１０に付与できる。これによって、スタック１０の内圧が高くなっても、スタック１０が膨らむのを防止できる。スタック１０の内圧は例えば５ｋＰａ〜２０ｋＰａ程度になるが、押し付け部材６０の押し付け圧がスタック１０の上記内圧より大きければ、スタック１０が膨らむことはない。補強梁４０の長手方向の中央部に近い部位ほど弾性力が大きいから、補強梁４０の長手方向の中央部に近い押し付け部材６０ほど補強板３０への押し付け力が大きい。したがって、スタック１０の特に中央部が膨らむのを確実に防止できる。
これによって、スタック１０の各液路（又は室）１１ａ，１２ａ，１３ａの厚さを全体的に一定にできる。よって、各液路１１ａ，１２ａ内に海水（溶液）を偏りなく流すことができ、溶媒抽出室１３ａから淡水（溶媒）を偏りなく抽出できる。この結果、熱効率を良好にでき、蒸留膜１５の利用効率を高めることができ、ひいては、淡水（溶媒）の抽出効率を高めることができる。
【００３３】
次に、本発明の他の実施形態を説明する。以下の実施形態において、既述の実施形態と重複する内容については、図面に同一符号を付して説明を省略する。
図４及び図５は、補強梁の変形例を示したものである。この補強梁４０Ａは、アルミニウムの押し出し型材にて構成されている。補強梁４０Ａは、四角形の断面をなし、その４つの外周面にはそれぞれ溝４１が形成されている。溝４１は、補強梁４０Ａの全長にわたって真っ直ぐ延びている。溝４１は、補強梁４０Ａの外周面に開口する幅狭の開口部４２と、その奥の幅広の溝部４３とを含む。補強梁４０Ａの外周部には、溝部４３に被さる一対の凸部４４，４４が補強梁４０Ａの全長にわたって形成されている。これら凸部４４，４４どうしの間に開口部４２が画成されている。
【００３４】
補強梁４０Ａの各押し付け部材６０に対応する位置には、挿通孔４５が、上側の溝部４３から下側の溝部４３へ貫通するよう形成されている。
なお、詳細な図示は省略するが、補強梁４０の端連結部材５０に対応する位置には、該端連結部材５０を通す挿通孔が上側の溝部４３から下側の溝部４３へ貫通するよう形成されている。
【００３５】
ナット６２は、四角形の板状になっている。複数のナット６２が、補強梁４０Ａの一端側から溝部４３内に差し入れられ、それぞれ挿通孔４５と一致する位置に配置される。そして、押し付け部材６０が、開口部４２を通ってナット６２にねじ込まれ、更に挿通孔４５を通ってスタック１０の側へ突出し、補強板３０に突き当てられている。
【００３６】
押し付け部材６０をねじ込むと、ナット６２が一対の凸部４４，４４に当たって係止される。これにより、ナット６２が補強梁４０Ａから抜けるのを阻止でき、押し付け部材６０の押し付け力を確実に発現できる。
【００３７】
本発明は、上記実施形態に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の改変をなすことができる。
例えば、装置１の各寸法は、上記実施形態に記載の値に限定されるものでない、
補強梁４０の延び方向が、スタック１０の幅方向ではなく長手方向に向けられていてもよく、更には幅方向及び長手方向に対し斜めになっていてもよい。
補強梁４０は、少なくとも１対有ればよく、これら補強梁４０がスタック１０を挟んで平行に配置されていればよい。この場合、補強梁４０は、スタック１０のなるべく中央部を通るように配置するとよい。
補強梁４０とナット５２が一体になっていてもよい。補強梁４０に、ナット５２として雌ねじ穴を形成し、この雌ねじ穴に端連結部材５０を螺合してもよい。
補強板３０にスタック１０の外壁１６を兼ねさせ、外壁１６を省略してもよい。又は、外壁１６が所要の剛性を有し、補強板３０を兼ねていてもよい。
端連結部材は、ボルト５０に限られず、ワイヤロープ、チェーン等を用いてもよい。
押し付け部材は、ボルト６０に限られず、流体圧シリンダでもよく、補強梁４０から突出するピン又は突起でもよい。
運転開始時には押し付け部材６０を緩くしておき、スタック１０の内圧が定常状態に近づいて来た段階又は定常状態になった段階で、スタック１０の膨らみに合わせて、各押し付け部材６０の締め付け量を調節してもよい。
抽出対象の溶液は、海水に限られず、塩水、泥水、汚水、灌水等でもよい。
実施形態の膜蒸留装置１のスタック２は、いわゆるギャップ式であったが、本発明は、いわゆるダイレクト式の膜蒸留装置にも適用できる。ダイレクト式の膜蒸留装置では、蒸留膜５０を第１、第２枠１１，１２にて挟む。伝熱板（不透過膜）１４及び第３枠１３は不要であり、第１枠１１の一次液路１１ａが抽出室１３ａを兼ねる。一方の枠内空間１１ａに淡水（液体溶媒）を流し、他方の枠内空間１２ａに海水（溶液）を流す。二次液路１２ａの海水中の水蒸気（溶媒蒸気）が蒸留膜５０を透過して一次液路１１ａの淡水に混じる。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明は、例えば海水から淡水を取り出す淡水化装置に適用可能である。
【符号の説明】
【００３９】
１      膜蒸留装置
２      補強部
１０    スタック
１１    第１枠
１１ａ  一次液路
１２    第２枠
１２ａ  二次液路
１３    第３枠
１３ａ  溶媒抽出室
１４    伝熱板（不透過膜、膜蒸留のための膜）
１５    蒸留膜（膜蒸留のための膜）
１６    外壁
１７    ボルト
２１    一次供給ポート
２２    導出ポート
２３    二次供給ポート
２４    排出ポート
２５    溶媒ポート
２６    ガス抜きポート
３０    補強板
４０，４０Ａ  補強梁
４１  溝
４２  開口部
４３  溝部
４４  凸部
４５  挿通孔
５０    端連結部材（ボルト）
５１    ネジ部
５２    ナット
６０    押し付け部材（ボルト）
６１    ネジ部
６２    ナット
【図１】
2011173097.tif 000003
【図２】
2011173097.tif 000004
【図３】
2011173097.tif 000005
【図４】
2011173097.tif 000006
【図５】
2011173097.tif 000007