(57)【要約】【課題】従来から用いられてきた中空糸膜モジュール用ケースと比べて、加圧時における変形量の増加あるいは耐圧性の低減やケース材料の変更を伴うことなく、中空糸膜モジュールに用いられた場合に、中空糸膜外部に供給されるガスの圧力損失を著しく低減せしめることを可能とする中空糸膜モジュール用ケースを提供する。【解決手段】中空糸膜束３を収容するケース１両端部のハウジングとのシール部分における断面形状が円形であり、かつ中空糸膜束３端部をケース１に固定せしめるポッティング部４に当接する壁面を除くケース部分の全部または一部の断面形状が、少なくとも円形の一部が凹んだ形状、例えばＵ字形状、Ｈ字形状あるいは８の字形状であり、ポッティング部４に当接する壁面を除くケース壁面全体に貫通穴２が形成されている中空糸膜モジュール用ケース。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空糸膜束を収容するケース両端部のケースとハウジングとのシール部分における断面形状が円形であり、かつ中空糸膜束端部をケースに固定せしめるポッティング部に当接する壁面を除くケース部分の全部または一部の断面形状が、少なくとも円形の一部が凹んだ形状であり、ポッティング部に当接する壁面を除くケース壁面全体またはポッティング部に当接する壁面およびケース壁面の相対する位置に設けられた流体流出入口境界部をなす壁面以外のケース壁面全体に貫通穴が形成されている中空糸膜モジュール用ケース。
【請求項２】
ケース全体が一体的に射出成形可能な形状である請求項１記載の中空糸膜モジュール用ケース。
【請求項３】
円形の一部が凹んだ形状が、Ｕ字形状、Ｈ字形状または８の字形状である請求項１記載の中空糸膜モジュール用ケース。
【請求項４】
貫通穴が、等間隔で形成されている請求項１記載の中空糸膜モジュール用ケース。
【請求項５】
流体流出入口境界部が、ケースの長さ方向左右側面に、凹んだ部分に対して対称的な位置に帯状に設けられている請求項１記載の中空糸膜モジュール用ケース。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載の中空糸膜モジュールケースに複数の中空糸膜からなる中空糸膜束を収容し、中空糸膜束端部を中空糸膜の中空内部のみが外部に開放されるように各中空糸膜の外壁面間およびケースの内壁面間を封止固定したポッティング部を備えた中空糸膜モジュール。
【請求項７】
加湿装置として用いられる請求項６記載の中空糸膜モジュール。
【請求項８】
加湿装置が、燃料電池の加湿装置である請求項７記載の中空糸膜モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、中空糸膜モジュール用ケースに関する。さらに詳しくは、加湿装置などに有効に用いられる中空糸膜モジュール用ケースに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、燃料電池などに用いられる加湿装置として、中空糸膜束をケースに挿嵌し、ケース端部でポッティングを介して中空糸膜端部を固定せしめた中空糸膜モジュールが用いられている。これは、中空糸膜の内側にドライガス(乾燥空気；加湿対象)を、また中空糸膜の外側にウェットガス(湿潤空気)をそれぞれ通気することにより乾燥空気が加湿されるというものであり、これは中空糸膜外部に供給されるウェットガスの圧力損失を低減せしめることによりエネルギー効率の向上を図ることができる。
【０００３】
本出願人は先に、中空糸膜外部に供給されるガスの圧力損失を低減せしめた中空糸膜モジュールとして、特許文献１〜２でケース付近に設けられた孔近傍において、ケース壁面と中空糸膜束との間に、全周にわたって隙間が設けられているものを提案している。
【０００４】
しかるに、これらの中空糸膜モジュールはケースの極く一部分に貫通穴(空気導入孔および空気排出口)が設けられるにとどまっており、中空糸膜束外周面の大部分はケース壁面によって覆われているため、中空糸膜外部に供給されるガスの圧力損失の低減には課題が残っている。
【０００５】
一方、かかる課題に対しては、例えば特許文献３においてケース壁面の貫通穴総面積を増加させるとともに、収容している単位中空糸膜本数当りのケース壁面に設けられる貫通穴による開口部分(開口面積)を増加させることが有効な手段として考えられることから、中空糸膜モジュール断面を円形から矩形あるいはトラック(楕円)形とすることによって単位中空糸膜本数当りのケース表面積を大きくすることが行われている。
【０００６】
しかしながら、このような中空糸膜モジュールでは、下記の如き問題が生じるようになる。
(1) 耐圧容器としての中空糸膜モジュール用ケースといった観点から考えると、断面が矩形あるいはトラック(楕円)形のものは、円形のものと比較して加圧時の変形量あるいは耐圧性が劣ってしまうこととなり、これらの性能を満足させるためには、機械的強度の高い材料を使用したりあるいは肉厚を厚くしたりリブを追加するなどの設計的な規制事項が増えてしまうため、結果的にコストの面からみて好ましくない。
(2) 中空糸膜モジュールを装着するハウジングとの関係では、スペースを有効に活用するといった観点から中空糸膜モジュールの断面形状とハウジングの断面形状が同じ(相似形)であることが望まれるが、断面が矩形あるいはトラック(楕円)形の中空糸膜モジュールとこれと相似形のハウジングとの間をシールするためには、一般的に用いられているOリングを使用することができず、専用のシール部品が必要となるため、かかる観点からもコスト高となり、また装着性が低下するなどの問題もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−１４７８０２号公報
【特許文献２】特開２００４−６０９９号公報
【特許文献３】特開２００５−１５６０３９号公報
【特許文献４】特開２００３−３８９３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、従来から用いられてきた中空糸膜モジュール用ケースと比べて、加圧時における変形量の増加あるいは耐圧性の低減やケース材料の変更を伴うことなく、中空糸膜モジュールに用いられた場合に、中空糸膜外部に供給されるガスの圧力損失を著しく低減せしめることを可能とする中空糸膜モジュール用ケースを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
かかる本発明の目的は、中空糸膜束を収容するケース両端部のケースとハウジングとのシール部分における断面形状が円形であり、かつ中空糸膜束端部をケースに固定せしめるポッティング部に当接する壁面を除くケース部分の全部または一部の断面形状が、少なくとも円形の一部が凹んだ形状、例えばＵ字形状、Ｈ字形状あるいは８の字形状であり、ポッティング部に当接する壁面を除くケース壁面全体またはポッティング部に当接する壁面およびケース壁面の相対する位置に設けられた流体流出入口境界部をなす壁面以外のケース壁面全体に貫通穴が形成されている中空糸膜モジュール用ケースによって達成される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る中空糸膜モジュール用ケースは、ケース内に収容される中空糸膜本数を大幅に減らすことなく貫通穴を形成する部位におけるケース表面積を増加させたうえでケース壁面に貫通穴を形成せしめているので、ケース壁面の貫通穴による開口部分を増加させることが可能となり、これを用いた中空糸膜モジュールは、従来の中空糸膜モジュールと比較して中空糸膜外に供給される気体または液体の圧力損失を著しく低減することができるといったすぐれた効果を奏する。また、ケース壁面の貫通穴による開口部分を増加させることにより、中空糸膜に空気が流れる際の線速を小さくすることができるので、中空糸膜へ加わる負荷を減らすこととなり、ひいては中空糸膜モジュールの耐久性の向上を達成することができる。
【００１１】
さらに、中空糸膜束を収容するケース両端部のハウジングとのシール部分における断面形状を円形としていることから、矩形あるいはトラック(楕円)形のケースを用いた中空糸膜モジュールに比べて、中空糸膜モジュールケースの加圧時における変形量が抑えられ、また耐圧性もアップさせることができる。
【００１２】
このほか、一部に凹みが設けられていない円形断面の中空糸膜モジュールと比較すると、中空糸膜外部から供給される気体または液体が中空糸膜モジュール中央部近くまで到達しやすい構造となっているので、中空糸膜の配置位置にかかわらず中空糸膜を有効に利用することができ、中空糸膜モジュールの性能をさらに向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る中空糸膜モジュール用ケースの一態様を示す斜視図(a)、平面図(b)、A-A’線断面図(c)、B-B’線端面図(d)およびかかるケースを用いた中空糸膜モジュールの長さ方向中心線縦端面図(e)である。
【図２】本発明に係る中空糸膜モジュール用ケースの他の態様を示す斜視図である。
【図３】本発明に係る中空糸膜モジュール用ケースのさらに他の態様を示す斜視図である。
【図４】図１に示した中空糸膜モジュール用ケースの長さ方向左右側面に、凹んだ部分に対して対称的な位置に帯状の流体流出入口境界部を設けた態様を示す斜視図である。
【図５】図２に示した中空糸膜モジュール用ケースの長さ方向左右側面に、凹んだ部分に対して対称的な位置に帯状の流体流出入口境界部を設けた態様を示す斜視図である。
【図６】図３に示した中空糸膜モジュール用ケースの長さ方向左右側面に、凹んだ部分に対して対称的な位置に帯状の流体流出入口境界部を設けた態様を示す斜視図である。
【図７】図１に示した中空糸膜モジュール用ケースのポッティング部に仕切を設けた態様を示す斜視図(a)、側面図(b)、かかるケースを用いた中空糸膜モジュールの長さ方向中心線縦端面図(c)およびその側面図(d)である。
【図８】図２に示した中空糸膜モジュール用ケースのポッティング部に仕切を設けた態様を示す斜視図である。
【図９】図３に示した中空糸膜モジュール用ケースのポッティング部に仕切を設けた態様を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明に係る中空糸膜モジュール用ケースは、中空糸膜束を収容するケース両端部のケースとハウジングとのシール部分における断面形状が円形であり、かつ中空糸膜束端部をケースに固定せしめるポッティング部に当接する壁面を除くケース部分の全部または一部の断面形状が、少なくとも円形の一部が凹んだ形状、例えばＵ字形状、Ｈ字形状あるいは８の字形状であり、ポッティング部に当接する壁面を除くケース壁面全体またはポッティング部に当接する壁面およびケース壁面の相対する位置に設けられた流体流出入口境界部をなす壁面以外のケース壁面全体に貫通穴が形成されており、好ましくはケース断面形状が円形部分のケース部分において、中空糸膜束が配置されている部分以外の空間を隔離するように仕切板が設けられている。
【００１５】
以下、図面を参照しながら本発明に係る中空糸膜モジュール用ケースの具体的態様を詳細に説明する。なお、以下に述べる具体的態様はあくまで本発明の一態様を例示しているに過ぎず、本発明は次の各態様に限定されるものではない。
【実施例】
【００１６】
図１は、中空糸膜束を収容するケース１としてＵ字形状の凹部を有するケースの一態様が示されている。図１(a)は、Ｕ字形状凹部を設けたケースの斜視図であり、図１(b)はその平面図である。ケース１の両端部は円筒状になっているのに対して、これらに挟まれているケース１の中央部は円筒を構成する壁面の一部が円筒内部に凹んだ形状となっている。ケース形状としてかかる構成を採用することにより、ケース１の中央部においては円筒状の場合と比べてその外表面積を増加せしめることが可能となる。かかる形状のケース１はケース全体を一体的に射出成形しうる形状となっている点にも特徴がある。
【００１７】
ケース壁面のうち、円筒内部に凹んだ形状のケース部位には、凹部を含むその壁面に流体の流出、流入箇所となる貫通穴２が壁面全体に設けられている。流体の流出、流入箇所が特に定められていない場合には、貫通穴はこの図に示されるように一般には縦横両方向に等間隔で設けられる。かかる貫通穴２が設けられているケース表面積を増加させることによって、ケース壁面の貫通穴による開口部分を増加させることができるので、中空糸膜外に供給される気体または液体の圧力損失を著しく低減することが可能となる。
【００１８】
本発明の一態様として、貫通穴はポッティング部に当接する壁面を除くケース壁面全体に設けられる。ポッティング部に当接する壁面を除くケース壁面全体とは、図１に示されるように主として円筒内部に凹んだ形状のケース部位のケース壁面を意味している。ここで貫通穴２は、この図に示されているように必ずしも等間隔で設ける必要はなく、一箇所に大きく設けることも可能であるが、ケース強度あるいは各中空糸膜への流体の均一な到達といった観点からは、ケース壁面の一部にのみ貫通穴を設ける構成よりも、この図示された態様のように一般に縦横両方向に等間隔で複数の貫通穴を設ける構成とすることが好ましい。
【００１９】
図１(c)は、中空糸膜束を収容した場合に、中空糸膜端部をケース端部に固定するポッティング部に当接することとなるケース部分をケースの長軸方向に対して垂直なA-A’線断面で示した図であり、円筒部分の奥にケース壁面の一部が円筒内部に凹んだ形状が示されている。
【００２０】
図１(d)は、ケース中央部分をケースの長軸方向に対して垂直なB-B’線端面で示した図であり、ケース壁面の一部が円筒内部に凹んだ形状は円筒形状の壁面よりもケース表面積が大幅に増加していることが示されている。
【００２１】
本発明の中空糸膜モジュール用ケースでは、ハウジングとのシール部分は、図１(c)に示される如く、断面形状が円形となる部分に設けられる。このことにより、中空糸膜モジュールケースの耐圧性を担保し、加圧時の変形量を抑えることができる。その一方で、ケース中央部の断面形状をＵ字形状とすることにより、中空糸膜本数を大幅に減らすことなく、貫通穴を形成するケース表面積を増加せしめている。
【００２２】
図１(e)は、図１(a)のケース内に充填される複数の中空糸膜からなる中空糸膜束３を収容し、中空糸膜束端部を中空糸膜の中空内部のみが外部に開放されるように各中空糸膜の外壁面間およびケース１の内壁面間を封止固定するポッティング部４を備えている中空糸膜モジュール６の長さ方向中心線縦端面図を示している。この図１(e)に示される通り、ケース１の円筒内部に凹んだ部分を除き、ケース１の残りの全内部に中空糸膜が充填され、ケース１の円筒形状の部位にポッティング部４が形成されている。ここで、ポッティング部４は、円筒形状のケース部位の一部分あるいは全部に形成され、用いられるポッティング材としては、従来から用いられている公知のもの、例えばエポキシ樹脂、ポリウレタン樹脂などがそのまま用いられる。
【００２３】
ケース１中央部の断面形状をＵ字とすることにより、中空糸膜外部から供給される気体または液体が中空糸膜モジュール中央部近くまで到達しやすい構造となっているので、中空糸膜の配置位置にかかわらず収容されたすべての中空糸膜を有効に利用することができ、中空糸膜モジュールの性能を向上させることができる。ここで、ケースとしてその中央部が円筒内部に凹んだ形状を有するものを用いることにより、ケース１両端部の円筒形状部分内において、ケース１中央部における凹んだ部分に相当する空間に中空糸膜束３が収容されないこととなるが、その空間についてもポッティング材が充填され、かかる部分もポッティング部４の一部をなして中空糸膜束３のケースへの封止固定が行われる。
【００２４】
なお、特許文献４には、モジュールケースがＵ字形状となっているものが開示されているが、かかる中空糸膜モジュールは、凹部となっていないケース表面のごく一部および凹んだ部分の頂点にそれぞれ開口部が形成されており、一方の開口部から流入したガスが中空糸膜内外を経て他方の開口部へ流れる構造となっている。これに対して本発明はケース壁面の全体的に貫通穴を設けることで開口部分を増加させてガス等の流出入口を増加せしめ、ひいては中空糸膜外に供給される気体または液体の圧力損失を著しく低減することができるといったすぐれた効果を奏するものであり、文献４記載の発明とはその構成および効果を全く異にしているといえる。
【００２５】
図２は、中空糸膜束を収容するケース１としてＨ字形状の凹部(相対する２箇所のＵ字形状凹部)を有するケースの一態様を示した斜視図である。ケース１の両端部はハウジングとのシール部分も含めて円筒状になっているのに対して、これらに挟まれているケース中央部は円筒を構成する壁面の相対する二箇所が円筒内部にＵ字形状に凹んだ形状となっており、その長軸方向に対して垂直方向の横断面はケース枠形状がＨ字形状となる。ケース形状としてかかる構成を採用することにより、図１の場合と同様にケース１中央部においては円筒状の場合と比べてその外表面積を増加せしめることが可能となる。
【００２６】
かかるケース形状についてもケース１全体を一体的に射出成形しうる形状となっている点にも特徴がある。そしてケース壁面のうち、円筒内部に凹んだ形状のケース部位には図１のケースと同様にその壁面に流体の流出、流入箇所となる貫通穴２が縦横両方向に等間隔で設けられており、かかる貫通穴２が設けられているケース表面積を増加させることによって、ケース壁面の貫通穴による開口部分を増加させることができるので、中空糸膜外に供給される気体または液体の圧力損失を著しく低減することが可能となる。
【００２７】
図３は、中空糸膜束を収容するケース１として８の字形状のケースの一態様を示した斜視図である。ケース１の両端部はハウジングとのシール部分も含めて円筒状になっているのに対して、これらに挟まれているケース中央部は円筒を構成する壁面の相対する二箇所が円筒内部方向に凹み、凹んだ部分の頂点が肉厚を有して連結した形状となっており、その長軸方向に対して垂直方向の横断面はケース枠形状が８の字形状となる。ケース形状としてかかる構成を採用することにより、図１〜２の場合と同様にケース１中央部においては円筒状の場合と比べてその外表面積を増加せしめることが可能となる。
【００２８】
かかるケース形状についてもケース１全体を一体的に射出成形しうる形状となっている点にも特徴がある。そしてケース壁面のうち、円筒内部に凹んだ形状のケース部位には図１のケースと同様にその壁面に流体の流出、流入箇所となる貫通穴２が縦横両方向に等間隔で設けられており、かかる貫通穴が設けられているケース表面積を増加させることによって、ケース壁面の貫通穴による開口部分を増加させることができるので、中空糸膜外に供給される気体または液体の圧力損失を著しく低減することが可能となる。
【００２９】
図４〜６は、図１〜３のケース１のようにポッティング部４に当接する壁面を除くケース１壁面の全体に貫通穴２が形成されているのではなく、ポッティング部４に当接する壁面に加えて、ケース壁面の相対する位置に設けられた流体流出入口境界部５，５’をなす壁面以外のケース壁面全体に貫通穴２が形成されている中空糸膜モジュール用ケースの一態様を示す図である。かかるケースは流体の流出、流入箇所がケース壁面の片半分と他半分、例えば上半分と下半分とで別々に使用される場合に用いられるものであり、これらの箇所の境界部分に貫通穴が形成されない流体流出入口境界部５，５’が設けられる。流体流出入口境界部５，５’は、流体の流出箇所、流入箇所の境界となるので、凹部に効率よく流体を供給するといった観点から、好ましくは凹部形成部位ではないケース壁面、さらに好ましくはケースの長さ方向左右側面に、凹んだ部分に対して対称的な位置に帯状に設けられる。また、流体の流出箇所または流入箇所に設けられる貫通穴総開口部分は、好ましくは全貫通穴の総開口部分の50％の割合となるように形成される。この流体流出入口境界部５，５’は成形型の型割面として使用することもできるといった利点を有する。
【００３０】
図７(a)は、図１で例示した中空糸膜束を収容するケース両端部の円筒部分に、さらに仕切り７を設けたケースを示した斜視図であり、図７(b)はその側面図である。かかる仕切り７は、ケース両端部の円筒内部のうち、中空糸膜束が充填されない箇所を中空糸膜束が充填される箇所と隔離するために設けられており、好ましくは図７(b)に示されるようにケース中央部の凹みと同形状となるように構成される。図７(c)に示された中空糸膜モジュールの中心線縦端面図および(d)中空糸膜モジュールの側面図(中空糸膜束は図示せず)に示される通り、かかる仕切り７を設けることにより、中空糸膜束３が充填されない空間部５には、ポッティング材を充填する必要がなくなるため、ポッティング材の使用量を低減せしめることが可能となる。
【００３１】
ポッティング材は、硬化する際にその中央部が発熱するため発熱量によっては中空糸膜が溶けてしまう場合があり、これを避けるためには一操作により投入するポッティング材量を制限することとなるが、このことによりポッティング材量が増えれば増えるほど、中空糸膜モジュール製造のサイクルタイムが長くなってしまうこととなる。これに対して、中空糸膜束が充填されない空間について隔離することを可能とする仕切り７を設けた場合には、かかる空間体積分のポッティング材量を減少させることができるので、中空糸膜モジュール製造時におけるポッティング材使用量の減少に加えて、中空糸膜モジュール製造のサイクルタイムが必要以上に長くなることを抑制し得るといったすぐれた効果を奏する。
【００３２】
また、ポッティング材接触部分のケース形状が円筒ものに比べて、円筒の一部が凹んでいるものの方が、ポッティング材が当接するケース等の表面積が増加、すなわち接着面積が増えることとなり、接着強度の増加を図ることができるとともに、ポッティング部の受圧面積が減少するので、この点においても強度増加が図られることとなる。従って、逆にかかる強度増加分を加味して、ポッティング部の長さを短くすることでさらにポッティング材量を減少させることもでき、これによってケース中央部の凹んだ形状部分を増加せしめることも可能となる。
【００３３】
図８〜９は、図２〜３で例示した中空糸膜束を収容するケースの両端円筒部分に、さらに仕切り７を設けたケースを示した斜視図である。かかる仕切り７は、ケース両端部の円筒内部のうち、中空糸膜束が充填されない箇所を中空糸膜束が充填される箇所と隔離するために設けられており、好ましくは図８〜９に示されるようにケース中央部の凹みと同形状となるように構成される。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明に係る中空糸膜モジュール用ケースは、例えば固体高分子型燃料電池に供給する燃料ガスを加湿するための加湿器等に使用される加湿用中空糸膜モジュールのほか、除湿用中空糸膜モジュール、流体のろ過、分離、濃縮に用いられる中空糸膜モジュールなどのケースとして有効に用いられる。
【符号の説明】
【００３５】
１        ケース
２        貫通穴
３        中空糸膜束
４        ポッティング部
５，５’  流体流出入口境界部
６        中空糸膜モジュール
７        仕切り
８        空間部(ポッティング剤なし)
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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