(57)【要約】【課題】高温・高圧環境下や腐食性環境下での使用が可能であり、取扱が容易であって、シール性に優れている、分離膜モジュールにおける管板および膜分離エレメント間のシール構造を提供する。【解決手段】シール構造は、管板13の取付孔131内周面に設けられた受け部132のテーパ面133と、取付孔に挿入された膜分離エレメント14の上端部142との間に、金属シートよりなる横断面略Ｖ形の環状シール部材2が配置され、膜分離エレメントの上端部外周面142aおよび受け部のテーパ面に沿いうる内外周面31,32を有する金属リング3が、環状シール部材の凹所に入り込むように配置され、押さえ部材4の下端部で金属リングおよび環状シール部材を押圧することにより、環状シール部材の内周面21が膜分離エレメントの上端部外周面に密着させられ、環状シール部材の外周面22が受け部のテーパ面に密着させられるものである。【選択図】図３
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【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
モジュール本体内に金属製管板が水平状に設けられ、管板の複数箇所に取付孔が上下貫通状にあけられ、各取付孔に垂直管状の膜分離エレメントの上端部が挿入固定されており、膜分離エレメントの上端部がセラミックスにより形成されている分離膜モジュールにおいて、
各取付孔の内周面下部に内方突出環状の受け部が形成され、受け部の上面のうち少なくとも内側部分が、上方に向かって次第に径が大きくなる斜め内向きのテーパ面よりなり、
受け部のテーパ面と膜分離エレメントの上端部との間に、金属シートよりなる横断面略Ｕ形または略Ｖ形の環状シール部材がその凹所開口を上に向けて配置されているとともに、膜分離エレメントの上端部外周面に沿いうる内周面および受け部のテーパ面に沿いうる外周面を有する金属リングが、環状シール部材の凹所に入り込むように配置されており、
垂直筒状の押さえ部材が、取付孔と膜分離エレメントの上端部との間に上方から挿入されて、その下端部で金属リングおよび環状シール部材を押圧しうるように管板に固定されており、
環状シール部材の内周面が、金属リングの内周面に沿うように変形させられて膜分離エレメントの上端部外周面に密着させられ、環状シール部材の外周面が、金属リングの外周面に沿うように変形させられて受け部のテーパ面に密着させられている、分離膜モジュールにおける管板および膜分離エレメント間のシール構造。
【請求項２】
押さえ部材は、その外周面に形成された雄ねじが取付孔の内周面における受け部の上方部分に形成された雌ねじにねじ嵌められることにより、管板に固定されており、金属リングが、押さえ部材の下端部と環状シール部材との接触を回避しうるような高さを有している、請求項１記載の分離膜モジュールにおける管板および膜分離エレメント間のシール構造。
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この考案は、例えばゼオライト分離膜等の多孔質膜を用いて混合流体の分離操作を行う分離膜モジュールに関し、より詳細には、分離膜モジュールにおいて、管板とこれに吊下状に保持される膜分離エレメントとの間をシールするためのシール構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
分離膜モジュールとして、モジュール本体内に金属製管板が水平状に設けられ、管板の複数箇所に取付孔が上下貫通状にあけられ、各取付孔に垂直管状の膜分離エレメントの上端部が挿入固定されており、膜分離エレメントの上端部がセラミックスにより形成されているものが知られている。
【０００３】
上記構造の分離膜モジュールにおいては、管板の各取付孔の内周面と膜分離エレメントの上端部との間をシールすることによって、膜の供給側と透過側の圧力を保持する必要があり、そのためのシール構造として、ゴム製のＯ−リングやテフロン（登録商標）製の環状シール部材を使用したものがあった（例えば、下記特許文献１参照）。
しかしながら、これらのシール材の場合、高温・高圧環境下や腐食性環境下での耐性に欠けるため、使用条件に制限が生じてしまうという問題があった。
【０００４】
そこで、高温・高圧環境下や腐食性環境下でも使用可能な管板および膜分離エレメント間のシール構造として、下記特許文献２に示すものが提案されている。
図６を参照すると、このシール構造は、管板(81)の各取付孔(82)の内周面下部に内方突出環状の受け部(83)が形成され、受け部(83)の上面が上方に向かって次第に径が大きくなる斜め内向きのテーパ面(831)よりなり、受け部(83)と膜分離エレメント(84)の上端部(841)との間に、受け部(83)のテーパ面(831)および膜分離エレメント(84)の上端部(841)外周面に沿いうるシール面(851)(852)を有する金属シールリング(85)が配置され、垂直筒状の押さえ部材(86)が、取付孔(82)と膜分離エレメント(84)の上端部(841)との間に上方から挿入されて、その下端部(861)で金属シールリング(85)を押圧しうるように管板(81)に固定されているものである。押さえ部材(86)は、その外周面に形成された雄ねじ(862)が、取付孔(82)の内周面における受け部(83)の上方部分に形成された雌ねじ(87)にねじ嵌められることにより、管板(81)に固定されている。
【０００５】
また、その他のシール構造として、下記特許文献３に記載のものも提案されている。このシール構造は、図７に示すように、受け部(83)と膜分離エレメント(84)の上端部(841)との間に、金属シートよりなる横断面略Ｕ形の環状シール部材(88)がその凹所開口を上に向けて配置され、垂直筒状の押さえ部材(86)が、取付孔(82)と膜分離エレメント(84)の上端部(841)との間に上方から挿入されて、その下端部(861)の内側部分に設けられた筒状垂下壁(861a)によって環状シール部材(88)を押圧しうるように管板(81)に固定されているものである。
【０００６】
しかしながら、図６に示す特許文献２記載のシール構造の場合、硬くて変形しにくい金属シールリング(85)を使用しているため、所望のシール性能を確保するのが難しかった。
また、図７に示す特許文献３記載のシール構造では、環状シール部材(88)が比較的変形しやすい金属シートによって構成されているものの、これを押圧変形させる押さえ部材(86)の筒状垂下壁(861a)の形状が、シールすべき受け部(83)のテーパ面(831)や膜分離エレメント(84)の上端部(841)外周面に対応するものではないので、環状シール部材(88)がこれらの面に密着せず、十分なシール性能が得られない虞があった。さらに、このシール構造の場合、押さえ部材(86)の筒状垂下壁(861a)が環状シール部材(88)に直に接触させられているため、押さえ部材(86)をねじ込む際に環状シール部材(88)がこれと共回りしたり、破損したりする虞があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−２２６３７４号公報
【特許文献２】特開２０１１−７２９７２号公報
【特許文献３】特開２０１２−２３９９４９号公報
【考案の概要】
【考案が解決しようとする課題】
【０００８】
この考案の目的は、高温・高圧環境下や腐食性環境下での使用が可能であって、取扱が容易であり、かつ優れたシール性能が得られる、分離膜モジュールにおける管板および膜分離エレメント間のシール構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この考案の分離膜モジュールにおける管板および膜分離エレメント間のシール構造は、モジュール本体内に金属製管板が水平状に設けられ、管板の複数箇所に取付孔が上下貫通状にあけられ、各取付孔に垂直管状の膜分離エレメントの上端部が挿入固定されており、膜分離エレメントの上端部がセラミックスにより形成されている分離膜モジュールにおいて、各取付孔の内周面下部に内方突出環状の受け部が形成され、受け部の上面のうち少なくとも内側部分が、上方に向かって次第に径が大きくなる斜め内向きのテーパ面よりなり、受け部のテーパ面と膜分離エレメントの上端部との間に、金属シートよりなる横断面略Ｕ形または略Ｖ形の環状シール部材がその凹所開口を上に向けて配置されているとともに、膜分離エレメントの上端部外周面に沿いうる内周面および受け部のテーパ面に沿いうる外周面を有する金属リングが、環状シール部材の凹所に入り込むように配置されており、垂直筒状の押さえ部材が、取付孔と膜分離エレメントの上端部との間に上方から挿入されて、その下端部で金属リングおよび環状シール部材を押圧しうるように管板に固定されており、環状シール部材の内周面が、金属リングの内周面に沿うように変形させられて膜分離エレメントの上端部外周面に密着させられ、環状シール部材の外周面が、金属リングの外周面に沿うように変形させられて受け部のテーパ面に密着させられているものである（請求項１）。
【００１０】
この考案のシール構造によれば、比較的変形し易い金属シートよりなる環状シール部材と、環状シール部材をシールすべき面に密着させうる形状を有する金属リングとを組み合わせて用いているので、これらの材料を適宜選定することにより高温・高圧環境下や腐食性環境下でも使用可能となる上、取扱が容易であって、優れたシール性能が得られる。
【００１１】
この考案のシール構造において、押さえ部材は、その外周面に形成された雄ねじが取付孔の内周面における受け部の上方部分に形成された雌ねじにねじ嵌められることにより、管板に固定されており、金属リングが、押さえ部材の下端部と環状シール部材との接触を回避しうるような高さを有している場合がある（請求項２）。
【００１２】
上記の場合、従来の押さえ部材（特許文献１〜３参照）をそのまま利用して容易に取付施工することが可能である上、押さえ部材の下端部と環状シール部材との接触が回避されるので、施工時の環状シール部材の共回りや破損を確実に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】この考案の実施形態を示すものであって、分離膜モジュールの垂直縦断面図である。
【図２】同分離膜モジュールにおける管板および膜分離エレメント間のシール構造を示すものであって、シール前の分離状態の断面図である。
【図３】同シール構造のシール時の状態の断面図である。
【図４】同シール構造に用いられる金属リングを示すものであって、（ａ）は平面図、（ｂ）は横断面図である。
【図５】同シール構造に用いられる環状シール部材を示すものであって、（ａ）は平面図、（ｂ）は横断面図である。
【図６】分離膜モジュールにおける管板および膜分離エレメント間のシール構造の従来例を示す断面図である。
【図７】同シール構造のもう１つの従来例を示す断面図である。
【考案を実施するための形態】
【００１４】
この考案の実施の形態を、図１〜図５を参照しながら以下に説明する。
図１は、この考案を適用した分離膜モジュールの全体構造を示すものである。図示の分離膜モジュール(11)は、上下に長いシェル構造のモジュール本体(12)と、モジュール本体(12)内の上部に水平状に配置されかつ複数箇所に取付孔(131)を有する管板(13)と、管板(13)の各取付孔(131)に上端部(142)が挿入固定されている複数の垂直管状の膜分離エレメント(14)と、各膜分離エレメント(14)の上端部(142)を除いた部分を取り囲んでいる複数の外管(15)とを備えている。
【００１５】
モジュール本体(12)は、垂直有底筒状の胴体(121)と、胴体(121)の上端部に接合されたドーム状の蓋体(122)とよりなる。
胴体(121)と蓋体(122)との間に、管板(13)の周縁部が挟み止められている。管板(13)の下方には、水平な上仕切板(161)が設けられており、管板(13)と上仕切板(161)との間の空間が、上流体通路(P1)となされている。
胴体(121)の底部よりもやや上方位置には、水平な下仕切板(162)が設けられており、胴体(121)の底部と下仕切板(162)との間の空間が下流体通路(P2)となされている。また、下仕切板(162)の下面に沿うように、多孔板またはメッシュよりなる水平な支持部材(163)が設けられている。
下流体通路(P2)内に垂直仕切板(164)が設けられ、この仕切板(164)により下流体通路(P2)が、入口通路(P21)と、第１の出口通路(P22)とに区画されている。胴体(121)の底部には、入口通路(P21)に連通する流体入口(123)と、第１の出口通路(P22)に連通する第１の流体出口(124)とが設けられている。管板(13)と蓋体(122)との間の空間によって、第２の出口通路(P3)が構成されている。蓋体(122)の頂部には、第２の出口通路(P3)に連通する第２の流体出口(125)が設けられている。
【００１６】
各膜分離エレメント(14)は、セラミックスからなる垂直管状の支持体の外表面にゼオライト膜を形成してなる分離膜(141)を備えている。分離膜(141)の上端には、緻密質セラミックスよりなる垂直筒状の上端部材(142)が、分離膜(141)内と連通するように接続されている。分離膜(141)の下端には、これの開口を閉鎖するように、緻密質セラミックスよりなる短円柱状の下端部材(143)が接続されている。
【００１７】
外管(15)の上端は、上仕切板(161)にあけられた膜分離エレメント挿通孔(161a)の縁部に接合されており、分離膜(141)の上端とほぼ同レベルに位置させられている。外管(15)の下端は、下仕切板(162)にあけられた膜分離エレメント挿通孔(162a)の縁部に接合されており、下端部材(143)の下端とほぼ同レベルに位置させられている。外管(15)と膜分離エレメント(14)との間に設けられた横断面環状の垂直な間隙は、その上端が上流体通路(P1)に、下端が下流体通路(P2)にそれぞれ連通させられており、それぞれ上向きまたは下向きの垂直流体通路(P41)(P42)を形成している。
【００１８】
上記の分離膜モジュール(11)にあっては、流体入口(123)を通じて入口通路(P21)に流入した混合流体が、入口通路(P21)と連通する垂直流体通路(P41)を上向きに流れて、上流体通路(P1)に導入され、ここで反転して、出口通路(P22)と連通する垂直流体通路(P42)を下向きに流れて、出口通路(P22)に達し、第１の流体出口(124)から排出される。混合流体が垂直流体通路(P41)(P42)を流れる間に、混合流体のうち分離すべき特定の成分が分離膜(141)を透過し、透過した成分は、分離膜(141)および上端部材(142)の内部を経て第２の出口通路(P3)に流入し、第２の流体出口(125)から排出される。
【００１９】
なお、この実施形態の分離膜モジュールは、上記のように膜分離エレメント(14)および外管(15)を組み合わせた、いわゆる２重管方式のものであるが、例えば特許文献２や特許文献３に開示されているように、外管(15)に代えて、モジュール本体内における管板の下方に複数の水平な邪魔板を多段状に配置し、混合流体を分離膜と接触するように蛇行状に流通させる方式の分離膜モジュールについても、この考案を適用することができる。
【００２０】
図２および図３は、管板(13)および膜分離エレメント(14)間のシール構造を詳しく示したものである。
管板(13)の取付孔(131)は、膜分離エレメント(14)を吊り下げるべき複数箇所に上下貫通状にあけられたものであって、その内周面の下部に内方突出環状の受け部(132)を有している。受け部(132)の上面は、その内側部分が、上方に向かって次第に径が大きくなる斜め内向きのテーパ面(133)よりなる。なお、受け部(132)の上面全体をテーパ面によって構成する場合もある。
取付孔(131)の内周面における受け部(132)の上方部分には、雌ねじ(134)が形成されている。
【００２１】
図３に示すように、受け部(132)のテーパ面(133)と、膜分離エレメント(14)の上端部（上端部材）(142)との間に、金属シートよりなる横断面略Ｖ形の環状シール部材(2)が、その凹所開口を上に向けて配置されているとともに、金属リング(3)が、環状シール部材(2)の凹所に入り込むように配置されている。
そして、垂直筒状の押さえ部材(4)が、取付孔(131)と膜分離エレメント(14)の上端部(142)との間に上方から挿入されて、その下端部(41)で金属リング(3)および環状シール部材(2)を押圧しうるように管板(13)に固定されている。
【００２２】
図４は、金属リング(3)の詳細を示したものである。金属リング(3)は、膜分離エレメント(14)の上端部外周面(142a)に沿いうる垂直な内周面(31)と、受け部(132)のテーパ面(133)に沿いうる斜め下向きテーパ状の外周面(32)とを有している（図３参照）。金属リング(3)の上面(33)は、ほぼ水平な平面によって構成されている。
金属リング(3)の材質は特に限定されないが、例えばＳＵＳ３０４等の鋼材が好適に用いられる。
金属リング(3)の寸法も特に限定されないが、例えば、金属リング(3)の内径Ｄ２は、膜分離エレメント(14)の上端部(142)の外径をＤ１とすると、Ｄ１＋０．５〜１．５ｍｍ程度となされ、同外径Ｄ３は、Ｄ１＋２．５〜７．５ｍｍ程度となされる。また、金属リング(3)の高さＨ１は、押さえ部材(4)の下端部と環状シール部材(2)との接触を回避しうるようなものとなされるのが好ましく、通常は３ｍｍ程度以上となされる。
図示の金属リング(3)は、横断面三角形のものであるが、これに限らず、例えば、内周面と外周面との間に下面を形成するか又は外周面をテーパ面とその上方に連なる垂直面とで構成することによって横断面四角形としたものでもよく、さらには、これらの構成を両方付加して横断面五角形とすることも可能である。
【００２３】
図５には、環状シール部材(2)の詳細が示されている。この環状シール部材(2)は、例えば、金属シートを所定寸法のドーナツ形に切り抜くとともに、これを横断面略Ｖ形に折曲加工することによって形成される。なお、環状シール部材(2)の横断面は、凹所の底部が丸くなった略Ｕ形としてもよい。
環状シール部材(2)を構成する金属シートの材質は、特に限定されないが、金属リングの材料よりも軟質のものが好ましく、例えばＳＵＳ３０４Ｊ１やＳＵＳ３０４Ｊ２が用いられる。なお、高温・高圧環境下や腐食性環境下で使用する場合には、相応の耐性を有する材料を選定する必要があり、例えば酸性環境下ではＳＵＳ３１６やＳＵＳ３１６Ｌが好適に用いられる。環状シール部材(2)として使用する金属シートの厚みは、例えば０．１〜１．０ｍｍ程度となされる。
環状シール部材(2)の成形寸法も特に限定されないが、例えば、内径Ｄ４＜Ｄ２、外径Ｄ５＝Ｄ２＋（２．０ｍｍ〜Ｄ３）程度となされる。
【００２４】
押さえ部材(4)の外周面には、取付孔(131)内周面の雌ねじ(134)にねじ合わせられる雄ねじ(42)が形成されている。また、押さえ部材(4)は、同部材(4)の内径よりも小さい径の中心孔(431)を有する頂壁(43)を備えており、この頂壁(43)によって膜分離エレメント(14)の上方への移動が阻止される。
なお、押さえ部材(4)を管板(13)に固定する手段は、上記のような雄ねじ(42)と雌ねじ(134)によるねじ接合に限らず、例えば、押さえ部材の上端部にフランジを形成して、フランジを管板の上面にスペーサを介してボルト等で固定するようにしてもよい。
【００２５】
押さえ部材(4)の雄ねじ(42)を、取付孔(131)の雌ねじ(42)にねじ込んで、所要のトルク（通常２００Ｎｍ以上）で締め付けると、押さえ部材(4)の下端部(41)によって、金属リング(3)および環状シール部材(2)が押圧される。そうすると、環状シール部材(2)の内周面(21)が、金属リング(3)の内周面(31)に沿うように変形させられて、膜分離エレメント(14)の上端部外周面(142a)に密着させられるとともに、環状シール部材(2)の外周面(22)が、金属リング(3)の外周面(32)に沿うように変形させられて、受け部(132)のテーパ面(133)に密着させられる（図３参照）。この際、押さえ部材(4)の下端部(41)と環状シール部材(2)との間には、金属リング(3)が介在されていて、両者(41)(2)が直に接触することがないので、環状シール部材(2)が押さえ部材(4)と共回りして捻れたり、環状シール部材(2)が破損したりする虞がない。
また、環状シール部材(2)の内周面(21)が膜分離エレメント(14)の上端部外周面(142a)に密着させられることで、両面(21)(142a)どうしの摩擦抵抗力の作用により、膜分離エレメント(14)が管板(13)に吊下状態で保持されている。つまり、上記シール構造は、管板(13)に膜分離エレメント(14)の上端部(142)を取り付けるための取付構造を兼ねているものである。
【００２６】
上記のシール構造によれば、管板(13)の取付孔(131)内周面と膜分離エレメント(14)の上端部外周面(142a)との間が確実にシールされ、分離膜(141)の供給側と透過側の圧力が保持される。膜分離の指標となる分離係数は、シール性能、つまりシール部からの流体の漏れの度合いによって左右されるが、この実施形態のシール構造によれば、例えば分離膜(141)自体が有する分離係数が２５０である場合、膜分離モジュール(11)全体としての分離係数を少なくとも約２００程度に保持することができる。
また、上記のシール構造は、その取付施工が簡単であって、取扱も容易であり、さらには、シール材として、金属シートよりなる環状シール材(2)および金属リング(3)を使用しているため、これらの材料を適宜選定すれば、高温・高圧環境下や腐食性環境下でも問題なく使用することが可能である。
【符号の説明】
【００２７】
(11)：分離膜モジュール
(12)：モジュール本体
(13)：管板
(131)：取付孔
(132)：受け部
(133)：テーパ面
(134)：雌ねじ
(14)：膜分離エレメント
(142)：上端部材（膜分離エレメントの上端部）
(2)：環状シール部材
(21)：（環状シール部材の）内周面
(22)：（環状シール部材の）外周面
(3)：金属リング
(31)：（金属リングの）内周面
(32)：（金属リングの）外周面
(4)：押さえ部材
(41)：（押さえ部材の）下端部
(42)：雄ねじ
【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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