(57)【要約】【課題】汎用のスパイラル膜エレメントに対しても端部のシール性が十分得られ、しかも、熱膨張・収縮による応力の吸収効果が高いため、衛生上特に重要な熱水洗浄殺菌が可能なスパイラル型膜モジュールを提供する。【解決手段】透過液集水管１１のまわりに膜と流路材が巻き付けられた複数のスパイラル膜エレメント１，１’が円筒型容器２内に装填され、その上流側端の外周と円筒型容器２の内周との間に、流入した原液と流出する濃縮液とを隔てるシール部材５が装着されており、円筒型容器２の一端側に原液入口３１が設けられ、濃縮液出口２１が円筒型容器２の外周部で上記シール部材５の裏側近傍に設けられているスパイラル型膜モジュールにおいて、前段の膜エレメント１の下流側端の外周部と次段の膜エレメント１’の上流側端の外周部とにそれぞれ第２シール部材７と第３シール部材８を設け、それらに外接する筒型部材９を設けている。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
透過液集水管のまわりに膜と流路材が多層に巻き付けられた複数のスパイラル膜エレメントが、透過液集水管を連結する継手部材で直列に連結されて一つの円筒型容器内に収容され、最上流側の膜エレメントの上流側端の外周と円筒型容器の内周との間に、流入した原液と流出する濃縮液とを隔てる第１シール部材が装着されており、円筒型容器の一端側に原液入口が設けられ、濃縮液出口が円筒型容器の外周部で上記第１シール部材の裏側近傍に設けられているスパイラル型膜モジュールにおいて、
前段の膜エレメントの下流側端の外周部と次段の膜エレメントの上流側端の外周部とにそれぞれ第２シール部材と第３シール部材を設け、その第２シール部材と第３シール部材とに外接する筒型部材で膜エレメントの内側を流れる濃縮液と膜エレメントの外側を流れる濃縮液とを隔てたことを特徴とするスパイラル型膜モジュール。
【請求項２】
前記筒型部材は、前記スパイラル膜エレメントの端面に当接可能な係止部を筒状部の内周に備えるものである請求項１記載のスパイラル型膜モジュール。
【請求項３】
前記筒型部材は、透過液集水管を連結する継手部材と筒状部とが一体に形成され、その継手部材と筒状部との間に濃縮液流路を備えている請求項１又は２記載のスパイラル型膜モジュール。
【請求項４】
前記筒型部材は、前記スパイラル膜エレメントを前記円筒型容器の中心部に定位させる突起を筒状部の外周に設けている請求項１〜３いずれかに記載のスパイラル型膜モジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、透過液集水管のまわりに膜と流路材が多層に巻き付けられた複数のスパイラル膜エレメントが、透過液集水管を連結する継手部材で直列に連結されて一つの円筒型容器内に収容され、その膜エレメントの外周と円筒型容器の内周との隙間において液の滞留を抑制したスパイラル型膜モジュールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
スパイラル型エレメントを円筒型容器に装着した膜モジュールでは、膜エレメント内の原液側流路を原液が通過しながら分離を行うため、原液入口と濃縮液出口を膜モジュールの両端に設ける構造では、円筒型容器と膜エレメントとの隙間に濃縮液が滞留するという問題がある。このため、膜エレメントから下流側に流出した濃縮液をリターンさせて、膜エレメントの上流側端付近に設けた濃縮液出口から排出することで、膜モジュール内部の液の滞留を生じにくくした構造が幾つか知られている（例えば、特許文献１〜２参照）。これにより、膜モジュール内部の液の滞留が解消され、被処理液が主に食品に代表されるような有機物水溶液であって、滞留部の腐敗や菌の繁殖が問題となる場合や、被処理液を切り替えて運転するときに、滞留部に残留した前被処理液との混合が問題となる場合などに主として使用されている。
【０００３】
一方、有効膜面積を拡大して分離効率を高めるべく、一つの円筒型容器中に複数のスパイラル膜エレメントを直列に連結して収容した膜モジュールが従来より一般に広く利用されている。かかる連結構造においては、主に中心部の透過液集水管が筒型の連結部品で連結されている。
【０００４】
そして、特許文献１〜２に記載のような液だまりのない膜モジュールにおいて、例えば膜エレメントを２本直列に連結して収容する場合、最上流側の膜エレメントから出た濃縮液をすべて第二の膜エレメントに流入させるために、第一の濃縮液流路と膜エレメント外周の隙間を流れる最終の濃縮液流路とを隔てる必要がある。その方法として、濃縮液流路を備え透過液集水管の連結部材と一体となった継手部材を、最上流側の膜エレメントと第二の膜エレメントの間に挟み込んで、両者の向かい合った端面外周部をシールする構造が知られている（例えば、特許文献３参照）。
【０００５】
【特許文献１】
実開昭６３−１６４９０３号公報（第１頁、図１）
【特許文献２】
実公平６−２８１７８号公報（第１頁、図１）
【特許文献３】
特開平１１−７６７６７号公報（第３頁、図６〜８）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献３に記載の構造では、膜エレメント端面がシール可能な構造となっている専用の膜エレメントが必要となり、端面のシール性を考慮していない汎用のスパイラル膜エレメントでは十分なシールができない。
【０００７】
また、膜エレメント連結部が、膜エレメントを円筒型容器の中心に配置するためのスペーサーを有していないので、膜エレメント連結部の中心位置がずれ、上記両者の向かい合った端面どうしが平行とならないため、継手部材とのシール不良が発生し易い。
【０００８】
さらに、上記継手部材はシール性を確保するために、膜エレメントの一方の側から押圧して円筒型容器内に固定する必要があるが、円筒型容器内での膜エレメントの自由度がなくなり、機械的応力を吸収することができない。すなわち、一般にスパイラル膜エレメントは熱膨張率の異なる多種の樹脂部材で構成されており、食品の処理のような衛生面を考慮すると、円筒型容器にはステンレス鋼を用いる場合が多い。このような膜モジュールに、熱水洗浄等のための高温の液体を流通させると、多種の樹脂部材間およびステンレス鋼との熱膨張率の違いによる応力を吸収することができず、膜エレメントに変形、座屈等の機械的損傷が発生する可能性がある。
【０００９】
このように従来技術では、液だまりがなく、内部に細菌が繁殖しにくい衛生的な膜モジュール構造でありながら、衛生上特に重要な熱水洗浄殺菌ができないという矛盾が起こっている。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、汎用のスパイラル膜エレメントに対しても端部のシール性が十分得られ、しかも、熱膨張・収縮による応力の吸収効果が高いため、衛生上特に重要な熱水洗浄殺菌が可能なスパイラル型膜モジュールを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、下記の如き本発明により達成できる。
即ち、本発明のスパイラル型膜モジュールは、透過液集水管のまわりに膜と流路材が多層に巻き付けられた複数のスパイラル膜エレメントが、透過液集水管を連結する継手部材で直列に連結されて一つの円筒型容器内に収容され、最上流側の膜エレメントの上流側端の外周と円筒型容器の内周との間に、流入した原液と流出する濃縮液とを隔てる第１シール部材が装着されており、円筒型容器の一端側に原液入口が設けられ、濃縮液出口が円筒型容器の外周部で上記第１シール部材の裏側近傍に設けられているスパイラル型膜モジュールにおいて、前段の膜エレメントの下流側端の外周部と次段の膜エレメントの上流側端の外周部とにそれぞれ第２シール部材と第３シール部材を設け、その第２シール部材と第３シール部材とに外接する筒型部材で膜エレメントの内側を流れる濃縮液と膜エレメントの外側を流れる濃縮液とを隔てたことを特徴とする。
【００１２】
本発明によると、膜エレメントの上流側端又は下流側端の外周部にシール部材を設けているため、汎用のスパイラル膜エレメントが使用可能となる。また、そのシール部材に外接する筒型部材を使用して内外の濃縮液を隔てるため、汎用のスパイラル膜エレメントに対して、端部のシール性が十分得られ、しかも、このシール構造では、第２シール部材と第３シール部材の間隔が変化してもシール性に影響しないため、熱膨張・収縮による応力の吸収効果が高く、衛生上特に重要な熱水洗浄殺菌が可能となる。
【００１３】
上記において、前記筒型部材は、前記スパイラル膜エレメントの端面に当接可能な係止部を筒状部の内周に備えるものであることが好ましい。このような係止部を設けることにより、第２シール部材及び第３シール部材と筒型部材との軸方向の位置関係が一定範囲内に規制されるため、熱膨張・収縮を繰り返した場合でも、筒型部材が軸方向に位置ズレして外れるといった問題が生じにくい。また、膜エレメントが軸方向に位置ズレするのも防止することができる。
【００１４】
また、前記筒型部材は、透過液集水管を連結する継手部材と筒状部とが一体に形成され、その継手部材と筒状部との間に濃縮液流路を備えていることが好ましい。継手部材と筒状部とが一体に形成されることにより、継手部材で透過液集水管を連結する操作によって、同時に筒状部に膜エレメントの端部を嵌め込むことができ、膜エレメントの連結操作や離脱操作が容易になる。
【００１５】
更に、前記筒型部材は、前記スパイラル膜エレメントを前記円筒型容器の中心部に定位させる突起を筒状部の外周に設けていることが好ましい。この突起によって、隣合う膜エレメント同士が直線状に配置されるため、膜エレメント同士のなす角度のズレによるシール性の低下を防止することができる。また、当該角度のズレによる外周側の濃縮液の流路面積の偏りを抑制することができ、外周側の流路における濃縮液の滞留の問題をより確実に防止できる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明のスパイラル型膜モジュールの一例を示す縦断面図である。本実施形態では、円筒型容器２に２本のスパイラル膜エレメント１および１’を装着する際に、別体として形成された継手部材６及び筒型部材９で膜エレメント１，１’を連結する例を示す。
【００１７】
本発明のスパイラル型膜モジュールは、図１に示すように、継手部材６と筒型部材９で連結されたスパイラル型膜エレメント１，１’、これを収納する円筒型容器２、円筒型容器２の両端を塞ぐ端板３および４から主に構成されている。また、スパイラル型膜エレメント１と円筒型容器２との間に設けられて原液と濃縮液を隔てる第１シール部材５、前段の膜エレメント１の下流側端の外周部と次段の膜エレメント１’の上流側端の外周部とにそれぞれ第２シール部材７と第３シール部材８を設けている。
【００１８】
スパイラル型膜エレメント１は、透過液集水管１１のまわりに膜と流路材が多層に巻き付けられて構成され、例えば、封筒状に端辺がシールされ内部に透過側流路材を有する膜と原液側流路材とが、有孔の透過液集水管１１のまわりにスパイラル状に巻回された構造や、このような封筒状の膜材（膜リーフ）の複数が、複数の原液側流路材と共に透過液集水管１１のまわりにスパイラル状に巻回された構造が挙げられる。更に、例えば膜エレメント１の上流側端には、その外周に第１シール部材５を保持しつつエレメント内への流動が可能なように、有孔の又はハブ状の端部材が設けられる。また、例えば下流側端には、端部形状を保持しつつエレメントから流動が可能なように有孔の又はハブ状の端部材が設けられる。
【００１９】
上記の膜としては、各種材質の限外濾過膜、ナノ濾過膜、逆浸透膜などが使用できる。なお、最上流側の膜エレメント１の透過液集水管１１の上流側端には、一端を封止するためのキャップ材などを設けてもよい。
【００２０】
また、前段の膜エレメント１の透過液集水管１１と次段の膜エレメント１’の透過液集水管１１とは、継手部材６で直列に連結されている。継手部材６と透過液集水管１１との間には、後述の実施形態のように、シール部材が介在するのが好ましい。
【００２１】
本発明では、最上流側（前段）の膜エレメント１の下流側端の外周部には第２シール部材７、次段の膜エレメント１’の上流側端の外周部には第３シール部材８が装着されているが、シール性を確保する上で、上記のような膜エレメントの端部材の外周にシール部材を装着するのが好ましい。この第２シール部材７と第３シール部材８には筒型部材９が外接しており、これによって膜エレメント１，１’の内側を流れる濃縮液と膜エレメント１，１’の外側を流れる濃縮液とを隔てている。従って、筒型部材９の圧接力が高いほど、シール性は良好になる。
【００２２】
筒型部材９の厚みが大きいと、筒型部材９の外周と円筒型容器２の内周との間の隙間が小さくなり、スパイラル型膜モジュールの圧損が大きくなる。従って、当該圧損を小さくするためには、筒型部材９の厚みが小さいほど良いが、厚みが小さすぎると強度面の問題が生じる。従って、筒型部材９の厚みは１〜２ｍｍ程度が好ましい。なお、筒型部材９の外周と円筒型容器２の内周との間の隙間を大きくする方法として、シール部材７，８に外接する部分の外径と比較して、当該部分の中間の部分の外径が小さい異径管などによって筒型部材９を形成してもよい。
【００２３】
原液入口３１は第１シール部材５が設置されている一端側の端板３に設けられ、濃縮液出口２１はシール部材裏側近傍の円筒型容器２の外周部に設けられている。端板３，４は、例えばクランプまたはボルトなどで、円筒型容器２に装着される。透過液出口４１は他端側の端板４に設けられている。透過液出口４１は透過液集水管１１の下流側端を内挿してシール・固定できる開口を有する。本発明では、このような端板３，４を含めて円筒型容器と呼ぶことがあり、端板３，４の一方が溶接等によって円筒型容器２と一体となっていてもよい。
【００２４】
第１シール部材５は原液入口３１から流入した原液が、最上流側の膜エレメント１をバイパスして濃縮液出口２１へ流出するのを防ぐためのものであり、第１シール部材５の装着部分の膜エレメント外周と円筒型容器内周は、シール性が損なわれない程度に近接している。
【００２５】
円筒型容器２やその他の部材には、ステンレス鋼などの金属や繊維強化等された樹脂などが使用されるが、特に食品関係の用途ではステンレス鋼などの金属が好適に使用される。また、第１シール部材５等のシール部材には、シール用のゴムや樹脂等が使用される。
【００２６】
図１において、まず原液が原液入口３１から膜モジュール内に導入され、次に第１シール部材５の作用により導入された原液はすべて膜エレメント１内に流入する。膜エレメント１から出た濃縮液は、膜エレメント１の下流側外周部に装着された第２シール部材７および膜エレメント１’の上流側外周部に装着された第３シール部材８および両者を覆う筒型部材９の作用によって、膜エレメント外周部に漏れ出ることなく全量が膜エレメント１’へ流入する。
【００２７】
膜エレメント１’から出た濃縮液は、反転して膜エレメント１および１’の外周と円筒型容器２の内周との隙間を流れ、濃縮液出口２１より流出する。一方、膜エレメント１および１’で分離された透過液は、透過液集水管１１に集められて透過液出口４１より流出する。
【００２８】
本発明のスパイラル型膜モジュールでは、膜エレメント１，１’を片側から押圧して固定する必要はないので、円筒型容器２内での膜エレメント１，１’の自由度が大きく、例えば高温の液体を流通させても膜モジュール構成部材の熱膨張率の違いによる応力をよく吸収することができ、膜エレメントに変形、座屈等の機械的損傷が発生しない。すなわち、液だまりがなく、内部に細菌が繁殖しにくい衛生的な膜モジュール構造において、衛生上特に重要な熱水洗浄殺菌が可能となる。
【００２９】
［他の実施形態］
（１）前述の実施形態では、筒状部のみで構成された筒型部材を使用する例を示したが、図２に示すように、筒型部材９が、スパイラル膜エレメント１，１’の端面に当接可能な係止部９１を筒状部の内周に備えるものであってもよい。この係止部９１によって、筒型部材９が膜エレメント１，１’の軸方向へずれることを防止できる。
【００３０】
この実施形態では、係止部９１が中心に向かって突出する突起部で形成されている例を示す。突起部の個数には特に制限はないが、２個から８個の突起が均等に配置されることが望ましい。図２（イ）は突起部が６個装着された例である。また、図２（ロ）に示す突起部が、両側の膜エレメントに接触する左右２個に分割されていてもよい。突起部の形状は図２に限定されるものではなく、例えばオリフィス状のリングでもよい。
【００３１】
また、筒型部材９には、スパイラル膜エレメント１，１’を円筒型容器２の中心部に定位させる突起９２を筒状部の外周に設けている。この突起９２は、円筒型容器２の内周面に内接しているのが好ましいが、内周面との間に若干の隙間を有していてもよい。突起９２の個数は、外側を流れる濃縮液の流れを妨げない限り特に制限はないが、３個から８個の突起が均等に配置されることが望ましい。図２（イ）は突起部９２が６個装着された例である。
【００３２】
一方、継手部材６と透過液集水管１１との間には、シール部材が介在しており、シール性を維持しながら、膜エレメント１，１’が各々独立に継手部材６に対して軸方向に移動可能となっている。他方、本発明の方法では、図２等に示すごとくシール部材７，８としてブラインシールが膜エレメントの外側に開くように装着された汎用のスパイラル膜エレメントを使用することができる。
【００３３】
（２）前述の実施形態では、別体として形成された継手部材と筒型部材とで膜エレメントを連結する例を示したが、図３に示すように、本発明における筒型部材９は、透過液集水管１１を連結する継手部材６と筒状部とが一体に形成され、その継手部材６と筒状部との間に濃縮液流路を備えているのが好ましい。本実施形態では、継手部材６から筒状部に向けて放射状に広がったハブ板によって、両者が一体に形成され、このハブ板同士の間が濃縮液流路となる。
【００３４】
このハブ板によって、膜エレメント１，１’の端面に当接可能な係止部９１を構成してもよい。また、筒型部材９の濃縮液流路は何れの断面形状でもよく、ハブ板の代わりに、有孔の円形板などで継手部材と筒型部材とを一体に形成してもよい。
【００３５】
このような一体型の筒型部材９や、別体の継手部材６を構成する材料としては、各種の樹脂や金属が使用可能であるが、射出成型などにより製造が容易な樹脂材料が好ましい。具体的な樹脂材料としては、ポリスルホン、変性ポリフェニレンオキサイド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリ塩化ビニル、ポリフロピレンなどが挙げられる。
【００３６】
（３）前述の実施形態では、２本の膜エレメントが充填されたスパイラル型膜モジュールの例を示したが、本発明では、更に多数本の膜エレメントが充填されたスパイラル型膜モジュールであってもよい。その場合、全ての連結部に本発明のような連結構造を採用するのが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のスパイラル型膜モジュールの一例を示す縦断面図
【図２】本発明のスパイラル型膜モジュールの他の例を示す要部図であり、（イ）は筒型部材の側面図、（ロ）は連結部分の縦断面図
【図３】本発明のスパイラル型膜モジュールの他の例を示す要部図であり、（イ）は筒型部材の側面図、（ロ）は連結部分の縦断面図
【符号の説明】
１    スパイラル膜エレメント
１’  スパイラル膜エレメント
１１  透過液集水管
２    円筒型容器
２１  濃縮液出口
３    端板
３１  原液入口
４    端板
４１  透過液出口
５    第１シール部材
６    継手部材
７    第２シール部材
８    第３シール部材
９    筒型部材
９１  係止部
９２  突起
【図１】
2004275822.tif 000003
【図２】
2004275822.tif 000004
【図３】
2004275822.tif 000005