(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
分離係数αが１．５以上１００００００以下であり、繰り返し折りたたみ構造を有する気体分離膜（１）と、通気性補強材（２）と、からなる圧縮度１００ｋＰａ以上のプリーツ成形体（１１）の、該プリーツ成形体（１１）の外周部の少なくとも一部に補強フレーム（１２）が配置されて成る事を特徴とする内燃機関用窒素富化空気供給装置用ボックスプリーツエレメント。
【請求項２】
該通気性補強材（２）がネットであり、少なくとも気体分離膜の２次側に配置されており、当該ネットの線径に対する加圧時厚みの比率Ｎが０．８以上１．５以下であることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用窒素富化空気供給装置用ボックスプリーツエレメント。
【請求項３】
該プリーツ成形体（１１）が、矩形のプリーツ面を有するプリーツ成形体であって、該プリーツ成形体（１１）の外周部が、プリーツ方向（６）に直交する互いに対向するＡ端面（３）と、プリーツ方向（６）に平行する互いに対向するＢ端面（４）の、２組の互いに対向する端面を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関用窒素富化空気供給装置用ボックスプリーツエレメント。
【請求項４】
気体分離膜（１）が、分離係数αが２．０以上１００００００以下であり、酸素の透過速度が１００ＧＰＵ以上１００００００ＧＰＵ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の内燃機関用窒素富化空気供給装置用ボックスプリーツエレメント。
【請求項５】
１）分離係数αが２．０以上１００００００以下であり、酸素の透過速度が１００ＧＰＵ以上１００００００ＧＰＵ以下であり、繰り返し折りたたみ構造を有する気体分離膜（１）と、通気性補強材（２）と、からなるプリーツ成形体（１１）を１００ｋＰａ以上の圧縮度で圧縮する工程
２）圧縮したプリーツ成形体（１１）を固定手段で固定する工程
３）固定手段で固定されたプリーツ成形体（１１）の外周部に補強フレーム（１２）を設ける工程
からなる内燃機関用窒素富化空気供給装置用ボックスプリーツエレメントの製造方法。
【請求項６】
プリーツ成形体（１１）の２つのＢ端面（４）、（４）が補強されていることを特徴とする請求項５に記載の内燃機関用窒素富化空気供給装置用ボックスプリーツエレメントの
製造方法。
【請求項７】
固定手段が糸もしくはベルトであることを特徴とする請求項５又は６に記載の内燃機関用窒素富化空気供給装置用ボックスプリーツエレメントの製造方法。
【請求項８】
３）工程において、固定手段で固定されたプリーツ成形体（１１）と補強フレーム（１２）の間にスペーサーを設置し、スペーサーを介してプリーツ成形体（１１）の膨張力を補強フレーム（１２）で保持しながら固定手段の一部もしくは全部を除去した後、プリーツ成形体（１１）の外周部と補強フレーム（１２）を接着することを特徴とする請求項５〜７のいずれかに記載の内燃機関用窒素富化空気供給装置用ボックスプリーツエレメントの製造方法。
【請求項９】
３）工程において、すくなくともプリーツ成形体（１１）の外周部に設けられた固定手段で固定されたプリーツ成形体（１１）の外周部に、内面に接着手段を備えるテープを巻回して補強フレーム（１２）を形成する事を特徴とする請求項５〜８のいずれかに記載の内燃機関用窒素富化空気供給装置用ボックスプリーツエレメントの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気体分離モジュールに用いられるボックスプリーツエレメントに関する。
【背景技術】
【０００２】
膜による分離操作は、蒸留や吸着などの分離操作に比べて設備が簡単で運転コストが低い点が長所とされ、特に液体処理において広く用いられている。一方、膜による気体処理はエアフィルターと気体分離膜に大別できるが、現在は前者が大半を占めており後者は大きな市場を形成するには至っていない。すなわち、現時点ではアンモニアプラントでの水素回収やガソリン油槽所での揮発性有機化合物回収など工業用の大型装置が主であり、民生用の小型装置は処理能力や通気抵抗などの問題から一部の小型装置（医療用、酸素エアコン用）を除いて実用化が遅れている。
【０００３】
気体分離用小型装置に求められる条件として、
１）膜面積
２）通気抵抗
３）耐久性
４）製造コスト
を上げることができる。このうち、通気抵抗は気体の供給圧に余裕のある大型装置では大きな問題とならないが、小型高流量処理を旨としながら使用環境に制限の多い小型装置では特に問題となりやすい。
【０００４】
気体分離装置の核となる気体分離モジュールには、１）気体透過性に優れた高分子材料からなる中空糸膜束の両端を封止して筒状のハウジングに収納した、いわゆる「中空糸モジュール」が広く用いられている（特許文献１）。また、２）気体透過性に優れた高分子材料からなる平膜を２枚一組で封筒状に成型したあと封筒の開口端をセンターパイプにあてがって巻廻し、最後に両端を封止して筒状のハウジングに収納した、いわゆる「スパイラルモジュール」がこれに次いで用いられている（特許文献２）。さらに、３）気体透過性に優れた高分子材料からなる平膜をフレームに固定し必要に応じて積層した、いわゆる「プレート＆フレームモジュール」が少数用いられている（非特許文献１）。
また、液体処理装置では上記に加えて、４）気体透過性に優れた高分子材料からなる平膜を特定のピッチで山折り谷折りを繰り返すことでカーテンやスカートに見られるようなプリーツ加工を施したあと、両端のプリーツ面同士を接着して全体を円筒状に整え、最後に円筒の両端を封止して筒状ハウジングに挿入した、いわゆる「円筒プリーツモジュール」が用いられているが、気体分離装置への応用は殆どない（特許文献３）。
【０００５】
これらのうち、中空糸モジュールは容積あたりの膜面積が大きいため、スパイラルモジュールは比較的安価な平膜を比較的高密度に収納できるため、大面積を必要とする大型装置に適している。しかしながら、３）を除いたモジュールはいずれも筒状のハウジングを用いた「筒状モジュール」であり、断面積が小さく奥行き（筒状の中心線と平行方向）が長いことから本質的に圧力損失が大きいという欠点があった。こうした欠点はたとえばモジュールの断面積を大きく奥行きを短くすることで改善できるが、長い中空糸膜を小数束ねるのに対して短い中空糸膜を多数並べるのは実際上困難であり、平膜の奥行きを短くして巻廻数を増やすのは巻きずれや通気抵抗の点から同様に困難であった。以上の理由から、筒状モジュールは小型高流量処理を旨とする気体分離用小型装置に適したモジュール形状とは言えなかった。
【０００６】
本発明者らは前記課題に対して検討した結果、ボックスプリーツモジュールが気体分離
に好適であることを見出し（特許文献４、特許文献５）、その後、特定のボックスプリーツモジュールが非透過気体を利用する系（例えば窒素富化空気供給装置）に対してより好適であることを見出した（特許文献６）。しかしながら、このボックスプリーツモジュールであっても現在は、更なる改良が要求されている。そこで、窒素富化空気供給装置についてその改良要求を装置の説明をした上で、以下に具体的に示す。
【０００７】
［内燃機関用窒素富化空気供給装置について］
内燃機関は自動車エンジンに広く用いられているが、燃焼温度が高くなるとよく知られているように窒素と酸素が反応して、窒素酸化物（ＮＯｘ）を生成・排出する特徴がある。窒素酸化物（ＮＯｘ）除去システムとしては、ガソリンエンジンでは排気ガス中の炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）を酸化・還元反応によって同時除去する三元触媒が有効であるが、ディーゼルエンジンでは排気ガス中の酸素濃度の違いから三元触媒が有効に機能しないことが問題とされてきた。
【０００８】
ディーゼルエンジンで機能する窒素酸化物（ＮＯｘ）除去システムとして、
１）酸素共存下でも有効な還元触媒（尿素ＳＣＲシステム、ＬＮＴ触媒システム）
２）機関内部の酸素濃度低減（ＥＧＲ排気ガス再循環システム）
などが既に知られている。このうち、尿素ＳＣＲシステムは既に一部実用化されているが、高価な触媒や尿素水噴射装置、凍結防止装置等が必要であることに加え、発生する窒素酸化物（ＮＯｘ）の全てを除去するには燃料タンク並に大きな尿素水タンクを設置する必要がある。ＬＮＴ触媒システムは尿素水のような還元剤の添加なしに窒素酸化物を除去できるが、運転可能範囲が狭い、触媒劣化が大きい等の問題がある。上記の中ではＥＧＲが最も広く用いられているが、中間冷却装置が必要、高負荷では過給圧が排気圧より高くなるため再循環が困難、等の問題がある。すなわち、現在の窒素酸化物除去システムにはいずれも欠点があり、省エネルギーや二酸化炭素（ＣＯ２）排出削減の観点からディーゼルエンジンが注目を集める中、より有効な窒素酸化物除去システムの開発が大きな課題となっている。
【０００９】
近年、気体分離膜を用いることによって、排気ガス再循環とは異なる方法で機関内部の酸素濃度低減を図る試みが行われるようになった（非特許文献２）。こうした装置を窒素富化空気供給装置、その核となる気体分離モジュールを窒素富化モジュールと呼ぶ。当該文献によると、酸素選択透過性を有する中空糸膜を備えた気体分離モジュールの供給口にターボチャージャーから導かれた加圧空気を供給し、中空糸モジュールの２次側に酸素富化した空気を透過・除去させつつ非透過口から窒素富化した空気を取り出し、エンジンに供給する方法が開示されている。気体分離モジュールから取り出される窒素富化空気の酸素濃度は１６〜２０％であり、ＥＧＲを行った場合の酸素濃度（非特許文献３）に匹敵することから、両者は同等の燃焼温度低減機能を示すと考えられる。また、気体分離モジュールは過給圧が高いほど性能が向上するため、過給圧が高いほど有効に機能しにくいＥＧＲとは相補的な関係にある。
【００１０】
本発明者らの発明によるボックスプリーツモジュールは、一般的な中空糸モジュールよりも供給口−非透過口間の圧力損失が極めて低いため、過給圧を有効に利用できる利点があったが、過給圧によって１次側の膜が開くこと（以下、膜開き）によって１次側流路が拡大し、想定より圧力損失が下がる傾向があった。こうした「膜開き」はエレメント容積あたりの膜面積を不必要に減らした事と同義であると同時に、過給圧が圧力変動したときに膜が振動し得ることを意味しており、膜の擦過など耐久性の点から好ましくない場合があった。
【００１１】
【特許文献１】特開平２−２５２６０９号公報
【特許文献２】特公平５−５８７６９号公報
【特許文献３】特開２００２−２５２０１２号公報
【特許文献４】ＷＯ２００４／１０７４９０号公報
【特許文献５】ＰＣＴ／ＪＰ２００５／００８８９２
【特許文献６】特願２００５−２６４６９８
【非特許文献１】Ｊ．  Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｓｃｉ．：  ２９（１９８６）  ６９−７７
【非特許文献２】米国アルゴンヌ国立研究所報告書：ＡＮＬ／ＥＳＤ／ＴＭ−１４４
【非特許文献３】三菱自動車テクニカルレビュー：２００３  ＮＯ．１５  Ｐ１８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、気体分離用ボックスプリーツエレメントおよびその製造方法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】
【００１３】
本発明者らは、ボックスプリーツエレメントの内部構成に着目し、膜密度および耐振動性の向上を目的として鋭意検討を行った。その結果、気体分離膜と通気性補強材からなるプリーツ成形体の外周部に補強フレームを設けた構造において、特定の圧縮度を有するボックスプリーツエレメントが好適であることを見出し、本発明を成すに至った。
すなわち本発明は、以下のとおりである。
１．分離係数αが１．５以上１００００００以下であり、繰り返し折りたたみ構造を有する気体分離膜（１）と、通気性補強材（２）と、からなる圧縮度１００ｋＰａ以上のプリーツ成形体（１１）の、該プリーツ成形体（１１）の外周部の少なくとも一部に補強フレーム（１２）が配置されて成る事を特徴とする内燃機関用窒素富化空気供給装置用ボックスプリーツエレメント。
２．該通気性補強材（２）がネットであり、少なくとも気体分離膜の２次側に配置されており、当該ネットの線径に対する加圧時厚みの比率Ｎが０．８以上１．５以下であることを特徴とする上記１に記載の内燃機関用窒素富化空気供給装置用ボックスプリーツエレメント。
３．該プリーツ成形体（１１）が、矩形のプリーツ面を有するプリーツ成形体であって、該プリーツ成形体（１１）の外周部が、プリーツ方向（６）に直交する互いに対向するＡ端面（３）と、プリーツ方向（６）に平行する互いに対向するＢ端面（４）の、２組の互いに対向する端面を有することを特徴とする上記１又は２に記載の内燃機関用窒素富化空気供給装置用ボックスプリーツエレメント。
４．気体分離膜（１）が、分離係数αが２．０以上１００００００以下であり、酸素の透過速度が１００ＧＰＵ以上１００００００ＧＰＵ以下であることを特徴とする上記１〜３のいずれか一つに記載の内燃機関用窒素富化空気供給装置用ボックスプリーツエレメント。
【００１４】
５．
１）分離係数αが２．０以上１００００００以下であり、酸素の透過速度が１００ＧＰＵ以上１００００００ＧＰＵ以下であり、繰り返し折りたたみ構造を有する気体分離膜（１）と、通気性補強材（２）と、からなるプリーツ成形体（１１）を１００ｋＰａ以上の圧縮度で圧縮する工程
２）圧縮したプリーツ成形体（１１）を固定手段で固定する工程
３）固定手段で固定されたプリーツ成形体（１１）の外周部に補強フレーム（１２）を設ける工程
からなる内燃機関用窒素富化空気供給装置用ボックスプリーツエレメントの製造方法。
６．プリーツ成形体（１１）の２つのＢ端面（４）、（４）が補強されていることを特徴とする上記５に記載の内燃機関用窒素富化空気供給装置用ボックスプリーツエレメントの製造方法。
７．固定手段が糸もしくはベルトであることを特徴とする上記５又は６に記載の内燃機関用窒素富化空気供給装置用ボックスプリーツエレメントの製造方法。
８．３）工程において、固定手段で固定されたプリーツ成形体（１１）と補強フレーム（１２）の間にスペーサーを設置し、スペーサーを介してプリーツ成形体（１１）の膨張力を補強フレーム（１２）で保持しながら固定手段の一部もしくは全部を除去した後、プリーツ成形体（１１）の外周部と補強フレーム（１２）を接着することを特徴とする上記５〜７のいずれかに記載の内燃機関用窒素富化空気供給装置用ボックスプリーツエレメントの製造方法。
９．３）工程において、すくなくともプリーツ成形体（１１）の外周部に設けられた固定手段で固定されたプリーツ成形体（１１）の外周部に、内面に接着手段を備えるテープを巻回して補強フレーム（１２）を形成する事を特徴とする上記５〜８のいずれかに記載の内燃機関用窒素富化空気供給装置用ボックスプリーツエレメントの製造方法。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によると、圧力損失が低く、かつ膜密度および耐振動性を改善した気体分離モジュール、例えば内燃機関用窒素富化空気供給装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
［気体分離モジュールについて］
一般的に、気体分離モジュールは気体分離膜、１次側気体流路、２次側気体流路、ハウジングから構成される。１次側は分離対象となる混合気体の流路であり、２次側は膜を透過した混合気体の流路である。１次側は、膜を選択的に透過する気体成分に着目したとき分圧が高い方と定義されるが、多くの場合は１次側の方が全圧も高い。１次側気体流路には吸気口が設けられ、必要に応じて排気口が設けられる。２次側気体流路には排気口が設けられ、必要に応じて吸気口が設けられる。１次側気体流路の吸気口に分離対象となる混合気体が供給されると混合気体は１次側の膜面に広がり、気体分離膜の選択透過性に従って組成の変化した混合気体が２次側の膜面に透過する。組成の変化した混合気体は２次側の排気口から取り出してそのまま用いることもできるし、２次側に吸気口を設けて外部より供給した別の気体で連続希釈しながら用いることもできる。また、１次側に排気口を設けて透過しなかった混合気体を取り出して用いることもできる。１次側の吸気口、排気口、２次側の吸気口、排気口のことを、それぞれ「供給口、フィード、ｆｅｅｄ」、「非透過口、リテンテート、ｒｅｔｅｎｔａｔｅ」、「掃気口、パージ、ｐｕｒｇｅ」、「透過口、パーミエート、ｐｅｒｍｅａｔｅ」と呼ぶことがある。
【００１７】
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。尚、以下において本発明の構成要素の後の数字は図１〜８における図番を表している。
［気体分離膜］（図１）
本発明において、気体分離膜１は混合気体から特定の気体を優先的に透過させる性質を持った一種の選択透過膜をいい、特定気体の特定分圧下でのみ選択透過性を示す膜もこれに含まれる。本発明は、こうした気体分離膜１の形態としてプリーツ加工可能な「平膜」を用いることを特徴とする。
【００１８】
気体分離膜素材は、様々なものを用いることができるが、例えば窒素富化モジュール用としては、ポリジメチルシロキサン、ポリジフェニルシロキサン、ポリメチルフェニルシロキサン、ポリジメチルシロキサンの共重合体、ポリ−４−メチルペンテン−１、ポリテトラフルオロエチレン、ポリテトラフルオロエチレンの共重合体、パーフルオロ−２，２−ジメチル−１，３−ジオキソールの共重合体、ポリ−ｐ−フェニレンオキシド、ポリビニルトリメチルシラン、フッ素化ポリマー／シロキサンコポリマー、ポリ〔１−（トリメチルシリル）−１−プロピン〕、酢酸セルロース、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリブタジエン、ポリ酢酸ビニル、ポリスチレン、およびこれらの共重合体などが挙げられる。この中でもオルガノポリシロキサン−ポリ尿素−ポリウレタンブロック共重合体やパーフルオロ−２，２−ジメチル−１，３−ジオキソールとテトラフルオロエチレンの共重合体が好ましい。また、Ａ型ゼオライトに代表されるような選択透過性無機材料を用いることもできる。
【００１９】
気体分離膜１の気体透過性は、透過速度と分離係数で表現することが出来る。ここで、透過速度Ｒは単位時間、単位面積、単位分圧差における気体透過量で表され、慣習的にＧＰＵ（Ｇａｓ  ｐｅｒｍｅａｔｉｏｎ  ｕｎｉｔ）＝１０−６ｃｍ３（ＳＴＰ）／ｃｍ２ｓｅｃｃｍＨｇという単位が広く使用されている。更に、単位膜厚あたりの透過速度を透過係数Ｐといい、慣習的にバーラー（ｂａｒｒｅｒ）＝１０−１０ｃｍ３（ＳＴＰ）ｃｍ
／ｃｍ２ｓｅｃｃｍＨｇという単位が広く使用されている。透過速度が膜物性であるのに対して透過係数は素材物性であり、いくら透過係数に優れる素材であっても、必要十分な薄膜化適性を兼ね備えない場合は気体分離に適さないため注意を要する。また、分離係数αは任意の気体の透過係数の比である。透過速度と分離係数は目的とする用途に応じて適切に選択されるが、たとえば内燃機関用窒素富化空気供給装置に用いる場合は以下の値であることが好ましい。すなわち、
【００２０】
酸素の透過速度Ｒは、１００ＧＰＵ以上１００００００ＧＰＵ以下が好ましく、２００ＧＰＵ以上がより好ましく、５００ＧＰＵ以上が更に好ましく、１０００ＧＰＵ以上がより更に好ましく、１５００ＧＰＵ以上が特に好ましく、２０００ＧＰＵ以上が極めて好ましく、２５００ＧＰＵ以上が最も好ましい。
酸素と窒素の分離係数α（＝ＲＯ２／ＲＮ２）は、１．１以上１００００００以下が好ましく、１．５以上がより好ましく、１．８以上が更に好ましく、２．０以上がより更に好ましく、２．２以上が特に好ましく、２．４以上が極めて好ましく、２．６以上が最も好ましい。αが１．１より小さい場合は、酸素に随伴して多量の窒素が１次側から透過側へ移動して失われるため好ましくない。αが高いほど酸素に随伴する窒素の量を抑えることが出来るため好ましいが、一般的に分離係数と透過係数はトレードオフの関係にある。
【００２１】
気体分離膜１の膜厚は、１μｍ以上１０００μｍ以下が好ましい。膜厚の下限は５μｍ以上がより好ましく、８μｍ以上が更に好ましく、１０μｍ以上が最も好ましい。膜厚の上限は５００μｍ以下がより好ましく、２００μｍ以下が更に好ましく、１００μｍ以下がより更に好ましく、５０μｍ以下が特に好ましく、２０μｍ以下が最も好ましい。膜厚が１μｍ未満になると、機械強度が不足する場合があり、膜厚が１０００μｍを越えると透過速度が不足する場合がある。
【００２２】
気体分離膜１の膜厚は、一般的に薄いほど分離係数を維持しながら透過速度を向上できるため好ましいが、薄膜化に伴う破損等を避けるため、気体透過性と機械強度に優れた支持膜の上に形成されることが多い。こうした構造を持つ気体分離膜を複合膜と呼び、支持膜の上に形成した気体分離層のことを分離層、スキン層、活性層、と呼び、支持膜のことを支持層と呼ぶことがある。複合膜は、例えば、支持膜に気体透過性材料を塗布または含浸または接触することにより得ることが出来る。以下の説明は複合膜に関する。
【００２３】
気体分離膜１の支持層は、気体透過性と機械強度に優れ、プリーツ加工可能な平膜であれば様々なものを用いることが出来るが、織布、不織布、微多孔膜等を用いることが出来る。微多孔膜としては、ポリイミド微多孔膜、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）微多孔膜、ポリオレフィン微多孔膜など公知の様々な微多孔膜を用いることが出来るが、このうちリチウムイオン電池用セパレーターとして用いられるポリオレフィン微多孔膜、特に、ポリエチレン微多孔膜が好ましい（特許第３１１３２８７号公報参照）。
【００２４】
気体分離膜１の支持層の気孔率は、５％以上９５％以下が好ましい。気孔率の下限は１０％以上がより好ましく、２０％以上が更に好ましく、３０％以上がより更に好ましく、４０％以上が最も好ましい。気孔率が５％未満では、気体透過性が不足する場合があり、気孔率が９５％を越えると、機械強度が不足する場合がある。
気体分離膜１の支持層の平均孔径は、０．１ｎｍ以上１０μｍ以下が好ましい。平均孔径の下限は１ｎｍ以上がより好ましく、１０ｎｍ以上が更に好ましく、２０ｎｍ以上がより更に好ましく、５０ｎｍ以上が特に好ましく、８０ｎｍ以上が最も好ましい。平均孔径の上限は１μｍ以下がより好ましく、５００ｎｍ以下が更に好ましく、２００ｎｍ以下がより更に好ましく、１００ｎｍ以下が特に好ましい。平均孔径が０．１ｎｍ未満の場合は気孔率や表面開口率が低い場合が多いため好ましくない。平均孔径が１０μｍを超える場合は分離層の好ましい厚さに対して大きくなりすぎるため好ましくない。
【００２５】
気体分離膜１の分離層の膜厚は、１ｎｍ以上１０μｍ以下が好ましい。膜厚の下限は１０ｎｍ以上がより好ましく、２０ｎｍ以上が更に好ましい。膜厚の上限は１μｍ以下がより好ましく、５００ｎｍ以下が更に好ましく、３００ｎｍ以下がより更に好ましく、２００ｎｍが特に好ましく、１００ｎｍ以下が極めて好ましく、５０ｎｍ以下が最も好ましい。透過係数が十分に高い場合は膜厚が３μｍを超える場合も好適に用いることができる。このような例として、空気と水蒸気の分離に用いられる気体分離膜を上げることが出来る。
【００２６】
［通気性補強材］（図１〜２）
本発明において、通気性補強材２はプリーツ内部で隣接する気体分離膜の密着を妨げることによってプリーツ内部への気体流通を確保し、良好な膜利用効率を達成するための手段に資するものであり、更にプリーツ成形体１１に必要な自立性を付与するための補助的な機能を担う。
通気性補強材２は、気体分離膜の両面もしくは片面に設けることが出来るが、気体分離膜両面での圧力差が顕著な場合は少なくとも低圧側（２次側）に設けることが好ましい。
通気性補強材２は、織布、不織布、樹脂製ネット、例えば、ポリプロピレン、ポリエステル、ナイロン等、金属製ネット等を使用することが出来るが、このうち、樹脂製ネット、金属製ネットが好ましい。
【００２７】
通気性補強材２の厚さは、１０μｍ以上５０００μｍ以下が好ましく、厚さの下限は５０μｍ以上がより好ましく、１００μｍ以上が更に好ましく、２００μｍ以上がより更に好ましく、３００μｍ以上が特に好まく、５００μｍ以上が最も好ましい。厚さの上限は３０００μｍ以下がより好ましく、２０００μｍ以下が更に好ましく、１０００μｍ以下が最も好ましい。厚さが１０μｍ未満では、機械強度が不足する場合があり、厚さが５０００μｍを越えると、気体透過性が低下する場合がある。通気性補強材の厚さは、測定時の圧縮の程度によるため、プリーツエレメントを構成した場合の圧縮の程度、および、プリーツエレメントに運転時の全圧差を与えた場合の圧縮の程度で測定することが好ましい。
【００２８】
通気性補強材２の気孔率は、３０％以上９５％以下が好ましく、気孔率の下限は４０％以上がより好ましく、５０％以上が更に好ましく、６０％以上がより更に好ましく、７０％以上が特に好ましく、８０％以上が極めて好ましく、９０％以上が最も好ましい。気孔率が３０％未満では、気体分離性が不足する場合があり、気孔率が９５％未満では、機械強度が不足する場合がある。通気性補強材の気孔率は、測定時の圧縮の程度によるため、プリーツエレメントを構成した場合の圧縮の程度、および、プリーツエレメントに運転時の全圧差を与えた場合の圧縮の程度で測定することが好ましい。
通気性補強材２の空気流に対する体積抵抗率（Ｐａｓｅｃ／ｍ２）は、１０６以下が好ましく、１０５以下がより好ましく、５００００以下が更に好ましく、２００００以下がより更に好ましく、１００００以下が特に好ましく、５０００以下が極めて好ましく、２０００以下が最も好ましい。
【００２９】
任意の多孔質構造体をこれと等価な円管の集合体と見なした場合、多孔質構造体の円管相当半径と気体の粘度から次式より固有物性である体積抵抗率を求めることが出来る。
体積抵抗率＝８×粘度／円管相当半径２
圧力損失＝体積抵抗率×（長さ／断面積）×流量
例えば、通気性補強材２を単独で積層した試料の平行方向の円管相当半径が０．１ｍｍ、気体粘度が１．８４×１０−５Ｐａｓｅｃのとき、体積抵抗率は１４７００と求められる。実際のプリーツエレメントでは、通気性補強材と気体分離膜が交互に積層されるため通気性補強材を単独で積層した場合に比べて円管相当半径はやや小さく体積抵抗率はやや
大きい。流量と圧力損失の測定から通気性補強材の体積抵抗率を求める場合は、当該通気性補強材からなるプリーツエレメントを気体分離モジュールに用いる際に、その基材部流路を流通させる混合気体の流量に応じた気体速度（線速）で測定することが好ましい。
【００３０】
通気性補強材２にネットを使用する際の線径は、０．０１ｍｍ以上２ｍｍ以下が好ましい。線径の下限は０．０２ｍｍ以上がより好ましく、０．０４ｍｍ以上が更に好ましく、０．０６ｍｍ以上がより更に好ましく、０．０８ｍｍ以上が特に好ましい。線径の上限は１ｍｍ以下がより好ましく、０．６ｍｍ以下が更に好ましく、０．４ｍｍ以下がより更に好ましく、０．２ｍｍ以下が特に好ましい。
通気性補強材２にネットを使用する際のメッシュは、２以上１０００以下が好ましい。メッシュ数の下限は１０以上がより好ましく、１２以上が更に好ましく、１４以上がより更に好ましく、１６以上が特に好ましい。メッシュ数の上限は１００以下がより好ましく、５０以下が更に好ましく、３０以下がより更に好ましく、２０以下が特に好ましい。
【００３１】
通気性補強材２のうち、１次側の通気性補強材は１次側に導入される高圧気体によって膜から受ける圧力が減少する一方で、２次側の通気性補強材は１次側に導入される高圧気体によって膜から受ける圧力が増大する。このため、２次側の通気性補強材は、１次側の通気性補強材に比べて特に慎重な材料選定を行うことが求められる。以下は、２次側の通気性補強材に関する。
通気性補強材２にネットを使用する際の線径は、１０μｍ以上１０００μｍ以下が好ましく、線径の下限は５０μｍ以上がより好ましく、１００μｍ以上が更に好ましく、１５０μｍ以上がより更に好ましい。線径の上限は５００μｍ以下がより好ましく、４００μｍ以下が更に好ましく、３００μｍ以下が最も好ましい。線径が１０μｍより小さい場合は、圧力を受けた膜がネットの網目から押し出され、隣接する膜と膜が接触することによって２次側流路の一部もしくは全部を閉鎖する可能性があるため好ましくない場合がある。線径が１０００μｍより大きい場合は膜密度が低下するため好ましくない場合がある。
【００３２】
通気性補強材２にネットを使用する際の線径に対する加圧時厚みの比率Ｎは０．８以上１．５以下である。比率Ｎの下限は０．９以上が好ましく、１．０以上がより好ましい。比率Ｎの上限は１．４以下が好ましく、１．３以下がより好ましい。比率Ｎが０．８より小さい場合は厚み測定時にネットを構成する糸が隣接するネットに大きく潜り込んだことを意味しており、通気性補強材としての作用が十分に果たせない場合がある。比率Ｎが１．５より大きい場合はネットが剛直すぎることを意味しており、膜密度向上や剛直なネットによる膜損傷防止の観点から好ましくない場合がある。
【００３３】
［プリーツ成形体］（図１〜２）
本発明において、プリーツ成形体１１は平膜状の気体分離膜基材をプリーツ加工することによって得られた構造体をいう。
本発明において、「気体分離膜基材」は気体分離膜１と通気性補強材２からなるプリーツエレメントの基本構成材であり、必要に応じて気体分離膜１と通気性補強材２の積層体とすることが出来る。
本発明において、「プリーツ加工」は平膜に特定のピッチで山折り谷折りを繰り返すことでＶ字状、Ｕ字状、Ω字状等の断面形状を付与する加工をいい、このような加工を行わない平膜に比べ、同じ投影面積、同じ容積の中により大きな面積を収納することができる。通常は気体分離膜１と通気性補強材２を積層したのちプリーツ加工を施すが、気体分離膜１単独でプリーツ加工を施したあとプリーツ間に通気性補強材２を挿入することも可能である。
【００３４】
図１、図２は、本発明のプリーツ成形体１１の例の概略図を示す。図１では、気体分離膜１と通気性補強材２で構成された気体分離膜基材をプリーツ加工することによって得られたプリーツ成形体１１の断面を示している。一定幅を持つ長尺の平膜をプリーツ加工した場合、得られるプリーツ成形体１１は箱状の形態をとる。図２において、プリーツ方向６に直交する端面である３をＡ端面、プリーツ方向６に平行する端面である４をＢ端面、Ａ端面３とＢ端面４をあわせて外周部、５をプリーツ面、６をプリーツ方向、７をプリーツの長さ、８をプリーツの高さ、９をプリーツの幅、１０をプリーツのピッチ、と定義する。
【００３５】
本発明において、プリーツの「長さ」は、プリーツ方向６と平行な長さであり、長さが一定でない場合は平均値をとることができる。プリーツの「高さ」８は、プリーツ成形体の一方の山から他方の山までの高さであり、高さが一定でない場合は平均値をとることができる。プリーツの「幅」９は、プリーツ方向６と垂直な方向の長さであり、幅が一定でない場合は平均値をとることができる。プリーツの「ピッチ」１０は、プリーツ成形体の隣接する山と山の頂点間の距離であり、ピッチが一定でない場合は平均値をとることができる。
プリーツ加工の方法としては、公知の方法が使用可能であり、例えばレシプロ（アコーディオン）プリーツマシンやロータリープリーツマシンを用いることが出来る。
プリーツ加工後のプリーツ成形体１１は解放状態では気体分離膜基材の弾性変形によって形が崩れやすいため、ハンドリングや輸送の際には適当な治具を用いて形状保持することが好ましい。
【００３６】
本発明の一つの側面は、プリーツ成形体１１を高い圧縮度を維持したまま固定するための固定手段を備えることを特徴とする。ここで、プリーツ成形体１１の圧縮度とは、互いに対向するプリーツ成形体１１のＢ端面４をそれぞれプリーツ成形体１１の内側へ向けて圧縮するときの圧力（ｋＰａ）を意味しており、本発明の他の側面は、固定手段で固定されたプリーツ成形体１１の圧縮度が２０ｋＰａ以上であることを特徴とする。圧縮度が２０ｋＰａであるということは、気体分離膜の両面の圧力差（差圧）が２０ｋＰａ以下では膜開きが起こらないことを意味している。このことより、プリーツ成形体１１の圧縮度は気体分離モジュールを運転するときの差圧以上であることが好ましい。プリーツ成形体１１の圧縮度は５０ｋＰａ以上が好ましく、１００ｋＰａ以上がより好ましく、１５０ｋＰａ以上が更に好ましく、２００ｋＰａ以上がより更に好ましく、２５０ｋＰａ以上が特に好ましく、３００ｋＰａ以上が極めて好ましく、４００ｋＰａ以上が最も好ましい。圧縮度が４００ｋＰａ以上になると、気体分離膜の素材によっては通気性補強材として使用するネットの圧迫を受け、挫滅や損傷を受ける可能性があるため、これを考慮した材料選定を行うことが好ましい。
【００３７】
［固定手段］（図１〜２）
本発明における固定手段は、プリーツ成形体１１を高い圧縮度、即ち２０ｋＰａ以上に維持したまま固定できるものであれば既知の様々な材料を使用することができるが、糸もしくはベルトを使用することが好ましい。
糸を使用する際は、目的とする圧縮度とプリーツ成形体１１のＢ端面４の面積との積より糸が負担すべき応力を計算し、単糸の破断強度との関係から糸の本数を決めることができる。この際、クリープが小さい糸が好ましい。好ましい糸としては、超高分子量ポリエチレンのゲル紡糸で作られる高強度糸ダイニーマ（東洋紡株式会社商標）や、各種エンジニアリングプラスチック製の糸、および木綿などのセルロース系の糸を好ましく用いることができる。糸の渡し方としては、Ａ端面３とＢ端面４からなる外周部を巻回する方法と、プリーツ面５とＢ端面４を巻回する方法の２つがある。前者の場合、糸は巻回したまま補強フレームを形成することができる。後者の場合、必要に応じて補強フレーム形成後にプリーツ面５に残った糸を切断除去する事が出来る。
【００３８】
ベルトを使用する際も糸と同じように応力計算を行い、必要な強度を持つベルトを選ぶことができる。たとえば、幅５０〜１００ｍｍ程度のベルクロ付きナイロン製ベルトで簡
易的に固定できるものを好適に使用する事が出来る。ベルトの渡し方も糸と同様に、上記外周部を巻回する方法と、プリーツ面５とＢ端面４を巻回する方法の２つがある。
固定手段を適用する前に、強度のある薄板等を２つのＢ端面４に貼り付けて補強しておくことが好ましい。
固定手段を除去する方法としては、例えば後述する補強フレームＩのように金属板等を加工した補強フレーム１２を用いる場合、補強フレーム１２とプリーツ成形体１１のすきまに小さな金属製の小片をスペーサーとして設置し、プリーツ成形体の膨張力をこのスペーサーでおさえながら固定手段を除去することが出来る。プリーツ成形体１１と補強フレーム１２の間に接着剤を流し込むことによって、後述のようなプリーツエレメントが構成される。
【００３９】
［補強フレーム］（図２〜４）
本発明において、補強フレーム１２はプリーツ成形体１１の外周部と気密的に接着することによってプリーツエレメントを構成するための構造材をいう。すなわち、プリーツ成形体１１の外周部と一体化することによって、プリーツエレメントの第１プリーツ面５（上面）と第２プリーツ面５（下面）を気密的に分離する機能を持つ。
補強フレーム１２は、樹脂、金属、ＦＲＰ（ｆｉｂｅｒ−ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ  ｐｌａｓｔｉｃ）等、目的に応じて各種材料を用いることが可能であり、Ｉ：樹脂等を硬化させたものでも、ＩＩ：金属板等を加工したものでも、ＩＩＩ：内面に接着手段を備えるテープ状のものでも、ＩＶ：いずれか２つ以上の補強フレームを複合したものでも良い。
【００４０】
［Ｉの補強フレーム］
補強フレーム１２の材料として、インジェクション用やホットメルト用など本発明の目的を損なわない範囲で様々な樹脂等を用いることが可能であり、例えばシリコーン系やブタジエン系のシール材・弾性接着剤等に代表されるようなゴム状弾性体を好ましく用いることができる。
第１の例として、プリーツ成形体１１の長さより短い櫛歯状の第１、第２の治具を準備し、第１の治具の表面とプリーツの裏側を密着させ、更に、第２の治具の表面とプリーツの表側を密着するように挟んだあと、２つの治具の隙間からプリーツ成形体の両端が出たところにインジェクション樹脂が通過するようにインジェクション成型を行うことによって形成することができる。インジェクション成型時の樹脂温度は、気体分離膜基材の構成材で最も低い融点を基準として、＋１５０℃以下が好ましく、＋１００℃以下がより好ましく、＋８０℃以下が更に好ましく、＋５０℃以下がより更に好ましく、±０℃以下が特に好ましく、−１０℃以下が最も好ましい。
【００４１】
第２の例として、プリーツ成形体のＡ端面３近傍において片方の膜面のみビード（粘調な接着剤）を直線状に塗布してプリーツの片面の内側を両端とも封止し、次にビードを塗布したプリーツ成形体外周部のプリーツ面５近くにインジェクション成型を行うことによって補強フレーム１２を形成することができる。この場合、補強フレーム１２の高さをプリーツ成形体１１の高さより短くすることにより、Ａ端面３に対して垂直に流通できる吸気口もしくは排気口を設けることが可能であり、プリーツ面に対して垂直に流通できる吸気口もしくは排気口に比べて気体を直線的に流通できることから、圧力損失を低減出来る。この補強フレーム１２を、締結手段の一部に用いることもできる。この補強フレーム１２の高さは、好ましくは１〜２０ｍｍである。
【００４２】
［ＩＩの補強フレーム］
補強フレーム１２の材料として、樹脂板や金属板等を用いることができる。その形状は平面であってもコの字形やＩの字型等の折り曲げ部やツバを設けてもかまわない。折り曲げ部やツバを設けると、補強フレーム１２の強度およびプリーツ成形体１１との接着面積が増えるとともに、折り曲げ部を介してハウジングと気密的に接続できるため好ましい。
プリーツ成形体１１の外周部と補強フレーム１２の内周部を接着する方法としては、例えば、コの字断面の補強フレーム１２内周部に接着剤を流し込んだあと、プリーツ成形体１１を挿入して硬化させてもかまわないし、熱融着により接合してもかまわない。
補強フレームの１２高さは、通常はプリーツの高さ８にあわせて設定されるが、補強フレーム１２の高さをプリーツの高さ８より長くすることによって、後述するような「空間部流路」を設けることが出来る。
【００４３】
［ＩＩＩの補強フレーム］
補強フレーム１２の材料として、内面に接着手段を備えるテープ状のものを用いることができる。例えば、内面にホットメルト樹脂層を備えた不織布をテープ状にしたあと、適当な加熱手段で軟化させてからプリーツ成形体の外周部にあてがい、冷却固化することによって補強フレーム１２を形成することができる。
［ＩＶの補強フレーム］
ＩＩやＩＩＩの補強フレームで機械強度や耐圧性に欠ける場合等は、ＩＩやＩＩＩの補強フレームの外周部にさらにＩの補強フレームを設けることができる。
【００４４】
［プリーツエレメント］（図２〜４）
本発明において、「プリーツエレメント」はプリーツモジュールを構成する中心部材であり、プリーツ成形体１１と補強フレーム１２からなる集合体をいう。すなわち、適切な吸気口、排気口、流路を備える前のプリーツモジュール（気体分離モジュール）と言うことができる。プリーツエレメントは、プリーツ成形体１１の両方のＢ端面４を接着して全体を円筒状に整え残る２つの端面を補強フレームと接続した「円筒型」と、両方のＢ端面４を接着せずに全体を平面状に整え４つの端面を封止した「平面型」に大別できるが、本発明においては平面型を用いることを特徴とする。平面型エレメントのことを「ボックスプリーツエレメント」と呼ぶことがある。
尚、本発明のボックスプリーツエレメントは、使用の態様により、外周部の形状が円型、多角形型等の平面型エレメントとすることも可能である。
【００４５】
図３、図４は、本発明のプリーツエレメントの例の概略図を示す。図３では、補強フレーム１２の高さがプリーツ成形体１１の高さより高い場合、図４では、補強フレーム１２の高さがプリーツ成形体１１の高さより低い場合を示している。図３、図４において、ＸはＸ方向から見た断面図、ＹはＹ方向から見た断面図であり、上記「第２の例として」で述べた７１はビード加工部を示す。
プリーツの高さ８は、５ｍｍ以上２００ｍｍ以下が好ましい。高さ８の下限は１０ｍｍ以上がより好ましく、１５ｍｍ以上が更に好ましい。高さＨの上限は１５０ｍｍ以下がより好ましく、１００ｍｍ以下が更に好ましく、８０ｍｍ以下がより更に好ましく、５０ｍｍ以下が特に好ましい。ここでいう高さとは、プリーツ成形体の内寸をいう。
【００４６】
プリーツの長さ７は、１ｍｍ以上３００ｍｍ以下が好ましく、２５０ｍｍ以下がより好ましく、２００ｍｍ以下が更に好ましく、１５０ｍｍ以下がより更に好ましく、１００ｍｍ以下が特に好ましい。圧力損失を低減する必要がない場合においても長さは１０００ｍｍ以下が好ましく、５００ｍｍ以下がより好ましい。ここでいう長さとは、プリーツ成形体の内寸をいう。
プリーツの幅９は、１０ｍｍ以上１０００ｍｍ以下が好ましく、８００ｍｍ以下がより好ましく、５００ｍｍ以下が更に好ましく、４００ｍｍ以下がより更に好ましく、３００ｍｍ以下が特に好ましい。ここでいう幅とは、プリーツ成形体の内寸をいう。
プリーツのピッチ１０は、０．１ｍｍ以上１０ｍｍ以下が好ましい。ピッチの下限は０．４ｍｍ以上がより好ましく、０．６ｍｍ以上が更に好ましく、０．８ｍｍ以上がより更に好ましく、１．０ｍｍ以上が特に好ましい。ピッチの上限は８ｍｍ以下がより好ましく、６ｍｍ以下が更に好ましく、４ｍｍ以下がより更に好ましい。ピッチは、補強フレーム
の内幅と収納したいプリーツの山数で調整することが出来る。
【００４７】
［ハウジング］
本発明において、「ハウジング」はプリーツエレメントに適切な吸気口、排気口、流路を提供して下記のプリーツモジュール（気体分離モジュール）を構成するとともに、気体分離機能以外の機能（機械的破壊からの保護機能、外部配管との接続機能、等）を提供するための手段をいう。
また、本発明において、「圧力プレート」はボックスプリーツエレメントの補強フレームの一部と気密的に接触することによって気体分離モジュールを構成するための構造材であり、ハウジングの一部を構成する。ハウジングとしては、例えば特許文献６に記載された様々なハウジングを用いる事が出来る。
【００４８】
［プリーツモジュール］（図５〜７）
本発明において、「プリーツモジュール」はプリーツエレメントとハウジング１３からなる集合体をいい、その内部に１次側流路と２次側流路を構成する。こうしたプリーツモジュールの構成として、例えば、２個のボックスプリーツエレメントと２枚の圧力プレートからなり、２個のボックスプリーツエレメントの第１プリーツ面が、吸気口および排気口を備える気体流路を介して互いに向かい合うように配置され、２個のボックスプリーツエレメントの第２プリーツ面が、吸気口および排気口を備える気体流路を介して圧力プレートと向かい合うように配置されるようなプリーツモジュールを好適に用いることができる。また、「気体分離モジュール」は特に気体分離のためのプリーツモジュールをいう。
【００４９】
本発明において、１次側流路および２次側流路はそれぞれ基材部流路、空間部流路、外部流路に分けることができる。「基材部流路」はプリーツエレメント内部の基材部の流路をいい、「空間部流路」はプリーツエレメントと圧力プレート、もしくは、プリーツエレメントとプリーツエレメントの間に空間が生じる場合の空間部の流路をいい、「外部流路」は外部配管や外部配管との接続部など、気体分離の機能とは直接関わりのない流路をいう。
図５〜６は、本発明の基材部流路５１・空間部流路５２を説明する概念図である。１３はハウジング、５１は空間部流路、５２は基材部流路を示す。
【００５０】
本発明において、吸気口Ｃ、排気口Ｄは混合気体の基材部流路５１への入口と出口であり、プリーツエレメントのプリーツ面５上もしくはＡ端面３上に設けられる。補強フレーム１２の高さがプリーツ成形体の高さ８より高い場合は吸気口Ｃ・排気口Ｄはプリーツ面５上、補強フレーム１２の高さがプリーツ成形体の高さ８より低い場合はＡ端面３上に設けることが好ましい。
本発明において、流路制御手段３０は空間部流路５２に設けられて空間部流路５２を２つ以上の流路に分割する手段をいう。プリーツモジュールが空間部流路５２を持つ場合、例えば、空間部流路５２に樹脂製ネット、金属製ネット、スポンジ等を設置することで空間部流路５２を分割することができる。特に補強フレーム１２の高さがプリーツ成形体１１よりも高い場合は空間部流路５２および流路制御手段２４を設けることによって、混合気体を効果的に基材部流路５２へ導くことが出来るため好ましい。
【００５１】
図６では、流路制御手段が設けられず、かつ、ハウジング１３とプリーツ面５が密着していない場合（図６ａ）、吸気口Ｃと排気口Ｄはそれぞれ独立せずプリーツ面上で同じ位置を占めて存在すると考えることが出来る。流路制御手段２４によって空間部流路が分割されている場合（図６ｂ）、吸気口Ｃと排気口Ｄはそれぞれ独立して存在する。更に、圧力プレートとプリーツ面が密着しており、かつ、ハウジング１３に２つ以上の開口部が設けられている場合（図６ｃ）、独立した吸気口Ｃと排気口Ｄがそれぞれプリーツ面５上に存在すると考えることが出来る。
図７は、本発明の吸気口・排気口を説明する別の概念図である。図７では、２７が吸気口・排気口の長さ、２５が吸気口・排気口の間隔、２６が吸気口・排気口の幅、を示している。吸気口・排気口の間隔２５は、中心間距離ではなく開口部間の最短距離で定義される。本発明において、この距離を接触距離Ｌと呼ぶ。さらに、プリーツの高さ８に対する接触距離Ｌの比率を比率Ｒ（Ｒ＝Ｌ／Ｈ）と呼ぶ。
【００５２】
［窒素富化モジュール］
本発明における「気体分離装置」は、気体分離モジュールと外部回路との接続配管、センサー、制御装置等の補機から構成される。以下、一例として、本発明の気体分離モジュールを内燃機関用窒素富化空気供給装置（窒素富化モジュール）として用いた場合の性能について説明する。
窒素富化モジュールは、１次側加圧・２次側大気圧、１次側大気圧・２次側減圧、など、様々な組み合わせで運転することが出来るが、近年の内燃機関、特に車載用ディーゼルエンジンの多くはターボチャージャーを搭載するため、１次側加圧・２次側大気圧の組み合わせで好適に運転することが出来る。
【００５３】
図８は、本発明の実施形態の例を示す内燃機関用窒素富化空気供給装置の構成図である。はじめにターボチャージャー３８で圧縮された圧縮空気が窒素富化モジュール２８の１次側流路の入口２９に供給され、流路制御手段３０によってプリーツエレメント内部の基材部流路に導かれる。空気はプリーツエレメント内部で酸素選択透過性を有する気体分離膜３１を介して酸素と窒素を一定割合で透過・除去しつつ、１次側流路の出口３２から窒素富化空気となって取り出される。窒素富化空気はエンジンの入口３５に導かれ、エンジン３６で燃焼に供されたあとエンジンの出口３７より排気ガスとして排出され、ターボチャージャー３８を駆動する。２次側に透過した酸素富化空気は開口部３３からパイプ等で車室、エンジン、触媒等に導いてもかまわないが、開口部３３からそのまま外部に放出する方が好ましい。すなわち、２次側に酸素富化空気が滞留すると酸素分圧差が低下して気体分離モジュールの機能が低下するため、２次側のプリーツ面上に１次側より低い酸素分圧の気体３４（非圧縮の空気等）を外部より流すことによって、透過した酸素富化空気をプリーツ面上から除去することが好ましい。本発明において、こうした操作を掃気という。
【００５４】
例えば、酸素濃度１９％の窒素富化空気２ｍ３／分を１次側から取り出す際に酸素濃度３０％の酸素富化空気が流量０．２ｍ３／分で２次側に透過する場合、少なくともその１０倍（２ｍ３／分）の掃気用空気を２次側膜面に流すことが好ましい。時速６０ｋｍ／時で走行中の自動車は風速１０００ｍ／分の空気を正面から受けるため、２００ｃｍ２の受風面積を設けることで好ましい量の掃気用空気を外部よりプリーツ面上に流すことが出来る。
１次側の圧力は、大気圧以上１００００ｋＰａＧ以下がより好ましく、１００ｋＰａＧ以上が更に好ましく、１５０ｋＰａＧ以上がより更に好ましく、２００ｋＰａＧ以上が特に好ましく、３００ｋＰａＧ以上が極めて好ましく、４００ｋＰａＧ以上が最も好ましい。
【００５５】
窒素富化モジュールに要求される窒素富化空気の流量は、ディーゼルエンジンの排気量と目的とする回転数から求めることができる。たとえば、２Ｌのディーゼルエンジンが２０００回転／分で運転するために必要な流量は、２Ｌ×２０００回転／分÷２＝２ｍ３／分と計算できる。
気体分離装置の性能を考慮する場合、気体分離膜の透過速度（ＧＰＵ）と膜面積（ｍ２）の積で定義される装置透過速度（ＧＰＵｍ２）を用いると便利である。例えば、酸素濃度１９．０％の窒素富化空気を流量４Ｎｍ３／分で取り出そうとする場合、１次側の平均酸素濃度１９．０％、平均圧力１００ｋＰａＧ、２次側  （掃気用空気あり）の平均酸素
濃度２０．９％、平均圧力０ｋＰａＧ、分離係数２．０と仮定すると、必要な装置透過速度は酸素に対して２５９９２ＧＰＵｍ２と求められる。気体分離膜の酸素に対する透過速度が１０００ＧＰＵの場合、必要な膜面積は２６．０ｍ２であり、プリーツのピッチ２ｍｍ（平均膜間距離１ｍｍに相当）の場合、プリーツエレメントの内容積はルンゲクッタ積分を用いたクロスフローモデル計算より２６．０Ｌと求められる。
【００５６】
１次側の圧力損失は、０ｋＰａＧ以上５０ｋＰａ以下が好ましく、１０ｋＰａ以下がより好ましく、５ｋＰａ以下が更に好ましく、１ｋＰａ以下がより更に好ましく、０．５ｋＰａ以下が特に好まく、０．２ＫＰａ以下が最も好ましい。圧力損失が５０ｋＰａを超える場合は、ターボチャージャーの過給圧に対して相当の圧力を失うためディーゼルエンジンの発生トルクが低下すると同時に、気体分離装置後半における１次側全圧の低下に伴って１次側の酸素分圧が低下し、気体分離装置の性能が低下する。
以上のような窒素富化は典型的な気体分離の一例であり、他の気体分離（例えば混合気体からの水素回収や水蒸気回収など）も同様に行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明による気体分離モジュールは、内燃機関用窒素富化空気供給装置に用いる空気分離のほか、空調装置や工業用の気体製造装置など様々な用途に対して通気抵抗に優れた気体分離モジュールとして利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明のプリーツ成形体の例の概略図
【図２】本発明のプリーツ成形体の例の別の概略図
【図３】本発明のプリーツエレメントの例の概略図
【図４】本発明のプリーツエレメントの例の別の概略図
【図５】本発明の基材部流路・空間部流路を説明する概念図
【図６】本発明の吸気口・排気口を説明する概念図
【図７】本発明の吸気口・排気口を説明する別の概念図
【図８】本発明の実施形態の例を示す内燃機関用窒素富化空気供給装置の構成図
【符号の説明】
【００５９】
１  気体分離膜
２  通気性補強材
３  Ａ端面
４  Ｂ端面
５  プリーツ面
６  プリーツ方向
７  プリーツの長さ
８  プリーツの高さ
９  プリーツの幅
１０  プリーツのピッチ
１１  プリーツ成形体
１２  補強フレーム
１３  ハウジング
２４  流路制御手段
２５  吸気口・排気口の間隔
２６  吸気口・排気口の幅
２７  吸気口・排気口の長さ
２８  窒素富化モジュール
２９  １次側入口
３０  流路制御手段
３１  気体分離膜
３２  １次側出口
３３  開口部
３４  掃気用気体
３５  エンジン入口
３６  エンジン
３７  エンジン出口
３８  ターボチャージャー
５１  空間部流路
５２  基材部流路
７１  ビード加工部
Ｃ  吸気口
Ｄ  排気口
【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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