(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状をなし、一端面に被処理流体供給口を、側壁面に透過流体排出口を、他端面に残部流体排出口をそれぞれ有するハウジング内に、長尺中空管状からなり管内に複数種の流体を含有する被処理流体から特定の流体のみを透過して、分離することのできるフィルタ管を複数本以上収束した収束体を収納し、前記被処理流体供給口から系内に被処理流体を供給し、該被処理流体をそれぞれの前記フィルタ管内に導入させて、前記被処理流体中の特定の流体を前記フィルタ管の外面側に透過、分離し、該透過した流体を前記透過流体排出口から系外に排出するとともに、残部流体を前記残部流体排出口から系外へ排出するようになっており、かつ前記被処理流体供給口が、前記被処理流体を前記収束体のうち端部に位置するフィルタ管よりも中心に位置するフィルタ管に多く供給するように設けられているフィルタモジュールであって、前記中心に位置するフィルタ管の内径が、前記端部に位置するフィルタ管の内径よりも小さいことを特徴とするフィルタモジュール。
【請求項２】
前記収束されたフィルタ管のうち、中心に位置するフィルタ管の内径ｒ1の端部に位置するフィルタ管の内径ｒ2に対する比（ｒ1／ｒ2）が０．５〜０．９であることを特徴とする請求項１記載のフィルタモジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の流体を含む混合流体から特定の流体のみを透過、分離できる流体分離フィルタを備えたフィルタモジュールに関し、とりわけ流体分離性能が高いフィルタモジュールに関する。
【０００２】
【従来技術】
従来、複数の流体を含有する混合流体から特定の流体を選択的に透過、分離することのできる流体分離フィルタを備えたフィルタモジュールが知られており、かかる流体分離フィルタとしては、高分子樹脂等の有機材料またはセラミックス等の多孔質体表面に被着形成された金属膜や無機酸化物膜が用いられている。
【０００３】
この種のモジュールとしては、例えば、特開平４−７１５６６号公報に開示されるようなハニカム状構造体の隔壁によって囲まれた流体流路に接触する前記隔壁表面にフィルタ管を形成したものや、円筒体内の長手方向に多数の貫通孔を形成し流体流路とした、いわゆるモノリスタイプのモジュールが知られており、かかるモジュールは、流体通路に被処理流体を流すとともに、特定の流体のみが隔壁内を拡散、移動することによってフィルタにて特定の流体のみを透過し、構造体の外周面から構造体外へ透過されることによって前記特定の流体を分離するものである。
【０００４】
また、別のモジュールとして、図４に示すように、中空管状の流体分離フィルタ管（以下、フィルタ管と略す。）３２複数本の両端を、支持部材３５に設けられた複数の穴に挿入、固定し、前記フィルタ管の収束体３３を形成し、これをハウジング３４内に収納、固定するフィルタモジュール３１が知られている。
【０００５】
かかるフィルタモジュール３１では、ハウジング３４の一方の端面の中心で、かつ前記収束体３３の端面に向かって平行に設けられた被処理流体供給口３８からフィルタ管３２の内部に被処理流体を供給するとともに、流体分離フィルタ管３２にて前記特定の流体がフィルタ管３２内を拡散、移動してフィルタ管３２の他の表面へ透過し、透過流体排出口４０からフィルタモジュール３１外へ排出、回収されるとともに、残部流体をハウジング３４の他端に設けられた残部流体排出口３９から系外へ排出することによって前記特定の流体を分離する方法が知られている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のフィルタモジュール３１の構造では、図５の流体の流れを説明するための模式図から明らかなように、被処理流体供給口３８からハウジング３４内に供給された流体が直接収束体３３端面に向かって衝突するような構造であるために、各フィルタ管３２への流体の供給量が不均一となり直接流体が管内へ流れ込む中央部に比べて、端部に位置するフィルタ管３２への流体供給量が少なくなる結果、端部に位置するフィルタ管３２での流体分離効率が著しく低下して、モジュール全体での流体の分離性能が低下するという問題があった。
【０００７】
本発明は上記課題に対してなされたもので、その目的は、収束体のフィルタ管内への被処理流体の供給量を均一化することにより、高い流体分離効率および分離性能を有するフィルタモジュールを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、前記課題に対し、フィルタモジュールの流体供給口の構造について検討した結果、複数本のフィルタ管を束ねた収束体のうち、中心部に位置するフィルタ管の内径を端部に位置するフィルタ管の内径よりも小さくすることによって、中心部に位置するフィルタ管内部への流体の流入抵抗を大きくすることにより、被処理流体の流れを変えて収束体の各フィルタ管内への被処理流体の供給量を均一化することによって、端部に位置するフィルタ管の流体分離効率を低下することなく各フィルタ管に均一に被処理流体を導入することができ、フィルタ管全体としての分離性能を高めることができる結果、フィルタモジュール全体の流体分離性能を向上することができることを知見した。
【０００９】
すなわち、本発明のフィルタモジュールは、筒状をなし、一端面に被処理流体供給口を、側壁面に透過流体排出口を、他端面に残部流体排出口をそれぞれ有するハウジング内に、長尺中空管状からなり管内に複数種の流体を含有する被処理流体から特定の流体のみを透過して、分離することのできるフィルタ管を複数本収束した収束体を収納し、前記被処理流体供給口から系内に被処理流体を供給し、該被処理流体をそれぞれの前記フィルタ管内に導入させて、前記被処理流体中の特定の流体を前記フィルタ管の外面側に透過、分離し、該透過した流体を前記透過流体排出口から系外に排出するとともに、残部流体を前記残部流体排出口から系外へ排出するようになっており、かつ前記被処理流体供給口が、前記被処理流体を前記収束体のうち端部に位置するフィルタ管よりも中心に位置するフィルタ管に多く供給するように設けられているフィルタモジュールであって、前記中心に位置するフィルタ管の内径が、前記端部に位置するフィルタ管の内径よりも小さいことを特徴とするものである。
【００１０】
ここで、前記収束されたフィルタ管のうち、中心に位置するフィルタ管の内径ｒ1の端部に位置するフィルタ管の内径ｒ2に対する比（ｒ1／ｒ2）が０．５〜０．９であることが望ましい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明のフィルタモジュールの一例について、その概略断面図である図１を基に説明する。
図１によれば、フィルタモジュール１は筒状のハウジング２内に長尺中空管状からなるフィルタ管４を複数本、例えば４本以上、特に１０本以上、さらに３０本以上収束した収束体５を収納されている。ここで、フィルタ管４は複数種のガスまたは液体の混合物である被処理流体をフィルタ管４の管内（内面側）に供給し、フィルタ管４の壁面にて特定の流体のみをフィルタ管４の管外（外面側）に選択的に透過して分離することができるものである。
【００１２】
また、図１によれば、収束体５（複数のフィルタ管４）の両端は支持部材６を貫通して固定、収束され、少なくとも一方の支持部材６にてハウジング２内側面に固定されており、さらに、所望により、支持部材６は止め具やガスケット（図示せず）等を介してハウジング２の端面に固定、封止されている。
【００１３】
さらに、筒状のハウジング２には、その一端面に被処理流体供給口８と、ハウジング２の側壁面に透過流体排出口９と、ハウジング２の他端面に残部流体排出口１０とが形成されている。また、透過流体排出口９は、ハウジング２の側壁面で支持部材６、６間の位置に１つ設けられているが、流体分離効率を高める上では被処理流体供給口８形成面に近い位置に設けられることが望ましく、また、複数設けられてもよい。
【００１４】
そして、フィルタモジュール１によれば、被処理流体供給口８から被処理流体を系内（ハウジング２内）へ供給し、該被処理流体を収束体５のそれぞれのフィルタ管４の管内に導入して、被処理流体がフィルタ管４の管内を通過しつつ内面から外面へ特定の流体が選択的に透過する。該透過流体は透過流体排出口９から系外（ハウジング２外）へ排出され、また、フィルタ管４内を素通りした残部流体は残部流体排出口１０から系外（ハウジング２外）へ排出される。
【００１５】
本発明によれば、図２に示すように、収束体５にて収束されるフィルタ管４のうち、収束体５の中心部に位置するフィルタ管（以下、中心のフィルタ管と略す。）４ａの内径が端部に位置するフィルタ管（以下、端部のフィルタ管と略す。）４ｂの内径よりも小さいことが大きな特徴であり、これによって、中心のフィルタ管４ａ内へ供給される流体の流入抵抗が端部のフィルタ管４ｂ内部のそれと比較して相対的に大きくできる。
【００１６】
一方、フィルタモジュール１においては、図３の被処理流体の流れを説明するための模式図に示すように、被処理流体供給口８から供給された被処理流体（図中の矢印）が、端部のフィルタ管４ｂよりも中心のフィルタ管４ａの端部に多く供給されるが、上記のように中心のフィルタ管４ａの流入抵抗が端部のフィルタ管４ｂの流入抵抗よりも大きいことから、結果的に中心のフィルタ管４ａおよび端部のフィルタ管４ｂのいずれのフィルタ管４にも均等に被処理流体を導入することができる。
【００１７】
なお、本発明によれば、前記収束されたフィルタ管４のうち、中心のフィルタ管４ａ内への被処理流体の導入量ｐ1と、端部のフィルタ管４ｂへの被処理流体の導入量ｐ2との比（ｐ2／ｐ1）が０．５〜２、特に０．８〜１．２であることが望ましい。
【００１８】
これによって、各フィルタ管４への流体の導入量を均一化し、特にフィルタ管４を透過する透過流体の抜けが速く高い流体分離効率を有する端部のフィルタ管４ｂへの流体の導入量を増して、フィルタ管４全体としての流体分離性能を高めることができる。
【００１９】
すなわち、前記収束体の中心のフィルタ管４ａと端部のフィルタ管４ｂの内径が同じ、さらには収束体５中のフィルタ管４の内径がすべて同じである場合には、被処理流体供給口８から系内に供給された被処理流体が直接収束体５に衝突する際、例えば、被処理流体供給口８内面の最大幅（内径）Ｒ1が６〜１０ｍｍであり、一方、収束体５の被処理流体供給口８と相対する端部の最大幅（直径）Ｒ2が１５ｍｍ以上、特に３０ｍｍ以上、さらに４０ｍｍ以上と、被処理流体供給口８と収束体５の幅に差があるために、被処理流体供給口８からハウジング２内に供給された流体の分布のムラに起因して、内部のフィルタ管４ａへの導入量に対して端部のフィルタ管４ｂへの導入量が小さくなってしまい、流体分離効率の高い端部のフィルタ管４ｂでの流体分離効率が低下する結果、フィルタモジュール１全体の流体分離効率が低下する。
【００２０】
なお、本発明によれば、被処理流体供給口８内面の最大幅（内径）Ｒ1と収束体５の被処理流体供給口８と相対する端部の最大幅（直径）Ｒ2との比（Ｒ2／Ｒ1）が１．５以上、特に２．０以上である場合に特に有効であり、また、被処理流体供給口８から同じ流量の流体が供給される場合で比較すると、同じ各フィルタ管４の内径（ｒ1およびｒ2）が５ｍｍ以下、特に２ｍｍ以下、さらには１．２ｍｍ以下で、フィルタ管４内へ流体を導入する際の流入抵抗が高い場合に特に有効である。
【００２１】
また、本発明によれば、収束体５中の複数本のフィルタ管４の内径は中心から端部へ向かって連続的または段階的に大きく形成されていることが望ましい。
【００２２】
さらに、本発明によれば、被処理流体としては液体または気体が挙げられ、複数種の気体および／または液体から特定の気体および／または液体のみをフィルタ管４にて選択的に透過して分離する際に特に有効である。
【００２３】
また、フィルタモジュール１によれば、流体分離効率を高めるために、透過流体排出口９の外部に真空ポンプ等を設置してフィルタ管４の外面側の流体の濃度を低下させてフィルタ管４の両表面に差圧を設けておくことも可能である。
（他の形態）
なお、図１、２では収束体中のフィルタ管の内径を調整することによって被処理流体の流れを変える方法であるが、本発明はこれに限定されるものではなく、フィルタモジュール１の横断面において、
（１）被処理流体供給口８の壁面の外挿線（２本とも）が収束体５の外側に位置するように配設する、具体的には、被処理流体供給口８を収束体５に対して斜めに形成するか、あるいはハウジング２の側壁面に形成したもの、
（２）ハウジング２の端面または被処理流体供給口８の壁面形状をテーパー状または内部に向かって凸をなすテーパー状としたもの、
（３）被処理流体供給口８と収束体５との間に被処理流体を撹拌する撹拌部材を取り付けたもの
（４）被処理流体供給口８と収束体５との間に邪魔板を配設したもの
であってもよく、いずれも場合でも被処理流体の流れを変えて、収束体５の各フィルタ管４へ被処理流体を均一に導入することができる。
（フィルタの構造）
また、本発明によれば、フィルタ管４の内径は流体の導入抵抗が高くなる５ｍｍ以下の場合に特に有効であり、さらに、機械的強度および分離性能の点で０．５〜５ｍｍ、肉厚０．３〜１ｍｍであることが望ましい。
【００２４】
また、フィルタ管４は有機樹脂や繊維、セラミックス等が使用でき、特に耐熱性、耐薬品性、系内の圧力に対しても変形しない強度の点で、例えば気孔率２０％以上の多孔質のアルミナ、ジルコニア、シリカ、コーディライト、ムライトおよびチタニアの群から選ばれる少なくとも１種が好適である。
【００２５】
さらに、機械的強度および流体分離効率の点で、フィルタ管４は気孔径の異なる複数の多孔質層にて形成されていてもよく、例えば、気孔率２０％以上、平均気孔径０．０５〜２μｍ、表面粗さ２μｍ以下の支持管の表面に、平均気孔径が１〜１０ｎｍ、膜厚が０．０５〜５μｍの分離膜を被着形成したものであることが望ましい。また、前記分離膜の成膜性を向上させ、薄く均一な分離膜を形成するために、所望により、前記支持管と前記分離膜との間に両者の間の気孔径を有する中間層を設けてもよい。なお、前記分離膜は前記支持管の内表面または外表面のいずれに形成されていてもよい。
【００２６】
また、支持部材６は、緻密なアルミナ、シリカ、コーディライト、フォルステライト、ステアタイト、ジルコニア、炭化珪素、窒化珪素、ガラス等から選ばれる少なくとも１種からなるが、フィルタ管４との熱膨張率が熱膨張率±１×１０-6／℃以内で近似していることが望ましい。
【００２７】
さらに、ハウジング２は、耐熱性のガラス、ステンレス等の金属、アルミナやジルコニア等のセラミックス等の流体を透過しない部材によって形成され外部から気密に封止されるものであるが、耐熱衝撃性が高いことが望ましく、また、ハウジング４内を加圧または減圧する場合には機械的強度の高いステンレス等の金属が好適であり、特に円筒等の概略管状体からなることが望ましい。
【００２８】
【実施例】
（実施例１）
純度９９．９％、平均粒径０．１μｍのアルミナ粉末に対して、所定の有機バインダ、潤滑剤、可塑剤および水を添加、混合し、押出成形にて管状の成形体を作製した後、１２００℃にて焼成して、肉厚が０．５ｍｍ、長さ３０ｃｍで、平均粒径０．２μｍ、気孔率３９％を有するαアルミナからなる支持管を３７本作製した。なお、各支持管の内径については、フィルタ収束体の外周をなす３０本を１．０ｍｍ、その内側の６本を０．９ｍｍ、収束体の中心１本を０．７５ｍｍとして形成した。また、その両端部内に溶解したワックスをディッピングによって充填し、支持管の外周部に被着したワックスはふき取って除去し、ワックスが硬化する温度に冷却した。
【００２９】
一方、純度９９．９％、平均粒径０．１μｍのアルミナ粉末に対して、所定の有機バインダ、潤滑剤を添加、混合し、プレス成形にて板状の成形体を作製した後、穿孔加工によって貫通孔を３７個形成し、１６００℃にて焼成して、直径４３ｍｍで、上記支持管を挿入固定する貫通孔を３７個有する支持部材を作製した。
【００３０】
また、平均粒径２μｍのホウケイ酸ガラス（ＳｉＯ2−Ａｌ2Ｏ3−ＣａＯ−ＢａＯ−ＳｒＯ−Ｂ2Ｏ3）ガラスに有機バインダ、溶剤を添加、混合した封止剤ペーストを作製した。なお、ペーストの粘度は３０Ｐａ・ｓであった。
【００３１】
そして、前記支持管３７本を前記支持部材に形成した貫通孔に挿入し、前記封止剤ペーストを充填した後、１１００℃に加熱して封止剤にて支持管と支持部材とを封止、接着した。
【００３２】
次に、得られた上記構造体を図１の構造のハウジング内に挿入し、支持部材とハウジングとの間を気密封止した状態で支持管の内壁に、中間層用のアルミナベーマイトゾルを送液ポンプで充填し、乾燥後、ハウジングから取り出して焼成を行い、さらに、同様に分離膜用のシリカ−ジルコニアゾル溶液を用いてシリカ−ジルコニア分離膜を被着形成して、支持管の内面に中間層および分離膜を被着形成したフィルタ管を３７本収束した収束体を作製し、ハウジング内に収納した。
【００３３】
なお、ハウジングの内径５５ｍｍ、内面の長さ３００ｍｍ、被処理流体供給口、残部流体排出口および透過流体排出口の内径はいずれも８ｍｍ、収束体の直径は４５ｍｍとした。
【００３４】
そして、収束体の支持部材とハウジングの固定部材とをガスケットを介して封止、固定して図１のフィルタモジュールを作製した。
【００３５】
得られたフィルタモジュールについて、完全なモジュール組み上げ状態で、Ｈ2ガス５０％、Ｎ2ガス５０％の混合ガスを被処理流体供給口から１０リットル／分（大気圧相当）を供給し、フィルタ管の内壁と外壁に０．５ＭＰａの差圧をつけた状態で、ガス流量計で透過流体排出口から排出されるＨ2ガスとＮ2ガスの流量を、ガスクロマトグラフィによって各ガスの濃度を測定したところ、透過ガスの流量は３．４５リットル／分、Ｈ2ガスの濃度９５．２％、Ｎ2ガスの濃度４．８％となった。
【００３６】
また、ハウジングの残部流体排出口形成面を取り外した状態で、フィルタ管壁面をほとんど透過しないＮ2ガス１００％を被処理流体（標準流体）として被処理流体供給口から１０リットル／分で供給し、収束体の残部流体排出口側から中心に位置する５本のフィルタ管と端部に位置するフィルタ管の任意の５本について各フィルタ管におけるガスの流量を測定し、これを各フィルタ管へのガス導入量とみなしてその平均値を算出したところ、中心のフィルタ管での供給量（ｐ1）は０．２６７リットル／分、端部のフィルタ管での供給量（ｐ2）は０．２７０リットル／分であり、その比（ｐ2／ｐ1）は１．０１１であった。
【００３７】
（比較例）
実施例１のフィルタモジュールに対して、収束体中のフィルタ管をすべて外径２．０ｍｍ、内径１．０ｍｍと同じ形状にする以外は実施例１と全く同様にフィルタモジュールを作製し、評価した結果、透過ガスの平均線速度は１．４リットル／分、Ｈ2ガスの濃度９３．２％、Ｎ2ガスの濃度６．８％であり、また、中心のフィルタ管での供給量（ｐ1）は０．５８５リットル／分、端部のフィルタ管での供給量（ｐ2）は０．２２４リットル／分であり、その比（ｐ2／ｐ1）は０．３８３であった。
【００３８】
【発明の効果】
以上詳述したとおり、本発明のフィルタモジュールによれば、収束体の各フィルタ管に均等に被処理流体を導入することが可能となるために、フィルタ管全体で高い流体分離効率を有するフィルタモジュールとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のフィルタモジュールの一例について、その横断面形状を説明するための概略図である。
【図２】図１のフィルタモジュールにおける収束体の流体供給口側の端部の形状を説明するための模式図である。
【図３】図１のフィルタモジュールにおける被処理流体の流れを説明するための模式図である。
【図４】従来のフィルタモジュールについて、その横断面形状を説明するための概略図である。
【図５】図４のフィルタモジュールにおける被処理流体の流れを説明するための模式図である。
【符号の説明】
１  フィルタモジュール
２  ハウジング
４  フィルタ管
４ａ  中心のフィルタ管
４ｂ  端部のフィルタ管
５  収束体
６  支持部材
８  被処理流体供給口
９  透過流体排出口
１０  残部流体排出口
【図１】
0004522004.tif 000002
【図２】
0004522004.tif 000003
【図３】
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【図４】
0004522004.tif 000005
【図５】
0004522004.tif 000006