(57)【要約】【課題】連結時の方法や形態が煩雑でなく、中心管を利用して強固に膜エレメント同士を連結することができる連結構造を有するスパイラル型膜モジュールを提供する。【解決手段】スパイラル型の膜エレメントＥが複数直列に連結されて、圧力容器内に収容されているスパイラル型膜モジュールにおいて、膜エレメントＥが、テレスコープ防止部材４から延設されて外周に係合部３ａを有する中心管３を備えると共に、隣接する膜エレメントＥの係合部３ａに跨がって両方の係合部３ａに係合する連結部材１０を設けたことを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
スパイラル型の膜エレメントが複数直列に連結されて、圧力容器内に収容されているスパイラル型膜モジュールにおいて、
前記膜エレメントは、テレスコープ防止部材から延設されて外周に係合部を有する中心管を備えると共に、隣接する膜エレメントの前記係合部に跨がって両方の係合部に係合する連結部材を設け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】
前記連結部材は、前記膜エレメントとほぼ同じ外径を有する外周部と、その内側に配され液体の流通を可能にする中間部と、前記中心管とほぼ同じ内径を有する内周部とを有すると共に、前記内周部の内面側に前記係合部と係合する係合部を設けてある請求項１記載のスパイラル型膜モジュール。
【請求項３】
前記中心管の係合部は、前記中心管の周方向に連続的又は断続的に設けられた溝である請求項１又は２に記載のスパイラル型膜モジュール。
【請求項４】
前記中心管及び連結部材は、金属製である請求項１〜３いずれかに記載のスパイラル型膜モジュール。
【請求項５】
前記連結部材は、複数に分割可能な本体部を有し、その本体部が螺合により締結可能な構造を有する請求項１〜４いずれかに記載のスパイラル型膜モジュール。
【請求項６】
前記テレスコープ防止部材は、外周に環状部を有すると共に、
前記連結部材は、前記膜エレメントが連結された状態で、前記テレスコープ防止部材の環状部の端面と、前記外周部の端面が当接している請求項２〜５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】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スパイラル型の膜エレメントが複数連結されて、圧力容器内に収容されているスパイラル型膜モジュールに関し、特に膜エレメントの大型化に対応するための技術として有用である。
【背景技術】
【０００２】
スパイラル型膜モジュールは、一般的に、スパイラル型の膜エレメントが複数連結されて、圧力容器内に収容されている構造を有する（例えば、特許文献１参照）。この膜エレメントは、その基本構造として、有孔の中心管の周囲に、供給側流路材を膜の分離層側に挟み込んだ二つ折りの膜リーフ、及びこれに隣り合う透過側流路材とからなる分離膜ユニットの単数又は複数の積層体を巻き付けた構造を有する。
【０００３】
分離膜ユニットの両端には、テレスコープ防止部材が設けられており、分離膜ユニットの外周にはＦＲＰ（外装材）が巻き付けられている。運転の際には、その供給側と濃縮側の圧力差に起因する力が、膜エレメントの供給側から濃縮側の向きに作用し、この力を濃縮側に設けられているテレスコープ防止部材で支持して、分離膜ユニットがテレスコープ現象を起こすのを防止する。
【０００４】
膜エレメント同士を直列に連結する場合、カプラーが中心管に内挿されて両者は接続される。カプラーの両端付近の外周には、環状の溝が設けられ、これに保持されたＯリングが、中心管の内周面にそれぞれ当接している。しかし、膜エレメント同士は固定されていないため、運転の起動時および停止時には、相互に軸方向に相対変位を生じ易く、Ｏリングが摩耗劣化してリークの原因となる。
【０００５】
これを防止するため、特許文献１には、中心管の端部の突き合わせ面にＯリングを保持すると共に、テレスコープ防止部材（キャップ）のハブに係合部を設けて、膜エレメント同士を締め付けることでＯリングを圧縮可能な膜エレメントの連結構造が開示されている。
【０００６】
また、特許文献２には、留め金を用いて隣接するテレスコープ防止部材同士を連結する構造、特許文献３には、隣接するテレスコープ防止部材に係合部を形成することで両者を連結する構造、特許文献４には、隣接するテレスコープ防止部材の外周溝を利用して、両者の外周溝に跨がるシール部材によって両者を連結する構造が記載されている。このように、何れの従来技術も、隣接するテレスコープ防止部材を利用して、隣接する膜エレメントを連結する構造を採用していた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特表２００４−５３６７０３号公報
【特許文献２】特表２００７−５１７６６１号公報
【特許文献３】特開２００７−１９０５４７号公報
【特許文献４】特開２００９−２２６３９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、通常、テレスコープ防止部材は樹脂製であるため、それを利用した固定方法では、強度に限界がある。例えば、６本〜７本の膜エレメントを連結した状態で、圧力容器への装填のために吊り上げる場合、強度が不足する恐れがあった。さらに膜エレメントが１６インチなどに大型化すると、強度不足の懸念は増大する。
【０００９】
上記のように、膜エレメントの大型化（口径８インチ→１６インチ）に伴い、重量の大幅な増加により、圧力容器への装填方式も変更が検討されている。従来は、横置きにした圧力容器内を滑らせて１本ずつ装填していたものを、重量の大幅増加により押し込むことが困難になったため、例えば、圧力容器を縦置きにして、１本ずつ上方から装填する方法や、複数の膜エレメントを連結後、クレーンで吊り上げて一気に縦方向に装填する方法が検討されている。そのため、膜エレメントを連結して吊り上げる重量に耐え得る膜エレメントの連結方法が望まれている。また、クレーンで吊り上げる際に、曲げ方向の強度も要求される。
【００１０】
これに対して、特許文献１〜４に記載された連結構造では、数百ｋｇレベルの加重に耐え得るものではなく、また、公報に開示された範囲内で加重に耐え得る設計としたとしても、連結時の方法や形態が煩雑（ねじ込む必要や、複数の止め具を用いる必要がある。）であり、手間がかかるという問題があった。
【００１１】
そこで、本発明の目的は、連結時の方法や形態が煩雑でなく、中心管を利用して強固に膜エレメント同士を連結することができる連結構造を有するスパイラル型膜モジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
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、スパイラル型の膜エレメントが複数直列に連結されて、圧力容器内に収容されているスパイラル型膜モジュールにおいて、前記膜エレメントは、テレスコープ防止部材から延設されて外周に係合部を有する中心管を備えると共に、隣接する膜エレメントの前記係合部に跨がって両方の係合部に係合する連結部材を設けたことを特徴とする。本発明において、「テレスコープ防止部材」とは、運転時の下流側に設けられるものに限らず、上流側に設けられるものも包含し、膜部を両端から支持する部材を指す。
【００１３】
本発明のスパイラル型膜モジュールによると、中心管がテレスコープ防止部材から延設されて外周に係合部を有し、隣接する膜エレメントの前記係合部に跨がって両方の係合部に係合する連結部材を設けたため、連結部材の装着により、連結時の方法や形態が煩雑とならずに、中心管を利用して強固に膜エレメント同士を連結することができる。
【００１４】
上記において、前記連結部材は、前記膜エレメントとほぼ同じ外径を有する外周部と、その内側に配され液体の流通を可能にする中間部と、前記中心管とほぼ同じ内径を有する内周部とを有すると共に、前記内周部の内面側に前記係合部と係合する係合部を設けてあることが好ましい。
【００１５】
この構成によると、連結部材の中間部により上流側から下流側への液体の流通を確保しながら、膜エレメント同士を連結・固定することができる。また、連結部材の外周部が膜エレメントのテレスコープ防止部材間に介在することによって、より強固な連結構造とすることができる。特に、連結部材の外周部の軸方向長さが、膜エレメントのテレスコープ防止部材間の距離と殆ど同じである場合には、連結状態における曲げ方向の強度を向上させることができる。
【００１６】
また、前記中心管の係合部は、前記中心管の周方向に連続的又は断続的に設けられた溝であることが好ましい。この構成により、テレスコープ防止部材の装着に支障がなく、中心管のみの改変で、連結部材による膜エレメントの連結が可能となる。また、中心管の周方向に連続的又は断続的に設けることで、膜エレメント同士の相対回転を可能にしたり、あるいは相対回転を防止することができる。
【００１７】
また、前記中心管及び連結部材は、金属製であることが好ましい。両者を金属製にすることで、より強固に膜エレメントを連結することが可能となる。
【００１８】
また、前記連結部材は、複数に分割可能な本体部を有し、その本体部が螺合により締結可能な構造を有することが好ましい。この構成により、簡易な手法によって、より強固に膜エレメントを連結することが可能となる。
【００１９】
更に、前記テレスコープ防止部材は、外周に環状部を有すると共に、前記連結部材は、前記膜エレメントが連結された状態で、前記テレスコープ防止部材の環状部の端面と、前記連結部材の外周部の端面が当接していることが好ましい。これによって、テレスコープ防止部材を改変することなく、膜エレメント同士が連結した状態における曲げ方向の強度をより向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明のスパイラル型膜モジュールの一例の要部を示す図であり、（ａ）は連結構造を示す縦断面図、（ｂ）はその連結部材の一部破断面を示す側面図
【図２】本発明のスパイラル型膜モジュールの中心管の他の例を示す、一部断面を示した正面図
【図３】本発明のスパイラル型膜モジュールの連結部材の他の例を示す側面図
【図４】本発明のスパイラル型膜モジュールの係合部の他の例を示す縦断面図
【発明を実施するための形態】
【００２１】
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。本発明のスパイラル型膜モジュールは、スパイラル型の膜エレメントＥが複数直列に連結されて、圧力容器（図示省略）内に収容されているものである。
【００２２】
本発明のスパイラル型膜モジュールは、図１（ａ）に示すように、膜エレメントＥが、テレスコープ防止部材４から延設されて外周に係合部３ａを有する中心管３を備えると共に、隣接する膜エレメントＥの係合部３ａに跨がって両方の係合部３ａに係合する連結部材１０を設けたことを特徴とする。
【００２３】
スパイラル型の膜エレメントＥは、有孔の中心管３のまわりに膜と流路材が多層に巻き付けられたものであり、中心管３が外周に係合部３ａを有すること以外は、従来公知の膜エレメントＥと同様である。圧力容器（ベッセル）についても、従来公知のものと同様のものが使用可能である。
【００２４】
膜エレメントＥの例としては、膜と流路材とからなる分離膜ユニット２が有孔の中心管３の周囲に巻回した構造を有する。分離膜ユニット２は、例えば、二つ折りにした分離膜の間に供給側流路材を配置した構成の膜リーフと透過側流路材とを交互に重ねた構造を有する。かかる膜エレメントＥは、従来公知の分離膜、透過側流路材、供給側流路材、中心管３などを何れも採用できる。
【００２５】
例えば、供給側流路材と透過側流路材が複数用いられる場合には、複数の膜リーフが中心管３の周りに巻き付けられた構造となる。膜エレメントＥの外周側には、外装材としての繊維補強樹脂であるＦＲＰ１が形成されている。また、膜エレメントＥは、複数個連結されて圧力容器内に収容されている。
【００２６】
図１（ａ）に示すように、分離膜ユニット２の両側端部には、テレスコープ防止部材４が設けられている。テレスコープ防止部材４は、膜エレメントＥがテレスコープ状に変形することを防止する。テレスコープ防止部材４には、中心管３の貫通が可能な貫通孔が設けられており、中心管３がその貫通孔に嵌入されている。また、テレスコープ防止部材４には、その貫通孔を中心にしてハブ板４ａが放射状に設けられている。
【００２７】
また、分離膜ユニット２の上流側に設けられるテレスコープ防止部材４の外周には、環状溝が設けられ、圧力容器と膜エレメントＥとの間の間隙をシールする環状のシール部材６が把持されている。シール部材６は、周方向に延びる環状であり、外周側に突出して圧力容器の内壁に密着した状態となる。圧力容器に確実に密着させるため、シール部材６の材質としては、弾性体であることが好ましい。
【００２８】
隣接する中心管３の内部には、カプラー９が内挿されていてもよい。カプラー９は、通常、樹脂製又は金属製である。
【００２９】
カプラー９の両端付近の外周には、環状の溝が設けられ、これにＯリング９ａが保持され、中心管３の内周面にそれぞれ当接している。このＯリング９ａにより、透過液と濃縮液との混合を防止することができる。
【００３０】
テレスコープ防止部材４には、段差部４ｂが設けられており、段差部４ｂと分離膜ユニット２とをＦＲＰ１で巻き付けることにより、テレスコープ防止部材４が膜エレメントＥに固定されている。これにより、中心管３と分離膜ユニット２とテレスコープ防止部材４を一体化させている。
【００３１】
中心管３は、テレスコープ防止部材４から延設されており、中心管３同士を当接させた状態で、対向するテレスコープ防止部材４同士は、離間した状態となる。中心管３の延設された部分の外周には、係合部３ａを有している。本実施形態では、図１に示すように、係合部３ａが、中心管３の周方向に連続的に設けられた溝である例を示す。
【００３２】
係合部３ａを構成する溝は、複数条を設けることも可能である。溝の断面は、連結部材１０の装着のし易さの観点から、外周側に拡がるテーパ形状であることが好ましい。テーパ形状の軸芯に対する法線方向からの傾斜角度は、５〜４５°が好ましい。
【００３３】
係合部３ａの大きさは必要とする荷重耐性に応じて設計すればよいが、例えば係合部３ａを構成する溝の深さは、中心管３の厚みの２０〜５０％が好ましい。また、溝の底面の幅は、３〜１０ｍｍが好ましい。円柱形凹部で係合部３ａを形成する場合、例えば、直径５〜１０ｍｍ、深さ２〜５ｍｍ程度の円柱形凹部を４〜８個程度、外周面に円周方向一列に設ける方法が挙げられる。
【００３４】
中心管３の材質としては、従来と同等のＦＲＰや、繊維強化プラスチックなどの樹脂製や、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６など）やチタン合金などなどの金属製のものを用いることができ、特に限定されるものではない。但し、耐荷重性が高いという点で、繊維強化プラスチックや金属製のものを好ましく用いることができる。また、用いる流体に対して腐食性の低いものを用いることが好ましい。
【００３５】
連結部材１０は、図１に示すように、隣接する膜エレメントＥの係合部３ａに跨がって、両方の係合部３ａに係合する係合部１３ａを有する。本実施形態では、膜エレメントＥとほぼ同じ外径を有する外周部１１と、その内側に配され液体の流通を可能にする中間部１２と、中心管３とほぼ同じ内径を有する内周部１３とを有する連結部材１０が、内周部１３の内面側に係合部１３ａを有する例を示す。
【００３６】
連結部材１０の係合部１３ａは、中心管３の係合部３ａと係合可能であれば、何れの構造でもよく、内周面の周方向に連続的又は断続的に設けられた凸条又はその他の凸部が挙げられる。本実施形態では、連結部材１０の係合部１３ａが連続的に設けられた凸条である例を示す。
【００３７】
図示した例では、連結部材１０の内周部１３が、円筒状に形成され、その内周面の両端部に各々凸条（リブ）を有している。係合部１３ａを構成する凸条は、中心管３の係合部３ａを構成する溝と同様に、外周側に拡がるテーパ形状の断面を有することが好ましい。
【００３８】
中間部１２は、液体の流通を可能にするものであれば、何れの形状でもよいが、テレスコープ防止部材４に一般的に採用されているような、放射状のハブ板、スポーク、多孔板、などが採用できる。
【００３９】
外周部１１は、ほぼ円筒状に形成され、対角の位置に、分割構造を締結するための締結部を有していてもよい。外周部１１は、膜エレメントＥが連結された状態で、外周に環状部を有するテレスコープ防止部材４に対して、自身の端面１１ｃが当接する形状が好ましい。つまり、テレスコープ防止部材４から延設された部分の中心管３の長さの合計と、連結部材１０の軸芯方向の幅とが、ほぼ同じであることが好ましい。
【００４０】
本発明では、連結部材１０が、複数に分割可能な本体部を有することが好ましい。図示した例は、２分割のタイプが示されているが、更に多数に分割可能な構造であってもよい。また、分割状態からの形状の復元を容易にするために、本体部に対して、ヒンジ部などを設けて、枢支可能な構造にしてもよい（図３（ａ）参照）。
【００４１】
連結部材１０は、その本体部が螺合により締結可能な構造を有することが好ましい。図示した例は、２本のボルト１４によって締結可能な構造とした例である。一方の外周部１１には、ボルト１４を挿通できる貫通穴１１ａを有し、他方の外周部１１には、ボルト１４を螺合できる螺子切部１１ｂを有している。
【００４２】
連結部材１０の材質は、膜エレメントＥを連結した状態で荷重に耐え得るものであれば特に限定されるものではないが、中心管３と同様に、樹脂製や金属製のものを用いることができる。特に、耐荷重性および締結部品（固定ネジ部など）との耐磨耗性の点を考慮すると、金属製のものを用いることが好ましい。金属のうち、流体によって腐食が生じにくい金属であるステンレスやチタン合金などがより好ましい。
【００４３】
分割した連結部材１０は、隣接する膜エレメントＥの中心管３を突き合わせた状態で、その係合部３ａに自身の係合部１３ａを位置させるようにして、外周に装着され、２本のボルト１４によって、連結部材１０の本体部が締結される。
【００４４】
膜エレメントＥが連結した状態では、連結部材１０により中心管３同士が連結されるため、軸芯方向の引っ張り強度が高くなる。このため、例えば複数の膜エレメントを連結後、クレーンで吊り上げて一気に圧力容器内に縦方向に装填する方法を採用する際に、吊り上げ重量（数百ｋｇレベルも可能）に十分耐えることができる。また、連結部材１０の端面がテレスコープ防止部材４と当接する構造である場合には、クレーンで吊り上げる際に、曲げ方向の強度も向上するため、吊り上げにより適した形態となる。
【００４５】
［他の実施形態］
（１）前述の実施形態では、中心管３の係合部３ａが、中心管３の周方向に連続的に設けられた溝である例を示したが、中心管３の係合部３ａは、凸部として形成されていてもよい。例えば、中心管３の外周面の周方向に連続的又は断続的に設けられた凸条又はその他の凸部が挙げられる。その場合、連結部材１０の係合部１３ａとしては、その内周面の周方向に連続的又は断続的に設けられた溝などが挙げられる。
【００４６】
また、中心管３の係合部３ａは、図２（ａ）に示すように、開口部の形状が、円形又は楕円形である凹部であってもよい。その場合、連結部材１０の係合部１３ａとしては、円形又は楕円形である凸部が挙げられる。このような凹部は、連結時の強度を高める上で、周方向に複数設けるのが好ましい。
【００４７】
また、中心管３の係合部３ａを溝として形成する場合、図２（ｂ）に示すように、その断面が三角形、四角形、半円などでもよい。但し、連結時の強度を高める上で、係合部３ａの端部側には、軸芯方向に垂直な係合面を有することが好ましい。その場合、連結部材１０の係合部１３ａの中央側にも、軸芯方向に垂直な係合面を有することが好ましい。
【００４８】
また、図２（ｃ）に示すように、中心管３の係合部３ａを構成する溝を、外周面の周方向に断続的に設けてもよい。その場合、連結部材１０の係合部１３ａを、同じパターンの凸条を形成することにより、膜エレメントＥ同士の相対回転を抑制することができる。膜エレメントＥ同士の相対回転を抑制することで、クレーンによる吊り上げをより安全に行うことができる。
【００４９】
（２）前述の実施形態では、外周部１１と中間部１２と内周部１３とを有する連結部材１０の例を示したが、連結部材１０の構造は、係合部３ａに跨がって両方の係合部３ａに係合するものであれば、何れの構造でもよい。
【００５０】
例えば、図３（ａ）に示すように、中心管３の外周に装着される環状部に、中心管３の係合部３ａに係合する係合部１０ａを有するような構造でもよい。この例では、一端に設けたヒンジ部１５に連結された本体部が、装着時に分割可能であり、本体部の他端にボルト１４を挿通する貫通孔を有する締結部を有する構造となっている。貫通孔に挿通したボルト１４とナット１６によって、本体部が締結される。
【００５１】
また、環状の連結部材１０に代えて、Ｕ字形状やＣ字形状の連結部材１０とすることで、軸芯の法線方向から、連結部材１０をはめ込んで、係合部３ａと係合部１０ａとを係合させることも可能である。その場合、連結部材１０は弾性変形可能な金属（バネ鋼など）を用いることが好ましい。
【００５２】
（３）前述の実施形態では、連結部材１０の外周部１１に、分割可能な本体部をボルト１４で締結するための締結部を設けた例を示したが、締結の方式や、締結部を設ける位置は何れでもよい。
【００５３】
例えば、図３（ｂ）に示すように、連結部材１０の内周部１３に、ボルト１４を螺合できる螺子切部１３ｂを設けてもよい。また、図３（ｃ）に示すように、更に多くのボルト１４で締結できるように、連結部材１０の外周部１１及び内周部１３に、螺子切部１１ｂ，１３ｂを設けてもよい。
【００５４】
締結の方式としては、ネジのほか、クランプ、パッチン錠、分割した連結部材同士の嵌合、ロック機構付きの嵌合、などを用いることができる。
【００５５】
（４）前述の実施形態では、中心管３の係合部３ａが周方向に連続的又は断続的に設けられた溝である例を示したが、断続的に溝又は凹部を設ける場合、中心管３の周方向の前後に形成される壁面が、径方向より傾斜した外周側に拡がるテーパ形状であることが好ましい。これにより、連結部材１０の装着が容易になると共に、膜エレメントＥ同士の相対回転をより確実に抑制することができる。
【００５６】
例えば、図４（ａ）に示すように、単数又は複数の凹部からなる係合部３ａを中心管３に設け、これと係合する凸部からなる係合部１３ａを連結部材１０の内周面に設けることが好ましい。
【００５７】
また、図４（ｂ）に示すように、底面が直線状の凹部からなる係合部３ａを中心管３に単数又は複数設け、これと係合する凸部からなる係合部１３ａを連結部材１０の内周面に設けることで、同様の効果を得ることができる。
【００５８】
このような連結構造を、外周部１１と中間部１２と内周部１３とを有する連結部材１０に適用することも可能である。
【符号の説明】
【００５９】
１    ＦＲＰ
２    分離膜ユニット
３    中心管
３ａ  中心管の係合部
４    テレスコープ防止部材
１０    連結部材
１０ａ  連結部材の係合部
１１    外周部
１１ｃ  外周部の端面
１２    中間部
１３    内周部
１３ａ  連結部材の係合部
１４    ボルト
Ｅ    膜エレメント
【図１】
2012066184.tif 000003
【図２】
2012066184.tif 000004
【図３】
2012066184.tif 000005
【図４】
2012066184.tif 000006