(57)【要約】【課題】交換効率を維持しつつ、流動圧損上昇を低減させる中空糸膜モジュールを得る。【解決手段】筒状モジュールケース内に中空糸膜束を内包し、同一ケース面に、流体の導入口と導出口とを有する中空糸膜モジュールであって、該ケースにおける流体の導入口の開口部分の面積および流体の導出口の開口部分の面積の和がケース全体の面積の１０％以上、５０％以下であり、流体の導入口の開口中心に対し、流体の導出口の開口中心がケースの軸中心に対して１８０±４５°であり、且つ長さ方向中心に対して相対する位置に配置され、かつ中空糸膜束が該ケースに密着して内包されることを特徴とする中空糸膜モジュール。【選択図】図１
2012130864.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状モジュールケース内に中空糸膜束を内包し、同一ケース面に、流体の導入口と導出口とを有する中空糸膜モジュールであって、該ケースにおける流体の導入口の開口部分の面積および流体の導出口の開口部分の面積の和がケース全体の面積の１０％以上、５０％以下であり、流体の導入口の開口中心に対し、流体の導出口の開口中心がケースの軸中心に対して１８０±４５°であり、且つ長さ方向中心に対して相対する位置に配置され、かつ中空糸膜束が該ケースに密着して内包されることを特徴とする中空糸膜モジュール。
【請求項２】
上記モジュールケースの長さ方向において、ケースの両端を含む３箇所以上に巾５ｍｍ以上の開口していない外周上の帯部分を有することを特徴とする請求項１に記載の中空糸膜モジュール。
【請求項３】
中空糸膜が、加湿膜もしくは熱交換膜であることを特徴とする請求項１から３に記載の中空糸膜モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、効率的な熱または水分の交換を行う中空糸膜モジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
中空糸膜モジュールは、膜面積が大きく装置を小型化できるため、種々の用途に利用されている。この中空糸膜モジュールは、図７を用いて１つの例を示すと、複数の中空糸膜１からなる中空糸膜束６と、前記中空糸膜束６を収容する図６のようなモジュールケース９と、中空糸膜束６の両端部を接着封止した隔壁樹脂４からなる封止固定部と、中空糸膜１の両端面が前記隔壁樹脂に対して開口した中空糸膜開口部３と、前記モジュールケース９の側面に流体導通用のケース開口部５を有している。
【０００３】
ここでモジュールケースの側面とは、収容された中空糸膜の外側部分と相対する面である。モジュールケースとはその両端に隔壁樹脂による中空糸開口端を形成し、Ｏリングなどのシール材により処理流体と被処理流体とを分離できる構成物をいう。
【０００４】
また、この例では処理流体および被処理流体それぞれの中空糸膜内側流体導入口１３，中空糸膜外側流体導入口１５と中空糸膜内側流体導出口１４，中空糸膜外側流体導出口１６を備えた中空糸膜外側部分のポート部１２、及び中空糸膜内側部分のヘッダー部１１からなる筐体と、処理／被処理それぞれの流体を分離・封止する弾性のＯリング１０などを備えて、構成される。また、モジュールケース自体に導出入流体のポート部および接合用のノズルを備えたものを使用することも可能である。
【０００５】
このような中空糸膜モジュールにおいて、中空糸膜の外側に多量に気体を導通させるような、加湿膜モジュールや熱交換膜モジュールでは、交換効率を増加させるために、種々の工夫が提案されている。
【０００６】
例えば、特許文献１では、円形モジュールのケース両端に円形孔を配置し、流速が均一になるようにし交換効率を高めた例がある。また、特許文献２では、略矩形のケース両端に、流体が向流になるように相対した位置に平行な長孔を配置して、モジュールにおける活用面積を拡大し交換効率を高めようとの試みがなされている。しかしながら、これらのモジュール形状では、中空糸外側に大流量の処理または被処理気体を流した場合、モジュールでの圧損上昇が激しくなり、処理のための設備負荷の上昇や、装置全体の効率低下を招く恐れがあった。
【０００７】
その他、円筒ケース内に流路規制版を設けて、両端の相対する位置に配置した円形の出口を設け、湿度交換効率を高めようとした例もある（特許文献３）が、圧力損失が大きくなるのを避けられない。
【０００８】
さらに、両端の相対する位置に高度に開口した中空糸膜モジュールケースを、２分割されたハウジングに配置した例もみられるが、これは中空糸膜モジュールを効率的にハウジングに装填するものであり、中空糸束がケースに密着して内包されていないため、流れのほとんどがクロスフローとなり、本発明のように中空糸膜モジュールの流れをクロス＋カウンターにして、交換効率を改善し得るものではない（特許文献４）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００５−２２４７１９号公報
【特許文献２】特開２００７−２８３２９２号公報
【特許文献３】特開２００７−３２３９８２号公報
【特許文献４】特開２００９−１６２３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記のとおり、交換効率を高めるため、中空糸外側に大流量の処理または被処理気体を流した場合、モジュールでの圧損上昇が激しくなり、処理のための設備負荷の上昇や、装置全体の効率低下を招く恐れがあった。そこで、交換効率を維持しつつ、流動圧損上昇を低減させる中空糸膜モジュール設計が求められた。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、上記課題の解決手段として、モジュールケースにおける開口部分の面積を適切に確保するとともに、流体の導出入口の開口中心の位置を設定することを特徴とする。
【００１２】
モジュールの開口部分面積を確保することによって流量増加時の圧損失を軽減し、さらに、流体の導出入口の開口中心の位置を軸中心、および長さ方向中心に対して相対する位置に配置することで、熱または、水分の交換効率を向上できる中空糸膜モジュールを提供する。
【００１３】
本発明は、下記の（１）〜（４）の構成によって達成される。
（１）同一ケース内に、流体の導入口と導出口とを有する中空糸膜モジュールであって、該ケースにおける開口部分の面積がケース全体の１０％以上、５０％以下であり、流体の導入口の開口中心に対し、流体の導出口の開口中心がケースの軸中心に対して１８０±４５°であり、且つ長さ方向の中心に対して相対する位置に配置され、かつ中空糸膜束が該ケースに密着して内包されることを特徴とする中空糸膜モジュール。
（２）上記ケースの長さ方向において、ケースの両端を含む３箇所以上に巾５ｍｍ以上の開口していない外周上の帯部分を有することを特徴とする請求項１に記載の中空糸膜モジュール。
（３）中空糸膜の外側に気体を導通させることを特徴とする請求項１から２に記載の中空糸膜モジュール。
（４）中空糸膜が、加湿膜もしくは熱交換膜であることを特徴とする請求項１から３に記載の中空糸膜モジュール。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の中空糸膜モジュールは、モジュールケースにおける流体の導出入口の開口部分面積を確保することによって流量増加時の圧損失を軽減し、さらに、流体の導出入口の開口中心の位置を、軸中心および長さ方向中心に対して相対する位置に配置することで、水分または熱の交換効率を向上できる中空糸膜モジュールを提供する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係る中空糸膜モジュールを筐体に組み込んだ一例を示す断面図である。
【図２】図１の中空糸膜モジュールに収納されている円形モジュールケースに配置された円形開口部分の展開構成図である。
【図３】図１の中空糸膜モジュールに収納されている矩形モジュールケースに配置された円形開口部分の構成図である。
【図４】矩形開口部分を有する円形ケースの展開構成図である。
【図５】円形開口部分を有する矩形ケースの展開構成図である。
【図６】従来型中空糸膜モジュールケースの一例を示す斜視図である。
【図７】従来型中空糸膜モジュールを筐体に組み込んだ一例を示す断面図である。
【図８】モジュールケース側面上に配置された開口部分の開口中心を表す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図を用いて詳細に本発明を説明する。
【００１７】
図１は上述のとおり、本発明に係る中空糸膜モジュールの一例を示す断面図である。
【００１８】
図２，図３に示すような開口部分を有するモジュールケース９に、中空糸膜１の束を挿入し、公知の方法によってモジュールケースの両端を接着剤４で封止し、両端面をカットして中空糸膜開口部３を形成する。このモジュールケース９は、中空糸膜内／外側にそれぞれ流体導出入口ポートを設けたヘッダー部１１およびポート部１２、シール用のＯリング１０とともに支持具１７で固定されてモジュールを構成する。
【００１９】
ここで、モジュールケースは開口部分の面積を適切に確保するとともに、流体の導出入口の開口中心の位置を設定する。モジュールの開口部分面積を確保することによって流量増加時の圧損上昇を軽減し、さらに、流体の導出入口の開口中心の位置を軸中心、および長さ方向中心に対して相対する位置に配置して交換効率を向上させる。
【００２０】
開口面積はできるだけ大きくする方が、流動抵抗を抑え圧損上昇を軽減できるが、一方で、開口部分の配置によっては、流体のショートパスを起こし、デッドスペースを形成して交換効率を低減させてしまう。したがって、ケースにおける開口部分の面積はケース全体の１０％以上５０％以下である。このケースには中央に中空糸膜外側流体導入口と中空糸膜外側出口とを遮断するゾーンを形成するが、流体導入口側と出口側で開口面積を変化させることも可能であり、効率的な交換を行うために適宜決定される。この場合でも、開口部分の面積は流体導入口側、流体導出口側、ケース全体において１０％以上５０％以下に設定することが好ましい。
【００２１】
また、流体の導出口の開口中心は流体の導入口の開口中心に対し、筒状ケースの軸中心に対して１８０±４５°であり、且つ長さ方向の中心に対して相対する位置に配置する。これは、充填された中空糸膜全体を効果的に利用するために必要であり、流体のショートパスを回避するための重要な要件となる。
【００２２】
さらに、流体の導出口の開口中心は流体の導入口の開口中心に対し、長さ方向の中心に対して相対する位置に配置する。中空糸膜モジュールを用いた交換方法としては、処理流体と被処理流体とをカウンターに流す方法とクロスに流す方法があるが、本技術では、これらを併用する形になる。すなわち、交換効率の高いカウンターフローと圧損上昇を低減できるクロスフローの両者を形成できる配置を設定することで、理想的な交換モジュールが得られる。したがって、本発明の技術は大容量の気体を処理するような、加湿膜モジュールや熱交換膜モジュールにおいてその効果を発揮できる。
【００２３】
本発明では、このような流れを形成するために、内包される中空糸束は、ケース内に密着して配置される。すなわち、モジュール作成時に挿入される束はケースに内接し、内接部分は中空糸膜外側を導通する流体が外周部をショートパスすることの無いよう配置される。ただし、実使用時に若干のショートパスが生じても、本発明の目的である、カウンターフローを形成できる範囲であれば容赦される。「密着」状態は、糸束の配置状況をモジュールの開口部から観察して判断する。中空糸束をケース内に密着して配置するために、糸束を図１の２に示したような編み状物で固定することも、有効な手段である。
【００２４】
また、「帯部分」とは、ケース上に概直線にて構成されるある幅を持った部分を意味し、この位置に、中空糸外側内側と中空糸外側、あるいは中空糸外側の入り口と中空糸外側の出口とを遮断できるようなＯリングなどを配置できる部分である。
【実施例】
【００２５】
中空糸膜の作製
ポリスルホン樹脂（ソルベー社製Ｐ３５００）１８部、ポリビニルピロリドン（ＩＳＰ社製Ｋ３０）９部、およびジメチルアセトアミド７２部、水１部からなる製膜原液を９０℃で溶解後、５０℃に保温し、外径１．０ｍｍ、スリット巾０．１５ｍｍ、芯液注入孔径０．３ｍｍからなる２重管口金からジメチルアセトアミド４０部、水６０部からなる芯液と同時に吐出させ、３０℃の乾式部３５０ｍｍを通り、水９０部、ジメチルアセトアミド１０部の凝固浴４０℃に浸漬させ、凝固させた。次いで凝固させた中空糸膜を８０℃の水洗浴で洗浄後、中空糸膜２本に１７０ｄｔｅｘのポリエステル加工糸を巻き付け、カバリングを行った後に、巻き取りカセに巻き取った。巻き取った中空糸膜を５０℃の乾熱乾燥機で２４時間乾燥を行い、中空糸膜束を得た。
【００２６】
ケース上の開口中心
図７に示したように、ケース上にＳ１、Ｓ２、Ｓ３、……の開口面積を持った孔が、それぞれ座標、x1y1，x2y2，x3y3，……に配置されていた場合、その開口中心xGyGは以下の式で表される。
ｘＧ＝（s1×x1＋s2×x2＋s3×x3＋……）／（s1＋s2＋s3＋……）
ｙＧ＝（s1×y1＋s2×y2＋s3×y3＋……）／（s1＋s2＋s3＋……）
ケースの開口率
円筒状、または矩形状のケースの外面部分を平面上に展開し、その上に配置された開口部分の総面積の展開ケース面積に対する割合を、開口率とする。
【００２７】
ケースの軸中心およびケースの長さ方向の中心
ケースに挿入された中空糸束において、その中空糸束の輪切り面の中心が軸中心であり、それに鉛直な線を長さ方向とする。
【００２８】
漏洩空気量試験
図１のモジュール及び筐体などからなる装置の中空糸膜内側流体導出口１４および中空糸膜外側流体導入口１５を閉じ、中空糸膜内側流体導入口１３から５０kPa空気圧をかける。このとき中空糸膜外側流体導出口１６から出てくる空気量を測定し、漏洩空気量とする。
【００２９】
通気圧損試験
図１のモジュール及び筐体などからなる装置の中空糸膜外側流体導入口１５および中空糸膜外側流体導出口１６を閉じ、中空糸膜内側流体導入口１３から通気を行い、中空糸膜内側流体導出口１４から吐出する。その時の中空糸膜内側流体導入口１３と中空糸膜内側流体導出口１４との間の差圧を、中空糸内側通気圧損とする。同様に中空糸膜内側流体導入口１３および中空糸膜内側流体導出口１４を閉じ、中空糸膜外側流体導入口１５から通気を行い、中空糸膜外側出口１６から吐出する。その時の中空糸膜外側流体導入口１５と中空糸膜外側流体導出口１６との間の差圧を、中空糸膜外側通気圧損とする。
【００３０】
加湿性能試験
図１のモジュール及び筐体などからなる装置を８０℃の恒温槽に浸漬し、該モジュールの中空糸膜内側流体導入口１３から露点（Ｄｐii）が−１０℃、温度２０℃の空気を所定流量で通気する。この空気を加湿器で所定露点（Ｄｐoi）に加湿し、中空糸膜外側流体導入口１５から通気する。この時の、中空糸膜内側出口１４からの排出空気の露点（Ｄｐio）、中空糸膜外側出口１６からの排出空気の露点（Ｄｐoo）を測定し、中空糸外側水分量に対する中空糸内側出口水分量で定義される加湿効率（Ｅｈ）および総括物質移動係数（Ｋｏ）を算出する。
Ｅｈ＝Ｗｉｏ／Ｗｏｉ×１００％
Ｋｏ＝Ｍ／Ａ／（ΔW）m
（ΔW）m＝(ΔW2-ΔW1)／（Ln(ΔW2/ΔW1)
ここで、ＷioはＤｐioから算出される中空糸内側出口空気水分量、ＷoiはＤｐoiから算出される中空糸外側入り口空気水分量、Ｋｏは総括物質移動係数（m/h）、Ｍは物質移動量（g/h）、Ａは内径換算有効膜面積（ｍ２）、（ΔW）mは対数平均水分量差（g/ｍ３）、ΔW1およびΔW2はそれぞれの空気の露点から算出される中空糸膜内側の流体導入口１３及び流体導出口１４での水分量差を示す。
【００３１】
このときの、中空糸膜内側流体導入口１３と中空糸膜内側流体導出口１４との間の加湿性能評価時中空糸膜内側通気圧損、および中空糸膜外側流体導入口１５と中空糸膜外側流体導出口１６との間の加湿性能評価時中空糸膜外側通気圧損を測定する。
【００３２】
熱交換試験
図１のモジュール及び筐体などからなる装置の中空糸膜内側流体導入口１３から約５０℃の温水を１Ｌ／分で通液する。同時に中空糸膜外側流体導入口から温度約２５℃の空気を１０００ＮＬ／分で通気する。この時の、中空糸膜内側流体導出口１４からの排出空気の温度を測定し、同時に中空糸膜外側流体導出口からの排出空気の温度を測定し、下式に従って、総括伝熱係数（kcaL/h/ｍ２/℃）を算出する。
Ｕ＝Ｑ／Ａ／（Δｔ）m
（Δｔ）m＝(Δt2-Δt1)／（Ln(Δt2/Δt1)
ここで、Ｕは総括伝熱係数（kcal/h/ｍ２/℃）、Ｑは移動熱量（kcal）、Ａは内径換算有効膜面積（ｍ２）、（Δｔ）mは対数平均温度差（℃）、Δt1およびΔt2はそれぞれ中空糸膜内側の流体導入口１３及び流体導出口１４での温度差を示す。
【００３３】
同時にこのときの、中空糸膜外側流体導入口１５と中空糸膜外側流体導出口１６との間の中空糸膜外側通気圧損を測定する。
【００３４】
以下に実施例を挙げ、図を参照しながら本発明の中空糸膜型膜モジュールの製造方法を更に詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００３５】
［実施例１］
図２に示すような円筒状のケース内に、開口率４６％、網目ピッチ８４０μｍであるポリエステル製ネットを構成生地とする円筒型の網状物２を配置し、その中に外径７９０μｍ、内径６１０μｍのポリスルホン製中空糸膜２９１０本からなる中空糸膜束６を、易滑性のフィルムを用いて挿通した。このケースは外径７０mm、厚み３mm、長さ２９６mmで図２／表１／表２に示したような位置にφ３０mm大径孔１６個、φ２０mm小径孔６個が配置されている。両端部近傍およびケース中央部に巾２０mmの非開口帯部分を有し、一方の多開口部分の開口中心は端部から５７mm（長さ方向中心から９１mm）、軸中心周方向位置１２０°にあり、他方の開口中心は端部から２３９mm（長さ中心から−９１mm）、軸中心周方向３００°の位置に配置されている。合計の開口率は２０％である。中空糸膜束両端を封止後、遠心ポッティングを行って、両端をカットし、中空糸膜を開口させた。このケースの開口部から糸束状況を確認して糸束とケース内壁とが密接していることを確認した。このケース９を、両端に中空糸膜内側流体導出入口を有するヘッダー部１１と、中空糸膜外側流体導出入口を設けたポート部１２とを、それぞれがＯリング１０でシールされるように支持具１７を用いて組み込み、図１に示すような円形モジュールを作成した。中空糸膜内径換算有効膜面積は１．５ｍ２であった。このモジュールの漏洩空気量は１Ｌ／分以下であり、中空糸膜の損傷は認められなかった。このモジュールを用いて、熱交換試験を行った結果、総括伝熱係数は１０００ＮＬＭ通気時に２０４kcaL/h/ｍ２/℃と良好な熱交換性能を示した。また、この時の中空糸膜外側通気圧損上昇は５ｋＰａであった。
【００３６】
【表１】
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【００３７】
【表２】
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【００３８】
［比較例１］
実施例１と同様の中空糸膜束構成からなる図２／表１／表２に示したような、開口率９％のモジュールを作成した。このモジュールの熱交換試験では総括伝熱係数は１０００ＮＬＭ通気時に２４０kcaL/h/ｍ２/℃と若干改善されたが、中空糸膜外側通気圧損上昇は１２ｋＰａと高い値になった。
【００３９】
［実施例２］
外径８４０μｍ、内径６２０μｍのポリスルホン製中空糸膜３８５０本からなる中空糸膜束構成からなる外径８０mm、長さ２９６mm、有効膜面積２．０ｍ２の図２／表１／表２に示したような、中空糸膜外側流体導入口側及び出口側開口率１５％のモジュールを作成した。両端部近傍およびケース中央部に巾１２mmの非開口帯状部分を有し、一方の多開口部分の開口中心は長さ方向端部から５２mm（長さ方向中心から９６mm）、軸中心周方向位置１２０°の位置にあり、他方の開口中心は端部から２４４mm（長さ方向中心から−９６mm）、軸中心周方向位置３００°の位置に配置されている。中空糸膜内径換算有効膜面積は２．０ｍ２であった。このモジュールの漏洩空気量は１Ｌ／分以下であり、中空糸膜の損傷は認められなかった。このモジュールを用いて、中空糸膜内側流体導入口から１０００ＮＬＭを通気し、この空気を露点６３℃に加湿して、加湿性能試験を行った結果、中空糸膜内側流体導出口空気の露点は５１℃、加湿効率６０％、総括物質移動係数は４４ｍ／ｈであった。またこの時の中空糸膜外側通気圧損上昇は９．５ｋＰａ、中空糸膜内側通気圧損上昇は５．３ｋＰａであり、加湿器として良好な性能を示した。
【００４０】
［実施例３］
外径８５０μｍ、内径６８０μｍのポリスルホン製中空糸膜２６７０本からなる中空糸膜束構成からなる外径１５０mm×５０mm、有効膜面積２．９ｍ２の図３／表３／表４に示したような、中空糸膜外側流体導入口側及び出口側開口率１８％の矩形モジュールを作成した。両端部近傍およびケース中央部に巾１２mmの非開口帯状部分を有し、一方の多開口部分の開口中心は長さ方向端部から８２mm（長さ方向中心から６６mm）、巾方向位置中央７５mmにあり、他方の開口中心は端部から２１４mm（長さ方向中心から−６６mm）、巾方向位置中央７５mmの位置（他方開口中心に対し軸中心で周方向１８０°）に配置されている。中空糸膜内径換算有効膜面積は２．９ｍ２であった。このモジュールの漏洩空気量は１Ｌ／分以下であり、中空糸膜の損傷は認められなかった。このモジュールを用いて、中空糸膜内側流体導入口から１３３０ＮＬＭを通気し、この空気を露点６８℃に加湿して、加湿性能試験を行った結果、中空糸膜内側流体導出口空気の露点は６１℃、加湿効率７５％、総括物質移動係数は７９ｍ／ｈであった。またこの時の中空糸膜外側通気圧損上昇は７．７ｋＰａ、中空糸膜内側通気圧損上昇は４．８ｋＰａであり、加湿器として良好な性能を示した。
【００４１】
【表３】
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【００４２】
【表４】
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【符号の説明】
【００４３】
１．中空糸膜
２．網状物
３．中空糸膜開口部
４．接着剤
５．ケース開口部
６．中空糸膜束
９．モジュールケース
１０．Ｏリング
１１．ヘッダー部
１２．ポート部
１３．中空糸膜内側流体導入口
１４．中空糸膜内側流体導出口
１５．中空糸膜外側流体導入口
１６．中空糸膜外側流体導出口
１７．中空糸膜外側流体導入口圧測定点
１８．中空糸膜外側流体導出口圧測定点
１９．支持具
２１．開口円筒ケース
２２．円筒ケース展開図
２３．円形開口部分
２４．矩形開口部分
２５．開口矩形ケース
【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】
2012130864.tif 000012
【図７】
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【図８】
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