JPH06262026A - 気体分離膜モジュール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 透過気体流路中での圧力損失による性能低下
が無く、しかも体積効率の高い気体分離膜モジュールを
提供する。 【構成】 透過気体流路材３を一部が気体非透過膜４で
構成された平膜状の気体分離膜２で挟み、原料気体流路
材１と共に、給気管６と排気管７とが一体となった給排
気管５の周りにスパイラル状に巻回し、巻始めの一端は
原料気体流路材１と給気管６が連通し、かつ、透過気体
流路材３と排気管７が連通するように給排気管５に気体
分離膜２を接着し、巻終わりの一端は透過気体流路３を
気密に閉じるように気体分離膜２を袋状とし、巻回方向
の両側端部は原料気体流路と透過気体流路を気密に隔て
るように封止し、巻終わりから巻始めに至る過程で、透
過気体流路材３を順次厚くした構成を有している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は平膜の気体分離複合膜を
巻回してなるスパイラル型気体分離膜モジュールに関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に平膜を巻回してなるスパイラル型
の気体分離膜モジュールは、透過気体流路を形成する透
過気体流路材を平膜状の気体分離膜で挟んで、穴を有す
る中空管の穴に透過気体流路が連通するように中空管に
気体分離膜を接着し、原料気体流路を形成する原料気体
流路材と共に中空管の周りに巻回して構成される。ま
た、発明者等は特願平４−２４９７１１号において、独
立した複数の穴を有する中空管の穴に、透過気体流路材
及び原料気体流路材がそれぞれ連通するように中空管に
気体分離膜を接着し、中空管の周りに巻回して構成され
る気体分離膜モジュールを提案した。

【０００３】上記従来の気体分離膜モジュールの気体の
分離、濃縮について原料気体を空気とし窒素を分離、濃
縮する場合について図を用いて説明する。

【０００４】図５、図６は従来のスパイラル型の気体分
離膜モジュールの例で、図５（ａ），（ｂ）はそれぞれ
従来例１の気体分離膜モジュールの断面図、気体分離膜
モジュールを展開した断面斜視図、図６（ａ），
（ｂ），（ｃ）はそれぞれ従来例２の気体分離膜モジュ
ールの断面図、気体分離膜モジュールを展開した断面斜
視図、気体の流れを示す気体分離膜モジュールを展開し
た断面図である。

【０００５】図５において、２２は気体分離膜を多孔質
支持体上に形成した平膜状の気体分離複合膜であり、透
過気体流路材２３を挟むように折り返してあり、折り返
し部分が巻き終わりになっている。また気体分離複合膜
２２の巻回方向（中空管に対して垂直方向）の両側端部
は封止材２５で封止してあり、巻始めの一端は透過気体
流路材２３と中空管２６が連通するように気体分離複合
膜２２が中空管２６に接着されている。原料気体流路は
解放されている。

【０００６】上記構成において、原料気体流路材２１で
構成された原料気体流路に原料空気を矢印（実線）の方
向に供給すると、原料空気は酸素を優先的に透過する気
体分離複合膜２２の表面上を流れていく。その時酸素は
優先的に気体分離複合膜２２を透過し透過気体流路材２
３で構成された透過気体流路を矢印（破線）の方向に流
れて行き、中空管２６より排出される。そのため気体分
離複合膜上を通過し、気体分離膜モジュールから出て来
た空気は窒素が濃縮されることとなる。

【０００７】また、図６は、透過気体流路材２３を平膜
状の気体分離複合膜２２と気体非透過膜２４で挟み、原
料気体流路材２１と共に、独立した給気管２８と排気管
２９を有する給排気管２７の周りに巻回したスパイラル
型の気体分離膜モジュールで、給気管２８と原料気体流
路材２１及び排気管２９と透過気体流路材２３がそれぞ
れ連通するように気体分離複合膜２２及び気体非透過膜
２４を給排気管２７に接着させ、更に巻回方向の両側端
部を原料気体流路と透過気体流路を気密に隔てるように
封止してある。

【０００８】このスパイラル型気体分離膜モジュールの
給気管２８から原料空気を供給すると、原料気体供給流
路を矢印（実線）の方向に気体分離複合膜２２の表面上
を流れ、従来例１の気体分離膜モジュールと同様に酸素
の優先的な透過により、窒素を濃縮できる。この気体分
離膜モジュールでは原料空気が巻回方向に流れることに
よって、原料空気が気体分離複合膜表面上を流れる距離
を長くすることができ、濃縮効率の高い気体分離膜モジ
ュールが得られる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、いずれ
にしても上記従来の気体分離膜モジュールの透過気体流
路材２３の厚さは、巻終わりから巻始めに至る過程にお
いて一定であるため、気体の流れる流路の断面積が一定
となる。これに対し、透過気体流路材２３中を流れてい
く透過気体の流量は、図６（ｃ）に示すように気体分離
複合膜の巻き終わりから巻き始めに至る過程で、順次積
算され増大していき、排気管２７と連通する部分では、
気体分離膜２２全面で透過した量の透過気体が通過する
ことになる。即ち、一定の厚さ（流路の断面積が一定）
の透過気体流路材中では、流量の増大に比例し流動抵抗
も増大し、透過気体流路材の厚さが充分でない場合に
は、流動抵抗が大きくなり圧力損失を生じて、気体分離
膜を介して所定の圧力差が得られなくなり、充分な性能
を確保できなくなる。

【００１０】また、透過気体流路中、透過気体流量が最
も多くなる排気管と連通する部分において、圧力損失が
充分に小さくなるように透過気体流路材の厚さを決定し
た場合、透過気体流路材の厚さが一定であるために排気
管から巻終わり部分に至るにつれて必要以上に透過気体
流路材が厚くなることになり、巻回した気体分離膜モジ
ュールの外形が大きくなり、気体分離膜モジュールの性
能に対する体積効率が低下することになる。

【００１１】一般的にスパイラル型の気体分離膜モジュ
ールにおいては、原料気体を加圧供給する方式がとられ
ているため、供給気体の体積は大気圧下の数分の１にな
る。これに対して透過気体は大気圧となるため、透過気
体の流量は供給気体の数倍になり、透過気体流路材の厚
さは原料気体流路材の数倍必要となる。従って気体分離
膜モジュールにおける透過気体流路材の占める体積比率
は高くなり、透過気体流路材を如何に薄くできるかが、
体積効率の向上、即ち性能向上及び小型化の重要な課題
となる。

【００１２】本発明は上記従来の課題を解決するもの
で、濃縮効率及び体積効率の優れた気体分離膜モジュー
ルを提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明の気体分離膜モジュールは、透過気体流路材を
平膜状の気体分離膜、あるいは一部が気体非透過膜で構
成された平膜状の気体分離膜で挟み、上記透過気体流路
材を挟んだ気体分離膜と原料気体流路材とを重ねて一組
とし、この少なくとも一組を、原料空気を供給する給気
管と透過気体を排気する排気管とが一体となった給排気
管の周りにスパイラル状に巻回し、巻始めの一端は原料
気体流路材と給排気管の給気管が連通し、かつ透過気体
流路材と給排気管の排気管が連通するように給排気管に
上記気体分離膜を接着し、巻終わりの一端は透過気体流
路を気密に閉じるように上記気体分離膜を袋状とし、巻
回方向の両側端部は原料気体流路と透過気体流路を気密
に隔てるように封止した気体分離膜モジュールであっ
て、巻終わりから巻始めに至る過程で、上記透過気体流
路材を順次厚くした構成を有している。

【００１４】また透過気体流路材を平膜状の気体分離
膜、あるいは一部が気体非透過膜で構成された平膜状の
気体分離膜で挟み、この気体分離膜の両側端部を封止
し、上記透過気体流路材を挟んだ気体分離膜と原料気体
流路材とを重ねて一組とし、この少なくとも一組を排気
管の周りにスパイラル状に巻回し、巻始めの一端は透過
気体を排気する排気管と透過気体流路材が連通するよう
に排気管に上記気体分離膜を接着し、巻終わりの一端は
透過気体流路を気密に閉じるように上記気体分離膜を袋
状とした気体分離膜モジュールであって、巻終わりから
巻始めに至る過程で、上記透過気体流路材を順次厚くし
た構成を有している。

【００１５】

【作用】この構成により、気体分離膜モジュールにおい
て体積比率の高い透過気体流路材を削減でき、しかも巻
終わりから巻き始めに至る過程において透過気体の流量
が順次増大しても、それに伴い透過気体流路材が順次厚
くなり流路が大きくなるため、圧力損失による性能低下
の無い、体積効率の高い気体分離膜モジュールを実現で
きる。

【００１６】

【実施例】

（実施例１）以下本発明の一実施例について、図面を参
照しながら説明する。図１（ａ）は本実施例の気体分離
膜モジュールの断面図、図１（ｂ）、図２は気体分離膜
モジュールを展開した断面図、図３は本実施例の使用例
である。

【００１７】図１において、１は原料気体流路材で、厚
さ０．４mmの１５メッシュのポリエチレン成形ネットを
１枚用いてある。２は気体分離複合膜で、多孔質支持体
上にポリ４メチルペンテン１の気体分離膜を積層し、更
にその上にポリジメチルシロキサンを積層した非対称構
造で、分離膜側が原料気体流路材１と相対するように配
されている。

【００１８】３は透過気体流路材で、厚さ０．４mmの１
５メッシュのポリエチレン成形ネットを巻終わりから１
００cm迄は１枚で、それ以降５０cmごとに１枚ずつ増や
して積層し構成されている。４は気体非透過膜で厚さ１
００μｍのポリエステルフィルムである。５は給排気管
で給気管６と排気管７が、長さ方向に独立して平行に配
されており、給気管６、排気管７にはそれぞれ外部と連
通する穴があいている。

【００１９】上記の原料気体流路材１が給気管６に、透
過気体流路材３が排気管７に連通するように、気体分離
複合膜２及び気体非透過膜４を給排気管５に気密に接着
し、原料気体流路材１から気体非透過膜４の材料を給排
気管５の回りにスパイラル状に巻回した後、気体分離複
合膜２の巻終わりの一端で気体分離複合膜２と気体非透
過膜４を気密に接着し、他の二辺を図３のように封止材
８によって原料気体流路と、透過気体流路を気密に隔て
るように接着封止する。

【００２０】以上のように構成された気体分離膜モジュ
ールは、透過気体流路材のみ一定の厚さにして同様に作
成した気体分離膜モジュールに比較して、透過気体流路
材の使用量はほぼ半分となり、気体分離膜モジュールの
外径は３０mm小さくなった。

【００２１】また、図３に示すように、上記気体分離膜
モジュールを圧力容器９内に収納し、給気管６から５９
２Ｐａ（５kgｆ／cm²Ｇ）に加圧された空気４．２×１
０^-4ｍ³／ｓ（２５ｌ／ｍｉｎ）を供給し、流量調節弁
１０から得られる窒素濃縮空気流量を８．３×１０^-5ｍ
³／ｓ（５ｌ／ｍｉｎ）に調節したところ窒素濃度は９
７．５％であった。

【００２２】以上のように本実施例によれば、透過気体
流路材を気体非透過膜と平膜状の気体分離膜で挟み、透
過気体流路材を挟んだ気体分離膜と原料気体流路材とを
重ねて一組とし、この一組あるいは複数組を、原料空気
を供給する給気管と透過気体を排気する排気管とが一体
となった給排気管の周りにスパイラル状に巻回し、巻始
めの一端は原料気体流路材と給排気管の給気管が連通
し、かつ、透過気体流路材と給排気管の排気管が連通す
るように給排気管に気体非透過膜及び気体分離膜を接着
し、巻終わりの一端は透過気体流路を気密に閉じるよう
に非透過気体透過材と気体分離膜を袋状に接着し、巻回
方向の両側端部は原料気体流路と透過気体流路を気密に
隔てるように封止し、巻終わりから巻始めに至る過程
で、透過気体流路材を順次厚くすることにより、体積効
率の高い気体分離膜モジュールが得られる。

【００２３】尚、本実施例の気体分離膜モジュールの透
過気体流路材３を構成しているネットの積層数、及び積
層しているそれぞれのネットの長さは、ネットの単位体
積当たりの空間の割合、気体分離膜の気体透過性能、気
体分離性能、気体分離膜モジュールの回収率（給気空気
量に対する窒素濃縮空気量の比率）等によって最適な値
が決定されるため、本実施例の値に限定されるものでは
ない。

【００２４】また本実施例の気体分離膜モジュールの透
過気体流路材３は、ポリエチレンネットを積層して用い
たが、これは例えばポリプロピレン、ポリ塩化ビニル等
の樹脂を用いたネット、あるいはウレタン、ポリスチレ
ン等を用いた発泡フォーム、あるいはポリエステル等を
用いた不織布等、気体の流路を形成する成形樹脂品なら
特に限定されるものではない。

【００２５】更に本実施例では一定の厚みのネットを積
層した構成としたが、図２の３−１に示すように、ネッ
トや上記の流路材をなめらかに厚みが変わるように一体
的に成形した構成としても良く、この場合には体積効率
が良くなり、ネットの段差による気体分離膜の変形も回
避でき、巻取り工数も削減できる。

【００２６】（実施例２）以下本発明の第２の実施例に
ついて、図４を参照しながら説明する。

【００２７】１は原料気体流路材で実施例１と同様な構
成であるが、巻回方向の長さは２分の１になっている。
２は気体分離複合膜で実施例１と同様な構成であるが、
透過気体流路材３を挟むように折り返し、折り返し部分
が巻終わりとなるようにし、両側端部を封止してある。
また気体分離複合膜２の折り返し部分には気体非透過膜
４が接着されており、気体非透過膜４は気体分離複合膜
２の外周を覆っている。３は透過気体流路材でこれも実
施例１と同様な構成であるが、巻終わりから５０cm迄が
１枚で、それ以降２５cmごとに１枚ずつ増やして積層し
た構成としている。

【００２８】上記の原料気体流路材１が給気管６に、透
過気体流路材３が排気管７に連通するように、気体分離
複合膜２を給排気管５に気密に接着し、原料気体流路材
１から気体非透過膜４の材料を給排気管５の回りにスパ
イラル状に巻回する。この気体分離膜モジュールの外径
は実施例１の気体分離膜モジュールに比べ、１０mm小さ
くなった。

【００２９】以上のように構成された気体分離膜モジュ
ールを図３に示すように圧力容器９内に収納し、給気管
６から５９２Ｐａ（５kgｆ／cm²Ｇ）に加圧された空気
４．２×１０^-4ｍ³3／ｓ（２５ｌ／ｍｉｎ）を供給し、
流量調節弁１０から得られる窒素濃縮空気流量を８．３
×１０^-5ｍ³／ｓ（５ｌ／ｍｉｎ）に調節したところ窒
素濃度は９７．４％であった。

【００３０】以上のように本実施例によれば、一部が気
体非透過膜で構成された平膜状の気体分離膜で透過気体
流路材を挟み、この透過気体流路材を挟んだ気体分離膜
と原料気体流路材とを重ねて一組とし、この一組あるい
は複数組を、原料空気を供給する給気管と透過気体を排
気する排気管とが一体となった給排気管の周りにスパイ
ラル状に巻回し、巻始めの一端は原料気体流路材と給排
気管の給気管が連通し、かつ、透過気体流路材と給排気
管の排気管が連通するように給排気管に気体分離膜を接
着し、気体分離膜の巻終わりの一端が気体分離膜の折り
返し部分となるようにし、巻回方向の両側端部は原料気
体流路と透過気体流路を気密に隔てるように封止し、巻
終わりから巻始めに至る過程で、透過気体流路材を順次
厚くすることにより、透過気体流路材を更に削減でき、
体積効率をより向上できる。

【００３１】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、透過気体
流路材を平膜状の気体分離膜、あるいは一部が気体非透
過膜で構成された平膜状の気体分離膜で挟み、この透過
気体流路材を挟んだ気体分離膜と原料気体流路材とを重
ねて一組とし、この一組あるいは複数組を、原料空気を
供給する給気管と透過気体を排気する排気管とが一体と
なった給排気管の周りにスパイラル状に巻回し、巻始め
の一端は原料気体流路材と給排気管の給気管が連通し、
かつ、透過気体流路材と給排気管の排気管が連通するよ
うに給排気管に気体分離膜を接着し、巻終わりの一端は
透過気体流路を気密に閉じるように気体分離膜を袋状と
し、巻回方向の両側端部は原料気体流路と透過気体流路
を気密に隔てるように封止し、巻終わりから巻始めに至
る過程で、前記透過気体流路材を順次厚くした構成、ま
たは平膜状の気体分離膜、あるいは一部が気体非透過膜
で構成された平膜状の気体分離膜で透過気体流路材を挟
み、気体分離膜の両側端部を封止し、透過気体流路材を
挟んだ気体分離膜と原料気体流路材とを重ねて一組と
し、この一組あるいは複数組を、排気管の周りにスパイ
ラル状に巻回し、巻始めの一端は透過気体を排気する排
気管と透過気体流路材が連通するように排気管に気体分
離膜を接着し、巻終わりの一端は透過気体流路を気密に
閉じるように気体分離膜を袋状とし、巻終わりから巻始
めに至る過程で、透過気体流路材を順次厚くした構成と
することにより、巻終わりから巻き始めに至る過程にお
いて透過気体の流量が順次増大しても、それに伴い流路
材が順次厚くなり流路が大きくなるため、圧力損失によ
る性能低下の無い、しかも体積効率の高い気体分離膜モ
ジュールを実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１の気体分離膜モジュールの（ａ）断面
図および（ｂ）展開断面図

【図２】実施例１の他の気体分離膜モジュールを展開し
た断面図

【図３】実施例１および２の気体分離膜モジュールの使
用例を示す断面図

【図４】実施例２の気体分離膜モジュールの断面図

【図５】従来例１の気体分離膜モジュールの（ａ）断面
図および（ｂ）一部展開斜視図

【図６】従来例２の気体分離膜モジュールの（ａ）断面
図、（ｂ）一部展開斜視図および（ｃ）展開断面図

【符号の説明】

１ 原料気体流路材 ２ 気体分離複合膜 ３ 透過気体流路材 ４ 気体非透過膜 ５ 給排気管 ６ 給気管 ７ 排気管 ８ 封止材

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【手続補正書】

【提出日】平成６年２月７日

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】全図

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１】

【図２】

【図４】

【図３】

【図５】

【図６】

フロントページの続き (72)発明者 小林 貴樹 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 菅藤 雅哉 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 透過気体流路材を平膜状の気体分離膜、
   あるいは一部が気体非透過膜で構成された平膜状の気体
   分離膜で挟み、前記透過気体流路材を挟んだ気体分離膜
   と原料気体流路材とを重ねて一組とし、この少なくとも
   一組を、原料空気を供給する給気管と透過気体を排気す
   る排気管とが一体となった給排気管の周りにスパイラル
   状に巻回し、巻始めの一端は原料気体流路材と給排気管
   の給気管が連通し、かつ、透過気体流路材と給排気管の
   排気管が連通するように給排気管に前記気体分離膜を接
   着し、巻終わりの一端は透過気体流路を気密に閉じるよ
   うに前記気体分離膜を袋状とし、巻回方向の両側端部は
   原料気体流路と透過気体流路を気密に隔てるように封止
   した気体分離膜モジュールであって、巻終わりから巻始
   めに至る過程で、前記透過気体流路材を順次厚くした気
   体分離膜モジュール。
2. 【請求項２】 透過気体流路材を平膜状の気体分離膜、
   あるいは一部が気体非透過膜で構成された平膜状の気体
   分離膜で挟み、前記気体分離膜の両側端部を封止し、前
   記透過気体流路材を挟んだ気体分離膜と原料気体流路材
   とを重ねて一組とし、この少なくとも一組を、排気管の
   周りにスパイラル状に巻回し、巻始めの一端は透過気体
   を排気する排気管と透過気体流路材が連通するように排
   気管に前記気体分離膜を接着し、巻終わりの一端は透過
   気体流路を気密に閉じるように前記気体分離膜を袋状と
   した気体分離膜モジュールであって、巻終わりから巻始
   めに至る過程で、前記透過気体流路材を順次厚くした気
   体分離膜モジュール。