KR101517268B1

KR101517268B1 - 막 엘리먼트, 기체 분리 장치 및 내연 기관

Info

Publication number: KR101517268B1
Application number: KR1020127007874A
Authority: KR
Inventors: 마사히로 츠카모토; 아츠시 시미즈
Original assignee: 아사히 가세이 케미칼즈 가부시키가이샤
Priority date: 2009-09-28
Filing date: 2010-09-28
Publication date: 2015-05-04
Anticipated expiration: 2030-09-28
Also published as: KR20120060866A; JP5619755B2; CN102574065B; EP2484430B1; US20120199004A1; US9101873B2; CN102574065A; EP2484430A1; BR112012006434B1; JPWO2011037255A1; WO2011037255A1; EP2484430A4; BR112012006434A2

Abstract

기체 분리 성능의 향상을 도모할 수 있는 막 엘리먼트, 기체 분리 장치 및 내연 기관을 제공한다. 막 엘리먼트(2)를 구비하는 기체 분리 장치(1)에서는, 보강 프레임(27)으로 둘러싸인 플리츠 성형체(26)의 개방 영역(R1, R2)에 있어서, 플리츠 성형체(26)의 접힘부에 교차하는 방향으로 배치되는 강성 부재(32)를 갖고, 개방 영역(R1, R2)이 강성 부재(32)와 플리츠 성형체(26) 사이에 설치된 탄성 에폭시 수지 접착제(S)에 의해서 기체의 급기 영역과 배기 영역으로 구획되어 있다.

Description

막 엘리먼트, 기체 분리 장치 및 내연 기관{MEMBRANE ELEMENT, GAS SEPARATION DEVICE AND INTERNAL COMBUSTION ENGINE}

본 발명은 막 엘리먼트, 기체 분리 장치 및 내연 기관에 관한 것이다.

종래부터, 기체 분리 장치는 소각로, 공기 조절기, 디젤 엔진 등에 이용되고 있다. 기체 분리 장치는 산소 및 질소를 포함하는 공기 중의 산소를 막 엘리먼트에 투과시켜 질소 부화 기체나 산소 부화 기체를 생성할 수 있다. 또한, 기체 분리 장치에서는 수증기를 막 엘리먼트에 투과시킴으로써, 기체의 가습 및 제습을 행할 수 있다.

연소로에서의 기체 분리 장치는 다이옥신의 발생을 억제하거나, 연소 효율을 증대시키기 위해서 이용하는 것이 가능하다. 구체적으로는, 공기 중의 산소를 기체 분리막에 투과시켜 산소 부화 공기를 생성하고, 그것을 연소로에 도입하여 연소 온도를 상승시킴으로써, 다이옥신의 발생을 억제하는 것이 생각된다. 또한, 저칼로리의 연료로도 산소 부화 공기를 사용함으로써, 정해진 온도에서 연소 가능해진다.

그 외에도, 질소 부화 공기를 연소로에 도입하여 질소 산화물을 억제하기 위해서 기체 분리 장치를 이용할 수도 있다. 한편, 질소 부화 공기는 공기 중의 산소를 기체 분리막에 투과시켜 제거함으로써 생성할 수 있다.

공기 조절기에서의 기체 분리 장치는, 공기를 산소와 질소로 분리하여 산소 부화 공기를 실내에 도입하기 위해서 이용되어 왔다. 또한, 수증기를 막투과시킴으로써, 가습 또는 제습을 행하는 것에도 사용되어 왔다.

또한, 자동차 엔진에 널리 이용되고 있는 내연 기관에서는, 연소 온도가 높아지면 질소와 산소가 반응하여 질소 산화물(NO_X)을 생성, 배출한다는 문제가 있다. 가솔린 엔진의 경우, 질소 산화물(NO_X)을 제거하는 시스템으로서 삼원 촉매가 있다. 이 삼원 촉매는 산화 환원 반응에 의해서, 배기 가스의 탄화수소(HC), 일산화탄소(CO), 질소 산화물(NO_X)을 동시에 제거할 수 있다.

그러나, 디젤 엔진에서는 연료를 과잉의 공기로 연소시키는 방식이고, 배기 가스 내에 산소가 포함되기 때문에, 삼원 촉매가 유효하게 기능하지 않는다. 그 때문에, 디젤 엔진의 경우에는, 연소실에 공급하는 급기의 산소 농도를 저하시켜, 연소 온도를 낮추는 방법을 유효한 방법 중 하나로서 들 수 있다. 그 구체예인 EGR 방식(배기 가스 순환 방식)은, 대기에 배기 가스의 일부를 순환 혼합시킴으로써, 급기 중의 산소 농도를 저하시키는 방법이다.

또한, 기체 분리 장치를 이용하여, 질소 부화 공기를 연소실에 공급함으로써, 질소 산화물(NO_X)을 삭감하는 방법도 들 수 있다. 또한, 가습된 공기를 연소실에 공급함으로써, 연소 온도를 낮추는 방법도 유효하다. 기체 분리 장치는 산소 농도가 낮은 질소 부화 공기 또는 가습된 공기를 생성하는 장치로서 이용할 수도 있다.

이상과 같은 여러 가지 용도에 이용되는 기체 분리 장치에서는, 기체를 분리하는 능력(기체 분리 성능)을 향상시키기 위해서, 지금까지 여러 가지 검토가 이루어져 왔다. 예를 들어, 특허문헌 1에는, 평면 플리츠(pleat)형 막 엘리먼트 및 그 막 엘리먼트를 이용한 기체 분리 장치가 개시되어 있다. 특허문헌 1에 기재된 막 엘리먼트는, 기체 분리막을 플리츠 가공한 플리츠 성형체의 외변부에 보강 프레임을 배치한 구성을 갖고 있다. 이 막 엘리먼트를 구비하는 기체 분리 장치에서는, 막 엘리먼트를 수용하는 하우징에 급기구 및 배기구를 갖는 플레이트를 이용하고 있다.

또한, 특허문헌 2에는, 상면끼리가 대면 배치된 두 개의 막 엘리먼트와, 두 개의 막 엘리먼트를 하면측으로부터 협지하는 한 쌍의 압력 플레이트와, 막 엘리먼트의 상면 1차측에 혼합 기체를 공급하고 배출하는 파이프와, 막 엘리먼트를 투과하여 하면측으로부터 배출된 기체를 방출하는 2차측 유로를 구비하여 구성된 기체 분리 장치가 개시되어 있다. 이 기체 분리 장치에서는, 혼합 기체를 공급하는 파이프 등은, 상하로 나란한 두 개의 막 엘리먼트의 좌우에 배치되어 있고, 급기측의 파이프를 유동하는 혼합 기체는 슬릿형의 좁은 통로를 통과하여 막 엘리먼트의 1차측 유로에 공급되며, 슬릿형의 좁은 통로를 통과하여 배기측의 파이프에 배출되어 있다.

특허문헌 1 : 국제 공개 특허 WO2005/110581호 공보의 팜플렛 특허문헌 2 : 일본 공개 특허 제2007-75699호 공보

그러나, 상기 종래의 막 엘리먼트에서는, 급기 영역과 배기 영역과의 구획이 충분하지 않고, 급기측으로부터 배기측에 기체의 숏컷(단락)이 생기기 때문에 기체 분리 성능이 낮다는 문제가 있었다. 또한, 급기 영역과 배기 영역의 구획을 형성하는 부재가 물리적 또는 화학적으로 시간 경과에 따라 열화하기 때문에, 기체 분리 성능이 시간 경과적으로 성능 저하를 야기한다는 문제도 있었다.

본 발명은, 상기 과제를 해결하기 위해서 이루어진 것으로, 기체 분리 성능의 향상을 도모할 수 있는 막 엘리먼트, 기체 분리 장치 및 내연 기관을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명에 따른 막 엘리먼트는, 시트형의 기체 분리막 기재를 접어 형성된 플리츠 성형체와, 플리츠 성형체의 양면측을 개방하여 플리츠 성형체를 둘러싸는 보강 프레임을 구비한 막 엘리먼트로서, 보강 프레임으로 둘러싸인 플리츠 성형체의 개방된 영역의 적어도 한 쪽에 있어서, 플리츠 성형체의 접힘부에 교차하는 방향으로 배치되는 강성 부재와, 강성 부재와 플리츠 성형체 사이에 설치되는 밀봉부를 갖고, 개방된 영역은 밀봉부에 의해서 기체의 급기 영역과 배기 영역으로 구획되어 있는 것을 특징으로 한다.

이 막 엘리먼트에서는, 보강 프레임으로 둘러싸인 플리츠 성형체의 개방된 영역의 적어도 한 쪽에 있어서, 플리츠 성형체의 접힘부에 교차하는 방향으로 배치되는 강성 부재를 갖고, 보강 프레임으로 둘러싸여 개방된 부분은 강성 부재와 플리츠 성형체 사이에 설치된 밀봉부에 의해서 기체의 급기 영역과 배기 영역으로 구획되어 있다. 이와 같이, 밀봉부에 의해서 기체의 급기 영역과 배기 영역이 구획되기 때문에, 기체를 급기 영역으로부터 배기 영역으로 흘릴 때에, 기체가 기체 분리막 기재의 플리츠 성형체를 거치지 않고서 숏컷하는 것을 막을 수 있다. 따라서, 기체 분리 성능의 향상을 도모할 수 있다.

또한, 밀봉부에 힘이 가해지는 경우에 있어서, 강성 부재에 의해서 밀봉부에 부여되는 힘을 받음으로써, 플리츠 성형체의 휘어짐이 방지되기 때문에, 밀봉부만을 직접 플리츠 성형체에 접촉시키는 종래의 구성과 비교해서 충분한 접촉압(시일압)을 확보할 수 있다. 그리고, 강성 부재에 밀봉부가 맞닿은 상태로, 충분한 접촉압에 의해 균일하게 개방 영역에 힘이 가해지기 때문에, 플리츠 성형체의 개방된 영역에서의 기체의 급기 영역(상류측)과 배기 영역(하류측)을 확실하게 시일할 수 있어 기체의 숏컷을 방지하고 있다. 그 결과, 기밀성의 향상을 도모할 수 있다.

밀봉부가 접착제 또는 시일제인 것이 바람직하다. 접착제 또는 시일제는, 플리츠 성형체가 응력에 의해 변형을 받더라도, 그 변형에 추종할 수 있을 만큼의 유연성을 갖고, 실질적으로 유동하지 않고 더구나 응력을 완화시킬 수 있는 재료가 바람직하다. 강성 부재와 플리츠 성형체가 접착제 또는 시일제로 접착되어 있음에 따라, 강성 부재와 플리츠 성형체가 밀착하여 고정되게 되고, 급기 영역과 배기 영역을 확실하게 구획할 수 있다. 이에 따라, 숏컷의 방지 효과가 보다 높아진다. 또한, 강성 부재와 밀봉부가 접착되어 있음으로써, 강성 부재에 가해지는 힘이 보다 균일하게 밀봉부에 전해져, 플리츠 성형체의 휘어짐을 보다 방지할 수 있어, 급기 영역과 배기 영역 사이의 시일성이 향상된다.

플리츠 성형체의 개방된 영역에 있어서, 복수의 접힘부의 꼭대기부가 배치된 가상면을 가정한 경우에, 밀봉부는 가상면을 따라서 설치되어 있는 것이 바람직하다. 이러한 구성에 따르면, 기체의 숏컷을 방지할 수 있다.

또한, 밀봉부는 가상면을 따라서 면형으로 설치되어 있는 것이 바람직하다. 이러한 구성에 따르면, 밀봉부가 절첩된 기체 분리막 기재의 사이에 깊게 들어가지 않기 때문에, 밀봉부에 의한 기체 분리 성능의 저하를 방지할 수 있다.

밀봉부는, 강성 부재로부터 플리츠 성형체의 접힘부 방향으로 보강 프레임을 향하여 넓어지도록 설치되어 있고, 급기 영역 및 배기 영역은, 개방된 영역의 접힘부 방향의 양측에 있어서, 보강 프레임과 밀봉부에 의해 접힘부에 교차하는 방향을 따라서 각각 구획되어 있는 것이 바람직하다. 이러한 구성에 따르면, 급기 영역 및 배기 영역이 플리츠 성형체의 개방된 영역 양측에 구획되기 때문에, 시일성을 확보할 수 있다. 이에 더하여, 분리 대상이 되는 기체가 기체 분리막 기재를 진행하는 경로를 길게 확보할 수도 있다. 따라서, 기체 분리 성능을 양호한 것으로 할 수 있다.

밀봉부의 면적은, 보강 프레임의 개방된 영역에 있어서 5%∼95%인 것이 바람직하다. 이러한 구성에 따르면, 급기 영역 및 배기 영역의 면적을 기체 분리에 있어서 최적의 것으로 할 수 있다. 또한, 밀봉부에 의해서 급기 영역 및 배기 영역을 자유롭게 구획할 수 있어, 플리츠 성형체 내부로 공급되는 기체의 입구인 급기 영역 및 플리츠 성형체로부터 배출되는 기체의 출구인 배기 영역의 면적 및 형상을, 자유롭게 또한 용이하게 조정할 수 있다. 밀봉부의 면적은, 보다 바람직하게는 10%∼90%이다. 더욱 바람직하게는 15%∼85%이다.

강성 부재가 보강 프레임에 고정되어 있는 것이 바람직하다. 이러한 구성으로 함으로써 강성 부재에 걸리는 응력이, 플리츠 성형체에 배분되는 일없이 보강 프레임에 배분되기 때문에, 막 엘리먼트 전체의 강성을 확보할 수 있다. 그리고, 급기 영역과 배기 영역을 구획할 때에, 이 강성 부재가 힘을 받더라도, 보강 프레임에 지지되어 있기 때문에, 플리츠 성형체의 변형이 보다 방지되기 때문에, 기체 유로의 변형이 없고, 더욱 충분한 접촉압을 확보할 수 있다. 그 결과, 막 엘리먼트의 기체 분리 성능을 한층 더 향상시킬 수 있다.

강성 부재의 길이 방향으로 연장함과 함께, 플리츠 성형체의 높이 방향에 있어서 강성 부재에 대하여 세워져 설치되는 리브를 구비하고 있는 것이 바람직하다. 이러한 구성에 따르면, 강성 부재의 휘어짐을 방지할 수 있고, 그 결과, 플리츠 성형체의 휘어짐이 더 방지된다. 따라서, 보다 충분한 접촉압을 확보할 수 있기 때문에, 기체 분리막의 이용 효율의 향상을 도모할 수 있다. 이에 더하여, 기체 분리 장치 내의 기체의 유로가 변형하는 일이 없기 때문에, 정밀도 높게 유로를 설계할 수 있다.

강성 부재 및 밀봉부는 보강 프레임으로 둘러싸인 플리츠 성형체의 개방된 영역의 양쪽에 설치되어 있고, 개방된 영역은 밀봉부에 의해서 기체의 급기 영역과 배기 영역으로 구획되어 있는 것이 바람직하다. 이와 같이, 개방된 영역의 양쪽에 있어서 상기 구성을 가짐에 따라, 막 엘리먼트의 양면에 있어서 숏컷을 막을 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 기체 분리 장치는, 전술의 막 엘리먼트를 구비하는 것을 특징으로 한다. 전술의 막 엘리먼트를 구비함으로써 기체 분리 성능을 향상시킬 수 있고, 효율적으로 기체 분리를 행할 수 있다. 이에 더하여, 급기측과 배기측의 숏컷(단락)의 문제가 없어지기 때문에, 압력 손실 등의 기체 유로 설계를 정확히 실시할 수 있다. 또한, 시일부의 문제점이 없어지기 때문에, 막 엘리먼트의 교환에 있어서도 모듈 성능의 조립 재현성이 양호하다.

또한, 본 발명에 따른 내연 기관은, 전술의 기체 분리 장치를 구비하는 것을 특징으로 한다. 전술의 기체 분리 장치를 구비함으로써 기체 분리 성능을 향상시킬 수 있고, 효율적으로 기체 분리를 행할 수 있기 때문에, 내연 기관으로부터 발생하는 NO_x를 보다 삭감시킬 수 있다.

본 발명에 따르면, 기체 분리 성능의 향상을 도모할 수 있다.

도 1은 제1 실시형태에 따른 막 엘리먼트가 탑재된 기체 분리 장치의 외관을 나타내는 사시도이다.
도 2는 도 1에 나타내는 기체 분리 장치의 분해 사시도이다.
도 3은 도 1에 나타내는 기체 분리 장치의 단면도이다.
도 4는 막 엘리먼트의 외관을 나타내는 사시도이다.
도 5는 도 4에 나타내는 막 엘리먼트의 일부를 파단하여 나타내는 단면 사시도이다.
도 6은 도 5에 나타내는 막 엘리먼트에서의 플리츠 성형체를 접힘부 방향에서 본 단면도이다.
도 7은 플리츠 가공하기 전의 기체 분리막 기재를 나타내는 사시도이다.
도 8은 막 엘리먼트에서의 기체의 유로의 일례를 나타내는 도면이다.
도 9는 내연 기관의 구성을 나타내는 개략도이다.
도 10은 종래의 기체 분리 장치의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 11은 제2 실시형태에 따른 막 엘리먼트가 탑재된 기체 분리 장치의 단면도이다.
도 12는 제3 실시형태에 따른 막 엘리먼트가 탑재된 기체 분리 장치의 단면도이다.
도 13은 변형예에 따른 기체 분리 장치의 외관을 나타내는 사시도이다.
도 14는 변형예에 따른 본체부의 상면도이다.
도 15는 변형예에 따른 덮개부의 상면도이다.
도 16은 변형예에 따른 기체 분리 장치의 외관을 나타내는 사시도이다.
도 17은 도 16에 나타내는 기체 분리 장치의 단면 사시도이다.
도 18은 도 16에 나타내는 기체 분리 장치의 분해 사시도이다.
도 19는 기체 분리 시스템의 외관을 나타내는 사시도이다.
도 20은 기체 분리 시스템의 구성을 나타내는 개략도이다.

이하, 도면을 참조하면서, 본 발명의 적합한 실시형태에 대해서 상세히 설명한다. 한편, 동일 또는 동등한 요소에 대해서는 동일한 부호를 붙이고, 설명이 중복되는 경우에는 그 설명을 생략한다.

[제1 실시형태]

도 1은 제1 실시형태에 따른 막 엘리먼트가 탑재된 기체 분리 장치의 외관을 나타내는 사시도이다. 도 2는 도 1에 나타내는 기체 분리 장치의 분해 사시도, 도 3은 도 1에 나타내는 기체 분리 장치의 단면도이다.

<기체 분리 장치의 구성>

도 1∼도 3에 나타내는 바와 같이, 기체 분리 장치(1)는 하우징(3)과, 이 하우징(3)에 수용된 막 엘리먼트(2)를 구비하고 있다. 하우징(3) 내에는, 1차측 통로(P1)와 2차측 통로(P2)가 형성되어 있고, 1차측 통로(P1)와 2차측 통로(P2)는 2개의 막 엘리먼트(2)에 의해서 이격되어 있다. 즉, 하우징(3) 내에 있어서, 막 엘리먼트(2)를 사이에 두고, 한쪽측에 1차측 통로(P1)가 있고, 또 한쪽측에 2차측 통로(P2)가 있다. 그리고, 1차측 통로(P1)는 분리 대상이 되는 혼합 기체의 통로이며, 본 실시형태에서는 공기가 유동하는 통로이다. 한편, 2차측 통로(P2)는 막 엘리먼트(2)를 통과한 특정 기체가 주로 유동하는 통로이며, 본 실시형태에서는 주로 산소 부화된 공기가 유동한다. 일반적으로, 1차측은, 막 엘리먼트(2)를 선택적으로 투과하는 기체 성분에 착안했을 때에 분압이 높은 쪽으로 정의되지만, 다수의 경우에는 1차측쪽이 전체 압력이 높다.

<하우징>

하우징(3)은 예를 들어 SUS(Stainless steel:스테인리스강), 알루미늄, 수지 등의 각종 재료에 의해서 제조되어 있고, 본체부(4)와, 상하 한쌍의 덮개부(5, 6)에 의해 구성되어 있다.

(본체부)

본체부(4)는 상하로 개구가 설치되어 있고, 중공의 박스형을 이루고 있다. 본체부(4)는 막 엘리먼트(2)와의 협동에 의해 혼합 기체가 유동하는 1차측 공급부(K1)를 구획하고 있다.

본체부(4)에는 그 내측에 칸막이 판(8)이 설치되어 있다. 칸막이 판(8)은 본체부(4)에 형성되는 4개의 1차측 통로(P1)(도 3 참조)를 상하 2개씩으로 구획하는 판부재이다. 이 칸막이 판(8)은 본체부(4)의 높이 방향(도시 상하 방향)의 대략 중앙부분에 있어서, 내벽(9a)과 내벽(9b)에 걸쳐 설치되어 있음과 함께, 본체부(4)의 내벽(9c)과 내벽(9d)과의 사이에 개구(10a, 10b)를 형성하고 있다(도 2 참조).

또한, 본체부(4)에는 칸막이 판(8)에 교차하는 방향으로 파티션부(12)가 설치되어 있다. 파티션부(12)는 본체부(4)에 있어서의 1차측 통로(P1)를, 급기측과 배기측을 구획하는 판부재이다. 파티션부(12)는 본체부(4)의 폭방향(도시 좌우 방향)의 중앙 부분에 있어서 칸막이 판(8)에 대하여 상하 방향으로 세워져 설치되고, 길이 방향의 양단부가 본체부(4)의 내벽(9c, 9d)에 맞닿아 있다. 이에 따라, 본체부(4) 내에는 4개의 1차측 통로(P1)가 형성되어 있다.

또한, 본체부(4)의 내벽(9a∼9d)에는 막 엘리먼트(2)를 지지하기 위한 엘리먼트 지지부(13)가 설치되어 있다. 이 엘리먼트 지지부(13)는 사방의 내벽(9a∼9d)을 따라서 설치되어 있고, 그 높이 위치는 본체부(4)의 개구측의 단부로부터 막 엘리먼트(2)(보강 프레임(27)))의 높이 분만큼 낮은 위치로 되어 있다. 또한, 엘리먼트 지지부(13)와 파티션부(12)의 선단부(12a)는 대략 동일면으로 되어 있다.

또한, 엘리먼트 지지부(13)는 1차측 통로(P1)와 막 엘리먼트(2)의 1차측(개방 영역)을 연통하는 1차측 연통부(L1)를 구성하고 있다. 구체적으로는, 1차측 연통부(L1)는 엘리먼트 지지부(13)와 파티션부(12)에 의해서 형성되고, 도 3에 나타내는 바와 같이, 본체부(4)의 엘리먼트 지지부(13)에 막 엘리먼트(2)가 지지된 상태에 있어서 막 엘리먼트(2)의 1차측에 대응하는 개구 부분이다. 1차측 공급부(K1)은 1차측 통로(P1)와 1차측 연통부(L1)로 구성되어 있다.

본체부(4)에는 1차측 통로(P1)에 공급되는 혼합 기체의 도입관(14)과, 플리츠 성형체(26)의 기체 분리막(29)(후술함)을 선택 투과하지 않고서 통과한 질소 부화 공기를 배출하는 배출관(15)이 접속되어 있다. 도입관(14)은 1차측 통로(P1)의 급기측에 연통하고 있고, 배출관(15)은 1차측 통로(P1)의 배기측에 연통하고 있다. 이 도입관(14) 및 배출관(15)은 본체부(4)의 내벽(9c)측(일단측)에 병설되어 있다. 즉, 도입관(14) 및 배출관(15)은 본체부(4)의 길이 방향에 있어서, 개구가 상호 동일한 방향을 향하도록 본체부(4)에 설치되어 있다. 도입관(14) 및 배출관(15)의 내경은 1차측 통로(P1)의 직경(칸막이 판(8)과 막 엘리먼트(2)에 의해 형성되는 정방형 단면의 각관의 수력 직경)과 대략 동일한 직경으로 되어 있다.

본체부(4)의 상하 방향의 단부에는 전후 및 좌우 방향으로 돌출하는 플랜지부(7)가 설치되어 있다. 이 플랜지부(7)는 덮개부(5, 6)를 본체부(4)에 고정하기 위해서, 후술하는 덮개부(5, 6)의 플랜지부(16, 17)가 맞대어진 상태로 볼트 체결된다.

(덮개부)

덮개부(5, 6)는 본체부(4)의 상하에 배치되는 부재로서, 폭 방향으로 돌출하는 플랜지부(16, 17)가 본체부(4)의 플랜지부(7)에 볼트 체결됨으로써 본체부(4)에 고정되어 있다. 이 덮개부(5, 6)는 막 엘리먼트(2)와의 협동에 의해 특정 기체 및 소기(掃氣)용 기체가 유동하는 2차측 배출부(K2)를 획성(劃成)하고 있다.

덮개부(5, 6)의 내측에는 파티션부(18, 19)가 설치되어 있다. 이 파티션부(18, 19)는 덮개부(5, 6)의 폭방향의 대략 중앙 부분에 있어서 길이방향으로 연장되고 그리고 개구측을 향해서 세워져 설치되어 있고, 덮개부(5, 6)의 내측에 형성된 공간을 구획함으로써 2차측 통로(P2)에서의 급기측과 배기측을 구획하고 있다. 파티션부(18, 19)의 선단부(18a, 19a)는 덮개부(5, 6)의 플랜지부(16, 17)와 대략 동일면으로 되어 있다.

덮개부(5, 6)의 개구부(20, 21)는 2차측 통로(P2)와 막 엘리먼트(2)의 2차측(개방 영역)을 연통하는 2차측 연통부(L2)로서 기능한다. 구체적으로는, 2차측 연통부(L2)는 도 3에 나타내는 바와 같이, 본체부(4)의 엘리먼트 지지부(13)에 막 엘리먼트(2)가 지지된 상태에 있어서 막 엘리먼트(2)의 2차측에 대응하는 개구 부분, 즉 개구부(20, 21)이다. 2차측 배출부(K2)는 2차측 통로(P2)와 2차측 연통부(L2)를 갖고 구성되어 있다.

또한, 덮개부(5, 6)에는 2차측 통로(P2)에 공급되는 소기용 기체의 도입관(22, 23)과, 플리츠 성형체(26)의 기체 분리막(29)을 선택 투과한 산소(O₂)를 동반하는 소기용 기체의 배출관(24, 25)이 접속되어 있다. 도입관(22, 23)은 2차측 통로(P2)의 급기측에 연통하고 있고, 배출관(24, 25)은 2차측 통로(P2)의 배기측에 연통하고 있다. 이 도입관(22, 23) 및 배출관(24, 25)은 덮개부(5, 6)의 길이방향의 일단측에 병설되어 있다. 즉, 도입관(22, 23) 및 배출관(24, 25)은 덮개부(5, 6)의 길이방향에 있어서, 개구가 서로 동일한 방향을 향하도록 덮개부(5, 6)에 설치되어 있다. 또한, 도입관(22, 23)을 배출관으로 하고, 배출관(24, 25)을 도입관으로 해도 좋다.

<막 엘리먼트>

계속해서, 막 엘리먼트(2)에 대해서 상세히 설명한다. 도 4는 막 엘리먼트의 외관을 나타내는 사시도이다. 도 5는 도 4에 나타내는 막 엘리먼트의 일부를 파단한 단면 사시도이다. 도 6은 도 5에 나타내는 막 엘리먼트에서의 플리츠 성형체를 접힘부 방향에서 본 단면도이다. 도 7은 플리츠 가공하기 전의 기체 분리막 기재를 나타내는 사시도이다.

도 4∼7에 나타내는 바와 같이, 막 엘리먼트(2)는 플리츠 성형체(26)가 보강 프레임(27)으로 둘러싸인 구성으로 되어있다.

플리츠 성형체(26)는 평막형(시트형)의 기체 분리막 기재(28)를 플리츠 가공함으로써 얻어진 구조체이다. 기체 분리막 기재(28)는 평막형의 기체 분리막(29)과, 기체 분리막(29)을 끼우도록 배치된 메쉬 형상의 한 쌍의 통기성 보강재(30)가 일체로 되어 형성되어 있다. 기체 분리막(29)의 사이에는, 도 5에 기재된 바와 같은 간극이 있어도 좋지만, 도 6과 같이, 기체 분리막(29)끼리가 스페이서를 개재하여 서로 밀착하여 간극이 형성되지 않는 구조인 것이 바람직하다.

도 5에 나타나는 바와 같이, 플리츠 사이에 간극이 있는 플리츠 성형체의 경우에 있어서도, 밀봉부(후술하는 탄성 에폭시 수지 접착제(S))가, 복수의 접힘부의 꼭대기부가 배치된 가상면을 따라서 강성 부재와 플리츠 성형체의 사이에 설치되는 것이 바람직하다. 이 때, 밀봉부는 가상면을 따라서, 플리츠의 꼭대기부에만 형성되어도 좋고, 면형으로 형성되어도 좋다. 제법 상의 용이성으로부터는, 면형으로 형성되는 것이 바람직하다.

도 7에 나타내는 바와 같이, 기체 분리막(29)은 평막이며, 분리 대상이 되는 기체, 예를 들어 공기로부터 산소 가스(O₂)를 우선적으로 투과시키는 성질을 갖는 선택 투과막이다. 또한, 본 발명에서의 기체 분리막은, 공기로부터 산소를 우선적으로 투과시키는 선택 투과막으로 한정되지 않고, 혼합 기체로부터 탄산 가스나 수증기 등의 특정 기체를 우선적으로 투과시키는 성질을 갖는 선택 투과막이면 좋다.

통기성 보강재(30)는 플리츠 가공을 실시했을 때에, 기체 분리막(29)끼리의 밀착을 막음에 따라 기체 통로를 확보하고, 양호한 막이용 효율을 달성하기 위한 수단에 이바지하는 것이고, 또한 플리츠 성형체(26)에 필요한 자립성을 부여하기 위한 보조적인 기능을 담당한다.

플리츠 가공이란 평막형의 기체 분리막 기재(28)를 특정한 피치로 산접기, 골접기를 반복하는 가공을 말한다. 플리츠 가공을 실시함으로써, 기체 분리막 기재(28)는 주름 접힘(accordion fold)이 되도록 교대로 되접혀 복수의 접힘부(31)가 형성된 형태, 즉 플리츠형의 형태가 되어 플리츠 성형체(26)를 구성한다. 이러한 플리츠 가공에 의해, 이 가공을 행하지 않은 평막과 비교하여, 동일한 투영 면적, 동일한 용적의 안에 보다 큰 면적을 수납할 수 있다. 통상은, 기체 분리막(29)과 통기성 보강재(30)를 적층한 후에 플리츠 가공을 실시하지만, 기체 분리막(29) 단독으로 플리츠 가공을 실시한 후에 플리츠 사이에 통기성 보강재(30)를 삽입하는 것도 가능하다.

본 실시형태에 있어서, 플리츠의「길이」는 플리츠 방향과 평행한 길이이고, 플리츠의「높이」는 플리츠 성형체(26)의 한쪽의 산으로부터 다른쪽의 산까지의 높이이며, 플리츠의「폭」은 플리츠 방향의 수직(교차하는) 방향의 길이이다. 플리츠 가공의 방법으로서는, 공지의 방법이 사용 가능하고, 예를 들어 레시프로(아코디언) 플리츠 머신이나 로터리 플리츠 머신을 이용할 수 있다.

다음으로, 본 발명의 플리츠 성형체(26)에 적용할 수 있는 기체 분리막(29)이나 통기성 보강재(30)의 재질이나 치수 및 특성에 대해서 더욱 자세히 설명한다.

(기체 분리막)

전술하는 바와 같이, 기체 분리막(29)은 평막이며, 혼합 기체로부터 특정 기체를 우선적으로 투과시키는 성질을 갖는 선택 투과막이면 좋다. 특정 기체로서는, 산소나 질소 외에, 수증기, 이산화탄소, 수소, 헬륨, 아르곤, 지방족 탄화수소, 방향족 탄화수소, 황화수소, 암모니아 등을 예시할 수 있다. 기체 분리막의 소재는, 여러가지 것을 이용할 수 있지만, 상기 실시형태와 같이 질소 부화 공기의 생성을 목적으로 하는 것이면, 폴리디메틸실록산, 폴리디페닐실록산, 폴리메틸페닐실록산, 폴리디메틸실록산의 공중합체, 폴리-4-메틸펜텐-1,폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리테트라플루오로에틸렌의 공중합체, 퍼플루오로-2,2-디메틸-1,3-디옥솔의 공중합체, 폴리-p-페닐렌옥사이드, 폴리비닐트리메틸실란, 불소화폴리머/실록산코폴리머, 폴리〔1-(트리메틸실릴)-1-프로핀〕, 아세트산셀룰로오스, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리부타디엔, 폴리아세트산비닐, 폴리스티렌, Polymers of intrinsic microporosity(PIMs) 및 이들의 공중합체 등을 들 수 있다. 이 중에서도 오르가노폴리실록산-폴리요소-폴리우레탄블록 공중합체나 퍼플루오로-2,2-디메틸-1,3-디옥솔과 테트라플루오로에틸렌의 공중합체, Polymers of intrinsic microporosity(PIMs)가 바람직하다. 또한, A형 제올라이트로 대표되는 선택 투과성 무기 재료를 이용할 수도 있다.

기체 분리막(29)의 기체 투과성은, 투과 속도와 분리 계수로 표현할 수 있다. 여기서, 투과 속도(R)는 단위 시간, 단위 면적, 단위 분압차에 있어서의 기체 투과량으로 표시되고, 관습적으로 GPU(Gas Permeation Unit)=10^-6 ㎤(STP)/㎠sec㎝Hg이라는 단위가 널리 사용되고 있다. 또한, 단위막 두께 당 투과 속도를 투과 계수 P라고 하고, 관습적으로 바레(barrer)=10^-10 ㎤(STP)㎝/㎠sec㎝Hg라는 단위가 널리 사용되고 있다. 투과 속도가 막물성인 데 대하여 투과 계수는 재료 물성이고, 아무리 투과 계수가 우수한 소재라도, 필요 충분한 박막화 적성(適性)을 겸비하지 않은 경우는 기체 분리에 적합하지 않다. 또한, 분리 계수α는 임의의 기체 투과 계수의 비이다. 투과 속도와 분리 계수는 목적으로 하는 용도에 따라서 적절히 선택되지만, 예를 들어 내연 기관용 질소 부화 기체를 공급하는 장치로서 이용하는 경우는 이하의 값인 것이 바람직하다.

산소의 투과 속도(R)은 100 GPU 이상이 바람직하고, 1000 GPU 이상이 보다 바람직하며, 2000 GPU 이상이 더욱 바람직하고, 3000 GPU 이상이 보다 더 바람직하며, 5000 GPU 이상이 특히 바람직하다.

산소와 질소의 분리 계수 α(= RO₂/RN₂)는 1.1 이상이 바람직하고, 1.5 이상이 보다 바람직하며, 1.8 이상이 더욱 바람직하고, 2.0 이상이 보다 더 바람직하며, 2.2 이상이 특히 바람직하고, 2.4 이상이 매우 바람직하며, 2.6 이상이 가장 바람직하다. α가 1.1보다 작은 경우는, 산소에 수반하여 다량의 질소가 1차측에서 2차측으로 이동하기 때문에 바람직하지 않다. α가 높을수록 산소에 수반하는 질소의 양을 억제할 수 있기 때문에 바람직하지만, 일반적으로 분리 계수와 투과 계수는 트레이드 오프의 관계에 있다.

기체 분리막(29)의 막 두께는 1 ㎛ 이상 1000 ㎛ 이하가 바람직하다. 막 두께의 하한은 5 ㎛ 이상이 보다 바람직하고, 8 ㎛ 이상이 더욱 바람직하며, 10 ㎛ 이상이 가장 바람직하다. 막 두께의 상한은 500 ㎛ 이하가 보다 바람직하고, 200 ㎛ 이하가 더욱 바람직하며, 100 ㎛ 이하가 보다 더 바람직하고, 50 ㎛ 이하가 특히 바람직하며, 20 ㎛ 이하가 가장 바람직하다. 막 두께가 1 ㎛ 미만이 되면, 기계 강도가 부족해지는 경우가 있고, 막 두께가 1000 ㎛를 초과하면 투과 속도가 부족해지는 경우가 있다.

기체 분리막(29)의 막 두께는, 일반적으로 얇을수록 분리 계수를 유지하면서 투과 속도를 향상시킬 수 있기 때문에 바람직하지만, 박막화에 수반하는 파손 등을 피하기 위해서, 기체 투과성과 기계 강도가 우수한 지지막 위에 형성되는 경우가 많다. 이러한 구조를 갖는 기체 분리막(29)을 복합막이라고 하고, 지지막 위에 형성한 기체 분리층을 분리층, 스킨층, 활성층이라고 하며, 지지막을 지지층이라고 하는 경우가 있다. 복합막은, 예를 들어 지지막에 기체 투과성 재료를 도포 또는 함침 또는 접촉함으로써 얻을 수 있다. 본 실시형태에서는 복합막을 이용하고 있다.

기체 분리막(29)의 지지층은 기체 투과성과 기계 강도가 우수하고, 플리츠 가공 가능한 평막이면 여러가지 것을 이용할 수 있지만, 직포, 부직포, 미다공막 등을 이용할 수 있다. 미다공막으로서는, 폴리이미드 미다공막, PVDF 미다공막, 폴리올레핀 미다공막, 폴리술폰 미다공막, 폴리에테르술폰 미다공막 등 공지의 여러가지 미다공막을 이용할 수 있지만, 이 중 폴리올레핀 미다공막이 바람직하고, 특히, 폴리에틸렌 미다공막이 바람직하다. 리튬이온 전지용 세퍼레이터로서 이용되는 폴리올레핀 미다공막도 적합하게 사용할 수 있다. 또한, UF막으로서 사용되는 폴리술폰 미다공막이나 폴리에테르술폰 미다공막이 바람직하다.

기체 분리막(29)의 지지층의 기공률은 5% 이상 95% 이하가 바람직하다. 기공률의 하한은 10% 이상이 보다 바람직하고, 20% 이상이 더욱 바람직하며, 30% 이상이 보다 더 바람직하고, 40% 이상이 가장 바람직하다. 기공률이 5% 미만에서는, 기체 투과성이 부족한 경우가 있고, 기공률이 95%를 초과하면 기계 강도가 부족한 경우가 있다.

지지층의 기공률은 다음 방법으로 측정하였다. 지지층으로부터 한변이 10 ㎝ 인 샘플을 들고, 그 체적과 질량으로부터 다음 식을 이용하여 계산하였다. 또한, 수지 밀도(g/㎤)란 지지층의 성분인 수지의 밀도를 의미하고, ASTM-D1505에 준거하여, 밀도 경사법에 의해 측정할 수 있다.

기공률(%)=[체적(㎤)-질량(g)/수지 밀도]/체적(㎤)×100

기체 분리막(29)의 지지층의 평균 구멍직경은 0.1 ㎚ 이상 10 ㎛ 이하가 바람직하다. 평균 구멍직경의 하한은 1 ㎚ 이상이 보다 바람직하고, 10 ㎚ 이상이 더욱 바람직하다. 평균 구멍직경의 상한은 1 ㎛ 이하가 보다 바람직하고, 500 ㎚ 이하가 더욱 바람직하며, 200 ㎚ 이하가 보다 더 바람직하고, 100 ㎚ 이하가 특히 바람직하다. 평균 구멍직경이 0.1 ㎚ 미만인 경우는, 기공률이나 표면 개구율이 낮은 경우가 많기 때문에 바람직하지 않다. 평균 구멍직경이 10 ㎛를 초과하는 경우는 기체 분리층에 핀홀이 생성되기 쉬워지기 때문에 바람직하지 않다.

기체 분리막(29)의 기체 분리층의 막 두께는, 1 ㎚ 이상 10 ㎛ 이하가 바람직하다. 막 두께의 하한은 10 ㎛ 이하가 보다 바람직하고, 20 ㎚ 이상이 더욱 바람직하며, 50 ㎚ 이상이 가장 바람직하다. 막 두께의 상한은 3 ㎛ 이하가 보다 바람직하고, 1 ㎛ 이하가 더욱 바람직하며, 500 ㎚ 이하가 보다 더 바람직하고, 300 ㎚가 특히 바람직하며, 200 ㎚ 이하가 매우 바람직하고, 100 ㎚ 이하가 가장 바람직하다. 투과 계수가 충분히 높은 경우는 막 두께가 3 ㎛를 초과하는 경우도 적합하게 이용할 수 있다.

(통기성 보강재)

통기성 보강재(30)는 기체 분리막(29)의 양면 혹은 한 면에 설치할 수 있지만, 기체 분리막(29) 양면에서의 압력차가 현저한 경우는 적어도 저압측에 설치하는 것이 바람직하다. 통기성 보강재(30)는 직포, 부직포, 수지제(製) 네트, 예를 들어 폴리프로필렌, 폴리에스테르, 나일론 등, 금속제 네트 등을 사용할 수 있지만, 이 중, 수지제 네트, 금속제 네트가 바람직하다. 이들의 네트는, 방직기를 이용한 짜임 구조나 압출 성형 후의 연신 가공 등에 의해서 제작이 가능하다. 평직 구조의 네트는 단순 구조이기 때문에 바람직하다. 또한, 평직(平織) 시의 교점이 융착된 구조를 갖는 네트는 강도가 향상되기 때문에 보다 바람직하다.

통기성 보강재(30)의 두께는 네트의 교점 근방에서 복수점 측정하고, 그 평균치로부터 구할 수 있다. 그 두께는, 10 ㎛ 이상 5000 ㎛ 이하가 바람직하고, 두께의 하한은 50 ㎛ 이상이 보다 바람직하며, 100 ㎛ 이상이 더욱 바람직하고, 200 ㎛ 이상이 보다 더 바람직하며, 300 ㎛ 이상이 특히 바람직하다. 두께의 상한은 2000 ㎛ 이하가 보다 바람직하고, 1000 ㎛ 이하가 더욱 바람직하며, 500 ㎛ 이하가 가장 바람직하다. 두께가 10 ㎛ 미만에서는 기계 강도가 부족한 경우가 있고, 두께가 5000 ㎛를 초과하면 기체 투과성이 저하되는 경우가 있다. 통기성 보강재(30)의 두께는, 측정시의 압축의 정도에 따르기 때문에, 막 엘리먼트를 구성한 경우의 압축의 정도, 및, 막 엘리먼트에 운전시의 전체 압력차를 부여한 경우의 압축의 정도로 측정하는 것이 바람직하다.

통기성 보강재(30)의 기공률은 그 평면의 위쪽에서 본 경우의 공극부의 투영면적을 전면적으로 나눈 수치로서 구한다. 그 기공률은 30% 이상 95% 이하가 바람직하고, 기공률의 하한은 40% 이상이 보다 바람직하며, 50% 이상이 더욱 바람직하고, 60% 이상이 보다 더 바람직하며, 70% 이상이 특히 바람직하고, 80% 이상이 매우 바람직하며, 90% 이상이 가장 바람직하다. 기공률이 30% 미만에서는 기체 분리성이 부족한 경우가 있고, 기공률이 95% 미만에서는 기계 강도가 부족한 경우가 있다. 통기성 보강재(30)의 기공률은 측정시의 압축의 정도에 따르기 때문에, 플리츠 성형체를 구성한 경우의 압축의 정도, 및, 플리츠 성형체에 운전시의 전압차를 부여한 경우의 압축의 정도로 측정하는 것이 바람직하다.

통기성 보강재(30)에 네트를 사용할 때의 선직경은, 0.01 ㎜ 이상 2 ㎜ 이하가 바람직하다. 선직경의 하한은 0.02 ㎜ 이상이 보다 바람직하고, 0.04 ㎜ 이상이 더욱 바람직하며, 0.06 ㎜ 이상이 보다 더 바람직하고, 0.08 ㎜ 이상이 특히 바람직하다. 선직경의 상한은 1 ㎜ 이하가 보다 바람직하고, 0.6 ㎜ 이하가 더욱 바람직하며, 0.4 ㎜ 이하가 보다 더 바람직하고, 0.2 ㎜ 이하가 특히 바람직하다. 통기성 보강재(30)에 네트를 사용할 때의 메쉬는 2 이상 1000 이하가 바람직하다. 메쉬수의 하한은 5 이상이 보다 바람직하다. 메쉬수의 상한은 100 이하가 보다 바람직하고, 50 이하가 더욱 바람직하며, 30 이하가 보다 더 바람직하다. 기체 분리막(29)을 보호하기 위해서, 기체 분리막(29)과 통기성 보강재(30) 사이에 얇은 통기성 보강재를 설치해도 좋다. 이 종류의 통기성 보강재(30)는 한 면 또는 양면을 평활화 처리한 것이 보다 바람직하다.

(보강 프레임)

보강 프레임(27)은 플리츠 성형체(26)를 보강하기 위해서, 플리츠 성형체(26)의 외주부와 기밀적으로 접착함으로써 막 엘리먼트(2)를 구성하기 위한 구조재이다. 즉, 보강 프레임(27)은 플리츠 성형체(26)의 한쪽의 면측 및 다른쪽의 면측의 양면측을 개방하여 외주부를 둘러쌈으로써 기밀적으로 분리된 상하 한쌍의 개방 영역(R1, R2)을 형성하고 있다. 개방 영역(R1, R2)은 대략 직사각형을 나타내고 있다. 보강 프레임(27)에는 에폭시 등의 수지, 금속, FRP(Fiber Reinforced Plastics) 등, 목적에 따라 각종 재료를 이용하는 것이 가능하다.

(강성 부재)

여기서, 특히 본 실시형태에서는, 막 엘리먼트(2)는 강성 부재(32)를 구비하고 있다. 강성 부재(32)는, 예를 들어 폴리카보네이트 등으로 이루어지는 판부재로 형성된다. 본 실시형태에 있어서, 이 강성 부재는, 후술하는 가스켓(34)에 가해지는 압박(가스켓 선압)을 수압할 수 있다. 이 강성 부재(32)는 플리츠 성형체(26)의 접힘부(31)에 교차하는 방향(보강 프레임(27)의 길이방향)으로 연장되고, 보강 프레임(27)의 개방 영역(R1, R2)에 있어서 플리츠 성형체(26)에 밀접하도록 개방 영역(R1, R2)의 대략 중앙부에 배치되어 있다. 보다 구체적으로는, 보강 프레임(27)의 개방 영역(R1, R2)에는, 그 표면에 예를 들어 탄성 에폭시 수지 접착재(밀봉부)(S)가 도포되어 있고, 강성 부재(32)는 그 도포된 탄성 에폭시 수지 접착제(S) 위에 적재되어 있다. 이에 따라, 강성 부재(32)는 보강 프레임(27)의 개방 영역(R1, R2)에 있어서 플리츠 성형체(26)에 탄성 에폭시 수지 접착제(S)를 개재하여 밀착 고정되어 있다. 또한, 강성 부재(32)로서는, 각종 수지, 금속 재료, 또한, 이들 양쪽의 조합 등이 사용 가능하다. 강성 부재(32)는 힘을 가했을 때의 변형이 적은 재료인 것이 바람직하다. 보다 구체적으로는, 인장 항복 응력은 5 MP 이상, 인장 탄성률은 100 이상, 굽힘 응력은 10 이상이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 인장 항복 응력은 20 MP 이상, 인장 탄성률은 700 이상, 굽힘 응력은 40 이상이다. 더욱 바람직하게, 인장 항복 응력은 50 MP 이상, 인장 탄성률은 1000 이상, 굽힘 응력은 60 이상이다. 또한, 인장 항복 응력 및 인장 탄성률은 ISO527에 준거하여 측정된다. 굽힘 응력은 ISO178에 따라서 측정된다.

(밀봉부)

탄성 에폭시 수지 접착제(S)는, 보강 프레임(27)의 개방 영역(R1, R2)에 있어서 기체의 급기측(급기 영역)과 배기측(배기 영역)으로 구획하고, 플리츠 성형체(26)의 내부를 통과하는 기체의 유로를 형성하는 밀봉부로서 기능한다. 도 6에 나타내는 바와 같이, 탄성 에폭시 수지 접착제(S)는, 플리츠 성형체(26)의 개방 영역(R1, R2)에 있어서, 복수의 접힘부(31)의 꼭대기부(31a)가 배치된 가상면(F)을 가정한 경우에, 가상면(F)을 따라서 면형으로 설치되어 있다.

탄성 에폭시 수지 접착제(S)는, 강성 부재(32)의 폭치수보다도 큰 폭치수로 개방 영역(R1, R2) 상에 도포되어 있고, 그 접착 영역에 의해서, 급기 영역(급기구 B) 및 배기 영역(배기구 E)의 면적을 조정하고 있다. 즉, 탄성 에폭시 수지 접착제(S)는, 강성 부재(32)로부터 플리츠 성형체(26)의 접힘부 방향으로 보강 프레임(27)을 향하여 넓어지도록 설치되어 있고, 급기측(급기구 B) 및 배기측(배기구 E)은 플리츠 성형체(26)의 접힘부에 교차하는 방향을 따라서, 보강 프레임(27)과 탄성 에폭시 수지 접착제(S)에 의해 각각 구획되어 있다. 탄성 에폭시 수지 접착제(S)의 면적은, 개방 영역(R1, R2)에 있어서 5%∼95%이며, 급기측(급기구 B) 및 배기측(배기구 E)의 면적은 개방 영역(R1, R2)에 있어서 5%∼95%이다.

또한, 강성 부재(32)의 접착 고정에 이용하는 접착제는, 플리츠 성형체가 응력에 의해 변형을 받더라도 그 변형에 추종할 수 있을 만큼의 유연성을 갖고, 실질적으로 유동하지 않으며, 더구나 응력을 완화시킬 수 있는 재료가 바람직하다. 이러한 접착제 또는 시일제로서는 비스페놀계 에폭시 수지, 지환식 에폭시 수지, 실리콘계 수지, 우레탄계 수지, 아크릴계 수지, 폴리올레핀계 수지, 고무계 수지, 핫멜트 수지 등을 들 수 있다. 이들의 재료는 단독으로도 혼합되더라도 좋다. 또한, 1액형, 2액형, 용제형, 무용제형, 경화형 중 어느 것이나 사용 가능하다. 또한, 무기물이 첨가되어 있어도 좋다. 또한, 밀봉부로서 시일제를 이용해도 좋다.

(리브부)

또한, 강성 부재(32)의 길이 방향의 양단부는, 보강 프레임(27)에 맞닿아 지지되어 있다. 강성 부재(32)의 폭방향의 양단측에는 한쌍의 리브부(33a, 33b)가 세워져 설치되어 있다. 이 리브부(33a, 33b)는, 예를 들어 폴리카보네이트 등이라는 재료로부터 형성되어 있고, 강성 부재(32)의 강도(강성)를 보강하는 보강 부재이다. 또한, 리브부(33a, 33b)로서는, 각종 수지, 금속 재료, 또한, 이들 양쪽의 조합 등이 사용 가능하다.

(가스켓)

본 실시형태에서는, 강성 부재(32)의 상부에는, 가스켓(34)이 밀접하도록 적재되어 있다. 가스켓(34)은, 예를 들어 니트릴 고무(NBR)로 형성된다. 본 실시형태에 있어서, 가스켓(34)은 탄성 에폭시 수지 접착제(S)와의 협동에 의해, 보강 프레임(27)의 개방 영역(R1, R2)에 있어서 기체의 급기측과 배기측으로 구획하고, 플리츠 성형체(26)의 내부를 통과하는 기체의 유로를 형성하고 있다. 이 가스켓(34)은 강성 부재(32) 및 보강 프레임(27)의 형상에 대응한 형상을 이루고 있다.

<막 엘리먼트의 배치>

이상과 같은 구성을 갖는 막 엘리먼트(2)는, 도 3에 나타내는 바와 같이, 하우징(3)에 있어서 본체부(4)와 한 쌍의 덮개부(5, 6) 사이에 배치되어 있다. 구체적으로는, 막 엘리먼트(2)는 보강 프레임(27)이 가스켓(34)을 개재하여 본체부(4)의 엘리먼트 지지부(13)에 맞닿고, 덮개부(5, 6)의 플랜지부(16, 17)에 맞닿아 협지됨으로써 하우징(3) 내에 고정되어 있다. 이 때, 덮개부(5, 6)의 파티션부(18, 19) 및 본체부(4)의 파티션부(12)는 막 엘리먼트(2)의 리브부(33a, 33b) 사이에 위치하여 가스켓(34)과 맞닿아 있다. 이에 따라, 가스켓(34)은 파티션부(12, 18, 19)로부터 압박되어, 보강 프레임(27)의 개방 영역(R1, R2)에 있어서 급기측(급기구 B)과 배기측(배기구 E)을 구획하고 있다. 즉, 플리츠 성형체(26)에서의 기체의 유로 방향은, 플리츠 성형체(26)의 폭방향으로 되어 있다.

플리츠 성형체(26), 즉 막 엘리먼트(2)에서의 기체의 유로 방향에 대하여, 도 8을 참조하면서 구체적으로 설명한다. 도 8은 막 엘리먼트에 있어서의 기체의 유로의 일례를 나타내는 도면이다. 도 8에 나타내는 바와 같이, 예를 들어 개방 영역(R1)의 급기 영역(급기구 B)으로부터 급기된 분리 대상의 혼합 기체인 공기는, 플리츠 성형체(26)를 플리츠 방향(폭 방향)을 따라서 진행하고, 기체 분리막(29)으로써 특정 기체인 산소를 선택 투과한 질소 부화 공기로서, 배기 영역(배기구 E)으로부터 배기된다. 또한, 개방 영역(R2)의 급기 영역(급기구 B)으로부터 급기된 소기용 기체는, 플리츠 성형체(26)를 플리츠 방향을 따라서 진행하고, 기체 분리막(29)을 선택 투과한 산소를 동반한 산소 부화 공기로서 배기 영역(배기구 E)으로부터 배출된다.

계속해서, 기체 분리 장치(1)가 탑재된 내연 기관에 대해서 설명한다. 도 9는 내연 기관의 구성을 나타내는 개략도이다. 동 도면에 나타내는 바와 같이, 내연 기관(100)은 막 엘리먼트(2)를 탑재하는 기체 분리 장치(1)와, 컴프레서(101)와, 온도 조절기(102)와, 펌프(103)와, 디젤 엔진(104)을 포함하여 구성되어 있다. 내연 기관(100)에서는 컴프레서(101)로부터 온도 조절기(102)에 공기가 도입되고, 온도 조절기(102)에서 온도가 조정된 공기가 기체 분리 장치(1)에 공급된다. 그리고, 기체 분리 장치(1)의 막 엘리먼트(2)의 기체 분리막(29)에서 산소가 선택 투과된 질소 부화 공기는 디젤 엔진(104)에 공급된다.

또한, 펌프(103)로부터 공급된 소기용 기체인 공기는 기체 분리 장치(1)에 도입되고, 막 엘리먼트(2)의 기체 분리막(29)을 선택 투과한 산소를 동반하여 산소 부화 공기로서 배기된다. 또한, 펌프(103)로부터 수증기, 물, 탄산 가스 등을 도입함으로써, 내연 기관에 공급되는 급기 조성을 조정하는 것도 가능하다.

계속해서, 본 실시형태에 따른 막 엘리먼트(2) 및 이 막 엘리먼트(2)를 탑재하는 기체 분리 장치(1)의 작용·효과에 대해서 설명한다.

막 엘리먼트(2)에서는 강성 부재(32)의 상부에 가스켓(34)이 배치되고, 강성 부재(32)의 하부에는 밀봉부로서 탄성 에폭시 수지 접착제(S)가 도포되어 있다. 이러한 구성에 의해, 가스켓(34)에 부여되는 압박을 부재에 의해서 수압할 수 있고, 그리고, 강성 부재(32)에 의해 탄성 에폭시 수지 접착제(S)에 대하여 균일하게 압력을 부여할 수 있기 때문에, 플리츠 성형체(26)의 개방 영역(R1, R2)에서의 기체의 급기측과 배기측을 보다 확실하게 시일할 수 있다.

그리고, 강성 부재(32)가 개방 영역(R1, R2)에 밀접하면서, 충분한 접촉압(시일압)에 의해 균일하게 개방 영역(R1, R2)에 힘이 가해지기 때문에, 플리츠 성형체(26)의 양면측의 개방 영역(R1, R2)에서의 기체의 급기측과 배기측을 확실하게 시일할 수 있고, 기체의 숏컷을 더 방지하는 것이 가능해진다. 그 결과, 기체 분리 성능의 향상을 도모할 수 있다.

또한, 강성 부재(32)는 보강 프레임(27)의 개방 영역(R1, R2)에 탄성 에폭시 수지 접착제(S)에 의해 접착 고정되어 있기 때문에, 강성 부재(32)와 플리츠 성형체(26)가 밀착 고정되게 된다. 그에 따라, 급기 영역과 배기 영역을 확실하게 구획할 수 있기 때문에, 기체의 숏컷을 보다 확실하게 방지할 수 있다.

또한, 강성 부재(32)에 가해지는 힘이 보다 균일하게 탄성 에폭시 수지 접착제(S)에 전해지고, 플리츠 성형체(26)의 휘어짐을 방지할 수 있다. 그에 따라, 급기 영역과 배기 영역의 시일성이 보다 향상된다. 또한, 유로를 정확히 구성할 수 있기 때문에, 유로의 압력 손실 설계가 용이해지고, 이론 성능에 가까운 성능을 추구할 수도 있다.

또한, 강성 부재(32)를 접착 고정하는 탄성 에폭시 수지 접착제(S)의 도포 영역에 의해서 플리츠 성형체(26) 내부로의 기체의 급기구 B(급기 영역) 및 배기구 E(배기 영역)의 면적을 조정할 수 있기 때문에, 플리츠 성형체(26) 내부로의 기체의 급기량을 간단한 구성에 의해 조정할 수 있고, 시일성을 확보할 수 있다. 또한, 탄성 에폭시 수지 접착제(S)의 면적을, 개방 영역(R1, R2)의 5%∼95%로 함으로써, 급기 영역 및 배기 영역의 면적을 기체 분리에 있어서 최적의 것으로 할 수 있다.

또한, 막 엘리먼트(2)에서는, 강성 부재(32) 위에 가스켓(34)이 적재되어 있고, 이 강성 부재(32)는 기체의 급기측과 배기측이 구획되는 플리츠 성형체(26)의 접힘부(31)에 교차하는 방향에 있어서, 보강 프레임(27)에 맞닿아 지지되어 있다. 이와 같이, 강성 부재(32)를 보강 프레임(27)에 맞닿아 지지하도록 배치함으로써, 강성 부재(32)의 강성을 확보할 수 있다. 그리고, 강성 부재(32)에 대한 응력이 플리츠 성형체(26)에 배분되는 일없이 보강 프레임(27)에 배분되기 때문에, 막 엘리먼트(2) 전체의 강성을 확보할 수 있다. 따라서, 급기 영역과 배기 영역을 구획할 때에, 이 강성 부재(32)가 힘을 받아도, 보강 프레임(27)에 지지되어 있기 때문에, 플리츠 성형체(26)의 변형이 보다 방지되기 때문에, 기체 유로의 변형이 없고, 더욱 충분한 접촉압을 확보할 수 있다. 그 결과, 막 엘리먼트(2)의 기체 분리 성능을 한층 더 향상시킬 수 있다.

이에 더하여, 이 강성 부재(32)에 의해서 가스켓(34)에 부여되는 힘 및 플리츠 성형체(26)에 밀접한 탄성 에폭시 수지 접착제(S)에 대한 힘을 받음으로써, 플리츠 성형체(26)의 휘어짐이 방지되기 때문에, 가스켓(34)을 직접 플리츠 성형체(26)에 맞닿게 하는 구성에 비교하여 충분한 접촉압을 확보할 수 있다.

또한, 본 실시형태에서는, 강성 부재(32)의 길이방향을 따라서 연장하고, 플리츠 성형체(26)의 높이 방향에 있어서 강성 부재(32)에 대하여 세워져 설치되는 리브부(33a, 33b)를 구비하고 있다. 이와 같이, 강성 부재(32)를 따라서 리브부(33a, 33b)를 설치함으로써, 강성 부재(32)의 휘어짐을 방지할 수 있고, 그 결과, 플리츠 성형체(26)의 휘어짐이 더욱 방지된다. 따라서, 보다 충분한 접촉압을 확보할 수 있기 때문에, 숏컷을 더 방지할 수 있다.

도 10은 종래의 기체 분리 장치의 단면도이다. 도 10에 나타내는 바와 같이, 종래의 기체 분리 장치(50)는, 상면끼리가 대면 배치된 두 개의 막 엘리먼트(52, 53)와, 두 개의 막 엘리먼트(52, 53)를 하면측으로부터 협지하는 한 쌍의 압력 플레이트(54, 55)와, 막 엘리먼트(52, 53)의 상면 1차측에 혼합 기체를 공급 또는 배출하는 파이프(56, 57)와, 막 엘리먼트(52, 53)의 기체 분리막을 투과하여 배출된 기체를 방출하는 2차측 유로(58, 59)를 구비하여 구성되어 있다. 또한, 급기 영역과 배기 영역을 이격하는 유로 제어 수단(62)을 갖고 있다.

이 기체 분리 장치(50)에 있어서, 급기측의 파이프(56)를 유동하는 혼합 기체가 막 엘리먼트(52, 53)의 1차측에 공급될 때에, 또한, 막 엘리먼트(52, 53)의 1차측의 영역을 유동하는 혼합 기체가 배기측의 파이프(57)에 배출될 때에, 슬릿형의 좁은 통로(60, 61)를 빠져나올 필요가 있고, 수축류, 확산류가 발생하여 압력 손실이 높아질 우려가 있다. 또한, 급기측의 파이프(56)를 유동하는 혼합 기체가 막 엘리먼트(52, 53)의 1차측에 공급될 때에, 또한, 막 엘리먼트(52, 53)의 1차측의 영역을 유동하는 혼합 기체가 배기측의 파이프(57)에 배출될 때에, 혼합 기체가 유동하는 경로가 굴곡되어 있기 때문에, 소용돌이류가 발생할 우려가 있었다. 그 때문에, 압력 손실이 커지기 쉽고, 기체의 분리, 농축 효율의 저하를 초래하기 쉬웠다.

이에 더하여, 기체 분리 장치(50)에서는, 유로 제어 수단(스폰지부)(62)과 플리츠 성형체는 기계적으로 접촉하기 때문에, 급기측의 파이프(56)에서 도입된 기체의 일부가, 플리츠 성형체와 유로 제어 수단(62) 사이를 숏컷(단락)한다. 그에 따라, 기체 분리 성능이 손상된다.

또한, 유로 제어 수단(62)은 장기간 사용에 의해 기계적 강도가 저하되어, 시일성이 악화되기 때문에, 기체 분리 성능이 시간 경과적으로 저하되게 된다. 또한, 유로 제어 수단(62)으로부터 플리츠 성형체로의 응력에 의해서 플리츠가 변형하기 때문에, 플리츠 입구나 내부의 압력 손실이 증대하고 기체 분리 성능도 저하한다.

이것에 대하여, 기체 분리 장치(1)에서는, 1차측 통로(P1)와 2차측 통로(P2)가 막 엘리먼트(2)를 끼우도록 하여 대향 배치되어 있다. 이러한 구성에 의해, 1차측 통로(P1)를 유동하는 혼합 기체가 막 엘리먼트(2)의 1차측에 공급될 때에 통과하는 1차측 연통부(L1)는 1차측 통로(P1)에 대응한 형상으로 할 수 있다. 또한, 막 엘리먼트(2)의 2차측으로부터 배출된 특정 기체 및 소기용 기체가 2차측 통로(P2)에 배출될 때에 통과하는 2차측 연통부(L2)도, 2차측 통로(P2)에 대응한 형상으로 할 수 있다.

그 때문에, 혼합 기체를 공급하는 파이프(56, 57)가 상하로 나란한 두 개의 막 엘리먼트(52, 53)의 좌우에 배치되어 있는 종래의 구성, 즉 기체가 좁은 통로(60, 61)를 통과하여 굴곡하여 막 엘리먼트(52, 53)에 공급, 또한 막 엘리먼트(52, 53)로부터 배출되는 구성에 비교하여 1차측 연통부(L1) 및 2차측 연통부(L2)를 통과할 때의 수축류, 확장류 및 소용돌이류의 발생을 억제할 수 있다. 그 결과, 압력 손실의 저감 및 기체 분리 성능의 향상을 도모하는 것이 가능해진다.

기체 분리 장치(1)에서는, 1차측 연통부(L1) 및 2차측 연통부(L2)와 막 엘리먼트(2)의 개방 영역(R1, R2)의 폭의 비는 자유롭게 설계 가능하다. 그러나, 도 10에 나타내는 종래의 기체 분리 장치(50)에서는, 통로(60)는 막 엘리먼트(52)의 급기 영역보다도 좁아지고, 통로(61)는 막 엘리먼트(52)의 배기 영역보다도 좁아진다. 즉, 종래의 기체 분리 장치에서는, 급기측(또는 배기측)의 연통부의 직경이, 막 엘리먼트의 급기 영역(또는 배기 영역)보다 좁고, 압력 손실이 생기기 쉽다. 그에 따라, 본 발명의 기체 분리 장치(1)는 상기 구성에 의해, 종래의 기체 분리 장치(50)에 비교하여 압력 손실의 저감을 도모할 수 있다. 이에 따라, 기체의 분리·농축의 효율 향상을 도모할 수 있다.

또한, 도 10에 나타내는 종래의 기체 분리 장치(50)에서는, 혼합 기체를 공급 또는 배출하는 파이프(56, 57)가 막 엘리먼트(52, 53)의 좌우에 돌출하여 설치되어 있다. 이에 따라, 폭방향의 치수가 커지고, 그리고 파이프(56, 57)와 막 엘리먼트(52, 53)와의 간극에 쓸데없는 스페이스가 형성된다. 그 때문에, 기체 분리 장치(50)가 배치되는 예를 들어 엔진 룸에 있어서, 파이프(56, 57)가 돌출되어 있는 만큼의 스페이스의 확보가 필요해진다. 이것에 대하여, 기체 분리 장치(1)에서는, 1차측 통로(P1) 및 2차측 통로(P2)가 막 엘리먼트(2)를 끼우도록 하여 대향 배치된 구성을 채용하고 있기 때문에, 종래의 기체 분리 장치(50)와 같이 혼합 기체를 공급하는 파이프(56, 57)가 막 엘리먼트(52, 53)의 좌우에 돌출하는 일없이, 막 엘리먼트(2)의 폭방향의 치수 내에 1차측 통로(P1) 및 2차측 통로(P2)를 넣을 수 있다. 따라서, 압력 손실의 저감을 도모하면서, 컴팩트화(용적의 축소화)를 도모할 수 있다. 이에 따라, 예를 들어 선박 등의 한정된 엔진 스페이스에 배치하는 것이 가능해진다.

또한, 본 실시형태에서는, 1차측 공급부(K1)은, 1차측이 대면하도록 배치된 한 쌍의 막 엘리먼트(2)의 사이에 끼워져 있고, 한 쌍의 막 엘리먼트(2)의 2차측에는 2차측 통로(P2)가 1차측 통로(P1)와 대향 배치하도록 한 쌍의 2차측 배출부(K2)가 설치되어 있다. 이에 따라, 1차측 공급부(K1)을 중심으로 하여, 막 엘리먼트(2), 2차측 배출부(K2)가 이 순서로 각각 설치되게 된다. 즉, 1차측 공급부(K1)에 도입된 혼합 기체는, 2개의 막 엘리먼트(2)에 의해 분리·농축이 행해지게 된다. 그 때문에, 기체의 분리·농축의 효율의 향상을 도모할 수 있다.

또한, 1차측 통로(P1)의 내부의 직경은, 1차측 통로(P1)에서의 도입관(14) 및 배출관(15)의 내부 직경과 대략 동일한 직경이기 때문에, 도입관(14)으로부터 1차측 통로(P1)에 혼합 기체가 도입될 때, 및 배출관(15)으로부터 특정 기체가 분리된 후의 혼합 기체가 배출될 때에 발생하는 수축류나 확산류 등을 억제할 수 있다. 따라서, 압력 손실의 저감을 더 도모할 수 있다.

또한, 기체 분리 장치(1)에서는, 1차측 통로(P1) 및 2차측 통로(P2)가 막 엘리먼트(2)를 끼우도록 하여 대향 배치된 구성을 채용하고 있기 때문에, 종래의 기체 분리 장치와 같이 혼합 기체를 공급하는 파이프가 막 엘리먼트의 좌우에 돌출되어 있지 않고, 막 엘리먼트의 폭방향의 치수 내에 1차측 통로(P1) 및 2차측 통로(P2)를 넣을 수 있다.

또한, 종래의 기체 분리 장치에 있어서, 수축류 및 확산류의 발생을 억제하여, 본 발명의 기체 분리 장치와 동등한 압력 손실의 저감을 도모하도록 슬릿형의 통로의 개구를 크게 형성한 경우에는, 높이 방향의 치수가 커진다. 이에 대하여, 기체 분리 장치(1)에서는, 압력 손실의 저감을 도모하면서 컴팩트화를 도모할 수 있다.

[제2 실시형태]

계속해서, 제2 실시형태에 따른 막 엘리먼트에 대해서 설명한다. 도 11은 제2 실시형태에 따른 막 엘리먼트가 탑재된 기체 분리 장치의 횡단면도이다. 도 11에 나타내는 바와 같이, 기체 분리 장치(1A)에 탑재된 제2 실시형태의 막 엘리먼트(2A)는 가스켓(35)의 형상이 제1 실시형태와 상이하다.

구체적으로는, 도 11에 나타내는 바와 같이, 막 엘리먼트(2A)에 있어서의 가스켓(35)은 단면 오목형을 이루고 있다. 이 가스켓(35)은 강성 부재(32)에 적재되어 있고, 길이 방향을 따라서 홈(36)이 설치되어 있다. 이 가스켓(35)의 홈(36)의 폭치수는 본체부(4)의 파티션부(12) 및 덮개부(5, 6)의 파티션부(18, 19)의 폭치수와 동등하게 되어 있다. 이에 따라, 가스켓(35)의 홈(36)에는 본체부(4)의 파티션부(12) 및 덮개부(5, 6)의 파티션부(18, 19)가 밀접하여 삽입되어 있다.

이러한 구성을 갖는 막 엘리먼트(2A)라도, 제1 실시형태의 막 엘리먼트(2)와 동일하게, 가스켓(35)이 강성 부재(32)에 적재되어 있고, 강성 부재(32)와 플리츠 성형체(26) 사이에 탄성 에폭시 수지 접착제(S)가 설치되어 있다. 이에 따라, 플리츠 성형체(26)의 양면측의 개방 영역(R1, R2)에서의 기체의 급기측(상류측)과 배기측(하류측)을 확실하게 시일할 수 있고, 기체의 숏컷을 방지하는 것이 가능해진다. 그 결과, 기체 분리 성능의 향상을 도모할 수 있다.

[제3 실시형태]

계속해서, 제3 실시형태에 따른 막 엘리먼트에 대해서 설명한다. 도 12는, 제3 실시형태에 따른 막 엘리먼트가 탑재된 기체 분리 장치의 단면도이다. 도 12에 나타내는 바와 같이, 기체 분리 장치(1B)에 탑재된 제3 실시형태의 막 엘리먼트(2B)는, 가스켓(37)의 형상이 제1 및 제2 실시형태와 상이하다.

구체적으로는, 도 12에 나타내는 바와 같이, 막 엘리먼트(2B)에서의 가스켓(37)은, 단면 T 자형을 이루고 있다. 이 가스켓(37)은 강성 부재(32)에 적재되는 적재부(37a)와, 이 적재부(37a)에 대하여 세워져 설치되는 입설부(立設部)(37b)로 구성되어 있다. 그리고, 입설부(37b)의 선단부는, 적재부(37a)측으로부터 위쪽이 됨에 따라서 폭치수가 커지고 있다.

이러한 가스켓(37)에 대하여, 본체부(4A) 및 덮개부(5A, 6A)에는, 가스켓(37)에 대응하는 파티션부(38a, 38b, 39a, 39b, 40a, 40b)가 설치되어 있다. 구체적으로는, 본체부(4A)에는 칸막이 판(8)에 교차하는 방향으로 한 쌍의 파티션부(38a, 38b)가 설치되어 있다. 이 한 쌍의 파티션부(38a, 38b)끼리의 간격은, 가스켓(34)의 입설부(37b)의 선단부의 폭치수와 동등하게 되어 있다. 마찬가지로, 덮개부(5A, 6A)에는, 그 내측에 한 쌍의 파티션부(39a, 39b, 40a, 40b)가 설치되어 있고, 파티션부(39a, 39b, 40a, 40b)끼리의 간격은, 가스켓(34)의 입설부(37b)의 선단부의 폭치수와 동등하게 되어 있다. 따라서, 가스켓(37)은 파티션부(38a, 38b, 39a, 39b, 40a, 40b)와 밀접하고 있다.

이러한 구성을 갖는 막 엘리먼트(2B)라도, 제1 실시형태의 막 엘리먼트(2)와 동일하게, 가스켓(37)이 강성 부재(32)에 적재되어 있고 강성 부재(32)와 플리츠 성형체(26) 사이에 탄성 에폭시 수지 접착제(S)가 설치되어 있다. 이에 따라, 플리츠 성형체(26)의 양면측의 개방 영역(R1, R2)에서의 기체의 급기측(상류측)과 배기측(하류측)을 확실하게 시일할 수 있어, 기체의 숏컷을 방지하는 것이 가능해진다. 그 결과, 기체 분리 성능의 향상을 도모할 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 실시형태로 한정되지 않는다. 예를 들어 상기 실시형태에서는, 기체 분리 장치(1)에 있어서, 본체부(4)에 상하 한 쌍의 덮개부(5, 6)가 설치된 하우징(3)에 막 엘리먼트(2)가 수용되어 있지만, 막 엘리먼트(2)가 수용되는 하우징은, 예를 들어 도 13에 나타내는 바와 같은 구성이라도 좋다.

도 13은 변형예에 따른 기체 분리 장치의 외관을 나타내는 사시도이다. 도 13에 나타내는 바와 같이, 기체 분리 장치(1C)에 있어서의 하우징(3B)은, 본체부(4B)와, 덮개부(5B)에 의해서 구성되어 있다. 즉, 상기 실시형태의 기체 분리 장치(1)에서는, 1차측 통로(P1)를 사이에 끼우도록 2개의 막 엘리먼트(2)가 배치되고, 그 상하 방향으로 2차측 통로(P2)가 대향하여 배치되는 구성으로 되어 있지만, 기체 분리 장치(1)에서는, 1차측 통로를 형성하는 본체부(4B)에 막 엘리먼트(도시하지 않음)가 배치되고, 그 상부에 2차측 통로를 형성하는 덮개부(5B)가 배치되는 구성으로 되어 있다. 이에 따라, 기체 분리 장치(1C)는, 높이 방향이 기체 분리 장치(1)에 비교하여 컴팩트하게 되어 있다. 한편, 본체부(4B), 덮개부(5B), 1차측 통로, 2차측 통로 및 막 엘리먼트의 구성에 대해서는, 상기 실시형태와 동일한 구성을 갖고 있다. 이 기체 분리 장치(50)에서도, 기체 분리 장치(1)와 동일한 작용 효과를 나타낸다.

또한, 상기 실시형태에서는, 본체부(4)에 있어서, 도입관(14) 및 배출관(15)이 병설되어 있지만, 도입관(14) 및 배출관(15)의 부착 위치는 이것으로 한정되지 않는다. 예를 들어 도 14에 나타내는 바와 동일한 구성이라도 좋다.

도 14는 변형예에 따른 본체부의 상면도이다. 도 14에 나타내는 바와 같이, 본체부(4C)에 있어서, 도입관(14)은 본체부(4C)의 내벽(9c)측에 설치되어 있고, 배출관(41)은 본체부(4C)의 내벽(9d)측에 설치되어 있다. 즉, 도입관(14) 및 배출관(41)은 본체부(4C)의 길이 방향에 있어서, 개구가 상호 반대의 방향을 향하도록 본체부(4C)에 설치되어 있다.

또한, 상기 실시형태에서는, 덮개부(5, 6)에 있어서, 도입관(22, 23) 및 배출관(24, 25)이 병설되어 있지만, 도입관(22, 23) 및 배출관(24, 25)의 부착 위치는 이것으로 한정되지 않는다. 예를 들어 도 15에 나타내는 바와 동일한 구성이라도 좋다.

도 15는, 변형예에 따른 덮개부의 상면도이다. 도 15에 나타내는 바와 같이, 덮개부(5C)에 있어서, 도입관(22)은, 덮개부(5C)의 내벽(43a)측에 설치되어 있고, 배출관(42)은 덮개부(5C)의 내벽(43b)측에 설치되어 있다. 즉, 도입관(22) 및 배출관(42)은, 덮개부(5C)의 길이 방향에 있어서, 개구가 서로 반대의 방향을 향하도록 덮개부(5C)에 설치되어 있다.

이상과 같은 구성의 기체 분리 장치는, 배출관으로부터 배출되는 특정 기체(산소)를 분리한 후의 혼합 기체의 배출되는 방향, 및 배출관으로부터 배출되는 특정 기체를 동반하는 소기용 기체의 배출되는 방향이 기체 분리 장치(1)와 상이할 뿐이고, 기체 분리 장치(1)와 동일한 작용 효과를 나타낸다. 한편, 이상과 같은 구성은, 기체 분리 장치가 배치되는 예를 들어 엔진 룸의 형상에 의해서 적절하게 변경되게 된다.

또한, 가스켓으로서는, O-링을 사용할 수도 있다. 즉, 가스켓은, 보강 프레임(27)의 개방 영역(R1, R2)에 있어서 기체의 급기측과 배기측을 구획하여 플리츠 성형체(26)의 내부를 통과하는 통로를 형성하는 것이면 좋다.

또한, 상기 실시형태에서는, 강성 부재(32), 가스켓(34) 및 밀봉부로서의 탄성 에폭시 수지 접착제(S)가 각각 별도로 설치되어 있지만, 강성 부재(32)에 가스켓(34) 및 탄성 에폭시 수지 접착제(S)가 밀착하여 일체화된 것이어도 좋다.

또한, 상기 실시형태에서, 기체 분리 장치(1)는, 혼합 기체인 공기를 막 엘리먼트(2)의 플리츠 성형체(26)에 있어서 기체 분리막(29)을 투과시키고, 특정 기체인 산소를 선택 투과시킴으로써 질소 부화 공기를 배기하고, 소기용 기체를 급기하여 산소 부화 공기를 배기하고 있지만, 기체 분리 장치(1)는, 가습 장치로서 이용되어도 좋다. 구체적으로는, 예를 들어 막 엘리먼트(2)의 일차측을 습윤측 유로, 이차측을 건조측 유로로 하고, 수증기를 막 엘리먼트(2)에 투과시킴으로써 기체의 가습 및 제습을 행한다.

도 16은, 변형예에 따른 기체 분리 장치의 외관을 나타내는 사시도이다. 도 17은, 도 16에 나타내는 기체 분리 장치의 단면 사시도이며, 도 18은 도 16에 나타내는 기체 분리 장치의 분해 사시도이다.

도 16 및 도 17에 나타내는 바와 같이, 기체 분리 장치(1D)에서는, 본체부(4D)와 덮개부(5D)가 접착되고, 하우징(3D)이 일체로 되어 있다. 그리고, 도 18에 나타내는 바와 같이, 강성 부재(32)는 홈을 갖고 있고, 덮개부(5D) 또는 본체부(4D)의 파티션부와 접착 또는 융착되어 있다. 그 때문에, 가스켓이 불필요해진다. 이러한 구성으로 함으로써, 컴팩트한 기체 분리 장치를 실현할 수 있다.

도 16∼도 18에서 나타내는 기체 분리 장치(1D)는, 도 19에서 나타내는 기체 분리 시스템(113)에 내장할 수 있다. 도 19에 나타내는 기체 분리 시스템(113)에서는, 급기관(111)으로부터 각 기체 분리 장치(1D)의 도입관에 기체가 도입되어 기체 분리가 행해진다. 그리고, 각 기체 분리 장치(1D)의 배출관으로부터 배출된 기체는 배기관(112)으로 보내진다.

이 기체 분리 시스템(113)은, 대량의 기체를 기체 분리하는 경우에 적합하다. 예를 들어 선박 등의 대형의 디젤 엔진에 질소 부화 공기를 공급하기 위해서 행하는 기체 분리 등에 적합하다.

또한, 이 기체 분리 시스템(113)에서는 기체 분리 장치(1D)의 교환이 용이하다. 기체 분리 장치(1D)의 도입관 및 배출관이 캐비티형(코어형) 연결구이며, 기체 분리 시스템이 코어형(캐비티형) 연결구를 갖고 있음으로써 원터치로 착탈 가능해진다.

또한, 일반적으로, 기체 분리를 행할 때, 기체 분리 장치 내(하우징 내)는 가압되어 있기 때문에, 하우징이 팽창한다. 이 기체 분리 시스템(113)에서는, 프레임 내에 기체 분리 장치(1D)가 삽입되어 있기 때문에, 기체 분리 장치(1D)의 팽창을 프레임에 의해서 억제할 수 있다. 그 때문에, 하우징은 강고한 부재가 아니라도 좋고, 유연 부재로 제작할 수 있다.

실시예

다음으로, 실시예 및 비교예를 들어 본 실시형태를 보다 구체적으로 설명하지만, 본 실시형태는 그 요지를 넘지 않는 한, 하기의 실시예로 한정되지 않는다.

[실시예 1]

도 20에 나타내는 기체 분리 시스템(81)을 운전하여, 공기로부터 질소 부화된 공기를 생성하였다. 도 20에 나타내는 기체 분리 시스템(81)은 막 엘리먼트(2)를 장전한 기체 분리 장치(1)를 갖고 있다. 기체 분리 장치(1)로서는, 도 13에 나타낸 기체 분리 장치를 이용하였다.

우선, 기체 분리 시스템(81)의 운전 방법에 대해서 설명한다. 기체 분리 장치(1)의 도입관으로부터 도입되는 공기(F1)는, 막 엘리먼트(2)의 급기측을 통과하여 배기측에 도달하고, 기체 분리 장치(1)의 배출관으로부터 배출된다. 그리고, 공기가 막 엘리먼트(2)를 통과하는 사이에 기체 분리가 행해지고, 산소가 기체 분리막의 반대측으로 확산·투과한다. 그리고, 기체 분리 장치(1)의 배출관으로부터는, 산소가 삭감된 공기인 질소 부화 공기(F2)가 배출된다.

또한, 소기용 기체의 도입관으로부터 도입되는 공기(F3)는, 기체 분리막을 투과·확산한 산소를 동반하여, 소기용 기체의 배출관으로부터 산소 부화 공기(F4)로서 배출된다. 소기용 기체의 도입관으로는, 펌프(82)로부터 소기용 기체가 공급된다.

다음에, 막 엘리먼트에 대해서 설명한다. 막 엘리먼트(2)로서는, 도 4에서 나타나는 막 엘리먼트(2)를 이용하였다.

기체 분리막으로서는, 지지층으로서, 부직포 상에 폴리에테르술폰 미다공막을 형성시킨 두께 90 ㎛의 평막에, 불소 수지인「테플론(등록상표) AF1600」(듀퐁사 제조)를 코팅한 것을 사용하였다. 또한, 통기성 보강재(도 7 참조)로서, 교점 융착쪽의 폴리에스테르멀티필라멘트로 작성한 평직 스페이서를 이용하고, 기체 분리막을 통기성 보강재로서 사이에 끼워 플리츠 가공 장치에서 플리츠 가공을 행하였다.

기체 분리막의 플리츠 성형체를 폴리카보네이트 보강 프레임으로 둘러싸고, 에폭시 수지로 원심법에 의해 시일하였다. 그리고, 밀봉부로서 탄성 에폭시 수지 접착제를 이용하고, 강성 부재로서 에폭시 수지를 이용하여, 막 엘리먼트를 작성하였다. 강성 부재 위에 리브를 세우고, 강성 부재와 보강 프레임 상에 가스켓으로서 O링을 배치하여, 막 엘리먼트를 작성하였다.

계속해서, 기체 분리 장치의 기체 분리 성능의 평가에 대해서 설명한다. 기체 분리 장치(1)의 배출관으로부터 배출된 질소 부화 공기의 압력과 유량과 산소 농도를, 압력계(83), 유량계(84), 산소 농도계(85)를 사용하여 측정하였다. 산소 농도계(85)는 지코사 제조, JKO-25 LJII 이용하였다. 또한, 기체 분리 장치에 도입하는 공기는, 산소 농도 20.9%, 200 kPaG(게이지압), 실온이다. 이 결과를 표 1에 나타낸다.

[실시예 2]

기체 분리막의 지지층으로서, 부직포상에 폴리올레핀계 미다공막을 형성시킨 두께 20 ㎛의 평막을 사용한 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 막 엘리먼트를 작성하였다. 그 결과를 표 1에 나타낸다.

[비교예 1]

기체 분리 장치로서, 도 10에서 나타낸 기체 분리 장치(50)를 이용한 것 이외에는, 실시예 1과 동일한 조건으로 운전을 행하였다. 그 결과를 표 1에 나타낸다.

도 10에서 나타난 기체 분리 장치에서는, 실시예 1과 동일한 기체 분리막의 플리츠 성형체를 이용하고 있다. 유로 제어 수단(62)(도 10 참조)으로서는 우레탄성 독립 기포형 스폰지를 이용하였다.

	산소 농도 (％)	급기 압력 (kPaㆍG)	배기 압력 (kPaㆍG)
실시예1	19.2	200	195
실시예2	19.2	200	195
비교예1	20.2	200	180

실시예 1에 비교하여 비교예 1에서는, 질소 부화 공기의 수량이 저하되어 질소 부화 공기 중의 산소 농도가 내려가지 않았다. 이에 더하여, 실시예 1에 비교하여 비교예 1에서는 압력 손실이 컸다.

1 : 기체 분리 장치, 2 : 막 엘리먼트
26 : 플리츠 성형체, 27 : 보강 프레임
32 : 강성 부재, 33a, 33b : 리브부(리브)
B : 급기구(급기 영역), F : 가상면
E : 배기구(배기 영역), R1, R2 : 개방 영역
S : 탄성 에폭시 수지 접착제(밀봉부)

Claims

시트형의 기체 분리막 기재를 접어 형성된 플리츠(pleat) 성형체와, 상기 플리츠 성형체의 양면측을 개방하여 상기 플리츠 성형체를 둘러싸는 보강 프레임을 구비한 막 엘리먼트로서,
상기 보강 프레임으로 둘러싸인 상기 플리츠 성형체의 개방된 영역의 적어도 한 쪽에 있어서, 상기 플리츠 성형체의 접힘부에 교차하는 방향으로 배치되는 강성 부재와,
상기 강성 부재와 상기 플리츠 성형체 사이에 설치되는 밀봉부를 갖고,
상기 개방된 영역은 상기 밀봉부에 의해서 기체의 급기 영역과 배기 영역으로 구획되어 있는 것을 특징으로 하는 막 엘리먼트.
제1항에 있어서, 상기 밀봉부는 접착제 또는 시일제인 것을 특징으로 하는 막 엘리먼트.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 플리츠 성형체의 상기 개방된 영역에 있어서, 복수의 접힘부의 꼭대기부가 배치된 가상면을 가정한 경우에, 상기 밀봉부는 상기 가상면을 따라서 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 막 엘리먼트.
제3항에 있어서, 상기 밀봉부는 상기 가상면을 따라서 면형으로 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 막 엘리먼트.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 밀봉부는, 상기 플리츠 성형체의 접힘부 방향으로 상기 보강 프레임을 향하여 상기 강성 부재보다 넓은 폭을 가지도록 설치되어 있고,
상기 급기 영역 및 상기 배기 영역은, 상기 개방된 영역의 상기 접힘부 방향의 양측에 있어서, 상기 보강 프레임과 상기 밀봉부에 의해 상기 접힘부에 교차하는 방향을 따라서 각각 구획되어 있는 것을 특징으로 하는 막 엘리먼트.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 밀봉부의 면적은 상기 개방된 영역에 있어서 5%∼95%인 것을 특징으로 하는 막 엘리먼트.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 강성 부재는 상기 보강 프레임에 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 막 엘리먼트.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 강성 부재의 길이 방향으로 연장되고, 상기 플리츠 성형체의 높이 방향에 있어서 상기 강성 부재에 대하여 세워져 설치되는 리브를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 막 엘리먼트.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 강성 부재 및 상기 밀봉부는, 상기 보강 프레임으로 둘러싸인 상기 플리츠 성형체의 개방된 영역의 양쪽에 설치되어 있고,
상기 개방된 영역은, 상기 밀봉부에 의해서 기체의 급기 영역과 배기 영역으로 구획되어 있는 것을 특징으로 하는 막 엘리먼트.
제1항 또는 제2항에 기재된 막 엘리먼트를 구비하는 것을 특징으로 하는 기체 분리 장치.
제10항에 기재된 기체 분리 장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 내연 기관.