WO2011037255A1 - 膜エレメント、気体分離装置及び内燃機関 - Google Patents

膜エレメント、気体分離装置及び内燃機関 Download PDF

Info

Publication number
WO2011037255A1
WO2011037255A1 PCT/JP2010/066824 JP2010066824W WO2011037255A1 WO 2011037255 A1 WO2011037255 A1 WO 2011037255A1 JP 2010066824 W JP2010066824 W JP 2010066824W WO 2011037255 A1 WO2011037255 A1 WO 2011037255A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
gas separation
membrane element
gas
membrane
molded body
Prior art date
Application number
PCT/JP2010/066824
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
雅弘 塚本
清水　敦
Original Assignee
旭化成ケミカルズ株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 旭化成ケミカルズ株式会社 filed Critical 旭化成ケミカルズ株式会社
Priority to KR1020127007874A priority Critical patent/KR101517268B1/ko
Priority to CN201080043064.XA priority patent/CN102574065B/zh
Priority to JP2011533077A priority patent/JP5619755B2/ja
Priority to BR112012006434-7A priority patent/BR112012006434B1/pt
Priority to EP10818925.9A priority patent/EP2484430B1/en
Priority to US13/498,478 priority patent/US9101873B2/en
Publication of WO2011037255A1 publication Critical patent/WO2011037255A1/ja

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/22—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by diffusion
    • B01D53/228—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by diffusion characterised by specific membranes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D46/00—Filters or filtering processes specially modified for separating dispersed particles from gases or vapours
    • B01D46/54—Particle separators, e.g. dust precipitators, using ultra-fine filter sheets or diaphragms
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/22—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by diffusion
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/34—Chemical or biological purification of waste gases
    • B01D53/92—Chemical or biological purification of waste gases of engine exhaust gases
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D63/00—Apparatus in general for separation processes using semi-permeable membranes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D63/00—Apparatus in general for separation processes using semi-permeable membranes
    • B01D63/08—Flat membrane modules
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D63/00—Apparatus in general for separation processes using semi-permeable membranes
    • B01D63/14—Pleat-type membrane modules
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D65/00—Accessories or auxiliary operations, in general, for separation processes or apparatus using semi-permeable membranes
    • B01D65/003—Membrane bonding or sealing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D69/00—Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by their form, structure or properties; Manufacturing processes specially adapted therefor
    • B01D69/10—Supported membranes; Membrane supports
    • B01D69/107—Organic support material
    • B01D69/1071—Woven, non-woven or net mesh
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M25/00—Engine-pertinent apparatus for adding non-fuel substances or small quantities of secondary fuel to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture
    • F02M25/10—Engine-pertinent apparatus for adding non-fuel substances or small quantities of secondary fuel to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture adding acetylene, non-waterborne hydrogen, non-airborne oxygen, or ozone
    • F02M25/12—Engine-pertinent apparatus for adding non-fuel substances or small quantities of secondary fuel to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture adding acetylene, non-waterborne hydrogen, non-airborne oxygen, or ozone the apparatus having means for generating such gases
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2256/00—Main component in the product gas stream after treatment
    • B01D2256/12—Oxygen
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2257/00—Components to be removed
    • B01D2257/10—Single element gases other than halogens
    • B01D2257/102—Nitrogen
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2259/00—Type of treatment
    • B01D2259/45—Gas separation or purification devices adapted for specific applications
    • B01D2259/4566—Gas separation or purification devices adapted for specific applications for use in transportation means
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2313/00—Details relating to membrane modules or apparatus
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2313/00—Details relating to membrane modules or apparatus
    • B01D2313/02—Specific tightening or locking mechanisms
    • B01D2313/025—Specific membrane holders
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2313/00—Details relating to membrane modules or apparatus
    • B01D2313/20—Specific housing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2313/00—Details relating to membrane modules or apparatus
    • B01D2313/20—Specific housing
    • B01D2313/203—Open housings
    • B01D2313/2031—Frame or cage-like structures
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D69/00—Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by their form, structure or properties; Manufacturing processes specially adapted therefor
    • B01D69/10—Supported membranes; Membrane supports
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D71/00—Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by the material; Manufacturing processes specially adapted therefor
    • B01D71/06—Organic material
    • B01D71/30—Polyalkenyl halides
    • B01D71/32—Polyalkenyl halides containing fluorine atoms
    • B01D71/36—Polytetrafluoroethene
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present invention relates to a membrane element, a gas separation device, and an internal combustion engine.
  • gas separation devices are used in incinerators, air conditioners, diesel engines, and the like.
  • the gas separation device can generate nitrogen-enriched gas and oxygen-enriched gas by allowing oxygen to permeate through the membrane element in the air containing oxygen and nitrogen. Further, in the gas separation device, gas can be humidified and dehumidified by allowing water vapor to pass through the membrane element.
  • a gas separation device in a combustion furnace can be used to suppress the generation of dioxins or increase the combustion efficiency. Specifically, it is considered that oxygen in the air is permeated through a gas separation membrane to generate oxygen-enriched air, which is introduced into a combustion furnace to raise the combustion temperature, thereby suppressing dioxin generation. It is done. In addition, even low-calorie fuel can be burned at a predetermined temperature by using oxygen-enriched air.
  • a gas separation device can be used to introduce nitrogen-enriched air into the combustion furnace to suppress nitrogen oxides.
  • Nitrogen-enriched air can be generated by removing oxygen in the air through a gas separation membrane.
  • Gas separators in air conditioners have been used to separate air into oxygen and nitrogen and introduce oxygen-enriched air into the room. It has also been used to perform humidification or dehumidification by allowing water vapor to pass through the membrane.
  • EGR method exhaust gas circulation method
  • a gas separating device by supplying the nitrogen-enriched air to the combustion chamber, and a method of reducing nitrogen oxides (NO X). Furthermore, a method of lowering the combustion temperature by supplying humidified air to the combustion chamber is also effective.
  • the gas separation device can also be used as a device that generates nitrogen-enriched air or humidified air having a low oxygen concentration.
  • Patent Document 1 discloses a flat pleated membrane element and a gas separation device using the membrane element.
  • the membrane element described in Patent Document 1 has a configuration in which a reinforcing frame is arranged on the outer side of a pleated molded body obtained by pleating a gas separation membrane.
  • a plate having an air supply port and an exhaust port is used in a housing that houses the membrane element.
  • a mixed gas is supplied to two membrane elements whose upper surfaces face each other, a pair of pressure plates that sandwich the two membrane elements from the lower surface side, and an upper surface primary side of the membrane element.
  • a gas separation device includes a pipe that discharges and a secondary flow path that discharges gas discharged from the lower surface side through the membrane element.
  • pipes for supplying a mixed gas are arranged on the left and right of two membrane elements arranged vertically, and the mixed gas flowing through the pipe on the supply side passes through a narrow slit-shaped passage. Then, it is supplied to the primary flow path of the membrane element and further discharged to the exhaust side pipe through a slit-like narrow passage.
  • the partition between the air supply region and the exhaust region is not sufficient, and a gas shortcut (short circuit) occurs from the air supply side to the exhaust side. there were.
  • the members forming the compartments of the air supply region and the exhaust region are physically or chemically deteriorated with time, there is a problem that the gas separation performance causes a decrease in performance with time.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a membrane element, a gas separation device, and an internal combustion engine that can improve gas separation performance.
  • At least one of the open regions of the pleated molded body surrounded by the reinforcing frame has a rigid member arranged in a direction intersecting with the fold of the pleated molded body, and is surrounded by the reinforcing frame and opened.
  • the portion thus formed is divided into a gas supply region and an exhaust region by a sealing portion provided between the rigid member and the pleated molded body.
  • the sealing part is an adhesive or a sealant.
  • the adhesive or sealant is preferably a material that has flexibility enough to follow the deformation even if the pleated molded body is deformed by stress, does not substantially flow, and can relieve stress.
  • the sealing portion is preferably provided along the virtual surface. According to such a configuration, a gas shortcut can be prevented.
  • the sealing portion is provided in a planar shape along the virtual plane. According to such a structure, since the sealing part does not enter deeply between the folded gas separation membrane substrates, it is possible to prevent the gas separation performance from being deteriorated by the sealing part.
  • the sealing portion is provided so as to extend from the rigid member toward the reinforcement frame in the crease direction of the pleated molded body, and the air supply region and the exhaust region are formed on both sides of the open region in the crease direction with the reinforcement frame. It is preferable that each of the sealing portions is defined along a direction intersecting the crease. According to such a configuration, the air supply region and the exhaust region are defined on both sides of the open region of the pleated molded body, so that sealing performance can be ensured. In addition, it is possible to ensure a long path for the gas to be separated to travel through the gas separation membrane substrate. Therefore, the gas separation performance can be improved.
  • the area of the sealing part is preferably 5% to 95% in the region where the reinforcing frame is opened.
  • the area of the air supply region and the exhaust region can be optimized in gas separation.
  • the air supply region and the exhaust region can be freely partitioned by the sealing portion, and are an air supply region that is an inlet of gas supplied into the pleated molded body and an outlet of gas discharged from the pleated molded body.
  • the area and shape of the exhaust region can be adjusted freely and easily.
  • the area of the sealing portion is more preferably 10% to 90%. More preferably, it is 15% to 85%.
  • the rigid member is fixed to the reinforcing frame.
  • the stress applied to the rigid member is distributed to the reinforcing frame without being distributed to the pleated molded body, so that the rigidity of the entire membrane element can be ensured.
  • this rigid member receives a force when partitioning the air supply region and the exhaust region, since it is supported by the reinforcing frame, the pleated molded body is further prevented from being distorted. And a sufficient contact pressure can be secured. As a result, the gas separation performance of the membrane element can be further improved.
  • a rib is provided extending in the longitudinal direction of the rigid member and standing with respect to the rigid member in the height direction of the pleated molded body. According to such a configuration, bending of the rigid member can be prevented, and as a result, bending of the pleated molded body is further prevented. Therefore, since sufficient contact pressure can be ensured, the utilization efficiency of the gas separation membrane can be improved. In addition, since the gas flow path in the gas separation device is not deformed, the flow path can be designed with high accuracy.
  • the rigid member and the sealing portion are provided in both the open region of the pleated molded body surrounded by the reinforcing frame, and the open region is divided into a gas supply region and an exhaust region by the sealing portion. It is preferable that it is partitioned.
  • the gas separation device according to the present invention is characterized by including the above-described membrane element.
  • the above-mentioned membrane element By providing the above-mentioned membrane element, gas separation performance can be improved and gas separation can be performed efficiently.
  • the gas flow path design such as pressure loss can be performed accurately.
  • the defect of the seal portion is eliminated, the assembly reproducibility of the module performance is good even when the membrane element is replaced.
  • an internal combustion engine according to the present invention is characterized by including the gas separation device described above.
  • gas separation performance can be improved and gas separation can be performed efficiently, so that NOx generated from the internal combustion engine can be further reduced.
  • the gas separation performance can be improved.
  • FIG. 1 is a perspective view showing an external appearance of a gas separation device equipped with a membrane element according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of the gas separation device shown in FIG.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the gas separation device shown in FIG.
  • FIG. 4 is a perspective view showing the appearance of the membrane element.
  • FIG. 5 is a cross-sectional perspective view showing a part of the membrane element shown in FIG.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of the pleated molded body in the membrane element shown in FIG. 5 as viewed from the crease direction.
  • FIG. 7 is a perspective view showing the gas separation membrane substrate before pleating.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating an example of a gas flow path in the membrane element.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating an example of a gas flow path in the membrane element.
  • FIG. 9 is a schematic diagram showing the configuration of the internal combustion engine.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view showing a configuration of a conventional gas separation device.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of a gas separation device equipped with a membrane element according to the second embodiment.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view of a gas separation device equipped with a membrane element according to the third embodiment.
  • FIG. 13 is a perspective view showing an appearance of a gas separation device according to a modification.
  • FIG. 14 is a top view of a main body according to a modification.
  • FIG. 15 is a top view of a lid according to a modification.
  • FIG. 16 is a perspective view showing an appearance of a gas separation device according to a modification.
  • FIG. 17 is a cross-sectional perspective view of the gas separation device shown in FIG. 18 is an exploded perspective view of the gas separation device shown in FIG.
  • FIG. 19 is a perspective view showing the appearance of the gas separation system.
  • FIG. 20 is a schematic diagram showing the configuration of the gas separation system.
  • FIG. 1 is a perspective view showing an external appearance of a gas separation device equipped with a membrane element according to the first embodiment.
  • 2 is an exploded perspective view of the gas separation device shown in FIG. 1
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the gas separation device shown in FIG.
  • the gas separation device 1 includes a housing 3 and a membrane element 2 accommodated in the housing 3.
  • a primary side passage P ⁇ b> 1 and a secondary side passage P ⁇ b> 2 are formed in the housing 3, and the primary side passage P ⁇ b> 1 and the secondary side passage P ⁇ b> 2 are separated by two membrane elements 2. That is, in the housing 3, with the membrane element 2 interposed therebetween, there is a primary side passage P1 on one side and a secondary side passage P2 on the other side.
  • path P1 is a channel
  • the secondary side passage P2 is a passage through which the specific gas that has passed through the membrane element 2 mainly flows, and in the present embodiment, mainly oxygen-enriched air flows.
  • the primary side is defined as a higher partial pressure when focusing on the gas component that selectively permeates the membrane element 2, but in many cases the primary side has a higher total pressure. .
  • the housing 3 is made of various materials such as SUS (Stainless steel), aluminum, and resin, and includes a main body portion 4 and a pair of upper and lower lid portions 5 and 6.
  • the main body 4 is provided with openings in the upper and lower sides, and has a hollow box shape.
  • the main body portion 4 defines a primary side supply portion K1 through which the mixed gas flows in cooperation with the membrane element 2.
  • the main body 4 is provided with a partition plate 8 inside thereof.
  • the partition plate 8 is a plate member that partitions the four primary-side passages P ⁇ b> 1 (see FIG. 3) formed in the main body portion 4 into two in the upper and lower directions.
  • the partition plate 8 is disposed across the inner wall 9a and the inner wall 9b at a substantially central portion in the height direction (the vertical direction in the figure) of the main body portion 4, and the inner wall 9c and the inner wall 9d of the main body portion 4. Openings 10a and 10b are formed between them (see FIG. 2).
  • the main body 4 is provided with a partition 12 in a direction crossing the partition plate 8.
  • the partition part 12 is a plate member that partitions the primary side passage P1 in the main body part 4 into an air supply side and an exhaust side.
  • the partition portion 12 is erected in the vertical direction with respect to the partition plate 8 at the central portion of the main body portion 4 in the width direction (the left-right direction in the drawing), and both end portions in the longitudinal direction abut against the inner walls 9c and 9d of the main body portion 4. It touches.
  • four primary-side passages P1 are formed in the main body 4.
  • the inner walls 9 a to 9 d of the main body 4 are provided with element support portions 13 for supporting the membrane element 2.
  • the element support portion 13 is provided along the four inner walls 9a to 9d, and the height position thereof is equal to the height of the membrane element 2 (reinforcing frame 27) from the end of the main body portion 4 on the opening side. It is in a low position.
  • tip part 12a of the partition part 12 are substantially flush.
  • the element support portion 13 constitutes a primary side communication portion L1 that communicates the primary side passage P1 and the primary side (open region) of the membrane element 2.
  • the primary side communication part L1 is formed by the element support part 13 and the partition part 12, and in the state where the membrane element 2 is supported by the element support part 13 of the main body part 4 as shown in FIG. This is an opening corresponding to the primary side of the membrane element 2.
  • the primary side supply part K1 is comprised from the primary side channel
  • Nitrogen-enriched air that has passed through the main body 4 without selectively permeating through the gas-introducing pipe 29 and the gas separation membrane 29 (described later) of the pleated molded body 26 is discharged.
  • a discharge pipe 15 is connected.
  • the introduction pipe 14 communicates with the supply side of the primary side passage P1, and the discharge pipe 15 communicates with the exhaust side of the primary side passage P1.
  • the introduction pipe 14 and the discharge pipe 15 are arranged side by side on the inner wall 9 c side (one end side) of the main body portion 4. That is, the introduction pipe 14 and the discharge pipe 15 are provided in the main body part 4 so that the openings are oriented in the same direction in the longitudinal direction of the main body part 4.
  • the inner diameters of the introduction pipe 14 and the discharge pipe 15 are substantially the same as the diameter of the primary passage P1 (the hydraulic diameter of a square tube having a square cross section formed by the partition plate 8 and the membrane element 2).
  • the flange part 7 which protrudes in the front-back direction and the left-right direction is provided in the edge part of the up-down direction of the main-body part 4. As shown in FIG. In order to fix the lid portions 5 and 6 to the main body portion 4, the flange portion 7 is bolted in a state in which flange portions 16 and 17 of the lid portions 5 and 6 described later are abutted.
  • the lid portions 5 and 6 are members disposed above and below the main body portion 4, and the flange portions 16 and 17 projecting in the width direction are bolted to the flange portion 7 of the main body portion 4. It is fixed.
  • the lid portions 5 and 6 define a secondary discharge portion K2 through which the specific gas and the scavenging gas flow in cooperation with the membrane element 2.
  • the partition parts 18 and 19 are provided inside the lid parts 5 and 6.
  • the partition portions 18 and 19 extend in the longitudinal direction at substantially the center portion in the width direction of the lid portions 5 and 6 and are erected toward the opening side, and are formed inside the lid portions 5 and 6.
  • the air supply side and the exhaust side in the secondary side passage P2 are partitioned by partitioning the space.
  • the tip portions 18a, 19a of the partition portions 18, 19 are substantially flush with the flange portions 16, 17 of the lid portions 5, 6.
  • the openings 20 and 21 of the lid portions 5 and 6 function as a secondary side communication portion L2 that connects the secondary side passage P2 and the secondary side (open region) of the membrane element 2.
  • the secondary side communication portion L ⁇ b> 2 is an opening corresponding to the secondary side of the membrane element 2 in a state where the membrane element 2 is supported by the element support portion 13 of the main body portion 4. That is, the openings 20 and 21.
  • the secondary discharge part K2 has a secondary side passage P2 and a secondary side communication part L2.
  • the cover parts 5 and 6 are accompanied by oxygen (O 2 ) selectively permeated through the scavenging gas introduction pipes 22 and 23 supplied to the secondary side passage P2 and the gas separation membrane 29 of the pleated molded body 26.
  • the scavenging gas discharge pipes 24 and 25 are connected.
  • the introduction pipes 22 and 23 communicate with the supply side of the secondary passage P2, and the discharge pipes 24 and 25 communicate with the exhaust side of the secondary passage P2.
  • the introduction pipes 22 and 23 and the discharge pipes 24 and 25 are juxtaposed on one end side in the longitudinal direction of the lid parts 5 and 6. That is, the introduction pipes 22 and 23 and the discharge pipes 24 and 25 are provided in the lid parts 5 and 6 so that the openings are directed in the same direction in the longitudinal direction of the lid parts 5 and 6.
  • the introduction pipes 22 and 23 may be discharge pipes, and the discharge pipes 24 and 25 may be introduction pipes.
  • FIG. 4 is a perspective view showing the appearance of the membrane element.
  • FIG. 5 is a cross-sectional perspective view in which a part of the membrane element shown in FIG. 4 is broken.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of the pleated molded body in the membrane element shown in FIG. 5 as viewed from the crease direction.
  • FIG. 7 is a perspective view showing the gas separation membrane substrate before pleating.
  • the membrane element 2 has a configuration in which a pleated molded body 26 is surrounded by a reinforcing frame 27.
  • the pleated molded body 26 is a structure obtained by pleating a flat membrane (sheet-like) gas separation membrane substrate 28.
  • the gas separation membrane substrate 28 is integrally formed with a flat membrane-like gas separation membrane 29 and a pair of breathable reinforcing members 30 arranged so as to sandwich the gas separation membrane 29.
  • the gas separation membranes 29 are in close contact with each other via a spacer so that no gap is formed.
  • a structure is preferred.
  • the sealing portion (elastic epoxy resin adhesive S described later) is along a virtual surface on which the tops of a plurality of folds are arranged.
  • a sealing part may be formed only in the top part of a pleat along a virtual surface, and may be formed in planar shape. From the viewpoint of ease of production, it is preferably formed in a planar shape.
  • the gas separation membrane 29 is a flat membrane and is a permselective membrane having a property of preferentially permeating oxygen gas (O 2 ) from a gas to be separated, for example, air.
  • the gas separation membrane in the present invention is not limited to a selectively permeable membrane that preferentially permeates oxygen from air, but selectively permeates with the property of preferentially permeating a specific gas such as carbon dioxide or water vapor from a mixed gas. Any film may be used.
  • the breathable reinforcing material 30 is a means for securing gas passages by preventing adhesion between the gas separation membranes 29 when pleating is performed, and contributing to means for achieving good membrane utilization efficiency. It has an auxiliary function for imparting necessary self-supporting property to the pleated molded body 26.
  • the pleating process refers to a process in which a flat membrane gas separation membrane substrate 28 is repeatedly folded and folded at a specific pitch.
  • the gas separation membrane base material 28 is alternately folded so as to be accordion folded, so that a plurality of folds 31 are formed, that is, a pleated shape is formed to constitute the pleated molded body 26.
  • a pleated shape is formed to constitute the pleated molded body 26.
  • a larger area can be accommodated in the same projected area and the same volume as compared with a flat film not subjected to this process.
  • the gas separation membrane 29 and the breathable reinforcing material 30 are laminated and then pleated, but the gas separating membrane 29 alone can be pleated and the breathable reinforcing material 30 can be inserted between the pleats. It is.
  • the “length” of the pleat is a length parallel to the pleat direction
  • the “height” of the pleat is a height from one peak of the pleated molded body 26 to the other peak
  • the “width” of the pleat is the length in the direction perpendicular to (intersects with) the pleat direction.
  • a pleating method a known method can be used. For example, a reciprocating (accordion) pleating machine or a rotary pleating machine can be used.
  • the gas separation membrane 29 is a flat membrane and may be a permselective membrane having a property of preferentially permeating a specific gas from a mixed gas.
  • the specific gas include oxygen, nitrogen, water vapor, carbon dioxide, hydrogen, helium, argon, aliphatic hydrocarbons, aromatic hydrocarbons, hydrogen sulfide, and ammonia.
  • Various materials can be used for the gas separation membrane, but polydimethylsiloxane, polydiphenylsiloxane, and polymethylphenyl can be used for the purpose of generating nitrogen-enriched air as in the above embodiment.
  • PIMs intrin ic microporosity
  • an organopolysiloxane-polyurea-polyurethane block copolymer a copolymer of perfluoro-2,2-dimethyl-1,3-dioxole and tetrafluoroethylene, and Polymers of intrinsic microporosity (PIMs) are preferable.
  • a selectively permeable inorganic material typified by A-type zeolite can be used.
  • the gas permeability of the gas separation membrane 29 can be expressed by a permeation speed and a separation coefficient.
  • the permeation rate is a physical property of the membrane
  • the permeation coefficient is a material physical property, and even a material having an excellent permeation coefficient is not suitable for gas separation if it does not have the necessary and sufficient thin film suitability.
  • the separation coefficient ⁇ is a ratio of an arbitrary gas permeability coefficient.
  • the permeation rate and the separation factor are appropriately selected according to the intended application. For example, when used as a device for supplying a nitrogen-enriched gas for an internal combustion engine, the following values are preferable.
  • the oxygen permeation rate R is preferably 100 GPU or more, more preferably 1000 GPU or more, further preferably 2000 GPU or more, still more preferably 3000 GPU or more, and particularly preferably 5000 GPU or more.
  • ⁇ is smaller than 1.1, a large amount of nitrogen moves from the primary side to the secondary side accompanying oxygen, which is not preferable.
  • Higher ⁇ is preferable because the amount of nitrogen accompanying oxygen can be suppressed, but in general, the separation coefficient and the transmission coefficient are in a trade-off relationship.
  • the film thickness of the gas separation membrane 29 is preferably 1 ⁇ m or more and 1000 ⁇ m or less.
  • the lower limit of the film thickness is more preferably 5 ⁇ m or more, further preferably 8 ⁇ m or more, and most preferably 10 ⁇ m or more.
  • the upper limit of the film thickness is more preferably 500 ⁇ m or less, further preferably 200 ⁇ m or less, still more preferably 100 ⁇ m or less, particularly preferably 50 ⁇ m or less, and most preferably 20 ⁇ m or less.
  • the film thickness is less than 1 ⁇ m, the mechanical strength may be insufficient, and when the film thickness exceeds 1000 ⁇ m, the transmission speed may be insufficient.
  • the film thickness of the gas separation membrane 29 is generally preferable as it is thinner because the permeation speed can be improved while maintaining the separation factor.
  • a support membrane having excellent gas permeability and mechanical strength Often formed on.
  • the gas separation membrane 29 having such a structure is called a composite membrane, the gas separation layer formed on the support membrane is called a separation layer, a skin layer, and an active layer, and the support membrane is called a support layer.
  • the composite membrane can be obtained, for example, by applying or impregnating or contacting a gas permeable material to the support membrane. In this embodiment, a composite film is used.
  • microporous membrane As the support layer of the gas separation membrane 29, various materials can be used as long as they are flat membranes that are excellent in gas permeability and mechanical strength and can be pleated. However, woven fabrics, nonwoven fabrics, microporous membranes, etc. can be used. it can.
  • microporous membrane various known microporous membranes such as polyimide microporous membrane, PVDF microporous membrane, polyolefin microporous membrane, polysulfone microporous membrane, polyethersulfone microporous membrane can be used.
  • a microporous membrane is preferred, and a polyethylene microporous membrane is particularly preferred.
  • a polyolefin microporous membrane used as a separator for a lithium ion battery can also be suitably used. Further, a polysulfone microporous membrane or a polyethersulfone microporous membrane used as a UF membrane is preferable.
  • the porosity of the support layer of the gas separation membrane 29 is preferably 5% or more and 95% or less.
  • the lower limit of the porosity is more preferably 10% or more, further preferably 20% or more, still more preferably 30% or more, and most preferably 40% or more.
  • the porosity is less than 5%, the gas permeability may be insufficient, and when the porosity exceeds 95%, the mechanical strength may be insufficient.
  • the porosity of the support layer was measured by the following method. A 10 cm square sample was taken from the support layer, and the volume and mass were calculated using the following formula.
  • the average pore diameter of the support layer of the gas separation membrane 29 is preferably 0.1 nm or more and 10 ⁇ m or less.
  • the lower limit of the average pore diameter is more preferably 1 nm or more, further preferably 10 nm or more.
  • the upper limit of the average pore diameter is more preferably 1 ⁇ m or less, further preferably 500 nm or less, still more preferably 200 nm or less, and particularly preferably 100 nm or less.
  • the average pore diameter is less than 0.1 nm, the porosity and the surface aperture ratio are often low, which is not preferable.
  • the average pore diameter exceeds 10 ⁇ m pinholes are easily generated in the gas separation layer, which is not preferable.
  • the film thickness of the gas separation layer of the gas separation membrane 29 is preferably 1 nm or more and 10 ⁇ m or less.
  • the lower limit of the film thickness is more preferably 10 ⁇ m or less, still more preferably 20 nm or more, and most preferably 50 nm or more.
  • the upper limit of the film thickness is more preferably 3 ⁇ m or less, still more preferably 1 ⁇ m or less, still more preferably 500 nm or less, particularly preferably 300 nm, extremely preferably 200 nm or less, and most preferably 100 nm or less.
  • the film can be suitably used even when the film thickness exceeds 3 ⁇ m.
  • the breathable reinforcing material 30 can be provided on both sides or one side of the gas separation membrane 29, but it is preferable to provide at least the low pressure side when the pressure difference between both sides of the gas separation membrane 29 is significant.
  • the breathable reinforcing material 30 may be a woven fabric, a nonwoven fabric, a resin net, such as polypropylene, polyester, nylon, or a metal net. Among these, a resin net or a metal net is preferable.
  • These nets can be produced by a weaving structure using a loom or a drawing process after extrusion. A net with a plain weave structure is preferable because it has a simple structure. Furthermore, a net having a structure in which intersections during plain weaving are fused is more preferable because the strength is improved.
  • the thickness of the breathable reinforcing material 30 can be obtained from an average value obtained by measuring a plurality of points near the intersection of the nets.
  • the thickness is preferably 10 ⁇ m or more and 5000 ⁇ m or less, and the lower limit of the thickness is more preferably 50 ⁇ m or more, more preferably 100 ⁇ m or more, still more preferably 200 ⁇ m or more, and particularly preferably 300 ⁇ m or more.
  • the upper limit of the thickness is more preferably 2000 ⁇ m or less, still more preferably 1000 ⁇ m or less, and most preferably 500 ⁇ m or less. If the thickness is less than 10 ⁇ m, the mechanical strength may be insufficient. If the thickness exceeds 5000 ⁇ m, the gas permeability may be reduced.
  • the thickness of the breathable reinforcing member 30 depends on the degree of compression at the time of measurement, and therefore is measured by the degree of compression when the membrane element is configured and the degree of compression when a total pressure difference is given to the membrane element during operation. It is preferable to do.
  • the porosity of the breathable reinforcing member 30 is obtained as a numerical value obtained by dividing the projected area of the void when viewed from above the plane by the total area.
  • the porosity is preferably 30% or more and 95% or less, and the lower limit of the porosity is more preferably 40% or more, further preferably 50% or more, still more preferably 60% or more, particularly preferably 70% or more, 80% The above is extremely preferable, and 90% or more is most preferable. If the porosity is less than 30%, the gas separation property may be insufficient, and if the porosity is less than 95%, the mechanical strength may be insufficient.
  • the porosity of the breathable reinforcing material 30 depends on the degree of compression at the time of measurement, the degree of compression when the pleated molded body is configured, and the degree of compression when the pleated molded body is given a total pressure difference during operation. It is preferable to measure by.
  • the wire diameter when using a net for the breathable reinforcing material 30 is preferably 0.01 mm or more and 2 mm or less.
  • the lower limit of the wire diameter is more preferably 0.02 mm or more, further preferably 0.04 mm or more, still more preferably 0.06 mm or more, and particularly preferably 0.08 mm or more.
  • the upper limit of the wire diameter is more preferably 1 mm or less, still more preferably 0.6 mm or less, still more preferably 0.4 mm or less, and particularly preferably 0.2 mm or less.
  • network for the air permeable reinforcement 30, 2 or more and 1000 or less are preferable.
  • the lower limit of the number of meshes is more preferably 5 or more.
  • the upper limit of the number of meshes is more preferably 100 or less, further preferably 50 or less, and still more preferably 30 or less.
  • a thin air-permeable reinforcing material may be provided between the gas separation membrane 29 and the air-permeable reinforcing material 30.
  • This type of breathable reinforcing member 30 is more preferably one or both surfaces smoothed.
  • the reinforcing frame 27 is a structural material for constituting the membrane element 2 by hermetically adhering to the outer peripheral portion of the pleated molded body 26 in order to reinforce the pleated molded body 26. That is, the reinforcing frame 27 opens a pair of upper and lower open regions R1 and R2 that are hermetically separated by opening one side and the other side of the pleated molded body 26 to surround the outer periphery. Forming.
  • the open regions R1 and R2 have a substantially rectangular shape.
  • Various materials can be used for the reinforcing frame 27 according to the purpose, such as resin such as epoxy, metal, FRP (Fiber Reinforced Plastics), and the like.
  • the membrane element 2 includes a rigid member 32.
  • the rigid member 32 is formed of a plate member made of, for example, polycarbonate.
  • the rigid member can receive pressure (gasket linear pressure) applied to the gasket 34 described later.
  • the rigid member 32 extends in a direction intersecting with the fold line 31 of the pleated molded body 26 (longitudinal direction of the reinforcing frame 27), and is opened so as to be in close contact with the pleated molded body 26 in the open regions R1 and R2 of the reinforcing frame 27. Arranged at substantially the center of regions R1 and R2.
  • an elastic epoxy resin adhesive (sealing part) S is applied to the open areas R1 and R2 of the reinforcing frame 27, and the rigid member 32 is formed of the applied elastic epoxy. It is placed on the resin adhesive S. Thereby, the rigid member 32 is tightly fixed to the pleated molded body 26 via the elastic epoxy resin adhesive S in the open regions R1 and R2 of the reinforcing frame 27.
  • the rigid member 32 various resins, metal materials, a combination of both can be used.
  • the rigid member 32 is preferably a material that is less deformed when a force is applied. More specifically, the tensile yield stress is preferably 5 MP or more, the tensile elastic modulus is 100 or more, and the bending stress is 10 or more.
  • the tensile yield stress is 20 MP or more, the tensile modulus is 700 or more, and the bending stress is 40 or more. More preferably, the tensile yield stress is 50 MP or more, the tensile modulus is 1000 or more, and the bending stress is 60 or more.
  • a tensile yield stress and a tensile elasticity modulus are measured based on ISO527. The bending stress is measured according to ISO178.
  • the elastic epoxy resin adhesive S is divided into a gas supply side (supply region) and an exhaust side (exhaust region) in the open regions R1 and R2 of the reinforcing frame 27, and the gas passing through the inside of the pleated molded body 26 is separated. It functions as a sealing part that forms a flow path.
  • the elastic epoxy resin adhesive S has an imaginary surface F when the imaginary surface F in which the top portions 31 a of the plurality of folds 31 are arranged in the open regions R ⁇ b> 1 and R ⁇ b> 2 of the pleated molded body 26. Is provided in a planar shape.
  • the elastic epoxy resin adhesive S is applied on the open areas R1 and R2 with a width dimension larger than the width dimension of the rigid member 32, and an air supply area (air supply port B) and an exhaust area ( The area of the exhaust port E) is adjusted. That is, the elastic epoxy resin adhesive S is provided so as to expand from the rigid member 32 toward the reinforcing frame 27 in the crease direction of the pleated molded body 26, and is provided on the air supply side (air supply port B) and the exhaust side (exhaust gas).
  • the mouth E) is defined by the reinforcing frame 27 and the elastic epoxy resin adhesive S along the direction intersecting the crease of the pleated molded body 26.
  • the area of the elastic epoxy resin adhesive S is 5% to 95% in the open regions R1 and R2, and the areas on the supply side (supply port B) and the exhaust side (exhaust port E) are in the open regions R1 and R2. In the range of 5% to 95%.
  • the adhesive used for fixing the rigid member 32 is flexible enough to follow the deformation even if the pleated molded body is deformed by stress, does not substantially flow, and can relieve stress.
  • Material is preferred.
  • adhesives or sealants include bisphenol epoxy resins, alicyclic epoxy resins, silicone resins, urethane resins, acrylic resins, polyolefin resins, rubber resins, hot melt resins, and the like. These materials may be used alone or in combination.
  • any of a one-component type, a two-component type, a solvent type, a useless type, and a curable type can be used.
  • an inorganic substance may be added.
  • you may use a sealing agent as a sealing part.
  • both end portions of the rigid member 32 in the longitudinal direction are supported in contact with the reinforcing frame 27.
  • a pair of rib portions 33a and 33b are erected on both ends of the rigid member 32 in the width direction.
  • the rib portions 33 a and 33 b are made of a material such as polycarbonate, for example, and are reinforcing members that reinforce the strength (rigidity) of the rigid member 32.
  • various resins, metal materials, a combination of both can be used as the rib portions 33a and 33b.
  • a gasket 34 is placed on the rigid member 32 so as to be in close contact.
  • the gasket 34 is made of, for example, nitrile rubber (NBR).
  • NBR nitrile rubber
  • the gasket 34 divides the gas supply side and the exhaust side in the open regions R1 and R2 of the reinforcing frame 27 in cooperation with the elastic epoxy resin adhesive S, and the inside of the pleated molded body 26 is divided. A flow path for passing gas is formed.
  • the gasket 34 has a shape corresponding to the shape of the rigid member 32 and the reinforcing frame 27.
  • the membrane element 2 having the above-described configuration is disposed between the main body portion 4 and the pair of lid portions 5 and 6 in the housing 3.
  • the reinforcing frame 27 abuts against the element support portion 13 of the main body portion 4 via the gasket 34, and abuts against the flange portions 16 and 17 of the lid portions 5 and 6. This is fixed in the housing 3.
  • the partition portions 18 and 19 of the lid portions 5 and 6 and the partition portion 12 of the main body portion 4 are positioned between the rib portions 33 a and 33 b of the membrane element 2 and are in contact with the gasket 34.
  • the gasket 34 is pressed from the partition parts 12, 18, 19, and separates the air supply side (air supply port B) and the exhaust side (exhaust port E) in the open regions R 1, R 2 of the reinforcing frame 27. ing. That is, the gas flow path direction in the pleated molded body 26 is the width direction of the pleated molded body 26.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating an example of a gas flow path in the membrane element.
  • the air that is the gas mixture to be separated supplied from the air supply region (air supply port B) in the open region R ⁇ b> 1 moves the pleated body 26 along the pleat direction (width direction).
  • the exhaust gas is exhausted from the exhaust region (exhaust port E) as nitrogen-enriched air that has advanced and selectively permeated oxygen as a specific gas through the gas separation membrane 29.
  • the scavenging gas supplied from the supply region (supply port B) in the open region R2 travels along the pleated molded body 26 along the pleat direction, and is accompanied by oxygen selectively permeated through the gas separation membrane 29. It is discharged from the exhaust region (exhaust port E) as oxygen-enriched air.
  • FIG. 9 is a schematic diagram showing the configuration of the internal combustion engine.
  • the internal combustion engine 100 includes a gas separation device 1 on which the membrane element 2 is mounted, a compressor 101, a temperature controller 102, a pump 103, and a diesel engine 104.
  • air is introduced from the compressor 101 to the temperature controller 102, and the air whose temperature is adjusted by the temperature controller 102 is supplied to the gas separation device 1.
  • the nitrogen-enriched air in which oxygen is selectively permeated through the gas separation membrane 29 of the membrane element 2 of the gas separation device 1 is supplied to the diesel engine 104.
  • the scavenging gas supplied from the pump 103 is introduced into the gas separation device 1 and accompanied by oxygen selectively permeated through the gas separation membrane 29 of the membrane element 2 and exhausted as oxygen-enriched air. Furthermore, by introducing water vapor, water, carbon dioxide gas or the like from the pump 103, it is possible to adjust the air supply composition supplied to the internal combustion engine.
  • a gasket 34 is disposed on the upper portion of the rigid member 32, and an elastic epoxy resin adhesive S is applied to the lower portion of the rigid member 32 as a sealing portion.
  • the pressure applied to the gasket 34 can be received by the member, and the rigid member 32 can uniformly apply pressure to the elastic epoxy resin adhesive S.
  • the gas supply side and the exhaust side in the open regions R1 and R2 of the body 26 can be more reliably sealed.
  • the rigid member 32 Since the rigid member 32 is in close contact with the open areas R1 and R2 and a force is uniformly applied to the open areas R1 and R2 by a sufficient contact pressure (seal pressure), the open areas R1 on both sides of the pleated molded body 26 are applied. , R2 can be reliably sealed between the gas supply side and the exhaust side, and gas shortcuts can be further prevented. As a result, the gas separation performance can be improved.
  • the rigid member 32 is bonded and fixed to the open regions R1 and R2 of the reinforcing frame 27 by the elastic epoxy resin adhesive S, the rigid member 32 and the pleated molded body 26 are fixedly fixed to each other. As a result, the air supply region and the exhaust region can be reliably partitioned, so that a gas shortcut can be prevented more reliably.
  • the force applied to the rigid member 32 is more uniformly transmitted to the elastic epoxy resin adhesive S, so that the pleated molded body 26 can be prevented from bending. Thereby, the sealing performance between the air supply region and the exhaust region is further improved.
  • the flow path can be configured accurately, the pressure loss design of the flow path is facilitated, and performance close to the theoretical performance can be pursued.
  • the area of the gas supply port B (supply region) and the exhaust port E (exhaust region) of gas into the pleated molded body 26 is adjusted by the application region of the elastic epoxy resin adhesive S that bonds and fixes the rigid member 32. Therefore, the amount of gas supplied to the inside of the pleated molded body 26 can be adjusted with a simple configuration, and the sealing performance can be ensured. Further, by setting the area of the elastic epoxy resin adhesive S to 5% to 95% of the open areas R1 and R2, the areas of the air supply area and the exhaust area can be optimized in the gas separation.
  • a gasket 34 is placed on the rigid member 32, and the rigid member 32 intersects the fold line 31 of the pleated molded body 26 where the gas supply side and the exhaust side are partitioned. In this direction, the reinforcing frame 27 is in contact with and supported.
  • the rigidity of the rigid member 32 can be ensured by arranging the rigid member 32 so as to be in contact with and supported by the reinforcing frame 27. Since the stress applied to the rigid member 32 is distributed to the reinforcing frame 27 without being distributed to the pleated molded body 26, the rigidity of the entire membrane element 2 can be ensured.
  • the rigid member 32 when the air supply region and the exhaust region are partitioned, even if the rigid member 32 receives a force, the rigid member 32 is supported by the reinforcing frame 27, so that the distortion of the pleated molded body 26 is further prevented. There is no deformation of the gas flow path, and a sufficient contact pressure can be secured. As a result, the gas separation performance of the membrane element 2 can be further improved.
  • the rigid member 32 receives the force applied to the gasket 34 and the force applied to the elastic epoxy resin adhesive S in close contact with the pleated molded body 26, the pleated molded body 26 is prevented from being bent. A sufficient contact pressure can be ensured as compared with the configuration in which the pleated molded body 26 is directly brought into contact with the pleated molded body 26.
  • rib portions 33 a and 33 b are provided that extend along the longitudinal direction of the rigid member 32 and are erected with respect to the rigid member 32 in the height direction of the pleated molded body 26.
  • the rigid member 32 can be prevented from bending, and as a result, the pleated molded body 26 is further prevented from bending. Therefore, a sufficient contact pressure can be ensured, so that a shortcut can be prevented more.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view of a conventional gas separation device.
  • a conventional gas separation device 50 includes two membrane elements 52 and 53 whose upper surfaces face each other, and a pair of pressure plates 54 that sandwich the two membrane elements 52 and 53 from the lower surface side. 55, pipes 56 and 57 for supplying or discharging a mixed gas to and from the upper surface primary side of the membrane elements 52 and 53, and a secondary side for releasing the gas discharged through the gas separation membrane of the membrane elements 52 and 53
  • the flow path 58, 59 is provided. Moreover, it has the flow path control means 62 which separates an air supply area
  • this gas separation device 50 when the mixed gas flowing through the supply side pipe 56 is supplied to the primary side of the membrane elements 52, 53, it also flows in the primary region of the membrane elements 52, 53.
  • the mixed gas to be discharged When the mixed gas to be discharged is discharged to the pipe 57 on the exhaust side, it is necessary to pass through the slit-like narrow passages 60 and 61, and contraction flow and diffusion flow are generated, which may increase pressure loss.
  • the mixed gas flowing through the supply side pipe 56 is supplied to the primary side of the membrane elements 52 and 53, the mixed gas flowing through the primary region of the membrane elements 52 and 53 is exhausted.
  • the flow path of the mixed gas is bent, which may cause a vortex. Therefore, pressure loss is likely to increase, and gas separation and concentration efficiency decrease. It was easy to invite.
  • the mechanical strength of the flow path control means 62 decreases due to long-term use and the sealing performance deteriorates, the gas separation performance deteriorates with time. Further, since the pleat is deformed by the stress from the flow path control means 62 to the pleated molded body, the pressure loss inside the pleat inlet and the inside is increased, and the gas separation performance is also lowered.
  • the primary side passage P1 and the secondary side passage P2 are arranged to face each other with the membrane element 2 interposed therebetween.
  • the primary communication portion L1 that passes when the gas mixture flowing in the primary passage P1 is supplied to the primary side of the membrane element 2 has a shape corresponding to the primary passage P1.
  • the secondary side communication portion L2 that passes when the specific gas and the scavenging gas discharged from the secondary side of the membrane element 2 are discharged to the secondary side passage P2 is also a shape corresponding to the secondary side passage P2. It can be.
  • the pipes 56 and 57 for supplying the mixed gas are arranged on the left and right of the two membrane elements 52 and 53 arranged in the vertical direction, that is, the gas is bent through the narrow passages 60 and 61 to be membrane elements.
  • the generation of contraction flow, expansion flow and vortex flow when passing through the primary side communication portion L1 and the secondary side communication portion L2 is suppressed. can do.
  • the ratio of the widths of the open areas R1 and R2 of the primary side communication part L1 and secondary side communication part L2 and the membrane element 2 can be freely designed.
  • the passage 60 is narrower than the air supply region of the membrane element 52
  • the passage 61 is narrower than the exhaust region of the membrane element 52. That is, in the conventional gas separation device, the diameter of the communication portion on the supply side (or exhaust side) is narrower than the supply region (or exhaust region) of the membrane element, and pressure loss is likely to occur.
  • the gas separation device 1 of the present invention can reduce pressure loss as compared with the conventional gas separation device 50 due to the above configuration. Thereby, the efficiency of gas separation / concentration can be improved.
  • the gas separation device 1 employs a configuration in which the primary-side passage P1 and the secondary-side passage P2 are arranged to face each other with the membrane element 2 interposed therebetween.
  • the pipes 56 and 57 for supplying the mixed gas do not protrude to the left and right of the membrane elements 52 and 53, and the primary side passage P ⁇ b> 1 and the secondary side passage P ⁇ b> 2 can be accommodated in the widthwise dimension of the membrane element 2. Therefore, it is possible to reduce the pressure loss and reduce the size (reducing the volume). Thereby, for example, it can be arranged in a limited engine space such as a ship.
  • the primary side supply part K1 is sandwiched between a pair of membrane elements 2 arranged so that the primary side faces each other, and on the secondary side of the pair of membrane elements 2, A pair of secondary-side discharge portions K2 is provided so that the secondary-side passage P2 is disposed opposite to the primary-side passage P1.
  • the membrane element 2 and the secondary discharge part K2 are provided in this order with the primary supply part K1 as the center. That is, the mixed gas introduced into the primary side supply unit K1 is separated and concentrated by the two membrane elements 2. Therefore, the efficiency of gas separation / concentration can be improved.
  • the inner diameter of the primary side passage P1 is substantially the same as the inner diameters of the introduction pipe 14 and the discharge pipe 15 in the primary side passage P1, the mixed gas is introduced from the introduction pipe 14 into the primary side passage P1.
  • the contraction flow, the diffusion flow, and the like that are generated when the mixed gas after the specific gas is separated from the discharge pipe 15 are discharged can be suppressed. Therefore, the pressure loss can be further reduced.
  • the gas separation device 1 employs a configuration in which the primary side passage P1 and the secondary side passage P2 are arranged to face each other with the membrane element 2 interposed therebetween, a mixed gas is supplied as in a conventional gas separation device.
  • the primary side passage P1 and the secondary side passage P2 can be accommodated in the dimension in the width direction of the membrane element without projecting the pipes to the left and right of the membrane element.
  • the gas separation device 1 when the generation of the contraction flow and the diffusion flow is suppressed, and the opening of the slit-like passage is formed to reduce the pressure loss equivalent to the gas separation device of the present invention, The dimension in the height direction becomes large. In contrast, the gas separation device 1 can be made compact while reducing pressure loss.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of a gas separation device equipped with a membrane element according to the second embodiment. As shown in FIG. 11, the membrane element 2A of the second embodiment mounted on the gas separation device 1A is different in the shape of the gasket 35 from the first embodiment.
  • the gasket 35 in the membrane element 2A has a concave cross section.
  • the gasket 35 is placed on the rigid member 32, and a groove 36 is provided along the longitudinal direction.
  • the width dimension of the groove 36 of the gasket 35 is equal to the width dimension of the partition part 12 of the main body part 4 and the partition parts 18 and 19 of the lid parts 5 and 6.
  • the gasket 35 is placed on the rigid member 32 and the rigid member 32 and the pleated molded body 26 are arranged in the same manner as the membrane element 2 of the first embodiment.
  • An elastic epoxy resin adhesive S is provided between them.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view of a gas separation device equipped with a membrane element according to the third embodiment. As shown in FIG. 12, in the membrane element 2B of the third embodiment mounted on the gas separation device 1B, the shape of the gasket 37 is different from those of the first and second embodiments.
  • the gasket 37 in the membrane element 2B has a T-shaped cross section.
  • the gasket 37 includes a placement portion 37a placed on the rigid member 32 and a standing portion 37b standing on the placement portion 37a.
  • tip part of the standing part 37b becomes large as it goes upwards from the mounting part 37a side.
  • the main body portion 4A and the lid portions 5A, 6A are provided with partition portions 38a, 38b, 39a, 39b, 40a, 40b corresponding to the gasket 37.
  • the main body portion 4 ⁇ / b> A is provided with a pair of partition portions 38 a and 38 b in a direction crossing the partition plate 8. The distance between the pair of partition portions 38a and 38b is equal to the width of the tip of the standing portion 37b of the gasket 34.
  • the lid portions 5A and 6A are provided with a pair of partition portions 39a, 39b, 40a, and 40b on the inner side thereof, and the interval between the partition portions 39a, 39b, 40a, and 40b is the standing portion of the gasket 34. It is equivalent to the width dimension of the tip part of 37b. Therefore, the gasket 37 is in close contact with the partition portions 38a, 38b, 39a, 39b, 40a, and 40b.
  • the gasket 37 is mounted on the rigid member 32 and the rigid member 32 and the pleated molded body 26 are arranged as in the membrane element 2 of the first embodiment.
  • An elastic epoxy resin adhesive S is provided between them.
  • the present invention is not limited to the above embodiment.
  • the membrane element 2 in the gas separation device 1, the membrane element 2 is accommodated in the housing 3 in which the main body portion 4 is provided with the pair of upper and lower lid portions 5 and 6, but the housing in which the membrane element 2 is accommodated.
  • the configuration shown in FIG. 13 may be used.
  • FIG. 13 is a perspective view showing an appearance of a gas separation device according to a modification.
  • the housing 3B in the gas separation device 1C includes a main body portion 4B and a lid portion 5B. That is, in the gas separation device 1 of the above-described embodiment, the two membrane elements 2 are arranged so as to sandwich the primary side passage P1 therebetween, and the secondary side passage P2 is arranged so as to face the vertical direction.
  • a membrane element (not shown) is disposed in the main body 4B that forms the primary passage, and a lid 5B that forms the secondary passage is disposed above the membrane element. It has become. Thereby, 1 C of gas separation apparatuses are compact compared with the gas separation apparatus 1 in the height direction.
  • This gas separation device 50 also has the same effects as the gas separation device 1.
  • the introduction pipe 14 and the discharge pipe 15 are provided side by side in the main body 4, but the attachment positions of the introduction pipe 14 and the discharge pipe 15 are not limited to this.
  • a configuration as shown in FIG. 1 a configuration as shown in FIG. 1
  • FIG. 14 is a top view of the main body according to the modification.
  • the introduction pipe 14 is provided on the inner wall 9c side of the main body part 4C
  • the discharge pipe 41 is provided on the inner wall 9d side of the main body part 4C. That is, the introduction pipe 14 and the discharge pipe 41 are provided in the main body portion 4C so that the openings face in opposite directions to each other in the longitudinal direction of the main body portion 4C.
  • the introduction pipes 22 and 23 and the discharge pipes 24 and 25 are arranged in parallel, but the attachment position of the introduction pipes 22 and 23 and the discharge pipes 24 and 25 is set to this. It is not limited. For example, a configuration as shown in FIG.
  • FIG. 15 is a top view of a lid according to a modification.
  • the introduction tube 22 is provided on the inner wall 43a side of the lid 5C
  • the discharge tube 42 is provided on the inner wall 43b side of the lid 5C. That is, the introduction pipe 22 and the discharge pipe 42 are provided in the lid portion 5C so that the openings face in opposite directions in the longitudinal direction of the lid portion 5C.
  • the gas separation device having the above-described configuration is a scavenging gas that accompanies the specific gas discharged from the discharge pipe and the direction in which the mixed gas is discharged after the specific gas (oxygen) discharged from the discharge pipe is separated. Only the direction in which the gas is discharged is different from that of the gas separation device 1, and the same effect as the gas separation device 1 is achieved. Note that the configuration as described above is appropriately changed depending on, for example, the shape of the engine room where the gas separation device is arranged.
  • an O-ring can be used as the gasket. That is, the gasket only needs to form a passage that partitions the gas supply side and the exhaust side in the open regions R1 and R2 of the reinforcement frame 27 and passes through the inside of the pleated molded body 26.
  • the rigid member 32, the gasket 34, and the elastic epoxy resin adhesive S as a sealing part are provided separately, the gasket 34 and the elastic epoxy resin adhesive S adhere to the rigid member 32, respectively. And may be integrated.
  • the gas separation apparatus 1 permeate
  • the gas separation device 1 may be used as a humidifier.
  • the primary side of the membrane element 2 is a wet-side flow channel
  • the secondary side is a dry-side flow channel
  • FIG. 16 is a perspective view showing an appearance of a gas separation device according to a modification. 17 is a cross-sectional perspective view of the gas separation device shown in FIG. 16, and FIG. 18 is an exploded perspective view of the gas separation device shown in FIG.
  • the gas separation device 1D As shown in FIGS. 16 and 17, in the gas separation device 1D, the main body 4D and the lid 5D are bonded, and the housing 3D is integrated. And as shown in FIG. 18, the rigid member 32 has a groove
  • the gas separation device 1D shown in FIGS. 16 to 18 can be incorporated into the gas separation system 113 shown in FIG.
  • gas is introduced by introducing gas from the supply pipe 111 into the introduction pipe of each gas separation device 1D. Then, the gas discharged from the discharge pipe of each gas separation device 1D is sent to the exhaust pipe 112.
  • This gas separation system 113 is suitable when a large amount of gas is separated. For example, it is suitable for gas separation performed to supply nitrogen-enriched air to a large diesel engine such as a ship.
  • the gas separation device 1D can be easily replaced. Since the introduction pipe and the discharge pipe of the gas separation device 1D are female (male) connectors, and the gas separation system has a male (female) connector, it can be attached and detached with one touch.
  • the inside of the gas separation device inside the housing
  • the housing expands.
  • the housing since the gas separation device 1D is inserted into the frame, the expansion of the gas separation device 1D can be suppressed by the frame. Therefore, the housing does not have to be a strong member and can be made of a flexible member.
  • the present embodiment will be described more specifically with reference to examples and comparative examples.
  • the present embodiment is not limited to the following examples as long as the gist of the present embodiment is not exceeded.
  • Example 1 The gas separation system 81 shown in FIG. 20 was operated to generate nitrogen-enriched air from the air.
  • a gas separation system 81 shown in FIG. 20 has a gas separation device 1 loaded with a membrane element 2.
  • Air F ⁇ b> 1 introduced from the introduction pipe of the gas separation device 1 passes through the supply side of the membrane element 2 and reaches the exhaust side, and is discharged from the discharge pipe of the gas separation device 1.
  • Gas separation is performed while air passes through the membrane element 2, and oxygen diffuses and permeates to the opposite side of the gas separation membrane.
  • the nitrogen enriched air F2 which is the air from which oxygen was reduced is discharged
  • the air F3 introduced from the scavenging gas introduction pipe is accompanied by oxygen that has permeated and diffused through the gas separation membrane, and is discharged from the scavenging gas discharge pipe as oxygen-enriched air F4.
  • the scavenging gas is supplied from the pump 82 to the scavenging gas introduction pipe.
  • the membrane element 2 shown in FIG. 4 was used.
  • the gas separation membrane as a support layer, a flat membrane having a thickness of 90 ⁇ m formed by forming a polyethersulfone microporous membrane on a nonwoven fabric was coated with “Teflon (registered trademark) AF1600” (manufactured by DuPont), which is a fluororesin. I used something. Further, as a breathable reinforcing material (see FIG. 7), a plain weave spacer made from a polyester multifilament for fusion at an intersection was used, a gas separation membrane was sandwiched between the breathable reinforcing materials, and pleating was performed with a pleating apparatus.
  • the gas separation membrane pleated compact was surrounded by a polycarbonate reinforcing frame and sealed with an epoxy resin by centrifugation. And the membrane element was created using the elastic epoxy resin adhesive as a sealing part, and using the epoxy resin as a rigid member.
  • a membrane element was prepared by standing a rib on the rigid member and placing an O-ring as a gasket on the rigid member and the reinforcing frame.
  • the pressure, flow rate, and oxygen concentration of the nitrogen-enriched air discharged from the discharge pipe of the gas separation device 1 were measured using a pressure gauge 83, a flow meter 84, and an oxygen concentration meter 85.
  • As the oxygen concentration meter 85 JKO-25LJII manufactured by Zico Co., Ltd. was used.
  • the air introduced into the gas separation device has an oxygen concentration of 20.9%, 200 kPaG (gauge pressure), and room temperature. The results are shown in Table 1.
  • Example 2 A membrane element was prepared in the same manner as in Example 1 except that a flat membrane having a thickness of 20 ⁇ m in which a polyolefin microporous membrane was formed on a nonwoven fabric was used as a support layer for the gas separation membrane. The results are shown in Table 1.
  • Example 1 The operation was performed under the same conditions as in Example 1 except that the gas separation device 50 shown in FIG. 10 was used as the gas separation device. The results are shown in Table 1.
  • Example 1 In the gas separation apparatus shown in FIG. 10, the same pleated molded body of gas separation membrane as that of Example 1 is used. As the flow path control means 62 (see FIG. 10), urethane closed-cell sponge was used. Compared to Example 1, in Comparative Example 1, the yield of nitrogen-enriched air was reduced, and the oxygen concentration in the nitrogen-enriched air was not lowered. In addition, the pressure loss was greater in Comparative Example 1 than in Example 1.
  • SYMBOLS 1 Gas separation apparatus, 2 ... Membrane element, 26 ... Pleated molding, 27 ... Reinforcement frame, 32 ... Rigid member, 33a, 33b ... Rib part (rib), B ... Air supply port (air supply area), F ... Virtual plane, E ... exhaust port (exhaust region), R1, R2 ... open region, S ... elastic epoxy resin adhesive (sealing part).

Abstract

　気体分離性能の向上を図ることができる膜エレメント、気体分離装置及び内燃機関を提供する。膜エレメント２を備える気体分離装置１では、補強枠２７で囲まれたプリーツ成形体２６の開放領域Ｒ１，Ｒ２において、プリーツ成形体２６の折り目に交差する方向に配置される剛性部材３２を有し、開放領域Ｒ１，Ｒ２が、剛性部材３２とプリーツ成形体２６との間に設けられた弾性エポキシ樹脂接着剤Ｓによって気体の給気領域と排気領域とに区画されている。

Description

膜エレメント、気体分離装置及び内燃機関
　本発明は、膜エレメント、気体分離装置及び内燃機関に関する。
　従来から、気体分離装置は、焼却炉、空調機、ディーゼルエンジン等に用いられている。気体分離装置は、酸素及び窒素を含む空気のうち酸素を膜エレメントに透過させて窒素富化気体や酸素富化気体を生成することができる。また、気体分離装置では、水蒸気を膜エレメントに透過させることにより、気体の加湿及び除湿を行うことができる。
　燃焼炉における気体分離装置は、ダイオキシンの発生を抑えたり、燃焼効率を増大させるために用いることが可能である。具体的には、空気中の酸素を気体分離膜に透過させて酸素富化空気を生成し、それを燃焼炉に導入して燃焼温度を上昇させることで、ダイオキシンの発生を抑制することが考えられる。また、低カロリーの燃料でも酸素富化空気を使用することで、所定の温度で燃焼可能となる。
　その他にも、窒素富化空気を燃焼炉に導入して窒素酸化物を抑えるために気体分離装置を用いることもできる。なお、窒素富化空気は、空気中の酸素を気体分離膜に透過させて除去することで、生成することができる。
　空調機における気体分離装置は、空気を酸素と窒素とに分離して酸素富化空気を室内に導入するために用いられてきた。また、水蒸気を膜透過させることにより、加湿又は除湿を行うことにも使用されてきた。
　また、自動車エンジンに広く用いられている内燃機関では、燃焼温度が高くなると窒素と酸素とが反応して、窒素酸化物（ＮＯＸ）を生成、排出するという問題がある。ガソリンエンジンの場合、窒素酸化物（ＮＯＸ）を除去するシステムとして三元触媒がある。この三元触媒は、酸化還元反応によって、排気ガスの炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、窒素酸化物（ＮＯＸ）を同時除去することができる。
　しかしながら、ディーゼルエンジンでは、燃料を過剰の空気で燃焼させる方式であり、排気ガス中に酸素が含まれるため、三元触媒が有効に機能しない。そのため、ディーゼルエンジンの場合には、燃焼室に供給する給気の酸素濃度を低下させて、燃焼温度を下げる方法が有効な方法の１つとして挙げられる。その具体例であるＥＧＲ方式（排気ガス循環方式）は、大気に排気ガスの一部を循環混合させることで、給気中の酸素濃度を低下させる方法である。
　また、気体分離装置を用いて、窒素富化空気を燃焼室に供給することで、窒素酸化物（ＮＯＸ）を削減する方法も挙げられる。さらに、加湿した空気を燃焼室に供給することで、燃焼温度を下げる方法も有効である。気体分離装置は、酸素濃度が低い窒素富化空気又は加湿した空気を生成する装置として用いることもできる。
　以上のような様々な用途に用いられる気体分離装置では、気体を分離する能力（気体分離性能）を向上させるために、これまで様々な検討がなされてきた。例えば、特許文献１には、平面プリーツ型膜エレメント及びその膜エレメントを用いた気体分離装置が開示されている。特許文献１に記載の膜エレメントは、気体分離膜をプリーツ加工したプリーツ成形体の外辺部に補強フレームを配した構成を有している。この膜エレメントを備える気体分離装置では、膜エレメントを収容するハウジングに給気口及び排気口を有するプレートを用いている。
　また、特許文献２には、上面同士が対面配置された二つの膜エレメントと、二つの膜エレメントを下面側から挟持する一対の圧力プレートと、膜エレメントの上面１次側に混合気体を供給し、また排出するパイプと、膜エレメントを透過して下面側から排出された気体を放出する２次側流路とを備えて構成された気体分離装置が開示されている。この気体分離装置では、混合気体を供給するパイプ等は、上下に並んだ二つの膜エレメントの左右に配置されており、給気側のパイプを流動する混合気体は、スリット状の狭い通路を通って膜エレメントの１次側流路に供給され、更に、スリット状の狭い通路を通って排気側のパイプに排出されている。
国際公開ＷＯ２００５／１１０５８１号パンフレット 特開２００７－７５６９９号公報
　しかしながら、上記従来の膜エレメントでは、給気領域と排気領域との区画が十分なものではなく、給気側から排気側に気体のショートカット（短絡）が生じるため、気体分離性能が低いといった問題があった。また、給気領域と排気領域の区画を形成する部材が物理的又は化学的に経時劣化するため、気体分離性能が経時的に性能低下を引き起こすといった問題もあった。
　本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、気体分離性能の向上を図ることができる膜エレメント、気体分離装置及び内燃機関を提供することを目的とする。
　上記課題を解決するために、本発明に係る膜エレメントは、シート状の気体分離膜基材を折り畳んで形成されたプリーツ成形体と、プリーツ成形体の両面側を開放してプリーツ成形体を囲む補強枠とを備えた膜エレメントであって、補強枠に囲われたプリーツ成形体の開放された領域の少なくとも一方において、プリーツ成形体の折り目に交差する方向に配置される剛性部材と、剛性部材とプリーツ成形体との間に設けられる封止部とを有し、開放された領域は、封止部によって気体の給気領域と排気領域とに区画されていることを特徴とする。
　この膜エレメントでは、補強枠で囲まれたプリーツ成形体の開放された領域の少なくとも一方において、プリーツ成形体の折り目に交差する方向に配置される剛性部材を有し、補強枠で囲まれて開放された部分は、剛性部材とプリーツ成形体との間に設けられた封止部によって気体の給気領域と排気領域とに区画されている。このように、封止部によって気体の給気領域と排気領域とが区画されるため、気体を給気領域から排気領域へ流す際に、気体が気体分離膜基材のプリーツ成形体を経ずにショートカットすることを防ぐことができる。したがって、気体分離性能の向上を図ることができる。
　また、封止部に力が加えられる場合において、剛性部材によって封止部に付与される力を受けることにより、プリーツ成形体の撓みが防止されるので、封止部のみを直接プリーツ成形体に当接させる従来の構成に比べて十分な接触圧（シール圧）を確保することができる。そして、剛性部材に封止部が当接した状態で、十分な接触圧により均一に開放領域に力が加えられるので、プリーツ成形体の開放された領域における気体の給気領域（上流側）と排気領域（下流側）とを確実にシールでき、気体のショートカットを防止している。その結果、気密性の向上を図ることができる。
　封止部が接着剤又はシール剤であることが好ましい。接着剤又はシール剤は、プリーツ成形体が応力により変形を受けても、その変形に追従できるだけの柔軟性を有し、実質的に流動せず、しかも応力を緩和できる材料が好ましい。剛性部材とプリーツ成形体とが接着剤又はシール剤で接着されていることによって、剛性部材とプリーツ成形体とが密着して固定されることとなり、給気領域と排気領域とを確実に区画することがでる。これにより、ショートカットの防止効果がより高まる。さらに、剛性部材と封止部とが接着されていることにより、剛性部材に加えられる力がより均一に封止部に伝えられ、プリーツ成形体の撓みをより防止することができ、給気領域と排気領域とのシール性が向上する。
　プリーツ成形体の開放された領域において、複数の折り目の頂部が配置された仮想面を仮定した場合に、封止部は、仮想面に沿って設けられていることが好ましい。このような構成によれば、気体のショートカットを防止することができる。
　さらに、封止部は、仮想面に沿って面状に設けられていることが好ましい。このような構成によれば、封止部が折り畳まれた気体分離膜基材の間に深く入り込まないため、封止部による気体分離性能の低下を防止できる。
　封止部は、剛性部材からプリーツ成形体の折り目方向に補強枠に向かって拡がるように設けられており、給気領域及び排気領域は、開放された領域の折り目方向の両側において、補強枠と封止部とにより折り目に交差する方向に沿ってそれぞれ画成されていることが好ましい。このような構成によれば、給気領域及び排気領域がプリーツ成形体の開放された領域両側に画成されるため、シール性を確保できる。加えて、分離対象となる気体が気体分離膜基材を進行する経路を長く確保することもできる。したがって、気体分離性能を良好なものとすることができる。
　封止部の面積は、補強枠の開放された領域において５％～９５％であることが好ましい。このような構成によれば、給気領域及び排気領域の面積を気体分離において最適なものとすることができる。また、封止部によって給気領域及び排気領域を自由に区画することができ、プリーツ成形体内部へ供給される気体の入口である給気領域及びプリーツ成形体から排出される気体の出口である排気領域の面積及び形状を、自由にかつ容易に調整できる。封止部の面積は、より好ましくは、１０％～９０％である。さらに好ましくは、１５％～８５％である。
　剛性部材が補強枠に固定されていることが好ましい。このような構成にすることで、剛性部材にかかる応力が、プリーツ成形体に配分されることなく、補強枠に配分されるため、膜エレメント全体の剛性を確保することができる。そして、給気領域と排気領域とを区画する際に、この剛性部材が力を受けても、補強枠に支持されているため、プリーツ成形体の歪みがより防止されるために、気体流路の変形がなく、更に十分な接触圧を確保することができる。その結果、膜エレメントの気体分離性能の更なる向上を図ることができる。
　剛性部材の長手方向に延在すると共に、プリーツ成形体の高さ方向において剛性部材に対して立設するリブを備えていることが好ましい。このような構成によれば、剛性部材の撓みを防止することができ、その結果、プリーツ成形体の撓みが更に防止される。したがって、より十分な接触圧を確保することができるので、気体分離膜の利用効率の向上を図ることができる。加えて、気体分離装置内の気体の流路が変形することがないため、精度高く流路を設計することができる。
　剛性部材及び封止部は、補強枠に囲われたプリーツ成形体の開放された領域の両方に設けられており、開放された領域は、封止部によって気体の給気領域と排気領域とに区画されていることが好ましい。このように、開放された領域の両方において上記構成を有することによって、膜エレメントの両面において、ショートカットを防ぐことができる。
　また、本発明に係る気体分離装置は、上述の膜エレメントを備えることを特徴とする。上述の膜エレメントを備えることで、気体分離性能を向上でき、効率的に気体分離を行うことができる。加えて、給気側と排気側のショートカット(短絡)の問題が無くなるために、圧力損失等の気体流路設計が正確に実施できる。また、シール部の不具合が無くなるために、膜エレメントの交換にあたってもモジュール性能の組み立て再現性が良好である。
　また、本発明に係る内燃機関は、上述の気体分離装置を備えることを特徴とする。上述の気体分離装置を備えることで、気体分離性能の向上でき、効率的に気体分離を行うことができるため、内燃機関から発生するＮＯｘをより削減することができる。
　本発明によれば、気体分離性能の向上を図ることができる。
図１は、第１実施形態に係る膜エレメントが搭載された気体分離装置の外観を示す斜視図である。 図２は、図１に示す気体分離装置の分解斜視図である。 図３は、図１に示す気体分離装置の断面図である。 図４は、膜エレメントの外観を示す斜視図である。 図５は、図４に示す膜エレメントの一部を破断して示す断面斜視図である。 図６は、図５に示す膜エレメントにおけるプリーツ成形体を折り目方向から見た断面図である。 図７は、プリーツ加工する前の気体分離膜基材を示す斜視図である。 図８は、膜エレメントにおける気体の流路の一例を示す図である。 図９は、内燃機関の構成を示す概略図である。 図１０は、従来の気体分離装置の構成を示す断面図である。 図１１は、第２実施形態に係る膜エレメントが搭載された気体分離装置の断面図である。 図１２は、第３実施形態に係る膜エレメントが搭載された気体分離装置の断面図である。 図１３は、変形例に係る気体分離装置の外観を示す斜視図である。 図１４は、変形例に係る本体部の上面図である。 図１５は、変形例に係る蓋部の上面図である。 図１６は、変形例に係る気体分離装置の外観を示す斜視図である。 図１７は、図１６に示す気体分離装置の断面斜視図である。 図１８は、図１６に示す気体分離装置の分解斜視図である。 図１９は、気体分離システムの外観を示す斜視図である。 図２０は、気体分離システムの構成を示す概略図である。
　以下、図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、同一又は同等の要素については同一の符号を付し、説明が重複する場合にはその説明を省略する。
［第１実施形態］
　図１は、第１実施形態に係る膜エレメントが搭載された気体分離装置の外観を示す斜視図である。図２は、図１に示す気体分離装置の分解斜視図、図３は、図１に示す気体分離装置の断面図である。
＜気体分離装置の構成＞
　図１～図３に示すように、気体分離装置１は、ハウジング３と、このハウジング３に収容された膜エレメント２とを備えている。ハウジング３内には、１次側通路Ｐ１と２次側通路Ｐ２とが形成されており、１次側通路Ｐ１と２次側通路Ｐ２とは、２つの膜エレメント２によって隔てられている。すなわち、ハウジング３内において、膜エレメント２を挟んで、片方側に１次側通路Ｐ１があり、もう一方側に２次側通路Ｐ２がある。そして、１次側通路Ｐ１は、分離対象となる混合気体の通路であり、本実施形態では空気が流動する通路である。一方、２次側通路Ｐ２は、膜エレメント２を通過した特定気体が主として流動する通路であり、本実施形態では主として酸素富化された空気が流動する。一般的に、１次側は、膜エレメント２を選択的に透過する気体成分に着目したときに分圧が高い方と定義されるが、多くの場合は１次側の方が全圧が高い。
＜ハウジング＞
　ハウジング３は、例えばＳＵＳ（Stainless steel：ステンレス鋼）、アルミ、樹脂等の各種材料によって製造されており、本体部４と、上下一対の蓋部５，６とによって構成されている。
（本体部）
　本体部４は、上下に開口が設けられており、中空の箱状を成している。本体部４は、膜エレメント２との協働により混合気体が流動する１次側供給部Ｋ１を画成している。
　本体部４には、その内側に仕切板８が設けられている。仕切板８は、本体部４に形成される４つの１次側通路Ｐ１（図３参照）を上下２ずつに区画する板部材である。この仕切板８は、本体部４の高さ方向（図示上下方向）の略中央部分において、内壁９ａと内壁９ｂとに亘って配設されていると共に、本体部４の内壁９ｃと内壁９ｄとの間に開口１０ａ，１０ｂを形成している（図２参照）。
　また、本体部４には、仕切板８に交差する方向にパーテーション部１２が設けられている。パーテーション部１２は、本体部４における１次側通路Ｐ１を、給気側と排気側とを区画する板部材である。パーテーション部１２は、本体部４の幅方向（図示左右方向）の中央部分において仕切板８に対して上下方向に立設すると共に、長手方向の両端部が本体部４の内壁９ｃ，９ｄに当接している。これにより、本体部４内には、４つの１次側通路Ｐ１が形成されている。
　また、本体部４の内壁９ａ～９ｄには、膜エレメント２を支持するためのエレメント支持部１３が設けられている。このエレメント支持部１３は、四方の内壁９ａ～９ｄに沿って設けられており、その高さ位置は、本体部４の開口側の端部から膜エレメント２（補強枠２７）の高さ分だけ低い位置となっている。なお、エレメント支持部１３とパーテーション部１２の先端部１２ａとは、略面一となっている。
　また、エレメント支持部１３は、１次側通路Ｐ１と膜エレメント２の１次側（開放領域）とを連通する１次側連通部Ｌ１を構成している。具体的には、１次側連通部Ｌ１は、エレメント支持部１３とパーテーション部１２によって形成され、図３に示すように、本体部４のエレメント支持部１３に膜エレメント２が支持された状態において膜エレメント２の１次側に対応する開口部分である。１次側供給部Ｋ１は、１次側通路Ｐ１と１次側連通部Ｌ１とから構成されている。
　本体部４には、１次側通路Ｐ１に供給される混合気体の導入管１４と、プリーツ成形体２６の気体分離膜２９（後述）を選択透過せずに通過した窒素富化空気を排出する排出管１５とが接続されている。導入管１４は、１次側通路Ｐ１の給気側に連通しており、排出管１５は、１次側通路Ｐ１の排気側に連通している。この導入管１４及び排出管１５は、本体部４の内壁９ｃ側（一端側）に並設されている。すなわち、導入管１４及び排出管１５は、本体部４の長手方向において、開口が互いに同じ方向を向くように本体部４に設けられている。導入管１４及び排出管１５の内径は、１次側通路Ｐ１の径（仕切板８と膜エレメント２とによって形成される正方形断面の角管の水力直径）と略同径となっている。
　本体部４の上下方向の端部には、前後及び左右方向に突出するフランジ部７が設けられている。このフランジ部７は、蓋部５，６を本体部４に固定するために、後述する蓋部５，６のフランジ部１６，１７が突き合わされた状態でボルト締結される。
（蓋部）
　蓋部５，６は、本体部４の上下に配置される部材であり、幅方向に突出するフランジ部１６，１７が本体部４のフランジ部７にボルト締結されることにより、本体部４に固定されている。この蓋部５，６は、膜エレメント２との協働により特定気体及び掃気用気体が流動する２次側排出部Ｋ２を画成している。
　蓋部５，６の内側には、パーテーション部１８，１９設けられている。このパーテーション部１８，１９は、蓋部５，６の幅方向の略中央部分において長手方向に延在し且つ開口側に向けて立設しており、蓋部５，６の内側に形成された空間を仕切ることで２次側通路Ｐ２における給気側と排気側とを区画している。パーテーション部１８，１９の先端部１８ａ，１９ａは、蓋部５，６のフランジ部１６，１７と略面一となっている。
　蓋部５，６の開口部２０，２１は、２次側通路Ｐ２と膜エレメント２の２次側（開放領域）とを連通する２次側連通部Ｌ２として機能する。具体的には、２次側連通部Ｌ２は、図３に示すように、本体部４のエレメント支持部１３に膜エレメント２が支持された状態において膜エレメント２の２次側に対応する開口部分、すなわち開口部２０，２１である。２次側排出部Ｋ２は、２次側通路Ｐ２と２次側連通部Ｌ２とを有して構成されている。
　また、蓋部５，６には、２次側通路Ｐ２に供給される掃気用気体の導入管２２，２３と、プリーツ成形体２６の気体分離膜２９を選択透過した酸素（Ｏ２）を同伴する掃気用気体の排出管２４，２５が接続されている。導入管２２，２３は、２次側通路Ｐ２の給気側に連通しており、排出管２４，２５は、２次側通路Ｐ２の排気側に連通している。この導入管２２，２３及び排出管２４，２５は、蓋部５，６の長手方向の一端側に並設されている。すなわち、導入管２２，２３及び排出管２４，２５は、蓋部５，６の長手方向において、開口が互いに同じ方向を向くように蓋部５，６に設けられている。なお、導入管２２，２３を排出管とし、排出管２４，２５を導入管としてもよい。
＜膜エレメント＞
　続いて、膜エレメント２について詳細に説明する。図４は、膜エレメントの外観を示す斜視図である。図５は、図４に示す膜エレメントの一部を破断した断面斜視図である。図６は、図５に示す膜エレメントにおけるプリーツ成形体を折り目方向から見た断面図である。図７は、プリーツ加工する前の気体分離膜基材を示す斜視図である。
　図４～７に示すように、膜エレメント２は、プリーツ成形体２６が補強枠２７で囲まれた構成となっている。
　プリーツ成形体２６は、平膜状（シート状）の気体分離膜基材２８をプリーツ加工することによりよって得られた構造体である。気体分離膜基材２８は、平膜状の気体分離膜２９と、気体分離膜２９を挟むように配置されたメッシュ状の一対の通気性補強材３０とが一体となって形成されている。気体分離膜２９の間には、図５に記載されたような隙間があってもよいが、図６のように、気体分離膜２９同士がスペーサーを介して相互に密着して隙間が形成されない構造であることが好ましい。
　図５に示されるように、プリーツ間に隙間があるプリーツ成形体の場合においても、封止部（後述する弾性エポキシ樹脂接着剤Ｓ）が、複数の折り目の頂部が配置された仮想面に沿って、剛性部材とプリーツ成形体の間に設けられることが好ましい。このとき、封止部は、仮想面に沿って、プリーツの頂部にのみ形成されてもよいし、面状に形成されてもよい。製法上の容易性からは、面状に形成されることが好ましい。
　図７に示すように、気体分離膜２９は、平膜であり、分離対象となる気体、例えば空気から酸素ガス（Ｏ２）を優先的に透過させる性質を持った選択透過膜である。なお、本発明における気体分離膜は、空気から酸素を優先的に透過させる選択透過膜に限定されず、混合気体から炭酸ガスや水蒸気等の特定気体を優先的に透過させる性質を持った選択透過膜であればよい。
　通気性補強材３０は、プリーツ加工を施した際に、気体分離膜２９同士の密着を防ぐことによって気体通路を確保し、良好な膜利用効率を達成するための手段に資するものであり、更にプリーツ成形体２６に必要な自立性を付与するための補助的な機能を担う。
　プリーツ加工とは、平膜状の気体分離膜基材２８を特定のピッチで山折り谷折りを繰り返す加工を言う。プリーツ加工を施すことにより、気体分離膜基材２８は、蛇腹折りとなるように交互に折り返されて複数の折り目３１が形成された形態、すなわちプリーツ状の形態となってプリーツ成形体２６を構成する。このようなプリーツ加工により、この加工を行わない平膜に比べ、同じ投影面積、同じ容積の中により大きな面積を収納することができる。通常は、気体分離膜２９と通気性補強材３０とを積層した後にプリーツ加工を施すが、気体分離膜２９単独でプリーツ加工を施した後にプリーツ間に通気性補強材３０を挿入することも可能である。
　本実施形態において、プリーツの「長さ」は、プリーツ方向と平行な長さであり、プリーツの「高さ」は、プリーツ成形体２６の一方の山から他方の山までの高さであり、プリーツの「幅」は、プリーツ方向の垂直（交差する）方向の長さである。プリーツ加工の方法としては、公知の方法が使用可能であり、例えばレシプロ（アコーディオン）プリーツマシーンやロータリープリーツマシーンを用いることができる。
　次に、本発明のプリーツ成形体２６に適用できる気体分離膜２９や通気性補強材３０の材質や寸法及び特性について更に詳しく説明する。
（気体分離膜）
　上述のように、気体分離膜２９は平膜であり、混合気体から特定気体を優先的に透過させる性質を持った選択透過膜であればよい。特定気体としては、酸素や窒素の他、水蒸気、二酸化炭素、水素、ヘリウム、アルゴン、脂肪族炭化水素、芳香族炭化水素、硫化水素、アンモニアなどが例示できる。気体分離膜の素材は、様々なものを用いることができるが、上記の実施形態のように窒素富化空気の生成を目的とするものであれば、ポリジメチルシロキサン、ポリジフェニルシロキサン、ポリメチルフェニルシロキサン、ポリジメチルシロキサンの共重合体、ポリ－４－メチルペンテン－１、ポリテトラフルオロエチレン、ポリテトラフルオロエチレンの共重合体、パーフルオロ－２，２－ジメチル－１，３－ジオキソールの共重合体、ポリ－ｐ－フェニレンオキシド、ポリビニルトリメチルシラン、フッ素化ポリマー／シロキサンコポリマー、ポリ〔１－（トリメチルシリル）－１－プロピン〕、酢酸セルロース、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリブタジエン、ポリ酢酸ビニル、ポリスチレン、Ｐｏｌｙｍｅｒｓ　ｏｆ　ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ　ｍｉｃｒｏｐｏｒｏｓｉｔｙ（ＰＩＭｓ）およびこれらの共重合体などが挙げられる。この中でもオルガノポリシロキサン－ポリ尿素－ポリウレタンブロック共重合体やパーフルオロ－２，２－ジメチル－１，３－ジオキソールとテトラフルオロエチレンの共重合体、Ｐｏｌｙｍｅｒｓ　ｏｆ　ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ　ｍｉｃｒｏｐｏｒｏｓｉｔｙ（ＰＩＭｓ）が好ましい。また、Ａ型ゼオライトに代表されるような選択透過性無機材料を用いることもできる。
　気体分離膜２９の気体透過性は、透過速度と分離係数とで表現することができる。ここで、透過速度Ｒは単位時間、単位面積、単位分圧差における気体透過量で表され、慣習的にＧＰＵ（Gas Permeation Unit）＝１０－６ｃｍ３（ＳＴＰ）／ｃｍ２ｓｅｃｃｍＨｇという単位が広く使用されている。更に、単位膜厚あたりの透過速度を透過係数Ｐといい、慣習的にバーラー（barrer）＝１０－１０ｃｍ３（ＳＴＰ）ｃｍ／ｃｍ２ｓｅｃｃｍＨｇという単位が広く使用されている。透過速度が膜物性であるのに対して透過係数は材料物性であり、いくら透過係数に優れる素材であっても、必要十分な薄膜化適性を兼ね備えない場合は気体分離に適さない。また、分離係数αは任意の気体透過係数の比である。透過速度と分離係数は目的とする用途に応じて適切に選択されるが、たとえば内燃機関用窒素富化気体を供給する装置として用いる場合は以下の値であることが好ましい。
　酸素の透過速度Ｒは、１００ＧＰＵ以上が好ましく、１０００ＧＰＵ以上がより好ましく、２０００ＧＰＵ以上が更に好ましく、３０００ＧＰＵ以上がより更に好ましく、５０００ＧＰＵ以上が特に好ましい。
　酸素と窒素の分離係数α（＝ＲＯ２／ＲＮ２）は、１．１以上が好ましく、１．５以上がより好ましく、１．８以上が更に好ましく、２．０以上がより更に好ましく、２．２以上が特に好ましく、２．４以上が極めて好ましく、２．６以上が最も好ましい。αが１．１より小さい場合は、酸素に随伴して多量の窒素が１次側から２次側へ移動するため好ましくない。αが高いほど酸素に随伴する窒素の量を抑えることができるため好ましいが、一般的に分離係数と透過係数はトレードオフの関係にある。
　気体分離膜２９の膜厚は、１μｍ以上１０００μｍ以下が好ましい。膜厚の下限は５μｍ以上がより好ましく、８μｍ以上が更に好ましく、１０μｍ以上が最も好ましい。膜厚の上限は５００μｍ以下がより好ましく、２００μｍ以下が更に好ましく、１００μｍ以下がより更に好ましく、５０μｍ以下が特に好ましく、２０μｍ以下が最も好ましい。膜厚が１μｍ未満になると、機械強度が不足する場合があり、膜厚が１０００μｍを越えると透過速度が不足する場合がある。
　気体分離膜２９の膜厚は、一般的に薄いほど分離係数を維持しながら透過速度を向上できるため好ましいが、薄膜化に伴う破損等を避けるため、気体透過性と機械強度に優れた支持膜の上に形成されることが多い。こうした構造を持つ気体分離膜２９を複合膜と呼び、支持膜の上に形成した気体分離層のことを分離層、スキン層、活性層、と呼び、支持膜のことを支持層と呼ぶことがある。複合膜は、例えば、支持膜に気体透過性材料を塗布または含浸または接触することにより得ることができる。本実施形態では複合膜を用いている。
　気体分離膜２９の支持層は、気体透過性と機械強度に優れ、プリーツ加工可能な平膜であれば様々なものを用いることができるが、織布、不織布、微多孔膜等を用いることができる。微多孔膜としては、ポリイミド微多孔膜、ＰＶＤＦ微多孔膜、ポリオレフィン微多孔膜、ポリスルホン微多孔膜、ポリエーテルスルホン微多孔膜など公知の様々な微多孔膜を用いることができるが、このうちポリオレフィン微多孔膜が好ましく、特に、ポリエチレン微多孔膜が好ましい。リチウムイオン電池用セパレーターとして用いられるポリオレフィン微多孔膜も好適に使用できる。また、ＵＦ膜として使用されるポリスルホン微多孔膜やポリエーテルスルホン微多孔膜が好ましい。
　気体分離膜２９の支持層の気孔率は、５％以上９５％以下が好ましい。気孔率の下限は１０％以上がより好ましく、２０％以上が更に好ましく、３０％以上がより更に好ましく、４０％以上が最も好ましい。気孔率が５％未満では、気体透過性が不足する場合があり、気孔率が９５％を越えると、機械強度が不足する場合がある。
　支持層の気孔率は次の方法で測定した。支持層から１０ｃｍ角のサンプルをとり、その体積と質量から次式を用いて計算した。なお、樹脂密度（ｇ／ｃｍ3）とは、支持層の成分である樹脂の密度を意味し、ＡＳＴＭ－Ｄ１５０５に準拠し、密度勾配法により測定できる。
気孔率（％）＝［体積（ｃｍ3）－質量（ｇ）／樹脂密度］／体積（ｃｍ3）×１００
　気体分離膜２９の支持層の平均孔径は、０．１ｎｍ以上１０μｍ以下が好ましい。平均孔径の下限は１ｎｍ以上がより好ましく、１０ｎｍ以上が更に好ましい。平均孔径の上限は１μｍ以下がより好ましく、５００ｎｍ以下が更に好ましく、２００ｎｍ以下がより更に好ましく、１００ｎｍ以下が特に好ましい。平均孔径が０．１ｎｍ未満の場合は気孔率や表面開口率が低い場合が多いため好ましくない。平均孔径が１０μｍを超える場合は気体分離層にピンホールが生成しやすくなるので好ましくない。
　気体分離膜２９の気体分離層の膜厚は、１ｎｍ以上１０μｍ以下が好ましい。膜厚の下限は１０μｍ以下がより好ましく、２０ｎｍ以上が更に好ましく、５０ｎｍ以上が最も好ましい。膜厚の上限は３μｍ以下がより好ましく、１μｍ以下が更に好ましく、５００ｎｍ以下がより更に好ましく、３００ｎｍが特に好ましく、２００ｎｍ以下が極めて好ましく、１００ｎｍ以下が最も好ましい。透過係数が十分に高い場合は膜厚が３μｍを超える場合も好適に用いることができる。
（通気性補強材）
　通気性補強材３０は、気体分離膜２９の両面もしくは片面に設けることができるが、気体分離膜２９両面での圧力差が顕著な場合は少なくとも低圧側に設けることが好ましい。通気性補強材３０は、織布、不織布、樹脂製ネット、例えば、ポリプロピレン、ポリエステル、ナイロン等、金属製ネット等を使用することができるが、このうち、樹脂製ネット、金属製ネットが好ましい。これらのネットは、織機を用いた織り構造や押し出し成型後の延伸加工などによって作製が可能である。平織り構造のネットは単純構造であるために好ましい。さらに、平織り時の交点が融着された構造を有するネットは、強度が向上するためにより好ましい。
　通気性補強材３０の厚さは、ネットの交点近傍で複数点測定し、その平均値から求めることができる。その厚さは、１０μｍ以上５０００μｍ以下が好ましく、厚さの下限は５０μｍ以上がより好ましく、１００μｍ以上が更に好ましく、２００μｍ以上がより更に好ましく、３００μｍ以上が特に好ましい。厚さの上限は２０００μｍ以下がより好ましく、１０００μｍ以下が更に好ましく、５００μｍ以下が最も好ましい。厚さが１０μｍ未満では、機械強度が不足する場合があり、厚さが５０００μｍを越えると、気体透過性が低下する場合がある。通気性補強材３０の厚さは、測定時の圧縮の程度によるため、膜エレメントを構成した場合の圧縮の程度、および、膜エレメントに運転時の全圧差を与えた場合の圧縮の程度で測定することが好ましい。
　通気性補強材３０の気孔率は、その平面の上方から見た場合の空隙部の投影面積を全面積で除した数値として求められる。その気孔率は、３０％以上９５％以下が好ましく、気孔率の下限は４０％以上がより好ましく、５０％以上が更に好ましく、６０％以上がより更に好ましく、７０％以上が特に好ましく、８０％以上が極めて好ましく、９０％以上が最も好ましい。気孔率が３０％未満では、気体分離性が不足する場合があり、気孔率が９５％未満では、機械強度が不足する場合がある。通気性補強材３０の気孔率は、測定時の圧縮の程度によるため、プリーツ成形体を構成した場合の圧縮の程度、および、プリーツ成形体に運転時の全圧差を与えた場合の圧縮の程度で測定することが好ましい。
　通気性補強材３０にネットを使用する際の線径は、０．０１ｍｍ以上２ｍｍ以下が好ましい。線径の下限は０．０２ｍｍ以上がより好ましく、０．０４ｍｍ以上が更に好ましく、０．０６ｍｍ以上がより更に好ましく、０．０８ｍｍ以上が特に好ましい。線径の上限は１ｍｍ以下がより好ましく、０．６ｍｍ以下が更に好ましく、０．４ｍｍ以下がより更に好ましく、０．２ｍｍ以下が特に好ましい。通気性補強材３０にネットを使用する際のメッシュは、２以上１０００以下が好ましい。メッシュ数の下限は５以上がより好ましい。メッシュ数の上限は１００以下がより好ましく、５０以下が更に好ましく、３０以下がより更に好ましい。気体分離膜２９を保護するため、気体分離膜２９と通気性補強材３０との間に薄手の通気性補強材を設けてもよい。この種の通気性補強材３０は片面または両面を平滑化処理したものがより好ましい。
（補強枠）
　補強枠２７は、プリーツ成形体２６を補強するために、プリーツ成形体２６の外周部と気密的に接着することによって膜エレメント２を構成するための構造材である。すなわち、補強枠２７は、プリーツ成形体２６の一方の面側及び他方の面側の両面側を開放して外周部を囲むことで、気密的に分離された上下一対の開放領域Ｒ１，Ｒ２を形成している。開放領域Ｒ１，Ｒ２は、略矩形状を呈している。補強枠２７には、エポキシ等の樹脂、金属、ＦＲＰ（Fiber Reinforced Plastics）等、目的に応じて各種材料を用いることが可能である。
（剛性部材）
　ここで、特に本実施形態では、膜エレメント２は、剛性部材３２を備えている。剛性部材３２は、例えばポリカーボネート等から成る板部材で形成される。本実施形態において、この剛性部材は、後述するガスケット３４に加えられる押圧（ガスケット線圧）を受圧することができる。この剛性部材３２は、プリーツ成形体２６の折り目３１に交差する方向（補強枠２７の長手方向）に延在し、補強枠２７の開放領域Ｒ１，Ｒ２においてプリーツ成形体２６に密接するように開放領域Ｒ１，Ｒ２の略中央部に配置されている。より具体的には、補強枠２７の開放領域Ｒ１，Ｒ２には、その表面に例えば弾性エポキシ樹脂接着材（封止部）Ｓが塗布されており、剛性部材３２は、その塗布された弾性エポキシ樹脂接着剤Ｓの上に載置されている。これにより、剛性部材３２は、補強枠２７の開放領域Ｒ１，Ｒ２においてプリーツ成形体２６に弾性エポキシ樹脂接着剤Ｓを介して密着固定されている。なお、剛性部材３２としては、各種樹脂、金属材料、また、それら両方の組み合わせ等が使用可能である。剛性部材３２は、力を加えたときの変形が少ない材料であることが好ましい。より具体的には、引張降伏応力は５ＭＰ以上、引張弾性率は１００以上、曲げ応力は１０以上が好ましい。より好ましくは、引張降伏応力は２０ＭＰ以上、引張弾性率は７００以上、曲げ応力は４０以上である。さらに好ましくは、引張降伏応力は５０ＭＰ以上、引張弾性率は１０００以上、曲げ応力は６０以上である。なお、引張降伏応力及び引張弾性率はＩＳＯ５２７に準拠して測定される。曲げ応力はＩＳＯ１７８に従って測定される。
（封止部）
　弾性エポキシ樹脂接着剤Ｓは、補強枠２７の開放領域Ｒ１，Ｒ２において気体の給気側（給気領域）と排気側（排気領域）と区画し、プリーツ成形体２６の内部を通過する気体の流路を形成する封止部として機能する。図６に示すように、弾性エポキシ樹脂接着剤Ｓは、プリーツ成形体２６の開放領域Ｒ１，Ｒ２において、複数の折り目３１の頂部３１ａが配置された仮想面Ｆを仮定した場合に、仮想面Ｆに沿って面状に設けられている。
　弾性エポキシ樹脂接着剤Ｓは、剛性部材３２の幅寸法よりも大きい幅寸法で開放領域Ｒ１，Ｒ２上に塗布されており、その接着領域によって、給気領域（給気口Ｂ）及び排気領域（排気口Ｅ）の面積を調整している。つまり、弾性エポキシ樹脂接着剤Ｓは、剛性部材３２からプリーツ成形体２６の折り目方向に補強枠２７に向かって拡がるように設けられており、給気側（給気口Ｂ）及び排気側（排気口Ｅ）は、プリーツ成形体２６の折り目に交差する方向に沿って、補強枠２７と弾性エポキシ樹脂接着剤Ｓとによりそれぞれ画成されている。弾性エポキシ樹脂接着剤Ｓの面積は、開放領域Ｒ１，Ｒ２において５％～９５％であり、給気側（給気口Ｂ）及び排気側（排気口Ｅ）の面積は、開放領域Ｒ１，Ｒ２において５％～９５％である。
　なお、剛性部材３２の接着固定に用いる接着剤は、プリーツ成形体が応力により変形を受けても、その変形に追従できるだけの柔軟性を有し、実質的に流動せず、しかも応力を緩和できる材料が好ましい。このような接着剤又はシール剤としては、ビスフェノール系エポキシ樹脂、脂環式エポキシ樹脂、シリコーン系樹脂、ウレタン系樹脂、アクリル系樹脂、ポリオレフィン系樹脂、ゴム系樹脂、ホットメルト樹脂等が挙げられる。これらの材料は、単独でも混合されてもよい。また、１液型、２液型、溶剤型、無用剤型、硬化型のいずれも使用可能である。さらに、無機物が添加されていても良い。また、封止部として、シール剤を用いてもよい。
（リブ部）
　また、剛性部材３２の長手方向の両端部は、補強枠２７に当接して支持されている。剛性部材３２の幅方向の両端側には、１対のリブ部３３ａ，３３ｂが立設している。このリブ部３３ａ，３３ｂは、例えばポリカーボネート等といった材料から形成されており、剛性部材３２の強度（剛性）を補強する補強部材である。なお、リブ部３３ａ，３３ｂとしては、各種樹脂、金属材料、また、それら両方の組み合わせ等が使用可能である。
（ガスケット）
　本実施形態では、剛性部材３２の上部には、ガスケット３４が密接するように載置されている。ガスケット３４は、例えばニトリルゴム（ＮＢＲ）から形成される。本実施形態において、ガスケット３４は、弾性エポキシ樹脂接着剤Ｓとの協働により、補強枠２７の開放領域Ｒ１，Ｒ２において気体の給気側と排気側と区画し、プリーツ成形体２６の内部を通過する気体の流路を形成している。このガスケット３４は、剛性部材３２及び補強枠２７の形状に対応した形状を成している。
＜膜エレメントの配置＞
　以上のような構成を有する膜エレメント２は、図３に示すように、ハウジング３において本体部４と一対の蓋部５，６との間に配置されている。具体的には、膜エレメント２は、補強枠２７がガスケット３４を介して本体部４のエレメント支持部１３に当接すると共に、蓋部５，６のフランジ部１６，１７に当接して挟持されることでハウジング３内に固定されている。このとき、蓋部５，６のパーテーション部１８，１９及び本体部４のパーテーション部１２は、膜エレメント２のリブ部３３ａ，３３ｂの間に位置してガスケット３４と当接している。これにより、ガスケット３４は、パーテーション部１２，１８，１９から押圧されて、補強枠２７の開放領域Ｒ１，Ｒ２において給気側（給気口Ｂ）と排気側（排気口Ｅ）とを区画している。つまり、プリーツ成形体２６における気体の流路方向は、プリーツ成形体２６の幅方向となっている。
　プリーツ成形体２６、すなわち膜エレメント２における気体の流路方向について、図８を参照しながら具体的に説明する。図８は、膜エレメントにおける気体の流路の一例を示す図である。図８に示すように、例えば開放領域Ｒ１の給気領域（給気口Ｂ）から給気された分離対象の混合気体である空気は、プリーツ成形体２６をプリーツ方向（幅方向）に沿って進行し、気体分離膜２９にて特定気体である酸素を選択透過した窒素富化空気として、排気領域（排気口Ｅ）から排気される。また、開放領域Ｒ２の給気領域（給気口Ｂ）から給気された掃気用気体は、プリーツ成形体２６をプリーツ方向に沿って進行し、気体分離膜２９を選択透過した酸素を同伴した酸素富化空気として排気領域（排気口Ｅ）から排出される。
　続いて、気体分離装置１が搭載された内燃機関について説明する。図９は、内燃機関の構成を示す概略図である。同図に示すように、内燃機関１００は、膜エレメント２を搭載する気体分離装置１と、コンプレッサー１０１と、温調機１０２と、ポンプ１０３と、ディーゼルエンジン１０４とを含んで構成されている。内燃機関１００では、コンプレッサー１０１から温調機１０２に空気が導入され、温調機１０２にて温度が調整された空気が気体分離装置１に供給される。そして、気体分離装置１の膜エレメント２の気体分離膜２９にて酸素が選択透過された窒素富化空気は、ディーゼルエンジン１０４に供給される。
　また、ポンプ１０３から供給された掃気用気体である空気は、気体分離装置１に導入され、膜エレメント２の気体分離膜２９を選択透過した酸素を同伴し、酸素富化空気として排気される。さらに、ポンプ１０３から水蒸気、水、炭酸ガスなどを導入することにより、内燃機関に供給される給気組成を調整することも可能である。
　続いて、本実施形態に係る膜エレメント２及びこの膜エレメント２を搭載する気体分離装置１の作用・効果について説明する。
　膜エレメント２では、剛性部材３２の上部にガスケット３４が配置され、剛性部材３２の下部には、封止部として弾性エポキシ樹脂接着剤Ｓが塗布されている。このような構成により、ガスケット３４に付与される押圧を部材によって受圧することができ、且つ、剛性部材３２により弾性エポキシ樹脂接着剤Ｓに対して均一に圧力を付与することができるので、プリーツ成形体２６の開放領域Ｒ１，Ｒ２における気体の給気側と排気側とをより確実にシールできる。
　そして、剛性部材３２が開放領域Ｒ１，Ｒ２に密接しつつ、十分な接触圧（シール圧）により均一に開放領域Ｒ１，Ｒ２に力が加えられるので、プリーツ成形体２６の両面側の開放領域Ｒ１，Ｒ２における気体の給気側と排気側とを確実にシールでき、気体のショートカットをより防止することが可能となる。その結果、気体分離性能の向上を図ることができる。
　また、剛性部材３２は、補強枠２７の開放領域Ｒ１，Ｒ２に弾性エポキシ樹脂接着剤Ｓにより接着固定されているので、剛性部材３２とプリーツ成形体２６とが密着固定されることになる。それによって、給気領域と排気領域とを確実に区画することができるので、気体のショートカットをより確実に防止することができる。
　加えて、剛性部材３２に加えられる力がより均一に弾性エポキシ樹脂接着剤Ｓに伝えられ、プリーツ成形体２６の撓みを防止することができる。それによって、給気領域と排気領域のシール性がより向上する。また、流路を正確に構成できるので、流路の圧力損失設計が容易になり、理論性能に近い性能を追求することもできる。
　また、剛性部材３２を接着固定する弾性エポキシ樹脂接着剤Ｓの塗布領域によってプリーツ成形体２６内部への気体の給気口Ｂ（給気領域）及び排気口Ｅ（排気領域）の面積を調整することができるので、プリーツ成形体２６内部への気体の給気量を簡易な構成により調整することができると共に、シール性を確保することができる。また、弾性エポキシ樹脂接着剤Ｓの面積を、開放領域Ｒ１，Ｒ２の５％～９５％とすることで、給気領域及び排気領域の面積を気体分離において最適なものとすることができる。
　また、膜エレメント２では、剛性部材３２の上にガスケット３４が載置されており、この剛性部材３２は、気体の給気側と排気側とが区画されるプリーツ成形体２６の折り目３１に交差する方向において、補強枠２７に当接して支持されている。このように、剛性部材３２を補強枠２７に当接して支持されるように配置することで、剛性部材３２の剛性を確保することができる。そして、剛性部材３２にかかる応力が、プリーツ成形体２６に配分されることなく、補強枠２７に配分されるため、膜エレメント２全体の剛性を確保することができる。したがって、給気領域と排気領域とを区画する際に、この剛性部材３２が力を受けても、補強枠２７に支持されているため、プリーツ成形体２６の歪みがより防止されるために、気体流路の変形がなく、更に十分な接触圧を確保することができる。その結果、膜エレメント２の気体分離性能の更なる向上を図ることができる。
　加えて、この剛性部材３２によってガスケット３４に付与される力及びプリーツ成形体２６に密接する弾性エポキシ樹脂接着剤Ｓに対する力を受けることにより、プリーツ成形体２６の撓みが防止されるので、ガスケット３４を直接プリーツ成形体２６に当接させる構成に比べて十分な接触圧を確保することができる。
　また、本実施形態では、剛性部材３２の長手方向に沿って延在すると共に、プリーツ成形体２６の高さ方向において剛性部材３２に対して立設するリブ部３３ａ，３３ｂを備えている。このように、剛性部材３２に沿ってリブ部３３ａ，３３ｂを設けることにより、剛性部材３２の撓みを防止することができ、その結果、プリーツ成形体２６の撓みが更に防止される。したがって、より十分な接触圧を確保することができるので、ショートカットをより防止することができる。
　図１０は、従来の気体分離装置の断面図である。図１０に示すように、従来の気体分離装置５０は、上面同士が対面配置された二つの膜エレメント５２，５３と、二つの膜エレメント５２，５３を下面側から挟持する一対の圧力プレート５４，５５と、膜エレメント５２，５３の上面１次側に混合気体を供給又は排出するパイプ５６，５７と、膜エレメント５２，５３の気体分離膜を透過して排出された気体を放出する２次側流路５８，５９とを備えて構成されている。また、給気領域と排気領域を隔てる流路制御手段６２を有している。
　この気体分離装置５０において、給気側のパイプ５６を流動する混合気体が膜エレメント５２，５３の１次側に供給される際に、また、膜エレメント５２，５３の１次側の領域を流動する混合気体が排気側のパイプ５７に排出される際に、スリット状の狭い通路６０，６１を抜ける必要があり、収縮流、拡散流が発生し、圧力損失が高くなるおそれがある。また、給気側のパイプ５６を流動する混合気体が膜エレメント５２，５３の１次側に供給される際に、また、膜エレメント５２，５３の１次側の領域を流動する混合気体が排気側のパイプ５７に排出される際に、混合気体が流動する経路が屈曲しているため、渦流が発生するおそれがあった、そのため、圧力損失が大きくなり易く、気体の分離、濃縮効率の低下を招来し易かった。
　加えて、気体分離装置５０では、流路制御手段（スポンジ部)６２とプリーツ成形体とは機械的な接触であるため、給気側のパイプ５６より導入された気体の一部が、プリーツ成形体と流路制御手段６２の間をショートカット(短絡)する。それによって、気体分離性能が損なわれる。
　さらに、流路制御手段６２は長期使用により機械的強度が低下し、シール性が悪化するため、気体分離性能が経時的に低下することになる。また、流路制御手段６２からプリーツ成形体への応力によって、プリーツが変形するため、プリーツ入り口や内部の圧力損失が増大すると共に、気体分離性能も低下する。
　これに対して、気体分離装置１では、１次側通路Ｐ１と２次側通路Ｐ２とが膜エレメント２を挟むようにして対向配置されている。このような構成により、１次側通路Ｐ１を流動する混合気体が膜エレメント２の１次側に供給される際に通過する１次側連通部Ｌ１は、１次側通路Ｐ１に対応した形状とすることができる。また、膜エレメント２の２次側から排出された特定気体及び掃気用気体が２次側通路Ｐ２に排出される際に通過する２次側連通部Ｌ２も、２次側通路Ｐ２に対応した形状とすることができる。
　そのため、混合気体を供給するパイプ５６，５７が上下に並んだ二つの膜エレメント５２，５３の左右に配置されている従来の構成、すなわち気体が狭い通路６０，６１を通って屈曲して膜エレメント５２，５３に供給、また膜エレメント５２，５３から排出される構成に比べて、１次側連通部Ｌ１及び２次側連通部Ｌ２を通過する際の収縮流、拡張流及び渦流の発生を抑制することができる。その結果、圧力損失の低減及び気体分離性能の向上を図ることが可能となる。
　気体分離装置１では、１次側連通部Ｌ１及び２次側連通部Ｌ２と膜エレメント２の開放領域Ｒ１，Ｒ２の幅の比は自由に設計可能である。しかし、図１０に示す従来の気体分離装置５０では、通路６０は膜エレメント５２の給気領域よりも狭くなり、通路６１は膜エレメント５２の排気領域よりも狭くなる。つまり、従来の気体分離装置では、給気側（又は排気側）の連通部の径が、膜エレメントの給気領域（又は排気領域）よりも狭く、圧力損失が生じ易い。それに対して、本発明の気体分離装置１は、上記構成により、従来の気体分離装置５０に比べて圧力損失の低減を図ることができる。これにより、気体の分離・濃縮の効率向上を図ることができる。
　また、図１０に示す従来の気体分離装置５０では、混合気体を供給または排出するパイプ５６，５７が膜エレメント５２，５３の左右に突出して設けられている。これにより、幅方向の寸法が大きくなり、且つパイプ５６，５７と膜エレメント５２，５３との隙間に無駄なスペースが形成される。そのため、気体分離装置５０が配置される例えばエンジンルームにおいて、パイプ５６，５７が突出している分だけのスペースの確保が必要となる。これに対して、気体分離装置１では、１次側通路Ｐ１及び２次側通路Ｐ２が膜エレメント２を挟むようにして対向配置された構成を採用しているため、従来の気体分離装置５０のように混合気体を供給するパイプ５６，５７が膜エレメント５２，５３の左右に突出することなく、膜エレメント２の幅方向の寸法内に１次側通路Ｐ１及び２次側通路Ｐ２を収めることができる。したがって、圧力損失の低減を図りつつ、コンパクト化（容積の縮小化）を図ることができる。これにより、例えば船舶等の限られたエンジンスペースに配置することが可能となる。
　また、本実施形態では、１次側供給部Ｋ１は、１次側が対面するように配置された一対の膜エレメント２の間に挟まれており、一対の膜エレメント２の２次側には、２次側通路Ｐ２が１次側通路Ｐ１と対向配置するように一対の２次側排出部Ｋ２が設けられている。これにより、１次側供給部Ｋ１を中心として、膜エレメント２、２次側排出部Ｋ２がこの順にそれぞれ設けられることになる。つまり、１次側供給部Ｋ１に導入された混合気体は、２つの膜エレメント２により、分離・濃縮が行われることになる。そのため、気体の分離・濃縮の効率の向上を図ることができる。
　また、１次側通路Ｐ１の内部の径は、１次側通路Ｐ１における導入管１４及び排出管１５の内径と略同径であるので、導入管１４から１次側通路Ｐ１に混合気体が導入される際、及び排出管１５から特定気体が分離された後の混合気体が排出される際に発生する収縮流や拡散流などを抑制することができる。したがって、圧力損失の低減を更に図ることができる。
　また、気体分離装置１では、１次側通路Ｐ１及び２次側通路Ｐ２が膜エレメント２を挟むようにして対向配置された構成を採用しているため、従来の気体分離装置のように混合気体を供給するパイプが膜エレメントの左右に突出することなく、膜エレメントの幅方向の寸法内に１次側通路Ｐ１及び２次側通路Ｐ２を収めることができる。
　また、従来の気体分離装置において、収縮流及び拡散流の発生を抑制し、本発明の気体分離装置と同等の圧力損失の低減を図るべくスリット状の通路の開口を大きく形成した場合には、高さ方向の寸法が大きくなってしまう。これに対して、気体分離装置１では、圧力損失の低減を図りつつ、コンパクト化を図ることができる。
［第２実施形態］
　続いて、第２実施形態に係る膜エレメントについて説明する。図１１は、第２実施形態に係る膜エレメントが搭載された気体分離装置の横断面図である。図１１に示すように、気体分離装置１Ａに搭載された第２実施形態の膜エレメント２Ａは、ガスケット３５の形状が第１実施形態と異なっている。
　具体的には、図１１に示すように、膜エレメント２Ａにおけるガスケット３５は、断面凹状を成している。このガスケット３５は、剛性部材３２に載置されており、長手方向に沿って溝３６が設けられている。このガスケット３５の溝３６の幅寸法は、本体部４のパーテーション部１２及び蓋部５，６のパーテーション部１８，１９の幅寸法と同等となっている。これにより、ガスケット３５の溝３６には、本体部４のパーテーション部１２及び蓋部５，６のパーテーション部１８，１９が密接して挿入されている。
　このような構成を有する膜エレメント２Ａであっても、第１実施形態の膜エレメント２と同様に、ガスケット３５が剛性部材３２に載置されていると共に、剛性部材３２とプリーツ成形体２６との間に弾性エポキシ樹脂接着剤Ｓが設けられている。これにより、プリーツ成形体２６の両面側の開放領域Ｒ１，Ｒ２における気体の給気側（上流側）と排気側（下流側）とを確実にシールでき、気体のショートカットを防止することが可能となる。その結果、気体分離性能の向上を図ることができる。
［第３実施形態］
　続いて、第３実施形態に係る膜エレメントについて説明する。図１２は、第３実施形態に係る膜エレメントが搭載された気体分離装置の断面図である。図１２に示すように、気体分離装置１Ｂに搭載された第３実施形態の膜エレメント２Ｂは、ガスケット３７の形状が第１及び第２実施形態と異なっている。
　具体的には、図１２に示すように、膜エレメント２Ｂにおけるガスケット３７は、断面Ｔ字状を成している。このガスケット３７は、剛性部材３２に載置される載置部３７ａと、この載置部３７ａに対して立設する立設部３７ｂとから構成されている。そして、立設部３７ｂの先端部は、載置部３７ａ側から上方になるに連れて幅寸法が大きくなっている。
　このようなガスケット３７に対して、本体部４Ａ及び蓋部５Ａ，６Ａには、ガスケット３７に対応するパーテーション部３８ａ，３８ｂ，３９ａ，３９ｂ，４０ａ，４０ｂが設けられている。具体的には、本体部４Ａには、仕切板８に交差する方向に一対のパーテーション部３８ａ，３８ｂが設けられている。この一対のパーテーション部３８ａ，３８ｂ同士の間隔は、ガスケット３４の立設部３７ｂの先端部の幅寸法と同等となっている。同様に、蓋部５Ａ，６Ａには、その内側に一対のパーテーション部３９ａ，３９ｂ，４０ａ，４０ｂ設けられており、パーテーション部３９ａ，３９ｂ，４０ａ，４０ｂ同士の間隔は、ガスケット３４の立設部３７ｂの先端部の幅寸法と同等となっている。したがって、ガスケット３７は、パーテーション部３８ａ，３８ｂ，３９ａ，３９ｂ，４０ａ，４０ｂと密接している。
　このような構成を有する膜エレメント２Ｂであっても、第１実施形態の膜エレメント２と同様に、ガスケット３７が剛性部材３２に載置されていると共に、剛性部材３２とプリーツ成形体２６との間に弾性エポキシ樹脂接着剤Ｓが設けられている。これにより、プリーツ成形体２６の両面側の開放領域Ｒ１，Ｒ２における気体の給気側（上流側）と排気側（下流側）とを確実にシールでき、気体のショートカットを防止することが可能となる。その結果、気体分離性能の向上を図ることができる。
　なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、気体分離装置１において、本体部４に上下一対の蓋部５，６が設けられたハウジング３に膜エレメント２が収容されているが、膜エレメント２が収容されるハウジングは、例えば図１３に示すような構成であってもよい。
　図１３は、変形例に係る気体分離装置の外観を示す斜視図である。図１３に示すように、気体分離装置１Ｃにおけるハウジング３Ｂは、本体部４Ｂと、蓋部５Ｂによって構成されている。つまり、上記実施形態の気体分離装置１では、１次側通路Ｐ１を間に挟むように２つの膜エレメント２が配置され、その上下方向に２次側通路Ｐ２が対向して配置される構成となっているが、気体分離装置１では、１次側通路を形成する本体部４Ｂに膜エレメント（図示しない）が配置され、その上部に２次側通路を形成する蓋部５Ｂが配置される構成となっている。これにより、気体分離装置１Ｃは、高さ方向が気体分離装置１に比べてコンパクトになっている。なお、本体部４Ｂ、蓋部５Ｂ、１次側通路、２次側通路及び膜エレメントの構成については、上記実施形態と同様の構成を有している。この気体分離装置５０でも、気体分離装置１と同様の作用効果を奏する。
　また、上記実施形態では、本体部４において、導入管１４及び排出管１５が並設されているが、導入管１４及び排出管１５の取り付け位置はこれに限定されない。例えば図１４に示すような構成であってもよい。
　図１４は、変形例に係る本体部の上面図である。図１４に示すように、本体部４Ｃにおいて、導入管１４は、本体部４Ｃの内壁９ｃ側に設けられており、排出管４１は、本体部４Ｃの内壁９ｄ側に設けられている。つまり、導入管１４及び排出管４１は、本体部４Ｃの長手方向において、開口が互いに反対の方向を向くように本体部４Ｃに設けられている。
　また、上記実施形態では、蓋部５，６において、導入管２２，２３及び排出管２４，２５が並設されているが、導入管２２，２３及び排出管２４，２５の取り付け位置はこれに限定されない。例えば図１５に示すような構成であってもよい。
　図１５は、変形例に係る蓋部の上面図である。図１５に示すように、蓋部５Ｃにおいて、導入管２２は、蓋部５Ｃの内壁４３ａ側に設けられており、排出管４２は、蓋部５Ｃの内壁４３ｂ側に設けられている。つまり、導入管２２及び排出管４２は、蓋部５Ｃの長手方向において、開口が互いに反対の方向を向くように蓋部５Ｃに設けられている。
　以上のような構成の気体分離装置は、排出管から排出される特定気体（酸素）が分離した後の混合気体の排出される方向、及び排出管から排出される特定気体を同伴する掃気用気体の排出される方向が気体分離装置１と異なるだけであり、気体分離装置１と同様の作用効果を奏する。なお、以上のような構成は、気体分離装置が配置される例えばエンジンルームの形状によって適宜変更されることになる。
　また、ガスケットとしては、Ｏ－リングを使用することもできる。すなわち、ガスケットは、補強枠２７の開放領域Ｒ１，Ｒ２において気体の給気側と排気側とを区画してプリーツ成形体２６の内部を通過する通路を形成するものであればよい。
　また、上記実施形態では、剛性部材３２、ガスケット３４、及び封止部としての弾性エポキシ樹脂接着剤Ｓがそれぞれ別に設けられているが、剛性部材３２にガスケット３４及び弾性エポキシ樹脂接着剤Ｓが密着して一体化されたものであってもよい。
　また、上記実施形態では、気体分離装置１は、混合気体である空気を膜エレメント２のプリーツ成形体２６において気体分離膜２９を透過させ、特定気体である酸素を選択透過させることで窒素富化空気を排気すると共に、掃気用気体を給気して酸素富化空気を排気しているが、気体分離装置１は、加湿装置として用いられてもよい。具体的には、例えば膜エレメント２の一次側を湿潤側流路、二次側を乾燥側流路とし、水蒸気を膜エレメント２に透過させることで、気体の加湿及び除湿を行う。
　図１６は、変形例に係る気体分離装置の外観を示す斜視図である。図１７は、図１６に示す気体分離装置の断面斜視図であり、図１８は、図１６に示す気体分離装置の分解斜視図である。
　図１６及び図１７に示すように、気体分離装置１Ｄでは、本体部４Ｄと蓋部５Ｄとが接着され、ハウジング３Ｄが一体となっている。そして、図１８に示すように、剛性部材３２は溝を有しており、蓋部５Ｄ又は本体部４Ｄのパーテーション部と接着又は融着されている。そのため、ガスケットが不要となる。このような構成とすることによって、コンパクトな気体分離装置を実現できる。
　図１６～図１８で示した気体分離装置１Ｄは、図１９で示す気体分離システム１１３に組み込むことができる。図１９に示す気体分離システム１１３では、給気管１１１から各気体分離装置１Ｄの導入管に気体が導入されて気体分離が行われる。そして、各気体分離装置１Ｄの排出管から排出された気体は、排気管１１２へ送られる。
　この気体分離システム１１３は、大量の気体を気体分離する場合に、好適である。例えば、船舶等の大型のディーゼルエンジンに窒素富化空気を供給するために行う気体分離等に好適である。
　また、この気体分離システム１１３では、気体分離装置１Ｄの交換が容易である。気体分離装置１Ｄの導入管及び排出管がメス型（オス型）連結具であり、気体分離システムがオス型（メス型）連結具を有していることにより、ワンタッチで着脱可能となる。
　また、一般的に、気体分離を行う際、気体分離装置内（ハウジング内）は加圧されているため、ハウジングが膨張する。この気体分離システム１１３では、枠の中に気体分離装置１Ｄが挿入されているため、気体分離装置１Ｄの膨張を枠によって抑えることができる。そのため、ハウジングを強固な部材でなくともよく、柔軟部材で作製することができる。
　次に、実施例及び比較例を挙げて本実施形態をより具体的に説明するが、本実施の形態はその要旨を超えない限り、下記の実施例に限定されるものではない。
［実施例１］
　図２０に示す気体分離システム８１を運転し、空気から窒素富化された空気を生成した。図２０に示す気体分離システム８１は、膜エレメント２を装填した気体分離装置１を有している。気体分離装置１としては、図１３に示した気体分離装置を用いた。
　まず、気体分離システム８１の運転方法について説明する。気体分離装置１の導入管から導入される空気Ｆ１は、膜エレメント２の給気側を通過して排気側に到達し、気体分離装置１の排出管から排出される。そして、空気が膜エレメント２を通過する間に、気体分離が行われ、酸素が気体分離膜の反対側へ拡散・透過する。そして、気体分離装置１の排出管からは、酸素が削減された空気である窒素富化空気Ｆ２が排出される。
　また、掃気用気体の導入管から導入される空気Ｆ３は、気体分離膜を透過・拡散した酸素を同伴し、掃気用気体の排出管から酸素富化空気Ｆ４として排出される。掃気用気体の導入管へは、ポンプ８２から掃気用気体が供給される。
　次に、膜エレメントについて説明する。膜エレメント２としては、図４で示される膜エレメント２を用いた。
　気体分離膜としては、支持層として、不織布上にポリエーテルスルホン微多孔膜を形成させた厚み９０μｍの平膜に、フッ素樹脂である「テフロン（登録商標）ＡＦ１６００」（デュポン社製）をコーティングしたものを使用した。また、通気性補強材（図７参照）として、交点融着方のポリエステルマルチフィラメントより作成した平織りスペーサーを用い、気体分離膜を通気性補強材で挟み、プリーツ加工装置でプリーツ加工を行った。
　気体分離膜のプリーツ成形体をポリカーボネート補強枠で囲み、エポキシ樹脂で遠心法によりシールした。そして、封止部として弾性エポキシ樹脂接着剤を用い、剛性部材としてエポキシ樹脂を用いて、膜エレメントを作成した。剛性部材の上にリブを立て、剛性部材と補強枠上にガスケットとしてＯリングを載せて、膜エレメントを作成した。
　続いて、気体分離装置の気体分離性能の評価について説明する。気体分離装置１の排出管から排出された窒素富化空気の圧力と流量と酸素濃度を、圧力計８３、流量計８４、酸素濃度計８５を使用して測定した。酸素濃度計８５は、ジコー社製、ＪＫＯ－２５ＬＪＩＩ用いた。なお、気体分離装置に導入する空気は、酸素濃度２０．９％、２００ｋＰａＧ（ゲージ圧）、室温である。この結果を表１に示す。
［実施例２］
　気体分離膜の支持層として、不織布上にポリエーオレフィン系微多孔膜を形成させた厚み２０μｍの平膜を使用したこと以外は、実施例１と同様に膜エレメントを作成した。その結果を表１に示す。
［比較例１］
　気体分離装置として、図１０で示した気体分離装置５０を用いたこと以外は、実施例１と同じ条件で運転を行った。その結果を表１に示す。
　図１０で示された気体分離装置では、実施例１と同じ気体分離膜のプリーツ成形体を用いている。流路制御手段６２（図１０参照）としては、ウレタン性独立気泡型スポンジを用いた。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 実施例１に比べて比較例１では、窒素富化空気の収量が低下し、窒素富化空気中の酸素濃度が下がらなかった。加えて、実施例１に比べて比較例１では、圧力損失が大きかった。
　１…気体分離装置、２…膜エレメント、２６…プリーツ成形体、２７…補強枠、３２…剛性部材、３３ａ，３３ｂ…リブ部（リブ）、Ｂ…給気口（給気領域）、Ｆ…仮想面、Ｅ…排気口（排気領域）、Ｒ１，Ｒ２…開放領域、Ｓ…弾性エポキシ樹脂接着剤（封止部）。

Claims (11)

  1. 　シート状の気体分離膜基材を折り畳んで形成されたプリーツ成形体と、前記プリーツ成形体の両面側を開放して前記プリーツ成形体を囲む補強枠とを備えた膜エレメントであって、
    　前記補強枠に囲われた前記プリーツ成形体の開放された領域の少なくとも一方において、前記プリーツ成形体の折り目に交差する方向に配置される剛性部材と、
    　前記剛性部材と前記プリーツ成形体との間に設けられる封止部とを有し、
    　前記開放された領域は、前記封止部によって気体の給気領域と排気領域とに区画されていることを特徴とする膜エレメント。
  2. 　前記封止部が接着剤又はシール剤であることを特徴とする請求項１記載の膜エレメント。
  3. 　前記プリーツ成形体の前記開放された領域において、複数の折り目の頂部が配置された仮想面を仮定した場合に、前記封止部は、前記仮想面に沿って設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載の膜エレメント。
  4. 　前記封止部は、前記仮想面に沿って面状に設けられていることを特徴とする請求項３記載の膜エレメント。
  5. 　前記封止部は、前記剛性部材から前記プリーツ成形体の折り目方向に前記補強枠に向かって拡がるように設けられており、
    　前記給気領域及び前記排気領域は、前記開放された領域の前記折り目方向の両側において、前記補強枠と前記封止部とにより前記折り目に交差する方向に沿ってそれぞれ画成されていることを特徴とする請求項１～４のいずれか一項記載の膜エレメント。
  6. 　前記封止部の面積は、前記開放された領域において５％～９５％であることを特徴とする請求項１～５のいずれか一項記載の膜エレメント。
  7. 　前記剛性部材が前記補強枠に固定されていることを特徴とする請求項１～６のいずれか一項記載の膜エレメント。
  8. 　前記剛性部材の長手方向に延在すると共に、前記プリーツ成形体の高さ方向において前記剛性部材に対して立設するリブを備えていることを特徴とする請求項１～７のいずれか一項記載の膜エレメント。
  9. 　前記剛性部材及び前記封止部は、前記補強枠に囲われた前記プリーツ成形体の開放された領域の両方に設けられており、
    　前記開放された領域は、前記封止部によって気体の給気領域と排気領域とに区画されていることを特徴とする請求項１～８のいずれか一項記載の膜エレメント。
  10. 　請求項１～９のいずれか一項記載の膜エレメントを備えることを特徴とする気体分離装置。
  11. 　請求項１０に記載の気体分離装置を備えることを特徴とする内燃機関。
PCT/JP2010/066824 2009-09-28 2010-09-28 膜エレメント、気体分離装置及び内燃機関 WO2011037255A1 (ja)

Priority Applications (6)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020127007874A KR101517268B1 (ko) 2009-09-28 2010-09-28 막 엘리먼트, 기체 분리 장치 및 내연 기관
CN201080043064.XA CN102574065B (zh) 2009-09-28 2010-09-28 膜元件、气体分离装置和内燃机
JP2011533077A JP5619755B2 (ja) 2009-09-28 2010-09-28 膜エレメント、気体分離装置及び内燃機関
BR112012006434-7A BR112012006434B1 (pt) 2009-09-28 2010-09-28 Elemento de membrana, dispositivo de separação de gás, e, motor de combustão interna
EP10818925.9A EP2484430B1 (en) 2009-09-28 2010-09-28 Membrane element, gas separation device and internal combustion engine
US13/498,478 US9101873B2 (en) 2009-09-28 2010-09-28 Membrane element, gas separation device and internal combustion engine

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2009-222904 2009-09-28
JP2009222902 2009-09-28
JP2009222904 2009-09-28
JP2009-222902 2009-09-28

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2011037255A1 true WO2011037255A1 (ja) 2011-03-31

Family

ID=43795994

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2010/066824 WO2011037255A1 (ja) 2009-09-28 2010-09-28 膜エレメント、気体分離装置及び内燃機関

Country Status (7)

Country Link
US (1) US9101873B2 (ja)
EP (1) EP2484430B1 (ja)
JP (1) JP5619755B2 (ja)
KR (1) KR101517268B1 (ja)
CN (1) CN102574065B (ja)
BR (1) BR112012006434B1 (ja)
WO (1) WO2011037255A1 (ja)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103080526A (zh) * 2010-08-24 2013-05-01 旭化成化学株式会社 内燃机的氮氧化物削减方法及其装置
SG11201401180XA (en) 2011-10-03 2014-04-28 Entegris Inc Modular filter cassette
WO2014055452A1 (en) 2012-10-01 2014-04-10 Entegris, Inc. Connection system and method
DE102020208046A1 (de) 2020-06-29 2021-12-30 Mahle International Gmbh Befeuchter und ein Verfahren zu seinem Abdichten

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2005110581A1 (ja) 2004-05-18 2005-11-24 Asahi Kasei Chemicals Corporation 気体分離装置、及びその装置の運転方法
JP2007075699A (ja) 2005-09-13 2007-03-29 Asahi Kasei Chemicals Corp 気体分離モジュール
JP2007196130A (ja) * 2006-01-26 2007-08-09 Asahi Kasei Chemicals Corp ボックスプリーツエレメントおよびその製造方法
JP2007222841A (ja) * 2006-02-27 2007-09-06 Asahi Kasei Chemicals Corp プリーツエレメント
JP2010234202A (ja) * 2009-03-30 2010-10-21 Asahi Kasei Chemicals Corp プリーツ成形体の製造方法及びプリーツ成形体
JP2010234201A (ja) * 2009-03-30 2010-10-21 Asahi Kasei Chemicals Corp プリーツ成形体の製造方法及びプリーツ成形体
JP2010279885A (ja) * 2009-06-03 2010-12-16 Asahi Kasei Chemicals Corp 気体分離装置

Family Cites Families (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3389031A (en) * 1966-03-07 1968-06-18 Borje O Rosaen Method of manufacturing pleated filters
DE1507879A1 (de) * 1966-12-17 1969-07-24 Standard Filterbau Gmbh Taschenfilter
US4247316A (en) * 1979-07-09 1981-01-27 American Air Filter Company, Inc. Gas separation filter device having a handle
EP0152513B1 (en) * 1981-02-23 1991-01-09 Nippondenso Co., Ltd. Filter element for fluid cleaner systems
DE4014442A1 (de) * 1990-05-05 1991-11-07 Duepro Ag Vorrichtung zur anzeige des verschmutzungsgrades von luftfiltern in saugreinigungsgeraeten, raumfiltern o. dgl.
JP3132092B2 (ja) * 1990-11-16 2001-02-05 株式会社デンソー ダストフイルタの目詰り検知装置
EP0566479B1 (fr) * 1992-04-14 1995-11-15 Roger Claude Robin Dispositif de détection d'encrassement d'un filtre à air
US5891207A (en) * 1994-01-06 1999-04-06 Hks Co., Ltd. Engine intake-air filter apparatus
EP0692293B1 (en) * 1994-07-12 1999-10-13 Nittetsu Mining Co., Ltd. Reinforced filter element
US5653831A (en) * 1995-10-17 1997-08-05 Sta-Rite Industries, Inc. Method and apparatus for making a filter module
GB9705454D0 (en) * 1997-03-17 1997-05-07 Ucb Sa Membrane structure and bag comprising IT
JP4252456B2 (ja) * 2001-11-02 2009-04-08 ミリポア・コーポレイション 膜吸着装置
US6966940B2 (en) * 2002-04-04 2005-11-22 Donaldson Company, Inc. Air filter cartridge
KR100470632B1 (ko) * 2002-11-02 2005-02-21 기아자동차주식회사 차량용 에어컨 필터 구조
KR20060011961A (ko) * 2003-04-22 2006-02-06 마이크롤리스 코포레이션 가스 전달 멤브레인에 작용하기 위한 주름 구조체
DE112004000908T5 (de) * 2003-05-30 2006-04-13 Asahi Kasei Kabushiki Kaisha Befeuchtungsvorrichtung
US9120043B2 (en) * 2006-05-30 2015-09-01 3M Innovative Properties Company Filter sensor
JPWO2009054460A1 (ja) * 2007-10-26 2011-03-10 旭化成ケミカルズ株式会社 気体分離膜
US8435319B2 (en) * 2007-12-07 2013-05-07 Cedric Dackam Filter unit for the filtration of gaseous fluids, in particular air filter in internal combustion engines
CN103080526A (zh) * 2010-08-24 2013-05-01 旭化成化学株式会社 内燃机的氮氧化物削减方法及其装置

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2005110581A1 (ja) 2004-05-18 2005-11-24 Asahi Kasei Chemicals Corporation 気体分離装置、及びその装置の運転方法
JP2007075699A (ja) 2005-09-13 2007-03-29 Asahi Kasei Chemicals Corp 気体分離モジュール
JP2007196130A (ja) * 2006-01-26 2007-08-09 Asahi Kasei Chemicals Corp ボックスプリーツエレメントおよびその製造方法
JP2007222841A (ja) * 2006-02-27 2007-09-06 Asahi Kasei Chemicals Corp プリーツエレメント
JP2010234202A (ja) * 2009-03-30 2010-10-21 Asahi Kasei Chemicals Corp プリーツ成形体の製造方法及びプリーツ成形体
JP2010234201A (ja) * 2009-03-30 2010-10-21 Asahi Kasei Chemicals Corp プリーツ成形体の製造方法及びプリーツ成形体
JP2010279885A (ja) * 2009-06-03 2010-12-16 Asahi Kasei Chemicals Corp 気体分離装置

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See also references of EP2484430A4

Also Published As

Publication number Publication date
BR112012006434A2 (pt) 2019-12-17
CN102574065B (zh) 2014-10-22
EP2484430A1 (en) 2012-08-08
BR112012006434B1 (pt) 2021-07-13
CN102574065A (zh) 2012-07-11
KR101517268B1 (ko) 2015-05-04
JP5619755B2 (ja) 2014-11-05
JPWO2011037255A1 (ja) 2013-02-21
EP2484430A4 (en) 2016-08-24
US20120199004A1 (en) 2012-08-09
KR20120060866A (ko) 2012-06-12
US9101873B2 (en) 2015-08-11
EP2484430B1 (en) 2018-01-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5563646B2 (ja) 燃料電池用の加湿装置、及びその運転方法
US4750918A (en) Selective-permeation gas-separation process and apparatus
JP4822871B2 (ja) プリーツエレメント
JP5619755B2 (ja) 膜エレメント、気体分離装置及び内燃機関
JPH06339613A (ja) 気流から気体状物質を除去する膜集合体及びこれを含む装置並びに除去方法
JP4111086B2 (ja) 中空糸膜モジュール及び燃料電池の加湿装置
JP4812442B2 (ja) ボックスプリーツエレメントおよびその製造方法
JP4812377B2 (ja) 気体分離モジュール
CN1751407A (zh) 氢燃料电池的各种过滤元件
JP2010279885A (ja) 気体分離装置
JP2004202478A (ja) 膜モジュール
JPH08942A (ja) 脱湿用中空糸膜モジュール
JP5019673B2 (ja) 加湿装置
JP5019672B2 (ja) 加湿装置
JP5563053B2 (ja) 気体分離装置
JP5101553B2 (ja) プリーツ成形体の製造方法及びプリーツ成形体
JP5356882B2 (ja) プリーツ成形体の製造方法及びプリーツ成形体
JPH09150041A (ja) 外部灌流型気液接触モジュール
WO2024038722A1 (ja) スパイラル型膜エレメント及び膜分離装置
JP2004356001A (ja) ガス透過装置
WO2023176272A1 (ja) スパイラル型膜エレメント、透過スペーサ、及び膜分離方法
WO2023210275A1 (ja) 分離膜エレメント及び分離装置
JP2013031852A (ja) プリーツ成形体
JP2024022042A (ja) 燃料電池用の加湿装置

Legal Events

Date Code Title Description
WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 201080043064.X

Country of ref document: CN

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 10818925

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2011533077

Country of ref document: JP

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 20127007874

Country of ref document: KR

Kind code of ref document: A

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2010818925

Country of ref document: EP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 3235/CHENP/2012

Country of ref document: IN

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 13498478

Country of ref document: US

REG Reference to national code

Ref country code: BR

Ref legal event code: B01A

Ref document number: 112012006434

Country of ref document: BR

REG Reference to national code

Ref country code: BR

Ref legal event code: B01E

Ref document number: 112012006434

Country of ref document: BR

Free format text: IDENTIFIQUE O SIGNATARIO DA PETICAO NO 20120024798, 22/03/2012, E COMPROVE QUE O MESMO TEM PODERES PARA ATUAR EM NOME DO DEPOSITANTE, UMA VEZ QUE BASEADO NO ARTIGO 216 DA LEI 9.279/1996 DE 14/05/1996 (LPI) ?OS ATOS PREVISTOS NESTA LEI SERAO PRATICADOS PELAS PARTES OU POR SEUS PROCURADORES, DEVIDAMENTE QUALIFICADOS.,COM ASSINATURA LEGIVEL E CARIMBO DO MESMO.?.

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 112012006434

Country of ref document: BR

Kind code of ref document: A2

Effective date: 20120322