JPH10510471A - 濾過および分離のためのキャリアディスクおよび膜クッション - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 流動媒体の濾過および分離に使用されるキャリアデスクおよび膜クッション、特に、膜技術を使用した流体を濾過および分離するための装置。この発明に係る膜要素の目的は、プレートモジュールにおける通常のキャリアデスクおよび膜クッションによって、急激な流動方向変換を防止することによって、前記モジュールに固有の圧力損失を大幅に減少させることである。これは、前記キャリアデスクと膜クッションとの間で、分離すべき流体の流動を円形状に案内することによって実現される。この発明に係るキャリアデスクはスリット状の貫通孔を有し、該スリット状の貫通孔によって、前記キャリアデスクおよびこれに対応した膜クッションにおける同心円状の流動の後、同様に形成された膜クッションを有する次のキャリアプレートレベルへの流動案内が、最小の圧力損失で、また、方向変換をほとんど伴うことなく行われる。キャリアデスクおよび膜クッションは、プレートモジュールにおいて流体を濾過し、分離するために使用される。

Description

【発明の詳細な説明】 濾過および分離のためのキャリアディスクおよび膜クッション ここに開示された発明は、流体を案内するためのキャリアディスク、および、 逆浸透膜、ナノ濾過（nanofiltration）膜、限外濾過（ultrafiltration）膜ま たは精密濾過膜を使用することによって流体を濾過、分離するための装置として の膜クッションに関する。ここで、処理すべき流体が前記膜の両側を流れるよう 、前記膜クッションとキャリアディスクとは交互に配置され、前記キャリアディ スクは、その流動要素を介して前記流体を十分に案内して渦巻かせ、実質的な圧 力損失無しに、該流体を次のディスクレベルに導くようになっている。 前記キャリアディスクおよび膜クッションは、キャリアディスク、膜クッショ ン、スタック端部プレート、引きプレート、パッキングシートおよび／または端 部フランジならびに円筒形圧力管を１つのモジュールとして備えた装置の一部を 構成している。様々なのポンプ、予備濾過装置、洗浄装置および制御装置を有す る完全な設備内において、これらのモジュール要素は、１組または複数組が、流 体媒体用フィルタ装置として使用される。 同様な性質の流体を分離、濾過するためのモジュールエレメントは、従来より 様々な特許によって知られている。開示された新規の膜要素は、プレートモジュ ールのキャリアディスクおよび膜クッションに関する新規開発である。個々のプ レートモジュールに共通するのは、これらが、様々な種類および寸法の流動要素 、シーリング用または遮断用プレート、シーリング部材、フランジ、引きプレー トおよび圧力胴部からなる。 特別な課題は、すべてのプレートモジュール内において、比較的高い圧力損失 が生じる、ことである。前記開発の目的は、前記モジュールにおけるこの圧力勾 配を実質的に減少させることである。前記モジュールにおける圧力損失の減少に よって、割り当てるべき電気エネルギ量を相当減少でき、かなりの循環回路の変 更（直列接続、転送ツリー）を可能にできるので、これは特に重要である。特に 、一般的に濃縮水の量を可能な限り低く制限することが重要な下水または製品リ サイクル技術において、投資および運転コスト上の相当な利点が得られる。これ らの利点は、特に高いエネルギを必要とする膜技術分野における高圧力技術の場 合、さらに高められる。 モジュールに固有の高い圧力損失により従来のプレートモジュールを使用でき ないナノ濾過膜、限外濾過膜および精密濾過膜に関して、この発明は新たな応用 分野を開くものである。 これは、特にキャリアディスクと膜クッションとの間における基本的に新規の 円形状の流動案内によって、および、前記キャリアディスク上における選択され た流動案内要素によって実現された。この発明は、従来のモジュールに比べて５ ０％以上圧力損失を減少させることができ、これにより、応用効率を高めるとと もにその作用範囲を広げることができる。 この発明によると、上記課題は、前記キャリアディスクの形状および形態、特 に、１つのキャリアディスクから次のキャリアディスクへの傾斜路状の流動案内 によって、前記膜クッション上における流動が円形状になる。これは、１つのキ ャリアディスクから次のキャリアディスクに傾斜路状に流動案内する略半径方向 に延びたスリット状通路によって実現される。こうして、従来のプレートモジュ ールシステムにおける圧力損失の主原因だった周期的な１８０°の急激な流動方 向転換が回避される。従来ののプレートモジュールシステムにおいて、流体媒体 は、各プレートモジュールキャリアディスク当たり少なくとも１回、１８０°方 向転換されて、次のレベルに案内される。 この発明に係るキャリアディスクによると、流体が抵抗なく膜クッションの両 側領域に沿って流動し、１８０°の急激な方向転換を伴って１つのプレートモジ ュールキャリアレベルから次のキャリアレベルに案内されるのではなく、循環回 路の端部において、傾斜路状構造を介して、実質的な流動方向の変化を伴うこと なく、次の膜クッションの両側を流れ続ける。 以下、添付図面を参照して、この発明を説明する。 図１は、キャリアディスクの平面図、 図２は、前記キャリアディスクのＢ−Ｂ線断面図（拡大図）、 図３の“詳細Ａ”は、スリット状通路を示す図（拡大図）、 図４の“詳細Ｃ”は、流動要素の構成を示す図（拡大図）、 図５は、膜クッションの平面図および断面図、 図６は、膜クッションを含む３つのキャリアディスクにおける流動案内の原理 を示す図、 図７は、１つのプレートモジュールの全体を示す断面図である。 参照符号のリスト １ キャリアディスク １０ Ｏリング溝 １１ 環状リム １２ 中央孔 １３ 突起 １４ センタリングリム １５ スリット状通路 １６ 突部 １７ 歪防止装置 １８ 流動要素 １８０ 先端 １８１ 幅狭側 １８２ 幅広側 ２ 膜クッション ２０ 膜領域 ２００ 透過スペーサ ２０１ 下方膜層 ２０２ 上方膜層 ２１ 溶接継ぎ目 ２２ 中央孔 ２３ スリット Ｓ１ キャリアディスク上における流体流動 Ｓ２ スリット状通路内における流体流動 Ｐ 透過方向 ３ モジュール ３１ 中央連結ロッド ３２ クランプスリーブ ３３ テンションナット ３４ 上方スタック端部プレート ３４０ 穴 ３５ 下方スタック端部プレート ３６ 上方流動方向転換ディスク ３７ 下方流動方向転換ディスク ３８ 上方端部フランジ ３９ 下方端部フランジ ４０ 供給ノズル ４１ 濃縮水スリーブ ４２ 濃縮水ノズル プレートモジュール（３）、ならびに、上記の逆浸透、ナノ濾過、限外濾過お よび精密濾過のための装置が、図７において断面図によって示されており、先ず 、全体的な連結状態をより理解するために、これらについて説明する。前記プレ ートモジュール（３）は、上方流動方向転換ディスク（３６）および下方流動方 向転換ディスク（３７）の外側に密閉状態に固着されている筒状の圧力ハウジン グ（３０）と、上方端部フランジ（３８）および下方端部フランジ（３９）とを 備えている。該モジュール（３）において、キャリアディスク（１）および膜ク ッション２は、中央連結ロッド（３１）と上方スタック端部プレート（３４）お よび下方スタック端部プレート（３５）とを介して、まとめてクランプ固定され ている。テンションナット（３３）はバイアスを加えるものであり、該バイアス はクランプスリーブ（３２）によって伝達されるようになっている。 前記プレートモジュール（３）は以下のように動作する。すなわち、流体は、 未処理水導入口（４０）から該モジュール（３）に進入し、要素スタック構造を 通過した後、前記上方スタック端部プレート（３４）の通路（３４０）を通って 第１のキャリアディスク（１）に至る。前記流体は、このキャリアディスク（１ ）上を円形状に流動し、その後、スリット状通路（１５）を通って、その下の次 のキャリアディスク（１）およびこれに対応する離隔した膜クッションに案内さ れる。未処理水は、前記膜クッション（２）の上側および下側を流れる。一周後 、次のレベルへの傾斜路状の方向転換が生じる。このようにして、前記流体は、 前記プレートモジュール（３）の要素スタック構造全体を貫流する。この流動方 式の決定的な利点は、その流動が急激な方向変化を生じず、極めて規則的である 、ということである。進入流動は永久的に一定断面の流動領域に遭遇し、その結 果、流動速度の変化は生じない。前記スリット状通路（１５）は、ここでも流動 速度が一定に維持されるよう設計されている。前記膜クッションに沿って流れて いる間、前記流体の一部は、膜層（２０１，２０２）を透過し、透過スペーサ（ ２００）方向に進入する。このいわゆる“透過された”流体は、中央連結ロッド （３１）に沿って案内され、透過流体収集管に向けて案内される。未処理水の残 りの部分（濃縮水）は、濃縮水スリーブ（４１）および濃縮水ノズル（４２）を 通って、前記モジュールから排出される。 図１はこの発明に係るキャリアディスク（１）の平面図であり、図２はＢ−Ｂ 線断面図である。このキャリアディスク（１）はディスク形の円形体を構成して いる。該円形体は、その外方に円形リム（１１）を有し、中央孔（１２）の周囲 に互いに離隔した複数の突起（１３）を有し、これら突起（１３）は前記中央孔 （１２）中に突出している。前記複数の突起（１３）は、前記中央孔（１２）の 周囲において等間隔に形成されている。また、前記複数の突起（１３）は、セン タリングリム（１４）、および、未処理水側を透過側から密封するシーリング用 Ｏリングを収容するために設けられたＯリング溝（１０）に隣接している。スリ ット状通路（１５）は、前記キャリアディスクの中央領域から前記外方の円形リ ム（１１）に向けて半径方向に延びており、このスリット状通路（１５）を介し て、前記流体は、前記キャリアディスクおよび膜クッションに沿って（Ｓ１で示 す）流れた後、この１つのキャリアディスクレベルから次のキャリアディスクレ ベルに流動する。これは、１つのキャリアディスクレベルから次のキャリアディ スクレベルへの方向転換が発生するよう、前記スリット状通路（１５）の半径方 向延長上に、複数の前記キャリアディスクが積み重ねられ（スタックされ）た場 合において互いに係合する湾曲傾斜路を有する、ことによって実現される。また 、前記スリット状通路（１５）は、前記流動を案内し、前記膜を所定位置に支持 、係止するための複数の突部（１６）を有する。前記通路（１５）の外方リムに は、互いに当接した前記膜およびキャリアを歪から保護する歪防止装置（１７） が設けられている。また、前記キャリアディスクには複数の流動要素（１８）が 設けられており、該流動要素（１８）は、図４において拡大して示されている。 これら流動要素（１８）は、前記流動を制御する機能だけでなく、各前記膜クッ ションを前記キャリアディスクから離隔させる機能を有する。 図４に示された前記流動要素（１８）は、楕円形の外形を有する。こうして、 前記流動要素（１８）は、幅広側（１８２）と幅狭側（１８１）とを有する。前 記キャリアディスク（１）における個々の前記要素の配置は、次のように、前記 中央孔（１２）を中心として同心円状に配置されている。流動要素（１８）の数 は常に同じであるが、主流動に対する向きは異なる。短く、従って、好ましい内 方路において、前記流動は、前記流動要素（１８）の幅広側（１８２）による大 きな抵抗に遭遇し、一方、長く、従って、不利な外方路において、前記流動は、 前記流動要素（１８）の幅狭側（１８１）による小さな抵抗に遭遇する。その間 において、前記流動要素（１８）は、相互に対応してつり合うよう状態に、多か れ少なかれ湾曲している。その結果、前記キャリアディスク（１）および膜クッ ション（２）の断面流動領域における流動速度が均等になる。もろい膜クッショ ン（２）に接触してこれを損傷することのないよう、前記流動要素（１８）の先 端（１８０）は丸くなっている。これとは別に、前記流動要素（１８）は、流動 中の媒体を渦巻かせるために所望の特性を有し、これにより、前記膜の分離性能 に有利な乱流を発生するようになっている。 図２は、前記キャリアディスク（１）のＢ−Ｂ線断面図である。中央連結ロッ ド（３１）を案内、収容した中央孔（１２）の中心によって示された中心軸から 、前記キャリアディスク（１）は、上述した突起（１３）を有する。前記膜クッ ションを介在させた状態で複数の前記キャリアディスク（１）が互いに正確に嵌 合して積み重ねることができるよう、これらの突起（１３）は、前記キャリアデ ィスク（１）の中心に対して５０％上方に変位している。 図３は、前記膜クッションを所定位置に係止するための突部（１６）を有する 前記スリット状通路（１５）を詳細に示すものである。その傾斜路状の設計は、 前記キャリアディスク（１）のスリット状通路に、一定角度（４０°が好ましい ３０°〜６０°の角度）の２つの湾曲傾斜路を形成することによって実現される 。次の下方レベルへの強制的な流動案内が予め決定されるよう、複数のキャリア ディスク（１）が積み重ねられた場合、これらの突部（１６）は互いに係合する （図６参照）。これらの突部（１６）は、前記スリット状通路（１５）の領域内 における所定位置に前記膜クッションを係止するために設けられている。該突部 （１６）の上側は、前記膜クッションの溶接継ぎ目（２１）をクランプ固定する よう、平らになっている。 前記キャリアディスク（１）は前記モジュール（３）内の高いバイアスおよび 作用圧力を受けやすいので、前記キャリアディスク（１）は可能な限り少量の製 品流動のみを許容するプラスチック製であり、このため、補強目的で、製造処理 の過程において、一定比率の織物材料が付加される。 図５は、前記膜クッション（２）の平面図および断面図である。該膜クッショ ン（２）は、合計３つの層、すなわち、中間の透過スペーサ（２００）と下方膜 層（２０１）と上方膜層（２０２）とで構成されている。これら３つの層は、特 別な処理によって溶接接合されている。この溶接接合によって、前記膜クッショ ン（２）の中間領域の透過スペーサ（２００）に収集されたいわゆる“透過物” は、中心、すなわち、前記中央連結ロッドの方向にのみに逃れ、ここで、収集さ れて排出案内される。膜領域（２０）は、未処理水の一定少量のみを通過させる 特性を有する（半透過膜）。透過方向（Ｐ）が拡大されて示されている。前記膜 は中央孔（２２）を有し、該中央孔（２２）は、前記突起（１３）によって前記 キャリアディスク（１）の中心に位置決めされている。これとは別に、前記膜は スリット（２３）を有し、複数の前記モジュールが積み重ねられ場合、該スリッ ト（２３）は、前記キャリアディスク（１）のスリット状通路（１５）に従って 配置される。 図６は、積み重ねられた３つのキャリアディスク（１）のスリット状通路（１ ５）における流動進路（Ｓ２）を略示する図である。前記膜クッション（２）は 、２つの突部（１６）の間における溶接継ぎ目（２１）においてクランプ固定さ れ、こうして、所定位置に係止される。これにより、略同量の流動媒体が前記膜 の上側および下側に案内される、ことが保証される。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．膜濾過用の装置に膜スタック構造を構成するために、キャリアディスク（１ ）と膜クッション（２）とで構成された膜要素であって、 前記キャリアディスク（１）および膜クッション（２）が、略円形の流動領域 を提供し、 前記キャリアディスク（１）が、前記流動領域の略半径方向に延びたスリット 状通路（１５）を有し、 前記膜クッション（２）が同様に設計されたスリット（２３）を有し、前記ス リット状通路がその半径方向延長部に沿って傾斜面を有し、該傾斜面が、スタッ ク状態において、互いに係合し、１つのキャリアディスクレベルから次のキャリ アディスクレベルに流体の方向を変換させ、複数の前記キャリアディスク（１） 間にクランプ固定された前記膜クッション（２）上に同心円状の流動を発生させ るものである ことを特徴とする膜要素。 ２．前記キャリアディスク（１）のスリット状通路（１５）の前記傾斜面が、３ ０°〜６０°の傾斜角を提供するものである請求の範囲第１項に記載の膜要素。 ３．流動媒体が、前記次の流動レベルに進入するとき、前記膜クッション（２） の上側および下側において約５０％ずつ均等に分散するよう、前記膜クッション （２）が、前記スリット状通路（１５）の領域に設けられた突部１６によって、 その溶接継ぎ目（２１）領域における所定位置に係止されている請求の範囲第１ 項および第２項のいずれか１項に記載の膜要素。 ４．前記キャリアディスク（１）が、その上側および下側において、好ましくは 、楕円形の横断面を有し、その縦断面における先端が丸まったテーパ状をした多 数の突起または流動要素（１８０，１８１，１８２）を有し、該流動要素（１８ ０，１８１，１８２）が、その配置、形状および角度位置によって、均等な流動 案内および渦巻きを生じさせ、さらに、前記膜クッション（２）を前記キャリア ディスク（１）の表面から十分離隔させるものである請求の範囲第１項から第３ 項までのいずれか１項に記載の膜要素。 ５．前記キャリアディスク（１）が、好ましくは外方領域である、その内方領域 および／または外方領域において、複数の前記キャリアディスク（１）を前記膜 スタック構造においてまとめて係止するピン状の固定部（１７）を有するもので ある請求の範囲第１項から第４項までのいずれか１項に記載の膜要素。 ６．前記キャリアディスク（１）が、その内方領域において、一定の圧力で、複 数の前記膜クッション（２）を前記膜スタック構造における所定位置に密閉状態 に係止する２つのＯリングを備えている請求の範囲第１項から第５項までのいず れか１項に記載の膜要素。 ７．前記キャリアディスク（１）が、補強目的で繊維材料が最高２０％まで付加 されたプラスチック材料製である請求の範囲第１項から第６項までのいずれか１ 項に記載の膜要素。 ８．請求の範囲第１項から第７項までのいずれか１項に記載の膜要素のためのキ ャリアディスク（１）。 ９．請求の範囲第１項から第８項までのいずれか１項に記載の膜要素のための膜 ポケット（２）。