流路间隔物和螺旋型膜元件的制作方法

本公开涉及流路间隔物和螺旋型膜元件。

背景技术：

在海水的淡化、纯水的制造等水处理中，例如使用螺旋型膜元件。螺旋型膜元件具有集水管和在集水管的周围卷绕的多个分离膜。为了确保应该被处理的原水的流路，在相邻的分离膜之间配置有具有网格结构的原水流路间隔物。

专利文献1记载了一种具有沿着原水的流动方向配置的纵纱和沿着相对于原水的流动方向交叉的方向配置的横纱的原水流路间隔物。专利文献1记载了由于横纱比纵纱细从而能够减少原水的流路上的压力损失。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2005-305422号公报

技术实现要素：

发明要解决的问题

流路间隔物不仅要求能够实现较低的压力损失，而且还要求抑制形成浓度分极层的性能。浓度分极层是无法透过分离膜的离子、盐类等溶质的浓度较高的层，通过溶质在分离膜的表面的附近累积而形成。浓度分极层使分离膜的表面的附近的渗透压上升，并减少透过水的量。

浓度分极层的形成容易度能够由作用于分离膜的剪切应力的大小来表示。作用于分离膜的剪切应力越大，溶质越容易从分离膜的表面的附近被冲走。也就是说，越不易形成浓度分极层。

不过，剪切应力和压力损失本质上处于折衷的关系，不容易兼顾该剪切应力和压力损失。本公开提供剪切应力和压力损失的平衡优异的流路间隔物和使用该流路间隔物的螺旋型膜元件。

用于解决问题的方案

本公开提供一种流路间隔物，其被夹持在卷绕于螺旋型膜元件的集液管的分离膜之间而使用，其中，

该流路间隔物具有：

多个第1线状部，该多个第1线状部分别沿第1方向延伸；以及

多个第2线状部，该多个第2线状部分别沿相对于所述第1方向倾斜的第2方向延伸，

在该流路间隔物存在第1对、第2对以及第3对，在该第1对，从彼此相邻的所述第1线状部和彼此相邻的所述第2线状部中选择的至少1者以第1间隔排列，在该第2对，从彼此相邻的所述第1线状部和彼此相邻的所述第2线状部中选择的至少1者以比所述第1间隔窄的第2间隔排列，在该第3对，从彼此相邻的所述第1线状部和彼此相邻的所述第2线状部中选择的至少1者以比所述第2间隔窄的第3间隔排列。

发明的效果

根据本公开，能够提供剪切应力和压力损失的平衡优异的流路间隔物。

附图说明

图1是本公开的一实施方式的螺旋型膜元件的立体图。

图2是在图1所示的螺旋型膜元件中使用的第1流路间隔物的局部俯视图。

图3是配置于分离膜之间的第1流路间隔物的局部剖视图。

图4是变形例1的第1流路间隔物的局部俯视图。

图5是变形例2的第1流路间隔物的局部俯视图。

图6是变形例3的第1流路间隔物的局部俯视图。

图7是变形例4的第1流路间隔物的局部俯视图。

图8是变形例5的第1流路间隔物的局部俯视图。

图9是变形例6的第1流路间隔物的局部俯视图。

图10是表示模拟所使用的流路间隔物的模型的图。

具体实施方式

以下参照附图说明本公开的实施方式。本公开并不限定于以下的实施方式。

在图1中将本公开的一实施方式的螺旋型膜元件局部地展开来表示。螺旋型膜元件10(以下也简称为“膜元件10”)具有集液管11、多个分离膜12、第1流路间隔物13以及第2流路间隔物14。

在本说明书中，x方向表示与集液管11的长度方向(轴向)平行的方向。y方向和z方向表示集液管11的半径方向，该y方向和z方向彼此正交。

多个分离膜12彼此重叠，在3个边密封以形成袋状的结构，并被卷绕于集液管11。以使第1流路间隔物13位于袋状的结构的外部的方式在分离膜12与分离膜12之间配置有第1流路间隔物13。第1流路间隔物13在分离膜12与分离膜12之间确保作为原液的流路的空间。以使第2流路间隔物14位于袋状的结构的内部的方式在分离膜12与分离膜12之间配置有第2流路间隔物14。第2流路间隔物14在分离膜12与分离膜12之间确保作为透过液的流路的空间。袋状的结构的开口端与集液管11相连接，以使透过液的流路与集液管11相连通。原液的种类没有特别限定。原液既可以是海水，也可以是废水，也可以是用于纯水的制造的水。

集液管11承担将透过各分离膜12后的透过液收集并将其向膜元件10的外部引导的作用。集液管11典型地为树脂制的管。在集液管11沿着其长度方向以预定间隔设有多个贯通孔11h。透过液经过这些贯通孔11h向集液管11中流入。

作为分离膜12，能够举出反渗透膜、纳滤膜、超滤膜、微滤膜等。

第1流路间隔物13也被称作原液流路间隔物或供给侧流路材料。第1流路间隔物13为具有网格结构的片材。第2流路间隔物14也被称作透过液流路间隔物或透过侧流路材料。第2流路间隔物14也是具有网格结构的片材。流路间隔物13和14的材料典型地为树脂。流路间隔物13能够通过挤出成型来制造。不过，也能够通过3d打印等其他成形方法来制造流路间隔物13。

例如，膜元件10被收纳于筒状的压力容器来使用。当向压力容器的内部供给应处理的原液时，原液从膜元件10的一端部向原液的流路流入。原液由分离膜12过滤并浓缩。由此生成浓缩的原液和透过液。浓缩的原液从膜元件10的另一端部向膜元件10的外部排出。透过液经过透过液的流路和集液管11，向膜元件10的外部排出。膜元件10生成透过液，该透过液被去除了原液所含的离子、盐类等溶质。

在膜元件10中使用的第1流路间隔物13的剪切应力和压力损失的平衡优异。当抑制压力损失时，能够减小用于供给原液的泵的动力，因此，能够减少用于生成透过液所需的能量。通过抑制压力损失，还能够防止在膜元件10发生望远镜现象。通过充分的剪切应力作用于分离膜12，能够抑制浓度分极层的形成。由此，能够充分地确保透过液的生成量。通过使较大的剪切应力作用于分离膜12，也能够抑制产生生物积垢。

接着，说明第1流路间隔物13的详细的结构。在图2中通过俯视图示出在图1所示的螺旋型膜元件10中使用的第1流路间隔物13的局部。以下也将第1流路间隔物13简称为“间隔物13”。

本实施方式的间隔物13是应该配置于原液的流路的原液流路间隔物。原液流路间隔物要求剪切应力和压力损失这两者的性能，因此，若使用本实施方式的间隔物13作为原液流路间隔物，则能够得到更充分的益处。

如图2所示，间隔物13具有多个第1线状部21和多个第2线状部22。线状部21和22是由聚酯、聚乙烯、聚丙烯等树脂材料制作的细长的部分。线状部21和22的截面的形状例如是圆形。线状部21和22的粗细度(直径)例如处于0.2～1.0mm的范围。线状部21和22既可以有一定的粗细度，也可以局部较细。间隔物13的厚度与线状部21的粗细度和线状部22的粗细度的总和大致相等。

多个第1线状部21彼此平行地排列。多个第1线状部21分别沿第1方向d1延伸。多个第2线状部22彼此平行地排列。多个第2线状部22分别沿相对于第1方向d1倾斜的第2方向d2延伸。在本实施方式中，第1方向d1和第2方向d2为彼此正交的方向。多个第1线状部21和多个第2线状部22彼此交叉，由此形成具有多个开口部的网格结构。不过，第1方向d1和第2方向d2也可以不正交。第1线状部21和第2线状部22不是必须正交。

第1方向d1和第2方向d2分别为相对于集液管11的长度方向(x方向)倾斜的方向。详细而言，第1方向d1相对于集液管11的长度方向以45度倾斜。第2方向d2相对于集液管11的长度方向以45度倾斜。换言之，第1方向d1和集液管11的长度方向所成的角度与第2方向d2和集液管11的长度方向所成的角度相等。根据这样的结构，容易均匀地对分离膜12的整个表面作用剪切应力。

在本实施方式中，间隔物13由第1线状部21和第2线状部22构成。如图3所示，在间隔物13的厚度方向上，多个第1线状部21和多个第2线状部22彼此重叠并构成双层结构。分离膜12与分离膜12之间的间隔(原液的流路的宽度)与间隔物13的厚度相等。第1线状部21和第2线状部22在彼此的交点处粘接或熔接。根据这样的结构，原液的流动在间隔物13的厚度方向上蜿蜒行进，容易使剪切应力作用于分离膜12的表面。

不过，也可以编织多个第1线状部21和多个第2线状部22。也就是说，也可以在间隔物13的厚度方向上使第1线状部21和第2线状部22的位置关系交替地调换。

在本实施方式中，第1线状部21不等间隔地排列。在间隔物13存在第1对p1、第2对p2以及第3对p3。在第1对p1，彼此相邻的第1线状部21以第1间隔w1排列。在第2对p2，彼此相邻的第1线状部21以比第1间隔w1窄的第2间隔w2排列。在第3对p3，彼此相邻的第1线状部21以比第2间隔w2窄的第3间隔w3排列。根据这样的结构，能够取得剪切应力和压力损失的平衡。

在一个例子中，可以是，第1间隔w1处于4.0mm以上且4.5mm以下的范围。也可以是，第2间隔w2处于3.2mm以上且小于4.0mm的范围。也可以是，第3间隔w3处于2.5mm以上且小于3.2mm的范围。

在本说明书中，“线状部的间隔”的意思为，在俯视间隔物13时的、线状部的中心线之间的最短距离。

在本实施方式中，第1对p1、第2对p2以及第3对p3分别包含在多个第1线状部21中。也就是说，第1对p1、第2对p2以及第3对p3分别为第1线状部21的对。根据这样的结构，容易在第1线状部21的排列方向即第2方向d2上取得剪切应力和压力损失的平衡。

间隔物13包含具有第1间隔w1的第1开口部31、具有第2间隔w2的第2开口部32以及具有第3间隔w3的第3开口部33。在第2方向d2上，第1开口部31、第2开口部32以及第3开口部33依次排列。详细而言，第1开口部31是由第1间隔w1和第1间隔w1规定的正方形形状的开口部。第2开口部32是由第1间隔w1和第2间隔w2规定的矩形形状的开口部。第3开口部33是由第1间隔w1和第3间隔w3规定的矩形形状的开口部。根据这样的结构，容易在第2方向d2上取得剪切应力和压力损失的平衡。

第1开口部31的开口面积比第2开口部32的开口面积大。第2开口部32的开口面积比第3开口部33的开口面积大。

包含第1开口部31、第2开口部32以及第3开口部33的网格单位m1在第2方向d2上重复。在本实施方式中，网格单位m1包含两个第1开口部31。在网格单位m1中，第1开口部31、第1开口部31、第2开口部32以及第3开口部33依次排列。由于网格单位m1重复，从而能够在第2方向d2上重复获得使剪切应力和压力损失平衡的效果。

在本实施方式中，与第1线状部21同样地，第2线状部22也不等间隔地排列。在间隔物13存在第1对q1、第2对q2以及第3对q3。在第1对q1，彼此相邻的第2线状部22以第1间隔w1排列。在第2对q2，彼此相邻的第2线状部22以比第1间隔w1窄的第2间隔w2排列。在第3对q3，彼此相邻的第2线状部22以比第2间隔w2窄的第3间隔w3排列。第1对p1、第2对p2以及第3对p3分别包含在多个第1线状部21中，第1对q1、第2对q2以及第3对q3分别包含在多个第2线状部22中。也就是说，第1对p1、第2对p2以及第3对p3分别为第1线状部21的对。第1对q1、第2对q2以及第3对q3分别为第2线状部22的对。根据这样的结构，容易在第1方向d1和第2方向d2这两个方向上取得剪切应力和压力损失的平衡。

第2方向d2上的第1线状部21的排列图案与第1方向d1上的第2线状部22的排列图案一致。由于第1线状部21和第2线状部22以相同的图案排列，因此，在第1方向d1和第2方向d2的各方向上，第1开口部31、第2开口部32以及第3开口部33依次排列。根据这样的结构，容易在第1方向d1和第2方向d2这两个方向上取得剪切应力和压力损失的平衡。

另外，包含第1开口部31、第2开口部32以及第3开口部33的网格单位m1在第1方向d1和第2方向d2的各方向上重复。由于网格单位m1重复，从而能够在第1方向d1和第2方向d2这两个方向上重复获得使剪切应力和压力损失平衡的效果。

本实施方式的间隔物13除了具有第1开口部31、第2开口部32以及第3开口部33之外，还具有开口部44～46。开口部44是由第2间隔w2和第2间隔w2规定的正方形形状的开口部。开口部45是由第2间隔w2和第3间隔w3规定的矩形形状的开口部。开口部46是由第3间隔w3和第3间隔w3规定的正方形形状的开口部。开口部44的开口面积比开口部45的开口面积大。开口部45的开口面积比开口部46的开口面积大。第1开口部31、开口部44以及开口部46是具有与集液管11的长度方向平行的对角线的正方形形状的开口部。第1开口部31、第1开口部31、开口部44以及开口部46沿着集液管11的长度方向(预定方向)依次排列。第1开口部31的开口面积比开口部44的开口面积大，开口部44的开口面积比开口部46的开口面积大。假定若4×4＝16个开口部构成1个网格单位，则该网格单位沿着第1方向d1和第2方向d2重复。根据这样的结构，能够取得剪切应力和压力损失的平衡。

此外，也可以是，在间隔物13中调换第2开口部32的位置和第3开口部33的位置。也就是说，也可以是，第1开口部31、第3开口部33以及第2开口部32沿着第1方向d1依次排列。也可以是，第1开口部31、第3开口部33以及第2开口部32沿着第2方向d2依次排列。第1开口部31、第2开口部32以及第3开口部33的排列顺序是任意的。

也可以是，两个第2开口部32和两个第3开口部33包含在网格单位m1中。例如也可以是，网格单位m1包含第1开口部31、第1开口部31、第2开口部32、第2开口部32、第3开口部33以及第3开口部33。

网格单位m1也不是必须重复。第1开口部31、第2开口部32以及第3开口部33也可以随机地排列。能够利用稀疏的开口部和密集的开口部混合起来的结构来取得剪切应力和压力损失的平衡。

以下说明几个变形例的流路间隔物。对于实施方式和各变形例所共有的要素标注相同的参照附图标记，有时省略它们的说明。即，与实施方式和各变形例相关的说明只要不存在技术上的矛盾，则能够彼此应用。并且，只要不存在技术上的矛盾，则实施方式和各变形例的结构也可以彼此组合。

在图4中通过俯视图示出变形例1的第1流路间隔物53的局部。在间隔物53中除了存在第1对p1、第2对p2以及第3对p3之外，还存在第4对p4。在第4对p4，彼此相邻的第1线状部21以比第3间隔w3窄的第4间隔w4排列。通过这样的结构，也能够取得剪切应力和压力损失的平衡。也就是说，具有彼此不同的间隔的对的数量的上限没有特别限定。

在一个例子中，可以是，第1间隔w1处于4.0mm以上且4.5mm以下的范围。也可以是，第2间隔w2处于3.5mm以上且小于4.0mm的范围。也可以是，第3间隔w3处于3.1mm以上且小于3.5mm的范围。也可以是，第4间隔w4处于2.5mm以上且小于3.1mm的范围。

在本变形例中，第1对p1、第2对p2、第3对p3以及第4对p4分别包含在多个第1线状部21中。也就是说，第1对p1、第2对p2、第3对p3以及第4对p4分别为第1线状部21的对。根据这样的结构，容易在第1线状部21的排列方向即第2方向d2上取得剪切应力和压力损失的平衡。

间隔物53除了包含第1开口部31、第2开口部32以及第3开口部33之外，还包含具有第4间隔w4的第4开口部34。在第2方向d2上，第1开口部31、第2开口部32、第3开口部33以及第4开口部34依次排列。第4开口部34是由第1间隔w1和第4间隔w4规定的矩形形状的开口部。根据这样的结构，容易在第2方向d2上取得剪切应力和压力损失的平衡。

第4开口部34的开口面积比第3开口部33的开口面积小。

包含第1开口部31、第2开口部32、第3开口部33以及第4开口部34的网格单位m2在第2方向d2上重复。由于网格单位m2重复，从而能够在第2方向d2上重复获得使剪切应力和压力损失平衡的效果。

在本变形例中，与第1线状部21同样地，第2线状部22也不等间隔地排列。在间隔物53除了存在第1对q1、第2对q2以及第3对q3之外，还存在第4对q4。在第4对q4，彼此相邻的第2线状部22以比第3间隔w3窄的第4间隔w4排列。第1对p1、第2对p2、第3对p3以及第4对p4分别包含在多个第1线状部21中，第1对q1、第2对q2、第3对q3以及第4对q4分别包含在多个第2线状部22中。也就是说，第1对p1、第2对p2、第3对p3以及第4对p4分别为第1线状部21的对。第1对q1、第2对q2、第3对q3以及第4对q4分别为第2线状部22的对。根据这样的结构，容易在第1方向d1和第2方向d2这两个方向上取得剪切应力和压力损失的平衡。

第2方向d2上的第1线状部21的排列图案与第1方向d1上的第2线状部22的排列图案一致。由于第1线状部21和第2线状部22以相同的图案排列，因此，在第1方向d1和第2方向d2的各方向上，第1开口部31、第2开口部32、第3开口部33以及第4开口部34依次排列。根据这样的结构，容易在第1方向d1和第2方向d2这两个方向上取得剪切应力和压力损失的平衡。

另外，包含第1开口部31、第2开口部32、第3开口部33以及第4开口部34的网格单位m2在第1方向d1和第2方向d2的每一个方向上重复。由于网格单位m2重复，从而能够在第1方向d1和第2方向d2这两个方向上重复获得使剪切应力和压力损失平衡的效果。

本变形例的间隔物53除了具有第1开口部31、第2开口部32、第3开口部33以及第4开口部34之外，还具有开口部44～49。开口部44～46的结构如之前说明的那样。开口部47是由第2间隔w2和第4间隔w4规定的矩形形状的开口部。开口部48是由第3间隔w3和第4间隔w4规定的矩形形状的开口部。开口部49是由第4间隔w4和第4间隔w4规定的正方形形状的开口部。开口部47的开口面积比开口部48的开口面积大。开口部48的开口面积比开口部49的开口面积大。第1开口部31、开口部44、开口部46以及开口部49是具有与集液管11的长度方向平行的对角线的正方形形状的开口部。第1开口部31、开口部44、开口部46以及开口部49沿着集液管11的长度方向依次排列。假定若4×4＝16个开口部构成1个网格单位，则该网格单位沿着第1方向d1和第2方向d2重复。根据这样的结构，能够取得剪切应力和压力损失的平衡。

此外，也可以是，在间隔物53中调换第2开口部32的位置和第3开口部33的位置。例如也可以是，第1开口部31、第3开口部33以及第2开口部32沿着第1方向d1依次排列。也可以是，第1开口部31、第3开口部33以及第2开口部32沿着第2方向d2依次排列。并且，也可以调换第3开口部33的位置和第4开口部34的位置。也可以调换第2开口部32的位置和第4开口部34的位置。第1开口部31、第2开口部32、第3开口部33以及第4开口部34的排列顺序是任意的。

网格单位m2不是必须重复。第1开口部31、第2开口部32、第3开口部33以及第4开口部34也可以随机地排列。能够利用稀疏的开口部和密集的开口部混合起来的结构来取得剪切应力和压力损失的平衡。

在图5中通过俯视图示出变形例2的流路间隔物63的局部。在本变形例的间隔物63中，第1线状部21不等间隔地排列。第2线状部22等间隔地排列。第1对p1、第2对p2以及第3对p3分别包含在多个第1线状部21中。在多个第2线状部22中，仅包含具有第1间隔w1的第1对q1。

在图6中通过俯视图示出变形例3的流路间隔物73的局部。在本变形例的间隔物73中，第1线状部21不等间隔地排列。第2线状部22等间隔地排列。第1对p1和第2对p2分别包含在多个第1线状部21中。在多个第2线状部22中，仅包含具有第3间隔w3的第3对q3。

在图7中通过俯视图示出变形例4的流路间隔物83的局部。在本变形例的间隔物83中，第1线状部21不等间隔地排列。第2线状部22等间隔地排列。第1对p1和第3对p3分别包含在多个第1线状部21中。在多个第2线状部22中，仅包含具有第2间隔w2的第2对q2。

在图8中通过俯视图示出变形例5的流路间隔物93的局部。在本变形例的间隔物93中，第1线状部21不等间隔地排列。第2线状部22不等间隔地排列。第1对p1和第2对p2分别包含在多个第1线状部21中。第2对q2和第3对q3分别包含在多个第2线状部22中。

如根据图5～8所示的变形例所能够理解的那样，第1线状部21的排列图案不是必须与第2线状部22的排列图案一致。第2方向d2上的第1线状部21的排列图案也可以与第1方向d1上的第2线状部22的排列图案不同。具有彼此不同的间隔的对的数量只要是3个以上，则第1对、第2对以及第3对既可以仅存在于多个第1线状部21，也可以仅存在于多个第2线状部22。多个第1线状部21所含的对的种类的数量与多个第2线状部22所含的对的种类的数量的总和也可以是3以上。第1对是从彼此相邻的第1线状部21和彼此相邻的第2线状部22中选择的至少1者以第1间隔w1排列的对。第2对是从彼此相邻的第1线状部21和彼此相邻的第2线状部22中选择的至少1者以第2间隔w2排列的对。第3对是从彼此相邻的第1线状部21和彼此相邻的第2线状部22中选择的至少1者以第3间隔w3排列的对。

在图9中通过俯视图示出变形例6的流路间隔物103的局部。在本变形例的间隔物103中，第1线状部21沿第1方向d1延伸。第2线状部22沿第2方向d2延伸。第1方向d1不与第2方向d2正交。第1方向d1和第2方向d2所成的角度包含锐角θ1和钝角θ2。在间隔物103中，各开口部具有平行四边形的形状，该平行四边形的形状包含锐角θ1和钝角θ2来作为内角。在本变形例中，第1方向d1是相对于集液管11的长度方向(x方向)以30度倾斜的方向。第2方向d2是相对于集液管11的长度方向(x方向)以-30度倾斜的方向。锐角θ1为60度。钝角θ2为120度。本变形例的间隔物103的剪切应力和压力损失的平衡也优异。在本公开的间隔物中，第1线状部21和第2线状部22不是必须正交。

【实施例】

关于使用了第1流路间隔物的膜元件，通过计算机模拟调查了作用于分离膜的剪切应力和压力损失。模拟在以下的条件下进行。

流体分析软件：ansysjapan公司制fluent

线状部的粗细度：0.43mm

间隔物的总厚度：0.84mm(0.02mm是因熔接而减少的量)

水的流速：11.3cm/秒

如图10所示，在进行了模拟的间隔物中，第1线状部21和第2线状部22彼此正交。第2方向d2上的第1线状部21的排列图案与第1方向d1上的第2线状部22的排列图案一致。改变线状部的间隔，将开口部的对角线的长度l1～l4调整为表1的值。在样品1中，将具有彼此不同的间隔的对的数量设定为“3”。在样品2中，将具有彼此不同的间隔的对的数量设定为“4”。样品3是仅具有对角线的长度为5.0mm的正方形形状的开口部的以往的间隔物。“对角线的长度”的意思为，在俯视间隔物13时，由1对第1线状部21的中心线和1对第2线状部22的中心线规定的四边形形状的对角线的长度。“平均剪切应力”为施加于分离膜的表面的剪切应力的平均值。压力损失为每132mm的膜元件的压力损失。

【表1】

样品1和样品2的间隔物不仅示出了比样品3的间隔物的压力损失小的压力损失，还示出了与样品3的间隔物同等的平均剪切应力。样品1和样品2的间隔物的剪切应力和压力损失的平衡非常优异。

此外，不仅对表1所示的样品进行模拟，对于与各变形例相对应的间隔物的样品也进行了相同的模拟，确认了能够得到所期望的效果。

产业上的可利用性

本公开的技术对于螺旋型膜元件是有用的。螺旋型膜元件能够应用于海水的淡化、纯水的制造、废水处理、医药品的制造、食品的制造、有效成分的分离等多种用途。