膜エレメント及びその製造方法、並びに膜モジュール
【課題】本発明は、筒状支持部材の両端に、生産性を向上させた上で、シール性を確保するのに十分な厚さとされた金属被膜を、筒状支持部材を破損させることなく、低コストで形成可能な膜エレメント及びその製造方法、並びに膜モジュールを提供することを課題とする。
【解決手段】多孔質セラミックスよりなる筒状支持部材２１の外周側面のうち、前記筒状支持部材２１の両端に位置する第１及び第２の金属被膜形成面２１ａ，２１ｂに、溶射法により形成された少なくとも１層の金属層よりなる金属被膜２２と、金属被膜２２を介して、筒状支持部材２１の両端に設けられた第１及び第２の金属金具２５，２６と、を有する。
【解決手段】多孔質セラミックスよりなる筒状支持部材２１の外周側面のうち、前記筒状支持部材２１の両端に位置する第１及び第２の金属被膜形成面２１ａ，２１ｂに、溶射法により形成された少なくとも１層の金属層よりなる金属被膜２２と、金属被膜２２を介して、筒状支持部材２１の両端に設けられた第１及び第２の金属金具２５，２６と、を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体、或いは気体の分離に用いる膜エレメント及びその製造方法、並びに膜モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、多孔質セラミックスよりなる筒状支持部材（以下、単に「筒状支持部材」という）を用いて、液体、或いは気体等をろ過や分離することが行なわれている。
上記筒状支持部材は、化学的および熱的安定性が高いため、有機質分離膜が適用できないような工程においての利用が期待されている。また、多孔質セラミックスは、比表面積が大きいという優れた特性がある。
【０００３】
しかし、上記筒状支持部材単体（言い換えれば、１本の筒状支持部材）では、処理量が少ない。そのため、筒状支持部材の外周側面のうち、両端に位置する面に金属金具を取り付け、筒状支持部材及び金属金具を有する膜エレメントを形成し、該膜エレメントを複数束ねて使用することが行なわれている。
【０００４】
上記金属金具を筒状支持部材に取り付ける場合、接着材となるエポキシ樹脂（熱硬化性樹脂）を介して、金属金具を取り付ける。このエポキシ樹脂は、シール材として機能する。
【０００５】
しかし、エポキシ樹脂を用いて筒状支持部材に金属金具を取り付けた場合、エポキシ樹脂が熱硬化の際に収縮して、金属金具と筒状支持部材との間に隙間が形成されてしまう。このため、エポキシ樹脂を用いた場合、シール性を十分に確保できないという問題があった。また、エポキシ樹脂を用いた場合、耐熱性や機械的強度が低いという問題があった。
【０００６】
特許文献１には、筒状支持部材の端に位置する外周側面に、シール材として金属層（金属被膜）を形成し、金属ロウ材を用いて、該金属層と金属金具とを接合することが開示されている。
このように、シール材として、エポキシ樹脂の替わりに金属層を用いることで、エポキシ樹脂と比較して、シール材の耐熱性及び耐腐食性を向上させることができる。
また、特許文献１には、上記金属層を、化学メッキ法、真空蒸着法、スパッタリング法等の方法を用いて、厚さ０．１〜１００μｍで形成することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−２５３０６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１に記載の方法を用いて、十分なシール性を確保するために、厚さの厚い金属層を形成する場合、多くの時間を要し（金属層の成膜速度が遅いため）、生産性が低下すると共に、膜エレメントのコスト（製造コスト）が増加するという問題があった。
また、化学メッキ法、真空蒸着法、スパッタリング法等の方法を用いた場合、金属層（金属被膜）を十分なシール性を得ることの可能な厚さ（０．０２ｍｍ以上）に形成することができないという問題があった。
【０００９】
さらに、従来の方法では、筒状支持部材の外周側面がゼオライトまたはカーボンよりなる場合、ゼオライト及びカーボンは、高温（具体的には、５００℃以上の温度）になると結晶構造が壊れるため、該結晶構造を壊さないように、金属層（金属被膜）を形成することが困難であった。
【００１０】
そこで、本発明は、筒状支持部材の両端に、生産性を向上させた上で、シール性を確保するのに十分な厚さとされた金属被膜を、筒状支持部材を破損させることなく、低コストで形成可能な膜エレメント及びその製造方法、並びに膜モジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するため、請求項１に係る発明によれば、多孔質セラミックスよりなる筒状支持部材の外周側面のうち、前記筒状支持部材の両端に位置する面に、溶射法により形成された少なくとも１層の金属層よりなる金属被膜と、前記金属被膜を介して、前記筒状支持部材の両端に設けられた金属金具と、を有することを特徴とする膜エレメントが提供される。
【００１２】
また、請求項２に係る発明によれば、前記溶射法が、コールドスプレー法、またはウォームスプレー法であることを特徴とする請求項１記載の膜エレメントが提供される。
【００１３】
また、請求項３に係る発明によれば、前記金属層の材料が、アルミニウム、ステンレス、インコネル、チタン、ハステロイ、４２アロイ、コバールのうち、いずれか１つであることを特徴とする請求項１または２記載の膜エレメントが提供される。
【００１４】
また、請求項４に係る発明によれば、前記金属被膜が形成される前記筒状支持部材の外周側面は、ゼオライトまたはカーボンよりなることを特徴とする請求項１ないし３のうち、いずれか１項記載の膜エレメントが提供される。
【００１５】
また、請求項５に係る発明によれば、前記金属皮膜の厚さが、０．０２ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１ないし４のうち、いずれか１項記載の膜エレメントが提供される。
【００１６】
また、請求項６に係る発明によれば、前記金属被膜は、多孔質セラミックスに設けられた第１の金属層と、該第１の金属層に設けられた第２の金属層と、を有し、前記第１の金属層の材料は、前記第２の金属層の材料と異なることを特徴とする請求項１ないし５のうち、いずれか１項記載の膜エレメントが提供される。
【００１７】
また、請求項７に係る発明によれば、前記第２の金属層の材料が、前記金属金具と同じ材料であることを特徴とする請求項６記載の膜エレメントが提供される。
【００１８】
また、請求項８に係る発明によれば、請求項１ないし７のうち、いずれか１項記載の膜エレメントを複数有することを特徴とする膜モジュールが提供される。
【００１９】
また、請求項９に係る発明によれば、多孔質セラミックスよりなる筒状支持部材の両端に、金属被膜を介して、金属金具が設けられた膜エレメントの製造方法であって、前記筒状支持部材の外周側面のうち、前記筒状支持部材の両端に位置する面に、溶射法により、少なくとも１層の金属層よりなる前記金属被膜を形成する工程と、前記金属被膜を介して、前記筒状支持部材の両端に前記金属金具を取り付ける工程と、を含むことを特徴とする膜エレメントの製造方法が提供される。
【００２０】
また、請求項１０に係る発明によれば、前記溶射法として、コールドスプレー法、またはウォームスプレー法を用いることを特徴とする請求項９記載の膜エレメントの製造方法が提供される。
【００２１】
また、請求項１１に係る発明によれば、前記金属層として、アルミニウム層、ステンレス層、インコネル層、チタン層、ハステロイ層、４２アロイ層、コバール層のうち、いずれか１つの層を形成することを特徴とする請求項９または１０記載の膜エレメントの製造方法が提供される。
【００２２】
また、請求項１２に係る発明によれば、前記金属被膜が形成される前記筒状支持部材の外周側面が、ゼオライトまたはカーボンであることを特徴とする請求項９ないし１１のうち、いずれか１項記載の膜エレメントの製造方法が提供される。
【００２３】
また、請求項１３に係る発明によれば、前記金属皮膜の厚さが、０．０２ｍｍ以上となるように前記金属被膜を形成することを特徴とする請求項９ないし１２のうち、いずれか１項記載の膜エレメントの製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の膜エレメントによれば、多孔質セラミックスよりなる筒状支持部材の外周側面のうち、筒状支持部材の両端に位置する面に、溶射法により形成された金属被膜を設けることにより、生産性を向上させた上で、シール性を確保するのに十分な厚さとされた金属被膜を、筒状支持部材を破損させることなく、低コストで形成できる。
【００２５】
また、本発明の膜モジュールによれば、多孔質セラミックスよりなる筒状支持部材の外周側面のうち、筒状支持部材の両端に位置する面に、溶射法により形成された金属被膜を有する膜エレメントを複数有することにより、膜モジュールを低コストで構成できる。
【００２６】
さらに、本発明の膜エレメントの製造方法によれば、筒状支持部材の外周側面のうち、筒状支持部材の両端に位置する面に、溶射法により、少なくとも１層の金属層よりなる金属被膜を形成することにより、生産性を向上させた上で、シール性を確保するのに十分な厚さとされた金属被膜を、筒状支持部材を破損させることなく、低コストで形成できる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施の形態に係る膜エレメントの製造する際に使用するコールドスプレー装置の概略構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る膜エレメントの概略構成を示す断面図である。
【図３】両端に金属被膜が設けられた筒状支持部材の斜視図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る膜エレメントの製造工程を示す断面図（その１）である。
【図５】本発明の実施の形態に係る膜エレメントの製造工程を示す断面図（その２）である。
【図６】本発明の実施の形態に係る膜エレメントの製造工程を示す断面図（その３）である。
【図７】本発明の第１の実施の形態の変形例に係る膜エレメントの概略構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、図面を参照して本発明を適用した実施の形態について詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、本発明の実施形態の構成を説明するためのものであり、図示される各部の大きさや厚さや寸法等は、実際のコールドスプレー装置及び膜エレメントの寸法関係とは異なる場合がある。
【００２９】
（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態に係る膜エレメントを製造する際に使用するコールドスプレー装置の概略構成を示す図である。
図１を参照するに、コールドスプレー装置１０は、作動ガス供給ライン１１と、第１の圧力調整器１２と、ヒーター１３と、第２の圧力調整器１５と、粉末供給装置１６と、スプレーノズル１８と、を有する。
【００３０】
作動ガス供給ライン１１は、作動ガス供給源（図示せず）と接続されている。また、作動ガス供給ライン１１は、２つの経路に分岐されており、第１及び第２の圧力調整器１２，１５と接続されている。作動ガス供給ライン１１は、作動ガス（例えば、Ｎ２やＨｅ）を第１及び第２の圧力調整器１２，１５に供給する。
【００３１】
第１の圧力調整器１２は、作動ガスを供給可能な状態で、ヒーター１３と接続されている。第１の圧力調整器１２は、減圧（０．５〜５ＭＰａ）した作動ガスをヒーター１３に送る。
ヒーター１３は、作動ガスを供給可能な状態で、スプレーノズル１８と接続されている。ヒーター１３は、作動ガスを加熱し、該加熱した作動ガスをスプレーノズル１８に供給する。
【００３２】
第２の圧力調整器１５は、作動ガスを供給可能な状態で、粉末供給装置１６と接続されている。第２の圧力調整器１５は、減圧（０．５〜５ＭＰａ）した作動ガスを粉末供給装置１６に送る。
粉末供給装置１６は、スプレーノズル１８と接続されている。粉末供給装置１６は、減圧された作動ガスにより、金属粉末（具体的には、アルミニウム、ステンレス、インコネル、チタン、ハステロイ、４２アロイ、及びコバール等の粉末）をスプレーノズル１８に供給する。
【００３３】
スプレーノズル１８は、その内部において、供給された作動ガス及び金属粉末を音速から超音速で加速させ、出口１８Ａから噴出する。このとき、スプレーノズル１８の出口１８Ａと、多孔質セラミックスよりなる筒状支持部材２１の外周側面のうち、筒状支持部材２１の端に対応する面と、が対向するように筒状支持部材２１を配置することで、筒状支持部材２１の端に対応する面（後述する図２に示す第１及び第２の金属被膜形成面２１ａ，２１ｂ）に、金属粉体が固体状態で衝突し、金属被膜２２が形成される。
【００３４】
図２は、本発明の実施の形態に係る膜エレメントの概略構成を示す断面図である。図２において、図１と同一構成部分には、同一符号を付す。
図２を参照するに、本実施の形態の膜エレメント２０は、筒状支持部材２１と、金属被膜２２と、ロウ材２３と、第１の金属金具２５と、第２の金属金具２６と、を有する。
【００３５】
図２を参照するに、筒状支持部材２１は、多孔質セラミックスよりなる筒状の部材である。筒状支持部材２１の外周側面全体は、ゼオライトまたはカーボンによりなる分離膜２１Ａにより構成されている。分離膜２１Ａは、筒状支持部材２１の構成要素の１つである。
分離膜２１Ａは、筒状支持部材２１の一方の端に位置する外周側面に第１の金属被膜形成面２１ａを有すると共に、筒状支持部材２１の他方の端に位置する外周側面に第２の金属被膜形成面２１ｂを有する。
【００３６】
ゼオライト及びカーボンは、高温（具体的には、５００℃以上の温度）において結晶構造が壊れるという性質を有する。そのため、分離膜２１Ａに高温（具体的には、５００℃以上の温度）で金属被膜２２を形成すると、分離膜２１Ａが破損してしまう。
【００３７】
上記筒状支持部材２１は、複数の多孔質セラミックスにより構成してもよい。例えば、筒状支持部材２１の中心から外周側面に向かう方向に対して、多孔質セラミックスの材料を異ならせてもよい。また、筒状支持部材２１を、１種類の多孔質セラミックスにより構成してもよい。
【００３８】
図３は、両端に金属被膜が設けられた筒状支持部材の斜視図である。図３において、図２に示す膜エレメント２０と同一構成部分には、同一符号を付す。
図２及び図３を参照するに、金属被膜２２は、一層の金属層により構成されており、第１及び第２の金属被膜形成面２１ａ，２１ｂに設けられている。
金属被膜２２は、ロウ材２３を介して、第１及び第２の金属金具２５，２６に対してロウ付けされている。金属被膜２２は、シール材として機能する金属層である。金属被膜２２は、溶射法により形成されている。該溶射法としては、コールドスプレー法、ウォームスプレー法、エアロゾルデポジション法、及びガスデポジション法等を用いることができる。
【００３９】
このように、シール材として機能する金属被膜２２を溶射法により形成することで、金属被膜２２の厚さを０．０２ｍｍ以上に形成することが可能となる。これにより、従来の化学メッキ法、真空蒸着法、スパッタリング法等の方法により金属被膜を形成した場合と比較して、金属被膜２２のシール性を向上させることができる。
【００４０】
また、シール材として機能する金属被膜２２を溶射法により形成することで、従来の化学メッキ法、真空蒸着法、スパッタリング法等の方法により金属被膜を形成した場合と比較して、金属被膜２２の形成時間を短くすることが可能となるので、膜エレメント２０の生産性を向上できる。
【００４１】
金属被膜２２の厚さは、５ｍｍ以下が好ましい。金属被膜２２の厚さが３ｍｍ以上になると、膜エレメント２０の生産性が低下すると共に、金属被膜２２に割れが生じやすくなるからである。
【００４２】
金属被膜２２は、コールドスプレー法またはウォームスプレー法を用いて形成するとよい。コールドスプレー法またはウォームスプレー法を用いた場合、筒状支持部材２１に到達する際の温度が３００℃以下であるため、分離膜２１Ａを構成するゼオライトまたはカーボンの結晶構造が破壊されることを防止できる。
金属被膜２２（一層の金属層）の材料としては、アルミニウム、ステンレス、インコネル、チタン、ハステロイ、４２アロイ、コバールのうち、いずれか１つを用いることができる。
【００４３】
図２を参照するに、ロウ材２３は、金属被膜２２と第１の金属金具２５との間、及び金属被膜２２と第２の金属金具２６との間に設けられている。ロウ材２３としては、金属被膜２２と第１及び第２の金属金具２５，２６とをロウ付け可能なロウ材であればよい。
【００４４】
図２を参照するに、第１の金属金具２５は、両端が開放端とされた筒状の金属金具である。第１の金属金具２５は、ロウ材２３を介して、第１の金属被膜形成面２１ａに設けられた金属被膜２２に取り付けられている。第１の金属金具２５の材料としては、例えば、ステンレスを用いることができる。
【００４５】
図２を参照するに、第２の金属金具２６は、一方の端が開放端とされ、他方の端が塞がれた筒状の金属金具であり、断面形状がコの字型とされている。第２の金属金具２６は、筒状支持部材２１の他方の端を塞ぐように、ロウ材２３を介して、第２の金属被膜形成面２１ｂに設けられた金属被膜２２に取り付けられている。第２の金属金具２６の材料としては、例えば、ステンレスを用いることができる。
【００４６】
上記構成とされた膜エレメント２０は、第２の金属金具２６を台座に複数取り付けることで、膜モジュールとして用いられる。
【００４７】
本実施の形態の膜エレメントによれば、多孔質セラミックスよりなる筒状支持部材２１の外周側面のうち、前記筒状支持部材の両端に位置する第１及び第２の金属被膜形成面２１ａ，２１ｂに、溶射法により形成された少なくとも１層の金属層よりなる金属被膜２２と、金属被膜２２を介して、筒状支持部材２１の両端に設けられた第１及び第２の金属金具２５，２６と、を有することにより、膜エレメント２０の生産性を向上させた上で、シール性を確保するのに十分な厚さ（０．０２ｍｍ以上）とされた金属被膜２２を、筒状支持部材２１を破損させることなく、低コストで膜エレメント２０を形成できる。
【００４８】
図４〜図６は、本発明の実施の形態に係る膜エレメントの製造工程を示す断面図である。
次に、図４〜図６を参照して、本実施の形態の膜エレメント２０の製造方法について説明する。
【００４９】
始めに、図４に示す工程では、一方の端に位置する外周側面である第１の金属被膜形成面２１ａと、他方の端に位置する外周側面である第２の金属被膜形成面２１ｂと、少なくとも第１及び第２の金属被膜形成面２１ａ，２１ｂに対応する部分がゼオライトまたはカーボンにより構成された筒状支持部材２１を準備する。
【００５０】
次いで、図５に示す工程では、図１に示すコールドスプレー装置１０を用いたコールドスプレー法により、第１及び第２の金属被膜形成面２１ａ，２１ｂに金属被膜２２を形成する。
このとき、金属被膜２２（一層の金属層）として、アルミニウム層、ステンレス層、インコネル層、チタン層、ハステロイ層、４２アロイ層、コバール層のうち、いずれか１つの金属層を形成する。
【００５１】
このように、コールドスプレー法により、シール材として機能する金属被膜２２を形成することで、金属被膜２２の厚さを０．０２ｍｍ以上に形成することが可能となる。これにより、従来の化学メッキ法、真空蒸着法、スパッタリング法等の方法により金属被膜を形成した場合と比較して、金属被膜２２のシール性を向上できる。
【００５２】
また、コールドスプレー法により、シール材として機能する金属被膜２２を形成することで、従来の化学メッキ法、真空蒸着法、スパッタリング法等の方法により金属被膜を形成した場合と比較して、金属被膜２２の形成時間を短くすることが可能となるので、膜エレメント２０の生産性を向上できる。
【００５３】
なお、図５に示す工程では、コールドスプレー法により、第１及び第２の金属被膜形成面２１ａ，２１ｂに金属被膜２２を形成する場合を例に挙げて説明したが、コールドスプレー法に替えてウォームスプレー法を用いて金属被膜２２を形成してもよい。
【００５４】
このように、コールドスプレー法またはウォームスプレー法を用いて金属被膜２２を形成することにより、コールドスプレー法またはウォームスプレー法を用いた場合、筒状支持部材２１に到達する際の金属粉末の温度が３００℃以下であるため、分離膜２１Ａを構成するゼオライトまたはカーボンの結晶構造が破壊されることを防止できる。
【００５５】
また、コールドスプレー法及びウォームスプレー法以外の溶射法であるエアロゾルデポジション法、またはガスデポジション法等の方法により、金属被膜２２を形成してもよい。
この場合、第１及び第２の金属被膜形成面２１ａ，２１ｂに厚さが０．０２ｍｍ以上とされた金属被膜２２を形成することが可能であり、金属被膜２２のシール性を向上できる。
【００５６】
また、エアロゾルデポジション法、またはガスデポジション法等の方法により、金属被膜２２を形成することで、金属被膜２２の形成時間を短くすることが可能となるので、膜エレメント２０の生産性を向上できる。
【００５７】
また、金属被膜２２の厚さは、５ｍｍ以下が好ましい。金属被膜２２の厚さが５ｍｍ以上になると、膜エレメント２０の生産性が低下すると共に、金属被膜２２に割れが生じやすくなるからである。
なお、金属被膜２２の材料としてステンレスを用いる場合、金属被膜２２の厚さは、３ｍｍ以下が好ましい。
【００５８】
次いで、図６に示す工程では、第１の金属被膜形成面２１ａに形成された金属被膜２２と第１の金属金具２５とをロウ材２３によりロウ付けすることで、筒状支持部材２１の一方の端に第１の金属金具２５を取り付けると共に、第２の金属被膜形成面２１ｂに形成された金属被膜２２と第２の金属金具２６とをロウ材２３によりロウ付けすることで、筒状支持部材２１の他方の端に第２の金属金具２６を取り付ける。これにより、本実施の形態の膜エレメント２０が製造される。
【００５９】
本実施の形態の膜エレメント２０の製造方法によれば、筒状支持部材２１の外周側面のうち、筒状支持部材の両端に位置する第１及び第２の金属被膜形成面２１ａ，２１ｂに、溶射法により、１層の金属層よりなる金属被膜２２を形成する工程と、金属被膜２２を介して、筒状支持部材２１の端に第１及び第２の金属金具２５，２６を取り付ける工程と、を有することにより、膜エレメント２０の生産性を向上させた上で、シール性を確保するのに十分な厚さ（０．０２ｍｍ以上）とされた金属被膜２２を、筒状支持部材２１を破損させることなく、低コストで膜エレメント２０を形成できる。
【００６０】
図７は、本発明の第１の実施の形態の変形例に係る膜エレメントの概略構成を示す断面図である。図７において、図２に示す第１の実施の形態の膜エレメント２０と同一構成部分には同一符号を付す。
図７を参照するに、第１の実施の形態の変形例に係る膜エレメント３０は、第１の実施の形態の膜エレメント２０に設けられた金属被膜２２の替わりに金属被膜３１を設けた以外は、膜エレメント２０と同様に構成される。
【００６１】
金属被膜３１は、シール材として機能する膜であり、第１の金属層３２と、第２の金属層３３と、が順次積層された構成とされている。第１の金属層３２は、第１及び第２の金属被膜形成面２１ａ，２１ｂに設けられている。第２の金属層３３は、第１の金属層３２を覆うように設けられている。第１及び第２の金属金具２５，２６は、ロウ材２３により、第２の金属層３３にロウ付けされている。
【００６２】
第１及び第２の金属層３２，３３の材料としては、アルミニウム、ステンレス、インコネル、チタン、ハステロイ、４２アロイ、コバールのうち、いずれか１つを用いることができる。
第２の金属層３３の材料は、第１及び第２の金属金具２５，２６と同じ材料を用いるとよい。具体的には、第１及び第２の金属金具２５，２６の材料がステンレスの場合、第２の金属層３３の材料としてステンレスを用いるとよい。
このように、第２の金属層３３の材料として、第１及び第２の金属金具２５，２６と同じ材料を用いることにより、金属被膜３１と第１及び第２の金属金具２５，２６の接合強度を向上させることができる。
【００６３】
金属被膜３１を構成する第１及び第２の金属層３２，３３は、溶射法により形成されている。該溶射法としては、コールドスプレー法、ウォームスプレー法、エアロゾルデポジション法、及びガスデポジション法等を用いることができる。金属被膜３１の厚さは、０．０４ｍｍ以上とされている。また、金属被膜３１の厚さは、５ｍｍ以下が好ましい。
【００６４】
第１の実施の形態の変形例に係る膜エレメントによれば、第２の金属層３３の材料として、第１及び第２の金属金具２５，２６と同じ材料を用いることにより、金属被膜３１と第１及び第２の金属金具２５，２６の接合強度を向上させることができる。
【００６５】
また、上記構成とされた膜エレメント３０は、第１の実施の形態の膜エレメント２０と同様な効果を得ることができ、また、同様な手法により製造することができる。さらに、複数の膜エレメント３０により膜モジュールを構成してもよい。
また、上記構成とされた膜エレメント３０は、第１の実施の形態の膜エレメント２０と同様な手法により製造できる。
【００６６】
以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明はかかる特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【００６７】
例えば、第１の実施の形態の変形例に係る膜エレメント３０において、第１の金属層３２と、第２の金属層３３と、を異なる手法により形成してもよい。具体的には、コールドスプレー法により第１の金属層３２を形成し、その後、ウォームスプレー法により第２の金属層３３を形成してもよい。
【００６８】
（実施例１）
図１に示すコールドスプレー装置１０を用いて、表１に示す条件により、図２に示す金属被膜２２として表１に示す厚さとされたアルミニウム膜、ステンレス膜、インコネル膜、チタン膜、ハステロイ膜、４２アロイ膜、及びコバール膜を形成した。
このとき。粒子径が２０〜４５μｍとされたアルミニウム粉末、ステンレス粉末、インコネル粉末、チタン粉末、ハステロイ粉末、４２アロイ粉末、及びコバール粉末を原料として用いた。
【００６９】
【表１】
【００７０】
また、上記アルミニウム膜、ステンレス膜、インコネル膜、チタン膜、ハステロイ膜、４２アロイ膜、及びコバール膜は、第１及び第２の金属被膜形成面２１ａ，２１ｂを有する分離膜２１Ａがゼオライトで構成された筒状支持部材２１と、第１及び第２の金属被膜形成面２１ａ，２１ｂを有する分離膜２１Ａがカーボンで構成された筒状支持部材２１と、に形成した。
【００７１】
その後、アルミニウム膜、ステンレス膜、インコネル膜、チタン膜、ハステロイ膜、４２アロイ膜、及びコバール膜に対して、膜質、及び熱サイクル試験後の膜剥がれについて評価を行なった。
その結果、０．０２ｍｍ（２０μｍ）以上の厚さとされたアルミニウム膜、ステンレス膜、インコネル膜、チタン膜、ハステロイ膜、４２アロイ膜、及びコバール膜（金属被膜２２）の膜質が良好であり、かつ熱サイクル試験後に膜剥がれが発生しないことが確認できた。
【００７２】
（実施例２）
図１に示すコールドスプレー装置１０を用いて、図７に示す金属被膜３１を構成する第１の金属層３２を形成した。具体的には、粒子径が２０〜４５μｍとされたアルミニウム粉末、４２アロイ粉末、及びコバール粉末を原料とし、スプレーノズル１８に作動ガスとして圧力が３ＭＰａとされ、かつ加熱されたＮ２（窒素）を供給することで、第１の金属層３２として表２に示す厚さとされたアルミニウム層、４２アロイ層、及びコバール層を形成した。
【００７３】
【表２】
【００７４】
また、アルミニウム層を形成する際に使用するＮ２（窒素）は、３８０℃に加熱し、４２アロイ層及びコバール層を形成する際に使用するＮ２（窒素）は、８００℃に加熱した。
また、上記アルミニウム層、４２アロイ層、及びコバール層は、第１及び第２の金属被膜形成面２１ａ，２１ｂを有する分離膜２１Ａがゼオライトで構成された筒状支持部材２１と、第１及び第２の金属被膜形成面２１ａ，２１ｂを有する分離膜２１Ａがカーボンで構成された筒状支持部材２１と、に形成した。
【００７５】
次いで、図１に示すコールドスプレー装置１０を用いて、上記アルミニウム層、４２アロイ層、及びコバール層に、図７に示す金属被膜３１を構成する第２の金属層３３を形成した。
具体的には、粒子径が２０〜４５μｍとされたステンレス粉末を原料とし、スプレーノズル１８に、作動ガスとして圧力が３ＭＰａとされ、かつ８００℃に加熱されたＮ２（窒素）を供給することで、第２の金属層３３として表２に示す厚さとされステンレス層を形成した。
【００７６】
その後、上記構成とされた金属被膜３１に対して、膜質、及び熱サイクル試験後の膜剥がれについて評価を行なった。
その結果、膜質が良好であり、かつ熱サイクル試験後に膜剥がれが発生しないことが確認できた。
【００７７】
（実施例３）
図示していないウォームスプレー装置（例えば、特開２００８−１５５１２９に記載のウォームスプレー装置）を用いて、図２に示す金属被膜２２として表３に示す厚さとされたアルミニウム膜、ステンレス膜、インコネル膜、チタン膜、ハステロイ膜、４２アロイ膜、及びコバール膜を形成した。
このとき、粒子径が２０〜４５μｍとされたアルミニウム粉末、ステンレス粉末、インコネル粉末、チタン粉末、ハステロイ粉末、４２アロイ粉末、及びコバール粉末を原料として用いた。
【００７８】
【表３】
【００７９】
このとき、酸素流量が８００Ｌ／ｍｉｎ、灯油流量が０．４Ｌ／ｍｉｎ、窒素流量が５００Ｌ／ｍｉｎ、溶射距離が２００ｍｍの条件を用いて、ウォームスプレー法を用いた溶射により、上記アルミニウム膜、ステンレス膜、インコネル膜、チタン膜、ハステロイ膜、４２アロイ膜、及びコバール膜を形成した。
また、上記アルミニウム膜、ステンレス膜、インコネル膜、チタン膜、ハステロイ膜、４２アロイ膜、及びコバール膜は、第１及び第２の金属被膜形成面２１ａ，２１ｂを有する分離膜２１Ａがゼオライトで構成された筒状支持部材２１と、第１及び第２の金属被膜形成面２１ａ，２１ｂを有する分離膜２１Ａがカーボンで構成された筒状支持部材２１と、に形成した。
【００８０】
その後、アルミニウム膜、ステンレス膜、インコネル膜、チタン膜、ハステロイ膜、４２アロイ膜、及びコバール膜に対して、膜質、及び熱サイクル試験後の膜剥がれについて評価を行なった。
その結果、０．０２ｍｍ（２０μｍ）以上の厚さとされたアルミニウム膜、ステンレス膜、インコネル膜、チタン膜、ハステロイ膜、４２アロイ膜、及びコバール膜（金属被膜２２）の膜質が良好であり、かつ熱サイクル試験後に膜剥がれが発生しないことが確認できた。
【００８１】
（実施例４）
図示していないウォームスプレー装置（例えば、特開２００８−１５５１２９に記載のウォームスプレー装置）を用いて、図７に示す金属被膜３１を構成する第１の金属層３２を形成した。
具体的には、粒子径が２０〜４５μｍとされたアルミニウム粉末、４２アロイ粉末、及びコバール粉末を原料とし、第３の実施例と同じ条件（具体的には、酸素流量が８００Ｌ／ｍｉｎ、灯油流量が０．４Ｌ／ｍｉｎ、窒素流量が５００Ｌ／ｍｉｎ、溶射距離が２００ｍｍの条件）を用いて、表４に示す第１の金属層３２を形成した。
【００８２】
【表４】
【００８３】
また、上記アルミニウム層、４２アロイ層、及びコバール層は、第１及び第２の金属被膜形成面２１ａ，２１ｂを有する分離膜２１Ａがゼオライトで構成された筒状支持部材２１と、第１及び第２の金属被膜形成面２１ａ，２１ｂを有する分離膜２１Ａがカーボンで構成された筒状支持部材２１と、に形成した。
【００８４】
次いで、図示していないウォームスプレー装置（例えば、特開２００８−１５５１２９に記載のウォームスプレー装置）を用いて、上記アルミニウム層、４２アロイ層、及びコバール層に、図７に示す金属被膜３１を構成する第２の金属層３３（表４参照）を形成した。
具体的には、粒子径が２０〜４５μｍとされたステンレス粉末を原料とし、第３の実施例と同じ条件（具体的には、酸素流量が８００Ｌ／ｍｉｎ、灯油流量が０．４Ｌ／ｍｉｎ、窒素流量が５００Ｌ／ｍｉｎ、溶射距離が２００ｍｍの条件）を用いて、第２の金属層３３を形成した。これにより、第１及び第２の金属層３２，３３よりなる金属被膜３１を形成した。
【００８５】
その後、上記構成とされた金属被膜３１に対して、膜質、及び熱サイクル試験後の膜剥がれについて評価を行なった。
その結果、膜質が良好であり、かつ熱サイクル試験後に膜剥がれが発生しないことが確認できた。
【産業上の利用可能性】
【００８６】
本発明は、液体、或いは気体の分離に用いる膜エレメント及びその製造方法、並びに膜モジュールに適用可能である。
【符号の説明】
【００８７】
１０，３０…コールドスプレー装置、１１…作動ガス供給ライン、１２…第１の圧力調整器、１３…ヒーター、１５…第２の圧力調整器、１６…粉末供給装置、１８…スプレーノズル、１８Ａ…出口、２０…膜エレメント、２１…筒状支持部材、２１ａ…第１の金属被膜形成面、２１Ａ…分離膜、２１ｂ…第２の金属被膜形成面、２２，３１…金属被膜、２３…ロウ材、２５…第１の金属金具、２６…第２の金属金具、３２…第１の金属層、３３…第２の金属層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体、或いは気体の分離に用いる膜エレメント及びその製造方法、並びに膜モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、多孔質セラミックスよりなる筒状支持部材（以下、単に「筒状支持部材」という）を用いて、液体、或いは気体等をろ過や分離することが行なわれている。
上記筒状支持部材は、化学的および熱的安定性が高いため、有機質分離膜が適用できないような工程においての利用が期待されている。また、多孔質セラミックスは、比表面積が大きいという優れた特性がある。
【０００３】
しかし、上記筒状支持部材単体（言い換えれば、１本の筒状支持部材）では、処理量が少ない。そのため、筒状支持部材の外周側面のうち、両端に位置する面に金属金具を取り付け、筒状支持部材及び金属金具を有する膜エレメントを形成し、該膜エレメントを複数束ねて使用することが行なわれている。
【０００４】
上記金属金具を筒状支持部材に取り付ける場合、接着材となるエポキシ樹脂（熱硬化性樹脂）を介して、金属金具を取り付ける。このエポキシ樹脂は、シール材として機能する。
【０００５】
しかし、エポキシ樹脂を用いて筒状支持部材に金属金具を取り付けた場合、エポキシ樹脂が熱硬化の際に収縮して、金属金具と筒状支持部材との間に隙間が形成されてしまう。このため、エポキシ樹脂を用いた場合、シール性を十分に確保できないという問題があった。また、エポキシ樹脂を用いた場合、耐熱性や機械的強度が低いという問題があった。
【０００６】
特許文献１には、筒状支持部材の端に位置する外周側面に、シール材として金属層（金属被膜）を形成し、金属ロウ材を用いて、該金属層と金属金具とを接合することが開示されている。
このように、シール材として、エポキシ樹脂の替わりに金属層を用いることで、エポキシ樹脂と比較して、シール材の耐熱性及び耐腐食性を向上させることができる。
また、特許文献１には、上記金属層を、化学メッキ法、真空蒸着法、スパッタリング法等の方法を用いて、厚さ０．１〜１００μｍで形成することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−２５３０６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１に記載の方法を用いて、十分なシール性を確保するために、厚さの厚い金属層を形成する場合、多くの時間を要し（金属層の成膜速度が遅いため）、生産性が低下すると共に、膜エレメントのコスト（製造コスト）が増加するという問題があった。
また、化学メッキ法、真空蒸着法、スパッタリング法等の方法を用いた場合、金属層（金属被膜）を十分なシール性を得ることの可能な厚さ（０．０２ｍｍ以上）に形成することができないという問題があった。
【０００９】
さらに、従来の方法では、筒状支持部材の外周側面がゼオライトまたはカーボンよりなる場合、ゼオライト及びカーボンは、高温（具体的には、５００℃以上の温度）になると結晶構造が壊れるため、該結晶構造を壊さないように、金属層（金属被膜）を形成することが困難であった。
【００１０】
そこで、本発明は、筒状支持部材の両端に、生産性を向上させた上で、シール性を確保するのに十分な厚さとされた金属被膜を、筒状支持部材を破損させることなく、低コストで形成可能な膜エレメント及びその製造方法、並びに膜モジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するため、請求項１に係る発明によれば、多孔質セラミックスよりなる筒状支持部材の外周側面のうち、前記筒状支持部材の両端に位置する面に、溶射法により形成された少なくとも１層の金属層よりなる金属被膜と、前記金属被膜を介して、前記筒状支持部材の両端に設けられた金属金具と、を有することを特徴とする膜エレメントが提供される。
【００１２】
また、請求項２に係る発明によれば、前記溶射法が、コールドスプレー法、またはウォームスプレー法であることを特徴とする請求項１記載の膜エレメントが提供される。
【００１３】
また、請求項３に係る発明によれば、前記金属層の材料が、アルミニウム、ステンレス、インコネル、チタン、ハステロイ、４２アロイ、コバールのうち、いずれか１つであることを特徴とする請求項１または２記載の膜エレメントが提供される。
【００１４】
また、請求項４に係る発明によれば、前記金属被膜が形成される前記筒状支持部材の外周側面は、ゼオライトまたはカーボンよりなることを特徴とする請求項１ないし３のうち、いずれか１項記載の膜エレメントが提供される。
【００１５】
また、請求項５に係る発明によれば、前記金属皮膜の厚さが、０．０２ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１ないし４のうち、いずれか１項記載の膜エレメントが提供される。
【００１６】
また、請求項６に係る発明によれば、前記金属被膜は、多孔質セラミックスに設けられた第１の金属層と、該第１の金属層に設けられた第２の金属層と、を有し、前記第１の金属層の材料は、前記第２の金属層の材料と異なることを特徴とする請求項１ないし５のうち、いずれか１項記載の膜エレメントが提供される。
【００１７】
また、請求項７に係る発明によれば、前記第２の金属層の材料が、前記金属金具と同じ材料であることを特徴とする請求項６記載の膜エレメントが提供される。
【００１８】
また、請求項８に係る発明によれば、請求項１ないし７のうち、いずれか１項記載の膜エレメントを複数有することを特徴とする膜モジュールが提供される。
【００１９】
また、請求項９に係る発明によれば、多孔質セラミックスよりなる筒状支持部材の両端に、金属被膜を介して、金属金具が設けられた膜エレメントの製造方法であって、前記筒状支持部材の外周側面のうち、前記筒状支持部材の両端に位置する面に、溶射法により、少なくとも１層の金属層よりなる前記金属被膜を形成する工程と、前記金属被膜を介して、前記筒状支持部材の両端に前記金属金具を取り付ける工程と、を含むことを特徴とする膜エレメントの製造方法が提供される。
【００２０】
また、請求項１０に係る発明によれば、前記溶射法として、コールドスプレー法、またはウォームスプレー法を用いることを特徴とする請求項９記載の膜エレメントの製造方法が提供される。
【００２１】
また、請求項１１に係る発明によれば、前記金属層として、アルミニウム層、ステンレス層、インコネル層、チタン層、ハステロイ層、４２アロイ層、コバール層のうち、いずれか１つの層を形成することを特徴とする請求項９または１０記載の膜エレメントの製造方法が提供される。
【００２２】
また、請求項１２に係る発明によれば、前記金属被膜が形成される前記筒状支持部材の外周側面が、ゼオライトまたはカーボンであることを特徴とする請求項９ないし１１のうち、いずれか１項記載の膜エレメントの製造方法が提供される。
【００２３】
また、請求項１３に係る発明によれば、前記金属皮膜の厚さが、０．０２ｍｍ以上となるように前記金属被膜を形成することを特徴とする請求項９ないし１２のうち、いずれか１項記載の膜エレメントの製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の膜エレメントによれば、多孔質セラミックスよりなる筒状支持部材の外周側面のうち、筒状支持部材の両端に位置する面に、溶射法により形成された金属被膜を設けることにより、生産性を向上させた上で、シール性を確保するのに十分な厚さとされた金属被膜を、筒状支持部材を破損させることなく、低コストで形成できる。
【００２５】
また、本発明の膜モジュールによれば、多孔質セラミックスよりなる筒状支持部材の外周側面のうち、筒状支持部材の両端に位置する面に、溶射法により形成された金属被膜を有する膜エレメントを複数有することにより、膜モジュールを低コストで構成できる。
【００２６】
さらに、本発明の膜エレメントの製造方法によれば、筒状支持部材の外周側面のうち、筒状支持部材の両端に位置する面に、溶射法により、少なくとも１層の金属層よりなる金属被膜を形成することにより、生産性を向上させた上で、シール性を確保するのに十分な厚さとされた金属被膜を、筒状支持部材を破損させることなく、低コストで形成できる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施の形態に係る膜エレメントの製造する際に使用するコールドスプレー装置の概略構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る膜エレメントの概略構成を示す断面図である。
【図３】両端に金属被膜が設けられた筒状支持部材の斜視図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る膜エレメントの製造工程を示す断面図（その１）である。
【図５】本発明の実施の形態に係る膜エレメントの製造工程を示す断面図（その２）である。
【図６】本発明の実施の形態に係る膜エレメントの製造工程を示す断面図（その３）である。
【図７】本発明の第１の実施の形態の変形例に係る膜エレメントの概略構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、図面を参照して本発明を適用した実施の形態について詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、本発明の実施形態の構成を説明するためのものであり、図示される各部の大きさや厚さや寸法等は、実際のコールドスプレー装置及び膜エレメントの寸法関係とは異なる場合がある。
【００２９】
（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態に係る膜エレメントを製造する際に使用するコールドスプレー装置の概略構成を示す図である。
図１を参照するに、コールドスプレー装置１０は、作動ガス供給ライン１１と、第１の圧力調整器１２と、ヒーター１３と、第２の圧力調整器１５と、粉末供給装置１６と、スプレーノズル１８と、を有する。
【００３０】
作動ガス供給ライン１１は、作動ガス供給源（図示せず）と接続されている。また、作動ガス供給ライン１１は、２つの経路に分岐されており、第１及び第２の圧力調整器１２，１５と接続されている。作動ガス供給ライン１１は、作動ガス（例えば、Ｎ２やＨｅ）を第１及び第２の圧力調整器１２，１５に供給する。
【００３１】
第１の圧力調整器１２は、作動ガスを供給可能な状態で、ヒーター１３と接続されている。第１の圧力調整器１２は、減圧（０．５〜５ＭＰａ）した作動ガスをヒーター１３に送る。
ヒーター１３は、作動ガスを供給可能な状態で、スプレーノズル１８と接続されている。ヒーター１３は、作動ガスを加熱し、該加熱した作動ガスをスプレーノズル１８に供給する。
【００３２】
第２の圧力調整器１５は、作動ガスを供給可能な状態で、粉末供給装置１６と接続されている。第２の圧力調整器１５は、減圧（０．５〜５ＭＰａ）した作動ガスを粉末供給装置１６に送る。
粉末供給装置１６は、スプレーノズル１８と接続されている。粉末供給装置１６は、減圧された作動ガスにより、金属粉末（具体的には、アルミニウム、ステンレス、インコネル、チタン、ハステロイ、４２アロイ、及びコバール等の粉末）をスプレーノズル１８に供給する。
【００３３】
スプレーノズル１８は、その内部において、供給された作動ガス及び金属粉末を音速から超音速で加速させ、出口１８Ａから噴出する。このとき、スプレーノズル１８の出口１８Ａと、多孔質セラミックスよりなる筒状支持部材２１の外周側面のうち、筒状支持部材２１の端に対応する面と、が対向するように筒状支持部材２１を配置することで、筒状支持部材２１の端に対応する面（後述する図２に示す第１及び第２の金属被膜形成面２１ａ，２１ｂ）に、金属粉体が固体状態で衝突し、金属被膜２２が形成される。
【００３４】
図２は、本発明の実施の形態に係る膜エレメントの概略構成を示す断面図である。図２において、図１と同一構成部分には、同一符号を付す。
図２を参照するに、本実施の形態の膜エレメント２０は、筒状支持部材２１と、金属被膜２２と、ロウ材２３と、第１の金属金具２５と、第２の金属金具２６と、を有する。
【００３５】
図２を参照するに、筒状支持部材２１は、多孔質セラミックスよりなる筒状の部材である。筒状支持部材２１の外周側面全体は、ゼオライトまたはカーボンによりなる分離膜２１Ａにより構成されている。分離膜２１Ａは、筒状支持部材２１の構成要素の１つである。
分離膜２１Ａは、筒状支持部材２１の一方の端に位置する外周側面に第１の金属被膜形成面２１ａを有すると共に、筒状支持部材２１の他方の端に位置する外周側面に第２の金属被膜形成面２１ｂを有する。
【００３６】
ゼオライト及びカーボンは、高温（具体的には、５００℃以上の温度）において結晶構造が壊れるという性質を有する。そのため、分離膜２１Ａに高温（具体的には、５００℃以上の温度）で金属被膜２２を形成すると、分離膜２１Ａが破損してしまう。
【００３７】
上記筒状支持部材２１は、複数の多孔質セラミックスにより構成してもよい。例えば、筒状支持部材２１の中心から外周側面に向かう方向に対して、多孔質セラミックスの材料を異ならせてもよい。また、筒状支持部材２１を、１種類の多孔質セラミックスにより構成してもよい。
【００３８】
図３は、両端に金属被膜が設けられた筒状支持部材の斜視図である。図３において、図２に示す膜エレメント２０と同一構成部分には、同一符号を付す。
図２及び図３を参照するに、金属被膜２２は、一層の金属層により構成されており、第１及び第２の金属被膜形成面２１ａ，２１ｂに設けられている。
金属被膜２２は、ロウ材２３を介して、第１及び第２の金属金具２５，２６に対してロウ付けされている。金属被膜２２は、シール材として機能する金属層である。金属被膜２２は、溶射法により形成されている。該溶射法としては、コールドスプレー法、ウォームスプレー法、エアロゾルデポジション法、及びガスデポジション法等を用いることができる。
【００３９】
このように、シール材として機能する金属被膜２２を溶射法により形成することで、金属被膜２２の厚さを０．０２ｍｍ以上に形成することが可能となる。これにより、従来の化学メッキ法、真空蒸着法、スパッタリング法等の方法により金属被膜を形成した場合と比較して、金属被膜２２のシール性を向上させることができる。
【００４０】
また、シール材として機能する金属被膜２２を溶射法により形成することで、従来の化学メッキ法、真空蒸着法、スパッタリング法等の方法により金属被膜を形成した場合と比較して、金属被膜２２の形成時間を短くすることが可能となるので、膜エレメント２０の生産性を向上できる。
【００４１】
金属被膜２２の厚さは、５ｍｍ以下が好ましい。金属被膜２２の厚さが３ｍｍ以上になると、膜エレメント２０の生産性が低下すると共に、金属被膜２２に割れが生じやすくなるからである。
【００４２】
金属被膜２２は、コールドスプレー法またはウォームスプレー法を用いて形成するとよい。コールドスプレー法またはウォームスプレー法を用いた場合、筒状支持部材２１に到達する際の温度が３００℃以下であるため、分離膜２１Ａを構成するゼオライトまたはカーボンの結晶構造が破壊されることを防止できる。
金属被膜２２（一層の金属層）の材料としては、アルミニウム、ステンレス、インコネル、チタン、ハステロイ、４２アロイ、コバールのうち、いずれか１つを用いることができる。
【００４３】
図２を参照するに、ロウ材２３は、金属被膜２２と第１の金属金具２５との間、及び金属被膜２２と第２の金属金具２６との間に設けられている。ロウ材２３としては、金属被膜２２と第１及び第２の金属金具２５，２６とをロウ付け可能なロウ材であればよい。
【００４４】
図２を参照するに、第１の金属金具２５は、両端が開放端とされた筒状の金属金具である。第１の金属金具２５は、ロウ材２３を介して、第１の金属被膜形成面２１ａに設けられた金属被膜２２に取り付けられている。第１の金属金具２５の材料としては、例えば、ステンレスを用いることができる。
【００４５】
図２を参照するに、第２の金属金具２６は、一方の端が開放端とされ、他方の端が塞がれた筒状の金属金具であり、断面形状がコの字型とされている。第２の金属金具２６は、筒状支持部材２１の他方の端を塞ぐように、ロウ材２３を介して、第２の金属被膜形成面２１ｂに設けられた金属被膜２２に取り付けられている。第２の金属金具２６の材料としては、例えば、ステンレスを用いることができる。
【００４６】
上記構成とされた膜エレメント２０は、第２の金属金具２６を台座に複数取り付けることで、膜モジュールとして用いられる。
【００４７】
本実施の形態の膜エレメントによれば、多孔質セラミックスよりなる筒状支持部材２１の外周側面のうち、前記筒状支持部材の両端に位置する第１及び第２の金属被膜形成面２１ａ，２１ｂに、溶射法により形成された少なくとも１層の金属層よりなる金属被膜２２と、金属被膜２２を介して、筒状支持部材２１の両端に設けられた第１及び第２の金属金具２５，２６と、を有することにより、膜エレメント２０の生産性を向上させた上で、シール性を確保するのに十分な厚さ（０．０２ｍｍ以上）とされた金属被膜２２を、筒状支持部材２１を破損させることなく、低コストで膜エレメント２０を形成できる。
【００４８】
図４〜図６は、本発明の実施の形態に係る膜エレメントの製造工程を示す断面図である。
次に、図４〜図６を参照して、本実施の形態の膜エレメント２０の製造方法について説明する。
【００４９】
始めに、図４に示す工程では、一方の端に位置する外周側面である第１の金属被膜形成面２１ａと、他方の端に位置する外周側面である第２の金属被膜形成面２１ｂと、少なくとも第１及び第２の金属被膜形成面２１ａ，２１ｂに対応する部分がゼオライトまたはカーボンにより構成された筒状支持部材２１を準備する。
【００５０】
次いで、図５に示す工程では、図１に示すコールドスプレー装置１０を用いたコールドスプレー法により、第１及び第２の金属被膜形成面２１ａ，２１ｂに金属被膜２２を形成する。
このとき、金属被膜２２（一層の金属層）として、アルミニウム層、ステンレス層、インコネル層、チタン層、ハステロイ層、４２アロイ層、コバール層のうち、いずれか１つの金属層を形成する。
【００５１】
このように、コールドスプレー法により、シール材として機能する金属被膜２２を形成することで、金属被膜２２の厚さを０．０２ｍｍ以上に形成することが可能となる。これにより、従来の化学メッキ法、真空蒸着法、スパッタリング法等の方法により金属被膜を形成した場合と比較して、金属被膜２２のシール性を向上できる。
【００５２】
また、コールドスプレー法により、シール材として機能する金属被膜２２を形成することで、従来の化学メッキ法、真空蒸着法、スパッタリング法等の方法により金属被膜を形成した場合と比較して、金属被膜２２の形成時間を短くすることが可能となるので、膜エレメント２０の生産性を向上できる。
【００５３】
なお、図５に示す工程では、コールドスプレー法により、第１及び第２の金属被膜形成面２１ａ，２１ｂに金属被膜２２を形成する場合を例に挙げて説明したが、コールドスプレー法に替えてウォームスプレー法を用いて金属被膜２２を形成してもよい。
【００５４】
このように、コールドスプレー法またはウォームスプレー法を用いて金属被膜２２を形成することにより、コールドスプレー法またはウォームスプレー法を用いた場合、筒状支持部材２１に到達する際の金属粉末の温度が３００℃以下であるため、分離膜２１Ａを構成するゼオライトまたはカーボンの結晶構造が破壊されることを防止できる。
【００５５】
また、コールドスプレー法及びウォームスプレー法以外の溶射法であるエアロゾルデポジション法、またはガスデポジション法等の方法により、金属被膜２２を形成してもよい。
この場合、第１及び第２の金属被膜形成面２１ａ，２１ｂに厚さが０．０２ｍｍ以上とされた金属被膜２２を形成することが可能であり、金属被膜２２のシール性を向上できる。
【００５６】
また、エアロゾルデポジション法、またはガスデポジション法等の方法により、金属被膜２２を形成することで、金属被膜２２の形成時間を短くすることが可能となるので、膜エレメント２０の生産性を向上できる。
【００５７】
また、金属被膜２２の厚さは、５ｍｍ以下が好ましい。金属被膜２２の厚さが５ｍｍ以上になると、膜エレメント２０の生産性が低下すると共に、金属被膜２２に割れが生じやすくなるからである。
なお、金属被膜２２の材料としてステンレスを用いる場合、金属被膜２２の厚さは、３ｍｍ以下が好ましい。
【００５８】
次いで、図６に示す工程では、第１の金属被膜形成面２１ａに形成された金属被膜２２と第１の金属金具２５とをロウ材２３によりロウ付けすることで、筒状支持部材２１の一方の端に第１の金属金具２５を取り付けると共に、第２の金属被膜形成面２１ｂに形成された金属被膜２２と第２の金属金具２６とをロウ材２３によりロウ付けすることで、筒状支持部材２１の他方の端に第２の金属金具２６を取り付ける。これにより、本実施の形態の膜エレメント２０が製造される。
【００５９】
本実施の形態の膜エレメント２０の製造方法によれば、筒状支持部材２１の外周側面のうち、筒状支持部材の両端に位置する第１及び第２の金属被膜形成面２１ａ，２１ｂに、溶射法により、１層の金属層よりなる金属被膜２２を形成する工程と、金属被膜２２を介して、筒状支持部材２１の端に第１及び第２の金属金具２５，２６を取り付ける工程と、を有することにより、膜エレメント２０の生産性を向上させた上で、シール性を確保するのに十分な厚さ（０．０２ｍｍ以上）とされた金属被膜２２を、筒状支持部材２１を破損させることなく、低コストで膜エレメント２０を形成できる。
【００６０】
図７は、本発明の第１の実施の形態の変形例に係る膜エレメントの概略構成を示す断面図である。図７において、図２に示す第１の実施の形態の膜エレメント２０と同一構成部分には同一符号を付す。
図７を参照するに、第１の実施の形態の変形例に係る膜エレメント３０は、第１の実施の形態の膜エレメント２０に設けられた金属被膜２２の替わりに金属被膜３１を設けた以外は、膜エレメント２０と同様に構成される。
【００６１】
金属被膜３１は、シール材として機能する膜であり、第１の金属層３２と、第２の金属層３３と、が順次積層された構成とされている。第１の金属層３２は、第１及び第２の金属被膜形成面２１ａ，２１ｂに設けられている。第２の金属層３３は、第１の金属層３２を覆うように設けられている。第１及び第２の金属金具２５，２６は、ロウ材２３により、第２の金属層３３にロウ付けされている。
【００６２】
第１及び第２の金属層３２，３３の材料としては、アルミニウム、ステンレス、インコネル、チタン、ハステロイ、４２アロイ、コバールのうち、いずれか１つを用いることができる。
第２の金属層３３の材料は、第１及び第２の金属金具２５，２６と同じ材料を用いるとよい。具体的には、第１及び第２の金属金具２５，２６の材料がステンレスの場合、第２の金属層３３の材料としてステンレスを用いるとよい。
このように、第２の金属層３３の材料として、第１及び第２の金属金具２５，２６と同じ材料を用いることにより、金属被膜３１と第１及び第２の金属金具２５，２６の接合強度を向上させることができる。
【００６３】
金属被膜３１を構成する第１及び第２の金属層３２，３３は、溶射法により形成されている。該溶射法としては、コールドスプレー法、ウォームスプレー法、エアロゾルデポジション法、及びガスデポジション法等を用いることができる。金属被膜３１の厚さは、０．０４ｍｍ以上とされている。また、金属被膜３１の厚さは、５ｍｍ以下が好ましい。
【００６４】
第１の実施の形態の変形例に係る膜エレメントによれば、第２の金属層３３の材料として、第１及び第２の金属金具２５，２６と同じ材料を用いることにより、金属被膜３１と第１及び第２の金属金具２５，２６の接合強度を向上させることができる。
【００６５】
また、上記構成とされた膜エレメント３０は、第１の実施の形態の膜エレメント２０と同様な効果を得ることができ、また、同様な手法により製造することができる。さらに、複数の膜エレメント３０により膜モジュールを構成してもよい。
また、上記構成とされた膜エレメント３０は、第１の実施の形態の膜エレメント２０と同様な手法により製造できる。
【００６６】
以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明はかかる特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【００６７】
例えば、第１の実施の形態の変形例に係る膜エレメント３０において、第１の金属層３２と、第２の金属層３３と、を異なる手法により形成してもよい。具体的には、コールドスプレー法により第１の金属層３２を形成し、その後、ウォームスプレー法により第２の金属層３３を形成してもよい。
【００６８】
（実施例１）
図１に示すコールドスプレー装置１０を用いて、表１に示す条件により、図２に示す金属被膜２２として表１に示す厚さとされたアルミニウム膜、ステンレス膜、インコネル膜、チタン膜、ハステロイ膜、４２アロイ膜、及びコバール膜を形成した。
このとき。粒子径が２０〜４５μｍとされたアルミニウム粉末、ステンレス粉末、インコネル粉末、チタン粉末、ハステロイ粉末、４２アロイ粉末、及びコバール粉末を原料として用いた。
【００６９】
【表１】
【００７０】
また、上記アルミニウム膜、ステンレス膜、インコネル膜、チタン膜、ハステロイ膜、４２アロイ膜、及びコバール膜は、第１及び第２の金属被膜形成面２１ａ，２１ｂを有する分離膜２１Ａがゼオライトで構成された筒状支持部材２１と、第１及び第２の金属被膜形成面２１ａ，２１ｂを有する分離膜２１Ａがカーボンで構成された筒状支持部材２１と、に形成した。
【００７１】
その後、アルミニウム膜、ステンレス膜、インコネル膜、チタン膜、ハステロイ膜、４２アロイ膜、及びコバール膜に対して、膜質、及び熱サイクル試験後の膜剥がれについて評価を行なった。
その結果、０．０２ｍｍ（２０μｍ）以上の厚さとされたアルミニウム膜、ステンレス膜、インコネル膜、チタン膜、ハステロイ膜、４２アロイ膜、及びコバール膜（金属被膜２２）の膜質が良好であり、かつ熱サイクル試験後に膜剥がれが発生しないことが確認できた。
【００７２】
（実施例２）
図１に示すコールドスプレー装置１０を用いて、図７に示す金属被膜３１を構成する第１の金属層３２を形成した。具体的には、粒子径が２０〜４５μｍとされたアルミニウム粉末、４２アロイ粉末、及びコバール粉末を原料とし、スプレーノズル１８に作動ガスとして圧力が３ＭＰａとされ、かつ加熱されたＮ２（窒素）を供給することで、第１の金属層３２として表２に示す厚さとされたアルミニウム層、４２アロイ層、及びコバール層を形成した。
【００７３】
【表２】
【００７４】
また、アルミニウム層を形成する際に使用するＮ２（窒素）は、３８０℃に加熱し、４２アロイ層及びコバール層を形成する際に使用するＮ２（窒素）は、８００℃に加熱した。
また、上記アルミニウム層、４２アロイ層、及びコバール層は、第１及び第２の金属被膜形成面２１ａ，２１ｂを有する分離膜２１Ａがゼオライトで構成された筒状支持部材２１と、第１及び第２の金属被膜形成面２１ａ，２１ｂを有する分離膜２１Ａがカーボンで構成された筒状支持部材２１と、に形成した。
【００７５】
次いで、図１に示すコールドスプレー装置１０を用いて、上記アルミニウム層、４２アロイ層、及びコバール層に、図７に示す金属被膜３１を構成する第２の金属層３３を形成した。
具体的には、粒子径が２０〜４５μｍとされたステンレス粉末を原料とし、スプレーノズル１８に、作動ガスとして圧力が３ＭＰａとされ、かつ８００℃に加熱されたＮ２（窒素）を供給することで、第２の金属層３３として表２に示す厚さとされステンレス層を形成した。
【００７６】
その後、上記構成とされた金属被膜３１に対して、膜質、及び熱サイクル試験後の膜剥がれについて評価を行なった。
その結果、膜質が良好であり、かつ熱サイクル試験後に膜剥がれが発生しないことが確認できた。
【００７７】
（実施例３）
図示していないウォームスプレー装置（例えば、特開２００８−１５５１２９に記載のウォームスプレー装置）を用いて、図２に示す金属被膜２２として表３に示す厚さとされたアルミニウム膜、ステンレス膜、インコネル膜、チタン膜、ハステロイ膜、４２アロイ膜、及びコバール膜を形成した。
このとき、粒子径が２０〜４５μｍとされたアルミニウム粉末、ステンレス粉末、インコネル粉末、チタン粉末、ハステロイ粉末、４２アロイ粉末、及びコバール粉末を原料として用いた。
【００７８】
【表３】
【００７９】
このとき、酸素流量が８００Ｌ／ｍｉｎ、灯油流量が０．４Ｌ／ｍｉｎ、窒素流量が５００Ｌ／ｍｉｎ、溶射距離が２００ｍｍの条件を用いて、ウォームスプレー法を用いた溶射により、上記アルミニウム膜、ステンレス膜、インコネル膜、チタン膜、ハステロイ膜、４２アロイ膜、及びコバール膜を形成した。
また、上記アルミニウム膜、ステンレス膜、インコネル膜、チタン膜、ハステロイ膜、４２アロイ膜、及びコバール膜は、第１及び第２の金属被膜形成面２１ａ，２１ｂを有する分離膜２１Ａがゼオライトで構成された筒状支持部材２１と、第１及び第２の金属被膜形成面２１ａ，２１ｂを有する分離膜２１Ａがカーボンで構成された筒状支持部材２１と、に形成した。
【００８０】
その後、アルミニウム膜、ステンレス膜、インコネル膜、チタン膜、ハステロイ膜、４２アロイ膜、及びコバール膜に対して、膜質、及び熱サイクル試験後の膜剥がれについて評価を行なった。
その結果、０．０２ｍｍ（２０μｍ）以上の厚さとされたアルミニウム膜、ステンレス膜、インコネル膜、チタン膜、ハステロイ膜、４２アロイ膜、及びコバール膜（金属被膜２２）の膜質が良好であり、かつ熱サイクル試験後に膜剥がれが発生しないことが確認できた。
【００８１】
（実施例４）
図示していないウォームスプレー装置（例えば、特開２００８−１５５１２９に記載のウォームスプレー装置）を用いて、図７に示す金属被膜３１を構成する第１の金属層３２を形成した。
具体的には、粒子径が２０〜４５μｍとされたアルミニウム粉末、４２アロイ粉末、及びコバール粉末を原料とし、第３の実施例と同じ条件（具体的には、酸素流量が８００Ｌ／ｍｉｎ、灯油流量が０．４Ｌ／ｍｉｎ、窒素流量が５００Ｌ／ｍｉｎ、溶射距離が２００ｍｍの条件）を用いて、表４に示す第１の金属層３２を形成した。
【００８２】
【表４】
【００８３】
また、上記アルミニウム層、４２アロイ層、及びコバール層は、第１及び第２の金属被膜形成面２１ａ，２１ｂを有する分離膜２１Ａがゼオライトで構成された筒状支持部材２１と、第１及び第２の金属被膜形成面２１ａ，２１ｂを有する分離膜２１Ａがカーボンで構成された筒状支持部材２１と、に形成した。
【００８４】
次いで、図示していないウォームスプレー装置（例えば、特開２００８−１５５１２９に記載のウォームスプレー装置）を用いて、上記アルミニウム層、４２アロイ層、及びコバール層に、図７に示す金属被膜３１を構成する第２の金属層３３（表４参照）を形成した。
具体的には、粒子径が２０〜４５μｍとされたステンレス粉末を原料とし、第３の実施例と同じ条件（具体的には、酸素流量が８００Ｌ／ｍｉｎ、灯油流量が０．４Ｌ／ｍｉｎ、窒素流量が５００Ｌ／ｍｉｎ、溶射距離が２００ｍｍの条件）を用いて、第２の金属層３３を形成した。これにより、第１及び第２の金属層３２，３３よりなる金属被膜３１を形成した。
【００８５】
その後、上記構成とされた金属被膜３１に対して、膜質、及び熱サイクル試験後の膜剥がれについて評価を行なった。
その結果、膜質が良好であり、かつ熱サイクル試験後に膜剥がれが発生しないことが確認できた。
【産業上の利用可能性】
【００８６】
本発明は、液体、或いは気体の分離に用いる膜エレメント及びその製造方法、並びに膜モジュールに適用可能である。
【符号の説明】
【００８７】
１０，３０…コールドスプレー装置、１１…作動ガス供給ライン、１２…第１の圧力調整器、１３…ヒーター、１５…第２の圧力調整器、１６…粉末供給装置、１８…スプレーノズル、１８Ａ…出口、２０…膜エレメント、２１…筒状支持部材、２１ａ…第１の金属被膜形成面、２１Ａ…分離膜、２１ｂ…第２の金属被膜形成面、２２，３１…金属被膜、２３…ロウ材、２５…第１の金属金具、２６…第２の金属金具、３２…第１の金属層、３３…第２の金属層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多孔質セラミックスよりなる筒状支持部材の外周側面のうち、前記筒状支持部材の両端に位置する面に、溶射法により形成された少なくとも１層の金属層よりなる金属被膜と、
前記金属被膜を介して、前記筒状支持部材の両端に設けられた金属金具と、
を有することを特徴とする膜エレメント。
【請求項２】
前記溶射法は、コールドスプレー法、またはウォームスプレー法であることを特徴とする請求項１記載の膜エレメント。
【請求項３】
前記金属層の材料は、アルミニウム、ステンレス、インコネル、チタン、ハステロイ、４２アロイ、コバールのうち、いずれか１つであることを特徴とする請求項１または２記載の膜エレメント。
【請求項４】
前記金属被膜が形成される前記筒状支持部材の外周側面は、ゼオライトまたはカーボンよりなることを特徴とする請求項１ないし３のうち、いずれか１項記載の膜エレメント。
【請求項５】
前記金属皮膜の厚さが、０．０２ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１ないし４のうち、いずれか１項記載の膜エレメント。
【請求項６】
前記金属被膜は、多孔質セラミックスに設けられた第１の金属層と、該第１の金属層に設けられた第２の金属層と、を有し、
前記第１の金属層の材料は、前記第２の金属層の材料と異なることを特徴とする請求項１ないし５のうち、いずれか１項記載の膜エレメント。
【請求項７】
前記第２の金属層の材料が、前記金属金具と同じ材料であることを特徴とする請求項６記載の膜エレメント。
【請求項８】
請求項１ないし７のうち、いずれか１項記載の膜エレメントを複数有することを特徴とする膜モジュール。
【請求項９】
多孔質セラミックスよりなる筒状支持部材の両端に、金属被膜を介して、金属金具が設けられた膜エレメントの製造方法であって、
前記筒状支持部材の外周側面のうち、前記筒状支持部材の両端に位置する面に、溶射法により、少なくとも１層の金属層よりなる前記金属被膜を形成する工程と、
前記金属被膜を介して、前記筒状支持部材の両端に前記金属金具を取り付ける工程と、
を含むことを特徴とする膜エレメントの製造方法。
【請求項１０】
前記溶射法として、コールドスプレー法、またはウォームスプレー法を用いることを特徴とする請求項９記載の膜エレメントの製造方法。
【請求項１１】
前記金属層として、アルミニウム層、ステンレス層、インコネル層、チタン層、ハステロイ層、４２アロイ層、コバール層のうち、いずれか１つの層を形成することを特徴とする請求項９または１０記載の膜エレメントの製造方法。
【請求項１２】
前記金属被膜が形成される前記筒状支持部材の外周側面が、ゼオライトまたはカーボンであることを特徴とする請求項９ないし１１のうち、いずれか１項記載の膜エレメントの製造方法。
【請求項１３】
前記金属皮膜の厚さが、０．０２ｍｍ以上となるように前記金属被膜を形成することを特徴とする請求項９ないし１２のうち、いずれか１項記載の膜エレメントの製造方法。
【請求項１】
多孔質セラミックスよりなる筒状支持部材の外周側面のうち、前記筒状支持部材の両端に位置する面に、溶射法により形成された少なくとも１層の金属層よりなる金属被膜と、
前記金属被膜を介して、前記筒状支持部材の両端に設けられた金属金具と、
を有することを特徴とする膜エレメント。
【請求項２】
前記溶射法は、コールドスプレー法、またはウォームスプレー法であることを特徴とする請求項１記載の膜エレメント。
【請求項３】
前記金属層の材料は、アルミニウム、ステンレス、インコネル、チタン、ハステロイ、４２アロイ、コバールのうち、いずれか１つであることを特徴とする請求項１または２記載の膜エレメント。
【請求項４】
前記金属被膜が形成される前記筒状支持部材の外周側面は、ゼオライトまたはカーボンよりなることを特徴とする請求項１ないし３のうち、いずれか１項記載の膜エレメント。
【請求項５】
前記金属皮膜の厚さが、０．０２ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１ないし４のうち、いずれか１項記載の膜エレメント。
【請求項６】
前記金属被膜は、多孔質セラミックスに設けられた第１の金属層と、該第１の金属層に設けられた第２の金属層と、を有し、
前記第１の金属層の材料は、前記第２の金属層の材料と異なることを特徴とする請求項１ないし５のうち、いずれか１項記載の膜エレメント。
【請求項７】
前記第２の金属層の材料が、前記金属金具と同じ材料であることを特徴とする請求項６記載の膜エレメント。
【請求項８】
請求項１ないし７のうち、いずれか１項記載の膜エレメントを複数有することを特徴とする膜モジュール。
【請求項９】
多孔質セラミックスよりなる筒状支持部材の両端に、金属被膜を介して、金属金具が設けられた膜エレメントの製造方法であって、
前記筒状支持部材の外周側面のうち、前記筒状支持部材の両端に位置する面に、溶射法により、少なくとも１層の金属層よりなる前記金属被膜を形成する工程と、
前記金属被膜を介して、前記筒状支持部材の両端に前記金属金具を取り付ける工程と、
を含むことを特徴とする膜エレメントの製造方法。
【請求項１０】
前記溶射法として、コールドスプレー法、またはウォームスプレー法を用いることを特徴とする請求項９記載の膜エレメントの製造方法。
【請求項１１】
前記金属層として、アルミニウム層、ステンレス層、インコネル層、チタン層、ハステロイ層、４２アロイ層、コバール層のうち、いずれか１つの層を形成することを特徴とする請求項９または１０記載の膜エレメントの製造方法。
【請求項１２】
前記金属被膜が形成される前記筒状支持部材の外周側面が、ゼオライトまたはカーボンであることを特徴とする請求項９ないし１１のうち、いずれか１項記載の膜エレメントの製造方法。
【請求項１３】
前記金属皮膜の厚さが、０．０２ｍｍ以上となるように前記金属被膜を形成することを特徴とする請求項９ないし１２のうち、いずれか１項記載の膜エレメントの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−１６１７７５（Ｐ２０１２−１６１７７５Ａ）
【公開日】平成２４年８月３０日（２０１２．８．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２６３１６（Ｐ２０１１−２６３１６）
【出願日】平成２３年２月９日（２０１１．２．９）
【出願人】（０００２３１２３５）大陽日酸株式会社 (642)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月３０日（２０１２．８．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月９日（２０１１．２．９）
【出願人】（０００２３１２３５）大陽日酸株式会社 (642)
【Ｆターム（参考）】
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