JP2016041216A - 中空糸膜モジュールおよびこれに用いられるケーシング筒、ケーシング筒の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
本発明の課題は、筒状プラスチックの胴部側面に設けられる処理液入口ポートおよび出口ポートのような流体流出入用プラスチックポートの形状が安定し、かつ工業的に採用可能なケーシング筒及び中空糸膜モジュールを提供することにある。
【解決手段】
両端部が開口した筒状プラスチックの胴部側面に流体流出入用プラスチックポートが接合されている、ケーシング筒。かかるケーシング筒と、中空糸膜束と、ヘッダー部材と、を備え、前記中空糸膜束、は前記ケーシング筒に内装され、前記ヘッダー部材は、前記ケーシング筒の両端部に取り付けられている、中空糸膜モジュール。
【選択図】 図２

Description

本発明は、人工透析、血液濾過に必要な血液処理器、浄水器、ガス分離膜等に用いられる中空糸膜モジュールおよびこれに用いられるケーシング筒に関するものである。

処理液を用いて、被処理液について物質の濾過、透析等を行う中空糸膜モジュールは、単位容積当たりの有効膜面積を大きくとれるため、これまで精密濾過、限外濾過等の水処理関係、窒素、酸素、水素等のガス分離関係、薬品関係、バイオ関係等、多くの分野で使用されており、とりわけ血液透析、血液濾過、血液透析濾過等の血液処理器（以下、ダイアライザーと称する）として好適に利用されている。以下、ダイアライザーを中心に詳しく説明する。

例えば図１に示すように、ダイアライザー１は、一端部に処理液入口ポート１１を、他端部に処理液出口ポート１２を備えた筒状プラスチックの胴部１０（以下、ケーシング筒胴部１０とする）と、このケーシング筒胴部１０に内装された中空糸膜束５と、この中空糸膜束５を各端部においてケーシング筒胴部１０の両端部付近の内壁に固定している隔壁３、６とを有し、ヘッダー部材１、８が、隔壁３、６の外側表面に形成された中空糸膜束５の中空部開口面４、７の全体を包囲するように、ケーシング筒１０の両端に取り付けられている。該ヘッダー部材１、８には被処理液入口ポート２、被処理液出口ポート９が備えられている。中空糸膜モジュールをダイアライザーとして用いる場合は、被処理液は血液であり、処理液は透析液である。

上述したようなダイアライザーに用いられる前記ケーシング筒は、ケーシング筒の射出成型時に前記処理液入口ポート及び処理液出口ポートと一体で形成することが一般的であり、一体で成型することで、処理液ポートとケーシング筒の液密性を保っている。

しかしながら、本発明者らが見出したところによれば、この方法では、射出成型時に金型内の温度ムラ等の影響により、処理液入口ポート、出口ポートに局所的な残留応力等の悪影響が発生し、ポート部分の形状が不安定になることや、成型部材の中に気泡が発生する、部材強度が低下するといった問題が生じ得る。

一方、処理液入口ポート、処理液出口ポートをヘッダー部材と一体成型している実施形態も知られている（例えば、特許文献１や特許文献２）。

また、特殊な構造の例として、ヘッダー部材に処理液ポートを設けて、両者を一体で射出成形し、それを筒状の胴部と拡径端部とを備えたケーシング筒に接合して中空糸膜モジュールとする実施形態も知られている（例：特許文献３、特許文献４）。

特開平１１−７０１６４号公報 特開２００３−３２００２５号公報 特開平１０−２１１４２１号公報 特開２００５−１６１３０５号公報

特許文献１や特許文献２に記載された形態では、処理液入口ポート、処理液出口ポートの形状が安定するものの、ヘッダー部材の金型構造が複雑になり、コストアップにつながるとともに、この中空糸膜モジュールの構造の欠点は、被処理液ポートを備えるヘッダー部材に被処理液ポートのみでなく処理液ポートをも設けているので、必ず被処理液と処理液とを区分するための環状弾性体（シール用のＯリング）のような部材が必要になることである。環状弾性体としては一般的にゴムを用いることから、材料コストが比較的高くなり、加えて、ヘッダー部材とケーシング筒とを接合する際に、シール性が発現するように環状弾性体をしっかり押し潰して取り付けなければならないことから、組み立ての難易度が高くなり、組み立てるための設備費用や作業コストも高くなっていた。

特許文献３，４に記載の発明においては、ヘッダー部材の金型構造が複雑になり、コストアップにつながるとともに、被処理液ポートを備えるヘッダー部材に被処理液ポートのみでなく処理液ポートをも設けているので、必ず被処理液と処理液とを区分するための環状弾性体（シール用のＯリング）のような部材が必要になることである。したがって、上記特許文献１、２と同様のコスト、組み立ての難易度に関する問題が存在する。

本発明の目的は、上述した問題点に鑑み、筒状プラスチックの胴部側面に設けられる処理液入口ポート、処理液出口ポートのような流体流出入用プラスチックポートの形状が安定し、かつ工業的に採用可能なケーシング筒及び中空糸膜モジュールを提供することにある。

本発明は、上記目的を達成せんとするものであり、以下のいずれかの構成を特徴とするものである。
（１）両端部が開口した筒状プラスチックの胴部側面に流体流出入用プラスチックポートが接合されている、ケーシング筒。

ここで、本発明における接合とは、「つなぎ合わせること」を意味するものであり、したがって、一体的に成形されることにより、プラスチックの胴部側面に上記ポートが存在するものは、本発明の範囲に含まれない。

また、本発明において、流体流出入用プラスチックポートは、流体が流出入することを可能とする機能を有しており、通常、流体が流出入するための開口部分を有している。

上記胴部について、筒状プラスチックの側面部全体を指すこともあるが、側面部に他の部分とは著しく異なる形状の両端部を有する場合等は、当該両端部を除く部分を胴部と言ってもよい。
（２）本発明のケーシング筒は、中空糸膜を内装して、中空糸膜モジュールとして用いることができる。その場合、中空糸膜モジュールは、本発明に係るケーシング筒と、中空糸膜束と、ヘッダー部材と、を有し、上記中空糸膜束は上記ケーシング筒に内装され、上記ヘッダー部材は上記ケーシング筒の両端部に取り付けられているものである。また、上記中空糸膜束の両端部を内壁に固定するための隔壁を有し、中空糸膜の中空部は、上記隔壁の外側表面の端部において開口して端面を形成し、上記ヘッダー部材は、上記中空糸膜束の開口端面を包囲して取り付けられていることが好ましい。ここで、内壁とは、中空糸膜束が内装されるケーシング筒の内壁である。また、中空糸膜は、一方向に引き揃えられた状態で上記ケーシング筒に内装されている。

なお、上記「流体」とは液体又は気体であるが、本発明のケーシング筒を用いてなる中空糸膜モジュールの好ましい用途が、後述の通り血液処理用途であることから、好ましくは液体である。

本明細書において、流体流出入用プラスチックポートが、処理される液体（血液処理用途の場合は血液）を流出入するためのポートであるとき、それぞれ「被処理液入口ポート」「被処理液出口ポート」といい、処理する側の液体（血液透析用途の場合は透析液）をを流出入するためのポートであるとき、それぞれ「処理液入口ポート」「処理液出口ポート」ということがある。
（３）また、上記胴部側面には、上記流体流出入用ポートが２つ以上接合されていることが好ましい。この場合、少なくとも１つが流体流入用ポートであり、少なくとも他の１つが流体流出用ポートであることが好ましい。
（４）上記「接合」を行う手段としては、超音波溶着方法を用いることが好ましい。

本発明によれば、従来は一体で成型していた流体流入および流出ポートとケーシング筒胴部をそれぞれ別に成型し接合するので、流体流入および流出ポートを成型する際の金型内の温度ムラ等の外乱が軽減され、形状が安定する。また、ケーシング筒胴部を成型するための金型に流体流入ポート部分の型部分および流出ポート部分の型部分が不要になることで、型の形状がシンプルになる結果、ケーシング筒体部の多数個取りが可能となるという製造上のメリットがある。

図１は、従来及び本発明の一実施形態に係る中空糸膜モジュールの概略縦断面図である。 図２は、処理液入口ポート、処理液出口ポート及びケーシング筒胴部の各部品（ａ）、並びに、これらが接合されてケーシング筒を形成したもの（ｂ）を例示する概略部分断面図である。 図３は、処理液入口ポートとケーシング筒胴部の超音波溶着による接合の形態を例示する概略図であり、（ｃ）は（ｂ）の一部分の拡大図である。 図４は、超音波溶着装置を例示する概略図である。 図５は、フランジ付透析液入口ポートとケーシング筒胴部の超音波溶着形態を例示する概略図である。

まず、図面に基づいて、本発明の中空糸膜モジュールを説明する。

図１は、従来の中空糸膜モジュールの一例であるとともに、本発明の中空糸膜モジュールの一例についても示すものである。図１において、中空糸膜モジュールはケーシング筒胴部１０と、ケーシング筒１０に内装されている中空糸膜束５と、中空糸膜束５の両端部をケーシング筒１０の内壁に、中空糸膜の中空部が隔壁の端部において開口して端面を形成するように固定している隔壁３および６と、ケーシング筒胴部１０の一方の端部に装着されたヘッダー部材１と、ケーシング筒胴部１０の他方の端部に装着されたヘッダー部材８などから構成されている。

ケーシング筒胴部１０は、中空糸膜束５が内装されることが可能な円筒形部材であって、その胴部側方の一端部に近い箇所に処理液入口ポート１１を備え、他端部に近い箇所には処理液出口ポート１２を備えている。材質は、プラスチックであれば特に限定されるものではないが、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリ四フッ化エチレン、ポリエステル、ポリ塩化ビニール、あるいはＡＢＳ（アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン）等のプラスチックからなるケーシング筒が好適に用いられる。

中空糸膜束５は、複数本の中空糸膜（半透膜）が一方向（ケーシング筒胴部１０の筒軸方向）に引き揃えられた状態でケーシング筒胴部１０に内装されてなり、各端部が隔壁３、６により、中空部が隔壁の端部において開口して端面を形成するようにケーシング筒胴部１０の内壁に固定されている。中空糸膜の素材は、特に限定されるものではないが、アクリル、ポリメチルメタアクリレート、ポリビニルアルコール、ポリスルホン系高分子、ポリアミド、ポリエステル、セルロース、ポリエチレン及びポリプロピレン等の素材からなる中空糸膜が好適に用いられる。

隔壁３、６は、通常、中空糸膜束をケーシング筒の両端部で固定している。中空糸膜モジュールとして被処理液を処理液により処理する用途に用いる場合は、被処理液と処理液が流れる領域を分離する。なお、かかる用途として、好ましくは血液処理用途があげられ、血液透析、血液濾過、血液透析濾過（すなわち、上述の「ダイアライザー」用途）がある。一般に、ポリウレタン系接着剤、シリコーン系接着剤、またはエポキシ系接着剤等の高分子材料（換言すれば、２液混合硬化型の高分子接着剤）を注型してなる。

また、ケーシング筒の一端にはヘッダー部材１、他端にはヘッダー部材８が装着されている。ヘッダー部材１は、被処理液入口ポート２を備え、中空糸膜の中空部開口端面４を包囲するように、ケーシング筒胴部１０の一方の端部に装着されている。ヘッダー部材８は、被処理液出口ポート９を備え、中空糸膜の中空部開口端面７を包囲するように、他方の端部に装着されている。ヘッダー部材１、８は好ましくはケーシング筒１０の両端部に液密に装着されている。なお、これらヘッダー部材１、８は、ケーシング筒胴部１０と同様の材料で構成することができる。

以下、本発明の中空糸膜モジュールに使用される処理液入口ポート及び出口ポート、並びにこれらとケーシング筒との接合について説明する。なお、ここでは、処理液入口ポートおよび出口ポートとケーシング筒の接合方法については超音波溶着によるものとしているが、下記する好ましい様態、例示が超音波溶着を使用した場合に限られるものではない。

処理液入口ポート、出口ポートについて、その材質は、プラスチックであれば特に限定されるものではないが、上記ケーシング筒として好ましく用いられる材質が同様に好ましく用いられる。その形状についても、特に限定されるものではなく、流体、ここでは処理液を流出入する機能を有する形状であればよい。

図２は、図１に示した本発明に用いる中空糸膜モジュールの処理液入口ポート１１と処理液出口ポート１２が、ケーシング筒胴部１０と接合するときの前後の形態を示した概略図である。図２（ａ）のように、個別に製造された処理液入口ポート１１、処理液出口ポート１２及びケーシング筒胴部１０が、図２（ｂ）に示すように接合する。かかる接合方法としては、後述の超音波溶着方法を用いることが好ましい。

図３は、図２に示した中空糸膜モジュールのケーシング筒と処理液入口ポート１１の接合部分の概略図である。図３（ａ）はケーシング筒胴部１０と処理液入口ポート１１との溶着前の状態について示し、図３（ｂ）は溶着後のケーシング筒胴部１０と処理液入口ポート１１の溶着後の状態について示しており、処理液入口ポート１１の天面に超音波振動伝達用のホーン１３を接触させ、ケーシング筒胴部１０に加圧することで溶着する。図３（ｃ）は図３（ｂ）の丸線内の部分拡大図であり、処理液入口ポート１１はケーシング筒胴部１０に設けたテーパー部と超音波溶着され接合し、超音波溶着部１４によって溶着固定されている。

超音波溶着部１４の形状は任意であるが、ケーシング筒胴部１０および処理液入口ポート１１の材質が結晶性樹脂である場合は、気泡のかみこみが少なく、振動がより容易に伝達することから、シェアジョイントが好適である。

本発明において用いることができる超音波溶着装置は、特に限定されるものではないが、例えば、図４に示すような装置構成を例示することができる。図４において、発振器１５で発生した信号を受けて振動子１７が振動し、ホーン１３によって振動が所定の振幅に増幅される。アクチュエーター１６によってホーン１３は処理液入口ポート１１と相互に押し合い、処理液入口ポート１１の端部を加圧した状態で図３（ｂ）等の超音波溶着部１４に超音波振動を伝達する。振動子１７からの発振量、超音波溶着部１４の溶け込み量は特に規定しないが、溶着前のジョイントデザインは長さＬを０．５ｍｍ〜２．０ｍｍ、幅Ｗを０．５ｍｍ〜２．０ｍｍとすることが十分な気密性と溶着強度をもつものとして好ましい。

また、ケーシング筒胴部１０と処理液入口ポート１１の材質として、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリ四フッ化エチレンなどをはじめとする振動伝達が比較的悪い樹脂を使用している場合は、ポート天面をホーン接触面にした場合、十分な振動が伝達できず、十分な液密性や溶着強度を保てない恐れがある。そのための解決手段として、図５に示すように、処理液入口ポート１１のノズル根元付近にホーン接触用のフランジ面を設け、ホーン接触面を超音波溶着部１３に近づけることで、振動を効率良く伝えることができ、気密性と溶着強度を持たせることができる。

全長が２８５ｍｍ、胴部外径が３９ｍｍ、端部外径が５２ｍｍのポリプロピレン製ケーシング筒胴部（図２の符号１０参照）と、全長が２２ｍｍ、胴部外径が１４．９ｍｍの処理液入口ポートおよび出口ポート（図２の符号１１、１２）とを、図４に例示している装置構成の超音波溶着装置を用いて、周波数２０ｋＨｚ、加圧力０．２ＭＰａ、溶着時間０．２秒、保持時間２．０秒の条件で、超音波溶着して接合した。

この溶着した中間製品（ケーシング筒）を解体し、溶着部（図５の符合１４参照）の寸法を測定すると、溶着長さＬは０．５ｍｍ、溶着幅Ｗは０．５ｍｍであり、断面積は０．２５ｍｍ^２であった。

そのときの製品の外形寸法を測定すると、一般的な成型段階で処理液入口ポート、出口ポートを有したケーシング筒に対する要求仕様と同等の寸法精度を有していることが確認できた。

次いで、ポリスルホン製の中空糸膜を１０，０００本束ねた中空糸膜束をケーシング筒内に、両端が本体ケース端部からそれぞれ１０ｍｍ以上突出するように挿入して、当該両端の端面に炭酸ガスレーザを所定のパターンで照射して、中空糸膜端面における中空部を封止した。

中空糸本体ケースの両端にキャップを装着し、本体ケースの全長の半分の位置を回転中心軸として、全長の半分を回転半径とするように本体ケースを回転させ、その回転により発生した遠心力を利用して、処理液の入口ポート（図１の符号１１参照）と処理液の出口ポート（図１の符号１２参照）から注入したウレタン樹脂を硬化させて、本体ケースの両端に膜固定層（図１の符号３、６参照）による隔壁を形成し、中空糸膜束と本体ケースとを固定させた。膜固定層を本体ケースの軸方向と直交するように切断し、膜固定層端面を形成するとともに中空糸膜を開口させた。その後、ポリプロピレン製のヘッダー（図１の符号１、８参照）とケーシング筒とを超音波溶着により接合した。最後に、被処理液の入口ポート（図１の符号２参照）と出口ポート（図１の符号９参照）、処理液の入口ポート（図１の符号１１参照）と出口ポート（図１の符号１２参照）に、それぞれ栓体を取り付けて梱包して、γ線滅菌を行って血液処理器に係る中空糸膜モジュールを完成させた。

このようにして製造した血液処理器の処理液側に透析液を、被処理液側に墨汁：生理食塩水を体積比１：１０の割合で混合した液体を充填した。その後、処理液の入口ポート、処理液の出口ポート、被処理液の出口ポートに液密に栓体を取り付け、被処理液の入口ポートに手動の加圧ポンプをホースで接続して、加圧ポンプで血液処理器に１４４ｋＰａの内圧を付与して１０秒保持させ、処理液入口ポート、出口ポートとケーシング筒との界面に液体の染み出しが発生しないか確認した。この評価を、上記のようにして製造した５個の血液処理器の各々について実施して、すべてにおいて１４４ｋＰａの圧力で染み出しが発生しないことを確認した。

本発明に係る中空糸膜モジュールまたはこれに用いられるケーシング筒は、上述したように血液浄化用途に用いられ、特に人工透析用のダイアライザーとして好適に用いるが、この他にも、下排水の浄化や、飲料水の製造、燃料電池の加湿装置等に用いられる中空糸膜モジュール等の構造にも応用することが出来る。

１ ヘッダー部材
２ 被処理液入口ポート
３ 隔壁
４ 中空部開口端面
５ 中空糸膜束
６ 隔壁
７ 中空部開口端面
８ ヘッダー部材
９ 被処理液出口ポート
１０ ケーシング筒胴部
１１ 処理液入口ポート
１２ 処理液出口ポート
１３ ホーン
１４ 超音波溶着部
１５ 発振機
１６ アクチュエータ
１７ 振動子
１８ 受台

Claims (8)

1. 両端部が開口した筒状プラスチックの胴部側面に流体流出入用プラスチックポートが接合されている、ケーシング筒。
2. 前記ケーシング筒に中空糸膜を内装して中空糸膜モジュールとして用いられる、請求項１記載のケーシング筒。
3. 前記流体流出入用ポートは、前記胴部側面に２つ以上接合されている、請求項１又は２記載のケーシング筒。
4. 前記流体流出入用プラスチックポートは、超音波溶着により接合される、請求項１〜３のいずれか一項記載のケーシング筒。
5. 請求項１〜４のいずれか一項記載のケーシング筒と、中空糸膜束と、ヘッダー部材と、を備え、
   前記中空糸膜束は、前記ケーシング筒に内装され、
   前記ヘッダー部材は、前記ケーシング筒の両端部に取り付けられている、中空糸膜モジュール。
6. 前記中空糸膜束の両端部を内壁に固定するための隔壁を有し、
   前記中空糸膜の中空部は、前記隔壁の外側表面の端部において開口して端面を形成し、
   前記ヘッダー部材は、前記中空糸膜束の開口端面を包囲して取り付けられている、請求項５記載の中空糸膜モジュール。
7. 血液処理用に用いられる、請求項５又は６に記載の中空糸膜モジュール。
8. 両端部が開口した筒状プラスチックの胴部側面に流体流出入用プラスチックポートを接合する工程を備える、ケーシング筒の製造方法。
   

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