JP2023081371A - カートリッジ式中空糸膜モジュール - Google Patents

カートリッジ式中空糸膜モジュール Download PDF

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竹内康作
Kosaku Takeuchi
柳橋真人
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Abstract

【課題】食品、医薬品用途に使用される蒸気滅菌を適用してもポッティング剤へのクラックによるリークおよび雑菌汚染を防止できるカートリッジ式中空糸膜モジュールを提供すること。【解決手段】ハウジングと、カートリッジを有するカートリッジ式中空糸膜モジュールにおいて、カートリッジが、複数の中空糸膜と、第１および第２ポッティング部とを備え、ハウジングはその内部に、カートリッジを支持するつば支持部Ａおよび傾斜支持部Ｂを有し、カートリッジは、つば支持部Ａと当接するつば部Ａ‘と、カートリッジ式中空糸膜モジュール内の温度変化によって可逆的に傾斜支持部Ｂと当接する傾斜部Ｂ’を有し、２５℃では支持部Ｂと傾斜部Ｂ‘の径方向の間にクリアランスが生じ、温度８０℃で傾斜支持部Ｂ‘と記支持部Ｂとが当接する。【選択図】図１

Description

本発明は、水処理分野、発酵工業分野、医薬品製造分野、食品工業分野などで使用するカートリッジ式中空糸膜モジュールに関するものである。
膜分離法は、飲料水製造、浄水処理、排水処理等の水処理分野、微生物や培養細胞の培養を伴う発酵分野、食品工業分野等、様々な方面で利用されている。これらの中でも、食品、医薬品用途に使用される中空糸膜モジュールは、モジュール内の微生物の増殖を抑えるために温水または飽和水蒸気を利用した熱処理が行われる。
中空糸膜モジュールにおいては、中空糸膜間が樹脂で接着されており、この樹脂はポッティング部と呼ばれる。中空糸膜モジュールを熱処理すると、ポッティング部に用いられる樹脂の強度が低下する。また、繰り返し熱処理を行うとポッティング部が熱膨張と収縮を繰り返すことでポッティング部にひずみが蓄積する。そのため、ポッティング部には変形や破損のリスクがあり、高い耐熱性が要求される。
特許文献１では、筐体と、筐体内に収容された中空糸膜カートリッジとを有するカートリッジ式中空糸膜モジュールが開示されている。このモジュールでは、ポッティング部と筐体とがシール材で液密に固定されている。また、ポッティング部が内層と外層とを有する２層構造を有しており、外層をガラス転移温度が８０℃以上のエポキシ樹脂で形成されることで、高温液のろ過または逆圧洗浄時に発生する応力によって鍔部にクラックが発生しにくくなることが開示されている。
国際公開第２０１５／０４６４３０号
本発明者らが検討したところ、従来の中空糸膜モジュールにおいて、熱処理条件または熱処理の繰り返し回数によっては、ポッティング部、特につば部にクラックが生じ得ることが分かった。その理由として、つば部には、筐体内で固定された中空糸膜カートリッジの重さが集中するため、他の部分よりもより大きな応力負荷がかかるためであると考えられる。
本発明は、熱処理によってもポッティング部にクラックが生じにくいカートリッジ式中空糸膜モジュールを提供する。
本発明者らは、ポッティング部の強度が低下する高温条件下において、ポッティング部が支持される箇所を増やすことで、ポッティング部のクラックを抑制できることを見出した。係る課題を解決するため、本発明は、中空糸膜カートリッジと、前記中空糸膜カートリッジを収容可能なハウジングと、を備えるカートリッジ式中空糸膜モジュールであって、前記中空糸膜カートリッジは、複数の中空糸膜と、第１端で前記中空糸膜間を接着する第１ポッティング部と、第２端で前記中空糸膜間を接着する第２ポッティング部と、前記第１ポッティング部の側面に設けられたつば部、および前記つば部よりも前記第２ポッティング部側に配置された傾斜部と、を有し、前記ハウジングは、前記つば部に当接するつば支持部と、温度２５℃において前記傾斜部との間にクリアランスが存在し、温度８０℃において前記傾斜支持部と当接するように配置される傾斜支持部と、を有するカートリッジ式中空糸膜モジュールを提供する。
本発明によれば、食品、医薬品製造用途に使用されるろ過器において、温水処理や蒸気処理などの熱処理を適用した場合においてもポッティング部のクラックを抑制して原液とろ過液のリークや滞留を抑制するカートリッジ式中空糸膜モジュールを提供できる。
図１は、本発明の第１実施形態に係る外圧式カートリッジ式中空糸膜モジュールの概略縦断面図である。 図２は、第１実施形態における第１ポッティング部を示す概略縦断面図である。 図３は、第１実施形態における筒部の上部の構造を示す概略縦断面図である。 図４（ａ）～（ｃ）は、傾斜支持部の具体例を示す概略縦断面図である。 図５は、傾斜部と傾斜部に当接した傾斜支持部の概略縦断面図である。 図６は、図１に示すカートリッジ式中空糸膜モジュールのＡ－Ａ線断面図である。 図７は、内圧式カートリッジ式中空糸膜モジュールの下部構造の一例を示す概略縦断面図である。 図８は、本発明の第２実施形態におけるカートリッジ式中空糸膜モジュールの上部の概略縦断面図である。 図９は、第２実施形態における第１ポッティング部を示す概略縦断面図である。 図１０は、本発明の第３実施形態におけるカートリッジ式中空糸膜モジュールの上部の概略縦断面図である。 図１１は、第３実施形態における支持リングの概略縦断面図である。 図１２は、他の実施形態におけるカートリッジ式中空糸膜モジュールの上部構造を示す概略縦断面図である。 図１３は、さらに他の実施形態におけるカートリッジ式中空糸膜モジュールの上部構造を示す概略縦断面図である。 図１４は、比較形態に係る中空糸膜モジュールを示す概略縦断面図である。
本発明のカートリッジ式中空糸膜モジュールの実施形態について、図面を参照しながら説明する。以下、「カートリッジ式中空糸膜モジュール」を単に「中空糸膜モジュール」と記載することがある。本明細書では、「上」および「下」は図面の上下方向に対応しており、カートリッジ式中空糸膜モジュールが使用される場合の通常の姿勢における上下方向も同様である。つまり、上下方向は中空糸膜モジュールの軸方向に対応し、水平方向は、上下方向に垂直な方向、つまり中空糸膜モジュールの径方向に対応する。「上」は中空糸膜モジュールにおいて「第１端」に近い方を意味し、「下」は「第２端」に近い方を意味する。また、本明細書において、「質量」は「重量」と同義である。
（第１実施形態）
＜カートリッジ式中空糸膜モジュール＞
本発明の中空糸膜モジュールの一形態として、図１に中空糸膜モジュール１Ａを示す。図１に示すように、中空糸膜モジュール１Ａは、ハウジング２と、中空糸膜カートリッジ３とを備える。
ハウジング２は、本形態では、筒部２１、上部キャップ２２、下部キャップ２３を有する。
筒部２１は略筒状の部材であり、外側面にはサイドノズル２１ａが設けられる。筒部２１の内側面に設けられ、中空糸膜カートリッジを支持する機構については後述する。
上部キャップ２２は上に向かって徐々に細くなる形状を有し、最上部に上部ノズル２２ａを有する。また、下部キャップ２３は、下に向かって徐々に細くなる形状を有し、最下部に下部ノズル２３ａを有する。
中空糸膜カートリッジ３は、複数の中空糸膜４を含む中空糸膜束４１と、中空糸膜の上端（第１端）で中空糸膜間を接着することで中空糸膜を束ねる第１ポッティング部５と、中空糸膜の下端（第２端）で中空糸膜間を接着することで中空糸膜を束ねる第２ポッティング部６を含む。第１および第２ポッティング部はいずれも、複数の中空糸膜４の間に樹脂が充填されることで形成される。
第１ポッティング部５および第２ポッティング部６はいずれも略円柱状である。第１ポッティング部５の上端面では中空糸膜４の中空部が開口している。
本形態の中空糸膜モジュール１Ａは外圧式クロスフローろ過型であるため、図１に示すように、第２ポッティング部６において中空糸膜４の端面は封止される。
図１に示すように、ハウジング２はその内面に、つば支持部８および傾斜支持部９を有する。つば支持部８はつば部５１に当接し、傾斜支持部９は温度に因って傾斜部５２に当接することで、中空糸膜カートリッジ３をハウジング２の内で支持する。
ただし、ハウジング２と中空糸膜カートリッジ３は接着されておらず、中空糸膜カートリッジ３はハウジング２に着脱可能である。
＜第１ポッティング部５＞
第１ポッティング部５は、図２に示すように、その側面に設けられたつば部５１と傾斜部５２とを有する。
つば部５１は、第１ポッティング部５の側面から径方向外側に突出する部分である。傾斜部５２は、傾斜部５２は、つば部５１よりも第２ポッティング部６寄り、つまりつば部５１の下方に配置され、かつ下側を向くように設けられた領域である。本形態では、傾斜部５２は、第１ポッティング部５の下面と側面との間に設けられ、傾斜する部分である。「傾斜する」とは、上下方向（中空糸膜モジュール１Ａの軸方向）に対する平行および垂直な方向から外れる角度を意味する。つば部５１および傾斜部５２の構造の詳細については後述する。
第１ポッティング部５における各部の寸法について説明する。第１ポッティング部５の最大外径Ｄｍａｘ（本形態ではつば部５１における第１ポッティング部５の直径）、つば部５１の突き出し長さＤｐ、中空糸膜束４１の外接円直径Ｄｆ、傾斜部５２の最大直径、すなわち傾斜部５２の上端における第１ポッティング部５の直径Ｄｔ、つば部５１と傾斜部５２を除く第１ポッティング部５の高さＨを図示する。高さＨは、軸方向における傾斜部５２の上端からつば部５１の下面（つば支持部８と当接する部分）までの距離である。
これらの寸法は、中空糸膜カートリッジを温度２５℃の水に２４時間浸漬させ、第１ポッティング部５の表面に付着した水をウエスでふき取ったあとに温度２５℃の雰囲気下で計測した値である。ここで、図２に示す形態では、Ｄｔは（Ｄｍａｘ－２×Ｄｐ）と近似する。
第１ポッティング部５の最大外径Ｄｍａｘは１００ｍｍ以上であることが好ましい。最大外径Ｄｍａｘの大きなポッティング部は、中空糸膜カートリッジとしての質量が大きくなる。そのため、つば部５１に加わる圧力が増加し、特に熱処理と冷却を繰り返すと、つば部５１の周辺にクラックが発生しやすい。しかし、本発明が適用された中空糸膜モジュールであれば、第１ポッティング部５の最大外径Ｄｍａｘが１００ｍｍ以上であっても、つば部５１周辺のクラックを抑制できる。最大外径Ｄｍａｘは中空糸膜モジュールの用途によって変更可能であり、上限は特に限定されない。
第１ポッティング部５の最大外径Ｄｍａｘと、第１ポッティング部５の高さＨとの比、Ｄｍａｘ／Ｈは１以上であることが好ましい。Ｄｍａｘ／Ｈが１以上であれば、第１ポッティング部５の機能を奏するための体積を最小限にでき、それによって第１ポッティング部５が軽量化する。そのため、つば部５１に加わる負荷が低下して、クラックを抑制できる。また、第１ポッティング部５の体積を小さくすると、中空糸膜モジュール１Ａとしての膜面積が増加し、中空糸膜モジュールあたりの透過量が増加する効果も奏する。Ｄｍａｘ／Ｈは２以上であることがより好ましい。
また、Ｄｍａｘ／Ｈは４以下であることが好ましい。Ｄｍａｘ／Ｈがこの範囲にあることで、第１ポッティング部５は実用性のある強度を有することができる。
第１ポッティング部５の中空糸膜束４１の外接円直径をＤｆと、第１ポッティング部の最大外径Ｄｍａｘの比率、Ｄｆ／Ｄｍａｘは０．７５以上であることが好ましい。Ｄｆ／Ｄｍａｘが大きいほど中空糸膜の充填率が増加し、中空糸膜モジュールあたりの膜面積が増加し、中空糸膜モジュールあたりの透過量が増加する。Ｄｆ／Ｄｍａｘは０．８以上であることがより好ましい。
温度２５℃において、第１ポッティング部５のつば部５１で受ける圧力ＰＣが低いほど、熱処理時においてもつば部５１に加わる応力が小さくなり、第１ポッティング部のクラックを抑制できる。そのため、圧力ＰＣは１００ｋＰａ以下であることが好ましく、８０ｋＰａ以下であることがより好ましく、６０ｋＰａ以下であることがさらに好ましい。圧力ＰＣは低い方が好ましいが、つば部５１で受ける圧力を低くするためにつば部５１の突き出し長さＤｐを大きくすると、上記のＤｆ／Ｄｍａｘが小さくなる。圧力ＰＣと、Ｄｆ／Ｄｍａｘを両立するためには、圧力ＰＣは３ｋＰａ以上であることが好ましい。
ここで、圧力ＰＣは、温度２５℃における、乾燥状態での中空糸膜カートリッジの質量と、つば支持部８とつば部５１が当接する面積によって算出される便宜的な圧力値であり、中空糸膜モジュール１Ａとして使用しているときにつば部５１に付与されている圧力とは異なる。
＜つば部５１およびつば支持部８＞
つば支持部８は、図３に示すように、筒部２１の上端面である。つば支持部８はつば部５１に下から当接することで第１ポッティング部５を支持する。また、つば部５１はさらに上部キャップ２２の下部により上から押さえられることで、つまり筒部２１と上部キャップ２２との間に挟まれることで、固定される。
第１ポッティング部５のつば部５１の断面形状は図２に示すように略矩形状である。つまり、本形態において、つば部５１の下面は平坦であり、つば部５１の下面とつば支持部８の当接面は、水平（中空糸膜モジュール１Ａの軸方向に対して垂直）である。なお、つば部５１の形状は、傾斜支持部９が傾斜部５２に当接していないときでも、つば支持部８のつば部５１への当接によりカートリッジ３がハウジング２内で保持され、かつハウジング２を液密に封止できる範囲で、変更することができる。例えば、水平方向に対するつば部５１の下面の角度は、つば支持部８の角度と同等であることが好ましく、水平方向の間の角度が－４０°以上４０°以下で傾いていてもよい。また、つば部５１の下面が凹凸を有してもよい。
第１ポッティング部５のつば部５１の角の凹部には、面取りあるいは曲率を設けることで冷熱サイクル時のクラックが発生しにくくなる。面取りする場合は面取り寸法１ｍｍ（Ｃ１）以上であることが好ましく、２ｍｍ（Ｃ２）以上であることがより好ましい。また、角に曲率を設ける場合は、半径１ｍｍ（Ｒ１）以上であることが好ましく、２ｍｍ（Ｒ２）以上であることがより好ましい。
つば支持部８によるつば部５１の支持において、付与される圧力が同一でも圧力が作用する位置によって力のモーメントが変化し、つば部５１への負荷が変化する。そのため、つば支持部８は、つば部５１に対して中空糸膜カートリッジの径方向において中心に近い位置で当接することが好ましい。
＜傾斜支持部９および傾斜部５２の構造＞
ハウジング２の傾斜支持部９は、ハウジング２の内面に、温度に応じて傾斜部５２に当接するように配置されている。本形態においては、筒部２１の内側面に設けられた凸部である。特に、傾斜部５２が第１ポッティング部５の側面で同一円周上に設けられているので、傾斜支持部９も筒部２１の内面を一周するように、同一円周上に、連続的に設けられる。ただし、本発明はこれに限定されず、傾斜部５２に当接することで、下から第１ポッティング部５を支持できれば、その数および位置等は変更可能である。例えば、傾斜支持部は複数の部分に分かれていてもよい。
縦断面において、傾斜支持部９は周囲よりも厚いことでハウジング２の内側に突出していることが好ましく、その縦断面が略三角形または略台形であることが好ましい。図４（ａ）～（ｃ）に、傾斜支持部９のより具体的な例である傾斜支持部９１～９３の縦断面形状を示す。これらの形態では、一点鎖線で示すように、傾斜支持部９１～９３の頂点（ハウジング２の内側に向けて最も突出した部分）よりも下側にも、周囲より厚い部分９１１～９３１が存在する。これによって、第１ポッティング部５を支持するのに十分な強度が得られる。
傾斜支持部９の角は９０°以上の角度を有するか、面取りされているか、あるいは曲面であることが好ましい。このような形状であることで、中空糸膜モジュール１Ａの使用時、または中空糸膜カートリッジ３の脱着時に傾斜支持部９が中空糸膜４に接触しても、中空糸膜４が破損するのを抑制できる。
第１ポッティング部５の傾斜部５２は、その角度が傾斜支持部９の傾斜部５２と当接する面角度と同一であることが好ましい。
中空糸膜モジュール１Ａでは、温度によって傾斜部５２と傾斜支持部９との間のクリアランスが変化する。温度によるこのようなクリアランスの変化は、第１ポッティング部５が熱膨張あるいは収縮することによる。より具体的には、中空糸膜モジュール１Ａ内の温度が２５℃であるときは傾斜支持部９および傾斜部５２は当接せず、温度が８０℃以上であるときには傾斜部５２が傾斜支持部９に当接するように、傾斜部５２および傾斜支持部９が配置される。
第１ポッティング部５は樹脂で形成されており、一般的に高温では樹脂強度が低下し、クラックが生じやすくなる。しかし、本形態では、上述のとおり、８０℃以上では、傾斜支持部９が傾斜部５２に当接することで、第１ポッティング部５がつば部５１と傾斜部５２との少なくとも２点で支持される。よって、第１ポッティング部５への負荷が分散し、第１ポッティング部５のクラック発生が抑制できる。
なお、後述のとおり、第１ポッティング部５よりも十分小さい線膨張係数を有する部材をハウジング２とすることで、温度によるハウジング２（傾斜支持部９を含む）の寸法変化が上述のクリアランスに与える影響を小さく抑えられる。
中空糸膜モジュール１Ａを加熱するとき、傾斜支持部９にて傾斜部５２のクリアランスがゼロになる温度、つまり両者が当接する温度は、２５℃超８０℃以下であれば限定されない。ただし、この温度は６０℃以上であることが好ましい。微生物の増殖を抑制するための熱処理では、中空糸膜モジュールの温度を８０℃以上とすることが多い。例えば傾斜支持部９と傾斜部５２が温度５０℃未満で当接するように配置されていると、温度が８０℃以上で第１ポッティング部５がさらに熱膨張したときに、傾斜支持部９により第１ポッティング部５の体積変化が制限されるので、ひずみが蓄積する。その結果、第１ポッティング部５が変形したり、クラックが生じたりする恐れがある。そのため、傾斜支持部９と傾斜部５２とが当接する温度が６０℃以上であることで（逆にいうと、６０℃未満では当接しないことで）、より高温で第１ポッティング部５が熱膨張する余地を残すことができる。
また、温水または蒸気処理時により傾斜支持部９に水が付着した場合も、温度２５℃で傾斜支持部９と傾斜部５２の間にクリアランスが存在することで、水が第１ポッティング部５とハウジング２との間から下方（第２ポッティング部６側）に排出されやすくなる。その結果、雑菌等の汚染リスクを低減できる。
つば部５１にかかる負荷を軽減するには、傾斜支持部９と傾斜部５２とは、ガスケットまたはＯリングなどの弾性体を介さずに直に当接することが好ましい。
傾斜部５２と、傾斜支持部９の傾斜部５２と当接する面とは、角度の差が３０°以下であることが好ましく、平行であること、つまり両者の傾斜角度は同一であることが好ましい。傾斜部５２の角度は、中空糸膜モジュール１Ａの縦断面において、水平方向（軸方向に垂直な方向）と傾斜部５２とが成す角のうち鋭角の角度である。また、傾斜支持部９の角度は、水平方向と傾斜部５２と当接する傾斜支持部９の面との成す角のうち鋭角の角度である。図４（ａ）～（ｃ）では、傾斜支持部９の傾斜角度をθとして示す。傾斜角度θについての以下の説明は、傾斜部５２の傾斜角度にも適用できる。
傾斜角度θは３０°以上８０°以下であることが好ましい。傾斜角度θが小さいと、Ｄｆ／Ｄｍａｘが小さくなる。また、第１ポッティング部５が円盤状である、つまりＤｍａｘ／Ｈが１以上である場合は、高温時の熱膨張による寸法変化量は径方向の方が大きくなる。その場合、傾斜角度θが大きい方が、温度２５℃におけるクリアランスの許容範囲が広くなる。よって、傾斜角度θは４５°以上であることがより好ましく、５５°以上であることがさらに好ましい。さらに、傾斜角度が大きいほうが傾斜支持部９に付着した液体が第２ポッティング部６側に排出されやすくなる。一方、傾斜角度θが大きすぎると、第１ポッティング部５の直径Ｄｔの寸法に高い精度が要求されることから、傾斜角度θは７５°以下であることがより好ましく、７０°以下であることがさらに好ましい。
中空糸膜モジュール１Ａは、温度２５℃における、第１ポッティング部５の傾斜部５２の最大直径Ｄｔ［ｍ］と、第１ポッティング部の線膨張係数α［℃－１］と、傾斜支持部９と傾斜部５２の間に形成されるクリアランスｄ［ｍ］が式（１）または式（２）のいずれかを満たすことが好ましい。ここで、第１ポッティング部５のガラス転移温度Ｔｇが８０℃以上の場合は式（１）を用い、ガラス転移温度Ｔｇが２５℃以上８０℃未満の場合は式（２）を用いる。
ｄ≦５５／２×α×Ｄｔ （１）
ｄ≦［（８０－Ｔｇ）×αＨ＋（Ｔｇ－２５）×αＬ］／２×Ｄｔ （２）
ｄ：中空糸膜モジュールの径方向（水平方向）における傾斜支持部９と傾斜部５２との間のクリアランス（最短距離）
Ｄｔ：傾斜部の最大直径［ｍ］
α：第１ポッティング部の線膨張係数［℃－１］
αＬ：第１ポッティング部のガラス転移温度Ｔｇ以下の温度における線膨張係数
αＨ：第１ポッティング部のガラス転移温度Ｔｇ以上の温度における線膨張係数
式（１）および（２）の右辺は、中空糸膜カートリッジをハウジングに装填していない状態で温度２５℃から８０℃まで昇温した場合（温度差５５℃）における第１ポッティング部５の半径方向の寸法変化量を意味する。つまり、式（１）または式（２）を満たすことで、傾斜部５２は、温度８０℃で傾斜支持部９に当接することができる。
クリアランスｄの好ましい範囲は、第１ポッティング部５の直径Ｄｔや第１ポッティング部５の線膨張係数αなどに依存するが、クリアランスｄが小さいと、熱処理時に第１ポッティング部５の熱膨張によってひずみが蓄積されるため、冷熱サイクル時にクラックが生じやすくなる。そのため、クリアランスｄは０．２ｍｍ以上であることが好ましく、０．３ｍｍ以上であることがより好ましい。一方、クリアランスｄが大きいと、傾斜部５２と傾斜支持部９が当接せず、支持固定されないため、０．６ｍｍ以下であることが好ましく、０．５ｍｍ以下であることがより好ましい。
クリアランスｄは、傾斜部５２および傾斜支持部９の当接面が平坦であり、かつ両者の傾斜角度が同一である場合には、式（３）によって定義される。
ｄ＝ｃ／ｓｉｎθ （３）
式（３）におけるクリアランスｃは傾斜支持部９と傾斜部５２との間の最短距離であり、傾斜角度θ。クリアランスｃは、中空糸膜モジュール１Ａの内部に水を満たし、温度２５℃で２４時間静置した後に排水し、傾斜支持部９および傾斜部５２の間を隙間ゲージで測定される値である。
中空糸膜モジュール１Ａのサイズ、質量、熱処理時の処理温度、上部ノズルの締め付け圧力などにも因るが、温度８０℃で傾斜支持部９との当接で傾斜部５２にかかる圧力ＰＳは、１ｋＰａ以上であることが好ましい。圧力ＰＳは、感圧センサを用いて測定できる。具体的には、傾斜部５２の表面が乾燥した状態で、クリアランス部に挿入した薄型感圧センサにより、温度８０℃で測定される値である。薄型感圧センサは厚さ０．２ｍｍ未満であることが望ましい。
温度８０℃で傾斜部５２にかかる圧力ＰＳと、温度２５℃でつば部５１にかかる圧力ＰＣとの比率ＰＳ／ＰＣが高いほど、温度８０℃においてつば部５１にかかる圧力が低減されるので、つば部５１にクラックが生じにくくなる。そのため、ＰＳ／ＰＣは０．２以上であることが好ましい。一方、ＰＳ／ＰＣの上限は特に制限されないものの、０．９以下であることが好ましい。
図５に、温度８０℃において、傾斜部５２と傾斜支持部９とが接触する領域の、縦断面における長さＤｄを示す。長さＤｄは中空糸膜カートリッジ３のサイズや質量に応じて適宜設定できる。長さＤｄまたはＤｄ／Ｄｔが大きいと、傾斜部５２への応力負荷が減少する。そのため、Ｄｄ／Ｄｔは０．０１以上であることが好ましく、０．０２以上であることがより好ましい。一方、Ｄｄ／Ｄｔが大きいと、Ｄｆ／Ｄｍａｘが小さくなるため、Ｄｄ／Ｄｔは０．０８以下であることが好ましく、０．０６以下であることがより好ましい。当接長さＤｄは、第１ポッティング部５の線膨張係数を考慮しつつ、第１ポッティング部５および傾斜支持部９の寸法を設計することにより調整することができる。
＜第１ポッティング部のガラス転移温度＞
第１ポッティング部のガラス転移温度は１００℃以上１６０℃以下であることが好ましい。ガラス転移温度が１００℃以上であると、中空糸膜カートリッジ３に冷熱サイクルを繰り返したときの、第１ポッティング部５の強度低下が抑制される。樹脂は、ガラス転移温度以上の温度では強度が顕著に低下したり、線膨張係数が顕著に増加したりするため、第１ポッティング部が使用環境より高いガラス転移温度を有することが好ましい。特に、ガラス転移温度は、１１０℃以上であることがより好ましく、１２０℃以上であることがさらに好ましい。一方、１６０℃以下のガラス転移温度を有することで、第１ポッティング部は、クラックの伸展を抑制できる良好な靭性を有することができる。そのためガラス転移温度は１５０℃以下であることが好ましい。
＜第１ポッティング部の線膨張係数＞
第１ポッティング部５の線膨張係数（熱膨張率）αは、３０×１０－６／℃以上１５０×１０－６／℃以下であることが好ましい。第１ポッティング部５の線膨張係数αが、３０×１０－６／℃以上であると、２５℃および８０℃において傾斜部５２と傾斜支持部９とが確実に離間および当接するように、中空糸膜モジュールを設計することが容易となる。
第１ポッティング部５の線膨張係数αが大きいほうが第１ポッティング部５の寸法変化量が大きくなり、傾斜部５２が確実に当接される。線膨張係数αは４０×１０－６／℃以上であることがより好ましい。一方、第１ポッティング部の線膨張係数が小さい方が第１ポッティング部５の強度が高くなる。よって、第１ポッティング部５におけるクラック発生抑制のために、第１ポッティング部の線膨張係数は１２０×１０－６／℃以下であることがより好ましく、１００×１０－６／℃以下であることがさらに好ましい。
第１ポッティング部５の線膨張係数は、第１ポッティング部５にひずみゲージを貼付して測定したり、あるいは、第１ポッティング部５と同一の組成の樹脂試験片を作製し、熱機械分析したりすることで測定できる。これらの手法での測定が難しい場合は、第１ポッティング部５から微小試料を採取し、ホットステージ上で加熱しながらマイクロスコープ等で寸法変化を計測することにより、線形膨張係数を測定することもできる。
＜第１ポッティング部の組成＞
第１ポッティング部５は、全体的に均質な組成を有してもよく、円周方向や軸方向に重ねられた、異なる組成を有する複数の層を有してもよい。第１ポッティング部５が後者の複層構造を有する場合、第１ポッティング部５に関する各種規定としては、各層の長さや体積に応じた分率で換算した値が採用される。
第１ポッティング部としては、一般的に中空糸膜モジュールのポッティング部に用いられる各種ポッティング剤を使用できる。ポッティング剤として、エポキシ樹脂およびポリウレタン樹脂およびシリコーンエラストマーの少なくとも一方が好ましく使用される。
エポキシ樹脂は主剤と硬化剤とが反応することで硬化する樹脂であり、主剤としては例えばビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂、ノボラック型エポキシ樹脂、ナフタレン型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、シクロペンタジエン型エポキシ樹脂などが挙げられる。また硬化剤としては、例えば脂肪族アミン、ポリエーテルアミン、芳香族アミン、酸無水物などが挙げられる。第１ポッティング部５の形成において、主剤および硬化剤としては、それぞれ１種のみが用いられてもよいし、２種類以上が組み合わせて用いられてもよい。
ポリウレタン樹脂のイソシアネート成分として、例えばトリレンジイソシアネート（ＴＤＩ）、ジフェニルメタンジイソシアネート（ＭＤＩ）、ポリメチレンポリフェニルイソシアネート（ポリメリックＭＤＩ）、キシリレンジイソシアネート（ＸＤＩ）などが挙げられる。また、ポリウレタンのポリオール成分としては、例えばポリブタジエン系ポリオール、ダイマー酸変性ポリオール、エポキシ樹脂変性ポリオール、ポリテトラメチレングリコールなどが挙げられる。イソシアネート成分およびポリオール成分としては、それぞれ１種のみが用いられてもよいし、２種類以上が組み合わせて用いられてもよい。また反応物の耐湿熱性を損なわない範囲であれば、例えば、ひまし油系ポリオール、ポリカーボネートジオール、ポリエステルポリオールなど、その他のポリオールを併用することもできる。
シリコーンエラストマーは、ケイ石（SiO2）を原料としたシリコーン樹脂を主成分として、硬化後にゴムの性質を示す付加重合型のジメチルシロキサンと架橋剤とからなる２液型液状シリコーンゴムなどの既知のポッティング材を使用できる。高温液のろ過または逆圧洗浄時に発生する一次側と二次側の差圧に耐えうる耐圧性を有することが必要であり、そのためには適度な硬度を有している必要がある。
第１ポッティング部５は、上記で挙げたエポキシ樹脂やポリウレタン樹脂やシリコーンエラストマーのほか、本発明の効果を損なわない範囲で各種添加剤を含むこともできる。添加剤の一例として、シリカやアルミナなどの無機粉末、およびゴム粒子などの一般的な強靭化剤が挙げられる。
＜第１ポッティング部の強度＞
第１ポッティング部５を形成するポッティング樹脂の８０℃における引張強度は５ＭＰａ以上であることが好ましく、１０ＭＰａ以上であることがより好ましい。ポッティング剤の８０℃における引張強度が５ＭＰａ以上であると、傾斜部５２で中空糸膜カートリッジを十分支持でき、つば部５１にクラックが発生しにくくなる。
＜第１ポッティング部の破壊靭性値＞
第１ポッティング部５を形成するポッティング樹脂の２５℃における破壊靭性値は０．８ＭＰａ・ｍ１／２以上であることが好ましい。破壊靭性値が大きいほど第１ポッティング部５に発生した微小クラックが伸展しにくくなる。ここで破壊靭性値の測定は、ＡＳＴＭ Ｄ５０４５に記載の片側ノッチ曲げ試験を実施し、１０回曲げ試験を実施した結果の算術平均値を採用する。破壊靭性値は０．９ＭＰａ・ｍ１／２以上であることがより好ましく、１．０ＭＰａ・ｍ１／２以上であることがさらに好ましい。
＜第２ポッティング部の組成＞
第２ポッティング部６の材質は、耐熱性や中空糸膜との接着強度があれば限定されないが、第２ポッティング部のガラス転移温度は８０℃以上であることが好ましい。また、第２ポッティング部６と第１ポッティング部５とが同一の組成を有していてもよい。
＜ハウジング＞
ハウジング２および中空糸膜モジュール１Ａの軸方向の長さは限定されず、適用される用途に応じて適宜設定できる。
ハウジング２は耐熱性、耐圧性、耐薬品性に優れることが好ましい。特に、ハウジング２の線膨張係数は、第１ポッティング部５の線膨張係数よりも小さいことが好ましく、２０×１０－６／℃以下であることがより好ましい。このようなハウジング２を構成する材料の例として、ステンレスが挙げられる。ハウジング２の線膨張係数が小さいことで、中空糸膜モジュールの設計において、ハウジング２の熱膨張による寸法変化を無視することができる。
＜中空糸膜＞
中空糸膜は分離膜であり、多成分からなる原液のうち一部を阻止し、一部を透過することで、分離、精製または濃縮を行うことができる。中空糸膜としては、全体的に一様な径の孔を有する対称膜、膜の厚み方向で孔径が変化する非対称膜、および支持層と分離機能層が複合化された複合膜のいずれでも採用できる。
中空糸膜は、例えばポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニル、四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン共重合体、エチレン・四フッ化エチレン共重合体などのフッ素系樹脂；セルロースアセテート、セルロースアセテートプロピオネート、セルロースアセテートブチレートなどのセルロースエステル；ポリスルホン、ポリエーテルスルホンなどのポリスルホン系樹脂；ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリメチルペンテンなどのポリオレフィン系樹脂；ポリアクリロニトリル、ポリイミドなどの樹脂などから選ばれる少なくとも１種の材料を含むことができるが、これらの材料に限定されない。特に、フッ素系樹脂やポリスルホン系樹脂からなる中空糸膜は、耐熱性、物理的強度、化学的耐久性が高いことから、本発明のカートリッジ式中空糸膜モジュールに好適に用いることができる。
中空糸膜には、上記の樹脂に加えて、さらに親水性樹脂を含有してもよい。親水性樹脂を含有することによって、中空糸膜の親水性を高め、膜の透水性を向上させることができる。親水性樹脂は、中空糸膜に親水性を付与する樹脂であれば限定されないが、例えば、セルロースエステル、脂肪酸ビニルエステル、ポリビニルピロリドン、ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド、ポリメタクリル酸エステル系樹脂、およびポリアクリル酸エステル系樹脂、ポリビニルアルコールなどが好適に用いられる。
＜シール材＞
図１に示すように、中空糸膜モジュール１Ａは、シール部材として、筒部用Ｏリング７１、上部キャップ用Ｏリング７２、ガスケット７３および７４をさらに備える。筒部用Ｏリング７１はサイドノズル２１ａよりも上側で、筒部２１と第１ポッティング部５との間に配置される。本形態では筒部２１の内側面に溝が設けられており、筒部用Ｏリング７１はその溝内に配置される。上部キャップ用Ｏリング７２は、上部キャップ１１と第１ポッティング部５との間に配置される。本形態では、上部キャップ２２の下部で、ガスケット７３と接触する位置よりも内側に溝が設けられ、上部キャップ用Ｏリング７２はその溝内に配置される。ガスケット７３は、上部キャップ２２と筒部２１との間に、そしてガスケット７４は下部キャップ２３と筒部２１との間にそれぞれ配置される。
Ｏリングおよびガスケットなどのシール材としては、使用条件において求められる耐熱性、化学的耐久性などを満たすものを選択すればよい。シール材を構成する材料として、例えばフッ素系ゴム、シリコーンゴム、エチレンプロピレンジエンゴムなどが挙げられる。
＜部材の接合＞
上部キャップ２２と筒部２１間、および筒部２１と下部キャップ２３間は、ネジまたはクランプ等の公知の手段により接合される。上述したように、各部の間にＯリングまたはガスケットを挟むことで、部材間は液密に封止される。
＜第２ポッティング部＞ 中空糸膜モジュールにおけるろ過方式には、中空糸膜の外側に原液を供給する外圧式と、中空糸膜の内側に原液を供給する内圧式とに分けられる。第１ポッティング部５およびそれをハウジング２内で支持する構造は、外圧式および内圧式の中空糸膜モジュールのいずれにも適用できる。
図１に示す第２ポッティング部６およびその周辺の構造は、外圧式の中空糸膜モジュールに適用される。図１の第２ポッティング部６のＡ－Ａ断面図を図６に示す。第２ポッティング部６には、中空糸膜モジュールの軸方向に延びる貫通孔６１が設けられている。第２ポッティング部６は、図１および図６に示す形態では第２ポッティング部６はハウジング２に対して固定されない。他の形態として、第２ポッティング部６は、直接、または他の部材を介して、かつ着脱可能にハウジング２に固定されてもよい、
一方、内圧式の中空糸膜モジュールは、図７に示すように、第２ポッティング部６に代えて第２ポッティング部６２を備える。第２ポッティング部６２は、その下面で中空糸膜の中空部が開口するように形成されている。第２ポッティング部６２は直接、または他の部材を介して、かつ着脱可能にハウジング２に固定される。第２ポッティング部６２とハウジング２（図７の形態では下部キャップ２３）との間は液密に封止される。図７には、封止材としてＯリング７８を示す。
＜ろ過方法＞ 本発明の中空糸膜モジュールは、原液を循環させるクロスフローろ過または原液を全量ろ過するデッドエンドろ過のいずれにも適用できる。
外圧式ろ過の一例として、図１および図２に示す下部ノズル２３ａから原液（被処理液）が流入すると、原液は貫通孔６１を通過することでハウジング２の内部を満たす。この場合は、サイドノズル２１ａより濃縮液が排出される。一方、原液はサイドノズル２１ａから流入してもよい。この場合は、下部ノズル２３ａから濃縮液が排出される。中空糸膜４の外表面から中空部に透過した液（ろ過液）は、第１ポッティング部５の上面で中空糸膜の中空部から流出し、上部ノズル２２ａから排出される。
内圧式ろ過では、原液は下部ノズル２３ａから流入し、図７に示す構成の第２ポッティング部６２の下面で中空糸膜の中空部に流入する。中空糸膜を透過したろ過液は、サイドノズル２１ａから流出する。濃縮液は第１ポッティング部５の上面で中空糸膜の中空部から流出し、さらに上部ノズル２２ａから中空糸膜モジュール外に流出する。
（第２実施形態）
以下、第１実施形態で説明した部材と同等の機能を有する部材については、その説明を省略する。
図８に、本形態の中空糸膜モジュール１Ｂの上部の概略図を示す。中空糸膜モジュール１Ｂは、第１ポッティング部５に代えて第１ポッティング部５Ｂを有する。第１ポッティング部５Ｂは、図９に示すように、つば部５１に代えて、環状溝５５を有する。環状溝５５は、第１ポッティング部５Ｂの上端近傍に設けられ、第１ポッティング部５Ｂの側面を一周する凹部である。環状溝５５は、上面（下を向く面）、底面（径方向外側を向く面）、下面（上を向く面）を有する。環状溝５５は第１ポッティング部５Ｂの側面において周囲よりも径方向内側に向かって凹んでいるので、周囲は相対的に環状溝５５の底面よりも突出する、凸部であるとみなすことができる。本形態においては、環状溝５５の上面を含む凸部がつば部として機能する。凸部すなわちつば部に符号５３を付す。本形態では、ＤｍａｘはＤｔと近似する。
筒部２１は第１実施形態とほぼ同一の形状を有する。第１実施形態のつば支持部８に相当する部分を本実施形態ではリング支持部と呼び、符号８３を付す。
中空糸膜モジュール１Ｂはさらに支持リング（環状部材の一例）８２を有する。支持リング８２は、平面形状が環状であり、周方向に２つまたはそれ以上に分割可能な部材である。支持リング８２の径方向における外側の部分は、上部キャップ２２の下部と、筒部２１の上面つまりリング支持部８３との間に挟まれて保持される。本形態では、支持リング８２はガスケット７３の上に配置されるが、支持リング８２は、リング支持部８３と当接してもよい。一方で、支持リング８２の径方向における内側の部分は、環状溝５５に嵌まる。こうして、つば部５３は、支持リング８２を介してリング支持部８３に支持される。すなわち、支持リング８２とリング支持部８３とが、つば支持部として機能する。
なお、本形態において、支持リング８２は環状である。また、第１ポッティング部５Ｂにおいて支持リング８２が嵌まる溝も、側面を一周するように連続する環状である。しかし、支持リング８２および環状溝５５を、それぞれ互いに不連続な複数の支持部材および複数の溝に置き換えてもよい。支持部材および溝の形状は、互いに嵌合し、第１ポッティング部５Ｂを支持することで中空糸膜カートリッジ３Ｂを保持できる範囲で変更できる。
（第３実施形態）
以下、第１実施形態で説明した部材と同等の機能を有する部材については、その説明を省略する。
図１０に、本形態の中空糸膜モジュール１Ｃの上部の概略図を示す。中空糸膜モジュール１Ｃは、第１ポッティング部５と同等の形状を有する第１ポッティング部５Ｃを有する。 中空糸膜モジュール１Ｃは筒部２１Ｃを有する。筒部２１Ｃは、第１実施形態の筒部２１とほぼ同一の形状を有するが、傾斜支持部９を持たず、傾斜支持部９に相当する部分が平坦である点で異なる。第１実施形態のつば支持部８に相当する部分を本実施形態ではリング支持部と呼び、符号８５を付す。
ハウジング２Ｃは、支持リング（環状部材の一例）８４をさらに有する。図１１に、支持リング８４の断面図を示す。支持リング８４は、筒部８４１と、筒部分の上端から径方向外側に突出するつば部８４２とを有する。本形態において、傾斜支持部９は筒部８４１の内面に設けられる。傾斜部９の形状については第１実施形態で説明したとおりである。また、支持リング８４は、その周方向に２つまたはそれ以上に分割可能である。
支持リング８４は、ハウジング２と第１ポッティング部５の間に配置される。本形態では、支持リングのつば部分８４２が、第１ポッティング部のつば部５１と共に、上部キャップ２２の下部とリング支持部８５との間に挟まれることで、支持リング８４は筒部２１内で固定される。
このように固定されることで、支持リングのつば部８４２は、第１ポッティング部のつば部５１の下面に当接する。その結果、第１ポッティング部のつば部５１は、支持リングのつば部８４２を介してリング支持部８５に支持される。すなわち、支持リングのつば部８４２およびリング支持部８５は、つば支持部として機能する。支持リングのつば部８４２の形状については、つば支持部８と同様である。
なお、本形態において、支持リング８４は環状であるが、第２実施形態で支持リング８２について述べたように、支持リング８４に代えてこれと同等の機能を持つ不連続な複数の部材を設けてもよい。
筒部２１Ｃはその内面をその周方向に一周する溝を持ち、その溝内には、第１実施形態と同様にＯリング７１が配置される。ただしＯリング７１は、第１実施形態とは異なり、筒部２１Ｃと支持リング８４との間を封止する。上部キャップ２２と第１ポッティング部５との間は、第１実施形態と同様にＯリング７２により封止される。支持リングのつば部分８４２とハウジングのリング支持部８５との間は、ガスケット７３により液密に封止される。筒部８４１はその内面をその周方向に一周する溝を持ち、この溝内にＯリング７５が配置される。第１ポッティング部５と支持リング８４との間はＯリング７５により封止される。
支持リング８４は、耐熱性、耐圧性、耐薬品性に優れ、かつ線膨張係数が３０×１０－６℃－１以下であることが好ましい。これらの条件を満たす材料として、ステンレスが挙げられる。
支持リング８４を介して中空糸膜カートリッジ３をハウジング２に支持固定することによって、ハウジング２をシンプルな構造にして低コストでカートリッジ中空糸膜モジュール１Ａを製作することができる。支持リング８４が分割可能であることで、第１ポッティング部５の形状に因らず、中空糸膜カートリッジをハウジング２に容易に着脱できる利点が挙げられる。
（その他の実施形態）
図１２に示す中空糸膜モジュール１Ｄは、支持リング８４に代えて、整流部材としての機能を併せ持つ支持リング８４Ｄを有する以外は、中空糸膜モジュール１Ｃと同様の構成を有する。整流部材とは、原液の流れを均一に制御したり、中空糸膜束４１の揺動を規制したりする部材である。図１２に示すように、支持リング８４の筒部８４１はサイドノズル２１ａの中心軸よりも下まで延び、筒部８４１に貫通孔８４３が形成されている。貫通孔８４３は、中空糸膜モジュール内の流れを制御できれば、円形、楕円形、多角形、スリット状など、その形状は具体例には限定されない。さらに、整流孔の配置は限定されず、均等に分布するように配置されていてもよく、偏って配置されてもよい。整流孔の大きさや開口率についても、ろ過する原液の性状やろ過条件に合わせて適宜設定できる。
図１３に示す中空糸膜モジュール１Ｅは、第１ポッティング部５Ｂと同様の構造を持つ第１ポッティング部５Ｅと、第１支持リング８２１と、第２支持リング８４０とを有する第１支持リング８２１は、支持リング８２と同様の構造を持ち、支持リング８２と同様につば部５３の下面に当接するように配置される。第２支持リング８４０は第１支持リング８４１の下面に当接するように配置される以外は、上述の支持リング８４と同様の構造を持ち、かつ同様に配置される。
以上に述べた各実施形態に含まれる要素は、それぞれ個別に組み合わされてもよい
（比較形態）
図１４に比較形態にかかる中空糸膜モジュール１００を示す。中空糸膜モジュール１００は、筒部２１０が傾斜支持部９を持たず、その部分が平坦である以外は、中空糸膜モジュール１Ａと同様の構造を有する。本形態では、つば支持部８のつば部５１への当接のみで第１ポッティング部５が支持されるので、つば部５１にかかる負担が大きい。その結果、つば部５１にクラックが生じやすい。
なお、特許文献１の中空糸膜モジュールは、本比較形態と同様に、筒部に対応する部材が傾斜支持部を持たず、その部分が平坦である。また、第１ポッティング部に相当する部材の下面と側面の間に段差があり、その段差と胴部２１との間にＯリングが配置されている。Ｏリングは、弾性変形すると共に高温で弾性率が低下するので、中空糸膜カートリッジを支持する効果は低く、実質的につば部のみで支持されている。そのため、つば部にクラックが生じやすいのは、図１４の形態と同様である。
以下、実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれに限定されない。
＜エポキシ樹脂組成物およびポリウレタン樹脂組成物の硬化物の作製方法＞
予め温度４０℃にて真空乾燥して脱泡した主剤および硬化剤を攪拌混合機にて混合して樹脂組成物を得た。続いて、樹脂組成物を、ポリテトラフルオロエチレン製鋳型容器に流し込み、２４時間静置した後、オーブン内に投入し、１００℃で５時間硬化させて、厚み３ｍｍの板状の樹脂硬化物を作製した。
＜エポキシ樹脂組成物の硬化物のガラス転移温度の測定方法＞
上記にて作製した樹脂硬化物から、小片５ｍｇを採取し、ＪＩＳＫ７１２１（１９８７）に従い、中間点ガラス転移温度を測定した。測定には示差走査熱量計ＤＳＣ－６０ Ｐｌｕｓ（（株）島津製作所製）を用い、窒素ガス雰囲気下において、昇温速度１０℃／分で測定した。
＜カートリッジ式中空糸膜モジュールの蒸気加熱処理１＞
カートリッジ式中空糸膜モジュールの蒸気加熱は、ハウジング２のサイドノズル２１ａより１２５℃の飽和水蒸気を供給し、下部ノズル２３ａおよび上部ノズル２２ａを開放して３分間蒸気ブローを行った。その後、上部ノズル２２ａを閉止し、１２５℃で６０分間蒸気加熱を行った。このとき、下部ノズル２３ａより発生した蒸気ドレンを排出した。
＜カートリッジ式中空糸膜モジュールの蒸気加熱処理２＞
ハウジング２に中空糸膜カートリッジ３を取り付け、サイドノズル２１ａより飽和水蒸気を供給し、１２５℃で６０分間蒸気加熱を行った直後に、下部ノズル２３ａから２５℃の水を供給してハウジング２の内部を水で満たして急冷した後に、下部ノズル２３ａから水を排水した。なお、蒸気加熱中に発生した蒸気ドレンは蒸気加熱処理１と同様に下部ノズル２３ａより排出した。
＜蒸気加熱処理後のエアリークテストおよび外観検査＞
上述の蒸気加熱を５０回繰り返し実施した後に、カートリッジ式中空糸膜モジュールのエアリークテストを実施してシール性を評価した。中空糸膜モジュール１Ａの下部キャップ２３を開放し、中空糸膜モジュール内の水を排水した後に下部キャップ２３ａを閉止した。続いて上部ノズル２２ａより１００ｋＰａのエアを供給し、中空糸膜モジュール内の圧力推移を測定した。中空糸膜モジュール内の圧力低下が５分間で５ｋＰａ以内の時を「リークなし（良）：Ａ」、圧力が５ｋＰａを超えて低下した時を「リークあり（不良）：Ｂ」とした。
本評価においては、中空糸膜はバブルポイント圧力が２００ｋＰａ以上であり、かつ中空糸膜の細孔内が水で満たされているため、エアが中空糸膜の細孔を透過しない。したがって、エアリークがあった場合、第１ポッティング部５に存在するクラックを介してリークしたと判断した。
エアリークテスト後にハウジング２から中空糸膜カートリッジ３を取り出して、第１ポッティング部５のクラックの有無を確認した。
＜ポリフッ化ビニリデン精密ろ過中空糸膜の作製＞
重量平均分子量４１．７万のフッ化ビニリデンホモポリマー３８質量部と、γ－ブチロラクトン６２質量部とを混合し、１６０℃で溶解した。この高分子溶液を、γ－ブチロラクトン８５質量％水溶液を中空部形成液体として随伴させながら、二重管の口金から吐出し、γ－ブチロラクトン８５質量％水溶液からなる冷却浴中で凝固させて、ポリフッ化ビニリデン製精密ろ過中空糸膜を作製した。得られた中空糸膜は、外径１２５０μｍ、内径８００μｍであった。
（実施例１）
中空糸膜束５，４００本を束ね、中空糸膜の一端の中空部を接着剤で封止した。接着剤で封止した側の中空糸膜束を第１ポッティング用ケースに挿入した。ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂（三菱ケミカル（株）製、“ｊＥＲ（登録商標）”８２８）と、３，３’－ジメチル－４，４’－ジアミノジシクロヘキシルメタンを質量比１００：３１．５となるように混合した。続いて、得られたエポキシ樹脂組成物を第１ポッティングケースに注入し、室温で２４時間静置して、ポッティング剤を予備硬化させた。硬化後に第１ポッティングケースを取り外し、さらに１００℃で５時間の熱処理を行い本硬化させた。その後、第１ポッティング部５の端面を切断して中空糸膜の第１端部を開口させた。得られた第１ポッティング部５の外観は図１に示す形状であった。第１ポッティング部５のガラス転移温度は１３０℃であり、第１ポッティング部５の最大直径Ｄｍａｘは１６５ｍｍであり、傾斜部５２の傾斜角度は６０°であった。
続いて、中空糸膜束の他端部を第２ポッティングケースに挿入した。第１ポッティング部５と同一の組成からなるエポキシ樹脂を混合してエポキシ樹脂組成物を調製し、第２ポッティングケースに注入した。エポキシ樹脂を注入後、室温で２４時間静置することにより、ポッティング剤を予備硬化させた。続いて、第２ポッティングケースおよびピンを取り外し、さらに１００℃で５時間の熱処理を行い本硬化させた。これにより貫通孔を有する第２ポッティング部６を形成し、中空糸膜カートリッジ３を作製した。このとき、Ｄｍａｘは１６５ｍｍ、Ｄｆ／Ｄｍａｘは０．８２、Ｄｍａｘ／Ｈは５．５であり、つば部５１の圧力Ｐ５１は１６．３ｋＰａであった。
中空糸膜カートリッジ３をステンレス製ハウジング２に装着し、上部キャップ２２および下部キャップ２３を取り付けて中空糸膜モジュール１Ａとした。このとき、クリアランスｄは０．２３ｍｍであり、式（１）の関係を満たしていた。また、Ｄｄ／Ｄｔは０．０２４と算出された。本カートリッジ式中空糸膜モジュールのエアリークテストを行い、リークがないことを事前に確認した後、上述の方法で蒸気加熱処理１を５０回行った。蒸気加熱処理した中空糸膜モジュール１Ａのエアリークテストを行ったところ、圧力の低下は５分間で２ｋＰａであり、シール性が良好であることを確認した。また、第１ポッティング部５にクラックは認められず、十分な耐熱性を有していた。
引き続いて、上述の方法で蒸気加熱処理２を１００回行った。再度エアリークテストを行ったところ、圧力の低下は５分間で３６ｋＰａであり、リークが発生した。中空糸膜カートリッジ３を確認したところ、つば部５１の凹部にクラックが認められた。中空糸膜モジュールおよび評価結果を表１に示す。
（実施例２）
実施例１で作製した中空糸膜カートリッジ３を用い、支持リング８４を用いて、図１０に示す中空糸膜モジュール１Ｃを作製した。このとき、クリアランスｄは０．２７ｍｍであった。また、Ｄｄ／Ｄｔは０．０２７と算出された。続いて、エアリークテストを行い、リークがないことを事前に確認した後、蒸気加熱処理１を５０回行った。再度エアリークテストを行ったところ、圧力の低下は５分間で２ｋＰａであり、シール性は良好であった。また、第１ポッティング部５にクラックは認められず、十分な耐熱性を有していた。中空糸膜モジュールおよび評価結果を表１に示す。
引き続いて、上述の方法で蒸気加熱処理２を１００回行った。再度エアリークテストを行ったところ、圧力の低下は５分間で３８ｋＰａであり、リークが発生した。中空糸膜カートリッジ３を確認したところ、つば部５１の凹部にクラックが認められた。中空糸膜モジュールおよび評価結果を表１に示す。
（実施例３）
傾斜支持部９および傾斜部５２の傾斜角度を４５°とした以外は、実施例１と同様の手法で中空糸膜モジュール１Ａを作製した。この時、クリアランスｄは０．２８ｍｍであった。また、Ｄｄ／Ｄｔは０．０３３と算出された。続いて、エアリークテストを行い、リークがないことを事前に確認した後、蒸気加熱処理１を５０回行った。再度エアリークテストを行ったところ、圧力の低下は５分間で４ｋＰａであり、シール性は良好であった。また、第１ポッティング部５にクラックは認められず、十分な耐熱性を有していた。
引き続いて、上述の方法で蒸気加熱処理２を１００回行った。再度エアリークテストを行ったところ、圧力の低下は５分間で３９ｋＰａであり、リークが発生した。中空糸膜カートリッジ３を確認したところ、つば部５１の凹部にクラックが認められた。中空糸膜モジュールおよび評価結果を表１に示す。
（実施例４）
第１ポッティング部５の樹脂として、シリコーンエラストマーを用いた以外は、実施例１と同様の手法で中空糸膜モジュール１Ａを作製した。シリコーンエラストマーの主剤としては、ポリジメチルシロキサンを用い、硬化剤としては、ジメチルビニル化およびトリメチル化シリカを用い、主剤と硬化剤を１００／１０の比率で混合してシリコーンエラストマー硬化物からなる第１ポッティング部５を作製した。クリアランスｄは０．２３ｍｍであった。また、Ｄｄ／Ｄｔは０．０２４と算出された。
続いて、エアリークテストを行い、リークがないことを事前に確認した後、蒸気加熱処理を５０回行った。再度エアリークテストを行ったところ、圧力の低下は５分間で２ｋＰａであり、シール性は良好であった。また、第１ポッティング部５にクラックは認められず、十分な耐熱性を有していた。
引き続いて、上述の方法で蒸気加熱処理２を１００回行った。再度エアリークテストを行ったところ、圧力の低下は５分間で４ｋＰａであり、シール性は良好であった。また、第１ポッティング部５にクラックは認められず、十分な耐熱性を有していた。中空糸膜モジュールおよび評価結果を表１に示す。
（実施例５）
第１ポッティング部５のエポキシ樹脂にシリコーンエラストマー粒子（信越シリコーン製、Ｘ－５２－７０９０）を添加した以外は、実施例１と同様の手法で中空糸膜モジュール１Ａを作製した。エポキシ樹脂とシリコーンエラストマー粒子を質量比１００／３となるように混合してシリコーンエラストマー粒子を含むエポキシ樹脂硬化物からなる第１ポッティング部５を作製した。クリアランスｄは０．２３ｍｍであった。また、Ｄｄ／Ｄｔは０．０２４と算出された。
続いて、エアリークテストを行い、リークがないことを事前に確認した後、蒸気加熱処理を５０回行った。再度エアリークテストを行ったところ、圧力の低下は５分間で２ｋＰａであり、シール性は良好であった。また、第１ポッティング部５にクラックは認められず、十分な耐熱性を有していた。
引き続いて、上述の方法で蒸気加熱処理２を１００回行った。再度エアリークテストを行ったところ、圧力の低下は５分間で４ｋＰａであり、シール性は良好であった。また、第１ポッティング部５にクラックは認められず、十分な耐熱性を有していた。中空糸膜モジュールおよび評価結果を表１に示す。
（比較例１）
傾斜支持部９を有しないハウジング２を用いた以外は、実施例１と同様の手法で、図１４に示す中空糸膜モジュール１００を作製した。続いて、エアリークテストを行い、リークがないことを事前に確認した後、蒸気加熱処理１を５０回行った。再度エアリークテストを行ったところ、圧力の低下は５分間で５２ｋＰａであり、リークが発生した。中空糸膜カートリッジ３を確認したところ、つば部５１の凹部にクラックが認められた。中空糸膜モジュールおよび評価結果を表１に示す。
（比較例２）
クリアランスｄを０．９２ｍｍとした以外は、実施例１と同様の手法で中空糸膜モジュール１Ａを作製した。続いて、エアリークテストを行い、リークがないことを事前に確認した後、蒸気加熱処理１を５０回行った。再度エアリークテストを行ったところ、圧力の低下は５分間で４５ｋＰａであり、リークが発生した。中空糸膜カートリッジを確認したところ、つば部５１の凹部にクラックが認められた。第１ポッティング部について、８０℃における寸法を測定したところ、その膨張量は、傾斜部５１と傾斜支持部９との間のクリアランスｄより小さかった。よって、クラックの発生の原因は、蒸気加熱処理時に傾斜部５１が傾斜支持部９に当接しなかったために、つば部５１に大きな不可がかかったからであると考えられる。中空糸膜モジュールおよび評価結果を表１に示す。
（比較例３）
第１ポッティング部５の樹脂として、ポリウレタン樹脂を用いた以外は、実施例１と同様の手法で中空糸膜モジュール１Ａを作製した。ポリウレタン樹脂の主剤として、ヘキサメチレンジイソシアネートからなるウレタンプレポリマーを用い、硬化剤としてポリエーテルポリオールを用い、主剤と硬化剤を１００／１４０の比率で混合してポリウレタン樹脂硬化物からなる第１ポッティング部５を作製した。
続いて、エアリークテストを行い、リークがないことを事前に確認した後、蒸気加熱処理１を５０回行った。再度エアリークテストを行ったところ、圧力の低下は５分間で１００ｋＰａであり、リークが発生した。中空糸膜カートリッジ３を確認したところ、つば部５１の凹部に大きなクラックが認められた。クラック発生の原因は、蒸気加熱処理時に第１ポッティング部５の樹脂強度が低下したためであると考えられる。中空糸膜モジュールおよび評価結果を表１に示す。
Figure 2023081371000002
本発明の中空糸膜モジュールは、飲料水製造、浄水処理、排水処理等の水処理、微生物または培養細胞を含む液のろ過、食品製造等、様々な用途に適用される。中空糸膜モジュールは高い耐熱性を有するため、高温での使用および温水または蒸気による熱処理に供する用途に好適に適用される。
１Ａ 中空糸膜モジュール
２ ハウジング
２１、２１Ｃ～Ｅ 筒部
２１ａ サイドノズル
２２ 上部キャップ
２２ａ 上部ノズル
２３ 下部キャップ
２３ａ 下部ノズル
３、３Ｂ 中空糸膜カートリッジ
４ 中空糸膜
４１ 中空糸膜束
５、５Ｂ 第１ポッティング部
５１、５３ つば部
５２ 傾斜部
６ 第２ポッティング部
７１、７２、７５ Ｏリング
７３、７４ ガスケット
８ つば支持部
８２、８４ 支持リング
８３、８５ リング支持部
８４１ 支持リングの筒部
８４２ 支持リングのつば部
９ 傾斜支持部
Ｄｍａｘ 第１ポッティング部５の最大外径
Ｄｐ つば部の突き出し長さ
Ｄｆ 中空糸膜束の外接円直径
Ｄｔ 傾斜部の最大直径
Ｈ つば部と傾斜部を除く第１ポッティング部の高さ

Claims (7)

  1. 中空糸膜カートリッジと、前記中空糸膜カートリッジを収容可能なハウジングと、を備えるカートリッジ式中空糸膜モジュールであって、
    前記中空糸膜カートリッジは、
    複数の中空糸膜と、
    第１端で前記中空糸膜間を接着する第１ポッティング部と、
    第２端で前記中空糸膜間を接着する第２ポッティング部と、
    前記第１ポッティング部の側面に設けられたつば部、および前記つば部よりも前記第２ポッティング部側に配置された傾斜部と、
    を有し、
    前記ハウジングは、
    前記つば部に当接するつば支持部と、
    温度２５℃において前記傾斜部との間にクリアランスが存在し、温度８０℃において前記傾斜支持部と当接するように配置される傾斜支持部と、を有する
    カートリッジ式中空糸膜モジュール。
  2. 前記ハウジングは、筒部と、前記筒部と前記第１ポッティング部との間に配置される環状部材とを備え、
    前記環状部材がその内面に前記傾斜支持部を有する、
    請求項１に記載のカートリッジ式中空糸膜モジュール。
  3. 温度２５℃における、前記傾斜部の最大直径と、第１ポッティング部の線膨張係数と、前記傾斜支持部と前記傾斜部との間に形成される前記クリアランスとが、式（１）または式（２）の関係を満たす、
    請求項１または請求項２のいずれかに記載のカートリッジ式中空糸膜モジュール。
    ｄ≦５５／２×α×Ｄｔ （１）
    ｄ≦［（８０－Ｔｇ）×αＨ＋（Ｔｇ－２５）×αＬ］／２×Ｄｔ （２）
    ｄ：カートリッジ式中空糸膜モジュールの径方向におけるクリアランス［ｍ］、
    Ｄｔ：傾斜部の最大直径［ｍ］、
    α：第１ポッティング部の線膨張係数［℃－１］
    αＬ：第１ポッティング部のガラス転移温度Ｔｇ以下の温度における線膨張係数
    αＨ：第１ポッティング部のガラス転移温度Ｔｇ以上の温度における線膨張係数
    式（１）前記第１ポッティング部のガラス転移温度Ｔｇが８０℃以上の場合に適用され、式（２）はガラス転移温度Ｔｇが２５℃以上８０℃未満の場合に適用される。
  4. 前記第１ポッティング部の線膨張係数が３０×１０－６／℃以上１５０×１０－６／℃以下である、
    請求項３に記載のカートリッジ式中空糸膜モジュール。
  5. 前記第１ポッティング部のガラス転移温度が１００℃以上１６０℃以下である、
    請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のカートリッジ式中空糸膜モジュール。
  6. 前記傾斜支持部が、前記カートリッジ式中空糸膜モジュールの軸方向に垂直な方向との間で成す角度が４５°以上７５°以下であり、
    傾斜支持部と前記傾斜部の傾斜角度が同一である、
    請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のカートリッジ式中空糸膜モジュール。
  7. 前記クリアランスが０．２ｍｍ以上０．６ｍｍ以下である、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のカートリッジ式中空糸膜モジュール。カートリッジ式中空糸膜モジュール。
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