JP3261656B2 - 渦巻状に巻かれた膜部材 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、一般に、気体混合物の超濾過、ミクロ濾
過、ナノ濾過、逆浸透及び気体分離として周知の膜分離
手段により供給流体成分を分離する際に有用な渦巻状に
巻かれた膜装置に関する。

背景技術 簡単な単一の葉状の渦巻状に巻かれた膜装置は、かな
り長い間周知であった。例えば、英国特許第489654号
（1938年９月１日）は、カセイソーダ灰汁を透析するた
めに使用されるセルロース性膜物質を含む向流の渦巻状
の膜装置を記述している。そこで議論されているよう
に、このデザインでは、極めて小さい容積例えば円筒状
のコンテナ中に透析膜のかなり有効な表面積を適合させ
ることができる。同様な単一の葉状の渦巻状の膜装置
は、種々の用途に今日広く使用されている。1960年初期
における塩水の逆浸透脱塩の進歩は、渦巻状の膜装置に
多くの、特にサイズの点に改良をもたらした。米国特許
第3417870号は、大きな直径の渦巻状の装置をもたらす
ようなやり方で、孔のあいた中空の芯の回りに複数の逆
浸透膜シート及びスペーサ材料を渦巻状に巻く手段を記
述している。米国特許第3417870号に描かれ記述された
デザインは、それ以来、逆浸透、超濾過、気体分離及び
他のタイプの膜の用途に普通に適用されてきた。膜部材
は、多数の膜の葉状物を含む。透過流体の流路は、多孔
性の中心のマンドレルにそれを囲むように付着されてい
る。膜の葉状物は、透過流体の流路用シートにより分離
されているその主表面上に供給流路を包むように折り畳
んだ半透膜シートをもつ。透過流体の流路用シートを、
半透膜の折り畳まれた主表面の間に配置する。透過流体
の流路、半透膜及び供給流体の流路となる葉状膜を、次
に中心のマンドレルの回りに巻く。透過流路は、供給流
体と透過流体が連絡するのを防ぐために、軸上の端及び
放射状の末端の端に沿ってシールされる。供給液体の流
路用シートは、軸の末端で開放されて、半透膜に隣接す
る渦巻状に巻いたものを通って軸方向に供給流体を供給
する。

米国特許第4235723号は、渦巻状膜装置を組み立てる
別の方法を記述し、それでは、流れガイド部材が、孔の
あいた中空の芯に付着し、平行に配列した膜の包囲体
が、各膜の包囲体からの透過流体が流れガイド部材中に
移されるように、互いに付着される。この配置は、一連
の支流が主流即ち中空の芯中に移す流れガイド部材に供
給されるので、「支流デザイン」と呼ばれてきた。

最近では、単一及び多数の葉状渦巻部材に改良された
材料を用いまた改良された流路を設ける多数の特許が現
れている。米国特許第4834881号は、供給流体の流路に
使用される種々の改良されたしわのよったスペーサを開
示している。米国特許第48612487及び4902417号は、う
ねのあるプラスチック網よりなる改良された流路用スペ
ーサを記述している。透過流体の流路用流れスペーサと
して有用な同様なうねのあるプラスチックスクリーン
は、米国特許第4476022号に記載されている。渦巻状に
巻かれた膜部材に関連する流れスペーサは、二次元物品
として記述されている場合もある。しかし、流れスペー
サが、膜の層の間の流体の運動のためにある厚さと開放
容積を有することが必須である。

米国特許第3386583号（Merten）は、連続的な膜を有
する軸方向に供給された膜部材を記述している。又、連
続的な透過流体の流路用シート及び連続的な供給流体の
流路用シートを教示している。このデザインの製造は面
倒である。それは、それが、複雑な治具を要し、さらに
それぞれの膜の包囲体の折り畳みの放射状の最も近い末
端での位置保持物、並びにそれぞれの折り畳みの放射状
の最も遠い末端での同様な位置保持物の挿入を要する。
製造中、位置保持物は、膜部材の軸の長さを各折り畳み
の治具に挿入しなければならない。多孔性の中心のマン
ドレルに透過流体の流路用シートを付着する手段は、設
けられていない。その結果、もし個々の葉状物が、常
に、特に位置保持物が取り去られたとき、締め付けられ
ないならば、葉状膜は、均一ではない形状即ち断面が丸
くはなくて楕円形である形状となりさらに断面内に中心
を外れて位置するマンドレルを有する膜部材を生ずる。

前記の渦巻状のデザインは、比較的小さい容積に比較
的大きな半透膜の表面積を集中することにより、分離技
術に貢献したが、それぞれの態様は、組立てるのに実質
的な注意及び非機械的操作を要した。デザイン通りに機
械による組立てを可能にするよう膜部材の組立てを簡単
にするための努力は、米国特許第4137113号に教示され
ている。膜の回りに透過流体スペーシング層、膜及び供
給流体スペーシング層を巻き付けることを助けるため
に、マンドレルに少なくとも一つの透過流体の流路を付
着させることも、教示されている。米国特許第3417870
及び4137113号は、マンドレルへ透過流体の流路を固定
する方法として接着剤の使用を開示している。

接着剤によりマンドレルに透過流体の流路を取り付け
ることは、透過流体の流路が、マンドレル上に適切に位
置し、さらに適切な位置が、締め付け手段を取り去る前
にマンドレル及び取り付けたシートの取扱ができるに足
るように固化又は硬化されるまで、例えば締め付け手段
により変化なしに維持されることを必要とする。米国特
許第4137113号により示唆されている接着剤は、液状の
エポキシ又はウレタンである。これらの接着剤では、締
め付け手段が取り去られる前に必要な硬化時間は、数分
から数時間に変化する。さらに、マンドレルへの数枚の
透過流体の流路用シートの付着は、面倒であり、そして
時間がかかる。締め付け機構は、接着剤が硬化する間数
枚の透過流体の流路用シートの位置を保持するのに使用
されなければならないか、又は付着の方法は、以前に取
り付けた流路用シートが十分に硬化した後、繰り返され
ねばならないかの何れかである。

米国特許第3872014号は、マンドレルに透過流体の流
路を確保する手段として感圧性テープを開示している。
液体接着剤の使用により示される製造の問題は、一面又
は両面に付着した感圧接着剤を有するテープの使用によ
り解決できる。感圧接着剤は、同じ接触面のエポキシ又
はポリウレタン接着剤より低い結合強さを有する。液体
接着剤によるマンドレルの表面への透過流体の流路の確
保に要求されるよりも大きなマンドレルの表面積が、感
圧性テープにより又は直接感圧接着剤によりマンドレル
へ透過流体の流路を確保するのに要求される。さらに、
感圧接着剤は、透過流体を接触させるものとして考慮し
なければならない。透過流体が、飲用を目的とする水又
は人の消費のための流体である場合、感圧接着剤が健康
上の危険をもたらさない満足すべき証拠が必要である。

透過流体の流路のマンドレルへの取り付けは、マンド
レルが、マンドレルの中心の窄孔中への透過流体の通過
を行わせるために孔が開けられたか、又は多孔性である
領域で行われる。液体接着剤、接着剤、及び感圧接着テ
ープの使用は、透過流体を中空のマンドレルの中心の窄
孔に入れるのに必要な有孔性を閉塞し勝ちである。中空
のマンドレルの孔を閉塞する液体接着剤、感圧接着剤及
び感圧接着テープのこの傾向は、マンドレルに取り付け
る透過流体の流路の数を増すことにより、さらに悪くな
る。

渦巻に巻かれた膜部材に使用される代表的なマンドレ
ルは、12mm（1/2インチ）−50mm（２インチ）の外部の
直径を有する。半透膜部材に通常使用されるサイズのマ
ンドレルの周囲は、接着剤により、又は感圧接着テープ
により透過流体の流路用シートを４枚より多く、たとえ
ば８枚取り付けるには不十分である。

広く使用される透過流体の流路用シートは、ニット織
物、しばしばトリコットよりなる。ニットは、大きな流
体の流れを促進するために糸目の粗い織り形のものであ
る。可撓性の織物は、熱硬化性樹脂例えばエポキシによ
り含浸され、それは、次に橋かけ結合されて、織物に膜
を通る駆動力の圧力の下のクリープに対する抵抗及び剛
性を与えるが、織物が可撓性のままでありそして膜部材
を形成するために他の葉状コンポーネントと渦巻状に巻
かれることができる。

透過流体の流路用シートが、マンドレルの周囲に取り
付けられそして適当に間隔が空けられていることが重要
である。適当に間隔の空けられた透過流体の流路用シー
トは、マンドレルの葉状物残りのコンポーネントである
平らなシート膜及び供給流体の流路の次の正確な配置を
助ける。組み立て中、これらの残りのコンポーネントの
位置は、これらの葉状物がマンドレルについて互いに位
置を変えることを防ぐように、これらの葉状物のコンポ
ーネントを把持したり締め付けることにより、維持でき
る。各膜葉状物の周囲に適当な間隔を維持することによ
り、渦巻状に巻かれた膜部材の高度の丸さが保持され
る。

丸さは、膜モジュールを形成するために、耐圧容器内
に最大の表面積の膜部材を適合させるために重要であ
る。共通の流体流れ部材中への一連の支流膜透過通路を
もつ米国特許第4235723号に記載された支流デザイン
は、葉状物がマンドレルの回りに巻かれるとき、特に
「丸さから外れる」形になり勝ちである。もし部材が丸
さから外れるならば、膜部材と耐圧容器の内壁との間を
流れない供給液体の領域が生ずる。さらに、この場合そ
れを通るマンドレルの通路のための窄孔を有する耐圧容
器上に耐圧末端キャップをはめることが複雑になる。も
し製造プロセスが、丸くない膜部材を生ずるならば、最
大の可能な表面積より小さい部材が、所定のサイズの耐
圧容器に膜部材を挿入するために、要求されるだろう。

丸さは、米国特許第3872014及び3417870号に従って接
着剤又はテープによるように、均一な組成及び長さの約
４又は６枚の膜葉状物を規則正しい間隔で取り付けるこ
とにより達成できる。膜モジュール中の流体流れの渦巻
の長さが長ければ長い程、流体の圧力損失は大きくな
る。中空マンドレルの窄孔に透過流体を通す膜部材の能
力を制限するのに十分なように透過流体の流路に背圧が
生ずる。この圧力損失は、より短い放射部の長さを有す
るより多数の膜葉状物を設けることにより、所定の膜モ
ジュールの表面積について減少できる。

膜部材の組立ては、マンドレルの回りに膜葉状物をき
つく巻くことにより完了する。膜葉状物は、膜部材の周
囲に、保護的外層例えば連続したガラス繊維の巻き及び
硬化樹脂例えばエポキシを適用することにより、損傷か
らしばしば保護される。有利には、膜葉状物は、正しい
位置に保持され、そして膜葉状物のきつい巻きは、部材
の周囲に感圧接着フィルムの巻きを先ず適用することに
より、連続するガラス繊維の巻き及び硬化樹脂の適用中
保持される。完成した部材は、円筒の幾何学的形状を有
する。

膜部材に丸さを確実にする手段を提供し、そして透過
流体が通過する能力を透過流体の流路の背圧により制限
しないように十分な数の膜葉状物を提供することも有利
である。

毒性について満足のいくようにテストされていない接
着剤物質と接触するようには透過流体を置かないやり方
で、マンドレルの回りに適当に空いた間隔で透過流体の
流路用シートの取り付けを行わせるように、半透膜部材
の通常のサイズの重合体製マンドレルに透過流体の流路
用シートを取り付ける手段を提供することは、有利であ
る。

マンドレルの中心の窄孔中にマンドレルの有孔を通る
透過流体の通過を閉塞することなく、通常のサイズの重
合体製マンドレルに透過流体の流路用シートを取り付け
る手段を提供することは、有利である。

マンドレルの周辺の1cm当り膜葉状物0.7枚以上の割合
で、通常のサイズの重合体製マンドレルに透過流体の流
路用シートを取り付ける手段を提供することは、有利で
ある。

本発明の目的はこれらの課題を解決することにある。

発明を実施するための最良の形態 本発明はa.多孔中空芯マンドレル、 b.該多孔中空芯マンドレルの周囲に軸方向に沿って超音
波融着によって取り付けた複数枚の透過流体の流路用シ
ート、 c.該透過流体の流路用シートの各々の両側に位置する半
透膜シートであって、この両側に位置する半透膜シート
どおしがその中に位置する透過流体の流路用シートを包
み込むように互の端部がシールされて封筒状になってい
る半透膜シート、及び d.隣接する封筒状の半透膜シート間にそれぞれ独立に位
置する供給流体の流路用シート からなり、該透過流体の流路用シート、半透膜シート及
び供給流体の流路用シートの全体が該多孔中空芯マンド
レルの周囲に渦巻状に巻かれており、供給流体が供給流
体の流路用シートの軸方向の一方の端から供給され半透
膜を透過した透過流体が透過流体の流路用シートを通っ
て多孔中空芯マンドレル内に移動するようになっている
半透膜装置にある。

本発明は、複数の膜葉状物を有する渦巻状に巻かれた
膜モジュールを含む。図１は、本発明による渦膜状に巻
かれた膜装置の複数の膜葉状物の一つを説明する。それ
ぞれの膜葉状物は、少なくとも１枚の供給流体の流路用
シート30、膜シート34、及び少なくとも一つの透過流体
の流路用シート38を含む。透過流体の流路用シートは、
51で熱可塑性中空芯マンドレル31に取り付けられる。中
空芯マンドレルは、その中に孔33をあけることにより、
多孔にされ、それらは、中空の窄孔29と透過流体の流路
用シート38との間に流体の連絡を行う。１個の膜葉状物
は、透過流体の流路用シート38に加えて、多孔マンドレ
ルに隣接する部分を除く端がシーリング手段により封筒
状にシールされた膜34を含む。

本発明の一つの態様では、複数の不連続的な透過流体
の流路用シートが、中空芯マンドレルに固定される。そ
れぞれの透過流体の流路用シートは、同シートを取り囲
む封筒状体を形成するように取り囲まれる。

本発明では、マンドレルの周囲の1cm当りの膜葉状物
の枚数が0.7枚以上に相当する割合でマンドレルに取り
付けられた複数枚の透過流体の流路用シート（スペーサ
ーとも称する）をもつ。そしてそれぞれの透過流体の流
路用シートを包み込むように半透膜即ち膜シートが配さ
れる。膜シートはそれぞれ透過流体の流路用シートを包
み込んだ封筒状になるようにその端がシール即ち連続化
される。すなわち透過流体の流路用シートをはさんだ膜
シートのマンドレルから離れた端44,48（44は接着、48
を折り曲げでシールした例を示す）を含む連続する３方
向の端がシールされて封筒状を膜シートを形成する。

本発明では重合体製の多孔中空マンドレルに多くの枚
数の透過流体用の流路用シートを超音波融着手段によっ
て取り付ける。

通常、渦巻状に巻かれた膜装置の中空芯重合体製マン
ドレルは、約1.2−約6.5cm、より一般的には2.5−5cmの
外径を有するマンドレルである。本発明の方法により、
透過液の流路用シートは、マンドレルの周囲の1cm当り
少なくとも0.7枚の割合で取り付けできる。最適の流れ
パラメータを達成することが必要であるとき、1cm当り
９枚の取り付けも可能である。1cm当り７枚の取り付け
は、より有効な取り付け割合である。好ましい膜封筒体
の長さ、即ち図１の41と44間の長さは、しばしば、マン
ドレルの周囲の1cm当り約１−５個の膜封筒体を用いる
ことにより可能である。特に1cm当り２−３個の取り付
けが代表的である。表１に、代表的な外径のマドレルに
関する透過流体の流路用シートの計算上の枚数を示す。

膜装置の能率を制限しない点より低い点に透過流体の
流路の圧力損失を低下させるのに必要な数を超えて膜封
筒体の数を増加することは、実際的な利点を生じない。
従て、膜葉状物の数は、一般に１装置当り75枚を超え
ず、さらにしばしば葉状物の数は、１装置当り60枚を超
えない。

本発明による渦巻状に巻いた膜装置は、しばしば８枚
以上の膜葉状物を有する。それぞれの膜葉状物は、中心
のマンドレルに取り付けた透過流体の流路用シート、供
給流体の流路用シート、及び透過流体の流路を包み込む
浸透物チャンネルを囲む形の膜封筒体からなることを特
徴とする。

流路は、膜濾過技術、特に逆浸透、超濾過、マイクロ
濾過、ナノ濾過及び気体分離の技術に周知のシート、特
に多孔性シートからなる。これは透過流体用の多孔性の
通路となりしかも限定された流路内に流れる流体の流れ
中に乱れを促進する。流路はまた、互いに膜葉状物が崩
壊しそれにより流体の流れを閉塞することを防ぐより、
膜シート間の間隔を保持するように働く。透過流体の流
路としては、エポキシ、メラミン又は同様な熱硬化性樹
脂により被覆されたポリエステル布帛、たとえばトリコ
ット織物がある。熱硬化性樹脂により織物を含浸し樹脂
を橋かけ結合することにより、繊維布帛の圧縮強さを増
加し、一方崩壊又は不当なクリープなしに膜に適用され
る圧力に透過流体の流路が耐えるようにする。透過流体
の流路用シートは通常、0.25−2.5mmの厚さを有する。

供給流体の流路は、しばしば、透過流体の流路に等し
い厚さ、0.25−2.5mmを有する重合体シートからなる。
供給流体の流路は、透過流体の流路により要求される圧
縮支持体を要しないので、透過流体の流路に比し、織物
の場合にはより糸目の粗いものでよく、また織物でない
場合はより大きな隙間を有するものでよい。商標名Vexa
rとしてデュポンにより市販されている押し出しグリッ
ドネットは、供給流体の好ましい流路である。１−6mm
の格子の開口をもつVexarネットが好適である。最終用
途での環境は、押し出しグリッドネットの材料に影響す
るだろう。ポリオレフィン重合体は、一般に、水精製を
含む非常に多い最終用途に好適である。

官能性膜装置内で、透過流体の流路は、半透膜材料の
主要表面上に形成された液密封筒体内に囲まれる。図１
では、膜封筒体は、好適なシーリング手段によりその軸
端で膜をシーリングすることにより形成される。一つの
態様では、連続的な膜シートが、膜封筒体の放射部の遠
位の末端48及び放射部の近位の末端46の両者で、折り曲
げられる。この態様では、連続的な膜シートは、それぞ
れの透過流体の流路用シートを包み込んだ後、それ自体
にシールされる。

他の態様では、不連続な膜シートが使用できる。不連
続な膜シートは、放射部の遠位の末端又は放射部の近位
の末端で折り曲げられて、膜封筒体の二つの表面を形成
する。不連続な膜シートは、次にシーリング手段により
結合されて、半透膜内に透過流体の流路を連続的に包み
込む。

他の態様では、不連続な膜シートは、折り曲げられな
い。この態様では、膜シートは、遠位の末端42及び近位
の末端44の両者で結合されて、連続的な膜封筒体を形成
する。

膜シートの結合に従来使用されている好適なシーリン
グ手段は、合成樹脂例えばエポキシ樹脂又はウレタン樹
脂、又は材料が引き離されないようになる前に数分の時
間を要する同様な物質を含む。これらの接着剤が硬化す
るのに要求される時間は、膜封筒体の形成と干渉しな
い。膜封筒体は、接着剤が変形性を維持している間に渦
巻状に巻かれる。この接着剤の接着強さは、マンドレル
への透過流体の流路用シートの取り付けとは対照的に大
きいことを必要としない。硬化すると、接着剤及び膜封
筒体は、その最後の形状になる。

本発明の他の態様では、透過流体の流路は、同流路の
長さに沿って複数の間隔で重合体製マンドレルに取り付
けられた実質的に連続的なシートである。この態様で
は、透過流体の流路は、それぞれの膜封筒体内で二重の
厚さであり、そしてそれぞれの封筒体の放射部の遠位の
末端で折り曲げられ、さらにマンドレルの取り付けで折
り曲げられる。

本発明の好ましい態様のマンドレルの多孔性は、透過
流体の流路からの透過流体の出口手段として働く。マン
ドレルは、多孔性の物質例えば焼結した重合体よりな
る。さらにしばしば、マンドレルは、マンドレル中で放
射状に１個以上の孔をあける等の手段で、その中に開口
を設けることにより多孔性にされたものでもよい。本発
明の好ましい態様のマンドレル用重合体物質は、熱可塑
性物である。

中空の窄孔のマンドレルのための物質として好適な熱
可塑性物は、ポリエチレン、ポリメチルペンテン、ポリ
フェニレンスルフィド、ポリプロポレン、セルロース及
びアセタールを含む。又好適なものは、アクリロニトリ
ル−ブタジエン−スチレン（ABS）の重合体、ABS−ポリ
カーボネートアロイ、ブタジエン−スチレンの重合体、
ポリエーテルイミド、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、
ポリスルホン並びにポリ（フェニレンオキシド）であ
る。

本発明による膜装置で使用するのに適した膜は、一般
に平らなシート膜を特徴とする。これらの膜は、ミクロ
濾過、超濾過、ナノ濾過、及び逆浸透に有用である。代
表的な膜は、米国特許第4277344号に記載されている逆
浸透膜である。本発明で使用して好適な代表的なミクロ
濾過膜は、コンポジット膜分別層のための支持体として
該特許に開示されている。気体混合物例えば空気、ヘリ
ウム／メタン、酸素／窒素、不飽和炭化水素／飽和炭化
水素の分離に好適な代表的な膜は、米国特許第4230463
号に記載されている。

前記したように、本発明は、中心のマンドレルの回り
に規則正しい間隔で中心のマンドレルに取り付けた多数
の透過流体の流路用シートを有する膜装置を提供する。
透過流体の流路は、超音波融着により中心のマンドレル
に取り付けられる。

超音波融着は、熱可塑性物品に高周波の振動をかける
ことにより、熱可塑性物品を融着する手段である。振動
により誘導される分子内摩擦及び表面の摩擦は、熱可塑
性物品間の界面で温度を急激に上昇させる。十分な温度
に達したとき、重合体の流体の状態及び超音波融着ヘッ
ドの適用された圧力は、２種の熱可塑性物品の重合体を
「流れ」させる。物品の熱可塑性重合体が、一緒に流れ
た後に、高周波振動を止める。局部的な温度が下がるに
つれ、熱可塑性物は、超音波融着ヘッドにより適用され
る圧力の下、ひとつになったパートに固化する。振動エ
ネルギーが停止した後に圧力が適用される「保持」時間
は、0.1−５秒の間を変化する。超音波融着ヘッドは、
或る超音波の文献では、「角（horn）」と呼ばれる。こ
の融着ヘッドは、通常、それぞれの適用のために選択さ
れ又はデザインされる。融着ヘッドは、通常、適用され
る超音波周波数の長さの1.5の波長に等しい長さを有す
る角を含む。

透過流体の流路は、それを構成するシートの主要表面
が、その端の付近でマンドレルに「融着される」間、マ
ンドレルが回転するのを防ぐ治具により、かなりの精度
で重合体中空芯マンドレルに固定できる。マンドレル
は、次に次の透過流体の流路用シートを融着すべき点ま
で回転させて同様に融着を行い、さらに回転を繰り返
す。

熱可塑性樹脂の融着性は、重合体の構造、融点、弾性
モジュラス及び化学組成その他の種々の因子により影響
される。無定形の樹脂は、音の振動を有効に伝え、そし
て広い範囲の超音波の波の振幅にわたってそれらを超音
波融着する。重合体の融点は、かなり異なる融点を有す
る物品の融着性に影響する。融点が低い熱可塑性物は、
それが融点の高い重合体を溶融させるのに十分な温度の
形成を阻害しつつ目的とする融着部位から流れ去るの
で、熱エネルギーを取り去って物品の界面を溶融しそれ
から流れる。

半結晶性熱可塑性物は、超音波の振動を吸収するとい
われる。その結果、半結晶性熱可塑性物では、振動エネ
ルギーは、結合界面に容易に伝達されない。高い振幅の
超音波エネルギーが、半結晶性重合体を溶融するのに十
分なエネルギーを提供するに足る熱エネルギーを発生す
ることを必要とする。溶融状態が達成されるとき、半結
晶性重合体は、それが超音波エネルギーが適用される帯
域から流れるとき、固化する。

熱硬化性樹脂は、橋かけ結合した重合体が、超音波エ
ネルギーによりたとえ局所的な領域でも、溶融できない
ので、超音波溶接には適しない。本発明で有利に使用さ
れる透過流体の流路用シートは、橋かけ結合した熱硬化
性樹脂を含浸した多孔性の布帛を含む。従って、たとえ
その布帛を形成する繊維が熱可塑性であっても、繊維が
橋かけ結合した樹脂により包まれているので、布帛は超
音波エネルギーの適用によりそれ自体融着されない。し
かし、透過流体の流路は、超音波エネルギーの適用によ
り、熱可塑性マンドレルに付着できることが分った。

超音波エネルギー源と熱可塑性マンドレルとの間に置
かれた多孔性の布帛を有する熱可塑性マンドレルに適切
な超音波エネルギーを与えることは、超音波エネルギー
の源に直ぐに隣接する帯域における熱可塑性物の予想さ
れた液化を生ずる。多孔性布帛に適用される超音波融着
ヘッドの圧力は、布帛を溶融した熱可塑性物にする。溶
融した熱可塑性物は、繊維の間並びに多孔性布帛の繊維
の回りの隙に侵入する。超音波ヘッドの圧力は、超音波
エネルギーが熱可塑性物を固化させるために停止した後
の短い時間付与し続けられる。透過流体の流路を形成す
る多孔性布帛は、従ってそれによりマンドレルの重合体
及び布帛の重合体が従来の意味でともに流れる融着法に
よらず、むしろ熱硬化表面及び熱硬化の挙動を有する多
孔性の布帛中に溶融した熱可塑性物を機械的に埋め込む
ことにより、熱可塑性マンドレルに付着するようにな
る。マンドレルの熱可塑性物は、それ故熱硬化表面を有
する布帛とわずかに機械的にかみ合い、また多分付着す
る。

透過流体の流路と重合体製マンドレルの中心の窄孔と
の間に透過流体の連絡のために孔が存在する重合体マン
ドレルの領域では、超音波エネルギーの適用により溶融
する重合体が存在しないことは、理解されるだろう。そ
の結果、透過流体の流路の孔容積に侵入するような溶融
熱可塑性重合体は存在しない。少量の重合体溶融物が、
マンドレルの孔の周辺から透過流体の流路へ放射状にの
びるマンドレルの孔により示される透過流体の流路の領
域に移動することも理解されるだろう。しかし、マンド
レルの重合体の溶融のために適用される超音波エネルギ
ーを正確に測定すれば、マンドレルの重合体は、放射状
にのびているマンドレルの孔の領域により示される透過
流体の流路のその部分への溶融重合体の移動は、透過流
体の流路と中空のマンドレルの中心の窄孔との間の流体
の連絡を実質的に閉塞しないようにすることができる。

この「融着」は、有利には、マンドレルの軸に沿って
長さ方向に向う。有効な融着の巾は、約0.2−5mmであ
る。通常、この融着は、巾0.5−3mmである。それぞれの
融着の長さは、0.5cmから15cmに変化する。個々の融着
の長さは、多くの場合、超音波溶接ヘッドの幾何学的形
状により決められる。複数の溶接ヘッドを、膜部材及び
モジュールの組み立ての間、マンドレルへ透過流体の流
路を固定するために、十分な機械的強さをもたらすよう
に利用できる。

超音波融着プロセス中、それぞれの融着ヘッドを、透
過流体の流路に対して押す。同流路が、マンドレルと接
触したら、ヘッドから熱可塑性マンドレルを離す。一般
に、溶接ヘッドに適用される圧力は、一般に使用される
熱可塑性物の場合10−75psi（69−520kPa）であるが、
もし熱可塑性物が融着に当り比較的低い又は高い溶融粘
度を有するならば、より低い又はより高い圧力が必要で
ある。

0.1−２秒の時間融着ヘッドに適用される超音波エネ
ルギーが、適切な融着を形成するのに十分な熱可塑性物
を溶融するのに一般に十分である。ヘッドに適用される
のに必要な全エネルギーは、重合体、重合体の構造、分
子量、溶融粘度その他の因子により影響されるだろう。
超音波振動の振幅も、ヘッドに適用される全エネルギー
に影響する。0.1−３ミル（2.5−76μｍ）の振幅範囲を
有する市販の超音波融着ヘッドは、マンドレルへ透過流
体の流路を融着するのに、好ましく働く。0.8−２ミル
（20−51μｍ）の振幅がより好ましい。10−50kHzの周
波数で作動する市販の超音波融着ヘッドは、マンドレル
へ透過流体の流路を融着するのに操作できる。

マンドレルと接する透過流体の流路の長さに沿う融着
の位置、並びに融着された界面の長さの部分は、融着の
巾、マンドレルの熱可塑性重合体の機械的強さ、同流路
が折り重ねたりもつれたりする傾向を含む同流路の取扱
い性を含む種々の因子により影響される。典型的には透
過流体の流路の界面は、界面の長さの５−40％でマンド
レルに融着される。

膜葉状物がマンドレルの回りに巻かれた後の膜装置の
丸さは、狭い範囲内にコントロール可能である。本発明
で製造された膜装置は、有利には、外径の平均値から２
％以下の外径の変量を有し、好ましくは変量は、外径の
平均値から１％より小さく、最も好ましくは変量は、直
径の平均から0.75％以下である。外径の測定は、マンド
レルに平行で例えば2.5−10cmの間隔でしかも円筒の少
なくとも二つの角回転（two angular rotation）でカ
リパスのような周知の方法により行いうる。円筒の角回
転は、カリパスが、円筒の軸に平行でしかも交差する平
面の周囲と交差することにより形成されると思われる線
に沿って装置に適用されることを意味する。外径は、一
般に、軸の回りの少なくとも二つの角回転で測定され
る。

マンドレルへ透過流体の流路を取り付けるのに必要な
時間は、反応又は「硬化」するのに比較的実質的な時間
を要するエポキシのような接着剤の使用による取り付け
より、大幅に短くなることは、明らかであろう。

種々の変法及び変化は、渦巻状に巻かれた膜装置の前
記の記述から当業者にとり明らかであろう。これらの変
法は、請求の範囲により規定された本発明の範囲内と考
えられる。

実施例 本発明は、以下の実施例により説明されるが、それら
により制限されない。

実施例 １ 橋かけ結合されたエポキシ樹脂により含浸されたトリ
コット30本からなる透過流体の流路を、110cmの長さ及
び12cmの外周を有するアセタール熱可塑性物の多孔マン
ドレルに融着した。90cm×75cmの寸法を有する矩形の透
過流体の流路用シートを、マンドレルの回りに適当に空
けて置いた。マンドレルの付近に置かれた同シートの長
い端を、マンドレルの長さに沿って適当に空けて置かれ
た7.5cmの長さ及び0.75cmの巾を有する３個の超音波融
着角（horn）と接触させた。融着角は、透過流体の流路
に50psi（345kPa）の圧力をかけ、融着操作中マンドレ
ルと融着角との間の正しい位置に透過流体の流路を締め
付ける。適用される圧力は、同流路をして局在化した溶
融重合体中に侵入するのに十分なものである。超音波エ
ネルギーは、20kHzの周波数及び1.6ミル（40μｍ）の変
位振幅で融着角に適用された。超音波エネルギーは、0.
5秒間マンドレルに適用される。

90cmの巾の米国特許第4277344号の教示に従って製造
された連続的なポリアミドコンポジット逆浸透膜の折り
重ねたシートを、75cmの折り重ねた長さを有するそれぞ
れの透過流体の流路間に挿入した。透過流体の流路を、
１枚の膜シートの透過流体側に適用される二成分系ウレ
タン接着剤によりそれぞれの軸の末端に沿って膜シート
にシールした。連続膜シートの二つの端は、二成分系ウ
レタン接着剤の適用により結合した。30枚の膜葉状物
を、次にマンドレルの回りに巻き、そして膜葉状物を、
回りに感圧テープの適用により正しい位置に保持した。
得られる膜装置は、高度の均一性を有し、例えば直径
は、19.1−19.6cm内の変化にとどまった。ウレタン接着
剤が硬化したとき、ウレタン接着剤は、マンドレルの付
近のその端を除いて、透過流体の流路を囲む封筒体の軸
の末端をシールした。

実施例 ２ 60枚の透過流体の流路を、実施例１におけるように、
12cmの外周を有するマンドレルに超音波で融着する。Ce
lanese Chemical Companyにより製造されるCelgard
（商標名）と呼ばれるタイプの微多孔性のポリプロピレ
ン膜を、膜封筒体に包む。膜封筒体は、二成分系ウレタ
ン接着剤により連続膜の透過流体側の軸の末端をシール
することにより、製造される。マンドレルの回りに巻い
たとき、得られる膜装置は、高度の均一性を示し、即ち
直径は、所定の軸の位置で縁の回りで５％より小さい変
量を示す。

実施例 ３ 25cmの軸の長さ及び20cmの放射部の長さを有する40枚
のシートの透過流体の流路を、5.5cmの外周を有するマ
ンドレルに超音波で融着する。実施例１のような寸法を
有する２個の超音波融着を、マンドレルに沿って軸上に
規則正しく置く。膜封筒体は、実施例１におけるように
製造される。得られる渦巻状に巻かれた膜装置は、所定
の軸の位置で外周の回りで２％より小さい変位を示す。

実施例 ４ 90枚のシートの実施例１による透過流体の流路を、実
施例１により記載されたように、15.7cmの外周を有する
マンドレルに超音波で融着する。膜封筒体を、軸の末端
をシールすることにより製造する。マンドレルの回りに
巻いて、膜封筒体を二成分系ウレタン接着剤によりシー
ルする、軸の末端の領域を除いて、膜装置の軸の長さに
沿って平均の値から1.5％より小さい直径の変位を示
す。

実施例 ５ 100枚のシートの実施例１による透過流体の流路を、
実施例１により記述されたように、12cmの外周を有する
マンドレルに超音波で融着する。ジメチルホルムアミド
に溶融したポリスルホンの15重量％の溶液から製造した
多孔性ポリスルホンを含む膜を、水浴中に押し出してポ
リスルホンを凝固させた。膜封筒体は、軸の末端をシー
ルすることにより製造する。マンドレルの回りに巻かれ
るとき、得られる渦巻状に巻かれた膜装置は、平均直径
から1.5％より小さい変位を示す。軸の末端で、変位
は、軸の末端から遠位で決定された平均直径から５％よ
り小さい。

実施例 ６ 実施例３による膜部材を、供給流体入口、透過流体出
口及び非透過流体出口を有する適切なシーリング手段を
有する耐圧円筒容器中に挿入する。加圧下の合成海水を
供給流体入口の連結に供給する。脱塩された水は、透過
流体出口から回収される。

実施例 ７ 膜装置を、膜材料が米国特許第4230463号実施例23に
従って製造される以外は、実施例６による耐圧円筒状包
囲体に適合される（微多孔性ポリスルホンシートは、そ
の上に後硬化シリコーンゴム被覆を有する）。空気を供
給流体として使用する。分離は、非透過流体が55％の窒
素並びに非透過流体中で44％の酸素の濃度を有するよう
にした。

図面の簡単な説明 図１は本発明の半透膜装置の部分展開説明図である。

Claims (11)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】a.多孔中空芯マンドレル、 b.該多孔中空芯マンドレルの周囲に軸方向に沿って超音
   波融着によって取り付けた複数枚の透過流体の流路用シ
   ート、 c.該透過流体の流路用シートの各々の両側に位置する半
   透膜シートであって、この両側に位置する半透膜シート
   どおしがその中に位置する透過流体の流路用シートを包
   み込むように互の端部がシールされて封筒状になってい
   る半透膜シート、及び d.隣接する封筒状の半透膜シート間にそれぞれ独立に位
   置する供給流体の流路用シート からなり、該透過流体の流路用シート、半透膜シート及
   び供給流体の流路用シートの全体が該多孔中空芯マンド
   レルの周囲に渦巻状に巻かれており、供給流体が供給流
   体の流路用シートの軸方向の一方の端から供給され半透
   膜を透過した透過流体が透過流体の流路用シートを通っ
   て多孔中空芯マンドレル内に移動するようになっている
   半透膜装置。
2. 【請求項２】該透過流体の流路用シートが該多孔中空芯
   マンドレルの周囲に1cm当り少なくとも0.7枚の割合で取
   り付けられている請求項１の半透膜装置。
3. 【請求項３】該透過流体の流路用シートが該中空芯マン
   ドレルに規則的な間隔で取り付けられている請求項１又
   は２の半透膜装置。
4. 【請求項４】該透過流体の流路用シートが該多孔中空芯
   マンドレルの周囲に1cm当り少なくとも１枚の割合で取
   り付けられている請求項１〜３のいずれか１項の半透膜
   装置。
5. 【請求項５】該透過流体の流路用シートが該多孔中空芯
   マンドレルの周囲に1cm当り少なくとも２枚の割合で取
   り付けられている請求項１〜４のいずれか１項の半透膜
   装置。
6. 【請求項６】供給流体入口用の連結部、非透過流体出口
   用の連結部及び透過流体出口用の連結部をもつ耐圧円筒
   状包囲体内に配されている請求項１〜５のいずれか１項
   の半透膜装置。
7. 【請求項７】封筒状半透膜シートが単一の半透膜シート
   をアコーデオン状に折り曲げてそのなかに透過流体の流
   路用シートが包み込まれるようになっている請求項１〜
   ６のいずれか１項の半透膜装置。
8. 【請求項８】該多孔中空芯マンドレルが、ポリエチレ
   ン、ポリメチルペンテン、ポリフェニレンスルフィド、
   ポリプロピレン、セルロース性重合体、アセタール、ア
   クリロニトリル−ブタジエン−スチレン（ABS）、ABS−
   ポリカーボネートアロイ、ポリスチレン、ポリスチレン
   −ブタジエン、ポリエーテルイミド、ポリ塩化ビニル、
   ポリスルホン、又はポリ（フェニレンオキシド）よりな
   る請求項１〜７のいずれか１項の半透膜装置。
9. 【請求項９】請求項４の耐圧円筒状包囲体の供給流体入
   口に加圧下の流体を押し込み、そして非透過流体及び透
   過流体を集めることにより、流体成分を分離する方法。
10. 【請求項１０】流体が塩を含む水である請求項９の方
    法。
11. 【請求項１１】分離されるべき流体が、気体混合物、空
    気、ヘリウム／メタン、酸素／窒素及び不飽和炭化水素
    ／飽和炭化水素から選択される請求項９の方法。