JP3833215B2 - 流体処理モジュールのための流路制御素子 - Google Patents

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Description

本発明は、供給液体が装置内に導入されて、濾液ストリーム、場合によっては濃縮液(retentate)ストリームが装置から取り出される、液体成分の濾過を実施するための膜濾過装置のような流体処理モジュール用の流路制御素子に関する。より詳細には、本発明は、ポリマー成分の射出成形および間接ヒートールによって形成されかつ選択的に封止された、接線方向流膜濾過装置またはデッドエンド膜濾過装置に関する。
便宜上、本発明は、フィルタモジュールに関連して詳細に説明することになる。しかしながら、本発明の方法が、マニホールドのような他の流体処理モジュールを作製するために同等に適用可能であることは理解されるべきである。本発明以前では、液体は、マニホールド間に積み重ねられるか、またはマニホールドのプレートに個別に封止される、複数のフィルタモジュール内で濾過されてきた。各モジュールは、供給液体が装置に流れ込むこと、ならびに濾液が装置から流れ出ることを可能にするために、スクリーンのような適切なスペーサ層によって隔てられた1層または複数層のフィルタ層を含む。モジュール内での濾過は、流入する供給液体が、膜表面で接線方向に流れて濃縮液および濾液を形成する、接線方向流膜濾過(TFF)方法として実施され得る。別法として、濾過は、法線方向流濾過(NFF)としても識別されるデッドエンドモードで実施され、すべての流入供給液体が、膜フィルタを通過して固体およびその他の破片が膜フィルタ上に残る。この後者のモードでは、濾液だけが回収される。
ここで、エポキシ、ウレタン、またはシリコーンなどの注封接着、溶剤結合、あるいは直接ヒートールを利用する封止技術によって、濾液ストリームは、膜濾過装置内で供給ストリームから封止される。接線方向流濾過装置の場合では、濾液ストリームは、供給ストリームおよび濃縮液ストリームから封止される。接着剤は、それらが限定された化学的相溶性を有し、有意の抽出可能な種の供給源であり、処理制御の困難を導入し、結合強度の制限を課し、使用温度の制限を課し、かつ処理サイクル時間を増加させるので望ましくない。封止を形成するために流れる材料に加熱素子が接触する直接ヒートールは、その使用が、ヒートールされる材料の厚さに最小限の制限を課すので望ましくない。これは、濾過モジュールの所与の容積内に存在し得る層の数を減らす結果につながり、それにより、モジュールの濾過容量を好ましくなく低下させる。さらに、直接ヒートールは、多数のステップを必要とし、材料の相溶性の制限を課し、かつ濾過素子の直接ヒートールを実施するために通常は基材を使用し、かつ膜の損傷を引き起こす可能性があるので望ましくない。溶剤結合は、溶剤が環境面の問題点と処理の変動性を課し、しかも潜在的に有用なポリマーが、それらの溶媒化特性によって制限されるので望ましくない。
米国特許第5,429,742号は、内部に複数のフィルタ膜が成形される熱可塑性のフレームを含む、フィルタカートリッジを開示している。熱可塑性フレームは、濾過された流体がフィルタカートリッジから取り出されるのに先だって、流入流体が濾過されて膜を通過するのを確実にする流体経路を供給するために成形される。膜に向かうおよび膜から出る流体経路が形成できるように、フレームは充分に厚い。隣り合う膜が、比較的厚いスペーサ部材によって隔てられるので、フィルタカートリッジの単位容積当たりの膜面積は好ましくないことに小さい。
したがって、複数の濾過素子を使用し、複数の層が、接着剤、溶剤結合、または直接ヒートールを使用しないで適切に封止される、多層濾過装置のような流体処理モジュールを作製するのに有用な、流路制御素子を提供することが望ましいであろう。さらに、濾過装置の単位容積当たり多数のフィルタ層を含み、それらが積層に形成可能であって、かつ適切に封止されることで積層内に液体流路を画定する、接線方向流またはデッドエンド濾過装置にそのような流路制御素子が供給されることが望ましいであろう。そのような濾過装置は、高い濾過容量を提供し、装置の多数の使用を可能にするであろう。
本発明は、膜の熱的または機械的劣化を回避しながらも、ポリマー多孔質膜のようなシート材料に対して封止を促進する方式で、熱可塑性ポリマー成分で封止される分離シート素子から成る、液体成分の濾過を実施するための膜濾過装置のような流体処理モジュールの流路制御素子を提供する。分離シート材料の選択的封止は、2つのステップの工程で実施され、そこでは各シートの端部が、熱可塑性ポリマー成分で封止されることで、熱可塑性ポリマー成分をシートに固定する。その後、交互に配置されたシートとスペーサ層の積層を通る流体流路を画定するために、隣り合って配置されたシートの熱可塑性ポリマー成分の選択された層が、互いに封止される。画定された流体流路は、濾過装置から取り出される前に、処理対象の流体が所望の流路に沿って流れることを確実にする。交互に配置されたシートとスペーサの積層が、放射エネルギーに晒される単一のステップで、封止を実施することができ、放射エネルギーは、選択された層を加熱し、それによって所望の封止を実施する。代わりに、交互に配置されたシートとスペーサの所望の積層が、所望の構造で封止されるまで、シートとスペーサの単一セットで順々に封止が実施されることもできる。
本発明によると、流体処理モジュールのための流路制御素子が、1つまたは複数のモジュールで構成される流体処理装置から提供され、様々な流体供給源および出口ラインを組み立てることができる。
本発明の好ましい実施形態では、本装置は、濾過装置を形成するために使用される。この濾過装置は、間隔を置いた複数の膜、および通過する液体の流れを促進する通路または開口を有する複数のスペーサ層を含む。NFF濾過装置は、少なくとも1つの供給液ポートと少なくとも1つの濾液ポートを設けられる。TFF濾過装置は、少なくとも1つの供給液ポート、少なくとも1つの濾液ポート、および少なくとも1つの濃縮液ポートを設けられる。膜層とスペーサ層は、選択されたパターンで濾過装置の垂直高さを通じて交互にされる。膜層とスペーサ層の選択的な封止は、2ステップの工程で実施される。第1のステップで、熱可塑性ポリマー成分の薄層が、スクリーン層の上に支持された膜のような、膜または複合膜を含むこともあり得る各膜層の端部に成形される。熱可塑性ポリマー成分は、モジュールを通る所望の流体流を生じさせるパターンで成形される。こうして処理された膜とスペーサ層は、その後、供給液ポート、濾液ポート、および接線方向流モジュールの場合は、濃縮液ポートを、予め形成する方式で積層化される。その後、膜層に予め封止された熱可塑性ポリマー成分の間接ヒートールの最終ステップが、モジュール内で濾液から供給液と濃縮液を分離する流体流通路を形成するように選択的に実施される。接線方向流濾過装置の場合では、積層内の液体流は、濾液出口から供給液入口および濃縮液出口を封止することによって保証される。その後、濾過装置の外側部分が、インサート成形で形成されることが好ましい。インサート成形は、積層を射出成形型の中に配置し、かつ使用中に最終の膜濾過装置内で所望の液体流を確実にする方式で封止を生じさせるために、溶融ポリマー成分を金型に注入することによって達成される。濾液を受け入れるスペーサ層は、プラスティック成分によって積層内に延びる供給液ポートから封止され、それにより、供給液は、濾液スペーサ層に入る前に膜層を通過しなければならない。さらに、供給液を受け入れるように指定される供給液ポートに隣接するスペーサ層は、供給通路と液体連絡を保つ。濃縮液または濾液のいずれかを受け入れる通路も、やはり積層内に延びる。濃縮液を受け入れる通路は、濾液スペーサ層から封止され、供給液ポートとやはり流体連絡にあるスペーサ層と流体連絡する。それらの通路は、膜を通るか、または膜周縁の少なくとも1つの部分に封止される熱可塑性のタブを通って延びることができる。濾液を受け入れるポートまたは複数ポートは、供給液または濃縮液を受け入れるスペーサ層から封止され、かつ濾液を受け入れるスペーサ層と流体連絡する。供給液スペーサ層に入る供給液体が、濾液スペーサ層に入る前に膜を通過しなければならないような方式で、積層もやはり封止される。
流体入口または流体出口用の少なくとも1つの開口を有し、以下を含む流体処理モジュール用流路制御素子を提供することが、本発明の1つの目的であり、すなわち、
ートと、
前記シートの周縁に封止された熱可塑性構造物とを含み、前記開口が、前記シートまたは前記熱可塑性構造物のいずれかを通って延び、前記熱可塑性構造物が、前記開口を開いたままにし、それにより流体導管として機能するのを可能にするか、あるいは前記開口を封止して、前記開口と前記シートとの間の流体の流れを妨げるような寸法に作られる。
流体入口または流体出口用の少なくとも1つの開口を有し、以下を含む流体処理モジュール用流路制御素子を提供することが、本発明のさらなる目的であり、すなわち、
多孔質ポリマーシートと、
前記シートの周縁に封止された熱可塑性構造物とを含み、前記開口が、前記多孔質シートまたは前記熱可塑性構造物のいずれかを通って延び、前記熱可塑性構造物が、前記開口を開いたままにし、それにより流体導管として機能するのを可能にするか、あるいは前記開口を封止して、前記開口と前記シートとの間の流体の流れを妨げるような寸法に作られる。
流体入口または流体出口用の少なくとも1つの開口を有するフィルタの形であり、以下を含む、流体処理モジュール用流路制御素子を提供することが、本発明の追加的な目的であり、すなわち、
多孔質膜シートと、
前記膜の周縁に封止された熱可塑性構造物とを含み、前記開口が、前記多孔質膜シートまたは前記熱可塑性構造物のいずれかを通って延び、前記熱可塑性構造物が、前記開口を開いたままにし、それにより流体導管として機能するのを可能にするか、あるいは前記開口を封止して、前記開口と前記薄膜シートとの間の流体の流れを妨げるような寸法に作られる。
本発明は、供給源から来る流体の所望の流れを生じさせるために積層の構造で選択的に封止され得る、流体処理モジュール用流路制御素子を含む。より具体的には、供給液、または供給液および濃縮液から来る流体の所望の流れを生じさせるために、積層構造で選択的に封止され得る分離シート層の形の流路制御素子を含む。この流路制御素子は、一般には、膜層の形の、ポリマーまたは金属のシート、好ましくはポリマーシート、さらに好ましくは多孔質ポリマーシートを含み、流路制御装置は、熱可塑性ポリマー成分に結合した1つの縁部を有する。シートは、単純に液体もしくは気体、または液体および気体の両方に対する分離材料であってもよく、あるいはフィルタ材料または膜の場合のように、液体または気体に対して選択透過性であってもよい。
結合した熱可塑性ポリマー成分は、上面と底面を有し、上面と底面は、それらが互いに向かって収束して、端部または先端領域を形成するように構成されることが好ましい。端部または先端領域は、放射熱エネルギー、または端部によって吸収されて熱エネルギーに変換される超音波エネルギーのような非熱エネルギーを吸収するように構成される。そのようなエネルギーに晒されると、端部または先端は、熱可塑性ポリマー成分の本体に先だって優先して溶融する。この特徴は、溶融した熱可塑性ポリマー成分が流れる方向の制御を可能にさせ、それが今度は次に、封止対象となる流体装置の選択領域の制御を可能にする。加熱はまた、加熱ロッドような加熱された素子との接触によっても実施され得る。
本発明は、TFFまたはNFFのいずれかの形式の濾過装置に関連して検討されるであろう。しかしながら、本発明は、その応用について制限されない。液体用の脱ガス装置あるいは熱交換器といった他の使用も、やはり本発明を使用することができる。例えば、熱交換器では、様々な流体通路を形成するために、本発明が使用される可能性がある。そのような適用では、熱伝導性プラスティックのようなポリマー材料、またはステンレス鋼のような金属の非多孔質のシート材料が使用される可能性がある。脱ガス装置適用では、多孔質または非多孔質である、PTFEまたはPFAシートのような、液体を透過させないが気体を透過させる材料が使用される可能性がある。後述の検討は、濾過装置における使用を対象とすることになるが、熱交換器または脱ガス装置のような他の実施形態でのその使用を含むものとする。
流路制御素子は、1つずつ互いに封止されることもあり得るし、あるいは本発明の濾過膜素子の積層中に配置される間に、1ステップ工程で所望の構造で互いに封止されることもあり得る。
本発明の濾過モジュールを形成するのに有用な流路制御素子は、濾過膜のようなシート材料の端部を、濾過膜の縁部または周縁部に熱可塑性ポリマー成分(TPC)を封止することで変更されることによって形成される。(TPC)の表面は、スペーサと交互になった膜の積層内で交互に配置されたスペーサの封止を実施する方式で封止を実施するために、隣接する(TPC)表面に封止されてもよい。いかなる所与の膜も、1つの縁部が封止されてかつ反対側の縁部を開放されるように、封止が実施される。隣り合って配置され、スクリーンのような開放層によって分離された膜は、反対側の縁部で封止される。この構成は、膜の積層内の開放層に入る供給液ストリームが、濾液として集められる前に膜を通り抜けることを確実にする。この方式で操作することによって、供給液ストリームまたは濃縮液ストリームのいずれかと濾液の混合が防止される。
図1を参照すると、膜が、表皮12と表皮12よりもさらに多孔質の層14とを有する限外濾過膜10であるときの、本発明の濾過モジュールを形成するのに有用な変更された膜構造物が示されている。膜10が、端部16でTPC18によって封止されるように、端部16は(TPC)18に結合される。TPC18は、上面20と底面22を有して構成され、それらが収束して先端24を形成する。先端24は、(TPC)の先端24から本体26へと溶融が生じるように、放射または超音波エネルギーといったエネルギーを集中させる機能を果たす。しかしながら、TPCが必ずしも収束する表面を有する必要がなく、例えば平坦な端部または曲線型の端部などを有することは理解されるべきである。収束する表面を有するTPCは、そのような表面構造が、TPCの先端に放射または超音波エネルギーを効果的に集中させるので好ましい。
図2を参照すると、本発明の濾過モジュールを形成するのに有用な代替の濾過複合膜30の構造が示されており、そこでは膜は、低空孔率の表皮32、表皮32よりも多くの開孔を有する容積34、およびスパンポリプロピレン繊維のようなさらに開孔の多い層から形成される支持層36を有する。複合膜30は、複合膜30の底面40に成形される第1の成形部分38、および複合膜30の第2の成形部分42を有する。第2の成形部分42は、底面46と上面49を含み、それらが先端領域48に収束する。先端面48は、TPCの本体44にわたって放射熱または超音波エネルギーといったエネルギーに晒されると優先的に溶融する。
図3を参照すると、本発明の濾過モジュールを形成するのに有用な代替の膜が示されており、そこでは膜は、選択したTPCに結合することの難しさを表わして示される。複合膜51は、表皮55、多孔質本体54、およびTPC58に結合される多孔質支持体56を含む。表皮55は、グリセリンの充満した層のようなその成分のために、あるいはその低い空孔率のために、結合が困難になる可能性がある。結合性を高めるために、表皮55の上面に多孔質のスクリーン60が配置されて、溶融TPC58の吸収を生じ、それにより、表皮5に対する結合機能を高めることも可能である。先端64は、上述したようにエネルギーを集中させる機能を果たし、それによりTPC58の選択的な溶融を生じさせ、それを隣接する層のTPCに選択的に融合させる。この選択的な融合は、先端64を通り過ぎる流体の流れを遮断する。
図4を参照すると、マニホールドを含む濾過モジュールが示されている。濾過素子40は、マニホールド47とマニホールド11との間に配置される。マニホールド47は、供給液入口15と濾液出口17を設けられる。マニホールド11は、濾液出口21と濃縮液出口19を設けられる。1つのセットの濾液出口手段28が、マニホールド11に設けられ、一方第2のセットの濾液出口手段29が、マニホールド47に設けられる。濾液出口手段28と29は、濾液導管経路46によって濾液出口17と21に接続される。濾過素子40は、液体入口手段15と連絡する穴48、および濾液出口手段28と29に連絡する穴50を含む。
図5を参照すると、濾過素子40は、濾液スペーサ59、フィルタ層53、濃縮液スペーサ60、および第2の濾液スペーサ(図示せず)を備えてかつ導管経路46(図4)と接し得るフィルタ層62を含む。矢印61で表わされる供給液体は、層62の穴48を通ってスペーサ60内に入る。液体の一部は、矢印64で表わしたように水平方向にスペーサ60を通過し、矢印66で表わしたように垂直方向にフィルタ53を通過する。入り込む液体の残りの部分は、矢印68で表わしたように上向きに進み、フィルタ層53の穴48、濾液スペーサ59の穴48を通り、次の隣接する濾液部材(図示せず)に入り、そこで濾過素子40に関して上述したように進む。濾液は、穴50に入り、矢印70と72に示した方向で濾液出口手段21(図4)に向かって進む。穴48は穴50と互い違いになっている。濃縮液は、矢印64で表わされるように濃縮液スペーサ60を横切り、穴5を通り、濃縮液出口手段19(図4)へと進む。
図6を参照すると、本発明の濾過構造物の膜層が、膜素子80、82、および84から形成され、それらは、間隔を置かれて供給液ポート86と濾過液ポート88を形成する。素子80は、膜層90、TPC92、スペーサ層94、熱可塑性封止部分96、および熱可塑性部分98から形成される。膜素子82は、膜層107、熱可塑性封止部分98、スペーサ層100、熱可塑性封止部分102、および熱可塑性封止部分104から形成される。膜素子84は、膜層106、熱可塑性封止部分108、および熱可塑性封止部分110から形成される。
図7を参照すると、スペーサ層112は、2つの膜素子80の間に配置される。スペーサ層114は、2つの膜素子82の間に配置される。スペーサ層116は、2つの膜素子84の間に配置される。
図8を参照すると、熱可塑性封止部分98は、熱可塑性封止118と一体に連結される。熱可塑性封止部分104は、熱可塑性封止120と一体に連結される。熱可塑性封止部分108は、熱可塑性封止122と一体に連結される。熱可塑性封止部分110は、熱可塑性封止124と一体に連結される。
本発明の構造物に対する封止は、図9、10および11に関連して説明される。図8に示した膜とスペーサ素子の積層は、間に介在するスペーサ130を備えて垂直方向に配置される。熱可塑性の端部プレート132、134、および136は、熱可塑性材料と弾性熱可塑性エラストマー140から形成される。弾性熱可塑性エラストマー140は、ヒートールまたは超音波接着などによって、熱可塑性端部プレート132、134、および136に封止されるように構成される。さらに、弾性熱可塑性エラストマー140は、本発明の濾過構造物の垂直方向高さにわたって圧力をかけるために、圧力プレート(図示せず)と協働するように配置される。
図10に示したように、膜とスペーサの積層の周縁は、注型または射出成形によって、熱可塑性の外側ハウジング142と一体に封止される。最終ステップでは、隣接して配置された熱可塑性構造物92と98(図8)が、放射封止144で一体に封止される。封止手段144は、放射封止、超音波封止、または直接接触を含むことができる。封止手段144は、開口150と152の封止を妨げ、それにより導管86、スペーサ148、およびスペーサ152の間で流体連絡が生じ得るように、スペーサ146と148から充分に遠くに配置される。さらに、濾液導管88は、スペーサ154および156と選択的に連絡する。この方式で、供給液および濃縮液と濾液の混合は防止される。
図12を参照すると、濾過装置160は、流体供給のための入口162と164、濃縮液のための出口166と168、および透過液のための出口170と172を有する。図12では、同様に構成された断面が、同じ素子を参照している。濾過装置160は、外殻174、封止エラストマー176、供給スクリーン178、透過スクリーン180、および膜182を含む。
図13a、13b、および13cを参照すると、本発明の濾過モジュールを形成するのに利用可能な代替となる、一組の濾過素子が示される。濾過素子190と192は、一方が他方の上に垂直方向に交互の層で積層される。各濾過素子190と192は、2つの膜194と196、多孔質スクリーン198、および2つのTPCタブ200または204を含む。濾過素子190は、加熱素子(図示せず)がポート208を通して延ばされると、互いに融合される2つのTPCタブ207を含む。加熱素子は、タブ207を選択的に溶融してそれらを一体に融合させるように制御される。濾過素子192には、タブ207が無く、加熱素子によるTPCの融合は生じない。こうして、交互の濾過素子190と192の積層内に、濾過素子192内に進む液体のための交互の通過路が供給される。濾過素子192は、濾過素子190の反対側の端部でTPCタブが無いと示される位置で、開放端部にTPCタブを設けられる。こうして、濾過素子192の反対側端部(図示せず)は遮断され、それに対して濾過素子190の反対側端部は、開放されて他のポート(図示せず)と連絡する。
薄膜層が、流体不透過層と交互になるスペーサ層を有する流体不透過層で置き換え可能であることは理解されるべきである。流体不透過層は、上述した方式で選択的に一体に封止されることが可能であり、それにより、所望のポートに流体を方向付けるために、選択されたスペーサ層を通る選択的な流体経路が供給され、それは流体マニホールド、熱交換器などといった流体処理モジュール内外に流体を方向付ける。
本発明の第1の実施形態による構造の側面図である。 本発明の代替となる構造の側面図である。 本発明の代替となる変更された構造の側面図である。 本発明の接線方向流濾過モジュールを通る流体流を例示する図である。 本発明の接線方向流装置を通る流体流を例示する図である。 本発明の濾過装置を形成するために利用される、変更された膜の側面図である。 図8に示された濾過モジュールを形成するために利用される、2層の膜と1層のスペーサ層の側面図である。 本発明の濾過モジュールの側面図である。 本発明の濾過装置を形成するのに利用される、濾過およびハウジング素子の分解断面図である。 濾過装置の最終形成ステップの前の、本発明の濾過素子の最終配置を例示する断面図である。 本発明の濾過装置を形成する最終ステップを例示する断面図である。 本発明の濾過装置を部分的に断面で示した斜視図である。 本発明の濾過モジュールを作製するのに有用な膜構造の側面図である。 本発明の濾過モジュールを作製するのに有用な膜構造の側面図である。 図13aおよび13bの膜構造の上面図である。

Claims (7)

  1. 流体入口(48,86,162、164)または流体出口(50、88、166、168、170、172)用の少なくとも1つの開口を有する、流体処理モジュール用の流路制御素子であって、
    ート(54、60、112、114、116、148、53、62、90、106、107)と、
    前記シートの周縁に封止された熱可塑性ポリマー成分(18、44、58、92、98)とを含み、
    前記開口が、前記シートまたは前記熱可塑性ポリマー成分のいずれかを通って延び、前記熱可塑性ポリマー成分が、前記開口を開いたままにし、それにより流体導管として機能するのを可能にするか、あるいは前記開口を封止して、前記開口と前記シートとの間の流体の流れを妨げるような寸法に作られ、前記熱可塑性ポリマー成分が上面(20、49)および底面(22、46)を有し、上面(20、49)および底面(22、46)が互いに向かって収束(24、48、64)する流路制御素子。
  2. 前記シートが、気液透過性シート、気体透過液体不透過性シート、気液不透過性シートで構成されるグループから選択される、請求項1に記載の流路制御素子。
  3. 前記シートが、分離シートである、請求項1に記載の流路制御素子。
  4. 前記シートが、多孔質支持シート(60)を含む複合膜(30)である、請求項1に記載の流路制御素子。
  5. 前記シートの一方の表面上に、多孔質膜シート(53、62、90、106、107)が配置される、請求項1に記載の流路制御素子。
  6. 一体に結合されて流体のための通路を形成する2つ以上の請求項1に記載の流路制御素子を含む、流体処理モジュール
  7. 一体に結合されて流体処理モジュールを形成する2つ以上の請求項1に記載の流路制御素子を含む、流体処理モジュール
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