JP4034318B2 - ３極高性能小型中空繊維膜接触器 - Google Patents

Description

ある種の産業において使用される液体は高純度であることが要求される。このような高純度液体は、鉱物、イオン及び気体が存在しない又は実質的に存在しないものである。鉱物とイオンの除去は、多くの場合逆浸透プロセスによって達成される。しかしながら、逆浸透プロセスは、溶解又は混入気体を除去することができない。最も一般的な溶解又は混入気体は、窒素、酸素及び酸化炭素主要成分とする空気である。

過去においては、例えば、中空繊維膜接触器は溶解又は混入気体を流体から除去又は流体に加えるために使用されてきた。中空繊維膜接触器は公知である。例えば、米国特許３，２８８，８７７、３，７５５，０３４、４，２２０，５３５、４，６６４，６８１、４，９４０，６１７、５，１８６，８３２、５，２６４，１７１、５，２８４，５８４、５，３５２，３６１及び５，４４９，４５７を参照されたい。中空繊維膜接触器としては、Ｃｈａｒｌｏｔｔｅ，Ｎ．ＣのＣｅｌｇａｒｄ社の部門であるＭｅｍｂｒａｎａが市販しているＬＩＱＵＩＴ−ＣＥＬ（登録商標）及び日本の東京の大日本インク化学社が市販しているＳＥＰＡＲＥＬ（登録商標）がある。

これら接触器の製造を容易にするために、中空繊維膜は典型的には繊維状（織物又は編物）に形成される。繊維は、１つにまとまった構造を形成するために、熱硬化性又は熱可塑性材料と共に、心棒（例えば、ミシン穴を有するチューブ）の周りに巻かれ、繊維端を入れることによって固定される。例えば、米国特許４，９４０，６１７及び５，２８４，５８４参照。このユニットは、膜接触器を作るために、シェル（ハウジング）に差し込まれ、Ｏリングを使用するか又は使用しないで封止される。例えば、米国特許６，２０７，０５３参照。
米国特許４，９４０，６１７ 米国特許５，２８４，５８４ 米国特許６，２０７，０５３

小さな直径を有する多くの中空繊維膜接触器は、ユニットをハウジング内に統合的に入れ込むことによって作製される。これは、他の方法、すなわち、Ｏリング又は気体ケットによってユニットとハウジングの間の封止を付加的に供給又は維持することの必要性を排除する。しかしながら、接触器の構成要素（シェル、末端キャップ、中心管、マイクロポーラス膜及びポッティング）は、接合することを困難な問題にする異なる材料から作製される。また、これらの接触器の需要は、改良が研究され実用化されることを要求する。

したがって、改良された高性能小型中空繊維膜接触器に対する需要が存在する。

本発明は、３極高性能小型中空膜接触器を提供する。中空繊維膜接触器は、カートリッジ、シェル、第１末端キャップ及び第２末端キャップを含む。シェルはカートリッジを囲み、２つの末端と１つの開口部を含む。カートリッジは、さらに、ミシン穴を有する中心管、中空繊維、第１管シート、第２管シート及びプラグを包含する。ミシン穴を有する中心管は、第１及び第２末端、並びに中心管を囲む中空繊維織物を有する。中空繊維織物は、中空繊維膜を含み、各中空繊維膜は中空部を有する。第１管シート及び第２管シートは、中心管の各末端において前記中心管に前記繊維を貼り付け、プラグは第１管シートに位置する。中空繊維の中空部は、第１管シート部において開いており、第２管シート部において閉じている。第１末端キャップ及び第１管シートはこれらの間に第１ヘッドスペースを規定する。第１末端キャップはそこに開口部を有し、前記第１ヘッドスペースによって中空繊維の中空部に通じている。第２末端キャップは開口部を有し、これは中心管に通じている。

類似の番号は類似の要素を示す図面を参照して、本発明の中空繊維膜接触器１０の好ましい実施態様が図１に示されている。接触器１０は、シェル２２、カートリッジ２４、第１末端キャップ２６及び第２末端キャップ２８を含む。カートリッジ２４は、ミシン穴を有する中心管１２、中空繊維１６、第１管シート、第２管シート及びプラグ１５を含む。シェル２２はカートリッジ２４を含み、第１末端キャップ２６及び第２末端キャップ２８は、図２に示されるように、ぞれぞれ、第１シェル末端２１及び第２シェル末端２３に連結される。

好ましい操作において、例えば、混入気体を含む液体が孔３４から、第２ヘッドスペース３２から中心管１２に流体的に通じている中空繊維接触器１０に導入される。液体は、ミシン孔１４にから中心管１２より流出し、中空繊維織物１６の中空繊維膜の外部表面まで流通し、孔３６から接触器１０の外部に流出する。孔３８は、第１ヘッドスペース３０から中空繊維織物１６の中空部側に流体的に通じており、真空源に連結されている。したがって、気体を含む液体が、中空繊維織物１６の外側表面上を流通するとき、中空繊維織物１６の中空部側の真空によって、気体が液体から中空繊維織物の中空部側に拡散させられ、孔３８を通じて消滅する。

他の好ましい操作において、例えば混入気体を含む液体が高い圧力下で孔３４によって第２ヘッドスペース３２から中心管１２に連結される中空繊維接触器１０に導入される。高圧下にある液体は、ミシン穴１４により中心管１２から流出し、中空繊維織物１６の中空繊維膜の外側表面上を流通し、孔３６によって接触器１０から流出する。孔３８は、周囲の圧力に維持されている第１ヘッドスペース３０から中空繊維織物１６の中空部に流動的に通じている。したがって、高い圧力下において、気体を含む液体が中空繊維織物１６の外側表面を通過するとき、中空繊維織物１６の中空部側に維持された圧力及び中空繊維織物１６の外側表面上にかかる上昇した圧力によって、気体が液体から中空繊維織物１６の中空部側に拡散し、そこで孔３８から放出される。

他の好ましい操作において、液体が孔３４から第２ヘッドスペース３２から中心管１２に流動的に通じている中空繊維接触器１０に導入される。液体は、ミシン穴１４によって中心管１２から流出し、中空繊維織物１６の中空繊維膜の外側表面を通過し、孔３６によって接触器１０から流出する。液体の導入と同時に、上昇した圧力下で気体が孔３８から中空繊維織物１６の中空部側に導入される。したがって、液体が中空繊維織物１６の外側表面を通過するとき、中空繊維織物１６の中空部側に維持された圧力によって、気体が中空繊維織物１６の中空部側から孔３６より接触器１０から流出する液体に拡散する。

図２を参照すると、シェル２２は、下記に詳細に説明するように、穴３６第１シェル端２１及び第２シェル端２３を有する。シェル２２はいかなる材料であってもよく、好ましくは、シェル２２はポリエチレンからなる。シェル２２はいかなる形であってもよい。このような形としては、シリンダー型、長方形型及びこれらの組合せからなる群から選択することができる。シェル２２はどちらかの側において、フランジ端とするか、又はしないことができる。シェル２２はいかなる直径であってもよい。好ましくは、シェル２２は４インチ以下の直径を有する。シェル２２はいかなる長さであってもよいが、好ましくは、２４インチ以下である。

図３を参照すると、カートリッジ２４はミシン穴を有する中心管１２、中空繊維織物１６、第１管シート１８、第２管シート２０及びプラグ１５を有する。

中心管１２は、中空繊維織物１６、第１管シート１８及び第２管シート２０を支持するに十分な強度を有するいかなる材料であってもよい。好ましくは、中心管１２はポリエチレンからなる。中心管１２は複数のミシン穴を含むことができ、好ましくは、中心管１２は第１管端１１及び第２管端１３を有し、最も好ましくは、第１管端１１は閉鎖されている。第１管端１１は閉鎖されている。第１管端１１は内側溝１７を含むことができる。

中空繊維織物１６は公知技術のプロセスを使用すると解釈される。一般的に、中空繊維織物の作製においては、中空繊維膜が中空繊維織物に適する形に束ねられて形成される。好ましい束の形態は、平行して束ねられた繊維又は偏って束ねられた繊維である。中空繊維編物１６の中空繊維は拡散作用に使用するに適するいかなる膜であってもよい。本明細書に引用文献として組み込まれるＫｅｓｔｉｎｇ，Ｒ．Ｅ．，Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ Ｐｏｌｙｍｅｒｉｃ Ｍｅｍｒａｎｅｓ，２ｎｄｅｄ．，Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ ＆ Ｓｏｎｓ，Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ，Ｎ．Ｙ．，（１９８５）を参照されたい。

中空繊維膜は、合成ポリマー、セルロース又は合成的に変性されたセルロースからなることができる。合成ポリマーは、これに限定されないが、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブチレン、ポリ（イソブチレン）、ポリ（メチルペンテン）、ポリスルフォン、ポリエーテルスルフォン、ポリエステル、ポリエーテルイミド、ポリアクリルニトリル、ポリアミド、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、エチレンビニルアルコール及びフルオリナーティドポリオレフィンなどを含む。好ましくは、中空繊維膜はポリオレフィンからなる。例としては、これに限定されないが、Ｃｈａｒｌｏｔｔｅ，Ｎ．Ｃ．のＣｅｌｇａｒｄ社が市販しているＣＥＬＧＡＲＤ（登録商標）又はＴｏｋｙｏ，Ｊａｐａｎの大日本インク化学が市販している膜（本明細書に引用例として組み込まれる米国特許４，６６４，６８１参照）を含む。

スペーサーは、流体が全ての中空繊維の全体の表面に均一に分散するように、巻かれた中空繊維織物１６の層の間にすき間を維持するために使用される。この拡散は接触器の除去効率を最大にするために重要である。米国特許４，９４０，６１７参照。スペーサーはいかなる材料であってもよいが、好ましくは、ポリエチレンからなる。

第１の管シート１８は、第１の管の末端１１の近くの中空繊維織物１６の端に位置し、第２の管シート２０は、第２の管の末端１３の近くの中空繊維織物１６の他の端に位置する。好ましくは、第１の管シート１８及び第２の管シート２０は、中空繊維織物１６を支持し動作中にかかる圧力に耐えるのに充分な厚さを有する長手方向の断面の円管形である。第１管シート１８及び第２管シート２０は中空繊維織物１６をその場所に保持し、接触器を１０をシェル側通路と中空部側通路に隔てる機能を有する。第１管シート１８及び第２管シートは完全な注入材料からなる。完全な注入材料はいかなる材料でもよく、好ましくは、ポリエチレンである。

プラグ１５は、第１管の末端１１を封止する機能を有する。プラグ１５はいかなる材料であってもよいが、好ましくは、ポリエチレンである。プラグ１５はどのような形状であってもよいが、好ましくは、操作中にかかる圧力に耐えられる充分な厚さを有する長手断面のシリンダー形状である。プラグ１５を中心管１２に確保するための溝を有する。あるいは、プラグ１５は中心管１２の必須の構成要素であり得、又は第１管シートの必須の構成要素であり得る。

操作中においては、図１、２、３及び４を参照すると、中空繊維織物１６は中心管１２に巻かれ、同時に、充分な量の外部注入材料、すなわち、ポリエチレンが、繊維１６を中心管２に確保し、これによって織物−管−部品を形成するように、織物１６の外側端に置かれる。次いで、この織物−管−部品はシェル２２内に置かれ、第１管シート及び第２管シートを形成しこれによってカートリッジを形成し、同時にカートリッジ２４とシェル２２を封止し、これによってカートリッジ−シェル部品２５を形成するために構成要素の注入材料が織物−管−部品の外側端に適用される。

外側注入材料は熱硬化性材料又は熱可塑性材料であり得る。熱硬化性材料は、これに限定されないが、エポキシ及びポリウレタンを含む。エポキシが好ましい。ここで使用される熱可塑性樹脂は、熱にさらされると軟らかくなり、室温まで冷却されると本来の状態に戻る高分子材料を意味する。この用語は、通常、ポリビニルクロライド、ナイロン、フルオロカーボンポリマー、ポリエチレン、ポリウレタンプレポリマー、ポリスチレン、ポリプロピレン及びセルロースアクリル樹脂のような合成樹脂に適用される。好ましくは、外部注入材料はポリエチレンである。

外部注入ステップを完成させるために異なる注入方法が適用される。好ましくは、外部注入ステップは、数珠球注入によって達成される。

数珠球注入においては、引用例として本明細書に取り込まれる米国公開特許公報２００３／０００９９４２Ａ１に記載されるように、中空繊維織物１６が中心管１２の周りに巻かれるのと同時に、中空繊維織物１６を中心管１２に確保し、これによって織物−管部品を形成するために外部注入材料の十分な量が置かれる。

構成要素の注入材料は、上述したように、熱硬化性材料又は熱可塑性材料であり得る。構成要素の注入材料は上述したように第１注入材料と同じであり得る。好ましくは、構成要素の注入材料はポリエチレンである。

構成要素注入ステップを完成するために異なる注入方法が導入される。後述するように、異なる注入材料は、これに限定されないが、遠心注入、流し型注入及び重力注入を含む。

遠心注入においては、織物−管−部品がシェル２２に挿入され、次いで、織物−管−部品の両端に遠心力がかかるように部品はその中心で回転され、構成要素の注入材料は織物−管−部品の両端近くのシェル側スペースに導入され、構成要素の注入材料が硬化するのを可能にする。

重力注入においては、構成要素の注入材料は、一度に垂直に搭載された織物−管−部品の両端に導入され、織物−管−部品の端に納まって硬化される。

金型注入においては、織物−管−部品は金型に置かれ、金型の望まれる深さまで構成要素の注入材料で満たされる。織物−管−部品は構成要素の注入材料が固くなるまで充填された金型に保持される。

末端キャップ２６及び２８は、接触器（１０）を形成するためにカートリッジ−シェル−部品に隣接される。末端キャップ２６及び２８はいかなる材料であってもよいが、好ましくは、ポリエチレンである。カートリッジ２１への末端キャップ２６及び２８の隣接は、熱溶接技術、熱溶融技術、溶媒溶着技術、超音波溶接技術及び赤外線溶接技術によって達成される。

膜接触器１０は、いくつかの孔を有することができ、好ましくは、接触器１０は３つの孔、すなわち、孔３４、孔３６及び孔３８を有する。当業者にとって自明であるように、穴の位置は、本発明のシェル側通路と中空部側通路の統合が確保される限り、変えることが出来る。

孔３４は、注入口の働きをする。通常は、孔、ノズル、フィッティングまたは流体混合物を中空繊維膜に導入することを可能とする他の開口である。

孔３６は、非透過体排気口手段であり、中空繊維膜を透過しない流体を除去するために採用される。孔３６は、通常、孔、ノズル又は他のもので、中空繊維膜接触器から非透過物の除去を可能にするものである。

孔３８は、中空繊維膜を透過する流体を除去するための透過体出口手段であるか、又は上昇した圧力下で中空繊維織物１６の中空部側に流体を導入するための手段である。孔３８は、通常、孔、ノズル、フィッティング、又は透過体を排気するか又は流体を導入するための他の開口である。

本発明は、その精神及び必須の特性から離れない限る他の型に実施できる。したがって、本発明の範囲については、明細書の記載よりも特許請求の範囲を参照すべきである。

本発明の中空繊維膜接触器の概略図である。 シェルの長さ方向の断面図である。 カートリッジの長さ方向の断面図である。 カートリッジ−シェル部品の長さ方向の断面図である。

符号の説明

１０ 中空繊維膜接触器
１２ ミシン穴を有する中心管
１４ ミシン穴
１６ 中空繊維織物
１８ 第１管シート
２０ 第２管シート
２２ シェル
２４ カートリッジ
２６ 第１末端キャップ
２８ 第２末端キャップ
３０ 第１ヘッドスペース
３２ 第２ヘッドスペース
３４ 孔
３６ 孔
３８ 孔

Claims (12)

1. カートリッジ、２つの末端と１つの開口並びに前記カートリッジを包み込むように配置されたシェル、第１末端キャップ、及び第２末端キャップを含む中空繊維膜接触器であって、
   前記シェルの両末端部の位置がそれぞれ前記カートリッジの両末端部と同じに位置しており、
   前記第１末端キャップは前記シェルの第１末端のみに溶接され、前記第２末端キャップは前記シェルの第２末端のみに溶接され、
   前記カートリッジは、さらに、第１末端及び第２末端を有しミシン穴を有する中心管、中空部を有する中空繊維膜を有し前記中心管を囲う中空繊維織物、前記織物を前記中心管の両端に固定する前記第１管シート及び第２管シート、及び前記第１管シートに位置するプラグを含み、
   前記管中空部は第１管シート部において開いており、第２管シート部において閉じており、
   前記第１末端キャップ及び前記第１管シートの間の空間によって第１ヘッドスペースを規定し、前記第１末端キャップはそれを貫通する開口を有し、ここで、前記第１末端キャップの開口は第１ヘッドスペースによって中空繊維の中空部に通じており、
   前記第２末端キャップ及び前記第２管シートの間の空間によって第２ヘッドスペースを規定し、前記第２末端キャップはそれを貫通する開口を有し、ここで、前記第２末端キャップの開口は第２ヘッドスペースによって前記中心管に通じており、
   流体は前記第２キャップ開口によって前記接触器に導入され、前記流体は前記中空繊維織物を横切って拡散し、次いで前記流体は前記シェル開口により前記接触器から流出し、前記第１キャップ及び開口部を通じて真空が導入されることを特徴とする中空繊維膜接触器。
2. 前記シェル、前記第１末端キャップ、前記第２末端キャップ、前記中心管、前記第一管シート、前記第２管シート、及び前記プラグは同じ材料からなることを特徴とする請求項１に記載の中空繊維膜接触器。
3. 前記同じ材料がポリエチレンである請求項２に記載の中空繊維膜接触器。
4. 前記シェルが直径４インチ（１０ｃｍ）以下である請求項１に記載の中空繊維膜接触器。
5. 前記シェルが直径２４インチ（６０ｃｍ）以下である請求項１に記載の中空繊維膜接触器。
6. 前記接触器がさらにバッフルを含む請求項１に記載の中空繊維膜接触器。
7. ２つの末端と１つの開口を有し、前記カートリッジを包み込むように配置されたシェルを供給する工程、
   前記カートリッジは、第１末端及び第２末端を有するミシン穴を有する中心管、それぞれ中空部を有する中空繊維膜を含み、前記中心管を囲う中空繊維織物、前記織物を前記中心管の両端に固定しこれによって織物−管−部品を形成する前記第１管シート及び第２管シート、及び前記第１管シートに位置するプラグを含み、前記管中空部は第１管シート部において開いており、第２管シート部において閉じており、前記シェルの両末端部の位置がそれぞれ前記カートリッジの両末端部と同じに位置しており、
   前記織物−管−部品を前記シェル内に置く工程、
   カートリッジ−シェル部品を形成するために構成要素の注入材料を織物−管−部品の外側端に適用し、同時にカートリッジとシェルを封止する工程、
   第１及び２末端キャップを前記シェルの前記第１及び２末端のみにそれぞれ溶接する工程、
   を含む中空繊維膜接触器の製造方法であって、
   前記第１末端キャップ及び前記第１管シートの間の空間によって第１ヘッドスペースを規定し、前記第１末端キャップはそれを貫通する開口を有し、前記第１末端キャップの開口は第１ヘッドスペースによって中空繊維の中空部に通じており、
   前記第２末端キャップ及び前記第２管シートの間の空間によって第２ヘッドスペースを規定し、前記第２末端キャップはそれを貫通する開口を有し、前記第２末端キャップの開口は第２ヘッドスペースによって前記中心管に通じており、
   流体は前記第２キャップ開口によって前記接触器に導入され、前記流体は前記中空繊維織物を横切って拡散し、次いで前記流体は前記シェル開口により前記接触器から流出し、前記第１キャップ及び開口部を通じて真空が導入されることを特徴とする中空繊維膜接触器の製造方法。
8. 前記シェル、前記第１末端キャップ、前記第２末端キャップ、前記中心管、前記第一管シート、前記第２管シート、及び前記プラグは同じ材料からなることを特徴とする請求項７に記載の中空繊維膜接触器の製造方法。
9. 前記同じ材料がポリエチレンである請求項８に記載の中空繊維膜接触器の製造方法。
10. 前記シェルが直径４インチ（１０ｃｍ）以下である請求項７に記載の中空繊維膜接触器の製造方法。
11. 前記シェルが直径２４インチ（６０ｃｍ）以下である請求項７に記載の中空繊維膜接触器の製造方法。
12. 前記接触器がさらにバッフルを含む請求項７に記載の中空繊維膜接触器の製造方法。