JP5002463B2 - 中空繊維モジュール - Google Patents

Description

本発明は、中空繊維モジュールおよびその製造方法に関する。

中空繊維膜がモジュールの主軸に垂直に配置されている中空繊維膜モジュールは公知である。このタイプの中空繊維膜モジュールはフランス特許２，２２２，１３４号明細書、欧州特許出願公開３５０，８５３号および５２１，４９５号公報、並びに、米国特許５，１６４，０８１号明細書に開示されており、これらは引用文献として本明細書に組み込まれる。これらそれぞれにおいて、中空繊維マットは注封材料の環に埋め込まれる。これらの埋め込まれたマットはハウジングに挿入されてモジュールを形成する。

これら従来のモジュールの問題点は、形成された埋め込まれたマットから分離されなければならない鋳造型の使用を必要とするためコストが高くなることである。鋳型の破壊分離工程は、労働力を要し、時間を消費する。

したがって、よりコスト安のモジュールおよびその製造方法が要求されている。

本発明の中空繊維カートリッジは、中空繊維マットの堆積を含む。この堆積は主軸と２つの末端面を有する。各マットは軸に実質的に垂直である。末端キャップは各末端面に結合されている。

あるいは、中空繊維カートリッジは、周囲部を有する中空繊維膜を含む。マットの堆積は蓄積される。各マットの周囲部は隣接するマットの周囲部とそろえられている。この堆積は主軸および２つの末端面を有する。各マットは主軸に実質的に垂直に配置されている、末端キャップは各末端面に結合されている。注封材料は堆積されたマットの周囲部の壁を規定し、末端キャップをこの堆積に結合する。

図１には、主軸Ａを有する中空繊維膜が示されている。本明細書で参照する図面において同じ番号は同じ構成要素を表す。

モジュール１０はハウジング１２およびカートリッジ１８を有している。カートリッジ１８は適切な手段によってハウジング内に保持されている。例えば、図１において、カートリッジ１８は保持クリップ３８によって保持されている。他の手段としては、図示しないが、接着剤、溶接、回転溶接、ネジ止めなどが挙げられる。これらの手段によって、カートリッジ１８はハウジング１２に永久に保持されるか、又はハウジングから取り外すことが可能とされる。これらの手段によって、ハウジング１２およびカートリッジ１８は流体密封状態にかみ合わせられる。

ハウジング１２は、キャップ型のハウジングであり、好ましくは円周ポート１４および軸ポート１６を有する。ハウジング１２はカートリッジ１８を受け入れる大きさとされる。ハウジング１２は、プラスチック又は複合材料などの材料からなる。ハウジング１２は、好ましくは鋳造部品である。好ましくは、ポート１４および１６は、システムへの結合機構、例えば、ねじ山（内側／外側）を備えている。

カートリッジ１８はハウジング１２への挿入のために採用される。カートリッジ１８は、軸ポート２８を有する離れた末端キャップ２２、軸ポート２６を有する近接した末端キャップ２４、キャップ２２と２４の間に挟まれる中空繊維マットの堆積３０、およびマットの周囲部を規定する壁３２を有し、末端キャップ２２および２４に結合されており、キャップ２２と２４の間で連続的または欠けるところはない。任意に、マットの堆積３０は１またはそれ以上の調節壁３６を含んでいてもよい。好ましくは、ポート２６は、システムへの接続のためのメカニズム、例えば、ねじ山（外側／内側）が備えられている。

組み立ての際、モジュール１０はヘッドスペース３４を有する。ヘッドスペース３４はカートリッジ１８の壁３２およびハウジング１２内部の横方向の壁によって規定される。ヘッドスペース３４は軸ポート１４およびマットの中空繊維開口端部と通じている。さらに、末端キャップ２２および２４は、ハウジング１２の内部に対して流体密封されている。図１においては、この密封はＯリングの使用によって例示されているが、密封手段はこれに限定されず、他の密封手段を使用することもできる。このような密封手段としては、接着剤、溶接、回転溶接、ねじ山などが挙げられる。

操作上、モジュール１０は、膜接触器または膜フィルター又は熱交換器として使用することができる。例えば、流体は軸ポート１６を経てモジュール１０に導入され、軸ポート２６を経て排出する（または、この逆である）。流体は、中空繊維の外側表面を移動するので、流体は除去または加えられ（膜接触器）、不要な材料は遮断され（ろ過）またはエネルギー（例えば、加熱または冷却）が加えられるかまたは除去される（熱交換）。モジュールの使用に応じて、中空繊維の特徴は変化する。

膜接触器の態様においては、除去された流体は中空繊維の壁を通過して中空に入り、ヘッドスペース３４を経て円周ポートを通じて排出される。流体の除去は、真空、部分真空および／または（もし、他のポートがハウジングに付加され、ヘッドスペース３４が分割されるとき）一掃ガスの適用によって容易化される。あるいは、流体（２酸化炭素、窒素、酸素など）が流体に導入される。加えられた流体は円周ポート１４を通じてヘッドスペー３４から中空繊維の中空に入り、中空繊維の壁から排出されて流体に導入される。

ろ過の態様においては、汚染された流体はポート２６により導入されてポート１６を経て放出される（または、この逆である）。中空繊維の壁は汚染物質を遮断する。遮断は、中空繊維の中空側の真空（または部分真空）によって容易化される。

熱交換器の態様においては、加熱または冷却は次のように達成される。第一に、第２ポートがハウジング１２に加えられ、ヘッドスペース３４が分割される。第１の流体がポート２６より導入され、ポート１６より放出される（または、この逆である）。第２の流体がポート１４により分割されたヘッドスペース３４に導入され、中空繊維の中空を通じて移動し分割されたヘッドスペースを経て第２のハウジングポートを経て放出される。

モジュール１０は次のように製造される。

図２を参照すると、キャップ形状のカートリッジハウジング４０が中空繊維マット４２によって充填されており、またキャップ４４によって閉じされている。マット４２はハウジング４０のキャビティを満たすよう方位付けられており、主軸Ａに実質的に垂直になるように堆積されている。ハウジング４０およびキャップ４４はどのような材料であってもよい。材料としては、ポリオレフィン、塩化ポリビニル、ＡＢＳ、Ｎｏｒｙｌ（登録商標）、ＰＶＤＦ，ＰＦＡまたは他のフッ化プラスチック、繊維強化プラスチック、ポリスルホン、ポリカーボネート、ポリアミド、金属などが挙げられる。

中空繊維は、中空および前記中空を囲む壁を有している。中空繊維は中空でない壁、多孔質の壁または微細孔質の壁である（例えば、対称性の孔、非対称性の孔、スキン付の膜など）。これら中空繊維はどのような材料であってもよい。材料としては、ポリオレフィン（例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブテン、ポリメチルペンテン）、ポリスルホン（例えば、ポリスルホン、ポリエーテルスルフォン、ポリアリールスルフォン）、セルロースおよびその誘導体、ＰＶＤＦ、ポリフェニルオキサイド（ＰＰＯ）、ＰＦＡＡ、ＰＴＦＥ、他のフッ化ポリマー、ポリアミド、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリイミド、イオン交換膜（例えば、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標））などが挙げられる。

中空繊維マットは、通常、複数の共に結合した中空繊維を含む平板構造に織られ、編まれまたは他の方法で共に結合される。前記マットの中空繊維は同様の材料および性質有するか、または多様な材料および／または性質を有することができる。これらのマットは大きな編み物から望まれる大きさおよび形に切断される。それぞれのマットは円周端を有する。後の工程で注封材料が中空に流入しないように、切断時において繊維の末端は閉じられる（すなわち、締め付けられる）ことが好ましい。切断は、ダイス切断、超音波切断、ナイフ切断（例えば、加熱）などによって達成することができる。

マットがカートリッジハウジング４０のキャビティに堆積されるとき、マットの円周端部はそろえられる。

キャップ４４はカートリッジハウジング４０の開口端にかぶせられる。キャップ４４はハウジング４０に結合される。この結合は、いかなる手段でも、例えば、接着剤、溶接またはねじ接合によって達成されることができる。キャップ４４はハウジング４０に接触面に沿って結合されることが重要である。ハウジング４０およびキャップ４４は、次の製造工程の間にマットの堆積を保持する。

ハウジング４０およびキャップ４４は、この構造を主軸Ａを中心に回転することができる装置に主軸ポート２６から装着される。回転の間、流体注封材料はキャップ４４の円錐の開口端に導入される。注封材料は、遠心力によって、ハウジング４０の内壁に移動し、これによって壁プリフォームを形成する。回転は、注封材料がこれ以上動かないかまたは実質的に動かない点まで、固まるに要する十分な時間を経て止まる（すなわち、壁プリフォームの形を保持するかまたは実質的に保持する）。

注封材料はどのような材料でもよく、例えば、熱硬化性または熱可塑性樹脂である。これら材料は、次の例示的な条件によって選択される。すなわち、中空繊維、カートリッジハウジング４０およびキャップ４２に対する結合強度、機械的強度および化学的耐性である。例示の注封材料としては、エポキシおよびポリオレフィンが挙げられるが、これに限定されるものではない。

次の回転工程は、次にさらに例示されるが、これに限定されるものではない。カートリッジは水平に回転される。回転速度は３００〜４０００ｒｐｍ（例えば、注封粘度に依存する）。もし、キュアが周囲の温度で行われるならば、回転は実質的に流動が生じないまで、最長２４時間続く。しかし、もしキュアがより高い温度で行われるならば、キュア時間は短縮され、例えば、５０℃では回転時間は２時間まで短縮され、６５℃では０．５ないし０．７５時間に短縮される。最終のキュアに至り、回転装置の時間を短縮するために、実質的にキュアされたカートリッジが加熱装置に取り付けられる。加熱されたロール装置は好ましくは、「ホットドック」クッカーである（すなわち、加熱されたローラー上のカートリッジをゆっくりと回転させる装置）。この装置の温度はできるだけ高くすべきであるが、中空繊維またはカートリッジを損傷するほど高くすべきでない。

注封材料がセットされた後、過剰な材料は除去される。図３を参照すると、ポストマシンのカートリッジが図示されている。ハウジング４０の一部は、ここでは近接した末端キャップであり、キャップ４２の一部は、ここでは離れた末端キャップ２２であり、壁３２は末端キャップ２２および２４を結合することに留意されたい。さらに、壁プリフォーム４６は切断されて壁３２を形成し、これによって中空繊維の末端はヘッドスペース３４に通じている。壁プリフォーム４６を切断するときは、中空繊維が閉じないように注意すべきである。旋盤が使用されるとき切断刃はカートリッジの中心ラインに位置するのではなく中心ラインより高いか低いところに位置するのがよい。

カートリッジ１８が最終形状に機械加工された後、ハウジングプリフォーム４６に挿入される。図１を参照すると、カートリッジ１８はハウジング１２内におかれることが示されている。末端キャップ２２および２４は、ハウジング１２の内壁に対して流体密封的にかみ合わされている。この流体密封的かみ合わせはいかなる手段であってもよい。例えば、このかみ合わせは、Ｏ−リング、接着剤、溶接、回転溶接、超音波溶接、ねじ山などによって達成される。

本発明は、本発明の精神および本質的な帰結から離れない限り、他の形で実施することができ、したがって、本発明の範囲については、明細書ではなく特許請求の範囲を参照すべきである。

組み立てられた中空繊維モジュールを図示する。 カップ壁を除去する前の中空繊維モジュールを図示する。 カップ壁を除去した後の中空繊維モジュールを図示する。

符号の説明

１２ ハウジング
１４ 円周ポート
１６ 軸ポート
１８ カートリッジ
２２ 末端キャップ
２４ 末端キャップ
２６ ポート
２８ 軸ポート
３２ 壁
３４ ヘッドスペース
３９ 堆積
４０ ハウジング
４２ 中空繊維マット
４４ キャップ
Ａ 主軸

Claims (20)

1. 中空繊維カートリッジであって、
   中空繊維マットの堆積であって、各マットは、円周末端部を有し、前記堆積は主軸および２つの末端面を有し、各前記マットは前記主軸に対して実質的垂直に配置されている中空繊維マットの堆積、
   １つの前記末端面に結合される少なくとも１つの末端キャップ、および
   前記マットの前記円周末端部において壁を規定し、前記末端キャップを前記堆積に結合させる注封材料、
   を含むことを特徴とする中空繊維カートリッジ。
2. さらに、各末端面に結合されている末端キャップを含む請求項１に記載の中空繊維カートリッジ。
3. 注封材料の壁が前記中空繊維マットを前記末端キャップに結合する請求項１に記載の中空繊維カートリッジ。
4. 前記注封材料は熱硬化性材料または熱可塑性材料である請求項１に記載の中空繊維カートリッジ。
5. 前記マットの前記中空繊維は中空でない壁、多孔質の壁または微細孔質の壁を有する請求項１に記載の中空繊維カートリッジ。
6. 請求項１に記載のカートリッジを有するハウジングを含む中空繊維モジュール。
7. 円周末端部を有する中空繊維マット、
   前記マットの堆積であって、各前記マットの前記円周末端部は前記隣接するマットの前記端部とそろって配置されており、前記堆積は主軸と２つの末端面を有し、各前記マットは前記主軸に実質的に垂直に配列されている前記マットの堆積、
   １つの前記末端面に結合されている少なくとも１つの末端キャップ、および
   前記マットの前記円周末端部において壁を規定し、前記末端キャップを前記堆積に結合する注封材料を含む中空繊維カートリッジ。
8. 各末端面に結合されている末端キャップをさらに含む請求項７に記載の中空繊維カートリッジ。
9. 中空繊維の前記堆積はさらに調節壁を有する請求項７に記載の中空繊維カートリッジ。
10. 請求項７に記載のカートリッジを有するハウジングを含む中空繊維モジュール。
11. 前記カートリッジと前記ハウジングの間のヘッドスペースをさらに含み、前記ヘッドスペースは分割されている請求項１０に記載の中空繊維モジュール。
12. 中空繊維カートリッジの製造方法であって、
    主軸を有するカートリッジハウジングを中空繊維マットの堆積で充填する工程であって、前記マットは実質的に前記主軸に垂直であり、各マットは円周末端部を有する工程、
    前記ハウジングをキャップで閉じる工程、
    前記堆積されたマットの円周端部を注封し、前記ハウジングの内壁表面に沿って壁を形成することによって前記ハウジングを前記キャップに結合する工程、および
    前記ハウジングの壁プリフォームを除去し、前記中空繊維の中空を露出する工程を含む中空繊維カートリッジの製造方法。
13. 請求項１２に記載の中空繊維カートリッジをハウジングに挿入する工程を含む中空繊維モジュールの製造方法。
14. 前記中空繊維は中空でない壁、多孔質の壁または微細孔質の壁を有する請求項１２に記載の製造方法。
15. 前記キャップは円錐台の形状を有する請求項１２に記載の製造方法。
16. 前記注封材料は熱可塑性材料または熱硬化性材料である請求項１２に記載の製造方法。
17. 前記注封材料をキュアする工程をさらに含む請求項１２に記載の製造方法。
18. 前記キュアは前記カートリッジを加熱する工程をさらに含む請求項１７に記載の製造方法。
19. 前記キュアは前記カートリッジをホットドッククッカー上で加熱する工程を含む請求項１７に記載の製造方法。
20. 前記カートリッジは前記ハウジング内に密封されている請求項１３に記載の製造方法。

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