JP5702539B2

JP5702539B2 - 中空糸膜モジュール

Info

Publication number: JP5702539B2
Application number: JP2010024496A
Authority: JP
Inventors: 孝成西田
Original assignee: Nikkiso Co Ltd
Current assignee: Nikkiso Co Ltd
Priority date: 2010-02-05
Filing date: 2010-02-05
Publication date: 2015-04-15
Anticipated expiration: 2030-02-05
Also published as: JP2011161331A

Description

本発明は、血液透析や水処理に使用され、透析膜である中空糸膜の束を筒状のハウジングに収容してモジュール化、すなわち独立した交換部品として構成した中空糸膜モジュールに関する。

血液透析においては、血液中の老廃物や余分な水分を透析膜を通して透析液中に排出するとともに、透析液中の電解質等を透析膜を通して血液中に送っている。一度血液透析に使用された透析膜は衛生上の理由から再度使用することは禁止されていることから、透析膜は頻繁に交換される。ここで、透析患者が何らかの疾患に罹患している場合、使用後の透析膜には疾患の原因物質が付着している可能性があるため、透析膜の交換を行う作業者が使用後の透析膜と接触することは避けなければならない。そこで、透析膜の交換を簡易、安全に行うために、従来から透析膜をハウジングと呼ばれる容器内に収容してモジュール化、すなわち独立した交換部品とした透析膜モジュールが使用されている。透析膜を交換する際はこの透析膜モジュールごと交換するので作業者が使用後の透析膜に触れることは避けられる。

透析膜モジュールにはシート状の透析膜を積層し、各層の間に血液と透析液とを交互に流す積層式モジュールと、ストロー状の透析膜である中空糸膜の内部に血液を流し、中空糸膜の外側に透析液を流す中空糸膜モジュールとが知られている。このうち、中空糸膜モジュールは積層式モジュールに比べて透析効率が高いことが知られており、近年急速に普及している。

さらに、中空糸膜モジュールは上述した血液透析以外に、飲料用水や工業用水を精製する精製フィルタとしても使用されている。

中空糸膜モジュールは、両端が開口した筒状の形状を備えたハウジングと、ハウジング内に収容される中空糸膜束と、ハウジング両端部の外周面に固定され、通液口が設けられた通液キャップとを備えている。また、血液透析を行うタイプの場合、透析液の供給口と排出口を備えており、これらはハウジングの筒壁または通液キャップに設けられている。また水処理を行うタイプの場合も同様に、濃縮水の排出口が（場合によっては原水供給口も）ハウジングの筒壁に設けられているものや、これら濃縮水排出口や原水供給口が通液キャップに設けられているものがある。

ハウジング内には、ハウジングに収容された中空糸膜束の端部を固定するとともにハウジングから透析液や濃縮水が漏出しないようにハウジングを封止する、ポッティング（Ｐｏｔｔｉｎｇ）材と呼ばれる封止部材が設けられている。この封止部材はポリウレタン、フェノール樹脂、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂からなり、中空糸膜の端部間の隙間を充填するとともに、ハウジング両端部の内周面に固着している。

中空糸膜モジュールは、以下の工程を経て製造される。
（１）ハウジングに中空糸膜束を収容する。
（２）ハウジング両端部の外周面に封止キャップを固定する。ここで封止キャップとは通液キャップとは異なる部材であり、通液口のような穴は開けられていない。封止キャップを固定することによりハウジングの両端部が封止される。
（３）ハウジングの透析液供給口および排出口（または、原水供給口および濃縮水排出口）から粘性液状の封止部材を注入する。注入後、ハウジングの軸方向中心であって、軸方向とは垂直な回転軸周りにハウジングを回転させ、遠心力により封止部材をハウジング両端部に寄せる。このときに中空糸膜端部の隙間に封止部材が充填される。
（４）封止部材を加熱することにより封止部材を硬化させる。これにより中空糸膜束が封止部材に固定されるとともに、ハウジング両端部の内周面に封止部材が固着される。
（５）封止キャップを外し、通液キャップをハウジング両端部の外周面に固定する。
（６）組み上がった中空糸膜モジュールに対して殺菌処理を行う。

ここで、上記（６）の殺菌処理として、従来から加熱殺菌が行われている。また、中空糸膜モジュールが水処理に使用される場合には、上記殺菌処理に加えて水処理の合間に定期的に熱水等による加熱殺菌を行っている。例えば特許文献１では熱水等の加熱流体を通液キャップの通液口からハウジング内に供給することにより加熱殺菌を行っている。

特開平９−２２０４４５号公報

上述した加熱殺菌処理において、ハウジング内に加熱流体が供給されることにより封止部材が熱膨張する。他方、封止部材はハウジング内周面に固着しているから、封止部材の膨張はハウジングにより拘束される。その結果、封止部材に応力（熱応力）が発生し、封止部材がハウジング内周面を押圧する。封止部材に押圧されたハウジングは外周側に撓もうとする。ここで、ハウジング両端部の外周面は通液キャップが固定されていることから、ハウジング両端部は外周側への撓みが拘束される。この結果ハウジング両端部の筒壁には圧縮荷重がかかり、この圧縮荷重が筒壁の荷重限界を超えると、筒壁にクラックと呼ばれるひび割れが発生するおそれがある。

他方、通液キャップ側から見ると、ハウジングが外周側に撓もうとしているから、通液キャップには引っ張り荷重がかかる。ハウジングの荷重限界よりも通液キャップの荷重限界の方が小さい場合には、通液キャップにクラックが生じることになる。

そこで本発明は、ハウジング両端部にかかる荷重を吸収する機構を備えた中空糸膜モジュールを提供することを目的とする。

請求項１に係る発明は、端部が開口した筒形状のハウジングと、前記ハウジングに収容された中空糸膜束と、中空糸膜の端部間の隙間を充填することにより前記中空糸膜束の端部を固定するとともに、前記ハウジング両端部に固着された封止部材と、前記ハウジング両端部に固定され、通液口が設けられた通液キャップと、を備えた、中空糸膜モジュールであって、前記ハウジング両端部は、内筒と外筒の二重筒構造を有し、前記封止部材は前記内筒に固着され、前記通液キャップは前記外筒の外周面に固定されており、前記封止部材の熱膨張による応力が、前記内筒と前記外筒の間に形成された隙間によって吸収されることを特徴とする。

また、請求項２に係る発明は、請求項１記載の中空糸膜モジュールであって、前記封止部材は、前記内筒の内周面に固着されていることを特徴とする。

また、請求項３に係る発明は、請求項１記載の中空糸膜モジュールであって、前記封止部材は、前記内筒の端部が前記封止部材に埋没するように固着され、前記封止部材の外周面と前記外筒の内周面との間の隙間によって前記応力が吸収されることを特徴とする。

また、請求項４に係る発明は、請求項１から３のいずれか一つに記載の中空糸膜モジュールであって、前記隙間は、前記ハウジングの端面から前記通液キャップにより外周が固定された領域深さまで形成されていることを特徴とする。

請求項１に係る発明によれば、従来ハウジング両端部を内筒と外筒の二重筒構造に形成し、内筒が封止部材からの応力を受けるように構成している。内筒と外筒との間には隙間が形成されており、内筒が封止部材から応力を受けたときには内筒が外周側に撓んで応力を吸収する。応力を吸収する機構を備えることにより、ハウジング両端部または通液キャップにおけるクラックの発生を防ぐことができる。

本実施形態に係る中空糸膜モジュールの断面図である。本実施形態に係る中空糸膜モジュールの一部を拡大した図である。中空糸膜モジュールの構成部材である、ハウジングの斜視図である。中空糸膜モジュールの構成部材である、ハウジングの斜視図である。中空糸膜モジュールが加熱されたときの中空糸膜モジュールの一部を拡大した図である。別の実施形態に係る中空糸膜モジュールの断面図である。別の実施形態に係る中空糸膜モジュールの断面図である。別の実施形態に係る中空糸膜モジュールの断面図である。

まず、本実施形態に係る中空糸膜モジュールの構成について説明する。図1には本実施形態に係る中空糸膜モジュール１の断面図が示されている。

中空糸膜モジュール１は、筒型の形状からなり、両端部が開口したハウジング２を備えている。ハウジング２は、ポリサルフォン、ポリカーボネート等の樹脂材料から構成されている。また、ハウジング２の両端にはハウジング両端部を封止する通液キャップ３、４が設けられている。中空糸膜モジュール１が血液透析に使用される場合には、通液キャップ３の通液口５は血液透析器（図示せず）の動脈側回路に接続され、また通液キャップ４の通液口６は血液透析器の静脈側回路に接続されている。また、ハウジング２の筒壁７には透析液供給口８および透析液排出口９が設けられている。また、中空糸膜モジュール１が水処理に使用される場合には、通液キャップ３の通液口５は原水供給管に接続され、また通液キャップ４の通液口６は浄水供給管に接続される。さらに、ハウジング２の筒壁７には濃縮水排出口が設けられる。

さらにハウジング２内には中空糸膜束１０が収容され、ハウジング２の両端部の内周面には、中空糸膜束１０を固定するとともにハウジング２を封止する封止部材１１が固着されている。また、通液キャップ３、４と封止部材１１との間には、弾性体からなるＯリング１２が狭持されている。

封止部材１１はポッティング（Ｐｏｔｔｉｎｇ）材とも呼ばれ、ポリウレタン、フェノール樹脂、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂から構成される。封止部材１１は中空糸膜の隙間を充填することにより中空糸膜束１０を固定するとともに、ハウジング２の両端部の内周面に固着されている。また、封止部材１１の線膨張係数は１０〜２０［Ｋ^-1］であり、加熱されることにより体積が膨張する。なお、封止部材１１の線膨張係数はハウジング２の線膨張係数よりも高い値であり、体積膨張の割合は封止部材１１の方が大きい。

図２に中空糸膜モジュール１の端部の拡大図を示す。ハウジング２の両端部の筒壁７は内筒１６および外筒１８からなる二重筒構造を備えている。さらに内筒１６と外筒１８との間には隙間１３が形成されている。この隙間１３は、ハウジング２の両端部の端面１４からハウジング２の軸方向に沿って切り込まれており、その深さは少なくともハウジング２の外周が通液キャップ３、４により固定されている領域深さＬまで達している。例えば通液キャップ３、４とハウジング２にねじ溝を設けて両者を螺合することにより固定する場合には、隙間１３の深さはハウジング２の外周面に設けられたねじ溝領域１５の幅とほぼ等しくなる。また、通液キャップ３、４とハウジング２とを超音波溶着により固定する場合には、隙間１３の深さはハウジング２の外周面に設けられた溶着面の幅とほぼ等しくなる。具体的には、隙間１３の領域深さＬは５−５０ｍｍであり、幅Ｔは１−１０ｍｍとなるように形成されている。

内筒１６の内周面には封止部材１１が固着されており、封止部材１１に熱応力が生じた時には内筒１６が外周側に押圧される。このとき、内筒１６は隙間１３の幅Ｔだけ外周側に撓むことができる。内筒１６が外周側に撓むことによって封止部材１１の熱応力が吸収される。熱応力が吸収されることからハウジング２の両端部は圧縮荷重を受けずに済む。その結果、圧縮荷重に起因するクラックの発生を防ぐことができる。さらに熱応力が吸収されることからハウジング２の両端部は通液キャップ３、４を外周側に押圧することがなくなる。したがって通液キャップ３、４に引っ張り荷重がかからなくなるので、通液キャップ３、４におけるクラックの発生も防ぐことができる。

なお、内筒１６の厚さは、外周側に撓んだ際に折れることのない様に十分な厚さを有している。好適には、内筒１６の厚さが１−５ｍｍとなるように構成することが望ましい。

隙間１３は、図３に示すように、ハウジング２の筒壁７の全周にわたって形成されていても良いし、図４に示すように、筒壁７に断続的に形成されていても良い。後者の場合においては、隣り合う隙間１３の間隔１７は、封止部材１１の熱応力によりハウジング２が割れることのない様に十分に短く構成されている。具体的には隣り合う隙間１３の間隔１７は１〜５ｍｍとなるように構成されている。

以上、本実施形態に係る中空糸膜モジュール１の構成について説明した。次に、中空糸膜モジュール１が加熱される工程について説明する。

ハウジング２、中空糸膜束１０など、上述した構成部材から中空糸膜モジュール１を組み立てた後、中空糸膜モジュール１は加熱殺菌される。また、中空糸膜モジュール１が水処理に使用される場合には水処理の合間にも定期的に加熱殺菌が行われる。具体的には通液キャップ３の通液口５から、８０〜９０℃の熱水や加熱されたクエン酸溶液などの高温の殺菌液が供給される。通液キャップ３から導入された高温液体は中空糸膜束１０の内部に流入し、高温液体の一部は通液キャップ４まで到達して通液口６から排出される。また他の一部は中空糸膜から濾過されて中空糸膜外に浸み出し、ハウジング２内を満たす。ハウジング２内に浸み出した高温液体はハウジング２の透析液供給口８または透析液排出口９から（水処理用に中空糸膜モジュールを使用する場合には、濃縮水排出口から）排出される。

また、高温の殺菌液を供給する代わりに、高圧蒸気滅菌を行う場合もある。さらに、中空糸膜モジュール１が加熱されるのは殺菌工程に限られず、水処理等において処理対象となる水が熱水である場合には水処理中に中空糸膜モジュール１が加熱されることになる。このような加熱状態において、高温流体により封止部材１１が加熱されて膨張し、これに伴って封止部材１１に熱応力が発生する。このときハウジング２の両端部においては内筒１６が封止部材１１により外周方向に押圧される。この押圧を受けて図５に示すように内筒１６は外周側に撓む。内筒１６が撓むことにより封止部材１１の熱応力が吸収される。熱応力が吸収されることから、ハウジング２の両端部は圧縮荷重を受けずに済む。また、熱応力が吸収されることによって、ハウジング２の両端部は通液キャップ３、４を外周へ押圧することがなくなるので、通液キャップ３、４は引っ張り荷重を受けずに済む。したがって、圧縮荷重や引っ張り荷重に起因するクラックの発生を防ぐことができる。また、上述したように、隙間１３の深さは少なくとも、ハウジング２の両端部の端面１４から、通液キャップ３、４により外周が固定されている領域深さまで達しており、従来のハウジング２の両端部において圧縮荷重がかかるおそれのある全領域にわたって隙間１３が形成されている。したがって、クラックの発生をハウジング２の両端部の全ての領域にわたって防ぐことができる。

以上、本実施形態に係る中空糸膜モジュールについて説明した。なお、隙間１３の形状は図１−５に示した形態に限られない。例えば隙間１３をハウジング２の軸方向に対して平行に設けずに、ハウジング２の軸方向に対して所定角度傾斜するように隙間１３を設けても良い。また、隙間１３の断面形状を略Ｖ字にして深さ方向に対して幅Ｔを減少させるようにしても良い。

さらに、図６に示すように、内筒１６の高さを外筒１８よりも低くするとともに、内筒１６の端部を封止部材１１に埋没させるように、言い換えると、内筒１６の内側面、上端面、外側面にわたって封止部材１１を固着させても良い。これにより封止部材１１と内筒１６との固着面積が増加するから、封止部材１１の内筒１６からの剥離を確実に防止することができる。なお、この構成において、封止部材１１の外周面と外筒１８の内側面との間には隙間１９が設けられている。封止部材１１が加熱され膨張したときにはこの隙間１９の幅だけ内筒１６が外周方向に撓むので、封止部材１１の熱応力によりハウジング２の両端部にクラックが生じることは避けられる。

封止部材１１の外周面と外筒１８との間の隙間１９を形成するには、隙間１９の幅を持つ円環形状の冶具を予め外筒１８に装着させておき、その後に封止部材１１をハウジング２の内周面に固着させるようにすればよい。封止部材１１は粘性液体の状態でハウジング２内に導入され、中空糸膜の隙間を充填した後に加熱され硬化される。上述した円環形状の冶具を外筒１８に装着させた後に粘性液状の封止部材１１をハウジング２内に導入し、さらに封止部材１１を硬化させた後に当該冶具をハウジング２から抜き取ることで封止部材１１の最外周面と外筒１８との間には隙間１９が形成される。

なお、本発明は上述した実施形態に限られず、種々の中空糸膜モジュールにも適用可能である。例えば図７に示すように、ハウジング２に供給口や排出口を設ける代わりに、通液キャップ３、４に供給口および排出口を設けた中空糸膜モジュールに対しても本発明は適用可能である。図７に示す中空糸膜モジュール１は、通液キャップ３、４の中心部分に供給口または排出口となる第１のポート２０が形成され、通液キャップ３、４の周縁部分に排出口または供給口となる第２のポート２１が形成されている。さらに内筒１６の筒壁には貫通孔２２が設けられており、第２のポートを排出口として使用する場合には、図８の矢印に示すように、流体はハウジング２→内筒１６の貫通孔２２→内筒１６と外筒１８との隙間→第２のポート２１の経路を通って排出される。封止部材１１は、この経路を塞がないように外筒１８とは間隔を空けて内筒１６に固着される。さらに内筒１６に封止部材１１を固着させる際には、内筒１６の軸方向について全長にわたって固着させるのではなく、内筒の貫通孔２２よりもハウジング２の端部側の領域に固着させるようにする。このように封止部材１１を固着させるために、上述した円環状の冶具の内周側に貫通孔２２に適合する突起を設けることが好適である。当該突起で予め貫通孔２２を塞いだ後に封止部材１１を内筒１６に固着させれば貫通孔２２が封止部材１１に塞がれることを防ぐことができる。

１中空糸膜モジュール、２ハウジング、３動脈側通液キャップ、４静脈側通液キャップ、５動脈側通液口、６、静脈側通液口、７筒壁、８透析液供給口、９透析液排出口、１０中空糸膜束、１１封止部材、１２Ｏリング、１３隙間、１４ハウジング端面、１５ねじ溝領域、１６内筒、１８外筒、１９封止部材１１の最外周面と外筒との隙間、２０第１のポート、２１第２のポート、２２貫通孔。

Claims

端部が開口した筒形状のハウジングと、
前記ハウジングに収容された中空糸膜束と、
中空糸膜の端部間の隙間を充填することにより前記中空糸膜束の端部を固定するとともに、前記ハウジング両端部に固着された封止部材と、
前記ハウジング両端部に固定され、通液口が設けられた通液キャップと、
を備えた、中空糸膜モジュールであって、
前記ハウジング両端部は、単体の筒壁の一部として内筒と外筒の二重筒構造を有し、前記封止部材は前記内筒に固着され、前記通液キャップは前記外筒の外周面に固定されており、前記封止部材の熱膨張による応力が、前記内筒と前記外筒の間に形成された隙間が狭められることによって吸収され、
前記隙間よりも内周側に配置されるとともに前記通液キャップと前記封止部材に狭持されるＯリングを備えることを特徴とする、中空糸膜モジュール。
請求項１記載の中空糸膜モジュールであって、
前記封止部材は、前記内筒の内周面に固着されていることを特徴とする、中空糸膜モジ
ュール。
請求項１記載の中空糸膜モジュールであって、
前記封止部材は、前記内筒の端部が前記封止部材に埋没するように固着され、前記封止
部材の外周面と前記外筒の内周面との間の隙間によって前記応力が吸収されることを特徴
とする、中空糸膜モジュール。
請求項１から３のいずれか一つに記載の中空糸膜モジュールであって、
前記隙間は、前記ハウジングの端面から前記通液キャップにより外周が固定された領域
深さまで形成されていることを特徴とする、中空糸膜モジュール。