JP6242456B2 - 中空糸膜モジュール - Google Patents

Description

本発明は、半導体製造、食品工業、医薬品工業、水処理などの分野において、例えば薬液、純水などの流体用途で用いられる中空糸膜モジュールに関する。

半導体製造分野等において、薬液、純水用途で使用される中空糸膜モジュールは、耐薬品性が高く、金属、有機物溶出の少ない原料を選定して設けられている必要がある。このような耐薬品性が高い原料としては、オレフィン系樹脂（ポリプロピレン、ポリエチレン等）およびフッソ系樹脂（ＰＴＦＥ：ポリテトラフルオロエチレン、ＰＦＡ：ペルフルオロアルコキシフッ素樹脂等）がある。
この種の中空糸膜モジュールは、例えば図５に示した態様に設けられる。図５の中空糸膜モジュールは、中空糸膜１がポリプロピレン、ポリエチレン、ポリアミドなどの材料からなり、この中空糸膜１が複数束ねられた状態で低密度ポリエチレン（以下、ＬＤＰＥ）樹脂、又は高密度ポリエチレン（以下、ＨＤＰＥ）樹脂からなるポッティング部２により筒体３内に端部溶着されている。筒体３は、ＬＤＰＥ又はＨＤＰＥ成形品からなり、この筒体３とＨＤＰＥにより成形される蓋体４とを熱溶着させることにより、気密性を有する中空糸膜モジュールが構成される。蓋体４には継手５が一体に設けられ、この継手５を介して外部の管路に接続される。このような中空糸膜モジュールは、容易に交換できるディスポーザブルタイプとして多くの分野で用いられている。

一方、特許文献１においては、外殻及び末端キャップを有するハウジングが、ポリエチレンよりも強度の高いポリプロピレンで設けられている。ポリエチレンからなるポッティング部にはポリプロピレン製シールリングが装着され、このシールリングが外殻、末端キャップに溶着されてハウジングとして一体化されている。

また、特許文献２においては、ハウジングの内周面にクサビ状突起を設け、その突起に中空糸膜の端部をポッティング剤で集束固定することによりアンカー効果を発揮させ、ハウジングとポッティング部の剥離を防止した中空糸膜モジュールが開示されている。

特許第４４８０１９７号公報 特開平８−２２９３５９号公報

図５の中空糸膜モジュールの蓋体４を構成しているＨＤＰＥは、ストレス耐性が低いため、この蓋体４の継手５に外部への接続用のナットが長期間にわたって締め付けられていると、この締め付けによる応力で継手５にクラックが発生して薬液などの流体が漏洩するおそれがある。さらに、この中空糸膜モジュールにダイヤフラムポンプ、ベローズポンプが接続されている場合には、ダイヤフラム、ベローズの開閉により脈動を生じているため、中空糸膜モジュールを長期間使用したときにこれらの脈動によるストレスで、特に蓋体４と筒体３との溶着部位付近にクラックが発生しやすくなる。このクラックにより漏洩が生じることがあり、この場合、中空糸膜モジュールが用いられている設備全体の稼働停止や環境汚染にもつながることもある。そのため、図５の中空糸膜モジュールを長期間接続される場所に設置することは、好ましいことではない。

特許文献１においては、ポリプロピレン製のハウジングにより強度を高めつつ、シールリングを用いてこのハウジングへのポッティング部の固着性を高めようとしている。しかし、シールリング及びハウジングがポリプロピレン、ポッティング部がポリエチレンで形成されているため、ポッティング部とハウジングとの相溶性が悪くなり、中空糸膜モジュールとしての一体性が悪い。

特許文献２に開示された中空糸膜モジュールは、ハウジングとポッティング部とを固定する方法であって、相溶性のない材料同士を溶着して一体化するものではない。

本発明は、上記の課題点を解決するために開発に至ったものであり、その目的とするところは、キャップの継手部付近の強度を向上して長期間締め付けられている場合でもクラックの発生を防止して流体の漏洩を防ぎつつ、ボデー、キャップ、中空糸膜の一体性を向上できる中空糸膜モジュールを提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１に係る発明は、ポッティングにより端部溶着された中空糸膜が収納されたボデーの開口側を継手部を有するキャップで嵌合状態で被蓋した中空糸膜モジュールであって、キャップの内周端部側とボデーの開口外周側との間を溶着するための溶着部と、ボデーとポッティング部との三者の材料は、相溶性のある溶着可能な材料であり、キャップの材料は、ボデーの材料よりも高強度の材料であると共に、相溶性のないキャップと溶着部同士を熱溶着で接合する際に、溶着部のうち、キャップの内周端部側に凹部又は突起が設けられ、この凹部又は突起によるキャップとのアンカー効果により溶着部とキャップとを一体接合し、溶着部とボデーとポッティングとの相溶性のある三者を溶着して一体化した状態で構成された中空膜モジュールである。

請求項２に係る発明は、キャップの内周端部側のみに環状に形成した前記溶着部を一体に設けた中空糸膜モジュールである。

請求項１に係る発明によると、キャップの少なくとも継手部側をボデーよりも高強度の材料で形成することでこの継手部付近のストレス耐性を向上し、継手部を長期間締め付けた状態でもクラックの発生を防止して薬液などの流体の漏洩を防ぐことができる。キャップのボデー取付側にこのボデーに溶着可能な材料で形成した溶着部を介してボデーとキャップとを一体化していることで、ポッティング材と相溶性のよい材料でボデー取付側に溶着部を形成し、この溶着部を介してボデー、キャップ、中空糸膜の一体性を高めつつ全体を組み込むことができる。ダイヤフラムポンプ、ベローズバルブなどの繰り返し脈動が印加されるポンプが接続されている場合でも、十分な耐久性を発揮できる強度を確保できる。

また、溶着部のキャップ側の少なくとも一ヶ所に凹部又は突起を設けることにより、この凹部又は突起によりアンカー効果が発揮され、溶着部とキャップとの一体性をより向上させることができる。しかも、キャップの継手部の耐久性を向上し、割れや破損を防いで配管への長期間の接続が可能となる。これらの材料により全体の一体性を高めることができる。

さらに、キャップと溶着部とを同じ材質で形成した一層形成のキャップとボデーとを直接溶着することもできる。

請求項２に係る発明によると、キャップの内周端部側のみに環状に形成した溶着部を一体に設けることで、このキャップの内側部分である溶着部が外側部分であるキャップから剥がれにくくなり、これらの一体性を向上できる。

本発明の中空糸膜モジュールの第１実施形態を示す断面図である。 樹脂の組み合わせと引張強度との関係を示すグラフである。 本発明の中空糸膜モジュールの第２実施形態を示す断面図である。 図３のキャップ側を示す断面図である。 従来の中空糸膜モジュールを示す一部切欠き正面図である。

本発明における中空糸膜モジュールの実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１においては、本発明の中空糸膜モジュールの第１実施形態を示している。中空糸膜モジュールは、主に薬液などの流体用途であり、全体が一体化されたディスポーザブルタイプからなり、外部配管から取外しして全体を交換可能に設けられている。中空糸膜モジュールは、ボデー１０とキャップ１１とを有し、ボデー１０内には、ポリオレフィン、例えばポリプロピレンからなる中空糸膜１２が備えられ、これらが組み合わされて一体化される。

中空糸膜１２は、複数まとめられた状態で、例えばポリエチレンからなる集束部１３でポッティングによって端部溶着され、中空糸膜束１４の状態でボデー１０の内周側に一体に収納されている。

ボデー１０は、例えば、低密度ポリエチレン（以下、ＬＤＰＥ）を材料として略筒状に形成される。このボデー１０は、少なくともキャップ１１が装着される部位である開口側外周端面部１５がＬＤＰＥであればよく、この外周端面部１５をボデー１０と別体に設けることもできる。ＬＤＰＥは、他のポリエチレンと比較して軟らかい性質であることから軟質ポリエチレンとも呼ばれ、一般に密度０．９１０以上０．９３０未満のポリエチレンからなっている。ボデー１０は、高密度ポリエチレン（以下、ＨＤＰＥ）により形成されていてもよい。

キャップ１１は、ボデー１０の開口側を被蓋する形状からなり、例えば、ポリプロピレン（以下、ＰＰ）を材料として形成される。キャップ１１には継手部１６が一体に形成され、この継手部１６を介して中空糸膜モジュールが図示しない外部配管に接続可能になっている。継手部１６並びにキャップ１１を構成するＰＰは、ポリエチレンよりも強度が高いため、継手部１１はボデー１０よりもストレス耐性が強くなっている。このように、キャップ１１において、少なくとも継手部１６側がボデー１０よりも高強度の材料のＰＰにより形成される。

ここで、キャップ１１についてさらに詳しく説明する。継手部１６を構成する材料がＨＤＰＥであると、このＨＤＰＥは、比較的ストレス耐性が低い。そのため、このＨＤＰＥよりもストレス耐性が高く、耐薬品性の強い材料を選定する必要があり、この理由からキャップ原料としてオレフィン樹脂の中でＨＤＰＥよりもストレス耐性の高いＰＰを選択した。ただし、キャップ１１を構成するＰＰとボデーを構成するＬＤＰＥとは相溶性が無いため、これらを直接熱溶着したとしても接着性が低くなる。そのため、ＰＰとＬＤＰＥとの一体性を高めつつ、適切な強度を発揮するキャップ全体を構成する必要がある。

そこで、キャップ１１のボデー取付側をボデー１０に溶着可能な材料で形成するものとした。具体的には、キャップ１１のボデー取付側の内周側に溶着部２０を設け、この溶着部２０を介してキャップ１１とボデー１０とを一体化するようにした。溶着部２０は、キャップ１１のボデー取付側の少なくとも内周端面側に設けられ、ボデー１０の開口側外周端面部１５に溶着可能になっていればよいが、本実施形態ではキャップ１１の内周面全体に覆うような形状に設けられている。

キャップ１１には薬液等が流入する入口側と、ろ過した薬液等が流出する出口側があり、図１において、上部側の２つの継手部１６が設けられたキャップ１１が入口側、下部側の１つの継手部が設けられたキャップ１１が出口側になっている。キャップ１１の継手部１６にはおねじ部１７が設けられ、このおねじ部１７に外部配管の図示しないめねじ部が接続される。
キャップ１１を、溶着部２０を介してボデー１０に一体化する場合、図１に示すようにこの一体化構造を必ずしもボデー１０の上部側、下部側の両方に設ける必要はなく、ボデー１０の上部側、下部側の何れか一方側に設けるようにしてもよい。

溶着部２０は、ＨＤＰＥにより設けられている。ここで、溶着部２０について、この溶着部２０をなす樹脂とキャップ１１をなす樹脂とを溶着して試験片を作製し、この試験片の強度を引張試験により確認した。試験片としては、キャップ１１側を前述のＰＰとしこのＰＰに溶着部２０として、ＬＤＰＥ、ＨＤＰＥ、ＰＰをそれぞれ組み合わせた。このとき、ボデー１０側は前述したようにＬＤＰＥからなっている。引張試験における樹脂の溶着の組み合わせと引張強度との関係を図２に示す。

溶着部２０をＨＤＰＥとした場合、ボデー：ＬＤＰＥ−溶着部：ＨＤＰＥ、溶着部：ＨＤＰＥ−キャップ：ＰＰの組み合わせとなる。
図２の結果より、試験片の引張強度について、ＬＤＰＥ−ＨＤＰＥが１０ＭＰａ、ＨＤＰＥ−ＰＰが約１４ＭＰａとなり、これらの３つの部材を組み合わせた場合の全体の引張強度は、低いほうの引張強度となるため１０ＭＰａとなる。この場合、ＬＤＰＥ−ＨＤＰＥと、ＨＤＰＥ−ＰＰとの引張強度はほぼ同等であるともいえる。そのため、これらの組み合わせ時の溶着強度が安定して一部分に局所的に負荷がかかりにくくなる。

溶着部２０をＬＤＰＥとした場合、ボデー：ＬＤＰＥ−溶着部：ＬＤＰＥ、溶着部：ＬＤＰＥ−キャップ：ＰＰの組み合わせとなる。
図２の結果より、試験片の引張強度について、ＬＤＰＥ−ＬＤＰＥが１０ＭＰａ、ＬＤＰＥ−ＰＰが２．５ＭＰａとなり、これら３つの部材を組み合わせた場合の全体の引張強度は低いほうの２．５ＭＰａとなる。

溶着部２０をＰＰとした場合、ボデー：ＬＤＰＥ−溶着部：ＰＰ、溶着部：ＰＰ−キャップ：ＰＰの組み合わせとなる。
図２の結果より、試験片の引張強度について、ＬＤＰＥ−ＰＰが２．５ＭＰａ、ＰＰ−ＰＰが約３２．５ＭＰａとなり、これらを組み合わせたキャップ全体の引張強度は低いほうの２．５ＭＰａとなる。

これらの試験結果より、ボデー１０をＬＤＰＥ、キャップ１１をＰＰとした場合、溶着部２０をＨＤＰＥとし、ＰＰ−ＨＤＰＥの２層構造の成形品をキャップ部位として設けることで、キャップ１１とボデー１０との溶着性を最も強くして全体の一体性を向上し、継手部１６のストレス耐性を高めることができる。ＨＤＰＥは、他のポリエチレンと比較して硬い性質であることから硬質ポリエチレンとも呼ばれ、一般に密度０．９４２以上のポリエチレンからなっている。

図２の試験結果より、溶着部２０をＨＤＰＥとしつつ、キャップ１１もＨＤＰＥとした場合にも、ボデー１０を合わせた３つの部材を組み合わせたときの全体の引張強度が１０ＭＰａになるが、この場合にはＨＤＰＥの強度がＰＰよりも劣るため、継手部１６の強度はキャップ１１がＰＰであるときよりも弱くなるが、キャップ１１と溶着部２０とを同じ材質で形成した一層形成のキャップとボデーとを直接溶着することもできる。

溶着部２０をキャップ１１に設ける場合には、キャップ１１内周側の適宜位置に、溶着部２０をインサート成形によりキャップ１１に一体化することが望ましい。これにより、溶融温度が異なる溶着部２０とキャップ１１とによって相溶性が下がる可能性がある場合でも、これらを密着状態にして精度を高めながら強固に一体化できる。

前記したキャップ１１を設ける場合、溶着部２０を設ける側の内容積を大きくするとともに、側面の肉厚を厚く設けることが望ましく、これらによりクラック対策を施すことができる。さらに、溶着部２０の形状を検討することによっても耐久性の一層の向上を図ることもできる。

上述した中空糸膜モジュールが使用される半導体製造装置および洗浄装置、純水装置では、配管からのパーティクルによる流体汚染を削減するため、液体を移送するポンプとして駆動部が配管内に無いダイヤフラムポンプおよびベローズポンプが使用されることが多い。
これらのポンプは、ダイヤフラムおよびベローズを開閉させて液体を移送させる構造であるため、配管には必ず脈動が生じている。したがって、この分野で使用される中空糸膜モジュールには、脈動によるストレスに強いことが望まれている。

本発明の中空糸膜モジュールによれば、上述したようにキャップ１１の少なくとも継手部１６側をボデー１０よりも高強度の材料で形成すると共に、キャップ１１のボデー１０取付側をこのボデー１０に溶着可能な材料で形成した溶着部２０を介してキャップ１１とボデー１０とを一体化しているので、全体の一体性を高めて脈動によるストレスにも耐えうる耐久性を発揮し、キャップ１１の強度を高めることでこのキャップ１１に設けられた継手部１６が長期間接続されている場合でも、この継手部１６付近へのクラックの発生を防止して、おねじ部１７による外部配管との接続を強固に確保して流体漏れを防ぐようになっている。

なお、上記実施形態における中空糸膜モジュールでは、ボデー１０をＬＤＰＥ、キャップ１１をＰＰ、溶着部２０をＨＤＰＥにより設けているが、キャップ１１の継手部１６側がボデー１０よりも高強度であり、キャップ１１のボデー取付側がボデー１０に溶着可能であれば、これら以外の材料でボデー１０、キャップ１１、溶着部２０を設けて継手部１６を強度を向上させるようにしてもよい。この場合、ボデー１０、キャップ１１、溶着部２０の一体性を確保する必要がある。例えば、ボデー１０をＨＤＰＥにより形成する場合であっても、キャップ１１内側にＨＤＰＥをインサートしておくことにより、強度が高くなる。

図３においては、本発明の中空糸膜モジュールの第２実施形態を示している。なお、この実施形態において、上記実施形態と同一部分は同一符号によって表し、その説明を省略する。
この実施形態における中空糸膜モジュールは、溶着部３０を環状に形成し、この溶着部３０をキャップ１１の端部内周側のみに設けてボデー１０と溶着して一体化したものである。この場合、前述した中空糸膜モジュールと同様に、外周端面部１５を有するボデー１０がＬＤＰＥで形成されていると共にキャップ１１がＰＰで形成され、このキャップ１１の内周端面側に環状のＨＤＰＥからなる溶着部３０がインサート成形で設けられている。

前述の中空糸膜モジュールのように、キャップ内側全体にＨＤＰＥで溶着部２０を設けた場合には、繰返し圧力が印加された際にキャップ内側全体の溶着部２０が伸縮しようとするが、外側キャップ１１をなすＰＰはＨＤＰＥよりも剛性が高く、伸縮が小さいために溶着部２０の伸縮をこのキャップ１１が抑制しようとする。そのため、内側の溶着部２０に加わる圧力をキャップ全体で緩衝することができない。この影響でキャップ１１とボデー１０の溶着面には強度なストレスが印加され、この溶着面において早期に界面剥離しやすくなる。

一方、第２実施形態のように、キャップ１１の内周端面側のみにＨＤＰＥで溶着部３０を設けた場合には、この環状に配置された溶着部３０とＰＰからなるキャップ１１の天面側がそれぞれ伸縮することで、キャップ１１とボデー１０の溶着部３０へ印加されるストレスが緩和される。

このようにキャップ内側の内周端面側のみに溶着部３０を設けた場合、図４において、その幅Ｗよりもキャップ１１のボデー１０と溶着していない部分の厚さＺが大きいほど耐久性が向上する。その理由としては、キャップ１１とボデー１０とを溶着させた際にはバリが発生しやすくなり、キャップ１１を強度解析した場合、バリ部分に最も応力が集中しやすくなっている。そのため、バリ部分の近くに溶着部であるＨＤＰＥとキャップであるＰＰとの界面があると、この近傍より界面剥離しやすくなる。このことから、キャップ１１とボデー１０の溶着面からＨＤＰＥ（溶着部）とＰＰ（キャップ）との界面を離すように幅Ｗと厚さＺとを設定しながら溶着部３０を設けるようにすれば、キャップ１１の耐久性をより高め、寿命を延ばすことができる。

キャップ１１に溶着部を設ける際にこの溶着部の好ましい形状としては、キャップ１１の内周端面側のみに略環状の形状で設け、その溶着部分の厚さをより大きくすることが望ましい。さらに、溶着部のキャップ１１（ＰＰ）側の少なくとも一ヶ所に凹部３１（又は突起）を設けるようにすれば、この凹部３１（又は突起）によりアンカー効果が発揮されて溶着部とキャップ１１との一体性が向上される。

次いで、中空糸膜モジュールについて、キャップ１１の内側全体に溶着部２０を設けた場合と、キャップ１１の内周端部のみに環状の溶着部３０を設けた場合のそれぞれについて耐久試験を実施し、その結果を測定した。その耐久試験結果を表１に示す。
耐久試験の条件としては、キャップの継手部側（外周側）をＰＰ、溶着部をＨＤＰＥにより設け、このキャップ部位に０〜０．６ＭＰａで繰り返し４０℃の温水による水圧を印加させ、クラックが発生するまでの回数を寿命として測定した。

表１において、試験で用いた供試品は、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．２３までの２３個であり、図４に示したキャップ高さ寸法Ｈは、１９．５ｍｍの低いものと、２５．５ｍｍの高いものとした。溶着部の「全周」はキャップ内側全体に溶着部を設けたもの、「側周」はキャップの内周端面側のみに溶着部を設けたものである。溶着部をキャップ内周端面側のみに設ける場合、図４に示した溶着部高さＬを１１．０〜１６．５ｍｍとした。「ｎ数」は同じ条件の供試品に対する試験の回数を示し、最大で３個の同条件の供試品を用いて測定した。
ここで、「キャップ高さ寸法」とは、キャップ１１の外周円筒部位の装着方向における長さであり、「溶着部高さ」とは、キャップ１１内周に環状に形成される溶着部３０の幅である。

また、上記の供試品Ｎｏ．１〜Ｎｏ．２３と比較するために、全体をＨＤＰＥにより形成したキャップの供試品Ｎｏ．２４、Ｎｏ．２５を設け、これらの供試品についても同様に耐久試験を実施した。その耐久試験結果を表２に示す。

表１の試験結果より、キャップの内側全体に溶着部を設けた場合、キャップ高さの高いほうが寿命が長くなった。キャップの内周端面側のみに溶着部を設けた場合については、試験結果では確認されなかったが、キャップ高さの高いほうが寿命が長くなる傾向がある。キャップ高さが高い場合には、溶着部高さの高いほうが寿命が長くなった。

表１における中空糸膜モジュールは、同条件の表２の中空糸膜モジュールと比較すると、約２倍以上の耐久性能が得られた。これにより、ＨＤＰＥ製の１層のキャップよりも、ＰＰ製のキャップにＨＤＰＥ製の溶着部を設けた場合のほうが強度が飛躍的に向上するといえる。

表１の結果より、キャップ高さＨに対する溶着部高さＬの比率は、６０％以上とすることが好ましいといえる。キャップに溶着部を設ける場合、溶着部高さＬは、キャップ内面に形成されるアール部分までかかる高さとすることが好ましい。

１０ ボデー
１１ キャップ
１２ 中空糸膜
１５ 外周端面部
１６ 継手部
２０、３０ 溶着部

Claims (2)

1. ポッティングにより端部溶着された中空糸膜が収納されたボデーの開口側を継手部を有するキャップで嵌合状態で被蓋した中空糸膜モジュールであって、前記キャップの内周端部側と前記ボデーの開口外周側との間を溶着するための溶着部と、前記ボデーと前記ポッティング部との三者の材料は、相溶性のある溶着可能な材料であり、前記キャップの材料は、前記ボデーの材料よりも高強度の材料であると共に、相溶性のない前記キャップと前記溶着部同士を熱溶着で接合する際に、前記溶着部のうち、前記キャップの内周端部側に凹部又は突起が設けられ、この凹部又は突起による前記キャップとのアンカー効果により前記溶着部と前記キャップとを一体接合し、前記溶着部と前記ボデーと前記ポッティングとの相溶性のある三者を溶着して一体化した状態で構成されたことを特徴とする中空膜モジュール。
2. 前記キャップの内周端部側のみに環状に形成した前記溶着部を一体に設けた請求項１に記載の中空糸膜モジュール。

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