JP6934370B2 - 中空糸膜モジュールの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、浄水器、燃料電池の加湿装置や除湿装置などに用いられる中空糸膜モジュールを製造する方法に関する。

浄水器には、飲料水の濾過手段として例えば、図１１に示すような中空糸膜モジュール１００が用いられている。この種の中空糸膜モジュール１００としては、多数の中空糸膜１０１の束をモジュールケース１０２内に組み込み、ウレタン樹脂等からなるポッティング材１０３によってモジュールケース１０２に液密に、かつ中空糸膜１０１の中空部が閉塞しないように接着固定（ポッティング）したものが知られている。

このような中空糸膜モジュール１００を製造するための方法としては、従来から例えば図１２に示すように、予め中空糸膜１０１の束をモジュールケース１０２内に挿入してから、これを遠心注入装置２００の回転テーブル２０１に円周方向等間隔で複数セットすると共に、回転テーブル２０１の外径側を向いた各モジュールケース１０２の開口部をアダプタ２０２で閉塞し、回転テーブル２０１を、鉛直軸２０１ａの周りに所定の回転速度で水平旋回させながら、各アダプタ２０２に接続されたホース２０３を介して、未硬化のポッティング材１０３’を遠心力によって所定量投入し、ポッティング材１０３の架橋硬化後、モジュールケース１０２とアダプタ２０２との境界部（破線Ｃで示す位置）を切断することによって製品を取り出す、といった方法が知られている（例えば下記特許文献１参照）。

しかしながら、このような製造方法によれば、モジュールケース１０２とアダプタ２０２との境界部Ｃを切断することによって製品を取り出した後は、製品から切離されたアダプタ２０２及びホース２０３は廃棄され、しかもこれらアダプタ２０２及びホース２０３の内部に残留したポッティング材１０３’の硬化物も一緒に廃棄されることになるので、多量の廃棄物が発生するばかりでなく、ポッティング材料の歩留まりも悪いといった問題があった。

上記問題を解消するため、本願発明者らは先に参考例として下記特許文献２に示すように、予め中空糸膜の束が挿入されたモジュールケースの開口部内に位置する中空糸膜の端部を低粘度の液状ポッティング材料にディッピングしてこの液状ポッティング材料を中空糸膜の端部間の隙間へ毛細管現象により充填させる第１ディッピング工程と、モジュールケースの開口部及び中空糸膜の端部を高粘度の液状ポッティング材料にディッピングしてこの液状ポッティング材料を中空糸膜の束とモジュールケースの間へ所定量充填させる第２ディッピング工程とを有する中空糸膜モジュールの製造方法を提案しており、この参考例に係る製造方法によれば、ディッピングによって、中空糸膜の端部間の隙間への液状ポッティング材料の充填と、中空糸膜の束とモジュールケースの間への液状ポッティング材料の充填とを効率よく行うことができるため、製造過程で生じる廃棄物を減少させ、材料の歩留まりを向上させることができる。

特開２００３−３２０２２３号公報 特開２０１６−１７５００２号公報

上記参考例に係る製造方法を更に発展させ、第１ディッピング工程における液状ポッティング材料の充填量を増大し、ディッピング効率を向上することができる中空糸膜モジュールの製造方法を提供することを課題とする。

中空糸膜モジュールの製造方法は、中空糸膜の束を挿入したモジュールケースの開口部に位置する前記中空糸膜の端部を低粘度の液状ポッティング材料にディッピングしてこの液状ポッティング材料を前記中空糸膜の端部間の隙間へ毛細管現象により充填させる第１ディッピング工程と、前記モジュールケースの開口部及び前記中空糸膜の端部を高粘度の液状ポッティング材料にディッピングしてこの液状ポッティング材料を前記中空糸膜の束と前記モジュールケースの間へ充填させる第２ディッピング工程とを順次実施し、前記モジュールケースに前記中空糸膜の束を挿入するときに前記中空糸膜の端部を前記モジュールケースの開口部からケース外部へ突出させることにより、前記第１ディッピング工程を開始するに際し、前記モジュールケースをディッピング装置にセットしたときに前記中空糸膜の端部が前記低粘度の液状ポッティング材料に浸漬した状態とする。

前記モジュールケースの開口部に対する前記中空糸膜の端部の突出量ｘを
ａ＋２ｈ≧ｘ≧ａ＋１／２ｈ
ただし、
ａ：モジュールケース開口部の設置個所から液状ポッティング材料の液面までの距離
ｈ：液状ポッティング材料の液深さ
によって規定する。

モジュールケースをディッピング装置にセットしてから第１ディッピング工程を開始するまでの間で既に中空糸膜の端部が低粘度の液状ポッティング材料に浸漬した状態とされるため、浸漬しない場合と比較して、浸漬時間が増大するとともに第１ディッピング工程開始後における浸漬面積が増大する。したがって第１ディッピング工程における液状ポッティング材料の充填量を増大することができ、ディッピング効率を向上することができる。

参考例において、ディッピング工程と液状ポッティング材料の粘度との関係を示す線図である。 参考例において用いられるディッピング装置の概略構成を示す説明図である。 参考例において、ディッピング装置に液状ポッティング材料を投入した状態を示す説明図である。 参考例において、ディッピング装置の液状ポッティング材料貯留空間にモジュールケースの開口部を重合させた状態を示す説明図である。 参考例において、ディッピング装置の液状ポッティング材料を中空糸膜の端部間の隙間へ充填させる第１ディッピング工程を示す説明図である。 参考例において、液状ポッティング材料の粘度調整過程を示す説明図である。 参考例において、ディッピング装置の液状ポッティング材料を中空糸膜の束とモジュールケースの間へ充填させる第２ディッピング工程を示す説明図である。 参考例において、製品の取出し工程を示す説明図である。 実施の形態において、ディッピング装置の液状ポッティング材料を中空糸膜の端部間の隙間へ充填させる第１ディッピング工程の開始時の状態を示す説明図である。 内部液面有効長に係る比較試験の結果を示す説明図である。 中空糸膜モジュールの概略構造を示す説明図である。 遠心注入装置を用いた従来の中空糸膜モジュールの製造方法の一例を示す説明図である。

以下、実施の形態に係る中空糸膜モジュールの製造方法を説明するが、これに先立って参考例を説明する。

参考例・・・・
製造する中空糸膜モジュールは、図１１に示したような浄水器用中空糸膜モジュール１００とする。

図１は、第１及び第２ディッピング工程と液状ポッティング材料の粘度との関係を示す。

すなわち、例えば液状ウレタン樹脂等からなるポッティング材料は、調合・撹拌開始後しばらくの間は粘度がきわめて低い状態となっているが、ある程度の時間が経過すると（図１の例では調合・撹拌開始後３００ｓ程度）、非線形的に粘度が高くなることが知られている。

そこで、当該参考例に係る中空糸膜モジュールの製造方法では、まず液状ポッティング材料が低粘度の状態（１５００ｍＰａ・ｓ以下）において第１ディッピング工程Ａを実行することにより、この液状ポッティング材料を中空糸膜の端部間の隙間へ毛細管現象により充填させ、次に粘度調整工程Ｂとなる所定時間を経て高粘度（５０００ｍＰａ・ｓ以上）となった液状ポッティング材料を、中空糸膜の束とその外周のモジュールケースとの間へ所定量充填させる第２ディッピング工程Ｃを実行する。

詳しくは、まず図２において、参照符号１はディッピング装置であり、このディッピング装置１は、筒状のハウジング１１と、ハウジング１１の内周に配置された可動底部１２と、可動底部１２をハウジング１１の内周で軸方向（上下方向）へ往復移動させる電動又は流体圧アクチュエータ１３とを備える。また、ハウジング１１の上端面からハウジング１１の内周面及び可動底部１２の上面を覆うように、合成樹脂製の遮液シート１４が着脱可能に敷設されており、この遮液シート１４の内側は、可動底部１２の移動によって容積が可変の液状ポッティング材料貯留空間１ａとなっている。

まず電動又は流体圧アクチュエータ１３によってディッピング装置１の可動底部１２をストローク下限まで降下させ、これによって液状ポッティング材料貯留空間１ａを拡張させ、この液状ポッティング材料貯留空間１ａに図３に示すように、複数の材料を混合・撹拌した所要量の液状ポッティング材料（例えば液状ウレタン樹脂）２を投入する。

次に図４に示すように、予め中空糸膜１０１の束が挿入された中空糸膜モジュール用ケース（モジュールケース）１０２の下端縁を、液状ポッティング材料貯留空間１ａに液状ポッティング材料２が投入されたディッピング装置１のハウジング１１の上端面（ハウジング１１の上端面を覆う遮液シート１４）に密接させた状態に固定することによって、液状ポッティング材料貯留空間１ａをモジュールケース１０２の下端開口部に重合させる。モジュールケース１０２は下端が開口し上部が閉じた有底筒状であって、中空糸膜１０１の束はモジュールケース１０２内の上部で折り返された状態でモジュールケース１０２に挿入され、その両端部（図では片側の端部のみ示す）１０１ａはモジュールケース１０２の下端開口部１０２ａ内に位置している。

尚、中空糸膜１０１は合成樹脂製の細い中空管状をなすものであって、その両端部１０１ａは周知の方法によって予め閉じた状態としておく。これは、各中空糸膜１０１の中空部に、後述する第１ディッピング工程Ａにおいて液状ポッティング材料２が浸入することのないようにするためである。

次に図１に示す第１ディッピング工程Ａを実行する。この第１ディッピング工程Ａにおいては図５に示すように、電動又は流体圧アクチュエータ１３によってディッピング装置１の可動底部１２をストローク上限より低い所定高さｈ１まで上昇させ、これによって液状ポッティング材料貯留空間１ａの容積を縮小させ、この液状ポッティング材料貯留空間１ａに貯留された液状ポッティング材料２の一部をモジュールケース１０２の下端開口部１０２ａ内へ押し上げて注入する。このため、モジュールケース１０２の下端開口部１０２ａ内にある中空糸膜１０１の両端部１０１ａは液状ポッティング材料２に浸漬（ディッピング）される。

図１に示したように、第１ディッピング工程Ａが実行されるタイミングでは、液状ポッティング材料２は粘度が１５００ｍＰａ・ｓ以下であって、きわめて低粘度であるため、図５に示すように、モジュールケース１０２の下端開口部１０２ａ内へ注入された液状ポッティング材料２の一部は毛細管現象によって多数の中空糸膜１０１の端部１０１ａ間の隙間へ浸入する。

第１ディッピング工程Ａの後は、粘度調整工程Ｂに移行し、すなわち図６に示すように電動又は流体圧アクチュエータ１３によってディッピング装置１の可動底部１２が高さｈ１に保持される。液状ポッティング材料２は、時間の経過に伴って粘度が非線形的に高くなっていく。尚、図６では、粘度が上昇した液状ポッティング材料２を、図５と異なるハッチングで示している。

そして、液状ポッティング材料２の粘度が５０００ｍＰａ・ｓ以上となった時点（図１の例では液状ポッティング材料の調合から３００ｓ程度）で、第２ディッピング工程Ｃを実行する。この第２ディッピング工程Ｃでは、電動又は流体圧アクチュエータ１３によって高さｈ１に保持されていたディッピング装置１の可動底部１２を、図７に示すように、ストローク上限高さｈ２まで上昇させ、これによって液状ポッティング材料貯留空間の容積をほぼ０となるまで縮小させ、液状ポッティング材料貯留空間に残留していた液状ポッティング材料２をモジュールケース１０２の下端開口部１０２ａ内へ押し上げて注入する。

この時点では、上述のように、液状ポッティング材料２の粘度は５０００ｍＰａ・ｓ以上に上昇しており、第１ディッピング工程Ａにおいて中空糸膜１０１の端部１０１ａ間の隙間へ充填された液状ポッティング材料２の粘度も高くなっているため、第２ディッピング工程Ｃでは、この液状ポッティング材料２は中空糸膜１０１の端部１０１ａ間の隙間へ浸入することはできず、モジュールケース１０２の下端部と中空糸膜１０１の束の下部との間へ充填され、すなわち中空糸膜１０１の束の下部外周が液状ポッティング材料２にディッピングされる。

また、この工程では、第１ディッピング工程Ａにおいてモジュールケース１０２の下端部と中空糸膜１０１の束の下部との間へ充填された液状ポッティング材料２の液面高さを、第１ディッピング工程Ａにおいて中空糸膜１０１の端部１０１ａ間の隙間へ毛細管現象によって浸入した液状ポッティング材料２の高さ近傍まで押し上げることができる。

そして、さらに所要の時間が経過することによって、液状ポッティング材料２が架橋硬化したら、ディッピング装置１から図８に示すように、モジュールケース１０２内にポッティング材１０３（液状ポッティング材料２の硬化物）を介してモジュールケース１０２に中空糸膜１０１の束が接着固定（ポッティング）された製品部を分離する。

ディッピング装置１から取り出した製品部は、ポッティング材１０３による固定部を、モジュールケース１０２の下端から所定の高さ（図８に破線で示す位置）で切断する。これによって、中空糸膜１０１の閉じた端部１０１ａが、ポッティング材１０３の一部と共に切除されるので、中空部がポッティング材１０３の切断面に開口し、先に説明した図１１に示すような中空糸膜モジュール１００を得ることができる。

上述の方法によれば、液状ポッティング材料２が調合初期に低粘度であることを利用して中空糸膜１０１の端部１０１ａ間の隙間へ充填させてから、経時的に高粘度となった液状ポッティング材料２を中空糸膜１０１の束とモジュールケース１０２の間へ充填させるものであるため、液状ポッティング材料２を安定的に充填することができる。

また、液状ポッティング材料２のシールのためにディッピング装置１に敷設する合成樹脂製の遮液シート１４は使い捨てとなるが、それ以外に廃棄する資材はなく、しかもポッティング材１０３による固定部も、その一部が切除されるだけなので、液状ポッティング材料の歩留まりを著しく向上させることができる。したがって、製造コストの大幅な低減を図ることができる。

上記参考例に係る製造方法はこれを要約すると、以下のようになる。
（１）予め中空糸膜１０１の束が挿入されたモジュールケース１０２の開口部１０２ａ内に位置する前記中空糸膜１０１の端部１０１ａを低粘度の液状ポッティング材料２にディッピングしてこの液状ポッティング材料２を前記中空糸膜１０１の端部１０１ａ間の隙間へ毛細管現象により充填させる第１ディッピング工程Ａと、前記モジュールケース１０２の開口部１０２ａ及び前記中空糸膜１０１の端部１０１ａを高粘度の液状ポッティング材料２にディッピングしてこの液状ポッティング材料２を前記中空糸膜１０１の束と前記モジュールケース１０２の間へ所定量充填させる第２ディッピング工程Ｃとを順次実施する。
（２）第２ディッピング工程Ｃによって中空糸膜１０１の束とモジュールケース１０２の間へ充填させる液状ポッティング材料２は、第１ディッピング工程Ａによって前記中空糸膜１０１の端部１０１ａ間の隙間へ充填させたのと同じ液状ポッティング材料２の粘度を経時的に上昇させたものである。
（３）第１及び第２ディッピング工程Ａ，Ｃが、ディッピング装置１を用いて行われ、このディッピング装置１は、モジュールケース１０２の開口部１０２ａに重合可能であると共に可動底部１２によって容積が可変の液状ポッティング材料投入空間１ａを有するものである。

上記参考例に係る製造方法では、図４に示したように、モジュールケース１０２に中空糸膜１０１の束を挿入するときに中空糸膜１０１の端部１０１ａをモジュールケース１０２の開口部１０２ａからケース１０２外部へ突出させないので、第１ディッピング工程Ａを開始するに際して、モジュールケース１０２をディッピング装置１にセットしてから第１ディッピング工程Ａを開始する（電動又は流体圧アクチュエータ１３を駆動して液状ポッティング材料２の液面を上昇させる）までの間は未だ、中空糸膜１０１の端部１０１ａは液状ポッティング材料２に浸漬しておらず、よって液状ポッティング材料２は毛細管現象によって中空糸膜１０１の端部１０１ａ間の隙間へ浸入していない。したがって毛細管現象による隙間への浸入が未だ開始していないため、工程サイクル時間内における液状ポッティング材料２の浸入量すなわち充填量が限られたものになる。

実施の形態・・・・
そこで、当該実施の形態に係る製造方法では、これを改良して、液状ポッティング材料２の浸入量すなわち充填量を増大させるべく図９に示すように、モジュールケース１０２の内部に中空糸膜１０１の束を挿入するときに中空糸膜１０１の端部１０１ａをモジュールケース１０２の開口部１０２ａからケース１０２外部へ突出させ、これにより第１ディッピング工程Ａを開始するに際しモジュールケース１０２をディッピング装置１にセットしたときに中空糸膜１０１の端部１０１ａが低粘度の液状ポッティング材料２に浸漬した状態とし、この状態から第１ディッピング工程Ａを開始する。

したがってこの手法によれば、モジュールケース１０２をディッピング装置１にセットしてから第１ディッピング工程Ａを開始するまでの間で既に中空糸膜１０１の端部１０１ａが低粘度の液状ポッティング材料２に浸漬した状態とされるため、浸漬しない場合と比較して、浸漬時間が増大するとともに第１ディッピング工程Ａ開始後における浸漬面積が増大する。したがって第１ディッピング工程Ａにおける液状ポッティング材料２の充填量を増大することができ、ディッピング効率を向上することができる。

モジュールケース１０２の開口部１０２ａに対する中空糸膜１０１の端部１０１ａの突出量ｘはこれを、以下のように設定するのが好ましい。

すなわち、モジュールケース１０２の開口部１０２ａの設置個所から液状ポッティング材料２の液面までの距離をａとし、液状ポッティング材料２の液深さをｈとして、
ａ＋２ｈ≧ｘ≧ａ＋１／２ｈ・・・・（１）式
の式を立て、この（１）式を充足するように突出量ｘを規定する。

これによれば図１０に示すように、上記参考例と比較して、内部液面有効長（ｍｍ）が増大するため、ポッティング材料２の充填量を増大することができる。尚、内部液面有効長とは、毛細管現象により吸い上げられた高さのことを云う。また図１０において、グラフ図中のエラーバーは、測定された高さの範囲を示し、グラフ図中の●プロットは、その平均値を示している。

当該実施の形態において、その他の構成は上記参考例と同一であるので、その説明を省略することにする。

１ ディッピング装置
１ａ 液状ポッティング材料貯留空間
１１ ハウジング
１２ 可動底部
１３ 電動又は流体圧アクチュエータ
１４ 遮液シート
２ 液状ポッティング材料
１００ 中空糸膜モジュール
１０１ 中空糸膜
１０１ａ 端部
１０２ モジュールケース
１０２ａ 下端開口部（開口部）
１０３ ポッティング材
Ａ 第１ディッピング工程
Ｂ 粘度調整工程
Ｃ 第２ディッピング工程

Claims (1)

1. 中空糸膜の束を挿入したモジュールケースの開口部に位置する前記中空糸膜の端部を低粘度の液状ポッティング材料にディッピングしてこの液状ポッティング材料を前記中空糸膜の端部間の隙間へ毛細管現象により充填させる第１ディッピング工程と、
   前記モジュールケースの開口部及び前記中空糸膜の端部を高粘度の液状ポッティング材料にディッピングしてこの液状ポッティング材料を前記中空糸膜の束と前記モジュールケースの間へ充填させる第２ディッピング工程と、を順次実施し、
   前記モジュールケースに前記中空糸膜の束を挿入するときに前記中空糸膜の端部を前記モジュールケースの開口部からケース外部へ突出させることにより、前記第１ディッピング工程を開始するに際し、前記モジュールケースをディッピング装置にセットしたときに前記中空糸膜の端部が前記低粘度の液状ポッティング材料に浸漬した状態とし、
   前記モジュールケースの開口部に対する前記中空糸膜の端部の突出量ｘを
   ａ＋２ｈ≧ｘ≧ａ＋１／２ｈ
   ただし、
   ａ：モジュールケース開口部の設置個所から液状ポッティング材料の液面までの距離
   ｈ：液状ポッティング材料の液深さ
   によって規定することを特徴とする中空糸膜モジュールの製造方法。

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