JPH022833A - 流体分離装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、流体に対して選択透過性を有する多数の中空
糸を用いた流体分離装置の改良に関する。

［従来の技術］ 従来、流体分離装置としては、半透膜の選択透過性機能
を利用し、流体中に含まれる種々の成分の分離、濃縮方
法である逆浸透膜法、限外濾過法、正浸透法、透析法お
よび加圧分離法等を利用した装置が知られている。

これらの各種分ｍ装置に用いられる分離膜は、分離装置
内において膜面積が大きく取れることから中空糸膜型（
キャピラリー型も含む）の分離膜が多く用いられ、この
中空糸膜を用いた流体分離装置としては、例えば、特公
昭３９−２８６２５号公報、特公昭４４−５５２６号公
報に記載された流体弁ｌｉ１を装置が知られている。

この流体分離装置は、具体的には筒状の容器内に、内径
１０〜１０００μｍ、膜厚さ１〜１００μｍの中空糸を
、数千水から数千万本に束ねて筒状の容器の軸方向と略
平行に収納し、更にその両端部を、各中空糸間や中空糸
と容器内面との間に隙間が無きように例えば、グリセリ
ン、ポリウレタン等の接着材で接着（ボッティング）し
たものである。

そして、中空糸膜の選択透過性を利用した流体分離は、
中空糸の内外を流れるいずれか一方の流体を加圧するこ
とによって行なわれる。

しかし、これら従来の分離装置は、分離された流体中の
老廃物のため、隣接する中空糸との間で付着が生じて特
定位置の膜面積が小さくなったり、また容器内における
中空糸の配列が乱れるため容器内での均一分散配列がで
きなくなり、中空糸内で流体の偏流が生じるなどの問題
があった。

そこで、これらの問題を解消するため、複数の中空糸の
長手方向および／又は円周方向に周期的な変形を設けた
り、外表面上に突起状物を設けることにより隣接中空糸
の相互付着を防止した流体分離装置（例えば、特公昭５
８−５０７６１号公報）や、１本又は２本の中空糸束の
外周にスペーサーヤーンを螺線状に巻きつけることによ
って、中空糸の相互付着を防止すると共に、中空糸間の
位置を均等に保つことにより、容器内における中空糸配
列の均一化を図ることによって偏流を抑制させた流体分
離装置（例えば、特公昭５９−１８０８４号公報）が提
案されている。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、前者の流体分離装置は、中空糸断面が均
一な円形でないこと、後者の分離装置は、スペーサーヤ
ーンを巻くことによって容器内への中空糸充填密度に大
幅な低下があること、中空糸表面に突起部分を設けるこ
とによって膜面積が減少すること、上記形状の中空糸を
製造するために大きなコストアップを招くこと、更には
上記中空糸束を容器内に挿入する作業が困難であるため
挿入時に中空糸外表面を傷つけ易いことなどの問題があ
った。

本発明の目的は、上記問題点を解消せしめ、中空糸相互
の付着、中空糸膜面積の減少、容器内の流体の偏流等の
生じない、更には製造コストが安価で組立が容易な流体
弁ｗｉ装置を提供することにある。

［３１題を解決するための手段］ 本発明は、選択透過性を有する複数の中空糸からなり、
該中空糸の端部近傍に中空糸相互の外面を樹脂で接着し
て接着部を形成した中空糸束と、該中空糸束が内部に収
納されることにより前記接着部を境にして区分される中
空糸の中空側と外面側とにそれぞれ連通する通路を形成
した容器と、を備えた流体分離装置において、 前記中空糸束は少なくとも１組が三次元編組構造体に編
成されていることを特徴とする流体分離装置を要旨とす
るものである。

つまり、本発明は、流体分離作用をなす多数の中空糸を
三次元編組構造体に編成することによって、隣接する中
空糸間で中空糸の付着が生じるのを防止し、しかも容器
内における中空糸相互間の位置が均一配置となるように
した流体分離装置である。

ここで、三次元編組構造体とは、中空糸が三次元（編成
された構造体を指す。第６図（ａ）は、その三次元編組
ａ造林の一例を示す斜視図である。

図において、１は、三次元編組構造体、２は、この構造
体１を構成している中空糸であり、中空糸２が構造体１
の軸線へ方向に対して斜向角度θ（第６図（ｂ）におい
て、三次元編組の軸線Ａと中空糸２を含む平面ＦにおＣ
ブるＡ軸に対する中空糸２の傾斜角度を指す。）で斜面
方向に配列され、かつ、多数の中空糸同志が互いに絡合
しながら立体形状に編成されている。なお、全ての中空
糸２の配向方向が構造体の軸線Ａに対して斜向している
のではなく、第７図に示すように、大部分は斜向成分か
らなる中空糸２の中に、軸線へ方向と略平行に編成され
た中空糸３が混在する三次元編組構造体４としてもよい
。

これら三次元編組構造体１．４の製造方法は、例えば、
米国特許第４．３１２，２６１号明細書に開示された三
次元編組構造体の製造装置を用いて製造することができ
る。

この製造装置をその概略模式図である第８図を用いて具
体的に説明すると、断面が矩形状の三次元編組構造体を
編成する場合は、限られた平面内に中空糸２を中心部に
保持するボビン５を搭載した多数のボビンキャリア６を
決められた配列に配置し、このボビンキャリア群の外周
部に設けられた電磁ソレノイド７の駆動力によって縦、
あるいは横方向へ交互に一列に配置されているボビンキ
ャリアを一群として移動させることにより、ボビン相互
の位置を変えつつ、中空糸同志を絡み合わせて三次元構
造に編成するものである。

一方、断面が円形状の三次元編組構造体を編成する場合
は、この製造装置の交織部の部分模式図である第１０図
に示す如く、ボビンキャリア６を円環状に多層に配置し
、円周状に配置されているボビンキャリア６を、図の矢
印のように円周方向や半径方向に交互に一群として移動
させることによってボビンキャリア６相互の位置を変え
、中空糸同志の絡み合いによって三次元編組構造体に編
成するものである。

更に、第８図ないし第１１図を参照しながら三次元編組
構造体の編成原理を具体的に説明する。

先ず、断面が矩形状の三次元編組構造体を編成する場合
は、ボビンキャリア６の軌跡図である第９図に示すよう
にボビンキャリア６を列単位で縦方向と、横方向とに交
互に移動させていく。これにより図に示すように、ある
ボビンキャリア６は、破線で示す階段状の移動軌跡を矢
印に沿って辿ることになり、ボビンキャリア６に搭載さ
れたボビン５の中空糸２も同様の軌跡を辿って移動する
ので中空糸相互が絡合して三次元方向に編成されること
になる。また、六角形、六角形などの多角形断面の三次
元編組構造体の場合もボビンキャリア６を、三次元編組
構造体の断面形状と同様の多角形形状に配置し、上述し
た操作で縦横に移動させることによって容易に編成でき
る。

次に、断面が円形状の三次元編組＠透体を編成する場合
は、第１０図のボビンキャリア６の移動軌跡図である第
１１図に示すように、ボビンキャリア６は破線で示す如
く、円周方向と半径方向とに交互に移動していく。これ
によって、あるボビンキャリア６は、破線の経路を辿り
ながら移動するので、ボビンキャリア６に保持されてい
る中空糸２も互いに絡み合いながら円形状の三次元編組
構造体に編成される。

また、以上に説明した三次元編組構造体の製造方法は、
上述した米国特許のように編成される中空糸２が巻かれ
たボビンを移動させて三次元編組構造体を編成する方法
であるが、このような態様とせず、第１２図の側面図お
よび第１３図の平面図に示す三次元編成装置のように、
張力賦与部９．１０の二点間に張り渡された一定長の複
数本の中空糸２に対して、そのほぼ中央部の位置に設け
られた三次元交織部１１において、中空糸繊維軸に対し
てほぼ直角断面内の二輪方向にキャリア８を移動させる
ことにより、その両端部に編成組織が互いに逆方向の三
次１元編組構造体を同時に２本編成する装置としてもよ
い。すなわち、この装置では、第８図ないし第１１図に
示した編成装置とは異なり、一定長の中空糸２を三次元
交織部１１を境として、その両端部の張力賦与部９．１
０によって中空糸束に張力を賦与しつつ三次元組織に交
織し、キャリア８はその外周に設けられた駆動装置１２
において、ガイド１３によって案内されながら移動する
装置とされている。このような態様の編成装置とすれば
、比較的小型の装置で大型の三次元編組構造体が編成可
能となる。

ところで、流体分離装置の性能に及ぼす三次元編組構造
体の編成要因として、三次元編組の形状、大きざ、斜向
角度ｅなどが挙げられる。この中でも中空糸の斜向角度
ｅは、筒体内の中空糸の充填密度や流体の流れに大きな
影響を及ぼす重要な要因である。しかも、上述した充填
密度と、流体の流れとの関係は、二律相反の関係にある
。つまり、中空糸の斜向角度ｅを軸方向に対して大きく
すると充填密度は大きくなるが、分離すべき流体の流れ
は悪くなる傾向にある。逆に、斜向角度ｅを小さくして
軸方向に近づけると、三次元編組自体の組織の締りが低
下し、中空糸の充填密度が低くなる反面、筒体内の流体
の流れはより円滑に流れるようになる。このような充填
密度や流体の流れの円滑性とに悪影響を及ぼさない好ま
しい実用的な斜向角度θは、１〜５０度とするのが好ま
しく、より好ましくは３〜２０度とするのがよい。

また、三次元編組構造体の形状は、三次元編組構造体を
容器内に一組だけ収納して流体分離装置を構成する場合
は、三次元編組構造体の断面形状を円形とするのが好ま
しいが、三角形、四角形、五角形などの多角形の断面形
状に編成した三次元編組構造体を複数組組み合せて、外
径を円形に近似した形状としてもよい。従って、容器内
に収納される三次元編組＠進体の数は、少なくとも一組
であればよい。二組以上の三次元編組＠進体を用いる場
合に、断面が円形の三次元編組構造体であると最密充填
でも隣接する三次元編組構造体間に隙間を生じさせるの
で、むしろこのような隙間を発生させない上述した多角
形断面の三次元編組構造体を複数組組み合わせたものが
好ましい。

また、用いる中空糸の本数が同じでも該中空糸の外径に
応じて編成される三次元編組構造体の大きさも異なる。

すなわち、外径の細い中空糸を用いると三次元編組構造
体の外寸が小さくなり、容器内に収納する三次元編組構
造体の本数が増加する。一般的に、中空糸の外径が細い
程、前記斜向角度ｅが大きくできるため、中空糸の体積
充填率が向上して流体分離の有効膜面積が増加するが、
反面三次元編組構造体の編成効率が低下したり、容器内
での流体の流れが悪くなり、流体に加える圧力を高める
傾向にある。従って、中空系の外径は、流体分離装置の
寸法や用途によって最適値が異なる。

なお、三次元編組構造体のポツティング方法は、例えば
、遠心成形法などの公知のポツティング方法でよい。

なお、上述した三次元編組構造体を収納する容器として
は、分離されるべき流体の通路と、分離された後の液体
の通路とが設けられていればその素材と形状については
、特に限定されるものではない。容器の素材としては、
例えば、素材にポリエステル樹脂、ポリオレフィン樹脂
、ポリスチレン樹脂、アクリル樹脂、ポリカーボネート
樹脂、ＡＢＳ樹脂等の成形用プラスチック、ガラス、陶
磁器、耐腐蝕性各種金属等が挙げられる。また、容器の
形状としては、例えば、筒状、矩形状、多角形状などが
挙げられるが、筒状のものが中空糸束の体積充填率を上
げられるのでより好ましい。

また、本発明の三次元編組構造体の軸線は、流体の流れ
方向である容器の軸線と一致させるのが好ましい。

また、上述した三次元編組構造体に用いられる中空糸は
、例えば、セルロースジアセテート、セルローストリア
セテート等のセルロースエステル類、セルロースエーテ
ル類などのセルロース誘導体、ポリアミド系重合体、ポ
リエステル系重合体、ポリメチル系重合体、ポリメチル
メタクリレート等のメタクリル系も゛しくはアクリル系
重合体、ポリ塩化ビニル等のポリビニル重合体、ポリウ
レタン、＠機シリコン重合体、ポリアクリロニトリル系
重合体、ポリスルホン、ポリエチレンの如きポリオレフ
ィン、ポリプロピレン等からなる比較的非膨潤性の選択
透過性中空糸等が好ましい。

また、この発明の用いられる三次元編組構造体として、
各々外径の異なる中空糸によって編成された三次元編組
構造体や１．異なる寸法や形状の三次元編組構造体を複
数組組み合せた三次元編組集合体とすることもできる。

例えば、第５図は、断面が正六角形をなす＝次元編組構
造体１４を７組と、断面が二等辺三角形をなす三次元編
組構造体１５を６組組み合せることによってｍ＝角形を
した三次元編組集合体１６とした例であり、この流体分
離装置は、かん水の淡水化、海水の淡水化、工業排水処
理などのように中空糸の使用本数が多いモジュールに最
適である。また、編成された三次元編組構造体は、分離
膜としてその軸線を真直状態にして用いるのが普通であ
るが、特開昭５０−４４９９０号公報に記載されたもの
のように逆Ｕ字状に変形して用いることもできる。

以上に説明した本発明になる流体分離装置は、人工肝臓
、人工肺、海水淡水化、かん水の脱塩、工業廃水の浄化
、蛋白の精製、卵白の濃縮、生理活性物質や酵素の回収
、油水分離、天然ガス分離などに広く用いることができ
る。

［作用コ 本発明の流体分離装置に収納されている流体の分離、）
−週休である三次元編組構造体は、多数の中空糸が斜向
方向に変化しながら三次元状態に編成されているので、
一方向配向に比べて容器内への体積充填率、すなわち膜
面積を高くする作用を奏する。

また、この中空糸の殆どは斜向方向に編成され、点接触
の状態に保持されているため、中空糸相互の付着を生じ
ない。よって、三次元編組構造体に流入した流体は、中
空糸間で偏流のない状態で流れる。

［実施例および比較例］ 実施例１ 第１図は、この発明に係る流体分離装置の一実施例を示
す縦断面図、第２図は、第１図のＢ−Ｂ断面拡大図であ
る。

図において、１は、第６図で説明した三次元編組構造体
であり、外径２５０μ、内径２００μ、長さ２００ｍｍ
のポリメタクリル酸メチルからなる中空糸２を約１０．
０００本用いて、斜向角度ｅが８度、断面形状が正八角
形の三次元編組構造体に第１２図で説明した編成装置を
用いて編成した。中空糸の両端部の接着部である隔壁」
７．１８は、液混合型のポリウレタン接着剤を用いて公
知の遠心成型法によってポツティングすることにより得
た。そして、この三次元編組構造体１を一辺の長さが１
５簡の正八角形状をなす長さ２３０ｍのメチルアクリレ
ート樹脂製容器１９に収納し、次に隔壁１７．１８と容
器１９との間にポリウレタン接着剤を注入することによ
って密封し、血液透析用の流体分離装置２０を製作した
。

なお、２１．２２は、それぞれ血液の流入口と、流出口
、２３．２４は、それぞれ透析液の流入口と、流出口で
あり、これらの出入口で流体の通路を形成している。

この血液透析用流体分離装置の内容積に対する中空糸の
充填率を計算したところ約５２％であり、また、その膜
面積を計算すると約１．２ｄであった。そして、入口２
１から血液を流し、一方、入口２３からは透析液を流し
て、中空糸内部の偏流状態を観察したところ、常に一様
の流れをなしてあり良好な結果が得られた。また、この
流体分離装置２０の組立に際しては、中空糸が三次元編
組に編成されているので、三次元編組構造体１を容器１
９に挿入するだけでよく非常に組立易いものであり、ま
た傷が中空糸につくこともなかった。

比較例１ 次に、実施例１の三次元編組構造体１に対し、今度は中
空糸２を三次元編組とせず、同一材質、同一径ながら、
特公昭５９−１８０８４号公報に記載されたような外周
にスペーサヤーンを螺旋状に巻つけた中空糸を一方向に
整然と束ねただけでボッティングし、同じ筒状容器１９
に収納した。

そして、この場合の中空糸の充填率を実施例１と同様の
約５２％になるように中空糸の本数を約５％増加した。

この場合の膜面積は約０９９５７Ｆｆでおった。この比
較例１の膜面積を、上記実施例１と比較すると実施例１
の約８０％となるので、収納される中空糸は三次元編組
に編成する方が好ましいことが判る。

実施例２ 次に、第３図は、実施例１とは異なる態様のかん水や海
水淡水化用に用いられるこの発明に係る流体分離装置の
縦断面図、第４図は、第３図のＣ−Ｃ断面図である。

図において、２５は、三次元編組構造体であり、外径３
２０μ、内径１６０μ、長さ３００ｍｍのナイロン６か
らなる中空糸２を約６０００本用いて斜向角度θが６度
、断面が正六角形の三次元編組構造体に第１２図で説明
した装置を°用いて編成した。

そして、第４図に示すようにこの三次元編組構造体２５
を１８組と、同一の中空糸約１０００本を用いて断面が
正三角形に編成した三次元編組構造体２６の１２組とを
組み合せることによって、横断面形状が略正六角形状に
した総本数的１２０゜０００本の中空糸からなる三次元
編組集合体２７を製作した。そして、この三次元構造体
の中心部に、液体Ｘの流入管である複数の孔２８を有す
る一辺が２１闇の正六角形のエポキシ樹脂製管２９を挿
入し、多数の中空糸２の両端部をエポキシ樹脂でボッテ
ィングして隔壁３０，３１を設けた。

そして、この三次元編組集合体２７を、中空糸２を透過
した液体Ｙの流出口３２と、液体Ｘから液体Ｙが除かれ
た液体Ｚの流出口３４とを備えた長さ４４０５ｍのガラ
ス繊維強化エポキシ樹脂製の容器３３内に収納した。ま
た、側隔壁３０．３１のうち、流体Ｘの流入側の隔壁３
０は、中空糸２の端部が完全に隔壁内に埋め込まれて液
体Ｘの流出を阻止しているのに対し、液体Ｙの流出側の
隔壁３１は、中空糸２の開口端が端部かられずかに突出
するように加工した。また、隔壁３１と容器３３との隙
間はＯリング３５を挿入することによって漏れを封じた
。なお、この三次元編組集合体２７の中空糸２の体積充
填率は約５０％（膜面積約３０７７１）であり、また、
組立に際しても非常に組立易いものであった。

この流体分離装置に対し、エポキシ樹脂製管２９に液体
Ｘとして、塩分濃度が３５０００ｐｐｍの海水を図示し
ない装置で圧力３５ａｔｍで加圧供給し、実施例１と同
様の方法で中空糸内における液体Ｘの偏流状態を調べた
らだところ、−様流で偏流がなく好ましい結果が得られ
、塩分除去率約９６％の透過水Ｙが透過流速３２５ｇ／
ｈｒの割合で製造できた。

比較例２ 次に、実施例２の三次元編組集合体２７の代りに、中空
糸２を三次元編組とせず、同一素材、同一径、同一本数
の中空糸２を実施例１と同様に一方向に整然と束ねただ
けの三次元構造体（図示せず）を製造し、容器３３の中
に収納した。この場合の中空糸の体積充填率を測定した
ら約４２％であり、膜面積は約２５ＴＩｉであった。こ
の体積充填率を、実施例１と比較すると、実施例１の約
８４％となり、収納される中空糸を三次元編組構造体に
編成する方が好ましいことが判る。また、この中空糸膜
モジュールに実施例２と同様に海水を供給し、同一条件
で流体分離をしたところ、塩分除去率約９３％の透過水
が透過速度２４８ｇ／ｈｒでしか１９られなかった。

［発明の効果］ 以上に詳述したように、本発明は、多数本の中空糸を三
次元方向に編成した三次元編組構造体の少なくとも１組
を、容器内に収納して流体分離装置を構成したから、以
下に述べる優れた効果を奏する。

（１）　　従来の液体分離装置のように中空糸を軸方向
に略平行に配列したものと異なり、本発明に係る流体分
離装置は、全ての中空糸が三次元方向の斜向配列で緻密
に編成されているため、中空糸の本数が同一の場合、容
器内に収納される中空糸の体積充填率が増加し、分離膜
面積が増加する。

また、これにより流体分離装置全体の小形化もできる。

（２）　　流体分離装置を構成する中空糸同志が三次元
構造体中で点接触の状態のままで保持されているから、
従来問題となっていた中空糸相互の付着が極めて少なく
なり、中空糸間内での液体の偏流がなくなる。

（３）　　本発明の流体分離装置は、上述したように形
態保持性が良いため、モジュールの組立に際して容器に
挿入しやすく、中空糸表面を傷つけることが少ない。よ
って、従来の流体分離装置ように中空糸の外表面に余分
なスペーサーヤーンを巻いたり、中空糸自体を異形断面
のものにする必要がなく製造コストが安価である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係る流体分離装置の一実施例を示す
縦断面図、第２図は、第１図のＢ−８断面拡大図である
。第３図は、本発明に係る流体分離装置の他の実施例を
示す縦断面図、第４図は、第３図のＣ−Ｃ矢視断面図で
ある。第５図は、本発明に係る三次元編組構造体の集合
体の他の例を示す斜視図、第６図および第７図は、三次
元編組構造体を説明するための斜視図である。第８図な
いし第１１図は、本発明に用いられる三次元構造体の製
造装置におけるボビンキャリアの移動経路を示す模式図
、第１２および第１３図は、本発明に用いられる三次元
構造体の他の製造装置の要部を示す側面図および断面図
である。 １．４．２５．２６二三次元編組構造体２．３：中空糸 ５：ボビン ６：ボビンキャリア ７：電磁ソレノイド ８：キャリア １６、三次元編組集合体 １７．１８．３０．３１：隔壁 １９．３３：容器 ２０：流体分離装置 ２１．２３：入口 ２２．２４：出口 ２９：エポキシ樹脂製管 ３５：０−リング Ａ：軸線 θ：斜向角度

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）選択透過性を有する複数の中空糸からなり、該中
   空糸の端部近傍に中空糸相互の外面を樹脂で接着して接
   着部を形成した中空糸束と、該中空糸束が内部に収納さ
   れることにより前記接着部を境にして区分される中空糸
   の中空側と外面側とにそれぞれ連通する通路を形成した
   容器と、を備えた流体分離装置において、 前記中空糸束は少なくとも１組が三次元編組構造体に編
   成されていることを特徴とする流体分離装置。
2. （２）三次元編組構造体を構成する各々の中空糸の斜向
   角度は、該三次元編組構造体の軸線に対して１〜５０度
   であることを特徴とする請求項１記載の流体分離装置。