JPH03238027A

JPH03238027A - 中空繊維を用いた流体処理装置

Info

Publication number: JPH03238027A
Application number: JP3355790A
Authority: JP
Inventors: Hiroatsu Akamatsu; 赤松　弘温; Takeshi Sonoda; 苑田　毅
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 1990-02-14
Filing date: 1990-02-14
Publication date: 1991-10-23
Anticipated expiration: 2010-04-12
Also published as: JPH0732865B2

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〉本発明は選択透過性を有する中空繊維を用いた流体処理
装置に関するものである。

さらに詳しくは透析、限外酒過、逆浸透、液体−ガス体
交換、ガス体−ガス体交換などの流体分離処理や混合処
理、濃縮処理に広く応用されている選択透過性を有する
中空繊維を用いた流体処理装置に関するものである。

〈従来の技術〉中空１ｍ維を用いた流体処理装置は、水処理などの産業
分野、血液処理などの医療分野など多岐にわたり、特に
浄水器、人工腎臓、人工肺などはその需要が極めて増大
している。

一般に中空繊維を用いた流体処理装置では、多数の中空
繊維を集束して筒体に収納した構造となっている。しか
しながら、単に中空繊維を集束して筒体に収納した場合
、筒体の中で中空繊維同志が密着し、前記中空繊維の外
測口を流動する流体が、前記の中空繊維の間を均一に、
かつ不遜なく流動することは困難である。

したがって、筒体に収納された中空繊維の有効利用面積
が低下し、流体処理効果が悪いという課題を有していた
。

また、前記の中空繊維を多数本筒体に収納し、該筒体の
端部近傍に固定支持する方法として、重力や遠心力を利
用して硬化性液体材料を注入し、該硬化性液体材料を硬
化させ管板を作ることが一般に行われているが、この場
合、中空繊維同志が密着していると、硬化性液体材料が
万遍なく均一に注入されず、得られる流体処理装置にシ
ール洩れなどの不良という欠陥を惹起させる。

中空繊維同志の密着を避けるためには、たとえば、特開
昭５３−３５６８３号公報に記載された中空繊維を１本
または２本１組として、該中空繊維の外周に他の線状物
を螺旋状に巻回する方法が用いられている。

〈発明か解決しようとする課題〉選択透過性を有する中空繊維を生産する技術の進歩に伴
い、中空繊維の膜を薄くすることに加えて、筒体の単位
容積あたりの中空繊維の収納本数を増やすために、該中
空繊維の外周に螺旋状に巻回する線状物を細くし、流体
処理装置をより小形化し、性能の向上を計る際、単に前
記特開昭５３−３５６８３号公報に記載された中空繊維
を１本または２本１組として外周に他の線状物を螺旋状
に巻回する方法を用いても、流体処理装置の中心部を流
動する流体の速度は外周部を流動する流体の速度にくら
べ大幅に遅くなり、中心部に位置する中空繊維の処理能
力が著しく低下する、すなわち中心部の膜の性能が十分
発揮できないという問題がある。

また、中空繊維の周囲に巻回する線状物を細くすること
によって、筒体の端部近傍に硬化性液体材料を注入し管
板を形成する際に、前記硬化性液体材料が浸透できない
部分が生じ、この部分でシール洩れが生じるなどの不良
品が増大し、生産性を低下させるという課題を有すると
ともに、さらに、中空繊維の外周に他の線状物を螺旋状
に巻回する作業および線状物が巻かれた中空繊維を数千
本も集めて前記筒体に収納する際に中空繊維の折れ曲り
、ばらけ、切断が生じやすく、これらの折れ曲り、切断
が生じたものは不良品とせざるを得なく、ばらけが生じ
たものは極めて精密に該ばらけを修復するか、収納作業
を中断し、不良品とせざるを得なく、生産性を低下させ
るという課題を有していた。

本発明の目的は前記従来の技術における課題を解消し、
高性能でかつ小形化しうる中空繊維を用いた流体処理装
置を提供することにある。

く課題を解決するための手段および作用〉本発明の構成
は、中空繊維を用いた流体処理装置において、前記中空
繊維は選択透過性を有し、該中空繊維１本または２本の
周囲に中空繊維とは異なる第１の線状物を螺旋状に巻回
して単位中空１ｗ１ｌ維素子が形成され、該単位中空繊
維素子を４単位以上集合させ周囲に中空！ｉｌｌ維とは
異なる第２の線状物を螺旋状に巻回して中空繊維束が形
成され、該中空繊維束が５束以上筒体に収納されてなる
ことを特徴とする中空１ｍ維を用いた流体処理装置にあ
る。

本発明について、図面を用いて詳述する。

図面はすべて本発明にかかるものであり、第１図は本発
明の中空繊維を用いた流体処理装置の一例である人工腎
臓透析器の概略縦断面図である。第２図乃至第４図は単
位中空繊維素子の部分拡大斜視図であり、第５図は中空
繊維束の部分拡大斜視図である。第６図は第５図に示し
た中空繊維束を集合させた状態における部分拡大斜視図
である。

第１図における１は筒体であり、該筒体１には透析液流
入口２、透析液排出口３、被透析流体流入口４および被
透析流体排出１」５が設けられており、前記被透析流体
流入口４および被透析流体排出口５の近傍で中空繊維１
０の両端か該中空繊維１０を形成する中空繊維の端部の
中空部分か開放されている状態で管板６．７によって固
着されている。８．９はへツタ−キャップを示す。

前記人工腎臓透析器における被透析流体は透析される血
液である。

前記中空線ｔ！１１０は第６図に示す形態を有するか、
該中空繊維１０は次の方法で得られる。

第２図乃至第４図における１１は中空繊維の単糸であり
、１２は第１の線状物である。第１の線状物１２は単糸
１１の周囲に螺旋状に巻回されており、第２図に示すよ
うに１本の単糸に２本の第１の線状物１２を交叉するよ
うに巻回してもよく、第３図に示すように１本の単糸に
１本の第１の線状物１２を巻回してもよい。また、第４
図に示すように２本の単糸に１本の第１の線状物１２を
巻回してもよい。

前記第２図乃至第４図に示すように中空繊維の単糸１１
に第１の線状物１２を螺旋状に巻回し単位中空繊維素子
Ａか得る。

前記単位中空ＩＩｌ！維素子Ａは中空繊維の単糸１１が
１本あるいは２本１組とする必要がある。

これは、３本以上とすると第１の線状物１２を螺旋状に
巻回した際に単位中空繊維素子Ａの各単糸１１同志が密
着し、この密着した部分は被透析流体の処理能力が減退
あるいはなくなり流体処理効率が低下するという現象が
生じ好ましくないからである。

前記中空繊維は、たとえば、ポリメチルメタクリレート
、セルロース、ポリアクリロニトリル、ポリカーボネー
ト、ポリフッ化ビニリデン、ポリスルホン、ポリエチレ
ン、ポリプロピレン、ポリビニルアルコール、シリコー
ンなどおよびそれらを変性した各種ポリマの合成繊維か
らなる。

本発明に用いられる中空繊維の単糸１１は一般的には内
径１００〜１，０００ミクロン、厚さ５〜２０（ｌクロ
ンの範囲のものが好ましく用いられる。

前記の第１の線状物１２は、たとえば、ポリエステル、
ポリアクリロニトリル、ポリアミドなどのフィラメント
あるいは紡績糸などが好ましく用いられ、セルロースア
セテート、レーヨンなどのセルロース系繊維、ポリビニ
ルアルコール、ポリ塩化ビニール、ポリフッ化ビニリデ
ン、ポリウレタン、絹、綿などの繊維も目的・用途に応
じて用いられる。

該第１の線状物］２は比較的嵩高性があり、かつ伸縮性
かある捲縮繊維、加工糸、紡績糸などが好ましく用いら
れ、前記の中空繊維単糸１１の太さ、剛直性などの特性
および第１の線状物１２自体の嵩高性、伸縮性などの特
性によって適宜選択されるが、好ましくは、前記中空繊
維の単糸１１よりも細い線状物であり前記単糸１１の外
径の２０分の１乃至３分の１の外径を有する線状物であ
る。２０分の１よりも細い場合、単糸１１に螺旋状に巻
回された第１の線状物と次いで螺旋状に巻回された第１
の線状物との間で単糸１１が隣接する単糸と密着してし
まうことがあり、流体処理能力が低下することかあり、
一方、３分の１よりも太いと単糸１１と隣接する単糸と
の間隔が必要以上広くなり一定の筒体に対して用いる単
糸数が少なくなり流体処理能力が低下することがある。

前記単糸１１に巻回する第１の線状物１２の巻数は、単
糸１１の外表面における流体抵抗、単糸１１すなわち中
空繊維の充填密度などによって選択されるか、たとえは
人工腎臓透析器の場合、水処理の場合、単糸１１の長さ
１０１Ｗｌあたり０１乃至２０．０回の螺旋巻回数とす
ることが好ましく、より好ましくは０．２５乃至４．０
回の螺旋巻回数とする。

前記の第１の線状物１２のｙ＄、旋巻回数が少ないと単
糸１１の表面か隣接する単糸の表面と密着しやすく、螺
旋巻回数が多ずぎるとそれだけ単糸１１の表面を覆うと
ともに透析液の流動抵抗が増大することになる。

前記のように第２図乃至第４図に示した単位中空１雑素
子Ａは４単位以上か集合され次いで第５図に示すように
集合された単位中空繊維素子群の周囲に第２の線状物１
３を螺旋状に巻回して中空繊維束Ｂを形成する。

前記中空繊維束Ｂを形成する際に用いられる第２の線状
物１３は前記第１の線状物１２と同様、たとえばポリエ
ステル、ポリアクリロニトリル、ポリアミドなどのフィ
ラメントあるいは紡績糸などが好ましく用いられ、セル
ロース、アセテート、レーヨンなどのセルロース系繊維
、ポリビニルアルコール、ポリ塩化ビニール、ポリフッ
化ビニリデン、ボ、リウレタン、絹、綿などの繊維も被
透析流体の特性に応じて選択使用される。

前記第２の線状物１３は前記単糸１１の太さ、剛直性な
どの特性および第２の線状物１３自体の嵩高性、伸縮性
などの特性によって適宜選択される。

前記第２の線状物１３は、通常、前記中空繊維の単糸１
１の外径の５０分の１乃至２倍の外径を有する。第２の
線状物１３の外径が単糸１１の外径よりも５０分の１よ
りも細い場合は第２の線状物１３か細すぎ、中空繊維束
Ｂを集合して筒体に収納した場合中空繊維束Ｂと隣接す
る中空繊維束との間の空隙かなくなり筒体の端部近傍に
硬化性液体材料を注入し管板を形成する際に、前記硬化
性液体材料が浸透できなく、この部分でシール洩れを生
じることがある。

一方、２倍よりも太い中空繊維束Ｂと隣接する中空繊維
束との間隔が不必要に広くなり、定の筒体に対して用い
る単糸数かそれたけ少なくなり、流体処理能力が低下す
ることになる。

前記第１の線状物および第２の線状物の巻回方向はＳ方
向および／または２方向に任意に選択しうる。

前記中空繊維束■は単位中空繊維素子Ａを４本以上集合
して第２の線状物１３を螺旋巻回して形成されるが、こ
の場合単位中空繊維素子Ａを４本以上集合させる。該単
位中空繊維素子Ａが３本の場合、実質的に中空繊維束Ｂ
とした効果が小さく、２本の場合は実質的に中空繊維束
１Ｂとした効果が認められなく、他の中空繊維束と一緒に
筒体に収納する際に中空繊維束が一括して折れ曲り、ば
らけが生じ、筒体への中空繊維束の収納作業を円滑に行
うことができないばかりか不良製品を多発する。

前記単位中空繊維素子Ａはたとえば人工腎臓透析器のよ
うに単糸を２．　ＯＯＯ〜３０．０００本筒体に収納す
る場合、単位中空繊維素子を４〜１．０００本、好まし
くは１０〜５００本、さらに好ましくは２０〜２５０本
集合して、第２の線状物を螺旋巻回し中空繊維束Ｂを形
成する。

前記の中空繊維束Ｂは第６図に示すように５束以上集合
され筒体に収納される。前記中空繊維束Ｂが４束以下の
場合、筒体に収納した際、中空繊維束と中空繊維束との
間あるいは中空繊維束と筒体内壁との間に大きな空隙が
生じこの部分の透析液の流量が大きくなり好ましくない
。

前記の中空繊維束Ｂは５束以上集合されるが、集合され
た各中空繊維束Ｂに用いられる単位中空繊維素子Ａの集
合数は一定でもよく、異なる　２集合数からなる中空繊維束Ｂを集合させて用いてもよい
。

前記のごとく選択透過性を有する中空繊維の単糸を１本
あるいは２本１組とし、その単糸の周囲に中空繊維とは
異なる第１の線状物を巻回して単位中空繊維素子を形成
し、該単位中空繊維素子を４本以上集合して前記の中空
繊維とは異なる第２の本線状物を巻回して中空繊維束を
形成し、該中空繊維束を５束以上集合して筒体に収納す
ることにより、該収納作業時の中空繊維の折れ曲り、ば
らけを減少あるいは全く生じさせることなく、中空繊維
の切断をなくし、不良品の発生を著しく減少し得るとと
もに、中空繊維を筒体に収納する作業を著しく容易とな
し、品質および生産性を向上しうる。

実態例１外径２４０ミクロン、内径２００ミクロンの人工腎臓用
ポリメチルメタクリレート系中空繊維２本の回りに外径
７２改クロンのポリエステル加工糸（第１の線状物）を
中空繊維１０剛に対し０．５回の巻数で２方向に螺旋巻
回して単位中空繊維素子を得、該中空繊維素子を２４単
位集合し、その回りに外径５６ミクロンのポリエステル
加工糸（第２の線状物）を中空繊維素子の束１１０ｍｍ
に対し０．５回の巻数でＳ方向に螺旋巻回して中空繊維
束を得た。該中空ｌ１ｆｉｌｌ維束を３４４束まとめて
、長さ２４８ｍｍ、内径４５ｍｍの筒体に収納し、該筒
体の両端部に仮のキャップをつけて、１，６００回／分
の回転遠心力の場で流入口からポリウレタンを流込みし
かるのち該ポリウレタンを固化させた。

次いで、前記筒体の両端部からはみだしているポリウレ
タンおよび中空繊維束の端部近傍を切断して中空繊維の
中空部分を開放し、ヘッダーキャップを取付けて第１図
に示す本発明にかかる流体処理装置を得た。

該流体処理装置１０．　ＯＯ０本について１，０００＋
ｎｍ１ｌ（］の加圧空気を用いて漏洩検査を行った結果
２８本の不良品が発生していだ。それらの不良品につい
て原因を追及した結果筒体に中空繊維束を充填する際に
筒体の内壁および筒体端部に接触したことによる単純作
業兆スに基づく折れ糸、切れ糸に起因するポリウレタン
管板部のシール洩れは全く見られなかった。

次に、本発明にかかる流体処理装置について、基本性能
試験として人工腎臓の常法に従い尿素透過性を測定した
。中空繊維の内側に３７℃の尿素水溶液を被透析流体流
入口がら流量２００ｍ１　／　ｒｎ　ｉ　ｎで流入し、
中空繊維の外測には３７℃の水を透析液流入口から流量
５００　ｍｌ　／　ＩＩ　ｆ　ｎで流入し、中空繊維の
外測の圧力を調整して、該中空１ｍ維の内側と外側との
圧力差（トランスメンブレンプレッシカー）を１００ｍ
ｍＨｇに設定して尿素透過性（クリアランス）を測定し
た結果、尿素透過性（クリアランス）は１９０　ｍｌ　
／　１１ｉ　ｎであった。

実施例２実施例１と同じ人工腎臓用ポリメタクリレート系中空繊
維２本の回りに５６ミクロンのポリエステル加工糸（第
１の線状ｅｌ）を中空繊維１５０ｍｍ対し０．５６回の巻数でＺ方向に螺旋巻回して単
位中空繊維素子とし、該単位中空繊維素子を２４単位ま
とめて、その回りに同じ８８ミクロンのポリエステル加
工糸（第２の線状物）を１０ｍｍに対し０．３３回の巻
数でＺ方向に螺旋巻回して中空繊維糸を得た。しかるの
ち、該中空繊維束を２７６束集合し、長さ２４８ｍｍ、
内径３９ｍｍの筒体に収納したのち、実施例１と同じ方
法で管板を形成するとともに中空繊維の中空部分を開放
した。得られた流体処理装置１０，０００本について実
施例１と同様の漏洩検査の結果、不良品が４５本発生し
たがその原因はすべて折れ糸、切れ糸に起因するもので
あり、管板でのシール洩れは見られなかった。

また、実施例１と同様に尿素透過性（クリアンス）を測
定した結果は１８４　ｍｌ　／　ｍ　ｉ　ｎであった。

比較例１外径２４０ミクロン、内径２００ミクロンの人工腎臓用
ポリメチルメタクリレート系中空縁　６維２本の回りに外径７２ミクロンのポリエステル加工糸
を中空繊維１０問対し０．５回の巻数でＺ方向に螺旋巻
回して単位中空繊維素子を得、該単位中空繊維素子を８
．２５６単位集合し、長さ２４８閣、内径４５　＋ｎｏ
＋の筒体に収納し、該筒体の両端部に仮のキャップをつ
けて、１，６００回／分の回転遠心力の場で流入口から
ポリウレタンを流込みしかるのち該ポリウレタン固化さ
せた。次いで、前記筒体の両端部からはみだしているポ
リウレタンおよび中空繊維束の端部近傍を切断して中空
繊維の中空部分を開放し、ヘッダーキャップを取付けて
流体処理装置を得た。

該流体処理装置１０．　ＯＯ０本について１，０００ｍ
ｍｆ１ｇの加圧空気を用いて漏洩検査を行った結果、１
４３本の不良品が発生していた。それらの不良品につい
て原因を追及した結果、折れ糸、切れ糸に起因するもの
が９６本、ポリウレタンで形成された管板の一部で中空
繊維４本が密着したため、これらの中空繊維間にポリウ
レタンか注入されずシール洩れとなったものが４７本で
あった。

また、実方拒例１と同様の条件による良品の尿素透過性
は１８６ｍ１／ｎｉｎであった。

比較例２実態例１と同じ人工腎臓用ポリメタクリレート系中空繊
維２本の回りに５６ミクロンのポリエステル加工糸を中
空繊維１０間に対し０．５６回の巻数で２方向に螺旋巻
回して単位中空繊維素子とし、該単位中空繊維素子を６
．６２４単位集合し、長さ２４８關、内径３９＋ｕ＋の
筒体に収納したのち実施例１と同じ方法で管板を形成す
るとともに中空繊維の中空部分を開放した。得られた流
体処理装置１０．　ＯＯ０本について実方飽例１と同様
の漏洩検査の結果不良品が２３１本発生した。それらの
不良品について原因を追及した結果、折れ糸、切れ糸に
起因するものが１１８本、ポリウレタンで形成された管
板の一部でポリウレタンが注入されずシール洩れとなっ
たものが１１３本であった。また、実施例１と同様の条
件による良品の尿素透過性は１７９　ｍｌ／ｍｉｎであ
った。

〈発明の効果〉本発明によると、選択透過性を有する中空繊維の単糸を
１本あるいは２本１組とし、その単糸の周囲に中空繊維
とは異なる第１の線状物を巻回して単位中空繊維素子を
形成し、該単位中空繊維素子を４本以上集合して前記中
空繊維とは異なる第２の線状物を巻回して中空繊維束を
形威し、該中空繊維束を５束以上集合して筒体に収納す
ることにより、該収納作業時の中空繊維の折れ曲り、ば
らけを減少あるいは全く生じさせることなく、中空繊維
の切断をなくし、不良品の発生を著しく減少しうるとと
もに、中空繊維を筒体に収納する作業を著しく容易とな
し、品質および生産性を向上しうる。

また、本発明にかかる流体処理装置は、高性能であり、
小形化を可能にし、取扱いが容易である。

さらに、本発明にかかる流体処理装置を人工腎臓透析器
に適用した場合、尿素の透析性能　９（クリアランス）が向上し透析に要する時間の短縮、取
扱いの容易性などに優れる。

【図面の簡単な説明】

図面はすべて本発明にかかるものであり、第１図は本発
明の中空繊維を用いた流体処理装置の一例である人工腎
臓透析器の概略縦断面図である。第２図乃至第４図は単
位中空繊維素子の部分拡大斜視図であり、第５図は中空
繊維束の部分拡大斜視図である。第６図は第５図に示し
た中空繊維束を集合させた状態における部分拡大斜視図
である。１１１．筒体容器、２１１．透析液流入口３１０．透析液排出口、４１１．被透析流体流入口５１１．被透析液排出口６．７．管板８．９．ヘッダーキャップ１０、　、　中空ｍｔ４１１１．単糸　０１２゜１３゜Ａ、　。Ｂ、　。第１の線状物第２の線状物単位中空繊維素子中空ｍ＋維束

Claims

【特許請求の範囲】

（１）中空繊維を用いた流体処理装置において、前記中
空繊維は選択透過性を有し、該中空繊維１本または２本
の周囲に中空繊維とは異なる第１の線状物を螺旋状に巻
回して単位中空繊維素子が形成され、該単位中空繊維素
子を４単位以上集合させ周囲に中空繊維とは異なる第２
の線状物を螺旋状に巻回して中空繊維束が形成され、該
中空繊維束が５束以上筒体に収納されてなることを特徴
とする中空繊維を用いた流体処理装置。
（２）中空繊維が２，０００〜３０，０００本筒体に収
納され、人工腎臓透析器として用いられてなることを特
徴とする請求項１記載の中空繊維を用いた流体処理装置
。
（３）単位中空繊維素子および／または中空繊維束を形
成する際に用いられる線状物が嵩高性および伸縮性を有
する捲縮糸、加工糸、紡績糸の１種あるいは複数種であ
ることを特徴とする請求項１または２記載の中空繊維を
用いた流体処理装置。