JPH08117563A

JPH08117563A - 中空糸膜束及びその製造方法

Info

Publication number: JPH08117563A
Application number: JP25712794A
Authority: JP
Inventors: Tamiyuki Eguchi; 民行江口
Original assignee: Kanegafuchi Chemical Industry Co Ltd
Current assignee: Kanegafuchi Chemical Industry Co Ltd
Priority date: 1994-10-21
Filing date: 1994-10-21
Publication date: 1996-05-14

Abstract

(57)【要約】【目的】中空糸膜の充填状態の粗密が均一で、特別な
形状保持材を用いることなく中空糸膜の形状を保持さ
せ、有効面積を大きくし且つ流体の流れを均一にし、流
体の流れにより自然に発生する中空糸膜の揺れ若しくは
振動を妨げず、目詰まりし難く、ろ過効率の高い形状の
中空糸膜束及びその製造方法を提供する。【構成】中空糸膜の開口端が一ヶ所で集束固定された
中空糸膜型の流体分離装置に用いる中空糸膜束であっ
て、全ての中空糸膜１が、該中空糸膜束の直線状部分５
における軸方向に対して垂直な方向の断面の最小直径の
１．１５倍以下の直径で各々複数の交差点を有しながら
ループ状に折り返され、且つループ部分６の断面が略円
形で、その最大直径が直線状部分の前記最小直径の０．
９５〜１．１５倍であり、更にループ部分の中央の中空
糸膜の長さが最も短くなるように束ねられていることを
特徴とする形状保持材を持たない中空糸膜束である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、限外ろ過装置、精密ろ
過装置等の流体分離装置に使用される中空糸膜束及びそ
の製造方法に係わり、更に詳しくは特定の形状で一端を
ループ状に折り返すことによって形状を保持し、流体の
流れを均一にした中空糸膜束及びその製造方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】流体の流れが均一になるように多数の中
空糸膜を、各々が数ヶ所以上の交差点を持つ（以下、
「綾をかける」と言う）ように束ねた中空糸膜束を逆浸
透、限外ろ過、精密ろ過、人工透析、ガス分離等に利用
することはよく知られている。

【０００３】逆浸透、ガス分離では、中空糸膜間の隙間
を閉塞させるような物質を含まない比較的きれいな流体
が通常処理されるので、中空糸膜束はゆるぎなく強固に
束ねられている。限外ろ過では、濃度分極の影響を軽減
させるために中空糸膜の内側に流体を流すように直線状
の中空糸膜束が両端で集束固定されている。人工透析
器、血漿分離器、人工肺等の中空糸膜を用いた医療機器
も直線状の中空糸膜束が両端で集束固定されている。

【０００４】中空糸膜をループ状に折り返し、その両端
を一ヶ所で集束固定した中空糸膜型の流体分離装置で
は、容易に推測できるように特別な工夫を施さなければ
中空糸膜束のループ部分の断面が円形にならないだけで
なく、その相当直径は直線状部分の断面の直径よりも通
常２０％以上大きくなる。このような中空糸膜束ではル
ープ部分だけでなく直線状部分でも中空糸充填状態に粗
密のバラツキが大きくなり、均一な流体の流れが期待で
きない。

【０００５】図５は、従来の製造方法によって中空糸膜
束を製造する際の巻き取り工程を示したものであり、中
空糸膜１０１を巻き取る二軸のカセ１０２と、綾をかけ
るためのトラバース１０３を示し、図６及び図７は、従
来の直線状のカセ１０２に中空糸膜１０１を巻き取った
ときのループ部分を示し、各図の(a) はループ部分１０
４のカセ１０２を含む中空糸膜束の軸方向の断面、(b)
は中空糸膜束の軸方向に対して垂直な方向の断面を表し
ている。図６(b) から従来のカセでは、カセの断面積が
そのままループ部分の空間になり、ループ部分１０４の
束の直径が直線状部分１０５より大きくならざるを得な
いことがわかる。また、中空糸膜をカセ全体に均一に巻
き取ると中空糸膜束の外形が矩形になり、通常使用され
る円筒形の容器に充填したときには該容器との間に隙間
が生じることもわかる。そこで、図７(b) のように中空
糸膜束の外形が円形になるように巻き取ると、図７(a)
のように流体が最も流れにくい中空糸膜束の中央の中空
糸膜が最も長くなって好ましくない。

【０００６】一方、互いに交差積層した中空糸膜の帯状
積層体を芯管に巻き付けたもの（特開昭５３−３７１８
３号公報）、サポート部材を設けて中空糸膜束の形状を
保持するもの（実開昭６２−１０３４０７号公報、実開
昭６２−１０３４０９号公報、実開平１−９２２０３号
公報等）では、形状保持材を用いることによって中空糸
膜の充填状態の粗密を均一にしている。また、実開平４
−３３９２７号公報では、中空糸膜の充填量を大きくす
るために、中空糸膜束のループ部分の直径が直線状部分
よりも大きいことを利用して複数の中空糸膜束が互いに
交差するように配置しているが、それぞれの束の中空糸
膜の充填状態は改善されているとは言えない。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】前述のように、略巻き
取り幅に等しい範囲でトラバースを用いて中空糸膜を往
復させながら直線状の二軸のカセで中空糸膜を巻き取る
従来の製造方法によって、ループ状に折り返した中空糸
膜束を得るが、中空糸膜とカセの接触面積を小さくする
と、中空糸膜に大きな圧力が加わって中空糸膜が潰れる
ので、従来の直線状のカセの厚さを単に薄くしても、ル
ープ部分の断面（以下、断りなく「断面」と言う場合に
は、中空糸膜束の軸方向に対して垂直な方向の断面を意
味する）の最大直径は、直線状部分の直径のおよそ１．
２倍までが限界である。また、直線状のカセでループ部
分の断面が円形になるように中空糸膜を巻き取るために
は、トラバースが特殊な動きをしなければならないだけ
でなく、このようにしてもループ部分の軸方向の断面の
形状は山なりになり、流体の到達が最も遅い中空糸膜束
の中央の中空糸膜の長さが最も長くなってろ過効率が低
下する等の欠点が生じる。

【０００８】中空糸膜型の流体分離装置の長所の一つ
は、有効膜面積を他の形状のものに比べて大きくするこ
とができる点である。しかしながら、中空糸膜の充填状
態に粗密があれば流体の流れが不均一になり、全ての中
空糸膜が有効に使われない。中空糸膜の充填状態の粗密
を均一にするために束の形状を保持する形状保持材を用
いると、装置が複雑になるだけでなく中空糸膜の充填量
が保持材の分だけ減少する。また、保持材の形態によっ
ては中空糸膜の自由な振動まで妨げるために中空糸膜の
表面に付着物が蓄積し、目詰まりし易い等の欠点があ
る。

【０００９】そこで、本発明が前述の状況に鑑み、解決
しようとするところは、中空糸膜の充填状態の粗密が均
一で、特別な形状保持材を用いることなく中空糸膜の形
状を保持させることによって、有効面積を大きくしなが
ら流体の流れを均一にし、流体の流れにより自然に発生
する中空糸膜の揺れ若しくは振動を妨げないことによっ
て、目詰まりし難く、ろ過効率の高い形状の中空糸膜束
を提供し、併せてその中空糸膜束の製造方法を提供する
点にある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明者は、カセの形状
と綾のかけ方を種々検討した結果、中空糸膜の開口端が
一ヶ所で集束固定された中空糸膜型の流体分離装置に用
いる中空糸膜束であって、全ての中空糸膜が、該中空糸
膜束の直線状部分における軸方向に対して垂直な方向の
断面の最小直径の１．１５倍以下の直径で各々複数の交
差点を有しながらループ状に折り返され、且つループ部
分の断面が略円形で、その最大直径が直線状部分の前記
最小直径の０．９５〜１．１５倍であり、更にループ部
分の中央の中空糸膜の長さが最も短くなるように束ねら
れていることを特徴とする形状保持材を持たない中空糸
膜束を発明するに至った。

【００１１】また、中空糸膜を、中空糸膜束の直線状部
分の軸方向に対して垂直な方向の断面の最小直径に略等
しい半円形状で且つ厚さが該直径の２０％以下の巻取部
を有する二軸カセで、綾をかけながら巻き取ることを特
徴とする上記の中空糸膜束の製造方法を見出して、前述
の問題を解決することができた。そして、中空糸膜を前
記二軸カセの巻取部に綾をかけながら巻き取った後、直
線状部分の中央部であって近接した二ヶ所をバンドで緊
迫し、その間を切断して中空糸膜束を得るのである。

【００１２】

【作用】以上の如き内容からなる本発明の中空糸膜束
は、全ての中空糸膜が、該中空糸膜束の直線状部分にお
ける軸方向に対して垂直な方向の断面の最小直径の１．
１５倍以下の直径で各々複数の交差点を有しながらルー
プ状に折り返され、且つループ部分の断面が略円形で、
その最大直径が直線状部分の前記最小直径の０．９５〜
１．１５倍であることから、直線状部分とループ部分と
で中空糸膜の充填状態の粗密が略均一になって流体の流
れが均一化されるとともに、当該中空糸膜束を収容する
容器への装填作業が簡単になり且つ容器との間の間隔も
均一化され、しかも形状保持材によって中空糸膜を固定
していないので、流体の流れにより自然に発生する中空
糸膜の揺れ若しくは振動を妨げないのである。また、流
体の到達が最も遅いループ部分の中央の中空糸膜の長さ
が最も短くなるように束ねられていることによって、全
ての中空糸膜のろ過特性が平均化するのである。

【００１３】また、製造方法においては、中空糸膜束の
直線状部分の軸方向に対して垂直な方向の断面の最小直
径に略等しい半円形状で且つ厚さが該直径の２０％以下
の巻取部を有する二軸カセを用いて、従来の製造方法と
同様に中空糸膜を綾をかけながらカセに巻き取ることに
よって、上記特性を備えた形態の中空糸膜束を製造でき
るのである。その後、直線状部分の中央部であって近接
した二ヶ所をバンドで緊迫し、その間を切断することに
よって、同時に二つの中空糸膜束を製造できる。

【００１４】

【実施例】次に添付図面に示した実施例に基づき更に本
発明の詳細を説明する。図１は本発明の製造方法によっ
て中空糸膜束を製造する際の巻き取り工程を示したもの
であり、連続した中空糸膜１を回転する二軸のカセ２
に、トラバース３で綾をかけながら巻き取る方法は従来
と同様であるが、前記カセ２には互いに接近する方向に
半円形状に湾曲した巻取部４，４を設けている点が大き
く異なっている。

【００１５】前記カセ２の巻取部４は、図２に示すよう
に、中空糸膜束の直線状部分５の軸方向の断面の最小直
径に略等しい直径Ｄの半円形状を有し且つ厚さｄが該直
径Ｄの２０％以下になるように設定している。図２(b)
は中空糸膜束のループ部分６における軸方向の断面を示
し、該ループ部分６のカセ２による空間は軸方向に分散
されており、一断面ではカセ２との接触部分のみとなっ
ているので束のループ部分６と直線状部分５の断面の直
径の差は殆どなく、カセ２から外した束の外形が略円柱
形になることがわかる。また、図２(a) は中空糸膜束の
ループ部分６を軸方向から見た図であり、束のループ部
分６の中央の中空糸膜１が最も短くなることもわかる。

【００１６】そして、綾は、中空糸膜１をカセ２に巻き
取りながら、略巻き取り幅に等しい幅でトラバース３を
往復させることによって与えられる。この往復周期を短
くすると中空糸膜１の交差点数が多くなり、束の外形は
太く（即ち、中空糸膜１の充填密度は小さく）、形状は
より強く保持される。

【００１７】中空糸膜自身で中空糸膜束の形状を保持さ
せるために必要なトラバース３の往復回数は、カセ２の
一回転あたりおよそ１から３である。この値が１のとき
ループ部分６の断面の最大直径が直線状部分５の最小直
径のおよそ１．１５倍になり、２のときに両者は略等し
く、３のときにはおよそ０．９５倍とむしろ小さくな
る。この範囲であれば、中空糸膜自身が中空糸膜束の形
状を保持するだけでなく、中空糸膜束中の中空糸膜の充
填密度及びこの中空糸膜束の通常用いられる円筒状の容
器に収容したときの中空糸膜束の充填状態に粗密のむら
がなく、流体が中空糸膜全体にわたって均一に流れる。

【００１８】本発明に使用する中空糸膜の外径は、およ
そ５００〜２０００μｍである。５００μｍ以下ではカ
セの厚さが小さくなり、カセとの接触部分で中空糸膜が
潰れ易くなる。２０００μｍ以上のときには中空糸膜自
身が綾をかけなくとも中空糸膜束の形状を保持する強度
を持つだけでなく、中空糸膜間の隙間も現実上問題にな
らない程に自然に形成されるが、中空糸膜の充填密度が
低くなって有効膜面積が減少するので好ましくない。

【００１９】本発明が実施可能なカセに巻き取る中空糸
膜の数は、中空糸膜の太さにもよるが、中空糸膜の太さ
が２０００μｍでおよそ１００本以上、５００μｍでお
よそ２０００本以上である。

【００２０】カセに送る中空糸膜は、１本から２０本一
組の範囲で特に限定されない。２０本を越えるとこの一
組の中空糸膜密度が必然的に大きくなり、中空糸膜束全
体としても中空糸膜の充填密度が過度に大きくなるため
に、限外ろ過や精密ろ過のような中空糸膜間の隙間を閉
塞させるような物質を比較的多量に含む流体を処理する
分野には好ましくないものとなる。また、中空糸膜束の
長さは、特に限定されないが、通常数ｃｍから約１ｍで
ある。

【００２１】本発明の製造方法が効果的に実施できる中
空糸膜は、乾湿式紡糸によるものであって、未乾燥状態
のもの、更に好ましくは溶剤が残留していて凝固が完全
には終了していないものである。乾湿式紡糸によって、
例えば、ポリアクリルニトリル、ポリメチルメタクリレ
ート、ポリフッ化ビニリデン、セルロースアセテート、
ポリスルホン、ポリエーテルスルホン等からなる限外ろ
過膜、精密ろ過膜が製造されているが、これらは何れも
未乾燥状態では柔軟で、弛むことなくカセに巻き取られ
る。この状態で乾燥すると中空糸膜束の状態がそのまま
形状記憶されて固定される。即ち、溶剤が残留していて
凝固が完全に終了していない状態の中空糸膜を巻き取っ
て、この状態で凝固を終了させると、カセからこの中空
糸膜束を外して乾燥しても中空糸膜束の状態が維持され
る。

【００２２】次に、実施例によって本発明をより具体的
に説明するが、本発明を限定するものではない。

【００２３】（比較例１）ポリスルホン溶液からなる紡
糸原液を二重管状ノズルから芯液とともに空中に押し出
し、２０ｃｍ下にある水中に侵入させ、水中を５０ｍ／
分の速度で約３ｍ走行させてから、カセ間の距離が４５
ｃｍ、太さ８ｍｍの丸棒の直線状カセに、巻き取り幅が
５５ｍｍで、カセ一回転あたりトラバースを１．２往復
させながら、内径５００μｍ、外径８００μｍの、０．
２μｍのコロイダルシリカが通過しない中空糸膜を１７
００本巻き取った。巻き取り中は、中空糸膜に水を振り
かけて凝固を進行させた。中空糸膜束を中央の二ヶ所を
幅５ｍｍのバンド７で縛り、その間を切断して二つの中
空糸膜束をカセから抜き取った。この中空糸膜束に熱水
を振りかけて残存する溶剤を更に除去してからバンドに
針金をかけて中空糸膜束を吊るし、９０℃で恒量になる
ので乾燥した。

【００２４】この中空糸膜束は、全長が約２４ｃｍ、外
観は略図６に示すものであった。中空糸膜束の直線状部
分とループ部分に紙テープを巻き、その長さから相当す
る直径を測定した結果、それぞれ５５ｍｍ、６６ｍｍ
で、ループ部分の直径は直線状部分の直径の１．２倍で
あった。

【００２５】（実施例１）太さ８ｍｍの丸棒を内径５５
ｍｍの半円状に曲げて巻取部を形成したカセを用いた以
外は、比較例１と同様にして中空糸膜束Ａを作成した。
この中空糸膜束Ａの外観は略図２及び図３に示すもので
あった。ループ部分６の直径は６０ｍｍで、直線状部分
５の直径５５ｍｍの１．０９倍であった。

【００２６】（実施例２）外径９６０μｍ、内径６００
μｍの中空糸膜を１１００本巻き取った以外は、実施例
１と同様にして中空糸膜束Ａを作成した。この中空糸膜
Ａの外観、ループ部分及び直線状部分の直径は実施例１
と略同じであった。

【００２７】（比較例２）中空糸膜を１４００本巻き取
る以外は比較例１と同様にして中空糸膜束を作成した。
この中空糸膜束のループ部分の直径は６０ｍｍで、直線
状部分の直径５０ｍｍの１．2 倍であった。

【００２８】（実施例３）図４に示すように、実施例１
の中空糸膜束Ａを内径６２ｍｍの多孔管８に入れ、中空
糸膜１の開口端を一ヶ所でポッティング材９で集束固定
し、有効外表面積が約１．６ｍ²の流体分離装置１０を
作成した。この流体分離装置１０を、透明な通常のハウ
ジング１１に装着してろ過装置Ｂを構成した。このろ過
装置Ｂの入口１２から水を供給し、多孔管８を通して中
空糸膜束Ａの外側から水を毎分２０リットルでろ過さ
せ、出口１３から排出させながら中空糸膜１の動きを観
察した。中空糸膜１は、互いに略均一な間隔を保ちなが
ら多孔管８の中を満たすように広がり、小さく振動し
た。次に、０．２μｍのコロイダルシリカの１００ｐｐ
ｍ水溶液を毎分６リットルでろ過圧力が初期ろ過圧力の
１０倍になるまでろ過した。積算ろ過量は約４００リッ
トルであった。

【００２９】（比較例３）比較例２の中空糸膜束を用い
て実施例３と同様な観察をした。実施例３と同じろ過圧
力のときの水のろ過速度は、中空糸膜の充填本数に略比
例して毎分１６リットルであった。また、中空糸膜束は
水の入口１２と反対の方向へ偏り、振動する中空糸膜１
はまばらであった。次に、実施例３と同様にしてコロイ
ダルシリカの水溶液をろ過したところ、積算ろ過量は２
６０リットルであった。

【００３０】（実施例４）実施例３で水を毎分１００リ
ットルになるまでろ過したが、振動が激しくなった以
外、中空糸膜１に異常は発生しなかった。

【００３１】（比較例４）比較例１でカセに巻き取った
中空糸膜束から両端をバンドで縛った長さ約３０ｃｍの
直線状部分を切り出し、比較例１と同様にして直線状の
中空糸膜束を作成した。この中空糸膜束を実施例３と同
じ多孔管８に入れ、中空糸膜の一方を開口部にまでポッ
ティング材を充填して固定し、他方を開口状態で集束固
定した。これを用いて実施例４と同様にして水をろ過し
たが、毎分８０リットルのときに中空糸膜の切断が発生
した。

【００３２】

【発明の効果】本発明の中空糸膜束を限外ろ過や精密ろ
過のような中空糸膜間の隙間を閉塞させるような物質を
比較的多量に含む流体を処理するための中空糸膜の開口
端が一ヶ所で集束固定された中空糸膜型の流体分離装置
に使用すると、中空糸膜の充填状態に粗密のバラツキがないために流
体が中空糸膜束全体に均一に分散されて流れること、流体が最も流れ難い中空糸膜束の中央の中空糸膜が最
も短いので合理的であること、中空糸膜自身が中空糸膜束の形状を保持しているので
構造が簡単であること、中空糸膜束が略円柱状で、中空糸膜の充填状態に粗密
のバラツキがなく、しかも形状保持材を持たないので、
有効膜面積が大きくなって過効率を向上させることがで
きること、流体の流れによって自然に発生する中空糸膜の揺れ若
しくは振動を妨げないので、目詰まりし難く、寿命がな
がいこと、等の効果を発揮する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の製造方法によってカセに中空糸膜を巻
き取る状態を示した簡略説明図である。

【図２】同じくカセに巻き取った中空糸膜束のループ部
分を示し、(a) は中空糸膜束の軸方向の断面図、(b) は
ループ部分を軸方向から見た平面図である。

【図３】本発明の中空糸膜束を一部破断して示した斜視
図である。

【図４】本発明の中空糸膜束を用いたろ過装置を示す簡
略断面図である。

【図５】従来の製造方法によってカセに中空糸膜を巻き
取る状態を示した簡略説明図である。

【図６】同じくカセに巻き取った中空糸膜束のループ部
分を示し、(a) は中空糸膜束の軸方向の断面図、(b) は
軸方向に対して垂直な方向の断面図である。

【図７】同じく断面が半円形状になるようにカセに巻き
取った中空糸膜束のループ部分を示し、(a) は中空糸膜
束の軸方向の断面図、(b) は軸方向に対して垂直な方向
の断面図である。

【符号の説明】

Ａ中空糸膜束１中空糸膜２カセ３トラバース４巻取部５直線状部分６ループ部分７バンド８多孔管９ポッティング材１０流体分離装置１１ハウジング１２入口１３出口

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【手続補正書】

【提出日】平成７年３月２２日

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図３

【補正方法】変更

【補正内容】

【図３】

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】中空糸膜の開口端が一ヶ所で集束固定さ
れた中空糸膜型の流体分離装置に用いる中空糸膜束であ
って、全ての中空糸膜が、該中空糸膜束の直線状部分に
おける軸方向に対して垂直な方向の断面の最小直径の
１．１５倍以下の直径で各々複数の交差点を有しながら
ループ状に折り返され、且つループ部分の断面が略円形
で、その最大直径が直線状部分の前記最小直径の０．９
５〜１．１５倍であり、更にループ部分の中央の中空糸
膜の長さが最も短くなるように束ねられていることを特
徴とする形状保持材を持たない中空糸膜束。
【請求項２】中空糸膜を、中空糸膜束の直線状部分の
軸方向に対して垂直な方向の断面の最小直径に略等しい
半円形状で且つ厚さが該直径の２０％以下の巻取部を有
する二軸カセで、綾をかけながら巻き取ることを特徴と
する中空糸膜束の製造方法。
【請求項３】中空糸膜を前記二軸カセの巻取部に綾を
かけながら巻き取った後、直線状部分の中央部であって
近接した二ヶ所をバンドで緊迫し、その間を切断してな
る請求項２記載の中空糸膜束の製造方法。