KR102067748B1 - 중공 섬유 카트리지와 구성부품 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 중공 섬유 카트리지와 구성부품 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

Description

중공 섬유 카트리지와 구성부품 및 그 제조 방법{HOLLOW FIBER CARTRIDGES AND COMPONENTS AND METHODS OF THEIR CONSTRUCTION}
관련 출원에 대한 참조
본 출원은, 그 전체가 여기에 참조로서 병합된, 2011년 12월 22일 출원된 미국 가 출원 제 61/579,623 호의 이익을 주장한다.
본 발명은 중공 섬유 모듈의 생산 및 조립 방법에 관한 것이다.
벽이 다공성 및 반 투과성일 수 있는 중공 섬유 필터는 우수한 여과 성능과 많은 분야 및 응용에 적용할 수 있는 특성을 가진다. 중공 섬유(hollow fibers; HFs)는 물 정화, 생물학적 유체로부터의 성분의 분리, 투석, 역삼투, 기체 분리, 세포 배양 장치뿐만 아니라 광범위하게 사용된다. 많은 사용에도 불구하고, 여과 장치에 기초하는 중공 섬유는 공통적인 구조와 작업 형태를 갖는다. 여과 장치는 중공 섬유 모듈(hollow fiber module; HFM)이며, HFM 구조는 여러 분야에서 다양하게 사용되고 있지만, 그럼에도, 일반적으로 공통적인 구조와 조립 방법을 갖는다.
일반적으로, 개별 중공 섬유는 "번들(bundle)"{또한 "클러스터(clusters)"로 지칭됨}로 결합하며, 여기서 섬유는 선택적으로 임의의 종류의 슬리브, 일반적으로 네트 슬리브에 의해 유지될 수 있다. 이후, 번들은 사실 일반적으로 관형인 보호 하우징 또는 쉘(shell)에 추가로 놓인다. 쉘 내에 있는 중공 섬유는 일반적으로, 쉘의 양 단부에서 중합체나, 또는 다른 물질로 섬유를 포팅(potting)에 배치하는 방식으로 쉘의 길이에 대해 연장한다. 따라서 중공 섬유는 그 중합화 및 고체화에 따라 중합체 물질에 포함될 수 있다. 동일한 프로세스에서, 임의의 두께를 갖는, 일반적으로 쉘의 길이의 5-10%로 형성될 수 있는, 고체화된 포팅 물질은 쉘의 각 단부에서 고체 단부 캡, 포트형 캡 또는 "벽(wall)"을 형성한다. 이 구조의 결과, 쉘의 내부벽 및 중공 섬유의 외부 벽 사이와 포트형 단부 캡 사이에, 챔버를 형성하게 된다.
중공 섬유 단부는 포팅 프로세스 동안 막힐 수 있으므로, 공지된 방법은 포팅 중의 막힘으로부터 중공 섬유의 단부를 보호하기 위해, 또는 포팅 후에 이러한 단부를 개방하기 위해 적용된다. 따라서, 연속적인 흐름 경로는 중합체 포팅 물질을 통과하는 것을 포함하는, 중공 섬유의 전체 길이를 통해 유지된다. 그 목적은 중공 섬유의 전체 길이를 통해 연속적인 흐름 경로를 유지할 뿐만 아니라, 또한 섬유의 벽에서 나오는 유체를 저장하거나 수집하기 위한 쉘 내에, 챔버, 투과성 챔버를 형성하기 위한 것이고, 이러한 어셈블리는 중공 섬유 카트리지(Hollow Fiber Cartridge; HFC)로 알려져 있다.
일반적으로, 어댑터는 쉘 또는 HFC의 단부에 첨가되고, 이것은 하나의 단부에서 중공 섬유 안으로 여과되거나 또는 잔류하는 유체를 향하게 하며, 유체는 HFC의 다른 단부에서 중공 섬유를 나가는 그러한 유체를 향하게 한다. 추가 어댑터는 그러한 투과액을 수집하기 위한 투과액 챔버로부터 도관(conduit)을 제공하기 위해 쉘에 첨가될 수 있다.
잔류액(retentate)을 흐르게 하는 입구 및 출구와, 여과된 물질을 수집하기 위한 수단을 가지는, 일반화된 구조로부터 명백한 바와 같이, HFM은 효율적인 여과 장치를 제공한다. HFM에서, 잔류액은 섬유를 통해 선형 흐름을 생성하는 반 투과성 HFs를 향한다. 여과액 챔버에 대한 섬유 내의 높은 압력은 제 1 유체 또는 잔류액 흐름 방향에 수직인 HF 다공성 벽을 통해 제 2 흐름을 생성한다. 멤브레인을 가로 지르는 유체 분획은 멤브레인 구멍 크기 등과 같은 멤브레인 특성에 기초하여 분획 또는 여과될 수 있고, 구멍보다 큰 입자는 멤브레인에 의해 유지되고, 구멍보다 작은 입자는 멤브레인을 통해 여과액 챔버안으로 통과한다. 이러한 여과 프로세스는 횡단 흐름 여과, 또는 접선 흐름 여과로 알려져 있고, 이러한 프로세스는 광범위하게 사용되며, 일반적으로 잘 이해되고 있다. HF 멤브레인을 통해 여과된 액체는 따라서 수확될 수 있는 여과액 챔버에서 수집될 수 있다.
HFC에는 중공 섬유로부터 또는 중공 섬유를 향해 잔류액을 유입 및 유출하기 위한 어댑터가 없다. 그러나, 카트리지 쉘 벽은 여과액의 무제한 흐름을 허용할 수 있게 투과가능하게 할 수 있다. 또한, 카트리지는 잔류액을 유입 및 유출하기 위한 그러한 어댑터를 포함하는 별도의 모듈 하우징 안으로 삽입하여 HFM으로 변환할 수 있다. 이것은 명백하지만, 그러한 HFM을 만들 때, 여과액 챔버(섬유의 수집 내부 루멘)와 투과(또는 여과) 챔버 사이에 격벽이 필요하고, 그 분리는 카트리지의 단부를 둘러싸고 그 양 단부와 모듈 하우징 사이의 갭을 밀봉하는, 가스킷, "오(0)" 링, 또는 다른 잘 알려진 수단으로 쉽게 성취된다. 또한, 모듈 하우징은 중공 섬유에서 나오는 여과액을 수집하기 위한 수확 포트를 포함하며, HFC 쉘 내의 구멍은 수확을 위한 수확 포트에 대하여 카트리지 쉘 벽을 통해 흐르도록 이러한 여과액을 위한 수단을 제공한다. 그들의 유사성으로 인해, 용어 HFCM은 HFC와 HFM 모두에 포함된 기능을 참조할 때 사용된다.
HFM의 다양성은, 중공 섬유 물질의 선택, HFM의 물리적 특성, 섬유의 화학적 및 물리적 특성의 조정, 섬유를 통하고 횡단하는 흐름을 제어함에 의한 여과 프로세스의 조정, 및 다른 조작에 의해 상당히 증가할 수 있다 .
HFM은 확장(scale up)을 위한 훌륭한 플랫폼을 제공할 수 있다. HFC에서 섬유의 수를 증가시킴으로써, 체적 확장이 달성될 수 있다. 밀접하게 패킹된 섬유를 갖는 큰 필터는 멤브레인 표면적을 상당히 증가시키는 상당한 이점을 제공할 수 있고, 이러한 증가는 HFC의 반경의 3 제곱만큼 증가한다. 이에 비해, 표면적에서의 직선 증가는 그러한 모듈 매니폴드에 대하여 HFM을 더 추가함으로써 용이하게 달성된다. 부가적으로, 하나의 큰 필터는 여과 시스템의 풋 프린트(foot print)를 상당히 감소시킬 수 있어, 필터 매니폴드의 복잡성을 어느 정도 제거한다. 그 상호 연결 튜브, 파이프, 밸브, 및 모니터링 장비를 갖는 매니폴드의 복잡성은 복잡한 시스템 등을 사용하는 프로세스의 세척, 멸균 및 검증을 상당히 복잡하게 한다. 이들은 제약, 식품, 화학, 물, 하수 처리 등을 포함하는 특정 산업에서 중요한 문제이다. 또한, 단일 HFM을 포함하는 소규모 프로세스에서 다수의 모듈을 포함하는 대규모 시스템으로 전환하여, 프로세스를 확장할 때, 중요한 프로세스를 복잡하게 할 수 있다.
대규모 필터는 주로 복잡한 혼합물을 여과하고, 여과 속도를 증가시키기 위하여, 유체의 큰 볼륨을 처리하기 위한 많은 분야에서 바람직하다. 그러나, 이러한 큰 HFMs에 대한 필요성 및 장점에도 불구하고, 이러한 모듈은 쉽게 사용할 수 없다. 이러한 대형 필터에는 기술적인 구조적 한계가 포함될 수 있다. 일반적인 제조 방법은 "중간 정도의 작은(small to moderate)" 규모의 HFM, < 10m2 ( 60cm 길이의 긴 섬유 및 1mm ID에 대하여)에서는 신뢰할 수 있지만, > 10m2 일 수 있는 대규모 (60cm 길이의 긴 섬유 및 1mm ID에 대하여)의 큰 필터의 생산에 적용할 때는, 그들은 신뢰할 수 없고 비용이 많이 든다. 보다 구체적으로, 복잡성은 HFM에 대하여 멤브레인 표면적 > 20m2을 (동일한 파라미터) 증가시키고, 심지어 더 큰 필터에서는 더욱 증가시킨다. 따라서, 현재의 HFM의 제조 방법에 의해 관찰된 문제를 제거하거나 최소화할 수 있는 큰 HFM을 구성하기 위한 프로세스를 개발하는 것이 바람직할 것이다. 이것은 섬유의 표면적을 더 좁거나 및/또는 더 길게 증가시키는 것이 가능하지만, 이러한 옵션은 많은 응용에서 바람직하지 않을 수 있다. 큰 필터를 형성하기 위한 한계와 관련된 몇 가지 요인은 다음을 포함한다:
포팅 물질( potting material ) - HFC의 각각의 양 단부에 HFs를 끼워넣는데 사용되는 포팅 물질은, HFC의 직경이 증가할 때 더욱 심해질 수 있는, 잠재적인 문제의 일반적인 원인이다. 예를 들면, 에폭시 및 폴리우레탄을 포함하는 포팅 물질은 경화 후에 약간 수축된다. 수축의 정도는 열, 습기, 화학 물질, 방사선 등으로의 노출과 반응을 포함하는, 물질에 크게 의존할 것이고; 직경이 작은 HFM을 제조할 때는 그러한 수축 및 모양의 변형이 매우 작을 수 있어 중요하지 않을 수 있지만, 포트가 형성된 영역의 직경이 증가하면, 그것은 매우 중요해지고; 전체 수축은 물질의 수축 계수 곱하기 포트의 길이 또는 직경의 함수임을 주목해야 한다. 이러한 수축은 포트의 전체 직경에 영향을 미칠 수 있음을 알 수 있다. 그것은 포트에서의 갈라짐 및/또는 둥근 포트가 형성된 영역의 중심을 향하거나 또는 응력 경계를 따라, 포트를 내측으로 수축시키는 것과 같은 구조적 결함을 일으킨다. 이것은 특히 포팅제 및 HFC의 쉘 단부 캡이 상이한 물질일 때, 각각 상이한 팽창 및 수축 성질(즉, 열팽창 계수) (바람직하기에는, 쉘 단부 캡과 쉘은 동일한 열팽창과 계수를 갖는 것이다)을 갖는 경우 관찰된다. 예를 들어, 쉘 단부 캡은 폴리설폰이고 포팅 물질은 에폭시인 경우, 오토클레이브(autoclave)에서 HFCM를 멸균하는 경우처럼, 폴리설폰과 에폭시 사이의 결합은 열 처리에 의해 상이하게 영향을 받을 수 있다. 자주 주목되는 것은, 폴리설폰보다 크게 수축하는 에폭시가 폴리설폰에서 분리되어 떨어지게 되어, 여과액 챔버와 잔류액 챔버 사이에 통로를 형성하게 되고, HFCM의 무결성을 손상시키고, HFCM을 쓸모없게 한다. 이것은 직경이 약 4"의 HFCM에서 자주 관찰되며, 6" 직경의 HFCM에서는 더 자주 관찰된다.
유사하게는, 상이한 열팽창 계수를 갖는 서로 다른 두 가지 물질을 다룰 때, 그것이 특히 열에 노출한 다음에는 두 물질 사이에 결합을 형성하는 문제가 있다. 두 물질은 서로 다르게 팽창과 수축을 하게 되어, 그들 사이의 결합에 응력을 주게 된다. 유사한 열팽창 계수를 갖는 물질을 선택하고 두 물질 사이의 결합을 증가시키는 기술을 사용하여, 결합의 안정성을 지지하기 위해 사용될 수 있다; 그럼에도, 이것은 증가된 HFC의 직경을 제어하는 것이 더 어려워진다. 따라서, 다른 구조 물질 사이의 이러한 비 호환성을 최소화시키나 제거시키며, HFC 또는 HFM을 형성하는 것이 바람직할 것이다.
패킹 밀도( packing density ) - HFC 내의 개별 섬유 또는 섬유 번들의 패킹 방법은 주어진 체적으로 포장될 수 있는 다수의 섬유에 큰 영향을 미칠 수 있다. 포장 방법은 또한 여과액 형성의 효율 및 균일성에 지대한 영향을 미칠 수 있다. 타이트하게 무작위로 포장된 번들은, 그 사이에 있는 섬유에 의해 여과액 흐름이 상당히 저항을 받는 데, 특히 타이트하게 포장되는 경우, 번들의 내부 경계에 있는 섬유보다, 번들의 주변에서 섬유당 더 높은 여과율을 갖는다. 큰 HFM 또는 HFC에서, 이러한 제한은 효과적인 여과율 및 여과 능력을 감소시켜, 효과적인 확장 용량을 감소시킨다. 따라서, 섬유 포장 밀도를 극대화하고 여과액 흐름에 대한 잠재적인 방해를 최소화하는 장치(들)에서 개별 섬유 또는 섬유 번들을 포장하는 것이 바람직할 것이다. 제어된 섬유 포장 장치에 대한 다른 장점을 설명한다.
구조( structural ) - HFM의 크기가 증가함에 따라, 모듈에 작용하는 응력에 비례하여 증가가 예상된다. 다음에 따라 증가된 응력이 예상될 수 있다. 무게( weight ) - 모듈의 무게는 그 처리가 복잡할 수 있다. 모듈의 증가한 무게는 특히, 오토클레이브 멸균 중에 가열되면, 그 자신의 왜곡이 발생할 수 있다. 조립( assembly ) - 부품의 조립, 피팅 및 큰 표면의 접합은 실패의 가능성을 증가시킬 수 있다; 또, 이것은 가열에 의해 증폭될 수 있다.
프로세스( process ) - 큰 HFM을 통하는 유속은 매우 높을 수 있고, 높은 압력이 발생할 수 있다. 포트가 형성된 단부의 큰 표면적을 고려할 때, 그것은 상당한 압력을 받을 수 있고, 잠재적으로는 포트가 형성된 단부가 붕괴할 수 있다. 설명되는 바와 같이, 포트가 형성된 단부를 보강하면, 큰 필터를 구축할 때 압력의 왜곡 효과를 최소화하여 매우 유익하게 될 것이다.
무결성( integrity ) - HFM이 크면 클수록 그리고 중공 섬유가 그것에 더 포장되면 될수록, 섬유가 손상될 큰 가능성은 더욱 커지거나, 또는 처리하는 동안 손상될 수 있다. 심지어 단일 섬유에서 무결성의 손실은 전체 HFM을 쓸모없게 만든다. 중공 섬유의 파손은 잔류액 스트림으로부터의 흐름이 여과액 스트림 안으로 들어가 오염의 원인이 된다. 이러한 작은 결함에 의한 무결성의 잠재적인 손실은 또한 이러한 큰 필터의 제조에 어려움을 주는 중요한 이유이다. 현재의 제조 방법의 사용은, HFM이 무결성을 상실한 것으로 판정되기 전에 HFM이 완전히 조립될 수 있어, 이 경우에는, HFM을 전부 폐기해야만 한다. 이것은 또한 현재 방법에 의해 큰 HFMs의 제조 중 다른 잠재적인 위험 이외에, 그러한 필터의 제조의 어려움과, 그에 따른 제조 비용의 증가를 유발한다. 본 발명의 제안된 방법은 큰 HFCMs 제조에 있어 잠재적인 위험을 최소화하거나 제거할 것이다. 본 발명의 일부로서, 중공 섬유 필터 조립 방법이 설명되어 있다; 그 조립은 예시된 특정 HFCM에 한정되지 않는다.
위생적인 제조( sanitary construction ) - 많은 큰 HFCMs가 식품이나 의료 산업에 이용되는 경우, HFCM은 이들 산업의 요구 사항에 준수될 필요가 있다. 위생적인 설계는 이러한 요구 사항 중 하나가 될 수 있다. 트랩 오염 물질, 모듈의 효과적인 청소 능력에 영향을 주거나, 또는 모듈의 살균에 영향을 주는, 설계상의 간극, 사각 지역, 또는 다른 요인이 없어야 한다. 예를 들어, 스레딩(threading)의 사용은 바람직하지 않을 것이다. 스레딩은 위생 설계를 필요로 하는 중요한 응용에 매우 비위생적인 것으로 나타났다. 또 다른 비위생적인 디자인 기능은 HFCM 내에 있거나 또는 HFCM과 관련된 그러한 정체 지역, 오염된 물질, 및 그 제거를 억제하는 등의 정상적인 수단으로 접근할 수 없는 사각 지역의 존재이다. 그 결과는 청소 능력을 감소시키고, 불임증(sterility)을 유지하기 위한 능력을 감소시키며, 프로세스의 오염을 증가시킨다. 본 발명은 비위생적인 인자를 최소화하고 HFCM의 모든 부품에의 충분하고도 균질한 침투를 최대화한다.
본 발명은 카트리지의 사용 중에 발생하는 열 발생 응력을 최소화되게 하는 구조를 갖는 중공 섬유 카트리지에 관한 것이다. 열 발생 응력의 감소는 특히 카트리지의 외부 쉘과 쉘 단부 캡에 대하여 동일한 팽창 계수의 유사한 물질을 사용하여 달성된다. 카트리지는 자신의 섬유가 클러스터로 구성되어 있기 때문에 더욱 최적화되고, 그래서 단일 중공 섬유에서의 결함의 검출 및 교정이 더 쉽게 발견되고 제거될 수 있다. 클러스터는 많은 엔티티(entity)를 형성하도록 용이하게 결합할 수 있다. 카트리지는 또한 매우 높은 섬유 패킹 밀도를 갖는 덕분으로 최적화되어 있다. 이러한 높은 밀도는 클러스터의 단면 형상에 의해 달성되며, 그러한 형상(예를 들면, 육각형)은 클러스터를 서로로 밀접하게 패킹할 수 있게 한다.
달리 명시적으로 언급되지 않는 한, 본 특허 출원에서 "중공 섬유(hollow fibers)"는 중공 섬유 필터, 즉 그 외부 벽에 구멍을 가진 중공 섬유를 지칭하는 것을 의미한다. 구멍의 크기는 중공 섬유 필터의 의도된 용도에 따를 것이다.
제1의 일반적인 양태에서, 본 발명의 중공 섬유 필터 카트리지는:
1) 복수의 중공 섬유 클러스터로서, 각각의 클러스터는 서로 평행하는 복수의 중공 섬유를 포함하며, 각각의 클러스터는 제1 클러스터 단부 및 제2 클러스터 단부를 포함하는, 복수의 중공 섬유 클러스터와,
2) 하우징 쉘로서, 상기 쉘은 제1 단부 및 제2 단부를 포함하며, 각각의 단부는 개구를 포함하는, 하우징 쉘과,
3) 제1 쉘 단부 캡으로서, 상기 캡은 하우징 쉘의 제1 단부의 개구를 덮고, 상기 캡은 복수의 개구를 포함하는, 제1 쉘 단부 캡과,
4) 제2 쉘 단부 캡으로서, 상기 캡은 하우징 쉘의 제2 단부의 개구를 덮고, 상기 캡은 복수의 개구를 포함하는, 제2 쉘 단부 캡을 포함하며,
상기 클러스터는 상기 하우징 쉘 내에서 평행하게 정렬되고,
각각의 클러스터의 제1 세그먼트가 제1 쉘 단부 캡의 개구 내로 끼워져 포팅제(또는 고착제)에 의해 상기 개구에 대하여 밀봉되며,
각각의 클러스터의 제2 세그먼트가 제2 쉘 단부 캡의 개구 내로 끼워져 포팅제(또는 고착제)에 의해 상기 개구에 대하여 밀봉되며,
각각의 쉘 단부는, 카트리지가 스트림 멸균 또는 오토클레이빙(autoclaving)에 노출되는 경우, (a) 쉘 단부 캡 또는 포팅제에 의해 점유된 영역에서, 또는 (b) 캡과 포팅제에 의해 점유된 영역 사이에서, 어떠한 크랙이나 개방이 발생하지 않도록, 그 열팽창 계수가 포팅제의 팽창 계수에 충분히 근접한 물질로 구성된다.
제1의 일반적인 양태에서의 특정 실시예에서, 본 발명은 다음과 같다:
쉘 및 쉘 단부 캡이 동일한 물질로 구성되는, 카트리지;
하우징 쉘이 바람직하게는 원통형인, 카트리지;
하우징 쉘이 정사각형 또는 다른 형상인, 카트리지;
하우징 쉘이 투과성 또는 반 투과성인, 카트리지;
각각의 쉘 단부 캡 개구의 형상이 육각형, 정사각형, 직사각형, 삼각형, 다각형, 원형 및 타원형으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는, 카트리지;
쉘 단부 캡 개구의 형상이 육각형인, 카트리지;
제1 및 제2 단부 캡이 하우징 쉘에 기계적으로 부착되는, 카트리지;
제1 및 제2 단부 캡이 용매 또는 접착제에 의해 하우징 쉘에 부착되는, 카트리지;
상기 카트리지는 지지 요소를 포함하며, 상기 지지 요소는 포스트와 지지 컬럼으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되며, 상기 지지 컬럼은 상기 카트리지 내에 클러스터를 에워싸는 형태이고, 상기 지지 컬럼은 상기 카트리지로부터 나오는 유체가 투과가능한, 카트리지;
중공 섬유 클러스터의 단면 형상(예를 들면, 육각형)은 개구 안으로 삽입되는 단부 캡 개구의 단면 형상(예를 들면, 육각형)과 동일한, 카트리지;
하나의 클러스터의 경계 및 이웃하는 클러스터의 경계 사이의 거리가 1mm 내지 5mm 사이이고, 상기 거리는 두 개의 클러스터의 경계 사이의 최단 거리인, 카트리지; 및/또는
오토클레이빙은 섭씨 123도의 온도, 45분 동안 16 psi의 압력의 조건 하에서 수행되거나, 또는 증기 멸균이 20분 동안, 123 도, 20 psi에서 수행되는, 카트리지.
제2의 일반적인 양태에서, 본 발명은 중공 섬유 필터 카트리지의 조립 방법이고, 상기 방법은:
1) 카트리지의 제1 쉘 단부 캡과 제2 쉘 단부 캡을 사전-가공(또는 몰딩)하는 단계와,
2) 카트리지의 쉘 하우징을 제1 쉘 단부 캡에 부착하는 단계;
3) 카트리지의 쉘 하우징을 제2 쉘 단부 캡에 부착하는 단계;
4) 제1 쉘 단부 캡의 복수의 개구 중 하나를 통해, 복수의 중공 섬유 클러스터 각각을 삽입하여, 쉘 하우징을 통해 제2 쉘 단부 캡의 대응 개구로부터 나오는, 클러스터 삽입 단계로서, 각각의 클러스터의 길이는 하우징의 길이와 동일하거나 또는 더 큰, 클러스터 삽입 단계; 및
5) 각각의 클러스터의 세그먼트를 제1 쉘 단부 캡에 삽입된, 개구의 벽과, 제2 쉘 단부 캡에 삽입된, 개구의 벽에 포팅 또는 접합하는 단계를 포함하며;
각각의 쉘 단부는, 카트리지가 스트림 멸균 또는 오토클레이빙에 노출되는 경우, (a) 쉘 단부 캡 또는 포팅제에 의해 점유된 영역에서, 또는 (b) 캡과 포팅제에 의해 점유된 영역 사이에서, 어떠한 크랙이나 개방이 발생하지 않도록, 그 열팽창 계수가 포팅제의 팽창 계수에 충분히 근접한 물질로 구성된다.
제2의 일반적인 양태에서의 특정 실시예에서, 본 발명은 다음과 같다:
클러스터가 일단 개구 내에 포팅되고, 쉘 단부 캡을 넘어 연장하는 중공 섬유의 초과 길이가 있으면 이를 절단하는, 방법;
지지 포스트 또는 컬럼이 중공 섬유 모듈 내의 단부 캡 사이에 삽입되는, 방법;
지지 컬럼이 클러스터 사이에 배치되는, 방법;
클러스터가 지지 컬럼 내에 에워싸이며, 상기 지지 컬럼은 클러스터 안으로부터 나오는 여과액의 흐름이 투과가능한, 방법; 및/또는
오토클레이빙은 섭씨 123도의 온도, 45분 동안 16 psi의 압력의 조건 하에서 수행되거나, 또는 증기 멸균이 20분 동안, 123 도, 20 psi에서 수행되는, 방법.
제3의 일반적인 양태에서, 본 발명은 복수의 중공 섬유를 고정된 클러스터 내로 조립하기 위한 시스템이며, 상기 시스템은,
1) 섬유 소스로서, 상기 소스는 복수의 중공 섬유의 소스인, 섬유 소스;
2) 복수의 중공 섬유를 배향하고 구성하기 위한 천공된 템플릿;
3) 템플릿을 통해 통과한 섬유의 클러스터에 포팅제 또는 고착제를 분사하거나 또는 추가하기 위한 노즐 또는 다중 노즐을 포함하는 고정 챔버;
4) 육각형과 같은 원하는 형상으로 중공 섬유의 주위에서 포팅제를 형성하기 위한 성형 템플릿 또는 방법;
5) 포팅되거나 또는 고정된 영역을 따라 중간 지점의 위치에서 섬유 번들을 절단하기 위한 절단 장치;
6) 고정 챔버로부터 리드(lead)하는 클러스터를 캡처하거나 제거하기 위한 장치 또는 메커니즘;
7) 후행하는 컷 클러스터에 부착하고 고정 챔버로부터 멀리 특정 거리를 전진하기 위한 콜레트(collet) 장치; 상기 콜레트를 전진 또는 후퇴시키기 위한 자동화 벨트 및 풀리 시스템을 따라 움직이는 작동/후퇴 장치;
8) 2-7 단계의 반복; 을 포함하며,
시스템의 구성들은, 섬유가 템플릿 천공을 통해, 그리고 포팅제로 분무되는(코팅되는 또는 삽입되는) 고정 챔버를 통해, 섬유 소스로부터 당겨질 수 있고, 원하는 길이로 절단될 수 있도록 배열된다.
제3의 일반적인 양태의 특정 실시예에서, 본 발명은:
섬유 소스가 스풀을 포함하고, 스풀 주위에는 중공 섬유(튜브)가 권취될 수 있는, 시스템; 및/또는
섬유 소스가 복수의 중공 섬유를 압출하는 압출 장치를 포함하는, 시스템이다.
제4의 일반적인 양태에서, 본 발명은 복수의 중공 섬유 필터를 클러스터 내로 조립하기 위한 방법으로서, 제3 일반적인 양태의 시스템을 이용하는 방법은, 상기 방법이, 템플릿 천공(개구)을 통해, 그리고 포팅제로 분무되는(코팅되는 또는 삽입되는) 고정 챔버를 통해, HFs를 섬유 소스로부터 당기고, 원하는 길이로 절단하는 단계를 포함한다.
제4의 일반적인 양태의 특정 실시예에서, 본 발명은:
상기 템플릿 천공이 육각형의 패턴으로 배치되는, 방법;
복수의 중공 섬유 가닥이 롤러의 세트를 사용하여 템플릿 방향으로 향하는, 방법;
롤러의 외부 표면에는 반달 형상(hemicircular)의 홈이 있고, 상기 롤러는, 중공 섬유가 롤러 쌍 사이를 향하고 상기 홈에 슬라이딩가능하게 수용되도록, 인접하고 평행한 방식으로 서로 쌍을 이루는, 방법;
클러스터가 조립식 세그먼트를 사용하여 장치에 고정되는, 방법;
섬유 클러스터가 제1 분사 단계에서 고착제가 분사된 이후에 회전되고, 상기 회전은 전체 360도의 회전보다 작고, 상기 회전 이후에, 상기 클러스터가 제2 분사 단계에서 다시 분사되는, 방법; 및/또는
하나 이상의 스프레이 노즐은 제1 분사 단계에서 고착제로 클러스터를 분사하기 위해 사용된 이후에 회전되고, 상기 회전은 클러스터의 주축의 주위에서 회전하고 전체 360도의 회전보다 작고, 상기 회전 이후에, 상기 클러스터가 제2 분사 단계에서 다시 분사되는, 방법이다.
제5의 일반적인 양태에서, 본 발명은 클러스터 육각형 세그먼트를 형성하기 위해 클러스터 직선 세그먼트를 폴딩하는 단계를 포함하는 조립식 단부 캡을 갖는 클러스터를 제조하는 방법이다.
제6의 일반적인 양태에서, 본 발명은 중공 섬유의 클러스터이며, 상기 클러스터는 복수의 중공 섬유를 포함하고, 각각의 중공 섬유의 세그먼트는 각각의 클러스터의 단부 또는 단부 근처의 동일한 영역 내에서 인접하여 평행한 섬유에 고정된다.
제6의 일반적인 양태의 특정 실시예에서, 본 발명은:
클러스터의 각각의 중공 섬유가 액제 고착제를 사용하여 인접하여 평행한 섬유에 고정되는, 클러스터;
클러스터의 각각의 중공 섬유가 단부 캡 또는 조립식 세그먼트를 사용하여 인접하여 평행한 섬유에 고정되는, 클러스터;
클러스터에는 7개의 섬유가 있는, 클러스터; 및/또는
상기 클러스터가 유체(여과액 등)의 흐름에 투과가능한 슬리브에 부분적으로 또는 완전히 에워싸이는, 클러스터이다.
제7의 일반적인 양태에서, 본 발명은 클러스터 집합체이며, 상기 클러스터 집합체는, 집합체에서 각각의 클러스터가 집합체 내의 모든 다른 클러스터에 평행하게 되도록 하는, 복수의 클러스터의 집합체이다.
제8 일반적인 양태에서, 본 발명은 클러스터 집합체를 제조하는 방법이며, 복수의(하나 이상의) 클러스터는, 집합체에서 각각의 클러스터가 집합체 내의 모든 다른 클러스터에 평행하게 되도록, 클러스터 집합체를 형성하기 위해 결합한다.
제8의 일반적인 양태의 특정 실시예에서, 본 발명은:
복수의 개별 클러스터(u-클러스터)를 클러스터 집합체로 결합하는 단계를 포함하는 방법; 및/또는
복수의 클러스터 집합체를 단일 클러스터 집합체로 결합하는 단계를 포함하는 방법이다.
제9의 일반적인 양태에서, 본 발명은 클러스터 또는 클러스터 집합체의 무결성을 테스트하는 방법이며, 상기 방법은 상기 클러스터 또는 클러스터 집합체가 무결성 테스트를 거치게 하는 단계를 포함한다.
제9의 일반적인 양태의 특정 실시예에서, 본 발명은:
클러스터 또는 클러스터 집합체가 카트리지의 단부 캡에 삽입되기 전에 테스트가 실시되는 방법;
클러스터 집합체가 무결성 테스트를 받는 방법; 및/또는
무결성 테스트가 기포 포인트 시험, 압력 낙하 시험, 입자를 포함하는 증기에의 노출, 및 확산 테스트로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 방법이다.
제10의 일반적인 양태에서, 본 발명은 클러스터를 전처리하는 방법이며, 상기 방법은 클러스터를 수축하는 조건 및/또는 클러스터가 포팅된 영역에서 응력을 완화하는 조건으로 처리하는 단계를 포함하며, 상기 클러스터는 클러스터가 쉘 단부 캡에 삽입되기 전에 상기 조건으로 처리된다.
제11의 일반적인 양태에서, 본 발명은 직사각형의 모듈이고, 상기 모듈은:
클러스터로서, 상기 클러스터는 제1 클러스터 단부 및 제2 클러스터 단부(쉘 단부와 함께 위치)를 포함하며, 상기 클러스터는 중공 섬유를 포함하며, 상기 중공 섬유는, 잔류액의 일부가 여과액이 되도록 구멍을 통해 탈출하는 반면, 유체(잔류액)가 섬유의 내부를 통해 통과할 수 있도록, 그 벽에 구멍을 갖는 중공 섬유 필터인, 클러스터,
카트리지 쉘로서, 상기 쉘은 클러스터를 둘러싸지만 중공 섬유의 단부를 밀봉하지 못하며, 상기 쉘은 카트리지 쉘을 통해 여과액이 탈출하게 하는 개구를 포함하며, 상기 쉘은 여과액이 잔류액과 혼합되는 것을 방지하기 위해 누출 방지 방식으로(직접 또는 중간 가스킷 또는 밀봉제를 통해) 클러스터와 접촉하는, 카트리지 쉘,
상기 카트리지를 둘러싸지만 중공 섬유의 단부를 밀봉하지 못하는 하우징,
상기 하우징 내의 제1 채널로서, 상기 채널은 하우징 외부로부터 유체(잔류액)를 수용하기 위한 개구를 포함하며, 상기 채널은 클러스터의 제1 단부와 접속하여, 상기 수용된 잔류액 유체가 채널로부터 중공 섬유안으로, 그리고 이를 통해 흐를 수 있고, 잔류액 유체의 일부가 여과액으로서 필터 구멍을 통해 탈출하는, 제1 채널,
상기 하우징 내의 제2 채널로서, 상기 제2 채널은 클러스터의 제2 단부와 접속하여, 중공 섬유를 통해 통과된 수용된 잔류액 유체가 상기 제2 채널 안으로 들어가게 되고, 상기 채널은 상기 채널과 하우징으로부터 잔류액 유체의 탈출을 허용하기 위한 개구를 포함하는, 제2 채널을 포함하며,
여기서, 제1 및 제2 채널은 상기 하우징의 반대 측에서 개방되며,
상기 하우징은 하나 이상의 포트를 포함하여, 여과액이 하우징을 탈출하게 하거나 또는 인접한 하우징에 있을 수 있는, 인접한 하우징의 포트 또는 포트들로부터 여과액을 수용하게 한다.
여기에서, 모듈, 클러스터, 하우징, 및 카트리지 쉘은 평면도에서 보는 바와 같이 직사각형 형태를 가지면 직사각형이며, 단면도에서 보는 바와 같이 직사각형 형태를 가지면 직사각형이다. 정사각형도 또한 직사각형인 것으로 이해된다.
클러스터와 카트리지도 또한 직사각형인 것이 바람직하다.
클러스터 대신 상술한 제11의 일반적인 양태는 클러스터의 집합체에도 동일하게 적용된다는 것을 알 수 있다.
잔류액 유체와 여과액 사이의 구별, 그리고 필터 구멍의 역할은 본 출원에 기술된 모든 발명에 동일하게 적용된다는 것을 알 수 있다.
관련된 발명은 두 개 이상의 직사각형 모듈의 조립체이고, 여기서 모듈은, 인접한 모듈의 채널이 서로 접촉하여 개방되어 있고 인접한 모듈의 포트는 서로 접촉하여 개방되어 있도록, 정렬되어 있다.
육각형 클러스터는 단면에서 볼 수 있듯이 하나이고, 클러스터의 외부 주변에서 섬유의 중심은 육각형을 형성하는 직선에 의해 접속될 수 있다.
다른 양태에서, 본 발명은 클러스터를 수용하기 위한 프레임을 형성하는 쉘 단부 캡과 하우징 {예를 들면, 제혀(tongue and groove)}의 조립 방법이다.
또 다른 양태에서, 본 발명은 섬유를 통하는 직선 흐름을 방해하기 위해 중공섬유의 클러스터에서 트위스트를 도입하기 위한 방법이다.
또 다른 양태에서, 본 발명은 중공 섬유 카트리지를 제조하는 방법이며, 여기서, 편리한 단면 형상(예를 들면 육각형)을 갖는 섬유의 클러스터는 카트리지의 동일한 형상의 개구를 통해 고정되고, 카트리지의 외부로 확장하는 클러스터의 부분은 분리된다.
또 다른 양태에서, 본 발명은 중공 섬유 클러스터를 제조하는 방법이며, 여기서, 각각의 섬유는 스풀에 형성되고, 섬유는 클러스터의 단면 형상을 위하여 원하는 방식으로 구멍이 배열되어 있는, 템플릿을 통해 통과한다. 대안적으로, 섬유는 단면 형상을 위하여 원하는 형태로 배열된 압출 노즐이 장착된 압출 헤드로부터 형성될 수 있다.
또 다른 양태에서, 본 발명은 중공 섬유 클러스터를 제조하는 방법이며, 여기서 접혀질 수 있는 직선 세그먼트가 원하는 형상으로(예를 들어 육각형 형상으로) 접혀진다.
도 1a는 일곱 개의 중공 섬유의 육각 클러스터의 부분 사시도이다.
도 1b는 도 1a의 육각형 클러스터와, 고정 단부를 갖는 클러스트의 단부를 도시한다.
도 1c는 육각형 클러스터의 측면도 및 사시도를 도시한다.
도 2a는 4개의 슬리브를 갖거나 갖지 않는 섬유의 라운드형 번들의 측면도를 보시한다.
도 2b는 라운드형 리셉터클(개구)을 갖는 쉘 단부 캡을 사용하는 HFC 하우징 어셈블리를 다양하게 도시하는 도면이다.
도 2c는 라운드형 리셉터클(개구)을 갖는 쉘 단부 캡 평면도이다.
도 2d는 라운드형 리셉터클(개구)을 갖는 쉘 단부 캡의 사시도이다.
도 2e는 도면의 목적을 위해 제거된 외관의 부분을 갖는 HFC의 측면도이다.
도 2f는 도 2e의 도면의 일부의 단면을 확대한 확대도이다.
도 2g는 라운드형 리셉터클(개구)과 라운드형 번들을 갖는 쉘 단부 캡을 사용하는 HFC의 측면도를 도시한다.
도 3a는 유닛 클러스터의 형성을 위한 기계화된 시스템의 개략도이다.
도 3b는 유닛 클러스터의 형성을 위한 기계화된 시스템에서 사용되는 롤러의 측면도이다.
도 4a는 고정 센터의 측면도이다.
도 4b는 고정 센터의 사시도이다.
도 4c는 도 4b의 일 부분의 상세도이다.
도 4d는 템플릿의 평면도이다.
도 5a는 육각형 클러스터의 사시도이다.
도 5b는 육각형 리셉터클(개구)을 갖는 쉘 단부 캡을 사용하는 HFC 하우징의 분해 사시도이다.
도 5c는 육각형 리셉터클(개구)과 육각형 클러스터, 도면의 목적을 위해 절단된 외부 벽의 일 부분을 갖는, 쉘 단부 캡을 사용하는 부분적으로 조립된 HFC의 사시도이다
는 5d는 육각형 리셉터클(개구)과 육각형 클러스터를 사용하는 HFC의 사시도이다
도 5e는 육각형 리셉터클(개구)를 갖는 쉘 단부 캡의 평면도이다.
도 5f는 지지 컬럼에 포함된 육각형 리셉터클(개구)과 육각형 클러스터의 사시도와, 도시를 목적으로 일부가 제거되어 내부 구조를 볼 수 있는, 카트리지의 사시도이다.
도 6은 육각형 클러스터 어셈블리가 연속적으로 확대된 단부를 도시한다.
도 7은 어셈블리의 여러 단계에서 조립식 클러스터 단부 캡의 단부를 도시한다.
도 8은 세 개의 모듈이 적층된 어셈블리의, 도시를 목적으로 일부가 제거된, 사각형 모듈, 그 구성 부품 및 어셈블리의 사시도이다.
Ⅰ. 포팅 물질의 사용을 최소화하기 위한 방법 :
포팅의 바람직하지 않은 영향이 제거될 수 있는 하나의 방법은 포팅 물질의 사용을 최소화하거나 제거하는 것이다. 쉘이 만들어지는 물질과 다른 포팅 물질의 사용을 제거하거나 최소화함으로써, 호환되지 않는 물질을 사용하는 바람직하지 않은 영향을 상당히 감소시킬 수 있다. 본 발명에 있어서, 포팅 프로세스는, 가공되거나 성형된 쉘 단부 캡(11, 12)의 물질 및/또는 특성이 쉘 하우징(10)이 만들어지는 물질과 동일하거나 또는 매우 유사하게 되도록, HFC의 도 2b,2c, 2d 및 5b, 5c, 5d, 5e의 "쉘 단부 캡(shell end caps)"(11, 12)을 사전 가공 또는 성형하여 크게 제거된다. 이러한 쉘 단부 캡은 HFC의 쉘의 각각의 단부에 부착 또는 접착하기 위한 메커니즘을 제공한다. 이러한 하나의 부착 메커니즘은, 홈의 규모와 크기가 "제혀(tongue and groove)" 형태의 배열에서 쉘의 단부의 삽입을 허용할 수 있도록, 쉘 단부 캡(11 또는 12)의 표면에 원형 홈(16)을 형성하는 것을 포함한다(도 2e 및 2f 참조). 쉘 단부 캡 홈(16) 안으로의 쉘 단부(14)의 삽입에 뒤이어, 두 개는 접착제, 열 또는 기계적으로 고정하여 결합할 수 있다. 쉘 단부 캡(11, 12)은 각각의 쉘 단부(15, 14)에 유사하게 부착될 수 있다. 또한, 각각의 쉘 단부 캡은, 각각의 쉘 단부 캡상의 대응하는 개구가 그들 사이의 축을 따라 직선으로 병치되게 정렬되도록, 개구 또는 리셉터클(17)이 제공되며, 여기서 임의의 두 세트의 개구(17) 사이의 축은 한 세트의 개구(17) 사이의 모든 다른 축에 평행 한다.
그 길이가 하우징{하우징은 부착된 쉘 단부 캡(HFC-H)을 갖는 쉘로 구성된다}의 길이보다 일반적으로 더 큰, HFs(8)의 "고정된(fixed)" 번들 또는 "고정된(fixed)" 클러스터(예를 들어, 도 1c, 2a, 및 도 5a 참조)는 단부(15)에서 개구(17)를 통해 삽입되어 쉘 단부 캡(11)을 통해 안내되고, 쉘(10)을 통하여, HFC-H 조립체의 다른 단부(14)에서 쉘 단부 캡(12)의 대응하는 개구(17)를 빠져나갈 수 있다. 이 삽입은 주로 수동으로 이루어지지만, 하우징과 양 쉘 단부 캡(11, 12)을 통해 연장하는 당기는 디바이스인, 로드 형 암에 의해 도움을 받을 수 있다. 암의 삽입 단부에는, 클러스터의 삽입 단부를 잡을 수 있는 "잡는(grabbing)" 메커니즘이 있을 수 있다. 이 암은 하우징 쉘의 길이를 통해 제1 단부 캡 개구(17)를 통하고 제2 단부 캡 개구(17)를 통하여, 클러스터 제1 단부(27)에서 당겨질 수 있다. 클러스터는 클러스터 단부(19)가 양 단부로부터 돌출되는 정도까지 하우징과 단부 캡을 통해 당겨진다. 클러스터를 삽입하는 프로세스는 모든 클러스터가 하우징과 단부 캡(11, 12)안으로 삽입될 때까지 계속될 수 있다. 번들은 쉘 단부 캡을 갖는 쉘보다 더 길고, 번들의 부분(19)은 쉘 단부 캡(11, 12)(도 2g)을 넘어 어느 정도 연장할 수 있다. 그리고 쉘 단부 캡 개구(17) 내에 위치된 HF 번들 포팅된 또는 언포팅된 단부는, 쉘 단부 캡의 표면으로부터 약간 연장하면서, 함께 동시에 개구(17)의 벽(18)에 포팅되어 접착되도록, 포팅 물질이 섬유 사이의 공간으로 흐르게 되고, 포팅제가 개구(17)에 첨가될 수 있다(도 2b, 도 5c). 중공 섬유 단부가 플러그 되거나 또는 플러그 되지 않음에 따라. 포팅제가 개구(17)에 첨가되는 중에 포팅제가 섬유에 들어가지 않는다는 것을 추정할 수 있다.
기술된 포팅 프로세스를 달성하기 위해 일반적인 기술을 사용할 수 있다. 다음은 몇 가지 예이다: 첫째, HFs의 번들은 네트 슬리브와 같은 슬리브(22)에 포함될 수 있고, 그것은 번들에 대한 구조적인 지지를 여전히 제공할 수 있는 여과액의 흐름이 투과가능하게 그 형태가 유지된다(도 2a). 슬리브는 또한 다른 쉘 단부 캡 개구(17)로 통하는 HFM-C의 한 단부에서 개구(17)로부터 HFC-H를 통해 번들의 삽입을 용이하게 할 수 있고; 장치는 하나의 쉘 단부 캡(11)에서, 쉘 단부 캡(12) 내의 대응하는 (직선으로 배열된)개구(17)를 통해, 하우징(10) 안으로 부분적으로 또는 HFM-C의 다른 단부에 대해 전체적으로, 개구(17)를 통해 삽입될 수 있고, 장치는 밀폐 HFs 함께, 슬리브(22)의 근접 단부를 잡을 수 있고; 슬리브와 그 안의 번들은 대응하는 개구(17)를 통해 장치에 의해 당겨질 수 있다. 번들(8)내의 HFs는 닫힌(plugged) 단부 또는 개방 단부를 가질 수 있다. 둘째, 번들은 미리 포팅{또는 "고정"(fixed)}되거나 또는 미리 포팅되지 않으며, "고정"(fixed)은 섬유가 소량의 고착제 또는 포팅제로 원하는 배열로 서로 접착되는 것을 의미하며, 여기서 번들의 각 단부에서 섬유가 접착된 영역{또한 번들 "고정된 단부(fixed ends)", "포팅된 단부(potted ends)", "포팅된 영역(potted area)", 또는 "포팅된 지역(potted region)"으로 지칭된다}에 대하여 섬유에 의해 한정된 작은 "세그먼트(segment)"(13) 만이 포팅된다.
고정된 세그먼트(13)와 쉘 단부 캡(11)의 개구는 임의의 형상 또는 구성으로 제조될 수 있으며, 필요에 따라, (1) 원하는 형태와 번들의 배열을 생성하기 위해, 또는 (2) 대응하는 구멍 내 각 단부에서 번들을 고정하기 위해, 또는 (3) 구멍 내의 번들을 기계적으로 고정하고 또 조립체의 누출을 방지하기 위해, 서로에 대해 이격될 수 있다. 쉘 단부 캡의 개구(17) 안으로 소량의 포팅제의 첨가는 섬유들 사이, 그리고 개구(17)의 번들 외벽과 내벽(18) 사이에서 포팅제의 흐름을 지시하는 데 사용될 수 있다; 고착제는 개구 내에서 섬유를 포트하는 충전제 및 접착제로서 작용하고 누출을 방지하도록 개구를 고정한다. 고착제의 첨가를 용이하게 하고, 그것을 한정하고, 누출을 방지기 위해 쉘 단부 캡의 단부에 고착제가 추가될 수 있다. 고착제 또는 포팅제는 개구에 첨가될 수 있고, 쉘 단부 캡의 외부 표면(20)으로부터 또는 HFM 하우징의 내부의 내부 표면(21)을 통해, 내부에 HF 번들을 포함한다. 일단 HFs 또는 번들이 개구 내에 포팅되면, HFs의 과잉 길이(19)는 HFC의 각 단부에서 HFs의 개방 단부를 노출하게 절단될 수 있고, 이에 따라, 연속하는 중단되지 않는 콘딧을 형성한다(예로서, 도 5d 참조).
기술된 제조 방법은 단부 캡을 형성하는 수단으로서, 대량의 포팅제의 사용과 HFs를 포함하기 위한 필요성을 제거한다. 훨씬 더 적은 양의 포팅제가 필요하며; 및 포팅 물질은 HFs로부터 제외된, 쉘 단부 캡의 개구에 국한되며. 각각의 개구와 번들 세트는 독립적인 HF 카트리지로서 볼 수 있고; 더 작은 직경은 큰 HFC의 단일 포트의 문제를 해결한다. 임의의 크기 또는 직경의 HFCMs의 형성에 대하여 기술된 방법의 사용을 확장하는 것을 구상할 수 있다(도 5f 참조); HFM-H 내에서 쉘 단부 캡(11, 12) 사이의 지지 포스트 또는 컬럼(들)(51)의 삽입은 조립체에 대하여 구조적 강도를 부가하기 위해 사용될 수 있다. 도 5f에 도시된 예에서, 이러한 지지 컬럼(51)은 번들(8)을 둘러쌀 수 있는 육각형 튜브로 구성될 수 있다. 지지 컬럼은 번들의 길이의 거의 전체 길이를 연장할 수 있고, 바람직하게는, 튜브의 길이는 하우징 내부의 쉘 단부 캡(11, 12) 사이의 길이이고, 선택적으로 튜브의 길이는 번들의 양 측면에서, 고정된 영역(13) 내로 다소 길게 연장한다. 번들의 각 단부에서 이러한 추가 길이는 예를 들어, 길이가 1/16 내지 1/4 인치가 될 수 있다. 해당하는 길이는 육각형 컬럼(51)을 수용하는 단부 캡 개구(17)의 벽(29)으로부터 제거될 것이다; 따라서 번들(8)의 고정된 영역(13)은 단부 캡의 외부 표면에 대하여, 적어도, 개구(17)에서 삽입될 것이다. 육각형 컬럼 단부는 수용 개구(17) 벽(29)으로부터 제거된 깊이(52)까지, 단부 캡 안으로 삽입될 것이고, 따라서, 대응하는 단부 캡(12)에서 육각형 컬럼(51)을 고정하게 된다. 육각형 컬럼(51)은 HFM-H의 다른 측면에서 단부 캡에 유사하게 고정된다. 단부 캡 사이의 HFM-H 내에서 이러한 육각형 컬럼의 개수 및 간격은 필요한 구조적 지지를 달성하기 위해, 숙련된 사람에 의해 결정될 수 있다. 육각형 컬럼(51)은 컬럼 내부의 번들로부터 컬럼 외부까지, 그리고 HFM-H의 내부의 여과액 풀 안으로의 여과액의 흐름을 위하여, 컬럼의 몸체에 임의의 수의 개구(53)를 포함할 수 있다.
Ⅱ. 중공 섬유 서브어셈블리 유닛의 구성을 자동화하기 위한 방법 :
본 발명의 제조 프로세스에 따라 상술한 장점을 가진 대형 HFCM의 어셈블리가 크게 촉진된다. 부가적으로, 이 프로세스는 다른 명백한 이익을 제공하고 현재 또는 이전의 HFCM의 제조 방법과 관련된 많은 문제점을 제거한다. 또한, 제안된 제조 프로세스의 주요 이점 및 목적은 프로세스를 자동화하는 것이다. 자동화는 제조 신뢰성, 제조 속도, 제조 비용 감소, 및 현재의 방법으로는 용이하게 할 수 없는 고유한 필터를 형성하는 능력을 증가시키기 위한 수단을 제공한다. 이들 및 다른 이점은 여기에 기술된다.
클러스터 유닛의 제조 - HFCM에 대한 제조의 기초는 모듈 조립 프로세스이다. 육각형으로 배치된 7개의 섬유 클러스터는 이러한 독특한 제조 프로세스의 기초를 설명하기 위해 사용된다. 7개의 섬유 육각형 클러스터는 육각형 클러스터, 클러스터 유닛 또는 단순히 클러스터로 지칭될 것이다. 도 1a, 1b와 1c는 HF 유닛 클러스터{"U-클러스터(U-cluster)}"의 배열을 도시한다(도 1a는 상당히 개략적으로 도시되어 있고, 어떠한 "고정(fixed)" 영역도 표시하지 않는다.). 이러한 배열은 임의의 직경을 갖는 원형 중공 섬유에 적용할 수 있다. HFs 중 하나(7)는 중앙에 위치하고, 나머지 여섯 개의 HFs(1-6)는 중앙 HF(7) 주변에서 동심으로 육각형(8)을 형성한다. 섬유의 육각형 클러스터는 포팅된 세그먼트(13)의 육각형 형태(단면)는 물론, 클러스터의 육각형 형태를 유지하기 위해, 양 단부에 또는 단부 부근에 고착제(24)로 포팅될 수 있고, 이러한 육각형 클러스터는 설명되는 바와 같이 많은 장점을 제공하며; 따라서, 클러스터의 구조는 중요한 단계가 된다.
도 3a는 U-클러스터를 제조하기 위한 자동화 시스템의 기본적인 형태를 도시한다. HF 클러스터의 제조를 위한 중공 섬유 피드 스톡(feed stock)은 업계에서 공통적으로 스풀(31)에 공급된다.
7개의 스풀은 개시 HF 스톡 물질을 제공한다. 각각의 스풀로부터 HF 가닥(32)이 롤러(33)의 세트에 의해 전진하여 직접 중공 섬유를 향해 배열될 수 있어, 서로 근접하게 밀착하여 배치되며, 제2 롤러 세트(34) 안으로 집중되며, 제2 롤러 세트는 그들의 출구(41-47)에서 "육각형(hexagon)"(도 3b)을 형성하기 위해 서로에 대하여 섬유를 추가로 배치한다. 롤러 세트(34)로부터 나오는 섬유는 제3 롤러 세트(54)를 향하고, 제3 롤러 세트는 롤러 세트(34)와 유사하게 배열되어 있지만, 더 작으며, 섬유를 더 밀착된 육각형으로 집중하도록 설계된다. 롤러 세트(54)로부터 나오는 육각형 형태로 설정된 섬유는 템플릿(35) (도 4a, 4d)을 향한다. 템플릿(35)에 대하여 HFs를 전진시키고 위치시키기 위하여, 다른 수단이 사용 가능하다.
템플릿(35)은 중앙에 하나의 개구와 중앙 개구 주위에 동심으로 배치된 여섯 개의 개구가 육각형으로 배열되어 있는, 일곱 개의 개구를 포함하고 있다. 각각의 개구의 직경은, 개구 내에서 섬유의 과도한 "플로트(float)"를 제어하면서, 섬유가 아무런 손상 없이 개구를 통해 자유롭게 통과할 수 있게, HF 외부 직경보다 약간 큰 것이 바람직하다. 인접한 개구(23)(도 1b) 사이의 거리는 인접하는 섬유들 사이의 공간(23)을 제어한다. 육각형 템플릿(35) (도 4a)으로부터 나오는 HF는 따라서 육각형이고 템플릿에 의해 설정된 바와 같이 서로 이격된다. 클러스터를 형성하기 위한 HFs는 또한 (도시하지 않은) HF 회전 조립체로부터 직접 공급될 수 있다. HF 회전 조립체는 원하는 형태로 배열된 하나 또는 다수의 압출 노즐을 포함하는 HF 압출 헤드를 포함할 수 있다{이러한 장치는 또한 "압출 장치(extruding device)" 라고 지칭한다}. 따라서 압출 헤드로부터 직접 육각형 배열을 형성하기 위한 7개의 HF 가닥을 제공할 수 있다. 압출 헤드로부터 나오는 섬유는, 원하는 물리적 상태, 다공성, 크기 및 구조 요구와 같은 성질 등을 포함하는, 원하는 일관된 섬유를 생성하기 위해 사용되는 방법들과 유사한 방법에 의해 추가로 처리되고 제어될 것이다
HFs는 약하기 때문에, 측정은 섬유 손상에 대한 가능성을 최소화하거나 제거하기 위해 주의해야 한다. 섬유에 대한 응력의 가능한 포인트는 다음을 포함한다. 1) 스풀(31) 자체가 특정 속도에서 섬유를 풀기 위해, 그리고 스풀로부터 섬유를 풀기 위한 필요성을 제거하기 위해, 회전될 필요가 있는 섬유의 언스풀링(unspooling); 대안적으로는, 스풀 축 상의 저 마찰 베어링이 당김 힘을 최소화하기 위해 사용될 수 있다. 2) 유사하게는, 스풀로부터 HF 스레드를 향하는 롤러(33)는 응력의 또 다른 포인트가 될 수 있다. 섬유의 언스풀링에 동기하는 모터 구동 롤러는 솔루션을 제공할 수 있다; 또는, 롤러 축에 저 마찰 베어링의 사용도 허용될 수 있다. 롤러(34, 54) 사이에 섬유의 위치를 유지하기 위해, 반-원형 홈(55)이 인접한 롤러 쌍(120, 121)의 외부 표면에 형성되고, 이것은 결합시에 섬유를 위한 원형 회전 "통과 통로(pass through)"(56)를 형성한다. 각각의 롤러(120, 121) 상의 반-원형 홈(55)의 직경은 중공 섬유와 동일하거나 이보다 약간 더 크지만, 롤러 사이를 통해 움직이는 섬유의 과도한 플로트 또는 진동을 허용할 수 있도록 너무 크지는 않다. 롤러는 저 마찰 통과뿐만 아니라, 공간에 HF를 위치시킨다. 유사하거나 동일한 고려 사항은 그들의 손상을 제거하기 위해 HFs를 향하는 모든 구성 요소에 부여해야 한다. 따라서, HF 스풀 및 롤러의 위치화, 롤러의 크기, 롤러 세트의 개수, 오리피스 크기, 롤러의 구성물, 섬유 통로를 위한 그들의 가공 및 형태 등을 포함하여, 프로세스의 모든 측면을 고려해야 한다. 마찬가지로, 육각형 템플릿은 그들의 손상을 최소화하기 위해, HF의 최적 흐름을 제공하도록 변화될 수 있다. 전체적인 프로세스에 영향을 미칠 수 있는 HF 움직임의 속도, HFs에서의 변형, 진동 또는 임의의 다른 파라미터를 모니터링하기 위해 센서가 여러 지점에 통합될 수 있다.
HF 고정 또는 고착을 위한 위치화 - 육각형 HF 배열이 제1 육각형 템플릿(35)에 의해 형성되면, 섬유가 "고정 센터(fixing center)" (39 및 도 4a)를 향하듯이 형태를 유지하는 것이 바람직하다. 고정 센터는 HFs가 원하는 배열의 형태로, 바람직하게는 육각형 형상으로 고착제(24)로 서로 접착 또는 고정되는, 하나 이상의 챔버를 포함하며, 여기서 원하는 길이의 완전한 클러스터가 형성된다. 다음은 HFs를 서로에 대하여 고정하고, 또한, HFs를 육각형 형상으로 배열하고, 섬유 사이의 공간(23)을 제어하고, 한정된 길이의 HF 클러스터(8)를 제조하고, HF 클러스터(8)의 양 단부(13, 24)를 고정하고, 섬유가 고정 센터(39)를 통해 횡단하거나 이동할 때, 특정 간격으로 작동하게 하는, 프로세스를 자동화하기 위한 일반적인 메커니즘을 기술한다.
육각형 템플릿(35, 36)을 통해 고정 구획(49) {또한 "고정 챔버(fixing chamber)"라 칭함}으로 들어가는 중공 섬유는 두 개의 템플릿(35, 36)에 의한 섬유 사이의 공간을 포함하는 육각형 배열을 유지한다. 고정 구획(49) 안에는 템플릿(36)의 근처에, 섬유에 고착제를 추가하기 위한 분배 메커니즘(37)이 제공된다. 이것은 원하는 균일한 육각형 배열을 형성하는 중공 섬유 및 클러스터 주위에서 대칭적으로 경화하는 동시에, 그들의 육각형 배열을 무너뜨리지 않고 HF 섬유 클러스터의 외부 표면에 고착제를 추가할 수 있도록 하는 방식으로 위치된다. 고착제 추가 헤드는 고착제의 균일한 추가가 용이하게 되도록 회전할 수 있고; 또는 중공 섬유 육각형 클러스터 매트가 고착제 상에서의 한 방향으로의 전체 중력을 극복하여 중공 섬유 주위에 고착제의 균일한 분포를 촉진하기 위해, 고착제 추가 헤드에 대하여 회전될 수 있다. 고착제는 UV의 노출에 따라 경화되는 빠른 경화성의 시아노아크릴레이트(cyanoacrylate) 일 수 있고, 그 소스는 가장 효과적인 경화를 위해 고정 챔버 안을 향한다. 액체 시아노아크릴레이트의 첨가는 볼루스(bolus) 또는 연속적인 더 작은 주사로 실행할 수 있다. 각각의 추가제는 UV 펄스에 노출되어 경화될 것이다. 액체 시아노아크릴레이트는 섬유 사이에서 흐르게 되고 여기서 경화될 때 섬유를 접합시키게 된다. 이 프로세스에서 중요한 것은 템플릿으로부터 나온 배열로 섬유를 고정시키는 것이다. HFs를 서로 고정하는 것은 시아노아크릴레이트 또는 다른 화학적 고착제 또는 포팅제에 한정되지 않으며; 예를 들면, 온도에 의해 상 변화를 겪는 물질이 사용될 수 있다. 액체 형태에서, 하나의 온도에서 고착제를 추가하고, 이어서 급격한 온도 저하가 이루어지면 경화를 일으킨다. 많은 잠재적인 대안들이 이러한 기능을 위해 사용될 수 있지만, 열 고정에 사용되는 온도는 섬유에 손상을 주지말아야 한다. 3D 인쇄 또는 모델링에 사용되는 원리는 고정 프로세스에 적용할 수 있다. 원하는 형태로 고착제를 증착시키는 것을 가능하게 하기 위해 인쇄 헤드에 대한 변경이 요구될 수 있다.
다른 방법은 당업자에게 명백한 바와 같이 바람직한 고정을 달성하는 데 사용될 수 있다.
예 1 - 육각형 클러스터 형태로 HFs 를 서로 고정하는 것
하나의 인젝터 또는 멀티 인젝터로부터, 노즐 또는 멀티 노즐(37)은 가장 효율적인 방식으로 HF 클러스터에 고착제(24)를 제공하는 방식으로 위치될 수 있다. 이러한 고착제를 전달하기 위한 다양한 방법이 있을 수 있고; 일 예로서, 멀티 노즐 장치(37)(도 4a, 4b : 고착제를 위한 와이어(wires) 및 튜빙(tubing) (63)이 도시된다)는 섬유에 인접하게 위치되고 섬유에 대하여 특정 간격으로 방사상으로 배치된다. 노즐은, 바람직하게는, 그들이 고착제의 첨가 이전에 또는 첨가 중에 HFs의 클러스터를 향해 움직이고, 첨가 후에 후퇴할 수 있도록 기계화될 수 있다. 고착제 첨가 단계 동안, HF 클러스터는 소정의 HF 세그먼트 길이(13)를 넘어 고착제(24)의 첨가에 영향을 주는 노즐을 지나서 전진할 수 있고; 또는 대안적으로, HF 클러스터는, 노즐 어셈블리(37)가 소정의 세그먼트 길이(13)를 넘어 고착제(24)를 분사하기 위해 섬유를 따라 전진하는 동안, 고정되어 남아 있을 수 있다. 고정 격실(49)(도 4a 참조, 고정 격실을 개략적으로 나타내는 점선이 도 4b에서 생략되어 있음을 주목)은 이러한 움직임을 분명히 수용하여야 한다. 또한, 노즐에 대한 HF 클러스터의 회전을 위하여 메커니즘(61)(도 4a 참조)이 제공된다{또는 세트 HF 클러스터 (도시되지 않음)에 대한 노즐의 회전)}. 고착제는 이에 한정되지 않지만, 바람직하게는 액체로서, 섬유에 분사 또는 첨가될 수 있다. 소정 양의 고착제가 선택된 섬유 세그먼트 위에 단일 주입되거나, 다중 주입 또는 연속적으로 주입된다. 고착제의 첨가는 각각 고착제의 단일 증착 또는 다층 증착을 사용하여, 노즐에 대한 섬유의 단일 통과 또는 다중 통과에 의해 달성될 수 있다. 주입된 고착제의 양은 인접한 HFs의 세그먼트(13, 24) (도 1b, 1c)를, 바람직하게는 육각형 형태로 충분하게 코팅하고 균일하게 접착해야 한다. 또한, 고착제의 첨가는 인접한 구성부품에 떨어지지 않고 번지지 않아야 하며, HF 클러스터의 원하는 세그먼트가 국지적으로 남아있는 것이 바람직하다. 바람직하게는, 클러스터에서 섬유의 작은 세그먼트(13) 만이 서로 고정되고; 그 세그먼트는 임의의 길이를 가질 수 있지만, 일반적으로 0.25 내지 2인치 길이의 범위에 있을 수 있다. 고착제를 첨가한 다음, 노즐은 수축되고 노즐에 있는 고착제 배출 포트가 보호된다. 또한 고착제를 첨가하는 동안, 이러한 첨가를 최적화하고, 섬유 사이의 공간에 고착제의 전체 초과를 허용하기 위해, 일시적으로 각각의 섬유를 재위치시키는 메커니즘이 고려되며; 이것은 섬유 사이의 에어 갭 또는 채널을 최소화한다.
바람직한 고착제는 그 의도된 배치로부터 고착제가 떨어지거나 이동하는 것을 최소화하면서, 섬유의 결합의 비율을 최대화하기 위해 신속한 경화 속도를 가져야 한다. 고착제는 전자기 방사선, 열, 화학 물질, 또는 기타와 같은 경화제에 의해 급속 경화하도록 유도될 수 있다. 고착제가 완전히 경화되거나 또는 굳어지기 전에, 특히 고착제가 경화되기 바로 전에, 고정된 영역을 더 형성하기 위해 다이(die) (또는 주형)를 사용하는 것을 구상할 수 있다. 이것은, 고착제가 여전히 유연하고 다이에 대한 접착성을 최소화하는 감소된 접착 능력으로 수행될 수 있다. 빠른 경화 또한, 경화가 빠르면 빠를수록 제조 프로세스가 더 빨라지는 등의 이유를 포함하여, 다른 여러 이유로 바람직하다. 빠른 경화제는 고착제의 경화(harness)를 제어하기 위해, 포팅 프로세스의 제어를 허용할 수 있고, 즉 하나의 온도에서 포트를 주입하고, 고착제와 경화 프로세스의 최적 제어를 위하여 다이 벽의 온도를 제어할 수 있다. 또한, 하나 이상의 고착 주기를 구상할 수 있고, 여기서 고착제의 부가적인 층이 이전의 증착에 추가되며; 다이와 조합하여, HF 클러스터(13)의 고정 단부를, 특정 측면 길이를 갖는 육각형 형태를 포함하는, 정의된 형태로 형성하는 것이 가능하다. 부가적으로, 고착 단계에서 HFs를 배치하는 템플릿(35, 36)은 템플릿(36) 및 HFs를 재배치시키거나 또는 회전시키는 자동화 메커니즘(61)이 제공될 수 있고; 예를 들어, 액체 고착제가 중력의 당김으로 인해 한 방향으로 흐르면, 액체는 80도와 같거나 이보다 작게, 섬유의 회전에 의해 섬유 주변에서 더욱 균일하게 재분배될 수 있고, 회전은 원래의 위치로 돌아가기 보다는 한 방향일 수 있고, 또는 이러한 전후 회전은 여러 번 수행될 수 있다.
고착 단계에 대하여 나타난 요구를 고려하면, 적절한 고착제나 포팅 물질의 선택은 중요한 단계이다. 이것은 섬유를 균일한 방식으로 급속하게 포함할 수 있어야한다. 서로에 대하여 HF를 반복하여 빠르게 고착하면서 고정된 섹션(13)을 정의된 형태로 만들 수 있는 충분한 점도와 성질이 있어야 한다. 시아노아크릴레이트, 에폭시, 탄성 중합체, 열가소성 플라스틱, 또는 다른 화학 결합 또는 포팅제가 이러한 요구 사항을 충족할 수 있다.
정의된 길이의 U-클러스터 형성 - 고정된 세그먼트(13)가 고정 챔버(49)(도 4a)의 입구에 형성되면, 그 세그먼트는 절단 메커니즘(38) {메커니즘에 연결된 와이어(62)가 도시되어 있다}에 의해 그 중간지점 부근에서 절단되고, 절단 메커니즘은 레이저, 나이프, 워터젯(water jet) 등이 될 수 있다. 그리고 결과적인 U-클러스터(8)는 제거될 수 있다. 나머지 반의 세그먼트는 템플릿(36)에 연결되어 고정 챔버(49) 내에 남는다. 후퇴 메커니즘(70)이 자동화 벨트와 풀리 시스템(또는 다른 기계화 시스템)(76)을 경유하여, 그 정지 위치로부터 전진하고, 클러스터(8)의 길이에 대한 거리는 노출된 세그먼트(13)를 향한다. 육각형 개구를 가진 콜레트 형 장치(collet like device)(71, 77)(도 4a, 4b 및 4c)는, 세그먼트(13)가 콜레트(71, 77)의 육각형 개구로 들어가는 방식으로, 앞으로 더 나아간다. 콜레트는 유압 실린더(69, 73) 또는 다른 수단으로 후퇴한다. 이것은 콜레트 폐쇄 메커니즘(78){"콜레트 클로저(collet closer)" 라고도 지칭함} 안으로 후퇴한다. 6개의 동일한 세그먼트로 분할된 콜레트 벽은 콜레트의 중심 축을 향해 내측으로 힘이 가해지고, 콜레트 벽과 헤드가 클러스터 세그먼트(13)의 6개의 측면에서 폐쇄된다.콜레트 클로저(78) 안으로의 콜레트의 후퇴 량은 콜레트 클로저와 클러스터 세그먼트의 잡는 힘의 정도로 결정되고; 이것은 가공 시설에서 사용되는 일반적인 메커니즘이다. 대안적으로, 콜레트 클로저는 콜레트에 대하여 앞으로 나갈 수 있어, 동일하게 콜레트를 폐쇄한다. 일단 클러스터 세그먼트가 콜레트 헤드(71)에 고정되면, 전체 후퇴 메커니즘(70)이 벨트와 풀리 시스템(76)에 의해 원래의 정지 위치로 후퇴된다. HF 클러스터의 새로운 세그먼트가 고정 챔버 내에 위치되면, 전술한 바와 같이, 새로운 클러스터 세그먼트(13)가 형성될 수 있다. 클러스터 세그먼트가 형성된 후, 이것은 이전과 같이 절단된다. 후퇴 메커니즘(70)은 결과적인 절단 클러스터 세그먼트(13)를 분리하기 위해 재배치된다. 동시에, 콜레트는 콜레트 클로저(78)로부터의 콜레트(77)의 후퇴에 의해 개방된다. 제 2 실린더(75)는 콜레트 내의 중앙에 위치된 피스톤(74)을 콜레트 육각형 개구를 향해 밀어, U-클러스터 세그먼트(13)가 콜레트 헤드로부터 나오게 한다. 그리고 고정된 단부(13)를 갖는 완성된 U-클러스터(8)는 픽업되어 자유롭게 되거나 또는, 기계화된 시스템에 의해 저장 빈(storage bin)을 향할 수 있다 (예를 들어, 완성된 클러스터에 대하여 직각으로 움직이는 컨베이어 벨트를 경유하여). 절단 클러스터를 이동하기 위한 장치(57)와 절단 클러스터 하에서 플랫폼을 이동하기 위한 장치(58)가 도시되어 있다. 숙련된 사람은 기술된 메커니즘을 개선할 수 있음이 명백하다.
예 2 - 조립식 클러스터 단부 캡
유닛 클러스터{'U-클러스터(U-cluster)"}를 형성하기 위해, 전술한 바와 같이, 육각형 단부 캡을 형성하는 "고정(fixing)" 단계가 액상 고착제를 적용하지 않고 달성될 수 있는 것을 생각할 수 있다. 동일한 일반적인 결과가 미리 형성된 캡을 사용하여 달성될 수 있고, 여기서 이러한 캡은 HFs의 단부에 기계적으로 추가 또는 스냅될 수 있다. 조립식 캡은 HF 클러스터를 따라 위치되어, 그것이 섬유를 캡슐화하고, 동시에 원하는 형상으로, 바람직하게는 육각형 형태가 되도록, 기계적으로 재배열될 수 있다. 이러한 캡의 일 예가 도 7에 도시되어 있고; 그 두 개의 가능한 구성, 직선 캡 또는 세그먼트(79)(L-캡) 및 접혀진 캡(80)(F-캡)이 도시되어 있다. 두 개의 구성은 도시되듯이 상호 호환가능하다. L-캡(79)은 순차적으로 81 내지 86로 번호가 매겨진 6 개의 하위 세그먼트를 포함하고 있다.
인접한 세그먼트(81 내지 86) (도 7)는 "U" 자형 홈, 채널 또는 통로(wells) (87)를 형성한다. 채널은 HF 가닥에 평행하고 HF 가닥(95)을 수용 및 분배가 용이하게 되는 방식으로 위치되도록 설계된다. HFs는 섬유를 채널(87)(도 7)과 평행하게 정렬하는 템플릿을 사용하여 고정 센터(39)(도 4a)에서 고정 챔버(49) 안으로 차례로 안내된다. 채널(87)에 더하여, L-캡은 또한 5개(또는 6개)의 수평 스코어(scores)(88)를 포함하며, 이것들은 바람직하게는 채널(87)의 베이스에 대해 중간 위치 주변에서, 그들과 평행하게 위치된다. 이러한 스코어는 스코어 라인을 따라, L-캡 세그먼트를 육각형 형태(80)로 만드는 방식으로 접는 것을 용이하게 한다. 포스트(89)는, 인접 세그먼트(81 내지 86)가 스코어 라인(88)을 따라 접히거나 구부러질 때, 포스트가 채널(87) 내에 HFs를 트랩 하게 수렴하여, "U"자 형 채널(87)의 벽을 형성한다. 세그먼트(83, 84) 사이의 섬유 위에 위치된 일곱 번째 HF는, 도 7에 도시된 바와 같이, 그 위의 정확한 높이에서, 중앙에서 트랩 된다. 육각형 배열만이 설명되지만, 동일한 프로세스가 다른 클러스터 형태를 형성하는데 적용 가능한 것은 명백하다. 이 프로세스는 접착제, 고착제 또는 다른 적절한 제재를 L-캡(79) 안으로 첨가 또는 분사하는 것을 포함할 수 있어, 캡이 {중간 형태(90)를 통해} 육각형 형태(80)로 접혀질 때, 고착제 내부, 포스트 경화는 섬유를 내부에서 밀봉하고 동시에 그 안에서 결과적인 육각형 형태의 유지를 용이하게 한다. HFs가 액상 고착제(13, 24)를 첨가함에 의해 클러스터에서, 또는 조립식 클러스터 단부 캡(80)에서 함께 유지되거나, 또는 몇몇 다른 방식에 의해 유지되는지의 여부에 따라, 세그먼트는 절단되며, 바람직하게는 중간 지점에서 절단될 것이다.
캡이 섬유의 세그먼트에 추가되어, 육각형 형태를 형성하면, 절단 메커니즘(칼, 톱, 레이저 또는 다른 수단)이 그 중간의 단면을 따라 형성된 캡과 섬유 클러스터를 절단하기 위해 사용될 수 있다. 그리고, 덮여진 양 단부를 갖는 결과적인 리드하는 클러스터가 배출되어 제거된다. 후행하는 클러스터는 지정된 거리만큼 전진하고, 다른 L-캡을 추가하는 프로세스가 반복된다. 전체 프로세스는 매우 높은 속도로 덮여진 클러스터 세그먼트를 생성하기 위해 고도로 기계화될 수 있다(도 4a 및 4b).
다양한 개선 및 최적화가 상술한 프로세스에 가능하다. 일 예에서, 어셈블리 라인은 마지막 단계에서 사용되며, 이 마지막 단계는 클러스터 유닛의 양단부를 고정하는 것이 수직으로 수행된다. 수직 위치에서는, 중력의 당김이 클러스터 챔버의 바닥 벽에 대하여 다소 크게 고착제를 분배할 수 있는 수평 고정과는 달리, 고착제의 흐름은 클러스터 주형의 중심 축에 대해 균일하게 분배될 것이다.
U-클러스터의 제조 중에, 또는 제조 이후에, 클러스터 유닛의 단부는 후속 처리 중에 HFs의 내부를 보호하기 위해 플러깅(plugging)이 요구될 수 있고; 섬유를 플러깅하기 위한 바람직한 방법은 섬유의 단부에 보호성의 얇은 피부를 형성하는 것이다; 이것은 클러스터 유닛의 육각형 형태나 규모를 왜곡하지 않고 달성되어야 한다. 섬유의 단부를 보호하는 것은 열, 초음파, 화학처리, 상 변화 등을 포함하는, 여러 방법 또는 방법들을 결합하여 용이하고 신속하게 성취할 수 있다. 플러그의 형성은 어셈블리 프로세스의 임의의 시점에서 제거를 위하여 가역적이거나 또는 변형가능 하여야 한다. 클러스터 또는 피부 또는 플러그를 포함하는 HFC의 단부로부터 세그먼트를 단순히 절단하는 것은 하나의 일반적인 선택사항이다. 클러스터 또는 HFC의 다른 구성요소보다 낮은 용융 온도를 가진 플러그를 사용함으로써, 플러그는 열로 쉽게 제거될 수 있고, 그리고 가능하게는 HF 구조체로부터 멀리 떨어져 용융물을 위킹(wicking)하기 위한 흡착제와 결합하여 제거될 수 있다. 또한, 용융물을 제거하기 위해 진공이 사용될 수 있다. 이러한 방법뿐만 아니라 다른 방법 등이 HF의 단부를 플러깅 하거나 반대로 언플러깅 하기 위해 쉽게 사용될 수 있다. HFs의 플러깅은 임의의 시점에서 U-클러스터 형성으로부터 HFC 조립체까지 수행될 수 있다. 바람직하게는, 그러나, 배타적이지는 않지만, 플러깅은 U-클러스터의 조립 중에 또는 이후에 수행될 수 있고, 또는 그것의 무결성 및 품질에 대한 시험 후에 수행될 수 있다. 생산의 초기 단계에서 HFs를 플러깅하는 것은 더 큰 클러스터의 제조를 용이하게 할 수 있다.
클러스터 - 유닛 클러스터(U-클러스터)의 자동화 및 제어 형성은, 일반적으로 섬유의 임의의 번들링을 포함하는 현재의 HFM 제조 기술에 의해서는 이익을 제공하지 못한다. 도 6은 큰 클러스터 "집합체(aggregates)"를 형성하기 위해 U-클러스터(101) 어셈블리를 결합하는 방법을 도시한다. 예를 들어, 여섯 개의 U-클러스터는 블록 클러스터(b-클러스터) (102)를 형성하기 위해 결합할 수 있고, 이것은 또한 그룹 클러스터(g-클러스터) (103)로 배열될 수 있고, 다시 심지어는 더 큰 수퍼 클러스터(s-클러스터) (104, 105)로 배열될 수 있다. 육각형 형태의 U-클러스터에 의해 제공된 이 대칭은 임의의 크기 및 원하는 집합체 형태로 규격화된 HFs의 배열을 제공한다. 다음은 제안된 U-클러스터 빌딩 블록에 의해 제공되는 장점의 일부를 설명한다:
무결성 테스트 - 자동화된 무결성 테스트 - U-클러스터가 형성되면, 그들은 임의의 수효의 사용가능한 필터 무결성 테스트 기술을 사용하는 자동화된 시스템에 의해 테스트 될 수 있다. 예를 들어, 명세서 어딘가에서 설명된 오토클레이브 조건을 유지하기 위한 U-클러스터 능력(또는 임의의 클러스터 집합체 능력)이 시험 조건으로서 사용될 수 있다. 무결성 검사는 당해 분야에서 공지되어 있지만, 이에 한정되지 않는, 기포 점 시험(bubble point test), 압력 낙하 시험, 입자를 포함하는 기체에의 노출, 및 확산 시험을 포함한다. 일 예에서, U-클러스터 내의 HFs는 적셔지고, 이어서 그들은 조립 라인의 밖에서, 기포 점 시험 또는 압력 낙하 시험을 받는다. 이것은 각각의 U-클러스터를 테스트하는 신속하고 저렴한 방법을 제공한다. 동일한 무결성 테스트가 보다 큰 규모의 클러스터, 예를 들어, HFCM의 전체 조립 전에, b-클러스터, g-클러스터 등에서 수행될 수 있다.
클러스터의 사전 수축 - 그 배열이 쉘 단부 캡 리셉터클(17) 안으로 고정되는, 클러스터의 사전 성형은 클러스터 또는 번들의 고정 영역을 프리컨디셔닝(precondition)하여, 보다 안정적인 클러스터 또는 번들을 생성하게 한다. 예를 들어, 고정 영역(13)에서 임의의 응력을 제거하기 위해, 영역(13)을 열처리하는 클러스터 또는 번들에서의 고정 영역(13)의 예열은 클러스터 또는 번들의 안정성을 증가시킬 것이다. 해당 리셉터클 안으로의 삽입 전에, 고착제의 수축을 일으키는 고정 영역(13)의 가열은 수축으로 인한 임의의 잠재적인 문제를 제거한다.
섬유의 위치화 - 기술한 바와 같이, 육각형 U-클러스터에서, 공간(23)(도 1b)을 갖는 서로에 대한 섬유의 위치는, 확장(scale up) 중에 향상된 여과 결과를 달성하게 하는, U-클러스터를 배열하기 위한 수단을 제공한다. 이것은 예를 들어, 최적의 흐름을 위한, 클러스터 및 HFCM의 내부와 외부 사이의 최적의 채널링을 생성하는 방식으로, S-클러스터의 간격에 의해, 큰 HFM 또는 HFC의 중심으로부터 주변으로, 최적화된 고착제의 흐름을 제공할 수 있다. 서로에 대해 섬유 및 클러스터들의 최적 간격은 모듈의 단면 전체를 횡단하는 섬유와 클러스터 사이의 흐름을 최적화하기 위해 사용될 수 있다.
최적의 포장 - 육각형은 중공 섬유의 고밀도 포장의 이상적인 배열을 제공한다.
기타 - 신규하고 향상된 여과 프로세스를 달성하기 위해 다른 옵션을 사용할 수 있다. 클러스터 유닛은 각각의 U-클러스터 내에서 일정 트위스트의 정도로 포장될 수 있다. 이것은 클러스터의 형성 중에 단순하게 달성된다. 예를 들어, b-클러스터를 형성하는 중에, U-클러스터가 클러스터의 한 단부에 고정될 수 있고; 그러나, 다른 단부에서는, U-클러스터가 유닛에서 그 긴 축을 따라 증분하여 회전될 수 있다. 선택된 트위스트는 유닛에서 육각형 형태가 60도가 될 수 있다. 트위스트는 액체가 중공 섬유의 길이를 횡단할 때, 이 흐름에 대하여 와류를 발생할 수 있다. HF 벽에서의 자연적인 결함 또는 스피닝 중에 내벽으로의 홈의 도입은 더욱 향상된 여과 프로세스에 대한 와류 효과를 최적화하기 위해 사용될 수 있다. 비슷한 트위스트가 임의의 크기 또는 형태의 번들 또는 클러스터에서 섬유에 도입될 수 있다. 트위스트는 그들이 HFCM의 쉘 단부 캡 안으로 삽입될 때, 원형 또는 육각형 번들 내로 도입될 수 있다.
클러스터 접근은 조립 프로세스를 간소화하고, 재생산가능한 높은 제조 프로세스를 제공한다.
확장 :
다음 예에서와 같이, 큰 HFMs의 조립은 육각형 유닛, U-클러스터(101)에 의해 상당히 촉진되고: 도 6에 나타낸 형태의 b-클러스터(102)는 쉽게 U-클러스터(101)로부터 조립될 수 있고, 다른 클러스터(110)로부터도 형성될 수 있다. 이 프로세스는 자동 또는 수동으로 구성될 수 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 하나의 삼각형 b-클러스터(102)가 여섯 개의 U-클러스터(101) 유닛으로부터 조립될 수 있고; 이것은 0.062" OD의 62cm의 긴 길이의 섬유가 섬유 표면적의 약 0.125 M2까지 변환한다. 동일한 섬유를 갖는 유사한 7개의 b-클러스터(102)를 사용하여, b-클러스터를 385개의 섬유로 구성되는 g-클러스터(103)로 그룹화하고, 약 0.78 M2의 표면적을 제공하여, 직경이 1.5"보다 작은 하우징 내에 캡슐화될 수 있게 한다.
필터의 용량은 7개의 g-클러스터(103)를 결합하여, 도 6에 도시된 코어 배열(104)로 더 확장될 수 있다. 도시된 필터 코어 패턴, C1-코어(104)는 직경이 약 3.5"인 카트리지에서 표면적이 5.4 M2를 제공하는 2695 개의 섬유를 포함한다. 필터 크기의 추가 증가는 C2-코어(105) 패턴을 형성하기 위해, C1-코어(104) 상에 g-클러스터(103)의 다른 층을 부가하여 얻을 수 있고, 그 표면적은 약 6"의 카트리지 직경에서 14.7M2로 증가한다. C3-코어를 형성하기 위해 C2-코어(105)에 다른 g-클러스터(103)의 층을 부가하면, 표면적이 약 8"의 카트리지 직경에서 약 29M2로 증가한다. 심지어 더 큰 카트리지를 형성하기 위해, 연속적인 더 큰 코어의 베이스 육각형 형태를 유지하면서, 유사한 형성 방식이 계속될 수 있다. 이것은, 그러나, 육각형이 아닌 다른 HF 배열 패턴, 예를 들면, 육각형이 아닌, 원형, 직사각형 또는 다각형 또는 다른 형상을 달성하기 위해, 더 큰 클러스터 또는 코어로부터 클러스터를 추가 또는 감산할 수 있는 가능성을 배제하지 않는다. 표 1은 도 6에 개략적으로 도시된 다양한 HF 클러스터 구성을 더욱 상세하게 설명한다:
참고 # 반경 홀-업 볼륨(mL) 표면적(M2) 섬유의 #
0.5 0.002 하나의 62cm 필터
101 0.101 3.5 0.014 7개 섬유의 육각형
102 0.307 31.5 0.125 9＊7개의 육각형 = 63개의 섬유
103 0.612 189 0.775 385 섬유
104 0.675 1323 5.4 2695 섬유
105 2.757 3591 14.7 7315 섬유
106 3.768 6993 28.6 14245 섬유
HFCM 쉘 단부 캡(11, 12) (도 2b - 2g 및 도 5b - 5e)은 번들 사이에 적절한 간격을 유지하여 어셈블리에 구조적 지지를 제공하여, HFCM의 제조 중 클러스터 또는 번들을 구성하여 상기의 조립을 용이하게 한다.
필터의 크기가 증가함에 따라, 그들 주변에 클러스터 또는 코어의 중심으로부터 흐름에 대한 흐름 패턴 및 저항이 변경될 수 있다. 큰 필터를 구성하기 위해 제안된 방법은 이러한 문제를 해결하기 위한 수단을 제공한다. 기술된 바와 같이, U-클러스터에서 인접한 HFs의 간격(23)(도 1b)은 그 제조 프로세스에서 얻어질 수 있다. b-클러스터에서 U-클러스터 사이의 간격은 적절한 템플릿으로 설정할 수 있고; 그 간격은 느린 수확 속도를 위해서는 U-클러스터 사이의 간극을 작게 하고, 더 빠른 여과액을 수확하는 속도를 위해서는 간극을 크게 하여, 여과 프로세스의 요구에 따라 결정된다. 마찬가지로, b-클러스터로부터 g-클러스터로, 그리고 더 큰 코어로 확장하는 중에, 클러스터 사이의 간격은 모든 섬유로부터 클러스터 또는 코어의 주변으로 최적의 흐름을 달성하기 위해 선택되며; 개구(17)와 대응하는 번들(29) 사이의 간격(29)은 이러한 흐름 채널을 나타낸다. 밀착한 번들로의 HFs의 번들링(bundling)은 현재 일반적인 것으로서 번들의 중심에서 그 주변으로의 흐름 제어를 제한한다. 밀착 번들에서, 더 많은 주변의 HFs는 더 많은 내부의 섬유로부터 여과액의 흐름에 대한 저항을 제공할 수 있다. 모든 HFs로부터의 여과액의 제조 속도는 비 균일하게 된다. HFs의 일부는 다른 섬유보다 더 큰 정도의 여과 부하를 수행하게 되고, 이것은 그들을 조기 실패로 이어질 수 있게 한다. 다시 말해, 필터의 전체 능력이 실현되지 않는다. 기술한 바와 같이, 섬유를 형성하는 데 있어, 이러한 HF 여과의 불균일성이 최소화되고, HFM의 전체 능력이 더욱 밀착하게 실현된다. 육각형 클러스터 유닛은 클러스터 유닛의 바람직한 실시예이지만, 다른 형상도 가능하다. 직사각형 클러스터 유닛이 일부 경우에는 바람직할 수 있다. 삼각형 클러스터가 다른 경우에 유용할 수 있다. 여러 다각형 형상의 클러스터가 기술된 프로세스를 이용하여 가능하다는 것은 명백하다.
HFC 으로의 클러스터의 조립:
더욱 기능적인 HFC 또는 HFM으로의 클러스터 조립체는 HFCM 쉘 단부 캡(11, 12)에서 클러스터의 포팅을 필요로 한다. 섬유 및 번들을 구성하기 위한 옵션이 더욱 한정되는, 이전 프로세스와 달리, 제안된 기하학적 패턴은 HFCM 내에서 섬유의 정확한 배열을 위한 가능성을 제공한다. 예를 들어, 도 5b 내지 5e에 도시된 바와 같이, 템플릿으로서 작용하는 쉘 단부 캡(11)을 사용함에 의해, HF 번들은 원하는 패턴으로 배열될 수 있고; 쉘 단부 캡 (11, 12)은 원하는 패턴으로 배열되고 서로로부터 적당하게 이격된(29) 육각형 리셉터클 또는 개구(17)를 포함하며, 그 단부(13)가 상기 육각형 리셉터클(17) 안으로 삽입되는, 육각형 번들(8){예를 들면, 번들(103)과 같이, 도 6 참조}은 쉘 단부 캡(11, 12)에서 번들의 패턴을 형성한다. 리셉터클 내에 번들 단부를 포팅하면 그 패턴은 고정된다. 두 개의 단부 캡 사이의 하우징(10)은 HFC를 형성하기 위해 중공 섬유를 캡슐화한다. 상술한 프로세스는 크게 최종 HFC 또는 HFM의 품질과 신뢰성을 상당히 높일 수 있는, 다수의 개선점을 제공한다. 이 방법은 큰 HFM의 제조를 촉진하고 그 제조 비용을 감소시킨다. 이러한 이익 중 일부는 다음과 같다:
1. 호환되지 않는 물질 사용의 최소화 :
현재 상업적으로 공급되는 대부분의 HFMs 또는 HFCs는 쉘이나 하우징의 다른 부분에 폴리설폰을 사용하며; 간단하게, 그 물질은 우수한 구조적 지지성, 상당한 화학적 불활성, 높은 동작 온도뿐만 아니라 다른 이점을 제공한다. 동일한 물리적, 화학적 특성 중 일부는 폴리설폰이 우수한 구조적 물질이 되게 하고, 또한 매우 불량한 포팅제가 되게 하고; 따라서, 다른 물질들이 그 목적을 위하여 사용되어 왔다. 에폭시 및 폴리우레탄은 아마도 가장 일반적이다; 그들은 섬유를 균일한 방식으로 침지하기 위해, 중공 섬유 사이에서 잘 흐르는 낮은 점도의 액체로 주입될 수 있고; 물질은 열, 빛 또는 다른 어떤 수단에 의해, 경화제를 미리 첨가하여 경화하도록 유도된다. 따라서 경화 또는 고체화의 속도는 가공될 수 있는 높은 불활성의, 열 안정한 물질을 형성하도록 제어될 수 있고, 필요에 따라 더 조정될 수 있다. 이러한 포팅 물질은 사용자의 요구에 따라 상당하게 만들어질 수 있고; 그럼에도, 그 혜택에도 불구하고, 그들은 큰 HFM의 제조를 위하여는 적합하지 않다.
예를 들어, 포팅 물질로서의 에폭시는, HFs를 포함할 뿐만 아니라, 폴리설폰 셸의 벽에 그것을 결합하는 것을 필요로 한다. 폴리설폰과 매우 유사한 팽창 계수를 갖는 에폭시를 선택할 수 있지만, 그것은 일반적으로는 정확하지 않으며, 두 물질이 노출될 수 있는 전체 온도 범위에 걸쳐 상이한 팽창으로 유지한다. 또한, 에폭시의 액체 상태에서 고체로의 전환 또는 경화는 물질에 큰 치수 변화가 발생할 수 있고; 중합에 따른 그러한 변화 또는 수축 정도는 가열에 의해 증가할 수 있다. 이러한 수축이 작은 포팅 내부 직경을 갖는 작은 HFMs을 구성하는 데 사용되는 경우, 이러한 수축은 작으며 나타나지 않을 수도 있지만, 포팅 직경을 증가시키면 그것은 크게 확대되고 매우 크게 될 수 있다. 그 결과 그것이 접착되는 폴리설폰으로부터 에폭시에 크랙이 형성되거나 또는 에폭시가 분리될 수 있다.
포팅제와 구조적인 폴리설폰 쉘 단부 캡 (및 쉘) 사이의 무결성 접합은 여과액과 잔류액 챔버를 분리하여 유지하도록 보유되어야 한다. 그러나, 두 개의 서로 다른 물질을 사용할 때, 그들 사이의 접합 강도는 접합 실패의 또 다른 더 큰 실패 가능성에 대하여 필터 사이즈의 증가 및 하나의 물질에서의 더 큰 치수 변화로 더 크게 영향받을 수 있음이 관찰된다. 이 접합을 극대화하기 위해, 폴리설폰 쉘 단부 캡의 카트리지 수용 단부는 포트의 최대 그립을 허용하도록 거칠게 형성되거나 또는 그러한 형태를 갖는다; 그럼에도, 큰 규모에서, 결합된 수축 증가의 영향과, 에폭시와 폴리설폰 사이의 접합을 부드럽게 하는 온도의 영향은 접합이 실패할 수 있게 한다. 또한 다음과 같이, 가열 및 냉각 사이클이 가능한데, 폴리설폰은 수축되지 않지만 에폭시는 그렇지 않다. 이것은 에폭시와 폴리설폰 사이를 분리하지 않지만, 그러나, 이 경우, 응력은 고체화된 에폭시에 저장될 수 있어, 에폭시 내에서만 잠재적인 응력 실패가 이어지고, 잠재적으로 HFM가 고장 나게 된다.
에폭시와 폴리설폰은 큰 필터의 제조를 위해서는 이상적으로 호환되지 않는 것으로 결론 내릴 수 있다. 이러한 두 개의 호환되지 않는 물질의 사용과 관련된 문제는, HFM의 제조에 호환가능한, 바람직하게는 동일한 물질, 즉, HFM의 쉘 및 HFCM의 쉘 단부 캡을 제조하기 위하여 폴리설폰을 사용하여, 상당히 감소시키거나 또는 제거시킬 수 있다.
2. 큰 HFM 의 제조 방법:
큰 HFMs의 제조를 위한 "호환가능한(compatible)" 물질의 사용, 예를 들어, HFC 단부 캡을 형성하기 위해, 그리고 동일한 단부 캡에서 HFs를 포함시키기 위해 에폭시에 대한 폴리설폰 쉘과 대체 폴리설폰을 사용하는 것은 제조의 필수적인 부분이 된다. 쉘 단부 캡(11, 12) 뿐만 아니라 쉘(10)을 형성하기 위해 폴리설폰을 사용하는 것은, 단부 캡과 쉘이 대부분 "동일한(same)" 물질로 만들어지기 때문에, 증기 멸균의 인-라인 및 오프-라인 모두의 제조 프로세스 중에 도달되는, 사용가능한 모든 온도(구성 요소를 녹지 않게 한다) 및 압력 및 시간 (일반적으로, 3분 내지 45분 동안 15 psi 내지 25 psi에서, 121℃ 내지 125℃의 범위에 있고, 이들 설정은 상호 의존적임), 건조 열 오토클레이브(일반적으로, 6분 내지 12시간의 시점에서 121℃ 내지 190℃의 범위에 있고, 온도 세팅에 따름), 또는 화학적 증기 오토클레이브(일반적으로, 20분 동안 20 내지 40 psi에서 132℃의 범위에 있음)에서 유사하게 행동하여, 이들의 중요한 부분이 동일한 속도로 팽창 및 접촉하게 된다. 이것은 접착 표면 사이의 파열 또는 실패를 상당히 최소화하게 될 것이다.
본 출원과 그 청구범위를 위하여, 30분 내지 60분 동안에 15 ~ 17 psi의 압력에서 121-125 섭씨 온도에 노출되었을 때, 카트리지가 균열에 저항하는지의 여부에 대한 테스트를 하였다.
그러나, 에폭시와 달리, 폴리설폰은 포트 폴리설폰 HFs에 쉽게 주입되지 않았다. 따라서, 다소 변형된 방법이 HFC의 제조를 달성하기 위해 사용된다. 그것은 쉘 단부 캡(11, 12)을 형성하기 위해, HFM 쉘(10)의 직경에 대하여 폴리설폰 디스크를 사용하는 것으로서, 여기서, 쉘 단부 캡은 쉘 단부 캡의 길이를 통해 이어지는 리셉터클(17) 또는 개구를 포함한다 (도 2b 내지 2f 및 5b 내지 5e 참조). 리셉터클의 모양과 간격은 단부 캡을 성형 및 가공하여 매우 정확하게 제어될 수 있다.따라서, 이러한 개구(17)는 HF 클러스터 또는 번들(8)을 수용하기 위한 리셉터클로서 작용할 수 있다. 일반적으로, 그러나 제한적이지 않은 HF 클러스터 유닛 또는 번들 고정 단부(13)는 기술된 리셉터클과 비슷한 모양과 크기로 구성될 것이다. 기술된 리셉터클에 부가하여, 쉘 단부 캡에 홈(16)을 형성하거나 또는 가공할 수 있고, 쉘 단부 캡에는 쉘(10)의 단부가 삽입될 수 있다. 쉘은, 그러므로, 기계적 수단에 의해, 또는 접착제, 및 가스킷, "0" 링, 또는 접착제로 밀봉되어, 쉘 단부 캡에 견고하게 고정되게 된다. 쉘의 다른 단부는 유사하게 제2 쉘 단부 캡에 고정될 수 있다. 결과적인 구조는, 단순한 구조 이외에, 왜곡이 좀처럼 발생하지 않는 매우 안정적인 구조를 형성한다. 두 개의 쉘 단부 캡의 리셉터클은 HFC 어셈블리에서 정렬될 수 있다. 클러스터는 한 단부에서 쉘 단부 캡(11)의 개구(17)를 통해, 쉘 하우징(10)을 통해, 삽입될 수 있고, 그리고 쉘의 다른 단부에서 쉘 단부 캡(12) 내에 병치하고 있는 리셉터클(17) 내로 삽입될 수 있다. 클러스터 또는 번들 길이는 쉘 단부 캡 사이의 거리와 동일한 길이거나 또는 약간 더 길고, 따라서 클러스터 유닛의 길이에 따라서, 그들은 쉘 단부 캡의 외부 표면과 동일하게 될 수 있고, 또는 쉘 단부 캡의 외부 표면을 넘어 약간 더 길게 연장될 수 있다. 마찬가지로, 다른 클러스터가 첨가될 수 있어, 쉘 단부 캡에 있는 모든 구멍을 채울 수 있다. 리셉터클 벽(18)과 클러스터 또는 번들(13)의 포팅된 측면 사이의 갭은, 갭 안으로 흘러 경화하고, 갭을 밀봉하고, 클러스터를 고정할 수 있는 접착제로 채워질 수 있다. 에폭시와 같은 소량의 실란트가 이 경우에 사용될 수 있고; 피부 수축과 같은 바람직하지 않은 효과가, 필요한 소량의 충전제에 의해 상당히 감소하며, 클러스터 포팅된 단부(13)와 리셉터클 벽(18) 사이의 갭이 감소한다. 에폭시를 사용하는 전술한 결함은 상당히 감소한다. 또한, 포팅 물질이 소량 필요하고 구조의 특성으로 인해, 각각의 클러스터와 리셉터클 쌍은 작은 HFC로서 볼 수 있다. 그들 각각의 리셉터클에 국한된 단부를 갖는 각각의 클러스터는 정상적으로 큰 HFM에서 관찰되는 최소의 왜곡을 나타내는, 작은 필터와 유사하다. 한 단부(즉, 11)에서 HFC 쉘 단부 캡 리셉터클(17) 안으로의 번들의 삽입은 삽입 리셉터클에서 후행하는 고정 번들 단부(13)를 고정하게 한다. 따라서 선도하는 고정 번들 단부(13)는 HFC의 다른 단부에서 쉘 단부 캡(12)의 리셉터클(17) 내로 삽입되기 전에 약간 회전될 수 있다.
번들 벽(13)과 캐비티 벽(18) 사이의 간극에 접착성 실란트의 균일한 첨가는 다양한 방법으로 달성될 수 있다. 하나의 방법에서, HFs의 단부가 얇은 층의 실란트, 플러그, 또는 선택된 포팅제에 투과되지 않는 "스킨(skin)"으로 플러그 된다. 이러한 HF의 플러그는 클러스터의 제조 중에, 또는 다른 지점에서 일어날 수 있다. 클러스터 측면(13)과 단부 캡 구멍 벽(18) 사이의 간극은 포팅제의 지정된 볼륨으로 어셈블리를 딥핑(dipping)하여 단순하게 충전될 수 있다. 포트는, 액체가 모세관 작용에 의해, 간극 사이로 흐르고, 플러그된 HFs 안으로는 흐르지 않는다. 초과된 실란트는 경화되기 전에 배출될 수 있고, 상기 갭 내에는 실란트만 남는다. 응고 후에, 단부 캡을 넘어 확장하는 클러스터 또는 번들은 단부 캡 외부 표면과 동일하게 되도록 절단될 수 있다. 세그먼트 절단의 길이는 HF 단부 개구를 노출하기에 충분해야 한다. 번들이 HFCM과 동일한 길이인 경우에, HF 플러그 섹션을 제거하고 HF 단부를 노출하기 위해 고정 번들 단부의 섹션을 충분하게 절단할 수 있다.
그들 각각의 리셉터클(17)에서 번들 단부를 삽입 및 연결하기 위한 다른 잠재적인 방법이 있다. 이들은 "0" 링의 사용을 포함한다. 그것은 번들이 그들 각각의 리셉터클에 삽입되기 전이나 후에, 하우징(10) 또는 쉘 단부 캡 표면(21)의 내부로부터 번들 단부(13) 상에 또는 리셉터클(17) 안으로 포팅제를 추가하는 것을 포함할 수 있다. 포팅은 표면(20, 21)으로부터 또는 둘 모두(도 2b 및 도 2e)로부터 사용될 수 있다.
3. 확장:
상기 큰 HFCM의 제조 방법은 임의의 특정 크기로 제한되지 않는다. 그것은 단순히 이전 기술보다 더 효율적이고 신뢰성 있는 큰 HFCM를 제조하기 위한 방법을 제공한다. 그것은 또한 현재의 기술로 가능한 것 이상으로 큰 HFM의 크기를 증가시키기 위한 수단을 제공한다. 하나는, 예를 들어, 쉘, 쉘 단부 캡 또는 다른 구조적 구성 요소에 대해 스테인리스 스틸(SS)을 사용할 수 있다. SS는 현재의 기술을 사용하여 가능한 것보다 훨씬 더 큰 필터를 위한 구조적인 지지를 제공할 수 있다. 쉘 단부 캡의 리셉터클은 전술한 바와 같이 유지될 수 있다. 클러스터 유닛 또는 번들은 쉘 단부 캡의 각각의 캐비티에 삽입될 것이고; 이전과 같이, 번들 및 캐비티 벽 사이에서 매우 소량의 접착제가 사용되므로, 접착제와 실란트의 팽창 및 수축이 최소화된다. 포팅제는 제조 요구 사항에 호환되는 특성을 가질 것이 명백하며; SS 구성 요소가 사용되는 경우, SS에 대한 접합에 호환성이 있어야하며; HFM의 온도 요구 사항에 호환성이 있어야 하며; 물질의 팽창 및 수축 특성에 호환성이 있어야하며; 물질은 물리적 성질, 예를 들어, 그 프로세스의 응력 요구를 견딜 수 있는 강도를 가져야 한다. 또한 엘라스토머 포팅 물질 또는 접착제를 사용하고, 클러스터 유닛과 캐비티 사이의 간격을 정하고, 극도의 작동 조건 하에서 구조의 변형을 방지하기 위해 클러스터 유닛 사이에서, HFC 내의 지지 컬럼을 삽입하는 등의, 다른 측정이 가능하다는 것이 또한 명백하다.
4. 상이한 구성:
본 발명의 초점은 클러스터의 육각형 배열이지만, 여기에 설명된 프로세스는 육각형에만 제한되는 것은 아니라는 것은 분명하다. 유사 방법은 삼각형, 사각형, 오각형, 또는 어떤 다른 형태의 형성에 적용될 수 있다. 각 클러스터의 섬유의 수는 이러한 클러스터를 형성하는데 사용되는 프로세스에 의해 한정되지 않으며 또한 임의의 원하는 수로 변경될 수 있다. 설명한 프로세스는 HFMs 또는 HFCs를 둥글게 적용할 뿐 아니라, 사각형 여과 모듈, 또는 다른 형상을 형성하는 데 적용될 수 있다; 추가로 플레이트 및 프레임 형태의 모듈을 포함할 수 있으며, 여기서 평탄한 필터 시트가 플레이트의 동일한 형태를 형성하기 위해 직선으로 배열된 중공 섬유의 클러스터를 대치할 수 있고, 그 일 예가 도 8에 도시되어 있다. 차례로, 이러한 HF-플레이트(또한 "카트리지 쉘(cartridge shell)" 이라 한다)(100)는 "플레이트 및 프레임 (plate and frame)" 배열(106) (다음 단락에서 참고 번호 100 내지 112로 나타나고, 도 8에 특정되어 있다) 형태로 적층될 수 있다.
HF 클러스터 또는 번들 단부는, 사각형 카트리지 쉘 {"쉘 단부(shell ends)"}(101)의 양 단부에 포팅되며, 여기서 쉘(101)의 단부는 상술한 바와 같이, 번들 또는 클러스터 단부를 수용하고 포트하기 위해, 개구 또는 리셉터클을 갖는 단부 캡을 포함한다. 직사각형 HF-플레이트는 여과액이 직사각형 HF-플레이트(쉘)(100) 내부로부터 흐르게 하는 측면 포트(102)를 갖게 된다. 이러한 HF 플레이트(쉘)는 하우징(100) 내로 삽입될 수 있고, 그 하우징은 두 개의 하우징 부품(하우징 플레이트)(110)에 의해 형성된다. 잔류 유체로부터 분리된 여과액을 유지하기 위하여, 직사각형 HF-플레이트(100)를 수용하는 하우징 부품(들)은 위치(들)에서 누출 방지 방식으로 그들 플레이트(클러스터 세그먼트, 개스킷 또는 다른 밀봉 수단으로 만들어진 고정된 주변이 사용되는 것처럼)와 접촉한다. 두 개의 하우징 부품(플레이트)(110)은 HF 플레이트 (예를 들어, 개스킷이 이용될 수 있다)를 위한 누출 방지 인클로저를 형성하도록 구성된다. 하우징 {또한 "직사각형 모듈(rectangular module)" 이라 함}(105)은 중공 섬유 루멘스(lumens) 안으로 또는 이로부터 유체가 흐르는 채널 또는 포트(112)를 포함한다. 이러한 채널(112)은 하나의 직사각형 모듈(105)에서 중공 섬유로부터 나온 섬유가 인접한 사각형 모듈(105) 안으로 흐르게 하는 방식으로 연결될 수 있고; 이러한 스택은 여러 개의 사각형 모듈(105)의 플레이트 및 프레임 배열(106)을 형성하기 위해 반복될 수 있다. 포트 또는 채널(112)은 이러한 직사각형 모듈 사이에 유체 연결부를 형성하고, 직사각형 HF 플레이트 내에서 직렬로 있는 중공 섬유를 연결한다. 플레이트 및 프레임 스택(106)은 또한 플레이트 및 프레임 스택(106)으로부터 유체를 향하는 출구 모듈(직렬로 있는 마지막 모듈)을 포함할 것이다. 직사각형 모듈(105)의 측면은 포트(111)를 포함하며, 이 포트는 플레이트 및 프레임 배열 내에 발생한 여과액을 수확하기 위한 통로를 형성하는 인접한 직사각형 모듈(105)의 유사한 포트와 결합한다. HF 플레이트와 직사각형 모듈은 직렬, 병렬, 또는 이 둘의 조합으로 적층 될 수 있다. 설명된 플레이트 구성은 기술된 시스템의 결과를 최적화하기 위해서, 숙련된 자들에 의해 이러한 필터의 동작이 재구성될 수 있다.
11, 12 : 쉘 단부 캡 14 : 쉘 단부
16 : 원형 홈 17 : 개구
19 : 클러스터 단부 22 : 슬리브

Claims (46)

  1. 중공 섬유 필터 카트리지로서,
    1) 육각형, 정사각형, 직사각형, 삼각형, 다각형, 원형 및 타원형으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 기하학적 배치로, 유닛 클러스터에 미리 배치되는 복수의 중공 섬유로서, 유닛 클러스터는, 유닛 클러스터 패턴의 형태로 서로에 대해 인접한 유닛 클러스터의 접합에 의해 결합되고, 대칭적으로 확장되고, 유닛 클러스터로 이루어진 번들을 형성하며, 카트리지는 번들이 끼워지는 단부 캡 개구를 포함하고, 유닛 클러스터의 섬유, 번들, 및 단부 캡 개구는 동일한 기하학적 배치를 가지고, 기하학적 배치는 육각형, 정사각형, 직사각형, 삼각형, 다각형, 원형 및 타원형으로 이루어진 그룹으로부터 선택되며; 중공 섬유는 서로 평행하고, 유닛 클러스터 또는 번들에서의 인접한 섬유 사이에 공간이 있고, 각각의 번들은 제1 번들 단부 및 제2 번들 단부를 포함하고, 번들 내의 각 유닛 클러스터에서의 상기 섬유는, 선택적으로, 섬유의 긴 축을 따라 회전에 의해 미리 트위스트되며,
    2) 하우징 쉘으로서, 상기 하우징 쉘은 제1 단부 및 제2 단부를 포함하고, 각각의 단부는 개구를 포함하고,
    3) 제1 쉘 단부 캡으로서, 상기 제1 쉘 단부 캡은 하우징 쉘의 제1 단부의 개구를 덮고, 상기 제1 쉘 단부 캡은 복수의 개구를 포함하고,
    4) 제2 쉘 단부 캡으로서, 상기 제2 쉘 단부 캡은 하우징 쉘의 제2 단부의 개구를 덮고, 상기 제2 쉘 단부 캡은 복수의 개구를 포함하고,
    상기 번들은 하우징 쉘 내에서 평행하게 정렬되며,
    각각의 번들의 세그먼트가 제1 쉘 단부 캡의 개구 내로 끼워져, 포팅제에 의해 상기 개구에 대하여 밀봉되며,
    각각의 번들의 제2 세그먼트가 제2 쉘 단부 캡의 개구 내로 끼워져, 포팅제 또는 고착제에 의해 상기 개구에 대하여 밀봉되는, 중공 섬유 필터 카트리지.
  2. 청구항 1에 있어서,
    각각의 쉘 단부 캡은, 제혀(tongue and groove) 배열의 일부로서, 쉘의 단부가 삽입되는 홈을 포함하는 중공 섬유 필터 카트리지.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 하우징 쉘은 원통형인, 중공 섬유 필터 카트리지.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 쉘 단부 캡의 개구의 형상이 육각형이고, 상호 연결되는 육각형 유닛 클러스터에 의해 형성된 번들은 또한 육각형인 대응하는 기하학적 패턴인, 중공 섬유 필터 카트리지.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 카트리지는 지지 요소를 포함하며, 상기 지지 요소는 포스트와 지지 컬럼으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되며, 상기 포스트 또는 지지 컬럼은 상기 카트리지 내에 번들을 에워싸는 형태이고, 상기 포스트 또는 지지 컬럼은 상기 카트리지로부터 나오는 유체에 투과가능한, 중공 섬유 필터 카트리지.
  6. 청구항 1에 있어서,
    각각의 쉘 단부 캡은, 카트리지가 열, 스트림 멸균 또는 오토클레이빙(autoclaving)에 노출되는 경우, (a) 쉘 단부 캡 또는 포팅제에 의해 점유된 영역에서, 또는 (b) 쉘 단부 캡과 중공 섬유의 번들에 의해 점유된 영역 사이에서, 어떠한 크랙이나 개방이 발생하지 않도록, 물질의 열팽창 계수가 포팅제의 팽창 계수와 동일한 물질로 구성되는, 중공 섬유 필터 카트리지.
  7. 청구항 1에 있어서,
    각각의 쉘 단부 캡은, 카트리지가 열, 스트림 멸균 또는 오토클레이빙(autoclaving)에 노출되는 경우, (a) 쉘 단부 캡 또는 포팅제에 의해 점유된 영역에서, 또는 (b) 쉘 단부 캡과 중공 섬유의 번들에 의해 점유된 영역 사이에서, 또는 (c) 쉘 단부 캡과 쉘 사이에서, 어떠한 크랙이나 개방이 발생하지 않도록, 물질의 열팽창 계수가 쉘의 팽창 계수와 동일한 물질로 구성되는, 중공 섬유 필터 카트리지.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 중공 섬유 필터 카트리지 조립 방법으로서,
    1) 카트리지의 제1 쉘 단부 캡과 제2 쉘 단부 캡을 사전-가공 또는 몰딩하는 단계로서, 각각의 쉘 단부 캡은 복수의 개구를 포함하고,
    2) 카트리지의 쉘 하우징을 상기 제1 쉘 단부 캡에 부착하는 단계로서, 상기 쉘 하우징은 제1 쉘 단부 및 제2 쉘 단부를 포함하고, 각각의 쉘 단부는 개구를 포함하고, 상기 제1 쉘 단부 캡은 상기 쉘 하우징의 제1 쉘 단부의 개구를 덮도록 하고;
    3) 카트리지의 상기 쉘 하우징을 상기 제2 쉘 단부 캡에 부착하는 단계로서, 상기 제2 쉘 단부 캡은 상기 쉘 하우징의 제2 쉘 단부의 개구를 덮도록 하고;
    4) 상기 제1 쉘 단부 캡의 복수의 개구 중 하나를 통해, 복수의 중공 섬유 클러스터 각각을 삽입하여, 쉘 하우징을 통해 상기 제2 쉘 단부 캡의 대응 개구로부터 나오는, 클러스터 삽입 단계로서, 각각의 클러스터는 제1 클러스터 단부 및 제2 클러스터 단부를 포함하고, 각각의 클러스터의 길이는 하우징의 길이와 동일하거나 또는 더 크며, 각각의 클러스터의 제1 세그먼트가 제1 쉘 단부 캡의 개구 내로 끼워지고, 각각의 클러스터의 제2 세그먼트가 제2 쉘 단부 캡의 개구 내로 끼워지도록 하고; 및
    5) 세그먼트가 삽입된 쉘 단부 캡에 대하여 포팅제 또는 고착제에 의해 각각의 클러스터의 각각의 세그먼트를 밀봉하는 단계를 포함하며;
    각각의 클러스터에서의 섬유는 서로 평행하고, 상기 섬유는 클러스터의 긴 축을 따라 회전에 의해 선택적으로 트위스트되며,
    각각의 클러스터에서의 중공 섬유는 섬유 사이에 공간을 가지도록 배치되고, 육각형, 정사각형, 직사각형, 삼각형, 다각형, 원형 및 타원형으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 특정 기하학적 패턴으로 배치되며,
    각 클러스터 단부의 기하학적 형상은 삽입되는 쉘 단부 캡의 개구의 형상과 동일한, 중공 섬유 필터 카트리지 조립 방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 클러스터가 일단 개구 내에 포팅되고, 쉘 단부 캡을 넘어 연장하는 중공 섬유의 초과 길이가 있으면 이를 절단하는, 중공 섬유 필터 카트리지 조립 방법.
  12. 청구항 10에 있어서,
    지지 포스트 또는 지지 컬럼이 중공 섬유 모듈 내의 쉘 단부 캡 사이에 삽입되는, 중공 섬유 필터 카트리지 조립 방법.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 지지 컬럼은 클러스터 사이에 배치되는, 중공 섬유 필터 카트리지 조립 방법.
  14. 청구항 12에 있어서,
    클러스터가 상기 지지 컬럼 내에 에워싸이며, 상기 지지 컬럼은 클러스터 안으로부터 나오는 여과액의 흐름이 투과가능한, 중공 섬유 필터 카트리지 조립 방법.
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  44. 청구항 6 또는 청구항 7에 있어서,
    상기 오토클레이빙은 45분 동안, 섭씨 123도의 온도, 16 psi의 압력의 조건 하에서 수행되거나, 또는 증기 멸균이 20분 동안, 섭씨 123도의 온도, 20 psi에서 수행되는, 중공 섬유 필터 카트리지.
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