JP5392071B2 - 中空糸膜モジュールおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、中空糸膜モジュールおよびその製造方法に関し、特には、中空糸束の端部をポッティング剤により筒状ケース端部に固定する構成において製造時のポッティング剤の液上がりを防止することができる中空糸膜モジュールおよびその製造方法に関する。

図６は、従来の一般的な中空糸膜モジュールの構成を示す断面図である。
図６に示すように、このモジュール１０１は、選択的透過性を有する多数の中空糸膜を束ねた中空糸束１０２と、それが収容される筒状のケース１０３とを備えており、中空糸束１０２の各端部はポッティング剤（管板）１１２によって筒状ケース１０３の各端部に固着されている。

このような中空糸膜モジュール１０１の製造方法としては、例えば特許文献１（特開２００９−１２５６４２）に記載されているものが知られている。この製造方法によれば、中空糸束１０２を筒状ケース１０３内に入れた状態でケース端部からポッティング剤１１２を充填し、そのポッティング剤を硬化させる。これにより、中空糸束１０２と筒状ケースと１０３（および中空糸膜どうし）が固着される。

特開２００９−１２５６４２

ところで、特許文献１の製造方法のように流動性のあるポッティング剤を充填する方法の場合、特にポッティング剤の粘度が低いときには、いわゆるポッティング剤の「液上がり」の問題が生じうる。すなわち、図６の符号Ａで示す部分のように、毛管現象により、ポッティング剤がケース１０３の内壁に沿って吸い上がる現象が生じうる。このような「液上がり」が生じた場合、ポッティング剤によってパージ用ガスの出入口１１０、１１１が閉塞されてしまうおそれがある。
また、「液上がり」が生じない場合であっても、ポッティング剤の表面張力によって中空糸束１０２とケース１０３との隙間が小さくなってしまい（特に出入口１１０、１１１付近において）、パージガスが流れにくくなるという問題もある。また、中空糸束１０２とケース１０３との隙間が小さくなると、中空糸束に均一にパージガスが流れず、パージガスがショートパスしてしまうという問題もある。

本発明は上記のような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、中空糸束の端部をポッティング剤により筒状ケース端部に固定する構成において製造時のポッティング剤の液上がりを防止することができる中空糸膜モジュールおよびその製造方法を提供することにある。

本発明の要旨は以下に存する。
１．複数の中空糸膜が集合した中空糸束の端部がポッティング剤により筒状ケースの端部に固定された中空糸膜モジュールであって、
前記中空糸束の端部付近に該中空糸束の太さを規制する部材が設けられていることを特徴とする、中空糸膜モジュール。

このような構成によれば、「中空糸束の太さを規制する部材」が中空糸束の端部付近（すなわちポッティング剤が充填される位置付近）に設けられており、その位置では中空糸束の太さが部分的に細くなり、中空糸束と筒状ケースとの間に隙間が確保される。このように隙間が確保される結果、毛管現象が生じにくくなり、ポッティング剤の液上がりが防止される。

２．前記太さを規制する部材が、前記中空糸束に取り付けられるリングである、上記１に記載の中空糸膜モジュール。
「リング」としては、中空糸束の太さを制限できるものであればよく、伸縮性のあるリングであってもよいし、伸縮性のないリングであってもよい。

３．前記リングは、伸縮性のあるＯリングである、上記２に記載の中空糸膜モジュール。

４．前記リングの外周部分が、前記筒状ケースの内面に密着している、上記２または３に記載の中空糸膜モジュール。
このような構成によれば、筒状ケースの内部に流入しようとするポッティング剤を当該リングによって堰き止めることができるので、より確実にポッティング剤の液上がりを防止することができる。

５．前記筒状ケースの胴部に、パージガスを取り入れるための入口およびパージガスを排出するための出口が設けられており、
前記太さを規制する部材が前記入口および／または前記出口より端部側であって該入口および／または出口の付近に設けられている、上記１〜４のいずれか１項に記載の中空糸膜モジュール。
このような構成によれば、パージガスの入出口付近において中空糸束と筒状ケースとの間の隙間が確保されるので、中空糸束に均一にパージガスを流すことができる（詳細は図面を参照して後述する）。
なお、ここにいう「付近」とは、「太さを規制する部材」が設けられていることによって生じる隙間が上記入口および／または出口のところに形成される程度に近いことをいう。

６．複数の中空糸膜が集合した中空糸束の端部がポッティング剤により筒状ケースの端部に固定された中空糸膜モジュールを製造する方法であって、
中空糸束を前記筒状ケースの内部に入れる工程と、
前記中空糸束の端部付近にリングを取り付ける工程と、
前記中空糸束が入れられた前記筒状ケースの端部にポッティング剤を充填する工程と、
前記ポッティング剤を硬化させて、前記中空糸膜間および前記中空糸束と前記筒状ケースとを固着させる工程と、
を含むことを特徴とする、中空糸膜モジュールの製造方法。

７．前記リングが伸縮性のある材質からなるＯリングである、上記６に記載の中空糸膜モジュールの製造方法。

上述したように本発明によれば、中空糸束の端部をポッティング剤により筒状ケース端部に固定する構成において製造時のポッティング剤の液上がりを防止することができる中空糸膜モジュールおよびその製造方法を提供することができる。

本発明の中空糸膜モジュール製造方法の一形態によって製造されるモジュールの一例を示す断面図である。 図１のモジュールを製造する工程を示す図である。 図１のモジュールを製造する工程を示す図である。 図３（ｄ）のＢ部分を拡大して示す図である。 本発明の中空糸膜モジュールの他の形態を示す図である。 従来の一般的な中空糸膜モジュールを示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の一形態を説明する。
図１は、本発明の中空糸膜モジュール製造方法の一例によって製造されるモジュールの例を示す断面図である。

図１に示すように、この中空糸膜モジュール１は、両端が開口した筒状ケース３と、その内部に収納された中空糸束２とを備えている。中空糸束２は、複数の中空糸膜５を束ねたものであり筒状ケース３の長手方向に沿って配置されている。

筒状ケース３は一例として円筒状である。筒状ケース３の上下両端の開口部には、ポッティング剤を硬化させた管板１２ａ、１２ｂが形成されており、これにより各開口部が閉塞されている。各中空糸膜５の端部は、各管板１２を厚み方向に貫通して外部に露出しており、これにより、ガスが、各中空糸膜１の一方の端部から当該膜の内部に送り込まれ、他方の端部から排出されるようになっている。

なお、中空糸膜５そのものは特に限定されるものではなく、分離対象物や分離条件に適合した材料で形成されたものを好適に用いることができる。例えば、ポリオレフィン、ポリブタジエン、シリコーン樹脂、セルロース系高分子、ポリアミド、ポリスルホン、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニレンスルフィッド、ポリアリレート、ポリカーボネートなどのエラストマー材料やガラス状ポリマー材料でもよく、さらに、ゼオライトなどのセラミックス材料、炭素材料、ポリマーを部分炭素化した材料、カルド型ポリイミドなどの剛直なポリマー材料、及び、前記材料を含む複合材料でもよい。中空糸膜の種類も、多孔質膜、逆浸透膜、ガス分離膜であってもよく、対称膜であっても非対称膜であってもよい。

中空糸膜は一例として内径φ２８０μｍ、外径φ４１０μｍのものを利用することができる。
中空糸膜の本数は一例として下記の通りである。
ケース内径φ１０ｍｍの場合：３４０本
ケース内径φ１８ｍｍの場合：９６０本
ケース内径φ２６ｍｍの場合：１９６０本

中空糸束２は、例えば、ボビンに巻装した中空糸膜を多角形の巻替治具に巻き取り、この治具に巻き替えられた多数本からなる中空糸膜の一辺をカットすることにより成型することができる（例えば特公平７−１０６３０２号公報等参照）。このときの中空糸束２において、中空糸膜５は、筒状ケース３の長手方向に実質的に平行に配列される。
また、中空糸膜５を、図示しない綾巻機によって巻芯軸の回転速度とトラバース速度を制御することによって、巻芯軸に０°＜θ＜９０°の適宜の巻付角θをもって綾巻状に巻付け、その後巻芯軸を抜きとることによって複数層の中空糸膜束３を形成することができる。

ポッティング剤としては熱可塑性樹脂を利用することができる（この場合には、硬化ではなく加熱と冷却が必要になる）。または、エポキシ樹脂やウレタン樹脂からなる熱硬化性樹脂であっても構わない。この熱硬化性樹脂組成物では、硬化剤、硬化促進剤、触媒などが好適に配合され、熱をかけて硬化される。なお、好適には、ウレタン樹脂からなる化学反応型樹脂であり、この樹脂組成では、主剤、硬化剤が好適に配合され、特に熱をかけることなく硬化できる。

再び図１を参照すると、筒状ケース３の胴部には、パージガスを取り入れるための入口１０と、パージガスを排出するための出口１１とが設けられている。入口１０は管板１２ａの近くに位置しており、出口１１は管板１２ｂの近くに位置している。

パージガス入口１０およびパージガス出口１１は、一つでも構わないし、複数でも構わない。小型のモジュールにおいては、パージガスの調節弁として、パージガス入口１０にオリフィスを設置しても良い。その場合には、パージガス入口１０は、１つであることが好ましい。

筒状ケース３の内部であって各管板１２ａ、１２ｂのやや内側には、該中空糸束２の太さを規制する部材（Ｏリング２０ａ、２０ｂ）が設けられている。具体的には、管板１２ａと入口１０との間にＯリング２０ａが配置されており、管板１２ｂと出口１１との間にＯリング２０ｂが配置されている

図１に示すように、Ｏリング２０ａ、２０ｂ（以下、単に「Ｏリング２０」とも記載する）が取り付けられた部分では中空糸束２が細くなっている。これにより、Ｏリング２０付近に隙間Ｓａ、Ｓｂが形成される（ここで、ＳａはＯリングよりも内側の隙間を示し、ＳｂはＯリングよりも外側の隙間を示す）。

後述するように、Ｏリング２０は製造時においてポッティング剤を堰き止めて液上がりを防止する役割も果たすものである。限定されるものではないが、Ｏリング２０の外周部分が筒状ケース１０３の内面に密着していてもよい。この場合、後述するポッティング剤の液上がりをより効果的に防止することができる。

なお、Ｏリング２０の断面形状は、円形に限らず、矩形または多角形等であってもよく、また、その材質も特に限定されるものではなく例えばシリコーンゴム等であってもよい。

Ｏリングの配置位置は一例として下記の通りである（ケース端部からの距離）。
ケース内径φ１０ｍｍの場合：パージガス入口側が９ｍｍ、パージガス出口側が１０ｍｍ(構造は上下非対称)
ケース内径φ１８ｍｍの場合：１２ｍｍ（構造は上下対称）
ケース内径φ２６ｍｍの場合：８ｍｍまたは１２ｍｍ（構造は上下対称）

次に、上記中空糸膜モジュール１の製造方法について図２、図３を参照して説明する。
この例では図２（ａ）に示すように、全体として略筒状のケース３３が用意され、このケース３３の両端部を切断することで、図１に示したような最終的な筒状ケース３が得られる（詳細下記）。

まず、複数の中空糸膜５からなる中空糸の束を用意して図２（ａ）に示すようにその束をケース３３内に挿入し、その後、ケース３３の両端部のところで束を切り揃える。この状態では、中空糸束２全体の長さは、束２の両端部がケース３３の両端部から出る程度となっている。
なお、以降の製造工程を作業性よく行うことができるように、また、後の工程で使用するポッティング剤が中空糸に吸込まれ、中空糸が封止されることの防止のために、束２の各端部は封止部７ａ、７ｂで封止される。

次いで、図２（ｂ）に示すように、この中空糸束２の両端部にＯリング２０ａ、２０ｂを取り付ける。

次いで、図３（ｃ）に示すように、例えばプラスチック製のヘラ（不図示）で各Ｏリング２０ａ、２０ｂをケース３３内へと押し込む。具体的には、Ｏリング２０はパージガスの出入口１０、１１の付近まで押し込まれる。

次いで、図３（ｄ）に示すように、ケース３３の各端部からポッティング剤を充填する。ポッティング剤を充填する方法としては、限定されるものではないが、例えば特許文献１記載のような方法を利用してもよい。

具体的には、この方法は、
中空糸束が入れられた筒状ケースの端部に、ポッティング剤が入った袋の開口部を取り付ける工程と、その袋に外側から力を加えて内部の当該ポッティング剤を筒状ケースの端部へ移動させる工程と、そのポッティング剤を硬化させて、中空糸膜間、および、前記中空糸束と前記筒状ケースとを固着させる工程と、を含むものである。
なお、ポッティング剤を硬化させる工程においては、当該ポッティング剤の種類や配合等に応じて、適切な硬化工程が採用される。室温で静置する方法でもよいし、加熱処理を行うものであってもよい。

本実施形態の製造方法によれば、図４に示すように、Ｏリング２０付近（開口部側）に隙間Ｓａが形成されており、この部分での毛管現象が生じにくくなっているため、隙間Ｓａの存在しない従来の構成と比較して、ポッティング剤の液上がりが生じにくい。
また、仮にポッティング剤がＯリング２０のところまで流入したとしても、Ｏリング２０を超えて内部に入り込むことはないので、ポッティング剤がパージガスの出入口（１０）を塞ぐことはない。

一方、図４に示すようにＯリング２０の内側（下側）には隙間Ｓｂが形成されており、これにより、パージガス入口１０から入ったガスが中空糸束２とケース３との間を良好に流れることができ（図の矢印参照）、その結果、中空糸束２に均一にパージガスを供給することができる。

再び図３を参照し、ポッティング剤が硬化した後、図３（ｄ）の破線Ｌ１、Ｌ２の位置でケース３３、ポッティング剤、および中空糸束３２を切断する。これにより、図１に示したような中空糸膜モジュール１が得られる。

以上、本発明の一形態について説明したが、本発明は上記したものに限定されるものではなく適宜変更可能である。
例えば、Ｏリング２０に代わるものとして、輪ゴム、糸（例えば綿糸、中空糸、ナイロン糸）、金属線、チューブ（例えばナイロンチューブ）、粘着テープ等を利用してもよい。ただし、Ｏリングの場合、糸を縛るといった作業が不要であるため作業性の面で有利である。しかも、Ｏリングはその径の規格が多様であるため、選定しやすいという利点もある。

Ｏリングの硬さとしては、デュロメータ硬さで３０ＨＳ〜９０ＨＳ程度のものが利用可能である。特に、５０ＨＳの場合、比較的柔らかいため中空糸膜を傷つけにくく、作業性が良いため、好ましい。
Ｏリングの色は特に限定されるものではないが、例えば赤色や黒色といった有色のものであってもよいし、半透明色のものであってもよい。

Ｏリングの線径としては、φ０．５ｍｍ〜φ２.５ｍｍ程度を利用可能であるが、モジュールの一般的な製品サイズを考慮するとφ１.５ｍｍ程度が好ましい。一例として、次のようなものが好ましい。
ケース内径φ１０ｍｍの場合：呼び番号Ｓ６（線径φ１．５ｍｍ、内径φ５．５ｍｍ、外形φ８．５ｍｍ）
ケース内径φ１８ｍｍの場合：呼び番号Ｓ１０（線径φ１．５ｍｍ、内径φ９．５ｍｍ、外形φ１２．５ｍｍ）
ケース内径φ２６ｍｍの場合：呼び番号Ｐ１８（線径φ２．４ｍｍ、内径φ１７．８ｍｍ、外形φ２２．６ｍｍ）

「中空糸束の太さを規制する部材」としては、中空糸束を締め付けるリング等に限らず、図５に示すように、筒状ケース３の内面に形成された、内側に張り出した環状の凸部３５であってもよい。凸部３５は、図１に示したリング２０と同様に中空糸束２の一部を押さえ付け、これにより隙間Ｓａ、Ｓｂを形成することができる。その結果、上記実施形態同様、ポッティング剤の液上がりを防止し（隙間Ｓａの効果）、かつ、パージガスの出入口付近においてガスを良好に流すことができる（隙間Ｓｂの効果）。

以下実施例によって本発明を更に説明する。なお、本発明は下記実施例に限定されるものではない。
〔実施例〕
図１に示すような、パージガス入口、及びパージガス出口を備えた、全長１００ｍｍ、外径１２ｍｍ、内径１０ｍｍのポリカーボネート製の筒状ケースを用いた。中空糸束は、外径４００μｍ、内径３００μｍのポリイミド製非対称中空糸膜を３４０本束ねたものを用いた。
図２(ａ)に示すように中空糸束を筒状ケースに挿入したのち、中空糸膜の開口端は、ポッティング剤の浸入を防止するためにエポキシ接着剤で封をした。

次いで図２（ｂ）に示すように、呼び番号Ｓ６、硬度５０Ｈｓの半透明シリコーンゴム製Ｏリング２０ａ、２０ｂを中空糸束の両端に取り付けた。
次いで、図３（ｃ）に示すように、例えばプラスチック製のヘラ（不図示）で各Ｏリング２０ａ、２０ｂをケース３３内へと押し込んだ。Ｏリング２０ａは、ケース端部から９ｍｍの位置、Ｏリング２０ｂは、ケース端部から１０ｍｍの位置まで押し込んだ。
ポッティング剤として、主剤のポリイソシアネート変性体１．８ｇと硬化剤のポリオール１．２ｇとを混合して調合したポリウレタン系ポッティング剤を用いた。

ポッティング剤を移動させる工程としては、ポッティング剤を筒状ケースの端部に移動させ、中空糸束の各中空糸膜間及び中空糸束と筒状ケースとの間にポッティング剤を注入させるように移動させた。そして、ポッティング剤がＯリング２０ａ、２０ｂと接触するところで、ポッティング剤厚みを維持し、変形しない状態で静置した。

この状態でポッティング剤を常温で硬化させ、中空糸束の各中空糸膜間及び中空糸束と筒状ケースとを固着させた。
筒状ケースの反対側の端部でも、同じ方法で、ポッティング剤によって中空糸束の各中空糸膜間及び中空糸束と筒状ケースとを固着させた。

次いで、中空糸束の各中空糸膜間及び中空糸束と筒状ケースとを固着させた筒状ケースの端部を、容器端から７ｍｍの位置で切断切削機により切断し、中空糸束の各中空糸膜を開口させた。反対側の端部も同様に切断した。

このようにして、筒状ケース内に中空糸束が収納され両端部にポッティング剤の硬化物からなる管板が形成されたモジュールを得た。このモジュールの両端部に、混合ガス導入口を供えたキャップと非透過ガス排出口を備えたキャップとをそれぞれ気密になるように配置すると共に、非透過ガス排出口に連通した配管から、流量調節バルブを介して、非透過ガスの一部をパージガス導入口へ導入させるように配管を配置して除湿用中空糸膜モジュール（除湿モジュール）を得た。

この除湿モジュールの混合ガス導入口に２５℃、圧力０．７ＭＰａ、露点−５．５℃の湿潤空気を、流量２２．１ＮＬ／ｍｉｎで供給したところ、乾燥空気出口より露点−２１℃の乾燥空気が得られた。

１ 中空糸膜モジュール
２ 中空糸束
３ 筒状ケース
５ 中空糸膜
７ａ、７ｂ 封止部
１０、１１ 出入口
１２ａ、１２ｂ 管板
２０ａ、２０ｂ Ｏリング
Ｓａ、Ｓｂ 隙間
３５ 凸部

Claims (7)

1. 複数の中空糸膜が集合した中空糸束の端部がポッティング剤により筒状ケースの端部に固定された中空糸膜モジュールであって、
   前記中空糸束の端部付近に該中空糸束の太さを規制する部材が設けられており、
   前記筒状ケースの胴部に、少なくとも、ガスを排出するための出口が設けられており、
   前記太さを規制する部材は前記出口より端部側であって該出口の付近に設けられていることを特徴とする、中空糸膜モジュール。
2. 前記太さを規制する部材が、前記中空糸束に取り付けられるリングである、請求項１に記載の中空糸膜モジュール。
3. 前記リングは、伸縮性のある材質からなるＯリングである、請求項２に記載の中空糸膜モジュール。
4. 前記リングの外周部分が、前記筒状ケースの内面に密着している、請求項２または３に記載の中空糸膜モジュール。
5. 前記筒状ケースの胴部に、さらに、ガスを取り入れるための入口が設けられており、
   他の前記太さを規制する部材が前記入口より端部側であって該入口の付近に設けられている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の中空糸膜モジュール。
6. 複数の中空糸膜が集合した中空糸束の端部がポッティング剤により筒状ケースの端部に固定された中空糸膜モジュールを製造する方法であって、
   中空糸束を前記筒状ケースの内部に入れる工程と、
   前記中空糸束の端部付近に、中空糸束の太さを規制するリングを取り付ける工程と、
   前記中空糸束が入れられた前記筒状ケースの端部にポッティング剤を充填する工程と、
   前記ポッティング剤を硬化させて、前記中空糸膜間および前記中空糸束と前記筒状ケースとを固着させる工程と、
   を含むことを特徴とする、中空糸膜モジュールの製造方法。
7. 前記リングが伸縮性のあるＯリングである、請求項６に記載の中空糸膜モジュールの製造方法。

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