JP5399233B2 - 流体コネクタ - Google Patents
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Description
本出願は、米国特許法第119条(e)項の下、参照によりその開示全体が本明細書に明らかに組み込まれ、かつ本明細書において明らかに本出願の一部をなしている、2006年3月20日出願の米国仮出願第60/784381号の利益を主張するものである。
シーラント材料は、封止の動作条件に適合すべきである。シーラントを選択する場合、温度、化学的環境、および機械的応力が考慮される。KYNAR(登録商標)ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、パーフルオロアルコキシ(PFA)、ナイロン、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、フッ素化エチレンプロピレン(FEP)、およびDELRIN(登録商標)アセタールホモポリマーは、単一管腔封止で満足のいくように作用することがわかっている。より多くの穴がシーラントプレートに付加されるにつれ、応力を均等化するというこの材料の能力がより重要になる。塑性およびクリープの率が高いPTFEは、マルチルーメンアセンブリを封止するのに好ましい選択となる。ある最小応力を超えて応力を受けた後、シーラントは、材料内で分子が永久的に塑性変位する。これにより、シーラントは、均等化された半径方向の力によって各管腔の周りで変形することが可能になる。後に管腔のいかなる動きもシーラントの動きに一致するようになり、その結果、空間が充填され、または過剰な負荷から離れるようになる。応力が解除されると、シーラントはその当初の位置に戻るのではなく、弾性歪みが解除されるよう十分に変形するだけである。
プラスチックまたは非晶質材料の場合、この動きは、互いを通過するポリマー鎖によって引き起こされる。シーラントの両端は、内部および外部接続が可能になるように変性されてもよい。この設計では、管腔の挿入が可能になるようにシーラントの一端が開放されている。他方の端部は、共通の供給または戻り部に接続するように、内部にねじが切られている。シーラントの外側は、シェルを管腔の周りに置くことができるように、外力または異なる接続を介して、シェルに取着けすることもできる。これにより、2次的な流体の流れと共に、浸透気化または熱伝達を引き起こすことを可能にする2次的な封込めが行われる。
熱可塑性プラスチック(並びに金属)と共に使用されるその他の一般的な技法には、サーマルボンドの形成が含まれ、この場合、同様の組成であるが融解温度が低い熱可塑性材料が加熱され、バルク状のプラスチックが全ての管腔の周りを流動することが可能になり、そして気密封止を形成する。より低い融点の材料はシーラントである。シーラントおよび管腔は両材料で良好な浸透結合が生ずるように、十分に近い温度であるが、管腔が完全に融解して潰れることのないよう十分に低い温度を持たなければならない。これらのタイプの製品は、一般に、Pall、Mykrolis、およびMembranaから販売されている高表面積接触器用に、半導体産業で使用されている。熱可塑性結合は、多数の管腔を接続するのに好ましい手法であるが、材料の不適合性や管腔の温度感受性などのいくつかの状況では、熱可塑性結合が適切な方法ではない場合がある。さらに、熱可塑性プラスチックの融解は、高温を必要とし、融解プロセス中に有毒ガスを放出する可能性があり、したがって安全性が課題となる可能性がある。
一実施形態において、コネクタは水蒸気生成で使用され、この場合、水蒸気供給材料は、この供給材料を、管腔の形をした実質的にガス不透過性のイオン交換膜に通すことによって精製される。
本明細書で使用される「実質的にガス不透過性の膜」という用語は広義の用語であり、水蒸気に対して透過性を有し、しかし限定するものではないが水素、窒素、酸素、一酸化炭素、二酸化炭素、硫化水素、炭化水素(例えばエチレン)、揮発性の酸および塩基、耐火性化合物、およびその他の揮発性有機化合物などのその他のガスに対して比較的不透過性である膜を含むがこれらの膜に限定するものではなく、その通常の意味で使用される。ガス不透過性は、膜の「漏れ率」によって決定することができる。本明細書で使用される「漏れ率」という用語は、広義の用語であり、限定するものではないが単位時間当たりに膜表面積を透過する特定のガスの体積を含めた、その通常の意味で使用される。例えば、実質的にガス不透過性の膜は、その漏れ率が、標準的な雰囲気および圧力下で約10−3cm3/cm2/秒未満であるなど、水蒸気以外のガスについて低い漏れ率を有する。あるいは、「実質的にガス不透過性」の膜は、水蒸気の透過率をその他のガスの透過率と比較した比によって特定することができる。好ましくは、実質的にガス不透過性の膜は、水蒸気に対する透過性が、その他のガスよりも少なくとも約10000:1の比で、例えば少なくとも約20000:1、30000:1、40000:1、50000:1、60000:1、70000:1、80000:1、90000:1の比で、または少なくとも約100000:1、200000:1、300000:1、400000:1、500000:1、600000:1、700000:1、800000:1、900000:1の比で、または少なくとも1000000:1の比でも高い。しかし、その他の実施形態では、1:1を超えるその他の比が許容され、例えば1.5:1、2:1、3:1、4:1、5:1、6:1、7:1、8:1、9:1、10:1、50:1、100:1、500:1、1000:1、または5000:1、またはそれ以上である。
NAFION(登録商標)は、透析膜、クロルアルカリ電池、燃料電池、および水素生成器で使用されるような、陰イオンから陽イオンを分離する際に使用される優れた材料にするイオン特性を与えるために、加水分解プロセス中に変性されるスルホン酸基も含有するパーフルオロポリマーである。しかし、膜が加水分解した(前駆体から酸形態に変換された)後は、これをその他の材料と結合することは非常に難しい。材料を完全に乾燥させ、温度および圧力下で2枚のプレート間でホットプレスすることが必要である。米国特許第4954206号、第5746856号、および第4990296号は、それぞれが、フルオロポリマー溶接法を開示している。これらの技法のそれぞれは平面結合に対処しているが、管束の接合には対処していない。米国特許第5458989号および第6007932号は、マルチルーメンアセンブリの使用について開示しており、しかしこれらは、管腔を接合するのに、個々の機械的接続を使用している。
しかし好ましい実施形態では、この低温流動の性質は有益である。ほとんどの場合、円筒状ポリマーに連続の穴が設けられ、かつ外部半径応力が加えられると、静水圧はスルーホールにかけられないことになる。しかし、材料がPTFEで作製される場合、シリンダは素早く低温流動して、静水圧力はスルーホールの全表面上に生成される。
第1の実験の目的は、TEFLON(登録商標)またはポリプロピレン継ぎ手の内側に対する封止圧力を決定することであった。継ぎ手は、太い管内の流体の流れを、水蒸気精製プロセスの一部として一連の7つの細い管に分割する。継ぎ手の性能に関する課題は、より細い内管界面での封止である。この封止は、管腔内を通る流れを実質的に制限することなく、内管を十分な半径方向圧力でかしめで良好な封止が維持されるように、継ぎ手の外径(OD)をスエージ加工することによって実現される。
第2の実験の目的は、様々な構成の種々の数の管腔に関し、TEFLON(登録商標)(PTFE)またはポリプロピレン継ぎ手の内側に対する封止圧力を決定することであった。継ぎ手および管の材料は、実験#1に関して既に述べた通りであった。
Claims (27)
- シェルと、
スエージ操作によって外部圧縮半径方向力を加えるための手段であって、前記シェル上の外部フェルールを圧縮する機能を有している手段と、
少なくとも2つの管腔と、
低温流動性を有し、前記少なくとも2つの管腔を保持するシーラントであって、使用時
に、前記スエージ操作によって外部圧縮半径方向力が生成されたときにその力がシェルと
管腔との間で伝達され低温流動により、再封止可能な封止を形成する、シーラントと、
を備えるコネクタ。 - 各管腔が、裏当てフェルールをさらに含んでいる、請求項1に記載のコネクタ。
- 各管腔が、ステンレス鋼、金属、セラミック、ガラス、およびプラスチックからなる群から選択された材料を含んだ裏当てフェルールをさらに含んでいる、請求項1に記載のコネクタ。
- 各管腔が中空繊維である、請求項1に記載のコネクタ。
- 各管腔が、過フッ素化イオノマーを含んでいる、請求項1に記載のコネクタ。
- 過フッ素化イオノマーが、パーフルオロスルホン酸/テトラフルオロエチレンコポリマー、およびパーフルオロカルボン酸/テトラフルオロエチレンコポリマーからなる群から選択される、請求項5に記載のコネクタ。
- 各管腔が、金属、ガラス、石英、プラスチック、およびセラミックからなる群から選択された材料を含んでいる、請求項1に記載のコネクタ。
- シーラントがプラスチックを含んでいる、請求項1に記載のコネクタ。
- プラスチックがアセタールホモポリマーを含んでいる、請求項8に記載のコネクタ。
- プラスチックがナイロンを含んでいる、請求項8に記載のコネクタ。
- プラスチックがフルオロポリマーを含んでいる、請求項8に記載のコネクタ。
- フルオロポリマーが、テトラフルオロエチレンおよびパーフルオロビニルエーテルのポリマー、ポリテトラフルオロエチレン、フッ素化エチレンプロピレンコポリマー、変性フルオロアルコキシポリマー、ポリフッ化ビニリデン、およびパーフルオロアルコキシポリマーからなる群から選択される、請求項11に記載のコネクタ。
- 同心円状に配列された複数の管腔を含んでいる、請求項1に記載のコネクタ。
- シェルが、ステンレス鋼、鋼、アルミニウム、銅、および熱硬化性プラスチックからなる群から選択された材料を含んでいる、請求項1に記載のコネクタ。
- 各管腔が、約0.0001インチから約0.035インチの肉厚を有する薄い管状膜である、請求項1に記載のコネクタ。
- 各管腔が、約0.003インチから約0.5インチの直径を有している、請求項1に記載のコネクタ。
- 約1トールから約3000psiの圧力で動作するように構成されている、請求項1に記載のコネクタ。
- 約0.25インチから約6インチの直径を有している、請求項1に記載のコネクタ。
- 2から250の管腔を含んでいる、請求項1に記載のコネクタ。
- 水蒸気伝達コネクタである、請求項1に記載のコネクタ。
- シェル熱交換器内の管である、請求項1に記載のコネクタ。
- シェル加湿器内の管である、請求項1に記載のコネクタ。
- シェルガス接触器内の管である、請求項1に記載のコネクタ。
- シェルと、
スエージ操作によって外部圧縮半径方向力を加えるための手段であって、前記シェル上の外部フェルールを圧縮する機能を有している手段と、
複数の管状チャネルであって、各管状チャネルが流体経路に連通している複数の管状チャネルと、
低温流動性を有し前記複数の管状チャネルを保持するシーラントであって、使用時に、前記スエージ操作によって外部圧縮半径方向力が生成されたときにその力がシェルと管状チャネルとの間で伝達され低温流動により再封止可能な封止を形成し、それにより、単一の流体経路が形成されるように複数の流体経路が接続される、シーラントと、
を備えるコネクタ。 - 管状チャネルが薄い壁の膜である、請求項24に記載のコネクタ。
- 管状チャネルが中空繊維である、請求項24に記載のコネクタ。
- 各管状チャネルが裏当てフェルールを有している、請求項24に記載のコネクタ。
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