JP5881319B2 - 有孔中空管の製造方法および有孔中空管製造用型枠 - Google Patents

Description

本発明は、外周面から内周面につながる複数の貫通孔を有する樹脂製の有孔中空管の製造方法および、その製造に用いることができる有孔中空管製造用型枠に関する。この有孔中空管は、例えば、自動車などに用いられる流体用の分岐配管や、気体や液体の分離膜エレメント用集流体管、地中排水用などの各種集水管や、水または気体散布用配管などに用いることができる。

分離膜エレメントの集流体管として用いられる樹脂製の有孔中空管の製造については、従来、押出成形法や射出成形法で製造された樹脂製無孔中空管や、金属製の中空管に、後加工として穿孔加工することにより複数の貫通孔を有する有孔中空管が製造されてきた。このような有孔中空管を分離膜エレメントに用いる場合、例えば水処理用スパイラル型分離膜エレメントの集水管として用いる場合には、この集水管の周囲に分離膜および流路材を巻回することで貫通孔を通じて有孔中空管の内部空間に透過流体が流入する構造となっている（特許文献１参照）。

しかしながらこれらの有孔中空管は、性能向上を求める上で各種の加工が必要となってきているため、製造が複雑で工数が増加するとともに、製造コストも増加する傾向にある。また、水処理関連の需要の増加に伴い、有孔中空管に対する需要も著しく増加している。

特開２００４−３０５８２３号公報

本発明は、生産性が向上するとともに、有孔中空管への各種加工が容易な有孔中空管の製造方法および有孔中空管製造用型枠を提供することを目的とする。

本発明は、外周面から内周面につながる複数の貫通孔を有する有孔中空管の製造方法において、前記有孔中空管の内部空間を形成する中子型と、前記有孔中空管の外周面を形成する基準面および前記複数の貫通孔を形成する凸部を有する、複数の主パーツによって分割可能に構成された主型と、を含む型枠内に樹脂を注入し、この樹脂を硬化した後、主型、中子型をこの順で取り外すことを特徴とする有孔中空管の製造方法を提供する。

注入する樹脂は熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂であることが好ましい。また、前記複数の貫通孔は前記有孔中空管の軸方向に一列または複数列に並んでいることが好ましい。

また本発明は、外周面から内周面につながる複数の貫通孔を有する有孔中空管の製造に用いられる型枠であって、前記有孔中空管の内部空間を形成する中子型と、前記有孔中空管の外周面を形成する基準面および前記複数の貫通孔を形成する凸部を有する、複数の主パーツによって分割可能に構成された主型と、を含むことを特徴とする有孔中空管製造用型枠を提供する。

前記主型は、当該主型が有孔中空管の軸方向と直交する方向に分割可能となるように一対の主パーツで構成されていることが好ましい。また、前記主型は、さらに有孔中空管の外周面に溝を形成する突条部を有することが好ましい。

前記中子型は、複数の中子パーツによって分割可能に構成されていることが好ましい。さらに、前記中子型は、当該中子型が有孔中空管の軸方向に分割可能となるように一対の中子パーツで構成されていることが好ましい。

前記中子型は、有孔中空管の軸方向を向く端面から連続的に太くなるテーパー部を有することが好ましく、また、前記中子型の少なくとも一方の端部は、１つ以上の段差を持って拡大していることが好ましい。

本発明によれば、有孔中空管の生産性が向上するとともに、有孔中空管への各種加工を容易に行うことができる。

（ａ）は本発明における有孔中空管の製造型枠の一例を示す断面図、（ｂ）は（ａ）のIB−IB線に沿った断面図。 本発明における有孔中空管製造用の中子型の構成例を示す断面図。 本発明における有孔中空管製造用の中子型の他の構成例を示す断面図。 本発明における分割成形した有孔中空管の構成例を示す断面図。 本発明における分割成形した有孔中空管製造用型枠の構成例を示す断面図。 本発明により得られた有孔中空管の一例を示す斜視図。 本発明により得られた有孔中空管の他の例を示す斜視図。 スパイラル型分離膜エレメントの構成例を示す分解斜視図。

本発明は、外周面から内周面につながる複数の貫通孔を有する有孔中空管の製造方法において、前記有孔中空管の内部空間を形成する中子型と、前記有孔中空管の外周面を形成する基準面および前記複数の貫通孔を形成する凸部を有する、複数の主パーツによって分割可能に構成された主型と、を含む型枠内に樹脂を注入し、この樹脂を硬化した後、主型、中子型をこの順で取り外すことを特徴とする。中子型を主型より先に取り外すと、中子型と接する主型の凸部が損傷する場合がある。

なお、有孔中空管の断面形状は特に限定されるものではなく、多角形、円形、楕円形などの種々の形状を採用できる。貫通孔は、有孔中空管の軸方向に一列または複数列に並んでいることが好ましい。

この有孔中空管の製造は、型枠内に樹脂を注入し、樹脂を硬化した後、主型および中子型を取り外す方法であれば、公知の射出成形技術を用いることができる。例えば、樹脂溶液を型枠内に注入する際にガスの圧力を加え、加圧流体として注入するガスアシスト成形法や、樹脂の粘度および型枠の形状に応じて、樹脂を注入した、または樹脂を注入している型枠に適宜回転を加える回転成形法を併用することが好ましい。

ガスアシスト成形法において用いるガスとしては、常温常圧下でガス状または液状であり、成形時に樹脂と反応や混合しないものが好ましい。例えば、空気、窒素ガス、炭酸ガス、ヘリウムガス、水等が挙げられるが、なかでも窒素ガスやヘリウムガスなどの不活性ガスが好ましい。

本発明では、型枠で規定された空間（成形室）を満たす程度の十分な量の溶融樹脂を注入する。注入する樹脂としては、有孔中空管を形成できる樹脂であれば限定されるものではないが、熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂を用いることが好ましい。

熱硬化性樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂（ユリア樹脂）、アルキド樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリウレタン、熱硬化性ポリイミド、シリコーン樹脂、及びジアリルフタレート樹脂が挙げられる。なかでも、エポキシ樹脂やメラミン樹脂、シリコーン樹脂を用いることが好ましい。

熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリエチレン樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリサルフォン樹脂、ポリエステル系樹脂（例えば、ポリエチレンテレフタレート樹脂やポリブチレンテレフタレート樹脂）、変性ポリフェニレンオキシド樹脂（例えば、変性ポリフェニレンエーテル樹脂）、ポリフェニレンサルファイド樹脂、アクリルニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体樹脂、アクリルニトリル−スチレン共重合体樹脂、ポリメチルメタクリレート樹脂、あるいはこれらの混合物やポリマーアロイを挙げることができる。

また、樹脂の強度を高めるために、樹脂組成物中にガラス繊維や炭素繊維などの繊維材料や、ウィスカーや液晶ポリマーなどの結晶系材料を加えても良い。例えば、ガラス繊維としては、ガラスウール、チョップド・ガラスファイバー、ミルド・ガラスファイバーを挙げることができる。また、炭素繊維としては、ミルド炭素繊維を挙げることができる。ウィスカーとしては、ホウ酸アルミニウムウィスカー、チタン酸カリウムウィスカー、塩基性硫酸マグネシウムウィスカー、珪酸カルシウムウィスカー及び硫酸カルシウムウィスカーを挙げることができる。

さらには、樹脂の特性向上を目的として各種添加剤を加えてもよい。例えば、難燃剤、安定剤、顔料、染料、離型材、滑材、耐候性改良剤などを樹脂組成物に添加してもよい。これらの添加物は単独で用いても良いが、２種以上の混合物として用いることができる。

型枠に注入された樹脂は型枠内において硬化される。このときの樹脂を硬化する方法は限定されるものではなく、加熱や冷却、ＵＶ照射など、樹脂の特性に応じて決定すればよい。例えば、常温放置することが一般的ではあるが、金属製の主型を用いて加熱または冷却することや、透明樹脂製の主型を用いてＵＶ照射する方法が好ましく用いられる。

本発明の有孔中空管製造用の型枠は、少なくとも主型と中子型から構成される。主型は、複数の主パーツによって分割可能に構成され、且つ有孔中空管の外周面を形成する基準面および貫通孔を形成する凸部を有する。主型を分割可能とすることで、貫通孔を形成するための凸部を有孔中空管から抜き取ることが可能となる。なお、主型は、主パーツ同士が完全に分離するように構成されていてもよいし、主パーツ同士がヒンジで連結されることにより開閉可能となっていてもよい。

主型は、当該主型が有孔中空管の軸方向と直交する方向（以下、単に「直交方向」ともいう。）に分割可能となるように一対の主パーツで構成されていることが好ましい。主型が直交方向に分割可能であれば、貫通孔の軸方向を有孔中空管の軸方向と直交させることができ、スパイラル型分離膜エレメントにおいては流路となる貫通孔の長さを最短にすることができる。なお、主型を一対の主パーツで構成する場合は、各主パーツがさらに複数のピースに分かれていてもよい。また、貫通孔の軸方向を直交方向に対して傾斜させる場合には、主型は、その傾斜方向に分割可能となっていてもよい。

主型の構成材料としては、注入する樹脂の成分や、硬化時の条件等で不具合が生じないものであれば特に限定されるものではなく、金属、セラミックス、強化プラスチックなどを適宜用いることができる。なかでも、製作、加工の容易さおよび、繰り返し使用によるコストなどの点から、金属製の主型を用いることが好ましい。主型の内壁面、つまり樹脂と接触する面（例えば、基準面と凸部の表面の双方）には、硬化した樹脂と剥離しやすくなるように離型処理を施しておくことが好ましい。離型処理としては市販の離型剤処理や公知のフッ素コーティング処理を用いることができる。

貫通孔を形成するための凸部の材料は、主型の主な構成材料と異なっていてもよい。この場合、凸部は主型と別体のものとして形成した後、主型と結合されてもよい。凸部は、主型から離れるにつれてわずかに先細形状になっていることが好ましく、こうすると、硬化した樹脂から凸部を抜き取りやすくなる。

主型には、有孔中空管の外周面に溝（非貫通凹部）を形成するための、特定方向に引き延ばされた突条部を設けることが好ましい。本発明では、有孔中空管の外周面に紋様を設けることが容易となるため、有孔中空管の使用形態に応じた溝を設けることが好ましい。例えば、スパイラル型分離膜エレメントの集水管に用いられる有孔中空管を製造する場合、図６および図７に示すような有孔中空管８の軸方向に延びる縦溝８２および／または有孔中空間８の周方向に連続する横溝８３を設けることにより、透過流体の流動抵抗を下げることができるため、圧力損失を低減することができ、流体の透過量を増やすことができることがわかっている。この場合、主型に設ける凸部は、角をなくし、Ｒを持たせた形状とすることで、主型の取り外しを容易にすることができる。あるいは、スパイラル型分離膜エレメントの集水管に用いられる有孔中空管を製造する場合、膜リーフが接着される部分に、主型に形成した凹凸を転写することによってシボ加工を施すことも可能である。適切なシボ加工を施すことにより、アンカー効果および表面積増加によって有孔中空管と膜リーフとの接着力を向上させることができる。

なお、図例では、有孔中空管８の外周面と内周面をつなぐ複数の貫通孔８１が並ぶ線上に複数の縦溝８２のうちの１つが配置されており、この縦溝８２の底に貫通孔８１が開口しているが、縦溝８２は必ずしも貫通孔８１が並ぶ線上に配置されている必要はなく、貫通孔８１から離れた位置に配置されていてもよい。このような構成では、溝内に流入した透過流体が有孔中空管８の回りに巻き付けられる流路材を貫通孔８１まで最短ルートで通過するようになるため、この構成でも透過流体の流動抵抗をある程度下げることができる。ただし、縦溝８２および横溝８３のどちらかの底に貫通孔８１が開口していれば、溝が貫通孔８１に透過流体を導く流路として機能するため、透過流体の流動抵抗を大きく下げることができる。なお、縦溝８２および横溝８３の本数は、必ずしも複数本である必要はなく、１本であってもよい。また、有孔中空管８の外周面に形成される溝の延びる方向は有孔中空管８の軸方向または周方向に限られず、これらから傾斜する方向であってもよい。

主型には樹脂注入口が設けられる。この樹脂注入口の数は特に制限されるものではないが、複数の樹脂注入口を設けることで注入漏れが生じにくくなるため好ましい。

中子型は、有孔中空管の内部空間を形成する形状であればよく、材料も特に限定されるものではなく、主型と同様の材料を用いることができる。

中子型の形状としては、特に限定されるものではないが、有孔中空管の内周面に密着した中子型は、一般に取り外しが困難であるため、次のような方法を用いることが好ましい。例えば、中子型を複数の中子パーツによって分割可能に構成し、１つ当たりの中子パーツの接触面積を減らす方法、中子型に有孔中空管の軸方向を向く端面から連続的に太くなるテーパー部を設け、中子型をテーパー部が太くなる方向に引き抜く方法などが挙げられる。複数の中子パーツで構成された分割可能な中子型や、テーパー部を有する中子型を用いる場合には、離型処理と組み合わせて用いることや、それぞれの方法を適宜組み合わせることが好ましい。さらに、中子型を複数の中子パーツで構成する場合には、中子型を当該中子型が有孔中空管の軸方向に分割可能となるように一対の中子パーツで構成することが好ましい。この構成によれば、中子パーツを両側に引き抜くだけで、中子型を有孔中空管から取り外すことができる。なお、中子型を一対の中子パーツで構成する場合は、各中子パーツがさらに複数のピースに分かれていてもよい。

さらに、本発明で得られた有孔中空管をスパイラル型分離膜エレメントの集水管として用いる場合、有孔中空管の端部には他の分離膜エレメントや配管と連結するために接続部を設ける必要がある。その場合、有孔中空管の端部に位置する中子型の端部の少なくとも一方が１つ以上の段差を持って拡大していることが好ましい。こうすることで、有孔中空管端部の空間が広がり、接続管との接続が可能となる。

例えば、図２および図３は、互いに嵌合可能である一対の中子パーツ４１，４２により構成された二分割の中子型３の例を示す。一対の中子パーツ４１，４２は互いに接した状態で主型に固定される。図２では、各中子パーツ４１，４２の一端部および中央部が、軸部として、円柱が中心線に対して僅かに傾斜する面に沿って切断されたような形状に形成されており、これらの軸部は嵌合後に円柱状になる。さらに、各中子パーツ４１，４２の他端部は、軸部よりも大きな直径の円柱状に形成されている。換言すれば、中子型２の両端部は、１つの段差を持って拡大している。

一方、図３では、一対の中子パーツ４１，４２は、有孔中空管の中央部で互いに当接する、有孔中空管の軸方向を向く端面をそれぞれ有している。また、各中子パーツ４１，４２の一端部および中央部は、前記端面から連続的に太くなるテーパー部を構成している。なお、各中子パーツ４１，４２の他端部は、図２と同様の形状を有する。ところで、図３に示すように中子型３にテーパー部を設ける場合は、一方の中子パーツ４１のみに端面から有孔中空管８の全長に亘って延びるテーパー部を設け、他方の中子パーツ４１を有孔中空管８の端部に拡大空間を形成するだけの形状にしてもよい。

本発明の製造方法によれば、比較的長い有孔中空管でも容易に製造することができる。例えば、直径１０ｃｍ以内の場合でも３０ｃｍ〜１５０ｃｍ程度の有孔中空管を製造することができる。さらに長い有孔中空管が必要な場合には、図４に示すように２本の有孔中空管９を接続して用いることが好ましい。２本の有孔中空管９を接続する方法としては、特に限定されるものではなく、樹脂接着や加熱融着、超音波融着、回転摩擦融着など適宜公知の技術を用いることができる。２本の有孔中空管９を接続する場合には、例えば、図５に示すように、有孔中空管における接続される側の端部に段差が生じないような中子型構成とするなど、主型と中子型の構成を変更し、接続可能な形態とすることが好ましい。また、本発明の製造方法により得られた有孔中空管を３つ以上連結して、スパイラル型分離膜エレメントの集水管を製造することも可能である。

以下に、本発明について図面に基づいて詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

図１（ａ）および１（ｂ）は、本発明の有孔中空管の製造に用いられる型枠の一例を示す断面図である。この型枠１００は、図６に示すような外周面に縦溝８２が形成された有孔中空管８を製造するためのものである。本実施形態では、型枠１００は、成形室５を取り囲む主型１、主型１の内部に配置される中子型３、中子型３を主型１に固定する補助部材７を含む。例えば、主型および中子型としては、ステンレスや金型用鋼材などで構成された金属製の型を好ましく用いることができるが、強化プラスチック製の型を用いることも可能である。

主型１は、有孔中空管８の軸方向と直交する方向に分割可能であり、互いに接した状態で締め付けられる一対の主パーツ２１，２２で構成されている。また、主型１は、有孔中空管８の外周面を形成する基準面２５と、貫通孔８１を形成する凸部２３と、縦溝８２を形成する突条部２４と、を有する。本実施形態では、突条部２４が基準面２５から突出しており、凸部２３が突条部２４の先端面からさらに突出している。基準面２５は、例えば直径が一定の円筒面である。ただし、基準面２５は必ずしも直径が一定の円筒面である必要はなく、製造すべき有孔中空管８の形状に応じて複数の直径を有していてもよい。本実施形態では、凸部２３が成形室５の底および天井に二列に設けられている。換言すれば、凸部２３は、下方に位置する主パーツ２１および上方に位置する主パーツ２２のそれぞれに、有孔中心管８の中心軸に対して１８０度反対に位置するように設けられている。ただし、凸部２３は、どちらかの主パーツ（２１または２２）のみに一列に設けられていてもよい。突条部２４は、例えば等角度間隔で配置される。

中子型３は、図２を参照して説明した中子型３と同じものである。すなわち、中子型３は、有孔中空管８の軸方向に分割可能であり、互いに接した状態で主型１に固定される一対の中子パーツ４１，４２で構成されている。各中子パーツ４１，４２の一端部および他端部は、組み合わせた際に円柱状となるような先細形状に形成された軸部を構成しており、これらの軸部が互いに嵌合可能である。また、各中子パーツ４１，４２の他端部は、有孔中空管８の端部に拡大空間を形成するように拡大している。

次に、本実施形態の型枠１００を使用して有孔中空管８を製造する方法を説明する。主型１の２箇所に設けられた樹脂注入口６から型枠１００内に、射出成形装置と窒素ガスのガス圧を用いて樹脂を注入し、冷却放置して樹脂を硬化した後、主型取り外し方向Ｂにおいて主型１を主パーツ２１，２２ごとに取り外し、さらに中子型固定用の補助部材７を取り外す。その後、図２に示す中子型取り外し方向Ｃにおいて、中子型３を中子パーツ４１，４２ごとに取り外す。以上の工程により、図６に示す有孔中空管８が得られる。この有孔中空管８は、図８に示すように、当該有孔中空管８の周りに分離膜１４の間に透過側流路材１３が配置された膜リーフと供給側流路材１２の積層体が巻回されることにより、スパイラル型分離膜エレメントとして用いることができる。

なお、図３は図２とは別の中子型構成を示している。この中子型３は、有孔中空管８の約半分の長さの一対の中子パーツ４１，４２で構成されている。各中子パーツ４１，４２は、端面に向かって先細形状の、換言すれば先端部のない円錐状のテーパー部を有している。さらに図４は分割して作製した有孔中空管９を、端部で融着して一本の有孔中空管として用いるものである。このときの型枠としては図５に示すように、有孔中空管９の一方の端部に段差形状を形成しないように構成した型枠を用いるのがよい。なお、図５の場合は、図３に示す中子パーツ４１，４２の一方を中子型として用いてもよい。

１ 主型
２１，２２ 主パーツ
２３ 凸部
２４ 突条部
２５ 基準面
３ 中子型
４１，４２ 中子パーツ
５ 成形室
６ 樹脂注入口
７ 補助部材
８，９ 有孔中空管
８１ 貫通孔
８２，８３ 溝
１２，１３ 流路材
１４ 分離膜
１００ 有孔中空管製造用型枠
Ａ 軸方向（流れ方向）
Ｂ 主型取り外し方向
Ｃ 中子型取り外し方向

Claims (10)

1. 外周面から内周面につながる複数の貫通孔を有する流体用の有孔中空管を、前記有孔中空管の内部空間を形成する中子型と、前記有孔中空管の外周面を形成する基準面および前記複数の貫通孔を形成する凸部を有する、複数の主パーツによって分割可能に構成された主型と、を含む型枠内に樹脂を注入し、この樹脂を硬化した後、主型、中子型をこの順で取り外すことによって製造する流体用の有孔中空管の製造方法であって、
   前記中子型は、当該中子型が前記有孔中空管の軸方向に分割可能となるように一対の中子パーツで構成されており、
   前記一対の中子パーツは、円柱が中心軸線に対して傾斜する面に沿って切断された先細形状に形成された軸部をそれぞれ有し、かつ、当該一対の中子パーツを組み合わせたときに前記軸部が円柱を形成するように構成され、
   前記主型は、前記有孔中空管の外周面に前記有孔中空管の軸方向に延びる溝を形成するように前記基準面から突出している突条部を有する、
   有孔中空管の製造方法。
2. 前記主型は、当該主型が前記有孔中空管の軸方向と直交する方向に分割可能となるように一対の主パーツで構成されている、請求項１に記載の有孔中空管の製造方法。
3. 注入する樹脂が熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂である、請求項１又は２に記載の有孔中空管の製造方法。
4. 前記複数の貫通孔は、前記有孔中空管の軸方向に一列または複数列に並んでいる、請求項１〜３のいずれか一項に記載の有孔中空管の製造方法。
5. 前記中子型の少なくとも一方の端部は、１つ以上の段差を持って拡大している、請求項１〜４のいずれか一項に記載の有孔中空管の製造方法。
6. 前記凸部は、前記突条部の先端面から突出している、請求項１〜５のいずれか１項に記載の有孔中空管の製造方法。
7. 外周面から内周面につながる複数の貫通孔を有する流体用の有孔中空管の製造に用いられる型枠であって、
   前記有孔中空管の内部空間を形成する中子型と、前記有孔中空管の外周面を形成する基準面および前記複数の貫通孔を形成する凸部を有する、複数の主パーツによって分割可能に構成された主型と、を含み、
   前記中子型は、当該中子型が前記有孔中空管の軸方向に分割可能となるように一対の中子パーツで構成されており、
   前記一対の中子パーツは、円柱が中心軸線に対して傾斜する面に沿って切断された先細形状に形成された軸部をそれぞれ有し、かつ、当該一対の中子パーツを組み合わせたときに前記軸部が円柱を形成するように構成され、
   前記主型は、前記有孔中空管の外周面に前記有孔中空管の軸方向に延びる溝を形成するように前記基準面から突出している突条部を有する、
   有孔中空管製造用型枠。
8. 前記主型は、当該主型が前記有孔中空管の軸方向と直交する方向に分割可能となるように一対の主パーツで構成されている、請求項７に記載の有孔中空管製造用型枠。
9. 前記中子型の少なくとも一方の端部は、１つ以上の段差を持って拡大している、請求項７又は８に記載の有孔中空管製造用型枠。
10. 前記凸部は、前記突条部の先端面から突出している、請求項７〜９のいずれか１項に記載の有孔中空管製造用型枠。

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