(57)【要約】【課題】中空糸膜に欠けやクラックを生じさせることなく、かつ開口を確実に形成し得る分離膜モジュールを製造し得る方法を提供すること。【解決手段】複数本の中空糸膜２０を束ねてなる中空糸膜束３０が、筒状のケーシング４０内に収容されており、該中空糸膜束３０の両端部がポッティング剤によって該ケーシング４０の内面と固定されている分離膜モジュール１０を製造する方法である。この方法は、中空糸膜束３０の前記端部を前記ポッティング剤によってケーシング４０の内面に固定した状態下に、該ポッティング剤によって固定されている中空糸膜束３０を、固定部位５２，５３において、中空糸膜２０の長手方向Ｙと交差する方向に沿って切断する荒切り工程と、該荒切り工程で形成された切断端面を切削する仕上げ切削工程とを具備する。荒切り工程を帯鋸７０を用いて行うとともに、仕上げ切削工程を仕上げ用回転刃８０を用いて行う。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方向に延びる複数本の中空糸膜を束ねてなる中空糸膜束が、筒状のケーシング内に収容されており、該中空糸膜束の両端部がポッティング剤によって該ケーシングの内面と固定されている分離膜モジュールを製造する方法において、
前記方法は、前記中空糸膜束の前記端部を前記ポッティング剤によって前記ケーシングの内面に固定した状態下に、該ポッティング剤によって固定されている該中空糸膜束を、固定部位において、前記中空糸膜の長手方向と交差する方向に沿って切断する荒切り工程と、該荒切り工程で形成された切断端面を切削する仕上げ切削工程とを具備し、
前記荒切り工程を、帯鋸を用いて行うとともに、前記仕上げ切削工程を、仕上げ用回転刃を用いて行う、分離膜モジュールの製造方法。
【請求項２】
前記中空糸膜束を前記ケーシングとともに切断及び切削する請求項１に記載の製造方法。
【請求項３】
前記分離膜モジュールが、前記中空糸膜束の幅方向の中央域の位置に、長手方向に延びる芯管を備えており、
前記中空糸膜束を前記芯管とともに切断及び切削する請求項１ないし３のいずれか一項に記載の製造方法。
【請求項４】
切断及び切削時に発生する切粉及び削粉を吸引除去しながら切断及び切削を行う請求項１ないし４のいずれか一項に記載の製造方法。
【請求項５】
一方向に延びる複数本の中空糸膜を束ねてなる中空糸膜束が、筒状のケーシング内に収容されており、該中空糸膜束の両端部がポッティング剤によって該ケーシングの内面と固定されている分離膜モジュールを製造する装置であって、
前記中空糸膜束の前記端部を前記ポッティング剤によって前記ケーシングの内面に固定した状態下に、該ポッティング剤によって固定されている該中空糸膜束を、固定部位において、前記中空糸膜の長手方向と交差する方向に沿って切断する切断手段と、該切断手段による切断で形成された切断端面を切削する切削手段とを具備し、
前記切断手段が帯鋸からなり、前記切削手段が回転刃からなる、分離膜モジュールの製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、中空糸膜を備えた分離膜モジュールの製造方法及び製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、選択的透過性を有する分離膜を用いてガスや液体などの分離（例えば、酸素分離、窒素分離、水素分離、水蒸気分離、二酸化炭素分離、有機蒸気分離等）を行う分離膜モジュールは、通常、数百本ないし数万本の中空糸を円筒状に束ねた中空糸束となし、この中空糸束を、円筒形をした容器内に収容した構造をしている。この種の分離膜モジュールを製造する方法としては、中空糸膜束の両端を、熱硬化性樹脂などのポッティング剤によって接着固定し、次いでその接着固定部を、中空糸束の幅方向に沿って切断する方法が採用されている。ポッティング剤の切断には、例えば回転刃などの切断機、ギロチンカッター、フライス盤、高圧ジェット水切断機などが用いられている。
【０００３】
しかし、上述の切断手段を用いてポッティング剤の接着固定部を切断すると、切粉が中空糸膜の開口を通じて内部に混入したり、あるいは切断刃の刃こぼれが起こったりすることがある。また、ポッティング剤が硬度の高い樹脂から構成されている場合、ポッティング剤に欠けやクラックが生じることがある。逆に伸度の高い樹脂から構成されている中空糸膜２０の場合や、該樹脂のガラス転移点が低い場合に、開口が十分に形成されないことがある。
【０００４】
上述の様々な不都合を解決することを目的として、特許文献１においては、ポッティング剤の接着固定部を、荒切り用の回転刃によって切断した後、その端面を仕上げ用回転刃によって切断して、該端面を平滑化することが提案されている。また特許文献２においては、荒切り用の回転刃によって切断や切削をした後、その端面をフライス型回転刃によって研削して、該端面を平滑化することが提案されている。更に特許文献３においては、ポッティング剤の接着固定部を、エンドミル型回転刃によって部分開口させ、次いで部分開口部を回転刃によって切断することが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−９９６５３号公報
【特許文献２】特開平１０−９９６５５号公報
【特許文献２】特開平１１−１０４４６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上述した各特許文献に記載の技術を用いても、中空糸膜束に膜に欠陥等を生じさせることなく、該中空糸膜束の切断を行うことは容易ではなかった。したがって本発明の課題は、前述した従来技術が有する欠点を解消し得る分離膜モジュールの製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、一方向に延びる複数本の中空糸膜を束ねてなる中空糸膜束が、筒状のケーシング内に収容されており、該中空糸膜束の両端部がポッティング剤によって該ケーシングの内面と固定されている分離膜モジュールを製造する方法において、
前記方法は、前記中空糸膜束の前記端部を前記ポッティング剤によって前記ケーシングの内面に固定した状態下に、該ポッティング剤によって固定されている該中空糸膜束を、固定部位において、前記中空糸膜の長手方向と交差する方向に沿って切断する荒切り工程と、該荒切り工程で形成された切断端面を切削する仕上げ切削工程とを具備し、
前記荒切り工程を、帯鋸を用いて行うとともに、前記仕上げ切削工程を、仕上げ用回転刃を用いて行う、分離膜モジュールの製造方法を提供するものである。
【０００８】
また本発明は、一方向に延びる複数本の中空糸膜を束ねてなる中空糸膜束が、筒状のケーシング内に収容されており、該中空糸膜束の両端部がポッティング剤によって該ケーシングの内面と固定されている分離膜モジュールを製造する装置であって、
前記中空糸膜束の前記端部を前記ポッティング剤によって前記ケーシングの内面に固定した状態下に、該ポッティング剤によって固定されている該中空糸膜束を、固定部位において、前記中空糸膜の長手方向と交差する方向に沿って切断する切断手段と、該切断手段による切断で形成された切断端面を切削する切削手段とを具備し、
前記切断手段が帯鋸からなり、前記切削手段が回転刃からなる、分離膜モジュールの製造装置を提供するものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、中空糸膜に欠けやクラックを生じさせることなく、かつ開口を確実に形成し得る分離膜モジュールの製造方法及びその製造装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、本発明の製造方法で得られる分離膜モジュールの構造の一例を模式的に示す断面図である。
【図２】図２（ａ）ないし（ｃ）は、分離膜モジュールの製造過程を順次示す工程図である。
【図３】図３（ａ）及び（ｂ）は、中空糸膜束の切断工程及び切削工程を順次示す工程図である。
【図４】図４は、本発明の製造方法で得られる分離膜モジュールの構造の他の例を模式的に示す断面図（図１相当図）である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下本発明を、その好ましい実施形態に基づき図面を参照しながら説明する。図１には、本発明の製造方法の対象となる分離膜モジュールの断面構造が示されている。同図に示す分離膜モジュール１０は、２種以上のガスや液体などからなる混合流体の分離に用いられるものである。分離膜モジュール１０は、中空糸膜束３０と、該中空糸膜束３０を収容するケーシング４０とを備えている。中空糸膜束３０は、複数本の中空糸膜２０の集合体から構成されている。本実施形態では中空糸膜２０は、一方向に向けて配列するように束ねられている。尤も場合によっては中空糸膜２０を互いに交差するように配置してもよい。中空糸膜束３０は、数百本ないし数万本の中空糸膜２０から構成されており、円柱状の形状をしている。そして中空糸膜束３０は、中空糸膜２０の延びる方向に沿って長手方向Ｙを有し、かつ長手方向Ｙと直交する方向である幅方向Ｘを有する。本実施形態では、幅方向Ｘに沿う中空糸膜束３０の断面形状は略円形である。場合によっては、中空糸膜束３０の断面形状を他の形状、例えば略矩形状とすることもできる。
【００１２】
中空糸膜束３０を収容するケーシング４０は略筒状体である。ケーシング４０の中空部は、中空糸膜束３０の外形の形状と略相補形状となっている。ケーシング４０の長手方向Ｙに沿った前後端部は開口して開口部４１を形成している。開口部４１の形状は略円形である。先に述べた中空糸膜束３０は、この開口部４１を通じてケーシング４０内に収容される。中空糸膜束３０は、その収容状態において、該中空糸膜束３０を構成する各中空糸膜２０の各端部が、各開口部４１において開口するように、ケーシング４０内に収容される。
【００１３】
中空糸膜束３０がケーシング４０内に収容された状態においては、中空糸膜２０の延びる方向であるＹ方向の両端部の位置において、中空糸膜束３０が管板５０，５１によってケーシング４０の内壁に固定されている。管板５０，５１は、ケーシング４０のＸ方向の断面形状に対応した略円形状に形成されている。管板５０，５１はポッティング剤から構成されている。ポッティング剤としては、当該技術分野においてこれまで用いられてきたものと同様のものを用いることができる。例えばポッティング剤として各種熱可塑性樹脂や熱硬化性樹脂を用いることができる。熱可塑性樹脂としては、例えばポリエチレンやポリプロピレン等のポリオレフィン、ポリエステル、及びポリアミドなどが挙げられる。熱硬化性樹脂としては、例えばエポキシ樹脂やウレタン樹脂などが挙げられる。管板５０，５１は、中空糸膜束３０を構成する複数本の中空糸膜２０どうしを一体に固着する役割を果たす。また管板５０，５１は、中空糸膜束３０とケーシング４０の内面との間を密封する役割も果たす。なお、管板５０，５１とケーシング４０の内面との間の密封のために、必要に応じて他のシーリング手段が設けられていてもよい。
【００１４】
ケーシング４０の各開口部４１は、蓋体６０，６１によって閉塞されている。蓋体６０には混合流体導入口６２が設けられている。一方、蓋体６１には未透過流体排出口６３が設けられている。分離対象となる混合流体は、蓋体６０の混合流体導入口６２から分離膜モジュール１０内に導入される。導入された混合流体のうち、中空糸膜２０を透過した流体は、ケーシング４０に設けられた透過流体排出口４２からモジュール外に排出される。一方、中空糸膜２０を透過しなかった未透過流体は、蓋体６１の未透過流体排出口６３からモジュール外に排出される。
【００１５】
中空糸膜２０としては、従来公知のものを特に制限なく用いることができ、ガスや液体などの流体の分離性能を有するものであればどのような素材のものでもよい。例えば高分子材料を用いることができる。特にポリイミド、ポリスルホン、ポリエーテルイミド、ポリフェニレンオキシド、ポリカーボネートなどの常温（２３℃）でガラス状の高分子材料からなる中空糸膜は、ガス分離性能が良好であるので好適に用いられる。中空糸膜２０として無機材料を用いることもできる。そのような無機材料としては、例えば炭素、セラミックス及びガラスなどが挙げられる。
【００１６】
ケーシング４０は、分離膜モジュール１０の使用時に高温流体や高圧流体あるいは減圧条件にさらされるものであるから、十分な強度と使用条件下での安定性が必要である。この観点から、ケーシング４０の材質は、金属、プラスチックやガラス繊維複合材料であることが好ましい。
【００１７】
以上の構成を有する分離膜モジュール１０の製造方法を図２及び図３を参照しながら説明する。まず、図２（ａ）に示すとおり、複数本の中空糸膜２０を、一方向を向くように引き揃えて略円柱状の中空糸膜束３０を形成する。この中空糸膜束３０を、ケーシング４０内に挿入し、図２（ｂ）に示す収容状態となす。なお、図２（ｂ）に示す状態では、中空糸膜束３０の前後の端部が、ケーシング４０の開口部４１と面一の関係になっているが、中空糸膜束３０の収容状態はこれに限られない。例えば、中空糸膜束３０の前後の端部のいずれか一方又は両方が、ケーシング４０の開口部４１から外方に突出した状態になっていてもよく、あるいは該開口部４１よりもケーシング４０の内側に位置した状態になっていてもよい。
【００１８】
次に、図２（ｃ）に示すとおり、ケーシング４０内に収容された状態の中空糸膜束３０に対して、その前後の端部の位置にポッティング剤を供給し、これを硬化（固化）させることで、前端固定部位５２及び後端固定部位５３を形成する。上述した管板５０，５１は、前端固定部位５２及び後端固定部位５３の一部から構成される。前端固定部位５２及び後端固定部５３は、後述する切断工程における切断の切り代を考慮して、その長さＬを、予定している管板５０，５１の厚みＤ（図１参照）よりも大きくしておく。
【００１９】
このようにして中空糸膜束３０とケーシング４０とを固定したら、図３（ａ）及び（ｂ）に示すとおり、中空糸膜束３０の切断工程及び切削工程を行う。本製造方法は、この切断工程と、それに引き続く切削工程とを組み合わせた点に特徴の一つを有する。以下、これらの工程について詳述する。
【００２０】
まず切断工程においては、前端固定部位５２及び後端固定部位５３の少なくとも一方をその切断予定位置Ｃにおいて切断する。図３（ａ）においては、前端固定部位５２を切断している状態が示されている。切断は、中空糸膜束３０の長手方向Ｙと交差する方向に沿って行う。例えば長手方向Ｙと直交する方向に沿って切断することができる。本製造方法においては切断に帯鋸７０を用いている。これまで知られている分離膜モジュールの製造方法においては、中空糸膜束の切断に回転刃やギロチンカッター、高圧ジェット水流などが用いられていたところ、これらの切断手段に代えて帯鋸を用いることで、後述する切削工程と相まって、本製造方法によれば中空糸膜束３０の切断を首尾よく行うことができる。
【００２１】
帯鋸とは、帯状の薄い鋼に歯を切り、環状につないだ鋸のことである。本製造方法で用い得る帯鋸の種類に特に制限はない。例えば、高速度工具鋼や超硬合金を刃先に用い、強靱性合金鋼を胴部に用いた、いわゆるバイメタル帯鋸刃などを用いることができる。中空糸膜２０に欠けやクラック等の欠陥を生じさせずに切断を行う観点から、帯鋸７０の鋸刃の幅は３ｍｍ以上１３ｍｍ以下であることが好ましく、４ｍｍ以上１０ｍｍ以下であることが好ましい。また、鋸歯７０の鋸刃の数は１０個／ｉｎ以上１８個／ｉｎ以下であることが好ましく、１０個／ｉｎ以上１６個／ｉｎ以下であることが好ましい。同様の観点から、帯鋸７０の厚みは０．２ｍｍ以上２．５ｍｍ以下であることが好ましく、０．５ｍｍ以上０．８ｍｍ以下であることが好ましい。帯鋸７０の鋸刃速度は、１５ｍ／ｍｉｎ以上４２０ｍ／ｍｉｎ以下であることが好ましく、８５ｍ／ｍｉｎ以上１０６ｍ／ｍｉｎ以下であることが更に好ましい。
【００２２】
中空糸膜束３０がポッティング剤によって固定されてなる前端固定部位５２及び後端固定部位５３の帯鋸７０による切断は、図３（ａ）に示すとおり、ケーシング４０の切断とともに行うことができる。尤も、このような切断に代えて、ケーシング４０を切断せずに、ポッティング剤によって固定された中空糸膜束３０だけを切断してもよい。その場合には、ポッティング剤によって固定された中空糸膜束３０の端部を、ケーシング４０の開口部４１から外方に延出させておき、その延出した部位においてポッティング剤及び中空糸膜束３０のみを切断すればよい。
【００２３】
帯鋸７０による中空糸膜束３０の切断においては、切断時に発生する切粉を吸引除去しながら切断を行うことが好ましい。これによって、開口した中空糸膜２０の端部を通じて切粉が該中空糸膜２０の内部に入ることを効果的に防止することができる。
【００２４】
帯鋸７０による中空糸膜束３０の切断は、前端固定部位５２の切断端面において、中空糸膜２０が開口状態となるように行う。切断の結果、ケーシング４０、中空糸膜束３０及び前端固定部位５２が面一に切断される。そして前端固定部位５２のうち、切断後に残存する部位が管板５０となる。
【００２５】
帯鋸７０による中空糸膜束３０の切断が完了したら、次いで図３（ｂ）に示すとおり、切断により形成された端面の仕上げ切削を行う。この仕上げ切削によって、中空糸膜束３０がポッティング剤によって固定されてなる前端固定部位５２から、最終的に管板５０が形成される。仕上げ切削には仕上げ用回転刃８０が用いられる。帯鋸３０による切断の後に、仕上げ用回転刃８０によって切削を行うことで、帯鋸７０による切断の際に発生したバリが、仕上げ用回転刃８０による切削で除去され、中空糸膜束３０の端面の平滑性を向上させることができるとともに、切粉の中空糸膜２０内への侵入を効果的に防止できる。このとき、仕上げ用回転刃８０による切削で生じた削粉を、吸引除去しながら該切削を行うことで、削粉の中空糸膜２０内への侵入も効果的に防止できる。
【００２６】
仕上げ用回転刃８０は帯鋸７０によって切断を行った端面から０．５〜３ｍｍの範囲を切削できるよう設定しておくことが、中空糸膜２０の端部を確実に開口できるようになる点から好ましい。仕上げ用回転刃８０の送り速度は、６ｍｍ／ｍｉｎ以上１２００ｍｍ／ｍｉｎ以下であることが、回転刃８０の破損を防止することができ、回転刃８０を長寿命化することができるとともに、平滑性の高い端面を有する中空糸膜束３０を得ることができる点から好ましい。同様の観点から、仕上げ用回転刃８０の回転数を５０ｒｐｍ以上２１００ｒｐｍ以下とすることが好ましい。
【００２７】
仕上げ用回転刃８０としては各種フライスや丸鋸を用いることができる。例えば正面フライス、平フライス、側フライス、エンドミル及びチップソーなどが挙げられる。
【００２８】
以上のとおり、本製造方法によれば、切断加工と切削加工とを組み合わせて用い、かつ切断加工に帯鋸を用いるとともに、切削加工に回転刃を用いることで、硬化したポッティング剤に欠けやクラック等の欠陥を生じさせることなく、確実に開口を形成することができる。本発明の製造方法は、欠陥の生じやすい材料である高硬度樹脂から中空糸膜２０が構成されている場合や、ガラス転移点が低い樹脂から中空糸膜２０が構成されている場合や、中空糸膜２０の破断伸度が大きい場合にその効果が特に顕著なものとなる。
【００２９】
本製造方法は、帯鋸盤及びフライス盤をそれぞれ用いて行うことができ、あるいは一台の装置中に帯鋸刃及びフライス刃の双方を備えた装置を用いて行うこともできる。加工対象である中空糸膜束３０を装置へ着脱するときの手間等を考慮すると、一台の装置中に帯鋸刃及びフライス刃の双方を備えた装置を用いて本発明の方法を行うことが好ましい。
【００３０】
本発明の製造方法は、図１に示す分離膜モジュール１０の製造だけでなく、例えば図４に示す分離膜モジュール１０Ａの製造にも用いることができる。図４に示す分離膜モジュール１０Ａは、中空糸膜束３０の幅方向の中央域の位置に、長手方向Ｙに延びる芯管９０を備えたものである。芯管９０は中空の筒状体又は中実の棒状体からなる。芯管９０は、管板５０，５１とともに中空糸膜束３０を支持する機能及び／又はキャリアガスを導入する機能を持っている。芯管９０は、例えば金属、プラスチック又はガラス繊維複合材料などから構成される。芯管９０を通じてキャリアガスを中空糸膜２０が収納されている空間へ導くためには、芯管９０に複数の連通孔（図示せず）を設けておけばよい。
【００３１】
図４に示す分離膜モジュール１０Ａを製造する場合には、上述した図３（ａ）及び（ｂ）に示す方法において、中空糸膜束３０を芯管９０とともに切断及び切削することができる。
【００３２】
以上の方法によって製造された分離膜モジュール１０，１０Ａを用いた分離対象となる混合流体としては、例えば酸素、窒素、水素、二酸化炭素、水、アルコール類、エステル類、ケトン類、アミン類、脂肪族炭化水素、芳香族炭化水素、脂環族炭化水素類、ハロゲン化炭化水素類、ハロゲン化合物などの少なくとも２種以上からなる気体又は液体が挙げられる。混合流体がガスである場合には、いわゆるガス分離法が適用でき、液体である場合には、膜に液体が接触するが膜を透過した成分は蒸気状態で分離される、いわゆるパーベーパレーション法が適用できる。
【符号の説明】
【００３３】
１０  分離膜モジュール
２０  中空糸膜
３０  中空糸膜束
４０  ケーシング
４１  開口部
４２  透過流体排出口
５０，５１  管板
５２  前端固定部位
５３  後端固定部位
６０，６１  蓋体
６２  混合流体導入口
６３  未透過流体排出口
７０  帯鋸
８０  仕上げ用回転刃
９０  芯管
【図１】
2015112531.tif 000003
【図２】
2015112531.tif 000004
【図３】
2015112531.tif 000005
【図４】
2015112531.tif 000006