JPH06165923A - 中空繊維薄膜ウエーファーのカートリッジと積み重ねたカートリッジを有するモジュール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 円筒形モジュールは薄膜装置として使用し両
端に取り外し可能のカップリングを据え付けたシェルと
少なくとも一個の取り外し不可能なカートリッジをシェ
ルの中に入れたものとから構成された円筒形のモジュー
ルを提供する。 【構成】 管状シェル（11、61）、第１の端部管継手
（26、66）と第２の端部管継手（27、67）、および少な
くともひとつのカートリッジ（20、150 ）を有する薄膜
モジュール（10、60）。カートリッジ（20、150)はウエ
ーファー（30、50）からなる。各ウエーファー（30、5
0）は、個別の、間隔をおいて配置された、本質的に直
線状の中空繊維（16）の配列（34）からなり、この配列
（34）は薄板状フレーム（31、31Ｓ、41）内に保持され
ている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】枠に入れた多数の中空の薄膜（以
下、単に「ファイバー（繊維）」という）は、「アレイ
（array ）」内において適宜な間隔を置いて配列され、
ウエーファーを構成している。数個のウエーファーを組
み立ててモジュールを構成する。「ファイバー」という
言葉は、有機ポリマー薄膜、および陶器／金属性（陶器
または金属性、あるいは両方）薄膜を示すが、後者を特
定的に呼ぶ場合を例外として、これらを「中空薄膜（フ
ァイバー）」と呼ぶ。ウエーファーは「細胞（セル）」
ではなく、各ウエーファーは、カートリッジの構成に使
われない限り意味をなさないのである。ウエーファー
は、横に一定の間隔を置いてファイバーを枠に配列し
て、穴のある、または穴の無い枠の縁に固定させたもの
である。

【０００２】

【従来の技術および発明が解決しようとする課題】従来
の技術はウエーファーを作ったが、数多くのファイバー
を詰め入れたため、ファイバーの露出をさまたげ、他の
ファイバーと比較して多かれ少なかれ触れ合って、ウエ
ーファーの液体の通路を枠の側面にもつようになった。
ファイバーが互いに接触することは、モジュールの数多
くのウエーファーの効果を減少するばかりでなく、互い
に擦り減らしあう傾向があり、このようにして接触して
いるファイバーの壁面を破損することにある。

【０００３】

【課題を解決するための手段】本発明は内表面が円筒状
である第１の円筒形端部（22、62）と第２の円筒形端部
（23、63）、および前記第１の円筒形端部（22、62）と
第２の円筒形端部（23、63）のうちの一方の近傍に設け
られた浸透液排出口（28、72）を有する管状シェル（1
1、61）；それぞれが円筒状の内表面を有する前記管状
シェル（11、61）の対向する端部に設けられた第１の端
部管継手（26、66）と第２の端部管継手（27、67）；お
よび、積み重ねて固定された複数のユニットつまりウエ
ーファー（30、50）からなる少なくともひとつのカート
リッジ（20、150 ）；を有しており、前記第１の端部管
継手（26、66）と第２の端部管継手（27、67）は、それ
ぞれ、外部の流体流入手段と流体排出手段とに連通する
貫通流体通路を有しており、前記ユニットまたはウエー
ファー（30、50）は、中空の繊維薄膜つまり繊維（16）
の配列（34、44）を有するように構成されてなる管状の
薄膜モジュール（10、60）であって、前記カートリッジ
が少なくとも最初のウエーファー（50Ｆ）と最後のウエ
ーファー（50Ｌ）とを有しており、各ウエーファー（3
0、50）は、個別の、間隔をおいて配置された、本質的
に直線状の中空繊維（16）の前記配列（34）からなり、
中空繊維（16）は選択的な浸透性を有する材料からな
り、対向する端部部分付近でポッテイングを施すことな
く、かつ、中間において継がれることなく固定されて平
面状の形態とされており、前記カートリッジの縦軸に対
して直角であり、前記配列のそれぞれが、前記端部部分
により取り替え不可能に一体型の薄板状フレーム（31、
31Ｓ、41）内に保持されており、薄板状フレーム（31、
31Ｓ、41）は貫通通路（32、42）を定める連続する境界
内周縁を有しており、前記対向する端部部分は前記境界
内周縁の対向する部分に固定されており、最上端部フレ
ーム（53）が前記最後のウエーファー（50Ｌ）の上面
に、下部端部フレーム（57）が前記最初のウエーファー
（50Ｆ）の底面に接着されており、所定の数“ｎ”の配
列が連続的に所定位置に固定されて前記最上端部フレー
ム（53）と下部端部フレーム（57）とのあいだに挟ま
れ、前記カートリッジ内に軸方向の貫通通路を提供し、
前記所定の数“ｎ”は、その中に前記配列が保持されて
いるフレームの数よりも１つ小さい整数であり、かつ２
よりも大きい薄膜モジュールに関する。

【０００４】本発明は以下のカートリッジおよびモジュ
ールに関する。

【０００５】（１）カートリッジは、ユニットを繰り返
し加えて形作られて、それぞれのユニットは任意の形を
もった単一の枠と配列されたファイバーからなってお
り、随意ではあるが、枠の縁はスロット（細長い開口）
を付けてもよく、これはファイバーの回りの漏れを防ぐ
のにするポスト・ポッチングのためである。

【０００６】（２）モジュールは重ねたカートリッジを
含んでいる。「単一の枠」というのは枠が単一の物で構
成されるように縁が途切れなくできているものである。
そのような縁にはスロットがあってもよく、それを通し
て硬化性樹脂が流れ入り、縁に間隔を置いて配列された
ファイバーの端が、ポスト・ポッチングされる。

【０００７】

【作用および実施例】「カートリッジ」とは組み立てら
れた「ウエーファー」の組立体であって、この組立体は
フレームおよび単層のアレイを連続的に組み立てること
によりえられる。カートリッジは、他のカートリッジと
共にモジュールの中の「重ねた」カートリッジを形成す
るのに用いてもよい。もし、カートリッジを分解する場
合には、連続するカートリッジ間に適当なパッキングの
ようなものを使用する。修理可能なカートリッジには、
その寿命の間に「欠陥ゼロ」サービスができるようにす
る。

【０００８】ウエーファーは、積み重ねてカートリッジ
の状態にある時に限り効果がある。従来の技術とは異な
り、積み重ねたウエーファーの組立体は、最上部にある
ファイバーのアレイがエンドキャップで覆われなければ
使用することができない。言い換えれば、この発明の最
小の「ユニット」は、セルでもなければウエーファーで
もなくカートリッジである。

【０００９】今回に到るまでは多くの相互に関係ある理
由から、単一ウエーファーからなるカートリッジの構成
は全く成功されていなくて、その理由の一つは、漏れ無
しのカートリッジを作らないことはハイ・リスクであっ
たからで、もう一つは、欠陥のあるセルを取り換える必
要があった時に、その能力に偏見があったからである。
些細な理由も無く、どのようにして信頼できる、また安
価なカートリッジを簡単に構成することができるかとい
うことが明らかでなかった。さらに、最初に一つのセル
を構成せずに、カートリッジを直接に作って広範囲に及
んで益があるという従来の技術のしらせも無い。

【００１０】概念的に、従来の努力は、単一のセルを提
供し、複数のセルを同軸に組み立てることに向けられて
いた。というのは単一セルを組み立てることが合理的で
あったからである。単一のセルは、モジュールの中に組
み立てる前に、取り扱ったり点検したりすることがで
き、そのため、一歩一歩のアプローチで間違いを最小限
度にすることができる。しかし、異なった方法の、すな
わち、一個一個のセルを作らずに信頼できて頑丈なカー
トリッジを構成するという考えは、従来の技術に置ける
問題を解決するようになり、また、高度の能率で信頼の
おけるモジュールを、求め易い価格で提供することにな
った。

【００１１】ファイバーは、一緒に結び付けられている
のではなく、また、細かい網の目のように折り重なって
いるのでもなく、その理由は「結び目」が擦り減った
り、または、擦り減ったファイバーが早めに破壊した
り、さらに、結んだファイバーの結び目の間に固体が捕
らわれるからである。

【００１２】本明細書において「軸状の」というのはモ
ジュールの中心の軸のことで、その軸に沿って多くのフ
ァイバーが配列されてある。図を参照するに当たり、そ
の便利と簡易を計る為、中心の軸は特別に言わない限り
縦の方向とする。それぞれのファイバーのアレイは横状
の平面にあると呼ばれるので、それの軸の一つは横と言
い、横状平面に直角しているのを横断しているという。

【００１３】カートリッジは、枠の周囲に近くで液密に
同軸に並べられたウエーファーで構成され、各ウエーフ
ァーは、一列（“単層”）に平行に間隔を置いて、その
端をポッチング（potting ）していないファイバーをも
つ。しかし、この単層のファイバーは液密で、その端近
くの部分は間隔を保ち、枠の縁の向かい合った部分には
中央かそれを外れたところに、処理される供給流動物を
通す通路（供給路）がある。それらの両端の部分を、枠
の縁から横に間隔を保たせる困難に関しては、ポッチン
グをするしないに拘わらず、従来の技術では話題に取り
上げていない。

【００１４】「欠陥ゼロ」サービスのカートリッジは、
できれば切目がなく、穴つき、あるいは、「スロットの
ある」縁であるのが望まれる。ファイバーの反対の端の
部分は向かい合った枠の部分にある「スロットのある」
縁に固定されている。カートリッジは少なくとも三個、
一般には10から200 、の単一ウエーファーが次々接合し
て構成されている。

【００１５】「スロットのあるウエーファー」の全部は
ウエーファーであるが、ウエーファー全部がスロットの
あるウエーファーとは限らない。縦にスロットを揃えて
並べたスロットのあるウエーファーは、ウエーファーか
らなるカートリッジの中で、スロットは液体を通すこと
によって互いに触れ合うことになるが、カートリッジが
構成された後でポッチングされる。連続するスロットの
垂直に並べられた端部とスロット自身は、環状の「ポッ
チング通路」となる。カートリッジが組み立てられてか
らポッチング通路に樹脂が注がれるので、カートリッジ
は、「ポスト・ポッチングしたもの」といわれる。ポス
ト・ポッチングした時、カートリッジの中で、液体不浸
透の切れ目が無い環状のポッチング樹脂外皮ができ、該
環状外皮はファイバーを囲む。

【００１６】ストランドは、米国特許第3,342,729 号明
細書では、押し出しか鋳込みで適当な耐熱プラスチック
から作られた部材間にはさんだファイバーの細かい網を
使わなければならなかった。彼がやむなく網を使わなけ
ればならなかった理由は、そのような構成である網の繊
維は特有の安定性があったからである。多数の独立した
ルーズなファイバーにはそれ程の固定性が無い。個々の
多様性や緩いファイバーはそのような安定性がない。網
の与えた安定性は、ファイバー（網として）を取り扱
い、そして枠の間に置く事を可能にした。ストランド
は、個々のファイバーを枠の間に隣り合って並べて置く
ことや、間隔を置いて平らに配列した個々のファイバー
の可能性を想像して提議しているのではない。ストラン
ドの発明では、二つの枠の間に挟まれた網としてのファ
イバーを「セル」と呼んでいる。

【００１７】枠の側面の、スロットされた通路、あるい
は細長い開口の機能は、浸透液の為に多数の流通路とな
ることである。すなわち、側面は「機能的に開口されて
いる」。

【００１８】カートリッジの中の本質的に接触するウエ
ーファーの枠の間の空間は重要ではなく、もし接着剤が
使用された場合は、厚さは接着剤の厚さだけとし、か
つ、カートリッジの枠の表面が溶性ボンドか超短波のよ
うなもので接着した場合は無し（縦状隙間ゼロ）とす
る。連続するウェハーのファイバーは、相互に縦の隙間
を保ち、隙間の多くは、カートリッジの中の枠の厚さ
と、連続的に配列して接着する枠と接着材に因る。

【００１９】緩んだ個々の真っすぐで同一表面をもって
配列され、普通縦の軸に平行しているに配列されたファ
イバー固定させる事の重要さは、これが行われていなか
った無数の従来のセルと比較して評価されるべきであ
る。

【００２０】ファイバーにポッチングをしないと決めた
ので、ファイバーの末端の部分を固定するのに早くて効
果の有る技術を必要とする。ファイバーの末端は、枠の
上かその縁中に、ポッチングを行なう前に配置し、ファ
イバーの末端が互いに充分な間隔を保持するようにして
置く。

【００２１】枠と単層のアレイを順に組み立てた「カー
トリッジ」において、連続した枠の間に押さえられたア
レイ（ｎ）の数は、ファイバーが押さえられている枠よ
りも一個少ない。というのは、カートリッジは枠で始ま
って枠で終わるのであるから、“ｎ＋１”の枠がある事
になり、ｎは２かそれより大きい整数を表しており、６
から100 の範囲であるのが望ましい。

【００２２】カートリッジを貫通する流れを「外面−
内」供給液体の流れと説明してある。カートリッジを含
むモジュール、または、積み重ねたカートリッジは、所
望により同様に「内面−外」流動としても良い。「内面
−外」流動では、供給液体は中央の供給導管を通過し、
一部の供給液体は浸透する事によって分離する。“内側
−外”流動は、供給液体がファイバーの中空を通り浸透
したものは薄膜の外部に集められる。

【００２３】「カートリッジ」は多数のウエーファーを
一つずつ重ねて構成されており、各ウエーファーは一層
のポッチングしていない同一表面に間隔をおいて置かれ
た中空のファイバー（“一層のアレイ”）は液体の為に
一つの通過路（“供給路”）をもった単一枠の縁に接着
剤を使用して固定してある。この構成は、従来の技術の
問題を克服する代わりに、それを避けるものである。

【００２４】カートリッジ、または、重ねたカートリッ
ジは、浸透モジュールのシェルの中に、取り外し可能な
ように挿入することができる、あるいは、取り外し不可
能なようにモジュールのシェルの中に取り付ける事がで
きる。もし、モジュールの浸透液を濃縮から分離する能
力が減少した場合はモジュールで操作し続けることは無
意味なので、そのモジュールを取り外す。

【００２５】それ故、この発明の全般的な目的は、ウエ
ーファーのカートリッジに提供することであり、各ウエ
ーファーは薄い単一の環状の枠からなっていて、できれ
ばそれに固定されるファイバーの外径の約５倍以下の厚
さが良く、小孔の無い枠（枠が多角形の場合は「側
面」）の縁を構成する中央の供給流通路を有し、枠の周
囲は途切れが無く、それには配列された単一層の中空フ
ァイバーの末端部分を向かい合った縁に接着剤で固定さ
れているものとする。枠の縁の向かい合った部分にはス
ロットがあり、それはポスト・ポッチングの為の流通路
となり、ポッチング樹脂が入ると、「液密」であるカー
トリッジの流通路は漏れ無しとなる。「液密に近い」と
いうのは、積み重ねた物に入っているポッチング樹脂の
凝固が必要なことを意味し、ファイバーの周囲には隙間
があって、その中には樹脂が流れいる。操作状態では、
全部のウエーファーの中のファイバーの接着が液密であ
れば、カートリッジの「ポスト・ポッチング」は漏れに
対しての保証となる。連続するアレイはもし、枠にファ
イバーの為の溝があった場合は一枚の枠の厚さ分だけ分
けられておりまた、枠と、一層の接着剤の厚さ分だけ分
けられている。このばあい、次の枠がその上に置かれる
前にファイバーが配置される。

【００２６】その外に発見されたのは、カートリッジの
ウエーファーが上記のようなスロットがある枠でもって
構成されたとき、一個のウエーファーのスロットに入っ
た液体が、連結したウエーファーに通じるように処理し
うる事である。このようなカートリッジはポッチングす
ることができ、したがって、カートリッジの中のファイ
バーは、環状帯の樹脂の中で密閉される。

【００２７】効果的にポッチングしたカートリッジは、
「許容誤差ゼロ」のカートリッジの構成に固有の問題を
除くことが可能である。

【００２８】薄い、単一の薄層環状である枠のスロット
の向かい合った部分が、ファイバーを適宜の接着剤で円
周に沿って枠の縁に固定させ、そのファイバーが流通路
に対して「液密に近い」状態になる。多数のスロットを
もったウエーファーを、取付手段を用いるかまたは用い
ずに、カートリッジを形作るように積み重ねて配置す
る。

【００２９】重ねたカートリッジは、タイロッド（カー
トリッジや積み重ねた物を設置する）のための通路の有
無に拘わらず、シェルの中に積み重ねて配置する。カー
トリッジや積み重ねた物を設置するこのような“棒の通
路”（それがある場合）は、設けたとしても、液体を通
したり液体の含有物を分離するに係わる能力は無く、モ
ジュールの中で、各カートリッジは能力の無い穴をもつ
と見なされる。

【００３０】本発明の他の全面的な目的は、膜デバイス
として使われるモジュールを提供することであり、殻に
は通路の入口と出口があり、少なくとも一つのカートリ
ッジはシェルの中に設置され、カートリッジは特定の順
序で繰り返しユニットとして構成したウエーファーを含
み、各ウエーファーは、一層に配列した多数の、特に選
んだ浸透度のある材料でできたファイバーを有し、この
ファイバーはその末端の部分の中間で互いに繋いでない
が、軸の回りの流通溝に向かい合って設置して、一層の
枠の反対側に固定されてあり、各枠は途切れない周囲を
有し、向かい側の縁の部分には、環状のポッチングの溝
として細長い開口が有り、液体通路となる流通路は同軸
に並べてあり、隣接した枠はそれぞれ途切れ無く、その
向かい合った枠の周囲に突き出ている開いた端の無孔の
縁には、ファイバーが固定されてあり、配置された物
は、枠の厚み位の隙間を置き、殻の中の入口と出口の通
路はそれぞれ液体供給通路へ通じており、さらに、入口
と出口の通路の共通路からは密閉されている。

【００３１】カートリッジは、個々の“孤立した”セル
を組み立てずに、単一のカートリッジを構成することに
よって形作られていて、各ユニットは、５分未満、好ま
しくは１分未満、最も好ましくは20秒未満、前のユニッ
トに対し液密状態か“液密に近い”状態で設置する。

【００３２】それ故、この発明の全面的な目的は安価
で、低圧のセルの中に同軸をもって次々と組み立てられ
たウエーファーの枠が同軸で整列して液密の導管をなし
たモジュールを提供するものであり、液体は配列された
ファイバーの上を横断して流れ、各個のファイバーは真
っすぐに、ぞれぞれの長さに関係なく適当な張りで、枠
の向かい合った部分に固定されてあり、その端の近くを
除いては支持が無く、供給水力に対応してファイバーの
外側の直径と長さを選定し、一本以上の配置された物が
カートリッジの中の隣り合ったファイバーに対して横向
きにならないように、構成された後でポッチングされ
る。

【００３３】この発明の特定の目的は、カートリッジの
中の配置された多数のファイバーを接着剤類（高速効力
な化学合成樹脂性接着剤がよい）で固定する簡単な方法
を提供することである。各枠には、横状の平面に、縦状
の、横に間隔をもった溝があり、一本一本のファイバー
がそれぞれの溝に入り、ファイバーは少々の圧力をくわ
えて溝に張られ、その端は枠の周囲に垂れ下がってい
る。もし、ファイバーの開口が枠の外周に突き出過ぎて
垂れている場合は、それらは枠の近くまで切り取る。

【００３４】前文と追加する事柄ならびに発明の有利な
点は次の詳細な説明は、それに伴う発明の具体的表現を
する概略図解と照合することによって理解しうる。図解
では、スロットのあるウエーファーは“Ｓ”の接頭語を
付して指示し、照合番号は共通する物体を指す。

【００３５】アレイは多数の、縁の上に横の方向に間隔
を置いて個別に固定された、実質的に真っすぐな中空の
ファイバーからなり、ファイバーは互いに接触しないよ
うに固定する。薄い層の枠の厚さは、少なくても固定さ
れたファイバーの外径の0.5倍から約５倍の間とし、フ
ァイバーは円周に沿って充分な、それに適する接着剤で
環状枠に固定され、各ファイバーの円周はそれが置かれ
る枠と液体を浸透させないような関係にあるだけではな
く、各枠はそれに次ぐ枠に接合して供給液体の通路を作
るようにする。

【００３６】この発明のモジュールは、選択の液体から
液体の分別処理に、もっと一般的には種々の分離に使う
事ができる。モジュールは、特に超濾過、逆浸透、ガス
浸透処理に使うのに良く適応し、透析、特に人工腎臓、
直接浸透、ガスとガス交換、液体とガスの交換の浸透気
化法にも使う事ができる。

【００３７】カートリッジは、所定の供給液体の圧力降
下に合わせて特別に作る事ができ、また、配列されたフ
ァイバーの小さい孔を、浸透路の中に所定の抵抗を与え
るように調節して作る事ができる。

【００３８】各カートリッジの枠は同一のサイズである
事が良く、その材料には、ファイバーに接着可能で、供
給液体に反応を起こさない物が適する。枠の側面は上部
の平らな表面に垂直で、形は任意であるが、矩形が望ま
しく、また、平面図では、枠の周囲は任意の形で良い
（たとえば弧状か直線状）が、円形か正方形が望ましい
が、それぞれ多数の枠は同一の形を作るようにし、他の
ウエーファーと組み立てる時にカートリッジは円形か平
行六面体をつかう。

【００３９】積み重ねたカートリッジをモジュールのシ
ェルの中に密閉するときには、積み重ねたものをシェル
の中に、カートリッジの間の液密パッキングの間に同軸
に置く。積み重ねて組み立てたものはシェルの中にタイ
ロッドで取り付ける。数多くのカートリッジをシェルの
中に取り付けるときは、各カートリッジの縦の軸は横、
あるいは、縦にシェルの縦状の軸に沿って置き換える事
ができる。

【００４０】アレイにつかわれるファイバーは、一般に
使われる非有機化合物、有機化合物、あるいは、非有機
化合物と有機化合物の混合物の何れの膜材料でも良い。
典型的な非有機化合物材はガラスを含めて、セラミッ
ク、サーメット等の金属類である。セラミック薄膜を作
る事もできる、例えば、米国特許第4,692,354 号アサエ
ダその他（クラス472/サブクラス244 ）、4,562,021 ア
ラリス et al（クラス264/サブクラス43）とその他。有
機化合物の代表的な物は一般にポリマーが望ましく、等
方性か異方性にかかわらず、ファイバーの孔側、あるい
は、シェル側のどちらかに薄い層、あるいは、“皮”の
あるものである。ファイバーとして推薦できる材料は、
ポリスルフォン、ポリ（スチレン）、スチレン含有のコ
ポリマーでアクリロニトロ・スチレンのようなもの、ブ
タジエン・スチレンとスチレン・ビニルビンジルハロゲ
ンコポリマー、ポリカーボネート、セルロース・ポリマ
ー、ポリプロピレン、ポリ（塩化ビニル）、ポリ（エチ
レン・テレファサレト）や米国特許第4,230,436 号明細
書に公開されたものである。

【００４１】アレイのファイバーを無造作に方向づける
だけではなく、モジュールの中で、モジュールを流通す
る供給液体の流れがファイバーに直交するように、その
上、ファイバーは、マン・チェン ヤング著の“中空フ
ァイバー接触のデザイン”とＥ．Ｌ．カスラーの ＡＩ
ｃｈＥ Ｊｏｕｒ．，32：1910〜1916(1986)の公報のよ
うに、流れは横流れである。

【００４２】中空の有機化合物ファイバー薄膜には、フ
ァイバーの外径が少なくとも100 μｍ（マイクロン）と
し、約３mmまでは大きくても良い、一般には約0,4mm か
ら２mmの間である。セラミック／金属円筒状薄膜は、外
径が約３mmから13mmのものが良い。外径が大きければ大
きい程モジュールのユニット・ボリュームに対しての表
面面積の比率が理想的ではない。ポリマー有機化合物フ
ァイバーの厚さは、少なくとも10μｍから１mmで、一般
的にファイバーの外径の約５％から約40％の範囲であ
る。

【００４３】ファイバーの平均直径は広範に変動し、５
から2000Åである。液体供給流動の中のコンポーネント
の分離のために好ましい孔径は、一般的に10から200 Å
の範囲とする。

【００４４】配列されたファイバーの直径は、ウエーフ
ァーの内径（すなわちファイバーの長さ）、ファイバー
の材料の強さ、ファイバー上を通る供給液体の流動程度
と圧力、その温度、その他考慮されることなどに依存す
る。ファイバーは枠に接着した端の部分以外は何にも支
持されていないので、ファイバーは５cmから0.5meterの
範囲で比較的短い。

【００４５】図１は、モジュールを遠近法を用い概略に
図解した立体図であって、一部分を切り取ってある。モ
ジュールは番号10で示し、円筒形のシェル11の中には比
較的近づけてはめた積み重ねた円筒形のカートリッジ20
が同軸に、ネジ山のあるタイロッド13で押さえられてい
る。タイロッドは重なったカートリッジの円周に沿って
同等の距離を保って設けられており、シェルとカートリ
ッジの長さを縦に沿って、ガスケット間にパッキング15
を挿入してシェル内に滑るように配置されている。それ
ぞれのカートリッジは10から50のアレイからなってお
り、その一つ一つは少なくとも２本、15本から500 本の
ファイバー16があり、浸透液体を排出する孔17はモジュ
ールの縦状の軸と直交している。

【００４６】シェル11は、処理される液体そのものと圧
力に耐え得る人工樹脂の材料からなる。シェルには内壁
12があり、片方の端だけを見ることができるが、これは
滑らかであることが望まれる。タイロッド13はシェルの
端と、Ｏ−リング22（図示せず）のついた段状のフラン
ジ19を通して突き出ているが、Ｏ−リングはタイロッド
と段状のフランジの間にあって漏れを防ぐ。フランジ19
は成型、あるいは機械加工により表面は高度の仕上げを
してあり、段はシェルの内部11に液密にフィットするよ
うに作られており、また第一番目のカートリッジの表面
に当接するようになっている。タイロッドの端には、段
状フランジ19が、各カートリッジの上下の表面を互い
に、あるいは、パッキングに対して、互いに触れ合って
液密になるようにボールト24できつく圧縮しうるように
ネジ山がある。

【００４７】シェルの端にある同一の液体カップリング
22と23は、液体の流動が積み重なった層の中にあるファ
イバーに向かうように誘導する。タイロッド13とナット
24は、シェル11とカップリング22、23と積み重なったカ
ートリッジ20とを含む組立体に充分な圧力を加え、液体
をその層に留めるようにする。通路14はカップリング22
がタイロッド13を通すのに設けてある。

【００４８】Ｏ−リング（図に表れない）はカップリン
グ22、特に、段状フランジ19とシェル11の中の表面12の
間を液密にし、浸透液の一部でもシェルの外部に漏れな
いよう安全にする。もう一つのパッキング（図に表れな
い）はカップリングの内部の表面と積み重なったカート
リッジの層の両端を密閉して、供給液体の流れが浸透液
側に漏れて行くのを防ぐ。二つの液体カップリング22と
23は、それぞれフランジ26と27にあって、未処理の液体
や濃縮液を誘導する導管の付属品としてある。浸透液の
排出口は28に指示してある。

【００４９】図１に示すモジュールは、特に上水処理作
業に適応している。液体供給高圧力範囲約120kPa（３ p
sig ）から約5000kPa （725 psig）は、カップリング22
を通して縦状に重なった層のファイバーに供給される。
浸透液が真空で取り除かれると、供給液は大気以下の圧
力で入ってくる。供給液体の成分は、トランス薄膜圧力
差動（trans-membrane pressure differential）のある
中で薄膜を通す能力をもち、ファイバーの壁面に浸透し
てからシェルの浸透側に入り、浸透排出口28を通って出
て行く。一方、供給液の流れ（濃縮液）の残った成分は
継ぎ手23を通って出て行く。

【００５０】アレイの中のファイバーは端の部分以外は
支持されていないので、その長さを比較的短くする事が
必要であるが、当業者はできるだけ長い期間使おうとす
る。これは、薄膜の面積とそれが固定されている部分の
容積との比率（積み重なった層の中にある流通領域）が
最低の費用で最大限にすることができるときにおいて
は、事実である。

【００５１】枠の縁の幅は、支持をするのに充分で、破
損が起こり難く、ファイバーの端が入ってくる流れの勢
いと製作規格にはまったモジュールを支えるのに充分
で、破損が起こり難い。各部分が約10mmから約50mmの幅
で、厚さはファイバーの外径と枠に溝があるかに因る。
もし、溝が無ければファイバーの外径の0.5 から３倍
で、溝がある場合はファイバーの外径の1.5 から５倍で
ある。有機化合物ファイバーは一般的に外径約400 μｍ
から約２mmを使って作られ、その範囲は400 から約２mm
で、壁の厚さは約５ミクロンから約２mm、セラミック・
ファイバーの場合はこれらより大きい。

【００５２】重ねた層の中の中空の部分は、層の中を通
る中央の導管の内部の体積の約20％から約95％の範囲
で、中空の場所はモジュールの中のある層の特定の端の
使い方に因る。モジュールの中の密度は、モジュール中
にある薄膜のユニット当たりの量によって決められ、ｍ
^-1の次元である。

【００５３】ＹウエーファーをもつＸカートリッジが中
にあるモジュールであって、異なる中心から中心の横の
（lateral ）間隔をもち、同じ中心から中心の横の（tr
ansverse）の間隔の異なる外径のモジュールにおいて、
モジュールの中の詰めた密度は、次の表に図解したよう
に種々である。それぞれの場合、個々のウエーファーは
72本のファイバーが配列してあり、外径188mm 、内径15
5mm 、中心から中心のファイバーを配列した間隔は２mm
である。

【００５４】

【表１】

【００５５】詰め込み密度はＸとＹの関数ではない。

【００５６】アレイの中で、横状の表面に配列されたフ
ァイバー中心から中心の間隔は、ファイバーの外径の約
1.2から約５倍である。カートリッジの中央の溝中の空
間の割合は、約0.3 から約0.9 の範囲で、典型的なのは
0.4 から0.8 である。ファイバーの間隔と枠の厚さがフ
ァイバーの充填密度を決める。重ねた層を通る供給液体
の流動を妨げないようにして、モジュールのユニット体
積につき最大の薄膜面積をうるために、そのような密度
が選ばれた。カートリッジを重ねて層にし、液体をファ
イバーの表面を渡して供給すると、濃縮液がモジュール
を縦の方向に通っている空間に、浸透した液体がファイ
バーの孔の反対の方向に排出する結果となる。

【００５７】枠の縁に押さえられたファイバーの端の部
分は、典型的には約0.5cm から約５cmであり、約１cmか
ら約2.5cm が望ましく、それは、縁の向かいあった部分
の間に渡したファイバーの直径と長さによるものであ
る。直径0.7mm 、長さ10cmのファイバーのばあい両端の
約１cmの部分を固定する。同じ直径をもった50cmの長さ
のファイバーは、端の部分近く2.5cm から１cmの長さを
固定する。約５％から約50％のファイバーの長さを、向
かい合った枠の縁に固定させるのに使うことができる。

【００５８】重ねて層となったカートリッジは、互いに
接合しているか、パッキングで固定して順次に、厚い壁
の長い導管を作り、壁の厚さは枠の縁の幅に依って決ま
り、枠の厚さではないことは明瞭である。このような枠
は比較的薄いが堅くて、端を立たせると、枠の表面に横
たわる軸の回りにのみ曲がりうる。それゆえ、溝は供給
液体から出る水の圧力に耐えることができる。

【００５９】モジュールが積み重ねた層で構成されてい
なければ、その中の配列されたファイバーの一部は、常
に次に配列したファイバーと触れ合うことになるが、順
次に配列されたファイバーは同じ配列の他のファイバー
だけではなく、隣接したファイバーとも触れ合わないこ
とが大切である。モジュールの操作中に、流動状態がフ
ァイバーを緩ませることがあるが、これが隣接する配列
の間に入ることになるので、このように支えられている
のである。

【００６０】ファイバーを枠に接着する方法は特に重要
なことではなく、枠とファイバーの材料や、接着剤にか
かる費用に応じて選択される。適当な接着剤を使用する
ことは、主に、ファイバーの端が向かい合って溝に入っ
ていることに因って強く締め付ける様になるので液体も
れを防ぐ。

【００６１】図２と図４においては、ウエーファーは番
号30で示され、それぞれ環上枠が薄い円形の輪31と31Ｓ
を形作り、32は通路である。輪は、その表面の上部31ｕ
（図６参照）において向かい合って付けられた半管状の
溝33と33´を有しており、溝は、配列された34多数の紐
状のファイバー16を間隔を置いて、表面の上部にある溝
33と33´に受け入れるようになっている。ファイバーの
端は円周から突き出ていて、孔17（図５）が浸透液を排
出するようになっている。

【００６２】輪の低い方（底）の表面31ｂには溝が無
い。それぞれの溝の深さは、ファイバーの表面が上部の
表面31ｕと同一表面になるように、ファイバーの外径位
であるのが望ましい。ファイバーは押しつけることがで
きるので、深さはそれほど大事では無いが、ファイバー
の外径より少し控えめにする、あるいは、ファイバーの
上部は薄く接着剤で埋められるのでファイバーの外径よ
り少々大きくても構わない。

【００６３】輪31、31Ｓの溝33、33´にファイバー16を
配設するには、好ましくは対応する溝を備えたクランプ
手段を使って、ファイバーを表面31ｕの溝に置いてつけ
る。表面31ｕは紐状の溝にファイバーを置く前に、前も
って迅速凝固な接着剤（図示せず）で覆っておき、ファ
イバーは溝に入れられてから又接着剤で覆われる。接着
剤は、最初、ファイバーを溝に入れてから次の輪が置か
れるまでファイバーをしっかりを押さえながら半乾きの
状態であるものを選ぶ。そのような凝固状態が一分以下
に起こるのが効果的であり、10秒未満が良く、特に瞬間
的なものでは１秒、これは、かなり強い紫外線（ＵＶ）
に露出して速く固まり、それぞれのファイバーを別々の
紐状の溝に固定させる。

【００６４】その後、クランプ手段を取り外し、もう一
つの輪31（或いは、スロット付きカートリッジ31Ｓ）を
接着したばかりのファイバーの上に置き、次の配列した
ファイバーを置く工程が繰り返される。

【００６５】図６と図７が示すように、輪31Ｓはできれ
ば射出成型で予め形作られており、、スロット36、36´
と輪33、33´を輪31Ｓを縦に組み立てたときにそれぞれ
が整列するように正確に合わせて置き、これは半径方向
に移動されるが、一番上と一番下（端になる枠）を除い
て一つ一つの開口が揃うようにする。

【００６６】かかる連通の目的は、最初のもしくは最後
のスロットから注入された樹脂がカートリッジ内のすべ
てのスロットを満たすようにすることである。

【００６７】図８、図９に就いては、ウエーファーは照
合番号40で表してあり、薄い環状の正方形41であって、
その縁は（枠）通路42をなしている。図４と図５にある
ように、輪の表面41ｕ（９図参照）には溝43と43´があ
り、上部表面41ｕのアレイ44の個々のファイバー16は、
浸透液がファイバーの孔17を通って反対の方向に排出さ
れるように作られている。

【００６８】図３、図５、図７のように、正方形輪41の
下の表面41ｂは溝が無く、ファイバー16の上になる表面
は上の表面と同一表面をなす。

【００６９】スロット46、46´は、環状枠41の向かい合
った部分に切り開けてある。各開口の長さは、開口の縦
の中心線にそって共に描かれた矩形の側面の長さの４分
の１より少々長い。

【００７０】図10と図11は、組み立て中の一つの端の枠
無しのカートリッジを示し、液体がより効果的に通路を
通って流動できるようにすべく、どのようにウエーファ
ーが交互に配列されてあるかを図解している。図示され
ているように、ファイバーは相互の関係を保たせながら
放射状に置き変えてあるが、それらは、図13に示したよ
うに、縦に間隔を置いて横に置き換えてもよい。

【００７１】図12に示してあるのは、図10に示されたカ
ートリッジの前方表面の一部を詳細に拡大したもので、
溝33にはファイバーをいれて接着剤35で固定してあり、
ファイバーの壁面18は内径に目立つ程の変化を与えない
程度に、次の輪で少し押している。

【００７２】図14は概略立体図で、どのように個々のウ
エーファー50を入れて、図８に図解されたように、カー
トリッジ150 が組み立てられたかを図解し、最初のウエ
ーファー50Ｆから始めて最後のウエーファー50Ｌで終わ
っている。カートリッジのポッチングをする前に、底の
枠57と上の枠53の間をクランプを使って挟むが、両方と
も溝が無い（両方ともこの図にない、図15を参照）。

【００７３】図15に示されているように、ウエーファー
50の組立体に最後のウエーファー50を付けた後、タイロ
ッドの孔52を通して位置決め棒（図示せず）を差し込む
前に組立体は上と底の枠53、57の間に挟まれる。最端の
枠53にはポッチング孔55が底の枠57と同じようにあり、
これは、後でウエーファーがポッチングされたときに、
液体樹脂がカートリッジの全ての開口に入るようになっ
ている。カートリッジ150 をクランプ（図示せず）で挟
んで、露出したファイバーが液体漏れ無しに近い状態の
場所にあるようにする。その後で、カートリッジに普通
のポッチング樹脂（図示せず）をポッチング孔55に、ウ
エーファーの開口が重なってできたポッチング導管に樹
脂が入るように低圧で注入してポッチングする。

【００７４】枠31或いは31Ｓの厚さは、配列されたファ
イバーの縦の空間を最小限度にする為に、枠の厚さを最
小限度にすることが望ましいが、射出成型、あるいは、
適当な樹脂で枠を作る事および輪が弱くなることを合理
的に考慮すると、枠が少なくとも固定されるファイバー
の約50％の外径を要する事がわかる。ウエーファーの枠
の材料は無機物質であっても良いが、熱塑性プラスチッ
クか熱硬化性合成樹脂性の材料が好ましく、また、オプ
ションとしてファイバー・グラス、ホウ素、カーボンフ
ァイバーなどで強化したものがある。飽和に達しないポ
ロレフィン・モノマーを元とする熱塑性プラスチック等
は、比較的低い温度 100℃に適し、これらは永続性と液
体漏れを防ぐ接着性があるからである。そのような熱塑
性プラスチック材料は、結晶質、ポロレフィン、特に密
度の高いポリチレン、ポリアミド（ナイロン）、ポリカ
ーボネートの類、ポリエチレン・ケトン（ＰＥＥＫ）の
ような半結晶物質、でなければ非結晶質の物では、ポリ
（塩化ビニル）（ＰＶＣ）の類。その他の役に立つ市販
されている物は、ポリプロプレン、アクリロニトリル・
スチレン（“ＡＢＳ”）、ポリアセタール、ポリエチ
ル、飽和或いは混合したポリファニリン・オキシド（Ｐ
ＰＯ）がある。

【００７５】上記の説明のような方法で、楕円形、矩
形、或いは、他の多角形の配列した物（ファイバー）持
った枠を作ることができると察せられる。

【００７６】ファイバーの外径の約半分(0.5) から一倍
半(1.5) までの厚さの溝の無い輪を使うと、強さは余り
心配では無い。カートリッジの実施例において前面の一
部が図13に詳細に拡大して示されており、滑らかな平面
を持った一番下の輪41にはファイバー16よりも厚く接着
剤を（約１mm〜３mm）覆い、ファイバーは間隔を置い
て、次ぎ（一番下に次ぐ）の輪41が置かれるまで押さえ
て置き、更に、接着剤の上に押し付けられてから凝固さ
れる。更に、もっと接着剤が輪41の表面につけられ、も
う一組のファイバーが配列して置かれ、もう一個の輪41
が接着剤に入り込んだファイバーの表面に押し付けられ
る。ファイバーの切り口が目立つほど小さくなっていな
い限り、どれ位の圧力を加えるかは問題でない。

【００７７】図16には、重ねた矩形のカートリッジが配
設されたモジュール60が示されている。図１にて説明し
たのと同様に、モジュールには円筒形のシェル61があ
り、フランジ66、67はカップリング62、63の上に別々に
あり、その間には重ねた層が付けてある。シェルの内径
はカートリッジの対角線より大きいのが望ましいが、シ
ェルの内面64はカートリッジを誘導して据え付ける必要
はない。パッキングはカップリング62とシェル61の間に
あって密封（シーリング）する。

【００７８】カートリッジは、カートリッジの各角にあ
る通路を通るタイロッド69で取り付けられる。ネジ山の
付いたタイロッドの端は、段付フランジ65を通ってから
ナット71で固定される。内部77に細かい網のついた網76
はモジュールの液体供給端にあって、大きな粒子を濾過
する。供給液体はカップリング62から入って、濃縮液は
カップリング63を通過して出て、浸透液は出口72から出
て行く。

【００７９】図16に表示されているのに相似するもう一
つのモジュールを、液体から液体の大量移動操作に使用
する事ができ、その操作は二つの適宜に選ばれた液体の
うち、最初の液体をファイバー16の内腔を流動させ、も
う一つの液体は重ねた層を外部からファイバーへと流動
させる。このばあいモジュールは第一の液体のための入
口（図示せず）に装着される。最初の液体の出口はモジ
ュールの浸透液出口28を使用する。最初の液体をファイ
バーの内腔に勢いよく流通させるために、シェルの内面
とカートリッジの層の周囲には液体漏れを防ぐパッキン
グが設けられている。

【００８０】推薦できる接着剤はＵ−Ｖ（紫外線）で硬
化できる樹脂、ダイマックス186 ｍポリビニル・エチル
・エーテル、アクリルエステルとアクリル酸、エポキシ
樹脂とファイバー、その他、枠の縁の間を液密に接着さ
せるようなものである。

【００８１】接着剤で覆われた枠に配置されたそれぞれ
のアレイが次ぎの枠が置かれる前に外されるとき、接着
剤は二段階に固まる（硬化する）。最初の段階で接着剤
は配列されたファイバーを充分に固めるようになるが、
完全には固まっていない（硬化していない）。接着剤が
第二段階で完全にに硬化したとき、次の枠を配列したフ
ァイバーに接合する。

【００８２】配列されたファイバーを接着剤で覆われて
いない枠に置かれ、それらが埋め込まれるように充分の
接着剤で覆い、その後で、配列されたファイバーが外さ
れる前に次の枠で覆うばあい、接着剤は一段階で完全に
硬化する。

【００８３】配列されるファイバーの数は任意であり、
普通約10から約1000の範囲である。図においては、も
し、各ウエーファーの直径が30cmであれば外径1.0mm の
ファイバーの場合、それぞれが150 のファイバーを要す
る。

【００８４】積み重ねた層の配置には無数の仕方があっ
て、平行、或いは、直列のどちらかであり、扱われてい
る材料、求めている分離の能力や程度、一つのモジュー
ルの中にある液体の量などに依って設計される。殆どの
応用では何列ものモジュールが使われて、それぞれに一
個以上のカートリッジを一つのモジュールの中に入れた
場合、積み重ねた層の間のシール（密閉）が損なわれる
危険度が高いので、モジュールにはカートリッジを一個
だけいれる。

【００８５】この発明の装置と基礎的分離処理法は、種
々の商業上重大な物の回収や分離に使いうることが明瞭
である。その応用に含まれるものは（ａ）塩水や海水か
らの水の回収、（ｂ）塩の回収と凝縮、特にアンモニウ
ム、アルカリ金属とアルカリ性土、ハロゲンのような金
属、サルフェート、亜硫酸塩・硝酸、有機化合液体・グ
リセリンも含む、乳酸菌、アルコール、グリコール、な
めし絞り出し、（ｃ）鉄交換処理、（ｄ）機械の分離で
は普通、共沸混合物や実際に同じ沸騰点を持つもの、或
いは、有機化合アミン液、放射性廃棄物のような工業廃
棄物の処理、亜塩酸パルプ、缶詰製造所の廃棄物などで
ある。

【００８６】一般に、前述した何れの処理もさきに説明
した構造をもったモジュールを使用する方法の恩恵をこ
うむるところがある。一つの装置の供給液体の流れがも
う一つの装置の中にある液体から分離されるこれらの処
理法に於いて、流動は中空なファイバーの表面の方向に
直行して溢れて行き、ファイバーの壁面を浸透して浸透
域に達したその部分の流れは収集されて浸透域から誘導
され、更に、壁面を浸透せずに供給域に残った凝縮液は
供給域からモジュールの外へと流れ出る。

【００８７】最も好ましい具体例においては、溝の大き
さはポリマの薄膜を破損しないように高度の機械的把握
力を与えるように寸法決めされていない。そのような枠
からなるウエーファーのカートリッジを構成する方法で
一般に推薦できるのは、（ｉ）一番目の枠にファイバー
の配列ができるように正しく置く、（ii）粘りはあるが
液体の充分の接着剤で溝を覆う、(iii) 溝にファイバー
を配列する、この際ファイバーを押さえながら一本のフ
ァイバーを一つの溝に、互いの間隔を保って置く、（i
v）ファイバーとファイバーの間の隙間を確実に埋める
ために、接着剤を追加する、（ｖ）二番目の枠を接着剤
で覆われたファイバーに置く、更に（vi）接着剤が充分
に硬化するまでファイバーの端を押さえるのを緩めな
い。最後のウエーファーがカートリッジに組み立てられ
てから、その枠の上部と下部をもってカートリッジをポ
ッチングする。

【００８８】他の具体例においては、溝の大きさは、フ
ァイバーを破損することなく強い機械的握持力を与える
よう寸法決めされている。このような枠からなるウエー
ファーを持ったカートリッジを構成する方法で、一般に
推薦できるのは、（ｉ）ファイバーを配列するのに最初
の枠を正しく置く、（ii）ファイバーを溝の中に置く、
(iii) 充分の粘りはあるが液体の接着剤をファイバーと
ファイバーの隙間を確実に埋めるように覆う、更に、
（iv）接着剤で覆われたファイバーの端を放す前に、二
番目の枠を置く。それぞれのファイバーが溝に固定して
いるが、充分な接着剤がファイバーと溝に入り込んで、
ファイバーと溝の間を液密のシールとなる。ファイバー
の端は、接着剤が硬化はしていないが充分に固まってい
るので、押さえるのを放しても良い。

【００８９】接着剤の粘着性は、室内温度で約10cps か
ら1000cps であるのが望まれる。

【００９０】上記の手順を変更したものとして、紫外
（ＵＶ）光線硬化樹脂が接着剤として使われるが、接着
剤は、枠の上にファイバーが置かれてから枠とファイバ
ーのうえを覆う。枠がファイバー・位置付け挟みに押さ
えられている中に、二番目の枠は、接着剤に埋められた
ファイバーの上に置かれ、その後で樹脂は紫外線に晒し
て硬化する。この段階でファイバーはクランプから放さ
れる。

【００９１】一般のモジュールでは、端の蓋22、23は取
り外しできるようにシェルの両端につけてあるが、それ
はカートリッジを取り替えたときに、シェルをまた使う
からである。しかし、カートリッジを取り替えたり、シ
ェルをまた使うつもりのないときには使い捨てモジュー
ルを構成することもできる。そのようなばあいには、端
の蓋22と23は固定してある。すなわち、シェルの端にし
っかりと動かないように装着してある。

【００９２】特定の形状とファイバー充填密度をもった
モジュールを説明し、リットル／（メートル）² （時）
として測定される流れ（flux）を示すのに下記の特別な
サンプルを挙げる。

【００９３】それぞれの下記の例には、単一の円筒形カ
ートリッジが円筒形モジュールの中に使われた。各例は
モジュールの中にカートリッジをいれて操作し、これら
のそれぞれは、本質的に他につかった物と同一である。
永続的なモジュールは入手できなかった、カートリッジ
は仮の手段を使って取り付けられ、それ故、モジュール
のサイズは提供されていない。

【００９４】各カートリッジは48のファイバーのアレイ
から構成されている。順次に重ねたウエーファーの間の
移動角度は60°である。カートリッジの長さは108mm
で、薄膜の面積は1.426 ｍ² である。

【００９５】各円形ウエーファーの規格は次の通りであ
る。

【００９６】外径 188mm
内径 155mm 厚さ 2.1mm 横状ファイバ
ーの間隔 ２mm ファイバーの数 73 ファイバーの
平均長さ 129mm 露出ファイバーの長さ 最大 155mm 露出ファイバーの長さ 最小 52mm 薄膜の表面の面積 0.0297ｍ² 実施例１携帯用水のための地表水のナノ濾過： ナノ濾過薄膜は、
一般に凝縮した有機物や黄褐色酸のように可溶性のあ
る、自然から出る有機性物質を含む地表水を濾過するの
に使用される。このような物質の水の色は茶色を帯び、
水処理施設で塩素化すると、それらは反応を顕して毒性
トリハロメタン化合物を発生する。このような物質は、
分子量700 から80000 の範囲であるといわれている
（“有機物質を自然水から浸透によって除外”ハルバー
ド・オネガードとスポーン・クーテテップ、水の研究、
vol.16、pp 613〜620を参照）。そのような応用をシミ
ュレーションするのに、次のテストが行なわれた：前述
したカートリッジは、75 psig で1000ppm の供給溶解
（feed solution ）の25％ＮａＣＬ除去率の“締めてい
ない”ナノ濾過薄膜を装備している。供給水は逆浸透水
と、観察した色の程度が200 Ｐｔ−Ｃｏ色ユニットの人
工有機酸からなっている。色ユニットはクロロ箔金酸塩
・イオンとして１mg／ＬのＰｔと同等。この計り方は水
と廃棄水の検査の標準方法（米国公共健康協会、ワシン
トン、Ｄ．Ｃ．，発行）に記載されている。

【００９７】供給流動の流れの方向に直交（横断）した
薄膜を持つこの発明のカートリッジと、薄膜がカートリ
ッジの中の流れに平行して、同一の薄膜規格ではあるが
通常のデザインのもう一つのモジュールでしたテストの
結果が下記に示されている。

【００９８】操作圧力が75 psig で、供給液の流動率が
30 gpmである。この流動率を基にすると供給液レイノル
ズ数が200 （ファイバーの外径を基にする）である。除
去率値がカラー・ユニットのものであり、フラックスは
US gal/ft² /24 hr(gfd) でリポートされてある。リッ
トル/m² /hr に換算するには1.706 を掛ける。

【００９９】

【表２】

【０１００】24時間の連続操作の後のフラックスによっ
て示されているように、通常平行流動モジュールに比較
して、かなり減少した汚れの程度が横断流動モジュール
の中に見られた。減少した汚れの程度は、ファイバーが
供給流動に対して横に方向づけられたとき、より高い率
の後放散（back diffusion）が可能なことに帰する。

【０１０１】実施例２生物学的汚泥の精密濾過 典型的に通常の中空のファイバー薄膜モジュールと渦巻
きモジュールは、高度に懸濁した固体や凝縮物のため
に、撤回できないほど汚れ、かつ詰まるので、この応用
には使われなかった。円筒状の薄膜を使ってもよいが、
薄膜表面面積ユニットにつき、他のモジュール型のもの
よりも、薄膜表面面積ユニットにつき約十倍も高価であ
る。

【０１０２】上記規格のカートリッジは、孔のサイズが
0.1 から0.25μｍの範囲をもつポリマー質の薄膜で構成
されている。供給流動液は、懸濁生物廃棄固体15 g/Lの
活性汚泥である。モジュールは、60 gpmの流動率で10 p
siの圧力である。長期間安定状態のフラックスは50 gfd
と見なされた。浸透液は終始一貫して良質高度で0.1NTU
（比濁汚濁ユニット）以下の汚濁数で、ほとんど100
％の懸濁固体除去率を示した。NTU 水の中の粒子によっ
て90°の角度で散乱する光の尺度である。これは、EPA-
認可になる水の純水度の尺度である。

【０１０３】モジュールが横断する流れの中で、長期間
にわたって流通路を目立つ程汚れさせたり詰まらせたり
せずに、高度の懸濁固体や凝縮物を含んだ供給液を処理
操作する能力があるという前文は証拠立てられる。

【０１０４】それぞれの前述の例において、本質的に要
求されるのは、供給液を、流動体の流れの方向に対して
ファイバーが横切って備えられてある、少なくとも一つ
のカートリッジを流通させることである。連続するウエ
ーファーがカートリッジの中に備え付けるやり方は、カ
ートリッジが作動する圧力により、圧力が高ければ高い
ほど、ファイバーと各連続するアレイがある枠の間の液
密のシーリングを確実にするように努めなければならな
い。比較的に高圧操作には溝のある枠を推薦し、又、連
続したウエーファーとウエーファー間には充分時間を取
って、ファイバーを解放する前に、接合剤をファイバー
と枠の両面に付けて安定させる。

【０１０５】低圧力操作には、溝なしの枠を使ってもよ
く、粘性樹脂を使って隣り合った枠の間にあるファイバ
ーをシールする。前記のように、樹脂が凝固する前にフ
ァイバーを解放してもよい、そうして、連続する枠をま
だ凝固しつつある樹脂の上に置くが、これは樹脂が充分
に押すことができる状態である条件の下で、樹脂ファイ
バーを破損しないようにして液密なシーリングになるよ
うにする。“充分に押すことができる”というのは、連
続する枠を凝固しつつある樹脂に、ファイバーの脆さや
押され加減によって、１ psig から50 psig 範囲の圧力
のことである。

【図面の簡単な説明】

【図１】モジュールの図であって、その一部を切り取り
露出し、積み重ねた四個以上の筒状のカートリッジが軸
を共にして筒形のセルの中に積み重ねてあり、それぞれ
のカートリッジは特定の順序でウエーファーを成型する
ことによって構成し、それぞれが環状の薄層の枠（簡潔
に“環状枠”と名指す）、カートリッジを設置した環状
枠にはタイロッド通路無しで、順次に並んだウエーファ
ーは60°の間隔で放射状に置き換えた状態を示す斜視図
である。

【図２】カートリッジ・ユニットの図であって、ウエー
ファーはスロット無しの環状枠を有し、その枠の縁内に
はファイバーの一本一本が供給水路に向かい合って固定
するための個々の溝が設けてある状態を示す平面図であ
る。

【図３】ファイバーは溝の中に置かれ、その表面が枠と
同一表面であることを表示する図２の側面立体図であ
る。

【図４】平面図で、スロットのある円形の環状枠にファ
イバーが接着剤で固定された状態を示す、図６の概略図
である。

【図５】溝に入れたファイバーの上部の表面が枠の上部
の表面と同一になっている状態を示す、図４の側面立体
図である。

【図６】スロットのある環状枠だけの図であり、枠の縁
内には向かい合って紐状の個々の平行した溝が、固形の
スロットを渡して配列された一本一本のファイバーが固
定されるようになっている状態を示す平面図である。

【図７】溝の端を図解している、図６の環状枠の側面立
体図である。

【図８】スロットのある正方形（あるいは矩形のウエー
ファーで、その枠（角であるがこれも“環状枠”と呼
ぶ）にもファイバーが接着剤で固定されていて、枠の縁
には向かい合ってポッチング用の開口があり、配列した
ファイバーが枠の縁にある溝の流通路を渡って固定され
るようになっており、枠には破線で表した取り付け用の
穴があるが、それはカートリッジの隙間にあるモジュー
ルのセルの内部に設置してあるからであることを示す平
面図である。

【図９】ファイバーが整然と付けられているのを示して
おり、接着剤で固定するのが望ましく、ファイバーの外
部の表面は矩形の枠の表面と同一表面となることを示
す、図８の側面立体図である。

【図１０】遠近法で見る図１にある円筒形のカートリッ
ジで構成されたようになっているが、下部を示し、上の
端にある枠はその最上部の配列を表し、配列したファイ
バーは直ぐ次のファイバーに対して90°の°で置き換え
られていることを示す斜視図である。

【図１１】遠近法図であるが、また、円筒形のカートリ
ッジなのであるが、これはスロットのある環状枠で構成
されていて、各スロットは四分の一円弧より少々大きく
円周に沿っている状態を示す斜視図である。

【図１２】図１０あるいは、図１１に表示したカートリ
ッジの表面の円周部分を拡大した詳細な立体図である。

【図１３】上部と下部の表面を溝無しで構成したカート
リッジの円周の表面の部分で、できるだけファイバーの
直径よりも厚く接着剤を前もって付けておき、順次に配
列されたアレイのファイバーは横に互い違い置いて、一
つの配列が次の配列の直接上にならないようにすること
を示す拡大した詳細な高くした立体図である。

【図１４】スロットのあるウエーファーをもつ正方形の
カートリッジの遠近法図で、次々と接合して、一番上の
ウエーファーとすぐ下のカートリッジから露出して表す
（底のプレートは顕していない。）、斜視図である。

【図１５】スロットのある正方形のカートリッジの図
で、一番上のカバーになるプレートと底のプレートが付
いていて、樹脂をその開口に入れる前にこの両方のプレ
ートに入れておき、カートリッジは角に取り付け通路が
あり、棒が最上部のカバー・プレートからカートリッジ
のウエーファーを通るように設けられてある状態を示す
斜視図である。

【図１６】一部を取り除いてモジュールを露出した図で
あり、四つ（４）以上の正方形のカートリッジが円筒形
のセルの中に同軸をもって重ねてあり、各カートリッジ
をセルに設置する通し穴がついており、各カートリッジ
は続けてウエーファーを形付けるようにして構成され、
それぞれが薄い層の正方形の環状枠にタイロッド用通し
穴がカートリッジ取り付けのために付けてあり、それぞ
れのカートリッジの中の順次に配置したウエーファーの
ファイバーは相互の90°の角度で置き換えられている状
態を示す斜視図である。

【符号の説明】

11、61 管状シェル、 26、66 第１の端部管継手 27、67 第２の端部管継手 20、 150 カートリッジ 16 中空繊維 34 配列 31、31Ｓ、41 薄板状フレーム

フロントページの続き (72)発明者 クリストファー ジョン リプスキー カナダ国、エル８エス ２シー６ オンタ リオ州、バーリントン、ロイヤル アベニ ュー 75 (72)発明者 ピエール ルシアン コート カナダ国、エル８ピー ３ダブリュー５ オンタリオ州、ハミルトン、パール スト リート サウス 22

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内表面が円筒状である第１の円筒形端部
   （22、62）と第２の円筒形端部（23、63）、および前記
   第１の円筒形端部（22、62）と第２の円筒形端部（23、
   63）のうちの一方の近傍に設けられた浸透液排出口（2
   8、72）を有する管状シェル（11、61）；それぞれが円
   筒状の内表面を有する前記管状シェル（11、61）の対向
   する端部に設けられた第１の端部管継手（26、66）と第
   ２の端部管継手（27、67）；および、積み重ねて固定さ
   れた複数のユニットつまりウエーファー（30、50）から
   なる少なくともひとつのカートリッジ（20、150 ）；を
   有しており、前記第１の端部管継手（26、66）と第２の
   端部管継手（27、67）は、それぞれ、外部の流体流入手
   段と流体排出手段とに連通する貫通流体通路を有してお
   り、前記ユニットまたはウエーファー（30、50）は、中
   空の繊維薄膜つまり繊維（16）の配列（34、44）を有す
   るように構成されてなる管状の薄膜モジュール（10、6
   0）であって、前記カートリッジが少なくとも最初のウ
   エーファー（50Ｆ）と最後のウエーファー（50Ｌ）とを
   有しており、各ウエーファー（30、50）は、個別の、間
   隔をおいて配置された、本質的に直線状の中空繊維（1
   6）の前記配列（34）からなり、中空繊維（16）は選択
   的な浸透性を有する材料からなり、対向する端部部分付
   近でポッテイングを施すことなく、かつ、中間において
   継がれることなく固定されて平面状の形態とされてお
   り、前記カートリッジの縦軸に対して直角であり、前記
   配列のそれぞれが、前記端部部分により取り替え不可能
   に一体型の薄板状フレーム（31、31Ｓ、41）内に保持さ
   れており、薄板状フレーム（31、31Ｓ、41）は貫通通路
   （32、42）を定める連続する境界内周縁を有しており、
   前記対向する端部部分は前記境界内周縁の対向する部分
   に固定されており、最上端部フレーム（53）が前記最後
   のウエーファー（50Ｌ）の上面に、下部端部フレーム
   （57）が前記最初のウエーファー（50Ｆ）の底面に接着
   されており、所定の数“ｎ”の配列が連続的に所定位置
   に固定されて前記最上端部フレーム（53）と下部端部フ
   レーム（57）とのあいだに挟まれ、前記カートリッジ内
   に軸方向の貫通通路を提供し、前記所定の数“ｎ”は、
   その中に前記配列が保持されているフレームの数よりも
   １つ小さい整数であり、かつ２よりも大きいことを特徴
   とする薄膜モジュール。
2. 【請求項２】 カートリッジはシェルのなかにいれてあ
   り、それで、カートリッジの円周表面をシェルの内部の
   表面から離して液体の通路を成し、その中の空隙率は、
   約0.3 から0.95の範囲内で、中空のファイバーの外径は
   約400 ｍから約２mm、壁の厚さが約５％から40％外径
   で、枠の厚さはファイバー外径の0.5 から５倍、縁は、
   ファイバーの上を横切った液体の流れによって発した勢
   いの影響で破損しないよう充分の厚さである請求項１記
   載のモジュール。
3. 【請求項３】 モジュールの第一と第二の円筒形の端は
   取り外しできるように反対側の端に取り付けてあり、カ
   ートリッジ（20、150 ）は捨てることができる請求項２
   記載のモジュール。
4. 【請求項４】 モジュールの中の多数のカートリッジ
   （20、150 ）は同軸に整列されて安定しており、シェル
   （11、61）の中で縦状に同軸で液密になっている請求項
   ２記載のモジュール。
5. 【請求項５】 モジュールの中のカートリッジには通路
   （47、52）枠の縁にはカートリッジを取り付けるものが
   ある請求項４記載のモジュール。
6. 【請求項６】 円筒形薄膜モジュール（20、150 ）の中
   に使うカートリッジ（10か60）薄膜繊維のファイバー
   （16）であって、その特質からカートリッジの有するも
   のは少なくとも最初の（50Ｆ）と最後の（50Ｌ）多数の
   繰り返しユニットの繰り返しユニット（30、50）、それ
   ぞれの繰り返しユニットは単一ウエーファー（30、50）
   を含む（ｉ）単一薄膜層の枠（31、31Ｓ、41）は通路
   （32、42）を持つその中で、（ii）アレイ（34、44）個
   々の本質的に真っすぐな中空のファイバー（16）は選択
   浸透可能の材料で平面の部品に向かい合って固定され、
   カートリッジの縦状の軸と直交し、個々のアレイは端の
   部分に取換え不能に取り付けられてウエーファーの形
   （30、50）；一番上にある端の枠（53）一つ一つ重ねて
   底の端の枠（57）底の枠に接着させた、それ故、前もっ
   て決めた数字“ｎ”のアレイは連続的に固定されて、一
   番上の枠はカートリッジの中で軸を持った通路をなす
   “ｎ”は２よりも大きな整数を表わし数字としてはアレ
   イをつけた枠の数よりも１少ない。
7. 【請求項７】 請求項６記載のカートリッジにおいて、 （ｉ）多数の枠の中の通路は、端に開口があり、軸のあ
   る液密の導管をなす；ファイバーは外径約100 ｍから約
   10mmの範囲で、壁の厚さは外径の約５％から40％、孔は
   外部とカートリッジが液体でもって触れ合い、液体が逆
   の方向に導管を通って行くことができるように孔は除去
   してある； （ii）それぞれの向かい合った縁の部分に横の溝があ
   り、各ファイバーの端が緩すぎなくはまり込むようにな
   っていて、又、アレイのファイバーの配列が平行に隙間
   を保ちながら、平面は軸のある導管と直交するファイバ
   ーの通り道となっていて、ファイバーのアレイは他のア
   レイのファイバーと直交する； (iii) それぞれの、向かい合った部分の縁は、ファイバ
   ーが、液体が通路を流動する時その勢いでファイバーの
   端を破損しないように、平面に間隔を置いて平行して置
   かれたアレイのファイバーが溝の中にはまるようになっ
   ている； （iv）縁に向かい合ってある溝はファイバーのと同数で
   ある、それぞれの溝はカーブしていて、ファイバーの外
   面のカーブに当てはまるようになっている； （ｖ）それぞれの溝は向かい合って同じ間隔を持ってあ
   る （vi）追加することは、ウエーファーを形作った時底に
   なった枠、一番上の枠と、一番上になる枠のそれぞれ
   は、ポッチング孔がポッチング・スロットのようにあ
   る。ファイバー向かい合った縁の部分に固定されて (vii) 接着剤のようなもので接合させ、ファイバーの端
   は薄い枠に固定して液密に近い状態になる。
8. 【請求項８】 ウエーファーを作るのにファイバーを固
   定する枠（31Ｓ、41）は機能的に無孔になっている請求
   項７記載のカートリッジ。
9. 【請求項９】 枠（31Ｓ、41）は向かい合った細長いポ
   ッチング・スロット（36、36´、46、46´）があり、向
   かい合った部分の縁の中で、各スロットがそれに向かい
   合ったスロットがあり、連続に整列して、カートリッジ
   の縦の軸に横断するポッチング導管を作り、；かつ、枠
   は合成樹脂性のものからできている請求項７記載のカー
   トリッジ。
10. 【請求項１０】 最端の部分は、個々に捨てられ、多数
    の紐のように横に間隔を持って向かい合って、同一平面
    に溝は整列しており（33、33´、43、43´）、一つ一つ
    の溝は中空のファイバー（16）の最端部分をうけいれる
    請求項７記載のカートリッジ（20）。
11. 【請求項１１】 円筒形薄膜モジュール（10、60）の中
    にいれて使うカートリッジ（20、150 ）を作る方法であ
    って、多数の繰り返しユニット、あるいは、ウエーファ
    ー（30、50）を含む、それぞれのウエーファーは単一の
    薄い枠（31、31Ｓ、41）からなって、中空のファイバー
    （16）からなるアレイ（34、44）、方法は、 （ｉ）最初に途切れの無い縁の枠（50Ｆ）を置き、これ
    には中央に通路がある； （ii）縁に接着剤を塗る； (iii) 全部のファイバーを平面に最初のアレイとして、
    平行に、向かい合った部分の縁に合わせ； （iv）接着剤を使って、向かい合った部分のファイバー
    の端を確かめながら、端の部分を充分に押さえてウエー
    ファーを形づくる； （ｖ）二番目の枠を置いて一番目のアレイが間に落ちつ
    いているのを確かめる； （vi）方法（ii）から（ｖ）を次々の枠に前もって決め
    たウエーファーの数になって、連続的に固定されるまで
    繰り返す、それぞれが一つ前まで接着した枠の数が
    “ｎ”であるのを確かめる、それは、整数が２よりも大
    きい、数字としては、アレイが押さえられた枠の数より
    も一つ少ない； (vii) 最後に置かれたウエーファーで一番上の端の枠に
    キャップをして完了する、取り外し無し。
12. 【請求項１２】 それぞれのウエーファーが最後の一つ
    前と液密の状態になり、確かめた後５分で連続的枠がカ
    ートリッジを形作った請求項１１記載の方法。
13. 【請求項１３】 それぞれの連続的枠に細長いポッチン
    グ用のスロット（36、36´、46、46´）が向かい合った
    縁の部分に設けてあり、それぞれのスロットには反対の
    端がある、次々に連続する枠はポッチング用の通路があ
    り互いに触れ合うことになり、スロットはカートリッジ
    の縦の軸を横切る；その上、第一の枠では底の枠をキャ
    ップする、一番上の端になる枠と底の端にはポッチング
    穴（47、52）があり、ポッチング・スロットを通してふ
    れあうことになる。それぞれの連続したウエーファーを
    液密に近い状態にセットすると、ポッチング樹脂は穴を
    通して環状の枠の中へ流通し、ポッチング通路は凝固し
    た樹脂を中に保ち、カートリッジと枠は液密状態になる
    請求項１２記載の方法。