JP2009095829A - 水分離中空繊維および水分離フィルタ - Google Patents

Abstract

【課題】水分離フィルタにおいて繊維外壁面へ排出した水蒸気をパージするためケースの中空繊維外部からのパージガスを使用しない気体除湿膜フィルタを提供する。
【解決手段】水分離中空繊維１は、中空繊維１の入り口６から送入された水分を含む気体が、送入された気体より低圧であり、中空繊維１の中空壁膜を隔てた外気に放散されることにより、中空繊維１の出口７から除湿された気体が排出される中空繊維１であって、前記中空壁膜に気体が水分とともに透過する程度の空隙を設け、前記空隙を透過した前記水分が空隙を透過した気体により外部に放散される。水分離フィルタ１０は水分離中空繊維１が多数本を束ねられた繊維束の一端を、水分を含む気体の流入口６とし、もう一方の端を、水分が分離した気体の流出口７とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、気体に含まれる水分を分離する機能を有する中空繊維、およびその中空繊維を使用した水分離フィルタに関するものである。

精密機器工業や医療の分野では、圧縮空気の水分を除去した乾燥空気が多用されている。これらの乾燥気体は、高圧気体を冷凍乾燥したり、物理化学的な吸着剤を通過させて水分を除去するものがある。

特許文献１には、気体−気体および液体−気体等の分離として使用されるポリイミド分離膜、ポリイミド中空糸が記載されている。さらには中空繊維をフィルタとして使用する除湿装置が、特許文献２に記載されている。図１に示す従来の除湿装置は、中空繊維１が必要本数並べられ、その両端部だけが接着剤で相互に接着される。一方の端部は気体吸入口６を持つキャップ１３、もう一方の端部は気体取出口７を持つキャップ１４に挿入されて密に接着される。中空繊維１の中間部は、ケース９に収められている。閉鎖空間はパイプにより流量調整弁８を経て、中空繊維１の中間部に対応する位置のケース９の上側に取付けられた供給管１１に繋がってパージ回路を構成している。そして、供給管１１から供給されたパージガスは、ケース９内部で中空繊維１に接触して水分をパージし、排出管１２から水分とともに外気へ排出される。

これらの公報に記載された水分離フィルタを構成する中空繊維の分離膜、すなわち中空壁の単一構造体中に中空内壁から水分を吸蔵し外壁面から蒸発拡散させるという構造であるため、中空壁内外に蒸気圧差を大きくしなければ水分離が迅速におこなわれない。

特開平８−８４９１６号公報 特開２００１−２１９０４１号公報

このように従来の水分離フィルタは、繊維外壁面へ排出した水蒸気をパージするため、ケース９の上側に取付けられた供給管１１、つまり中空繊維１の外部からのパージガスを使用しており、繊維外壁面と接触しないでなんらパージ機能を発揮することなく排出管１２へダイレクトに通過してしまう乾燥空気が増えるなど、得られるべき乾燥空気を余分に消耗してしまう事態を招来している。また、気体取出口７から排出された乾燥空気の一部を中空繊維の外壁面に流すための、ケース９の上側に取付けられた供給管１１のようなパージ回路が除湿装置の外部に必要となり、装置も大型化する。

本発明はこのような問題点を解消するためになされたもので、気体に含まれる水分を効率よく分離する中空繊維、およびその中空繊維を使用し、水分を効率よく分離するためのガスを減らすことのできる水分離フィルタを提供することを目的とする。また除湿装置にパージ回路を実質的に必要としない水分離フィルタを提供する。

前記目的を達成するためになされた、特許請求の範囲の請求項１に記載された水分離中空繊維は、中空繊維の入り口から送入された水分を含む気体が、該送入された気体より低圧であり、中空繊維の中空壁膜を隔てた外気に放散されることにより、中空繊維の出口から除湿された気体が排出される中空繊維であって、前記中空壁膜に前記気体が前記水分とともに透過する程度の空隙を設け、前記空隙を透過した前記水分が空隙を透過した気体により外部に放散されることを特徴とする。

同じく請求項２に記載された水分離中空繊維は、請求項１に記載の水分離中空繊維であって、前記中空壁膜の気体透過速度が２×１０^-４〜１０×１０^-４cm^３／cm^２・Sec・cmHgであることを特徴とする。

請求項３に記載された水分離中空繊維は、請求項１から２の何れかに記載の水分離中空繊維であって、前記中空壁膜は、親水性高分子物質と非親水性高分子物質とが含まれて構成されていることを特徴とする。

請求項４に記載された水分離中空繊維は、請求項１から３の何れかに記載の水分離中空繊維であって、該親水性高分子物質の非親水性高分子物質に対する量比が中空内壁側で多く、繊維外壁側に向かって減少することを特徴とする。

請求項５に記載された水分離中空繊維は、請求項１から４の何れかに記載の水分離中空繊維であって、該親水性高分子物質がポリビニルピロリドンであり、該非親水性高分子物質がポリスルフォンであることを特徴とする。

請求項６に記載された水分離中空繊維は、請求項１から５の何れかに記載の水分離中空繊維であって、前記中空壁膜の中空内壁にシランカップリング処理がされていることを特徴とする。

このシランカップリング処理における処理前の前記中空壁膜の気体透過速度が２×１０^-４〜２００×１０^-４cm^３／cm^２・Sec・cmHgであることが好ましい。

請求項７に記載された水分離中空繊維は、請求項６に記載の水分離中空繊維であって、前記シランカップリング処理が、固形分０．０１５〜５％のシリコーン溶液でなされたことを特徴とする。

請求項８に記載された水分離中空繊維は、請求項６に記載の水分離中空繊維であって、固形分５〜２０％のシリコーン溶液でなされたことを特徴とする。

請求項９に記載された水分離中空繊維は、請求項６から８の何れかに記載の水分離中空繊維であって、前記シランカップリング処理が、アルキルシリケートまたは／およびアルコキシシラン化合物を含むシリコーン溶液でなされたことを特徴とする。

請求項１０に記載された水分離中空繊維は、請求項７から９の何れかに記載の水分離中空繊維であって、該シリコーン溶液中の溶媒が、炭素数５〜２０のアルカン類を含むことを特徴とする。

請求項１１に記載された水分離中空繊維は、請求項１から１０の何れかに記載の水分離中空繊維であって、該中空内壁側における空隙の空隙率が繊維外壁側における空隙の空隙率より小さいことを特徴とする。

中空内壁側における空隙の空隙率が１〜２０％、繊維外壁側における空隙の空隙率が２０〜８０％であることが好ましい。

請求項１２に記載された水分離中空繊維は、請求項１から１１の何れかに記載の水分離中空繊維であって、該中空内壁側における空隙の孔径が、繊維外壁側における空隙の孔径よりも平均的に小さいことを特徴とする。

好ましくは、該中空内壁側における空隙の孔径は、０．００５〜０．０８μｍ、繊維外壁側における空隙の孔径は０．５〜１０μｍである。

さらに前記目的を達成するためになされた、特許請求の範囲の請求項１３に記載された水分離フィルタは、請求項１から１２のいずれかに記載の水分離中空繊維が多数本を束ねられた繊維束の一端を、水分濃度が高く外気よりも高圧な気体の流入口とし、もう一方の端を、水分濃度が低く外気よりも高圧な気体の流出口とし、該水分離中空繊維の中間における中空壁膜から外気よりも高圧な気体により該水分が外気に放散されることを特徴とする。

本発明の水分離中空繊維は、気体に含まれる水分を効率よく分離する中空繊維、およびその中空繊維を使用し、パージガスを減らすことのできる水分離フィルタを提供できるとともに、除湿装置にパージ回路を実質的に必要としない水分離フィルタを提供することができる。

発明を実施するための好ましい形態

本発明の水分離中空繊維および水分離フィルタの代表的な形態を、以下に説明する。

親水性高分子物質と非親水性高分子物質を所定の量比でブレンドした樹脂を、常法の湿式紡糸法により、中空繊維を製造する。このとき、樹脂の溶液濃度、紡糸速度、紡糸のコア液を適宜調製し、紡糸された中空繊維の中空壁膜が空気、および水蒸気あるいは液体の水、霧状の水を透過できる程度に空隙を持ち、繊維外壁側ほど空隙が多く分布するように構成する。

本発明の水分離中空繊維は、中空内を通過する水（ここにいう水乃至水分とは水蒸気、液体、霧を含む概念である）を含む高圧気体が水と共に透過する空隙を中空壁膜に持っており、高圧気体に含まれる水分量は、外気の水分量よりも多いので蒸気圧に差があり、中空壁膜を遺漏通過する高圧気体により吹き飛ばされるように水分は外気に放散されてゆく。いわゆる自己パージと呼んでいる現象を呈している。

上記中空繊維は次のような構成になっている。
図６には水分離中空繊維の全体を写したＳＥＭ（Scanning Electron Microscope：走査電子顕微鏡））の写真（×１００）を示してあり、水分離中空繊維が円筒形中空で多孔質状を呈している。

図７には水分離中空繊維の中空壁膜の断面を拡大したＳＥＭの写真（×５００）を示してあり、水分離中空繊維の中空壁膜４の断面が外側にゆくほど疎空隙率大、もしくは孔径大で内側ほど密な非対称の膜を形成している。すなわち、中空壁膜の中空内壁４ａ側から繊維外壁４ｂ側に向かって空隙が多く分布している。尚、空隙の分布の変化は連続的でも、あるいは段階的でもよい。

中空繊維の繊維外壁側から中心に向かうほど親水性高分子物質の配分量比を高く形成されている。ＳＥＭの写真では観察できないが、中空壁膜４を構成する親水性高分子物質と非親水性高分子物質のうち、親水性高分子物質の量比が中空内壁４ａ側で多く、繊維外壁４ｂ側に向かって減少してもよい。尚、親水性高分子物質と非親水性高分子物質との量比の変化は連続的、あるいは段階的であってもよい。また、中空内壁４a側で親水性高分子物質が１００％であってもよく、繊維外壁４ｂ側で非親水性高分子物質が１００％であってもよい。

図７には自己パージの高圧気体流３および水分２の流路が追記してある。この中空繊維の中空を通過する高圧気体に含まれる水分２が中空内壁に接触すると毛細管現象、あるいは親水性高分子物質の吸水性により中空壁膜に保持され、中空壁膜４を通って漏れる高圧気体の気体流３で効率的に外気に放散されてゆく。このとき、非親水性高分子物質の量比が繊維外壁側で多く、また、外界の空気とより接触しやすいように外側が傾斜的により疎に形成されているため、繊維外壁面からスムーズに拡散してゆくことになる。

図８には水分離中空繊維の繊維外壁面を拡大したＳＥＭの写真（×３０００）を示してある。このように空隙のある水分離中空繊維の繊維外壁面を外界に露出しておくだけで自己パージが可能となる。つまり、水分離中空繊維の繊維外壁面に、パージガスを流す必要がなくなる。そのため、目的物たる排出乾燥空気の取得歩留まりを上げることができるだけではなく、外部パージ回路が実質的に不要になる。

内径表面は空隙率１〜２０％、外径表面は空隙率２０〜８０％になされている。このように設定されていることにより、内径表面より吸収された気体はストレスなく外径表面から排出される。

また、中空繊維の中空壁膜の孔径は、中空内壁側が繊維外壁側よりも小さいことが好ましい。例えば中空内壁側における空隙の孔径が０．００５〜０．０８μｍ、好ましくは０．００５〜０．０３μｍ、繊維外壁側における空隙の孔径が０．５〜１０μｍである。尤も、中空内壁側と繊維外壁側とが同等、あるいは繊維外壁側が中空内壁側よりも小さくてもよい。

このように空隙の孔径を設定すること、内径表面の空隙率を１〜２０％、外径表面の空隙率を２０〜８０％に設定すること、及びシリコーン溶液を希釈して固形分が０．０１５〜５％、もしくは固形分５〜２０％としたシランカップリング処理とすることにより、気体透過速度を、上述した２×１０^-４〜１０×１０^-４cm^３／cm^２・Sec・cmHgの範囲に収めることができる。特にシランカップリング処理の固形分の影響については、後述する表２に具体的に示してある。

この中空繊維の中空にシランカップリング剤を含侵させて中空内壁を処理した後、中空に溶媒を通して残余のシランカップリング剤を洗い流す。すると中空内壁にシリコーンの網目構造のシラン架橋を形成し、水分離中空繊維が完成する。

中空内壁面には、上述したようにシランカップリング処理が施されており、前記シランカップリング処理前の中空繊維の気体透過速度は２×１０^-４〜２００×１０^-４cm^３／cm^２・Sec・cmHgに設定されている。

上記シランカップリング処理前の中空繊維の中空壁膜に形成されている孔は、大小ばらついており、気体透過速度が場所によって不均一となって好ましくないので、上記シランカップリング処理を行うことにより、中空壁膜に形成されている孔が、大小均一化され、気体透過速度が場所によって不均一となるのを防止する。したがって、除湿性能の安定化に役立つ。上記孔の大小が均一化されるのは、シランカップリング処理による架橋が大きな孔により形成され易くなることによる。

ここで、上記シランカップリング処理をした後の状態においての中空壁膜の中空内壁から繊維外壁への気体透過速度は、２×１０^-４〜１０×１０^-４cm^３／cm^２・Sec・cmHgが好ましい。即ち、中空壁膜の気体透過速度がこの範囲であると、除湿性能と空気損失量をバランスよく両立させることができる。また中空壁膜の気体透過速度がこの範囲では、除湿性と空気損失性を加味した総合特性に殆ど変化がないので、中空繊維毎に性能のバラツキが生ずることなく、品質が安定する。つまり、この範囲の気体透過速度を逸脱すると、生産された水分離中空繊維が製造ロット毎に性能に大幅な変動が生じてしまい、品質的に問題となるためである。

また、外側にいくほど非親水性高分子物質の配分が多く、また、外界の空気とより接触しやすい構造が傾斜的に形成されているため、連続的に中空の繊維外壁面から外気へスムーズに拡散してゆくことになる。

親水性高分子物質としては、例えばポリビニルピロリドン、ポリビニルアルコール、ポリアクリル酸、ポリビニル酢酸、ポリアクリルニトリル、スルホン化ポリスチレン等のビニル系高分子物質及びそれらの共重合体、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール等のポリエーテル、ポリアミド等を使用できる。

非親水性高分子物質としては、ポリスルフォン（ポリサルフォン樹脂、ポリスルフォン酸ともいわれ、例えばソルベイアドバンストポリマーズ株式会社製の商品名ユーデル）、ポリエーテルスルホン、ポリフェニルスルホン、ポリフェニレンオキサイド、ポリエーテルイミド、ポリイミド、ポリアミドイミド、酢酸セルロース、ポリフッ化ビニリデンを使用できる。

使用できるシランカップリング剤は、アルキルシリケート、または／およびアルコキシシラン化合物を含み、アルカン類溶媒の溶液となっている。例えば東レ・ダウコーニング株式会社製商品名プライマーＤを使用する。

シリコーン溶液中の溶剤は、炭素数５〜２０のアルカン類、例えばヘプタンを含む溶媒で希釈することができる。シリコーン溶液中の溶剤は、直鎖でも分鎖でも環状であってもよい。親水性高分子物質としてポリビニルピロリドンを使用した場合には、中空内壁面のシラン架橋に加えてヘプタンによる溶媒架橋が成立していると解される。溶媒架橋によって中空内壁側における空隙の空隙率を減少させる効果が得られる。

シランカップリング処理は、固形分０．０１５〜５％のシリコーン溶液でなされることが好ましい。固形分５〜２０％シリコーン溶液でなされると、耐水性、対架橋性の面からさらに好ましい。

水分離フィルタ１０は、図２に示すように、水分離中空繊維１を束ね中空に樹脂が入らないようにして両端部だけを繊維間の隙間を樹脂５で充填して固めて完成する。さらに図２には、この水分離フィルタ１０を使った気体乾燥器が示してある。水分離中空繊維１の束の両端部を、気体吸入口６を持つキャップ１３、気体取出口７を持つキャップ１４に、中空繊維の端面との間に空間があくように挿入している。水分離中空繊維１の束の中央部は外気に露出している。

なお、水分離中空繊維１において、気体が送入される入り口は、図２の気体吸入口６側の開口であり、除湿された気体が排出される出口は、図２の取出口７側の開口である。

この水分離フィルタ１０を使った気体乾燥器で、気体吸入口６から水分を含む高圧気体が入ると中空繊維１の中空を通過する際、中空壁膜を透過する高圧気体の流れにより自己パージされて繊維外壁面から外気へスムーズに拡散してゆくことになる。

なお、前述した気体透過速度を２×１０^-４〜１０×１０^-４cm^３／cm^２・Sec・cmHgとするために好ましい中空繊維は、外径が０．４〜０．８ｍｍ、内径は０．２〜０．５ｍｍ程度が好ましく、中空壁膜の厚みは０．０５〜０．２ｍｍ、長さは１００〜２００ｍｍ程度とするのが成形性や性能面などにおいて好ましい。ただし、種々の条件によりこれらの範囲に限定されるものではない。

なお、シランカップリング処理を施す場合、及びシランカップリング処理を施さない場合の何れにおいても、使用状態における気体透過速度は、上述したように２×１０^-４〜１０×１０^-４cm^３／cm^２・Sec・cmHgの範囲に収めるようにする。シランカップリング処理を施さない場合の上述したように２×１０^-４〜１０×１０^-４cm^３／cm^２・Sec・cmHgの範囲に収めるためには、親水性高分子物質、非親水性高分子物質の材料及び組成、さらには製法などにより実現可能である。

以下、本発明の実施例を詳細に説明するが、本発明の範囲はこれらの実施例に限定されるものではない。

ポリビニルピロリドンとポリスルフォンをブレンドし、溶媒に溶解して湿式紡糸法により、外形０．６ｍｍ、内径０．３５ｍｍの中空繊維を製造した。この中空繊維をＬ＝１３０ｍｍに切断し、９０本を束ね、繊維間の隙間を接着樹脂で充填した。中空には接着樹脂が入らないようにした。この中空繊維束の中空をシランカップリング処理した。

東レ・ダウコーニング株式会社製プライマーＤをヘプタンで希釈し固形分０．０１５〜５％のシランカップリング剤を用意し、中空繊維の中空に充填して中空内壁を処理した。その後、中空にヘプタンを通してシランカップリング剤を洗い流してから乾燥した。

図９は水分離中空繊維をシランカップリング処理する前における中空内壁面のＳＥＭの写真（×５００００）である。図１０は水分離中空繊維をシランカップリング処理する後における中空内壁面のＳＥＭの写真（×５００００）である。上述したように、図１０の孔の方が均一化されている。

この中空繊維束、すなわち本発明の水分離フィルタ１０（図２参照）を図３に示される測定系に接続して、中空壁膜の気体（空気）の透過速度を測定した。水分離フィルタ１０は測定サンプル２０の位置に接続する。圧力調整弁３０で高圧気体、すなわち圧縮空気の圧力を適宜調節して水分離フィルタ１０に入気させる。水分離フィルタ１０の出力側は弁４０で閉塞されている。このときの水分離フィルタ１０に入気されている圧縮空気の圧力Ａを圧力計３１で測定する。また、水分離フィルタ１０の中空繊維１の中空内壁から繊維外壁に透過して流れ出る圧縮空気を流量計３２に通過させて、空気の流量Ｂを測定する。

中空繊維の中空壁膜における気体透過速度は、中空壁膜を通り抜け水分のキャリアでもある気体の量に依存するものであるから、自己パージ速度ともいえる。圧力Ａと空気の流量Ｂから中空繊維の中空壁膜における気体透過速度は次の（１）式で算出することができる。
気体透過速度＝[Ｂ/60/(サンプルの膜面積)]／[(Ａ/1.033×76)]・・・（１）

また、水分離フィルタ１０を図４に示される測定系に接続して、空気の除湿性能（露点）およびパージ率を測定した。水分離フィルタは測定サンプル２０の位置に接続する。圧力調整弁３０で圧縮空気の圧力を適宜調節し、水分飽和空気供給装置３３で飽和させて水分離フィルタ１０に入気させる。水分離フィルタ１０の中空繊維１の中空内壁から繊維外壁に透過して流れ出る圧縮空気を流量計３４に通過させて、透過した圧縮空気の流量Ｃを測定する。水分離フィルタ１０の中空繊維１の中空を通って出力される圧縮空気を２分岐して、その一方を流量調整バルブ３５で調整して流量計３６で流量Ｄを測定通しつつ露点計３７にて露点を測定する。分岐した残りの圧縮空気は、流量調整バルブ３８を通し、流量Ｅを流量計３９で測定する。流量調整バルブ３８は、総合的な流量を調整する。

測定した流量から以下のことがわかる。
流量Ｃ＝パージ量
流量Ｄ＋流量Ｅ＝水分離フィルタが処理して出力した処理空気量
流量Ｃ＋流量Ｄ＋流量Ｅ＝水分離フィルタに供給された圧縮空気量
パージ率の算出は次の（２）式で算出される。
パージ率（％）＝[Ｃ／（Ｃ＋Ｄ＋Ｅ）]×１００・・・（２）

比較のため上市されている中空繊維による水分離フィルタ（Ａ社製、Ｂ社製、Ｃ社製）を購入し，本発明品と同様に測定した。その測定結果を表１に示す。各々、モジュール有効長、中空繊維内径より膜面積を算出し、該膜面積と漏れ量より気体透過速度（単に透過速度と表記する場合がある。）を算出した。

なお、表１中、モジュールとは水分離フィルタを構成する中空繊維の束であり、径と有効長をｍｍ単位で表している。膜面積＝内径×π×有効長で算出される。漏れ量は中空繊維を透過した気体量の総和であり、前記（１）式における空気の流量Ｂに相当する。

図４に示した露点計３７にて測定した本発明品と、Ａ社製品、Ｂ社製品、Ｃ社製品の露点の測定結果を図５のグラフに示す。横軸はパージ率（％）、縦軸は到達大気圧露点（℃）である。このグラフから、本発明品の到達大気圧露点は、概ねＡ社製品、Ｂ社製品、Ｃ社製品の到達大気圧露点よりも低いことがわかる。すなわち、本発明品は、ある一定の露点を得るのにより低いパージ率で達成することができるから、少ない消費空気量で除湿効果が得られる。

また、表１に記載してある毛管凝縮法やイオン水和法などの分圧差だけに頼る原理では、パージ率を限りなく１００％に近づけても到達できる露点に限界があるのに対し、本発明品は、分圧差だけでなく、上記に述べた構造効果により水蒸気を物理的に排除する効果があるため、パージ率を高くすることで含水率が限りなくゼロに等しいクリーンな空気を得ることができる。したがって、本発明の中空繊維では、乾燥度の高い空気を出口から排出することができる。

さらに本発明の水分離中空繊維の性能評価をするため、以下の９サンプルを試作し、自己パージ水分離フィルタにした。

非親水性高分子物質としてポリスルホン樹脂（ソルベイアドバンストポリマーズ社製 ユーデルP-1700）、親水性高分子物質としてポリビニルピロリドン（和光純薬社製）、溶剤としてクラレケミカル社製のＮＭＰ（メチルピロリジン）を組成比が２５：５：７０重量％の均一なポリマー溶液を作製する。このポリマー溶液を外径０．６５ｍｍ、内径０．４ｍｍの環状ノズルから、内部凝固液とともに押し出し、エアギャップ（乾燥空間）を通過させた後、水を主体とした外部凝固液槽に浸漬し、洗浄、乾燥を経て、外径０．５ｍｍ、内径０．２５ｍｍの中空繊維膜を作製する。この中空繊維２７２本分を、パージ用の穴φ３ｍｍ×３個を予め加工しておいた外径φ１６ｍｍ、内径φ１２ｍｍの軟質チューブに束ねて挿入し、有効長１３０ｍｍとなるよう切断した中空繊維モジュールを９本用意した。

なお、中空繊維の内壁側に親水性高分子物質多く、外壁側に非親水性高分子物質を多く形成するには、上記製造条件を種々選択することにより得られる。

９本の中空繊維モジュールを、夫々サンプルNO.１〜９とし、NO.1〜８について順に、固形分が５０％、３０％、２０％、１０％、５％、２．５％、０．５％、０．０１５％になるようヘプタンで希釈したシリコーン溶液を中空繊維内部に流し込み、中空内表面にシランカップ処理を施した。NO.９はシランカップ処理を施さないサンプルである。

図４に示す測定系により、上記した中空繊維モジュール（中空繊維の束）を水分離フィルタ１０とし、保護のために外径１６ｍｍφの円筒ガラス容器に納めて測定サンプル２０とし自己パージ水分離フィルタとして性能評価を行った。なお、容器内部は外気に開放するために開口部が形成されている。
入気圧力 ０．７Ｍｐａ
入気温度 ２５℃
入気相対湿度 １００％
入気大気圧換算露点 −５.4℃
出口流量 ３０Ｌ/ｍｉｎ

この測定結果および測定値から換算された性能数値を表２に示す。

この表２に示す測定結果から、シランカップリング処理の固形分の割合がパージ量、露点、気体透過速度に大きく影響しているのが分かる。気体透過速度面から見れば、サンプル５〜７、つまり固形分０．０１５〜５％の範囲が上述したように水分離中空繊維の品質的側面から好適となる。なお、水分離中空繊維の耐久面に着目し、水分離中空繊維を重視する場合には、固形分５〜２０％の範囲とする選択肢もあり得る。

図１１には、表２のデータから抽出した、本発明の水分離中空繊維を使用する水分離フィルタの除湿性能をグラフで示してある。横軸は水分離中空繊維の中空壁膜における気体透過速度、すなわち自己パージ速度の対数指標、縦軸は排出気体の絶対湿度である。実用的に要する（ユーザーから要求されている）除湿能力は気体透過速度２×１０^-４〜２×１０^-２cm^３／cm^２・S・cmHg以上である。

図１２には、表２のデータから抽出した、本発明の水分離中空繊維を使用する水分離フィルタの空気損失率をグラフで示してある。横軸は水分離中空繊維の中空壁膜における気体透過速度の対数指標、縦軸は空気損失率、すなわち自己パージ率である。気体透過速度の増加とともに空気損失が多くなる。ここで従来（Ａ社、Ｂ社など）の水分離中空繊維の空気損失率が２５％程度であることから、本発明品においても２５％以下であることが求められていることにより、気体透過速度は１０×１０^-４cm3／cm2・S・cmHgであることが必要である。

以上から、好ましい気体透過速度は、図１１と図１２から、２×１０^-４〜１０×１０^-４cm^３／cm^２・Sec・cmHgとなるものである。

上記のように製造された実施例の水分離中空繊維の性質、及び自己パージの制御性について説明する。

水分離中空繊維の中空壁膜の構造は、中空内壁側が緻密（内面緻密層と記載することがある。）で、繊維外壁側にゆくほど疎（多孔層と記載することがある。）である非対称膜である。中空壁膜の組成は、多孔層がポリスルホンとポリビニルピロリドン、内面緻密層がポリビニルピロリドンとポリスルホンとシリコーン（シランカップリング剤）である。なお、パージ量である気体透過量は、内面緻密層の多孔性で決まる。

製法は、上述したように、予め透過量の高い非対象膜を湿式で紡糸した後、後処理で化合物、つまりシリコーンとヘプタンで内面を含侵させる。これにより、内面層のポリビニルピロリドン同士のヘプタンによる架橋、シリコーンの重合あるいは架橋によって、内面緻密層の多孔性を制御する。これにより、化合物、つまりシリコーンとヘプタンの組成によって、内面層のポリビニルピロリドン同士のヘプタンによる架橋、シリコーンの重合あるいは架橋を制御でき、目的の気体透過量に合わせることが可能になる。

また、反応生成したシリコーンがポリビニルピロリドンの保護膜として形成される。そのため、この保護膜によって、侵入した水とポリビニルピロリドンが架橋しないようになる。

その結果、パージ量（気体透過量）制御の主な要素であるポリビニルピロリドンの架橋度を抑制することができ、高湿下での水（液体）が内面緻密層のポリビニルピロリドンと液体架橋してポア径が小さくなり、気体透過量が減少することによって、高温高湿雰囲気で自己パージ量が低下していくのを防止することが可能になる。

次に、上記のように製造された一実施例による水分離中空繊維の具体的なメカニズム、水蒸気透過による除湿機能を説明する。

図７に示すように、高圧気体中の水蒸気（水分）２は、毛細管現象及び親水性高分子物質であるポリビニルピロリドンによって中空内壁面４ａに引き寄せられて接触する。上記引き寄せられた高圧気体は、上記空隙を透過して繊維外壁側に至るが、その繊維外壁側は非親水性高分子物質で形成されているので、水分を放散しやすくなる。以上により自己パージにより除湿が促進されることになる。

さらに、シランカップリング処理による架橋により上記空隙の均一化が図れるので、中空繊維の全領域において自己パージによる除湿が均一化され、除湿品質が向上する。

特に、繊維外壁４ｂ側に送り込まれた水蒸気２は、中空壁膜４を通って漏れる高圧気体の気体流３によって、吹き飛ばされるように効率的に外気に放散され、自己パージされる。このとき、非親水性高分子物質の量比が繊維外壁４ｂ側で多く、また、外界の空気とより接触しやすい多孔構造が外側にいくほど傾斜的に形成されているため、水蒸気２は繊維外壁面からスムーズに外気へ拡散してゆくことになる。

このような構成を有する水分離中空繊維を用いた水分離フィルタとすることで、気体に含まれる水分を効率よく分離することができる。つまり、上述したように水分離中空繊維の内部からパージガスを噴出する自己パージ機能を有することで、外部パージ回路を設ける場合のように、水分離中空繊維に接触することなくダイレクトに排出されてしまう無駄に使用されるパージガスを減らすことができる。さらに、除湿装置にパージ回路を必要としないため、装置の小型化を図ることができる。また、パージ回路を用いても良いが、簡単な回路となり、構造も小型化される。

なお、本発明は上述した実施例の構成のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲で多様な態様が可能である。特に、親水性高分子物質や非親水性高分子物質は上述した高分子物質に限定されるものではない。また、水分離中空繊維の製造方法においても、上述した製造方法になんら制限されるものではなく、本発明の構成、機能が得られる水分離中空繊維が製造できるものであれば任意でよい。

また、上述した記載において、単独で空隙という場合は水分離中空繊維中の空間部分を意味している。

また、空隙率、孔径などにおける数値的な特定については、走査電子顕微鏡写真などによって得られた画像から平均的な数値、面積などを算出し、統計学的に推定する手法が好適に利用できる。この場合に、孔という意味は真円を指すものではなく、ある範囲で区切られた凹部という意味であり、楕円や長円、多角形などどのような形状であってもよいのは勿論である。

また、水分離中空繊維に供給可能な気体の温度範囲や圧力範囲、水分含有率などについては、水分離中空繊維の形状や性能に悪影響を及ぼすことなく継続的使用に耐えうる範囲において、製造された水分離中空繊維の性状や径、長さ、使用環境などによって適宜選定されるものである。

本発明の水分離中空繊維を使用する水分離フィルタの自己パージにより、従来の冷凍式や膜式による水分離フィルタよりも、本来出力されるべき乾燥空気の消費量が大幅に少なくなるため、エネルギーロスが少なく環境的にも、コスト的にも優位に利用可能となる。また、吸着式でしか得られなかった低露点領域で、より経済的、かつコンパクトな除湿装置を提供することが可能となる。さらに吸着式でさえ限界の領域では、過剰なエネルギーを消費する窒素ボンベ等に頼るしかなかった分野において、低コストなクリーンシステムを提供することが可能となる。

従来の水分離フィルタの構造を示す断面図である。 本発明を適用する水分離フィルタを使用した気体乾燥器断面図である。 水分離中空繊維の中空壁膜の気体透過速度を測定する測定系統図である。 水分離フィルタの露点およびパージ率を測定する測定系統図である。 本発明品および比較品の露点およびパージ率の関係を図示した特性グラフ図である。 本発明の水分離中空繊維の走査電子顕微鏡写真である。 本発明の水分離中空繊維断面の走査電子顕微鏡写真の各部位を説明する図である。 本発明の水分離中空繊維の繊維外壁面の走査電子顕微鏡写真である。 本発明の水分離中空繊維をシランカップリング処理する前の中空壁膜の中空内壁面の走査電子顕微鏡写真である。 本発明の水分離中空繊維をシランカップリング処理した後の中空壁膜の中空内壁面の走査電子顕微鏡写真である。 本発明の水分離フィルタの除湿性能を示すグラフである。 本発明の水分離フィルタの空気損失率を示すグラフである。

符号の説明

１は水分離中空繊維、２は水分、３は気体流、４は中空壁膜、４aは中空内壁、４ｂは繊維外壁、５は樹脂、６は気体吸入口、７は気体取出口、１０は水分離フィルタ、１３・１４はキャップ、２０は測定サンプル、３０は圧力調整弁、３１は圧力計、３２,３４,３６,３９は流量計、３３は飽和空気供給装置、３５,３８は流量調整バルブ、３７は露点計、４０は弁、Ａは圧力、Ｂ,Ｃ,Ｄ,Ｅは流量である。

Claims (13)

1. 中空繊維の入り口から送入された水分を含む気体が、該送入された気体より低圧であり、中空繊維の中空壁膜を隔てた外気に放散されることにより、中空繊維の出口から除湿された気体が排出される中空繊維であって、
   前記中空壁膜に前記気体が前記水分とともに透過する程度の空隙を設け、前記空隙を透過した前記水分が空隙を透過した気体により外部に放散されることを特徴とする水分離中空繊維。
2. 前記中空壁膜の気体透過速度が２×１０^-４〜１０×１０^-４cm^３／cm^２・Sec・cmHgであることを特徴とする請求項１に記載の水分離中空繊維。
3. 前記中空壁膜は、親水性高分子物質と非親水性高分子物質とが含まれて構成されていることを特徴とする請求項１から２の何れかに記載の水分離中空繊維。
4. 該親水性高分子物質の非親水性高分子物質に対する量比が中空内壁側で多く、繊維外壁側に向かって減少することを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の水分離中空繊維。
5. 該親水性高分子物質がポリビニルピロリドンであり、該非親水性高分子物質がポリスルフォンであることを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の水分離中空繊維。
6. 前記中空壁膜の中空内壁にシランカップリング処理がされていることを特徴とする請求項１から５の何れかにに記載の水分離中空繊維。
7. 前記シランカップリング処理が、固形分０．０１５〜５％のシリコーン溶液でなされたことを特徴とする請求項６に記載の水分離中空繊維。
8. 前記シランカップリング処理が、固形分５〜２０％のシリコーン溶液でなされたことを特徴とする請求項６に記載の水分離中空繊維。
9. 前記シランカップリング処理が、アルキルシリケートまたは／およびアルコキシシラン化合物を含むシリコーン溶液でなされたことを特徴とする請求項６から８の何れかに記載の水分離中空繊維。
10. 該シリコーン溶液中の溶媒が、炭素数５〜２０のアルカン類を含むことを特徴とする請求項７から９の何れかに記載の水分離中空繊維。
11. 該中空内壁側における空隙の空隙率が繊維外壁側における空隙の空隙率より小さいことを特徴とする請求項１から１０の何れかに記載の水分離中空繊維。
12. 該中空内壁側における空隙の孔径が、繊維外壁側における空隙の孔径よりも平均的に小さいことを特徴とする請求項１から１１の何れかに記載の水分離中空繊維。
13. 請求項１から１２のいずれかに記載の水分離中空繊維が多数本を束ねられた繊維束の一端を、水分濃度が高く外気よりも高圧な気体の流入口とし、もう一方の端を、水分濃度が低く外気よりも高圧な気体の流出口とし、該水分離中空繊維の中間における中空壁膜から外気よりも高圧な気体により該水分が外気に放散されることを特徴とする水分離フィルタ。

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