JPH0368726B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は多数の細管よりなる細管束の端部をガ
ラス、セラミツクス又はその混合体より成る封着
材料で封着する方法に関する。

従来技術との関係 多孔質ガラス細管の束を筒状容器内に収納した
分離膜装置を製作するにあたり、多孔質ガラス細
管が貫通しており、かつ多孔質ガラス細管の間の
間隙が埋められている隔壁が要求される。このよ
うな隔壁を形成する手段として成形型内に多孔質
ガラス細管の末端を封着材料の粉末とともに配置
して所定の焼結温度に所定時間保持した後冷却離
型する方法が行なわれるが、封着材料のみかけの
体積が減少するために隔壁内部に空隙が残り、処
理すべき流体に対して気密性のある隔壁が得られ
ない欠点があつた。

発明の目的 本発明者等は、このような封着工程において封
着材料の流動性が小さく、かつ封着工程を経ると
みかけの体積が減少するガラス、セラミツクス系
封着材料を用いる場合に有効な細管束の封着方法
について鋭意検討を行ない本発明に到達した。

発明の構成 即ち、本発明は多数の細管よりなる細管束の末
端をガラス、セラミツクス又はその混合体より成
る封着材料で封着するにあたり、該細管束が貫通
可能な開口部Ａを有する上部部材、該細管束を挿
入せる開口部Ｂを形成可能になし得細管束の束軸
と直交する方向にスライドできる加圧部材、中間
部材及び下部部材並びに前記上部部材、中間部材
及び下部部材を固定する該細管束を貫通可能な開
口部を有する上板、側板及び下板をもち、しかも
側板と上板との係合部及び側板と下板との係合部
に部分的に応力を集中せしめ得るライナーを装填
した成形型を用い、前記加圧部材を前記上部、中
間及び下部部材の枠組みにより形成される開放部
に挿入し、上記細管束を前記上部部材の開口部Ａ
に貫通させて前記下部部材に至る位置に配置する
とともに上記封着材料を上記細管束の周囲に存在
させ、加熱並びに上記加圧部材の細管束束軸に向
けてのスライドによる上記封着材料の加圧操作を
行なつて焼結させることを特徴とする細管束の末
端封着方法に関するものである。

次に図面によつて本発明をさらに具体的に説明
する。

第１図は多数の細管より成る細管束を筒状容器
の内部に収納した分離膜装置の断面図であり、第
２図は第１図に示した細管束より成るエレメント
の斜視図である。

第１図において円筒部材１と端板２，３とから
成る筒状容器の中に細管束４と隔壁５から成るエ
レメントが収納されており、細管束４を構成する
細管は隔壁５を貫通して左側に開口している。一
方、細管の他方の端は全て閉じられているが、こ
の方法としては、例えば隔壁中に細管束を貫通し
ない形で埋め込む方法がある。あるいは、細管の
端部を加熱溶融することによつて開孔部を融着さ
せても良い。

隔壁５は円筒部材１と端板２の間にはさみ込ま
れた構造になつている。ここで、７，８，９，１
０はパツキン、１１，１２，１３，１４はボルト
穴である。また、１５は原流体導入口、１６は透
過流体出口、１７は未透過流体出口である。15か
ら導入された原流体は細管の外側を管軸に平行に
未透過流体出口１７に向かつて流れ、細管壁を透
過した透過流体は細管内を経て透過流体出口に至
り、未透過流体は未透過流体出口１７に至る。第
２図においては細管束の一方の端部が隔壁５を貫
通して開口し、他方の端部６はブロツクに埋め込
まれて閉じている様子が示されている。また、第
３図においては細管束の一方の端部は第２図同
様、隔壁５を貫通して開口しているが他方端部６
は細管端部の加熱隔着によつて閉じた構造になつ
ている。

第４図は本発明の方法によつて製作した隔壁５
の部分断面図であり、細管１８が封着材料１９を
貫通してその末端が開いた形で固定されている状
態が示されている。

第５図は本発明の細管束の末端封着方法を説明
するものである。また、第６図は本発明の末端封
着方法において用いられる成形型の上部部材、加
圧部材、中間部材及び下部部材具体例、第７図は
前記上部部材、中間部材及び下部部材を固定保持
する上板、側板及び下板から成る補強具の具体例
を示した斜視図である。封着工程におけるこの成
形型の断面図が第８図に示される。成形型は細管
束２０を貫通させる開口部Ａ２７を有する上部部
材２１、中間部材２５，２６及び下部部材２４か
らなる２つの開放部を持つ枠組み並びに該枠組み
を固定保持する上板３０、側板３１，３２、下板
３３から成る補強具から構成されており、前記上
板３０、側板３１，３２及び下板３３は前記枠組
みを取り囲むようにボルトとナツトを用いて固定
される。第７図において３５，３６，３７，３８
はボルト穴である。

上記２つの開放部にちようど密着してスライド
する形の加圧部材２２，２３が用意されており、
該加圧部材２２，２３にはスライド終了後左右が
出合つた時に開口部Ｂ２８を円柱状に成形なし得
るように半円形の切欠が設けられている。該切欠
の内側には形成後の離型性を良くするために切欠
に密着する２分割された薄肉円筒２９を必要に応
じて取付けても良い。

第８図は本発明に用いる成形型を組み上げた状
態を示す斜視図であり、側板３１，３２と上板３
０の係合部及び側板３１，３２と下板３３の係合
部には部分的に応力を集中せしめ得るライナー３
９，４０，４１，４２，４３が装填されており、
封着材料を焼結した後の冷却過程において封着体
に発生する熱応力を吸収し封着体の破壊防止に効
果を有する。前記熱応力の発生は封着体と補強具
の側板及び下板の熱膨張率に差のあることに起因
する。すなわち、本発明における封着材料はガラ
ス、セラミツクス又はその混合物であり、これら
の熱膨張率は20〜30×10^-7℃^-1の範囲にあること
が多く、一方、側板、下板は強度と耐熱性の点を
考慮して例えばステンレス合金が用いられるがそ
の熱膨張率は17×10^-6℃^-1と封着材料に比べてか
なり大きな値となつている。したがつて、例えば
700℃で焼結して20℃まで冷却する場合、封着体
のヤング率を7000Kg／mm²とすれば、ライナーの装
填がなく応力集中機構のない型では封着体に発生
する応力は 熱膨張率差、ヤング率及び温度差の積で計算さ
れるから、上記条件においては封着体の破壊強度
を越える67〜71Kg／mm²の圧縮応力が封着体に発生
し、封着体が破損する確率が非常に高いと推定さ
れる。

これに対し、ライナーを装填した場合は第８図
において上板３０及び下板３３が焼結後の冷却過
程でＡ−Ａ方向に収縮しても側板３１及び３２の
中央部はライナーなしの場合に比べて自由度を有
し、外側へ変形可能な為、封着体と応力を緩和
し、封着体の破壊防止に効果を有する。該ライナ
ーの材質としては焼結時の温度及びプレス圧力に
耐えるものであれば特に限定はされないが、好ま
しくは必要以上に強度の大きくない材料、例えば
カーボンが望ましい。これは、冷却過程で封着体
に発生する圧縮応力が非常に大きく、前記側板の
変形だけでは応力が十分吸収され得ない場合に、
ライナー自体が圧縮破壊することによつて封着体
の応力を緩和し、封着体の破壊を防止できるから
である。

次に封着工程について説明する。まず上部部材
２１、中間部材２５，２６、下部部材２４で枠組
みされた成形型を上板３０、側板３１，３２、下
板３３から成る補強具で固定した後、その水平方
向の２つの開放部より各々加圧部材２２，２３を
挿入して第５図に斜線で示すような室を形成す
る。この場合、加圧部材２２，２３は互いに接触
することなく適当な間隙を離し細管束２０束軸か
ら遠ざけておく、次いでこの室の中へ、上部部材
２１の開口部Ａ２７を通して細管束２０をその端
部が下部部材２４面に至る位置まで挿入し、この
室の他の空隙に開口部Ａ２７より封着材料１９を
細管束２０の周囲に存在させるように充填する。
なお、封着材料の充填方法は格別制約を設けるも
のでなく、上記手段の他この室に充填してから上
部部材を固定してもよい。また、必要に応じてス
ラリー化して充填した後乾燥させてもよい。次に
所定の温度に加熱した後、第５図に示した矢印の
方向より加圧部材２２及び２３を細管束束軸に向
けてスライドさせ、加圧部材２２及び２３を互い
に接近させて開口部Ｂ２８の容積を次第に小さく
して行く。このような加圧操作により封着材料１
９の間隙がなくなり均一な溶融体あるいは焼結体
が形成され、また同時に細管束２０を構成する細
管の間隙にも封着材料１９が充填される。この場
合余分な封着材料があれば上部の開口部Ａ２７よ
り排出される。加圧加熱操作の完了後冷却して補
強具のボルトをはずし、成形型の各部材をとり離
すと第９図に示すような細管束が貫通した隔壁が
得られる。

第４図及び第５図に示した具体例においては開
口部Ａ２８の中心軸に直交する２つの開放部を有
する成形型を示したが、水平方向に１つあるいは
３つ以上の開放部をもつ成形体を用いることもで
きる。

以上主として分離膜装置を具体例として本発明
を説明してきたが、本発明はこれらの用途に限定
されるものではない。例えば多数の細管を備えた
多管式熱交換器における管板の製作に適用するこ
ともできる。

本発明における細管の材質はガラス、セラミツ
クス、金属などの無機材料である。細管の外径に
は特に制限はないが、本発明の封書方法は細管径
が２mm以下の十分に細い場合にその効果が大き
い。本発明における細管として多孔質ガラスを用
いることが好ましいが、その代表的な組成として
SiO₂22〜75重量パーセント、Na₂O2〜16重量パ
ーセント、Al₂O₃0〜５重量パーセント、ZrO₂0〜
５重量パーセント、TiO₂0〜５重量パーセントの
硼硅酸ガラスを原料ガラスとする高硅酸多孔質ガ
ラスが挙げられる。このような多孔質ガラスは上
記の原料ガラスを溶融成形し、次に500〜650℃の
温度で熱処理を施して相分離させ、生じた硼酸ソ
ーダに富む相を酸で溶出させることにより製造す
ることができる。得られた多孔質ガラスは95重量
パーセント以上のSiO₂を含む高硅酸ガラスであ
る。

本発明における封着材料は一般のガラス、セラ
ミツクス又はその混合体から成る。これらの材料
は常温においては固相であり、封着温度において
はその少なくとも一部が溶融するか焼結性をもつ
ことが必要であり、その選択基準は封着後に充分
な気密性を持つこと及び細管との熱膨張率差の小
さいことである。気密性が悪いと流体の分離性能
の低下を引き起す。また、熱膨張率差が大きい
と、封着後の冷却過程において細管に熱応力が集
中し、細管の破損を引き起す。

そのため、封着材の選択には充分注意する必要
があるが、例えば、上記多孔質ガラスを封着する
場合、好ましくは負の熱膨張率をもつセラミツク
ス（例えばAl₂O₃、LiO₂、SiO₂から成るβ−ユー
クリプトタイト）と1000℃以下の軟化点をもつ無
機系結合体（例えばSiO₂80重量パーセント、
B₂O₃18重量パーセント、K₂O2重量パーセントか
ら成る低溶融ガラス）との混合体が挙げられる
が、これによつて多孔質ガラス細管と熱膨張率の
ほぼ等しい封着材料が得られる。

発明の効果 以上説明してきたように、本発明による細管束
の末端封着法を用いると、封着材料を焼結するに
あたり、十分なプレス圧力を与えること及び焼結
後の冷却過程において封着体に発生する圧縮応力
を緩和することが可能となり、気密性の良い封着
体が収率良く得られるようになる。また、細管束
が多孔質ガラスの場合、上記封着材料として負の
熱膨張率をもつセラミツクスと1000℃以下の軟化
点をもつ無機系結合体の混合体を用いることによ
り多孔質ガラスとの熱膨張率差を小さくして、多
孔質ガラス細管の破損を防止することが可能とな
る。

実施例 実施例 １ 組成がSiO₂62.5重量パーセント、B₂O₃27.5重量
パーセント、Na₂O7.2重量パーセント、Al₂O₃2.8
重量パーセントの硼硅酸ガラスの細管（外径２
mm、内径１mm）を580℃で熱処理して分相させ、
次いで95℃の硫酸で処理して一部の相を溶出させ
た後800℃で熱処理を行ない多孔質ガラス細管を
製造した。

一方、Li₂O₂、Al₂O₃、SiO₂のモル比が１：
１：1.5の組成で1400℃で５時間焼成することに
より負の熱膨張率をもつセラミツクスを製造し
た。このセラミツクスの熱膨張率は300〜600℃に
おける平均値で−60×10^-7℃^-1であつた。このセ
ラミツクスの粉末（平均粒径60μｍと市販の低溶
融ガラス（SiO₂80重量パーセント、B₂O₃18重量
パーセント、K₂O2重量パーセント）の粉末（平
均粒径60μｍ）とを重量比35：65で混合したもの
を封着材料として用いた。

第５図、第６図および第７図に示した形状のカ
ーボン製上部部材、中間部材、下部部材及びライ
ナー並びにステンレス製加圧部材、上板、側板及
び下板から成る成形型を用意した。上記の多孔質
ガラス細管（外径２mm）の50本より成る細管束を
上部部材開口部Ａに貫通させて下部部材に至る位
置まで挿入し、上記の装着材料を開口部Ａより成
形型の室内に充填した。次にこの成形型、細管束
の端部および封着材料を700℃に加熱して２時間
この温度に保持した後加圧部材をスライドさせ加
圧操作を行なつた後冷却した。冷却後、成形型を
分解し、第７図に示すような多孔質ガラス細管束
が貫通した割れがなく、気密性の良い隔壁を得
た。

【図面の簡単な説明】

第１図は細管束を筒状容器と内部に収納した分
離膜装置の断面図であり、第２図、第３図はその
斜視図である。また、第４図は本発明方法に係る
隔壁の部分断面図である。さらに第５図、第６
図、第７図及び第８図は本発明の末端封着方法を
説明するものであり、第９図は第５図、第６図、
第７図及び第８図の方法で製せられる隔壁の斜視
図である。 ５：隔壁、６：密閉端、１９：封着材料、２
０：細管束、２１：上部部材、２５，２６：中間
部材、２４：下部部材、３０：上板、３１，３
２：側板、３３：下板、２７：開口部Ａ、２８：
開口部Ｂ、３８：開口部Ｃ、３９〜４３：ライナ
ー。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 多数の細管よりなる細管束の末端をガラス、
   セラミツクス又はその混合体よりなる封着材料で
   封着するにあたり、該細管束が貫通可能な開口部
   Ａを有する上部部材、該細管束を挿入せる開口部
   Ｂを形成し細管束の束軸に直交する方向にスライ
   ドできる加圧部材、中間部材及び下部部材並びに
   前記上部部材、中間部材及び下部部材を固定する
   該細管束を貫通可能な開口部を有する上板、側板
   及び下板をもち、しかも側板と上板との係合部及
   び側板と下板との係合部に部分的に応力を集中せ
   しめ得るライナーを装填した成形型を用いること
   を特徴とする細管束の末端封着方法。 ２ 特許請求の範囲第１項において細管束が多孔
   質ガラス細管より成り、封着材料が負の熱膨張率
   をもつセラミツクスと1000℃以下の軟化点をもつ
   無機系結合体の混合体であり、上記多孔質ガラス
   との熱膨張率差の小さいものである細管束の末端
   封着方法。