專利名稱：空心纖維組件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種空心纖維組件以及它的制造方法。
背景技術(shù)：
空心纖維膜基本上垂直于組件主軸線的空心纖維膜組件是已知的。法國(guó)專利2,222,134;歐洲專利申請(qǐng)公開號(hào)350,853和521,495;以 及美國(guó)專利5,164,081中圖解了這種類型的空心纖維膜組件，各自在此 引入作為參考。在每個(gè)例子中，空心纖維墊被嵌入封裝材料的環(huán)形圏 中。然后，將這些嵌入的墊插入殼體中以形成組件。這些現(xiàn)有技術(shù)組 件的難點(diǎn)在于，它們的造價(jià)很高，因?yàn)樗鼈冃枰褂描T模，該鑄模必 須被破壞以使得與形成的嵌入的墊分離。模分離步驟是勞動(dòng)密集型的 并且耗費(fèi)時(shí)間。因此，需要一種更具成本效益的組件以及它的制造方法。發(fā)明概述空心纖維盒包括空心纖維墊的疊層。該疊層具有一主軸線和兩個(gè) 端面。每個(gè)墊基本上垂直于軸線。端蓋被集成在每個(gè)端面上?？蛇x擇地，空心纖維盒包括具有周邊部分的空心纖維墊。存貯墊 的疊層。每一墊的周邊部分與相鄰墊的邊緣部分對(duì)準(zhǔn)。該疊層具有一 主軸線和兩個(gè)端面。每一墊基本上垂直于軸線。端蓋被集成在每個(gè)端 面上。使用封裝材料在堆疊的墊的周邊部分形成一層壁，并且將端蓋 和該疊層粘合。


為了說明本發(fā)明，在附圖中圖示了目前優(yōu)選的形式；然而，應(yīng)當(dāng) 理解，本發(fā)明不局限于所圖示的具體結(jié)構(gòu)和手段。 圖l說明了組裝的空心纖維組件。 圖2說明了除去杯壁前的空心纖維盒。 圖3說明了除去杯壁后的空心纖維盒。發(fā)明詳述參照附圖，其中相同的數(shù)字表示相同的部件，在圖1中顯示了具 有主軸線A的空心纖維組件10。組件10包括殼體12以及盒18。可以通過任何合適的方法將盒18 固定在殼體12中。例如，在圖1中，盒18由固定夾38固定就位。其 它方法(沒有顯示)包括膠粘、焊接、旋轉(zhuǎn)熔接、螺紋連接，等等。 這些方法可以將盒18永久地固定在殼體12中，或者可以使盒18從殼 體12中移除。這些方法應(yīng)該確保殼體12和盒18保持流體密閉地接合。殼體12是一般杯狀的殼體，并且，優(yōu)選地具有徑向孔14和軸向 孔16。殼體12為能容納盒18的大小。殼體12可以由任何材料，例 如金屬、塑料或者復(fù)合物，制成。殼體12優(yōu)選為模制件。盒18適合 于插入殼體12中。優(yōu)選地，孔14和16可以i殳有用于和系統(tǒng)聯(lián)接的聯(lián) 接機(jī)構(gòu)，例如螺紋(內(nèi)/外螺紋)，等等。盒18適合于插入殼體12中。盒18包括具有軸向孔28的遠(yuǎn)端端 蓋22，具有軸向孔26的近端端蓋24,夾在蓋22和24之間的空心纖 維墊的疊層30，以及限定墊的周邊部分的壁32，其與端蓋22和24相 接合，并且在端蓋22和24之間是連續(xù)的，或者說整體的。任選地， 墊的疊層30可以包括一個(gè)或多個(gè)擋板36。優(yōu)選地，孔26可以設(shè)有用 于和系統(tǒng)聯(lián)接的聯(lián)接機(jī)構(gòu)，例如，螺紋(內(nèi)/外螺紋)，等等。組裝后，組件10包括頂部空間34。頂部空間34由盒18的壁32 以及殼體12的內(nèi)部側(cè)壁形成。在壁32的外表面，頂部空間34與軸向 孔14和墊的空心纖維的開放端連通。此外，將端蓋22和24與殼體 12的內(nèi)壁封閉為流體密封。在圖1中，采用"O"形環(huán)37來圖示該密 封，但是，該密封不因此而受限制并且可以^:用其它的密封方法。這 樣的密封方法包括膠粘、焊接、旋轉(zhuǎn)熔接、螺紋連接，等等。
操作中，組件IO可以用作薄膜接觸器、或膜濾器、或換熱器。例 如，經(jīng)由軸向孔16將流體引入組件10,并且經(jīng)由軸向3L26流出(或 者反之亦然)。當(dāng)流體越過空心纖維的外表面時(shí)，可以除去或添加流 體(薄膜接觸器)，可以阻隔不需要的材料(過濾)，或者可以增加 或除去能量(例如，加熱或者冷卻)(熱交換)。依據(jù)組件的用途， 空心纖維的特征會(huì)發(fā)生變化。
在薄膜接觸器模式中，除去的流體穿過空心纖維，進(jìn)入腔管，并 且經(jīng)由頂部空間34穿過徑向孔14流出?？梢酝ㄟ^真空或半真空、和/ 或殘氣的運(yùn)用(如果在殼體12上增加另一個(gè)孔，并且將頂部空間34 分隔)來促進(jìn)流體的去除?；蛘撸梢詫⒘黧w(例如，氣體，比如二 氧化碳、氮?dú)狻⒀鯕?，等?引入該流體中。引入該增加的流體，穿 過徑向孔14，到頂部空間34，再到空心纖維腔管，并且穿過空心纖維 的壁，流出而進(jìn)入流體。
在過濾模式中，經(jīng)由孔26將污染的流體引入，并且經(jīng)由孔16流 出(或者反之亦然)。空心纖維的壁阻隔污染物。可以通過在空心纖 維的腔管側(cè)上形成真空(或半真空)來促進(jìn)阻隔。
在換熱器模式中，可以通過以下方法來實(shí)現(xiàn)加熱或冷卻。首先， 在殼體12上增加第二個(gè)孔，并且將頂部空間34分隔。經(jīng)由孔26引入 第一流體，并且經(jīng)由孔16流出(或者反之亦然)。經(jīng)由孔14將第二 流體引入被分隔的頂部空間34中，穿過空心纖維腔管，并且經(jīng)由該被 分隔的頂部空間再經(jīng)由第二殼體孔而流出。使用以下方法來制造組件10:
參照?qǐng)D2，用空心纖維墊42的疊層30填充杯狀盒殼體40，并且 用蓋44封閉。將墊42加工成能填充殼體40空腔的尺寸，并且堆疊以 使得它們基本上垂直于主軸線A。可以使用任何材料來制造殼體40和 蓋44。這樣的材料包括聚烯烴、聚氯乙烯、ABS、 Noryl 、 PVDF、 PFA，或其它的氟化塑料、纖維-加強(qiáng)塑料、聚砜類、聚碳酸酯、聚酰 胺、金屬，等等。
空心纖維是具有腔管以及圍繞該腔管的壁的纖維?？招睦w維可以 具有實(shí)體壁、多孔壁、或者微孔壁(例如，對(duì)稱小孔、非對(duì)稱小孔、 皮薄膜等等)?？梢允褂萌魏尾牧蟻碇圃爝@些空心纖維。這樣的材料 包括聚烯烴(例如，聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯、多甲基戊烯)、聚砜 類(例如，聚砜、聚醚砜、聚芳砜)、纖維素和它的衍生物、PVDF、 多苯基氧化物(PPO) 、 PFAA、 PTFE、其它的氟化聚合物、聚酰胺、 聚醚酰亞胺(PEI)、聚酰亞胺、離子交換膜(例如，Nafion ),等 等。
空心纖維墊可以是紡織的、編織的、或以總體上的板狀結(jié)構(gòu)結(jié)合 在一起，該結(jié)構(gòu)中包括大量結(jié)合在一起的空心纖維。墊的空心纖維可 以具有相似的材料和性質(zhì)，或可以具有多種材料和/或性質(zhì)。這些墊可 以從大的編織物上切割下以獲得所期望的大小與形狀。每一墊具有周 邊部分。當(dāng)切割時(shí)，優(yōu)選地將纖維的末端封閉(即，捏閉)，以使得 在后續(xù)步驟中封裝材料不被吸入腔管中。可以通過沖切、超聲波切割、 刀切(例如，熱的)，等等來實(shí)現(xiàn)切割。
當(dāng)將墊堆疊入盒殼體40的空腔時(shí)，墊的周邊部分對(duì)準(zhǔn)。 蓋44跨過盒殼體40開口端的放置。蓋44與殼體40相連。可以 通過任何方法來實(shí)現(xiàn)該連接，例如膠粘、焊接、或螺紋連接。重要的 是，蓋44沿其接觸面與殼體40結(jié)合。優(yōu)選地，蓋44包括一個(gè)大致平 截的末端開口的圓錐體。在制造工藝的下一步操作期間，殼體40和蓋44將墊的疊層30固定就位。
經(jīng)由軸向孔26將殼體40和蓋44安裝在可以圍繞主軸線A旋轉(zhuǎn)該 結(jié)構(gòu)的裝置上。在旋轉(zhuǎn)期間，將流體封裝材料引入蓋44圓錐體的開口 端。通過離心力的作用，封裝材料到達(dá)殼體40的內(nèi)壁并且從而形成壁 坯46。優(yōu)選地，當(dāng)封裝材料有充分的時(shí)間固化至不再流動(dòng)或基本上不 流動(dòng)時(shí)(即，保持或基本上保持壁坯46的形狀)，停止旋轉(zhuǎn)。
封裝材料可以是任何材料，例如，熱固或熱塑材料。帶著以下示 例性考慮因素來選擇這些材料與空心纖維的鍵合強(qiáng)度、盒殼體40和 蓋42、機(jī)械強(qiáng)度、以及耐化學(xué)性。示例性的封裝材料包括，但不局限 于，環(huán)氧化物和聚烯烴。
上述旋轉(zhuǎn)步驟可以進(jìn)一步說明如下，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明并不因此 而受到限制盒可以水平地旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)速度可以為300-4000rpm (取 決于，例如，封裝粘性)。如果在室溫下固化，旋轉(zhuǎn)至基本上沒有流 動(dòng)可能要花費(fèi)至24小時(shí)；但是，如果在高溫下固化，則可以縮短處理 時(shí)間，例如在50'C，旋轉(zhuǎn)時(shí)間可以降至2小時(shí)，并且在65t:，旋轉(zhuǎn)時(shí) 間降至0.5-0.75小時(shí)。為了達(dá)到最終的固化并且減少在旋轉(zhuǎn)裝置上的 時(shí)間，可以將基本固化的盒置于加熱裝置內(nèi)或加熱裝置上。加熱裝置 可以是烘箱或加熱的滾動(dòng)裝置。加熱的滾動(dòng)裝置優(yōu)選為"熱狗，，爐灶 (即，在加熱滾筒上緩慢旋轉(zhuǎn)該盒的裝置)。該裝置的溫度應(yīng)該盡可 能地高，然而并非高得以至于損害空心纖維或盒。
在封裝材料凝固后，將過剩的材料切除。參照?qǐng)D3,其圖示了加 工之后的盒。需注意的是，此處部分殼體40為近端端蓋24，此處部 分蓋42為遠(yuǎn)端端蓋22,而且壁32與端蓋22和24相接合。此外，已 將壁坯46切割以形成壁32，并且這樣一來，空心纖維的末端,皮打開， 以與頂部空間34連通。為了空心纖維不被封閉，切割壁坯46時(shí)應(yīng)當(dāng) 小心。建議當(dāng)使用車床時(shí)，刀刃不放在該盒的中線上，而是放在該中 線的上方或者下方。在盒18 4皮機(jī)加工成最終形狀后，將其插入殼體坯46中。參照?qǐng)D 1,顯示了盒18位于殼體12內(nèi)部。壁32和殼體12的內(nèi)表面之間限定 了頂部空間34。端蓋22和24和殼體12的內(nèi)壁流體密閉接合。可以 通過任何方法來實(shí)現(xiàn)該流體密閉接合。例如，可以通過O形環(huán)、膠合、 焊接、旋轉(zhuǎn)熔接、超聲波焊接、螺紋連接，等等的方法來實(shí)現(xiàn)該接合。
在不背離本發(fā)明的精神和必要特征的情況下，本發(fā)明可以具體表 現(xiàn)為其它的形式，因此，應(yīng)當(dāng)參照作為表示本發(fā)明保護(hù)范圍的所附權(quán) 利要求書，而不是上述說明書。
權(quán)利要求
1.一種空心纖維盒，其包括空心纖維墊的疊層，所述疊層具有主軸線和兩個(gè)端面，每一所述的墊基本上垂直于所述的軸線；至少一個(gè)端蓋，其與一個(gè)所述的端面接合。
2. 如權(quán)利要求1所述的空心纖維盒，進(jìn)一步包括與每一端面接 合的端蓋。
3. 如權(quán)利要求l所述的空心纖維盒，其中，封裝材料的壁將空心 纖維墊和所述端蓋接合。
4. 如權(quán)利要求l所述的空心纖維盒，其中，所述封裝材料是熱固 材料或熱塑材料。
5. 如權(quán)利要求1所述的空心纖維盒，其中，所述塾的空心纖維具 有實(shí)體壁、多孔壁、或微孔壁。
6. —種空心纖維組件，其包括含有如權(quán)利要求1所述的盒的殼體。
7. —種空心纖維盒，其包括 具有周邊部分的空心纖維墊；所述墊的疊層，其中，每一所述墊的所述周邊部分與所述相鄰墊 的邊緣部分對(duì)準(zhǔn)，所述疊層具有主軸線和兩個(gè)端面，每一所述墊基本 上垂直于所述主軸線；至少一個(gè)端蓋，其與一個(gè)所述端面接合；以及封裝材料，其在所述墊的所述周邊部分形成壁，并且將所述端蓋 與所述疊層粘合。
8. 如權(quán)利要求7所述的空心纖維盒，進(jìn)一步包括與每一端面接 合的端蓋。
9. 如權(quán)利要求7所述的空心纖維盒，其中，空心纖維疊層進(jìn)一步包括擋板。
10. —種空心纖維組件，其包括含有如權(quán)利要求7所述的盒的殼體。
11. 如權(quán)利要求IO所述的空心纖維組件，進(jìn)一步包括所述盒和所 述殼體之間的頂部空間，并且所述頂部空間是被分隔的。
12. —種制造空心纖維盒的方法，其包括如下步驟 用空心纖維墊的疊層裝填具有主軸線的盒殼體，所述墊基本上垂直于所述軸線，并且每一墊具有周邊部分； 用蓋封閉殼體；灌封墊疊層的周邊部分，并且沿殼體的內(nèi)表面形成壁，將殼體的 下部與蓋接合；以及除去殼體側(cè)壁部分，并且暴露空心纖維的腔管。
13. —種制造空心纖維組件的方法，其包括以下步驟 將如權(quán)利要求12所述的空心纖維盒插入殼體中。
14. 如權(quán)利要求12所述的方法，其中，空心纖維具有實(shí)體壁、多 孔壁、或者^t孔壁。
15. 如權(quán)利要求12所述的方法，其中，蓋具有截錐體的形狀。
16. 如權(quán)利要求12所述的方法，其中，封裝材料是熱固材料或者 熱塑材料。
17. 如權(quán)利要求12所述的方法，進(jìn)一步包括固化封裝材料。
18. 如權(quán)利要求17所述的方法，其中，固化進(jìn)一步包括加熱盒。
19. 如權(quán)利要求17所述的方法，其中，固化包括在熱狗爐灶上加 熱盒。
20. 如權(quán)利要求13所述的方法，其中，盒被封閉至殼體中。
全文摘要
空心纖維盒，其包括空心纖維墊的疊層。該疊層具有主軸線和兩個(gè)端面。每一墊基本上垂直于該軸線。每一端面接合有端蓋。
文檔編號(hào)B01D61/00GK101287539SQ200680002467
公開日2008年10月15日 申請(qǐng)日期2006年1月10日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月26日
發(fā)明者加雷思·P·泰勒, 托尼·R·威島, 羅伯特·H·卡羅爾, 蒂莫西·D·坡賴斯 申請(qǐng)人:賽爾格有限責(zé)任公司