JP5680766B2 - 多孔質材料の加速混合ガス完全性試験 - Google Patents

Description

本発明は一般に、多孔質材料の妥当性確認試験の分野に関する。ある種の実施形態において、本発明は、加速混合ガス完全性試験方法、装置およびシステムを用いた多孔質材料の妥当性確認試験に関する。

多孔質材料は、製造された製品および原料の選別、包装、収容および輸送などの処理を含む多種多様な産業用途において重要な役割を果たしている。多孔質材料が使用される産業環境は、いくつか例を挙げると、製薬およびバイオテクノロジー産業、石油およびガス産業、ならびに食品加工および包装産業を含む。

食品加工産業だけでなく製薬およびバイオテクノロジー産業においても、多孔質材料（例えば、膜など）は、販売可能な最終製品から望ましくない、潜在的に有害な混入物質を除去するろ過装置として使用される。品質管理および品質保証は、これらのろ過装置が望ましい性能基準に適合していることを要求する。多孔質膜の完全性試験は、特定の装置が望ましい性能基準に合致していることを保証する手段を提供するものである。典型的には、多孔質膜の場合、完全性試験は、膜機能を損ない、それによって最終製品を有害なまたは望ましくない物質で汚染させる欠陥が膜にないこと（例えば、要求される寸法限界を超える亀裂が膜にないこと）を保証するものである。

多孔質膜（例えば、ろ過装置内の多孔質膜など）の性能基準を保証するのに適した完全性試験が以前から採用されており、例えば、ｉ）粒子チャレンジ試験、ｉｉ）液体−液体ポロメトリー試験、およびｉｉｉ）バブルポイント試験（米国特許第６，９８３，５０４号、第６，５６８，２８２号、第５，４５７，９８６号、および第５，２８２，３８０号、ならびにＰｈｉｌｌｉｐｓおよびＤｉＬｅｏ、１９９６、Ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌｓ ２４：２４３；ＫｎｉｇｈｔおよびＢａｄｅｎｈｏｐ、１９９０、８ｔｈ Ａｎｎｕａｌ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｐｌａｎｎｉｎｇ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ、Ｎｅｗｔｏｎ、ＭＡ；Ｂａｄｅｎｈｏｐ；ＭｅｌｔｚｅｒおよびＪｏｒｒｉｌｚ、１９９８、Ｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ Ｂｉｏｐｈａｒｍａｃｅｕｔｉｃａｌ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ、Ｍａｒｃｅｌ Ｄｅｋｋａｒ，Ｉｎｃ．、Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ、ＮＹ参照）を含む。

しかし、粒子チャレンジ試験、液体−液体ポロメトリー試験、バブルポイント試験および空気−水拡散試験には、それぞれ限界がある。

例えば、粒子チャレンジ試験は試験している膜を破壊するものであり、したがって任意の試料に対して一回しか実施することができない。粒子チャレンジ試験は使用後の膜の完全性試験には使用され得るが、膜生産ロットの性能確認を除いては、使用前の妥当性確認には適していない。しかし、ロットの妥当性確認は、生産ロット内の個々の膜の完全性に関してほとんど保証を与えない。加えて、試験手順および分析が難しく、複雑になる場合がある。

液体−液体ポロメトリー試験およびバブルポイント試験を含むフローベースの試験は、多孔質膜の保持性能の直接的普遍的な測定を提供するものではく、完全性試験のデータ（例えば、ガスまたは液体の拡散）と膜の保持性能との相関関係に基づいて性能を評価するものである。

また、フローベースの試験の中には、感度（例えば、多孔質膜の欠陥サイズ検出限界）が限られているものがある。

加えて、フローベースの試験は単層膜に限られるものであるため、多層装置の一つの多孔質層または膜にのみ存在する欠陥（複数可）はフローベースの試験を用いて検出することはできない。

二成分ガス完全性試験は、多孔質ろ過膜の望ましい性能基準を保証するのに適した代替的な完全性試験方法を提供し、多孔質ろ過膜における欠陥を検出する方法を提供するものである。

典型的には、二成分ガス膜完全性試験では、圧縮され、湿らせた（例えば、水で湿らせた）多孔質フィルターエレメント（例えば、膜）の供給側に二種類のガスが供給され、ここで、一方のガスが湿らせた水の層を他方のガスよりも速く透過する。供給ガスの一部は、供給側において一定のガス組成を維持するためのスイープ（ｓｗｅｅｐ）として用いられる。透過側のガス濃度が定常状態に到達するまで、ガス分析器が透過側の特定のガスの濃度をモニターするために使用される。そして、多孔質フィルターエレメントの完全性が、透過側における最終的なガス濃度によって判定され得る。

二成分ガス完全性試験方法において、多孔質フィルターエレメントの透過側における初期ガス濃度は、最終的な定常状態のガス濃度と同じではない。二成分ガス完全性試験を用いて多孔質フィルターエレメントの完全性を試験する場合、できるだけ迅速に試験を完了できることが望まれる。しかし、試験の迅速さは、多孔質フィルターエレメントの透過側に存在する先在ガスを洗い流すために必要な継続時間に制約される。

例えば、Ｍｉｌｌｉｐｏｒｅ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎに付与された米国特許第７，５９４，４２５号、「Ｍｅｔｈｏｄｓ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ ｆｏｒ Ｉｎｔｅｇｒｉｔｙ Ｔｅｓｔｉｎｇ ｏｆ Ｐｏｒｏｕｓ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ」は、先在ガスがシステムから洗い流されるまでろ過膜の透過側で測定された平衡ガス組成の判定が遅らされる二成分ガス完全性試験方法を教示している。先在ガスの「洗い流し時間」は、供給側から透過側へのガス拡散流量および下流である透過側の先在ガスの体積によって決まる。二成分ガス完全性試験におけるガス拡散流量が透過側の体積に比べて低い場合、洗い流し時間が試験を完了させるために必要な全時間を大幅に増加させるだけでなく、試験を完了させるために使用される供給ガスの消費を増やす場合がある。

したがって、いくつか例を挙げれば、多孔質単層材料、多層構成を有する多孔質材料、多孔質膜およびフィルター含む様々な多孔質材料に適し、多孔質材料の性能および完全性を評価するための非相関的で普遍的な標準を提供する、多孔質材料の完全性試験に対する必要性が存在する。比較的高速で高感度であり、試験されている多孔質材料を破壊せず、安価で実施しやすい完全性試験を提供することが望まれる。

加えて、欠陥によって多孔質材料の望ましい性能基準が損なわれてしまっていないかどうか、または、欠陥が性能基準に照らして重要なものではないかどうかを判定するため、多孔質フィルター材料層（複数可）、多孔質膜または多孔質エレメントにおけるいかなる欠陥（複数可）であってもそのサイズおよび密度の特性評価を可能とする完全性試験を提供することが望まれる。

望ましくは、このような完全性試験は、現在の完全性試験方法を使用するよりも迅速な多孔質材料層（複数可）の完全性の判定を提供することにより、試験コストを抑え、生産性を高めるものである。望ましくは、このような完全性試験は、試験されている多孔質材料の空気拡散流量の同時測定を可能にするものである。また、このような多孔質のフィルター材料層（複数可）、膜（複数可）またはエレメント（複数可）の完全性試験方法を実施可能な装置、または装置およびシステムに対する必要性も存在する。

米国特許第６，９８３，５０４号明細書 米国特許第６，５６８，２８２号明細書 米国特許第５，４５７，９８６号明細書 米国特許第５，２８２，３８０号明細書 米国特許第７，５９４，４２５号明細書

ＰｈｉｌｌｉｐｓおよびＤｉＬｅｏ、１９９６、Ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌｓ ２４：２４３ ＫｎｉｇｈｔおよびＢａｄｅｎｈｏｐ、１９９０、８ｔｈ Ａｎｎｕａｌ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｐｌａｎｎｉｎｇ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ、Ｎｅｗｔｏｎ、ＭＡ Ｂａｄｅｎｈｏｐ；ＭｅｌｔｚｅｒおよびＪｏｒｒｉｌｚ、１９９８、Ｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ Ｂｉｏｐｈａｒｍａｃｅｕｔｉｃａｌ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ、Ｍａｒｃｅｌ Ｄｅｋｋａｒ，Ｉｎｃ．、Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ、ＮＹ

上記の必要性に応え、本発明は、単純で迅速であり、繰り返し可能であって試験されている多孔質材料を破壊することのない、単層および多層の多孔質材料の完全性試験のための加速混合ガス完全性試験方法、システムおよび装置を提供する。本発明は、単層および多層の多孔質材料、エレメントおよび膜の完全性試験を完了させるために必要な時間を短縮することを対象とする。

ある種の実施形態において、本発明は、完全性の試験をされる湿らせた単層および多層の多孔質材料サンプル（例えば、多孔質膜、層、シート、フィルターエレメントなど）を受け入れるためのハウジングを有する加速混合ガス完全性試験装置を提供する。装置ハウジング内に配置されると、湿らせた多孔質サンプルは、供給側および透過側を有する。湿らせた多孔質サンプルの透過側では、ハウジングは、ｉ）プロセス凝縮器、ｉｉ）遊離水のＯ_２分析器への侵入を防ぐ、任意の疎水性膜、ｉｉｉ）水蒸気のＯ_２分析器への侵入を防ぐ、任意の乾燥剤、ｉｖ）絶対圧力伝送器、ｖ）熱電対プローブ、ｖｉ）ガス再循環部品、ｖｉｉ）一定な透過側ガス圧力を維持するためのガス圧力逃がし部品、ｖｉｉｉ）ガス組成分析器、およびｉｘ）５ポート切替弁と流体的に連絡している。

他の実施形態において、本発明は、加速混合ガス完全性試験方法を用いる加速混合ガス完全性試験装置に収納された単層および多層の湿らせた多孔質材料サンプル（例えば、多孔質膜、層、シート、フィルターエレメントなど）の完全性を判定する方法を提供する。

更に別の実施形態において、本発明は、本明細書において提供される加速混合ガス完全性試験方法および装置を用いた、単層および多層の多孔質材料の完全性を評価するシステムを提供する。

更に別の実施形態において、本発明は、本明細書において提供される加速混合ガス完全性試験方法を用いた、単層および多層の多孔質材料における少なくとも一つの欠陥の位置を特定する方法を提供する。

更なる実施形態において、本発明は、本明細書において提供される加速混合ガス完全性試験方法を用いた、単層および多層の多孔質材料における欠陥の特性評価を行う方法を提供する。

更に別の実施形態において、本発明は、本明細書において提供される加速混合ガス完全性試験方法を用いた、少なくとも一つの欠陥を含む一つまたは複数の多孔質液体ろ過膜の完全性を評価する方法を提供する。

更に他の実施形態において、本発明は、本明細書において提供される加速混合ガス完全性試験方法を用い、完全性試験方法が以下の一つまたは複数に左右されないように、多孔質材料の固有の特性に左右されない単層および多層の多孔質材料の完全性を評価する方法を提供する：
ｉ）試験されている単層および多層の多孔質材料の物理的性質、
ｉｉ）単層および多層の多孔質材料および／または試験されている多孔質材料を支持するハウジング内の体積変化、および
ｉｉｉ）試験されている単層および多層の多孔質材料の表面積。

一部の実施形態において、本発明は、単体の多孔質材料、例えば多孔質膜または多孔質層の完全性を評価するための普遍的な標準を提供する。

本発明のある種の実施形態は、単層および多層の多孔質膜、例えば、液体ろ過エレメントの完全性を、特定のガスの透過側ベースライン洗浄ガス濃度に対する濃度トレンドの方向（すなわち、安定、増加または減少）をモニターすることによって判定する方法を提供する。

本発明の一部の実施形態は、透過物における一つまたは複数のガスの濃度に基づいて単層および多層の多孔質材料の完全性を試験する方法を提供する。

本発明のある種の実施形態は、湿らせた単層または多層の多孔質材料を通過するガス拡散流量に左右されない加速混合ガス完全性試験方法を提供する。

ある種の実施形態において、本発明は、以下の部品の一つまたは複数を含む加速混合ガス完全性試験方法を提供する：
ｉ）透過側ガスパージ部品、
ｉｉ）ハウジング内に位置させた透過側体積縮小部品、および
ｉｉｉ）透過側循環部品。

本発明の他の実施形態は、本明細書において提供される加速混合ガス完全性試験方法および装置を用い、一つもしくは複数のセンサー装置（例えば、透過側ガス組成物をサンプリングおよび／または分析する装置）、一つもしくは複数のコンピューター（例えば、パーソナルコンピューター）、インターネット接続、一つもしくは複数のネットワーク、ならびに／または一つもしくは複数のデータベースを更に含んでもよい、単層および多層の多孔質材料の完全性を評価するためのシステムを提供する。

更に別の実施形態において、本発明は、供給側ガス圧力を段階的に増加または低下させることによって単層および多層の多孔質材料の欠陥サイズ分布を評価するための加速混合ガス完全性試験方法を提供する。

本発明の他の実施形態は、透過物に存在するガス混合物組成を用いた単層および多層の多孔質材料の完全性を評価する、加速混合ガス完全性試験方法を提供する。

本発明の更なる目的および利点は、一部は以下の説明に記載されており、一部はその説明から明らかとなる、または本発明の実施により知られることになる。本発明の目的および利点は、添付の請求項において具体的に指摘される要素、プロセス、システムおよび組合せによって実現され、達成される。

本明細書に記載される具体的な実施形態は、単に例として示されたものであり、何ら制限を意図したものではない。上記の一般的な説明および以下の詳細な説明は共に例示であって説明のためのものに過ぎず、請求項に記載された本発明を制限するものではないことが理解されるべきである。

一般に、図面のそれぞれは、本発明の実施形態およびその構成要素の模式的、代表的図解を提供するものである。物体の相対的な位置、形状および／またはサイズは、本明細書における説明および提示を容易にするために誇張および／または単純化されている。

本明細書において教示される本発明の実施形態に係る多孔質材料用加速混合ガス完全性試験システムの模式断面である。 本明細書において教示される本発明の実施形態に係る加速混合ガス完全性試験システム（ＧＩＴ−１００）の概略図である。 先行技術の二成分ガス試験方法と比較した、三つの変数条件（すなわち、透過側ガス体積、透過側ガスパージおよびガス循環）の本明細書において教示される本発明の実施形態に係る二成分ガス完全性試験時間に及ぼす影響を示すグラフである。 試験開始時に多孔質材料の透過側のガス濃度が選択された供給側のガスの組合せの平衡値に近い場合に、多孔質材料における欠陥を発見するのに必要とされる時間の長さを示すグラフである。完全であると推定される一つの多孔質材料に対して加速二成分ガス試験がいくつか実施され、四つの変数条件の二成分ガス試験出力に対する影響が測定された。第一の条件は、リーク弁ＳＶ−１０６を試験中は閉じた状態で、試験の透過側に設けられた既知の直径のレーザー穿孔開口を用いて修正された二成分ガス試験設定を使用することによって引き起こされた、完全であると推定される多孔質材料の試験反応を示す。残りの条件は、以下に記載されるように、リーク弁（ＳＶ−１０６）を試験中は開いた状態で、試験の透過側に設けられた既知の直径のレーザー穿孔開口を用いて修正された二成分ガス試験設定を使用することによって引き起こされた、完全であると推定される多孔質材料の試験反応を示す。図４Ａは、単層多孔質材料装置の場合の示された挙動を示す。 試験開始時に多孔質材料の透過側のガス濃度が選択された供給側のガスの組合せの平衡値に近い場合に、多孔質材料における欠陥を発見するのに必要とされる時間の長さを示すグラフである。完全であると推定される一つの多孔質材料に対して加速二成分ガス試験がいくつか実施され、四つの変数条件の二成分ガス試験出力に対する影響が測定された。第一の条件は、リーク弁ＳＶ−１０６を試験中は閉じた状態で、試験の透過側に設けられた既知の直径のレーザー穿孔開口を用いて修正された二成分ガス試験設定を使用することによって引き起こされた、完全であると推定される多孔質材料の試験反応を示す。残りの条件は、以下に記載されるように、リーク弁（ＳＶ−１０６）を試験中は開いた状態で、試験の透過側に設けられた既知の直径のレーザー穿孔開口を用いて修正された二成分ガス試験設定を使用することによって引き起こされた、完全であると推定される多孔質材料の試験反応を示す。図４Ｂは、多層多孔質材料装置の場合の示された挙動を示す。

本明細書において引用される出版物、特許および特許出願は全て、上記、下記を問わず、個々の出版物、特許または特許出願が参照により組み込まれることが具体的および個別に示されたのと同様に、全体が参照により組み込まれる。

本明細書および添付の請求項の目的のため、別段の指示がない限り、本明細書および特許請求の範囲において使用された原材料の量、材料の割合または比率、反応条件を表す数およびその他の数値は全て、あらゆる場合において「約」という語で修飾されていると理解されるべきである。

したがって、逆の記載がない限り、以下の明細書および添付の請求項に記載された数値パラメーターは、本発明によって得ることが求められる望ましい性質に応じて変化し得る近似値である。少なくとも、また、特許請求の範囲への均等論の適用を制限しようとする試みとしてではなく、各数値パラメーターは、少なくとも報告された有効数字を考慮し、通常の丸め技法を適用することによって解釈されるべきである。

本発明の広い範囲を示す数値範囲およびパラメーターは近似値であるが、具体例で記載される数値はできるだけ正確に報告されている。しかし、いずれの数値も、それぞれの試験測定でみられる標準偏差から必然的に生じるある程度の誤差を本質的に含んでいる。更に、本明細書において開示される範囲は全て、それらの中に包含される下位範囲を全て含むものと理解されるべきである。例えば、「１から１０まで」という範囲は、最小値１および最大値１０の間（最小値１および最大値１０を含む）のあらゆる下位範囲、すなわち、１以上の最小値および１０以下の最大値を有するあらゆる下位範囲（例えば、５．５から１０まで）を含む。

本発明を更に詳細に説明する前に、用語がいくつか定義される。これらの用語の使用は、本発明の範囲を制限するものではなく、本発明の説明を容易にする役目を果たすものに過ぎない。

本明細書において使用された場合、単数形の「ａ」、「ａｎ」および「ｔｈｅ」は、文脈がそうでないことを明白に示していない限り、複数の指示対象を含む。

本明細書において使用された場合、「完全な」という表現は、多孔質単層もしくは多孔質膜、多孔質多層物、または複数の多孔質膜などの多孔質材料について言及している場合、欠陥のない多孔質材料を意味する。

本明細書において使用された場合、「不完全な」という表現は、多孔質単層または多孔質膜、多孔質多層物および複数の多孔質膜などの多孔質材料について言及している場合、欠陥のある多孔質材料を意味する。多孔質層または膜における欠陥の例としては、大きすぎる細孔、多層エレメントを形成するために一緒に接着された複数の多孔質層または膜の不適切な接着（例えば、層間剥離または分離）、および多孔質層または多孔質膜上の欠陥が挙げられるが、これらに限られない。

本明細書において使用された場合、「多孔質材料」という表現は、一つまたは複数の多孔質の膜、シート、ロッド、ディスク、チューブ、層、フィルター、フィルターエレメント、ろ過媒体、容器、瓶のキャップ、シリンダー、ホース、カセット、カラム、チップ、ビーズ、プレート、モノリスおよびこれらの組合せを含むが、これらに限られない。加えて、多孔質材料は、プリーツ状でも平坦でもよく、これらの組合せであってもよい。

本明細書において使用された場合、単体の多孔質層または膜に対する「普遍的な基準」という表現は、試験結果が、多孔質材料の個々の層または膜に対し、多孔質材料の性質の相関関係または外挿に依存しない、性能基準の直接測定を与えることを意味する。したがって、試験の結果得られる値は、多孔質材料の性質に左右されない。

方法条件
ある種の実施形態において、本明細書において教示される加速混合ガス試験方法は、多孔質材料の完全性を直接判定するため、多孔質材料を湿らせるために用いられる液体に対する透過性が異なる少なくとも二種類のガスを使用する。

本発明の加速混合ガス試験方法が実施される条件は、当業者によって選択されてよい。例として、本発明の方法は、約０℃から約１００℃の範囲、約４℃から約６０℃の範囲、約１０℃から約５０℃の範囲、および約１５℃から約３０℃の範囲の温度で実施されてもよい。他の実施形態において、本発明は、約２０℃の温度で実施される。別の実施形態において、本発明は、約４℃の温度で実施される。

本明細書において提供される加速混合ガス完全性試験方法が実行される場合、多孔質材料の供給側のガス圧力は、多孔質材料の透過側のガス圧力よりも高く、多孔質材料の供給側のガス圧力は、多孔質材料のバブルポイントよりも低い。

当業者は、本明細書において教示される加速混合ガス完全性試験方法を実施する場合、作動供給ガス圧力などの変数が多孔質材料の要件、感度限界、およびオペレーターの便宜に合わせて変えられ得ることを理解する。

供給ガス圧力の非制限例は、約１ＰＳＩから約１００ＰＳＩの範囲、約１０ＰＳＩから約７０ＰＳＩの範囲、約５ＰＳＩから約６０ＰＳＩの範囲、および約２０ＰＳＩから約４５ＰＳＩの範囲を含む。

他の実施形態において、本発明は、約３０から約５０ＰＳＩの供給ガス圧力で実施される。他の実施形態において、本発明は、約５０ＰＳＩの供給ガス圧力で実施される。また、追加の実施形態において、本発明は、約３０ＰＳＩの供給ガス圧力で実施される。また、他の実施形態において、本発明は、約１５ＰＳＩの供給ガス圧力で実施される。

供給ガス混合物における各ガスの割合は、当業者によって選択されてよい。例として、二種類のガスが使用される場合、第一のガスは約０．００１％から約９９．９９９％の範囲の割合の体積で使用されてよく、第二のガスは約０．００１％から約９９．９９９％の範囲の割合の体積で存在してもよい。

当業者は、本明細書において教示される加速混合ガス試験方法が実施される場合、作動圧力、液体組成、ガス種およびガス組成などの変数が、多孔質材料の要件、感度限界、およびオペレーターの便宜に合わせて変えられ得ることを理解する。また、多孔質材料の機能特性（例えば、細菌、ウイルス、マイコプラズマなどの標的種の保持率）が、本明細書において提供される方法、装置およびシステムに従って判定される多孔質材料の完全性測定と関連づけられ得ることも当業者によって理解される。

本明細書において教示される本発明の加速混合ガス完全性試験方法のある種の実施形態は、多孔質層（複数可）、多孔質膜（複数可）または多孔質材料の完全性を評価する方法を提供する。完全性試験方法は、多孔質層、膜または材料が意図された目的のために使用される前に実施されても後に実施されてもよく、必要であれば、二回以上繰り返されてもよい。

本明細書において教示される本発明の加速混合ガス完全性試験方法は、当業者が液体、ガスおよび多孔質材料の組合せを個別の必要性に応じて選択することを可能にする。更に、本明細書において提供される完全性試験方法は、前述の空気拡散試験方法に比べて多孔質材料の完全性を評価する感度を向上させる。したがって、本発明の加速混合ガス完全性試験方法のある種の実施形態は、多孔質の層（複数可）、膜（複数可）または材料（複数可）において、空気−水拡散試験のみで検出される欠陥よりも約１から１００倍、約２から５０倍および約１０から５０倍小さい欠陥を検出する方法を提供する。

様々な多孔質材料について、欠陥が多孔質材料の保持性に及ぼす与える作用が評価されてもよい。

多孔質材料における欠陥のサイズおよび／または欠陥のポピュレーション密度の定量化が望まれる場合、本明細書において提供される完全性試験方法は、例えば、透過側流量を含むガス圧力を上昇させると、複数のデータ点が測定されるようにガス圧力勾配モードで実施されてもよい。

加速空気二成分ガス試験方法の追加の実施形態は、多孔質材料における欠陥をサイズの関数として定量化する方法を提供する。当業者は、検出範囲が例えば、使用された多孔質材料の面積、ガスの選択、湿らせる流体の選択および試験圧力（複数可）によって影響されることを認識する。

多孔質材料
本発明の完全性試験方法は、ガスまたは液体を用いて完全性を試験されることが可能な任意のサイズの任意のフィルター媒体と共に使用され得る。完全性を試験されるために選択される多孔質材料は、用途、望ましいろ過特性、ろ過される粒子の種類およびサイズ、ならびに望ましい流れに応じて決まる。

多孔質材料の一つまたは複数の層または膜の完全性は、本明細書において提供される加速空気二成分ガス完全性試験方法、装置およびシステムを用いて評価されてもよい。

多孔質材料は、有機および／または無機材料を含んでもよい。

加えて、多孔質材料は、親水性材料、疎水性材料、疎油性材料、親油性材料またはこれらの任意の組合せを含んでもよい。多孔質材料は、ポリマーおよび／またはコポリマーを含んでもよく、ポリマーおよびコポリマーは架橋されていてもよい。

多孔質材料は、ポリエチレン（例えば、超高分子量ポリエチレン）、ポリプロピレン、ＥＶＡコポリマーおよびαポリオレフィンを含むポリオレフィン、メタロセンオレフィンポリマー、ＰＦＡ、ＭＦＡ、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリカーボネート、ＰＶＣなどのビニルコポリマー、ポリアミド（例えば、ナイロン）、フッ化炭素（例えば、ポリ（テトラフルオロエチレン−ｃｏ−パーフルオロ（アルキルビニルエーテル））、ポリエステル、セルロース、酢酸セルロース、再生セルロース、セルロース複合材料、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリアリールスルホン、ポリフェニルスルホン、ポリアクリロニトリル、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）などのポリマー、ならびにこれらをブレンドしたものを含むがこれらに限られない任意の適切な材料を含んでもよい。ポリマーに加えて、多孔質材料は、ガラス繊維、セラミック、金属ならびにこれらの組合せおよび／またはこれらの混合物を更に含んでもよい。

ある種の実施形態において、多孔質材料は、例えば、溶質の一つまたは複数の性質（例えば、溶質のサイズ）に基づいて溶質を除くことが可能な多孔質液体ろ過膜を含む。

ある種の実施形態において、多孔質液体ろ過膜の細孔は、溶液中の特定のサイズ（例えば、直径または特定の分子量）の溶質粒子を通過させるには小さすぎるものであってもよい。加えて、溶質粒子の一部または全部が溶液に溶解されていても、溶解されていなくてもよい。

ある種の実施形態において、多孔質材料は、単体の膜または複数の膜の形態であってもよい。多孔質材料は、例えば、中空の繊維、チューブ状の形態、平板、ディスク、またはらせん状に巻かれたものでもよい。

多孔質材料は、ろ過装置ハウジング（例えば、シリンダー、カセットなど）に収容され得る。

多孔質膜における細孔構造は、対称でも非対称でもよい。

多孔質膜は、ろ過される液体から混入物質、感染性の細菌、ウイルスおよびマイコプラズマ、環境有害物質ならびに汚染物質を含む任意の望ましくない物質を分離または除去するための液体のろ過に使用されてもよい。

多孔質材料が二以上の層または膜で構成されているある種の実施形態において、多孔質材料内に形成された単数または複数の隙間空間からサンプルを得るための出口またはポートが設けられてもよい。

多孔質材料は、単なる例として、微多孔膜、ナノろ過膜、限外ろ過膜、精密ろ過膜および逆浸透膜を含む。

液体および湿潤剤
任意の適切な液体が本明細書に教示される発明に従って完全性の試験をされている多孔質材料用の湿潤剤として使用され得る。湿潤剤の選択は、当業者の通常の技能レベルの範囲内であり、多孔質材料の化学的および物理的性質に基づいて判断されてよい。多孔質材料は、湿潤性については様々であり、湿潤性は接触角を用いて表されることが多い。

本発明の加速混合ガス完全性試験方法は、例えば、非水性溶媒を選択する、または例えば、イソプロピルアルコール７０％と水３０％との混合物などの低表面張力流体で疎水性膜を予め湿らせ、低表面張力流体を水と交換することによって、疎水性膜にも適用され得る。

したがって、当業者は、完全性の試験をされている多孔質材料の化学的性質を考慮に入れて液体が選択されてもよいことを理解する。非制限例としては、多孔質材料が親水性材料で構成されている場合、適切な液体は、水または水で構成されている溶液を含む。溶液は、例えば、塩および含酸素炭化水素、例えばアルデヒドもしくはアルコール、またはイソプロピルアルコールなどの純アルコールを含有する水性の溶液であってもよい。

多孔質材料が疎水性材料を含む場合、適切な液体は、例えば、ドデカン、ペルフルオロ化合物、四フッ化炭素、ヘキサン、アセトン、ベンゼンおよびトルエンなどの任意の有機溶媒を含む。

ガス
本明細書において教示される加速混合ガス試験方法は、液体およびガスの成分ならびに組成の選択に関して柔軟性を提供する。ある種の実施形態において、完全性の試験をされている多孔質材料を湿らせるために選択された液体に対する透過性が異なる供給ガスを選択することが望まれる。一部の実施形態において、三種類以上のガスが使用されてもよい。

一般に、湿らせる液体に対するガス透過性が大きく異なるガスの組合せ、および一方の種が微量濃度であって、他方がバルク種として存在するガス組成を選択することが有用である。例えば、供給ガス組成は、窒素、酸素、二酸化炭素、ヘリウム、水素およびヘキサフルオロエタンなどの普通種を用いた二成分ガス混合物を多孔質材料用の細孔充填用液体湿潤剤としての水と共に使用する場合、約０．００１から１まで変化し得る。

ドデカンなどの疎水性液体を用いた試験の場合、ガスの対は、Ｈｅ、Ｈ_２およびＮ_２などの低透過性ガスと、対になるエタン、プロパンおよびブタンなどの高透過性ガスを含むことができる。ある種の実施形態において、ガスの少なくとも一方はフレオン（例えば、ヘキサフルオロエタン）であってもよい。他の実施形態において、ガスの少なくとも一方は希ガスである。更に他の実施形態において、ガスの少なくとも一方はＣＯ_２である。

更なる実施形態において、供給ガス成分の少なくとも一種は、ガス混合物で構成される。ガス成分のそれぞれが二種以上のガスの混合物として供給される場合、混合物は、多孔質材料に接触する前に予め混合されてもよい。広範囲のガス組成が利用可能であり、例えば、ＣＯ_２中のヘキサフルオロエタンの供給ガス混合物は、０．１％未満から９９．９％超まで、異なり得る。

ある種の実施形態において、供給ガス組成は、Ｏ_２とＮ_２との混合物からなる圧縮空気を含む。当業者であれば、既知の性質に基づいて適切なガスおよびガス混合物を選択できる。

システムおよび装置
図１および図２に概略的に示された完全性試験システム（ＧＩＴ−１００）は、完全性の試験をされている多孔質材料サンプル（例えば、多孔質膜またはろ過エレメント）（ＰＤ−１００）を受け入れるのに適した装置ハウジング（ＰＳ−１０８、ＰＳ−１０９）を有する装置（ＥＢ−１００）を含む。ある種の実施形態において、本発明は、多孔質材料サンプル（ＰＤ−１００）の完全性を判定するのに適した加速空気二成分ガス試験システム（ＧＩＴ−１００）を提供する。

図２に示すように、供給ガス源（ＣＡ−１００）は、圧縮空気などの二成分ガス源を含む。これに代えて、およびまたはこれに加えて、装置（ＥＢ−１００）は、システムを通過するガスの流れを制御するための一つまたは複数の弁（例えば、二方弁、三方弁、四方弁）を備える。多孔質サンプル材料（ＰＤ−１００）の完全性試験のための一実施形態において、多孔質サンプルはまず、水などの液体で湿らされてから装置ハウジング（ＰＳ−１０８、ＰＳ−１０９）の中に入れられる。本発明のある種の実施形態において、乾燥状態の多孔質サンプルが多孔質材料サンプルハウジング（ＰＳ−１０８、ＰＳ−１０９）の中に入れられ、所定位置でハウジングと共に水などの液体で湿らされる。

多孔質サンプルハウジング（ＥＢ−１００）の供給側は、供給ガス源（ＣＡ−１００）、二方弁（ＡＶ−１０５）、電空レギュレーター（Ｉ／Ｐ−１０１）、質量流量計（ＦＩ−１００）、絶対圧力伝送器（ＰＴ−１０１）、温度伝送器（ＴＴ−１０１）、水トラップ、排出弁（ＳＶ−１０２）および流量制御弁（ＭＶ−１００）と流体的に連絡している。

圧縮空気（この場合、Ｏ_２およびＮ_２が使用され得る二成分ガスのペアの非制限的例である。）などの供給源（ＣＡ−１００）からの供給ガスが、弁（ＡＶ−１０５）を通じてハウジング（ＥＢ−１００）の供給側（ＦＳ）に供給され、流量制御弁（ＭＶ−１００）を通して大気へと送られる。

電空レギュレーター（Ｉ／Ｐ−１０１）が、ハウジング（ＥＢ−１００）内の湿らせた多孔質サンプル（ＰＤ−１００）の供給側（ＦＳ）の絶対圧力（ＰＴ−１０１）を湿らせた多孔質材料サンプルハウジング（ＥＢ−１００）の透過側（ＰＳ）で測定される絶対圧力（ＰＴ−１００）に対して一定の比率に制御するために使用される。圧力は、供給側（ＦＳ）の絶対圧力（ＰＴ−１０１）がハウジング（ＥＢ−１００）内の湿らせた多孔質サンプル（ＰＤ−１００）の透過側（ＰＳ）で測定された絶対圧力（ＰＴ−１００）が乗じられた圧力比係数（「ＰＲ」）に等しい値に設定されるように（例えば、供給側圧力が透過側の絶対圧力の約２倍となるように）制御される。圧力比係数（「ＰＲ」）の適切な値は、２、３．５および１０などの値を含む約２から約１０までの範囲の値を含むが、これらに限られない。

流量制御弁（ＭＶ−１００）（例えば、二方弁）は、試験システム（ＧＩＴ−１００）の供給側（ＦＳ）で、湿らせた多孔質サンプル（ＰＤ−１００）に関して一定の供給側ガス濃度を維持するために望ましい供給側スイープ流量に調整される。供給側流量は、実際の流れ（ＦＩ−１００）が、測定された透過側流（ＦＩ−１０２）を乗じた流量比係数（「ＦＲ」）に等しくなるように（例えば、供給側流量が透過流量の２００倍となるように）設定される。流量比係数の適切な値は、２００、３５０および１０００などの値を含む、約２００から約１０００の範囲の値を含むが、これらに限られない。

湿らせた多孔質サンプルハウジング（ＥＢ−１００）の透過側は、プロセス凝縮器（ＰＣ−１００）、絶対圧力トランスデューサー（ＰＴ−１００）、温度伝送器（ＴＴ−１００）、二方洗浄弁（ＡＶ−１０２）、二方遮断弁（ＡＶ−１０３）、ダイヤフラム圧縮機（ＤＰ−１００）、精密背圧調節弁（ＢＰＲＶ−１００）、Ｏ_２分析器（Ｏ２−１００）、５ポート切替弁（ＡＶ−１０４）、水トラップ（ＷＴ−１００）および二方排出弁（ＳＶ−１０１）と流体的に連絡している。

二成分ガス試験設備（ＧＩＴ−１００）の透過側を加速完全性試験用に準備するため、大気濃度に近い既存ガスが洗い流され、選択された試験条件（供給側ガス組成、圧力比、流量比など）下で試験されている多孔質材料装置に対して予測される平衡濃度に等しいまたは近いガスに置換される。

二方弁（ＳＶ−１０１）は、水を排出させるために二成分ガス試験システム（ＧＩＴ−１００）の透過側（ＰＳ）で開かれる。排出されると、弁（ＳＶ−１０１）は閉じられる。５ポート切替弁（ＡＶ−１０４）は、ポート５およびポート４が接続し、ポート１とポート２が接続するように調整される。二方洗浄弁（ＡＶ−１０２）と二方遮断弁（ＡＶ−１０３）が開かれる。ダイヤフラム圧縮機（ＤＰ−１００）が作動させられる。過剰流が背圧調節弁（ＢＰＲＶ−１００）を介してパージされ、一定の安定したガス流がＯ_２分析器（Ｏ２−１００）に送られる。

平衡洗浄ガス混合物源（ＭＧ−１００）が、望ましい洗浄ガス流量が設定された質量流量制御器（ＦＣ−１００）の入口側に充填される。洗浄ガスは、質量流量制御弁（ＦＣ−１００）から５ポート切替弁（ＡＶ−１０４）を通って多孔質材料サンプル（ＰＤ−１００）の透過側へと流れ、プロセス凝縮器（ＰＣ−１００）を通過する。洗浄流のほとんどは弁（ＡＶ−１０２）を通って大気へと放出されるが、一部はダイヤフラム圧縮機（ＤＰ−１００）を通過してＯ_２分析器（Ｏ２−１００）へと流入し、５ポート切替弁（ＡＶ−１０４）のポート２を通って大気へと放出される。洗浄ガス流量は、二成分ガス試験設備（ＧＩＴ−１００）の透過側（ＰＳ）ループの体積に対して最適化される。透過側（ＰＳ）ループ洗浄は、Ｏ_２分析器（Ｏ２−１００）の示度が安定すると完了したとみなされる。

透過側（ＰＳ）洗浄の完了時、洗浄ガス流量が制御弁（ＦＣ−１００）を用いて流れゼロまで低下される。透過側ループ（ＰＳ）弁が、試験期間中、多孔質材料サンプル（ＰＤ−１００）の透過側およびＯ_２分析器（Ｏ２−１００）を介して透過側ガスを循環させるように設定される。

多孔質材料（ＰＤ−１００）の透過側（ＰＳ）からのガスは、完全性試験期間中循環する。洗浄弁（ＡＶ−１０２）は閉じ、遮断弁（ＡＶ−１０３）は開いており、ダイヤフラム圧縮機（ＤＰ−１００）は作動状態である。欠陥による漏れおよび／または多孔質材料サンプル（ＰＤ−１００）の供給側（ＦＳ）から多孔質材料サンプル（ＰＤ−１００）の透過側（ＰＳ）への拡散流動の結果生じる過剰流は、背圧調節装置（ＢＰＲＶ−１００）を介して大気へとパージされる。安定した流れがＯ_２分析器（Ｏ２−１００）を介して、ポート１とポート４が接続しポート３とポート２が接続している５ポート切替弁（ＡＶ−１０４）へと送られる。すると、サンプル流が水トラップ（ＷＴ−１００）を通過し、多孔質材料サンプル（ＰＤ−１００）の透過側（ＰＳ）へと戻る。

多孔質材料サンプルの完全性は、以下の一つまたは任意の組合せによって判断され得る：（ｉ）特定の試験時間に測定される透過側（ＰＳ）再循環ガスの絶対濃度および（ｉｉ）特定の試験期間中の透過側（ＰＳ）再循環ガスの濃度勾配。

本明細書において提供される加速混合ガス完全性試験システム（ＧＩＴ−１００）は、二成分ガス完全性試験時間を短縮するものであり、ある種の実施形態において、以下の部品の一つまたは複数を含む：
（ｉ）透過側循環ループにおける過剰ガスを除去し、透過物中のガス濃度を試験されている多孔質材料の選択された試験条件（供給側ガス組成、圧力比、流量比など）下での平衡濃度にする、または平衡濃度に近づける多孔質サンプル透過側ガスパージ部品（例えば、圧力逃がしシステム（ＢＰＲＶ−１００））、
（ｉｉ）下流である透過側（ＰＳ）の体積縮小のためにハウジング（ＥＢ−１００）内に位置させた多孔質サンプル透過側（ＰＳ）体積縮小部品（例えば、固体ポリマーシリンダー挿入物（ＰＳ−１０５））、および／または
ｉｉｉ）多孔質サンプル透過側（ＰＳ）循環部品（例えば、再循環圧縮機（ＤＰ−１００））。

透過側ガスパージ部品
ある種の実施形態において、本発明は、透過物中の過剰ガスを除去し、透過物中のガス濃度を試験されている多孔質材料（ＰＤ−１００）の選択された試験条件（供給側ガス組成、圧力比、流量比など）下での平衡にするまたは平衡に近づける透過側（ＰＳ）ガスパージ部品を有する加速二成分ガス完全性試験方法を提供する。

本発明に係る加速空気二成分ガス完全性試験システム（ＧＩＴ−１００）の一実施形態において、先在の透過側ガスを洗い流して、ベースライン透過側（ＰＳ）ガス濃度を確立するために、望ましいＯ_２濃度を有するＯ_２富化空気が５ポート弁（ＡＶ−１０４）のポート５とポート４によって創出される流路を通じて導入される。

５ポート弁（ＡＶ−１０４）のポート１とポート２が接続され、過剰ガスをベントするために大気に解放する。弁（ＡＶ−１０２）は、より高い洗浄ガス流量を可能にするために開かれ得る。ガス洗浄の完了時に、５ポート切替弁（ＡＶ−１０４）は、ポート１とポート４が接続して流路を創出し、ポート３とポート２が接続して流路を創出するように設定される。透過側（ＰＳ）ガスは、ダイヤフラム圧縮機（ＤＰ−１００）によってＯ_２分析器（Ｏ２−１００）を通って循環される。

空気拡散流量は、質量流量計（ＦＩ−１０２）を圧力逃がしシステム（ＢＰＲＶ−１００）の出口に接続することによって加速二成分ガス試験中に測定され得る。

完全な多孔質のフィルター、膜などの場合の平衡Ｏ_２透過濃度は、供給側（ＦＳ）圧力が約５４．８ｐｓｉａ（ポンド／平方インチ絶対圧力）、透過（ＰＳ）圧力が約１４．８ｐｓｉａの場合約３０．６％である。

透過側ガス再循環部品
ある種の実施形態において、本発明は、透過側循環部品を有する加速二成分ガス完全性試験方法を提供する。

ガス循環は、ハウジング（ＥＢ−１００）および完全性の試験をされている多孔質材料（ＰＤ−１００）と流体的に連絡した圧縮機（ＤＰ−１００）を使用して達成されてもよい。ある種の実施形態において、ガス循環の利点は、試験時間の短縮に加え、使用される試薬の量を制限するという点で、経済的であり環境保護的であるという点を含む。ガス循環は、定常状態を達成する必要性を排除し、したがって以前から知られた完全性試験に比べて迅速に結果を提供する。

加えて、試験されている多孔質サンプル材料（ＰＤ−１００）における欠陥または複数の欠陥の位置特定が、完全性試験を完了させるための時間に影響し得る。例えば、図１に示される透過出口端（ＰＳ−１０１）付近に位置する場合のように、多孔質材料の底に欠陥がある場合、欠陥が同じく図１に示される透過入口端（ＰＳ−１００）により近い位置にある場合に比べて完全性試験完了までの時間は長くかかる。しかし、試験されている多孔質材料のどこに欠陥または複数の欠陥が位置していても、空気拡散試験または以前から知られている二成分ガス完全性試験方法を使用する場合に比べ、試験時間は本明細書において教示される加速空気二成分ガス完全性試験方法を使用して短縮される。

更に、本明細書において教示される加速空気二成分ガス完全性試験方法は、本技術分野において周知の実質的にあらゆる種類の検出器に適応するように容易に構成され得るため、ある種の実施形態において、本発明は、直接的な視線を必要とする煩雑な検出手段（例えば、光音響検出器）の使用を避け得る。本明細書において教示される加速空気二成分ガス完全性試験方法は、前述の技術に比べてより小さな欠陥の検出を可能にし得る。

透過側体積縮小部品
図１に示されるように、本発明のある種の実施形態は、透過側体積縮小のためにハウジング（ＥＢ−１００）内に位置させた透過側（ＰＳ）体積縮小部品（ＰＳ−１０５）を有する加速二成分ガス完全性試験方法を提供する。本発明のある種の実施形態において、透過側体積縮小部品（ＰＳ−１０５）は、透過循環ループ流路の脚部を収容するための軸方向穴を組み込んでもよい。

加えて、ハウジング（ＥＢ−１００）は、例えば、図１に示されるシリンダー（ＰＳ−１０５）またはシリンダー形状の部品などの固体部品挿入物を内部に位置させていてもよい。固体部品挿入物（ＰＳ−１０５）は、透過側（ＰＳ）体積縮小を実現するためにポリマーまたは他の固体材料から作製され得る。挿入物（ＰＳ−１０５）は、透過側（ＰＳ）に実施者によって決定された適量の体積縮小を実現するためにハウジング（ＥＢ−１００）内で望ましい容量の空間を占める限り、様々な非制限的形状を取り得る。

多孔質材料の完全性試験を完了させるために必要とされる時間を短縮するため、例えば、周知の二成分ガス完全性試験方法を用いて多孔質材料の完全性の試験をする場合に典型的に経験するように、選択された試験条件（供給側ガス組成、圧力比、流量比など）下で試験されている多孔質材料装置（ＰＤ−１００）に対して予測される平衡濃度のガス組成、または試験されている多孔質材料装置（ＰＤ−１００）に対して予測される平衡濃度に近いガス組成を用いて透過側に先在するガスがまず洗い流される。次に、透過側ガス循環ループにおける特定のガス成分（例えば、Ｏ_２）の濃度がモニターされ、多孔質材料（ＰＤ−１００）の完全性が、モニターされている特定のガス（例えば、Ｏ_２）の透過側ベースライン洗浄ガス濃度に対する濃度トレンドの方向（すなわち、安定、増加または減少）によって判定され得る。

例えば、米国特許第７，５９４，４２５号に教示されている二成分ガス完全性試験方法においては、膜の透過側で測定された平衡ガス組成の判定は、先在ガスがシステムから洗い流されるまで遅らされる。先在ガスの「洗い流し時間」は、透過ガス流量および先在ガスの透過側の体積によって決まる。透過流量が透過側体積に比べて低い場合、洗い流し時間は、実施される試験時間を完了させために必要とされる全時間および供給ガスの消費を大幅に増加させる場合がある。

多層膜装置
本明細書において提供される加速空気二成分ガス完全性試験方法、システムおよび装置は、多孔質多層装置の完全性試験を実施することができる。そのような多層装置は、ある種の実施形態においてはハウジング、カートリッジなどの内部に構成または収容されていてもよい多孔質材料の二以上の層または膜で構成された装置を含む。多層装置は、多孔質材料の層または膜を２つ、３つ、４つまたはそれ以上含んでもよい。多層装置の第一の多孔質層は、装置に入ってくる液体サンプルによって最初に接触される層であってもよい。多層装置の最後の多孔質層は、液体サンプルが装置を出る層であってもよい。

一部の実施形態において、多層装置は、多孔質材料の隣接する、または積層された層間に配置され、多層装置の完全性試験を容易にし得るスペーサー（図示せず）を含んでもよい。スペーサーは、例えば、多孔質の不織支持体であってもよい。

他の実施形態において、多層装置は、多孔質材料の層間にスペーサーを含まない。一部の実施形態において、多孔質材料の層は、層が各隣接層にごく近接した状態で積層されていてもよい。

一部の実施形態において、多孔質材料の積層された層は、隣接層と接触していてもよい。ある種の実施形態において、空気またはガスポケットが多孔質材料の層間に自然に形成されてもよい。

他の実施形態（例えば、装置の少なくとも一つの層が非対称の膜を含む場合）において、多層装置の少なくとも一つの層内に空気またはガスポケットが形成されてもよい。空気またはガスポケットは、精密ろ過膜などの高多孔性の膜中に形成されてもよい。

ある種の実施形態において、隣接層と接触して積層された多孔質材料の多数の層は、装置の保持能力を維持するために有利に機能し得る。例えば、多孔質材料の層がごく近接している装置内の多孔質材料の一つの層にある亀裂または欠陥は、装置の保持能力に対して最小限の影響しか与えないものとなり得る。

本発明は、多孔質材料の完全性を評価するためのシステムを更に提供する。システムは、上で説明された完全性試験装置を備え、複数のガスおよび追加のセンサー装置（例えば、透過流をサンプリングおよび／または分析する装置）を更に備える。追加のセンサー装置の選択は、十分に当業者の能力の範囲内である。適切なセンサー装置は、質量分析計、ガスクロマトグラフィーカラム、赤外線検出器、紫外線検出器、フーリエ変換赤外線検出器、容量バブラー／滴定装置を含んでもよい。ガス組成は４桁の範囲で変化し得るので、動作範囲の広い検出器を使用することが望まれる。システムは、場合によってコンピューター、例えば、パーソナルコンピューターを含んでもよい。コンピューターは、試験の制御自動化のために使用されてもよく、また、データを保存および／または分析するために使用されてもよい。

本明細書において教示される本発明の加速空気二成分ガス試験方法は、単層または膜の完全性試験に対する普遍的演繹的基準を確立することができる。他の多孔質膜完全性試験、例えば空気−水試験、ＣｏｒｒＴｅｓｔ（商標）（ＥＭＤ Ｍｉｌｌｉｐｏｕｒｅ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ、Ｂｉｌｌｅｒｉｃａ、米国から入手可能）は、試験に対する完全性基準を確立するために試験測定と独立した保持率試験との間の相関関係に依存している。相関関係の精度は試験および膜材料の固有可変性によって決まり、膜または試験方法、材料、ハードウェアなどに著しい変化がなされた場合は必ず再確認されなければならない。

本明細書において教示される加速空気二成分ガス試験方法を使用すると、膜構造、保持率試験方法などに関するいかなる特性にも左右されない単層または膜に対する絶対完全性の基準が確立され得る。膜完全性の基準を決定する係数の非制限例は、ガス組成、膜を湿らせるために使用される液体（すなわち、湿らせる液体）の選択、およびガス圧力比である。

透過パージガス組成の判定
本明細書において教示される加速空気二成分ガス完全性試験方法の周知の空気−水拡散試験方法に対する一つの利点は、多くの試験および多孔質材料の性質に対するその不変性である。空気−水拡散試験の結果は、多孔質膜の多孔率および屈曲度などの性質の変化によって変化し得る。これに対し、本明細書において提供される混合ガス完全性試験方法は、ガス組成に基づいて結果を出す。その結果、本明細書において提供される加速空気二成分ガス試験方法は、単層の多孔質材料、膜、フィルターなどの完全性評価に対する普遍的な標準を提供することができる。

二成分ガス混合物の場合、透過ガスの平衡ガス組成は、以下の等式を用いて予測され得る：

式中、ｙ_ｐはより速く透過するガスの透過濃度、αは湿らせる液体を通過するガスの透過性の比、ｘ_０はより速く透過するガスの膜の入口側における出口濃度、Ｐｒは、膜の透過側の絶対圧力に対する膜の入口側の絶対圧力の比である。供給流量が透過流量よりも遙かに大きな値に設定される場合、高圧側の出口濃度は、入口濃度に等しいものと見積もられ得る。留意すべき点は、透過側濃度は、いくつか例を挙げると、多孔率、屈曲度などの多孔質材料の特有の特性および湿らせる流体の濃さには左右されないことである。また、完全な装置の透過ガス組成は、試験されている多孔質材料の流動性または表面積にも左右されない。

膜の入口側から膜の透過側への漏れは、透過側ガス濃度の変化の原因となる。したがって、予測された積算濃度からの透過側濃度の偏差は、欠陥のシグナルである。完全な装置の透過物の組成に等しい組成のガスを用いて多孔質膜装置の透過側体積を充填することにより、漏れがもたらす濃度の変化が即座に検出される。

本発明の加速二成分ガス完全性試験方法は、多孔質材料の完全性試験時間を、ｉ）平衡濃度ガスもしくは少なくともそれに近いガスで透過側ガスをパージする、および／またはｉｉ）透過側ガス体積を縮小させる、および／またはｉｉｉ）透過側ガスの循環を増大することによって短縮する。

以下の例は、本発明の試験時間の利点を説明する。水で湿らせた多孔質膜に対する入口ガスとして４０ｐｓｉｇの酸素２１％と窒素７９％との二成分ガス混合物（ほぼ空気の組成）を使用した場合、１５ｐｓｉｇでの透過物の平衡濃度は酸素３１．０％であると計算される。透過側体積が２００ｃｍ^３、積算漏れ流量を１０ｃｍ^３／分、多孔質膜の入口側からの漏れを１ｃｍ^３／分、および下流の初期の組成が既知であると仮定すれば、下流の体積における組成の変化率が計算され得る。

図４Ａおよび４Ｂに示されるグラフに見られるように、透過側体積が平衡透過ガスの濃度と同様の濃度のガスで最初に充填されていれば、透過側体積が入口側の濃度と同様の初期濃度を有している場合よりも１ｃｍ^３の漏れを伴う装置が完全な装置からより迅速に区別される。

エンドキャップ、入口、出口、ハウジング、コア、ポート、弁などの他のシステム部品は、金属、セラミック、ガラスまたはプラスチックなどの様々な材料から製造され得る。好ましくは、部品はプラスチックで形成され、より好ましくは、ポリオレフィン、特にポリエチレンおよびポリプロピレン、それらのホモポリマーまたはコポリマー、エチレン酢酸ビニル（ＥＶＡ）コポリマー、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリアリールスルホン、ポリフェニルスルホン、ポリカーボネート、スチレン、ＰＴＦＥ樹脂、ＰＦＡなどの熱可塑性ペルフルオロ化ポリマー、ナイロンならびにその他のポリマーなどの熱可塑性プラスチックで形成される。

他の実施形態において、本発明は、以下のステップを含む加速混合ガス完全性試験方法を用いた単層および多層の多孔質材料の完全性を判定する方法を提供する：
典型的加速二成分ガス試験方法
ステップＡ。装置（ＥＢ−１００）が開いており、試験用の湿らせた多孔質材料（ＰＤ−１００）を受け入れる準備ができている。湿らせた多孔質材料（ＰＤ−１００）がハウジング内に装填され、装置（ＥＢ−１００）が閉じられる。

ステップＢ。多孔質材料装置（ＰＤ−１００）に対して独立空気拡散試験が実施される。装置（ＥＢ−１００）の供給側が圧縮ガス源（ＣＡ−１００）からの空気で加圧され、透過側に対して望ましい供給側の差圧に制御される。プロセス弁が、多孔質材料装置（ＰＤ−１００）の透過側から絶対圧力伝送器（ＰＴ−１００）に至り、温度伝送器（ＴＴ−１００）に至り、質量流量計（ＴＩ−１０１）を通過する透過側流路を形成するように切り替えられる。

ステップＣ。独立空気拡散試験の完了時に、システムは加速二成分ガス試験のために準備される。装置（ＥＢ−１００）の供給側が減圧され、プロセス弁が、透過側において平衡ガス混合物置換が可能なように切り替えられる。平衡洗浄ガス混合物源（ＭＧ−１００）が質量流量制御器（ＦＣ−１００）の入口側に充填され、望ましい洗浄ガス流量が設定される。まず、平衡ガス混合物が透過側水トラップ弁（ＳＶ−１０１）を通して流される。次に水トラップ弁（ＳＶ−１０１）が閉じられ、洗浄ガスのほとんどが多孔質材料装置（ＰＤ−１００）の透過側を通り、プロセス凝縮器を通り、循環ループのバイパス脚部を通り、洗浄弁（ＡＶ−１０２）から出るように方向付けられる。平衡洗浄ガスの一部はダイヤフラム圧縮機（ＤＰ−１００）を通り、ガス組成分析器（Ｏ２−１００）を通って流れ、５ポート切替弁（ＡＶ−１０４）の洗浄路を通って大気へと放出される。

ステップＤ。洗浄弁（ＡＶ−１０２）と透過側遮断弁（ＡＶ−１０３）が閉じられるが、平衡洗浄ガス混合物源（ＭＧ−１００）は、質量流量制御器（ＦＣ−１００）の入口側に充填され続ける。洗浄ガス流量設定点は維持される。水トラップ弁（ＳＶ−１０１）は、平衡洗浄ガスの高圧パルスを多孔質材料装置（ＰＤ−１００）の透過側に送り込み、透過側から送り出すために、望ましい時間開き、望ましい時間閉じることを繰り返させておく。圧力パルスの目的は、二つである：ｉ．多孔質材料のプリーツを撹拌して遊離水を除去するため、および、ｉｉ．平衡洗浄ガスを強制的に透過側多孔質材料のプリーツに送り込むため、である。

ステップＥ。一連の圧力パルスの最終圧力パルスが排出弁（ＳＶ−１０１）を通って大気へと放出されると、洗浄弁（ＡＶ−１０２）と透過側遮断弁（ＡＶ−１０３）が開かれる。排出弁（ＳＶ−１０１）は閉じられる。洗浄ガスのほとんどが多孔質材料装置（ＰＤ−１００）の透過側を通り、プロセス凝縮器を通り、循環ループのプロセス脚部を通り、洗浄弁（ＡＶ−１０２）から出るように方向付けられる。平衡洗浄ガスの一部はダイヤフラム圧縮機（ＤＰ−１００）を通り、ガス組成分析器（Ｏ２−１００）を通って流れ、５ポート切替弁（ＡＶ−１０４）の洗浄路を通って大気へと放出される。このとき、供給源（ＣＡ−１００）からの供給ガスは、弁（ＡＶ−１０５）を通ってハウジング（ＥＢ−１００）の供給側に供給され、流量制御弁（ＭＶ−１００）を通って大気へと送られる。エクトロニューマチックレギュレーター（Ｉ／Ｐ−１０１）が湿らせた多孔質サンプルハウジング（ＥＢ−１００）の供給側の絶対圧力（ΡΤ−１０１）を望ましい圧力比に制御するために使用される。湿らせた多孔質サンプル（ＰＤ−１００）に関して一定の供給側ガス濃度を維持するため、流量制御弁（ＭＶ−１００）が望ましい供給側スイープ流量に調整される。

ステップＦ。洗浄弁（ＡＶ−１０２）と透過側遮断弁（ＡＶ−１０３）が閉じられるが、平衡洗浄ガス混合物源（ＭＧ−１００）は、質量流量制御器（ＦＣ−１００）の入口側に充填され続ける。洗浄ガス流量設定点は維持される。水トラップ弁（ＳＶ−１０１）は、平衡洗浄ガスの高圧パルスを多孔質材料装置（ＰＤ−１００）の透過側に送り込み、透過側から送り出すために、望ましい時間開き、望ましい時間閉じることを繰り返させておく。

ステップＧ。一連の圧力パルスの最終圧力パルスが排出弁（ＳＶ−１０１）を通って大気へと放出されると、洗浄弁（ＡＶ−１０２）と透過側遮断弁（ＡＶ−１０３）が開かれる。排出弁（ＳＶ−１０１）は閉じられる。洗浄ガスのほとんどが多孔質材料装置（ＰＤ−１００）の透過側を通り、プロセス凝縮器を通り、循環ループのプロセス脚部を通り、洗浄弁（ＡＶ−１０２）から出るように方向付けられる。平衡洗浄ガスの一部はダイヤフラム圧縮機（ＤＰ−１００）を通り、ガス組成分析器（Ｏ２−１００）を通って流れ、５ポート切替弁（ＡＶ−１０４）の洗浄路を通って大気へと放出される。この洗浄は、ガス組成分析器（Ｏ２−１００）の示度が安定すると完了したとみなされる。

ステップＨ。平衡洗浄ガス流量が制御弁（ＦＣ−１００）を用いて流れゼロまで低下される。透過側ループ弁が試験期間中透過側ガスを多孔質材料サンプル（ＰＤ−１００）の透過側とガス組成分析器（Ｏ２−１００）を通って循環させるように設定される。

ステップＩ。試験の完了時に装置（ＥＢ−１００）が開けられ、プロセス凝縮器が乾燥される。湿らせた多孔質材料（ＰＤ−１００）を取り除くことができる。

本発明による加速混合ガス完全性試験システム（ＧＩＴ−１００）の追加の実施形態は、以下を含む：
Ｉ．多孔質材料の供給側および透過側において並流および向流両方の流動配向で多相流体流を処理するように設計された、多孔質材料サンプルを収納する装置において、
ａ．装置は、垂直方向に配向されるように設計され、
ｂ．マニホールド流路の主導管が垂直方向に配向され、
ｃ．マニホールド流路の副導管が従来の加工技術が許容するのと同じ程度に垂直に近い傾斜で配向され、
ｄ．各導管の垂直および傾斜という性質が、循環ループを出て分離用水トラップ（ＰＳ−１０６）へと流入する液体の重力駆動流を促進して、動作中の多孔質材料装置（ＰＤ−１００）の透過側（ＰＳ）を通過するガスの自由な流れを許容し（図１参照）、
ｅ．装置が、固定式上部組立体（ＰＳ−１０２、ＰＳ−１０３、ＰＳ−１０５、ＰＳ−１０４およびＰＳ１０８、図１参照）と、可動式下部組立体（ＰＳ１０６、ＰＳ−１０７、ＰＳ−１０９）とで構成され、
ｆ．固定式上部組立体が、可動式下部組立体ハウジング（ＰＳ−１０９）に結合されたときに、多孔質材料装置（ＰＤ−１００）の上方に供給側スイープ流路を作り出す外側ハウジング（ＰＳ−１０８）を含み、
ｇ．固定式上部組立体が、可動式下部組立体（ＰＳ−１０９）に結合されると多孔質材料サンプル（ＰＤ−１００）を通過する透過側（ＰＳ）再循環ループを創出するのに使用される４分流マニホールド（ＰＳ−１０２、ＰＳ−１０３、ＰＳ−１０４およびＰＳ−１０５）を含む。

ＩＩ．任意の組成の初期透過側ガスの、選択された試験条件下で試験されている多孔質材料装置に対して予測される平衡濃度の、または試験されている多孔質材料装置に対して予測される平衡濃度に近い組成のガスとの迅速で繰り返し可能な交換を行う方法であって、以下を含む方法：
ａ．選択された試験条件下で試験されている多孔質材料装置に対して予測される平衡濃度、または試験されている多孔質材料装置に対して予測される平衡濃度に近い組成のガスを透過側水トラップ（ＰＳ−１０６）に通す時間駆動式高流量洗浄（図１参照）。

ｂ．透過側再循環ループを通過させ圧力伝送器をバイパスする時間駆動式高流量洗浄（図２参照）。

ｃ．洗浄ガスを多孔質材料装置（ＰＤ−１００）の透過側に送り込み、透過側から送り出すために急速に繰り返される透過側再循環ループを低供給側圧力で通過させる洗浄ガスの一連の圧力パルス。圧力パルスの目的は二つである：（ｉ．）多孔質材料のプリーツを撹拌して遊離水を除去するため、および（ｉｉ．）平衡洗浄ガスを複雑な形状の透過側の多孔質材料のプリーツに強制的に送り込むため、である。

ｄ．圧力伝送器をバイパスさせずに透過側再循環ループを通過させる時間駆動式高流量洗浄。

ｅ．洗浄ガスを多孔質材料装置（ＰＤ−１００）の透過側に送り込み、透過側から送り出すために、急速に繰り返される透過側再循環ループを高供給側圧力で通過させる洗浄ガスの一連の圧力パルス。圧力パルスの目的は二つである：ｉ．多孔質材料のプリーツを撹拌して遊離水を除去するため、およびｉｉ．平衡洗浄ガスを複雑な形状の透過側の多孔質材料のプリーツに強制的に送り込むため、である。

ｆ．圧力伝送器をバイパスさせずに透過側再循環ループを通過させる最終時間駆動式高流量洗浄。

ＩＩＩ．非平衡不飽和条件において作動させた場合異なるガス種に対して異なる吸着速度を有することが知られている水蒸気制御システムである乾燥吸収剤を使用せずに透過側（ＰＳ）再循環ループにおける水蒸気濃度に対する繰り返し可能な制御を行うシステムであって、以下を備えるシステム：
ａ．プロセス冷却器（ＰＣＨ−１００）（図１参照）は、熱交換器を出て行く透過側流体の温度が熱交換器に入っていく輸送流体の温度にほぼ等しくなるようなサイズに形成されたプロセス熱交換器の輸送流体側に０℃から２５℃の温度で流体を送り込むために使用することが可能であり、
ｂ．熱交換器を出て行く透過側（ＰＳ）流体が、長さの短いプロセス配管を通って周囲温度に再加熱されることが可能であり、
ｃ）凝縮種の濃度のみがこの単位操作において影響を受ける。

本明細書において教示される加速空気二成分ガス試験方法の追加の実施形態において、ガス圧力は勾配をなして上昇させてもよい（例えば、流量および濃度を測定しながら少しずつゆっくりと上昇させてもよい）。本明細書において教示される加速空気二成分ガス試験方法の他の実施形態において、ガス圧力は勾配をなして低下させてもよい（例えば、流量および濃度を測定しながら少しずつゆっくりと低下させてもよい）。

ガス圧力は、段階的に上昇させても低下させてもよい。ガス圧力の段階的変化の単位の非制限例は、０．５ｐｓｉと１００ｐｓｉとの間、または１ｐｓｉと２５ｐｓｉとの間、好ましくは５ｐｓｉと１０ｐｓｉとの間とすることができる。

完全な層または膜に対する予測された値と異なる透過濃度をもたらす欠陥の存在は、膜性能に悪影響を及ぼさない場合もある。加速空気二成分ガス試験は、欠陥がそれらのサイズおよびポピュレーション（単位面積当たりの数）に関して定量化されることを可能にする。

しかし、本明細書において教示される加速空気二成分ガス試験方法は、これらの試験方法が多孔質材料サンプルにおける直径約５．５μｍの欠陥に相当するチョーク流モデルからの１．０６ｍｌ／分の空気流量をもたらす欠陥を検出可能であることを示すものである。これは、本明細書において教示される加速空気二成分ガス試験方法が、以前から知られている空気拡散完全性試験よりも小さな欠陥を検出する感度が遙かに高いことを明確に示すものである。

本明細書において教示される加速空気二成分ガス完全性試験方法はガス混合物において二種類のガスを使用するが、注目すべきは、三種類以上のガスの使用が考慮されてもよく、三種類以上のガスの混合物が当業者によって選択されてもよいという点である。

上記の開示は、独立した有用性を有する多数の異なる発明を包含し得る。これらの発明のそれぞれは、具体的な実施形態において開示され説明されているが、そのような実施形態は、多数の変形が可能であるため、限定する意味で考えるべきではない。本発明の主題は、本明細書において開示される様々な要素、特徴、機能および／または性質の新規で非自明な組合せおよび下位の組合せを全て含む。以下の請求項は、新規で非自明であると認められるある種の組合せおよび下位の組合せを具体的に指摘するものである。特徴、機能、要素、および／または性質の他の組合せおよび下位の組合せにおいて具現化される発明が本出願または関連出願の優先権を主張する出願で特許請求され得る。そのような特許請求の範囲も、異なる発明に向けられたものであれ同じ発明に向けられたものであれ、元の特許請求の範囲と比べて範囲が広くなるにせよ狭くなるにせよ、同じにせよ異なるにせよ、本開示の発明の対象に含まれるとみなされる。

当業者には明らかなように、本発明の多数の変更および変形が、その精神および範囲から逸脱することなくなされ得るものである。本明細書に記載された具体的な実施形態は、単に例として提供されたものであり、何ら制限を意図されたものではない。本明細書および実施例は、典型例に過ぎないと考えられ、本発明の真の範囲および趣旨は以下の特許請求の範囲に示されるよう意図されている。

本出願は、内容全体が参照により本明細書に組み込まれている、２００８年６月１１日に出願した米国仮出願第６１／４３５，６２３号の利益を主張するものである。

Claims (19)

1. 多孔質材料装置に装填された多孔質材料の完全性を評価する方法であって、
   ａ）湿らせた多孔質材料を受け入れるハウジングを有する装置に湿らせた多孔質材料を装填し、その結果湿らせた多孔質材料が供給側および透過側を有するようにすること、
   ｂ）二種類以上のガス成分の圧縮ガス混合物を湿らせた多孔質材料の供給側に供給することであって、ここで、前記ガスのうちの一つが用いられた他のガスまたは複数のガスよりも速く湿った多孔質材料の液体を透過するように、多孔性材料を湿らせるのに用いた液体に対する供給ガスの透過性が異なること、
   ｃ）多孔質材料の透過側体積を、完全な膜から生成される透過ガスの期待される組成と同様の組成を有するガス混合物で充填すること、
   ｄ）過剰の透過ガスをベントし、供給側ガススイープ流れを維持すること、
   ｅ）透過側のガス混合物の濃度を評価すること、ならびに
   ｆ）透過ガスの評価された濃度を完全な装置に期待される値と比較することであって、ここで、期待される濃度からの所定量を超える偏差が不完全な多孔質材料または多孔質材料装置のシグナルであることを含む、方法。
2. （ａ）における液体が水である、請求項１に記載の方法。
3. ガスの少なくとも一種がＣＯ_２である、請求項１に記載の方法。
4. ガスの少なくとも一種がＯ_２である、請求項１に記載の方法。
5. 多孔質材料が親水性材料を含む、請求項１に記載の方法。
6. 多孔質材料が疎水性材料を含む、請求項１に記載の方法。
7. 多孔質材料が膜を含む、請求項１に記載の方法。
8. 多孔質材料がハウジングに収容されている、請求項１に記載の方法。
9. 多孔質材料がカートリッジに収容されている、請求項１に記載の方法。
10. 膜がろ過装置を構成する、請求項７に記載の方法。
11. 膜が非対称の膜である、請求項７に記載の方法。
12. 膜が対称の膜である、請求項７に記載の方法。
13. 膜がポリマーを含んでなる、請求項７に記載の方法。
14. ポリマーがＰＥＳである、請求項１３に記載の方法。
15. 膜が平板における平坦なシートまたはらせん状に巻かれた形態である、請求項７に記載の方法。
16. 膜がプリーツのあるシート、中空の繊維またはチューブ状の形態である、請求項７に記載の方法。
17. 多孔質材料が一を超える層を含む膜である、請求項１に記載の方法。
18. 多孔質材料が、ポリエーテルスルホン、ポリアミド、ナイロン、セルロース、ポリテトラフルオロエチレン、ポリスルホン、ポリエステル、ポリフッ化ビニリデン、ポリプロピレン、ポリ（テトラフルオロエチレン−ｃｏ−パーフルオロ（アルキルビニルエーテル））、ポリカーボネート、ポリエチレン、ガラス繊維、ポリカーボネート、セラミックおよび金属から選択される、請求項１に記載の方法。
19. ガスの少なくとも一種がヘキサフルオロエタンである、請求項１に記載の方法。

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