結論は、タイトル通り。
経緯
PHP のために Apache prefork に設定しているサーバで mod_mem_cache を有効にしていてハマった。デバッグログを見るとキャッシュはされているようだが、キャッシュを再利用(recall) されている形跡がない。
原因
mod_mem_cache はプロセスごとにキャッシュを行うため、マルチプロセスとなる prefork モデルでは効果がないらしい・・・。
結論
mod_disk_cache は prefork でも有効なのでそちらを利用しよう。キャッシュの手法は他にもいろいろ方法はあるが、とりあえず無難なところで落ち着くことにした。