JP5118889B2 - 電解セル集合体 - Google Patents

Description

本発明は、同心円筒形チューブの電解セル集合体に関する。

電解セルは、水の消毒及び食塩水からの強力な殺生物性溶液の生成にとって有用である。これらの目的のために、多くのタイプの電解セルが存在する。幾つかの最も効率的なセルの基本的特徴は、陽極及び陰極の区画を形成するための二つの電極間の空間を分離するイオン透過膜を有する二つの同心円状に配置された円筒形電極である。一般的に、電解質溶液は、殺生物剤を生成するために、別々にまたは連続的にその区画を通過させられ、システムを通って生成される付随の気体を一掃する。膜は、陽極と陰極との間に電解液の拡散を許容するが、陽極及び陰極での電解生成物の移動を遅らせ、開始物質や望ましくない副生成物への戻りをもたらす互いへの拡散を遅らせる。

円筒形電極を用いる電解セル及び電極間の非水溶性のイオン透過膜または隔膜は、１００年以上の間に、例えば、特許文献１の明細書に記載されている。特許文献２の明細書は、イオン透過膜を有する同心円筒形電極を用いて、陽極及び陰極の区画を通る別々な電解質溶液の流れを許容するセルを記載している。製造のために使用される材料及び部品陽極、陰極、及びイオン透過膜または隔膜に関する特徴を含めて、それ以来、多数の改良が記載された。そのようなセルのための組立工程に対して、試みが指向されることは少なかった。これらのセルの大量生産、保全性、及び修復性は、得られる集合体の特徴の影響を受けてきた。電解セルが水の浄化、殺生物剤の生成のためにより広く用いられ、連続的な医学的及び農業的事業において使用されるにつれて、信頼できる手頃な価格のユニットの選択における付着物に関する問題が考慮されるようになった。このような理由のために、保全性及び修復性のある電解セルを容易にかつ確実に製造するための必要性が、次第に重要となった。

一般的に、初期セルは電極及び電極中に固められた隔膜を有する。それらは、後にセメントで固定されるか、溶接されるか、機械的に接着された。高度なパッカーに必要な構成、及びシステム中への材料の封入によって、それらがメンテナンスを行うことが実用的でなくなるように、隔膜材料はバック内部の粒子材料からなる。隔膜の梱包に関連した問題を避けるために、膜が導入された。封入された陽極及び陰極の区画を得るためのセル内部への膜の確実な位置決め及び接着の問題が残されている。柔軟で曲がりやすい高分子イオン透過膜の使用が位置決めを困難にし、確実な封入をより困難にする。イオン透過セラミック膜の使用により、それらの柔軟で曲がりやすい特性に起因する高分子膜に関連した問題を避けられるが、それらの膜が脆弱でありそれらにストレスが付加された場合に破損する傾向を示すために、確実な封入を提供するという他の問題が生じる。

同心円筒形チューブ間の空間を介する電解質溶液のらせん循環を与えるための特徴を有する優れた圧縮封入可能な電解セル集合体が、Ｎａｉｄａらによって、特許文献３の明細書中に記載されている。一般的に、集合体がわずかな正圧下で使用される場合、圧縮封入が望ましく、気体が生成されるので流れの任意の遮断が集合体に高圧を与え得る。特許文献３の明細書の集合体の部分は図１に示されており、円筒形電極チューブ４は内側ロッド６の外側に位置決めされたイオン交換膜チューブ５の外側に位置決めされ、内側ロッド６は対極電極として機能するとともに、２つのブッシング１すなわちエンドピース上に圧縮力を作用させるためにその両外側端にてねじ止めされている。

これらのブッシング１は、チューブ４とチューブ５との間の座部に配置されたガスケット３、及びブッシング１、及びブッシングに電極を封入するために配置されたオーリング２を有する。また、ブッシングは、導管７またはポートを有し、その導管７は外側にてパイプ接続または金具接続のために終結すると共に電極室８まで延びている。電極室８は、導管から電極室までの出口の下方に配置されたガイドエレメント９において対応する円筒の基部の内側母線に対して接線方向の空間であって、チューブ４とチューブ５との間、及び隔膜チューブ５及びロッド６との間の空間である。これらのガイドエレメント９は、導管の位置決めによって開始され、ガスケット座部の平面に対して角度αを有する斜面であるらせん導管中の電解質の流れを強化するためのものである。導管７及びガイドエレメント９の出口は、電極室８の幅である。集合体を圧縮するために通り抜けられる中心棒電極６を含めなければならないという点において、集合体は制約を有する。このことによって、ねじ山の形成及び圧縮作用に対する耐性を備えた金属または他の電極材料に対する棒電極の構成が制限される。外側電極４及びイオン交換隔膜チューブ５を封入するためのガスケット３の使用によって、イオン交換隔膜チューブ５上に圧縮力が必然的に負荷され、その結果組み立て中に多くのユニットの破損が生じるので、重要な組立ロスが生じる。

特許文献３の明細書に記載された導管７は、チューブ４とチューブ５、及び隔膜チューブ５と棒電極６との間に配置された電極室８に対応するために角度βで挿入されなければならない。これらの電極室８は、円筒の基本要素に対して０度より大きく９０度より小さい角度βで配向された右端ガイドを示すためにクレームされている。９０度の角度がらせんを与えず、小さい角度が入口と出口との間の回転数を増加させるので、らせん流を生成するために、より大きな角度よりも、より小さい角度が好ましい。ガイドエレメント９が入口導管７の下方に配置され、より大きい角度まで流れをそらすことによって、導管７の角度によって形成された角度を増加させることができる。ガイドエレメント９は流れを引き付けられず、導管７からの流れによって与えられたらせんの角度を減少させることもできない。しかしながら、外側チューブ４または５の内縁に対して、より正確にはその上に静置されているガスケット３に対して、電極室８の外径及び内径は、クレームされた窓よりもはるかに小さい窓まで許容可能な角度を制限する。１５度より小さい角度を得るために、導管７の直径は電極室８の入口で非現実的にまで小さくなければならない。

特許文献３の図面及び明細書は、図１においても示されているが、導管７の直径が電極室８の奥行きに適合しなければならず、良好な流れのために要求されることを指摘している。これらの制約並びに棒電極及びチューブの相対的直径に与えられたクレームされた制約を考えれば、外側電極室の角度は２４．６度より小さくなく４６．１度より大きくなく、かつ内側電極室は１９．７度から４６．６度であり、ガスケットに対して厚さを有する場合にはより大きくなり得る。二つの電極室が同程度の奥行きであり、同程度の流速及び圧力を得るために最も適切である場合、導管の角度は約３７度でなければならない。効果的ならせん流を得るために、４６．６度より大きな角度は有用でないが、その角度は導管が進む面における変化によって獲得され得る。最も望ましい角度は１５度未満であり、その角度は特許文献３の明細書において与えられた幾何的要求によって獲得することはできない。従って、特許文献３の明細書は、０度から９０度の角度をクレームしているが、それによって１９．７度から４６．６度の角度の獲得の仕方が分かり、他の考慮のために、約３７度の角度を要求する。電極室内の最も効率的ならせん流は、１９．７度よりはるかに小さい角度によって獲得され、特許文献３の明細書に開示されているように、この角度は可能ではない。

特許文献３の明細書の設計は、ブッシング１がキャップの形状であり、内側電極棒６が外側電極チューブ４より長い隔膜チューブ５より長いことを要求する。チューブ４及びチューブ５は共に、ガスケット３及びブッシング１上に堅固に配置されなければならず、この要求は隔膜チューブ５にストレスが適用されることを必要とする。

隔膜チューブ上に配置された圧縮の負荷を避けるために、本願と共に譲渡される特許文献４の明細書においてＤａｉｒｙらによって記載されるように、エンドキャップが設計された。このエンドキャップは円筒の底に対して０度の角度でのみ電解質溶液の導入を許容するように設計されている。２０度より大きな角度までが好ましいが、それは電極室の内側チューブの回りの電極室内の規則的ならせんを形成するための最適な角度ではない。エンドキャップはその区画を封入するために通り抜けられる三つの区画の組合せとして設計され、電極チューブは機械的圧縮ではなくエポキシ接着を用いて封入される。隔膜チューブのための封入または物理的座部はない。エンドキャップの一区画の開口部と隔膜チューブとの間の強固な適合が必要である。この設計によって、不十分な封入の結果二つの電極室間における漏出が生じる。チューブの滑りによって、チューブによって導管から遮断される内側電極室が生じ得る。強固に適合しすぎると、エンドキャップ内に隔膜チューブを配置した場合や、トルクが適用される場合、一区画が他の区画上にねじ留めされる場合に、破損が生じる。実際に、これによって集合体の組立の間に２０％程度の破損が生じる。

低い生産欠陥率を有する大量生産可能な電解セルを獲得するための目標が残されている。さらに、容易にかつ確実に製造され、保全性のある修復可能な電解セルが産業上、必要性とされたままである。また、セルの効率を最適化するための導管内へのより小さくより効率的な流入角度の獲得が望ましい。
米国特許第５９０，８２６号明細書 米国特許第９１４，８５６号明細書 欧州特許第０９２２７８８（Ｂ１）号明細書 米国特許出願公開第２００５０１８３９４９号明細書

本発明は、圧縮封入可能な電解セル集合体に指向されている。集合体は二つの絶縁エンドピースを有し、絶縁エンドピースのそれぞれが、エンドピース内のオーリングまたは圧縮頭部を用いて、同心座部の中心軸に平行な一つまたはそれ以上のホールに、中心チューブが封入される三つのチューブを位置決めして封入するための三つの同心座部を有する。中心座部は、集合体全体が封入される場合二つのエンドピースの中心座部間の距離未満の長さのセラミック膜チューブを受け入れる。他の二つの座部は、それら及び集合体全体が封入される場合、長さがその座部間の距離と同じ一つまたは両方の電極チューブを有するセラミック膜チューブの両側上に二つの電極チューブを受け入れる。電気コネクタはこれらのチューブの特徴である。集合体はチューブ形成を受け入れるための接続金具で終わる四つのポートを含む。ポートの二つは外側電極チューブとセラミック膜チューブとの間の空間と接続し、エンドピースによって結合され、他の二つのポートは、セラミック膜チューブとエンドピースによって結合された内側電極チューブとの間の空間と接続する。ポートはエンドピースを介して空間を指定するか、エンドピース近傍の電極チューブを介して配置される。エンドピースの座部の平面に対して０度から１５度の角度で集合体内に流体の流動を指向し、チューブ間の空間の回りのらせんとして流体の流動を促進するために、流体偏向板が含み得る。流体偏向板はエンドピースの一部分であるか、エンドピースまたは電極チューブに接着され得る。各電極棒の一端または両端で通された一つまたはそれ以上の電極棒が、エンドピース内の一つまたはそれ以上のホール内またはホールを介して挿入されて、チューブと平行に延びる。一つまたはそれ以上のナットがロッド上で固定されるか、エンドピース内のねじホール内に挿入され、集合体を圧縮及び封入する。

エンドピースは分割された構造から形成されることが可能であり、二つまたはそれ以上の区画（セクション）が相補的な形状を有する面において結合され、相補的な形状は、集合体が圧縮される場合にその区画を封入するために、その形状内または形状の上に特徴を有する。それらはゴムまたはプラスチックか、ゴム、プラスチック、及び金属の組合せから構成され得る。

エンドピースにおけるシール形成機構は、オーリングまたはガスケットであり、それらはチューブがエンドピースに接触する座部の上または座部に近接して位置決めされるか、または区画の相補的な形状がこれらの特徴を含む場所、またはこれらの特徴を受け入れて圧縮するための場所で、座部上または座部の近隣で位置決めされる。

エンドピースは、座部が外側座部から内側座部まで進むに従って、内面から連続的により深く沈む同心の座部を有するキャップであり得る。エンドピースは、座部が内側座部から外側座部まで進むに従って、内面から連続的により深く沈む同心の座部を有するプラグであり得る。その座部で封入を促進する必要があれば、エンドピースは、追加の壁を有するプレート内部から同じまたは同程度の奥行きまで沈みこまれる。キャップ、プレート及びプラグの任意の組合せにおいて、異なるタイプのエンドピースが使用され得る。

電極チューブは、炭素、導電性高分子、金属、金属酸化物で塗装された金属、または、セラミック膜チューブに対して向けられた伝導性表面で塗装された絶縁体の間で、用途に基づいて変更可能な任意の導電性材料であり得る。チューブの伝導性部分に対して電気接続がなされた場合、これらのチューブは電極として作用する。チタニウムチューブが陰極として使用され、遷移金属酸化物で塗装されたチタニウムチューブが陽極として使用され得る。電極チューブは、セラミックマトリックスチューブに向けて位置決めされない面上の絶縁体を用いて覆われるか塗装される。セラミックマトリックスチューブはアルミナチューブであるか、またはアルミナジルコニア混合物である。

本発明は、大量生産され、保全及び修復のために定期的に分解される能力を提供する最適化された電解セル集合体の構成に関する。一実施形態は図２及び図３の集合体１００に示されており、一区画エンドキャップ１０及び二区画エンドキャップ２０、３０として示される二つのエンドピースの使用によって、相互円筒型電極４０内部に位置決めされる円筒型イオン透過セラミック膜５０の内部に、円筒型電極６０が配置されている。これらのエンドキャップの設計は、集合体１００全体の配向及び封入を許容する。一つのエンドキャップ１０は、電極及び膜４５、６５の間の空間によって形成される区画室内へ、金具１２、１８中にて終了するポートを介して入り、他のエンドキャップの金具３２、２８中にてそれぞれ終了するポート３１、２７を介して区画室からそれぞれ出るように、電解質溶液の流れを向けるためのポート１１、１７によって特徴づけられる。ポート１７、３１及び２７の配向は、エンドキャップ１０、２０及び３０の内面及び外面に対して実質的に０度である。セラミック膜チューブ５０を損傷することなく確実な封入が生成されるように、トルクの導入がなく圧縮力がゆっくりかつスムーズに適用されるような態様で、チューブ４０、５０及び６０上にエンドキャップを圧縮することによって封入が獲得される集合体を固定するための四つのロッド７０を使用するために、エンドキャップ１０、２０及び３０が構成されている。

電極チューブ４０、６０の一方が陽極として、他方が陰極として作用し得る。その選択は、製造の容易さまたは選択的に外側室となる陽極室または陰極室を支持し得る行われるべき電気分解工程の特性の要求を考慮することによって、行われる。これらの考慮は、電極とセラミック膜との間の望ましい間隔及び二つの電解質溶液の流れのバランスに対する相対的な容量要求を含む。電極チューブ４０、６０は導電性材料から構成される。電気的接続が導電性電極チューブ表面に対して行われる限り、炭素等の非金属導線、導電性高分子、または非導電性チューブが、セラミック膜チューブ５０に対して指向されるべきその面上で導電性材料を用いて被覆される。電極チューブ４０、６０は、金属及びセラミック膜チューブ５０に対して指向されたチューブ表面上を金属酸化物で被覆された金属であることが好ましい。二つの電極の金属は異なり得、一つの電極が金属で、他の電極が金属を用いて被覆された金属であり得る。好ましい配置は、陽極として外側電極チューブ４０を有し、チタニウムから構成されて、ルテニウム酸化物が被覆の成分である混合金属酸化物で内部を被覆されている。内側電極チューブ６０は陰極として作用し、この配置においてチタニウムから構成される。

エンドキャップ１０の内面１９の内面近傍のチューブの外側に対して溶接された電気コネクタ１３と一緒に、外側電極チューブ４０が図２に示されている。内側電極チューブ６０は、電極チューブ６０の一部でありエンドキャップ２０、３０の区画２０の外面２２の外に延出する端部上に電気コネクタ２３を有する。集合体の機能にとって必要ではないが、外側電極チューブ４０の外側及び内側電極チューブ６０の内側は、安全性等の考慮のために絶縁金属を用いて被覆され得る。望ましい表面上への適切な硬化樹脂、溶液中または懸濁液中の絶縁体の浸漬、はけまたはスプレーコーティングによって、または特に外側電極チューブ４０に対してテープを用いた包装によって、コーティングが構成される。その他の選択肢は、外側電極チューブ４０の外側上または内側電極チューブ６０の内側上に絶縁シースまたはチューブを配置することである。

二つの電極チューブ４０、６０は、イオン透過セラミック膜チューブ５０によって分離されている。そのチューブはアルミナ含有セラミックであることが好ましい。最も好ましくは、そのチューブは８０％のアルミナ及び２０％のジルコニウムから構成される。チューブ壁の厚さは、電解セル集合体１００が使用されるべき用途に依存して広範囲にわたって変化し得るが、セラミック膜チューブ５０は比較的脆弱であり、１〜２ｍｍの厚さのチューブ壁が多くの用途のために好まれる。

三つのチューブ４０、５０、及び６０の相対的直径は、外側電極チューブ４０がセラミック膜チューブ５０より大きい直径からなり、内側電極チューブ６０がより小さな直径からなる単一の要求内で変化し得る。電解セル集合体１００の望ましい特徴に依存して、実直径が変化し得る。この目的を達成するために、電解率、セル集合体を介する貫流率、及び集合体が使用されるシステムの他の必要性を最適化するために直径が変更され得る。同様に、三つのチューブ４０、５０、及び６０の相対的長さは、外側電極チューブ４０がセラミック膜チューブ５０より短く、内側電極チューブ６０がセラミック膜チューブ５０より長い本実施形態の単一の要求内で変更し得る。長さにおける違いは、チューブが挿入されるエンドキャップの内面１９及び３８からの図３の六つの座部４１、４３、５１、５３、６１、及び６２の望ましい奥行きに依存する。また、システム内で電解セル集合体の動作を最適化するための構成及び配置の容易さ等の要素によって、座部の奥行きが決定され得る。

エンドキャップ１０、２０、及び３０は絶縁材料から構成される。液体シールが損傷しないように、材料は、動作中に歪んだり曲がったりしない十分な構造的完全性を有するプラスチックまたはゴムであり得る。エンドキャップは成形または機械的加工によって形成され得る。電解セル集合体１００に対して流体を導入するためのポート１１、１７、３１及び２７並びにシールを形成して集合体１００の構造的完全性を提供するためのユニットの圧縮により一つまたはそれ以上のロッド７０を受け入れるための一つまたはそれ以上のホールが、ドリルで開けられる。ゴムが使用される場合、集合体の最端部上に硬い裏当て板が使用され得る。金属が電極の一方または両方から絶縁されている限り、この板はプラスチックまたは金属であってもよい。エンドキャップの好ましい製造は、Ｄｅｌｒｉｎ（登録商標）として市販されているポリオキシエチレンのブロックを機械加工することによる。

エンドキャップの一つの重要な特徴は、異なる直径の座部上で終わる開口部が三つのチューブ４０、５０及び６０の外径と密接に適合することである。エンドキャップの内面１９、３８から説明すると、エンドキャップ１０のために図４に示されているように、外側の最も大きな開口は中間開口座部５１，５３よりも浅い座部４１，４３を有し、その中間開口座部５１，５３は、より小さい開口座部６１，６２よりも浅い座部を有する。

エンドキャップ１０のために図５において、エンドキャップ２０、３０のために図６において明瞭に示されているように、エンドキャップ１０内のガイド４８、５８及び６８並びにエンドキャップ２０、３０内の４９、５９及び６９は各開口壁の両側内に形成され得る。図３に示されるように、エンドキャップ１０内のオーリング１４、１５及び１６並びにエンドキャップ２０、３０内の３４、３５及び２６が、圧縮下で電解セル集合体の封入を形成して収容され得るように、ガイド４８、５８及び６８は、各開口部の壁上で座部に近接している。あるいはまたはさらに、電極チューブ４０、６０の封入を促進するために、ガスケットが座部４１、４３、６１及び６２上に配置され得る。比較的脆弱なセラミック膜チューブ５０は、集合体の封入がチューブを損傷しないようにシールを形成するために、ガスケットではなくオーリング１５及び３５の使用を要求する。

集合体上での電解セル集合体１００の長さは、座部４１及び４３及び／又は６１及び６２あるいは座部上のガスケットに対してしっかり底づけされた二つの金属電極チューブ４０及び／又は６０の一方又は両方によって与えられた長さによって形成されることが必要である。そのような配置はセラミック膜チューブ５０の長さより長い二つのエンドキャップ１０及び２０、３０の中間座部５１及び５３の間の距離を正確に与える。このようにして、圧縮応力はセラミック膜チューブ５０上に付加されることはない。セラミック膜チューブ５０の一端が座部５１または５３上に置かれていたとしても、セラミック膜チューブ５０はオーリング１５、３５によって両端で封入されるために十分長くなければならない。

本実施形態におけるエンドキャップの第二の重要な特徴は、二つのポートの存在である。図２及び図３に示されるように、一組のポート１１、３１は、それぞれエンドキャップ１０、２０及び３０の外面上の接続金具１２、３２で始まり、外側電極チューブ４０の内側及びセラミック膜チューブ５０の内側によって形成された空間４５を介して電解質溶液の流動を許容する。図２及び図３に示されるように、他の組のポート１７、２７は、それぞれエンドキャップ１０、２０及び３０に対して、エンドキャップの外面上の接続金具１８、２８で始まり、セラミック膜チューブ５０の内側及び内側電極チューブ６０の外側によって形成された空間６５を介して電解質溶液の流動を許容する。ポートの外側は電解セル集合体１００への電解質溶液の導入及び電解セル集合体１００からの電解質溶液の流出のためのチューブを受け入れる接続金具１２、１８、３２及び２８である。

図２に示されるように、この金具は圧縮接続金具であるか、電解セル集合体が機能するべきシステムのために適切なホースバルブまたは他の連結器であり得る。このようなポートの配置はキャップ内の座部に対して０度である流体の流入角度を必然的に与える。この配置はチューブ４０、５０及び６０によって形成された空間６５、４５内の中心チューブ６０、５０の周りに引きしまったらせん流を促進する。必要に応じて、流体の流動を誘導するための斜面は、端子がチューブ４５とチューブ６５との間の空間と同化するポート１１、１７、２７及び３１内に含まれてもよい。斜面の傾斜の角度が空間の中心の外周を形成するチューブの直径における違いによって決定される中心チューブ５０、６０の回りのらせんの傾斜を最適化するために、斜面の傾斜が変更され得る。斜面の最適な傾斜は、約θ（ｔａｎθ＝（外側チューブの内径-内側チューブの外径）／内側チューブに隣接する空間の平均外周）である。斜面はその製造中にエンドキャップ内に機械加工されるか成形されるか、あるいは機械的または接着剤を用いて製造後にエンドキャップに固定され得る。

本実施形態におけるエンドキャップの第三の重要な特徴は、集合体の一つのエンドキャップ１０から対向するエンドキャップ２０，３０に向かい、全てのチューブまたはキャップが参照する集合体の中心軸と平行に延びて、両端７０にねじ山が形成されたロッドが通される４つのホールを含むことである。次に、エンドキャップ２０、３０の外側端部のために図７に示されるように、ナット８０がロッド７０の両端上で固く締められる。ナットの強固な固定は集合体１００を圧縮封入する。集合体の圧縮のための構成がエンドキャップの外側から延出しないように、ナット８０を受け入れるために、ホール７１の外側端部７２は、えぐられ得る。あるいは、ロッドの一端がナット８０を用いることなく一つのエンドキャップに固着され得るように、ねじではなくヘッドまたはフックを有し得る。ヘッドまたはフックで終わるロッドは、ホール７１及びホール７１内に挿入されてナット８０を用いて固定される反対側にねじ山が形成された端部を介して、一つのエンドキャップに固着され得る。あるいは、ロッドの一端がヘッド内で終わる場合、第一エンドキャップのホール７１及びロッドを固定するロッドエンドのトレッドと適合するようにねじ山が形成されてナットを用いることなく電解セル集合体を圧縮する第二エンドキャップ内のホール内部にロッドを誘導するために使用されるヘッドを介して貫通接続され得る。

エンドキャップは単一ピース１０であるか、電解セル集合体の製造及び保全の容易さのために、図６に示されるように、相補的な形状によって適合するピース間のインタフェイス２９及び３９を有する二つのキャップ２０、３０または図示しない三つの区画として構成され、単一ピースエンドキャプ１０として機能するユニット２０、３０内部にそれらの組合せを許容する。二つまたは三つの区画は電解セル集合体の圧縮下で封入されなければならない。図３及び図６に示されるように、封入はツーピース２０、３０の適合面２９及び３９間で、ガスケットまたはオーリング９２を介して完成され得る。オーリング１４、１５がシールを形成し、次に損傷されないことを保障するためにセラミック膜チューブ５０の封入を肉眼で観察しながらチューブ４０、５０上に区画室３０を押圧するように、集合体１００のための一区画エンドキャップと共に二区画２０、３０を使用することは、エンドキャップ１０内部へのチューブ４０、５０の位置決めを許容する。次に、オーリング９２がガイド９３内に配置され、区画部２０がチューブ６０及び区画部３０上に押圧される前に、オーリング１６を有する座部６１上のセラミック膜チューブ５０を介して、電極チューブ６０が挿入され、その結果、ナット８０がロッド７０上で固く締められる場合、区画部３０の外側及び区画部２０の内側の相補的な形状が集合体の全部分を封入する。

圧縮力が電解チューブの一つまたは両方の上に与えられ、セラミック膜チューブ上に有意な圧縮力が与えられないような集合体の封入のための構成が許容される限り、エンドピースは他の構成を有し得る。エンドキャップを用いる他の実施形態は、図８に示されるように、エンドプラグ１１０を使用することである。本実施形態は、プラグが三つのチューブ１４０、１５０及び１６０の外径と密接に適合する異なる直径の座部を示すという前述のエンドキャップの重要な特徴を共有する。エンドプラグ１１９の内面から始まって、外側の最長の電極チューブ１４０を受け入れるための外側の最大直径座部１４１は、セラミック膜チューブ１５０を受け入れるための中央の中間直径座部１５１の直径よりより大きく、内側の最小直径座部１６１の直径より大きい座部を有し、内側の最小電極チューブ１６０を受け入れる。エンドプラグ１１０の壁内のガイド１４８、１５８及び１６８は、図８において明瞭に示されているように、各開口壁の両側において形成され得る。ガイドはオーリング１１４、１１５及び１１６がエンドキャップ１１０内にあるように各開口壁上の座部の近くにある。本実施形態において、ポート１１１、１１７は、プラグ１１０の外側端部から最も容易にアクセスされるだろう。内側電気コネクタは、エンドプラグ１１０を通過して内側電極チューブ１６０の内側に固着される電気コネクタ２２３として図８に示されるプラグを介してアクセスされるだろう。また、外側電気コネクタ１１３はエンドプラグ１１０に通すことが可能である。これによって、電気コネクタ１１３及び２２３がエンドプラグ１１０の外面１２２で集合体の同じ端部上に指定可能となる。

ポート１１１、１１７はエンドプラグの外面からアクセスされ得る。らせん流を最適化するための座部に対する約０度までのその流動の偏向は二つの方法において達成され得る。第一の態様において、ポート１１１、１１７がドリルで穴を開けられるか、あるいは外面からチューブ１４５と１６５との間の空間まで直接形成される。ポート１１１、１１７がスペース１４５、１６５に近接する位置で、９０度向きを変えて電解質溶液のらせん流を促進する座部セラミック膜チューブ１１５の平面に対して約０度の角度でスペース１４５、１４６と結合するポートの部分に入る流れを生じるために、偏向板１４９、１６９が配置され得る。らせん流の最も効率的な角度を促進する斜面１９４、１９６の表面上の流動を、偏向板１４９、１６９を介してポート１１１、１１７の出口が案内するように、図８に示されるように、偏向板１４９及び１６９はプラブ１１０内で機械加工されるか成形され得る。効果的な流動の角度は、偏向板１４９、１６９からの出口の角度ではなく斜面１９４、１９６の角度によって形成される。このことはポート７の角度βがガイドエレメント９の角度αより大きいことを余儀なくされた図１に示される配置と対照的である。あるいは、偏向板１４９、１６９は、偏向板が、例えばねじを用いて配置及び固定されるか、または接着剤の使用が集合体の保全及び修復能力に干渉しない場合は接着剤を用いて固定され得るように機械的に接着され得る。斜面の最適傾斜はエンドキャップを用いて前述のように形成される。

エンドピースのための第三の実施形態は、図９に示されるように、エンドプレート２１０を使用することである。本実施形態は、座部の特徴は目に見えるほど明らかではないが、プレートが三つの座部２４１、２５１及び２６１を効果的に含む単一の広い溝のみを示すという前述のエンドピースの重要な特徴を共有する。溝の外壁は外側電極チューブ２４０の外径と密接に適合し、溝の内壁は内側電極チューブ２６０の内径と密接に適合する。二つの電極チューブ２４０、２６０は実質的に同じ長さからなり、セラミック膜チューブ２５０は、わずかながら短く、図９における二つのオーリング２１４、２１６によって二つの電極チューブ間に固定される。チューブ２４０、２５０及び２６０のこの束は、エンドプレート内部へのチューブの挿入の前にオーリング２１４、２１６を含めて結合され得る。

本実施形態において、都合の良い選択肢は、電極チューブ２４０、２６０を介するポート２１１、２１７の形成であり得る。また、ポートは電気コネクタとして機能する。外側電極チューブ２４０の内側及び内側電極チューブ２６０の内側は、その場所で溶接可能な偏向板２４９、２６９を有する。あるいは、偏向板は図９において２４９で示されるナットとして機能し、外側電極チューブ２４０の外側上においてシールするためにねじ山が形成されるポート２１７を受け入れる。あるいは、偏向板は図９における２６９で示されるねじのように機能し、内側電極チューブ２６０の内側上においてシールするためにねじ山が形成されるポート２１１を受け入れる。流動がエンドキャップに対する斜面の傾斜によって形成されるらせん流のための最適傾斜で始まるように、偏向板が製造されるか位置決めされ得る。

エンドプレートでチューブを受け入れるための形状の特徴は、キャップまたはプラグの特徴の任意の組合せに起因して変更され得る。適切な長さの管類が選択され、ロッドを受け入れるためのホールが圧縮によって集合体の封入を許容するように配列される限り、異なるタイプのエンドピースが任意の組合せにおいて結合され得る。

この電解細胞集合体は多数の異なる電気システム及び流体配管システムを用いて使用され得る。一つの適切なシステムは参照によって援用される米国特許出願公開第２００５０１８３９４９号において、Ｄａｌｅｙらによって記載されている。

本発明の好ましい実施形態が例示及び記載されたが、本発明が限定されないことは明らかであろう。改良、変更、変形、代用及び同等物が、特許請求の範囲に記載された本発明の精神及び範囲から逸脱することなく当業者に想定されるだろう。

欧州特許第０９２２７８８（Ｂ１）号明細書の端部ブッシング。 集合体の封入ユニット内への圧縮のための四つのロッドを用いる電解セル集合体。 一つのエンドキャップ内の一つの電極区画室に対するポートと他のエンドキャップ内の他の電極区画室に対するポートとの間の中心軸上の平面内に切断された電解セル集合体の図。 チューブが挿入される側面からのワンピースエンドキャップの端面図。 キャップ内のポート間の集合体の中心軸上の平面内に切断された挿入チューブを有するワンピースエンドキャップの図。 チューブを取り囲むポートの部分のみが見えるように、キャップ内におけるポート間の集合体の中心軸上の平面内に切断された独立した二区画エンドキャップの図。 二区画エンドキャップでの電解セル集合体の端面図。 中心軸の平面内で切断された挿入チューブのみを有するワンピースエンドプラグの図。 集合体の中心軸上の平面内に切断された挿入チューブを有するワンピースエンドプレートの図。

Claims (17)

1. 圧縮封入可能な電解セル集合体であって、
   二つの絶縁エンドピースと、前記エンドピースはそれぞれ、三つのチューブを位置決めするための三つの同心円形の座部と、前記チューブと中間座部に隣接する壁との間のシールを形成し、前記各座部上または前記各座部に隣接する中間シール形成機構と、前記同心円形の座部の中心軸上または前記同心円形の座部の中心軸と平行な一つまたはそれ以上のホールと、を含み、
   前記チューブと前記二つのエンドピースの前記中間座部に隣接する前記壁との間のシールを形成するための直径及びシールされた集合体の前記二つのエンドピースの前記中間座部間の距離未満の長さのセラミック膜チューブと、
   二つの電極チューブであって、一方のチューブは、前記セラミック膜チューブの内側に配置され、他方のチューブは、前記セラミック膜チューブの外側に配置され、前記各電極チューブは、それぞれ前記エンドピースの内側座部及び外側座部でシールを形成するための直径を有し、一つまたは両方の前記電極チューブは、前記二つの座部または封入された集合体内の前記電極チューブによって指定された前記二つのエンドピースのシール形成機構及び電気コネクタを有する前記各電極チューブの間の距離と同じ長さであり、
   ホースまたはパイプの装着のための接続金具で外方に終わる四つのポートであって、四つのポートの内の二つのポートは前記集合体の前記二つの端部のそれぞれにおいて、外側電極チューブと前記セラミック膜チューブとの間の空間を指定し、四つのポートの内、他の二つのポートは前記集合体の前記二つの端部のそれぞれにおいて、前記セラミック膜チューブと内側電極チューブとの間の空間を指定し、前記ポートは前記絶縁エンドピース内に配置されるか、前記絶縁エンドピース内への前記電極チューブの挿入側に隣接して前記電極チューブを貫通して配置され、前記エンドピースの前記座部の平面に対して０度から１５度の角度で前記集合体に流入または流出する流体を案内する開口部の内側で終結し、
   前記エンドピース内の一つまたはそれ以上のホールに挿入される一つまたはそれ以上のロッドであって、各ロッドの一つまたは両方の端部にねじ山が形成され、かつ、前記チューブに平行な前記ロッドと、
   ねじ山が形成された前記ロッドの端部のためのナットであって、前記電解セル集合体の圧縮及び封入が、前記ねじ山が形成されたロッド上に前記ナットを締めつけることによって達成されるようにしたナットと、
   を含む圧縮封入可能な電解セル集合体。
2. 前記エンドピースはシール形成機構がゴムガスケット、またはゴムオーリングである隣接区画間の全てのインタフェイスで前記シール形成機構を有する相補的な形状の二つまたは三つの積み重ね可能な区画からなる分断された構造である請求項１に記載の集合体。
3. 前記シール形成機構は前記座部上に配置され、必要に応じて前記座部上または前記座部に隣接した壁上のガイドによって抑制されたゴムガスケットを含む請求項１に記載の集合体。
4. 前記シール形成機構は前記座部に隣接した壁上に、必要に応じてガイドによって位置決めされた一つまたはそれ以上のゴムオーリングを含む請求項１に記載の集合体。
5. 前記エンドピースは三つの同心の座部が外側座部から内側座部まで進んで連続的により深く沈むキャップである請求項１に記載の集合体。
6. 前記エンドピースは三つの同心の座部が前記内側座部から前記外側座部まで進んで連続的により深く沈むプラグである請求項１に記載の集合体。
7. 前記エンドピースは、前記同心座部が同じ深さまたはほとんど同じ深さで沈み、必要に応じて、一つまたはそれ以上の前記座部の内側または外側上の一つまたは二つの隆起した壁を含む請求項１に記載の集合体。
8. 前記エンドピースがキャップ、プラグ、またはプレートの任意の組合せである請求項１に記載の集合体。
9. 前記エンドピースがプラスチック、ゴム、あるいはプラスチック、ゴム、及び金属の任意の組合せから構成されている請求項１に記載の集合体。
10. 前記エンドピースはポリオキシメチレンから構成されている請求項１に記載の集合体。
11. 前記セラミック膜チューブはイオン透過アルミナチューブである請求項１に記載の集合体。
12. 前記セラミック膜チューブは８０％のアルミナ及び２０％のジルコニアである請求項１に記載の集合体。
13. 前記電極チューブは、炭素、金属、または遷移金属酸化物を用いて前記セラミック膜チューブに対して指向された側面上に塗装された金属を含む請求項１に記載の集合体。
14. 前記遷移金属酸化物は白金、チタニウム、タンタル、ニオブ、イリジウム、ルテニウム、ロジウム、またはパラジウムの酸化物を含む請求項１３に記載の集合体。
15. 前記電極チューブはチタニウムを含む請求項１に記載の集合体。
16. 前記電極チューブはルテニウム酸化物を含む混合金属酸化物で塗装されたチタニウムを含む請求項１に記載の集合体。
17. 前記エンドピースの前記座部のプレートに対して０度から１５度の角度で二つの隣接したチューブ間の空間に導入されるか、前記二つの隣接した前記チューブ間の前記空間から流出する流体の流動を指向するための流体偏向板をさらに含み、前記エンドピースまたは前記電極チューブの一部であるか、あるいは前記エンドピースまたは前記電極チューブに接着される請求項１に記載の集合体。

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