DE69919385T2

DE69919385T2 - Verbesserte membran-elektrodeneinheiten für elektrotauchlackierung

Info

Publication number: DE69919385T2
Application number: DE69919385T
Authority: DE
Inventors: Cheng H. Lee
Original assignee: PTI Advanced Filtration Inc
Current assignee: Parker Hannifin Corp
Priority date: 1998-10-30
Filing date: 1999-10-28
Publication date: 2005-08-11
Anticipated expiration: 2019-10-29
Also published as: CA2349368A1; BR9915819A; MXPA01004347A; JP3660878B2; US6264809B1; EP1133589B1; DE69919385D1; JP2002528650A; EP1133589A2; AU756772B2; ATE273406T1; WO2000026445A2; AU1314000A; KR20010080373A; WO2000026445A3

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
BEREICH DER TECHNIK
Die vorliegende Erfindung betrifft Membranelektrodenvorrichtungen zur Elektrotauchlackierung. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere Membranelektrodenvorrichtungen zur Elektrotauchlackierung (Aufbringen eines „e-Coat") mit Schwerpunkt auf der röhrenförmigen Membrangeometrie von Elektrodenvorrichtungen zur Elektrotauchlackierung.
BESCHREIBUNG DER TECHNIK
Die Elektrotauchlackierung hat im Allgemeinen zwei Grundformate. Diese beinhalten anodische und kathodische Systeme zur Elektrotauchlackierung. Anodische Systeme beziehen sich auf das Objekt (positive Ladung), das beschichtet werden soll. In einer Ausgestaltung des Systems der vorliegenden Erfindung ist das verwendete Lackierungsmaterial vom anodischen Typ, aber die vorliegende Erfindung ist gleichermaßen auf die Verwendung des kathodischen Typs anwendbar.
Beim anionischen Typ binden sich die Carboxylelemente an Harz, was zur Löslichkeit in Wasser beiträgt. Um die Ionisierungsfaktoren der wasserlöslichen Lackierung zu erhöhen, wird der Lackierlösung ein alkalisches Neutralisierungsmittel wie Triethylamin beigemischt. Während des Auftragens der Harzmoleküle durch Ionisierung nimmt die Konzentration des Neutralisierungsmittels zu. Das Lackierungsmaterial wird nacheinander aus einer externen Quelle ersetzt.
Ein Nebenprodukt der Lackierung ist eine Akkumulation von Amin als Neutralisierungsmittel. Ein in der Lackierindustrie als „Pinholes" bekanntes Phänomen entsteht dann, wenn das überschüssige Neutralisierungsmittel nicht bis auf ein vorgegebenes Niveau beseitigt wird. Die Effizienz der Elektrotauchlackierung wird in einem erheblichen Ausmaß durch diesen Nachteil beeinträchtigt.
Kathodische Systeme beziehen sich auf das Objekt (negative Ladung), das lackiert wird. In diesem System ist das verwendete Lackierungsmaterial vom kathodischen Typ. Der kathodische Typ ist ein Typ, in dem sich Aminoelemente an die Harzmoleküle binden, um die Wasserlöslichkeit zu fördern. Um die Ionisierungsfaktoren der wasserlöslichen Lackierung zu erhöhen, wird ein saures Neutralisierungsmittel wie Essigsäure zugegeben. Während des Auftragens der Harzmoleküle durch Ionisierung nimmt die Konzentration des Neutralisierungsmittels zu.
Das Lackierungsmaterial sollte nacheinander aus einer externen Quelle ersetzt werden. Ein Nebenprodukt des Auftragens ist eine Akkumulation von Essigsäure. Das in der Lackierindustrie als „Pinholes" bekannte Phänomen entsteht dann, wenn das überschüssige Neutralisierungsmittel nicht bis auf ein vorgegebenes Niveau beseitigt wird. Die Effizienz der Elektrotauchlackierung wird in einem erheblichen Ausmaß durch diesen Nachteil beeinträchtigt.
Um diesen oben genannten Faktor zu eliminieren und zu regulieren, erfolgt eine pH-Regelung zum Erhöhen der Effizienz. Dies wird mit einer Elektrode und einer wässrigen Lösung erzielt, die mittels einer Ionenaustauschmembran oder dergleichen getrennt und eingeschlossen werden, die sich in einem Abstand von der Komponente befindet, die lackiert werden soll. Die Ionenaustauschmembran erlaubt eine Migration des Amins und der Essigsäure durch Osmose, wodurch eine Konzentration des Neutralisierungsmittels in der wässrigen Lösung verhindert wird. Die Essigsäure oder das Amin wird dann mit einer Wasserlösung vermischt, die durch den Innenbereich und aus der Oberseite des Ionenaustauschteils der Elektrolackiervorrichtung fließt.
Andererseits bewirkt die Verwendung einer trockenen Ionenaustauschmembran bei der Herstellung dieser Elektrotauchlackiervorrichtungen, dass die Membran nach dem Eintauchen in die oben genannte wässrige Lösung um durchschnittlich 10% anschwillt. Dieser Effekt, in Kombination mit den Druckgefällen, die in der Umgebung vorliegen, und der Mechanik des Rührens des wässrigen Lackierungsmaterials, zwingt die Membran, um die röhrenförmige Tragkonstruktion der Vorrichtung herum zu wandern, so dass die Effizienz der Vorrichtung reduziert wird.
Ferner kommt es zu einer Reaktion, so dass durch die Ionenaustauschmembran permeierte Verunreinigungen und Verunreinigungen im Wasser in der Elektrode und Polarisation auftritt. Ferner werden Sauerstoffmoleküle durch Elektrolyse verdrängt und können nicht leicht durch konventionelle Herabtröpfelverfahren oder einfache Untenspeisesysteme beseitigt werden. Bei diesen Zuführungsformen ergibt sich ein Nachteil dahingehend, dass die Effizienz der Elektrolackierung mit der Zeit sinkt.
Diese Form von Ineffizienz wird auch in der Elektrotauchlackierung in Form von höheren Betriebskosten beobachtet. Ferner verursacht der Betrieb von Elektrotauchlackierungsvorrichtungen eine natürliche Abnutzung des Opferelementes, das als Anode bezeichnet wird. Dies ist der leitende Innenteil der Vorrichtung. Diese Komponente nutzt mit einer Geschwindigkeit ab, die unter anderem von der Stromdichte, vom pH-Wert, von Chloriden usw., aber nicht beschränkt darauf, abhängig ist.
Die Ionenaustauschmembran und das Gehäuse haben eine Lebensdauer, die bis zu dreimal so lang ist wie die der Elektrode. Der Nachteil des Platzierens des internen Fließmechanismus in der Anode bezieht sich auf zusätzliche Kosten für einen routinemäßigen Austausch der Anode und aller zusätzlichen Komponenten.
Es wird auf die folgenden US-Patentdokumente und Publikationen verwiesen: Nr. 4.676.882 vom 30. Juni 1987 an Okazaki; Ni. 5.049.253 vom 17. September 1991 an Izuo; und Lee C.H. ANION-EXCHANGE MEMBRANES AND HOLLOW FIBERS PREPARATIONS, CHARACTERIZATIONS AND APPLICATIONS, 1993; Monsanto Corporate Research Dept.
Im Gegensatz zu all diesen bekannten Systemen befassen sich die Lehren der vorliegenden Erfindung mit dem deutlichen Bedarf an einer Technik auf der Basis einer besseren Membran mit erhöhter Wirksamkeit gegenüber konventionellen Offenbarungen und gehen ihn endgültig an. Es wird respektvoll darauf hingewiesen, dass diese erörterten Bezugsquellen lediglich den Stand der Technik definieren oder die Probleme hervorheben, die mit den Lehren der vorliegenden Erfindung angegangen und gelöst werden. Demgemäß wurde auf weitere Erörterungen dieser Literaturquellen zu diesem Zeitpunkt aufgrund der Tatsache verzichtet, dass eine durchschnittliche Fachperson diese leicht von den derzeitigen Lehren unterscheiden kann.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Membranelektrodenvorrichtung zur Elektrotauchlackierung bereitgestellt, die Folgendes umfasst:
eine Elektrode mit einer Achse;
eine röhrenförmige Membranbaugruppe;
eine untere Endkappe; wobei die untere Endkappe Folgendes aufweist: einen ersten Zylinder mit einer Innenfläche und einer Außenfläche, wobei die genannten Flächen eine Seitenwand definieren; ein erstes und ein zweites Ende, wobei das erste Ende geschlossen und das zweite Ende offen ist; ein genutetes Mittel zwischen der Innen- und der Außenfläche zur Aufnahme der röhrenförmigen Membranbaugruppe an dem zweiten Ende; wobei die Innenfläche eine Öffnung definiert, die wenigstens eine erste und eine zweite Kammer umfasst, wobei die erste Kammer ferner durch das erste geschlossene Ende definiert wird, wobei die zweite Kammer einen Innendurchmesser hat, der kleiner ist als der der ersten Kammer, und einen Durchmesser hat, der ausreicht, um die Elektrode passgerecht aufzunehmen; wobei die die zweite Kammer definierende Innenfläche ferner eine Mehrzahl von Nuten umfasst, so dass sich die erste Kammer in Fluidverbindung mit der Elektrode entlang der Länge der Nuten befindet;
eine obere Endkappe; und
ein Mittel zum Einleiten von Waschfluid in die untere Endkappe,
wobei die röhrenförmige Membranbaugruppe eine selektiv durchlässige Membran umfasst, wobei die Elektrode entlang der Achse von der röhrenförmigen Membranbaugruppe umgeben wird, wobei die obere Endkappe ein Auslassmittel für das Waschfluid umfasst und wobei das in die untere Endkappe eingeleitete Waschfluid durch die Mehrzahl von Nuten in der unteren Endkappe strömt, so dass Waschfluid turbulent zwischen der Elektrode und einer Innenfläche der röhrenförmigen Membranbaugruppe strömt, und wobei das Waschfluid die röhrenförmige Membranbaugruppe durch den Auslass für Waschfluid verlässt.
Kurz ausgedrückt, die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektrode, die in Verbindung mit dem zu lackierenden Objekt bereitgestellt wird, der anderen Elektrode. Eine vorexpandierte Ionenaustauschmembran in einer dünnen Röhrenform ist zwischen zwei nichtleitenden wasserdurchlässigen röhrenförmigen Siebgehäusen eingeschlossen. Die Baugruppe enthält eine Speiseleitung, die einen Wasserkanal für den Elektrolytfluss von der Oberseite der Vorrichtung zu einer unteren Kappe, dann zum Unterkappenreservoir bereitstellt, das eine Stabilisierung und Verteilung von Elektrolyt durch das geriffelte Gehäuse zulässt. Durch dieses definierte Muster entstehende Trägheit erzeugt einen Wirbeleffekt, der die Verunreinigungen von der Anode beseitigt und zur Oberseite der Vorrichtung transportiert, so dass sie von oben abgeführt werden können. Der Ort der Speiseleitung befindet sich unmittelbar innerhalb des Innensiebes, das durch das obere Gehäuse und die untere Kappe eingeführt wird. Die Röhrenelektrode ist auf der Innenseite des Membrangehäuses vorgesehen und vervollständigt den Innenteil der Rückführungskanalkammer.
Insbesondere ist in der obigen Membranelektrodenvorrichtung das Membranstützelement auf einem nichtleitenden Material ausgebildet, und es gibt viele gewöhnlich eingesetzte Versionen. Alle solche konventionellen Vorrichtungen beinhalten eine solche Membran, die von einem nichtleitenden Element getragen wird. Eines von welchen Durchgangslöchern erzeugt variierende Höhenniveaus, um einen unteren Membrankontakt zu erzielen. Leider entsteht, wenn die trockene Membran anschwillt, eine äußere Ummantelung, um die Schwellung nach außen einzudämmen.
Das überschüssige Material wird gezwungen, den inneren Teil des Membranstützelementes einzunehmen. Dies führt zu einer Reduzierung der zugängigen Fläche durch den Lochbereich. Die äußere Ummantelung erzeugt auch Taschen, die zwischen sich selbst und der Ionenaustauschmembran entstehen. Feste Lackpartikel sammeln sich in diesen Taschen an und mindern die Effizienz der Elektrolackierung.
Ein poröses Element wird mit einem Sintervorgang hergestellt. Bei diesem Typ ist das Material relativ dick und hat einen höheren Widerstandswert, der zur Erzielung einer Lackierung mehr Energie benötigt. Dieses Format hat auch die Tendenz zuzulassen, dass Sediment mit der Zeit die Poren der Ionenaustauschmembran verstopft, und das gesinterte Rohr hat eine längliche Schwellcharakteristik, die zusätzliche Abstützung erfordert, was einen Nachteil in Zusammenhang mit einem mit der Zeit abnehmenden Lackauftrag ergibt.
Ferner sollte der Mechanismus untersucht werden, mit dem die Elektrolytlösung derzeit zugeführt und durch die Elektrolackiervorrichtung geleitet wird. Gemäß den vorliegenden Lehren werden Verfahren angewendet, um die Lösung zum Boden der Anode zu führen, dann Strömungsmechanismen. Die Zufuhrrohrleitung verläuft kontinuierlich abwärts und endet in einem Fuß am Boden der Elektrode. An der Bodenkappe ist das Fluid dann unreguliert oder verläuft um den dünnen Spalt zwischen Elektrode und unterer Kappe. Das Fehlen von Definition und Richtung der Elektrolytlösung mindert die Fähigkeit für eine gleichförmige Reinigung der Elektrode, wodurch die Wirksamkeit der Lackierung reduziert wird.
Die vorliegende Erfindung sieht auch ein Schwerkraftzufuhrsystem vor, das darauf beruht, dass der Fluss von der Höhendifferenz zwischen dem Lösungseinlass und dem Elektrolytlösungsauslass bestimmt wird. Dieser Mechanismus hat eine sehr niedrige Durchflussrate, so dass eine unzureichende Zirkulation der Elektrolytlösung entsteht, was im Laufe der Zeit zu einer geringeren Lackierung führt, wenn konventionelle Vorrichtungen eingesetzt werden.
Es sind üblicherweise verwendete Mechanismen erhältlich, die zwischen der Membran und der Anode zum Einsatz kommen. Auch hier sind die Strömungsrate und das interne Spülmuster wieder schlecht. Diese schlechte Zirkulation erzeugt heiße Stellen in der Elektrolytlösung, die eine höhere Leitfähigkeit erzeugen, konzentrieren den Stromzug der Vorrichtung an diesem Ort der Zelle und erodieren die Elektrode mit einer höheren Geschwindigkeit.
Die vorliegende Erfindung lehrt auch den Mechanismus zum externen Zuführen der Elektrolytlösung. Über die oben beschriebenen Nachteile hinaus besteht noch das Problem, dass durch die Lackharze, die an den Außenwänden koagulieren, zusätzlicher „Schmutz" in das wässrige Harzbad gelangt, was den Nachteil von Oberflächendefekten auf der anderen lackierten Elektrode erzeugt. In all den obigen Membranelektrodenvorrichtungen wird die Reinigung der Elektrode verbessert. Während des Lackierprozesses ist eine Zunahme der Essigsäure oder des Amins durch Osmose üblich. Wenn die Elemente nicht von der Elektrode abgeführt werden, dann wird durch das Anhaften dieser Elemente die Wirksamkeit der Elektrode reduziert. Zusammen mit den Säuren oder Aminen erzeugt der Elektrolyseprozess Sauerstoff, der die Erosion beschleunigt, wenn er nicht von der Oberfläche beseitigt wird, was die Lebensdauer reduziert und die Beschichtung des lackierten Gegenstandes verschlechtert.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung wird eine untere Endkappe für eine Membranelektrode bereitgestellt, wobei die Endkappe Folgendes umfasst: einen ersten Zylinder mit einer Innenfläche und einer Außenfläche, wobei die genannten Flächen eine Seitenwand definieren; ein erstes und ein zweites Ende, wobei das erste Ende geschlossen und das zweite Ende offen ist; ein genutetes Mittel zwischen der Innen- und der Außenfläche zur Aufnahme einer röhrenförmigen Membranbaugruppe an dem zweiten Ende; wobei die Innenfläche eine Öffnung definiert, die wenigstens eine erste und eine zweite Kammer umfasst, wobei die erste Kammer ferner durch das erste geschlossene Ende definiert wird, wobei die zweite Kammer einen Innendurchmesser hat, der kleiner ist als der der ersten Kammer, und einen Durchmesser hat, der ausreicht, um eine Elektrode passgerecht darin aufzunehmen; wobei die die zweite Kammer definierende Innenfläche eine Mehrzahl von Nuten umfasst, so dass sich die erste Kammer in Fluidverbindung mit der Elektrode über die Länge der Nuten befindet.
In bevorzugten Ausgestaltungen umfasst die obere Endkappe ein Auslassmittel für ein umlaufendes Waschfluid sowie ein Mittel zum Aufnehmen einer röhrenförmigen Membranbaugruppe, so dass eine Elektrode durch die Mitte der genannten oberen Endkappe und durch die Mitte der röhrenförmigen Membranbaugruppe passieren kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die obigen Nachteile des Standes der Technik zu lösen, und sie soll als Membranelektrodenvorrichtung zum Elektrotauchlackieren verwendet werden. Das Design ergibt eine ausreichende Festigkeit gegenüber Blockierung durch Schlamm, einen größeren wirksamen Membranbereich, höhere Elektrolytzirkulation und weniger Lackaufbau auf einer gequollenen Membran.
Zur Lösung der oben beschriebenen Aufgabe kann die vorliegende Erfindung eine vorexpandierte dünne Membranröhre umfassen, die in der Mitte zwischen zwei nichtleitenden Sieben in einem bestimmten Abstand eingeschlossen ist und über die gesamte Oberfläche des Flüssigkeitsströmungsteils der Vorrichtung verläuft. Eine Elektrode wird in der Mitte der Vorrichtung platziert und erzeugt den Rückführungsteil der Kanalkammer für die Elektrolytlösung. Die Lösung wird über eine Zufuhrröhre zu der Vorrichtung geführt, die von der Oberseite der Vorrichtung zur Unterseite der Vorrichtung zwischen dem Innensieb und der Elektrode führt. Von der Zufuhrröhre wird die Lösung dann stabilisiert und durch das geriffelte Gehäuse um den Boden der Elektrode zur Innenseite der Membran geleitet und erzeugt eine Wirbelwirkung zur Oberseite der Vorrichtung und fließt nach außen. Die Konstruktion kann funktionieren, wenn der Elektrolyt durch die Mitte der Elektrode geführt wird, was die Effizienz erhöht.
Die obigen sowie weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor, wenn sie in Zusammenhang mit den Begleitzeichnungen gelesen wird, in denen gleiche Bezugsziffern die gleichen Elemente bezeichnen.
BESCHREIBUNG DER FIGUREN
1 ist eine schematische Ansicht einer Ausgestaltung einer Membranelektrodenvorrichtung zur Elektrotauchlackierung des Anocel^TM Typs gemäß der vorliegenden Erfindung vor dem Anbringen der vorgedehnten Membran;
2 ist eine schematische Ansicht einer Ausgestaltung einer Membranelektrodenvorrichtung zur Elektrotauchlackierung des Anocel^TM Typs gemäß der vorliegenden Erfindung nach dem Anbringen der vorgedehnten Membran;
3 ist eine schematische Ansicht einer Anode, die mit einer Ausgestaltung der Membranelektrodenvorrichtung zur Elektrotauchlackierung des Anocel^TM Typ gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
4 ist eine Querschnitts- und eine transparente Seitenansicht, die die untere geriffelte Kappe einer Ausgestaltung einer Membranelektrodenvorrichtung zur Elektrotauchlackierung des Anocel^TM Typs gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
5 ist eine Querschnitts- und eine transparente Seitenansicht, die den oberen geriffelten Kragen einer Ausgestaltung einer Membranelektrodenvorrichtung zum Elektrotauchlackieren des Anocel^TM Typs gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
6 und 6A zeigen ein Schema einer gesamten Baugruppe mit einer teilweise auseinander gezogenen Querschnittsansicht, die einen dünnen nichtleitenden röhrenförmigen Fensterrahmen einer Ausgestaltung einer Membranelektrodenvorrichtung zur Elektrotauchlackierung des Anocel^TM Typs gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt; und
7 zeigt eine schematische typische Verwendung der verbesserten Membranelektrodenvorrichtung zur Elektrotauchlackierung des Anocel^TM Typs gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Der vorliegende Erfinder hat eine Möglichkeit entdeckt, die Betriebs- und Elektrodenaustauschkosten durch Entwickeln eines Anolytinjektionssystems zu reduzieren. In der anodischen Version des e-Coat-Prozesses bleiben negativ geladene Säureanionen als feste Lackpartikel zurück, die sich an das Werkstück heften. Diese Anionen werden durch Elektrolyse an die Anode in der Anolytzelle angezogen, wandern vom Lackbad durch die Membran in die Vorrichtung des ANOCEL-Typs und vermischen sich mit dem verdünnten Anolytfluid in der Zelle. Die Anionen werden über ein Anolytumwälzsystem kontinuierlich beseitigt.
Durch Aufrechterhalten der richtigen Leitfähigkeitsniveaus werden heiße Stellen beseitigt und ungleichmäßige Anodenabnutzung wird verhütet. Ein weiteres Nebenprodukt der Elektrolyse ist Sauerstoff. Wenn dieser nicht beseitigt wird, dann akkumuliert er auf den Edelstahlanoden, frisst Löcher in diese und erodiert sie, was deren effektive Lebensdauer verkürzt. Gemäß der vorliegenden Erfindung verteilen die Anolytsysteme die Anolytlösung gleichmäßig über die Anoden in einer Vorrichtung aus kastenartigen und halbkreisförmigen Zellen des ANOCEL^TM Typs. Ebenso erhöht ein ,geriffeltes' Zufuhrsystem in röhrenförmigen Zellen des ANOCEL^TM Typs die Beseitigung von Sauerstoff um einen Faktor von drei.
Die vorliegende Erfindung lehrt eine vorexpandierte Membran. Die früheren Nachteile der trockenen Flachfolienelektrolyse, bei der eine Elektrolysemembran zwischen einem inneren und einem äußeren Trägermaterial gerollt wurde, um eine Zellmembranröhre zu bilden, wurden überwunden und verbessert. Anstatt zu versuchen, die unvermeidliche Verzerrung zu verhüten, die auftrat, wenn Membranzellen in Lackbehältern benetzt wurden, wird in der vorliegenden Erfindung die flache Elektrolysemembranfolie benetzt und gedehnt (vorexpandiert), bevor die Membranröhre gerollt und auf sich selbst geschlossen wird. Das Benetzen kann das Einweichen der Membran in einer Lösung von 30–50 Gew.-% Glycerin, Ethylenglykol oder einer wässrigen Lösung aus Polyhydroxyverbindungen beinhalten. Der Benetzungsprozess kann das Einweichen der Membran in der Lösung für wenigstens etwa 10 Minuten beinhalten. Dieser einzigartige Prozess eliminiert Zellverzerrung im Lackbehälter und eliminiert die Notwendigkeit für Ummantelungen oder mechanische Anschläge. Aufgrund der Verzerrungsfreiheit wird die Distanz zwischen der Anoden- und der Membranfläche auf dem gewünschten Wert gehalten, so dass sich ein höchst effizienter und wirtschaftlicher Betrieb ergibt.
1 zeigt ein Modell mit bündiger Außenseite gemäß der vorliegenden Erfindung, aber die Fachperson wird verstehen, dass das Design eine weitaus höhere Strömungsgeschwindigkeit um die Elektrode 100 (Anode) erzeugt als das, das in 3 gezeigt ist.
Gemäß der Darstellung ist eine Anolytzuführröhre 101, mit dem Anolytrückführungsnippel 102, auf einer Halsbaugruppe 103 aus PVC angeordnet und überquert die genutete obere Kappe 105, die sich über der vorexpandierten Membran und der Gehäusebaugruppe 107 befindet, durch die die Anolytzufuhrleitung 106 verläuft. Ebenso sind eine abgewinkelte geriffelte Bodenkappe 109 und ein Anolytversorgungsausgang 111 sowie ein Unterkappen-Anolytverteiler 110 dargestellt.
Nunmehr auch mit Bezug auf 2 wird bemerkt, dass die Figuren dieselben sind, mit Ausnahme der Tatsache, dass die vorexpandierte Membran 104 daran angebracht ist. Da die Membran 104 gedehnt und dann zu einer röhrenförmigen Form geschlossen wird, entfällt ein Ummanteln der Membran um eine innere röhrenförmige Tragvorrichtung. In dieser Ansicht ist auch der interne Anolytzufuhrausgang 111 dargestellt.
Die abgewinkelte geriffelte Bodenkappe 109 ergibt eine wirbelartige Anolytverteilung, die die Beseitigung von Schmutz und Sauerstoff effektiv um einen Mindestfaktor von mehr als drei gegenüber bekannten Systemen erhöht. Aus diesem Grund können Anolyt, andere Elektrolyte oder sonstige Fluide, die zum Beseitigen von Schmutz und/oder Sauerstoff verwendet werden, auch als Waschfluide bezeichnet werden. Ebenso ergibt gemäß der vorliegenden Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ein elektrisch höchst effizientes Membran-Anoden-Flächenverhältnis von 1,4:1 ein verbessertes Streuvermögen gegenüber bekannten Designs. Eine Stromdichte von 53,8 A pro Quadratmeter (5A pro Quadratfuß) oder weniger ergibt eine verbesserte Nutzungsdauer. Das einfache einstückige Design erfordert keine Umgestaltung und bietet eine starke Röhre mit niedrigem Widerstand. Das geringe Gewicht und die leichte Handhabung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ermöglichen ein einfaches Entfernen von Anoden zur Inspektion. Ein standardmäßiges Design mit offener Oberseite und geschlossener Oberseite ist in der derzeitigen Lehre vorgesehen, vorzugsweise unter Verwendung von nahtlosen Anoden aus Edelstahl der Güte 316 L, und es kann Glattzellen oder solche aufweisen, die Membranen für anodische und kathodische Systeme haben.
Wieder mit Bezug auf 3, die Elektrodenverlängerung 115 bildet die benötigte elektrische Verbindung an ihrem Ende, während die Elektrodenfließnut 122 an der Basis der Elektrode dargestellt ist. Standardausrüstung wie die, die z.B. von PTI Advanced Filtration (Oxnard, Kalifornien und Gainesville, Georgia) hergestellt wird, beinhaltet beispielsweise ein Anolytlösung-Durchflussmessgerät, drei Fuß Anolytrückführungsrohrleitung, drei Fuß Anolytzuführungsrohrleitung und ein Kabel mit Schnelllösekupplung, zusätzlich zu zwei Unistrut-Befestigungsklammern.
Auch aus 4 und aus 5 wird der Fachperson klar werden, wie die Menge an Drall in dem Design 3–7 Riefen für ein definiertes Fließmuster erfordert. Das entstehende Muster bewirkt Fluidträgheit und scheuert an den Wänden der Elektrode, um Sauerstoff und Verunreinigungen abzuführen, die die Leistung der Zelle beeinträchtigen. Dies erfolgt durch den Membranaufnahmeschacht 131, den Anolytzufuhrkanal 133 und den unteren Anolytverteiler 110. Ebenso ist bei diesem Prozess der geriffelte Rückführungskanal 138 wichtig.
Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung wird das Fluid nach dem Erreichen der Oberseite der Zelle durch die oberen Riffeln und dann durch die Rückführungsnippel nach außen geleitet. Zum Vergleich mit der derzeit erhältlichen Mechanik, die einzigen bekannten Offenbarungen sehen einen Auslass am Boden der Anode vor, der es zulässt, dass das Fluid um einen sehr kleinen Raum fließt, der keine Konvektionsdefinition bietet, oder eine Röhre, die den Boden der Zelle von einem Ort zwischen der inneren Tragvorrichtung und der Elektrode speist. Dies ähnelt einem Strohhalm, der nicht an der unteren Kappe befestigt ist. Das Fluid verlässt diese Röhre und fließt ziellos in der Zelle umher.
Mit Bezug auf die 6 und 6A, Anolytvorrat strömt durch den Einlass 101 ein. Der mit „A" bezeichnete detaillierte Abschnitt zeigt Komponenten, die in der Baugruppe verwendet werden. Sektion „A" – „C" repräsentiert einen dünnen, nichtleitenden röhrenförmigen Fensterrahmen 161. Zweck des Rahmens ist es zu verhindern, dass die Membran die Anode aufgrund von Druckschwankungen in der Umgebung des Zellbetriebs kontaktiert. Dieses Rahmenelement trägt das Gewicht dieser Vorrichtung nicht allein und benötigt einen externen Fensterrahmen von höherer Festigkeit, wie im Teil „A" – „E" dargestellt ist. Teil „A" erzeugt, im zusammengebauten Zustand, einen Raum zwischen den Komponenten „A" – „C" und „A" – „E", in dem die Membran „A" – „D" platziert wird. Diese Baugruppe wird in der unteren Kappe vergossen und der obere Kragen hält den Abstand zwischen dem Innen- und dem Außenrahmen. Der Lochabstand der Rahmen hat ein Verhältnis von 2:1, d.h. 2 Innenrahmen-Fensterbereichsöffungen = 1 Außenrahmenfensterbereich.
Dadurch, dass die Membran zwischen diesen Rahmen platziert und die Membran nicht um den Innenrahmen gewickelt wird, wird weniger Widerstand und Blockierung der elektrischen Pfade erzielt. Der Vorteil hiervon ist eine äußerst produktive und sehr effiziente Zelle. Es sind andere Zellen auf dem Markt erhältlich, die den Innenrahmen als einen Mechanismus benutzen, um die Röhrenform von der Membran des Trockentyps zu erzielen. Nach dem Wickeln der Membran um die Röhre wird eine weitere Materialschicht um die trockene Membran gewickelt, um zu verhindern, dass diese nach dem Benetzen aufquillt. Die Baugruppe ergibt eine starke Röhrenform, erhöht aber den Widerstand der Zelle, was deren Leistung herabsetzt. Dieser Typ von Zelle bewirkt auch, dass die expandierte Membran dann in die von dem inneren Rahmen erzeugten Löcher komprimiert wird. Dadurch wird die Effizienz aufgrund des höheren Widerstands des lotrechten Pfads herabgesetzt, der dann entsteht.
Die Elektrolytlösung, auch Anolyt genannt, hat ein einzigartiges Zufuhrsystem, bei dem das Fluid zum Boden der Zelle geführt wird. Dies kann auf viele Weisen geschehen, innerhalb der Elektrode (Anode), zwischen Elektrode und Innenrahmen, außerhalb des Außenrahmens oder zwischen Innen- und Außenrahmen. In jedem Fall ist die Verdrängung dieser Lösung für die Leistung der Zelle wichtig. Um ein stabiles und einheitliches Strömungsmuster zu erzielen, hat die geriffelte Unterkappe einen Verteilerhohlraum. Sobald das Fluid in den Verteiler einströmt, wandert es um die Anode und fließt durch die geriffelten Bereiche der Kappe und bei 163 nach außen. Ebenso ist in dieser Ansicht das Anolytreservoir 165 zu sehen.
Die Menge an Drall in dem Design erfordert 3–7 Riefen für ein definiertes Strömungsmuster. Durch das erzeugte Muster entsteht Fluidträgheit, und das Fluid scheuert an den Wänden der Elektrode, um Sauerstoff und Verunreinigungen abzuführen, die die Leistung der Zelle mindern. Nach dem Erreichen der Oberseite der Zelle wird das Fluid durch die obere Riffelung und dann durch den Rückführungsnippel nach außen geleitet. Zum Vergleich mit der derzeit erhältlichen Mechanik, die einzigen bekannten Offenbarungen sehen einen Auslass am Boden der Anode vor, der es zulässt, dass das Fluid um einen sehr kleinen Raum herum fließt, der keine Konvektionsdefinition bietet, oder eine Röhre, die den Boden der Zelle von einem Ort zwischen der inneren Tragvorrichtung und der Elektrode speist. Dies ähnelt einem Strohhalm, der nicht an der unteren Kappe befestigt ist. Das Fluid verlässt diese Röhre und fließt ziellos in der Zelle umher.
7 zeigt ein verallgemeinertes und schematisiertes Fließschema einer typischen Verwendung der Vorrichtung des Anocel^TM Typs mit einer konventionellen Rohrleitungsanordnung. Der Anolyttank 171 beinhaltet einen Überlauf zum Drain 173, eine Pumpe 175 und wird in Verbindung mit einem Leitfähigkeitsmessgerät 177 benutzt. Eine DI-Wasserquelle 179 (nicht dargestellt) frischt die Anolytlösung im Tank 171 auf. Die frische Anolytlösung 181 wird in der durch den Pfeil angedeuteten Richtung gepumpt und fließt vom Anolyttank 171 zur Vorrichtung 183 des Anocel^TM Typs, während verbrauchte Anolytlösung 185 in der durch den Pfeil angedeuteten entgegengesetzten Richtung fließt. So enthält beispielsweise gemäß der dargestellten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung der Lacktank 187 sowohl Lackprodukt (durch die dunklen Kreise angedeutet) 189 als auch solubilisierten Lack (durch verbundene dunkle und helle Kreise dargestellt) 191 zusätzlich zur Säure/zum Solubilisierer (als helle Kreise dargestellt) 193. Somit erlaubt der Kathodenlacktank 187 einen Betrieb der vorliegenden Erfindung wie oben beschrieben.
Wie erörtert, sind solche Anolyttankbaugruppen von Advanced Membrane Technology (San Diego, Kalifornien, Gainesville, Georgia, und Beijing, China) erhältlich und können in Kapazitäten von 265, 416 und 473 Litern (70, 110 und 125 Gallonen) zusammen mit der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Anolytzu- und -rückführungsverteiler, Diode und Nebenschlusssensoren zusätzlich zu einer Messgerätetafel und Strömungsindikatoren liegen im Rahmen des normalen Kompetenzbereiches der Fachperson, die sich mit der vorliegenden Erfindung befasst. Dieselben sind ebenso von PTI Advanced Filtration, Inc. (Oxnard, Kalifornien, Gainesville, Georgia, und Beijing, China) erhältlich.
Demgemäß wird der Fluss der Lösung unter anderem durch die Verbesserung der vorliegenden Erfindung definiert. Das Design kann eine Anolytzuführ von beliebigen der obigen Zufuhrsysteme aufnehmen, so dass die Leistung der Zelle verbessert wird.
Ebenso sieht die vorliegende Erfindung die Verwendung von alternativen Zellen des Anocel^TM Typs vor, wie z.B. kastenförmige Zellen mit mehreren regulierten Öffnungen zum gleichmäßigen Verteilen von Anolytlösung über den Boden einer Zellenanode. Solche Designs verlängern die Lebensdauer der Zelle aufgrund eines geregelten Strömungsmusters, das Schmutz und Sauerstoff beseitigt, um Stellen mit geringer Strömung sowie strömungslose Stellen zu eliminieren. Mit einer kastenartigen Zelle ergibt ein großer Wirkungsbereich Stromzugfähigkeiten von bis zu 53,8 A pro Quadratmeter (5A pro Quadratfuß), und 95 A unter Last werden als Maximalwert für eine optimale Lebensdauer empfohlen. Das einstückige Design eliminiert Biegungen zur Verlängerung der Lebensdauer, und flache Ränder werden eliminiert, um Ansammlungen von festen Lackpartikeln zu verhüten.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind ferner halbkreisförmige Zellen vorgesehen, die mehrere regulierte Öffnungen zum gleichmäßigen Verteilen von Anolytlösung über den Boden der Zellenanode verwenden. Die relativ geringe Größe dieser Ausgestaltung ermöglicht ein leichtes Platzieren derselben in einem Tank.
Es wurden zwar bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung mit Bezug auf die Begleitzeichnungen beschrieben, aber es ist zu verstehen, dass die Erfindung nicht auf diese präzisen Ausgestaltungen begrenzt ist und dass verschiedene Änderungen und Modifikationen von der Fachperson vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Erfindung gemäß Definition in den beiliegenden Ansprüchen abzuweichen.

Claims

Membranelektrodenvorrichtung zur Elektrotauchlackierung, die Folgendes umfasst: eine Elektrode (100) mit einer Achse; eine röhrenförmige Membranbaugruppe (7, 104); eine untere Endkappe (109); wobei die untere Endkappe Folgendes aufweist: einen ersten Zylinder mit einer Innenfläche und einer Außenfläche, wobei die genannten Flächen eine Seitenwand definieren; ein erstes und ein zweites Ende, wobei das erste Ende geschlossen und das zweite Ende offen ist; ein genutetes Mittel (131) zwischen der Innen- und der Außenfläche zur Aufnahme der röhrenförmigen Membranbaugruppe an dem zweiten Ende; wobei die Innenfläche eine Öffnung definiert, die wenigstens eine erste und eine zweite Kammer umfasst, wobei die erste Kammer ferner durch das erste geschlossene Ende definiert wird, wobei die zweite Kammer einen Innendurchmesser hat, der kleiner ist als der der ersten Kammer, und einen Durchmesser hat, der ausreicht, um die Elektrode passgerecht aufzunehmen; wobei die die zweite Kammer definierende Innenfläche ferner eine Mehrzahl von Nuten umfasst, so dass sich die erste Kammer in Fluidverbindung mit der Elektrode entlang der Länge der Nuten befindet; eine obere Endkappe (105); und ein Mittel (101, 106, 111) zum Einleiten von Waschfluid in die untere Endkappe (109), wobei die röhrenförmige Membranbaugruppe (7, 104) eine selektiv durchlässige Membran (104) umfasst, wobei die Elektrode (100) entlang der Achse von der röhrenförmigen Membranbaugruppe (7, 104) umgeben wird, wobei die obere Endkappe (105) ein Auslassmittel (102) für das Waschfluid umfasst und wobei das in die untere Endkappe (109) eingeleitete Waschfluid durch die Mehrzahl von Nuten in der unteren Endkappe strömt, so dass Waschfluid turbulent zwischen der Elektrode (100) und einer Innenfläche der röhrenförmigen Membranbaugruppe (7, 104) strömt, und wobei das Waschfluid die röhrenförmige Membranbaugruppe (7, 104) durch den Auslass (102) für Waschfluid verlässt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Elektrode (100) einen mittleren Kanal entlang ihrer Längsachse hat, wobei der mittlere Kanal optional am Boden verschlossen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, ferner mit Mitteln zum Tragen der oberen Endkappe (105), mit einer röhrenförmigen wasserdurchlässigen Form zwischen der Membran (104) und der Elektrode (100).
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die wasserdurchlässige Form ein Material mit einer ausreichenden Permeabilität umfasst, so dass Waschfluid im Wesentlichen frei durch die Form umlaufen kann.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Nuten um wenigstens eine Nutenbreite voneinander beabstandet sind.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Mittel (101, 106, 111) zum Zuführen von Waschfluid axial durch eine Seitenwand der oberen Kappe kanalisiert werden, parallel zu oder innerhalb der Elektrode (100) nach unten und axial durch die Seitenwand der unteren Endkappe (109) verlaufen, so dass das Waschfluid nicht mit der Innenfläche der Elektrode in Kontakt kommt und in die untere Endkappe geführt wird.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Elektrode (100) weiterhin ein oberes Ende und ein unteres Ende umfasst, wobei das obere Ende an einer Verlängerung (115) mit einer ausreichenden Länge angebracht ist, damit die Elektrode (100) von einem Bediener manipuliert werden kann, so dass der Bediener nicht mit dem Waschfluid in Kontakt zu kommen braucht, in das die Elektrode eingetaucht ist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das untere Ende der Elektrode (100) so ausgerichtet ist, dass das Waschfluid frei unterhalb der Elektrode (100) fließen kann.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Membran (104) für Ionen selektiv durchlässig und vorexpandiert ist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Membran (104) durch Einweichen der Membran (104) in einer Lösung für wenigstens 10 Minuten und dann Trocknenlassen der Membran (104) an der Luft vorexpandiert wird.
Membran nach Anspruch 10, wobei die Lösung etwa 30–50 Gew.-% Glycerin, Ethylenglykol oder eine wässrige Lösung aus Polyhydroxyverbindungen umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei das die wasserdurchlässige Form umfassende Material im Wesentlichen flach ist.
Untere Endkappe für eine Membranelektrodenvorrichtung, wobei die Endkappe Folgendes umfasst: einen ersten Zylinder mit einer Innenfläche und einer Außenfläche, wobei die genannten Flächen eine Seitenwand definieren; ein erstes und ein zweites Ende, wobei das erste Ende geschlossen und das zweite Ende offen ist; ein genutetes Mittel (131) zwischen der Innen- und der Außenfläche zur Aufnahme einer röhrenförmigen Membranbaugruppe (7, 104) an dem zweiten Ende; wobei die Innenfläche eine Öffnung definiert, die wenigstens eine erste und eine zweite Kammer umfasst, wobei die erste Kammer ferner durch das erste geschlossene Ende definiert wird, wobei die zweite Kammer einen Innendurchmesser hat, der kleiner ist als der der ersten Kammer, und einen Durchmesser hat, der ausreicht, um eine Elektrode (100) passgerecht darin aufzunehmen; wobei die die zweite Kammer definierende Innenfläche ferner eine Mehrzahl von Nuten umfasst, so dass sich die erste Kammer in Fluidverbindung mit der Elektrode (100) über die Länge der Nuten befindet.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Nuten in der unteren Endkappe (109) einen schrägen Drall haben.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, mit einem Umwälzsystem, das frisches Waschfluid zu der röhrenförmigen Membranbaugruppe durch die untere Endkappe (109) zuführt und verbrauchtes Waschfluid aus der röhrenförmigen Membranbaugruppe von der oberen Endkappe (105) beseitigt.