JP2008531850A - 電解槽の電気回路及び電解槽の付近の電磁界を減じる方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電解槽の電気回路及び電解槽の付近の電磁界を減じるための方法を提供する。
【解決手段】電解槽の付近の電磁界を減じるための電気回路は、電解槽に給電する一次電気回路と、一次電気回路によって発生した電磁界を補償するために、電流を一次電気回路に流れている電流の方向とは反対方向に流すための、一次電気回路の付近に配置された二次電気回路と、を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、電解槽に関し、特に係る電解槽の電源供給に関する。
本発明は、より詳細には、整流された電流を、二極電極を有する電解槽に供給するための電気回路に関する。

特に直流が供給される、二極電極を有する電解槽は、電気化学産業で一般に用いられる。係る電解槽は、塩素、水酸化ナトリウムの水溶液、或いは塩素酸ナトリウムの水溶液を生成する目的で塩化ナトリウムの水溶液を電解するために一般に使用される。

二極電極を有する電解槽で採用される高電流密度に照らして、一般的には、直流の代わりに整流された交流が用いられる。整流された交流は、通常は、周波数及び振幅が使用される整流器に依存する位相を有する。

強い電磁界、特に整流された交流によって生じた電磁界は、身体に発生することの危険を冒す誘導電流のために、極端な条件下で有害な結果を人体に招くことがあるということが更に知られている。その結果、産業施設の付近の人員を保護するために、或いはそこでの電磁界の強さを減じるために測定を行うことが重要である。更にこれに関して基準が出されており、産業構内の電磁界の強さを減じることを要求している。それらの基準の中でも、欧州基準８９／３９１／ＥＥＣが特に厳しい基準である。

本発明の目的は、産業用電解槽に強電流を供給するための新規な設計の電気回路を提供することにある。
特に、本発明の目的は、上述した欧州基準に従うために電解槽の付近の電磁界を十分に低い値に減じる電気回路を提供することにある。
もっと詳細には、本発明の目的は、二極電極を有する電解槽の側壁に沿って延びている通路の電磁界の強さを減じることにある。

従って、本発明は、電解槽の付近の電磁界を減じるための電気回路に関し、電気回路は、それ自体、電解槽と、電解槽に流れている電流を戻すための少なくとも一つの母線を含む電気帰線とを含む一次電気回路と、一次電気回路によって生成された電磁界を補償するために、電流を一次電気回路に流れている電流の方向とは反対の方向に流すための、一次電気回路の付近に少なくとも部分的に配置された二次電気回路とを含む。

本発明によれば、二次電気回路は、一次電気回路の付近に配置される。二次電気回路の反対方向の電流の流れは、一次電気回路の電流の流れによって生じた磁界を少なくとも部分的に打ち消す磁界を引き起すものである。従って、二次電気回路は、望ましい補償を得るのに十分な強さの電流を運ぶことができなければならない。電磁界の良好な補償を得るために、二次電気回路は、できるだけ一次電気回路の付近に配置されなければならない。二つの電気回路をある位置で分けることを必要とする構造要件を考慮して、電磁界の最適な補償を得るために、二次電気回路の一部分を電解槽に取り付け、別の部分を好ましくは母線に取り付けることが推奨される。補償を最適化するために、二次電気回路のある部分を、並列に接続された複数の導体の上に一般に分配する。制御抵抗器を介して、一次電気回路の電源を用いて二次電気回路に給電することが可能である。しかしながら、電流帰線の付近にある二次電気回路の少なくとも一部分が別々に給電されることが推奨される。また、別々の電源は、電解槽によって生じた磁界の特に問題となる或る周波数を優先的に除去するために二次電流の周波数を適応することができるという利点もある。一般に、母線の付近にある二次電気回路の一部分が、電解槽に取り付けられた部分に流れている電流よりも強い（好ましくは少なくとも５倍程強い）電流を運ぶべきであることが推奨され、その電流比は母線と電解槽との間の距離の関数である。

また、整流器と電解装設備との間にある回路の一部分が、電磁界の良好な補償を得るために構成されるべきであることも推奨される。従って、電流供給導体及び戻り導体が互いに近接するということに注意しなければならない。この目的を達成するために、導体を、並列に接続される複数の素子に分岐し、例えば、各導体の素子の積み重ねられた交互の層により、導体を互にインターリーブさせることができるようにすることが推奨される。

本発明は、単極或いは二極水銀、ダイアフラム或いは膜電解槽のような、いかなる種類の電解槽にも適用する。しかしながら、本発明は、ほぼ垂直の二極電極を有する電解槽に特に適用する。係る電解槽は、電解槽の工業技術でよく知られており、その工業技術では係る電解槽は、金属ハロゲン化物、特に塩化ナトリウムの水溶液を電解するために広く用いられる。垂直の二極電極は、一般に、各々が二極電極を含む、一連の金属フレームによって形成され、これらの金属フレームはフィルタープレスように並置される（Modern Chlor-alkali technology, Volume 3, SCI, 1986, chapter 13 「双極ヘキスト-ウーデ膜セルで得られた作動経験」 Modern Chlor-alkai technology, Volume 4, SCI, 1990, chapter 20 「ヘキスト-ウーデ単一素子膜電解槽：概要−実験−応用」）。金属フレームは、普通、正方形或いは長方形の外形を有し、金属フレームがフィルタープレスように並置されるとき、金属フレームは電解槽の上壁、下壁或いは底壁、及び二つの側壁を形成する。。電解槽には、通常、直流、或いはより一般的には、整流された交流が給電される。直流或いは整流された交流は、直流電源或いは整流器の一方の端子から電極を通って流れ、次いで電解槽の外側にある電流帰回線を介して直流電源或いは整流器の他方の端子に戻る。

本発明による電気回路には、有利には整流された交流が供給される。三相交流整流は、振動が三相電流の基本周波数よりも６倍高いベース周波数（例えば５０Ｈｚの６倍）を有する電流と、高調波の完全なスペクトルとをもたらす。

本発明の一推奨実施形態では、電気回路は、波形が互に関して位相のずれた電流を送るために少なくとも二つの整流器を有する電源を含む。電解電気回路には、有利には、三相交流が給電される。

この実施形態による少なくとも二つの互に位相のずれた整流器の使用は、電解槽或いは複数の電解槽に給電する整流電流の振動の周波数を増すことを可能にする。電流の強さ及び特定の構成が電解槽に伴われるならば、本発明による電気回路は、電解設備の付近に放射される電磁界をほぼ減じることを可能にする。

この実施形態の有利な変形例では、電気回路は、位相のずれが２９°乃至３１°の間、好ましくは３０°に近い二つの整流器を含む。この変形例では、波形が未整流の三相電流のベース周波数よりも１２倍高いベース周波数を有する電流が得られる。

電気回路のこの実施形態の別の有利な変形例では、電気回路は、少なくとも二つの整流器の出力を結合する少なくとも一つの排流コイルを更に含む。排流コイルは、整流器の出力間に逆並列リアクタンスを確立するものである。排流コイルは、加熱損失を制限するように、有利には、鉄のプレート及びシートを組み合わせることによって形成される。整流器の出力は、排流コイルに反対方向に入り、一方の出力に存在する電流摂動が、リアクタンスによって、他方の出力から流れてくる電流に逆摂動を引き起す。二つの出力が並列の接続によって重ね合わされるとき、あまり摂動されていない全体の電流がそれによって得られる。

本発明による電気回路の好ましい変形例では、電流帰線は、電解槽の下或いは上に配置される少なくとも一つの母線からなる。母線を電解槽の下に配置するか上に配置するかの選択は、電解槽の構造及び二極プレートのアセンブリモードを考慮して決定される。変形例として、上述した電流帰線は、電解槽の下に配置された一方の母線と、電解槽の上に配置された他方の母線と、を含むのがよい。別の変形例によれば、電解槽は、また、電解槽の下に複数の母線及び又は電解槽の上に複数の母線を含んでもよい。実際には、電解槽のアセンブリ及び保守を考慮して、上述した電流帰線は、一般的には、電解槽の上に母線を含むべきではないのが好ましい。

他のすべての条件が同じであれば、本発明による電気回路は、基本的には二極電極を有する電解槽の側壁に沿って、電解槽の付近特に操作及び保守要員によって使用される通路の電磁界を実質的に減じるということが分かった。

本発明による電気回路では、母線の材料は、本発明の定義にとって重要ではない。母線は、一般には、銅製、アルミニウム製、或いはアルミ合金製である。

本発明による電気回路では、母線の断面の外形は、本発明の定義にとって重要ではない。外形は、例えば、正方形、長方形、円形、或いは多角形であるのがよい。

本発明による電気回路の第１の特定実施形態では、母線は、長方形の外形を有し且つその大きな面がほぼ水平であるように配向される。他のすべての条件が同じであれば、電解槽の下及び又は上に水平に配置された、長方形部分の母線を選択することは、電解槽の付近の電磁界の大きさを最小にすることが観測された。また、電解槽の付近の電磁界の減少は、母線の厚さと幅の間の割合が小さい場合、それに相応して大きいということも観測された。実際には、その結果、母線に金属プレートを用いることが好ましい。変形例として、電解槽の下及び又は上に並べて配置される複数の金属プレートを用いてもよい。

他のすべての条件が同じであれば、その上、電解槽の付近の電磁界の大きさは、母線が電解槽の壁の近くに配置される場合に小さくなるということが観測された。

その結果、本発明による電気回路の第２の実施形態では、母線は、電解槽の壁のすぐ近くに配置される。本発明のこの実施形態では、母線が電解槽の下に配置されるか上に配置されるかによって、電解槽の前記壁は、電解槽の下壁又は底壁、若しくは上壁である。本発明のこの実施形態では、「電解槽の壁のすぐ近くに」という表現は、この壁と母線との間の距離が最大でも母線の厚さの５倍（好ましくは３倍）に等しいということを意味する。距離は、母線の厚さを超えないのが好ましい。

本発明の上述した第２の実施形態の好ましい変形例では、母線は、電解槽の前記壁に取り付けられる。本発明のこの好ましい変形実施形態では、母線は、有利には、母線を壁から分離するのに必要な電気絶縁体の厚さを有し、大きな面の一方が該壁に取り付けられる金属プレートである。金属プレートは、前記壁の表面積の一部分に取り付けられてもよい。金属プレートが前記壁の表面積のほぼ全てに取り付けられるのが好ましい。

本発明の第３の特定実施形態では、上述した電気帰線は、電解槽の二つの側壁のすぐ近くにそれぞれ配置される二つの追加の母線を更に含む。本発明のこの実施形態では、「すぐ近くに」という表現は、上述した第２の実施形態のこの表現について与えられた定義に対応する。

他のすべての条件が同じであれば、追加の母線の存在は、電解槽の付近の電磁界の大きさを小さくする。

本発明によるこの第３の実施形態では、追加の母線は、電解槽の構造に適合するいかなる形状を有していてもよい。追加の母線は、例えば、正方形、長方形，多角形、楕円形或いは円形の外形を有するのがよい。追加の母線は、同じ外形或いは異なる外形を更に有してもよいし、同じ寸法形状或いは異なる寸法形状を有してもよい。しかしながら、実際には、追加の母線は、同じ外形及び同じ寸法形状を有するのが好ましい。追加の母線は、長方形の外形を有し、且つ追加の母線は、電解槽の二つの側壁にその大きな面を介してそれぞれ取り付けられるのが更に好ましい。

説明したばかりの本発明の第３の実施形態では、追加の母線のそれぞれの寸法形状及び電解槽の下及び又は上に配置される各母線の寸法形状は、電流がこれらの母線間に分配されるようにする方法の関数として決定される。

特に有利である、本発明の第４の実施形態では、電気回路の電流帰線は、電解槽の垂直中間平面に関してほぼ対称である電磁界を発生するように配置される。（電解槽の垂直中間平面に関してほぼ対称である電磁界を発生する）この実施形態の目的は、各母線を適切に寸法形状決めし且つ配置することによって達成される。最適寸法形状及び最適位置の選択は、特に電解槽の形状及び寸法形状の関数として、当業者によって決定される。実際には、この結果は、一般に、電解槽の垂直中間平面に関して対称に母線を配置することによって得られる。

本発明による電気回路は、二極電極を有する電解槽の付近の電磁界をほぼ減じる。

その結果、本発明は、また、電解槽の電気回路の付近の電磁界を減じる方法にも関し、電気回路がそれ自体、電解槽と、電解槽に流れている電流を戻すための少なくとも一つの母線を含む電気帰線と、を含む、一次電気回路を含み、母線により、一次電気回路に流れている電流の方向とは反対方向に、一次電気回路の付近に配置された二次電気回路に電流を流す。

本発明による方法の好ましい変形例によれば、一次回路は、波形が互いに関して３０°だけ位相のずれた電流を送るために、二つの整流器を使用する電源を含む。

この変形例の有利な変形では、一次電気回路は、二つの整流器の出力を結合する排流コイルを更に含む。

本発明による電気回路は、ハロゲン化アルカリ金属、特に塩化ナトリウムの水溶液のような、水或いは水溶液の連続電解のための電解槽に特に適用する。その結果、本発明の好ましい実施形態では、電解槽は、結果として、水性電解液の連続取り入れのための導管と、水性電解液の連続排出のための導管と、を含む。

本発明は、塩化ナトリウムの水溶液を電解することによって塩素酸ナトリウムを製造するための電解槽に特に適用する。本発明は、塩化ナトリウムの水溶液を電解することによって塩素と水酸化ナトリウムの水溶液とを製造するための電解槽に特によく適用し、これらの電解槽は、二極電極間に介在され、且つ陽イオンを選択的に透過させる膜を含む。

本発明による電気回路は、垂直の二極電極を有する少なくとも一つの電解槽を有するいかなる電解設備にも適用する。

その結果、本発明は、また、本発明による電気回路に接続される、二極電極を有する少なくとも一つの電解槽を含む電解設備にも関する。本発明による電解設備は、単一の電解槽、或いは電気的直列或いは並列に接続される、複数の電解槽を含んでもよい。

本発明は、特に、塩素と水酸化ナトリウムの水溶液とを生成するためのこの電解設備の使用に関する。

本発明の特徴及び詳細は、本発明のある特定の実施形態を示す、添付図面の以下の説明中に明らかになるであろう。
図面において、同じ構成要素は、同じ参照記号で示される。

図１に図式化された電解設備は、塩酸化ナトリウムの水溶液を電解することによって塩素、水素及び水酸化ナトリウムを生成するために設計された３つの電解槽１、２、３を含む。電解槽１、２、３は、垂直な二極電極を有する種類のものである。電解槽は、各々が垂直二極電極（図示せず）を収容する、垂直な長方形フレーム４を並置することによって形成される。フレーム４は、フィルタープレスように並置される。陽極チャンバ及び陰極チャンバを交互に区切るために陽イオンを選択的に透過させる膜がフレーム４間に介在される。電解槽１、２、３の陽極チャンバは、塩酸化ナトリウムの水溶液の連続取り入れのための導管（図示せず）と連通する。電解槽１、２、３の陽極チャンバは、塩素の連続排出のためのマニホールド（図示せず）と更に連通する。電解槽１、２、３の陰極チャンバは、二つのマニホールド（図示せず）と連通し、マニホールドは、一方では、水素の連続抽出のために、他方では、水酸化ナトリウムの水溶液のために、それぞれ用いられる。

電解槽１、２、３は、一方では、電解槽１、２、３間に介在された導電性の母線６、及び他方では、電解槽１、２、３の外側に配置された電流帰線７を含む電気回路によって排流コイル１９を介して二つの整流器５ａ、５ｂに電気的直列に結合される。整流器５ａ、５ｂは、交流電源１８によって３０°の位相のずれで給電される。

図１に図式化された電解設備では、電解槽１、２、３の各々は、例えば、３０乃至４０個の基本電解セルを含むのがよいし、電源は、例えば、８乃至２０ｋＡの電流を送ることができる５２０Ｖ直流整流器を含む。電極の表面積の関数として、これは、陽極面積の２．５乃至６ｋＡ／ｍ²の陽極電流密度を生ずる。しかしながら、これらの数値は、単なる表示であり、本発明の範囲及び特許請求の範囲を限定するものではない。

二極スイッチが閉じられる場合、整流された電流は、電解槽１、２、３内で二極電極を通して、逐次帰線７に流れる。この電流は、電解設備の環境に電磁界を発生させる。

本発明によれば、導体１７ａ、１７ｂを含む二次電気回路が、電解槽及び帰線の付近に配置される。

図２及び図３に図式化された電解設備は、本発明の特定の実施形態を示す。二次電気回路は図示されていない。電解槽３だけがこれらの図に図示されている。図２及び図３の電解設備では、帰線７は、電解槽３の下壁１１の下に配置される二つの母線９、１０を含む。母線９、１０は、電気の良導体である金属（好ましくは銅或いはアルミニウム）の角柱の母線である。これらの母線は、電解槽３の垂直中間平面Ｘ-Ｘの両側に対象的に配置される。その上、母線９、１０は、電解槽３の下壁１１の付近に更に配置される。図３に図式化された仕方で母線９、１０を配置することの効果は、電解槽３の側壁１３に沿って延びていて且つ電解槽３の操作要員用である通路１２の電磁界の大きさを減じることにある。

他のすべての条件が同じであれば、母線９、１０が垂直中間平面Ｘ-Ｘ及び下壁１１に近い場合、通路１２の電磁界の強さが比例的に小さくなることが観測された。また、通路１２の電磁界の大きさが、母線９、１０の厚さと幅との間の割合を小さくすることによって減じられることも観測された。従って、母線９、１０のために水平プレート或いはシートを用いるのが好ましい。

二次電気回路が同様に示されていない、図４に図式化された実施形態では、電流帰線７は、電解槽３の下壁１１に取り付けられ且つこの壁の全てをほぼ覆う金属プレート或いはシート１４を含む。

図５の電解設備では、電流帰線７は、電解槽３の下壁１１に付けられた金属プレート１４と、電解槽３の二つの側壁１３に沿ってそれぞれ延びている二つの追加の母線１５、１６とを含む。二つの追加の母線１５，１６は、側壁１３に取り付けられた金属プレート或いはシートであるのが有利である。

図４及び図５に類似する、図６及び図７の電解設備では、導体１７ａ、１７ｂが示されている。電流は、導体１７ｂの中を、プレート１４を流れる方向とは反対の方向に流れる。導体１７ａ及びプレート１５、１６についても同様である。

本発明の特定の実施形態による電解設備の一般的なレイアウトを示す平面図である。 本発明による電解設備の別の特定の実施形態の長手方向概略図である。 図２の平面III-IIIの縦断面図である。 本発明による電解設備の別の実施形態の図３に類似の図である。 図４の電解設備の好ましい変形例である。 図４に類似であるが、第２の電気回路をも示す図である。 図５に類似であるが、第２の電気回路をも示す図である。

符号の説明

１、２、３ 電解槽
４ 垂直な長方形フレーム
５ａ、５ｂ 整流器
６ 母線
７ 電流帰線
１７ａ、１７ｂ 導体
１８ 交流電源
１９ 排流コイル

Claims (14)

1. 電解槽（１、２、３）の付近の電磁界を減じるための電気回路であって、
   それ自体が、電解槽と、及び上記電解槽に流れている電流を戻すための少なくとも一つの母線（９、１０、１４）を含む電気帰線（７）とを含む、一次電気回路と、
   上記一次電気回路によって生じた電磁界を補償するために一次回路に流れている電流と反対方向に電流を流すための、一次電気回路の付近に少なくとも部分的に配置された二次電気回路（１７ａ、１７ｂ）と、を含む、電気回路。
2. 母線（９、１０、１４）が上記電解槽（３）の下及び又は上に配置されることを特徴とする請求項１に記載の電気回路。
3. 母線（１４）が上記電解槽（３）の壁（１１）に取り付けられることを特徴とする請求項１に記載の電気回路。
4. 上記壁は、電解槽の底壁（１１）であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の電気回路。
5. 上記母線は、金属プレート（１４）であり、該金属プレートの大きな面の一つが、上記壁（１１）に取り付けられることを特徴とする請求項３又は４に記載の電気回路。
6. 上記電気帰線（７）は、上記電解槽（３）の二つの側壁（１３）にそれぞれ取り付けられた二つの追加の母線（１５、１６）を更に含むことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の電気回路。
7. 上記電気帰線（７）は、上記電解槽の垂直な中間平面（Ｘ-Ｘ）に関してほぼ対称である電磁界を発生させるように配置されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の電気回路。
8. 上記電解槽は、水性電解液の連続取り入れのための導管と、水性電解液の連続排出のための導管とを含むことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の電気回路。
9. 上記電解槽は、二極電極間に介在され、且つ陽イオンを選択的に透過させる二つの膜を含むことを特徴とする請求項８に記載の電気回路。
10. 上記一次電気回路は、波形が互いに関して位相のずれた電流を送るために二つの整流器（５ａ、５ｂ）を使用する電源を含む、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の電気回路。
11. 上記二つの整流器の出力を結合する排流コイル（１９）を更に含む、請求項１０に記載の電気回路。
12. 電解槽（１、２、３）の電気回路の付近の電磁界を減じるための方法であって、上記電気回路が、それ自体が、電解槽と、該電解槽に流れている電流を戻すための少なくとも一つの母線を含む電気帰線とを含む、一次電気回路を含み、母線により、一次電気回路に流れている電流の方向と反対方向に、一次電気回路の付近に配置された二次電気回路に電流を通す、上記方法。
13. 上記一次電気回路は、波形が互いに関して３０°だけ位相のずれた電流を送るために二つの整流器を使用する電源を含む、請求項１２に記載の方法。
14. 上記一次電気回路は、上記二つの整流器の出力を結合する排流コイル（１９）を更に含む、請求項１３に記載の方法。

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