JP2020081952A - イオン交換ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】比重の異なるイオン交換樹脂が比重に応じて分離するのを抑制する。【解決手段】水に含まれるイオンを交換するイオン交換ユニットであって、比重の異なる複数の種類の粒状のイオン交換樹脂を混合した状態で収容する容器と、該容器に水を供給する水供給路と、該イオン交換樹脂によってイオンが交換された水を該容器から排出する純水排出路と、該容器に収容された該イオン交換樹脂を上方から下方に押圧し、該イオン交換樹脂の流動を抑制する流動抑制部と、を備え、該流動抑制部は、該イオン交換樹脂の上面に載置される押圧部材を備え、使用に応じて体積が収縮する該イオン交換樹脂に追従して該押圧部材が下方に移動することで該イオン交換樹脂を常時押圧できる。【選択図】図１

Description

本発明は、水に含まれるイオンを除去するイオン交換ユニットに関する。

工業用に使用される純水を精製する工程では、水に含まれる水分子に由来しないイオンを除去するイオン交換ユニットが使用される（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。イオン交換ユニットは、耐圧の容器と、該耐圧の容器に密閉された粒状のイオン交換樹脂と、を含む。そして、イオン交換ユニットの該容器に水を送ると、該水に含まれるイオンがイオン交換樹脂により交換され、該容器から純水が取り出される。

イオン交換ユニットの容器に密閉されるイオン交換樹脂には、アニオン交換樹脂と、カチオン交換樹脂と、が存在し、それぞれ、水に含まれるイオンを吸着することで該イオンを水から除去する。そして、アニオン交換樹脂と、カチオン交換樹脂と、が混合されて容器に密閉されていると、水に含まれるイオンが効率的に除去され、効率的に純水が精製される。

特開２０１１−４１８７８号公報 特開２００７−２４５００５号公報

イオン交換ユニットを使用し続けると、徐々に容器に含まれるイオン交換樹脂の体積が減少していき、容器の内部にイオン交換樹脂が移動できる空間が生じる。そして、該容器に水を通し続けていると、容器の内部でイオン交換樹脂の粒が流動するようになる。ここで、アニオン交換樹脂と、カチオン交換樹脂と、は比重（密度）が異なる。そのため、アニオン交換樹脂と、カチオン交換樹脂と、が流動する過程でそれぞれ比重に従って局在化するようになる。

アニオン交換樹脂と、カチオン交換樹脂と、が分離してしまうと、水に含まれるイオンを効率的に交換できなくなるため、イオン交換ユニットの性能が低下し、水に含まれる該イオンを十分に交換できないおそれがある。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、容器に入れられたイオン交換樹脂の流動を抑制し、比重の異なるイオン交換樹脂が比重に応じて分離するのを抑制できるイオン交換ユニットを提供することである。

本発明の一態様によると、水に含まれるイオンを交換するイオン交換ユニットであって、比重の異なる複数の種類の粒状のイオン交換樹脂を混合した状態で収容する容器と、該容器に水を供給する水供給路と、該イオン交換樹脂によってイオンが交換された水を該容器から排出する純水排出路と、該容器に収容された該イオン交換樹脂を上方から下方に押圧し、該イオン交換樹脂の流動を抑制する流動抑制部と、を備え、該流動抑制部は、該イオン交換樹脂の上面に載置される押圧部材を備え、使用に応じて体積が収縮する該イオン交換樹脂に追従して該押圧部材が下方に移動することで該イオン交換樹脂を常時押圧できることを特徴とするイオン交換ユニットが提供される。

好ましくは、該流動抑制部は、一端が該押圧部材に固定された弾性部材をさらに備え、該弾性部材は、該イオン交換樹脂に追従して下方に移動する該押圧部材を付勢する。

また、好ましくは、該押圧部材は、収容された該イオン交換樹脂の上面より面積の小さいプレートで構成されている。

本発明の一態様に係るイオン交換ユニットに水供給路から水を供給し、該水に含まれるイオンをイオン交換樹脂で交換すると、純水排出路を経て純水が排出される。そして、イオン交換ユニットは、イオン交換樹脂の上面に載置される押圧部材を有する流動抑制部を備える。容器に収容されたイオン交換樹脂は、該流動抑制部により上方から下方に押圧されるため、容器の内部に水が供給されてもイオン交換樹脂の流動が抑えられる。

水に含まれるイオンをイオン交換樹脂に交換させると、該イオン交換樹脂は徐々に体積が収縮する。このとき、押圧部材は収縮するイオン交換樹脂に追従して下方に移動し、イオン交換樹脂を下方に押圧する。すなわち、流動抑制部は、粒状のイオン交換樹脂が自由に流動できる空間が生じるのを防止するとともに、収縮するイオン交換樹脂の流動を常に抑え続ける。イオン交換樹脂の流動が抑えられるとイオン交換樹脂が比重に応じて分離しにくくなり、イオン交換樹脂の性能の低下が抑制される。

したがって、本発明の一態様によると、容器に入れられたイオン交換樹脂の流動を抑制し、比重の異なるイオン交換樹脂が比重に応じて分離するのを抑制できるイオン交換ユニットが提供される。

イオン交換ユニットの構成部品を模式的に示す斜視図である。 使用前のイオン交換ユニットを模式的に示す断面図である。 容器の内部でイオン交換樹脂が収縮しているイオン交換ユニットを模式的に示す断面図である。 イオン交換ユニットの構成例を模式的に示す断面図である。

添付図面を参照して、本発明の一態様に係る実施形態について説明する。本実施形態に係るイオン交換ユニットについて説明する。図１は、本実施形態に係るイオン交換ユニット２の構成部品を模式的に示す斜視図である。イオン交換ユニット２は、例えば、半導体デバイスチップの製造工場や医薬品の製造工場等において純水の供給路に設置され、水分子に由来しないイオンを含む水から該イオンを除去して純水を精製する機能を備える。

イオン交換ユニット２に供給される水（原水とも呼ばれる）は、例えば、予めフィルターや活性炭等により浮遊物や不純物が取り除かれた水道水や清水等である。そして、該水には水分子に由来する水素イオン及び水酸化物イオン以外のイオンが含まれる。本実施形態に係るイオン交換ユニット２は、供給された水から水分子に由来するイオン以外のイオンを交換して取り除き、純水を精製する。

イオン交換ユニット２は、例えば、イオンを交換するイオン交換樹脂が収容される耐圧性の容器４を備える。容器４の上部には円形の開口部６が形成されており、開口部６の内壁にはねじ溝８が形成されている。容器４には、容器４への水の供給経路となる水供給路１４と、容器４の内部で精製された純水の排出経路となる純水排出路１６と、を備えるヘッド部１０が装着される。図２は、イオン交換樹脂３２が充填された容器４にヘッド部１０が装着されたイオン交換ユニット２を模式的に示す断面図である。

ヘッド部１０は、水供給路１４と、純水排出路１６と、が固定された円板状の蓋体１２と、蓋体１２の下部に固定された支持体１８と、を有する。水供給路１４は、蓋体１２の側面側から水平方向に通され、蓋体１２の内部で下方に湾曲され、支持体１８を上下に貫き、支持体１８の下方に通じている。純水排出路１６は、水供給路１４とは反対側の位置で蓋体１２の側面側から水平方向に通され、蓋体１２の内部の中心付近で下方に湾曲され、支持体１８を上下に貫き、支持体１８の下方に通じている。

水供給路１４の支持体１８の下面からの下方への突出量は比較的小さく、ヘッド部１０が容器４に装着された際、水供給路１４の下端は容器４の内部の上部の高さ位置に達する。これに対して、純水排出路１６は、支持体１８の下面側へ大きく突出した集水管部２２を備える。集水管部２２の長さは、ヘッド部１０が容器４に装着された際、集水管部２２の下端が容器４の底部付近の高さ位置に達する長さである。

支持体１８の上部は、容器４の開口部６の内径に対応した外径を有し、支持体１８の該上部の外周部には、容器４の開口部６の内壁に形成されたねじ溝８に対応するねじ溝２０が形成されている。ヘッド部１０を容器４に装着する際には、容器４の開口部６のねじ溝８に支持体１８の上部のねじ溝２０を螺合させる。

ヘッド部１０は、さらに、支持体１８の下面に上端が固定された弾性部材３０と、該弾性部材３０の下端に固定された押圧部材２６と、を備える。弾性部材３０は、例えば、純水排出路１６の集水管部２２が中心に突き通された巻部を有するコイルばねである。弾性部材３０には、例えば、ステンレス鋼等の金属や、樹脂材料が使用される。また、押圧部材２６は、中心に上下方向に貫く挿通孔を備える円板状の部材である。

ヘッド部１０が容器４に装着される際に容器４の開口部６を通過できるように、押圧部材２６は容器４の開口部６の内径よりも小さい外径に形成される。また、押圧部材２６の該挿通孔の内径は、純水排出路１６の集水管部２２の外径に対応しており、該挿通孔には集水管部２２が突き通されている。押圧部材２６は、例えば、樹脂プレート又は樹脂シート等である。

押圧部材２６は、集水管部２２の伸長方向に沿って移動可能であり、押圧部材２６は弾性部材３０により該伸長方向に沿って付勢される。押圧部材２６と、弾性部材３０と、は、容器４に収容されたイオン交換樹脂３２を上方から下方に押圧し、イオン交換樹脂３２の流動を抑制する流動抑制部として機能する。

容器４の内部には、予め複数のイオン交換樹脂３２が充填される。イオン交換樹脂３２は、例えば、直径０．５ｍｍ〜１．０ｍｍ程度の大きさの粒状に形成される。イオン交換樹脂３２は、分子構造の一部にイオン交換基を有し、供給された水に含まれるイオンを取り込むとともにイオン交換基から特定のイオンを放出することによりイオン交換作用を示す樹脂である。容器４に投入されるイオン交換樹脂３２は、アニオン交換樹脂と、カチオン交換樹脂と、の２種類のイオン交換樹脂が混合されたものである。

アニオン交換樹脂は、例えば、水に含まれる水酸化物イオン以外の陰イオンを取り込み、水に水酸化物イオンを放出する作用を示す。一方で、カチオン交換樹脂は、水に含まれる水素イオン以外の陽イオンを取り込み、水に水素イオンを放出する作用を示す。アニオン交換樹脂と、カチオン交換樹脂と、が混合され、互いによく分散された状態で容器４に密閉されていると、水に含まれるイオンが効率的に交換されて純水が精製される。

イオン交換ユニット２を使用する際には、水供給路１４を通じてイオン交換が実施される水を容器４内部のイオン交換樹脂３２の上方に供給する。容器４の内部に供給された水３４は、イオン交換樹脂３２に触れながら容器４内部の底部に移動する。このとき、イオン交換樹脂３２により水３４に含まれるイオンが交換され、純水が精製される。

精製された純水は、純水排出路１６の集水管部２２の下端に形成された集水口から該集水管部２２の内部に入り、水供給路１４を経由した水３４の供給圧力により上昇し、純水排出路１６を通じて外部に排出される。

イオン交換樹脂３２を使用して水３４が含むイオンを交換して純水を精製すると、徐々にイオン交換樹脂３２が収縮するため、容器４の内部ではイオン交換樹脂３２が占める領域の体積が徐々に小さくなる。そして、水供給路１４から供給される水３４の流れによりイオン交換樹脂３２が水３４中に舞い上がり移動するようになる。

ここで、アニオン交換樹脂と、カチオン交換樹脂と、は比重（密度）が異なる。そのため、アニオン交換樹脂と、カチオン交換樹脂と、が移動する過程でそれぞれ比重に従って局在化するようになる。アニオン交換樹脂と、カチオン交換樹脂と、が分離してしまうと、水３４に含まれるイオンを効率的に交換できなくなるため、イオン交換ユニット２の性能が低下し、水３４に含まれる該イオンを十分に交換できなくなる。

しかしながら、本発明の一態様に係るイオン交換ユニット２は、流動抑制部２４を備える。流動抑制部２４が備える押圧部材２６は、イオン交換樹脂３２を上方から押圧する。そのため、水３４の流れに伴うイオン交換樹脂３２の舞い上がりが抑制され、アニオン交換樹脂と、カチオン交換樹脂と、の局在化が抑制される。

図３は、容器４の内部でイオン交換樹脂３２が収縮しているイオン交換ユニット２を模式的に示す断面図である。図３に示す通り、イオン交換樹脂３２が収縮したとき、押圧部材２６はイオン交換樹脂３２に追従して下方に移動する。そのため、押圧部材２６は、イオン交換樹脂３２を上方から常時押圧できる。

したがって、イオン交換ユニット２では、アニオン交換樹脂と、カチオン交換樹脂と、の局在化が抑制され続けるため、本実施形態に係るイオン交換ユニット２は、所定の性能を長期間発揮できる。なお、弾性部材３０にコイルばねを使用する場合、例えば、収縮するイオン交換樹脂３２に長期間追従できるように、長さやばね定数等が適切に設定される。

イオン交換ユニット２の使用が継続されて寿命を迎え、水３４に含まれるイオンを十分に交換できなくなった場合、イオン交換樹脂３２の再生や交換を実施する。例えば、イオン交換樹脂３２を交換する場合、ヘッド部１０を容器４から取り外し、容器４に収容された使用済みのイオン交換樹脂３２を取り出し、代わりに使用されていないイオン交換樹脂３２を容器４に充填して、ヘッド部１０を容器４に装着する。

イオン交換ユニット２の性能の監視は、例えば、純水排出路１６から排出される純水の比抵抗値を測定することで実施される。純水に含まれる水分子に由来しないイオンが十分に少なければ、純水の比抵抗値は比較的高くなる。その一方で、水分子に由来しないイオンを十分に除去できていなければ、純水の比抵抗値は比較的低くなる。そこで、イオン交換ユニット２は、例えば、純水排出路１６に流れる純水の比抵抗値を測定する比抵抗値測定器を蓋体１２の上に有しても良い。

なお、流動抑制部によるイオン交換樹脂３２の流動を抑制する効果の強さは、押圧部材２６の大きさや弾性部材３０による該押圧部材２６の付勢の強さ等により決定される。そこで、より大きな効果を得るために押圧部材２６の下面の面積を大きくすることが考えられる。ただし、押圧部材２６の下面の面積を大きくし過ぎると、ヘッド部１０を容器４に装着する際に該押圧部材２６が開口部６を通らなくなる。

そこで、流動抑制部２４には、硬質の樹脂プレート等で形成された押圧部材２６を使用せず、ゴム等の可撓性を有する材料を使用してもよい。例えば、図４に、イオン交換ユニット２の他の構成例を模式的に示す断面図を示す。図４に示す流動抑制部２４は、弾性部材３０と、弾性部材３０の下端に固定された支持板３８と、支持板３８の下面に貼着され変形可能な押圧部材３６と、を備える。

この場合、ヘッド部１０を容器４に装着する際、押圧部材３６を変形させて容器４の開口部６を通過させ、容器４の内部で押圧部材３６を展開させる。押圧部材３６に可撓性を有する材料を使用すると、押圧部材３６の下面を容器４の開口部６の断面積よりも大きな面積とすることができるため、イオン交換樹脂３２の流動をより積極的に抑制できる。

ただし、押圧部材３６の下面の面積を容器４の主要な部分の断面積よりも大きくすると、押圧部材３６と、容器４の内壁と、の間で水３４が移動できなくなる。そのため、押圧部材３６は、容器４に収容された複数のイオン交換樹脂３２の全体の上面の面積よりも小さい面積とされる。

以上に説明する通り、本発明の一態様に係るイオン交換ユニット２を使用すると、使用に伴って収縮するイオン交換樹脂３２を常時押圧できるため、イオン交換樹脂３２の流動を抑制し、比重の異なるイオン交換樹脂が比重に応じて分離するのを抑制できる。

なお、本発明は、上記の実施形態の記載に限定されず、種々変更して実施可能である。例えば、上記実施形態では、水供給路１４から容器４の内部にイオン交換の対象となる水が供給され、生成された純水が純水排出路１６から容器４の外側に排出される場合を例に説明したが、本発明の一態様はこれに限定されない。

例えば、イオン交換の対象となる水が純水排出路１６から容器４の内部に供給されてもよい。この場合、容器４の底部に供給された該水が容器４の内部を上昇し、イオン交換樹脂３２によりイオンが交換されて純水が精製される。そして、純水が水供給路１４に達すると、純水が水供給路１４を経て外部に排出される。

その他、上記実施形態に係る構造、方法等は、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施できる。

２ イオン交換ユニット
４ 容器
６ 開口部
８，２０ ねじ溝
１０ ヘッド部
１２ 蓋体
１４ 水供給路
１６ 純水排出路
１８ 支持体
２２ 集水管部
２４ 流動抑制部
２６，３６ 押圧部材
３０ 弾性部材
３２ イオン交換樹脂
３４ 水
３８ 支持板

Claims (3)

1. 水に含まれるイオンを交換するイオン交換ユニットであって、
   比重の異なる複数の種類の粒状のイオン交換樹脂を混合した状態で収容する容器と、
   該容器に水を供給する水供給路と、
   該イオン交換樹脂によってイオンが交換された水を該容器から排出する純水排出路と、
   該容器に収容された該イオン交換樹脂を上方から下方に押圧し、該イオン交換樹脂の流動を抑制する流動抑制部と、を備え、
   該流動抑制部は、該イオン交換樹脂の上面に載置される押圧部材を備え、使用に応じて体積が収縮する該イオン交換樹脂に追従して該押圧部材が下方に移動することで該イオン交換樹脂を常時押圧できることを特徴とするイオン交換ユニット。
2. 該流動抑制部は、一端が該押圧部材に固定された弾性部材をさらに備え、
   該弾性部材は、該イオン交換樹脂に追従して下方に移動する該押圧部材を付勢することを特徴とする請求項１記載のイオン交換ユニット。
3. 該押圧部材は、収容された該イオン交換樹脂の上面より面積の小さいプレートで構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のイオン交換ユニット。