JP5606841B2 - 電気式脱イオン水製造装置 - Google Patents
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Description
本体部を挟むように設けられた一対の固定板と、
前記一対の固定板の少なくとも一方と前記本体部との間に配置された弾性体と、を備え、
上記固定板と弾性体により、本体部に脱塩室、濃縮室および電極室の配列方向の圧縮応力が作用するように、弾性体が配置されていることを特徴とする。
a:ΔTだけ温度変化した場合の積層体20の、各室(すなわち、脱塩室4、濃縮室5a、5b、および電極室6a、6b)の配列方向の変位
α:積層体20の線膨張率
L0:積層体20の、各室の配列方向の長さ
ΔT:温度変化量の絶対値
ここで「たわみ量」とは、弾性体に荷重、モーメントなどを加えたときに発生する変位又は回転角をいう。特に弾性体7が圧縮コイルばねの場合は、ばね両端の相対変位(伸縮量)をいう(JIS B0103)。
また、脱塩室4、濃縮室5a、5b、電極室6a、6bの間にそれぞれガスケット10が備えられている場合は、積層体20が温度変化で各室の配列方向に膨張・収縮する際の以下の(2)式で示される変位量以上に圧縮コイルばねを縮める。
b:ΔTだけ温度変化した場合の積層体20の、各室(すなわち、脱塩室4、濃縮室5a、5b、および電極室6a、6b)の配列方向の変位量
α:積層体20の線膨張率
L0:装置組立時における積層体20の、各室の配列方向の配列方向の長さ
ΔT:温度変化量の絶対値
P:装置組立時においてガスケット10を潰したときに発生する反発力
k:圧縮コイルばね7のばね定数
圧縮コイルばね7が積層体20を押す力は、積層体20の内部から固定板9bの方向へ発生する力よりも強い力である必要がある。積層体20内部で発生する力は、1)脱塩室4、濃縮室5a、5bおよび電極室6a、6bの通水時の水圧による力、2)Oリング等のガスケット10を潰したときに発生する反発力、などが挙げられる。圧縮コイルばね7が積層体20を押す力が積層体20内部で発生する力より小さければ、圧縮コイルばね7が装置組立時よりも縮むことで各室間に隙間が生じて装置外部への水漏れが起きる可能性がある。
また、積層体20の各室に水を通したとき、その水圧によって積層体20内部で発生する力が圧縮コイルばね7により積層体20を押さえ込む力を上回る場合、圧縮コイルばね7が装置組立時よりもさらに縮んで各室間に隙間が発生してしまう。そこで、圧縮コイルばね7が装置組立時よりも縮まないようにストッパー8(図3参照)を設けるのが好ましい。これにより圧縮コイルばね7が必要以上に縮むことを防ぐことができるため、圧縮コイルばね7の弾性力による積層体20への過度な負荷を低減できる。ストッパー8は圧縮コイルばね7を必要以上に縮めないものであれば特に限定されないが、圧縮コイルばね7の配置位置(例えば図5に示した配置位置)に設けることが可能な、圧縮コイルばね7の内径より小さい金属製のピンであることが好ましい。これにより、圧縮コイルばね7の内側をピンに通すように圧縮コイルばね7を設置することができるため、上記ストッパーとしての機能の他、圧縮コイルばね7の取り付けや固定を容易にすることができる。また、ストッパー8は、装置組立時の圧縮コイルばね7の収縮量と同じ長さになるように設置するのが好ましい。これにより、装置組立時に必要以上にボルトを締め付けることがなくなり、枠体への応力過多を防止できる。
次に、実施例を挙げて上記電気式脱イオン水製造装置を更に具体的に説明するが、これは一例であって、本発明は下記の実施例に限定されない。
上記の評価を得るために、以下の仕様の電気式脱イオン水製造装置(構造は図1乃至図2に示した装置)を使用する。
濃縮室5a、5b;幅300mm、高さ400mm、厚さ8mm
電極室6a、6b:幅300mm、高さ400mm、厚さ8mm
脱塩室4と濃縮室5a、5bと電極室6a、6bからなる積層体20の厚さ;480mm
脱塩室4、濃縮室5a、5b、および電極室6a、6bをそれぞれ構成する枠体14の材質;ABS樹脂
脱塩室4に充填したイオン交換樹脂;アニオン交換樹脂(A)とカチオン交換樹脂(K)の混合イオン交換樹脂(混合比は体積比でA:K=1:1)
脱イオン水製造装置全体の流量;1920L/h
循環タンク13;液相部容量100L
通水温度;55℃
入口圧;0.1MPa
(弾性体7の仕様)
上記の評価を得る弾性体7として以下の仕様および設置状態の圧縮コイルばねを使用した。
ばね線径(mm);5.5
ばね外径(mm);32
ばねの自由高さ(mm);100
ばね定数(N/mm/本);59.9
ばねの使用本数(本);30
装置組立時のばねの縮み幅(mm);15
ばねが積層体20を押す力(N);27000(=59.9×15×30)
(ガスケット10の仕様)
さらに、積層体20を構成する各室間に挟んであるガスケット10として、デュロメーター硬さ(JIS K6253)70、全長2260mm、太さ3.53mmのOリングを用いた。各室間の封止を確実にするためにガスケット10を潰した状態で使用する。このとき、Oリングの潰し率がJIS 2406(1991)にて推奨される25%になるようにOリング単位長さあたりの潰し力を3.4N/mmとし、Oリングを潰したときの反発力は7700Nであった。
積層体20に通水し、その水圧によって積層体20内部で発生する力は4000Nであった。よって、運転休止中の積層体20内部に発生する力はOリングの反発力のみの7700Nであるが、運転中の積層体20内部に発生する力は11700N(=4000+7700)であった。
上記した運転の停止後、圧縮コイルばね7の縮み幅は装置組立時の15mmから13mmになっていた。圧縮コイルばね7の縮み量が13mmのときの、圧縮コイルばね7が積層体20を押す力は23400N(=59.9×13×30)であり、運転休止中の積層体20内部で発生する力7700Nよりも大きい。積層体20は55℃の運転状態から20℃の常温状態になったことで各室の配列方向に2mm((10×10-5[1/k])×480[mm]×(55−20)[℃]=1.68mm≒2mm)縮んで各室間に隙間が発生するおそれがあるが、その隙間をばねが追従できたので水漏れは発生しなかった。また、運転休止中の積層体20内部で発生する力7700Nをばね定数59.9N/mmで割った値(≒4.3mm)と積層体20の縮み幅2mmの和は6.3mmとなり、圧縮コイルばね7の組立時の縮み幅15mmの方が大きい。このため、装置の密封性を保ちつつ、積層体20の熱収縮による縮み幅に追従することができた。
次に本実施例の電気式脱イオン水製造装置の排水口を閉め切った状態で、被処理水により入口圧0.75MPaを付与した。このとき、ばねの撓み量は15mmであり、水漏れは発生しなかった。この場合水圧によって発生する力は30000Nであったので積層体20内部で発生する力は37700N(=30000+7700)となり、積層体20内部で発生する力は装置組立時の圧縮コイルばね7が積層体20を押す力27000Nを上回っている。しかし、ストッパー8が電極室6bの側壁11に触れストッパー8の反作用による力が働いたため、圧縮コイルばね7が組立時の縮み量15mm以上に縮むことは無かった。
アンモニアを含む被処理水を混床脱塩セルで脱塩処理する際、図1乃至図2に示したような弾性体7およびストッパー8等が装備されていない構成の電気式脱イオン水製造装置(図7参照)を下記の装置仕様および運転条件で使用し、アンモニウムイオン20mg/L、ナトリウムイオン1mg/L、塩化物イオン1mg/L、硫酸1mg/Lの被処理水から脱イオン水を製造した。55℃で1000時間連続運転を行い、純水を通水して洗浄してから運転を停止した。結果、運転停止後、装置の温度は常温(20℃)になり、積層体20の各室間の隙間から水漏れが発生した。
濃縮室102a、102b;幅300mm、高さ400mm、厚さ8mm
電極室103a、103b:幅300mm、高さ400mm、厚さ8mm
脱塩室101、濃縮室102a、102b、および電極室103a、103bからなる積層体20の厚さ;480mm
脱塩室101、濃縮室102a、102b、および電極室103a、103bを構成する部材の材質;ABS樹脂
脱塩室101に充填したイオン交換樹脂;アニオン交換樹脂(A)とカチオン交換樹脂(K)の混合イオン交換樹脂(混合比は体積比でA:K=1:1)
脱イオン水製造装置全体の流量;1920L/h
循環タンク;液相部容量100L
通水温度;55℃
入口圧;0.1MPa
(産業上の利用可能性)
本発明に係る電気式脱イオン水製造装置によれば、高温で運転した後、常温に戻したときに発生する各室の収縮にばねが追従するため、水漏れの発生しない電気式脱イオン水製造装置を得ることができる。特に水漏れが許されない原子力発電所のような施設で電気式脱イオン水製造装置の使用を可能にすることができる。
2 アニオン交換膜
3 被処理水
4 脱塩室
5a、5b 濃縮室
6a 電極室(陰極室)
6b 電極室(陽極室)
7 弾性体(圧縮コイルばね)
8 ストッパー
9a、9b 固定板
10 ガスケット
11 側壁
12 処理水
13 イオン交換体
14 枠体
14a 開口部
14b ボルト穴
15 イオン交換膜(カチオン交換膜1またはアニオン交換膜2)
16 ナット
17 各室の内壁面を固定板に投影した線
18 各室の外壁面を固定板に投影した線
19 ボルト
20 積層体(本体部)
21 平板
Claims (9)
- 少なくとも2つのイオン交換膜で画成される室にイオン交換体を充填した脱塩室と、前記脱塩室の一側の前記イオン交換膜の1つを介して隣接して配置された第1の濃縮室と、前記脱塩室の他側の前記他のイオン交換膜を介して隣接して配置された第2の濃縮室と、前記第1の濃縮室と第2の濃縮室の外側にそれぞれ設けられた一対の電極室と、を有してなる本体部と、
前記本体部を挟むように設けられた一対の固定板と、
前記一対の固定板の少なくとも一方と前記本体部との間に配置された弾性体と、を備え、
前記固定板と弾性体により、前記本体部に前記脱塩室、濃縮室および電極室の配列方向の圧縮応力が作用するように、前記弾性体が配置されていることを特徴とする、電気式脱イオン水製造装置。 - 前記弾性体が圧縮コイルばねであることを特徴とする、請求項1に記載の電気式脱イオン水製造装置。
- 温度変化量の絶対値をΔT、
ΔTだけ温度変化した場合の前記本体部の、前記脱塩室、濃縮室および電極室の配列方向の変位量をa、
前記本体部の線膨張率をα、
装置組立時における前記本体部の、前記脱塩室、濃縮室および電極室の配列方向の長さをL0としたとき、
前記弾性体は、次式
a=α×ΔT×L0
で示される変位量a以上のたわみ量を与えた状態で配置されていることを特徴とする、請求項1または請求項2に記載の電気式脱イオン水製造装置。 - 隣接した前記脱塩室と前記濃縮室と前記電極室の間にそれぞれガスケットが設けられており、
温度変化量の絶対値をΔT、
ΔTだけ温度変化した場合の前記本体部の、前記脱塩室、濃縮室および電極室の配列方向の変位量をb、
前記本体部の線膨張率をα、
装置組立時における前記本体部の、前記脱塩室、濃縮室および電極室の配列方向の長さをL0、
装置組立時においてガスケットを潰したときに発生する反発力をP、
前記弾性体のばね定数をkとしたとき、
前記弾性体は、次式
b=α×ΔT×L0+P/k
で示される変位量b以上のたわみ量を与えた状態で配置されていることを特徴とする、請求項1または請求項2に記載の電気式脱イオン水製造装置。 - 前記固定板に、前記弾性体が前記たわみ量以上のたわみが生じないようにストッパーが設けられていることを特徴とする、請求項3または請求項4に記載の電気式脱イオン水製造装置。
- 前記ストッパーは、前記弾性体である圧縮コイルばねの内側を通されていることを特徴とする、請求項5に記載の電気式脱イオン水製造装置。
- 前記ストッパーの長さは、前記圧縮コイルばねの自然長と前記たわみ量の差であることを特徴とする、請求項6に記載の電気式脱イオン水製造装置。
- 前記弾性体は、前記脱塩室、濃縮室および電極室の内壁面を前記固定板に投影した線に沿うように、その線上に、又は、その線よりも外側で、かつ前記脱塩室、濃縮室および電極室の外壁面を前記固定板に投影した線よりも内側に複数個配置されていることを特徴とする、請求項1乃至7のいずれか1項に記載の電気式脱イオン製造装置。
- 前記弾性体と前記本体部との間に平板を備えたことを特徴とする、請求項1乃至8のいずれか1項に記載の電気式脱イオン水製造装置。
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