KR20010080373A - 전착 코팅을 위해 유용한 개선된 멤브레인 전극 장치 - Google Patents

Abstract

하나의 전극이 코팅될 대상물, 다른 전극과 연관되어 제공된다. 얇은 관 형상의 미리 펼쳐진 이온 교환 멤브레인이 두 개의 비도전형 투수성 스크린 관형 하우징 사이에 삽입된다. 이 조립체는 장치의 상부에서 하부캡으로, 그리고 리플형 하우징을 통해 전해액의 안정화 및 배출을 허용하는 하부 캡 저장소로 유동하도록 전해액에 대한 수로를 제공하는 공급 라인을 포함한다. 이 한정된 패턴에 의해 발생된 관성이 애노드에서 떨어져 장치의 상부로 운반되어 배출되도록 불순물을 긁어내는 소용돌이 작용을 일으킨다. 상기 공급 라인은 상부 하우징 및 하부캡을 통해 삽입되는 내부 스크린 바로 안쪽에 배치된다. 상기 관형 전극은 수로 복귀 챔버의 내측 부분이 종료되는 멤브레인 하우징의 내측에 제공된다.

Description

전착 코팅을 위해 유용한 개선된 멤브레인 전극 장치{ENHANCED MEMBRANE ELECTRODE DEVICES USEFUL FOR ELECTRODEPOSITION COATING}

전착 코팅은 일반적으로 두가지 기본 포맷으로 구성된다. 이들은 전착 코팅을 위한 애노드 및 캐소드 시스템을 포함한다. 애노드 시스템은 코팅될 대상물(+ 전하)을 말한다. 본 발명의 시스템에서 사용되는 코팅 재료는 음이온 형태이다.

음이온 형태는 수지에 결합되어, 수용성을 증가시키는 카르복실 성분의 형태이다. 수용성 코팅의 이온화 팩터를 증가시키도록, 트리에틸아민 등의 알칼리 중성화 약품이 코팅 용액에 혼합된다. 이온화를 통한 수지 분자의 퇴적 중에, 중성화 약품의 농도는 증가한다. 이 코팅 재료는 외부로부터 연속으로 대체된다.

퇴적 부산물로서, 중성화 약품으로서의 아민이 축적된다. 과잉 중성화 약품이 지정 레벨까지 이동되지 않으면 상기 코팅시에 핀 홀(pin hole)과 같은 알려진 현상이 발생된다. 전착 코팅의 효율은 이러한 결점에 의해 상당 부분 희생된다.

캐소드 시스템은 코팅될 대상물(- 전하)을 말한다. 이 시스템에서 사용되는코팅 재료는 음극 형태이다. 음극 형태는 수지 분자에 결합되어, 수용성을 증가시키는 아미노 성분의 형태이다. 수용성 코팅의 이온화 팩터를 증가시키도록, 초산 등의 산 중성화 약품이 첨가된다. 이온화를 통한 수지 분자의 퇴적 중에, 중성화 약품의 농도는 증가한다.

이 코팅 재료는 외부 공급원으로부터 연속으로 대체되어야 한다. 퇴적 부산물로서, 초산이 축적된다. 과잉 중성화 약품이 지정 레벨까지 제거되지 않으면 상기 코팅시에 핀 홀(pin hole)과 같은 알려진 현상이 발생된다. 상기 전착 코팅의 효율은 이러한 결점에 의해 상당 부분 희생된다.

상기한 문제를 해소 및 제어하기 위해, pH 제어가 실행되어 효율을 증가시킨다. 이는 코팅될 부품으로부터 떨어져 있는, 이온 교환 멤브레인 등의 사용에 의해 분리되어 함유된 수용액 및 전극을 이용하여 실현된다. 상기 이온 교환 멤브레인은 아민 및 초산의 삼투에 의해 이동되어, 상기 중성화 약품이 수용액에 응집됨을 방지한다. 그후, 초산 또는 아민은 상기 전착 장치의 내부 영역을 통해 유동하여 이온 교환부의 상부로 배출되는 수용액과 혼합된다.

한편, 상기 전착 장치의 제조 중에 드라이(dry) 이온 교환 멤브레인을 이용하면 멤브레인이 상기 수용액내로 배치되어 평균 10% 정도 팽창하게 된다. 상기 환경에 존재하는 압력차 및 수성 코팅 재료의 교반 메카니즘과 조합된 상기 효과는 멤브레인을 상기 장치의 관형 지지 구조물 주위로 강제로 이동되게 함으로써, 장치의 효율을 감소시키게 된다.

또한, 이온 교환 멤브레인을 통해 침투한 불순물 및 물 내부의 불순물이 전극에서 발견되는 반응이 발생하며 분극이 발생한다. 또한, 산소 분자가 전기분해를 통해 치환되어 종래의 트리클 다운(trickle down) 방법, 또는 간단한 하부 공급 시스템에 의해 용이하게 제거될 수 없게 된다. 이러한 형태의 배출 시스템은 시간이 갈수록 전착의 효율이 떨어지는 결점을 갖게 된다.

유사하게, 이러한 형태의 비효율성은 작동 비용이 증가되는 형태로 전착 코팅시에 나타나게 된다. 또한, 전착 장치의 작동은 애노드라 하는 희생 부품의 자연적인 열화를 발생시킨다. 이 부품은 상기 장치의 내부 도전성 부분에 해당한다. 이 부품은 전류 밀도, pH, 염화물 등에 의해 얇아지지만, 상기 열화 요인이 꼭 상기한 인자들만으로 제한되는 것은 아니다.

이온 교환 멤브레인과 하우징은 전극에 비해 3배 정도의 긴 수명을 가진다. 애노드 내에 내부 유동 메카니즘을 배치함에 따른 결점은 애노드 및 모든 다른 부품들의 주기적인 교체를 위해 추가적인 비용이 들게 되는 점이다.

다음의 미국 특허들 및 문헌:

즉, 1987년 6월 30일자로 오카자키에 허여된 미국 특허 제 4,676,882호; 1991년 9월 17일자로 이주오에게 허여된 미국 특허 제 5,049,253호; 및 1993년 몬산토 코포레이트 연구소에서 출간된 리, 시.에이치의 음이온 교환 멤브레인 및 중공 섬유 조합제, 특성, 및 응용을 주목할 필요가 있다.

이들 공지의 시스템과 대비하여, 본 발명에서는 종래의 시스템에 비해 개선된 효율을 갖는 기술을 근거로 더 양호한 멤브레인에 대한 필요성에 부응하여 대처하도록 한다. 상기 열거한 레퍼런스는 각각 단지 기술의 양태를 나타내거나, 또는본 발명의 내용에 따라 개선되는 제기된 문제들을 강조하는 것들이다. 따라서, 당업자들이라면 상기 레페런스가, 첨부된 특허청구의 범위에 의해 나타내지는 바와 같이, 본 발명의 내용과 쉽게 구별됨을 이해할 수 있을 것이므로 상기 레퍼런스에 대한 더 이상의 설명은 생략한다.

본 발명은 전착 코팅용 멤브레인 전극 장치에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 발명은 전착 코팅용 전극 장치의 관형 멤브레인 기하학적 구조를 강조한, 전착 코팅("e-코팅" 도포)용 멤브레인 전극 장치에 관한 것이다.

도 1은 미리 펼쳐진 멤브레인을 부착하기 전에 본 발명에 따른 전착 코팅용 애노셀^TM타입 멤브레인 전극 장치의 실시예의 개략 단면도,

도 2는 미리 펼쳐진 멤브레인의 부착후 본 발명에 따른 전착 코팅용 애노셀^TM타입 멤브레인 전극 장치의 실시예의 개략 단면도,

도 3은 본 발명에 따른 전착 코팅용 애노셀^TM타입 멤브레인 전극 장치의 실시예에 사용되는 애노드의 개략 단면도,

도 4는 본 발명에 따른 전착 코팅용 애노셀^TM타입 멤브레인 전극 장치의 실시예의 하부 리플형 캡을 나타낸 개략 단면도 및 측면도,

도 5는 본 발명에 따른 전착 코팅용 애노셀^TM타입 멤브레인 전극 장치의 실시예의 상부 리플형 칼라를 나타낸 개략 단면도 및 측면도,

도 6은 본 발명에 따른 전착 코팅용 애노셀^TM타입 멤브레인 전극 장치의 실시예의 얇고, 창이 있는, 비도전성 관형 프레임을 나타낸 개략 단면도 및 부분 확대 단면도, 및

도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 개선된 전착 코팅용 애노셀^TM타입 멤브레인 전극 장치의 개략적인 사용 양태를 나타낸 사시도이다.

본 발명은 코팅될 대상물, 다른 전극과 연관되어 제공된 하나의 전극에 관한 것이다. 얇은 관 형상의 미리 펼쳐진 이온 교환 멤브레인이 두 개의 비도전형 투수성 스크린 관형 하우징 사이에 삽입된다. 이 조립체는 장치의 상부에서 하부캡으로, 그 후에 리플형 하우징을 통해 전해액의 안정화 및 배출을 허용하는 하부 캡 저장소로 유동하도록 전해액에 대한 수로를 제공하는 공급 라인을 포함한다. 이 한정된 패턴에 의해 발생된 관성이 애노드에서 떨어져 장치의 상부로 운반되어 배출되도록 불순물을 긁어내는 소용돌이 작용을 일으킨다. 상기 공급 라인은 상부 하우징 및 하부캡을 통해 삽입되는 내부 스크린 바로 안쪽에 배치된다. 상기 관형 전극은 수로 복귀 챔버의 내측 부분이 종료되는 멤브레인 하우징의 내측에 제공된다.

더 구체적으로, 상기 멤브레인 전극 장치에서, 멤브레인 지지 부재는 비도전성 재료상에 형성되며, 여러 개의 공통으로 사용되는 버젼들이 있다. 종래의 모든 장치는 비도전성 부재에 의해 지지되는 멤브레인을 포함한다. 그중 하나에서는 다수의 통과 구멍들이 하부 멤브레인 접촉부를 제공하도록 높이 레벨을 변화시키고 있다. 불리하게도 드라이 멤브레인이 팽창할 때, 상기 바깥쪽으로의 팽창을 수용하도록 외부 랩이 제공되어야 한다.

과잉 재료가 멤브레인 지지 부재의 내부를 차지하게 되면, 구멍 영역을 통해 접근가능한 표면이 감소하게 되고, 또한 상기 외부 랩이 그 자체 및 이온 교환 멤브레인 사이에 형성되는 포켓들을 제공하며, 그 포켓내에 고체 페인트가 축적되어 전착 코팅의 효율이 저하되는 단점을 나타낸다.

소결 공정에 의해 형성되는 다공성 부재가 이용된다. 이 타입에서 상기 재료는 꽤 두껍고 높은 저항값을 가지며, 코팅을 제공하도록 더 많은 에너지를 요구한다. 또한, 이 포맷은 시간이 가면 이온 교환 멤브레인의 포어를 폐쇄하는 작동으로부터 침전을 허용하는 경향이 있으며, 상기 소결된 튜브는 시간이 감에 따라 코팅의 퇴적이 낮아지는 단점을 제공하는 추가 지지부를 필요로 하는 길게 팽창되는 특성을 가진다.

또한, 전해 용액이 쉽게 배츨되어 전착 장치를 통해 순환되는 메카니즘은 검사를 받아야 한다. 본 발명에 따르면, 애노드의 하부로 용액을 배출한 후, 각 메카니즘으로 유동되게 하는 방법이 사용된다. 공급 튜브는 하방으로 연속적으로 연장되어 전극 하부의 커버(boot)에서 종결된다. 일단 하부캡에서 상기 유체는 전극과 하부캡 사이의 얇은 갭 주위에 미제어 또는 제한된 상태로 존재한다. 전해 용액을 한정하여 배향시키지 않으면, 전극을 균일하게 세정하는 능력이 떨어지게 된다. 이로써 시간이 감에 따라 퇴적율이 하강되는 단점이 나타나게 된다.

본 발명에서는 중력 공급 시스템을 제공하며, 이 시스템은 전해 용액 및 전해 용액의 출구 사이의 높이 차에 의해 조절되는 유동에 의존하게 된다. 이 메카니즘은 전해 용액의 부적절한 순환을 야기할 정도의 매우 느린 유속에 의해 시간이감에 따라 코팅의 퇴적이 저하되는 단점을 가진다.

공통으로 사용되는 메카니즘은 멤브레인과 애노드 사이에서 사용되기에 유용하다. 일단 유속 및 내부 분출(flushing) 패턴이 불량하면, 이 불량한 순환에 의해 전해 용액에 과열점(hot spot)이 발생하여, 높은 도전성의 형성, 셀의 위치에서의 장치의 전류 인입(draw)의 집중, 전극의 부식 속도의 증가를 야기한다.

본 발명은 전해 용액의 외부 공급을 위한 메카니즘을 제공한다. 상기한 단점 외에 외부 부품상으로의 수지 응고 및 수성 수지 배스로의 "오물" 이 코팅될 다른 전극상에 표면 결함의 문제점을 야기한다. 상기 모든 멤브레인 전극 장치에서 애노드의 세정을 재검토한다. 퇴적 공정 중에 삼투에 의한 초산 또는 아민의 증가는 공통된 현상이다. 상기 성분들이 전극에서 멀어지게 배향하지 않으면, 이 성분의 부착에 의해 전극의 효율이 감소될 것이다. 초산 또는 아민과 함께, 전기분해 과정에서 산소가 생성되며, 표면에서 제거되지 않으면 부식을 가속시키게 된다. 이로써 수명을 단축시키고 페인팅될 제품의 코팅을 감소시키게 된다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 측벽을 형성하는 내측 및 외측 표면; 폐쇄된 제 1 단부 및 개방된 제 2 단부를 가진 제 1 실린더; 및 상기 제 2 단부에서 관형 멤브레인 조립체를 수용하도록 상기 내측 및 외측 표면 사이에 배치된 홈이 있는 수단을 포함하고, 구멍을 형성하는 상기 내측 표면은 적어도 제 1 및 제 2 챔버를 포함하며, 상기 제 1 챔버는 상기 제 1 폐쇄 단부에 의해 더욱 한정되며, 상기 제 2 챔버는 제 1 챔버 보다 작은 내경을 가지며, 상기 전극을 넉넉하게 수용할 수 있는 충분한 직경을 가지며, 상기 제 2 챔버를 한정하는 내측 표면이 다수의 홈들을더 포함하며 상기 제 1 챔버는 상기 홈의 길이를 따라 상기 전극과 유체 소통하도록 된, 멤브레인 전극 장치용 하단부캡이 제공된다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 측벽을 형성하는 내측 및 외측 표면; 폐쇄된 제 1 단부 및 개방된 제 2 단부를 가진 제 1 실린더; 및 상기 제 2 단부에서 관형 멤브레인 조립체를 수용하도록 상기 내측 및 외측 표면 사이에 배치된 홈이 있는 수단을 포함하고, 구멍을 형성하는 상기 내측 표면은 적어도 제 1 및 제 2 챔버를 포함하며, 상기 제 1 챔버는 상기 제 1 폐쇄 단부에 의해 더욱 한정되며, 상기 제 2 챔버는 제 1 챔버 보다 작은 내경을 가지며, 상기 전극을 넉넉하게 수용할 수 있는 충분한 직경을 가지며, 상기 제 2 챔버를 한정하는 내측 표면이 다수의 홈들을 더 포함하며 상기 제 1 챔버는 상기 홈의 길이를 따라 상기 전극과 유체 소통하도록 된, 멤브레인 전극 장치용 하단부캡이 제공된다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 도료 유체를 순환시키는 배출 수단 및 관형 멤브레인 조립체를 수용하는 수단을 포함하여 전극이 상기 관형 멤브레인 조립체의 중앙을 통해, 상단부캡의 중앙을 통과할 수 있도록 된 멤브레인 전극 장치용 상단부캡이 제공된다.

본 발명은 전착 코팅용 멤브레인 전극 장치로서 사용되어 종래 기술의 상기한 단점들을 해결하고자 개발된 것이다. 상기 설계에서는, 만족스러운 강도, 슬러지 차단, 멤브레인 유효 면적의 증가, 전해액 순환의 개선, 및 팽창된 멤브레인상에 축적되는 페인트를 감소시키려는 것이다.

상기 목적을 달성하도록, 본 발명은 주어진 간격으로 배치되어 상기 장치의액체 유동 부분의 전체 표면에 걸쳐 연장되는 두 개의 비도전성 스크린 사이의 중앙에 삽입되는 미리 펼쳐진 얇은 멤브레인 튜브로 구성된다. 상기 장치의 중앙에 전극이 배치되며, 전해 용액의 수로 챔버의 복귀 부분을 형성한다. 상기 용액은 내부 스크린과 전극 사이에서 장치의 상부로부터 장치의 하부로 연장되는 공급 튜브를 통해 장치로 공급된다. 그 후, 공급 튜브로부터의 용액은 안정화되어 전극의 하부 주위에 있는 리플형 하우징을 통해 멤브레인의 내측으로 이동하여 장치의 상부에 소용돌이 작용을 형성하고 외부로 유동한다. 이 설계는 본 발명에서 보호되어야 하는 바로서 전해액이 전극의 중앙을 통해 배출되어 효율을 증가시키는 상태로 작동되게 한다.

본 발명의 상기한 목적, 특징, 및 장점들은 첨부 도면들을 참조하여 이하에 상세하게 설명하며 유사한 참조 부호는 동일 요소를 나타낸다.

본 발명자는 애노드액 분사 시스템을 개발하여, 애노드 교체 비용을 절감하는 방식을 발견하였다. e-코팅 과정 중에, 네가티브 충전된 산 음이온이 공작물에 부착되는 고체 페인트로서 남게 된다. 이 음이온은 전기분해를 통해 애노드액 셀내의 애노드에 흡인되어, 페인트 배스에서 멤브레인을 통해 애노셀(ANOCEL^TM) 타입 장치로 이동되며, 상기 셀내의 애노드 희석액과 혼합된다. 상기 음이온은 애노드액 재순환 시스템을 통해 연속적으로 제거된다.

적절한 도전 레벨을 유지하여 과열점 및 불균일한 애노드 마모를 해소한다. 전기분해의 다른 부산물은 산소이다. 그것은 제거되지 않으면, 축적되어, 스테인리스 강 애노드를 움푹 파이게 부식시켜서, 그들의 수명을 단축시키게 된다. 본 발명에 따르면, 상기 애노드액 시스템은 박스 및 반원형 셀들의 애노셀 타입 장치에서 애노드 용액을 애노드에 균일하게 분포시키게 된다. 유사하게, 관형 셀의 애노셀 타입 장치에서 '리플형' 배출 시스템은 3개의 팩터에 의해 산소 제거량을 증가시킨다.

본 발명에 따라, 미리 팽창된 멤브레인이 고려되었다. 전기분해 멤브레인이 내측 및 외측 지지 재료 사이로 진행되어 셀 멤브레인 튜브를 형성하는 드라이 플랫(dry flat) 시트 전기분해의 고유의 결점을 극복하고 개선시켰다. 멤브레인 셀을 페인트 탱크내에 담글 때 발생되는 불가피한 변형을 제어하려는 노력 대신에, 본 발명에서는 멤브레인 튜브를 감아서 자체적으로 밀봉하기 전에 편평한 전기분해 멤브레인 시트를 담그어 펼친다(미리 팽창시킨다). 이러한 독특한 방법에 의해 페인트 탱크에서의 셀 변형을 제거하고 랩 또는 기계적인 정지부에 대한 필요성을 없앤다. 변형이 없으므로, 애노드와 멤브레인 표면 사이의 거리가 가장 효율적이고 경제적인 작동을 위한 설계 치수로 유지된다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 평평한(flush) 외부 모델을 나타내고 있으며, 당업자라면 이 설계가 도 3에 도시된 바와 같이 전극(100)(애노드) 둘레에서의 더욱 고속의 흐름을 발생시킬 수 있음을 쉽게 이해할 수 있을 것이다.

pvc 넥 조립체(103)상에 배치된 애노드액 복귀 니플(102)과 애노드액 공급 튜브(101)가, 미리 팽창된 멤브레인 및 하우징 조립체(107)상에 위치하고 애노드액 공급 라인(106)이 통과하는 리플형 상부 캡(105)과 교차하게 되어 있다. 유사하게각진 리플형 하부 캡(109)과 애노드액 공급 출구(111), 및 애노드액 하부 캡 매니폴드(110)가 도시되어 있다.

도 2를 참조하면, 미리 팽창된 멤브레인(102)이 부착된 점을 제외하면 상기 도 1과 동일하다. 멤브레인(102)이 펼쳐진 후 관 형태로 밀봉되므로, 내부 관형 지지부를 둘러싸는 멤브레인을 감는 공정은 불필요하다. 내부의 애노드액 공급 출구(111)는 상기 도면과 동일하다.

각진 리플형 하부 캡(109)은 알려진 시스템에 비해 약 3배의 최소 팩터에 의해 먼지 및 산소 제거를 효율적으로 향상시키는 애노드액 와류 분포를 제공한다. 유사하게, 본 발명의 이 실시예에 따르면 전기적으로 가장 효율적인 멤브레인 대 애노드의 비율인 1.4 대 1의 비율에 의해 공지의 설계보다 개선된 스로우 파워(throw power)를 제공한다. 제곱 피트(ft²)당 5암페어 이하의 전류 밀도는 내구성을 향상시킨다. 간단한 일체형 설계로 됨으로써 다시 조립할 필요가 없고 저저항의 강한 튜브를 제공한다. 본 발명에서의 가벼운 중량 및 취급의 용이함에 의해 검사를 위한 애노드의 제거가 간단하게 된다. 바람직하게도 316L 스테인리스 강 애노드를 이용하는 표준형 개방 상부 및 폐쇄 상부 설계가 가능하며, 애노드 및 캐소드 시스템용 멤브레인을 가진 셀들 또는 노출된 셀들을 특징으로 한다.

도 3을 참조하면, 전극 연장부(115)는 그의 끝부분에서 필요한 전기 접속을 형성하며, 상기 전극의 기부에 전극 플로우(flow) 홈(122)이 도시된다. 캘리포니아 샌디애고 및 조지아 게인스빌에 소재하는 어드밴스드 멤브레인 테크놀러지 인코포레이티드에서 제조된 바와 같은 표준형 장비는, 예컨대 1개의 애노드 용액 플로우미터, 3피트의 애노드액 복귀 튜브, 3피트의 애노드액 공급 튜브와 신속하게 분리되는 케이블 도선, 및 2개의 유니스트러트(unistrut) 장착 클램프를 포함한다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 상기 설계에서 리플들이 한정된 유동 패턴에 대해 3-7의 홈들(flutes)을 필요로 하는 것을 분명하게 나타내고 있다. 상기 패턴은 유체의 관성을 발생시켜서 셀의 성능을 저하시키는 불순물과 산소를 떨어내기 위해 전극의 벽을 긁어내도록 한다. 이는 멤브레인 하우징 웰(131), 애노드액 공급 통로(133), 및 애노드액 하부 매니폴드(135)에서 행해진다. 유사하게, 리플형 복귀 통로(138)도 이 과정에서 중요한 작용을 한다.

본 발명에 따르면, 셀의 상부에 도달한 유체는 상부 리플을 향해 유동한 후 복귀 니플로 빠져나간다. 현재 알려져 있는 메카니즘과 비교하면 애노드 하부에 제공된 출구는 유체가 대류를 제공하지 않는 매우 작은 공간, 또는 내부 지지부와 전극 사이에서 셀의 하부로 연결하는 튜브 주위로 유동할 수 있도록 한다. 이는 하부 캡에 부착되지 않은 스트로(straw)와 유사한 작용이다. 상기 유체는 상기 튜브에서 배출되어 셀내에서 무작위로 유동한다.

도 6을 참조하면, 애노드액은 입구(161)를 통해 공급되어 유동한다. "A"라 표시한 상세한 부분은 조립체에서 사용되는 부품들을 나타낸다. "a"-"C'는 얇고, 창이 있으며, 비도전성인 관형 프레임(162)을 나타낸다. 이 프레임의 목적은 멤브레인이 셀 작동 환경에서 압력 변동으로 인해 애노드와 접촉함을 방지하는 것이다. 상기 프레임 부재는 이 장치의 중량을 홀로 지지하지 않으며 "A"-"E"로 나타낸 외부의, 창이 있는 더 강한 프레임을 필요로 한다. 섹션 "A"는 조립시에 섹션 "A"와부품들 "C"-"E" 사이에 멤브레인이 배치될 공간을 제공한다. 이 조립체는 하부 캡에 넣어지며 상부 칼라는 내부 및 외부 프레임 사이를 분리하여 보유한다. 상기 프레임들의 공간의 구멍은 2 대 1의 비율, 즉 내부 프레임 창 면적 x 2 = 외부 프레임 창 면적 x 1로 되어 있다.

멤브레인이 상기 프레임 사이에 배치되어 내부 프레임 주위에 감겨 있지 않은 상태에서, 전기 경로에 대한 저항이 감소되고 차폐를 허용하게 된다. 이 구조의 장점은 셀의 고생산성 및 고효율을 제공하는 것이다. 드라이 타입 멤브레인으로부터 관형을 제공하기 위한 메카니즘으로서 내부 프레임을 이용하는 다른 셀들을 시장에서 구입할 수 있다. 상기 멤브레인이 튜브 주위에 감긴 후 상기 드라이 멤브레인 둘레에 다른 재료 층이 감기게 되어 멤브레인이 젖게 될 때 팽창하지 않게 보유한다. 상기 조립체는 강한 관형 형상을 제공하지만, 셀의 저항을 증가시켜 그의 성능을 저하시킨다. 또한, 이러한 타입의 셀은 팽창된 멤브레인을 내부 프레임에 의해 제공된 구멍안으로 강제로 압축되어 들어가게 한다. 이 현상이 발생될 때 형성되는 수직 경로의 저항 증가로 인해 효율이 저하된다.

애노드액으로 알려진 전기분해 용액은 그 액체가 셀의 하부로 배출되는 독특한 배출 시스템을 가진다. 이는 여러 가지 방식으로 실현될 수 있으며, 전극과 내부 프레임 사이의 외부 프레임 외측의 전극(애노드) 내부 또는 내부 및 외부 프레임 사이에서 실현될 수 있다. 어느 경우에나, 이 용액의 변위는 셀의 성능에 중요한 요소이다. 안정적이고 일관된 유동 패턴을 제공하도록, 매니폴드 공동을 갖는 리플형 하부 캡이 안정화에 도움이 되도록 설계하였다. 일단 상기 용액이 매니폴드내로 유동되면 애노드 둘레를 돌아서, 출구(163) 전의 캡의 리플형 영역을 통해 유동한다. 또한, 상기 도면에 애노드액 저장소(165)가 도시되어 있다.

상기 설계에서 리플들이 한정된 유동 패턴에 대해 3-7의 홈들을 필요로 한다. 상기 패턴은 유체의 관성을 발생시켜서 셀의 성능을 저하시키는 불순물과 산소를 떨어내기 위해 전극의 벽을 긁어내도록 한다. 셀의 상부에 도달한 유체는 상부 리플을 통해 유동한 후 복귀 리플로 빠져나간다. 현재 알려져 있는 메카니즘과 비교하면 애노드 하부에 제공된 출구는 유체가 대류를 제공하지 않는 매우 작은 공간, 또는 내부 지지부와 전극 사이에서 셀의 하부로 연결하는 튜브 주위로 유동할 수 있도록 한다. 이는 하부 캡에 부착되지 않은 스트로(straw)와 유사한 작용이다. 상기 유체는 상기 튜브에서 배출되어 셀내에서 무작위로 유동한다.

도 7을 참조하면, 일반화된 유동 다이어그램이 종래의 배관 구조를 가진 애노셀 타입의 장치를 이용하는 전형적인 예를 나타낸다. 애노드액 탱크(171)는 드레인(173)으로 오버플로우되는 구조이고 펌프(175)를 포함하며 도전성 미터(177)와 연관되어 사용된다. DI 워터 소스(179)(도시 안됨)는 신선한 애노드 용액(181)이 화살표로 나타낸 이동 방향으로 애노드액 탱크(171)로부터 유동하도록 한다. 다시 도 7을 참조하면, 애노드셀 타입 장치(183)를 이용하여, 사용된 애노드 용액(185)을 화살표로 나타낸 바와 같이 반대 방향으로 이동시키도록 되어 있다. 예컨대, 이 실시예에 따르면, 페인트 탱크(187)는 페인팅된 생성물(어둡게 된 원으로 나타냄)(189)과 용해된 페인트(어둡고 밝은 원들이 결합되어 나타내짐)(191), 및 산/가용화 제(밝은 원으로 나타냄)(193)을 포함한다. 캐소드 페인트 탱크(195)는본 발명이 상기한 바와 같이 작용되도록 한다.

상기한 바와 같이, 애노드액 탱크 조립체는 캘리포니아 샌디애고, 조지아 게인스빌, 및 중국 북경에 소재하는 어드밴스드 멤브레인 테크놀러지에서 입수할 수 있고 본 발명의 장치에서는 70, 1100 및 125 갤런의 용량이 사용될 수 있다. 애노드액 공급 및 복귀 매니폴드, 다이오드 및 분류기 센서, 미터 패널, 및 플로우 인디케이터는 당업자들에 의해 본 발명과 함께 사용될 수 있을 것이다. 이것들도 캘리포니아 샌디애고, 조지아 게인스빌, 및 중국 북경에 소재하는 어드밴스드 멤브레인 테크놀러지에서 입수할 수 있다.

따라서, 본 발명의 개선점은 용액의 유동을 한정한 것이다. 상기 설계는 상기 배출 시스템 형태로 된 어떠한 애노드액 공급 형태도 수용할 수 있으며, 따라서 셀의 성능을 향상시키게 된다.

본 발명에서는 셀 애노드의 하부에 애노드 용액을 균일하게 분포시키도록 다수의 제어되는 오리피스를 가진 박스형 셀 등의, 다른 애노셀 타입 셀을 이용할 수도 있다. 이러한 설계에서는 먼지와 산소를 제거하여 저속 흐름을 해결하고 유동 스폿(spot)을 없애주는 제어된 유동 패턴으로 인해 셀 수명을 연장시킨다. 박스형 셀에서는 제곱 피트당 5암페어 이상의 전류 인입 능력을 나타내도록 넓은 활성 영역을 제공하며 최대로 긴 수명에 대해서는 하중 작용하에서 95 암페어가 추천된다. 일체형 설계에 의해 수명을 더 연장하도록 휨을 제거할 수 있으며, 편평한 에지들이 고체 페인트의 형성을 방지한다.

또한, 본 발명에서는 셀 애노드의 하부에 애노드 용액을 균일하게 분포시키도록 다수의 제어되는 오리피스를 이용하는 반원형 셀들을 사용할 수도 있다. 이 실시예에서는 사이즈가 비교적 작기 때문에 탱크내에서의 셀의 배치가 용이하게 된다.

본 발명은 전착 코팅용 멤브레인 전극 장치의 분야에 이용된다.

이상 첨부된 도면등을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명하였지만, 본 발명은 이 실시예들로 제한되지 않으며, 첨부된 특허청구의 범위에 기재된 바와 같은 본 발명의 정신과 범위를 벗어나지 않고 당업자들에 의해 여러 가지 변화와 개조가 이루어질 수 있을 것이다.

Claims (21)

1. 전극;

   관형 멤브레인 조립체;

   하단부 캡;

   상단부 캡;

   도료 유체를 공급하는 수단; 및

   상기 상단부 캡을 지지하는 수단을 포함하며,

   상기 관형 멤브레인 조립체는 선택적으로 투과성이 있는 멤브레인을 포함하고, 상기 전극은 그의 축선을 따라 상기 관형 멤브레인 조립체에 의해 둘러싸이며, 상기 하단부 캡은 상기 관형 멤브레인 조립체 및 전극과 결합하는 수단, 및 상기 하단부캡으로 도입되는 액체에 난류를 형성하는 수단을 포함하고,

   상기 상단부캡은 상기 도료 유체의 배출 수단 및 상기 멤브레인 하우징 조립체를 수용하는 수단을 포함하여 상기 전극이 상단부캡 내로 수용될 때, 상기 관형 멤브레인 조립체의 중앙을 통해, 상단부캡의 중앙을 통과하여, 하단부캡으로 하방으로 연장될 수 있게 하며,

   상기 도료 유체 공급 수단은 전해액을 하단부캡으로 도입하도록 배향되며,

   상기 상단부캡 지지 수단은 상기 관형 멤브레인 조립체의 변형으로부터 상기 상단부캡을 보호함으로써, 조립시에 하단부캡으로 도입된 도료 유체가 상기 난류 형성 수단을 통해 순환하여 상기 전극을 따라 상기 멤브레인과 전극 사이로 상방으로 유동한 후, 상기 도료 유체 출구를 통해 배출되도록 하는 전착 코팅용 멤브레인 전극 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 전극은 그의 길이방향 축선을 따라 중앙 통로를 가지며, 상기 중앙 통로는 하부에서 임의로 밀봉되는 장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 상단부캡 지지 수단은 상기 멤브레인과 전극 사이에 관형 투수성 부재를 포함하는 장치.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 투수성 부재는 도료 유체가 상기 부재를 통해 자유로이 순환하도록 충분한 투과성을 가진 재료로 형성되는 장치.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 하단부캡은 :

   측벽을 형성하는 내측 및 외측 표면; 폐쇄된 제 1 단부 및 개방된 제 2 단부를 가진 제 1 실린더; 및

   상기 제 2 단부에서 관형 멤브레인 조립체를 수용하도록 상기 내측 및 외측 표면 사이에 배치된 홈이 있는 수단을 포함하고,

   구멍을 형성하는 상기 내측 표면은 적어도 제 1 및 제 2 챔버를 포함하며, 상기 제 1 챔버는 상기 제 1 폐쇄 단부에 의해 더욱 한정되며, 상기 제 2 챔버는 제 1 챔버 보다 작은 내경을 가지며, 상기 전극을 넉넉하게 수용할 수 있는 충분한직경을 가지며,

   상기 제 2 챔버를 한정하는 내측 표면이 다수의 홈들을 더 포함하며 상기 제 1 챔버는 상기 홈의 길이를 따라 상기 관형 전극과 유체 소통하도록 된 장치.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 홈들이 하나의 홈의 폭 보다 큰 간격으로 분리되는 장치.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 도료 유체 공급 수단이 상기 상단부캡의 측벽을 통해 축방향의 채널로 되며, 상기 전극에 평행하게 또는 전극 내로 하방으로 상기 하단부캡의 측벽을 통해 축방향으로 연장되어, 상기 도료 유체가 전극의 내측 표면으로 노출되지 않고 상기 하단부캡으로 배출되도록 하는 장치.
8. 제 2 항에 있어서, 상기 관형 전극은 상단부 및 하단부를 더 포함하고, 상기 상단부는 조작자에 의한 전극의 조작을 허용하도록 그에 부착된 충분한 길이의 연장 수단을 구비하여, 조작자가 전극이 담겨져 있는 전해액과 접촉할 필요가 없도록 하는 장치.
9. 제 2 항에 있어서, 상기 전극의 하단부는 전해액이 전극 하부로 자유로이 유동할 수 있도록 배향되는 장치.
10. 제 1 항에 있어서, 상기 멤브레인은 이온에 대해 선택적으로 투과성이 있고 미리 처리되어 있는 장치.
11. 제 1 항에 있어서, 상기 멤브레인은 적어도 약 10분 동안 적절한 용액에 상기 멤브레인을 담근 후 공기로 건조함에 의해 미리 처리되는 장치.
12. 제 12 항에 있어서, 상기 용액은 약 30-50 중량%의 글리세린, 에틸렌 글리콜, 또는 폴리히드록시 화합물의 수용액을 포함하는 장치.
13. 제 3 항에 있어서, 상기 투수성 부재를 형성하는 재료는 편평해야 하는 장치.
14. 측벽을 형성하는 내측 및 외측 표면; 폐쇄된 제 1 단부 및 개방된 제 2 단부를 가진 제 1 실린더; 및

    상기 제 2 단부에서 관형 멤브레인 조립체를 수용하도록 상기 내측 및 외측 표면 사이에 배치된 홈이 있는 수단을 포함하고,

    구멍을 형성하는 상기 내측 표면은 적어도 제 1 및 제 2 챔버를 포함하며, 상기 제 1 챔버는 상기 제 1 폐쇄 단부에 의해 더욱 한정되며, 상기 제 2 챔버는 제 1 챔버 보다 작은 내경을 가지며, 상기 전극을 넉넉하게 수용할 수 있는 충분한 직경을 가지며,

    상기 제 2 챔버를 한정하는 내측 표면이 다수의 홈들을 더 포함하며 상기 제 1 챔버는 상기 홈의 길이를 따라 상기 전극과 유체 소통하도록 된, 멤브레인 전극 장치용 하단부캡.
15. 이온에 대해 선택적으로 투과성이 있고 미리 처리되어 있는 멤브레인 전극 장치용 멤브레인.
16. 제 15 항에 있어서, 전착 도포에 사용될 때 심각하게 팽창되지 않는 멤브레인.
17. 제 15 항에 있어서, 적어도 약 10분 동안 적절한 용액에 상기 멤브레인을 담근 후 공기로 건조함에 의해 미리 처리되는 멤브레인.
18. 제 16 항에 있어서, 상기 용액은 약 30-50 중량%의 글리세린, 에틸렌 글리콜, 또는 폴리히드록시 화합물의 수용액을 포함하는 멤브레인.
19. 전착 도포에 사용될 때 멤브레인이 심하게 팽창되지 않도록 적어도 약 10분 동안 상기 멤브레인을 용액으로 처리하는 단계를 포함하는 멤브레인 전극 장치용 멤브레인의 사전 처리 방법.
20. 제 18 항에 있어서, 상기 사전 처리 단계는 상기 멤브레인을 약 30-50 중량%의 글리세린, 에틸렌 글리콜, 또는 폴리히드록시 화합물의 수용액에 담그는 단계를 포함하는 방법.
21. 도료 유체를 순환시키는 배출 수단 및 관형 멤브레인 조립체를 수용하는 수단을 포함하여 전극이 상기 관형 멤브레인 조립체의 중앙을 통해, 상단부캡의 중앙을 통과할 수 있도록 된 멤브레인 전극 장치용 상단부캡.