(57)【要約】【課題】圧力低下を比較的少なく抑えるとともに、イオン除去の制御、さらに電気抵抗およびｐＨの調節が可能なイオン交換装置を提供する。【解決手段】イオン交換装置１８は、イオンを含む流体を輸送するために、入口３２と出口３４との間に延びる少なくとも１つの流路３８を有する。少なくとも１つのカートリッジ３６はイオン交換媒体５８を含み、このカートリッジ３６は流体中のイオン濃度に応じて変化するイオン除去速度を有する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオンを含む流体を輸送するために、入口と出口との間に延びる少なくとも１つの流路と、
内部にイオン交換材料を有する少なくとも１つのカートリッジと、
を備え、
前記少なくとも１つのカートリッジは、前記流体から前記イオンを除去するイオン除去速度を有し、該イオン除去速度は、前記流体中のイオン濃度に応じて変化することを特徴とするイオン交換装置。
【請求項２】
前記イオン除去速度が、前記流体中の前記イオン濃度に比例し、且つ前記少なくとも１つの流路を有する前記少なくとも１つのカートリッジの界面の面積に比例して変化することを特徴とする請求項１に記載のイオン交換装置。
【請求項３】
前記少なくとも１つの流路が、前記少なくとも１つのカートリッジと同じ方向に延びることを特徴とする請求項１に記載のイオン交換装置。
【請求項４】
前記少なくとも１つのカートリッジが２つのカートリッジからなり、前記少なくとも１つの流路が、前記２つのカートリッジの間に位置することを特徴とする請求項１に記載のイオン交換装置。
【請求項５】
前記少なくとも１つの流路が、前記少なくとも１つのカートリッジの両端部に亘って直線的に延びることを特徴とする請求項１に記載のイオン交換装置。
【請求項６】
前記少なくとも１つのカートリッジが、大きさの異なる複数のカートリッジからなることを特徴とする請求項１に記載のイオン交換装置。
【請求項７】
前記イオン交換材料が、陰イオン活性部位および陽イオン活性部位を含むことを特徴とする請求項１に記載のイオン交換装置。
【請求項８】
前記少なくとも１つのカートリッジが、多孔質の外側構造を有し、前記イオン交換材料が、前記多孔質の外側構造内に含まれることを特徴とする請求項１に記載のイオン交換装置。
【請求項９】
前記多孔質の外側構造が、第１の平面多孔質スクリーンと、該第１の平面多孔質スクリーンから離間した第２の平面多孔質スクリーンと、を含むことを特徴とする請求項８に記載のイオン交換装置。
【請求項１０】
前記少なくとも１つのカートリッジが、前記多孔質の外側構造を支持するフレームを含むことを特徴とする請求項８に記載のイオン交換装置。
【請求項１１】
前記フレームが、開口部と、該開口部に嵌合する取り外し可能なシールと、を含むことを特徴とする請求項１０に記載のイオン交換装置。
【請求項１２】
前記少なくとも１つのカートリッジが、長方形の環状フレームを有することを特徴とする請求項８に記載のイオン交換装置。
【請求項１３】
前記長方形の環状フレームの一方の側面に固定された第１の多孔質カバーと、該長方形の環状フレームの他方の側面に固定された第２の多孔質カバーと、をさらに有することを特徴とする請求項１２に記載のイオン交換装置。
【請求項１４】
内部にイオン交換材料をそれぞれ含む複数の離間したカートリッジと、
イオンを有する流体を輸送する複数の流路と、
を備え、
前記複数の流路のそれぞれが、前記複数の離間したカートリッジの対応するカートリッジ間に延びることを特徴とするイオン交換装置。
【請求項１５】
前記複数の離間したカートリッジが、第１のサイズを有する第１のカートリッジと、該第１のサイズとは異なる第２のサイズを有する第２のカートリッジと、を含むことを特徴とする請求項１４に記載のイオン交換装置。
【請求項１６】
前記複数の離間したカートリッジのそれぞれが、入口と出口との間の流体の流れ方向と平行に向けられることを特徴とする請求項１４に記載のイオン交換装置。
【請求項１７】
イオン交換装置を流れる流体からのイオン除去を制御する方法であって、
（ａ）イオン交換材料を内部に含む少なくとも１つのカートリッジと、該少なくとも１つのイオン交換カートリッジと同じ方向に延びる少なくとも１つの流路と、を設けるステップと、
（ｂ）流体中のイオン濃度が第１のイオン濃度である場合に、前記少なくとも１つのカートリッジの第１のイオン除去速度を確立するステップと、
（ｃ）前記流体中のイオン濃度が、前記第１のイオン濃度よりも低い第２のイオン濃度である場合に、前記少なくとも１つのカートリッジの前記第１のイオン除去速度よりも遅い第２のイオン除去速度を確立するステップと、
を含むイオン除去制御方法。
【請求項１８】
前記流体中のイオンのゼロでない平衡を確立するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１７に記載のイオン除去制御方法。
【請求項１９】
前記流体の平衡電気抵抗を０.２〜５.０Ｍｏｈｍ−ｃｍにするステップをさらに含むことを特徴とする請求項１７に記載のイオン除去制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオン交換装置に関し、特に圧力損失が少なくイオン除去速度を変更できるイオン交換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のイオン交換装置は、電気抵抗、中性ｐＨまたはこれらの両方を維持する目的で、水のような流体からイオンを除去するために使用されている。一般的なイオン交換装置は、イオン交換媒体を密に詰め込んだコンテナを通して流体を循環させる。媒体を密に詰め込むと、流体が媒体粒子の間を流れるので、流体は蛇行性の流路を形成する。蛇行性の流路によって、流体が媒体のイオン活性表面へ曝露される割合が最大となり、イオンが水を通ってイオン活性表面へ到達するのに必要な拡散距離が最小となる。このように、従来のイオン交換装置は、流体が装置を通過する際に、流体から実質的に全てのイオンを効率的に除去する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
イオン除去に関しては効率的であるが、詰め込み型のイオン交換媒体を使用する従来のイオン交換装置は、蛇行した流路を有する流体の速度が低下し、流入する流体と流出する流体との間の圧力低下が大きいという欠点を有する。より大きく強力なポンプを使用して装置を通過する流体を移動させれば、圧力低下はある程度改善される。しかし、より大きなポンプを使用することでシステムが大きくなり経費もかさむ。更に、従来の装置は、実質的に全てのイオンを除去するので、流体の電気抵抗やｐＨの調節には限界がある。
【０００４】
従って、圧力低下を比較的少なく抑えるとともに、イオン除去の制御、さらに電気抵抗およびｐＨの調節が可能なイオン交換装置が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
例示のイオン交換装置は、イオンを含む流体を輸送するために、入口と出口との間に延びる少なくとも１つの流路を有する。１つまたは複数のカートリッジはイオン交換材料を含む。カートリッジはイオン除去速度を有し、この除去速度は、流体中のイオン濃度と、装置を通過する流体の速度と、に応じて変化する。イオン交換装置を流れる流体からのイオン除去を制御する例示の方法には、流体中のイオン濃度が第１のイオン濃度である場合に第１イオン除去速度を確立するステップと、イオン濃度がより低い第２のイオン濃度である場合により遅い第２イオン除去速度を確立するステップと、を含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
図１は、超純水冷却システムなどの例示的な冷却システム１０の選択された部分を示す図である。この実施例では、冷却システム１０は、冷却ループ１４内に配置された熱交換器１２を含む。冷却ループ１４は水などの冷媒を熱交換器１２と装置１６との間に循環させることで、冷媒を所望の温度に維持している。冷却ループ１４は、イオン交換装置１８を使用して冷媒を所望の純度に維持している。例えば、イオン交換装置１８は冷媒からイオンを除去することで、所望の電気抵抗レベルや所望の冷媒ｐＨを維持している。上記の冷却システム１０は１つの例であり、別のタイプのシステムであってもイオン交換装置１８に有利であることを理解されたい。
【０００７】
図２は、入口３２および出口３４を有するコンテナ３０を含むイオン交換装置１８の実施例を示す図である。この実施例では、コンテナ３０は円柱形状をしているが、任意の様々な別の形状であってもよい。コンテナ３０には冷媒からイオンを除去するための少なくとも１つのカートリッジ３６が封入される。この実施例では、複数のカートリッジ３６を使用する。しかし、特定のシステムが要するイオン除去の度合いに応じてカートリッジ３６の数を変更してもよいことを理解されたい。
【０００８】
図３の組立分解図も参照すると、複数のカートリッジ３６は、これらのカートリッジ３６の間に流路３８が延びるように間隔を開けて並んでいる。カートリッジ３６間の間隔の広さは、以下に記載されるように、所望のイオン除去性能によって異なる。カートリッジ３６は、様々な大きさを有する。例えば、コンテナ３０の中心線Ａの半径方向外側に位置するカートリッジ３６ａは、中心線Ａのより近くに位置するカートリッジ３６ｂよりも小さい。すなわち、カートリッジ３６ａの流路３８に曝される界面の面積は、カートリッジ３６ｂよりも小さい。
【０００９】
コンテナ３０はカートリッジ３６を固定し、かつ位置決めする階段状の段溝４０を含む。この実施例では、段溝４０は、第１のセットのカートリッジ３６ｃを、第２のセットのカートリッジ３６ｄに対して平行で、且つ端部が向き合うように位置決めする。また、特定の装置が要するイオン除去率に応じて、単一のカートリッジ３６のセットを使用してもよいし、２つ以上のカートリッジのセットを使用してもよい。
【００１０】
また、段溝４０は、カートリッジ３６がイオン交換装置１８の流れ方向４２（図２）と概ね平行になるように位置決めする。従って、流路３８はカートリッジの両端部にまたがって直線的に延びており、カートリッジ３６間の冷媒の流れをほとんど、または全く妨害しない。
【００１１】
図４は、実施例のカートリッジ３６の組立分解図である。この実施例では、カートリッジ３６はフレーム５２を含む。このフレームは長方形のリングであり、内側が開放空間になっている。しかし、特定の装置で求められる大きさなどの設計上の要求に応じて、フレーム５２の形状を開示された実施例から変更してもよいことを理解されたい。また、任意選択的に、フレーム５２は、開口部５４と、この開口部５４に取り外し可能に嵌合するシール５６と、を有する。開口部５４はフレーム５２の内部と通じており、イオン交換媒体５８をカートリッジ３６に満たしたり、除去したりできるようになっている。
【００１２】
多孔質スクリーン６０は、フレーム５２に固定される多孔質カバー６２間でフレーム５２の両側の平坦な側面に取り付けられる。この実施例では、締め具６４が多孔質カバー６２を通ってフレーム５２まで延び、多孔質カバー６２とフレーム５２との間に多孔質スクリーン６０を固定する。組み立て後、多孔質カバー６２および多孔質スクリーン６０により、水流が流路３８からイオン交換媒体５８へと送られる。多孔質スクリーン６０および多孔質カバー６２の多孔度により、カートリッジ３６へ流入する冷媒流、およびカートリッジ３６から流出する冷媒流が制限される。
【００１３】
イオン交換媒体５８はイオン交換樹脂を含む。例えば、樹脂は陰イオン活性部位６６および陽イオン活性部位６８を含み、それぞれ冷媒から陰イオンおよび陽イオンを除去する。また、イオン交換媒体５８は特定の装置に適する別の形式のイオン交換媒体であってもよい。
【００１４】
コンテナ３０におけるカートリッジ３６およびこれらの配置によって、冷媒中のイオン濃度に応じて変化するイオン除去速度に利点がもたらされる。図示された実施例では、カートリッジ３６間の開放流路３８は、イオンがイオン交換媒体５８へと移動する際の拡散距離となる。すなわち、冷媒から除去されるイオンに関し、イオンは冷媒と共に流路３８を通過し、多孔質カバー６２の開口部を通過し、多孔質スクリーン６０の開口部を通過して、イオン交換媒体５８の活性部位６６，６８に到達しなければならない。時間単位のイオン拡散、すなわち物質伝達は、濃度およびカートリッジ３６の界面の面積に比例する。つまり、濃度が高く、界面の面積が広いほど物質伝達は速くなる。濃度が低下し界面の面積が減少するとこの逆となる。
【００１５】
比較的高い濃度では、イオンの一部がカートリッジ３６に拡散して除去されるためイオン除去速度は比較速くなり、膨大な量のイオンを除去するのにイオン交換装置１８をほとんど使用する必要がない。逆に比較的低い濃度では、ほとんどのイオンがカートリッジ３６に拡散して除去されないためイオン除去速度は比較的遅くなり、残留イオンを除去するにはイオン交換装置１８に多くのイオンを通過させる必要がある。特定の装置における特定イオン除去速度は、種々の要因、例えばイオンの種類、冷媒の流速、装置の腐食等によって変化する。
【００１６】
また、イオン除去速度は、カートリッジ３６の界面の面積に比例する。すなわち、速度は界面の面積に比例して変化する。例えば、カートリッジ３６が互いに接近するように図示された実施例の配置を変化させると、流路３８の大きさは減少し、カートリッジ３６の有効界面の面積は増加する。これにより、流路３８とイオン交換媒体５８との間の拡散距離は短くなり、これに応じてイオン除去速度は速くなる。逆に、実施例よりもカートリッジが離れて存在する場合、流路３８の大きさは増加する。これにより、拡散距離が長くなり、これに応じてイオン除去速度は遅くなる。従って、カートリッジ３６の間隔が少なくとも部分的に有効界面の面積の大きさを決定し、所望のイオン除去速度を達成するようにカートリッジ３６の間隔を設計する。例えば、所望のイオン除去速度が得られるように、実験によりカートリッジ３６の間隔を予め決定できる。
【００１７】
イオン除去速度の変化は、基本的に全てのイオンを除去するよりむしろ、ゼロを上回る平衡イオン濃度レベルを確立するのに有利である。低濃度になるにつれて、イオン除去速度はゼロに近づき、遅すぎて残留イオンを除去できない。ある程度のイオンが冷媒へ残留するのを許容すれば、電気抵抗およびｐＨを所望のレベルに調節できる。例えば、カートリッジ３６を特定の大きさと数にするとともに、カートリッジ３６を特定の間隔で配置することにより、特定の平衡電気抵抗およびｐＨを達成できるであろう。図示された実施例では、冷却システム１０の稼働中に、電気抵抗を０.２〜０.５Ｍｏｈｍ−ｃｍに維持している。冷媒の電気抵抗およびｐＨを調節することで、冷媒の電気抵抗およびｐＨを冷却システム１０に適合させることができる。例えば、超純水を使用する冷却システム１０では、装置１６内または冷却システム１０の別の場所へ電流が漏れないように、抵抗を高い範囲に維持することが望ましいであろう。同様に、ｐＨを所望のレベルに調節することで、冷却システム１０の腐食をより良く制御することができるであろう。
【００１８】
実施例のイオン交換装置１８は、従来の装置よりも圧力低下がかなり少なく、且つ冷媒の電気抵抗およびｐＨを調節することができるという利点を有する。例えば、開放直線流路３８であれば、冷媒がイオン交換装置１８を比較的自由に流れるので、圧力低下は少ない。従って、コンテナ３０内のカートリッジ３６の配置によりイオン除去速度を変化させることができて、イオン交換装置１８は、高濃度であればイオンをより効率的に除去し、低濃度であればイオン除去効率は低くなる。
【００１９】
実施例には様々な特徴を組み合わせて記載しているが、開示する様々な実施例の利点を達成するのに全ての特徴を組み合わせる必要はない。言い換えると、開示された実施例の装置は、任意の１つの図面または図面により概略的に示した全ての部分に記載される特徴を必ずしも全部含む必要はない。さらに、ある実施例で選択された特徴を別の実施例で選択された特徴と組み合わせてもよい。
【００２０】
上記の記載は例示であり制限を目的としない。本発明の趣旨から逸脱することなく開示された実施例の変更および修正がなされることを当業者であれば認識するであろう。本発明に与えられる法的保護の範囲は添付の特許請求の範囲を熟読することによってのみ明確にできる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】イオン交換装置を利用する冷却システムの実施例を示す図。
【図２】図１のイオン交換装置の実施例を示す図。
【図３】イオン交換装置の実施例の組立分解図。
【図４】イオン交換装置に使用されるカートリッジの実施例の組立分解図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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