(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウムの製造のためのホールエルー槽の炭素カソード内に組み立てられたカソード集電体アセンブリであって、前記カソード集電体アセンブリは、前記炭素カソードの下に配置される、鋼の導電性よりも大きな導電性を有する高導電性金属の少なくとも１つの集電バーを備え、
前記集電バーは、本体が高導電性金属からなる単一の固体であるか；又は本体が２つに分離され、熱膨張ギャップによって互いに間隔を置いて配置され、かつそれぞれが高導電性金属からなる固体であるか；或いは本体がホールエルーセルカソードにおける温度においてその強度を保つ材料からなるＵ字型プロファイル上に搭載された高導電性金属からなる固体であり、前記Ｕ字型プロファイルは、前記集電バーの下の底部であってその上に前記固体の本体によって形成された前記集電バーが置かれる底部と、両側上に延伸し、前記集電バーの両側部から間隔を置いて配置されるか、又は前記高導電性金属からなる前記固体の本体によって形成された前記集電バーの両側部と接触する側部セクションとを含む薄い壁からなり、
前記高導電性金属集電バーは長く、その長手方向に、前記炭素カソードの中央部の下に配置された中央部を備え、前記高導電性金属集電バーの前記中央部は、少なくとも前記炭素カソードと直接電気的に接触するか若しくは前記高導電性金属集電バーの表面にわたって適用され接触する導電性接着剤によって形成された導電性の界面を通じて前記炭素カソードと接触する前記集電バーを構成する前記高導電性金属の上外面、及び／又は前記高導電性金属集電バーの表面にわたって適用された、金属布、メッシュ又は銅、銅合金、ニッケル若しくはニッケル合金の発泡体、又はグラファイトフォイル若しくはファブリックである、導電性のフレキシブルなフォイル若しくはフレキシブルなシートを有し、
前記高導電性金属集電バーは、その長手方向に、前記中央部の一方の側に隣接して、その一方の側に又は両方の側にそれぞれ配置された１つの外側部又は２つの外側部と、前記１つの外側部又は２つの外側部からそれぞれ外側に延伸する末端部分とを備え、
前記高導電性金属集電バーの前記末端部分は、前記高導電性金属集電バーよりも大きな断面積の鋼導体バーに対して各々直列に電気的に接続され、前記鋼導体バーの各々は、外部の電流供給源に対する接続のために外側に延伸する
ことを特徴とするカソード集電体アセンブリ。
【請求項２】
前記高導電性金属は、銅、アルミニウム、銀及びその合金から選択される請求項１に記載のカソード集電体アセンブリ。
【請求項３】
炭素カソードと接する高導電性金属の表面は、炭素カソードをもつ接触エリアを高めるために、粗面化されるか、又は溝などのリセス若しくはフィンなどの突出部が設けられる請求項１又は２に記載のカソード集電体アセンブリ。
【請求項４】
前記高導電性金属と前記炭素カソードとの間の導電性の界面を備え、前記導電性の界面は、金属布、メッシュ又は銅、銅合金、ニッケル若しくはニッケル合金の発泡体、又はグラファイトフォイル若しくはファブリック、又は接着剤の導電層、又はその組み合わせから選択される請求項１〜３のいずれか１項に記載のカソード集電体アセンブリ。
【請求項５】
前記導電性の界面は、固体炭素含有成分を２成分硬化可能接着剤の液体成分と混合することによって得られる炭素系導電性接着剤を含む請求項４に記載のカソード集電体アセンブリ。
【請求項６】
前記高導電性金属集電バーの両側又は両側及び底部は、前記炭素カソードと接触するラミングペースト又は耐火レンガに直接的若しくは間接的に接触する請求項１〜５のいずれか１項に記載のカソード集電体アセンブリ。
【請求項７】
高導電性金属集電バーは、スロットによって提供されるスペースの中への前記高導電性金属の内側の膨張を可能にすることによって、前記カソードにおける前記バーの熱膨張を打ち消すために配置される少なくとも１つのスロットを備えるか、又は２つ以上の前記高導電性金属集電バーは、前記熱膨張を打ち消すのを可能にするために互いに間隔を置いて配置される請求項１〜６のいずれか１項に記載のカソード集電体アセンブリ。
【請求項８】
前記高導電性金属集電バーの末端部分は、異材継手を形成する前記鋼導体バーに対して直列に電気的に接続され、前記高導電性金属集電バー及び前記鋼導体バーは、部分的にオーバーラップし、溶接によって、導電性接着剤によって、及び／又はクランプ若しくは熱膨張によって固着された継手などの機械的圧力を印加するための手段によって、若しくは螺合接続によって、ともに固着される請求項１〜７のいずれか１項に記載のカソード集電体アセンブリ。
【請求項９】
前記炭素カソードは、前記高導電性金属への炭素カソードの重み及び前記高導電性金属の熱膨張の結果として、前記高導電性金属の開放された上部外側表面に電気的に接触する請求項１〜８のいずれか１項に記載のカソード集電体アセンブリ。
【請求項１０】
前記高導電性金属集電バーの前記外側部は、前記セル底部の導電性部の下を又は導電性部を通って、延伸し、前記高導電性金属集電バーの前記外側部は、前記セル底部の前記導電性部から電気的に絶縁される請求項１〜９のいずれか１項に記載のカソード集電体アセンブリ。
【請求項１１】
前記高導電性金属集電バーの前記外側部は、断熱材に覆われることによって、前記外側部のまわりに包まれた１シート以上の絶縁材料に、又は電気絶縁接着剤若しくはセメントの層に覆われることによって、前記セル底部の前記導電性部から絶縁される請求項１０に記載のカソード集電体アセンブリ。
【請求項１２】
前記高導電性金属集電のバーの中央部は、ホールエルーセルのカソードにおける温度においてその強度を保つ材料からなるＵ字型プロファイル内に保持され、前記Ｕ字型プロファイルは、前記バーの下の底部であってその上に前記バーが置かれる底部と、両側上に延伸し、前記高導電性金属集電バーから間隔をおいて配置されるか、又は前記高導電性金属集電バーの両側に接触する側部セクションとを有し、前記高導電性金属集電バーは、前記高導電性金属が直接的に又は前記導電性の界面を介して前記炭素カソードに接触するのを可能にするための、前記Ｕ字型プロファイルによって自由になる少なくとも上部を有する請求項１〜１１のいずれか１項に記載のカソード集電体アセンブリ。
【請求項１３】
前記バーの下の底部であってその上に前記バーが置かれる底部を有し、前記高導電性金属集電バーは、少なくとも１つの直立フィンを有し、前記高導電性金属集電バーは、前記Ｕ字型プロファイルによって自由になる少なくとも上部及び更に側部を有する請求項１２のカソード集電体アセンブリ。
【請求項１４】
前記Ｕ字型プロファイルは、鋼、又はコンクリート若しくはセラミックからなる請求項１２又は１３に記載のカソード集電体アセンブリ。
【請求項１５】
少なくとも前記カソード部の前記中央部における前記高導電性金属集電バーは、前記炭素カソード内のスルーホール内に含まれており、それによって、前記高導電性金属集電バーは、前記炭素カソードの下地部上でサポートされ、前記炭素カソード内の前記スルーホールの表面によって、その表面に直接電気的に接触することによって囲まれる請求項１〜５又は７〜１１のいずれか１項に記載のカソード集電体アセンブリ。
【請求項１６】
請求項１〜１５のいずれか１項に記載のカソード集電体アセンブリに嵌合されたアルミニウムの製造のためのホールエルーセル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ホールエルー法（Hall-Heroult process）を用いるアルミニウムの製造に関し、特に、エネルギー消費の減少、電流効率の最大化、及びセルの生産性を高めるための集電バーの最適化に関する。
【背景技術】
【０００２】
アルミニウムは、１０００℃までの温度において氷晶石系電解質内に溶解されたアルミナの電気分解によって、ホールエルー法により生成される。典型的なホールエルーセル（Hall-Heroult cell）は、鉄皮と、耐火材料の断熱ライニングと、液体金属を保持する炭素カソードとから構成される。カソードは、セルを通って流れる電流を抽出するために、それらの最下部に集電バーが組み込まれた多くのカソードブロックから構成される。
【０００３】
多くの特許公報が、集電バーの端部と液体金属との間の電圧降下の最小化のための種々のアプローチを提案してきた。特許文献１は、既存の鋼の集電バーを補完する高導電性材料の使用を提案し、鋼の集電バー内部に銅のインサートを用いる解決手段を開示する特許文献２〜６に対して参考文献を与える。特許文献７は、集電バーだけでなく、カソードをセクションに分割する。特許文献８及び特許文献９は、集電バーの内部に高導電性材料を用いる。特許文献１０は、集電バーにおける種々の導電性の使用を網羅する。特許文献１１は、カソードの表面に電流分布を変更するためにセルの中央に向けて移動する際に集電バーのセクションを増加することを提案する。特許文献１２及び特許文献１３は、鋼の集電バーの内部の銅の挿入物の使用を提示する。特許文献１４は、メタルパッドの表面における波を安定化するための、またそのためにＡＣＤ（anode to cathode distance：アノードからカソードまでの距離）を最小化するための、カソードの表面形状を改善するカソードブロック配置を記載する。
【０００４】
特許文献１５は、炭素カソード内の筺体内に封止された導電性インサートを備えるアルミニウム生産セルの炭素カソードを記載する。これらのインサートは、カソード本体の導電性を変更するが、集電バーによる電流の収集及び抽出には関係しない。
【０００５】
溶融氷晶石の導電性は、典型的には２２０Ω−１ｍ−１と非常に低く、金属浴（金属−氷晶石電解質）界面における波に結びつく磁気−流体の力学的不安定性の形成のために、ＡＣＤをそれほど減少させることができない。波の存在は、プロセスの電流効率の損失に結びつき、エネルギー消費を臨界値未満に減少させることができない。アルミニウム産業における平均では、電流密度は、ＡＣＤにおける電圧降下が０．３Ｖ／ｃｍで最小値になる。ＡＣＤが３ｃｍ〜５ｃｍであるため、ＡＣＤにおける電圧降下は、典型的には１．０Ｖ〜１．５Ｖである。液体金属内部の磁場は、外部バスバー内を流れる電流及び内部電流の結果である。液体金属内部の内部局所電流密度は、カソードの幾可学的形状及びその局所的導電性によって大半は規定される。磁場及び電流密度は、それ自身が金属表面の凸凹（metal surface contour）を生成するローレンツの力場を生み出し、金属速度場は、磁気流体力学的セル安定性のための基本的な環境を規定する。セル安定性は、メタルパッドの表面に不安定波を生成せずに、ＡＣＤを低減する能力として表現することができる。安定性のレベルは、電流密度及び誘導磁場に依存し、液体金属プールの形状にも依存する。プールの形状は、カソードの表面及びレッジの形状に依存する。従来技術の解決手段は、十分なセル安定性（低ＡＣＤ）を満足させるために、必要とされる磁気流体力学的状態に対する所与のレベルに対応するものの、銅のインサートを用いる解決手段は、非常に費用がかかる上、多くの場合、複雑な機械加工工程を必要とした。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開第２００８／０６２３１８号パンフレット
【特許文献２】国際公開第０２／４２５２５号パンフレット
【特許文献３】国際公開第０１／６３０１４号パンフレット
【特許文献４】国際公開第０１／２７３５３号パンフレット
【特許文献５】国際公開第２００４／０３１４５２号パンフレット
【特許文献６】国際公開第２００５／０９８０９３号パンフレット
【特許文献７】米国特許第４，７９５，５４０号公報
【特許文献８】国際公開第２００１／２７３５３号パンフレット
【特許文献９】国際公開第２００１／０６３０１４号パンフレット
【特許文献１０】国際公開第２００６／０１５１３３３号パンフレット
【特許文献１１】国際公開第２００７／１１８５１０号パンフレット
【特許文献１２】米国特許第５，９７６，３３３号公報
【特許文献１３】米国特許第６，２３１，７４５号公報
【特許文献１４】欧州特許公開第２ １３３ ４４６号公報
【特許文献１５】国際公開第２０１１／１４８３４７号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、炭素カソードの下に使用時に配置される、鋼の導電性よりも大きな導電性を有する高導電性金属の少なくとも１つのバーを組み込む中央セクションをカソード集電体が備えるタイプの、アルミニウムの製造のためのホールエルーセルの炭素カソードのためのカソード集電体に関する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明によれば、集電バーは、本体が高導電性金属からなる単一の固体であるか；又は本体が２つに分離され、熱膨張ギャップによって互いに間隔を置いて配置され、かつそれぞれが高導電性金属からなる固体であるか；或いは本体がホールエルーセルカソードにおける温度においてその強度を保つ材料からなるＵ字型プロファイル上に搭載された高導電性金属からなる固体であり、Ｕ字型プロファイルは、高導電性コネクタバーの下の底部であってその上に固体の本体によって形成された集電バーが置かれる底部と、両側上に延伸し、コネクタバーの両側部から間隔を置いて配置されるか、又は高導電性金属からなる固体の本体によって形成されたコネクタバーの両側部と接触する側部セクションとを含む薄い壁からなる。また、高導電性コネクタバーは長く、その長手方向に、炭素カソードの中央部の下に配置された中央部であって、通常カソードスロット若しくはスルーホールの中に直接的に配置された中央部、又はサポートとしてＵ字型プロファイルを用いる中央部を備え、高導電性コネクタバーのこの中央部は、少なくとも炭素カソードと直接電気的に接触するか若しくは導電性接着剤によって形成された導電性の界面を通じて炭素カソードと接触する高導電性コネクタバーの表面にわたって適用され接触する高導電性金属の上部外側表面、及び／又は高導電性コネクタバーの表面にわたって適用された金属布、メッシュ又は銅、銅合金、ニッケル若しくはニッケル合金の発泡体、又はグラファイトフォイル若しくはファブリックである、導電性のフレキシブルなフォイル若しくはシートを有する。高導電性コネクタバーは、その長手方向に、前記中央部の一方の側に隣接して、その一方の側上に又は両方の側にそれぞれ配置された１つの外側部又は２つの外側部と、１つの外側部又は２つの外側部からそれぞれ外側に延伸する末端部分とを備える。更に、高導電性集電バーのこれらの末端部分は、高導電性コネクタバーよりも大きな断面積の鋼導体バーに対して各々直列に電気的に接続され、前記鋼導体バーの各々は、外部の電流供給源バスバーに対する接続のために外側に延伸する。
【０００９】
高導電性バーは、Ｕ字型のビームを有するか有しないカソードスロット又はスルーホールの中に埋め込まれることができる。但し、電気的接触は、埋め込みエリア全体にわたって、特に高導電性バーの最上部及び両側にわたって、実現することができる。
【００１０】
有利的には、高導電性金属は、銅、アルミニウム、銀及びその合金から選択される。
【００１１】
高導電性金属の上部の表面、及び任意選択的にその両側は、炭素カソードとの接触を高めるために、粗面化されるか、又は、溝などのリセス若しくはフィンなどの突出部を設けることができる。
【００１２】
高導電性金属と炭素カソードとの間に導電性の界面がある場合、このような導電性の界面は、金属布、メッシュ又は発泡体、好ましくは銅、銅合金、ニッケル若しくはニッケル合金の発泡体、又はグラファイトフォイル若しくはファブリック、接着剤の導電層、又はその組み合わせから選択することができる。有利的には、導電性の界面は、固体炭素含有成分を２成分硬化可能接着剤の液体成分と混合することによって得られる炭素系導電性接着剤を含む。
【００１３】
セル設計に応じて、高導電性金属バーの両側又は両側及び底部は、炭素カソードと接触するラミングペースト又は耐火レンガに、直接的若しくは間接的に接触することができる。
【００１４】
高導電性金属バーは、少なくとも１つのスロットとともに機械加工されるか、又は別のスペースを設けることができ、スロット又はスペースは、スロットによって提供されるスペースの中で高導電性金属の内側の膨張を可能にすることによって、カソードにおけるバーの熱膨張を打ち消すために配置される。
【００１５】
高導電性金属バーの末端部分は、好ましくは、異材継手（transition joint）を形成する鋼導体バーに対して直列に電気的に接続され、高導電性金属バー及び鋼導体バーは、部分的にオーバーラップし、溶接によって、導電性接着剤によって、及び／又はプレス嵌めを実現するクランプ若しくは熱膨張によって固着された継手などの機械的圧力を印加するための手段によって、ともに固着される。代替え的に、固着された末端部は、ともに螺合される。異材継手を形成する鋼のバーは、セルの外部のバスバーネットワークに対する接続のために外側に延伸し、鋼のバーの外側に延伸する端部セクションは、電圧降下を低減しセルの熱平衡を保証するために増加された断面を有する。
【００１６】
カソード炭素は、高導電性金属上の炭素カソードの重みの結果として、及び高導電性金属の制御された熱膨張によって、高導電性金属の開放された上部外側表面に電気的に接触することができる。
【００１７】
高導電性コネクタバーの前記外側部は、典型的には、セル底部の導電性部の下を、又は導電性部を通って、延伸し、その場合には、高導電性コネクタバーのこれらの外側部は、セル底部の導電性部から、特に炭素カソード又はラミングペーストの側部から、電気的に絶縁される。高導電性金属バーのいくつかのセクションは、断熱材に覆われることによって、前記外側部のまわりに包まれた１シート以上の絶縁材料に、又は電気絶縁接着剤若しくはセメントの層に、又は１２００℃までの耐熱が可能な任意の絶縁材料に覆われることによって、セル底部の導電性部から都合よく絶縁される。
【００１８】
特定の実施形態において、カソード集電体の中央セクションにおける高導電性金属のバーは、ホールエルーセルのカソードにおける温度においてその強度を保つ材料からなるＵ字型プロファイル内に保持される。このようなＵ字型プロファイルは、前記バーの下の底部であってその上にバーが置かれる底部と、両側上に延伸し、高導電性バーから間隔をおいて配置されるか、又は高導電性バーの両側に接触する側部セクションとを有することができる。前記高導電性バーは、高導電性金属が直接的か又は導電性の界面を介して炭素カソードに接触するのを可能にするための、Ｕ字型プロファイルによって自由になる少なくとも上部を有する。高導電性金属の開放された上部と更に両側とは、直接的か又は導電性の界面を介して炭素カソードに接触する。Ｕ字型プロファイルは、典型的には、鋼、コンクリート、又はセラミックからなる。
【００１９】
本発明は、また、上記のようなカソード集電体アセンブリに嵌合されるアルミニウムの製造のためのホールエルーセルに関する。
【００２０】
［本発明の更なる説明］
カソード集電体の中央セクションにおける高導電性金属のバーは、直接炭素カソードに電気的に接触するか、又は炭素カソードに接着可能である。それは、例えば、高導電性コネクタバーの表面にわたって適用されるフレキシブルなフォイル又はシートによって接着又は固定されることができる溝又はホール内に埋め込まれることができる。接着剤は、典型的には、導電性炭素系２成分の接着剤である。
【００２１】
高導電性コネクタバーは、セルの外側に電流を抽出するために、高導電性のコネクタを従来の鋼のバー（異材継手）に接続するために炭素カソードの外側に配置した外側部を備える。
【００２２】
カソード設計に応じて、高導電性バーは、単一のバー、又は熱膨張を可能にするギャップによって平行に間隔を置いた複数のバーとして配置されることができる。
【００２３】
１つの実施形態において、Ｕ字型プロファイルによってサポートされるその中央セクションに隣接し且つ中央セクションの外側に配置されたカソード集電バーの部分は、カソードの導電性の成分から（特に炭素カソード又はラミングペーストの側部から）即ち集電体がセル内に設置される場合に電気的に絶縁されるように、電気的に絶縁される。
【００２４】
高導電性金属は、（銅などの高導電性金属を包囲したチューブ状のシースの形式で従来技術セルに用いられる）鋼の導電率よりも大きな導電率を有しており、好ましくは、銅、アルミニウム、銀、及びこれらの金属の間のその合金及び場合によっては他の合金形成金属との合金から選択される。高導電性金属は、好ましくは、銅又は銅合金からなる。
【００２５】
言及されるように、有利的には、開放された上部の自由部分の表面及び高導電性金属の両側は、炭素カソードとの強化された接触のために粗面化される。例えば、それは、機械加工によって粗面化されることができる。典型的な表面の粗さは、粗さプロファイルの頂点から底部まで（表面の断面）の平均的な距離によって規定される。０．２ｍｍから４ｍｍ（又はそれ以上）までの粗さ値を用いることができる。粗表面は、研削ツールによって（より低い値向け）、又は機械加工、インボッシング、型彫、若しくはローレット切りなどの機械的動作によって、得ることができる。表面の粗面化は、機械的保持力を増加させるためにフィン、リブ、又は溝とともに組み合わされることができる。
【００２６】
Ｕ字型プロファイルがある場合、高導電性金属の上部の自由部分は、フラットで、Ｕ字型プロファイルの開放された最上部と面一にすることができるし、又は、炭素カソードとの直接接触して若しくは導電性の界面を通じて、任意の形状の（特に電気的接触エリア及び機械的保持力を向上するために円形若しくは矩形若しくはフィン付の）突出上部及び突出側部を有するように、Ｕ字型プロファイルの中央部、及び／又は最上部から突出することができる。
【００２７】
カソード底部の中に埋め込まれたバーは、Ｕ字型プロファイル若しくはビーム、又は他のサポートとともに、又はそれらを伴わずに、カソードブロックの外部の横の前面まで、例えば銅で作成される。この位置上から、銅バーは、異材継手に直列に電気的に接続される。異材継手は、カソードバーの最終端部品である。それはセルフレームを抜け出るために用いられ、セル内部の銅バーとセルフレームの外側のバスバーとの間の異材継手として機能する。新たな概念は、セルフレーム及びバスバーに対する改良を伴わずに、既存のセル上の異材継手によって実施することができる。各セルテクノロジーは、セルの外側のバスバーの既存の設計に準拠するために異なるタイプの異材継手を有してもよい。
【００２８】
従って、高導電性のカソード集電バーの中央セクションは、セルの電流源の外部に対する接続のために外側に延伸する端部セクション（異材継手）によって延長される。鋼からなるこれらの外側に延伸する端部セクションは、セルの外側の温度と比較して、例えば、それらの温度を約＋２００℃にまで低減するために、端部セクションの温度を低減するために増加した断面を有する。
【００２９】
集電バーの端部は、このように、異材継手によってセルの外部バスバーに接続されることができる。これらの異材継手は、機械的圧力によって、溶接によって、熱膨張によって、機械錠によって、圧入嵌合によって、ともに螺合することによって、又はその組み合わせによって、高導電性バーに対して固着されることができる。この異材継手は、既存のシェルに対する及びバスバーに対する接続方式に対するいかなる改良も回避しながら、既存のバスバーに対する外部フレックスの接続位置が変わらないように成形することができる。
【００３０】
創造性のあるカソード集電体アセンブリの１つの実施形態において、高導電性の集電バー及び／又はＵ字型プロファイルの両側及び底部は、炭素カソードと接触するラミングペーストに接触してもよい。但し、ラミングペーストは、高導電性金属の接触表面よりも上方に延伸するべきでない。
【００３１】
言及されるように、カソードスロットの両側に対して加えられる力を制御するために、カソードスロットの中に埋め込まれる高導電性の集電バーの熱膨張は、高導電性の集電バーの内側の１つ以上のスロットの機械加工によって制御されることができる。動作温度に到達すると、これらのスロットのギャップは閉じる。拡張スロットを得るための別の方法は、２つの分離した高導電性の集電バーの間隔を置くことによる。
【００３２】
本発明によるカソード集電バーを用いると、オリジナルのカソード設計及び新たな集電バーの高導電性金属の上部のコンタクトプロファイルの設計に応じて１０％から３０％まで増加されるカソードブロックの有用な高さを可能にする炭素カソードの導電率を増加させる。カソードブロックの高さを増加させることによって、カソードとその結果としてセルの有用な寿命も、その結果増加させることができる。
【００３３】
本発明によるカソード集電バーを用いると、また、低電圧でセルを動作することを可能にする、液体金属内の及び／又は炭素カソード内部の最適化された電流分布に結びつく。低電圧は、より短いアノードからカソードまでの距離（ＡＣＤ）、及び／又は、液体金属から集電バーの端部まで炭素カソード内部の電圧降下の低減のいずれかに起因する。
【００３４】
Ｕ字型のプロファイルを用いる代わりに、バーは、カソードの中に空けられたホール内に収容されることができる。その場合、高導電性材料は、接着剤とともにホールの中に押し込まれることになる。接触表面が増加され、接着剤のグリップも同様に増加されるように、高導電性材料の表面に溝を掘ること（ローレット切り）ができる。この実施形態において、少なくともカソードの中央セクションにおける高導電性金属のバーは、炭素カソード内のスルーホール内に含まれており、それによって、高導電性金属のバーは、炭素カソードの下地部上でサポートされ、炭素カソード内のスルーホールの表面によって、好ましくはその表面に直接電気的に接触することによって囲まれる。
【００３５】
前述のように、炭素カソードに対する熱膨張の制御は、高導電性バーの中に１つ以上のスロットを機械加工することによって、又は２つ以上の間隔を置かれたバーを用いることによって、実現されることができる。
【００３６】
［本発明の詳細な説明］
本発明は、集電バー設計及びセルの磁気流体力学的安定性へのその効果に関する十分な研究を通じて、カソードの下の陥凹マッチングシート（recessed matching seat）の中に導電性のバーを埋め込むことによって、好ましくは特定の距離にわたって炭素カソードとの直接接触によって、集電バー（銅又はその他のもの）としてより優れ且つより安価な技術を高導電性材料の実施に用いる実現性がある、という洞察に基づく。機械的な保持力及び収容は、バーを含有するＵ字型プロファイルを下から用いることによって実現されてもよい。機械的保持力は、また、カソード内のスルーホールの中に高導電性金属のバーを挿入することによって実現されることができる。
【００３７】
本発明は、カソード内の電流密度パターンによって主に引き起こされる化学的及び機械的侵食によってセル寿命が制限される、という観察に基づく。カソードの厚さ及び従ってセル寿命を増加させるために、炭素カソードと高導電性集電バーとの間の接触が、炭素カソードの重みによって、又は水平平面、円形、楕円、フィン付、若しくは概してフラットから凸面までの任意の形状にすることができる集電バーの上部のコンタクトプロファイルライン上に機械的に精密に嵌合することによって、実現されるように、創造性のある集電バーは、カソード平面の下に単純に設けられるか、又はカソードの下の陥凹マッチングシートの中に嵌合される。
【００３８】
カソードに対する導電性のバーの接触及び位置を経時的に一層よく固着するために、Ｕ字型プロファイルは、カソードシート内に機械加工された横方向のポジショニングスロットに機械的にフックさせるように配置されることができる。銅又は他の高導電性の集電バーと炭素カソードとの間の接触は、Ｕ字型プロファイル内に配置された高導電性材料の上に配置された「界面材料」を用いることによって向上することができる。界面材料は、ニッケル発泡体又は銅発泡体などの金属発泡体、及び／又は金属メッシュ又は接着剤の導電層又はグラファイトフォイル又はファブリック又は上記の「界面材料」のいくつかの組み合わせなど炭素ブロックを貫通する構造化表面になり得る。これらの界面材料は、また、炭素カソードに対する高導電性金属の個別の熱膨張を打ち消す機能を有する。
【００３９】
セル内の電流を増加させることを可能にする、カソード内及び液体金属内部の最適な電流密度を保証するために、高導電性金属のセクションは、計算され、炭素カソードの導電性、カソード寸法、更にはセル内のアノードの位置に依存する。中央領域の外で、集電バーは、カソード表面における平滑な電流密度及び液体金属における無きに等しい水平電流を保証するために電流の送出側上の特定距離及び選択された間隔で絶縁されるべきである。
【００４０】
また、集電バーと炭素カソードとの間の接触抵抗を減少させるために、ラミングペーストのベッドを、高導電性の集電体及び任意選択的にＵ字型プロファイルの下側上で用いることができる。
【００４１】
本発明は、また、創造性のあるカソード集電体又は創造性のあるカソード集電体アセンブリとともに改装されられたアルミニウムの製造のためのホールエルーセルに関する。
【００４２】
本発明は、添付の図面を参照しながら、例として更に記載されることになる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明による集電バーを装備したホールエルーセルの概略断面である。
【図２】Ｕ字型プロファイルを示す集電バーの第１の実施形態の断面である。
【図３】別のＵ字型プロファイルを示す集電バーの第２の実施形態の断面である。
【図４】Ｕ字型プロファイルを伴う本発明による集電体を装備したカソード及び基準カソード（reference cathode）にわたる電流密度のグラフである。
【図５Ａ】炭素カソードに接着された集電バーの高導電性材料を示すカソードの断面である。
【図５Ｂ】炭素カソードと直接電気的に接触する集電バーの高導電性材料を示すカソードの断面である。
【図６】本発明によるカソード集電体アセンブリの別の実施形態の断面である。
【図７】セルの外側に電流を導くための鋼のバー（異材継手）に対してカソード集電バーの高導電性材料がどのように接続されるかを示す。
【図８】セルの外側に電流を導く鋼のバーに対するカソード集電バーの高導電性金属の代替的な接続を示す。
【図９】セルの外側に電流を導く鋼のバーに対するカソード集電バーの高導電性材料の別の代替的な接続を示す。
【図１０Ａ】熱膨張を許容する溝を生成するために機械加工された集電バーの高導電性材料を示す。
【図１０Ｂ】熱膨張及び炭素カソードに対する接触を許容する溝を生成するために機械加工された集電バーの高導電性材料を示す。
【図１０Ｃ】熱膨張を許容し、Ｕ字型鋼ビーム内に含まれるスロットを生成するために機械加工された、炭素カソードに直接接触する、集電バーの高導電性材料を示す。
【図１１】カソードとカソードブロックに接着された高導電性材料との間の表面積を増加させるために成形された高導電性材料１５を示す。
【図１２】上部側面を有する炭素カソードと下部側面を有するＵ字型鋼ビームの中央折り曲げフィンとに直接接触する、集電バーの高導電性材料層を示す。
【図１３Ａ】Ｕ字型鋼ビームの中央垂直フィンによって２つの分離導電部に分割された高導電性材料を示し、各導電部は、上側及び側面から炭素カソードに直接接触する。
【図１３Ｂ】Ｕ字型鋼ビームの中央垂直フィンによって２つの分離導電部に分割され、炭素カソードから電気的に絶縁された高導電性材料を示す。
【図１３Ｃ】Ｕ字型鋼ビームの各々の２つの分離垂直フィンによって２つの分離導電部に分割され、炭素カソードに直接接触する高導電性材料を示す。
【図１４】サポート上の高導電性材料であって、上部及び横側面から炭素カソードに直接接触する高導電性材料を示す。
【図１５】グラファイト炭素ブロック内のホール内に挿入されたスロット付き銅チューブを示す。
【図１６】グラファイト炭素ブロック内のホール内に挿入された固体の銅ロッドを示す。
【図１７】グラファイト炭素ブロック内のホール内に挿入された２つの銅ロッドを示し、１つのロッドには熱膨張のためのギャップがある。
【図１８】グラファイトカソードブロック内に組み込まれた、２つの脚部を有するＵ字形に曲げられた銅バーの斜視図であり、Ｕ字型の銅バーの短いセクションは、鋼異材継手にプレス嵌合される。
【発明を実施するための形態】
【００４４】
図１は、炭素カソードセル底部４と、炭素カソードセル底部４上の液体カソードアルミニウムのプール２と、アルミニウムプール２の上に溶解されたアルミナを含むフッ化物−即ち氷晶石系溶融電解質３と、電解質３内に懸吊された複数のアノード５とを備えるホールエルーアルミニウム生産セル１を概略的に示す。また、セルカバー６と、外部から炭素セル底部４の中を通る本発明によるカソード集電バー７と、アノード懸吊ロッド（anode suspension rods）９とが示される。見てとれるように、集電バー７は、ゾーンに分割される。ゾーン１０は、電気的に絶縁され、ゾーン１１は、図２、図３、図５又は図６に示されるような層から構成される。溶融電解質３は、凍結電解質のクラスト１２内に含まれる。集電バー７の端部に電気的に直列に接続された鋼のバー１８は、外部の電流供給源に対する接続のためにセル１の外部に突出する。
【００４５】
集電バーのゾーン１０は、例えば、１シートのアルミナに包まれることによって、又は電気絶縁接着剤若しくはセメントに覆われることによって、電気的に絶縁される。
【００４６】
図２は、集電バーをともに形成する、例えば鋼などの任意のタイプの耐熱性導電材料又は絶縁材料及びＵ字型プロファイル１４内部の銅などの高導電性材料１５からなるＵ字型プロファイル１４を示す。図示されるように、炭素カソードに向けて電気抵抗を減少させるために、集電バーは、コークスベッド（即ちラミングペーストの）１３によって任意選択的に囲まれる。高導電性材料の自由最上面１６は、電気的接触抵抗を最小化するためにラフにすることができる。１つの変形において、Ｕ字型プロファイルの両側は、高導電性材料の最上部まで延伸せず、別の変形において、Ｕ字型プロファイルの両側は、高導電性材料より広く、高導電性材料から間隔が置かれる。
【００４７】
図３は、炭素カソード４内部の「埋込み型の」集電バーを用いる場合に集電バーをともに形成する、例えば鋼などの任意のタイプの耐熱性導電材料又は絶縁材料及び例えば銅などの高導電性材料１５からなるＵ字型プロファイル１４を示す。この実施形態において、銅／金属１５の最上部がＵ字型プロファイル１４の開放された最上部と同じ高さである図２に反して、ここでは、銅／金属１５は、Ｕ字型プロファイルの２つの横側面から分離され、それによって３つの側面上の炭素カソード４への直接的な電気接触表面を増加させる。銅／金属１５の下側は、機械的なサポートとしてのＵ字型プロファイル１４のフラットな底部に載る。
【００４８】
図４は、カソードの中央（ポイント「０．０」）からカソードのエッジ（ポイント「１．８」）まで見たカソードの表面における電流密度で銅／金属バーを用いる典型的な影響力を示す。これらの結果は、後で議論されることになる。
【００４９】
図５Ａは、高導電性材料１５及び高導電性材料のまわりの接着剤１６を包囲するカソード４を示し、この接着剤は導電性である。
【００５０】
図５Ｂは、炭素カソード４に直接接触する矩形断面の高導電性材料のバー１５を囲むカソード４を示す。
【００５１】
図６は、カソード４と、高導電性材料１５及び高導電性材料のまわりの接着剤１６と、耐火レンガ１７とを示す。高導電性材料１５は、炭素カソード４に（但しカソードの下部上にのみ）接着し、カソードの両側及び下部は、シャモットなどの耐火レンガ１７又は任意のタイプの電気絶縁性材料若しくはラミングペーストなどの導電性材料に置き換えられる。
【００５２】
図７は、カソード４、高導電性材料１５、及び高導電性材料のまわりの接着剤１６であって、セルの外側に電流を導く鋼のバー１８によって形成された異材継手との接触面上の接着剤１６を示す。集電バーの端部は、ホール内で、鋼のバー１８内の機械加工されたセクション内にプレス嵌合されることができるか、又は同じ接着剤に接着されることができる。別のタイプの接続は、ボルト接続又は溶接によって集電バー上にクランプされる２つの長手方向の部分に分割された鋼の異材継手の使用が可能である。
【００５３】
図８は、膨張ギャップ（expansion gap）１９によって分離され、且つセルの外側に電流を導く鋼のバー１８に対してボルト締めされた、高導電性材料１５の２つのエッジ間のバーをもつ、底部からのカソード４を示す。このボルト接続を用いることによって、カソード内部にも熱膨張ギャップ（thermal expansion gap）を設けるカソード内部で間隔を置いて配置可能な２つの高導電性金属エレメント１５を使用する。
【００５４】
図９は、鋼のバー１８がボルト締めシステム１９によってともに接続される２つの分離したエレメントからなる代替的な接続を示す。図示されるように、高導電性材料１５の端部も、また、同じボルト締めシステム１９によって分離した鋼のバー１８の端部内に固着される。
【００５５】
図１０Ａは、熱膨張を許容する、高導電性材料のバーの高さの主要部分の上方に延伸する中心溝１７を作成するために機械加工された集電バーの高導電性材料１５を示す。この例において、高導電性材料１５は、カソード４に対してそれを接着する導電性の接着剤１６によりコーティングされている。
【００５６】
図１０Ｂは、熱膨張を許容する、高導電性材料のバーの高さの主要部分の上方に延伸する中心溝１７を作成するために機械加工された集電バーの高導電性材料１５を示す。この例において、高導電性材料１５は、炭素カソード４に対して直接接触する。機械加工された溝の代わりに、高導電性材料の２つ以上のバーは、間隔を置いた対面関係で、互いに間隔をおいて配置されることができる。
【００５７】
図１０Ｃは、熱膨張を許容する、高導電性材料のバーの高さの主要部分の上方に延伸する中心溝１７を作成するために機械加工された集電バーの高導電性材料１５を示す。この例において、高導電性材料１５は、炭素カソードに直接接触し、高導電性材料よりも広いＵ字型鋼ビーム１４によって下からサポートされる。
【００５８】
図１１は、カソード４と、導電性の接着剤１６の層によってカソードブロック４に接着される高導電性材料１５との間の表面積を増加させるために、一連のリブ又は他の突出部によってその上部表面が成形される高導電性材料１５を示す。
【００５９】
図１２は、その上部側面によって炭素カソード４に対して直接接触し、その下部側面によってＵ字型鋼ビーム１４の中央折り曲げフィン１４ａ上に嵌合して接触する、集電バーの高導電性材料層１５を示す。Ｕビームセクション１４の一部として複数の垂直の折り曲げフィン１４ａがあることが可能である。
【００６０】
図１３Ａは、広いＵ字型鋼ビーム１４の中央垂直フィン１４ａによって２つの分離導電部に分割された高導電性材料１５を示し、各導電部は、その上側及び側面から炭素カソード４に直接接触する。
【００６１】
図１３Ｂは、広いＵ字型鋼ビーム１４の中央垂直フィン１４ａによって２つの分離導電部に分割された高導電性材料１５を示し、各導電部は、絶縁が必要なその長さ方向のいくつかのセグメントにわたって、即ち、ゾーン１０（図１）において、導電性材料及び炭素カソード４の上側と側面との間に堆積された電気絶縁材料の層２０によって炭素カソード４から、電気的に絶縁される。
【００６２】
図１３Ｃは、Ｕ字型鋼ビーム１４の２つの分離垂直フィン１４ａの各々によって２つの分離導電部に分割された高導電性材料１５を示し、各導電部は、その上側及び側面から炭素カソード４に直接接触する。２つより多い垂直フィン１４ａがあることが可能である。
【００６３】
図１４は、その上部及び横側面によって炭素カソード４に直接接触する高導電性材料１５のバーを示す。高導電性材料１５の下側は、「フラットな」鋼ビーム１４ｂによって、又は同一空間に広がるラミングペースト若しくは接着剤によってサポートされ、高導電性材料１５をサポートする。先に記載したように、高導電性材料は、溝によって分割することができ、互いに間隔を置いた高導電性材料の複数の部分があることが可能である。サポートビーム１４ｂは、いくつかの層（例えばラミングペーストにわたる鋼の層）からなることができる。
【００６４】
図１５は、グラファイト炭素ブロック４内の円筒状のホール内に挿入されたスロット付き銅チューブ１５Ａを示す。銅チューブ１５Ａは、セルがその動作温度に到達する際に、銅チューブ１５Ａの熱膨張を吸収する十分なギャップを提供するためにその長さ方向に沿ってスロットを付けられる。スロット付きチューブ１５Ａの外側表面は、好ましくは、ブロック４のグラファイトに直接電気的に接触する。
【００６５】
図１６は、グラファイト炭素ブロック４内のホール内に挿入された固体の銅ロッド１５Ｂを示す。この場合、膨張代（expansion allowance）は、精密な嵌合によって実現することができる。言いかえれば、ブロック４において円筒状のホールの径、及び挿入前のロッド１５Ｂの径は、ロッドがホール内に容易に嵌合し、ロッド１５Ｂがセル温度の上昇とともにホール内に密接に嵌合するように膨張するように、計算される。
【００６６】
図１７は、グラファイト炭素ブロック４内のホール内に挿入された２つの銅ロッドを示し、一方のロッド１５Ｂは、図１６に示すような平らな筒状ロッドであり、他のロッド１５Ｂ’は、熱膨張のための直径ギャップを有する。
【００６７】
図１５、図１６及び図１７は、円形断面の銅バーを示すが、但し、ホール及び挿入されたバー／チューブの任意の幾可学的形状に対して、概念を適用することができる、ということは注目に値する。銅導体を含む図示する円形ホールは、下にあるブロックの炭素によって下から封止されるという長所を有する。従って、下からサポートするためのサポートするＵ字型のビームを必要としない。
【００６８】
図１８は、高導電性（銅）バーの外側の部分を異材継手に接続するための特定の実施形態の斜視図である。図示されるように、銅バー１５は、２本の脚が突出するグラファイトカソードブロック４の下側の溝内に埋め込まれる２つの脚部とともにＵ字形に曲げられる。Ｕ字型の銅バー１５の突出端部における短いセクション１５Ｃは、鋼の異材継手１８の端部に向かって配置された横方向の溝内にプレス嵌合される。この異材継手１８の末端部は、銅バー１５の２つの脚部の間に嵌合され、異材継手１８は、銅バー１５の脚部の厚さよりも深い。全体的に、異材継手１８の断面積は、銅バー１５の２つの脚部の組み合わされた断面積よりも大きい。異材継手１８をもつ銅バー１５の緊密な嵌合は、異材継手１８の横方向の溝内の銅の熱膨張によって提供されることができる。
【００６９】
［高導電性集電バーの更なる記述］
高導電性集電バーの使用は、液体金属２及び集電バーの末端部からの電圧降下を減少させることができる。Ｕ字型プロファイル１４若しくはサポートビーム１４ｂを有するか又は有さない銅又は他の高導電性材料１５は、また、特定のエネルギー消費の減少を可能にするアノードからカソードまでの距離（ＡＣＤ）の減少を支援し、増加したセルの寿命につながるカソードの高さの増加を支援する。
【００７０】
長さ方向Ｌ１、Ｌ２及びＬ３（図１）は、セル安定性を最適化するために、バスバーシステムの機能及びセル幾可学的形状の機能において最適化される。実際は、集電バーを通じた電流の再分配は、電流を増加させて従ってエネルギー消費を最小化しながら、ＡＣＤを減少させることを可能にする多くのより適切な磁気流体力学的なセル状態を可能にする。これは、液体金属プールの真中の横断面における均一の垂直電流密度によって表わされる。
【００７１】
電流密度の代表例は、スタンダードセルの図４、及び本発明によるセルの図３又は図５Ａに示される。垂直電流密度（Ｊｚ）は、（ｘ、ｙ、ｚ）座標システムにおける液体金属、即ちＪｚ＝Ｊｚ（ｘ、ｙ、ｚ）における位置に依存する。液体金属内部の水平面において、１つのアノード（ｘ＝−ＸＬ）の影の外側部分のエッジから近接するアノード（ｘ＝ＸＬ）の影のエッジまで移動する場合、電流密度の垂直方向成分の絶対値（｜Ｊｚ（ｘ）｜）は、図４に示されるように典型的に変化する。Ｕ字型プロファイル１４内に含まれ、カソードスロットの中に直接嵌合される、グラファイトカソードと直接電気的に接触する銅などの高導電性金属１５を用いることによって集電バーを最適化する場合、｜Ｊｚ（ｘ）｜は、図４（右手部分）に示されるように最小５０％低下される。集電バーのセクションは、炭素カソードの側から集電バーの端部までの熱抽出が最小であるようになる。実際上、それは、外部の約２００℃温度降下及び可能な限りの電圧降下を得るような方法で必要な寸法にされる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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