(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原水の入口水管、出口水管および電極水管を備えた有底の金属製の管体と、前記管体の開口を液密に閉塞し、管体の内部に密閉された空間を形成するフランジと、前記管体の密閉空間において、管体の内周面を被うように配置され、原水の入口水孔、出口水孔および電極水孔を備え、内周面に任意の間隔で複数個の溝が形成された中空の絶縁材と、前記絶縁材の溝に填め込まれた陰極と陽極とから成る少なくとも一対の電極と、前記陰極と陽極との間において、絶縁材の溝に填め込まれた陰極と陽極に対向するセパレータとからなることを特徴とする脱塩装置。
【請求項２】
前記金属製の管体および前記フランジの材質が、ステンレス、ハステロイ、チタンの少なくともいずれか１つであることを特徴とする請求項１記載の脱塩装置。
【請求項３】
前記金属製の管体および前記フランジに、シリカ系材料、フッ化物系材料、無機材料の少なくともいずれか１つを被覆することを特徴とする請求項１記載の脱塩装置。
【請求項４】
前記絶縁材の材質が、シリカ系材料、フッ化物系材料、無機系材料の少なくともいずれか１つであることを特徴とする請求項１記載の脱塩装置。
【請求項５】
前記絶縁材が、金属材料にシリカ系材料、フッ化物系材料、無機材料の少なくともいずれか１つを被覆したものであることを特徴とする請求項１記載の脱塩装置。
【請求項６】
前記セパレータが、イオン交換膜であることを特徴とする請求項１記載の脱塩装置。
【請求項７】
前記セパレータが、金属材料、あるいはアルミナ、マグネシア等の無機系材料の多孔物であることを特徴とする請求項１記載の脱塩装置。
【請求項８】
原水が原子力プラントの一次冷却水であることを特徴とする請求項１記載の脱塩装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原水を脱塩するための脱塩装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、従来の原子力発電プラントでは、原子炉の信頼性の高い運転を行うために、一次冷却水の水中に含まれる不純物を除去し、純度の高い給水に処理して原子炉内構造物の健全性を保つようにしている。
このため、原子力発電プラントにおいては、復水および給水の浄化作用が行われている。
このような復水および給水を浄化する手段として従来より脱塩装置が用いられている。
【０００３】
この脱塩装置は、有機材料にイオン交換基を付加した正および負のイオン交換膜を原水と接するように配置し、原水中に含まれる正あるいは負のイオンがその帯電荷のイオン交換基を持つイオン交換膜を透過させるような極性方向の電場を原水に与えることにより、原水がイオン交換膜を透過する間に原水から正あるいは負のイオンを分離するものである。
【０００４】
これによって、原水はイオンが除かれた浄化水となり、その一方、原水から除かれたイオンはイオン交換膜を介して移動し、濃縮されることになる。
【０００５】
このような脱塩装置を大型化するためには、原水と正および負のイオン交換膜とが接する面積を大きくすることや、一対の電極およびイオン交換膜とで構成されるユニットを最小としてこれを積層化すること、印加する電圧あるいは電流を増大すること、反応系を乱流とする構造として原水とイオン交換膜との接触を増長すること、原水が通過するイオン交換膜間のイオンの移動距離を小さくすることなどが考えられる。
【特許文献１】特開２００４−２４３１７８号公報
【特許文献２】特開２００５−８７９６１号公報
【特許文献３】特開２００５−１８１１９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前記の大型化のための改良によって、最大で１ｍ２程度の原水とイオン交換膜の接触面積、数１００個程度の積層化されたユニット、３０Ａ／ｄｍ２程度の電流密度、網目状スペーサあるいは蛇行状の流路である構造、最小で０．２ｍｍ程度のイオン交換膜間の距離といった実機大モデルの脱塩装置が考えられている。
【０００７】
このような脱塩装置は、通常、四角形の平板を積層したタイプであって、これは内側を空洞としたパッキンを兼ねた絶縁性の樹脂材料を用い、その空洞をそのまま反応面とする反応室枠とそれを挟む形で配置される電極およびイオン交換膜によって構成されるもので、この反応室枠には反応面への流水が可能となる溝があり、原水が流通するイオン交換膜間の反応室枠とイオンが濃縮される電極とイオン交換膜の間の反応室枠にそれぞれ通水される構造となっている。
これを最小ユニットとして複数個のユニットを積層し、全体をプレスすることによって電気式脱塩装置が構成される。
【０００８】
ここで問題となるのは、最大で原水とイオン交換膜の接触面積だけで1ｍ２程度で、それ以外の付属的な部位を合わせると１．５ｍ２程度となる大きさのものを、最小で０．２ｍｍ程度の微小なイオン交換膜間の距離で配置し、これを数１００個程度にまで積層化するという点検交換作業である。
【０００９】
例えば、数１００個程度に積層化された脱塩装置の各最小のユニットは、陽極、陰イオン濃縮反応室枠、陰イオン交換膜、原水反応室枠、陽イオン交換膜、陽イオン濃縮反応室枠、陰極の順となる配置で構成されるが、これが１ユニットでも間違った配置となると装置全体としての効率を大きく低減してしまう要因となる。
【００１０】
あるいは、ユニット全体は強力な圧縮プレスにより１装置を構成するわけであるが、１．５ｍ２程度のユニットを数１００個程度も積層するのであれば破損、変形等の故障が起こる可能性は当然高くなる。
【００１１】
本発明は以上の問題点に鑑みて、高温高圧条件の基においても確実に脱塩処理を行うことのできる脱塩装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
以上の課題を解決するために請求項１記載の脱塩装置は、原水の入口水管、出口水管および電極水管を備えた有底の金属製の管体と、前記管体の開口を液密に閉塞し、管体の内部に密閉された空間を形成するフランジと、前記管体の密閉空間において、管体の内周面を被うように配置され、原水の入口水孔、出口水孔および電極水孔を備え、内周面に任意の間隔で複数個の溝が形成された中空の絶縁材と、前記絶縁材の溝に填め込まれた陰極と陽極とから成る少なくとも一対の電極と、前記陰極と陽極との間において、絶縁材の溝に填め込まれた陰極と陽極に対向するセパレータとからなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
以上のように本発明によれば、高温高圧条件の基においても確実に脱塩処理を行うことのできる脱塩装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
(第１の実施の形態)
図１乃至図３は本発明の第１の実施の形態を示す図で、図１は脱塩装置の最小ユニットを示す断面斜視図、図２は脱塩装置を構成する管体およびフランジを示す分解斜視図、図３は同じく脱塩装置を構成する絶縁体の分解斜視図である。
【００１５】
本実施の形態による脱塩装置は、図1に示すように、有底の金属製の管体１と、この管体１の開口を液密に閉塞し、管体１の内部に密閉された空間を形成するするフランジ２と、管体１の内周面を被うように配置され、さらにそれ自体の内周面に任意の間隔で複数個の溝３が形成された中空の絶縁材４と、陰極５ａおよび陽極５ｂとから成り、前記絶縁材４の溝３に填め込まれた一対の電極５と、この２枚一対の電極５ａ、５ｂ間に配置され、前記絶縁材４の溝３に填め込まれ、前記陰極５ａ、陽極５ｂに対向する位置に配置された２枚のセパレータ６ａ、６ｂとからなるセパレータ６とから構成されている。
【００１６】
絶縁材４内周面に形成された溝３には前記一方の電極である陰極５ａ、セパレータ６ａ、６ｂ、他方の電極である陽極５ｂの順で填め込まれ、配置されている。
ここで金属製の管体１の底には原水の入口水管７と電極リード線管８ａが形成され、他方フランジ２には原水の出口水管９、電極水の出口水管１０、電極リード線管８ｂが形成されている。
【００１７】
原水Ｗは入口水管７から管体１内に流入され、電極５ａ、５ｂにより電場が印加されたセパレータ６ａ、６ｂ間に通水された後、出口水管９から流出する。
セパレータ６ａ、６ｂ間では電極５による電場の印加によって原水に含まれる正および負のイオンがそれぞれ極性にしたがって電極方向に隔膜を介して移動し、正および負の電極水に含まれて出口水管９から流出する。
【００１８】
金属製の管体１とフランジ２とは図２に示すように、フランジ２に形成されたボルト孔１１にボルト１２を通して、管体１の開口端部に形成されたネジ孔１３にねじ込むことによって締結される。
【００１９】
電極リード線管８ａ、８ｂには電極５ａ、５ｂと電気的に接続された電極リード線１４ａ、１４ｂが挿入され、電極リード線１４ａ、１４ｂの外周には絶縁材が被覆され、端部にリード線用の絶縁性パッキン１５ａ、１５ｂを介在して、ナット１６ａ、１６ｂにより締め付け固定されている。
【００２０】
絶縁性パッキン１５ａ、１５ｂは電極リード線管８ａ、８ｂにおいて空冷されるが、原水が１００℃以上の高温の場合、フッ化物系材料やシリカ系材料、ジルコニア系やアルミナ系の無機材料が適用できる。
【００２１】
フランジ２の外縁にはパッキン用の溝１７が形成されていて、フッ化物系材料あるいは金属材料のパッキン１８を用いることが管体１の開口を水密に封止しているが、原水温度が２３０℃を超える高温の場合には耐熱温度の観点からフッ化物材料は望ましくない。
【００２２】
管体１およびフランジ２の材質としてはステンレス鋼（ＳＵＳ）、ハステロイ、インコネル、チタン等の金属材料から要求仕様に合わせたものを選択し、内面には絶縁を考慮して絶縁材４と同様な絶縁材料で被覆するようにしてもよい。
【００２３】
絶縁材４は図３に示すように、管体１の内周面に配置され、管体１の軸方向に沿って二つか、それ以上に分割され、溝３内に電極５およびセパレータ６を填め込んだ後、組立てられる構造となっている。  
溝の幅は電極あるいはセパレータの厚さに対応する。
【００２４】
絶縁材４には原水Ｗと電極水の流通路も備えてあり、管体１の入口水管７から流入した原水Ｗは絶縁材１の入口水孔１９からセパレータ間の溝でない部分にある孔からセパレータ間を流通し、絶縁材１の入口水孔１９の対向する位置にある出口水孔２０からフランジ１２の出口水管９を経て流出する。
【００２５】
他方、電極５とセパレータ間の溝でない部分にある電極水孔２１からは原水Ｗの一部が電極水として流通し、フランジ２の電極水の出口管１０から流出する。なお、図３中、孔２１は陽極５ｂ側のみに記載されているが、陽極５ａ側も同様に孔が明いた構成となっている。
【００２６】
絶縁材４の材質は原水Ｗが１００℃以上の場合、フッ化物材料やシリカ系材料あるいはアルミナ等の無機材料を単独あるいは金属材料等に被覆して用いることが望ましい。
さらに原水が２００℃以上となるとフッ化物材料では軟化が著しく、シリカ系材料では耐熱温度以上となるため、実用的にはアルミナ等の無機材料が適する。
【００２７】
電極５は絶縁材４の溝に合わせた形状が必要であるが、ここでは板状であって管体１あるいはフランジ２側の面に電極リード線１４ａ、１４ｂが付けられ、厚さは薄い方がコスト的に有利である。
材質はチタンを基材として白金や白金族元素を被覆したものが一般的である。
【００２８】
セパレータ６も電極同様に絶縁材の溝３に合わせた形状が必要であり、ここでは板状となる。
セパレータ６に必要な機能は拡散の抑制効果であるが、これは一般的なフィルターを用いることができる。
【００２９】
セパレータ６の厚さは拡散の抑制効果によって異なるが、基本的には孔径が小さいほど薄くできると言える。材質は原水Ｗが１００℃以上の場合、フッ化物材料、アルミナ等の無機材料、チタン等の金属材料、繊維状活性炭素が適用できる。さらに原水Ｗが２００℃以上となるとフッ化物材料では軟化が著しく取り扱いが難しくなる。
【００３０】
このような電気式の脱塩装置によれば、原水の温度が１００℃以上の圧縮水であっても原水から正あるいは負の電荷を持つ不純物を電場によって分離することが可能であり、かつ、メンテナンス作業においても短時間で容易に行うことがとなる。
【００３１】
あるいは、実施の形態に示した材料の適用によっては処理温度および圧力の範囲を大きく拡大でき、例えば、温度２８５℃、圧力８０気圧の原子炉水のような高温高圧水であっても電気式の脱塩処理を行うことが可能となる。
【００３２】
(第２の実施の形態)
次に本発明の第２の実施の形態について図４及び図５を参照して説明する。なお、以下の第２の実施の形態の説明において、前記第1の実施の形態と同一部分には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
【００３３】
本実施の形態は、図４、図５に示すように、絶縁材４の内周面に形成された複数個の溝３に対して一方の端に形成された溝から前記一方の電極５ａ、セパレータ６ａ、６ｂ、他方の電極５ｂの順序で填め込まれ、更にこれに続いて電極５ｂを共通にして次のユニットのセパレータ６ｂ、６ａが埋め込まれ他方の電極５ａが埋め込まれ、同様にして複数ユニットの電極とセパレータが填め込まれている。
その他の構成は図１に示す前記第１の実施の形態と同様である。
【００３４】
このように本実施の形態による脱塩装置であると、電極とセパレータのユニットが管体１内に複数個多層に設けられているので、多層となったユニットの数だけ大きな脱塩処理量を得ることができ、特に高温高圧下では設計強度の観点から高コストとなる管体あるいはフランジの数を低減できる。
【００３５】
なお、前記実施の形態の説明においては、発電プラントに設置される脱塩装置について説明したが、本発明は発電プラントに限定されるものではなく、その他一般の各種プラントの脱塩装置において実施し得るものである。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の第１の実施の形態による脱塩装置の最小ユニットを示す断面斜視図。
【図２】本発明の第１の実施の形態による脱塩装置を構成する管体およびフランジを示す分解斜視図。
【図３】本発明の第１の実施の形態による脱塩装置を構成する絶縁体の分解斜視図。
【図４】本発明の第２の実施の形態による脱塩装置の最小ユニットを示す断面斜視図。
【図５】本発明の第２の実施の形態による脱塩装置を構成する絶縁体の分解斜視図。
【符号の説明】
【００３７】
１…管体、２…フランジ、３…溝、４…絶縁材、５…電極、５ａ…陰極、５ｂ…陽極、６、６ａ、６ｂ…セパレータ、７…原水の入口水管、８ａ、８ｂ…電極リード線管、９…原水の出口水管、１０…電極水の出口水管、１１…ボルト孔、１２…ボルト、１３…ネジ孔、１４ａ、１４ｂ…電極リード線、１５ａ、１５ｂ…絶縁性パッキン、１６ａ、１６ｂ…ナット、１７…パッキン用の溝、１８…パッキン、１９…入口水孔、２０…出口水孔、２１…電極水孔。
【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５】
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