(57)【要約】モジュールは、交互に設けられた複数のイオン除去室およびイオン濃縮室を有するセルスタックと、前記セルスタック内への流体の流れを促進するように構成される流入口マニホルドと、前記流入口マニホルドに対応付けられ、セルスタック内への前記流体の流れの循環を助長する第１のランプを含む第１の流れ分布システムとを備える。
2018513014.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
モジュールであって、
交互に設けられた複数のイオン除去室およびイオン濃縮室を備えるセルスタックと、
前記セルスタック内への流体の流れを促進するように構成される流入口マニホルドと、
前記流入口マニホルドに対応付けられ、前記流入口マニホルドにおける前記流体の流れの循環を助長する第１のランプを含む第１の流れ分布システムと、
を備えるモジュール。
【請求項２】
前記第１の流れ分布システムはさらに、放射状に間隔をおいて配置された複数のバッフルを備える、
請求項１に記載のモジュール。
【請求項３】
前記放射状に間隔をおいて配置された複数のバッフルは、リブおよび歯のうちの少なくとも一方を備える、
請求項２に記載のモジュール。
【請求項４】
前記第１のランプは、前記第１の流れ分布システムの底部および上部のうちの少なくとも一方に配置される、
請求項１に載のモジュール。
【請求項５】
流れ分布システムは、前記セルスタックへの均一流体分布を助長するように構成される、
請求項１に記載のモジュール。
【請求項６】
前記第１の流れ分布システムは、複数の第１のランプを備える、
請求項１に記載のモジュール。
【請求項７】
前記複数の第１のランプは、間隔をおいて配置されて第１の溝を画定する、
請求項６に記載のモジュール。
【請求項８】
さらに、前記セルスタックからの流体の流出を促進するように構成される流出口マニホルドを備える、
請求項１に記載のモジュール。
【請求項９】
ニホルドに対応付けられた第２の流れ分布システムを備える、
請求項８に記載のモジュール。
【請求項１０】
前記第２の流れ分布システムは、第２のランプを備える、
請求項９に記載のモジュール。
【請求項１１】
前記第２のランプは、前記第２の流れ分布システムの底部および上部のうちの少なくとも一方に配置される、
請求項１０に記載のモジュール。
【請求項１２】
前記第２の流れ分布は、複数の第２のランプを備える、
請求項１０に記載のモジュール。
【請求項１３】
前記第１のランプおよび前記第２のランプは、異なる曲率半径を有する、
請求項１２に記載のモジュール。
【請求項１４】
前記複数のランプは、間隔をおいて配置されて溝を画定する、
請求項１２に記載のモジュール。
【請求項１５】
交互に設けられた複数のイオン除去室およびイオン濃縮室を備えるセルスタックを有する電気化学分離装置における均一流体流れ分布を促進する方法であって、
前記セルスタックと流体連通する第１の流れ分布システムであって、前記セルスタック内への流体流れの方向転換を助長する第１のランプを備える第１の流れ分布システムを提供する、
方法。
【請求項１６】
さらに、前記第１の流れ分布システムに対応付けられた流入口マニホルドを提供する、
請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記第１の流れ分布システムの提供において、前記流入口マニホルド内に前記第１の流れ分布システムを挿入する、
請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記第１の流れ分布システムの提供において、射出成形された第１の流れ分布システムを有する流入口マニホルドを提供する、
請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
さらに、前記第１の流れ分布システムにおいて放射状に間隔をおいて配置された複数のバッフルを提供する、
請求項１５に記載の方法。
【請求項２０】
前記放射状に間隔をおいて配置された複数のバッフルの提供において、リブおよび歯のうちの少なくとも一方を提供する、
請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記第１の流れ分布システムは、複数の第１のランプを備える、
請求項１９に記載の方法。
【請求項２２】
前記複数の第１のランプは、間隔をおいて配置されて第１の溝を画定する、
請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
さらに、前記電気化学分離装置と流体連通する流出口マニホルドを提供する、
請求項１５に記載の方法。
【請求項２４】
さらに、前記流出口マニホルドに対応付けられた第２の流れ分布システムを提供する、
請求項１５に記載の方法。
【請求項２５】
前記第２の流れ分布システムの提供において、前記流出口マニホルド内に前記第２の流れ分布システムを挿入する、
請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記第２の流れ分布システムの提供において、射出成形された第２の流れ分布システムを有する流出口マニホルドを提供する、
請求項２４に記載の方法。
【請求項２７】
流れ分布システムであって、
電気化学セルスタックへと流体流れの方向転換を助長するランプ、
を備える、流れ分布システム。
【請求項２８】
さらに、複数のランプを備える、
請求項２７に記載のシステム。
【請求項２９】
前記複数のランプは、間隔をおいて配置されて溝を画定する、
請求項２８に記載のシステム。
【請求項３０】
さらに、放射状に間隔をおいて配置された複数のバッフルを備える、
請求項２７に記載のシステム。
【請求項３１】
前記放射状に間隔をおいて配置されたバッフルは、リブおよび歯のうちの少なくとも一方を備える、
請求項３０に記載のシステム。
【請求項３２】
前記システムは、前記セルスタックを収容する電気化学分離モジュールのフレーム内に収容または一体化されるように構成される、
請求項２７に記載のシステム。
【請求項３３】
前記システムは、前記セルスタック内の種々の流体通路に沿う点において流体速度のずれが約２０％未満である、
請求項２９に記載のシステム。
【請求項３４】
流体流れを、乱流から、遷移流および層流のうちの少なくとも一方へ変換するように構成される、
請求項２７に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願へのクロスリファレンス］
本願は、２０１５年４月２４日に出願された米国特許仮出願６２／１５２，１０２号、発明の名称“ＮＯＶＥＬ  ＳＴＲＵＣＴＵＲＥＳ  ＦＯＲ  ＮＯＲＭＡＬＩＺＩＮＧ  ＭＵＬＴＩ−ＰＬＡＮＡＲ  ＦＬＯＷ  ＤＩＳＴＲＩＢＵＴＩＯＮ  ＷＩＴＨＩＮ  Ａ  ＰＬＥＮＵＭ”の米国特許法第１１９条（ｅ）に基づく優先権を主張するものであり、その全体を、全ての目的で、ここに参照のために取込む。
【０００２】
本発明は、一般に電気化学分離に関し、特に電気化学分離システムにおける流れ分布に関する。
【発明の概要】
【０００３】
１つ以上の態様によれば、モジュールは、交互に設けられた複数のイオン除去室およびイオン濃縮室を有するセルスタックと、前記セルスタック内への流体の流れを促進するように構成される流入口マニホルドと、前記流入口マニホルドに対応付けられ、セルスタック内への前記流体の流れの循環を助長する第１のランプを含む第１の流れ分布システムと、を備えてもよい。
【０００４】
いくつかの実施態様では、前記第１の流れ分布システムはさらに、放射状に間隔をおいて配置された複数のバッフルを備える。いくつかの実施態様では、前記放射状に間隔をおいて配置された複数のバッフルは、リブおよび歯のうちの少なくとも一方を備える。
【０００５】
いくつかの実施態様では、前記第１のランプは、前記第１の流れ分布システムの底部および上部のうちの少なくとも一方に配置される。
【０００６】
いくつかの実施態様では、前記第１の流れ分布システムは、前記セルスタックへの均一流体分布を助長するように構成される。
【０００７】
いくつかの実施態様では、前記第１の流れ分布システムは、複数の第１のランプを備える。いくつかの実施態様では、前記複数の第１のランプは、間隔をおいて配置されて第１の溝を画定する。
【０００８】
いくつかの実施態様では、前記第１の流れ分布システムはさらに、前記セルスタックからの流体の流出を促進するように構成される流出口マニホルドを備える。いくつかの実施態様では、モジュールはさらに、前記流出口マニホルドに対応付けられた第２の流れ分布システムを備える。いくつかの実施態様では、前記第２の流れ分布システムは、第２のランプを備える。いくつかの実施態様では、前記第２のランプは、前記第２の流れ分布システムの底部および上部のうちの少なくとも一方に配置される。いくつかの実施態様では、前記第２の流れ分布システムは、複数の第２のランプを備える。いくつかの実施態様では、前記第１のランプおよび前記第２のランプは、異なる曲率半径を有する。いくつかの実施態様では、前記複数のランプは、間隔をおいて配置されて溝を画定する。
【０００９】
１つ以上の態様によれば、交互に設けられた複数のイオン除去室およびイオン濃縮室を備えるセルスタックを有する電気化学分離装置における均一流体流れ分布を促進する方法であって、前記セルスタックと流体連通する第１の流れ分布システムであって、前記セルスタック内への流体流れの方向転換を助長する第１のランプを備える第１の流れ分布システムを提供してもよい。
【００１０】
いくつかの実施態様では、方法はさらに、前記第１の流れ分布システムに対応付けられた流入口マニホルドを提供する。いくつかの実施態様では、前記第１の流れ分布システムの提供において、前記流入口マニホルド内に前記第１の流れ分布システムを挿入する。いくつかの実施態様では、前記第１の流れ分布システムの提供において、射出成形された第１の流れ分布システムを有する流入口マニホルドを提供する。
【００１１】
いくつかの実施態様では、方法はさらに、前記第１の流れ分布システムにおいて放射状に間隔をおいて配置された複数のバッフルを提供する。いくつかの実施態様では、前記放射状に間隔をおいて配置された複数のバッフルの提供において、リブおよび歯のうちの少なくとも一方を提供する。いくつかの実施態様では、前記第１の流れ分布システムは、複数の第１のランプを備える。いくつかの実施態様では、前記複数の第１のランプは、間隔をおいて配置されて第１の溝を画定する。
【００１２】
いくつかの実施態様では、方法はさらに、前記電気化学分離装置と流体連通する流出口マニホルドを提供する。
【００１３】
いくつかの実施態様では、方法はさらに、前記流出口マニホルドに対応付けられた第２の流れ分布システムを提供する。いくつかの実施態様では、前記第２の流れ分布システムの提供において、前記流出口マニホルド内に前記第２の流れ分布システムを挿入する。いくつかの実施態様では、前記第２の流れ分布システムの提供において、射出成形された第２の流れ分布システムを有する流出口マニホルドを提供する。
【００１４】
１つ以上の態様によれば、流れ分布システムは、電気化学セルスタックへと流体流れの方向転換を助長するランプを備えてもよい。
【００１５】
いくつかの実施態様では、システムはさらに、複数のランプを備える。いくつかの実施態様では、前記複数のランプは、間隔をおいて配置されて溝を画定する。
【００１６】
いくつかの実施態様では、システムはさらに、放射状に間隔をおいて配置された複数のバッフルを備える。いくつかの実施態様では、前記放射状に間隔をおいて配置されたバッフルは、リブおよび歯のうちの少なくとも一方を備える。
【００１７】
いくつかの実施態様では、前記システムは、前記セルスタックを収容する電気化学分離モジュールのフレーム内に収容または一体化されるように構成される。いくつかの実施態様では、前記システムは、前記セルスタック内の種々の流体通路に沿う点において流体速度のずれが約２０％未満である。
【００１８】
いくつかの実施態様では、システムは、流体流れを、乱流から、遷移流および層流のうちの少なくとも一方へ変換するように構成される。
【００１９】
上記の例示的な態様および実施形態のさらに他の態様、実施形態および利点について以下に詳述する。本明細書中に記載の実施形態は、本明細書中に開示された少なくとも１つの主旨に矛盾しないいかなるやり方でも他の実施形態と組み合わせ可能であり、「ある実施形態」、「いくつかの実施形態」、「代替的な実施形態」、「種々の実施形態」、「１つの実施形態」等の記載は必ずしも互いを除くものではなく、記載された特定の要素、構造または特徴が少なくとも１つの実施形態に含まれうることを示すに過ぎない。本明細書中のかかる記載は、必ずしも同じ実施形態を全て指すものではない。
【００２０】
少なくとも１つの実施形態の種々の態様について、添付図面を参照して以下に説明するが、図面は寸法を定めるものではない。添付図面は、種々の態様および実施形態の例示およびさらなる理解を提供するものであり、本明細書に組み込まれるとともにその一部を構成するものであるが、本発明の範囲を定めるものではない。図面中の技術的特徴、詳細な説明、または請求項が参照符号を伴う場合、そのような参照符号を付した唯一の目的は、図面および説明についての理解度を高めることである。添付図面では、同一またはほぼ同一の各構成要素は、別の図面に示されていても同様の参照符号によって示す。分かりやすくするため、必ずしも全ての構成要素について、各図面中で参照符号を付してはいない。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】１つ以上の実施形態に係る電気化学分離装置において用いられるモジュールの概略図である。
【図２】１つ以上の実施形態に係る、切断線２−２に沿った図１のモジュールの断面図である。
【図３】１つ以上の実施形態に係る、流れ分布システムを有しないマニホルドの概略図である。
【図４】１つ以上の実施形態に係る、リブを備える流れ分布システムを有するマニホルドの概略図である。
【図５】１つ以上の実施形態に係る、歯を備える流れ分布システムを有するマニホルドの概略図である。
【図６】６Ａ〜６Ｃは、１つ以上の実施形態に係る、リブおよび歯を備える流れ分布システムを有するマニホルドの概略図である。
【図７Ａ】１つ以上の実施形態に係る、マニホルドの底面にリブ、歯、およびランプを備える流れ分布システムを有するマニホルドの概略図である。
【図７Ｂ】１つ以上の実施形態に係る、マニホルドの底面にランプを備える流れ分布システムを有するマニホルドの概略図である。
【図８Ａ】１つ以上の実施形態に係る、マニホルドの底面にリブ、歯、ランプ、および溝を備える流れ分布システムを有するマニホルドの概略図である。
【図８Ｂ】１つ以上の実施形態に係る、マニホルドの底面にランプおよび溝を備える流れ分布システムを有するマニホルドの概略図である。
【図９Ａ】１つ以上の実施形態に係る、マニホルドの底面および上面にリブ、歯、およびランプを備える流れ分布システムを有するマニホルドの概略図である。
【図９Ｂ】１つ以上の実施形態に係る、マニホルドの底面および上面にランプを備える流れ分布システムを有するマニホルドの概略図である。
【図１０】１つ以上の実施形態に係る、セルスタックを通る流れ方向の概略図である。
【図１１】１つ以上の実施形態に係る、セルスタックの流入口および中央平面ラインカットの概略図である。
【図１２】１つ以上の実施形態に係る速度流線マップである。
【図１３】１つ以上の実施形態に係る、セルスタックの上、中心、および底平面の概略図である。
【図１４】１つ以上の実施形態に係るバルク速度プロットである。
【図１５】１つ以上の実施形態に係るバルク速度プロットである。
【図１６】１つ以上の実施形態に係るバルク速度プロットである。
【図１７】１つ以上の実施形態に係るバルク速度プロットである。
【図１８】１つ以上の実施形態に係るバルク速度プロットである。
【図１９】１つ以上の実施形態に係る平均平面速度チャートである。
【図２０】１つ以上の実施形態に係るバルク速度プロットである。
【図２１】１つ以上の実施形態に係るバルク速度プロットである。
【図２２】１つ以上の実施形態に係るバルク速度プロットである。
【図２３】１つ以上の実施形態に係る平均流れ速度チャートである。
【図２４】１つ以上の実施形態に係るバルク速度プロットである。
【図２５】１つ以上の実施形態に係るバルク速度プロットである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
１つ以上の実施形態によれば、電気化学分離システムおよび方法は、種々の処理プロセスでの用途のための改良流体流れ分布を特徴としうる。いくつかの実施形態では、電気化学分離装置に出入りする流体流れ分布は、正規化されてもよい。いくつかの特定の実施形態では、電気化学分離装置に出入りする流れ分布は、装置の全平面にわたって均一であってもよい。
【００２３】
電界を用いて流体を浄化する装置は、溶解イオン種を含有する水および他の液体を処理するために一般的に用いられている。このように水を処理する装置として、電気脱イオン装置および電気透析装置の２種類が挙げられる。これらの装置内には、イオン選択膜によって分離された濃縮室および希釈室が存在する。電気透析装置は、通常、交互に設けられた電気活性の半透過性のアニオン交換膜およびカチオン交換膜を含む。膜間の空間は、流入口および流出口を有する液体流れの区画室を形成するよう構成される。電極を介して印加される電界によって、溶解イオンはそれぞれの対向電極に引き寄せられ、アニオンおよびカチオン交換膜を通って移動する。これにより一般に、希釈室の液体からはイオンが除去され、濃縮室の液体は移動してきたイオンで濃度が上昇する。
【００２４】
電気脱イオン化（ＥＤＩ）は、電気活性媒体および電位を用いて、１つ以上のイオン化された種またはイオン化可能種を水から除去するかまたは少なくとも減少させてイオン輸送を行うプロセスである。電気活性媒体は、通常、イオン性種および／またはイオン化可能種の回収および放出を交互に繰り返し、そして、場合によっては、イオン的または電気的な置換機構によって、たとえば連続的にまたは断続的に、イオン輸送を促進するよう働く。ＥＤＩ装置は、永久荷電または一時的荷電を有する電気化学活性媒体を備えることができ、バッチ的に、断続的に、連続的に、および／または、反転極性モードにおいて動作しうる。ＥＤＩ装置は、性能を実現しまたは高めるように特に設計された１つ以上の電気化学反応を助長するように動作することができる。さらに、かかる電気化学装置は、電気活性膜、たとえば半透過性または選択透過性のイオン交換膜または二極性膜を有していてもよい。連続電気脱イオン（ＣＥＤＩ）装置とは、当業者に知られたＥＤＩ装置であり、イオン交換材料の連続的な再荷電を行いつつ、水浄化も連続的に進むように動作する。ＣＥＤＩ技術としては、たとえば、連続脱イオン化、充填セル電気透析、または電気透析（electrodiaresis）等のプロセスが挙げられる。電圧および塩分濃度の制御下において、ＣＥＤＩシステムでは、水分子が分解されて、水素またはヒドロニウムイオンまたは種と、水酸化物または水酸基イオンまたは種とが生成可能であり、これらが装置内のイオン交換媒体を再生し、したがって、捕捉された種のイオン交換媒体からの放出が促進される。このようにして、処理対象の水の流れは、イオン交換樹脂の化学的再荷電を必要とせずに、連続的に浄化可能である。
【００２５】
電気透析（ＥＤ）装置は、ＣＥＤＩと同様の原理で動作するが、ＥＤ装置は通常、膜間に電気活性媒体を備えていない。電気活性媒体が無いため、電気抵抗が上昇し、ＥＤの動作は、低塩分濃度の供給水については妨げられる場合がある。また、高塩分濃度の供給水についてのＥＤの動作は電流消費の増大を生じさせる場合があるため、ＥＤ装置は、従来、中程度の塩分濃度の源水に対して最も効果的に用いられてきた。ＥＤ型のシステムでは、電気活性媒体がないため、水の分離は非効率的であり、このような形での動作は通常避けられている。
【００２６】
ＣＥＤＩ装置およびＥＤ装置では、複数の隣接するセルまたは区画室は、通常、正または負の荷電種（通常は両方ではない）の通過を可能とする選択透過性膜により分離される。希釈室または除去室は、通常、かかる装置内で、濃縮室を間に挟んで設けられている。いくつかの実施形態では、セル対とは、隣接する濃縮室および希釈室からなる対と言うことができる。水が除去室を流れるとき、イオン性種および他の荷電種は通常、ＤＣ電界等の電界の影響下で濃縮室内へ引かれる。正の荷電種は、多数の除去室および濃縮室のスタックの一端に通常位置するカソードへ引かれ、負の荷電種は、同様に、区画室のスタックの他端に通常位置する該装置のアノードへ引かれる。両電極は、除去室および／または濃縮室との流体連通から通常部分的に分離されている電解質区画室内に一般に収容されている。荷電種は通常、濃縮室内に入ると、濃縮室を少なくとも部分的に画定している選択透過性膜の障壁によって捕捉される。たとえば、アニオンは通常、カチオン選択膜により、濃縮室を出てカソードに向かってさらに移動することを妨げられる。濃縮室内に捕捉されると、捕捉された荷電種は濃縮流中に除去されうる。
【００２７】
ＣＥＤＩ装置およびＥＤ装置においては、通常、電極（アノードまたは正電極、および、カソードまたは負電極）に印加される電圧および電流源から、ＤＣ電界がセルに印加される。電圧および電流源（まとめて「電源」という）は、それ自体が、ＡＣ電源、またはたとえば、太陽光、風力または波力に由来する電源等の種々の手段によって駆動されうる。電極／液体界面において電気化学半電池反応が生じ、これによって膜および区画室を通るイオンの移動が開始および／または促進される。電極／界面で生じる特定の電気化学反応は、電極アセンブリを収容する専用区画室内の塩濃度によってある程度制御可能である。たとえば、塩化ナトリウム濃度の高いアノード電解質区画室への供給は、塩素ガスと水素イオンとを生成しやすく、一方、カソード電解質区画室へのそのような供給は、水素ガスと水酸化物イオンとを生成しやすい。通常、アノード室で生成した水素イオンは遊離アニオンたとえば塩素イオンと会合し、電荷中性が維持されて塩酸溶液が生成され、同様に、カソード室で生成した水酸化物イオンは遊離カチオンたとえばナトリウムと会合し、電荷中性が維持されて水酸化ナトリウム溶液が生成されることになる。電極室の反応生成物、たとえば、生成した塩素ガスおよび水酸化ナトリウムは、殺菌目的、膜洗浄および付着物除去目的、およびｐＨ調整目的等、必要に応じてプロセスにおいて利用可能である。
【００２８】
いくつかの実施形態では、電気脱イオン装置は、イオン交換スクリーンを含んでいてもよい。１つ以上の実施形態によれば、イオン交換スクリーンは、カチオンおよび／またはアニオン官能性を有するスクリーン等の、官能化スクリーンであってもよい。不活性スクリーンの代わりにイオン交換材料を使用することで、水が希薄であるとき、たとえば、イオン濃度の約５０００ｍｇ／ｌ未満であるとき、水からイオンを除去する電気脱イオン装置の能力を向上させることができる。イオン交換材料は、カチオン交換材料またはアニオン交換材料のいずれか、またはそれらの組み合わせを含みうる。
【００２９】
各流れ区画室の周縁を封止材料で封止して、スクリーンを流れ区画室内部に配置してもよい。あるいは、スクリーンの外側エッジを、周縁に沿って封止材料に埋め込んでもよい。スクリーンおよび封止材料、たとえば熱弾性エラストマーは、別の動作において組み立てることが可能である。結果として得られるスペーサは、流れ区画室を画定し、隣接するイオン交換膜間の距離を確定し、ＤＣ電界下の区画室における混合強化によりイオン輸送を促進するために、用いられる。
【００３０】
セルスタックの厚さは、各区画室の厚さに依存しうる。いくつかの実施形態では、セルスタックの各区画室の厚さは、約３ｍｍであってもよい。セルスタックの各区画室の厚さは、スクリーンが存在する場合、スクリーンの厚さによって、部分的に決まる。スクリーンの厚さは、約０．２５ｍｍ〜約２．０ｍｍの範囲であってもよい。前述の典型的範囲の外の厚さも可能である。
【００３１】
プレート−フレーム設計および渦巻形設計が、電気透析（ＥＤ）装置および電気脱イオン（ＥＤＩ）装置を非限定的に含む種々の電気化学脱イオン化装置に用いられてきた。市販のＥＤ装置は通常、プレート−フレーム設計であり、他方、ＥＤＩ装置は、プレート−フレーム構成および渦巻構成の双方で利用可能である。１つ以上の実施形態は、流体を電気的に浄化する装置に関する。浄化の対象となる液体または他の流体は、浄化装置に入り、電界の影響下で処理されてイオン除去液が生成される。流入する液体からの種は、回収されて、イオン濃縮液が生成される。
【００３２】
１つ以上の実施形態によれば、電気化学分離システムまたは装置は、モジュール式であってもよい。各モジュール式ユニットは通常、電気化学分離システム全体のサブブロックとして機能する。モジュール式ユニットは、任意の所望の個数のセル対を含んでもよい。いくつかの実施形態では、モジュール式ユニット当たりのセル対の個数は、分離装置におけるセル対およびパスの総数に依存しうる。また、モジュール式ユニット当たりのセル対の個数は、クロスリークや他の性能基準をテストした際の許容故障率でフレームに熱接合およびポッティング可能なセル対の個数にも依存しうる。個数は、製造プロセスの統計的分析に基づくことができ、プロセス制御の向上に伴って増加しうる。いくつかの非限定的な実施形態では、モジュール式ユニットは、約２６個のセル対を含んでもよい。いくつかの非限定的な実施形態では、モジュール式ユニットは、約５０個のセル対を含んでもよい。いくつかの非限定的な実施形態では、モジュール式ユニットは、約１００個のセル対を含んでもよい。そして、複数のモジュール式ユニットを共に組み立てることによって、電気化学分離装置において所期の総数のセル対を提供することができる。
【００３３】
本発明のいくつかの実施形態では、電気浄化装置用のセルスタックが提供される。セルスタックは、交互に設けられた複数のイオン除去室およびイオン濃縮室を提供することができる。各イオン除去室は、第１の方向に希釈流体流れを与える流入口および流出口を有してもよい。各イオン濃縮室は、第２の方向に濃縮流体流れを与える流入口および流出口を有してもよい。いくつかの実施形態では、クロスフロー装置のように、第１の方向は第２の方向と異なっていてもよい。
【００３４】
本発明の電気浄化装置は、セルスタックを収容するハウジングをさらに備えることができる。セルスタックの周縁の少なくとも一部をハウジングに固定してもよい。ハウジングとセルスタックとの間にフレームまたは支持体構造を配置して、セルスタックにさらなる支持を与えてもよい。フレームは、セルスタックに対する液体の流出入を可能にする流入口マニホルドおよび流出口マニホルドを備えてもよい。いくつかの実施形態では、流入口マニホルドおよび流出口マニホルドは、流体流れの方向に基づいて、可逆であってもよい。いくつかの実施形態では、マニホルドは、プレナムを含んでもよい。
【００３５】
フレームおよびセルスタックはともに、電気浄化装置のモジュール式ユニットを提供することができる。電気浄化装置は、ハウジング内に固定された第２のモジュール式ユニットをさらに備えてもよい。遮断スペーサ等のスペーサを、第１のモジュール式ユニットと第２のモジュール式ユニットとの間に配置してもよい。第１の電極を、第１のモジュール式ユニットの、第２のモジュール式ユニットと連通する端部と反対の端部に配置してもよい。第２の電極を、第２のモジュール式ユニットの、第１のモジュール式ユニットと連通する端部と反対の端部に配置してもよい。フレームを含むようなマニホルディングは、より大きなシステムにおいて種々のモジュール式ユニットが流体連通するように、１つ以上のモジュール式ユニットを補助しうる。
【００３６】
１つ以上の実施形態によれば、本明細書に記載のセルスタックは、任意の所望の個数のイオン交換膜、セル対、または流れ区画室を有してもよい。いくつかの実施形態では、電気化学分離システムは、単一のセルスタックを含んでもよい。モジュール式実施形態等の他の実施形態では、電気化学分離システムは、２つ以上のセルスタックを含んでもよい。いくつかの実施形態では、各セルスタックは、本明細書に記載の別のモジュール式ユニットに含まれてもよい。モジュール式は、設計柔軟性および製造の容易さを提供することができる。１つ以上の実施形態によれば、電気化学分離システムは、第１の電極と、第２の電極と、第１のフレームに支持される交互に設けられた複数の除去室および濃縮室を画定する第１のセルスタックを有する第１の電気化学分離モジュール式ユニットであって、第１の電極と第２の電極との間に位置する第１の電気化学分離モジュール式ユニットと、第１の電気化学分離モジュール式ユニットと協働し、第２のフレームに支持される交互に設けられた複数の除去室および濃縮室を画定する第２のセルスタックを有する第２の電気化学分離モジュール式ユニットであって、第１の電気化学分離モジュール式ユニットと第２の電極との間に位置する第２の電気化学分離モジュール式ユニットとを含んでもよい。
【００３７】
１つ以上の実施形態によれば、電気化学分離モジュール式ユニットは、交互に設けられた複数の除去室および濃縮室を画定するセルスタックと、支持体システムとを備えてもよい。支持体システムは、セルスタックの垂直配列を維持するように構成されてもよい。いくつかの実施形態では、支持体システムは、フレームであってもよい。フレームは、少なくとも部分的にセルスタックを取り囲んでいてもよい。他の実施形態では、フレームは、実質的にセルスタックを取り囲んでいてもよい。いくつかの実施形態では、フレームは、セルスタックを通る流体流れを促進するように構成されるマニホルドシステムを含んでもよい。マニホルドシステムは、中央システムマニホルドから、補助対象の個別モジュール式ユニットへ、プロセス液体を提供してもよい。マニホルドシステムは、流入口マニホルドと、流出口マニホルドとを含んでもよい。マニホルドシステムは、各除去室の流入口および各濃縮室の流入口と流体連通する流入口マニホルドを備えてもよい。マニホルドシステムはさらに、各除去室の流出口および各濃縮室の流出口と流体連通する流出口マニホルドを備えてもよい。マニホルドシステムは、処理された液体を、流出口マニホルドを介して下流へ提供するように構成されてもよい。マニホルドシステムの少なくとも一部は、フレームと一体であってもよく、フレームと別の構造内にあってもよい。少なくともいくつかの実施形態では、マニホルドシステムは、モジュール式ユニットにおける希釈流および濃縮流の混合を防ぐように構築され配置されていてもよい。マニホルドシステムは、スタックに対応付けられた希釈室および濃縮室の流出口を、流体分離し切り離しておいてもよい。いくつかの実施形態では、マニホルドシステムは、流れ分布システムを含んでもよい。流れ分布システムは、マニホルドシステムの一部であってもよく、別のシステムであってもよい。流れ分布システムは、マニホルドシステムと流体連通していてもよく、セルスタックへの均一流れ分布を助長するように構成されてもよい。流れ分布システムは、各除去室の流入口および各濃縮室の流入口と流体連通していてもよい。いくつかの実施形態では、流れ分布システムの少なくとも一部は、フレームと一体であってもよい。他の実施形態では、流れ分布システムの少なくとも一部は、フレームと係合していてもよい。マニホルドおよび／または流れ分布システムの１つ以上の特徴は、たとえばインサート構造を介して、フレーム内に一体化されてもよい。いくつかの実施形態では、流れ分布システムは、セルスタックの各流入口および流出口と係合していてもよい。
【００３８】
１つ以上の実施形態によれば、所期の官能性を有することが可能な流れ分布システムの種々の設計を実施することができる。セルスタックの性質に基づいて、区画室流入口および流出口は、セルスタックの１つ以上の側面に位置してもよい。いくつかの実施形態では、区画室流入口および流出口は、セルスタックの全側面に位置してもよい。マニホルドシステムおよび流れ分布システムを含むフレーム設計は、セルスタックを任意の向きで収容することができるように構成されてもよい。また、インサートまたは流れ分布システムは、任意のマニホルド内に挿入または一体化されてもよく、柔軟性のためにセルスタックの任意の側面に対応付けられてもよい。流れ分布システムは、挿入または一体化されて、処理対象の流体をスタックの多数の区画室へ提供することと、セルスタックの流出流を流体分離して切り離しておくこととの両方の作用を有してもよい。
【００３９】
いくつかの実施形態では、たとえば乱流流体入力を伴う実施形態では、電気化学分離システム内の不均等流体分布の可能性は、流れ分布システムによって対処することができる。通常、乱流は、高速度で流入口マニホルドまたはプレナムに入り、流れの運動量によって、その大量が、マニホルドおよびセルスタックの底平面に偏りうる。したがって、不均衡な量の流体が、１つ以上のセルスタックの中心および上平面よりも底平面へと向かいうる。
【００４０】
１つ以上の実施形態では、流れ分布システムは、セルスタックおよび／またはその個々の区画室を通して均一流体流れを助長するように構築されてもよい。セルスタックの流体通路または区画室における任意の点での流れ速度は、たとえば、マニホルド寸法およびアスペクト比に依存しうる。種々の実施形態では、セルスタックの流体通路または区画室における任意の点での流れ速度は、約＋／−２０％未満で変動しうる。いくつかの実施形態では、速度は、約＋／−１０％未満で変動しうる。いくつかの実施形態では、均一流れ速度は、セルスタックの全３つの平面内での流れの速度が実質的に同じであることを指してもよい。たとえば、全３つの平面内での流れ速度は、セルスタックの中央平面において実質的に同じであってもよい。いくつかの実施形態では、全３つの平面内での流れ速度は、セルスタックの流入口において実質的に同じであってもよい。均一流れ速度は、停滞域を最小限にするかまたは無くし、その結果システム効率を高めることができる。均一流れ速度はまた、濃縮室におけるＣａＣＯ３析出等のスケール形成の可能性を低減することができる。最小流れ速度を上げることで、停滞域が無くなり、スケーリングが起きる可能性が低くなる。いくつかの実施形態では、流れ分布システムは、セルスタックの全平面にわたって均一流体流れを助長するように構築されてもよい。少なくともある実施形態では、流れ分布システムは、流入乱流を遷移流としてセルスタック内に向けるように構築および配置されてもよい。乱流は、低運動量拡散、高運動量対流、および、空間や時間における圧力および流れ速度の急速な変動を含む、カオス的特性変化によって特徴付けられる流れである。乱流は、４，０００超のレイノルズ数によって特徴付けられる。遷移流は、乱流から層流へまたは層流から乱流へ遷移するプロセスでの流体である。遷移流は、約２，３００〜約４，０００のレイノルズ数によって特徴付けられる。
【００４１】
いくつかの実施形態では、流れ分布システムは、流入乱流を層流としてセルスタック内に向け直すように構築および配置されてもよい。層流は、流体が、層間の混乱なしに、平行層において流れる際に発生する。低速度で、層流流体は、側方混合なしに流れる傾向がある。流れ方向に対し垂直な逆流はなく、流体が渦巻くこともない。加えて、層流では、流体の粒子の運動は極めて規則正しく、全ての粒子は、明確に定義された流線で動く。層流は、約２，３００超のレイノルズ数によって特徴付けられる。流入口流れの特性は、所期の用途および流体の性質に応じて変動しうる。いくつかの実施形態では、流れ分布システムは、マニホルド内で再循環を助長するのに十分な流入口流量を受容するように構成されてもよい。たとえば、流れ分布システムは、源からの約１ｃｍ／ｓ〜約１００ｃｍ／ｓ  ｇｐｍの流入口流量を受容するように構成されてもよい。いくつかの実施形態では、流入口流量は、約１ｃｍ／ｓ〜約１００ｃｍ／ｓ  ｇｐｍであってもよい。約１ｃｍ／ｓ未満では、流れ分布システムは、流れを効果的に方向転換することができない可能性があり、流れをセルスタックへ均一に分布することができない可能性がある。
【００４２】
いくつかの実施形態では、流れ分布システムは、少なくとも部分的に、電気化学分離装置の流入口マニホルドまたは流出口マニホルド内にあってもよい。流れ分布システムは、モジュール式ユニットのフレーム内にあってもよい。流れ分布システムは、マニホルディングのプレナム内にあってもよい。いくつかの実施形態では、流れ分布システムは、セルスタックの幅（すなわち、ｘ軸）にわたって均一流体流れを助長するために、少なくとも部分的に放射状に間隔をおいて配置された複数のバッフルを含んでもよい。いくつかの実施形態では、バッフルは、障害物、突起、凸部、フランジ、リブ、または歯であってもよい。１つ以上の実施形態によれば、流れ分布システムは、必要な機械的特性と、電気化学分離による脱イオン化の対象である流体との化学的適合性と、を持つ材料から製造される。都市水道水、井戸水、汽水または海水の脱塩等の用途では、その耐腐食性および低コストから、プラスチック材料が有利である。有望なプラスチックとして、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリアミド（ＰＡまたはナイロン）、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン（ＡＢＳ）、ポリスルホン、または、ポリフェニレンオキシド（ＰＰＯ）とポリスチレン（ＰＳ）との混合であるノリル等のプラスチック混合物がある。耐化学性および機械的・熱的特性向上のために、ガラス繊維等の補強材を添加してもよい。
【００４３】
バッフルは、実質的に完全にマニホルドの軸の長さにわたるようなサイズであってもよい。たとえば、バッフルは、実質的に完全にマニホルドのｚ軸の長さにわたってもよい。バッフルは、流体が流れる通路を画定してもよく、流体流れを均等に分割するように間隔をおいて配置されてもよい。いくつかの実施形態では、バッフルは、均等に互いに間隔をおいて配置されてもよい。いくつかの実施形態では、バッフルは、斜めに互いに間隔をおいて配置されてもよい。いくつかの実施形態では、バッフルは、少なくとも部分的に放射状に互いに間隔をおいて配置されてもよい。バッフルは、互いに約３ｍｍ〜約４ｍｍの間隔であってもよい。バッフルの個数および間隔は、セルスタックの寸法や形状およびモジュールおよび／またはマニホルドの設計を含む要因に応じて変動しうる。
【００４４】
いくつかの実施形態では、流れ分布システムは、セルスタックの上平面、中心平面、および底平面への均一流体流れを助長するために、複数のランプまたは流体リフトを含んでもよい。ランプは、バッフルと別の平面に構成および配置されてもよい。前述の通り、通常、乱流は、高速度で流入口マニホルドに入り、流れの運動量によってその大量が、マニホルドの底平面に偏りうる。したがって、不均衡な量の流体が、電気化学分離システムの中心および上平面よりも底平面へと向かいうる。マニホルドの底面に配置されたランプは、流入流体流れの運動量を底平面からセルスタックの前面へと上へ方向転換するように構成される。よって、マニホルドの底面のランプは、流入口流体をセルスタックの底平面から上および中心平面へと方向転換する。
【００４５】
いくつかの実施形態では、ランプは、溝を画定するようにアレイ状に間隔をおいて配置されてもよい。マニホルドの底面の溝は、流体が底平面へと流れるチャネルを提供しうる。マニホルドの底面のランプが流れを上および中心平面へと方向転換する際、溝は、流体の底平面への流れを可能にする。このようにして、溝は、全３つの流れ平面への流れ速度を正規化することができる。また、溝は、ランプを連続隆起特徴から別個の突起へと変換することによって、射出成形のための設計を単純化することができる。
【００４６】
前述の通り、いくつかの実施形態では、ランプは、マニホルドの底面に配置されてもよい。いくつかの実施形態では、ランプは、マニホルドの上面に配置されてもよい。ランプは、マニホルドの上面および底面の両方にあってもよい。マニホルドの底面のランプは、流体をセルスタックの中心線へと向ける任意の形状を有してもよい。たとえば、ランプは、ランプの上部の接線がセルスタックの中心線へと向くように設計されてもよい。いくつかの実施形態では、ランプは、放物形状を有してもよい。いくつかの実施形態では、ランプは、増大テーパー高さを有してもよい。テーパーは、多項式関数、三角関数、指数関数、その他の数学的方程式を非限定的に含む任意の数の関数で定義されてもよい。これらの関数は、流入口マニホルドのアスペクト比に適切にスケール変更されてもよい。いくつかの実施形態では、複数のランプは、多数のプロファイルを有してもよい。いくつかの実施形態では、複数のランプは、さまざまな高さを有してもよい。
【００４７】
ランプの形状および寸法は、可変であり、たとえば、セルスタックのサイズ、セル対の数、セルスタック内の間隔、および供給流量に依存しうる。マニホルドの上面のランプは、流体流れをマニホルドを通して再循環するように向ける任意の形状を有してもよい。マニホルドの上面のランプは、底面のランプと同じまたは異なる形状を有してもよい。たとえば、マニホルドの上面のランプは、同じまたは異なる曲率半径を有してもよい。いくつかの実施形態では、マニホルドの上面のランプは、円弧状であってもよい。いくつかの実施形態では、弧は、直径２５〜３０ｍｍの円の弧であってもよい。バッフルと同様、ランプの個数、間隔、および形状は、セルスタックの性質およびモジュールおよび／またはマニホルド設計に依存しうる。
【００４８】
１つ以上の実施形態によれば、セルスタック内への流れが調整、再分配、または方向転換されることで、流体が、セルスタックの区画室内の膜表面とより均等に接触する。電気浄化装置用のセルスタックにおける各区画室は、流体接触のために所定のパーセンテージの表面積または膜利用を提供するように構築および配置されてもよい。より高い膜利用によって、電気浄化装置の動作においてより高い効率が得られることが分かっている。
【００４９】
１つ以上の実施形態によれば、流れ分布システムは、セルスタックを取り囲むマニホルドまたはフレームと一体であってもよい。他の実施形態では、流れ分布システムの少なくとも一部は、フレームまたはマニホルドと係合するように構成されてもよい。流れ分布システムは、マニホルドによって取り外し可能に収容することができるインサートを備えてもよい。モジュール式ユニットは、１つ以上の流れ分布システムを含むことができる。いくつかの実施形態では、流れ分布システムは、セルスタックの１つ以上の側面と対応付けられてもよい。少なくともいくつかの実施形態では、流れ分布システムは、セルスタックの各側面と対応付けられてもよい。セルスタックの各側面は、専用の流れ分布システムを有してもよい。流れ分布システムは、電気化学分離装置によって取り外し可能に収容することができるように構成されてもよい。
【００５０】
上記の通り、電気化学分離システムは、図１に概略図示するように、流入口マニホルドを含んでもよい。モジュール１００は、フレーム１１０と、流入口１２１を備える流入口マニホルド１２０と、流出口マニホルド１３０とを含んでもよい。図２は、流入口マニホルド１２０、流出口マニホルド１３０、およびセルスタック１４０を図示する、線２−２に沿ったモジュール１００の断面図である。多数のモジュールを流体接続して、電極対間に所望の総数のセル対または区画室を設けてもよい。
【００５１】
いくつかの実施形態では、流入口および／または流出口マニホルドは、流体流れ分布システムを備えてもよい。図３は、流入口３２１を含むが、流体流れ分布システムを有しないマニホルド３２０を図示する。図４〜９に非限定的に示すように、流体流れ分布システムは、種々の構成でありうる。図４は、流入口４２１とリブ４３０とを備えるマニホルド４２０を図示する。図５Ａ、５Ｂ、および５Ｃは、流入口５２１と歯５４０とを備えるマニホルド５２０を図示する。図６Ａ、６Ｂ、および６Ｃは、流入口６２１と、リブ４３０および歯５４０の組み合わせとを備えるマニホルド６２０を図示する。
【００５２】
図７Ａにおいて、マニホルド７２０は、流入口７２１と、リブ４３０と、歯５４０と、マニホルドの底面の流体リフト７５０とを備える。図７Ｂは、流れ分布システムにおけるランプ７５０の側面図である。図８Ａおよび８Ｂは、マニホルドの底面の流体リフト７５０に溝８６０を導入する。図９Ａは、マニホルドの上面に流体リフト９７０および溝９８０を導入する。図９Ｂは、それぞれマニホルドの底面および上面の流体リフト７５０および９７０を図示する。
【００５３】
いくつかの実施形態では、流れ分布システムは、固形プラスチック材料を機械加工することによって、または、たとえば、ステレオリソグラフィ（ＳＬＡ）等の急速プロトタイピング方法によって、製造されてもよい。低コストで大量製造するためには、射出成形が好適な方法である。いくつかの実施形態では、流れ分布システム設計は、通常、射出成形につながるものであってもよい。製造を促進する選択設計パラメータには、垂直流路の幅に対する長さ、および、流路間の材料の厚さが含まれる。いくつかの非限定的な実施形態では、歯の特徴は、高さ約３０ｍｍ、長さ約５ｍｍ、および幅約２ｍｍであってもよい。いくつかの非限定的な実施形態では、リブは、高さ約３０ｍｍ、長さ約２７ｍｍ、および幅約２ｍｍであってもよい。いくつかの非限定的な実施形態では、ランプは、高さ約４ｍｍ〜７ｍｍ、長さ約１１ｍｍ〜約２１ｍｍ、および幅約３ｍｍ〜約７ｍｍであってもよい。いくつかの非限定的な実施形態では、溝は、幅約１ｍｍ〜約５ｍｍであってもよい。いくつかの実施形態では、流れ分布システムは、比較的低コストで、高寸法精度に製造することができる。
【００５４】
いくつかの実施形態では、通路を画定するバッフルの厚さは、流れ分布システムの総質量を低減し、溶融プラスチックが型穴に射出された後に全体にわたって均一且つ急速な冷却を確実に行うために、均一にできるだけ薄い。射出成形用語では、この設計ステップを、材料コストおよびサイクル時間を低減するために部品を「コアリングアウト」（ｃｏｒｉｎｇ  ｏｕｔ）すると言う。「コアリング」ステップは、停滞流体で充填されて生体成長を引き起こしうるような、内部ボイド空間を生じてはならない。
【００５５】
１つ以上の実施形態によれば、流れ分布システムは、共に組み立てられるように構成される別々の成形部品から形成されてもよい。製造方法に依って、内部ボイド容量を封止する必要があるかもしれない。流路内にない内部空間は、流体が空間内へ漏れて停滞流体が蓄積するのを防ぐために、封止する必要がある。いくつかの好適な実施形態では、通常、全内部空間を通る流れがある。
【００５６】
部品を接合するために考えられる方法には、接着および超音波溶接がある。いくつかの好適な実施形態では、部品は、たとえばスナッピングまたは密着嵌合により、接着または溶接の必要なしに結合するように構成されてもよい。いくつかの実施形態では、組立時に、隣接する部品の相互作用または接合により、迷路フローパターンを形成してもよい。各部品におけるスロットは、スロットを形成するために金型で必要なブレードが成形プロセス中のストレスに十分耐えうる強さを有するように、十分低い長さ対幅比率を有する。
【００５７】
１つ以上の実施形態によれば、流れ分布システムは、電気化学分離装置のセルスタックに近接配置されるように構成される第１の側面を有してもよい。ここで、流れ分布システムは、第１の側面に複数のポートを有し、さらに、第１の側面と反対側に位置する第２の側面を有してもよい。流れ分布システムは、第２の側面に複数のポートを有する。第１の側面のポートは、セルスタックの流入口および／または流出口と流体接続していてもよい。第２の側面のポートは、処理対象の水の源の流出口、または、使用点または下流ユニット動作点の流入口と、流体接続していてもよい。
【００５８】
１つ以上の実施形態によれば、流れ分布システムは、必要な機械的特性と、電気化学分離による脱イオン化の対象である流体との化学的適合性と、を持つ材料から製造される。都市水道水、井戸水、汽水または海水の脱塩等の用途では、その耐腐食性および低コストから、プラスチック材料が有利である。有望なプラスチックとして、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリアミド（ＰＡまたはナイロン）、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン（ＡＢＳ）、ポリスルホン、または、ポリフェニレンオキシド（ＰＰＯ）とポリスチレン（ＰＳ）との混合であるノリル等のプラスチック混合物がある。耐化学性および機械的・熱的特性向上のために、ガラス繊維等の補強材を添加してもよい。
【００５９】
１つ以上の実施形態によれば、フレームは、配列を維持するために、セル対のスタックの側面をしっかりと支持してもよい。ポートは、流入口および流出口マニホルドを、流れ区画室に接続してもよい。こうすることで、流れ区画室の幅にわたって均一流れ分布を助長し、区画室からマニホルドへ流れが漏れることを抑制しうる。スタックの端部における膜は、Ｏリング、ポッティング、または他のメカニズムで、フレームに固定および封止されてもよい。膜はまた、溶接部または一連の溶接部、たとえば、熱可塑性接着により生成された封止で、固定されてもよい。フレームは、多数の部分から組み立てられてもよく、または、１つの部品として成形されるように一体型であってもよい。端部ブロックの隣のモジュール式ユニットは、膜によって電極区画室から分離されていてもよく、また、Ｏリングまたは接着剤で封止されていてもよい。モジュール式ユニットフレーム、またはモジュール式ユニットフレームのマニホルドシステムは、概して、１つ以上の希釈ポートと１つ以上の濃縮ポートとを含んでもよい。ポートは、フレームに埋め込まれるか、または、流れ分布システムインサート上にあってもよい。モジュール式ユニットフレームは、マニホルディングと、フレームによって取り外し可能に収容することができる１つ以上のインサートまたは流れ分布システムとを含んでもよい。モジュール式ユニットマニホルドは、より大きな全体システムマニホルディングに流体接続してもよい。マニホルドは、流れ分布システムインサートを少なくとも部分的に収容するようなサイズおよび形状の１つ以上のくぼみを含んでもよい。
【００６０】
１つ以上の特定の非限定的な実施形態によれば、モジュール式ユニットを形成するために、セル対のスタックは、単一構造のフレームに４側面で封入されてもよい。フレーム部分におけるマニホルドの組が、供給材料を、通路およびチャネルのアレイを介して、希釈室の流入口へ供給する。希釈室の流出口では、生産水が、第２の通路およびチャネルのアレイを通過して、第２のマニホルドの組に入る。他の部分は、濃縮室用の通路およびチャネルを備える同一のマニホルド配置を含んでもよい。希釈室および濃縮室への流入口および流出口は、スタックおよびフレームのコーナー間の封止によって、互いに分離されていてもよい。封止は、接着剤、熱接合、またはそれらの組み合わせ等の、種々の技術によって実現される。
【００６１】
流入口および流出口マニホルドを流れ区画室へと接続する通路およびチャネルは、適切に設計された場合、各希釈室の流入口にわたって流れを均一に分布するものである。通路およびチャネルを、個々の区画室の流入口と並べる必要はない。
【００６２】
いくつかの実施形態では、システムおよび方法は、セル対のスタックの全側面をフレームによって支持してもよい。フレームは、スタックにおけるセル対の数を収容するのに必要な深さであってもよい。フレームは、希釈および濃縮流用の流入口および流出口マニホルドをスタックにおけるそれぞれの流れ区画室へ接続するポートを有してもよい。そのような設計から期待される効果としては、スタックの流入口および流出口での開口領域がなくなることによる流れバイパスの低減がある。セル対のスタックは、フレームのコーナーでポッティングされて、クロスリーク、脱塩性能、および圧力低下を検査することができるモジュール式サブブロックを形成することができる。多数のブロックをスタックして、モジュール式ユニットを形成してもよい。遮断膜を、ブロック間に挿入して、希釈および／または濃縮流を多数パス流れ構成内へと向けてもよい。マニホルドは、インサートを収容するくぼみと、マニホルディング用のポートとを有してもよい。スタックがマニホルドにポッティングされる前に、インサートを設置してもよい。
【００６３】
いくつかの非限定的な実施形態では、単一パス流れ構成における希釈室および濃縮室を有するセル対のスタックは、部分において封止されてモジュール式ユニットを形成してもよい。ユニットは、遮断スペーサを間に介して接合されて、多数パス構成を形成してもよい。スタックは、コーナーにおいて接着剤を用いてハウジング部分に封止されてもよい。遮断スペーサは、ハウジングの内壁に封止される必要はなく、代わりに、モジュール式ユニット間に挟まれて、端部間で封止される。いくつかの非限定的な実施形態では、端部にフランジを有する２つのモジュール式ユニットは、遮断スペーサを間に介してスタックされてもよい。フランジは、共にボルト締めされてもよい。遮断スペーサは、フレームと共に成形されて、接着剤またはガスケットでフランジ間に封止されてもよい。あるいは、フレームは、熱可塑性材料または他の製造方法で成形されてもよい。いくつかの実施形態では、モジュール式ユニットは、クランプまたはタイバーで接続されてもよい。それに応じて、遮断スペーサの設計を変更してもよい。
【００６４】
これらの実施形態および他の実施形態の機能および利点は、以下の実施例からより深く理解されるであろう。実施例は本質的に例示を意図するものであり、本明細書に記載の実施形態の範囲を限定するものとは解釈されない。
【実施例】
【００６５】
実施例１：セルスタック中央平面における流れ分布システム形状の影響
形状変化の影響を調査するために、流体を、種々の流れ分布システム構成を備える流入口マニホルドからセルスタックへ供給した。その結果、多数の代表速度プロットが生成された。セルスタックの中心平面を通じて垂直に取った速度流線を用いて、乱流を比較した。バルク速度を、対応する複数平面ヒートマップに示した。これらのプロットは、二次元高度を速度と関連付ける。
【００６６】
まず、速度流線およびバルク速度を、流体流れ分布システムを有しない流入口マニホルドのベース形状で確認した。図１０は、ベース形状を持つマニホルドに対応付けられたセルスタックのｙ軸に沿う流れ方向を図示する。速度を、流入口速度ラインカット１１０１および外挿中央平面速度ラインカット１１０２で、測定した（図１１）。流体を、１００ｃｍ／ｓの流量で、流入口マニホルド１２２０へ供給した。ｚ平面における高速度乱流１２０１がポートを通過して流入口マニホルド内に入ると、底面でｙ平面における方向の突然の変化に遭い、遷移流１２０２となった。これによって、図１２に示すように、膜スタックにおける層流１２０４への遷移前の定常渦１２０３が起きた。流体は、マニホルド内で有効に再循環されず、セルスタックの構成要素へ均一に分布されなかった。
【００６７】
図１３に示すように、セルスタック１３０１における流体速度を、３つの別々の平面、すなわち、上平面（１３０２）、中心平面（１３０３）、および底平面（１３０４）における外挿中央平面ラインカット１１０２で測定した。
【００６８】
図１４〜１８は、特定の流れ分布システム構造に対応付けられた外挿中央平面１１０２速度プロファイルを表す。図１４において、速度プロファイルは、流れ分布システムのないマニホルドを有する装置において上、中心、および底面にわたって不均等速度分布を示す。セルスタック面での流れ分布の変動の結果、ｘ軸およびｚ軸速度プロファイルが不均等となった。底部流れは、上平面での流れ速度よりも高く、上平面での流れ速度は、中心平面での流れ速度よりも高かった。
【００６９】
ｘ軸に沿う不均一流れ分布に対処するために、流れ方向転換システムのいくつかのバリエーション、具体的には、リブ４３０のみ（図３）、歯５４０のみ（図５）、およびリブ４３０と歯５４０（図６）、を組み入れた。リブ４３０のみの追加は、ｘ軸に沿う流れの再分配にほとんど貢献しなかった。流れ分布システムへの歯５４０のみの追加は、リブ４３０のみの追加に比べて、多大な効果があった。マニホルドの流体流れ分布システムにおいて２種類のバッフル、すなわちリブ４３０および歯５４０、を組み合わせると、膜面に沿うより密な定常渦と共に、ｘ軸に沿うより均一な流れ分布が得られたが、底平面での速度は、上平面での速度よりも高いままであり、上平面での速度は、中心平面での速度よりも高いままであった。どちらの種類のバッフルも、中心および上平面に比べて、底断面での上昇速度に大きく影響しなかった。
【００７０】
中心および上平面に比べて底平面で非常に高い速度が観測されたことから、垂直流れ方向転換の必要性が示唆された。図７に示すように、ランプ特徴７５０を、マニホルド流入口ポートに対向する底面に組み入れた。ランプ７５０は、底平面でのスタック速度を下げつつ、最高速度流線の射出点を上げて、中心および上平面にわたって速度を上昇させた（図１６）。ランプがセルスタックの底平面からセルスタックの上平面へと流れを方向転換させた結果、底平面への流れが不足したと考えられる。
【００７１】
全３つの平面にわたって正規化速度を助長するために、溝８６０を底部ランプ７５０（ランプ１）に組み込んで、流れの通過を可能にした。図１７に示すように、上平面での速度は、底および中心平面での速度よりも高く、底および中心平面での速度は、ほぼ等しかった。溝によって、流体が、ランプによる方向転換なしに、底平面を流れることができたと考えられる。しかし、上平面での流れは、底および中心平面での流れよりも高かった。
【００７２】
これに対処するために、図１８に示すように、補助ランプ９７０（ランプ２）および溝９８０を、上部マニホルド面に組み込んだ。本実施形態では、ｘ軸およびｚ軸双方での速度分布の向上と共に、マニホルド内の定常渦のより密な再循環が観測された。
【００７３】
図１９は、図１４〜１８でプロットされたデータからアセンブルされた、各流れ分布システム構成のためのセルスタックの底、中心、および上部流れ平面それぞれでの平均平面流れ速度のチャートである。
【００７４】
リブと、歯と、溝を有する上部および底部流体リフトとの組み合わせが、電気化学分離装置のセルスタックに出入りする流体流れ分布の正規化に最も有効であることが確認された。
【００７５】
実施例２：セルスタック流入口における流れ分布システム形状の影響
形状変化の影響をさらに調査するために、実施例１と同一の実験設定で、セルスタックの流入口速度ラインカット１１０１での速度を測定した。
【００７６】
まず、流体を、流れ分布システムを有しない流入口マニホルドへ供給した。図２０に示すように、上、中心、および底面での平均流れは不均一である。図２１において、流体を、システムの底面にリブ、歯、ランプ（ランプ１）、および溝を有する流れ分布システムを備える流入口マニホルドへ供給した。セルスタックの各平面の流入口での流体速度は、長さ１２５ｍｍにわたって大きく変動した。図２１および２２は、ｘ軸として長さ３５〜１２２ｍｍを含むプロットである。これらの長さは、スタックの流入口アパーチャを指し、中央平面でのスタックの全幅よりも細い。流入口速度ラインカット１１０１に沿う速度プロファイルを、比較の基準として用いた。類似の結果を図２２に示す。図２２は、システムの上および底面にリブ、歯、ランプ（ランプ１および２）、および溝を備える流れ分布システムからの流れの流入口速度プロットである。
【００７７】
各構成毎に、底、中心、および上平面での平均流れを算出した。各構成で、底平面での流入口流量は、中心および上平面の流入口流量よりも高かった。各構成で、上平面での流入口流量は、中心平面での流入口流量よりも高かった。システムの上および底面にリブ、歯、ランプ、および溝を構成する場合に、全３つの平面での流量は最も高かった。マニホルドが流れ分布システムを含まない場合に、全３つの平面での流量は最も低かった（図２３）。
【００７８】
実施例３：ランプおよび溝の影響
ランプのみ、およびランプと溝のみの影響を調査するために、流体を、これらの特徴からなる流入口マニホルドからセルスタックへ供給した。実施例１および２と同一の実験設定で、セルスタックの中央平面ラインカット１１０２での流体速度を測定した。
【００７９】
まず、流体は、マニホルドの底面の長さにわたる１つのランプ（ランプ１）からなる流入口マニホルドから流れた。図２４に示すように、セルスタックの上平面および中心平面での流体速度は、ほぼ等しく、セルスタックの底平面での速度よりも高かった。
【００８０】
次に、流体は、マニホルドの底面の溝を画定するように間隔をおいて配置されたランプ（ランプ１）からなる流入口マニホルドから流れた。図２５に示すように、底平面での速度は、単一のランプのみを用いた場合よりも高く、中心平面での速度に近かった。中心平面での速度は、単一のランプを用いた場合よりも低下した。上平面での速度は、底および中心平面での速度よりも高く、単一のランプを用いた場合よりも低下した。
【００８１】
ランプは、底平面から上および中心平面へと流体流れを方向転換するのに有効であり、溝は、流体が底平面へと流れるチャネルを提供するのに有効であることが確認された。
【００８２】
実施例４：入力流量の影響
流入流量の変化の流れ分布システムの有効性に対する影響を調査するために、流体を、種々の流入流量を持つ流入口マニホルドからセルスタックへ供給した。その結果、多数の代表速度プロットが生成された。セルスタックの中心平面を通じて垂直に取った速度流線を用いて、乱流を比較した。全ての例において、流れ分布システムは、リブと、歯と、ランプと、溝とを備えた。
【００８３】
乱流水を、約１００ｃｍ／ｓの流量で、流れ分布システムを備える流入口マニホルドへ供給し、約８ｃｍ／ｓでセルスタックを通じて分布した。供給水は、流れ分布システム内で再循環されて、セルスタックへ均等に分布された。
【００８４】
マニホルドへの供給流れが遷移流に近づくにつれて、流れ分布システムの効果の低下が観測された。セルスタックを通じて約１０ｃｍ／ｓの供給流量および約０．８ｃｍ／ｓの速度で、マニホルド内の流れの再循環が、乱流供給流れと比べて低下し、セルスタックを通じた速度が低下した。さらに低減した約１ｃｍ／ｓの供給流量で、スタックを通じた速度は、約０．０８ｃｍ／ｓであり、有効性のより大きな低下を示した。
【００８５】
最後に、供給流れが層流であるとき、流れ分布システムは、有効でないことが観測された。０．１ｃｍ／ｓの供給流量を持つ流体は、マニホルドで再循環されず、約０．００８ｃｍ／ｓの流量でセルスタックを通過した。
【００８６】
データは、流れ分布システムが、４，０００超のレイノルズ数を持つ乱流の分布により高い効果を有し、約２，３００〜約４，０００のレイノルズ数を持つ遷移流の分布により低い効果を有し、２，３００未満のレイノルズ数を持つ層流の分布にはほとんど効果がないことを示している。
【００８７】
本明細書中に記載の方法および装置の実施形態は、上述の記載および添付図面に示された構成要素の構成および配置の詳細への適用に限定されないことを理解されたい。該方法および装置は、他の実施形態で実施可能であり、種々のやり方で実行または実施可能である。特定の実施形態の実施例が、本明細書中で例示を目的として提供されているが、限定を意図したものではない。特に、１つ以上のいずれかの実施形態に関連して説明された作用、要素および特徴も、任意の他の実施形態における同様の役割を排除することを意図されない。
【００８８】
また、本明細書中で用いられる表現および用語は、説明を目的としたものであり、限定と見なされるべきではない。本明細書のシステムおよび方法の実施形態、構成要素、または作用に対して単数形でなされた言及はすべて、これら要素が複数の場合の実施形態を容認し、また、本明細書のあらゆる実施形態、構成要素、または作用に対する複数形での言及もすべて、単数のみの要素を含む実施形態を容認しうる。「含む」、「備える」、「有する」、「含有する」、「包含する」、およびそのバリエーションの本明細書中での使用は、その後に示される項目およびその等価物ならびに付加的な項目を含むことを意図する。「または」の記載は択一的なものでは無く、「または」を用いて示された任意の語も１つ、複数、およびすべての記載された語を示しうる。前後、左右、上下、頂部底部、および、水平垂直の任意の記載も説明の便宜を意図したものであり、本発明のシステムおよび方法またはその構成要素をいずれか１つの位置的または空間的配向に限定するものではない。
【００８９】
少なくとも１つの実施形態のいくつかの態様について上記で説明したが、種々の変更、修正、および改良も当業者にとって容易になし得ることは理解されたい。かかる変更、修正、および改良は本発明の一部であると意図され、本発明の範囲内にあると意図される。したがって、上記記載および図面は、例示的なものにすぎない。
【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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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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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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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【国際調査報告】
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