(57)【要約】電気化学的分離装置は，第１電極と，第２電極と，第１電極及び第２電極の間に配置され，かつ，空乏区画及び濃縮区画を交互に含むセルスタックと，空乏区画及び濃縮区画の一方に流体を導入するための入口マニホルドを含む区画と，出口マニホルドと，を含むと共に，入口マニホルド内に配置され，入口マニホルドに導入される流体の流路を変更し，流体を空乏区画又は濃縮区画に向けるための表面を有する流体流ディレクタ，及び，出口マニホルド内に配置され，空乏区画又は濃縮区画を介して出口マニホルドに導入される流体の流路を変更するための表面を有する第２流体流ディレクタ，の少なくとも一方を更に含む。【選択図】図１５Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気化学的分離装置であって，
第１電極と，
第２電極と，
前記第１電極及び前記第２電極の間に配置され，かつ空乏区画及び濃縮区画が交互に配置されたセルスタックと，
流体を前記空乏区画又は前記濃縮区画の１つに導入するための入口マニホルドと；
出口マニホルドと，
を備えると共に，
前記入口マニホルド内に配置され，前記入口マニホルドに導入された流体の流路を変更して流体を前記空乏区画又は前記濃縮区画の１つに向けるための表面を有する流体流ディレクタ，及び，
前記出口マニホルド内に配置され，前記空乏区画又は前記濃縮区画の１つを介して前記出口マニホルドに導入される流体の流路を変更するための表面を有する第２流体流ディレクタ，
の少なくとも一方を更に備える装置。
【請求項２】
請求項１に記載の装置であって，前記空乏区画を通過する流体の流路が，前記濃縮区画を通過する流体の流路に対して垂直である，装置。
【請求項３】
請求項２に記載の装置であって，前記流体流ディレクタが，前記入口マニホルド内に配置され，前記入口マニホルドを通過するバイパス流を少なくとも部分的に遮断するように配置されている，装置。
【請求項４】
請求項３に記載の装置であって，前記流体流ディレクタが，前記入口マニホルドよりも断面積の小さい前記セルスタックの異なる部分間に，前記入口マニホルドを通過する流体の流路を画定する，装置。
【請求項５】
請求項４に記載の装置であって，前記セルスタックは，平均流れ効率が少なくとも８５％である，装置。
【請求項６】
請求項４に記載の装置であって，前記セルスタックが複数のサブブロックを含み，前記流体流ディレクタが，流体を前記複数のサブブロックにおけるそれぞれ異なるサブブロックに導入するように配置された複数の傾斜部を含む，装置。
【請求項７】
請求項６に記載の装置であって，前記傾斜部の各々の縁部と前記セルスタックとの間に１ｍｍ未満のギャップが画定される，装置。
【請求項８】
請求項６に記載の装置であって，前記流体流ディレクタが，互いに流体的に隔離された複数の導管を更に含む，装置。
【請求項９】
請求項８に記載の装置であって，前記複数の導管の各々が，前記複数の傾斜部のそれぞれ１つで終端する，装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の装置であって，前記複数の導管の断面積の合計が，前記入口マニホルドの断面積未満である，装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載の装置であって，前記出口マニホルド内に配置され，前記出口マニホルドを通過する前記バイパス流を少なくとも部分的に遮断するための第２流体流ディレクタを更に備える，装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載の装置であって：
前記セルスタック及び前記第２電極の間に交互に配置される第２空乏区画及び第２濃縮区画を画定する第２セルスタックと；
前記出口マニホルドと位置合わせされ，前記出口マニホルドから前記第２空乏区画又は前記第２濃縮区画の１つに流体を導入するための第２入口マニホルドと；
前記第２入口マニホルド内に配置され，前記第２入口マニホルドに導入される流体の流路を変更し，流体を前記第２空乏区画又は前記第２濃縮区画の１つに導入するための表面を有する第３流体流ディレクタと；
前記第２セルスタックにおける前記第２入口マニホルドとは反対側に配置される第２出口マニホルドと；
前記入口マニホルドを前記第２出口マニホルドから流体的に隔離する隔壁と；
を更に備える，装置。
【請求項１３】
請求項３に記載の装置であって，前記セルスタックは複数のサブブロックを含み，前記流体流ディレクタは，前記複数のサブブロックにおける各サブブロックへの流体の流れを，前記複数のサブブロックにおける他のサブブロックへの流体の流れから隔離するように配置された複数のバッフルを含む，装置。
【請求項１４】
請求項１３に記載の装置であって，前記流体流ディレクタは，同心の流体導管を更に含む，装置。
【請求項１５】
請求項３に記載の装置であって，前記流体流ディレクタが，前記入口マニホルドの壁から前記セルスタックに向けて内側に延びる湾曲した突起を含む，装置。
【請求項１６】
請求項１５に記載の装置であって，前記流体流ディレクタが，前記入口マニホルドの断面積を，前記入口マニホルドの端部において第１量だけ減少させ，前記入口マニホルドの長さに沿う中間点においては前記第１量よりも大きい第２量だけ減少させるように構成されている，装置。
【請求項１７】
請求項１６に記載の装置であって，前記流体流ディレクタは，前記セルスタックにおける中央領域の区画を通過する流体の流速を低下させるように構成されている，装置。
【請求項１８】
請求項１７に記載の装置であって，前記出口マニホルド内に配置される前記第２流体流ディレクタを更に備える，装置。
【請求項１９】
請求項１８に記載の装置であって，前記第２流体流ディレクタは，前記出口マニホルドを通過する流路に沿って減少する断面積を有する，装置。
【請求項２０】
請求項１９に記載の装置であって，前記第２流体流ディレクタは，前記装置を通過する流体の圧力降下を低減させるように構成される，装置。
【請求項２１】
請求項１に記載の装置であって，前記入口マニホルドの断面とは異なる断面を有する流体入口と，前記流体入口及び前記入口マニホルドの間に配置された流体アダプタとを更に備える，装置。
【請求項２２】
請求項２１に記載の装置であって，前記流体アダプタは，導管の幅が第１軸線方向に減少する内向きテーパを有する第１セクションと，前記導管の幅が第２軸線方向に増加する外向きテーパを有する第２セクションとを有する導管を含み，前記第１セクションと前記第２セクションは重なり合わない配置とされている，装置。
【請求項２３】
請求項２２に記載の装置であって，前記導管における前記第１セクションの前記内向きテーパが，楕円形テーパである，装置。
【請求項２４】
請求項１に記載の装置であって，前記濃縮区画を通過した濃縮物を前記濃縮区画に戻すように構成されたリサイクルラインを更に備える，装置。
【請求項２５】
請求項１に記載の装置であって，前記入口マニホルドが，所定量の流体を前記セルスタックの異なる部分に向ける構成とされた，流体的に隔離された導管に分割されている，装置。
【請求項２６】
請求項２５に記載の装置であって，前記流体的に隔離された導管は，前記セルスタックにおける中央領域の区画を通過する流体の流速が，前記セルスタックにおける上部領域及び下部領域の区画を通過する流体の流速未満となるように選択される断面積を有する，装置。
【請求項２７】
請求項２５に記載の装置であって，前記流体的に隔離された導管は，前記セルスタックにおける上部領域の区画を通過する流体の流速が，前記セルスタックにおける下部領域の区画を通過する流体の流速と実質的に等しくなるように選択される断面積を有する，装置。
【請求項２８】
第１電極及び第２電極の間に交互に配置される空乏区画及び濃縮区画を画定するセルスタックを含み，前記空乏区画を通過する流路が，前記濃縮区画を通過する流路に対して垂直である電気化学的分離装置内における流れ効率を高める方法であって，該方法は：
該入口マニホルドに導入される流体の流路を変更し，複数の空乏区画又は複数の濃縮区画のうちの１つに流体を導き，更に，前記入口マニホルドを通過するバイパス流を少なくとも部分的に阻止するための表面を有する流体流ディレクタを前記装置における前記入口マニホルドに挿入するステップを含む方法。
【請求項２９】
請求項２８に記載の方法であって，前記入口マニホルドの入口に流体アダプタを設置することにより，前記セルスタックを通過する流体の流れの均一性を高めるステップを更に含み，前記流体アダプタは，第１軸線に沿って導管の幅が減少する内向きテーパを有する第１セクションと，第２軸線に沿って前記導管の幅が増加する外向きテーパを有する第２セクションとを有する導管を有し，前記第１セクション及び前記第２セクションは重なり合わない，方法。
【請求項３０】
請求項２９に記載の方法であって，前記装置の出口マニホルドにテーパ状の流体流ディレクタを設置することにより，前記装置を通じての圧力降下を低減させるステップを更に含む，方法。
【請求項３１】
請求項２９に記載の方法であって，前記装置における出口マニホルドに第２流体流ディレクタを設置するステップを更に含み，該第２流体流ディレクタは，前記出口マニホルドを通過する流路を，前記出口マニホルドの長さに沿う中間点で第１量だけ狭め，前記出口マニホルドの端部において前記第１量よりも少ない第２量だけ狭める曲面を有する，方法。
【請求項３２】
電気化学膜装置であって，
第１電極と，
第２電極と，
前記第１電極及び前記第２電極の間に交互に配置される空乏区画及び濃縮区画を含むセルスタックと，
前記空乏区画を前記濃縮区画から隔離するイオン選択膜と，
前記空乏区画及び前記濃縮区画の１つに流体を導入するように構成された入口マニホルドと；
出口マニホルドと；
を備えると共に，
前記入口マニホルド内に配置され，前記入口マニホルドに導入された流体の流路を変更して前記空乏区画又は前記濃縮区画の１つに流体を向けるための表面を有する流体流ディレクタ，及び，
前記出口マニホルド内に配置され，前記空乏区画又は前記濃縮区画の１つを介して前記出口マニホルドに導入される流体の流路を変更するための表面を有する第２流体流ディレクタ，
の少なくとも一方を更に備える装置。
【請求項３３】
請求項３２に記載の装置であって，該装置が，電界を使用して流体を浄化するための電気透析装置である，装置。
【請求項３４】
請求項３２に記載の装置であって，該装置が，イオン濃度の異なる２種以上の流体の流れから電力を発生させるための逆電気透析装置である，装置。
【発明の詳細な説明】
【関連出願】
【０００１】
この出願は，米国特許法第１１９条（ｅ）項に基づき，２０１７年６月２１日付の米国仮特許出願第６２／５２２，７３２号（発明の名称：電気透析装置における流体マニホルド内の流れディレクタ）の優先権を主張するものであり，該先行出願は，参照として全面的に本明細書に組み込まれる。
【技術分野】
【０００２】
本明細書において開示される実施態様及び実施形態は，一般的に，電気化学的な膜システム及びその作動方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
電界を使用して流体を浄化するための装置は，水処理や，溶解イオン種を含む他の液体の処理のために使用することができる。この方法により水処理を行う装置は，電気脱イオン装置及び電気透析装置の二種類に分類される。これらの装置内では，濃縮区画及び希釈区画がイオン選択膜により分離されている。電気透析装置は，通常，交互に配置される電気活性半透過性のアニオン交換膜及びカチオン交換膜を含む。膜間のスペースは，入口及び出口を有する液体流区画を形成する構成とされている。電極を介して印加される電界により，溶解したイオンがそれぞれの対電極に引き付けられ，アニオン及びカチオン交換膜を通って移動する。これにより，一般的には，希釈区画における液体がイオンを消尽し，濃縮区画における液体が，移動したイオンで濃縮される。
【０００４】
電気透析装置と構造的に類似する装置は，逆電気透析（ＲＥＤ）装置として使用することができる。この場合，２つの区画セットには，イオン選択膜により分離された異なるイオン濃度の液体，例えば海水や河川水が供給される。濃度及び化学ポテンシャルの相違により各膜間に電圧差が生じ，装置内における膜の総数で合計すると，区画及び膜のスタックを結合する２つの電極間に電位差が生じる。
【発明の概要】
【０００５】
少なくとも１つの実施態様において，電気化学的分離システムは，第１電極と，第２電極と，第１フレームにより支持される複数の空乏区画及び濃縮区画が交互に配置された第１セルスタックを有し，第１電極及び第２電極の間に配置される第１電気化学的分離モジュラーユニットと，第１電気化学的分離モジュラーユニットに隣接して協働し，第２フレームにより支持される複数の空乏区画及び濃縮区画が交互に配置された第２セルスタックを有し，第１電気化学的分離モジュラーユニット及び第２電極の間に配置される第２電気化学的分離モジュラーユニットと，を備えることができる。
【０００６】
少なくとも１つの実施態様において，電気化学的分離システムの組み立て方法は，第１電極及び第２電極の間の容器内における第１フレームにより包囲される第１セルスタックを有する第１電気化学的分離モジュラーユニットを取り付けるステップと，第１電気化学的分離モジュラーユニット及び第２電極の間の第２フレームにより包囲される第２セルスタックを有する第２電気化学的分離モジュラーユニットを取り付けるステップと，を備えることができる。
【０００７】
少なくとも１つの実施態様において，電気化学的分離モジュラーユニットは，複数の空乏区画及び濃縮区画を交互に画定するセルスタックと，セルスタックを包囲し，セルスタックを通過する流体の流れを促進するように構成されたマニホルドシステムを含むフレームと，を備えることができる。
【０００８】
少なくとも１つの実施態様において，電気化学的分離のための流れ分配器は，第１方向に向けられ，電気化学的分離装置における少なくとも１つの区画に供給流を配送するように構成される複数の第１流路と，第２方向に向けられ，複数の第１流路及び電気化学的分離装置に関連する入口マニホルドと流体連通する複数の第２流路と，を備えることができる。
【０００９】
少なくとも１つの実施態様によれば，電気化学的分離システムは，第１電極と，第２電極と，第１電極及び第２電極の間に配置される複数の空乏区画及び濃縮区画が交互に配置された第１電気化学的分離モジュラーユニットと，複数の空乏区画及び濃縮区画を交互に有し，第１電気化学的分離モジュラーユニットと協働するように配置され，第１電気化学的分離モジュラーユニット及び第２電極の間に配置される第２電気化学的分離モジュラーユニットと，第１及び第２電気化学的分離モジュラーユニットに隣接して配置され，システム内における流れ損失を低減するように構成されるスペーサと，を備えることができる。
【００１０】
少なくとも１つの実施形態において，電気精製装置又は製精機とも称されるモジュール式の電気化学的分離システムは，様々な処理プロセスの効率及び全体的な柔軟性を高めることができる。幾つかの実施形態において，クロスフロー型の電気化学的分離装置，例えばクロスフロー型の電気透析（ＥＤ）装置等は，従来のプレート・アンド・フレーム型装置の魅力的な代替手段として実用に供することができる。クロスフロー型装置は，特許文献１〜３（米国特許第８６２７５６０号，米国特許第８７４１１２１号及び米国特許出願公開第２０１６０３４６７３７号各明細書）に記載されており，これらの特許文献は全ての目的のため，その全体が参照により本明細書に組み込まれる。幾つかの実施形態では，クロスフロー型電気化学的分離装置における流れの非効率性を抑制することができる。少なくとも特定の実施形態では，入口及び出口マニホルドを通過するバイパス流れによる流れの非効率性に対処することができる。エネルギ消費及び膜要件も低減することができ，これらは何れも様々なアプリケーションにおけるライフサイクルコストに影響を及ぼす可能性がある。幾つかの実施形態では，少なくとも８５％の膜利用率を達成することができる。膜要件を緩和すれば，結果的に電気化学的分離装置の製造コスト，重量及びスペース要件を低減することができる。
【００１１】
幾つかの特定の実施形態においては，クロスフロー型ＥＤ装置のプロセス効率を大幅に改善することができる。幾つかの実施形態において，電気化学的分離システムの効率は，汽水や海水，更には石油及びガス生産からのブラインを脱塩するために改善することができる。少なくとも幾つかの実施形態において，ＥＤのコスト競争力は，現時点で脱塩のための主要な技術である逆浸透（ＲＯ）と比較して改善することができる。
【００１２】
本明細書で開示される少なくとも１つの実施形態は，ハウジング内に収容される流体を電気的に精製可能な装置，並びにその製造方法及び使用方法に関する。精製される液体又はその他の流体は精製装置に導入され，電界の作用下で処理されて，イオンが消尽した液体を生成する。導入される液体からは，イオン濃縮液体を生成するための種が収集される。
【００１３】
少なくとも１つの実施形態において，電気化学的分離システム又は装置は，モジュラー型とすることができる。各モジュラーユニットは，一般的に，電気化学的分離システム全体のサブブロックとして機能する。モジュラーユニットは，任意数のセル対を含むことができる。幾つかの実施形態において，モジュラーユニット当たりのセル対の数は，セル対やパスの総数に対応させることができる。また，セル対の数は，相互漏洩やその他の性能基準をテストする場合，許容される故障率の範囲内でフレームに対して熱接着及びポッティングが可能なセル対の数に対応させることもできる。セル対の数は，製造プロセスの統計分析に基づいて決定することができ，プロセス制御の改善に応じて増加させることができる。幾つかの非限定的な実施形態において，モジュラーユニットは，約５０対〜約１００対のセルを含むことができる。モジュラーユニットは，個別的に組み立て，漏洩，分離性能，圧力降下等についての品質管理テストを行ってから，より大きなシステムに組み込むことができる。幾つかの実施形態において，セルスタックを，独立して試験が可能なモジュラーユニットとしてフレームに取り付けることができる。次に，複数のモジュラーユニットを互いに組み立てて，意図された数のセル対を電気化学的分離装置内に配備することができる。幾つかの実施形態において，組み立て方法は一般的に，第１モジュラーユニットを第２モジュラーユニット上に配置し，第３モジュラーユニットを第１及び第２モジュラーユニット上に配置し，これら操作を反復して所望数のモジュラーユニットを製造するステップを含むことができる。幾つかの実施形態において，アセンブリ又は個々のモジュラーユニットは，動作のために圧力容器内に挿入することができる。モジュラーユニット間又はモジュラーユニット内にブロッキング用の膜及び／又はスペーサを配置すれば，マルチパスフロー構成が実現される。モジュラー型のアプローチは，時間及びコスト節減の観点から生産性を改善可能とするものである。モジュール性は，個々のモジュラーユニットの診断，分離，取り外し及び交換を可能とすることにより，システム保守も容易に実行可能とするものである。個々のモジュラーユニットには，電気化学的分離プロセスを促進するためのマニホルド及びフロー分配システムを含むことができる。個々のモジュラーユニットを相互に流体連通させ，全体的な電気化学的分離プロセスに関連する中央マニホルド及び他のシステムとも流体連通させることができる。
【００１４】
少なくとも１つの実施形態によれば，電気化学的分離システムの効率を改善することができる。流れ損失は，非効率性の潜在的な原因の１つである。クロスフロー設計を含む幾つかの実施形態では，漏洩流れの可能性に対処することができる。流れ効率は，イオンを希釈液流から濃縮液流まで移動させる上で有効な流れの割合として定義できる。電気化学的分離システムには，流れの非効率性の多様な要因が存在する場合がある。非効率性の潜在的要因の１つは，希釈液及び濃縮液の入口及び出口マニホルドを流れることによりセル対をバイパスする流れが関与する場合である。開放した入口及び出口マニホルドを直接的にフロー区画と流体連通させることにより，各流路における圧力降下を抑制することができる。一方の電極から他方の電極への電流の一部が，セル対スタックをバイパスして開放エリアを流れる場合がある。バイパス流れは流れ効率を低下させ，エネルギ消費を増加させる。非効率性の別の潜在的要因は，イオン交換膜の不完全な選択透過性のために濃縮液流から希釈液流に導入されるイオンに関係する場合がある。幾つかの実施形態では，装置内における膜及びスクリーンのシーリング及びポッティングに関連する技術により，漏洩流れの低減を容易とすることができる。
【００１５】
少なくとも１つの実施形態では，スタックを通過するバイパス経路を操作して，セルスタックを通過する直接経路に沿う流れを促進し，流れ効率を改善することができる。幾つかの実施形態において，電気化学分離装置は，少なくとも１つのバイパス経路がセルスタックを通過する直接経路よりも蛇行するように構成及び配置することができる。少なくとも特定の実施形態において，電気化学的分離装置は，少なくとも１つのバイパス経路がセルスタックを通過する直接経路よりも高い抵抗を示すように構成及び配置することができる。モジュールシステムを含む幾つかの実施形態において，個々のモジュラーユニットは，流れ効率を高めるように構成することができる。モジュラーユニットは，流れ効率に寄与するバイパス流れ流路を形成するように構成及び配置することができる。非限定的な実施形態において，モジュラーユニットは，流れ効率を高めるように構成されたマニホルドシステム及び／又は流量分配システムを含むことができる。少なくとも幾つかの実施形態において，電気化学的分離モジュラーユニット内のセルスタックを包囲するフレームは，所定のバイパス流路を形成するように構成及び配置することができる。幾つかの実施形態では，電気化学的分離装置内でマルチパスフロー構成を促進することにより，漏洩流れの低減を促進することができる。少なくとも幾つかの非限定的な実施形態において，ブロッキング膜又はスペーサをモジュラーユニット間に挿入して，希釈液流及び／又は濃縮液流をマルチパスフローに向けることにより流れ効率を改善することができる。幾つかの実施形態では，少なくとも約６０％の流れ効率を達成することができる。他の実施形態では，少なくとも約７０％の流れ効率を達成することができる。さらに他の実施形態では，少なくとも約８０％の流れ効率を達成することができる。少なくとも幾つかの実施形態では，少なくとも約８５％の流れ効率を達成することができる。
【００１６】
少なくとも１つの実施態様によれば，電気化学的分離装置は，セルスタックを備えることができる。セルスタックは，複数の整列セル対を更に備え，各セル対は，第１方向に流体流を向けるように構成及び配置されたイオン濃縮区画と，第１方向とは異なる第２方向に流体流を向けるように構成及び配置されたイオン希釈区画とを含む構成とすることができる。少なくとも１つの実施態様によれば，電気化学的分離装置が提供される。この電気化学分離装置は，第１電極と，第２電極と，第１電極及び第２電極の間に空乏区画及び濃縮区画が交互に配置されたセルスタックと，空乏区画及び濃縮区画の１つに流体を導入するように構成された入口マニホルドと，出口マニホルドと，を備えると共に，入口マニホルド内に配置され，入口マニホルドに導入された流体の流路を変更し，流体を空乏区画及又は濃縮区画に向けるように構成された表面を有する流体流ディレクタ，及び，出口マニホルド内に配置され，空乏区画又は濃縮区画を介して出口マニホルドに導入される流体の流路を変更するように構成された表面を有する第２流体流ディレクタ，の少なくとも一方を更に備える。
【００１７】
幾つかの実施形態において，空乏区画を通過する流体の流路は，濃縮区画を通過する流体の流路に対して垂直である。
【００１８】
幾つかの実施形態において，流体流ディレクタは，入口マニホルド内に配置され，入口マニホルドを通過するバイパス流れを少なくとも部分的に遮断するように配置される。流体流ディレクタは，入口マニホルドの断面積よりも小さい断面積を有するセルスタックの異なる部分間に入口マニホルドを通過する流体の流路を画定する構成とすることができる。
【００１９】
幾つかの実施形態において，セルスタックは，少なくとも８５％の平均流れ効率を有する。
【００２０】
幾つかの実施形態において，セルスタックは複数のサブブロックを含み，流体流ディレクタは，流体を複数のサブブロックの異なるそれぞれに向けるように配置された複数の傾斜部を含む。各傾斜部の縁部とセルスタックの間には，１ｍｍ未満のギャップを形成することができる。
【００２１】
幾つかの実施形態において，流体流ディレクタは，互いに流体的に隔離された複数の導管を更に含む。複数の導管の各々は，複数の傾斜部のうちの対応する傾斜部で終端させることができる。複数の導管は，断面積の合計を入口マニホルドの断面積未満とすることができる。
【００２２】
幾つかの実施形態において，装置は，出口マニホルド内に配置された第２流体流ディレクタを更に含む。第２流体流ディレクタは，出口マニホルドを通過するバイパス流れを少なくとも部分的に遮断するように構成することができる。
【００２３】
幾つかの実施形態において，装置は，セルスタック及び第２電極の間に第２空乏区画及び第２濃縮区画が交互に配置された第２セルスタックと，出口マニホルドと整列し，出口マニホルドからの流体を第２空乏区画又は第２濃縮区画に導入するように構成された第２入口マニホルドと，第２入口マニホルド内に配置され，第２入口マニホルドに導入される流体の流路を変更し，流体を第２空乏区画又は第２濃縮区画に向ける第３流体流ディレクタと，第２セルスタックの第２入口マニホルドとは反対側に配置された第２出口マニホルドと，入口マニホルドを第２出口マニホルドから流体的に分離する隔壁と，を更に備える。
【００２４】
幾つかの実施形態において，セルスタックは複数のサブブロックを含み，流体流ディレクタは，複数のサブブロックのそれぞれへの流体の流れを，複数のサブブロックにおける他のサブブロックへの流体の流れから隔離するように配置された複数のバッフルを含む。流体流ディレクタは，同心状の流体導管を更に含むことができる。
【００２５】
幾つかの実施形態において，流体流ディレクタは，入口マニホルドの壁からセルスタックに向けて内側に延びる湾曲した突起を含む。流体流ディレクタは，入口マニホルドの断面積を，入口マニホルドの端部で第１の量だけ減少させ，入口マニホルドの長さに沿った中間点では第１の量よりも大きい第２の量だけ減少させる構成とすることができる。流体流ディレクタは，セルスタックの中央領域における区画を通過する流体の流速を低下させるように構成することができる。
【００２６】
幾つかの実施形態において，装置は，出口マニホルド内に配置された第２の流体流ディレクタを更に含む。第２の流体流ディレクタは，その断面積を，出口マニホルドを通過する流路に沿って減少させることができる。第２の流体流ディレクタは，装置を通過する流体の圧力降下を低減するように構成することができる。
【００２７】
幾つかの実施形態において，装置は，入口マニホルドの断面とは異なる断面を有する流体入口と，流体入口及び入口マニホルドの間に配置される流体アダプタとを更に含む。流体アダプタは，導管の幅が第１軸方向に減少する内向きテーパを有する第１セクションと，導管の幅が第２軸方向で増加する外向きテーパを有する第２セクションとを備え，第２セクションが第１セクションとは重なり合わない構成とした導管を含むことができる。導管の第１セクションの内向きテーパは，楕円形テーパとすることができる。
【００２８】
幾つかの実施形態において，装置は，濃縮区画を通過した濃縮流体を濃縮区画に戻す構成としたリサイクルラインを更に含む。
【００２９】
幾つかの実施形態において，入口マニホルドは，所定量の流体をセルスタックの異なる部分に向ける構成とした，流体的に隔離された導管に分割される。流体的に隔離された導管は，セルスタックの中央領域における区画を通過する流体の流速が，セルスタックの上部及び下部領域における区画を通過する流体の流速よりも小さくなるように選択された断面積を有することができる。流体的に隔離された導管は，セルスタックの上部領域における区画を通過する流体の流速が，セルスタックの下部領域における区画を通過する流体の流速と実質的に等しくなるように選択された断面積を有することもできる。
【００３０】
少なくとも１つの実施態様によれば，第１電極及び第２電極の間に交互に配置された空乏区画及び濃縮区画を画定するセルスタックを備え，空乏区画を通過する流体の流路が，濃縮を通過する流体の流路に対して垂直である電気化学分離装置の流れ効率を高める方法が提供される。この方法は，装置の入口マニホルドに流体流ディレクタを挿入するステップを含み，流体流ディレクタは，入口マニホルドに導入される流体の流路を変更して，流体を複数の空乏化区画又は複数の濃縮区画の１つに向け，入口マニホルドを通過するバイパス流れを少なくとも部分的に遮断する構成とされている。
【００３１】
幾つかの実施形態において，方法は，入口マニホルドの入口に流体アダプタを設置することによりセルスタックを通過する流体の流れの均一性を高めるステップを更に含み，流体アダプタは，導管の幅が，第１軸方向で減少する内向きテーパを有する第１セクションと，第２軸方向で増加する外向きテーパを有する第２セクションと，を備え，第１セクション及び第２セクションは重なり合わない構成とされている。第１軸は，第２軸に対して垂直に配置することができる。
【００３２】
幾つかの実施形態において，方法は，装置の出口マニホルドにテーパ付き流体流ディレクタを設置することにより，装置を通過する圧力降下を低減するステップを更に含む。
【００３３】
幾つかの実施形態において，方法は，装置の出口マニホルドに第２の流体流ディレクタを設置するステップを更に含み，第２の流体流ディレクタは，出口マニホルドを通過する流路を，出口マニホルドの長さに沿う中間点において第１の量だけ狭め，出口マニホルドの端部において第１の量よりも少ない第２の量だけ狭める曲面を有する構成とされている。
【００３４】
別の実施態様によれば，電気化学膜装置が提供される。この電気化学膜装置は，第１電極と，第２電極と，第１電極及び第２電極の間に交互に配置された空乏区画及び濃縮区画を含むセルスタックと，空乏区画を濃縮区画から分離するイオン選択膜と，流体を空乏区画及び濃縮区画の１つに導入するための入口マニホルドと，出口マニホルドと，を備えると共に，入口マニホルド内に配置され，入口マニホルドに導入される流体の流路を変更し，流体を空乏区画及び濃縮区画の一方に向けるための表面を有する流体流ディレクタ，及び，出口マニホルド内に配置され，空乏区画及び濃縮区画の一方を介して出口マニホルドに導入される流体の流路を変更するための表面を有する第２流体流ディレクタ，の少なくとも一方を備える。
【００３５】
幾つかの実施形態において，装置は，電界を使用して流体を精製するための電気透析装置である。
【００３６】
幾つかの実施形態において，装置は，イオン濃度の異なる２つ以上の流体流れから電力を生成するための逆電気透析装置である。
【００３７】
これらの例示的な実施態様及び実施形態の更に他の実施態様，実施形態及び利点は，以下に詳述するとおりである。本明細書において開示される実施形態は，本明細書に開示される原理との整合性が担保される任意の方法で，他の実施形態と組み合わせることができる。そして，「一実施形態」，「幾つかの実施形態」，「代替的な実施形態」，「種々の実施形態」，「１つの実施形態」への言及は，必ずしも相互に排他的ではなく，説明された特定の特徴，構造，又は特性が少なくとも１つの実施形態に含まれ得ることを意図するものである。本明細書におけるそのような用語は，必ずしも全てが同一の実施形態を指しているとは限らない。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
添付図面は，縮尺通りの描写を意図するものではない。図面において，様々な図面に示される同一又は略同一の構成要素は，同様の参照数字で表されている。なお，明確性の見地から，全ての構成要素が全ての図面において符号を付されているとは限らない。図面において：
【図１Ａ】電気透析装置におけるサブブロックの一例を示す説明図である。
【図１Ｂ】ハウジングに挿入する前の図１Ａの４つのサブブロックのスタックを示す説明図である。
【図１Ｃ】透明シェルを備える組み立済みＥＤ装置の説明図である。
【図１Ｄ】不透明シェルを備える組み立済みＥＤ装置の説明図である。
【図１Ｅ】４つのサブブロックＥＤ装置の計算流体力学（ＣＦＤ）モデルの説明図である。
【図２】図２Ａは、流体が外側管を介してアダプタフィッティングに至るＥＤ装置の希釈区画に供給される態様を示す説明図である。図２Ｂは、流体が入口マニホルドを介してＥＤ装置の希釈区画の全てに並列に供給される態様を示す説明図である。図２Ｃは、ＥＤ装置のシングルパス構成の説明図である。図２Ｄは、ＥＤ装置のデュアルパス構成の説明図である。
【図３】理想的ではないＥＤプロセス非効率性及び水損失を示す説明図である。
【図４】ＥＤ装置の希釈セル又は濃縮セル内における流れの単純モデルの説明図である。
【図５】ＥＤ装置における流れをシミュレートするための電気抵抗ネットワークモデルの説明図である。
【図６】三角形ポートを備える構成における流れをバイパスするための電気抵抗値の計算結果の説明図である。
【図７】パス内におけるセル対の位置による流れ効率の変動例を示すチャートである。
【図８】パスにおけるセル対の数の関数としての平均流れ効率を例示するチャートである。
【図９】希釈供給物濃度と濃縮物における平均濃度／希釈物の平均濃度比の関数としての平均流れ効率を例示するチャートである。
【図１０】図１０Ａは、ＥＤ装置の基本設計を示す断面図である。図１０Ｂは、図１０Ａの基本設計における４つのサブブロックのスタック内の流れのＣＦＤシミュレーション結果の説明図である。図１０Ｃは、図１０Ａの基本設計によるセル対を通過する垂直位置対流量を示すグラフである。
【図１１】図１１Ａは、図１０Ａの基本設計による最上部セル対における流れのＣＦＤシミュレーション結果の説明図である。図１１Ｂは、図１０Ａの基本設計による中央セル対の流れのＣＦＤシミュレーション結果の説明図である。図１１Ｃは、図１０Ａの基本設計による最下部セル対における流れのＣＦＤシミュレーション結果の説明図である。
【図１２Ａ】管状導管形態のＥＤ装置における流れディレクタの説明図である。
【図１２Ｂ】バッフルを備える同心管状導管形態のＥＤ装置の流れディレクタの説明図である。
【図１２Ｃ】バッフルを備える同心管状導管形態のＥＤ装置の他のディレクタの説明図である。
【図１２Ｄ】バッフル及び傾斜部を備える平行導管形態のＥＤ装置の流れディレクタの説明図である。
【図１２Ｅ】バッフル及び傾斜部を備える平行導管形態のＥＤ装置の他の流れディレクタの説明図である。
【図１３Ａ】図１０Ａの基本設計におけるマニホルド構成の説明図である。
【図１３Ｂ】流れ効率を高め，流れ分布を改善するための手段を含むマニホルドの変形例を示す説明図である。
【図１４】４つの電気的に分離されたサブブロックを有するシングルパスＥＤ装置における流れ効率と，セル対位置との関係の一例を示すチャートである。
【図１５Ａ】直線状のバッフルと楕円形の傾斜部により画定される流体導管を含むＥＤ装置用のマニホルドインサートの側面図，正面図，上面図及び等角図である。
【図１５Ｂ】図１５Ａのマニホルドを含むＥＤ装置のＣＦＤモデルの説明図である。
【図１５Ｃ】図１０のマニホルド基本設計と図１５Ａのマニホルド基本設計の比較結果の説明図である。
【図１５Ｄ】８つのサブブロックを有するＥＤ装置用とした，図１５Ａのマニホルドインサートに対するワンピース型の変形例を示す説明図である。
【図１５Ｅ】８つのサブブロックを有するＥＤ装置用とした，図１５Ａのマニホルドインサートに対するツーピース型の変形例を示す説明図である。
【図１５Ｆ】基本設計のＥＤ装置のマニホルドと，図１５Ｄのマニホルドインサートのうちの４つを含む８ブロック型ＥＤ装置との比較結果の説明図である。
【図１６Ａ】流量４ｍ３／ｈｒにおける基本設計及び最適化設計について，中心ＺＹ面と，頂部，中間部及び底部ＺＸ面を通過するＺ速度成分のＣＦＤシミュレーション結果の説明図である。
【図１６Ｂ】流量１０ｍ３／ｈｒにおける基本設計及び最適化設計について，中心ＺＹ面と，頂部，中間部及び底部ＺＸ面を通過するＺ速度成分のＣＦＤシミュレーション結果の説明図である。
【図１６Ｃ】図１５Ｆに示す基本設計及び最適化された設計について，中心ＺＹ面を通過するＺ速度成分のＣＦＤシミュレーション結果の説明図である。
【図１６Ｄ】図１５Ｆに示す基本設計及び最適化設計について，プロセス効率対流れ（流体流量）を示す説明図である。
【図１７Ａ】流量４ｍ３／ｈｒにおけるＥＤ装置の基本設計及び最適化設計について，異なる高さ（Ｙ軸位置）でのセル対当たりの流量のＣＦＤシミュレーション結果のチャートである。
【図１７Ｂ】流量１０ｍ３／ｈｒにおけるＥＤ装置の基本設計及び最適化設計について，異なる高さ（Ｙ軸位置）でのセル対当たりの流量のＣＦＤシミュレーション結果のチャートである。
【図１８】図１８Ａは、基本ＥＤシステム設計におけるセル全体に亘る圧力降下分布のヒートマップである。図１８Ｂは、最適化されたＥＤシステム設計におけるセル全体に亘る圧力降下分布のヒートマップである。
【図１９Ａ】ＥＤシステムの基本設計及び最適化設計のＣＦＤシミュレーションにおける圧力降下対流量の測定位置を示す説明図である。
【図１９Ｂ】基本ＥＤシステム設計における異なるサブブロックの圧力降下対流量のＣＦＤシミュレーション結果のチャートである。
【図１９Ｃ】最適化されたＥＤシステム設計における異なるサブブロックの圧力降下対流量のＣＦＤシミュレーション結果のチャートである。ＥＤシステムの基本設計及び最適化設計の両者における，ＥＤＩ装置のモジュール全体に亘る圧力降下のＣＦＤシミュレーション結果のチャートである。
【図２０】図２０Ａは、ＥＤ装置におけるマニホルドの初期設計における断面図である。図２０Ｂは、ＥＤ装置におけるマニホルドの代替設計の断面図である。図２０Ｃは、ＥＤ装置におけるマニホルドの代替設計の断面図である。図２０Ｄは、ＥＤ装置におけるマニホルドの代替設計の断面図である。
【図２１】図２０Ａ〜２０Ｃのマニホルド設計のシミュレートされたプロセス効率を示す説明図である。
【図２２】頂部，中央部及び底部のセルを有する図２０のＥＤ装置のセルスタックにおけるＣＦＤシミュレーション結果の説明図である。
【図２３】図２３Ａは、２パス構成とした４つのサブブロックを備えるＥＤモジュールの断面図である。図２３Ｂは、湾曲した突起インサートがマニホルド内に配置された２パス構成の４つのサブブロックを備えるＥＤモジュールの断面図である。
【図２４】図２４Ａは、図２３Ａのモジュール全体の中心を通過する圧力分布のシミュレーション結果の説明図である。図２４Ｂは、図２３Ｂのモジュール全体の中心を通過する圧力分布のシミュレーション結果の説明図である。
【図２５】図２３Ｂのモジュール全体の中心を通過する速度分布のシミュレーション結果の説明図である。
【図２６】図２３Ａ及び図２３Ｂのモジュールを通過する体積流プロファイル（対当たり）のシミュレーション結果の説明図である。
【図２７】想定される出口マニホルドインサートの幾つかの実施例を示す説明図である。
【図２８】入口マニホルド内に配置される湾曲突起インサートと，出口マニホルド内に配置される直線テーパインサートを含む２パス構成の４つのサブブロックを備えるＥＤモジュールにおける最初のパスの断面図である。
【図２９】出口マニホルドインサートのある場合及びない場合における図２８のモジュールを通過する質量流量プロファイル（セル対当たり）のシミュレーション結果の説明図である。
【図３０】図２０Ｂ及び２３Ｂに示すＥＤ装置における希釈液に対する濃縮液の平均濃度比に対するプロセス効率のチャートである。
【図３１】図３１Ａは、出口マニホルドインサートのない場合におけるＥＤ装置の出口マニホルドを通過する流体の流れを示す説明図である。図３１Ｂは、傾斜した出口マニホルドインサートを備えるＥＤ装置の出口マニホルドを通過する流体の流れを示す説明図である。
【図３２Ａ】第１実施例に係るＥＤモジュールを横切る圧力降下に対する傾斜形状の出口インサートの効果を示す表である。
【図３２Ｂ】第２実施例に係るＥＤモジュールを横切る圧力降下に対する傾斜形状の出口インサートの効果を示す表である。
【図３３】入口マニホルドと外部配管との間に流体アダプタを配置したＥＤ装置の断面図である。
【図３４Ａ】ＥＤ装置用流体アダプタの，最適化されていない基本実施形態の等角図である。
【図３４Ｂ】図３４Ａの流体アダプタの部分透視図である。
【図３４Ｃ】図３４Ａの流体アダプタの平面図である。
【図３４Ｄ】図３４Ａの流体アダプタの底面図である。
【図３４Ｅ】図３３の流体アダプタの第１軸線を通過する断面図である。
【図３４Ｆ】図３４Ａの流体アダプタの第２軸線を通過する断面図である。
【図３５Ａ】ＥＤ装置用の改良された流体アダプタの実施形態の等角図である。
【図３５Ｂ】図３５Ａの流体アダプタの部分透視図である。
【図３５Ｃ】図３５Ａの流体アダプタの第１軸線を通過する断面図である。
【図３５Ｄ】図３５Ａの流体アダプタの第２軸線を通過する断面図である。
【図３６】図３６Ａは、図３４Ａの流体アダプタを含むＥＤ装置の入口マニホルドを通過する流体流のシミュレーション結果の説明図である。図３６Ｂは、図３６Ａの流体アダプタを含むＥＤ装置の入口マニホルドを通過する流体流のシミュレーション結果の説明図である。
【図３７Ａ】図３４Ａの流体アダプタを含むＥＤ装置内のセルを通過する流体の成分Ｚ速度分布のシミュレーション結果の説明図である。
【図３７Ｂ】図３５Ａの流体アダプタを含むＥＤ装置内のセルを通過する流体の成分Ｚ速度分布のシミュレーション結果の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
本明細書に開示される実施態様及び実施形態は，以下の説明において記載され，又は図面に示される構成の詳細及び構成要素の配置に限定されるものではない。本明細書において開示される実施態様及び実施形態は，他の実施形態が可能であり，多様な方法で実施又は実行することができる。
【００４０】
電気脱イオン化（ＥＤＩ）は，電気的に活性な媒体と電位を使用して，水から１種以上のイオン化種又はイオン化可能種を除去又は少なくとも削減し，イオン輸送に影響を及ぼすプロセスである。電気的に活性な媒体は，典型的には，イオン種及び／又はイオン化可能種を交互に捕集及び放出し，場合によりは，イオン又は電子の置換機構により，連続的であり得るイオン輸送を促進する。ＥＤＩ装置は，恒久的又は一時的な電荷の電気化学的に活性な媒体を含むことができ，バッチモードで，断続的に，連続的に，及び／又は極性モードを反転させて動作させることもできる。ＥＤＩ装置は，性能を達成又は強化するために特別に設計された１種以上の電気化学反応を促進するために作動させることができる。更に，そのような電気化学装置は，半透過性又は選択透過性のイオン交換膜又は双極膜などの電気的に活性な膜を備えることもできる。連続電気脱イオン化（ＣＥＤＩ）装置は，イオン交換材料が連続的に再充電されている間，水の浄化が連続的に行われる方法で動作する，当業者間において既知のＥＤＩ装置である。ＣＥＤＩ技術には，連続脱イオン化，充填セル電気透析，電気透析等のプロセスが含まれる。ＣＥＤＩシステムでは，制御された電圧及び塩分条件下で，水分子を分割して水素を生成し，又はヒドロニウムイオン又は種及び水酸化物又はヒドロキシルイオン又は種を生成し，装置内のイオン交換媒体を再生することができ，これにより，捕集された種の放出を促進することができる。このようにして，イオン交換樹脂の化学的再充填を必要とせずに，処理すべき水流を連続的に浄化することができる。
【００４１】
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，通常は膜間に電気活性媒体を含まない点で異なっている。電気活性媒体が不足しているため，電気抵抗値が高ければ，低塩分濃度の給水ではＥＤの動作が妨げられる場合がある。また，高塩分の給水におけるＥＤの操作は消費電流が増加する可能性があるため，これまでＥＤ装置では中塩分濃度の原水で最も効果的に使用されてきた。ＥＤ型のシステムでは，電気活性媒体がないために，水を分離することは非効率的であり，そのような前提における動作は一般に回避されている。
【００４２】
ＣＥＤＩ及びＥＤ装置において，複数の隣接するセル又は区画は，一般的には選択透過膜により分離されており，その選択透過膜は，通常，正又は負に帯電した種の双方ではなく，いずれかを通過させるものである。希釈区画，すなわち空乏区画は，通常，そのような装置における濃縮区画とは間隔が空けられている。幾つかの実施形態において，セル対は，隣接する濃縮及び希釈区画の対を指す場合がある。水が空乏区画を流れると，通常，直流電界等の電界の影響下で，イオン種やその他の荷電種が濃縮区画に引き込まれれる。正に帯電した種は，通常，複数の空乏区画及び濃縮区画のスタックの一端に位置する陰極に引き寄せられる。同様に，負に帯電した種は，通常，区画のスタックにおける他端に位置するそのような装置の陽極に引き寄せられる。電極は，一般的に，空乏区画及び／又は濃縮区画との流体連通から通常は部分的に隔離されている電解質区画に収容されている。濃縮区画に達すると，帯電した種は，濃縮区画を少なくとも部分的に確定する選択透過膜のバリアにより捕獲される。例えば，典型的には，アニオンは，カチオン選択膜により，濃縮区画から出て陰極に向かう更なる移動が妨げられる。濃縮区画で捕捉されると，捕獲された帯電種は濃縮液流により除去することができる。
【００４３】
ＣＥＤＩ及びＥＤ装置において，直流電界は通常，電極（アノード又は陽極と，カソード又は陰極）に印加される電圧及び電流源からセルに印加される。電圧及び電流源（総称して「電源」）は，直流電源などの多様な手段，又は例えば太陽光，風力，波力等から得られる電源により，それ自体に電力を供給することができる。電極／液体界面で，電気化学的半電池反応が発生し，膜及び区画を通過するイオンの移動が開始及び／又は促進される。電極／界面で発生する特定の電気化学反応は，電極アセンブリを収容する特殊な区画における塩の濃縮によりある程度まで制御することができる。例えば，塩化ナトリウムが多いアノード電解質区画へのフィードは，塩素ガスと水素イオンを生成する傾向があるが，カソード電解質区画へのそのようなフィードは，水素ガスと水酸化物イオンを生成する傾向がある。一般的に，アノード区画で生成される水素イオンは，塩化物イオンなどの遊離アニオンと結合して電荷の中立性を保持し，塩酸溶液を生成する。同様に，カソード区画で生成される水酸化物イオンは，ナトリウムイオン，電荷の中性を保持し，水酸化ナトリウム溶液を生成する。電極区画の反応生成物，例えば生成された塩素ガスや水酸化ナトリウム等は，必要に応じて，消毒目的のため，膜洗浄及び汚れ除去目的のため，及びｐＨ調整目的のためにプロセスで利用することができる。
【００４４】
プレート・アンド・フレーム型でスパイラル型設計は，様々な形式の電気化学脱イオン装置に使用されており，これには電気透析（ＥＤ）装置や電気脱イオン（ＥＤＩ）装置が非限定的に含まれる。
市販のＥＤ装置は通常，プレート・アンド・フレーム型の設計であるが，ＥＤＩ装置はプレート・アンド・フレーム型及びスパイラル型の両方で利用することができる。希釈流及び濃縮流が垂直方向に流れる「クロスフロー」型の電気透析（ＥＤ）装置は，先行特許に記載されている。装置内におけるセル対のスタックは，サブブロックと呼ばれる少なくとも１つのモジュラーユニットから組み立てることができる。図１Ａは，サブブロックの例を示す。図ＩＢは，ハウジングに挿入する前の４つのサブブロックのスタックを示す。本明細書で使用される用語「セルスタック」は，単一のサブブロック又は複数のサブブロックのスタックを指す。図１Ｃは，透明なシェルを備えた組み立てられたＥＤ装置を示す。図１Ｄは，不透明なシェルで組み立てられたＥＤ装置を示す。図１Ｅは，４つのサブブロックＥＤ装置の計算流体力学（ＣＦＤ）モデルを示す。
【００４５】
流体は，図２Ａに示すようにアダプタフィッティングに至る外部パイプを介してＥＤ装置の希釈区画に供給することができる。その後，流体は，図２Ｂに示すように，入口マニホルドを介して全ての希釈区画に並行に分配される。同様に，全ての希釈区画からの生成物は，出口マニホルドに捕集され，アダプタフィッティングを介して外部パイプに供給される。濃縮区画に出入りする流れについても同様の構成とすることができる。この流れ構成は，一般的には「シングルパス」と呼ばれる。ＥＤ装置のシングルパス構成は，図２Ｃに示されている。
【００４６】
隔壁を使用して，希釈区画と濃縮区画を通過する流れを蛇行させる配置とすることができる。図２Ｄは，例えば，希釈液流の「２パス」配置を示しており，隔壁を追加することでより多くのパスを実現させることができる。装置内における複数のパスによれば，速度を最適なプロセス範囲内に維持しつつ，流路の長さ，滞留時間，イオン移動及びイオン除去が増強される。
【００４７】
ＥＤ装置におけるセル対の流れ効率は，次式により定義することができる。
【数１】
2020524593.tif 000003
ここに，
ｑｄｉ：入口での希釈区画当たりの流量，
ｑｄｏ：出口での希釈区画当たりの流量，
Ｃｉ：イオンｉの濃度，
ηｉ：流れ効率，
｜ｚｉ｜：イオンｉの価数の絶対値（例えば，Ｎａではｚｉ−１），
Ｆ：ファラデー定数＝９６４８５クーロン／当量，
Ｉ：流れ，
下付き文字のｉｎ：入口，ｏｕｔ：出口である。
【００４８】
理想的なＥＤ装置では，印加された流れの全てが直列に各セル対を流れ，イオン交換膜は完全に選択的であり，希釈液と濃縮液の間に機械的な相互漏洩がなく，外部漏洩は生じない。従って，式（１）で定義される流れ効率は１００％である。
【００４９】
実際のＥＤ装置では，膜が完全に選択的ではないため，流れ効率は１００％にならない。例えば，選択性が９８％の陽イオン交換膜では，陽イオンが担う流れの約９８％が希釈液から濃縮液に搬送され，陰イオンが担う流れの２％が濃縮液から再び希釈液に搬送される。従って，流れ効率は約２％低下する。濃縮液から希釈液への機械的な相互漏洩も，希釈液からの正味のイオン移動速度を低下させるため，全体的な流れ効率を低下させる。更に，入口及び出口のマニホルドを介してセル対に出入りする溶液が導電性であるため，流れの一部はマニホルドを流れることによりセル対をバイパスする。すなわち，イオン移動に関与せず，それに応じて流れ効率が低下する。図３は，流れのバイパス位置が破線の楕円で示されている非理想的なＥＤプロセスを示している。
【００５０】
ＥＤ装置における種々の作動条件下でバイパス流れをシミュレートして流れ効率を推定するために，抵抗器ネットワークモデルが開発された。このモデルは，希釈セル又は濃縮セルにおける流れが図２に示すとおりであると単純に仮定したものであり，矢印は流れを示している。セル対のネットワークモデルは，図５に示されている。電圧源ＶＤＰは，膜全体のドナン電位を表す。これは，セル対全体の電圧降下に含まれている必要がある。
【００５１】
ＥＤ装置のチャネル内の電気抵抗は，図６の式（２）を使用して計算することができる。流路の幅が狭くなり，マニホルドと活性膜領域の間の距離が増大し，液体の導電性が低下し，及び／又は流路の厚さが減少すると，抵抗が増大する。セル対に対応するマニホルドのスライスにおける電気抵抗も，図６の式（３）を使用して計算することができる。マニホルドの断面積が減少し，液体の導電率が減少し，及び／又はマニホルドスライスの厚さが増加すると，抵抗が増大する。
【００５２】
チャネル及び／又はマニホルドの電気抵抗が増加すると，各セル対をバイパスする流れが減少し，全流れの大部分が活性膜領域を優先的に流れ，イオン移動に効果的となる。
【００５３】
シミュレーションを行ったところ，最高の流れ効率がパス内の単一のサブブロックの効率であることが示された。流れ効率はパス内において変化し，両端のセル対で最も高く，中央のセル対で最も低くなる（図７を参照）。パス内におけるセル対の数が増加すると，平均流れ効率が低下する（図７及び８を参照）。流れ効率は，印加流れ，希釈液及び流れの流量，希釈液及び濃縮液の入口濃度，並びに温度の関数である（図８を参照）。濃縮液の平均濃度と希釈液の平均濃度の比が増加すると，流れ効率は線形的に低下する（図９を参照）。平均濃度は，それぞれ入口及び出口濃度の数学的平均値である。
【００５４】
前述した４つのサブブロックを有し，シングルパス型であるクロスフローＥＤ装置のため，図２Ａ及び図２Ｂに示されるＣＦＤモデルが開発された。このモデルを，以下の記載では「基本設計」と称する。
【００５５】
図１０Ａは，基本設計の中央断面を示している。計算を簡素化するために，１００個のセル対の各サブブロックは１０個のセクションに分割されており，ここに各セクションは１０個のセル対を代表する。次に，このジオメトリに対して流れミュレーションを行った。図１０Ｂにおけるプロットで示されるように。ＺＹ平面内の各セルを通過する流速のＺ成分は不均一であり，その結果，セル対当たりの流量が図１０Ｃに示されるように変動を生じ，流量はマニホルドへの流体入口近くの頂部セル対で最低となる。
【００５６】
Ｚ速度の分布は，スタックの頂部，中央及び底部を通過するＺＸ断面平面を使用してさらに特徴付けられ（図１１Ａ〜１１Ｃ），頂部セクションのバルクＺ速度は底部の約半分であった。
【００５７】
図７に示すように，流れ効率，従って膜を流れる流れの割合は，パスの上端と下端におけるセル対で最高となる。流れ密度が高いと，低流速ゾーンにおける流れの制限及びスケーリングの両者のリスクが高まる。更に，パスの最初の希釈セルを通過する流量が低いと，これらのセルが塩を除去するために最高の流れ効率で動作するのが妨げられる。従って，全てのセル対が流れに対して最適化されていることを確認するのが有益である。
【００５８】
前述したように，マニホルドを介してセル対のスタックをバイパスする印加流れの割合は，チャネルとマニホルドの電気抵抗を増加させることで減少させることができる。入口及び出口マニホルドの断面積を減少させてバイパス流れを減少させる設計が従前より提案されている。これらの変更は，流れ効率の改善には効果的であるが，マニホルド及びＥＤ装置全体の圧力降下を増加させるものである。
【００５９】
図７及び図８は，マニホルドの共通セットと電気的に接続しているセル対の数が増加するにつれて，流れ効率が低下することを示している。
【００６０】
流体マニホルドの理想的な設計では，流体抵抗が最小限に抑えられる一方，バイパス流れに対する電気抵抗が最大化される。これは，サブブロックを流体的に並列に動作させ，セル対を介して以外は互いに電気的に絶縁することで実現することができる。
【００６１】
従って，技術的な課題は，個々のサブブロック内におけるバイパス流れを減少させ，サブブロック間の流体マニホルドを通過するバイパス流れを減少させ，パス内における最初のセル対への十分な流れを確保し，パス内における全てのセル対の間の流れ分布を改善し，そのようなＥＤ装置を操作するのに必要とされる圧力を最小限に抑えることである。本明細書において開示される実施態様及び実施形態は，これらの課題に対処するための構造及び方法を含む。
【００６２】
本明細書に開示される実施態様及び実施形態は，流れ効率を最大化し，流れ分布を正規化し，圧力降下を最小化するために，ＥＤ装置の流体マニホルド内に配置され得る流れ誘導機能を含む。
【００６３】
本明細書において使用される用語として，流れ誘導機能又は流体流ディレクタは，導管，チャネル，傾斜部，パイプ，チューブ，バッフル，ベーン又は他の実施形態のいずれかを含むか，又はそれらから構成することができる。これらの特徴のプロファイルは，例えば線形関数，多項式関数，三角関数，対数関数，円錐曲線関数又は自由に生成される数学的関数である。
【００６４】
流体マニホルドの設計は，少なくとも１つのサブブロックに向けられた少なくとも１つの導管を形成する上記の特徴からなり，各導管内における流れが追加の流れ誘導特徴により更に細分化される構成とすることができる。
【００６５】
これらの機能の製造は，多くの技術のいずれかにより実現することができ，これには３Ｄ印刷，ＣＮＣ機械加工又は射出成形が非限定的に含まれる。
【００６６】
流体流ディレクタの実施例は，管状流体導管（図１２Ａ），バッフル１２０５を備える同心管状流体導管１２１５（図１２Ｂ及び１２Ｃ），並びに壁１２２０及び傾斜部１２３０を備える平行導管１２２５（図１２Ｄ及び１２Ｅ）を含むことができる。
【００６７】
図１２Ａに示すように，バッフル１２０５の対により，流体流ディレクタの長さに沿って異なる流体送達領域１２１０を画定することができる。他の実施形態においては，例えば図１２Ｂに示すように，単一の流体送達領域１２１０が複数のバッフル１２０５を含む構成とすることができる。同心管状導管１２１５における個々の導管（他の実施形態では，非円形断面形状とすることもできる）により，流体を異なる流体送達領域１２１０に供給することができる。幾つかの実施形態において，最下部の流体送達領域１２１０Ｌは，流体導管１２１５を含まない構成とすることができる。各流体送達領域１２１０により，セルスタックにおける単一のサブモジュール又はサブブロック（図１３Ａ及び１３ＢにおけるＳＢ１，ＳＢ２，ＳＢ３，ＳＢ４）に流体を供給することができる。同心管状導管１２１５の寸法，例えば直径や，隣接する同心管状導管１２１５との間の空間サイズは，セルスタックにおける異なるサブブロック又は異なる領域に所定量の流体が供給されるように選択することができる。幾つかの実施形態において，同心管状導管１２１５の寸法は，同じ量又は実質的に同じ量の流体流又は流体流速がセルスタックの異なるサブブロック又は異なる領域に供給されるように選択される。他の実施形態において，同心管状導管１２１５の寸法は，同量又は実質的に同量の流体流又は流体流速がセルスタックにおけるサブセット，例えば上部及び下部領域に供給される一方で，異なる量，例えばより少量の流体流又は流体流速が，セルスタックにおける他のサブブロック又は領域，例えばセルスタックにおける中央領域のサブブロック又は領域に供給されるように選択される。
【００６８】
図１２Ｄに示すように，流体流ディレクタの実施形態は，壁１２２０により画定される導管１２２５の下端に位置する傾斜部１２３０を含むことができる。導管１２２５は，傾斜部１２３０において終端させることができる。傾斜部１２３０は，壁１１２０の領域で形成される構成とすることができる，これらの壁は，壁１１２０のセルスタック側の曲率軸線（図１２Ｄ）周りで，又は壁１１２０のセルスタック側とは反対側の曲率軸線（図１２Ｅ）周りでセルスタックに向けて湾曲する導管１１２５を画定する配置とすることができる。幾つかの実施形態において，図１３Ｂに示すように，傾斜部１２３０は，実質的に９０°の角度で壁１２２０に接触する水平配置としたプレートで構成することができる。他の実施形態において，例えば図１５Ａに示すように，壁１２２０は，それらの長さの全体又は実質的な全体に沿って湾曲することにより，傾斜部１２３０部を形成する構成とすることができる。図１５Ａに示すように，追加の壁１２２０により，傾斜部１２３０で画定される流体送達領域１２１０を２つ以上の部分に分割することができる。
【００６９】
導管１２２５の寸法，例えば長さ，幅及び／又は断面積は，セルスタックにおける異なるサブブロック又は異なる領域に所定量の流体が供給されるように選択することができる。幾つかの実施形態において，導管１２２５の寸法は，同量又は実質的に同量の流体流又は流体流速がセルスタックの異なるサブブロック又は異なる領域に供給されるように選択される。他の実施形態において，導管１２２５のサイズは，同量又は実質的に同量の流体流又は流体流速がセルスタックにおけるサブセット，例えばサブブロック又は上部及び下部領域の領域に供給される一方で，異なる量，例えばより少量の流体流又は流体流速が，セルスタックにおける他のサブブロック又はセルスタックの領域，例えば，セルスタックにおける中央領域のサブブロック又は領域に供給されるように選択される。
【００７０】
図１０Ａに示す基本設計において，入口マニホルドは，初期断面積Ａｊ及びスタック高さＨｉ（図１３Ａ）を有する。図１３Ｂに示す実施形態において，流れのマニホルドは，断面積がＡｉ，Ａ２，Ａ３及びＡ４である４つの導管１１２５に分割されている。導管は，内部バッフル又は壁１２２０により形成され，これらは底部で湾曲してサブブロックＳＢ１，ＳＢ２，ＳＢ３，及びＳＢ４の間の界面に接触し得る傾斜部１２３０を形成する。従って，各導管１１２５は，１つのサブブロックのみと流体連通することとなる。図１２Ｃ，１２Ｄ，又は図１３。図１３Ｂのいずれかに示す導管１２２５，あるいは図１２Ａ及び図１２Ｂにおける異なる同心管の間又は内部に画定される導管は，互いに流体的に隔離させることができる。図１２Ｃ，１２Ｄ及び図１３Ｂのいずれかの導管１２２５，あるいは図１２Ａ及び１２Ｂの異なる同心管の間又は内部に画定される導管の断面積の合計は，流れマニホルドの断面積未満とすることができる。
【００７１】
他の実施形態において，流体流ディレクタの傾斜部１２３０は，セルスタックまで完全に延在するものでなく，例えば，セルスタックから０．５ｍｍ〜２ｍｍの間，２ｍｍ未満（又は約２ｍｍ），１ｍｍ未満（又は約１ｍｍ），あるいは０．５ｍｍ未満（又は約０．５ｍｍ）よりも短い距離で終端して，傾斜部１２３０とセルスタックとの間にこれらの寸法を有するギャップを形成する構成とすることができる。ギャップは，流体流ディレクタを流れマニホルドに対して容易に挿入又は除去可能とするものである。従って，流体流ディレクタは，フローマニホルドよりも断面積の小さいセルスタックの異なる部分間におけるフローマニホルドを通過する流体の流路を画定する構成とすることができる。
【００７２】
図１３Ｂに示すような構成，すなわち，以下「最適化設計」と称する構成では，マニホルドを介しての，１つのサブブロックから別のサブブロックへの流れが制限されている。各サブブロック内において，流れは，当該サブブロックと流体連通するマニホルドのセクションを介してスタックをバイパスすることができる。従って，流れ効率を計算するために，各サブブロックは１つのサブブロックのみを有するＥＤ装置としてモデル化することができる。図１４は，４つのサブブロックを有する装置の流れ効率の計算結果を示している。平均流れ効率は，図７における単一サブブロックのそれと等しい。
【００７３】
様々な実施形態において，本明細書に開示されるＥＤ装置は，入口マニホルド内に配置され，入口マニホルドに導入される流体の流路を変更し，流体を減耗区画及び濃縮区画の一方に導入するように構成された表面を有する少なくとも１つの流体流ディレクタと，出口マニホルド内に配置され，空乏区画及び濃縮区画の一方を介して出口マニホルドに導入される流体の流路を変更するように構成された表面を有する第２の流体流ディレクタと，を備えることができる。
【００７４】
図１５Ａは，直線的な輪郭を有するバッフル及び楕円形の傾斜部により画定される流体導管からなる，最適化設計の非限定的な一実施形態を示す。図１５Ａに示すバッフル及び傾斜部を含む構造は，基本設計のマニホルドに対して着圧可能に挿入し得るインサートとして形成することができる。図１５Ｂは，ＣＦＤモデルに組み込まれた最適化設計を示している。図１５Ｃは，基本設計及び最適化設計の両者に対するＥＤ装置の中央断面の比較図である。最適化設計において，導管は，電気的に絶縁されており，油圧的には並列接続されている。
【００７５】
図１５Ａの最適化設計は，図１５Ｂ及び１５Ｃに示す４つのサブブロックよりも大きなサブモジュールを有するＥＤモジュールで使用するように拡張することができる。例えば，図１５Ｄは８つのサブブロック用インサートに適用されるワンピース設計を示し，図１５Ｅは８つのサブブロック用インサートのツーピース設計を示している。図１５Ｄ及び１５Ｅは，これらの設計を等角図，頂面図，底面図，背面図，側面図及び正面図として示すものである。８つのサブブロック用の設計では，個々の傾斜部１５１０において流れが剪断されて，マニホルドの背面側及びインサートの後部において小さな導管１５０５が維持される。図１５Ｄ及び１５Ｅに示す実施形態における傾斜部は，例えば，図１２Ｄ，１２Ｅ及び１５Ａに示す実施形態における湾曲した傾斜部とは対照的に，実質的に平面状である。本明細書において使用される「傾斜部」という用語は，湾曲した傾斜部と，平坦な傾斜部又は平面状の傾斜部の両者を含む。
【００７６】
図１５Ｆは，基本設計と最適化設計の両者を対象とする，８つのサブブロックを含むＥＤ装置における中央断面の比較図である。
【００７７】
上述したように，種々の動作流量における流れ分布をシミュレートし，ＣＦＤソフトウェアを使用して最適化を行った。次に，Ｚ軸速度成分，平均セル対当たりの流量及び圧力降下について特性評価を行った。
【００７８】
図１６Ａ及び１６Ｂは，図１５Ａ〜１５Ｃの基本設計及び最適化設計について，中心ＺＹ平面と，頂部，中間部及び底部のＺＸ平面を通過するＺ軸速度成分と，それぞれ４ｍ３／ｈｒ及び１０ｍ３／ｈｒの装置流量とを示す。基本設計では，全ての流量に対して，中央のＺＹ平面を通過するＺ軸速度が変化し，頂部，中間部及び底部のＺＸ平面におけるＺ軸速度は概ね２〜４倍変化する。比較すれば，Ｚ軸速度は，最適化設計における全ての流量に対して，全平面に亘って一定と認められる。
【００７９】
図１６Ｃは，図１５Ｆに示す基本設計及び最適化設計における中心ＺＹ平面を通過するＺ軸速度成分のＣＦＤシミュレーション結果を示す。最適化設計における中心ＺＹ平面を通過するＺ軸速度は，基本設計のものと対比して実質的により均一である。図１６Ｄは，図１５Ｆの基本設計及び最適化設計によるプロセス効率と流れ（流体流量）との関係を示す。最適化設計によるプロセス効率は，測定された各流体流量の基本設計よりも約５％高くなっている。
【００８０】
図１７Ａは，流量４ｍ３／ｈｒ時のＥＤ装置の基本設計及び最適化設計について，異なる高さ（Ｙ軸位置）におけるセル対当たりの流量のＣＦＤシミュレーション結果を示すチャートである。図１７Ｂは，流量１０ｍ３／ｈｒ時のＥＤ装置の基本設計及び最適化設計について，異なる高さ（Ｙ軸位置）でのセル対当たりの流量のＣＦＤシミュレーション結果を示すチャートである。上記を補足すれば，平均セル当たりの流量は，最適化設計において均一により近い。
【００８１】
図１８Ａ及び１８Ｂは，中央断面での圧力分布を最大圧力の百分率で示している。基本設計（図１８Ａ）では，サブブロックへの入口圧力が均一であるが，出口圧力は，サブブロックを横切る圧力降下が頂部サブブロックから底部側に増加するように変化する（図１９Ｂも参照）。最適化設計（図１８Ｂ）では，サブブロックへの入口及び出口の圧力は，サブブロック全体の圧力降下がほぼ均一になるように変化する（図１９Ｃも参照）。
【００８２】
図１９Ａは，ＣＦＤシミュレーションにおける圧力測定位置を示し，個々のサブブロック及び装置全体の差圧を定義するものである。図１９Ｂ及び１９Ｃは，異なる供給流量に対するサブブロック１〜４に亘る圧力降下変動を示している。最適化設計では，予想に違わず，セル対当たりの流速分布がより均一になると同時に，圧力降下もより均一になる。
【００８３】
別の実施態様によれば，パス内におけるセル対間の流れ分布を改善する機能が提供される。図４に示すように，本出願人，Evoqua Water Technologiesの製造に係る現行のクロスフロー装置において，入口及び出口マニホルドは，断面が略三角形である。アダプタフィッティングは，パイプ内の供給流を入口マニホルドに移行させるものである。この設計を「初期設計」と称する。
【００８４】
図１０Ｂ及び１０Ｃは，それぞれ１００個のセル対を有する４つのサブブロックのスタック内における流れのＣＦＤシミュレーション結果を示している。流れはセル間において均等に分散していない。３つの水平面，すなわちマニホルドの入口近傍の水平面，スタックの中央における水平面及びスタックの底部における水平面につき，各面内における流速分布を比較すると，最初の数個のセル対を通過する流れはより低く，比較的大きな低速ゾーンを含んでいる（図１１Ａ〜１１Ｃを参照）。図７に示すように，流れ効率（従って，膜を通して流れる流れ部分の割合）は，パスの両端におけるセル対で最高となる。流れ密度が結果的に高まれば，低流速ゾーンにおける流れの制限とスケーリングのリスクが増大する。パス内における最初の数個の希釈セルを通過する流速が低いことは，塩除去において，より高い流れ効率の潜在性が完全に活用されていないことも意味する。
【００８５】
従って，技術的な課題は，入口及び出口マニホルドを通過するバイパス流れを減少させ，パス内におけるセル対間の流れ分布を改善し，特に最初の幾つかのセル対に対する十分な流れを確保することである。
【００８６】
本明細書では，流れ効率及びセル対への流れ分配を改善するための，ＥＤ装置における入口及び出口側の流れマニホルドの設計も開示されている。
【００８７】
前述したように，セル対の流れ効率は，入口側及び出口側におけるチャネル及びマニホルドの電気抵抗を増加させることで向上させることができる。図２０Ａに示す初期設計から出発して，マニホルド断面積Ａ１と，活性膜領域の端部からマニホルドの端部までの距離ＬＩに基づいて流れ効率を向上可能とする代替設計がある。例えば，図２０Ｂに示すより小さいマニホルドは，距離Ｌ２＞Ｌ１でチャネル内の抵抗を増加させ，Ａ２＜Ａ１でマニホルド内の抵抗も増加させる。図２０Ｃに示すより小さいマニホルドは，Ａ３＜Ａ１でマニホルドの抵抗を増加させる。チャネルの抵抗は，Ｌ３＝Ｌ１で変化しない。図２０Ｄは，「ウィング」を備える二等辺台形の断面を示す。図２０Ｄのマニホルドの断面積は図２０Ｂのそれよりも小さく，活性領域からのマニホルドの平均距離はほぼ同じである。図６の抵抗式は，バイパス流れの流れパターンがより複雑になる可能性があるため，平均距離Ｌ４を想定してもこの設計には適用できない場合がある。ウィングにより，流れは活性な膜領域における低速度ゾーンに向けて誘導される。
【００８８】
図２１は，図２０Ａ〜２０Ｃのマニホルド設計についてシミュレートしたプロセス効率を示す。マニホルドの断面積が減少すると，予想どおりにプロセス効率が向上し，面積が同じ２種の設計の効率が同様なものとなる。プロセス効率は流れ効率に関連し，図２１の式により定義される。
【００８９】
図２２は，初期設計におけるセル対間の流れ分布が均一ではないことを示している。セルスタックの頂部近傍のセル対は，セルスタック内のより低い位置にあるセル対よりも供給流量が低下する。
【００９０】
初期設計における異なるセルを通過する流れの均一性を高めるための１つの潜在的な解決策は，マニホルドに突起を組み込んで，パス内におけるセル対への流れ分布に影響を与えることである。突起は，くさび，ベーン，バッフル，隆起部又はそれらの組み合わせで構成することもできる。突起は，流れの一部を直接的に通過させるための穴又はスロットを有し，下流側における渦又は渦流を低減させる構成とすることもできる。
【００９１】
図２３Ａ及び２３Ｂは，既存設計と，２パスＥＤ装置における入口マニホルドに突起部を含む設計とを対比するものであり，図２３Ｂには突起部２３０５を含む設計が示されている。各突起部２３０５のプロファイルは，マニホルドの始点から終点まで延在する円弧である。円弧は，円形，楕円形又は自由生成曲線とすることができる。本明細書において，「流体流ディレクタ」は，突起部２３０５等の実施形態を含む。
【００９２】
図２３Ａ及び２３Ｂに示す２種のＥＤ装置についてＣＦＤ解析を行った。これらのＥＤ装置には，それぞれ２つの流体通路に２３個のサブブロックが配置されている。各サブブロックには１００個のセル対が含まれているため，パス当たりのセル対は総数が２００である。第１の装置は図２３Ａに示すマニホルド断面を有し，第２の装置は，図２３Ｂに示すように，円形プロファイルを有する突起部を同じ断面のマニホルドに挿入した構成とされている。
【００９３】
図２４Ａは，基本設計のモジュールを通過する圧力分布を示す。パス当たりの圧力は，頂部から底部に向かって徐々に増加する。これは，スタック全体における同様な速度プロファイルに対応する。図２４Ｂは，マニホルドの突起を使用して圧力場を操作する方法を示す。この湾曲したインサートの例は，パスの頂部及び底部で最高圧力，パスの中間部で最低圧力を有する所望の放物線圧力場を示している。これは，図２５に示す流れ場に対応する。図２６は，図２３Ｂに示す突起がある場合とない場合のＥＤ装置におけるそれぞれのパスにつき，活性エリアに流入するセル対当たりの流量をプロットしたものである。突起がない場合，セル当たりの流量はパスの最初のセルで最低になり，パスを通じて増加する。突起は，セル当たりの流量がマニホルドの両端で最高となるように流量分布を変化させ，そこでは活性膜領域の流れ効率と流れ密度が最高になるものと予想される（図７における２００個セル対の曲線を参照）。より大きい流量は，端部のセルでの流れの制限及びスケーリングのリスクを軽減し，パスでの全体的な塩除去を増加させるものである。
【００９４】
断面積が均一なマニホルドの場合，前述したネットワークモデルでは，バイパス流れがパスの途中で最高になるものと予測していた。断面積を減少させると，バイパス流れが減少し，流れ効率が向上する。図２３ＢのＥＤ装置の突起によれば，各パスを通じて変化してマニホルドの中間点で最小となる入口マニホルド断面積が得られ，これによりバイパス流れが制限される。
【００９５】
バイパス流れをさらに減少させるため，各パスの出口マニホルドに追加のインサートを組み込むことができる。インサートの形状は，所望の流量プロファイルを維持しながら出口マニホルドで最も大きい体積を占めるように最適化することができる。入口インサートと同様に，出口マニホルドの中間点で小さな断面積を有するインサートをＥＤ装置に組み込むと，バイパス流れが大幅に減少する。入口マニホルド用インサート又は出口マニホルド用インサートの形状は，くさび，ベーン，バッフル，バンプ又はそれらの組み合わせにより構成することができる。流れの一部が直接通過させるための穴又はスロットを組み込んで，下流側の渦／渦流を減少させ，あるいは流れを分配することもできる。図２７は，種々の想定可能なマニホルド出口インサート設計を示すものである。
【００９６】
予備的な出口マニホルドインサート設計につき，同一の従前のＣＦＤセットアップ（２段階，２サブブロック／段階モジュール）に基づいてＣＦＤ解析を行った。図２８は，入口及び出口マニホルドインサートを備えるモジュールの第１段階を示す。入口マニホルドインサート２８０５は円弧形状であり，出口マニホルドインサート２８１０はモジュール頂部に最も広い部分，モジュール底部に最も狭い部分を有する線形テーパ形状である。本明細書において，「流体流ディレクタ」は，入口マニホルドインサート２８０５及び出口マニホルドインサート２８１０等の実施形態を含む。入口インサートは滑らかな連続曲線で，パスの中央に頂点があり，マニホルドを５ｍｍチャンネルにまで減少させている。出口インサートの直線テーパにより，出口マニホルドは頂部が４ｍｍチャネルに制限され，底部が広く開いたチャネルとなる。シミュレートされる流量は，１２ｇｐｍに設定した。質量流量プロファイル（セル対当たり）は図２９にプロットしたとおりであり，出口インサートの幾何学的形状が滑らかで緩やかなものであれば，出口インサートが設けられた場合でも流れプロファイルは殆ど変化しないことを示している。
【００９７】
それぞれ２パス，パス当たりに２つのサブブロックを備える２種のクロスフローＥＤ装置で実験を行った。第１の装置は，図２０Ｂに示すマニホルド断面を有している。また，第２の装置は，図２３Ｂに示す円形プロファイルを有し，同じ断面積のマニホルドに挿入される突起を有する構成とされている。
【００９８】
希釈及び濃縮流量は，区画内の平均流束２．５ｃｍ／ｓに対応して４０〜４１Ｌ／ｍｉｎの範囲であった。希釈区画及び濃縮区画には，ＮａＣｌ溶液を収めた別々のタンクから供給した。開始濃度は，希釈供給タンクでは５５６ｍｏｌ／ｍ３，濃縮液タンクでは７９６ｍｏｌ／ｍ３とした。また，印加電流は１０Ａとした。
【００９９】
希釈区画からの生成物は希釈フィードタンクにリサイクルされ，濃縮区画からの廃棄物は濃縮フィードタンクにリサイクルされた。実験の間，溶解塩濃度は希釈タンクで減少し，濃縮液で増加した。
【０１００】
図３０は，プロセス効率と，希釈液の平均濃度に対する濃縮液の平均濃度比との関係を示している。この濃度比は，脱塩の進行に伴って増加した。効率は，インサートを備える装置で約１０％向上した。これは，各パスの中央において流れ分布が改善され，マニホルド断面積が減少した結果である。
【０１０１】
流れ分布を改善するため，電気化学分離装置に出口インサートを組み込んで追加試験を行った。サブブロックに配置された出口インサートは，傾斜部又は変更された表面を有し，インサートのない場合の９０°における転向が転向のコーナー部において乱流を生成する代わりに，水流を転向させるように誘導する傾斜部に変換される構成とされている。図３１Ａ及び３１Ｂは，出口インサートがある場合とない場合における流体流れを比較したものである。ＥＤ装置の出口マニホルドにおけるインサートで水流をガイドすることは，モジュール内における圧力降下を低減させる上で効果的である。ただし，出口インサートは，パイプの流路に物体を配置することにより，導水管の流路内における流れを詰まらせるのと同様に，出口マニホルドを通過する液体の流れを制限する。全体的な複合効果は，出口インサートを使用しない場合と比較して，実際には圧力降下が僅かにしか減少しなかったことであり，これは予測外の結果であった。傾斜部又はテーパ付きの出口インサートを使用すると，プロセス効率が向上し，ＥＤ装置におけるエネルギ消費が削減された。そのデータは，図３２Ａ及び３２Ｂに示すとおりである。
【０１０２】
更なる実施態様は，ある幾何学的断面形状を有する外部配管から，異なる幾何学的断面形状を有するＥＤ装置の入口マニホルドに流れを移行させるための流体アダプタを含む。流体アダプタは，少なくとも１つのテーパ部，又は幾つかの実施形態では２つのテーパ部，を備える流体通路を含む。各テーパ部は，流れを発達させるための特徴的な長さを有している。幾つかの実施形態において，２つのテーパ部は重ならない。
【０１０３】
ＥＤ装置における希釈区画への流れは，外部導管を介して流体アダプタに供給した後に，図３３に示すように，入口マニホルドを介して全ての希釈区画に並行して分配することができる。同様に，全ての希釈区画からの生成物は，出口マニホルドにおいて収集し，流体アダプタを介して外部パイプに配送することができる。濃縮区画に出入りする流れについても，同様の配置とすることができる。
【０１０４】
乱れを伴う高速の流れは，外部配管から入口マニホルドへの遷移部において特定の困難性を生じる。これは，外部配管が一般的に円形断面であるのに対して，入口マニホルドは実質的に円形，矩形，三角形又はその他の断面を有する場合があるからである。略三角形断面の入口マニホルドを図４，図２０Ａ及び２０Ｂに示す。これにより，一般的に，独特な流れガイド機能を有する流体アダプタが提供される。
【０１０５】
円形断面から略三角形断面への移行部を有する流体アダプタの一例を，図３４Ａの等角図，図３４Ｂの部分透視図，図３４Ｃの上面図及び図３４Ｄの底面図に示す。この設計における入口は，断面エリアが円形であり（図３４Ｃ），出口が略三角形である（図３４Ｄ）。内部的に，流れ直径は，急峻な角度の付いたテーパ部を経て，第１の軸線（図３４Ｅ，Ｄ１〜Ｄ２）に沿う第１の特徴的な長さ（図３４Ｅ，Ｌ１）に亘って減少する。次に，流れ直径は，第１のテーパ部と重なる緩い角度の付いたテーパ部を経て，第２の軸線（図３４Ｆ，Ｄ３〜Ｄ４）に沿う第２の特徴的な長さ（図３４Ｆ，Ｌ２）に亘って拡大及び展開可能とされている。
【０１０６】
本明細書に開示されるＥＤ装置の実施形態に適用するための流体アダプタの改良設計を，図３５Ａ〜３５Ｄに示す。この設計の入口も断面エリアが円形であり，出口も略三角形である。この設計では，第１軸線に沿う流れも減少する（図３５Ｃ，Ｄ１−Ｄ２）が，第１の特徴的な長さが増大し（図３５Ｃ，ＬＩ），テーパ部は，図３４Ａ〜３４Ｆに示す従来設計よりも緩やかであり，楕円形となる。流れは，第２の軸線に沿って再び拡大及び展開させることができ（図３５Ｄ，Ｄ３−Ｄ４），流れが再び展開する第２の特徴的な長さは従来設計の場合よりも長い（図３５Ｄ，Ｌ２）。この設計において，テーパ部は重ならない。
【０１０７】
図３６Ａ及び３６Ｂは，それぞれ，基本設計及び最適化設計につき，入口ポートに均一に分散させた入口マニホルド内における個別的な流線速度のシミュレーション結果を示す。ジェット効果により，入口マニホルドにおける速度は，最適化設計（右側）よりも基本設計（左側）の方が顕著に高くなる。
【０１０８】
図３７Ａ及び３７Ｂは，それぞれ，基本設計及び最適化設計に基づくＥＤ装置につき，中央ＺＹ平面と頂部，中間部及び底部ＺＸ平面を通過する流体流のＺ速度成分のシミュレーション結果を示すものである。Ｚ軸速度の分布を比較すると，基本設計の流体アダプタを含むＥＤ装置には，最適化設計よりも大きな変動が生じている。
【０１０９】
本明細書において開示される実施態様及び実施形態は，電気透析装置に限定されるものではない。全ての電気化学的分離装置は，改善された流量分布の恩恵を享受できる場合がある。電気化学的分離装置には，電気透析，電気透析反転，連続脱イオン化，連続電気脱イオン化，電気脱イオン化，電気透析及び容量性脱イオン化が非限定的に含まれる。改善されたフロー分布の恩恵を享受できる他の電気化学装置には，フロー電池，燃料電池，電気塩素化セル，苛性塩素セルが含まれる。
【０１１０】
本明細書で使用される字句及び用語は，あくまでも説明を目的とするに止まり，限定と考えるべきものではない。本明細書で使用される「複数」という用語は，２つ以上の構成事項又は構成要素を指す。明細書及び特許請求の範囲のいずれにおいても，「備える」，「含む」，「担う」，「有する」，「含んでいる」，「含まれる」等の用語は開放的用語であり，「非限定的に含む」ことを意味する。すなわち，そのような用語の使用は，その後に列記される構成要素及びその均等物，並びに追加の構成要素を包摂することを意味する。特許請求の範囲においては，「〜からなる」及び「実質的に〜からなる」等の移行句のみが，それぞれ閉鎖型又は半閉鎖型の移行句である。特許請求の範囲において，構成要素を修飾するために使用される「第１」，「第２」，「第３」等の序数は，それ自体で，ある構成要素又は方法的動作の優先性，優先順位又は順序を暗示するものではなく，特定名称の構成要素を，（序数の使用以外では）同じ名称を有する別の構成要素から区別するための識別用としてのみ使用されるものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０１１１】
【特許文献１】米国特許第８６２７５６０号明細書
【特許文献２】米国特許第８７４１１２１号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２０１６／０３４６７３７号明細書
【図１Ａ】
2020524593.tif 000004
【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図１Ｅ】
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【図２−１】
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【図２−２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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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１０−１】
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【図１０−２】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【図１２Ｄ】
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【図１２Ｅ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１５Ｃ】
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【図１５Ｄ】
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【図１５Ｅ】
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【図１５Ｆ】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１６Ｃ】
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【図１６Ｄ】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１８】
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【図１９Ａ】
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【図１９Ｂ】
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【図１９Ｃ】
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【図２０−１】
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【図２０−２】
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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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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２Ａ】
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【図３２Ｂ】
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【図３３】
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【図３４Ａ】
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【図３４Ｂ】
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【図３４Ｃ】
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【図３４Ｄ】
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【図３４Ｅ】
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【図３４Ｆ】
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【図３５Ａ】
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【図３５Ｂ】
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【図３５Ｃ】
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【図３５Ｄ】
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【図３６】
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【図３７Ａ】
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【図３７Ｂ】
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【国際調査報告】
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