電気式脱イオン水製造装置
【課題】温度環境が変化する状況でも隙間を生じず、水漏れを発生させない平板積層型の電気式脱イオン水製造装置を提供する。
【解決手段】電気式脱イオン水製造装置は、少なくとも２つのイオン交換膜１、２で画成される室にイオン交換体を充填した脱塩室４と、脱塩室の一側のイオン交換膜の１つを介して隣接して配置された第１の濃縮室５ａと、脱塩室の他側のもう１つのイオン交換膜を介して隣接して配置された第２の濃縮室５ｂと、第１の濃縮室と第２の濃縮室の外側にそれぞれ設けられた一対の電極室６ａ、６ｂとを有する装置において、脱塩室、濃縮室５ａ、５ｂおよび電極室６ａ、６ｂを有してなる本体部２０と、本体部を挟むように設けられた一対の固定板９ａ、９ｂと、弾性体７と、を備え、固定板と弾性体により、本体部に脱塩室、濃縮室５ａ、５ｂおよび電極室６ａ、６ｂの配列方向の圧縮応力が作用するように、弾性体を配置する。
【解決手段】電気式脱イオン水製造装置は、少なくとも２つのイオン交換膜１、２で画成される室にイオン交換体を充填した脱塩室４と、脱塩室の一側のイオン交換膜の１つを介して隣接して配置された第１の濃縮室５ａと、脱塩室の他側のもう１つのイオン交換膜を介して隣接して配置された第２の濃縮室５ｂと、第１の濃縮室と第２の濃縮室の外側にそれぞれ設けられた一対の電極室６ａ、６ｂとを有する装置において、脱塩室、濃縮室５ａ、５ｂおよび電極室６ａ、６ｂを有してなる本体部２０と、本体部を挟むように設けられた一対の固定板９ａ、９ｂと、弾性体７と、を備え、固定板と弾性体により、本体部に脱塩室、濃縮室５ａ、５ｂおよび電極室６ａ、６ｂの配列方向の圧縮応力が作用するように、弾性体を配置する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ボイラー水や発電所の復水、発電所の蒸気発生器の器内水などとして使用される、いわゆる脱イオン水の製造に好適な電気式脱イオン水製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
脱イオン水（以下、脱塩水と記すこともある。）を製造する方法として、従来からイオン交換樹脂に被処理水を通して脱イオンを行う方法が知られている。この方法ではイオン交換樹脂がイオンで飽和されたときに薬剤によって再生を行う必要があり、このような処理操作上の不利な点を解消するため、薬剤による再生が全く不要な電気式脱イオン法による脱イオン水製造方法が確立され、実用化に至っている。
【０００３】
このような脱塩処理を行う電気式脱イオン水製造装置においては、例えば図７に示すように、基本的にはカチオン交換膜１０７とアニオン交換膜１０８で画成される室にイオン交換体を充填して脱塩室１０１を構成し、脱塩室１０１の両側に濃縮室１０２ａ、１０２ｂを設け、これら脱塩室１０１および濃縮室１０２ａ、１０２ｂを、二つの電極室１０３ａ、１０３ｂ、すなわち陽極を備えた陽極室と陰極を備えた陰極室との間に配置して本体部１０４が構成されている。被処理水１０５は、脱塩室１０１内に充填されたイオン交換体の層を通過し、上記陽極と陰極との間に電圧が印加され、上記両イオン交換膜を介して被処理水の流れに対して直角方向に直流電流が作用されることにより、両イオン交換膜の外側に配置された濃縮室１０２ａ、１０２ｂ中を流れる濃縮水中に被処理水中の不純物イオンが電気的に排除されながら、処理水１０６として脱イオン水が製造される。
【０００４】
電気式脱イオン水製造装置の本体部１０４の形態としては、平板積層型、スパイラル型あるいは同心円型などのものが挙げられる。
【０００５】
平板積層型の電気式イオン水製造装置は、カチオン交換膜１０７とアニオン交換膜１０８の間にイオン交換体を配置して形成した脱塩室１０１を、イオンが排除される部屋となる濃縮室１０２ａ、１０２ｂを介して複数隣接し、その両端に陰極室１０３ａと陽極室１０３ｂを配した構造である。図７は脱塩室１０１が一つの場合の平板積層型を例示している。
【０００６】
このような平板積層型の電気式脱イオン水製造装置は、各室に印加される電流の値が均一となる利点はあるものの、脱塩室、濃縮室、電極室を隣接して配置し、ボルトの締め付け等により各室を押さえ付けるため、その締め付けが弱いと各室間に隙間が生じ、通水時に水漏れが生じる可能性がある。一般的に、水漏れを防止するために、平板積層型電気式脱イオン水製造装置では本体部１０４の各室の配列方向の両端外側に頑丈な固定板１０９を配置し、固定板１０９同士をボルト１１１で連結し、ボルト１１１を使って強力に本体部１０４の締め付けを行っている。
【０００７】
さらに、脱塩室１０１、濃縮室１０２ａ、１０２ｂ、電極室１０３ａ、１０３ｂなどの各室の間には通常、ガスケット１１０が挟んであり、これにより。各室接合部の隙間を密封し、水漏れを防止している。ガスケットとしては一般的にゴムシート、ゴムOリングが用いられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００７−２６８３３１号公報
【特許文献２】特許３８００５７１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述した平板積層型の電気式脱イオン水製造装置に高温（４０℃以上）の被処理水を通水する場合、常温状態からの温度上昇によって本体部が熱膨張する。しかし、上記固定板やボルトが金属製で上記各室がプラスチック製である場合、一般的にプラスチックは金属よりも線膨張率が高いので、固定板に挟まれた本体部は各室の配列方向に膨張することができず、各室の配列方向とは垂直の方向に膨張し、変形する。この状態で温度が常温に戻ると各室は収縮するが、変形した部分は完全には戻らず、各室の配列方向は収縮するため、各室間に隙間が生じ、その隙間から水漏れが発生する。
【００１０】
また、本体部の材料組成も均一ではないので、各室の膨張による変形でも隙間が生じる可能性もある。
【００１１】
このような状況は、例えば温水を処理する脱塩装置で発生する虞がある。特に原子力発電所は水漏れを許さないので、現状の装置の使用は認められない。
【００１２】
本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的の一つは、平板積層型の電気式脱イオン水製造装置について、温度環境が変化する状況でも隙間を生じず、水漏れを発生させないことにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の一態様は、少なくとも２つのイオン交換膜で画成される室にイオン交換体を充填した脱塩室と、脱塩室の一側のイオン交換膜の１つを介して隣接して配置された第１の濃縮室と、脱塩室の他側のもう１つのイオン交換膜を介して隣接して配置された第２の濃縮室と、第１の濃縮室と第２の濃縮室の外側にそれぞれ設けられた一対の電極室とを有する電気式脱イオン水製造装置に係わる。
【００１４】
この態様において本発明は、上記脱塩室、濃縮室および電極室を有してなる本体部と、
本体部を挟むように設けられた一対の固定板と、
弾性体と、を備え、
上記固定板と弾性体により、本体部に脱塩室、濃縮室および電極室の配列方向の圧縮応力が作用するように、弾性体が配置されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、電気式脱イオン水製造装置において、高温の被処理水を通水した場合や、高温環境下で使用した場合など、温度環境が変化する状況で発生する各室の膨張・収縮に弾性体が追従するため、各室間に隙間が生じず、水漏れを発生させないようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態に係る電気式脱イオン水製造装置の基本構成を模式的断面で示した図。
【図２】図１に示した本体部、弾性体、ストッパーおよび固定板を組み立てた外観を示した図。
【図３】図１に示した本体部、弾性体、ストッパーおよび固定板を組み立てる様子を示した図。
【図４】図１に示した積層体の、装置の温度変化での熱収縮に圧縮コイルばねが追従する様子を示した図。
【図５】図１に示した弾性体とストッパーの配置例を示した図。
【図６】図１に示した装置の変形態様を示した模式的断面図。
【図７】電気式脱イオン水製造装置の従来構造を示す模式的断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【００１８】
図１は、本発明の一実施形態に係る電気式脱イオン水製造装置の基本構成を示している。
【００１９】
図１において、一側のカチオン交換膜１と他側のアニオン交換膜２で画成される室にイオン交換体（例えば、イオン交換樹脂、モノリス状有機多孔質イオン交換体、イオン交換繊維等）が充填されて、脱塩室４が構成される。脱塩室４は、被処理水３を脱塩処理して脱イオン水を製造する。ここで、脱塩室４は少なくとも２つのイオン交換膜で画成されていればよく、図１では、脱塩室４の一側がカチオン交換膜１、他側がアニオン交換膜２で画成されているが、例えば、両側ともカチオン交換膜（又はアニオン交換膜）でもよい。また、脱塩室４内に他のイオン交換膜を備え、脱塩室４を分割していてもよい。
【００２０】
脱塩室４の一側にはイオン交換膜の１つ（本例ではカチオン交換膜１）を介して第１の濃縮室５ａが設けられており、また、脱塩室４の他側には別のイオン交換膜（本例ではアニオン交換膜２）を介して第２の濃縮室５ｂが設けられている。
【００２１】
濃縮室５ａ、５ｂそれぞれの外側には、一対の電極室６ａ、６ｂ（本例では電極室６ａが陰極室、電極室６ｂが陽極室）が配置されている。濃縮室５ａと電極室６ａの間並びに濃縮室５ｂと電極室６ｂの間もイオン交換膜（カチオン交換膜１又はアニオン交換膜２）が備えられている。また、電極室６ａ、６ｂには、それぞれ一対の電極板（本例では電極室６ａに陰極板、電極室６ｂに陽極板）が備えられており、電極室６ａ、６ｂの外側は側壁１１で閉じられている。一対の電極板間に電圧を印加し、イオン交換膜を介して被処理水３の流れに対して直角方向に直流電流が作用することにより、濃縮室５ａ、５ｂ中を流れる濃縮水（不図示）中に被処理水３中の不純物イオンが電気的に排除されながら、処理水１２として脱イオン水が製造される。
【００２２】
図１では、一つの脱塩室４の両側に濃縮室５ａ、５ｂが設けられた形態が示されているが、脱塩室４と濃縮室５ａ、５ｂは、複数組配置することが可能である。
【００２３】
図２、図３に示されるように、脱塩室４、濃縮室５ａ、５ｂ、および電極室６ａ、６ｂは、それぞれが開口部１４ａを有した枠体１４で構成される。脱塩室４は、この開口部１４ａにイオン交換体１３が充填されている。枠体１４の材質は、装置の軽量化や加工のしやすさ等の観点からＡＢＳ樹脂が好ましい。
【００２４】
これらの各室をそれぞれの開口部１４ａが合わせられ、イオン交換膜１５を介して一列に隣接するように配置して積層体２０（本体部とも呼ぶ）を構成する。積層体２０の外側には、一対の固定板９ａ、９ｂが配置されている。固定板９ａ、９ｂは、図２、図３に示すように、積層体２０を挟むようにその両側に配置され、ナット１６およびボルト１９で位置固定されている。ボルト１９は、積層体２０の外側を通るようにして固定板９ａ、９ｂを位置固定しても良いし、図３で示すように各室の枠体１４に設けられたボルト穴１４ｂを貫通して固定板９ａ、９ｂを位置固定しても良い。固定板９ａ、９ｂの材質は、枠体１４よりも強度が高く、線膨張率が小さいものが好ましく、例えば、ＳＳ製やＳＵＳ製が好ましい。
【００２５】
そして、積層体２０と一方の固定板９ｂとの間に弾性体７が配置されている。このように弾性体７を配置する場合は、圧縮コイルばねが好適に用いられる。圧縮コイルばねは、弾性力を設定しやすい上、積層体２０を固定板９ｂで押さえつける際のボルト１９に通すことができ、固定も容易である。なお、弾性体７の種類は、固定板９ａ、９ｂと弾性体７により積層体２０を構成する枠体１４が押さえつけられるような応力が作用するように、即ち、積層体２０に圧縮応力が作用するように選択されていればよく、両側の固定板９ａ、９ｂを引張コイルばねで繋ぐように配置してもよい。
【００２６】
さらに、脱塩室４、濃縮室５ａ、５ｂ、電極室６ａ、６ｂ等の各室の間には、図２、図３に示すようにガスケット１０が挟んである。このようにガスケット１０を設置した状態で積層体２０を固定板９ａ、９ｂと弾性体７で締め付けることによって、隣接した各室間に密封性を付与し、脱イオン水製造装置からの水漏れを防止している。ガスケット１０としてはゴムシートまたはゴムOリングが用いられる。
【００２７】
上記した電気式脱イオン水製造装置の構成によれば、固定板９ａ、９ｂと弾性体７により積層体２０を押さえつけるように応力が作用するため、脱イオン水製造での通水時又は停止時に装置の温度変動が生じる場合であっても各室間に隙間が発生することがなく、水漏れが発生しない。
【００２８】
こうした水漏れ防止効果を奏するための弾性体７について、圧縮コイルばねを例にして、さらに具体的に述べる。
【００２９】
固定板９ｂと積層体２０の端部との間で弾性体（以下、「圧縮コイルばね」と言う場合がある）７は、固定板９ａ、９ｂの位置固定により自然長（外力が働いていない状態での圧縮コイルばねの長さ）から縮められた状態で配置される（図２参照）。装置が４０℃以上の高温に曝されると、各室自体の温度が上がり、各室の枠体は膨張する。ここで、積層体２０と固定板９ｂとの間には圧縮コイルばね７を備えているため、その弾性力により積層体２０は各室の配列方向には膨張せず、各室間は密接したままの状態を保つ。その後、装置の温度が常温に戻ると各枠体１４は収縮し、圧縮コイルばねが備えられていない場合は、その収縮によって各室間に隙間が生じる。例えば、枠体１４がＡＢＳ樹脂製の場合、積層体２０の長さが５００ｍｍで、かつ装置組立時（常温時）との温度差が５０℃の状態で使用すると、ＡＢＳ樹脂の線膨張率はおよそ１０×１０-5（１／K）であるので、積層体２０は約２．５ｍｍ縮み、これにより隙間が生じて水漏れが発生する。しかし本発明では、各室の配列方向については圧縮コイルばねの弾性力により、各室間は密着した状態を保持する。したがって、各室間には隙間は生じず、水漏れも発生しない。また、装置を通過する被処理水の温度の高低により各室の配列方向とは垂直の方向に枠体１４が膨張して変形した場合においても、各室の密接部分は、圧縮コイルばね７の弾性力により隙間が生じない。なお、各室の膨張・収縮が装置の使用環境の温度変化による場合でも同様である。図４の（ａ）〜（ｂ）には上記のような装置の温度変化での積層体２０の熱収縮に圧縮コイルばね７が追従する様子を示した。
【００３０】
圧縮コイルばね７の配置については、図５で示すように、各室の内壁面（すなわち枠体の開口部１４ａの開口縁辺）を固定板９ｂに投影した線１７に沿うように、その線上に、又は、その線１７よりも外側で、かつ各室の外壁面（すなわち枠体１４の外周側面）を固定板９ｂに投影した線１８よりも内側に複数個配置するのが好ましい。これにより、各室の枠体１４の一部が膨張・収縮する場合でも、それに対応するばねの弾性力により隙間の発生を防止することができる。なお、圧縮コイルばね７を所定の位置に配置するために、圧縮コイルばね７の内径より小さいピン（ストッパー８）を固定板９ｂに設けることが好ましい。これにより、圧縮コイルばね７の内側をピンに通すように圧縮コイルばね７を容易に設置することができる。このピンは、後述するようにストッパー８としても機能する。
【００３１】
また、積層体２０、圧縮コイルばね７、固定板９ａ、９ｂを組み立てる際には、圧縮コイルばね７のたわみ量を、積層体２０の線膨張率と積層体２０の各室の配列方向の長さと温度変化の積で表わされる変位以上に縮めるのが好ましい。即ち、積層体２０が固定板９ａ、９ｂおよびボルト１９等で固定されていない場合に、積層体２０が温度変化で各室の配列方向に膨張・収縮する際の以下の（１）式で示される変位量以上に圧縮コイルばねを縮める。
【００３２】
ａ＝α×ΔＴ×Ｌ0 （１）
ａ：ΔＴだけ温度変化した場合の積層体２０の、各室（すなわち、脱塩室４、濃縮室５ａ、５ｂ、および電極室６ａ、６ｂ）の配列方向の変位
α：積層体２０の線膨張率
Ｌ0：積層体２０の、各室の配列方向の長さ
ΔＴ：温度変化量の絶対値
ここで「たわみ量」とは、弾性体に荷重、モーメントなどを加えたときに発生する変位又は回転角をいう。特に弾性体７が圧縮コイルばねの場合は、ばね両端の相対変位（伸縮量）をいう（JIS B0103）。
また、脱塩室４、濃縮室５ａ、５ｂ、電極室６ａ、６ｂの間にそれぞれガスケット１０が備えられている場合は、積層体２０が温度変化で各室の配列方向に膨張・収縮する際の以下の（２）式で示される変位量以上に圧縮コイルばねを縮める。
【００３３】
ｂ＝α×ΔＴ×Ｌ0＋Ｐ／ｋ （２）
ｂ：ΔＴだけ温度変化した場合の積層体２０の、各室（すなわち、脱塩室４、濃縮室５ａ、５ｂ、および電極室６ａ、６ｂ）の配列方向の変位量
α：積層体２０の線膨張率
Ｌ0：装置組立時における積層体２０の、各室の配列方向の配列方向の長さ
ΔＴ：温度変化量の絶対値
P：装置組立時においてガスケット１０を潰したときに発生する反発力
ｋ：圧縮コイルばね７のばね定数
圧縮コイルばね７が積層体２０を押す力は、積層体２０の内部から固定板９ｂの方向へ発生する力よりも強い力である必要がある。積層体２０内部で発生する力は、１）脱塩室４、濃縮室５ａ、５ｂおよび電極室６ａ、６ｂの通水時の水圧による力、２）Oリング等のガスケット１０を潰したときに発生する反発力、などが挙げられる。圧縮コイルばね７が積層体２０を押す力が積層体２０内部で発生する力より小さければ、圧縮コイルばね７が装置組立時よりも縮むことで各室間に隙間が生じて装置外部への水漏れが起きる可能性がある。
【００３４】
そのため、圧縮コイルばね７を上記の条件の収縮量にすることで、装置の密封性を保ちつつ、積層体２０の上記熱収縮による縮み幅に追従することができる。
【００３５】
ここで、ばね定数とは、ばねに単位変位量（たわみ又はたわみ角）を与えるのに必要な力又はモーメントをいう（JIS B0103）。
また、積層体２０の各室に水を通したとき、その水圧によって積層体２０内部で発生する力が圧縮コイルばね７により積層体２０を押さえ込む力を上回る場合、圧縮コイルばね７が装置組立時よりもさらに縮んで各室間に隙間が発生してしまう。そこで、圧縮コイルばね７が装置組立時よりも縮まないようにストッパー８（図３参照）を設けるのが好ましい。これにより圧縮コイルばね７が必要以上に縮むことを防ぐことができるため、圧縮コイルばね７の弾性力による積層体２０への過度な負荷を低減できる。ストッパー８は圧縮コイルばね７を必要以上に縮めないものであれば特に限定されないが、圧縮コイルばね７の配置位置（例えば図５に示した配置位置）に設けることが可能な、圧縮コイルばね７の内径より小さい金属製のピンであることが好ましい。これにより、圧縮コイルばね７の内側をピンに通すように圧縮コイルばね７を設置することができるため、上記ストッパーとしての機能の他、圧縮コイルばね７の取り付けや固定を容易にすることができる。また、ストッパー８は、装置組立時の圧縮コイルばね７の収縮量と同じ長さになるように設置するのが好ましい。これにより、装置組立時に必要以上にボルトを締め付けることがなくなり、枠体への応力過多を防止できる。
【００３６】
なお、ストッパー８は一方の固定板９ｂに固設されているが、電極室６ｂの側壁１１に固設されていてもよい。
【００３７】
また、圧縮コイルばね７が積層体２０に接していると、圧縮コイルばね７の作用により、その接触部分に応力集中が起こるため、枠体の破損が発生するおそれがある。そこで、図６に示すように積層体２０と圧縮コイルばね７との間に平板２１を設置してもよい。これにより、平板２１の全面で積層体２０を押さえつけることができるため、積層体２０への荷重が一点に集中しにくくなる。
【００３８】
その他の変形としては、圧縮コイルばねの弾性体７およびストッパー８が積層体２０の片側のみに配置されているが、積層体２０の左右両側に配置されていてもよい。
【００３９】
「実施例」
次に、実施例を挙げて上記電気式脱イオン水製造装置を更に具体的に説明するが、これは一例であって、本発明は下記の実施例に限定されない。
【００４０】
アンモニアを含む被処理水を混床脱塩セルで脱塩処理する際、下記の装置仕様および運転条件で図１に示した構成の電気式脱イオン水製造装置を使用した。この装置を２０℃の室内で組立てた。このような装置を使用し、アンモニウムイオン２０mg/L、ナトリウムイオン１mg/L、塩化物イオン１mg/L、硫酸イオン１mg/Lの被処理水から脱イオン水を製造した。５５℃で１０００時間連続運転を行い、純水を通水して洗浄してから運転を停止した。結果、装置の温度は常温（２０℃）になったが、水漏れは発生しなかった。
【００４１】
（装置仕様）
上記の評価を得るために、以下の仕様の電気式脱イオン水製造装置（構造は図１乃至図２に示した装置）を使用する。
【００４２】
脱塩室４；幅３００mm、高さ４００mm、厚さ８mm
濃縮室５ａ、５ｂ；幅３００mm、高さ４００mm、厚さ８mm
電極室６ａ、６ｂ：幅３００mm、高さ４００mm、厚さ８mm
脱塩室４と濃縮室５ａ、５ｂと電極室６ａ、６ｂからなる積層体２０の厚さ；４８０mm
脱塩室４、濃縮室５ａ、５ｂ、および電極室６ａ、６ｂをそれぞれ構成する枠体１４の材質；ABS樹脂
脱塩室４に充填したイオン交換樹脂；アニオン交換樹脂（Ａ）とカチオン交換樹脂（Ｋ）の混合イオン交換樹脂（混合比は体積比でＡ：Ｋ＝１：１）
脱イオン水製造装置全体の流量；１９２０Ｌ／ｈ
循環タンク１３；液相部容量１００Ｌ
通水温度；５５℃
入口圧；０．１ＭＰａ
（弾性体７の仕様）
上記の評価を得る弾性体７として以下の仕様および設置状態の圧縮コイルばねを使用した。
【００４３】
ばね材質；SWP−B（JIS B0103）
ばね線径（mm）；５．５
ばね外径（mm）；３２
ばねの自由高さ（mm）；１００
ばね定数（N/mm/本）；５９．９
ばねの使用本数（本）；３０
装置組立時のばねの縮み幅（mm）；１５
ばねが積層体２０を押す力（N）；２７０００（＝５９．９×１５×３０）
（ガスケット１０の仕様）
さらに、積層体２０を構成する各室間に挟んであるガスケット１０として、デュロメーター硬さ（JIS K6253）７０、全長２２６０mm、太さ３．５３mmのOリングを用いた。各室間の封止を確実にするためにガスケット１０を潰した状態で使用する。このとき、Oリングの潰し率がJIS 2406(1991)にて推奨される２５％になるようにOリング単位長さあたりの潰し力を３．４N/mmとし、Oリングを潰したときの反発力は７７００Nであった。
【００４４】
（積層体２０内部に発生する力）
積層体２０に通水し、その水圧によって積層体２０内部で発生する力は４０００Nであった。よって、運転休止中の積層体２０内部に発生する力はOリングの反発力のみの７７００Nであるが、運転中の積層体２０内部に発生する力は１１７００N（＝４０００+７７００）であった。
【００４５】
（弾性体７として使用された圧縮コイルばねの効果）
上記した運転の停止後、圧縮コイルばね７の縮み幅は装置組立時の１５mmから１３mmになっていた。圧縮コイルばね７の縮み量が１３mmのときの、圧縮コイルばね７が積層体２０を押す力は２３４００N（＝５９．９×１３×３０）であり、運転休止中の積層体２０内部で発生する力７７００Nよりも大きい。積層体２０は５５℃の運転状態から２０℃の常温状態になったことで各室の配列方向に２mm（（１０×１０-5[１／ｋ]）×４８０[mm]×（５５−２０）[℃]＝１．６８mm≒２mm）縮んで各室間に隙間が発生するおそれがあるが、その隙間をばねが追従できたので水漏れは発生しなかった。また、運転休止中の積層体２０内部で発生する力７７００Nをばね定数５９．９N/mmで割った値（≒４．３mm）と積層体２０の縮み幅２mmの和は６．３mmとなり、圧縮コイルばね７の組立時の縮み幅１５mmの方が大きい。このため、装置の密封性を保ちつつ、積層体２０の熱収縮による縮み幅に追従することができた。
【００４６】
（ストッパー８の効果）
次に本実施例の電気式脱イオン水製造装置の排水口を閉め切った状態で、被処理水により入口圧０．７５MPａを付与した。このとき、ばねの撓み量は１５ｍｍであり、水漏れは発生しなかった。この場合水圧によって発生する力は３００００Ｎであったので積層体２０内部で発生する力は３７７００Ｎ（＝３００００＋７７００）となり、積層体２０内部で発生する力は装置組立時の圧縮コイルばね７が積層体２０を押す力２７０００Ｎを上回っている。しかし、ストッパー８が電極室６ｂの側壁１１に触れストッパー８の反作用による力が働いたため、圧縮コイルばね７が組立時の縮み量１５mm以上に縮むことは無かった。
【００４７】
「比較例」
アンモニアを含む被処理水を混床脱塩セルで脱塩処理する際、図１乃至図２に示したような弾性体７およびストッパー８等が装備されていない構成の電気式脱イオン水製造装置（図７参照）を下記の装置仕様および運転条件で使用し、アンモニウムイオン２０mg／L、ナトリウムイオン１mg／L、塩化物イオン１mg／L、硫酸１mg／Lの被処理水から脱イオン水を製造した。５５℃で１０００時間連続運転を行い、純水を通水して洗浄してから運転を停止した。結果、運転停止後、装置の温度は常温（２０℃）になり、積層体２０の各室間の隙間から水漏れが発生した。
【００４８】
比較例の装置仕様は以下のとおりとした。
【００４９】
脱塩室１０１；幅３００mm、高さ４００mm、厚さ８mm
濃縮室１０２ａ、１０２ｂ；幅３００mm、高さ４００mm、厚さ８mm
電極室１０３ａ、１０３ｂ：幅３００mm、高さ４００mm、厚さ８mm
脱塩室１０１、濃縮室１０２ａ、１０２ｂ、および電極室１０３ａ、１０３ｂからなる積層体２０の厚さ；４８０mm
脱塩室１０１、濃縮室１０２ａ、１０２ｂ、および電極室１０３ａ、１０３ｂを構成する部材の材質；ABS樹脂
脱塩室１０１に充填したイオン交換樹脂；アニオン交換樹脂（Ａ）とカチオン交換樹脂（Ｋ）の混合イオン交換樹脂（混合比は体積比でＡ：Ｋ＝１：１）
脱イオン水製造装置全体の流量；１９２０Ｌ／ｈ
循環タンク；液相部容量１００Ｌ
通水温度；５５℃
入口圧；０．１ＭＰａ
（産業上の利用可能性）
本発明に係る電気式脱イオン水製造装置によれば、高温で運転した後、常温に戻したときに発生する各室の収縮にばねが追従するため、水漏れの発生しない電気式脱イオン水製造装置を得ることができる。特に水漏れが許されない原子力発電所のような施設で電気式脱イオン水製造装置の使用を可能にすることができる。
【符号の説明】
【００５０】
１ カチオン交換膜
２ アニオン交換膜
３ 被処理水
４ 脱塩室
５ａ、５ｂ 濃縮室
６ａ 電極室（陰極室）
６ｂ 電極室（陽極室）
７ 弾性体（圧縮コイルばね）
８ ストッパー
９ａ、９ｂ 固定板
１０ ガスケット
１１ 側壁
１２ 処理水
１３ イオン交換体
１４ 枠体
１４ａ 開口部
１４ｂ ボルト穴
１５ イオン交換膜（カチオン交換膜１またはアニオン交換膜２）
１６ ナット
１７ 各室の内壁面を固定板に投影した線
１８ 各室の外壁面を固定板に投影した線
１９ ボルト
２０ 積層体（本体部）
２１ 平板
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ボイラー水や発電所の復水、発電所の蒸気発生器の器内水などとして使用される、いわゆる脱イオン水の製造に好適な電気式脱イオン水製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
脱イオン水（以下、脱塩水と記すこともある。）を製造する方法として、従来からイオン交換樹脂に被処理水を通して脱イオンを行う方法が知られている。この方法ではイオン交換樹脂がイオンで飽和されたときに薬剤によって再生を行う必要があり、このような処理操作上の不利な点を解消するため、薬剤による再生が全く不要な電気式脱イオン法による脱イオン水製造方法が確立され、実用化に至っている。
【０００３】
このような脱塩処理を行う電気式脱イオン水製造装置においては、例えば図７に示すように、基本的にはカチオン交換膜１０７とアニオン交換膜１０８で画成される室にイオン交換体を充填して脱塩室１０１を構成し、脱塩室１０１の両側に濃縮室１０２ａ、１０２ｂを設け、これら脱塩室１０１および濃縮室１０２ａ、１０２ｂを、二つの電極室１０３ａ、１０３ｂ、すなわち陽極を備えた陽極室と陰極を備えた陰極室との間に配置して本体部１０４が構成されている。被処理水１０５は、脱塩室１０１内に充填されたイオン交換体の層を通過し、上記陽極と陰極との間に電圧が印加され、上記両イオン交換膜を介して被処理水の流れに対して直角方向に直流電流が作用されることにより、両イオン交換膜の外側に配置された濃縮室１０２ａ、１０２ｂ中を流れる濃縮水中に被処理水中の不純物イオンが電気的に排除されながら、処理水１０６として脱イオン水が製造される。
【０００４】
電気式脱イオン水製造装置の本体部１０４の形態としては、平板積層型、スパイラル型あるいは同心円型などのものが挙げられる。
【０００５】
平板積層型の電気式イオン水製造装置は、カチオン交換膜１０７とアニオン交換膜１０８の間にイオン交換体を配置して形成した脱塩室１０１を、イオンが排除される部屋となる濃縮室１０２ａ、１０２ｂを介して複数隣接し、その両端に陰極室１０３ａと陽極室１０３ｂを配した構造である。図７は脱塩室１０１が一つの場合の平板積層型を例示している。
【０００６】
このような平板積層型の電気式脱イオン水製造装置は、各室に印加される電流の値が均一となる利点はあるものの、脱塩室、濃縮室、電極室を隣接して配置し、ボルトの締め付け等により各室を押さえ付けるため、その締め付けが弱いと各室間に隙間が生じ、通水時に水漏れが生じる可能性がある。一般的に、水漏れを防止するために、平板積層型電気式脱イオン水製造装置では本体部１０４の各室の配列方向の両端外側に頑丈な固定板１０９を配置し、固定板１０９同士をボルト１１１で連結し、ボルト１１１を使って強力に本体部１０４の締め付けを行っている。
【０００７】
さらに、脱塩室１０１、濃縮室１０２ａ、１０２ｂ、電極室１０３ａ、１０３ｂなどの各室の間には通常、ガスケット１１０が挟んであり、これにより。各室接合部の隙間を密封し、水漏れを防止している。ガスケットとしては一般的にゴムシート、ゴムOリングが用いられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００７−２６８３３１号公報
【特許文献２】特許３８００５７１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述した平板積層型の電気式脱イオン水製造装置に高温（４０℃以上）の被処理水を通水する場合、常温状態からの温度上昇によって本体部が熱膨張する。しかし、上記固定板やボルトが金属製で上記各室がプラスチック製である場合、一般的にプラスチックは金属よりも線膨張率が高いので、固定板に挟まれた本体部は各室の配列方向に膨張することができず、各室の配列方向とは垂直の方向に膨張し、変形する。この状態で温度が常温に戻ると各室は収縮するが、変形した部分は完全には戻らず、各室の配列方向は収縮するため、各室間に隙間が生じ、その隙間から水漏れが発生する。
【００１０】
また、本体部の材料組成も均一ではないので、各室の膨張による変形でも隙間が生じる可能性もある。
【００１１】
このような状況は、例えば温水を処理する脱塩装置で発生する虞がある。特に原子力発電所は水漏れを許さないので、現状の装置の使用は認められない。
【００１２】
本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的の一つは、平板積層型の電気式脱イオン水製造装置について、温度環境が変化する状況でも隙間を生じず、水漏れを発生させないことにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の一態様は、少なくとも２つのイオン交換膜で画成される室にイオン交換体を充填した脱塩室と、脱塩室の一側のイオン交換膜の１つを介して隣接して配置された第１の濃縮室と、脱塩室の他側のもう１つのイオン交換膜を介して隣接して配置された第２の濃縮室と、第１の濃縮室と第２の濃縮室の外側にそれぞれ設けられた一対の電極室とを有する電気式脱イオン水製造装置に係わる。
【００１４】
この態様において本発明は、上記脱塩室、濃縮室および電極室を有してなる本体部と、
本体部を挟むように設けられた一対の固定板と、
弾性体と、を備え、
上記固定板と弾性体により、本体部に脱塩室、濃縮室および電極室の配列方向の圧縮応力が作用するように、弾性体が配置されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、電気式脱イオン水製造装置において、高温の被処理水を通水した場合や、高温環境下で使用した場合など、温度環境が変化する状況で発生する各室の膨張・収縮に弾性体が追従するため、各室間に隙間が生じず、水漏れを発生させないようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態に係る電気式脱イオン水製造装置の基本構成を模式的断面で示した図。
【図２】図１に示した本体部、弾性体、ストッパーおよび固定板を組み立てた外観を示した図。
【図３】図１に示した本体部、弾性体、ストッパーおよび固定板を組み立てる様子を示した図。
【図４】図１に示した積層体の、装置の温度変化での熱収縮に圧縮コイルばねが追従する様子を示した図。
【図５】図１に示した弾性体とストッパーの配置例を示した図。
【図６】図１に示した装置の変形態様を示した模式的断面図。
【図７】電気式脱イオン水製造装置の従来構造を示す模式的断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【００１８】
図１は、本発明の一実施形態に係る電気式脱イオン水製造装置の基本構成を示している。
【００１９】
図１において、一側のカチオン交換膜１と他側のアニオン交換膜２で画成される室にイオン交換体（例えば、イオン交換樹脂、モノリス状有機多孔質イオン交換体、イオン交換繊維等）が充填されて、脱塩室４が構成される。脱塩室４は、被処理水３を脱塩処理して脱イオン水を製造する。ここで、脱塩室４は少なくとも２つのイオン交換膜で画成されていればよく、図１では、脱塩室４の一側がカチオン交換膜１、他側がアニオン交換膜２で画成されているが、例えば、両側ともカチオン交換膜（又はアニオン交換膜）でもよい。また、脱塩室４内に他のイオン交換膜を備え、脱塩室４を分割していてもよい。
【００２０】
脱塩室４の一側にはイオン交換膜の１つ（本例ではカチオン交換膜１）を介して第１の濃縮室５ａが設けられており、また、脱塩室４の他側には別のイオン交換膜（本例ではアニオン交換膜２）を介して第２の濃縮室５ｂが設けられている。
【００２１】
濃縮室５ａ、５ｂそれぞれの外側には、一対の電極室６ａ、６ｂ（本例では電極室６ａが陰極室、電極室６ｂが陽極室）が配置されている。濃縮室５ａと電極室６ａの間並びに濃縮室５ｂと電極室６ｂの間もイオン交換膜（カチオン交換膜１又はアニオン交換膜２）が備えられている。また、電極室６ａ、６ｂには、それぞれ一対の電極板（本例では電極室６ａに陰極板、電極室６ｂに陽極板）が備えられており、電極室６ａ、６ｂの外側は側壁１１で閉じられている。一対の電極板間に電圧を印加し、イオン交換膜を介して被処理水３の流れに対して直角方向に直流電流が作用することにより、濃縮室５ａ、５ｂ中を流れる濃縮水（不図示）中に被処理水３中の不純物イオンが電気的に排除されながら、処理水１２として脱イオン水が製造される。
【００２２】
図１では、一つの脱塩室４の両側に濃縮室５ａ、５ｂが設けられた形態が示されているが、脱塩室４と濃縮室５ａ、５ｂは、複数組配置することが可能である。
【００２３】
図２、図３に示されるように、脱塩室４、濃縮室５ａ、５ｂ、および電極室６ａ、６ｂは、それぞれが開口部１４ａを有した枠体１４で構成される。脱塩室４は、この開口部１４ａにイオン交換体１３が充填されている。枠体１４の材質は、装置の軽量化や加工のしやすさ等の観点からＡＢＳ樹脂が好ましい。
【００２４】
これらの各室をそれぞれの開口部１４ａが合わせられ、イオン交換膜１５を介して一列に隣接するように配置して積層体２０（本体部とも呼ぶ）を構成する。積層体２０の外側には、一対の固定板９ａ、９ｂが配置されている。固定板９ａ、９ｂは、図２、図３に示すように、積層体２０を挟むようにその両側に配置され、ナット１６およびボルト１９で位置固定されている。ボルト１９は、積層体２０の外側を通るようにして固定板９ａ、９ｂを位置固定しても良いし、図３で示すように各室の枠体１４に設けられたボルト穴１４ｂを貫通して固定板９ａ、９ｂを位置固定しても良い。固定板９ａ、９ｂの材質は、枠体１４よりも強度が高く、線膨張率が小さいものが好ましく、例えば、ＳＳ製やＳＵＳ製が好ましい。
【００２５】
そして、積層体２０と一方の固定板９ｂとの間に弾性体７が配置されている。このように弾性体７を配置する場合は、圧縮コイルばねが好適に用いられる。圧縮コイルばねは、弾性力を設定しやすい上、積層体２０を固定板９ｂで押さえつける際のボルト１９に通すことができ、固定も容易である。なお、弾性体７の種類は、固定板９ａ、９ｂと弾性体７により積層体２０を構成する枠体１４が押さえつけられるような応力が作用するように、即ち、積層体２０に圧縮応力が作用するように選択されていればよく、両側の固定板９ａ、９ｂを引張コイルばねで繋ぐように配置してもよい。
【００２６】
さらに、脱塩室４、濃縮室５ａ、５ｂ、電極室６ａ、６ｂ等の各室の間には、図２、図３に示すようにガスケット１０が挟んである。このようにガスケット１０を設置した状態で積層体２０を固定板９ａ、９ｂと弾性体７で締め付けることによって、隣接した各室間に密封性を付与し、脱イオン水製造装置からの水漏れを防止している。ガスケット１０としてはゴムシートまたはゴムOリングが用いられる。
【００２７】
上記した電気式脱イオン水製造装置の構成によれば、固定板９ａ、９ｂと弾性体７により積層体２０を押さえつけるように応力が作用するため、脱イオン水製造での通水時又は停止時に装置の温度変動が生じる場合であっても各室間に隙間が発生することがなく、水漏れが発生しない。
【００２８】
こうした水漏れ防止効果を奏するための弾性体７について、圧縮コイルばねを例にして、さらに具体的に述べる。
【００２９】
固定板９ｂと積層体２０の端部との間で弾性体（以下、「圧縮コイルばね」と言う場合がある）７は、固定板９ａ、９ｂの位置固定により自然長（外力が働いていない状態での圧縮コイルばねの長さ）から縮められた状態で配置される（図２参照）。装置が４０℃以上の高温に曝されると、各室自体の温度が上がり、各室の枠体は膨張する。ここで、積層体２０と固定板９ｂとの間には圧縮コイルばね７を備えているため、その弾性力により積層体２０は各室の配列方向には膨張せず、各室間は密接したままの状態を保つ。その後、装置の温度が常温に戻ると各枠体１４は収縮し、圧縮コイルばねが備えられていない場合は、その収縮によって各室間に隙間が生じる。例えば、枠体１４がＡＢＳ樹脂製の場合、積層体２０の長さが５００ｍｍで、かつ装置組立時（常温時）との温度差が５０℃の状態で使用すると、ＡＢＳ樹脂の線膨張率はおよそ１０×１０-5（１／K）であるので、積層体２０は約２．５ｍｍ縮み、これにより隙間が生じて水漏れが発生する。しかし本発明では、各室の配列方向については圧縮コイルばねの弾性力により、各室間は密着した状態を保持する。したがって、各室間には隙間は生じず、水漏れも発生しない。また、装置を通過する被処理水の温度の高低により各室の配列方向とは垂直の方向に枠体１４が膨張して変形した場合においても、各室の密接部分は、圧縮コイルばね７の弾性力により隙間が生じない。なお、各室の膨張・収縮が装置の使用環境の温度変化による場合でも同様である。図４の（ａ）〜（ｂ）には上記のような装置の温度変化での積層体２０の熱収縮に圧縮コイルばね７が追従する様子を示した。
【００３０】
圧縮コイルばね７の配置については、図５で示すように、各室の内壁面（すなわち枠体の開口部１４ａの開口縁辺）を固定板９ｂに投影した線１７に沿うように、その線上に、又は、その線１７よりも外側で、かつ各室の外壁面（すなわち枠体１４の外周側面）を固定板９ｂに投影した線１８よりも内側に複数個配置するのが好ましい。これにより、各室の枠体１４の一部が膨張・収縮する場合でも、それに対応するばねの弾性力により隙間の発生を防止することができる。なお、圧縮コイルばね７を所定の位置に配置するために、圧縮コイルばね７の内径より小さいピン（ストッパー８）を固定板９ｂに設けることが好ましい。これにより、圧縮コイルばね７の内側をピンに通すように圧縮コイルばね７を容易に設置することができる。このピンは、後述するようにストッパー８としても機能する。
【００３１】
また、積層体２０、圧縮コイルばね７、固定板９ａ、９ｂを組み立てる際には、圧縮コイルばね７のたわみ量を、積層体２０の線膨張率と積層体２０の各室の配列方向の長さと温度変化の積で表わされる変位以上に縮めるのが好ましい。即ち、積層体２０が固定板９ａ、９ｂおよびボルト１９等で固定されていない場合に、積層体２０が温度変化で各室の配列方向に膨張・収縮する際の以下の（１）式で示される変位量以上に圧縮コイルばねを縮める。
【００３２】
ａ＝α×ΔＴ×Ｌ0 （１）
ａ：ΔＴだけ温度変化した場合の積層体２０の、各室（すなわち、脱塩室４、濃縮室５ａ、５ｂ、および電極室６ａ、６ｂ）の配列方向の変位
α：積層体２０の線膨張率
Ｌ0：積層体２０の、各室の配列方向の長さ
ΔＴ：温度変化量の絶対値
ここで「たわみ量」とは、弾性体に荷重、モーメントなどを加えたときに発生する変位又は回転角をいう。特に弾性体７が圧縮コイルばねの場合は、ばね両端の相対変位（伸縮量）をいう（JIS B0103）。
また、脱塩室４、濃縮室５ａ、５ｂ、電極室６ａ、６ｂの間にそれぞれガスケット１０が備えられている場合は、積層体２０が温度変化で各室の配列方向に膨張・収縮する際の以下の（２）式で示される変位量以上に圧縮コイルばねを縮める。
【００３３】
ｂ＝α×ΔＴ×Ｌ0＋Ｐ／ｋ （２）
ｂ：ΔＴだけ温度変化した場合の積層体２０の、各室（すなわち、脱塩室４、濃縮室５ａ、５ｂ、および電極室６ａ、６ｂ）の配列方向の変位量
α：積層体２０の線膨張率
Ｌ0：装置組立時における積層体２０の、各室の配列方向の配列方向の長さ
ΔＴ：温度変化量の絶対値
P：装置組立時においてガスケット１０を潰したときに発生する反発力
ｋ：圧縮コイルばね７のばね定数
圧縮コイルばね７が積層体２０を押す力は、積層体２０の内部から固定板９ｂの方向へ発生する力よりも強い力である必要がある。積層体２０内部で発生する力は、１）脱塩室４、濃縮室５ａ、５ｂおよび電極室６ａ、６ｂの通水時の水圧による力、２）Oリング等のガスケット１０を潰したときに発生する反発力、などが挙げられる。圧縮コイルばね７が積層体２０を押す力が積層体２０内部で発生する力より小さければ、圧縮コイルばね７が装置組立時よりも縮むことで各室間に隙間が生じて装置外部への水漏れが起きる可能性がある。
【００３４】
そのため、圧縮コイルばね７を上記の条件の収縮量にすることで、装置の密封性を保ちつつ、積層体２０の上記熱収縮による縮み幅に追従することができる。
【００３５】
ここで、ばね定数とは、ばねに単位変位量（たわみ又はたわみ角）を与えるのに必要な力又はモーメントをいう（JIS B0103）。
また、積層体２０の各室に水を通したとき、その水圧によって積層体２０内部で発生する力が圧縮コイルばね７により積層体２０を押さえ込む力を上回る場合、圧縮コイルばね７が装置組立時よりもさらに縮んで各室間に隙間が発生してしまう。そこで、圧縮コイルばね７が装置組立時よりも縮まないようにストッパー８（図３参照）を設けるのが好ましい。これにより圧縮コイルばね７が必要以上に縮むことを防ぐことができるため、圧縮コイルばね７の弾性力による積層体２０への過度な負荷を低減できる。ストッパー８は圧縮コイルばね７を必要以上に縮めないものであれば特に限定されないが、圧縮コイルばね７の配置位置（例えば図５に示した配置位置）に設けることが可能な、圧縮コイルばね７の内径より小さい金属製のピンであることが好ましい。これにより、圧縮コイルばね７の内側をピンに通すように圧縮コイルばね７を設置することができるため、上記ストッパーとしての機能の他、圧縮コイルばね７の取り付けや固定を容易にすることができる。また、ストッパー８は、装置組立時の圧縮コイルばね７の収縮量と同じ長さになるように設置するのが好ましい。これにより、装置組立時に必要以上にボルトを締め付けることがなくなり、枠体への応力過多を防止できる。
【００３６】
なお、ストッパー８は一方の固定板９ｂに固設されているが、電極室６ｂの側壁１１に固設されていてもよい。
【００３７】
また、圧縮コイルばね７が積層体２０に接していると、圧縮コイルばね７の作用により、その接触部分に応力集中が起こるため、枠体の破損が発生するおそれがある。そこで、図６に示すように積層体２０と圧縮コイルばね７との間に平板２１を設置してもよい。これにより、平板２１の全面で積層体２０を押さえつけることができるため、積層体２０への荷重が一点に集中しにくくなる。
【００３８】
その他の変形としては、圧縮コイルばねの弾性体７およびストッパー８が積層体２０の片側のみに配置されているが、積層体２０の左右両側に配置されていてもよい。
【００３９】
「実施例」
次に、実施例を挙げて上記電気式脱イオン水製造装置を更に具体的に説明するが、これは一例であって、本発明は下記の実施例に限定されない。
【００４０】
アンモニアを含む被処理水を混床脱塩セルで脱塩処理する際、下記の装置仕様および運転条件で図１に示した構成の電気式脱イオン水製造装置を使用した。この装置を２０℃の室内で組立てた。このような装置を使用し、アンモニウムイオン２０mg/L、ナトリウムイオン１mg/L、塩化物イオン１mg/L、硫酸イオン１mg/Lの被処理水から脱イオン水を製造した。５５℃で１０００時間連続運転を行い、純水を通水して洗浄してから運転を停止した。結果、装置の温度は常温（２０℃）になったが、水漏れは発生しなかった。
【００４１】
（装置仕様）
上記の評価を得るために、以下の仕様の電気式脱イオン水製造装置（構造は図１乃至図２に示した装置）を使用する。
【００４２】
脱塩室４；幅３００mm、高さ４００mm、厚さ８mm
濃縮室５ａ、５ｂ；幅３００mm、高さ４００mm、厚さ８mm
電極室６ａ、６ｂ：幅３００mm、高さ４００mm、厚さ８mm
脱塩室４と濃縮室５ａ、５ｂと電極室６ａ、６ｂからなる積層体２０の厚さ；４８０mm
脱塩室４、濃縮室５ａ、５ｂ、および電極室６ａ、６ｂをそれぞれ構成する枠体１４の材質；ABS樹脂
脱塩室４に充填したイオン交換樹脂；アニオン交換樹脂（Ａ）とカチオン交換樹脂（Ｋ）の混合イオン交換樹脂（混合比は体積比でＡ：Ｋ＝１：１）
脱イオン水製造装置全体の流量；１９２０Ｌ／ｈ
循環タンク１３；液相部容量１００Ｌ
通水温度；５５℃
入口圧；０．１ＭＰａ
（弾性体７の仕様）
上記の評価を得る弾性体７として以下の仕様および設置状態の圧縮コイルばねを使用した。
【００４３】
ばね材質；SWP−B（JIS B0103）
ばね線径（mm）；５．５
ばね外径（mm）；３２
ばねの自由高さ（mm）；１００
ばね定数（N/mm/本）；５９．９
ばねの使用本数（本）；３０
装置組立時のばねの縮み幅（mm）；１５
ばねが積層体２０を押す力（N）；２７０００（＝５９．９×１５×３０）
（ガスケット１０の仕様）
さらに、積層体２０を構成する各室間に挟んであるガスケット１０として、デュロメーター硬さ（JIS K6253）７０、全長２２６０mm、太さ３．５３mmのOリングを用いた。各室間の封止を確実にするためにガスケット１０を潰した状態で使用する。このとき、Oリングの潰し率がJIS 2406(1991)にて推奨される２５％になるようにOリング単位長さあたりの潰し力を３．４N/mmとし、Oリングを潰したときの反発力は７７００Nであった。
【００４４】
（積層体２０内部に発生する力）
積層体２０に通水し、その水圧によって積層体２０内部で発生する力は４０００Nであった。よって、運転休止中の積層体２０内部に発生する力はOリングの反発力のみの７７００Nであるが、運転中の積層体２０内部に発生する力は１１７００N（＝４０００+７７００）であった。
【００４５】
（弾性体７として使用された圧縮コイルばねの効果）
上記した運転の停止後、圧縮コイルばね７の縮み幅は装置組立時の１５mmから１３mmになっていた。圧縮コイルばね７の縮み量が１３mmのときの、圧縮コイルばね７が積層体２０を押す力は２３４００N（＝５９．９×１３×３０）であり、運転休止中の積層体２０内部で発生する力７７００Nよりも大きい。積層体２０は５５℃の運転状態から２０℃の常温状態になったことで各室の配列方向に２mm（（１０×１０-5[１／ｋ]）×４８０[mm]×（５５−２０）[℃]＝１．６８mm≒２mm）縮んで各室間に隙間が発生するおそれがあるが、その隙間をばねが追従できたので水漏れは発生しなかった。また、運転休止中の積層体２０内部で発生する力７７００Nをばね定数５９．９N/mmで割った値（≒４．３mm）と積層体２０の縮み幅２mmの和は６．３mmとなり、圧縮コイルばね７の組立時の縮み幅１５mmの方が大きい。このため、装置の密封性を保ちつつ、積層体２０の熱収縮による縮み幅に追従することができた。
【００４６】
（ストッパー８の効果）
次に本実施例の電気式脱イオン水製造装置の排水口を閉め切った状態で、被処理水により入口圧０．７５MPａを付与した。このとき、ばねの撓み量は１５ｍｍであり、水漏れは発生しなかった。この場合水圧によって発生する力は３００００Ｎであったので積層体２０内部で発生する力は３７７００Ｎ（＝３００００＋７７００）となり、積層体２０内部で発生する力は装置組立時の圧縮コイルばね７が積層体２０を押す力２７０００Ｎを上回っている。しかし、ストッパー８が電極室６ｂの側壁１１に触れストッパー８の反作用による力が働いたため、圧縮コイルばね７が組立時の縮み量１５mm以上に縮むことは無かった。
【００４７】
「比較例」
アンモニアを含む被処理水を混床脱塩セルで脱塩処理する際、図１乃至図２に示したような弾性体７およびストッパー８等が装備されていない構成の電気式脱イオン水製造装置（図７参照）を下記の装置仕様および運転条件で使用し、アンモニウムイオン２０mg／L、ナトリウムイオン１mg／L、塩化物イオン１mg／L、硫酸１mg／Lの被処理水から脱イオン水を製造した。５５℃で１０００時間連続運転を行い、純水を通水して洗浄してから運転を停止した。結果、運転停止後、装置の温度は常温（２０℃）になり、積層体２０の各室間の隙間から水漏れが発生した。
【００４８】
比較例の装置仕様は以下のとおりとした。
【００４９】
脱塩室１０１；幅３００mm、高さ４００mm、厚さ８mm
濃縮室１０２ａ、１０２ｂ；幅３００mm、高さ４００mm、厚さ８mm
電極室１０３ａ、１０３ｂ：幅３００mm、高さ４００mm、厚さ８mm
脱塩室１０１、濃縮室１０２ａ、１０２ｂ、および電極室１０３ａ、１０３ｂからなる積層体２０の厚さ；４８０mm
脱塩室１０１、濃縮室１０２ａ、１０２ｂ、および電極室１０３ａ、１０３ｂを構成する部材の材質；ABS樹脂
脱塩室１０１に充填したイオン交換樹脂；アニオン交換樹脂（Ａ）とカチオン交換樹脂（Ｋ）の混合イオン交換樹脂（混合比は体積比でＡ：Ｋ＝１：１）
脱イオン水製造装置全体の流量；１９２０Ｌ／ｈ
循環タンク；液相部容量１００Ｌ
通水温度；５５℃
入口圧；０．１ＭＰａ
（産業上の利用可能性）
本発明に係る電気式脱イオン水製造装置によれば、高温で運転した後、常温に戻したときに発生する各室の収縮にばねが追従するため、水漏れの発生しない電気式脱イオン水製造装置を得ることができる。特に水漏れが許されない原子力発電所のような施設で電気式脱イオン水製造装置の使用を可能にすることができる。
【符号の説明】
【００５０】
１ カチオン交換膜
２ アニオン交換膜
３ 被処理水
４ 脱塩室
５ａ、５ｂ 濃縮室
６ａ 電極室（陰極室）
６ｂ 電極室（陽極室）
７ 弾性体（圧縮コイルばね）
８ ストッパー
９ａ、９ｂ 固定板
１０ ガスケット
１１ 側壁
１２ 処理水
１３ イオン交換体
１４ 枠体
１４ａ 開口部
１４ｂ ボルト穴
１５ イオン交換膜（カチオン交換膜１またはアニオン交換膜２）
１６ ナット
１７ 各室の内壁面を固定板に投影した線
１８ 各室の外壁面を固定板に投影した線
１９ ボルト
２０ 積層体（本体部）
２１ 平板
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２つのイオン交換膜で画成される室にイオン交換体を充填した脱塩室と、前記脱塩室の一側の前記イオン交換膜の１つを介して隣接して配置された第１の濃縮室と、前記脱塩室の他側の前記他のイオン交換膜を介して隣接して配置された第２の濃縮室と、前記第１の濃縮室と第２の濃縮室の外側にそれぞれ設けられた一対の電極室と、を有してなる本体部と、
前記本体部を挟むように設けられた一対の固定板と、
弾性体と、を備え、
前記固定板と弾性体により、前記本体部に前記脱塩室、濃縮室および電極室の配列方向の圧縮応力が作用するように、前記弾性体が配置されていることを特徴とする、電気式脱イオン水製造装置。
【請求項２】
前記弾性体は、前記一対の固定板の少なくとも一方と前記本体部との間に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の電気式脱イオン水製造装置。
【請求項３】
前記弾性体が圧縮コイルばねであることを特徴とする、請求項１又は２に記載の電気式脱イオン水製造装置。
【請求項４】
温度変化量の絶対値をΔＴ、
ΔＴだけ温度変化した場合の前記本体部の、前記脱塩室、濃縮室および電極室の配列方向の変位量をａ、
前記本体部の線膨張率をα、
装置組立時における前記本体部の、前記脱塩室、濃縮室および電極室の配列方向の長さをＬ0としたとき、
前記弾性体は、次式
ａ＝α×ΔＴ×Ｌ0
で示される変位量ａ以上のたわみ量を与えた状態で配置されていることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電気式脱イオン水製造装置。
【請求項５】
隣接した前記脱塩室と前記濃縮室と前記電極室の間にそれぞれガスケットが設けられており、
温度変化量の絶対値をΔＴ、
ΔＴだけ温度変化した場合の前記本体部の、前記脱塩室、濃縮室および電極室の配列方向の変位量をｂ、
前記本体部の線膨張率をα、
装置組立時における前記本体部の、前記脱塩室、濃縮室および電極室の配列方向の長さをＬ0、
装置組立時においてガスケットを潰したときに発生する反発力をP、
前記弾性体のばね定数をｋとしたとき、
前記弾性体は、次式
ｂ＝α×ΔＴ×Ｌ0＋P／ｋ
で示される変位量ｂ以上のたわみ量を与えた状態で配置されていることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電気式脱イオン水製造装置。
【請求項６】
前記固定板に、前記弾性体が前記たわみ量以上のたわみが生じないようにストッパーが設けられていることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の電気式脱イオン水製造装置。
【請求項７】
前記ストッパーは、前記圧縮コイルばねの内側を通すことを特徴とする、請求項６に記載の電気式脱イオン水製造装置。
【請求項８】
前記ストッパーの長さは、前記圧縮コイルばねの自然長と前記たわみ量の差であることを特徴とする、請求項７に記載の電気式脱イオン水製造装置。
【請求項９】
前記弾性体は、前記脱塩室、濃縮室および電極室の内壁面を前記固定板に投影した線に沿うように、その線上に、又は、その線よりも外側で、かつ前記脱塩室、濃縮室および電極室の外壁面を前記固定板に投影した線よりも内側に複数個配置されていることを特徴とする、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の電気式脱イオン製造装置。
【請求項１０】
前記弾性体と前記本体部との間に平板を備えたことを特徴とする、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の電気式脱イオン水製造装置。
【請求項１】
少なくとも２つのイオン交換膜で画成される室にイオン交換体を充填した脱塩室と、前記脱塩室の一側の前記イオン交換膜の１つを介して隣接して配置された第１の濃縮室と、前記脱塩室の他側の前記他のイオン交換膜を介して隣接して配置された第２の濃縮室と、前記第１の濃縮室と第２の濃縮室の外側にそれぞれ設けられた一対の電極室と、を有してなる本体部と、
前記本体部を挟むように設けられた一対の固定板と、
弾性体と、を備え、
前記固定板と弾性体により、前記本体部に前記脱塩室、濃縮室および電極室の配列方向の圧縮応力が作用するように、前記弾性体が配置されていることを特徴とする、電気式脱イオン水製造装置。
【請求項２】
前記弾性体は、前記一対の固定板の少なくとも一方と前記本体部との間に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の電気式脱イオン水製造装置。
【請求項３】
前記弾性体が圧縮コイルばねであることを特徴とする、請求項１又は２に記載の電気式脱イオン水製造装置。
【請求項４】
温度変化量の絶対値をΔＴ、
ΔＴだけ温度変化した場合の前記本体部の、前記脱塩室、濃縮室および電極室の配列方向の変位量をａ、
前記本体部の線膨張率をα、
装置組立時における前記本体部の、前記脱塩室、濃縮室および電極室の配列方向の長さをＬ0としたとき、
前記弾性体は、次式
ａ＝α×ΔＴ×Ｌ0
で示される変位量ａ以上のたわみ量を与えた状態で配置されていることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電気式脱イオン水製造装置。
【請求項５】
隣接した前記脱塩室と前記濃縮室と前記電極室の間にそれぞれガスケットが設けられており、
温度変化量の絶対値をΔＴ、
ΔＴだけ温度変化した場合の前記本体部の、前記脱塩室、濃縮室および電極室の配列方向の変位量をｂ、
前記本体部の線膨張率をα、
装置組立時における前記本体部の、前記脱塩室、濃縮室および電極室の配列方向の長さをＬ0、
装置組立時においてガスケットを潰したときに発生する反発力をP、
前記弾性体のばね定数をｋとしたとき、
前記弾性体は、次式
ｂ＝α×ΔＴ×Ｌ0＋P／ｋ
で示される変位量ｂ以上のたわみ量を与えた状態で配置されていることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電気式脱イオン水製造装置。
【請求項６】
前記固定板に、前記弾性体が前記たわみ量以上のたわみが生じないようにストッパーが設けられていることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の電気式脱イオン水製造装置。
【請求項７】
前記ストッパーは、前記圧縮コイルばねの内側を通すことを特徴とする、請求項６に記載の電気式脱イオン水製造装置。
【請求項８】
前記ストッパーの長さは、前記圧縮コイルばねの自然長と前記たわみ量の差であることを特徴とする、請求項７に記載の電気式脱イオン水製造装置。
【請求項９】
前記弾性体は、前記脱塩室、濃縮室および電極室の内壁面を前記固定板に投影した線に沿うように、その線上に、又は、その線よりも外側で、かつ前記脱塩室、濃縮室および電極室の外壁面を前記固定板に投影した線よりも内側に複数個配置されていることを特徴とする、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の電気式脱イオン製造装置。
【請求項１０】
前記弾性体と前記本体部との間に平板を備えたことを特徴とする、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の電気式脱イオン水製造装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−６１３８８（Ｐ２０１２−６１３８８Ａ）
【公開日】平成２４年３月２９日（２０１２．３．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２０５７６７（Ｐ２０１０−２０５７６７）
【出願日】平成２２年９月１４日（２０１０．９．１４）
【出願人】（０００００４４００）オルガノ株式会社 (606)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月２９日（２０１２．３．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月１４日（２０１０．９．１４）
【出願人】（０００００４４００）オルガノ株式会社 (606)
【Ｆターム（参考）】
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