垫圈、包括该垫圈的装置以及方法与流程

本发明涉及垫圈、包括所述垫圈的装置和使用它们的方法。更具体地但不排他地，本发明涉及用于电极结构（诸如用于氯碱过程和燃料电池中的模块化双极和压滤机电解槽）中的垫圈。本发明的垫圈可用于其他应用，例如热交换器、特别是板框式热交换器。

背景技术：

us6761808描述了电极组件。虽然这些组件是有效的，但在使用多年后垫圈容易变得效率低并且必须被更换。为了更换垫圈，必须关停装置，结果导致生产损耗。此外，更换垫圈会导致比必要更早地整修其他部件，诸如隔膜或者电极涂层。本发明试图提供具有提高的使用寿命的垫圈，从而允许装置在整修之前运行更长时间。本发明还试图提供用于整修现有装置的手段，以允许其比之前预期的运行更长时间。

技术实现要素：

根据本发明，提供一种垫圈，其包括弹性材料的闭合环，该环具有内周边和外周边，该垫圈在第一位置处具有第一厚度，该第一位置距离外周边在垫圈宽度的0%和30%之间，该垫圈在第二位置处具有第二厚度，该第二位置在距第一位置至少垫圈宽度的50%的点处测量，并且该垫圈在第三位置处具有第三厚度，该第三位置在第一和第二位置中间并且距每个位置至少垫圈宽度的10%，第一厚度大于第三厚度，第三厚度大于第二厚度，

并且其中：

a所述垫圈的厚度经由一个或多个锥形截面从第一厚度减小到第三厚度且之后减小到第二厚度，所述锥形截面沿朝向内周边的方向线性渐缩到减小厚度；或者

b所述垫圈的厚度经由沿朝向内周边的方向突变成减小厚度的一个或多个台阶从第一厚度减小到第三厚度，并且之后经由沿朝向内周边的方向突变成减小厚度的一个或多个台阶从第三厚度减小到第二厚度；或者

c所述垫圈的厚度经由如上所定义的一个或多个台阶和一个或多个锥形截面的组合从第一厚度减小到第三厚度且之后减小到第二厚度。

本发明涉及垫圈。垫圈包括弹性材料的闭合环，并且具有内周边和外周边。闭合环能够是适用于预期用途的任意形状。对于在电解槽中使用，大体矩形构造是典型的。垫圈由弹性材料制成，诸如橡胶（例如epdm），但不排除使用其他弹性材料。当使用橡胶时，通常弹性材料将具有大约35至95的硬度（irhdiso48），例如35、45、55、65、75、85或者95。典型的硬度范围是60至90，诸如65至85，如根据irhdiso48：（英国版本2010）针对irhd值35-85的方法n和针对irhd值85-95的方法h所测量的。两种方法的样品大小是8-10毫米厚且其他尺寸大于或等于25毫米。

但是在电极组件中，橡胶可被溶液或逸出气体腐蚀和劣化。因此，内周边可具有耐腐蚀材料衬里。通常，耐腐蚀材料是含氟聚合物，诸如ptfe或者fep（氟化乙丙烯）。许多含氟聚合物通过挤出被加工。但为了使其可挤出，将其他材料与聚合物混合以辅助加工。含混合材料的被挤出的含氟聚合物不完全耐电池内容物并且将随时间劣化。当使用切片（skived）含氟聚合物时，获得更好的结果。切片是从块体切割薄层的过程。通过切片，能够使用还没有被挤出且因此不需要存在加工辅助的含氟聚合物。当使用切片含氟聚合物时，获得更好的耐用性。

本发明的垫圈在第一位置处具有第一厚度，该第一位置距离外周边在垫圈宽度的0%和30%之间。在实施例中，第一厚度在垫圈的外周边处。在实施例中，垫圈具有螺栓孔并且第一厚度在螺栓孔和垫圈的外周边中间。

第二厚度在第二位置处，该第二位置在距第一位置至少垫圈宽度的50%的点处测量。优选地第二位置在距内周边垫圈宽度的0%和30%之间的点处。

第三厚度在第三位置处，该第三位置在第一和第二位置中间且距每个位置至少垫圈宽度的10%。优选地第三位置在距外周边垫圈宽度的40%和60%之间的点处。

第一厚度通常比第二厚度大0.1至3.0毫米，诸如比第二厚度大0.1至2.0毫米，且更优选地比第二厚度大0.5至1.0毫米。

第一厚度通常在1至10.0毫米的范围内，优选地在2.0至7.0毫米的范围内。

第三厚度优选地比第二厚度大至少0.2毫米并且比第一厚度薄至少0.2毫米。例如，第三厚度可比第二厚度大0.2至0.5毫米并且比第一厚度薄0.2至0.5毫米。第三厚度可等于第一和第二厚度的平均值加或减差值的30%，并且特别是加或减差值的10%。

在根据本发明的垫圈中，第一厚度大于第三厚度，第三厚度大于第二厚度。能够通过如权利要求所限定且如下文进一步讨论的一个或多个锥形和/或一个或多个台阶来获得所述减小。

大体而言，当被置于水平表面上时，垫圈可以被上和下表面限定在内和外周边的上和下部分之间。为了方便描述本发明，即使当垫圈不处于水平取向时，垫圈的表面仍将基于其被放置在水平表面上时的取向并且基于锥形和/或台阶和肋（当存在时，如下文进一步讨论的）的位置被称为“上”和“下”表面，如下所述：

1)如果垫圈仅在一个表面上具有锥形和/或台阶，则其是上表面，而不管任何肋的存在和位置。

2)如果垫圈在两个表面上具有锥形和/或台阶，但仅在一个表面上具有一个或多个肋，则具有所述一个或多个肋的表面应该被看作上表面，并且

3)如果垫圈在两个表面上具有锥形和/或台阶，并且在两个表面上具有一个或多个肋，则根据本发明，任一表面都能够被看作是上表面。

为避免疑惑，我们仅为了阐明垫圈特征的空间关系的目的如上所述地定义“上”和“下”表面。但这不限制本发明的垫圈在使用时的取向。在使用时，垫圈可例如水平安装，但可同样地安装成偏离水平，诸如竖直地，并且锥形和/或台阶和任何肋可以根据所用垫圈的类型在处于任何这样的取向的垫圈的任一侧或两侧上。

下表面可以是基本平坦的（水平的）（当如上所述那样被放置在水平表面上时），并且所需的厚度减小由在上表面上的锥形和/或台阶获得。这是优选的。但是，从上文也可以显而易见到，台阶和/或锥形也能够存在于同一垫圈的上和下表面二者上。

在一个选项中，垫圈的厚度经由一个或多个锥形截面从第一厚度减小到第三厚度且之后减小到第二厚度，所述锥形截面沿朝向内周边的方向线性渐缩到减小厚度。如本文所用的“线性渐缩的锥形截面”意味着垫圈的厚度从较厚截面线性变化成较薄截面的截面。锥形截面的锥形可由厚度的变化率或锥形的“梯度”定义，如本文所用的，变化率或“梯度”应该垂直于水平平面来测量，当垫圈被置于水平表面上时该水平平面从内周边到外周边延伸通过垫圈。

从第一厚度到第二厚度（经由第三厚度）可存在单个锥形，或者可存在具有不同锥形的两个或多个锥形截面，诸如从第一厚度到第三厚度的第一锥形和从第三厚度到第二厚度的第二锥形。

优选地所述一个或多个锥形截面出现在第一和第二位置之间的至少50%的距离上，更优选地在至少75%的距离上。

最优选地，锥形是从朝向外周边的相对厚的横截面到朝向内周边的相对薄的截面的连续锥形，并且具体地覆盖从外周边到内周边的75%的距离。

在第一和第二位置之间的平均锥形梯度相对于从内周边延伸通过垫圈到外周边的水平平面是大体1:10至1:200，优选地1:20至1:200，诸如1:50至1:150。

但更优选地，在第一和第二位置之间由垫圈的上和下表面形成的横截面是等腰、直角或不规则梯形的形状。这种示例在图3中被示出并且在下文被进一步描述。

最优选地，下表面可以是基本平坦的（水平的）（当如上所述那样被放置在水平表面上时），并且厚度的减小由在是上表面的表面上的锥形获得。则在第一和第二位置之间由垫圈的上和下表面形成的横截面是直角梯形的形状。

在替代性方案中，垫圈的厚度经由沿朝向内周边的方向突变成减小厚度的一个或多个台阶从第一厚度减小到第三厚度，并且之后经由沿朝向内周边的方向突变成减小厚度的一个或多个台阶从第三厚度减小到第二厚度。如本文所用，“台阶”指的是呈现台阶任一侧上梯度的至少两倍的厚度变化的截面。优选地，在台阶前后，垫圈的厚度是恒定的（没有梯度）或者以小于1:50的梯度变化，但是在台阶期间以至少1:2的梯度变化。

替代性地，垫圈的厚度可经由如上所定义的一个或多个台阶截面和一个或多个锥形截面的组合从第一厚度减小到第三厚度且之后减小到第二厚度。例如，垫圈可经由一个或多个锥形截面从第一厚度减小到第三厚度，并且经由一个或多个台阶从第三厚度减小到第二厚度。

如上所述，本发明的垫圈可具有至少一个肋。本发明的垫圈优选地具有直立在垫圈的上表面上且位于第三位置和内周边中间的至少一个肋。所述至少一个肋大体平行于垫圈的内周边延伸。实施例能够具有直立在垫圈的上表面上且位于第二位置和内周边中间的至少一个肋。在实施例中至少一个肋可被设置在垫圈的上和下表面中的每个上。

在优选实施例中，至少一个肋在第二位置和内周边上的衬里中间位于上表面上。一个或多个肋大体平行于垫圈的内周边延伸。通常提供1至20更优选地1至10进一步优选地2至6个肋。肋通常直立在垫圈上0.2至2.0毫米。

在一个实施例中，在垫圈的上表面上设置2至5个肋，该肋立在垫圈的上表面之上0.5至1.0毫米。在这些实施例中，第一厚度优选地是3.0至5.0毫米并且优选地比第二厚度大0.5至1mm。

在本发明的另一实施例中，在垫圈的上表面上设置3至6个肋，该肋立在垫圈的上表面之上0.3至0.7毫米。第一厚度是4.0至7.0毫米并且优选地比第二厚度大0.1毫米至2.0毫米。

在使用时，一个或多个肋抵接相邻部件并且限定蜿蜒路径，这降低了通过密封件泄漏溶液的可能性。它们还提供施加的密封压力的局部增加。

根据本发明，还提供电极组件，其包括在阳极与阴极中间的膜片或隔膜、和在膜片或隔膜与阳极及阴极中间的垫圈，其中至少一个垫圈是本发明的垫圈。

根据本发明，还提供整修电极组件中的电极的方法，该电极组件包括阳极与阴极中间的膜片或隔膜、和在该膜片与该阳极及阴极中间的垫圈，该方法包括

i)拆卸该电极组件，

ii)使用本发明的垫圈更换垫圈，以及

iii)重新组装该电极组件。

在本发明的又一方面，提供用于在模块化双极或压滤机电解槽中电解碱金属氯化物的过程，该电解槽包括一个或多个电极组件，该电极组件包括本发明的垫圈。

根据本发明，也还提供本发明的垫圈在电极组件中的用途，并且具体地用于减少电极组件的停机时间。

附图说明

将参考附图借助非限制性示例描述本发明的实施例，附图中：

图1是根据现有技术的垫圈的拐角的局部正视图，

图2是图1的垫圈的横截面，

图3是本发明的第一实施例的横截面，

图4是本发明的第二实施例的横截面，并且

图5是本发明的第三实施例的横截面。

具体实施方式

虽然如上所述本发明具有广泛应用，但是为了方便将参考氯碱电极进行讨论。

参考图1和图2，现有技术垫圈包括大体矩形构造的闭合环，其具有内周边1、外周边2、一系列螺栓孔3和单个台阶4。垫圈具有在垫圈的内周边处的衬里5。

孔3被设置成对齐电极部件的凸缘中的孔以便允许装置被螺栓连接在一起。在另一些实施例中，例如在压滤机电解槽中，可不必须设置孔，因为部件借助由凸缘螺栓之外的机构施加的纵向力接合在一起。示例包括借助支柱或压力机或系杆按压在一起的电解槽端板。

图1和图2所示的垫圈具有台阶结构，其中垫圈的外部厚于内部。台阶穿过垫圈中的孔。这种构造的问题是进入垫圈一部分的溶液可能被引导到别处。

本发明提供了一种垫圈，其在第一位置处具有第一厚度，该第一位置距离外周边在垫圈宽度的0%和30%之间，该垫圈在第二位置处具有第二厚度，该第二位置在距第一位置至少垫圈宽度的50%的点处测量，并且该垫圈在第三位置处具有第三厚度，该第三位置在第一和第二位置中间并且距每个位置至少垫圈宽度的10%，第一厚度大于第三厚度，第三厚度大于第二厚度。

能够实现该结构的一种方式是通过提供锥形，其中垫圈从朝向外周边的相对厚的横截面渐缩到朝向内周边的相对薄的横截面。这样的构造被示于图3，其中附图标记1-5对应于图1和图2中的相同部件。如从图3能够看出的，锥形能够从外周边2延伸通过螺栓孔3（当存在时）并且接近垫圈的内周边处的衬里5的边缘。上表面具有一系列直立肋6，其大体平行于垫圈的内周边1延伸并且在图3中示出其中三个。

在图3中还标记出上表面7、下表面8、第一位置（a）、第二位置（b）和第三位置（c）。

在第一和第二位置之间由垫圈的上和下表面形成的横截面限定直角梯形，如虚线形状所示。

还在图3中示出了等腰和不规则梯形。当下表面也相对于水平面渐缩时可获得这样的横截面。

图4是进一步优选的实施例。在该情况下，锥形延伸垫圈的整个宽度，包括衬里截面。

图5中示出了本发明的垫圈的另一构造。在该情况下，能够通过随着朝向垫圈的外周边移动设置多个台阶9、10来实现厚度减小。在该实施例中优选的是螺栓孔不穿过台阶。

虽然我们不希望被理论界定，但应该想到，靠近垫圈的外周边存在相对厚的部分平衡了凸缘旋转，而这种旋转会降低垫圈内周边处的压缩密封能力。

凸缘旋转可由凸缘上的差动力引起。

引起差动力的一个原因可以是由于凸缘在其内周边处更尺寸稳定，在该内周边处凸缘连结用作增强支板的盘壁并由该盘壁支撑。

另一原因可产生于当垫圈的内周边受到耐化学腐蚀材料（诸如含氟聚合物）层的保护时，所述耐化学腐蚀材料比垫圈材料的剩余部分相对更不易压缩。

引起凸缘上的差动力的第三个原因可以是不能施加用于沿凸缘的中心线将凸缘和垫圈组件压缩在一起的力，从而导致压缩力优先地被施加到垫圈外周边处的较窄的材料边沿。当例如由于螺栓拧紧的进入问题而螺栓孔的中心线不能被设计成对齐于凸缘的中心线时，这可发生在螺栓连接的凸缘中。在非螺栓连接的凸缘中，当凸缘上的夹具或用于在凸缘之间和从端部支柱传递压缩载荷的杆或其他介质由于进入问题导致不能够对齐于凸缘的中心线时，这可发生。

本发明的垫圈抵消了由上述所有三个原因引起的凸缘旋转的负面影响并且增加了在垫圈内周边上的密封压力。这种改进的密封通过消除溶液穿过垫圈的轨迹而带来有益的使用寿命，否则溶液穿过垫圈将导致泄漏或其他潜在的破坏性影响，诸如由于垫圈和凸缘之间的积液导致的保护层后方的加速的垫圈损坏或者凸缘的隙间腐蚀。

因此该结构有助于针对所有垫圈/凸缘组件在垫圈内周边处产生抗溶液密封，而无论垫圈/凸缘组件是被螺栓压缩、还是非螺栓连接并被夹具或支柱压缩。

改进的密封和使用寿命益处通过本发明的垫圈轮廓来获得，而无论该轮廓是通过使用一个或多个锥形来实现、通过使用一系列台阶来实现、还是通过使用锥形和台阶的组合来实现。当本发明的具有该轮廓的垫圈如下时可实现更大益处：

i)在内周边处具有耐化学腐蚀保护层，诸如含氟聚合物，

ii）具有如本文描述的一个或多个肋，和/或

iii）在本发明的轮廓包括台阶和螺栓孔的情况下，通过确保台阶不与螺栓孔相交，从而避免溶液通向螺栓孔的潜在路径。

上述每个均能够提供如已经描述的附加优点。特别优选的是在内周边处提供诸如含氟聚合物的耐化学腐蚀保护层。与其他选项中的一个或两个（当针对第三选项存在台阶和螺栓孔时）一起提供诸如含氟聚合物的耐化学腐蚀保护层提供了最大益处。

现有技术的垫圈通常具有在3.5和4年之间的使用寿命。本发明的垫圈已经测试了48个月而没有失效并且目前仍被加载。因此典型寿命被看作显著大于4年。

测试示例：

根据本发明的垫圈

提供具有图4示意性呈现的横截面类型的垫圈。垫圈是矩形“相框”的形式，其适于安装在bichlor^tm氯碱电解槽中并且由epdm橡胶制造且在内周边上具有切片ptfe带保护部。垫圈容纳以10厘米间距围绕垫圈的21毫米直径的螺栓孔，并且螺栓孔中心位于距外周边垫圈宽度的40%并距内周边垫圈宽度的60%的位置。为了有助于将螺栓压力传递到内周边以便辅助密封，垫圈被制造成具有不规则梯形的横截面，其中垫圈的底表面相对于内和外周边以直角延伸，并且垫圈的顶表面从外周边渐缩到内周边，其中在外周边处的厚度厚于在内周边处的厚度，并且顶表面相对于底表面的倾斜梯度是1/67。此外，垫圈在顶表面中具有平行于内周边延伸的4个肋。肋具有等于在内周边处的垫圈厚度的19%的高度，并且间隔开1.9毫米，其中最内侧肋位于距内周边垫圈宽度的24%的位置，并且最外侧肋位于距内周边垫圈宽度的36%的位置。这些垫圈在随后的示例中被命名为‘类型a’。

比较垫圈

提供具有图2示意性呈现的横截面类型的垫圈。这种第二类型的垫圈的样品，即‘类型b’，也是矩形“相框”的形式，其适于安装在bichlor^tm氯碱电解槽中，由与‘类型a’垫圈化学和机械相同的epdm橡胶制造，且在内周边上具有相同的切片ptfe带保护部。内和外周边之间的距离、内周边的厚度、外周边的厚度以及螺栓孔的大小、间距和位置在‘类型b’和‘类型a’垫圈中均是相同的。但是，‘类型b’垫圈没有平行于内周边延伸的肋并且不具有锥形。而是，‘类型b’垫圈的顶表面平行于底表面，并且两个表面位于垂直于内和外周边延伸的平面中。在该情况下，为了有助于将螺栓压力传递到内周边以便辅助密封，通过在垫圈的顶表面中提供与内和外周边平行延伸的单个台阶来实现外周边和内周边之间的高度差，其中该台阶位于距外周边垫圈宽度的40%且距垫圈的内周边垫圈宽度的60%处。

示例1

14对‘类型a’的垫圈被构建在使用旭化成公司供应的aciplex6801隔膜的bichlor^tm电解槽中的模块中。电解槽开始运转并且根据经核准的程序以在氢侧上是250mbar规格且在氯侧上是235mbar规格的内部气压运行。模块被周期性地监测微小泄漏的可视证据，诸如围绕螺栓的小硬皮和从模块底部悬出的钟乳石状物。在加载48个月之后，模块显示没有泄露并且继续良好运行。

示例2

69对‘类型a’的垫圈被构建在使用旭化成公司供应的aciplex6801隔膜的bichlor^tm氯碱电解槽中的69个模块中。电解槽开始运转并且根据经核准的程序以在氢侧上是250mbar规格且在氯侧上是235mbar规格的内部气压运行。模块被周期性地监测微小泄漏的可视证据，诸如围绕螺栓的小硬皮和从模块底部悬出的钟乳石状物。在28个月的运行之后，模块没有呈现明显泄露迹象并且继续良好运作。

示例3（比较）

另外69对‘类型b’的垫圈被构建在使用旭化成公司供应的aciplex6801隔膜的bichlor^tm氯碱电解槽中的69个模块中。构建方法与针对上述示例中的‘类型a’模块所用的方法相同。电解槽开始运转并且根据经核准的程序以在氢侧上是250mbar规格且在氯侧上是235mbar规格的内部气压运行。模块被周期性地监测微小泄漏的可视证据，诸如围绕螺栓的小硬皮和从模块底部悬出的钟乳石状物。在10个月的运行之后，没有明显泄露迹象。在加载25个月之后，三个模块呈现出表示低水平泄露的小螺栓硬皮和钟乳石状物，在加载37个月之后，6个模块显示出低水平泄露征兆，并且在加载49个月之后，7个模块显示出低水平泄露征兆。

示例4（比较）

69对‘类型b’的垫圈被构建在使用杜邦公司供应的nafion2030隔膜的bichlor^tm氯碱电解槽中的69个模块中。构建方法与针对上述示例中的‘类型a’模块所用的方法相同。电解槽开始运转并且根据经核准的程序以在氢侧上是250mbar规格且在氯侧上是235mbar规格的内部气压运行。模块被周期性地监测微小泄漏的可视证据，诸如围绕螺栓的小硬皮和从模块底部悬出的钟乳石状物。在9个月的运行之后，模块没有明显泄露迹象。在加载24个月之后，两个模块呈现出表示低水平泄露的小螺栓硬皮和钟乳石状物，在加载36个月之后，3个模块显示出低水平泄露征兆，并且在加载48个月之后，7个模块显示出低水平泄露征兆。

本发明的垫圈可用于新构筑的组件，但也可用于更换现有组件中的垫圈，从而提高性能。