(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１流体と第２流体との間で圧力を交換する圧力交換装置であって、
一端側から第１流体が流入または流出する第１流路と前記一端側から第２流体が流入または流出する第２流路とが連通するように形成された圧力伝達部を、回転軸心周りに配設した回転体と、
第１流体を第１流路に案内する第１流体流入路と、第１流体との間で圧力交換された第２流体を第２流路から案内する第２流体流出路、及び、第２流体を第２流路に案内する第２流体流入路と、第２流体との間で圧力交換された第１流体を第１流路から案内する第１流体流出路とが、厚み方向に形成された第１側方部材と、
前記回転体を第１側方部材との間で保持部材を介して回転可能に挟持する第２側方部材と、
を備えている圧力交換装置。
【請求項２】
前記回転体は、第１及び第２側方部材と各側方部材で挟持された保持部材とで区画される空間に収容されるとともに、第１流路及び第２流路が前記回転体を貫通するように形成され、前記回転体と第１及び第２側方部材との間に各流体が進入する隙間が形成されている請求項１記載の圧力交換装置。
【請求項３】
少なくとも一方の側方部材を押圧して、第１及び第２側方部材の間隔を調整する押圧機構を備えている請求項２記載の圧力交換装置。
【請求項４】
第１及び第２側方部材の外側に各側方部材を前記回転体に向けて押圧する押圧空間を形成し、前記押圧空間に第１流路または第２流路に供給される流体を導く連通孔を第１及び第２側方部材に形成している請求項２または３に記載の圧力交換装置。
【請求項５】
前記第１側方部材は、第１流路に流入する、または、第１流路から流出する第１流体のエネルギーまたは第２流路に流入する、または、第２流路から流出する第２流体のエネルギーにより前記回転体にトルクを付与するトルク付与機構を備えている請求項１から４の何れかに記載の圧力交換装置。
【請求項６】
前記トルク付与機構は、
第１流体流入路のうち前記回転体との対向面側に、前記回転体の周方向に沿って複数の第１流路と連通するように拡径して形成された第１傾斜部と、
第２流体流出路のうち前記回転体との対向面側に、前記回転体の周方向に沿って複数の第２流路と連通するように拡径して形成された第２傾斜部と、を備え、
第１傾斜部の傾斜方向と第２傾斜部の傾斜方向が逆になるように設定されている請求項５記載の圧力交換装置。
【請求項７】
前記回転体に、複数の圧力伝達部が回転軸心周りに放射状に配設されている請求項１から６の何れかに記載の圧力交換装置。
【請求項８】
隣接する複数の圧力伝達部が、前記回転体の回転に伴って、少なくとも１つの第１流体流入路と第２流体流出路、または、１つの第２流体流入路と第１流体流出路と同時に連通する請求項７記載の圧力交換装置。
【請求項９】
前記複数の圧力伝達部のうち、前記回転体の回転に伴って、第１流体流入路と第２流体流出路、及び、第１流体流出路と第２流体流入路の何れにも連通しない圧力伝達部が存在する請求項７または８に記載の圧力交換装置。
【請求項１０】
前記第１側方部材に、複数組の第１流体流入路と第２流体流出路が回転軸心周りに対称に配置されている請求項１から９の何れかに記載の圧力交換装置。
【請求項１１】
第１流路の断面積と第２流路の断面積が等しくなるように形成されている請求項１から１０の何れかに記載の圧力交換装置。
【請求項１２】
前記回転体を外部動力で回転させる駆動軸が前記回転体に連結されている請求項１から１１の何れかに記載の圧力交換装置。
【請求項１３】
前記第１流体流入路に供給される第１流体が逆浸透膜装置から排水される高圧濃縮流体であり、前記第２流体流入路に供給される第２流体が前記逆浸透膜装置に給水される被濃縮流体である請求項１から１２の何れかに記載の圧力交換装置。
【請求項１４】
請求項５または６記載の圧力交換装置の性能調整方法であって、前記トルク付与機構を変更することにより処理流量を調整する圧力交換装置の性能調整方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、第１流体と第２流体との間で圧力を交換する圧力交換装置及び圧力交換装置の性能調整方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
逆浸透膜装置を用いる海水淡水化施設では、逆浸透膜装置から排水される高圧濃縮流体である高圧濃縮海水がもつ余剰圧力を、逆浸透膜装置に給水される被濃縮流体である低圧海水の昇圧に利用する圧力交換装置が設けられている。
【０００３】
図１２に示すように、特許文献１には、管状の圧力伝達部が回転軸心周りに複数本配設されたロータ８０を備えた圧力交換装置が記載されている。
【０００４】
該圧力交換装置は、ロータ８０の回転に伴って、高圧入口側ポート８２へ供給される高圧濃縮海水と低圧入口側ポート８１へ供給される低圧海水とを圧力伝達部で接触させて、高圧濃縮海水の圧力によって昇圧した低圧海水を、高圧出口側ポート８３から高圧海水として排水し、低圧入口側ポート８１へ供給される低圧海水によって前記圧力を伝達し終えた低圧濃縮海水を低圧出口側ポート８４から排水するように構成されている。
【０００５】
図１３に示すように、特許文献２には、一対の回転板９１、９２と当該回転板９１、９２を連接する軸９３とで構成される回転体９０を備えた圧力交換装置が記載されている。
【０００６】
一方の回転板９１には、低圧入口側ポート９５に供給された低圧海水を圧力伝達部９６に案内する流路９１ａと、圧力伝達部９６から排水される高圧海水を高圧出口側ポート９７に案内する流路９１ｂが形成されている。
【０００７】
他方の回転板９２には、高圧入口側ポート９４に供給された高圧濃縮海水を圧力伝達部９６に案内する流路９２ｂと、圧力伝達部９６から排水される低圧濃縮海水を低圧出口側ポート９８に案内する流路９２ａが形成されている。
【０００８】
該圧力交換装置は、回転体９０の回転に伴って、高圧入口側ポート９４へ供給される高圧濃縮海水と、低圧入口側ポート９５へ供給される低圧海水を、管状の圧力伝達部９６内で接触させて、高圧濃縮海水の圧力によって昇圧した低圧海水を高圧出口側ポート９７から高圧海水として排水し、低圧入口側ポート９５へ供給される低圧海水によって前記圧力を伝達し終えた低圧濃縮海水を低圧出口側ポート９８から排水するように構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００９１８０９０３号明細書
【特許文献２】中国特許出願公開第２００７１００５６４０１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
特許文献１に記載された圧力交換装置では、ロータ８０に配設された管状の圧力伝達部の断面積に依存して圧力伝達される処理流量が定まるので、処理流量を増やすためには、圧力伝達部の配設本数を増加させるか、圧力伝達部の一本あたりの断面積を大きくする必要があり、何れの場合であってもロータ８０が大きくなり、それに伴って圧力交換装置が大型になり重量も増大する。
【００１１】
一般的にロータ８０は、軽量化、高剛性、耐摩耗性、低摩擦係数等の条件を満足させるために、セラミックス等の高価な材料で形成されているため、圧力交換装置を大型化するとそれに伴って材料費、製造費が嵩むという問題があった。
【００１２】
さらに、大型のロータ８０を回転させるために要するトルクも増大し、小型のロータ８０を回転させる場合よりも大きなエネルギーが必要になり、効率が低下するという問題もあった。このような理由によって、圧力交換装置１台あたりの処理流量を増加させるのは極めて困難であった。
【００１３】
そのため、大量の海水を淡水化処理する大型の海水淡水化施設には、多数の圧力交換装置が設置されていた。しかし、圧力交換装置の設置台数が増加すると、各圧力交換装置を接続する配管の施工及び管理が煩雑になるという問題があった。
【００１４】
特許文献２に記載された圧力交換装置では、一方の回転板９１に形成された流路９１ｂと他方の回転板９２に形成された流路９２ｂの夫々が、回転体内部で軸心方向に沿った流路に円周方向に形成された流路が連通するように構成されているため、回転板９１、９２に流路を形成するための厚みが必要となる。そのため、回転板９１、９２が大型になり材料費や加工費が嵩むという問題があった。
【００１５】
さらに、回転板９１、９２の大型化によって重量が増すと、回転体９０の回転時に軸部９３に作用するねじりや曲げ応力が大きくなり、その変形や破損を防止するために軸部９３を太くする必要があるばかりでなく、回転のために要するエネルギーが増加し、効率が低下するという問題もあった。
【００１６】
本発明の目的は、処理流量を減らすことなくコンパクト化、低コスト化が可能な圧力交換装置及び圧力交換装置の性能調整方法を提供する点にある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上述の目的を達成するため、本発明による圧力交換装置の第一の特徴構成は、特許請求の範囲の書類の請求項１に記載した通り、第１流体と第２流体との間で圧力を交換する圧力交換装置であって、一端側から第１流体が流入または流出する第１流路と前記一端側から第２流体が流入または流出する第２流路とが連通するように形成された圧力伝達部を、回転軸心周りに配設した回転体と、第１流体を第１流路に案内する第１流体流入路と、第１流体との間で圧力交換された第２流体を第２流路から案内する第２流体流出路、及び、第２流体を第２流路に案内する第２流体流入路と、第２流体との間で圧力交換された第１流体を第１流路から案内する第１流体流出路とが、厚み方向に形成された第１側方部材と、前記回転体を第１側方部材との間で保持部材を介して回転可能に挟持する第２側方部材と、を備えている点にある。
【００１８】
上述の構成によれば、第１側方部材に形成された第１流体流入路を介して装置の外部から第１流路へと案内された第１流体の圧力が、第１流路と連通された第２流路内の第２流体に伝達され、昇圧された第２流体が、第１側方部材に形成された第２流体流出路を介して装置の外部へ排水される。
【００１９】
また、第１側方部材に形成された第２流体流入路を介して装置の外部から第２流路へと案内された第２流体の圧力が、第２流路と連通された第１流路内の第１流体に伝達され、第１流体が、第１側方部材に形成された第１流体流出路を介して装置の外部へ排水される。
【００２０】
このように、第１流路と第２流路と両流路の連通部とで圧力伝達部を構成することにより、回転体の一端側から当該圧力伝達部へ第１流体または第２流体を流入させて、第１流体と第２流体との間で圧力を交換し、当該一端側から第２流体または第１流体を流出させることができるので、特許文献１に記載されたような直管で構成された圧力伝達部と比較して、同じ流量の圧力交換処理を行なう場合に回転体の軸心方向の長さが短くなり、装置のコンパクト化と低コスト化を図ることができ、また、圧力交換処理の流量を増加させる必要がある場合でも、回転体の軸心方向の長さが短くなることで、装置の極端な大型化を回避することができる。
【００２１】
さらに、第１流体流入路及び流出路、第２流体流入路及び流出路が第１側方部材にのみ形成されているため、各流体の流入路または流出路と接続する配管を第１側方部材側に纏めて設置すればよく、従来の装置のように回転体の両端側に夫々流体の流入路または流出路と接続する配管を設置する場合と比較して、配管設置作業やメンテナンス作業等の作業性が良好になる。つまり、配管が第１側方部材側にまとまることで、配管を含めた設置スペースが小さくなる。さらに、配管を外すことなく、配管のない第２側方部材２０ｂ側からメンテナンス可能となり、メンテナンス性が向上する。
【００２２】
同第二の特徴構成は、同請求項２に記載した通り、上述の第一特徴構成に加えて、前記回転体は、第１及び第２側方部材と各側方部材で挟持された保持部材とで区画される空間に収容されるとともに、第１流路及び第２流路が前記回転体を貫通するように形成され、前記回転体と第１及び第２側方部材との間に各流体が進入する隙間が形成されている点にある。
【００２３】
第１側方部材及び第２側方部材と保持部材とで区画される空間内で回転体が回転することにより、第１流路に流入した第１流体から圧力伝達された第２流体が第２流路から流出し、第２流路に流入した第２流体から圧力伝達された第１流体が第１流路から流出する動作が繰り返される。
【００２４】
このとき、第１流路及び第２流路が回転体を貫通するように形成されているので、回転体の端面と第２側方部材との間に形成された隙間に第１または第２流体が進入して、当該流体によって回転体を第１側方部材に向けて押圧する力が働く。また、第１側方部材に形成された第１流体流入路から流入する第１流体、または、第２流体流入路から流入する第２流体が、回転体の端面と第１側方部材との間に形成された隙間に侵入して、当該流体によって回転体を第２側方部材に向けて押圧する力が働く。
【００２５】
両側からほぼ等しい力で押圧される回転体は、第１側方部材及び第２側方部材の間で一方向に片寄ることなくバランスするため、第１側方部材または第２側方部材の何れか一方と常時摺動しながら回転するようなことがなく、円滑に回転できるようになる。その結果、第１側方部材及び第２側方部材の磨耗が低減できるので、高価な耐磨耗性材料を用いなくとも耐久性を向上させることができる。
【００２６】
さらに、回転体は、両側からほぼ等しい力で押圧されるため、第１及び第２側方部材と回転体との回転抵抗が低減する。そのため、処理流量を稼ぐために回転体を大径に形成し、圧力伝達部を構成する第１及び第２流路の断面積を大きくした場合でも、回転体を回転駆動するために要するエネルギーの損失が低く抑えられるようになる。
【００２７】
尚、回転体と第１及び第２側方部材との間に形成される隙間は、狭すぎると大きな摺動抵抗が発生し、広すぎると流体の漏れ量が多くなり圧力の交換効率が低下するため、好ましくは１〜１００μｍ程度に設定される。
【００２８】
同第三の特徴構成は、同請求項３に記載した通り、上述の第二特徴構成に加えて、少なくとも一方の側方部材を押圧して、第１及び第２側方部材の間隔を調整する押圧機構を備えている点にある。
【００２９】
上述の構成によれば、仮に各側方部材と回転体の端面が磨耗して隙間が大きくなり、流体が漏れて圧力の交換効率の低下を招くような場合であっても、押圧機構により第１及び第２側方部材の間隔が調整できるようになるので、部品交換等の規模の大きな分解を伴なうメンテナンスを行なわずに長期間安定して稼動させることができるようになる。
【００３０】
同第四の特徴構成は、同請求項４に記載した通り、上述の第二または第三特徴構成に加えて、第１及び第２側方部材の外側に各側方部材を前記回転体に向けて押圧する押圧空間を形成し、前記押圧空間に第１流路または第２流路に供給される流体を導く連通孔を第１及び第２側方部材に形成している点にある。
【００３１】
第１及び第２側方部材に形成された連通孔を介して各押圧空間に導かれた流体によって、第１及び第２側方部材には外側から内側に向けて押圧力が作用する。各押圧空間に導かれた流体の圧力は、回転体と第１及び第２側方部材との間に形成された隙間に進入する流体の圧力とほぼ等しく、第１及び第２側方部材の夫々の両面に付与される押圧力がバランスするため、回転体に貫通形成された第１または第２流路に流れる流体の圧力によって第１及び第２側方部材が回転軸芯方向に歪むような事態が回避される。そのため、運転中に回転体と側方部材との間の隙間は広がることなく所定の隙間を保持し、さらに回転体が、第１側方部材及び第２側方部材と摺動することなく円滑に回転できるようになる。
【００３２】
同第五の特徴構成は、同請求項５に記載した通り、上述の第一から第四の何れかの特徴構成に加えて、前記第１側方部材は、第１流路に流入する、または、第１流路から流出する第１流体のエネルギーまたは第２流路に流入する、または、第２流路から流出する第２流体のエネルギーにより前記回転体にトルクを付与するトルク付与機構を備えている点にある。
【００３３】
上述の構成によれば、第１流路に流入する、または、第１流路から流出する第１流体のエネルギーまたは第２流路に流入する、または、第２流路から流出する第２流体のエネルギーが、トルク付与機構によって、回転体を回転させるためのトルクに変換されるので、外部動力がなくても回転体を回転させることができるようになる。そして、回転体の回転に伴って、圧力伝達部への第１流体の流入と流出、第２流体の流出と流入が切り替えられるので、別途の流路の切替機構が不要となる。
【００３４】
尚、第１流路に流入する、または、第１流路から流出する第１流体と第２流路に流入する、または、第２流路から流出する第２流体のうち、回転軸心から径方向に大きく離隔した流路に流入、または、回転軸心から径方向に大きく離隔した流路から流出する流体のエネルギーを利用するほうが、同じエネルギーで大きなトルクを発生させることができるのでエネルギー効率がよい。
【００３５】
同第六の特徴構成は、同請求項６に記載した通り、上述の第五特徴構成に加えて、前記トルク付与機構は、第１流体流入路のうち前記回転体との対向面側に、前記回転体の周方向に沿って複数の第１流路と連通するように拡径して形成された第１傾斜部と、第２流体流出路のうち前記回転体との対向面側に、前記回転体の周方向に沿って複数の第２流路と連通するように拡径して形成された第２傾斜部と、を備え、第１傾斜部の傾斜方向と第２傾斜部の傾斜方向が逆になるように設定されている点にある。
【００３６】
第１傾斜部は、第１流体流入路のうち前記回転体との対向面側に、前記回転体の周方向に沿って複数の第１流路と連通するように拡径して形成されているので、第１流体は第１流体流入路から第１傾斜部を経て複数の第１流路に分散して流入することになる。
【００３７】
このとき、第１傾斜部に沿って流れる第１流体は前記回転体の周方向に沿って流れ、第１流路の壁面へ圧力を付与する、つまり、前記回転体を回転させるトルクを付与することになる。
【００３８】
第２傾斜部は、第２流体流出路のうち前記回転体との対向面側に、前記回転体の周方向に沿って複数の第２流路と連通するように拡径して形成されているので、複数の第２流路を流れる第２流体が合流して第２傾斜部を経て第２流体流出路に流出することになる。
【００３９】
このときに、第２傾斜部に沿って第２流体流出路に流れる第２流体は、第２流路から第２流体流出路に流れる水の通水断面積を広くする向きに第２流路の壁面へ圧力を付与する、つまり、回転体に周方向のトルクを付与することになる。
【００４０】
第１傾斜部の傾斜方向と第２傾斜部の傾斜方向が逆になるように設定されているので、第１流体が第１流体流入路から第１流路に流入するときのエネルギーにより回転体に付与されるトルクと、第２流体が第２流路から第２流体出路へと流出するときのエネルギーにより回転体に付与されるトルクが同じ向きになる。
【００４１】
つまり、回転体に流入する第１流体と回転体から流出する第２流体のエネルギーにより回転体を回転させるトルクを発生させるので、何れか一方のエネルギーのみにより回転体を回転させる場合より、大きなトルクを付与することができる。
【００４２】
同第七の特徴構成は、同請求項７に記載した通り、上述の第一から第六の何れかの特徴構成に加えて、前記回転体に、複数の圧力伝達部が回転軸心周りに放射状に配設されている点にある。
【００４３】
上述の構成によれば、圧力伝達部は回転軸心周りに放射状に複数配設されているので、流路の総断面積が多くなり、圧力交換装置の処理流量を増加させることができる。
【００４４】
同第八の特徴構成は、同請求項８に記載した通り、上述の第七特徴構成に加えて、隣接する複数の圧力伝達部が、前記回転体の回転に伴って、少なくとも１つの第１流体流入路と第２流体流出路、または、１つの第２流体流入路と第１流体流出路と同時に連通する点にある。
【００４５】
上述の構成によれば、隣接する複数の圧力伝達部が、回転体の回転に伴って、少なくとも１つの第１流体流入路と第２流体流出路、または、１つの第２流体流入路と第１流体流出路と同時に連通することで、回転体の回転に伴う第１流体または第２流体の流量変動を低減し、流体の脈動、装置の脈動等の悪影響を防止することができる。
【００４６】
同第九の特徴構成は、同請求項９に記載した通り、上述の第七または第八の特徴構成に加えて、前記複数の圧力伝達部のうち、前記回転体の回転に伴って、第１流体流入路と第２流体流出路、及び、第１流体流出路と第２流体流入路の何れにも連通しない圧力伝達部が存在する点にある。
【００４７】
上述の構成によれば、前記複数の圧力伝達部のうち、前記回転体の回転に伴って、第１流体流入路と第２流体流出路、及び、第１流体流出路と第２流体流入路の何れにも連通しない圧力伝達部では、第１流体及び第２流体の流入、流出を一旦停止させることができるので、第１流路及び第２流路内の流体の流れの方向の切り替えを円滑にすることができる。また、高圧の流体が通る「第１流体流入路と第２流体流出路」と低圧の流体が通る「第１流体流出路と第２流体流入路」との距離を大きくすることができるため流体の漏れ量が減るので圧力伝達の効率を高めることができる。
【００４８】
同第十の特徴構成は、同請求項１０に記載した通り、上述の第一から第九の何れかの構成に加えて、前記第１側方部材に、複数組の第１流体流入路と第２流体流出路が回転軸心周りに対称に配置されている点にある。
【００４９】
上述の構成によれば、１回転あたりの回転体への流体の流入及び流出が複数回になる。そのため１回の流入、流出での流体の移動量が小さくなり、流路長さを短くすることができるので、回転体をコンパクト化することができる。また、第１側方部材に、複数組の第１流体流入路と第２流体流出路が回転軸心周りに対称に配置されているので、トルク付与機構を回転軸心周りに対称に配置することができるので、回転体にバランスよくトルクを付与することができ、回転体が傾くことなく円滑に回転させることができる。
【００５０】
同第十一の特徴構成は、同請求項１１に記載した通り、上述の第一から第十の何れかの特徴構成に加えて、第１流路の断面積と第２流路の断面積が等しくなるように形成されている点にある。
【００５１】
上述の構成によれば、第１流路の断面積と第２流路の断面積が等しくなるように形成されているので、流体が第１流路と第２流路を通流するときの圧力損失が低減され、効率の良い圧力伝達が可能となる。
【００５２】
同第十二の特徴構成は、同請求項１２に記載した通り、上述の第一から第十一の何れかの構成に加えて、前記回転体を外部動力で回転させる駆動軸が前記回転体に連結されている点にある。
【００５３】
上述の構成によれば、流体の流れが不安定である等の何らかの要因により回転体の回転が安定しないような場合でも、駆動軸に連結された駆動機等の外部動力で回転体を回転させることにより、安定した圧力交換処理が可能となる。
【００５４】
同第十三の特徴構成は、同請求項１３に記載した通り、上述の第一から第十二の何れかの構成に加えて、前記第１流体流入路に供給される第１流体が逆浸透膜装置から排水される高圧濃縮流体であり、前記第２流体流入路に供給される第２流体が前記逆浸透膜装置に給水される被濃縮流体である点にある。
【００５５】
上述の構成によれば、逆浸透膜装置から排水される高圧濃縮流体の圧力により逆浸透膜装置に供給される被濃縮流体を昇圧することができるので、逆浸透膜装置からの高圧濃縮流体の余剰圧力を捨てることなく有効なエネルギーとして利用することができる。
【００５６】
本発明による圧力交換装置の性能調整方法の特徴構成は、特許請求の範囲の書類の請求項１４に記載した通り、上述の第五または第六の特徴構成を備えた圧力交換装置の性能調整方法であって、前記トルク付与機構を変更することにより処理流量を調整する点にある。
【００５７】
第１傾斜部及び第２傾斜部の形状が変わると、回転体に加わるトルクが変わるので回転体の回転数が変わる。つまり、回転体の回転数は、第１傾斜部及び第２傾斜部の形状に依存する。よって、第１傾斜部及び第２傾斜部の形状を変更するだけで、処理流量にあわせて回転体の回転数を変更できるため、圧力交換装置の処理流量を容易に調整できる。
【発明の効果】
【００５８】
以上説明した通り、本発明によれば、処理流量を減らすことなくコンパクト化、低コスト化が可能な圧力交換装置及び圧力交換装置の性能調整方法を提供することができるようになった。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】海水淡水化施設の概略フロー図
【図２】圧力交換装置を説明する断面図
【図３】回転体の説明図であって、（ａ）は正面図、（ｂ）は正面図のＡ―Ａ線断面図、（ｃ）は背面図
【図４】第１側方部材の説明図であって（ａ）は正面図、（ｂ）は正面図のＢ―Ｂ線断面図、（ｃ）は背面図
【図５】第１側方部材に形成された各流入路及び流出路と回転体の各流路の説明図であって、（ａ）は図４（ａ）に示す第１流体流入路のＣ−Ｃ線断面図と、該第１流体流入路に連通する第１流路の説明図、（ｂ）は図４（ａ）に示す第２流体流出路のＤ−Ｄ線断面図と、該第２流体流出路に連通する第２流路の説明図、（ｃ）は図４（ａ）に示す第１流体流出路のＦ−Ｆ線断面図と、該第１流体流出路に連通する第１流路の説明図、（ｄ）は図４（ａ）に示す第２流体流入路のＥ−Ｅ線断面図と、該第２流体流入路に連通する第２流路の説明図
【図６】回転体に形成された各流路と第１側方部材に形成された各流入路及び各流出路の位置を示す説明図
【図７】圧力交換装置の説明図であって（ａ）は正面図、（ｂ）は背面図
【図８】別実施形態による圧力交換装置の説明図
【図９】（ａ）は別実施形態による圧力交換装置の説明図、（ｂ）は要部説明図
【図１０】別実施形態による圧力交換装置の説明図
【図１１】別実施形態による圧力交換装置の説明図
【図１２】従来の圧力交換装置の説明図
【図１３】従来の圧力交換装置の説明図
【発明を実施するための形態】
【００６０】
以下に、本発明による圧力交換装置及び圧力交換装置の性能調整方法の好ましい実施形態を説明する。
【００６１】
図１に示すように、海水淡水化施設は、海水中の夾雑物を取り除く前処理部１と、前処理部１で前処理された海水を貯留するろ過海水槽２と、ろ過海水槽２に貯留された海水を保安フィルターに供給する供給ポンプ３と、逆浸透膜装置６の詰まりを防止するため海水中の微細な異物を除去する保安フィルター４と、保安フィルター４を通過した海水を昇圧する高圧ポンプ５と、昇圧された海水が供給される逆浸透膜装置６を備えている。逆浸透膜装置６によって海水中の各種塩類が除去され、飲料用水や工業用水等として利用できるように淡水化される。
【００６２】
逆浸透膜装置６は、浸透膜の一方側の海水に圧力をかけることにより、逆浸透膜の他方側に海水中の各種塩類が除去された淡水を染み出させる装置であり、ろ過するためには、海水を浸透圧以上の所定の圧力にする必要がある。
【００６３】
逆浸透膜装置６は、供給された海水のすべてを淡水化できるものではない。例えば、逆浸透膜装置６に供給される海水のうち４０％は淡水化されて排水されるが、残りの６０％は淡水化されずに非常に圧力の高い高圧濃縮海水として排水される。
【００６４】
そこで、逆浸透膜装置６から排水される高圧濃縮海水のもつ余剰圧力を有効なエネルギーとして回収して利用する圧力交換装置１０を備えている。
【００６５】
ろ過海水槽２から逆浸透膜装置６に供給される海水のうち、４０％は高圧ポンプ５で浸透圧以上の所定の圧力、例えば、６．９ＭＰａまで昇圧される。逆浸透膜装置６に供給される残りの６０％の海水（以下、「低圧海水」と記す）は、圧力交換装置１０が逆浸透膜装置６から排水される高圧濃縮海水から回収した余剰圧力（６．７５ＭＰａ）と、ブースターポンプ７により６．９ＭＰａまで昇圧される。
【００６６】
つまり、圧力交換装置１０は、逆浸透膜装置６から排水される高圧濃縮海水Ｈｉの圧力により、圧力交換装置１０に供給された低圧海水Ｌｉを昇圧して、高圧海水Ｈｏとしてブースターポンプ７を経由して逆浸透膜装置６に供給し、圧力交換装置１０に供給される低圧海水Ｌｉにより前記圧力が回収された後の低圧濃縮海水Ｌｏを排水する圧力交換処理を行なう。
【００６７】
このように、圧力交換装置１０は、逆浸透膜装置６から排水される高圧濃縮海水Ｈｉの余剰圧力を捨てることなく逆浸透膜装置６に供給される低圧海水Ｌｉの昇圧に利用して、逆浸透膜装置６でのろ過に必要な圧力の一部を補うので、海水淡水化施設全体のエネルギー効率が向上する。
【００６８】
図２に示すように、圧力交換装置１０は、ケーシング１１と、第１側方部材２０ａと、第２側方部材２０ｂと、各側方部材２０ａ、２０ｂとで挟持されたスリーブ１２とで区画される空間に収容され、各側方部材２０ａ、２０ｂの夫々に備えられたブッシュ１３に回転可能に支持される回転体３０と、押圧機構４０を備えている。
【００６９】
ケーシング１１は、樹脂材料、または、二相ステンレス鋼やスーパー二相ステンレス鋼等の金属材料のように、海水に対する耐食性があり、ある程度強度を備えた材料で形成すればよい。ステンレス鋼等の高強度の金属管を樹脂材料やセラミックスで被覆して構成してもよい。これにより、耐食性に劣る安価な材料を利用することができコストダウンが図れる。
【００７０】
回転体３０、各側方部材２０ａ、２０ｂ、スリーブ１２は、アルミナ等のセラミックス、ＦＲＰ、または、二相ステンレス鋼やスーパー二相ステンレス鋼等のように、海水に対する耐食性があり、十分に強度のある材料を用いることができる。また、二相ステンレス鋼やスーパー二相ステンレス鋼を用いた場合には、回転体３０と各側方部材２０ａ、２０ｂとの対向面を窒化処理し、或は、アルミナ等のセラミックを溶射し、肉盛溶接し、或はＨＩＰ処理して摩擦係数を低減する耐磨耗層を形成することが好ましい。
【００７１】
回転体３０の回転軸または回転摺動面は耐摩耗性、低摩擦係数を備えたセラミックス等の高価な材料が要求されるが、ブッシュ１３を回転軸として備えることで高価な材料の使用量を最小限に抑えることにより低コスト化を図ることができる。
【００７２】
図２及び図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、回転体３０には、その一端側の端面３０ａから高圧濃縮海水Ｈｉが流入し、圧力が交換された後の低圧濃縮海水Ｌｏが流出する第１流路３１と、同じく一端側の端面３０ａから低圧海水Ｌｉが流入し、圧力が交換された後の高圧海水Ｈｏが流出する第２流路３２とが、回転体３０の他端側の端面３０ｂ側で連通するように形成された圧力伝達部３３が設けられている。第１流路３１の断面積と第２流路３２の断面積は等しくなるように形成されている。
【００７３】
圧力伝達部３３は、回転軸心周りに放射状に１８組配設され、回転体３０の中心にはブッシュ１３を挿通可能な開口２９が形成されている。本実施形態では、高圧濃縮海水Ｈｉと低圧濃縮海水Ｌｏが第１流体となり、低圧海水Ｌｉと高圧海水Ｈｏが第２流体となる。
【００７４】
図２及び図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、第１側方部材２０ａには、高圧濃縮海水Ｈｉを回転体３０の第１流路３１に案内する第１流体流入路１４ｔ、１４ｂと、高圧濃縮海水Ｈｉとの間で圧力交換された高圧海水Ｈｏを第２流路３２から案内する第２流体流出路１５ｔ、１５ｂと、低圧海水Ｌｉを第２流路３２に案内する第２流体流入路１６ｔ、１６ｂと、低圧海水Ｌｉとの間で圧力交換された低圧濃縮海水Ｌｏを第１流路３１から案内する第１流体流出路１７ｔ、１７ｂとが、その厚み方向に形成されている。
【００７５】
本実施形態では、図４（ａ）に示すように、第１流体流入路１４ｔ及び第２流体流出路１５ｔと、第１流体流入路１４ｂ及び第２流体流出路１５ｂとは、正面視で回転軸心に対して点対称の位置に配置されている。
【００７６】
さらに、これらと９０度位相が回転した位置に、第２流体流入路１６ｔ及び第１流体流出路１７ｔと、第２流体流入路１６ｂ及び第１流体流出路１７ｂとが、正面視で回転軸心に対して点対称の位置に配置されている。
【００７７】
第１側方部材２０ａは、第１流路３１に流入する高圧濃縮海水Ｈｉのエネルギーと第２流路３２から流出する高圧海水Ｈｏのエネルギー、及び、第２流路３２に流入する低圧海水Ｌｉのエネルギーと第１流路３１から流出する低圧濃縮海水Ｌｏのエネルギーにより回転体３０にトルクを付与して回転体３０を回転させるトルク付与機構を備えている。
【００７８】
従って、回転体３０を回転させるための外部動力が不要となり、回転体３０の回転に伴って、第１流体の流入と流出、第２流体の流出と流入が切り替えられるので、別途の流路の切替機構が不要となる。
【００７９】
図４（ｃ）に示すように、トルク付与機構は、第１流体流入路１４ｔ、１４ｂのうち回転体３０との対向面側に、回転体３０の周方向に沿って複数の第１流路３１と連通するように拡径して形成された第１傾斜部としての傾斜面１４ａと、第２流体流出路１５ｔ、１５ｂのうち回転体３０との対向面側に、回転体３０の周方向に沿って複数の第２流路３２と連通するように拡径して形成された第２傾斜部としての傾斜面１５ａと、第２流体流入路１６ｔ、１６ｂのうち回転体３０との対向面側に、回転体３０の周方向に沿って複数の第２流路３２と連通するように拡径して形成された第２傾斜部としての傾斜面１６ａと、第１流体流出路１７ｔ、１７ｂのうち回転体３０との対向面側に、回転体３０の周方向に沿って複数の第１流路３１と連通するように拡径して形成された第１傾斜部としての傾斜面１７ａとで構成されている。
【００８０】
傾斜面１４ａの傾斜方向と傾斜面１５ａの傾斜方向が逆になるように設定され（図５（ａ）、（ｂ）参照）、傾斜面１６ａの傾斜方向と傾斜面１７ａの傾斜方向が逆になるように設定されている（図５（ｃ）、（ｄ）参照）。
【００８１】
傾斜面１４ａは、第１流体流入路１４ｔ、１４ｂのうち回転体３０との対向面側に、回転体３０の周方向に沿って複数の第１流路３１と連通するように拡径して形成されているので、高圧濃縮海水Ｈｉは第１流体流入路１４ｔ、１４ｂから傾斜面１４ａを経て複数の第１流路３１に分散して流入することになる。
【００８２】
このとき、傾斜面１４ａに沿って流れる高圧濃縮海水Ｈｉは回転体３０の周方向に沿って流れ、第１流路３１の壁面へ圧力を付与する、つまり、回転体３０を回転させるトルクを付与することになる。この傾斜面１４ａが、トルク付与機構の１つの例である。
【００８３】
傾斜面１５ａは、第２流体流出路１５ｔ、１５ｂのうち回転体３０との対向面側に、回転体３０の周方向に沿って複数の第２流路３２と連通するように拡径して形成されているので、複数の第２流路３２を流れる高圧海水Ｈｏが合流して傾斜面１５ａを経て第２流体流出路１５ｔ、１５ｂに流出することになる。
【００８４】
このときに、第２傾斜部１５ａに沿って第２流体流出路１５ｔ、１５ｂに流れる高圧海水Ｈｏは、第２流路３２から第２流体流出路１５ｔ、１５ｂに流れる水の通水断面積を広くする向きに第２流路３２の壁面へ圧力を付与する、つまり、回転体３０に周方向のトルクを付与することになる。
【００８５】
傾斜面１４ａの傾斜方向と傾斜面１５ａの傾斜方向が逆になるように設定されているので、高圧濃縮海水Ｈｉが第１流体流入路１４ｔ、１４ｂから第１流路３１に流入するときのエネルギーにより回転体３０に付与されるトルクと、高圧海水Ｈｏが第２流路３２から第２流体出路１５ｔ、１５ｂへと流出するときのエネルギーにより回転体３０に付与されるトルクが同じ向きになる。
【００８６】
つまり、回転体３０に流入する高圧濃縮海水Ｈｉと回転体３０から流出する高圧海水Ｈｏのエネルギーにより回転体３０を回転させるトルクを発生させるので、何れか一方のエネルギーのみにより回転体３０を回転させる場合より、大きなトルクを付与することができる。
【００８７】
同様に、低圧海水Ｌｉが第２流体流入路１６ｔ、１６ｂから第２流路３２に流入するときのエネルギーにより回転体３０に付与されるトルクと、低圧濃縮海水Ｌｏが第１流路３１から第１流体流出路１７ｔ、１７ｂへと流出するときのエネルギーにより回転体３０に付与されるトルクも同じ向きになる。
【００８８】
つまり、回転体３０に流入する低圧海水Ｌｉと回転体３０から流出する低圧濃縮海水Ｌｏのエネルギーによっても回転体３０を回転させるトルクを発生させるので、高圧濃縮海水Ｈｉと高圧海水Ｈｏのエネルギーのみにより回転体３０を回転させる場合より、さらに大きなトルクを付与することができる。
【００８９】
図２に戻り、第１流路３１及び第２流路３２は、回転体３０を貫通するように形成され、回転体３０の両端面３０ａ、３０ｂは同じ形状となっている。第１側方部材２０ａ及び第２側方部材ｂと各側方部材２０ａ、２０ｂで挟持されたスリーブ１２とで区画される空間内で回転体３０が回転しつつ、圧力伝達部で第１流体と第２流体の間で圧力伝達される際に、回転体３０と第１側方部材２０ａ及び第２側方部材２０ｂとの間に形成された隙間には各流体が進入して、所定圧力で回転体３０を両側から押圧するので、回転体３０は前記空間内で軸心方向に片寄ることなくバランスよく配置されることになる。
【００９０】
つまり、回転体３０は各側方部材２０ａ、２０ｂに押し付けられないので回転に対する抵抗が低減されて、円滑に回転することができる。さらに、回転体３０は、各側方部材２０ａ、２０ｂとの磨耗が低減できるので耐久性が向上する。
【００９１】
尚、回転体３０の回転に対する抵抗を低減できると、回転体の直径を大きくしても円滑に回転させやすくなる。回転体の直径を大きくすることで、回転体に形成する流路の断面積を大きくすることができるので、装置の処理性能を向上させることができる。
【００９２】
当該隙間は狭すぎると回転体３０と側方部材２０が摺動して回転に対する抵抗となり、広すぎると各流体の漏れ量が多すぎて圧力の交換効率が低下するため、例えば、１〜１００μｍ程度が好ましい。
【００９３】
押圧機構４０は、当該隙間を調整できるように構成されている。尚、スリーブ１２の第１側方部材２０ａ及び第２側方部材２０ｂとの接触面には円周方向にシール１８が配設され、シール１８によりスリーブ１２の外部に流体が漏れるのが防止される。
【００９４】
押圧機構４０は、スリーブ１２の外周を囲うように配置されたケーシング１１の一端側であって第１側方部材２０側に備えられる受圧部材４１と、ケーシング１１の他端側であって第２側方部材２０ｂに当接して配置される押圧部材４２とを備えている。
【００９５】
図７（ａ）に示すように、受圧部材４１は、厚み方向に通水路４４（４４ｔ、４４ｂ）、４５（４５ｔ、４５ｂ）、４６（４６ｔ、４６ｂ）、４７（４７ｔ、４７ｂ）が形成され、夫々の通水路４４（４４ｔ、４４ｂ）、４５（４５ｔ、４５ｂ）、４６（４６ｔ、４６ｂ）、４７（４７ｔ、４７ｂ）が、第１側方部材２０ａに形成された第１流体流入路１４（１４ｔ、１４ｂ）、第２流体流出路１５（１５ｔ、１５ｂ）、第２流体流入路１６（１６ｔ、１６ｂ）、第１流体流出路１７（１７ｔ、１７ｂ）と夫々連通した状態で、ケーシング１１及び第１側方部材２０ａにボルト４３で螺着されている。
【００９６】
図７（ｂ）に示すように、押圧部材４２は、第２側方部材２０ｂ側に突出して形成された押圧部４２ａを備え、押圧部４２ａの周囲がスペーサ４８を介してケーシング１１にボルト４９で螺着されている。
【００９７】
スペーサを薄く、または、複数枚あるスペーサの一部を抜いてボルト４９を締付けると、押圧部材４２の押圧部４２ａが第２側方部材２０ｂを押圧して、第２側方部材２０ｂが僅かに変形して、回転体３０の両端面３０ａ、３０ｂと各側方部材２０ａ、２０ｂの間に形成される前記隙間が狭くなる。逆に、スペーサを厚くして、または、スペーサの枚数を増やしてボルト４９を締め付けると、スペーサ４８によって、第２側方部材２０ｂは第１側方部材２０から離隔する方向へ移動し、前記間隔が広くなる。
【００９８】
このように、押圧機構４０により第２側方部材２０ｂを押圧して、第１側方部材２０ａ及び第２側方部材２０ｂの間隔を適当な間隔に調整することで、各側方部材２０ａ、２０ｂと回転体３０の端面３０ａ、３０ｂとの各隙間を調整することができる。
【００９９】
また、第２側方部材２０ｂ側のみではなく、第１側方部材２０ａ側にも同様の押圧機構４０を備え、第１側方部材２０ａ側の押圧機構４０により、または、両側の押圧機構４０により各側方部材２０ａ、２０ｂと回転体３０の端面３０ａ、３０ｂとの各隙間を調整するように構成してもよい。
【０１００】
例えば、回転体３０の端面が側方部材と摺動して摩耗し、前記隙間が広くなったとしても、押圧機構４０により少なくとも一方の側方部材を押圧して第１側方部材２０ａ及び第２側方部材２０ｂの間隔を調整することで、前記隙間を適当な間隔にして、前記隙間に進入する流体の量を調整することができるので、圧力の交換効率の低下を防止することができる。さらに、スペーサを弾性部材で構成し、ボルトの締付けを変えることで厚みを調整したり、弾性部材の厚みや弾性力を変えることで、隙間の調整範囲を変えることもできる。
【０１０１】
図５（ａ）〜（ｄ）、及び、図６に基づいて、以上のように構成された圧力交換装置１０の具体的な圧力交換処理の動作について説明する。
【０１０２】
図６に示すように、回転体３０には、１８組の圧力伝達部３３、つまり、第１流路３１ａ〜３１ｒと第２流路３２ａ〜３２ｒが回転軸心周りに放射状に配設されている。図６中の二点鎖線で示す領域は、第１側方部材２０ａの第１流体流入路１４ｔ、１４ｂと、第２流体流出路１５ｔ、１５ｂと、第２流体流入路１６ｔ、１６ｂと、第１流体流出路１７ｔ、１７ｂに対応する領域を表している。
【０１０３】
回転体３０が、図５（ａ）〜（ｄ）、及び、図６に示す位置にあるとき、第１流体流入路１４ｔには、隣接する第１流路３１ｐ、３１ｑ、３１ｒの３本が同時に連通し、第２流体流出路１５ｔには、第１流路３１ｐ、３１ｑ、３１ｒと回転体３０内で連通した第２流路３２ｐ、３２ｑ、３２ｒが同時に連通する。第２流体流入路１６ｔには、隣接する第２流路３２ｂ、３２ｃ、３２ｄの３本が同時に連通し、第１流体流出路１７ｔには、第２流路３２ｂ、３２ｃ、３２ｄと回転体３０内で連通した第１流路３１ｂ、３１ｃ、３１ｄが連通する。
【０１０４】
図５（ａ）に示すように、第１流体流入路１４ｔに流入した高圧濃縮海水Ｈｉは、第１流路３１ｐ、３１ｑ、３１ｒの夫々に高圧濃縮海水Ｈｉ（ｐ）、Ｈｉ（ｑ）、Ｈｉ（ｒ）として流入する。
【０１０５】
高圧濃縮海水Ｈｉ（ｑ）、Ｈｉ（ｒ）は、傾斜面１４ａに沿って流れて第１流体流入路３１ｑ、３１ｒに流入し、このとき、回転体３０には、図５（ａ）中の一点鎖線矢印が示すように右方向の力が作用する。つまり、回転体３０は図６中一点鎖線矢印が示すように時計回りのトルクが付与されることになる。
【０１０６】
図５（ａ）、（ｂ）に示すように、第１流体流入路１４ｔから第１流路３１ｐに流入した高圧濃縮海水Ｈｉ（ｐ）が、第１流路３１ｐと連通した第２流路３２ｐ内の海水に圧力を伝達して、高圧海水Ｈｏ（ｐ）として第２流体流出路１５ｔから流出する。
【０１０７】
第１流体流入路１４ｔから第１流路３１ｑに流入した高圧濃縮海水Ｈｉ（ｑ）が、第１流路３１ｑと連通した第２流路３２ｑ内の海水に圧力を伝達して、高圧海水Ｈｏ（ｑ）として第２流体流出路１５ｔから流出する。
【０１０８】
第１流体流入路１４ｔから第１流路３１ｒに流入した高圧濃縮海水Ｈｉ（ｒ）が、第１流路３１ｒと連通した第２流路３２ｒ内の海水に圧力を伝達して、高圧海水Ｈｏ（ｒ）として第２流体流出路１５ｔから流出する。
【０１０９】
高圧海水Ｈｏ（ｐ）、Ｈｏ（ｑ）、Ｈｏ（ｒ）が第２流体流出路１５ｔから流出するときに、特に、高圧海水Ｈｏ（ｐ）は、傾斜面１５ａに沿って流れることになるため、傾斜面により流れが阻害される。
【０１１０】
これにより回転体３０には、図５（ｂ）中の一点鎖線矢印が示すように、第２流路の内壁を水圧により押すことで右方向の力が作用する。つまり、回転体３０は図６中一点鎖線矢印が示すように時計回りのトルクが付与されることになる。
【０１１１】
図５（ｄ）に示すように、第２流体流入路１６ｔに流入した低圧海水Ｌｉは、第２流路３２ｂ、３２ｃ、３２ｄの夫々に低圧海水Ｌｉ（ｂ）、Ｌｉ（ｃ）、Ｌｉ（ｄ）として流入する。
【０１１２】
特に低圧海水Ｌｉ（ｄ）は、傾斜面１６ａに沿って流れ、第２流体流入路３２ｄに流入する。このとき、回転体３０には、図５（ｄ）中の一点鎖線矢印が示すように右方向の力が作用する。つまり、回転体３０は図６中一点鎖線矢印が示すように時計回りのトルクが付与されることになる。
【０１１３】
図５（ｃ）、図５（ｄ）に示すように、第２流体流入路１６ｔから第２流路３２ｂに流入した低圧海水Ｌｉ（ｂ）が、第２流路３２ｂと連通した第１流路３１ｂ内の海水に圧力を伝達し、低圧濃縮海水Ｌｏ（ｂ）として第１流体流出路１７ｔから流出する。
【０１１４】
第２流体流入路１６ｔから第２流路３２ｃに流入した低圧海水Ｌｉ（ｃ）が、第２流路３２ｃと連通した第１流路３１ｃ内の海水に圧力を伝達し、低圧濃縮海水Ｌｏ（ｃ）として第１流体流出路１７ｔから流出する。
【０１１５】
第２流体流入路１６ｔから第２流路３２ｄに流入した低圧海水Ｌｉ（ｄ）が、第２流路３２ｄと連通した第１流路３１ｄ内の海水に圧力を伝達し、低圧濃縮海水Ｌｏ（ｄ）として第１流体流出路１７ｔから流出する。
【０１１６】
このように、低圧濃縮海水Ｌｏ（ｂ）、Ｌｏ（ｃ）、Ｌｏ（ｄ）が第１流体流出路１７ｔから流出するときに、低圧濃縮海水Ｌｏ（ｂ）、Ｌｏ（ｃ）は、傾斜面１７ａに沿って流れることになるため、傾斜面１７ａにより流れを阻害されることになる。
【０１１７】
これにより回転体３０には、図５（ｃ）中の一点鎖線矢印が示すように、第１流路３１の内壁を水圧により押すことで右方向の力が作用する。つまり、回転体３０は図６中一点鎖線矢印が示すように時計回りのトルクが付与されることになる。
【０１１８】
以上のように、第１流体流入路１４ｔから第１流路３１に流入する高圧濃縮海水Ｈｉが回転体３０に与えるトルクと、第２流路３２から第２流体流出路１５ｔへ流出する低圧海水Ｌｏが回転体３０に与えるトルクと、第２流体流入路１６ｔから第２流路３２に流入する低圧海水Ｌｉが回転体３０に与えるトルクと、第１流路３１から第１流体流出路１７ｔへ流出する低圧濃縮海水Ｌｏが回転体３０に与えるトルクが、同一方向となり、本実施形態では、回転体３０は、図６で見ると時計周りに回転することになる。
【０１１９】
ここでは、第１流体流入路１４ｔから第１流路３１ｐ、３１ｑ、３１ｒに流入する高圧濃縮海水Ｈｉの圧力によって、第２流路３２ｐ、３２ｑ、３２ｒから第２流体流出路１５ｔへ高圧海水Ｈｏが排水され、第２流体流入路１６ｔから第２流路３２ｂ、３２ｃ、３２ｄに流入する低圧海水Ｌｉの圧力によって、第１流路３１ｂ、３１ｃ、３１ｄから第１流体流出路１７ｔへ低圧濃縮海水Ｌｏが排水される場合に説明したが、第１流体流入路１４ｂ、第２流体流出路１５ｂ、第２流体流入路１６ｂ、第１流体流出路１７ｂに夫々連通する第１流路３１ｇ、３１ｈ、３１ｉ、３１ｋ、３１ｌ、３１ｍ、第２流路３２ｇ、３２ｈ、３２ｉ、３２ｋ、３２ｌ、３２ｍでも夫々同様の圧力交換が行われている。
【０１２０】
このように、回転体３０の回転によって、ある圧力伝達部３３を構成する第１流路３１と第２流路３２の組と、夫々連通する第１流体流入路１４と第２流体流出路１５、第２流体流入路１６と第１流体流出路１７とが切り替わり、高圧濃縮海水Ｈｉから高圧海水Ｈｏへの圧力の伝達、及び、低圧海水Ｌｉから低圧濃縮海水Ｌｏへの圧力の伝達が連続的に行われ、つまり、第１流体と第２流体の圧力交換処理が連続的に行われる。
【０１２１】
尚、第１流路３１及び第２流路３２内では、濃縮海水と、海水が混在することになるが、濃度差のある濃縮海水と海水の境界部分はある一定量が常に混ざった領域となり、当該領域は、ピストンのような役目をしながら第１流路３１及び第２流路３２の内部で揺動することになる。
【０１２２】
図６に示すように、第１流体流入路１４、第２流体流出路１５、第２流体流入路１６、第１流体流出路１７の何れにも連通しない第１流路３１ａ、３１ｅ、３１ｆ、３１ｊ、３１ｎ、３１ｏ、及び、第２流路３２ａ、３２ｅ、３２ｆ、３２ｊ、３２ｎ、３２ｏの組では、圧力の交換は行われない。
【０１２３】
本実施形態では、第１流体流入路１４ｔ、第２流体流出路１５ｔ、第２流体流入路１６ｔ、第１流体流出路１７ｔに、夫々流路が同時に３本ずつ連通する場合について説明したが、同時に連通する本数は、これに限らない。尚、同時に連通する本数が少なく、何れにも連通しない本数が多いと、装置から排水される水の脈動が大きくなる。
【０１２４】
回転体３０は、回転体３０に流入する高圧濃縮海水Ｈｉ及び低圧海水Ｌｉ、回転体３０から流出する高圧海水Ｈｏ及び低圧濃縮海水Ｌｏのエネルギーによって回転するように構成されているため、例えば、流入する各流体のエネルギーのみで回転する場合より、大きなトルクを付与することができる。
【０１２５】
傾斜面１４ａ、１５ａ、１６ａ、１７ａの形状が変わると、処理流量、つまり各流路に流入する、及び、各流路から流出する流体の流量が変わり、回転体に加わるトルクが変わるので回転体の回転数が変わる。つまり、回転体３０の回転数は、傾斜面１４ａ、１５ａ、１６ａ、１７ａの形状に依存する。よって、当該形状を変更して、回転体３０の回転数を調整することで圧力交換装置の処理流量を容易に調整できる。例えば、当該形状の異なる第１側方部材を用意しておき、交換することで、容易に処理流量を調整できる。
【０１２６】
上述のように、第１側方部材２０ａに、第１流体流入路１４ｔ、１４ｂ、第１流体流出路１５ｔ、１５ｂ、第２流体流入路１６ｔ、１６ｂ、第２流体流出路１７ｔ、１７ｂが形成され、回転体３０の一端側から圧力伝達部へ第１流体または第２流体を流入させて、回転体３０内で第１流体と第２流体との圧力を交換し、前記一端側から第２流体または第１流体を流出させる構成であるので、同じ流量の圧力交換処理を行なう場合に、従来の圧力交換装置のように直管で構成された圧力伝達部と比較して、同じ流量の圧力交換処理を行なう場合に回転体の軸心方向の長さが短くなり、装置のコンパクト化と低コスト化を図ることができ、また、圧力交換処理の流量を増加させる必要がある場合でも、回転体の軸心方向の長さが短くなることで装置の極端な大型化を回避することができる。
【０１２７】
さらに、第１流体流入路及び流出路、第２流体流入路及び流出路が第１側方部材２０ａにのみ形成されているため、各流体の流入路または流出路と接続する配管を第１側方部材２０ａ側に纏めて設置すればよく、従来の装置のように回転体の両端側に夫々流体の流入路または流出路と接続する配管を設置する場合と比較して、配管設置作業やメンテナンス作業等の作業性が良好になる。つまり、配管が第１側方部材２０ａ側にまとまることで、配管を含めた設置スペースが小さくなる。さらに、配管を外すことなく、配管のない第２側方部材２０ｂ側からメンテナンス可能となり、メンテナンス性が向上する。
【０１２８】
尚、上述の実施形態では、回転体３０の回転軸にブッシュ１３を備えることで回転体３０の軸心のブレを低減でき円滑な回転ができるが、ブッシュ１３は必ずしも備える必要はない。なお、ブッシュ１３を備えないときは、スリーブ１２により回転体３０を回転方向に保持する構成となる。
【０１２９】
上述の実施形態では、第１流路３１の断面積と第２流路３２の断面積は等しくなるように形成することで、流路断面積の変化による余分な圧力損失が低減できるように構成したが、第１流路３１と第２流路３２の断面積は完全に等しい必要はない。
【０１３０】
上述の実施形態では、第１流路３１と第２流路３２は回転体３０の他端側の端面３０ｂ側で連通した構成であるが、端面３０ｂから端面３０ａ側に所定距離離隔した位置で連通する構成であってもよい。つまり、連通部は端面３０ａと端面３０ｂの間の任意の位置であってもよい。
【０１３１】
また、第１流路３１と第２流路３２は、必ずしも回転体３０内部で連通する構成に限らず、第２側方部材２０ｂと回転体３０の間に、回転体３０と一体に回転する部材を設け、該回転する部材に各流入路と流出路に対向する位置に凹部を形成し、回転体の回転に伴い該凹部を介して第１流路３１と第２流路３２が連通するように構成してもよい。
【０１３２】
第１流路３１及び第２流路３２の形状は、図３（ａ）に示すものに限らず、断面形状が真円や楕円等の円形状、三角、四角等の多角形状であってもよく、第１流路３１及び第２流路３２の本数や断面形状を変更することで、圧力伝達部３３の総容量を変更して、圧力交換装置１０の処理流量を変更することができる。なお、図３（ａ）に示すように、回転体の断面に対し開口率を大きく取れる断面形状が最良の断面形状である。
【０１３３】
上述の実施形態では、スリーブ１２と第２側方部材２０ｂを別体で構成したが、スリーブ１２と第２側方部材２０ｂをカップ状に一体形成し、第１側方部材２０ａで閉じられる空間内に回転体３０が配置されるように構成してもよい。この場合はケーシング１１を無くす構成とすることもできる。
【０１３４】
上述の実施形態では、第１流体流入路１４ｔ、１４ｂ、第２流体流出路１５ｔ、１５ｂ、第２流体流入路１６ｔ、１６ｂ、第１流体流出路１７ｔ、１７ｂのように、各流入路と流出路が一対ずつ、つまり２つずつ備えられる構成であるが、各流入路と流出路は１つであっても、３つ以上の複数であってもよい。複数備える場合は、回転体３０に流入及び回転体３０から流出する各流体の圧力バランスの観点から各流入路及び流出路は回転軸心周りに点対称に配置されることが好ましい。
【０１３５】
上述の実施形態では、トルク付与機構は、第１流路３１に流入する、または、第１流路３１から流出する濃縮海水のエネルギー、及び、第２流路３２に流入する、または、第２流路３２から流出する海水のエネルギーにより回転体３０にトルクを付与する構成であるが、前記トルク付与機構は、少なくとも第１流路３１に流入する、第１流路３１から流出する濃縮海水のエネルギー、または、第２流路３２に流入する、第２流路３２から流出する海水のエネルギーにより回転体３０にトルクを付与するように構成すればよい。
【０１３６】
いずれかのエネルギーのみを利用する場合、第２流路３２より第１流路３１のほうが、回転体３０の半径方向外側に配置されているため、第１流路３１に流入する高圧濃縮海水Ｈｉのエネルギーを利用して回転体３０にトルクを付与するように構成するとエネルギー効率がよい。
【０１３７】
以下に、本発明による圧力交換装置の別実施形態について説明する。尚、上述の実施形態と同様の構成については同一の符号を付し説明を省略する。
【０１３８】
図８に示すように、圧力交換装置１０ａは、回転体３０に駆動軸３４を連結し、駆動機等の外部動力で回転体３０を回転できるように構成してもよい。駆動軸３４は、押圧部材４２、第２側方部材２０ｂに形成した開口から挿通して、回転体３０とキー３５とボルト３６で固定して一体回転するように構成すればよい。流体の流れが不安定である等により回転体３０の回転が安定しないような場合でも、駆動軸３４に連結された駆動機等の外部動力で回転体３０を回転駆動できるため、安定した回転を得ることができるので装置の信頼性が向上する。
【０１３９】
さらに、別実施形態を説明する。図９（ａ）に示すように、圧力変換装置１０ｂは、ケーシング１１と、第１側方部材２０ａと、第２側方部材２０ｂと、各側方部材２０ａ、２０ｂとで挟持されたスリーブ１２とで区画される空間に収容され、ボルト２３ａ周りに回転可能に支持される回転体３０を備えて構成されている。
【０１４０】
ボルト２３ａとナット２３ｂは、押圧機構として機能し、ボルト２３ａ、ナット２３ｂの締め付けを調整することで、第１側方部材２０ａ及び第２側方部材２０ｂの間隔を調整できるように構成されている。
【０１４１】
第１側方部材２０ａには、高圧濃縮海水Ｈｉを第１流路３１に案内する第１流体流入路１４と、高圧濃縮海水Ｈｉとの間で圧力交換された高圧海水Ｈｏを第２流路３２から案内する第２流体流出路１５、及び、低圧海水Ｌｉを第２流路３２に案内する第２流体流入路１６と、低圧海水Ｌｉとの間で圧力交換された低圧濃縮海水Ｌｏを第１流路３１から案内する第１流体流出路１７とが、厚み方向に形成されている。
【０１４２】
第１側方部材２０ａの左側には、区画部材２８ａを介してエンドカバー２１ａが備えられ、エンドカバー２１ａは、リング部材２２ａによって、ケーシング１１から左側方へ脱落しないように固定されている。
【０１４３】
エンドカバー２１ａには、第１側方部材２０ａに形成された第１側方部材２０ａに形成された第１流体流入路１４、第２流体流出路１５、第２流体流入路１６、第１流体流出路１７と、夫々連通する通水路２４、２５、２６、２７が厚み方向に形成されている。
【０１４４】
第２側方部材２０ｂの右側には、区画部材２８ｂを介してエンドカバー２１ｂが備えられ、エンドカバー２１ｂは、リング部材２２ｂによって、ケーシング１１から右側方へ脱落しないように固定されている。
【０１４５】
区画部材２８ａは、第１側方部材２０ａとエンドカバー２１ａの間隔を、区画部材２８ａの厚みで規定される距離を保持するとともに、第１流体流入路１４と通水路２４を、第２流体流入路１５と通水路２５を、第２流体流入路１６と通水路２６を、第１流体流出路１７と通水路２７を夫々区画して連通するように構成されている。
【０１４６】
第１側方部材２０ａとエンドカバー２１ａと区画部材２８ａで区画される空間であって、第１流体流入路１４と通水路２４の間の空間には、高圧濃縮海水Ｈｉが流入する押圧空間３７ａとして機能する。第１流体流入路１４と通水路２４の間の押圧空間３７ａは連通孔としても機能する。
【０１４７】
押圧空間３７ａには、通水路２４から第１流体流入路１４へと向かう高圧濃縮海水Ｈｉが流入し、該高圧濃縮海水Ｈｉの圧力は、第１側方部材２０ａを回転体３０に向けて押圧するように作用する。
【０１４８】
第１側方部材２０ａとエンドカバー２１ａと区画部材２８ａで区画される空間であって、第１流体流出路１７と通水路２７の間の空間には、低圧濃縮海水Ｌｏが流入する押圧空間３８ａとして機能する。第１流体流出路１７と通水路２７の間の押圧空間３８ａは連通孔としても機能する。
【０１４９】
押圧空間３８ａには、第１流体流出路１７から通水路２７へと向かう低圧濃縮海水Ｌｏが流入し、該低圧濃縮海水Ｌｏの圧力は、第１側方部材２０ａを回転体３０に向けて押圧するように作用する。
【０１５０】
区画部材２８ｂは、第２側方部材２０ｂとエンドカバー２１ｂの間隔を、区画部材２８ｂの厚みで規定される距離を保持するように構成されている。
【０１５１】
第２側方部材２０ｂとエンドカバー２１ｂと区画部材２８ｂで区画される空間のうち、第１流体流入路１４及び第２流体流出路１５に対応する位置に形成された空間は、圧力伝達部３３内の高圧濃縮海水Ｈｉと高圧海水Ｈｏの混合流体が流入する押圧空間３７ｂとして機能する。
【０１５２】
第２側方部材２０ｂには連通孔３９ａが形成され、押圧空間３７ｂには圧力伝達部３３内の高圧濃縮海水Ｈｉと高圧海水Ｈｏの混合流体が連通孔３９ａを介して流入し、該混合の圧力は、第２側方部材２０ｂを回転体３０に向けて押圧するように作用する。
【０１５３】
第２側方部材２０ｂとエンドカバー２１ｂと区画部材２８ｂで区画される空間のうち、第２流体流入路１６及び第１流体流出路１７に対応する位置に形成された空間は、圧力伝達部３３内の低圧海水Ｌｉと低圧濃縮海水Ｌｏの混合流体が流入する押圧空間３８ｂとして機能する。
【０１５４】
第２側方部材２０ｂには連通孔３９ｂが形成され、押圧空間３８ｂには圧力伝達部３３内の低圧海水Ｌｉと低圧濃縮海水Ｌｏの混合流体が連通孔３９ｂを介して流入し、該混合流体の圧力は、第２側方部材２０ｂを回転体に向けて押圧するように作用する。
【０１５５】
図９（ｂ）に示すように、第２側方部材２０ｂとエンドカバー２１ｂと区画部材２８ｂで区画される空間には、区画壁２８ｃが設けられ、押圧空間３７ｂ、３８ｂが夫々区画されるように構成されている。なお、第２側方部材に連通孔３９ｂを形成せずに連通孔３９ａのみを形成し、区画壁２８ｃを設けないようにすることで、第２側方部材２０ｂとエンドカバー２１ｂと区画部材２８ｂで区画される空間には、高圧濃縮海水Ｈｉと高圧海水Ｈｏの混合流体のみが連通孔３９ａを介して流入し、当該空間が押圧空間３７ｂとして機能する構成であってもよい。
【０１５６】
第１側方部材２１ａと第２側方部材２１ｂは、中央部をボルト２３ａとナット２３ｂにより締付けられる構成であるため、第１側方部材２１ａと第２側方部材２１ｂの円周部には、回転体３０内の流体によって軸心方向外側への圧力がかかる。
【０１５７】
しかし、上述のように、第１側方部材２１ａの外側の押圧空間３７ａ、３７ｂに、第１流路３１、第２流路３２に供給される各流体が導かれ、第２側方部材２１ｂの外側の押圧空間３８ａ、３８ｂに第２側方部材２１ｂに形成されている連通孔３９ａ、３９ｂから、第１流路３１、第２流路３２内の流体が導かれる。
【０１５８】
つまり、各押圧空間３７ａ、３７ｂ、３８ａ、３８ｂには各流路３１、３２内と同じ圧力の流体が導かれることとなる。第１側方部材２１ａ及び第２側方部材２１ｂの夫々の両面に作用する力が釣り合うので、第１側方部材２１ａ及び第２側方部材２１ｂの回転軸芯方向に歪むことを防ぐことができる。
【０１５９】
さらに、別実施形態を説明する。上述の別実施形態の圧力交換装置１０ｂと同様の構成については同じ符号を付し説明を省略する。図１０示すように、圧力交換装置１０ｃは、スリーブ１２の中央に固定板５０が配設され、第１側方部材２０ａとエンドカバー２１ａと区画部材２８ａと回転体３０が、固定板５０の縦方向の中心線に対して左右対称に配置されて構成されている。固定板５０の両面には、高圧濃縮海水Ｈｉと高圧海水Ｈｏの混合流体と、低圧海水Ｌｉと低圧濃縮海水Ｌｏの混合流体の力が作用し、固定板５０の一側面側の空間が、他側面側の空間の押圧空間となり、前記他側面側の空間が一側面側の押圧空間として機能する。図８に示した押圧空間３８ａ、３８ｂのように、連通孔３９ａ、３９ｂを備える必要がない。
【０１６０】
尚、スリーブ１２内に固定板５０を備えることなく、左右の回転体３０ａを一体形成したような回転体５１（図１１参照）を備える構成であってもよい。
【０１６１】
上述の何れの実施形態でも、トルク付与機構は、第１側方部材に傾斜面を形成する構成について説明したが、第１側方部材に形成した傾斜面に加えて、または、替えて、第１流路または第２流路を回転体内で周方向に傾斜するように形成し、第１流路に流入する第１流体または第２流路に流入する第２流体が、第１流路または第２流路の流路壁面に当たることで、回転体にトルクを付与する構成であってもよい
【０１６２】
回転体に形成された第１流路及び第２流路の端部や、第１側方部材に形成された各流入路、流出路の端部等の、第１流体及び第２流体が通過する箇所に、面取や角丸め等の加工を行なうことで圧力損失を低減し、キャビテーションや、脈動の発生を防止することができる。
【０１６３】
上述の何れの実施形態でも、第１流体流入路に高圧濃縮海水を流入させ、第２流体流入路に被濃縮流体である低圧海水を流入させる構成について説明したが、第１流体流入路に被濃縮流体である低圧海水を流入させ、第２流体流入路に高圧濃縮海水を流入させてもよい。
【０１６４】
以上説明した圧力交換装置及び圧力交換装置の性能調整方法の具体的構成は実施形態の記載に限定されるものではなく、本発明による作用効果を奏する範囲において適宜変更設計可能であることはいうまでもない。
【符号の説明】
【０１６５】
６：逆浸透膜装置
１０：圧力交換装置
１１：ケーシング
１２：スリーブ
１３：ブッシュ
１４：第１流体流入路
１５：第２流体流出路
１６：第２流体流入路
１７：第１流体流出路
１４ａ、１７ａ：傾斜面（第１傾斜部）
１５ａ、１６ａ：傾斜面（第２傾斜部）
２０ａ：第１側方部材
２０ｂ：第２側方部材
３０：回転体
３１：第１流路
３２：第２流路
３３：圧力伝達部
３４：駆動軸
３７ａ、３７ｂ：押圧空間
３８ａ、３８ｂ：押圧空間
３９ａ、３９ｂ：連通孔
４０：押圧機構
Ｈｉ：高圧濃縮海水
Ｌｉ：低圧海水
Ｈｏ：高圧海水
Ｌｏ：低圧濃縮海水
【図１】
0005571005.tif 000002
【図２】
0005571005.tif 000003
【図３】
0005571005.tif 000004
【図４】
0005571005.tif 000005
【図５】
0005571005.tif 000006
【図６】
0005571005.tif 000007
【図７】
0005571005.tif 000008
【図８】
0005571005.tif 000009
【図９】
0005571005.tif 000010
【図１０】
0005571005.tif 000011
【図１１】
0005571005.tif 000012
【図１２】
0005571005.tif 000013
【図１３】
0005571005.tif 000014