(57)【要約】【課題】ロータの回転を安定させることによって、エネルギー損失が少なく動力回収率の高い動力回収装置を提供する。【解決手段】動力回収装置１０は、ロータ１１とシャフト１２とケーシング１３と第１の供給路１２１と第１の回収路１２２と第２の供給路１３１と第２の回収路１３２とスラストシャント孔１４とを備える。ロータ１１は、回転中心１１Ａに直交する第１の壁１１１及び第２の壁１１２の間を半径方向に開通する複数の流路１１３が放射状に配置されている。シャフト１２は、ロータ１１の回転中心１１Ａを通って配置される。ケーシング１３は、ロータ１１を格納し、第１の壁１１１との間に第１の圧力室１４１を形成し、第２の壁１１２との間に第２の圧力室１４２を形成する。スラストシャント孔１４は、第１の圧力室１４１を第２の圧力室１４２に連通する。【選択図】      図１
2014210230.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転中心に直交する第１の壁及び第２の壁の間を半径方向に開通する複数の流路が放射状に配置されたロータと、
前記ロータの前記回転中心を通って配置されるシャフトと、
前記ロータを格納し、前記第１の壁との間に第１の圧力室を形成し、前記第２の壁との間に第２の圧力室を形成するケーシングと、
前記ロータの回転中心側から前記流路へ高圧の第１の液体を供給する第１の供給路と、
圧力の下がった前記第１の液体を前記流路から前記ロータの前記回転中心側へ回収する第１の回収路と、
前記第１の回収路に連通している前記流路へ前記ロータの外周から低圧の第２の液体を供給する第２の供給路と、
前記第１の供給路に連通している前記流路から前記ロータの外周側へ圧力の上がった前記第２の液体を回収する第２の回収路と、
前記第１の圧力室を前記第２の圧力室に連通するスラストシャント孔と
を備える動力回収装置。
【請求項２】
前記ケーシングは、前記第２の供給路及び前記第２の回収路が開口している部分の間に前記ロータの外周に沿う中立外周壁を前記回転中心に対して対称の位置に有し、
前記シャフトは、前記中立外周壁によって塞がれている前記流路どうしを、前記第１の供給路および前記第１の回収路が開口している部分の間を通って直径方向に連通させるラジアルシャント孔を有している
請求項１に記載された動力回収装置。
【請求項３】
前記ラジアルシャント孔は、前記第１の供給路および前記第１の回収路の間を抜けるとともに互いに独立した立体交差の配置に設けられる
請求項１または請求項２に記載された動力回収装置。
【請求項４】
前記第１の供給路は、前記シャフトの中を通り前記回転中心に対して対称に前記シャフトに開口し、
前記第１の回収路は、前記第１の供給路と反対側の前記シャフトの中を通り前記第１の供給路の間の位置へ前記回転中心に対して対称に前記シャフトに開口する
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載された動力回収装置。
【請求項５】
前記第２の供給路は、前記回転中心に対して対称に前記ロータの回転方向に沿って前記ケーシングに接続され、
前記第２の回収路は、前記回転中心に対して対称に前記ロータの半径方向に前記ケーシングに接続される
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載された動力回収装置。
【請求項６】
前記流路は、前記回転中心から離れるにしたがって流路断面積が大きくなる
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載された動力回収装置。
【請求項７】
前記流路は、流路断面積が一定である
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載された動力回収装置。
【請求項８】
海水を加圧した高圧のフィードから淡水を取り出して高圧のブラインを排出する逆浸透膜を内蔵する濾過器と、
高圧の前記ブラインと海水との間の圧力交換を行ない圧力が高くなった海水を高圧の前記フィードとして前記濾過機へ供給する動力回収装置と
を備える海水淡水化装置であって、
前記動力回収装置は、
回転中心に直交する第１の壁及び第２の壁の間を半径方向に開通する複数の流路が放射状に配置されたロータと、
前記ロータの前記回転中心に配置されるシャフトと、
前記ロータを格納し、前記第１の壁との間に第１の圧力室を形成し、前記第１の壁との間に第２の圧力室を形成するケーシングと、
前記ロータの前記回転中心側から前記流路へ高圧の前記ブラインを供給する第１の供給路と、
圧力の下がった低圧の前記ブラインを前記流路から前記ロータの前記回転中心側へ回収する第１の回収路と、
前記第１の回収路に連通している前記流路へ前記ロータの外周から低圧のフィードとして海水を供給する第２の供給路と、
前記第１の供給路に連通している前記流路から前記ロータの外周側へ圧力の上がった前記フィードを回収する第２の回収路と、
前記第１の圧力室を前記第２の圧力室に連通するスラストシャント孔と
を有する
海水淡水化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、半透膜を用いる海水淡水化装置の動力回収装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
原水である海水をポンプで昇圧し、この高圧水を逆浸透膜のカートリッジに送り処理することで淡水を得る海水淡水化装置がある。原水の圧力を高くするためにポンプが使用されるが、海水淡水化装置の消費エネルギーのうちポンプを作動させるための電力が最も大きな割合を占めている。海水淡水化装置において、淡水を取り出した後の高濃縮水は、高い圧力のまま排出される。そこで、この高濃縮水の圧力を利用して、原水を昇圧する動力回収装置がある。
【０００３】
圧力の高い液体の圧力及び流量を利用して動力を回収する場合、様々な方法がある。海水淡水化装置では、高濃縮水である圧力の高い液体（高圧液）の圧力及び流量を使って、原水となる圧力の低い液体（低圧液）の圧力を高くしたい。例えば、圧力と流量とを機械的な力に変換して伝達する動力回収装置がある。例えば圧力と流量とをピストンを作動させる力に変換し、その力で受圧面積の小さいピストンを作動させて低圧液の供給圧力を高める動力回収装置がある。また、高圧液でタービンを回し、その回転力で低圧液の圧力を高める方法がある。
【０００４】
さらに、同じシリンダの中に自由に動くピストンを配置し、このピストンを挟んで高圧液と低圧液をそれぞれ供給できるように構成した動力回収装置がある。この動力回収装置は、構造が簡単であり、かつ、圧力を直接的に伝達するので、機械的な装置よりもエネルギーの回収率が高い。この動力回収装置は、低圧液で満たされたシリンダに、ピストンを介してその反対側から高圧液を供給することで、高圧液とほぼ同じ圧力まで低圧液を昇圧する。昇圧された液体を高圧液でそのままシリンダから押し出して利用する。
【０００５】
利用された高圧液は、その供給経路から遮断されることで、減圧する。減圧された液体に対してピストンの反対側から低圧液をシリンダに供給し、減圧された液体をシリンダから排出する。これによって低圧水で再びシリンダが満たされるので、同じ手順を繰り返して、動力回収装置は、高圧水によって低圧水を昇圧する。
【０００６】
この動力回収装置は、シリンダに対して高圧液及び低圧液の供給経路を接続したり遮断したりするために、複数の弁が設けられる。また、低圧液がシリンダに供給される間、つまりピストンが一往復するうちの半分の時間は、昇圧された液体を得ることができない。したがって、この動力回収装置では、少なくとも２つのシリンダを備え、それらを交互に作動させる。
【０００７】
また、複数の流路が回転中心に沿う方向に開通したロータを備える動力回収装置がある。ロータに設けられた複数の流路は、ピストンを有していないが、シリンダと同じ役割を果たす。この動力回収装置は、ロータを回転させることで、シリンダを切り換えるように、複数の流路に対する高圧水と低圧水との供給及び排出を連続的に切り換える。高圧水及び低圧水をこの動力回収装置に供給及び排出する方向は、様々であるが、ロータの流路はいずれもロータの回転中心に沿っている。いずれの動力回収装置も、ロータが１回転する間に、高圧水または低圧水が回転中心に沿う方向へ流路に供給され、それぞれ供給された側と同じ側へ排出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１１−  ５６４３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、圧力及び流量によって得られるエネルギーを再利用するために、その圧力及び流量を機械的な力に変換して利用する動力回収装置の場合、エネルギー変換される際にエネルギー損失が生じるため、動力回収率はその分だけ低下する。また、内部をピストンが自由に移動するシリンダに高圧液及び低圧液を供給するタイプの動力回収装置の場合、ピストンの摩擦抵抗によるエネルギー損失が生じるとともに、高圧液及び低圧液を供給する経路を切り換えるための弁を駆動するためにエネルギーを消費する。
【００１０】
さらに、複数の流路を回転中心に沿って開通させたロータを備える動力回収装置の場合、ロータが１回転する間に高圧液及び低圧液が流路に沿って一往復するように流れるので、ロータには偏った力が作用する。この力は、ロータの回転抵抗となるとともに、振動を発生する原因にもなる。また、ロータが偏心することによってシャフトやケーシングに接触し、摩擦抵抗を発生させる。これらはエネルギー損失となり、動力回収率を低下させる。
【００１１】
そこで、本発明に係る一実施形態では、ロータの回転を安定させることによって、エネルギー損失が少なく動力回収率の高い動力回収装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
一実施形態の動力回収装置は、ロータとシャフトとケーシングと第１の供給路と第１の回収路と第２の供給路と第２の回収路とスラストシャント孔とを備える。ロータは、回転中心に直交する第１の壁及び第２の壁の間を半径方向に開通する複数の流路が放射状に配置されている。シャフトは、ロータの回転中心を通って配置される。ケーシングは、ロータを格納し、第１の壁との間に第１の圧力室を形成し、第２の壁との間に第２の圧力室を形成する。第１の供給路は、ロータの回転中心側から流路へ高圧の第１の液体を供給する。第１の回収路は、圧力の下がった第１の液体を流路からロータの回転中心側へ回収する。第２の供給路は、第１の回収路に連通している流路へロータの外周から低圧の第２の液体を供給する。第２の回収路は、第１の供給路に連通している流路からロータの外周側へ圧力の上がった第２の液体を回収する。スラストシャント孔は、第１の圧力室を第２の圧力室に連通する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１の実施形態の動力回収装置を備える海水淡水化装置を示すブロック図。
【図２】図１の動力回収装置の一部を切り欠いた斜視図。
【図３】図２の動力回収装置の分解斜視図。
【図４】図２の動力回収装置の流路を通る断面図。
【図５】図２の動力回収装置の回転中心に沿う面で各部材を切り欠いた斜視図。
【図６】図２の動力回収装置のスラストシャント孔を通る断面図。
【図７】図３の動力回収装置のシャフトのラジアルシャント孔を断面で示す斜視図。
【図８】図４の動力回収装置に流れるフィードとブラインとの領域を示す図。
【図９】図４の動力回収装置のロータの外周における速度ベクトルを示す図。
【図１０】図４の動力回収装置のロータの流路における速度ベクトルを示す図。
【図１１】図９の速度ベクトルの釣り合いを示す図。
【図１２】図１０の速度ベクトルの釣り合いを示す図。
【図１３】図４の動力回収装置のロータの流路内に作用するブースト圧を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
第１の実施形態の動力回収装置１０は、図１から図１３を参照して説明する。この動力回収装置１０は、逆浸透膜（ＲＯ膜）を利用して海水ＳＷから淡水ＣＷを作る（これを「造水」と言う）海水淡水化装置１に備えられる。海水淡水化装置１の概略を図１に示す。汲み上げられた海水ＳＷは、前処理系２において、殺菌剤２１、凝集剤２２、スケール抑制剤２３、脱塩素剤２４などを加えて薬品処理されたのち、送水ポンプ３で保安フィルタ４に通される。保安フィルタ４を通過した海水ＳＷは、フィードＳＦと呼ばれ、２つの経路に分けられる。１つは、高圧ポンプ５へ送られ、もう１つは動力回収装置１０へ送られる。いずれのフィードＳＦも加圧されてＲＯ膜６１を内蔵する濾過器６に導入される。ＲＯ膜６１で濾過されて抽出された淡水ＣＷは、浄水池７で硬度調整剤７１、ｐｈ調整剤７２、消毒剤７３などが加えられ、供給ポンプ８で浄水として供給される。
【００１５】
ＲＯ膜６１で淡水ＣＷを濾過するためには、約６.０[ＭＰa]の圧力差が必要である。高圧ポンプ５はこの濾過に必要な圧力を発生させる。ＲＯ膜６１を通過した淡水ＣＷは、ほぼ大気圧まで圧力が下がる。淡水ＣＷが濾過された後の高濃度塩水は、ブラインＳＢと呼ばれ、高い圧力（約５.８[ＭＰa]）を維持している。高圧のブラインＳＢＨは、高圧ポンプ５によって与えられた圧力と流量とによるエネルギーを有している。動力回収装置１０は、このエネルギーを回収するために設けられている。
【００１６】
ここで、動力回収装置１０によって回収されることを期待するエネルギー量を算出する。ＲＯ膜６１に供給される低圧のフィードＳＦＬの流量Ｑinを0.1[m３/s]、ＲＯ膜６１の回収率を４０％とすると、ＲＯ膜６１を通過して得られる淡水ＣＷの流量Ｑcwは0.04[m３/s]（3456[m３/day]）であり、ＲＯ膜６１を通過せずに濾過器６から排出される高圧のブラインＳＢＨの流量Ｑbrは、0.06[m３/s]である。高圧ポンプ５で６．０[ＭＰa]、０．１[m３/s]の高圧のフィードＳＦＨを提供するために高圧ポンプ５に必要となる仕事量Ｗhpは、次式で得られる。  
Ｗhp＝送水圧力×流量／η  [Ｗ]
このとき、エネルギー変換効率（η）は、ポンプ効率、モータ効率、及び電源効率の積である。η＝０．８２として高圧ポンプ５の仕事量を演算すると、Ｗhp＝７３２[ｋＷ]である。また、高圧のブラインＳＢＨのエネルギー（Ｅbr）を圧力と流量から算出すると、Ｅbr＝３４８[ｋＷ]であり、高圧ポンプ５によって与えられたエネルギーの約４７．５％に相当する。このエネルギーを動力回収装置１０で回収することで、海水淡水化装置１のエネルギー効率が向上する。具体的には、図１に示すように、保安フィルタ４を通過した後で分岐された低圧のフィードＳＦＬをこの動力回収装置１０に導入し、高圧のブラインＳＢＨと圧力交換を行う。
【００１７】
この動力回収装置１０は、図２および図３に示すように、ロータ１１とシャフト１２とケーシング１３と第１の供給路１２１と第１の回収路１２２と第２の供給路１３１と第２の回収路１３２とスラストシャント孔１４とを備える。図２中においてケーシング１３及びロータ１１は、上半分を切除した状態で示している。図３は、ロータ１１をケーシング１３から取り外した分解斜視図である。
【００１８】
ロータ１１は、回転中心１１Ａに直交する第１の壁１１１および第２の壁１１２の間を半径方向に開通する複数の流路１１３を放射状に配置している。ロータ１１は、半径方向の寸法よりも軸方向の寸法のほうが小さい、ドーナツ状の厚みのあるディスク形である。図４は、ロータ１１の流路１１３を通り回転中心１１Ａに垂直な平面に沿う断面図である。各流路１１３は、図２および図４に示すように、回転中心１１Ａから離れるにしたがって、流路断面積が大きくなっている。なお、流路１１３の形状は、図２および図４に示したような、半径方向に直線的な形状に限らず、回転方向の進行方向または後方へ少し弧を描いていてもよいし、軸方向に２つに仕切られていてもよいし、軸方向に２つにかつ円周方向に千鳥配列に形成されていてもよい。さらに、各流路１１３の流路断面積が半径方向に一定でもよい。
【００１９】
図５は、第１の供給路１２１及び第１の回収路１２２がそれぞれシャフト１２の外周面に開口する位置でシャフト１２を断面にするとともに、ケーシング１３とロータ１１を回転中心１１Ａに沿う面で断面にした斜視図である。シャフト１２は、ロータ１１の回転中心１１Ａを通って配置されており、第１の供給路１２１および第１の回収路１２２を内部に有している。ケーシング１３は、ロータ１１を格納し、第２の供給路１３１および第２の回収路１３２を有している。シャフト１２はケーシング１３に固定され、ロータ１１はケーシング１３およびシャフト１２に対して回転自在に配置されている。ケーシング１３は、少なくともロータ１１の第１の壁１１１側を開放できるように、胴部１３Ａとカバー１３Ｂとで構成されている。第２の壁１１２側も開放できるカバーで閉じられていてもよい。
【００２０】
シャフト１２とケーシング１３との間は、ブラインＳＢ及びフィードＳＦが漏れないようにシール装置で密封される。ロータ１１の内周面とシャフト１２との間は、５〜５０［μｍ］程度であり、ベアリングを介さない流体軸受になっている。また、ロータ１１の外周面とケーシング１３の中立外周壁１３３との隙間も上記寸法とほぼ同じ程度に設定され、ロータ１１の第１の壁１１１及び第２の壁１１２の内周縁及び外周縁とケーシング１３との隙間も同様に設定されている。これにより、ロータ１１は、シャフト１２に対して回転中心１１Ａの半径方向に、ケーシング１３に対して回転中心１１Ａの半径方向および回転中心１１Ａに沿う方向にそれぞれ流体軸受による隙間を有して保持される。
【００２１】
また、ケーシング１３は、ロータ１１の第１の壁１１１との間に第１の圧力室１４１を形成し、第２の壁１１２との間に第２の圧力室１４２を形成している。第１の圧力室１４１および第２の圧力室１４２には、ロータ１１とシャフト１２の隙間、ロータ１１とケーシング１３との隙間から流れ出たブラインＳＢ及びフィードＳＦが溜まる。スラストシャント孔１４は、ロータ１１の回転中心１１Ａに沿う方向にケーシング１３の外周壁の中に形成され、第１の圧力室１４１を第２の圧力室１４２に連通する。スラストシャント孔１４が設けられていることによって、第１の圧力室１４１と第２の圧力室１４２との差圧をなくし、回転中心１１Ａに沿うロータ１１の偏りを補正する。
【００２２】
第１の供給路１２１は、ロータ１１の中心側から流路１１３へ高圧の第１の液体、本実施形態では高圧のブラインＳＢＨを供給する。本実施形態において第１の供給路１２１は、図２及び図５に示すように下方からシャフト１２の中を通り、図４に示すように回転中心１１Ａに対して対称の位置のシャフト１２の外周面に開口している。第１の回収路１２２は、第１の供給路１２１に対してロータ１１が１回転する前に、圧力の下がった第１の液体、この場合は低圧のブラインＳＢＬを流路１１３からロータ１１の中心側へ回収する。本実施形態において第１の回収路１２２は、図２及び図５に示すように第１の供給路１２１とは反対側の上方からシャフト１２の中を通り、図４に示すように第１の供給路１２１の間の位置、すなわち回転中心１１Ａに対して対称の位置のシャフト１２の外周面に開口している。つまり、第１の供給路１２１および第１の回収路１２２は、９０°ピッチで交互に開口している。
【００２３】
高圧のブラインＳＢＨは、図５に示すようにシャフト１２の下方側から供給され、シャフト１２の外周面に開口した第１の供給路１２１からロータ１１の流路１１３へ流れ込む。圧力伝達が行われた後の低圧のブラインＳＢＬは、流路１１３からシャフト１２の外周面に開口している第１の回収路１２２へ流れ込み、シャフト１２の上方側へ排出される。図５は、高圧のブラインＳＢＨが第１の供給路１２１からロータ１１の流路１１３に入り、低圧のブラインＳＢＬが流路１１３からシャフト１２の第１の回収路１２２へ戻るまでの範囲を示している。
【００２４】
また図４に示すように、第２の供給路１３１は、第１の回収路１２２に連通しているロータ１１の流路１１３へ、ロータ１１の外周から低圧の第２の液体、本実施形態では低圧のフィードＳＦＬを供給する。第２の供給路１３１は、回転中心１１Ａに対して対称にロータ１１の回転方向に沿ってケーシング１３に接続され、第１の回収路１２２が開口している回転位置に対応する範囲に配置される。第２の回収路１３２は、第１の供給路１２１に連通しているロータ１１の流路１１３からロータ１１の外周側へ圧力の上がった第２の液体、この場合は高圧のフィードＳＦＨを回収する。第２の回収路１３２は、回転中心１１Ａに対して対称にロータ１１の半径方向にケーシング１３に接続され、第１の供給路１２１が開口している回転位置に対応する範囲に配置される。
【００２５】
さらに、本実施形態の動力回収装置１０において、図７に示すように、シャフト１２は、第１の供給路１２１および第１の回収路１２２が開口している間の部分を通って直径方向に連通したラジアルシャント孔１５を有している。ラジアルシャント孔１５は、ロータ１１の外周側が中立外周壁１３３によって塞がれている流路１１３どうしを連通させる。中立外周壁１３３は、第２の供給路１３１および第２の回収路１３２が開口している部分の間で、回転中心１１Ａに対して対称の位置にロータ１１の外周に沿って形成されている。このラジアルシャント孔１５は、第１の供給路１２１および第１の回収路１２２の間を抜けるとともに、シャフト１２の中心で直交する２方向に貫通しており、それぞれ互いに独立した立体交差の配置に設けられる。このラジアルシャント孔１５が設けられていることによって、ロータ１１の直径方向に対称のとなる位置で中立外周壁１３３によって外周側が塞がれた流路１１３の内圧を平均化し、回転中心１１Ａに対するロータ１１の偏りを補正する。
【００２６】
以上のように構成された動力回収装置１０において、高圧のブラインＳＢＨが有するエネルギーを低圧のフィードＳＦＬに移動させる原理について、主に図８を用いて説明し、補足的に図２、図４及び図５を参照する。本実施形態の場合、第１の供給路１２１、第１の回収路１２２、第２の供給路１３１、第２の回収路１３２は、回転中心１１Ａに対して１８０°対称の位置に配置されているので、その片方について説明し、もう片方も同様に作動するものとする。
【００２７】
説明の便宜上、図８中の上部に図示された第２の供給路１３１および左下に図示された第２の回収路１３２をＡ組、下部に図示された第２の供給路１３１および右上に図示された第２の回収路１３２をＢ組とする。さらに、Ａ組の第２の回収路１３２に流路１１３を介して連通する左下に図示された第１の供給路１２１及びＢ組の第２の供給路１３１に流路１１３を介して連通する右下に図示された第１の回収路１２２をＡ組、Ｂ組の第２の回収路１３２に流路１１３を介して連通する右上に図示された第１の供給路１２１及びＡ組の第２の供給路１３１に連通する左上に図示された第１の回収路１２２をＢ組とする。
【００２８】
また、図８においてＡ組とＢ組とがそれぞれが分かりやすいように、Ａ組のものは符号に「Ａ」を、Ｂ組のものは符号に「Ｂ」をそれぞれ加えて図示する。さらに、フィードＳＦとブラインＳＢが流れ込んでいる領域を分かりやすくするために、フィードＳＦの領域には右上から左下へ延びる平行線のハッチングを施し、ブラインＳＢの領域には左上から右下へ延びる平行線のハッチングを施す。さらに、高圧である場合はハッチングのピッチを狭く、低圧である場合はハッチングのピッチを広くして表示する。したがって、断面部分のハッチングは省略している。
【００２９】
以下、それぞれＡ組を中心に説明をする。図８に示すようにＡ組の低圧のフィードＳＦＬは、第２の供給路１３１Ａを通して動力回収装置１０に供給される。ロータ１１の接線方向に進入してくる低圧のフィードＳＦＬの慣性力が作用し、ロータ１１が回転される。本実施形態の場合、動力回収装置１０を上方から見て反時計回りにロータ１１が回転する。ロータ１１の外周側から流路１１３に供給された低圧のフィードＳＦＬは、ロータ１１が約９０°回転する間に流路１１３をほぼ満たし、中立外周壁１３３で塞がれる。Ａ組の第２の供給路１３１Ａから供給された低圧のフィードＳＦＬによって流路１１３からシャフト１２側に排出される流体は、Ｂ組の高圧のブラインＳＢＨが減圧された低圧のブラインＳＢＬである。
【００３０】
低圧のフィードＳＦＬで満たされた流路１１３が中立外周壁１３３に面した範囲を超える位置まで、ロータ１１が回転すると、ロータ１１の流路１１３は、内周側がＡ組の第１の供給路１２１Ａに連通され、外周側がＡ組の第２の回収路１３２に連通された状態となる。流路１１３が第１の供給路１２１Ａに連通されることによって内周側から高圧のブラインＳＢＨが供給されると、流路１１３の内部にある低圧のフィードＳＦＬは、高圧のブラインＳＢＨと同じ圧力に昇圧される。このとき、フィードＳＦとブラインＳＢとの間を仕切るものは何もないが、互いの塩分濃度差によって、ある程度は攪拌が抑制される。
【００３１】
図５において下方から第１の供給路１２１を通って供給される高圧のブラインＳＢＨは、ロータ１１の内周側から流路１１３へ供給される。そして、約９０°ロータ１１が回転した後、ロータ１１の内周側へ流路１１３から押し出された低圧のブラインＳＢＬは、第１の回収路１２２を通って上方へ排出される。また、図８に示すように、高圧のブラインＳＢＨが内周側から流路１１３に供給されることによって昇圧されて高圧になったフィードＳＦＨは、ロータ１１が約９０°回転する間に高圧のブラインＳＢＨによってロータ１１の外周側へ排出される。高圧のフィードＳＦＨが流路１１３から排出された代わりに高圧のブラインＳＢＨが流路１１３を満たす。第２の回収路１３２Ａから吐出された高圧のフィードＳＦＨは、図１に示した濾過器６へ供給される。
【００３２】
このとき、ロータ１１が回転することによる遠心力がフィードＳＦ及びブラインＳＢに作用する。これは、いわゆる「遠心ポンプ」と同じ作用であり、高圧のブラインＳＢＨの圧力よりも高圧のフィードＳＦＨの圧力をやや高くすることができる。例えば、高圧のブラインＳＢＨの圧力が約５.８[ＭＰa]である場合、流路１１３が第１の供給路１２１に連通されると低圧のフィードＳＦＬの圧力は、約５.８[ＭＰa]まで上昇し、高圧のフィードＳＦＨになる。そしてその後、高圧のフィードＳＦＨは、遠心力でさらに約０.２[ＭＰa]加圧され、第２の回収路１３２から吐出されるときには、約６.０[ＭＰa]になる。このように、動力回収装置１０から吐出された高圧のフィードＳＦＨは、６.０[ＭＰa]まで昇圧されることによって、高圧ポンプ５で昇圧された高圧のフィードＳＦＨと同じ圧力になっている。したがって、そのまま高圧ポンプ５で昇圧された高圧のフィードＳＦＨに合流させて濾過器６に供給することができる。
【００３３】
フィードＳＦＨを押し出したことによって、高圧のブラインＳＢＨで満たされた流路１１３は、図８に示すようにロータ１１が回転することでＡ組の第１の供給路１２１ＡおよびＡ組の第２の回収路１３２Ａから遮断され、低圧のフィードＳＦＬが供給された側と対称の位置にあるＢ組の第２の供給路１３１ＢおよびＡ組の第１の回収路１２２Ａに連通される。高圧のブラインＳＢＨで満たされていた流路１１３がＡ組の第１の回収路１２２Ａ及びＢ組の第２の供給路１３１Ｂに連通されることによって、圧力が開放され、Ｂ組の第２の供給路１３１Ｂから供給される低圧のフィードＳＦＬと同じ圧力まで流路１１３の内部の圧力が低下する。これによって、Ａ組の第１の供給路１２１Ａから供給された高圧のブラインＳＢＨは、低圧のブラインＳＢＬに代わる。Ｂ組の第２の供給路１３１Ｂを通してロータ１１の外周側から流路１１３へ供給される低圧のフィードＳＦＬによって、低圧のブラインＳＢＬは、ロータ１１の中心側のＡ組の第１の回収路１２２Ａへ流路１１３から排出される。
【００３４】
なお、ロータ１１の流路１１３内にある低圧のブラインＳＢＬには、高圧のフィードＳＦＨと同様に遠心力が作用する。したがって、Ａ組の第１の回収路１２２Ａへ流路１１３内のブラインＳＢＬを排出するために、Ｂ組の第２の供給路１３１Ｂから供給される低圧のフィードＳＦＬには、遠心力に勝る圧力が必要である。このことは、Ａ組の第２の供給路１３１Ａから供給される低圧のフィードＳＦＬについても同様である。本実施形態の場合、約０.２[ＭＰa]だけ高い圧力の低圧のフィードＳＦＬをそれぞれの第２の供給路１３１から供給する。
【００３５】
そして、この１８０°対称の位置のＢ組の第２の供給路１３１Ｂから供給された低圧のフィードＳＦＬは、上述の説明と同様に上述のＡ組の第１の供給路１２１Ａと１８０°対称の位置のＢ組の第１の供給路１２１Ｂから供給される高圧のブラインＳＢＨと圧力の交換を行い、高圧のフィードＳＦＨとしてＢ組の第２の回収路１３２Ｂから吐出される。圧力の低下した低圧のブラインＳＢＬは、Ａ組の第２の供給路１３１Ａから供給される低圧フィードＳＦＬによってＢ組の第１の回収路１２２Ｂへ排出される。
【００３６】
このように、第１の供給路１２１から供給されるブラインＳＢは、流路１１３を通り抜けることなく第１の回収路１２２へ排出され、第２の供給路１３１から供給されるフィードＳＦは、流路１１３を通り抜けることなく第２の回収路１３２へ吐出される。
【００３７】
以上のようにフィードＳＦとブラインＳＢの間の圧力交換は、各流路１１３について見た場合、ロータ１１が回転して各流路１１３が第１の供給路１２１に連通するたびに行われる。このとき、ロータ１１が回転し続けることによって、流路１１３の一つ一つが順番に第１の供給路１２１に連通されるように切り換わるので、動力回収装置１０として見た場合には、圧力交換が連続的に実行されているのと、ほぼ等しい。
【００３８】
また、ロータの１１流路１１３が第２の回収路１３２から第２の供給路１３１までの間の中立外周壁１３３によって流路１１３の外周側が塞がれている場合、流路１１３の内圧は、高圧のブラインＳＢＨの圧力をほぼ維持する。ただし、ロータ１１が回転し得るように、ロータ１１の外周とケーシング１３との間、及びロータ１１の内周とシャフト１２との間には、それぞれ５〜５０[μｍ]程度の隙間を有しているので、中立外周壁１３３と対面している間でも隙間から液体が低圧側へ流出することで流路１１３内の圧力が低下する。つまり、第２の回収路１３２と第２の供給路１３１の間において、中立外周壁１３３と対面する流路１１３のうち第２の回収路１３２に近い側の流路１１３は、第２の回収路１３２の圧力、すなわち第１の供給路１２１の高圧のブラインＳＢＨよりも圧力が低くなり、第２の供給路１３１に近づくにつれて、徐々に圧力が低下するであろう。これと同様に、第２の供給路１３１から第２の回収路１３２までの間の中立外周壁１３３によって外周側が塞がれている流路１１３の圧力は、第２の回収路１３２に近くなると少し高くなることが予想される。ただし、ロータ１１が回転しているので、隙間に対して第２の回収路１３２の高圧のフィードＳＦＨが流出することが少し抑制されるであろう。
【００３９】
このとき、ロータ１１の外周面が中立外周壁１３３に対峙している面積は、ロータ１１の内周面がシャフト１２に対峙している面積よりも十分に大きい。そこで、ロータ１１の内周面とシャフト１２との間の圧力分布においてばらつきがあってもロータ１１が回転するうえでの影響が少ないと考え、ロータ１１の外周面と中立外周壁１３３との間の圧力分布について注目する。回転中心１１Ａに対して対象となる位置のロータ１１の外周面と中立外周壁１３３との間の圧力分布が均等でないと、ロータ１１は、回転中に偏心してシャフト１２やケーシング１３に接触するかもしれない。ロータ１１の外周面とケーシング１３の中立外周壁１３３との間に生じる圧力分布の差は、製造較差に起因するものの他に、流体の密度（この場合は塩水濃度）や、周辺部の表面粗度にも影響される。したがって圧力分布の差をなくすことは困難であるため、圧力差を相殺する別の手段を講じる必要がある。これは、回転中心１１Ａに対する半径方向（ラジアル方向）のみならず、ロータ１１の外周又は内周の隙間から漏れる液体（ここでは高圧又は低圧のブラインＳＢ、高圧又は低圧のフィードＳＦのいずれでもあり得る）によって回転中心１１Ａに沿う方向（スラスト方向）に偏ることも考慮されるべきである。
【００４０】
本実施形態の動力回収装置１０は、回転中心１１Ａを鉛直に設定しているので、ロータ１１に作用する重力によってロータ１１を下方へ偏らせる荷重が働く。そこで、重力によってロータ１１に生じるスラスト荷重は、摩擦軸受で保持している。この動力回収装置１０は、ロータ１１とケーシング１３との間の圧力差によってロータ１１が偏心しないようにするために、スラストシャント孔１４とラジアルシャント孔１５を有している。
【００４１】
図３、図５及び図６に示すように、本実施形態の動力回収装置１０は、スラストシャント孔１４が設けられていることによって、第１の圧力室１４１と第２の圧力室１４２の差圧をなくし、ロータ１１のスラスト方向（回転中心に沿う方向）の偏りを抑制している。また、図４及び図７に示すように、この動力回収装置１０は、シャフト１２にラジアルシャント孔１５を有している。ラジアルシャント孔１５は、シャフト１２の直径方向に貫通しており、直交するラジアルシャント孔１５どうしは連通しない立体交差の配置である。各ラジアルシャント孔１５は、ロータ１１の内周側の流路１１３に連通して、回転中心１１Ａに対して対称の位置にある流路１１３どうしの内圧を平均化することで、流路１１３の外周側が中立外周壁１３３に塞がれている間に生じる圧力分布の差を無くし、ロータ１１のラジアル方向（半径方向）の偏りを抑制している。
【００４２】
ここで、本実施形態の動力回収装置１０は、モータなど外部駆動力を用いてロータ１１を回転させてもよいが、ロータ１１に作用する低圧のフィードＳＦＬが有しているエネルギーでロータ１１を回転させ、かつ、ロータ１１が回転することによる遠心力に抗って低圧のブラインＳＢＬを第１の回収路１２２へ回収することができる条件を図８から図１２を参照し、以下に検討する。詳細な検証は流体シミュレーションなどが必要であるが、ある程度簡略化し、概算することができる。
【００４３】
図９及び図１０に示すように、低圧のフィードＳＦＬが流速Ｖ［m/s］でロータ１１の接線方向に対して進入角度α[rad]を持ってロータ１１の外周側から流路１１３へ流入するとき、ロータ１１が角速度ω[rad/s]で回転すると仮定する。また、ロータ１１の内周側へ流路１１３から低圧のブラインＳＢＬが内周の接線に対して放出角度α２および流速Ｖ２で押し出されるものとする。計算を簡略化するために、流路１１３の流路断面積は、ロータ１１の半径方向の位置によらず一定であるものとする。
【００４４】
ロータ１１に作用するトルクＴは、図９中の角速度ωと同じ方向の流体の持つ角運動量の変化であるので、（式１）で近似することができる。  
Ｔ＝ρＱf(Ｖ・r１・cosα−Ｖ２・r２・cosα２)
＝ρＱf(Ｖ・r１・cosα−r２２・ω)           …（式１）
ここで、
Ｔ：ロータ１１に作用するトルク[Ｎ・m]
ρ：流体の比質量[kg/m３]
Ｑf：第２の供給路１３１からロータ１１の流路に流入する低圧のフィードＳＦＬの全流量[m３/s]
Ｖ：低圧のフィードＳＦＬの流速[m/s]
Ｖ２：低圧のブラインＳＢＬの流速[m/s]
r１：ロータ１１の外形[m]
r２：ロータ１１の内径[m]
α：低圧のフィードＳＦＬの進入角度[rad]
α２：低圧のブラインＳＢＬの放出角度[rad]
【００４５】
（式１）の導出過程を以下に説明する。Ａ組の第２の供給路１３１及びＢ組の第２の供給路１３１は、同じように機能するので、Ａ組の第２の供給路１３１について考える。Ａ組の第２の供給路１３１から流入する低圧のフィードＳＦＬの流量は、全流量Ｑfの半分であるからＱf／２であり、進入角度αを有している。低圧のフィードＳＦＬを図１０中に速度ベクトルｖで表す。  
Ａ組の第２の供給路に連通する流路の総断面積nＡ／２とすると、図１０に示す低圧のフィードＳＦＬがロータ１１の外周部ｒ１から流路１１３に沿って流入するロータ１１の半径方向の速度Ｖ１rは、次式（式２）で表される。  
Ｖ１r ＝(Ｑf／２)/(nＡ／２)=Ｑf／nＡ  …（式２）
また、流路１１３に入った直後のフィードＳＦＬの円周方向の速度Ｖ１tは、図１０に示すようにロータ１１の角速度ωによって決定されるから、（式３）となる。  
Ｖ１t＝r１ω      …（式３）
【００４６】
したがって、ロータ１１の流路１１３に外周部ｒ１から入った直後の低圧のフィードＳＦＬの速度Ｖ１を図１１に速度ベクトルｖ１で表すと、低圧のフィードＳＦＬが流路１１３に入った直後の流体の速度ベクトルの変化量をｖ１−ｖで表すことができる。このとき低圧のフィードＳＦＬがロータ１１に与える力Ｆは、低圧のフィードＳＦＬの運動変化量の符号を反転した大きさに等しく、ベクトル量で表示すると（式４）で表示される。  
Ｆ＝ −(ｖ１−ｖ)(Ｑf／２)    …（式４）
ここで、Ｖ１は速度ベクトルｖ１の大きさ、Ｖは速度ベクトルｖの大きさであるので、ロータ１１の接線方向の力Ｆの成分Ｆtは、図１１によれば（式５）で表すことができる。  
Ｆt＝ −(Ｖ１・cosα１−Ｖ・cosα)(Ｑf／２)ρ    …（式５）
【００４７】
力Ｆによってロータ１１に加えられるトルク（Ｔ１／２）は、ロータ１１の接線方向の力Ｆの成分Ｆtに半径ｒ１を乗じた（式６）で示される。  
Ｔ１／２＝ −(Ｖ１・cosα１−Ｖ・cosα)(Ｑf／２)ρ・r１    …（式６）
Ａ組の第２の供給路１３１に対してＢ組の第２の供給路１３１でも同じ現象が起こっているので、この２つの第２の供給路１３１から低圧のフィードＳＦＬが流路１１３に流入する場合にロータ１１に作用するトルクＴ１は、（式６）の２倍になるので（式７）のように示される。  
Ｔ１＝  ρＱf・ｒ１(Ｖ・cosα−Ｖ１・cosα１)    …（式７）
【００４８】
次に、ロータ１１の流路１１３に入った低圧のフィードＳＦＬが外周部ｒ１から内周部ｒ２へ進む間にロータに与えるトルクを求める。図１０に示すように、ロータ１１の外周から流路１１３に入った直後のフィードＳＦＬの速度ベクトルをｖ１とすると、その周方向成分Ｖ１ｔと半径方向成分Ｖ１ｒは、（式８）で表される。  
Ｖ１ｔ＝ｒ１ω、  Ｖ１ｒ＝Ｑf／ｎＡ    …（式８）  
また、ロータ１１の流路１１３の内周側ｒ２の位置におけるフィードＳＦＬの速度ベクトルをｖ２とすると、その周方向成分Ｖ２ｔ及び半径方向成分Ｖ２ｒは、（式９）で表される。  
Ｖ２ｔ＝ｒ２ω、  Ｖ２ｒ＝Ｖ１ｒ＝Ｑf／ｎＡ    …（式９）
【００４９】
流路１１３を外周部ｒ１から内周部ｒ２まで進む間に低圧のフィードＳＦＬのベクトルを変化させる力は、図１２に示すように、ロータ１１からフィードＳＦＬが受けた力であり、その反力すなわち符号を反転したものが、フィードＳＦＬがロータ１１に与えたトルクに相当する。また、フィードＳＦＬが流路１１３を流れる間にロータ１１に作用するトルクＴ２は、ロータ１１の角運動量の変化である。ここでは、フィードＳＦＬが非圧縮流体で流路断面積が一定なので、（式８）及び（式９）に示したようにフィードＳＦＬが流路１１３を進む半径方向成分が一定となり、周方向成分の差がトルクを発生していることとなる。速度ベクトルの周方向成分をそれぞれの速度ベクトルｖ１、ｖ２で表すとトルクＴ２は（式１０）で表される。  
Ｔ２＝ρＱf・(r１・Ｖ１・cosα１−r２・Ｖ２・cosα２)    …（式１０）
【００５０】
Ａ組の第２の供給路１３１及びＢ組の第２の供給路１３１から流路１１３に入った流量Ｑfの低圧のフィードＳＦＬとこの低圧のフィードＳＦＬによって流路１１３から押し出されてＢ組の第１の回収路１２２及びＡ組の第１の回収路１２２へ排出された流量Ｑfの低圧のブラインＳＢＬとによって発生するロータ１１のトルクＴは、（式７）と（式１０）との和であって（式１１）に示すように（式１）になる。
【００５１】
Ｔ＝Ｔ１＋Ｔ２＝ρＱf(Ｖ・r１・cosα−r２２・ω)    …（式１１）
また、ロータ１１の角速度がωである場合に低圧のフィードＳＦＬ及び低圧のブラインＳＢＬがロータ１１に与える動力Ｗｒは、トルクＴと角速度ωの積であるので（式１２）が得られる。  
Ｗｒ＝ωρＱｆ(Ｖ・r１・cosα−ｒ２２・ω)    …（式１２）
【００５２】
（式１２）による結果は、あくまでも一例であり、ロータ１１の流路１１３の形状が変われば異なる式になる。また、最適な流路形状及びトルクなどを正確に求める場合には、流体シミュレーションによる数値解析が必要である。
【００５３】
次に、図１３を用いてロータ１１が回転するときの遠心力によって発生するブースト圧を見積もる。図１３に示すように、ブースト圧は、流路１１３の外周部ｒ１の圧力Ｐ１と内周部ｒ２の圧力Ｐ２との圧力差であり、Ｐ１−Ｐ２として（式１３）によって算出される。  
【００５４】
【数１】
2014210230.tif 000003
【００５５】
この（式１３）からブーストに要するロータ１１の角速度ωが決定される。なお、この（式１３）も流路１１３の断面形状が一定である場合の一例であり、流路形状が変われば計算式も異なる。最適な流路形状及びブースト圧を正確に求める場合には、流体シミュレーションによる数値解析が必要である。
【００５６】
ブーストしたい流量をＱbとすると、Ｑbのフィードを（Ｐ１−Ｐ２）だけ昇圧するために要する動力Ｗｂは、（式１４）によって求められる。  
Ｗｂ＝Ｑｂ(Ｐ１−Ｐ２)    …（式１４）
【００５７】
具体的な数値を用いてさらに説明する。２つの第２の供給路１３１から流入する低圧のフィードＳＦＬの流量をＱｆ、ブーストしたい流体、ここでは高圧のフィードＳＦＨの流量をＱｂとして、次のように設定する。  
Ｑｆ＝Ｑｂ＝２．８９３５×１０−３  ［m３/s］
目標とするブースト圧を０.２[ＭＰa]、ロータ１１の外周の半径ｒ１＝０.２［ｍ］、ロータ１１の内周の半径ｒ２＝０．１［ｍ］、高圧のフィードＳＦＨの比質量ρ＝１０００［kg/m３］とすると、（式１３）から必要な角速度ω０.２ＭＰａを得る。  
ω０.２ＭＰａ＝１１５．４７［rad/s］
ブースト圧に必要な動力Ｗbは、（式１４）によって求められる。  
Ｗb＝５７８．７［Ｗ］  
（式１２）のωにω０.２ＭＰａを代入し、ＷｒにＷｂを代入すると、他の動力を用いなくても第２の供給路１３１から流入する低圧のフィードＳＦＬだけでブーストができることが分かる。ブーストに必要なフィードＳＦＬの流速Ｖｂは、それぞれの第２の供給路１３１において、次の値である。  
Ｖｂ＝１６．６７［m/s］
【００５８】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００５９】
１…海水淡水化装置、６…濾過器、６１…ＲＯ膜（逆浸透膜）、１０…動力回収装置、１１…ロータ、１１Ａ…回転中心、１１１…第１の壁、１１２…第２の壁、１１３…流路、１２…シャフト、１２１…第１の供給路、１２２…第１の回収路、１３…ケーシング、１３１…第２の供給路、１３２…第２の回収路、１４…スラストシャント孔、１４１…第１の圧力室、１４２…第２の圧力室、１５…ラジアルシャント孔。
【図１】
2014210230.tif 000004
【図２】
2014210230.tif 000005
【図３】
2014210230.tif 000006
【図４】
2014210230.tif 000007
【図５】
2014210230.tif 000008
【図６】
2014210230.tif 000009
【図７】
2014210230.tif 000010
【図８】
2014210230.tif 000011
【図９】
2014210230.tif 000012
【図１０】
2014210230.tif 000013
【図１１】
2014210230.tif 000014
【図１２】
2014210230.tif 000015
【図１３】
2014210230.tif 000016