(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポンプによって昇圧した海水を逆浸透膜分離装置に通水して淡水と濃縮海水に分離して海水から淡水を生成する海水淡水化システムにおいて前記逆浸透膜分離装置から吐出される濃縮海水の圧力エネルギーを前記海水を昇圧するエネルギーに利用するエネルギー交換チャンバーであって、
内部に濃縮海水および海水を収容する空間を有したチャンバーと、
前記チャンバーの下部に設けられ濃縮海水の給排水を行う濃縮海水ポートと、
前記チャンバーの上部に設けられ海水の給排水を行う海水ポートと、
前記濃縮海水ポートと連通し、流入した濃縮海水を前記チャンバー内の水平面全体に分散させる濃縮海水分散構造体と、
前記海水ポートと連通し、流入した海水を前記チャンバー内の水平面全体に分散させる海水分散構造体とを備え、
前記チャンバー内に導入された濃縮海水と海水とが前記チャンバー内の水平面全体に直接接触して、濃縮海水と海水との圧力エネルギーが交換され、
前記濃縮海水分散構造体と前記海水分散構造体とは、水平に配置され、それぞれチャンバー内面の最下部と最上部に対向して配列された複数の孔を有するパイプ形状であることを特徴とするエネルギー交換チャンバー。
【請求項２】
前記チャンバーは、長手方向を水平に配置した円筒形状のチャンバーであることを特徴とする請求項１記載のエネルギー交換チャンバー。
【請求項３】
前記パイプ形状は、円筒形状のパイプまたは角筒形状のパイプであることを特徴とする請求項１記載のエネルギー交換チャンバー。
【請求項４】
前記濃縮海水分散構造体と前記海水分散構造体とを連結する連結部材を備え、
前記連結部材における前記濃縮海水分散構造体と前記海水分散構造体との連結部は、それぞれ、連結する分散構造体の外形形状に次第に近づくように略三角形状の断面形状をなしていることを特徴とする請求項１記載のエネルギー交換チャンバー。
【請求項５】
前記濃縮海水分散構造体と前記海水分散構造体とがそれぞれ前記チャンバー内面と対面する位置において、前記複数の孔をはさんで前記複数の孔の両側に２つの多孔板を配置し、該２つの多孔板によって前記チャンバー内面と前記濃縮海水分散構造体又は前記海水分散構造体とを接続したことを特徴とする請求項１記載のエネルギー交換チャンバー。
【請求項６】
前記濃縮海水ポートおよび前記海水ポートは、円筒形状のチャンバーの外周面を貫通して設けられていることを特徴とする請求項１記載のエネルギー交換チャンバー。
【請求項７】
ポンプによって昇圧した海水を逆浸透膜分離装置に通水して淡水と濃縮海水に分離して海水から淡水を生成する海水淡水化システムにおいて、
前記逆浸透膜分離装置から吐出される濃縮海水の圧力エネルギーを前記海水の一部を昇圧するエネルギーに利用する請求項１乃至６のいずれか１項に記載のエネルギー交換チャンバーを備えたことを特徴とする海水淡水化システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、海水から塩分を除去して海水を淡水化する海水淡水化システムおよび該海水淡水化システムに好適に用いられるエネルギー交換チャンバーに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、海水を淡水化するシステムとして、海水を逆浸透膜分離装置に通水して脱塩する海水淡水化システムが知られている。この海水淡水化システムにおいては、取水された海水は、前処理装置により一定水質の条件に整えられたのち、高圧ポンプにより加圧され、逆浸透膜分離装置へと圧送され、逆浸透膜分離装置内の高圧海水の一部は、逆浸透圧力に打ち勝って逆浸透膜を通過し、塩分が除去された淡水として取り出される。その他の海水は、塩分濃度が高くなり濃縮された状態で逆浸透膜分離装置から濃縮海水（リジェクト）として排出される。ここで、海水淡水化システムにおける最大の運用コスト（電力費）は、前処理後の海水を浸透圧に打ち勝てる圧力即ち逆浸透圧まで上昇させるためのエネルギー、つまり高圧ポンプによる加圧エネルギーに大きく影響される。
【０００３】
すなわち、海水淡水化システムにおける最大の運用コストである電力費の半分以上は、高圧ポンプによる加圧に費やされることが多い。従って、逆浸透膜分離装置から排出される高塩分濃度で高圧の濃縮海水が保有する圧力エネルギーを、海水の一部を昇圧するエネルギーに利用することが行われている。そして、逆浸透膜分離装置から吐出される濃縮海水の圧力エネルギーを海水の一部を昇圧するエネルギーに利用する手段として、円筒の筒内に移動可能に嵌装されたピストンによって円筒の内部を二つの空間に分離し、２つの分離した空間の一方に濃縮海水の出入りを行う濃縮海水ポートを設け、もう一方に海水の出入りを行う海水ポートを設けたエネルギー交換チャンバーを利用することが行われている。
【０００４】
図１９は、従来の海水淡水化システムの構成例を示す模式図である。図１９に示すように、取水ポンプ（図示しない）により取水された海水は、前処理装置により前処理されて所定の水質条件に整えられたのち、海水供給ライン１を介してモータＭにより駆動される高圧ポンプ２へ供給される。高圧ポンプ２により昇圧された海水は吐出ライン３を介して逆浸透膜（ＲＯ膜）を備えた逆浸透膜分離装置４に供給される。逆浸透膜分離装置４は、海水を塩分濃度の高い濃縮海水と塩分濃度の低い淡水に分離し海水から淡水を得る。この時、塩分濃度の高い濃縮海水が逆浸透膜分離装置４から排出されるが、この濃縮海水は依然高い圧力を有している。逆浸透膜分離装置４から濃縮海水を排出する濃縮海水ライン５は、制御弁６を介してエネルギー交換チャンバー１０の濃縮海水ポートＰ１へ接続している。前処理された低圧の海水を供給する海水供給ライン１は、高圧ポンプ２の上流で分岐してバルブ７を介してエネルギー交換チャンバー１０の海水ポートＰ２へ接続している。エネルギー交換チャンバー１０は、内部にピストン１２を備え、ピストン１２はエネルギー交換チャンバー１０内を移動可能に嵌装されている。
【０００５】
エネルギー交換チャンバー１０において濃縮海水の圧力を利用して昇圧された海水は、バルブ７を介してブースターポンプ８に供給される。そして、ブースターポンプ８によって海水は高圧ポンプ２の吐出ライン３と同じレベルの圧力になるようにさらに昇圧され、昇圧された海水はバルブ９を介して高圧ポンプ２の吐出ライン３に合流して逆浸透膜分離装置４に供給される。
【０００６】
上述した従来のエネルギー交換チャンバーにおいては、エネルギー交換チャンバー内のピストンはチャンバー内壁と摺動することになり、ピストンの摺動部材が摩耗するので定期的な交換が必要であり、また長尺のチャンバーの内径をピストンの外形に合わせて精度よく加工する必要があり、加工コストが非常に高価であった。
そのため、本件出願人は、特許文献１において円筒形長尺のチャンバーを圧力交換チャンバーとし、チャンバー内に複数の区画された流路を設けて逆浸透膜（ＲＯ膜）から排出される高圧の濃縮海水で直接海水を加圧する方式を採用することにより、ピストンの無い形態のエネルギー交換チャンバーを提案した。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１０−２８４６４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１で開示されているエネルギー交換チャンバーは、円筒形長尺のチャンバーを水平横置きに設置した場合には、濃縮海水と海水は水平方向において左右に分離され２流体の接触する境界部での混合を抑制しながら、高圧の濃縮海水から低圧の海水へ圧力伝達を行うというものである。
本発明者らは、特許文献１で開示されているような、濃縮海水と海水の界面が濃縮海水と海水の双方の圧力バランスによりチャンバー内を移動する方式のエネルギー交換チャンバーについて、濃縮海水と海水の比重差を考慮したコンピューターシミュレーションによる解析を行った結果、比重差がある場合にはチャンバーの長手方向を水平横置きにした場合に問題があるという知見を得たものである。
【０００９】
本発明者らは、上記知見に基づいて、チャンバーの長手方向を水平横置きにした場合でも濃縮海水と海水の混合を抑制して濃縮海水と海水を分離する手段を着想し、本発明の創案に至ったものである。
すなわち、本発明は、チャンバーの容積室の下方から濃縮海水を給排水し、上方から海水を給排水することにより、濃縮海水と海水を上下に分離して２流体の接触する境界部での混合を抑制しながら、高圧の濃縮海水から海水へ圧力伝達を行うことができるエネルギー交換チャンバーおよび該エネルギー交換チャンバーを備えた海水淡水化システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述した目的を達成するために、本発明のエネルギー交換チャンバーは、ポンプによって昇圧した海水を逆浸透膜分離装置に通水して淡水と濃縮海水に分離して海水から淡水を生成する海水淡水化システムにおいて前記逆浸透膜分離装置から吐出される濃縮海水の圧力エネルギーを前記海水を昇圧するエネルギーに利用するエネルギー交換チャンバーであって、内部に濃縮海水および海水を収容する空間を有したチャンバーと、前記チャンバーの下部に設けられ濃縮海水の給排水を行う濃縮海水ポートと、前記チャンバーの上部に設けられ海水の給排水を行う海水ポートと、前記濃縮海水ポートと連通し、流入した濃縮海水を前記チャンバー内の水平方向に亘って分散させる濃縮海水分散構造体と、前記海水ポートと連通し、流入した海水を前記チャンバー内の水平方向に亘って分散させる海水分散構造体とを備え、前記チャンバー内に導入された濃縮海水と海水とが前記チャンバー内の水平方向に亘って直接接触して、濃縮海水と海水との圧力エネルギーが交換され、前記濃縮海水分散構造体と前記海水分散構造体とは、水平に配置され、それぞれチャンバー内面の最下部と最上部に対向して配列された複数の孔を有するパイプ形状であることを特徴とする。
【００１１】
本発明によれば、チャンバーの下部に設けられた濃縮海水ポートから濃縮海水をチャンバー内へ給排水し、チャンバーの上部に設けられた海水ポートから海水をチャンバー内へ給排水する。チャンバー内に流入した濃縮海水は濃縮海水分散構造体によってチャンバー内の水平面全体に分散し、またチャンバー内に流入した海水は海水分散構造体によってチャンバー内の水平面全体に分散する。濃縮海水は海水より比重が高いために比重の差から濃縮海水と海水の境界部が形成され、チャンバー内の水平面全体に分散した濃縮海水はチャンバー内の水平面全体に分散した海水を押し上げ、濃縮海水と海水を上下に分離しながら２流体の接触する境界部での混合を抑制しながら、高圧の濃縮海水から海水へ圧力伝達を行うことができる。
本発明によれば、濃縮海水ポートから濃縮海水を供給し、海水ポートから海水を排出する場合には、濃縮海水ポートに供給された濃縮海水は濃縮海水ポートと連通しているパイプ形状の濃縮海水分散構造体に流入し、濃縮海水分散構造体に形成された下向きの貫通孔を通ってチャンバー室に流入する。チャンバー室に流入した濃縮海水は海水より比重が高いため、下方から海水を上方に押し上げながら流入する。一方、押し上げられた比重が低い海水はパイプ形状の海水分散構造体に形成された上向きの貫通孔を通って海水分散構造体内に流入する。チャンバー室内には、比重の差から濃縮海水と海水の境界部が形成され、この境界部がチャンバー室を上昇・下降するようになる。海水ポートから海水を供給し、濃縮海水ポートから濃縮海水を排出する場合には、海水ポートに供給された海水は海水ポートと連通している海水分散構造体に流入し、海水分散構造体に形成された貫通孔からチャンバー室に流入し、濃縮海水が濃縮海水分散構造体に形成された貫通孔から濃縮海水分散構造体に連通している濃縮海水ポートへ排出される。
【００１２】
本発明の好ましい態様によれば、前記チャンバーは、長手方向を水平に配置した円筒形状のチャンバーであることを特徴とする。
【００１４】
本発明の好ましい態様によれば、前記パイプ形状は、円筒形状のパイプまたは角筒形状のパイプであることを特徴とする。
本発明によれば、濃縮海水分散構造体と海水分散構造体とをチャンバー室内に上下に配置された円筒形状または角筒形状のパイプで構成することができる。この場合、パイプを角筒形状にすることにより、濃縮海水と海水との境界部がパイプの下端より上方あるいはパイプの上端より下方になってもパイプとの接触による境界部の乱れを少なくすることができる。
【００１５】
本発明の好ましい態様によれば、前記濃縮海水分散構造体と前記海水分散構造体とを連結する連結部材を備え、前記連結部材における前記濃縮海水分散構造体と前記海水分散構造体との連結部は、それぞれ、連結する分散構造体の外形形状に次第に近づくように略三角形状の断面形状をなしていることを特徴とする。
本発明によれば、連結部材における分散構造体と連結する部分は、漸近的に分散構造体の外径に近づくように断面積が広がっていく略三角形状の断面形状をなしている。これにより、境界部が海水分散構造体の下端より上方あるいは濃縮海水分散構造体の上端より下方になるときの境界部の変化が少なくなるので、境界部の乱れを抑制することができる。
【００１６】
本発明の好ましい態様によれば、前記濃縮海水分散構造体と前記海水分散構造体とがそれぞれ前記チャンバー内面と対面する位置において、前記複数の孔をはさんで前記複数の孔の両側に２つの多孔板を配置し、該２つの多孔板によって前記チャンバー内面と前記濃縮海水分散構造体又は前記海水分散構造体とを接続したことを特徴とする。
本発明によれば、海水分散構造体の両側面とチャンバーの内面とを接続する２枚の多孔板を設け、濃縮海水分散構造体の両側面とチャンバーの内面とを接続する２枚の多孔板を設けている。これにより、濃縮海水分散構造体と２枚の多孔板で形成される第１の空間と、海水分散構造体と２枚の多孔板で形成される第３の空間と、その間の第２の空間が構成される。この構成により、濃縮海水分散構造体から流入する濃縮海水は第１の空間に入り、第１の空間から多孔板を通過する際に多孔板によって流速が均一化され、この流速が均一化された流れが第２の空間に流入する。この作用により、第２の空間での流れがより均一に上方に流れるようになるため、境界部の乱れを抑制し、濃縮海水と海水の混合を抑制しながら、高圧の濃縮海水から海水への圧力伝達を行うことが可能になる。一方、押し上げられた海水は第２の空間から多孔板を通過する際に多孔板によって流速が均一化される。そして、多孔板によって流速が均一化された海水の流れが第３の空間に流入し、海水分散構造体に形成された上向きの貫通孔から海水が流出する。
本発明において、多孔板は、板に複数の孔を形成したパンチングプレートと呼ばれる部材で構成され、孔の直径は３〜１０ｍｍ程度で、板面積のうち孔の面積を表す空孔率が３０〜６０％とし、多孔板を通過することによる圧力損失が少なく、且つ流れの均一化効果を得るように構成されている。
【００１９】
本発明の好ましい態様によれば、前記濃縮海水ポートおよび前記海水ポートは、円筒形状のチャンバーの外周面を貫通して設けられていることを特徴とする。
【００２３】
本発明の海水淡水化システムは、ポンプによって昇圧した海水を逆浸透膜分離装置に通水して淡水と濃縮海水に分離して海水から淡水を生成する海水淡水化システムにおいて、前記逆浸透膜分離装置から吐出される濃縮海水の圧力エネルギーを前記海水の一部を昇圧するエネルギーに利用する請求項１乃至６のいずれか１項に記載のエネルギー交換チャンバーを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、以下に列挙する効果を奏する。
１）チャンバーの下方から濃縮海水を給排水し、上方から海水を給排水することにより、濃縮海水と海水との比重差を利用して濃縮海水と海水を上下に分離しながら２流体の接触する境界部での混合を抑制しながら、高圧の濃縮海水から海水へ圧力伝達を行うことができる。
２）チャンバー内での乱流拡散による濃縮海水と海水の混合を抑制でき、濃度の高い海水を逆浸透膜分離装置に送ってしまうことがないので、逆浸透膜分離装置の性能を十分に発揮することができるとともに、逆浸透膜自体の交換周期を長くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】図１は、本発明の海水淡水化システムの構成例を示す模式図である。
【図２】図２は、本発明のエネルギー交換チャンバーの構成例を示す断面図である。
【図３】図３は、チャンバー室内に配置された上パイプを示す斜視図である。
【図４】図４は図２のIV-IV線断面図である。
【図５】図５は、本発明のエネルギー交換チャンバーの作用を説明する図であり、図４に対応した模式図である。
【図６】図６は、本発明のエネルギー交換チャンバーの作用を説明する図であり、図４に対応した模式図である。
【図７】図７は、本発明のエネルギー交換チャンバーの変形例を示す断面図である。
【図８】図８は、本発明のエネルギー交換チャンバーの他の変形例を示す断面図である。
【図９】図９は本発明のエネルギー交換チャンバーの更に他の変形例を示す図であり、エネルギー交換チャンバーの断面図である。
【図１０】図１０は図９のＸ-Ｘ線断面図である。
【図１１】図１１は、本発明のエネルギー交換チャンバーの他の実施形態を示す図であり、エネルギー交換チャンバーの断面図である。
【図１２】図１２は図１１のXII-XII線断面図である。
【図１３】図１３は、本発明のエネルギー交換チャンバーの更に他の実施形態を示す図であり、エネルギー交換チャンバーの断面図である。
【図１４】図１４は図１３のXIV-XIV線断面図である。
【図１５】図１５はコンピューターシミュレーションの一例であり、図２乃至図６で示す構成で、濃縮海水および海水を導入し、境界部が上パイプ直前まで上昇したときの解析結果である。
【図１６】図１６は、本発明のエネルギー交換チャンバーの更に他の実施形態を示す断面図である。
【図１７】図１７は、図１６のXVII−XVII線断面図である。
【図１８】図１８は、図１６に示す本発明のエネルギー交換チャンバーの変形例を示す断面図である。
【図１９】図１９は、従来の海水淡水化システムの構成例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明に係る海水淡水化システムの実施形態について図１乃至図１８を参照して説明する。なお、図１乃至図１８において、同一または相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。
【００２７】
図１は、本発明の海水淡水化システムの構成例を示す模式図である。図１に示すように、取水ポンプ（図示しない）により取水された海水は、前処理装置により前処理されて所定の水質条件に整えられたのち、海水供給ライン１を介してモータＭにより駆動される高圧ポンプ２へ供給される。高圧ポンプ２で昇圧された海水は吐出ライン３を介して逆浸透膜（ＲＯ膜）を備えた逆浸透膜分離装置４に供給される。逆浸透膜分離装置４は、海水を塩分濃度の高い濃縮海水と塩分濃度の低い淡水に分離し海水から淡水を得る。この時、塩分濃度の高い濃縮海水が逆浸透膜分離装置４から排出されるが、この濃縮海水は依然高い圧力を有している。逆浸透膜分離装置４から濃縮海水を排出する濃縮海水ライン５は、制御弁６を介してエネルギー交換チャンバー２０の濃縮海水ポートＰ１へ接続している。前処理された低圧の海水を供給する海水供給ライン１は、高圧ポンプ２の上流で分岐してバルブ７を介してエネルギー交換チャンバー２０の海水ポートＰ２へ接続している。エネルギー交換チャンバー２０は、濃縮海水と海水の境界部によって二流体を分離しながら高圧の濃縮海水から低圧の海水へエネルギー伝達を行うものである。
【００２８】
エネルギー交換チャンバー２０において濃縮海水の圧力を利用して昇圧された海水は、ブースターポンプ８に供給される。そして、ブースターポンプ８によって海水は高圧ポンプ２の吐出ライン３と同じレベルの圧力になるようにさらに昇圧され、昇圧された海水はバルブ９を介して高圧ポンプ２の吐出ライン３に合流して逆浸透膜分離装置４に供給される。一方、海水を昇圧してエネルギーを失った濃縮海水は、エネルギー交換チャンバー２０から制御弁６を介して濃縮海水排出ライン１７に排出される。
【００２９】
図２は、本発明のエネルギー交換チャンバー２０の構成例を示す断面図である。図２に示すように、エネルギー交換チャンバー２０は、長尺の円筒形状のチャンバー本体２１と、チャンバー本体２１の両開口端を閉塞するフランジ２３を備えている。チャンバー本体２１内にはチャンバー室（容積室）ＣＨが形成され、一方のフランジ２３に濃縮海水ポートＰ１が形成され、他方のフランジ２３に海水ポートＰ２が形成されている。チャンバー本体２１には両端部の外径が中央部より大きな大径部２１ａが形成されており、ここにスタッドボルト１４が埋め込まれている。スタッドボルト１４はフランジ２３の端部から突出するように固定されており、このスタッドボルト１４にナット１５が締結されフランジ２３がチャンバー本体２１に固定されている。
【００３０】
エネルギー交換チャンバー２０は水平横置きに設置されており、濃縮海水ポートＰ１はチャンバー室ＣＨの下側で濃縮海水を給排水するようにポートＰ１が下側に設けられ、海水ポートＰ２はチャンバー室ＣＨの上側で海水を給排水するようにポートＰ２が上側に設けられている。
また、チャンバー室ＣＨ内には上下に２本のパイプ２５，２６が設けられており、上パイプ２５には海水ポートＰ２が連通し、下パイプ２６には濃縮海水ポートＰ１が連通するように構成されている。上下のパイプ２５，２６は、円筒形状のパイプからなり、フランジ２３，２３によってその位置が固定されている。
【００３１】
図３は、チャンバー室内に配置された上パイプ２５を示す斜視図である。図３に示すように、チャンバー室ＣＨの上方に配置された上パイプ２５には、上部に複数の孔２５ｈが形成されており、複数の孔２５ｈはパイプ２５の中空部に貫通している。チャンバー室ＣＨの下方に配置された下パイプ２６は、上パイプ２５と同様の構成であるが、図３に示す上パイプ２５を上下反転した形態であり、下向きに貫通孔が形成されている。
【００３２】
図４は図２のIV-IV線断面図である。図４に示すように、円筒形状のチャンバー本体２１内に形成されたチャンバー室ＣＨには、上パイプ２５と下パイプ２６とが上下に間隔をおいて配置されている。そして、上パイプ２５の上部には複数の孔２５ｈが形成され、下パイプ２６の下部には複数の孔２６ｈが形成されている。
【００３３】
図５および図６は、本発明のエネルギー交換チャンバーの作用を説明する図であり、図４に対応した模式図である。図５は、濃縮海水ポートＰ１から濃縮海水を給水し、海水ポートＰ２から海水を排出している状態を示す図である。図５に示すように、濃縮海水ポートＰ１に供給された濃縮海水はポートＰ１と連通している下パイプ２６に流入し、下パイプ２６に形成された下向きの貫通孔２６ｈを通ってチャンバー室ＣＨに流入する。チャンバー室ＣＨに流入した濃縮海水は海水より比重が高いため、下方から海水を上方に押し上げながら流入する。一方、押し上げられた比重が低い海水は上パイプ２５に形成された上向きの貫通孔２５ｈを通って上パイプ２５内に流入する。チャンバー室ＣＨ内には、比重の差から濃縮海水と海水の境界部Ｉが形成され、この境界部Ｉがチャンバー室ＣＨを上昇・下降するようになる。
【００３４】
上述の動作はエネルギー交換チャンバー２０の濃縮海水ポートＰ１の上流に設けた制御弁６（図１参照）により逆浸透膜（ＲＯ膜）からの高圧の濃縮海水を濃縮海水ポートＰ１へ連通することで、高圧の濃縮海水がエネルギー交換チャンバー２０に供給される流れとなることによる。エネルギー交換チャンバー２０のチャンバー室ＣＨ内は同圧になるため、逆浸透膜（ＲＯ膜）からエネルギー交換チャンバー２０に供給される高圧の濃縮海水の圧力と海水の圧力が等しくなるので、この作用により高圧の海水が海水ポートＰ２から排出され、濃縮海水の圧力エネルギーが海水に伝達される。
【００３５】
図６は、海水ポートＰ２から海水を供給し、濃縮海水ポートＰ１から濃縮海水を排出している状態を示す図である。図６に示すように、図５の作用とは逆に、海水ポートＰ２に供給された海水はポートＰ２と連通している上パイプ２５に流入し、上パイプ２５に形成された貫通孔２５ｈからチャンバー室ＣＨに流入し、濃縮海水が下パイプ２６に形成された貫通孔２６ｈから下パイプ２６に連通している濃縮海水ポートＰ１へ排出される。このときも同様に、比重の低い海水がチャンバー室ＣＨの上方から比重の高い濃縮海水を下方に押し出すようになる。この動作はエネルギー交換チャンバーの濃縮海水ポートＰ１の上流に設けた制御弁６により濃縮海水ポートＰ１を排水側へ連通することで、低圧の海水がエネルギー交換チャンバー２０内に供給される流れとなることによる。
【００３６】
上述した濃縮海水の給排水を制御弁６によって制御することで、低圧の海水を高圧の濃縮海水と等圧に昇圧し、昇圧された海水を海水ポートＰ２から逆浸透膜（ＲＯ膜）側に供給するエネルギー回収装置（エネルギー交換チャンバー）の作用となる。
なお、図示した濃縮海水と海水の境界部Ｉを二点鎖線の線として示しているが、実際には濃縮海水と海水とが接している境界では両者が混合して層状の混合層となっている。
【００３７】
図７は、本発明のエネルギー交換チャンバーの変形例を示す断面図である。図７に示す実施形態は、図２乃至図６に示す実施形態における上パイプと下パイプを角型にしたものである。すなわち、図７に示すように、上パイプ３５と下パイプ３６は角筒形状のパイプからなっている。上パイプ３５は、角部３５ａが下方に位置し、孔３５ｈが上方に位置するように配置されている。また、下パイプ３６は、角部３６ａが上方に位置し、孔３６ｈが下方に位置するように配置されている。このように上パイプ３５と下パイプ３６とを角型にすることにより、濃縮海水と海水との境界部Ｉが上パイプ３５の下端より上方あるいは下パイプ３６の上端より下方になってもパイプとの接触による境界部Ｉの乱れを少なくすることができる。図７では境界部Ｉが上パイプ３５の下端（角部３５ａ）より上方にある状態を示している。
【００３８】
図８は、本発明のエネルギー交換チャンバーの他の変形例を示す断面図である。図８に示す実施形態は、上パイプと下パイプを図２乃至図６に示す実施形態と同様の円筒形状とし、上パイプと下パイプを連結する連結部材を設けたものである。すなわち、図８に示すように、円筒形状の上パイプ２５と下パイプ２６とを連結する連結部材３０が設けられている。連結部材３０におけるパイプ２５，２６と連結する部分は、漸近的にパイプの外径に近づくように断面積が広がっていく略三角形状の断面形状をなしている。これにより、境界部Ｉが上パイプ２５の下端より上方あるいは下パイプ２６の上端より下方になるときの境界部Ｉの変化が少なくなるので、境界部Ｉの乱れを抑制することができる。なお、連結部材は、上パイプと下パイプとの長手方向のほぼ端から端まで連続した部材として構成されている。
【００３９】
図９および図１０は本発明のエネルギー交換チャンバーの更に他の変形例を示す図であり、図９はエネルギー交換チャンバーの断面図であり、図１０は図９のＸ-Ｘ線断面図である。図９および図１０に示す実施形態は、図２乃至図６に示す実施形態における円筒形状の上パイプ２５および下パイプ２６とチャンバー本体２１とを連結する多孔板を設けたものである。すなわち、図１０に示すように、上パイプ２５の両側面とチャンバー本体２１の内周面とを接続する２枚の多孔板３１，３１を設け、下パイプ２６の両側面とチャンバー本体２１の内周面とを接続する２枚の多孔板３１，３１を設けている。これにより、下パイプ２６と２枚の多孔板３１，３１で形成される空間Ｂと、上パイプ２５と２枚の多孔板３１，３１で形成される空間Ｄと、その間の空間Ｃが構成される。この構成により、下パイプ２６から流入する濃縮海水は空間Ｂに入り、空間Ｂから多孔板３１を通過する際に多孔板３１によって流速が均一化され、この流速が均一化された流れが空間Ｃに流入する。この作用により、空間Ｃでの流れがより均一に上方に流れるようになるため、境界部Ｉの乱れを抑制し、濃縮海水と海水の混合を抑制しながら、高圧の濃縮海水から海水への圧力伝達を行うことが可能になる。一方、押し上げられた海水は空間Ｃから多孔板３１を通過する際に多孔板３１によって流速が均一化される。そして、多孔板３１によって流速が均一化された海水の流れが空間Ｄに流入し、海水は上パイプ２５から流出する。
【００４０】
図１１および図１２は、本発明のエネルギー交換チャンバーの他の実施形態を示す図であり、図１１はエネルギー交換チャンバーの断面図であり、図１２は図１１のXII-XII線断面図である。図１１および図１２に示すように、チャンバー室ＣＨの中央に円筒形状のパイプ４０が設置されており、パイプ４０はフランジ２３，２３によってその位置が固定されている。図１２に示すように、パイプ４０の外周とチャンバー本体２１の内周を放射状に仕切る多孔板４１が４枚配置されている。図１１に示すように、多孔板４１は両フランジ２３，２３の間に延びている。このように４枚の多孔板４１により、チャンバー本体２１とパイプ４０との間に空間Ｂ、空間Ｃ、空間Ｄが形成されている。そして、空間Ｂには濃縮海水ポートＰ１が連通し、空間Ｄには海水ポートＰ２が連通している。
【００４１】
図１１および図１２に示すように構成されたエネルギー交換チャンバー２０において、濃縮海水ポートＰ１から流入した濃縮海水は、空間Ｂ内に広がり、２枚の多孔板４１で均一な流れに整流されて空間Ｃに流入する。多孔板４１により周方向に均一になった濃縮海水は、境界部Ｉを乱すことなく海水を均一に押し上げるようになり、チャンバー室ＣＨ内での濃縮海水と海水の混合を抑制する。一方、押し上げられた海水は空間Ｃから上方の多孔板４１を通過する際に多孔板４１によって流速が均一化される。そして、多孔板４１によって流速が均一化された海水の流れが空間Ｄに流入し、海水ポートＰ２側へ海水を押し出す。
【００４２】
図１３および図１４は、本発明のエネルギー交換チャンバーの更に他の実施形態を示す図であり、図１３はエネルギー交換チャンバーの断面図であり、図１４は図１３のXIV-XIV線断面図である。図１３に示すように、本実施形態においては濃縮海水ポートＰ１および海水ポートＰ２はチャンバー本体２１の側面を貫通して設けられている。図１４に示すように、チャンバー本体２１の内周には、上下に間隔をおいて水平方向に延びる２枚の多孔板５１，５１が配置されている。図１３に示すように、多孔板５１は両フランジ２３，２３の間に延びている。そして、図１４に示すように、２枚の多孔板５１，５１によってチャンバー室ＣＨを下から上に向かって３つの空間Ｂ、空間Ｃ、空間Ｄに区画している。
【００４３】
図１３および図１４に示すように構成されたエネルギー交換チャンバー２０において、濃縮海水ポートＰ１から流入した濃縮海水は、空間Ｂ内に広がり、下方の多孔板５１によって均一な流れに整流されて空間Ｃに流入する。空間Ｃ内において濃縮海水は上方の海水を押し出すように上方に流れる。このとき、多孔板５１によって方向、流速ともに均一になった流れが形成されるため、空間Ｃ内の境界部Ｉにおいて濃縮海水と海水の混合が抑制される。海水が上方の海水ポートＰ２から空間Ｄに流入し、空間Ｄから多孔板５１を介して空間Ｃに流入する場合も同様の整流効果を奏する。
【００４４】
図１５はコンピューターシミュレーションの一例であり、図２乃至図６で示す構成のエネルギー交換チャンバー２０において濃縮海水および海水を導入し、境界部Ｉが上パイプの直前まで上昇したときの解析結果である。
図１５においてグレーで示される部分ＧＲが濃縮海水を示し、白地で示される部分ＷＨが海水を示す。黒で示される部分ＢＬが２流体が混合している領域（混合部）である。なお、比重は濃縮海水がおおよそ１．０６および海水が１．０３とした。
【００４５】
図１６は、本発明のエネルギー交換チャンバー２０の更に他の実施形態を示す断面図である。図１６に示すように、本実施形態においてはエネルギー交換チャンバー２０は、縦置きに設置されている。すなわち、長尺の円筒形状のチャンバー本体２１は、チャンバーの長手方向が垂直方向に配置されており、濃縮海水ポートＰ１はチャンバー室ＣＨの下側で濃縮海水を給排水するようにポートＰ１が下側に設けられ、海水ポートＰ２はチャンバー室ＣＨの上側で海水を給排水するようにポートＰ２が上側に設けられている。チャンバー本体２１内には、チャンバー本体２１内に形成されたチャンバー室ＣＨより小径の複数のチューブ４５が濃縮海水ポートＰ１と海水ポートＰ２の間に配設され、チャンバー室ＣＨ内に固定された小径の複数のチューブ４５によって複数の区画された流路Ｒが形成されている。そして、これら流路によって濃縮海水ポートＰ１と海水ポートＰ２が連通されている。各チューブ４５は小径のチューブからなるため、チューブ内の円形の流路断面積は小さく設定されている。
【００４６】
図１７は、図１６のXVII−XVII線断面図である。図１７に示すように、チャンバー本体２１内に形成されたチャンバー室に小径の複数のチューブ４５が配設されている。そして、各チューブ４５内に濃縮海水および海水が流入する流路Ｒが形成されている。
【００４７】
濃縮海水ポートＰ１と流路Ｒの間の空間および海水ポートＰ２と流路Ｒの間の空間に、流体の整流を行う多孔板６１をそれぞれ設けている。多孔板６１はポートＰ１，Ｐ２から所定の距離離間して配置されている。そして、多孔板６１は区画された流路Ｒの端部からも所定の距離離間するように配置されている。このように、多孔板６１を配置することによって小径のポートＰ１，Ｐ２から流入する流れを大径のチャンバー室内に均一に分散させ複数の区画された流路Ｒに均一に流入する。
この時、区画された流路Ｒ内で濃縮海水と海水が接触するが、流路断面積が小さい流路Ｒ内で生じる渦は管路内の小さな渦になるので、大きく拡散せずに濃縮海水と海水の境界部Ｉが乱れない。このように流路断面積の小さい流路Ｒが複数個集まって大きなチャンバーを構成しているため、各流路Ｒで濃縮海水と海水の境界部Ｉが維持され、全体として濃縮海水と海水の境界部Ｉを維持したまま、すなわち濃縮海水と海水の混合を抑制しながら、濃縮海水によって海水を加圧し吐出することができる。海水が上方の海水ポートＰ２から多孔板６１を通って区画された流路Ｒに流入する場合も同様の整流効果を奏する。
【００４８】
図１６および図１７においては、円形断面を有した複数のチューブ４５によってチャンバー室ＣＨ内に複数の区画された流路Ｒを形成する例を示したが、チャンバー室ＣＨ内にハニカム状や格子状の区画された複数の流路Ｒを形成してもよい。
【００４９】
図１８は、図１６に示す本発明のエネルギー交換チャンバー２０の変形例を示す断面図である。図１８に示すように、本実施形態においてはエネルギー交換チャンバー２０は、縦置きに設置されている。すなわち、長尺の円筒形状のチャンバー本体２１は、チャンバーの長手方向が垂直方向に配置されており、濃縮海水ポートＰ１はチャンバー室ＣＨの下側で濃縮海水を給排水するようにポートＰ１が下側に設けられ、海水ポートＰ２はチャンバー室ＣＨの上側で海水を給排水するようにポートＰ２が上側に設けられている。チャンバー本体２１内には、濃縮海水ポートＰ１および海水ポートＰ２の近傍に流体の整流を行う多孔板６１が２枚配置されている。多孔板６１はポートＰ１，Ｐ２から所定の距離離間して配置されている。そして、ポートＰ１側の多孔板６１とポートＰ２側の多孔板６１との間にチャンバー室ＣＨが定義される。このように、多孔板６１を配置することによって小径のポートＰ１，Ｐ２から流入する流れを大径のチャンバー室ＣＨ内に均一に流入させる。
【００５０】
ここで、均一な流れとはチャンバー室ＣＨ内のある水平断面での流れ速度と方向が一様であることを意味する。すなわち、図１８におけるチャンバー室ＣＨ内における縦方向の任意の水平断面（評価断面）での流れが図示した矢印の長さを流速、向きを流れ方向とすると、いずれの矢印も同じ長さで同じ向きであることを意味する。この流れはチャンバー室内に配置した多孔板の空孔率とポートＰ１，Ｐ２からのそれぞれの配置位置により調整可能であり、解析などにより最適な寸法、配置位置を決定した。
多孔板６１でチャンバー室ＣＨ内に均一に流入した濃縮海水と海水は、比重の差により上下に分離しようとし、同時にチャンバー断面積で上下方向に一様な流れが形成されるので、境界部Ｉが維持され、全体として濃縮海水と海水の境界部Ｉを維持したまま、すなわち濃縮海水と海水の混合を抑制しながら、濃縮海水によって海水を加圧し吐出することができる。海水が上方の海水ポートＰ２から多孔板６１を通ってチャンバー室ＣＨ内に流入する場合も同様の整流効果を奏する。
【００５１】
これまで本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことはいうまでもなく、例えば、エネルギー交換チャンバーの形態等は、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【符号の説明】
【００５２】
１    海水供給ライン
２    高圧ポンプ
３    吐出ライン
４    逆浸透膜分離装置
５    濃縮海水ライン
６    制御弁
７    バルブ
８    ブースターポンプ
９    バルブ
１４    スタッドボルト
１５    ナット
２０    エネルギー交換チャンバー
２１    チャンバー本体
２１ａ  大径部
２３    フランジ
２５    上パイプ
２５ｈ  孔
２６    下パイプ
２６ｈ  孔
３０    連結部材
３１    多孔板
３５    上パイプ
３５ａ  角部
３５ｈ  孔
３６    下パイプ
３６ａ  角部
３６ｈ  孔
４０    パイプ
４１    多孔板
４５    チューブ
５１    多孔板
６１    多孔板
Ａ〜Ｄ  空間
ＣＨ    チャンバー室
Ｉ      境界部
Ｍ      モータ
Ｐ１    濃縮海水ポート
Ｐ２    海水ポート
Ｒ      流路
【図１】
0005848184.tif 000002
【図２】
0005848184.tif 000003
【図３】
0005848184.tif 000004
【図４】
0005848184.tif 000005
【図５】
0005848184.tif 000006
【図６】
0005848184.tif 000007
【図７】
0005848184.tif 000008
【図８】
0005848184.tif 000009
【図９】
0005848184.tif 000010
【図１０】
0005848184.tif 000011
【図１１】
0005848184.tif 000012
【図１２】
0005848184.tif 000013
【図１３】
0005848184.tif 000014
【図１４】
0005848184.tif 000015
【図１５】
0005848184.tif 000016
【図１６】
0005848184.tif 000017
【図１７】
0005848184.tif 000018
【図１８】
0005848184.tif 000019
【図１９】
0005848184.tif 000020