(57)【要約】本発明の好適な態様は回転する渦強化逆浸透濾過装置の改良に関する。また特に、この濾過装置、及び濾過方法はハウジング内にロータを回転させるため、加圧プロセス流体の流れを使用するようにした回転駆動機構を組み込み、これにより、ロータとハウジングとの間の間隙内に、剪断作用、及びテイラー渦を発生させる。ここに開示された改良は長期間にわたり、渦増大濾過の連続使用を容易にしている。【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転濾過装置において、
内壁によって成る孔を有すると共に、加圧プロセス流体の流れを前記回転濾過装置内に指向させる入口ポートと、濾液を捕集する濾液ポートとを有するハウジングと、
外壁を有し、更に加圧プロセス流体の前記流れを回転エネルギーに変換する回転駆動手段を有し、前記孔内で回転するようにしたロータと、
前記ロータ、又は前記孔の前記内壁のいずれかに取り付けられた濾過隔膜とを具えることを特徴とする回転濾過装置。
【請求項２】
前記回転駆動手段は前記ロータ上の複数個のタービン羽根を具え、前記タービン羽根は前記加圧プロセス流体の流路内に少なくとも一部位置している請求項１の装置。
【請求項３】
前記ロータと前記ハウジングとの間の間隙を更に具え、前記ロータが前記孔内で回転する時、前記間隙内にテイラー渦の形成を容易にする形態を前記間隙が有する請求項１の装置。
【請求項４】
前記間隙対半径の比が約0.142 より小さくなるように前記間隙の寸法を定めた請求項３の装置。
【請求項５】
前記濾過隔膜を前記孔の前記内壁に取り付けた請求項１の装置。
【請求項６】
前記濾過隔膜と前記内壁との間に設置された多孔質材料の層を更に具えている請求項５の装置。
【請求項７】
前記ロータは後流乱流を発生するようにした表面変更部を更に具えている請求項１の装置。
【請求項８】
前記表面変更部が縦溝である請求項７の装置。
【請求項９】
前記濾過隔膜はマイクロ隔膜、マクロ隔膜、ナノ隔膜、透析隔膜、及び逆浸透隔膜から成る群から選択されたものである請求項１の装置。
【請求項１０】
前記ロータは半径方向に自己心決めするものである請求項１の装置。
【請求項１１】
相互に等しい円周距離に配置された少なくとも２個の入口ポートを更に具え、前記ロータ上の前記タービン羽根に当たる加圧プロセス流体の流れが一層低速回転における半径方向の自己心決めを向上させるものである請求項２の装置。
【請求項１２】
前記ロータが前記流路内で軸線方向に自己心決めするように前記タービン羽根の形状を定めた請求項２の装置。
【請求項１３】
液体濾液から可溶性材料、及び／又は不溶性材料を分離するため溶液、及び／又は懸濁液を濾過する方法において、
少なくとも１個の入口ポート、及び少なくとも１個の濾液ポートを有する円筒ハウジングと、複数個のタービン羽根を具える回転駆動手段を有し、前記ハウジング内で回転するようにした円筒ロータと、前記少なくとも１個の入口ポートと前記少なくとも１個の濾液ポートとの間で、前記ロータ、又は前記ハウジングに固着された濾過隔膜とを具える装置を設け、
前記溶液、及び／又は前記懸濁液が前記タービン羽根を横切って流れ、前記ロータを前記ハウジング内で回転させるように、加圧される前記溶液、及び／又は前記懸濁液を前記少なくとも１個の入口ポート内に導入し、
前記ロータと前記ハウジングとの間の間隙内に、テイラー渦を発生させるのに十分な速度で前記ロータを回転させ、これにより、前記濾過隔膜に沿う濃度分極を減少させ、
前記濾過隔膜を通過した後、前記濾液を前記少なくとも１個の濾液ポートから集めることを特徴とする濾過方法。
【請求項１４】
孔を有するハウジングと、
前記ハウジングの入口ポートと、
前記ハウジングの濾液ポートと、
前記入口ポートからの加圧プロセス流体の流れを回転エネルギーに変換する形態を有するタービン羽根を具え、前記孔内で回転するようにしたロータと、
前記孔の内面と、前記ロータとの間の間隙と、
前記入口ポートと前記濾液ポートとの間の、前記間隙内のフィルタとを具えることを特徴とする濾過装置。
【請求項１５】
出口ポートを更に具える請求項１４の濾過装置。
【請求項１６】
前記出口ポートは一定濾過圧力を維持する弁を具えている請求項１５の濾過装置。
【請求項１７】
前記間隙対前記ロータの直径の比が約0.142 より小さい請求項１４の濾過装置。
【請求項１８】
前記間隙対前記ロータの直径の比が約0.04である請求項１４の濾過装置。
【請求項１９】
前記間隙対前記ロータの直径の比が約0.02である請求項１４の濾過装置。
【請求項２０】
前記ロータの外面が複数個の縦溝を付加的に具えている請求項１４の濾過装置。
【請求項２１】
前記フィルタが逆浸透隔膜を具えている請求項１４の濾過装置。
【請求項２２】
前記間隙の幅が変化するよう、前記ロータの長さに沿って、前記ロータの直径を変化させた請求項１４の濾過装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の好適な態様は逆浸透隔膜と、濾過装置の円筒壁との間の同軸間隙内に、剪断作用とテイラー渦とを発生させることにより、濾液流束を増強するようにした回転逆浸透（ＲＯ）濾過に関するものである。
【０００２】
［関連技術の説明］
濾過において、最も限られた問題の一つは科学的に「濃度分極」と言われているフィルタの目詰まりである。フィルタの選択透過性の性質の結果として、フィルタを通過することができない濾過作用を受けた材料はフィルタの表面上に集中する。この現象はコーヒーのフィルタの「デッドエンド」の場合に明らかに見られる。濾過の工程中、フィルタ上に堆積する濾過された材料（コーヒー粉末）は濾液、即ちフィルタを通過し得る流体（コーヒー）に対する流れの抵抗となる。従って、濾液流束は減少し、濾液性能は減少する。
【０００３】
濃度分極の問題の種々の解決策が提案されている。即ち、流体速度、及び／又は圧力の増大（例えば、Merin 等（１９８０）J. Food Proc. Pres. 4(3):183-198参照）、供給路内での乱流の発生（Blatt 等Membrane Science and Technology, Plenum Press, New York, 1970, 47-97頁）、フィルタ上の供給流れの脈動（Kennedy 等(1974) Chem. Eng. Sci. 29:1927-1931)、接線方向の流れ、及び／又はDean渦を発生する流路の設計（Chung 等(1993) J. Memb. Sci. 81:151-162)、テイラー渦を発生する回転濾過の使用（例えば、ここに、全体を援用するLee and Lueptow (2001) J. Memb. Sci. 192:129-143, 及び米国特許第5194145 号、第4675106 号、第4753729 号、第4816151 号、第5034135 号、第4740331 号、第4670176 号、及び第5738792 号参照）がある。
【０００４】
内部材料が外部部材に対し回転した時、同軸に配置された円筒部材の間の間隙内にテイラー渦が誘起される。遠心性の流れの不安定性（「テイラー不安定性」）の結果として、Taylor-Couette濾過装置は強力な渦を発生し、この渦はフィルタに沿って集中した濾過された材料を、処理すべき流体内に戻して混合する役割を行う。通常、円筒形のフィルタが静止している外側ハウジング内で回転する。濃度分極に起因する隔膜の劣化はデッドエンド、即ち接線濾過に比較し、非常に遅いことが観察されている。実際、約１００回、折り曲げることによって、濾過性能は改善される。
【０００５】
回転濾過装置におけるテイラー渦の使用は全血からプラズマを分離するために適用された（例えば米国特許第5034135 号参照）。この用途に対しては、分離装置は安価でなければならず、１回の患者の使用で使い捨てされていた。更に、これ等の分離装置は比較的短時間（例えば、約４５分）作動させなければならなかった。また、この分離装置はドナーから確実に集めることができる血液の流量（例えば、約１００ミリリットル／分）を受け入れる寸法であった。この技術は血液処理産業に著しい改善をもたらした。しかし、回転濾過システム（テーラー渦）に見られる利点、及び改善された濾過性能は市販される流体分離の他の分野にはまだ広く利用されていない。
【０００６】
市販される血液分離装置においては、流体シ−ル、及び機械的軸受は分離されたプラズマが濃縮された血液細胞に混合するのを防止している。圧力はシ−ル、及び機械的軸受を通じて、プラズマを捕集容器まで延びる管ポート内に駆動する。それぞれ端部にある２個の軸受によって画定された軸線上で、ロータは回転する。回転は回転磁界、及び磁気継手によって導入される。回転子に固着された永久磁石を有するモータが回転磁界を発生する。この設計は使い捨ての血液分離装置に適しているが、長期間の作動には適合されていない。第１に、この設計は流体を供給し、捕集するのに必要なポンプの他に、いずれの濾過システムにも、回転駆動モータを追加している。更に、ロータが長期間にわたり３６００rpm で回転すれば、シ−ルは摩耗してしまう。同様に、ロータを支持している軸受も摩耗してしまう。（通常のポンプに使用されているような）連続する長期間の使用に適合するシ−ル、及び軸受の使用は高価であり、信頼性が問題になる。
【０００７】
他の流体分離技術である逆浸透（ＲＯ）隔膜濾過は従来の濾過方法を使用して除去するのが困難な溶解したイオン、蛋白質、及び有機化学物質の除去に良く適している。更に、逆浸透（ＲＯ）隔膜システムは再生可能であり、これにより、長期間の隔膜の使用ができ、市販の隔膜プラントにおいて、毎年、１〜２回の交換が必要なだけである。更に、逆浸透（ＲＯ）は完全な濾過方法であるため、その処理効率、及び性能は安定しており、予測することができる（Lee and Lueptow (2001) Reverse osmosis filtration for space mission wastewater: membrane properties and operating conditions. J. Memb. Sci. 182:77-90 参照）。しかし、従来の逆浸透（ＲＯ）濾過では、濃度分極に起因する隔膜の劣化はなお問題である。
【０００８】
Lee and Lueptow は濃度分極を減らすため、テイラー渦を使用する回転濾過装置は逆浸透（ＲＯ）隔膜に通る濾液流束を増大させるために、使用することを提言する研究を最近発表した（Lee and Lueptow (2001) Rotating reverse osmosis: a dynamic model for flux and rejection. J. Memb. Sci. 192:129-143参照）。血液の分離に関して、上に説明したような現存するTaylor-Couetteシステム、又は装置は長期間の連続作動が望ましい大規模な産業用用途には不幸にしてあまり適していない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従って、長期間、連続して使用でき、産業用の分離用途に対応する規模に可能であり、逆浸透隔膜に匹敵し、エネルギー効率が良い回転隔膜濾過システム、又は装置が要望されている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の態様は回転濾過装置に関する。一実施例では、この装置は内壁によって成る孔を有するハウジングを具えている。このハウジングはプロセス流体の流れを装置内に流入させる入口ポートと、濾液の捕集のための濾液ポートとを有する。また、ハウジングはプロセス流体の流れを装置の外に流出させる出口ポートを有していてもよい。また、この装置は外壁を有するロータを具えている。このロータは上記の孔の中で回転するようになっていて、プロセス流体によって、ロータの回転を駆動するための回転駆動手段を有する。また、この装置はロータの外壁、又は孔の内壁に取り付けられたフィルタを具えている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
好適な一実施例では、回転駆動手段はロータ上に複数個のタービン羽根を具えている。このタービン羽根はプロセス流体の流路の中に、少なくとも１部位置していて、ロータの回転を駆動する。特定の一実施例では、タービン羽根は入口ポートに位置し、装置内に流入するプロセス流体の流れがロータの回転を駆動する。
【００１２】
また、本発明の他の態様によれば、回転濾過装置はロータとハウジングとの間に間隙を具えていて、ロータが孔内で回転している時、間隙内でテイラー渦の形成を容易にする形態をこの間隙が有している。好適な一実施例では、間隙対半径の比が約0.142 より小さくなるように、間隙の寸法を定める。他の実施例では、間隙対半径の比が約0.142 より大きくなるように間隙の寸法を定める。
【００１３】
間隙内にフィルタを配置する。若干の実施例では、このフィルタを隔膜の形で設けるのが好適である。好適な一実施例では、隔膜を孔の内壁に取り付ける。他の特定の実施例では、ハウジングは隔膜と内壁との間に設置された多孔質材料の層を具える。
【００１４】
本発明の他の態様によれば、ロータは後流乱流を発生するようにした表面変更部を更に具えている。これ等の表面変更部には縦溝が含まれる。
【００１５】
フィルタはマイクロ隔膜、マクロ隔膜、ナノ隔膜、透析隔膜、及び逆浸透隔膜から成る群から選択された濾過隔膜を具えているのが好適である。
【００１６】
液体濾液から可溶性材料、及び／又は不溶性材料を分離するため、本発明の他の実施例による方法が開示されている。この方法は（１）少なくとも１個の入口ポート、及び少なくとも１個の濾液ポートを有する円筒ハウジングと、複数個のタービン羽根を具える回転駆動手段を有し、ハウジング内で回転するようにした円筒ロータと、少なくとも１個の入口ポートと少なくとも１個の濾液ポートとの間で、ロータ、又はハウジングに固着された濾過隔膜とを具える装置を設ける工程と、（２）溶液、及び／又は懸濁液がタービン羽根を横切って流れ、ロータをハウジング内で回転させるように、加圧される溶液、及び／又は懸濁液を少なくとも１個の入口ポート内に導入する工程と、（３）ロータとハウジングとの間の間隙内に、テイラー渦を発生させるのに十分な速度でロータを回転させ、これにより、濾過隔膜に沿う濃度分極を減少させる工程と、（４）濾過隔膜を通過した後、濾液を少なくとも１個の濾液ポートから集める工程とから成る。
【００１７】
他の好適な実施例による濾過装置が開示されている。その濾過装置は孔を有するハウジングと、ハウジングの入口ポートと、ハウジングの濾液ポートと、入口ポートからの加圧プロセス流体の流れを回転エネルギーに変換する形態を有するタービン羽根を具えていて、孔内で回転するようにしたロータと、孔の内面とロータとの間の間隙と、入口ポートと濾液ポートとの間の前記間隙内のフィルタとを具えている。
【実施例】
【００１８】
図１は本発明の一実施例による回転濾過装置１００の断面図である。この断面図は線Ａ−Ａ′に沿って、２等分された回転濾過装置のハウジング１５０を示しているが、ロータ１１０は断面でなく、そのまま示されている。回転濾過装置１００はハウジング１５０の孔の中に同軸に配置されたロータ１１０を具えている。図示の実施例では、ロータ１００、及び孔は共に円筒形である。一実施例では、ロータ１００は回転濾過装置１００の中心軸線１０２に沿うハウジング１５０内の２個の支柱１５２に取り付けられている。これ等の支柱はロータ１１０の軸線方向の運動、及び半径方向の運動の両方を限定している。ロータ１１０の外壁１１２と、ハウジング１５０の内壁１５４との間に間隙１０４が存在する。この間隙１０４はロータ１１０の周りに均一に延在している。他の実施例では支柱１５２を使用せず、間隙１０４に通るプロセス流体の流れによって、ロータ１１０を単にハウジング１５０内に浮遊させる。
【００１９】
ハウジング１５０は入り口ポート１５６と、１個、又はそれ以上の個数の濾液ポート１５８とを具える。プロセス流体は入り口ポート１５６を経て、回転濾過装置１００内に流入する。濾液（濾過されたプロセス流体）は濾液ポート１５８を経て、回転濾過装置の外に流出する。更に、ハウジング１５０は出口ポート（図示せず）を具え、この出口ポートを通じて、プロセス流体は回転濾過装置１００の外に流出する。出口ポートは回転濾過装置１００から濾液が流出する流速よりも一層早い流速で、回転濾過装置１００からプロセス流体を流出させる。プロセス流体の流れを変更するため、各ポートの数を調整してもよい。
【００２０】
ロータ１１０は回転駆動手段１１４を具え、ロータ１１０の回転を駆動するため、プロセス流体の流路内に少なくとも一部、この回転駆動手段を位置させる。図示の実施例では、回転駆動手段１１４は複数個のタービン羽根を具える。これ等のタービン羽根は入り口ポート１５６に位置しており、入口ポート１５６を通じて、回転濾過装置１００内に入るプロセス流体の流れはロータ１１０の回転を駆動する。
【００２１】
フィルタ１０６を間隙１０４内に配置する。図示の実施例では、フィルタ１０６をハウジング１５０の内壁１５４に取り付ける。他の実施例では、フィルタ１０６をロータ１１０の外壁１１２に取り付ける。この実施例のため、ロータ１１０の外壁１１２にフィルタ１０６を取り付けられるようにするため、プロセス流体の流れがロータ１１０の内側に指向するように、入口ポート１５６を再配置する。
【００２２】
若干の実施例によれば、フィルタはマイクロ隔膜、マクロ隔膜、ナノ隔膜、透析隔膜、逆浸透隔膜の群から選択された濾過隔膜から成る。
【００２３】
図２はロータ１１０の外壁１１２と、ハウジング１５０の内壁１５４との間の間隙１０４を明らかにするために、図１の円で囲んだ区域の拡大図である。図１を参照して上に説明したように、フィルタ１０６をハウジング１５０の内壁１５４に取り付ける。図２において、フィルタ１０６は焼結多孔質基板１６０、又はこの分野で既知の任意その他の多孔質構造によって、支持されている。一実施例では、この多孔質基板を不銹鋼で造る。この多孔質基板１６０はハウジング１５０内の例えば70.3kg/cm2(1000psi) の高圧に耐えるように、フィルタ１０６のための土台を提供すると共に、その多孔質によって、濾液ポート１５８からの濾液の流出に対する抵抗を少なくしている。
【００２４】
間隙１０４の寸法はプロセス流体が間隙１０４に流れる時、プロセス流体に最適な剪断作用、及び渦度を与えるように定める。一実施例ではロータが直径2.54cm（１インチ）、長さ12.7cm（５インチ）である時、間隙１０４は0.51mm（0.020 インチ）である。この実施例では、ロータ１１０は３６００rpm で回転する。ロータ、及びハウジングの形態、及び間隙の寸法は濾液流束を最適にするためLee and Leuptow （２００１）に記載されているように変更することができる。
【００２５】
上述の回転濾過装置１００の種々の構成部分の寸法は用途に従って、増大し、減少させることができる。例えば、Lee and Lueptow （２００１）に開示されている回転濾過装置は半径2.54cm（１インチ）のロータ１１０に3.6mm （0.142 インチ）の比較的大きな間隙を使用しており、即ち間隙対ロータの半径比が0.142 である。若干の実施例は剪断作用を増大するため、非常に小さい間隙を採用している。他の実施例はテイラー渦度を増大するため、一層大きな間隙を採用している。間隙を増大すればテイラー渦度を増大するが、剪断作用を減少させる。この分野の当業者であれば、用途に応じて、テイラー渦度と剪断作用との間の最適のバランスを容易に決定することができる。例えば、血液分離装置において、赤血球、又はその他の望ましい血液構成成分を損傷するのを最少にするように、過剰な剪断作用を好適に避ける。しかし、水処理（例えば、淡水化）の場合には、剪断作用による損傷はあまり関係がないか、又は全く関係がない。
【００２６】
剪断作用は濃度分極を減少させることによって、隔膜が詰まるのを減少させるから、剪断作用が強い程、隔膜の濾過作用が良好になることは接線濾過から知られている。しかし、接線濾過の場合には、制約を受ける可能性があるポンプ圧力によって、接線方向の流れが発生するから、濾液流束を改善しようとしても、剪断作用の有効性が限定される。本発明において、変更されたTaylor-Couette装置は圧力を増大することなく、剪断作用を増大することができ、これは剪断作用はハウジング１５０内でのロータ１１０の回転によって生じ、上に述べたように、剪断作用は間隙１０４の寸法によって変化するためである。好適な一実施例では、間隙対半径の比は約0.040 であり、即ち、上に援用したLueptow の参考例（約0.142 ）の教示する数値の約１／３である。
【００２７】
図３は回転濾過装置１００の中心軸線１０２に沿って見たハウジング１５０の端部を示している。図１を参照して、上に説明したように、ハウジング１５０は入口ポート１５６と、１個、又はそれ以上の個数の濾液ポート１５８とを具えている。図３では出口ポート１６２も示している。
【００２８】
図４は図１の線Ａ−Ａ′での回転濾過装置１００の横断面図である。図１を参照して、上に説明したように、ロータ１１０は回転駆動手段１１４を具え、この手段はプロセス流体の流路内に少なくとも一部位置していて、ロータ１１０の回転を駆動する。図４において、回転駆動手段１１４は複数個のタービン羽根１１６を具えている。これ等のタービン羽根１１６は入口ポート１５６に位置しており、ロータ１１０の回転を駆動するプロセス流体の流れを入口ポート１５６から回転濾過装置１００内に捕捉するように形成されている。プロセス流体は比較的高い流速で、高い圧力でポンプ作用を加えるのが好適である（例えば、図２について、上に述べた寸法に対し、約１００〜１０００ミリリットル／分）。
【００２９】
図５ａは図５ｂの線Ｂ−Ｂ´に沿うロータ１１０の断面図であり、図５ｂは図４のロータに類似するロータ１１０の横断面図である。図６ａは図６ｂの線Ｃ−Ｃ´に沿うロータ１１０の断面図であり、図６ｂは図５ｂに類似するロータ１１０の横断面図であるが、図５ｂのロータと相違するのはロータ１１０は回転の約１／６を時計方向に回転することである。図６ａは羽根の半円形の形状１６４を示している。
【００３０】
好適な実施例によれば、ロータは自由な状態で支持されているのが好適である。ハウジングから延びる中心限定支柱をハウジングの回転軸線上に設けてもよい。これ等の限定支柱はロータがその最適の自己心決め速度に達するまで、ロータの軸線方向の運動、及び半径方向の運動の両方の運動を制限する。
【００３１】
粘性の流体によって包囲され、支持面内で回転を拘束されているロータは自己心決めの状態である。流体はロータに従動する傾向があり、従って、ロータは回転すると、ある意味では流体の中に全体として沈んでいる状態である。間隙が小さいと、圧力が増大し、その圧力はハウジングから離すようにロータを押圧する傾向があり、間隙を増大させる。
【００３２】
自己心決め作用が最適になる場合の回転速度（ＲＰＭ）の好適な範囲が存在する。この好適な回転速度（ＲＰＭ）の範囲は流体の粘性、及び密度、間隙の大きさ、ロータの幾何学的形状、及び恐らくその他の変数による。このシステムの回転速度を増大している間、上記の中心限定支柱はロータを合理的に中心に保持する。
【００３３】
好適な一実施例では、図５、及び図６に示すように、ロータは接線方向の入口ポートの下に中心を占めて設置されているタービン羽根の部分を有する。上述の寸法を有するシステムに対し、プロセス流体（例えば塩水）を比較的高い流速（例えば、約１００〜１０００ミリリットル／分）で、高い圧力でポンプ作用を加えて、即ち、このプロセス流体を濾過装置に供給するのが好適である。図４〜図６は羽根について若干の詳細を示している。入口ポートに入る流れが噴流の形で、接線方向にロータに衝突するように、入口ポートを位置させるのが好適である。羽根は入口ポートに入るこの流れを捕捉し、それを回転エネルギーに変換するような形状にするのが好適である。
【００３４】
粘性流体によって包囲されたロータに関する上述の自己心決めの力は半径方向に関して心決めを行うように作用する。ロータを軸線方向に関して、中心に保持するように機能するタービン羽根の設計要旨が図６ａ、及び図６ｂに示されている（例えば、図６ｂの断面Ｃ−Ｃ′に相当する図６ａの切除部参照）。入口ポートの直ぐ下の安定した平衝位置に、ロータを動かすように、入口ポートに入る流れの力を転換するように、羽根の湾曲の形状を定めることができる。入口ポートに入り、羽根の半円形の部分に衝突する流れは若干の左に進む流れと、若干の右に進む流れとに別れる傾向がある。図６ａ、及び図６ｂに示すように、装置が水平である時、ロータが入口ポートの下で右に移動すれば、羽根の左の壁１６３は右の壁１６５より一層大きな力を受け、このため、ロータを戻すように動かすから、入口ポートの下でロータを心決めするようになる。これは軸線方向に自己心決めする設計の特徴である。この技術分野の当業者が知っているように、ロータが幾分浮揚して、いずれの中心限定支柱にも接触しないようにロータを安定化するよう、羽根を変更することができる。例えば、供給される流体の軸線方向の流れがロータを出口ポートに向け、押圧する傾向がある場合には、左側の湾曲が右側の湾曲より一層深くなるように、羽根の湾曲を変更することができる。これにより、ロータを出口ポートに押圧するのに対抗する力を加えることになる。
【００３５】
若干の実施例ではロータ１１０は中空でない。即ち中実である。他の実施例ではロータ１１０は中空である。これ等の他の実施例の若干の実施例では、中空のロータ１１０をプロセス流体に対して透過性にし、ハウジング１５０内でのロータ１１０の浮力を減少させている。
【００３６】
図１、及び図２において、ロータ１１０の外壁１１２、及びハウジング１５０の内壁１５４の表面を変更して、即ち、表面に、表面変更部を設けて、乱流を増大し、テイラー渦の形成を高めてもよい。例えば、テクスチャー、即ち、集合組織を一方の表面、又は両方の表面に加えてもよい。また特に、ロータ１１０の外壁１１２の縦溝は引きずる後流を注入することになり、この後流はテイラー渦度を増大し、濾液流束を向上させる。更に、縦溝のような表面の変更の追加を使用して、入口ポートに入る流体のための出口路を生ぜしめ、図４に示すようなタービン羽根によって、この入口ポートに入る流体を右の方に転換させる。この出口路を深い縦溝に沿わせることができ、これ等の深い縦溝はハウジング１５０の右側から流れを戻して、間隙１０４内に指向させ、次に出口ポートから流出させる。
【００３７】
図４において、ハウジング１５０内での同軸のロータ１１０の回転は自己心決め作用を発生する。ロータ１１０は軸頸軸受内の回転軸のように作動し、プロセス流体は潤滑油のように作用する。プロセス流体はロータ１１０とハウジング１５０との間の間隙１０４内に、シートを形成する。ロータ１１０の回転はプロセス流体に運動を誘起し、それにより、上記のシート内に流体力学的圧力を発生する。この流体力学的圧力は間隙１０４の幅、ロータ１１０の直径、ロータの回転速度、プロセス流体の密度、及び粘性の関数である。回転が或る臨界値以上になると、この流体力学的圧力は間隙１０４の幅を均一に保持する傾向を生じ、ロータ１１０をハウジング１５０内で自己心決めさせる。図１において、支柱１５２はロータがここに説明した回転の臨界値に達する前には、ロータ１１０を中心軸線１０２に沿って、合理的に心決めして保持する。半径方向の自己心決め作用の一層詳細な説明はStandard Handbook for Mechanical Engineers第７版（１９６７年）、Baumeister and Marks１５６〜１５７頁に記載されている。
【００３８】
この直前で説明し、図２を参照して早くに説明したように、間隙１０４の幅は剪断作用、テイラー渦度、及び流体力学的圧力に影響を及ぼす。このうち流体力学的圧力はロータ１１０の自己心決め作用を発生するものである。これ等の因子のいずれか一つが最適であれば他の二つの作用を減らすことができる。一つの可能な解決策を図７を参照して説明する。
【００３９】
図７は本発明の他の実施例によって構成された回転濾過装置を示している。図示の実施例では１個、又はそれ以上の個数の内部円筒部１１８をロータ１１０に加えている。他の実施例では、これ等の内部円筒部１１８をロータ１１０の全長内に配置する。これ等の内部円筒部１１８はハウジング１５０の内壁１５４に加えた外部円筒部１６６に協働して、両者間に間隙１０８を形成する。間隙１０４と間隙１０８との幅を異なるものにし、間隙１０４が濾過のために（例えば、剪断作用、及びテイラー渦度について）最適になるようにし、間隙１０８がロータ１１０を自己心決めするために（例えば、流体力学的圧力について）最適になるようにする。
【００４０】
図示の実施例では、内部円筒部１１８はロータ１１０より一層小さい直径を有し、外部円筒部１６６は突起として実施するが、他の実施例では、内部円筒部１１８はロータ１１０より一層大きい直径を有し、外部円筒部１６６は協働する凹所として設ける。更に、ロータ１１０の長さ、及び協働する内部円筒部１１８、及び外部円筒部１６６は最適化作用を変化させるように調整してもよい。
【００４１】
中心軸線１０２（例えば、図１参照）からロータ１１０の中心が外れるようにする傾向がある力としては、入口ポート１５６を通じて、ハウジング１５０に流入し、流出するプロセス流体の流れと、濾液ポート１５８、及び若干の実施例では図８に示す出口ポート１６２を通じて、ハウジング１５０から流出する濾液の流れとがある。若干の実施例では、タービンを駆動するのに使用されたが、まだ濾過されていないプロセス流体であって、しかも濾過圧力を過度に増大しなければ濾過されないプロセス流体を再循環させるため、出口ポートを使用する。一実施例では、出口ポートに弁を設け、この装置内に一定の濾液圧力を維持すると共に、ロータを希望する回転数（ＲＰＭ）で駆動するのに十分な流体の流れが得られるようにする。ロータを中心から外そうとする力を最小にするため、これ等のポート（入口ポート、濾液ポート、及び出口ポート）の数を調整してもよい。
【００４２】
図８は図１〜図６を参照して上に説明した装置に類似するが、２個の入口ポート１５６を有する回転濾過装置を示す。一般に、同一の機能を有する複数個のポート（例えば複数個の入口ポート）を有する回転濾過装置はハウジング１５０の円周の周りに、これ等のポートを均等に配置している。図示の実施例では、２個の入口ポート１５６を対向させ、ロータ１１０（図示せず）に対するそれぞれの作用を相殺させ、即ちバランスさせる。若干の実施例では、各入口ポート１５６を通ずるハウジング１５０内へのプロセス流体のそれぞれの流れを個々に調整し、２個の対向する入口ポート１５６の使用を更に調整する。他の実施例では、出口ポート、及び濾液ポートの数も調整する。中心から外す力を最小にすることによって、自己心決めのため、ロータ１１０に必要な間隙の流体力学的圧力を減少させてもよい。
【００４３】
表１はモータで駆動される逆浸透（ＲＯ）の原型のシステムを使用して得られた実験結果をまとめたものである。この原型の回転濾過装置はHydranautics ESNA 隔膜（Oceanside CA）を使用している。Hydranauticsではこれをナノフィルタと呼んでいる。ロータは直径が2.54cm（１インチ）、長さが12.7cm（５インチ）、間隙が0.051mm （0.020 インチ）である。それぞれ半分のハウジングは3.56cm×8.89cm（1.4 インチ×3.5 インチ）の隔膜のシート（３２cm2 、即ち4.9 平方インチ）を収容しており、濾液ポートを覆っている。多孔質ビード上に取り付けた面積からの有効隔膜面積の減少は有効表面積を約５０％減少させている。
【００４４】
表１に示したデータを得るのに使用されたロータは図１〜図６を参照して上に説明したタービン羽根を有していない。その代わり、このロータは磁気駆動によって回転される。ロータの速度は３０００ＲＰＭから４６００ＲＰＭまで変化させた。試験用溶液は生水にNaCl（通常の食卓塩）を溶解させた。変化する隔膜圧力は3.5 〜11.2kg/cm2（５０〜１６０ｐｓｉ）であった。
【００４５】
【表１】
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【００４６】
表１は供給溶液を汚している塩分を１００％まで除去した。これ等の結果はハウジング上に隔膜を設置することを受け入れることができ、比較的低圧、及び低速でも水から塩分を除去できることを明らかに示している。
【００４７】
図１〜図８に図示した実施例に対する変更において、本発明は非常に多くの用途に適用することができる。一般に、フィルタが目詰まりしたり、濃度分極を生ずることに起因して、フィルタが性能を失うようないかなる用途でも、本発明の実施例は有用である。これ等の用途としては、水からの塩分の除去、人が消費するための海水の処理、農業用の海水の処理、農業用の廃水の処理、砂糖黍の樹液、又はメープル樹液のような植物の樹液から砂糖、又はその他の希望する成分の濃縮、ゴムの樹の樹液からの天然ゴムの濃縮、製薬、又は電子産業で必要な産業用途のため水からの不純物の除去、料理用油のリサイクル、電動機用油、又は潤滑油のリサイクル、静脈注射用の滅菌水の生産が含まれる。
【００４８】
更に、分子排除隔膜、又はシービング隔膜を採用する場合には、バイオプロセッサ、又は発酵槽において細胞浮遊物、及び／又は溶解物を細胞物質から精製するような大規模細胞分離の用途、及びバイオテクノロジーの用途に、この装置を使用することができる。エネルギー効率（流れにより駆動されるタービン）、及び高流束の流速（渦洗出隔膜）に関して、上に説明した利点はバイオテクノロジー産業の大規模濾過の必要性に適用することができる。同様に、このタービンで駆動される装置の若干の実施例は酒やビールの製造において、例えば粒状物質（穀物、野菜、果実等）、及びイースト菌を除去するのに、エネルギー効率の良い酵素飲料の濾過のために良く適している。
【００４９】
上に説明した種々の材料、方法、及び技術は本発明を実施するための多数の方法を提供する。ここに記載した特定の実施例に従って、ここに記載した全ての目的、又は利点が達成される訳ではもちろんない。従って、例えば、ここに教示し、又は提案した他の目的、又は利点を必ずしも達成することなく、ここに教示された一つの利点、又は多数の利点を達成し、又は最適にするように、このシステムの構成部分を造り、方法を実施することはこの分野の当業者には明らかであろう。
【００５０】
或る好適な実施例について、本発明を記載したが、寸法、形態、及び材料を変化させた本発明の他の実施例はここに開示したところにより、この分野の当業者には明らかである。更に、ここで説明したいずれかの一実施例に関連して、ここに説明した全ての要旨は他の実施例に使用するように、容易に適合させることができる。異なる実施例における類似する要旨のための異なる語、又は異なる符号の使用は明白に述べたものと相違することを意味しない。従って、本発明は添付した特許請求の範囲によって、明らかにされるものであり、ここに記載された好適な実施例に限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の一実施例による回転濾過装置の断面図である。
【図２】ロータの外壁とハウジングの内壁との間の間隙を示す図１の円で囲んだ区域の拡大図である。
【図３】回転濾過装置の中心軸線に沿って見たハウジングの端部を示す。
【図４】図１の線Ａ−Ａ′に沿うこの回転濾過装置の横断面図である。
【図５ａ】図５ｂの線Ｂ−Ｂ′に沿うロータの断面図である。
【図５ｂ】タービン羽根を示すロータの横断面図である。
【図６ａ】図６ｂの線Ｃ−Ｃ′に沿うロータの断面図である。
【図６ｂ】ロータとタービン羽根との横断面図である。
【図７】ロータに加えられた１個、又はそれ以上の個数の内部円筒部を有する本発明の他の実施例による回転濾過装置を示す。
【図８】２個の入口ポートを有する回転濾過装置の端面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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