(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流体が流入及び流出する第１流路と前記一端側から第２流体が流入及び流出する第２流路とが連通するように形成された圧力伝達部が、回転軸心周りに配設された回転体と、
第１流体を前記第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流体を前記第２流路から案内する第２流体流出路と、第２流体を前記第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流体を前記第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、で構成される圧力交換部を備え、
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、
前記第１流体又は第２流体により、圧力交換部の圧力バランスを調整する圧力バランス調整機構を備えている圧力交換装置。
【請求項２】
前記第１側方部材は、少なくとも、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形成された第１流体流入路開口部と、第２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２流路と連通するように形成された第２流体流入路開口部と、を備え、
前記圧力バランス調整機構は、前記第１側方部材に形成された前記第１流体流入路と第２流体流出路と第２流体流入路と第１流体流出路の前記回転体との対向面側の各開口部に相対する、前記回転体の第１側方部材との対向面側の受圧面積と、前記回転体の第２側方部材との対向面側の受圧面積とを略同一とする受圧部を備えている請求項１記載の圧力交換装置。
【請求項３】
前記第１側方部材は、少なくとも、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同じになるように設定され、
前記第１流路に流入する第１流体のエネルギーと、前記第２流路に流入する第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、
前記圧力バランス調整機構は、
前記第１側方部材に形成された前記第１流体流入路と第２流体流出路と第２流体流入路と第１流体流出路の前記回転体との対向面側の各開口部と、
前記第２側方部材の前記回転体との対向面に形成された、前記各開口部に対向する前記各開口部と輪郭と面積を同一とする凹部を備えている請求項２記載の圧力交換装置。
【請求項４】
前記第１側方部材の外側に配置された第１エンドカバーと、前記第２側方部材の外側に配置された第２エンドカバーを備え、
前記第１エンドカバーには、少なくとも前記第１流体流入路又は第２流体流入路と夫々連通する第１流体流入口又は第２流体流入口が形成され、
前記圧力バランス調整機構は、
少なくとも前記第１側方部材と前記第１エンドカバーとで区画される第１閉空間と、
前記第１流体又は第２流体を前記第１閉空間に導くように、前記第１エンドカバーに形成された第１連通路と、
少なくとも前記第２側方部材と前記第２エンドカバーとで区画された第２閉空間と、
前記第１流体又は第２流体を前記第２閉空間に導くように、前記第２側方部材に形成された第２連通路と、
を備えている請求項１から３の何れかに記載の圧力交換装置。
【請求項５】
前記保持部材を収容する筒状のケーシングを備え、
前記圧力バランス調整機構は、
前記第１及び第２側方部材と前記保持部材の外周面と前記ケーシングの内周面とで区画された外周閉空間と、
前記回転体と保持部材との隙間と前記外周閉空間を連通するように、前記保持部材に形成された第３連通路と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】
前記第１側方部材と第２側方部材に両端を支持された支軸を備え、
前記回転体には回転軸心方向に沿って前記支軸を挿通する挿通空間が形成され、
前記第１側方部材又は第２側方部材には、前記挿通空間に第１流体又は第２流体を導く第４連通路が形成されている請求項４又は５記載の圧力交換装置。
【請求項７】
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６の何れかに記載の圧力交換装置。
【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１１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１２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効率の良い圧力交換装置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に記載したとおり、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流体が流入及び流出する第１流路と前記一端側から第２流体が流入及び流出する第２流路とが連通するように形成された圧力伝達部が、回転軸心周りに配設された回転体と、第１流体を前記第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流体を前記第２流路から案内する第２流体流出路と、第２流体を前記第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流体を前記第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、で構成される圧力交換部を備え、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、前記第１流体又は第２流体により、圧力交換部の圧力バランスを調整する圧力バランス調整機構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しながら、第１流体流入路から第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流路から第２流体流出路へ流出し、第２流体流入路から第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流路から第１流体流出路へ流出する動作が連続的に行われるなかで、前記回転体と第１及び第２側方部材との隙間、及び、前記回転体と前記保持部材との隙間に第１流体又は第２流体が進入する。前記隙間は、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。
【００１９】
回転体と第１側方部材の隙間に進入した第１流体又は第２流体は、回転体を第２側方部材に向けて押圧する。回転体と第２側方部材の隙間に進入した第１流体又は第２流体は、回転体を第１側方部材に向けて押圧する。両隙間に進入した流体により、回転体は第１側方部材又は第２側方部材と常時摺動しながら回転することがなくなる。回転体と保持部材の隙間に進入した第１流体又は第２流体により、回転体は保持部材の内周面と常時摺動しながら回転することがなくなる。
【００２０】
このように、回転体は隙間に進入した第１流体又は第２流体により、周囲の第１及び第２側方部材、及び、保持部材との摺動が低減されるので円滑に回転する。また、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。さらに、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流路及び第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が低く抑えられるようになる。
【００２１】
このとき、圧力バランス調整機構は、隙間に進入した第１流体又は第２流体により圧力交換部の圧力バランスを調整するので、回転体の軸方向への片寄り、第１側方部材や第２側方部材や保持部材の流体の圧力による変形を防止することができる。つまり、第１側方部材や第２側方部材や保持部材と回転体が互いに摺動することを防止するので、回転体を円滑に回転させ効率を向上することができる。
【００２２】
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し、回転体の一端側から該圧力伝達部へ第１流体又は第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、該一端側から第１流体又は第２流体を流出させることで、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回転軸心方向の長さを短く構成することができるので、装置のコンパクト化と低コスト化を図ることができる。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、回転体の回転軸心方向の長さを短く構成することができるので、装置の極端な大型化を回避することができる。
【００２３】
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、各流体の流入路又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各流入路又は流出路と接続される配管を設置する場合と比較して、配管を含めた設置スペースをコンパクト化ができ、さらに、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。
【００２４】
同第二の特徴構成は、同請求項２に記載したとおり、上述の第一特徴構成に加えて、前記第１側方部材は、少なくとも、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形成された第１流体流入路開口部と、第２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２流路と連通するように形成された第２流体流入路開口部と、を備え、前記圧力バランス調整機構は、前記第１側方部材に形成された前記第１流体流入路と第２流体流出路と第２流体流入路と第１流体流出路の前記回転体との対向面側の各開口部に相対する、前記回転体の第１側方部材との対向面側の受圧面積と、前記回転体の第２側方部材との対向面側の受圧面積とを略同一とする受圧部を備えている点にある。
【００２５】
第１流体が第１流体流入路の第１流体流入路開口部から複数の第１流路に分散して流入するときに、第１流体の圧力は回転体の隣接する第１流路の間の端面にも作用し、回転体を第２側方部材側へ押圧することとなる。同様に、第２流体が第２流体流入路の第２流体流入路開口部から複数の第２流路に分散して流入するときに、第２流体の圧力は回転体の隣接する第１流路の間の端面にも作用し、回転体を第２側方部材側へ押圧することとなる。
【００２６】
しかし、前記圧力バランス調整機構は、前記第１側方部材に形成された前記第１流体流入路と第２流体流出路と第２流体流入路と第１流体流出路の前記回転体との対向面側の各開口部に相対する、前記回転体の第１側方部材との対向面側の受圧面積と、前記回転体の第２側方部材との対向面側の受圧面積とを略同一とする受圧部を備えているので、回転体を第２側方部材に向けて押圧する力と、回転体を第１側方部材に向けて押圧する力が釣り合い、回転体は第１側方部材又は第２側方部材に一方的に摺動するようなことがなくなり、円滑に回転することができる。
【００２７】
同第三の特徴構成は、同請求項３に記載したとおり、上述の第二特徴構成に加えて、前記第１側方部材は、少なくとも、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同じになるように設定され、前記第１流路に流入する第１流体のエネルギーと、前記第２流路に流入する第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、前記圧力バランス調整機構は、前記第１側方部材に形成された前記第１流体流入路と第２流体流出路と第２流体流入路と第１流体流出路の前記回転体との対向面側の各開口部と、前記第２側方部材の前記回転体との対向面に形成された、前記各開口部に対向する前記各開口部と輪郭と面積を同一とする凹部を備えている点にある。
【００２８】
第１流体が第１流体流入路から複数の第１流路に分散して流入するときに、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流路の壁面に作用し前記回転体を回転させるトルクを発生する。
【００２９】
第２流体が第２流体流入路から複数の第２流路に分散して流入するときに、第２傾斜部に沿って流れる第２流体は前記回転体の周方向に沿って流れ、第２流路の壁面を押圧し前記回転体を回転させるトルクを発生する。
【００３０】
第１傾斜部の傾斜方向と第２傾斜部の傾斜方向が同じになるように設定されているので、第１流体により発生する回転トルクと第２流体により発生する回転トルクは同じ向きとなる。
【００３１】
少なくとも第１流路に流入する第１流体のエネルギーと第２流路に流入する第２流体のエネルギーにより回転体を回転させることができるので外部動力が不要となる。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。
【００３２】
ここで、第１流体が第１流体流入路から複数の第１流路に分散して流入するときに、第１流体の圧力は回転体の隣接する第１流路の間の端面にも作用し、回転体を第２側方部材側へ押圧することとなる。同様に、第２流体が第２流体流入路から複数の第２流路に分散して流入するときに、第２流体の圧力は回転体の隣接する第１流路の間の端面にも作用し、回転体を第２側方部材側へ押圧することとなる。しかし、第２側方部材に、前記第１流体流入路と第２流体流出路と第２流体流入路と第１流体流出路の前記回転体との対向面側の各開口部に対向する前記各開口部と輪郭と面積を同一とする凹部が形成されているので、各凹部にも第１流体及び第２流体が流入し、回転体の他端面に作用して、回転体を第１側方部材に向けて押圧するので、回転体の両端面に作用する押圧力が釣り合うとともに押圧する位置も対称となり、回転体は第１側方部材又は第２側方部材に一方的に摺動するようなことや、回転体の軸が傾いて保持部材と摺動するようなことがなくなり、円滑に回転することができる。
【００３３】
同第四の特徴構成は、同請求項４に記載したとおり、上述の第一から第三の何れかの特徴構成に加えて、前記第１側方部材の外側に配置された第１エンドカバーと、前記第２側方部材の外側に配置された第２エンドカバーを備え、前記第１エンドカバーには、少なくとも前記第１流体流入路又は第２流体流入路と夫々連通する第１流体流入口又は第２流体流入口が形成され、前記圧力バランス調整機構は、少なくとも前記第１側方部材と前記第１エンドカバーとで区画される第１閉空間と、前記第１流体又は第２流体を前記第１閉空間に導くように、前記第１エンドカバーに形成された第１連通路と、少なくとも前記第２側方部材と前記第２エンドカバーとで区画された第２閉空間と、前記第１流体又は第２流体を前記第２閉空間に導くように、前記第２側方部材に形成された第２連通路と、を備えている点にある。
【００３４】
前記回転体と第１側方部材との隙間には第１流体又は第２流体が進入しているので、第１側方部材には外側方向への圧力が作用する。しかし、少なくとも前記第１側方部材と前記第１エンドカバーとで区画される第１閉空間には、前記第１エンドカバーに形成された第１連通路を介して前記第１流体又は第２流体が導かれ、第１側方部材には回転体方向への圧力が作用し、第１側方部材の両面に作用する押圧力は釣り合うので、薄肉化しても第１側方部材が流体の圧力によって回転軸心方向に歪むような事態が回避されるので、前記回転体と第１側方部材との隙間は一定に保たれ、回転体の円滑な回転が可能となり効率が向上する。
【００３５】
同様に、前記回転体と第２側方部材との隙間には第１流体又は第２流体が進入しているので、第２側方部材には外側方向への圧力が作用する。しかし、少なくとも前記第２側方部材と前記第２エンドカバーとで区画された第２閉空間には、前記第２側方部材に形成された第２連通路を介して前記第１流体又は第２流体を前記第２閉空間が導かれ、第２側方部材には回転体方向への圧力が作用し、第２側方部材の両面に作用する押圧力は釣り合うので、薄肉化しても第２側方部材が流体の圧力によって回転軸心方向に歪むような事態が回避されるので、前記回転体と第２側方部材との隙間は一定に保たれ、回転体の円滑な回転が可能となり効率が向上する。
【００３６】
同第五の特徴構成は、同請求項５に記載したとおり、上述の第一から第四の何れかの特徴構成に加えて、前記保持部材を収容する筒状のケーシングを備え、前記圧力バランス調整機構は、前記第１及び第２側方部材と前記保持部材の外周面と前記ケーシングの内周面とで区画された外周閉空間と、前記回転体と保持部材との隙間と前記外周閉空間を連通するように、前記保持部材に形成された第３連通路とを備えている点にある。
【００３７】
上述の構成によれば、前記回転体と前記第１側方部材及び第２側方部材との隙間を介して、前記回転体の外周面と前記保持部材の内周面との隙間に進入した流体が、前記保持部材に形成された第３連通路を介して、前記保持部材の外周面とケーシングの内周面との外周閉空間に進入する。
【００３８】
外周閉空間に導かれた流体の圧力は、回転体と保持部材の内周面との隙間に作用する流体の圧力と略等しく、保持部材の内周面と外周面の両面に作用する押圧力が釣り合うので、保持部材を薄肉化しても径方向に歪むような事態が回避される。そのため、運転中に回転体と保持部材との隙間は広がることなく、所定の隙間が保持されるので円滑に回転できるようになり効率が向上する。
【００３９】
同第六の特徴構成は、同請求項６に記載したとおり、上述の第四又は第五特徴構成に加えて、前記第１側方部材と第２側方部材に両端を支持された支軸を備え、前記回転体には回転軸心方向に沿って前記支軸を挿通する挿通空間が形成され、前記第１側方部材又は第２側方部材には、前記挿通空間に第１流体又は第２流体を導く第４連通路が形成されている点にある。
【００４０】
上述の構成によれば、支軸は、回転体に形成された挿通空間に挿通され、第１側方部材と第２側方部材に両端を支持される。第１閉空間及び第２閉空間には、第１流体又は第２流体が導かれ、第１側方部材と第２側方部材の前記支軸の支持部にも夫々回転体方向への圧力が作用している。前記第１側方部材又は第２側方部材に形成された第４連通路を介して、前記挿通空間に第１又は第２流体を導くことで、前記第１側方部材及び第２側方部材の前記支軸の支持部を、第１側方部材及び第２側方部材の外側方向へ押圧して、第１側方部材と第２側方部材の前記支軸の支持部に回転体方向に作用する圧力と釣り合わすことで、第１側方部材と第２側方部材の前記支軸の支持部の近傍が回転軸心方向に沿って歪むような事態がなくなるので、前記支軸の軸芯方向への伸縮を防止することができる。
【００４１】
同第七の特徴構成は、同請求項７に記載したとおり、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。
【００４２】
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。
【発明の効果】
【００４３】
以上説明したとおり、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効率の良い圧力交換装置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】
【００４４】
【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）は断面概略図、（ｃ）は背面図
【図５】第２側方部材の説明図であって、（ａ）は正面図、（ｂ）は断面概略図、（ｃ）は背面図
【図６】（ａ）は図４（ｃ）に示す第１流体流入路のＡ−Ａ線断面図、（ｂ）は図４（ｃ）に示す第２流体流出路のＢ−Ｂ線断面図、（ｃ）は図４（ｃ）に示す第２流体流入路のＣ−Ｃ線断面図、（ｄ）は図４（ｃ）に示す第１流体流出路のＤ−Ｄ線断面図
【図７】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８】別実施形態による回転体の説明図
【図９】（ａ）は別実施形態による圧力交換装置の説明図、（ｂ）は別実施形態による第２閉空間の説明図
【図１０】（ａ）は別実施形態による圧力交換装置の説明図、（ｂ）は別実施形態による第２閉空間の説明図
【図１１】従来の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
【発明を実施するための形態】
【００４５】
以下に、本発明による圧力交換装置の好ましい実施形態を説明する。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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、被濃縮流体である低圧海水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に供給するとともに、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。
【００５２】
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。
【００５３】
図２に示すように、圧力交換装置１０は、第１側方部材２０と、第２側方部材３０と、保持部材１１で区画された空間内で、支軸４３の周りに回転する回転体４０とで構成される圧力交換部と、該圧力交換部を収容する内周円筒形状のケーシング１３と、収容された第１側方部材２０側のケーシング端面を封止する第１エンドカバー１４と、収容された第２側方部材３０側のケーシング端面を封止する第２エンドカバー１５等を備えている。
【００５４】
ケーシング１３は、樹脂材料、ＦＲＰ又は、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されている。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耐食性を付加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。
【００５５】
第１側方部材２０、第２側方部材３０、回転体４０及び保持部材１１は、アルミナ等のセラミックス、ＦＲＰ、又は、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４０と第１側方部材２０及び第２側方部材３０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。
【００５６】
回転体４０の各端面と第１側方部材２０及び第２側方部材３０の隙間と、回転体４０の外周と保持部材１１の隙間があるため、前記隙間には各流体が進入する。
【００５７】
当該隙間は狭すぎると回転体４０と第１側方部材２０又は第２側方部材３０、回転体４０と保持部材１１が摺動して回転に対する抵抗となり、広すぎると高圧の流体から低圧の流体へと漏れる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。
【００５８】
図２及び図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、回転体４０には、その一端側の端面４０ａ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４１と、同じく一端側の端面４０ａ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４２とが、回転体４０の他端側の端面４０ｂ側で連通するように形成された１６組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。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。
【００５９】
各第１流路４１及び各第２流路４２は回転体４０の回転軸心方向に貫通形成されいる。回転体４０の両端面４０ａ、４０ｂは略同じ形状となっている。尚、第１流路４１の断面積と第２流路４２の断面積は等しくなるように形成され、圧力損失が生じ難いように構成されている。
【００６０】
回転体４０には回転軸心方向に沿って支軸４３を挿通する挿通空間４４が形成されている。挿通空間４４は、支軸４３の直径に対して十分大きく形成され、支軸４３の外周と挿通空間４４の内周との隙間は、回転体４０と第１側方部材２０及び第２側方部材３０の隙間に比べて広い隙間となるように構成されている。
【００６１】
図２に示すように、支軸４３は、第１側方部材２０と第２側方部材３０に両端を支持されている。支軸４３は、両端に雄ねじが切られ、該雄ねじ部分を第１側方部材２０と第２側方部材３０の夫々に形成された開口に挿通した状態でダブルナットで締め付けることで固定される。支軸４３及びナットは押圧機構として機能し、ナットの締め付けを調整することで第１側方部材２０と第２側方部材３０の中心部分の間隔を調整可能に構成されている。
【００６２】
回転体４０と第１側方部材２０の隙間や、回転体４０と第２側方部材３０の隙間は、支軸４３を取り付けるナットの締め付け具合や、第２エンドカバー３６をケーシング１１に取り付けるナットの締め付け具合や、スペーサ３５の幅を変更することで調整できる。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。尚、スペーサを弾性部材で構成し、ボルトの締め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。
【００６３】
図２及び図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、第１側方部材２０には、高圧濃縮海水Ｈｉを回転体４０の第１流路４１に案内する第１流体流入路２１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４２から案内する第２流体流出路２２と、低圧海水Ｌｉを第２流路４２に案内する第２流体流入路２３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４１から案内する第１流体流出路２４とが、その厚み方向に形成されている。
【００６４】
第１流体流入路２１は、第１側方部材２０の開口部２１ａから開口部２１ｂにかけて回転体４０の周方向に沿って複数の第１流路４１と連通するように拡径して形成された第１傾斜部としての流路壁２１ｃを備えて構成されている。第２流体流出路２２は、第１側方部材２０の開口部２２ａから開口部２２ｂにかけて回転体４０の周方向に沿って複数の第２流路４２と連通するように拡径して形成された第２傾斜部としての流路壁２２ｃを備えて構成されている。第２流体流入路２３は、第１側方部材２０の開口部２３ａから開口部２３ｂにかけて回転体４０の周方向に沿って複数の第２流路４２と連通するように拡径して形成された第２傾斜部としての流路壁２３ｃを備えて構成されている。第１流体流出路２４は、第１側方部材２０の開口部２４ａから開口部２４ｂにかけて回転体４０の周方向に沿って複数の第１流路４１と連通するように拡径して形成された第１傾斜部としての流路壁２４ｃを備えて構成されている。
【００６５】
流路壁２１ｃの傾斜方向と流路壁２３ｃの傾斜方向は円周方向に対して同じ向きに設定され（図６（ａ）、（ｃ）参照）、流路壁２１ｃの傾斜方向と流路壁２２ｃの傾斜方向が円周方向に対して逆になるように設定され（図６（ａ）、（ｂ）参照）、流路壁２３ｃの傾斜方向と流路壁２４ｃの傾斜方向が円周方向に対して逆になるように設定され（図６（ｃ）、（ｄ）参照）、各流入路及び流出路がトルク付与機構を構成する
【００６６】
第１流体流入路２１は、第１側方部材２０の開口部２０ａから開口部２１ｂにかけて回転体４０の周方向に沿って複数の第１流路４１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は流路壁２１ｃに沿って分散し複数の第１流路４１に流入することになる。
【００６７】
このとき、高圧濃縮海水Ｈｉは回転体４０の周方向に沿って流れ、第１流路４１の壁面へ圧力を付与する、つまり、回転体４０を回転させるトルクを発生することになる。
【００６８】
第２流体流出路２２は、第１側方部材２０の開口部２２ａから開口部２２ｂにかけて回転体４０の周方向に沿って複数の第２流路４２と連通するように拡径して形成されているので、隣接する複数の第２流路４２を流れる高圧海水Ｈｏが合流して流路壁２２ｃを経て流出することになる。
【００６９】
このときに、高圧海水Ｈｏは、第２流路４２から第２流体流出路２２に流れる水の通水断面積を広くする向きに第２流路４２の壁面へ圧力を付与する、つまり、回転体４０を回転させるトルクを発生することになる。
【００７０】
流路壁２１ｃの傾斜方向と流路壁２２ｃ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２１から第１流路４１に流入するときに発生するトルクと、高圧海水Ｈｏが第２流路４２から第２流体出路２２へと流出するときに発生するトルクが同じ向きになる。
【００７１】
つまり、回転体４０に流入する高圧濃縮海水Ｈｉと回転体４０から流出する高圧海水Ｈｏのエネルギーにより回転体４０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４０を回転させる場合より、大きなトルクを発生させることができる。
【００７２】
同様に、低圧海水Ｌｉが第２流体流入路２３から第２流路４２に流入するときのエネルギーにより回転体４０に付与されるトルクと、低圧濃縮海水Ｌｏが第１流路４１から第１流体流出路２４へと流出するときのエネルギーにより回転体４０に付与されるトルクも同じ向きになる。
【００７３】
このように、トルク付与機構が、第１流路４１に流入する高圧濃縮海水Ｈｉのエネルギーと第２流路４２から流出する高圧海水Ｈｏのエネルギー、及び、第２流路４２に流入する低圧海水Ｌｉのエネルギーと第１流路４１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４０を回転させるトルクを発生させる。
【００７４】
従って、回転体４０を回転させるための外部動力が不要となる。また、回転体４０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。
【００７５】
第１側方部材２０には、挿通空間４４に高圧濃縮海水Ｈｉを導く第４連通路１８が形成されている。挿通空間４４及び第４連通路１８は、圧力バランス調整機構として機能する。尚、本実施形態では、第４連通路１８は、第１連通路１７を介して第１閉空間１６内に流入した高圧濃縮海水Ｈｉを挿通空間４４に導くように構成されているが、これに限らず、第４連通路を第２側方部材３０に形成する構成であってもよい。また、高圧濃縮海水Ｈｉのかわりに高圧海水Ｈｏを挿通空間４４に導くように構成してもよい。
【００７６】
支軸４３は、回転体４０に形成された挿通空間４４に挿通され、第１側方部材２０と第２側方部材３０に両端を支持される。第１閉空間１６及び第２閉空間３８には、高圧濃縮海水Ｈｉや高圧海水Ｈｏが導かれ、第１側方部材２０と第２側方部材３０の支軸４３の支持部にも夫々回転体４０方向への圧力が作用している。
【００７７】
第１側方部材２０に形成された第４連通路１８を介して、挿通空間４４に高圧濃縮海水Ｈｉを導くことで、第１側方部材２０及び第２側方部材３０の支軸４３の支持部を内側から第１側方部材２０及び第２側方部材３０の外側方向へ押圧する。この外側方向へ押圧する力と第１側方部材２０と第２側方部材３０の支軸４３の支持部に回転体４０方向に作用する圧力とを釣り合わすことで、第１側方部材２０と第２側方部材３０の支軸４３の支持部の近傍が回転軸心方向に沿って歪むような事態がなくなるので、支軸４３の軸芯方向への伸縮を防止することができる。
【００７８】
図２に示すように、第１エンドカバー１４には、第１流体流入路２１と連通する第１流体流入口２５と、第２流体流出路２２と連通する第２流体流出口２６と、第２流体流入路２３と連通する第２流体流入口２７と、第１流体流出路２４と連通する第１流体流出口２８が形成され、ケーシング１３にボルトで螺着されている。第１エンドカバー１４のケーシング１３との接触面には、円周方向にシール１９が配設され、ケーシング１３の外部に流体が漏れるのが防止される。
【００７９】
さらに、第１エンドカバー１４の第１側方部材２０との対向面側の中央部には凹部が形成され、該凹部と第１側方部材２０の外側面とで第１閉空間１６を構成し、第１流体流入路２１と第１閉空間１６とを連通する第１連通路１７により、第１閉空間１６には高圧濃縮海水Ｈｉが流入するように構成されている。第１閉空間１６と第１連通路１７は、圧力バランス調整機構を構成し、第１連通路１７から第１閉空間１６に流入した高圧濃縮海水Ｈｉの圧力は、第１側方部材２０を回転体４０に向けて押圧するように作用する。
【００８０】
この第１側方部材２０を回転体４０に向けて押圧する力は、回転体４０内の第１又は第２流体が、第１側方部材２０に作用する押圧力と釣り合うので、第１側方部材を薄肉化しても流体の圧力によって回転軸心方向に歪むような事態が回避され、回転体４０と第１側方部材２０との隙間は一定に保たれ、回転体の円滑な回転が可能となる。
【００８１】
第２側方部材３０は、第１側方部材２０とで保持部材１１及び支軸４３を支持するように構成されている。
【００８２】
第２側方部材３０には、第１側方部材２０の各開口部２１ｂ、２２ｂ、２３ｂ、２４ｂに対向する位置に、各開口部２１ｂ、２２ｂ、２３ｂ、２４ｂと同形状（同一輪郭と同一面積）の開口部をもつ凹部３１ａ、３２ａ、３３ａ、３４ａが形成されている。凹部３１ａ、３２ａ、３３ａ、３４ａは、圧力バランス調整機構を構成する。ここで、この凹部３１ａ、３２ａ、３３ａ、３４ａに面する回転体４０の端面４０ｂが回転体４０を第１側方部材２０へ押圧する受圧部となる。
【００８３】
高圧濃縮海水Ｈｉが第１流体流入路２１から複数の第１流路４１に分散して流入するときに、高圧濃縮海水Ｈｉの圧力は回転体４０の隣接する第１流路４１の間の端面４０ａに作用し、回転体４０を第２側方部材３０側へ押圧し、高圧海水Ｈｏが複数の第２流路４２から第２流体流出路２２へ流出するときに、高圧海水Ｈｏの圧力は回転体４０の隣接する第２流路４２の間の端面４０ａに作用し、回転体４０を第２側方部材３０側へ押圧する。
【００８４】
同様に、低圧海水Ｌｉが第２流体流入路２３から複数の第２流路４２に分散して流入するときに、低圧海水Ｌｉの圧力は回転体４０の隣接する第２流路４２の間の端面４０ａに作用し、回転体を第２側方部材に押圧し、低圧濃縮海水Ｌｏが複数の第１流路４１から第１流体流出路２４へ流出するときに、高圧海水Ｈｏの圧力は回転体４０の隣接する第１流路４１の間の端面４０ａに作用し、回転体４０を第２側方部材３０側へ押圧する。
【００８５】
このように、回転体４０には、第１流路４１及び第２流路に流入出する流体が端面４０ａに作用するため、第２側方部材３０側へと押圧される力が働くが、第２側方部材に形成された凹部３１ａ、３２ａ、３３ａ、３４ａにも、第１流体及び第２流体が流入し、回転体４０の端面４０ｂに作用して、回転体４０を第１側方部材２０側へ押圧するので、両端面４０ａ、４０ｂに作用する押圧力が釣り合うとともに押圧力の分布も等しくなり、回転体４０は第１側方部材２０又は第２側方部材３０に一方的に摺動するようなことがなくなり、円滑に回転することができる。
【００８６】
つまり、各開口部２１ｂ〜２４ｂと凹部３１ａ〜３４ａは同形状で対向する位置にあるため、流体が流入する際に回転体４０の端面４０ａに圧力を作用させる受圧面積は、端面４０ｂの受圧部の受圧面積と等しく、さらに圧力のかかる場所も軸方向に対向することとなり、回転体は軸方向に変位することがなくなる。
【００８７】
第２側方部材３０の外側には、スペーサ３５を介して封止板３６が配設されている。封止板３６は周囲にはシール３７が備えられている。第２エンドカバー１５は、封止板３６を第２側方部材３０側へと押圧するようにケーシング１３にボルトで螺着され、第２側方部材３０とケーシング１３と、封止板３６を押圧する第２エンドカバー１５とで第２閉空間３８が区画されている。
【００８８】
スペーサ３５は、第２側方部材３０と封止板３６の間隔を、スペーサ３５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。
【００８９】
尚、第２側方部材３０の凹部３１ａには、圧力伝達部の流体を第２閉空間３８へと導く第２連通路３９が厚み方向に貫通形成されている。第２閉空間３８と第２連通路３９は、圧力バランス調整機構を構成する。
【００９０】
第２閉空間３８には、圧力伝達部内の流体が第２連通路３９を介して流入し、圧力伝達部の圧力が第２連通路３９を介して第２閉空間３８に伝達され、第２側方部材３０を回転体４０に向けて押圧するように作用する。
【００９１】
回転体４０内の高圧濃縮海水Ｈｉと高圧海水Ｈｏが、第２側方部材３０に作用する押圧力と釣り合うので、第２側方部材を薄肉化しても流体の圧力によって回転軸心方向に歪むような事態が回避され、回転体４０と第２側方部材３０との隙間は一定に保たれ、回転体の円滑な回転が可能となる。
【００９２】
以上のように、第１側方部材２０と第２側方部材３０には、回転体４０内の流体によって軸心方向外側への圧力がかかるが、上述のように、第１側方部材２０の外側の第１閉空間１６に第１連通路１７を介して第１流体流入路２１に供給される高圧濃縮海水Ｈｉが導かれ、第２側方部材３０の外側に、第２連通路３９から、第１流路４１、第２流路４２内の流体が導かれる第２閉空間３８が形成されている。
【００９３】
つまり、第１閉空間１６及び第２閉空間３８には同じ圧力の流体から圧力が伝達されることとなる。第１側方部材２０及び第２側方部材３０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２０及び第２側方部材３０は、夫々回転体４０の回転軸心方向に歪むことを防ぐことができ、支軸４３に無駄な応力がかかることがない。
【００９４】
尚、スペーサ３５の厚みは、ケーシング１３の端面から封止板３６が僅かに突出する程度に構成されている。スペーサ３５の厚みを変えることで、第２側方部材３０の回転体４０方向への押圧力が変わるため、回転体４０の両端面４０ａ、４０ｂと各側方部材２０、３０の間に形成される隙間を調整することができる。
【００９５】
尚、スペーサ３５の内周面と外周面を連通する開口部をスペーサ３５に形成し、第２閉空間３８の流体がスペーサ３５の外周側に導かれるように構成していれば、スペーサ３５が流体の圧力により径方向に歪むようなことがない。
【００９６】
また、第２側方部材３０側のみではなく、第１側方部材２０側にも同様のスペーサ及び封止板を備え、該スペーサの回転軸心方向の幅を変えることで、又は、両スペーサの回転軸心方向の幅を変えることで、回転体４０の両端面４０ａ、４０ｂと各側方部材２０、３０の間に形成される隙間を調整可能に構成してもよい。
【００９７】
保持部材１１は、回転体４０の直径より僅かに大きい内周径をもち、回転体４０の回転軸心方向長さより僅かに長い円筒状部材で構成されている。保持部材１１の周面には、第３連通路４５が貫通形成され、回転体４０と保持部材１１の隙間に進入した高圧濃縮海水Ｈｉ又は高圧海水Ｌｏが第３連通路４５を介して、保持部材１１の外周面とケーシング１３の内周面とで区画される外周閉空間４６に流入するように構成されている。第３連通路４５と外周閉空間４６は、圧力バランス調整機構を構成する。
【００９８】
尚、保持部材１１は、軸方向や周方向に分割された複数の保持部材で構成することも可能で、分割部に隙間を設けて、該隙間を第３連通路４５とすることも可能である。
【００９９】
回転体４０と第１側方部材２０及び第２側方部材３０との隙間を介して、回転体４０の外周面と保持部材１１の内周面との隙間に進入した流体が、保持部材１１に形成された第３連通路４５を介して、保持部材１１の外周面とケーシング１３の内周面との外周閉空間４６に進入する。
【０１００】
外周閉空間４６に導かれた流体の圧力は、回転体４０と保持部材１１の内周面との隙間に作用する流体の圧力と略等しく、保持部材１１の内周面と外周面の両面に作用する押圧力が釣り合うので、保持部材１１を薄肉化しても径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４０と保持部材１１との隙間は広がることなく、所定の隙間が保持されるので円滑に回転できるようになる
【０１０１】
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７に示すように、回転体４０には、１６組の圧力伝達部４４、つまり、第１流路４１ａ〜４１ｐと第２流路４２ａ〜４２ｐが回転軸心周りに放射状に配設されている。図７中の二点鎖線で示す領域は、第１側方部材２０の第１流体流入路２１の開口部２１ｂと、第２流体流出路２２の開口部２２ｂと、第２流体流入路２３の開口部２３ｂと、第１流体流出路２４の開口部２４ｂに対応する領域を表している。
【０１０３】
第１流体流入路２１には、隣接する第１流路４１ｃ、４１ｂ、４１ａ、４１ｐ、４１ｏ、４１ｎの６本が同時に連通し、第２流体流出路２２には、第１流路４１ｃ、４１ｂ、４１ａ、４１ｐ、４１ｏ、４１ｎと回転体４０内で連通した第２流路４２ｃ、４２ｂ、４２ａ、４２ｐ、４２ｏ、４２ｎが同時に連通する。第２流体流入路２３には、隣接する第２流路４２ｆ、４２ｇ、４２ｈ、４２ｉ、４２ｊ、４２ｋの６本が同時に連通し、第１流体流出路２４には、第２流路４２ｆ、４２ｇ、４２ｈ、４２ｉ、４２ｊ、４２ｋと回転体４０内で連通した第１流路４１ｆ、４１ｇ、４１ｈ、４１ｉ、４１ｊ、４１ｋが連通する。
【０１０４】
第１流体流入路２１に流入した高圧濃縮海水Ｈｉが、第１流路４１ｃ、４１ｂ、４１ａ、４１ｐ、４１ｏ、４１ｎの夫々に分散して流入するときに、高圧濃縮海水Ｈｉは、流路壁２１ｃに沿って流れ、回転体４０には、図７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。
【０１０５】
第１流路４１ｃ、４１ｂ、４１ａ、４１ｐ、４１ｏ、４１ｎに流入した高圧濃縮海水Ｈｉの圧力は、夫々回転体４０内で連通した第２流路４２ｃ、４２ｂ、４２ａ、４２ｐ、４２ｏ、４２ｎの海水に伝達され、高圧海水Ｈｏが第２流路４２ｃ、４２ｂ、４２ａ、４２ｐ、４２ｏ、４２ｎから第２流体流出路２２へと流出する。
【０１０６】
高圧海水Ｈｏが第２流路４２ｃ、４２ｂ、４２ａ、４２ｐ、４２ｏ、４２ｎから第２流体流出路２２へと流出する際に、流れを広くするように流路壁２２ｃに沿って流れ、回転体４０には、図７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。
【０１０７】
第２流体流入路２３に流入した低圧海水Ｌｉが、第２流路４２ｆ、４２ｇ、４２ｈ、４２ｉ、４２ｊ、４２ｋの夫々に分散して流入するときに、低圧海水Ｌｉは、流路壁２３ｃに沿って流れ、回転体４０には、図７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。
【０１０８】
第２流路４２ｆ、４２ｇ、４２ｈ、４２ｉ、４２ｊ、４２ｋに流入した低圧海水Ｌｉの圧力は、夫々回転体４０内で連通した第１流路４１ｆ、４１ｇ、４１ｈ、４１ｉ、４１ｊ、４１ｋの濃縮海水に伝達され、低圧濃縮海水Ｌｏが第１流路４１ｆ、４１ｇ、４１ｈ、４１ｉ、４１ｊ、４１ｋから第１流体流出路２４へと流出する。
【０１０９】
低圧濃縮海水Ｌｏが第１流路４１ｆ、４１ｇ、４１ｈ、４１ｉ、４１ｊ、４１ｋから第１流体流出路２４へと流出する際に、流れを広くするように流路壁２４ｃに沿って流れ、回転体４０には、図７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。
【０１１０】
以上のように、第１流体流入路２１から第１流路４１に流入する高圧濃縮海水Ｈｉが回転体４０に与えるトルクと、第２流路４２から第２流体流出路２２へ流出する低圧海水Ｌｏが回転体４０に与えるトルクと、第２流体流入路２３から第２流路４２に流入する低圧海水Ｌｉが回転体４０に与えるトルクと、第１流路４１から第１流体流出路２４へ流出する低圧濃縮海水Ｌｏが回転体４０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４０は時計周りに回転することになる。
【０１１１】
このように、回転体４０の回転によって、ある圧力伝達部を構成する第１流路４１と第２流路４２の組と、夫々連通する第１流体流入路２１と第２流体流出路２２、第２流体流入路２３と第１流体流出路２４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。
【０１１２】
尚、第１流路４１及び第２流路４２内では、濃縮海水と海水が混在することになるが、各々の流体は塩分濃度差があるため境界部分は拡散によりある一定量が常に混ざった領域となるだけで、当該領域は、ピストンのような役目をしながら第１流路４１及び第２流路４２の内部で揺動することになる。
【０１１３】
図７に示すように、第１流体流入路２１、第２流体流出路２２、第２流体流入路２３、第１流体流出路２４の何れにも連通しない第１流路４１ｄ、４１ｅ、４１ｌ、４１ｍ及び、第２流路４２ｄ、４２ｅ、４２ｌ、４２ｍでは、圧力の交換は行われない。
【０１１４】
本実施形態では、第１流体流入路２１、第２流体流出路２２、第２流体流入路２３、第１流体流出路２４に、回転体の回転に伴って第１流路及び第２流路が同時に５本又は６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。また、流体流入路及び流体流出路の何れにも連通しない本数が少ないと、高圧の流体から低圧の流体への漏れ量が増加する。
【０１１５】
回転体４０は、回転体４０に流入する高圧濃縮海水Ｈｉ及び低圧海水Ｌｉ、回転体４０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。
【０１１６】
流路壁２１ｃ、２２ｃ、２３ｃ、２４ｃの形状が変わると、流入路から各流路に流入する流体、及び、各流路から流出路に流出する流体の流れの方向が変わり、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４０の回転数は、流路壁２１ｃ、２２ｃ、２３ｃ、２４ｃの形状に依存する。圧力交換装置の処理流量は、回転体４０の回転数に依存するため、当該形状を変更して、回転体４０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。
【０１１７】
上述のように、第１側方部材２０に、第１流体流入路２１、第１流体流出路２４、第２流体流入路２３、第２流体流出路２２が形成され、回転体４０の一端側から圧力伝達部へ第１流体又は第２流体を流入させて、回転体４０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流体又は第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回転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、回転体の回転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。
【０１１８】
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２０にのみ形成されているため、各流体の流入路又は流出路と接続する配管を第１側方部材２０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又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２０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３０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。
【０１１９】
上述の実施形態では、第１流路４１の断面積と第２流路４２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４１と第２流路４２の断面積は完全に等しい必要はない。
【０１２０】
上述の実施形態では、第１流路４１と第２流路４２は回転体４０の他端側の端面４０ｂ側で連通した構成であるが、図８（ａ）に示すように、端面４０ｂから端面４０ａ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４０ａと端面４０ｂの間の任意の位置であってもよい。回転体４０の端面４０ａと端面４０ｂが全く同形状となり同面積となるので、回転体４０の軸心方向の圧力バランスがよい。
【０１２１】
さらには、図８（ｂ）に示すように、第１流路４１及び第２流路４２の回転体４０の端面４０ｂ側を一部の開口部４０ｃや４０ｄを除いて閉塞するように構成してもよい。
【０１２２】
第１流路４１及び第２流路４２の断面形状は、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４１及び第２流路４２の本数や断面形状を変更することで、圧力伝達部４４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。尚、図３（ａ）に示した第１流路４１及び第２流路４２の断面形状は、回転体の断面に対し開口率を大きく取れる点で好ましい。
【０１２３】
上述の実施形態では、保持部材１１と第２側方部材３０を別体で構成したが、保持部材１１と第２側方部材３０をカップ状に一体形成し、第１側方部材２０で閉じられる空間内に回転体４０が配置されるように構成してもよい。
【０１２４】
上述の実施形態では、第１流体流入路２１、第２流体流出路２２、第２流体流入路２３、第１流体流出路２４のように、各流入路と流出路が一対ずつ、つまり、夫々１つずつ、合計すると４つ備えられる構成であるが、各流入路と流出路は夫々２つ以上の複数であってもよい。複数備える場合は、回転体４０に流入及び回転体４０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。
【０１２５】
上述の実施形態では、トルク付与機構は、第１流路４１に流入する、又は、第１流路４１から流出する濃縮海水のエネルギー、及び、第２流路４２に流入する、又は、第２流路４２から流出する海水のエネルギーにより回転体４０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４１に流入する、第１流路４１から流出する濃縮海水のエネルギー、又は、第２流路４２に流入する、第２流路４２から流出する海水のエネルギーにより回転体４０にトルクを付与するように構成すればよい。
【０１２６】
何れかのエネルギーのみを利用する場合、第２流路４２より第１流路４１のほうが、回転体４０の半径方向外側に配置されているため、第１流路４１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４０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。
【０１２７】
上述の実施形態では、回転体４０は第１流体及び第２流体のエネルギーにより回転する構成について説明したが、回転体４０に駆動軸を連結し、駆動機等の外部動力で回転するように構成してもよい。外部動力で回転体４０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。
【０１２８】
上述の実施形態では、第２エンドカバーと保持部材を別体で説明したが、第２エンドカバーと保持部材を一体で構成してもよい。
【０１２９】
上述の実施形態では、保持部材とケーシングを別体で説明したが、ケーシングを備えずに、保持部材をケーシングとしても機能させてもよい。ただし、この場合は保持部材の内周と外周の圧力バランス調整機構を有しない構成となる。
【０１３０】
上述の実施形態では、第２閉空間を１つの空間として説明したが、スペーサ３５に第２閉空間３８を区画する区画壁３８ｃを備えて、例えば、図９（ａ）、（ｂ）に示すように、高圧の流体が流入する空間３８ａと、低圧の流体が流入する空間３８ｂの２つの空間に区画し、空間３８ａには連通路３９ａから高圧流体が流入し、空間３８ｂには連通路３９ｂから低圧流体が流入するように構成してもよい。
【０１３１】
さらに、例えば、図１０（ｂ）に示すように、第１側方部材２０に形成された第１流体流入路２１と第２流体流出路２２と第２流体流入路２３と第１流体流出路２４と対応する位置の４つの空間（高圧の流体が流入する２つの空間３８ａ、低圧の流体が流入する２つの空間３８ｂ）に区画して、夫々の空間に夫々対応する流体が流入するように構成してもよい。このように、第２閉空間を複数の空間に区画することで、第２側方部材の両面に作用する押圧力を均等にすることができるので、第２側方部材の変形がさらに抑制される。
【０１３２】
上述の実施形態では、スペーサ３５と第２エンドカバー３６を別体で説明したが、図１０（ａ）に示すように、スペーサ３５と第２エンドカバー３６を一体で構成し、第２側方部材３０との間で、第２閉空間を構成することもできる。
【０１３３】
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。
【０１３４】
以上説明した圧力交換装置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】
【０１３５】
６：逆浸透膜装置
１０：圧力交換装置
１１：保持部材
１３：ケーシング
１４：第１エンドカバー
１５：第２エンドカバー
１６：第１閉空間
１７：第１連通路
１８：第４連通路
２０：第１側方部材
２１：第１流体流入路
２１ａ：開口部
２１ｂ：開口部
２１ｃ：流路壁
２２：第２流体流出路
２２ａ：開口部
２２ｂ：開口部
２２ｃ：流路壁
２３：第２流体流入路
２３ａ：開口部
２３ｂ：開口部
２３ｃ：流路壁
２４：第１流体流出路
２４ａ：開口部
２４ｂ：開口部
２４ｃ：流路壁
３０：第２側方部材
３１ａ、３２ａ、３３ａ、３４ａ：凹部
３５：スペーサ
３６：封止板
３７：シール
３８：第２閉空間
３９：第２連通路
４０：回転体
４１：第１流路
４２：第２流路
４３：支軸
４４：挿通空間
４５：第３連通路
４６：外周閉空間
Ｈｉ：高圧濃縮海水（濃縮流体）
Ｌｉ：低圧海水（被濃縮流体）
Ｈｏ：高圧海水（被濃縮流体）
Ｌｏ：低圧濃縮海水（濃縮流体）
【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５】
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【図６】
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【図７】
0005657450.tif 000008
【図８】
0005657450.tif 000009
【図９】
0005657450.tif 000010
【図１０】
0005657450.tif 000011
【図１１】
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【図１２】
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