(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ソースストリームからシンクストリームへ圧力および熱を交換するシステムにおいて、
ソース交換器であって、
前記ソースストリームの圧力を電気エネルギーに変換する第１の圧力交換器、および、
前記ソースストリームからの温度を、第１の温度差を介して、電気エネルギーに変換する第１の熱交換器、
を含む、ソース交換器と、
シンク交換器であって、
前記シンクストリームの圧力を変化させるために前記ソース交換器から受け取った電気エネルギーを使用する第２の圧力交換器、および、
前記シンクストリームの温度を変化させるために前記ソース交換器から受け取った電気エネルギーを使用する第２の熱交換器、
を含む、シンク交換器と、
を含む、システム。
【請求項２】
請求項１に記載のシステムにおいて、
前記ソース交換器は、前記第１の圧力交換器から受け取った電気エネルギーを、前記第１の熱交換器から受け取った電気エネルギーと組み合わせるソース接続箱をさらに含む、システム。
【請求項３】
請求項１に記載のシステムにおいて、
前記シンク交換器は、電気エネルギーの一部を前記第２の圧力交換器に分配し、かつ電気エネルギーの別の一部を前記第２の熱交換器に分配する、シンク接続箱をさらに含む、システム。
【請求項４】
請求項１に記載のシステムにおいて、
前記第１の熱交換器および／または前記第２の熱交換器は、複数の熱電プレートを含む、システム。
【請求項５】
請求項４に記載のシステムにおいて、
各熱電プレートは、
熱電層と、
前記熱電層の少なくとも２つの側面に隣接したガスケット層と、
前記ガスケット層に隣接した熱伝達層であって、前記ガスケット層が前記熱伝達層を前記熱電層から隔離する、熱伝達層と、
前記熱電層と接触している１つ以上の接合層と、
を含む、システム。
【請求項６】
請求項５に記載のシステムにおいて、
各熱電プレートは、前記熱電層によって少なくとも部分的に囲まれた圧電層をさらに含む、システム。
【請求項７】
請求項５に記載のシステムにおいて、
前記熱電層および前記１つ以上の接合層は、ｎ型および／またはｐ型材料で形成されている、システム。
【請求項８】
請求項４に記載のシステムにおいて、
前記複数の熱電プレートは、箱の構成で配列されている、システム。
【請求項９】
請求項４に記載のシステムにおいて、
前記複数の熱電プレートは、パイプ内部で、かつ前記パイプの軸方向流動軸に沿って、配列されている、システム。
【請求項１０】
請求項１に記載のシステムにおいて、
前記ソース交換器およびシンク交換器は、隣接していない、システム。
【請求項１１】
請求項１に記載のシステムにおいて、
エネルギー貯蔵モジュールをさらに含む、システム。
【請求項１２】
交換器において、
シールと、
入口および出口を備えた第１のチャネルであって、前記第１のチャネルはプロセスからの圧力を有する廃棄物ストリームを受け取る、第１のチャネルと、
前記第１のチャネルと並んでおり、前記シールにより前記第１のチャネルから隔離されている第２のチャネルであって、前記第２のチャネルは入口および出口を含み、前記第２のチャネルは、入力ストリームの圧力を上げて前記プロセス内で使用される高圧ストリームを生成するように構成されたポンプと並列に、前記入力ストリームの少なくとも一部を受け取る、第２のチャネルと、
伝達タービンであって、
前記第１のチャネル内に位置する１つ以上のブレードを備えた第１の部分、
前記第２のチャネル内に位置する１つ以上のブレードを備えた第２の部分、および、
前記第１の部分の回転が前記第２の部分の回転と同期されるように、前記第１の部分と前記第２の部分とを接続するシャフトであって、前記シールを通って延びている、シャフト、を含み、前記廃棄物ストリームの圧力の一部は、前記高圧ストリームを生成するために前記伝達タービンによって前記入力ストリームに転換される、
伝達タービンと、
を含む、交換器。
【請求項１３】
請求項１２に記載の交換器において、
前記伝達タービンの前記シャフトに隣接した発電機固定子をさらに含み、
前記伝達タービンの前記シャフトは、回転子を含み、前記回転子は、前記第１のチャネル内のストリームの流れにより回転すると、電流を誘発する、交換器。
【請求項１４】
請求項１２に記載の交換器において、
高圧ストリームにより前記伝達タービンの前記第１の部分の前記ブレードに及ぼされる力によって、前記伝達タービンの前記第２の部分の前記ブレードが回転し、これにより、前記高圧ストリームから、前記第２のチャネル内の低圧ストリームへと圧力を伝達する、交換器。
【請求項１５】
請求項１２に記載の交換器において、
前記第２のチャネルに隣接し、入口および出口を含む第３のチャネルをさらに含み、第２のシールが前記第２のチャネルと前記第３のチャネルとの間にあり、前記第２のチャネルと前記第３のチャネルとを隔離している、交換器。
【請求項１６】
請求項１５に記載の交換器において、
前記シャフトは、前記第２のチャネルおよび前記第２のシールを通って前記第３のチャネル内へと延び、前記シャフトは、ブレードを含み、かつ前記第３のチャネル内部にある第３の部分をさらに含み、前記第１の部分の回転が、前記第２の部分および前記第３の部分の回転と同期する、交換器。
【請求項１７】
請求項１６に記載の交換器において、
前記第１のチャネルの入口に入り、前記第１のチャネルの出口から出る高圧ストリームにより前記伝達タービンの前記第１の部分の前記ブレードに及ぼされる力によって、前記伝達タービンの前記第２の部分の前記ブレードが回転し、これにより、前記高圧ストリームから、前記第２のチャネルの入口に入り、前記第２のチャネルの出口から出る第１の低圧ストリームへ、圧力を伝達し、また前記高圧ストリームから、前記第３のチャネルの入口に入り、前記第３のチャネルの出口から出る第２の低圧ストリームへ、圧力を伝達する、交換器。
【請求項１８】
請求項１２に記載の交換器において、
前記第１のチャネルは、第１のパイプを含み、前記第２のチャネルは、第２のパイプを含む、交換器。
【請求項１９】
請求項１２に記載の交換器において、
前記高圧ストリームは、前記入力ストリームの圧力より高い圧力を有する、交換器。
【請求項２０】
エネルギーリサイクルシステムにおいて、
入力ストリームの圧力を上げて、プロセス内で使用される高圧ストリームを生成するポンプであって、前記プロセスは、圧力を有する廃棄物ストリームを生成する、ポンプと、
前記廃棄物ストリームを受け取り、前記入力ストリームの少なくとも一部を受け取る交換器であって、前記交換器は、前記廃棄物ストリームの圧力の一部を、前記入力ストリームに転換して、前記高圧ストリームを生成する、交換器と、
を含み、
前記交換器は、
シール、
第１のチャネルであって、前記廃棄物ストリームを受け取る入口、および前記廃棄物ストリームが前記第１のチャネルを出るための出口を備えている、第１のチャネル、
前記第１のチャネルと並んでおり、前記シールにより前記第１のチャネルから隔離されている第２のチャネルであって、前記第２のチャネルは、前記入力ストリームを受け取る入口、および前記高圧ストリームが前記第２のチャネルから出るための出口を含む、第２のチャネル、ならびに、
伝達タービンであって、
前記第１のチャネル内に位置する１つ以上のブレードを備えた第１の部分、
前記第２のチャネル内に位置する１つ以上のブレードを備えた第２の部分、および、
前記第１の部分の回転が前記第２の部分の回転と同期されるように、前記第１の部分と前記第２の部分とを接続するシャフトであって、前記シャフトが前記シールを通って延びる、シャフト、
を含む、伝達タービン、
を含み、
前記交換器は、前記ポンプと並列に、前記入力ストリームの少なくとも一部を受け取る、エネルギーリサイクルシステム。
【請求項２１】
請求項２０に記載のシステムにおいて、
前記交換器は、前記伝達タービンの前記シャフトに隣接した発電機固定子をさらに含み、
前記伝達タービンの前記シャフトは、回転子を含み、前記回転子は、前記第１のチャネル内の前記廃棄物ストリームによって回転されると、前記発電機固定子内で電流を誘発する、システム。
【請求項２２】
請求項２０に記載のシステムにおいて、
前記廃棄物ストリームにより前記伝達タービンの前記第１の部分の前記ブレードに及ぼされる力によって、前記伝達タービンの前記第２の部分の前記ブレードが回転し、これによって、前記廃棄物ストリームから、前記第２のチャネル内の前記入力ストリームに圧力を伝達して、前記高圧ストリームを生じる、システム。
【請求項２３】
請求項２０に記載のシステムにおいて、
前記交換器は、前記第２のチャネルと隣接し、入口および出口を含む第３のチャネルをさらに含み、第２のシールが、前記第２のチャネルと前記第３のチャネルとの間にあり、前記第２のチャネルと前記第３のチャネルとを隔離している、システム。
【請求項２４】
請求項２３に記載のシステムにおいて、
前記シャフトは、前記第２のチャネルおよび前記第２のシールを通って前記第３のチャネル内へと延び、前記シャフトは、前記第３のチャネル内にブレードを含む第３の部分をさらに含み、前記第１の部分の回転は、前記第２の部分および前記第３の部分の回転と同期する、システム。
【請求項２５】
請求項２４に記載のシステムにおいて、
前記第１のチャネルの入口に入り、前記第１のチャネルの出口から出る前記廃棄物ストリームにより前記伝達タービンの前記第１の部分の前記ブレードに及ぼされる力によって、前記伝達タービンの前記第２の部分の前記ブレードが回転し、これにより、前記廃棄物ストリームから、前記第２のチャネルの入口に入り、前記第２のチャネルの出口から出る前記高圧ストリームを生成する前記入力ストリームへと、圧力を伝達し、また、前記廃棄物ストリームから、前記第３のチャネルの入口に入り、前記第３のチャネルの出口から出る第２の高圧ストリームを生成する第２の入力ストリームへと、圧力を伝達する、システム。
【請求項２６】
請求項２０に記載のシステムにおいて、
前記第１のチャネルは第１のパイプを含み、前記第２のチャネルは第２のパイプを含む、システム。
【請求項２７】
請求項２０に記載のシステムにおいて、
前記高圧ストリームは、前記入力ストリームの圧力より高い圧力を有する、システム。
【発明の詳細な説明】
【開示の内容】
【０００１】
〔関連出願〕
本出願は、米国特許法第１１９条（ｅ）の下、２０１４年１２月４日出願の米国特許出願第６２／０８７，２９８号の優先権を主張するものであり、また、２０１５年５月１２日出願の米国特許出願第６２／１６０，０２５号の優先権を主張するものである。これら米国特許出願の内容全体が、参照により本明細書に明示的に組み込まれる。
【０００２】
〔技術分野〕
本明細書に記載する対象は、圧力エネルギー、電気エネルギー、および／または熱エネルギーのうちの１つ以上の形でエネルギーを回収するための交換器に関する。
【０００３】
〔背景〕
多くの産業プロセスが、高温高圧で動いている。これらの産業プロセスでは、高圧および／または高温の廃棄物ストリーム（waste streams）をしばしば生じる。これらの産業プロセスでは、入力ストリームの圧力および温度（input stream pressure and temperature）の双方を上げる観点から、かなりのエネルギーが必要となることが多く、これは、費用がかかり、効率が悪い。高圧および／または高温の廃棄物ストリームは、十分に利用されていない、大きなポテンシャルエネルギーを表す。高温高圧で動く１つの例としてのプロセスは、脱塩であり、これは、高い圧力下で逆浸透を利用し、かつ／または高い温度を利用して飲料水を作り出すことができる。
【０００４】
〔概要〕
ある態様では、システムが、ソースストリーム（source stream）からシンクストリーム（sink stream）への圧力および熱を交換する。このシステムは、ソース交換器と、シンク交換器と、を含む。ソース交換器は、第１の圧力交換器と、第１の熱交換器と、を含む。第１の圧力交換器は、ソースストリームの圧力を電気エネルギーに変換する。第１の熱交換器は、ソースストリームからの温度を、第１の温度差を介して、電気エネルギーに変換する。シンク交換器は、第２の圧力交換器と、第２の熱交換器と、を含む。第２の圧力交換器は、ソース交換器から受け取った電気エネルギーを用いて、シンクストリームの圧力を変化させる。第２の熱交換器は、ソース交換器から受け取った電気エネルギーを用いて、シンクストリームの温度を変化させる。
【０００５】
以下の態様のうちの１つ以上が、任意の実現可能な組み合わせで含まれ得る。例えば、ソース交換器は、第１の圧力交換器から受け取った電気エネルギーを、第１の熱交換器から受け取った電気エネルギーと組み合わせる、ソース接続箱を含み得る。シンク交換器は、電気エネルギーの一部分を第２の圧力交換器に分配し、かつ電気エネルギーの別の部分を第２の熱交換器に分配する、シンク接続箱を含み得る。
【０００６】
第１の熱交換器および／または第２の熱交換器は、複数の熱電プレートを含み得る。各熱電プレートは、熱電層と、熱電層の少なくとも２つの側面に隣接したガスケット層と、ガスケット層が熱伝達層を熱電層から分離するようにガスケット層に隣接した熱伝達層と、熱電層と接触している１つ以上の接合層と、を含み得る。熱電層および１つ以上の接合層は、ｎ型および／またはｐ型材料で形成され得る。複数の熱電プレートは、箱の構成で配列され得る。この複数の熱電プレートは、パイプ内部で、また、そのパイプの軸方向流動軸に沿って、配列され得る。ソース交換器およびシンク交換器は、隣接していなくてよい。
【０００７】
本明細書に記載する対象は、多くの技術的利点をもたらす。例えば、エネルギーが、多くのプロセスおよび環境で、回収され、リサイクルされることができる。交換器は、定期的なメンテナンスおよび維持を必要とする複雑な機械システムを避け、単純に構築されることができる。一対一の交換、一対多の交換、多対一の交換、および多対多の交換が可能であってよく、圧力および熱双方の形態でのエネルギーの回収および／またはリサイクルが可能となる。電力をリサイクルすることにより、エネルギー費用が減る。電気的な熱および圧力の伝達を達成することができる。配管の必要性（Piping requirements）を減らすことができる。エネルギーの伝達は、ソース（例えば、廃棄物ストリーム）とシンク（例えば、入力ストリーム）とが隣接していない間でも、実行され得る。このような隣接していない配列は、危険な環境もしくはストリームと、清潔な環境もしくはストリームとの間でのエネルギー伝達を可能にすることができる。
【０００８】
さらなる技術的利点が、いくつかの実施形態において達成され得る。例えば、取り外し可能かつ／または自己洗浄式要素を通じて、構成要素（例えば、熱伝達プレート）の汚れが制限、低減、かつ／または排除されることができる。いくつかの圧力および熱交換器で一般的となり得る振動が、低減かつ／または排除されることができる。本発明の対象は、小さいかつ／またはスケーラブルなユニットにおいて、また部品を動かさずに、実施され得る。実施形態は、安い材料、製造方法、および単純な構造を通じて、さらに安く、かつさらに効率的なシステムを含み得る。本発明の対象の態様によると、極端な温度および／または圧力のストリームは、資源と考えることができる。本発明の対象は、流動材料（flow materials）に非特異的であるか、またはそれとは無関係であってよい。いくつかの実施形態では、低重量の交換器が可能である。
【０００９】
別の態様では、交換器は、シールと、第１のチャネルと、第２のチャネルと、伝達タービンと、を含む。第１のチャネルは、入口と出口とを含む。第２のチャネルは、第１のチャネルと並んでおり、シールによって第１のチャネルから隔離され、第２のチャネルは、入口と出口とを含む。伝達タービンは、第１の部分と、第２の部分と、シャフトと、を含む。第１の部分は、第１のチャネル内に位置する１つ以上のブレードを含む。第２の部分は、第２のチャネル内に位置する１つ以上のブレードを含む。シャフトは、第１の部分の回転が第２の部分の回転と同期されるように、第１の部分と第２の部分とを接続する。シャフトは、シールを通って延びる。
【００１０】
別の態様では、エネルギーリサイクルシステムが、ポンプと、交換器と、を含む。ポンプは、入力ストリームの圧力を上昇させて、プロセス内で使用される高圧ストリームを生成する。このプロセスは、圧力を有する廃棄物ストリームを生成する。交換器は、廃棄物ストリームを受け取り、入力ストリームの少なくとも一部を受け取り、廃棄物ストリームの圧力の一部を入力ストリームに転換して、高圧ストリームを生成する。圧力交換器は、シールと、第１のチャネルと、第２のチャネルと、伝達タービンと、を含む。第１のチャネルは、廃棄物ストリームを受け取る入口と、廃棄物ストリームが第１のチャネルから出るための出口と、を含む。第２のチャネルは、第１のチャネルと並んでおり、シールによって第１のチャネルから隔離されている。第２のチャネルは、入力ストリームを受け取る入口と、高圧ストリームが第２のチャネルから出るための出口と、を含む。伝達タービンは、第１の部分と、第２の部分と、シャフトと、を含む。第１の部分は、第１のチャネル内に位置する１つ以上のブレードを含む。第２の部分は、第２のチャネル内に位置する１つ以上のブレードを含む。シャフトは、第１の部分の回転が第２の部分の回転と同期されるように、第１の部分と第２の部分とを接続する。シャフトはシールを通って延びる。
【００１１】
以下の特徴のうちの１つ以上が、任意の実現可能な組み合わせで含まれ得る。例えば、発電機固定子は、伝達タービンのシャフトに隣接して含まれ得る。伝達タービンのシャフトは、回転子を含んでよく、回転子は、第１のチャネルのストリームの流れにより回転されると、電流を誘発する。高圧ストリームにより伝達タービンの第１の部分のブレードに及ぼされた力によって、伝達タービンの第２の部分のブレードを回転させることができ、これによって、高圧ストリームから第２のチャネルの低圧ストリームへと圧力が伝達され得る。
【００１２】
第３のチャネルが、第２のチャネルに隣接していてよく、入口と、出口とを含むことができ、第２のシールが、第２のチャネルと第３のチャネルとの間にあって、第２のチャネルと第３のチャネルとを隔離している。シャフトは、第２のチャネルおよび第２のシールを通って第３のチャネル内へと延びることができる。シャフトは、ブレードを含み、かつ第３のチャネル内にある第３の部分を含んでよく、第１の部分の回転が、第２の部分および第３の部分の回転と同期される。第１のチャネルの入口に入り、第１のチャネルの出口から出る高圧ストリームにより伝達タービンの第１の部分のブレードに及ぼされる力によって、伝達タービンの第２の部分のブレードが回転し、これにより、高圧ストリームから、第２のチャネルの入口に入り、第２のチャネルの出口から出る第１の低圧ストリームへ、圧力が伝達され、また、高圧ストリームから、第３のチャネルの入口に入り、第３のチャネルの出口から出る第２の低圧ストリームへ、圧力が伝達される。
【００１３】
第１のチャネルは、第１のパイプを含んでよく、第２のチャネルは、第２のパイプを含んでよい。高圧ストリームは、低圧ストリームの圧力より高い圧力を有し得る。交換器は、ポンプと並列に、入力ストリームの少なくとも一部を受け取ることができる。交換器は、ポンプと直列に、入力ストリームの少なくとも一部を受け取ることができる。
【００１４】
本明細書に記載の対象の１つ以上の変形体の詳細を、添付図面および以下の説明に記載する。本明細書に記載の対象の他の特徴および利点は、説明および図面から、また請求項から明らかであろう。
【００１５】
さまざまな図面中の同様の参照符号は、同様の要素を示している。
【００１６】
〔詳細な説明〕
本発明の対象は、高温の加圧されたストリームから、別の低温で低圧のストリームへエネルギーを伝達するか、または交換するための交換器を含み得る。伝達されるエネルギーは、熱エネルギーであるか、（圧力の形態の）機械的エネルギーであるか、またはその両方（例えばハイブリッドな交換）であってよい。いくつかの実施形態では、交換は間接的であり、例えば、ソースからの圧力および熱が、（例えば、タービン／発電機および熱電発電機を用いて）電気エネルギーへと変換されることができ、この電気エネルギーは、シンクに分配されて、（例えば、ポンプ／モーターおよび熱電発電機を駆動する電気エネルギーを用いて）シンクの圧力および熱を変化させることができる。本発明の対象は、小型で、安価なものであってよく、また、高温の加圧流体ストリームを伴う多くの適用で、エネルギーをリサイクルするために適用され得る。
【００１７】
図１は、ハイブリッドの熱および圧力交換器（ＰＨＸ）システム１００のシステムブロック図であり、このシステムは、熱および圧力を電気エネルギーに変換し、その後、電気エネルギーを熱および圧力に変換することにより、熱および圧力を伝達することができる。ＰＨＸシステム１００は、ソース交換器１０５と、シンク交換器１１０と、分電箱１１５と、を含む。ソース交換器１０５は、ソースストリーム１２０からの圧力および温度を電気エネルギーに変換することができる。シンク交換器１１０は、電気エネルギーを圧力および温度に変換することができ、これらは、シンクストリーム１２５内へ与えられ得る。分電箱１１５は、電気エネルギーをソース交換器１０５からシンク交換器１１０に向けて、いくつかの実施形態においては、ソース交換器１０５およびシンク交換器１１０それぞれの動作を制御することができる。
【００１８】
ソース交換器１０５は、圧力‐電気交換器（pressure to electrical exchanger）（Ｐ２ＥＸ）１３０と、熱‐電気交換器（heat to electrical exchanger）（Ｈ２ＥＸ）１３５と、圧力電線（pressure electrical line）１４５および熱電線（heat electrical line）１５０それぞれを介して、Ｐ２ＥＸ  １３０およびＨ２ＥＸ  １３５に接続された接続箱１４０と、を含む。Ｐ２ＥＸ  １３０は、ソースに入るストリーム（source in stream）１２０を受け取り、圧力の形のエネルギーを電気エネルギーに変換する。Ｐ２ＥＸ  １３０は、ソースに入るストリーム１２０よりも圧力が低い、圧力を有する中間ストリームを生じることができる。Ｐ２ＥＸ  １３０は、例えば、図２Ａおよび図２Ｂに示すように、タービンおよび／または水力発電機を含み得る。
【００１９】
図２Ａは、例としてのＰ２ＥＸ  １３０を例示したものであり、これは、半径流構成において電気エネルギーを生成するようプロペラを回すサイクロン２０５を含むことができるものであり、図２Ｂは、軸流構成で構成されたプロペラを有する発電機の断面図である。Ｐ２ＥＸ  １３０により変換された電気エネルギーは：
【数１】
0006786509.tif 000002
で特徴づけることができ、
式中、Ｐｔｈは、ソースに入るストリーム１２５のエネルギーをキロワットで表したものであり、ΔＰは、ソースに入るストリーム１２０と中間ストリーム１５５との間の圧力の変化であり、ｍは、１秒当たりの質量流量をキログラムで表したものであり、ＳＧは、ストリームの比重である。変換の効率は：
【数２】
0006786509.tif 000003
によって特徴づけることができ、
式中、ηは効率であり、ＰＢｒｅａｋは、行った仕事量である。達成された効率は、いくつかの実施形態においては、８５％〜９５％であってよい。
【００２０】
再び図１を参照すると、Ｈ２ＥＸ  １３５は、中間ストリーム１５５を受け取り、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する。Ｈ２ＥＸ  １３５は、ソースを出るストリーム（source out stream）１６０を生成することができ、これは、所望のとおりに他のプロセスで使用されてよく、ソースに入るストリーム１２５とは異なる圧力および温度を有している。Ｈ２ＥＸ  １３５は、熱電効果を活用して、温度差を電圧／電流に直接変換することができる。例えば、図３は、熱電効果を利用するＨ２ＥＸ  １３５の例としての実施形態である。
【００２１】
図３は、複数の熱電冷却（ＴＥＣ）プレート３０５を備えた箱の形をした、例としてのＨ２ＥＸ  １３５の断面図である。これらのプレートは、ストリームの流れに平行に配列されていて、流体は各プレートを通り過ぎて流れ、このため、プレート表面上の温度が上昇し、これによって、温度差が生じ、電気エネルギーが生成される。プレートは、洗浄および交換もしくは修理のため、容易に取り外し可能であってよい。プレートの寸法、プレートの数、およびそれらの配列は、適用に基づいて変化してよい。
【００２２】
図４は、ＴＥＣプレート３０５の例としての実施形態の断面図である。ＴＥＣプレート３０５は、２つの熱伝達層４１５間にある２つのガスケット層４１０間に、ＴＥＣ層４０５を含む。接合層４２０は、プレートの上部および下部を形成することができ、これらは、ＴＥＣ層４０５と同じ材料で形成され得る。ＴＥＣ層４０５は、２つのガスケット層４１０に付着してよく、ガスケット層４１０は、２つの熱伝達層４１５に付着してよい。ＴＥＣ層４０５は、熱的には互いに並列に、また電気的には直列に配された、ｎ型素子および１つのｐ型素子を含み得る。例としてのＴＥＣ層４０５の材料は、テルル化ビスマス（Ｂｉ２Ｔｅ３）を含み得るが、エジソン効果に基づいて熱電子伝導を可能にする材料など、他の材料も可能である。ガスケット層４１０は、ＴＥＣ層４０５と熱伝達層４１５とを分離するのに役立つ。いくつかの実施形態においては、ガスケット層４１０は、ＴＥＣ材料も含み得る。熱伝達層４１５は、熱伝達を改善するため、アルミニウムなどの熱伝導材料を含むことができる。ＴＥＣプレート３０５がＨ２ＥＸ  １３５の中にある場合、高温（例えば、熱い）流体が、伝達層４１５の両側を流れ、これにより温度差が生じ、ｎ型およびｐ型材料中の電荷キャリアを、熱い側（例えば伝達層４１５）から、冷たい側（例えば接合層４２０）へと分散させる。これらの電荷キャリアは、電流（または電圧）を生成する。
【００２３】
例としての適切なＴＥＣ層４０５は、中国上海のＨｅｂｉ  Ｉ．Ｔ．  Ｃｏ．  Ｌｔｄ．から入手可能であり、ユニット番号ＴＥＣ１‐１２７３０である。
【００２４】
伝達層４１５と接合層４２０との温度が異なる場合に生成された電圧は：
【数３】
0006786509.tif 000004
によって特徴づけることができ、
式中、Ｚは、性能指数（熱電材料の有効性）であり、ｉは、Ｈ２ＥＸ  １３５に複数のプレートがある場合のプレート数であり、ｓは、ゼーベック係数であり、ｋＴは熱伝導度であり、ρｋは電気抵抗率であり、Ｖは電圧であり、ＴＲＥＦは温度基準（temperature reference）である。
【００２５】
いくつかの実施形態においては、圧電層４２５が、ＴＥＣプレート３０５に含まれ得る。圧電層４２５は、ＴＥＣ層４０５内に位置して（例えば少なくとも２つの辺をＴＥＣ層４０５で囲まれて）よく、また、圧力変化を電気エネルギーに変換するのに役立ち得る。例えば、圧電層４２５は、圧力もしくは振動により機械的に起動されたときに電圧を生成する能力を有する、圧電セラミックを含み得る。圧電層４２５は、電極と交互に並べられた、圧電セラミックの複数の層を含み得る。圧電層４２５は、エネルギーを圧力から電気の形に変える、別の電流源として役立ち得る。圧電層４２５を有するＴＥＣプレート３０５は、より多くの電気エネルギーを供給することができる。
【００２６】
図５は、パイプ壁からパイプの中心に向かって延びる複数のＴＥＣプレート５００を備えたパイプの形状をした、Ｈ２ＥＸ  １３５の代替的な実施形態の断面図である。各ＴＥＣプレート５００は、伝達層５１０および接合層５１５で囲まれたＴＥＣ層５０５を有する。
【００２７】
再び図１を参照すると、ソースストリーム１２０がソース交換器１０５を通って流れると、Ｐ２ＥＸ  １３０およびＨ２ＥＸ  １３５は、（例えば前述したように）電力を生成することができ、接続箱１４０は、その電力を統合して、統合された電力を、ソース電線（source electrical line）１６５を介して分電箱１１５へと提供することができる。いくつかの実施形態では、分電箱１１５は、追加の供給源１７０から追加の電力を受け取ることができ、追加の供給源１７０は、１つ以上の追加のソース交換器１０５ユニットを含み得るが、追加の供給源１７０は、任意の電源を含み得る。
【００２８】
分電箱１１５は、受け取った電力を、シンク電線（sink electrical line）１７５を介して、シンク交換器１１０へと分配することができる。シンク交換器１１０は、接続箱１８０において電力を受け取り、接続箱１８０は、その電力の適切な部分を、圧力電線１８２および熱電線１８４をそれぞれ用いて、電気‐圧力交換器（Ｅ２ＰＸ）１８５へ、また電気‐熱交換機（Ｅ２ＨＸ）１９０へと向け直す。いくつかの実施形態では、分電箱１１５は、受け取った電力を、追加のシンク１９７に分配してよく、追加のシンク１９７は、１つ以上の追加のシンク交換器１１０ユニットを含み得る。
【００２９】
Ｅ２ＰＸ  １８５は、接続箱１８０から受け取った電気エネルギーを使用して、シンクストリーム１２５の圧力を増大させる。Ｅ２ＰＸ  １８５は、電気エネルギーを機械的エネルギー（例えば圧力）に変換することができる、ポンプ、モーター、および／またはタービン発電機を含むことができる。Ｅ２ＰＸ  １８５は、構造がＰ２ＥＸ  １３０と似ていてよいが、電気エネルギーを圧力に変換するよう、別様に構成され得る。Ｅ２ＰＸ  １８５は、シンクに入るストリーム（sink in stream）１２５よりも高い圧力を有する、中間シンクストリーム１８７を生成する。
【００３０】
Ｅ２ＨＸ  １９０は、接続箱１８０から受け取った電気エネルギーを使用して、中間シンクストリーム１８７の温度を変化させ、シンクを出るストリーム（sink out stream）１９５を生成する。この温度変化により、中間シンクストリーム１８７の温度を上昇または下降させることができる。Ｅ２ＨＸ  １９０は、（熱電加熱器、ヒートポンプなどとも呼ばれる）熱電冷却器を含んでよく、また、（例えば、図３〜図５を参照して説明したように）Ｈ２ＥＸ  １３５に類似した構造を含むことができるが、電気エネルギーを温度変化へと変換するよう、別様に構成され得る。いくつかの実施形態では、適用に応じて、Ｅ２ＨＸ  １９０は、Ｈ２ＥＸ  １３５と同じであってよいが、他の実施形態では、Ｅ２ＨＸ  １９０は、異なるサイズおよび形状のＴＥＣプレート３０５を含んでよく、また、異なる数のＴＥＣプレート３０５を含んでよく、ＴＥＣプレート３０５は、取り外し可能であるか、またはＥ２ＨＸ  １９０ユニット内部で固定されていてよい。
【００３１】
いくつかの実施形態では、ＰＨＸシステム１００は、エネルギーを貯蔵し、かつ／またはエネルギーにアクセスするために、１つ以上のエネルギー貯蔵モジュール１９９を含んでよく、このため、エネルギーは、すぐに伝達されず（例えば、ＰＨＸ１００は、後から使用するため、および／または電力会社系統に転売するために、エネルギーを貯蔵することができ）、あるいは、ソースに入るストリームまたはシンクに入るストリーム（１２０、１２５）の圧力または熱を変化させるためには、これらのストリーム間で交換され得るのに比べて追加のエネルギーが必要となり得る。エネルギー貯蔵モジュール１９９は、バッテリーまたは他のエネルギー貯蔵デバイスを含み得る。分電箱１１５は、必要に応じて追加電力を供給するために、電力会社系統に接続されてもよい。
【００３２】
よって、ＰＨＸシステム１００は、ソースに入るストリーム１２０をとらえて、ソースに入るストリーム１２０とは異なる（例えば低いか、もしくは高い）圧力および異なる（例えば、低いか、もしくは高い）温度を有する、ソースを出るストリーム１６０を生成すると共に、シンクに入るストリーム１２５をとらえて、シンクに入るストリーム１２５とは異なる（例えば、低いか、もしくは高い）圧力および異なる（例えば、低いか、もしくは高い）温度を有するシンクを出るストリーム１９５を生成する。ＰＨＸシステム１００が単に高圧高温のソースストリームおよび低圧低温のシンクストリームを用いてエネルギーを交換することに限定されず、高圧低温のソースストリームと低圧高温のシンクストリームとの間、低圧高温のソースストリームと高圧低温のシンクストリームとの間でエネルギーを伝達できること、または本明細書に記載したアプローチの任意の組み合わせ、が企図されており、異なるタイプのエネルギーが、所与の実施形態に従って、ストリーム間で伝達されることが可能となる。
【００３３】
いくつかの実施形態では、分電箱１１５は、システムコントローラとして役立つ。分電箱１１５は、ＰＨＸシステム１００の能力および動作パラメータを決定することができ、ソース交換器１０５および／もしくはシンク交換器１１０内部で変化を生じさせることができるか、または変化を開始させることができる。分電箱１１５は、ランク付け分析（ratings analysis）を実行し、熱伝導率および／または圧力変化を決定することができる。例えば、図６は、ＰＨＸシステム１００を制御するための分電箱１１５への入力および出力を示す、機能的ブロック図６００である。図６に示すように、入力は、ストリームの流量、温度、圧力、交換器の設定、流体特性、および汚れ係数（fouling factors）を含む。出力は、出口温度（長さは一定）、長さ（効率（duty）は一定）、および圧力変化もしくは低下を含み得る。プレート型熱交換器（例えば、Ｈ２ＥＸ  １３５および／またはＥ２ＨＸ  １９０）に関するさまざまな測定は：
【数４】
0006786509.tif 000005
によって特徴づけられ得る。
【００３４】
分電箱１１５は、サポートベクターマシン、ニューラルネットワーク、ベイズの意思決定アルゴリズム、ルールエンジンなどを含むがこれらに制限されない、機械学習もしくは人工知能アルゴリズムなどの、１つ以上のインテリジェントモジュールを含み得る。インテリジェントモジュールは、ソースに入るストリーム１２０およびシンクに入るストリーム１２５の流量、ならびにそれらのストリーム間でどれだけエネルギーが交換されるかといった、ＰＨＸシステム１００のコンポーネントを調節することができる。いくつかの実施形態では、インテリジェントモジュールは、エネルギー貯蔵モジュール１９９からのエネルギーを貯蔵するか、もしくは、それにアクセスするかを決定することができる。インテリジェントモジュールは、ＰＨＸシステム１００の環境、例えば産業環境、に関連する状況を特徴づける１つ以上のセンサーからデータを受信し、ＰＨＸシステム１００に対し適切な調節を行うことができる。
【００３５】
分電箱１１５は、システムのピンチポイントを決定するのに役立つこともできる。例えば、ピンチ分析は、熱力学的に実現可能なエネルギー目標（もしくは最小エネルギー消費）を計算し、熱回収システム、エネルギー供給法、およびプロセス動作条件を最適化することでそれらを達成することにより、化学的プロセスのエネルギー消費を最小限にする方法である。１組のストリームが、温度に対する熱負荷の関数として表され得る。このデータは、所与の施設もしくはプラントのストリーム全てについて組み合わせられて、すべての高温ストリームおよびすべての低温ストリームを特徴づけることができる。最も近いアプローチ点が、高温ストリームピンチ温度（hot stream pinch temperature）および低温ストリームピンチ温度（cold stream pinch temperature）を有するピンチポイントである。
【００３６】
分電箱１１５は、ピンチ分析が別の制御モジュールにより行われる場合などには、例えばデータネットワークを用いて、遠隔的に制御されることもできる。
【００３７】
本明細書で使用される「高圧」および「低圧」ストリームは、高圧ストリームの圧力が低圧ストリームより高いことを意味しているが、本発明の対象は、相対値によって限定されるわけではなく、代わりに、「高圧」が、圧力エネルギーが低下する（例えば圧力エネルギーを放出する）ストリームとみなされてもよく、かつ「低圧」が、圧力エネルギーが増大する（例えば圧力エネルギーを必要とする）ストリームとみなされてもよい。本発明の対象は、別段指示のない限り、特定の圧力値に限定されるものではない。さらに、「高温」および「低温」は、高温ストリームが低温ストリームより高い温度を有することを意味しているが、本発明の対象は、相対値によって限定されるわけではなく、代わりに、「高温」が、熱エネルギーが低下する（例えば熱を放出する）ストリームとみなされてもよく、かつ「低温」が、熱エネルギーが増大する（例えば熱を必要とする）ストリームとみなされてもよい。本発明の対象は、別段指示のない限り、特定の温度値に限定されるものではない。
【００３８】
いくつかの実施形態では、ＰＨＸ１００は、エネルギーが連続的に伝達されるように連続して動作してよく、あるいは、ＰＨＸ１００は、エネルギーが不連続の期間中のみ伝達されるように、不連続的に動作してもよい。
【００３９】
いくつかの実施形態では、ＰＨＸ１００は、エネルギーの中間形態としての電気エネルギーに変換することなく、ストリーム間でエネルギーの直接伝達、例えば、温度同士の伝達（temperature-to-temperature transfer）または圧力同士の伝達（pressure-to-pressure transfer）を行わない。
【００４０】
本発明の対象のいくつかの実施形態は、前述の式と一致する熱伝導率を算出するためのシミュレーターを含む。ＰＨＸシステム１００がある施設を構成するのに使用されるよう、伝達はＰＨＸシステム１００によって行われる。いくつかの実施形態では、シミュレーターは、図７に示すとおり、システム７００において実行されるように構成され得る。システム７００は、プロセッサ７１０、メモリ７２０、記憶デバイス７３０、および入出力デバイス７４０のうち、１つ以上を含み得る。構成要素７１０、７２０、７３０、７４０はそれぞれ、システムバス７５０を用いて相互接続され得る。プロセッサ７１０は、システム７００内で実行される命令を処理するように構成され得る。いくつかの実施形態では、プロセッサ７１０は、シングルスレッドのプロセッサであってよい。代替的な実施形態では、プロセッサ７１０は、マルチスレッドのプロセッサであってよい。プロセッサ７１０は、入出力デバイス７４０を通じて情報を送受信することを含め、メモリ７２０または記憶デバイス７３０に記憶された命令を処理するようにさらに構成され得る。メモリ７２０は、システム７００内に情報を記憶させることができる。いくつかの実施形態では、メモリ７２０は、コンピュータ可読媒体であってよい。代替的な実施形態では、メモリ７２０は、揮発性メモリユニットであってよい。さらにいくつかの実施形態では、メモリ７２０は、不揮発性メモリユニットであってよい。記憶デバイス７３０は、大容量記憶装置をシステム７００に提供することができる。いくつかの実施形態では、記憶デバイス７３０は、コンピュータ可読媒体であってよい。代替的な実施形態では、記憶デバイス７３０は、フロッピーディスクデバイス、ハードディスクデバイス、光ディスクデバイス、テープデバイス、不揮発性ソリッドステートメモリ、または任意の他のタイプの記憶デバイスであってよい。入出力デバイス７４０は、システム７００に入出力動作を与えるように構成され得る。いくつかの実施形態では、入出力デバイス７４０は、キーボードおよび／またはポインティングデバイスを含み得る。代替的な実施形態では、入出力デバイス７４０は、グラフィックユーザーインターフェースを表示するためにディスプレイユニットを含み得る。
【００４１】
いくつかの変形体を詳細に述べてきたが、他の改変または追加が可能である。例えば、ＴＥＣプレートのサイズ（そのさまざまな層の高さ、幅、長さ）、形状、タイプ（例えば、平行なプレート、シェル・イン・チューブ（shell-in-tube）など）、および構成はさまざまであってよい。ＰＨＸシステム１００は、エネルギーをリサイクルするためにさまざまな産業プロセスで使用され得る。
【００４２】
〔例としての圧力変換器〕
本発明の対象は、加圧流体ストリームから別の低圧流体ストリームへ、もしくは電気へ、もしくはその両方へ、エネルギーを伝達または交換する交換器を含み得る。本発明の対象は、小型で、安価なものであってよく、加圧流体ストリームを伴う多くの適用でエネルギーをリサイクルするために適用され得る。
【００４３】
図８は、本発明の対象による、例としての交換器８００の断面図である。交換器８００は、高圧チャネル８０５、および隣接する低圧チャネル８１０を含み、これらはそれぞれ、工業グレードのスチールなど適切な材料で形成された、パイプを含み得る。高圧チャネル８０５は、入口８０７および出口８０９を含む。低圧チャネル８１０は、入口８０２および出口８１４を含む。
【００４４】
交換器８００は、第１の部分８２５と第２の部分８３０とを接続するシャフト８２０もしくは回転子組立体を有する、伝達タービン８１５を含む。図９は、伝達タービン８１５の例としての実施形態の斜視図である。第１の部分８２５は、シャフト８２０に接続され、かつ高圧チャネル８０５内に位置する、プロペラもしくはバケットなどのブレード８３５を含む。第２の部分８３０は、シャフト８２０に接続され、かつ低圧チャネル８１０内に位置する、プロペラもしくはバケットなどのブレード８４０を含む。シール８４５が、高圧チャネル８０５と低圧チャネル８１０との間に位置して、高圧チャネル８０５と低圧チャネル８１０とを隔離し、高圧チャネル８０５内の流体と、低圧チャネル８１０内の流体とが混ざるのを防ぐことができる。伝達タービン８１５は、半径流または軸流のために構成され得る。交換器８００を通って流れる流体は、液体、ガス、ならびに／または液体、ガスおよび／もしくは固体のスラリーもしくは混合物を含み得る。伝達タービン８１５は、インパルスタービンであるか、または混合（mixed）タービンであってよい。
【００４５】
交換器８００は、高圧チャネル８０５と低圧チャネル８１０との間の壁内に形成された、発電機固定子８５０を含むこともできる。対応する発電機回転子８５５が、伝達タービン８１５のシャフト８２０上に含まれ得る。
【００４６】
動作中、流体の高圧ストリームが、高圧チャネル８０５を通って流れることができ、これにより、第１の部分８２５のブレード８３５に力が加わり、ブレード８３５が回転する。これにより、今度はシャフト８２０が回転し、第２の部分８３０のブレード８４０が、第１の部分８２５の回転と同期して回転する。第２の部分８３０は、低圧チャネル８１０を通って流れる低圧流体の圧力を増大するために回転することができる。よって、高圧チャネル８０５を通って流れる高圧流体ストリームからの圧力の形をした機械的エネルギーは、低圧チャネル８１０を通って流れる低圧流体ストリームに伝達され得る。
【００４７】
圧力同士の交換（pressure-to-pressure exchange）に加え、交換器８００は、圧力‐電気の交換において、圧力の形をした機械的エネルギーを、電気エネルギーへと伝達し得る。流体の高圧ストリームは、高圧チャネル８０５を通って流れることができ、これにより、ブレード８３５に対する力がもたらされ、シャフト８２０が回転する。発電機回転子８５５は、シャフト８２０と共に回転し、また、発電機固定子８５０と組み合わせて、電気エネルギーを生成することができる。
【００４８】
いくつかの実施形態では、発電機固定子８５０は、モーターとしての電気入力により駆動されてよく、これにより、シャフト８２０と、付随する第１の部分８２５および第２の部分８３０が回転する。よって、本発明の対象は、いくつかの適用ではポンプとして役立ち得る。
【００４９】
図１０は、１つのストリームから多くのストリームにエネルギーを伝達する交換器１０００の例としての実施形態である。交換器１０００は、高圧チャネル８０５と、低圧チャネル８１０と、第２の低圧チャネル１００５と、を含む。第２の低圧チャネルは、入口１００７と、出口１００９と、を含む。第２のシール１０１０が、第１の低圧チャネル８１０と第２の低圧チャネル１００５との間に位置して、低圧チャネル８１０と第２の低圧チャネル１００５とを隔離して、低圧チャネル８１０内の流体と、第２の低圧チャネル１００５内の流体とが混ざるのを防ぐことができる。
【００５０】
シャフト８２０は、第２のシール１０１０を通って第２の低圧チャネル１００５内へ延びることができ、ブレード１０２０を備えた第３の部分１０１５を含むことができる。部分（例えば、第１の部分８２５、第２の部分８３０、および第３の部分１０１５）のうちのいずれかが回転すると、シャフト８２０が回転し、この回転は、部分（例えば、第１の部分８２５、第２の部分８３０、および第３の部分１０１５）と、それらの対応するブレードとの全ての回転を同期させる。
【００５１】
動作中、第１のチャネルの入口８０７に入り、第１のチャネルの出口８０９から出る高圧ストリームにより伝達タービン８１５の第１の部分８２５のブレード８３５に及ぼされた力によって、伝達タービン８１５の第２の部分８３０のブレード８４０が回転し、この回転により、高圧ストリームから、第２のチャネルの入口８１２に入り、第２のチャネルの出口８１４から出る第１の低圧ストリームに、圧力が伝達される。圧力は、高圧ストリームから、第３のチャネルの入口１００７に入り、第３のチャネルの出口１００９から出る第２の低圧ストリームへも伝達される。いくつかの実施形態では、本発明の対象は、多対多の交換（例えば、複数の高圧チャネルと複数の低圧チャネル）および多対一の交換（例えば、複数の高圧チャネルと、１つの低圧チャネル）も含み得る。
【００５２】
交換器８００の一例としての適用は、逆浸透を使用した脱塩処理プラントを含み得る。逆浸透は、非常に高い流体圧力を用いて行われる。図１１は、脱塩処理プラント１１００の既知の実施形態を示すシステムブロック図である。通常は海水である、入力ストリーム１１０５が、プラント内に導入され、第１のポンプ１１１０内に供給され、これにより、入力ストリーム１１０５の圧力が上昇して、中間圧力ストリーム１１１５（図１１では、２単位圧力（2-unit pressure）を有するものとして例示されている）を生じる。中間圧力ストリーム１１１５は、分離して、その一部が、第２のポンプ１１２０内へ供給され、また一部が、圧力交換器１１２５内へ供給される。第２のポンプ１１２０は、逆浸透プラント１１３０に入力される高圧ストリーム１１４５（１０単位圧力を有するものとして例示されている）を生じ、これにより、高圧ストリームが脱塩されて、飲料水の出力ストリーム１１３５と、高濃度の塩を有する廃棄物ストリーム１１４０とが生成される。廃棄物ストリーム１１４０は、依然として比較的圧力が高く（８単位圧力を有するものとして例示されている）、圧力交換器１１２５内へ供給され、これにより、圧力が廃棄物ストリーム１１４０から中間圧力ストリーム１１１５に伝達されて、第２の中間圧力ストリーム１１５０（８単位圧力を有するものとして例示されている）を生じ、これにより、廃棄物ストリーム１１４０の圧力がリサイクルされる。
【００５３】
第３のポンプ１１５５は、第２の中間ストリーム１１５０の圧力を上げ、そのストリームを高圧ストリーム１１４５に出力する。しかし、十分なスループットを有するために、図１１の脱塩システムは、並行して動作する多くの圧力交換器１１２５を必要としており、これにより、今度は、専用の配管（piping）が必要になり、このため、システムが使用する配管の長さが長くなるほど、システムを適切に加圧するためにシステムのポンプが必要とするエネルギーが増えるので、費用が高くなり、効率が下がる。
【００５４】
図１２は、例えば図８で説明したような交換器８００を用いた、脱塩システム１２００の例としての実施形態を示すシステムブロック図である。脱塩システム１２００が必要とするポンプ、パイプ、および交換器は、図１１に示すシステムよりも少なくてよく、そのため、より効率的であり、費用対効果が高い。さらに、海水など高い塩含有量を有する水の入力ストリーム１２０５が、ポンプ１２１０と交換器８００とに並行して入れられる。具体的には、入力ストリーム１２０５は、低圧チャネル８１０の入口８１２に送られる。
【００５５】
ポンプ１２１０は高圧ストリーム１２１５を出力し、これは、逆浸透プラント１２２０内に送られ、これにより、高圧ストリームが脱塩されて、飲料水の出力ストリーム１２２５と、高濃度の塩を有する廃棄物ストリーム１２３０と、を生じる。廃棄物ストリーム１２３０は依然として比較的圧力が高く、交換器８００内に送られる。具体的には、廃棄物ストリーム１２３０は、高圧チャネル８０５の入口８０７内に送られる。廃棄物ストリーム１２３０により、伝達タービン８１５が回転し、これにより、廃棄物ストリーム１２３０から入力ストリーム１２０５に圧力が伝達されて、高圧ストリーム１２１５が生じる。高圧ストリーム１２１５は、低圧チャネル８１０の出口８１４から出て、ポンプ１２１０の出力と組み合わせられることにより、廃棄物ストリーム１２３０の圧力がリサイクルされる。廃棄物ストリーム１２３０は、高圧チャネル８０５の出口８０９から出て、廃棄され得る。
【００５６】
図１３は、別の例としての脱塩処理プラント１３００の構成を示す、システムブロック図であり、交換器８００が、プラント１３００内での再利用のために、電気形態のエネルギーをリサイクルするのに使用されている。脱塩処理プラント１３００が必要とするポンプ、パイプ、および交換器は、図１１で示したシステムよりも少なくてよく、そのため、より効率的で、費用対効果が高い。
【００５７】
海水など高い塩含有量を有する水の入力ストリーム１３０５が、ポンプ１３１０に入れられる。ポンプ１３１０は高圧ストリーム１３１５を出力し、これは、逆浸透プラント１３２０内に送られ、これにより、高圧ストリームが脱塩されて、飲料水の出力ストリーム１３２５と、高濃度の塩を有する廃棄物ストリーム１３３０とを生じる。廃棄物ストリーム１３３０は依然として比較的圧力が高く、交換器８００内に送られる。具体的には、廃棄物ストリーム１２３０は、高圧チャネル８０５の入口８０７内に送られる。廃棄物ストリーム１２３０により、伝達タービン８１５が回転し、これにより、発電機回転子８５５が回転する。
【００５８】
交換器８００は、回転する発電機回転子８５５と固定子８５０との相互作用を通じて、電気エネルギーまたは電力を生成することができる。交換器８００は、電力１３３５を生成することができ、この電力は、ポンプ１３１０を動作させるためにポンプ１３１０内に送られてよく、これにより、高圧廃棄物ストリーム１３３０からのエネルギーをリサイクルする。いくつかの実施形態では、電力１３３５は、遠隔消費のために電力会社系統に返すことなど、他の目的で使用されてもよい。廃棄物ストリーム１３３０は、高圧チャネル８０５の出口８０９から出て、廃棄され得る。
【００５９】
本発明の対象は、一つには、交換器８００のいくつかの実施形態が小型かつ安価となり得るという理由で、多くの種々の適用で使用され得る。よって、これまであまりに高価で実施することができなかったいくつかの適用が、本発明の対象により可能となる。例えば、図１４は、オフィスビル１４００でエネルギーをリサイクルするように動作する交換器８００を示すシステムブロック図である。オフィスビル１４００は、数百フィート（それより高くはないとしても）の高さの場合がある。手洗い所および台所などの設備に水を供給するためには、ポンプ１４１０は、入力ストリーム１４０５を、所与の階に、消費のためポンプ供給しなければならない。一部のオフィスビルは、水をビル全体に供給する貯水槽１４１５を、ビル１４００の最上階付近に有している。オフィスビル１４００から出る廃水ストリーム１４２０からのエネルギーは、交換器８００を用いてリサイクルされ得る。具体的には、入力ストリーム１４０５は、低圧チャネル８１０内に送られることができ、廃水ストリーム１４２０は、高圧チャネル８０５内に送られることができる。廃水ストリーム１４２０は、伝達タービンを回転させることができ、これにより、廃水ストリーム１４２０から入力ストリーム１４０５に圧力が伝達され得る。このような構成により、エネルギーが節約され、水をビルの最上階にポンプ供給するのに必要なエネルギーの一部が回収され得る。
【００６０】
本明細書に記載する対象は、多くの技術的利点を提供する。例えば、エネルギーは、多くのプロセスおよび環境において回収およびリサイクルされ得る。交換器は、定期的なメンテナンスおよび維持を必要とする複雑な機械的システムを避けて、単純に構成されてよい。一対一の交換または一対多の交換が可能となり得、圧力および電気両方の形態でエネルギーを回収することができる。本発明の対象は、高圧ストリームと低圧ストリームとの混合を防ぐことができ、入力ストリームと廃棄物ストリームとの間での汚染を排除する。さらに、電力をリサイクルすることによって、エネルギー費用が減少する。
【００６１】
本明細書に記載する対象の１つ以上の態様または特徴は、デジタル電子回路、集積回路、特別に設計された特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）コンピュータハードウェア、ファームウェア、ソフトウェア、および／またはこれらの組み合わせにおいて、実現され得る。これらのさまざまな態様または特徴は、１つ以上のコンピュータプログラムにおける実装を含むことができ、このコンピュータプログラムは、特殊用途もしくは多目的であり、ストレージシステム、少なくとも１つの入力デバイス、および少なくとも１つの出力デバイスからデータおよび命令を受信し、かつこれらにデータおよび命令を送信するために連結され得る、少なくとも１つのプログラム可能なプロセッサを含むプログラム可能なシステム上で実行可能かつ／または解釈可能なものである。プログラム可能なシステムまたはコンピューティングシステムは、クライアントおよびサーバを含み得る。クライアントおよびサーバは、一般的には互いから離れており、典型的には、通信ネットワークを通じて対話する。クライアントとサーバとの関係は、それぞれのコンピュータで作動し、かつ互いにクライアント‐サーバ関係を有するコンピュータプログラムによって、生じる。
【００６２】
プログラム、ソフトウェア、ソフトウェアアプリケーション、アプリケーション、コンポーネント、またはコードとも呼ばれ得る、これらのコンピュータプログラムは、プログラマブル・プロセッサへの機械命令を含み、ハイレベルなプロシージャ言語、オブジェクト指向のプログラム言語、関数型プログラミング言語、論理型プログラミング言語において、および／またはアセンブリ言語／マシン語において、実施され得る。本明細書で使用される用語「機械可読媒体」は、機械命令および／もしくはデータをプログラマブル・プロセッサに与えるのに使用される、例えば、磁気ディスク、光ディスク、メモリ、およびプログラム可能論理素子（ＰＬＤ）などの任意のコンピュータプログラム製品、装置、および／またはデバイスを指し、機械命令を機械可読信号として受信する機械可読媒体が含まれる。用語「機械可読信号」は、機械命令および／もしくはデータをプログラマブル・プロセッサに与えるのに使用される任意の信号を指す。機械可読媒体は、例えば、非一時的ソリッドステートメモリ、または磁気ハードドライブ、または任意の等価な記憶媒体のように、そのような機械命令を非一時的に記憶することができる。代わりに、またはさらに、機械可読媒体は、例えば、１つ以上の物理的なプロセッサコアと関連付けられたプロセッサキャッシュまたは他のランダムアクセスメモリなどのように、そのような機械命令を一時的に記憶することができる。
【００６３】
前記の説明および請求項では、「〜のうちの少なくとも１つ」または「〜のうちの１つ以上」というフレーズは、要素または特徴の連言的なリストに続く場合がある。用語「および／または」も、２つ以上の要素または特徴のリストで使用され得る。使用される文脈によって暗に、または明白に否定されていなければ、そのようなフレーズは、挙げられた要素または特徴のいずれかを個別に意味するか、あるいは列挙された要素または特徴のうちのいずれかが、列挙されたその他の要素または特徴のいずれかと組み合わせられたものを意味することが意図されている。例えば、「ＡおよびＢのうちの少なくとも１つ」、「ＡおよびＢのうちの１つ以上」、「Ａおよび／またはＢ」というフレーズはそれぞれ、「Ａのみ、Ｂのみ、またはＡおよびＢ共に」を意味することを意図している。３つ以上の項目を含むリストについても、同様の解釈が意図されている。例えば、「Ａ、Ｂ、Ｃのうちの少なくとも１つ」、「Ａ、Ｂ、Ｃのうちの１つ以上」、「Ａ、Ｂ、および／またはＣ」というフレーズはそれぞれ、「Ａのみ、Ｂのみ、Ｃのみ、ＡおよびＢ共に、ＡおよびＣ共に、ＢおよびＣ共に、またはＡおよびＢおよびＣ共に」を意味することを意図している。さらに、前記の説明および請求項で「〜に基づいて」という用語を使用した場合、「〜に少なくとも部分的に基づいて」という意味を意図しており、列挙されていない特徴または要素も許容されている。
【００６４】
本明細書に記載の対象は、所望の構成に応じて、システム、装置、方法、および／または物品において具現化され得る。前記の説明に記載された実施形態は、本明細書に記載する対象と一致する実施形態すべてを表していない。むしろ、記載された対象に関連する態様と一致するいくつかの実施例に過ぎない。いくつかの変形体を詳細に前述したが、他の改変または追加が可能である。特に、さらなる特徴および／または変形体が、本明細書に記載したものに加えて提供され得る。例えば、前述した実施形態は、開示した特徴のさまざまな組み合わせおよび部分的組み合わせ、ならびに／または前記に開示したいくつかのさらなる特徴の組み合わせおよび部分的組み合わせを対象にしてよい。さらに、添付図面に描かれ、かつ／または本明細書で説明された論理の流れは、望ましい結果を達成するために、示した特定の順序、または順番を必ずしも必要とするわけではない。他の実施形態も請求項の範囲に含まれ得る。
【００６５】
〔実施の態様〕
（１）  ソースストリームからシンクストリームへ圧力および熱を交換するシステムにおいて、
ソース交換器であって、
前記ソースストリームの圧力を電気エネルギーに変換する第１の圧力交換器、および、
前記ソースストリームからの温度を、第１の温度差を介して、電気エネルギーに変換する第１の熱交換器、
を含む、ソース交換器と、
シンク交換器であって、
前記シンクストリームの圧力を変化させるために前記ソース交換器から受け取った電気エネルギーを使用する第２の圧力交換器、および、
前記シンクストリームの温度を変化させるために前記ソース交換器から受け取った電気エネルギーを使用する第２の熱交換器、
を含む、シンク交換器と、
を含む、システム。
（２）  実施態様１に記載のシステムにおいて、
前記ソース交換器は、前記第１の圧力交換器から受け取った電気エネルギーを、前記第１の熱交換器から受け取った電気エネルギーと組み合わせるソース接続箱をさらに含む、システム。
（３）  実施態様１に記載のシステムにおいて、
前記シンク交換器は、電気エネルギーの一部を前記第２の圧力交換器に分配し、かつ電気エネルギーの別の一部を前記第２の熱交換器に分配する、シンク接続箱をさらに含む、システム。
（４）  実施態様１に記載のシステムにおいて、
前記第１の熱交換器および／または前記第２の熱交換器は、複数の熱電プレートを含む、システム。
（５）  実施態様４に記載のシステムにおいて、
各熱電プレートは、
熱電層と、
前記熱電層の少なくとも２つの側面に隣接したガスケット層と、
前記ガスケット層に隣接した熱伝達層であって、前記ガスケット層が前記熱伝達層を前記熱電層から隔離する、熱伝達層と、
前記熱電層と接触している１つ以上の接合層と、
を含む、システム。
【００６６】
（６）  実施態様５に記載のシステムにおいて、
各熱電プレートは、前記熱電層によって少なくとも部分的に囲まれた圧電層をさらに含む、システム。
（７）  実施態様５に記載のシステムにおいて、
前記熱電層および前記１つ以上の接合層は、ｎ型および／またはｐ型材料で形成されている、システム。
（８）  実施態様４に記載のシステムにおいて、
前記複数の熱電プレートは、箱の構成で配列されている、システム。
（９）  実施態様４に記載のシステムにおいて、
前記複数の熱電プレートは、パイプ内部で、かつ前記パイプの軸方向流動軸に沿って、配列されている、システム。
（１０）  実施態様１に記載のシステムにおいて、
前記ソース交換器およびシンク交換器は、隣接していない、システム。
【００６７】
（１１）  実施態様１に記載のシステムにおいて、
エネルギー貯蔵モジュールをさらに含む、システム。
（１２）  交換器において、
シールと、
入口および出口を備えた第１のチャネルと、
前記第１のチャネルと並んでおり、前記シールにより前記第１のチャネルから隔離されている第２のチャネルであって、入口および出口を含む、第２のチャネルと、
伝達タービンであって、
前記第１のチャネル内に位置する１つ以上のブレードを備えた第１の部分、
前記第２のチャネル内に位置する１つ以上のブレードを備えた第２の部分、および、
前記第１の部分の回転が前記第２の部分の回転と同期されるように、前記第１の部分と前記第２の部分とを接続するシャフトであって、前記シールを通って延びている、シャフト、
を含む、伝達タービンと、
を含む、交換器。
（１３）  実施態様１２に記載の交換器において、
前記伝達タービンの前記シャフトに隣接した発電機固定子をさらに含み、
前記伝達タービンの前記シャフトは、回転子を含み、前記回転子は、前記第１のチャネル内のストリームの流れにより回転すると、電流を誘発する、交換器。
（１４）  実施態様１２に記載の交換器において、
高圧ストリームにより前記伝達タービンの前記第１の部分の前記ブレードに及ぼされる力によって、前記伝達タービンの前記第２の部分の前記ブレードが回転し、これにより、前記高圧ストリームから、前記第２のチャネル内の低圧ストリームへと圧力を伝達する、交換器。
（１５）  実施態様１２に記載の交換器において、
前記第２のチャネルに隣接し、入口および出口を含む第３のチャネルをさらに含み、第２のシールが前記第２のチャネルと前記第３のチャネルとの間にあり、前記第２のチャネルと前記第３のチャネルとを隔離している、交換器。
【００６８】
（１６）  実施態様１５に記載の交換器において、
前記シャフトは、前記第２のチャネルおよび前記第２のシールを通って前記第３のチャネル内へと延び、前記シャフトは、ブレードを含み、かつ前記第３のチャネル内部にある第３の部分をさらに含み、前記第１の部分の回転が、前記第２の部分および前記第３の部分の回転と同期する、交換器。
（１７）  実施態様１６に記載の交換器において、
前記第１のチャネルの入口に入り、前記第１のチャネルの出口から出る高圧ストリームにより前記伝達タービンの前記第１の部分の前記ブレードに及ぼされる力によって、前記伝達タービンの前記第２の部分の前記ブレードが回転し、これにより、前記高圧ストリームから、前記第２のチャネルの入口に入り、前記第２のチャネルの出口から出る第１の低圧ストリームへ、圧力を伝達し、また前記高圧ストリームから、前記第３のチャネルの入口に入り、前記第３のチャネルの出口から出る第２の低圧ストリームへ、圧力を伝達する、交換器。
（１８）  実施態様１２に記載の交換器において、
前記第１のチャネルは、第１のパイプを含み、前記第２のチャネルは、第２のパイプを含む、交換器。
（１９）  実施態様１２に記載の交換器において、
前記高圧ストリームは、前記低圧ストリームの圧力より高い圧力を有する、交換器。
（２０）  エネルギーリサイクルシステムにおいて、
入力ストリームの圧力を上げて、プロセス内で使用される高圧ストリームを生成するポンプであって、前記プロセスは、圧力を有する廃棄物ストリームを生成する、ポンプと、
前記廃棄物ストリームを受け取り、前記入力ストリームの少なくとも一部を受け取る交換器であって、前記交換器は、前記廃棄物ストリームの圧力の一部を、前記入力ストリームに転換して、前記高圧ストリームを生成する、交換器と、
を含み、前記交換器は、
シール、
第１のチャネルであって、前記廃棄物ストリームを受け取る入口、および前記廃棄物ストリームが前記第１のチャネルを出るための出口を備えている、第１のチャネル、
前記第１のチャネルと並んでおり、前記シールにより前記第１のチャネルから隔離されている第２のチャネルであって、前記第２のチャネルは、前記入力ストリームを受け取る入口、および前記高圧ストリームが前記第２のチャネルから出るための出口を含む、第２のチャネル、ならびに、
伝達タービンであって、
前記第１のチャネル内に位置する１つ以上のブレードを備えた第１の部分、
前記第２のチャネル内に位置する１つ以上のブレードを備えた第２の部分、および、
前記第１の部分の回転が前記第２の部分の回転と同期されるように、前記第１の部分と前記第２の部分とを接続するシャフトであって、前記シャフトが前記シールを通って延びる、シャフト、
を含む、伝達タービン、
を含む、エネルギーリサイクルシステム。
【００６９】
（２１）  実施態様２０に記載のシステムにおいて、
前記交換器は、前記伝達タービンの前記シャフトに隣接した発電機固定子をさらに含み、
前記伝達タービンの前記シャフトは、回転子を含み、前記回転子は、前記第１のチャネル内の前記廃棄物ストリームによって回転されると、前記発電機固定子内で電流を誘発する、システム。
（２２）  実施態様２０に記載のシステムにおいて、
前記廃棄物ストリームにより前記伝達タービンの前記第１の部分の前記ブレードに及ぼされる力によって、前記伝達タービンの前記第２の部分の前記ブレードが回転し、これによって、前記廃棄物ストリームから、前記第２のチャネル内の前記入力ストリームに圧力を伝達して、前記高圧ストリームを生じる、システム。
（２３）  実施態様２０に記載のシステムにおいて、
前記交換器は、前記第２のチャネルと隣接し、入口および出口を含む第３のチャネルをさらに含み、第２のシールが、前記第２のチャネルと前記第３のチャネルとの間にあり、前記第２のチャネルと前記第３のチャネルとを隔離している、システム。
（２４）  実施態様２３に記載のシステムにおいて、
前記シャフトは、前記第２のチャネルおよび前記第２のシールを通って前記第３のチャネル内へと延び、前記シャフトは、前記第３のチャネル内にブレードを含む第３の部分をさらに含み、前記第１の部分の回転は、前記第２の部分および前記第３の部分の回転と同期する、システム。
（２５）  実施態様２４に記載のシステムにおいて、
前記第１のチャネルの入口に入り、前記第１のチャネルの出口から出る前記廃棄物ストリームにより前記伝達タービンの前記第１の部分の前記ブレードに及ぼされる力によって、前記伝達タービンの前記第２の部分の前記ブレードが回転し、これにより、前記廃棄物ストリームから、前記第２のチャネルの入口に入り、前記第２のチャネルの出口から出る前記高圧ストリームを生成する前記入力ストリームへと、圧力を伝達し、また、前記廃棄物ストリームから、前記第３のチャネルの入口に入り、前記第３のチャネルの出口から出る第２の高圧ストリームを生成する第２の入力ストリームへと、圧力を伝達する、システム。
【００７０】
（２６）  実施態様２０に記載のシステムにおいて、
前記第１のチャネルは第１のパイプを含み、前記第２のチャネルは第２のパイプを含む、システム。
（２７）  実施態様２０に記載のシステムにおいて、
前記高圧ストリームは、前記低圧ストリームの圧力より高い圧力を有する、システム。
（２８）  実施態様２０に記載のシステムにおいて、
前記交換器は、前記ポンプと並列に、前記入力ストリームの少なくとも一部を受け取る、システム。
（２９）  実施態様２０に記載のシステムにおいて、
前記交換器は、前記ポンプと直列に、前記入力ストリームの少なくとも一部を受け取る、システム。
（３０）  本明細書に記載および／または例示されるような装置、システム、技術、および物品。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】熱および圧力を電気エネルギーに変換し、その後、その電気エネルギーを熱および圧力に変換することにより、熱および圧力を伝達することができる、ハイブリッドの熱および圧力交換器システムのシステムブロック図である。
【図２Ａ】電気交換器への例としての圧力の例示である。
【図２Ｂ】軸方向流動構成で構成されたプロペラを有する発電機の断面図である。
【図３】熱電効果を利用する熱‐電気交換器の例としての実施形態である。
【図４】熱電冷却プレートの例としての実施形態の断面図である。
【図５】熱‐電気交換器の代替的な実施形態の断面図である。
【図６】ハイブリッドの圧力および熱交換器システムを制御するための分電箱への入力および出力を示す、機能的ブロック図である。
【図７】本発明の対象による例としてのコンピューティングシステムを示すブロック図である。
【図８】例としての交換器の断面図である。
【図９】例としての伝達タービンの斜視図である。
【図１０】１つのストリームから多くのストリームへエネルギーを伝達するための、例としての交換器の断面図である。
【図１１】脱塩処理プラントを例示するシステムブロック図である。
【図１２】交換器を用いた例としての脱塩システムを示すシステムブロック図である。
【図１３】別の例としての脱塩処理プラントを例示するシステムブロック図であり、交換器が、このプラントで再利用されるように電気形態のエネルギーをリサイクルするために使用されている。
【図１４】オフィスビルでエネルギーをリサイクルするように動作する交換器を例示するシステムブロック図である。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
0006786509.tif 000017
【図１２】
0006786509.tif 000018
【図１３】
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【図１４】
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