(57)【要約】 【課題】低コストで信頼性の高い動力回収ＢＷＲＯシステムおよび動力回収方法を提供する。【解決手段】高圧ポンプ４で圧送される塩水を濾過するＢＷＲＯ膜５から排出される高圧の濃縮塩水をピストン動力回収装置６の異面積シリンダポンプ６ｙの小面積側のチェンバー６１２に注入し、大面積側のチェンバー６１１に高所に設置された塩水タンク１から、注水ポンプに代わり重力によって圧送、注入されて貯まっていた塩水を高圧ポンプ４に向けて押し出す一方、大面積側のチェンバー６１３に塩水タンク１から塩水を注入し、シリンダポンプ６ｘの小面積側のチェンバー６１４に貯まっている濃縮塩水を排出して動力回収をする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高圧ポンプで圧送された塩水をＢＷＲＯ膜を通して淡水化した残りの高圧で排出される濃縮塩水を異面積シリンダポンプによるピストン動力回収手段に注入して動力を回収する動力回収ＢＷＲＯシステムにおいて、
貯水した塩水を前記ピストン動力回収装置に注水する水圧で送出する高所に設置された塩水タンクと、
前記塩水タンクから送出される塩水が注水され、その送出先を第１または第２のいずれか一つに切り替える第１の切替弁と、
前記濃縮塩水が注入され、その送出先を第１または第２のいずれか一つに切り替える第２の切替弁と、
ピストンの位置が移動端に達したことを通知する位置検出手段を備え、大面積シリンダ側チェンバーの出力弁の接続先は前記高圧ポンプの入力側に接続され、その入力弁は前記第１の切替弁の第１の送出先に接続され、小面積側のシリンダ側チェンバーの出力弁は放流先へ接続され、その入力弁は前記第２の切替弁の第１の送出先に接続される第１の異面積シリンダポンプと、
ピストンの位置が移動端に達したことを通知する位置検出手段を備え、大面積シリンダ側チェンバーの出力弁の接続先は前記高圧ポンプの入力側に接続され、その入力弁は前記第１の切替弁の第２の送出先に接続され、小面積側のシリンダ側チェンバーの出力弁は放流先へ接続され、その入力弁は前記第２の切替弁の第２の送出先に接続される第２の異面積シリンダポンプと、
第１サイクルとして、前記第１の異面積シリンダポンプの大面積シリンダ側チェンバーに前記塩水タンクからの塩水を注入するとともに前記第２のシリンダポンプの小面積側チェンバーに高圧の前記濃縮塩水を注入する様に前記第１、第２の切替弁の送出先を制御して前記注入される水の押圧により各ピストンを移動させ、両前記ピストンが移動端に達したことを前記位置検出手段から通知された場合、前記両切替弁の送出先を他方のシリンダポンプへ切り替えて各ピストンの移動方向を反転させて両ポンプの各チェンバーにおける給排水が前記第１サイクルと逆転している第２のサイクルとなる制御を行う制御手段とを
備えることを特徴とする動力回収ＢＷＲＯシステム。
【請求項２】
塩水タンクと、切替弁と、異面積シリンダポンプと、制御手段とを備え
高圧ポンプで圧送された塩水をＢＷＲＯ膜を通して淡水化した残りの高圧で排出される濃縮塩水を異面積シリンダポンプによるピストン動力回収装置に注入して動力を回収する動力回収ＢＷＲＯシステムの動力回収方法において、
前記塩水タンクは、貯水した塩水を前記ピストン動力回収装置に注水する水圧で送出する高所に設置され、
送出先を二つあるうちのいずれか一つに切り替える第１の前記切替弁は、前記塩水タンクから送出される塩水が注水され、
送出先を二つあるうちのいずれか一つに切り替える第２の前記切替弁は、前記濃縮塩水が注入され、
第１、第２の前記異面積シリンダポンプは、それぞれがピストンの位置が移動端に達したことを通知する位置検出手段を備え、大面積シリンダ側チェンバーの出力弁の接続先は共に前記高圧ポンプの入力側に接続され、入力弁は前記第１の切替弁の送出先毎に接続され、それぞれ小面積シリンダ側のチェンバーの出力弁はともに放流先へ接続され、その入力弁は前記第２の切替弁の送出先毎に接続され、
前記制御手段は、
第１サイクルとして、前記第１の異面積シリンダポンプの大面積シリンダ側チェンバーに前記塩水タンクからの塩水を注入するとともに前記第２のシリンダポンプの小面積側チェンバーに高圧の前記濃縮塩水を注入する様に前記第１、第２の切替弁の送出先を制御して前記注入される水の押圧により各ピストンを移動させ、
両前記ピストンが移動端に達したことを前記位置検出手段から通知された場合、前記両切替弁の送出先を他方のシリンダポンプへ切り替えて各ピストンの移動方向を反転させて両ポンプの各チェンバーにおける給排水が前記第１サイクルと逆転している第２のサイクルとなる制御を行うことを特徴とする動力回収ＢＷＲＯシステムの動力回収方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、海水淡水化等の逆浸透膜を用いる動力回収ＢＷＲＯシステムおよび動力回収方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＢＷＲＯ（Brackish Water Reverse Osmosis:逆浸透汽水淡水化）システムの多くでは、海水等を淡水化した残りの浸透膜から排出される高塩分、高圧力の濃縮塩水のエネルギーを再利用して塩水の送水動力に回収している。これまでは、図７に示される様な異面積ピストンタイプ動力回収装置を設けて油圧シリンダの原理を用いて濃縮塩水の動力を送水動力に転換した動力フィードバック構成で行うシステムが考案されている（例えば、特許文献１。）。
【０００３】
しかしながら、これらの動力回収ＢＷＲＯシステムは、送水が高圧塩水であるため動力回収装置のイニシャルコストが高い耐圧の配管が必要となり、コストの削減効果は比較的に少なく、また装置数が増えるため信頼性が低くなる問題が有った。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【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】
【０００５】
従来の動力回収ＢＷＲＯシステムは、送水が高圧塩水であるため動力回収装置のイニシャルコストが高い耐圧の配管が必要となり、コストの削減効果は比較的に少なく、また装置数が増えるため信頼性が低くなる問題が有った。
【０００６】
本発明が解決しようとする課題は、低コストで信頼性の高い動力回収ＢＷＲＯシステムおよび動力回収方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本実施形態の動力回収ＢＷＲＯシステムは、高圧ポンプで圧送された塩水をＢＷＲＯ膜を通して淡水化した残りの高圧で排出される濃縮塩水を異面積シリンダポンプによるピストン動力回収手段に注入して動力を回収する動力回収ＢＷＲＯシステムにおいて、貯水した塩水を前記ピストン動力回収装置に注水する水圧で送出する高所に設置された塩水タンクと、前記塩水タンクから送出される塩水が注水され、その送出先を第１または第２のいずれか一つに切り替える第１の切替弁と、前記濃縮塩水が注入され、その送出先を第１または第２のいずれか一つに切り替える第２の切替弁と、ピストンの位置が移動端に達したことを通知する位置検出手段を備え、大面積シリンダ側チェンバーの出力弁の接続先は前記高圧ポンプの入力側に接続され、その入力弁は前記第１の切替弁の第１の送出先に接続され、小面積側のシリンダ側チェンバーの出力弁は放流先へ接続され、その入力弁は前記第２の切替弁の第１の送出先に接続される第１の異面積シリンダポンプと、ピストンの位置が移動端に達したことを通知する位置検出手段を備え、大面積シリンダ側チェンバーの出力弁の接続先は前記高圧ポンプの入力側に接続され、その入力弁は前記第１の切替弁の第２の送出先に接続され、小面積側のシリンダ側チェンバーの出力弁は放流先へ接続され、その入力弁は前記第２の切替弁の第２の送出先に接続される第２の異面積シリンダポンプと、第１サイクルとして、前記第１の異面積シリンダポンプの大面積シリンダ側チェンバーに前記塩水タンクからの塩水を注入するとともに前記第２のシリンダポンプの小面積側チェンバーに高圧の前記濃縮塩水を注入する様に前記第１、第２の切替弁の送出先を制御して前記注入される水の押圧により各ピストンを移動させ、両前記ピストンが移動端に達したことを前記位置検出手段から通知された場合、前記両切替弁の送出先を他方のシリンダポンプへ切り替えて各ピストンの移動方向を反転させて両ポンプの各チェンバーにおける給排水が前記第１サイクルと逆転している第２のサイクルとなる制御を行う制御手段とを備えることを特徴とする。
【０００８】
また、本実施形態の動力回収ＢＷＲＯシステムの動力回収方法は、塩水タンクと、切替弁と、異面積シリンダポンプと、制御手段とを備え、高圧ポンプで圧送された塩水をＢＷＲＯ膜を通して淡水化した残りの高圧で排出される濃縮塩水を異面積シリンダポンプによるピストン動力回収装置に注入して動力を回収する動力回収ＢＷＲＯシステムの動力回収方法において、前記塩水タンクは、貯水した塩水を前記ピストン動力回収装置に注水する水圧で送出する高所に設置され、送出先を二つあるうちのいずれか一つに切り替える第１の前記切替弁は、前記塩水タンクから送出される塩水が注水され、送出先を二つあるうちのいずれか一つに切り替える第２の前記切替弁は、前記濃縮塩水が注入され、第１、第２の前記異面積シリンダポンプは、それぞれがピストンの位置が移動端に達したことを通知する位置検出手段を備え、大面積シリンダ側チェンバーの出力弁の接続先は共に前記高圧ポンプの入力側に接続され、入力弁は前記第１の切替弁の送出先毎に接続され、それぞれ小面積シリンダ側のチェンバーの出力弁はともに放流先へ接続され、その入力弁は前記第２の切替弁の送出先毎に接続され、前記制御手段は、第１サイクルとして、前記第１の異面積シリンダポンプの大面積シリンダ側チェンバーに前記塩水タンクからの塩水を注入するとともに前記第２のシリンダポンプの小面積側チェンバーに高圧の前記濃縮塩水を注入する様に前記第１、第２の切替弁の送出先を制御して前記注入される水の押圧により各ピストンを移動させ、両前記ピストンが移動端に達したことを前記位置検出手段から通知された場合、前記両切替弁の送出先を他方のシリンダポンプへ切り替えて各ピストンの移動方向を反転させて両ポンプの各チェンバーにおける給排水が前記第１サイクルと逆転している第２のサイクルとなる制御を行うことを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本実施形態に係わる動力回収ＢＷＲＯシステムの構成を示す構成図。
【図２】本実施形態の動力回収ＢＷＲＯシステムの起動開始（第１ステップ）時の動作手順を説明する機能ブロック図。
【図３】本実施形態の動力回収ＢＷＲＯシステムの第２ステップ時の動作手順を説明する機能ブロック図。
【図４】本実施形態の動力回収ＢＷＲＯシステムの第３ステップ時の動作手順を説明する機能ブロック図。
【図５】本実施形態の動力回収ＢＷＲＯシステムの第４ステップ時の動作手順を説明する機能ブロック図。
【図６】本実施形態の動力回収ＢＷＲＯシステムの第５ステップ時の動作手順を説明する機能ブロック図。
【図７】従来動力回収ＢＷＲＯシステム系統図。
【図８】動力回収を行わない従来のＢＷＲＯシステムの基本構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下実施形態の動力回収ＢＷＲＯ（Brackish Water Reverse Osmosis:逆浸透汽水淡水化）システムを図面を参照して説明する。
【００１１】
図１は、本実施形態に係わる動力回収ＢＷＲＯシステムの構成を示す構成図である。  
図１において、本実施形態の動力回収ＢＷＲＯシステムは、塩水を貯蔵する塩水タンク１、塩水タンク１からの塩水流量を調整して吐出する塩水流調弁７、吐出された塩水を吸入した後、圧出するピストン動力回収装置６、圧出された塩水を通過する保安フィルタ３、保安フィルタ３を通過した塩水を取り入れ更に２０気圧前後の高圧で圧送する高圧ポンプ４、圧送された塩水を濾過し淡水と濃縮塩水とを放出するＢＷＲＯ膜５、濃縮塩水流調弁８、およびバイパス弁１１を備えている。
【００１２】
塩水タンク１は、塔、建家屋上等の高さＺの高所に設置され、淡水化される大量の海水等の塩水が図示されない汲み上げポンプで汲み上げられ、貯蔵されている。塩水タンク１から送出される塩水は、点線で示される従来の送水ポンプ２に代わって高さＺのポテンシャルエネルギーを利用して吐出され、塩水流調弁７を経てピストン動力回収装置６に注入される。
【００１３】
ピストン動力回収装置６は、内部に２つのシリンダポンプ６ｘ、シリンダポンプ６ｙと、それぞれのシリンダ位置が端部へ来たことを検出する位置センサ６ｓと、切替弁６０、切替弁６９と、位置センサ６ｓからのシリンダ検出情報に基づいて切替弁６９と、「升」型のシンボルマークで示される４つの位置センサ６ｓを制御するコントローラ６１とを備えている。位置センサ６ｓは、各種のものがあり、ピストン位置を検出するものであれば、機械的なスイッチ、磁気センサ、光学センサなどが用いられてよい。
【００１４】
シリンダポンプ６ｘ、６ｙは、それぞれシリンダ室（以下、チェンバーと呼ぶ。）６１３、６１４とチェンバー６１１、６１２とを有し、チェンバー６１１、６１３のシリンダ面積Ａ３は、チェンバー６１２、６１４のシリンダ面積Ａ２よりも大きい異面積シリンダポンプである。
【００１５】
チェンバー６１１、６１３は、塩水流調弁７からの塩水が切替弁６０によっていずれか一方に切り替えられて入力弁ｉへ注入される。また、チェンバー６１１、６１３の出力弁ｏは、保安フィルタ３、およびバイパス弁１１へ配管接続されている。同様にチェンバー６１２、６１４は、ＢＷＲＯ膜５からの濃縮塩水が切替弁６９によっていずれか一方に切り替えられて入力弁ｉへ注入される。また、チェンバー６１２、６１４の出力弁ｏは、濃縮塩水流調弁８へ配管接続されている。なお、これら各チェンバーへの入力、出力配管には図示しないが逆止め弁が設けられている。
【００１６】
なお、バイパス弁１１は、動力回収ＢＷＲＯシステムの起動時に配管系統に塩水が満ち渡るまで保安フィルタ３をバイパスして高圧ポンプ４へ塩水を流すためだけに用いられるので省略されても良い。
【００１７】
図７は、従来の動力回収ＢＷＲＯシステムである特開２０１１―５６４３９号で示されたシステム系統図である。  
従来は、塩水が送水ポンプ２０により、保安フィルタ３０および高圧ポンプ４０へ向けて送水されているが、図１の本実施形態によるものでは、送水ポンプ２０が省略されているので構成品数が少なく故障を低く抑えることが可能である。また、図７で示されるシステムの異面積シリンダポンプでは、ＢＷＲＯ膜５からの濃縮塩水が大きい面積のシリンダ側へ注入され、小さい面積のシリンダから圧力を高く変換された送水が高圧ポンプ４０の出力側へ注入されている点が本実施例とは逆の関係になっている。
【００１８】
本実施形態では、この例と濃縮塩水の圧力を利用することには同じだが、シリンダポンプから圧送される塩水を高圧ポンプの入力側の低い圧力に変換して利用することにより機械的ストレスを低く抑えるとともに送水ポンプを省略しているので構成品数を少なくして信頼度を高くする効果を生み出している。
【００１９】
以下に、図２〜図６を参照して本実施形態の動力回収ＢＷＲＯシステムの動作手順を説明する。  
図２は、本実施形態の動力回収ＢＷＲＯシステムのイニシャル設定（起動）時の動作手順を説明する機能ブロック図、図３〜図６は、本実施形態の動力回収ＢＷＲＯシステムの各サイクルにおける動作手順を説明する機能ブロック図である。  
図２において、システム動作の第１ステップとなるイニシャル設定（起動）時は、塩水を塩水タンク１から初めて注入する場合、コントローラ６１は切替弁６０をチェンバー６１１側を開放、チェンバー６１３側を閉鎖する。また、切替弁６９をチェンバー６１２側を閉鎖、チェンバー６１４側を開放にする。ここで、図２〜図６において切替弁６０、６９の弁が塗りつぶされた状態は閉鎖を表し、白抜きの状態は開放を示している。
【００２０】
また、配管の太線表示部分が塩水、及び濃縮塩水が流れる部分に相当する。（以下のステップも同様。）そして、塩水タンク１の水圧を利用して塩水をチェンバー６１１に流しこみバイパスライン１１、高圧ポンプ４、ＢＷＲＯ膜５を経由してチェンバー６１１と、チェンバー６１４が満杯になるまで流入する。その結果、図３に示されるように、両シリンダがチェンバー６１２とチェンバー６１３の端に到達したことを検知した位置センサ６ｓが、位置検知信号をコントローラ６１に送信する。
【００２１】
第２ステップとしてコントローラ６１は、この位置検知信号を受信し、各シリンダが揃ってチェンバー６１２とチェンバー６１３の端に到達したタイミングに続いて切替弁６９と切替弁６０との流入方向を切り換える制御を行う。即ち、図３に示される様に切替弁６０をチェンバー６１１側を閉鎖、チェンバー６１３側を開放する。また、切替弁６９をチェンバー６１２側を開放、チェンバー６１４側を閉鎖にする。配管経路とチェンバー６１１，６１４が満杯の第１サイクルの状態になっているので続いてバイパスライン１１のバルブを閉める。
【００２２】
図４に示される様に第３ステップでは、高圧ポンプ４を起動させて塩水を昇圧してＢＷＲＯ膜５へ出力する。昇圧後の圧力Ｐ１は塩水の塩分濃度やＢＷＲＯ膜の種類によって異なるが、通常１０〜１５ｂａｒ程度である。ＢＷＲＯ膜５は供給された塩水をろ過して、回収率をｙ％とすれば、流入した塩水のｙ％の淡水と、（１００―ｙ）％の濃縮塩水がＢＷＲＯ膜５からそれぞれ排出される。
【００２３】
この時ＢＷＲＯ膜の圧損によって淡水圧力Ｐ４は、例えば０．２ｂａｒ程度となるが、濃縮塩水圧力Ｐ２はＰ１の８５％程度（８〜１２ｂａｒ）となる。この高圧濃縮塩水はチェンバー６１２に流入しピストンを押してチェンバー６１１の塩水を保安フィルタ３に向けて押し出す。
【００２４】
一方、塩水タンク１から塩水がチェンバー６１３に流れこみそのピストンを押す圧力によってチェンバー６１４の濃縮塩水が排出され、濃縮塩水流調弁８から放流される。
【００２５】
第３ステップは、図５のように、両ピストンがチェンバー６１１とチェンバー６１４の壁に当たると同時に終了し、コントローラ６１は、第４ステップとして切替弁６０をチェンバー６１１側を開放、チェンバー６１３側を閉鎖し、切替弁６９をチェンバー６１２側を閉鎖、チェンバー６１４側を開放にして塩水流の方向を切り換える制御を行う。
【００２６】
続いて、第５ステップとして、図６のように、今度はチェンバー６１４に流入する高圧濃縮塩水がピストンを押してチェンバー６１３の塩水を保安フィルタ３へ向けて押し出す。一方、塩水タンク１から塩水をチェンバー６１１に流しチェンバー６１２の濃縮塩水を排出する。その結果、図の３と同じようにチェンバー６１２とチェンバー６１３の端までピストンが到達したタイミングでステップ２と同じ状態になって一つの運転サイクルが完成し、以降は第２ステップ〜第５ステップを繰り返す。
【００２７】
図８は、動力回収を行わない従来のＢＷＲＯシステムの基本構成図である。
【００２８】
図８では、高圧ポンプ４０に加えて、送水ポンプ２を用いるが、一試算例として、１００トンの塩水を８０％の膜回収率で淡水化するシステムで、膜濾過圧を１３．２６ｂａｒ、濃縮塩水圧力１３．０６ｂａｒ、各ポンプの効率を８０％とすると両ポンプで送水ポンプ０．２８ＫＷ、高圧ポンプ１．６８ＫＷとして合計約１．９６ＫＷとなる。
【００２９】
これに対し、本実施例では送水ポンプ２を用いずに動力回収用のシリンダ面積比を５：１となるシリンダポンプ６ｘ、６ｙを用いた場合、高圧ポンプ４からの濃縮塩水の圧力を利用することにより、送水ポンプを用いなくても高圧ポンプ４へ送水可能となり、また高圧ポンプ４の動力は１．５９ＫＷで済む。
【００３０】
先述の図７の特開２０１１―５６４３９号で述べられた動力回収方法では、高圧な塩水を動力回収用ポンプを用いて、高圧ポンプの出力側へ入力している。これに対し、本実施形態では、低圧の塩水され高圧ポンプ４へ入力し配管等の機器への圧力ストレスを下げて運用すると共に送水ポンプを省略して、装置構成数を少なくすることにより高信頼度、かつ低運用コストの動力回収ＢＷＲＯシステムおよび動力回収方法を提供することを可能としている。
【００３１】
以上述べた少なくともひとつの実施形態の動力回収ＢＷＲＯシステムによれば、高圧ポンプへの送水ポンプを省略し、高圧力の濃縮塩水を異面積シリンダポンプの小面積側のチェンバーに注入して大面積側のチェンバーに注入された塩水を押し出して高圧ポンプに向けて送水し、高圧ポンプ出力の動力回収をすることにより高信頼度することが可能となる。
【００３２】
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は意図していない。これら実施形態は、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同様に、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ものである。
【符号の説明】
【００３３】
１  塩水タンク
３  保安フィルタ
４  高圧ポンプ
５  ＢＷＲＯ膜
６  ピストン動力回収装置
６ｘ、６ｙ  シリンダポンプ
６ｓ  位置センサ
６０、６９  切替弁
６１  コントローラ
７  塩水流調弁
８  濃縮塩水流調弁
１１  バイパス弁
【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】
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【図８】
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