【手続補正書】
【提出日】平成24年12月25日(2012.12.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の装置と、
互いに隣接する前記複数の装置同士を接続し、内部を流体が流れる複数の配管区間と、
少なくとも１つの前記配管区間を吸熱配管区間として該吸熱配管区間から吸熱し、該吸熱配管区間から吸熱した熱を、少なくとも１つの他の前記配管区間を排熱配管区間として、該排熱配管区間に排熱するヒートポンプと、を有し、さらに、
前記吸熱配管区間と前記ヒートポンプとの間に設けられ、該吸熱配管区間からの吸熱を前記ヒートポンプに伝達する第１の中間ループと、前記排熱配管区間と前記ヒートポンプとの間に設けられ、前記ヒートポンプからの排熱を該排熱配管区間に伝達する第２の中間ループの少なくともいずれかを有する、水処理システム。
【請求項２】
前記吸熱配管区間は複数個所設けられ、前記第１の中間ループは該複数の吸熱配管区間と前記ヒートポンプとの間に設けられ、該複数の吸熱配管区間からの吸熱を前記ヒートポンプに伝達する、請求項１に記載の水処理システム。
【請求項３】
前記排熱配管区間は複数個所設けられ、前記第２の中間ループは該複数の排熱配管区間と前記ヒートポンプとの間に設けられ、前記ヒートポンプからの排熱を該複数の排熱配管区間に伝達する、請求項１または２に記載の水処理システム。
【請求項４】
前記吸熱配管区間からの吸熱の不足もしくは過剰な吸熱、または前記排熱配管区間への排熱の不足もしくは過剰な排熱を補償するために、前記吸熱配管区間または排熱配管区間を加熱または除熱する手段、または水処理システムの系外と熱を授受する手段を有する、請求項１から３のいずれか１項に記載の水処理システム。
【請求項５】
前記手段は第２のヒートポンプである、請求項４に記載の水処理システム。
【請求項６】
前記ヒートポンプは蒸気圧縮式、吸収式、吸着式、熱電子式または化学式のいずれかである、請求項１から５のいずれか１項に記載の水処理システム。
【請求項７】
複数の装置と、
互いに隣接する前記複数の装置同士を接続し、内部を流体が流れる複数の配管区間と、
少なくとも１つの前記配管区間を吸熱配管区間として該吸熱配管区間から吸熱し、該吸熱配管区間から吸熱した熱を、少なくとも１つの他の前記配管区間を排熱配管区間として、該排熱配管区間に排熱するヒートポンプと、を有する水処理システムであって、
前記吸熱と前記排熱は前記水処理システムの内部の熱移動によって行われる、水処理システム。
【請求項８】
複数の装置と、互いに隣接する前記複数の装置同士を接続し内部を流体が流れる複数の配管区間と、を有する水処理システムを用いた水処理方法であって、
ヒートポンプによって、少なくとも１つの前記配管区間を吸熱配管区間として該吸熱配管区間から吸熱し、該吸熱配管区間から吸熱した熱を、少なくとも１つの他の前記配管区間を排熱配管区間として該排熱配管区間に排熱することを含み、
前記吸熱配管区間から吸熱された熱の前記ヒートポンプへの伝達が前記吸熱配管区間と前記ヒートポンプとの間に設けられた第１の中間ループによって行われ、または前記ヒートポンプから排熱された熱の前記排熱配管区間への伝達が前記排熱配管区間と前記ヒートポンプとの間に設けられた第２の中間ループによって行われる、水処理システム。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
本発明の水処理システムは、複数の装置と、互いに隣接する複数の装置同士を接続し、内部を流体が流れる複数の配管区間と、少なくとも１つの配管区間を吸熱配管区間としてこの吸熱配管区間から吸熱し、この吸熱配管区間から吸熱した熱を、少なくとも１つの他の配管区間を排熱配管区間として、この排熱配管区間に排熱するヒートポンプと、を有し、さらに、吸熱配管区間とヒートポンプとの間に設けられ、吸熱配管区間からの吸熱をヒートポンプに伝達する第１の中間ループと、排熱配管区間とヒートポンプとの間に設けられ、ヒートポンプからの排熱を排熱配管区間に伝達する第２の中間ループの少なくともいずれかを有している。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
本発明の他の実施態様によれば、複数の装置と、互いに隣接する複数の装置同士を接続し内部を流体が流れる複数の配管区間と、を有する水処理システムを用いた水処理方法が提供される。この方法は、ヒートポンプによって、少なくとも１つの配管区間を吸熱配管区間として吸熱配管区間から吸熱し、吸熱配管区間から吸熱した熱を、少なくとも１つの他の配管区間を排熱配管区間として排熱配管区間に排熱することを含み、吸熱配管区間から吸熱された熱のヒートポンプへの伝達が吸熱配管区間とヒートポンプとの間に設けられた第１の中間ループによって行われ、またはヒートポンプから排熱された熱の排熱配管区間への伝達が排熱配管区間とヒートポンプとの間に設けられた第２の中間ループによって行われる。
本発明の他の水処理システムは、複数の装置と、互いに隣接する複数の装置同士を接続し、内部を流体が流れる複数の配管区間と、少なくとも１つの配管区間を吸熱配管区間として吸熱配管区間から吸熱し、吸熱配管区間から吸熱した熱を、少なくとも１つの他の配管区間を排熱配管区間として、排熱配管区間に排熱するヒートポンプと、を有する水処理システムであり、吸熱と排熱は水処理システムの内部の熱移動によって行われる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】
図１には、互いに隣接する第１及び第２の装置１，２と、これらを接続する第１の配管区間１１と、が示されている。これらの装置１，２及び配管区間１１には第１の装置１から第２の装置２に向けて、図中右向きに流体（被処理水）が流通している。同様に、図１には、互いに隣接する第３及び第４の装置３，４と、これらを接続する第２の配管区間１２と、が示されている。これらの装置３，４及び配管区間１２にも、第３の装置３から第４の装置４に向けて、図中右向きに流体（被処理水）が流通している。第１〜第４の装置１〜４はどのようなものであっても構わない。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１８】
本実施形態では第１の配管区間１１から吸熱し（符号Ｑc1で示す。）、第２の配管区間１２に排熱される（同じく、符号ＱH1で示す。）。このような状況は、例えば第１の装置１の出口点水温が第２の装置２の入口点における要求水温よりも高く、被処理水を冷却することが必要であり、かつ第３の装置３の出口点水温が第４の装置４の入口点における要求水温よりも低く、被処理水を加熱することが必要である場合に生じる。一例として、前述のようにＲＯ膜装置は逆浸透膜の標準設計温度が２５℃であるが、入口点における水温がこれより高い場合、ＲＯ膜装置に入る前に被処理水を冷却する必要がある。なお、本明細書では排熱の際のロスは無視しており、吸熱がそのまま１００％排熱されると仮定しているが、実際には吸熱量と排熱量は一致していないことに留意されたい。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１９】
この目的のため、水処理システムには第１の配管区間１１（吸熱配管区間）から吸熱し、第２の配管区間１２（排熱配管区間）に排熱するヒートポンプ２１が設けられている。ヒートポンプ２１は本実施形態では蒸気圧縮式を用いている。具体的には、ヒートポンプ２１は、アンモニア、二炭化炭素などの冷媒を蒸発させる蒸発器２２と、冷媒を圧縮するコンプレッサ２３と、冷媒を凝縮させる凝縮器２４と、冷媒を膨張させる膨張弁２５、とを備え、これらの要素２２〜２５がこの順で閉ループ２６上に配置されている。従って、冷媒は、閉ループ２６内を循環しながら、蒸発、圧縮、凝縮、膨張の熱サイクルを受けることになる。蒸発器２２に隣接して第１の配管区間１１が位置しており、冷媒が蒸発した際の気化熱によって、第１の配管区間１１を流れる流体から熱が奪われる（なお、各図において、波線は熱交換が行わる部位であることを示す。）。蒸発した冷媒はコンプレッサ２３で圧縮され、高温高圧の気体となる。冷媒は次に凝縮器２４に送られ、周囲に熱を放出して凝縮する。凝縮器２４に隣接して第２の配管区間１２が位置しており、凝縮の際に放出された凝縮熱が第２の配管区間１２を流れる流体に与えられる。凝縮した冷媒は膨張弁２５を通って減圧冷却される。このようにしてヒートポンプ２１の１サイクルの運転の間に、吸熱配管区間１１からの吸熱と、排熱配管区間１２への排熱が行われる。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２０】
ヒートポンプ２１を用いることによって、第１の配管区間１１から奪われた熱の少なくとも一部を第２の配管区間１２に与えることができる。このため、奪われた熱を棄てる必要がなく、第２の配管区間１２に供給する熱を別の装置（ボイラ等）で発生させる必要もない。しかも、ヒートポンプ２１は一般に成績係数（加熱または冷却の能力をＱ、このＱを得るために消費した電力Ｌとしたときに、Ｑ／Ｌで定義される。）が３〜５の付近にあり、必要な電気エネルギーが、発生させる熱エネルギーと比べてはるかに小さい。このように、本実施形態の水処理システムでは吸熱配管区間１１から奪った熱を排熱配管区間１２に移動させるため、熱エネルギーの無駄が生じにくく、しかも、この熱移動に効率の高いヒートポンプ２１を用いているために、少ないエネルギー消費が実現される。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２７】
図２にも、図１と同様のシステムが示されている。本実施形態では、第１の配管区間１１とヒートポンプ２１との間に、第１の配管区間１１からの吸熱をヒートポンプ２１に伝達する第１の中間ループ１５を有している。同様に、第２の配管区間１２とヒートポンプ２１との間に、ヒートポンプ２１からの吸熱を第２の配管区間１２に伝達する第２の中間ループ１６を有している。このように中間ループ１５，１６を設けることで、ヒートポンプ２１の設置場所の制約が緩和される場合がある。すなわち、ヒートポンプ２１が第１の配管区間１１や第２の配管区間１２から離れている場合、これらの配管区間１１，１２をヒートポンプ２１まで引きまわす必要が生じる。水処理システムでは一般に、膜装置やイオン交換装置など圧力損失の大きい装置が多数設置されているため、圧力損失を抑えることが重要である。図２の例では、第１及び第２の配管区間１１，１２はそれぞれ、第１の装置１と第２の装置２、第３の装置３と第４の装置４を最短距離で結び、第１及び第２の配管区間１１，１２とヒートポンプ２１の間は圧力損失の小さい中間ループ１５，１６で接続すればよいので、水処理システムの圧力損失を抑えることが可能である。この利点は、ヒートポンプ２１が第１の配管区間１１や第２の配管区間１２から離れている場合に、特に大きい。図示は省略するが、第１の中間ループ１５と第２の中間ループ１６はいずれか一方だけを設けてもよいし、必要に応じて各中間ループ１５，１６を二重、三重のループとして構成することも可能である。中間ループに用いる媒体に特に制約はなく、腐食性の強い流体やスケールの発生しやすい流体を使う必要性は生じない。中間ループ１５，１６にＣＯ2を充填すれば、水を充填する場合よりも効率的に熱を運搬できる。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２８】
図３，４は、複数の部位から吸熱し、あるいは排熱するようにされた水処理システムの実施形態を示している。図３を参照すると、水処理システムは、流体が流通するようにされた、互いに隣接する第５及び第６の装置５，６並びにこれらを接続する第３の配管区間１３と、第１及び第３の配管区間１，３から吸熱するようにされた第１の中間ループ１５と、を有している。図４を参照すると、水処理システムは上記構成に加え、流体が流通するようにされた、互いに隣接する第７及び第８の装置７，８並びにこれらを接続する第４の配管区間１４と、第２及び第４の配管区間１２，１４に排熱するようにされた第２の中間ループ１６と、を有している。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３２】
図５の実施形態では、ヒートポンプ２１からの第２の配管区間１２への排熱（加熱）の不足分を補うために第２の配管区間１２を加熱する第２のヒートポンプ２７が設けられている。第２のヒートポンプ２７はヒートポンプ２１と基本的な構成は同じであるが、排熱量に応じコンプレッサ能力は適宜設定される。本実施形態では、第２のヒートポンプ２７はヒータとして用いられる。ヒートポンプ２１は第１の配管区間１１から熱量ＱC1を奪い、熱量ＱH1を第２の配管区間１２に放出する。ここで、熱量ＱC1はコンプレッサ能力ＣCと吸熱時の成績係数ＣＯＰCの積であり、熱量ＱH1は、熱量ＱC1にコンプレッサの圧縮仕事Ｗを加えた値である。すなわち、ＱC1＝ＣC×ＣＯＰC、ＱH1＝ＱC1＋Ｗであり、排熱時の成績係数ＣＯＰH＝ＱH1／Ｗ＝ＱC1／Ｗ＋１＝ＣＯＰC＋１の関係にある。つまり原理的に、熱量ＱH1は熱量ＱC1よりもコンプレッサの圧縮仕事Ｗの分だけ大きくなっており、ＣＯＰHはＣＯＰCよりも１だけ大きくなっている。第２のヒートポンプ２７は第２の配管区間１２に加えられるべき熱量ＱH1と熱量ＱC1との差分の熱量Ｑ２を第２の配管区間１２に与える。ヒートポンプ２７の吸熱側は水処理システムと接続されていないため、熱量Ｑ２は大気中から奪われる（大気が冷却される）。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３３】
図６の実施形態では、ヒートポンプ２１による第１の配管区間１１からの過剰吸熱を補償するために、ヒートポンプ２１は水熱交換部２１ａと空気熱交換部２１ｂとを備えている。ヒートポンプ２１は水熱交換部２１ａで、第１の配管区間１１（内部の流通水）から熱量ＱC1を奪い、熱量ＱH1を第２の配管区間１２に放出する。第２の配管区間１２に与えられる熱量ＱH1は所望の熱量に一致している。空気熱交換部２１ｂは、熱量ＱC1と第１の配管区間１１から奪われるべき吸熱量との差分の熱量Ｑ２を周囲の空気から奪い、第２の配管区間１２に供給する。換言すれば、ヒートポンプ２１は、第１の配管区間１１と大気から熱を奪っていることになる。本実施形態は、第２のヒートポンプ２７が不要であるため、コストの観点からは図５の実施形態よりも有利となることが多い。
【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３４】
ヒートポンプ２１は蒸気圧縮式に加えて、熱電子式を用いることもできる。図７は熱電子式ヒートポンプ２１’を用いた実施形態を示している。同図は図１に示す蒸気圧縮式ヒートポンプ２１を熱電子式ヒートポンプ２１’に置き換えた点を除き、図１と同様であるので、ヒートポンプ２１’以外の説明については上述の説明を参照されたい。熱電子式ヒートポンプ２１’は、いわゆる熱電素子（ペルチェ素子）の原理を用いたヒートポンプである。基板３４，３５上に設けられたｐ型半導体２９とｎ型半導体３０とが電極３３を介して直列に接続されており、ｐｎ接合部に電流を流すと、電流の向きに沿ってｎ型からｐ型となる接合部分３１では吸熱現象が、ｐ型からｎ型になる接合部分３２では放熱現象が発生する。ｎ型からｐ型になる接合部分３１は第１の配管区間１１側に、ｐ型からｎ型になる接合部分３２は第２の配管区間１２側となるようにｐ型半導体２９とｎ型半導体３０が配置されている。図７では、３つのｐ型半導体２９及び３つのｎ型半導体３０が示されているが、さらに多数のｐ型及びｎ型半導体を交互に配置することもできる。熱電子式ヒートポンプ２１’は構造がシンプルであり、また機械的な作動部分がないため、静音性に優れている。熱電子式ヒートポンプ２１’は特に小型のヒートポンプとして利用することが望ましい。
【手続補正１３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３５】
さらに、図示は省略するが、化学式、吸着式または吸収式のヒートポンプを用いることも可能である。例えば、化学式ヒートポンプは塩化カルシウム、酸化カルシウムなどの水和物が充填された反応室と、連通管を介して反応室と接続された凝縮室と、を備えている。第１の配管区間１１は反応室に隣接して位置し、第２の配管区間１２は凝縮室に隣接して位置している。反応室に充填された塩化カルシウム等の水和物は第１の配管区間１１から吸熱し、それによって水和物の水分子が水蒸気となって水和物から離脱し、凝縮室に移行する。凝縮室に移行した水蒸気は凝縮して液化し、隣接して位置する第２の配管区間１２に排熱する。
【手続補正１４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５４】
１〜６  第１〜６の装置
１１，１３  第１，第３の配管区間（吸熱配管区間）
１２，１４  第２，第４の配管区間（排熱配管区間）
２１，２１’，２１”  ヒートポンプ