(57)【要約】超音波振動を用いて膜のスケーリングおよびファウリングを防止するかまたは減らす装置および方法が本願明細書に記載されている。一つの方法例は、（１）溶液を膜アセンブリの膜に導く工程であって、膜は溶液の溶媒を第１の割合で膜を通過させ、そして膜は溶液の溶質の少なくとも一部が膜を通過するのを阻止する工程と、（２）膜に物理的に連結する圧電材料に膜に向けた超音波を発生させる工程であって、超音波は膜の少なくとも一部に振動を誘発して、それによって溶液の溶媒は第１の割合より大きい第２の割合で膜を通過する工程とを含む。【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶液の溶媒が膜を通過することが可能であるように構成されて、前記溶液の溶質の少なくとも一部が前記膜を通過するのを阻止するように構成される前記膜と、
前記膜に物理的に連結する圧電材料であって、前記膜に向けられる超音波を発生し、それによって前記膜の少なくとも一部に振動を誘発するように構成される圧電材料と、
を備える膜アセンブリ。
【請求項２】
前記溶媒は水から成り、そして前記溶質は塩および老廃物のうちの少なくとも一つから成る請求項１に記載の膜アセンブリ。
【請求項３】
前記膜は、ポリアミド膜およびポリエチレン・スルホン膜のうちの一つから成る請求項１に記載の膜アセンブリ。
【請求項４】
前記圧電材料は圧電セラミックから成る請求項１に記載の膜アセンブリ。
【請求項５】
前記圧電材料はポリビニリデン・ジフルオリド材料から成る請求項１に記載の膜アセンブリ。
【請求項６】
前記圧電材料に通信で連結する圧電制御装置をさらに備える請求項１に記載の膜アセンブリ。
【請求項７】
前記圧電制御装置は、約１００ｍＶｐｐ〜９００ｍＶｐｐの振幅から成る信号を前記圧電材料に出力するように構成する請求項６に記載の膜アセンブリ。
【請求項８】
前記圧電制御装置は、約２０ｋＨｚ〜３００ＭＨｚの周波数から成る信号を前記圧電材料に出力するように構成する請求項６に記載の膜アセンブリ。
【請求項９】
溶液を膜アセンブリの膜に導く工程であって、前記膜は前記溶液の溶媒を前記膜に第１の割合で通過させ、そして前記膜は前記溶液の溶質の少なくとも一部が前記膜を通過するのを阻止する工程と、
前記膜に物理的に連結する圧電材料に前記膜に向けられる超音波を発生させる工程であって、前記超音波は前記膜の少なくとも一部に振動を誘発し、それによって前記溶液の前記溶媒は、前記第１の割合より大きい第２の割合で前記膜を通過する工程と、
を含む方法。
【請求項１０】
前記溶媒は水から成り、そして前記溶質は塩および老廃物のうちの少なくとも一つから成る請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記膜は、ポリアミド膜およびポリエチレン・スルホン膜のうちの一つから成る請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記圧電材料は圧電セラミックから成る請求項８に記載の方法。
【請求項１３】
前記圧電材料はポリビニリデン・ジフルオリド材料から成る請求項１に記載の膜アセンブリ。
【請求項１４】
前記圧電材料に超音波を発生させる工程は、前記圧電材料に断続的な超音波を発生させる工程を含む請求項８に記載の方法。
【請求項１５】
前記膜の前記誘発振動によって一つ以上の沈着物は前記膜から分離し、前記一つ以上の沈着物は前記溶液の前記溶質の少なくとも一部から成る請求項８に記載の方法。
【請求項１６】
前記膜の前記少なくとも一部は、約１００ｍＶｐｐ〜９００ｍＶｐｐの振幅で振動する請求項８に記載の方法。
【請求項１７】
前記膜の前記少なくとも一部は、約２０ｋＨｚ〜３００ＭＨｚの周波数で振動する請求項８に記載の膜アセンブリ。
【請求項１８】
溶液の溶媒が膜を通過することが可能であるように構成され、そして前記溶液の溶質の少なくとも一部が前記膜を通過するのを阻止するように構成される前記膜と、
前記膜に物理的に連結するスペーサーであって、前記溶液を膜アセンブリの中を導くように構成されるスペーサーと、
前記スペーサーに物理的に連結する圧電材料であって、前記膜に向けられる超音波を発生し、それによって前記膜の少なくとも一部に振動を誘発するように構成される圧電材料と、
を備える膜アセンブリ。
【請求項１９】
前記圧電材料は不浸透性圧電材料から成る請求項１８に記載の膜アセンブリ。
【請求項２０】
前記膜の前記少なくとも一部の前記誘発振動は、約１００ｍＶｐｐ〜９００ｍＶｐｐの振幅および約２０ｋＨｚ〜３００ＭＨｚの周波数のうちの少なくとも一つから成る請求項１８に記載の膜アセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、その内容全体を本願明細書に引用したものとする、「塩水脱塩のコストの削減」という名称の２０１２年１１月５日に出願された米国仮特許出願第６１／７２２，６７４号に対して優先権を主張する。
【背景技術】
【０００２】
本願明細書に示されない限り、このセクションに記載されている資料は、本願の請求項に対する従来技術でなくて、このセクションへの算入によって、従来技術であると認められない。
【０００３】
真水に対する社会の要求は絶えず増大している。いくつかの地域において、真水に対する要求は、利用できる真水の供給を上回ることがある。このような領域において、淡水化（海水から真水を抽出する方法）は、真水の供給を増加させるのを助長するために利用できる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
海水淡水化には、いくつかの方法がある。例えば、逆浸透は、海水を、真水を通して塩分および他の溶質を通さない膜を強制的に通過させることを含む、主要な淡水化方法である。一般に、淡水化方法は多くの難題を有することがある。例えば、この種の方法は、実施するのに費用がかかり、大量のエネルギーを必要とすることがある。
【０００５】
さらに、特定の淡水化方法のいろいろなバリエーションは、それ自体の固有の難題を呈することがある。例えば、逆浸透淡水化で、膜ファウリングは、他にもいろいろ悪影響があるが、膜の浸透性を低下させるか、あるいは膜を破壊することがある。大まかに言って、ファウリングは、溶質または粒子が膜面に付着するかまたは膜孔を詰まらせて、それによって膜の性能を劣化させるプロセスを指す。ファウリングはスケーリングの結果であり、それは、他にもいろいろ原因があるが、膜面上の無機塩類の層の形成である。
【０００６】
ファウリングおよびスケーリングの影響を防止するために、海水が膜を通過する前に、化学物質をそれに加えることがある。しかしながら、海水が淡水化されたあと、これらの化学物質は不用な副産物のままでありえて、それは次に環境に排出されて、生態系に害をもたらすことがある。
【０００７】
ファウリングおよびスケーリングの影響を減らす別の努力は、海水を高速で動かして膜を通すことを含むことがある。この種の努力は、膜の表面上のファウリング物質の蓄積を減らすことができるが、それはまた膜を損なうかまたは膜の寿命を縮めることがある。
【０００８】
他の淡水化および濾過方法も、ファウリングおよびスケーリングの難題に直面することがある。例えば、この種の問題に正浸透淡水化および水濾過方法で直面することがある。膜を利用する他の流体処理法もこれらの難題に直面することがある。したがって、膜をファウリングおよびスケーリングがないように保つ改良された方法が必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前述のように、淡水化を含む濾過プロセスは、膜のファウリングおよびスケーリングの難題に直面する。溶液を膜に通す前にそれに化学物質を加えることは、スケーリングおよびフォールディングをわずかに減らすことができる。しかしながら、化学物質は環境に有害である場合がある。さらに、溶液を高速で動かして膜を通すことによって、ファウリング物質の蓄積を最小限に減らすことができる。それにもかかわらず、この種の推進は、膜の寿命および／または有効性を低下させることがある。
【００１０】
超音波振動を用いて膜のファウリングおよびスケーリングを防止するかまたは減らす装置および方法が本願明細書に記載されている。この種の振動は、サブミクロン以上のスケールで、膜の孔の近くに、またはそれに蓄積することがある沈着物の層を破壊することができて、それによって膜を通る溶媒（例えば、水）の移動を容易にする。ファウリングおよびスケーリングの減少の結果、本願明細書に記載の装置および方法は、特定の処理プロセスで溶液の必要な推進速度を低下させることができる。したがって、方法および装置は、膜の有効性および膜の使用可能寿命を増加させるのを助長することができる。本願明細書に記載の装置および方法は、ファウリングまたはスケーリングに影響されやすい膜を利用するいかなるシステムまたは装置にも適用できる。
【００１１】
第１の態様において、膜アセンブリが提供される。膜アセンブリは、(１)溶液の溶媒が膜を通過するのを可能にするように構成され、そして溶液の溶質の少なくとも一部が膜を通過するのを阻止するように構成される膜と、（２）膜に物理的に連結する圧電材料であって、膜に向けられる超音波を発生して、それによって膜の少なくとも一部で振動を誘発するように構成される圧電材料とを含むことができる。
【００１２】
第２の態様において、方法が提供される。方法は、（１）溶液を膜アセンブリの膜に導く工程であって、膜は溶液の溶媒を第１の割合で膜を通過させ、そして膜は、溶液の溶質の少なくとも一部が膜を通過するのを阻止する工程と、（２）膜に物理的に連結する圧電材料に膜に向けられる超音波を発生させる工程であって、超音波は膜の少なくとも一部に振動を誘発して、それによって溶液の溶媒は第１の割合より大きい第２の割合で膜を通過する工程とを含むことができる。
【００１３】
第３の態様において、膜アセンブリが提供される。膜アセンブリは、（１）溶液の溶媒が膜を通過するのを可能にするように構成され、そして溶液の溶質の少なくとも一部が膜を通過するのを阻止するように構成される膜と、（２）膜に物理的に連結するスペーサーであって、溶液を膜アセンブリの中を導くように構成されるスペーサーと、（３）スペーサーに物理的に連結する圧電材料であって、膜に向けられる超音波を発生して、それによって膜の少なくとも一部で振動を誘発するように構成される圧電材料とを含むことができる。
【００１４】
これら、ならびに他の態様、利点、および変形例は、必要に応じて添付の図面を参照して、以下の詳細な説明を読むことによって当業者にとって明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施形態による、膜アセンブリ例を含む処理システムの簡略ブロック図を示す。
【図２】実施形態による、膜アセンブリ例の実施形態の簡略ブロック図を示す。
【図３】実施形態による、膜アセンブリ例のトップダウン図を示す。
【図４】Ａ〜Ｆは実施形態例による実施例の膜アセンブリの実施形態の簡略ブロック図を示す。
【図５Ａ】実施形態による、膜アセンブリの応用例を示す。
【図５Ｂ】実施形態による、図５Ａの膜アセンブリを示す。
【図６Ａ】実施形態による、方法例を示すフローチャートを示す。
【図６Ｂ】図６Ａの方法例による、第１の時点における膜アセンブリを示す。
【図６Ｃ】図６Ａの方法例による、第２の時点における図６Ｂの膜アセンブリを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下の詳細な説明において、その一部を形成する添付図を参照する。図において、文脈が別段に規定しない限り、類似の符号は通常は類似の構成要素を識別する。詳細な説明、図、および請求項に記載の例示の実施形態は、制限するように意図されていない。他の実施形態を利用することができて、そして本願明細書に提示された内容の精神および範囲を逸脱せずに、他の変更を行うことができる。本願明細書に概して記載されて、図に例示されるように、本開示の態様が、多種多様な構成において、配置され、置換され、組み合わされ、切り離され、そして／または設計できると直ちに理解される。そしてその全ては本願明細書において明確に考察される。
【００１７】
１．背景
一例として逆浸透淡水化を含む、様々な場面で超音波振動を用いて膜のファウリングおよびスケーリングを減らすのに役立つ装置および方法の態様が、本願明細書に記載される。本膜アセンブリの実施形態は、超音波を膜アセンブリの膜に向けるように構成できる。超音波は圧電材料によって発生することができる。さらに、実施形態において、超音波は、膜の表面で振動を誘発して、それによって鉱物粒子および／または有機物が膜に定着するのを防止し、そして／またはいかなるこの種の定着粒子の少なくとも一部を膜から分離させることができる。その結果、本願明細書に記載の膜アセンブリは、膜の有効性および／または寿命を増加させて、それによって膜を利用する処理システムの操業コストを削減するために利用できる。
【００１８】
上記の如く、一実施態様において、開示された膜アセンブリは逆浸透淡水化システムで使用できる。伝統的に、この種のシステムで、スケーリング、ファウリング、および溶液の高速推進は、膜の寿命および／または有効性を低下させることがある。この種のシステムの付加的な望ましくない副産物は、環境に沈着する有害な化学物質を含むこともある。本願明細書に記載の膜アセンブリは、ファウリングおよびスケーリングを減らすのを助長することができて、そして溶液の必要な推進速度を減らすのを助長することができる。
【００１９】
２．システム例
コンテキストおよび説明のためにだけ、開示された膜アセンブリを組み込む処理システム例が述べられる。しかしながら、本願明細書に記載の開示された膜アセンブリの態様が、他の処理システムを含む、他のシステムおよび／またはコンテキストにおいて利用できることを理解すべきである。したがって、後述する処理システム例は、開示された膜アセンブリを利用できる処理システムの単に一つの実施例に過ぎないと理解すべきであり、したがって制限するとみなしてはならない。
【００２０】
ａ.処理システム例
図１は、実施形態による、膜アセンブリ例２００を含む処理システム１００の簡略ブロック図を示す。
【００２１】
処理システム１００は、水処置システム（例えば、淡水化システムまたは水濾過システム）か、あるいは溶質および溶媒を含む溶液を受け入れて、溶媒および多くても溶質の一部を含む溶液を出力することができるその他の処理システムでもよい。
【００２２】
処理システム１００は、ポンプ１１０に連結した溶液源１０５を含むことができて、それは次に膜アセンブリ２００に連結できる。膜アセンブリ２００は、廃棄物貯蔵器１２０および出力貯蔵器１２５に連結できる。実施形態例において、膜アセンブリ２００は制御装置１３０に通信で連結することができる。いくつかの実施形態では、制御装置１３０はポンプ１１０に通信で連結することもできる。あるいは、制御装置１３０以外の制御装置はポンプ１１０に通信で連結できる。処理システム１００の他の構成要素も、同様に制御装置１３０に通信で連結できる。
【００２３】
処理システム１００のさまざまな構成要素が、溶液を処理システム１００の中を導くのに役立つように構成できる、一つ以上のアダプタ、取付け部品、ガスケット、弁など（以下、単に「アダプタ」と呼ばれる）を各々含むことができることを理解すべきである。したがって、溶液が処理システム１００の中を流れることができるように、さまざまな構成要素は、何らかの適当な管、パイプ、または他の配管装置を介して互いに連結できる。
【００２４】
溶液源１０５は溶液を含むことができる。一実施形態において、溶液源１０５は、溶液を含むように構成または適合されるいかなる装置であってもよい。例えば、溶液源１０５は、バット、タブ、タンク、または他のいかなる適切な容器でもよい。別の実施形態では、溶液源１０５は、溶液がその自然環境の中に存在するいかなる場所であってもよい。例えば、溶液源１０５は、いくつかある実施例の中で、海または湖でもよい。
【００２５】
溶液は、溶媒および溶質を含むいかなる液体混合物でもあってもよい。一実施例において、溶媒は水を含み、そして溶質は塩分および／または他のミネラルを含む。別の実施例では、溶媒は水を含み、そして溶質は老廃物（例えば、病原体、有機粒子、無機粒子、毒素など）を含む。他の実施例も可能である。本願明細書で用いられる用語「溶液」が、一般に、濾過されることになっている流体を指し、そして本願明細書で用いられる用語「溶媒」が、濾過された流体を指すことを理解すべきである。
【００２６】
溶液源１０５は、溶液をポンプ１１０に出力するように構成できる。ポンプ１１０は、溶液を所定の圧力に加圧するように構成することができて、一実施形態において、ポンプ１００は、溶液が膜アセンブリ２００を通過するときに溶液に所定の圧力を及ぼすように構成できる。別の実施形態では、ポンプ１１０は、溶液に加圧して、膜アセンブリ２００で指定速度で加圧溶液を出力するように構成できる。一実施形態において、ポンプ１１０は制御装置１３０から信号を受信して、受信信号に従って溶液に加圧するように構成できる。
【００２７】
一実施例において、所定の圧力は、1平方インチ当たり最高１３００ポンド（psi）の圧力でありえる。別の実施例において、所定の圧力は、９００ｐｓｉ〜１１００ｐｓｉを含む圧力範囲の圧力でありえる。他の実施例において、所定の圧力は、約２５０ｐｓｉ〜１２００ｐｓｉの圧力でありえる。他の圧力も可能である。
【００２８】
廃棄物貯蔵器１２０は、いかなる適切なバット、タブ、タンク、または溶質を含むように構成されるその他の適切な容器でもよい。廃棄物貯蔵器１２０は、膜アセンブリ２００から導かれる廃棄物（例えば、溶質）を受け入れるように構成できる。一実施例において、廃棄物貯蔵器１２０は塩水を受け入れて、収容するように構成できる。
【００２９】
出力貯蔵器１２５は、いかなる適切なバット、タブ、タンク、または溶媒を含むように構成されるその他の適切な容器でもよい。出力貯蔵器１２５は、膜アセンブリ２００から出力溶媒（例えば、水）を受け入れるように構成できる。出力溶媒が入力溶液から若干の溶質を含むことができることを理解すべきである。例えば、出力溶媒は入力溶液から溶質の約１％〜１０％を含むことができる。しかしながら、出力溶媒は入力溶液から溶質を多少含むことができる。
【００３０】
制御装置１３０は、少なくとも一つのプロセッサおよびメモリを含むことができる。プロセッサは、メモリに格納されたプログラム命令を実行するように構成できる。制御装置１３０は、処理システム１００の特定の動作を制御するように構成できる。例えば、制御装置１３０は、ポンプ１１０に溶液を加圧させるように構成することができて、そして／または制御装置１３０は、膜アセンブリ２００の圧電材料に超音波を発生させるように構成できる。他の実施例において、制御装置１３０は、溶液を処理システム１００の中を導くように構成できる。例えば、制御装置１３０は、アクチュエータに一つ以上の弁を開閉させるように構成できる。一実施形態において、制御装置１３０は溶液源１０５の弁を開けて、溶液が膜アセンブリ２００に入ることが可能であるように構成できる。他の実施形態において、制御装置１３０は、膜アセンブリ２００のサブシステムを制御するように構成できる。
【００３１】
処理システム１００が、示されない一つ以上の他の構成要素を含むことができて、そして／または処理システム１００は、本発明を逸脱しない範囲で、示された構成要素のうちの１つ以上を含むことができることを理解すべきである。処理システム１００が膜アセンブリ２００のためのコンテキスト例を与えるように示されて、膜アセンブリ２００は他のシステムで利用できることをさらに理解すべきである。例えば、膜アセンブリ２００は、正浸透水処置システム、廃水処理システム、濾過システム、または膜を利用するその他のシステムで利用できる。
【００３２】
ｂ．膜アセンブリ例
図２は、処理システム（例えば、図１の処理システム１００）の一部として実施できる、開示された膜アセンブリの実施形態２００の簡略ブロック図である。膜アセンブリ２００は同様に他のシステムで実施できる。
【００３３】
膜アセンブリ２００は、膜２１０に物理的に連結する圧電材料２２０を含むことができる。圧電材料２２０が多くの方法で膜２１０に物理的に連結できることを理解すべきである。通常、圧電材料２２０は、いかなる方法でも膜２１０に物理的に連結することができて、そこでは圧電材料２２０によって発生する超音波が膜２１０と相互に作用できる。一実施形態において、膜２１０および圧電材料２２０は互いに直接接触できる。他の実施形態において、少なくとも一つの介在層が膜２１０と圧電材料２２０の間にありえる。
【００３４】
一般に、膜２１０は、他のものが通過するのを阻止すると共に特定の分子またはイオンが通過するのを選択的に可能にする孔を含む半透過性膜である。すなわち、膜２１０は、溶液２３０の溶媒２３５が膜２１０を通過するのを可能にして、溶液２３０の溶質２４０の少なくとも一部が膜２１０を通過するのを阻止するように構成できる。一実施形態において、膜が入力溶液の溶質の約９０％〜９９％を阻止するように、膜２１０を構成できる。膜２１０は、膜アセンブリ２００が実施される特定の処理システムに依存するいかなる適切な膜でもよい。
【００３５】
一実施形態において、膜２１０はナノ濾過膜である。したがって、膜２１０は、１〜１０オングストロームの孔サイズを有するように構成できる。一実施例において、膜２１０は、３０００ダルトンの分画分子量（「ＭＷＣＯ」）を有するように構成できる。他の実施形態において、膜２１０は、約１０００〜５０００ダルトンのＭＷＣＯを有するように構成できる。他の実施形態において、膜２１０は、サブミクロン濾過膜、ミクロン濾過膜、または限外濾過膜でありえる。
【００３６】
膜２１０は、いかなる適切な材料からも作ることができる。いくつかの実施形態では、膜２１０は薄膜組成膜でありえる。特に、膜２１０は、いくつかある実施例の中で、少なくともポリアミドまたはポリエチレン・スルホンから成ることができる。
【００３７】
圧電材料２２０は、膜２１０に向けられる超音波を発生して、それによって膜２１０の少なくとも一部で振動を誘発するように構成できる。圧電材料２２０は、膜２１０に垂直であるかまたは傾斜した方向に超音波を向けるように構成するかまたは配置できる。したがって、結果として生じる振動は膜２１０の表面に垂直であるかまたは傾斜している。いくつかの実施形態では、膜２１０に誘発される振動は、膜２１０に向けられる超音波と同じであるかまたは類似である周波数および／または振幅を含むことがある。
【００３８】
いくつかの実施形態では、圧電材料２２０は、超音波が溶液、溶質、および／または溶媒に貫入するようにさらに構成できる。このように、溶媒の流れを妨げる不純物が膜２１０の境界層から離断できるように、圧電材料２２０は、運動量を溶液および／または膜２１０に加えることができる超音波を発生するように構成できる。
【００３９】
圧電材料２２０は、逆圧電効果を呈するように構成されるいかなる材料でもあってもよい。例えば、一実施形態において、圧電材料２２０は、いくつかある圧電材料例の中で、圧電結晶、圧電セラミック（例えば、チタン酸ジルコン酸鉛）、または圧電ポリマー（例えば、ポリフッ化ビニリデン（「ＰＶＤＦ」）でありえる。
【００４０】
他の実施形態において、圧電材料２２０は、浸透可能であるかまたは浸透不可能であるようにさらに構成できる。いくつかの実施形態では、圧電材料２２０は、圧電材料２２０が可撓性であるようにさらに構成できる。したがって、圧電材料２２０は膜２１０と同じ形状に構成できる。例えば、圧電材料２２０は螺旋状に成形されることがある。他の実施形態において、圧電材料２２０は剛性であるようにさらに構成できる。
【００４１】
いくらかの実施形態では、圧電材料２２０はいかなる適切な幾何学的形状でも構成できる。例えば、圧電材料２２０は、いくつかある形状の中で、ディスク、正方形、長方形、または三角形として成形できる。いくつかの実施形態では、圧電材料２２０の形状および／またはサイズは、膜アセンブリ２００が実施される処理システムのサイズおよび／または形状に依存することがありえる。
【００４２】
いくつかの実施形態では、圧電材料２２０は膜２１０のための支持構造として構成できる。したがって、圧電材料４０２はさまざまな方法で構成できる。例えば、膜アセンブリ例３００のトップダウン図を示す図３を参照して、圧電材料２２０は膜２１０の外周の周りに配置されて、膜２１０の表面に物理的に連結できる。この種の実施例において、圧電材料２２０は浸透性材料から作ることができる。他の実施形態において、圧電材料２２０は、（図２に示すように）膜２１０と同じ形状および／またはサイズを有するように構成できる。したがって、圧電材料２２０は、浸透性材料から完全にまたは部分的に作ることができる。一実施例において、圧電材料２２０は浸透性および不浸透性材料の両方から作ることができる。他の実施例も可能である。
【００４３】
図２をもう一度参照すると、特定の実施形態では、膜アセンブリ２００は圧電制御装置２２５を任意に含むことができる。圧電制御装置２２５は、圧電材料２２０に超音波を発生させるために、信号を圧電材料２２０に送信するように構成できる。圧電制御装置２２５は、信号を発生するように構成できる信号発生器と、信号が圧電材料２２０に送られる前に信号を増幅するように構成できる信号増幅器とを含むことができる。信号発生器は、指定された振幅および指定された周波数を有する信号を出力するように構成できる。例えば、信号発生器は、１００ｍＶｐｐ〜９００ｍＶｐｐの振幅および約２０ｋＨｚ〜３００ＭＨｚの周波数を有する信号を出力するように構成できる。信号増幅器は、電力増幅器、パワー・パー・デマンド、またはその他のタイプの増幅器でもよい。
【００４４】
圧電制御装置２２５は、いくつかある構成要素の中で、少なくとも一つのプロセッサおよびメモリをさらに含むことができる。プロセッサはプログラム命令を実行するように構成できる。いくつかの実施形態では、圧電制御装置２５０は制御装置１３０でありえる。他の実施形態において、圧電制御装置２２５は制御装置１３０のサブシステム／装置でありえる。
【００４５】
いくつかの実施形態では、膜アセンブリ２００は冷却システムを任意に含むこともできる。冷却システムは、溶液２３０の温度および／または圧電材料２２０の動作温度を変化させるように構成できる。例えば、冷却システムは溶液２３０の温度を下げるように構成できる。この種の実施例において、溶液２３０は、膜アセンブリ２００に入る前にまたは膜アセンブリ２００内で一度冷やすことができる。別の実施例では、冷却システムは、圧電材料２２０の少なくとも一部の周辺で冷却剤を循環させるように構成できる。
【００４６】
ｃ．膜アセンブリ例
図２は、処理システムで実施されることができる一つの膜アセンブリ例を示す。他の膜アセンブリも本願明細書において考察される。下記で、多様なこの種の膜アセンブリ例およびその態様が説明される。しかしながら、これが例示および説明のためだけであることを理解すべきである。他の実施例が存在することがありえて、請求項は本願明細書に記載の特定の実施例またはその態様に限定すべきではない。
【００４７】
図４Ａ〜図４Ｆは、実施形態例による膜アセンブリ実施例を示す。明確にするため、膜アセンブリ例が特定の構成要素（例えば、圧電制御装置２２５）なしで示されている。しかしながら、文脈が別段に規定しない限り、この種の構成要素は膜アセンブリに通信で連結できることを理解すべきである。
【００４８】
さらにまた、膜アセンブリ例は、膜、圧電材料、および／またはスペーサーのさまざまな組み合せを含むとして以下に説明される。文脈が別段に規定しない限り、膜が上記のいかなる膜（例えば、膜２１０）も指し、そして圧電材料が上記のいかなる圧電材料（例えば、圧電材料２２０）も指すことを理解すべきである。
【００４９】
本願明細書に記載のスペーサーに関して、スペーサーは、膜を支持して膜への流体の流れを促進するように構成される材料でありえる。いくつかの実施形態では、スペーサーは、膜に物理的に連結する非液体材料を含むことができる。一実施形態において、スペーサーは多孔性材料から製造できる。例えば、スペーサーは、いくつかある材料の中で、多孔性プラスチックから製造できる。他の実施形態において、スペーサーは、超音波を膜に向けるように構成できる。したがって、スペーサーは、圧電ポリマーのような、浸透可能または浸透不可能な圧電材料から完全または部分的に製造できる。
【００５０】
図４Ａは、膜アセンブリ４００の簡略側面図を示す。膜アセンブリ４００は、圧電材料４０２に物理的に連結する膜４０１を含むことができる。示すように、溶媒２３５が、圧電材料４０２および膜４０１に垂直または斜めの方向に（黒い矢印により示すように）圧電材料４０２を、その次に膜４０１を通過できるように、膜アセンブリ４００を構成できる。加えて、膜アセンブリ４００は、溶質２４０が膜４０１を通過するのを阻止するように構成できる。溶液２３０が膜アセンブリ４００を横切るときに、溶液２３０に圧力がかかり、それによって溶液２３０が圧電材料４０２および膜４０１の方に導かれることができるように、膜アセンブリ４００を構成できることを理解すべきである。
【００５１】
図４Ｂは、膜アセンブリ例４１０の簡略図を示す。膜アセンブリ４１０は、第１のスペーサー４１２に物理的に連結する第１の圧電材料４１１を含むことができて、次に第１のスペーサー４１２は膜４１３に物理的に連結できる。膜４１３は第２のスペーサー４１４にも連結することができて、次に第２のスペーサー４１４は第２の圧電材料４１５に物理的に連結できる。この実施例では、圧電材料４１１および４１５の各々は不浸透性圧電材料でありえる。したがって、圧電材料は、溶液２３０を膜４１３の方に導くのを助長するようにさらに構成できる。
【００５２】
示すように、溶液２３０がスペーサー４１２の中を、そして膜４１３と平行に導かれることができるように、膜アセンブリ４１０を構成できる。さらにまた、溶媒２３５が膜４１３に垂直または斜めの方向で膜４１３を通過する（黒い矢印により示すように）ことができるように、膜アセンブリ４１０を構成できる。加えて、膜アセンブリ４１０は、溶質２４０が膜４１３を通過するのを阻止するように構成できる。溶液２３０が膜アセンブリ４１０を通過するときに、溶液２３０に圧力がかかり、それによって溶液２３０が膜４１３の方に導かれることができるように、膜アセンブリ４１０を構成できることを理解すべきである。
【００５３】
図４Ｃは、膜アセンブリ例４２０の簡略図を示す。膜アセンブリ４２０は、第１のスペーサー４２２に物理的に連結できる第１の膜４２１を含むことができて、次に第１のスペーサー４２２は圧電材料４２３に物理的に連結できる。圧電材料４２３は第２のスペーサー４２４に物理的に連結することができて、次に第２のスペーサー４２４は第２の膜４２５に物理的に連結できる。
【００５４】
示すように、溶液２３０がスペーサー４２２および４２４の中を膜４２１および４２５と平行に導かれることができるように、膜アセンブリ４２０を構成できる。さらにまた、溶媒２３５が膜に垂直または斜めの方向で膜４２１および４２５を通過する（黒い矢印により示すように）ことができるように、膜アセンブリ４２０を構成できる。加えて、膜アセンブリ４２０は、溶質２４０が膜４２１および４２５を通過するのを阻止するように構成できる。溶液２３０が膜アセンブリ４２０を通過するときに、溶液２３０に圧力がかかり、それによって溶液２３０が膜４２１および４２５の方に導かれることができるように、膜アセンブリ４２０を構成できることを理解すべきである。
【００５５】
図４Ｄは、膜アセンブリ例４３０の簡略図を示す。膜アセンブリ４３０は、第１の膜４３２に物理的に連結できる第１の圧電材料４３１を含むことができて、次に第１の膜４３２はスペーサー４３３に物理的に連結できる。スペーサー４３３は第２の膜４３４に物理的に連結することができて、次に第２の膜４３４は第２の圧電材料４３５に物理的に連結できる。
【００５６】
示すように、溶液２３０がスペーサー４３３の中を膜４３２および４３４ならびに圧電材料４３１および４３５と平行に導かれることができるように、膜アセンブリ４３０を構成できる。さらにまた、溶媒２３５が膜および圧電材料をそれらに垂直または斜めの方向で通過する（黒い矢印により示すように）ことができるように、膜アセンブリ４３０を構成できる。加えて、膜アセンブリ４３０は、溶質２４０が膜４３２および４３４を通過するのを阻止するように構成できる。溶液２３０が膜アセンブリ４３０を通過するときに、溶液２３０に圧力がかかり、それによって溶液２３０が膜４３２および４３４の方に導かれることができるように、膜アセンブリ４３０を構成できることを理解すべきである。
【００５７】
膜アセンブリ４３０の一代替実施形態において、第１の圧電材料４３１は第１の膜４３２の下に配置できる。膜アセンブリ４３０の別の代替実施形態において、第２の圧電材料４３５は第２の膜４３４より上に配置できる。
【００５８】
図４Ｅは、膜アセンブリ例４４０の簡略図を示す。膜アセンブリ４４０は、第１の圧電材料４４２に物理的に連結できる第１の膜４４１を含むことができて、次に第１の圧電材料４４２はスペーサー４４３に物理的に連結できる。スペーサー４４３は第２の圧電材料４４４に物理的に連結することができて、次に第２の圧電材料４４４は第２の膜材料４４５に物理的に連結できる。
【００５９】
示すように、溶液２３０が膜４４１および４４５と平行して導かれることができるように、膜アセンブリ４４０を構成できる。加えて、溶媒２３５が膜４４１および４４５ならびに圧電材料４４２および４４４をそれらに垂直または斜めの方向で通過する（黒い矢印によって示すように）ことができるように、膜アセンブリ４４０を構成できる。加えて、膜アセンブリ４４０は、溶質２４０が膜４４１および４４５を通過するのを阻止するように構成できる。溶液２３０が膜アセンブリ４４０を通過するときに、溶液２３０に圧力がかかり、それによって溶液２３０が膜４４１および４４５の方に導かれることができるように、膜アセンブリ４４０を構成できることを理解すべきである。
【００６０】
膜アセンブリ４４０の一代替実施形態において、第１の圧電材料４４２は第１の膜４４１の上に配置できる。膜アセンブリ４４０の別の代替実施形態において、第２の圧電材料４４４は第２の膜４４５の下に配置できる。
【００６１】
図４Ｆは、膜アセンブリ例４５０の簡略図を示す。膜アセンブリ４５０は、第１の圧電材料４５２に物理的に連結できる第１のスペーサー４５１を含むことができて、次に第１の圧電材料４５２は膜４５３に物理的に連結できる。膜４５３は、第２の圧電材料４５４に物理的に連結することができて、次に第２の圧電材料４５４は第２のスペーサー４５５に物理的に連結できる。この実施例では、圧電材料は浸透性材料から作ることができる。圧電材料４５２および４５３ならびに／またはスペーサー４５１および４５５は、電圧源（例えば、圧電制御装置２２５）に電気的に連結できる。したがって、電圧が圧電材料またはスペーサーに印加されるときに、それらが膜４５３を（例えば、膜４５３をせん断するかまたは圧縮することによって）機械的にひずませることができるように、圧電材料４５２および４５３ならびに／またはスペーサー４５１および４５５は、電位を伝えるように構成できる。この種の機械的ひずみは、膜４５３を通過する溶媒の流量を増すことができる膜４５３の境界層を破壊することがある。
【００６２】
示すように、溶液２３０が第１のスペーサー４５１の中を膜４５３と平行に導かれることができるように、膜アセンブリ４５０を構成できる。溶媒２３５が膜４５３および２つの圧電材料をそれらに垂直または斜めの方向で通過する（黒い矢印によって示すように）ことができるように、膜アセンブリ４５０も構成できる。さらに、膜アセンブリ４５０は、溶質２４０が膜４５３を通過するのを阻止するように構成できる。溶液２３０が膜アセンブリ４５０を通過するときに、溶液２３０に圧力がかかり、それによって溶液２３０が第１の圧電材料４５２および膜４５３の方に導かれることができるように、膜アセンブリ４５０を構成できることを理解すべきである。
【００６３】
ｄ.応用例
図５Ａは、本願明細書に記載の膜アセンブリの応用例を示す。図５は、少なくとも一つの膜アセンブリを利用する膜ハウジング５００を例示する。膜ハウジング例およびその態様が以下に説明される。しかしながら、これが例示および説明のためだけであることを理解すべきである。他の応用例が存在することがあり、請求項は本願明細書に記載の特定の実施例またはその態様に限定されるべきではない。当業者は、図５が、螺旋綴じの逆浸透膜ハウジングに、いくつかの点で類似の膜ハウジングを示すと認める。
【００６４】
図５に示すように、膜ハウジング５００は、外側ラップ５０５、収集管５１０、一つ以上の膜アセンブリ５１５、および膜ハウジング５００の両端に設置される少なくとも２つの支持装置５２５（一つだけ示される）を含むことができる。各支持装置５２５は、少なくとも一つの圧電材料５５０を含むことができる。したがって、膜ハウジング５００は、圧電材料５５０に通信で連結する圧電制御装置５５５を含むことができる。圧電制御装置５５５は、圧電制御装置２２５と同じかまたは類似している。いくつかの実施形態では、少なくとも一つの圧電材料は外側ラップ５０５に連結できる。いずれにしても、圧電材料５５０は、超音波を膜アセンブリ５１５に向けるように構成され、そして／または配置できる。
【００６５】
膜ハウジング５００は、溶液２３０が膜ハウジング５００の中を導かれるように構成できる。さらに、各膜アセンブリ５１５は、溶液２３０の溶媒２３５が膜アセンブリ５１５を通過して、収集管５１０に集まることが可能であるように構成できる。したがって、収集管５１０は溶媒２３５を集めて、膜ハウジング５００から溶媒２３５を導くように構成することができる。一例を挙げると、収集管５１０は穿孔されていることがある。膜アセンブリ５１５は、溶液２３０の溶質２４０が膜アセンブリ５１５を通過して収集管５１０に入るのを阻止するようにさらに構成できる。
【００６６】
膜ハウジング５００は、膜ハウジング５００を処理システム、例えば処理システム１００の他の構成要素に連結するように構成されるアダプタ（図示せず）を含むことができる。例えば、膜ハウジング５００は、収集管５１０を出力貯蔵器１２５に連結するように構成されるアダプタを含むことができる。
【００６７】
各支持装置５２５は、膜ハウジング５００のさまざまな要素および膜アセンブリ５１５を一緒に連結するように構成できる。一実施形態において、支持装置５２５は、膜アセンブリ５１５および／または外側ラップ５０５が分解したり、そして／または拡大しすぎるのを防止するように構成される伸縮防止装置でありえる。支持装置５２５は、外側ラップ５０５をおおって配置されて、支持装置５２５に嵌入される収集管５１０を受け入れるように構成できる。
【００６８】
図５Ｂは、実施形態による図５Ａの膜アセンブリ５１５を示す。各膜アセンブリ５１５は、膜５１６、スペーサー５１７、少なくとも一つの圧電材料５１８、および追加層５１９を含むことができる。膜５１６は本願明細書に記載のいかなる膜でもよい。スペーサー５１７は上記のいかなるスペーサーでもよくて、溶液２３０を膜５１６の表面上を導くように構成できる。圧電材料５１８は本願明細書に記載のいかなる圧電材料でもよい。圧電材料５１８が、圧電材料５５０と同じであるか、類似であるか、または異なることを理解しなければならない。例えば、一実施形態において、圧電材料５１５は浸透性材料から作ることができて、圧電材料５５０は不浸透性材料から作ることができる。他の実施例も可能である。いくつかの実施形態では、追加層５１９は、溶媒２３５を集めて、溶媒２３５を収集管５１０に導くように構成できる。他の追加層例も可能である。
【００６９】
示すように、圧電材料５１８は、スペーサー５１７に、またはその一部に連結できる。別の実施形態では、圧電材料は、膜および／または収集層に、あるいはその一部に連結できる。あらゆる点に関して、圧電材料５１８は膜５１６に振動を誘発するように構成できる。
【００７０】
膜アセンブリ５１５は、上記の膜アセンブリ（例えば、膜アセンブリ２００、４００、４１０、４２０、４３０、４４０、および４５０）と同じであるかまたは類似の方法で構成または配置できる。膜アセンブリ５１５は、黒い矢印で示すように螺旋状に巻かれることができる。したがって、圧電材料５１８は螺旋状に成形されて、そして／または可撓性材料から作ることができる。
【００７１】
膜アセンブリ５００が、例示および説明のためにだけ螺旋綴じの逆浸透膜ハウジングと類似のコンテキストで示したものであり、制限するとして解してはならないことを理解すべきである。他の膜ハウジング例も可能である。例えば、膜アセンブリ５００と類似の膜ハウジングは、中空繊維膜のコンテキストにおいて使用できる。特に、記載の圧電材料は、中空繊維膜の内壁に、そして／または中空繊維膜を含む外シェルに配置できる。他の応用も可能である。
【００７２】
３．方法例
図６Ａは、実施形態例による、方法６００を例示するフローチャートである。一般に、本願明細書に記載の膜アセンブリのいずれも、後述するように方法６００を実行できる。特定の実施形態では、方法６００は、膜アセンブリと通信する制御装置（例えば、制御装置１３０）または膜アセンブリと通信で連結する何か他のコンピュータ・システムによって完全にまたは部分的に実行できる。例示および説明のためだけに、方法６００は膜アセンブリ４１０を参照して以下に例示されるが、記載されている膜アセンブリのいずれも方法６００を実行するために用いることができることを理解すべきである。
【００７３】
図６Ａに示すように、方法６００は、ブロック６０２から始まって、溶液を膜アセンブリの膜に導き、そこにおいて膜は溶液の溶媒を第１の割合で膜を通過させて、膜は溶液の溶質の少なくとも一部が膜を通過するのを阻止する。ブロック６０４で、方法６００は、膜に物理的に連結する圧電材料に膜に向ける超音波を発生させることを含み、そこにおいて超音波は振動を膜の少なくとも一部に誘発し、それによって溶液の溶媒は第１の割合より大きい第２の割合で膜を通過する。図６Ａに関して示されるブロックの各々は以下にさらに説明される。
【００７４】
ａ.溶液を膜に導く
方法６００は、ブロック６０２から始まって、溶液を膜アセンブリの膜に導き、そこにおいて膜は溶液の溶媒を第１の割合で膜を通過させて、膜は溶液の溶質の少なくとも一部が膜を通過するのを阻止する。
【００７５】
溶液は図１を参照して上に述べた溶液と同じであるかまたは類似している。いくつかの実施形態において、膜アセンブリは溶液を膜に導くことができる。他の実施形態において、一つ以上の外部構成要素（例えば、制御装置１３０）は、溶液を導くか、または別の構成要素に溶液を膜に導かせることができる。例えば、溶液源１０５および／またはポンプ１１０は、溶液を膜に導くことができるか、またはそれを促進できる。一実施形態において、溶液を膜に導くことは、溶液が膜と接触することを可能にする弁を開く制御装置１３０を包含することができる。他の実施例も可能である。
【００７６】
方法６００による第１の時点の膜アセンブリ４１０を示す図６Ｂを参照して、膜アセンブリ４１０は、溶液６３０を膜４１３に導くことができる（黒い矢印により示すように）。膜４１３は、溶液の溶媒を第１の割合６３５で膜４１３を通過させることができて、膜４１３は、溶液の溶質６４０の少なくとも一部が膜４１３を通過するのを阻止できる。溶媒が膜４１３を通過する第１の割合６３５は、膜４１３の境界に蓄積する溶けた沈着物によって影響を受けることがある。沈着物は、いくつかある材料の中で、膜４１３の孔を通過できる溶媒の量を詰まらせるかまたは妨げる、溶質からの有機材料および／または無機材料を含むことがある。
【００７７】
ｂ．圧電材料に超音波を発生させる
ブロック６０４で示すように、方法６００は、膜に物理的に連結する圧電材料に膜に向ける超音波を発生させることを含み、そこにおいて超音波は膜の少なくとも一部に振動を誘発して、それによって溶液の溶媒は、第１の割合より大きい第２の割合で膜を通過する。
【００７８】
いくつかの実施形態では、圧電材料に膜に向ける超音波を発生させることは、圧電制御装置２２５から信号を受信する圧電材料を包含することがある。信号は、図２を参照して上に述べた信号と同じあるかまたは類似している。例えば、信号は圧電制御装置２２５から受信する超音波信号でありえる。
【００７９】
一実施形態において、信号は連続的かまたは断続的でありえる。例えば、圧電材料に超音波を発生させることは、圧電制御装置から断続的な信号を受信する圧電材料を包含することがあり、そして応答して、圧電材料は超音波の断続パルスを出力する。一実施例において、圧電材料は、６時間に一回、２時間に一回、1時間に一回、1分に一回、３０秒に一回、または１０秒に一回、圧電制御装置から信号を受信できる。他の断続的な信号間隔も可能である。さらに、特定の実施形態において、圧電材料は、断続信号を所定の時間、例えば、１０時間、６時間、２時間、１時間、１分、３０秒などの間に受信できる。
【００８０】
方法６００による第２の時点の膜アセンブリ４１０を示す図６Ｃを参照して、圧電材料４１１および／または４１５は、膜４１３に向けた超音波を発生させられることが可能である。超音波は膜４１３の少なくとも一部で振動を誘発することができて、それによって溶液の溶媒は、第１の割合６３５より大きい第２の割合６７５で膜４１３を通過できる（矢印６３５および６７５の相対幅により示すように）。この種の振動は膜の表面に垂直でありえる（図６Ｃに示すように）。振動は、圧電材料４１１および／または４１５によって受信する信号のパラメータに対応する周波数および／または振幅を有することができる。例えば、膜４１３の少なくとも一部の振動は、約１００ｍＶｐｐ〜９００ｍＶｐｐの振幅および／または約２０ｋＨｚ〜３００ＭＨｚの周波数を含むことができる。他の実施例も可能である。
【００８１】
溶媒が膜４１３を通過する際の増大した第２の割合６７５は、膜４１３の孔から障害を取り除く誘発振動の結果でありえる。すなわち、膜４１３の誘発振動は、一つ以上の沈着物を膜４１３から分離することができて、それによって増加した量の溶媒が通過するのを可能にする。
【００８２】
いくつかの実施形態では、方法６００は、溶液が膜を通じて導かれるときに溶液を所定の圧力に加圧することを任意に含むことができる。ポンプ１１０は溶液に加圧するために用いることができる。ある場合には、所定の圧力は約９００ｐｓｉ〜１１００ｐｓｉの圧力でありえる。他の圧力範囲も、例えば、図１を参照して前述したように可能である。
【００８３】
他の実施形態において、方法６００は、圧電材料の少なくとも一部の周辺に冷却剤を配置することを任意に含むことがある。冷却システムは、圧電材料の少なくとも一部の周辺に冷却剤を配置するために用いることができる。ある場合には、冷却剤は冷却システムによって冷却される溶液であってよい。他の実施例も可能である。
【００８４】
４．結論
さまざまな態様および実施形態が本願明細書に開示されたが、他の態様および実施形態は当業者にとって明らかである。例えば、図に示して、本願明細書に述べたフローチャートに関して、ブロックとして記述される機能は、関連する機能に依存して、示したまたは述べた順序から外れた順序で（同時に、または逆の順序でも）実行することができる。さらに、多少のブロックおよび／または機能を用いることができて、そして／またはフローチャートを互いと部分的または全体的に組み合わせることができる。
【００８５】
情報の処理を表すブロックは、本願明細書に記載の方法またはテクニックの特定の論理機能を実行するように構成することができる回路に対応できる。あるいは、または加えて、情報の処理を表すブロックは、プログラムコードのモジュール、セグメント、または部分（関連データを含む）に対応できる。プログラムコードは、方法またはテクニックにおいて特定の論理機能または動作を実施するために、プロセッサによって実行可能な一つ以上の命令を含むことができる。
【００８６】
本願明細書に開示されたさまざまな態様および実施形態は、説明のためであって、制限することを目的とせず、本当の範囲および精神は以下の請求項により示される。他の実施形態を利用することができて、本願明細書に提示された内容の精神又は範囲を逸脱せずに、他の変更を行うことができる。
【図１】
2016503341.tif 000002
【図２】
2016503341.tif 000003
【図３】
2016503341.tif 000004
【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
2016503341.tif 000006
【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図４Ｅ】
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【図４Ｆ】
2016503341.tif 000010
【図５Ａ】
2016503341.tif 000011
【図５Ｂ】
2016503341.tif 000012
【図６Ａ】
2016503341.tif 000013
【図６Ｂ】
2016503341.tif 000014
【図６Ｃ】
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【国際調査報告】
2016503341.tif 000016
2016503341.tif 000017