エネルギー回収装置及び方法
【課題】付勢可能なポンプを提供する。
【解決手段】このポンプは、第１の端部と第２の端部とを有するシリンダの内面と摺動可能に連通するピストンを含む。第１の制御弁と第２の制御弁は、シリンダの第１の端部と物理的に連通する。この第１の制御弁と第２の制御弁は、ピストンと流体連通する。第１の制御弁又は第２の制御弁はいずれも、逆止弁ではない。第１の逆止弁と第２の逆止弁は、シリンダの第２の端部と物理的に連通する。この第１の逆止弁と第２の逆止弁は、ピストンと流体連通する。圧力調節装置は、ピストンと連通して、ピストンが加える力又はピストンに加わる力の大きさを制御する。また、エネルギー回収装置及び方法も開示する。
【解決手段】このポンプは、第１の端部と第２の端部とを有するシリンダの内面と摺動可能に連通するピストンを含む。第１の制御弁と第２の制御弁は、シリンダの第１の端部と物理的に連通する。この第１の制御弁と第２の制御弁は、ピストンと流体連通する。第１の制御弁又は第２の制御弁はいずれも、逆止弁ではない。第１の逆止弁と第２の逆止弁は、シリンダの第２の端部と物理的に連通する。この第１の逆止弁と第２の逆止弁は、ピストンと流体連通する。圧力調節装置は、ピストンと連通して、ピストンが加える力又はピストンに加わる力の大きさを制御する。また、エネルギー回収装置及び方法も開示する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ポンプに関する実施形態を含む。本発明は、エネルギー回収装置、システム及びその運転方法に関する実施形態を含む。
【背景技術】
【０００２】
圧力交換プロセスにおいて、流体の加圧に伴うコストを回収するため、高圧流体からエネルギーを抽出することがある。これは、半透膜に対して高圧の海水（供給流）を押圧する逆浸透脱塩プロセスでみられることがある。このプロセスでは、供給流の一部分しか淡水にならない。この高圧供給流はある量のエネルギーを依然として伴っているので、そのエネルギー量の少なくとも幾ばくかを回収又は取り戻すように努めることは経済的意義がある。
【０００３】
エネルギー回収は、タービン／圧縮機の組合せによって達成し得る。高圧流体をタービンホイールに衝突させると、モータと機械的連通した軸が駆動される。これに応じて、モータで給水ポンプを作動させる。妥当な効率で運転するために、タービンは高速で作動する。高速は１５０００回転毎分（ｒｐｍ）を超えることがある。高速運転のため、タービン装置と給水ポンプ用モータとの間に減速ギアボックスを取り付けてタービンからの動力を給水ポンプ用モータに効果的に伝達してもよい。タービンと減速ギアボックスの間の軸に高速シールを使用してもよい。
【０００４】
エネルギーを回収するため、エネルギー回収装置は、蒸気ピストンエンジンに類似した装置で高圧供給流が低圧供給流と機械的に接触できるように、容積式移送（positive displacement）を使用し得る。こうした装置には、機械作動弁を有するピストンを含むものがある。水を急に停止又は加速すると、水撃作用が起こることがある。その原因が、プロセスでのピストンの動作が閉弁により停止することである場合もある。流れの圧力又は流量が十分に大きい場合には、水撃作用によって装置が損なわれることもある。
【０００５】
高圧流体は、エネルギー回収のため正確な圧力での補助的ブーストが必要となることがある。そのため、正確なエネルギー回収圧力が達成されるように１以上の追加のポンプを直列に配置することがある。当然、ポンプを追加する毎に望ましくない経済的影響がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開第９３／１６２９７号パンフレット
【特許文献２】国際公開第２００５／０５７７６０号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
こうした現在利用できるシステム又は装置とは異なるシステム又は装置があれば望ましい。現在利用できる方法とは異なる方法があれば望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本願では、本発明の実施形態に係る付勢可能なポンプについて開示する。このポンプは、第１の端部と第２の端部とを有するシリンダの内面と摺動可能に連通するピストンを含む。第１の制御弁と第２の制御弁はシリンダの第１の端部と物理的に連通する。第１の制御弁と第２の制御弁はピストンと流体連通する。第１の制御弁又は第２の制御弁はいずれも逆止弁ではない。第１の逆止弁と第２の逆止弁は、シリンダの第２の端部と物理的に連通する。この第１の逆止弁と第２の逆止弁はピストンと流体連通する。圧力調節装置は、ピストンと連通して、ピストンが加える力又はピストンに加わる力の大きさを制御する。
【０００９】
本願では、膜分離装置と流体連通するポンプを含む濾過システムについて開示する。この膜分離装置は、溶媒から溶質を除去することができる。
【００１０】
本願では、逆止弁ではない第１の制御弁を介して第１の圧力の第１の流体をシリンダ内に排出する段階を含む方法について開示する。シリンダ内のピストンは移動する。ピストンの第１の流体と反対側に配置される、第２の圧力の第２の流体は、シリンダから逆止弁を介して排出される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態に係るポンプの実施形態の図である。
【図２】圧力調節装置を有するポンプの実施形態の図である。
【図３】圧力調節装置が複数の摺動式永久磁石を含み、ピストンが複数の永久磁石を含むポンプの実施形態の図である。
【図４】圧力調節装置がシリンダの周囲に半径方向に配設される単一の摺動式ソレノイドを含み、ピストンが電磁石を含むポンプの実施形態の図である。
【図５】圧力調節装置がシリンダの周囲に軸方向に配設される単一の摺動式ソレノイドを含み、ピストンが電磁石を含むポンプの実施形態の図である。
【図６（ａ）】シリンダの周囲に半径方向に配設される複数の固定式ソレノイドを含む圧力調節装置を有するポンプであって、ピストンが電磁石を含むポンプの実施形態の図である。
【図６（ｂ）】図６（ａ）の対応するソレノイドのパルシング・シーケンスを示すグラフである。
【図７（ａ）】シリンダの周囲に軸方向に配設される複数の固定式ソレノイドを含む圧力調節装置を有するポンプであって、ピストンが電磁石を含むポンプの実施形態の図である。
【図７（ｂ）】図７（ａ）の対応するソレノイドのパルシング・シーケンスを示すグラフである。
【図８】ポンプが直列に接続される一実施形態の図である。
【図９】ポンプが並列に接続される一実施形態の図である。
【図１０】ポンプが膜分離装置と流体連通する濾過システムの一実施形態の図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明は、ポンプに関連する実施形態を含む。本発明は、エネルギー回収装置、システム及びその運転方法に関連する実施形態を含む。本発明の実施形態により、さもなければ浪費されてしまうエネルギーを回収することができる。
【００１３】
本明細書及び特許請求の範囲との全体を通して用いられる近似表現は、数量表現を修飾するために用いられ、許容範囲内で変更すれば関連する基本的な機能の変化を引き起こすことはない。従って、「約」等の用語によって修飾される値は、特定の正確な値に制限されない。場合によっては、この近似表現は、値を測定する計器の精度に対応することがある。
【００１４】
２つの装置間における「作動可能な連通」という用語は、２つの装置が互いに連絡していることをいう。作動可能な連通は、例えば物理的連通、電気的連通、機械的連通、熱的連通（例えば対流）、音響的連通（例えば超音波等）、電磁的連通（例えば紫外放射、光放射等）等である。電気的連通は、２つの装置間における電子の流れを含み、機械的連通は、２つの装置間における物理的接触による（例えば摩擦、付着等による）力の伝達を含む。物理的連通は、２つの装置が、質量又はエネルギーの伝達を伴うことなく互いに連通することができることを示す。なお、互いに動作可能に連通する２つの装置は、互いに２以上の連通状態を有することがあること、すなわち第１の装置が第２の装置と物理的に連通するだけでなく機械的にも連通することもある。
【００１５】
磁気的又は電気的に付勢できるブースターポンプ（以下「付勢可能なポンプ」）を濾過システムで用いて、圧力交換プロセスにおいて加圧流体からエネルギーを抽出することができる。この付勢可能なポンプは、仕事交換器と呼ぶこともできる。一実施形態では、濾過システムを用いて、海水の脱塩時に加圧供給流からエネルギーを抽出することができる。
【００１６】
磁界又は電界により、ピストンの往復運動を制御することができる。このような制御により、さもなければ加圧流体からのエネルギー抽出時に起こり得る水撃作用の効果を低減することができる。こうした水撃作用の低減により、ポンプが配設されることがある濾過システムの寿命を延ばすことができる。また他の実施形態では、磁界又は電界は、圧力交換プロセスで１種以上の流体に補助的エネルギーを供給して、濾過プロセスで用いられることがある膜入口に対する流体の圧力を増大させることができる。
【００１７】
図１を参照すると、付勢可能なポンプ１００は、ピストン４が内部に配置されるシリンダ２を含む。このピストンは、シリンダと摺動可能に連通する。付勢可能なポンプ１００は、複動式である。複動により、ピストンは、流体を対向する移動方向に圧縮することができる。シリンダは、第１の端部８と第２の端部１０とを有する導管６を含む。第１の端部及び第２の端部のいずれもが、それぞれ第１のキャップ１２及び第２のキャップ１４により覆われる。
【００１８】
第１のキャップは、第１のポート１６と第２のポート１８とを形成し、第２のキャップは、第３のポート２０と第４のポート２２とを形成する。第１のポート１６は、第１の制御弁２４と物理的に連通し、第２のポート１８は、第２の制御弁２６と物理的に連通する。第３のポート２０は、第１の逆止弁２８と物理的に連通し、第４のポート２２は、第２の逆止弁３０と物理的に連通する。ピストンは、第１の制御弁２４、第２の制御弁２６、第１の逆止弁２８及び第２の逆止弁３０と流体連通する。
【００１９】
弁制御装置（図示せず）は、第１の制御弁２４又は第２の制御弁２６の開閉を制御する。すなわち、この弁制御装置は、関連する弁を逆に開位置から閉位置に切り替えることができるアクチュエータに信号を送る。一実施形態では、弁制御装置は、コンピュータである。このコンピュータは、本明細書に記載の機能を実行するようにプログラムされ、本明細書では、コンピュータという用語は、当該技術分野においてコンピュータと呼ばれる集積回路のみに制限されるのではなく、幅広くコンピュータ、処理装置、マイクロコントローラ、マイクロコンピュータ、プログラマブル論理制御装置、特定用途向け集積回路及びその他のプログラム可能回路等を指す。
【００２０】
第１の制御弁２４と第２の制御弁２６は、弁制御装置からの信号に応答してアクチュエータ機構により作動する作動弁でよい。一実施形態では、第１の制御弁２４又は第２の制御弁２６のいずれもが逆止弁ではない。弁を作動させる段階は、弁を開位置から閉位置に切り替える段階を含む。弁制御装置により作動することができる適切な弁の例は、ボール弁、バタフライ弁、仕切弁、スルース弁等である。一実施形態では、第１の制御弁２４と第２の制御弁２６とのいずれもがバタフライ弁である。適切なアクチュエータは、例えばソレノイドであってもよい。
【００２１】
図１に示すように、圧力制御装置又は圧力調節装置３２は、シリンダの外側に配設されるとともに、ピストンと動作可能に連通する。この圧力制御装置は、ピストンが加える力又はピストンに加わる力の大きさを制御する。適切な圧力調節装置は、電気装置、磁気装置、電磁装置でよい。圧力調節装置は、シリンダに近接して配設可能である。一実施形態では、圧力調節装置は、導管の周囲又は周縁部のまわりに配設される。一実施形態では、圧力調節装置は、導管のまわりに全体的又は部分的に同心状に配設される。
【００２２】
適切な導管は、円形、三角形、長方形、正方形又は多角形であってもよい断面形状を有することができる。この断面形状は、ピストンの移動方向に対して垂直をなす方向に測定される。曲面と平面とを組み合わせて、導管の断面形状を形成することができる。ピストンの断面形状は、シリンダの断面形状に対応し、従って上記の形状のひとつを有することができる。
【００２３】
ピストンは、流体と連通するピストンの一方の面において、流体と連通するピストンの反対側の面と比べて異なる断面積を有していてもよい。一実施形態では、ピストンの一方の面は、接続ロッド（図示せず）と動作可能に連通していてもよい。この接続ロッドは、回転クランク軸（図示せず）と動作可能に連通していてもよく、これによってピストンとシリンダとの摺動可能な連通が促進される。クランク軸とピストンとの作動可能な連通は、機械的連通であってもよい。
【００２４】
一実施形態では、圧力調節装置は、第１の制御弁２４、第２の制御弁２６、第１の逆止弁２８又は第２の逆止弁３０と同期して作動することができる。また他の実施形態では、圧力調節装置は、第１の制御弁２４のみ又は第２の制御弁２６のみと同期して作動することができる。また他の実施形態では、圧力調節装置は、第１の制御弁２４、第２の制御弁２６、第１の逆止弁２８又は第２の逆止弁３０と無関係に作動することができる。
【００２５】
付勢可能なポンプ１００のある運転モードにおいて、弁制御装置（図示せず）は、アクチュエータに信号を送って第１の制御弁を開き、第１の圧力の第１の流体がシリンダに流入するようにする。第１の流体がシリンダ内に流入することにより、ピストンは、第２の端部から第１の端部へ移動する。第２の流体は、ピストンの第１の流体とは反対側に配置される。ピストンが第２の端部から第１の端部に移動することにより、ピストンの前方においてシリンダ内の第２の流体が圧縮される。第１の端部へ向かうピストンの移動は、圧力調節装置によって補助又は促進し得る。
【００２６】
シリンダ内において第２の流体が加圧されることにより、第１の逆止弁２８が開き、これによって第２の流体（ピストンと第１の端部との間にある流体）は、シリンダから第２の圧力で排出される。第２の流体がシリンダから排出されるときに、第１の逆止弁２８と第１の制御弁２４との両方が弁制御装置により閉弁し得る。第１の逆止弁２８と第１の制御弁２４の開閉は、実質的に同時に行われる一方で、互いに独立して制御し得る。
【００２７】
第２の流体がシリンダから第１の逆止弁２８を介して排出されるときに、第２の逆止弁３０が開き、第３の流体をシリンダ内に流入させる。この第３の流体は、第２の圧力より低くてもよい第３の圧力を有する。この第３の圧力は、略第１の圧力と比べて大きくても、同等でも、また小さくてもよい。第３の流体がシリンダ内に第２の逆止弁３０を介して流入することにより、第２の端部へピストンが逆移動する。第２の制御弁２６は、このピストンの逆移動時に開き、ピストンの前方の第４の流体をシリンダから排出させる。この第４の流体は、ピストンの第３の流体と反対側に配置し得る。第４の流体は、第１の流体又は第３の流体と同じものでも異なるものでもよい。一実施形態では、第４の圧力は、第１の圧力より低い。第４の圧力は、第１の圧力、第２の圧力又は第３の圧力より小さくてもよい。
【００２８】
第２の圧力は、略第１の圧力以上であってもよい。第３の圧力は略第４の圧力以上であってもよい。第３の圧力は、第１の圧力と比べて大きくても、同等でも、また小さくてもよい。一実施形態では、第３の圧力は、第１の圧力より低い。
【００２９】
第１、第２、第３及び第４の流体は、いずれも同じであってもよい。しかし、一部の実施形態では、これらの流体の組成的構成は互いに異なる。少なくともある実施形態では、ある流体は脱塩装置への供給流であり、他の流体は、脱塩装置から出力されるブライン（塩水）又は希釈水のいずれかである。
【００３０】
第４の流体がシリンダから排出されるときに、第２の逆止弁３０と第２の制御弁２６を閉じてもよい。弁制御装置は、第２の制御弁２６の開閉を制御できる。すなわち、弁制御装置は、第２の制御弁２６を逆に開位置から閉位置に切り替えることができるアクチュエータに信号を送ることができる。第２の逆止弁３０と第２の制御弁２６の開閉は、実質的に同時に行われる一方で、独立的にも行われる。ピストンの逆移動時に、弁制御装置を作動させて、流体のポンピングを促進させることができる。付勢可能なポンプは、第１の加圧流体からエネルギーを抽出するとともに、このエネルギーを第２の加圧流体に伝達することができる。シリンダ内におけるピストンの往復（摺動）運動は、磁界又は電界のいずれかによって制御できる。
【００３１】
適切なピストンは、永久磁石又は電磁石を含むものであってもよい。ピストンの製造に使用することができる適切な材料には、鉄、コバルト、ニッケル、モリブデン、チタン、バナジウム、コバルト合金、鉄合金、ニッケル合金等が例示できる。
【００３２】
例証的な一実施形態では、ピストンは、耐食性コーティング層（図示せず）を用いて被覆される。耐食性コーティングにより、ピストンが接触することがある塩分及びその他の化学物質による劣化からピストンは保護される。同様に、シリンダを形成する内面は、耐食性コーティングを用いて被覆してもよい。耐食性コーティングは、金属、セラミック又は有機ポリマーでよい。一実施形態では、耐食性コーティングは有機ポリマーを含む。耐食性コーティングに使用できる適切な有機ポリマーとしては、ポリシロキサン、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリオレフィン、ポリエステル、ポリアクリレート、ポリウレタン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリスルホン、ポリエーテルケトンケトン等がある。その他の適切なポリマーは、前述のポリマーの誘導体又は混合物がある。例えば、適切なハロゲン化ポリオレフィンは、ポリテトラフルオロエチレン又はポリ塩化ビニリデンを含む。
【００３３】
上述のように、圧力調節装置は、磁界又は電界によりピストンの移動を制御することができる。図２〜７に、圧力調節装置のさまざまな実施形態と、これらを用いてピストンの移動を制御する方法とを示す。
【００３４】
図２及び３において、ピストンは、永久磁石であってもよく、圧力調節装置も、外部装置（図示せず）により作動する永久磁石であってもよい。図２は、ピストンと圧力調節装置と単一の永久磁石を含む付勢可能なポンプの例である。図３は、ピストンと圧力制御装置とのいずれもが複数の永久磁石を含む付勢可能なポンプの例である。図２及び３において、ピストンの移動は、ピストンと磁気的に連通する外部磁石の移動に従動するか、又は該移動により制御し得る。
【００３５】
図４及び５において、ピストンは電磁石を含む。この電磁石は、電流がソレノイドを通ることによって作動する。この場合、圧力制御装置は、単一のソレノイドであってもよい。ソレノイドのコイルは、図４に示すようにシリンダの周囲に半径方向に配置されるように構成可能であり、又は図５に示すようにシリンダの周囲に軸方向に配置可能である。図４及び５において、ソレノイドの移動により、ピストンの移動を制御することができる。図２及び３において外部磁石の移動を容易にするために用いられるものと同様の外部装置により、ソレノイドの移動を行うことができる。ソレノイドの移動時に、電流は同時にコイルを通過することができる。電流は、ソレノイドのまわりにおいて磁界を作り出し、これによりシリンダが電磁石に変換される。シリンダが電磁石に変換され、ソレノイドを移動させることができると、ソレノイドとともにピストンも移動する。
【００３６】
図６及び７に、複数の固定式ソレノイドがシリンダのまわりに配置される付勢可能なポンプの構成を示す。図６（ａ）は、複数の固定式ソレノイドがシリンダの周囲に半径方向に配置される構成図であり、図７（ａ）は、複数の固定式ソレノイドがシリンダの周囲に軸方向に配置される構成図である。複数のソレノイドは、互いに直接電気的に連通していない。図６（ａ）及び７（ａ）のいずれにおいても、シリンダは電磁石である。
【００３７】
ある運転モードにおいて、電流は、それぞれ図６（ａ）及び７（ａ）に示す隣接するソレノイドを介して連続的にパルス化されてもよい。図６（ｂ）及び７（ｂ）は、それぞれ図６（ａ）及び７（ａ）に示す対応するコイルを介した電流の連続的なパルス化を示すグラフである。隣接するソレノイドを介した電流の連続的なパルス化により、ピストンの移動が促進される。
【００３８】
付勢可能なポンプは、異なる構成で使用し得る。図８に示す実施形態では、付勢可能なポンプ２００、３００、・・・ｎは、各ポンプからの第２の加圧流体（最高加圧出力）が後続の付勢可能なポンプに対する第１の加圧流体（入力）となるように直列に配設することができる。これにより、直列配設のいずれかの付勢可能なポンプの第２の加圧流体（Δｐ）を先行する各々の付勢可能なポンプからの第２の加圧流体圧力の総和（ΣΔｐｉ）とすることできる。
【００３９】
図９に示す実施形態では、付勢可能なポンプ２００、３００、・・・ｎは、各々の付勢可能なポンプからの第２の加圧流体が共通の管内に排出されて単一の出力２０２となるように、並列に配設可能である。このような構成は、大体積の加圧流体からエネルギーを抽出するために使用できる。並列の付勢可能なポンプの個数は、エネルギーを抽出することが望まれる加圧流体の体積に比例する行程容積を有することができる。このため、一連の付勢可能なポンプから排出される総体積（又は質量）を、この構成に含まれる各々の付勢可能なポンプの行程容積（又は質量）の総和（Σｍ´ｉ）に等しくすることができる。一実施形態では、ピストンは、互いに同位相で移動する。また他の実施形態では、ピストンは、互いに位相はずれで移動する。
【００４０】
付勢可能なポンプは、図１０に示すような濾過システム１０００で使用できる。この濾過システムは、供給流側１２００と濃縮水側１４００とを含む。図１０に示すように、供給流側１２００は、切断線ＸＸの左（図に向かって）に位置し、濃縮水側１４００は、切断線ＸＸの右に位置する。
【００４１】
図１０において、濾過システムは、供給流側に、いずれも互い及びメンブレンフィルター１００６と流体連通し得る第１のポンプ１００２と任意の第２のポンプ１００４とを含む。第１のポンプ１００２と任意の第２のポンプ１００４は、付勢可能なポンプとも流体連通していてもよい。一実施形態では、第１のポンプ１００２と任意の第２のポンプ１００４は、さらにまた、少なくとも１つが付勢可能なポンプであってもよい複数のポンプと流体連通していてもよい。また他の実施形態では、第１のポンプ１００２と任意の第２のポンプ１００４は、さらにまた、複数の付勢可能なポンプと流体連通していてもよい。
【００４２】
付勢可能なポンプは、メンブレンフィルター１００６と流体連通していてもよい。第１の付勢可能なポンプ１００と第２の付勢可能なポンプ２００は、それぞれの逆止弁１２８、１３０、２２８及び２３０を線ＸＸの供給流側１２００にもつように配設し得る。第１の付勢可能なポンプは、第１のシリンダ１０２と摺動可能に連通して配設される第１のピストン１０４を含み、第２の付勢可能なポンプは、第２のシリンダと摺動可能に連通して配設される第２のピストンを含む。それぞれの制御弁１２４、１２６、２２４及び２２６は、線ＸＸの濃縮水側１４００に配設し得る。メンブレンフィルター１００６は、第１の付勢可能なポンプ１００及び第２の付勢可能なポンプ２００とそれぞれ制御弁１２４、２２４を介して流体連通することができる。制御弁１２６及び２２６は、低圧濃縮水出口２５４と流体連通することができる。
【００４３】
第１のポンプ１００２及び第２のポンプ１００４は、歯車ポンプである。また他の実施形態におけるその他の適切なポンプは、遠心ポンプ、回転ポンプ、プランジャポンプ等とすることができる。第２のポンプ１００４は、供給流を約０．１〜約０．２メガパスカルの圧力に加圧する低圧ポンプであってもよい。第１のポンプ１００２は、供給流に対する圧力を高める高圧ポンプであってもよい。圧力の増加は、約５０００メガパスカル（ＭＰａ）以上の大きさとし得る。一実施形態では、圧力の増加は、約５０００ＭＰａ〜約６０００ＭＰａの範囲、約６０００ＭＰａ〜約７５００ＭＰａ又は約７５００ＭＰａより大きい。任意のポンプにより、逆止弁１２８、２２８からメンブレンフィルター１００６に流れる水に圧力ブーストを加えることによって供給流側の流体圧力を補うことができる。
【００４４】
この濾過システムを用いて溶質を溶媒から分離させることができる。この濾過システムは、塩水を脱塩することができる。脱塩プロセスにおいて、供給流溶液は、メンブレンフィルターにより、透過水と濃縮水とに分離できる。供給流溶液が海水である場合は、透過水を水にすることができ、濃縮水をブラインにすることができる。メンブレンフィルターは、供給流の脱塩を容易にして、透過水（海水より塩分含有量が少ない水）と濃縮水（海水より塩分含有量が多くなることがあるブライン溶液）を製造する。
【００４５】
ある運転モードにおいて、第１のポンプ１００２は、メンブレンフィルター１００６の方へ供給流を排出する。供給流の一部は、メンブレンフィルター１００６で濾過を受けると、透過水に変換でき、残りの供給流は、濃縮水に変換されるとともに、第１の制御弁１２４の開弁時に第１の付勢可能なポンプ内に排出できる。弁制御装置（図示せず）は、制御弁１２４、１２６、２２４及び２２６の開閉を互いに独立して、又はそれが望ましい場合は互いに何らかの関係をもたせて制御することができる。
【００４６】
第１の圧力の加圧濃縮水が第１の付勢可能なポンプ１００のシリンダに流入する際、それぞれの圧力調節装置が作動して、第１のピストン１０４が第１の逆止弁１２８の方へ移動するときに、この第１のピストンに対する力を増大させる。この第１のピストン１０４に対する力の増大は、第１のピストン１０４と第１の逆止弁１２８との間の供給流に加わる圧力を第２の圧力に増加させる。この第２の圧力は、第１の圧力より大きくてもよい。供給流は、第１の逆止弁１２８を介して排出されると、メンブレンフィルター１００６へ導かれて濾過を受けるとともに、透過水及び濃縮水である水流となることができる。
【００４７】
第１の付勢可能なポンプ１００は、供給流に対する圧力を増大させ、脱塩プロセスの効率を高める。加えて、圧力調節装置を介してピストンに加えられる力を調節することにより、水撃作用を最小限に抑えることができる。
【００４８】
第２の圧力の供給流が第１の付勢可能なポンプ１００のシリンダから排出されると、第３の圧力の低圧供給流を、第２の逆止弁１３０を介して第１の付勢可能なポンプのシリンダ内に引き込むことができる。この低圧供給流は、ピストンを逆止弁１２８、１３０から離れる方向に制御弁１２４、１２６の方へ付勢して、濃縮水をシリンダから第４の圧力で低圧濃縮水出口２５４内へ排出する。
【００４９】
図１０に示す実施形態では、第１の付勢可能なポンプの第１のピストン１０４は、制御弁から逆止弁の方へと第１の方向に移動して供給流を排出し、第２の付勢可能なポンプ２００の第２のピストン２０４は、逆止弁から制御弁の方へと第２の方向に移動する。この第２の方向は、第１の方向と反対であってもよい。すなわち、第１の付勢可能なポンプ１００と第２の付勢可能なポンプ２００は非同期的に動作して、第１の付勢可能なポンプ１００は供給流を第２の圧力に加圧することができ、第２の付勢可能なポンプ２００は、第４の圧力の低圧濃縮水を低圧濃縮水出口２５４に排出することができるようになっている。また、第２の付勢可能なポンプ２００は、供給流を第１の圧力に加圧することができ、第１の付勢可能なポンプ１００は、第４の圧力の低圧濃縮水を低圧濃縮水出口２５４に排出することができる。
【００５０】
図１０を参照すると、濾過システム１０００は、２つの付勢可能なポンプ１００、２００を含む。これらの付勢可能なポンプが第１のポンプ１００２及びメンブレンフィルター１００６と連通可能である場合は、各ポンプのピストンは、それぞれ互いに同位相で作動する。一実施形態では、それぞれのピストン１０４、２０４は、互いに１８０度の位相はずれで作動する。第１のピストン１０４は、自身の移動の一方の終点に位置して、付勢可能なポンプ１００内の全供給流をメンブレンフィルター１００６に排出し終えており、ピストン２０４は、自身の移動の反対側の終点に位置して、全部の濃縮水を低圧濃縮水出口２５４に排出し終えている。ピストン２０４は、いずれの方向にも自身の移動の中間点に位置することができ、従って供給流をメンブレンフィルター１００６に排出し、又は濃縮水を低圧濃縮水出口２５４の方へ排出することができる。
【００５１】
また他の実施形態では、濾過システムは、３個以上の付勢可能なポンプを含んでいてもよく、少なくとも２つのポンプは、メンブレンフィルターへ向かう供給流と連通していてもよい。複数のポンプの内の１以上は、その他のポンプの少なくとも１つと位相はずれで作動する。一実施形態では、ポンプは互いに１２０度の位相はずれで作動する。複数の濾過システムを互いに並列に配設することができる。この構成により、ある期間で相対的により大量の供給流を脱塩することが可能になる。
【００５２】
付勢可能なポンプは、供給流に供給される圧力ブーストの大きさを変動させることができる。このポンプは、水撃作用の効果を最小限又は皆無にして、弁及びその他の機器のメンテナンスに用いられるダウンタイムを減少させることができる。これにより、サイクル時間と生産性の向上が容易となる。加えて、濾過システムで付勢可能なポンプを用いることにより、使用する必要があるその他の種類のポンプの個数（例えば遠心ポンプ、歯車ポンプ、回転ポンプ、プランジャポンプ等）が減少する。ある実施形態に係るシステムは、単一の第１のポンプ１００２のみを用いることにより機能を果たすことができ、このため、新しい機器の費用が節減されるだけでなく、長期的なメンテナンスの費用も節減される。
【００５３】
本明細書に開示した実施形態は、添付の特許請求の範囲に述べる本発明に関連する要素を含む構成、システム、及び方法の例である。本明細書の詳細な説明により、特許請求の範囲に記載の構成要素に相当する代替的な実施形態を作製すること及び使用することが、当業者には可能となる。従って、本発明は、特許請求の範囲に記載の文言と相違ない構造、システム、及び方法、さらには特許請求の範囲に記載の文言が示す内容と殆ど異ならない構造、システム、及び方法を包含する。本明細書では、特定の特徴及び実施形態についてのみ図示し説明してきたが、多様な修正及び変更が当業者には想起可能である。添付の特許請求の範囲は、かかる全ての修正及び変更を含む。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ポンプに関する実施形態を含む。本発明は、エネルギー回収装置、システム及びその運転方法に関する実施形態を含む。
【背景技術】
【０００２】
圧力交換プロセスにおいて、流体の加圧に伴うコストを回収するため、高圧流体からエネルギーを抽出することがある。これは、半透膜に対して高圧の海水（供給流）を押圧する逆浸透脱塩プロセスでみられることがある。このプロセスでは、供給流の一部分しか淡水にならない。この高圧供給流はある量のエネルギーを依然として伴っているので、そのエネルギー量の少なくとも幾ばくかを回収又は取り戻すように努めることは経済的意義がある。
【０００３】
エネルギー回収は、タービン／圧縮機の組合せによって達成し得る。高圧流体をタービンホイールに衝突させると、モータと機械的連通した軸が駆動される。これに応じて、モータで給水ポンプを作動させる。妥当な効率で運転するために、タービンは高速で作動する。高速は１５０００回転毎分（ｒｐｍ）を超えることがある。高速運転のため、タービン装置と給水ポンプ用モータとの間に減速ギアボックスを取り付けてタービンからの動力を給水ポンプ用モータに効果的に伝達してもよい。タービンと減速ギアボックスの間の軸に高速シールを使用してもよい。
【０００４】
エネルギーを回収するため、エネルギー回収装置は、蒸気ピストンエンジンに類似した装置で高圧供給流が低圧供給流と機械的に接触できるように、容積式移送（positive displacement）を使用し得る。こうした装置には、機械作動弁を有するピストンを含むものがある。水を急に停止又は加速すると、水撃作用が起こることがある。その原因が、プロセスでのピストンの動作が閉弁により停止することである場合もある。流れの圧力又は流量が十分に大きい場合には、水撃作用によって装置が損なわれることもある。
【０００５】
高圧流体は、エネルギー回収のため正確な圧力での補助的ブーストが必要となることがある。そのため、正確なエネルギー回収圧力が達成されるように１以上の追加のポンプを直列に配置することがある。当然、ポンプを追加する毎に望ましくない経済的影響がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開第９３／１６２９７号パンフレット
【特許文献２】国際公開第２００５／０５７７６０号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
こうした現在利用できるシステム又は装置とは異なるシステム又は装置があれば望ましい。現在利用できる方法とは異なる方法があれば望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本願では、本発明の実施形態に係る付勢可能なポンプについて開示する。このポンプは、第１の端部と第２の端部とを有するシリンダの内面と摺動可能に連通するピストンを含む。第１の制御弁と第２の制御弁はシリンダの第１の端部と物理的に連通する。第１の制御弁と第２の制御弁はピストンと流体連通する。第１の制御弁又は第２の制御弁はいずれも逆止弁ではない。第１の逆止弁と第２の逆止弁は、シリンダの第２の端部と物理的に連通する。この第１の逆止弁と第２の逆止弁はピストンと流体連通する。圧力調節装置は、ピストンと連通して、ピストンが加える力又はピストンに加わる力の大きさを制御する。
【０００９】
本願では、膜分離装置と流体連通するポンプを含む濾過システムについて開示する。この膜分離装置は、溶媒から溶質を除去することができる。
【００１０】
本願では、逆止弁ではない第１の制御弁を介して第１の圧力の第１の流体をシリンダ内に排出する段階を含む方法について開示する。シリンダ内のピストンは移動する。ピストンの第１の流体と反対側に配置される、第２の圧力の第２の流体は、シリンダから逆止弁を介して排出される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態に係るポンプの実施形態の図である。
【図２】圧力調節装置を有するポンプの実施形態の図である。
【図３】圧力調節装置が複数の摺動式永久磁石を含み、ピストンが複数の永久磁石を含むポンプの実施形態の図である。
【図４】圧力調節装置がシリンダの周囲に半径方向に配設される単一の摺動式ソレノイドを含み、ピストンが電磁石を含むポンプの実施形態の図である。
【図５】圧力調節装置がシリンダの周囲に軸方向に配設される単一の摺動式ソレノイドを含み、ピストンが電磁石を含むポンプの実施形態の図である。
【図６（ａ）】シリンダの周囲に半径方向に配設される複数の固定式ソレノイドを含む圧力調節装置を有するポンプであって、ピストンが電磁石を含むポンプの実施形態の図である。
【図６（ｂ）】図６（ａ）の対応するソレノイドのパルシング・シーケンスを示すグラフである。
【図７（ａ）】シリンダの周囲に軸方向に配設される複数の固定式ソレノイドを含む圧力調節装置を有するポンプであって、ピストンが電磁石を含むポンプの実施形態の図である。
【図７（ｂ）】図７（ａ）の対応するソレノイドのパルシング・シーケンスを示すグラフである。
【図８】ポンプが直列に接続される一実施形態の図である。
【図９】ポンプが並列に接続される一実施形態の図である。
【図１０】ポンプが膜分離装置と流体連通する濾過システムの一実施形態の図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明は、ポンプに関連する実施形態を含む。本発明は、エネルギー回収装置、システム及びその運転方法に関連する実施形態を含む。本発明の実施形態により、さもなければ浪費されてしまうエネルギーを回収することができる。
【００１３】
本明細書及び特許請求の範囲との全体を通して用いられる近似表現は、数量表現を修飾するために用いられ、許容範囲内で変更すれば関連する基本的な機能の変化を引き起こすことはない。従って、「約」等の用語によって修飾される値は、特定の正確な値に制限されない。場合によっては、この近似表現は、値を測定する計器の精度に対応することがある。
【００１４】
２つの装置間における「作動可能な連通」という用語は、２つの装置が互いに連絡していることをいう。作動可能な連通は、例えば物理的連通、電気的連通、機械的連通、熱的連通（例えば対流）、音響的連通（例えば超音波等）、電磁的連通（例えば紫外放射、光放射等）等である。電気的連通は、２つの装置間における電子の流れを含み、機械的連通は、２つの装置間における物理的接触による（例えば摩擦、付着等による）力の伝達を含む。物理的連通は、２つの装置が、質量又はエネルギーの伝達を伴うことなく互いに連通することができることを示す。なお、互いに動作可能に連通する２つの装置は、互いに２以上の連通状態を有することがあること、すなわち第１の装置が第２の装置と物理的に連通するだけでなく機械的にも連通することもある。
【００１５】
磁気的又は電気的に付勢できるブースターポンプ（以下「付勢可能なポンプ」）を濾過システムで用いて、圧力交換プロセスにおいて加圧流体からエネルギーを抽出することができる。この付勢可能なポンプは、仕事交換器と呼ぶこともできる。一実施形態では、濾過システムを用いて、海水の脱塩時に加圧供給流からエネルギーを抽出することができる。
【００１６】
磁界又は電界により、ピストンの往復運動を制御することができる。このような制御により、さもなければ加圧流体からのエネルギー抽出時に起こり得る水撃作用の効果を低減することができる。こうした水撃作用の低減により、ポンプが配設されることがある濾過システムの寿命を延ばすことができる。また他の実施形態では、磁界又は電界は、圧力交換プロセスで１種以上の流体に補助的エネルギーを供給して、濾過プロセスで用いられることがある膜入口に対する流体の圧力を増大させることができる。
【００１７】
図１を参照すると、付勢可能なポンプ１００は、ピストン４が内部に配置されるシリンダ２を含む。このピストンは、シリンダと摺動可能に連通する。付勢可能なポンプ１００は、複動式である。複動により、ピストンは、流体を対向する移動方向に圧縮することができる。シリンダは、第１の端部８と第２の端部１０とを有する導管６を含む。第１の端部及び第２の端部のいずれもが、それぞれ第１のキャップ１２及び第２のキャップ１４により覆われる。
【００１８】
第１のキャップは、第１のポート１６と第２のポート１８とを形成し、第２のキャップは、第３のポート２０と第４のポート２２とを形成する。第１のポート１６は、第１の制御弁２４と物理的に連通し、第２のポート１８は、第２の制御弁２６と物理的に連通する。第３のポート２０は、第１の逆止弁２８と物理的に連通し、第４のポート２２は、第２の逆止弁３０と物理的に連通する。ピストンは、第１の制御弁２４、第２の制御弁２６、第１の逆止弁２８及び第２の逆止弁３０と流体連通する。
【００１９】
弁制御装置（図示せず）は、第１の制御弁２４又は第２の制御弁２６の開閉を制御する。すなわち、この弁制御装置は、関連する弁を逆に開位置から閉位置に切り替えることができるアクチュエータに信号を送る。一実施形態では、弁制御装置は、コンピュータである。このコンピュータは、本明細書に記載の機能を実行するようにプログラムされ、本明細書では、コンピュータという用語は、当該技術分野においてコンピュータと呼ばれる集積回路のみに制限されるのではなく、幅広くコンピュータ、処理装置、マイクロコントローラ、マイクロコンピュータ、プログラマブル論理制御装置、特定用途向け集積回路及びその他のプログラム可能回路等を指す。
【００２０】
第１の制御弁２４と第２の制御弁２６は、弁制御装置からの信号に応答してアクチュエータ機構により作動する作動弁でよい。一実施形態では、第１の制御弁２４又は第２の制御弁２６のいずれもが逆止弁ではない。弁を作動させる段階は、弁を開位置から閉位置に切り替える段階を含む。弁制御装置により作動することができる適切な弁の例は、ボール弁、バタフライ弁、仕切弁、スルース弁等である。一実施形態では、第１の制御弁２４と第２の制御弁２６とのいずれもがバタフライ弁である。適切なアクチュエータは、例えばソレノイドであってもよい。
【００２１】
図１に示すように、圧力制御装置又は圧力調節装置３２は、シリンダの外側に配設されるとともに、ピストンと動作可能に連通する。この圧力制御装置は、ピストンが加える力又はピストンに加わる力の大きさを制御する。適切な圧力調節装置は、電気装置、磁気装置、電磁装置でよい。圧力調節装置は、シリンダに近接して配設可能である。一実施形態では、圧力調節装置は、導管の周囲又は周縁部のまわりに配設される。一実施形態では、圧力調節装置は、導管のまわりに全体的又は部分的に同心状に配設される。
【００２２】
適切な導管は、円形、三角形、長方形、正方形又は多角形であってもよい断面形状を有することができる。この断面形状は、ピストンの移動方向に対して垂直をなす方向に測定される。曲面と平面とを組み合わせて、導管の断面形状を形成することができる。ピストンの断面形状は、シリンダの断面形状に対応し、従って上記の形状のひとつを有することができる。
【００２３】
ピストンは、流体と連通するピストンの一方の面において、流体と連通するピストンの反対側の面と比べて異なる断面積を有していてもよい。一実施形態では、ピストンの一方の面は、接続ロッド（図示せず）と動作可能に連通していてもよい。この接続ロッドは、回転クランク軸（図示せず）と動作可能に連通していてもよく、これによってピストンとシリンダとの摺動可能な連通が促進される。クランク軸とピストンとの作動可能な連通は、機械的連通であってもよい。
【００２４】
一実施形態では、圧力調節装置は、第１の制御弁２４、第２の制御弁２６、第１の逆止弁２８又は第２の逆止弁３０と同期して作動することができる。また他の実施形態では、圧力調節装置は、第１の制御弁２４のみ又は第２の制御弁２６のみと同期して作動することができる。また他の実施形態では、圧力調節装置は、第１の制御弁２４、第２の制御弁２６、第１の逆止弁２８又は第２の逆止弁３０と無関係に作動することができる。
【００２５】
付勢可能なポンプ１００のある運転モードにおいて、弁制御装置（図示せず）は、アクチュエータに信号を送って第１の制御弁を開き、第１の圧力の第１の流体がシリンダに流入するようにする。第１の流体がシリンダ内に流入することにより、ピストンは、第２の端部から第１の端部へ移動する。第２の流体は、ピストンの第１の流体とは反対側に配置される。ピストンが第２の端部から第１の端部に移動することにより、ピストンの前方においてシリンダ内の第２の流体が圧縮される。第１の端部へ向かうピストンの移動は、圧力調節装置によって補助又は促進し得る。
【００２６】
シリンダ内において第２の流体が加圧されることにより、第１の逆止弁２８が開き、これによって第２の流体（ピストンと第１の端部との間にある流体）は、シリンダから第２の圧力で排出される。第２の流体がシリンダから排出されるときに、第１の逆止弁２８と第１の制御弁２４との両方が弁制御装置により閉弁し得る。第１の逆止弁２８と第１の制御弁２４の開閉は、実質的に同時に行われる一方で、互いに独立して制御し得る。
【００２７】
第２の流体がシリンダから第１の逆止弁２８を介して排出されるときに、第２の逆止弁３０が開き、第３の流体をシリンダ内に流入させる。この第３の流体は、第２の圧力より低くてもよい第３の圧力を有する。この第３の圧力は、略第１の圧力と比べて大きくても、同等でも、また小さくてもよい。第３の流体がシリンダ内に第２の逆止弁３０を介して流入することにより、第２の端部へピストンが逆移動する。第２の制御弁２６は、このピストンの逆移動時に開き、ピストンの前方の第４の流体をシリンダから排出させる。この第４の流体は、ピストンの第３の流体と反対側に配置し得る。第４の流体は、第１の流体又は第３の流体と同じものでも異なるものでもよい。一実施形態では、第４の圧力は、第１の圧力より低い。第４の圧力は、第１の圧力、第２の圧力又は第３の圧力より小さくてもよい。
【００２８】
第２の圧力は、略第１の圧力以上であってもよい。第３の圧力は略第４の圧力以上であってもよい。第３の圧力は、第１の圧力と比べて大きくても、同等でも、また小さくてもよい。一実施形態では、第３の圧力は、第１の圧力より低い。
【００２９】
第１、第２、第３及び第４の流体は、いずれも同じであってもよい。しかし、一部の実施形態では、これらの流体の組成的構成は互いに異なる。少なくともある実施形態では、ある流体は脱塩装置への供給流であり、他の流体は、脱塩装置から出力されるブライン（塩水）又は希釈水のいずれかである。
【００３０】
第４の流体がシリンダから排出されるときに、第２の逆止弁３０と第２の制御弁２６を閉じてもよい。弁制御装置は、第２の制御弁２６の開閉を制御できる。すなわち、弁制御装置は、第２の制御弁２６を逆に開位置から閉位置に切り替えることができるアクチュエータに信号を送ることができる。第２の逆止弁３０と第２の制御弁２６の開閉は、実質的に同時に行われる一方で、独立的にも行われる。ピストンの逆移動時に、弁制御装置を作動させて、流体のポンピングを促進させることができる。付勢可能なポンプは、第１の加圧流体からエネルギーを抽出するとともに、このエネルギーを第２の加圧流体に伝達することができる。シリンダ内におけるピストンの往復（摺動）運動は、磁界又は電界のいずれかによって制御できる。
【００３１】
適切なピストンは、永久磁石又は電磁石を含むものであってもよい。ピストンの製造に使用することができる適切な材料には、鉄、コバルト、ニッケル、モリブデン、チタン、バナジウム、コバルト合金、鉄合金、ニッケル合金等が例示できる。
【００３２】
例証的な一実施形態では、ピストンは、耐食性コーティング層（図示せず）を用いて被覆される。耐食性コーティングにより、ピストンが接触することがある塩分及びその他の化学物質による劣化からピストンは保護される。同様に、シリンダを形成する内面は、耐食性コーティングを用いて被覆してもよい。耐食性コーティングは、金属、セラミック又は有機ポリマーでよい。一実施形態では、耐食性コーティングは有機ポリマーを含む。耐食性コーティングに使用できる適切な有機ポリマーとしては、ポリシロキサン、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリオレフィン、ポリエステル、ポリアクリレート、ポリウレタン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリスルホン、ポリエーテルケトンケトン等がある。その他の適切なポリマーは、前述のポリマーの誘導体又は混合物がある。例えば、適切なハロゲン化ポリオレフィンは、ポリテトラフルオロエチレン又はポリ塩化ビニリデンを含む。
【００３３】
上述のように、圧力調節装置は、磁界又は電界によりピストンの移動を制御することができる。図２〜７に、圧力調節装置のさまざまな実施形態と、これらを用いてピストンの移動を制御する方法とを示す。
【００３４】
図２及び３において、ピストンは、永久磁石であってもよく、圧力調節装置も、外部装置（図示せず）により作動する永久磁石であってもよい。図２は、ピストンと圧力調節装置と単一の永久磁石を含む付勢可能なポンプの例である。図３は、ピストンと圧力制御装置とのいずれもが複数の永久磁石を含む付勢可能なポンプの例である。図２及び３において、ピストンの移動は、ピストンと磁気的に連通する外部磁石の移動に従動するか、又は該移動により制御し得る。
【００３５】
図４及び５において、ピストンは電磁石を含む。この電磁石は、電流がソレノイドを通ることによって作動する。この場合、圧力制御装置は、単一のソレノイドであってもよい。ソレノイドのコイルは、図４に示すようにシリンダの周囲に半径方向に配置されるように構成可能であり、又は図５に示すようにシリンダの周囲に軸方向に配置可能である。図４及び５において、ソレノイドの移動により、ピストンの移動を制御することができる。図２及び３において外部磁石の移動を容易にするために用いられるものと同様の外部装置により、ソレノイドの移動を行うことができる。ソレノイドの移動時に、電流は同時にコイルを通過することができる。電流は、ソレノイドのまわりにおいて磁界を作り出し、これによりシリンダが電磁石に変換される。シリンダが電磁石に変換され、ソレノイドを移動させることができると、ソレノイドとともにピストンも移動する。
【００３６】
図６及び７に、複数の固定式ソレノイドがシリンダのまわりに配置される付勢可能なポンプの構成を示す。図６（ａ）は、複数の固定式ソレノイドがシリンダの周囲に半径方向に配置される構成図であり、図７（ａ）は、複数の固定式ソレノイドがシリンダの周囲に軸方向に配置される構成図である。複数のソレノイドは、互いに直接電気的に連通していない。図６（ａ）及び７（ａ）のいずれにおいても、シリンダは電磁石である。
【００３７】
ある運転モードにおいて、電流は、それぞれ図６（ａ）及び７（ａ）に示す隣接するソレノイドを介して連続的にパルス化されてもよい。図６（ｂ）及び７（ｂ）は、それぞれ図６（ａ）及び７（ａ）に示す対応するコイルを介した電流の連続的なパルス化を示すグラフである。隣接するソレノイドを介した電流の連続的なパルス化により、ピストンの移動が促進される。
【００３８】
付勢可能なポンプは、異なる構成で使用し得る。図８に示す実施形態では、付勢可能なポンプ２００、３００、・・・ｎは、各ポンプからの第２の加圧流体（最高加圧出力）が後続の付勢可能なポンプに対する第１の加圧流体（入力）となるように直列に配設することができる。これにより、直列配設のいずれかの付勢可能なポンプの第２の加圧流体（Δｐ）を先行する各々の付勢可能なポンプからの第２の加圧流体圧力の総和（ΣΔｐｉ）とすることできる。
【００３９】
図９に示す実施形態では、付勢可能なポンプ２００、３００、・・・ｎは、各々の付勢可能なポンプからの第２の加圧流体が共通の管内に排出されて単一の出力２０２となるように、並列に配設可能である。このような構成は、大体積の加圧流体からエネルギーを抽出するために使用できる。並列の付勢可能なポンプの個数は、エネルギーを抽出することが望まれる加圧流体の体積に比例する行程容積を有することができる。このため、一連の付勢可能なポンプから排出される総体積（又は質量）を、この構成に含まれる各々の付勢可能なポンプの行程容積（又は質量）の総和（Σｍ´ｉ）に等しくすることができる。一実施形態では、ピストンは、互いに同位相で移動する。また他の実施形態では、ピストンは、互いに位相はずれで移動する。
【００４０】
付勢可能なポンプは、図１０に示すような濾過システム１０００で使用できる。この濾過システムは、供給流側１２００と濃縮水側１４００とを含む。図１０に示すように、供給流側１２００は、切断線ＸＸの左（図に向かって）に位置し、濃縮水側１４００は、切断線ＸＸの右に位置する。
【００４１】
図１０において、濾過システムは、供給流側に、いずれも互い及びメンブレンフィルター１００６と流体連通し得る第１のポンプ１００２と任意の第２のポンプ１００４とを含む。第１のポンプ１００２と任意の第２のポンプ１００４は、付勢可能なポンプとも流体連通していてもよい。一実施形態では、第１のポンプ１００２と任意の第２のポンプ１００４は、さらにまた、少なくとも１つが付勢可能なポンプであってもよい複数のポンプと流体連通していてもよい。また他の実施形態では、第１のポンプ１００２と任意の第２のポンプ１００４は、さらにまた、複数の付勢可能なポンプと流体連通していてもよい。
【００４２】
付勢可能なポンプは、メンブレンフィルター１００６と流体連通していてもよい。第１の付勢可能なポンプ１００と第２の付勢可能なポンプ２００は、それぞれの逆止弁１２８、１３０、２２８及び２３０を線ＸＸの供給流側１２００にもつように配設し得る。第１の付勢可能なポンプは、第１のシリンダ１０２と摺動可能に連通して配設される第１のピストン１０４を含み、第２の付勢可能なポンプは、第２のシリンダと摺動可能に連通して配設される第２のピストンを含む。それぞれの制御弁１２４、１２６、２２４及び２２６は、線ＸＸの濃縮水側１４００に配設し得る。メンブレンフィルター１００６は、第１の付勢可能なポンプ１００及び第２の付勢可能なポンプ２００とそれぞれ制御弁１２４、２２４を介して流体連通することができる。制御弁１２６及び２２６は、低圧濃縮水出口２５４と流体連通することができる。
【００４３】
第１のポンプ１００２及び第２のポンプ１００４は、歯車ポンプである。また他の実施形態におけるその他の適切なポンプは、遠心ポンプ、回転ポンプ、プランジャポンプ等とすることができる。第２のポンプ１００４は、供給流を約０．１〜約０．２メガパスカルの圧力に加圧する低圧ポンプであってもよい。第１のポンプ１００２は、供給流に対する圧力を高める高圧ポンプであってもよい。圧力の増加は、約５０００メガパスカル（ＭＰａ）以上の大きさとし得る。一実施形態では、圧力の増加は、約５０００ＭＰａ〜約６０００ＭＰａの範囲、約６０００ＭＰａ〜約７５００ＭＰａ又は約７５００ＭＰａより大きい。任意のポンプにより、逆止弁１２８、２２８からメンブレンフィルター１００６に流れる水に圧力ブーストを加えることによって供給流側の流体圧力を補うことができる。
【００４４】
この濾過システムを用いて溶質を溶媒から分離させることができる。この濾過システムは、塩水を脱塩することができる。脱塩プロセスにおいて、供給流溶液は、メンブレンフィルターにより、透過水と濃縮水とに分離できる。供給流溶液が海水である場合は、透過水を水にすることができ、濃縮水をブラインにすることができる。メンブレンフィルターは、供給流の脱塩を容易にして、透過水（海水より塩分含有量が少ない水）と濃縮水（海水より塩分含有量が多くなることがあるブライン溶液）を製造する。
【００４５】
ある運転モードにおいて、第１のポンプ１００２は、メンブレンフィルター１００６の方へ供給流を排出する。供給流の一部は、メンブレンフィルター１００６で濾過を受けると、透過水に変換でき、残りの供給流は、濃縮水に変換されるとともに、第１の制御弁１２４の開弁時に第１の付勢可能なポンプ内に排出できる。弁制御装置（図示せず）は、制御弁１２４、１２６、２２４及び２２６の開閉を互いに独立して、又はそれが望ましい場合は互いに何らかの関係をもたせて制御することができる。
【００４６】
第１の圧力の加圧濃縮水が第１の付勢可能なポンプ１００のシリンダに流入する際、それぞれの圧力調節装置が作動して、第１のピストン１０４が第１の逆止弁１２８の方へ移動するときに、この第１のピストンに対する力を増大させる。この第１のピストン１０４に対する力の増大は、第１のピストン１０４と第１の逆止弁１２８との間の供給流に加わる圧力を第２の圧力に増加させる。この第２の圧力は、第１の圧力より大きくてもよい。供給流は、第１の逆止弁１２８を介して排出されると、メンブレンフィルター１００６へ導かれて濾過を受けるとともに、透過水及び濃縮水である水流となることができる。
【００４７】
第１の付勢可能なポンプ１００は、供給流に対する圧力を増大させ、脱塩プロセスの効率を高める。加えて、圧力調節装置を介してピストンに加えられる力を調節することにより、水撃作用を最小限に抑えることができる。
【００４８】
第２の圧力の供給流が第１の付勢可能なポンプ１００のシリンダから排出されると、第３の圧力の低圧供給流を、第２の逆止弁１３０を介して第１の付勢可能なポンプのシリンダ内に引き込むことができる。この低圧供給流は、ピストンを逆止弁１２８、１３０から離れる方向に制御弁１２４、１２６の方へ付勢して、濃縮水をシリンダから第４の圧力で低圧濃縮水出口２５４内へ排出する。
【００４９】
図１０に示す実施形態では、第１の付勢可能なポンプの第１のピストン１０４は、制御弁から逆止弁の方へと第１の方向に移動して供給流を排出し、第２の付勢可能なポンプ２００の第２のピストン２０４は、逆止弁から制御弁の方へと第２の方向に移動する。この第２の方向は、第１の方向と反対であってもよい。すなわち、第１の付勢可能なポンプ１００と第２の付勢可能なポンプ２００は非同期的に動作して、第１の付勢可能なポンプ１００は供給流を第２の圧力に加圧することができ、第２の付勢可能なポンプ２００は、第４の圧力の低圧濃縮水を低圧濃縮水出口２５４に排出することができるようになっている。また、第２の付勢可能なポンプ２００は、供給流を第１の圧力に加圧することができ、第１の付勢可能なポンプ１００は、第４の圧力の低圧濃縮水を低圧濃縮水出口２５４に排出することができる。
【００５０】
図１０を参照すると、濾過システム１０００は、２つの付勢可能なポンプ１００、２００を含む。これらの付勢可能なポンプが第１のポンプ１００２及びメンブレンフィルター１００６と連通可能である場合は、各ポンプのピストンは、それぞれ互いに同位相で作動する。一実施形態では、それぞれのピストン１０４、２０４は、互いに１８０度の位相はずれで作動する。第１のピストン１０４は、自身の移動の一方の終点に位置して、付勢可能なポンプ１００内の全供給流をメンブレンフィルター１００６に排出し終えており、ピストン２０４は、自身の移動の反対側の終点に位置して、全部の濃縮水を低圧濃縮水出口２５４に排出し終えている。ピストン２０４は、いずれの方向にも自身の移動の中間点に位置することができ、従って供給流をメンブレンフィルター１００６に排出し、又は濃縮水を低圧濃縮水出口２５４の方へ排出することができる。
【００５１】
また他の実施形態では、濾過システムは、３個以上の付勢可能なポンプを含んでいてもよく、少なくとも２つのポンプは、メンブレンフィルターへ向かう供給流と連通していてもよい。複数のポンプの内の１以上は、その他のポンプの少なくとも１つと位相はずれで作動する。一実施形態では、ポンプは互いに１２０度の位相はずれで作動する。複数の濾過システムを互いに並列に配設することができる。この構成により、ある期間で相対的により大量の供給流を脱塩することが可能になる。
【００５２】
付勢可能なポンプは、供給流に供給される圧力ブーストの大きさを変動させることができる。このポンプは、水撃作用の効果を最小限又は皆無にして、弁及びその他の機器のメンテナンスに用いられるダウンタイムを減少させることができる。これにより、サイクル時間と生産性の向上が容易となる。加えて、濾過システムで付勢可能なポンプを用いることにより、使用する必要があるその他の種類のポンプの個数（例えば遠心ポンプ、歯車ポンプ、回転ポンプ、プランジャポンプ等）が減少する。ある実施形態に係るシステムは、単一の第１のポンプ１００２のみを用いることにより機能を果たすことができ、このため、新しい機器の費用が節減されるだけでなく、長期的なメンテナンスの費用も節減される。
【００５３】
本明細書に開示した実施形態は、添付の特許請求の範囲に述べる本発明に関連する要素を含む構成、システム、及び方法の例である。本明細書の詳細な説明により、特許請求の範囲に記載の構成要素に相当する代替的な実施形態を作製すること及び使用することが、当業者には可能となる。従って、本発明は、特許請求の範囲に記載の文言と相違ない構造、システム、及び方法、さらには特許請求の範囲に記載の文言が示す内容と殆ど異ならない構造、システム、及び方法を包含する。本明細書では、特定の特徴及び実施形態についてのみ図示し説明してきたが、多様な修正及び変更が当業者には想起可能である。添付の特許請求の範囲は、かかる全ての修正及び変更を含む。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の端部と第２の端部とを有するシリンダの内面と摺動可能に連通するピストンと、
前記シリンダの第１の端部と物理的に連通する第１の制御弁及び第２の制御弁であって、前記ピストンと流体連通しており、少なくとも第１の制御弁又は第２の制御弁は逆止弁ではない第１の制御弁及び第２の制御弁と、
前記シリンダの第２の端部と物理的に連通する第１の逆止弁及び第２の逆止弁であって、前記ピストンと流体連通する第１の逆止弁及び第２の逆止弁と、
前記ピストンに加わる力又は前記ピストンが加える力の大きさを制御するように動作可能な圧力調節装置とを備える付勢可能なポンプ。
【請求項２】
前記シリンダが永久磁石又は電磁石を含む、請求項１記載の付勢可能なポンプ。
【請求項３】
第１の制御弁及び第２の制御弁の少なくとも一方が弁制御装置と連通している、請求項１記載の付勢可能なポンプ。
【請求項４】
前記ピストンが接続ロッドと動作可能に連通している、請求項１記載の付勢可能なポンプ。
【請求項５】
前記ピストンが耐食層を含む、請求項１記載の付勢可能なポンプ。
【請求項６】
第１の制御弁又は第２の制御弁が前記圧力調節装置と同期して機能する、請求項１記載の付勢可能なポンプ。
【請求項７】
第１の制御弁又は第２の制御弁が前記圧力調節装置とは無関係に機能する、請求項１記載の付勢可能なポンプ。
【請求項８】
前記圧力調節装置が磁気装置、電気装置又は電磁装置を含む、請求項１記載の付勢可能なポンプ。
【請求項９】
前記圧力調節装置が永久磁石を含む、請求項１記載の付勢可能なポンプ。
【請求項１０】
前記圧力調節装置がソレノイドを含む、請求項１記載の付勢可能なポンプ。
【請求項１１】
前記ソレノイドが、前記シリンダの周囲に半径方向又は軸方向に配設される１以上のコイルを含む、請求項１０記載の付勢可能なポンプ。
【請求項１２】
前記圧力調節装置が、前記シリンダの周囲に半径方向又は軸方向に配設される複数のソレノイドを含む、請求項１記載の付勢可能なポンプ。
【請求項１３】
第１の制御弁又は第２の制御弁が、バタフライ弁、仕切弁、スルース弁又は仕切弁である、請求項１記載の付勢可能なポンプ。
【請求項１４】
請求項１記載の複数の付勢可能なポンプを含むエネルギー回収装置。
【請求項１５】
溶質を含む溶液と接触して前記溶液の溶媒から前記溶質を分離させることができる膜分離装置と流体連通した請求項１記載のポンプを含む濾過システム。
【請求項１６】
前記膜分離装置及び第１の付勢可能なポンプと流体連通する第２のポンプを含む、請求項１５記載の濾過システム。
【請求項１７】
第２のポンプが付勢可能なポンプである、請求項１６記載の濾過システム。
【請求項１８】
第２のポンプが、第１のポンプと非同期的に作動する付勢可能なポンプである、請求項１６記載の濾過システム。
【請求項１９】
前記膜分離装置及び第１の付勢可能なポンプと各々流体連通した複数の付勢可能なポンプをさらに含む、請求項１５記載の濾過システム。
【請求項２０】
前記複数の付勢可能なポンプの各々が互いに非同期的に作動する、請求項１９記載の濾過システム。
【請求項２１】
前記メンブレンフィルター及び第１の付勢可能なポンプと流体連通した第１のポンプをさらに含む、請求項１９記載の濾過システム。
【請求項２２】
前記メンブレンフィルター及び第１の付勢可能なポンプと流体連通した第２のポンプをさらに含む、請求項１９記載の濾過システム。
【請求項２３】
逆止弁ではない第１の制御弁を開いて第１の圧力の第１の流体をシリンダの内面により形成される容積部内に排出する段階と、
前記シリンダ内に配設されるピストンを変位させる段階と、
第１の流体に対して前記ピストンの反対側に配置される第２の流体を前記シリンダから逆止弁を介して第１の圧力とは異なる第２の圧力で排出する段階と
を含む方法。
【請求項２４】
第３の圧力の第３の流体を前記シリンダ内に第２の逆止弁を介して排出する段階と、前記ピストンを変位させる段階と、第４の圧力の第４の流体を前記シリンダから第２の逆止弁を介して排出する段階をさらに含む、請求項２３記載の方法。
【請求項２５】
第３の流体が第４の流体とは異なり、第３の圧力が第４の圧力と比べて大きい又は同等である、請求項２４記載の方法。
【請求項２６】
第３の流体が供給流であり、第４の流体が濃縮水である、請求項２５記載の方法。
【請求項２７】
第１の流体が濃縮水であり、第２の流体が供給流である、請求項２３記載の方法。
【請求項２８】
第２の流体を膜分離装置内に排出する段階をさらに含む、請求項２７記載の方法。
【請求項２９】
前記供給流が海水であり、前記濃縮水がブラインである、請求項２８記載の方法。
【請求項３０】
前記シリンダを電磁石に変換する段階をさらに含む、請求項２８記載の方法。
【請求項３１】
第１の圧力の第１の流体をシリンダ内に排出する手段であって、逆止弁ではない手段と、
前記シリンダ内に配設されるピストンを変位させる手段と、
第１の流体に対して前記ピストンの反対側に配置される第２の流体を、前記シリンダから逆止弁を介して第１の圧力とは異なる第２の圧力で排出する手段と
を備えるエネルギー回収装置。
【請求項３２】
前記変位手段ソレノイドを含む、請求項３１記載の装置。
【請求項１】
第１の端部と第２の端部とを有するシリンダの内面と摺動可能に連通するピストンと、
前記シリンダの第１の端部と物理的に連通する第１の制御弁及び第２の制御弁であって、前記ピストンと流体連通しており、少なくとも第１の制御弁又は第２の制御弁は逆止弁ではない第１の制御弁及び第２の制御弁と、
前記シリンダの第２の端部と物理的に連通する第１の逆止弁及び第２の逆止弁であって、前記ピストンと流体連通する第１の逆止弁及び第２の逆止弁と、
前記ピストンに加わる力又は前記ピストンが加える力の大きさを制御するように動作可能な圧力調節装置とを備える付勢可能なポンプ。
【請求項２】
前記シリンダが永久磁石又は電磁石を含む、請求項１記載の付勢可能なポンプ。
【請求項３】
第１の制御弁及び第２の制御弁の少なくとも一方が弁制御装置と連通している、請求項１記載の付勢可能なポンプ。
【請求項４】
前記ピストンが接続ロッドと動作可能に連通している、請求項１記載の付勢可能なポンプ。
【請求項５】
前記ピストンが耐食層を含む、請求項１記載の付勢可能なポンプ。
【請求項６】
第１の制御弁又は第２の制御弁が前記圧力調節装置と同期して機能する、請求項１記載の付勢可能なポンプ。
【請求項７】
第１の制御弁又は第２の制御弁が前記圧力調節装置とは無関係に機能する、請求項１記載の付勢可能なポンプ。
【請求項８】
前記圧力調節装置が磁気装置、電気装置又は電磁装置を含む、請求項１記載の付勢可能なポンプ。
【請求項９】
前記圧力調節装置が永久磁石を含む、請求項１記載の付勢可能なポンプ。
【請求項１０】
前記圧力調節装置がソレノイドを含む、請求項１記載の付勢可能なポンプ。
【請求項１１】
前記ソレノイドが、前記シリンダの周囲に半径方向又は軸方向に配設される１以上のコイルを含む、請求項１０記載の付勢可能なポンプ。
【請求項１２】
前記圧力調節装置が、前記シリンダの周囲に半径方向又は軸方向に配設される複数のソレノイドを含む、請求項１記載の付勢可能なポンプ。
【請求項１３】
第１の制御弁又は第２の制御弁が、バタフライ弁、仕切弁、スルース弁又は仕切弁である、請求項１記載の付勢可能なポンプ。
【請求項１４】
請求項１記載の複数の付勢可能なポンプを含むエネルギー回収装置。
【請求項１５】
溶質を含む溶液と接触して前記溶液の溶媒から前記溶質を分離させることができる膜分離装置と流体連通した請求項１記載のポンプを含む濾過システム。
【請求項１６】
前記膜分離装置及び第１の付勢可能なポンプと流体連通する第２のポンプを含む、請求項１５記載の濾過システム。
【請求項１７】
第２のポンプが付勢可能なポンプである、請求項１６記載の濾過システム。
【請求項１８】
第２のポンプが、第１のポンプと非同期的に作動する付勢可能なポンプである、請求項１６記載の濾過システム。
【請求項１９】
前記膜分離装置及び第１の付勢可能なポンプと各々流体連通した複数の付勢可能なポンプをさらに含む、請求項１５記載の濾過システム。
【請求項２０】
前記複数の付勢可能なポンプの各々が互いに非同期的に作動する、請求項１９記載の濾過システム。
【請求項２１】
前記メンブレンフィルター及び第１の付勢可能なポンプと流体連通した第１のポンプをさらに含む、請求項１９記載の濾過システム。
【請求項２２】
前記メンブレンフィルター及び第１の付勢可能なポンプと流体連通した第２のポンプをさらに含む、請求項１９記載の濾過システム。
【請求項２３】
逆止弁ではない第１の制御弁を開いて第１の圧力の第１の流体をシリンダの内面により形成される容積部内に排出する段階と、
前記シリンダ内に配設されるピストンを変位させる段階と、
第１の流体に対して前記ピストンの反対側に配置される第２の流体を前記シリンダから逆止弁を介して第１の圧力とは異なる第２の圧力で排出する段階と
を含む方法。
【請求項２４】
第３の圧力の第３の流体を前記シリンダ内に第２の逆止弁を介して排出する段階と、前記ピストンを変位させる段階と、第４の圧力の第４の流体を前記シリンダから第２の逆止弁を介して排出する段階をさらに含む、請求項２３記載の方法。
【請求項２５】
第３の流体が第４の流体とは異なり、第３の圧力が第４の圧力と比べて大きい又は同等である、請求項２４記載の方法。
【請求項２６】
第３の流体が供給流であり、第４の流体が濃縮水である、請求項２５記載の方法。
【請求項２７】
第１の流体が濃縮水であり、第２の流体が供給流である、請求項２３記載の方法。
【請求項２８】
第２の流体を膜分離装置内に排出する段階をさらに含む、請求項２７記載の方法。
【請求項２９】
前記供給流が海水であり、前記濃縮水がブラインである、請求項２８記載の方法。
【請求項３０】
前記シリンダを電磁石に変換する段階をさらに含む、請求項２８記載の方法。
【請求項３１】
第１の圧力の第１の流体をシリンダ内に排出する手段であって、逆止弁ではない手段と、
前記シリンダ内に配設されるピストンを変位させる手段と、
第１の流体に対して前記ピストンの反対側に配置される第２の流体を、前記シリンダから逆止弁を介して第１の圧力とは異なる第２の圧力で排出する手段と
を備えるエネルギー回収装置。
【請求項３２】
前記変位手段ソレノイドを含む、請求項３１記載の装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６（ａ）】
【図６（ｂ）】
【図７（ａ）】
【図７（ｂ）】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６（ａ）】
【図６（ｂ）】
【図７（ａ）】
【図７（ｂ）】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公表番号】特表２０１０−５１８３０４（Ｐ２０１０−５１８３０４Ａ）
【公表日】平成２２年５月２７日（２０１０．５．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−５４８３４９（Ｐ２００９−５４８３４９）
【出願日】平成２０年１月１０日（２００８．１．１０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００８／０５０７２６
【国際公開番号】ＷＯ２００８／０９７６８３
【国際公開日】平成２０年８月１４日（２００８．８．１４）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【氏名又は名称原語表記】ＧＥＮＥＲＡＬ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＣＯＭＰＡＮＹ
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２２年５月２７日（２０１０．５．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１月１０日（２００８．１．１０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００８／０５０７２６
【国際公開番号】ＷＯ２００８／０９７６８３
【国際公開日】平成２０年８月１４日（２００８．８．１４）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【氏名又は名称原語表記】ＧＥＮＥＲＡＬ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＣＯＭＰＡＮＹ
【Ｆターム（参考）】
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