動力回収装置
【課題】昇圧ポンプが無くとも高濃度塩水に含まれるエネルギーを効率的に回収することが可能な動力回収装置を提供する。
【解決手段】シリンダ６３１１−１，６３１１−２の第２の空間に、外部へ貫通するように棒６３１３−１，６３１３−２を設置する。外部へ貫通している事により、棒６３１３−１，６３１３−２の一端は大気圧と同じ圧力を受けることとなる。そのため、ピストン６３１２−１，６３１２−２が第２の空間と接する面積Ａ２が、ピストン６３１２−１，６３１２−２が第１の空間と接する面積Ａ１よりも、棒６３１３−１，６３１３−２の長手方向に垂直な断面積分だけ小さくなる。つまり、面積Ａ１＞面積Ａ２となる。
【解決手段】シリンダ６３１１−１，６３１１−２の第２の空間に、外部へ貫通するように棒６３１３−１，６３１３−２を設置する。外部へ貫通している事により、棒６３１３−１，６３１３−２の一端は大気圧と同じ圧力を受けることとなる。そのため、ピストン６３１２−１，６３１２−２が第２の空間と接する面積Ａ２が、ピストン６３１２−１，６３１２−２が第１の空間と接する面積Ａ１よりも、棒６３１３−１，６３１３−２の長手方向に垂直な断面積分だけ小さくなる。つまり、面積Ａ１＞面積Ａ２となる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、逆浸透膜方式海水淡水化装置おいて淡水の生成と共に、排水される高濃度塩水が有する動力を回収する動力回収装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
海水淡水化装置は、逆浸透圧より高い圧力の海水を供給し、逆浸透膜（以下、ＲＯ膜という。）を通過させて海水中の塩分等を除去して淡水を取り出すと共に、残りの海水を高濃度塩水（ブライン）として排出する装置である。このとき、高濃度塩水は、高圧のまま排出されるため、高い圧力エネルギーを有している。近年では、省エネ化をはかるため、海水淡水化装置に動力回収装置が搭載されている（例えば、特許文献１及び２参照）。動力回収装置は、高圧の高濃度塩水を回収し、高濃度塩水に含まれる圧力エネルギーを海水の加圧に利用する装置である。
【０００３】
ところで、従来の動力回収装置では、圧力エネルギーを利用して加圧した海水をさらに昇圧する昇圧ポンプが必要である。これは、圧力エネルギーを利用して加圧した海水の圧力を、ＲＯ膜へ注入する海水の圧力までさらに昇圧する必要があるからである。しかしながら、昇圧ポンプは、様々な問題を引き起こす要因となる。
【０００４】
まず、昇圧ポンプは、非常に圧力の高い海水の昇圧を行うため、ポンプが内圧によって破壊しないように、厚肉の部材で構成する必要がある。これにより、ポンプ効率が極端に低下し，昇圧ポンプでの消費電力が増大するという問題がある。
【０００５】
また、昇圧ポンプでは、内圧が高いため、内部流体の漏れ等の故障が多い。そのため、装置の稼働率が低下し，安定して浄水を供給できないという問題がある。
【０００６】
また、海水淡水化プラントでは、送水ポンプ，高圧ポンプ及び昇圧ポンプ等が多数設置されている。ポンプは定期的なメンテナンスが必要な装置であるため、プラントに多数のポンプが存在するという事は、メンテナンスのコスト及び労力が増大する要因となる。
【０００７】
さらに、昇圧ポンプは上述したように厚肉の部材で構成されているため、プラントの中でも高額部品である。そのため、プラント建設コストを増大させる要因となる。
【０００８】
なお、上記特許文献１に記載の動力回収装置では、ＲＯ膜を二つ備え、一つ目のＲＯ膜から排出された高濃度塩水を二つ目のＲＯ膜で濾過することで、昇圧ポンプの設置を省略する技術が提案されている。しかしながら、ＲＯ膜は高額部品であるため、このような構成は、プラント建設コストを増大させる要因となり得る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００４−８１９１３号公報
【特許文献２】特開２００１−４６８４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
以上のように、従来の動力回収装置における昇圧ポンプは、様々な問題の要因となっていた。
【００１１】
この発明は上記事情によりなされたもので、その目的は、昇圧ポンプが無くとも高濃度塩水に含まれるエネルギーを効率的に回収することが可能な動力回収装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するため、本発明に係る動力回収装置は、第１の圧力の海水を高圧ポンプにより第２の圧力に昇圧して逆浸透膜へ供給し、前記逆浸透膜から淡水を取り出すとともに、第３の圧力の濃縮水を排出する海水淡水化装置に用いられ、前記濃縮水が有するエネルギーを回収する動力回収装置において、前記逆浸透膜からの第３の圧力の濃縮水を第１の空間で受けることで可動部を動かし、前記可動部の移動により、第２の空間に充填された海水を押し出して前記第２の圧力で出力する圧力変換部と、前記圧力変換部からの海水を前記高圧ポンプからの海水に合流させる海水供給部とを具備する。
【００１３】
上記構成による動力回収装置では、第１の空間へ給水された第３の圧力の濃縮水により可動部を動かし、この可動部の変位を利用して、第２の空間の海水を第２の圧力で押し出すようにしている。これにより、従来の動力回収装置に搭載されていた昇圧ポンプが不要となる。
【発明の効果】
【００１４】
この発明によれば、昇圧ポンプが無くとも高濃度塩水に含まれるエネルギーを効率的に回収することが可能な動力回収装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る動力回収装置を備えた海水淡水化プラントの構成を示すブロック図である。
【図２】図１の動力回収装置の構成を示すと共に、動力回収装置の作動時の第１の状態を示す図である。
【図３】図１の動力回収装置の構成を示すと共に、動力回収装置の作動時の第２の状態を示す図である。
【図４】図２及び図３の変換器の構成を示す図である。
【図５】従来の動力回収装置の構成を示す図である。
【図６】数値シミュレーションで用いる海水淡水化装置の仕様を示す図である。
【図７】動力回収装置を具備していない海水淡水化装置における数値シミュレーションの結果を示す図である。
【図８】図１の動力回収装置を具備した海水淡水化装置における数値シミュレーションの結果を示す図である。
【図９】図５の動力回収装置を具備した海水淡水化装置における数値シミュレーションを示す図である。
【図１０】図２の動力回収装置の第１の変形例を示す図である。
【図１１】図２の動力回収装置の第２の変形例を示す図である。
【図１２】図２の動力回収装置の第３の変形例を示す図である。
【図１３】本発明の第２の実施形態に係わる動力回収装置の構成を示すブロック図である。
【図１４】本発明の第３の実施形態に係わる動力回収装置の構成を示すブロック図である。
【図１５】図１４のクランクシャフトを示す図である。
【図１６】本発明の第４の実施形態に係わる動力回収装置の構成を示すブロック図である。
【図１７】図１６のロータリーアクチュエータの構造を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照しながら本発明に係る動力回収装置の実施の形態について詳細に説明する。
【００１７】
［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態に係る動力回収装置６０を備えた海水淡水化プラントの構成を示すブロック図である。図１における海水淡水化プラントでは、汲み上げられた海水は、前処理系１０で薬品処理され、送水ポンプ２０により、保安フィルタ３０へ送水される。保安フィルタ３０を通過した海水は、一方が高圧ポンプ４０へ供給され、他方が動力回収装置６０へ供給される。このとき、保安フィルタ３０から出力された海水の圧力Ｐ３は、０．２ＭＰａ程度である。
【００１８】
高圧ポンプ４０は、供給された海水を昇圧し、高圧ＲＯ膜５０へ出力する。このとき、昇圧後の圧力Ｐ４は、高圧ＲＯ膜５０の種類によって異なるが、ここでは代表値として６．０ＭＰａとする。
【００１９】
高圧ＲＯ膜５０は、供給された海水をろ過する。高圧ＲＯ膜５０の回収率が４０％の場合、高圧ＲＯ膜５０からは、流入した流量の４０％の淡水と、６０％の高濃度塩水とが排出される。このとき、淡水の圧力は、０．２ＭＰａ程度（＝Ｐ３）まで低下するが、高濃度塩水の圧力Ｐ６は５．８ＭＰａ程度である。高圧ＲＯ膜５０からの淡水は低圧ポンプ８０へ供給され、高濃度塩水は動力回収装置６０へ供給される。
【００２０】
高圧ＲＯ膜５０からの淡水は、低圧ポンプ８０で再加圧され、低圧ＲＯ膜９０を通過することで、含有ホウ素の除去等が施される。そして、低圧ＲＯ膜９０を通過した淡水は、浄水池１００で薬品処理され、浄水として供給ポンプ１１０から家庭等へ供給される。
【００２１】
動力回収装置６０は、高濃度塩水に含まれる圧力エネルギーを利用し、保安フィルタ３０からの海水を昇圧して出力する。動力回収装置６０からの海水は、高圧ポンプ４０からの海水と合流し、高圧ＲＯ膜５０へ導入される。
【００２２】
バルブ７０の一端は、大気開放されている。バルブ７０により、動力回収装置６０で圧力エネルギーを回収された高濃度塩水の排出流量を制御する。
【００２３】
図２及び図３は、本発明の第１の実施形態に係る動力回収装置６０の構成を示すと共に、動力回収装置６０の作動時の各状態を示す模式図である。
【００２４】
まず、図２を用いて、動力回収装置６０の構成について説明する。図２における動力回収装置６０は、バルブ６１、４ポート切換弁６２、圧力変換部６３、海水供給部６４、棒位置検出部６５−１〜６５−４及び制御部６６を具備する。
【００２５】
バルブ６１は、高圧ＲＯ膜５０から流出される高濃度塩水を制限することで、４ポート切換弁６２へ導出される高濃度塩水の圧力を操作するものである。高圧ＲＯ膜５０からの高濃度塩水の圧力Ｐ６は、高圧ＲＯ膜５０を長期間使用することによりＲＯ膜がつまり減少する。バルブ６１は、この減少分を調整するために用いられる。これにより、動力回収装置６０から出力される海水の圧力Ｐ１４と、高圧ポンプ４０から出力される海水の圧力Ｐ４とが常に等しくなる。
【００２６】
４ポート切換弁６２は、高濃度塩水の圧力変換部６３への流入及び、圧力変換部６３からの排出の方向を切り換えるものである。４ポート切換弁６２は、制御部６６からの切換指示に従って、高濃度塩水の流入及び排出の方向を切り換える。なお、４ポート切換弁を切り換える方法としては、空圧式，水圧式，油圧式及びソレノイドコイルによる方法等がある。水圧源として、高濃度塩水、送水ポンプ２０から出た海水、ないしは、高圧ポンプ４０から出た高圧塩水を用いてもよい。
【００２７】
圧力変換部６３は、変換器６３１−１，６３１−２を備える。図４は、変換器６３１−１，６３１−２の構成を示す概略図である。なお、変換器６３１−１，６３１−２はそれぞれ同様の構造をしているため、図４では、変換器６３１−１の説明を行う。図４における変換器６３１−１は、シリンダ６３１１−１、ピストン６３１２−１及び棒６３１３−１を備える。
【００２８】
シリンダ６３１１−１は、３個の穴を有し、密閉空間を形成する。
【００２９】
ピストン６３１２−１は、シリンダ６３１１−１の内部に位置し、シリンダ６３１１−１との間にシール材を挟んでこの密閉空間を第１の空間と第２の空間とに分割する。第１の空間には高濃度塩水が供給され、第２の空間には海水が供給される。
【００３０】
棒６３１３−１は、一端が第２の空間側からピストン６３１２−１に接着され、他端がシリンダ６３１１−１の穴から外部へ突出している。なお、この穴の淵にはシール材が取り付けられている。この棒が第２の空間側からピストン６３１２−１に接着されていることにより、ピストン６３１２−１が第１の空間に面する面積Ａ１と、ピストン６３１２−１が第２の空間に面する面積Ａ２とは異なることとなる。ここで、面積Ａ１，Ａ２の関係は、高圧ＲＯ膜５０からの高濃度塩水の圧力Ｐ６、高圧ポンプ４０からの海水の圧力Ｐ４、シリンダ６３１１−１とピストン６３１２−１との間の摩擦力、及び、シリンダ６３１１−１と棒６３１３−１との間の摩擦力等に基づいて予め設定されている。
【００３１】
海水供給部６４は、逆止弁６４１−１〜６４１−４を備える。逆止弁６４１−１〜６４１−４は、周囲の圧力差に応じてそれぞれ独立して開閉する。これにより、動力回収装置６０から外部へ又は、圧力変換部６３へ、海水が供給されることとなる。
【００３２】
検出部６５−１，６５−２は、変換器６３１−１から突出した棒６３１３−１の位置を検出するものである。検出部６５−１は、ピストン６３１２−１がシリンダ６３１１−１の左端に近接したときに棒６３１３−１を検出できる位置に設置される。検出部６５−２は、ピストン６３１２−１がシリンダ６３１１−１の右端に近接したときに棒６３１３−１が非検出となる位置に設置される。検出部６５−１は棒６３１３−１を検出した場合に、また、検出部６５−２は棒６３１３−１が非検出となった場合に、それぞれ制御部６６へ検出信号を出力する。これにより、シリンダ６３１１−１におけるピストン６３１２−１の位置を把握する事が可能となる。また、検出部６５−３，６５−４は、検出部６５−１，６５−２と同様の構成をしており、変換器６３１−２から突出した棒６３１３−２の位置を検出するものである。検出部６５−３は棒６３１３−２を検出した場合に、また、検出部６５−４は棒６３１３−２が非検出となった場合に、制御部６６へ検出信号を出力する。これにより、シリンダ６３１１−２におけるピストン６３１２−２の位置を把握する事が可能となる。なお、検出部６５−１〜６５−４における検出方式としては、機械式，電気式及び光学式等があり得る。また、本実施形態では、検出信号を制御部６６へ出力するようにしているが、棒の動きを機械的に４ポート切換弁６２へ伝達するようにしても構わない。
【００３３】
制御部６６は、検出部６５−１〜６５−４からの検出信号に応じて、４ポート切換弁６２に対して切換信号を出力する。すなわち、制御部６６は、検出部６５−１，６５−４からの検出信号を受けた場合は、ピストン６３１２−１がシリンダ６３１１−１の左端近傍に位置し、ピストン６３１２−２がシリンダ６３１１−２の右端近傍に位置すると判断する。そして、制御部６６は、変換器６３１−１から高濃度塩水を排水するように、また、変換器６３１−２へ高濃度塩水を給水するように、４ポート切換弁６２に対して切換信号を出す。また、制御部６６は、検出部６５−２，６５−３からの検出信号を受けた場合は、ピストン６３１２−１がシリンダ６３１１−１の右端近傍に位置し、ピストン６３１２−２がシリンダ６３１１−２の左端近傍に位置すると判断する。そして、制御部６６は、変換器６３１−１へ高濃度塩水を給水するように、また、変換器６３１−２から高濃度塩水を排水するように、４ポート切換弁６２に対して切換信号を出す。
【００３４】
次に、上記構成に動力回収装置６０の動作を説明する。
【００３５】
図２における動力回収装置６０は、変換器６３１−１に高濃度塩水が給水され、変換器６３１−２から高濃度塩水が排水される状態となっている。
【００３６】
保安フィルタ３０からの海水は、０．２ＭＰａ（＝Ｐ３）で高圧ポンプ４０へ供給されると共に、逆止弁６４１−４を通過して変換器６３１−２の第２の空間へ供給される。
【００３７】
高圧ポンプ４０で６．０ＭＰａ（＝Ｐ４）に昇圧された海水は、動力回収装置６０からの海水と合流され、高圧ＲＯ膜５０へ導入される。このとき、動力回収装置６０からの海水は、変換器６３１−１の第２の空間から排出され、逆止弁６４１−２を通過したものである。高圧ＲＯ膜５０は、淡水と高濃度塩水とを出力する。
【００３８】
高圧ＲＯ膜５０から排出された高濃度塩水は、バルブ６１、４ポート切換弁６２を通過し、変換器６３１−１の第１の空間へ流入する。このとき、変換器６３１−１の第２の空間には海水が充填されている。高濃度塩水は、シリンダ６３１１−１内にあるピストン６３１２−１を第２の空間方向へ移動させ、第２の空間内の海水を加圧しながら排出させる。
【００３９】
ここで、ピストン６３１２−１が第１の空間に面する面積がＡ１であり、ピストン６３１２−１が第２の空間に面する面積がＡ２であることから、シリンダ６３１１−１の第２の空間から排出される海水の圧力Ｐ８は、４ポート切換弁６２からの高濃度塩水の圧力Ｐ７を用いて、Ｐ８＝Ｐ７×（Ａ１／Ａ２）となる。これにより、圧力Ｐ８は、高圧ＲＯ膜５０に導入される圧力Ｐ４と同等か少し高い圧力となる。
【００４０】
ここで、図２における逆止弁６４１−１〜６４１−４の状態を以下に説明する。
【００４１】
圧力Ｐ８＞圧力Ｐ３であるため、逆止弁６４１−１は閉じている。また、圧力Ｐ８＞圧力Ｐ１４であるため、逆止弁６４１−２は開いている。ここで、圧力Ｐ８と圧力Ｐ１４との圧力差は、逆止弁６４１−２を海水が通過するときの圧力損失と考えることができる。
【００４２】
また、圧力Ｐ１４＞圧力Ｐ１３であるため、逆止弁６４１−３は閉じている。また、バルブ７０の一端は、大気開放されているため、シリンダ６３１１−２の第２の空間のゲージ圧力はほぼ零である。つまり、Ｐ１３は小さな圧力である。そのため、Ｐ３＞Ｐ１３であり、逆止弁６４１−４は開いている。
【００４３】
保安フィルタ３０からの海水は、逆止弁６４１−４を通過して、変換器６３１−２の第２の空間へ流入する。このとき、変換器６３１−２の第１の空間には高濃度塩水が充填されている。ここで、バルブ７０の一端は、大気開放されているため、変換器６３１−２の第１の空間のゲージ圧はほぼ零である。逆止弁６４１−４を通過した海水は、０．２ＭＰａの圧力を有し、シリンダ６３１１−２内にあるピストン６３１２−２を第１の空間方向へ移動させる。ピストン６３１２−２は、第１の空間方向へ移動する事により、第１の空間内の高濃度塩水を、４ポート切換弁６２及びバルブ７０を介して排出させる。
【００４４】
そして、上記の動作が持続された場合、ピストン６３１２−１はシリンダ６３１１−１内の左端へ近接し、ピストン６３１２−２はシリンダ６３１１−２内の右端へ近接することとなる。すると、検出部６５−１は棒６３１３−１が接触したことを検出し、検出部６５−４は棒６３１３−２が非接触となったことを検出する。これにより、検出部６５−１，６５−４から制御部６６へ検出信号が出力される。制御部６６は、検出部６５−１，６５−４からの検出信号を受信すると、高濃度塩水の流入及び排出の方向を切り換える様に４ポート切換弁６２に対して切換指示を出す。高濃度塩水の流入及び排出が切り換わると、動力回収装置６０は、図３に示す状態となる。
【００４５】
図３における動力回収装置６０では、変換器６３１−２に高濃度塩水が給水され、変換器６３１−１から高濃度塩水が排水される。
【００４６】
高圧ＲＯ膜５０から排出された高濃度塩水は、バルブ６１、４ポート切換弁６２を通過し、変換器６３１−２の第１の空間へ流入する。このとき、変換器６３１−２の第２の空間には海水が充填されている。高濃度塩水は、シリンダ６３１１−２内にあるピストン６３１２−２を第２の空間方向へ移動させ、第２の空間内の海水を加圧しながら排出させる。
【００４７】
ピストン６３１２−２が第１の空間に面する面積がＡ１であり、ピストン６３１２−２が第２の空間に面する面積がＡ２であることから、シリンダ６３１１−２の第２の空間から排出される海水の圧力Ｐ１３は、４ポート切換弁６２からの高濃度塩水の圧力Ｐ７を用いて、Ｐ１３＝Ｐ７×（Ａ１／Ａ２）となる。これにより、圧力Ｐ１３は、高圧ＲＯ膜５０に導入される圧力Ｐ４と同等か少し高い圧力となる。
【００４８】
ここで、図３における逆止弁６４１−１〜６４１−４の状態を以下に説明する。
【００４９】
圧力Ｐ１３＞圧力Ｐ３であるため、逆止弁６４１−４は閉じている。また、圧力Ｐ１３＞圧力Ｐ１４であるため、逆止弁６４１−３は開いている。ここで、圧力Ｐ１３と圧力Ｐ１４との圧力差は、逆止弁６４１−２を海水が通過するときの圧力損失と考えることができる。
【００５０】
また、圧力Ｐ１４＞圧力Ｐ８であるため、逆止弁６４１−２は閉じている。また、ここで、バルブ７０の一端は、大気開放されているため、シリンダ６３１１−１の第２の空間のゲージ圧力はほぼ零である。つまり、Ｐ８は小さな圧力である。そのため、Ｐ３＞Ｐ８であり、逆止弁６４１−１は開いている。
【００５１】
保安フィルタ３０からの海水は、逆止弁６４１−１を通過して、変換器６３１−１の第２の空間へ流入する。このとき、変換器６３１−１の第１の空間には高濃度塩水が充填されている。ここで、バルブ７０一端は、大気開放されているため、変換器６３１−１の第１の空間のゲージ圧はほぼ零である。逆止弁６４１−１を通過した海水は、０．２ＭＰａの圧力を有し、シリンダ６３１１−１内にあるピストン６３１２−１を第１の空間方向へ移動させる。ピストン６３１２−１は、第１の空間方向へ移動する事により、第１の空間内の高濃度塩水を、４ポート切換弁６２及びバルブ７０を介して排出させる。
【００５２】
そして、上記の動作が持続された場合、ピストン６３１２−２はシリンダ６３１１−２内の左端へ近接し、ピストン６３１２−１はシリンダ６３１１−１内の右端へ近接することとなる。すると、検出部６５−３は棒６３１３−２が接触したことを検出し、検出部６５−２は棒６３１３−１が非接触となったことを検出する。これにより、検出部６５−２，６５−３から制御部６６へ検出信号が出力される。制御部６６は、検出部６５−２，６５−３からの検出信号を受信すると、高濃度塩水の流入及び排出の方向を切り換える様に４ポート切換弁６２に対して切換指示を出す。高濃度塩水の流入及び排出が切り換わると、動力回収装置６０は、再度図２に示す状態となる。
【００５３】
なお、本実施形態では、バルブ７０を開閉することで、ピストン６３１２−１の移動速度とピストン６３１２−２の移動速度とを等しくするようにしている。これにより、送水ポンプ２０の流量は時間的に変動せず、安定した動作をするようになる。
【００５４】
次に、数値シミュレーションを用いて、以下の三つの場合の海水淡水化装置において、１ｍ３の淡水を造水するときの消費電力、つまり造水コストを算出して比較する。三つの場合の海水淡水化装置とは、動力回収装置を具備していない海水淡水化装置、従来の動力回収装置１２０を具備した海水淡水化装置、及び、本発明に係る動力回収装置６０を具備した海水淡水化装置のことである。なお、図５は、従来の動力回収装置１２０の構成を示す模式図である。
【００５５】
図６は、数値シミュレーションで用いる海水淡水化装置の仕様を示す。なお、海水淡水化装置自体の各パラメータは、各海水淡水化装置の数値シミュレーションにおいて共通である。また、昇圧ポンプ１２１のポンプ効率は、昇圧ポンプの構造を加味した上で、低い値としている。
【００５６】
図７は、動力回収装置を具備していない海水淡水化装置における数値シミュレーションの結果を示す。図７によれば、造水コストは５．０８ｋＷｈ／ｍ３である。
【００５７】
また、図８は本実施形態に係る動力回収装置６０を具備した海水淡水化装置における数値シミュレーションの結果を示し、図９は従来の動力回収装置１２０を具備した海水淡水化装置における数値シミュレーションを示す。
【００５８】
図８及び図９において説明する。
【００５９】
バルブ７０は上述した理由からある程度の流体抵抗が必要である。バルブ７０で発生する圧力損失は流量（ｍ３／ｓ）の２乗に比例するとして、図８及び図９に示した抵抗係数が必要である。また、図８において、バルブ６１の抵抗は、１×１０６ Ｐａ／(ｍ３／ｓ)２とした。
【００６０】
さらに、ピストンがシリンダ内を移動するとき摩擦抵抗が発生する。この数値シミュレーションでは、この摩擦抵抗も考慮している。図８及び図９において、ピストンとシリンダとの摩擦抵抗を１６３３３Ｎとした。また、図８においては、棒とシリンダとの摩擦抵抗を１７７６Ｎとした。また、図８においては、ピストンの面積比（Ａ２／Ａ１）を０．９８６９としてシリンダを製作した場合、動力回収装置６０は、意図した動作をする。
【００６１】
数値シミュレーションの結果、つまり、図２及び図５における各部での圧力と流量とは図８及び図９に示した数値となる。
【００６２】
ポンプが流体に与える動力Ｗは、流量Ｑと圧力Ｐとを掛け合わせることにより求まる。すなわち、図８における送水ポンプ２０の動力は２．８９４×１０４ Ｗ、高圧ポンプ４０の動力は３．４２２×１０５ Ｗと算出される。また、図９における送水ポンプ２０の動力は２．８９４×１０４ Ｗ、高圧ポンプ４０の動力は３．３５６×１０５ Ｗ、昇圧ポンプ１２１の動力は５．９７８×１０３ Ｗと算出される。
【００６３】
また、必要動力Ｗｐｏｗｅｒ ｒｅｃｏｖｅｒは、
【数１】
【００６４】
により算出される。なお、ΔＰはポンプの揚程（Ｐａ）、Ｑは流量（ｍ３／ｓ）、ηはポンプ効率を示す。数式（１）により、図８における必要動力は、４５３ｋＷとなる。また、図９における必要動力は、４６０ｋＷとなる。
【００６５】
また、動力回収率ξは、
【数２】
【００６６】
により算出される。なお、Ｗは動力回収装置が具備されていない場合の必要動力（Ｗ）である。数式（２）により、図８における動力回収率は５７．２％となり、図９における動力回収率は５６．６％となる。
【００６７】
また、単純造水コストγは、
【数３】
【００６８】
により算出される。なお、Ｑは１時間あたりの淡水流量（ｍ３／ｈ）である。数式（３）により、図８における単純造水コストは２．１７ｋＷｈ／ｍ３となり、図９における単純造水コストは２．２１ｋＷｈ／ｍ３となる。
【００６９】
これにより、図７乃至図９を比較すると、動力回収装置６０，１２０を具備した海水淡水化装置は、具備しない海水淡水化装置よりも電力節約効果が非常に高いことがわかる。
【００７０】
また、本実施形態に係る動力回収装置６０を具備した海水淡水化装置は、従来の動力回収装置１２０を具備した海水淡水化装置よりも、造水コストは低くなる。これにより、本実施形態に係る動力回収装置６０は、昇圧ポンプ１２１を用いずとも、有効に高濃度塩水の圧力エネルギーを回収することが可能となる。また、動力回収装置６０を具備した海水淡水化装置の方が造水コストが低い理由は、昇圧ポンプ１２１のポンプ効率の低さに起因する。
【００７１】
以上のように、上記第１の実施形態では、シリンダ６３１１−１，６３１１−２の第２の空間に、外部へ貫通するように棒６３１３−１，６３１３−２が設置されている。外部へ貫通している事により、棒６３１３−１，６３１３−２の一端は大気圧と同じ圧力を受けることとなる。そのため、ピストン６３１２−１，６３１２−２が第２の空間と接する面積が、ピストン６３１２−１，６３１２−２が第１の空間と接する面積よりも、棒６３１３−１，６３１３−２の長手方向に垂直な断面積分だけ小さくなる。つまり、面積Ａ１＞面積Ａ２となる。これにより、動力回収装置６０は、第１の空間へ給水された高濃度塩水の圧力を利用して、高圧ポンプ４０から出力される海水の圧力と同等の圧力の海水を第２の空間から出力することが可能となる。
【００７２】
また、上記第１の実施形態では、シリンダ６３１１−１，６３１１−２から突出した棒６３１３−１，６３１３−２の位置を検出し、この検出結果に基づいて４ポート切換弁６２を切り換えるようにしている。これにより、シリンダ６３１１−１，６３１１−２内部のピストン６３１２−１，６３１２−２の位置を、正確かつ容易に把握することが可能となる。
【００７３】
したがって、本発明に係る動力回収装置６０は、昇圧ポンプが無くとも高濃度塩水に含まれる圧力エネルギーを回収することができる。
【００７４】
このように、本発明に係る動力回収装置６０では、昇圧ポンプが不要となるため、造水のための消費電力を低減する事ができる。また、プラントに設置されるポンプの総数が減少する事となるため、メンテナンスコスト及びプラント製造コストを削減することができる。
【００７５】
また、動力回収装置６０では、変換器６３１−１，６３１−２の第２の空間に棒を設置することで、上記効果を得ることが可能である。そのため、プラントの製造コストをより削減することができる。
【００７６】
なお、この発明は上記第１の実施形態に限定されるものではない。例えば、動力回収装置６０は、図１０に示す構造をしていても同様に実施可能である。図１０における動力回収装置６０は、バルブ６１の前段に圧力計測器６７を具備し、この計測結果に従ってバルブ６１をバルブ制御部６８で開閉制御するようにしている。これにより、動力回収装置６０から出力される海水の圧力Ｐ１４と、高圧ポンプ４０から出力される海水の圧力Ｐ４とが常に等しくなる。
【００７７】
また、動力回収装置６０は、図１１に示す構造をしていても同様に実施可能である。図１１における動力回収装置６０は、海水供給部６４として、４ポート切換弁６９を具備する。制御部６６は、４ポート切換弁６２を切り換えるのと同一タイミングで４ポート切換弁６９を切り換える。
【００７８】
また、上記第１の実施形態では、動力回収装置６０が、４ポート切換弁６２を具備する例を説明したが、図１２に示しように、４ポート切換弁６２の代替として５ポート切換弁を使用しても構わない。
【００７９】
また、上記第１の実施形態では、動力回収装置６０に変換器６３１−１，６３１−２が２つ搭載される例について説明したが、２ｎ個（ｎは自然数）の変換器を搭載するようにしても構わない。
【００８０】
［第２の実施形態］
図１３は、本発明の第２の実施形態に係わる動力回収装置１３０の構成を示すブロック図である。図１３において図２と共通する部分には同じ符号を付して示し、ここでは異なる部分についてのみ説明する。
【００８１】
動力回収装置１３０における圧力変換部１３１は、変換器１３１１−１，１３１１−２を備える。変換器１３１１−１，１３１１−２の構造はそれぞれ同様であるため、ここでは、変換器１３１１−１について説明する。
【００８２】
変換器１３１１−１は、シリンダ１３１１１−１，１３１１２−１と、ピストン１３１１３−１，１３１１４−１と、連結棒１３１１５−１を備える。
【００８３】
シリンダ１３１１１−１は、一面が開放されており、他面に１個の穴を有する。また、シリンダ１３１１１−１の長手方向に垂直な断面の内側の面積はＡ１である。また、シリンダ１３１１２−１は、一面が開放されており、他面に１個の穴を有する。また、シリンダ１３１１２−１の長手方向に垂直な断面の内側の面積はＡ２である。シリンダ１３１１１−１，１３１１２−１における開放面は、対向している。
【００８４】
ピストン１３１１３−１は、シリンダ１３１１１−１の内部に位置し、シリンダ１３１１１−１との間にシール材を挟んで第１の空間を形成する。ピストン１３１１３−１の面積はＡ１である。また、ピストン１３１１４−１は、シリンダ１３１１２−１の内部に位置し、シリンダ１３１１２−１との間にシール材を挟んで第２の空間を形成する。ピストン１３１１４−１の面積はＡ２である。第１の空間には高濃度塩水が供給され、第２の空間には海水が供給される。ここで、面積Ａ１，Ａ２の関係は、高圧ＲＯ膜５０からの高濃度塩水の圧力、高圧ポンプ４０からの海水の圧力、シリンダ１３１１１−１とピストン１３１１３−１との間の摩擦力、及び、シリンダ１３１１２−１とピストン１３１１４−１との間の摩擦力等に基づいて予め設定されている。
【００８５】
連結棒１３１１５−１は、ピストン１３１１３−１と、ピストン１３１１４−１とを連結する。また、所定の位置にはドグが形成されている。
【００８６】
検出部１３２−１，１３２−２は、連結棒１３１１５−１におけるドグの位置を検出するものである。検出部１３２−１は、ピストン１３１１４−１がシリンダ１３１１２−１の左端に近接したときにドグが当たったことを検出できる位置に設置される。検出部１３２−２は、ピストン１３１１３−１がシリンダ１３１１１−１の右端に近接したときにドグを当たったことを検出できる位置に設置される。検出部１３２−１，１３２−２は、ドグを検出した場合、制御部１３３へ検出信号を出力する。これにより、変換器１３１１−１におけるピストン１３１１３−１，１３１１４−１の位置を把握する事が可能となる。また、検出部１３２−３，１３２−４は、検出部１３２−１，１３２−２と同様の構成をしており、連結棒１３１１５−２におけるドグの位置を検出するものである。検出部１３２−３，１３２−４は、連結棒１３１１５−２のドグを検出した場合、制御部１３３へ検出信号を出力する。これにより、変換器１３１１−２におけるピストン１３１１３−２，１３１１４−２の位置を把握する事が可能となる。
【００８７】
制御部１３３は、検出部１３２−１〜１３２−４からの検出信号に応じて、４ポート切換弁６２に対して切換信号を出力する。すなわち、制御部１３３は、検出部１３２−１，１３２−４からの検出信号を受けた場合は、ピストン１３１１４−１がシリンダ１３１１２−１の左端近傍に位置し、ピストン１３１１３−２がシリンダ１３１１１−２の右端近傍に位置すると判断する。そして、制御部１３３は、変換器１３１１−１から高濃度塩水を排水するように、また、変換器１３１１−２へ高濃度塩水を給水するように、４ポート切換弁６２に対して切換信号を出す。また、制御部１３３は、検出部１３２−２，１３２−３からの検出信号を受けた場合は、ピストン１３１１３−１がシリンダ１３１１１−１の右端近傍に位置し、ピストン１３１１４−２がシリンダ１３１１２−２の左端近傍に位置すると判断する。そして、制御部１３３は、変換器１３１１−１へ高濃度塩水を給水するように、また、変換器１３１１−２から高濃度塩水を排水するように、４ポート切換弁６２に対して切換信号を出す。
【００８８】
以上の構成により、上記第２の実施形態に係る動力回収装置１３０は、第１の実施形態に係る動力回収装置６０と同様の作用及び効果を得ることができる。
【００８９】
なお、上記第２の実施形態では、動力回収装置１３０に変換器１３１１−１，１３１１−２が２つ搭載される例について説明したが、２ｎ個（ｎは自然数）の変換器を搭載するようにしてもかまわない。
【００９０】
［第３の実施形態］
図１４は、本発明の第３の実施形態に係わる動力回収装置１４０の構成を示すブロック図である。図１４において図２と共通する部分には同じ符号を付して示し、ここでは異なる部分についてのみ説明する。
【００９１】
動力回収装置１４０における圧力変換部１４１は、変換器１４１１−１，１４１１−２，１４１１−３を備える。変換器１４１１−１，１４１１−２，１４１１−３は、それぞれがクランクシャフト１４１２に接続されている。クランクシャフト１４１２のアームは、それぞれが図１５に示すように１２０度ずつずれるように設計されている。なお、変換器１４１１−１，１４１１−２，１４１１−３の構造はそれぞれ同様であるため、ここでは、変換器１４１１−１について説明する。
【００９２】
変換器１４１１−１は、シリンダ１４１１１−１，１４１１２−１と、ピストン１４１１３−１，１４１１４−１と、連結棒１４１１５−１，１４１１６−１を備える。
【００９３】
シリンダ１４１１１−１は、一面が開放されており、他面に１個の穴を有する。また、シリンダ１４１１１−１の長手方向に垂直な断面の内側の面積はＡ１である。また、シリンダ１４１１２−１は、一面が開放されており、他面に１個の穴を有する。また、シリンダ１４１１２−１の長手方向に垂直な断面の内側の面積はＡ２である。シリンダ１４１１１−１，１４１１２−１における開放面は、対向している。
【００９４】
ピストン１４１１３−１は、シリンダ１４１１１−１の内部に位置し、シリンダ１４１１１−１との間にシール材を挟んで第１の空間を形成する。ピストン１４１１３−１の面積はＡ１である。また、ピストン１４１１４−１は、シリンダ１４１１２−１の内部に位置し、シリンダ１４１１２−１との間にシール材を挟んで第２の空間を形成する。ピストン１３１１４−１の面積はＡ２である。第１の空間には高濃度塩水が供給され、第２の空間には海水が供給される。ここで、面積Ａ１，Ａ２の関係は、高圧ＲＯ膜５０からの高濃度塩水の圧力、高圧ポンプ４０からの海水の圧力、シリンダ１４１１１−１とピストン１４１１３−１との間の摩擦力、及び、シリンダ１４１１２−１とピストン１４１１４−１との間の摩擦力等に基づいて予め設定されている。
【００９５】
連結棒１４１１５−１は、ピストン１４１１３−１と、クランクシャフト１４１２のピンとを連結する。連結棒１４１１６−１は、ピストン１４１１４−１と、クランクシャフト１４１２のピンとを連結する。
【００９６】
図１４の状態では、高濃度塩水が変換器１４１１−１の第１の空間へ流入され、この高濃度塩水によりピストン１４１１３−１が左方向へ移動される。また、海水が変換器１４１１−２，１４１１−３の第２の空間へ流入され、この海水によりピストン１４１１３−２，１４１１３−３が右方向へ移動される。これにより、クランクシャフト１４１２は、図１４の矢印方向に回転することとなる。
【００９７】
回転角検出部１４２は、クランクシャフト１４１２の回転角を検出するものである。回転角検出部１４２は、所定の角度に達した場合、検出信号を制御部１４３へ出力する。例えば、回転角検出部１４２には、ピストン１４１１３−１〜１４１１３−３がシリンダ１４１１１−１〜１４１１１−３の右端に近接するときの角度、及び、ピストン１４１１４−１〜１４１１４−３がシリンダ１４１１２−１〜１４１１２−３の左端に近接するときの角度の計６個の角度が予め登録されており、その角度に達すると、検出信号を制御部１４３へ出力する。これにより、制御部１４３は、変換器におけるピストンの位置を把握する事が可能となる。
【００９８】
制御部１４３は、回転角検出部１４２から検出信号を受けると、３ポート切換弁６２−１〜６２−３のうち、検出信号に対応した変換器と接続する３ポート切換弁に対して切換指示を与える。
【００９９】
次に、上記構成に動力回収装置１４０の動作を説明する。
【０１００】
図１４における動力回収装置１４０は、変換器１４１１−１に高濃度塩水が給水され、変換器１４１１−２，１４１１−３から高濃度塩水が排水される状態となっている。
【０１０１】
保安フィルタ３０からの海水は、０．２ＭＰａで高圧ポンプ４０へ供給されると共に、逆止弁６４１−４，６４１−６を通過して変換器１４１１−２，１４１１−３の第２の空間へ供給される。
【０１０２】
高圧ポンプ４０で６．０ＭＰａに昇圧された海水は、動力回収装置１３０からの海水と合流され、高圧ＲＯ膜５０へ導入される。このとき、動力回収装置１３０からの海水は、変換器１４１１−１の第２の空間から排出され、逆止弁６４１−２を通過したものである。高圧ＲＯ膜５０は、淡水と高濃度塩水とを出力する。
【０１０３】
高圧ＲＯ膜５０から排出された高濃度塩水は、バルブ６１、３ポート切換弁６２−１を通過し、変換器１４１１−１の第１の空間へ流入する。このとき、変換器１４１１−１の第２の空間には海水が充填されている。高濃度塩水は、シリンダ１４１１１−１内にあるピストン１４１１３−１を左方向へ移動させ、シリンダ１４１１２−１内にあるピストン１４１１４−１を左方向へ移動させる。これにより、変換器１４１１−１の第２の空間内の海水が加圧されて排出される。このとき、ピストン１４１１３−１が左方向へ移動する事により、クランクシャフト１４１２には、図１４に示す方向の回転力が与えられる。
【０１０４】
ここで、ピストン１４１１３−１の面積がＡ１であり、ピストン１４１１４−１の面積がＡ２であることから、変換器１４１１−１の第２の空間から排出される海水の圧力は、３ポート切換弁６２−１からの高濃度塩水の圧力の（Ａ１／Ａ２）倍となる。これにより、変換器１４１１−１の第２の空間から排出される海水の圧力は、高圧ＲＯ膜５０に導入される圧力と同等か少し高い圧力となる。
【０１０５】
クランクシャフト１４１２が図１４の矢印方向に回転すると、クランクシャフト１４１２に接続された変換器１４１１−２，１４１１−３のピストン１４１１３−２，１４１１３−３，１４１１４−２，１４１１４−３は、右方向に移動する。これにより、逆止弁６４１−４，６４１−６から、変換器１４１１−２，１４１１−３の第２の空間へそれぞれ海水が流入されると共に、変換器１４１１−２，１４１１−３の第１の空間から高濃度塩水が３ポート切換弁６２−２，６２−３及びバルブ７０を介してそれぞれ排出される。
【０１０６】
そして、上記の動作が持続された場合、クランクシャフト１４１２の回転角が所定の角度に達する度に、回転角検出部１４２から制御部１４３へ検出信号が出力される。制御部１４３は、回転角検出部１４２からの検出信号を受信すると、高濃度塩水の流入及び排出の方向を切り換える様に３ポート切換弁６２−１〜６２−３のうちいずれかの３ポート切換弁を順次切り換える。
【０１０７】
以上の構成により、上記第３の実施形態に係る動力回収装置１４０は、第１の実施形態に係る動力回収装置６０と同様の作用及び効果を得ることができる。
【０１０８】
また、上記第３の実施形態では、ピストンがクランクシャフト１４１２に接続されていることにより、シリンダの長手方向への変位が、サイン波形状に推移する。そして、３ポート切換弁６２−１〜６２−３が、シリンダ内のピストンの位置に応じて順次切り換わるようになっている。これにより、動力回収装置１４０は、３ポート切換弁６２−１〜６２−３の弁切り換え時に発生する脈動を低減することが可能となる。
【０１０９】
なお、上記第３の実施形態では、動力回収装置１４０に変換器１４１１１−１〜１４１１１−３が３つ搭載される例について説明したが、３ｎ個（ｎは自然数）の変換器を搭載するようにしてもかまわない。
【０１１０】
［第４の実施形態］
図１６は、本発明の第４の実施形態に係わる動力回収装置１５０の構成を示すブロック図である。図１６において図２と共通する部分には同じ符号を付して示し、ここでは異なる部分についてのみ説明する。
【０１１１】
動力回収装置１５０における圧力変換部１５１は、ベーン型ロータリーアクチュエータ１５１１−１，１５１１−２を備える。図１７は、本発明の第４の実施形態に係るロータリーアクチュエータ１５１１−１，１５１１−２の構造を示す模式図である。
【０１１２】
図１７において、ロータリーアクチュエータ１５１１−１と、ロータリーアクチュエータ１５１１−２とは、回転軸１５１２により結合されている。
【０１１３】
ロータリーアクチュエータ１５１１−１は、筐体１５１１１−１及びベーン１５１１２−１を備える。筐体１５１１１−１は、密閉空間を形成し、半径ｒ１の円筒形をしている。筐体１５１１１−１の中心軸には、回転軸１５１２が貫通するように配置されている。筐体１５１１１−１の内壁面から回転軸１５１２までには、衝立部１５１１３−１が形成される。衝立部１５１１３−１は、筐体１５１１１−１内で固着されている。
【０１１４】
ベーン１５１１２−１は、回転軸１５１２と接続するように形成され、筐体１５１１１−１の内壁面とシール剤を介して接触する。ベーン１５１１２−１の面積はＡ１である。
【０１１５】
筐体１５１１１−１が形成する密閉空間は、ベーン１５１１２−１と衝立部１５１１３−１とにより、第１及び第２の空間に分割される。ベーン１５１１２−１は、第１の空間へ高濃度塩水が流入される場合には、図１７に示すように矢印方向へ回転し、第２の空間に充填された高濃度塩水を押し出して排出する。これに対し、第２の空間へ高濃度塩水が流入される場合には、図１７に示す矢印方向とは逆の方向へ回転し、第１の空間に充填された高濃度塩水を押し出して排出する。
【０１１６】
ロータリーアクチュエータ１５１１−２は、筐体１５１１１−２及びベーン１５１１２−２を備える。筐体１５１１１−２は、密閉空間を形成し、半径ｒ２の円筒形をしている。なお、半径ｒ１＞半径ｒ２である。筐体１５１１１−２の中心軸には、回転軸１５１２が貫通するように配置されている。また、筐体１５１１１−２の内壁面から回転軸１５１２までには、衝立部１５１１３−２が形成される。衝立部１５１１３−２は、筐体１５１１１−２内で固着されている。
【０１１７】
ベーン１５１１２−２は、回転軸１５１２と接続するように形成され、筐体１５１１１−２の内壁面とシール剤を介して接触する。ベーン１５１１２−１と、ベーン１５１１２−２とは、常に同じ角度関係を保っている。
【０１１８】
ベーン１５１１２−２の面積はＡ２である。ここで、面積Ａ１，Ａ２の関係は、高圧ＲＯ膜５０からの高濃度塩水の圧力、高圧ポンプ４０からの海水の圧力、筐体１５１１１−１，１５１１１−２とベーン１５１１２−１，１５１１２−２との間の摩擦力等に基づいて予め設定されている。
【０１１９】
筐体１５１１１−２が形成する密閉空間は、ベーン１５１１２−２と衝立部１５１１３−２とにより、第１及び第２の空間に分割される。ベーン１５１１２−２は、第１の空間へ海水が流入される場合には、図１７に示すように矢印方向へ回転し、第２の空間に充填された海水を押し出して排出する。これに対し、第２の空間へ海水が流入される場合には、図１７に示す矢印方向とは逆の方向へ回転し、第１の空間に充填された海水を押し出して排出する。
【０１２０】
回転角検出部１５２は、回転軸１５１２の回転角を検出するものである。回転角検出部１５２は、所定の角度に達した場合、検出信号を制御部１５３へ出力する。例えば、回転角検出部１５２には、ベーン１５１１２−１，１５１１２−２が衝立部１５１１３−１，１５１１３−２へ左側から近接するときの角度、及び、ベーン１５１１２−１，１５１１２−２が衝立部１５１１３−１，１５１１３−２へ右側から近接するときの角度の計２個の角度が予め登録されており、その角度に達すると、検出信号を制御部１５３へ出力する。これにより、ロータリーアクチュエータ１５１１−１，１５１１−２におけるベーン１５１１２−１，１５１１２−２の位置を把握する事が可能となる。
【０１２１】
制御部１５３は、回転角検出部１５２から検出信号を受けると、高濃度塩水を流入する空間と、排出する空間とを切り換えるように、４ポート切換弁６２に対して切換指示を与える。
【０１２２】
次に、上記構成に動力回収装置１５０の動作を説明する。
【０１２３】
図１６における動力回収装置１５０は、ロータリーアクチュエータ１５１１−１の第１の空間へ高濃度塩水が給水され、ロータリーアクチュエータ１５１１−１の第２の空間から高濃度塩水が排出される状態となっている。
【０１２４】
保安フィルタ３０からの海水は、０．２ＭＰａで高圧ポンプ４０へ供給されると共に、逆止弁６４１−４を通過してロータリーアクチュエータ１５１１−２の第１の空間へ供給される。
【０１２５】
高圧ポンプ４０で６．０ＭＰａに昇圧された海水は、動力回収装置１５０からの海水と合流され、高圧ＲＯ膜５０へ導入される。このとき、動力回収装置１５０からの海水は、ロータリーアクチュエータ１５１１−２の第２の空間から排出され、逆止弁６４１−２を通過したものである。高圧ＲＯ膜５０は、淡水と高濃度塩水とを出力する。
【０１２６】
高圧ＲＯ膜５０から排出された高濃度塩水は、バルブ６１、４ポート切換弁６２を通過し、ロータリーアクチュエータ１５１１−１の第１の空間へ流入する。このとき、ロータリーアクチュエータ１５１１−１の第２の空間には高濃度塩水が充填されている。高濃度塩水は、ロータリーアクチュエータ１５１１−１内にあるベーン１５１１２−１を第２の空間方向へ回転させ、第２の空間内の高濃度塩水を４ポート切換弁６２及びバルブ７０を介して排出させる。
【０１２７】
ロータリーアクチュエータ１５１１−１のベーン１５１１２−１が回転すると、回転軸１５１２により結合された、ロータリーアクチュエータ１５１１−２のベーン１５１１２−２も回転する。これにより、ロータリーアクチュエータ１５１１−２の第２の空間から海水が逆止弁６４１−２を介して排出されると共に、ロータリーアクチュエータ１５１１−２の第１の空間へ逆止弁６４１−４を介して海水が流入される。
【０１２８】
ここで、ベーン１５１１２−１の面積がＡ１であり、ベーン１５１１２−２の面積がＡ２であることから、ロータリーアクチュエータ１５１１−２の第２の空間から排出される海水の圧力は、４ポート切換弁６２からの高濃度塩水の圧力の（Ａ１／Ａ２）倍となる。これにより、ロータリーアクチュエータ１５１１−２の第２の空間から排出される海水の圧力は、高圧ＲＯ膜５０に導入される圧力と同等か少し高い圧力となる。
【０１２９】
そして、上記の動作が持続された場合、ベーン１５１１２−１，１５１１２−２は、衝立部１５１１３−１，１５１１３−２へ左側から近接することとなる。すると、回転角検出部１５２は所定の角度に達したことを検出し、制御部１５３へ検出信号を出力する。制御部１５３は、回転角検出部１５２からの検出信号を受信すると、高濃度塩水の流入及び排出の方向を切り換える様に４ポート切換弁６２に対して切換指示を出す。
【０１３０】
以上の構成により、上記第４の実施形態に係る動力回収装置１５０は、第１の実施形態に係る動力回収装置６０と同様の作用及び効果を得ることができる。
【０１３１】
なお、上記第４の実施形態では、圧力変換器１５１がベーン型ロータリーアクチュエータ１５１１−１，１５１１−２を備える例について説明したが、これに限定される訳ではない。例えば、ベーン型ロータリーアクチュエータの代わりに、歯車モーター、アキシアルピストンモーター、プランジャーポンプ、ラジアルピストンモーター及びトロコイドモーター等を備える場合であっても同様に実施可能である。
【０１３２】
さらに、この発明は上記各実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記各実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【０１３３】
１０…前処理系
２０…送水ポンプ
３０…保安フィルタ
４０…高圧ポンプ
５０…高圧ＲＯ膜
６０，１２０，１３０，１４０，１５０…動力回収装置
６１…バルブ
６２，６９…４ポート切換弁
６２−１〜６２−３…３ポート切換弁
６３，１３１，１４１，１５１…圧力変換部
６３１，１３１１，１４１１…変換器
６３１１…シリンダ
６３１２…ピストン
６３１３…棒
６４…海水供給部
６４１…逆止弁
６５，１３２…検出部
６６，１３３，１４３，１５３…制御部
６７…圧力計測器
６８…バルブ制御部
６１０…５ポート切換弁
７０…バルブ
８０…低圧ポンプ
９０…低圧ＲＯ膜
１００…浄水池
１１０…供給ポンプ
１２１…昇圧ポンプ
１３１１１，１３１１２，１４１１１，１４１１２…シリンダ
１３１１３，１３１１４，１４１１３，１４１１４…ピストン
１３１１５，１４１１５，１４１１６…連結棒
１４１２…クランクシャフト
１４２，１５２…回転角検出部
１５１１…ベーン型ロータリーアクチュエータ
１５１１１…筐体
１５１１２…ベーン
１５１１３…衝立部
１５１２…回転軸
【技術分野】
【０００１】
この発明は、逆浸透膜方式海水淡水化装置おいて淡水の生成と共に、排水される高濃度塩水が有する動力を回収する動力回収装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
海水淡水化装置は、逆浸透圧より高い圧力の海水を供給し、逆浸透膜（以下、ＲＯ膜という。）を通過させて海水中の塩分等を除去して淡水を取り出すと共に、残りの海水を高濃度塩水（ブライン）として排出する装置である。このとき、高濃度塩水は、高圧のまま排出されるため、高い圧力エネルギーを有している。近年では、省エネ化をはかるため、海水淡水化装置に動力回収装置が搭載されている（例えば、特許文献１及び２参照）。動力回収装置は、高圧の高濃度塩水を回収し、高濃度塩水に含まれる圧力エネルギーを海水の加圧に利用する装置である。
【０００３】
ところで、従来の動力回収装置では、圧力エネルギーを利用して加圧した海水をさらに昇圧する昇圧ポンプが必要である。これは、圧力エネルギーを利用して加圧した海水の圧力を、ＲＯ膜へ注入する海水の圧力までさらに昇圧する必要があるからである。しかしながら、昇圧ポンプは、様々な問題を引き起こす要因となる。
【０００４】
まず、昇圧ポンプは、非常に圧力の高い海水の昇圧を行うため、ポンプが内圧によって破壊しないように、厚肉の部材で構成する必要がある。これにより、ポンプ効率が極端に低下し，昇圧ポンプでの消費電力が増大するという問題がある。
【０００５】
また、昇圧ポンプでは、内圧が高いため、内部流体の漏れ等の故障が多い。そのため、装置の稼働率が低下し，安定して浄水を供給できないという問題がある。
【０００６】
また、海水淡水化プラントでは、送水ポンプ，高圧ポンプ及び昇圧ポンプ等が多数設置されている。ポンプは定期的なメンテナンスが必要な装置であるため、プラントに多数のポンプが存在するという事は、メンテナンスのコスト及び労力が増大する要因となる。
【０００７】
さらに、昇圧ポンプは上述したように厚肉の部材で構成されているため、プラントの中でも高額部品である。そのため、プラント建設コストを増大させる要因となる。
【０００８】
なお、上記特許文献１に記載の動力回収装置では、ＲＯ膜を二つ備え、一つ目のＲＯ膜から排出された高濃度塩水を二つ目のＲＯ膜で濾過することで、昇圧ポンプの設置を省略する技術が提案されている。しかしながら、ＲＯ膜は高額部品であるため、このような構成は、プラント建設コストを増大させる要因となり得る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００４−８１９１３号公報
【特許文献２】特開２００１−４６８４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
以上のように、従来の動力回収装置における昇圧ポンプは、様々な問題の要因となっていた。
【００１１】
この発明は上記事情によりなされたもので、その目的は、昇圧ポンプが無くとも高濃度塩水に含まれるエネルギーを効率的に回収することが可能な動力回収装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するため、本発明に係る動力回収装置は、第１の圧力の海水を高圧ポンプにより第２の圧力に昇圧して逆浸透膜へ供給し、前記逆浸透膜から淡水を取り出すとともに、第３の圧力の濃縮水を排出する海水淡水化装置に用いられ、前記濃縮水が有するエネルギーを回収する動力回収装置において、前記逆浸透膜からの第３の圧力の濃縮水を第１の空間で受けることで可動部を動かし、前記可動部の移動により、第２の空間に充填された海水を押し出して前記第２の圧力で出力する圧力変換部と、前記圧力変換部からの海水を前記高圧ポンプからの海水に合流させる海水供給部とを具備する。
【００１３】
上記構成による動力回収装置では、第１の空間へ給水された第３の圧力の濃縮水により可動部を動かし、この可動部の変位を利用して、第２の空間の海水を第２の圧力で押し出すようにしている。これにより、従来の動力回収装置に搭載されていた昇圧ポンプが不要となる。
【発明の効果】
【００１４】
この発明によれば、昇圧ポンプが無くとも高濃度塩水に含まれるエネルギーを効率的に回収することが可能な動力回収装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る動力回収装置を備えた海水淡水化プラントの構成を示すブロック図である。
【図２】図１の動力回収装置の構成を示すと共に、動力回収装置の作動時の第１の状態を示す図である。
【図３】図１の動力回収装置の構成を示すと共に、動力回収装置の作動時の第２の状態を示す図である。
【図４】図２及び図３の変換器の構成を示す図である。
【図５】従来の動力回収装置の構成を示す図である。
【図６】数値シミュレーションで用いる海水淡水化装置の仕様を示す図である。
【図７】動力回収装置を具備していない海水淡水化装置における数値シミュレーションの結果を示す図である。
【図８】図１の動力回収装置を具備した海水淡水化装置における数値シミュレーションの結果を示す図である。
【図９】図５の動力回収装置を具備した海水淡水化装置における数値シミュレーションを示す図である。
【図１０】図２の動力回収装置の第１の変形例を示す図である。
【図１１】図２の動力回収装置の第２の変形例を示す図である。
【図１２】図２の動力回収装置の第３の変形例を示す図である。
【図１３】本発明の第２の実施形態に係わる動力回収装置の構成を示すブロック図である。
【図１４】本発明の第３の実施形態に係わる動力回収装置の構成を示すブロック図である。
【図１５】図１４のクランクシャフトを示す図である。
【図１６】本発明の第４の実施形態に係わる動力回収装置の構成を示すブロック図である。
【図１７】図１６のロータリーアクチュエータの構造を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照しながら本発明に係る動力回収装置の実施の形態について詳細に説明する。
【００１７】
［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態に係る動力回収装置６０を備えた海水淡水化プラントの構成を示すブロック図である。図１における海水淡水化プラントでは、汲み上げられた海水は、前処理系１０で薬品処理され、送水ポンプ２０により、保安フィルタ３０へ送水される。保安フィルタ３０を通過した海水は、一方が高圧ポンプ４０へ供給され、他方が動力回収装置６０へ供給される。このとき、保安フィルタ３０から出力された海水の圧力Ｐ３は、０．２ＭＰａ程度である。
【００１８】
高圧ポンプ４０は、供給された海水を昇圧し、高圧ＲＯ膜５０へ出力する。このとき、昇圧後の圧力Ｐ４は、高圧ＲＯ膜５０の種類によって異なるが、ここでは代表値として６．０ＭＰａとする。
【００１９】
高圧ＲＯ膜５０は、供給された海水をろ過する。高圧ＲＯ膜５０の回収率が４０％の場合、高圧ＲＯ膜５０からは、流入した流量の４０％の淡水と、６０％の高濃度塩水とが排出される。このとき、淡水の圧力は、０．２ＭＰａ程度（＝Ｐ３）まで低下するが、高濃度塩水の圧力Ｐ６は５．８ＭＰａ程度である。高圧ＲＯ膜５０からの淡水は低圧ポンプ８０へ供給され、高濃度塩水は動力回収装置６０へ供給される。
【００２０】
高圧ＲＯ膜５０からの淡水は、低圧ポンプ８０で再加圧され、低圧ＲＯ膜９０を通過することで、含有ホウ素の除去等が施される。そして、低圧ＲＯ膜９０を通過した淡水は、浄水池１００で薬品処理され、浄水として供給ポンプ１１０から家庭等へ供給される。
【００２１】
動力回収装置６０は、高濃度塩水に含まれる圧力エネルギーを利用し、保安フィルタ３０からの海水を昇圧して出力する。動力回収装置６０からの海水は、高圧ポンプ４０からの海水と合流し、高圧ＲＯ膜５０へ導入される。
【００２２】
バルブ７０の一端は、大気開放されている。バルブ７０により、動力回収装置６０で圧力エネルギーを回収された高濃度塩水の排出流量を制御する。
【００２３】
図２及び図３は、本発明の第１の実施形態に係る動力回収装置６０の構成を示すと共に、動力回収装置６０の作動時の各状態を示す模式図である。
【００２４】
まず、図２を用いて、動力回収装置６０の構成について説明する。図２における動力回収装置６０は、バルブ６１、４ポート切換弁６２、圧力変換部６３、海水供給部６４、棒位置検出部６５−１〜６５−４及び制御部６６を具備する。
【００２５】
バルブ６１は、高圧ＲＯ膜５０から流出される高濃度塩水を制限することで、４ポート切換弁６２へ導出される高濃度塩水の圧力を操作するものである。高圧ＲＯ膜５０からの高濃度塩水の圧力Ｐ６は、高圧ＲＯ膜５０を長期間使用することによりＲＯ膜がつまり減少する。バルブ６１は、この減少分を調整するために用いられる。これにより、動力回収装置６０から出力される海水の圧力Ｐ１４と、高圧ポンプ４０から出力される海水の圧力Ｐ４とが常に等しくなる。
【００２６】
４ポート切換弁６２は、高濃度塩水の圧力変換部６３への流入及び、圧力変換部６３からの排出の方向を切り換えるものである。４ポート切換弁６２は、制御部６６からの切換指示に従って、高濃度塩水の流入及び排出の方向を切り換える。なお、４ポート切換弁を切り換える方法としては、空圧式，水圧式，油圧式及びソレノイドコイルによる方法等がある。水圧源として、高濃度塩水、送水ポンプ２０から出た海水、ないしは、高圧ポンプ４０から出た高圧塩水を用いてもよい。
【００２７】
圧力変換部６３は、変換器６３１−１，６３１−２を備える。図４は、変換器６３１−１，６３１−２の構成を示す概略図である。なお、変換器６３１−１，６３１−２はそれぞれ同様の構造をしているため、図４では、変換器６３１−１の説明を行う。図４における変換器６３１−１は、シリンダ６３１１−１、ピストン６３１２−１及び棒６３１３−１を備える。
【００２８】
シリンダ６３１１−１は、３個の穴を有し、密閉空間を形成する。
【００２９】
ピストン６３１２−１は、シリンダ６３１１−１の内部に位置し、シリンダ６３１１−１との間にシール材を挟んでこの密閉空間を第１の空間と第２の空間とに分割する。第１の空間には高濃度塩水が供給され、第２の空間には海水が供給される。
【００３０】
棒６３１３−１は、一端が第２の空間側からピストン６３１２−１に接着され、他端がシリンダ６３１１−１の穴から外部へ突出している。なお、この穴の淵にはシール材が取り付けられている。この棒が第２の空間側からピストン６３１２−１に接着されていることにより、ピストン６３１２−１が第１の空間に面する面積Ａ１と、ピストン６３１２−１が第２の空間に面する面積Ａ２とは異なることとなる。ここで、面積Ａ１，Ａ２の関係は、高圧ＲＯ膜５０からの高濃度塩水の圧力Ｐ６、高圧ポンプ４０からの海水の圧力Ｐ４、シリンダ６３１１−１とピストン６３１２−１との間の摩擦力、及び、シリンダ６３１１−１と棒６３１３−１との間の摩擦力等に基づいて予め設定されている。
【００３１】
海水供給部６４は、逆止弁６４１−１〜６４１−４を備える。逆止弁６４１−１〜６４１−４は、周囲の圧力差に応じてそれぞれ独立して開閉する。これにより、動力回収装置６０から外部へ又は、圧力変換部６３へ、海水が供給されることとなる。
【００３２】
検出部６５−１，６５−２は、変換器６３１−１から突出した棒６３１３−１の位置を検出するものである。検出部６５−１は、ピストン６３１２−１がシリンダ６３１１−１の左端に近接したときに棒６３１３−１を検出できる位置に設置される。検出部６５−２は、ピストン６３１２−１がシリンダ６３１１−１の右端に近接したときに棒６３１３−１が非検出となる位置に設置される。検出部６５−１は棒６３１３−１を検出した場合に、また、検出部６５−２は棒６３１３−１が非検出となった場合に、それぞれ制御部６６へ検出信号を出力する。これにより、シリンダ６３１１−１におけるピストン６３１２−１の位置を把握する事が可能となる。また、検出部６５−３，６５−４は、検出部６５−１，６５−２と同様の構成をしており、変換器６３１−２から突出した棒６３１３−２の位置を検出するものである。検出部６５−３は棒６３１３−２を検出した場合に、また、検出部６５−４は棒６３１３−２が非検出となった場合に、制御部６６へ検出信号を出力する。これにより、シリンダ６３１１−２におけるピストン６３１２−２の位置を把握する事が可能となる。なお、検出部６５−１〜６５−４における検出方式としては、機械式，電気式及び光学式等があり得る。また、本実施形態では、検出信号を制御部６６へ出力するようにしているが、棒の動きを機械的に４ポート切換弁６２へ伝達するようにしても構わない。
【００３３】
制御部６６は、検出部６５−１〜６５−４からの検出信号に応じて、４ポート切換弁６２に対して切換信号を出力する。すなわち、制御部６６は、検出部６５−１，６５−４からの検出信号を受けた場合は、ピストン６３１２−１がシリンダ６３１１−１の左端近傍に位置し、ピストン６３１２−２がシリンダ６３１１−２の右端近傍に位置すると判断する。そして、制御部６６は、変換器６３１−１から高濃度塩水を排水するように、また、変換器６３１−２へ高濃度塩水を給水するように、４ポート切換弁６２に対して切換信号を出す。また、制御部６６は、検出部６５−２，６５−３からの検出信号を受けた場合は、ピストン６３１２−１がシリンダ６３１１−１の右端近傍に位置し、ピストン６３１２−２がシリンダ６３１１−２の左端近傍に位置すると判断する。そして、制御部６６は、変換器６３１−１へ高濃度塩水を給水するように、また、変換器６３１−２から高濃度塩水を排水するように、４ポート切換弁６２に対して切換信号を出す。
【００３４】
次に、上記構成に動力回収装置６０の動作を説明する。
【００３５】
図２における動力回収装置６０は、変換器６３１−１に高濃度塩水が給水され、変換器６３１−２から高濃度塩水が排水される状態となっている。
【００３６】
保安フィルタ３０からの海水は、０．２ＭＰａ（＝Ｐ３）で高圧ポンプ４０へ供給されると共に、逆止弁６４１−４を通過して変換器６３１−２の第２の空間へ供給される。
【００３７】
高圧ポンプ４０で６．０ＭＰａ（＝Ｐ４）に昇圧された海水は、動力回収装置６０からの海水と合流され、高圧ＲＯ膜５０へ導入される。このとき、動力回収装置６０からの海水は、変換器６３１−１の第２の空間から排出され、逆止弁６４１−２を通過したものである。高圧ＲＯ膜５０は、淡水と高濃度塩水とを出力する。
【００３８】
高圧ＲＯ膜５０から排出された高濃度塩水は、バルブ６１、４ポート切換弁６２を通過し、変換器６３１−１の第１の空間へ流入する。このとき、変換器６３１−１の第２の空間には海水が充填されている。高濃度塩水は、シリンダ６３１１−１内にあるピストン６３１２−１を第２の空間方向へ移動させ、第２の空間内の海水を加圧しながら排出させる。
【００３９】
ここで、ピストン６３１２−１が第１の空間に面する面積がＡ１であり、ピストン６３１２−１が第２の空間に面する面積がＡ２であることから、シリンダ６３１１−１の第２の空間から排出される海水の圧力Ｐ８は、４ポート切換弁６２からの高濃度塩水の圧力Ｐ７を用いて、Ｐ８＝Ｐ７×（Ａ１／Ａ２）となる。これにより、圧力Ｐ８は、高圧ＲＯ膜５０に導入される圧力Ｐ４と同等か少し高い圧力となる。
【００４０】
ここで、図２における逆止弁６４１−１〜６４１−４の状態を以下に説明する。
【００４１】
圧力Ｐ８＞圧力Ｐ３であるため、逆止弁６４１−１は閉じている。また、圧力Ｐ８＞圧力Ｐ１４であるため、逆止弁６４１−２は開いている。ここで、圧力Ｐ８と圧力Ｐ１４との圧力差は、逆止弁６４１−２を海水が通過するときの圧力損失と考えることができる。
【００４２】
また、圧力Ｐ１４＞圧力Ｐ１３であるため、逆止弁６４１−３は閉じている。また、バルブ７０の一端は、大気開放されているため、シリンダ６３１１−２の第２の空間のゲージ圧力はほぼ零である。つまり、Ｐ１３は小さな圧力である。そのため、Ｐ３＞Ｐ１３であり、逆止弁６４１−４は開いている。
【００４３】
保安フィルタ３０からの海水は、逆止弁６４１−４を通過して、変換器６３１−２の第２の空間へ流入する。このとき、変換器６３１−２の第１の空間には高濃度塩水が充填されている。ここで、バルブ７０の一端は、大気開放されているため、変換器６３１−２の第１の空間のゲージ圧はほぼ零である。逆止弁６４１−４を通過した海水は、０．２ＭＰａの圧力を有し、シリンダ６３１１−２内にあるピストン６３１２−２を第１の空間方向へ移動させる。ピストン６３１２−２は、第１の空間方向へ移動する事により、第１の空間内の高濃度塩水を、４ポート切換弁６２及びバルブ７０を介して排出させる。
【００４４】
そして、上記の動作が持続された場合、ピストン６３１２−１はシリンダ６３１１−１内の左端へ近接し、ピストン６３１２−２はシリンダ６３１１−２内の右端へ近接することとなる。すると、検出部６５−１は棒６３１３−１が接触したことを検出し、検出部６５−４は棒６３１３−２が非接触となったことを検出する。これにより、検出部６５−１，６５−４から制御部６６へ検出信号が出力される。制御部６６は、検出部６５−１，６５−４からの検出信号を受信すると、高濃度塩水の流入及び排出の方向を切り換える様に４ポート切換弁６２に対して切換指示を出す。高濃度塩水の流入及び排出が切り換わると、動力回収装置６０は、図３に示す状態となる。
【００４５】
図３における動力回収装置６０では、変換器６３１−２に高濃度塩水が給水され、変換器６３１−１から高濃度塩水が排水される。
【００４６】
高圧ＲＯ膜５０から排出された高濃度塩水は、バルブ６１、４ポート切換弁６２を通過し、変換器６３１−２の第１の空間へ流入する。このとき、変換器６３１−２の第２の空間には海水が充填されている。高濃度塩水は、シリンダ６３１１−２内にあるピストン６３１２−２を第２の空間方向へ移動させ、第２の空間内の海水を加圧しながら排出させる。
【００４７】
ピストン６３１２−２が第１の空間に面する面積がＡ１であり、ピストン６３１２−２が第２の空間に面する面積がＡ２であることから、シリンダ６３１１−２の第２の空間から排出される海水の圧力Ｐ１３は、４ポート切換弁６２からの高濃度塩水の圧力Ｐ７を用いて、Ｐ１３＝Ｐ７×（Ａ１／Ａ２）となる。これにより、圧力Ｐ１３は、高圧ＲＯ膜５０に導入される圧力Ｐ４と同等か少し高い圧力となる。
【００４８】
ここで、図３における逆止弁６４１−１〜６４１−４の状態を以下に説明する。
【００４９】
圧力Ｐ１３＞圧力Ｐ３であるため、逆止弁６４１−４は閉じている。また、圧力Ｐ１３＞圧力Ｐ１４であるため、逆止弁６４１−３は開いている。ここで、圧力Ｐ１３と圧力Ｐ１４との圧力差は、逆止弁６４１−２を海水が通過するときの圧力損失と考えることができる。
【００５０】
また、圧力Ｐ１４＞圧力Ｐ８であるため、逆止弁６４１−２は閉じている。また、ここで、バルブ７０の一端は、大気開放されているため、シリンダ６３１１−１の第２の空間のゲージ圧力はほぼ零である。つまり、Ｐ８は小さな圧力である。そのため、Ｐ３＞Ｐ８であり、逆止弁６４１−１は開いている。
【００５１】
保安フィルタ３０からの海水は、逆止弁６４１−１を通過して、変換器６３１−１の第２の空間へ流入する。このとき、変換器６３１−１の第１の空間には高濃度塩水が充填されている。ここで、バルブ７０一端は、大気開放されているため、変換器６３１−１の第１の空間のゲージ圧はほぼ零である。逆止弁６４１−１を通過した海水は、０．２ＭＰａの圧力を有し、シリンダ６３１１−１内にあるピストン６３１２−１を第１の空間方向へ移動させる。ピストン６３１２−１は、第１の空間方向へ移動する事により、第１の空間内の高濃度塩水を、４ポート切換弁６２及びバルブ７０を介して排出させる。
【００５２】
そして、上記の動作が持続された場合、ピストン６３１２−２はシリンダ６３１１−２内の左端へ近接し、ピストン６３１２−１はシリンダ６３１１−１内の右端へ近接することとなる。すると、検出部６５−３は棒６３１３−２が接触したことを検出し、検出部６５−２は棒６３１３−１が非接触となったことを検出する。これにより、検出部６５−２，６５−３から制御部６６へ検出信号が出力される。制御部６６は、検出部６５−２，６５−３からの検出信号を受信すると、高濃度塩水の流入及び排出の方向を切り換える様に４ポート切換弁６２に対して切換指示を出す。高濃度塩水の流入及び排出が切り換わると、動力回収装置６０は、再度図２に示す状態となる。
【００５３】
なお、本実施形態では、バルブ７０を開閉することで、ピストン６３１２−１の移動速度とピストン６３１２−２の移動速度とを等しくするようにしている。これにより、送水ポンプ２０の流量は時間的に変動せず、安定した動作をするようになる。
【００５４】
次に、数値シミュレーションを用いて、以下の三つの場合の海水淡水化装置において、１ｍ３の淡水を造水するときの消費電力、つまり造水コストを算出して比較する。三つの場合の海水淡水化装置とは、動力回収装置を具備していない海水淡水化装置、従来の動力回収装置１２０を具備した海水淡水化装置、及び、本発明に係る動力回収装置６０を具備した海水淡水化装置のことである。なお、図５は、従来の動力回収装置１２０の構成を示す模式図である。
【００５５】
図６は、数値シミュレーションで用いる海水淡水化装置の仕様を示す。なお、海水淡水化装置自体の各パラメータは、各海水淡水化装置の数値シミュレーションにおいて共通である。また、昇圧ポンプ１２１のポンプ効率は、昇圧ポンプの構造を加味した上で、低い値としている。
【００５６】
図７は、動力回収装置を具備していない海水淡水化装置における数値シミュレーションの結果を示す。図７によれば、造水コストは５．０８ｋＷｈ／ｍ３である。
【００５７】
また、図８は本実施形態に係る動力回収装置６０を具備した海水淡水化装置における数値シミュレーションの結果を示し、図９は従来の動力回収装置１２０を具備した海水淡水化装置における数値シミュレーションを示す。
【００５８】
図８及び図９において説明する。
【００５９】
バルブ７０は上述した理由からある程度の流体抵抗が必要である。バルブ７０で発生する圧力損失は流量（ｍ３／ｓ）の２乗に比例するとして、図８及び図９に示した抵抗係数が必要である。また、図８において、バルブ６１の抵抗は、１×１０６ Ｐａ／(ｍ３／ｓ)２とした。
【００６０】
さらに、ピストンがシリンダ内を移動するとき摩擦抵抗が発生する。この数値シミュレーションでは、この摩擦抵抗も考慮している。図８及び図９において、ピストンとシリンダとの摩擦抵抗を１６３３３Ｎとした。また、図８においては、棒とシリンダとの摩擦抵抗を１７７６Ｎとした。また、図８においては、ピストンの面積比（Ａ２／Ａ１）を０．９８６９としてシリンダを製作した場合、動力回収装置６０は、意図した動作をする。
【００６１】
数値シミュレーションの結果、つまり、図２及び図５における各部での圧力と流量とは図８及び図９に示した数値となる。
【００６２】
ポンプが流体に与える動力Ｗは、流量Ｑと圧力Ｐとを掛け合わせることにより求まる。すなわち、図８における送水ポンプ２０の動力は２．８９４×１０４ Ｗ、高圧ポンプ４０の動力は３．４２２×１０５ Ｗと算出される。また、図９における送水ポンプ２０の動力は２．８９４×１０４ Ｗ、高圧ポンプ４０の動力は３．３５６×１０５ Ｗ、昇圧ポンプ１２１の動力は５．９７８×１０３ Ｗと算出される。
【００６３】
また、必要動力Ｗｐｏｗｅｒ ｒｅｃｏｖｅｒは、
【数１】
【００６４】
により算出される。なお、ΔＰはポンプの揚程（Ｐａ）、Ｑは流量（ｍ３／ｓ）、ηはポンプ効率を示す。数式（１）により、図８における必要動力は、４５３ｋＷとなる。また、図９における必要動力は、４６０ｋＷとなる。
【００６５】
また、動力回収率ξは、
【数２】
【００６６】
により算出される。なお、Ｗは動力回収装置が具備されていない場合の必要動力（Ｗ）である。数式（２）により、図８における動力回収率は５７．２％となり、図９における動力回収率は５６．６％となる。
【００６７】
また、単純造水コストγは、
【数３】
【００６８】
により算出される。なお、Ｑは１時間あたりの淡水流量（ｍ３／ｈ）である。数式（３）により、図８における単純造水コストは２．１７ｋＷｈ／ｍ３となり、図９における単純造水コストは２．２１ｋＷｈ／ｍ３となる。
【００６９】
これにより、図７乃至図９を比較すると、動力回収装置６０，１２０を具備した海水淡水化装置は、具備しない海水淡水化装置よりも電力節約効果が非常に高いことがわかる。
【００７０】
また、本実施形態に係る動力回収装置６０を具備した海水淡水化装置は、従来の動力回収装置１２０を具備した海水淡水化装置よりも、造水コストは低くなる。これにより、本実施形態に係る動力回収装置６０は、昇圧ポンプ１２１を用いずとも、有効に高濃度塩水の圧力エネルギーを回収することが可能となる。また、動力回収装置６０を具備した海水淡水化装置の方が造水コストが低い理由は、昇圧ポンプ１２１のポンプ効率の低さに起因する。
【００７１】
以上のように、上記第１の実施形態では、シリンダ６３１１−１，６３１１−２の第２の空間に、外部へ貫通するように棒６３１３−１，６３１３−２が設置されている。外部へ貫通している事により、棒６３１３−１，６３１３−２の一端は大気圧と同じ圧力を受けることとなる。そのため、ピストン６３１２−１，６３１２−２が第２の空間と接する面積が、ピストン６３１２−１，６３１２−２が第１の空間と接する面積よりも、棒６３１３−１，６３１３−２の長手方向に垂直な断面積分だけ小さくなる。つまり、面積Ａ１＞面積Ａ２となる。これにより、動力回収装置６０は、第１の空間へ給水された高濃度塩水の圧力を利用して、高圧ポンプ４０から出力される海水の圧力と同等の圧力の海水を第２の空間から出力することが可能となる。
【００７２】
また、上記第１の実施形態では、シリンダ６３１１−１，６３１１−２から突出した棒６３１３−１，６３１３−２の位置を検出し、この検出結果に基づいて４ポート切換弁６２を切り換えるようにしている。これにより、シリンダ６３１１−１，６３１１−２内部のピストン６３１２−１，６３１２−２の位置を、正確かつ容易に把握することが可能となる。
【００７３】
したがって、本発明に係る動力回収装置６０は、昇圧ポンプが無くとも高濃度塩水に含まれる圧力エネルギーを回収することができる。
【００７４】
このように、本発明に係る動力回収装置６０では、昇圧ポンプが不要となるため、造水のための消費電力を低減する事ができる。また、プラントに設置されるポンプの総数が減少する事となるため、メンテナンスコスト及びプラント製造コストを削減することができる。
【００７５】
また、動力回収装置６０では、変換器６３１−１，６３１−２の第２の空間に棒を設置することで、上記効果を得ることが可能である。そのため、プラントの製造コストをより削減することができる。
【００７６】
なお、この発明は上記第１の実施形態に限定されるものではない。例えば、動力回収装置６０は、図１０に示す構造をしていても同様に実施可能である。図１０における動力回収装置６０は、バルブ６１の前段に圧力計測器６７を具備し、この計測結果に従ってバルブ６１をバルブ制御部６８で開閉制御するようにしている。これにより、動力回収装置６０から出力される海水の圧力Ｐ１４と、高圧ポンプ４０から出力される海水の圧力Ｐ４とが常に等しくなる。
【００７７】
また、動力回収装置６０は、図１１に示す構造をしていても同様に実施可能である。図１１における動力回収装置６０は、海水供給部６４として、４ポート切換弁６９を具備する。制御部６６は、４ポート切換弁６２を切り換えるのと同一タイミングで４ポート切換弁６９を切り換える。
【００７８】
また、上記第１の実施形態では、動力回収装置６０が、４ポート切換弁６２を具備する例を説明したが、図１２に示しように、４ポート切換弁６２の代替として５ポート切換弁を使用しても構わない。
【００７９】
また、上記第１の実施形態では、動力回収装置６０に変換器６３１−１，６３１−２が２つ搭載される例について説明したが、２ｎ個（ｎは自然数）の変換器を搭載するようにしても構わない。
【００８０】
［第２の実施形態］
図１３は、本発明の第２の実施形態に係わる動力回収装置１３０の構成を示すブロック図である。図１３において図２と共通する部分には同じ符号を付して示し、ここでは異なる部分についてのみ説明する。
【００８１】
動力回収装置１３０における圧力変換部１３１は、変換器１３１１−１，１３１１−２を備える。変換器１３１１−１，１３１１−２の構造はそれぞれ同様であるため、ここでは、変換器１３１１−１について説明する。
【００８２】
変換器１３１１−１は、シリンダ１３１１１−１，１３１１２−１と、ピストン１３１１３−１，１３１１４−１と、連結棒１３１１５−１を備える。
【００８３】
シリンダ１３１１１−１は、一面が開放されており、他面に１個の穴を有する。また、シリンダ１３１１１−１の長手方向に垂直な断面の内側の面積はＡ１である。また、シリンダ１３１１２−１は、一面が開放されており、他面に１個の穴を有する。また、シリンダ１３１１２−１の長手方向に垂直な断面の内側の面積はＡ２である。シリンダ１３１１１−１，１３１１２−１における開放面は、対向している。
【００８４】
ピストン１３１１３−１は、シリンダ１３１１１−１の内部に位置し、シリンダ１３１１１−１との間にシール材を挟んで第１の空間を形成する。ピストン１３１１３−１の面積はＡ１である。また、ピストン１３１１４−１は、シリンダ１３１１２−１の内部に位置し、シリンダ１３１１２−１との間にシール材を挟んで第２の空間を形成する。ピストン１３１１４−１の面積はＡ２である。第１の空間には高濃度塩水が供給され、第２の空間には海水が供給される。ここで、面積Ａ１，Ａ２の関係は、高圧ＲＯ膜５０からの高濃度塩水の圧力、高圧ポンプ４０からの海水の圧力、シリンダ１３１１１−１とピストン１３１１３−１との間の摩擦力、及び、シリンダ１３１１２−１とピストン１３１１４−１との間の摩擦力等に基づいて予め設定されている。
【００８５】
連結棒１３１１５−１は、ピストン１３１１３−１と、ピストン１３１１４−１とを連結する。また、所定の位置にはドグが形成されている。
【００８６】
検出部１３２−１，１３２−２は、連結棒１３１１５−１におけるドグの位置を検出するものである。検出部１３２−１は、ピストン１３１１４−１がシリンダ１３１１２−１の左端に近接したときにドグが当たったことを検出できる位置に設置される。検出部１３２−２は、ピストン１３１１３−１がシリンダ１３１１１−１の右端に近接したときにドグを当たったことを検出できる位置に設置される。検出部１３２−１，１３２−２は、ドグを検出した場合、制御部１３３へ検出信号を出力する。これにより、変換器１３１１−１におけるピストン１３１１３−１，１３１１４−１の位置を把握する事が可能となる。また、検出部１３２−３，１３２−４は、検出部１３２−１，１３２−２と同様の構成をしており、連結棒１３１１５−２におけるドグの位置を検出するものである。検出部１３２−３，１３２−４は、連結棒１３１１５−２のドグを検出した場合、制御部１３３へ検出信号を出力する。これにより、変換器１３１１−２におけるピストン１３１１３−２，１３１１４−２の位置を把握する事が可能となる。
【００８７】
制御部１３３は、検出部１３２−１〜１３２−４からの検出信号に応じて、４ポート切換弁６２に対して切換信号を出力する。すなわち、制御部１３３は、検出部１３２−１，１３２−４からの検出信号を受けた場合は、ピストン１３１１４−１がシリンダ１３１１２−１の左端近傍に位置し、ピストン１３１１３−２がシリンダ１３１１１−２の右端近傍に位置すると判断する。そして、制御部１３３は、変換器１３１１−１から高濃度塩水を排水するように、また、変換器１３１１−２へ高濃度塩水を給水するように、４ポート切換弁６２に対して切換信号を出す。また、制御部１３３は、検出部１３２−２，１３２−３からの検出信号を受けた場合は、ピストン１３１１３−１がシリンダ１３１１１−１の右端近傍に位置し、ピストン１３１１４−２がシリンダ１３１１２−２の左端近傍に位置すると判断する。そして、制御部１３３は、変換器１３１１−１へ高濃度塩水を給水するように、また、変換器１３１１−２から高濃度塩水を排水するように、４ポート切換弁６２に対して切換信号を出す。
【００８８】
以上の構成により、上記第２の実施形態に係る動力回収装置１３０は、第１の実施形態に係る動力回収装置６０と同様の作用及び効果を得ることができる。
【００８９】
なお、上記第２の実施形態では、動力回収装置１３０に変換器１３１１−１，１３１１−２が２つ搭載される例について説明したが、２ｎ個（ｎは自然数）の変換器を搭載するようにしてもかまわない。
【００９０】
［第３の実施形態］
図１４は、本発明の第３の実施形態に係わる動力回収装置１４０の構成を示すブロック図である。図１４において図２と共通する部分には同じ符号を付して示し、ここでは異なる部分についてのみ説明する。
【００９１】
動力回収装置１４０における圧力変換部１４１は、変換器１４１１−１，１４１１−２，１４１１−３を備える。変換器１４１１−１，１４１１−２，１４１１−３は、それぞれがクランクシャフト１４１２に接続されている。クランクシャフト１４１２のアームは、それぞれが図１５に示すように１２０度ずつずれるように設計されている。なお、変換器１４１１−１，１４１１−２，１４１１−３の構造はそれぞれ同様であるため、ここでは、変換器１４１１−１について説明する。
【００９２】
変換器１４１１−１は、シリンダ１４１１１−１，１４１１２−１と、ピストン１４１１３−１，１４１１４−１と、連結棒１４１１５−１，１４１１６−１を備える。
【００９３】
シリンダ１４１１１−１は、一面が開放されており、他面に１個の穴を有する。また、シリンダ１４１１１−１の長手方向に垂直な断面の内側の面積はＡ１である。また、シリンダ１４１１２−１は、一面が開放されており、他面に１個の穴を有する。また、シリンダ１４１１２−１の長手方向に垂直な断面の内側の面積はＡ２である。シリンダ１４１１１−１，１４１１２−１における開放面は、対向している。
【００９４】
ピストン１４１１３−１は、シリンダ１４１１１−１の内部に位置し、シリンダ１４１１１−１との間にシール材を挟んで第１の空間を形成する。ピストン１４１１３−１の面積はＡ１である。また、ピストン１４１１４−１は、シリンダ１４１１２−１の内部に位置し、シリンダ１４１１２−１との間にシール材を挟んで第２の空間を形成する。ピストン１３１１４−１の面積はＡ２である。第１の空間には高濃度塩水が供給され、第２の空間には海水が供給される。ここで、面積Ａ１，Ａ２の関係は、高圧ＲＯ膜５０からの高濃度塩水の圧力、高圧ポンプ４０からの海水の圧力、シリンダ１４１１１−１とピストン１４１１３−１との間の摩擦力、及び、シリンダ１４１１２−１とピストン１４１１４−１との間の摩擦力等に基づいて予め設定されている。
【００９５】
連結棒１４１１５−１は、ピストン１４１１３−１と、クランクシャフト１４１２のピンとを連結する。連結棒１４１１６−１は、ピストン１４１１４−１と、クランクシャフト１４１２のピンとを連結する。
【００９６】
図１４の状態では、高濃度塩水が変換器１４１１−１の第１の空間へ流入され、この高濃度塩水によりピストン１４１１３−１が左方向へ移動される。また、海水が変換器１４１１−２，１４１１−３の第２の空間へ流入され、この海水によりピストン１４１１３−２，１４１１３−３が右方向へ移動される。これにより、クランクシャフト１４１２は、図１４の矢印方向に回転することとなる。
【００９７】
回転角検出部１４２は、クランクシャフト１４１２の回転角を検出するものである。回転角検出部１４２は、所定の角度に達した場合、検出信号を制御部１４３へ出力する。例えば、回転角検出部１４２には、ピストン１４１１３−１〜１４１１３−３がシリンダ１４１１１−１〜１４１１１−３の右端に近接するときの角度、及び、ピストン１４１１４−１〜１４１１４−３がシリンダ１４１１２−１〜１４１１２−３の左端に近接するときの角度の計６個の角度が予め登録されており、その角度に達すると、検出信号を制御部１４３へ出力する。これにより、制御部１４３は、変換器におけるピストンの位置を把握する事が可能となる。
【００９８】
制御部１４３は、回転角検出部１４２から検出信号を受けると、３ポート切換弁６２−１〜６２−３のうち、検出信号に対応した変換器と接続する３ポート切換弁に対して切換指示を与える。
【００９９】
次に、上記構成に動力回収装置１４０の動作を説明する。
【０１００】
図１４における動力回収装置１４０は、変換器１４１１−１に高濃度塩水が給水され、変換器１４１１−２，１４１１−３から高濃度塩水が排水される状態となっている。
【０１０１】
保安フィルタ３０からの海水は、０．２ＭＰａで高圧ポンプ４０へ供給されると共に、逆止弁６４１−４，６４１−６を通過して変換器１４１１−２，１４１１−３の第２の空間へ供給される。
【０１０２】
高圧ポンプ４０で６．０ＭＰａに昇圧された海水は、動力回収装置１３０からの海水と合流され、高圧ＲＯ膜５０へ導入される。このとき、動力回収装置１３０からの海水は、変換器１４１１−１の第２の空間から排出され、逆止弁６４１−２を通過したものである。高圧ＲＯ膜５０は、淡水と高濃度塩水とを出力する。
【０１０３】
高圧ＲＯ膜５０から排出された高濃度塩水は、バルブ６１、３ポート切換弁６２−１を通過し、変換器１４１１−１の第１の空間へ流入する。このとき、変換器１４１１−１の第２の空間には海水が充填されている。高濃度塩水は、シリンダ１４１１１−１内にあるピストン１４１１３−１を左方向へ移動させ、シリンダ１４１１２−１内にあるピストン１４１１４−１を左方向へ移動させる。これにより、変換器１４１１−１の第２の空間内の海水が加圧されて排出される。このとき、ピストン１４１１３−１が左方向へ移動する事により、クランクシャフト１４１２には、図１４に示す方向の回転力が与えられる。
【０１０４】
ここで、ピストン１４１１３−１の面積がＡ１であり、ピストン１４１１４−１の面積がＡ２であることから、変換器１４１１−１の第２の空間から排出される海水の圧力は、３ポート切換弁６２−１からの高濃度塩水の圧力の（Ａ１／Ａ２）倍となる。これにより、変換器１４１１−１の第２の空間から排出される海水の圧力は、高圧ＲＯ膜５０に導入される圧力と同等か少し高い圧力となる。
【０１０５】
クランクシャフト１４１２が図１４の矢印方向に回転すると、クランクシャフト１４１２に接続された変換器１４１１−２，１４１１−３のピストン１４１１３−２，１４１１３−３，１４１１４−２，１４１１４−３は、右方向に移動する。これにより、逆止弁６４１−４，６４１−６から、変換器１４１１−２，１４１１−３の第２の空間へそれぞれ海水が流入されると共に、変換器１４１１−２，１４１１−３の第１の空間から高濃度塩水が３ポート切換弁６２−２，６２−３及びバルブ７０を介してそれぞれ排出される。
【０１０６】
そして、上記の動作が持続された場合、クランクシャフト１４１２の回転角が所定の角度に達する度に、回転角検出部１４２から制御部１４３へ検出信号が出力される。制御部１４３は、回転角検出部１４２からの検出信号を受信すると、高濃度塩水の流入及び排出の方向を切り換える様に３ポート切換弁６２−１〜６２−３のうちいずれかの３ポート切換弁を順次切り換える。
【０１０７】
以上の構成により、上記第３の実施形態に係る動力回収装置１４０は、第１の実施形態に係る動力回収装置６０と同様の作用及び効果を得ることができる。
【０１０８】
また、上記第３の実施形態では、ピストンがクランクシャフト１４１２に接続されていることにより、シリンダの長手方向への変位が、サイン波形状に推移する。そして、３ポート切換弁６２−１〜６２−３が、シリンダ内のピストンの位置に応じて順次切り換わるようになっている。これにより、動力回収装置１４０は、３ポート切換弁６２−１〜６２−３の弁切り換え時に発生する脈動を低減することが可能となる。
【０１０９】
なお、上記第３の実施形態では、動力回収装置１４０に変換器１４１１１−１〜１４１１１−３が３つ搭載される例について説明したが、３ｎ個（ｎは自然数）の変換器を搭載するようにしてもかまわない。
【０１１０】
［第４の実施形態］
図１６は、本発明の第４の実施形態に係わる動力回収装置１５０の構成を示すブロック図である。図１６において図２と共通する部分には同じ符号を付して示し、ここでは異なる部分についてのみ説明する。
【０１１１】
動力回収装置１５０における圧力変換部１５１は、ベーン型ロータリーアクチュエータ１５１１−１，１５１１−２を備える。図１７は、本発明の第４の実施形態に係るロータリーアクチュエータ１５１１−１，１５１１−２の構造を示す模式図である。
【０１１２】
図１７において、ロータリーアクチュエータ１５１１−１と、ロータリーアクチュエータ１５１１−２とは、回転軸１５１２により結合されている。
【０１１３】
ロータリーアクチュエータ１５１１−１は、筐体１５１１１−１及びベーン１５１１２−１を備える。筐体１５１１１−１は、密閉空間を形成し、半径ｒ１の円筒形をしている。筐体１５１１１−１の中心軸には、回転軸１５１２が貫通するように配置されている。筐体１５１１１−１の内壁面から回転軸１５１２までには、衝立部１５１１３−１が形成される。衝立部１５１１３−１は、筐体１５１１１−１内で固着されている。
【０１１４】
ベーン１５１１２−１は、回転軸１５１２と接続するように形成され、筐体１５１１１−１の内壁面とシール剤を介して接触する。ベーン１５１１２−１の面積はＡ１である。
【０１１５】
筐体１５１１１−１が形成する密閉空間は、ベーン１５１１２−１と衝立部１５１１３−１とにより、第１及び第２の空間に分割される。ベーン１５１１２−１は、第１の空間へ高濃度塩水が流入される場合には、図１７に示すように矢印方向へ回転し、第２の空間に充填された高濃度塩水を押し出して排出する。これに対し、第２の空間へ高濃度塩水が流入される場合には、図１７に示す矢印方向とは逆の方向へ回転し、第１の空間に充填された高濃度塩水を押し出して排出する。
【０１１６】
ロータリーアクチュエータ１５１１−２は、筐体１５１１１−２及びベーン１５１１２−２を備える。筐体１５１１１−２は、密閉空間を形成し、半径ｒ２の円筒形をしている。なお、半径ｒ１＞半径ｒ２である。筐体１５１１１−２の中心軸には、回転軸１５１２が貫通するように配置されている。また、筐体１５１１１−２の内壁面から回転軸１５１２までには、衝立部１５１１３−２が形成される。衝立部１５１１３−２は、筐体１５１１１−２内で固着されている。
【０１１７】
ベーン１５１１２−２は、回転軸１５１２と接続するように形成され、筐体１５１１１−２の内壁面とシール剤を介して接触する。ベーン１５１１２−１と、ベーン１５１１２−２とは、常に同じ角度関係を保っている。
【０１１８】
ベーン１５１１２−２の面積はＡ２である。ここで、面積Ａ１，Ａ２の関係は、高圧ＲＯ膜５０からの高濃度塩水の圧力、高圧ポンプ４０からの海水の圧力、筐体１５１１１−１，１５１１１−２とベーン１５１１２−１，１５１１２−２との間の摩擦力等に基づいて予め設定されている。
【０１１９】
筐体１５１１１−２が形成する密閉空間は、ベーン１５１１２−２と衝立部１５１１３−２とにより、第１及び第２の空間に分割される。ベーン１５１１２−２は、第１の空間へ海水が流入される場合には、図１７に示すように矢印方向へ回転し、第２の空間に充填された海水を押し出して排出する。これに対し、第２の空間へ海水が流入される場合には、図１７に示す矢印方向とは逆の方向へ回転し、第１の空間に充填された海水を押し出して排出する。
【０１２０】
回転角検出部１５２は、回転軸１５１２の回転角を検出するものである。回転角検出部１５２は、所定の角度に達した場合、検出信号を制御部１５３へ出力する。例えば、回転角検出部１５２には、ベーン１５１１２−１，１５１１２−２が衝立部１５１１３−１，１５１１３−２へ左側から近接するときの角度、及び、ベーン１５１１２−１，１５１１２−２が衝立部１５１１３−１，１５１１３−２へ右側から近接するときの角度の計２個の角度が予め登録されており、その角度に達すると、検出信号を制御部１５３へ出力する。これにより、ロータリーアクチュエータ１５１１−１，１５１１−２におけるベーン１５１１２−１，１５１１２−２の位置を把握する事が可能となる。
【０１２１】
制御部１５３は、回転角検出部１５２から検出信号を受けると、高濃度塩水を流入する空間と、排出する空間とを切り換えるように、４ポート切換弁６２に対して切換指示を与える。
【０１２２】
次に、上記構成に動力回収装置１５０の動作を説明する。
【０１２３】
図１６における動力回収装置１５０は、ロータリーアクチュエータ１５１１−１の第１の空間へ高濃度塩水が給水され、ロータリーアクチュエータ１５１１−１の第２の空間から高濃度塩水が排出される状態となっている。
【０１２４】
保安フィルタ３０からの海水は、０．２ＭＰａで高圧ポンプ４０へ供給されると共に、逆止弁６４１−４を通過してロータリーアクチュエータ１５１１−２の第１の空間へ供給される。
【０１２５】
高圧ポンプ４０で６．０ＭＰａに昇圧された海水は、動力回収装置１５０からの海水と合流され、高圧ＲＯ膜５０へ導入される。このとき、動力回収装置１５０からの海水は、ロータリーアクチュエータ１５１１−２の第２の空間から排出され、逆止弁６４１−２を通過したものである。高圧ＲＯ膜５０は、淡水と高濃度塩水とを出力する。
【０１２６】
高圧ＲＯ膜５０から排出された高濃度塩水は、バルブ６１、４ポート切換弁６２を通過し、ロータリーアクチュエータ１５１１−１の第１の空間へ流入する。このとき、ロータリーアクチュエータ１５１１−１の第２の空間には高濃度塩水が充填されている。高濃度塩水は、ロータリーアクチュエータ１５１１−１内にあるベーン１５１１２−１を第２の空間方向へ回転させ、第２の空間内の高濃度塩水を４ポート切換弁６２及びバルブ７０を介して排出させる。
【０１２７】
ロータリーアクチュエータ１５１１−１のベーン１５１１２−１が回転すると、回転軸１５１２により結合された、ロータリーアクチュエータ１５１１−２のベーン１５１１２−２も回転する。これにより、ロータリーアクチュエータ１５１１−２の第２の空間から海水が逆止弁６４１−２を介して排出されると共に、ロータリーアクチュエータ１５１１−２の第１の空間へ逆止弁６４１−４を介して海水が流入される。
【０１２８】
ここで、ベーン１５１１２−１の面積がＡ１であり、ベーン１５１１２−２の面積がＡ２であることから、ロータリーアクチュエータ１５１１−２の第２の空間から排出される海水の圧力は、４ポート切換弁６２からの高濃度塩水の圧力の（Ａ１／Ａ２）倍となる。これにより、ロータリーアクチュエータ１５１１−２の第２の空間から排出される海水の圧力は、高圧ＲＯ膜５０に導入される圧力と同等か少し高い圧力となる。
【０１２９】
そして、上記の動作が持続された場合、ベーン１５１１２−１，１５１１２−２は、衝立部１５１１３−１，１５１１３−２へ左側から近接することとなる。すると、回転角検出部１５２は所定の角度に達したことを検出し、制御部１５３へ検出信号を出力する。制御部１５３は、回転角検出部１５２からの検出信号を受信すると、高濃度塩水の流入及び排出の方向を切り換える様に４ポート切換弁６２に対して切換指示を出す。
【０１３０】
以上の構成により、上記第４の実施形態に係る動力回収装置１５０は、第１の実施形態に係る動力回収装置６０と同様の作用及び効果を得ることができる。
【０１３１】
なお、上記第４の実施形態では、圧力変換器１５１がベーン型ロータリーアクチュエータ１５１１−１，１５１１−２を備える例について説明したが、これに限定される訳ではない。例えば、ベーン型ロータリーアクチュエータの代わりに、歯車モーター、アキシアルピストンモーター、プランジャーポンプ、ラジアルピストンモーター及びトロコイドモーター等を備える場合であっても同様に実施可能である。
【０１３２】
さらに、この発明は上記各実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記各実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【０１３３】
１０…前処理系
２０…送水ポンプ
３０…保安フィルタ
４０…高圧ポンプ
５０…高圧ＲＯ膜
６０，１２０，１３０，１４０，１５０…動力回収装置
６１…バルブ
６２，６９…４ポート切換弁
６２−１〜６２−３…３ポート切換弁
６３，１３１，１４１，１５１…圧力変換部
６３１，１３１１，１４１１…変換器
６３１１…シリンダ
６３１２…ピストン
６３１３…棒
６４…海水供給部
６４１…逆止弁
６５，１３２…検出部
６６，１３３，１４３，１５３…制御部
６７…圧力計測器
６８…バルブ制御部
６１０…５ポート切換弁
７０…バルブ
８０…低圧ポンプ
９０…低圧ＲＯ膜
１００…浄水池
１１０…供給ポンプ
１２１…昇圧ポンプ
１３１１１，１３１１２，１４１１１，１４１１２…シリンダ
１３１１３，１３１１４，１４１１３，１４１１４…ピストン
１３１１５，１４１１５，１４１１６…連結棒
１４１２…クランクシャフト
１４２，１５２…回転角検出部
１５１１…ベーン型ロータリーアクチュエータ
１５１１１…筐体
１５１１２…ベーン
１５１１３…衝立部
１５１２…回転軸
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の圧力の海水を高圧ポンプにより第２の圧力に昇圧して逆浸透膜へ供給し、前記逆浸透膜から淡水を取り出すとともに、第３の圧力の濃縮水を排出する海水淡水化装置に用いられ、前記濃縮水が有するエネルギーを回収する動力回収装置において、
前記逆浸透膜からの第３の圧力の濃縮水を第１の空間で受けることで可動部を動かし、前記可動部の移動により、第２の空間に充填された海水を押し出して前記第２の圧力で出力する圧力変換部と、
前記圧力変換部からの海水を前記高圧ポンプからの海水に合流させる海水供給部と
を具備することを特徴する動力回収装置。
【請求項２】
前記逆浸透膜からの第３の圧力の濃縮水を前記第１の空間へ給水するか、又は、前記第１の空間から濃縮水を排出させるかを、切換指示に従って切り換える切換部と、
前記圧力変換部における可動部の位置を検出する検出部と、
前記可動部の位置に基づいて前記切換部を切り換えるか否かを判断し、前記可動部が第２の空間を予め設定した容量だけ狭めた位置にある場合、前記第１の空間から前記濃縮水を排出させるように前記切換部に対して前記切換指示を与え、前記可動部が第１の空間を予め設定した容量だけ狭めた位置にある場合、前記第１の空間へ前記濃縮水を給水するように前記切換部に対して前記切換指示を与える制御部と
をさらに具備し、
前記海水供給部は、前記第１の空間から前記濃縮水が排出される場合は、前記第２の空間へ前記第１の圧力の海水を供給し、
前記圧力変換部は、前記第１の空間から前記濃縮水が排出される場合は、前記海水供給部からの第１の圧力の海水を前記第２の空間で受けることで前記可動部を動かし、前記可動部の移動により、前記第１の空間に充填された濃縮水を前記切換部を介して排出することを特徴とする請求項１記載の動力回収装置。
【請求項３】
前記圧力変換部は、前記切換部により濃縮水の供給と排出とが交互に切り換えられる少なくとも二つの変換器を備え、
前記変換器は、
密閉空間を形成するシリンダと、
前記シリンダ内に前記可動部として配置され、前記密閉空間を前記第１及び第２の空間に分割するピストンと、
一端が前記第２の空間側から前記ピストンに接着し、他端が外部へ貫通する棒と
を備え、
前記海水供給部は、前記変換器のうち一方の第２の空間からの海水を前記高圧ポンプからの海水に合流させ、他方の第２の空間へ前記第１の圧力の海水を供給し、
前記検出部は、前記棒のうち外部に貫通する貫通部分を検出することで、前記ピストンの位置を検出し、
前記制御部は、前記ピストンの位置に基づいて前記切換部に対して前記切換指示を与えることを特徴とする請求項２記載の動力回収装置。
【請求項４】
前記圧力変換部は、前記切換部により濃縮水の供給と排出とが交互に切り換えられる少なくとも二つの変換器を備え、
前記変換器は、
一方が開放された第１及び第２のシリンダと、
第１の面積を有して前記第１のシリンダ内に配置され、前記第１のシリンダ内に前記第１の空間を形成する第１のピストンと、
第２の面積を有して前記第２のシリンダ内に配置され、前記第２のシリンダ内に前記第２の空間を形成する第２のピストンと、
所定の位置にドグを備え、前記第１及び第２のピストンを連結することで、前記可動部を形成する連結棒と
を備え、
前記海水供給部は、前記変換器のうち一方の第２の空間からの海水を前記高圧ポンプからの海水に合流させ、他方の第２の空間へ前記第１の圧力の海水を供給し、
前記検出部は、前記ドグを検出することで、前記第１及び第２のピストンの位置を検出し、
前記制御部は、前記第１及び第２のピストンの位置に基づいて前記切換部に対して前記切換指示を与えることを特徴とする請求項２記載の動力回収装置。
【請求項５】
前記圧力変換部は、前記切換部により濃縮水の供給と排出とが順次切り換えられる少なくとも三つの変換器を備え、
前記変換器は、クランクシャフトにそれぞれが１２０度ずつずれて形成されたアームにそれぞれ接続され、
一方が開放された第１及び第２のシリンダと、
第１の面積を有して前記第１のシリンダ内に配置され、前記第１のシリンダ内に前記第１の空間を形成する第１のピストンと、
第２の面積を有して前記第２のシリンダ内に配置され、前記第２のシリンダ内に前記第２の空間を形成する第２のピストンと、
前記アームと前記第１のピストンとを連結する第１の連結棒と、
前記アームと前記第２のピストンとを連結する第２の連結棒と
を備え、
前記海水供給部は、前記変換器のうち少なくとも一つの第２の空間からの海水を前記高圧ポンプからの海水に合流させ、その他の第２の空間へ前記第１の圧力の海水を供給し、
前記検出部は、前記クランクシャフトの回転角を検出することで、前記変換器毎の第１及び第２のピストンの位置を検出し、
前記制御部は、前記変換器毎の第１及び第２のピストンの位置に基づいて前記切換部に対して前記切換指示を順次与えることを特徴とする請求項２記載の動力回収装置。
【請求項６】
前記圧力変換部は、同一の回転軸により連結された少なくとも第１及び第２のベーン型ロータリーアクチュエータを備え、
前記第１のロータリーアクチュエータは、
前記濃縮水が充填された第１の密閉空間を形成し、内部に第１の衝立部を有する第１の筐体と、
第１の面積を有し、前記第１の筐体内における前記回転軸に前記可動部として配置され、前記第１の衝立部と共に前記第１の密閉空間を二つの空間に分割することで、前記第１の空間を形成する第１のベーンと
を備え、
前記第２のロータリーアクチュエータは、
前記海水が充填された第２の密閉空間を形成し、内部に第２の衝立部を有する第２の筐体と、
第２の面積を有し、前記第２の筐体内における前記回転軸に前記可動部として配置され、前記第２の衝立部と共に前記第２の密閉空間を二つの空間に分割することで、前記第２の空間を形成する第２のベーンであって、前記第１のベーンと同一角度で回転する第２のベーンと
を備えることを特徴とする請求項１記載の動力回収装置。
【請求項７】
前記逆浸透膜からの第３の圧力の濃縮水を前記第１の空間へ給水するか、又は、前記濃縮水を前記第１の空間と隣接した第３の空間へ給水するかを、切換指示に従って切り換える切換部と、
前記回転軸の回転角を検出することで、前記第１及び第２のベーンの位置を検出する検出部と、
前記第１及び第２のベーンの位置に基づいて前記切換部を切り換えるか否かを判断し、前記第１のベーンが第３の空間を予め設定した容量だけ狭めた位置にある場合、前記第３の空間へ前記濃縮水を給水するように前記切換部に対して前記切換指示を与え、前記第１のベーンが第１の空間を予め設定した容量だけ狭めた位置にある場合、前記第１の空間へ前記濃縮水を給水するように前記切換部に対して前記切換指示を与える制御部と
をさらに具備し、
前記圧力変換部は、前記第１の空間へ前記濃縮水が供給される場合は、前記第１のベーンにより前記第３の空間に充填された濃縮水を押し出して排出し、これに伴って前記第２のベーンにより前記第２の空間に充填された海水を押し出して前記第２の圧力で出力し、前記第３の空間へ前記濃縮水が供給される場合は、前記第１のベーンにより前記第１の空間に充填された濃縮水を押し出して排出し、これに伴って前記第２のベーンにより前記第２の空間に隣接する第４の空間に充填された海水を押し出して前記第２の圧力で出力し、
前記海水供給部は、前記第１の空間へ前記濃縮水が給水される場合は、前記第４の空間へ前記第１の圧力の海水を供給し、前記第３の空間へ前記濃縮水が給水される場合は、前記第２の空間へ前記第１の圧力の海水を供給することを特徴とする請求項６記載の動力回収装置。
【請求項８】
前記圧力変換部に供給される前記濃縮水の圧力を調整するバルブをさらに具備することを特徴とする請求項１記載の動力回収装置。
【請求項１】
第１の圧力の海水を高圧ポンプにより第２の圧力に昇圧して逆浸透膜へ供給し、前記逆浸透膜から淡水を取り出すとともに、第３の圧力の濃縮水を排出する海水淡水化装置に用いられ、前記濃縮水が有するエネルギーを回収する動力回収装置において、
前記逆浸透膜からの第３の圧力の濃縮水を第１の空間で受けることで可動部を動かし、前記可動部の移動により、第２の空間に充填された海水を押し出して前記第２の圧力で出力する圧力変換部と、
前記圧力変換部からの海水を前記高圧ポンプからの海水に合流させる海水供給部と
を具備することを特徴する動力回収装置。
【請求項２】
前記逆浸透膜からの第３の圧力の濃縮水を前記第１の空間へ給水するか、又は、前記第１の空間から濃縮水を排出させるかを、切換指示に従って切り換える切換部と、
前記圧力変換部における可動部の位置を検出する検出部と、
前記可動部の位置に基づいて前記切換部を切り換えるか否かを判断し、前記可動部が第２の空間を予め設定した容量だけ狭めた位置にある場合、前記第１の空間から前記濃縮水を排出させるように前記切換部に対して前記切換指示を与え、前記可動部が第１の空間を予め設定した容量だけ狭めた位置にある場合、前記第１の空間へ前記濃縮水を給水するように前記切換部に対して前記切換指示を与える制御部と
をさらに具備し、
前記海水供給部は、前記第１の空間から前記濃縮水が排出される場合は、前記第２の空間へ前記第１の圧力の海水を供給し、
前記圧力変換部は、前記第１の空間から前記濃縮水が排出される場合は、前記海水供給部からの第１の圧力の海水を前記第２の空間で受けることで前記可動部を動かし、前記可動部の移動により、前記第１の空間に充填された濃縮水を前記切換部を介して排出することを特徴とする請求項１記載の動力回収装置。
【請求項３】
前記圧力変換部は、前記切換部により濃縮水の供給と排出とが交互に切り換えられる少なくとも二つの変換器を備え、
前記変換器は、
密閉空間を形成するシリンダと、
前記シリンダ内に前記可動部として配置され、前記密閉空間を前記第１及び第２の空間に分割するピストンと、
一端が前記第２の空間側から前記ピストンに接着し、他端が外部へ貫通する棒と
を備え、
前記海水供給部は、前記変換器のうち一方の第２の空間からの海水を前記高圧ポンプからの海水に合流させ、他方の第２の空間へ前記第１の圧力の海水を供給し、
前記検出部は、前記棒のうち外部に貫通する貫通部分を検出することで、前記ピストンの位置を検出し、
前記制御部は、前記ピストンの位置に基づいて前記切換部に対して前記切換指示を与えることを特徴とする請求項２記載の動力回収装置。
【請求項４】
前記圧力変換部は、前記切換部により濃縮水の供給と排出とが交互に切り換えられる少なくとも二つの変換器を備え、
前記変換器は、
一方が開放された第１及び第２のシリンダと、
第１の面積を有して前記第１のシリンダ内に配置され、前記第１のシリンダ内に前記第１の空間を形成する第１のピストンと、
第２の面積を有して前記第２のシリンダ内に配置され、前記第２のシリンダ内に前記第２の空間を形成する第２のピストンと、
所定の位置にドグを備え、前記第１及び第２のピストンを連結することで、前記可動部を形成する連結棒と
を備え、
前記海水供給部は、前記変換器のうち一方の第２の空間からの海水を前記高圧ポンプからの海水に合流させ、他方の第２の空間へ前記第１の圧力の海水を供給し、
前記検出部は、前記ドグを検出することで、前記第１及び第２のピストンの位置を検出し、
前記制御部は、前記第１及び第２のピストンの位置に基づいて前記切換部に対して前記切換指示を与えることを特徴とする請求項２記載の動力回収装置。
【請求項５】
前記圧力変換部は、前記切換部により濃縮水の供給と排出とが順次切り換えられる少なくとも三つの変換器を備え、
前記変換器は、クランクシャフトにそれぞれが１２０度ずつずれて形成されたアームにそれぞれ接続され、
一方が開放された第１及び第２のシリンダと、
第１の面積を有して前記第１のシリンダ内に配置され、前記第１のシリンダ内に前記第１の空間を形成する第１のピストンと、
第２の面積を有して前記第２のシリンダ内に配置され、前記第２のシリンダ内に前記第２の空間を形成する第２のピストンと、
前記アームと前記第１のピストンとを連結する第１の連結棒と、
前記アームと前記第２のピストンとを連結する第２の連結棒と
を備え、
前記海水供給部は、前記変換器のうち少なくとも一つの第２の空間からの海水を前記高圧ポンプからの海水に合流させ、その他の第２の空間へ前記第１の圧力の海水を供給し、
前記検出部は、前記クランクシャフトの回転角を検出することで、前記変換器毎の第１及び第２のピストンの位置を検出し、
前記制御部は、前記変換器毎の第１及び第２のピストンの位置に基づいて前記切換部に対して前記切換指示を順次与えることを特徴とする請求項２記載の動力回収装置。
【請求項６】
前記圧力変換部は、同一の回転軸により連結された少なくとも第１及び第２のベーン型ロータリーアクチュエータを備え、
前記第１のロータリーアクチュエータは、
前記濃縮水が充填された第１の密閉空間を形成し、内部に第１の衝立部を有する第１の筐体と、
第１の面積を有し、前記第１の筐体内における前記回転軸に前記可動部として配置され、前記第１の衝立部と共に前記第１の密閉空間を二つの空間に分割することで、前記第１の空間を形成する第１のベーンと
を備え、
前記第２のロータリーアクチュエータは、
前記海水が充填された第２の密閉空間を形成し、内部に第２の衝立部を有する第２の筐体と、
第２の面積を有し、前記第２の筐体内における前記回転軸に前記可動部として配置され、前記第２の衝立部と共に前記第２の密閉空間を二つの空間に分割することで、前記第２の空間を形成する第２のベーンであって、前記第１のベーンと同一角度で回転する第２のベーンと
を備えることを特徴とする請求項１記載の動力回収装置。
【請求項７】
前記逆浸透膜からの第３の圧力の濃縮水を前記第１の空間へ給水するか、又は、前記濃縮水を前記第１の空間と隣接した第３の空間へ給水するかを、切換指示に従って切り換える切換部と、
前記回転軸の回転角を検出することで、前記第１及び第２のベーンの位置を検出する検出部と、
前記第１及び第２のベーンの位置に基づいて前記切換部を切り換えるか否かを判断し、前記第１のベーンが第３の空間を予め設定した容量だけ狭めた位置にある場合、前記第３の空間へ前記濃縮水を給水するように前記切換部に対して前記切換指示を与え、前記第１のベーンが第１の空間を予め設定した容量だけ狭めた位置にある場合、前記第１の空間へ前記濃縮水を給水するように前記切換部に対して前記切換指示を与える制御部と
をさらに具備し、
前記圧力変換部は、前記第１の空間へ前記濃縮水が供給される場合は、前記第１のベーンにより前記第３の空間に充填された濃縮水を押し出して排出し、これに伴って前記第２のベーンにより前記第２の空間に充填された海水を押し出して前記第２の圧力で出力し、前記第３の空間へ前記濃縮水が供給される場合は、前記第１のベーンにより前記第１の空間に充填された濃縮水を押し出して排出し、これに伴って前記第２のベーンにより前記第２の空間に隣接する第４の空間に充填された海水を押し出して前記第２の圧力で出力し、
前記海水供給部は、前記第１の空間へ前記濃縮水が給水される場合は、前記第４の空間へ前記第１の圧力の海水を供給し、前記第３の空間へ前記濃縮水が給水される場合は、前記第２の空間へ前記第１の圧力の海水を供給することを特徴とする請求項６記載の動力回収装置。
【請求項８】
前記圧力変換部に供給される前記濃縮水の圧力を調整するバルブをさらに具備することを特徴とする請求項１記載の動力回収装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２０１１−５６４３９（Ｐ２０１１−５６４３９Ａ）
【公開日】平成２３年３月２４日（２０１１．３．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２１０９２０（Ｐ２００９−２１０９２０）
【出願日】平成２１年９月１１日（２００９．９．１１）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年３月２４日（２０１１．３．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年９月１１日（２００９．９．１１）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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