流路切換装置
【課題】高圧流体の流路をスムーズに切り換えできる流路切換装置を提供する。
【解決手段】海水淡水化プラントの動力回収装置に組み込まれた５ポート切換弁７０は、４つの隔壁７４ａ、７４ｂ、７４ｃ、７４ｄによって区画された５つのチャンバ７１ａ、７１ｂ、７１ｃ、７１ｄ、７１ｅを有するシリンダ７１、および２つのアクチュエータ７２、７３を有する。一方のアクチュエータ７２の弁体７６は、隔壁７４ａの孔７５ａと隔壁７４ｂの孔７５ｂを交互に開閉し、もう一方のアクチュエータ７３の弁体７６は、隔壁７４ｃの孔７５ｃと隔壁７４ｄの孔７５ｄを交互に開閉する。これにより、ポート７０ｃを介して中央のチャンバ７１ｃに送り込まれた高濃度塩水が、ポート７０ｂおよびポート７０ｄを介して、２つの圧力変換部へ交互に供給される。
【解決手段】海水淡水化プラントの動力回収装置に組み込まれた５ポート切換弁７０は、４つの隔壁７４ａ、７４ｂ、７４ｃ、７４ｄによって区画された５つのチャンバ７１ａ、７１ｂ、７１ｃ、７１ｄ、７１ｅを有するシリンダ７１、および２つのアクチュエータ７２、７３を有する。一方のアクチュエータ７２の弁体７６は、隔壁７４ａの孔７５ａと隔壁７４ｂの孔７５ｂを交互に開閉し、もう一方のアクチュエータ７３の弁体７６は、隔壁７４ｃの孔７５ｃと隔壁７４ｄの孔７５ｄを交互に開閉する。これにより、ポート７０ｃを介して中央のチャンバ７１ｃに送り込まれた高濃度塩水が、ポート７０ｂおよびポート７０ｄを介して、２つの圧力変換部へ交互に供給される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば、水や油などの流体の流路を切り換える流路切換装置に係り、特に、海水を淡水に変える海水淡水化装置の動力回収装置に組み込まれた、高圧流体の流路を切り換えるための流路切換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の高圧流体の流路を切り換える流路切換装置として、例えば、下記特許文献１に開示された逆浸透膜濃縮装置に組み込まれた切換弁が知られている。この逆浸透膜濃縮装置は、例えば、海水を逆浸透膜に透過させて淡水化する装置として利用される。
【０００３】
特許文献１に開示された切換弁は、複動ポンプで加圧された被濃縮液によって図１の位置に切り換えられる。ここで、被濃縮液は、例えば海水である。加圧された被濃縮液は、切り換えられた切換弁を通って、逆浸透膜槽へ送り込まれる。このとき、逆浸透膜を透過しなかった比較的高い圧力の非透過液が、切換弁を介して複動ポンプのヘッド側シリンダ室へ戻されて、被濃縮液の加圧エネルギーとして利用される。
【０００４】
複動ポンプのピストンがキャップ側シリンダ室の終端壁まで移動すると、今度は、複動ポンプが逆転動作されてピストンが後退される（図２、矢印Ｂ）。これにより、被濃縮液タンクから新たな被濃縮液がキャップ側シリンダ室へ送り込まれるとともに、加圧に利用された非透過液が切換弁を介してヘッド側シリンダ室から排出される。
【０００５】
切換弁は、弁室の内周壁面に沿って摺動するスプールを有する。スプールの周面は、移動の途中で流路を塞ぐ弁体として機能する。また、スプールの周面上には、流路をつないで開通させるための円周溝が形成されている。つまり、この切換弁は、複動ポンプで加圧される被濃縮液の圧力変化に応じてスプールを移動させて、被濃縮液の流路を開閉制御する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平９−５２０２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、上述した特許文献１に開示された切換弁では、スプールを弁室の内周壁面に沿って摺動させることで流路を開閉させるため、海水淡水化プラントのように極めて高い圧力の流体を取り扱う場合には、流路を完全に閉じることが難しい。つまり、この切換弁を海水淡水化プラントに用いた場合には、海水が漏れる可能性が高い。このため、特許文献１の切換弁は、海水の漏れを防止するＯリングをスプールの周面上に設けている。
【０００８】
また、特許文献１の切換弁は、スプールを１往復させる間に被濃縮液の供給および排出を行うため、被濃縮液を逆浸透膜槽へ間欠的に供給することになり、装置の稼働率が低くなる。このため、１つの逆浸透膜槽に対して２組の装置を接続して交互に動作させる方法も考えられるが、その分、装置が大型化するとともに設備費が増大してしまう。
【０００９】
さらに、特許文献１の切換弁は、スプールを移動させて複数の流路を同時に開閉制御するため、複数の流路の開閉タイミングをずらすことができない。このため、各流路を通る被濃縮液の圧力差などに応じて流路の切り換えタイミングを微調整することができず、流路の切り換えをスムーズにできない。
【００１０】
この発明の目的は、高圧流体の流路をスムーズに切り換えできる流路切換装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するため、本発明の流路切換装置は、高圧流体が流入する流入ポートと、この流入ポートを介して流入した高圧流体を受ける高圧チャンバと、この高圧チャンバの壁に設けられた第１および第２孔と、上記第１孔を介して上記高圧チャンバから流出した高圧流体を供給する第１供給ポートと、上記第２孔を介して上記高圧チャンバから流出した高圧流体を供給する第２供給ポートと、上記第１および第２孔をそれぞれ独立して開閉する第１および第２の弁体と、これら第１および第２の弁体をそれぞれ独立して駆動して、上記第１および第２ポートを介して高圧流体を交互に供給する第１および第２アクチュエータと、を有する。
【００１２】
上記発明によると、高圧チャンバの第１および第２孔をそれぞれ第１および第２の弁体によって交互に開閉するよう第１および第２アクチュエータを独立して動作させるようにしたため、高圧流体の圧力損失を防止でき、ウォーターハンマーを防止でき、高圧流体の流路の切り換えをスムーズにできる。
【発明の効果】
【００１３】
この発明の流路切換装置は、上記のような構成および作用を有しているので、高圧流体の流路をスムーズに切り換えできる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、この発明の実施の形態に係る海水淡水化プラントを示す概略ブロック図である。
【図２】図２は、図１の海水淡水化プラントに組み込まれた動力回収装置の内部構造を示す概略ブロック図である。
【図３】図３は、図２の動力回収装置に組み込まれた５ポート切換弁を示す断面図である。
【図４】図４は、図３の５ポート切換弁を切り換えた状態を示す断面図である。
【図５】図５は、図４に示す状態に５ポート切換弁を切り換えたときの動力回収装置の動作を説明するための概略ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照しながらこの発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１には、海水を淡水に変える海水淡水化プラント１００の概略ブロック図を示してある。この海水淡水化プラント１００は、汲み上げた海水を、前処理系１０で薬品処理して、送水ポンプＰ１により保安フィルタ２０へ送る（Ｑ１）。保安フィルタ２０を通過した海水は、一方が高圧ポンプＰ２へ供給され（Ｑ２）、他方が動力回収装置３０へ供給される（Ｑ５）。このとき、保安フィルタ２０から送り出された海水の圧力Ｐ３は、０．２ＭＰａ程度とする。
【００１６】
高圧ポンプＰ２は、保安フィルタ２０から供給された海水を昇圧し、高圧ＲＯ膜（逆浸透膜）４０へ送り込む。高圧ポンプＰ２で昇圧した後の海水の圧力Ｐ４は、高圧ＲＯ膜４０の種類によって適正値が異なるが、本実施の形態では、この圧力Ｐ４を６．０ＭＰａにした。
【００１７】
高圧ＲＯ膜４０は、高圧ポンプＰ２で昇圧されて送り込まれた海水をろ過する。高圧ＲＯ膜４０の回収率が４０％である場合、高圧ＲＯ膜４０からは、流入した海水の流量の４０％の流量の淡水と、６０％の流量の高濃度塩水とが排出されることになる。このとき、高圧ＲＯ膜４０を通過した淡水の圧力は、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。
【００１８】
そして、高圧ＲＯ膜４０で濾過されて排出された淡水は、低圧ポンプＰ４へ供給され（Ｑ淡水）、濾過されなかった高濃度塩水はその水圧を維持したまま動力回収装置３０へ供給される（Ｑブライン）。
【００１９】
低圧ポンプＰ４は、高圧ＲＯ膜４０から排出された淡水を再び加圧して低圧ＲＯ膜５０へ供給する。低圧ＲＯ膜５０を通過して濾過された淡水は、含有ホウ素が除去されるなどして浄水池６０へ供給される。そして、浄水池６０へ供給された淡水は、薬品処理された後、浄水として供給ポンプＰ５を介して利用者へ提供される。
【００２０】
一方、低圧ＲＯ膜５０で濾過されなかったものの高圧ＲＯ膜４０を通過したほぼ淡水に近い水は、前処理系１０へ戻されて、海水淡水化プラント１００に再供給される。
【００２１】
動力回収装置３０は、後に詳述するように、高圧ＲＯ膜４０から送り込まれた高濃度塩水の圧力を利用して、保安フィルタ２０を介して送り込まれた海水を昇圧する。そして、この動力回収装置３０で昇圧された海水は、昇圧ポンプＰ３へ供給されて（Ｑブライン）所望する圧力（＝Ｐ４）までさらに昇圧される。
【００２２】
このようにして所望する圧力に調整されて昇圧ポンプＰ３から送り出された海水は、高圧ポンプＰ２で昇圧された海水（Ｑ２）と合流されて、高圧ＲＯ膜４０へ供給される（Ｑｉｎ）。
【００２３】
一方、動力回収装置３０へ供給されて海水の昇圧に利用された後の高濃度塩水は、ほぼ大気圧まで減圧された状態で動力回収装置３０から排出される。
【００２４】
図２には、上述した動力回収装置３０の内部構造を概略的に示してある。
動力回収装置３０は、５ポート切換弁７０、圧力変換部３１、３２、海水供給部３４、および制御部３６を有する。５ポート切換弁７０は、本発明の流路切換装置として機能する。制御部３６は、２つの圧力変換部３１、３２の動作状態をモニターして５ポート切換弁７０を切換制御する。
【００２５】
５ポート切換弁７０は、図３に示すように、周壁を貫通した５つのポート７０ａ、７０ｂ、７０ｃ、７０ｄ、７０ｅを有する略円筒形のシリンダ７１、およびこのシリンダ７１の両端にそれぞれ固設された２つのアクチュエータ７２、７３を有する。
【００２６】
図示上方の一方のアクチュエータ７２は、この発明の第１アクチュエータとして機能し、図示下方のもう一方のアクチュエータ７３は、この発明の第２アクチュエータとして機能する。アクチュエータ７２、７３は、これに限るものではなく、他の駆動機構に置き換えることができる。
【００２７】
また、５つのポート７０ａ、７０ｂ、７０ｃ、７０ｄ、７０ｅは、図示の方向に限らず、シリンダ７１の周面からいかなる方向に延設しても良い。なお、中央のポート７０ｃは、この発明の流入ポートとして機能し、ポート７０ｂは、この発明の第１供給ポートとして機能し、ポート７０ｄは、この発明の第２供給ポートとして機能する。
【００２８】
シリンダ７１は、その軸方向に沿って分割された円筒形の５つのチャンバ７１ａ、７１ｂ、７１ｃ、７１ｄ、７１ｅを有する。各チャンバ７１ａ、７１ｂ、７１ｃ、７１ｄ、７１ｅには、それぞれ、上述したポート７０ａ、７０ｂ、７０ｃ、７０ｄ、７０ｅが連通している。互いに隣接するチャンバ間には、４つの円板状の隔壁７４ａ、７４ｂ、７４ｃ、７４ｄがそれぞれ設けられている。
【００２９】
なお、中央のチャンバ７１ｃは、この発明の高圧チャンバとして機能し、その両隣のチャンバ７１ｂ、７１ｄは、それぞれ、この発明の第１および第２チャンバとして機能し、両端のチャンバ７１ａ、７１ｅは、それぞれ、この発明の第３および第４チャンバとして機能する。
【００３０】
中央の２つの隔壁７４ｂ、７４ｃの中央には、それぞれ、後述する弁体７６によって開閉される円形の孔７５ｂ、７５ｃが形成されている。また、外側の２つの隔壁７４ａ、７４ｄの中央にも、それぞれ、後述するピストンロッド７２ｂ、７３ｂを挿通するとともに、弁体７６によって開閉される円形の孔７５ａ、７５ｄが形成されている。
【００３１】
なお、隔壁７４ｂの孔７５ｂは、この発明の第１孔として機能し、隔壁７４ｃの孔７５ｃは、この発明の第２孔として機能し、隔壁７４ａの孔７５ａは、この発明の第３孔として機能し、隔壁７４ｄの孔７５ｄは、この発明の第４孔として機能する。
【００３２】
アクチュエータ７２（７３）は、シリンダ７１の軸方向端壁に固定された略円筒形のピストンシリンダ７２ａ（７３ａ）、および上述した隔壁７４ａ、７４ｄの孔７５ａ、７５ｄに挿通されるピストンロッド７２ｂ（７３ｂ）を有する。ピストンロッド７２ｂ（７３ｂ）の先端には、上述したシリンダ７１の４つの隔壁７４ａ、７４ｂ、７４ｃ、７４ｄの孔７５ａ、７５ｂ、７５ｃ、７５ｄを塞ぐ弁体７６がそれぞれ設けられている。
【００３３】
一方のアクチュエータ７２の弁体７６は、この発明の第１の弁体として機能し、チャンバ７１ｂ内に配置されている。もう一方のアクチュエータ７３の弁体７６は、この発明の第２の弁体として機能し、チャンバ７１ｄ内に配置されている。また、ピストンロッド７２ｂ（７３ｂ）の基端部には、ピストンシリンダ７２ａ（７３ａ）内で移動するピストン７７がそれぞれ設けられている。
【００３４】
アクチュエータ７２（７３）には、それぞれ図示しないポンプが接続されている。すなわち、ピストン７７で区画されたピストンシリンダ７２ａ（７３ａ）の２つの圧力室７８、７９にエアーを交互に送り込んでピストン７７を作動させ、ピストンロッド７２ｂ（７３ｂ）の先端に取り付けられた弁体７６を軸方向に移動させる。アクチュエータ７２（７３）の駆動は、空気圧に限らず、油圧などを用いることができる。
【００３５】
一方のアクチュエータ７２を動作させると、シリンダ７１のチャンバ７１ａ、７１ｂ間の隔壁７４ａに設けられた孔７５ａと、チャンバ７１ｂ、７１ｃ間の隔壁７４ｂに設けられた孔７５ｂと、が弁体７６によって交互に開閉される。また、他方のアクチュエータ７３を動作させると、シリンダ７１のチャンバ７１ｃ、７１ｄ間の隔壁７４ｃに設けられた孔７５ｃと、チャンバ７１ｄ、７１ｅ間の隔壁７４ｄに設けられた孔７５ｄと、が弁体７６によって交互に開閉される。
【００３６】
本実施の形態では、２つの弁体７６は、独立して開閉可能となっている。また、各弁体７６は、対応する隔壁７４ａ、７４ｂ、７４ｃ、７４ｄの孔７５ａ、７５ｂ、７５ｃ、７５ｄに対し、軸方向に移動することにより孔を開閉する、グローブバルブのように機能する。このため、本実施の形態のように、高圧の流体を取り扱う海水淡水化プラント１００に適したバルブ構造である。
【００３７】
シリンダ７１の中央のチャンバ７１ｃに連通したポート７０ｃには、上述した高圧ＲＯ膜４０から高濃度塩水が送り込まれる。また、中央のチャンバ７１ｃの両隣の２つのチャンバ７１ｂ、７１ｄに連通したポート７１ｂ、７１ｄは、中央のチャンバ７１ｃに送り込まれた高濃度塩水を、交互に、圧力変換部３１、３２へ送り込む。さらに、両端のチャンバ７１ａ、７１ｅに連通したポート７０ａ、７０ｅは、図示しない合流部で合流されて、圧力変換部３１、３２から減圧されて送り出された高濃度塩水を排水する。
【００３８】
圧力変換部３１（３２）は、シリンダ３１ａ（３２ａ）の内部空間を軸方向に区画するピストン３１ｂ（３２ｂ）を有する。ピストン３１ｂ（３２ｂ）は、その両側の２つの圧力室３１ｃ（３２ｃ）、３１ｄ（３２ｄ）の圧力差を相殺するように軸方向に移動する。一方の圧力室３１ｃ（３２ｃ）は、上述した５ポート切換弁７０のポート７０ｂ（７０ｄ）に接続されている。他方の圧力室３１ｄ（３２ｄ）は、後述する海水供給部３４に接続されている。つまり、一方の圧力室３１ｃ（３２ｃ）には高濃度塩水が供給され、他方の圧力室３１ｄ（３２ｄ）には海水が供給される。言い換えると、圧力変換部３１（３２）内で海水と高濃度塩水が混ざることはない。
【００３９】
海水供給部３４は、直列に連結された４つの逆止弁３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３４ｄを有する。各逆止弁３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３４ｄは、その両端の圧力差に応じてそれぞれ独立して開閉する。言い換えると、これら４つの逆止弁３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３４ｄは、保安フィルタ２０から送り込まれる海水を各圧力変換部３１、３２の圧力室３１ｄ、３２ｄへ送り込むとともに、各圧力室３１ｄ、３２ｄから送り出された海水を上述した昇圧ポンプＰ３へ送り出すよう動作する。
【００４０】
制御部３６は、２つの圧力変換部３１、３２の作動状態をモニターして、５ポート切換弁７０の２つのアクチュエータ７２、７３を独立して動作制御する。
【００４１】
以下、図２乃至図５を参照して、上述した構造の動力回収装置３０の動作を上述した５ポート切換弁７０の動作とともに説明する。
図３に矢印で示すように、高圧ＲＯ膜４０から比較的高い圧力Ｐ６（＝５．８ＭＰａ）で５ポート切換弁７０へ送り込まれた高濃度塩水は、５ポート切換弁７０の中央のポート７０ｃを介して、中央のチャンバ７１ｃに流入する。このとき、制御部３６が、図３に示す状態に２つのアクチュエータ７２、７３を切り換えておくと、チャンバ７１ｃに流入した高濃度塩水は、隔壁７４ｂの孔７５ｂを通って隣のチャンバ７１ｂに流れ込み、ポート７０ｂを介して一方の圧力変換部３１の圧力室３１ｃに流入する。
【００４２】
以下の説明では、制御部３６が図３に示す位置に２つの弁体７６を移動させた状態を第１の状態と称する。つまり、第１の状態では、制御部３６は、弁体７６が隔壁７４ａの孔７５ａを塞ぐ位置に一方のアクチュエータ７２を切り換え、弁体７６が隔壁７４ｃの孔７５ｃを塞ぐ位置にもう一方のアクチュエータ７３を切り換える。
【００４３】
圧力変換部３１の一方の圧力室３１ｃに流入した高濃度塩水は、もう一方の圧力室３１ｄとの間の圧力差によって、図２に矢印で示す方向にピストン３１ｂを押し、圧力室３１ｄ内を満たしている海水を海水供給部３４へ押し出す。このとき、圧力室３１ｄから押し出される海水の圧力Ｐ８は、ピストン３１ｂの摩擦により、ほんの少しだけ減圧されて、５．７５ＭＰａ程度となる。
【００４４】
一方、保安フィルタ２０から海水供給部３４へ送り込まれる海水の圧力Ｐ３は、上述したように、０．２ＭＰａ程度である。このため、上述したように５ポート切換弁７０を切り換えた第１の状態では、圧力Ｐ３と圧力Ｐ８との間の圧力差によって、逆止弁３４ａは閉じる。
【００４５】
また、このとき、逆止弁３４ｂ、３４ｃ間の圧力Ｐ１１は、後述するように、圧力Ｐ８と略同じ圧力に維持されているため、逆止弁３４ｂは開く。さらに、逆止弁３４ｃ、３４ｄ間の圧力Ｐ１３は、後述するように、略大気圧に近い圧力であるため、逆止弁３４ｃは、圧力Ｐ１１と圧力Ｐ１３との間の圧力差によって閉じる。
【００４６】
つまり、圧力室３１ｄから５．７５ＭＰａ程度の圧力で押し出された高濃度塩水は、逆止弁３４ｂを通って昇圧ポンプＰ３へ供給されることになる。そして、昇圧ポンプＰ３は、圧力室３１ｄから送り込まれた高濃度塩水を僅かに昇圧（５．７５ＭＰａ→６．０ＭＰａ）して高圧ＲＯ膜４０へ供給する。つまり、動力回収装置３０は、高圧ＲＯ膜４０から排出された高濃度塩水の圧力エネルギーを、圧力変換部３１を介して、海水の昇圧のためのエネルギーに変換したことになる。
【００４７】
図３に戻って、上述した第１の状態では、もう一方のアクチュエータ７３の弁体７６は、隔壁７４ｃの孔７５を塞いでいる。言い換えると、第１の状態では、隔壁７４ｄの孔７５ｄが開き、チャンバ７１ｄ、７１ｅが連通される。上述したように、第１の状態では、チャンバ７１ｅは、ポート７０ｅを介して概ね大気圧と等しい圧力にされているため、チャンバ７１ｄも大気圧に開放される。そして、ポート７０ｄを介してチャンバ７１ｄに連通した圧力変換部３２の圧力室３２ｃも、大気圧に開放される。
【００４８】
一方、保安フィルタ２０から圧力Ｐ３で海水供給部３４へ送り込まれる海水は、逆止弁３４ｄを介して、圧力変換部３２の圧力室３２ｄへ供給される。このとき、圧力室３２ｄの圧力が圧力室３２ｃの圧力より僅かに高くなり、ピストン３２ｂが図示矢印方向に移動され、圧力室３２ｄも大気圧に近付く。同時に、圧力室３２ｃを満たしていた高濃度塩水が、ピストン３２ｂによって５ポート切換弁７０へ押し出される。
【００４９】
このとき、逆止弁３４ｄは、圧力Ｐ３と圧力室３２ｄの圧力との差によって開き、海水の流通を許可する。一方、逆止弁３４ａ、３４ｃは、上述したように、高濃度塩水の圧力によって閉じている。このため、保安フィルタ２０から送り込まれた海水は、逆止弁３４ｄを介して圧力室３２ｄに流れることになる。
【００５０】
以上のように、５ポート切換弁７０の２つのアクチュエータ７２、７３を図３に示す位置に切り換えた第１の状態で、制御部３６は、圧力変換部３１のピストン３１ｂの位置、および圧力変換部３２のピストン３２ｂの位置を監視し、各ピストン３１ｂ、３２ｂが終点まで移動したことをトリガーとして、２つのアクチュエータ７２、７３をそれぞれ独立して切換制御する。
【００５１】
基本的に、制御部３６は、一方の圧力変換部３１のピストン３１ｂが高濃度塩水によって押圧されてチャンバ３１ｄの容積が略ゼロになったタイミングで、アクチュエータ７２を図４に示す位置に切り換える。これにより、隔壁７４ａの孔７５ａが開かれるとともに隔壁７４ｂの孔７５ｂが弁体７６によって閉じられて、チャンバ７１ａ、７１ｂが連通される。
【００５２】
また、制御部３６は、もう一方の圧力変換部３２のピストン３２ｂが海水によって押圧されてチャンバ３２ｃの容積が略ゼロになったタイミングで、アクチュエータ７３を図４に示す位置に切り換える。これにより、隔壁７４ｃの孔７５ｃが開かれるとともに隔壁７４ｄの孔７５ｄが弁体７６によって閉じられて、チャンバ７１ｃ、７１ｄが連通される。以下の説明では、図４に示す位置に２つのアクチュエータ７２、７３を切り換えた状態を第２の状態と称する。
【００５３】
しかしながら、本実施の形態の５ポート切換弁７０は、２つのアクチュエータ７２、７３を独立して動作制御できるため、アクチュエータ７２、７３の切り換えタイミングは必ずしも一致させる必要はない。また、２つの圧力変換部３１、３２のピストン３１ｂ、３２ｂに作用する圧力にも差があるため、２つのアクチュエータ７２、７３を同時に切り換えても、２つのピストン３１ｂ、３２ｂが終点に到達するタイミングにもズレを生じることが予想される。
【００５４】
例えば、２つのアクチュエータ７２、７３を図３の位置から図４の位置へ全く同時に切り換えると、２つの弁体７６、７６が移動を開始した直後の僅かな時間だけ、２つの弁体７６がいずれの孔７５ａ、７５ｂ、７５ｃ、７５ｄも塞がない状態が出現し、中央のチャンバ７１ｃの圧力が低下して、圧力損失となる。
【００５５】
このような不具合を防止するため、図３の状態から一方のアクチュエータ７２だけを先に切り換えて、中央のチャンバ７１ｃを区画する一方の隔壁７４ｂの孔７５ｂを塞いだ後、もう一方のアクチュエータ７３を切り換えて、中央のチャンバ７１ｃを区画するもう一方の隔壁７４ｃの孔７５ｃを開く方法が考えられる。
【００５６】
しかし、一方の弁体７６が隔壁７４ｂの孔７５ｂを塞ぐとともに、もう一方の弁体７６が隔壁７４ｃの孔７５ｃを塞ぐ状態が長く続くと、密閉された中央のチャンバ７１ｃ内の圧力が上昇し、孔７５ｃを塞いでいる弁体７６を図４の状態に開いた瞬間に、チャンバ７１ｃ内で高圧にされた高濃度塩水が急激に流出して、ウォーターハンマー現象を生じる可能性がある。
【００５７】
また、例えば、図３に示す第１の状態では、連通された２つのチャンバ７１ｂ、７１ｃが高圧にされているため、この状態から孔７５ｃを塞いでいる弁体７６を開くのは容易である反面、もう一方の弁体７６を移動させて隔壁７４ａの孔７５ａを開くには比較的大きなトルクが必要となる。つまり、制御部３６が、２つのアクチュエータ７２、７３を所望のタイミングで切り換えたとしても、２つの弁体７６の動きには僅かな差が生じることが予想される。
【００５８】
このため、本実施の形態では、このような２つの弁体７６の動きの差を考慮しつつ、一方の弁体７６が隔壁７４ｂの孔７５ｂを塞ぐのと略同時に、もう一方の弁体７６が隔壁７４ｃの孔７５ｃを開くように、２つのアクチュエータ７２、７３の動作タイミングを設定した。これにより、上述した圧力損失を最小限に抑えることができ、ウォーターハンマー現象を防止することができ、５ポート切換弁７０の切換動作をスムーズにできる。
【００５９】
図４に戻って、制御部３６が、上述した第２の状態に５ポート切換弁７０を切り換えた後、中央のチャンバ７１ｃを満たしていた高圧の高濃度塩水は、隔壁７４ｃの孔７５ｃを介してチャンバ７１ｄに流れ、ポート７０ｄを介してもう一方の圧力変換部３２の圧力室３２ｃに流入する。
【００６０】
制御部３６が５ポート切換弁７０を第２の状態に切り換える前の状態（すなわち第１の状態）では、圧力変換部３２の２つの圧力室３２ｃ、３２ｄは、それぞれ、大気圧程度の低い圧力にされている。このため、圧力変換部３２の一方の圧力室３２ｃに高圧の高濃度塩水が流入すると、もう一方の圧力室３２ｄとの間の圧力差によって、図５に矢印で示す方向にピストン３２ｂが押圧される。
【００６１】
これにより、圧力室３２ｄ内を満たしている海水の圧力が上昇されて海水供給部３４へ押し出される。このとき、圧力室３２ｄから押し出される海水の圧力Ｐ１３は、ピストン３２ｂの摩擦によってほんの少しだけ減圧され、５．７５ＭＰａ程度となる。
【００６２】
一方、保安フィルタ２０から海水供給部３４へ送り込まれる海水の圧力Ｐ３は、上述したように、０．２ＭＰａ程度である。このため、図４のように５ポート切換弁７０を切り換えた第２の状態では、圧力Ｐ３と圧力Ｐ１３との間の圧力差によって、逆止弁３４ｄは閉じる。
【００６３】
また、このとき、第２の状態に切り換える直前の圧力Ｐ１１が高圧に略維持されているため、圧力Ｐ１３と圧力Ｐ１１は略同じ圧力なっていることから、逆止弁３４ｃは開く。さらに、このとき、圧力Ｐ８は、後述するように、略大気圧に近い圧力にされるため、逆止弁３４ｂは、圧力Ｐ１１と圧力Ｐ８との間の圧力差によって閉じる。
【００６４】
つまり、圧力室３２ｄから５．７５ＭＰａ程度の圧力で押し出された高濃度塩水は、逆止弁３４ｃを通って昇圧ポンプＰ３へ供給されることになる。そして、昇圧ポンプＰ３は、圧力室３２ｄから送り込まれた高濃度塩水を僅かに昇圧（５．７５ＭＰａ→６．０ＭＰａ）して高圧ＲＯ膜４０へ供給する。つまり、動力回収装置３０は、高圧ＲＯ膜４０から排出された高濃度塩水の圧力エネルギーを、圧力変換部３２を介して、海水の昇圧のためのエネルギーに変換したことになる。
【００６５】
一方、図４に示す第２の状態では、アクチュエータ７２の弁体７６が隔壁７４ｂの孔７５ｂを塞ぎ隔壁７４ａの孔７５ａを開いており、２つのチャンバ７１ａ、７１ｂが連通されている。また、この状態で、ポート７０ａが大気圧に開放されているため、連通された２つのチャンバ７１ａ、７１ｂが大気圧に開放されるとともに、圧力変換部３１の一方の圧力室３１ｃもポート７０ｂを介して大気圧に開放される。
【００６６】
また、５ポート切換弁７０を第２の状態に切り換える前の第１の状態で、圧力変換部３１のもう一方の圧力室３１ｄは高圧にされている。このため、上述したように制御部３６が５ポート切換弁７０を第２の状態に切り換えて圧力室３１ｃが大気圧に開放されると、圧力室３１ｃと圧力室３１ｄとの間の圧力差によって、ピストン３１ｂが図５に矢印で示す方向に移動される。これにより、圧力室３１ｄ内の圧力も大気圧に近い圧力まで減圧され、圧力Ｐ８が大気圧程度まで減圧される。
【００６７】
つまり、このとき、圧力Ｐ３と圧力Ｐ８との間の圧力差によって逆止弁３４ａが開き、保安フィルタ２０から送り込まれる海水が、逆止弁３４ａを通って圧力変換部３１の圧力室３１ｄに流れ込むことになる。
【００６８】
この後、制御部３６は、２つの圧力変換部３１、３２のピストン３１ｂ、３２ｂの位置を監視し、各ピストン３１ｂ、３２ｂが終点まで移動したことをトリガーとして、２つのアクチュエータ７２、７３を上述したように僅かに差動させ、５ポート切換弁７０を再び図３に示す第１の状態に切り換える。
【００６９】
以上のように、動力回収装置３０の制御部３６は、以上の動作を繰り返して、５ポート切換弁７０を上述した第１および第２の状態に交互に切り換え、高圧ＲＯ膜４０から送り込まれる高濃度塩水の圧力を海水の昇圧に利用して、高圧ＲＯ膜４０へ再供給する。本実施の形態の動力回収装置３０は、上述した構造の５ポート切換弁７０を上述したタイミングで動作させるため、大気圧の６０倍程度の極めて高い圧力の高濃度塩水の流路をスムーズに切り換えでき、圧力損失が無く、ウォーターハンマー現象が生じる不具合も防止できる。
【００７０】
これに対し、例えば、２つの弁体を一体化して１つのアクチュエータで駆動する場合を想定すると、２つの弁体７６と各隔壁７４ａ、７４ｂ、７４ｃ、７４ｄの孔７５ａ、７５ｂ、７５ｃ、７５ｄとの間の寸法精度を高める必要があり、５ポート切換弁７０の製造コストが増大する。
【００７１】
ここで言う寸法精度が低くなると、弁体７６と孔７５ａ、７５ｂ、７５ｃ、７５ｄとの間に隙間が形成されて、高濃度塩水が漏れて圧力損失につながる。特に、２つの弁体７６、７６を一体化した場合、一方の弁体７６を孔に密着させた状態でもう一方の弁体７６と孔との間に隙間ができてしまうことになり、高い寸法精度が要求される。また、２つの弁体７６を一体にして駆動すると、２つの弁体７６を差動させることができなくなり、上述したウォーターハンマーの問題を解消することができなくなる。
【００７２】
つまり、上述した海水淡水化プラント１００のように、極めて高い圧力の流体を取り扱う装置では、本実施の形態の５ポート切換弁７０のように、高圧流体の流路を開閉する２つの弁体７６をそれぞれ独立して駆動できる個別のアクチュエータ７２、７３を設けることが有効である。
【００７３】
なお、この発明は、上述した実施の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、上述した実施の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、上述した実施の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良い。
【００７４】
例えば、上述した実施の形態では、海水淡水化プラント１００の動力回収装置３０に組み込まれた５ポート切換弁７０に本発明を適用した場合について説明したが、これに限らず、油など他の高圧流体の流路を切り換えるバルブとして本発明を適用しても良い。
【００７５】
また、５ポート切換弁７０の２つのアクチュエータ７２、７３を切り換える方法として、空圧式，水圧式，油圧式、ソレノイドコイルによる方法などが考えられる。特に、アクチュエータ７２、７３を切り換えるための動力となる水圧源として、高濃度塩水、送水ポンプＰ１から出た海水、或いは、高圧ポンプＰ２から出た高濃度塩水を用いてもよい。
【符号の説明】
【００７６】
３０…動力回収装置、３１、３２…圧力変換部、３１ｂ、３２ｂ…ピストン、３１ｃ、３１ｄ、３２ｃ、３２ｄ…圧力室、３４…海水供給部、３６…制御部、４０…高圧ＲＯ膜、７０…５ポート切換弁、７１…シリンダ、７０ａ、７０ｂ、７０ｃ、７０ｄ、７０ｅ…ポート、７１ａ、７１ｂ、７１ｃ、７１ｄ、７１ｅ…チャンバ、７２、７３…アクチュエータ、７４ａ、７４ｂ、７４ｃ、７４ｄ…隔壁、７５ａ、７５ｂ、７５ｃ、７５ｄ…孔、７６…弁体、１００…海水淡水化プラント。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば、水や油などの流体の流路を切り換える流路切換装置に係り、特に、海水を淡水に変える海水淡水化装置の動力回収装置に組み込まれた、高圧流体の流路を切り換えるための流路切換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の高圧流体の流路を切り換える流路切換装置として、例えば、下記特許文献１に開示された逆浸透膜濃縮装置に組み込まれた切換弁が知られている。この逆浸透膜濃縮装置は、例えば、海水を逆浸透膜に透過させて淡水化する装置として利用される。
【０００３】
特許文献１に開示された切換弁は、複動ポンプで加圧された被濃縮液によって図１の位置に切り換えられる。ここで、被濃縮液は、例えば海水である。加圧された被濃縮液は、切り換えられた切換弁を通って、逆浸透膜槽へ送り込まれる。このとき、逆浸透膜を透過しなかった比較的高い圧力の非透過液が、切換弁を介して複動ポンプのヘッド側シリンダ室へ戻されて、被濃縮液の加圧エネルギーとして利用される。
【０００４】
複動ポンプのピストンがキャップ側シリンダ室の終端壁まで移動すると、今度は、複動ポンプが逆転動作されてピストンが後退される（図２、矢印Ｂ）。これにより、被濃縮液タンクから新たな被濃縮液がキャップ側シリンダ室へ送り込まれるとともに、加圧に利用された非透過液が切換弁を介してヘッド側シリンダ室から排出される。
【０００５】
切換弁は、弁室の内周壁面に沿って摺動するスプールを有する。スプールの周面は、移動の途中で流路を塞ぐ弁体として機能する。また、スプールの周面上には、流路をつないで開通させるための円周溝が形成されている。つまり、この切換弁は、複動ポンプで加圧される被濃縮液の圧力変化に応じてスプールを移動させて、被濃縮液の流路を開閉制御する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平９−５２０２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、上述した特許文献１に開示された切換弁では、スプールを弁室の内周壁面に沿って摺動させることで流路を開閉させるため、海水淡水化プラントのように極めて高い圧力の流体を取り扱う場合には、流路を完全に閉じることが難しい。つまり、この切換弁を海水淡水化プラントに用いた場合には、海水が漏れる可能性が高い。このため、特許文献１の切換弁は、海水の漏れを防止するＯリングをスプールの周面上に設けている。
【０００８】
また、特許文献１の切換弁は、スプールを１往復させる間に被濃縮液の供給および排出を行うため、被濃縮液を逆浸透膜槽へ間欠的に供給することになり、装置の稼働率が低くなる。このため、１つの逆浸透膜槽に対して２組の装置を接続して交互に動作させる方法も考えられるが、その分、装置が大型化するとともに設備費が増大してしまう。
【０００９】
さらに、特許文献１の切換弁は、スプールを移動させて複数の流路を同時に開閉制御するため、複数の流路の開閉タイミングをずらすことができない。このため、各流路を通る被濃縮液の圧力差などに応じて流路の切り換えタイミングを微調整することができず、流路の切り換えをスムーズにできない。
【００１０】
この発明の目的は、高圧流体の流路をスムーズに切り換えできる流路切換装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するため、本発明の流路切換装置は、高圧流体が流入する流入ポートと、この流入ポートを介して流入した高圧流体を受ける高圧チャンバと、この高圧チャンバの壁に設けられた第１および第２孔と、上記第１孔を介して上記高圧チャンバから流出した高圧流体を供給する第１供給ポートと、上記第２孔を介して上記高圧チャンバから流出した高圧流体を供給する第２供給ポートと、上記第１および第２孔をそれぞれ独立して開閉する第１および第２の弁体と、これら第１および第２の弁体をそれぞれ独立して駆動して、上記第１および第２ポートを介して高圧流体を交互に供給する第１および第２アクチュエータと、を有する。
【００１２】
上記発明によると、高圧チャンバの第１および第２孔をそれぞれ第１および第２の弁体によって交互に開閉するよう第１および第２アクチュエータを独立して動作させるようにしたため、高圧流体の圧力損失を防止でき、ウォーターハンマーを防止でき、高圧流体の流路の切り換えをスムーズにできる。
【発明の効果】
【００１３】
この発明の流路切換装置は、上記のような構成および作用を有しているので、高圧流体の流路をスムーズに切り換えできる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、この発明の実施の形態に係る海水淡水化プラントを示す概略ブロック図である。
【図２】図２は、図１の海水淡水化プラントに組み込まれた動力回収装置の内部構造を示す概略ブロック図である。
【図３】図３は、図２の動力回収装置に組み込まれた５ポート切換弁を示す断面図である。
【図４】図４は、図３の５ポート切換弁を切り換えた状態を示す断面図である。
【図５】図５は、図４に示す状態に５ポート切換弁を切り換えたときの動力回収装置の動作を説明するための概略ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照しながらこの発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１には、海水を淡水に変える海水淡水化プラント１００の概略ブロック図を示してある。この海水淡水化プラント１００は、汲み上げた海水を、前処理系１０で薬品処理して、送水ポンプＰ１により保安フィルタ２０へ送る（Ｑ１）。保安フィルタ２０を通過した海水は、一方が高圧ポンプＰ２へ供給され（Ｑ２）、他方が動力回収装置３０へ供給される（Ｑ５）。このとき、保安フィルタ２０から送り出された海水の圧力Ｐ３は、０．２ＭＰａ程度とする。
【００１６】
高圧ポンプＰ２は、保安フィルタ２０から供給された海水を昇圧し、高圧ＲＯ膜（逆浸透膜）４０へ送り込む。高圧ポンプＰ２で昇圧した後の海水の圧力Ｐ４は、高圧ＲＯ膜４０の種類によって適正値が異なるが、本実施の形態では、この圧力Ｐ４を６．０ＭＰａにした。
【００１７】
高圧ＲＯ膜４０は、高圧ポンプＰ２で昇圧されて送り込まれた海水をろ過する。高圧ＲＯ膜４０の回収率が４０％である場合、高圧ＲＯ膜４０からは、流入した海水の流量の４０％の流量の淡水と、６０％の流量の高濃度塩水とが排出されることになる。このとき、高圧ＲＯ膜４０を通過した淡水の圧力は、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。
【００１８】
そして、高圧ＲＯ膜４０で濾過されて排出された淡水は、低圧ポンプＰ４へ供給され（Ｑ淡水）、濾過されなかった高濃度塩水はその水圧を維持したまま動力回収装置３０へ供給される（Ｑブライン）。
【００１９】
低圧ポンプＰ４は、高圧ＲＯ膜４０から排出された淡水を再び加圧して低圧ＲＯ膜５０へ供給する。低圧ＲＯ膜５０を通過して濾過された淡水は、含有ホウ素が除去されるなどして浄水池６０へ供給される。そして、浄水池６０へ供給された淡水は、薬品処理された後、浄水として供給ポンプＰ５を介して利用者へ提供される。
【００２０】
一方、低圧ＲＯ膜５０で濾過されなかったものの高圧ＲＯ膜４０を通過したほぼ淡水に近い水は、前処理系１０へ戻されて、海水淡水化プラント１００に再供給される。
【００２１】
動力回収装置３０は、後に詳述するように、高圧ＲＯ膜４０から送り込まれた高濃度塩水の圧力を利用して、保安フィルタ２０を介して送り込まれた海水を昇圧する。そして、この動力回収装置３０で昇圧された海水は、昇圧ポンプＰ３へ供給されて（Ｑブライン）所望する圧力（＝Ｐ４）までさらに昇圧される。
【００２２】
このようにして所望する圧力に調整されて昇圧ポンプＰ３から送り出された海水は、高圧ポンプＰ２で昇圧された海水（Ｑ２）と合流されて、高圧ＲＯ膜４０へ供給される（Ｑｉｎ）。
【００２３】
一方、動力回収装置３０へ供給されて海水の昇圧に利用された後の高濃度塩水は、ほぼ大気圧まで減圧された状態で動力回収装置３０から排出される。
【００２４】
図２には、上述した動力回収装置３０の内部構造を概略的に示してある。
動力回収装置３０は、５ポート切換弁７０、圧力変換部３１、３２、海水供給部３４、および制御部３６を有する。５ポート切換弁７０は、本発明の流路切換装置として機能する。制御部３６は、２つの圧力変換部３１、３２の動作状態をモニターして５ポート切換弁７０を切換制御する。
【００２５】
５ポート切換弁７０は、図３に示すように、周壁を貫通した５つのポート７０ａ、７０ｂ、７０ｃ、７０ｄ、７０ｅを有する略円筒形のシリンダ７１、およびこのシリンダ７１の両端にそれぞれ固設された２つのアクチュエータ７２、７３を有する。
【００２６】
図示上方の一方のアクチュエータ７２は、この発明の第１アクチュエータとして機能し、図示下方のもう一方のアクチュエータ７３は、この発明の第２アクチュエータとして機能する。アクチュエータ７２、７３は、これに限るものではなく、他の駆動機構に置き換えることができる。
【００２７】
また、５つのポート７０ａ、７０ｂ、７０ｃ、７０ｄ、７０ｅは、図示の方向に限らず、シリンダ７１の周面からいかなる方向に延設しても良い。なお、中央のポート７０ｃは、この発明の流入ポートとして機能し、ポート７０ｂは、この発明の第１供給ポートとして機能し、ポート７０ｄは、この発明の第２供給ポートとして機能する。
【００２８】
シリンダ７１は、その軸方向に沿って分割された円筒形の５つのチャンバ７１ａ、７１ｂ、７１ｃ、７１ｄ、７１ｅを有する。各チャンバ７１ａ、７１ｂ、７１ｃ、７１ｄ、７１ｅには、それぞれ、上述したポート７０ａ、７０ｂ、７０ｃ、７０ｄ、７０ｅが連通している。互いに隣接するチャンバ間には、４つの円板状の隔壁７４ａ、７４ｂ、７４ｃ、７４ｄがそれぞれ設けられている。
【００２９】
なお、中央のチャンバ７１ｃは、この発明の高圧チャンバとして機能し、その両隣のチャンバ７１ｂ、７１ｄは、それぞれ、この発明の第１および第２チャンバとして機能し、両端のチャンバ７１ａ、７１ｅは、それぞれ、この発明の第３および第４チャンバとして機能する。
【００３０】
中央の２つの隔壁７４ｂ、７４ｃの中央には、それぞれ、後述する弁体７６によって開閉される円形の孔７５ｂ、７５ｃが形成されている。また、外側の２つの隔壁７４ａ、７４ｄの中央にも、それぞれ、後述するピストンロッド７２ｂ、７３ｂを挿通するとともに、弁体７６によって開閉される円形の孔７５ａ、７５ｄが形成されている。
【００３１】
なお、隔壁７４ｂの孔７５ｂは、この発明の第１孔として機能し、隔壁７４ｃの孔７５ｃは、この発明の第２孔として機能し、隔壁７４ａの孔７５ａは、この発明の第３孔として機能し、隔壁７４ｄの孔７５ｄは、この発明の第４孔として機能する。
【００３２】
アクチュエータ７２（７３）は、シリンダ７１の軸方向端壁に固定された略円筒形のピストンシリンダ７２ａ（７３ａ）、および上述した隔壁７４ａ、７４ｄの孔７５ａ、７５ｄに挿通されるピストンロッド７２ｂ（７３ｂ）を有する。ピストンロッド７２ｂ（７３ｂ）の先端には、上述したシリンダ７１の４つの隔壁７４ａ、７４ｂ、７４ｃ、７４ｄの孔７５ａ、７５ｂ、７５ｃ、７５ｄを塞ぐ弁体７６がそれぞれ設けられている。
【００３３】
一方のアクチュエータ７２の弁体７６は、この発明の第１の弁体として機能し、チャンバ７１ｂ内に配置されている。もう一方のアクチュエータ７３の弁体７６は、この発明の第２の弁体として機能し、チャンバ７１ｄ内に配置されている。また、ピストンロッド７２ｂ（７３ｂ）の基端部には、ピストンシリンダ７２ａ（７３ａ）内で移動するピストン７７がそれぞれ設けられている。
【００３４】
アクチュエータ７２（７３）には、それぞれ図示しないポンプが接続されている。すなわち、ピストン７７で区画されたピストンシリンダ７２ａ（７３ａ）の２つの圧力室７８、７９にエアーを交互に送り込んでピストン７７を作動させ、ピストンロッド７２ｂ（７３ｂ）の先端に取り付けられた弁体７６を軸方向に移動させる。アクチュエータ７２（７３）の駆動は、空気圧に限らず、油圧などを用いることができる。
【００３５】
一方のアクチュエータ７２を動作させると、シリンダ７１のチャンバ７１ａ、７１ｂ間の隔壁７４ａに設けられた孔７５ａと、チャンバ７１ｂ、７１ｃ間の隔壁７４ｂに設けられた孔７５ｂと、が弁体７６によって交互に開閉される。また、他方のアクチュエータ７３を動作させると、シリンダ７１のチャンバ７１ｃ、７１ｄ間の隔壁７４ｃに設けられた孔７５ｃと、チャンバ７１ｄ、７１ｅ間の隔壁７４ｄに設けられた孔７５ｄと、が弁体７６によって交互に開閉される。
【００３６】
本実施の形態では、２つの弁体７６は、独立して開閉可能となっている。また、各弁体７６は、対応する隔壁７４ａ、７４ｂ、７４ｃ、７４ｄの孔７５ａ、７５ｂ、７５ｃ、７５ｄに対し、軸方向に移動することにより孔を開閉する、グローブバルブのように機能する。このため、本実施の形態のように、高圧の流体を取り扱う海水淡水化プラント１００に適したバルブ構造である。
【００３７】
シリンダ７１の中央のチャンバ７１ｃに連通したポート７０ｃには、上述した高圧ＲＯ膜４０から高濃度塩水が送り込まれる。また、中央のチャンバ７１ｃの両隣の２つのチャンバ７１ｂ、７１ｄに連通したポート７１ｂ、７１ｄは、中央のチャンバ７１ｃに送り込まれた高濃度塩水を、交互に、圧力変換部３１、３２へ送り込む。さらに、両端のチャンバ７１ａ、７１ｅに連通したポート７０ａ、７０ｅは、図示しない合流部で合流されて、圧力変換部３１、３２から減圧されて送り出された高濃度塩水を排水する。
【００３８】
圧力変換部３１（３２）は、シリンダ３１ａ（３２ａ）の内部空間を軸方向に区画するピストン３１ｂ（３２ｂ）を有する。ピストン３１ｂ（３２ｂ）は、その両側の２つの圧力室３１ｃ（３２ｃ）、３１ｄ（３２ｄ）の圧力差を相殺するように軸方向に移動する。一方の圧力室３１ｃ（３２ｃ）は、上述した５ポート切換弁７０のポート７０ｂ（７０ｄ）に接続されている。他方の圧力室３１ｄ（３２ｄ）は、後述する海水供給部３４に接続されている。つまり、一方の圧力室３１ｃ（３２ｃ）には高濃度塩水が供給され、他方の圧力室３１ｄ（３２ｄ）には海水が供給される。言い換えると、圧力変換部３１（３２）内で海水と高濃度塩水が混ざることはない。
【００３９】
海水供給部３４は、直列に連結された４つの逆止弁３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３４ｄを有する。各逆止弁３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３４ｄは、その両端の圧力差に応じてそれぞれ独立して開閉する。言い換えると、これら４つの逆止弁３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３４ｄは、保安フィルタ２０から送り込まれる海水を各圧力変換部３１、３２の圧力室３１ｄ、３２ｄへ送り込むとともに、各圧力室３１ｄ、３２ｄから送り出された海水を上述した昇圧ポンプＰ３へ送り出すよう動作する。
【００４０】
制御部３６は、２つの圧力変換部３１、３２の作動状態をモニターして、５ポート切換弁７０の２つのアクチュエータ７２、７３を独立して動作制御する。
【００４１】
以下、図２乃至図５を参照して、上述した構造の動力回収装置３０の動作を上述した５ポート切換弁７０の動作とともに説明する。
図３に矢印で示すように、高圧ＲＯ膜４０から比較的高い圧力Ｐ６（＝５．８ＭＰａ）で５ポート切換弁７０へ送り込まれた高濃度塩水は、５ポート切換弁７０の中央のポート７０ｃを介して、中央のチャンバ７１ｃに流入する。このとき、制御部３６が、図３に示す状態に２つのアクチュエータ７２、７３を切り換えておくと、チャンバ７１ｃに流入した高濃度塩水は、隔壁７４ｂの孔７５ｂを通って隣のチャンバ７１ｂに流れ込み、ポート７０ｂを介して一方の圧力変換部３１の圧力室３１ｃに流入する。
【００４２】
以下の説明では、制御部３６が図３に示す位置に２つの弁体７６を移動させた状態を第１の状態と称する。つまり、第１の状態では、制御部３６は、弁体７６が隔壁７４ａの孔７５ａを塞ぐ位置に一方のアクチュエータ７２を切り換え、弁体７６が隔壁７４ｃの孔７５ｃを塞ぐ位置にもう一方のアクチュエータ７３を切り換える。
【００４３】
圧力変換部３１の一方の圧力室３１ｃに流入した高濃度塩水は、もう一方の圧力室３１ｄとの間の圧力差によって、図２に矢印で示す方向にピストン３１ｂを押し、圧力室３１ｄ内を満たしている海水を海水供給部３４へ押し出す。このとき、圧力室３１ｄから押し出される海水の圧力Ｐ８は、ピストン３１ｂの摩擦により、ほんの少しだけ減圧されて、５．７５ＭＰａ程度となる。
【００４４】
一方、保安フィルタ２０から海水供給部３４へ送り込まれる海水の圧力Ｐ３は、上述したように、０．２ＭＰａ程度である。このため、上述したように５ポート切換弁７０を切り換えた第１の状態では、圧力Ｐ３と圧力Ｐ８との間の圧力差によって、逆止弁３４ａは閉じる。
【００４５】
また、このとき、逆止弁３４ｂ、３４ｃ間の圧力Ｐ１１は、後述するように、圧力Ｐ８と略同じ圧力に維持されているため、逆止弁３４ｂは開く。さらに、逆止弁３４ｃ、３４ｄ間の圧力Ｐ１３は、後述するように、略大気圧に近い圧力であるため、逆止弁３４ｃは、圧力Ｐ１１と圧力Ｐ１３との間の圧力差によって閉じる。
【００４６】
つまり、圧力室３１ｄから５．７５ＭＰａ程度の圧力で押し出された高濃度塩水は、逆止弁３４ｂを通って昇圧ポンプＰ３へ供給されることになる。そして、昇圧ポンプＰ３は、圧力室３１ｄから送り込まれた高濃度塩水を僅かに昇圧（５．７５ＭＰａ→６．０ＭＰａ）して高圧ＲＯ膜４０へ供給する。つまり、動力回収装置３０は、高圧ＲＯ膜４０から排出された高濃度塩水の圧力エネルギーを、圧力変換部３１を介して、海水の昇圧のためのエネルギーに変換したことになる。
【００４７】
図３に戻って、上述した第１の状態では、もう一方のアクチュエータ７３の弁体７６は、隔壁７４ｃの孔７５を塞いでいる。言い換えると、第１の状態では、隔壁７４ｄの孔７５ｄが開き、チャンバ７１ｄ、７１ｅが連通される。上述したように、第１の状態では、チャンバ７１ｅは、ポート７０ｅを介して概ね大気圧と等しい圧力にされているため、チャンバ７１ｄも大気圧に開放される。そして、ポート７０ｄを介してチャンバ７１ｄに連通した圧力変換部３２の圧力室３２ｃも、大気圧に開放される。
【００４８】
一方、保安フィルタ２０から圧力Ｐ３で海水供給部３４へ送り込まれる海水は、逆止弁３４ｄを介して、圧力変換部３２の圧力室３２ｄへ供給される。このとき、圧力室３２ｄの圧力が圧力室３２ｃの圧力より僅かに高くなり、ピストン３２ｂが図示矢印方向に移動され、圧力室３２ｄも大気圧に近付く。同時に、圧力室３２ｃを満たしていた高濃度塩水が、ピストン３２ｂによって５ポート切換弁７０へ押し出される。
【００４９】
このとき、逆止弁３４ｄは、圧力Ｐ３と圧力室３２ｄの圧力との差によって開き、海水の流通を許可する。一方、逆止弁３４ａ、３４ｃは、上述したように、高濃度塩水の圧力によって閉じている。このため、保安フィルタ２０から送り込まれた海水は、逆止弁３４ｄを介して圧力室３２ｄに流れることになる。
【００５０】
以上のように、５ポート切換弁７０の２つのアクチュエータ７２、７３を図３に示す位置に切り換えた第１の状態で、制御部３６は、圧力変換部３１のピストン３１ｂの位置、および圧力変換部３２のピストン３２ｂの位置を監視し、各ピストン３１ｂ、３２ｂが終点まで移動したことをトリガーとして、２つのアクチュエータ７２、７３をそれぞれ独立して切換制御する。
【００５１】
基本的に、制御部３６は、一方の圧力変換部３１のピストン３１ｂが高濃度塩水によって押圧されてチャンバ３１ｄの容積が略ゼロになったタイミングで、アクチュエータ７２を図４に示す位置に切り換える。これにより、隔壁７４ａの孔７５ａが開かれるとともに隔壁７４ｂの孔７５ｂが弁体７６によって閉じられて、チャンバ７１ａ、７１ｂが連通される。
【００５２】
また、制御部３６は、もう一方の圧力変換部３２のピストン３２ｂが海水によって押圧されてチャンバ３２ｃの容積が略ゼロになったタイミングで、アクチュエータ７３を図４に示す位置に切り換える。これにより、隔壁７４ｃの孔７５ｃが開かれるとともに隔壁７４ｄの孔７５ｄが弁体７６によって閉じられて、チャンバ７１ｃ、７１ｄが連通される。以下の説明では、図４に示す位置に２つのアクチュエータ７２、７３を切り換えた状態を第２の状態と称する。
【００５３】
しかしながら、本実施の形態の５ポート切換弁７０は、２つのアクチュエータ７２、７３を独立して動作制御できるため、アクチュエータ７２、７３の切り換えタイミングは必ずしも一致させる必要はない。また、２つの圧力変換部３１、３２のピストン３１ｂ、３２ｂに作用する圧力にも差があるため、２つのアクチュエータ７２、７３を同時に切り換えても、２つのピストン３１ｂ、３２ｂが終点に到達するタイミングにもズレを生じることが予想される。
【００５４】
例えば、２つのアクチュエータ７２、７３を図３の位置から図４の位置へ全く同時に切り換えると、２つの弁体７６、７６が移動を開始した直後の僅かな時間だけ、２つの弁体７６がいずれの孔７５ａ、７５ｂ、７５ｃ、７５ｄも塞がない状態が出現し、中央のチャンバ７１ｃの圧力が低下して、圧力損失となる。
【００５５】
このような不具合を防止するため、図３の状態から一方のアクチュエータ７２だけを先に切り換えて、中央のチャンバ７１ｃを区画する一方の隔壁７４ｂの孔７５ｂを塞いだ後、もう一方のアクチュエータ７３を切り換えて、中央のチャンバ７１ｃを区画するもう一方の隔壁７４ｃの孔７５ｃを開く方法が考えられる。
【００５６】
しかし、一方の弁体７６が隔壁７４ｂの孔７５ｂを塞ぐとともに、もう一方の弁体７６が隔壁７４ｃの孔７５ｃを塞ぐ状態が長く続くと、密閉された中央のチャンバ７１ｃ内の圧力が上昇し、孔７５ｃを塞いでいる弁体７６を図４の状態に開いた瞬間に、チャンバ７１ｃ内で高圧にされた高濃度塩水が急激に流出して、ウォーターハンマー現象を生じる可能性がある。
【００５７】
また、例えば、図３に示す第１の状態では、連通された２つのチャンバ７１ｂ、７１ｃが高圧にされているため、この状態から孔７５ｃを塞いでいる弁体７６を開くのは容易である反面、もう一方の弁体７６を移動させて隔壁７４ａの孔７５ａを開くには比較的大きなトルクが必要となる。つまり、制御部３６が、２つのアクチュエータ７２、７３を所望のタイミングで切り換えたとしても、２つの弁体７６の動きには僅かな差が生じることが予想される。
【００５８】
このため、本実施の形態では、このような２つの弁体７６の動きの差を考慮しつつ、一方の弁体７６が隔壁７４ｂの孔７５ｂを塞ぐのと略同時に、もう一方の弁体７６が隔壁７４ｃの孔７５ｃを開くように、２つのアクチュエータ７２、７３の動作タイミングを設定した。これにより、上述した圧力損失を最小限に抑えることができ、ウォーターハンマー現象を防止することができ、５ポート切換弁７０の切換動作をスムーズにできる。
【００５９】
図４に戻って、制御部３６が、上述した第２の状態に５ポート切換弁７０を切り換えた後、中央のチャンバ７１ｃを満たしていた高圧の高濃度塩水は、隔壁７４ｃの孔７５ｃを介してチャンバ７１ｄに流れ、ポート７０ｄを介してもう一方の圧力変換部３２の圧力室３２ｃに流入する。
【００６０】
制御部３６が５ポート切換弁７０を第２の状態に切り換える前の状態（すなわち第１の状態）では、圧力変換部３２の２つの圧力室３２ｃ、３２ｄは、それぞれ、大気圧程度の低い圧力にされている。このため、圧力変換部３２の一方の圧力室３２ｃに高圧の高濃度塩水が流入すると、もう一方の圧力室３２ｄとの間の圧力差によって、図５に矢印で示す方向にピストン３２ｂが押圧される。
【００６１】
これにより、圧力室３２ｄ内を満たしている海水の圧力が上昇されて海水供給部３４へ押し出される。このとき、圧力室３２ｄから押し出される海水の圧力Ｐ１３は、ピストン３２ｂの摩擦によってほんの少しだけ減圧され、５．７５ＭＰａ程度となる。
【００６２】
一方、保安フィルタ２０から海水供給部３４へ送り込まれる海水の圧力Ｐ３は、上述したように、０．２ＭＰａ程度である。このため、図４のように５ポート切換弁７０を切り換えた第２の状態では、圧力Ｐ３と圧力Ｐ１３との間の圧力差によって、逆止弁３４ｄは閉じる。
【００６３】
また、このとき、第２の状態に切り換える直前の圧力Ｐ１１が高圧に略維持されているため、圧力Ｐ１３と圧力Ｐ１１は略同じ圧力なっていることから、逆止弁３４ｃは開く。さらに、このとき、圧力Ｐ８は、後述するように、略大気圧に近い圧力にされるため、逆止弁３４ｂは、圧力Ｐ１１と圧力Ｐ８との間の圧力差によって閉じる。
【００６４】
つまり、圧力室３２ｄから５．７５ＭＰａ程度の圧力で押し出された高濃度塩水は、逆止弁３４ｃを通って昇圧ポンプＰ３へ供給されることになる。そして、昇圧ポンプＰ３は、圧力室３２ｄから送り込まれた高濃度塩水を僅かに昇圧（５．７５ＭＰａ→６．０ＭＰａ）して高圧ＲＯ膜４０へ供給する。つまり、動力回収装置３０は、高圧ＲＯ膜４０から排出された高濃度塩水の圧力エネルギーを、圧力変換部３２を介して、海水の昇圧のためのエネルギーに変換したことになる。
【００６５】
一方、図４に示す第２の状態では、アクチュエータ７２の弁体７６が隔壁７４ｂの孔７５ｂを塞ぎ隔壁７４ａの孔７５ａを開いており、２つのチャンバ７１ａ、７１ｂが連通されている。また、この状態で、ポート７０ａが大気圧に開放されているため、連通された２つのチャンバ７１ａ、７１ｂが大気圧に開放されるとともに、圧力変換部３１の一方の圧力室３１ｃもポート７０ｂを介して大気圧に開放される。
【００６６】
また、５ポート切換弁７０を第２の状態に切り換える前の第１の状態で、圧力変換部３１のもう一方の圧力室３１ｄは高圧にされている。このため、上述したように制御部３６が５ポート切換弁７０を第２の状態に切り換えて圧力室３１ｃが大気圧に開放されると、圧力室３１ｃと圧力室３１ｄとの間の圧力差によって、ピストン３１ｂが図５に矢印で示す方向に移動される。これにより、圧力室３１ｄ内の圧力も大気圧に近い圧力まで減圧され、圧力Ｐ８が大気圧程度まで減圧される。
【００６７】
つまり、このとき、圧力Ｐ３と圧力Ｐ８との間の圧力差によって逆止弁３４ａが開き、保安フィルタ２０から送り込まれる海水が、逆止弁３４ａを通って圧力変換部３１の圧力室３１ｄに流れ込むことになる。
【００６８】
この後、制御部３６は、２つの圧力変換部３１、３２のピストン３１ｂ、３２ｂの位置を監視し、各ピストン３１ｂ、３２ｂが終点まで移動したことをトリガーとして、２つのアクチュエータ７２、７３を上述したように僅かに差動させ、５ポート切換弁７０を再び図３に示す第１の状態に切り換える。
【００６９】
以上のように、動力回収装置３０の制御部３６は、以上の動作を繰り返して、５ポート切換弁７０を上述した第１および第２の状態に交互に切り換え、高圧ＲＯ膜４０から送り込まれる高濃度塩水の圧力を海水の昇圧に利用して、高圧ＲＯ膜４０へ再供給する。本実施の形態の動力回収装置３０は、上述した構造の５ポート切換弁７０を上述したタイミングで動作させるため、大気圧の６０倍程度の極めて高い圧力の高濃度塩水の流路をスムーズに切り換えでき、圧力損失が無く、ウォーターハンマー現象が生じる不具合も防止できる。
【００７０】
これに対し、例えば、２つの弁体を一体化して１つのアクチュエータで駆動する場合を想定すると、２つの弁体７６と各隔壁７４ａ、７４ｂ、７４ｃ、７４ｄの孔７５ａ、７５ｂ、７５ｃ、７５ｄとの間の寸法精度を高める必要があり、５ポート切換弁７０の製造コストが増大する。
【００７１】
ここで言う寸法精度が低くなると、弁体７６と孔７５ａ、７５ｂ、７５ｃ、７５ｄとの間に隙間が形成されて、高濃度塩水が漏れて圧力損失につながる。特に、２つの弁体７６、７６を一体化した場合、一方の弁体７６を孔に密着させた状態でもう一方の弁体７６と孔との間に隙間ができてしまうことになり、高い寸法精度が要求される。また、２つの弁体７６を一体にして駆動すると、２つの弁体７６を差動させることができなくなり、上述したウォーターハンマーの問題を解消することができなくなる。
【００７２】
つまり、上述した海水淡水化プラント１００のように、極めて高い圧力の流体を取り扱う装置では、本実施の形態の５ポート切換弁７０のように、高圧流体の流路を開閉する２つの弁体７６をそれぞれ独立して駆動できる個別のアクチュエータ７２、７３を設けることが有効である。
【００７３】
なお、この発明は、上述した実施の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、上述した実施の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、上述した実施の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良い。
【００７４】
例えば、上述した実施の形態では、海水淡水化プラント１００の動力回収装置３０に組み込まれた５ポート切換弁７０に本発明を適用した場合について説明したが、これに限らず、油など他の高圧流体の流路を切り換えるバルブとして本発明を適用しても良い。
【００７５】
また、５ポート切換弁７０の２つのアクチュエータ７２、７３を切り換える方法として、空圧式，水圧式，油圧式、ソレノイドコイルによる方法などが考えられる。特に、アクチュエータ７２、７３を切り換えるための動力となる水圧源として、高濃度塩水、送水ポンプＰ１から出た海水、或いは、高圧ポンプＰ２から出た高濃度塩水を用いてもよい。
【符号の説明】
【００７６】
３０…動力回収装置、３１、３２…圧力変換部、３１ｂ、３２ｂ…ピストン、３１ｃ、３１ｄ、３２ｃ、３２ｄ…圧力室、３４…海水供給部、３６…制御部、４０…高圧ＲＯ膜、７０…５ポート切換弁、７１…シリンダ、７０ａ、７０ｂ、７０ｃ、７０ｄ、７０ｅ…ポート、７１ａ、７１ｂ、７１ｃ、７１ｄ、７１ｅ…チャンバ、７２、７３…アクチュエータ、７４ａ、７４ｂ、７４ｃ、７４ｄ…隔壁、７５ａ、７５ｂ、７５ｃ、７５ｄ…孔、７６…弁体、１００…海水淡水化プラント。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高圧流体が流入する流入ポートと、
この流入ポートを介して流入した高圧流体を受ける高圧チャンバと、
この高圧チャンバの壁に設けられた第１および第２孔と、
上記第１孔を介して上記高圧チャンバから流出した高圧流体を供給する第１供給ポートと、
上記第２孔を介して上記高圧チャンバから流出した高圧流体を供給する第２供給ポートと、
上記第１および第２孔をそれぞれ独立して開閉する第１および第２の弁体と、
これら第１および第２の弁体をそれぞれ独立して駆動して、上記第１および第２ポートを介して高圧流体を交互に供給する第１および第２アクチュエータと、
を有することを特徴とする流路切換装置。
【請求項２】
上記第１孔を介して上記高圧チャンバに連通した第１チャンバと、
上記第２孔を介して上記高圧チャンバに連通した第２チャンバと、をさらに有し、
上記第１の弁体が上記第１チャンバ内で移動可能に配置され、上記第１供給ポートが上記第１チャンバに連通し、
上記第２の弁体が上記第２チャンバ内で移動可能に配置され、上記第２供給ポートが上記第２チャンバに連通していることを特徴とする請求項１に記載の流路切換装置。
【請求項３】
上記第１孔と同軸に上記第１チャンバの壁に設けられた第３孔と、
この第３孔を介して上記第１チャンバに連通した第３チャンバと、
上記第２孔と同軸に上記第２チャンバの壁に設けられた第４孔と、
この第４孔を介して上記第２チャンバに連通した第４チャンバと、を有し、
上記第１アクチュエータは、上記第１の弁体を上記第１孔を塞ぐ位置と上記第３孔を塞ぐ位置との間で往復移動させて、上記第１および第３孔を交互に開閉し、
上記第２アクチュエータは、上記第２の弁体を上記第２孔を塞ぐ位置と上記第４孔を塞ぐ位置との間で往復移動させて、上記第２および第４孔を交互に開閉することを特徴とする請求項２に記載の流路切換装置。
【請求項１】
高圧流体が流入する流入ポートと、
この流入ポートを介して流入した高圧流体を受ける高圧チャンバと、
この高圧チャンバの壁に設けられた第１および第２孔と、
上記第１孔を介して上記高圧チャンバから流出した高圧流体を供給する第１供給ポートと、
上記第２孔を介して上記高圧チャンバから流出した高圧流体を供給する第２供給ポートと、
上記第１および第２孔をそれぞれ独立して開閉する第１および第２の弁体と、
これら第１および第２の弁体をそれぞれ独立して駆動して、上記第１および第２ポートを介して高圧流体を交互に供給する第１および第２アクチュエータと、
を有することを特徴とする流路切換装置。
【請求項２】
上記第１孔を介して上記高圧チャンバに連通した第１チャンバと、
上記第２孔を介して上記高圧チャンバに連通した第２チャンバと、をさらに有し、
上記第１の弁体が上記第１チャンバ内で移動可能に配置され、上記第１供給ポートが上記第１チャンバに連通し、
上記第２の弁体が上記第２チャンバ内で移動可能に配置され、上記第２供給ポートが上記第２チャンバに連通していることを特徴とする請求項１に記載の流路切換装置。
【請求項３】
上記第１孔と同軸に上記第１チャンバの壁に設けられた第３孔と、
この第３孔を介して上記第１チャンバに連通した第３チャンバと、
上記第２孔と同軸に上記第２チャンバの壁に設けられた第４孔と、
この第４孔を介して上記第２チャンバに連通した第４チャンバと、を有し、
上記第１アクチュエータは、上記第１の弁体を上記第１孔を塞ぐ位置と上記第３孔を塞ぐ位置との間で往復移動させて、上記第１および第３孔を交互に開閉し、
上記第２アクチュエータは、上記第２の弁体を上記第２孔を塞ぐ位置と上記第４孔を塞ぐ位置との間で往復移動させて、上記第２および第４孔を交互に開閉することを特徴とする請求項２に記載の流路切換装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１１−７５０５８（Ｐ２０１１−７５０５８Ａ）
【公開日】平成２３年４月１４日（２０１１．４．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２２８６３８（Ｐ２００９−２２８６３８）
【出願日】平成２１年９月３０日（２００９．９．３０）
【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４月１４日（２０１１．４．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年９月３０日（２００９．９．３０）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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