浸透圧式ガス圧縮システム
【課題】 地球温暖化防止のためには、自然エネルギーの利用を推進する必要があり、海水と淡水の塩分濃度差により生じる浸透圧を利用したエネルギー利用システムの開発が必要である。
【解決手段】 本発明の浸透圧型ガス圧縮システムは、海水と淡水間、あるいは海水と高塩分濃度海水間の浸透圧を利用して、海水と淡水、あるいは海水と高塩分濃度海水との混合海水によりガスを高圧に圧縮するシステムであり、浸透膜室圧とガス圧縮室部、圧縮ガス貯蔵タンク部で構成されており、所要のガスを高圧に圧縮して貯蔵することにより自然エネルギーを利用して上記課題を解決するものである。
【解決手段】 本発明の浸透圧型ガス圧縮システムは、海水と淡水間、あるいは海水と高塩分濃度海水間の浸透圧を利用して、海水と淡水、あるいは海水と高塩分濃度海水との混合海水によりガスを高圧に圧縮するシステムであり、浸透膜室圧とガス圧縮室部、圧縮ガス貯蔵タンク部で構成されており、所要のガスを高圧に圧縮して貯蔵することにより自然エネルギーを利用して上記課題を解決するものである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、海水と河川水、海水と工場排水処理装置から排出される淡水系排水、あるいは海水と浸透膜式海水淡水化装置から排出される高塩分濃度海水を利用して、半透膜の浸透圧により圧縮ガスを製造・貯蔵する浸透圧式ガス圧縮システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
海水と淡水とを半透膜を介して接触させると、淡水が半透膜を透過して海水中に浸透する現象が発生する。この現象は半透膜を介して接する海水と淡水中の塩分濃度が均一になろうとすることにより生じ、25℃の海水と淡水では最大約2.6MPaの浸透圧が発生する。現在、半透膜を利用した発電方式としては下記のものが出願されている。
【０００３】
特許文献１は河川水と海底に設置した浸透室を導水配管で連結し、浸透室の半透膜から海水中に流出した淡水相当分を河川水から補給する際、流入して来る河川水の水頭（位置エネルギー）差を利用して水車発電機を回転させて発電する方式である。
特許文献２も特許文献１と同様であり、海中に半透膜と水車発電機を設置して、陸上の河川水と海中の半透膜との水頭差を利用して水車発電機を回転させて発電する方式である。
特許文献３は河川水と表層海水を半透膜室に導き、淡水が半透膜を通して海水中に浸透して生ずる高圧水流により水車発電機を回転させて発電する方式である。
特許文献４は浸透膜式海水淡水化装置を出た高塩分濃度の海水と通常の海水間の塩分濃度差を利用して、海水中の淡水分が半透膜を通して高塩分濃度海水中に浸透して生ずる高圧水流により水車発電機を回転させて発電する方式である。
【特許文献１】特開昭和54-57116
【特許文献２】特開昭和56-121873
【特許文献３】特開昭和58-53684
【特許文献４】特開2003-176775
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
半透膜を利用した水車発電機システムの問題点として、設置場所の課題がある。例えば、特許文献１，２の発明は、陸上の河川水が海中の浸透室に送られるときの水頭差を利用して水力発電機を回転させて発電している。しかし、数十メートルの海底に浸透室や発電設備を設置することは運転管理やメンテナンスの面での課題が多く、実用的な発電システムとは言えない。
特許文献３の半透膜式水車発電システムは、海水と河川水が得られれば設置場所を地上とすることができる。
【０００５】
しかし、特許文献１〜４に示す半透膜式水車発電機方式は、昼夜を通して一定負荷で連続的に発電できるが、発電容量が比較的小さくてピーク負荷電力に適した実用的な発電システムとは言えない。このため、産業用に利用できる浸透圧利用システムの開発が期待されている。
【０００６】
本発明では、半透膜の浸透圧による加圧性能に着目し、半透膜の浸透圧を利用して空気等のガス体を圧縮して利用するシステムについて検討したものである。半透膜による浸透圧を利用したガス圧縮は、機械式圧縮機のように圧縮動力を必要としないため、自然エネルギーを利用した経済的な圧縮方式とすることができる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、
本発明では、塩分濃度の異なるｘ，ｙの液体を、半透膜を介し片側に水室Ａ、反対側に水室Ｂを配し、水室Ａには低塩分濃度の液体ｘ、水室Ｂには高塩分濃度の液体ｙを入れた浸透圧室部と、
水室Ｂの出口側に設けたガス圧縮室部と、
ガス圧縮室部出口側に設けた圧縮ガス貯蔵タンク部とから構成され、
浸透圧室部の液体ｘから液体ｙへ浸透した淡水分によりガス圧縮室に封入したガスを圧縮して圧縮ガスを製造・貯蔵する浸透圧式ガス圧縮システム（請求項１）
【０００８】
前記浸透圧式ガス圧縮システムにおいて、
液体ｙを水室Ｂに供給するポンプＢ出口と水室Ａを連結する配管と弁により、水室Ａにも液体ｙを供給する配管系統を備え、
水室Ｂへ液体ｙを入れる排水・給水工程時工程時に、水室Ａから水室Ｂへの浸透現象の発生を防止する機能を持つ浸透圧式ガス圧縮システム（請求項２）
【０００９】
前記浸透圧式ガス圧縮システムにおいて、
ガス圧縮室の内壁部周囲、あるいはシリンダー内部に、ガス圧縮により温度が上昇した圧縮ガスおよびシリンダー内部の海水を冷却するための冷却水配管を持つ浸透圧式ガス圧縮システム（請求項３）
【００１０】
前記浸透圧式ガス圧縮システムにおいて、
圧縮ガスが加圧により液体ｙ中に溶解しやすい気体に対しては、ガス圧縮室内部の気液接触面に固体のピストンを備え、ピストンを介在させることにより圧縮ガスと液体ｙが直接接触することを防止して動作工程を行う浸透圧式ガス圧縮システム（請求項４）
【００１１】
前記浸透圧式ガス圧縮システムにおいて、
ガス圧縮の動作工程のサイクルは、吸気、圧縮、送気、排水、給水の工程よりなり、各工程に対応して浸透圧室、水系統、ガス圧縮室、ガス系統の弁制御を行う浸透圧式ガス圧縮システムの運転制御方法（請求項５）
【００１２】
前記浸透圧式ガス圧縮システムにおいて、
並列に設置した複数台の浸透圧式ガス圧縮システムの圧縮ガス出口を配管で連結し、各浸透圧式ガス圧縮システムが吸気、圧縮、送気、排水、給水の各工程中にあっても、圧縮ガス貯蔵タンクには常時安定した圧縮ガスを供給できる浸透圧式ガス圧縮システム（請求項６）
【００１３】
前記浸透圧式ガス圧縮システムにおいて、
動作流体として淡水と海水を使用し、淡水と海水との間の塩分濃度差を利用してガス圧縮室のガスを圧縮して圧縮ガスを製造する淡水・海水浸透圧式ガス圧縮システム（請求項７）
【００１４】
前記浸透圧式ガス圧縮システムにおいて、
動作流体として通常海水と高塩分濃度海水を使用し、通常海水と高塩分濃度海水との間の塩分濃度差を利用してガス圧縮室のガスを圧縮して圧縮ガスを製造する海水・高塩分濃度海水浸透圧式ガス圧縮システム（請求項８）
【００１５】
前記海水・淡水浸透圧式ガス圧縮システムにおいて、
定常運転中は、水室Ｂは大気圧よりも高い状態で常時一定量の海水を流し、
水室Ａは出口弁を閉状態として浸透圧により淡水が海水側に流れることにより発生する負圧を利用して、淡水を水室Ａに補給する海水・淡水浸透圧式ガス圧縮システムの運転方法（請求項９）
【発明の効果】
【００１６】
従来の電動式圧縮機の圧縮効率は低く、多くの電力を必要としているが、浸透圧式ガス圧縮システムでは、ガス圧縮エネルギーは自然エネルギーである浸透圧を利用しているために圧縮動力が不要となり、二酸化炭素の排出がない。
また、浸透圧式ガス圧縮システムは構造や機構が単純であり、回転部や摺動面がなく、設備全体としての低コスト化が可能、スケールアップが容易、保守が簡単と経済的な設備にできる効果がある。
【００１７】
浸透圧式ガス圧縮システムにおいて、請求項２に示すような水室Ａへの液体ｙの供給配管を備えることにより、水室Ｂの淡水で薄まった液体ｙを新しい液体ｙとの置換時に、水室Ａ、水室Ｂ共に新しい液体ｙで置換しておき、その後水室Ａには液体ｘを供給して液体ｙを水室Ａから押し出し、水室Ａを液体ｘに置換する工程を経る。
このため、水室Ｂに新しい液ｙ体を給水後、直ちに水室Ａから水室Ｂに液体ｘの淡水成分が浸透することが防止され、その後のガス圧縮を効率的に行える効果がある。
【００１８】
浸透圧式ガス圧縮システムの圧縮工程においては、ガス圧縮に伴いガス圧縮室のガス温度が上昇する。ガス温度の上昇はガス圧縮効率を低下させるので、請求項３に示す冷却水配管を備えることにより圧縮ガスを冷却してガス圧縮効率を改善できる効果がある。
また、冷却によりシリンダー室内部の液体温度を蒸発温度（海水の場合は約１００℃）以下にすることにより、海水ブロー時には大気圧以下になっても、海水フラッシュを防止する効果がある。
【００１９】
浸透圧式ガス圧縮システムで圧縮する圧縮ガスが、加圧により液体ｙ中に溶解しやすい気体の場合、ガス圧縮室内面の気液接触面に固体のピストンを介在させて圧縮工程を行うことにより、ガス加圧による液体への溶解を防止できる効果がある。例えば二酸化炭素を圧縮する場合は、圧縮により大量の二酸化炭素が液体ｙ中に溶解するのを防止できる効果がある。
【００２０】
ガス圧縮室を吸気、圧縮、送気、排水、給水の各工程中を行わせるために、各工程に対応させて浸透圧室、液体ｘ系統、液体ｙ系統、ガス圧縮室、ガス系統の弁制御を行うことにより、液体ｘ，ｙ間の浸透圧を利用してガス圧縮を効果的に行い、自然エネルギーを効率良く利用できる効果がある
【００２１】
一台の浸透式ガス圧縮システムでは、圧縮ガス圧縮室が吸気、圧縮、送気、排水、給水の工程を経るために間歇的に圧縮ガスを送気することなり、ガス圧力の脈動を起こすが、複数台の浸透圧式ガス圧縮システムの圧縮ガス出口配管を連結することにより、各浸透式ガス圧縮システムがどの工程中にあっても圧縮ガス出口圧力は平準化され、圧縮ガス貯蔵タンクには常時安定した圧縮ガスを供給できる効果がある。
【００２２】
浸透圧式ガス圧縮システムにおいては、動作液体として淡水・海水を使用し、淡水と海水間の塩分濃度差を利用してガス圧縮室のガスを圧縮して製造することが可能となる。このため、淡水系の河川を持つ臨海工業地域のように淡水と海水が同時に得られる場所であれば、海水・淡水浸透圧式ガス圧縮システムを設置してガス圧縮を行える効果がある。
【００２３】
浸透圧式ガス圧縮システムにおいては動作液体として海水・高塩分濃度海水を使用し、高塩分濃度海水と通常海水間の塩分濃度差を利用してガス圧縮室のガスを圧縮して製造することが可能となる。このため、海水が得られれば、淡水が得られない場所でも浸透膜式海水淡水化装置と海水・高塩分濃度海水浸透圧式ガス圧縮システムを設置してガス圧縮を行える効果がある。
【００２４】
淡水・海水浸透圧式ガス圧縮システムにおいては、淡水が水室Ａ１から水室Ｂ２に浸透することにより発生する水室Ａ１に生じる負圧を利用して、大気圧下の淡水を自然に水室Ａ１に流入させることができる。この運転制御方法により、淡水ポンプの運転が不要となり、所内動力である淡水ポンプ動力を削減できる効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
本発明は、塩分濃度の異なる液体ｘ・ｙ（主として海水・淡水間あるいは海水・高塩分濃度海水間）の浸透圧式ガス圧縮システムの機器、システム構成、および運転制御方法に関するものである。以下、その動作原理と具体的な実施例について示す。
【実施例１】
【００２６】
図２は本発明において、液体ｘを淡水ａ、液体ｙを海水ｂとした、海水・淡水浸透圧式ガス圧縮の基本的な原理図を示し、（ａ）〜（ｅ）は各動作工程を示すものである。以下動作工程について説明する。
（ａ）吸気工程：Ｕ字型の容器の下部中央部を半透膜３で仕切り、左に淡水ａ、右に海水ｂ（通常の海水を言う）を入れる。水室Ｂ２の上部には弁２４を設けており、海水を規定量入れると弁２４を閉止する。このため水室Ｂ２の上部には周辺外気状態のガスｇが密閉されている。
（ｂ）圧縮工程：水室Ａ１と水室Ｂ２の塩分濃度の差により浸透現象（水室Ａ１と水室Ｂ２の塩分濃度が同一になろうとする現象）が生じ、淡水ａが水室Ｂ２に移動し、水室Ｂ２には海水ｂと淡水ａとの混合海水（以下海水ｃと呼ぶ）に満たされ、水室Ｂ２の水位が上昇する。この結果、水室Ｂ２の上部に密閉されているガスｇは圧縮されて圧縮ガスｈとなる。この圧力を浸透圧と呼び、２５℃の淡水と海水間の浸透圧は理論的には２．６ＭＰａである。
（ｃ）送気工程：圧縮ガスｈを、弁２４を開放することにより送気して、必要な所に供給する。
（ｄ）排水工程：圧縮ガスhを送気した後には、水室Ｂ２の塩分濃度の低下した海水ｃを系外に排出する。
（ｅ）給水工程：水室Ａ１には水室Ｂ２に移動したのと同量の淡水ａを補給し、水室Ｂ２には海水ｂを給水して海水ｃと全量入れ替え、淡水・海水室共に所定の水位に復旧する。同時に、水室Ｂ２の上部には周辺外気状態のガスgを充填して（ａ）の状態に戻る。
【００２７】
浸透圧現象は、ファント・ホッフの浸透圧の法則により以下のように表されている。
Π＝ｉＲＴＣ
ここで、Π：浸透圧、ｉ：ファント・ホッフ係数、Ｒ：ファンデアワールス定数、Ｔ：絶対温度、Ｃ：液体のモル濃度である。
このため、浸透圧Πは液体中の溶質のモル濃度Ｃに比例しており、濃度が高いほど浸透圧も高くなる。本発明では海水の塩分濃度が浸透圧を支配することになる。
【００２８】
ガス圧縮についてはボイルシャルルの法則に従い、
ＰＶ＝一定（Ｐ：圧力、Ｖ：容積）で示される。
浸透圧式ガス圧縮において、圧縮できるガス容積は海水ｃの水位上昇相当分であり、ガス圧縮室の断面積と海水ｃの水位上昇の積は水室Ｂ２に流入する淡水量Ｑに等しくなる。すなわち、浸透圧によるガス圧縮圧力は海水ｂ中に透過してくる淡水量Ｑにより決定されることになる。
ガス圧縮圧力Ｐは、シリンダー内部に密封されたガス量Ｖ、浸透により水室Ｂ２側に移動した淡水量Ｑとすると、下式で表せる。
Ｐ＝Ｖ／（Ｖ−Ｑ）
【００２９】
図１は実用的な海水・淡水浸透圧式ガス圧縮システム１１０のシステム構成について示す。浸透圧式ガス圧縮システム１１０は大別して、浸透圧室部１００、ガス圧縮室部１０１、圧縮ガス貯蔵タンク部１０２により構成されている。なお、図２の弁開閉状態は圧縮工程時を示す。
浸透圧室部１００は水室Ａ１、水室Ｂ２、半透膜３、ポンプＡ４、ポンプＢ７と各弁５，６，８〜１０と配管類により構成される。
ガス圧縮部１０１は海水ｃにより封入ガスｇを圧縮する部であり、シリンダー部２１、冷却水配管２８と水・ガス出入口弁２２〜２６により構成される。
圧縮ガス貯蔵タンク部１０２は圧縮ガスｈを貯蔵する部であり、圧縮ガス貯蔵タンク３０、ドレン弁３１、管類と、圧縮後のガス温度が高い場合、圧縮ガス貯蔵タンク３０に入れる前に冷却する必要があれば圧縮空気冷却器２９を持つ構成となる。
【００３０】
図３，４により海水・淡水浸透圧式ガス圧縮システム１１０の動作工程について説明する。
図３（ａ）は吸気工程を示す。当初、海水系統の水室Ｂ入口弁８、水室Ｂ出口弁９、ガス圧縮室水ブロー弁２３は開とする。ポンプＢ７を起動して、海水ｂは水室Ｂ２、ガス圧縮室２０に入り、ガス圧縮室水ブロー弁２３から排出される。
ガス圧縮室２０の最低水位（ＬＷＬ）以上まで海水ｂが入った状態にして、ガス圧縮室水ブロー弁２３、水室Ｂ入口弁８・水室Ｂ出口弁９を閉止し、ポンプＢ７も停止する。
その後、ガス圧縮室ガス入口弁２４を開とし、ガス圧縮室水ブロー弁２３から余剰海水をブローしながらガス圧縮室２０の海水レベルを最低水位（ＬＷＬ）にする。この時圧縮するガスｇはシリンダー内部２１に吸気される。
運転初期にシリンダー内部に空気が入っている場合は、ガス圧縮室２０の上部にベント弁を設けておき、空気をガスで押し出して置換すればよい。
一方、淡水系統の水室Ａ入口弁５、水室Ａ出口弁６は開とし、淡水ａはポンプＡ４により水室Ａ１に送られる。水室Ａ１に淡水ａを給水した後は、水室Ａ出口弁６を閉止し、ポンプＡ４も停止する。
これで圧縮準備が完了したこととなる。
【００３１】
図３（ｂ）は圧縮工程を示す。当初、海水ｂと淡水ａは半透膜３を挟んで接しているので、浸透圧により水室Ａ１の淡水ａが水室Ｂ２の中に入ろうとするが、水室Ｂ入口弁８・水室Ｂ出口弁９が閉止されているので淡水ａが水室Ｂ２の中に入ることはできずに、浸透圧のみが発生し、水室Ｂ２の圧力が高くなる。
水室Ｂ出口弁９を開とすると、海水ｂの塩分濃度が高いために淡水ａは半透膜３を透過して水室Ｂ２に入る。水室Ｂ２には海水ｂと淡水ａが入り、塩分濃度が低下した海水ｃの水量が増加してくる。
ガス圧縮室２０のシリンダー内２１に海水ｃが流入し始めて水位が上昇すると、ガス圧縮室２０のシリンダー２１内部に封入されているガスｇは圧縮される。シリンダー２１の水位上昇は、海水ｃの塩分濃度の低下ととも遅くなり、浸透圧と逆浸透圧が平衡状態になると停止する。
【００３２】
海水ｂと淡水ａの浸透圧によるガス圧縮能力は理論的には２．６ＭＰａであるが、圧縮工程の最終段階では海水ｃと淡水ａ間の浸透圧となるために、海水ｃの塩分濃度をいくらに設定するかが海水ｂ中に浸透する淡水量Ｑを決定する主要因となる。
半透膜３の耐圧強度はＲＯ膜の場合５．５〜６．８ＭＰａと高く、浸透圧で破壊されることはなく、半透膜の耐圧強度が圧縮圧力に与える影響はない。
【００３３】
ガス圧縮に伴いガス温度が上昇する。ガスの温度上昇は圧縮効率を低下させるために冷却することが好ましい。また、海水ｃの水温が沸騰温度（塩分濃度により異なるが、おおよそ１００℃）を超えないようにする必要がある。
これは、圧縮工程後にシリンダー内部が大気圧に開放されたとき、海水ｃの水温が沸騰温度を超えていると、海水がフラッシュして、水蒸気が発生するのを防止するためである。水蒸気の発生は、その後のガス吸気工程の障害となる恐れがある。
ガス圧縮室シリンダー２１内の海水ｃによっても圧縮ガスｈは冷却されてガス温度は低下するが、より効果的に冷却するにはガス圧縮室冷却水配管２８を設けるのが良い。
【００３４】
図４（ｃ）は送気工程を示す。ガスの圧縮が完了すれば、ガス圧縮室出口弁２５を開として、圧縮ガスｈを圧縮ガス貯蔵タンク３０に送気する送気工程になる。この際、圧縮ガスｈをさらに冷却して貯蔵する必要があれば、圧縮空気冷却器２９を設けて冷却すればよい。
【００３５】
図４（ｄ）は排水・給水工程を示す。ここでは排水と給水工程とを一体化して排水・給水工程として説明する。
送気工程が完了すると、ガス圧縮室出口弁２５を閉止し、水室Ｂ２、ガス圧縮室２０内の海水ｃをブローする工程に入る。まず、ガス圧縮室水ブロー弁２３を開とし、ガス圧縮室２０上部に残った圧縮ガスのガス圧力により海水ｃは押されて、ブロー水ｆとして排出される。
その後も、水室Ｂ２内部やガス圧縮室２０のシリンダー２１の下部には海水ｃが残るために、ポンプＢ７を起動、水室Ｂ入口弁８、水室Ｂ出口弁９を開として、海水ｃが海水ｂと完全に置換するまで海水ｂを流して、ガス圧縮室水ブロー弁２３よりブロー水ｆとして放出する (排水工程) 。
海水置換が完了後、ガス圧縮室２０内の海水bの水位がLWL以上になるようにして、ガス圧縮室水ブロー弁２３を閉止、水室Ｂ入口弁８、水室Ｂ出口弁９を閉止する（給水工程）。以上の工程を海水系の排水・給水工程と呼ぶ。
淡水系統については特に弁操作を要さず、自然に水室Ａ１に淡水が給水される。
その後、ガス圧縮室ガス入口弁２４を開、ガス圧縮室水ブロー弁２３を微開として、ガス圧縮室２０にガスｇを導入すると共に、海水ｂの水位がＬＥＬになるとガス圧縮室水ブロー弁２３を閉止する。これは圧縮するガスをシリンダー内部に導入する吸気工程（ａ）になる。
【００３６】
海水の排水・給水工程の変形として、図１に示す海水ポンプ出口と水室Ａ１を連絡する水室Ａ連絡配管１５を備え、海水の排水・給水工程時には水室Ａ１に海水ｂを供給するシステムを採用できる。
これは、水室Ｂ２の海水ｃを海水ｂと置換すると、半透膜を介して直ぐに水室Ａ１の淡水ａが水室Ｂ２の海水ｂ中に浸透してくるために、海水ｂの塩分濃度が低下し、ガス圧縮に寄与できない時が発生する。
これを防止するために、水室Ｂ２の海水ｃを海水ｂで置換時に、水室Ａ連絡配管１５により同時に水室Ａ１の淡水ａも海水ｂで置換し、水室Ａ１と水室Ｂ２の双方に海水ｂを満たしておき、浸透圧現象が生じない環境にしておく。
圧縮工程に入る前に、ポンプＡ４を起動し、水室Ａ入口弁５を開として、水室Ａ１に淡水ａを供給しながら水室Ａ出口弁６から海水ｂを押し出し、淡水ａに置換する。
その後、ポンプＡ４を停止、水室A出口弁６を閉止した後、水室Ｂ出口弁９を開として、淡水ａから海水ｂへの浸透現象を生じさせことにより、ガス圧縮を効率的に行なう。
【００３７】
ガス圧縮室２０の構造は基本的にプランジャー型ポンプと同じ構造である。プランジャー型ポンプではシリンダーの中をピストンが上下し、その際にガスを吸気・圧縮・排気するのであるが、ガス圧縮室２０ではピストンの役目を海水・淡水の混合水である海水ｃが行う。シリンダー部２１の内面は、圧縮に伴うピストンの役目を液体（海水ｃ）が行うために、ピストン内面とシリンダー外面の接触面のように精密な金属接触面がなく、圧縮ガスをシールする必要性もない。
浸透圧式ガス圧縮システムのガス圧縮室２０は大型構造体となるので、シリンダー部２１は例えばＰＣコンクリートのような安価な材料を使用して製造することができる。またシリンダー内部を固体のピストンが往復運動をするものではなく、単に水位が上下するために、ガス圧縮室冷却水配管２８はシリンダー内部壁にらせん状に巻いた簡易な構造や、シリンダー内部を自由に横断・縦断する立体的な配管構成を採用することが可能である。
【００３８】
水室Ｂ２の容積に対するガス圧縮室のシリンダー容積の比は最高圧縮ガス圧力、ガス圧縮率やガス圧縮速度に関係し、重要な設計条件となる。水室Ｂ２の容積に対するガス圧縮室２０のシリンダー容積比が小さいと、最高圧縮ガス圧力が高くなる、ガス圧縮率が大きくなる、ガス圧縮速度が早くなる特徴がある。しかし、一回あたりの圧縮ガスの製造量が減少する。
最適な容積比は圧縮するガスの種類、必要とする最高圧力、必要とするガス量を考慮して決定すればよい。
【実施例２】
【００３９】
海水・淡水浸透圧式ガス圧縮システム１１０の浸透圧室１００の運転方法の改善方法について示す。
定常運転中、水室Ｂ２の海水ｂ中に淡水ａが段々と浸透してくるために、海水ｃの塩分濃度も低下してゆき、これに伴い淡水ａの浸透速度も低下する。浸透速度の改善方法として、水室Ｂ２に新たな海水ｂを補給することが有効である。この海水ｂの補給は、高圧になった水室Ｂ２中に海水ｂを送るためにガス圧縮室２０のガス圧よりも高圧にする必要がある。ポンプＢ７で行えればよいが、高圧で大容量のポンプＢ７の設置は経済的ではないために、小容量で高圧の海水封入ポンプを専用に設置して行えば効果的である。
【００４０】
水室Ａ１では、淡水ａが水室Ｂ２に流出してゆくためにたえず淡水ａを補給する必要がある。淡水ａの補給に、ポンプＡ４を常時運転して使用してもよいが、水室Ａ１は淡水ａが水室Ｂ２に流出してゆくために大気圧よりも負圧になる。このため、ポンプＡ４を運転しなくとも大気圧に押されて、淡水ａは水室Ａ１に自然に流入する。ポンプ動力削減のためにはポンプＡ４を停止しておくほうが経済的である。
【００４１】
浸透圧によるガス圧縮の場合、逆浸透現象により、水室Ｂ２の海水ｂの塩分が徐々に半透膜３を透過して水室Ａ１の内部に進入してくる。水室Ａ１は、水室Ａ出口弁６を閉状態にして運用しているので徐々に水室Ａ１の塩分濃度が高くなり、水室Ｂ２と水室Ａ１との塩分濃度差により発生する浸透圧も低下する。
また、淡水中にはＳＳ分も含まれており、徐々に水室Ａ１に蓄積され、半透膜３の目詰まりによる浸透性能の低下が生じる。
さらに、水室Ａ１は負圧状態のために系外からの空気混入、淡水ａ中の溶解酸素ガスの析出による水室Ａ１内部に酸素ガスの滞留等が発生する。この滞留ガスも半透膜３の浸透圧性能を阻害する。
【００４２】
以上のように、運転中には淡水ａの配管系等から漏れこむガスや淡水ａ中に溶け込んだガス成分の再ガス化による浸透性能の低下、水室Ｂ2から水室Ａ1の淡水ａ中に溶け込んでくる塩分による浸透性能の低下、淡水ａ中に混入する粒子状物質（ＳＳ）による半透膜３の目詰まりによる浸透性能の低下等が発生する。
これを防止するため、定期的にポンプＡ４を使用し、水室Ａ１を加圧状態として水室Ａ出口弁６より汚れた淡水（ガス、塩分、ＳＳを含有した海水）を系外に放出し、清浄な淡水ａと交換する水室Ａ１の淡水置換工程が必要である。ただし、請求項２に示し、（００３６）で説明する水室Ａ連絡配管を使用する運転方法の場合は淡水置換工程は必要としない。
水室Ａ１の定期的な淡水置換工程を具体的に実施する一つの方法として以下のような方法がある。水室Ａ１側には塩分濃度計、ＳＳ濃度計、酸素濃度計を設け、各計測値が規定値を超えるとポンプＡ４を起動して、水室Ａ１を加圧状態として水室Ａ出口弁６を開放して水室Ａ１の水を新しい淡水ａと置換する。淡水置換が完了すると、水室Ａ出口弁６を閉とし、ポンプＡ４を停止して定常運転状態に戻す。
【実施例３】
【００４３】
図５に海水・淡水浸透圧式ガス圧縮システム１１０の利用形態の一つとして、工場等１０４に圧縮空気を供給するシステム構成を示す。図５に示すように複数基（図５では１例として３基の場合で、最上段は送気、中段は圧縮、下段は吸気工程を示す）の海水・淡水浸透圧式ガス圧縮システム１１０を並列に設置して、圧縮ガス出口配管を連結することにより、各圧縮ガス圧縮室２０が吸気、圧縮、送気、排水・給水の各工程中にあっても、１つのシステムの送気工程から別のシステムの送気工程までの時間間隔が短く、圧縮ガス貯蔵タンク３０には常時安定した圧縮ガスｈを供給することができる。
製造した圧縮ガスｈを常時使用するのであれば、アキュームレータ機能を持つ比較的小容量の圧縮ガス貯蔵タンク３０によりガス圧力の平準化を行うことができる。
圧縮ガス貯蔵タンク３０は用途、貯蔵圧力、貯蔵容積により、地上式や地下式を採用できる。比較的小容量で低圧のものは鋼板製の地上式のものが安価で、メンテナンスも容易となる。高圧、大容積の大型タンクとなれば、地下式として、圧縮ガスの圧力強度は地面の壁面に持たせて、内面に薄いライニング材でガスシールをしたものが経済的となる。
【００４４】
製造された圧縮ガスｈが空気の場合は工場内の圧縮動力源、バーナ燃焼用空気や雑用空気、さらに塩分や湿分除去等を行えば制御用空気としても使用することができる。また、他のガスの圧縮に使用する場合は化学工業用等にも利用できる。
このような用途において、定期点検等を考慮して、海水・淡水浸透圧式ガス圧縮システム１１０の補助用として電動式ガス圧縮機１０３を併用することにより、より信頼性の高いシステムとすることができる。
【実施例４】
【００４５】
図６に海水・淡水浸透圧式ガス圧縮システム１１０の利用形態の一つとして、工場等のボイラー１０５の燃焼用空気として圧縮空気を供給するシステム構成を示す。通常ボイラーの燃焼用空気は、押し込みファンにより低圧空気を供給しているが、海水・淡水浸透圧式ガス圧縮システム１１０の方式を採用することにより、押し込みファンの設備や動力を削減することができる。特に、海水・淡水浸透圧式ガス圧縮システム１１０は加圧空気を供給できるために、加圧燃焼ボイラーへの燃焼用加圧空気の供給に適している。
【００４６】
図６に示すシステムの特徴は、複数基（図６では１例として３基の場合で、最上段は送気、中段は圧縮、下段は吸気工程を示す）の海水・淡水浸透圧式ガス圧縮システム１１０に対して、海水供給系統も淡水系統も一台のポンプＢ７とポンプＡ４に集約していることである。
ポンプＢ７は海水の排水・給水工程、ポンプＡ４は淡水置換工程に使用するのみで、常時運転する必要性がなく、各海水・淡水浸透圧式ガス圧縮システム１１０毎に一台設置する必然性はない。このためポンプＢ７とポンプＡ４を集約して設置することにより、設備台数を減少させるとともに、常時いずれかの海水・淡水浸透圧式ガス圧縮システム１１０に海水ｂや淡水ａを供給できるために、ポンプＢ７やポンプＡ４の煩雑な起動停止操作がなくなり、動力の起動損失の削減が図れる。
【実施例５】
【００４７】
図７に海水・淡水浸透圧式ガス圧縮システムの利用形態の一つとして、二酸化炭素ガスの液化工程に浸透圧式ガス圧縮システム１１０を利用する場合のシステム構成を示す。図７の最上段は送気工程、中段は圧縮工程、下段は吸気工程を示す。
圧縮ガスとして１００％濃度の二酸化炭素ガスを使用してもよいし、燃焼排ガスのように二酸化炭素を含有しているものでも良い。
二酸化炭素ガスｊはガス圧縮室２０に入り圧縮される。圧縮された二酸化炭素ガスｊは二酸化炭素液化器４０に送られ、例えばＬＮＧ４３（-162℃）と熱交換をして、三重点（0.518MPa、-56.6℃）以上に冷却して液化する。液化した液化二酸化炭素ｋは搬出される。
燃焼排ガスの場合は、液化されなかった残渣ガスｎ（窒素ガス、残りの二酸化炭素ガス、酸素ガス、一酸化炭素ガス、未燃焼燃料ガス成分等）は大気中に放出される。
ＬＮＧ４３はガス化された天然ガス（ＮＧ）ｎとして、発電所の燃料や都市ガス配管に供給される。二酸化炭素ガスｊの液化が難しい場合は、ドライアイスの固体として回収することも可能である。
【００４８】
ボイラー等の燃焼排ガスを圧縮する場合、二酸化炭素ガスの分圧が三重点以上に圧縮する必要があるので、二酸化炭素含有率が圧縮圧力を決定することになる。
通常のボイラー燃焼排出ガス中の二酸化炭素ガス濃度は９〜１２％程度であり、浸透圧で燃焼排出ガスを２．６ＭＰａ迄加圧しても、二酸化炭素ガス分圧は０．２３〜０．３１ＭＰａと三重点（0.518MPa、-56.6℃）の圧力に到達しない。このため、電動圧縮機１０３によりさらに圧縮した後に冷却する必要がある。
しかし、最近開発された酸素吹きボイラーでは燃焼排ガス中の二酸化炭素ガス濃度は６８％程度と高く、燃焼排出ガスを０．７６ＭＰａ迄加圧すれば二酸化炭素ガス分圧は三重点よりも高くなり、液化することができる。
【００４９】
海水・淡水浸透圧式ガス圧縮システムにおいて、二酸化炭素ガスのように圧縮により流体中に溶解しやすい気体の場合、圧縮により二酸化炭素ガスｊが海水ｃ中に溶解する問題が発生する。これを防止するため、圧縮ガスｊと海水ｃが直接接触しないようにする必要がある。その方法として、圧縮室のシリンダー内部２１の気液接触面に固体のピストン２７を介在させる方法がある。
ピストン２７の一方に圧縮ガスｈを、反対面に海水ｃを配して圧縮工程を行うことにより、圧縮ガスｈが加圧により海水ｃ中に溶解しやすい気体に対しても本発明の海水・淡水浸透圧式ガス圧縮システム１１０を使用することが可能である。
ピストン２７はシリンダー２１の内部を平行移動する必要がある。シリンダーが垂直配置型の場合はフロート式のピストン、シリンダーが水平配置型の場合はピストンクランク式により平行移動を保つ構造にすることができる。
【００５０】
本発明の海水・淡水浸透圧式ガス圧縮システム１１０による二酸化炭素液化方法は、地球温暖化を防止するために、燃焼排ガス中の二酸化炭素ガスを回収し、加圧後にＬＮＧ冷熱により液化し、海底貯留や地下貯蔵により二酸化炭素を固定化する技術に適用できる。
火力発電所に化学吸着法による二酸化炭素回収技術を適用すると、発電効率が１０％程度低下するために、同一の電力量を得るには化石燃料の使用量が増加し、その結果二酸化炭素の排出量が増加するという、矛盾に陥っている。
しかし、本方式による二酸化炭素液化技術は、浸透圧によるガス圧縮は自然エネルギー利用、ＬＮＧによる冷却は廃棄エネルギーの利用と、化石エネルギーを使用せずに行えるため、今後の二酸化炭素回収方法の有力な一つの方法になるものと考えられる。
【実施例６】
【００５１】
浸透圧現象は濃度差の異なる液体間に発生する。このため、動作流体は海水ｂと淡水ａに限定されるものではなく、高塩分濃度海水（海水ｄと呼ぶ）と海水ｂを動作流体として浸透圧式ガス圧縮システムを構成することが可能である。
この海水・高塩分濃度海水浸透圧型ガス圧縮システム１２０のシステム構成は図１と同様である。また、動作原理、動作工程についても淡水・海水浸透圧型ガス圧縮システム１１０と基本的には同様である。
【００５２】
図８に（ａ）は吸気工程、（ｂ）は圧縮工程を示す。送気工程（ｃ），排水・給水工程（ｄ）については記載を省略する。
圧縮工程（ｂ）では、水室Ａ１の海水ｂ中の淡水成分が水室Ｂ２に浸透し、高塩分濃度海水ｄと混ざって海水ｅとなり、ガス圧縮室２０に流入して封入されたガスｇを圧縮する。
【００５３】
洋上や砂漠の多い地域などでは淡水は貴重品であり、飲料水も簡単に入手できない。このため、海上施設や水資源の少ない地域では、浸透膜式海水淡水化装置が導入されているケース合が多い。浸透膜式海水淡水化装置からは塩分濃度が約２倍となった高塩分濃度海水が排出されており、この高塩分濃度海水は直接放流すると動植物の生態系や環境に影響を及ぼすために、再度海水で希釈して放流されている。
この浸透膜式海水淡水化装置から排出される高塩分濃度海水を海水・高塩分濃度海水浸透圧式ガス圧縮システム１２０の海水ｄとして使用することができる。このシステムからブローされる海水ｅの塩分濃度は海水ｂよりは高いものの、海水ｄの半分程度の塩分濃度に減じており、放流による周辺環境への影響も緩和される。
浸透膜式海水淡水化装置と海水・高塩分濃度海水浸透圧式ガス圧縮システム１２０とのハイブリッド化システムは、海上基地、船舶用、臨海地等、多種の用途に使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の浸透圧式ガス圧縮システムの基本構成図である。
【図２】本発明の海水・淡水浸透圧式ガス圧縮システムの動作原理図である。
【図３】本発明の海水・淡水浸透圧式ガス圧縮システムの動作工程を示す図１である。
【図４】本発明の海水・淡水浸透圧式ガス圧縮システムの動作工程を示す図２である。
【図５】本発明の海水・淡水浸透圧式ガス圧縮システムにより圧縮空気を供給するシステム図である。
【図６】本発明の海水・淡水浸透圧式ガス圧縮システムによりボイラー等に燃焼空気を供給するシステム図である。
【図７】本発明の海水・淡水浸透圧式ガス圧縮システムにより二酸化炭素を液化するシステム図である。
【図８】本発明の海水・高塩分濃度海水浸透圧式ガス圧縮システムの動作工程を示す図である。
【符号の説明】
【００５５】
１ 水室Ａ
２ 水室Ｂ
３ 半透膜
４ ポンプＡ（ＰＡ）
５ 水室Ａ入口弁
６ 水室Ａ出口弁
７ ポンプＢ（ＰＢ）
８ 水室Ｂ入口弁
９ 水室Ｂ出口弁
１０ 水室Ｂブロー弁
１５ 水室Ａ連絡配管
１６ 水室Ａ連絡弁
２０ ガス圧縮室
２１ ガス圧縮室シリンダー
２２ ガス圧縮室水入口逆止弁
２３ ガス圧縮室水ブロー弁
２４ ガス圧縮室ガス入口弁
２５ ガス圧縮室圧縮ガス出口弁
２６ ガス圧縮室圧縮ガス出口逆止弁
２７ ガス圧縮室ピストン
２８ ガス圧縮室冷却水配管
２９ 圧縮空気冷却器
３０ 圧縮ガス貯蔵タンク
３１ 圧縮ガス貯蔵タンク入口弁
３２ 圧縮ガス貯蔵タンク出口弁
３３ 圧縮ガス貯蔵タンクブロー弁
４０ 二酸化炭素液化器
４１ 二酸化炭素液化器入口弁
４２ 二酸化炭素液化器出口弁
４３ 冷媒供給設備
４４ 冷媒供給入口弁
４５ ベント弁
１００ 浸透圧室部
１０１ ガス圧縮部
１０２ 圧縮ガス貯蔵タンク部
１０３ 電動式ガス圧縮機
１０４ 需要先（工場等）
１０５ 自家発電用ボイラー等
１１０ 海水・淡水浸透圧式ガス圧縮システム（１００，１０１，１０２により構成）
１２０ 海水・高塩分濃度海水浸透圧式ガス圧縮システム（１００，１０１，１０２により構成）
【００５６】
ａ 淡水
ｂ 海水（通常の海水）
ｃ 海水（淡水で塩分濃度が薄くなった海水）
ｄ 海水（高塩分濃度の海水）
ｅ 海水（淡水で塩分濃度が薄くなった高塩分濃度の海水）
ｆ 海水系のブロー水
ｇ 圧縮前のガス
ｈ 圧縮ガス
ｉ 冷却水（ｉ１：冷却水入口 ｉ２：冷却水出口）
ｊ 二酸化炭素ガス
ｋ 液化二酸化炭素
ｌ 冷却用媒体（ＬＮＧ）
ｍ 冷却用媒体（ＮＧ）
ｎ 残渣ガス
ｘ 低塩分濃度水
ｙ 高塩分濃度水
【技術分野】
【０００１】
本発明は、海水と河川水、海水と工場排水処理装置から排出される淡水系排水、あるいは海水と浸透膜式海水淡水化装置から排出される高塩分濃度海水を利用して、半透膜の浸透圧により圧縮ガスを製造・貯蔵する浸透圧式ガス圧縮システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
海水と淡水とを半透膜を介して接触させると、淡水が半透膜を透過して海水中に浸透する現象が発生する。この現象は半透膜を介して接する海水と淡水中の塩分濃度が均一になろうとすることにより生じ、25℃の海水と淡水では最大約2.6MPaの浸透圧が発生する。現在、半透膜を利用した発電方式としては下記のものが出願されている。
【０００３】
特許文献１は河川水と海底に設置した浸透室を導水配管で連結し、浸透室の半透膜から海水中に流出した淡水相当分を河川水から補給する際、流入して来る河川水の水頭（位置エネルギー）差を利用して水車発電機を回転させて発電する方式である。
特許文献２も特許文献１と同様であり、海中に半透膜と水車発電機を設置して、陸上の河川水と海中の半透膜との水頭差を利用して水車発電機を回転させて発電する方式である。
特許文献３は河川水と表層海水を半透膜室に導き、淡水が半透膜を通して海水中に浸透して生ずる高圧水流により水車発電機を回転させて発電する方式である。
特許文献４は浸透膜式海水淡水化装置を出た高塩分濃度の海水と通常の海水間の塩分濃度差を利用して、海水中の淡水分が半透膜を通して高塩分濃度海水中に浸透して生ずる高圧水流により水車発電機を回転させて発電する方式である。
【特許文献１】特開昭和54-57116
【特許文献２】特開昭和56-121873
【特許文献３】特開昭和58-53684
【特許文献４】特開2003-176775
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
半透膜を利用した水車発電機システムの問題点として、設置場所の課題がある。例えば、特許文献１，２の発明は、陸上の河川水が海中の浸透室に送られるときの水頭差を利用して水力発電機を回転させて発電している。しかし、数十メートルの海底に浸透室や発電設備を設置することは運転管理やメンテナンスの面での課題が多く、実用的な発電システムとは言えない。
特許文献３の半透膜式水車発電システムは、海水と河川水が得られれば設置場所を地上とすることができる。
【０００５】
しかし、特許文献１〜４に示す半透膜式水車発電機方式は、昼夜を通して一定負荷で連続的に発電できるが、発電容量が比較的小さくてピーク負荷電力に適した実用的な発電システムとは言えない。このため、産業用に利用できる浸透圧利用システムの開発が期待されている。
【０００６】
本発明では、半透膜の浸透圧による加圧性能に着目し、半透膜の浸透圧を利用して空気等のガス体を圧縮して利用するシステムについて検討したものである。半透膜による浸透圧を利用したガス圧縮は、機械式圧縮機のように圧縮動力を必要としないため、自然エネルギーを利用した経済的な圧縮方式とすることができる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、
本発明では、塩分濃度の異なるｘ，ｙの液体を、半透膜を介し片側に水室Ａ、反対側に水室Ｂを配し、水室Ａには低塩分濃度の液体ｘ、水室Ｂには高塩分濃度の液体ｙを入れた浸透圧室部と、
水室Ｂの出口側に設けたガス圧縮室部と、
ガス圧縮室部出口側に設けた圧縮ガス貯蔵タンク部とから構成され、
浸透圧室部の液体ｘから液体ｙへ浸透した淡水分によりガス圧縮室に封入したガスを圧縮して圧縮ガスを製造・貯蔵する浸透圧式ガス圧縮システム（請求項１）
【０００８】
前記浸透圧式ガス圧縮システムにおいて、
液体ｙを水室Ｂに供給するポンプＢ出口と水室Ａを連結する配管と弁により、水室Ａにも液体ｙを供給する配管系統を備え、
水室Ｂへ液体ｙを入れる排水・給水工程時工程時に、水室Ａから水室Ｂへの浸透現象の発生を防止する機能を持つ浸透圧式ガス圧縮システム（請求項２）
【０００９】
前記浸透圧式ガス圧縮システムにおいて、
ガス圧縮室の内壁部周囲、あるいはシリンダー内部に、ガス圧縮により温度が上昇した圧縮ガスおよびシリンダー内部の海水を冷却するための冷却水配管を持つ浸透圧式ガス圧縮システム（請求項３）
【００１０】
前記浸透圧式ガス圧縮システムにおいて、
圧縮ガスが加圧により液体ｙ中に溶解しやすい気体に対しては、ガス圧縮室内部の気液接触面に固体のピストンを備え、ピストンを介在させることにより圧縮ガスと液体ｙが直接接触することを防止して動作工程を行う浸透圧式ガス圧縮システム（請求項４）
【００１１】
前記浸透圧式ガス圧縮システムにおいて、
ガス圧縮の動作工程のサイクルは、吸気、圧縮、送気、排水、給水の工程よりなり、各工程に対応して浸透圧室、水系統、ガス圧縮室、ガス系統の弁制御を行う浸透圧式ガス圧縮システムの運転制御方法（請求項５）
【００１２】
前記浸透圧式ガス圧縮システムにおいて、
並列に設置した複数台の浸透圧式ガス圧縮システムの圧縮ガス出口を配管で連結し、各浸透圧式ガス圧縮システムが吸気、圧縮、送気、排水、給水の各工程中にあっても、圧縮ガス貯蔵タンクには常時安定した圧縮ガスを供給できる浸透圧式ガス圧縮システム（請求項６）
【００１３】
前記浸透圧式ガス圧縮システムにおいて、
動作流体として淡水と海水を使用し、淡水と海水との間の塩分濃度差を利用してガス圧縮室のガスを圧縮して圧縮ガスを製造する淡水・海水浸透圧式ガス圧縮システム（請求項７）
【００１４】
前記浸透圧式ガス圧縮システムにおいて、
動作流体として通常海水と高塩分濃度海水を使用し、通常海水と高塩分濃度海水との間の塩分濃度差を利用してガス圧縮室のガスを圧縮して圧縮ガスを製造する海水・高塩分濃度海水浸透圧式ガス圧縮システム（請求項８）
【００１５】
前記海水・淡水浸透圧式ガス圧縮システムにおいて、
定常運転中は、水室Ｂは大気圧よりも高い状態で常時一定量の海水を流し、
水室Ａは出口弁を閉状態として浸透圧により淡水が海水側に流れることにより発生する負圧を利用して、淡水を水室Ａに補給する海水・淡水浸透圧式ガス圧縮システムの運転方法（請求項９）
【発明の効果】
【００１６】
従来の電動式圧縮機の圧縮効率は低く、多くの電力を必要としているが、浸透圧式ガス圧縮システムでは、ガス圧縮エネルギーは自然エネルギーである浸透圧を利用しているために圧縮動力が不要となり、二酸化炭素の排出がない。
また、浸透圧式ガス圧縮システムは構造や機構が単純であり、回転部や摺動面がなく、設備全体としての低コスト化が可能、スケールアップが容易、保守が簡単と経済的な設備にできる効果がある。
【００１７】
浸透圧式ガス圧縮システムにおいて、請求項２に示すような水室Ａへの液体ｙの供給配管を備えることにより、水室Ｂの淡水で薄まった液体ｙを新しい液体ｙとの置換時に、水室Ａ、水室Ｂ共に新しい液体ｙで置換しておき、その後水室Ａには液体ｘを供給して液体ｙを水室Ａから押し出し、水室Ａを液体ｘに置換する工程を経る。
このため、水室Ｂに新しい液ｙ体を給水後、直ちに水室Ａから水室Ｂに液体ｘの淡水成分が浸透することが防止され、その後のガス圧縮を効率的に行える効果がある。
【００１８】
浸透圧式ガス圧縮システムの圧縮工程においては、ガス圧縮に伴いガス圧縮室のガス温度が上昇する。ガス温度の上昇はガス圧縮効率を低下させるので、請求項３に示す冷却水配管を備えることにより圧縮ガスを冷却してガス圧縮効率を改善できる効果がある。
また、冷却によりシリンダー室内部の液体温度を蒸発温度（海水の場合は約１００℃）以下にすることにより、海水ブロー時には大気圧以下になっても、海水フラッシュを防止する効果がある。
【００１９】
浸透圧式ガス圧縮システムで圧縮する圧縮ガスが、加圧により液体ｙ中に溶解しやすい気体の場合、ガス圧縮室内面の気液接触面に固体のピストンを介在させて圧縮工程を行うことにより、ガス加圧による液体への溶解を防止できる効果がある。例えば二酸化炭素を圧縮する場合は、圧縮により大量の二酸化炭素が液体ｙ中に溶解するのを防止できる効果がある。
【００２０】
ガス圧縮室を吸気、圧縮、送気、排水、給水の各工程中を行わせるために、各工程に対応させて浸透圧室、液体ｘ系統、液体ｙ系統、ガス圧縮室、ガス系統の弁制御を行うことにより、液体ｘ，ｙ間の浸透圧を利用してガス圧縮を効果的に行い、自然エネルギーを効率良く利用できる効果がある
【００２１】
一台の浸透式ガス圧縮システムでは、圧縮ガス圧縮室が吸気、圧縮、送気、排水、給水の工程を経るために間歇的に圧縮ガスを送気することなり、ガス圧力の脈動を起こすが、複数台の浸透圧式ガス圧縮システムの圧縮ガス出口配管を連結することにより、各浸透式ガス圧縮システムがどの工程中にあっても圧縮ガス出口圧力は平準化され、圧縮ガス貯蔵タンクには常時安定した圧縮ガスを供給できる効果がある。
【００２２】
浸透圧式ガス圧縮システムにおいては、動作液体として淡水・海水を使用し、淡水と海水間の塩分濃度差を利用してガス圧縮室のガスを圧縮して製造することが可能となる。このため、淡水系の河川を持つ臨海工業地域のように淡水と海水が同時に得られる場所であれば、海水・淡水浸透圧式ガス圧縮システムを設置してガス圧縮を行える効果がある。
【００２３】
浸透圧式ガス圧縮システムにおいては動作液体として海水・高塩分濃度海水を使用し、高塩分濃度海水と通常海水間の塩分濃度差を利用してガス圧縮室のガスを圧縮して製造することが可能となる。このため、海水が得られれば、淡水が得られない場所でも浸透膜式海水淡水化装置と海水・高塩分濃度海水浸透圧式ガス圧縮システムを設置してガス圧縮を行える効果がある。
【００２４】
淡水・海水浸透圧式ガス圧縮システムにおいては、淡水が水室Ａ１から水室Ｂ２に浸透することにより発生する水室Ａ１に生じる負圧を利用して、大気圧下の淡水を自然に水室Ａ１に流入させることができる。この運転制御方法により、淡水ポンプの運転が不要となり、所内動力である淡水ポンプ動力を削減できる効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
本発明は、塩分濃度の異なる液体ｘ・ｙ（主として海水・淡水間あるいは海水・高塩分濃度海水間）の浸透圧式ガス圧縮システムの機器、システム構成、および運転制御方法に関するものである。以下、その動作原理と具体的な実施例について示す。
【実施例１】
【００２６】
図２は本発明において、液体ｘを淡水ａ、液体ｙを海水ｂとした、海水・淡水浸透圧式ガス圧縮の基本的な原理図を示し、（ａ）〜（ｅ）は各動作工程を示すものである。以下動作工程について説明する。
（ａ）吸気工程：Ｕ字型の容器の下部中央部を半透膜３で仕切り、左に淡水ａ、右に海水ｂ（通常の海水を言う）を入れる。水室Ｂ２の上部には弁２４を設けており、海水を規定量入れると弁２４を閉止する。このため水室Ｂ２の上部には周辺外気状態のガスｇが密閉されている。
（ｂ）圧縮工程：水室Ａ１と水室Ｂ２の塩分濃度の差により浸透現象（水室Ａ１と水室Ｂ２の塩分濃度が同一になろうとする現象）が生じ、淡水ａが水室Ｂ２に移動し、水室Ｂ２には海水ｂと淡水ａとの混合海水（以下海水ｃと呼ぶ）に満たされ、水室Ｂ２の水位が上昇する。この結果、水室Ｂ２の上部に密閉されているガスｇは圧縮されて圧縮ガスｈとなる。この圧力を浸透圧と呼び、２５℃の淡水と海水間の浸透圧は理論的には２．６ＭＰａである。
（ｃ）送気工程：圧縮ガスｈを、弁２４を開放することにより送気して、必要な所に供給する。
（ｄ）排水工程：圧縮ガスhを送気した後には、水室Ｂ２の塩分濃度の低下した海水ｃを系外に排出する。
（ｅ）給水工程：水室Ａ１には水室Ｂ２に移動したのと同量の淡水ａを補給し、水室Ｂ２には海水ｂを給水して海水ｃと全量入れ替え、淡水・海水室共に所定の水位に復旧する。同時に、水室Ｂ２の上部には周辺外気状態のガスgを充填して（ａ）の状態に戻る。
【００２７】
浸透圧現象は、ファント・ホッフの浸透圧の法則により以下のように表されている。
Π＝ｉＲＴＣ
ここで、Π：浸透圧、ｉ：ファント・ホッフ係数、Ｒ：ファンデアワールス定数、Ｔ：絶対温度、Ｃ：液体のモル濃度である。
このため、浸透圧Πは液体中の溶質のモル濃度Ｃに比例しており、濃度が高いほど浸透圧も高くなる。本発明では海水の塩分濃度が浸透圧を支配することになる。
【００２８】
ガス圧縮についてはボイルシャルルの法則に従い、
ＰＶ＝一定（Ｐ：圧力、Ｖ：容積）で示される。
浸透圧式ガス圧縮において、圧縮できるガス容積は海水ｃの水位上昇相当分であり、ガス圧縮室の断面積と海水ｃの水位上昇の積は水室Ｂ２に流入する淡水量Ｑに等しくなる。すなわち、浸透圧によるガス圧縮圧力は海水ｂ中に透過してくる淡水量Ｑにより決定されることになる。
ガス圧縮圧力Ｐは、シリンダー内部に密封されたガス量Ｖ、浸透により水室Ｂ２側に移動した淡水量Ｑとすると、下式で表せる。
Ｐ＝Ｖ／（Ｖ−Ｑ）
【００２９】
図１は実用的な海水・淡水浸透圧式ガス圧縮システム１１０のシステム構成について示す。浸透圧式ガス圧縮システム１１０は大別して、浸透圧室部１００、ガス圧縮室部１０１、圧縮ガス貯蔵タンク部１０２により構成されている。なお、図２の弁開閉状態は圧縮工程時を示す。
浸透圧室部１００は水室Ａ１、水室Ｂ２、半透膜３、ポンプＡ４、ポンプＢ７と各弁５，６，８〜１０と配管類により構成される。
ガス圧縮部１０１は海水ｃにより封入ガスｇを圧縮する部であり、シリンダー部２１、冷却水配管２８と水・ガス出入口弁２２〜２６により構成される。
圧縮ガス貯蔵タンク部１０２は圧縮ガスｈを貯蔵する部であり、圧縮ガス貯蔵タンク３０、ドレン弁３１、管類と、圧縮後のガス温度が高い場合、圧縮ガス貯蔵タンク３０に入れる前に冷却する必要があれば圧縮空気冷却器２９を持つ構成となる。
【００３０】
図３，４により海水・淡水浸透圧式ガス圧縮システム１１０の動作工程について説明する。
図３（ａ）は吸気工程を示す。当初、海水系統の水室Ｂ入口弁８、水室Ｂ出口弁９、ガス圧縮室水ブロー弁２３は開とする。ポンプＢ７を起動して、海水ｂは水室Ｂ２、ガス圧縮室２０に入り、ガス圧縮室水ブロー弁２３から排出される。
ガス圧縮室２０の最低水位（ＬＷＬ）以上まで海水ｂが入った状態にして、ガス圧縮室水ブロー弁２３、水室Ｂ入口弁８・水室Ｂ出口弁９を閉止し、ポンプＢ７も停止する。
その後、ガス圧縮室ガス入口弁２４を開とし、ガス圧縮室水ブロー弁２３から余剰海水をブローしながらガス圧縮室２０の海水レベルを最低水位（ＬＷＬ）にする。この時圧縮するガスｇはシリンダー内部２１に吸気される。
運転初期にシリンダー内部に空気が入っている場合は、ガス圧縮室２０の上部にベント弁を設けておき、空気をガスで押し出して置換すればよい。
一方、淡水系統の水室Ａ入口弁５、水室Ａ出口弁６は開とし、淡水ａはポンプＡ４により水室Ａ１に送られる。水室Ａ１に淡水ａを給水した後は、水室Ａ出口弁６を閉止し、ポンプＡ４も停止する。
これで圧縮準備が完了したこととなる。
【００３１】
図３（ｂ）は圧縮工程を示す。当初、海水ｂと淡水ａは半透膜３を挟んで接しているので、浸透圧により水室Ａ１の淡水ａが水室Ｂ２の中に入ろうとするが、水室Ｂ入口弁８・水室Ｂ出口弁９が閉止されているので淡水ａが水室Ｂ２の中に入ることはできずに、浸透圧のみが発生し、水室Ｂ２の圧力が高くなる。
水室Ｂ出口弁９を開とすると、海水ｂの塩分濃度が高いために淡水ａは半透膜３を透過して水室Ｂ２に入る。水室Ｂ２には海水ｂと淡水ａが入り、塩分濃度が低下した海水ｃの水量が増加してくる。
ガス圧縮室２０のシリンダー内２１に海水ｃが流入し始めて水位が上昇すると、ガス圧縮室２０のシリンダー２１内部に封入されているガスｇは圧縮される。シリンダー２１の水位上昇は、海水ｃの塩分濃度の低下ととも遅くなり、浸透圧と逆浸透圧が平衡状態になると停止する。
【００３２】
海水ｂと淡水ａの浸透圧によるガス圧縮能力は理論的には２．６ＭＰａであるが、圧縮工程の最終段階では海水ｃと淡水ａ間の浸透圧となるために、海水ｃの塩分濃度をいくらに設定するかが海水ｂ中に浸透する淡水量Ｑを決定する主要因となる。
半透膜３の耐圧強度はＲＯ膜の場合５．５〜６．８ＭＰａと高く、浸透圧で破壊されることはなく、半透膜の耐圧強度が圧縮圧力に与える影響はない。
【００３３】
ガス圧縮に伴いガス温度が上昇する。ガスの温度上昇は圧縮効率を低下させるために冷却することが好ましい。また、海水ｃの水温が沸騰温度（塩分濃度により異なるが、おおよそ１００℃）を超えないようにする必要がある。
これは、圧縮工程後にシリンダー内部が大気圧に開放されたとき、海水ｃの水温が沸騰温度を超えていると、海水がフラッシュして、水蒸気が発生するのを防止するためである。水蒸気の発生は、その後のガス吸気工程の障害となる恐れがある。
ガス圧縮室シリンダー２１内の海水ｃによっても圧縮ガスｈは冷却されてガス温度は低下するが、より効果的に冷却するにはガス圧縮室冷却水配管２８を設けるのが良い。
【００３４】
図４（ｃ）は送気工程を示す。ガスの圧縮が完了すれば、ガス圧縮室出口弁２５を開として、圧縮ガスｈを圧縮ガス貯蔵タンク３０に送気する送気工程になる。この際、圧縮ガスｈをさらに冷却して貯蔵する必要があれば、圧縮空気冷却器２９を設けて冷却すればよい。
【００３５】
図４（ｄ）は排水・給水工程を示す。ここでは排水と給水工程とを一体化して排水・給水工程として説明する。
送気工程が完了すると、ガス圧縮室出口弁２５を閉止し、水室Ｂ２、ガス圧縮室２０内の海水ｃをブローする工程に入る。まず、ガス圧縮室水ブロー弁２３を開とし、ガス圧縮室２０上部に残った圧縮ガスのガス圧力により海水ｃは押されて、ブロー水ｆとして排出される。
その後も、水室Ｂ２内部やガス圧縮室２０のシリンダー２１の下部には海水ｃが残るために、ポンプＢ７を起動、水室Ｂ入口弁８、水室Ｂ出口弁９を開として、海水ｃが海水ｂと完全に置換するまで海水ｂを流して、ガス圧縮室水ブロー弁２３よりブロー水ｆとして放出する (排水工程) 。
海水置換が完了後、ガス圧縮室２０内の海水bの水位がLWL以上になるようにして、ガス圧縮室水ブロー弁２３を閉止、水室Ｂ入口弁８、水室Ｂ出口弁９を閉止する（給水工程）。以上の工程を海水系の排水・給水工程と呼ぶ。
淡水系統については特に弁操作を要さず、自然に水室Ａ１に淡水が給水される。
その後、ガス圧縮室ガス入口弁２４を開、ガス圧縮室水ブロー弁２３を微開として、ガス圧縮室２０にガスｇを導入すると共に、海水ｂの水位がＬＥＬになるとガス圧縮室水ブロー弁２３を閉止する。これは圧縮するガスをシリンダー内部に導入する吸気工程（ａ）になる。
【００３６】
海水の排水・給水工程の変形として、図１に示す海水ポンプ出口と水室Ａ１を連絡する水室Ａ連絡配管１５を備え、海水の排水・給水工程時には水室Ａ１に海水ｂを供給するシステムを採用できる。
これは、水室Ｂ２の海水ｃを海水ｂと置換すると、半透膜を介して直ぐに水室Ａ１の淡水ａが水室Ｂ２の海水ｂ中に浸透してくるために、海水ｂの塩分濃度が低下し、ガス圧縮に寄与できない時が発生する。
これを防止するために、水室Ｂ２の海水ｃを海水ｂで置換時に、水室Ａ連絡配管１５により同時に水室Ａ１の淡水ａも海水ｂで置換し、水室Ａ１と水室Ｂ２の双方に海水ｂを満たしておき、浸透圧現象が生じない環境にしておく。
圧縮工程に入る前に、ポンプＡ４を起動し、水室Ａ入口弁５を開として、水室Ａ１に淡水ａを供給しながら水室Ａ出口弁６から海水ｂを押し出し、淡水ａに置換する。
その後、ポンプＡ４を停止、水室A出口弁６を閉止した後、水室Ｂ出口弁９を開として、淡水ａから海水ｂへの浸透現象を生じさせことにより、ガス圧縮を効率的に行なう。
【００３７】
ガス圧縮室２０の構造は基本的にプランジャー型ポンプと同じ構造である。プランジャー型ポンプではシリンダーの中をピストンが上下し、その際にガスを吸気・圧縮・排気するのであるが、ガス圧縮室２０ではピストンの役目を海水・淡水の混合水である海水ｃが行う。シリンダー部２１の内面は、圧縮に伴うピストンの役目を液体（海水ｃ）が行うために、ピストン内面とシリンダー外面の接触面のように精密な金属接触面がなく、圧縮ガスをシールする必要性もない。
浸透圧式ガス圧縮システムのガス圧縮室２０は大型構造体となるので、シリンダー部２１は例えばＰＣコンクリートのような安価な材料を使用して製造することができる。またシリンダー内部を固体のピストンが往復運動をするものではなく、単に水位が上下するために、ガス圧縮室冷却水配管２８はシリンダー内部壁にらせん状に巻いた簡易な構造や、シリンダー内部を自由に横断・縦断する立体的な配管構成を採用することが可能である。
【００３８】
水室Ｂ２の容積に対するガス圧縮室のシリンダー容積の比は最高圧縮ガス圧力、ガス圧縮率やガス圧縮速度に関係し、重要な設計条件となる。水室Ｂ２の容積に対するガス圧縮室２０のシリンダー容積比が小さいと、最高圧縮ガス圧力が高くなる、ガス圧縮率が大きくなる、ガス圧縮速度が早くなる特徴がある。しかし、一回あたりの圧縮ガスの製造量が減少する。
最適な容積比は圧縮するガスの種類、必要とする最高圧力、必要とするガス量を考慮して決定すればよい。
【実施例２】
【００３９】
海水・淡水浸透圧式ガス圧縮システム１１０の浸透圧室１００の運転方法の改善方法について示す。
定常運転中、水室Ｂ２の海水ｂ中に淡水ａが段々と浸透してくるために、海水ｃの塩分濃度も低下してゆき、これに伴い淡水ａの浸透速度も低下する。浸透速度の改善方法として、水室Ｂ２に新たな海水ｂを補給することが有効である。この海水ｂの補給は、高圧になった水室Ｂ２中に海水ｂを送るためにガス圧縮室２０のガス圧よりも高圧にする必要がある。ポンプＢ７で行えればよいが、高圧で大容量のポンプＢ７の設置は経済的ではないために、小容量で高圧の海水封入ポンプを専用に設置して行えば効果的である。
【００４０】
水室Ａ１では、淡水ａが水室Ｂ２に流出してゆくためにたえず淡水ａを補給する必要がある。淡水ａの補給に、ポンプＡ４を常時運転して使用してもよいが、水室Ａ１は淡水ａが水室Ｂ２に流出してゆくために大気圧よりも負圧になる。このため、ポンプＡ４を運転しなくとも大気圧に押されて、淡水ａは水室Ａ１に自然に流入する。ポンプ動力削減のためにはポンプＡ４を停止しておくほうが経済的である。
【００４１】
浸透圧によるガス圧縮の場合、逆浸透現象により、水室Ｂ２の海水ｂの塩分が徐々に半透膜３を透過して水室Ａ１の内部に進入してくる。水室Ａ１は、水室Ａ出口弁６を閉状態にして運用しているので徐々に水室Ａ１の塩分濃度が高くなり、水室Ｂ２と水室Ａ１との塩分濃度差により発生する浸透圧も低下する。
また、淡水中にはＳＳ分も含まれており、徐々に水室Ａ１に蓄積され、半透膜３の目詰まりによる浸透性能の低下が生じる。
さらに、水室Ａ１は負圧状態のために系外からの空気混入、淡水ａ中の溶解酸素ガスの析出による水室Ａ１内部に酸素ガスの滞留等が発生する。この滞留ガスも半透膜３の浸透圧性能を阻害する。
【００４２】
以上のように、運転中には淡水ａの配管系等から漏れこむガスや淡水ａ中に溶け込んだガス成分の再ガス化による浸透性能の低下、水室Ｂ2から水室Ａ1の淡水ａ中に溶け込んでくる塩分による浸透性能の低下、淡水ａ中に混入する粒子状物質（ＳＳ）による半透膜３の目詰まりによる浸透性能の低下等が発生する。
これを防止するため、定期的にポンプＡ４を使用し、水室Ａ１を加圧状態として水室Ａ出口弁６より汚れた淡水（ガス、塩分、ＳＳを含有した海水）を系外に放出し、清浄な淡水ａと交換する水室Ａ１の淡水置換工程が必要である。ただし、請求項２に示し、（００３６）で説明する水室Ａ連絡配管を使用する運転方法の場合は淡水置換工程は必要としない。
水室Ａ１の定期的な淡水置換工程を具体的に実施する一つの方法として以下のような方法がある。水室Ａ１側には塩分濃度計、ＳＳ濃度計、酸素濃度計を設け、各計測値が規定値を超えるとポンプＡ４を起動して、水室Ａ１を加圧状態として水室Ａ出口弁６を開放して水室Ａ１の水を新しい淡水ａと置換する。淡水置換が完了すると、水室Ａ出口弁６を閉とし、ポンプＡ４を停止して定常運転状態に戻す。
【実施例３】
【００４３】
図５に海水・淡水浸透圧式ガス圧縮システム１１０の利用形態の一つとして、工場等１０４に圧縮空気を供給するシステム構成を示す。図５に示すように複数基（図５では１例として３基の場合で、最上段は送気、中段は圧縮、下段は吸気工程を示す）の海水・淡水浸透圧式ガス圧縮システム１１０を並列に設置して、圧縮ガス出口配管を連結することにより、各圧縮ガス圧縮室２０が吸気、圧縮、送気、排水・給水の各工程中にあっても、１つのシステムの送気工程から別のシステムの送気工程までの時間間隔が短く、圧縮ガス貯蔵タンク３０には常時安定した圧縮ガスｈを供給することができる。
製造した圧縮ガスｈを常時使用するのであれば、アキュームレータ機能を持つ比較的小容量の圧縮ガス貯蔵タンク３０によりガス圧力の平準化を行うことができる。
圧縮ガス貯蔵タンク３０は用途、貯蔵圧力、貯蔵容積により、地上式や地下式を採用できる。比較的小容量で低圧のものは鋼板製の地上式のものが安価で、メンテナンスも容易となる。高圧、大容積の大型タンクとなれば、地下式として、圧縮ガスの圧力強度は地面の壁面に持たせて、内面に薄いライニング材でガスシールをしたものが経済的となる。
【００４４】
製造された圧縮ガスｈが空気の場合は工場内の圧縮動力源、バーナ燃焼用空気や雑用空気、さらに塩分や湿分除去等を行えば制御用空気としても使用することができる。また、他のガスの圧縮に使用する場合は化学工業用等にも利用できる。
このような用途において、定期点検等を考慮して、海水・淡水浸透圧式ガス圧縮システム１１０の補助用として電動式ガス圧縮機１０３を併用することにより、より信頼性の高いシステムとすることができる。
【実施例４】
【００４５】
図６に海水・淡水浸透圧式ガス圧縮システム１１０の利用形態の一つとして、工場等のボイラー１０５の燃焼用空気として圧縮空気を供給するシステム構成を示す。通常ボイラーの燃焼用空気は、押し込みファンにより低圧空気を供給しているが、海水・淡水浸透圧式ガス圧縮システム１１０の方式を採用することにより、押し込みファンの設備や動力を削減することができる。特に、海水・淡水浸透圧式ガス圧縮システム１１０は加圧空気を供給できるために、加圧燃焼ボイラーへの燃焼用加圧空気の供給に適している。
【００４６】
図６に示すシステムの特徴は、複数基（図６では１例として３基の場合で、最上段は送気、中段は圧縮、下段は吸気工程を示す）の海水・淡水浸透圧式ガス圧縮システム１１０に対して、海水供給系統も淡水系統も一台のポンプＢ７とポンプＡ４に集約していることである。
ポンプＢ７は海水の排水・給水工程、ポンプＡ４は淡水置換工程に使用するのみで、常時運転する必要性がなく、各海水・淡水浸透圧式ガス圧縮システム１１０毎に一台設置する必然性はない。このためポンプＢ７とポンプＡ４を集約して設置することにより、設備台数を減少させるとともに、常時いずれかの海水・淡水浸透圧式ガス圧縮システム１１０に海水ｂや淡水ａを供給できるために、ポンプＢ７やポンプＡ４の煩雑な起動停止操作がなくなり、動力の起動損失の削減が図れる。
【実施例５】
【００４７】
図７に海水・淡水浸透圧式ガス圧縮システムの利用形態の一つとして、二酸化炭素ガスの液化工程に浸透圧式ガス圧縮システム１１０を利用する場合のシステム構成を示す。図７の最上段は送気工程、中段は圧縮工程、下段は吸気工程を示す。
圧縮ガスとして１００％濃度の二酸化炭素ガスを使用してもよいし、燃焼排ガスのように二酸化炭素を含有しているものでも良い。
二酸化炭素ガスｊはガス圧縮室２０に入り圧縮される。圧縮された二酸化炭素ガスｊは二酸化炭素液化器４０に送られ、例えばＬＮＧ４３（-162℃）と熱交換をして、三重点（0.518MPa、-56.6℃）以上に冷却して液化する。液化した液化二酸化炭素ｋは搬出される。
燃焼排ガスの場合は、液化されなかった残渣ガスｎ（窒素ガス、残りの二酸化炭素ガス、酸素ガス、一酸化炭素ガス、未燃焼燃料ガス成分等）は大気中に放出される。
ＬＮＧ４３はガス化された天然ガス（ＮＧ）ｎとして、発電所の燃料や都市ガス配管に供給される。二酸化炭素ガスｊの液化が難しい場合は、ドライアイスの固体として回収することも可能である。
【００４８】
ボイラー等の燃焼排ガスを圧縮する場合、二酸化炭素ガスの分圧が三重点以上に圧縮する必要があるので、二酸化炭素含有率が圧縮圧力を決定することになる。
通常のボイラー燃焼排出ガス中の二酸化炭素ガス濃度は９〜１２％程度であり、浸透圧で燃焼排出ガスを２．６ＭＰａ迄加圧しても、二酸化炭素ガス分圧は０．２３〜０．３１ＭＰａと三重点（0.518MPa、-56.6℃）の圧力に到達しない。このため、電動圧縮機１０３によりさらに圧縮した後に冷却する必要がある。
しかし、最近開発された酸素吹きボイラーでは燃焼排ガス中の二酸化炭素ガス濃度は６８％程度と高く、燃焼排出ガスを０．７６ＭＰａ迄加圧すれば二酸化炭素ガス分圧は三重点よりも高くなり、液化することができる。
【００４９】
海水・淡水浸透圧式ガス圧縮システムにおいて、二酸化炭素ガスのように圧縮により流体中に溶解しやすい気体の場合、圧縮により二酸化炭素ガスｊが海水ｃ中に溶解する問題が発生する。これを防止するため、圧縮ガスｊと海水ｃが直接接触しないようにする必要がある。その方法として、圧縮室のシリンダー内部２１の気液接触面に固体のピストン２７を介在させる方法がある。
ピストン２７の一方に圧縮ガスｈを、反対面に海水ｃを配して圧縮工程を行うことにより、圧縮ガスｈが加圧により海水ｃ中に溶解しやすい気体に対しても本発明の海水・淡水浸透圧式ガス圧縮システム１１０を使用することが可能である。
ピストン２７はシリンダー２１の内部を平行移動する必要がある。シリンダーが垂直配置型の場合はフロート式のピストン、シリンダーが水平配置型の場合はピストンクランク式により平行移動を保つ構造にすることができる。
【００５０】
本発明の海水・淡水浸透圧式ガス圧縮システム１１０による二酸化炭素液化方法は、地球温暖化を防止するために、燃焼排ガス中の二酸化炭素ガスを回収し、加圧後にＬＮＧ冷熱により液化し、海底貯留や地下貯蔵により二酸化炭素を固定化する技術に適用できる。
火力発電所に化学吸着法による二酸化炭素回収技術を適用すると、発電効率が１０％程度低下するために、同一の電力量を得るには化石燃料の使用量が増加し、その結果二酸化炭素の排出量が増加するという、矛盾に陥っている。
しかし、本方式による二酸化炭素液化技術は、浸透圧によるガス圧縮は自然エネルギー利用、ＬＮＧによる冷却は廃棄エネルギーの利用と、化石エネルギーを使用せずに行えるため、今後の二酸化炭素回収方法の有力な一つの方法になるものと考えられる。
【実施例６】
【００５１】
浸透圧現象は濃度差の異なる液体間に発生する。このため、動作流体は海水ｂと淡水ａに限定されるものではなく、高塩分濃度海水（海水ｄと呼ぶ）と海水ｂを動作流体として浸透圧式ガス圧縮システムを構成することが可能である。
この海水・高塩分濃度海水浸透圧型ガス圧縮システム１２０のシステム構成は図１と同様である。また、動作原理、動作工程についても淡水・海水浸透圧型ガス圧縮システム１１０と基本的には同様である。
【００５２】
図８に（ａ）は吸気工程、（ｂ）は圧縮工程を示す。送気工程（ｃ），排水・給水工程（ｄ）については記載を省略する。
圧縮工程（ｂ）では、水室Ａ１の海水ｂ中の淡水成分が水室Ｂ２に浸透し、高塩分濃度海水ｄと混ざって海水ｅとなり、ガス圧縮室２０に流入して封入されたガスｇを圧縮する。
【００５３】
洋上や砂漠の多い地域などでは淡水は貴重品であり、飲料水も簡単に入手できない。このため、海上施設や水資源の少ない地域では、浸透膜式海水淡水化装置が導入されているケース合が多い。浸透膜式海水淡水化装置からは塩分濃度が約２倍となった高塩分濃度海水が排出されており、この高塩分濃度海水は直接放流すると動植物の生態系や環境に影響を及ぼすために、再度海水で希釈して放流されている。
この浸透膜式海水淡水化装置から排出される高塩分濃度海水を海水・高塩分濃度海水浸透圧式ガス圧縮システム１２０の海水ｄとして使用することができる。このシステムからブローされる海水ｅの塩分濃度は海水ｂよりは高いものの、海水ｄの半分程度の塩分濃度に減じており、放流による周辺環境への影響も緩和される。
浸透膜式海水淡水化装置と海水・高塩分濃度海水浸透圧式ガス圧縮システム１２０とのハイブリッド化システムは、海上基地、船舶用、臨海地等、多種の用途に使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の浸透圧式ガス圧縮システムの基本構成図である。
【図２】本発明の海水・淡水浸透圧式ガス圧縮システムの動作原理図である。
【図３】本発明の海水・淡水浸透圧式ガス圧縮システムの動作工程を示す図１である。
【図４】本発明の海水・淡水浸透圧式ガス圧縮システムの動作工程を示す図２である。
【図５】本発明の海水・淡水浸透圧式ガス圧縮システムにより圧縮空気を供給するシステム図である。
【図６】本発明の海水・淡水浸透圧式ガス圧縮システムによりボイラー等に燃焼空気を供給するシステム図である。
【図７】本発明の海水・淡水浸透圧式ガス圧縮システムにより二酸化炭素を液化するシステム図である。
【図８】本発明の海水・高塩分濃度海水浸透圧式ガス圧縮システムの動作工程を示す図である。
【符号の説明】
【００５５】
１ 水室Ａ
２ 水室Ｂ
３ 半透膜
４ ポンプＡ（ＰＡ）
５ 水室Ａ入口弁
６ 水室Ａ出口弁
７ ポンプＢ（ＰＢ）
８ 水室Ｂ入口弁
９ 水室Ｂ出口弁
１０ 水室Ｂブロー弁
１５ 水室Ａ連絡配管
１６ 水室Ａ連絡弁
２０ ガス圧縮室
２１ ガス圧縮室シリンダー
２２ ガス圧縮室水入口逆止弁
２３ ガス圧縮室水ブロー弁
２４ ガス圧縮室ガス入口弁
２５ ガス圧縮室圧縮ガス出口弁
２６ ガス圧縮室圧縮ガス出口逆止弁
２７ ガス圧縮室ピストン
２８ ガス圧縮室冷却水配管
２９ 圧縮空気冷却器
３０ 圧縮ガス貯蔵タンク
３１ 圧縮ガス貯蔵タンク入口弁
３２ 圧縮ガス貯蔵タンク出口弁
３３ 圧縮ガス貯蔵タンクブロー弁
４０ 二酸化炭素液化器
４１ 二酸化炭素液化器入口弁
４２ 二酸化炭素液化器出口弁
４３ 冷媒供給設備
４４ 冷媒供給入口弁
４５ ベント弁
１００ 浸透圧室部
１０１ ガス圧縮部
１０２ 圧縮ガス貯蔵タンク部
１０３ 電動式ガス圧縮機
１０４ 需要先（工場等）
１０５ 自家発電用ボイラー等
１１０ 海水・淡水浸透圧式ガス圧縮システム（１００，１０１，１０２により構成）
１２０ 海水・高塩分濃度海水浸透圧式ガス圧縮システム（１００，１０１，１０２により構成）
【００５６】
ａ 淡水
ｂ 海水（通常の海水）
ｃ 海水（淡水で塩分濃度が薄くなった海水）
ｄ 海水（高塩分濃度の海水）
ｅ 海水（淡水で塩分濃度が薄くなった高塩分濃度の海水）
ｆ 海水系のブロー水
ｇ 圧縮前のガス
ｈ 圧縮ガス
ｉ 冷却水（ｉ１：冷却水入口 ｉ２：冷却水出口）
ｊ 二酸化炭素ガス
ｋ 液化二酸化炭素
ｌ 冷却用媒体（ＬＮＧ）
ｍ 冷却用媒体（ＮＧ）
ｎ 残渣ガス
ｘ 低塩分濃度水
ｙ 高塩分濃度水
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半透膜を介しその両側に水室Ａ・水室Ｂを配し、水室Ａに低塩分濃度の液体ｘ、水室Ｂには高塩分濃度の液体ｙを入れた浸透圧室部と、
水室Ｂの出口側に設けられたガス圧縮室部と、
ガス圧縮室部出口側に設けられた圧縮ガス貯蔵タンク部とからなり、
浸透圧室部の水室Ａの液体ｘから水室Ｂの液体ｙへ浸透した淡水分によりガス圧縮室に封入したガスを圧縮して圧縮ガスを製造し、圧縮ガス貯蔵タンクに貯蔵することを特徴とする浸透圧式ガス圧縮システム
【請求項２】
請求項１に記載する浸透圧式ガス圧縮システムにおいて、
液体ｙを水室Ｂに供給するポンプＢ出口と水室Ａを連絡する連絡配管と連絡弁を備え、
排水・給水工程時工程時に水室Ｂへ液体ｙを入れると共に、水室Ａ連絡配管により水室Ａにも液体ｙを供給して、水室Ａから水室Ｂへの浸透現象の発生を防止する機能を持つことを特徴とする浸透圧式ガス圧縮システム
【請求項３】
請求項１，２に記載する浸透圧式ガス圧縮システムにおいて、
ガス圧縮室の内壁部周囲またはシリンダー内部に冷却水配管を備え
圧縮により温度上昇した圧縮ガスおよびシリンダー内部の海水を冷却することを特徴とする浸透圧式ガス圧縮システム
【請求項４】
請求項１〜３に記載する浸透圧式ガス圧縮システムにおいて、
加圧により圧縮ガスが液体ｙ中に溶解しやすい気体に対しては、ガス圧縮室内部の気液接触面に固体のピストンを備え、
圧縮ガスと液体ｙが直接接触することを防止して動作工程を行うことを特徴とする浸透圧式ガス圧縮システム
【請求項５】
請求項１〜４に記載する浸透圧式ガス圧縮システムにおいて、
ガス圧縮の動作工程のサイクルは、吸気する工程、圧縮する工程、送気する工程、排水する工程、および給水する工程からなり、このサイクルを連続することによりガス圧縮を行うことを特徴とする浸透圧式ガス圧縮システムの運転制御方法
【請求項６】
請求項１〜５に記載する浸透圧式ガス圧縮システムにおいて、
浸透圧式ガス圧縮システムを複数台設置して、ガス圧縮室の出口配管を連結する圧縮ガス連絡配管系統を備え、
各浸透圧式ガス圧縮システムが吸気、圧縮、送気、排水、給水の各工程中にあっても、圧縮ガス貯蔵タンクには常時安定した圧縮ガスを供給できることを特徴とする浸透圧式ガス圧縮システム
【請求項７】
請求項１〜６に示す浸透圧式ガス圧縮システムにおいて、
液体ｘを淡水、液体ｙを海水とすることを特徴とする、海水・淡水浸透圧式ガス圧縮システム
【請求項８】
請求項１〜６に示す浸透圧式ガス圧縮システムにおいて、
液体ｘを海水、液体ｙを高塩分濃度海水とすることを特徴とする、海水・高塩分濃度海水浸透圧式ガス圧縮システム
【請求項９】
請求項７に記載する海水・淡水浸透圧式ガス圧縮システムの運転制御方法において、
圧縮工程中には水室Ａから淡水が流出しないように水室Ａ出口弁を閉状態とし、
浸透圧により半透膜を通して淡水が海水側に流れることにより発生する水室Ａ内の負圧を利用して、淡水を水室Ａに補給することを特徴とする海水・淡水浸透圧式ガス圧縮システムの運転制御方法
【請求項１】
半透膜を介しその両側に水室Ａ・水室Ｂを配し、水室Ａに低塩分濃度の液体ｘ、水室Ｂには高塩分濃度の液体ｙを入れた浸透圧室部と、
水室Ｂの出口側に設けられたガス圧縮室部と、
ガス圧縮室部出口側に設けられた圧縮ガス貯蔵タンク部とからなり、
浸透圧室部の水室Ａの液体ｘから水室Ｂの液体ｙへ浸透した淡水分によりガス圧縮室に封入したガスを圧縮して圧縮ガスを製造し、圧縮ガス貯蔵タンクに貯蔵することを特徴とする浸透圧式ガス圧縮システム
【請求項２】
請求項１に記載する浸透圧式ガス圧縮システムにおいて、
液体ｙを水室Ｂに供給するポンプＢ出口と水室Ａを連絡する連絡配管と連絡弁を備え、
排水・給水工程時工程時に水室Ｂへ液体ｙを入れると共に、水室Ａ連絡配管により水室Ａにも液体ｙを供給して、水室Ａから水室Ｂへの浸透現象の発生を防止する機能を持つことを特徴とする浸透圧式ガス圧縮システム
【請求項３】
請求項１，２に記載する浸透圧式ガス圧縮システムにおいて、
ガス圧縮室の内壁部周囲またはシリンダー内部に冷却水配管を備え
圧縮により温度上昇した圧縮ガスおよびシリンダー内部の海水を冷却することを特徴とする浸透圧式ガス圧縮システム
【請求項４】
請求項１〜３に記載する浸透圧式ガス圧縮システムにおいて、
加圧により圧縮ガスが液体ｙ中に溶解しやすい気体に対しては、ガス圧縮室内部の気液接触面に固体のピストンを備え、
圧縮ガスと液体ｙが直接接触することを防止して動作工程を行うことを特徴とする浸透圧式ガス圧縮システム
【請求項５】
請求項１〜４に記載する浸透圧式ガス圧縮システムにおいて、
ガス圧縮の動作工程のサイクルは、吸気する工程、圧縮する工程、送気する工程、排水する工程、および給水する工程からなり、このサイクルを連続することによりガス圧縮を行うことを特徴とする浸透圧式ガス圧縮システムの運転制御方法
【請求項６】
請求項１〜５に記載する浸透圧式ガス圧縮システムにおいて、
浸透圧式ガス圧縮システムを複数台設置して、ガス圧縮室の出口配管を連結する圧縮ガス連絡配管系統を備え、
各浸透圧式ガス圧縮システムが吸気、圧縮、送気、排水、給水の各工程中にあっても、圧縮ガス貯蔵タンクには常時安定した圧縮ガスを供給できることを特徴とする浸透圧式ガス圧縮システム
【請求項７】
請求項１〜６に示す浸透圧式ガス圧縮システムにおいて、
液体ｘを淡水、液体ｙを海水とすることを特徴とする、海水・淡水浸透圧式ガス圧縮システム
【請求項８】
請求項１〜６に示す浸透圧式ガス圧縮システムにおいて、
液体ｘを海水、液体ｙを高塩分濃度海水とすることを特徴とする、海水・高塩分濃度海水浸透圧式ガス圧縮システム
【請求項９】
請求項７に記載する海水・淡水浸透圧式ガス圧縮システムの運転制御方法において、
圧縮工程中には水室Ａから淡水が流出しないように水室Ａ出口弁を閉状態とし、
浸透圧により半透膜を通して淡水が海水側に流れることにより発生する水室Ａ内の負圧を利用して、淡水を水室Ａに補給することを特徴とする海水・淡水浸透圧式ガス圧縮システムの運転制御方法
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００８−３０３７６９（Ｐ２００８−３０３７６９Ａ）
【公開日】平成２０年１２月１８日（２００８．１２．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１５０７０８（Ｐ２００７−１５０７０８）
【出願日】平成１９年６月６日（２００７．６．６）
【出願人】（０００１５６９３８）関西電力株式会社 (1,442)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１２月１８日（２００８．１２．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年６月６日（２００７．６．６）
【出願人】（０００１５６９３８）関西電力株式会社 (1,442)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]