JP2010528838A - 超音波再生を用いてフィルタ能力を向上する装置と方法 - Google Patents

Abstract

ろ過装置及びそれに関連するろ過方法は、超音波を用いて能力の向上が図られた逆洗とフィルタ媒体の一部の負荷を増加するように改変されたフィルタ媒体構造との組み合わせを利用し、改善されたフィルタの全微粒子状物質保持能力を増加する。フィルタ構造、粒子径分布、及びフィルタ前後の差圧などの要因に応じて、粒子状物質保持能力は、同様の構成を有するろ過媒体を有する従来のろ過の２倍以上となる。

Description

本発明は、超音波再生を用いてフィルタ能力を向上する装置と方法に関する。
本出願は、２００７年５月３０日米国特許商標庁に提出された米国仮特許出願第６０／９４０，９２８号から米国特許法第１１９条に基づく優先権を主張するものであり、その内容はすべて参照として本出願に組み込まれる。

例えば放射線をあびた核燃料アセンブリの超音波燃料クリーニング中に生成されるような放射性粒子状物質廃棄物は、それを処理するのが難しく且つ費用のかかることである。そのような粒子状物質廃棄物の放射能特性ゆえに、使用済みフィルタ又は汚染されたフィルタの取り扱い、輸送、および廃棄に関する種々の規則や規制から、通常のろ過装置に比べて特別な費用をろ過に要する。多くの場合、ろ過の費用は、汚染されたフィルタの廃棄コストによって占められる。したがって、各フィルタの粒子状物質含有量が増えれば、全ろ過費用が減少する。

膜（メンブレン）型フィルタの粒子状物質保持能力は、例えば、媒体前後の差圧、フィルタ媒体の面積、およびフィルタを通る流速を含む数多くの要因によって決まる。したがって、粒子状物質保持能力は、例えば、差圧を増加すること、また、フィルタにおける媒体量を増加すること、及び／又は、フィルタを通る流速を減少するなどの種々の技術を利用することによって、増加することができる。

新たなろ過装置及びそれに関連するろ過方法は、フィルタ媒体の一部における負荷を向上するために、超音波を用いて能力の向上が図られた逆洗と改良されたフィルタ媒体構造の組み合わせを利用し、その結果、改良されたフィルタの全微粒子物質保持能力を向上するものである。フィルタ構造、微粒子径分布、及びフィルタ全体にわたって維持される圧力低下などの要因に依存するが、同様に構成されたフィルタ媒体を有する従来のフィルタに比べて、粒子状物質保持能力は２倍以上になることが期待される。

有効フィルタ能力を増大することは種々の装置に有効であることは当業者において理解されているところであるが、改良されたフィルタは、主として沸騰水型反応炉（ＢＷＲ）や加圧水炉（ＰＷＲ）の燃料クリーニング装置の両方に適用される。ＢＷＲやＰＷＲの装置では、フィルタアセンブリは、適当な超音波燃料クリーニング器を用いてクリーニングされる従来の燃料アセンブリと互換性を有するようにパッケージ化又は構成される。その他の適用にあっても、フィルタアセンブリと超音波器具は、開示の実施例に適合する装置構造を有し且つ開示された方法を実行するように構成される。

開示の実施例に合致する装置と方法は、従来のろ過装置や方法に比べて、一つ又はそれ以上の利点をもたらすことが期待される。例えば、開示の実施例に合致する装置と方法は、所定量の微粒子物質を捕獲するために必要なフィルタ媒体量を減少することによってフィルタ媒体の費用を減少する、有効充填率を低下させることによってフィルタアセンブリの寿命を向上する、現場に保管される汚染フィルタの数が減少する、廃棄フィルタの数及びそれに関連する費用を減少するという利点がある。そして、既存の超音波クリーニング装置を使用でき、それにより、装置や維持の費用を減少できる。

超音波による燃料クリーニングの廃棄処理中に生成される微粒子廃棄物のろ過は、開示の方法と装置の一般的な適用の一例であり、開示内容と装置はそれに限定されるものでない。例えば、開示の方法と装置は、限定的ではないが、汚染物質を回収する（すなわち、汚染物質に特に敏感な）使用済燃料プール、炉室、及びその他の容器や領域における種々の放射性廃棄物や非放射性廃棄物の局所ろ過を含む他の用途に利用できる。実施例は、限定的ではないが、プラントの保全中又はプラントの廃棄中に生成又は除去される切りくずや機械破片の水中吸引を含む。その他の実施例は、限定的ではないが、プールやキャビティの洗浄の一部としての水中吸引、水の透明度や面積線量率を改善する局部面積ろ過、燃料プールや炉内ろ過システムで使用されるフィルタの数を減少又は無くすための大型ろ過、所望のろ過粒子物質保持能力が最終的に廃棄されるフィルタ内にすべての捕獲物質が含まれる従来の膜フィルタや装置を用いて達成されるもの以上である別のろ過を含む。

その他の実施例は、限定的ではないが、フィルタプレコート層の再生を含む。例えば、いくつかのろ過装置は、使用前に主ろ過装置で媒体に適用されるプレコート層を含む。そこに開示された装置と方法は、活性フィルタ領域から使用済み又は凝集したプレコート層を除去するために利用され、それにより、除去されたプレコート媒体を別途廃棄する必要がなく、きれいになったフィルタ層上に新たなプレコート層を設けることができる。

従来の方法は、フィルタ媒体をクリーニングし逆洗するための種々のシーケンスと構造を含む。そこでは、超音波を使用する又は使用しないに拘わらず、逆洗はフィルタ媒体を再生する際に使用され、微粒子物質が媒体から除去されて別の場所に廃棄される（例えば、廃水装置に排出される）。しかし、そこに開示されている装置と方法は、フィルタアセンブリ内で微粒子物質を周期的に移動させることによってフィルタ能力を向上する手段を備えている。フィルタアセンブリ内部で粒子状物質を所定の回収領域に移動させることによって、フィルタアセンブリの他の領域が再生されて新しくなったフィルタ領域が得られる。この再生領域を利用することにより、フィルタアセンブリは、一般的に設けられて操作されるフィルタを通常の動作を維持するために移動する以上に、有効なろ過機能を提供し続ける。

図１は、詳細な説明で説明されている方法を実施するために適した装置の実施例を示す。 図２は、発明の詳細な説明で詳述されるろ過方法の実施例を示す。 図３は、発明の詳細な説明で詳述されるろ過方法の実施例を示す。 図４は、発明の詳細な説明で詳述されるろ過方法の実施例を示す。 図５は、発明の詳細な説明で詳述されるろ過方法の実施例を示す。 図６は、発明の詳細な説明で詳述される方法を実施するために適した装置の他の実施例を示す。 図７は、その方法を実施する好適な装置の実施例に関連して説明する方法の実施例を実施する際に得られた圧力データと微粒子物質捕獲データを示す図である。 図８は、図２〜図５に示す方法の実施例を実施する際に利用される工程の実施例を示す。 図９は、開示されたろ過方法の実施例を実施するために適した装置の別の実施例を示す。

発明の詳細な説明を添付図面とともに検討することで、以下に説明する実施例はより明確に理解できる。これらの図面は、特定の実施例で利用される方法、構造、及び／又は材料の一般的特性を示すとともに、発明の詳細な説明を補足するものである。しかし、これらの図面は、実際の大きさを示すものでないし、実施例の構造や実施特性を正確に表したものでもなく、実施例に含まれる値や特性の範囲を規定又は限定するものと理解すべきでない。また、図面は、例えば、配管、弁、ポンプ、電源、ケーブル、制御部、およびその他の装置を含む周辺構造を除いて簡略化したものである。したがって、当業者は、詳細な説明に開示された実施例に開示された範囲及びその自明な変形例の範囲で、必要に応じて周辺構造を決定し構成することができる。

開示の方法を実施する装置１００の実施例が図１に示してある。この実施例は、フィルタハウジング１０２を有する。フィルタハウジング１０２は、汚染された流体を注入方向１０８に向けてフィルタアセンブリに導入するための主入口１０４を有する。フィルタアセンブリは、再生領域１０６ａと回収領域１０６ｂを有する。フィルタアセンブリの再生領域と回収領域を通過した流体は、その後、対応する導管１１０ａ、１１０ｂを介して取り除かれる。再生領域と回収領域を通過する別々の流れを提供するために、フィルタアセンブリ及び／又はフィルタハウジングは、流れを分けて第１と第２の流路を形成するためのフランジ１１２又は同等の構造を有する。これらの流路は、フィルタハウジングの、外部フィルタアセンブリ表面と内部表面の間に、対応するプレナム領域１１４ａ、１１４ｂを含む。フィルタアセンブリに対する損傷の危険を減少しながらより大きな差圧を維持するために、フィルタアセンブリを支持する追加の構造をプレナム中に設けてもよい。

フィルタアセンブリは単一構造（すなわち、単一のフィルタ部材）であってもよいし、複数のフィルタ部材で一つのアセンブリを形成してもよい。複数のフィルタ部材を含む実施例は、協働して一つの完全なフィルタハウジングを形成する複数のフィルタハウジングサブユニットを利用し、以下に説明する内容に合致する方法を実施するために利用される装置形態の範囲を増やすことができる。例えば、類似の構造は、２つ以上の対応する流路の間でろ過動作と再生動作を交互に行い、装置のろ過機能を維持しながらオフラインで再生処理を行うことができる。

図２〜図５に示すように、ろ過動作中、流体を含む粒子状物質は、フィルタアセンブリに供給され、フィルタアセンブリに通されて、粒子状物質の層、すなわち、フィルタケーキ１１６がフィルタアセンブリの再生領域と回収領域の表面に形成される。図２に示すように、ろ過された液体は、導管１１０ａ、１１０ｂを介してフィルタハウジングから第１の流れ方向１１８に取り除かれる。再生が必要な場合（例えば、フィルタアセンブリの圧力降下が上圧力目標を超えるか、再生領域のフィルタケーキが目標厚を超えた場合）、再生プロセスが開始される。再生処理中、図３に示すように、フィルタアセンブリの再生領域におけるフィルタケーキの一部が、第２の流れ方向１１８ａの反転された流体の流れ（すなわち、逆洗流）と一つまたは複数の超音波トランスデューサ１２０によって提供される超音波攪拌との組み合わせによって、減少されるか取り除かれる。超音波トランスデューサは、超音波エネルギを再生領域の少なくとも一部に与えるように構成される。

図４に示すように、フィルタケーキ１１６ａの取り除かれた部分は、その後、フィルタアセンブリを方向１１８ｂに通過する流体によってフィルタアセンブリの回収領域に引き込まれ、当初のフィルタケーキ１１６ｂの残部上に別のフィルタケーキ層１１６ａ’を形成する。再生プロセス中の流量と逆洗入口部は、ろ過プロセス中に利用されてフィルタアセンブリから微粒子を完全に除去するように構成されたものに比べて、減少できる。フィルタアセンブリは、例えば、該フィルタアセンブリの中で再生領域を回収領域の上に配置することで、除去された粒子状物質の適正な再分配が重力によって促進されるようにされるように、配置（方向付け）してもよい。図６に示すように、追加の流路１１８ｃ及び／又は機械的なバッフル又はバリア手段（図示せず）を利用し、逆洗動作中にフィルタアセンブリから微粒子が移動するのを抑制してもよい。

再生プロセス中の流量を小さくすると、通常の操作流量時よりも、回収領域のフィルタ部材の特定領域の負荷が増加する。再生プロセスの少なくとも一部が行われる間に超音波攪拌を実施すると、再生プロセスが改善され、フィルタケーキが増加する。このフィルタケーキは、特に低流速で再生領域から除去される。

再生後、フィルタアセンブリの再生領域が受ける負荷は十分に低いため、通常のろ過プロセスに要求される大きな流速でろ過作用を再生できる。図５に示すように、ろ過プロセスの再生により、別のフィルタケーキ１１６ｃが形成され、そこで再生プロセスが繰り返される。ここで開示された実施例は、通常の動作中に、フィルタアセンブリにおける複数の分離されたフィルタ部材及びフィルタ領域を漸進的に逆洗させるように構成してもよい。

核燃料クリーニング装置と共に使用されるろ過装置では、フィルタアセンブリとフィルタハウジングは、同様に構成された核燃料アセンブリを取り扱うように構成された装置や技術を用いて、使用時に所望の場所で、ろ過装置の一部が操作されて保管される。共通の構成を利用することにより、再生プロセス中に使用される超音波攪拌は、例えば米国特許第６，３９６，８９２号に開示されているクリーニング器を含む超音波燃料クリーニング器によって行ってもよい。この特許の内容は、本件出願に組み込まれる。代わりに、超音波燃料クリーニング装置が簡単に入手できない場合、その他の一般的な又は特注設計の超音波攪拌装置を用い、フィルタアセンブリに十分な超音波エネルギを付与して蓄積粒子状物質及び／又はフィルタケーキの一部をフィルタアセンブリの再生領域から分離してもよい。

ろ過装置とフィルタアセンブリの他の実施例は、限定的ではないが、再生領域と回収領域とのそれぞれの領域を変化させること、複数の再生領域及び／又は回収領域を設けるようにフィルタアセンブリを構成すること、一つ又はそれ以上の領域を再生領域又は回収領域として選択的に構成するために複数の流路を設けて稼働中に再生領域と回収領域のそれぞれの領域を変更すること、を含む。

ろ過装置とフィルタアセンブリの他の実施例は、限定的ではないが、適当な導管配置とそれに協働する弁アセンブリ又は同等の装置を用いて、複数のフィルタ部材を並列に、直列に、又は並列及び直列に構成することを含む。そのような構成の実施例は、限定的ではないが、段階的ろ過構造を含み、そこでは、様々な有効「ミクロン等級」（複数のろ過段階でそれぞれの孔の大きさ及び／又は媒体深さを有する）の媒体等を用い、各段のろ過によってより小さな粒子が相次いで捕獲される。

ろ過装置とフィルタアセンブリの他の実施例は、限定的ではないが、一般的なフィルタパッケージを使用する形態も含む。一般的なフィルタパッケージを使用する場合、その方法と装置の実施例は、バックフラッシュ動作中、少なくとも一つの一般的なフィルタパッケージを再生領域として使用し、少なくとも一つのフィルタパッケージを回収領域として使用することによって行われる。

フィルタ装置とフィルタアセンブリの他の実施例は、限定的ではないが、種々の変形例を含む。そこでは、回収領域の有効長は、回収領域の多孔部を非多孔部（すなわち、固体チューブ）と直列に組み合わせ、逆洗にはあまり適当でない媒体（すなわち、好ましい方向にのみ圧力差を与えるように形成されたフィルタアセンブリ構造）を用いて回収領域を構成することによって伸ばされる。

ろ過装置とフィルタアセンブリは、限定的ではないが、高放射線場に対して高抵抗を示す材料を使用すること、フィルタが適当な場所（例えば、直立位置）に維持されたときに重力作用によってフィルタから液体を抜くように使用できる恒久的なポート又は遠隔操作可能なポート、開口部、又は貫通部を含むように設計されたパッケージを使用すること、液体の流れが無いフィルタアセンブリから捕獲された微粒子物質が移動するのを抑制又は防止するように構成されたチェックバルブ又はそれと同等の構造を含むパッケージを使用すること、及び、フィルタアセンブリの種々の領域又は部分に向けた又はそこからの流路を種々の流れ源、導管、及びシンク（流し）に整列させる遠隔操作バルブ又はそれに同等なもののために設計されたパッケージを使用することを含む。図９に示すように、例えば、フィルタ装置３００は、フィルタアセンブリの再生領域１０６ａと回収領域１０６ｂを分離するために別々のフィルタハウジングユニット１０２ａ、１０２ｂで構成してもよいし、外側超音波アセンブリ１２０ａ又は内側超音波アセンブリとフィルタアセンブリを通る流体の流れを制御する一つ又はそれ以上のバルブアセンブリ１２２，１２４を含むものであってもよい。

ろ過装置とフィルタアセンブリは、限定的ではないが、超音波トランスデューサをフィルタパッケージの残余部に一体化するように設計されたパッケージを使用すること、及び、フィルタアセンブリ、フィルタハウジング、及び／又は導管の内側の一つ又は複数の箇所で圧力や流量等の種々のプロセスパラメータを監視する手段を設けることを含む。

上述した複数の他の実施例の特徴及び要素を組み合わせて別の形態を構成してもよい。その場合、それらの形態は、開示された実施例に合致した方法を実施するものである。

実験室規模の試験を行い、ここで開示された実施例に基づく方法と装置を用いたときにフィルタの寿命／能力がどれだけ伸びるかを調べた。試験装置は、図１に示すように配置された２つの１０インチ（２５ｃｍ）のフィルタカートリッジで構成した。フィルタアセンブリの前後の差圧が予め決められた寿命終末期の圧力限界（約３５ｐｓｉ（０．２４ＭＰａ））に達するまで、図２に示す試験ダクトをフィルタカートリッジに搭載した。

次に、試験装置は超音波攪拌され、フィルタケーキの一部が再生領域から回収領域に逆洗された（図３，４）。次に、フィルタ装置を通常の負荷状態で駆動し（図５）、後再生フィルタの差圧を記録した。そのような一連の動作を繰り返し（図８、及びステップＳ１００〜Ｓ１１２）、差圧が基準値（約２０ｐｓｉ（０．１４ＭＰａ））まで減少するには不十分なほどに生成物が生じるまでフィルタに十分に負荷をかけ、その基準値の段階で試験を終了した。差圧データと微粒子物質捕獲データを図７の示すようにグラフ２００に記した。逆洗プロセスによってフィルタカートリッジの微粒子保持能力が約３．３倍増加することを確認した。試験器具を分解すると、下部フィルタカートリッジに試験用ダスト（微粒子）の固形物が確認された。試験データは、底部領域におけるフィルタ面積の割合を増加することによって、全微粒子物質保持能力が増加することを示している。

フィルタアセンブリの構造及び特にろ過媒体は、逆洗プロセスにより逆流が得られ、媒体を損傷することなく超音波攪拌に耐える十分な機械強度が得られるように構成すべきである。

フィルタアセンブリ及びそのようなフィルタアセンブリを動作する方法は、限定的ではないが、媒体の一部を主要ろ過工程（フィルタアセンブリが新規の場合）及び逆洗された排水を捕獲する工程の両方で使用するようにフィルタアセンブリを構成するという特徴を含む。そのような構成は、内部逆洗捕獲構造を組み込まない類似のフィルタ部材に比べて、フィルタアセンブリの性能を実質的に損なうことなく、逆洗廃棄物を捕獲するための別の媒体、流れ構造、又は構成を使用する必要が減少するか無くなる。

フィルタ生成プロセスは、フィルタ内で廃棄物を移動させ、使い捨てできるフィルタ部材の能力を増加させる。既存のシステムは、媒体から廃棄物を除去するために超音波を利用し、廃棄物は、廃棄蒸気を直接排気するか又は二次的な廃棄媒体上にろ過させて、フィルタ部材から排出される。実施例に係る方法では、逆洗された廃棄物のすべて又は殆どはフィルタ部材内に保持される。そのため、有害な廃棄物やそれに関連した問題を更に処理する必要はない。

超音波攪拌とクリーン領域の低流速逆洗との組み合わせ。超音波攪拌によって低流速バックフラッシング（掻き落とし）が容易になる。そして、それにより、フィルタの高負荷領域で、バックフラッシュされた廃棄物が捕獲される。超音波攪拌無しでは、不可能ではないにしても、同時にフィルタの高負荷回収領域を通る高速の流れをろ過しながら、再生流域を通過する十分に高いバックフラッシュ流速を生み出して微粒子物質廃棄物を除去するのは難しい。

実施例では、フィルタアセンブリは、取り扱いや保管を容易にするために、また既存の燃料クリーニングシステムとの適合性のために、核燃料アセンブリに似せて、パッケージ化して構成することができる。実施例のフィルタアセンブリは、あらゆる一般的なパッケージ形式（例えば、燃料アセンブリの形をした構造に収容されたフィルタに使用されたシステム（ＦＩＤＥＣ）の建設の際に、１９９０年台後半にウェスチンハウス／ＡＢＢによって使用された構造）に容易に適合できる。

実施例を参照して本発明を示して説明したが、これらの発明はそこに記載した特定の実施例に限定して解釈されるべきでなく、むしろ、それらの実施例は、本発明の概念を当業者に提供するものである。したがって、請求の範囲に記載された発明の精神と範囲から逸脱しない範囲で形状や細部は種々変更可能である。

１００：装置
１０２：フィルタハウジング
１０４：主入口
１０６ａ：再生領域
１０６ｂ：回収領域
１０８：注入方向
１１０ａ，１１０ｂ：導管

Claims (7)

1. フィルタを収容するフィルタハウジングであって、上記フィルタハウジングは該フィルタハウジングの第１の部分を通る第１の流路を提供するとともに該フィルタハウジングの第２の部分を通る第２の流路を提供する、フィルタハウジングと、
   上記フィルタハウジング内に配置されたフィルタアセンブリであって、上記フィルタアセンブリは再生領域と回収領域を有する、フィルタハウジングと、
   エネルギを上記フィルタアセンブリの上記再生領域に与えるように構成された超音波トランスデューサとを有するろ過装置。
2. 上記フィルタアセンブリは、単一の構造を利用している請求項１のろ過装置。
3. 上記フィルタアセンブリは、モジュール式の複数の部分からなる構造を利用している請求項１のろ過装置。
4. 上記フィルタアセンブリの圧力低下を検出するための配置された第１の圧力センサと第２の圧力センサを有する請求項１のろ過装置。
5. 上記フィルタアセンブリは、上記フィルタアセンブリの上記再生領域を保持する第１のサブアセンブリと上記フィルタアセンブリの上記回収領域を保持する第２のサブアセンブリを有し、
   上記第１のサブアセンブリと上記第２のサブアセンブリの間の流体接続を二者択一的に開閉するバルブアセンブリを有する請求項１のろ過装置。
6. 粒子状物質を含む第１の流れをフィルタアセンブリの再生領域と回収領域に通す工程であって、上記第１の流れは上記フィルタアセンブリを第１の流れ方向に通過する工程と、
   上記再生領域で上記第１の流れから第１の量の粒子状物質を回収し、上記回収領域で上記第１の流れから第２の量の粒子を回収する工程と、
   上記再生領域を通過する上記第１の流れを終了し、第２の流れを上記再生領域に第２の流れ方向に通す工程と、
   上記再生領域に超音波エネルギを与えて上記第１の量の粒子状物質の一部を上記第２の流れに解放して粒子を含む第３の流れを形成する工程と、
   上記第３の流れの一部を上記フィルタアセンブリの上記回収領域に上記第１の流れ方向に通し、上記回収領域で第３の量の粒子状物質を回収する工程と、
   上記第３の流れを止め、上記再生領域と上記回収領域に上記第１の流れを再び通す工程を有するろ過方法。
7. 粒子状物質を含む第１の流れをフィルタアセンブリの再生領域に通す工程であって、上記第１の流れは上記フィルタアセンブリを第１の流れ方向に通過する工程と、
   上記再生領域で上記第１の流れから第１の量の粒子状物質を回収する工程と、
   上記再生領域を通過する上記第１の流れを終了し、第２の流れを上記再生領域に第２の流れ方向に通す工程と、
   上記再生領域に超音波エネルギを与えて上記第１の量の粒子状物質の一部を上記第２の流れに解放して粒子状物質を含む第３の流れを形成する工程と、
   上記第３の流れを上記フィルタアセンブリの上記回収領域に上記第１の流れ方向に通し、上記回収領域で第２の量の粒子状物質を回収する工程と、
   上記第３の流れを止め、上記再生領域に上記第１の流れを再び通す工程を有するろ過方法。

Images