JP2013139012A - 海水淡水化システムおよびエネルギー回収装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エネルギー回収チャンバー内の濃縮海水量と海水量の割合に応じた電気抵抗を検出し、この検出された電気抵抗をエネルギー回収チャンバーへの濃縮海水と海水の給排水の切り替えを行う制御に利用することができるエネルギー回収装置を提供する。
【解決手段】内部に濃縮海水および海水を収容する空間を有したチャンバー２０と、チャンバー２０の一端部に設けられ、濃縮海水の給排水を行う濃縮海水ポートＰ１と、チャンバー２０の他端部に設けられ、海水の給排水を行う海水ポートＰ２と、チャンバー２０内の一端側に設けられた第１電極３１と、チャンバー２０内の他端側に設けられた第２電極３２と、第１電極と第２電極とに接続され、第１電極および第２電極に交流電流を供給することにより、第１電極と第２電極との間の電気抵抗を測定する検出器３５とを備えた。
【選択図】図２

Description

本発明は、海水から塩分を除去して海水を淡水化する海水淡水化システムおよび該海水淡水化システムに好適に用いられるエネルギー回収装置に関するものである。

従来、海水を淡水化するシステムとして、海水を逆浸透膜分離装置に通水して脱塩する海水淡水化システムが知られている。この海水淡水化システムにおいては、取水された海水は、前処理装置により一定水質の条件に整えられたのち、高圧ポンプにより加圧され、逆浸透膜分離装置へと圧送され、逆浸透膜分離装置内の高圧海水の一部は、逆浸透圧力に打ち勝って逆浸透膜を通過し、塩分が除去された淡水として取り出される。その他の海水は、塩分濃度が高くなり濃縮された状態で逆浸透膜分離装置から濃縮海水（ブライン）として排出される。ここで、海水淡水化システムにおける最大の運転コストは電力費であり、前処理後の海水を浸透圧に打ち勝てる圧力即ち逆浸透圧まで上昇させるためのエネルギー、つまり高圧ポンプによる加圧エネルギーに大きく依存する。

すなわち、海水淡水化プラントにおける電力費の半分以上は、高圧ポンプによる加圧に費やされることが多い。従って、逆浸透膜分離装置から排出される高塩分濃度で高圧の濃縮海水が保有する圧力エネルギーを、海水の一部を昇圧するのに利用することが行われている。そして、逆浸透膜分離装置から吐出される濃縮海水の圧力エネルギーを海水の一部を昇圧するのに利用する手段として、円筒の筒内に移動可能に嵌装されたピストンによって円筒の内部を２つの空間に分離し、２つの空間の一方に濃縮海水の出入りを行う濃縮海水ポートを設け、もう一方に海水の出入りを行う海水ポートを設けたエネルギー回収チャンバーを利用することが行われている。

図１０は、従来の海水淡水化システムの構成例を示す模式図である。図１０に示すように、取水ポンプ（図示しない）により取水された海水は、前処理装置により浮遊物等が除去されて所定の水質条件に整えられたのち、海水供給ライン１を介してモータＭが直結された高圧ポンプ２へ供給される。高圧ポンプ２で昇圧された海水は吐出ライン３を介して逆浸透膜（ＲＯ膜）を備えた逆浸透膜分離装置４に供給される。逆浸透膜分離装置４は、海水を塩分濃度の高い濃縮海水と塩分濃度の低い淡水に分離し海水から淡水を得る。この時、塩分濃度の高い濃縮海水が逆浸透膜分離装置４から排出されるが、この濃縮海水は依然高い圧力を有している。逆浸透膜分離装置４から濃縮海水を排出する濃縮海水ライン５は、制御弁６を介してエネルギー回収チャンバー１０の濃縮海水ポートＰ１へ接続している。前処理された低圧の海水を供給する海水供給ライン１は、高圧ポンプ２の上流で分岐してバルブ７を介してエネルギー回収チャンバー１０の海水ポートＰ２へ接続している。エネルギー回収チャンバー１０は、内部にピストン１２を備え、ピストン１２はエネルギー回収チャンバー１０内を二つの容積室に分離しながら移動可能に嵌装されている。

エネルギー回収チャンバー１０において濃縮海水の圧力を利用して昇圧された海水は、バルブ７を介してブースターポンプ８に供給される。そして、ブースターポンプ８によって海水は高圧ポンプ２の吐出ライン３と同じレベルの圧力になるようにさらに昇圧され、昇圧された海水はバルブ９を介して高圧ポンプ２の吐出ライン３に合流して逆浸透膜分離装置４に供給される。

上述した従来のエネルギー回収チャンバーにおいては、エネルギー回収チャンバー内のピストンはシリンダ内壁と摺動することになり、ピストンの摺動部材が摩耗するので定期的な交換が必要であり、また長尺のチャンバーの内径をピストンの外形に合わせて精度よく加工する必要があり、加工コストが非常に高価であった。
そのため、本件出願人は、特許文献１において円筒形長尺のチャンバーを圧力交換チャンバーとし、チャンバー内に複数の区画された流路を設けて逆浸透膜（ＲＯ膜）から排出される高圧の濃縮海水で直接海水を加圧する方式を採用することにより、ピストンの無い形態のエネルギー回収チャンバーを提案した。
ピストンを有する従来のエネルギー回収チャンバーにおいては、ピストンに磁石を内蔵し、チャンバー外部に磁気を検出するマグネットスイッチを設けてピストンの位置を検知していた。ピストンが濃縮海水と海水を分離しながら移動するので、このマグネットスイッチをチャンバーの両端近傍に設けてピストンの移動方向を制御弁などで切り替えてチャンバー内で往復させることがすなわち海水と濃縮海水の給排水の切り替えを行う制御となっていた。
一方、ピストンの無い形態のエネルギー回収チャンバーは、ピストンがないため同様の方法で給排水量を制御することができない。このため、給排水の切り替えを行う制御を別な手段、手法で行う必要がある。

特開２０１０−２８４６４２号公報

特許文献１に開示されているエネルギー回収チャンバーは、円筒形長尺のチャンバー内を複数の区画された流路とすることで、濃縮海水と海水の２流体の接触する界面での混合を抑制しながら、高圧の濃縮海水から低圧の海水へ圧力伝達を行うというものである。
本発明者らは、特許文献１に開示されているような、濃縮海水と海水の界面が濃縮海水と海水の双方の圧力バランスによりチャンバー内を移動する方式のエネルギー回収チャンバーを更に発展させる形態を研究する過程で、濃縮海水と海水の接触する界面での混合を抑制しながら、チャンバー内の濃縮海水と海水の押し引き（濃縮海水と海水の給排水）を制御する新たな方式を着想し、本発明の創案に至ったものである。
すなわち、本発明は、エネルギー回収チャンバー内の濃縮海水量と海水量の割合に応じた電気抵抗を検出することにより、電気抵抗の変化をエネルギー回収チャンバーへの濃縮海水と海水の給排水の切り替えを行う制御に利用することができるエネルギー回収装置を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するために、本発明のエネルギー回収装置は、ポンプによって昇圧した海水を逆浸透膜分離装置に通水して淡水と濃縮海水に分離して海水から淡水を生成する海水淡水化システムにおいて、前記逆浸透膜分離装置から吐出される濃縮海水の圧力エネルギーを前記海水の昇圧に利用するエネルギー回収装置であって、内部に濃縮海水および海水を収容する空間を有したチャンバーと、前記チャンバーの一端部に設けられ濃縮海水の給排水を行う濃縮海水ポートと、前記チャンバーの他端部に設けられ海水の給排水を行う海水ポートと、前記チャンバー内の一端側に設けられた第１電極と、前記チャンバー内の他端側に設けられた第２電極と、前記第１電極と前記第２電極とに接続され、前記第１電極および前記第２電極に電流を供給することにより、前記第１電極と前記第２電極との間に存在する濃縮海水及び／又は海水の電気抵抗を測定する検出器とを備えたことを特徴とするものである。

本発明によれば、検出器で測定されるチャンバー全体の電気抵抗は濃縮海水と海水の間の電気抵抗値となり、チャンバー内の濃縮海水量と海水量の割合が押し引き（濃縮海水と海水の給排水）によって変化すると、電気抵抗もその割合によって変化する。この電気抵抗の大きさを測定することで、チャンバー内の濃縮海水と海水の割合を推定することができる。チャンバー内の濃縮海水の割合が大きくなると、全体の電気抵抗値は小さくなり、このときに濃縮海水をチャンバーから排出する工程に切換える。そしてチャンバー内に海水の割合が多くなると電気抵抗値が大きくなり、濃縮海水をチャンバーに導入する工程に切換えるように制御する。仮に、全体が濃縮海水の塩分濃度になったまま、いつまで経過しても海水の塩分濃度にならないような場合はエラーとして検出することも可能である。また、エネルギー交換チャンバーを起動する際には、チャンバー内は海水で満たされるが、この状態も電気抵抗の変化で検出することができ、いつまで経過しても濃縮海水と海水の間の電気抵抗値とならないような場合はエラーとして検出することも可能である。

本発明の好ましい態様によれば、前記第１電極および前記第２電極に供給する電流は、交流電流であることを特徴とする。
本発明によれば、第１電極および第２電極に交流電流を供給するため、チャンバー内の海水が電気分解されることがなく、電極表面近傍に気泡が生じて付着することもないので海水及び又は濃縮海水の電気抵抗を安定して検出することができる。

本発明の好ましい態様によれば、前記チャンバーの内面は絶縁体で構成されていることを特徴とする。
本発明によれば、チャンバーの内面が絶縁体で構成されているため、第１電極、濃縮海水、チャンバー、海水、第２電極という電流のルートができることがなく、チャンバー内の流体の電気抵抗のみを正確に測定することができる。

本発明の好ましい態様によれば、前記第１電極および前記第２電極は、カーボン又は表面に金めっきを施した金属からなることを特徴とする。
本発明によれば、濃縮海水および海水中による電極の腐食を防止できるので、海水及び又は濃縮海水の電気抵抗を安定して検出することができる。

本発明の好ましい態様によれば、前記チャンバーの長手方向を鉛直に配置し、前記チャンバー内の濃縮海水ポート側に上下に間隔をおいて水平方向に配置され、チャンバー内に流入した濃縮海水を前記チャンバー内の水平方向に亘って分散させる多孔板を設け、前記チャンバー内の海水ポート側に上下に間隔をおいて水平方向に配置され、チャンバー内に流入した海水を前記チャンバー内の水平方向に亘って分散させる多孔板を設けたことを特徴とする。
本発明によれば、濃縮海水ポート側に上下に間隔をおいて水平方向に多孔板を配置することによって、小径のポートから流入する流れを大径のチャンバー内に均一に流入させるようにする。多孔板でチャンバー内に均一に流入した濃縮海水と海水は、比重の差により濃縮海水が下方向に海水が上方向に分離しようとし、同時にチャンバーの上下方向に一様な流れが形成されるので、濃縮海水と海水の境界部が維持され、全体として濃縮海水と海水の境界部（境界領域）を維持したまま、すなわち濃縮海水と海水の混合を抑制しながら、濃縮海水によって海水を加圧して押し出すことができる。このため、エネルギー回収装置から濃度の高い海水を逆浸透膜分離装置に送ってしまうことがない。海水が上方の海水ポートから多孔板を通ってチャンバー内に流入する場合も同様の整流効果を奏する。

本発明の好ましい態様によれば、前記チャンバーに濃縮海水の給排水を行う制御弁を設け、前記検出器の出力信号に基づいて前記制御弁を制御する制御部を備えたことを特徴とする。
本発明によれば、検出器で求めた電気抵抗に基づいてエネルギー回収チャンバー内の海水と濃縮海水との容積割合を判断し、制御弁を制御してエネルギー回収チャンバーへの濃縮海水の供給と排出（給排水）を切り替えることができる。制御弁は、例えば、供給ポート、制御ポート、戻りポートを備え、供給ポートに接続した高圧の濃縮海水の流路を制御ポートに連通させて濃縮海水をチャンバー内に導入（濃縮海水を供給）し、弁位置を切り替えて制御ポートから戻りポートに濃縮海水を排出する三方弁である。好ましくは弁の開度を制御信号の大きさに応じて任意に調整することができる制御弁である。

本発明は、ポンプによって昇圧した海水を逆浸透膜分離装置に通水して淡水と濃縮海水に分離して海水から淡水を生成する海水淡水化システムにおいて、前記逆浸透膜分離装置から吐出される濃縮海水の圧力エネルギーを前記海水の一部を昇圧するのに利用する請求項１乃至６のいずれか１項に記載のエネルギー回収装置を備えたことを特徴とするものである。

本発明によれば、以下に列挙する効果を奏する。
１）エネルギー回収チャンバーに第１電極と第２電極との間に存在する濃縮海水及び／又は海水の電気抵抗を測定する検出器を設けたので、チャンバー内の濃縮海水量と海水量の割合に応じた電気抵抗を検出することができる。
２）エネルギー回収チャンバー内の濃縮海水量と海水量の割合に応じた電気抵抗が検出できるため、電気抵抗の変化をエネルギー回収チャンバーへの濃縮海水と海水の給排水の切り替えを行う制御に利用することができる。
３）エネルギー回収チャンバー内への濃縮海水と海水の給排水の切り替えを正確なタイミングで行うことができるため、塩分濃度の高い海水を逆浸透膜分離装置に送ってしまうことがないので、逆浸透膜分離装置の性能を十分に発揮することができるとともに、逆浸透膜自体の交換周期を長くすることができる。
４）内部に多孔板を備えたエネルギー回収チャンバーをその長手方向が鉛直になるように配置し、チャンバーの下方から濃縮海水を給排水し、上方から海水を給排水することにより、濃縮海水と海水との比重差を利用して濃縮海水と海水を上下に分離しながら２流体の接触する境界部での混合を抑制しながら、高圧の濃縮海水から海水へ圧力伝達を行うことができる。

図１は、本発明の海水淡水化システムの構成例を示す模式図である。 図２は、本発明のエネルギー回収チャンバーの構成例を示す断面図である。 図３は図２のIII-III線断面図である。 図４（ａ），（ｂ）は、チャンバーに配置された第１電極と第２電極の作用（及び、濃縮海水と海水の押し引きの様子）を説明する模式図である。 図５は、図２に示すエネルギー回収チャンバーに多孔板を配置したエネルギー回収チャンバーを示す図である。 図６は多孔板を示す平面図である。 図７は、図２乃至図６に示すように構成されたエネルギー回収チャンバーを複数備え、複数のエネルギー回収チャンバーへの濃縮海水の給排水を制御する制御弁と制御弁の動作を制御する制御部とを備えたエネルギー回収装置を示す模式図である。 図８は、検出器により測定された電気抵抗値に基づいて濃縮海水のエネルギー回収チャンバーへの給排水を制御する例を示すタイムチャートである。 図９は、エネルギー回収チャンバーを３個備えた場合の制御例を示すタイムチャートである。 図１０は、従来の海水淡水化システムの構成例を示す模式図である。

以下、本発明に係る海水淡水化システムの実施形態について図１乃至図９を参照して説明する。なお、図１乃至図９において、同一または相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。

図１は、本発明の海水淡水化システムの構成例を示す模式図である。図１に示すように、取水ポンプ（図示しない）により取水された海水は、前処理装置により前処理されて所定の水質条件に整えられたのち、海水供給ライン１を介してモータＭが直結された高圧ポンプ２へ供給される。高圧ポンプ２で昇圧された海水は吐出ライン３を介して逆浸透膜（ＲＯ膜）を備えた逆浸透膜分離装置４に供給される。逆浸透膜分離装置４は、海水を塩分濃度の高い濃縮海水と塩分濃度の低い淡水に分離し、海水から淡水を得る。この時、塩分濃度の高い濃縮海水が逆浸透膜分離装置４から排出されるが、この濃縮海水は依然高い圧力を有している。逆浸透膜分離装置４から濃縮海水を排出する濃縮海水ライン５は、制御弁６を介してエネルギー回収チャンバー２０の濃縮海水ポートＰ１へ接続している。前処理された低圧の海水を供給する海水供給ライン１は、高圧ポンプ２の上流で分岐してバルブ７を介してエネルギー回収チャンバー２０の海水ポートＰ２へ接続している。エネルギー回収チャンバー２０は、濃縮海水と海水の境界領域によって二流体を分離しながらエネルギー伝達を行うものである。

エネルギー回収チャンバー２０において濃縮海水の圧力を利用して昇圧された海水は、バルブ７を介してブースターポンプ８に供給される。そして、ブースターポンプ８によって海水は高圧ポンプ２の吐出ライン３と同じレベルの圧力になるようにさらに昇圧され、昇圧された海水はバルブ９を介して高圧ポンプ２の吐出ライン３に合流して逆浸透膜分離装置４に供給される。一方、海水を昇圧してエネルギーを失った濃縮海水は、エネルギー回収チャンバー２０から制御弁６を介して濃縮海水排出ライン１７に排出される。
高圧ポンプ２の吐出ライン３の圧力が例えば６．５ＭＰａとすると、逆浸透膜分離装置４のＲＯ膜モジュールの圧力損失で僅かに圧力が低下し６．４ＭＰａの濃縮海水が逆浸透膜分離装置４から排出される。この濃縮海水圧力の圧力を海水に作用すると海水が等圧（６．４ＭＰａ）に昇圧されるが、エネルギー回収装置を流れる際にエネルギー回収装置自体の圧力損失分が低下し、例えば６．３ＭＰａの海水がエネルギー回収装置から排出される。ブースターポンプ８は６．３ＭＰａの海水を６．５ＭＰａの圧力に僅かに昇圧して高圧ポンプ２の吐出ライン３に合流して逆浸透膜分離装置４に供給される。ブースターポンプ８はこのように僅かな圧力損失分を昇圧するだけでよく、ここで消費されるエネルギーは僅かである。
逆浸透膜分離装置４に１０割の量の海水を供給した場合、淡水が得られる割合は４割程度である。他の６割が濃縮海水として逆浸透膜分離装置４から排出されるが、この６割の濃縮海水の圧力をエネルギー回収装置によって海水に圧力伝達して排出することで、ブースターポンプの僅かな消費エネルギーで高圧ポンプ相当量の海水を得ることができる。このため、エネルギー回収装置が無い場合に対して同じ量の淡水を得るための高圧ポンプのエネルギーをほぼ半分にすることができる。

図２は、本発明のエネルギー回収チャンバー２０の構成例を示す断面図である。図２に示すように、エネルギー回収チャンバー２０は、長尺の円筒形状のチャンバー本体２１と、チャンバー本体２１の両開口端を閉塞するフランジ２３を備えている。チャンバー本体２１内にはチャンバーＣＨが形成され、一方のフランジ２３の位置に濃縮海水ポートＰ１が形成され、他方のフランジ２３の位置に海水ポートＰ２が形成される。チャンバー本体２１には両端部の外径が中央部より大きな大径部２１ａが形成され、ここにスタッドボルト１４が埋め込まれる。スタッドボルト１４はフランジ２３の端部から突出するように固定されており、このスタッドボルト１４にナット１５を締め込むことにより、フランジ２３がチャンバー本体２１に固定される。

図２に示すように、チャンバーＣＨの両端部のポート付近に第１電極３１と第２電極３２とが配置されており、両電極３１，３２間の電気抵抗（または、電気伝導率）を測定するようになっている。各電極３１，３２は絶縁材３３によって他の導電体とは絶縁するように構成されている。すなわち、各電極３１，３２とフランジ２３との間に絶縁材３３が配置されている。電極３１，３２は、濃縮海水ポートＰ１の配管２４および海水ポートＰ２の金属（ステンレス）製の配管２４とも接触しないように構成されている。すなわち、各電極３１，３２は絶縁材３３により保持され、電極３１，３２は濃縮海水ポートＰ１の配管２４および海水ポートＰ２の配管２４と接触しないようになっている。絶縁材３３はリング状をなし、絶縁材３３の外径側はチャンバー本体２１の内径側と密接し、絶縁材３３の内径側は配管２４の外径側と密接し、チャンバーＣＨ内の濃縮海水や海水が外部に漏れることを防止している。なお、電気抵抗測定のためチャンバーＣＨ内面は絶縁体により構成されている。

図３は図２のIII-III線断面図である。図３に示すように、円筒形の断面を有する海水ポートＰ２の配管２４の外周側に円板状の第２電極３２が配置され、第２電極３２の背面に円板状の絶縁材３３が配置されている。絶縁材３３の外周とチャンバー本体２１の内周とは接触している。濃縮海水ポートＰ１の配管２４、第１電極３１、絶縁材３３、チャンバー本体２１との関係も図３と同様である。

図４（ａ），（ｂ）は、チャンバーＣＨ内における濃縮海水と海水の押し引きの様子を説明する模式図である。図４（ａ），（ｂ）に示すように、第１電極３１および第２電極３２には検出器３５が接続されている。エネルギー回収チャンバー２０と検出器３５とによりエネルギー回収装置が構成されている。検出器３５により第１電極３１および第２電極３２に交流電流を供給することにより、２つの電極３１，３２の間に存在する濃縮海水及び／又は海水の電気抵抗を測定している。直流にすると塩水が電気分解されるために交流としている。海水の電気分解によって電極表面近傍に気泡が生じて付着することもないので海水及び又は濃縮海水の電気抵抗を安定して検出することができる。

図４（ａ）には、チャンバーＣＨに濃縮海水がチャンバー容積の３０％、海水が７０％を占めている状態が示されている。図４（ｂ）には、チャンバーＣＨに濃縮海水がチャンバー容積の７５％、海水が２５％を占めている状態が示されている。
図４（ａ）に示す状態から濃縮海水が左側から右側に動いて図４（ｂ）に示す状態になったとき、電気抵抗が小さい濃縮海水量が増えるので、第１電極３１と第２電極３２の間の電気抵抗は小さくなる。
海水の塩分濃度は地域差もあるが、３．５％〜４．０％程度で、これに対して濃縮海水は６〜７％程度である。理想的な状態の塩化ナトリウム水溶液の電気伝導率は、３．５％塩化ナトリウム水溶液で５８ｍＳ／ｃｍ（２５℃）、同じく７％塩化ナトリウム水溶液で１０６ｍＳ／ｃｍ（２５℃）であり、すなわち、塩分濃度の違いにより電気抵抗の違いが生じる。実際の海水の電気伝導率は、含まれる塩化ナトリウム以外の成分によってばらつきがあるが、塩分濃度の差を電気抵抗の違いとして検出することができる。この電気抵抗の違いを利用すれば、チャンバーＣＨ内の濃縮海水量と海水量の割合に応じた電気抵抗の変化が検出できるので、電気抵抗の変化を濃縮海水と海水の押し引き（濃縮海水と海水の給排水）の切換えを行う制御に利用することができる。

検出器３５で測定されるチャンバー全体の電気抵抗は濃縮海水と海水の間の電気抵抗値となり、チャンバーＣＨ内の濃縮海水量と海水量の割合が押し引き（濃縮海水と海水の給排水）によって変化すると、電気抵抗もその割合によって変化する。この電気抵抗の変化を利用することで、チャンバーＣＨ内の濃縮海水と海水の割合を推定することができる。チャンバーＣＨ内の濃縮海水の割合が大きくなると、全体の電気抵抗値は小さくなるので、このときに海水をチャンバーＣＨ内に導入する工程に切換える。そしてチャンバーＣＨ内に海水の割合が多くなると電気抵抗値が大きくなるので、濃縮海水をチャンバーに導入する工程に切換えるように制御する。仮に、全体が濃縮海水の塩分濃度になって、いつまで経過しても海水濃度にならない場合はエラーとして検出することも可能である。また、エネルギー交換チャンバー２０を起動する際には、チャンバー内は海水で満たされるが、この状態も電気抵抗の変化で検出することができ、いつまで経過しても濃縮海水と海水の間の電気抵抗値とならない場合はエラーとして検出することも可能である。

塩分を検出するセンサは市販でも存在するが、一般的には２個以上の電極を１つの検出プローブに設けて、比較的短い距離（数ミリメートル、数センチメートル）で電気抵抗を計測するものがある。塩分濃度センサは、直流電源を用いると計測対象の塩水が電気分解するので、交流電源が用いられる。この交流電源をこの装置に適用し、長尺のチャンバー全体の電気抵抗を測定する場合は、その領域の容積によって生じる静電容量（コンデンサ成分）を考慮して、検出器の電源容量や補正回路などを調整する。

電極３１，３２は海水中で腐食しないように、金めっきを施した金属やカーボンを利用する。なるべく電極の表面積を大きくすることもキーポイントである。
チャンバー本体２１はＦＲＰ(Fiber Reinforced Plastic＝繊維強化プラスチック）を用いている。ＦＲＰは絶縁体なのでチャンバーを設置する架台や抑える金具からも絶縁されるので好都合である。金属（例えば、ステンレス鋼）製チャンバーでは、第１電極３１、濃縮海水、チャンバー、海水、第２電極３２というチャンバーを通るルートができるので、チャンバー内の流体の電気抵抗のみを正確に測定するにはＦＲＰ製チャンバーが有効である。

図５は、図２に示すエネルギー回収チャンバー２０と図４に示す検出器３５とを備えたエネルギー回収装置に多孔板を配置したエネルギー回収装置を示す図である。図５に示すように、本実施形態においては、エネルギー回収チャンバー２０は縦置きに設置されている。すなわち、長尺の円筒形状のチャンバー本体２１は、チャンバーの長手方向が垂直方向に配置されており、濃縮海水ポートＰ１はチャンバーＣＨの下側で濃縮海水を給排水するようにポートＰ１が下側に設けられ、海水ポートＰ２はチャンバーＣＨの上側で海水を給排水するようにポートＰ２が上側に設けられている。チャンバー本体２１内には、濃縮海水ポートＰ１および海水ポートＰ２の近傍に流体の整流を行う多孔板３６が２枚ずつ配置されている。多孔板３６はポートＰ１，Ｐ２から所定の距離を離して配置されている。電極３１，３２、絶縁材３３、検出器３５等は、図２および図４に示す実施形態のものと同様の構成である。

図６は、多孔板３６を示す平面図である。図６に示すように、多孔板３６は円形状の平板に小径の孔ｈが均等間隔で多数形成された、いわゆるパンチングプレートからなっている。このように、各ポートＰ１，Ｐ２の近傍に流体の整流を行う多孔板３６を２枚ずつ配置することによって、小径のポートＰ１，Ｐ２から流入する流れを大径のチャンバーＣＨ内に均一に流入させるようにする。

ここで、均一な流れとはチャンバーＣＨ内のある水平断面での流れ速度と方向が一様であることを意味する。すなわち、図５におけるチャンバーＣＨ内における縦方向の任意の水平断面（評価断面）での流れが図示した矢印の長さを流速、向きを流れ方向とすると、いずれの矢印も同じ長さで同じ向きであることを意味する。この流れはチャンバーＣＨ内に配置した多孔板３６の空孔率とポートＰ１，Ｐ２からの２枚の多孔板３６の配置位置により調整可能であり、解析などにより最適な寸法、配置位置を決定する。
多孔板３６でチャンバーＣＨ内に均一に流入した濃縮海水と海水は、比重の差により上下に分離しようとし、同時にチャンバー断面積で上下方向に一様な流れが形成されるので、濃縮海水と海水の境界部Ｉが維持され、全体として濃縮海水と海水の境界部Ｉを維持したまま、すなわち濃縮海水と海水の混合を抑制しながら、濃縮海水によって海水を加圧し押し出すことができる。海水が上方の海水ポートＰ２から多孔板３６を通ってチャンバー内に流入する場合も同様の整流効果を奏する。

次に、図２乃至図６に示すように構成されたエネルギー回収チャンバー２０を複数個備え、複数のエネルギー回収チャンバー２０への濃縮海水の給排水を制御する制御弁と制御弁の動作を制御する制御部とを備えたエネルギー回収装置について図７を参照して説明する。
図７においては、エネルギー回収チャンバー２０を２個備えた例が図示されているが、エネルギー回収チャンバー２０を３個以上備えていてもよい。エネルギー回収チャンバー２０を複数個備えている場合、そのうちの１つのエネルギー回収チャンバー２０に電極３１，３２および検出器３５が設置される。検出器３５は制御部４０に接続される。また、エネルギー回収チャンバー２０への濃縮海水の供給およびエネルギー回収チャンバー２０からの濃縮海水の排出を切換える制御弁６は、制御部４０に接続されている。制御弁６は、供給ポート、制御ポート、戻りポートを備え、弁開度を制御部４０からの制御信号に応じて任意に調整することができる三方弁である。エネルギー回収チャンバー２０への海水の供給およびエネルギー回収チャンバー２０からの海水の排出用のバルブ７は、チェック弁を２個備えたチェック弁モジュールである。

制御部４０は、検出器３５からの信号によりエネルギー回収チャンバー２０内の海水と濃縮海水との容積比を判断し、制御弁６を制御し、エネルギー回収チャンバー２０への濃縮海水、海水の供給と排出（給排水）を切り替える。検出器３５が設置されていないエネルギー回収チャンバー２０の制御弁６における濃縮海水の供給／排出の切り替えは、検出器３５が設置されたエネルギー回収チャンバー２０の制御弁６における濃縮海水の供給/排出の切り替えに対して位相が所定周期だけずれるように制御される。例えば、図７に示す２つのチャンバーの場合は、制御弁６の切り替えの位相を１/２周期ずらして制御し、３つのチャンバーの場合はそれぞれ１/３周期ずつずらすように制御する。
なお、制御弁は各チャンバーに対して個別に設けるのではなく、複数の制御弁を一体化して各チャンバーに対する給排水を所定周期ずれるように構成しておき、制御部４０からの単一の信号により複数のチャンバーに対する濃縮海水の給排水を制御しても良い。なお、複数のエネルギー回収チャンバー２０の全てに電極３１、３２及び検出器３５を設けて制御を行う事もできる。

図８は、検出器３５により測定された電気抵抗値に基づいて濃縮海水及び海水のエネルギー回収チャンバー２０への給排水を制御する例を示すタイムチャートである。図８において、上の点線は電極間が海水で満たされているときの電気抵抗値Ｒ_Ｈであり、下の点線は電極間が濃縮海水で満たされているときの電気抵抗値Ｒ_Ｌである。図８に示すように、濃縮海水がチャンバー内に供給されて、チャンバー内の濃縮海水量が増加すると、それに比例して電気抵抗値は減少していく。逆に、濃縮海水がチャンバー内から排出されて、チャンバー内の濃縮海水量が減少すると、電気抵抗値は比例的に増加していく。

図８に示すように、チャンバー内に濃縮海水を供給しチャンバーから海水を排出している状態で電気抵抗値が所定の値（図中、三角波の谷底）まで低くなると、制御弁６を切り替えて、チャンバー内から濃縮海水を排出しチャンバーに海水を供給する。図８において左下の図は、電気抵抗値が所定の値（三角波の谷底）まで低くなったときのチャンバー内の濃縮海水と海水の境界領域の位置を模式的に示している。境界領域はチャンバーの全長に比較して狭い領域であり、この境界領域では、濃縮海水と海水とが所定の割合で混合している。例えば、境界領域中、濃縮海水ポートＰ１に最も近い側では濃縮海水が１００％〜９０％、海水ポートＰ２側に向かうにつれて濃縮海水の割合が減少していき、海水ポートＰ２に最も近い側では海水が１００％〜９０％である。濃縮海水を排出している状態で電気抵抗値が所定の値（図中の三角波の頂上）まで高くなると、制御弁６を切り替えて、濃縮海水をチャンバー内に供給する。図８において右上の図は、電気抵抗値が所定の値（三角波の頂上）まで高くなったときのチャンバー内の濃縮海水と海水の境界領域の位置を模式的に示している。上述したように、この境界領域では、濃縮海水と海水とが所定の割合で混合している。例えば、境界領域中、濃縮海水ポートＰ１に最も近い側では濃縮海水が１００％〜９０％、海水ポートＰ２側に向かうにつれて濃縮海水の割合が減少していき、海水ポートＰ２に最も近い側では海水が１００％〜９０％である。図８に示すように、以下、この操作を繰り返して制御を行う。

図８では縦軸を電気抵抗として図示しているが、電気抵抗と電圧，電流との間には所定の関係があるため、また、チャンバーの断面、電極間の距離は予め決まっているため、「電気抵抗値を測定する」というのは、「電流，電圧を測定する」あるいは「電気伝導率を測定する」と同義である。電気伝導率は電気抵抗率の逆数として与えられる。

図９はエネルギー回収チャンバー２０を３個備えた場合の制御例を示すタイムチャートである。図９において左側の図に示すように、３個のエネルギー回収チャンバー２０のうちの１つのエネルギー回収チャンバー２０に電極３１，３２および検出器３５が設置されている。検出器３５が設置されているチャンバーの制御弁６は、測定された電気抵抗値の頂上と谷底で濃縮海水、海水の供給、排出が切り替えられる。その他のチャンバーは所定の周期ずつ（この例では１／３周期ずつ）制御の周期がずらされて、濃縮海水、海水の供給、排出が切り替えられる。図９に示す例では、制御部４０は３つの制御弁６に制御信号１，２，３を出力する。制御信号１，制御信号２，制御信号３は、図９において右側のタイムチャートに示すように、１／３周期ずつずれている。
図９の左側の図は、タイムチャートの時刻ｔ（検出器３５が設置されているチャンバーにおいて、制御弁６が濃縮海水の排出から供給に切り替わる瞬間）における境界領域の位置と移動方向を模式的に示している。

これまで本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことはいうまでもなく、例えば、エネルギー回収チャンバーの形態等は、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

１ 海水供給ライン
２ 高圧ポンプ
３ 吐出ライン
４ 逆浸透膜分離装置
５ 濃縮海水ライン
６ 制御弁
７ バルブ
８ ブースターポンプ
９ バルブ
１４ スタッドボルト
１５ ナット
１７ 濃縮海水排出ライン
２０ エネルギー回収チャンバー
２１ チャンバー本体
２１ａ 大径部
２３ フランジ
２４ 配管
３１ 第１電極
３２ 第２電極
３３ 絶縁材
３５ 検出器
３６ 多孔板
４０ 制御部

Claims (7)

1. ポンプによって昇圧した海水を逆浸透膜分離装置に通水して淡水と濃縮海水に分離して海水から淡水を生成する海水淡水化システムにおいて前記逆浸透膜分離装置から吐出される濃縮海水の圧力エネルギーを前記海水の昇圧に利用するエネルギー回収装置であって、
   内部に濃縮海水および海水を収容する空間を有したチャンバーと、
   前記チャンバーの一端部に設けられ濃縮海水の給排水を行う濃縮海水ポートと、
   前記チャンバーの他端部に設けられ海水の給排水を行う海水ポートと、
   前記チャンバー内の一端側に設けられた第１電極と、
   前記チャンバー内の他端側に設けられた第２電極と、
   前記第１電極と前記第２電極とに接続され、前記第１電極および前記第２電極に電流を供給することにより、前記第１電極と前記第２電極との間に存在する濃縮海水及び／又は海水の電気抵抗を測定する検出器とを備えたことを特徴とするエネルギー回収装置。
2. 前記第１電極および前記第２電極に供給する電流は、交流電流であることを特徴とする請求項１記載のエネルギー回収装置。
3. 前記チャンバーの内面は絶縁体で構成されていることを特徴とする請求項１記載のエネルギー回収装置。
4. 前記第１電極および前記第２電極は、カーボン又は表面に金めっきを施した金属からなることを特徴とする請求項１記載のエネルギー回収装置。
5. 前記チャンバーの長手方向を鉛直に配置し、
   前記チャンバー内の濃縮海水ポート側に上下に間隔をおいて水平方向に配置され、チャンバー内に流入した濃縮海水を前記チャンバー内の水平方向に亘って分散させる多孔板を設け、
   前記チャンバー内の海水ポート側に上下に間隔をおいて水平方向に配置され、チャンバー内に流入した海水を前記チャンバー内の水平方向に亘って分散させる多孔板を設けたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のエネルギー回収装置。
6. 前記チャンバーに濃縮海水の給排水を行う制御弁を設け、前記検出器の出力信号に基づいて前記制御弁を制御する制御部を備えたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のエネルギー回収装置。
7. ポンプによって昇圧した海水を逆浸透膜分離装置に通水して淡水と濃縮海水に分離して海水から淡水を生成する海水淡水化システムにおいて、
   前記逆浸透膜分離装置から吐出される濃縮海水の圧力エネルギーを前記海水の一部を昇圧するのに利用する請求項１乃至６のいずれか１項に記載のエネルギー回収装置を備えたことを特徴とする海水淡水化システム。

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