JP2019532812A - フィルター流れ管理のためのシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

フィルター流れ管理システムは、入口を有するカートリッジであって、入口を通して、流体流がカートリッジに導入されることができる、カートリッジと、カートリッジ内に位置し、流体流から微粒子を除去するように設計された複数のチャネルであって、少なくとも１つのチャネルは、流体流を受取るために入口と流体連通状態にある、複数のチャネルと、リザーバであって、少なくとも１つのチャネルを通って流れる流体流が、リザーバ内へ方向付けられ、その後、少なくとも１つの他のチャネルに入るように方向転換されることができる、リザーバとを含む。【選択図】図１Ａ

Description

[0001]本出願は、２０１６年１０月２８日に出願された米国仮出願第６２／４１４，１２９号および２０１７年１０月３０日に出願された米国特許出願第１５／７９７，８３６号の利益および優先権を主張し、これらの出願は、参照によりその全体が本明細書に組込まれる。

[0002]本開示は、一般に、フィルターに関し、より詳細には、フィルター流れ管理システム関する。

[0003]クロスフローろ過は、水処理において使用されて、連続供給溶液をフィルター媒体の表面を横切って通すことによって分子分離を可能にし得る。水処理および一部の分子分離用途において、供給溶液は、或る流量で、および供給溶液の浸透圧より高い圧力で、入口に送出され、それにより、或るパーセンテージの供給溶液がフィルター媒体を横切って接線方向に駆動され、一方で、わずかな供給溶液がフィルター媒体を通過する。

[0004]分子分離の別の手段において、浸透気化が使用されて、フィルター媒体の表面を横切って連続して供給される供給ストリームの部分的気化によって微量汚染物質が選択的に除去され得る。エチルアルコール浸透気化用途において、アルコール濃度は、溶液の共晶点を超えて高められる可能性があり、これは、蒸留のみによって可能であるアルコール純度より高いアルコール純度を提供する。

[0005]平均クロスフロー速度は、供給溶液がフィルター流れチャネルに入る流量に対する線速度である。ニュートン流体の場合、高い平均クロスフロー速度および高いレイノルズ数は、ろ過プロセス中の期間にわたる、「フィルターケーク（ｆｉｌｔｅｒ ｃａｋｅ）」の蓄積または濃度分極等のフィルターファウリングを低減し、したがって、洗浄要件を低減する。高い平均クロスフロー速度および高いレイノルズ数は、膜表面における濃度分極層厚を減少させることによって、フィルター性能および膜阻止率を同様に改善し得る。

[0006]しかし、流量を増加させることは、ポンプ容量を増加させることを必要とし、それは、より高い機器費用およびより大きな電力要求を必要とする。したがって、より高い機器費用およびより大きな電力要求なしで高い平均クロスフロー速度を提供する改良型フィルター流れ管理を使用可能にする改良型ろ過システムについての必要性が存在する。

[0007]更に、しばしば、浸透気化が、バッチプロセスとして実施され、それにより、有限体積のエチルアルコールおよび水が、部分的に気化され、多孔質または半多孔質媒体にわたって反復して循環される。したがって、ネイティブ供給ストリームを用いた溶液の再導入を防止しながら、一連の膜流れチャネルを通して供給溶液を通過させることによって達成され得る連続順次脱水を提供するフィルター流れ管理を使用可能にする改良型浸透気化法についての必要性が存在する。

[0008]幾つかの実施形態において、フィルター流れ管理システムが提供される。システムは、入口を有するカートリッジであって、入口を通して、流体流がカートリッジに導入されることができる、カートリッジを含む。システムは、カートリッジ内に位置し、流体流から微粒子を除去するように設計された複数のチャネルも含み、少なくとも１つのチャネルは、流体流を受取るために入口と流体連通状態にある。システムはリザーバも含み、少なくとも１つのチャネルを通って流れる流体流は、リザーバ内へ方向付けられ、その後、少なくとも１つの他のチャネルに入るように方向転換されることができる。

[0009]幾つかの実施形態において、入口またはリザーバのうちの少なくとも一方は、カートリッジ内に一体形成される。幾つかの実施形態において、チャネルのうちの少なくとも１つは、チャネルの内側表面または外側表面上に位置決めされた分子分離膜を含む。幾つかの実施形態において、システムは、複数のチャネルのうちの少なくとも１つ内を流れる流体濃縮液がカートリッジを出ることを可能にするための出口も含み、流体濃縮液は、チャネルによって除去された微粒子を含む流体流の一部分を含む。幾つかの実施形態において、システムは、少なくとも１つの更なるリザーバも含み、複数のチャネルのうちの少なくとも１つを通って流れる流体流は、少なくとも１つの更なるリザーバ内へ方向付けられ、その後、少なくとも１つの更なるチャネルに入るように方向転換されることができる。幾つかの実施形態において、システムは、ハウジングも含み、ハウジングは、チャネルからしみ出るろ過液を収集するためにハウジング内に位置決めされたカートリッジを有し、ろ過液は、流体流の一部分を含み、微粒子は、チャネルによって除去されている。

[0010]幾つかの実施形態において、システムは、カートリッジと直列に配置された第２のカートリッジも含み、それにより、カートリッジの出口から出る流体流は、第２のカートリッジの第２の入口に導入される。幾つかの実施形態において、システムは、ハウジングも含み、ハウジングは、チャネルからしみ出るろ過液を収集するためにハウジング内に位置決めされたカートリッジと第２のカートリッジの両方を有し、ろ過液は、流体流の一部分を含み、微粒子は、チャネルによって除去されている。幾つかの実施形態において、システムは、カートリッジと並列に配置された第２のカートリッジもみ、それにより、流体流は、カートリッジの入口と第２のカートリッジの第２の入口に同時に導入される。幾つかの実施形態において、システムは、ハウジングも含み、ハウジングは、チャネルからしみ出るろ過液を収集するためにハウジング内に位置決めされたカートリッジと第２のカートリッジの両方を有し、ろ過液は、流体流の一部分を含み、微粒子は、チャネルによって除去されている。幾つかの実施形態において、システムは、カートリッジの第１の端部と流体連通状態にある第１のマニホルドも含む。幾つかの実施形態において、システムは、カートリッジの第２の端部と流体連通状態にある第２のマニホルドも含む。幾つかの実施形態において、リザーバは、第１のマニホルドまたは第２のマニホルドのうちの少なくとも一方内に形成される。幾つかの実施形態において、第１のマニホルドおよび第２のマニホルドのうちの少なくとも一方は、カートリッジに取外し可能に係合可能である。

[0011]幾つかの実施形態において、ろ過システム内の流れを管理するための方法が提供される。本方法は、カートリッジに流体流を導入するステップであって、カートリッジは、カートリッジの入口に流体流を方向付けることによって流体流から微粒子を除去するように設計された複数のチャネルを有する、導入するステップを含む。本方法は、入口と流体連通状態にある少なくとも１つのチャネルを通して流体流を流すステップも含む。本方法は、少なくとも１つのチャネルと流体連通状態にあるリザーバ内に流体流を方向付けるステップも含む。本方法は、流体流を少なくとも１つの他のチャネルに入るように、リザーバによって方向転換させるステップも含む。

[0012]幾つかの実施形態において、本方法は、流体流を、複数のチャネルのうちの少なくとも１つから少なくとも１つの更なるリザーバ内へ方向付けるステップも含む。幾つかの実施形態において、本方法は、流体流を少なくとも１つの他のチャネルに入るように、少なくとも１つの更なるリザーバによって方向転換させるステップも含む。幾つかの実施形態において、本方法は、チャネルから出て通るろ過液を、カートリッジの周りに位置決めされたハウジング内に収集するステップも含み、ろ過液は、流体流の一部分を含み、微粒子は、チャネルによって除去されている。幾つかの実施形態において、本方法は、複数のチャネルのうちの少なくとも１つから出口に流体濃縮液を方向付けることによって、カートリッジから流体濃縮液を出すステップも含み、流体濃縮液は、チャネルによって除去された微粒子を含む流体流の一部分を含む。幾つかの実施形態において、本方法は、第２のカートリッジの第２の入口に流体濃縮液を方向付けることによって、第２のカートリッジに流体濃縮液を導入するステップも含む。幾つかの実施形態において、本方法は、チャネルから出て通るろ過液を、カートリッジおよび第２のカートリッジの周りに位置決めされたハウジング内に収集するステップも含み、ろ過液は、流体流の一部分を含み、微粒子は、チャネルによって除去されている。幾つかの実施形態において、ろ過液は、水または水蒸気のうちの少なくとも一方を含む。

[0013]幾つかの実施形態において、フィルター流れ管理システムが提供される。本システムは、第１のマニホルドであって、流体流を、流体流から微粒子を除去するために設計された複数のチャネルを有するカートリッジ内に位置する第１の群のチャネル内へ方向付けるための、第１のマニホルドを通して延在する入口を有する、第１のマニホルドを含む。本システムは、流体流を、第１の群のチャネルから受取り、カートリッジ内に位置する第２の群のチャネルに入るように方向転換させるように構成された第１のリザーバを有する第２のマニホルドも含む。本システムは、本システムから流体濃縮液を出すための、第１または第２のマニホルドを通して延在する出口も含み、流体濃縮液は、チャネルによって除去された微粒子を含む流体流の一部分を含む。

[0014]幾つかの実施形態において、第１および第２の群のチャネルは、同じ数のチャネルを有する。幾つかの実施形態において、第１および第２の群のチャネルは、異なる数のチャネルを有する。幾つかの実施形態において、複数のチャネルのうちの少なくとも１つは、チャネルの内側表面または外側表面上に位置決めされた分子分離膜を含む。幾つかの実施形態において、本システムは、第１のおよび／または第２のマニホルド上に画定された奇数のリザーバを備え、出口は、第２のマニホルドを通して延在する。

[0015]例証的で非制限的な例示的実施形態は、添付の図面と併せて、以下の詳細な説明から、より明確に理解されるであろう。

[0016]種々の実施形態によるフィルター流れ管理システムを含むろ過システムの分解図である。 [0017]種々の実施形態によるフィルター流れ管理システムを含むろ過システムのハウジング組立体の分解図である。 [0018]種々の実施形態によるフィルター流れ管理システムおよびハウジング組立体を含むろ過システムの組立て図である。 [0019]種々の実施形態によるフィルターカートリッジの斜視図である。 [0020]種々の実施形態による入口マニホルドの上面図である。 [0021]種々の実施形態による入口マニホルドの断面図である。 [0022]種々の実施形態による入口マニホルドの側面図である。 [0023]種々の実施形態による出口マニホルドの上面図である。 [0024]種々の実施形態による出口マニホルドの断面図である。 [0025]種々の実施形態による出口マニホルドの側面図である。 [0026]種々の実施形態によるエンドキャップの底面図である。 [0027]種々の実施形態によるエンドキャップの側面図である。 [0028]種々の実施形態によるエンドキャップの断面図である。 [0029]種々の実施形態によるフィルター流れを管理するための方法を示すフローチャートである。 [0030]種々の実施形態によるフィルター流れ管理システムを含む浸透気化システムの斜視図である。 [0031]種々の実施形態によるフィルター流れ管理システムを含む浸透気化システムの分解内部図である。 [0032]種々の実施形態によるフィルター流れ管理システムを含む別の浸透気化システムの分解図である。 [0033]家庭水ろ過のための従来技術のシステムの概略図である。 [0034]種々の実施形態によるフィルター流れ管理システムを含む家庭水ろ過のためのシステムの概略図である。 [0035]従来技術の並列流ろ過システムの概略図である。 [0036]従来技術の直列流ろ過システムの概略図である。 [0037]種々の実施形態によるフィルター流れ管理システムを含む直列流ろ過システムを示す図である。

[0038]種々の例示的実施形態は、幾つかの例示的実施形態が示される添付の図面を参照して、以下でより完全に述べられる。しかし、本開示は、多くの異なる形態で具現化されてもよく、また、本明細書で述べる例示的実施形態に限定されるものと解釈されるべきでない。むしろ、これらの例示的実施形態は、本開示が、徹底的かつ完全であり、当業者に対して本開示の範囲を完全に伝えるように提供される。図面において、層および領域のサイズおよび相対的サイズは、明確にするために誇張される場合がある。同様の数字は全体を通して同様の要素を指す。

[0039]別途規定されない限り、本明細書で使用される技術的および科学的用語を含む全ての用語は、本開示が属する技術分野の当業者によって一般的に理解されるのと同じ意味を有する。例えば、要素が、別の要素に「動作可能に係合する（ｏｐｅｒａｔｉｖｅｌｙ ｅｎｇａｇｅｄ）」として言及されるとき、２つの要素は、互いに流体連通を可能にする方法で係合する。「ろ過液」は、フィルター（例えば、膜）を通過する供給流の部分を指し、したがって、フィルターによって除去される微粒子、汚染物質、および／または他の材料を含まない。ろ過液は、幾つかの実施形態において、関心生成物、２次生成物、または好ましくない廃棄物であり得る。逆に、「濃縮液（ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅ）」（保持液とも呼ばれる）は、フィルターを通過しない供給流の部分を指し、したがって、ろ過プロセス中に膜によって保持または除去される微粒子、汚染物質、および／または他の材料を含む。濃縮液は、幾つかの実施形態において、例えば、関心生成物、２次生成物、または好ましくない廃棄物であり得る。一般的に使用される辞書において規定されるような用語が、関連技術のコンテキストにおけるそれらの意味に整合する意味を有するものとして解釈されるべきであり、本明細書で明示的にそのように規定されない限り、理想化されたまたは過度に公式的な意味で解釈されないことが更に理解されるであろう。更に、用語「微粒子（ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ）」が使用されるとき、それは、ろ過液から除去するときに関心の対象であり、濃縮液内に保持される場合がある、任意の他の汚染物質、分子、または生物製剤を同様に指す。

[0040]本開示の実施形態は、一般に、ろ過システムのための流れ管理を提供する。幾つかの実施形態において、本開示のシステムは、マルチチャネルフィルターカートリッジの対向端に形成されたリザーバを使用して、直列のチャネルを通して流体流を方向付け、方向転換させ得る。

[0041]図１Ａは、本発明の種々の実施形態によるろ過システム組立体１００の分解図を提供する。組立体１００は、少なくとも２つのフィルターチャネル（図示せず）が内部に位置するフィルター要素（カートリッジ）１０１を含む。図１Ａに示すように、幾つかの実施形態において、カートリッジ１０１は、チャネルがそこを通って延在する細長い構造であり得る。一般に、カートリッジ１０１は、流体流の保持液（濃縮液）からろ過液を分離するためのろ過を提供し得る。ここで、図２を参照すると、幾つかの実施形態において、カートリッジ１０１は、内部を通って複数のフィルターチャネル２０１を含み得る。円形断面を有するものとして本明細書で示すが、任意の断面形状が種々の実施形態に従って使用され得ることが、本開示を考慮して明らかになるであろう。例えば、幾つかの実施形態において、カートリッジ１０１は、長方形、正方形、八角形、六角形、星状、任意の他の適した断面形状構成、またはその組合せを有し得る。カートリッジ１０１が１９のフィルターチャネル２０１を有するものとして本明細書で示されるが、種々の実施形態によるカートリッジ１０１が任意の数のフィルターチャネル２０１を有し得ることが、本開示を考慮して明らかになるであろう。

[0042]種々の実施形態によれば、カートリッジ１０１は、カートリッジ１０１を通したろ過液の通過を可能にするために適した空隙率、孔サイズ、および耐薬品性を有する任意の材料から構成され得る。例えば、幾つかの実施形態において、カートリッジ１０１は、径が３．３ｍｍで１０００ｍｍ長の１９のチャネルを有する、Ａｔｅｃｈ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎｓ ｇｍｂｈ、から入手可能な酸化アルミニウムセラミック膜Ｔｙｐｅ １９／３３から構成され得る。Ａｔｅｃｈ（例えば、異なる数のチャネル、異なる径、および／または異なる長さを有する）または他の供給業者からの他のセラミック膜カートリッジが同様に使用され得る。

[0043]幾つかの実施形態において、カートリッジ１０１がそこから形成される材料は、流体流のろ過を提供し得る。幾つかの実施形態において、ろ過は、フィルターチャネル２０１の内側表面または外側表面上に位置決めされた１つまたは複数の膜によって提供され得る。膜は、多孔質セラミックまたはポリマー等の任意の適した材料から構成され得、また、供給流体のより小さい汚染物質（保持液）をろ過するためにカートリッジ１０１材料より小さい孔を一般に含み得る。幾つかの実施形態において、膜は、分子分離システム、および、その開示がその全体を本明細書に組込まれる米国特許第８，４２６，３３３号に記載される方法に従って提供され得る。

[0044]膜がチャネル２０１の内側および／または外側表面上に位置決めされると、結果として得られるチャネルが、クロスフローろ過等のろ過のために使用され得る。幾つかの実施形態において、カートリッジ１０１内に、単一で大きいチャネルではなく複数のチャネル２０１を設けることは、カートリッジ１０１のサイズを減少させながら、総合膜表面積を増加させ得る。流体流が膜ろ過表面に平行に移動するクロスフローろ過プロセス中に、膜の孔サイズより大きい分子は、カートリッジ１０１のチャネル２０１に沿って通過でき、一方、より小さい分子は、ろ過液の一部として膜を通過できる。

[0045]図１Ａに示すように、組立体１００は、カートリッジ１０１を通る流れを管理するためにカートリッジ１０１の対向端に位置決めされた第１および第２のマニホルド１０３ａ、１０３ｂを同様に含み得る。図１Ａに示すように、幾つかの実施形態において、マニホルド１０３ａ、１０３ｂは、カートリッジ１０１の端に永久的にまたは取外し可能に取付け可能である別個の要素であり得る。幾つかの実施形態において、取外し可能なマニホルド１０３ａ、１０３ｂを使用することは、フィルターチャネル２０１の洗浄のためのアクセスを容易にし得る。幾つかの実施形態において、取外し可能なマニホルド１０３ａ、１０３ｂを使用することは、例えば、マニホルド１０３ａ、１０３ｂを、異なる数のリザーバを有する他のマニホルドで置換えることによって、流体流れ経路のモジュール式再構成を同様に可能にし得る。しかし、幾つかの実施形態において、第１のマニホルド１０３ａまたは第２のマニホルド１０３ｂのうちの少なくとも一方がカートリッジ１０１内に一体形成され得ることが、本開示を考慮して明らかになるであろう。こうした一体式実施形態は、チャネルおよびマニホルド１０３ａ、１０３ｂが共に内部に形成されているシングルピースカートリッジ１０１を提供することによって、流れ管理システムの単純さおよび耐久性を促進し得る。種々の実施形態によれば、第１および第２のマニホルド１０３ａ、１０３ｂは、例えば、金属、プラスチック、セラミック、カートリッジ１０１と同じ材料、任意の他の適した材料、またはその組合せを含む任意の適した材料から構成され得る。

[0046]ここで図３Ａを参照すると、第１のマニホルド１０３ａは、第１のマニホルド１０３ａを通って延在する入口通路３０１を含む。入口３０１は、図３Ｂに示すように、第１のマニホルド１０３ａを通って延在して、フィルター供給流が、入口３０１を通ってカートリッジのフィルターチャネル２０１の１つまたは複数に入ることを可能にし得る。図３Ａおよび図３Ｂに示すように、幾つかの実施形態において、入口３０１は、変動性断面流れ経路サイズおよび形状を含み得る。こうした構成は、例えば、供給流送出システムからの供給流を第１の端部において受取るためのインタフェース、および、所望の数のチャネル２０１に対する供給流を第２の端部において送出するためのインタフェースを提供し得る。しかし、幾つかの実施形態において、入口３０１が一定断面流れ経路サイズおよび形状を含み得ることが、本開示を考慮して明らかになるであろう。

[0047]やはり図３Ａを参照すると、第１のマニホルド１０３ａは、それぞれが、カートリッジ１０１の１つまたは複数のチャネル２０１内を流れる流れを受取り、受取った流れをカートリッジ１０１の１つまたは複数の更なるチャネル２０１に入るように方向転換させるための、第１のリザーバ３０３および第２のリザーバ３０５を同様に含み得る。図３Ａに示すリザーバ３０３、３０５のそれぞれは、幾つかの実施形態において、カートリッジ１０１のチャネル２０１の１つまたは複数と密閉整列状態で設置されるようにサイズ決定され形作られ得る。リザーバ３０３、３０５は、図３Ｃに示すように、第１のマニホルド１０３ａの表面上の凹所として形成され得る。しかし、幾つかの実施形態において、リザーバ３０３、３０５の一方または両方が、代わりに、マニホルド１０３ａが全く必要とされないようにカートリッジ１０１内に一体形成され得ることが、本開示を考慮して明らかになるであろう。更に、流体が、少なくとも１つのチャネル２０１からリザーバ内へ方向付けられ、リザーバから少なくとも１つの更なるチャネル２０１に入るように方向転換されることを可能にする任意のリザーバ構成が、種々の実施形態に従って使用され得ることが、本開示を考慮して明らかになるであろう。

[0048]ここで図４Ａを参照すると、第２のマニホルド１０３ｂは、それぞれが、カートリッジ１０１の１つまたは複数のチャネル２０１内を流れる流れを受取り、受取った流れをカートリッジ１０１の１つまたは複数の更なるチャネル２０１に入るように方向転換させるための、第１のリザーバ４０１および第２のリザーバ４０３を含み得る。図４Ａに示すリザーバ４０１、４０３のそれぞれは、幾つかの実施形態において、カートリッジ１０１のチャネル２０１の１つまたは複数と密閉整列状態で設置されるようにサイズ決定され形作られ得る。リザーバ４０１、４０３は、図４Ｃに示すように、第２のマニホルド１０３ｂの表面上の凹所として形成され得る。しかし、幾つかの実施形態において、リザーバ４０１、４０３の一方または両方が、代わりに、マニホルド１０３ｂが全く必要とされないようにカートリッジ１０１内に一体形成され得ることが、本開示を考慮して明らかになるであろう。更に、流体が、少なくとも１つのチャネル２０１からリザーバ内へ方向付けられ、リザーバから少なくとも１つの更なるチャネル２０１に入るように方向転換されることを可能にする任意のリザーバ構成が、種々の実施形態に従って使用され得ることが、本開示を考慮して明らかになるであろう。

[0049]第２のマニホルド１０３ｂは、図４Ｂに示すように、第２のマニホルド１０３ｂを通して延在する出口４０５を同様に含み得る。図４Ｂに示すように、出口４０５は、第２のマニホルド１０３ｂを通って延在して、フィルターチャネルの１つまたは複数内を流れる濃縮流体流（上記で規定したように濃縮液または保持液とも呼ばれる）が出口４０５を通ってカートリッジ１０１を出ることを可能にし得る。図４Ａおよび図４Ｂに示すように、幾つかの実施形態において、出口４０５は、変動性断面流れ経路サイズおよび形状を含み得る。こうした構成は、例えば、１つまたは複数のチャネル２０１からの濃縮液を受取るためのインタフェースを提供し、濃縮液を、カートリッジ１０１を出て、例えば、廃棄物ストリームまたは再循環流に入るように方向付け得る。しかし、幾つかの実施形態において、出口４０５が一定断面流れ経路サイズおよび形状を含み得ることが、本開示を考慮して明らかになるであろう。

[0050]第１のマニホルド１０３ａが、入口３０１を含むものとして図３Ａ〜図３Ｃに示され、第２のマニホルドが、出口４０５を含むものとして図４Ａ〜図４Ｃに示されるが、各マニホルド１０３ａ、１０３ｂが、種々の実施形態に従って、カートリッジ１０１内に形成されるフィルターチャネル２０１の数、および、カートリッジ１０１を通るパスごとに流体流がそれを通して方向付けられるチャネル２０１の数に応じて、任意の数のリザーバ、および、入口、出口、入口と出口の両方、入口も出口もなし、の任意の組合せを含み得ることが、本開示を考慮して明らかになるであろう。特に、流体流がカートリッジ１０１を通る奇数回のパスを行うように構成される実施形態の場合、出口は、入口からのカートリッジ１０１の対向端に位置決めされ得る。他方、流体流がカートリッジ１０１を通る偶数回のパスを行うように構成される実施形態の場合、入口および出口はカートリッジ１０１の同じ端に位置決めされ得る。

[0051]使用時、第１および第２のマニホルド１０３ａ、１０３ｂは、カートリッジ１０１を通る複数回の「パス」にわたって、チャネル２０１を通して直列に流れを方向付けることによって、入口３０１から出口４０５に流体流を方向付けるために協調して働くように構成され得る。種々の実施形態によれば、カートリッジ１０１、チャネル２０１、およびマニホルド１０３ａ、１０３ｂは、例えば、カートリッジ１０１内に存在するチャネル２０１の数、各マニホルド１０３ａ、１０３ｂ内のリザーバの数、ろ過システムのポンプ容量、および供給流の流量に応じて、カートリッジ１０１を通る所望される多数回のパスまたは少数回のパスにわたって流れを方向付けるように構成され得る。

[0052]幾つかの実施形態において、流れは、パスごとに単一チャネル２０１を通して方向付けられ得る。幾つかの実施形態において、流れは、パスごとに複数チャネル２０１を通して方向付けられ得る。幾つかの実施形態において、流れは、パスごとに同じ数のチャネルを通して方向付けられ得る。幾つかの実施形態において、流れは、パスごとに異なる数のチャネル２０１を通して方向付けられ得る。

[0053]例えば、図１Ａの組立体１００において、カートリッジ１０１は１９のチャネル２０１を含むことができ、第１および第２のマニホルド１０３ａ、１０３ｂは、５回のパスを通して流体流を方向付けるように構成されることができ、第１のパスは第１のマニホルド１０３ａの入口３０１から第２のマニホルド１０３ｂの第１のリザーバ４０１までであり、第２のパスは第２のマニホルド１０３ｂの第１のリザーバ４０１から第１のマニホルド１０３ａの第１のリザーバ３０３までであり、第３のパスは第１のマニホルド１０３ａの第１のリザーバ３０３から第２のマニホルド１０３ｂの第２のリザーバ４０３までであり、第４のパスは第２のマニホルド１０３ｂの第２のリザーバ４０３から第１のマニホルド１０３ａの第２のリザーバ３０５までである。最初の４つのパスのそれぞれについて、全部で１６のチャネルが使用される場合、流体流は、一度に４つのフィルターチャネル２０１を通して方向付けられ得る。その後、第５でかつ最終のパスの場合、３つのチャネル２０１のみが、後続の廃棄、再循環、および／または更なるろ過のためにカートリッジ１０１を出るための流体流を第１のマニホルド１０３ａの第２のリザーバ３０５から第２のマニホルド１０３ｂの出口４０５へ方向付けるために残っている。幾つかの実施形態において、より速いパスのためのより多数のチャネル２０１の使用、および、より遅いパスのためのより少数のチャネルの使用は、ろ過液の体積がパスごとに失われるため有益である。そのため、最終パス時に流れる濃縮液は、供給流の初期流量に比べて低い体積流量を有し、流れを収容するために多くのチャネル２０１を必要としない。

[0054]上記で説明したように、１９のチャネル２０１を有するカートリッジ１０１および５つの群のチャネル２０１を通して流体流を提供するように構成されるマニホルド１０３ａ、１０３ｂを含むものとして本明細書で示され述べられるが、任意の数のチャネルを有する任意のカートリッジおよび任意の回数のパスを通して流体流を方向付けるための任意の数のリザーバが種々の実施形態に従って使用され得ることが、本開示を考慮して明らかになるであろう。任意の数のチャネル２０１がパスごとに使用され得ることが、本開示を考慮して更に明らかになるであろう。

[0055]図１Ａに示すように、幾つかの実施形態において、組立体１００は、マニホルド１０３ａ、１０３ｂをカートリッジ１０１のそれぞれの端に密閉整列状態で保持するための１つまたは複数のエンドキャップ１０５を同様に含み得る。ここで図５Ａを参照すると、エンドキャップ１０５は、第１の端部５０１ａおよび第２の端部５０１ｂを有する本体５０１を含むことができ、第２の端部５０１ｂはエンドキャップ１０５を囲むフランジを含む。図５Ｂに示すように、幾つかの実施形態において、本体５０１は、内部体積５０３であって、第２の端部５０１ｂにおいて開放し、マニホルド１０３ａ、１０３ｂの一方およびカートリッジ１０１の少なくとも一部分を内部体積５０３内に受取るようにサイズ決定され形作られた、内部体積５０３を画定し得る。

[0056]幾つかの実施形態において、内部体積５０３は、マニホルド１０３ａ、１０３ｂまたはカートリッジ１０１のうちの少なくとも一方とプレスフィットを形成するようにサイズ決定され得る。幾つかの実施形態において、内部体積５０３は、マニホルド１０３ａ、１０３ｂまたはカートリッジ１０１のうちの少なくとも一方とルーズフィットを形成するようにサイズ決定され得る。こうした実施形態において、１つまたは複数のシール（図示せず）が、エンドキャップ１０５の内径とカートリッジ１０１および／またはマニホルド１０３ａ、１０３ｂの外径との間に設けられ得る。

[0057]やはり図５Ｂを参照し同様に図５Ｃを参照すると、幾つかの実施形態において、流体が、エンドキャップ１０５を介してカートリッジ１０１から送出または流出される限りにおいて、エンドキャップ１０５の本体５０１は、第１の端部５０１ａ内に画定されたアパーチャ５０５を更に含むことができ、アパーチャ５０５は、供給源に対する接続部を提供するためのおよび／または濃縮液ドレインまたはリターンに対する接続部を提供するための装着具１０７を受取るようにサイズ決定され形作られる。幾つかの実施形態において、アパーチャ５０５は装着具１０７とプレスフィットを形成するようにサイズ決定され得る。幾つかの実施形態において、装着具１０７は、金属、プラスチック、ポリマー、ゴム、あるいは、流体供給源または濃縮液ドレインに接続するための任意の他の適した装着材料から構成され得る。

[0058]やはり図１Ａを参照すると、組立体１００は、カートリッジ１０１に接してマニホルド１０３ａ、１０３ｂを付勢するための、各エンドキャップ１０５とマニホルド１０３ａ、１０３ｂとの間に挿入された圧縮ばね１０９を同様に含み得る。幾つかの実施形態において、圧縮ばね１０９は、カートリッジ１０１に接してマニホルド１０３ａ、１０３ｂを付勢することによって、マニホルド１０３ａ、１０３ｂと、カートリッジ１０１、特にカートリッジ１０１のチャネル２０１との間のより一貫性のある密閉を提供し得る。組立体１００は、エンドキャップ１０５とマニホルド１０３ａ、１０３ｂとの間に更なる密閉を提供するために各エンドキャップ１０５とマニホルド１０３ａ、１０３ｂとの間に挿入された１つまたは複数のＯリング１１１を同様に含み得る。そのため、幾つかの実施形態において、圧縮ばね１０９とＯリング１１１を共に含むことは、運転中に、エンドキャップ１０５、マニホルド１０３ａ、１０３ｂ、およびカートリッジ１０１の任意の組合せの間からの流体流の漏出を防止する高圧密閉を提供し得る。幾つかの実施形態において、Ｏリング１１１は、各エンドキャップ１０５とマニホルド１０３ａ、１０３ｂとの間に摩擦軸受け表面を提供し、それにより、エンドキャップ１０５および／またはカートリッジ１０１に対するマニホルド１０３ａ、１０３ｂの意図しない回転を制限または防止し得る。マニホルド１０３ａ、１０３ｂの意図しない回転を制限または防止することによって、リザーバ３０３、３０５、４０１、４０３と流れチャネル２０１との間の誤整列のリスクが低減され、それにより、運転中の性能損失を回避する。

[0059]したがって、装着具１０７、エンドキャップ１０５、圧縮ばね１０９、Ｏリング１１１、マニホルド１０３ａ、１０３ｂ、およびカートリッジ１０１は、各装着具１０７とカートリッジ１０１のチャネル２０１との間に流体流れ経路を維持するために密閉整列状態にあり得る。こうした構成は、高圧装着を達成し、高い供給圧力を可能にし、供給物および濃縮液流れストリームを、カートリッジ１０１を通して外方に放出されるろ過液ストリームから隔離する。

[0060]図１Ａに示すように、幾つかの実施形態において、装着具１０７、エンドキャップ１０５、圧縮ばね１０９、Ｏリング１１１、マニホルド１０３ａ、１０３ｂ、およびカートリッジ１０１組立体（以降で、エンドキャップ組立体）の初期整列は、装着具１０７、エンドキャップ１０５、Ｏリング１１１、圧縮ばね１０９、およびマニホルド１０３ａ、１０３ｂを通り、カートリッジ１０１の流れチャネル２０１内への整列ピン１１３の挿入によって補助され得る。幾つかの実施形態において、単一整列ピン１１３は、カートリッジおよび両方のエンドキャップ組立体を通して延在し得る。幾つかの実施形態において、別個の整列ピン１１３は各エンドキャップ組立体について設けられ得る。幾つかの実施形態において、整列ピン（複数可）１１３は、組立後であるが、組立体１００に任意の流体を導入する前に除去され得る。

[0061]ここで図１Ｂを参照すると、組立体１００は、カートリッジ１０１を通って外方に放出されたろ過液ストリームを収集するための、カートリッジを囲むハウジング本体１２０を同様に含み得る。ハウジング１２０は、幾つかの実施形態によれば、例えば、金属、ステンレス鋼、プラスチック、ポリマー、他の適した実質的に非多孔質の材料、またはその組合せを含む任意の適した材料から構成され得る。種々の実施形態によれば、ハウジング１２０は、供給物およびろ過されたろ過液（例えば、水、化学物質、またはガス）と化学的に整合性がある材料から構成され得る。図１Ｃに示すように、ろ過液漏出を防止し、ろ過液を周囲環境から保護し、供給ストリームをろ過液ストリームから更に分離するために、ハウジング本体１２０は、エンドキャップ１０５の第２の端部５０１ｂのフランジと密閉接触状態になるように組立クランプ１２２を使用してクランプされ得る。やはり図１Ｂを参照すると、更なる密閉のために、エンドキャップ１０５のフランジは、高圧密閉を可能にするために、ハウジング１２０とエンドキャップ１０５のフランジとの間で圧縮するためのガスケット１２３を受取るように構成される溝を含み得る。

[0062]幾つかの実施形態において、ろ過されたろ過液は、カートリッジ１０１から外方にハウジング本体１２０内にしみ出るまたは滴漏することができ、ハウジング本体１２０は、ろ過液ストリームを、カートリッジ１０１から遠方にろ過液ポート１２１を通して方向付け得る。ろ過液は、幾つかの実施形態において、所望の生成物、２次生成物、または廃棄物ストリームであり得る。ろ過液ポート１２１は、幾つかの実施形態において、ろ過された材料を、将来の使用のために収集および貯蔵ロケーションに方向付けるように構成され得る。幾つかの実施形態において、ろ過液ポート１２１は、ろ過された材料を、後続の処理のために、直接、下流プロセスに方向付けるように構成され得る。より一般的には、ろ過液ポート１２１は、ろ過液ストリームを、収集、再循環、および／または廃棄のために、カートリッジ１０１から遠方にハウジング本体１２０から出るように方向付けるように構成され得る。ろ過液ポート１２１はそれぞれ、ろ過液ポート１２１を通る流体流を選択的に可能にするのに適する、スポウト、カートリッジ、パイプ、弁、または装着具設計のうちの任意の１つまたは複数であり得る。幾つかの実施形態において、ろ過液ポート１２１の１つまたは複数は、供給流、流出物、および／またはろ過液流の圧力および温度に一致する流体圧力および温度に耐えるように設計され得る。

[0063]幾つかの実施形態（図示せず）において、ろ過システムは、２つ以上のカートリッジ１０１を含み得る。幾つかの実施形態において、ろ過システムは、フィルターカートリッジ１０１の全てを囲む単一ハウジング１２０を含み得る。幾つかの実施形態において、ろ過システムは、それぞれがカートリッジ１０１の１つまたは複数を囲む複数のハウジング１２０を含み得る。こうした実施形態において、流体流は、各カートリッジ１０１を通して直列にまたは並列に方向付けられ得る。幾つかの実施形態において、各カートリッジ１０１は、上述した流体流管理のためのリザーバを含み得る。それでも、幾つかの実施形態において、カートリッジ１０１は、少なくとも１つのカートリッジ１０１の出口４０５を出る濃縮液を、更に処理するために少なくとも１つの更なるカートリッジ１０１に方向転換させるためのより大きいリザーバを有する大規模流体流管理システムによって接続され得る。

[0064]その点に関して、幾つかの実施形態において、フィルター組立体１００は、発見スケール（膜分離に関連する、有効性、再現性、ならびに性能の重要尺度を決定するための試験）からパイロットおよび立証スケールを経るプロセス運転によって膜プロセスのスケーラビリティを提供する。特に、こうした設計は、有利には、シングルピースのプロセス機器が、発見スケールから立証スケールを経る運転によってプロセス開発努力をサポートすることが可能であることを可能にする。表１は、こうしたスケーラビリティが異なるプロセス開発ステージで使用されるときの、膜プロセス機器の例示的な運転条件を提供する。例えば、以下に示すように、フィルター組立体１００の使用は、表面積の４８倍の増加がポンピング流量の２５％程度の増加によって達成され得ることをもたらし得る。

[0065]そのため、所与の供給物ポンピングシステムの場合、本明細書で開示される流れ管理システムの使用は、従来の１回パスフィルターと比較して、フィルターチャネル内で高い平均クロスフロー速度を送出し得る。代替的に、所与のポンピング目標流量によって、より小型で、より手ごろな価格で、よりエネルギー節約型のポンピングシステムが使用され得る。

[0066]ここで図６を参照すると、種々の実施形態による、フィルター流れを管理するための方法６００が提供される。方法６００は、カートリッジに流体流を導入するステップ６０１であって、カートリッジは、カートリッジの入口に流れを方向付けることによって流体流から微粒子を除去するように設計された複数のチャネルを有する、導入するステップ６０１を含む。方法６００は、入口と流体連通状態にある少なくとも１つのチャネルを通して流体流を流すステップ６０３を同様に含む。方法６００は、少なくとも１つのチャネルと流体連通状態にあるリザーバ内に流体流を方向付けるステップ６０５と、少なくとも１つの他のチャネルに入るように流体流を、リザーバによって方向転換させるステップ６０７とを同様に含む。

[0067]導入するステップ６０１は、例えば、図１Ａ〜図１Ｂを参照して上記で説明したように、第１のマニホルド１０３ａの入口３０１に対してかつ少なくとも１つのチャネル２０１に入るように流体流を送出することを含み得る。流すステップ６０３は、例えば、図１Ａ〜図１Ｂを参照して上記で述べたように、第１のマニホルド１０３ａの入口３０１から少なくとも１つのチャネル２０１を通して流体流を流すことを含み得る。

[0068]方向付けるステップ６０５は、例えば、図１Ａ〜図１Ｂを参照して上記で説明したように、第２のマニホルド１０３ｂのリザーバ４０１、４０３の一方に流体流を方向付けることを含み得る。

[0069]方向転換させるステップ６０７は、例えば、図１Ａ〜図１Ｂを参照して上記で説明したように、第２のマニホルド１０３ｂのリザーバ４０１、４０３の一方において、流れを受取り、少なくとも１つの更なるチャネル２０１に入るように方向転換させることを含み得る。
連続浸透気化プロセス
[0070]背景として、従来の浸透気化プロセスにおいて、液体供給ストリームは、運転温度まで最初に余熱され、その後、膜モジュールにルーティングされる。透過ガスは、膜を通して輸送され、膜の透過側で気化され、熱は、供給物から消散される。輸送される成分の分圧、およびその分圧による物質輸送のための駆動力が、温度の低下で減少するため、供給混合物は再加熱されなければならない。ほとんどの場合、再加熱は、モジュールの外で別個の熱交換器内で起こる。したがって、離散量の液体供給物が任意の所与の時間に処理され得るバッチプロセスが使用されなければならない。そのため、より大きいプラントにおける高いスループットのために、また、高い透過流量を有するプロセスのために、上流熱交換器を有する非常に多数の小型膜モジュールを提供することが、従来必要である。膜モジュールを去る蒸気透過物は、その後、外部熱交換器内で凝縮され、プロセスにおいて他の機能を全く持たない、不活性ガスを除去するだけための真空ポンプが使用される。

[0071]本明細書で提供される流体流管理システムを使用することによって、連続浸透気化プロセスが提供される。図７Ａ〜図７Ｂは、種々の実施形態による、浸透気化部分７００ａおよび熱交換器部分７００ｂを有する連続浸透気化システム組立体７００を示す。ここで図７Ｂを参照すると、組立体７００は、浸透気化部分７００ａに係合した第１のマニホルド７０３ａを含む。第１のマニホルド７０３ａは、入口７５５、出口７５１、およびリザーバ７５３を含み得る。幾つかの実施形態において、第１のマニホルド７０３ａの入口７５５、出口７５１、およびリザーバ７５３は、例えば、図１Ａ〜図１Ｂの第１および第２のマニホルド１０３ａ、１０３ｂの入口３０１、出口４０５、およびリザーバ３０３、３０５、４０１、４０３と実質的に同様であり得る。幾つかの実施形態において、入口７５５は、少なくとも１つのカートリッジ７０１の１つまたは複数のチャネル内に供給流を方向付けるように構成され得る。カートリッジ７０１は、種々の実施形態によれば、例えば、上述したカートリッジ１０１と実質的に同様であり得る。浸透気化部分７００ａ内のうちの少なくとも１つのカートリッジ７０１において、透過物は、１つまたは複数のチャネルの内側表面または外側表面上に位置決めされた膜を通して輸送され、膜の透過側で気化され得る。透過物が気化すると、熱が消散され、したがって、流れを冷却する。図７Ａに示すように、浸透気化部分７００ａ内で発生する気化した透過物は、カートリッジ１０１を囲む浸透気化シェル７２０内に収集され、第１および第２のマニホルド７０３ａ、７０３ｂに対して密閉され得る。

[0072]やはり図７Ｂを参照すると、幾つかの実施形態において、組立体７００は、浸透気化部分７００ａと熱交換器部分７００ｂの両方に係合した第２のマニホルド７０３ｂを含み得る。幾つかの実施形態において、第２のマニホルド７０３ｂは、それぞれがカートリッジ７０１の１つまたは複数と流体連通状態にある複数のパススルーチャネル７６１を含み得る。少なくとも１つのカートリッジ７０１を出る冷却流は、パススルーチャネル７６１の１つまたは複数内へ方向付けられ、その後、熱交換器部分７００ｂ内で再加熱するために１つまたは複数の熱伝達チューブ７０５に方向付けられ得る。熱伝達チューブ７０５は、種々の実施形態において、内部に１つまたは複数のチャネルを含むことができ、熱伝達チューブ７０５内の流体流と、熱交換器部分７００ｂ内で熱伝達チューブ７０５の外に流れる熱交換器流体との間の熱伝達を最大にするように構成されることができる。そのために、幾つかの実施形態において、熱伝達チューブ７０５は、例えば、ステンレス鋼または他の材料等の、熱伝達チューブ７０５を通して効率的な熱伝達を提供するのに適した任意の材料から構成され得る。

[0073]図７Ａに示すように、熱交換流体は、熱伝達チューブ７０５を囲み、第２および第３のマニホルド７０３ａ、７０３ｃに対して密閉された熱交換器シェル７２２内の熱交換器部分７００ｂを通して流され得る。幾つかの実施形態において、熱交換流体は、熱交換器シェル７２２を通して流され、その後、熱交換器シェル７２２に戻される前に、熱源を通して再循環され得る。

[0074]やはり図７Ｂを参照すると、幾つかの実施形態において、組立体７００は、熱交換器部分７００ｂに係合した第３のマニホルド７０３ｃを同様に含み得る。第３のマニホルド７０３ｃは、流れが更に加熱されるように、少なくとも１つの熱伝達チューブ７０５から少なくとも１つの更なる熱伝達チューブ７０５に流れを方向転換させるために位置決めされた１つまたは複数のリザーバ７７１、７７３を含み得る。流れは、その後、少なくとも１つの更なるパススルーチャネル７６１を通り、少なくとも１つの更なるカートリッジ７０１に入るように方向付けられることができ、そのカートリッジ内で、更なる透過物は、膜を通して輸送され、膜の透過側で気化され得る。透過物が気化すると、熱は再び消散され、したがって、流れを冷却する。図７Ｂに示すように、幾つかの実施形態において、流れが、その後、第１のマニホルド７０３ａのリザーバ７５３内へ方向付けられ、透過物を更に気化させるために更に別のカートリッジ７０１に入るように方向転換されるのに十分な熱が残る可能性がある。流れは、その後、透過物をなお更に気化させるために、第２のマニホルド７０３ｂの更に別のパススルーチャネル７６１を通り、更に別の熱伝達チューブ７０５を通り、第３のマニホルド７０３ｃの更に別のリザーバ７７１、７７３、更に別の熱伝達チューブ７０５、更に別のパススルーチャネル７６１、および更に別のカートリッジ７０１を通って方向付けられ得る。図７Ｂに示すように、流れは、その後、浸透気化システム組立体７００を出るために出口７５１を通して方向付けられ得る。第１のマニホルド７０３ａのリザーバ７５３内に方向転換されるものとして図７Ｂに示されるが、幾つかの実施形態において、流体流は、代わりに、更なる処理なしで、１回の浸透気化−加熱−加熱−浸透気化サイクル後に第１のマニホルドを出られることが理解されることになることが、本開示を考慮して明らかになるであろう。種々の実施形態によれば、流体流は、適宜、任意の回数の浸透気化−加熱−加熱−浸透気化サイクルを通して方向付けられ得ることが、本開示を考慮して同様に明らかになるであろう。

[0075]図８は、種々の実施形態による、１つまたは複数の浸透気化チャネル８２１と同一直線上に位置決めされた１つまたは複数の熱交換チューブ８６１を有する連続プロセス浸透気化システム組立体８００を示す。図８に示すように、組立体８００は、浸透気化カートリッジ８０１に係合した第１のマニホルド８０３ａを含む。第１のマニホルド８０３ａは、入口８５５、出口８５１、第１のリザーバ８５３、第２のリザーバ８５７を含み得る。幾つかの実施形態において、第１のマニホルド８０３ａの入口８５５、出口８５１、およびリザーバ８５３、８５７は、例えば、図１Ａ〜図１Ｂの第１および第２のマニホルド１０３ａ、１０３ｂの入口３０１、出口４０５、およびリザーバ３０３、３０５、４０１、４０３と実質的に同様であり得る。幾つかの実施形態において、入口８５５は、カートリッジ８０１のうちの少なくとも１つの浸透気化チャネル８２１内に浸透気化流を方向付けるように構成され得る。逆に、出口８５１は、カートリッジ１０１を出るために少なくとも１つの他の浸透気化チャネル８２１から出るように浸透気化流を方向付けるように構成され得る。

[0076]やはり図８を参照すると、幾つかの実施形態において、組立体８００は、カートリッジ８０１に係合した第２のマニホルド８０３ｂを同様に含み得る。第２のマニホルド８０３ｂは、流れが、更なる浸透気化のためにカートリッジ８０１を通して更なるパスを行うように、少なくとも１つのチャネル８２１から少なくとも１つの更なるチャネル８２１に浸透気化流を方向転換させるために位置決めされた１つまたは複数のリザーバ８７１、８７３、８７５を含み得る。

[0077]カートリッジ８０１は、種々の実施形態によれば、例えば、上述したチャネル２０１を有するカートリッジ１０１と実質的に同様であり得る。少なくとも１つのカートリッジ８０１内で、浸透気化流の透過物は、１つまたは複数の浸透気化チャネルの内側表面または外側表面上に位置決めされた膜を通して輸送され、膜の透過側で気化され得る。一般に、浸透気化チャネル８２１内で発生する気化した透過物は、カートリッジ（複数可）８０１を囲む浸透気化シェルまたは他のハウジング（図示せず）内に収集され、透過物喪失を防止するために密閉され得る。流れがカートリッジを６回通過することをもたらす、６つの浸透気化チャネル８２１を含むものとして図８に示されるが、任意の数の浸透気化チャネル８２１が、種々の実施形態に従って使用されて、流れがカートリッジ８０１を通る任意の回数のパスを行うことを可能にし得ることが、本開示を考慮して明らかになるであろう。

[0078]透過物が気化すると、熱は消散され、したがって、流れを冷却する。したがって、浸透気化チャネル８２１における連続浸透気化のために十分な温度を維持するために、組立体８００は、浸透気化チャネル８２１を含むカートリッジ８０１に放射熱を提供するために、カートリッジ８０１の内部体積を通して熱交換流体を輸送するための１つまたは複数の熱交換チューブ８６１を含み得る。幾つかの実施形態において、熱交換流体は、第１のマニホルド８０３ａを介して熱交換チューブ８６１に導入され、第２のマニホルド８０３ｂを介して熱交換チューブ８６１から出され得る。幾つかの実施形態において、所望の温度を維持するために、熱交換流体は、熱交換チューブ８６１を出た後に、第１のマニホルド８０３ａの熱交換チューブ８６１に再導入される前に加熱器または熱交換器を通して再循環され得る。カートリッジ８０１は、単一熱交換チューブ８６１を含むものとして本明細書で示されるが、任意の数の熱交換チューブ８６１が、浸透気化チャネル８２１内に所望の加熱条件および所望の温度を提供するために種々の実施形態に従って含まれ得ることが、本開示を考慮して明らかになるであろう。

[0079]各熱交換チューブ８６１は、種々の実施形態によれば、熱交換チューブ８６１内の熱交換流体と、浸透気化チャネル８２１内の流体流との間の熱伝達を最大にするように構成されることができる。そのために、幾つかの実施形態において、熱伝達チューブ８６１は、熱伝達チューブ８６１の内側表面または外側表面上に位置決めされたライナーを含み得る。ライナーは、例えば、ステンレス鋼、他の金属、透過性または半透過性膜、あるいは任意の他の適した材料等の、ライナーを通して効率的な熱伝達を提供するのに適した任意の材料から構成され得る。幾つかの実施形態において、ライナーは、熱交換チューブ８６１から出る物質伝達を防止するための障壁を提供することができる一方、熱交換チューブ８６１とカートリッジ８０１と浸透気化チャネル８２１との間の熱伝達を可能にする。幾つかの実施形態において、ライナーは、熱交換チューブ８６１とカートリッジ８０１と浸透気化チャネル８２１との間の物質伝達と熱伝達の両方を可能にし得る。
例示的実施形態
[0080]そのため、本明細書で開示するフィルター流れ管理システムを有するろ過システムは、種々のガスおよび流体のエネルギー効率的浄化のために使用され得る。例えば、ろ過システムは、バイオマスからの代替燃料の浄化、石油およびガス探査または医薬品生産、および浸透気化プロセス中に生成される水の浄化において使用され得る。組成物が使用され得る産業は、石油および石油化学製品、石炭ガス化、パルプおよび紙、バイオ燃料、合成ガス、および天然ガス生産を含む。更なる用途は、重金属除去、アルコール／水分離、植物抽出物の浄化および濃縮、脱水、砂糖濃縮、一酸化炭素低減、水純化、および脱塩を含む。そのため、以下で提供される例示的実施形態が例証のためのものであること、および、本明細書で開示される技術の多くの他の用途が考えられることが理解されるであろう。

[0081]図９は従来の家庭ろ過システムを示し、図１０は、家庭飲料水ろ過システムに接続した状態で使用されるフィルター流れ管理システムを示す。家庭飲料水用途は、通常、低い初期機器コストおよび低いエネルギー消費を必要とする。例示および比較のために、図９は従来の１９フィルターチャネル家庭ろ過システムを示し、図１０は、流れ管理システムを含む１９フィルターチャネルシステムを示す。

[0082]図９において、全ての１９の流れチャネルは、並列に運転し、１×１０^６Ｐａ（１０ｂａｒ）（１０．２ｋｇ／ｃｍ^２Ｇ（１４５ｐｓｉｇ））の目標供給圧力で１９．５ｌｐｍを送出することが可能なポンプを必要とする。ポンプの運転特性に応じて、この容量のポンプを運転するために必要とされる電力は０．８２ＫＷ程度の大きい電力を必要とする場合がある。０．８２ＫＷの電力要件は、多くの場合に消費者水処理用途についての好ましい電力源である小型変圧器および低電圧（２４ＶＡＣまたは２４ＶＤＣ）モーターによって効率的に送出される電力を、通常超える。

[0083]対照的に、図１０に示すように、水処理システムは、流れ管理システムと共に運転するように構成される。図示するように、流れ管理システムは、全ての１９の流れチャネルが直列に運転することを可能にするように構成される。この構成において、図８のシステムと同じ０．２ｌｐｍの透過物（ろ過された水）流量は、１×１０^６Ｐａ（１０ｂａｒ）（１０．２ｋｇ／ｃｍ^２Ｇ（１４５ｐｓｉｇ））の目標供給圧力で１．０３ｌｐｍのみを必要とするポンプによって生成され得る。ポンプの運転特性に応じて、この容量のポンプを運転するために必要とされる電力は０．０４３ＫＷ程度の小さい電力を通常必要とする。０．０４３ＫＷの電力要件は、多くの場合に消費者水処理用途についての好ましい電力源である市販の変圧器および低電圧（２４ＶＡＣまたは２４ＶＤＣ）モーターの電力容量内に十分に入る。したがって、流体流管理システムは、より小型のポンプパッケージ（例えば、３．２１８ｋｍ／ｓ（２ｍｐｓ）の平均クロスフロー速度の場合、１９．５ｌｐｍに対して１．０３ｌｐｍのポンプ）の使用を可能にし、それにより、機器の資本コストを下げる。更に、より小型のポンプパッケージは、少ない電力を引出し、それにより、システムの運転コストを同様に低減する。

[0084]図１１Ａ〜図１１Ｂおよび図１２は、本明細書で述べるフィルター流れ管理システムを使用することに関連する効率を示す。特に、図１１Ａ〜図１１Ｂは、供給流の並列処理（図１１Ａ）および供給流の直列処理（図１１Ｂ）を提供するための従来のシステムを示す。図１２は、本明細書で述べるフィルター流れ管理システムを使用する供給流の直列処理を示す。以下でより詳細に説明するように、図１２に示すフィルター流れ管理システムの使用は、図１１Ａ〜図１１Ｂに示す従来の並列および直列処理と比較して、システムについての資本コストおよび／または運転コストを効率的に下げる。

[0085]図１１Ａおよび図１１Ｂの従来のシステムのそれぞれは、４つのフィルター要素を含む。各要素は、８５の流れチャネル、３．３ｍｍ径、および１．５ｍ長（約１．３２ｍ^２／要素）を有する。図１１Ａおよび図１１Ｂの場合と同様の従来の機器設計は、これらの４つの要素が並列または直列に設置されることを要求する。従来手段によって、４つの要素が図１１Ａの場合と同様に並列に運転される場合、全ての要素は、共通のパイピング、弁、および器具を利用する単一ハウンジング内に収容され得る。しかし、要素が並列に運転するため、５２４ＬＰＭの供給流量（流れチャネル当たり４．８２８ｋｍ／ｓ（３ｍｐｓ）の平均速度において１３１ＬＰＭの公称流量の４倍）が、直列に運転する要素と比較して必要とされる。これは、流体のより大きい体積をポンピングすることに関連する資本コストおよび運転コストを増加させる。

[0086]代替的に、従来手段によって、４つの要素が図１１Ｂの場合と同様に直列に運転される場合、それぞれが、幾分かのハウジング固有のパイピング、弁、および器具を有する４つの独立したハウジング内に収容される。そのため、資本コストおよび機器コストは、付加された複雑さおよび冗長性によって増大される。

[0087]図１２に示すように、流体流管理システムは、直列に運転しながら、４つのフィルター要素を収容する単一ハウジングの使用を可能にする。それにより、システムは、共通のパイピング、弁、および器具を利用する簡略化された設計によって低い機器／資本コストを達成しながら直列に運転するシステムとして効率的に（低いポンピング流量）運転する。

[0088]本開示が、本開示の或る実施形態を参照して述べられたが、本開示の真の趣旨および範囲から逸脱することなく、種々の変更が行われてもよく、均等物に置換されてもよいことが当業者によって理解されるべきである。更に、多くの修正が、本開示の趣旨および範囲から逸脱することなく、特定の状況、指示、材料、および物質の組成物、１つまたは複数のプロセスステップに適応するために行われてもよい。全てのこうした修正は、添付の特許請求の範囲内にあることを意図される。

Claims (25)

1. フィルター流れ管理システムであって、
   入口を有するカートリッジであって、前記入口を通して、流体流が前記カートリッジに導入されることができる、カートリッジと、
   前記カートリッジ内に位置し、前記流体流から微粒子を除去するように設計された複数のチャネルであって、少なくとも１つのチャネルは、前記流体流を受取るために前記入口と流体連通状態にある、複数のチャネルと、
   リザーバであって、前記少なくとも１つのチャネルを通って流れる流体流は、前記リザーバ内へ方向付けられ、その後、少なくとも１つの他のチャネルに入るように方向転換されることができる、リザーバと
   を備える、フィルター流れ管理システム。
2. 前記入口または前記リザーバのうちの少なくとも一方は、前記カートリッジ内に一体形成される、請求項１に記載のシステム。
3. 前記チャネルのうちの少なくとも１つは、前記チャネルの内側表面または外側表面上に位置決めされた分子分離膜を含む、請求項１に記載のシステム。
4. 前記複数のチャネルのうちの少なくとも１つ内を流れる流体濃縮液が前記カートリッジを出ることを可能にするための出口を更に備え、前記流体濃縮液は、前記チャネルによって除去された前記微粒子を含む前記流体流の一部分を含む、請求項１に記載のシステム。
5. 少なくとも１つの更なるリザーバを更に備え、前記複数のチャネルのうちの少なくとも１つを通って流れる流体流は、前記少なくとも１つの更なるリザーバ内へ方向付けられ、その後、少なくとも１つの更なるチャネルに入るように方向転換されることができる、請求項１に記載のシステム。
6. ハウジングを更に備え、前記ハウジングは、前記チャネルからしみ出るろ過液を収集するために前記ハウジング内に位置決めされた前記カートリッジを有し、前記ろ過液は、前記流体流の一部分を含み、前記微粒子は、前記チャネルによって除去されている、請求項１に記載のシステム。
7. 前記カートリッジと直列に配置された第２のカートリッジを更に備え、それにより、前記カートリッジの出口から出る流体流は、前記第２のカートリッジの第２の入口に導入される、請求項１に記載のシステム。
8. ハウジングを更に備え、前記ハウジングは、前記チャネルからしみ出るろ過液を収集するために前記ハウジング内に位置決めされた前記カートリッジと前記第２のカートリッジの両方を有し、前記ろ過液は、前記流体流の一部分を含み、前記微粒子は、前記チャネルによって除去されている、請求項７に記載のシステム。
9. 前記カートリッジと並列に配置された第２のカートリッジを更に備え、それにより、前記流体流は、前記カートリッジの前記入口と前記第２のカートリッジの第２の入口に同時に導入される、請求項１に記載のシステム。
10. ハウジングを更に備え、前記ハウジングは、前記チャネルからしみ出るろ過液を収集するために前記ハウジング内に位置決めされた前記カートリッジと前記第２のカートリッジの両方を有し、前記ろ過液は、前記流体流の一部分を含み、前記微粒子は、前記チャネルによって除去されている、請求項９に記載のシステム。
11. 前記カートリッジの第１の端部と流体連通状態にある第１のマニホルドと、
    前記カートリッジの第２の端部と流体連通状態にある第２のマニホルドと
    を更に備える、請求項１に記載のシステム。
12. 前記リザーバは、前記第１のマニホルドまたは前記第２のマニホルドのうちの少なくとも一方内に形成される、請求項１１に記載のシステム。
13. 前記第１のマニホルドおよび前記第２のマニホルドのうちの少なくとも一方は、前記カートリッジに取外し可能に係合可能である、請求項１１に記載のシステム。
14. ろ過システム内の流れを管理するための方法であって、
    カートリッジに流体流を導入するステップであって、前記カートリッジは、前記カートリッジの入口に前記流れを方向付けることによって前記流体流から微粒子を除去するように設計された複数のチャネルを有する、導入するステップと、
    前記入口と流体連通状態にある少なくとも１つのチャネルを通して前記流体流を流すステップと、
    前記少なくとも１つのチャネルと流体連通状態にあるリザーバ内に前記流体流を方向付けるステップと、
    前記流体流を少なくとも１つの他のチャネルに入るように、前記リザーバによって方向転換させるステップと
    を含む、方法。
15. 前記流体流を、前記複数のチャネルのうちの少なくとも１つから少なくとも１つの更なるリザーバ内へ方向付けるステップと、
    前記流体流を少なくとも１つの他のチャネルに入るように、前記少なくとも１つの更なるリザーバによって方向転換させるステップと
    を更に含む、請求項１４に記載の方法。
16. 前記チャネルから出て通るろ過液を、前記カートリッジの周りに位置決めされたハウジング内に収集するステップを更に含み、前記ろ過液は、前記流体流の一部分を含み、前記微粒子は、前記チャネルによって除去されている、請求項１４に記載の方法。
17. 前記複数のチャネルのうちの少なくとも１つから出口に流体濃縮液を方向付けることによって、前記カートリッジから前記流体濃縮液を出すステップを更に含み、前記流体濃縮液は、前記チャネルによって除去された前記微粒子を含む前記流体流の一部分を含む、請求項１４に記載の方法。
18. 第２のカートリッジの第２の入口に前記流体濃縮液を方向付けることによって、前記第２のカートリッジに前記流体濃縮液を導入するステップを更に含む、請求項１７に記載の方法。
19. 前記チャネルから出て通るろ過液を、前記カートリッジおよび前記第２のカートリッジの周りに位置決めされたハウジング内に収集するステップを更に含み、前記ろ過液は、前記流体流の一部分を含み、前記微粒子は、前記チャネルによって除去されている、請求項１８に記載の方法。
20. 前記ろ過液は、水または水蒸気のうちの少なくとも一方を含む、請求項１４に記載の方法。
21. フィルター流れ管理システムであって、
    第１のマニホルドであって、流体流を、前記流体流から微粒子を除去するために設計された複数のチャネルを有するカートリッジ内に位置する第１の群のチャネル内へ方向付けるための、前記第１のマニホルドを通して延在する入口を有する、第１のマニホルドと、
    前記流体流を、前記第１の群のチャネルから受取り、前記カートリッジ内に位置する第２の群のチャネルに入るように方向転換させるように構成された第１のリザーバを有する第２のマニホルドと、
    前記システムから流体濃縮液を出すための、前記第１または第２のマニホルドを通して延在する出口とを備え、前記流体濃縮液は、前記チャネルによって除去された前記微粒子を含む前記流体流の一部分を含む、システム。
22. 前記第１および第２の群のチャネルは、同じ数のチャネルを有する、請求項２１に記載のシステム。
23. 前記第１および第２の群のチャネルは、異なる数のチャネルを有する、請求項２１に記載のシステム。
24. 前記複数のチャネルのうちの少なくとも１つは、前記チャネルの内側表面または外側表面上に位置決めされた分子分離膜を含む、請求項２１に記載のシステム。
25. 前記第１のおよび／または第２のマニホルド上に画定された奇数のリザーバを備え、前記出口は、前記第２のマニホルドを通して延在する、請求項２１に記載のシステム。

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