JP2020525264A - 逆浸透装置のリジェクト弁 - Google Patents

Abstract

汽水の逆浸透装置に特に適しており、１５バール未満の低いシステム圧力を必要とする、逆浸透装置のリジェクト弁。この弁は、システム圧力を、リジェクト流の予め定義された範囲内で実質的に一定に保つ。流入チャネル（１３）のサイズは、チャネル（１３）を決して完全に閉鎖しないばね動作の円錐（４）によって調節され、この円錐は、流入の圧力が、ばね（６）によって調整される圧力の約３／４まで上昇し、最大リジェクト流量において優勢になるまで、一定の絞りを形成する。この動作は、構造的に調整される、円錐（４）のシャフト（７）の上で、本体（１）の内壁に当接する横プレート（５）が固定的に支持され、内壁は、圧縮ばね（６）によって押圧されたときに、円錐がその最も低い位置にある本体（１）の端部に接続された要素（１３）の端部によって支持される。プレート（５）は、流れを可能にするチャネル（２）を有する。流れの圧力は、すべての状況において、円錐ニードル（４、５、７）のほぼ表面全体上へ方向付けられ、円錐（４）は、移動するときに、逆浸透モジュールの圧力が実質的に一定のままであるように動的に流れチャネルを調節する。【選択図】図５

Description

リジェクト流を絞り、システム圧力を所定のレベルに、かつ実質的に一定に維持する、逆浸透装置のリジェクト弁。

高圧ポンプによって水がモジュールに送給されている間、リジェクトとして逆浸透モジュールから出る流れを絞ることによって、モジュール内の優勢な圧力を調節することができることが知られている。モジュールは、従来の規格化された管状圧力容器及びその内部の逆浸透膜を指す。塩水の流れがモジュールを通過するときに、膜が塩水から真水を分離する。真水が分離された残りの濃縮物はリジェクトと呼ばれている。

逆浸透ユニットは、直列及び／又は並列に接続されたいくつかのモジュールを備えることができるが、システムのリジェクトは、１つのチャネルを通って出て、チャネルでは、このリジェクト弁によって作成される絞りによって、システムの圧力が決まり、その結果として供給ポンプの背圧も決まり得る。

逆浸透システムでは、膜のタイプが、供給流量の限界値を決定する。リジェクトの流量は、常時、供給流量よりも少ない。これらの関係は、供給流量、モジュールの数、供給水の塩分、システム圧力、及び温度によって決まる。水中に溶解した固体物質、主に塩（ＴＤＳ＝総溶解固形物）の濃度が高くなるにつれて、水の浸透圧が高くなる。膜が塩水から真水を分離するためには、モジュール内の優勢な圧力は、モジュールを通って流れる濃縮物の浸透圧よりも高くなければならない。膜によって分離される真水は、その収量と呼ばれる。

流れを絞る孔などの一定の絞りがリジェクト側に使用される場合、モジュールの数を変化させた場合に、システム圧力は変化するが、供給流量は変化しないままである。水中塩分が変化した場合にも同じことが起こる。これは、これらの状況において、膜の収量が変化し、それに応じてリジェクト量が変化するという事実に起因する。

一定の絞りは、供給流量が一定であり、かつ膜の収量が一定のままである状況においてのみ適している。一定の絞りを使用すると、水の温度が変化するにつれて膜の収量が変化し、収量もまた、膜が老朽化するにつれて減少し、それに応じて、供給流に対するリジェクト量が増加する、という不利な点も生じる。

塩分の低い汽水用で、かつその収量が１時間あたり数十リットルである小型の逆浸透装置では、リジェクト流を絞る弁としては、一般に、手動調節可能なニードル弁が使用され、これは、システムを始動したときに所望の絞りレベルに調節される。実際の不利な点は、システムがしばらくの間使用された時点でしか膜の収量が安定し始めないことである。絞り弁では、塩スケールも回収する場合があり、スケールは、その流れ断面を変化させる。

実際には、手動絞り弁は、逆浸透システムの圧力の常時監視及び圧力の調整を必要とする。

本発明によるリジェクト弁は、上述した不利な点を回避する。本発明は、低塩分の水（ＴＤＳが１０，０００ｍｇ／リットル未満）及び１５バール未満のシステム圧力に極めて適している。この弁は、自動的かつ動的に動作して、システム圧力を、予め定義されたリジェクト流量範囲内の所望の所定のレベルに保つ。この特徴のため、この弁は、インバータを介して、さらにはバッテリを伴うことなく太陽エネルギー又は風エネルギーを使用して、逆浸透ユニットの高圧ポンプの電気モータを使用することができるようにし、得られたエネルギーに従って供給ポンプのＲＰＭ、及びそれに応じて供給流量が変化し、その結果、それに応じて、単位時間内にシステムによって生成される真水及びリジェクト量が変化する。

構造的に、圧力逃し弁、安全弁、バイパス弁、及びチェック弁などのばね動作の弁は、すべてが互いに類似しているが、それらの動作原理及び用途は異なる。本発明による弁は、図１の従来のチェック弁及び図２のバイパス弁と最も類似している。管状本体内で、チェック弁は、流れを破断する壁と、円錐要素によって閉鎖される壁内の円形の流れ孔と、を有する。他方の端部で本体に支持される圧縮ばねが、円錐を孔の外周に押しつける。ばねは、流入によって円錐の上へ方向付けられた圧力が、円錐を所定の位置に保つばねのクラッキング力程度に大きくなるまで、円錐を所定の位置に保つ。このチェック弁の特徴は、チャネルがスキップするような様態で開くことである。これは、弁が閉じられたときに流れの圧力が方向付けられる円錐の表面が、チャネルが開くと即座に増加するという事実に起因し、それはこの時点で加圧流が円錐全体の側面に位置するからである。この後に、円錐の上へ方向付けられる圧力が減少する。弁が開くと、円錐の周囲の流れ圧力が急速に減少して、ばね力が円錐を後方に押し、次いで、圧力の増加をもたらすので、チェック弁の動作には、流入量が十分に高いことが重要である。流入量が低いと、円錐は、孔にハックし始める。チェック弁の円錐の頂角は、弁が閉じられた場合に、ばねによって押圧されたときに円錐が流れ開口内にはまり込まない程度の大きさ、好ましくは鈍角でなければならない。チェック弁は、圧力の調整にはほとんど適しておらず、その目的は、流入にできるだけ抵抗しないこと、並びに流れが戻ってきたときにチャネルを閉鎖することである。

次に、入力側への圧力が増加して、入力側に規定された制限を超えたときに、バイパス弁が開く。バイパスは、圧力ポンプのエネルギーを無駄にする。

チェック弁に関して、本発明によるリジェクト弁の特徴はまた、流れが一方の端部から導かれ、他方の端部から出る、本体の直線状の管状構造であり、本体は、圧縮ばねによって流れチャネルの断面に作用する円錐を含む。本体は、ねじ接続によって流れの入口パイプ及び出口パイプに取り付けられる。その他の点では、上述した弁と目的、構造、及び動作原理において大幅に異なる。流れチャネルの貫流の大きさは、式Ｑ＝Ｃ_Ｄ・Ａ・（２ｇ・Ｈ）^１／２から近似的に得ることができ、式中、Ｑは、［ｍ^３／ｓ］であり、Ｃ_Ｄは、チャネルの形状に応じた定数であり、Ａは、［ｍ^２］であり、ｇは、９．８１ｍ／ｓ^２であり、Ｈは、メートルでの圧力の高さであり、１０バールは、１００ｍに対応する。しかしながら、計算内の数字は、ｃｍ^３及びｍｍ^２のスケールに変換しなければならない。この式から、一定の絞りを使用して、流量が例えば４０パーセント増加したときに、圧力が１００パーセント増加することが明らかである。一方で、それに応じて、チャネルの断面を４０パーセント増加させた場合、圧力は、一定のままとなる。円錐及び孔によって形成された流れの環状断面は増加し、円錐の上昇に対してパーセンテージで流れの断面が少なくなり、円錐が初期状態から上昇する。

周知の技術を示す。その構造が本発明と最も類似する、従来のチェック弁である。 周知の技術を示す。本発明と最も類似するバイパス弁である。 本発明による弁の構造及び動作原理を示す。軸方向の弁の断面であり、弁の基本構造を示す。 本発明による弁の構造及び動作原理を示す。弁がその動作環境にどのように接続されるのかを示す。 本発明による弁の構造及び動作原理を示す。流れを動的に調節する弁を示す。

発明の実施するための形態

以下、添付の図３〜図５を参照しながら、本発明及びリジェクト弁の構造を例を用いて説明する。

図３は、軸方向におけるリジェクト弁の断面を示す。本体１は、自由移動する円錐ニードル４、５、７を含み、そのシャフト７の上には、本体１の内壁に当接するプレート状要素５（以下、制限プレート）が固定的に支持される。円錐４側の制限プレート５の縁部上には、環状ワッシャ９又は対応する立ち上がりが存在する。ガイドプレート８は、本体１の内壁に取り付けられておらず、その周囲に当接している。孔の中央において、その外周は、円錐４のシャフト７に当接し、対応するワッシャ１０を有する。これらのワッシャ９、１０は、プレート５及び８の不可欠な部分を形成する。シャフト７の周囲の、制限プレート５とガイドプレート8との間には、圧縮ばね６が存在する。プレート５、８は、円錐の軸方向の移動をガイドする。これが、弁の基本構造である。

図４において、弁の本体１は、その端部において、ねじ山によって標準パイプコネクタ１１、１２に接続される。これらのコネクタは、規格化された断面を有するチャネル１３、１４を有し、コネクタから異なる大きさが選択される。弁の本体１及び円錐４は、選択したコネクタに対して適切に寸法決定される。コネクタ１１、１２が本体１に設置されると、ばね６をプレート５と８との間で圧縮し、プレート５、８は、ばね６によって押圧されたときに、コネクタ１１、１２の端部によって支持される。同時に、円錐４は、コネクタ１１の流れチャネル１３を予め定義された程度まで閉鎖し、制限プレート５は、円錐４が、チャネル１３に深く入り込むことを防止する。この状態において、円錐４は、その最も低い位置にあるが、チャネル１３を完全に閉鎖しておらず、代わりに、決定された流量まで貫流を常時可能にする。以下、円錐４がその最も低い位置にあると述べられているとき、述べられている状態そのままを意味し、弁の一定の絞り状態でもある。制限プレート５のスキッド９の高さ及び円錐角の大きさを使用して、流入チャネルの流れを可能にする最小断面を規定することができる。制限プレート５の中には、流れを可能にする１つ以上のチャネル２が配設され、その断面は、円錐４によって調節されるチャネルの流れの最大断面よりも実質的に大きい。ガイドプレート８は、対応するチャネル２を有する。

リジェクト弁が貫流を常時可能にするという事実はまた、高圧ポンプが始動したときにシステム内の圧力が、膜に好ましいように、より緩やかに増加し、また、いわゆるウォーターハンマーも生じ得ないので、逆浸透システムにも好ましい。システムが停止すると、モジュール内にはいかなる圧力も残らず、これは、モジュールの表面への塩のスケーリングの可能性を減少させる。

円錐４が流れチャネルをより広く開き始める直前に、貫流量によって生じる圧力は、システムのリジェクト流の最大圧力の好ましくは７５％±２０％である。次に、最大圧力は、最大リジェクト量によって、すなわち、供給流量がその最大限であるときに達成される。次に、最大供給流量は、供給ポンプに対する量的特徴である。最大リジェクト量は、供給流量に加えて、システム圧力、温度、膜の種類、及び水中塩分によっても決まる。円錐４及びチャネル１３によって形成された、最大リジェクト流の流れチャネル１３の断面は、寸法決定条件において流入圧力が実質的に所望のシステム圧力の大きさであるように、円錐４及びばね６によって規定することができる。弁が流れを常時可能にするので、流入の圧力がその上へ方向付けられる円錐ニードル４、５、７の表面領域全体は、実質的に変化せず、したがって、流量が増加したときの円錐４の移動は、比較的少なく、かつ極めて均一であり、円錐ニードル４、５、７は、低流量であっても、前後にハックしない。

図５は、流れを動的に調節する弁を示す。

ポンプの供給流が十分に増加すると、円錐４が移動し始め、それに応じてばね力が増加すると、ばね６が圧縮し始める。円錐４は、流入がその最大限であるときに、その最大限まで上昇する。この場合、逆浸透モジュールは、動作圧力を達成している。

弁のばね力の大きさは、逆浸透システムにおいて、供給ポンプによって生成される最大流量で、結果的に、最大リジェクト流で、ばね６が最大限に圧縮され、環状流れチャネルの大きさが、絞りによって流れの供給側に所望の大きさの圧力を生じさせるように決定される。このチャネルの大きさは、数学的に近似的に計算することができるが、実際に、正確には、リジェクト流量に関する所望のばね力は、実験的な試験の結果としてのみ得ることができる。リジェクト流量の範囲もまた実験的に決定することができ、それによって、全く同じ弁は、十分な精度で目標のシステム圧力を提供する。弁の特別な構造はまた、円錐４の頂角が鋭角であり得るようにし、その際、流れを動的に調節する円錐４の特徴は、円錐が流れ開口部内を移動するときに良好である。円錐４がその最低位置からその最高位置まで上昇するとき、円錐の移動は、わずかであり、その結果、ばね力の変化はわずかであり、システム内の圧力は実質的に一定のままである。

Claims (2)

1. リジェクト流を絞り、システム圧力を所定のレベルに、かつ実質的に一定に維持する、逆浸透装置のリジェクト弁であって、前記弁は、前記流れが一方の端部から導かれ、他方の端部から出る、直線状の管状本体（１）を含み、前記本体（１）が、円錐要素（４）（以下、円錐）のシャフト（７）の周囲に設置された予め張力をかけた圧縮ばね（６）によって入口チャネル（１３）の断面に作用する前記円錐（４）を含み、前記ばね（７）が、前記円錐（４）の対向端部において前記本体（１）に間接的に支持され、前記円錐（４）が、前記本体（１）の第１の端部にねじ接続されている第１要素（１１）の中央の孔である前記入口チャネル（１３）を決して完全に閉鎖しないことを特徴とし、前記円錐（４）の前記シャフト（７）の上には、前記圧縮ばね（６）によって押圧されたときに前記第１要素（１１）の端部によって支持される制限プレート（５）が固定的に支持されるように配設され、前記制限プレート（５）は、前記円錐（４）が前記チャネル（１３）により深く入り込むことを防止し、前記制限プレート（５）の中には、この状態での流れも可能にする流れチャネル（２）が配設され、前記流れチャネル（１２）の断面が、その最大値において前記円錐（４）によって調節される前記チャネルよりも大きく、ばね力は、流れの圧力が前記ばね（６）によって規定されるシステムの最大圧力の７５％±２０％に到達するまで、前記リジェクト流が一定の絞りを有するように調節され、前記円錐（４）が、移動し始めて、前記流量の変化に従って前記チャネルの流れ断面を動的に調節する、逆浸透装置のリジェクト弁。
2. 前記円錐（４）の前記シャフト（７）が、前記本体（１）の内壁に当接しているガイドプレート（８）によってガイドされ、前記プレート（８）の中央には、円錐ニードルの前記シャフト（７）に当接している孔が存在し、前記シャフト（７）は、前記孔を通って自由に移動することが可能であり、前記ガイドプレート（８）が、前記ばね（６）によって押圧されたときに、ねじ接合部によって前記本体（１）の前記他方の端部に接続された第２要素（１２）によって支持され、前記ガイドプレート（８）の中には、流れチャネル（５）が配設されていることを特徴とする、請求項１に記載の弁。
   

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