JP2023518086A - 浸透を用いて仕事を行う方法 - Google Patents

Abstract

本願は、浸透を利用して仕事を行う方法およびモータに関する。本方法は、供給チャンバと、少なくとも１つの入口および少なくとも１つの出口を含む圧力チャンバと、流体に対して透過性であり、塩イオンに対して少なくとも部分的に不透過性であり、供給チャンバと圧力チャンバとの間の流体連通を可能にする膜とを備えるモータを提供するステップと；次いで、供給チャンバにおいて低塩濃度流体を供給するステップと；圧力チャンバの出口を閉じるステップと；高塩濃度流体を圧力チャンバ内へと流すステップと；流体が膜を横断して圧力チャンバに入るにつれて圧力チャンバ内の圧力を増加させ、圧力チャンバ内の増加した圧力を使用して仕事を行うステップと；次いで、圧力チャンバの出口を開き、流体を圧力チャンバから排出させ、圧力チャンバ内の圧力を低下させるステップとを含む。

Description

背景
本発明は、浸透を用いて仕事を行う方法および浸透モータに関する。

近年、クリーンなエネルギーの生産の需要が指数関数的に増大している。太陽エネルギーおよび風力エネルギーなどの多くの異なる再生可能エネルギー源は、経済的依存性を徐々に非再生可能エネルギー源から離れるようにシフトするように実現されつつある。別のタイプの再生可能エネルギー源、すなわち、浸透勾配からのエネルギー生成は、これまで、エネルギー転換の一部として十分に利用されてこなかった。

浸透モータまたは浸透エネルギー生成の概念は既知であり、さまざまな構成で実現されてさえいる。浸透エネルギー生成のための戦略的な場所は、河川と塩水域との間の接続点、すなわち河川口である。そのような場所は、豊富かつ連続的に補充される淡水および塩水の両方の供給を提供する。したがって、河川口における塩水と淡水との自然混合は、連続的に行われる。しかしながら、この浸透混合プロセスは、まだ、充分に信頼性が高く強力なエネルギー供給がそこから生じるようには制御できない。

太陽および風などの他のクリーンなエネルギー源とは対照的に、塩水と淡水との浸透混合は連続的に起こり、気象条件とはほとんど無関係である。したがって、浸透エネルギー生成は、他のクリーンエネルギー技術を補完することができる信頼性の高いエネルギーの定常流の利益を提供する。

しかしながら、既知の方法の特定の制限は、浸透エネルギー生成の効率を高めることに対する課題を与え、従って、これまで、この有利な技術の利用不足につながっていた。

例えば、ＵＳ２０１８／００８５７０８ Ａ１、ＵＳ ２０１４／０００７５６４ Ａ１、ＫＲ １０１２３９４４０ Ｂ１およびＷＯ ２０１１／０６４２５２ Ａ１は、浸透エネルギー生成の特定の概念を示唆する。これらの概念は、圧力遅延浸透、すなわち、特定の高められた圧力条件を維持することに基づく。しかしながら、これらの概念は、正味のエネルギー生産の点で不利であり得る。

本発明の目的は、浸透を用いて仕事を行うための方法を提供すること、およびこの技術の現在の限界に対処する浸透モータを提供することである。

概要
この目的は、独立請求項の特徴によって達成される。従属請求項は、本発明の好ましい局面を指す。

第１の局面によれば、本発明は、浸透を用いて仕事を行う方法に関し、
ｉ）供給チャンバと、少なくとも１つの入口および少なくとも１つの出口を含む圧力チャンバと、流体、好ましくは水に対して透過性であり、かつ少なくとも部分的に塩イオンに対して不透過性の膜とを備え、膜は供給チャンバと圧力チャンバとの間の流体連通を可能にするモータを提供するステップと、
ｉｉ）供給チャンバ内に低塩濃度流体、好ましくは低塩濃度水を供給するステップと、
ｉｉｉ）圧力チャンバの少なくとも１つの出口を閉鎖するステップと、
ｉｖ）高塩濃度流体、好ましくは高塩濃度水を圧力チャンバ内へと流すステップと、
ｖ）流体が膜を横断して圧力チャンバに入るにつれて圧力チャンバ内の圧力を増加させるステップと、
ｖｉ）圧力チャンバ内の増加した圧力を使用して仕事を行うステップと、
ｖｉｉ）圧力チャンバの少なくとも１つの出口を開放し、流体を圧力チャンバから排出させ、圧力チャンバ内の圧力を減少させるステップと、
ｖｉｉｉ）ステップｉｉｉ～ｖｉｉを繰り返すステップとを含む、方法である。

好ましくは、少なくとも１つの出口は、ステップｉｉｉ）において封止される。
好ましくは、ステップｉｖ）、ｖ）、ｖｉ）は、逐次的に、好ましくはこの順序で行われる。

好ましくは、モータは、タービンをさらに備える。したがって、ステップｖｉは、圧力の増加により流体を圧力チャンバから流出させ、流体がタービンを動作させて仕事を行わせることをさらに含んでもよい。タービンは、水力発電システムにおけるように、加圧された流れを電気に変換する直接的な方法を提供する。圧力チャンバは、この目的のために固定容積を有してもよい。

代替として、圧力チャンバは、可変容積を有してもよく、好ましくは、圧力チャンバはさらに、ピストンを備える。このような構成では、例えばピストンの移動による圧力チャンバの膨張および収縮を用いて仕事を行うことができる。

好ましくは、少なくとも１つの出口は弁を備え、本方法はさらに、弁を開いて、圧力チャンバ内の圧力の少なくとも一部を解放するステップを含み、弁から放出される流体の流れは、仕事を行うために使用される。弁を通る流れは、好ましくは断続的である。すなわち、圧力チャンバから断続的に流体を放出させて仕事を行ってもよい。

言い換えれば、（例えば、発電機において電気エネルギーを生成するために）仕事を行うために圧力チャンバから放出される流体の流れは断続的であってもよい。

より好ましくは、弁は逆止弁である。弁、特に過圧および／または逆止弁は、圧力チャンバへの逆流を防止するのを助けてもよい。弁は、所定の圧力に達すると、特に圧力チャンバ内で所定の圧力に達すると、開くように構成されてもよい。弁は、この目的のために完全に機械的であってもよい。代替的に、所定の圧力に達したかどうかを測定するために、１つ以上の圧力センサを設けることができ、所定の圧力に達すると、弁を（例えば、電気制御ユニットによって）開くことができる。

モータは、少なくとも１つのアキュムレータ、特に少なくとも１つの油圧アキュムレータを備えてもよい。このような油圧アキュムレータは、例えば、圧力チャンバから流体を断続的に放出して仕事を行う場合に有用であってもよい。特に、そのようなアキュムレータは、圧力チャンバからの断続的な流体供給にもかかわらず、タービンに供給される圧力を所望の範囲内に維持することを可能にし得る。アキュムレータは、圧力チャンバとタービンとの間に介在してもよい。

本方法はさらに、アキュムレータによって、圧力チャンバから生じる流出物において、あるレベルの圧力を蓄積および維持するステップを含んでもよい。言い換えれば、アキュムレータは、圧力チャンバからの流出物を受け取り、圧力を蓄積し、アキュムレータからの流出物において、あるレベルの圧力を維持してもよく、次いで、それは、（例えば、タービンを介して）仕事を行うために使用される。したがって、アキュムレータは、あるレベルの圧力を蓄積および維持するよう構成されてもよい。

少なくとも１つの出口は、圧力チャンバの少なくとも１つの流出ポートによって提供されてもよい。

圧力チャンバの少なくとも１つの出口は、少なくとも１つの第１の出口および少なくとも１つの第２の出口を含んでもよい。少なくとも１つの第１の出口は、圧力チャンバの少なくとも１つの第１の流出ポートとして形成されてもよく、少なくとも１つの第２の出口は、圧力チャンバの少なくとも１つの第２の流出ポートとして形成されてもよい。代替的に、少なくとも１つの第１の出口および少なくとも１つの第２の出口は、必要に応じて、共通の流出ポートを介して圧力チャンバに接続されてもよい。例えば、少なくとも１つの第１の出口および少なくとも１つの第２の出口は、少なくとも１つの入口および少なくとも２つの出口（例えば、デュアル出口弁または三方弁）を有する流体弁によって提供することもできる。いずれの場合も、少なくとも１つの第２の出口は、以下、「二次出口」または「二次出口ポート」とも呼ばれ得る。

少なくとも１つの第１の出口および少なくとも１つの第２の出口が提供されるとき、仕事を行うために使用される圧力チャンバ内の増加した圧力は、少なくとも１つの第２の出口（例えば、少なくとも１つの二次出口ポート）を通して解放されてもよい。したがって、ステップｖｉ）は、少なくとも１つの第２の出口を通る高圧流を利用して仕事を行うことを含んでもよい。したがって、浸透を用いて仕事を行う方法は、少なくとも１つの第２の出口を開放して、少なくとも１つの第２の出口を通して高圧流を放出して仕事を行うステップを含んでもよい。第２の出口は、ステップｖ）の間、閉鎖および／または封止されてもよい。

少なくとも１つの第１の出口および少なくとも１つの第２の出口が提供されるとき、少なくとも１つの第１の出口は、圧力チャンバから流体を排出すること、例えば、仕事を行うために使用されることが意図されない流体を排出することを可能にしてもよい。言い換えると、少なくとも１つの第１の出口を介して圧力チャンバから排出する流体は、仕事収穫および発電を迂回してもよい。したがって、浸透を用いて仕事を行う方法は、少なくとも１つの第１の出口を開放し、それによって圧力チャンバから流体を排出するステップを含んでもよい。第１の出口は、ステップｖ）の間、閉鎖および／または封止されてもよい。第１の出口は、ステップｖｉ）の間、閉鎖および／または封止されてもよい。

少なくとも１つの第１の出口および少なくとも１つの第２の出口は各々、それぞれの閉鎖可能および／または封止可能な弁（例えば、過圧および／または逆止弁）を設けられてもよい。

少なくとも１つの第１の出口および少なくとも１つの第２の出口は、各々、前述のように、それぞれの閉鎖可能および／または封止可能弁（例えば、過圧および／もしくは逆止弁、または電気作動弁）を設けられてもよい。したがって、それぞれの出口を閉鎖および／または封止することは、それぞれの弁を閉じることを含んでもよい。

好ましくは、ステップｉｉｉ～ｖｉｉｉは、少なくとも２回／時、より好ましくは少なくとも１０回／時、より好ましくは少なくとも２０回／時、さらにより好ましくは少なくとも６０回／時繰り返される。これは、仕事を行うためにそのような弁を通る適切な断続的な流れおよび／またはそのようなピストンの適切な断続的な移動を提供することを可能にする。

好ましくは、少なくとも１つの入口は少なくとも１つの流入ポートである。
好ましくは、モータは、供給チャンバと圧力チャンバとの間の流体の交換を可逆的に遮断するよう構成される浸透障壁をさらに備える。本方法はさらに、供給チャンバと圧力チャンバとの間の流体流動が防止されるように、膜の上に浸透障壁を位置付けるステップと、増加した圧力を使用して仕事を行った後に、浸透障壁を除去するステップとを含んでもよい。浸透障壁は、圧力チャンバ内の高塩濃度流体の補充と圧力チャンバ内の圧力の蓄積とを分離するのに役立ち得る。

膜を横断する流体による圧力チャンバの充填（ステップｖ）中、圧力チャンバ内で達成される最大圧力は、大気圧に対して少なくとも０．３ＭＰａ（「ゲージ」とも呼ばれる）、より好ましくは少なくとも１．３ＭＰａ（ゲージ）、さらにより好ましくは少なくとも３ＭＰａ（ゲージ）または少なくとも４ＭＰａ（ゲージ）であることが好ましい。この圧力は、膜を通って流れる水の量が最大理論浸透圧から圧力チャンバ内の圧力を引いたものに比例するので、最大理論浸透圧より低くてもよい。エネルギー生成中の圧力チャンバ内の圧力は、システムの最大理論浸透圧よりも少なくとも１０％低いことが好ましく、少なくとも２５％低いことがより好ましく、少なくとも５０％低いことが最も好ましい。

また、低塩濃度流体の供給チャンバへの流入は、圧力チャンバが空であるか、または１ＭＰａ（ゲージ）未満、より好ましくは１００ｋＰａ（ゲージ）未満、より好ましくは１．０ｋＰａ（ゲージ）未満、または大気圧でさえある圧力にある間に行われることが好ましい。

ステップｉｖにおける圧力チャンバ内への高塩濃度流体の流入中、圧力チャンバ内の圧力は、１ＭＰａ（ゲージ）未満、１００ｋＰａ（ゲージ）未満、またはさらには１．０ｋＰａ（ゲージ）未満、またはさらには大気圧であることが好ましい。

チャンバ充填のための低い圧力と仕事を実施するためのより高い圧力との間で交互することは、浸透モータシステムのより高い効率を達成するのに役立ち得る。ステップｖの開始時に高塩濃度流体を圧力チャンバに導入し、および／または膜を通る流体の流れを改善することは、仕事をまったく必要としないか、または必要とする仕事がより少なくてもよく、なぜならば、チャンバ間の圧力差が小さいとき、膜を通る流れはより高くなる傾向があるからである。特に、モータは、圧力チャンバもしくは供給チャンバのいずれかまたは両方のチャンバにおいて、チャンバ充填のための、より低い圧力と、流体が膜を横断する、より高い圧力との間で、交互してもよい。圧力チャンバは、チャンバ充填のための、より低い圧力と、流体が膜を横断する、より高い圧力との間で、少なくとも２回／時、より好ましくは少なくとも１０回／時、より好ましくは少なくとも２０回／時、さらにより好ましくは少なくとも６０回／時、交互してもよい。圧力チャンバ内のより高い圧力は、好ましくは、膜を横断することによって圧力チャンバに進入する流体に起因する。

好ましくは、本方法は、高塩濃度流体を圧力チャンバ内に流入させた後に圧力チャンバの入口（例えば、流入ポート）を封止するステップをさらに含む。入口（例えば、流入ポート）を封止することは、圧力チャンバ内の圧力の確実かつ再現可能な蓄積を促進してもよい。

好ましくは、低塩濃度流体は、５‰を下回る、より好ましくは１‰を下回る、さらにより好ましくは０．５‰を下回る塩濃度を有する。同様に、高塩濃度流体は、５‰を上回る、より好ましくは２０‰を上回る、さらにより好ましくは３０‰を上回る塩濃度を有することが好ましい。互いに関して、高塩濃度流体は、低塩濃度流体よりも少なくとも１００倍高い、より好ましくは少なくとも５００倍高い、さらにより好ましくは少なくとも１０００倍高い塩濃度を有することが好ましい。膜の低塩濃度側と高塩濃度側との間の高い浸透勾配は、より多くの仕事が行われることを可能にする。

傾斜および／または高さの差が、低塩濃度流体を供給チャンバ内へ、および／または高塩濃度流体を圧力チャンバ内へと流す流れおよび／または圧力を生成するために採用されてもよい。そのような流れまたは圧力は、好ましくは、電気エネルギーを使用せずに（例えば、ポンプを使用せずに）、および／または機械的エネルギーを使用せずに（例えば、モータによって生成される機械的エネルギーを使用せずに）、生成される。例えば、自然発生の流れまたは圧力が、低塩濃度流体を供給チャンバ内へ、および／または高塩濃度流体を圧力チャンバ内へと流すために使用される。例えば、低塩濃度流体は重力によって供給チャンバに流入し、および／または高塩濃度流体は重力によって圧力チャンバに流入することが好ましい。同様に、流体は重力によって圧力チャンバから排出されることが好ましい。浸透モータシステムを通って流体を流すために勾配または圧力を使用することは、必要とされるエネルギー入力の量を低減し、その結果、本方法の全体的な効率を高める。

好ましくは、高塩濃度流体は、海水、廃水、またはブラインであり、ブラインは、好ましくは、逆浸透、蒸発プロセス、または凝縮プロセス等の脱塩プロセスから生じる。好ましくは、低塩濃度流体は河川からの淡水である。そのような流体源は、世界中で容易に見出され、浸透モータシステムの有用性を促進する。

好ましくは、圧力チャンバ内の圧力は、圧力チャンバからの流体が排出されるにつれて減少する。好ましくは、圧力チャンバ内の圧力は、仕事が行われるにつれて減少する。

供給チャンバは、ステップｉｉｉ～ｖｉｉの２回、５回、１０回、２０回、またはそれ以上の反復を通して充填されたままであってもよい。圧力チャンバの中へと横断する流体を補償するために、低塩濃度流体が、必要に応じて、供給チャンバに追加されてもよい。

好ましくは、ステップｖ中に圧力チャンバ内に蓄積される圧力は、１５分未満、より好ましくは１０分未満、さらにより好ましくは５分以下で生じる。

ステップｉｉｉ～ｖｉｉを繰り返すとき、ステップｖｉｉおよびｉｉｉにおける新しい高塩濃度流体による圧力チャンバの補充は、３分未満、好ましくは２分未満、より好ましくは１分未満または０．５分未満で行われる。

第２の局面によれば、本発明は、モータに関し、このモータは、
低塩濃度流体、好ましくは低塩濃度水の供給を受けるよう構成される供給チャンバと、
高塩濃度流体、好ましくは高塩濃度水の供給を受けるよう構成される圧力チャンバであって、少なくとも１つの入口および少なくとも１つの閉鎖可能な出口をさらに備える圧力チャンバと、
流体分子に対して透過性であり、塩イオンに対して少なくとも部分的に不透過性の膜であって、供給チャンバと圧力チャンバとの間の流体連通を可能にする膜とを備え、
圧力チャンバは、少なくとも１つの閉鎖可能な出口が閉鎖され、圧力チャンバ内に圧力が蓄積する閉鎖構成と、少なくとも１つの閉鎖可能な出口が開放され、圧力チャンバ内の圧力が減少する開放構成との間で交互するよう構成される。

モータは、上述の方法において使用されてもよい。モータの特徴は、本方法の特徴に移行してもよく、逆もまた同様である。

少なくとも１つの出口は、少なくとも１つの流出ポートであってもよい。少なくとも１つの出口は封止可能であってもよい。特に、少なくとも１つの流出ポートは、封止可能であってもよい。

少なくとも１つの入口は、少なくとも１つの流入ポートであってもよい。
モータは、仕事を行うよう構成されてもよい。特に、モータは、仕事を行うために、圧力チャンバ内で生成された増加した圧力を使用するよう構成されてもよい。

好ましくは、モータは、圧力チャンバと流体接続する発電機および／またはタービンをさらに備える。この場合、圧力チャンバの容積は一定であってもよい。

別の構成では、圧力チャンバは可変容積を有することが好ましい。好ましくは、このような圧力チャンバは、圧力チャンバの容積を可逆的に増加させるよう構成される膨張部をさらに備える。より好ましくは、圧力チャンバの膨張部はピストンである。

好ましくは、モータは、膜を通る供給チャンバと圧力チャンバとの間の流体の交換を可逆的に遮断するよう構成される浸透障壁をさらに備える。浸透障壁は、圧力チャンバ内の圧力の蓄積が制御され、場合によってはモータ仕事サイクルの特定の段階中にのみ起こることを可能にする。

好ましくは、圧力チャンバは、圧力チャンバから流体を解放するよう構成される弁をさらに備える。より好ましくは、弁は、上述のように、過圧および／または逆止弁である。

浸透膜は、３２，０００ｍｇ／ＬのＮａＣｌの試験塩濃度に、２５°Ｃで５．５ＭＰａの印加圧力で、および１０％の回収率で、供された場合、少なくとも９５％、より好ましくは少なくとも９８％、さらにより好ましくは少なくとも９９％の安定した脱塩率を提供することが好ましい。膜の有効性は、圧力チャンバ内の圧力蓄積の速度および達成され得る圧力チャンバ内の全圧力に関係する。より高い脱塩率は、より速い速度および全体的により高い達成可能な圧力をもたらす。

好ましくは、供給チャンバは、少なくとも１つの入口（例えば、少なくとも１つの入口ポート）および少なくとも１つの出口（例えば、少なくとも１つの出口ポート）をさらに備え、好ましくは、入口（例えば、入口ポート）および／または出口（例えば、出口ポート）は、封止可能である。供給チャンバ上の封止可能なポートは、供給チャンバが段階的および／または断続的に充填されるモータシステムを促進する。

好ましくは、モータは、少なくとも１００ワットのエネルギー、より好ましくは少なくとも１キロワットのエネルギー、さらにより好ましくは少なくとも１メガワットのエネルギーを提供するよう構成される。

好ましくは、圧力チャンバの閉鎖構成において、圧力チャンバ内で達成される最大圧力は、少なくとも１ＭＰａ、より好ましくは少なくとも２ＭＰａ、さらにより好ましくは少なくとも２．３ＭＰａである。より高い最大圧力は、より多くの量の仕事がモータによって行われることを可能にする。

好ましくは、圧力チャンバの開放構成において、圧力チャンバ内で達成される最小圧力は、最大で１ＭＰａ、より好ましくは最大で１００ｋＰａ、さらにより好ましくは最大で１．０ｋＰａである。チャンバの充填中の低圧は、高塩濃度流体の、より迅速な充填および補充を可能にする。

本発明はまた、上述のモータおよび電気エネルギーを生成するための発電機を含むシステムに関する。そのような発電機は、タービンを備えてもよい。モータは、上述の方法を実行するよう構成されてもよい。

本発明によれば、モータまたはそのようなモータを備えるシステムはまた、複数の圧力チャンバを備えてもよい。すべての圧力チャンバは、１つ、複数、または対応する数の浸透膜を介して、単一の（すなわち、同じ）供給チャンバに接続されてもよい。代替的に、複数の圧力チャンバは、１つの浸透膜、複数または対応する数の浸透膜要素を介して、複数の供給チャンバ、例えば対応する数の供給チャンバに接続されてもよい。複数の圧力チャンバは、エネルギーが１つの圧力チャンバ内で生成されない時間中に、別の圧力チャンバがエネルギーを生成し得る、という利点を有する。さらに、１サイクル中に生成されるエネルギーの量は、淡水が圧力チャンバ内の塩水を希釈するにつれて減少している。１サイクルが数分かかる場合、複数の圧力チャンバは、数秒毎に新たなサイクルが始まる動作モードを可能にする。

１つ以上の圧力チャンバは、１つ以上のタービン／発電機に接続されてもよい。したがって、上述のモータ／システムは、複数のタービンおよび／または発電機も備えてもよい。複数のタービンおよび／または発電機は、電流に対する様々な需要に対するシステムのより大きな適応性を可能にする。例えば、電流を生成するタービン／発電機の数は、電流の需要に応じて変えられてもよい。

したがって、上述の方法は、複数の圧力チャンバを有するモータに適用されてもよい。例えば、本明細書で説明される方法ステップは、複数の圧力チャンバのいずれかに、単独で、または複数の圧力チャンバの他の圧力チャンバと並列に適用されてもよい。方法ステップがいくつかの圧力チャンバに適用される場合、１つの圧力チャンバに適用される方法ステップは、１つまたはいくつかまたはすべての他の圧力チャンバと比較して時間的にシフトされてもよい。

いくつかのモータが並列に動作することも企図される。
本発明は、添付の図面に示される好ましい例示的な実施形態を参照して、以下の記載において、より詳細に説明される。

低圧構成における圧力チャンバを概略的に示す。 低圧構成において高塩濃度流体で満たされている圧力チャンバを概略的に示す。 高圧構成における圧力チャンバを概略的に描写し、膜を横断する流体の浸透輸送に起因して、圧力チャンバ内の圧力が蓄積し、その圧力を用いて、タービンを駆動することによって仕事を行う。 流体が圧力チャンバから排出されるときの低圧構成における圧力チャンバを概略的に示す。 圧力チャンバがピストンを備え、高塩濃度水が流入するときに圧力チャンバの入口が開放構成にある、モータの代替構成を概略的に示す。 膜を横切る流体の浸透輸送による圧力蓄積がピストンを動かす閉鎖構成にある図２ａの圧力チャンバを概略的に示す。 モータが浸透障壁をさらに備え、供給チャンバが入口弁および出口弁を備える、モータの別の構成を概略的に示す図である。 浸透モータの構成例を示す。

詳細な説明
本発明の方法およびモータの以下の説明において、「淡水」および「塩水」という文言は、単に便宜的に使用される。しかしながら、浸透圧、浸透勾配、および浸透モータの機能の原理は、淡水および塩水の特定の使用に依存しない。これらの文言は、低溶質濃度を含有する液体（淡水）および高溶質濃度を含有する液体（塩水）の略語として理解されるべきである。使用中の液体は任意の液体であってよく、使用中の溶質は、その液体をその溶質から分離することができる適切な膜を実現することができるという制約を考慮して、その液体に溶解可能な任意の物質であってよい。実際、淡水および塩水中の溶質の正確な濃度は、場所間で変動し得、淡水および塩水において暗示される溶質は、後により詳細に議論される多数の成分を含む。

図１は、本発明による浸透勾配を用いて仕事を抽出するステップを概念的に示す図である。図１ａでは、浸透モータの簡略化された例が概説されている。モータ１００は、供給チャンバ１１０と、少なくとも１つの入口１３０（ここでは流入ポートとして例示される）および少なくとも１つの出口を有する圧力チャンバ１２０と、浸透膜１５０とを含む。出口は、少なくとも１つの第１の出口１４０（ここでは、流出ポート１４０として例示される）と、任意選択的に、少なくとも１つの第２の出口１４４（ここでは、二次出口ポート１４４として例示される）とを含んでもよい。

供給チャンバ１１０は、淡水などの低溶質濃度を有する液体供給を受けるように構成される。供給チャンバ１１０の範囲は、図１ａには完全には描かれておらず、モータの必要性に適合するようにサイズおよび形状を適合させることができる。

供給チャンバ１１０に隣接して、塩水などの高溶質濃度を有する液体供給を受けるよう構成される圧力チャンバ１２０がある。この例において描写されるような圧力チャンバ１２０は、規定された容積を有し、この容積は、実行され得る仕事の量、すなわち、モータから抽出され得るエネルギーの量に関連する。

圧力チャンバ１２０の片側には、入口１３０が位置決めされている。入口１３０は、圧力チャンバ１２０内への塩水の流入を可能にする。圧力チャンバ１２０は、流体が後で圧力チャンバ１２０から排出されることを可能にする少なくとも１つの第１の出口１４０をさらに備える。第１の出口１４０は、好ましくは入口１３０の下に、例えば圧力チャンバ１２０の、入口１３０とは別の側に、より好ましくは圧力チャンバ１２０の、入口１３０と反対側に位置決めされる。第１の出口１４０はさらに、圧力チャンバ１２０内に流体を保持し、それによって、圧力を蓄積させ、および／または圧力チャンバ１２０を排水し、圧力を低減させることに役立つように動作され得る、弁１４３を備えてもよい。したがって、弁１４３は、第１の圧力チャンバ出口弁とも呼ばれ得る。

好ましくは、弁１３３が、入口１３０（例えば、入口ポート）を閉じるために設けられる。したがって、弁１３３は、圧力チャンバ入口弁とも呼ばれ得る。

供給チャンバ１１０と圧力チャンバ１２０との間には、浸透膜１５０が位置決めされ、これは、供給チャンバ１１０内の液体に対して透過性であり、圧力チャンバ１２０内の溶質に対して少なくともいくらか不透過性である。膜１５０は、液体が横切ることができる、供給チャンバ１１０と圧力チャンバ１２０との間の接続を形成するべきである。膜において浸透が生じることを可能にするために、供給チャンバ１１０と圧力チャンバ１２０との間で流体を連通させるのに、そのような膜のない他のチャネルは存在しないことが好ましい。

最初のステップとして、図１ａに示すように、供給チャンバ１１０内に淡水を供給する。このステップは、別個の充填ステップとして行われてもよく、または代替として、淡水が、供給チャンバ１１０を通して連続的に供給または流動されてもよい。淡水が別個のステップで供給される場合、圧力チャンバ１２０の少なくとも入口１３０は、例えば圧力チャンバ入口弁１３３を閉じることによって、閉鎖および／または封止されることが好ましい。好ましくは、出口１４０も、例えば、第１の圧力チャンバ出口弁１４３を閉じることによって、同様に閉鎖および／または封止される。

充填時に発生する仕事を利用することになるので、まず圧力チャンバ１２０を充填し、圧力チャンバ入口弁１３３を閉じ、次いで供給チャンバ１１０を充填することが好ましい。供給チャンバ１１０を毎サイクル排水する必要がないので、供給チャンバ１１０が少なくとも部分的に充填（例えば、少なくとも５０％充填）、または完全に充填される一方で、圧力チャンバ１２０を充填することも可能である。

図１ｂに示されるように、圧力チャンバ１２０の出口１４０は、閉鎖および／または封止され、入口１３０は、塩水が圧力チャンバ１２０に流入するように開放される。与えられた図において、クロスハッチングの密度は、液体内の溶質の濃度を示すことを意図している（正確な縮尺ではない）。したがって、このときの圧力チャンバ１２０内の液体は、供給チャンバ１１０内の液体よりも溶質濃度が高いことがわかる。

時間が経つにつれて、図１ｂと図１ｃとの間で移行が行われ、供給チャンバ１１０からの水が膜１５０を通過して圧力チャンバ１２０に入ることができ、それによって圧力チャンバ１２０内の溶質濃度が低減される。同時に、より多くの水が膜１５０を通過するにつれて、圧力チャンバ１２０内の圧力が上昇し始める。入口１３０（例えば、流入ポート）および出口１４０（例えば、流出ポート）の両方がこの段階で閉鎖されることが有利である。圧力チャンバ１２０内の上昇した圧力は、次いで、仕事を行うために使用されることができる。単なる例として、少なくとも１つの第２の出口１４４（ここでは二次出口ポート１４４によって例示される）が図１ａ～図１ｄに示されており、そこを通って液体は圧力チャンバ１２０を出ることができる。モータ内の高圧から仕事を抽出する１つの方法は、（例えば、二次出口ポート１４４において）少なくとも１つの第２の出口１４４を通る高圧流を利用して、図１ｃに黒い矢印で示されるようにタービン１６０を回転させることである。モータから仕事を取り出すための代替的な方法も論じられる。

図１ｄでは、出口１４０（例えば、流出ポート１４０）は開放されており、圧力チャンバ１２０内の流体が流出することを可能にする。圧力チャンバ１２０内の液体の望ましくない蓄積を防止するために、この時点で入口１３０（例えば、流入ポート１３０）を封止することも有利であってもよい。圧力チャンバ１２０内の圧力が許容可能に低いレベルに達し、圧力チャンバ１２０が実質的に空になると、出口１４０（例えば、流出ポート１４０）を再び封止することができ、次いでプロセスは図１ａのように再び開始する。

好ましくは、圧力チャンバ１２０内の圧力の蓄積は、塩水による圧力チャンバ１２０の充填から明確に分離される。これは、その場合、圧力チャンバの充填が圧力チャンバ１２０内の流体の圧力に抗して生じないため、非常に有益である。概して、浸透モータは、タービンを連続的に回転させることなどによって連続的に仕事を行うために一定不変の充填および一定不変の圧力を使用して動作する。しかしながら、２ステップ充填および圧力蓄積プロセスの本構成は、仕事出力において、より高い効率を可能にする。

言い換えれば、圧力チャンバ１２０の充填は（図１ｂ参照）、圧力チャンバ１２０内の圧力が圧力蓄積中に達成される圧力よりも低い間に行う（図１ｃ参照）ことが好ましい。好ましくは、圧力チャンバ１２０は、この目的のために少なくとも部分的に空にされる。例えば、圧力チャンバ１２０の充填は、圧力チャンバ１２０が、圧力蓄積中よりも少なくとも３０％、少なくとも５０％、少なくとも７５％少ない量の高塩濃度流体を含むときに実行（例えば開始）されてもよい。圧力チャンバ１２０は、高塩濃度流体が実質的に空であってもよい（図１ａ参照）。

例えば、少なくとも部分的に空になった（図１ｄを参照）後の圧力チャンバ１２０の充填中（図１ｂを参照）、圧力は、１ＭＰａ以下、１００ｋＰａ以下、またはさらには１．０ｋＰａ以下と低くてもよい。一方、膜を横断する流体による圧力蓄積中に圧力チャンバ１２０内で達成される最大圧力（図１ｃ参照）は、少なくとも０．３ＭＰａ、少なくとも１．３ＭＰａ、少なくとも３ＭＰａ、またはさらには少なくとも４ＭＰａであってもよい。

図１ａ～図１ｄを通して示される圧力チャンバ１２０を充填および空にするサイクルは、モータ１００による発電中に、少なくとも２回／時、より好ましくは少なくとも１０回／時、より好ましくは少なくとも２０回／時、さらにより好ましくは少なくとも６０回／時で実行されてもよい。少なくとも１つの入口１３０は、圧力チャンバ１２０に新しい高塩濃度流体をそれが少なくとも部分的に空になった後（例えば、圧力蓄積中の高塩濃度流体の量と比較した場合、少なくとも３０％、少なくとも５０％、または少なくとも７５％）、または完全に空になった後、迅速に、例えば３分未満、２分未満、１分未満、またはさらには０．５分未満以内に充分に補充されてもよいように構成されてもよい。

図１ａ～図１ｄにさらに示すように、少なくとも１つの第２の出口１４４は、弁１４５を備えてもよい。この弁１４５は、第２の圧力チャンバ出口弁とも呼ばれ得る。第２の圧力チャンバ出口弁１４５は、充分な圧力が蓄積されると、圧力チャンバ１２０から流体を放出および／または排出するように開かれてもよい。第２の圧力チャンバ出口弁１４５を通って圧力チャンバ１２０から放出される流れは、次いで、仕事を行うために（例えば、タービン１６０を介して）使用されてもよい（図１ｃ参照）。第２の圧力チャンバ出口弁１４５は、断続的に、例えば、圧力チャンバ１２０の各充填および排出サイクル中に少なくとも１回、開閉されてもよい。いくつかの例では、断続的な開閉は、弁１４５を各サイクル中に複数回、例えば最大１０回またはさらには１００回、開閉することを含んでもよい。

第２の圧力チャンバ出口弁１４５は、圧力チャンバ１２０内の所定の圧力に達すると自動的に開くように構成されてもよい。弁は、この目的のために、完全に機械的であってもよい。代替的または追加的に、１つ以上の圧力センサ（図示せず）が、所定の圧力に達したかどうかを測定するために圧力チャンバ１２０内に提供され得、所定の圧力に達すると、弁が（例えば、電気制御ユニットによって）開かれてもよい。第２の圧力チャンバ出口弁１４５はさらに、例えばタービン１６０および／またはアキュムレータから圧力チャンバ１２０への逆流を防止するために、逆止弁として構成されてもよい。そのようなアキュムレータは、以下で図４を参照してより詳細に論じられるが、当業者は、図１ａ～図１ｄおよび図３に示される構成に関連して使用されてもよいことを理解するであろう。

図１ａ～図１ｄに示すように、第２の圧力チャンバ出口弁１４５は、圧力チャンバ１２０の充填中（図１ｂ参照）、および／または圧力チャンバ１２０を空にする間（図１ｄ参照）、閉じられてもよい。

図１ａ～図１ｄは、圧力チャンバ１２０の少なくとも１つの第１の出口１４０および少なくとも１つの第２の出口１４４が２つの異なる位置に設けられていることを示しているが、第１および第２の出口の両方が共通のダクトを介して（例えば、共通の流出ポートを介して）設けられてもよいことが理解されるであろう。そのような構成は、図３に例示的に示されるが、図１ａ～図１ｄおよび図３に示される構成に関連して使用されてもよい。

図２は、方法およびモータの代替例を示す。モータ２００は、供給チャンバ２１０と、圧力チャンバ２２０と、供給チャンバ２１０内の流体を圧力チャンバ２２０内の流体から分離するが、それらの間で少なくとも１つの溶質の交換を可能にするための膜２５０とを備える。圧力チャンバ２２０には、入口２３０（ここでは流入ポート２３０として例示する）と出口２４０（ここでは流入ポート２４０として例示する）とが設けられている。

図２ａでは、高塩濃度流体（例えば、塩水）は、入口２３０を通って（例えば、流入ポートを通って）圧力チャンバ２２０に流入される。出口２４０（例えば、流出ポート）は、閉鎖および／または封止される。図示の供給チャンバ２１０は、圧力チャンバ２２０を取り囲み、浸透膜２５０によって圧力チャンバ２２０から分離される。しかし、供給チャンバ２１０は、代替的に、圧力チャンバ２２０に単に隣接して配置されてもよい。

この構成では、モータは、圧力チャンバ２２０内に位置付けられ、その中で摺動可能である、ピストン２７０も備える。図２ａに示されるモータ２００の構成では、ピストン２７０は、ほんの少量の塩水が圧力チャンバ２２０内に提供されるため、入口２３０に近接している。

図２ｂに示すように、入口２３０（例えば、流入ポート）および出口２４０（例えば、流出ポート）が流量容量において低減されるかまたは完全に封止されている間に、淡水が供給チャンバ２１０に流入する。膜２５０を横断する浸透勾配により、水が、浸透膜２５０を横断することによって、供給チャンバ２１０から圧力チャンバ２２０に流入する。より多くの水が圧力チャンバ２２０に入るにつれ、圧力チャンバ２２０内の圧力は上昇する。図１に示される方法とは対照的に、圧力チャンバ２２０は、圧力チャンバ２２０内の容積を増加させるために、ピストン２７０が圧力チャンバ２２０内の液体によって動かされてもよいという点で、可変容積を有する。

図１に描写されるステップと類似する後続ステップでは、圧力チャンバ２２０内の流体は、続いて、出口２４０（例えば、流出ポート）を通して排出され、ピストン２７０は、その初期位置に戻されることができる。ピストン２７０は、この状況において、圧力チャンバ２２０内の圧力の突然の降下によって引っ張られることによって、（例えば、ばねおよび／または重力によって）初期構成に向かって付勢されることによって、またはピストン２７０を再び前方に駆動する、ピストン２７０と関連する回転要素の運動量を通してのいずれかで、動かされてもよい。したがって、ピストン２７０の繰り返し運動を用いて仕事を行うことができる。

この構成では、モータの圧力チャンバ２２０の充填段階と圧力蓄積段階との分離は、例えば、圧力チャンバ２２０が充填される前または充填される間に供給チャンバ２１０を排水することによって行われる。したがって、圧力チャンバ２２０の充填は、既存の圧力に抗して行われない。供給チャンバ２１０は、供給チャンバ２１０を充填および空にするための１つ以上の入口および／または１つ以上の出口を備えてもよい（図示せず）。１つ以上の供給チャンバ入口および／または１つ以上の供給チャンバ出口は各々、それぞれの弁（図示せず）を設けられてもよい。

図１ａ～図１ｄの実施形態について上述したように、圧力チャンバ２２０の充填は（図２ａ参照）、圧力チャンバ内の圧力が圧力蓄積中に達成される圧力よりも低い間に行う（図２ｂ参照）ことが好ましい。好ましくは、圧力チャンバ２２０は、この目的のために、少なくとも部分的に空にされる。例えば、圧力チャンバ２２０の充填は、圧力チャンバ２２０が、圧力蓄積中よりも少なくとも３０％、少なくとも５０％、少なくとも７５％少ない量の高塩濃度流体を含むときに実行（例えば開始）されてもよい。圧力チャンバ２２０は、高塩濃度流体が実質的に空であってもよい。

例えば、少なくとも部分的に空になった後の圧力チャンバ２２０の充填中（図２ａ参照）、圧力は、１ＭＰａ以下、１００ｋＰａ以下、またはさらには１．０ｋＰａ以下と低くてもよい。一方、膜を横断する流体による圧力蓄積中に圧力チャンバ１２０内で達成される最大圧力（図２ｂ参照）は、少なくとも０．３ＭＰａ、少なくとも１．３ＭＰａ、少なくとも３ＭＰａ、またはさらには少なくとも４ＭＰａであってもよい。

さらに上述したように、圧力チャンバ２２０を充填および空にするサイクルは、モータ２００の動作中（例えば発電中）に、少なくとも２回／時、より好ましくは少なくとも１０回／時、より好ましくは少なくとも２０回／時、さらにより好ましくは少なくとも６０回／時で実行されてもよい。少なくとも１つの入口２３０は、圧力チャンバ２２０に新しい高塩濃度流体をそれが少なくとも部分的に空になった後（例えば、圧力蓄積中の高塩濃度流体の量と比較した場合、少なくとも３０％、少なくとも５０％、または少なくとも７５％）、または完全に空になった後、迅速に、例えば３分未満、２分未満、１分未満、またはさらには０．５分未満以内に充分に補充されてもよいように構成されてもよい。

図２ａおよび図２ｂに戻ると、入口２３０に圧力チャンバ入口弁２３１を設けてもよいことが示されている。圧力チャンバ入口弁２３１は、圧力チャンバ２３０を充填するために開かれてもよい（図２ａ参照）。圧力チャンバ入口弁２３１は、圧力蓄積中に閉鎖および／または封止されてもよい（図２ｂ参照）。したがって、圧力チャンバ入口弁２３１は、モータ２００による発電中に断続的に、例えば、少なくとも２回／時、より好ましくは少なくとも１０回／時、より好ましくは少なくとも２０回／時、さらにより好ましくは少なくとも６０回／時、開閉してもよい。

出口２４０には、圧力チャンバ出口弁２４１が設けられてもよい。圧力チャンバ出口弁２４１は、圧力チャンバ２３０の充填中に閉鎖および／または封止されてもよい（図２ａ参照）。圧力チャンバ出口弁２４１は、圧力チャンバ２３０内の圧力蓄積中に閉鎖および／または封止されてもよい（図２ｂ参照）。圧力チャンバ出口弁２４１は、圧力チャンバ２２０を空にする間、開かれてもよい（図示せず）。したがって、圧力チャンバ出口弁２４１は、モータ２００による発電中に断続的に、例えば、少なくとも２回／時、より好ましくは少なくとも１０回／時、より好ましくは少なくとも２０回／時、さらにより好ましくは少なくとも６０回／時、開閉してもよい。圧力チャンバ出口弁２４１は、圧力チャンバ入口弁２３１が開かれるとき、特に圧力チャンバ２２０の充填中に、閉じられてもよい。

図３は、供給チャンバ３１０と、圧力チャンバ３２０と、膜３５０とを有するモータ３００の別の例示的な構成を示す。圧力チャンバ３２０には、入口３３０（ここでは流入ポート３３０として例示する）と出口３４４（ここでは流出ポート３４４として例示する）とが設けられている。

図３に示されるように、供給チャンバ３１０は、入口３６０（流入ポート３６０として例示される）および出口３７０（流出ポート３７０として例示される）をさらに備えてもよい。前述のように、供給チャンバ３１０は、低塩濃度流体の供給が供給チャンバ３１０に連続的に流入する定流量容量で、または低塩濃度流体が流入し、圧力チャンバの圧力蓄積段階のために貯蔵され、次いで、別のサイクルのために補充される段階的態様のいずれかで動作してもよい。この概念は、前述の実施形態に等しく適用可能であることが理解されるであろう。したがって、供給チャンバ１１０および２２０にもそのような入口および／またはそのような出口が設けられてもよい。

図３に示す構成では、モータ３００は、供給チャンバ３１０と圧力チャンバ３２０との間に可逆的に位置決め可能な浸透障壁３８０も含む。浸透障壁３８０は、膜３５０のいずれの側でも、またはさらには膜３５０の部分内に、配置されてもよい。重要なことに、浸透障壁３８０は、供給チャンバ３１０から圧力チャンバ３２０への液体の流れを停止または実質的に低減する。この意味で、浸透障壁３８０は、低塩濃度流体の一定流が供給チャンバ３１０内に提供されるときに特に有利であってもよく、なぜならば、それによって、モータ３００の非圧力蓄積ステップ中に膜３５０を横断する流体の望ましくない透過を防止するであろうからである。しかしながら、そのような浸透障壁３８０は、本明細書で議論されるモータのいずれにおいても、図１、図２および図４を参照して説明されるものでも、提供されてもよい。

図３にも示すように、出口ポート３４４は、過圧および／または逆止弁３４５と組み合わせられてもよく、および／またはそれを含んでもよい。過圧および／または逆止弁３４５は、それが開いて流体が通過して仕事を行うことを可能にする設定された圧力値を有する。この例では、タービン３６０が示されているが、任意の類似のシステムが仕事を行うために使用されてもよい。仕事を行うための任意のそのようなシステムはまた、以下で説明されるように、アキュムレータと組み合わせられてもよい。

図３に示すように、出口３４４は、タービン３６０に向かう第１の出口３４６と、追加の出口として提供されてもよい第２の出口３４７とを提供してもよい。第２の出口３４７は、弁３４８または任意の等価物によって形成されてもよく、またはそれを提供されてもよい。第２の出口３４７は、仕事を行うために使用されるよう意図されない流体を圧力チャンバ３２０から排出することを可能にする。言い換えると、第２の出口３４７を介して圧力チャンバ３２０から排出する流体は、仕事収穫および発電を迂回する（例えば、タービン３６０を迂回する）。

さらに、図３には、淡水を排出することを可能にする出口３７０（ここでは流出ポート３７０によって例示される）が示されている。淡水は低濃度の塩を含有し得、水部分のみが膜を通って拡散しているので、塩濃度は、動作中に淡水中で上昇しており、したがって、水を時々排出することによって、供給チャンバ３１０内の淡水の塩含有量を低減させる必要があるかもしれない。

図４は、浸透モータ４００のさらなる例を示す。ここで、浸透膜要素および淡水供給チャンバは、１つのユニットとして形成されてもよく、それは、図４において参照番号４１０で示される。このような市販のユニットの例は、適切なホルダと組み合わせたDuPont de Nemours, Inc.からのFilmTec（商標出願済み）ＳＷ３０膜である。

塩水リザーバとしても知られる圧力チャンバ４５０は、より高い塩濃度の水を保持する。次いで、それぞれの供給チャンバと圧力チャンバ４５０との間に位置する各浸透膜要素にわたって浸透が生じる。淡水は４０１で供給される。塩水は、４０２で供給される。塩水は、圧力チャンバ４５０内における塩水の瞬時補充のために塩水リザーバ４２０に供給されてもよい。塩水リザーバ４２０は、圧力チャンバ４５０の上方に位置してもよい。

図４にさらに示すように、本明細書に記載のモータのいずれも、圧力チャンバ４５０と発電機４６０（例えば、タービン）との間の流路に配置されるアキュムレータ４７０をさらに含んでもよい。アキュムレータ４７０は、圧力チャンバ４２０からの流出物（すなわち、発電機４６０に供給される流れ）において、あるレベルの圧力を蓄積し維持するよう、供される。場合によっては、アキュムレータ４７０は、発電機４６０が圧力チャンバ４５０内の圧力蓄積段階間でさえも仕事を実行し続けることができるように、発電機４６０に適切な流れ圧力を提供するのを助けることができる。

アキュムレータ４７０は、特に、少なくとも１つの油圧アキュムレータである。アキュムレータ４７０は、圧力チャンバ４５０とタービンおよび／または発電機４６０との間に介在する。

本明細書で論じられるモータのいずれかの別の潜在的に有用な構成は、圧力チャンバ１２０、２２０、３２０、４５０を出る液体が重力によって流れ方向に補助されるように液体出口を提供することである。これにより、仕事を行う段階だけでなく、加えて、圧力チャンバ１２０，２２０，３２０，４５０の排水を、よりエネルギー効率良く行ってもよい。

上述の例でのように、単一の圧力チャンバ１２０、２２０、３２０、４５０を有することに加えて、モータ／システムは、複数の圧力チャンバ１２０、２２０、３２０、４５０を備えてもよく、これらは、１つの浸透膜、またはいくつかの、もしくは対応する数の浸透膜要素を介して、１つ以上の供給チャンバに動作可能に接続されてもよい。

例えば、複数の圧力チャンバは、数秒毎に新たなサイクルが開始される動作モードを可能にする。

また、システムが複数のタービンおよび／または発電機４６０を備えることも、本発明の局面である。例えば、電流を生成するタービン／発電機４６０の数は、電流の需要に応じて変えられてもよい。

上述の方法は、複数の圧力チャンバ１２０、２２０、３２０、４５０を有するモータに適合されてもよい。例えば、本明細書で説明される方法ステップは、複数の圧力チャンバ１２０、２２０、３２０、４５０のいずれかに、単独で、または複数の圧力チャンバ１２０、２２０、３２０、４５０のうちの他の圧力チャンバ１２０、２２０、３２０、４５０と並列に適用されてもよい。方法ステップがいくつかの圧力チャンバ１２０、２２０、３２０、４５０に適用される場合、１つの圧力チャンバ１２０、２２０、３２０、４５０に適用される方法ステップは、１つまたはいくつかまたはすべての他の圧力チャンバ１２０、２２０、３２０、４５０と比較して時間的にシフトされてもよい。

広範囲の浸透膜が市販されているが、膜の選択は、本発明の浸透モータを提供する効率およびコストに影響を及ぼし得る。概して、少なくとも９５％の安定した脱塩率を提供する浸透膜を提供することが有利である。より高い効率のために、少なくとも９８％、またはさらにより好ましくは少なくとも９９％の安定化した脱塩率が好ましい。安定した脱塩率の値は、浸透膜を、３２，０００ｍｇ／ＬのＮａＣｌの試験塩濃度に、２５°Ｃで、印加圧力５．５ＭＰａで、および１０％の回収率で、供したときに、測定される。しかしながら、浸透膜の品質が高まるにつれて、より大きなコストがかかり得ることが認識されており、したがって、浸透膜の最終的な選択は、浸透モータの特定の要件に基づくことが予見される。

説明される浸透モータのうちの１つを利用してエネルギーを提供することの別の重要な側面は、動作の異なる段階中に利用される相対圧力である。圧力が圧力チャンバ４５０内に蓄積される閉鎖構成では、圧力チャンバ４５０は、達成される圧力が少なくとも１ＭＰａ（ゲージ）、好ましくは少なくとも２ＭＰａ（ゲージ）、より好ましくは少なくとも２．３ＭＰａ（ゲージ）である状態で動作するよう構成されてもよい。この圧力は、システムによって達成される最大圧力と呼ばれてもよい。圧力チャンバ４５０内の、より高い最大圧力は、システムからの仕事のより大きな抽出を可能にする。

対照的に、圧力チャンバ４５０内の圧力が低減され、圧力チャンバ４５０が排水されてもよい開放構成では、最大で１ＭＰａ（ゲージ）、好ましくは最大で１００ｋＰａ（ゲージ）、より好ましくは最大で１．０ｋＰａ（ゲージ）の圧力チャンバ内の圧力を達成してもよい。この圧力は、システムによって達成される最小圧力と呼ぶことができる。動作の開放構成では、圧力チャンバ４５０内の圧力は、局所大気圧と実質的に等しくてもよいことも想定される。

上記の浸透モータは、少なくとも１００ワット、好ましくは少なくとも１キロワット、より好ましくは少なくとも１メガワットのエネルギーを提供することが想定される。設定が容易であり、淡水／塩水の混合する場所が豊富に利用可能であるので、複数の浸透モータシステムを、ともに配置し、並列または交互のいずれかで動作させてもよく、連続的なエネルギー生成が行われる。

本発明を、図面および前述の説明において詳細に図示および説明したが、そのような図示および説明は、例示的かつ非限定的であると見なされるべきであり、本発明は開示された実施形態に限定されない。開示された実施形態に対する変形は、図面、本開示、および特許請求の範囲の研究から、記載された本発明を実施する当業者によって理解され実施されることができる。局面および特許請求の範囲において、「含む」という文言は、他の要素またはステップを排除せず、不定冠詞「a」または「an」は、複数を排除せず、「少なくとも１つ」を意味し得る。

本明細書において入口または出口の「閉鎖」または「封止」に言及される限り、流体密閉鎖が概して好ましい。しかしながら、それぞれの入口または出口を通る流れの充分な制限を提供する（部分的な）閉鎖が、場合によっては、そこに記載される効果を達成するために充分であってもよいことに留意されたい。したがって、部分的な封止または閉鎖も包含されてもよい。

以下は、本発明の好ましい局面である。
１．浸透を用いて仕事を行う方法であって、
ｉ）供給チャンバと、少なくとも１つの入口（例えば、流入ポート）および少なくとも１つの出口（例えば、流出ポート）を備える圧力チャンバと、流体、好ましくは水に対して透過性であり、塩イオンに対して少なくとも部分的に不透過性の膜であって、供給チャンバと圧力チャンバとの間の流体連通を可能にする膜とを備えるモータを提供するステップと、
ｉｉ）供給チャンバ内に低塩濃度流体、好ましくは低塩濃度水を供給するステップと、
ｉｉｉ）圧力チャンバの出口を閉鎖および／または封止するステップと、
ｉｖ）高塩濃度流体、好ましくは高塩濃度水を圧力チャンバ内へと流すステップと、
ｖ）流体が膜を横断して圧力チャンバに入るにつれて圧力チャンバ内の圧力を増加させるステップと、
ｖｉ）圧力チャンバ内の増加した圧力を使用して仕事を行うステップと、
ｖｉｉ）圧力チャンバの出口を開放し、流体を圧力チャンバから排出させ、圧力チャンバ内の圧力を減少させるステップと、
ｖｉｉｉ）ステップｉｉｉ～ｖｉｉを繰り返すステップとを含む。

２．圧力チャンバは固定容積を有し、モータはタービンをさらに含み、ステップｖｉは、圧力の増加により圧力チャンバから流体が流出し、タービンを動作させて仕事を行うことを含む、局面１に従う方法。

３．圧力チャンバは可変容積を有する、局面１に従う方法。
４．圧力チャンバはピストンをさらに備え、圧力チャンバ内の増加した圧力によるピストンの移動が仕事を行う、局面３に従う方法。

５．出口は弁をさらに含み、本方法はさらに、
弁を開いて、圧力チャンバ内の圧力の少なくとも一部を解放するステップを含み、弁から放出される流体の流れは、仕事を行うために使用される、前述の局面のいずれか１つに従う方法。

６．弁は、過圧弁および／または逆止弁である、局面１４に従う方法。
７．モータは、供給チャンバと圧力チャンバとの間の流体の交換を可逆的に遮断するよう構成される浸透障壁をさらに備え、本方法は、さらに、
供給チャンバと圧力チャンバとの間の流体の流れが防止されるように、浸透障壁を膜の上に位置決めするステップと、
増加した圧力を使用して仕事を行った後に浸透障壁を除去するステップとを含む、前述の局面のいずれか１つによる方法。

８．圧力チャンバの充填中に、圧力チャンバ内で達成される最大圧力は、少なくとも３ＭＰａ、好ましくは少なくとも５ＭＰａ、より好ましくは少なくとも７ＭＰａである、前述の局面のいずれか１つに従う方法。

９．低塩濃度流体を供給チャンバ内へと流すことは、圧力チャンバが空であるか、または１ＭＰａ未満、好ましくは１００ｋＰａ未満、より好ましくは１．０ｋＰａ未満の圧力である間に行われる、前述の局面のいずれか１つに従う方法。

１０．高塩濃度流体を圧力チャンバ内に流した後、圧力チャンバの入口を封止するステップをさらに含む、前述の局面のいずれか１つに従う方法。

１１．低塩濃度流体は、５‰を下回る、好ましくは１‰を下回る、より好ましくは０．５‰を下回る塩濃度を有する、前述の局面のいずれか１つに従う方法。

１２．高塩濃度流体は、５‰を上回る、好ましくは２０‰を上回る、より好ましくは３０‰を上回る塩濃度を有する、前述の局面のいずれか１つに従う方法。

１３．高塩濃度流体は、低塩濃度流体よりも少なくとも１００倍高い、好ましくは少なくとも５００倍高い、より好ましくは少なくとも１０００倍高い塩濃度を有する、前述の局面のいずれか１つに従う方法。

１４．自然発生の流れまたは圧力が、低塩濃度流体を供給チャンバの中へ、および／または高塩濃度流体を圧力チャンバの中へ流すために使用される、前述の局面のうちのいずれかに１つに従う方法。

１５．低塩濃度流体は重力によって供給チャンバに流入し、および／または高塩濃度流体は重力によって圧力チャンバに流入する、前述の局面のいずれか１つに従う方法。

１６．流体は重力によって圧力チャンバから排出される、前述の局面のいずれか１つに従う方法。

１７．高塩濃度流体は海水であり、好ましくは、モータは河川の河口に設置される、前述の局面のいずれか１つに従う方法。

１８．高塩濃度流体は廃水またはブラインであり、ブラインは好ましくは逆浸透などの脱塩プロセスまたは凝縮プロセスから生じる、前述の局面のいずれか１つに従う方法。

１９．低塩濃度流体は海水である、前述の局面のいずれか１つに従う方法。
２０．圧力チャンバ内の圧力は、圧力チャンバからの流体が排出されるにつれて減少する、前述の局面のいずれか１つに従う方法。

２１．圧力チャンバ内の圧力は、仕事が行われるにつれて減少する、前述の局面のいずれか１つに従う方法。

２２．モータであって、
低塩濃度流体、好ましくは低塩濃度水の供給を受けるよう構成される供給チャンバと、
高塩濃度流体、好ましくは高塩濃度水の供給を受けるよう構成される圧力チャンバであって、入口（例えば、流入ポート）と、封止可能および／または閉鎖可能な出口（例えば、流出ポート）とをさらに備える圧力チャンバと、
流体分子に対して透過性であり、塩イオンに対して少なくとも部分的に不透過性の膜であって、供給チャンバと圧力チャンバとの間の流体連通を可能にする膜とを備え、
圧力チャンバは、出口が封止され、圧力チャンバ内に圧力が蓄積する閉鎖構成と、出口が開放され、圧力チャンバ内の圧力が減少する開放構成との間で交互するよう構成される。

２３．圧力チャンバは固定容積を有し、モータは、圧力チャンバと流体接続するタービンをさらに備える、局面２２に従うモータ。

２４．圧力チャンバは可変容積を有し、好ましくは、圧力チャンバは、圧力チャンバの容積を可逆的に増加させるよう構成される膨張部をさらに備える、局面２２に従うモータ。

２５．膨張部はピストンである、局面２４に従うモータ。
２６．膜を通る供給チャンバと圧力チャンバとの間の流体の交換を可逆的に遮断するよう構成される浸透障壁をさらに備える、局面２２～２５のいずれか１つに従うモータ。

２７．圧力チャンバは、圧力チャンバから流体を放出するよう構成される弁をさらに備え、好ましくは、弁は過圧弁である、局面２２～２６のいずれか１つに従うモータ。

２８．膜は、３２，０００ｍｇ／ＬのＮａＣｌの試験塩濃度に、２５°Ｃで５．５ＭＰａの印加圧力で、および１０％の回収率で、供された場合、少なくとも９５％、より好ましくは少なくとも９８％、さらにより好ましくは少なくとも９９％の安定した脱塩率を提供する、局面２２～２７のいずれか１つに従うモータ。

２９．供給チャンバは、入口（例えば、入口ポート）および出口（例えば、出口ポート）をさらに備え、好ましくは、入口および／または出口は、閉鎖可能および／または封止可能である、局面２２～２８のいずれか１つに従うモータ。

３０．モータは、少なくとも０．１ワット、好ましくは少なくとも０．５ワット、より好ましくは少なくとも１ワットのエネルギーを提供するよう構成される、局面２２～２９のいずれか１つに従うモータ。

３１．閉鎖構成において、圧力チャンバ内で達成される最大圧力は、少なくとも１ＭＰａ、好ましくは少なくとも２ＭＰａ、より好ましくは少なくとも２．３ＭＰａである、局面２２～３０のいずれか１つに従うモータ。

３２．開放構成において、圧力チャンバ内で達成される最小圧力は、最大１ＭＰａ、好ましくは最大１００ｋＰａ、より好ましくは最大１．０ｋＰａである、局面２２～３１のいずれか１つに従うモータ。

６．弁は、過圧弁および／または逆止弁である、局面５に従う方法。
７．モータは、供給チャンバと圧力チャンバとの間の流体の交換を可逆的に遮断するよう構成される浸透障壁をさらに備え、本方法は、さらに、
供給チャンバと圧力チャンバとの間の流体の流れが防止されるように、浸透障壁を膜の上に位置決めするステップと、
増加した圧力を使用して仕事を行った後に浸透障壁を除去するステップとを含む、前述の局面のいずれか１つによる方法。

Claims (23)

1. 浸透を用いて仕事を行う方法であって、
   ｉ）供給チャンバと、少なくとも１つの入口および少なくとも１つの出口を含む圧力チャンバと、流体、好ましくは水に対して透過性であり、かつ少なくとも部分的に塩イオンに対して不透過性の膜とを備え、前記膜は前記供給チャンバと前記圧力チャンバとの間の流体連通を可能にする、モータを提供するステップと、
   ｉｉ）前記供給チャンバ内に低塩濃度流体、好ましくは低塩濃度水を供給するステップと、
   ｉｉｉ）前記圧力チャンバの前記少なくとも１つの出口を閉鎖するステップと、
   ｉｖ）高塩濃度流体、好ましくは高塩濃度水を前記圧力チャンバ内へと流すステップと、
   ｖ）流体が前記膜を横断して前記圧力チャンバに入るにつれて前記圧力チャンバ内の圧力を増加させるステップと、
   ｖｉ）前記圧力チャンバ内の前記増加した圧力を使用して仕事を行うステップと、
   ｖｉｉ）前記圧力チャンバの前記少なくとも１つの出口を開放し、前記流体を前記圧力チャンバから排出させ、前記圧力チャンバ内の圧力を減少させるステップと、
   ｖｉｉｉ）ステップｉｉｉ～ｖｉｉを繰り返すステップとを含む、方法。
2. 前記少なくとも１つの入口および前記少なくとも１つの出口は、ステップｖ）の間に閉鎖され、好ましくは、前記少なくとも１つの入口および前記少なくとも１つの出口が閉鎖されている間に、前記圧力チャンバ内で達成される圧力は、少なくとも１ＭＰａ、より好ましくは少なくとも２ＭＰａ、さらにより好ましくは少なくとも２．３ＭＰａである、請求項１に記載の方法。
3. 前記圧力チャンバ内の圧力は、ステップｉｖにおいて前記圧力チャンバ内に高塩濃度流体を流すためのより低い圧力と、仕事を行うためのより高い圧力との間で交互する、請求項１または２に記載の方法。
4. ステップｉｖにおいて高塩濃度流体を前記圧力チャンバ内へと流すステップは、前記圧力チャンバが１ＭＰａ（ゲージ）未満、好ましくは１００ｋＰａ（ゲージ）未満、より好ましくは１．０ｋＰａ（ゲージ）未満の圧力である間に行われ、および／または、
   ステップｉｖにおいて高塩濃度流体を前記圧力チャンバ内に流すステップは、前記圧力チャンバ内の圧力がステップｖにおいて達成される最大圧力よりも少なくとも１０％低く、好ましくは少なくとも２５％低く、より好ましくは少なくとも５０％低い間に行われる、請求項１、２または３に記載の方法。
5. ステップｉｉも繰り返し実行され、ステップｉｉにおいて前記供給チャンバ内に低塩濃度流体を供給するステップは、前記圧力チャンバが空であるか、または１ＭＰａ（ゲージ）未満、好ましくは１００ｋＰａ（ゲージ）未満、より好ましくは１．０ｋＰａ（ゲージ）未満の圧力である間に実行される、前記請求項のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記圧力チャンバ内で達成される最大圧力は、前記システムの最大理論浸透圧よりも少なくとも１０％低く、好ましくは少なくとも２５％低く、より好ましくは少なくとも５０％低い、前記請求項のいずれか１項に記載の方法。
7. ステップｉｖ）、ｖ）、ｖｉ）は逐次的に、好ましくはこの順序で行われる、前記請求項のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記圧力チャンバは固定容積を有し、前記モータはタービンをさらに備え、ステップｖｉは、圧力の増大により前記圧力チャンバから流体が流出し、前記タービンを動作させて仕事を行うことを含む、前記請求項のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記少なくとも１つの出口は、弁、好ましくは過圧弁をさらに含み、前記弁は、ステップｖにおいて前記圧力チャンバ内で生成された圧力の少なくとも一部を解放するために断続的に開かれ、前記弁から放出される流体の断続的な流れが、前記タービンにおいて仕事を行うために使用される、請求項８に記載の方法。
10. 前記圧力チャンバは可変容積を有し、好ましくは、前記圧力チャンバはピストンをさらに備え、前記圧力チャンバ内の増加した圧力による前記ピストンの移動が仕事を行う、請求項１～６のいずれかに１項に記載の方法。
11. 前記モータはアキュムレータをさらに備え、前記アキュムレータは前記圧力チャンバから断続的な流れを受ける、前記請求項のいずれか１項に記載の方法。
12. 前記モータは、前記供給チャンバと前記圧力チャンバとの間の流体の交換を可逆的に遮断するよう構成される浸透障壁をさらに備え、前記方法は、さらに、
    前記供給チャンバと前記圧力チャンバとの間の流体の流れが防止されるように、前記浸透障壁を前記膜の上に位置決めするステップと、
    前記増加した圧力を使用して仕事を行った後に前記浸透障壁を除去するステップとを含む、前記請求項のいずれか１項に記載の方法。
13. 前記高塩濃度流体は、前記低塩濃度流体よりも少なくとも１００倍高い、好ましくは少なくとも５００倍高い、より好ましくは少なくとも１０００倍高い塩濃度を有する、前記請求項のいずれか１項に記載の方法。
14. 前記低塩濃度流体は重力によって前記供給チャンバに流入し、および／または前記高塩濃度流体は重力によって前記圧力チャンバに流入し、および／または前記流体が重力によって前記圧力チャンバから排出される、前記請求項のいずれか１項に記載の方法。
15. モータであって、
    低塩濃度流体、好ましくは低塩濃度水の供給を受けるよう構成される供給チャンバと、
    高塩濃度流体、好ましくは高塩濃度水の供給を受けるよう構成される圧力チャンバであって、封止可能な入口および封止可能な出口をさらに備える圧力チャンバと、
    流体分子に対して透過性であり、塩イオンに対して少なくとも部分的に不透過性の膜であって、前記供給チャンバと前記圧力チャンバとの間の流体連通を可能にする膜とを備え、
    前記圧力チャンバは、前記出口が封止され、前記圧力チャンバ内に圧力が蓄積する閉鎖構成と、前記出口が開放され、前記圧力チャンバ内の圧力が減少する開放構成との間で交互するよう構成され、
    前記モータは、前記圧力チャンバ内で生成される増加した圧力を使用して仕事を行うことに対して構成される、モータ。
16. 前記入口は、前記閉鎖構成中に閉鎖される、請求項１５に記載のモータ。
17. 高塩濃度流体を前記圧力チャンバ内へと流すことは、前記モータの動作中において、前記圧力チャンバが１ＭＰａ（ゲージ）未満、好ましくは１００ｋＰａ（ゲージ）未満、より好ましくは１．０ｋＰａ（ゲージ）未満の圧力にある間に、繰り返し行われ、および／または、
    高塩濃度流体を前記圧力チャンバ内へと流すことは、前記モータの動作中において、前記圧力チャンバ内の圧力が、前記閉鎖構成中の最大圧力蓄積よりも少なくとも１０％低く、好ましくは少なくとも２５％低く、より好ましくは少なくとも５０％低い間に、繰り返し行われる、請求項１５または１６に記載のモータ。
18. 前記モータはアキュムレータをさらに備え、前記アキュムレータは前記圧力チャンバから断続的な流れを受ける、請求項１５、１６または１７に記載のモータ。
19. 前記モータは、前記圧力チャンバと流体連通するタービンをさらに備え、好ましくは、アキュムレータが、前記圧力チャンバと前記タービンとの間に配置される、請求項１５～１８のいずれか１項に記載のモータ。
20. 前記圧力チャンバは可変容積を有し、好ましくは、前記圧力チャンバは、前記圧力チャンバの容積を可逆的に増加させるよう構成される膨張部をさらに備え、好ましくは、前記膨張部はピストンである、請求項１５、１６または１７に記載のモータ。
21. 前記膜を通る前記供給チャンバと前記圧力チャンバとの間の流体の交換を可逆的に遮断するよう構成される浸透障壁をさらに備える、請求項１５～２０のいずれか１項に記載のモータ。
22. 前記圧力チャンバは、前記圧力チャンバから流体を放出するよう構成される弁をさらに備え、好ましくは、前記弁は過圧弁である、請求項１５～２１のいずれか１項に記載のモータ。
23. 前記膜は、３２，０００ｍｇ／ＬのＮａＣｌの試験塩濃度に、２５°Ｃで５．５ＭＰａの印加圧力で、および１０％の回収率で、供された場合、少なくとも９５％、より好ましくは少なくとも９８％、さらにより好ましくは少なくとも９９％の安定した脱塩率を提供する、請求項１５～２２のいずれか１項に記載のモータ。

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