JP4978590B2 - 純水製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、電気脱イオン装置を用いて原水を処理するようにした純水製造装置に関する。

工水、市水、井水或いは半導体製造工程等からの回収水を処理して純水を製造するシステムとして、原水を逆浸透膜装置で処理した後、電気脱イオン装置を用いて処理する純水製造装置が知られている（例えば特許文献１、２）。
特開２００３−１２５９号公報 特開２００１−２９７５２号公報

電気脱イオン装置によって原水を処理して純水を製造する純水製造装置においては、水温が低下すると、水の粘性が増大し、その結果電気脱イオン装置の脱塩室を通過するときの圧力損失が上昇するという現象が発生し、その結果、純水製造装置で製造される純水の流量が減少する。さらには、水温が変化すると、純水を供給する配管の圧力損失も変化するので、装置の背圧が変動し、その結果、純水の流量が変動する。

従来は、水温が変動しても流量が一定になるように、季節ごとに運転条件を手動で調整し、あるいは電気脱イオン装置の脱塩室が詰り傾向となった場合も運転条件を手動で調整する方法が採用されている。しかしながら、運転条件を手動で調整する方法は、操作に人手を要するとともに、季節ごとに運転条件を手動で調整する方法は、冬季の水温を想定して装置の容量選定を行うことが多く、装置が大型化することが避けられないという問題があった。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、水温や背圧の変動にかかわらず、常に一定の処理水の流量に自動調整することができる純水製造装置を提供することを目的とする。

本発明者らは、電気脱イオンモジュールからの処理水の流量を検知し、その検知に基づいて電気脱イオンモジュールへ給水する給水ポンプの速度を制御することにより、常に一定の処理水の流量が得られることを見出し、これに基づいて、以下のような新たな純水製造装置を発明するに至った。

（１） 一対の電極間に陽イオン交換膜および陰イオン交換膜を交互に配列することにより脱塩室および濃縮室が区画形成され、前記脱塩室にはイオン交換体が充填された電気脱イオンモジュールと、前記脱塩室に被処理水を流入させる脱塩室流入ラインと、前記濃縮室に被処理水を流入させる濃縮室流入ラインと、前記脱塩室流入ラインおよび前記濃縮室流入ラインに被処理水を供給する給水ポンプと、前記脱塩室においてイオンが除去された処理水が流出する処理水流出ラインと、前記濃縮室においてイオンが濃縮された濃縮水を排水する濃縮水排水ラインと、前記処理水流出ラインまたは前記脱塩室流入ラインに設けられ、該処理水流出ラインに流れる処理水または該脱塩室流入ラインに流れる被処理水の流量を検出する第１流量センサと、前記第１流量センサの流量検知信号に基づいて前記給水ポンプの速度を制御する制御部と、を備えたことを特徴とする純水製造装置。

（２） 前記濃縮室流入ラインに設けられた濃縮水流量調整手段と、前記濃縮室流入ラインに設けられ、該濃縮室流入ラインに流れる被処理水の流量を検出する第２流量センサと、を備え、前記制御部は、前記第２流量センサの流量検知信号に基づいて前記濃縮水流量調整手段を制御することを特徴とする（１）記載の純水製造装置。

（３） 前記濃縮水流量調整手段は、前記濃縮室流入ラインに直列に接続された開閉切換弁および第１定流量弁と、前記開閉切換弁および前記第１定流量弁と並列に接続された第２定流量弁とを備え、前記制御部は、前記第２流量センサの流量検知信号に基づいて前記開閉切換弁を制御することを特徴とする（２）記載の純水製造装置。

（４） 前記給水ポンプの上流に設けられ、前記被処理水を貯水する被処理水タンクと、前記第１流量センサの下流に設けられ、前記処理水流出ラインに流れる処理水の圧力を検出する圧力センサと、前記第１流量センサと前記圧力センサの間から分岐して、前記被処理水タンクに処理水をリターンさせる処理水リターンラインと、前記処理水リターンラインに設けられたリターン流量調整弁と、を備え、前記制御部は、前記第１流量センサの流量検知信号および前記圧力センサの圧力検知信号に基づいて前記リターン流量調整弁を制御することを特徴とする（１）、（２）又は（３）記載の純水製造装置。

（５） 前記給水ポンプの上流に設けられ、前記被処理水を貯水する被処理水タンクと、前記第１流量センサの下流から分岐して、前記被処理水タンクに処理水をリターンさせる処理水リターンラインと、前記処理水リターンラインに設けられた圧力逃がし弁と、を備えたことを特徴とする（１）記載の純水製造装置。

本発明の純水製造装置によれば、水温や背圧の変動にかかわらず、常に一定の処理水の流量に自動調整することができる。

図１は、本発明の実施形態による純水製造装置のシステム構成図である。

図１において、符号１０は本実施形態の純水製造装置に適用される電気脱イオン装置を示している。

原水は、図示しない逆浸透膜装置により一次脱イオン処理された後、被処理水ライン１から電気脱イオン装置１０の電気脱イオンモジュール２へ送られ、二次脱イオン処理されるようになっている。

電気脱イオンモジュール２は、一対の電極間に、陽イオン交換膜および陰イオン交換膜を交互に配列することにより、脱塩室２ａ、濃縮室２ｂおよび電極室２ｃが区画形成され、脱塩室２ａにはイオン交換体が充填された周知構成のものである。脱塩室２ａには、被処理水を流入させる脱塩室流入ライン３、および脱塩室２ａにおいてイオンが除去された処理水が流出する処理水流出ライン４が接続されている。濃縮室２ｂには、被処理水を流入させる濃縮室流入ライン５、および濃縮室２ｂにおいてイオンが濃縮された濃縮水を排水する濃縮水排水ライン６が接続されている。また、電極室２ｃには、被処理水を流入させる電極室流入ライン７、および電極水排水ライン８が接続されている。脱塩室流入ライン３、処理水流出ライン４、濃縮室流入ライン５、濃縮水排水ライン６、電極室流入ライン７および電極水排水ライン８のそれぞれには、流量調整弁９が設けられている。

処理水流出ライン４には、処理水流出ライン４に流れる処理水の流量を検出する第１流量センサ１１が設けられている。この第１流量センサ１１の流量検知信号は制御部１２に送られる。制御部１２は、被処理水ライン１に設けられた給水ポンプ１４に接続されているインバータ１３の周波数制御を行うことにより、給水ポンプ１４の回転数、すなわち回転速度を制御するようになっている。なお、処理水流出ライン４に流れる処理水の流量と脱塩室流入ライン３を流れる被処理水の流量とは等しいので、第１流量センサ１１は、脱塩室流入ライン３に設けることもできる。

工水、市水、井水等の原水は逆浸透膜装置（図示せず）により処理され、その処理水が被処理水ライン１から給水ポンプ１４を介して電気脱イオンモジュール２に給水される。脱塩室流入ライン３から流入した被処理水は脱塩室２ａにおいてイオンが除去された後、処理水流出ライン４から処理水が流出される。濃縮室流入ライン５から流入した被処理水は濃縮室２ｂにおいてイオンが濃縮された後、濃縮水が濃縮水排水ライン６より排出される。また、電極室流入ライン７より流入した被処理水は電極水排水ライン８より電極水として排出される。

処理水流出ライン４から流出する処理水の流量は第１流量センサ１１により検知され、その流量検知信号は制御部１２に送られる。制御部１２は、検知された処理水の流量が予め設定された目標値となるように、インバータ１３の周波数制御により、被処理水ライン１に設けられた給水ポンプ１４の回転数、すなわち回転速度をフィードバック制御する。具体的には、水温の低下や背圧の上昇等により処理水の流量が目標値よりも減少した場合は、給水ポンプ１４の回転数を上げて電気脱イオンモジュール２への給水流量を増やす。一方、水温の上昇や背圧の低下等により処理水の流量が目標値よりも増加した場合は、給水ポンプ１４の回転数を下げて電気脱イオンモジュール２への給水流量を減らす。これにより、水温の変化や背圧の変動にかかわらず、電気脱イオンモジュール２からの処理水の流量を常に一定に保つことができる。

図２は、本発明の純水製造装置の第２実施形態を示す。第２実施形態においては、濃縮室流入ライン５に、濃縮室へ流入する水の流量を検知する第２流量センサ２５、およびその流量を調整する濃縮水流量調整手段１５が設けられている。濃縮水流量調整手段１５は、濃縮室流入ライン５に直列に接続された開閉切換弁１６および第１定流量弁１７と、開閉切換弁１６および第１定流量弁１７からなる弁列と並列に接続された第２定流量弁１８とを備えたものである。なお、第１実施形態と同様、処理水流出ライン４には、処理水流出ライン４に流れる処理水の流量を検出する第１流量センサ１１が設けられ、第１流量センサ１１の流量検知信号は制御部１２に送られ、制御部１２により給水ポンプ１４の回転数、すなわち回転速度を制御するようになっている。

第１流量センサ１１により検知された処理水の流量が予め設定された目標値となるように、給水ポンプ１４の回転数を変化させると、被処理水ライン４に流れる被処理水の流量が変化する。このため、濃縮室流入ライン５に流れる被処理水の流量も変化し、その結果、濃縮水排水ライン６からの排水流量も変化する。例えば、水温の低下時には、処理水の流量が一定に維持される一方で、給水ポンプ４の回転数の増加により濃縮水の排水量が増えるので、水回収率（＝処理水流量／［処理水流量＋排水流量］）を所定値に維持することができない。そこで、本実施形態では、制御部１２は、第２流量センサ２５の検知信号をフィードバックし、濃縮室２ｂに流入する被処理水の流量を予め設定された目標値に自動調整することにより、水回収率を所定値に維持するようにしている。制御部１２は、濃縮室２ｂに流入する被処理水の流量を増加させる場合は、開閉切換弁１６を開とする。開閉切換弁１６が開となると、第１定流量弁１７および第２定流量弁１８に被処理水が流れるので、濃縮室２ｂに流れる水量は相対的に増加する。一方、濃縮室２ｂに流入する被処理水の流量を減少させる場合は、開閉切換弁１６を閉とする。開閉切換弁１６を閉とする場合は、第２定流量弁１８のみに被処理水が流れるので、濃縮室２ｂに流れる流量は相対的に減少する。すなわち、この例では、２段階に濃縮室２ｂに流入する被処理水の流量を調整することができる。

さらにまた、電気脱イオン装置の運転条件によっては、濃縮室２ｂの流量を増減させることがある。例えば、脱塩室２ａ内に充填されたイオン交換体に蓄積したイオンを離脱させる際には、電気脱イオンモジュール２に印加する直流電圧を上げて再生運転を行うが、この際は濃縮水でのスケール生成を回避するため、濃縮室２ｂの流量を増加させる必要がある。従来はこのように濃縮水の流量を変える場合は手動で行っている。本実施形態においては、制御部１２が電気脱イオン装置１０の運転状態を判定し、運転状態に対応して開閉切換弁１６を開閉制御することにより、濃縮室２ｂに流入する被処理水の流量を自動調整することができる。例えば、制御部１２が再生運転状態であると判定した場合は、開閉切換弁１６を開とし、濃縮室２ｂに流入する被処理水を増加させる。

濃縮室流量調整手段１５は、図示の構成に限定されず、例えば、開閉切換弁と定流量弁の弁列を多数並列に設け、多段階に流量を調整するように構成することができる。あるいは、１個の流量調整弁を用いて無段階に流量を調整するように構成することもできる。

本実施形態によれば、第１実施形態と同様、水温の変化や背圧の変動にかかわらず電気脱イオンモジュール２からの処理水の流量を常に一定に保つことができるとともに、水回収率を所定値に維持したり、運転状態に応じて濃縮水を所望の流量に調整したりすることができる。

図３は、本発明の純水製造装置の第３実施形態を示す。第３実施形態においては、給水ポンプ１４の上流に被処理水を貯水する被処理水タンク２０が設けられている。処理水流出ライン４に設けられた第１流量センサ１１の下流には、処理水流出ライン４に流れる処理水の圧力を検出する圧力センサ２１が設けられている。第１流量センサ１１と圧力センサ２１の間から分岐して、被処理水タンク２０に処理水をリターンさせる処理水リターンライン２２が設けられている。この処理水リターンライン２２にリターン流量調整弁２３が設けられている。そして、第１流量センサ１１の流量検知信号および圧力センサ２１の圧力検知信号は制御部１２に送られ、これらの検知信号に基づいて、それぞれ給水ポンプ４の回転数およびリターン流量調整弁２３の開度を制御する。

まず、第１実施形態と同様に、処理水の流量が目標値よりも減少した場合は、給水ポンプ１４の回転数を上げて電気脱イオンモジュール２への給水量を増やす一方で、処理水の流量が目標値よりも増加した場合は、給水ポンプ１４の回転数を下げて電気脱イオンモジュール２への給水量を減らす制御を行う。さらに、この制御と平行して、処理水流出ライン４の圧力が上昇した場合は、リターン流量調整弁２３により処理水リターンライン２２のリターン流量を増加させ、ユースポイントへ送水される処理水の流量を減少させる制御を行う。すなわち、電気脱イオンモジュール２からの処理水の流量を一定に保ちつつ、ユースポイントへ送水される処理水の流量を調節する制御を行う。これにより、第３実施形態では、ユースポイントでの水の使用量が減少して流量が絞られた場合（圧力センサ２１の検知圧力が上昇）でも余剰の処理水を被処理水タンク２０へリターンするので、装置が締切運転となったり、装置に過大な背圧が加わったりすることが回避される。この結果、例えばイオン交換膜の破損等、装置のトラブルを未然に防止することができる。また、ユースポイントでの水の使用量が減少しても装置を停止させないので、処理水の純度が安定する効果もある。

図４は、本発明の純水製造装置の第４実施形態を示す。第４実施形態においては、第１流量センサ１１の下流から分岐して、被処理水タンク２０に処理水をリターンさせる処理水リターンライン２２が設けられ、この処理水リターンライン２２に圧力逃がし弁２４が設けられている。第４実施形態では、圧力逃がし弁２４により処理水流出ライン４に流れる処理水の圧力が常に一定になるように調整される。したがって、第４実施形態では、第３実施形態（図３）における圧力センサ２１は不要である。

第４実施形態においては、電気脱イオンモジュール２からの処理水の流量を一定に保ちつつ、圧力逃がし弁２４によりユースポイントへ送水される処理水の流量が調節される。具体的には、ユースポイントでの水の使用量が減少して流量が絞られると、処理水流出ライン４に流れる処理水の圧力が上昇する。そして、処理水の圧力が圧力逃がし弁２４の設定圧力を超えると余剰の処理水が被処理水タンク２０へリターンされるので、装置が締切運転となったり、装置に過大な背圧が加わったりすることが回避される。この結果、例えばイオン交換膜の破損等、装置のトラブルを未然に防止することができる。また、ユースポイントでの水の使用量が減少しても装置を停止させないので、処理水の純度が安定する効果もある。

以上、説明したように、本発明の実施形態によれば、処理水流出ライン４に処理水の流量を検出する第１流量センサ１１を設け、第１流量センサ１１の流量検知信号に基づいて給水ポンプ１４の速度を制御することにより、水温の変化や背圧の変動にかかわらず、電気脱イオンモジュール２からの処理水の流量を常に一定に保つことができる。

また、本実施形態によれば、濃縮室流入ライン７に第２流量センサ２５および濃縮水流量調整手段１５を設け、第２流量センサ２５の流量検知信号に基づいて濃縮室流量調整手段１５を制御することにより、水回収率を所定値に維持したり、再生運転等の運転状態に応じて濃縮水を所望の流量に調整したりすることができる。

また、本実施形態によれば、濃縮室流入ライン５に直列に接続された開閉切換弁１６および第１定流量弁１７と、これらと並列に接続された第２定流量弁１８とにより構成した簡単な弁機構により段階的に濃縮室への水流入量を調整することができる。

また、本実施形態によれば、処理水流出ライン４に流れる処理水の圧力を検出する圧力センサ２１を設け、処理水流出ライン４から分岐して被処理水タンク２０に処理水をリターンさせる処理水リターンライン２２にリターン流量調整弁２３を設け、制御部１２が圧力センサ２１の圧力検知信号に基づいてリターン流量調整弁２３を制御することにより、電気脱イオンモジュール２からの処理水の流量を一定に保ちつつ、ユースポイントへ送水される処理水の流量を調節することができる。

また、本実施形態によれば、処理水リターンライン２２に圧力逃がし弁２４を設けたことにより、電気脱イオンモジュール２からの処理水の流量を一定に保ちつつ、ユースポイントへ送水される処理水の流量を調節することができる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、具体例を例示したに過ぎず、特に本発明を限定するものではなく、電気脱イオンモジュール２、脱塩室流入ライン３、処理水流出ライン４、濃縮室流入ライン５、濃縮水排水ライン６、電極室流入ライン７、電極水排水ライン８、制御部１２、インバータ１３、濃縮水流量調整手段１５等の具体的構成および配置は適宜設計変更可能である。また、上記の実施形態に記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本発明による効果は、本発明の実施形態に記載されたものに限定されるものではない。

本発明の第１実施形態の純水製造装置のシステム構成図である。 本発明の第２実施形態の純水製造装置のシステム構成図である。 本発明の第３実施形態の純水製造装置のシステム構成図である。 本発明の第４実施形態の純水製造装置のシステム構成図である。

符号の説明

１ 被処理水ライン
２ 電気脱イオンモジュール
２ａ 脱塩室
２ｂ 濃縮室
２ｃ 電極室
３ 脱塩室流入ライン
４ 処理水流出ライン
５ 濃縮室流入ライン
６ 濃縮水排水ライン
１１ 第１流量センサ
１２ 制御部
１４ 給水ポンプ
１５ 濃縮水流量調整手段
１６ 開閉切換弁
１７ 第１定流量弁
１８ 第２定流量弁
２０ 被処理水タンク
２１ 圧力センサ
２２ 処理水リターンライン
２３ 流量調整弁
２４ 圧力逃がし弁
２５ 第２流量センサ

Claims (5)

1. 一対の電極間に陽イオン交換膜および陰イオン交換膜を交互に配列することにより脱塩室および濃縮室が区画形成され、前記脱塩室にはイオン交換体が充填された電気脱イオンモジュールと、
   前記脱塩室に被処理水を流入させる脱塩室流入ラインと、
   前記濃縮室に被処理水を流入させる濃縮室流入ラインと、
   前記脱塩室流入ラインおよび前記濃縮室流入ラインに被処理水を供給する給水ポンプと、
   前記脱塩室においてイオンが除去された処理水が流出する処理水流出ラインと、
   前記濃縮室においてイオンが濃縮された濃縮水を排水する濃縮水排水ラインと、
   前記処理水流出ラインまたは前記脱塩室流入ラインに設けられ、該処理水流出ラインに流れる処理水または該脱塩室流入ラインに流れる被処理水の流量を検出する第１流量センサと、
   前記第１流量センサの流量検知信号に基づいて前記給水ポンプの速度を制御する制御部と、を備えたことを特徴とする純水製造装置。
2. 前記濃縮室流入ラインに設けられた濃縮水流量調整手段と、
   前記濃縮室流入ラインに設けられ、該濃縮室流入ラインに流れる被処理水の流量を検出する第２流量センサと、を備え、
   前記制御部は、前記第２流量センサの流量検知信号に基づいて前記濃縮水流量調整手段を制御することを特徴とする請求項１記載の純水製造装置。
3. 前記濃縮水流量調整手段は、
   前記濃縮室流入ラインに直列に接続された開閉切換弁および第１定流量弁と、
   前記開閉切換弁および前記第１定流量弁と並列に接続された第２定流量弁とを備え、
   前記制御部は、前記第２流量センサの流量検知信号に基づいて前記開閉切換弁を制御することを特徴とする請求項２記載の純水製造装置。
4. 前記給水ポンプの上流に設けられ、前記被処理水を貯水する被処理水タンクと、
   前記第１流量センサの下流に設けられ、前記処理水流出ラインに流れる処理水の圧力を検出する圧力センサと、
   前記第１流量センサと前記圧力センサの間から分岐して、前記被処理水タンクに処理水をリターンさせる処理水リターンラインと、
   前記処理水リターンラインに設けられたリターン流量調整弁と、を備え、
   前記制御部は、前記第１流量センサの流量検知信号および前記圧力センサの圧力検知信号に基づいて前記リターン流量調整弁を制御することを特徴とする請求項１、２又は３記載の純水製造装置。
5. 前記給水ポンプの上流に設けられ、前記被処理水を貯水する被処理水タンクと、
   前記第１流量センサの下流から分岐して、前記被処理水タンクに処理水をリターンさせる処理水リターンラインと、前記処理水リターンラインに設けられた圧力逃がし弁と、を備えたことを特徴とする請求項１記載の純水製造装置。

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