JP5451574B2 - 浄水システムおよび方法、および前記システムのためのモジュール - Google Patents

Description

本発明は、一般に水を浄化するためのシステムおよび方法に関する。本発明は、水が２つの異なる浄化プロセス、すなわち、少なくとも１つの選択透過性の膜を用いた分離に引き続き脱イオン化を受ける状況に特に対処する。

上記の種類のある従来技術の浄水システムは、
浄化される水を吸引するように構成された吸引側と、ポンプに入る水を圧力下で排出するように構成された排出側とを有するポンプと、
圧力勾配の結果として少なくとも１つの選択透過性の膜を通じての透過によって動作し、前記ポンプの前記排出側と流体的に連絡している取入口と、透過水排出口と、残留水排出口とを有する液相分離手段と、
前記分離手段の前記透過水排出口と流体的に連絡している透過水取入口と、浄化水排出口とを有する電気式脱イオン化手段と、
前記分離手段の前記残留水排出口と流体的に連絡して、前記システムの排出口での残留水流速を減少させるための絞りを組み込んでいる、前記システムから残留水を排出するための手段と、
前記ポンプと相まって、前記分離手段の取入口で実質上一定の所定の圧力を維持するための圧力レギュレータを組み込んでいる、前記分離手段の前記残留水排出口と前記絞りとの間の、それによって排出手段がポンプの吸引側と連絡している連絡手段とを備える。

本発明の一般的な目的は、他の利点を付加的に有する、上記の種類のシステムを改良するための簡単な方法である。

より正確には、本発明は、浄化される水を吸引するように構成された吸引側と、ポンプに入る水を圧力下で排出するように構成された排出側を有するポンプと、
圧力勾配の結果として少なくとも１つの選択透過性の膜を通じての透過によって動作し、前記ポンプの前記排出側と流体的に連絡している取入口と、透過水排出口と、残留水排出口とを有する液相分離手段と、
前記分離手段の前記透過水排出口と流体的に連絡している透過水取入口と、浄化水排出口とを有する電気式脱イオン化手段と、
前記分離手段の前記残留水排出口と流体的に連絡して、前記システムの排出口での残留水流速を減少させるための絞りを組み込んでいる、前記システムから残留水を排出するための手段と、
前記ポンプと相まって、前記分離手段の取入口で実質上一定の所定の圧力を維持するための圧力レギュレータを組み込んでいる、前記分離手段の前記残留水排出口と前記絞りとの間の、それによって排出手段がポンプの吸引側と連絡している連絡手段とを備える浄水システムであって、
流速レギュレータが、実質上一定の所定の透過水流速を維持するために、前記分離手段から前記電気式脱イオン化手段への透過水流路内に配置されていることを特徴とする浄水システムにある。

言い換えれば、従来技術のシステムと比較すると、本発明は、第１に、流速を変動させることがある現象にかかわらず、所定の一定の流速で流速レギュレータの下流に配置された電気式脱イオン化手段を供給するために、第２に、所定の一定の回収率（分離手段によって作成された透過水と消費された水との比）で動作する、上記で定義された種類の、流速レギュレータの上流に配置された分離手段を有するために、１つの追加の構成要素、流速レギュレータの存在を利用している。

このことは、電気式脱イオン化手段の性能を改善し、水の消費を減少させ、分離手段のための素晴らしい動作条件を達成する。

この点で、一般にモジュール設計である既存の電気式脱イオン化手段の性能は、それに供給される水の流速に依存することが指摘されなければならない。さらに、これらは一般に、制限された水供給圧力のみでしか動作することができない。

逆に、当技術分野で現在知られているタンジェンシャル濾過を使用した上記の種類の分離手段は、逆浸透、超濾過、ナノ濾過またはマイクロ濾過モジュールのいずれを採用していても、透過水流速の点で、実際±１５％の、一般に比較的広範囲の公差で一般に製造されており、分離手段から出る透過流速は、一般的に、１℃当たり約３％変動する。実用上、逆浸透モジュールの透過水流速は、水温が１０℃から３０℃へ変動するとき、１対２の比で変動することが見出されている。一般にモジュールの使用年数が経過すると、透過水流速が変化する傾向があることに留意されたい。

また、高すぎる回収率は、一般に、この種のモジュールの浄化性能を低下させ、その膜に損傷を与えるリスクを有する。一方、低すぎる回収率は、残りの、すなわち廃棄される水（残留水）の量を増加させる。

経済性の理由で好ましい実施形態では、流速レギュレータは、上流の圧力が上昇した場合、前記流速レギュレータを通る有効流面積を減少させて、それによって、透過流速を実質上一定の所定の値に維持するための変形可能な部材を備える。

たとえば、前記変形可能な部材は、可変オリフィスを形成している、好ましくはエラストマー製の、弾力性のアイレットであってもよい。

圧力レギュレータは、前記弾力性のアイレットがその中に収容されるカートリッジを備えることができる。

別法として、自動コントローラによって動作される電動式の流速調節バルブを備える流速レギュレータを使用することができる。

圧力調整器は好ましくは可変であり、手動で調節可能か、または自動コントローラによって動作する。

絞りは、固定されたオリフィスがその中に形成されている板を備えることができるが、好ましくは、手動で、または自動コントローラによって調節可能である可変オリフィスである。

経済性の理由で、絞りは、好ましくはニードルバルブまたはキャピラリーチューブを備える。

経済性および製造の容易性の理由で、ポンプと分離手段の間、および分離手段と電気式脱イオン化手段の間の流体的な連絡が、それぞれの場合少なくとも１つのパイプを用いて好ましくは確立される。

同様に、排出手段および連絡手段は、好ましくはそれぞれ、それぞれの絞りおよびそれぞれの圧力レギュレータを備えるパイプを備える。

本発明によるシステムはまた、前記分離手段が、特に逆浸透、超濾過、ナノ濾過またはマイクロ濾過によって動作する１つまたは複数の同一のタンジェンシャル濾過モジュールを備え、前記モジュールまたは各モジュールが、透過水マニホルドを備え、関連するモジュールのマニホルドと流体的に連絡している透過水排出口を有するチャンバ内に収容されており、前記透過水排出口に、または前記モジュールまたは各モジュールの前記透過水マニホルド内に、または前記モジュールまたは各モジュールの電気式脱イオン化手段の取入口に流速レギュレータがある、発展形態に適している。したがって、モジュール交換時に、本発明を用いて既存の浄水システムを改良することが可能である。

あるいは、流量調整器は電気脱イオン化手段の入口にあってもよい。

本発明はまた、
少なくとも１つの選択透過性の膜、および処理される流体のための取入口と、透過水マニホルドと流体的に連絡している前記モジュールによって作成された透過水のための排出口と、前記モジュールによって作成された残留水のための排出口とを有するチャンバ内に収容された透過水マニホルドを備えるタンジェンシャル濾過モジュールを備える、逆浸透、超濾過、ナノ濾過またはマイクロ濾過によって特に動作するタンジェンシャル濾過モジュールアセンブリであって、前記透過水排出口に、または前記透過水マニホルド内に流速レギュレータがあることを特徴とするアセンブリを提供する。

本発明はさらに、浄化される水を加圧するステップと、
透過水流および残留水流に加圧された水の流れを分離するために、前記水の加圧された流れを、少なくとも１つの選択透過性の膜上へ方向付けるステップと、
電気式脱イオン化された透過水流から成る浄化された水の流れを作成するために透過水流を電気式脱イオン化するステップと
残留水流の流量を低減するステップと、
前記選択透過性の膜上で実質上一定の所定の圧力を維持するステップとを含む水を浄化する方法であって、
実質上一定の所定の透過水流速を維持するステップをさらに含むことを特徴とする方法を提供する。

本発明の特徴および利点は、添付の概略図面を参照にして一例として示された以下の説明から明らかになる。

本発明の浄水システムの流れ図である。 図１のシステムで使用される流速レギュレータの断面図である。

図示した実施形態では、本発明の浄水システム１０は、当技術分野で知られている方式で、水を浄化するために、逆浸透モジュール１１と、逆浸透モジュール１１の下流の電気式脱イオン化モジュール１２とを備える。

モジュール１１、１２は、それ自体は本発明に関連しておらず、ここでは詳細に説明しない。

図示した実施形態では、逆浸透モジュール１１は、ＤＯＷ ＣＨＥＭＩＣＡＬ（登録商標）によるＴＷ３０モジュールであり、電気式脱イオン化モジュール１２はＭＩＬＬＩＰＯＲＥ（登録商標）によるＥＤＩモジュールであると言えば十分であろう。

実用上、浄化される水の流れは、連続的であり、逆浸透モジュール１１の高密度膜に対して接線方向であり、その結果、浄化される水は、異なる濃度を有する２つの部分、
膜を通過する透過水と呼ばれる部分と、
膜を通過せず、膜によって引き止められたイオン、分子または粒子、特に無機イオンを含む残留水と呼ばれる部分に、膜で分割される。

電気式脱イオン化モジュール１２は、膜を用いて連続的な脱イオン化を行い、電気透析を用いた樹脂の固定、および樹脂の連続的な再生を伴う。したがって試薬の追加はない。

上記の種類のシステム１０によって作成された水は、したがって、極度に低いレベルの溶解した塩を有する（すなわち、超純水を構成している）とみなすことができる。

図示した実施形態では、浄化される水は、飲料水主路から来て、取入パイプ１４を介して能動式排水ポンプ１３へ供給される。

能動式排水ポンプ１３は、低温での逆浸透モジュールの公称流速を得るために十分な圧力で、逆浸透モジュールの供給パイプ１５を介して逆浸透モジュール１１内へ水を排出する。

図示した実施形態では、および当技術分野で知られているように、逆浸透モジュール１１から出る残留水の一部が、排出パイプ１６によって浄水システム１０の排出口へ供給される一方、残留水の残りは、再循環パイプ１７内を流れる残留水の部分をポンプ１３に供給するために、パイプが飲料水主路と接続されている点とポンプ１３の取入口との間で取入パイプ１４と接続された再循環パイプ１７を介してシステム内へ再循環される。

浄水システム１０から出る残留水の部分は、排水システムと接続された排出マニホルド１８によって回収される。

排出パイプ１６は、絞り１９、すなわち排出パイプ１６の排出口２０の近傍で水の流速を減少させて、圧力降下を作成するための部材を組み込んでいる。

図示した実施形態では、絞り１９は、実用上ニードルバルブである。

再循環パイプ１７は、逆浸透モジュール１１の残留水排出口と絞り１９の間の位置で排出パイプと接続されていること、および再循環パイプ１７が、ポンプ１３と相まって、取入パイプ１４内の圧力変動にかかわらず、逆浸透モジュール１１内で実質上一定の所定の圧力を維持するように、圧力レギュレータ２１を組み込んでいることにさらに留意されたい。

実用上、このレギュレータは、標準的な逆圧レギュレータであり、逆浸透モジュール１１の入力部に加えられた圧力が、低温でのモジュール１１の公称流速を得るために十分であるように選択されている。この目的のために、ここで使用される圧力レギュレータは、ニードルバルブ１９と同様に、可変であり、手動調節可能なタイプである。より正確にするために、これらの構成要素は、使用者によって制御システムに供給される基準値を基にした浄水システム１０の制御システム（図１では図示せず）によって調節される。もちろん、この種の構成部品は、その代わりに、完全に手動調節に適していてもよい、または、特に浄水システム１０の制御システムと機能的に接続された逆浸透モジュール１１の特性を認識するように構成された手段を用いて、自動コントローラによって、すなわち、人間の介入なしで操作されることにさえも適していてもよい。

本発明によると、図示した実施形態でそうであるように、流速レギュレータ２２が、浸透膜によって処理された水用の排出口２３と、脱イオン化された水（希釈液）用の排出口２３と、濃縮液（２５で排出されたイオンを含む水）用の排出口２４とを有する側と反対の電気式脱イオン化モジュール１２の側での実質上一定の所定の透過水流速を維持するために、逆浸透モジュール１１から電気式脱イオン化モジュール１２への透過水流路内に、配置されている。

実用上、流速レギュレータ２２は、電気式脱イオン化モジュール１２の取入口に配置され、この実施形態では、流速を変化させる現象にかかわらず、上流側で圧力が上昇した場合、流速レギュレータ２２を通る有効流面積を減少させて電気式脱イオン化モジュールの取入口での透過流速を実質上一定の所定の値に維持するための、変形可能な部材を備える。

実際は、流速レギュレータ２２は、浄化される水の温度が上昇した場合に特に、流速を一定に維持するために、逆浸透モジュール１１の膜圧差（逆圧）を操作する。

実用上、上記の種類の自動流速レギュレータは、圧力が２から１０バール（１バール＝１．１０^５パスカル）に変動した場合、流速を±５％以内に調節する。

さらに、この実施形態では、これは、逆浸透モジュール１１の公称流速に応じて選択されるが、その代わりに、脱イオン化モジュール１２の公称流速に応じて、または両モジュール１１および１２の公称流速に応じて選択することさえも同じようにできる。

流速レギュレータ２２が、図２でより詳細に示されている。

流速レギュレータ２２は、その中心にそれを通って水がレギュレータ２２から出る円形断面の円筒形のオリフィス２８を有する、端部ディスク２７によって一方の端部を閉じられている中空の円筒形のカートリッジ２６を備える。

反対側の軸方向端部で、円形断面の円筒形の流体入口セクション２９は、弾性エラストマーアイレット３１を収容している円形断面の円筒形の流体流路セクション３０の前にある。セクション２９の直径は、排出オリフィス２８の直径よりもずっと大きいが、セクション３０の直径よりもわずかに小さく、それによって、弾性アイレット３１を収容するセクション３０から続く第１の円錐台３３とともに、弾性アイレット３１を軸方向に固定する、環状のリム３２をセクション３０とともに形成している。 第１の円錐台３３は、そこから続く第２の円錐台３４とともに、排出オリフィス２８を覆う、それを終点とする流体通路セクション３５を形成している。

第１の円錐台３３は、カートリッジ２６の軸に対して垂直に近い頂点でのコーン傾斜角を有する。

弾性アイレット３１は、円形断面の円筒形部分３９のそれぞれ反対側に配置された、それぞれが円錐台の形状である２つの部分３７および３８によって形成された中央オリフィス３６を有する。部分３７〜３９およびカートリッジ２６は、同軸である。

休止時、アイレット３１が、カートリッジ２６の円筒形のセクション３０の内部円筒形の表面４０と接触することにさらに留意されたい。

流速レギュレータ２２の様々な構成要素の寸法は、もちろん、選択された流速が得られるように決定される。

流速レギュレータ２２は、ＰＬＡＴＯＮ（登録商標）によるフローコントローラである。

上記の特徴のおかげで、流速レギュレータ２２に入る水の流速の増加が、弾性アイレット３５を圧縮し、このことがその流路オリフィス３６の断面積を減少させ、それによって、透過水流速が実質上一定の値に維持される。

上記の種類の浄水システム１０は、以下の表で特定される条件下で、７℃、その後２５℃で水で動作するが、この例に限定されるものではない。

見ればわかるように、流速レギュレータ２２は、水の温度が上昇した場合、透過流の一定の流速を維持するために、逆浸透モジュール１１の膜に逆圧を作用させることによって膜透過圧力を操作する。実用上、膜圧差（逆浸透モジュール１１の取入口での圧力−逆浸透モジュール１１の排出口での圧力）は、１０バールから５バールに減少する。

本発明の浄水システム１０が、逆浸透モジュール１１の取入水の温度および飲料水主流の圧力にかかわらず、浸透によって処理された水の一定の生産流速を達成することが実現されよう。

他方、廃棄された水の（すなわち、逆浸透モジュール１１の排出口での残留水の）流速の調節とともに作成された水（すなわち、逆浸透モジュール１１の排出口での透過水の）一定の流速は、逆浸透モジュール１１が一定の回収率で動作することを可能にする。

このことは、電気式脱イオン化モジュール１２の性能を最適化し、水の消費を減少し、逆浸透モジュールの素晴らしい動作条件を達成する。

本発明は、上記で説明された実施形態に決して限定されず、本発明の範囲を逸脱しない多くの修正形態が可能であることを理解しなければならない。

特に、電気式脱イオン化モジュールを、代わりに、平行に配置された複数の逆浸透モジュールと直列に配置することができる。この場合、逆浸透モジュールごとに１つの流速レギュレータを（モジュールを含むチャンバの透過水排出口に、またはモジュールの透過水マニホルド内に直接に）、または、電気式脱イオン化モジュールの入力部での全体流速を調節する流速レギュレータを設けることができる。

さらに、電動式バルブが流速レギュレータとして使用される場合、逆浸透モジュールの排出口での流速を、たとえば制御システムに従属された電動バルブによって浄水システムの制御システムに機能的に接続されたタービン流量計を用いて制御することができる。

流速レギュレータはまた、異なるように設計されてもよく、たとえば、可変流体通路オリフィスを画定している２つの移動式の剛体部分で動作し、これらを互いに近づくように、または互いに遠ざかるように動かして流体通路オリフィスの断面積を変化させるばねとして動作するＯリングを備えてもよい。上記の種類の圧力補償レギュレータ（ＰＣＲ）は、ＮＥＯＰＥＲＬ（登録商標）から入手可能である。

１０ 浄水システム
１１ 逆浸透モジュール
１２ 電気式脱イオン化モジュール
１３ 排水ポンプ
１４ 取入パイプ
１５ 供給パイプ
１６ 排出パイプ
１７ 再循環パイプ
１８ 排出マニホルド
１９ ニードルバルブ
２０ 排出口
２２ 流速レギュレータ
２３ 排出口
２６ カートリッジ
２７ 端部ディスク
２８ 排出オリフィス
２９ 流体入口セクション
３０、３５ 流体流路セクション
３１ アイレット
３３、３４ 円錐台
３６ 中央オリフィス
３７、３８、３９ 部分
４０ 表面

Claims (4)

1. 逆浸透、超濾過、ナノ濾過またはマイクロ濾過によって動作するタンジェンシャル濾過モジュールアセンブリであって、前記タンジェンシャル濾過モジュールアセンブリは、処理される流体の流れを、選択透過性の膜を通過する透過水と選択透過性の膜を通過しない残留水とに分割する、少なくとも１つの選択透過性の膜と、タンジェンシャル濾過モジュールから透過水が通って出る透過水マニホルドとを備えるタンジェンシャル濾過モジュールを備え、前記タンジェンシャル濾過モジュールは、処理される前記流体のための取入口と、透過水マニホルドと流体的に連絡している、前記モジュールによって作成された前記透過水のための排出口と、前記タンジェンシャル濾過モジュールによって作成された前記残留水のための排出口とを有するチャンバ内に収容されており、
   前記透過水排出口に、または前記透過水マニホルド内に配置された流速レギュレータを備え、
   前記流速レギュレータは、
   中央に可変オリフィスを形成する弾性アイレットであって、当該アイレットの中心軸に沿った断面において湾曲した外周形状を有する弾性アイレットと、
   前記弾性アイレットを収容し、前記弾性アイレットの後方に位置する内壁に円錐形状の表面を備えるカートリッジと
   を含んで構成され、
   前記弾性アイレットは、前記円錐表面に対し、前記湾曲した外周形状の範囲内で当接し、上流の圧力上昇が生じた場合、圧力に応じて変形して、前記可変オリフィスを介する有効流面積を減少させ、略一定の透過水流速を維持することを特徴とする、アセンブリ。
2. 前記弾性アイレットが、エラストマー製であることを特徴とする、請求項１に記載のアセンブリ。
3. 前記円錐表面が、第１の円錐表面と、この第１の円錐表面の内側に配置された第２の円錐表面とを有し、前記第１の円錐表面が、前記中心軸に対して前記第２の円錐表面よりも大きく傾斜し、前記弾性アイレットが、前記第１の円錐表面に当接することを特徴とする、請求項１または２に記載のアセンブリ。
4. 前記可変オリフィスが、所定の断面積を有する円筒形部分の前後に、内径を縮小させまたは拡大させた部分を備えることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載のアセンブリ。

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