JP5778209B2 - 海水淡水化システムおよびエネルギー交換チャンバー - Google Patents

Description

本発明は、海水から塩分を除去して海水を淡水化する海水淡水化システムおよび該海水淡水化システム（海水淡水化プラント）に好適に用いられるエネルギー交換チャンバーに関するものである。

従来、海水を淡水化するシステムとして、海水を逆浸透膜分離装置に通水して脱塩する海水淡水化システムが知られている。この海水淡水化システムにおいては、取水された海水は、前処理装置により一定水質の条件に整えられたのち、高圧ポンプにより加圧され、逆浸透膜分離装置へと圧送され、逆浸透膜分離装置内の高圧海水の一部は、浸透圧に打ち勝って逆浸透膜を通過し、塩分が除去された淡水として取り出される。その他の海水は、塩分濃度が高くなり濃縮された状態で逆浸透膜分離装置からリジェクト（濃縮海水）として排出される。ここで、海水淡水化システムにおける最大の運用コスト（電力費）は、前処理後の海水を浸透圧に打ち勝てる圧力即ち逆浸透圧まで上昇させるためのエネルギー、つまり高圧ポンプによる加圧エネルギーに大きく依存する。

すなわち、海水淡水化プラントにおける最大の運用コストである電力費の半分以上は、高圧ポンプによる加圧に費やされることが多い。従って、逆浸透膜分離装置から排出される高塩分濃度で高圧のリジェクト（濃縮海水）が保有する圧力エネルギーを、海水の一部を昇圧するエネルギーに利用することが行われている。そして、逆浸透膜分離装置から吐出される濃縮海水の圧力エネルギーを海水の一部を昇圧するエネルギーに利用する手段として、円筒の筒内に移動可能に嵌装されたピストンによって円筒の内部を二つの容積室に分離し、２つの分離した空間の一方に濃縮海水の出入りを行う濃縮海水ポートを設け、もう一方に海水の出入りを行う海水ポートを設けたエネルギー交換チャンバーを利用することが行われている。

図２５は、従来の海水淡水化システムの構成例を示す模式図である。図２５に示すように、取水ポンプ（図示しない）により取水された海水は、前処理装置により前処理されて所定の水質条件に整えられたのち、海水供給ライン１を介してモータＭが直結された高圧ポンプ２へ供給される。高圧ポンプ２で昇圧された海水は吐出ライン３を介して逆浸透膜分離装置４に供給される。逆浸透膜分離装置４は、海水を塩分濃度の高い濃縮海水と塩分濃度の低い淡水に分離し海水から淡水を得る。この時、塩分濃度の高い濃縮海水が逆浸透膜分離装置４から排出されるが、この濃縮海水は依然高い圧力を有している。逆浸透膜分離装置４から濃縮海水を排出する濃縮海水ライン５は、方向切換弁６を介してエネルギー交換チャンバー１０の濃縮海水ポートＰ１へ接続している。前処理された低圧の海水を供給する海水供給ライン１は、高圧ポンプ２の上流で分岐してバルブ７を介してエネルギー交換チャンバー１０の海水ポートＰ２へ接続している。エネルギー交換チャンバー１０は、内部にピストン１２を備え、ピストン１２はエネルギー交換チャンバー１０内を二つの容積室に分離しながら移動可能に嵌装されている。

エネルギー交換チャンバー１０において濃縮海水の圧力を利用して昇圧された海水は、ブースターポンプ８に供給される。そして、ブースターポンプ８によって海水は高圧ポンプ２の吐出ライン３と同じレベルの圧力になるようにさらに昇圧され、昇圧された海水はバルブ９を介して高圧ポンプ２の吐出ライン３に合流して逆浸透膜分離装置４に供給される。

この種の海水淡水化システムおよびエネルギー交換チャンバーは、例えば、米国特許第５３０６４２８号公報、米国特許公開第２００６−０１５１０３３号公報、米国特許第７１６８９２７号公報などに記載されている。

エネルギー交換チャンバー１０においては、海水ポートＰ２の海水を吸込むために、方向切換弁６が濃縮海水を排水する側へ切り換わり、海水ポートＰ２から海水がエネルギー交換チャンバー１０内に流れ込み、ピストン１２が濃縮海水ポートＰ１側へ移動する。この状態でエネルギー交換チャンバー１０内には海水がほぼ満たされる。そして、方向切換弁６が高圧の濃縮海水をエネルギー交換チャンバー１０に供給する側に切り換わると、エネルギー交換チャンバー１０内に流入した海水を押し出すようにピストン１２が海水ポートＰ２側へ移動し、海水ポートＰ２側のバルブ７がブースターポンプ８側へ海水を供給する。

海水ポートＰ２側のバルブ７は、高圧流体をブースターポンプ８側へ流し、低圧の流体をエネルギー交換チャンバー１０へ流すようにチェック弁や方向切換弁などの周知の流体機器で構成されている。

ブースターポンプ８は、エネルギー交換チャンバー１０によって昇圧された海水を高圧ポンプ２と同じ程度の圧力に昇圧するので、僅かなエネルギーで駆動することができる。すなわち、逆浸透膜分離装置４に供給される海水の流量は、高圧ポンプ２とエネルギー交換チャンバー１０からの海水の流量を加算した流量となり、システム全体の処理流量が多く得られ、エネルギー交換チャンバー１０からの海水は高圧の濃縮海水のエネルギーを利用して昇圧されているので、システム全体としての投入エネルギーを少なくすることができる。換言すれば、同じ処理流量を得るために高圧ポンプの容量および駆動エネルギーを少なくできるシステムを構築することができる。

前述した従来のエネルギー交換チャンバーは、海水淡水化システムで処理すべき容量（流量）によって大きさや数が適宜選定されるが、一般的に大径かつ長尺な円筒型をなし、チャンバー内を二つの容積室に分離しながら、移動可能に嵌装されているピストンを備えている。

図２６は、従来のエネルギー交換チャンバー１０の構成例を示す断面図である。図２６に示すように、エネルギー交換チャンバー１０は、円筒形状のシリンダ１１と、シリンダ１１内で往復動するピストン１２と、シリンダ１１の両開口端を閉塞するフランジ１３とにより構成されている。フランジ１３は、シリンダ１１のフランジ部１１ｆにボルト１４およびナット１５により固定されており、一方のフランジ１３に濃縮海水ポートＰ１が形成され、他方のフランジ１３に海水ポートＰ２が形成されている。

ここで、ピストン１２はシリンダ内壁との摺動性を向上させる目的から、円筒形のピストン１２の円筒面には摺動リング１６が嵌め込まれている。摺動リング１６は低摩擦で耐摩耗性に優れた材質からなり、例えば、エンジニアリングプラスチックなどが選定されている。ピストン１２は、海水をチャンバー内に流入させて濃縮海水で押し出すため、常時チャンバー内を往復動作している。このため、ピストン１２は、耐摩耗性に優れた材質であっても、やがては摩耗して交換が必要になる。また、ピストン１２は、チャンバー内を往復動作しているため、摩耗状態を把握することが難しい。摺動シール１６が摩耗すると、ピストン１２の金属部がシリンダ１１の金属部と直接接触し、各部材に損傷を与えてしまう。場合によっては、チャンバー自体を交換しなければならない事態になってしまう。

また、エネルギー交換チャンバーの内径はピストンの外径（摺動シール外径）に合わせて均一な円筒であることが必要である。したがって、チャンバーが数メートルもの長尺になると、内径の加工が難しくなり、ひいてはチャンバー自体が非常に高価な製品になってしまう。

米国特許第５３０６４２８号公報 米国特許公開第２００６−０１５１０３３号公報 米国特許第７１６８９２７号公報

上述したように、従来のエネルギー交換チャンバーは、海水の吸い込みと吐出のためにピストンをチャンバー内で往復動作させる必要があり、チャンバー内のピストンの位置を濃縮海水ポート側と海水ポート側の間を往復動作させていた。
このため、従来のエネルギー交換チャンバー内のピストンは、シリンダ内壁と摺動することになり、ピストンの摺動部材が摩耗するので定期的な交換が必要であった。また、長尺のチャンバーの内径をピストンの外形に合わせて精度よく加工する必要があり、加工コストが非常に高価であった。

本発明者らは、ピストンの無い形態のエネルギー交換チャンバーを海水淡水化システムに適用することを検討してみた。このエネルギー交換チャンバーにおいては、濃縮海水と海水の界面（interface）が、濃縮海水と海水の双方の圧力バランスによりチャンバー内を移動する方式である。
本方式の問題点は、界面での濃縮海水と海水の混合により、取水海水の塩分濃度がチャンバー内で高くなることである。これにより、チャンバー内で昇圧される被昇圧海水と高圧ポンプから吐出された海水が合流して、逆浸透膜分離装置に導入される際に、該被昇圧海水の塩分濃度が高くなることで、逆浸透膜の淡水化率を低下させることに加え、逆浸透膜の寿命を低下させ逆浸透膜自体の交換周期が短くなるなどの問題があると推定される。

本発明は、上述の事情に鑑みなされたもので、海水淡水化システムの逆浸透膜分離装置から吐出される濃縮海水の圧力エネルギーにより海水の一部を昇圧するエネルギー交換チャンバーをピストンが無い形態とすることにより、摺動部材の摩耗の問題を解消し、またチャンバーに過大な加工精度が要求されることなくかつ長尺加工も必要とすることなく、さらにピストンの無い形態にも拘らずチャンバー内での濃縮海水と海水の混合を抑制することができるエネルギー交換チャンバーおよび該エネルギー交換チャンバーを備えた海水淡水化システムを提供することを目的とする。

上述した目的を達成するために、本発明のエネルギー交換チャンバーは、ポンプによって昇圧した海水を逆浸透膜分離装置に通水して淡水と濃縮海水に分離して海水から淡水を生成する海水淡水化システムにおいて前記逆浸透膜分離装置から吐出される濃縮海水の圧力エネルギーを前記海水を昇圧するエネルギーに利用するエネルギー交換チャンバーであって、前記エネルギー交換チャンバーは、縦方向に配置され、前記濃縮海水の出入りを行う濃縮海水ポートと、前記海水の出入りを行う海水ポートを具備し、前記チャンバー内に前記濃縮海水ポートから所定の距離離間した位置に第一の多孔板と、前記第一の多孔板から更に所定の距離離間した位置に第二の多孔板を配置するとともに、前記海水ポートから所定の距離離間した位置に第三の多孔板と、前記第三の多孔板から更に所定の距離離間した位置に第四の多孔板を配置し、前記第一の多孔板と第三の多孔板はそれぞれ、濃縮海水ポート、海水ポートから同じ距離離間し、前記第二の多孔板と第四の多孔板はそれぞれ、前記第一の多孔板と第三の多孔板から同じ距離離間し、前記第一の多孔板、第二の多孔板、第三の多孔板および第四の多孔板はそれぞれ水平方向に配置されており、前記第一の多孔板、第二の多孔板、第三の多孔板および第四の多孔板によって、小径の濃縮海水ポートおよび小径の海水ポートから流入する流れを大径のチャンバー内円筒部に均一に分散させ、濃縮海水と海水の界面がチャンバー内の１つの空間を２分し、方向切換弁によって流れの方向を変えて濃縮海水と海水の界面が濃縮海水ポートと海水ポートの間を往復動作するようにしたことを特徴とする。

本発明によれば、濃縮海水ポートからチャンバー内に流入した濃縮海水と海水ポートからチャンバー内に流入した海水とを、このようにチャンバー内に多孔板を配置することによって小径のポートから流入する流れを大径のチャンバー内に均一に分散させ均一に流れるようにすることができる。この結果、適正な濃縮海水と海水の界面が形成される。それゆえチャンバー内での濃縮海水と海水の混合を抑制することができる。なお、濃縮海水と海水とが接している境界では両者が混合するため、ここで界面とは、濃縮海水と海水との境界部であって濃縮海水と海水とが所定の割合で混合した領域（後述する）を云い、この領域は所定の容積をもった領域である。

円板状の第一の多孔板及び第三の多孔板をチャンバー内に配置することにより、小径のポートから流入する流れを大径のチャンバー内に均一に分散させることができる。

円板状の第二の多孔板及び第四の多孔板をチャンバー内に配置することにより、小径のポートから流入した流れをチャンバー内に均一に分散させたあと、均一に流れるようにすることができる。
本発明の好ましい態様は、前記第一の多孔板と第二の多孔板は、それぞれ孔径や空孔率が異なり、かつ前記第三の多孔板と第四の多孔板も、それぞれ孔径や空孔率が異なることを特徴とする。

さらに、上述した目的を達成するために、本発明の海水淡水化システムは、ポンプによって昇圧した海水を逆浸透膜分離装置に通水して淡水と濃縮海水に分離して海水から淡水を生成する海水淡水化システムにおいて、前記逆浸透膜分離装置から吐出される濃縮海水の圧力エネルギーを前記海水を昇圧するエネルギーに利用するエネルギー交換チャンバーを備え、前記エネルギー交換チャンバーは、縦方向に配置され、前記濃縮海水の出入りを行う濃縮海水ポートと、前記海水の出入りを行う海水ポートを具備し、前記チャンバー内に、前記濃縮海水ポートから所定の距離離間した位置に第一の多孔板を配置し、前記第一の多孔板から更に所定の距離離間した位置に第二の多孔板を配置し、前記海水ポートから所定の距離離間した位置に第三の多孔板を配置し、前記第三の多孔板から更に所定の距離離間した位置に第四の多孔板を配置し、前記第一の多孔板と第三の多孔板はそれぞれ、濃縮海水ポート、海水ポートから同じ距離離間し、前記第二の多孔板と第四の多孔板はそれぞれ、第一の多孔板と第三の多孔板から同じ距離離間し、前記第一の多孔板、第二の多孔板、第三の多孔板および第四の多孔板はそれぞれ水平方向に配置されており、前記第一の多孔板、第二の多孔板、第三の多孔板および第四の多孔板によって、小径の濃縮海水ポートおよび小径の海水ポートから流入する流れを大径のチャンバー内円筒部に均一に分散させ、濃縮海水と海水の界面がチャンバー内の１つの空間を２分し、方向切換弁によって流れの方向を変えて濃縮海水と海水の界面が濃縮海水ポートと海水ポートの間を往復動作するようにしたことを特徴とする。

本発明によれば、以下に列挙する効果を奏する。
１）チャンバー内にピストンが無い形態であるため、摺動部材の摩耗の問題を解消し、またチャンバーに過大な加工精度が要求されることなくかつ長尺加工も必要としない。したがって、チャンバーの製作コストを低減することができる。
２）チャンバー内にピストンが無い形態にも拘らずチャンバー内での濃縮海水と海水の混合を抑制し、濃縮海水と海水の界面を維持したまま、濃縮海水によって海水を加圧することができる。
３）チャンバー内での乱流拡散による濃縮海水と海水の混合を抑制でき、濃度の高い海水を逆浸透膜分離装置に送ってしまうことがないので、逆浸透膜分離装置の性能を十分に発揮することができるとともに、逆浸透膜自体の交換周期を長くすることができる。

図１は、本発明の海水淡水化システムの構成例を示す模式図である。 図２は、本発明のエネルギー交換チャンバーの構成例を示す断面図である。 図３は、図２のIII−III線断面図である。 図４は、チャンバー内に区画された複数の流路がある場合と無い場合の濃縮海水と海水の界面の状態を示す模式的断面図である。 図５は、本発明のエネルギー交換チャンバーの他の実施形態を示す斜視図である。 図６は、図２に示すエネルギー交換チャンバーに整流手段を設けた実施形態を示す断面図である。 図７は、エネルギー交換チャンバーに他の整流手段を設けた実施形態を示す断面図である。 図８は、図７に示す整流手段の斜視図である。 図９は、エネルギー交換チャンバーにさらに他の整流手段を設けた実施形態を示す断面図である。 図１０は、図９に示す整流手段の平面図である。 図１１は、図９に示す実施形態において濃縮海水と海水の界面の状態を示す模式的断面図である。 図１２は、図９に示すエネルギー交換チャンバーに濃縮海水排水ポートを設けた実施形態を示す断面図である。 図１３は、本発明のエネルギー交換チャンバーにおいて整流手段とチューブとをシリンダ内に設置する場合の具体例を示す図であり、エネルギー交換チャンバーの断面図である。 図１４は、本発明のエネルギー交換チャンバーにおいて整流手段とチューブとをシリンダ内に設置する場合の具体例を示す図であり、シリンダの略半分を取り除いてシリンダの内部を示す斜視図である。 図１５は、図１３の要部拡大図である。 図１６は、図１３のXVI部の拡大断面図である。 図１７は、パイプ内に図５に示す仕切りを設けてハニカム状の複数の流路を形成した例を示す斜視図である。 図１８は、エネルギー交換チャンバーへの濃縮海水の導入およびエネルギー交換チャンバーの濃縮海水の排出を切換える方向切換弁と、エネルギー交換チャンバーへの取水海水の供給およびエネルギー交換チャンバーからの取水海水の排出用のバルブの構成を具体的に示した回路図である。 図１９は、本発明のエネルギー交換チャンバーを２個備えた海水淡水化システムの構成例を示す模式図である。 図２０（ａ）および図２０（ｂ）は、図１９に示す海水淡水化システムにおける方向切換弁と２個のエネルギー交換チャンバーの関係を示す模式的断面図である。 図２１は、本発明のエネルギー交換チャンバーを３個備えた海水淡水化システムの構成例を示す模式図である。 図２２は、図２乃至図１３に示す本発明のエネルギー交換チャンバーと、ピストンを備えたエネルギー交換チャンバーとを備えた海水淡水化システムの構成例を示す模式図である。 図２３は、本発明のエネルギー交換チャンバー装置の縦断面図である。 図２４は、図２３のXXIV−XXIV断面図である。 図２５は、従来の海水淡水化システムの構成例を示す模式図である。 図２６は、従来のエネルギー交換チャンバーの構成例を示す断面である。

以下、本発明に係る海水淡水化システムの実施形態について図１乃至図２４を参照して説明する。なお、図１乃至図２４において、同一または相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。
図１は、本発明の海水淡水化システムの構成例を示す模式図である。図１に示すように、取水ポンプ（図示しない）により取水された海水は、前処理装置により前処理されて所定の水質条件に整えられたのち、海水供給ライン１を介してモータＭが直結された高圧ポンプ２へ供給される。高圧ポンプ２で昇圧された海水は吐出ライン３を介して逆浸透膜分離装置４に供給される。逆浸透膜分離装置４は、海水を塩分濃度の高い濃縮海水と塩分濃度の低い淡水に分離し海水から淡水を得る。この時、塩分濃度の高い濃縮海水が逆浸透膜分離装置４から排出されるが、この濃縮海水は依然高い圧力を有している。逆浸透膜分離装置４から濃縮海水を排出する濃縮海水ライン５は、方向切換弁６を介してエネルギー交換チャンバー２０の濃縮海水ポートＰ１へ接続している。前処理された低圧の海水を供給する海水供給ライン１は、高圧ポンプ２の上流で分岐してバルブ７を介してエネルギー交換チャンバー２０の海水ポートＰ２へ接続している。エネルギー交換チャンバー２０は、チャンバー内の濃縮海水ポートＰ１と海水ポートＰ２の間に区画された流路を有しており、濃縮海水と海水の界面によって二流体を分離しながらエネルギー伝達を行うものである。

エネルギー交換チャンバー２０において濃縮海水の圧力を利用して昇圧された海水は、ブースターポンプ８に供給される。そして、ブースターポンプ８によって海水は高圧ポンプ２の吐出ライン３と同じレベルの圧力になるようにさらに昇圧され、昇圧された海水はバルブ９を介して高圧ポンプ２の吐出ライン３に合流して逆浸透膜分離装置４に供給される。一方、海水を昇圧してエネルギーを失った濃縮海水は、エネルギー交換チャンバー２０から方向切換弁６を介して濃縮海水排出ライン１７に排出される。

図２は、本発明のエネルギー交換チャンバー２０の構成例を示す断面図である。図２に示すように、エネルギー交換チャンバー２０は、長尺の円筒形状のシリンダ２１と、シリンダ２１の両開口端を閉塞するフランジ２３を備えている。フランジ２３は、シリンダ２１のフランジ部２１ｆにボルト１４およびナット１５により固定されており、一方のフランジ２３に濃縮海水ポートＰ１が形成され、他方のフランジ２３に海水ポートＰ２が形成されている。シリンダ２１内には、シリンダ２１内に形成されたチャンバーより小径の複数のチューブ２５が濃縮海水ポートＰ１と海水ポートＰ２の間に配設され、チャンバー内に固定された小径の複数のチューブ２５によって複数の区画された流路が形成されている。そして、これら流路によって濃縮海水ポートＰ１と海水ポートＰ２が連通されている。

図３は、図２のIII−III線断面図である。図３に示すように、シリンダ２１内に形成されたチャンバー内に小径の複数のチューブ２５が配設されている。そして、各チューブ２５内に濃縮海水および海水が流入する流路Ｒが形成されている。各チューブ２５は小径のチューブからなるため、チューブ内の流路断面積は小さく設定されている。

ここで、この区画された流路が無い場合、濃縮海水ポートＰ１から流入した濃縮海水が海水ポートＰ２から吸い込んだ海水に拡散し、混ざり合ってしまう。海水ポートＰ２から海水を吸い込む場合においても、同様に濃縮海水内に海水が拡散してしまう。これは、チャンバー内でそれぞれの流体が流入する際に渦を作って大きく拡散してしまうためである。

本発明のエネルギー交換チャンバー２０によれば、チャンバー内に吸い込まれた流体は、チャンバー内に固定してある複数のチューブ２５によって構成される区画された流路断面積の小さい流路Ｒに流入する。この時、濃縮海水と海水が接触するが、流路断面積が小さい流路Ｒ内で生じる渦は管路内の小さな渦になるので、大きく拡散せずに濃縮海水と海水の界面が乱れない。このように流路断面積の小さい流路Ｒが複数個集まって大きなチャンバーを構成しているため、各流路Ｒで濃縮海水と海水の界面が維持され、全体として濃縮海水と海水の界面を維持したまま、すなわち濃縮海水と海水の混合を抑制しながら、濃縮海水によって海水を加圧し吐出することができる。

図４（ａ）および図４（ｂ）は、海水が満たされているチャンバー内に濃縮海水ポートから濃縮海水が流入したときの混合の様子を示す図であり、チャンバー内に区画された複数の流路がある場合と無い場合の濃縮海水と海水の界面の状態を示す模式的断面図である。図４（ａ）は、チャンバー内に区画された複数の流路が無く単一の流路のみある場合の濃縮海水と海水の界面の状態を示し、図４（ｂ）は、チャンバー内に区画された複数の流路がある場合の濃縮海水と海水の界面の状態を示す。
図４（ａ）および図４（ｂ）において、Ａ１０で示した領域が濃縮海水１００％〜９０％の領域であり、濃縮海水ポートＰ１から海水ポートＰ２に向かうにつれて各領域（Ａ９〜Ａ２）ごとに濃度が１０％低くなり、Ａ１で示した領域は濃縮海水１０％〜０％の領域である。なお、Ａ１で示した領域においても、領域Ａ２との境界部や領域Ａ２に近接した部分では濃縮海水１０％であるが、海水ポートＰ２に近い部分では濃縮海水０％、すなわち、海水１００％である。

図４（ａ）に示すように、チャンバー内に区画された複数の流路が無い場合には、濃縮海水ポートＰ１から流入した濃縮海水が海水ポートＰ２から吸い込んだ海水に拡散し、広範囲にわたって混ざり合ってしまう。海水ポートＰ２から海水を吸い込む場合においても、同様に濃縮海水内に海水が拡散してしまう。これは、チャンバー内でそれぞれの流体が流入する際に、Ａ９からＡ２で示す各領域で示すように、渦を作って大きく拡散してしまうためである。
これに対し、図４（ｂ）に示すように、チャンバー内に区画された複数の流路Ｒがある場合には、濃縮海水ポートＰ１から濃縮海水が区画された流路断面積の小さい各流路Ｒに流入し、海水ポートＰ２から海水が各流路Ｒに流入する。この時、各流路Ｒ内で濃縮海水と海水が接触するが、流路断面積が小さい流路Ｒ内で生じる渦は管路内の小さな渦になるので、大きく拡散せずに濃縮海水と海水の界面Ｉ（Ａ９〜Ａ２で示す領域）が乱れない。
すなわち、図４（ｂ）においてＡ１０で示した領域は濃縮海水１００％〜９０％の領域であり、濃縮海水ポートＰ１から海水ポートＰ２に向かうにつれて各領域ごとに濃度が１０％低くなり、Ａ１で示した領域は濃縮海水１０％〜０％の領域である。濃縮海水ポートＰ１から海水ポートＰ２方向にみた場合、領域Ａ１０に隣接する濃縮海水が９０％〜８０％の領域Ａ９から１０％ずつ濃縮海水の割合が減少していき、濃縮海水と海水の界面は、濃縮海水が９０％〜８０％の領域Ａ９から濃縮海水が２０％〜１０％の領域Ａ２までの８つの細い帯状の領域の集合であり、界面Ｉで示される。
このように流路断面積の小さい流路Ｒが複数個集まって大きなチャンバーを構成するため、各流路Ｒで濃縮海水と海水の界面Ｉが維持され、全体として濃縮海水と海水の界面を維持したまま、すなわち濃縮海水と海水の混合を抑制しながら、濃縮海水によって海水を加圧し吐出することができる。

本発明によれば、図４（ｂ）に示すように、チャンバー内のピストンを無くしても、チャンバー内に区画された複数の流路Ｒを設けることにより、濃縮海水と海水をほぼ二分したままでエネルギー交換をすることができる。

図５は、本発明のエネルギー交換チャンバーの他の実施形態を示す斜視図である。図２及び図３に示す実施形態においては、チャンバー内に区画された複数の流路は細いチューブ２５によって構成したが、図５に示す実施形態においては、シリンダ２１内に形成されたチャンバー内に仕切り２６を設けてハニカム状の複数の流路Ｒを形成している。なお、ハニカム状に限らず、格子状の複数の流路を形成してもよい。このように、ハニカム状や格子状の複数の流路Ｒを形成した場合においても、各流路Ｒ内で生じる渦は管路内の小さな渦になるので、大きく拡散せずに濃縮海水と海水の界面が乱れることなく、図２および図３に示す例と同様の作用効果が得られる。

なお、チューブ２５およびハニカムや格子状の仕切り２６は薄いことが望ましい。チューブ２５や仕切り２６の大きさは、小さいほど界面での混合を少なくすることができるが、抵抗も大きくなるため、チューブの場合では、直径が５〜１０ｍｍ程度が望ましい。ハニカムの場合も六角の対辺の距離が５〜１０ｍｍ程度がよい。格子状の場合も四角の対辺の距離が５〜１０ｍｍ程度がよい。

図６は、図２に示すエネルギー交換チャンバー２０に整流手段を設けた実施形態を示す断面図である。図６に示すように、濃縮海水ポートＰ１，海水ポートＰ２と流路Ｒの間に空間Ｓ１，Ｓ２を設け、各空間Ｓ１，Ｓ２に流入する際に流体の整流を行う整流手段２７，２７を設けている。整流手段２７は、小径のポートから大径のチャンバー内円筒部に向かってラッパ状に拡がる円錐状の整流板からなっている。

図７は、エネルギー交換チャンバー２０に他の整流手段を設けた実施形態を示す断面図である。なお、図７に示すエネルギー交換チャンバー２０は、図２におけるエネルギー交換チャンバー２０と比較して、濃縮海水ポートＰ１および海水ポートＰ２の径に対してチャンバーの内径がより大きくなっている。
図７に示す実施形態においては、チャンバー内の空間Ｓ１，Ｓ２の中央部に流入側から拡大し、さらに縮小する円錐が底面で合わせられた形状の整流手段２８，２８を設けている。この整流手段２８によってチャンバー中央部に供給された流体が一旦外側に広がり、再び内側へ縮小することで、小径のポートからの流れをチャンバー内の区画された各流路に均一に流すことができる。
図６において説明した小径のポートから大径のチャンバー内円筒部に向かってラッパ状に拡がる円錐状の整流板は、ポート内径とチャンバー内径の比が比較的小さい場合、すなわち、ポートからチャンバーへの拡大幅が小さい場合に有効であるが、図７に示すように、ポート内径とチャンバー内径の比が大きい場合、すなわちポートからチャンバーへの拡大幅が大きい場合には本実施形態の整流手段２８が有効である。

図８は、図７に示す整流手段２８の斜視図である。図８に示すように、整流手段２８は、左側から右側に向かって拡大していく円錐２８ａと左側から右側に向かって縮小していく円錐２８ｂとが互いに底面で合わせられた形状をしている。この整流手段２８は、チャンバー中央に保持するために、円錐部材に複数の支持板２８ｃを取り付けており、これら支持板２８ｃをチャンバーの内壁に固定する。

図６乃至図８に示すように、チャンバー内に流入する流れを各流路Ｒに均等に流れるように整流することにより、濃縮海水と海水の界面がチャンバー内の１つの空間を２分することができる。方向切換弁やバルブによって流れの方向が変わり、濃縮海水と海水の界面が濃縮海水ポートＰ１と海水ポートＰ２の間を往復動作する。

図９は、本発明のさらに他の実施形態におけるエネルギー交換チャンバー２０の構成を示す断面図である。図９に示す実施形態においては、他の整流手段を設けている。濃縮海水ポートＰ１と流路Ｒの間および海水ポートＰ２と流路Ｒの間に空間Ｓ１，Ｓ２を設け、各空間Ｓ１，Ｓ２に流入する際に流体の整流を行う整流手段２９a，２９ｂ，２９ｃ，２９ｄを設けている。

図１０は、図９に示す整流手段の平面図である。図１０に示すように、整流手段２９a（２９ｂ，２９ｃ，２９ｄ）は、円板状の部材に多数の孔２９ｈを形成した多孔板から構成されている。多孔板はポートＰ１，Ｐ２から所定の距離離間し、また隣接する多孔板どうしも所定の距離離間して配置されている。そして、多孔板は区画された流路の端部からも所定の距離離間するように配置されている。
図９に示す本実施形態も流入するポート内径に対するチャンバーの内径の比が大きい場合に有効である。このように、多孔板を配置することによって小径のポートＰ１，Ｐ２から流入する流れを大径のチャンバー内に均一に分散させ複数の区画された流路に均一に流れるようにすることができる。

図１０に示す多孔板は、円板状の部材に多数の孔２９ｈが形成されたパンチングプレートを用いている。パンチングプレートは、孔の直径や孔間ピッチによってプレート全面積に対する空孔率が計算できる。空孔率は、多孔板が大きな圧力損失にならない程度で、良好な整流作用を有するような数値を選定する。
また、一方のポート側に設けた２枚の多孔板による整流手段２９ａ，２９ｂ（または２９ｃ，２９ｄ）は、それぞれの孔径や空孔率が異なるものでもよい。

図１１は、図９に示す実施形態において海水が満たされているエネルギー交換チャンバー２０内に濃縮海水ポートＰ１から濃縮海水が流入したときの混合の様子を示す図であり、濃縮海水と海水の界面の状態を示す模式的断面図である。図１１において、Ａ１０で示した領域は濃縮海水１００％〜９０％の領域であり、濃縮海水ポートＰ１から海水ポートＰ２に向かうにつれて各領域ごとに濃度が１０％低くなり、Ａ１で示した領域は濃縮海水１０％〜０％の領域である。濃縮海水ポートＰ１から海水ポートＰ２方向にみた場合、領域Ａ１０に隣接する濃縮海水が９０％〜８０％の領域Ａ９から１０％ずつ濃縮海水の割合が減少していき、濃縮海水と海水の界面は、濃縮海水が９０％〜８０％の領域Ａ９から濃縮海水が２０％〜１０％の領域Ａ２までの８つの細い帯状の領域の集合であり、界面Ｉで示す。

多孔板を整流手段２９ａ，２９ｂ，２９ｃ，２９ｄとして使用することにより、小径のポートから大径のチャンバーへ流路が拡大しても、濃縮海水と海水の界面Ｉが、チャンバー内を二つのポートＰ１，Ｐ２の間で流体を領域Ａ１０と領域Ａ１とに二分割していることがわかる。濃縮海水ポートＰ１からさらに濃縮海水を流入させると界面Ｉが海水ポートＰ２側へ移動していき、海水ポートＰ２からは濃縮海水の圧力と同圧に昇圧された海水が吐出される。次に、海水ポートＰ２から海水を吸い込み、濃縮海水を濃縮海水ポートＰ１から排水する。この時も同様に海水ポートＰ２側の２枚の多孔板による整流手段２９ｃ，２９ｄによってチャンバー内に均一に流れるように整流された海水が細管であるチューブ２５（流路Ｒ）に均一に分散して流れ込み、細管によって乱流拡散が抑制され、界面Ｉによって２つの流体の混合を最小限としながら濃縮海水を排出する。

図１２は、図９で示した細管からなる流路と多孔板からなる整流手段を４枚備えたエネルギー交換チャンバーに濃縮海水排水ポートを設けた実施形態を示す模式的断面図である。図１２において、濃縮海水排水ポートＰ３は、濃縮海水ポートＰ１側の細管と多孔板による整流手段２９ｂの間のシリンダ２１の壁面に設けられている。
チャンバーが海水の吸込みを行う工程のとき、濃縮海水を濃縮海水排水ポートＰ３から排水し、濃縮海水と海水の混合領域にある流体を整流手段２９ｂの手前で濃縮海水排水ポートＰ３から排出するようにしている。すなわち、混合領域にある流体を整流手段２９ｂの手前で排出したうえで、次に再度濃縮海水により海水を押し出すときには濃縮海水を濃縮海水供給ポートＰ１から供給する。このように、混合領域にある流体をチャンバー内から排出することによって常に新しい界面が形成され、界面の往復動作によって濃縮海水と海水の混合が拡大していくのを防ぐことができる。
なお、制御によって、吸い込み吐出しサイクルの何回かに１回、吸い込み工程の時間を長く取り、混合領域にある流体を濃縮海水排水ポートＰ３から排出するようにしてもよい。

図１３および図１４は、本発明のエネルギー交換チャンバー２０において整流手段２９ａ，２９ｂ，２９ｃ，２９ｄとチューブ２５とをシリンダ２１内に設置する場合の具体例を示す図であり、図１３はエネルギー交換チャンバー２０の断面図であり、図１４はシリンダ２１の略半分を取り除いてシリンダ２１の内部を示す斜視図である。
図１３および図１４に示すように、エネルギー交換チャンバー２０のシリンダ２１内には、濃縮海水ポートＰ１側から海水ポートＰ２側に向かって、パイプＰＡ、パイプＰＢ、パイプＰＣ、パイプＰＤ、パイプＰＥ、パイプＰＦ、パイプＰＥ、パイプＰＤ、パイプＰＣ、パイプＰＢ、パイプＰＡの順序に配置されている。これらのパイプＰＡ〜ＰＦは、整流手段２９ａ〜２９ｄおよびチューブ２５をチャンバーに固定するための部材として用いられている。パイプＰＡ、パイプＰＢ、パイプＰＣ、パイプＰＤ、パイプＰＥは、パイプＰＦを中心として左右対称に配置されている。整流手段２９ａはパイプＰＢとパイプＰＣとにより狭持され、整流手段２９ｂはパイプＰＣとパイプＰＤにより狭持されている。また、整流手段２９ｃはパイプＰＣとパイプＰＤとにより狭持され、整流手段２９ｄはパイプＰＢとパイプＰＣとにより狭持されている。

図１５は、図１３の要部拡大図である。図１５に示すように、パイプＰＡ、パイプＰＢ、パイプＰＣ、パイプＰＤ、パイプＰＥ、パイプＰＦは、それぞれ軸方向において、その外端部にて凹凸形状をしており、これら凹凸部５５で各々嵌合されて接続されている。
ここで、整流手段２９ａ，２９ｂ（２９ｃ，２９ｄ）は、パイプＰＢとパイプＰＣ間およびパイプＰＣとパイプＰＤ間の凹凸部５５の空隙に挟まれるように設置され、軸方向に固定されている。

また、図１３に示すように、チューブ２５は、パイプＰＦと２つのパイプＰＥ内に設置されている。ここでチューブ２５の固定方法としては、接着やパイプの円周方向側からのねじ止めなど各種考えられるが、要はチューブ２５がパイプＰＥ，パイプＰＦ内で軸方向に動かないように固定されていれば、いずれの固定手段であっても良い。
図１３に示す例では、チューブ２５を軸方向に３分割してチャンバー内に設置している。チューブの分割数、各チューブの軸方向の長さ、および各チューブの内外径は使用条件により適宜設定するものであり、図１３に示す形態（３分割）に限るものではない。
なお、各パイプＰＡ〜ＰＦには、その外周面上の１箇所もしくは複数箇所に圧力バランス孔５６を設けている。圧力バランス孔５６の径、圧力バランス孔５６の軸方向および円周方向の数は、適宜設定する。

図１６は、図１３のXVI部の拡大断面図である。図１６に示すように、パイプＰＡの端部には固定ワッシャー５７が設けられている。固定ワッシャー５７は軸部５７ａを有しており、軸部５７ａはパイプＰＡの端部に形成された孔ｈに嵌合されている。そして、固定ワッシャー５７とパイプＰＡの端面との間にはＯリング５８が設置されている。
固定ワッシャー５７の軸部５７ａは、孔ｈ内で軸方向に可動になっており、孔ｈの深さおよび軸部５７ａの長さは、固定ワッシャー５７が軸方向に所望の距離だけ移動できるように設定されている。なお、固定ワッシャー５７は、図１６に示すパイプＰＡと対称位置にあるもう１つのパイプＰＡにも設置されている（図１３参照）。
図１３および図１６に示すように、パイプＰＡの端部に、Ｏリング５８の弾性変形によって軸方向に移動可能な固定ワッシャー５７を設置し、固定ワッシャー５７をフランジ２３で押さえることにより、パイプＰＡ〜ＰＦをチャンバー内で軸方向に固定することができる。

上述したように、図１３乃至図１６に示すエネルギー交換チャンバー２０は、下記（１）〜（３）の構成を採用している。
（１）チューブの分割化設置
本発明によるエネルギー交換チャンバーのサイズ（長さ）は、使用条件により様々となる。例えば、チャンバーの長さが１ｍの場合もあれば、８ｍの場合もあり得る。また、チャンバー内に設置されるチューブは、チャンバーとほぼ同等の長さを必要とするが、チューブは長尺のものは製作が困難であることや、製作コストが高価になる。加えて、長尺のチューブをチャンバー内に設置するには広い作業スペースを必要とする。
本発明においては、図１３に示すように、チューブを軸方向に分割する形態を採ることにより、前記問題点を解消することが可能となる。
（２）圧力バランス孔の設置
エネルギー交換チャンバーにパイプＰＡ、パイプＰＢ、パイプＰＣ、パイプＰＤ、パイプＰＥ、パイプＰＦを嵌装するために、チャンバーとパイプＰＡ〜ＰＦとの間には半径方向にわずかに隙間（クリアランス）を設けている。
エネルギー交換チャンバー（パイプＰＡ〜ＰＦ）の内圧は最大で８ＭＰａ以上の高圧になる可能性がある。そのため、パイプＰＡ〜ＰＦは、この内圧により、前記半径方向隙間の範囲でラジアル方向（半径方向）に膨らむ可能性が高い。加えて、前記内圧は周期的に低圧から高圧、高圧から低圧のように変化する。このような内圧の周期的な変化によるパイプの膨張と収縮の繰り返しは、該パイプの劣化を促進させ、疲労破壊をも発生する可能性がある。
本発明においては、圧力バランス孔５６を各パイプに設置することで、該パイプの内外圧力を同一とし、該パイプに作用する力を相殺させ、前記問題点を解消することが可能となる。
（３）固定ワッシャーとＯリングの設置
エネルギー交換チャンバー内の流体の流れの方向は、図１３の左から右もしくは右から左と、周期的にその向きが変わる。つまり、パイプＰＡ、パイプＰＢ、パイプＰＣ、パイプＰＤ、パイプＰＥ、パイプＰＦは、チャンバー内にて軸方向で固定しなければ、前記流れに従い軸方向に動いてしまう。各パイプが軸方向に動いてしまうと、整流手段２９ａ，２９ｂ，２９ｃ，２９ｄにて整流化された流れが乱れ、適正な濃縮水と海水の界面が形成されない可能性があり、機器としての機能を損なう可能性がある。
また、前記チャンバー内面と各パイプの外周が軸方向で擦れ、各部品の摩擦摩耗による摩耗粉が発生する可能性もある。そして、発生した摩耗粉は、システム構成機器に流入してシステム全体の機能に支障を来す可能性がある。
本発明においては、固定ワッシャー５７とＯリング５８を用いることで、チャンバー内にパイプＰＡ、パイプＰＢ、パイプＰＣ、パイプＰＤ、パイプＰＥ、パイプＰＦを嵌装した後、フランジ２３をシリンダ２１に固定する際に、フランジ２３のチャンバー側の端面と固定ワッシャー５７のフランジ側の端面とを接触させてパイプＰＡ、パイプＰＢ、パイプＰＣ、パイプＰＤ、パイプＰＥ、パイプＰＦを左右のフランジ２３，２３で挟む形で軸方向に固定する。この際、パイプＰＡ、パイプＰＢ、パイプＰＣ、パイプＰＤ、パイプＰＥ、パイプＰＦは、Ｏリング５８の弾性変形とそれによる反発力で固定される。固定ワッシャー５７とＯリング５８の設置数は、使用条件に応じて適宜設定する。
ここではＯリングを使用する形態としたが、要は、設置条件に応じて軸方向に弾性力を発生するものであればＯリングに限るものではなく、バネなどでも良い。
本発明においては、固定ワッシャーとＯリングやバネを用いることにより、各パイプがエネルギー交換チャンバー内で軸方向に固定され、前記問題点を解消することが可能になる。

図１３乃至図１６に示すエネルギー交換チャンバー２０は、下記の作用効果を奏する。
(i)チャンバー内の内径とほぼ同径のパイプとしてチャンバーに着脱可能とすることで、チューブ自体の交換を容易に行うことができる。
(ii)耐圧容器であるチャンバーへチューブを実装する場合に、チャンバーへの加工や溶接、接着などを施すことなく、チューブを実装したパイプを別ピースとしてチャンバーに嵌め込むだけでよく、構成が簡易となる。
(iii)パイプに段差（凹凸部）を設け、段部に隙間を設けてできる円周溝に多孔板からなる整流手段を取り付けるようにしたので、チャンバー内周部に沿う流れに段差を設けることなく且つ別途支持部品が不要になるので、多孔板の下流に均一な流れを形成することができる。

図１３乃至図１６に示す実施形態においてはパイプＰＥ，ＰＦ内にチューブ２５を配置する例を示したが、パイプＰＥ，ＰＦ内に、図５に示す仕切りを設けてハニカム状の複数の流路を形成してもよい。この場合も、流路を形成したパイプＰＥ，ＰＦをエネルギー交換チャンバー２０に嵌装することは勿論である。

図１７は、パイプＰＥ，ＰＦ内に図５に示す仕切り２６を設けてハニカム状の複数の流路Ｒを形成した例を示す斜視図である。図１７に示すように、ハニカムの六角孔が濃縮海水ポートと海水ポートとを連通させる向きに円筒加工され、ハニカムをパイプＰＥ，ＰＦに嵌装することでパイプ内周とハニカムの加工部が線接触する。この線接触する部分を接着剤で接着することで複数の流路Ｒが形成されている。なお、ハニカムに代えて格子状の流路を形成してもよい。

図１８は、エネルギー交換チャンバー２０への濃縮海水の導入およびエネルギー交換チャンバー２０からの濃縮海水の排出を切換える方向切換弁６と、エネルギー交換チャンバー２０への取水海水の供給およびエネルギー交換チャンバー２０からの取水海水の排出用のバルブ７の構成を具体的に示した回路図である。方向切換弁６は、供給ポート、制御ポート、戻りポートを備えた三方弁であり、弁開度を外部信号に応じて任意に調整することができる制御弁である。また、バルブ７は、チェック弁を２個備えたチェック弁モジュールである。

図１９は、本発明のエネルギー交換チャンバーを２個備えた海水淡水化システムの構成例を示す模式図である。図１に示す海水淡水化システムと同様に、逆浸透膜分離装置４からの高圧の濃縮海水は方向切換弁６に供給される。本実施形態においては、方向切換弁６は、出力ポートを２つ備えた四方弁であり、２つのエネルギー交換チャンバー２０の何れか一方へ濃縮海水を供給し同時にもう一方のエネルギー交換チャンバー２０から濃縮海水を排水するように動作する。海水ポートＰ２に設けたバルブ７は、図１および図１８で説明したものと同様である。
本実施形態においては、方向切換弁６に四方弁を採用することによって、２つのエネルギー交換チャンバー２０へ交互に濃縮海水を供給し、２つのエネルギー交換チャンバー２０から交互に昇圧された海水を吐出するため、逆浸透膜分離装置４から得られる淡水の流量を安定に保つことができる。

図２０（ａ）および図２０（ｂ）は、図１９に示す海水淡水化システムにおける方向切換弁と２個のエネルギー交換チャンバーの関係を示す模式的断面図である。図２０（ａ）および図２０（ｂ）においては、２個のエネルギー交換チャンバーを区別して説明するために、一方のチャンバーを２０Ａで示し、他方のチャンバーを２０Ｂで示す。図２０（ａ）および図２０（ｂ）に示すように、方向切換弁６は、ハウジング１０１、スプール１０２、駆動部１０３からなり、ハウジング１０１にスプール１０２を嵌合させ、スプール１０２を移動させることにより、流路の切換えを行う方式のものである。
方向切換弁６には、１つの供給ポートＰ、２つの制御ポートＡ，Ｂ、２つの戻りポートＱが形成される。本発明における方向切換弁６では、供給ポートＰは濃縮海水ライン５に連通し、２つの制御ポートＡ，Ｂは、それぞれエネルギー交換チャンバー２０Ａ，２０Ｂに連通し、戻りポートＱは濃縮海水排出ライン１７に連通している。

本方向切換弁６の機能は、方向切換弁６に供給される逆浸透膜分離装置４からの高圧の濃縮海水をスプール１０２の動作により、エネルギー交換チャンバー２０Ａ，２０Ｂに交互に導入しつつ、エネルギー交換チャンバー２０Ａ，２０Ｂ内の海水を排出することである。
図２０（ａ）および図２０（ｂ）に示す実施形態による方向切換弁６の例では、スプール１０２は３ランドであるが、方向切換弁に１つ以上の供給ポートＰ、２つの制御ポートＡ，Ｂ、２つ以上の戻りポートＱが形成され、スプールの動作（制御弁内の流路の切換）により、供給ポートＰと何れか一方の制御ポートＡ（又はＢ）が連通し、また何れかもう一方の制御ポートＢ（又はＡ）と戻りポートＱが連通するものであれば、回転スプール形など、本図の構造・形態例に限らない。

次に、方向切換弁６のスプール１０２の動作による方向切換例を説明する。
（Ａ）図２０（ａ）は、方向切換弁６の供給ポートＰと制御ポートＡが連通する方向にスプール１０２が動作した場合を示す。
高圧の濃縮海水が方向切換弁６を通じて（Ｐポート→Ａポート）エネルギー交換チャンバー２０Ａ（図２０（ａ）中の上）に導入される。
エネルギー交換チャンバー２０Ａ（図２０（ａ）中の上）内の界面（濃縮海水と海水の界面）Ｉが同図中の右方向に移動する。
エネルギー交換チャンバー２０Ａ内にバルブ７（図１９参照）を通じて導入された海水が界面Ｉの移動により昇圧され、昇圧された海水がバルブ７を通じてブースターポンプ８（図１９参照）に供給される。
また併行して、方向切換弁６の制御ポートＢと戻りポートＱが連通し、エネルギー交換チャンバー２０Ｂ内におけるエネルギーを失って低圧になった濃縮海水が濃縮海水排出ライン１７に排出されるとともに海水供給ライン１から海水がバルブ７を通じてエネルギー交換チャンバー２０Ｂ（図２０（ａ）中の下）に導入される。

（Ｂ）図２０（ｂ）は、方向切換弁６の供給ポートＰと制御ポートＢが連通する方向にスプール１０２が動作した場合を示す。
高圧の濃縮海水が方向切換弁６を通じて（Ｐポート→Ｂポート）エネルギー交換チャンバー２０Ｂ（図２０（ｂ）中の下）に導入される。
エネルギー交換チャンバー２０Ｂ（図２０（ｂ）中の下）内の界面Ｉが同図中の右方向に移動する。
エネルギー交換チャンバー２０Ｂ内にバルブ７（図１９参照）を通じて導入された海水が界面Ｉの移動により昇圧され、昇圧された海水がバルブ７を通じてブースターポンプ８（図１９参照）に供給される。
また併行して、方向切換弁６の制御ポートＡと戻りポートＱが連通し、エネルギー交換チャンバー２０Ａ内におけるエネルギーを失って低圧になった濃縮海水が濃縮海水排出ライン１７に排出されるとともに海水供給ライン１から海水がバルブ７を通じてエネルギー交換チャンバー２０Ａ（図２０（ｂ）中の上）に導入される。

図２１は、本発明のエネルギー交換チャンバーを３個備えた海水淡水化システムの構成例を示す模式図である。本実施形態においては、３つのエネルギー交換チャンバー２０，２０，２０のそれぞれの濃縮海水ポートに方向切換弁６を備え、海水ポートにバルブ７を備えている。３個のエネルギー交換チャンバーの濃縮海水と海水の出入りのタイミングをずらし、２個のエネルギー交換チャンバーから同時に高圧海水を吐出するようにし、併行して、１個のエネルギー交換チャンバーに海水を吸込むように３個の方向切換弁６を制御する。２個のエネルギー交換チャンバーを備えた図１９および図２０で示した実施形態の場合、２個のチャンバーから交互に海水を吐出するために２個のチャンバーで１個のチャンバー分の吐出流量が得られるのに対し、本実施形態においては、３個のエネルギー交換チャンバーを備えることで、２個のチャンバー分の吐出流量が得られる。

図１９乃至図２１に示すように、本発明のエネルギー交換チャンバー２０を複数個配置して海水淡水化システムを構成することも可能であり、海水淡水化システムの造水量の規模に応じてエネルギー交換チャンバー２０の数を増減することで任意の造水量に対応することができる。

なお、図２１において、エネルギー交換チャンバー２０の濃縮海水ポートに設置される方向切換弁６と、エネルギー交換チャンバー２０の海水ポートに設置されるバルブ７は、配管で接続するのではなく、チャンバーのフランジに直接取り付けるように構成している。このようにすれば、チャンバーの数を増設しやすく、また管路による損失を最小限に抑えることができる。

図２２は、図２乃至図１３に示す本発明のエネルギー交換チャンバー２０と図２６に示すピストン１２を備えたエネルギー交換チャンバー１０とを併設した海水淡水化システムの構成を示す模式図である。
本海水淡水化システムは、２個のエネルギー交換チャンバー２０，１０を備え、１個は図２乃至図１３に示す本発明のエネルギー交換チャンバー２０であり、もう１個はピストン１２を備えたエネルギー交換チャンバー１０である。エネルギー交換チャンバー１０の濃縮海水ポートＰ１の近傍にはセンサ４０が取り付けられ、海水ポートＰ２の近傍にはセンサ４１が取り付けられている。各センサ４０，４１は、それぞれの位置でピストン１２の有無を検出するようになっている。
そして、各センサ４０，４１でピストン１２の有無を検出し、センサの信号に基づいてピストン１２の移動方向を切り換えるために、方向切換弁６の流路を切り換える。ここで、ピストンの無い本発明のエネルギー交換チャンバー２０においても、前記センサの信号に基づいて濃縮海水と海水の給排水を切り換えるようにする。このように、一方のチャンバー１０内のピストン１２の位置を検出することで、濃縮海水と海水の圧力や流量の変動によってピストン１２の移動速度が変化しても、それに応じてチャンバー２０内の給排水を切り換えることができる。そのため、ピストンが無く複数の流路を備えた形態のエネルギー交換チャンバー２０に、濃縮海水が多く供給されることや、海水が多く吸い込まれることなく、システムの変動に追従して的確に給排水を行うことができる。
なお、図２１に示した３個のエネルギー交換チャンバー２０を備えた海水淡水化システムにおいて、１個のエネルギー交換チャンバー２０をピストンを備えたエネルギー交換チャンバー１０に置き換えるようにしてもよい。

次に、エネルギー交換チャンバーを１個の円筒部材に複数設け、円筒部材を回転させることで濃縮海水と海水の給排水を行う回転式のエネルギー交換チャンバー装置について説明する。
図２３は、回転式のエネルギー交換チャンバー装置の縦断面図である。図２４は、図２３のXXIV−XXIV断面図である。図２３および図２４に示すように、エネルギー交換チャンバー装置は、円筒状のケーシング３０内に回転可能に設けられたロータ３１を備えている。ロータ３１の回転軸心Ｏを中心に等配で中空円筒状のエネルギー交換チャンバー２０が複数個（実施形態では６個）設けられている。

また、ケーシング３０の両開口端には、ポートブロック３３，３４が設けられている。ポートブロック３３には、濃縮海水ポートＰ１として濃縮海水供給ポートＰＳ１と濃縮海水排水ポートＰＤ１とが設けられている。ポートブロック３４には、海水ポートＰ２として海水吸込ポートＰＳ２と海水吐出ポートＰＤ２とが設けられている。ロータ３１が回転軸心Ｏを中心として回転すると、回転軸心Ｏを中心に等配に形成された中空円筒状のエネルギー交換チャンバー２０が回転することによって、各チャンバー２０がポートブロック３３，３４に形成されたポートと連通し、濃縮海水供給ポートＰＳ１、濃縮海水排水ポートＰＤ１、海水吸込ポートＰＳ２、海水吐出ポートＰＤ２が切り換わるようになっている。ポートブロック３３，３４のポート形状によって、濃縮海水をエネルギー交換チャンバー２０に導入して海水を加圧して吐出し、海水をエネルギー交換チャンバー２０内に吸込んで濃縮海水を排水するという作用は、図１乃至図２２に示すエネルギー交換チャンバー２０と同様である。

図２３および図２４に示すエネルギー交換チャンバー装置におけるエネルギー交換チャンバー２０においても、濃縮海水ポートＰ１と海水ポートＰ２の間に、チャンバー内に固定された小径の複数のチューブ２５によって複数の区画された流路Ｒが形成されている。

ロータ３１の回転軸心Ｏを中心に等配に形成された中空円筒状のチャンバーが単なる貫通孔である場合には、このチャンバー内で濃縮海水と海水が混合するという問題が生じてしまう。
本発明においては、図２３および図２４に示すように、ロータ３１に形成された中空円筒状のエネルギー交換チャンバー２０に小さな断面積の複数の区画された流路Ｒを形成することによって、濃縮海水と海水の混合を抑制しながら、濃縮海水によって海水を加圧し吐出することができる。図２３および図２４に示すエネルギー交換チャンバー装置においても、図６および図７に示す例と同様に整流手段を設けることによって、濃縮海水と海水の混合をより少なくすることが可能である。

上述したように、方向切換弁やバルブによって流路を切り換える方式でも、回転するロータにチャンバーが形成されチャンバーが回転する方式でも、本発明のように濃縮海水ポートと海水ポートの間にチャンバー内に固定された複数の区画された流路を形成することによって濃縮海水と海水の混合を抑制することができるとともに濃縮海水によって海水を加圧し吐出することができる。

これまで本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことはいうまでもなく、例えば、エネルギー交換チャンバーの形態等は、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

１ 海水供給ライン
２ 高圧ポンプ
３ 吐出ライン
４ 逆浸透膜分離装置
５ 濃縮海水ライン
６ 方向切換弁
７ バルブ
８ ブースターポンプ
９ バルブ
１０ エネルギー交換チャンバー
１１ シリンダ
１１ｆ フランジ部
１２ ピストン
１３ フランジ
１４ ボルト
１５ ナット
１６ 摺動リング
１７ 濃縮海水排出ライン
２０ エネルギー交換チャンバー
２０Ａ，２０Ｂ エネルギー交換チャンバー
２１ シリンダ
２１ｆ フランジ部
２３ フランジ
２５ チューブ
２６ 仕切り
２７，２８ 整流手段
２８ａ，２８ｂ 円錐
２８ｃ 支持板
２９ａ，２９ｂ，２９ｃ，２９ｄ 整流手段
２９ｈ 多孔板の孔
３０ ケーシング
３１ ロータ
３２ チャンバー
３３，３４ ポートブロック
４０，４１ センサ
５５ 凹凸部
５６ 圧力バランス孔
５７ 固定ワッシャー
５７ａ 軸部
５８ Ｏリング
１０１ ハウジング
１０２ スプール
１０３ 駆動部
Ａ 制御ポート
Ｂ 制御ポート
Ｉ 界面
Ｏ 回転軸心
Ｐ 供給ポート
Ｑ 戻りポート
Ｒ 流路
Ａ１０ 濃縮海水１００％〜９０％の領域
Ａ１ 濃縮海水１０％〜０％の領域
Ａ９〜Ａ２ 濃縮海水と海水との領域（界面）
Ｐ１ 濃縮海水ポート
Ｐ２ 海水ポート
Ｐ３ 濃縮海水排水ポート
ＰＳ１ 濃縮海水供給ポート
ＰＤ１ 濃縮海水排水ポート
ＰＳ２ 海水吸込ポート
ＰＤ２ 海水吐出ポート
Ｓ１，Ｓ２ 空間

Claims (3)

1. ポンプによって昇圧した海水を逆浸透膜分離装置に通水して淡水と濃縮海水に分離して海水から淡水を生成する海水淡水化システムにおいて前記逆浸透膜分離装置から吐出される濃縮海水の圧力エネルギーを前記海水を昇圧するエネルギーに利用するエネルギー交換チャンバーであって、
   前記エネルギー交換チャンバーは、縦方向に配置され、前記濃縮海水の出入りを行う濃縮海水ポートと、前記海水の出入りを行う海水ポートを具備し、
   前記チャンバー内に前記濃縮海水ポートから所定の距離離間した位置に第一の多孔板と、前記第一の多孔板から更に所定の距離離間した位置に第二の多孔板を配置するとともに、
   前記海水ポートから所定の距離離間した位置に第三の多孔板と、前記第三の多孔板から更に所定の距離離間した位置に第四の多孔板を配置し、
   前記第一の多孔板と第三の多孔板はそれぞれ、濃縮海水ポート、海水ポートから同じ距離離間し、前記第二の多孔板と第四の多孔板はそれぞれ、前記第一の多孔板と第三の多孔板から同じ距離離間し、前記第一の多孔板、第二の多孔板、第三の多孔板および第四の多孔板はそれぞれ水平方向に配置されており、
   前記第一の多孔板、第二の多孔板、第三の多孔板および第四の多孔板によって、小径の濃縮海水ポートおよび小径の海水ポートから流入する流れを大径のチャンバー内円筒部に均一に分散させ、濃縮海水と海水の界面がチャンバー内の１つの空間を２分し、方向切換弁によって流れの方向を変えて濃縮海水と海水の界面が濃縮海水ポートと海水ポートの間を往復動作するようにしたことを特徴とするエネルギー交換チャンバー。
2. 前記第一の多孔板と第二の多孔板は、それぞれ孔径や空孔率が異なり、かつ前記第三の多孔板と第四の多孔板も、それぞれ孔径や空孔率が異なることを特徴とする請求項１に記載のエネルギー交換チャンバー。
3. ポンプによって昇圧した海水を逆浸透膜分離装置に通水して淡水と濃縮海水に分離して海水から淡水を生成する海水淡水化システムにおいて、前記逆浸透膜分離装置から吐出される濃縮海水の圧力エネルギーを前記海水を昇圧するエネルギーに利用するエネルギー交換チャンバーを備え、
   前記エネルギー交換チャンバーは、縦方向に配置され、前記濃縮海水の出入りを行う濃縮海水ポートと、前記海水の出入りを行う海水ポートを具備し、
   前記チャンバー内に、前記濃縮海水ポートから所定の距離離間した位置に第一の多孔板を配置し、前記第一の多孔板から更に所定の距離離間した位置に第二の多孔板を配置し、
   前記海水ポートから所定の距離離間した位置に第三の多孔板を配置し、前記第三の多孔板から更に所定の距離離間した位置に第四の多孔板を配置し、
   前記第一の多孔板と第三の多孔板はそれぞれ、濃縮海水ポート、海水ポートから同じ距離離間し、前記第二の多孔板と第四の多孔板はそれぞれ、第一の多孔板と第三の多孔板から同じ距離離間し、前記第一の多孔板、第二の多孔板、第三の多孔板および第四の多孔板はそれぞれ水平方向に配置されており、
   前記第一の多孔板、第二の多孔板、第三の多孔板および第四の多孔板によって、小径の濃縮海水ポートおよび小径の海水ポートから流入する流れを大径のチャンバー内円筒部に均一に分散させ、濃縮海水と海水の界面がチャンバー内の１つの空間を２分し、方向切換弁によって流れの方向を変えて濃縮海水と海水の界面が濃縮海水ポートと海水ポートの間を往復動作するようにしたことを特徴とする海水淡水化システム。

Images