JP5904299B2 - 逆浸透膜分離装置 - Google Patents

Description

本発明は、逆浸透膜モジュールを備えた逆浸透膜分離装置に関する。

半導体の製造工程、電子部品や医療器具の洗浄等においては、不純物を含まない高純度の純水が使用される。この種の純水は、一般に、地下水や水道水等の原水を、逆浸透膜モジュール（以下、「ＲＯ膜モジュール」ともいう）で逆浸透膜分離処理することにより製造される。

高分子材料からなる逆浸透膜の水透過係数は、温度により変化する。また、逆浸透膜の水透過係数は、細孔の閉塞（以下、「膜閉塞」ともいう）や、材質の酸化による劣化（以下、「膜劣化」ともいう）によっても変化する。

具体的には、ＲＯ膜モジュールの水透過係数は、供給された水（以下、「供給水」ともいう）の温度が低い場合や膜閉塞時には小さくなる。また、ＲＯ膜モジュールの水透過係数は、供給水の温度が高い場合や膜劣化時には大きくなる。

そのため、ＲＯ膜モジュールに供給水を送出する加圧ポンプを一定の運転圧力で運転した場合において、供給水の温度が低い場合や膜閉塞時には、要求される生産水量に対して製造される透過水（純水）の水量が少なくなる。この場合、需要箇所への供給量が不足する。また、供給水の温度が高い場合や膜劣化時には、要求される生産水量に対して透過水の水量が多くなる。この場合は、逆浸透膜の一次側で過濃縮が起こり易くなり、膜閉塞に繋がる。

そこで、供給水の温度や逆浸透膜の状態にかかわらず、ＲＯ膜モジュールにおける透過水の流量を一定に保つため、流量フィードバック水量制御を行う水質改質システムが提案されている。この流量フィードバック水量制御では、ＲＯ膜モジュールで製造される透過水の流量が目標流量値となるように、加圧ポンプの駆動周波数がインバータにより制御される（特許文献１参照）。

特開２００５−２９６９４５号公報

上述した流量フィードバック水量制御によれば、供給水の温度や逆浸透膜の状態によりＲＯ膜モジュールの水透過係数が変化しても、透過水の流量を目標流量値に保つことができる。しかし、従来の流量フィードバック水量制御では、ＲＯ膜モジュールの水透過係数が急激に変化した場合に、その変化に十分に追従することができず、透過水の流量が目標流量値から大きく乖離することが起こり得る。

従って、本発明は、ＲＯ膜モジュールの水透過係数が急激に変化した場合でも、透過水の流量を目標流量値に保つことができる逆浸透膜分離装置を提供することを目的とする。

本発明は、供給水を透過水と濃縮水とに分離する逆浸透膜モジュールと、透過水の流量を検出し、当該流量に応じた検出流量値を出力する第１流量検出手段と、供給水を前記逆浸透膜モジュールに供給する供給水ラインと、入力された駆動周波数に応じた回転速度で駆動され、前記供給水ラインを流通する供給水を前記逆浸透膜モジュールに向けて圧送する加圧ポンプと、入力された周波数指定信号に対応する駆動周波数を前記加圧ポンプに出力するインバータと、前記第１流量検出手段から出力された検出流量値が、予め設定された目標流量値となるように、速度形デジタルＰＩＤアルゴリズムにより前記加圧ポンプの駆動周波数を演算し、当該駆動周波数の演算値に対応する周波数指定信号を前記インバータに出力する制御部と、供給水のカルシウム硬度を測定する硬度測定手段と、装置外へ排出する濃縮水の排水流量を調節可能な排水弁と、を備え、前記制御部は、（ｉ）予め取得された炭酸カルシウム溶解度、及び前記硬度測定手段の測定硬度値に基づいて、濃縮水における炭酸カルシウムの許容濃縮倍率を演算し、（ｉｉ）当該許容濃縮倍率の演算値、及び透過水の前記目標流量値から排水流量を演算し、（ｉｉｉ）濃縮水の実際排水流量が当該排水流量の演算値となるように、前記排水弁を制御する逆浸透膜分離装置に関する。

また、装置外へ排出する濃縮水の排水流量を調節可能な排水弁としての比例制御バルブと、濃縮水の排水流量を検出する第２流量検出手段と、を備え、前記制御部は、前記第２流量検出手段の検出流量値が前記排水流量の演算値となるように、前記比例制御バルブの弁開度を調節することが好ましい。

本発明によれば、ＲＯ膜モジュールの水透過係数が急激に変化した場合でも、透過水の流量を目標流量値に保つことができる逆浸透膜分離装置を提供することができる。

第１実施形態に係る逆浸透膜分離装置１の全体構成図である。 制御部１０が流量パルス信号の時間幅を計測する場合の処理手順を示すフローチャートである。 制御部１０が数値情報としての検出流量値を演算する場合の処理手順を示すフローチャートである。 制御部１０が流量フィードバック水量制御を実行する場合の処理手順を示すフローチャートである。 制御部１０が温度フィードフォワード回収率制御を実行する場合の処理手順を示すフローチャートである。 第２実施形態に係る逆浸透膜分離装置１Ａの全体構成図である。 制御部１０Ａが水質フィードフォワード回収率制御を実行する場合の処理手順を示すフローチャートである。 第３実施形態に係る逆浸透膜分離装置１Ｂの全体構成図である。 制御部１０Ｂが水質フィードバック回収率制御を実行する場合の処理手順を示すフローチャートである。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態に係る逆浸透膜分離装置１について、図面を参照しながら説明する。第１実施形態に係る逆浸透膜分離装置１は、例えば、淡水から純水を製造する純水製造システムに適用される。図１は、第１実施形態に係る逆浸透膜分離装置１の全体構成図である。図２は、制御部１０が流量パルス信号の時間幅を計測する場合の処理手順を示すフローチャートである。図３は、制御部１０が数値情報としての検出流量値を演算する場合の処理手順を示すフローチャートである。図４は、制御部１０が流量フィードバック水量制御を実行する場合の処理手順を示すフローチャートである。図５は、制御部１０が温度フィードフォワード回収率制御を実行する場合の処理手順を示すフローチャートである。

図１に示すように、本実施形態に係る逆浸透膜分離装置１は、加圧ポンプ２と、インバータ３と、温度検出手段としての温度センサ４と、逆浸透膜モジュールとしてのＲＯ膜モジュール５と、流量検出手段としての流量センサ６と、制御部１０と、排水弁としての第１排水弁１１〜第３排水弁１３と、を備える。図１では、電気的な接続の経路を破線で示す（後述する図４、図６についても同じ）。

また、逆浸透膜分離装置１は、供給水ラインＬ１と、透過水ラインＬ２と、濃縮水ラインＬ３と、濃縮水Ｗ３の排水ライン（第１排水ラインＬ１１、第２排水ラインＬ１２及び第３排水ラインＬ１３）と、を備える。本明細書における「ライン」とは、流路、経路、管路等の流体の流通が可能なラインの総称である。

供給水ラインＬ１は、供給水Ｗ１をＲＯ膜モジュール５に供給するラインである。供給水ラインＬ１の上流側の端部は、供給水Ｗ１の供給源（不図示）に接続されている。供給水ラインＬ１の下流側の端部は、ＲＯ膜モジュール５の一次側入口ポートに接続されている。

加圧ポンプ２は、供給水Ｗ１を吸入し、ＲＯ膜モジュール５に向けて吐出する装置である。加圧ポンプ２は、インバータ３（後述）と電気的に接続されている。加圧ポンプ２には、インバータ３から、周波数が変換された駆動電力が入力される。加圧ポンプ２は、供給された駆動電力の周波数（以下、「駆動周波数」ともいう）に応じた回転速度で駆動される。

インバータ３は、加圧ポンプ２に、周波数が変換された駆動電力を供給する電気回路である。インバータ３は、制御部１０と電気的に接続されている。インバータ３には、制御部１０から電流値信号が入力される。インバータ３は、制御部１０から入力された電流値信号に対応する駆動周波数の駆動電力を加圧ポンプ２に出力する。

温度センサ４は、供給水Ｗ１の温度を検出する機器である。温度センサ４は、接続部Ｊ１において供給水ラインＬ１に接続されている。接続部Ｊ１は、供給水Ｗ１の供給源（不図示）と加圧ポンプ２との間に配置されている。温度センサ４は、制御部１０と電気的に接続されている。温度センサ４で検出された供給水Ｗ１の温度（以下、「検出温度値」ともいう）は、制御部１０へ検出信号として送信される。

ＲＯ膜モジュール５は、加圧ポンプ２から吐出された供給水Ｗ１を、溶存塩類が除去された透過水Ｗ２と、溶存塩類が濃縮された濃縮水Ｗ３とに膜分離処理する設備である。ＲＯ膜モジュール５は、単一又は複数のＲＯ膜エレメント（不図示）を備える。ＲＯ膜モジュール５は、これらＲＯ膜エレメントにより供給水Ｗ１を膜分離処理し、透過水Ｗ２及び濃縮水Ｗ３を製造する。

透過水ラインＬ２は、ＲＯ膜モジュール５で製造された透過水Ｗ２を需要先へ送出するラインである。透過水ラインＬ２の上流側の端部は、ＲＯ膜モジュール５の二次側ポートに接続されている。透過水ラインＬ２の下流側の端部は、需要先の装置等（不図示）に接続されている。

流量センサ６は、透過水ラインＬ２を流通する透過水Ｗ２の流量を検出する機器である。流量センサ６として、例えば、流路ハウジング内に軸流羽根車又は接線羽根車（不図示）を配置したパルス発信式の流量センサを用いることができる。流量センサ６は、接続部Ｊ２において透過水ラインＬ２に接続されている。流量センサ６は、制御部１０と電気的に接続されている。流量センサ６で検出された透過水Ｗ２の流量（以下、「検出流量値」ともいう）は、制御部１０へパルス信号として送信される。

本実施形態で用いられるパルス発信式の流量センサは、偶数枚の羽根の先端部分がＮ極とＳ極とに交互に着磁された羽根車を備え、この羽根車の回転をホールＩＣで検出することにより、透過水Ｗ２の流速に比例した時間幅のパルス信号を出力する。ホールＩＣは、電圧レギュレータ、ホール素子、増幅回路、シュミットトリガ回路、出力トランジスタ等がパッケージ化された電子回路であり、羽根車の回転運動に伴う磁束変化に応答して、羽根車が１回転する毎に矩形波パルス信号を出力する。ここで、パルス信号の時間幅は、矩形波パルス信号の先の立下りエッジから次の立下りエッジまでの時間をいい、羽根車が１回転するときの時間に対応している。すなわち、パルス信号の時間幅は、透過水Ｗ２の流速が高いほど（流量が多いほど）短くなり、逆に透過水Ｗ２の流速が低いほど（流量が少ないほど）長くなる。

濃縮水ラインＬ３は、ＲＯ膜モジュール５から濃縮水Ｗ３を送出するラインである。濃縮水ラインＬ３の上流側の端部は、ＲＯ膜モジュール５の一次側出口ポートに接続されている。また、濃縮水ラインＬ３の下流側は、分岐部Ｊ３及びＪ４において、第１排水ラインＬ１１、第２排水ラインＬ１２及び第３排水ラインＬ１３に分岐している。

第１排水ラインＬ１１には、第１排水弁１１が設けられている。第２排水ラインＬ１２には、第２排水弁１２が設けられている。第３排水ラインＬ１３には、第３排水弁１３が設けられている。第１排水弁１１〜第３排水弁１３は、濃縮水排出ラインＬ４から装置外へ排出される濃縮水Ｗ３の排水流量を調節する弁である。

第１排水弁１１は、第１排水ラインＬ１１を開閉することができる。第２排水弁１２は、第２排水ラインＬ１２を開閉することができる。第３排水弁１３は、第３排水ラインＬ１３を開閉することができる。

第１排水弁１１〜第３排水弁１３は、それぞれ定流量弁機構（不図示）を備える。定流量弁機構は、第１排水弁１１〜第３排水弁１３において、それぞれ異なる流量値に設定されている。例えば、第１排水弁１１は、開状態において、ＲＯ膜モジュール５の回収率が９５％となるように排水流量が設定されている。第２排水弁１２は、開状態において、ＲＯ膜モジュール５の回収率が９０％となるように排水流量が設定されている。第３排水弁１３は、開状態において、ＲＯ膜モジュール５の回収率が８０％となるように排水流量が設定されている。

濃縮水ラインＬ３から排出される濃縮水Ｗ３の排水流量は、第１排水弁１１〜第３排水弁１３を選択的に開閉することにより、段階的に調節できる。例えば、第２排水弁１２のみを開状態とし、第１排水弁１１及び第３排水弁１３を閉状態とする。この場合には、ＲＯ膜モジュール５の回収率を９０％とすることができる。また、第１排水弁１１及び第２排水弁１２を開状態とし、第３排水弁１３のみを閉状態とする。この場合には、ＲＯ膜モジュール５の回収率を８５％とすることができる。従って、本実施形態において、濃縮水Ｗ３の排水流量は、第１排水弁１１〜第３排水弁１３を選択的に開閉することにより、回収率を６５％〜９５％までの間で、５％毎に段階的に調節できる。

第１排水弁１１〜第３排水弁１３は、それぞれ制御部１０と電気的に接続されている。第１排水弁１１〜第３排水弁１３における弁体の開閉は、制御部１０からの駆動信号により制御される。

制御部１０は、ＣＰＵ及びメモリを含むマイクロプロセッサ（不図示）により構成される。制御部１０は、流量フィードバック水量制御として、流量センサ６の検出流量値が予め設定された目標流量値となるように、速度形デジタルＰＩＤアルゴリズムにより加圧ポンプ２を駆動するための駆動周波数を演算し、当該駆動周波数の演算値に対応する電流値信号をインバータ３に出力する。制御部１０による流量フィードバック水量制御については後述する。

制御部１０は、パルス信号として入力された検出流量値を、数値情報としての検出流量値に置き換えて流量フィードバック水量制御に利用する。すなわち、流量フィードバック水量制御における目標流量値は、数値情報として設定されることから、比較対象の検出流量値を数値情報に変換する。この演算処理において、制御部１０は、入力されたパルス信号の時間幅を計測しながら、予め設定された１パルス当たりの流量値を使用して、所定の周期で瞬間流量を演算する。そして、制御部１０は、演算した直近６回分の瞬間流量（サンプル値）について、最大側の２個の値及び最小側の２個の値を除いた残りの２個の値を平均化（以下、「平均化処理」ともいう）し、当該平均化処理により得られた数値を検出流量値とする。制御部１０による検出流量値の演算処理の具体例については後述する。

また、制御部１０は、供給水Ｗ１の温度に基づいて、透過水Ｗ２の回収率制御（以下、「温度フィードフォワード回収率制御」ともいう）を実行する。この温度フィードフォワード回収率制御は、上述した流量フィードバック水量制御と並行して実行される。制御部１０による温度フィードフォワード回収率制御については後述する。

次に、パルス信号として入力された検出流量値を、数値情報としての検出流量値に置き換える処理について、図２及び図３を参照して具体的に説明する。図２及び図３に示すフローチャートの処理は、逆浸透膜分離装置１の運転中において、繰り返し実行される。

図２は、パルス信号の時間幅を計測するための処理を示している。この処理は、マイクロプロセッサに組み込まれたインテグレーテッドタイマユニット（以下、「ＩＴＵ」と略する）のインプットキャプチャ機能を利用して実行される。

ステップＳＴ１０１において、ＩＴＵは、カウントクロックの入力毎にタイマレジスタのカウント値Ｍ_ｔを１ずつ加算する。カウントクロックの周波数は、例えば、１９．５ｋＨｚに設定されている。この場合、タイマレジスタのカウント値Ｍ_ｔは、５１．２μｓの間隔で１ずつ加算される。

ステップＳＴ１０２において、ＩＴＵは、流量センサ６のパルス信号について、立下りエッジの割込みが検出されたか否かを判定する。このステップＳＴ１０２において、ＩＴＵにより、立下りエッジの割込みが検出された（ＹＥＳ）と判定された場合に、処理はステップＳＴ１０３へ移行する。また、ステップＳＴ１０２において、ＩＴＵにより、立下りエッジの割込みが検出されない（ＮＯ）と判定された場合に、処理はステップＳＴ１０８へ移行する。

ステップＳＴ１０３（ステップＳＴ１０２：ＹＥＳ判定）において、ＩＴＵは、タイマレジスタのカウント値Ｍ_ｔをキャプチャレジスタに取り込み、その値を保持するキャプチャ動作を実行する。
キャプチャ動作が実行されると、ステップＳＴ１０４において、ＩＴＵは、タイマレジスタのカウント値Ｍ_ｔをゼロにリセットする。

ステップＳＴ１０５において、ＩＴＵは、イベントレジスタのカウント値Ｍ_ｅを１つ加算する。このイベントレジスタのカウント値Ｍ_ｅは、立下りエッジの割込み回数に対応している。

ステップＳＴ１０６において、ＩＴＵは、イベントレジスタのカウント値Ｍ_ｅが２以上であるか否かを判定する。このステップＳＴ１０６において、ＩＴＵにより、カウント値Ｍ_ｅが２以上である（ＹＥＳ）と判定された場合に、処理はステップＳＴ１０７へ移行する。また、ステップＳＴ１０６において、ＩＴＵにより、カウント値Ｍ_ｅが２未満（ＮＯ）と判定された場合に、処理はステップＳＴ１０１へ戻る。なお、イベントレジスタのカウント値Ｍ_ｅが２未満の場合は、キャプチャレジスタのカウント値Ｍ_ｔがパルス幅を正確に反映していない可能性があるため、後述するステップＳＴ１０７の処理をスキップさせている。

ステップＳＴ１０７（ステップＳＴ１０６：ＹＥＳ判定）において、ＩＴＵは、キャプチャレジスタのカウント値Ｍ_ｔを「有効」とするフラグを設定し、処理はステップＳＴ１０１へ戻る。

ステップＳＴ１０８（ステップＳＴ１０２：ＮＯ判定）において、ＩＴＵは、タイマレジスタについて、オーバーフローの割込みが検出されたか否かを判定する。オーバーフローの割込みは、パルス信号の立下りエッジが検出されないまま、タイマレジスタのカウント値Ｍ_ｔが上限値（例えば、１６ビットカウント時は６５５３５）を超えた場合に発生する。すなわち、タイマレジスタのオーバーフローは、透過水Ｗ２の流速がゼロ、或いは極小であり、流量センサ６の羽根車が回転運動しない場合に起こり得る。このステップ１０８において、ＩＴＵにより、オーバーフローの割込み検出された（ＹＥＳ）と判定された場合に、処理はステップＳＴ１０９へ移行する。また、ステップＳＴ１０８において、ＩＴＵにより、オーバーフローの割込みが検出されない（ＮＯ）と判定された場合に、処理はステップＳＴ１０１へ戻る。

ステップＳＴ１０９（ステップＳＴ１０８：ＹＥＳ判定）において、ＩＴＵは、タイマレジスタのカウント値Ｍ_ｔをゼロにリセットする。
ステップＳＴ１１０において、ＩＴＵは、イベントレジスタのカウント値Ｍ_ｅをゼロにリセットする。
ステップＳＴ１１１において、ＩＴＵは、キャプチャレジスタのカウント値Ｍ_ｔを「無効」とするフラグを設定し、処理はステップＳＴ１０１へ戻る。

以上のステップＳＴ１０１からステップＳＴ１１１までの処理により、キャプチャレジスタには、パルス信号の先の立下りエッジが検出されてから、次の立下りエッジが検出されるまでの直近のカウント値Ｍ_ｔが常に保持される。

図３は、計測されたパルス信号の時間幅に基づいて、数値情報としての検出流量値を演算するための処理を示している。
図３に示すステップＳＴ２０１において、制御部１０は、ＩＴＵによる計時ｔが演算周期である１００ｍｓに達したか否かを判定する。このステップＳＴ２０１において、制御部１０により、ＩＴＵによる計時が１００ｍｓに達した（ＹＥＳ）と判定された場合に、処理はステップＳＴ２０２へ移行する。また、ステップＳＴ２０１において、制御部１０により、ＩＴＵによる計時が１００ｍｓに達していない（ＮＯ）と判定された場合に、処理はステップＳＴ２０１へ戻る。

ステップＳＴ２０２（ステップＳＴ２０１：ＹＥＳ判定）において、制御部１０は、キャプチャレジスタのカウント値Ｍ_ｔを「有効」とするフラグが設定されているか否かを判定する。このステップＳＴ２０２において、制御部１０により、カウント値Ｍ_ｔを「有効」とするフラグが設定されている（ＹＥＳ）と判定された場合（すなわち、図２のステップＳＴ１０７の処理が行われている場合）に、処理はステップＳＴ２０３へ移行する。また、ステップＳＴ２０２において、制御部１０により、カウント値Ｍ_ｔを「有効」とするフラグが設定されていない（ＮＯ）と判定された場合（すなわち、図２のステップＳＴ１１１の処理が行われている場合）に、処理はステップＳＴ２０９へ移行する。

ステップＳＴ２０３（ステップＳＴ２０２：ＹＥＳ判定）において、制御部１０は、キャプチャレジスタに保持されたカウント値Ｍ_ｔの読出しを実行する。
ステップＳＴ２０４において、制御部１０は、ステップＳＴ２０３で読み出したカウント値Ｍ_ｔと、カウントクロックの周期時間（５１．２μｓ）を使用して、下記の式（１）により、パルス信号の時間幅Ｗ［ｓ／ｐ］を演算する。
Ｗ＝５１．２×１０^−６×Ｍ_ｔ （１）

ステップＳＴ２０５において、制御部１０は、１パルス当たりの流量値α［Ｌ／ｐ］を取得する。この１パルス当たりの流量値αは、例えば、装置管理者がユーザーインターフェース（不図示）を介して制御部１０のメモリに入力した設定値である。なお、１パルス当たりの流量値αは、流量センサ６の設計仕様により決まる定数である。

ステップＳＴ２０６において、制御部１０は、パルス信号の時間幅Ｗ［ｓ／ｐ］、及び１パルス当たりの流量値α［Ｌ／ｐ］を使用して、下記の式（２）により、透過水Ｗ２の瞬間流量Ｑ_ｉ［Ｌ／ｈ］を演算する。
Ｑ_ｉ＝（３６００／Ｗ）×α （２）

制御部１０は、最新の瞬間流量Ｑ_ｉを演算する毎に、この演算値をメモリに記憶する。メモリには、常時、直近６回分の演算値が記憶されるようになっており、最新の瞬間流量Ｑ_ｉが演算されると、最も古い演算値が削除され、最新の演算値に置き換えられる。

ステップＳＴ２０７において、制御部１０は、最新の瞬間流量Ｑ_ｉを含む直近６回分の演算値をサンプル値として、最大側の２個の値、及び最小側の２個の値を除いた残りの２個の値を平均化処理する。
ステップＳＴ２０８において、制御部１０は、平均化処理により得られた数値を検出流量値Ｑ_ｐとして確定し、当該数値をメモリに記憶する。そして、処理はステップＳＴ２０１へ戻る。

ステップＳＴ２０９（ステップＳＴ２０２：ＮＯ判定）において、制御部１０は、最新の瞬間流量Ｑ_ｉの演算値をゼロとしてメモリに記憶する。すなわち、ステップＳＴ２０９の処理では、タイマレジスタのオーバーフローが発生し、キャプチャレジスタのカウント値Ｍ_ｔを「無効」とするフラグが設定されている場合には、流量センサ６の羽根車が回転運動していない状態であるため、瞬間流量Ｑ_ｉをゼロと看做している。ステップＳＴ２０９の後、処理はステップＳＴ２０７へ移行する。

以上のステップＳＴ２０１からステップＳＴ２０９までの処理により、１００ｍｓの演算周期毎に、直近６回分の瞬間流量Ｑ_ｉに対する移動平均値が、最新の検出流量値Ｑ_ｐとしてメモリに記憶される。

次に、制御部１０による流量フィードバック水量制御を、図４を参照して説明する。図４に示すフローチャートの処理は、逆浸透膜分離装置１の運転中において、繰り返し実行される。

図４に示すステップＳＴ３０１において、制御部１０は、透過水Ｗ２の目標流量値Ｑ_ｐ´を取得する。この目標流量値Ｑ_ｐ´は、例えば、装置管理者がユーザーインターフェース（不図示）を介して制御部１０のメモリに入力した設定値である。

ステップＳＴ３０２において、制御部１０は、ＩＴＵによる計時ｔが制御周期（Δｔ）である１００ｍｓに達したか否かを判定する。このステップＳＴ３０２において、制御部１０により、ＩＴＵによる計時が１００ｍｓに達した（ＹＥＳ）と判定された場合に、処理はステップＳＴ３０３へ移行する。また、ステップＳＴ３０２において、制御部１０により、ＩＴＵによる計時が１００ｍｓに達していない（ＮＯ）と判定された場合に、処理はステップＳＴ３０２へ戻る。

ステップＳＴ３０３（ステップＳＴ３０２：ＹＥＳ判定）において、制御部１０は、最新の検出流量値Ｑ_ｐをフィードバック値として取得する。取得される最新の検出流量値Ｑ_ｐは、図３のステップＳＴ２０８において、メモリに記憶された瞬間流量Ｑ_ｉの移動平均値である。

ステップＳＴ３０４において、制御部１０は、ステップＳＴ３０３で取得した最新の検出流量値Ｑ_ｐと、ステップＳＴ３０１で取得した目標流量値Ｑ_ｐ´との偏差がゼロとなるように、速度形デジタルＰＩＤアルゴリズムにより操作量Ｕ_ｎを演算する。速度形デジタルＰＩＤアルゴリズムでは、制御周期Δｔ（１００ｍｓ）毎に操作量の変化分ΔＵ_ｎを演算し、これを前回の制御周期時点の操作量Ｕ_ｎ−１に加算することで現時点の操作量Ｕ_ｎを決定する。

速度形デジタルＰＩＤアルゴリズムに用いられる演算式は、下記の式（３ａ）及び式（３ｂ）により表される。
ΔＵ_ｎ＝Ｋ_ｐ｛（ｅ_ｎ−ｅ_ｎ−１）＋（Δｔ／Ｔ_ｉ）×ｅ_ｎ＋（Ｔ_ｄ／Δｔ）×（ｅ_ｎ−２ｅ_ｎ−１＋ｅ_ｎ−２）｝ （３ａ）
Ｕ_ｎ＝Ｕ_ｎ−１＋ΔＵ_ｎ （３ｂ）

式（３ａ）及び式（３ｂ）において、Δｔ：制御周期、Ｕ_ｎ：現時点の操作量、Ｕ_ｎ−１：前回の制御周期時点の操作量、ΔＵ_ｎ：前回から今回までの操作量の変化分、ｅ_ｎ：現時点の偏差の大きさ、ｅ_ｎ−１：前回の制御周期時点の偏差の大きさ、ｅ_ｎ−２：前々回の制御周期時点の偏差の大きさ、Ｋ_ｐ：比例ゲイン、Ｔ_ｉ：積分時間、Ｔ_ｄ：微分時間である。なお、現時点の偏差の大きさｅ_ｎは、下記の式（４）により求められる。
ｅ_ｎ＝Ｑ_ｐ´−Ｑ_ｐ （４）

ステップＳＴ３０５において、制御部１０は、現時点の操作量Ｕ_ｎ、及び加圧ポンプ２の最大駆動周波数Ｆ´（５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの設定値）を使用して、下記の式（５）により、加圧ポンプ２の駆動周波数Ｆ［Ｈｚ］を演算する。
Ｆ＝Ｕ_ｎ／２×Ｆ´ （５）

ステップＳＴ３０６において、制御部１０は、駆動周波数Ｆの演算値を、対応する電流値信号（４〜２０ｍＡ）に変換する。電流値信号の出力値Ｉ［ｍＡ］は、例えば、下記の式（６）により演算され、駆動周波数Ｆがゼロの場合にＩ＝４ｍＡ、駆動周波数Ｆが最大駆動周波数Ｆ´の場合にＩ＝２０ｍＡとなる。
Ｉ＝Ｆ／Ｆ´×１６＋４ （６）

ステップＳＴ３０７において、制御部１０は、変換した電流値信号をインバータ３へ出力する。これにより本フローチャートの処理は終了する（ステップＳＴ１０１へリターンする）。

なお、ステップＳＴ３０７において、制御部１０が電流値信号をインバータ３へ出力すると、インバータ３は、入力された電流値信号で指定された周波数に変換された駆動電力を加圧ポンプ２に供給する。その結果、加圧ポンプ２は、インバータ３から入力された駆動周波数に応じた回転速度で駆動される。

次に、制御部１０による温度フィードフォワード回収率制御を、図５を参照して説明する。図５に示すフローチャートの処理は、逆浸透膜分離装置１の運転中において、繰り返し実行される。

図５に示すステップＳＴ４０１において、制御部１０は、透過水Ｗ２の目標流量値Ｑ_ｐ´を取得する。この目標流量値Ｑ_ｐ´は、例えば、装置管理者がユーザーインターフェース（不図示）を介してメモリに入力した設定値である。

ステップＳＴ４０２において、制御部１０は、供給水Ｗ１のシリカ（ＳｉＯ_２）濃度Ｃ_ｓを取得する。このシリカ濃度Ｃ_ｓは、例えば、装置管理者がユーザーインターフェース（不図示）を介してメモリに入力した設定値である。供給水Ｗ１のシリカ濃度は、事前に供給水Ｗ１を水質分析することにより得ることができる。なお、供給水ラインＬ１において、不図示の水質センサにより供給水Ｗ１のシリカ濃度を計測してもよい。

ステップＳＴ４０３において、制御部１０は、温度センサ４から供給水Ｗ１の検出温度値Ｔを取得する。
ステップＳＴ４０４において、制御部１０は、取得した検出温度値Ｔに基づいて、水に対するシリカ溶解度Ｓ_ｓを決定する。

ステップＳＴ４０５において、制御部１０は、前のステップで取得又は決定したシリカ濃度Ｃ_ｓ、及びシリカ溶解度Ｓ_ｓに基づいて、濃縮水Ｗ３におけるシリカの許容濃縮倍率Ｎ_ｓを演算する。シリカの許容濃縮倍率Ｎ_ｓは、下記の式（７）により求めることができる。
Ｎ_ｓ＝Ｓ_ｓ／Ｃ_ｓ （７）

例えば、シリカ濃度Ｃ_ｓが２０ｍｇＳｉＯ_２／Ｌ、２５℃におけるシリカ溶解度Ｓ_ｓが１００ｍｇＳｉＯ_２／Ｌであれば、許容濃縮倍率Ｎ_ｓは“５”となる。

ステップＳＴ４０６において、制御部１０は、前のステップで取得又は演算した目標流量値Ｑ_ｐ´、及び許容濃縮倍率Ｎ_ｓに基づいて、回収率が最大となる排水流量（目標排水流量Ｑ_ｄ´）を演算する。目標排水流量Ｑ_ｄ´は、下記の式（６）により求めることができる。
Ｑ_ｄ´＝Ｑ_ｐ´／（Ｎ_ｓ−１） （８）

ステップＳＴ４０７において、制御部１０は、濃縮水Ｗ３の実際排水流量Ｑ_ｄがステップＳＴ４０６で演算した目標排水流量Ｑ_ｄ´となるように、第１排水弁１１〜第３排水弁１３の開閉を制御する。これにより本フローチャートの処理は終了する（ステップＳＴ４０１へリターンする）。

上述した第１実施形態に係る逆浸透膜分離装置１によれば、例えば、以下のような効果が得られる。

第１実施形態に係る逆浸透膜分離装置１において、制御部１０は、流量センサ６から出力された検出流量値Ｑ_ｐが、予め設定された目標流量値Ｑ_ｐ´となるように、速度形デジタルＰＩＤアルゴリズムにより加圧ポンプ２の駆動周波数Ｆを演算し、当該駆動周波数Ｆの演算値に対応する電流値信号をインバータ３に出力する。

上記速度形デジタルＰＩＤアルゴリズムでは、前回演算した操作量からの変化分を演算し、これに前回の操作量を加算していく方式であるため、検出流量値Ｑ_ｐが離散値の場合でも、目標流量値Ｑ_ｐ´との偏差を高速に解消することができる。このため、ＲＯ膜モジュール５の水透過係数が急激に変化した場合でも、その変化に十分に追従することができる。従って、ＲＯ膜モジュール５の水透過係数が急激に変化した場合に、透過水Ｗ２の流量が目標流量値Ｑ_ｐ´から大きく乖離することを抑制して、透過水Ｗ２の流量を目標流量値Ｑ_ｐ´に保つことができる。

また、第１実施形態に係る逆浸透膜分離装置１において、制御部１０は、流量センサ６から出力されたパルス信号の時間幅Ｗ及び予め設定された１パルス当たりの流量値αに基づいて瞬間流量Ｑ_ｉを演算し、演算した直近６回分の瞬間流量Ｑ_ｉ（サンプル値）について、最大側の２個の値及び最小側の２個の値を除いた残りの２個の値を平均化処理し、当該平均化処理により得られた数値を検出流量値Ｑ_ｐとする。

上記平均化処理によれば、ノイズ等の外乱により、パルス信号の時間幅Ｗに異常値（他の値に比べ突出して長い値又は短い値）が発生した場合でも、その突出した異常値に基づく瞬間流量Ｑ_ｉの演算値は、サンプル値の対象から除外される。このため、パルス信号の時間幅Ｗに異常値が発生した場合でも、透過水Ｗ２の実際流量が目標流量値Ｑ_ｐ´から大きく乖離することが抑制される。従って、透過水Ｗ２の実際流量をより安定的に目標流量値Ｑ_ｐ´に保つことができる。

また、第１実施形態に係る逆浸透膜分離装置１において、制御部１０は、温度フィードフォワード回収率制御を実行する。このため、逆浸透膜分離装置１において、透過水Ｗ２の回収率を最大としつつ、ＲＯ膜モジュール５におけるシリカ系スケールの析出をより確実に抑制することができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係る逆浸透膜分離装置１Ａの構成について、図６を参照して説明する。図６は、第２実施形態に係る逆浸透膜分離装置１Ａの全体構成図である。なお、第２実施形態では、主に第１実施形態との相違点について説明する。第２実施形態では、第１実施形態と同一又は同等の構成については同じ符号を付して説明する。また、第２実施形態では、第１実施形態と重複する説明を適宜に省略する。

図６に示すように、第２実施形態に係る逆浸透膜分離装置１Ａは、加圧ポンプ２と、インバータ３と、ＲＯ膜モジュール５と、流量センサ６と、硬度測定手段としての硬度センサ７と、制御部１０Ａと、第１排水弁１１〜第３排水弁１３と、を備える。

硬度センサ７は、供給水ラインＬ１を流通する供給水Ｗ１のカルシウム硬度（炭酸カルシウム換算値）を測定する機器である。硬度センサ７は、接続部Ｊ１において供給水ラインＬ１に接続されている。接続部Ｊ１は、供給水Ｗ１の供給源（不図示）と加圧ポンプ２との間に配置されている。硬度センサ７は、制御部１０Ａと電気的に接続されている。硬度センサ７で測定された供給水Ｗ１のカルシウム硬度（以下、「測定硬度値」ともいう）は、制御部１０Ａへ検出信号として送信される。

制御部１０Ａは、ＣＰＵ及びメモリ含むマイクロプロセッサ（不図示）により構成される。制御部１０Ａは、第１実施形態の制御部１０と同じく速度形デジタルＰＩＤアルゴリズムによる流量フィードバック水量制御（図４参照）を実行する。

また、本実施形態の制御部１０Ａは、供給水Ｗ１の硬度に基づいて、透過水Ｗ２の回収率制御（以下、「水質フィードフォワード回収率制御」ともいう）を実行する。この水質フィードフォワード回収率制御は、上述した流量フィードバック水量制御と並行して実行される。

次に、制御部１０Ａによる水質フィードフォワード回収率制御について説明する。図７は、制御部１０Ａが水質フィードフォワード回収率制御を実行する場合の処理手順を示すフローチャートである。図７に示すフローチャートの処理は、逆浸透膜分離装置１の運転中において、繰り返し実行される。

図７に示すステップＳＴ５０１において、制御部１０Ａは、透過水Ｗ２の目標流量値Ｑ_ｐ´を取得する。この目標流量値Ｑ_ｐ´は、例えば、装置管理者がユーザーインターフェース（不図示）を介してメモリに入力した設定値である。

ステップＳＴ５０２において、制御部１０Ａは、硬度センサ７で測定された供給水Ｗ１の測定硬度値Ｃ_ｃを取得する。

ステップＳＴ５０３において、制御部１０Ａは、水に対する炭酸カルシウム溶解度Ｓ_ｃを取得する。この炭酸カルシウム溶解度Ｓ_ｃは、例えば、システム管理者がユーザーインターフェース（不図示）を介してメモリに入力した設定値である。尚、水に対する炭酸カルシウム溶解度は、通常の運転温度（５〜３５℃）では、ほぼ一定値と看做せる。

ステップＳＴ５０４において、制御部１０Ａは、前のステップで取得した測定硬度値Ｃ_ｃ、及び炭酸カルシウム溶解度Ｓ_ｃに基づいて、濃縮水Ｗ３における炭酸カルシウムの許容濃縮倍率Ｎ_ｃを演算する。炭酸カルシウムの許容濃縮倍率Ｎ_ｃは、下記の式（９）により求めることができる。
Ｎ_ｃ＝Ｓ_ｃ／Ｃ_ｃ （９）

例えば、測定硬度値Ｃ_ｃが３ｍｇＣａＣＯ_３／Ｌ、２５℃における炭酸カルシウム溶解度Ｓ_ｃが１５ｍｇＣａＣＯ_３／Ｌであれば、許容濃縮倍率Ｎ_ｃは“５”となる。

ステップＳＴ５０５において、制御部１０Ａは、前のステップで取得又は演算した目標流量値Ｑ_ｐ´、及び許容濃縮倍率Ｎ_ｃに基づいて、回収率が最大となる排水流量（目標排水流量Ｑ_ｄ´）を演算する。目標排水流量Ｑ_ｄ´は、下記の式（１０）により求めることができる。
Ｑ_ｄ´＝Ｑ_ｐ´／（Ｎ_ｃ−１） （１０）

ステップＳＴ５０６において、制御部１０Ａは、濃縮水Ｗ３の実際排水流量Ｑ_ｄがステップＳＴ５０５で演算した目標排水流量Ｑ_ｄ´となるように第１排水弁１１〜第３排水弁１３の開閉を制御する。これにより本フローチャートの処理は終了する（ステップＳＴ３０１へリターンする）。

上述した第２実施形態に係る逆浸透膜分離装置１Ａにおいて、制御部１０Ａは、速度形デジタルＰＩＤアルゴリズムにより透過水Ｗ２の流量フィードバック水量制御を実行する。このため、第１実施形態と同様の効果が得られる。また、第２実施形態に係る逆浸透膜分離装置１Ａにおいて、制御部１０Ａは、水質フィードフォワード回収率制御を実行する。このため、逆浸透膜分離装置１Ａにおいては、透過水Ｗ２の回収率を最大としつつ、ＲＯ膜モジュール５における炭酸カルシウム系スケールの析出をより確実に抑制することができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態に係る逆浸透膜分離装置１Ｂの構成について、図８を参照して説明する。図８は、第３実施形態に係る逆浸透膜分離装置１Ｂの全体構成図である。なお、第３実施形態では、主に第１実施形態との相違点について説明する。第３実施形態では、第１実施形態と同一又は同等の構成については同じ符号を付して説明する。また、第３実施形態では、第１実施形態と重複する説明を適宜に省略する。

図８に示すように、第３実施形態に係る逆浸透膜分離装置１Ｂは、加圧ポンプ２と、インバータ３と、ＲＯ膜モジュール５と、流量センサ６と、電気伝導率測定手段としての電気伝導率センサ８と、制御部１０Ｂと、第１排水弁１１〜第３排水弁１３と、を備える。

電気伝導率センサ８は、透過水ラインＬ２を流通する透過水Ｗ２の電気伝導率を測定する機器である。電気伝導率センサ８は、接続部Ｊ５において透過水ラインＬ２に接続されている。電気伝導率センサ８は、制御部１０Ｂと電気的に接続されている。電気伝導率センサ８で測定された透過水Ｗ２の電気伝導率（以下、「測定電気伝導率値」ともいう）は、制御部１０Ｂへ検出信号として送信される。

制御部１０Ｂは、ＣＰＵ及びメモリ含むマイクロプロセッサ（不図示）により構成される。制御部１０Ｂは、第１実施形態の制御部１０と同じく、速度形デジタルＰＩＤアルゴリズムによる流量フィードバック水量制御（図４参照）を実行する。

また、本実施形態の制御部１０Ｂは、透過水Ｗ２の電気伝導率に基づいて、透過水Ｗ２の回収率制御（以下、「水質フィードバック回収率制御」ともいう）を実行する。この水質フィードバック回収率制御は、上述した流量フィードバック水量制御と並行して実行される。

次に、制御部１０Ｂによる水質フィードバック回収率制御について説明する。図９は、制御部１０Ｂが水質フィードバック回収率制御を実行する場合の処理手順を示すフローチャートである。図９に示すフローチャートの処理は、逆浸透膜分離装置１の運転中において、繰り返し実行される。

図９に示すステップＳＴ６０１において、制御部１０Ｂは、透過水Ｗ２の目標電気伝導率値Ｅ_ｐ´を取得する。目標電気伝導率値Ｅ_ｐ´は、透過水Ｗ２に要求される純度の指標である。目標電気伝導率値Ｅ_ｐ´は、例えば、装置管理者がユーザーインターフェース（不図示）を介してメモリに入力した設定値である。

ステップＳＴ６０２において、制御部１０Ｂは、電気伝導率センサ８で測定された透過水Ｗ５の測定電気伝導率値Ｅ_ｐを取得する。

ステップＳＴ６０３において、制御部１０Ｂは、ステップＳＴ６０２で取得した測定電気伝導率値（フィードバック値）Ｅ_ｐとステップＳＴ６０１で取得した目標電気伝導率値Ｅ_ｐ´との偏差がゼロとなるように、第１排水弁１１〜第３排水弁１３の開閉を制御する。すなわち、濃縮水Ｗ３の排水流量を段階的に増減させることにより、要求純度の透過水Ｗ２が得られるように、膜表面の溶存塩類の濃度を変化させる。これにより本フローチャートの処理は終了する（ステップＳＴ６０１へリターンする）。

上述した第３実施形態に係る逆浸透膜分離装置１Ｂにおいて、制御部１０Ｂは、透過水Ｗ２の流量フィードバック水量制御を実行する。このため、第１実施形態と同様の効果が得られる。また、第３実施形態に係る逆浸透膜分離装置１Ｂにおいて、制御部１０Ｂは、水質フィードフォワード回収率制御を実行する。このため、逆浸透膜分離装置１Ｂにおいては、透過水Ｗ２に要求される水質を満たしつつ、透過水Ｗ２の回収率を最大限にまで高めることができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明した。しかし、本発明は、上述した実施形態に限定されることなく、種々の形態で実施することができる。

例えば、第１実施形態では、温度フィードフォワード回収率制御において、供給水Ｗ１の温度を検出する例について説明した。これに限らず、例えば、ＲＯ膜モジュール５で得られた透過水Ｗ２又は濃縮水Ｗ３の温度を検出してもよい。

第２実施形態では、水質フィードフォワード回収率制御において、炭酸カルシウムの許容濃縮倍率及び透過水Ｗ２の目標流量値に基づいて、回収率が最大となる排水流量を算出する例について説明した。これに限らず、次のような手法を採用してもよい。すなわち、炭酸カルシウムの許容濃縮倍率Ｎ_ｃとシリカの許容濃縮倍率Ｎ_ｓとを比較し、小さい側の許容濃縮倍率を選択する。そして、選択した許容濃縮倍率及び透過水Ｗ２の目標流量値に基づいて、回収率が最大となる排水流量を算出する。

第１実施形態（図３）のステップＳＴ２０７では、制御部１０が、最新の瞬間流量Ｑ_ｉを含む直近６回分の演算値をサンプル値として、最大側の２個の値、及び最小側の２個の値を除いた残りの２個の値を平均化処理する例について説明した。これに限らず、例えば、最新の瞬間流量Ｑ_ｉを含む直近８回分の演算値をサンプル値として、最大側の３個の値、及び最小側の２個の値を除いた残りの３個の値を平均化処理するようにしてもよい。すなわち、制御部１０は、直近ｎ回分の瞬間流量の演算値をサンプル値として、最大側のｊ個（ｊ≧１）の値及び最小側のｋ個（ｋ≧１）の値を除いた残りの（ｎ−ｊ−ｋ）個の値を平均化処理すればよく、上記ｎ，ｊ，ｋの値は適宜に設定することができる。

第１〜第３実施形態において、濃縮水ラインＬ３を流通する濃縮水Ｗ３の一部を、供給水ラインＬ１において、加圧ポンプ２よりも上流側に還流させる濃縮水還流ラインを設けた構成としてもよい。濃縮水還流ラインを設けることにより、膜表面での流速を高めることができるため、ファウリングの発生を抑制することができる。

第１〜第３実施形態において、供給水Ｗ１は、地下水や水道水等の原水であってもよい。また、供給水Ｗ１は、原水を除鉄除マンガン装置、活性炭濾過装置、硬水軟化装置等により前処理した水であってもよい。

第１〜第３実施形態では、各回収率制御において、第１排水弁１１〜第３排水弁１３を選択的に開閉することにより、濃縮水Ｗ３の排水流量を段階的に調節する例について説明した。これに限らず、排水ラインを分岐せずに１本とし、このラインに比例制御弁を設けた構成としてもよい。その場合には、制御部１０（１０Ａ，１０Ｂ）から電流値信号（例えば、４〜２０ｍＡ）を比例制御弁に送信して弁開度を制御することにより、濃縮水Ｗ３の排水流量を調節することができる。

また、比例制御弁を設けた構成において、排水ラインに流量センサを設けた構成としてもよい。流量センサで検出された流量値を、制御部１０（１０Ａ，１０Ｂ）にフィードバック値として入力する。これにより、濃縮水Ｗ３の実際排水流量をより正確に制御することができる。

１，１Ａ，１Ｂ 逆浸透膜分離装置
２ 加圧ポンプ
３ インバータ
４ 温度センサ（温度検出手段）
５ ＲＯ膜モジュール（逆浸透膜モジュール）
６ 流量センサ（流量検出手段）
７ 硬度センサ（硬度測定手段）
８ 電気伝導率センサ（電気伝導率測定手段）
１０，１０Ａ，１０Ｂ 制御部
１１ 第１排水弁（排水弁）
１２ 第２排水弁（排水弁）
１３ 第３排水弁（排水弁）
Ｌ１ 供給水ライン
Ｌ２ 透過水ライン
Ｌ３ 濃縮水ライン
Ｌ１１ 第１排水ライン
Ｌ１２ 第２排水ライン
Ｌ１３ 第３排水ライン
Ｗ１ 供給水
Ｗ２ 透過水
Ｗ３ 濃縮水

Claims (2)

1. 供給水を透過水と濃縮水とに分離する逆浸透膜モジュールと、
   透過水の流量を検出し、当該流量に応じた検出流量値を出力する第１流量検出手段と、
   供給水を前記逆浸透膜モジュールに供給する供給水ラインと、
   入力された駆動周波数に応じた回転速度で駆動され、前記供給水ラインを流通する供給水を前記逆浸透膜モジュールに向けて圧送する加圧ポンプと、
   入力された周波数指定信号に対応する駆動周波数を前記加圧ポンプに出力するインバータと、
   前記第１流量検出手段から出力された検出流量値が、予め設定された目標流量値となるように、速度形デジタルＰＩＤアルゴリズムにより前記加圧ポンプの駆動周波数を演算し、当該駆動周波数の演算値に対応する周波数指定信号を前記インバータに出力する制御部と、
   供給水のカルシウム硬度を測定する硬度測定手段と、
   装置外へ排出する濃縮水の排水流量を調節可能な排水弁と、を備え、
   前記制御部は、（ｉ）予め取得された炭酸カルシウム溶解度、及び前記硬度測定手段の測定硬度値に基づいて、濃縮水における炭酸カルシウムの許容濃縮倍率を演算し、（ｉｉ）当該許容濃縮倍率の演算値、及び透過水の前記目標流量値から排水流量を演算し、（ｉｉｉ）濃縮水の実際排水流量が当該排水流量の演算値となるように、前記排水弁を制御する、
   逆浸透膜分離装置。
2. 装置外へ排出する濃縮水の排水流量を調節可能な排水弁としての比例制御バルブと、
   濃縮水の排水流量を検出する第２流量検出手段と、を備え、
   前記制御部は、前記第２流量検出手段の検出流量値が前記排水流量の演算値となるように、前記比例制御バルブの弁開度を調節する、
   請求項１に記載の逆浸透膜分離装置。

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