JP6584420B2 - システム内の流体流圧を事前設定された略一定レベルで維持する方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、システム内の流体流圧を、システム内に圧送される質量流量の周期的な変動に左右されずに、事前設定された略一定レベルで維持する、請求項１のプリアンブルによる方法に関する。

本発明はまた、典型的な特徴が請求項５のプリアンブルに定義されている、上記方法を適用する装置に関する。

本発明を適用する装置の一部としてのノズル弁は、流れを高圧噴流（ジェット）に変換し、その高圧噴流は、タービンバケットに衝動力を与えるように向けられる。本発明は、波力および逆浸透システムで使用されるのに特に適している。

刊行物、国際公開第２００４０９９６５８Ａ１号パンフレットは、開放が電気ギアモータによって調節され、その迅速な閉鎖が蓄圧器を使用することによって達成される、タービンノズル弁に関する。

刊行物、米国特許第５８３２２９４４号明細書および国際公開第９８１３６３３Ａ１号パンフレットは、開放が電気ギアモータで調節されるタービンノズル弁に関する。後者では、弁の迅速な閉鎖は、蓄圧器を使用することによって実施される。

波力を用いることによって水を圧送することができることは周知である。圧送される質量流量は、時に風の状態によって変化する。従来の水力発電所とは対照的に、波力で圧送される水は、位置エネルギーおよび結果としての一定圧力を有していない。この理由で、流圧を厳密に設定しなければならない。典型的な解決法は、圧力の上昇をもたらす、システムの流出側に設置された絞り弁である。こうした弁は、同時にタービンバケットに噴流を向ける、衝動タービンノズル弁であり得る（図１ａ）。

本発明に類似し、かつペルトンタービンで使用される初期の既知のノズル弁について、図２ａおよび図２ｂに記載する。この種の弁は、流圧が水位間の高さの差から由来する場合に使用され、その場合、静水圧は、一定のままであり、ノズルを通って流れる質量流量に左右されない。ノズルの口の断面積は、その中で円錐ニードルを移動させることによって調整することができ、このため、そこを通る質量流量は変化するが、圧力が一定であるため、噴流速度は変化しないままである。噴流の速度は、ｖ＝Ｃ_ｖ・√（２ｇＨ）であり、式中、Ｈ（水頭）は、水圧管の高さ（ｍ）であり、Ｃ_ｖは、ノズル係数≒０．９８である。この方程式は、噴流の速度が圧力のみによって決まり、そのために、圧力が水圧管の高さによって決まることを意味する。

小規模の発電所では、ニードルは、通常、手動機構で調整され（図２ａ）、より規模の大きい１００ｋＷを超えるシステムでは、調速機構によって調整され、その場合、ニードルの移動は、サーボモータ加圧油で達成される（図２ｂ）。これらの機構の目的は、ノズル内への質量流量を、流量がタービン負荷に対応するように調節するということである。噴流の運動エネルギーＥ_ｖ＝（ｍｖ^２）／２は、質量流量変動に従って変化しており、タービン出力はそれに従って変化する。そのため、噴流速度は、水頭によってもたらされる圧力のみによって決まる。

電気ポンプまたはディーゼルポンプで加圧された水を用いてエネルギーを生成することは、意味をなさないことが明らかである。これは、上述した弁が、水が位置エネルギーを有する、発電所のタービンで動作するように意図されていたためである。それらは、ノズル弁自体がシステム内で圧力を一定に維持しなければならず、システム内に圧送される質量流量は時に変化する、という場合には意図されておらずかつ適していない。

これらに対して対照的に、本発明によるノズル弁の動作原理はまさに、質量流量の変動に左右されずに、独立してシステム圧を一定に維持するというものである。その好ましい使用は、波エネルギーによって圧送される水および逆浸透廃棄水が含む、エネルギーの量を利用するというものである。

水圧が一定のままである場合、噴流速度は一定のままである。たとえば、上記方程式における５０バール圧力は、５００メートル高さの水圧管に対応する。

噴流速度が圧力のみによって決まるため、圧力が一定のままである場合、タービン出力Ｐｍａｘ＝ｍ・ｐ（式中、ｍは質量流量であり、ｐは圧力である）は、質量流量の変化に正比例して変化する。質量流量および圧力の両方が同時に低下した場合、一定の口のノズルの場合と同様に、出力は激しく低下することは明らかである。

流量および圧力が同時に変動することは、逆浸透システムの動作に関しても問題であり、それは、逆浸透モジュールにおける塩−水圧力は、海水の場合は３６バールを超える水の浸透圧より高くなければならないためである。そのため、これらのシステムで一般に使用される一定の絞りは、圧送される流入量が一定である場合にのみ適用可能である。しかしながら、波エネルギーの場合、それは決して当てはまらない。逆浸透システムでは、絞り装置は廃棄水チューブに設置されている。廃棄水は、モジュールから流出する塩濃縮液であり、流量絞りノズルは、噴流を形成し、それをタービンに向ける（図１ｂ）。

逆浸透モジュールから流出している廃棄水は、初期圧送エネルギーの７０％〜９０％を含む可能性がある。

逆浸透流圧を絞りかつ維持する装置は、たとえば圧力逃し弁であり得る。しかしながら、本質的な問題は、絞りの後、廃棄水が含んでいたエネルギーは喪失し、タービンで利用することができないということである。圧力逃し弁を機械的に作動させる開放圧力は、その閉鎖圧力の約２倍であり、それは、逆浸透システムに問題をもたらす。

上述した理由で、流量絞り弁における圧力は、流入量が時に変化している場合にも一定のままであることが必須である。

本発明の目的は、ノズル弁がシステム内の流体流圧を、システム内に圧送される質量流量の周期的な変動に左右されずに、事前設定値されたレベルでかつ略一定で維持する、方法および装置を生成することである。同じノズル弁が、流れを高圧噴流に変換し、それを例えばタービンバケットに衝動力を与えるように向ける。

この目的は、請求項１において特徴付けられる本発明による方法と、請求項５において特徴付けられる本発明による装置とによって達成される。

本発明は、逆浸透システム圧を維持し、ペルトンタービンを用いることによってその廃棄水の圧力を利用するために使用されるのに特に好適である。そして、淡水製造および廃棄水力によって作動する衝動タービンは、最適な効率を有する。

装置を示す図。 ノズル弁を示す図。 装置を示す図。

本発明による方法および装置について、図１ａ、図３ａおよび図３ｂを参照して以下により詳細に記載する。

ノズル弁１は、中空でありかつ長い、好ましくは円筒状の本体２を備えており、それはいくつかの部品から組み立てることができ、その他端において、本体２の軸の方向にノズルチャネル８があり、それは、好ましくは円形断面を有する円錐形であり、それを通って流出が構成される。本体２への流入は、本体壁のチャネル３を通して発生する。

明確にするために、チャネル８が位置する本体２の端部を、以下、本体２の下方部分と呼ぶ。

チャネル８は、本体２内部のニードル４の往復運動で開閉する。ニードルは、本質的に円筒状のシャフトと円錐状頭部とから形成され、円錐状頭部は、チャネル８の中で移動するときにその流れ断面積を変化させることにより、チャネル８を徐々に開閉する。

チャネル８が閉鎖されるとき、ニードル４の頭部は、チャネル８の口に対して小さい隙間を有する。チャネル８が閉鎖されるとき、チャネル８は完全に封止材である必要はなく、そこを通る流れが本質的に阻止されることで十分である。チャネル８の反対側にある本体２の上端は蓄圧器６を有し、蓄圧器６は、ブロック２への流入が、本体２と蓄圧器６との間に形成されるチャネル９を通って蓄圧器６の弁体１０の真下でも発生することができ、かつニードル４がチャネル９内を軸方向に往復運動して移動することができるように、本体２の上端に直接、または中間チューブ１４を用いて接合されている。ニードル４のシャフトを案内するために、本体２の内部にスライド要素１１が取り付けられている。スライド要素１１の外側で、本体２の壁に溝またはチャネル１３があり、流入する流れは、チャネル３を通りそこを通って本体２内に入り、スライド要素１１の反対側まで流れ、チャネル９まで、結果として弁体１０の真下まで進むことができ、弁体１０は与圧された蓄圧器６を閉鎖する（図３ｂ）。溝またはチャネル１３はニードル４のシャフトにあることも可能である。

最初に、流れがないとき、ニードル４の頭部はチャネル８を閉鎖し、ニードル４はその最下位置にあり、弁体１０は蓄圧器６本体によって支持されている（図３ａ）。この状況で、ニードル４のシャフト端部は、圧縮ばね５によって弁体１０に対して押圧されている。ばね５は、張力がかけられ、その下端はスライド要素１１または本体２によって本質的に支持され、その上端はニードル４のシャフトに取り付けられたプレート１２によりまたはシャフトの拡大部によって本質的に支持されている。

液圧ポンプが流入物をシステム内に圧送し始めると、本体２内で流体圧が上昇し、それは、ニードル４がチャネル８を閉鎖している間、流れがチャネル８を通って出ることができないためである。ニードル４は、その上端がばね５によって弁体１０に対して加圧され、弁体１０が蓄圧器６を閉鎖するため、移動することもできない。この理由で、流圧は、蓄圧器６内の与圧された圧力ｐ０を超えるまで上昇し、その後、弁体１０は、それに影響を与える揚力のために上昇を開始する。この揚力は、ばね力Ｆｓと、流圧ｐ１がニードル４にもたらす力との合計である。ばね力は、ニードル４のシャフト端部を弁体１０と常に本質的に接触した状態で保持する。圧力ｐ１が高いため、それは、ニードルシャフトと弁体１０との間に入ることができることが可能である。その場合、圧力ｐ１は、ニードルを下方に押し下げようとし、このために、ばね力は、すべての状況において、この下向きの押圧力より大きくなければならない。

円錐ニードル４の頭部が弁体１０とともに上昇すると、流出チャネル８が開放し、その流れ断面積が対応して増大する（図３ｂ）。チャネル８は、そこを通る流量が圧力ｐ２に対応する分だけ開放する。ダイヤフラム式蓄圧器６内のガス圧ｐ２と弁１内の流入圧ｐ１とは、すべての動作流状況において本質的に等しい。

蓄圧器６が有するガス体積が大きいほど、ｐ２と蓄圧器６内の与圧された圧力ｐ０との間の差が小さくなる。これは、ニードル４の上昇のために、蓄圧器６内の相対的なガス体積の変化がわずかなままであるためである。最大動作体積変化は、蓄圧器の動作圧レベルに達する時点で蓄圧器の容積の１６％未満、有利には９％未満であるべきである。

ガスプレチャージ圧ｐ０に対する最大動作圧ｐ２の比は、製造業者によって与えられる蓄圧器の設計圧力比、通常４：１より決して高くなり得ない。

蓄圧器（６）内のｐ０からｐ２への圧力上昇は、ニードル（４）の上昇のために、そのガス体積の変化に対して反比例する。最大動作圧ｐ２は、ｐ０、蓄圧器容積、ニードル（４）の頭部の円錐角および最大動作流量によるチャネル（８）の口の断面によって、所望のレベルに選択することができる。

ニードル（４）による有利な動作圧力比は上昇し、すなわちｐ２／ｐ０＜１．１である。

このように、流量が時に変化しても、流圧ｐ１は略一定のままであり、この結果、システム全体における圧力もまた本質的に一定のままである。流入が終了すると、弁１はシステム圧をレベルｐ０で維持する。しかしながら、逆浸透モジュールの場合、その中にいかなる高濃度の塩水も留まらず、そのため、チャネル８をわずかに開放したままにすることができることが有益である。逆浸透システムで使用する場合、蓄圧器６内の初期圧力ｐ０は、処理される塩水の浸透圧より高いように選択される。圧力ｐ０は、システム全体における動作圧が望まれるレベルでありかつ弁１によって提供される噴流が開始するレベルに、本質的に設定される。

ばね５の力は、流出チャネル８の口の円形断面積と、蓄圧器６内の与圧された初期ガス圧ｐ０と、ニードル４の最大動作移動とに従って定義される。ばね力Ｆｓは、以下の方程式において大きい方でなければならない。
ａ）ニードル４がその最高動作位置にあるとき、Ｆｓ＝ｐ２・Ａ７、
ｂ）ニードル４がチャネル８を閉鎖しているとき、Ｆｓ＝ｐ０・Ａ７。

Ａ７は、ちょうどチャネル８の口における円錐ニードル４の頭部の、現動作モーメントにおけるその流れ方向軸に対して垂直な断面積である。実際には、流圧ｐ１はニードル４のシャフト端部と弁体１０との間に入ることができるため、ニードル４が弁体１０と上昇するために、ニードル４を持ち上げるばね力は、ニードル４を下方に押し下げている圧力ｐ１によってもたらされる力より大きくなければならない。

しかしながら、必要なばね力は、比較的小さく、従来の圧力逃し弁のばね力に比較してほんのわずかである。本発明による解決法では、ニードル４の移動は平滑でありかつ摩擦がなく、ニードル４は、圧力ｐ１をごくわずかにでも変化させる試みの結果として迅速に移動し、最小圧力ｐ１を本質的に一定に維持する。

ニードル（４）は、流入変化に従って移動し、それは、チャネル８の口の断面積が一定のままであるため、弁内の流圧ｐ１が上昇するかまたは下降するためである。本発明によれば、蓄圧器６内のガス圧ｐ２は、弁体１０を押し始め、これにより、流圧ｐ１がガス圧ｐ２未満になるとすぐにニードル４を下方に押し始め、対応して、流圧ｐ１は弁体１０を持ち上げ始め、これにより、流圧ｐ１がガス圧ｐ２を超えるとすぐにニードル４を持ち上げ始める。この移動の結果として、円錐ニードル４の頭部とチャネル８の口との間の隙間は、流量変化に応じて変化し、これにより、流圧は本質的に一定のままである。

このように、システム圧、およびこれにより、ノズルチャネル８を通る噴流の速度は本質的に一定のままである。流れが停止すると、チャネル８は閉鎖され、それは、蓄圧器６内の圧力が弁体１０および円錐ニードル４の頭部をそれらの最下位置に押し下げるためである。ニードル４の頭部は、チャネル８内で動かなくなることはなく、それは、弁体１０の移動が、蓄圧器６本体に対して停止し、ニードル４の移動もまた停止させるためである。

ニードル４のシャフトの上端が弁体１０に固定される代替構成も可能である。その場合、ばね５は、有利ではあるが必須ではない。この種の構成には特別な蓄圧器が必要であり、それは今までのところ市場には出ていない。

ダイヤフラム式蓄圧器６の代わりに、ブラダ式蓄圧器を利用することも可能である。しかしながら、構造および動作に関して、これは、実際にはダイヤフラム式蓄圧器ほど好ましくはない。

たとえば暴風状態の間、流入量は、システムに対して設計された量より増大する可能性があり、このため、システム圧はその設計値を超える。この過剰な流量および圧力の上昇は、同じ原理で動作しかつ弁１の前にシステムに設置され、設計された最大圧ｐ２よりわずかに高い圧力で開放するように調整される、別の弁を使用することによって回避することができる。

Claims (10)

1. システム内の流体流圧を、前記システム内に圧送される質量流量の周期的な変動に左右されずに、事前設定された略一定レベルで維持する方法であって、前記システムが、少なくとも１つの蓄圧器（６）およびノズル弁（１）を備え、前記ノズル弁（１）が、弁本体（２）と、前記弁本体（２）内に軸方向に、前記ノズル弁（１）の流出チャネル（８）の口を開閉する円錐ニードル（４）とを有し、前記ニードル（４）のシャフトが、前記弁本体（２）内部に取り付けられたスライド要素（１１）によって案内され、前記弁本体（２）内への流入物が、１つまたはいくつかのチャネル（１３）を通って前記スライド要素（１１）の反対側に流れることができ、前記ニードル（４）が、前記ニードル（４）に対して影響を与えている力によって前記ノズル弁（１）を開閉する方向に対して軸方向に移動し、したがって、前記流出チャネル（８）の口の断面積を調整する、方法において、前記流圧（ｐ１）およびばね（５）によって合わせて前記ニードル（４）のシャフトに力をかけるステップであって、この結合された正味の力の方向がすべての状況において上向きであり、前記結合された正味の力が、前記ニードル（４）のシャフト端部を、前記蓄圧器を開放する傾向がある前記蓄圧器の弁体（１０）に対して常に押圧された状態で保持するが、前記蓄圧器（６）内の与圧されたガス圧（ｐ０）が前記弁体（１０）にかける第２の反対の力より常に小さく、前記流圧（ｐ１）が前記弁体（１０）にかけている力と組み合わされた、上述した結合された正味の力が、前記蓄圧器（６）のガス圧が前記弁体（１０）にかけている前記第２の反対の力に抗して前記流出チャネル（８）を開放する傾向がある第１力を形成し、それにより、前記第１力が前記第２の反対の力を超えると、前記弁体（１０）とそれに対して押圧される前記ニードル（４）の両方が合わせて上昇を開始し、その結果、前記蓄圧器（６）内の圧力（ｐ２）がそれに従って上昇する、ステップと、前記流出チャネル（８）の口の直径、前記ニードル（４）の円錐角、および前記蓄圧器（６）の容積を、前記ニードル（４）の上昇および前記蓄圧器内の結果としての圧力上昇によってもたらされる前記蓄圧器（６）内のガス体積の変化が、最大の流量でも小さいように選択するステップであって、その結果、上述した力の間の関係が、前記ノズル弁の開放度を自動的に調整し、それにより、前記流出チャネル（８）を通る前記流体流が常に連続的でありながら、前記流体流圧（ｐ１）が前記蓄圧器（６）内の前記与圧された初期圧（ｐ０）に対して近いままである、ステップとを含むことを特徴とする方法。
2. 前記ニードル（４）を持ち上げ、かつそのシャフト端部を前記弁体（１０）に対して押圧するばね力Ｆｓが、以下の方程式ａおよびｂにおいて定義される力に等しいかまたはそれより高く、
   ａ）前記ニードル（４）が、前記システムの最大設計圧力によって定義される最高動作位置にあるとき、Ｆｓ＝ｐ２・Ａ７、
   ｂ）前記ニードル（４）が、前記流出チャネル（８）を閉鎖するとき、Ｆｓ＝ｐ０・Ａ７
   これらの方程式において、Ａ７が、実際の動作状況で前記流出チャネル（８）の口において前記ニードル（４）の軸に対して垂直な、前記ニードル（４）の頭部の断面積であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記蓄圧器（６）が、ダイヤフラム式またはブラダ式蓄圧器であり、前記ダイヤフラムの内側が、前記蓄圧器（６）内の前記初期圧（ｐ０）によって影響を受け、前記ダイヤフラムの外側が、前記流体流圧（ｐ１）によって影響を受け、これにより、前記ダイヤフラムおよびその中に固定される前記ニードル（４）が、前記流圧の変化の結果として移動し、同時にこれらの変化を最小限にすることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記ノズル弁（１）が逆浸透システム内で圧力を維持するために使用される場合、前記蓄圧器（６）内の前記初期圧（ｐ０）が、処理される塩水の浸透圧より高いように選択されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. システム内の流体流圧を、前記システム内に圧送される質量流量の周期的な変動に左右されずに、事前設定された略一定レベルで維持する装置であって、前記システムが、少なくとも１つの蓄圧器（６）およびノズル弁（１）を備え、前記ノズル弁（１）が、弁本体（２）と、前記弁本体（２）内に軸方向に、前記ノズル弁（１）の流出チャネル（８）の口を開閉する円錐ニードル（４）とを有し、前記ニードル（４）のシャフトが、前記弁本体（２）内部に取り付けられたスライド要素（１１）によって案内され、前記弁本体（２）内への流入物が、１つまたはいくつかのチャネル（１３）を通って前記スライド要素（１１）の反対側に流れることができ、前記ニードル（４）が、前記流出チャネル（８）の口の断面積を調整するために、前記ノズル弁の開放方向に対して上方にかつ前記ニードル（４）に影響を与える力によって下方に移動可能であるように構成されている装置において、前記流出チャネル（８）に対して反対側の前記弁本体（２）の上端に、与圧された初期ガス圧（ｐ０）を有するダイヤフラム式またはブラダ式蓄圧器（６）が接合され、前記弁本体（２）と前記蓄圧器（６）との間にチャネル（９）が形成され、そこを通して、前記ニードル（４）のシャフト端部が、前記蓄圧器（６）の弁体（１０）に対して本質的に加圧され、それとともに移動するように構成され、前記初期圧（ｐ０）が前記弁（１）を閉鎖する傾向がある下向きの力をもたらし、前記弁体（１０）がその最下位置にありかつ前記蓄圧器（６）の本体によって支持されるとき、前記ニードル（４）の円錐状頭部が、前記流出チャネル（８）の前記口を本質的に閉鎖し、前記システム内に圧送される質量流量が、前記弁体（１０）および前記ニードル（４）に対して前記弁を開放する傾向がある力をもたらすように適合され、予め張力がかけられたばね（５）が、前記ニードル（４）に対して前記ニードルを持ち上げようとするばね力（Ｆｓ）をもたらすように構成され、前記質量流力と結合されたこのばね力が、前記流出チャネル（８）を開放しかつ同時に前記蓄圧器（６）内の圧力を前記ニードル（４）の上昇に対応するレベル（ｐ２）まで上昇させるために、前記弁体（１０）および前記ニードル（４）を、前記蓄圧器（６）内の前記初期圧（ｐ０）が前記弁体（１０）にもたらす力に抗して上昇させる傾向があり、前記流出チャネル（８）の口の直径、前記ニードル（４）の円錐角および前記蓄圧器内のガス体積が、前記ニードル（４）の上昇および前記蓄圧器内の結果としての圧力上昇によってもたらされる前記蓄圧器（６）内のガス体積変化が、最大流量でも小さいように選択され、その結果、前記蓄圧器（６）が、前記流出チャネル（８）の口の断面積を調整し、それにより、流出する前記流体の流圧（ｐ１）およびこれにより前記システム全体の圧力が、前記蓄圧器（６）内の与圧された初期圧（ｐ０）に近いままであることを特徴とする装置。
6. 前記予め張力がかけられたばね（５）が圧縮ばねであり、その一端が、前記弁本体（２）または前記スライド要素（１１）によって支持され、他端が、前記ニードル（４）のシャフトに作製されたかまたは取り付けられた拡大部（１２）によって支持され、その結果、前記ニードル（４）を持ち上げる傾向がある前記ばね力（Ｆｓ）が、前記流圧（ｐ１）が前記ニードルにもたらす前記力と合計されることを特徴とする、請求項５に記載の装置。
7. 前記ニードル（４）を持ち上げている前記ばね力Ｆｓが、以下の方程式ａおよびｂにおいて定義される力に等しいかまたはそれより高く、
   ａ）前記ニードル（４）が、前記システムの最大設計圧力によって定義される最高動作位置にあるとき、Ｆｓ＝ｐ２・Ａ７、
   ｂ）前記ニードル（４）が、前記流出チャネル（８）を閉鎖するとき、Ｆｓ＝ｐ０・Ａ７
   これらの方程式において、Ａ７が、実際の動作状況で前記流出チャネル（８）の口において前記ニードル（４）の軸に対して垂直な、前記ニードル（４）の頭部の断面積であることを特徴とする、請求項６に記載の装置。
8. 前記ニードル（４）のシャフトの端部が、前記ダイヤフラム式またはブラダ式蓄圧器（６）のダイヤフラムに固定されている前記弁体（１０）に固定されていることを特徴とする、請求項５〜７のいずれか一項に記載の装置。
9. 前記ノズル弁（１）が逆浸透システム内で圧力を維持するために使用される場合、前記初期圧（ｐ０）が、処理される塩水の浸透圧より高いように選択されることを特徴とする、請求項５〜８のいずれか一項に記載の装置。
10. 前記ノズル弁（１）が衝動タービンのものであることを特徴とする、請求項５〜９のいずれか一項に記載の装置。