JPWO2016035704A1 - 海水淡水化システムおよびエネルギー回収装置 - Google Patents

Abstract

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海水淡水化システムに好適に用いられるエネルギー回収装置に関するものである。エネルギー回収装置は、長手方向を鉛直に配置した円筒形状のチャンバー（ＣＨ）と、濃縮海水の給排水を行う濃縮海水ポート（Ｐ１）と、海水の給排水を行う海水ポート（Ｐ２）と、チャンバー（ＣＨ）内において濃縮海水ポート（Ｐ１）側に配置される流れ抵抗器（２３）と、チャンバー（ＣＨ）内において海水ポート（Ｐ２）側に配置される流れ抵抗器（２３）とを備え、濃縮海水ポート（Ｐ１）側および海水ポート（Ｐ２）側に配置される流れ抵抗器（２３）は、少なくとも１枚の多孔円板であって、多孔円板の所定の直径の円より外側の外周領域に孔が形成されてなる。

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回収装置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濃縮海水（ブライン）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転コストは電力費であり、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が大きな割合を占めている。

すなわち、海水淡水化プラントにおけ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濃度で高圧の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の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の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２つの空間に分離し、２つの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回収チャンバーを利用することが行われている。

図２１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２１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、前処理装置により浮遊物等が除去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（ＲＯ膜）を備えた逆浸透膜分離装置４に供給される。逆浸透膜分離装置４は、海水を塩濃度の高い濃縮海水と塩濃度の低い淡水に分離し海水から淡水を得る。この時、塩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、制御弁６を介してエネルギー回収チャンバー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回収チャンバー１０の海水ポートＰ２へ接続している。エネルギー回収チャンバー１０は、内部にピストン１６を備え、ピストン１６はエネルギー回収チャンバー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。

エネルギー回収チャンバー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、バルブ７を介してブースターポンプ８に供給される。制御弁６，バルブ７，エネルギー回収チャンバー１０によってエネルギー回収装置１１を構成している。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。

図２２は、図２１に示すエネルギー回収装置の構成機器である制御弁６，エネルギー回収チャンバー１０，バルブ７をそれぞれ２個備えた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２２に示すように、エネルギー回収装置１１が２個のエネルギー回収チャンバー１０，１０を備えることにより、２つのエネルギー交換チャンバー１０，１０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から濃縮海水を排水するように動作する。したがって、低圧海水の吸込みと、高圧海水の押し出しを交互に行うことにより装置からは常に（連続して）高圧の海水を排出することができるので、逆浸透膜分離装置４へ供給される海水の流量を一定にし、逆浸透膜分離装置４から得る淡水を一定流量で得ることができる。

上述した従来のエネルギー回収チャンバーにおいては、エネルギー回収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り、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。
そのため、本件出願人は、特開２０１０−２８４６４２号公報（特許文献１）において円筒形長尺のチャンバーをエネルギー交換チャンバーとし、チャンバー内に逆浸透膜（ＲＯ膜）から排出される高圧の濃縮海水と海水とを導入し、濃縮海水で直接海水を加圧する方式を採用することにより、ピストンの無い形態のエネルギー回収チャンバーを提案した。

図２３は、ピストンが無い形態のエネルギー回収チャンバー１０を示す断面図である。図２３に示すように、エネルギー回収チャンバー１０は、長尺の円筒形状のチャンバー本体１１と、チャンバー本体１１の両開口端を閉塞する端板１２を備えている。チャンバー本体１１内にはチャンバーＣＨが形成され、一方の端板１２の位置に濃縮海水ポートＰ１が形成され、他方の端板１２の位置に海水ポートＰ２が形成されている。濃縮海水ポートＰ１および海水ポートＰ２は円筒形状のチャンバー本体１１の中心軸上に配置されている。チャンバーＣＨの内径はφＤ、濃縮海水ポートＰ１および海水ポートＰ２の内径はφｄに設定されている。

エネルギー回収チャンバー１０は縦置きに設置されている。濃縮海水と海水の比重差の影響を考慮し、チャンバーＣＨを縦配置とし、比重の重い濃縮海水のポートＰ１を下側に、比重の軽い海水のポートＰ２を上に配置にしている。すなわち、長尺の円筒形状のチャンバー本体１１は、チャンバーの長手方向（軸方向）が垂直方向に配置されており、濃縮海水ポートＰ１はチャンバーＣＨの下側で濃縮海水を給排水するようにチャンバーの下側に設けられ、海水ポートＰ２はチャンバーＣＨの上側で海水を給排水するようにチャンバーの上側に設けられている。チャンバーＣＨの全長はＬであり、チャンバーＣＨ内には、濃縮海水ポートＰ１から軸方向にＬ１だけ離間した位置に流れ抵抗器１３を配置し、海水ポートＰ２から軸方向にＬ１だけ離間した位置に流れ抵抗器１３を配置している。流れ抵抗器１３は、１枚の多孔板から構成されている。

図２３に示すエネルギー回収チャンバー１０においては、小径の各ポートＰ１，Ｐ２から流入し、中央部が大きな速度分布を有する流体の流れを流れ抵抗器１３によってチャンバーＣＨの直径方向に分散させて、チャンバーの断面で均一な流れに整流することにより、海水と濃縮海水の界面が水平に維持された状態で二流体を押し引きすることで、チャンバー内において塩濃度の異なる海水と濃縮海水との混合を少ない状態に維持しながらエネルギー伝達を行うものである。

図２４は、図２３における各ポート近傍に配置した流れ抵抗器として所定の距離だけ離間した２枚の多孔板を各ポートの近傍に配置したエネルギー回収チャンバー１０を示す断面図である。図２４に示すように、チャンバーＣＨ内には、濃縮海水ポートＰ１から軸方向にＬ１だけ離間した位置に第１多孔板１４を配置し、さらに第１多孔板１４から軸方向にＬ２だけ離間した位置に第２多孔板１５を配置している。同様に、海水ポートＰ２から軸方向にＬ１だけ離間した位置に第１多孔板１４を配置し、さらに第１多孔板１４から軸方向にＬ２だけ離間した位置に第２多孔板１５を配置している。２枚の多孔板１４，１５は流れ抵抗器１３を構成している。
図２４に示すエネルギー回収チャンバー１０のその他の構成は、図２３に示すエネルギー回収チャンバー１０の構成と同様である。

本件出願人は、上述したエネルギー回収チャンバーにおいて、チャンバーへ流入する流体の流速が高速な場合、または多孔板の寸法・形状、多孔板を配置する位置、すなわち、図２３における距離Ｌ１、図２４における距離Ｌ１，Ｌ２によっては、分散、整流の効果が十分ではなく、依然中央部の流速が速い不均一な流れになることに鑑み、特願２０１３−０７８０１２号（未公開）にてその解決手段を提案した。すなわち、図２５に示すように、チャンバーＣＨ内には、濃縮海水ポートＰ１から軸方向にＬ１だけ離間した位置に流れ抵抗器２３を配置し、海水ポートＰ２から軸方向にＬ１だけ離間した位置に流れ抵抗器２３を配置する。そして、図２６に流れ抵抗器の平面図を示すように、流れ抵抗器２３はチャンバーの内径と等しい外径（φＤ）の円板形状をなし、中央部の仮想円（φｄｃ）の外側には、直径φｄｋ１の複数の小孔２３ｈが形成され、仮想円の内側（中心側）には小孔が形成されていない１枚の多孔板で構成する。すなわち、中央部を閉塞した多孔板を配置するものである。

図２７は、図２５に示す中央部を閉塞した多孔板からなる流れ抵抗器２３を水平に配置した場合の海水ポート近傍の数値流体解析による流れ分布を示す図である。図中の矢印は流れの速度を矢印の長さで、流れの向きを矢印の向きで示している。
海水ポートＰ２からチャンバーＣＨに流入した流れは、小径のポートからチャンバーに流入するので、チャンバーのポート付近の速度分布は中央部が大きな流れになる。この中央部の高速な流れは、ポートと対向する多孔板の閉塞部に衝突し、板に沿って水平にチャンバー外周に向かう流れとなる。流体は多孔板外周部に形成した小孔からのみ多孔板を通過して下流に流れ、一部の水平な流れはチャンバー側面に沿って上向きに流れ、外周部で大きな渦が生じる。この時、多孔板の閉塞部に衝突して外周へ流れるとともに、ポートから流入する高速な流れの速度が遅くなる。そして外周部から小孔を通過した流れは、中央部が一旦外周側に流れた後、再び中央部に集まるように流れる。多孔板の閉塞部の下流には渦が生じるが、図２７における多孔板からチャンバー中央へ所定の距離だけ離間したＡ−Ａ断面において、流れの速度と、向きが均一な流れとすることができるというものであった。

特開２０１０−２８４６４２号公報

本件出願人は、更に図２５および図２６に示したエネルギー回収装置のポートから流入する速度分布に着目した数値流体解析（ＣＦＤ：Computational Fluid Dynamics）によるチャンバー内の流れの特性の分析を進めた結果、円板の中央に円形の閉塞部を有する多孔板は速度依存性があり、限られた範囲の流入速度では多孔板によりチャンバー内の流れの速度と向きが均一となるが、小径のポートから流入する流速が変化すると、それに応じて、多孔板からチャンバー中央へ所定の距離だけ離間した評価断面における速度分布も変化し、均一性が低下するという課題があることを見出した。
図２８は円板の中央に円形の閉塞部を有する多孔板をチャンバー内に配置し、流速を図２７のケースの３倍に高速にした場合の海水ポート近傍の数値流体解析（ＣＦＤ）による流れ分布の結果を示す図である。
数値流体解析（ＣＦＤ）と分析の結果、流速に依存する速度分布の変化は、円板の中央部にある円形の閉塞部の裏側（下流側）に生じる渦の大きさに起因することがわかった。

図２７および図２８を比較すると、中央の閉塞部の外縁近傍を通過する流れＧの向きが、流速が高速な図２８の方がチャンバー外周側に傾斜している。そして、中央の閉塞部の裏に形成される渦（図中Ｖｘ）が横長に広がっている。この結果、渦の下流において中央から一旦外周側へ流れた流れが強く中央に引き付ける作用を生じ、結果としてポートからの流速が高速になると多孔板から所定の距離だけ離間した評価断面において流れの均一性が低下してしまうと分析する。
このように、中央に円形の閉塞部を設けた多孔板やメッシュによれば、小径のポートからの流速が、いつも所定の範囲にあれば流れをチャンバー内に均一に分散して流す作用が得られるのであるが、ポートからの流速を大きく変更した場合に所望の作用が得られない場合がある。特に、実際のポートからチャンバーに給排水する際には、常に一定の速度でポートからチャンバーに流れるのではなく、１サイクルで速度は大きく変化する。すなわち、所望の流れの均一化作用が得られる流速限界を大きくすることは、エネルギー回収チャンバーによって広い範囲の処理流量に適用できるということになる。なお、中央部に円形の閉塞部を設けた多孔板の限界流速は約２５０ｍｍ／ｓ程度であった。ただし、この流速以上にするとまったく均一化作用がなくなるということではなく、流れの速度分布が規定した閾値以上に大きくなるということである。

ここで「均一な流れ」とは、チャンバー内のある水平断面での流速と方向が一様であることを意味する。チャンバー内のある水平断面内の流速（スカラー）と方向（ベクトル）が水平断面内のどの位置においても同一に分布していることを完全に均一流れという。すなわち、図２９に示すように、水平断面内の任意の点Ｐｎ、Ｐｍにおける流れは、流れの大きさがそれぞれＶｎ，Ｖｍである矢印で示される。この場合、矢印と水平断面上の補助線Ｘ，Ｙ（ＸとＹは直交している）とのなす角度（α、β）が同一である（α_ｎ＝α_ｍ、β_ｎ＝β_ｍ）とき点Ｐｎ、Ｐｍにおける流れは均一な流れであり、水平断面内のどの位置においても角度α、βが同一であるとき完全に均一な流れとする。このような状態により近いことをここでは均一な流れとする。ここで、水平断面内の外周には円筒状のチャンバー壁が垂直な壁面として存在するため、角度α、βはともに直角になるほど均一な流れとなる。

小径の各ポートＰ１，Ｐ２から流体がチャンバーＣＨに流入すると、その近傍のチャンバーの水平断面では中央部が高速で、外周部が低速な流れとなるが、この中央部の流れを低速に、外周部の流れを高速に均すことで、水平面内における速度分布の分散を小さくすることを「均一な流れにする」「均一化作用」という。また、「整流」とは流速の分布を変化させることを指し、整流して流速の分布を変化させた結果、均一な流れになることを「整流して均一化する」という。

海水と濃縮海水の押し引きとは、濃縮海水で海水を昇圧しながらチャンバーから押し出し（押し）、その後、バルブ６を切り換えて海水で濃縮海水を引き込んで排出（引き）する動作を指す。図２４および図２５において、海水と濃縮海水は流れ抵抗器１３の間のＬａで示す長さのチャンバー空間内に海水と濃縮海水が接触する二流体の境界部が形成される。そして、海水と濃縮海水の押し引きによって、この境界部がＬａ内を往復し、海水が濃縮海水ポートＰ１から排出されず、濃縮海水が海水ポートＰ２から排出されないように制御される。チャンバーを縦置きとし、チャンバー下側が濃縮海水、上側が海水となるように構成する場合には、海水と濃縮海水の押し引きとは、海水の押し上げ、濃縮海水の押し下げと同じ意味になる。
海水と濃縮海水の押し引きによって境界部の混合が促進されるが、境界部の上下にある海水と濃縮海水の流れをチャンバー内のＬａの領域で均一な流れにすることで、流れの不均一性によって境界面が乱流拡散して混合する現象が抑制されると同時に、境界部を水平に維持することにより仮想的なピストンのように押し引きすることができる。

チャンバー内の断面において不均一な流れで海水と濃縮海水を押し引きすると、チャンバー内で乱流拡散による海水と濃縮海水との混合が進み、エネルギー回収装置から塩濃度の高い海水が排出されてしまう。その結果、逆浸透膜分離装置へ供給する海水の塩濃度が上昇し、逆浸透膜分離装置から得られる淡水の量が減少する、もしくは同量の淡水を得るために逆浸透膜分離装置への海水供給圧力を上昇させることになり、単位造水量に対するエネルギーが増大してしまう。

本発明は、上記問題点に鑑み、チャンバーの濃縮海水ポート側および海水ポート側にそれぞれ流れ抵抗器を配置した構成であって、ポート径に相当する流れ抵抗器の中央部に高速の流体の流れが衝突した場合でも、流れ抵抗器による流体の流れを整流し、均一な流れにする効果によって２流体が接触する境界部での混合を抑制しながら、高圧の濃縮海水から海水へ圧力伝達を行うことができ、ひいてはエネルギー回収装置内で海水と濃縮海水が混合することにより起こりうる塩濃度の高い海水が排出することを防ぐことができるエネルギー回収装置を提供することを目的とする。
特に、本発明は、流れ抵抗器による流体の流れを整流し、均一な流れにする効果としてポートから流入する流速に依存しにくく、広い範囲の流速において均一な流れにする効果を発揮することができる構成を有したエネルギー回収装置を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明のエネルギー回収装置の第１の態様によれば、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の圧力エネルギーに変換するエネルギー回収装置であって、内部に濃縮海水および海水を収容する空間を有し、長手方向を鉛直に配置した円筒形状のチャンバーと、前記チャンバーの下部に設けられ、濃縮海水の給排水を行う濃縮海水ポートと、前記チャンバーの上部に設けられ、海水の給排水を行う海水ポートと、前記チャンバー内において濃縮海水ポート側に配置される流れ抵抗器と、前記チャンバー内において海水ポート側に配置される流れ抵抗器とを備え、前記濃縮海水ポート側および前記海水ポート側に配置される流れ抵抗器は、少なくとも１枚の多孔円板であって、該多孔円板と同心の所定の直径の仮想円の外側の外周領域に孔が形成されてなり、該所定の直径の仮想円の外径から多孔円板の外径に向かって開口率が漸増するように孔を形成したことを特徴とする。

本発明によれば、チャンバーの下部に設けられた濃縮海水ポートから濃縮海水をチャンバー内へ給排水し、チャンバーの上部に設けられた海水ポートから海水をチャンバー内へ給排水する。本発明によれば、多孔円板の所定の直径の外側の外周領域に孔が形成され、中心部に孔が形成されていない領域をもつ多孔板の中心部の領域に、チャンバーに流入する高速な流れを衝突させ、チャンバー半径方向に分散するととともに流速を落とすように整流し、外周部の孔が形成された領域から下流に流れるようにしたので、流入する中心部の大きな流れを減速、分散してチャンバーの断面においてより均一な流速分布にすることができる。多孔円板で整流された濃縮海水と海水は比重の差から境界部が形成され、押し引きにより下側の濃縮海水は海水を押し上げ、上側の海水は濃縮海水を押し下げ、濃縮海水と海水を上下に分離しつつ２流体の接触する境界部での混合を抑制しながら、高圧の濃縮海水から海水へ圧力伝達を行うことができる。
更に、該所定の直径の仮想円の外径から多孔円板の外径に向かって開口率が漸増するように孔を形成したので、ポートから流入する流速が広い範囲の流速に変化しても、多孔円板の背面の流れが変化しにくく、均一な流れにすることができる。

本発明の好ましい態様によれば、前記多孔円板の孔を形成しない領域は、所定の直径の円を内接円とし、該多孔円板の外径以下で且つ仮想円の直径より大きな円を外接円とする星型多角形の領域であることを特徴とする。
本発明によれば、多孔板の円周方向に閉塞部（開口率）の強弱をつけることによって、多孔板を通過した後の下流の流れの半径方向への流れを孔分布によって変化させて、チャンバー全体で長手方向に均一になるように整流することができる。また、本形状は海水ポートおよび濃縮海水ポートからの流入流速が変化しても、広範囲の流速において均一化作用が高く、従来の流速より高速な流れを均一にする作用を有する。

本発明の好ましい態様によれば、前記多孔円板を第１多孔板とし、第１多孔板から所定距離だけ離間して第２多孔板を配置することを特徴とする。
本発明によれば、流れ抵抗器として、第１多孔板によって分散、均一に整流された流れを下流に配置した第２多孔板によりさらに均一化作用されるので、より高い均一化効果を得ることができる。

本発明の好ましい態様によれば、前記エネルギー回収装置は、濃縮海水ポートと海水ポートのいずれか又は両方と、前記流れ抵抗器との間に中央に開口を有するドーナツ形状の円板を備えたことを特徴とする。
本発明によれば、チャンバーの下部に設けられた濃縮海水ポートから濃縮海水をチャンバー内へ給排水し、チャンバーの上部に設けられた海水ポートから海水をチャンバー内へ給排水する場合、海水ポートと濃縮海水ポートがチャンバーの軸心になくても、チャンバーに流入した流れを、中央に孔を備えた円板の孔から流れ抵抗器の中央部に流れるようにしたため、流れ抵抗器の上流の中央部から偏りなくチャンバー全体に流れを分散し、流れ抵抗器の下流の流れをより均一な流れに整流することができる。流れ抵抗器で整流された濃縮海水と海水は比重の差から境界部が形成され、押し引きにより下側の濃縮海水は海水を押し上げ、上側の海水は濃縮海水を押し下げ、濃縮海水と海水を上下に分離しつつ２流体の接触する境界部での混合を抑制しながら、高圧の濃縮海水から海水へ圧力伝達を行うことができる。

本発明のエネルギー回収装置の第２の態様によれば、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の圧力エネルギーに変換するエネルギー回収装置であって、内部に濃縮海水および海水を収容する空間を有し、長手方向を鉛直に配置した円筒形状のチャンバーと、前記チャンバーの下部に設けられ、濃縮海水の給排水を行う濃縮海水ポートと、前記チャンバーの上部に設けられ、海水の給排水を行う海水ポートと、前記チャンバー内において濃縮海水ポート側に配置される流れ抵抗器と、前記チャンバー内において海水ポート側に配置される流れ抵抗器とを備え、前記濃縮海水ポート側および前記海水ポート側に配置される流れ抵抗器は、少なくとも１枚の多孔円板であって、該多孔円板の所定の直径の仮想円より外側の領域に孔が形成されてなり、前記外側の領域において該孔を密集して形成する形成領域と、孔を形成しない非形成領域を設け、形成領域を通過する孔からの噴流群による束状にまとまった集合噴流が定義され、非形成領域によって該円板を通過する流れが遮断されてできる静止流体が定義され、前記外側の領域の円周方向に形成領域と非形成領域を交互に分布させたことを特徴とする。

本発明の好ましい態様によれば、前記集合噴流と前記静止流体との間でせん断が生ずることを特徴とする。

本発明のエネルギー回収装置の第３の態様によれば、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の圧力エネルギーに変換するエネルギー回収装置であって、内部に濃縮海水および海水を収容する空間を有し、長手方向を鉛直に配置した円筒形状のチャンバーと、前記チャンバーの下部に設けられ、濃縮海水の給排水を行う濃縮海水ポートと、前記チャンバーの上部に設けられ、海水の給排水を行う海水ポートと、前記チャンバー内において濃縮海水ポート側に配置される流れ抵抗器と、前記チャンバー内において海水ポート側に配置される流れ抵抗器とを備え、前記濃縮海水ポート側および前記海水ポート側に配置される流れ抵抗器は、少なくとも１枚の多孔円板であって、該多孔円板の所定の直径の仮想円より外側の領域に孔が形成されてなり、前記外側の領域において該孔を形成する形成領域と、孔を形成しない非形成領域を設け、非形成領域は前記仮想円とつながり、多孔円板の外周へ向かって放射状の花弁状の非形成領域を構成することを特徴とする。

本発明のエネルギー回収装置の第４の態様によれば、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の圧力エネルギーに変換するエネルギー回収装置であって、内部に濃縮海水および海水を収容する空間を有し、長手方向を鉛直に配置した円筒形状のチャンバーと、前記チャンバーの下部に設けられ、濃縮海水の給排水を行う濃縮海水ポートと、前記チャンバーの上部に設けられ、海水の給排水を行う海水ポートと、前記チャンバー内において濃縮海水ポート側に配置される流れ抵抗器と、前記チャンバー内において海水ポート側に配置される流れ抵抗器とを備え、前記濃縮海水ポート側および前記海水ポート側に配置される流れ抵抗器は、少なくとも１枚の多孔円板であって、該多孔円板の中心から所定の半径を有する仮想円より外側の領域に孔が形成されてなり、前記外側の領域において前記仮想円によって形成される円弧を底辺側として円板の外径方向に略三角形状に拡がる領域であって孔が形成されない領域を円周方向に複数個設けたことを特徴とする。

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の圧力エネルギーに利用変換する上記エネルギー回収装置を備えたことを特徴とする。
本発明によれば、逆浸透膜分離装置から排出される高圧の濃縮海水の圧力エネルギーを海水に直接伝達することができるとともに、濃縮海水と海水の押し引き時に２つの流体が混合することが抑制されるので、エネルギー回収装置から塩濃度の高い海水が排出されることがなく、ひいては逆浸透圧分離装置への海水供給圧力を高くすることなくシステムを運転することができるので、システムの運転に要する電力を削減することができる。

本発明によれば、以下に列挙する効果を奏する。
１）チャンバーに流入する高速な流れを、所定の直径より外周領域に孔が形成された多孔円板における中心部の孔が形成されていない領域で、チャンバー半径方向に分散するととともに流速を落とし、外周部の孔が形成された領域から下流に流れるようにし、さらに多孔板の円周方向に閉塞部（開口率）の強弱をつけ、多孔板を通過した後の下流の流れの半径方向への流れを孔分布によって変化させることにより、流入する中心部の大きな流れを減速、分散してチャンバーの断面においてより均一な流れにする作用が飛躍的に向上される。多孔円板からなる流れ抵抗器による流体の流れを整流する均一化作用によって２流体の接触する境界部での混合を抑制しながら、高圧の濃縮海水から海水へ圧力伝達を行うことができる。更に、該所定の直径の仮想円の外径から多孔円板の外径に向かって開口率が漸増するように孔を形成したので、ポートから流入する流速が広い範囲の流速に変化しても、多孔円板の背面の流れが変化しにくく、均一な流れにすることができる。
２）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、図１に示す海水淡水化システムに適用される本発明のエネルギー回収チャンバーの概略断面図である。 図３は、流れ抵抗器の一例を示す平面図である。 図４は、別の流れ抵抗器の一例を示す図であり、１枚のメッシュ板からなる流れ抵抗器を示す平面図である。 図５は、図３における多孔板の孔の拡大平面図である。 図６は、図４におけるメッシュ板の線材と開口部の拡大平面図である。 図７（ａ），（ｂ），（ｃ）は、３種の流れ抵抗器の直径位置における平均開口率を示すグラフである。 図８（ａ），（ｂ）は、図２に示すように中央部を星型六角形状に閉塞した多孔板からなる流れ抵抗器を水平に配置した場合の海水ポート近傍のＣＦＤ（数値流体解析）による流れ分布を示す図である。 図９（ａ），（ｂ）は、図２に示すように中央部を星型六角形状に閉塞した多孔板からなる流れ抵抗器を水平に配置した場合の海水ポート近傍の別の断面におけるＣＦＤ（数値流体解析）による流れ分布を示す図である。 図１０（ａ），（ｂ）は、図２に示すように中央部を星型六角形状に閉塞した多孔板からなる流れ抵抗器を水平に配置した場合の海水ポート近傍のさらに別の断面におけるＣＦＤ（数値流体解析）による流れ分布を示す図である。 図１１（ａ）は、本発明の別の実施形態に係るエネルギー回収装置のエネルギー回収チャンバーを示す概略断面図である。図１１（ｂ）は、図１１（ａ）に示すエネルギー回収チャンバー内に設置された各多孔板を示す平面図である。 図１２は、図１１（ｂ）に示す第２多孔板の拡大平面図である。 図１３（ａ），（ｂ）は、図１１（ａ）のチャンバー上方近傍の海水ポートから海水が流入した場合のチャンバー内部の流れ分布を示す図である。 図１４（ａ），（ｂ）は、図１１（ａ）のチャンバー上方近傍の海水ポートから海水が流入した場合のチャンバー内部の別な断面における流れ分布を示す図である。 図１５（ａ），（ｂ）は、図１１（ａ）のチャンバー上方近傍の海水ポートから海水が流入した場合のチャンバー内部のさらに別な断面における流れ分布を示す図である。 図１６は、流れ抵抗器の多孔板の他の実施形態を示す平面図である。 図１７は、図１６の多孔板の孔の拡大平面図である。 図１８は、本発明のさらに別の実施形態に係るエネルギー回収装置のチャンバーの断面図である。 図１９は孔付き円板の平面図である。 図２０は、本発明のさらに他の実施形態に係るエネルギー回収装置のチャンバーの断面図である。 図２１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２２は、図２１に示す従来のエネルギー回収装置の構成機器である制御弁，エネルギー回収チャンバー，バルブをそれぞれ２個備えた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２３は、従来のピストンが無い形態のエネルギー回収チャンバーを示す断面図である。 図２４は、図２３における各ポート近傍に配置した流れ抵抗器として所定の距離だけ離間した２枚の多孔板を各ポートの近傍に配置したエネルギー回収チャンバーを示す断面図である。 図２５は、特願２０１３−０７８０１２号で提案した中央に円形の閉塞部を設けた流れ抵抗器を備えたエネルギー回収チャンバーを示す断面図である。 図２６は、特願２０１３−０７８０１２号で提案した円形の閉塞部を設けた多孔板の平面図である。 図２７は、図２５のチャンバー上方近傍の海水ポートから高速な海水が流入した場合のチャンバー内部のＣＦＤ（数値流体解析）による流れ分布を示す図である。 図２８は、図２５のチャンバー上方近傍の海水ポートからさらに高速な海水が流入した場合のチャンバー内部のＣＦＤ（数値流体解析）による流れ分布を示す図である。 図２９は、チャンバー内の水平断面上の点Ｐｎ、Ｐｍにおける流れの均一性を示す図である。

以下、本発明に係るエネルギー回収装置の実施形態を図１乃至図２０を参照して説明する。図１乃至図２０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（ＲＯ膜）を備えた逆浸透膜分離装置４に供給される。逆浸透膜分離装置４は、海水を塩濃度の高い濃縮海水と塩濃度の低い淡水に分離し、海水から淡水を得る。この時、塩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、制御弁６を介してエネルギー回収チャンバー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回収チャンバー２０の海水ポートＰ２へ接続している。エネルギー回収チャンバー２０は、濃縮海水と海水の境界領域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。

エネルギー回収チャンバー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、バルブ７を介してブースターポンプ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、エネルギー回収チャンバー２０から制御弁６を介して濃縮海水排出ライン１７に排出される。
高圧ポンプ２の吐出ライン３の圧力が例えば６．５ＭＰａとすると、逆浸透膜分離装置４のＲＯ膜モジュールの圧力損失で僅かに圧力が低下し６．４ＭＰａの濃縮海水が逆浸透膜分離装置４から排出される。この濃縮海水の圧力を海水に作用すると海水が等圧（６．４ＭＰＡ）に昇圧されるが、エネルギー回収装置を流れる際にエネルギー回収装置自体の圧力損失分が低下し、例えば６．３ＭＰａの海水がエネルギー回収装置から排出される。ブースターポンプ８は６．３ＭＰａの海水を６．５ＭＰａの圧力に僅かに昇圧して高圧ポンプ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。ブースターポンプ８はこのように僅かな圧力損失分を昇圧するだけでよく、ここで消費されるエネルギーは僅かである。

逆浸透膜分離装置４に１０割の量の海水を供給した場合、淡水が得られる割合は４割程度である。他の６割が濃縮海水として逆浸透膜分離装置４から排出されるが、この６割の濃縮海水の圧力をエネルギー回収装置によって海水に圧力伝達して排出することで、ブースターポンプの僅かな消費エネルギーで高圧ポンプ相当量の海水を得ることができる。このため、エネルギー回収装置が無い場合に対して同じ量の淡水を得るための高圧ポンプのエネルギーをほぼ半分にすることができる。

図２は、図１に示す海水淡水化システムに適用される本発明のエネルギー回収チャンバーの概略断面図である。図２に示すように、エネルギー回収チャンバー２０は、長尺の円筒形状のチャンバー本体２１と、チャンバー本体２１の両開口端を閉塞する端板２２を備えている。チャンバー本体２１内にはチャンバーＣＨが形成され、一方の端板２２の位置に濃縮海水ポートＰ１が形成され、他方の端板２２の位置に海水ポートＰ２が形成されている。

エネルギー回収チャンバー２０は縦置きに設置されている。濃縮海水と海水の比重差の影響を考慮し、チャンバーＣＨを縦配置とし、比重の重い濃縮海水のポートＰ１を下側に、比重の軽い海水のポートＰ２を上に配置にしている。すなわち、長尺の円筒形状のチャンバー本体２１は、チャンバーの長手方向（軸方向）が垂直方向に配置されており、濃縮海水ポートＰ１はチャンバーＣＨの下側で濃縮海水を給排水するようにチャンバーの下側に設けられ、海水ポートＰ２はチャンバーＣＨの上側で海水を給排水するようにチャンバーの上側に設けられている。チャンバーＣＨの全長はＬであり、チャンバーＣＨ内には、濃縮海水ポートＰ１から軸方向にＬ１だけ離間した位置に流れ抵抗器２３を配置し、海水ポートＰ２から軸方向にＬ１だけ離間した位置に流れ抵抗器２３を配置している。

図３は、流れ抵抗器の一例を示す平面図である。図３に示すように、流れ抵抗器２３はチャンバーの内径と等しい外径（φＤ）の円板形状をなし、中央部の仮想円（直径：φｄｃ）を内接円とし、それより外周の仮想円（直径：φｄｒ）を外接円とする仮想多角形（特に凹多角形、星型六角形（六芒星、六角星）など）の外側に、直径φｄｋ１の複数の小孔２３ｈが形成され、仮想多角形の内側（中心側）には小孔が形成されていない１枚の多孔板で構成されている。すなわち、中央部と外周の一部を閉塞した多孔板である。図３において仮想円である内接円と仮想多角形の交点をＰｄｃで表し、仮想円である外接円と仮想多角形の交点をＰｄｒで表している。
多孔板の中央部の仮想円の径（φｄｃ）は、図２における海水ポートの内径φｄｓ、濃縮海水ポートの内径φｄｂと同じ径、あるいはそれより僅かに大きな径とすることで、各ポートから流入する高速な流れを閉塞部に衝突させて流れを遅くするようにする。しかし、閉塞部を各ポートより大きくしすぎると、外周側に設けた複数の小孔２３ｈを通過する流れが外周側に偏り、均一化作用が逆に小さくなるため、各ポートの内径とほぼ同じ径の仮想円とする。
ここで、流れ抵抗器２３の中央部の仮想円は、流れ抵抗器の円板外周と同心になるように設けられている。海水ポートおよび濃縮海水ポートを、図２に示すように円筒状チャンバーの軸心に設け、各ポートからチャンバーに流入する高速な流れを、この仮想円で定義される閉塞部に衝突させるようにしている。
星型六角形と外接する仮想円の径（φｄｒ）は、流れ抵抗器２３の外径（φＤ）より小さくする。
星型六角形で閉塞した多孔板で構成される流れ抵抗器２３は、チャンバーＣＨ内において本流れ抵抗器の上流の流れに適切な流れ抵抗を与えることで、本流れ抵抗器の下流の流れをチャンバー全体に均一になるように整流する機能を有する。
尚、多角形の隣り合う角と角を結ぶ外縁は、必ずしも直線の辺でなくても良い。

図４は、別の流れ抵抗器の一例を示す図であり、１枚のメッシュ板からなる流れ抵抗器を示す平面図である。図４に示すように、流れ抵抗器２３は、線材を編み込んで外径φＤの円板状に形成したメッシュ材から構成されている。メッシュ材からなる円板の中央部の仮想円（φｄｃ）を内接円とし、それより外周の仮想円（φｄｒ）を外接円とする星型六角形の別の板３０が取り付けられている。メッシュ材が露出している星型六角形の外側部分は流体が流通し、星型六角形の板３０の部分は流体が流通しないようになっている。
星型六角形で閉塞して構成される流れ抵抗器２３は、チャンバーＣＨ内において本流れ抵抗器の上流の流れに適切な流れ抵抗を与えることで、本流れ抵抗器の下流の流れをチャンバー全体に均一になるように整流する機能を有する。図３に示す多孔板および図４に示すメッシュ板を総称して多孔円板という。

図３および図４に示す円板状の多孔板および円板状のメッシュの中央に星型六角形の閉塞部を設ける形状は次のように特徴付けることができる。
均一な多孔板は孔の形状（丸孔の場合は径）、配置間距離（ピッチ）、配置により一定の開口率が定義される。例えば、円形孔の径ｄｋ、配置間隔Ｐ、６０度千鳥という図５に孔の配置を示すような一般的な多孔板の場合、開口率ＡＰＲは次式で定義される。
ＡＰＲ＝９０．６×ｄｋ^２／Ｐ^２ （式１）
図６に示すような線材を編み込んだメッシュ材の場合、線間の目開きＡｍ、線径ｄｍとすると、開口率は次式で定義される。
ＡＰＲ＝Ａｍ^２／（Ａｍ＋ｄｍ）^２ （式２）

図７（ａ），（ｂ），（ｃ）は、円板の半径位置における開口率を示すグラフである。
閉塞部が無い場合、円板全面は平均的に均一な開口率となるため、円板の半径位置における開口率（ＡＰＲ）は、図７（ａ）に示すように、どの位置においても一定になる。
中央部に円形の閉塞部を設けた多孔板（図２５および図２６）の場合の各直径位置での開口率（ＡＰＲ）は、中央部に閉塞した直径ｄｃの領域は開口率がゼロとなり、直径ｄｃより大きい径から一定の開口率となるので図７（ｂ）に示す半径位置における開口率の関係となる。
一方、本発明の星型六角形の閉塞部を設けた場合、中央部に閉塞した直径ｄｃの領域は開口率がゼロとなり、星型六角形の外接円（直径ｄｒ）より外側が均一な多孔やメッシュの開口率で計算されるＡＰＲとなるので、ゼロからＡＰＲに開口率が漸増する関係となり、図７（ｃ）に示す半径位置における開口率の関係となる。
以上のように、本発明は開口率が外周に向けて漸増する形状であると特徴付けることができる。
なお、図７（ａ），（ｂ），（ｃ）に示した縦軸の開口率は半径位置における平均開口率としている。
図３に示したように、星型多角形を星型六角形とし、円板外周側の隣り合う２つの鋭角頂点と多孔板中心とを結ぶ２つの仮想線によって形成される角度を６０度とし、図５に示すように孔の配置を６０度千鳥とし、千鳥配置の中心線を前述の星型六角形の仮想線となるように配置すると、多孔板中心に対して回転対称とすることができる。このように、多孔板に形成する個々の孔配置も回転対称とすることで、回転対称でない形状に対して、本多孔板の下流の流れをチャンバー全体に均一になるように整流するより高い作用が期待できる。

図８（ａ），（ｂ）乃至図１０（ａ），（ｂ）は、図２に示すように板の中央部を星型六角形で閉塞した多孔円板からなる流れ抵抗器２３を水平に配置した場合の海水ポート近傍の海水の流入時のＣＦＤ（数値流体解析）による流れ分布を示す図である。図中の矢印は流れの速度を矢印の長さで、流れの向きを矢印の向きで示している。
図８（ａ），（ｂ）は多孔板の星型六角形と内接円の交点を通るＢ１−Ｂ１断面におけるチャンバーの海水ポート近傍の海水の流入時の流れ分布を示す図である。すなわち、図８（ｂ）は図３に示したものと同様の構成の流れ抵抗器２３の平面図を示し、図８（ａ）は図８（ｂ）のＢ１−Ｂ１断面におけるチャンバーの海水ポート近傍の流れ分布を示す図である。なお、図８（ｂ）においては星形六角形の外側の小孔２３ｈは図示を省略している。
図８（ａ）に示すように、海水ポートＰ２からチャンバーＣＨに流入した流れは、小径のポートからチャンバーに流入するので、チャンバーのポート付近の速度分布は中央部が大きな流れになる。この中央部の高速な流れは、ポートと対向する多孔板の中央の円形閉塞部に衝突し、板に沿って水平にチャンバー外周に向かう流れとなる。流体は多孔板外周部に形成した小孔からのみ多孔板を通過して下流に流れ、一部の水平な流れはチャンバー側面に沿って上向きに流れ、多孔板で区画された上流空間で外周部で大きな渦が生じる。この時、多孔板の閉塞部に衝突して外周へ流れるとともに、ポートから流入する高速な流れの速度が遅くなる。そして外周部から多孔板の小孔を通過した多孔板下流の流れは、中央部が一旦外周側に流れた後、再び中央部に集まるように流れる。これは多孔板の閉塞部の裏側にはＶｘで示す渦が生じるためである。また、多孔板から所定の距離だけ離間した評価断面Ａ−Ａの上流の外周側にも渦Ｖｘが生じる。ここで、渦は図８（ａ）に示す断面の二次元平面に対し垂直方向の成分の速度を持つ複雑な流れになる。

次に、多孔板の星型六角形と内接円の交点と外接円の交点の中間を通るＢ２−Ｂ２断面におけるチャンバーの海水ポート近傍の海水の流入時のＣＦＤ（数値流体解析）による流れ分布を図９（ａ），（ｂ）に示す。すなわち、図９（ｂ）は図３に示したものと同様の構成の流れ抵抗器２３の平面図を示し、図９（ａ）は、図９（ｂ）のＢ２−Ｂ２断面におけるチャンバーの海水ポート近傍の流れ分布を示す図である。なお、図９（ｂ）においては、星型六角形の外側の小孔２３ｈは図示を省略している。
図９（ａ）に示すように、図８（ａ）と同様に多孔板の閉塞部の裏側と評価断面Ａ−Ａの上流の外周側に渦Ｖｘが生じる。中央の渦Ｖｘは図８（ａ）で示した断面のときより大きく、外周の渦Ｖｘは図８（ａ）のときより小さく、本断面の二次元における主要流れは、真下に向かう流れになっている。

さらに多孔板の星型六角形と外接円の交点を通るＢ３−Ｂ３断面におけるチャンバーの海水ポート近傍の海水の流入時のＣＦＤ（数値流体解析）による流れ分布を図１０（ａ），（ｂ）に示す。すなわち、図１０（ｂ）は図３に示したものと同様の構成の流れ抵抗器２３の平面図を示し、図１０（ａ）は図１０（ｂ）のＢ３−Ｂ３断面におけるチャンバーの海水ポート近傍の流れ分布を示す図である。なお、図１０（ｂ）においては、星型六角形の外側の小孔２３ｈは図示を省略している。
図１０（ａ）に示すように、中央部の閉塞部の割合が大きく、外周部からチャンバー内円筒の壁に沿った流れが形成される。そして中央部には大きな渦Ｖｘが形成され、図１０（ａ）に示す断面の二次元平面に対し垂直方向の成分の速度を持つ複雑な流れが形成される。ここで、渦Ｖｘ内には複数の複雑な渦が混在した様相を呈する。
Ｂ１−Ｂ１断面とＢ３−Ｂ３断面における流れの挙動は両極端でありながら、各々３断面ずつの、ごく限られたピンポイントの断面で起こりうる。これら両極端の流れの挙動の中間の流れの挙動は、ほとんどＢ２−Ｂ２断面の場合のようになっている。以上３種類の断面の流れの挙動により、結果としてポートから流入する流速が広い範囲の流速に変化しても、多孔円板の背面の流れが変化しにくく、均一な流れとすることが可能となった。
図２７および図２８にて示した流れは中央部にのみ集まるように流れていたが、閉塞部に半径方向に開口率の分布を付けることにより、この分布によって多孔板を通過する主要な流れが半径方向に分散される。

チャンバー下側に配置した濃縮海水ポートＰ１から流入する流れも同様に、流入時に多孔板の中央の閉塞板に衝突して流れが遅くなり、外周部の小孔からチャンバー全面に均一な流れが形成されるので、多孔板間にある流体はチャンバーの水平断面において均一な流れで流入および流出することになり、断面全体で一様な押し引きがなされる。この作用により、海水と濃縮海水を押し引きした場合、塩濃度の異なる海水と濃縮海水の混合を抑制することができる。

ここで、本発明のエネルギー回収装置は、海水と濃縮海水との混合領域を、チャンバー内の海水ポートＰ２側と濃縮海水ポートＰ１側にそれぞれ配置した流れ抵抗器との間を行き来するように押し引きを切り換える。したがって、海水と濃縮海水の混合領域は図２において流れ抵抗器２３，２３の間のＬａで示される部分に存在する。チャンバーの上方に設けた海水ポートＰ２から流入する海水は、流れ抵抗器２３によってその下流のチャンバーの水平断面において均一な流れとなるのであるが、これは排出側である濃縮海水ポートＰ１側から流出する流れの抵抗によっても変化する。すなわち、濃縮海水ポート側に配置した流れ抵抗器２３との組み合わせによっても変化する。このため、図８（ａ），（ｂ）乃至図１０（ａ），（ｂ）に示した流入時の数値流体解析では、流出側の流れ抵抗器２３の抵抗を考慮している。
このように、本発明における流入側の流れ抵抗器による流れの均一化作用は、流出側の流れ抵抗器やポートの配置によっても変化する。エネルギー回収装置は、海水と濃縮海水が交互に流入と流出を繰り返すため、一方向の流れを均一にすることに加え、逆向きに流れた場合の流出の流れにも配慮しなければならない。

図１１（ａ）は、本発明の別の実施形態に係るエネルギー回収装置のエネルギー回収チャンバーを示す概略断面図である。図１１（ａ）に示すように、チャンバー内部には、海水ポートＰ２から距離Ｌ１だけ離間した位置に水平に第１多孔板２４が配置されており、同様に濃縮海水ポートＰ１からＬ１だけ離間した位置に水平に第１多孔板２４が配置され、さらにそれぞれの第１多孔板２４からＬ２だけ離間した位置に水平に第２多孔板２５が配置されている。第１多孔板２４と第２多孔板２５により流れ抵抗器２３が構成されている。
図１１（ｂ）は、図１１（ａ）に示すエネルギー回収チャンバー内に設置された各多孔板を示す平面図であり、上から下に向かって、海水ポート側の第１多孔板２４，第２多孔板２５、濃縮海水ポート側の第２多孔板２５，第１多孔板２４を示している。図１１（ａ）のエネルギー回収チャンバーに配置した流れ抵抗器を構成する第１多孔板２４は、中央部の仮想円を内接円とし、それより外周の仮想円を外接円とする星型六角形の外側に、複数の小孔が形成され、星型六角形の内側（中心側）には小孔が形成されていない１枚の多孔板であり、図３に示したものと同様の構成である。第１多孔板２４を図４に示すような中央部が閉塞し外周部がメッシュ材である多孔質板としてもよい。また、第２多孔板２５は全面に小孔が等間隔に形成された円板からなっている。第２多孔板２５をメッシュ材からなる円板としてもよい。

図１２は、図１１（ｂ）に示す第２多孔板２５の拡大平面図である。図１２に示すように、第２多孔板２５は、チャンバーの内径と等しいφＤの外径を有する円板からなり、円板の全面に直径φｄｋ２の小孔２５ｈが、図５に示すように等間隔に形成されている。

図１３（ａ），（ｂ）乃至図１５（ａ），（ｂ）は、図１１（ａ），（ｂ）に示すように板の中央部を星型六角形で閉塞した多孔円板２４を第１多孔板として海水および濃縮海水ポートからＬ１だけ離間した位置に配置し、そこからさらにＬ２だけ離間した位置に全面に均一な小孔が形成された第２多孔板２５を配置し、これら２枚の多孔板からなる流れ抵抗器２３を水平に配置した場合における海水ポート近傍の海水の流入時の流れ分布を示す図である。図中の矢印は流れの速度を矢印の長さで、流れの向きを矢印の向きで示している。
図１３（ａ），（ｂ）は多孔板の星型六角形と内接円の交点を通るＢ１−Ｂ１断面におけるチャンバーの海水ポート近傍の海水の流入時の流れ分布を示す図である。すなわち、図１３（ｂ）は図３に示したものと同様の構成の第１多孔板２４の平面図を示し、図１３（ａ）は、図１３（ｂ）のＢ１−Ｂ１断面におけるチャンバーの海水ポート近傍の流れ分布を示す図である。なお、図１３（ｂ）においては、星型六角形の外側の小孔２３ｈは図示を省略している。
図１４（ａ），（ｂ）は多孔板の星型六角形と内接円の交点と外接円の交点の中間を通るＢ２−Ｂ２断面におけるチャンバーの海水ポート近傍の海水の流入時の流れ分布を示す図である。すなわち、図１４（ｂ）は図３に示したものと同様の構成の第１多孔板２４の平面図を示し、図１４（ａ）は、図１４（ｂ）のＢ２−Ｂ２断面におけるチャンバーの海水ポート近傍の流れ分布を示す図である。なお、図１４（ｂ）においては、星型六角形の外側の小孔２３ｈは図示を省略している。
図１５（ａ），（ｂ）は多孔板の星型六角形と外接円の交点を通るＢ３−Ｂ３断面におけるチャンバーの海水ポート近傍の海水の流入時の流れ分布を示す図である。すなわち、図１５（ｂ）は図３に示したものと同様の構成の第１多孔板２４の平面図を示し、図１５（ａ）は、図１５（ｂ）のＢ３−Ｂ３断面におけるチャンバーの海水ポート近傍の流れ分布を示す図である。なお、図１５（ｂ）においては、星型六角形の外側の小孔２３ｈは図示を省略している。

図１３（ａ），（ｂ）乃至図１５（ａ），（ｂ）の流れの第１多孔板下流の流れの様相は、図８（ａ），（ｂ）乃至図１０（ａ），（ｂ）で説明したものとほぼ同様と説明することができる。第１多孔板２４と、第１多孔板２４からＬ２だけ離間した第２多孔板２５を配置することによって、第１多孔板２４により小径のポートから高速に流入する流れをチャンバー断面全面に分散させ、第１多孔板２４によって速度分布が均一化された流れを全面に小孔が形成された第２多孔板２５を通過させることで、第２多孔板２５の下流の流れがより均一な流れに整流され、第２多孔板２５からチャンバー中央へ所定の距離だけ離間したＡ−Ａ断面において、流れの速度と方向が同一な流れに近づき、さらに均一な流れとすることができる。
第１多孔板の機能は、海水ポート（または濃縮海水ポート）からの高速な流れを中央部の円形の閉塞部に衝突させ速度を減速するとともに、流れを外周部に分散する。そして中央から外周に向けて開口率が漸増する孔流路によって多孔板下流の流れをチャンバーの円形断面において図２９にて定義した「均一」な速度分布となるように分散する。そして第２多孔板の機能は、第１多孔板によって分散した流れにおいて依然として残っている速度分布の高低差をさらに均すことである。
第２多孔板を配置することによって、流入流速によって第１多孔板を通過した流れの均一性が崩れても、第２多孔板によって速度分布を均す機能を追加することで、より広い範囲の流入流速に対応する流れ抵抗器とすることができる。これは、エネルギー回収装置として、同じ構成の装置であっても広い範囲の処理流量に対応できるということになる。

図１６は、流れ抵抗器の他の形状を示す平面図である。図２に示した多孔板１枚で流れ抵抗器を構成する場合は、図３の流れ抵抗器２３に代えて図１６に示す流れ抵抗器２３を用いる。図１１（ａ），（ｂ）に示した多孔板２枚で流れ抵抗器を構成する場合は、各ポートに近い側にある図１１（ａ），（ｂ）の多孔板２４に代えて図１６に示す多孔板２４を用いる。図１６に示すように、流れ抵抗器２３はチャンバーの内径と等しい外径（φＤ）の円板形状をなし、中央部の仮想円（φｄｃ）を内接円とし、それより外周の仮想円（φｄｒ）を外接円とする星型四角形の外側に、直径φｄｋ１の複数の小孔２３ｈが形成され、星型四角形の内側（中心側）には小孔が形成されていない１枚の多孔板で構成されている。すなわち、中央部と外周の一部を閉塞した多孔板である。
多孔板の中央部の仮想円（φｄｃ）の径は、図２における海水ポートの内径φｄｓ、濃縮海水ポートの内径φｄｂと同じ径、あるいはそれより僅かに大きな径とすることで、各ポートから流入する高速な流れを閉塞部に衝突させて流れを遅くするようにする。しかし、閉塞部を各ポートより大きくしすぎると、外周側に設けた複数の小孔２３ｈを通過する流れが外周側に偏り、均一化作用が逆に小さくなるため、各ポートの内径とほぼ同じ径の仮想円とする。
星型四角形と外接する仮想円（φｄｒ）の径は、流れ抵抗器２３の外径（φＤ）より小さくする。

図１７は図１６に示す多孔板の孔の配置を示す拡大平面図である。直径をφｄｋとする孔が直交する軸線上に距離（ピッチ）Ｐだけ離間して配置されている。この配置は並列配置と呼ばれ、開口率は下記にて算出できる。
ＡＰＲ＝７８．５×ｄｋ^２／Ｐ^２ （式３）
円板の中央を閉塞する形状を星型四角形とし、孔を並列配置とすることで、チャンバーの形状を９０度の回転対称とするようにしている。
本形状の多孔板からなる流れ抵抗器も中央の仮想円の外径から多孔円板の外径に向かって開口率が漸増する特徴を有する。図２に示した星型六角多孔板とは、開口率と開口率の漸増の傾きが異なる。
星型四角形で閉塞した多孔板で構成される流れ抵抗器２３も同様に、チャンバーＣＨ内において本流れ抵抗器の上流の流れに適切な流れ抵抗を与えることで、本流れ抵抗器の下流の流れをチャンバー全体に均一になるように整流する機能を有する。星型四角形（図１６）、星型六角形（図２）ともに均一化作用は優れ、中央の仮想円の外径から多孔円板の外径に向かって開口率が漸増する形状が均一化に有効な特徴であることが示されている。

図１８は、本発明のさらに別の実施形態に係るエネルギー回収装置のチャンバーの断面図である。本実施形態のチャンバーは、上方の海水ポートを海水流入ポートＰ２_ＩＮと海水流出ポートＰ２_ＯＵＴの２つのポートに分けた構成を備え、それぞれがチャンバーの中心軸から半径方向に離間した位置に設けられている。そして、ポートＰ２_ＩＮ，Ｐ２_ＯＵＴからＬｐだけ離間した位置に、中央部に孔を形成した孔付き円板３１を配置している。そして、孔付き円板３１からＬ１だけ離間した位置に中央部を閉塞した第１多孔板２４を、さらにＬ２だけ離間した位置に全面に孔を均一に形成した第２多孔板２５を配置している。

図１９は孔付き円板３１の平面図である。孔付き円板３１は、チャンバーの内径（φＤ）と等しい外径を有し、円板の中央部に直径（φｄｐ）の円形孔を有している。孔付き円板３１を配置することにより、ポートから流入した流れは外周部からは流れず、中央部の直径φｄｐの孔から流れ抵抗器２３に向けて流れるように規制されるため、ポートの配置が中央部にない構成であっても、チャンバー中央部の流れに一旦した後に、この流れを下流の流れ抵抗器２３により均一に外周方向へ拡散、整流することができる。したがって、円筒形状のチャンバー内に均一な流れを形成することができる。

チャンバー軸心から偏心した位置に配置された海水流入ポートＰ２_ＩＮから高速の海水の流れがチャンバーＣＨ内に流入すると、孔付き円板３１の外周部の孔が空いていない板部に衝突し、チャンバー内円筒と孔付き円板３１で区画される海水ポート側の空間内に分散し、孔付き円板３１の中央部に形成した孔から海水が第１多孔板２４の中央部に向かって高速で流れる。そして、第１多孔板２４の中央部にある孔が形成されていない閉塞部に流れが衝突し、チャンバー外周へ向かう流れに分散するとともに、速度が減速される。この第１多孔板２４以降の下流の流れは、図８（ａ），（ｂ）乃至図１０（ａ），（ｂ）で示し説明した流れと同様の流れとなる。
孔付き円板３１は偏心した位置に配置された海水流入ポートＰ２_ＩＮのポート位置をチャンバー内でチャンバー軸心に配置していることと同じことである。

図２０は、本発明のさらに他の実施形態に係るエネルギー回収装置のチャンバーの断面図である。
図２０のチャンバーの海水ポート側の構成は、図１８で示した実施形態と同様であるが、本実施形態のチャンバーは、チャンバー下側の濃縮海水ポートがチャンバー側面に形成されている点が異なる。すなわち、濃縮海水ポートＰ１はチャンバー側面に形成されているため、濃縮海水はチャンバーの軸方向とは直角の方向（半径方向）に給排水される。そして、濃縮海水ポート側のチャンバー端面からＬｐだけ離間した位置に中央部に孔を形成した孔付き円板３１を配置し、孔付き円板３１からＬ１だけ離間した位置に第１多孔板２４を配置し、さらに第１多孔板２４からＬ２だけ離間した位置に第２多孔板２５を配置している。
孔付き円板３１は図１９に示したものと同様の構成であり、第１多孔板２４は図３又は図４に示したものと同様の構成であり、第２多孔板２５は図１２に示したものと同様の構成である。

図２０において、チャンバー側面の濃縮海水ポートＰ１から流入した流れは、孔付き円板３１により中央部の直径（φｄｐ）の孔から流れ抵抗器２３に向けて流れるように規制されるため、ポートの配置を側面にしても、チャンバー中央部の流れに一旦した後に、この流れを下流の流れ抵抗器２３により均一に外周方向へ分散させ、整流することができる。したがって、円筒形状のチャンバー内に均一な流れを形成することができる。

チャンバーの側面に配置された濃縮海水ポートＰ１からチャンバー軸心と直角な向きに高速な流れがチャンバーＣＨ内に流入すると、孔付き円板３１で区画される濃縮海水ポート側の空間内で、一部は孔付き円板３１の中央部に形成した孔から流出し、一部はその空間で渦となって空間内に広がった後に、孔付き円板３１の中央部に形成した孔から流出する。そして、濃縮海水は孔付き円板３１から第１多孔板２４の中央部に向かって高速で流れ、第１多孔板２４の中央部にある孔が形成されていない閉塞部に流れが衝突し、チャンバー外周へ向かう流れに分散するとともに、速度が減速される。この第１多孔板２４以降の下流の流れは、図８（ａ），（ｂ）乃至図１０（ａ），（ｂ）で示し説明した流れが上下逆になった流れとなる。

前述したように、流入側の流れ抵抗器による流れの均一化作用は、流出側の流れ抵抗器２３やポートの配置によっても変化する。中央部に孔を形成した孔付き円板３１を配置することにより、ポートの配置にかかわらず流れ抵抗器２３への流入位置がチャンバー中心となる。図１８および図２０で示した実施形態のように、実際の海水ポートおよび濃縮海水ポートの位置が中心にない場合でも、各ポートと流れ抵抗器２３との間に配置した孔付き円板３１の中央部に形成した孔をチャンバー内部の仮想の海水ポートと濃縮海水ポートと見ることができるので、図２および図１１（ａ），（ｂ）で示した実施形態の発明と同等の作用・効果を得ることができる。

このように、海水と濃縮水が押し引きされるチャンバー空間（図２、図１１（ａ）、図１８、図２０におけるＬａの部分）で均一な流れを形成するために本発明は、チャンバー中心位置の流入・流出ポート（又は孔）、流れ抵抗器、海水と濃縮海水が押し引きされるチャンバー空間、流れ抵抗器、チャンバー中心位置の流入・流出ポート（又は孔）という構成になっており、流れが逆向きになっても、同様の構成・順番の流れとなる。このように流入と流出において、チャンバー内に構成した流れ抵抗が対称性を有する。
また、各ポート間のチャンバー内に構成した流れ抵抗器は、チャンバー中心軸まわりに回転対称となっており、チャンバーの半径方向における流入、流出の流れ抵抗が回転対称となるようにしている。図１８の実施形態のように、一方のポート位置がチャンバー中心に無い場合は、孔付き円板３１の中央部の孔と中央のポートの間でチャンバーの内部構成がチャンバー中心軸まわりに回転対称となっている。図２０の実施形態のように、両方のポート位置がチャンバー中心に無い場合は、両方の孔付き円板３１の中央部の孔の間のチャンバーの内部構成がチャンバー中心軸まわりに回転対称となっている。

図２０において濃縮海水側に設けた孔付き円板３１が無い場合の濃縮海水の流出を考えると、濃縮海水は濃縮海水ポート側の流れ抵抗器２３から下流の左側面のポートＰ１側に流出しやすくなるため半径方向に偏った流れになる。この結果、海水流入として見た場合、海水側の流れ抵抗器２３による作用が、その下流の流れ抵抗の不均一性の影響を受け、均一化作用が失われてしまう。これは、図２０の実施形態の孔付き円板３１が無い場合は、ポート間の構成においてチャンバー中心軸まわりの回転対称性が失われ、本発明の構成的な対称性という特徴を欠いてしまうためである。このように、本発明は、各ポート（孔）間のチャンバー内に構成した流れ抵抗器の作用を、チャンバー中心軸まわりに回転対称とすることで、チャンバー半径方向の流れ抵抗も回転対称となり、流れ抵抗器間の押し引き空間において均一な流れとなる。

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、その技術思想の範囲内において、種々の異なる形態で実施されてよいことは勿論である。

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回収装置に利用可能である。

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 制御弁
７，９ バルブ
８ ブースターポンプ
１０，２０ エネルギー回収チャンバー
１１ エネルギー回収装置
１２，２２ 端板
１３，２３ 流れ抵抗器
１４，２４ 第１多孔板
１５，２５ 第２多孔板
１６ ピストン
１７ 濃縮海水排出ライン
２１ チャンバー本体
２３ｈ 孔
３０ 円板
３１ 孔付き円板
ＣＨ チャンバー
Ｐ１ 濃縮海水ポート
Ｐ２ 海水ポート
Ｐ２_ＩＮ 海水流入ポート
Ｐ２_ＯＵＴ 海水流出ポート

Claims (9)

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の圧力エネルギーに変換するエネルギー回収装置であって、
   内部に濃縮海水および海水を収容する空間を有し、長手方向を鉛直に配置した円筒形状のチャンバーと、
   前記チャンバーの下部に設けられ、濃縮海水の給排水を行う濃縮海水ポートと、
   前記チャンバーの上部に設けられ、海水の給排水を行う海水ポートと、
   前記チャンバー内において濃縮海水ポート側に配置される流れ抵抗器と、
   前記チャンバー内において海水ポート側に配置される流れ抵抗器とを備え、
   前記濃縮海水ポート側および前記海水ポート側に配置される流れ抵抗器は、少なくとも１枚の多孔円板であって、該多孔円板と同心の所定の直径の仮想円の外側の外周領域に孔が形成されてなり、該所定の直径の仮想円の外径から多孔円板の外径に向かって開口率が漸増するように孔を形成したことを特徴とするエネルギー回収装置。
2. 前記多孔円板の孔を形成しない領域は、所定の直径の円を内接円とし、該多孔円板の外径以下で且つ仮想円の直径より大きな円を外接円とする星型多角形の領域であることを特徴とする請求項１に記載のエネルギー回収装置。
3. 前記多孔円板を第１多孔板とし、第１多孔板から所定距離だけ離間して第２多孔板を配置することを特徴とする請求項１又は２に記載のエネルギー回収装置。
4. 前記エネルギー回収装置は、濃縮海水ポートと海水ポートのいずれか又は両方と、前記流れ抵抗器との間に中央に開口を有するドーナツ形状の円板を備えたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のエネルギー回収装置。
5. 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の圧力エネルギーに変換するエネルギー回収装置であって、
   内部に濃縮海水および海水を収容する空間を有し、長手方向を鉛直に配置した円筒形状のチャンバーと、
   前記チャンバーの下部に設けられ、濃縮海水の給排水を行う濃縮海水ポートと、
   前記チャンバーの上部に設けられ、海水の給排水を行う海水ポートと、
   前記チャンバー内において濃縮海水ポート側に配置される流れ抵抗器と、
   前記チャンバー内において海水ポート側に配置される流れ抵抗器とを備え、
   前記濃縮海水ポート側および前記海水ポート側に配置される流れ抵抗器は、少なくとも１枚の多孔円板であって、該多孔円板の所定の直径の仮想円より外側の領域に孔が形成されてなり、前記外側の領域において該孔を密集して形成する形成領域と、孔を形成しない非形成領域を設け、形成領域を通過する孔からの噴流群による束状にまとまった集合噴流が定義され、非形成領域によって該円板を通過する流れが遮断されてできる静止流体が定義され、前記外側の領域の円周方向に形成領域と非形成領域を交互に分布させたことを特徴とするエネルギー回収装置。
6. 前記集合噴流と前記静止流体との間でせん断が生ずることを特徴とする請求項５に記載のエネルギー回収装置。
7. 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の圧力エネルギーに変換するエネルギー回収装置であって、
   内部に濃縮海水および海水を収容する空間を有し、長手方向を鉛直に配置した円筒形状のチャンバーと、
   前記チャンバーの下部に設けられ、濃縮海水の給排水を行う濃縮海水ポートと、
   前記チャンバーの上部に設けられ、海水の給排水を行う海水ポートと、
   前記チャンバー内において濃縮海水ポート側に配置される流れ抵抗器と、
   前記チャンバー内において海水ポート側に配置される流れ抵抗器とを備え、
   前記濃縮海水ポート側および前記海水ポート側に配置される流れ抵抗器は、少なくとも１枚の多孔円板であって、該多孔円板の所定の直径の仮想円より外側の領域に孔が形成されてなり、前記外側の領域において該孔を形成する形成領域と、孔を形成しない非形成領域を設け、非形成領域は前記仮想円とつながり、多孔円板の外周へ向かって放射状の花弁状の非形成領域を構成することを特徴とするエネルギー回収装置。
8. 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の圧力エネルギーに変換するエネルギー回収装置であって、
   内部に濃縮海水および海水を収容する空間を有し、長手方向を鉛直に配置した円筒形状のチャンバーと、
   前記チャンバーの下部に設けられ、濃縮海水の給排水を行う濃縮海水ポートと、
   前記チャンバーの上部に設けられ、海水の給排水を行う海水ポートと、
   前記チャンバー内において濃縮海水ポート側に配置される流れ抵抗器と、
   前記チャンバー内において海水ポート側に配置される流れ抵抗器とを備え、
   前記濃縮海水ポート側および前記海水ポート側に配置される流れ抵抗器は、少なくとも１枚の多孔円板であって、該多孔円板の中心から所定の半径を有する仮想円より外側の領域に孔が形成されてなり、前記外側の領域において前記仮想円によって形成される円弧を底辺側として円板の外径方向に略三角形状に拡がる領域であって孔が形成されない領域を円周方向に複数個設けたことを特徴とするエネルギー回収装置。
9. 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の圧力エネルギーに利用変換する請求項１乃至８のいずれか一項に記載のエネルギー回収装置を備えたことを特徴とする海水淡水化システム。

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