KR101501979B1

KR101501979B1 - 향상된 유동을 갖는 회전식 압력 전달 장치

Info

Publication number: KR101501979B1
Application number: KR1020107009751A
Authority: KR
Inventors: 곤잘로 쥐. 피크; 리차드 엘. 스토버; 제레미 쥐. 마틴; 주안 미구엘 핀토
Original assignee: 에너지 리커버리 인코포레이티드
Priority date: 2007-10-05
Filing date: 2008-10-06
Publication date: 2015-03-12
Also published as: CN101821482B; IL204758A0; MX2010003661A; ES2383394B1; KR20100088132A; IL204758A; ES2383394A1; EG25736A; US20100196152A1; AU2008308441A1; CN101821482A; WO2009046429A3; US7997853B2; WO2009046429A2

Abstract

본 발명에 따른 회전식 압력 전달 장치는 전체적으로 원통형이고 복수의 채널들을 구비한 회전자(15)를 구비하는데, 그 회전자는 유입 통로들 및 배출 통로들이 제공된 한 쌍의 단부 덮개들(19, 21)의 편평한 단부 표면들에 병치된 편평한 단부면들에 의하여 선회한다. 그 설계는, 요망되는 방향으로 회전자의 선회를 유발하기 위하여 액체의 방향성 유동을 생성하는 고압 측에 있는 통로들에서의 기울어진 경사부(65)들만 있도록 된다. 저압 측의 통로들(27a, 27b)은 채널들과 통로들 사이에서 액체가 실질적으로 길이방향으로 유동하여 유입 및 배출되도록 형상화되거나, 또는 통로(71)들이 그러한 요망되는 방향으로의 회전자 선회를 약간 지연시키는 방향성 유동을 생성시키도록 구성될 수 있다.

Description

향상된 유동을 갖는 회전식 압력 전달 장치{Rotary pressure transfer device with improved flow}

[관련 출원의 상호 참조]

본 출원은 2007년 10월 5일자로 출원된 미국 가출원 제60/977,789호에 관한 우선권을 주장하는바, 그 출원의 기재사항은 참조로서 여기에 포함된다.

[기술분야]

본 발명은 고압의 제1 유체가 저압의 제2 유체와 수력학적으로 소통되어 제1 유체와 제2 유체 간에 압력이 전달되고 제2 유체의 고압 배출 흐름이 생성되는 회전식 압력 전달 장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 장치 내에서 유체들 간의 혼합이 감소되고 전체적인 작동이 보다 우수하게 제어되도록 단부 덮개의 디자인이 개선된 회전식 압력 전달 장치에 관한 것이다.

오늘날의 회전식 압력 전달 장치는, 종종 합리적으로 폭넓게 떨어져 이격된 복수의 채널들을 구비한 회전자, 및 각각 적어도 하나의 유입 통로와 적어도 하나의 배출 통로를 구비한 한 쌍의 대향된 단부 덮개들을 포함한다. 따라서, 회전자가 완전히 일회 선회함에 따라서 각 채널은 적어도 2회 유입유동을 받게 되는데, 즉 적어도 한 번은 일 단부로부터 들어오는 고압 액체를 받고 적어도 한 번은 반대측 단부로부터 들어오는 저압 액체를 받게 된다. 회전자 내의 이 길이방향 채널들이 반대측 단부 덮개들에 있는 유입 통로와 배출 통로의 정렬된 개별 쌍들을 지나서 선회 또는 회전함에 따라서, 각 채널은 적어도 2회 배출할 것이다.

미국 특허 제6,540,487호 및 제7,201,557호에 기재된 것들과 같은 이 회전식 장치에 있어서는, 회전을 유발하는 채널들에 있어서의 충격력을 생성하기 위하여, 고압 및 저압 액체들 둘 다를 회전자 채널들에서 기울어지게 들어오게 지향시키는 단부 덮개들이 종종 이용된다. 액체는 단부 덮개들에 있는 그러한 기울어진 경사부들에 의하여, 길이방향의 유동 방향으로부터 실질적인 속도 성분을 갖는 유동 방향으로 부분적으로 전환되는데, 그 속도 성분은 회전자 내의 채널들의 반경방향 벽들에 대해 충격을 가할 것이다. 고압 및 저압의 흐름들에 있어서의 기울어진 경사부의 각도들은 통상적으로 사실상 동일하여서, 각 흐름의 유동은 회전자의 회전을 구동하는 전체 힘에 대략적으로 동등하게 기여한다. 그 결과, 고압 유동과 저압 유동이 있기만 하다면, 회전자의 채널의 각 충전 시에 고압 액체 및 저압 액체 둘 다의 유입유동들이 회전자 채널 내의 두 액체들 사이의 경계 영역(interface)을 회전자의 길이를 따른 각 방향에서 실질적으로 동일한 축방향 거리로 이동시킨다.

어떤 경우들에 있어서는, 두 액체들 간에 발생하는 혼합의 양을 최소화시키는 것이 특히 중요하지만, 그러한 목적을 달성하기 위하여는 압력 전달 장치의 효율성을 저감시키는 반대 측면이 있다. 예를 들어 미국 특허 제3,431,747호, 제6,537,035호, 및 제6,773,226호에 기재된 것들과 같은 일반적인 형태의 압력 전달 장치들에 있어서는, 원형 단면의 채널들을 이용하는 것이 옹호되는데, 여기에서는 혼합을 물리적으로 저지하기 위하여 피스톤 또는 분리기(separator)가 채널들 각각 내에 배치된다 (미국 특허 제6,773,226호의 볼(34) 참조). 그러나, 혼합의 문제에 대한 그러한 해결안은 각 채널의 체적의 일부분을 점유함에 의하여 효율을 저감시킬 뿐만 아니라, 채널의 단부들 중 하나에 피스톤이 강하게 부딪치는 것을 방지하기 위하여 복잡한 제어를 요함으로 인하여 장치를 복잡하게 하기도 한다. 그러한 강한 부딪침은 고압 유동과 저압 유동이 동등하지 않게 되는 때에 일어날 것인데, 이러한 상태는 공정에서의 자연적 유동 변화로부터 초래되거나 또는 종종 시작 또는 종료 작동 중에 일어난다.

따라서, 위와 같은 형태의 회전식 압력 전달 장치에서 액체들의 혼합을 최소화하고 공급 유동의 속도에서의 실질적인 변동(fluctuations)으로부터의 보호를 위하여 다른 해결안이 모색되어 왔다.

회전자의 회전을 야기하는 방향성 유입 유동를 각각 발생시키는 기울어진 경사부들이 고압 측에서 유입 통로와 배출 통로 내에만 포함되고, 또한 저압 액체가 실질적으로 길이방향으로 채널들을 출입하여 유동하도록 허용된다면, 혼합이 최소화됨을 보이는 가압된 제2 액체 흐름이 전달될 뿐만 아니라, 그러한 혼합의 최소와 함께 다른 중요한 작동상의 장점들이 뒤따르는 것으로 밝혀졌다.

특정의 일 형태에 따르면, 본 발명은 고압의 제1 유체로부터 저압의 제2 유체로 압력 에너지를 전달하여 가압된 제2 유체를 제공하기 위한 압력 전달 장치를 제공하는데, 그 압력 전달 장치는:

자신의 축 주위로 선회하도록 장착된 원통형 회전자(rotor)로서, 그 회전자는 한 쌍의 대향된 편평한 단부면(end face)들을 구비하고, 상기 편평한 단부면들에 위치된 통공들 사이에서 축방향으로 관통하여 연장된 적어도 두 개의 채널(channel)들을 구비한, 회전자; 및

축방향으로 내향인 단부 표면(end surface)과 축방향으로 외향인 단부 표면을 구비한 한 쌍의 대향된 단부 덮개(end cover)들로서, 상기 내향의 단부 표면은 상기 회전자의 상기 대향된 개별의 단부면과 접면(interfacing)하여 그 단부면과 밀봉되게 그리고 미끄럼가능하게 맞대이는, 단부 덮개들;을 포함하고,

상기 단부 덮개 각각은 상기 축방향으로 내향인 표면들로 개방된 적어도 하나의 배출 통로들 및 적어도 하나의 유입 통로들을 구비하며, 하나의 회전자 채널이 하나의 단부 덮개에 있는 유입 통로 개구(inlet passageway opening)와 정렬되는 때에 다른 단부 덮개에 있는 배출 통로 개구(discharge passageway opening)와도 정렬되도록 상기 대향된 단부 덮개들이 정렬되고,

동일한 단부 덮개에 있는 상기 유입 통로 개구 및 배출 통로 개구는, 작동 중에 상기 단부 덮개 표면과 상기 회전자 단부면 사이의 경계 영역에 있는 밀봉 영역(sealing region)에 의하여 서로로부터 지속적으로 밀봉되며,

상기 회전자가 선회(revolution)함에 따라서, 상기 회전자 채널은 교번적인 순서에 의하여, 일 단부 덮개에 있는 고압 유입 통로 개구 및 다른 단부 덮개에 있는 고압 배출 통로 개구와 부분적으로 또는 완전히 정렬되고, 또한 그 후에 상기 일 단부 덮개에 있는 저압 배출 통로 개구 및 상기 다른 단부 덮개에 있는 저압 유입 통로 개구와 부분적으로 또는 완전히 정렬되며, 이로써 각 채널은 교번적으로 상기 일 단부 덮개를 통하여 고압의 제1 유체를 공급받고 그 후에 상기 다른 단부 덮개를 통하여 제2 유체를 공급받으며,

상기 단부 덮개들에 있는 상기 고압 유입 통로 및 고압 배출 통로의 기울어진 경사부들은 상기 회전자 채널들을 출입하는 고압 유체의 방향성 유동을 유발하여 상기 회전자가 제1 각도 방향으로 선회하도록 야기하는 힘을 제공하고, 상기 저압 유입 통로 및 저압 배출 통로에는 상기 회전자가 제1 각도 방향으로 선회하게 유발하게끔 부가적인 기동력(impetus)을 제공하기 위하여 유동을 지향시키는 그러한 경사부들이 없는 것을 특징으로 한다.

다른 특정의 형태에 따르면, 본 발명은 고압의 제1 유체로부터 저압의 제2 유체로 압력 에너지를 전달하여 가압된 제2 유체를 제공하기 위한 압력 전달 장치를 제공하는데, 그 압력 전달 장치는:

축방향으로 내향인 단부 표면(end surface)과 축방향으로 외향인 단부 표면을 구비한 한 쌍의 대향된 단부 덮개(end cover)들로서, 상기 내향의 단부 표면은 상기 회전자의 상기 대향된 개별의 단부면과 접면(interfacing)하여 그 단부면과 밀봉되게 그리고 미끄럼 가능하게 맞대이는, 단부 덮개들;을 포함하고,

상기 단부 덮개 각각은 상기 축방향으로 내향인 표면들로 개방된 적어도 하나의 배출 통로들 및 적어도 하나의 유입 통로들을 구비하며, 하나의 회전자 채널이 하나의 단부 덮개에 있는 유입 통로 개구(inlet passageway opening)와 정렬되는 때에 다른 단부 덮개에 있는 배출 통로 개구(discharge passageway opening)와도 정렬되도록 상기 대향된 단부 덮개들이 각도 방향으로 정렬되고,

동일한 단부 덮개에 있는 상기 유입 통로 개구 각각 및 상기 배출 통로 개구 각각은, 작동 중에 상기 단부 덮개 표면과 상기 회전자 단부면 사이의 경계 영역에 있는 밀봉 영역(sealing region)에 의하여 서로로부터 지속적으로 밀봉되며,

상기 회전자가 선회(revolution)함에 따라서, 상기 회전자 채널 각각은 교번적인 순서에 의하여, 일 단부 덮개에 있는 고압 유입 통로 개구 및 다른 단부 덮개에 있는 고압 배출 통로 개구와 부분적으로 또는 완전히 정렬되고, 또한 그 후에 상기 일 단부 덮개에 있는 저압 배출 통로 개구 및 상기 다른 단부 덮개에 있는 저압 유입 통로 개구와 부분적으로 또는 완전히 정렬되며, 이로써 각 채널은 교번적으로 상기 일 단부 덮개를 통하여 고압의 제1 유체를 공급받고 그 후에 상기 다른 단부 덮개를 통하여 제2 유체를 공급받으며,

상기 단부 덮개들에 있는 상기 고압 유입 통로 및 고압 배출 통로의 기울어진 경사부들은 상기 회전자 채널들을 출입하는 고압 유체의 방향성 유동을 유발하여 상기 회전자가 제1 각도 방향으로 선회하도록 야기하는 힘을 제공하고, 상기 저압 유입 통로 및 저압 배출 통로에 있는 역방향으로 기울어진 경사부들은 회전자의 제1 각도 방향으로의 선회를 지연시키는 방식으로 상기 회전자 채널들을 출입하는 저압 유체의 방향성 유동을 유발하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하여, 회전식 압력 전달 장치에서 액체들의 혼합이 최소화되고, 공급 유동의 속도에서의 실질적인 변동(fluctuations)으로부터의 보호가 증진되며, 회전식 압력 전달 장치의 작동 효율이 향상된다.

도 1 은 중앙 고정자 주위로 회전하는 회전자를 이용하는 일반적인 형태의 압력 전달 장치의 단면사시도이고,
도 2 는 도 1 의 압력 전달 장치에 구비된 두 개의 단부 덮개들, 회전자, 고정자, 및 텐션 로드(tension rod)의 하위 조립체의 분해사시도로서 그 크기가 확대되어 도시된 것이고,
도 3 은 전체적으로 도 2 의 선 3-3 을 따라 일 단부 덮개를 통하여 취해진 단면도로서 그 크기가 확대된 것이고,
도 4 는 전체적으로 도 2 의 선 4-4 을 따라 일 단부 덮개를 통하여 취해진 단면도로서 그 크기가 확대된 것이고,
도 5 는 단부 덮개의 변형예를 통하여 취해진 것으로서 도 4 와 유사한 단면도이다.

이제, 고압 측에서만 기울어진 경사부를 갖는 단부 덮개를 채택하는 것이 실용적이라는 것이 밝혀졌다. 그 결과, 고압 액체의 유입이 회전자 움직임을 구동하고, 저압 액체의 유입은 회전자 움직임에 영향을 미치지 않는다. 그러한 구성에서의 일 결과로서 저압 액체의 유량(flow rate)이 증가되는데, 그 유량은 각 충전시 마다 회전자를 실질적으로 씻어 내리도록 조정될 수 있는데, 그 씻어내림은, 예를 들어 탈염(desalination) 작동에 채용되는 때에 염수(brine)를 현저하게 변위시키고 염수를 상대적으로 낮은 염도(salinity)의 해수로 교체함에 의하여 회전자 속력을 변경하지 않고서 수행된다. 일반적으로, 역삼투(reverse osmosis)의 탈염 시스템에서, 압력 전달 장치로 전달되는 고압 염수의 유량은 실질적으로 일정한 것인바, 즉 전체적으로 안정적(steady)이고 현저한 변화가 없을 것이다. 그러나, 저압 해수 유입유동의 유량은 간혹 상향으로 격동(spike)할 수 있는데, 이것은 회전자 속도를 순간적으로 변화시킬 수 있고, 이 경우에는 두 유동들 모두가 회전자 선회에 동력을 공급하는데에 이용된다; 이와 같은 것은 회전자 속도가 과도하게 되는 것으로 귀결될 수 있는데, 이것은 압력 충격 및/또는 공동형성(cavitation)과 같은 유해한 현상을 유발할 수 있다. 또한, 밸브 및/또는 고압 펌프에 문제가 있다면 해수 유동도 가파르게 떨어질 수 있고, 그와 같은 것은 유사하게, 시스템에 바람직하지 못한 충격을 제공한다. 회전자 선회가 안정적인 고압 염수 유입유동에 의하여만 의존하는 때에는 그러한 잠재적인 곤란성들이 완화되는 것으로 밝혀졌다. 또한, 저압 해수의 직선형 유입유동은 두 액체들 간의 경계 영역에서의 혼합이 최소화되는 결과를 낳으며, 따라서 앞서 설명된 씻어내림에 부가하여 이 관점에서도 유리하다.

도 1 에는 회전식 압력 전달 장치(11)가 도시되어 있는데, 이 회전식 압력 전달 장치는 길고 전체적으로 원통형인 하우징(housing) 또는 몸체(body)(13)를 포함하며, 그 하우징 안에는 복수의 길이방향 채널(16)들을 구비한 원통형 회전자(15)가 배치되어 있고, 그 길이방향 채널들은 회전자의 각각의 편평한 단부면(32)들로 개방되게 끝에서 끝으로 연장된다. 채널(16)들은 종종 복합 채널들로 불리우는데, 이것은 얇은 웹(web)이 미리 형상화된 채널 각각을 두 부분으로 나누어서 회전자(15)의 안정성과 구조적 강도를 증가시키기 때문이다. 회전자(15)는 중앙 중공 고정자(central hollow stator; 17) 주위로 선회하고; 복수의 통로들(27, 29)(도 2 참조)을 갖는 두 개의 단부 덮개들(19, 21) 사이에는 회전자와 고정자가 개재된다. 설명의 편의를 위하여, 그 구성요소들을 도면들에 도시된 장치의 방위에 따라서 상측 단부 덮개와 하측 단부 덮개로 부르기로 한다. 그러나, 이와 같은 방위는 편의적인 것일 뿐이며, 상기 장치는 수직, 수평, 또는 다른 임의의 방위로 작동될 수 있다는 것이 이해되어야 할 것이다.

이 내부 구성요소들이 하나의 유니트로서 취급될 수 있도록 하기 위하여, 그들은 중앙 텐션 로드(23)를 이용함으로써 종종 하위 조립체로서 단일화되는데, 중앙 텐션 로드는 중공 고정자 및 회전자에 대해 축방향으로 배치된 확대 챔버(enlarged chamber; 24) 내에 위치되며; 텐션 로드는 상측 및 하측 단부 덮개들 내에 있는 축방향 통로들(25a, 25b)을 관통한다. 그 후 나사산이 형성된 그 텐션 로드(23)는 와셔(washer) 및 육각 너트 등에 의하여 고정되어서 네 가지 구성요소들의 하위 조립체가 형성되는데, 여기에서 두 개의 단부 덮개들(19, 21)은 고정자(17)의 단부들과 맞닿아 접촉(abutting contact)한다. 바람직하게는, 단부 덮개들과 고정자에 있는 정렬 구멍(aligned hole; 31)들 안에 짧은 다우얼 핀(dowel pin)들이 배치되어서, 두 개의 단부 덮개들이, 지지하는 중공 고정자(17)를 통한 상호연결을 거쳐서 서로 간에 정밀하게 정렬되는 것이 보장된다(도 2 참조). 공차는, 채널(16)들 내에서 수용액들 간에 압력을 전달하기 위하여 회전자(15)가 선회하는 때에, 회전자의 편평한 상측 및 하측 단부면(32)들과 상측 및 하측 단부 덮개들(19, 21)의 병치된 축방향 내향의 표면(33)들 사이에 매우 얇은 액체 밀봉이 형성되는 정도이다. 단부 덮개들 내의 통로들(27, 29)은 상기 편평한 단부 표면(33)들에서의 상이한 형상을 갖는 개구(34)들로 끝난다.

원통형 하우징(13)은 상측 및 하측의 폐쇄판(closure plate)들(35, 37)에 의하여 폐쇄된다. 스냅링(snap ring)들(미도시) 또는 다른 적합한 잠금용 링 장치가 하우징 내의 홈(groove; 38)들 내에 수용되어서, 폐쇄판들(35, 37)을 폐쇄 위치에 고정시킨다. 저압 액체(예를 들어, 해수)의 유입 도관(39)은 상측 폐쇄판(35)을 축방향으로 관통한다. 하우징(13)에 있는 측방 배출부(side outlet; 41)는, 장치 내에서 압력이 증가된 해수를 배출시키기 위하여 제공된다. 몰딩(molding)된 폴리머의 원통형 몸체(42)는 단부 덮개(19) 내에 있는 두 개의 저압(LP) 유입 통로(27a)들에 해수 유입부(39)를 상호연결시키기 위하여 분기된 도관(43)을 제공하고, 그것과 내부 하우징 표면은 충만 챔버(plenum chamber; 45)를 제공하도록 형상화되는데, 충만 챔버를 통하여는 단부 덮개에 있는 고압(HP) 배출 통로(29b)들이 측방 배출 도관(41)과 소통된다. 단부 덮개(19)를 통하는 개구(25a)는 직경이 확장되어서, 아래에서 설명되는 목적을 위하여 단부 덮개를 통한 고압 해수 충만 챔버(45)로의 소통을 제공한다.

유사한 구조가 하측 단부에 존재하는데, 여기에서는 하측 폐쇄판(37)을 축방향으로 관통하는 도관(47)이 저압 염수 흐름을 배출하는 역할을 하고; 고압 염수는 하우징에 있는 측방 유입 도관(49)을 통해 들어간다. 유사한 원통형의 몰딩된 폴리머의 상호연결기(interconnector; 51)가 하우징 내에서 하측 단부 덮개(21)와 하측 폐쇄판(37) 사이에 위치된다. 상호연결기(51)는 유사하게 형성되어서 분기된 도관(53)을 제공하는데, 그 분기된 도관(53)을 통하여서는 염수 배출 도관(47)이 단부 덮개(21) 내에 있는 두 개의 저압 배출 통로(27b)들에 연결되고, 그 외부는 고압 충만 챔버(55)를 형성하도록 된 형상을 가지며, 고압 충만 챔버(55)는 두 개의 고압 염수 유입 통로(29a)들과 측방 유입 도관(49)과 소통된다. 염수가 출입함에 있어서 통하게 되는 하측 단부 덮개(21)는 그 외측 표면을 따라 중간에 홈을 갖는데, 그것은 고리형 고압 밀봉부(57)를 수용한다.

작동의 예로서, 대략 30 psig 의 저압 해수가 펌핑(pumping)에 의하여 상기 장치의 상측 단부에 있는 직선형 도관(39) 안으로 공급되고, 역삼투 작동으로부터의 고압 염수는 예를 들어 대략 770 psig 의 압력으로 측방 유입 도관(49)로 공급된다. 앞서 상세히 설명된 바와 같이, 단부 덮개들(19, 21) 내에서 유동할 고압 액체가 통하는 통로들(29a, 29b)은, 그렇게 출입하는 액체 흐름들이 본 기술분야에서 잘 알려진 바와 같이 회전자(15)로 하여금 요망되는 각도 방향으로 선회하게 하도록 구성된다. 고압 염수는 하측 충만 챔버(55)를 채우고 그를 통하여 하측 단부 덮개(21)에 있는 두 개의 고압 유입 통로(29a)들로 유동한다. 회전자가 선회함에 따라서, 고압 액체는 각 채널(16)의 하측 단부로 공급되는데, 그것은 개별이 고압 통로 개구(34)와 소통되며; 이것은 그와 동시에 예를 들어 해수인 액체의 동일한 체적이 복합 채널(16)의 반대측 단부로부터 배출되도록 유발하는데, 그 해수의 압력은 들어온 염수의 압력 정도로 상승된다. 이제 가압된 제2 액체(즉, 해수)의 그러한 배출 유동은 상측 단부 덮개(19)에 있는 고압 배출 통로(29b)를 거쳐 배출되고, 그 후 상측 충만부(45)를 통하여 측방 배출부(41)로 향하는 경로를 따른다. 이 회전하는 복합 채널(16)이 그 다음에 상측 단부 덮개(19)의 축방향으로 내향인 표면(33)에 있는 저압 해수 유입 통로(27a)로의 개구(34)와 정렬되게 되면, 그와 동시에 채널은 하측 단부 덮개(21)에 있는 저압 염수 배출 통로(27b)와 정렬될 것이다. 따라서, 저압 해수가 채널(16)의 상측 단부 내로 유동함에 따라서, 그것은 현재 가압된 염수가 분기된 도관(53) 및 직선형의 염수 배출 도관(47)을 통하여 장치(11)의 하측 단부로부터 배출되도록 한다.

도 2, 3, 및 4 에 도시된 구성요소들을 보다 상세히 참조하면, 회전자(15)는 전체적으로 원통형의 형상을 갖지만 큰 중앙 개구를 갖는다는 것을 알 수 있는데, 여기에 고정자(17)가 수용된다. 상당히 많은 수의 길이방향 복합 채널(16)들이 그것의 편평한 단부 표면(32)들 사이에서 축방향으로 연장되는데, 그 채널들의 단면은 전체적으로 파이(pie) 형상의 복합체이며 또한 서로로부터 균일하게 이격되는데, 그 각각은 중간의 웹에 의하여 2 섹션(section)들로 나뉜다. 예를 들어, 도시된 것은 중앙 축 주위의 각도 영역에서 등각으로 이격된 22 개의 복합 채널들인데, 여기에서 각 채널은 360° 중 대략 13-14° 의 각도 세그먼트(annular segment)를 이룬다. 중앙 고정자(17)는, 구멍(31)들 내에 수용되는 짧은 다우얼 핀(미도시)들에 의하여 단부 덮개들(19, 21)의 양 측과 짝맞춤되는 것이 바람직하다. 이것은, 특히 회전자가 제 위치에 있는 채로 상기 구성요소들을 하위 조립체로 단일화하기 위하여 중아 텐션 로드(23)가 설치되는 때에, 회전자를 위한 안정적인 회전 플랫폼(platform)을 제공한다. 고정자(17)의 측방향으로는 유체역학적 베어링 표면(hydrodynamic bearing surface; 59)들이 제공되도록 설계되는데, 그 두 개의 표면들은 떨어져 이격되어서 윤활 저장부(lubrication reservoir)로서의 역할을 하는 중앙 요부(61)를 제공한다. 반경방향 통로(63)는 상기 중앙 요부(61)로부터 고정자를 통하여 축방향의 확대된 챔버(24)로 연장되고, 그 사이에 유체 소통을 제공한다. 축방향 챔버(24)는 상측 단부 덮개(19)를 통하는 확장된 통로(25a)의 결과로 고압 해수로 충전되고, 상측 단부 덮개(19)(도 1 참조)는 증가된 압력의 해수가 장치(11)로부터 배출됨에 있어서 통하게 되는 상측 충만 챔버(45)와 소통된다.

두 개의 단부 덮개들(19, 21)은 전체적으로 유사한 구조를 갖는다. 각 덮개에는 두 개의 전체적으로 직경방향으로 대향된 저압 통로(27)들 및 두 개의 고압 통로(29)들이 형성된다. 각 단부 덮개에 있는 두 개의 저압 통로들은 몰딩된 상호연결기들(42, 51)에 의하여 제공되는 두 개의 분기된 통로들(43, 53)을 통해 상호연결되며, 그 분기된 통로들은 축방향으로 정렬된 도관들(39, 47)로 이어진다. 저압 통로(27)들(도 4)은 전체적으로 축방향으로 연장된, 전체적으로 직선형이고 매끄러운 벽들을 갖도록 설계된다. 단부 덮개에 따라서, 그들은 저압 유입 통로(27a)들 또는 저압 배출 통로(27b)들로서의 역할을 한다. 그들의 형상으로 인하여, 저압 통로들(27a, 27b)과 각 회전하는 채널(16) 간에는 실질적으로 직선형인 길이방향의 유동이 있게 되는데, 그 유동은 단부 덮개들(19, 21)의 편평하고 축방향으로 내향인 단부 표면(33)들에 있는 개구(34)들을 통하여 이루어진다.

저압 통로들의 내부 형상과는 대조적으로, 고압 통로들(29a, 29b)은 곡면화된 내부 벽들에 의한 형상을 갖는데, 그 내부 벽들은 고압 액체가 회전자 내의 복합 채널(16)들을 출입하도록 고압 액체를 지향시키는 기울어진 경사부(65)들(도 3 참조)로 이어진다. 고압 통로들의 이 개별 쌍들은 각각 충만 챔버들(45, 55)을 거쳐서 측방 도관들(41, 49)로 연결된다. 충만 챔버들은 몰딩된 폴리머의 상호연결기들(42, 51)의 외부 표면들의 형상에 의하여 형성되어서 중앙의 챔버를 형성하는데, 이것은 단부 덮개들과 단부 폐쇄판들 사이의 이 영역들에서 하우징(13)의 내부 벽에 있는 얕은 요부와 결합되어서 하우징 벽에 있는 각 측방 도관(41, 49)에 소통을 제공한다.

그 결과, 고압 염수는 측방 유입 도관(49)을 통해 들어가고 충만 챔버(55)를 채우며 하측 단부 덮개(21) 내의 고압 유입 통로(29a)들을 통해 유동하고; 기울어진 경사부(65)를 지나는 그것의 유동은 그것이 기울어진 힘 벡터의 방향으로 채널(16)들 안으로 들어가게 하는데, 그 힘 벡터는 파이 형상의 복합 채널의 벽에 대해 지향된 것이다. 각 채널의 반대측 상측 단부로부터 나오는 가압된 해수는 유사하게, 고압 배출 통로(29b) 내의 기울어진 경사부(65)들에 대해 부딪쳐서, 그 방향에서 채널로부터 상측 충만 챔버(45) 안으로의 방향성 배출 유동으로 귀결되고 그 후에 측방 배출 도관(41)으로 나온다. 상기 들어오는 고압 염수의 기울어진 부딪침의 유동과, 가압된 해수의 방향성 배출 유동은 회전자(15)의 요망되는 회전 속도, 즉 RPM 을 생성시키는바; 그것은 회전자의 단부 덮개 단부면(32)들의 병치된 단부 표면(33)들의 편평한 표면들에 대한 경사부(65)의 경사 각도를 거쳐서 변화될 수 있다. 도 3 에 도시된 바와 같이, 이 각도(A)는 대략 12°와 대략 65° 사이이어야 하는데, 바람직하게는 대략 12° 와 대략 30° 사이이고, 더 바람직하게는 대략 18° 와 대략 24° 사이이다. 이와 대조적으로, 도 4 에 도시된 바와 같이, 상기 자치의 저압 측에 있는 통로(27)들은 본질적으로 매끄러운 벽을 가진 통로들이고, 그 통로들은 단순히, 실질적으로 길이방향인 방향에서 채널(16)들로부터 배출된 액체를 받아들이거나 또는 액체의 유동을 공급하도록 된 형상을 갖는다.

이와 같은 구조로 인하여, 장치로 펌핑되는 저압 해수의 유량이 역삼투 작동 등으로부터 그 장치로 공급되고 있는 고압 염수의 유량보다 크게 되도록 압력 전달 장치(11)가 설계될 수 있다. 추가적인 저압 유동은 회전자 속력을 증가시키지 않을 것이며, 그러므로 회전자의 고압 측에서 일어나는 충전 및 방출 과정에 영향을 주지 않는다. 따라서, 기울어진 경사부들이 고압 통로 및 저압 통로 둘 다에 포함되었다면 배출되는 양과 동일한 양의 상승된 압력의 해수가 측방 배출부(41)를 통해 배출되고, 각 채널 안으로의 해수 유동의 더 많은 양은 하측 단부 덮개(21)에 있는 저압 통로(27b)들을 통한 염수 배출의 지점에서 염수의 채널들을 비워낼 것이다. 그 결과, 두 액체들 간의 경계 영역은 채널의 길이방향으로 움직여져서, 그 다음에 채널이 고압 염수로 충전되는 때에 이 경계 영역이 상측 단부 덮개(19)에 있는 배출 개구로부터 길이방향으로 보다 멀리 있게 될 것이다. 바뀐 사항에 따르면, 경계 영역에서 접촉하는 두 액체들 간의 잠재적인 혼합으로 인하여 배출되고 있는 상승된 해수 흐름으로 들어가는 염수의 유입이 최소화될 것이다. 이것은, 예를 들어 해수 탈염 작동에 있어서 매우 중요한 것인데, 해수 탈염 작동에서는 시스템으로 공급되는 해수 흐름의 염분 함량이 삼투압을 결정하고, 또한 직교류(crossflow)의 역삼투 여과 작동에서 효율적인 탈염 유동을 얻기 위하여 그 시스템이 효과적으로 작동되는 압력을 결정하는 것도 삼투압이다. 염분 함량의 그러한 최소화의 장점은, 압력 전달 장치(11)에 약간 많은 체적의 저압 해수를 펌핑하는 비용을 실질적으로 능가한다.

또한 이 압력 전달 장치를 위한 회전자, 단부 덮개, 및 고정자는 공동화 또는 압력 충격에 의한 잠재적인 손상에 취약한데, 특히 상기 장치가 2,000 rpm 이상의 상대적으로 높은 속도로 구동되는 경우에 더 그러하다. 상기 압력 전달 장치가 가장 흔히 이용되는 역삼투 탈염 작동에서는, 액체 공급 유량에 있어서의 현저한 중단 또는 현저한 변화가 일어나는 때에 위와 같은 경우가 종종 발생하는 것으로 밝혀졌는데, 이와 같은 사항은 저압 해수 공급 측에서 종종 발생되며, 이것은 흔히 대형인 해수 탈렴 플랜트로부터의 고압 염수의 배출 유량이 매우 안정적이고 일정하게 유지되기 때문이다. 회전자를 구동하기 위하여 안정적이고 고압인 유동만을 이용함으로써, 저압 해수의 유동에 있어서의 현저한 변화 또는 중단 시에도 강한 강도의 공동화 또는 압력 충격을 초래하지 않는데, 이것은 그 유동이 저압 유입 통로(27a)들로부터 채널들로 단순히 길이방향으로 출입하기 때문이다. 유사하게, 어떤 비정상을 통한 해수의 잠재적인 과잉공급도, 과잉 속력에 의하여 유발될 수 있는 잠재적인 공동화 또는 압력 충격을 야기하지 않으며, 저압 측의 액체도 회전자를 구동하는데에 이용된다면 공동화 또는 압력 충격이 잠재적으로 유발될 것이다.

잠재적인 대안적 장치는 기술된 바와 같이 대략적으로 동일한 구조를 갖는 고압 통로들(29a, 29b)을 구비한 단부 덮개들을 갖는데(도 5 에 도시된 단부 덮개(21') 참조), 그 고압 통로들은 경사부(65)를 포함하며, 따라서 고압 해수의 배출과 고압 염수의 방향성 유입이 회전자의 선회를 구동한다. 그러나, (상측 단부 덮개는 물론) 단부 덮개(21')에는 경사부(65)의 방향과 반대인 방향의 방위를 갖는 기울어지고 짧은 경사부(75)를 갖도록 구성된 저압 통로(71)들이 제공된다. 도 5 에는 그러한 역방향 방위의 경사부(75)를 구비한 저압 배출 통로(71b)가 도시되어 있다. 저압 측의 통로들에 역방향 방위의 경사부(75)들이 제공됨으로써, 채널(16)들에 대한 고압 염수의 방향성 출입의 구동력이 어느 정도 저감될 수 있다. 그러나, 고압 채널들의 경사부(65)들을 단부 덮개들의 편평한 내측 표면(33)들에 대해 대략 12° 내지 65° 의 범위 내의 적당한 각도로 정렬시킴에 의하여, 그리고 저압 통로들에서의 역방향 방위의 경사부(75)들을 대략 45° 내지 80° 의 높은 각도로 정렬시키고 그리고/또는 그 경사부들을 (도 5 에 도시된 바와 같이) 훨씬 짧게 함에 의하여, 회전자(15)는 지속하여 그 요망되는 RPM 으로 선회할 것이다. 도 3 및 도 5 를 비교함으로부터 알 수 있는 바와 같이, 경사부(75)들은 경사부(65)들보다 짧은 길이를 갖는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 경사부(75)들이 경사부들(65)의 길이의 대략 절반보다 길지 않다. 이 대안적인 장치는 저압 해수로 충전되는 채널(16)들에 더 큰 비워냄(scouring)/씻어내림(flushing) 효과를 계속하여 제공하면서도, 있을 수 있는 저압 과잉유동의 경우에 대비하여 설치되어 있는 보호 기능을 제공한다. 위와 같은 사항은 저압 해수의 유량 변동으로부터의 회전자 속도의 약간의 저감을 유발하는데, 이것은 회전자를 구동하기 위하여 고압 및 저압 흐름들 둘 다를 채택하는 그러한 압력 전달 장치에서 잠재적으로 유해한 공동화를 일으킬 수 있는 큰 속도의 증가와 대조적인 것이다.

상기 대안적인 장치의 추가적인 장점은, 막힘이 발생하는 경우에 압력 전달 장치 전체를 분해하지 않고서 막힘을 해소할 수 있는 잠재적인 능력이 있다는 것이다. 그러한 경우에는, 저압 유입 통로만으로 액체가 공급된다면, 회전자가 반대의 각도 방향(예를 들어, 시계방향이 아니라 반시계방향)으로 선회하는 결과를 초래할 것이고, 이것은 잠재적인 폐색(obstruction)을 해소하고 장치의 분해없이 장치로부터 폐색을 제거할 수 있다.

요약하면, 이와 같은 형태의 상업용 장치에서 회전자를 구동하기 위하여 고압 유동만을 이용한다는 개념은 신규한 것으로 믿어지며, 종래 기술에 비하여 현저한 장점을 제공하는 것으로 믿어진다. 저압 통로들에 역방향 방위의 경사부들을 채택하는 것도 신규하며 추가적인 제어 효과를 제공하는 것으로 믿어진다.

본 발명은 본 발명의 개념을 실시함에 있어서 발명자들이 알고 있는 최선의 형태로 구성된 바람직한 실시예들을 중심으로 설명되었지만, 아래에 첨부된 청구범위에 기재된 본 발명이 범위 내에서 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 다양한 변형 및 변경이 이루어질 수 있다는 것이 이해되어야 할 것이다. 예를 들어, 도시 및 설명된 장치(11)는 각각 두 개의 유입 통로들 및 두 개의 배출 통로들을 갖는 것으로 되어 있지만, 그 장치의 전체적인 용량에 따라서 각 단부 덮개가 그 통로들을 각각 하나씩만 갖도록 설계되거나, 또는 그 통로들을 세 개 이상 갖도록 설계될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 유사하게, 중공 회전자의 원통형 내부 표면을 위한 베어링 표면을 제공하는 중앙 고정자의 주위로 회전자가 선회하는 것으로 설명되었지만, 주위의 튜브형 슬리브 내에서 회전자가 선회하는 보다 전통적인 설계가 대안적으로 이용될 수 있다.

유사하게, 회전자가 중간 웹을 갖는 전체적으로 파이 형상인 복수의 채널들을 갖는 것으로 예시되었으나, 이것은 본 발명을 결코 제한하는 것이 아니며, 다양한 채널 형상들이 이용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 예를 들어, 필요하다면 파이 형상의 채널 웹들이 제거되고, 미국 특허 제4,887,942호에 기재된 바와 같은 원형 또는 다른 단면의 형상을 갖는 채널들이 이용될 수 있다.

아래의 청구범위에는 본 발명의 특징들이 기재되어 있다.

11: 회전식 압력 전달 장치 13: 하우징(housing)
15: 회전자 16: 채널
17: 고정자 19, 21: 단부 덮개

Claims

고압의 제1 유체로부터 저압의 제2 유체로 압력 에너지를 전달하여 가압된 제2 유체를 제공하기 위한 압력 전달 장치로서, 그 압력 전달 장치는:
자신의 축 주위로 선회하도록 장착된 원통형 회전자(rotor)로서, 그 회전자는 한 쌍의 대향된 편평한 단부면(end face)들을 구비하고, 상기 편평한 단부면들에 위치된 통공들 사이에서 축방향으로 관통하여 연장된 적어도 두 개의 채널(channel)들을 구비한, 회전자; 및
축방향으로 내향인 단부 표면(end surface)과 축방향으로 외향인 단부 표면을 구비한 한 쌍의 대향된 단부 덮개(end cover)들로서, 상기 내향의 단부 표면은 상기 회전자의 상기 대향된 개별의 단부면과 접면(interfacing)하여 그 단부면과 밀봉되게 그리고 미끄럼가능하게 맞대이는, 단부 덮개들;을 포함하고,
상기 단부 덮개 각각은 상기 축방향으로 내향인 표면들로 개방된 적어도 하나의 배출 통로들 및 적어도 하나의 유입 통로들을 구비하며, 하나의 회전자 채널이 하나의 단부 덮개에 있는 유입 통로 개구(inlet passageway opening)와 정렬되는 때에 다른 단부 덮개에 있는 배출 통로 개구(discharge passageway opening)와도 정렬되도록 상기 대향된 단부 덮개들이 정렬되고,
동일한 단부 덮개에 있는 상기 유입 통로 개구 및 배출 통로 개구는, 작동 중에 상기 단부 덮개 표면과 상기 회전자 단부면 사이의 경계 영역에 있는 밀봉 영역(sealing region)에 의하여 서로로부터 지속적으로 밀봉되며,
상기 회전자가 선회(revolution)함에 따라서, 상기 회전자 채널 각각은 교번적인 순서에 의하여, 일 단부 덮개에 있는 고압 유입 통로 개구 및 다른 단부 덮개에 있는 고압 배출 통로 개구와 부분적으로 또는 완전히 정렬되고, 또한 그 후에 상기 일 단부 덮개에 있는 저압 배출 통로 개구 및 상기 다른 단부 덮개에 있는 저압 유입 통로 개구와 부분적으로 또는 완전히 정렬되며, 이로써 상기 채널 각각은 교번적으로 상기 일 단부 덮개를 통하여 고압의 제1 유체를 공급받고 그 후에 상기 다른 단부 덮개를 통하여 제2 유체를 공급받으며,
상기 단부 덮개들에 있는 상기 고압 유입 통로 및 고압 배출 통로의 기울어진 경사부들은 상기 회전자 채널들을 출입하는 고압 유체의 방향성 유동을 유발하여 상기 회전자가 제1 각도 방향으로 선회하도록 야기하는 힘을 제공하고, 상기 저압 유입 통로 및 저압 배출 통로에는 상기 회전자가 제1 각도 방향으로 선회하게 유발하게끔 부가적인 기동력(impetus)을 제공하기 위하여 유동을 지향시키는 그러한 경사부들이 없는 것을 특징으로 하는, 압력 전달 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 기울어진 경사부들은 상기 회전자의 편평한 단부면들에 대해 12° 내지 65°의 각도로 방위가 정해진, 압력 전달 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 기울어진 경사부들은 상기 회전자의 편평한 단부면들에 대해 12° 내지 30°의 각도로 방위가 정해진, 압력 전달 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 기울어진 경사부들은 상기 회전자의 편평한 단부면들에 대해 18° 내지 24°의 각도로 방위가 정해진, 압력 전달 장치.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 저압 통로들은 저압 유체가 상기 회전자 채널들을 축방향으로 출입하여 유동하도록 된 형상을 갖는, 압력 전달 장치.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 저압 유입 통로 및 저압 배출 통로는 상기 기울어진 경사부들보다 상기 회전자의 편평한 단부면들에 대해 더 큰 각도로 방위가 정해진 역방향 방위의 기울어진 경사부들을 포함하여, 상기 저압 통로들에서의 유체의 방향성 출입이 상기 회전자의 상기 제1 각도 방향으로의 선회를 지연시키는, 압력 전달 장치.
제 6 항에 있어서,
상기 역방향으로 기울어진 경사부들은 상기 기울어진 경사부보다 짧은 길이를 갖는, 압력 전달 장치.
고압의 제1 유체로부터 저압의 제2 유체로 압력 에너지를 전달하여 가압된 제2 유체를 제공하기 위한 압력 전달 장치로서, 그 압력 전달 장치는:
자신의 축 주위로 선회하도록 장착된 원통형 회전자(rotor)로서, 그 회전자는 한 쌍의 대향된 편평한 단부면(end face)들을 구비하고, 상기 편평한 단부면들에 위치된 통공들 사이에서 축방향으로 관통하여 연장된 적어도 두 개의 채널(channel)들을 구비한, 회전자; 및
축방향으로 내향인 단부 표면(end surface)과 축방향으로 외향인 단부 표면을 구비한 한 쌍의 대향된 단부 덮개(end cover)들로서, 상기 내향의 단부 표면은 상기 회전자의 상기 대향된 개별의 단부면과 접면(interfacing)하여 그 단부면과 밀봉되게 그리고 미끄럼 가능하게 맞대이는, 단부 덮개들;을 포함하고,
상기 단부 덮개 각각은 상기 축방향으로 내향인 표면들로 개방된 적어도 하나의 배출 통로들 및 적어도 하나의 유입 통로들을 구비하며, 상기 회전자에 있는 하나의 회전자 채널이 하나의 단부 덮개에 있는 유입 통로 개구(inlet passageway opening)와 정렬되는 때에 다른 단부 덮개에 있는 배출 통로 개구(discharge passageway opening)와도 정렬되도록 상기 대향된 단부 덮개들이 각도 방향으로 정렬되고,
동일한 단부 덮개에 있는 상기 유입 통로 개구 각각 및 상기 배출 통로 개구 각각은, 작동 중에 상기 단부 덮개 표면과 상기 회전자 단부면 사이의 경계 영역에 있는 밀봉 영역(sealing region)에 의하여 서로로부터 지속적으로 밀봉되며,
상기 회전자가 선회(revolution)함에 따라서, 상기 회전자 채널 각각은 교번적인 순서에 의하여, 일 단부 덮개에 있는 고압 유입 통로 개구 및 다른 단부 덮개에 있는 고압 배출 통로 개구와 부분적으로 또는 완전히 정렬되고, 또한 그 후에 상기 일 단부 덮개에 있는 저압 배출 통로 개구 및 상기 다른 단부 덮개에 있는 저압 유입 통로 개구와 부분적으로 또는 완전히 정렬되며, 이로써 각 채널은 교번적으로 상기 일 단부 덮개를 통하여 고압의 제1 유체를 공급받고 그 후에 상기 다른 단부 덮개를 통하여 제2 유체를 공급받으며,
상기 단부 덮개들에 있는 상기 고압 유입 통로 및 고압 배출 통로의 기울어진 경사부들은 상기 회전자 채널들을 출입하는 고압 유체의 방향성 유동을 유발하여 상기 회전자가 제1 각도 방향으로 선회하도록 야기하는 힘을 제공하고, 상기 저압 유입 통로 및 저압 배출 통로에 있는 역방향으로 기울어진 경사부들은 회전자의 제1 각도 방향으로의 선회를 지연시키는 방식으로 상기 회전자 채널들을 출입하는 저압 유체의 방향성 유동을 유발하는 것을 특징으로 하는, 압력 전달 장치.
제 8 항에 있어서,
상기 역방향으로 기울어진 경사부들은, 상기 기울어진 경사부들의 방위 각도보다 큰 상기 회전자의 편평한 단부면들에 대한 각도의 방위를 갖는, 압력 전달 장치.
제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
상기 역방향으로 기울어진 경사부들은 상기 기울어진 경사부들보다 짧은 길이를 갖는, 압력 전달 장치.
제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
상기 기울어진 경사부들은 상기 회전자의 편평한 단부면들에 대해 12° 내지 65°의 각도인 방위를 갖는, 압력 전달 장치.
제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
상기 기울어진 경사부들은 상기 회전자의 편평한 단부면들에 대해 12° 내지 30°의 각도인 방위를 갖는, 압력 전달 장치.
제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
상기 기울어진 경사부들은 상기 회전자의 편평한 단부면들에 대해 18° 내지 24°의 각도인 방위를 갖는, 압력 전달 장치.
제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
상기 역방향으로 기울어진 경사부들은 45° 내지 80° 의 각도인 방위를 갖는, 압력 전달 장치.