KR101772103B1 - 압력 교환 노이즈 감소 - Google Patents

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KR101772103B1
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Abstract

본 기술의 다양한 양상들은, 밀봉 표면과 포트 사이에 홈들을 배치함으로써 담수화 시스템과 같은 고압 유체 취급 장비를 위한 압력 교환기 내의 노이즈 및 진동의 감소를 제공한다. 상기 홈은, 고압 유체를 저압 포트로 이동시키는 데 있어서의, 그리고 저압 유체를 고압 포트로 이동시키는 데 있어서의 해머 효과(hammer effect)를 감소시킨다. 노이즈의 감소에 덧붙여 상기 해머 효과의 감소는 고압 유체 취급 장비의 악화를 초래할 수 있는 진동을 감소시킨다.

Description

압력 교환 노이즈 감소{Pressure exchange noise reduction}
본 발명은 담수화 장비에 관한 것이며, 더 구체적으로는 압력 교환 장치에 관한 것이다.
압력 교환 장치는 압축된 유체에 저장된 퍼텐셜 에너지를 회수할 수 있다. 압력 교환 장치에 대한 전형적인 용례는 담수화 시스템에 있다. 예를 들어 해수는 고압으로 압축될 수 있고, 상기 압축된 해수로부터 담수를 추출하는 데에 역삼투가 이용될 수 있으며, 그 결과 고압의 염수 부산물(brine byproduct)이 생긴다. 상기 고압 염수가 버려진다면, 농축물의 부피를 압축하는 데 이용된 에너지도 낭비된다. 압력 교환 장치는 추가 담수 추출을 위하여 해수를 압축하는 데에 상기 고압 염수를 이용할 수 있다. 안타깝게도, 상기 염수 및 해수가 상기 압력 교환 중에 갑작스런 압력 변화를 겪을 때, 압력 교환 장치에는 실질적인 노이즈가 발생된다. 상기 노이즈는 진동 및 응력으로 특징지어지며, 이는 압력 교환기, 파이프들, 다기관들, 펌프들, 터빈들, 여과기들, 및 막들을 포함하는 추출 장비를 열화시킬 수 있다.
고압 유체가 압력 교환기 내의 저압 유체와 갑자기 접촉하게 될 때 압력의 거의 순간적인 변화 또는 충격으로부터 노이즈가 초래된다. 상기 충격은, 앞서 밀봉된 덕트가 포트 안의 유체와 소통하게 되는, 포트 개구(port opening)의 가장자리에서 발생한다. 예를 들어 밀봉된 덕트 안의 고압 유체는, 포트 안의 저압 유체와 소통하게 될 수 있다. 다른 예시에서 밀봉된 덕트 안의 저압 유체는 포트 안의 고압 유체와 소통하게 될 수 있다. 고압 유체와 저압 유체의 계면에서 야기되는 노이즈는, 모든 유체가 상기 가장자리에 도달하기 전에 상기 유체의 적은 양을 방출시키도록 상기 포트로부터 밀봉 표면으로 연장되는 홈을 이용함으로써 감소될 수 있다. 노이즈, 난류(turbulence), 마찰 손실, 경계층 전단, 캐비테이션(cavitation), 유동 침식(flow erosion), 및/또는 기타로 인하여 낭비되는 에너지의 양을 줄이도록, 상기 고압 유체 내에 저장된 압력 에너지가 상기 홈을 통하여 상기 저압 유체에 가해진다. 넓은 홈이 상기 포트의 실질적인 폭을 가로질러 연장될 수 있다. 상기 홈은, 램프(ramp)와 유사하게 상기 포트의 가장자리로부터 상기 포트 안으로 경사져서 상기 덕트가 상기 경사를 가로질러 휩쓸고 갈(sweep) 때 상기 홈을 통한 가변량의 유동을 제공할 수 있다. 상기 홈의 폭 및/또는 깊이는 상기 홈의 길이에 따라 달라져서 상기 덕트가 상기 홈의 길이를 따라 휩쓸고 갈 때 상기 홈을 통한 가변량의 유동을 제공할 수 있다.
에너지 회수 장치의 다양한 양상들은, 덕트 안의 저압 유체를 고압 유체로 교체하기 위하여, 저압 유체를 담은 덕트가 고압 유체원 포트와 정렬되게끔 움직이도록 구성되는 회전자를 포함한다. 상기 회전자는 상기 덕트 안의 고압 유체를 저압으로 방출하기 위하여 저압 방출 포트와 정렬되게끔, 고압 유체를 담은 동안의 상기 덕트를 움직이도록 더 구성된다. 상기 저압 방출 포트에 인접한 고압 밀봉 표면은, 상기 덕트가 상기 저압 방출 포트와 정렬되도록 움직이는 동안에 상기 덕트 안의 유체 상의 고압을 유지할 수 있다. 상기 고압 밀봉 표면과 상기 저압 방출 포트 사이의 전이부(transition)를 형성하는 램프는, 상기 회전자가 상기 덕트를 상기 램프 위에서 상기 방출 포트와 정렬되도록 움직임에 따라 상기 덕트 안의 유체로부터 압력을 빼내도록(bleed off) 구성될 수 있다.
에너지 회수 장치의 다양한 실시예들은 급수 단부 커버, 및 농축물 단부 커버를 포함한다. 저압 급수원 포트가 상기 급수 커버 안에 배치될 수 있다. 고압 농축물원 포트가 상기 농축물 단부 커버 안에 배치될 수 있다. 덕트는 상기 저압 급수원 포트로부터 저압 급수를 그리고 상기 고압 농축물원 포트로부터 고압 농축물을 수용하도록 구성될 수 있다. 회전자는, 상기 덕트를 상기 저압 급수원 포트와 정렬되게끔 위치시키고 상기 덕트를 상기 고압 농축물원 포트와 정렬되게끔 위치시키도록 구성될 수 있다. 고압 밀봉 표면은, 상기 급수 단부 커버의 면(face) 안에, 그리고 상기 저압 급수원 포트에 인접하게 배치될 수 있다. 상기 고압 밀봉 표면은, 농축물 상의 고압을 유지하기 위하여 그리고/또는 상기 포트들 및 상기 덕트들의 고압 영역과 저압 영역 사이의 밀봉을 유지하기 위하여 구성될 수 있다. 상기 고압 밀봉 표면과 상기 저압 급수원 포트 사이의 홈이 상기 덕트 안의 농축물 상의 압력을 방출시키도록 구성될 수 있다.
다양한 실시예들에서, 압력 회수 장치는, 덕트를 포함하는 회전자를 포함하며, 상기 회전자는 상기 덕트 및 상기 덕트 안의 저압 유체를 제1 위치로 움직이고 상기 덕트 및 상기 덕트 안의 고압 유체를 제2 위치로 움직이도록 구성된다. 상기 장치는, 제1 단부 커버 안에 배치되는 고압 투입 포트로서, 상기 회전자가 상기 제1 위치에 있는 동안에 저압 유체를 압축시키고 압축된 유체를 변위시키기 위하여 고압 유체를 받아들이도록 구성되는 고압 투입 포트, 및 제2 단부 커버 안에 배치되는 고압 산출 포트로서, 상기 회전자가 상기 제1 위치에 있는 동안에 압축된 유체를 방출시키도록 구성되는 고압 산출 포트를 더 포함한다. 상기 장치는, 제1 단부 커버 안에 배치되는 저압 산출 포트로서, 상기 덕트가 상기 제2 위치에 있는 동안에 저압에서 상기 덕트로부터 감압된(decompressed) 고압 유체를 방출시키도록 구성되는 저압 산출 포트, 및 제2 단부 커버 안에 배치되는 저압 투입 포트로서, 상기 덕트가 상기 제2 위치에 있는 동안에 감압된 유체를 변위시키게끔 저압 유체를 상기 덕트 안으로 받아들이도록 구성되는 저압 투입 포트를 더 포함한다. 상기 제1 단부 커버는, 상기 저압 산출 포트에 인접한 제1 고압 밀봉 표면, 및 상기 제1 고압 밀봉 표면과 상기 저압 산출 포트 사이의 제1 홈을 포함한다. 상기 제1 홈은, 상기 회전자가 상기 덕트를 상기 제1 홈 위에서, 그리고 상기 저압 산출 포트와 정렬되도록 움직임에 따라 압력을 방출시키고 상기 덕트 안의 고압 유체를 감압하도록 구성될 수 있다. 상기 제2 단부 커버는, 상기 저압 투입 포트에 인접한 제2 고압 밀봉 표면을 포함한다. 제2 홈이 상기 제2 고압 밀봉 표면과 상기 저압 투입 포트 사이에 배치될 수 있다. 상기 제2 홈은, 상기 회전자가 상기 덕트를 상기 저압 투입 포트와 정렬되도록 움직임에 따라 압력을 방출시키고 상기 덕트 안의 고압 유체를 감압하도록 구성될 수 있다.
다양한 실시예들에서, 에너지 회수 장치는, 유체를 담은 덕트를 회전시키도록 구성되는 회전자, 및 단부 커버를 포함하고, 상기 단부 커버는, 저압 포트 및 상기 저압 포트에 인접한 고압 밀봉 표면을 포함하며, 상기 고압 밀봉 표면은 상기 덕트의 회전 동안에 상기 덕트 안의 유체 상의 고압을 유지하도록 구성된다. 상기 단부 커버는, 상기 고압 밀봉 표면과 상기 저압 포트 사이의 방출 램프(release ramp)를 더 포함한다. 상기 방출 램프는, 상기 덕트를 상기 방출 램프 위에서 상기 고압 밀봉 표면으로부터 상기 저압 포트와 정렬되도록 상기 회전자가 회전함에 따라 상기 덕트 안의 유체 상의 압력을 증분적으로(incrementally) 감소시키기 위하여 구성될 수 있다. 상기 단부 커버는 고압 포트 및 상기 고압 포트에 인접한 저압 밀봉 표면을 더 포함할 수 있는바, 상기 저압 밀봉 표면은 상기 덕트의 회전 동안에 상기 덕트 안의 유체 상의 저압을 유지하도록 구성된다. 상기 단부는 상기 저압 밀봉 표면과 상기 고압 포트 사이의 압력 램프도 포함할 수 있다. 상기 압력 램프는, 상기 덕트를 상기 램프 위에서 상기 저압 밀봉 표면으로부터 상기 고압 포트와 정렬되도록 상기 회전자가 회전함에 따라 상기 덕트 안의 유체 상의 압력을 증분적으로(incrementally) 증가시키기 위하여 구성될 수 있다.
도 1에는 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 압력 교환 장치를 포함하는 담수화 시스템을 보여주는 블록도가 도시된다.
도 2a는 도 1의 압력 교환 장치의 단면 모습(end view)을 보여주는 정면도의 블록도이다.
도 2b는 도 1의 압력 교환 장치의 단면 모습을 보여주는 배면도의 블록도이다.
도 2c는 도 2a 및 2b의 선(a-a)을 따라 취한 도 1의 압력 교환 장치의 단면도(cross section view)의 블록도이다.
도 3a는 도 2c의 압력 교환 장치의 구성요소들의 정면 분해 사시도이다.
도 3b는 도 2c의 압력 교환 장치의 구성요소들의 배면 분해 사시도이다.
도 3c에는 본 발명의 실시예들에 따른, 도 3a 및 3b의 회전자 및 슬리브의 단면도(end elevation)가 도시된다.
도 4a에는 본 발명의 실시예들에 따른, 도 2의 급수 단부 커버의 내부면의 사시도가 도시된다.
도 4b에는 본 발명의 실시예들에 따른, 도 4a의 급수 단부 커버의 내부도(interior elevation)가 도시된다.
도 5a에는 본 발명의 실시예들에 따른, 도 2의 농축물 단부 커버의 내부면의 사시도가 도시된다.
도 5b에는 도 5a의 농축물 단부 커버의 내부 표면의 입면도가 도시된다.
도 6a에는 본 발명의 실시예들에 따른, 도 2의 급수 단부 커버의 외부면의 입면도가 도시된다.
도 6b에는 본 발명의 실시예들에 따른, 도 2의 농축물 단부 커버의 외부면의 입면도가 도시된다.
도 7a에는 본 발명의 실시예들에 따른, 일정한 유압 직경을 가지는 홈이 도시된다.
도 7b에는 본 발명의 실시예들에 따른, 증가하는 유압 직경을 가지는 홈이 도시된다.
도 8a는 선(b-b)을 따라 취한 도 4b의 홈의 길이방향 단면이다.
도 8b는 선(c-c)을 따라 취한 도 4b의 홈의 횡방향 단면이다.
도 8c는 선(d-d)을 따라 취한 도 5b의 홈의 길이방향 단면이다.
도 8d는 선(e-e)을 따라 취한 도 5b의 홈의 횡방향 단면이다.
도 9a에는 본 발명의 실시예들에 따른, 도 4a 2의 급수 단부 커버의 대안적 실시예의 내부면의 사시도가 도시된다.
도 9b에는 도 9a의 급수 단부 커버의 내부도가 도시된다.
도 10a에는 본 발명의 실시예들에 따른, 도 5a의 농축물 단부 커버의 대안적 실시예의 내부면의 사시도가 도시된다.
도 10b에는 도 10a의 농축물 단부 커버의 내부 표면의 입면도가 도시된다.
도 1에는 본 발명의 다양한 실시예들에 따른, 압력 교환 장치(108)를 포함하는 담수화 시스템(100)을 보여주는 블록도가 도시된다. 상기 담수화 시스템(100)은 급수를 상기 시스템(100) 안으로 펌핑하기 위한 저압 펌프(102)를 더 포함한다. 고압 펌프(104)는, 역삼투 막(106)과 같은 막을 가로지르는 유체들을 분리하기 위하여 구성된 막 분리 장치 또는 급수 분리 장치에 고압 급수를 제공한다. 상기 막 분리 장치(membrane separation device; 106)로부터의 농축된 급수 또는 농축물은 상기 압력 교환기(108)에 제공될 수 있다. 농축물의 예시는 염수이다. 상기 농축물 내의 압력은 저압 급수를 고압 급수로 압축하기 위하여 상기 압력 교환기(108) 내에서 이용될 수 있다. 간략화 및 예시의 목적으로, 급수(feed water)라는 용어가 본 상세한 설명 및 도 1 내지 6에 이용된다. 그러나 물 이외의 유체들이 상기 압력 교환기(108) 내에 이용될 수 있다.
상기 저압 펌프(102)는 저수지(reservoir)로부터, 또는 직접적으로 바다로부터 급수를 수용하여 상기 급수를 저압에서 상기 시스템(100) 안으로 위치(110)에 펌핑할 수 있다. 위치(110)에서의 저압 급수는 다기관(114)을 통하여 상기 고압 펌프(104)로, 그리고 다기관(120)을 통하여 상기 압력 교환기(108)로 제공될 수 있다. 위치(116)에서의 고압 급수는 다기관(118)을 통하여 상기 막 분리 장치(106)로 제공될 수 있다. 상기 막은 저압에서 다기관(128)으로의 산출(output)을 위하여 담수를 분리할 수 있다.
상기 막 분리 장치(106)로부터의 농축물은 다기관(124)을 통하여 상기 압력 교환기(108)에 제공될 수 있다. 상기 압력 교환기(108)는 다기관(120)으로부터의 저압 급수를 압축하도록(또는 그 저압 급수와 압력을 교환하도록) 다기관(124)으로부터의 고압 농축물을 이용할 수 있다. 상기 압축된 급수는 다기관(122)을 통하여 상기 막 분리 장치(106)에 제공될 수 있으며, 상기 다기관(122)은 다기관(118)에 결합된다. 상기 압력 교환기(108)는 다기관(126)을 통하여 저압에서 농축물을 산출할 수 있다. 따라서 상기 급수로 압력을 넘겨준 농축물은 상기 압력 교환기(108)로부터 다기관(126)으로 저압에서 산출될 수 있다. 다기관(126) 내의 저압 농축물은 버려질 수 있는바, 예컨대 바다로의 복귀를 위하여 방출될 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 상기 고압 급수는 다기관(118) 내의 고압 급수보다 약간 더 낮은 압력에서 상기 압력 교환기(108)로부터 다기관(122)으로 산출된다. 선택적 순환 펌프(112)가 다기관(122) 내의 급수와 다기관(118) 내의 급수 사이의 작은 압력 차이를 만들어 낼 수 있다. 몇몇 실시예들에서 상기 순환 펌프(112)는 터빈이다. 표 1에는 도 1에 도시된 담수화 시스템의 몇몇 전형적인 압력들의 예시가 제공된다.
고압 펌프-막 다기관(116 및 118) 저압 급수 다기관(120) 고압 급수 다기관(122) 고압 농축물 다기관(124) 저압 농축물 다기관(126)
1000 PSI 30 PSI 965 PSI 980 PSI 15 PSI
표 1에 의해 도시되는 예시에서 상기 압력 교환기(108)는 제곱 인치 당 약 30 파운드(30 PSI)에서 저압 급수를 수용하고 약 980 PSI에서 고압 염수 또는 농축물을 수용한다. 상기 압력 교환기(108)는 상기 고압 농축물로부터 상기 저압 급수로 압력을 전달한다. 상기 압력 교환기(108)는 약 965 PSI에서 고압(압축된) 급수를 산출하고 약 15 PSI에서 저압 농축물을 산출한다. 따라서 표 1의 압력 교환기(108)는 약 97% 효율일 수 있는바, 투입 부피가 상기 압력 교환기(108)의 산출 부피와 거의 같고 965 PSI는 980 PSI의 약 97%이기 때문이다.
도 2a는 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 도 2c의 압력 교환 장치(108)의 단면 모습을 보여주는 정면도이다. 도 2b는 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 도 2c의 압력 교환 장치(108)의 단면 모습을 보여주는 배면도이다. 도 2c는 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 선(a-a)을 따라 취한 도 1의 압력 교환 장치(108)의 단면도이다. 도 2a 및 2b의 상기 압력 교환기(108)는 급수 플레넘(206), 급수 단부 커버(232), 하우징 또는 케이스(200), 슬리브(210), 회전자(202), 상기 슬리브(210)와 상기 회전자(202) 사이의 윤활 공간(lubrication space; 204), 농축물 단부 커버(230), 및 농축물 플레넘(208)을 포함한다.
고압 급수는 상기 급수 단부 커버(232)로부터 상기 급수 플레넘(206)을 통하여 상기 고압 급수 다기관(122)으로 유동할 수 있다. 도 2a의 저압 급수 다기관(120)은 급수 다기관(242)을 통하여 상기 급수 단부 커버(232)에 결합될 수 있다. 도 2a의 점선은 샤프트(234) 및 상기 급수 다기관(242)의 내부 부분을 도시한다. 상기 급수 다기관(242)은 상기 급수 플레넘(206) 안의 고압 급수 및 샤프트(234)로부터 상기 급수 다기관(242) 내의 저압 급수를 분리하도록 구성된다.
유사하게, 염수 또는 농축물이 상기 고압 농축물 다기관(124)으로부터 상기 농축물 플레넘(208)을 통하여 상기 농축물 단부 커버(230)로 유동할 수 있다. 도 2b의 저압 농축물 다기관(126)은 농축물 다기관(240)을 통하여 상기 농축물 단부 커버(230)에 결합될 수 있다. 도 2b의 점선은 샤프트(234) 및 상기 농축물 다기관(240)의 내부 부분을 도시한다. 상기 농축물 다기관(240)은 상기 농축물 플레넘(208) 안의 고압 농축물로부터 상기 농축물 다기관(240) 내의 저압 농축물을 분리하도록 구성된다. 상기 저압 농축물 다기관(240) 및 상기 저압 급수 다기관(242)은 도 2a 및 2b에서 2개의 분지들(branches)로 분할되는 것으로 도시된다. 그러나 상기 저압 농축물 다기관(240) 및 상기 저압 급수 다기관(242)은 그 이상 또는 그 이하의 분지들로 분리될 수 있다.
상기 회전자(202)는 슬리브(21) 안에 매달려 자유로이 회전할 수 있다. 상기 슬리브(210)와 상기 회전자(202) 사이의 윤활 공간(204)은, 상기 슬리브(210) 내에 상기 회전자(202)를 매달기 위하여 윤활유 포트(lube port; 220)를 통하여 윤활 유체를 수용하도록 구성된다. 상기 윤활 유체는 고압에서의 농축물 또는 급수일 수 있다. 예를 들어, 고압 농축물이 상기 고압 농축물 플레넘(208)으로부터 빼내어져 상기 윤활유 포트(220)에 결합될 수 있다. 다양한 실시예들에서, 고압 급수는 상기 고압 급수 플레넘(206), 또는 다른 소스(source)들로부터 빼내어져 상기 윤활유 포트(220)에 결합될 수 있다. 유사하게 저압 급수가 저압 펌프(102), 위치(110), 저압 급수 다기관(120), 다기관(114), 및/또는 다른 소스들로부터 상기 윤활유 포트(220)에 결합될 수 있다. 샤프트(234)가 상기 급수 단부 커버(232) 및 상기 농축물 단부 커버(230)를 상기 슬리브(210)에 클램핑(clamping)하기 위한 장력(tension)을 가하도록 구성된다. 상기 회전자(202)를 통한 보어(bore; 236)는, 상기 회전자(202)에 끌기(drag)를 가함 또는 상기 회전자(202)와 접촉함이 없이 상기 샤프트(234)를 위한 경로를 제공할 수 있다.
상기 회전자(202)는 고압 및 저압에서 급수 및 농축물을 움직이도록 구성되는 하나 이상의 덕트들(218)을 포함한다. 상기 덕트들(218)은 상기 급수 단부 커버(232)로부터 상기 농축물 단부 커버(230)로 상기 회전자의 길이를 통하여 연장된다. 상기 덕트들은 상기 급수 단부 커버(232)를 통하여 저압 급수를 수용하도록, 그리고 상기 농축물 단부 커버(230)를 통하여 상기 고압 농축물 다기관(124)으로부터 고압 농축물을 수용하도록 구성된다. 상기 덕트들은 고압 급수를 상기 급수 단부 커버(232)에 공급하도록, 그리고 저압 농축물을 상기 농축물 단부 커버(230)에 공급하도록 구성된다. 상기 회전자(202)의 회전은 상기 압력 교환기(108) 둘레의 원형 경로 내에서 상기 덕트들(218)을 움직이거나 회전시킨다. 상기 단부 커버들(230 및 232) 사이의 원형 경로 내의 상기 덕트들(218)의 회전은, 저압 급수 및 고압 농축물을 수용하고 고압 급수 및 저압 농축물을 제공하기 위하여 상기 단부 커버들 안의 포트들 사이에 상기 덕트들을 정렬하도록 구성된다. 도 2c에 2개의 덕트들(218)이 도시된 반면, 다양한 실시예들에서 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 18, 20, 24, 30개 또는 그 이상의 덕트들이 상기 회전자(202) 내에 이용될 수 있다.
도 3a는 본 발명의 다양한 실시예들에 따른, 도 2의 압력 교환 장치(108)의 구성요소들의 정면 분해 사시도이다. 도 3b는 본 발명의 다양한 실시예들에 따른, 도 2의 압력 교환 장치(108)의 구성요소들의 배면 분해 사시도이다. 도 3c에는 본 발명의 실시예들에 따른, 도 2의 회전자(202) 및 슬리브(210)의 단면도(end elevation)가 도시된다. 상기 급수 플레넘(206), 급수 다기관(242), 하우징(200), 농축물 플레넘, 및 농축물 다기관(240)이 명료함을 위하여 생략되었다. 상기 급수 단부 커버(232)는 하나 이상의 저압 급수 포트들(320)(예를 들어, 저압 투입 포트) 및 하나 이상의 고압 급수 포트들(322)(예를 들어, 고압 산출 포트)을 포함한다. 하나 이상의 급수 저압 밀봉 표면(324) 및 급수 고압 밀봉 표면(326)은 상기 회전자(202)를 면하고 있는 측에 배치된다. 상기 급수 저압 밀봉 표면(324)은, 저압 급수 포트(320)로부터 고압 급수 포트(322)로의 덕트(218)의 회전 동안에 상기 덕트(218) 안의 저압을 유지하기 위하여 구성된다. 유사하게, 상기 급수 고압 밀봉 표면(326)은, 고압 급수 포트(322)로부터 인접한 저압 급수 포트(320)로의 덕트(218)의 회전 동안에 상기 덕트(218) 안의 고압을 유지하기 위하여 구성된다. 상기 저압 급수 포트들(320)은 저압 급수 다기관(242)으로의 결합을 위하여 원형일 수 있다.
상기 농축물 단부 커버(230)는 하나 이상의 저압 농축물 포트들(310)(예를 들어, 저압 산출 포트) 및 하나 이상의 고압 농축물 포트들(312)(예를 들어, 고압 투입 포트)을 포함한다. 하나 이상의 농축물 저압 밀봉 표면(314) 및 농축물 고압 밀봉 표면(316)이 상기 회전자(202)를 면하고 있는 측에 배치된다. 상기 농축물 저압 밀봉 표면(314)은, 저압 농축물 포트(310)로부터 인접한 고압 농축물 포트(312)로의 덕트(218)의 회전 동안에 상기 덕트(218) 안의 저압을 유지하기 위하여 구성된다. 유사하게, 상기 농축물 고압 밀봉 표면(316)은 고압 농축물 포트(312)로부터 인접한 저압 농축물 포트(310)로의 덕트(218)의 회전 동안에 상기 덕트(218) 안의 고압을 유지하기 위하여 구성된다. 상기 저압 농축물 포트들(310)은 상기 저압 농축물 다기관(240)으로의 결합을 위하여 원형일 수 있다.
정렬 핀들(alignment pins; 304) 및 정렬 구멍들(alignment holes; 306)은, 단부 커버들(232 및 230)의 원하는 배향으로의 정렬을 제공한다. 상기 슬리브(210)의 주위 둘레에 비대칭적으로 배치되는 3개의 핀들이 유일한(unique) 정렬을 제공할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 저압 급수 포트들(320) 및 고압 급수 포트들(322)은 각각 저압 농축물 포트들(310) 및 고압 농축물 포트들(312)과 부분적으로 다른 위상(partly out of phase)이다. 너트들 및 와셔들과 같은 체결구들이 상기 샤프트(234) 상에 배치될 수 있으며 상기 단부 커버들(230 및 232)을 상기 슬리브(210)에 고정시키는 데에 이용될 수 있다. 몇몇 실시예들에서 상기 체결구들은 상기 급수 플레넘(206) 및 상기 농축물 플레넘(208)을 상기 슬리브(210) 및 단부 커버들(230 및 232)에 고정하기 위한 것일 수 있다.
상기 회전자(202)가 돌아감(spin)에 따라 각각의 덕트(218)의 개방 단부들은, 한 세트의 포트들과의 정렬 상태로부터 밀봉된 구역(sealed area)을 통한 후에 다른 세트의 포트들과 정렬되도록 (예컨대 고압 포트로부터 저압 포트로, 또는 저압 포트로부터 고압 포트로) 움직인다. 작동 동안에 상기 밀봉된 구역 내의 덕트(218)는, 그것이 노출되었던 이전 포트의 (낮거나 높은) 압력과 대략적으로 동일한 압력하에 놓인다. 상기 덕트(218)가 상기 밀봉된 구역으로부터 그 다음 포트로 전이함에 따라 상기 덕트(218) 안의 압력은 그 다음 포트의 압력으로 오게 된다. 이 압력 변화가 발생되기 위하여, 압력이 감소하는 방향으로 유한한 양의 유체가 상기 덕트(218)와 상기 포트 사이에서 통행한다. 필요한 유체의 부피는, 상기 유체의 압축성(compressibility), 상기 덕트(218)와 상기 포트 사이의 압력 차이(pressure differential), 및 상기 덕트(218)의 벽들의 탄성 변형으로 인한 덕트 부피의 임의의 변화의 함수이다. 해수, 역삼투 용례들에 있어서 등압의 압력 교환을 위하여, 문제의 유체의 부피는 상기 덕트 부피의 0.3% 정도(the order of 0.3%)에 있다.
유체가 그 다음 포트로 노출되게 됨에 따라 상기 유체의 상기 덕트(218) 안팎으로의 움직임은 상기 덕트(218)와 그 다음 포트 사이의 압력 차이에 의해 구동된다. 상기 압력 차이가 약 100 psi보다 높을 때(예를 들어 해수 역삼투가 약 900 psi 차이로 작동되는 때) 신속한 압력 변화가 발생할 수 있다. 상기 압력 변화는, 상기 덕트 내의 압력 변화의 속도(시간에 대한 압력의 1차 도함수 - dp/dt)의 크기(magnitude)로서 특징지어질 수 있다. 상기 신속한 압력 변화는 상기 장치 내에 충격파(shock waves) 및 캐비테이팅 제트(cavitating jets)를 생성할 수 있다. 상기 충격파는 바람직하지 않은 노이즈 및 진동을 야기하고, 상기 캐비테이팅 제트는 그 구성요소들 상의 마모 및 추가적인 노이즈를 야기할 수 있다.
상기 밀봉된 구역과 그 다음 포트 사이의 홈은, 부분적으로 제한된 유동 경로를 제공하는바, 상기 부분적으로 제한된 유동 경로는 그 유동 경로가 없었다면 상기 회전자 덕트 안에 밀봉되는 유체 부피와 그 다음 포트 사이에 있다. 상기 홈의 물리적 치수는, 상기 덕트 안의 최대(peak) dp/dt를 최소화시키게끔 상기 홈을 통하는 유량을 설정하도록, 달라질 수 있다. 상기 dp/dt는, 상기 덕트(218)를 가압 또는 감압하는 데에 이용가능한 시간, 상기 홈을 위해 이용가능한 물리적 공간, 및 주어진 dp/dt에서의 압력을 동일하게 만들기(equalize) 위하여 상기 홈을 통과하는 유체의 부피의 함수일 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 상기 덕트(218)의 가압/감압 동안에 상대적으로 일정한 dp/dt를 달성하는 것이 바람직하다. 그러나 덕트와 포트 사이의 압력 차이가 감소함에 따라, 일정한 단면을 가지는 홈을 통한 유동은 감소한다. 상대적으로 일정한 dp/dt에 대한 상기 홈의 물리적 치수는, 상기 홈을 통한 일정한 유동이 유지되도록, 상기 홈의 길이에 걸쳐서 달라질 수 있다(또는 증가될 수 있다). 상기 덕트(218)가 홈에 처음 맞물릴 때 그 차압은 높다. 따라서 상기 홈의 작은 유효 유압 직경은 초기에 상기 홈을 통한 유동을 제한하는 데에 이용될 수 있다. 상기 덕트(218)가 상기 홈을 따라 진행되고 상기 차압이 감소함에 따라, 상기 유압 직경의 증가는 거의 일정한 유동을 유지하는 데에, 그리고 따라서 거의 일정한 dp/dt를 유지하는 데에 이용될 수 있다. 몇몇 실시예들에서 상기 홈의 폭 및/또는 깊이는 상기 홈의 길이를 따라 원하는 dp/dt를 제공하도록 달라질 수 있다.
다양한 실시예들에서, 상기 유효 유압 직경은, 상기 홈의 폭, 상기 홈의 깊이, 상기 홈 단면의 형상, 홈에 맞물리는 덕트들(218)의 수, 및/또는 기타의 함수이다. dp/dt를 제어하기 위한 다른 구조들은, 상기 덕트들(218)이 상기 밀봉된 구역으로부터 그 다음 포트로 움직임에 따라 상기 덕트들(218)이 마주치게 되는 홈들의 수를 변화시킴, 및 크기가 변화되는 상기 홈 안의 표면들을 생성함을 포함한다. 상기 유효 유압 직경은, 상기 홈을 따라 선형 또는 비선형 방식으로 변화될 수 있다.
상기 홈을 통하여 저압 유체를 향하여 움직이는 고압 유체 내의 에너지는, 궁극적으로는 점성 전단 마찰 손실(viscous shear frictional losses)을 통하여 상기 유체 안으로 소산(dissipated)된다. 이것이 발생되는 2개의 메커니즘은 고속 제트(high velocity) 및 경계층 전단(boundary layer shear)을 포함한다. 작고 대략 사각형인 단면 개구를 통하여 큰 개방 구역(large open area) 안으로 움직이는 고속 제트는 예를 들어 고압에 의해 생성될 수 있다. 압력 에너지는 먼저 상기 고압 제트 안의 신속하게 움직이는 유체의 운동 에너지로 전달되고, 그 후, 상기 개방 구역 내의 제트에 의해 생성되는 난류 와동(turbulent eddies) 내의 마찰 손실로 된다. 이 고압 제트의 단점은, 상기 제트 안의 고속 유체를 포함하고, 이는 유동 침식, 노이즈, 및 파괴적 캐비테이션을 생성한다.
에너지의 층류 유동 소산(laminar flow dissipation)은 상기 유동 채널 안에서의 경계층 전단을 통하여 발생할 수 있다. 이 경우에 높은 종횡비의 홈은, 유체 접촉 주위(wetted perimeter)를 최대화시키는 데에 이용될 수 있는바, 상기 유체 접촉 주위는 본질적으로 표면 면적이다. 유체 접촉 주위의 증가는 전단 유동(shear flow)을 높일(enhance) 수 있다. 상기 경계층 내의 상대적으로 낮은 속도는, 현저한 유동 침식, 노이즈, 및 캐비테이션을 생성하지 않는다. 몇몇 실시예들에서, 전체 상기 유체 접촉 주위를 효과적으로 증가시키도록, 상기 회전자(202)의 양 단부들에서 단부 커버들 상에 홈들이 이용될 수 있다. 예를 들어, 상기 급수 단부 커버(232) 및 상기 농축물 단부 커버(230) 둘 모두 위에 상기 고압 포트와 상기 밀봉된 구역 사이에 홈들이 배치될 수 있다. 감압 홈은 상기 단부 커버들 중 하나(예컨대 농축물 단부 커버(230))에 대해 제거 또는 감소될 수 있다. 다른 단부 커버(예컨대 상기 급수 단부 커버(232)) 상의 약간 더 높은 압력은 캐비테이션 퍼텐셜(cavitation potential)을 감소시키는 데에 이용될 수 있다.
도 4a에는 본 발명의 실시예들에 따른, 도 2 및 3a의 급수 단부 커버(232)의 내부면의 사시도가 도시된다. 도 4b에는 도 4a의 급수 단부 커버(232)의 내부도가 도시된다. 상기 급수 단부 커버(232)의 내부면은 고압 밀봉 표면(326)과 저압 급수 포트(320) 사이에 배치되는 하나 이상의 고압 릴리프 홈들(high pressure relief grooves; 414)을 포함한다. 상기 고압 릴리프 홈들(414)은, 상기 회전자(202)가 상기 덕트(218)를 상기 고압 릴리프 홈들(414) 위에서 상기 고압 밀봉 표면(326)으로부터 상기 저압 급수 포트(320)로 움직이도록 회전함에 따라, 상기 덕트(218)로부터 상기 저압 급수 포트(320) 안으로 고압 급수를 점차적으로 빼내도록 구성된다.
상기 급수 단부 커버(232)의 내부면은 저압 밀봉 표면(324)과 고압 급수 포트(322) 사이에 배치되는 하나 이상의 저압 릴리프 홈들(416)을 더 포함한다. 상기 저압 릴리프 홈들(416)은, 상기 회전자(202)가 상기 덕트(218)를 상기 저압 릴리프 홈들(416) 위에서 상기 저압 밀봉 표면(324)으로부터 상기 고압 급수 포트(322)로 움직이도록 회전함에 따라, 상기 고압 급수 포트(322)로부터 저압 급수를 담은 덕트(218) 안으로 고압 급수를 점차적으로 빼내도록 구성된다
도 5a에는 본 발명의 실시예들에 따른, 도 2 및 3b의 농축물 단부 커버(230)의 내부면의 사시도가 도시된다. 도 5b에는 도 5a의 농축물 단부 커버(230)의 내부 표면의 입면도가 도시된다. 상기 농축물 단부 커버(230)의 내부면은 고압 밀봉 표면(316)과 저압 농축물 포트(310) 사이에 배치된 하나 이상의 임펠러 표면들(514)을 포함한다. 상기 임펠러 표면들(514)은 상기 회전자(202)의 회전(spin)을 편향(bias)시키도록 구성된다.
상기 농축물 단부 커버(230)의 내부면은, 저압 밀봉 표면(314)과 고압 농축물 포트(312) 사이에 배치되는 하나 이상의 저압 릴리프 홈들(516)을 더 포함한다. 상기 저압 릴리프 홈들(516)은, 상기 회전자(202)가 상기 덕트(218)를 상기 저압 릴리프 홈들(516) 위에서 상기 저압 밀봉 표면(314)으로부터 상기 고압 농축물 포트(312)로 움직이도록 회전함에 따라, 상기 고압 농축물 포트(312)로부터 상기 덕트(218) 안으로 고압 농축물을 점차적으로 빼내도록 구성된다. 상기 저압 농축물 포트(310)의 가장자리를 따르는 상기 임펠러 표면(514)은 화살표의 방향으로 상기 회전자(202)에 회전을 전달하도록 구성된다. 상기 임펠러 표면(514)은 토크를 상기 회전자(202)에 제공하여, 상기 회전자를 회전시키는 외부 소스(external source), 예컨대 모터에 대한 필요성이 감소 또는 제거된다. 임펠러 표면(512)은 임펠러 표면(514)과 같은 방향으로 회전자 회전(spin)을 더 편향시킬 수 있다. 저압 농축물 포트(310)에 대한 유동 방향은 페이지의 안쪽을 향하고, 상기 고압 농축물 포트(312)에 대한 유동 방향은 페이지의 바깥쪽을 향하며 임펠러 표면(514 및 512)은 그것들 개별의 포트들의 반대측에 있다는 점이 주목된다. 따라서 두 임펠러 표면들 모두(512 및 514)는 같은 방향으로, 즉, 시계방향으로 상기 회전자에 토크를 제공한다.
도 6a에는 본 발명의 실시예들에 따른, 도 2의 급수 단부 커버(232)의 외부면의 입면도가 도시된다. 도 6a에는 상기 저압 급수 다기관(242)으로의 결합을 위하여 상기 저압 급수 포트들을 위한 원형 피팅들(circular fittings; 602)이 도시된다. 도 6b에는 본 발명의 실시예들에 따른, 도 2의 농축물 단부 커버(230)의 외부면의 입면도가 도시된다. 도 6b에는 상기 저압 농축물 다기관(240)으로의 결합을 위하여 상기 저압 농축물 포트들을 위한 원형 피팅들(600)이 도시된다.
도 7a 및 도 7b는 저압 밀봉 표면(324)과 고압 포트(322) 사이에 배치되는 홈(416)의 사시도들이다. 도 7a는 본 발명의 실시예들에 따른, 일정한 유압 직경을 가지는 홈(416)을 도시하는 사시도이다. 도 7b는 본 발명의 실시예들에 따른, 증가하는 유압 직경을 가지는 홈(416)을 도시하는 사시도이다. 상기 홈(416)은 그 폭 및/또는 길이보다 실질적으로 작은 깊이를 가지도록 얕다. 이는 유체 접촉 면적(whetted area)을 증가시키는 역할을 한다. 상기 홈(416)의 깊이는, 상기 홈이 상기 고압 급수 포트(322)의 가장자리에 접근함에 따라 증가될 수 있는바, 즉, 도 7a 또는 7b의 홈(416)은 본 명세서의 다른 부분에서 예시된 바와 같이 상기 고압 급수 포트(322)를 향하여 하방으로 경사질 수 있다. 상기 홈(416)이 도 7a 및 7b에 도시되는데, 상기 홈(416)의 형상이 홈들(414, 416 및 516)을 위해 이용될 수 있다. 도 7a 및 7b의 홈들(416)은, (아래에서 더 상세하게 설명되는) 도 9a, 9b, 10a 및 10b에 도시된 홈들과 유사하게 상기 고압 급수 포트(322)의 폭의 부분에만 연장되는 것으로 도시된다. 그런데, 상기 홈들(416)은 도 4a 및 4b에 도시된 바와 같이, 또는 도 5a 및 5b에 도시된 홈들과 유사하게 상기 고압 급수 포트(322)의 폭을 가로지르는 대부분 또는 모든 부분에 연장될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 다수의 홈들(416)이 상기 고압 급수 포트(322)의 폭을 따라 배치된다.
도 8a는 선(b-b)을 따라 취한 도 4b의 임펠러 홈들(416-418)의 길이방향 단면이다. 도 8b는 선(c-c)을 따라 취한 도 4b의 홈(416)의 횡방향 단면이다. 도 8b에는 홈(416)이 도시되는데, 유사하게 이 도면이 홈(414)을 도시할 수 있다. 도 8a에는 홈(416) 및 임펠러 표면(418)이 도시되는데, 유사하게 이 도면이 상기 홈(414)을 도시할 수 있다. 상기 홈(416)은 고압 급수 포트(322)를 향하여 하방으로 각도(802)로 경사짐에 따라 상기 홈(416)의 유효 유압 직경이 증가된다. 상기 홈(416)은 그 폭 및/또는 길이보다 실질적으로 작은 깊이를 가지도록 얕다. 이는 유체 접촉 면적을 증가시키는 역할을 한다. 다양한 실시예들에서, 상기 각도(802)는 약 5, 4, 3, 2, 1, 0.5, 0.2, 0.1도 미만이다. 상기 임펠러 표면(418)은 각도(804)로 하방으로 경사진다. 다양한 실시예들에서, 상기 각도(804)는 약 10, 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1, 0.5, 0.2도 미만이지만 상기 각도(802)보다 크다.
도 8c는 선(d-d)를 따라 취한 도 5b의 홈(514)의 길이방향 단면이다. 도 8d는 선(e-e)을 따라 취한 도 5b의 홈(514)의 횡방향 단면이다. 상기 임펠러 홈(514)은 상기 농축물 포트(310)을 향하여 하방으로 각도(806)로 경사짐에 따라 상기 임펠러 홈(514)의 유효 유압 직경이 증가된다. 다양한 실시예들에서, 상기 각도(806)는 약 5, 4, 3, 2, 1, 0.5, 0.2, 0.1도 미만이다. 도8c 및 8d에 상기 임펠러 홈(514)이 도시되는데, 유사하게 이 도면들이 임펠러 표면(512) 및/또는 홈(516)을 도시할 수 있다.
도 9a에는 본 발명의 실시예들에 따른, 도 4a의 급수 단부 커버(232)의 대안적 실시예의 내부면의 사시도가 도시된다. 도 9b에는 본 발명의 실시예들에 따른, 도 9a의 급수 단부 커버(232)의 내부도가 도시된다. 도 9a 및 9b가, 상기 저압 급수 포트(320)의 실질적인 가장자리 또는 그 가장자리의 전부를 따라 배치되는 홈(414) 대신에 상기 저압 급수 포트(320)의 가장자리의 작은 부분을 따르는 다수의 홈들(914)을 포함한다는 점에서 도 9a 및 9b는 각각 도 4a 및 4b와 상이하다. 유사하게 도 9a 및 9b는 상기 고압 급수 포트(322)의 가장자리를 따르는 홈(416) 대신에 홈들(916)을 포함한다.
상기 급수 단부 커버(232)의 내부면은 고압 밀봉 표면(326)과 저압 급수 포트(320) 사이에 배치되는 하나 이상의 고압 릴리프 홈들(914)을 포함한다. 상기 고압 릴리프 홈들(914)은, 상기 회전자(202)가 상기 덕트(218)를 상기 고압 릴리프 홈들(914) 위에서 상기 고압 밀봉 표면(326)으로부터 상기 저압 급수 포트(320)로 움직이도록 회전함에 따라, 상기 덕트(218)로부터 상기 저압 급수 포트(320) 안으로 고압 급수를 점차적으로 빼내도록 구성된다.
상기 급수 단부 커버(232)의 내부면은, 저압 밀봉 표면(324)과 고압 급수 포트(322) 사이에 배치되는 하나 이상의 저압 릴리프 홈들(916)을 더 포함한다. 상기 저압 릴리프 홈들(916)은, 상기 회전자(202)가 상기 덕트(218)를 상기 저압 릴리프 홈들(916) 위에서 상기 저압 밀봉 표면(324)으로부터 상기 고압 급수 포트(322)로 움직이도록 회전함에 따라, 상기 고압 급수 포트(322)로부터 저압 급수를 담은 덕트(218) 안으로 고압 급수을 점차적으로 빼내도록 구성된다. 상기 고압 급수 포트(322)의 가장자리를 따르는 임펠러 표면(418)은 화살표의 방향으로 상기 회전자(202)에 회전을 전달하도록 구성된다. 상기 임펠러 표면(418)은 토크를 상기 회전자(202)에 제공하여, 상기 회전자를 회전시키는 외부 소스, 예컨대 모터에 대한 필요성이 감소 또는 제거된다.
도 10a에는 본 발명의 실시예들에 따른, 도 5a의 상기 농축물 단부 커버의 대안적 실시예의 내부면의 사시도가 도시된다. 도 10b에는 도 10a의 상기 농축물 단부 커버의 내부 표면의 입면도가 도시된다. 도 10a 및 10b가, 상기 농축물 포트(310)의 실질적인 가장자리 또는 그 가장자리의 전부를 따라 배치되는 임펠러 홈(514) 대신에 농축물 포트(310)의 가장자리의 작은 부분을 따르는 다수의 홈들(1014)을 포함한다는 점에서 도 10a 및 10b는 각각 도 5a 및 5b와 상이하다. 유사하게 도 10a 및 10b는 상기 고압 농축물 포트(312)의 가장자리를 따르는 홈(516) 대신에 홈들(1016)을 포함한다.
상기 농축물 단부 커버(230)의 내부면은 고압 밀봉 표면(316)과 저압 농축물 포트(310) 사이에 배치되는 하나 이상의 고압 릴리프 홈들(1014)을 포함한다. 상기 고압 릴리프 홈들(1014)은, 상기 회전자(202)가 상기 덕트(218)를 상기 고압 릴리프 홈들(1014) 위에서 상기 고압 밀봉 표면(316)으로부터 상기 저압 농축물 포트(310)로 움직이도록 회전함에 따라, 상기 덕트(218)로부터 상기 저압 농축물 포트(310) 안으로 고압 농축물을 점차적으로 빼내도록 구성된다.
상기 농축물 단부 커버(230)의 내부면은 저압 밀봉 표면(314)과 고압 농축물 포트(312) 사이에 배치되는 하나 이상의 저압 릴리프 홈들(1016)을 더 포함한다. 상기 저압 릴리프 홈들(1016)은, 상기 회전자(202)가 상기 덕트(218)를 상기 저압 릴리프 홈들(1016) 위에서 상기 저압 밀봉 표면(314)으로부터 상기 고압 농축물 포트(312)로 움직이도록 회전함에 따라, 상기 고압 농축물 포트(312)로부터 상기 덕트(218) 안으로 고압 농축물을 점차적으로 빼내도록 구성된다. 상기 저압 농축물 포트(310)의 가장자리를 따르는 임펠러 표면(518)은 화살표의 방향으로 상기 회전자(202)에 회전을 전달하도록 구성된다. 상기 임펠러 표면(518)은 토크를 상기 회전자(202)에 제공하여, 상기 회전자를 회전시키는 외부 소스, 예컨대 모터에 대한 필요성이 감소 또는 제거된다. 표면(512)은 올바른 방향 또는 원하는 방향으로 회전자 회전을 더 편향시킬 수 있다.
본 명세서에 이용된 바와 같은 "포함한다", "포함하는", "예를 들어", "예시적인", "예컨대", 및 그것들의 변형들은 한정의 용어들로 의도된 것이 아니라 오히려 "한정 없이"라는 단어 또는 이와 유사한 의미를 가진 단어들이 뒤따르는 것으로 의도된 것이다. 이 명세서 내의 정의들, 및 모든 헤더들(headers), 제목들, 부제목들은 이해를 촉진하기 위한 목적으로 설명적이고 예시적인 것으로 의도된 것이며, 청구항들에 재인용된 바와 같은 본 발명의 범위들에 대하여 한정하기 위하여 의도된 것이 아니다. 각각의 그러한 정의는, 그렇게 정의된 개별의 항목, 기술, 또는 용어와 균등하거나 교체가능한 것으로 본 기술 분야의 통상의 기술자에게 알려졌거나 알려지게 될 추가적인 균등한 항목들, 기술들 또는 용어들도 포섭(capture)하도록 의도된 것이다. 달리 문맥에 의해 요구되지 않는다면, 동사(verb) "할 수 있다(may)"는 개별의 작용, 단계 또는 구현이 수행 또는 달성될 수 있는 가능성을 표시하지만, 그러한 작용, 단계, 또는 구현이 수행되어야만 하거나 발생해야만 하거나 개별의 작용, 단계, 구현이 설명된 방식과 정확하게 같은 방식으로 수행 또는 달성되어야만 한다는 요구사항을 확립하도록 의도되는 것이 아니다.
위의 설명은 예시적이며 비한정적이다. 본 특허에는 본 발명의 다양한 실시예들 및 구현예들이 상세하게 설명되며, 본 발명은, 추가적인 실시예들 및 구현예들, 다른 변경물들, 및 대안적인 구성들에 대해 열려 있다. 본 특허에는, 개시된 특정 실시예들 및 구현예들에 본 발명을 한정할 의도가 없으며; 반대로 본 특허는 청구범위 내에 속하는 모든 변경물들, 균등물들, 및 대안적 실시예들 및 구현예들을 망라하도록 의도된다. 게다가, 도면들에 도시된 실시예들은 다양한 조합 으로 이용될 수 있다. 따라서 본 발명의 임의의 한정들은, 위의 설명을 참조하여 결정될 것이 아니라, 대신에 오히려 균등물들의 전체 범위와 함께 첨부된 청구항들을 참조하여 결정되어야 한다.

Claims (22)

  1. 에너지 회수 장치로서, 상기 에너지 회수 장치는:
    덕트를 포함하는 회전자로서, 상기 덕트 및 상기 덕트 안의 저압 유체를 제1 위치로 움직이고 상기 덕트 및 상기 덕트 안의 고압 유체를 제2 위치로 움직이도록 구성되는 회전자;
    제1 단부 커버 안에 배치되는 고압 투입 포트로서, 상기 회전자가 상기 제1 위치에 있는 동안에 저압 유체를 압축시키고 압축된 유체를 변위시키기 위하여 고압 유체를 받아들이도록 구성되는 고압 투입 포트;
    제2 단부 커버 안에 배치되는 고압 산출 포트로서, 상기 회전자가 상기 제1 위치에 있는 동안에 압축된 유체를 방출시키도록 구성되는 고압 산출 포트;
    상기 제1 단부 커버 안에 배치되는 저압 산출 포트로서, 상기 덕트가 상기 제2 위치에 있는 동안에 저압에서 상기 덕트로부터 감압된(decompressed) 고압 유체를 방출시키도록 구성되는 저압 산출 포트;
    상기 제2 단부 커버 안에 배치되는 저압 투입 포트로서, 상기 덕트가 상기 제2 위치에 있는 동안에 감압된 유체를 변위시키게끔 저압 유체를 상기 덕트 안으로 받아들이도록 구성되는 저압 투입 포트;
    상기 제2 단부 커버 안에 있고 상기 저압 투입 포트에 인접한, 제1 고압 밀봉 표면; 및
    제 2 단부 커버의 제 1 외측 표면상에 배치되고 상기 제1 고압 밀봉 표면과 상기 저압 투입 포트 사이의 전이부(transition)을 형성하는 제1 홈(groove)으로서, 상기 회전자가 상기 덕트를 상기 제1 홈에 걸쳐 상기 저압 투입 포트와 정렬되도록 움직임에 따라 압력을 방출시키고 상기 덕트 안의 고압 유체를 감압하도록 구성되고, 상기 회전자에 회전력을 부여하도록 구성된 제 1 임펠러 표면을 형성하는, 제1 홈; 및
    상기 제1 단부 커버 안에 있고 상기 저압 산출 포트에 인접한, 제2 고압 밀봉 표면;을 포함하는, 에너지 회수 장치.
  2. 제1항에 있어서, 제 1 단부 커버의 제 2 외측 표면상에서 상기 제2 고압 밀봉 표면과 상기 저압 산출 포트 사이에 배치된 제2 홈으로서, 상기 회전자가 상기 덕트를 상기 저압 산출 포트와 정렬되도록 움직임에 따라 압력을 방출시키고 상기 덕트 안의 고압 유체를 감압하도록 구성되는 제2 홈을 더 포함하는, 에너지 회수 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 에너지 회수 장치는:
    상기 제1 단부 커버 안에 있고 상기 고압 투입 포트에 인접한, 제1 저압 밀봉 표면;
    제1 단부 커버의 제 2 외측 표면상에서 상기 제1 저압 밀봉 표면과 상기 고압 투입 포트 사이에 배치된 제3 홈으로서, 상기 회전자가 상기 덕트를 상기 제3 홈 위에 걸쳐 상기 고압 투입 포트와 정렬되도록 움직임에 따라 압력을 증가시키고 상기 덕트 안의 저압 유체를 압축하도록 구성되는 제3 홈;
    상기 제2 단부 커버 안에 있고 상기 고압 산출 포트에 인접한, 제2 저압 밀봉 표면; 및
    제2 단부 커버의 외측 표면상에서 상기 제2 저압 밀봉 표면과 상기 고압 산출 포트 사이에 배치된 제4 홈으로서, 상기 회전자가 상기 덕트를 상기 고압 산출 포트와 정렬되도록 움직임에 따라 압력을 증가시키고 상기 덕트 안의 저압 유체를 압축하도록 구성되는 제4 홈;을 더 포함하는, 에너지 회수 장치.
  4. 제1항에 있어서, 고압 급수로부터 농축물을 추출하도록 구성되는 막 분리 장치(membrane separation device)를 더 포함하는, 에너지 회수 장치.
  5. 제4항에 있어서:
    상기 고압 투입 포트는 상기 막 분리 장치로부터 고압 농축물을 받아들이도록 구성되고,
    상기 저압 산출 포트는 저압에서 농축물을 방출하도록 구성되고,
    상기 저압 투입 포트는 저압 펌프로부터 저압에서 급수를 받아들이도록 구성되며,
    상기 고압 산출 포트는 상기 막 분리 장치에 대한 소통을 위하여 고압에서 급수를 방출하도록 구성되는, 에너지 회수 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1 홈은 평행한 면들을 가지는, 에너지 회수 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제1 홈은 테이퍼진 면들을 가지는, 에너지 회수 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제1 홈은 상기 제 1홈의 길이의 절반을 넘는 길이에 걸쳐 일정한 깊이를 가지는, 에너지 회수 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 제1 홈의 깊이는 상기 저압 산출 포트에 접근함에 따라 증가되는, 에너지 회수 장치.
  10. 에너지 회수 장치로서, 상기 에너지 회수 장치는:
    덕트 안의 저압 유체를 고압 유체로 교체하기 위하여 고압 투입 포트와 정렬되도록, 저압 유체를 담은 상기 덕트를 움직이도록 구성되는 회전자로서, 상기 덕트 안의 고압 유체를 저압으로 방출하기 위하여 저압 방출 포트와 정렬되도록, 고압 유체를 담은 동안의 상기 덕트를 움직이도록 더 구성되는 회전자;
    상기 저압 방출 포트에 인접한 고압 밀봉 표면으로서, 상기 덕트가 상기 저압 방출 포트와 정렬되도록 움직이는 동안에 상기 덕트 안의 유체 상의 고압을 유지하기 위한 고압 밀봉 표면; 및
    회전자와 결합되도록 구성된 단부 커버의 외측 표면상에 배치된 제1 홈으로서, 상기 제1 홈은 상기 고압 밀봉 표면과 상기 저압 방출 포트 사이의 전이부(transition)를 형성하고, 상기 제1 홈은 상기 회전자가 상기 덕트를 상기 제1 홈에 걸쳐 상기 저압 방출 포트와 정렬되도록 움직임에 따라 상기 덕트 안의 유체로부터 압력을 빼내도록(bleed off) 구성되고, 상기 단부 커버의 외측 표면은 단부 커버와 회전자 사이의 계면(interface)에 있으며, 상기 제 1 홈은 상기 회전자에 회전력을 부여하도록 구성된 임펠러 표면을 형성하는, 제1 홈;을 포함하는, 에너지 회수 장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 에너지 회수 장치는:
    상기 고압 투입 포트에 인접한 저압 밀봉 표면으로서, 상기 덕트가 상기 고압 투입 포트와 정렬되도록 움직이는 동안에 상기 덕트 안의 유체 상의 저압을 유지하기 위한 저압 밀봉 표면; 및
    단부 커버의 외측 표면상에 배치되어 상기 저압 밀봉 표면과 상기 고압 투입 포트 사이의 전이부(transition)를 형성하는 제2 홈으로서, 상기 회전자가 상기 덕트를 상기 제2 홈에 걸쳐 상기 고압 투입 포트와 정렬되도록 움직임에 따라 상기 고압 투입 포트로부터 상기 덕트 안으로 고압 유체를 빼내도록 구성되는 제2 홈;을 더 포함하는, 에너지 회수 장치.
  12. 제10항에 있어서, 상기 회전자를 둘러싸는 셸(shell)로서, 회전 동안에 상기 회전자를 상기 셸 안에서 매달기 위하여 상기 셸과 상기 회전자 사이의 공간 내로 고압 유체를 받아들이기 위한 통공을 포함하는 셸을 더 포함하는, 에너지 회수 장치.
  13. 제10항에 있어서, 상기 저압 방출 포트 안에 배치되고 상기 회전자에 회전을 전하도록 구성되는 임펠러(impeller)를 더 포함하는, 에너지 회수 장치.
  14. 제10항에 있어서, 상기 제1 홈은, 상기 회전자에 회전력을 전하도록 구성되는 임펠러 표면을 형성하는, 에너지 회수 장치.
  15. 삭제
  16. 압력 회수 장치로서, 상기 압력 회수 장치는:
    급수 단부 커버;
    상기 급수 단부 커버 안에 배치되는 저압 급수 포트;
    농축물 단부 커버;
    상기 농축물 단부 커버 안에 배치되는 고압 농축물 포트;
    상기 저압 급수 포트로부터 저압 급수를 그리고 상기 고압 농축물 포트로부터 고압 농축물을 수용하도록 구성되는 덕트;
    상기 덕트를 상기 저압 급수 포트와 정렬되게끔 위치시키고 상기 덕트를 상기 고압 농축물 포트와 정렬되게끔 위치시키도록 구성되는 회전자;
    상기 급수 단부 커버의 제1 면(face) 안에 있고 상기 저압 급수 포트에 인접한 고압 밀봉 표면으로서, 농축물 상의 고압을 유지하기 위하여 구성되는 고압 밀봉 표면; 및
    상기 급수 단부 커버의 제1 면상에 배치되고 상기 고압 밀봉 표면과 상기 저압 급수 포트 사이에 전이부를 형성하는 제1 홈으로서, 상기 제1 홈은 상기 덕트로부터 가압된 농축물을 방출하도록 구성되고, 상기 제1 면은 상기 급수 단부 커버와 상기 회전자 사이의 계면(interface)에 있고, 상기 제 1 홈은 상기 회전자에 회전력을 부여하도록 구성된 임펠러 표면을 형성하는, 제1 홈;을 포함하는, 압력 회수 장치.
  17. 제16항에 있어서, 상기 압력 회수 장치는:
    상기 농축물 단부 커버의 제2 면에 있고 상기 고압 농축물 포트에 인접한 저압 밀봉 표면으로서, 급수 상의 저압을 유지하기 위한 저압 밀봉 표면; 및
    농출물 단부 커버의 제2 면에서 상기 저압 밀봉 표면과 상기 고압 농축물 포트 사이에 배치된 제2 홈으로서, 상기 덕트 안의 급수 상의 압력을 증가시키기 위하여 상기 고압 농축물 포트로부터 상기 덕트 안으로 농축물을 받아들이도록 구성되는 제2 홈;을 더 포함하는, 압력 회수 장치.
  18. 제16항에 있어서, 상기 압력 회수 장치는:
    상기 급수 단부 커버 안에 배치된 고압 급수 방출 포트로서, 상기 덕트로부터 고압 급수를 방출하도록 구성되는 고압 급수 방출 포트;
    상기 급수 단부 커버 안에 있고 상기 고압 급수 방출 포트에 인접한 저압 급수 밀봉 표면으로서, 급수 상의 저압을 유지하기 위한 저압 급수 밀봉 표면; 및
    상기 급수 단부 커버의 제1 면에서 상기 저압 급수 밀봉 표면과 상기 고압 급수 방출 포트 사이에 배치된 제3 홈으로서, 상기 덕트 안의 급수 상의 압력을 증가시키기 위하여 상기 고압 급수 방출 포트로부터 급수를 받아들이도록 구성되는 제3 홈;을 더 포함하는, 압력 회수 장치.
  19. 제16항에 있어서, 상기 압력 회수 장치는:
    상기 농축물 단부 커버의 제2 면에 배치된 저압 농축물 방출 포트로서, 상기 덕트로부터 농축물을 방출하도록 구성되는 저압 농축물 방출 포트;
    상기 농축물 단부 커버 안에 있고 상기 저압 농축물 방출 포트에 인접한 고압 농축물 밀봉 표면으로서, 농축물 상의 고압을 유지하기 위한 고압 농축물 밀봉 표면; 및
    상기 농축물 단부 커버의 제2 면에 배치되어 상기 고압 농축물 밀봉 표면 내에서 시작되고 상기 저압 농축물 방출 포트 내에서 끝나는 제4 홈으로서, 상기 덕트 안의 농축물 상의 압력을 감소시키기 위하여 농축물을 상기 저압 농축물 방출 포트로 방출시키도록 구성되는 제4 홈;을 더 포함하는, 압력 회수 장치.
  20. 에너지 회수 장치를 위한 단부 커버로서, 상기 에너지 회수 장치는 유체를 담은 덕트를 회전시키도록 구성되는 회전자를 포함하고, 상기 단부 커버는:
    저압 포트;
    단부 커버의 단부 면상에서 배치되고 상기 저압 포트에 인접한 고압 밀봉 표면으로서, 상기 덕트의 회전 동안에 상기 덕트 안의 유체 상의 고압을 유지하도록 구성되는 고압 밀봉 표면; 및
    단부 커버의 단부 면상에 배치되고 상기 고압 밀봉 표면과 상기 저압 포트 사이의 전이부를 형성하는 홈으로서, 일정한 속도(constant rate)로 상기 덕트 안의 유체 상의 압력을 감소시키기 위하여 구성되고, 상기 회전자에 회전력을 부여하도록 구성된 임펠러 표면을 형성하는, 홈;을 포함하는, 단부 커버.
  21. 제20항에 있어서, 상기 홈은, 일정한 속도로 상기 덕트 안의 유체 상의 압력을 감소시키기 위하여 유효 유압 직경(effective hydraulic diameter)의 변화를 이용하는, 단부 커버.
  22. 제21항에 있어서, 상기 홈은, 상기 홈의 유효 유압 직경을 변화시키도록 상기 저압 포트를 향하여 하방으로 경사지는, 단부 커버.
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